JP7493922B2 - 発振器、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、発振器、撮像装置に関する。

３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの任意の周波数帯の電磁波（電波）であるテラヘルツ波を発生させる小型の発振器として、特許文献１に記載されているような、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）などの負性抵抗素子を含んだ構成の発振回路がある。この構成において、図１４（Ａ）が示すように、発振回路１００は、負性抵抗素子１０１とコンデンサ１０２とインダクタ１０３を有する。ここで、発振回路１００に対して、負性抵抗素子１０１が負性抵抗の特性を有する電圧値を印加するように電圧バイアス回路２００が接続されている。

特開２０１１－６１２７６号公報

発振器をテラヘルツカメラの照明として用いる場合などには、広い領域に対してテラヘルツ波を均一に照射するために、複数の発振回路（共振器）がアレイ状に並べられる。そのため、複数の発振回路を同一の電圧バイアス回路によって駆動する構成が取られる。しかし、特許文献１に記載の技術を用いて、１つの電圧バイアス回路により複数の発振回路に電圧を印加する構成にすると、発振回路（共振器）同士による適切でない発振によって所望の周波数ではない電磁波が生じえる。

そこで、本発明は、電圧バイアス回路によって複数の共振器に電圧を印加する発振器において、適切な発振を可能にすることを目的とする。

本発明の１つの態様は、
それぞれ負性抵抗素子を有する複数の共振器と、
前記複数の共振器に対して電圧を印加する電圧バイアス回路と、
前記電圧バイアス回路に対して、前記複数の共振器のうちいずれかの共振器と並列に配置されたシャント素子と、
を有し、
前記複数の共振器は、それぞれ別のインダクタを介して並列に前記電圧バイアス回路に接続されており、
所定の周波数以上において、前記インダクタのインピーダンスは、前記複数の共振器のうち前記インダクタに対応する共振器のインピーダンスの絶対値より大きく、
前記シャント素子では、抵抗素子と容量素子とが直列に接続されている、
ことを特徴とする発振器である。
本発明の１つの態様は、
それぞれ負性抵抗素子を有する複数の共振器と、
前記複数の共振器に対して電圧を印加する電圧バイアス回路と、
を有し、
前記複数の共振器は、それぞれ別のインダクタを介して並列に前記電圧バイアス回路に接続されており、
所定の周波数以上において、前記インダクタのインピーダンスは、前記複数の共振器のうち前記インダクタに対応する共振器のインピーダンスの絶対値より大きく、
前記複数の共振器のそれぞれに対して、複数のシャント素子が並列に接続されており、
前記複数のシャント素子の間は、前記インダクタを介して接続されている、
ことを特徴とする発振器である。

本発明によれば、電圧バイアス回路によって複数の共振器に電圧を印加する発振器において、適切な発振ができる。

実施形態１に係る発振器の回路図である。 実施形態１に係る負性抵抗素子の電圧－電流特性を示すグラフである。 比較例および実施形態１に係る発振器を説明する回路図である。 実施形態２に係る発振器を示す図である。 実施形態２に係る発振器を示す図である。 実施形態３に係る発振器を示す図である。 実施形態３に係るインダクタを説明する図である。 実施形態４に係る発振器の回路図である。 実施形態５に係る発振器の回路図である。 実施形態６に係る発振器を示す図である。 実施形態６に係る発振器を説明する図である。 実施形態７に係る発振器を説明する図である。 実施形態８に係る撮像装置を説明する図である。 従来の発振器を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形、変更が可能である。

＜実施形態１＞
まずは、実施形態１に係る発振器１について図１を用いて説明する。図１は、発振器１を説明する模式図（回路図）である。発振器１は、３つの発振回路１００、３つのインダクタ１２０、電圧バイアス回路２００、配線２１０、配線２１１～２１３、共通配線２２０を備える。３つの発振回路１００は、同一の構成であり、それぞれ発振回路１１１、発振回路１１２、発振回路１１３である。また、発振回路１１１～１１３のそれぞれは、インダクタ１２０に接続されている。発振回路１１１～１１３に接続されているインダクタ１２０は、それぞれインダクタ１２１～１２３である。配線２１０および共通配線２２０は、電圧バイアス回路２００に接続されている。発振回路１１１～１１３は、それぞれ配線２１１～２１３によって配線２１０に接続される。

本実施形態では、１つの電圧バイアス回路２００に複数の発振回路１００が接続されている。具体的には、発振回路１１１，１１２，１１３の３つの発振回路１００が並列に電圧バイアス回路２００に接続している。ただし、発振回路の数は、３つに限定されたものではなく、電圧バイアス回路２００が駆動可能な発振回路の数であれば幾つでもよい。また、電圧バイアス回路２００と複数の発振回路１１１～１１３との１組によって発振器１を構成について説明するが、本実施形態はこれに限るものではない。電圧バイアス回路２００と複数の発振回路を１組として、このような組を複数有する発振器であっても、本実施形態は適用可能である。

［発振回路について］
以下では、発振回路１００について説明する。なお、上述のように、発振回路１１１、発振回路１１２、発振回路１１３は、それぞれ発振回路１００であり同一の構成である。発振回路１００は、負性抵抗素子１０１、容量１０２、インダクタ１０３によって構成される共振器（テラヘルツ発振回路）である。発振回路１００は、電圧バイアス回路２００によりオペレーション電圧Ｖｏｐが印加されることにより、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚの間において発振を行い、テラヘルツ波を発生させる。なお、以下では、発振回路の設計パラメータで主に決まる所望の周波数ｆｔでの発振を、「テラヘルツ発振」と呼ぶ。

負性抵抗素子１０１には、電圧制御型の負性抵抗を用いることができる。具体的には、負性抵抗素子１０１として、電流注入型の共鳴トンネルダイオード（Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＲＴＤ）を用いることにより、テラヘルツ周波数での発振が可能な発振回路１００を構成することができる。この共鳴トンネルダイオード（以下、ＲＴＤ）は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる量子井戸により構成される。

