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【発明の名称】 |
高周波発振回路 |
| 【発明者】 |
【氏名】黒澤 茂 |
【課題】センサーとしての水晶振動子の固有振動数が高くなっても、また内部インピーダンスがある程度大きくなっても、それに容易に対応して安定な高周波発振を持続することができ、しかも簡便で安価に作製し得る高周波発振回路を提供する。
【解決手段】高周波トランジスタを用いたアナログ回路を作り、その中に高周波数の水晶振動子を組み込んだ高周波発振回路。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波数の固有振動数を有する水晶振動子と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む、高周波発振回路。
【請求項２】
前記増幅回路は、発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるように、共振周波数を調整可能の共振回路を備える、請求項１に記載の高周波発振回路。
【請求項３】
前記帰還回路は正帰還量を調整可能である、請求項１に記載の高周波発振回路。
【請求項４】
前記増幅回路は、発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるように、共振周波数を調整可能の共振回路を備え、前記帰還回路は正帰還量を調整可能である、請求項１に記載の高周波発振回路。
【請求項５】
前記増幅回路は、さらに、第１及び第２の高周波トランジスタを備え、
前記共振回路は、第１のインダクタンスと第１のコンデンサとを含み、共振周波数を調整可能の並列共振回路に構成されており、
前記第１の高周波トランジスタは、ベースが第２のコンデンサを介して前記水晶振動子に接続され、かつコレクタが、第１の抵抗器及び第２のコンデンサを介して前記第２の高周波トランジスタのベースに接続されていると共に、前記並列共振回路を介して前記電源用主端子に接続されて、ベース接地型増幅器に構成されており、
前記第２の高周波トランジスタは、そのコレクタが、出力端子に接続されていると共に、第２のインダクタンスを介して前記電源用主端子に接続されて、出力増幅器に構成されており、
前記帰還回路は、前記第１及び第２の高周波トランジスタのエミッタ同士を接続していると共に、両エミッタを第２の抵抗器を介して前記電源用副端子に接続している、請求項２に記載の高周波発振回路。
【請求項６】
前記増幅回路は、さらに、第１及び第２の高周波トランジスタを備え、
前記共振回路は、第１のインダクタンスと第１のコンデンサと第１の抵抗器とを含む、共振周波数を調整可能の並列共振回路に構成されており、
前記第１の高周波トランジスタは、ベースが第２のコンデンサを介して前記水晶振動子に接続され、かつコレクタが、第２の抵抗器及び第２のコンデンサを介して前記第２の高周波トランジスタのベースに接続されていると共に、前記並列共振回路を介して前記電源用主端子に接続されて、ベース接地型増幅器に構成されており、
前記第２の高周波トランジスタは、コレクタが、出力端子に接続されていると共に、第２のインダクタンスを介して前記電源用主端子に接続されて、出力増幅器に構成されており、
前記帰還回路は、前記第１及び第２の高周波トランジスタのエミッタを、相互に接続していると共に、第３の高周波トランジスタのコレクタに接続して、当該帰還回路の利得及び位相を調整することを可能とされている、請求項４に記載の高周波発振回路。
【請求項７】
前記増幅回路は、さらに、第１及び第２の高周波トランジスタと、当該発振回路の発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるべく共振周波数を調整可能の共振回路とを備え、
前記第１の高周波トランジスタのベースは前記水晶振動子に接続され、前記第１の高周波トランジスタのコレクタは、前記第２の高周波トランジスタのベースに接続されていると共に、前記共振回路を介して前記電源用主端子に接続されており、
前記第２の高周波トランジスタのコレクタは、前記共振回路を介して前記電源用主端子に接続されていると共に、出力端子に接続されており、
前記帰還回路は前記第１及び第２の高周波トランジスタのエミッタ同士を接続している、請求項１に記載の高周波発振回路。
【請求項８】
