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PIEZOELECTRIC VIBRATION CIRCUIT meetings

Patent code P130009393
File No. P10-026p
Posted date Jun 18, 2013
Application number P2011-199017
Publication number P2012-085280A
Patent number P5861221
Date of filing Sep 13, 2011
Date of publication of application Apr 26, 2012
Date of registration Jan 8, 2016
Priority data
  • P2010-205580 (Sep 14, 2010) JP
Inventor
  • (In Japanese)佐藤富雄
  • (In Japanese)秋津哲也
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人山梨大学
Title PIEZOELECTRIC VIBRATION CIRCUIT meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric oscillation circuit capable of obtaining a large negative resistance by using an inverter and further obtaining a wide oscillation frequency variable width, and to logically prove that the large negative resistance can be obtained.
SOLUTION: A piezoelectric vibration circuit has a circuit in which a capacitor and a piezoelectric vibrator are connected in parallel between an input and an output of an inverter, and a circuit in which a first coil and a second coil are connected in series. A path capacitor is provided between a connection point between the first coil and the second coil and a ground point. A node between the connection point and the ground point is short-circuited to an alternate current. A capacitor is inserted between a power supply and the ground and short-circuited to the alternate current. A voltage is applied to a node between a power supply terminal of the inverter and a ground terminal. The piezoelectric vibration circuit is configured as an oscillation circuit.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

近年、圧電振動子である水晶振動子を用いた微量天秤と呼ばれる水晶振動子微量天秤(Quartz Crystal Microbalance: QCM)が注目を集めている。このQCMは、水晶振動子の電極に物質が付着して生ずる表面の質量を、水晶振動子など周波数変換素子の共振周波数変化として検出するものである。QCMはナノグラム以下の質量検出が可能である所から、バイオセンサーや化学センサーなどとして医学や生化学、食品や環境測定などの広い分野において微量物質の検出に応用されている。例えば、水晶振動子を液相用質量測定装置として、水晶振動子を液体中に浸して使用する場合がある。このとき、空気中と液体中とでは、振動子の実効的な等価回路定数(クリスタルインピダンス、以下「CI値」と表記)が大幅に増加し、液体中におけるCI値が空気中よりも約10から30倍も大きくなるため、液体中では水晶振動子を発振させることが困難であった。

従来技術としてCMOSインバーターによるコルピッツ型発振回路を提示する。さらに、下記特許文献を提示する。特許文献1ならびに特許文献2では、インバーターの入出力間にバイアス設定用抵抗R2あるいは R4を挿入している。またインバーターの入出力を接地から直流電位の分離を得るため、C2、 C3、 Cp1、 Cp2のパスコンデンサを挿入している。これに対して本発明では抵抗を使用する必要が無い、さらにパスコンデンサに相当するコンデンサは一つである。微調整の必要のあるコンデンサと抵抗の本数を減少させたことにより回路が簡素化される。

図1にコルピッツ型と呼ばれる従来型の圧電発振回路の回路図を示す。また、図2に同等価発振回路-1を示す。キルヒホッフの法則を適用し式(数1)を得る。

【数1】
(省略)

同じく式(数2)の特性回路方程式を得る。

【数2】
(省略)

式(数3)のように各インピダンスの設定を行い、式(数2)に代入して、図3に同等価発振回路―3に示す等価回路抵抗RC及び、等価回路キャパシタンスCCを得る。結果を式(数4)に示す。

【数3】
(省略)

【数4】
(省略)

コルピッツ回路においてモーションアームからの回路側の合成等価回路抵抗RPCCi、合成等価キャパシタンスCPCCiを求め、式(数6)を得る。

【数5】
(省略)

【数6】
(省略)

キャパシターCの値をパラメータとして合成等価抵抗RPCCiと合成等価キャパシタンスを計算すると、Cを大きくすることで、CPCCiは大きくなるのであるが、RPCCiは小さくなる。即ち、発振可能領域が外部から加わる浮遊容量等によるキャパシタンスの増加によって制約される。10 MHzでRPCCiは-1 kΩ以下である。図4に定常発振時の発振回路の近似等価回路―3、図5に近似等価回路―4を示す。以下では、回路側に含めて合成された等価抵抗RCCi、等価キャパシタンスCCCi、等価インダクタンスLCCi、コルピッツ回路の回路側に含めて合成した等価抵抗RpCCi、等価キャパシタンスCpCCiの導出過程を示し、図10において本発明による発振回路のインピダンスと比較している。コルピッツ型発振回路は低周波領域において大きな負性抵抗を示す。0.6 MHzにおいて、負性抵抗の最大値RpCCimaxは近似的に-27kΩに等しい。周波数に対する依存性は3から15 pFまでの個々の等価キャパシタンスCPCCiに対して大きく依存しない。

Field of industrial application (In Japanese)

高速データ通信等の基地局装置、周波数測定器等の周波数の基準に使用される圧電発振器および圧電効果を利用してなるセンサー向け圧電発振器に適応する。本発明は、物理計測及び化学計測用の圧電振動用の発振回路に係り、さらに詳しくは、粘度センサー、流速センサー、圧力センサー、温度センサー、振動センサー、浮遊微粒子センサー、揮発性有機化学物質ガス等の気体に対する化学センサー、免疫センサー等として特に流体中に浸漬されて用いられる圧電振動子センサーを発振させるのに好適な圧電振動回路に関するものである。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
インバーターの入出力間にコンデンサーと圧電振動子を並列接続した回路と、
第1のコイル、第2のコイルを直列接続した回路を備え、
前記第1のコイル、前記第2のコイルの接続点と回路の接地点間にパスコンデンサーを備え、前記接続点と前記接地点間を交流に対して短絡させ、さらに電源と接地間にはコンデンサーを挿入し、交流に対して短絡させ、前記インバーターの電源端子と接地端子間に電圧を印加し、発振回路として構成することを特徴とした圧電振動回路。

【請求項2】
 
前記インバーターの入出力間のコンデンサーは、同調キャパシターまたは電圧制御可変容量ダイオードであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路

【請求項3】
 
前記インバーターを構成する半導体は、FET、またはバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路

【請求項4】
 
前記圧電振動子は、水晶の結晶体、またはセラミックの焼結体であることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動回路
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2011199017thum.jpg
State of application right Registered
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