図２（Ａ）は、負性抵抗素子１０１の電流－電圧特性を説明する模式図である。横軸に負性抵抗素子１０１に印加される電圧Ｖｒを示し、縦軸に負性抵抗素子１０１に流れる電流Ｉｒを示している。負性抵抗素子１０１の両端子（アノード、カソード）間に印加した電圧と、流れる電流との電圧－電流特性において、電圧増加に対して電流値が増加する領域ＰＲと、電圧増加に対して電流値が減少する領域ＮＲに分けることができる。この電圧増加に対して電流値が減少する領域ＮＲが、負性抵抗の特性を有している領域である。以後、領域ＮＲを「負性抵抗領域」と呼び、領域ＰＲを「抵抗領域」と呼ぶ。負性抵抗領域ＮＲ中の電圧値（オペレーション電圧Ｖｏｐ）が負性抵抗素子１０１の両端子間に印加されることで、負性抵抗素子１０１と、容量１０２およびインダクタ１０３との間で所望のテラヘルツ周波数ｆｔで発振するように設計されている。オペレーション電圧Ｖｏｐが変化すると、発振する条件（周波数、出力の大きさ）などが変化するため、一定の電圧値が負性抵抗素子１０１に印加されることが求められる。なお、印加する電圧値は、発振の安定性を高めるために、負性抵抗領域ＮＲの電圧範囲の中心付近の値であることが望ましい。ただし、これに限らず、負性抵抗領域ＮＲ内であれば、それ以外の電圧を負性抵抗素子１０１に印加してもテラヘルツ発振は可能である。

また、オペレーション電圧Ｖｏｐを印加している際に、負性抵抗素子１０１に流れる電流値をＩｏｐとする。ここで、オペレーション電圧Ｖｏｐの具体的な値としては、負性抵抗素子１０１が有するパラメータによって変化するが、おおよそ０．５から１．５ボルト（Ｖ）の範囲であることが多い。一方、電流値Ｉｏｐの具体的な値としては、同じように負性抵抗素子が有するパラメータによって変化するが、おおよそ２０から１５０ミリアンペアー（ｍＡ）の範囲であることが多い。ただし、本実施形態は、上述したオペレーション電圧Ｖｏｐの電圧値範囲や、電流値Ｉｏｐの電流値範囲に限定されるものではなく、上述した範囲以外でも同様に用いることができる。

負性抵抗素子１０１の有する負性抵抗値Ｒｎｒについて、図２（Ａ）と同じ電圧－電流特性を示す図２（Ｂ）を用いて説明する。オペレーション電圧Ｖｏｐを印加した状態での、電圧－電流特性における傾き値（Ｖａ／Ｉａ）を、負性抵抗素子１０１の負性抵抗値Ｒｎｒとすることができる。負性抵抗値Ｒｎｒは、負性抵抗素子１０１のパラメータにより異なるが、一般的には１Ωから数十Ωの間にある。

上記のように、負性抵抗素子１０１にオペレーション電圧Ｖｏｐを印加するために、発振回路１００は電圧バイアス回路２００と接続されている。具体的には、電圧バイアス回路２００は電圧Ｖｂを出力して、配線を介して発振回路１００にオペレーション電圧Ｖｏｐを印加する。従って、電圧バイアス回路２００と発振回路１００との間に存在する配線などにおいて発生する電圧降下ＶΔを考慮して、発振回路１００にオペレーション電圧Ｖｏｐが印加されるように電圧Ｖｂは設定される（Ｖｂ＝Ｖｏｐ＋ＶΔ）。

また、図１が示すように、それぞれの発振回路１１１，１１２，１１３は、インダクタ１２１，１２２，１２３のいずれかを介して、電圧バイアス回路２００に接続されている。ここで、発振回路１１１では、一方の端子Ａが、配線２１１とインダクタ１２１と、配線２１０を介して、電圧バイアス回路２００に接続される。一方、発振回路１１１の端子Ａとは別の他方の端子Ｂは、共通配線２２０を介して、電圧バイアス回路２００に接続されている。発振回路１１２，１１３も同様に端子Ａ，Ｂが、電圧バイアス回路２００と接続されている。

［本実施形態との比較例について］
以下では、本実施形態に係る発振器１との比較例の発振器について説明し、比較例の発振器に生じる課題について説明する。また、以下では、発振回路１１１，１１２，１１３のインピーダンスを、それぞれＺｒ１，Ｚｒ２，Ｚｒ３とする。配線２１１，２１２，２
１３のインピーダンスを、それぞれＺｗ１，Ｚｗ２，Ｚｗ３とする。さらに、発振回路１１１，１１２，１１３に対応したインダクタ１２１，１２２，１２３のインピーダンスを、それぞれＺｌ１，Ｚｌ２，Ｚｌ３とする。

まず、比較例として、図３（Ａ）を用いて、インダクタ１２０（１２１）を含まない構成における発振回路１１１の発振について説明する。比較例では、発振回路１１１に対して、発振回路１１２と発振回路１１３と電圧バイアス回路２００とが並列に配置された回路３０１が接続されているように見える。インピーダンスＺｒ１に対して、回路３０１の合成インピーダンスＺ３０１の値が十分高ければ、発振回路１１１は回路３０１の影響を受けない。このため、発振回路１１１の素子（負性抵抗素子１０１、容量１０２、インダクタ１０３）だけで発振する周波数ｆｔが決まる。しかし、合成インピーダンスＺ３０１の値が、Ｚｒ１に近いまたはＺｒ１よりも低い値であれば、発振回路１１１が回路３０１と結合する。