前記増幅回路は、第１及び第２の高周波トランジスタと、当該発振回路の発振周波数を前記水晶振動子の固有振動数に合わせるべく共振周波数を調整可能の共振回路とを備え、
前記第１の高周波トランジスタのベースは前記水晶振動子に接続され、前記第１の高周波トランジスタのコレクタは、前記第２の高周波トランジスタのベースに接続されていると共に、前記共振回路を介して前記電源用主端子に接続されており、
前記第２の高周波トランジスタのコレクタは、出力端子に接続されていると共に、前記電源用主端子に接続されており、
前記帰還回路は、前記第１及び第２の高周波トランジスタのエミッタを、相互に接続していると共に、第３の高周波トランジスタのコレクタに接続して、当該帰還回路の利得及び位相を調整可能とされている、請求項１に記載の高周波発振回路。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波発振回路に関し、特に、重さセンサー、化学センサー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計等、主として気体状物質の測定に用いられている各種測定器の測定感度を高めるために有用な高周波発振回路に関する。
【０００２】
本発明において、電源用の「主端子」及び「副端子」とは、それぞれ、電源の主となる端子及び従（副）となる端子のことであり、例えば、ＮＰＮトランジスタを用いる回路においては「正側端子」及び「負側端子」のことであり、ＰＮＰトランジスタを用いる回路においては「負側端子」及び「正側端子」のことである。
【０００３】
また、本願発明において、「アース接地」とは、電源用副端子に接続されることをいい、実際のアースに接続されることに限定されるものではない。それゆえに、「アース電位」とは、電源用副端子の電位のことであり、実際のアース電位を必ずしも意味しない。
【０００４】
【従来の技術】
近年、水晶振動子を、重さセンサー、化学センサー、バイオセンサー、粘度センサー、膜厚計等として用いる各種測定器が多数開発されているが、検出物質の多様化、検出物質の精密な定量化等の要請に対応して、高精度で高感度測定機器の開発が急務とされつつある。
【０００５】
ところで、周知のように、水晶振動子に用いる水晶のウエハは、その両面に薄膜電極を取り付け、電圧を加えると歪みを生じ（圧電効果）、電圧を除くと元に戻るという性質を有する。この性質の結果、水晶振動子は厚さで決まる固有の周波数で発振する。
【０００６】
このため、水晶のウエハは、これに物質が吸着すると、厚さが変わり、発振周波数が変化する。この発振周波数変化Δｆは、厚さの変化と比例関係にあるが、厚さの変化を質量変化Δｍに置き換えると、サーブレの式と呼ばれる次式が導かれる。
【０００７】
【数１】
【０００８】
ここで、ｆ０は基本周波数、ρｑとμｑは水晶の密度と弾性率で、Ａは圧電応答している部分の面積である。
【０００９】
この式から、感度Δｆは基本周波数ｆ０の２乗に比例するから、ｆ０の大きな水晶振動子の使用が望ましいことが判る。しかし、あまりｆ０が大きくなると、薄くなり、壊れやすいので、通常の雰囲気下では５〜１０ＭＨｚの水晶振動子が一般的用いられており、また溶液中の場合においても最大周波数が３０ＭＨｚの水晶振動子が使用されているにすぎず、汎用水晶振動子の検出限界を超える質量の測定には至っていない（「最新の分離・精製・検出法」ｐ４４１、エヌ・ティー・エス出版、１９９７年５月２６日発行）。
【００１０】
一方、このような状況に対して、水晶振動子を重さ等のセンサーとしてではなく、発振回路の周波数制御を用途とする高周波発振回路も種々提案されている。
【００１１】
しかし、これらの発振回路は、トランジスタ、カップリングトランス、インダクタンス等多数の部品を使用する、複雑で、調整困難なアナログ回路が多く、各種センサーの計測器として使用するには相応せず、高価であった。
【００１２】
また、低周波発振回路として、その一部に論理素子を用いたものも知られている（特開平３−１６５２３６号、特公平５−３７５６３号）。しかし、この発振回路は、振動子として低周波数のものしか使用していないため、高感度化の要請に対応することができず、また安定な高周波数の発振回路とすることが困難であった。
【００１３】