ここで、発振回路１１１，１１２，１１３は、設計上は同じパラメータでも、実際の特性は厳密には微妙に異なる。例えば、各発振回路１００の発振周波数や位相は、それぞれ厳密には微妙に異なる。そのため、発振回路１００同士が結合してしまうと、周波数や位相の違いにより、所望のテラヘルツ周波数ｆｔで発振することができない。それどころか、結合によって、所望のテラヘルツ周波数ｆｔ以外の周波数で発振が起こる可能性が高い。この所望のテラヘルツ周波数ｆｔ以外の周波数での発振を「寄生発振」と呼ぶ。このような寄生発振が起こってしまうと、さらに、所望のテラヘルツ周波数ｆｔでの発振が得にくい。

比較例のように、１つの電圧バイアス回路２００に、複数の発振回路１００が接続された構成であると、複数の発振回路１００の間の結合が非常に発生しやすい。加えて、発振回路１１２と発振回路１１３自体は、発振回路１１１とほぼ同じインピーダンス（Ｚｒ１＝Ｚｒ２＝Ｚｒ３）である。このため、発振回路１１２と発振回路１１３の並列回路の合成インピーダンスは、発振回路１１１のインピーダンスＺｒ１の約半分のインピーダンス（Ｚｒ１／２）である。また、回路３０１における他の素子に対して電圧バイアス回路２００が並列に存在していても、回路３０１のインピーダンスＺ３０１を増加させないため、インピーダンスＺ３０１は、Ｚｒ１／２より高い値を取らない。そのため、比較例では、Ｚｒ１＞Ｚ３０１が成立するので、発振回路１１１と回路３０１との結合による寄生発振がきわめて起こりやすい。

一方、図３（Ｂ）に、１つの電圧バイアス回路２００に、単一の発振回路１１１を接続した構成を示す。図３（Ｂ）では、発振回路１１１に対して、電圧バイアス回路２００のみが配置された回路３００が接続されているように見える。回路３００の合成インピーダンスＺ３００は、電圧バイアス回路２００のインピーダンスにより決まるので、電圧バイアス回路２００のインピーダンスを最適な値に選択しておけば、結合を防止可能であるため寄生発振する可能性を低くできる。

以上のように、複数の発振回路１１１，１１２，１１３を同一の電圧バイアス回路２００に接続する構成では、発振回路１００と電圧バイアス回路２００を一対一で使用する構成に比べて寄生発振する可能性が高いという課題がある。

［本実施形態の発振器について］
次に、比較例における課題を解決するような、本実施形態に係る発振器１について図３（Ｃ）を用いて説明する。発振器１では、発振回路１１１，１１２，１１３が、それぞれ異なるインダクタ１２０（１２１，１２２，１２３）を介して、同一の電圧バイアス回路２００に接続されている。そして、発振回路１１１に対して、インダクタ１２１と回路３
１１が直列に並んだ回路３１０が接続されているように見える。回路３１１は、発振回路１１２およびインダクタ１２２が直列に接続された組と、発振回路１１３およびインダクタ１２３が直列に接続された組と、電圧バイアス回路２００とが並列に配置された構成である。

本実施形態では、インダクタ１２１，１２２，１２３のインピーダンスＺｌ１，Ｚｌ２，Ｚｌ３が、発振回路１１１，１１２，１１３の有するインピーダンスＺｒ１，Ｚｒ２，Ｚｒ３より大きい（Ｚｌ１＝Ｚｌ２＝Ｚｌ３＞Ｚｒ１＝Ｚｒ２＝Ｚｒ３）。ここで、回路３１０の合成インピーダンスをＺ３１０とし、回路３１１の合成インピーダンスをＺ３１１とする。回路３１０は、インダクタ１２１と回路３１１を直列に配置した構成なので、Ｚ３１０はＺｌ１とＺ３１０を合算した値である。本実施形態では、インダクタ１２１のＺｌ１は、発振回路１１１のＺｒ１より大きいので、発振回路１１１とインダクタ１２１との結合を防止して、寄生発振の発生確率を低減できる。さらに、回路３１１には、インダクタ１２２、１２３が並列に配置されているので、電圧バイアス回路２００のインピーダンスが最適なもの（十分高い値）に設定されていれば、Ｚ３１１は、Ｚｒ１とＺｌ１を加えた値の半分以上の値を得ることができる。つまり、Ｚ３１１は、Ｚｒ１より大きな値を取ることができるので、発振回路１１１と回路３１１との結合も防止できる。そのため、Ｚ３１０は、Ｚｒ１より十分大きな値（Ｚｒ１×２より大きな値）をとり得るため、複数の発振回路を接続した構成であっても、結合による寄生発振を十分に抑制できる。

また、本実施形態では、発振回路１１１，１１２，１１３と電圧バイアス回路２００の間にインダクタ１２１，１２２，１２３が配置されている。インダクタ１２０は、低い周波数ではインピーダンスが低いため、直流から低周波数付近において、電圧バイアス回路２００からの出力電圧Ｖｂがインダクタ１２０によって大きく降下することはない。ここで、発振回路１１１のインピーダンスＺｒ１は、１Ωから１０Ω程度が一般的なので、バイアス電圧Ｖｂとオペレーション電圧Ｖｏｐをほぼ一致させるために、Ｚｌ１は直流付近で数十ミリΩから数百ミリΩ以下の範囲であることが望ましい。なお、本実施形態はこの範囲に限らず、使用上問題ない範囲であれば、任意の値を用いることができる。また、インダクタ１２０での電圧降下を考慮して、バイアス電圧Ｖｂを設定してもよい。

一方、インダクタ１２０は、高い周波数ではインピーダンスの値が大きい。具体的には、インダクタ１２０は、周波数に比例してインピーダンスが増加する。そのため、寄生発振の可能性のある下限の周波数ｆｓから、テラヘルツ周波数領域までの周波数においては、インダクタ１２０のインピーダンスが十分大きいため、発振回路１００間の結合の防止が可能である。なお、図３（Ｃ）を用いて説明したインピーダンスの関係（Ｚｌ１＝Ｚｌ２＝Ｚｌ３＞Ｚｒ１＝Ｚｒ２＝Ｚｒ３）は、下限の周波数ｆｓ以上（所定の周波数以上）の領域で満たしておけばよく、直流やその付近の低周波数では満たす必要はない。ここで、寄生発振が起こる下限の周波数ｆｓは、発振回路１００のパラメータにより異なるが、典型的には、数十ＫＨｚから数十ＭＨｚの間である。従って、周波数ｆｓを１０ＫＨｚとすれば（１０ＫＨｚ以上の周波数においてＺｌ１＝Ｚｌ２＝Ｚｌ３＞Ｚｒ１＝Ｚｒ２＝Ｚｒ３が満たされれば）、十分に寄生発振の抑制が可能である。また、この周波数ｆｓは、発振回路１００以外にも、配線や電圧バイアス回路２００の寄生素子などからも影響を受けるので、実際に使用する際のパラメータに基づいて周波数ｆｓを算出してインダクタ１２０の値（インダクタンス）が設定されればよい。

このように、発振回路１００と電圧バイアス回路２００の間にインダクタ１２０を用いる構成によって、周波数ｆｓ以下において電圧の印加を容易にすることができ、周波数ｆｓ以上において寄生発振を防ぐ効果を両立することができる。

なお、本実施形態のインダクタ１２０（１２１，１２２，１２３）の値は、使用する発
振回路１００のパラメータやテラヘルツ波の発振周波数、配線の形態や電圧バイアス回路の構成などによって変化するので、その時々の最適な値を選択することで対応できる。使用するインダクタの値（インダクタンス）として、典型的な一例として記載すると、数百ナノヘンリーから、数マイクロヘンリーの範囲の値でありえる。インダクタの値は、この限りではなく、その他の値も本明細書に記載の条件を満たせば、同様に用いることができる。

また、本実施形態では、発振回路１１１，１１２，１１３の分離のために、端子Ａ側のみにインダクタ１２１，１２２，１２３を配置している。一方、端子Ｂ側の共通配線２２０にはインダクタ１２０を配置していない。発振回路の結合を防ぐためであれば、片方だけに配置することで効果を得られる。これにより、構成要素の増加を最小限に留めて、十分な効果を得ることができる。また、挿入するインダクタ１２０を片方側の端子側にすべて配置することで、配線や部品配置を容易に構成することができる。加えて、複数の発振回路により発振器や照明を構成する場合には、複数の発振回路を同一のチップ上に形成することによって発振器や照明の小型化が可能である。このチップ上では、発振回路の片方の端子は一般的な構成と同様に基板電位に接続されているので、チップ内の構成を一般的な構成から大きく変更することなく本実施形態を適用することができる。なお、必ずしも一方の端子にのみインダクタ１２０を配置する構成とする必要はなく、両方の端子にインダクタ１２０を配置する構成としてもよい。また、端子Ａ側ではなく、端子Ｂ側にインダクタ１２０を配置する構成であってもよい。

本実施形態によると、負性抵抗を有する複数の発振回路（共振器）を、同一の電圧バイアス回路が駆動する発振器において、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させることができる。

＜実施形態２＞
実施形態２に係る発振器２として、実施形態１に係る発振器１におけるインダクタ１２１，１２２，１２３の配置について説明する。図４（Ａ）～図５（Ｂ）を用いて、本実施形態に係る発振器２を説明する。発振器２は、図４（Ａ）が示すように、プリント回路基板５００（ＰＣＢ）、パッケージ５０１（ＰＫＧ）、チップ６００、電圧バイアス回路２００を備える。

チップ６００は、図４（Ｂ）が示すように、負性抵抗素子１０１を含む発振回路１００（１１１，１１２，１１３）を備えており、パッケージ５０１内に実装されている。また、チップ６００は、アンテナ６０２、配線６０３、電極６１０、ワイヤー６１１、ワイヤー６１２を備える。

図４（Ａ）が示すように、プリント回路基板５００上には、パッケージ５０１と電圧バイアス回路２００、パッケージ形態にされた表面実装型（ＳＭＤ）のインダクタ１２１，１２２，１２３が配置されている。電圧バイアス回路２００は、インダクタ１２１，１２２，１２３を介して、チップ６００上にある発振回路１１１，１１２，１１３と電気的に接続されている。これは、プリント回路基板５００とパッケージ５０１が有する配線（不図示）を介して接続されている。また、パッケージ５０１は、チップ６００を保持（サポート）する。

図４（Ｂ）が示すように、チップ６００の配線は、パッケージ５０１が有する配線と、ワイヤーボンディングによって電気的に接続されている。ワイヤーボンディングは、チップ６００上の電極６１０が、ワイヤー６１１またはワイヤー６１２を介して、パッケージ５０１上の電極６１０と電気的に接続されていることによって実現されている。

なお、チップ６００のチップサイズは、典型的には、数ミリメータ角から数十ミリメータ角である。また、図４（Ａ）では、１つのチップ６００上に複数の発振回路をすべて配置した構成を説明したが、この構成に限らず、複数の発振回路を複数のチップに分けた構成であってもよい。

図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）のＡ１－Ａ２断面を示した模式図である。図４（Ｃ）が示すように、チップ６００上には、絶縁膜６２０が配置されている。発振回路１００（１１１）は、チップ６００上に、絶縁膜６２０（チップ６００）の厚さ方向に配置されており、一方の端子はチップ６００の基板電位に接続されている。もう一方（他方）の端子は、発振回路１００（１１１）の上側に配置されたアンテナ６０２に接続されている。アンテナ６０２は、チップ６００上の配線６０３により、Ａ２側の電極６１０に接続されている。チップ６００の基準電位は、絶縁膜を貫通した配線６１３により、Ａ１側の電極６１０に接続されている。ここで、アンテナ６０２のサイズは、テラヘルツ波の発振周波数に応じて最適な大きさであればよく、例えば、数百マイクロメータ（μｍ）角から数百マイクロメータ（μｍ）角の大きさでありえる。また、アンテナ６０２は、正方形状のアンテナに限らず、テラヘルツ波を発振することができれば、どのようなアンテナ形状であってもよい。