高周波数の発振回路も知られているが（特開２００１−２２１７３２）、その発振回路には安定度に若干難があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、主として気体状物質及び液体状物質のセンサーとしての水晶振動子の固有振動子が高くなっても、さらには溶液に浸されてインピーダンスが大きくなったときでも、それらに容易に対応して安定な高周波発振を長期間持続することができ、しかも製作が簡便で安価な高周波発振回路を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するため、鋭意検討した結果、簡単に手に入れることができる、トランジスタ、抵抗器、コンデンサ、インダクタンスを用いて、トランジスタの動作時間、インダクタンスとコンデンサの共振周波数、コンデンサと抵抗の時定数、トランジスタの電流制御等により、水晶振動子が気体及び溶液中でも安定な高周波発振の持続が可能な発振回路が得られることを知見し、本発明を完成するに至った。
【００１６】
本発明によれば、トランジスタを用いて簡単なアナログ回路を作り、その中に高周波数の水晶振動子を組み込んだことを特徴とする高周波発振回路が提供される。
【００１７】
本発明に係る高周波発振回路は、高周波数の固有振動数を有する水晶振動子と、電源用の主端子及び副端子に接続されかつ前記水晶振動子を介して前記電源用副端子に接続されたベース接地型増幅回路と、該増幅回路の出力の少なくとも一部を前記増幅回路に正帰還させる帰還回路とを含む。
【００１８】
本発明では、トランジスタを用いて簡単なアナログ回路を作製するが、トランジスタとしては従来公知のもので、簡単に入手できるものを利用すればよいが、高周波に対応するために高速のトランジスタを使用する。
【００１９】
また、高周波数の水晶振動子としては、例えば３０〜５００ＭＨｚ好ましくは１５０ＭＨｚ以上の周波数を有する水晶振動子が用いられる。
【００２０】
本発明におけるアナログ回路は、トランジスタ、インダクタンス、コンデンサ、抵抗、及び高周波の固有振動数を有する水晶振動子を用い、トランジスタの動作時間、インダクタンスとコンデンサの共振周波数、コンデンサと抵抗の時定数を調製することにより作製することができる。
【００２１】
具体的なアナログ回路としては、安定な高発振周波数の持続発振性等からみて、その回路に組み込んだ水晶振動子の高周波の固有振動数にみあう共振周波数の得られる、インダクタンス、コンデンサ及び高速のトランジスタを選定するような態様とすることが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
【００２３】
図１は、発振回路を作る場合の考え方を示すブロック図である。図１に示すように、発振回路は、一般に、増幅回路１０の外側に帰還回路１２を付加することによって構成される。
【００２４】
ここで、増幅回路１０の利得をα、帰還回路１２の利得をβとする。このとき、一巡する利得α×βが１より大きい場合、発振回路は発振を続ける。
【００２５】
【実施例】
実施例１
図２は、２８６ＭＨｚの固有振動数を有する水晶振動子ＱＣＭを用いたアナログ発振回路の一実施例を示す。図３は、同発振回路の出力をオシロスコープで測定した発振波形を示す。
【００２６】
図２において、発振回路は、抵抗器Ｒ１〜Ｒ６と、コンデンサＣ１〜Ｃ３と、可変コンデンサＶＣと、インダクタンスＬ１〜Ｌ２と、ＮＰＮ型の高周波トランジスタＴ１〜Ｔ２と、２８６ＭＨｚの固有振動数を有する水晶振動子ＱＣＭとを含む。
【００２７】
高周波トランジスタＴ１及びＴ２は、増幅回路の主要部を構成している。トランジスタＴ１は、そのベースが電源用の副端子（図示の例では、アース側端子）Ｅに接続された水晶振動子ＱＣＭにコンデンサＣ１を介して接続されて接地され、そのコレクタがインダクタンスＬ１及び可変コンデンサＶＣを並列にした並列共振回路を介して電源用主端子（図示の例では、正側端子）ＤＣに接続され、それによりベース接地型増幅器を構成している。
【００２８】
このベース接地型増幅器は、水晶振動子ＱＣＭの直列共振周波数（固有振動数）付近で利得が高くなる。一般に、水晶振動子ＱＣＭは、基本周波数をはじめ何次元もの共振周波数を有している。そのため、インダクタンスＬ１及び可変コンデンサＶＣにより定まる共振周波数が希望の周波数に選択され、ベース接地型増幅器の利得が最も大きくされる。
【００２９】
高周波トランジスタＴ１のコレクタの出力は、出力増幅器として作用する高周波トランジスタＴ２のベースに入力される。これにより、トランジスタＴ２のコレクタの出力からコンデンサＣ３により直流分を取り、負荷抵抗器Ｒ６により出力端子ＯＵＴに出力を取り出すことができる。