また、本実施形態では、インダクタ１２１，１２２，１２３を、プリント回路基板５００における表面実装型部品（ＳＭＤ）として構成しているので、必要なパラメータを有した素子を任意に選択して用いることができる。そして、表面実装型部品としてインダクタ１２１，１２２，１２３を用いることによれば、実装面積を抑制することができ、集積度を高めることができる。本実施形態では、発振回路１００の数と同数のインダクタ１２０が必要なので、実装面積の抑制は重要である。

本実施形態によると、負性抵抗を有する複数の発振回路を、同一の電圧バイアス回路が駆動する場合でも、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させる発振器２を、簡素な構成で提供することができる。

なお、本実施形態では、プリント回路基板５００上にインダクタ１２１，１２２，１２３を配置した構成について説明したが、この構成には限らない。図５（Ａ）が示すように、パッケージ５０１上に、チップ６００と共に、インダクタ１２１，１２２，１２３を配置した構成とすることもできる。これにより、パッケージ５０１の外部に、各発振回路からの配線を引き出す必要がないため、パッケージ５０１のピン数の削減や、プリント回路基板５００上の配線の削減をすることができる。そのため、小型な発振器を実現することができる。

なお、本実施形態では、パッケージ５０１上にチップ６００を配置した構成について説明したが、この構成には限られない。図５（Ｂ）が示すように、プリント回路基板５００上にチップ６００を直接配置した構成であってもよい。これにより、パッケージ５０１を省くことができるので、より少ない構成によって発振器を構成することができる。

＜実施形態３＞
実施形態３に係る発振器３は、インダクタ１２１，１２２，１２３の配置が実施形態２に係る発振器２と異なる。以下では、図６（Ａ）～図７（Ｂ）を用いて発振器３を説明する。

発振器３では、インダクタ１２０（１２１，１２２，１２３）が、図６（Ａ）が示すように、発振回路１００（１１１，１１２，１１３）を備えたチップ６００上に配置されている。発振回路１００と電極６１０に、チップ６００における配線６０３と配線６０４を
介して、インダクタ１２０が接続されている。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＡ１－Ａ２の断面図を示す。図７（Ａ）は、インダクタ１２０の周辺の拡大図を示し、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＢ１－Ｂ２の断面図を示す。インダクタ１２０は、図７（Ａ）が示すように、金属配線６０５がループ状に巻いていることによって形成されている。金属配線６０５の片方の端子は、配線６０３に接続されている。金属配線６０５上には、絶縁膜６２１が形成されており、金属配線６０５の中央の端部は、絶縁膜６２１上の配線６０６に接続されている。さらに、金属配線６０５の中央の端部は、配線６０６を経由して配線６０４に接続されている。インダクタ１２０は、絶縁膜と金属の配線をループ上に形成した簡素な構成であるので、負性抵抗素子１０１などを形成したチップ６００上に容易に形成することができる。

本実施形態によると、パッケージ５０１にインダクタ１２０を配置した実施形態２とは異なり、発振回路１００を形成したチップ６００上にインダクタ１２０を配置しているため、発振器における面積の増加を抑制することができる。そのため、負性抵抗を有する複数の発振回路を同一の電圧バイアス回路が駆動する場合でも、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させる発振器を、小型な構成で提供することができる。

なお、本実施形態のインダクタは、上記で説明した構成に限定されるものではなく、チップ上に配置できる構成のインダクタであればよい。

＜実施形態４＞
実施形態４に係る発振器４は、実施形態１に係る発振器１の構成に加えて、寄生発振を防止するシャント素子を有する。図８（Ａ）、図８（Ｂ）の回路図を用いて、本実施形態に係る発振器４を説明する。

発振器４は、図８（Ａ）が示すようにシャント素子９００を備える。シャント素子９００は、負性抵抗素子１０１に対して直列に配置されており、発振回路１００と結合することにより、発振回路１００の外部の素子との結合を防ぐ。これにより、シャント素子９００は、発振回路１００の所望のテラヘルツ発振周波数ｆｔ以外の発振を抑制する。

一般的には、電圧バイアス回路２００と発振回路１００を接続する配線には、図１４（Ｂ）が示すように、寄生インダクタや寄生容量など（素子４００～４０４）が含まれる。そのため、発振回路１００が有する素子と電圧バイアス回路２００が有する寄生素子との間で、所望の周波数ｆｔと異なる周波数での発振回路が形成されて、寄生発振が発生する場合がある。

また、一般的に、電圧バイアス回路２００自体は、理想的な電圧源ではない。詳しくは、電圧バイアス回路２００は、図１４（Ｂ）が示すように、理想的な電圧源２０１、寄生インダクタや寄生抵抗、寄生容量など（素子４１１，４１２，４１３）を有している。そのため、寄生発振は、発振回路１００の素子と、電圧源２０１以外の電圧バイアス回路２００の寄生素子との間において発生する場合もある。

そこで、本実施形態では寄生発振を抑制するために、図８（Ａ）が示すように、電圧バイアス回路２００に対して、シャント素子９００と発振回路１００とが並列に配置される。ここで、シャント素子９００は、発振回路１００の負性抵抗素子１０１の抵抗値Ｒｒと略同一のインピーダンスを有している。これにより、発振回路１００とシャント素子９００は結合し、シャント素子９００にて損失を発生させることができる。シャント素子９００による損失によって、発振回路１００が外部の配線や電圧バイアス回路２００と結合することを防ぎ、寄生発振を抑制することができる。なお、シャント素子９００のインピー
ダンスの範囲は、具体的には抵抗値Ｒｒに対して、２倍以下の範囲が望ましく、さらに１．５倍以下の範囲であることがより好ましい。

さらに、シャント素子９００は、配置する位置を考慮する必要がある。具体的には、発振回路１００（１１１，１１２，１１３）と、シャント素子９００とを接続する配線の長さを、寄生発振を抑制しようとする最大の周波数（高周波側のカットオフ周波数）の波長λの１／４以下にする。これは、交流信号の波長が短いと、配線の位置が少し変わっただけで、位相が大きく変化してしまい、配線端での反射による等価容量や等価インダクタが発生するからである。特に、ギガヘルツからテラヘルツの周波数付近での寄生発振を抑制しようとする場合には、発振回路の近傍にシャント素子９００を配置する。発振回路１００からシャント素子９００までの距離が波長λの１／４以下であれば、配線端での反射の効果による等価容量や等価インダクタの発生を抑えることができ、寄生発振を抑制することができる。

また、本実施形態では、図８（Ｂ）が示すように、シャント素子９００として容量素子９０１を用いる。容量素子９０１は、周波数に比例して、インピーダンスを容易に下げることができる。そのため、容量素子９０１は、特定の周波数から高い領域まで、継続して低いインピーダンスを得ることができる。例えば、容量素子９０１は、数メガヘルツから数テラヘルツの広い範囲で低いインピーダンスを得て、その周波数範囲において寄生発振を抑制することができる。しかし、インダクタ１２０を有しない場合には、複数の発振回路１００を接続すると容量素子９０１同士が結合してしまい、隣接する発振回路１００間における結合による寄生発振や、場合によっては発振停止が起こってしまう。

これに対して、本実施形態では、発振器４は、発振回路１００間にインダクタ１２０（１２１，１２２，１２３）を有している。このため、発振回路１００とそれに付随するシャント素子９００が、他の発振回路１００や他のシャント素子９００に結合することを防ぐことができる。

本実施形態に係る発振器によると、負性抵抗を有する複数の発振回路を、同一の電圧バイアス回路が駆動する場合でも、寄生発振を抑制して、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させることができる。

＜実施形態５＞
実施形態５に係る発振器５は、寄生発振を防止するシャント素子の構成が実施形態４に係る発振器４と異なる。図９（Ａ）、図９（Ｂ）を用いて、本実施形態に係る発振器５を説明する。

本実施形態では、図９（Ａ）が示すように、シャント素子として抵抗容量素子９０２を用いる。抵抗容量素子９０２は、抵抗素子９０３と容量素子９０４を直列に接続した構成である。

抵抗容量素子９０２は、実施形態４に係る容量素子９０１に比べて、構成要素は増えるが、広い周波数範囲において安定して寄生発振を抑制することができる。また、抵抗素子９０３と容量素子９０４が配置されていることにより、直流付近の周波数領域では定常電流が流れず、消費電力は増加しない。

ここで、シャント素子において損失が発生しないと、発振回路が他の部位と結合することが防げないことがある。このため、実施形態４のように容量素子９０１をシャント素子として用いる場合には、周波数の増加に従ってインピーダンスが減少するので、特に高い周波数での損失が下がりすぎるのを防ぐために、容量値をあまり大きくすることができな
い場合がある。

しかし、本実施形態では、抵抗素子９０３と容量素子９０４の時定数で決まる周波数より十分高い周波数領域では、容量素子９０４は短絡された状態となり、抵抗素子９０３において十分な損失を発生させることができる。このため、抵抗素子９０３がシャント素子に含まれることにより、容量素子９０４の容量値を大きくすることができ、シャント素子で発生する損失を一定量確保することができる。

つまり、抵抗容量素子９０２をシャント素子として用いる場合には、抵抗素子９０３を有することによって、容量素子９０１をシャント素子として用いる場合に比べて、より容量値を大きくすることができ、低い周波数まで十分な損失を得ることができる。そのため、本実施形態に係る発振器５は、より広い周波数において寄生発振の抑制を行うことができる。

本実施形態に係る発振器５によると、負性抵抗を有する複数の発振回路を同一の電圧バイアス回路が駆動する場合でも、寄生発振の発生をより抑制して、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させることができる。

なお、容量素子９０１や抵抗容量素子９０２などの容量素子を含んだシャント素子の他に、図９（Ｂ）が示すように、抵抗素子９０５をシャント素子とする構成でもあってもよい。

抵抗素子９０５をシャント素子として用いる構成は、抵抗のみを用いた単純な構成であり、容量素子を含んだシャント素子に比べると、より容易に十分な損失を発生させ、インピーダンスを制御することも容易である。そのため、抵抗素子９０５のみによって構成されるシャント素子は、容量素子を含んだシャント素子と比較すると、発振回路間での結合が発生する可能性をより低くできる。

言い換えると、抵抗素子９０５をシャント素子とする構成と比べると、容量素子９０１や抵抗容量素子９０２をシャント素子とする構成では、発振回路間の結合発生を回避することがより求められる。そのため、特に、容量を有するシャント素子において、インダクタ１２０によって結合の発生を抑制する効果が非常に高いといえる。しかしながら、抵抗素子９０５をシャント素子とする場合についても、発振回路間での結合の発生を抑制するという効果を十分に得ることができる。

＜実施形態６＞
実施形態６に係る発振器６は、シャント素子の数とインダクタとの関係が他の実施形態に係る発振器と異なる。それ以外は、実施形態１～５を組合わせたものと同じである。図１０（Ａ）～図１１（Ｂ）を用いて、本実施形態に係る発振器６を説明する。