【００３０】
高周波トランジスタＴ２のコレクタは、インダクタンスＬ２を経由して電源用主端子ＤＣに接続されて、直流分を与えられる。高周波トランジスタＴ２のベースは、抵抗器Ｒ１を介して高周波トランジスタＴ１のベースに接続されていると共に、抵抗器Ｒ３を介して電源用主端子ＤＣに接続されており、さらに抵抗器Ｒ４を介して電源用副端子Ｅに接続されている。高周波トランジスタＴ２のエミッタは、抵抗器Ｒ５を介して電源用主端子ＤＣに接続されている。
【００３１】
以上が図１に関連して説明した「増幅回路」の部分であり、両高周波トランジスタＴ１とＴ２による総合利得が図１に関連して述べた「増幅回路」の利得αである。
【００３２】
図１に関して説明したように安定に発振を続けるために、図１における「帰還回路」が設けられる。そのため、高周波トランジスタＴ２のエミッタに得られる出力の一部が高周波トランジスタＴ１のエミッタに正帰還される。帰還量βの調整は、抵抗器Ｒ５の値を調整することにより行うことができる。抵抗器Ｒ１、Ｒ３、Ｒ４は、高周波トランジスタＴ１，Ｔ２を最適な動作点に至らしめるためのバイアスを定めるものである。
【００３３】
以上説明してきたことにより、可変コンデンサＶＣでインダクタンスＬ１との共振周波数を水晶振動子ＱＣＭの共振周波数２８６ＭＨｚに調整し、それにより安定的に２８６ＭＨｚの高周波発振を持続させることができる。
【００３４】
共振周波数を調整するには、インダクタンスＬ１及び可変コンデンサＶＣのいずれを変化させてもよいが、一般的には可変コンデンサＶＣでコンデンサの容量を変えたほうが便利である。
【００３５】
上記のように、高周波トランジスタのベースを水晶振動子ＱＣＭにより接地したベース接地型増幅回路を設けることは、水晶振動子ＱＣＭをセンサーとして使用する場合等に、固有振動数の変化を発振回路の発振周波数の変化として忠実に検出することができる、という効果を生じる。
【００３６】
また、図３に見られるように、発振回路から取り出される波形は、ほぼ正弦波を示し、通常の周波数カウンタで十分測定可能である。しかし、出力値が小さいならば、必要に応じてさらに増幅器を設けてもよい。
【００３７】
実施例２
図４は、１５５ＭＨｚの固有振動数を有する水晶振動子ＱＣＭを用いた、アナログ発振回路の一実施例を示す。図５は、同発振回路のオシロスコープで測定した発振波形を示す。
【００３８】
図４に示す発振回路は、抵抗器Ｒ１〜Ｒ１１と、可変抵抗器ＶＲと、コンデンサＣ１〜Ｃ４と、可変コンデンサＶＣ１，ＶＣ２と、インダクタンスＬ１，Ｌ２と、ＮＰＮ型の高周波トランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３とを含む。
【００３９】
高周波トランジスタＴ１及びＴ２は、増幅回路の主要部を構成している。高周波トランジスタＴ１は、そのベースをコンデンサＣ１を介して水晶振動子ＱＣＭにより電源用の副端子（図示の例では、正側端子）Ｅに接続して接地し、そのコレクタを、インダクタンスＬ１、可変コンデンサＶＣ１及び抵抗器Ｒ３を並列にした並列共振回路を介して、電源用の主端子（図示の例では、正側端子）ＤＣに接続したベース接地型増幅器を構成している。
【００４０】
このベース接地型増幅器も、水晶振動子ＱＣＭの直列共振周波数（固有振動数）付近で利得が高くなる。また、水晶振動子ＱＣＭは、基本周波数をはじめ何次元もの共振周波数を持っている。そのため、インダクタンスＬ１、可変コンデンサＶＣ１により定まる共振周波数が希望の周波数に選択され、このベース接地型増幅器の利得が最も大きくされる。
【００４１】
高周波トランジスタＴ１のコレクタの出力は、出力増幅器として作用する高周波トランジスタＴ２のベースに入力される。これにより、高周波トランジスタＴ２のコレクタからコンデンサＣ４により直流分をとり、負荷抵抗Ｒ１１により出力端子ＯＵＴに出力を取り出すことができる。高周波トランジスタＴ２のコレクタは、インダクタンスＬ２を経由して電源用主端子ＤＣに接続されて、直流分を与えられている。
【００４２】
以上が図１に関連して説明した「増幅回路」の部分であり、高周波トランジスタＴ１及びＴ２による総合利得がαである。
【００４３】