図１０（Ａ）は、発振器６の構成を示し、図１０（Ｂ）は、発振器６におけるチップ６００の詳細な構成を示す。発振器６において、図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）が示すように、チップ６００上にシャント素子９１１が配置され、パッケージ５０１上にシャント素子９１２が配置され、プリント回路基板５００上にシャント素子９１３が配置されている。さらに、シャント素子９１１とシャント素子９１２の間には、インダクタ１２１～１２３が配置される。シャント素子９１２とシャント素子９１３の間には、インダクタ１２１’～１２３’が配置される。シャント素子９１３と電圧バイアス回路２００の間には、インダクタ１２１’’～１２３’’が配置される。このように、発振器６は、図１１（Ａ）の回路図が示すように、複数のインダクタを多段に備える。

シャント素子９１１～９１３のそれぞれは、高い周波数の寄生発振の抑制させるために、発振回路１００に近接して配置されている。より好適には、発振回路１００からシャント素子９１１～９１３までのそれぞれの距離が、当該シャント素子のそれぞれが抑制する寄生発振周波数での波長の１／４以下であるとよい。ここで、シャント素子９１１が、寄生発振防止の効果を発揮する周波数をｆｓ１とし、シャント素子９１２が、寄生発振防止の効果を発揮する周波数をｆｓ２とし、シャント素子９１３が、寄生発振防止の効果を発揮する周波数をｆｓ３とする。それぞれのシャント素子の周波数は、発振回路に近い順から高く、ｆｓ１＞ｆｓ２＞ｆｓ３の関係である。

また、本実施形態では、インダクタ１２０のインピーダンス（インダクタンス）は発振回路１００に近い順に小さくされる。ここで、インダクタ１２１（１２２，１２３）のインピーダンスをＺｌｍ１とし、インダクタ１２１’（１２２’，１２３’）のインピーダンスをＺｌｍ２とし、インダクタ１２１’’（１２２’’，１２３’’）のインピーダンスをＺｌｍ３とする。これらは、Ｚｌｍ１＜Ｚｌｍ２＜Ｚｌｍ３の関係が成立する。ここで、インピーダンスが大きいほど、そのインダクタのサイズは大きい。このため、チップ６００上に配置するインダクタ１２０のインピーダンスが大きいと、チップ６００の面積が占有されるので、インピーダンスには上限がある。また、パッケージ５０１内に配置するインダクタ１２０のインピーダンスが大きいと、表面実装型部品のサイズの増加によって、パッケージ５０１のサイズが増加してしまう。本実施形態では、チップ６００に近い順にインダクタのインピーダンスが小さいので、チップ６００やパッケージ５０１の実装面積を抑えることができる。

周波数ｆｓ１において、インピーダンスＺｌｍ１は、発振回路１００が有するインピーダンスＺｒ１とほぼ同じか大きい値を有する。これにより、周波数ｆｓ１以上の周波数において、シャント素子９１１によって損失を発生させて、さらに外部の素子との結合を防ぐことができる。また、シャント素子９１１による損失が不足する周波数においても、インダクタ１２１（１２２，１２３）によって当該周波数において損失が発生できるので、当該周波数の電磁波が外部に漏れ出ることがない。シャント素子９１２とインダクタ１２１’（１２２’，１２３’）との関係と、シャント素子９１３とインダクタ１２１’’（１２２’’，１２３’’）との関係も、同様である。ここで、図１１（Ｂ）に、本実施形態における周波数に対するインピーダンスＺｌｍ１～Ｚｌｍ３の値の関係を模式した図を示す。インピーダンスＺｌｍ１～Ｚｌｍ３は、連続的にインピーダンスＺｒ１とほぼ同じか大きい値を有している。

このように、本実施形態では、複数のシャント素子間にインダクタを配置することで、実装面積の大幅な増大を発生させることなく、シャント素子での寄生発振の抑制ができる。また、複数のシャント素子によって、広い範囲の周波数において寄生発振を抑制することができる。本実施形態に係る発振器によると、負性抵抗を有する複数の発振回路を、同一の電圧バイアス回路が駆動する場合でも、寄生発振の発生を抑制して、各発振回路を所望のテラヘルツ周波数で安定して発振させることができる。

なお、本実施形態では、チップ６００上にシャント素子９１１が配置され、パッケージ５０１上にシャント素子９１２が配置され、プリント回路基板５００上にシャント素子９１３が配置されている構成で説明したが、本実施形態はこれに限らない。３つのうちのシャント素子のいずれかが存在しない構成でもよく、シャント素子が４つ以上のシャント素子を配置した構成でもよい。

＜実施形態７＞
実施形態７では、直流電圧を印加する電圧バイアス回路ではなく、交流電圧を印加する電圧バイアス回路を有する発振器７について説明する。図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）
を用いて、本実施形態に係る発振器７を説明する。

実施形態１では、発振器１において、直流の電圧を印加する電圧バイアス回路２００が用いられていた。本実施形態では、図１２（Ａ）が示すように、発振器７において電圧バイアス回路２００の代わりに、交流電圧を印加する交流電圧バイアス回路２０２が用いられる。

交流電圧バイアス回路２０２は、発振回路１００に印加するために、交流の電圧を発生させる。具体的には、図１２（Ｂ）が示すように、交流電圧バイアス回路２０２では、ある周波数ｆａｃで、テラヘルツ波を発振するオペレーション電圧Ｖｏｐとテラヘルツ波の発振が停止する電圧値Ｖｏｆｆとの間を変化する電圧を用いる。これにより、テラヘルツ波の発振と停止を、周波数ｆａｃで繰り返すことができる。なお、電圧値Ｖｏｆｆは、負性抵抗領域ＮＲ以外の電圧値であればよく、例えば０Ｖである。周波数ｆａｃは、テラヘルツ波の発振周波数（３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまで）より、十分低い周波数である。周波数ｆａｃには、数Ｈｚから数ＭＨｚの範囲の周波数が用いられるが、使用上問題なければ、これ以外の周波数も用いることができる。