図１に関して説明したように安定に発振を続けるために、図１における「帰還回路」を設けられる。そのために、高周波トランジスタＴ２のエミッタに得られる出力の一部が高周波トランジスタＴ１のエミッタに正帰還される。帰還量βの調整は、可変抵抗器ＶＲにより高周波トランジスタＴ３を流す電流で行う。
【００４４】
図４の発振回路においては、さらに、帰還時の位相調整のために可変コデンサＶＣ２が備えられている。
【００４５】
これにより、図４に示す発振回路は、水晶振動子ＱＣＭが溶液に浸した場合等で増幅利得αが低下したときでも、十分な帰還量（β）が取れるため安定な発振を続けることができる。抵抗器Ｒ１、Ｒ４，Ｒ６、Ｒ８は、高周波トランジスタＴ１，Ｔ２を最適な動作点に持ってゆくためのバイアスを定めるものである。
【００４６】
以上説明してきたことにより、可変コンデンサＶＣ１でＬ１との共振周波数を水晶振動子ＱＣＭの共振周波数１５５ＭＨｚに調整し、それにより１５５ＭＨｚの高周波発振を水晶振動子ＱＣＭが溶液に浸した場合でも安定的に持続させることができる。
【００４７】
図４の発振回路においても、共振周波数を調整するには、Ｌ１とＶＣ１どちらを変化させてもよいが、一般的には可変コンデンサＶＣ１でコンデンサの容量を変えたほうが便利である。
【００４８】
上記のように、ベースを水晶振動子ＱＣＭにより接地したベース接地の増幅回路を設けることは、水晶振動子ＱＣＭをセンサーとして使用する場合等には、固有振動数の変化を回路の発振周波数の変化として忠実に検出することができることが特徴である。
【００４９】
また、図５にみられるように、発振回路から取り出される波形は、ほぼ正弦波を示し、通常の周波数カウンタで十分測定可能である。しかし、出力値が小さいならば、必要に応じてさらに増幅器を設けてもよい。
【００５０】
上記実施例は、高周波トランジスタＴ１，Ｔ２として、ＮＰＮ型トランジスタを用いているが、ＰＮＰ型トランジスタを用いてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明の高周波数トランジスタを使った高周波発振回路は、安価な部品を使い、比較的簡単な回路でありながら、高い固有振動数を持った水晶振動子により高安定な発振を続ける。
【００５２】
従って、本発明の高周波発振回路によれば、センサーとしての水晶振動子の固有振動数の微妙な変化を、気体中でも溶液中でも水晶振動子のインピーダンスが高くなっても、精度良く計測することが可能となる。
【００５３】
そのような高感度発振回路を用いれば、超高感度の重さセンサーや粘度センサー等の測定に好適な精密高感度測定器具を簡単に作製することができる。
【００５４】
本発明は、上記実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、種々変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発振回路の考え方を示すブロック図。
【図２】高周波トランジスタ、２８６ＭＨｚの水晶振動子を用いて、ＤＣ５Ｖ電源で駆動する高周波発振回路図。
【図３】図２に示す高周波発振回路の発振波形図。
【図４】高周波トランジスタ、１５５ＭＨｚの水晶振動子を用いて、ＤＣ５５Ｖ電源で駆動する高周波発振回路図。
【図５】図４に示す高周波発振回路の発振波形図。
【符号の説明】
Ｔ１．Ｔ２ 高周波トランス
ＱＣＭ 水晶振動子
Ｒ 抵抗器
Ｌ インダクタンス
Ｃ コンデンサ
ＶＣ 可変コンデンサ
ＤＣ 電源用の主端子
Ｅ 電源用の副端子
ＯＵＴ 出力端子
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| 【出願人】 |
【識別番号】３０１０２１５３３
【氏名又は名称】独立行政法人産業技術総合研究所
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| 【出願日】 |
平成１４年６月６日（２００２．６．６） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２００４−１５３８９（Ｐ２００４−１５３８９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１６年１月１５日（２００４．１．１５） |
| 【出願番号】 |
特願２００２−１６５５５８（Ｐ２００２−１６５５５８） |
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