テラヘルツの発振と停止を繰り返すことにより、テラヘルツ波の照射と非照射の状態を繰り返すことができる。これにより、テラヘルツ発振を停止している際に、他の要素で照射されるテラヘルツ波のオフセットノイズ成分を把握することができる。そのため、テラヘルツ波を対象物に照射して、対象物から反射するテラヘルツ波を撮影するカメラに対して発振器を用いる構成では、照明由来以外のノイズ成分を除去することができる。そのため、Ｓ／Ｎ比の高いテラヘルツカメラを実現することができる。

本実施形態に係る発振器によると、テラヘルツ波の発振と停止を繰り返すことができるので、テラヘルツ波のオフセットノイズ成分を把握することができる。本実施形態の発振器は、オフセット成分が把握できるので、照明やカメラに用いた時、ＳＮ比を向上させることができる。

なお、実施形態５の抵抗容量素子９０２を用いる構成では、容量素子９０４と抵抗素子９０５の時定数により決まる周波数ｆｒｃが、交流電圧バイアス回路２０２が変化する周波数ｆａｃより高いことが求められる。例えば、交流電圧バイアス回路２０２において矩形波の電圧を用いる場合には、周波数ｆｒｃは、周波数ｆａｃの数倍以上であることが好ましい。

＜実施形態８＞
実施形態８では、発振器を用いた撮像装置（画像取得装置）について説明する。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）を用いて、本実施形態に係る撮像装置を説明する。撮像装置は、照明８０１、テラヘルツ撮像素子８０２、タイミング生成部８０３を有する。

照明８０１は、実施形態１に係る発振器１を有することによって、被対象８００に対してテラヘルツ波８１１（所定の電磁波）を照射する照明装置である。図１３（Ａ）が示すように、照明８０１から出射したテラヘルツ波８１１が、撮影の対象物である被対象８００によって反射して、反射したテラヘルツ波８１２がテラヘルツ撮像素子８０２により撮像される。被対象８００の形状や物性値に対応して、テラヘルツ撮像素子８０２が得ることのできる画像は変わるため、撮像装置は、被対象８００の情報を適切に取得することができる。

本実施形態によれば、複数の発振回路を同一の電圧バイアス回路が駆動する構成で、各発振回路を所望の周波数で安定に発振させることができるので、より安定的にテラヘルツ
波を出力する照明を実現することができる。

さらに、図１３（Ｂ）が示すように、照明８０１に、実施形態７に係る交流電圧バイアス回路２０２を用いた発振器７を用いることができる。

図１３（Ｂ）では、撮像装置は、タイミング生成部８０３をさらに有する。タイミング生成部８０３は、照明８０１と、テラヘルツ撮像素子８０２にタイミング信号８１０を出力している。照明８０１に入力されたタイミング信号８１０は、交流電圧バイアス回路２０２の電圧変化タイミングを調整するために用いられる。照明８０１は、調整されたタイミングで、テラヘルツ波の発振と停止を周期的に繰り返すことによって、テラヘルツ波を照射した期間と照射していない期間とが発生する。一方、テラヘルツ撮像素子８０２に入力されたタイミング信号８１０は、照明８０１がテラヘルツ波を照射した期間の撮像と、照射していない期間の撮像をそれぞれ行い、各期間での撮像画像の差を取る動作を行う。これにより、意図して照射していない（オフセットノイズ成分となる）テラヘルツ波の成分を除去することができる。そのため、取得した画像のＳＮ比（Ｓｉｎｇａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）を向上させることができる。

本実施形態に係るテラヘルツ波発振回路を照明８０１に用いると、複数の発振回路を同一の交流電圧バイアス回路が駆動する構成で、各発振回路を所望の周波数で安定に発振させることができる。そのため、照射と停止を繰り返しても、大きく安定なテラヘルツ出力の照明を得ることができるため、画像取得装置に用いた際にＳＮ比の高い画像を取得することができる。

１：発振器、１００：発振回路、１０１：負性抵抗素子、
１２０：インダクタ、２００：電圧バイアス回路

Claims (15)

1. それぞれ負性抵抗素子を有する複数の共振器と、
   前記複数の共振器に対して電圧を印加する電圧バイアス回路と、
   前記電圧バイアス回路に対して、前記複数の共振器のうちいずれかの共振器と並列に配置されたシャント素子と、
   を有し、
   前記複数の共振器は、それぞれ別のインダクタを介して並列に前記電圧バイアス回路に接続されており、
   所定の周波数以上において、前記インダクタのインピーダンスは、前記複数の共振器のうち前記インダクタに対応する共振器のインピーダンスの絶対値より大きく、
   前記シャント素子では、抵抗素子と容量素子とが直列に接続されている、
   ことを特徴とする発振器。
2. それぞれ負性抵抗素子を有する複数の共振器と、
   前記複数の共振器に対して電圧を印加する電圧バイアス回路と、
   を有し、
   前記複数の共振器は、それぞれ別のインダクタを介して並列に前記電圧バイアス回路に接続されており、
   所定の周波数以上において、前記インダクタのインピーダンスは、前記複数の共振器のうち前記インダクタに対応する共振器のインピーダンスの絶対値より大きく、
   前記複数の共振器のそれぞれに対して、複数のシャント素子が並列に接続されており、
   前記複数のシャント素子の間は、前記インダクタを介して接続されている、
   ことを特徴とする発振器。
3. 前記シャント素子は、容量素子により構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の発振器。
4. 前記シャント素子では、抵抗素子と容量素子とが直列に接続されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の発振器。
5. 前記シャント素子と、前記電圧バイアス回路に対して前記シャント素子と並列に配置された共振器とは、高周波側のカットオフ周波数に対応する波長の１／４以下の長さの配線によって接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の発振器。
6. 前記インダクタは、前記複数の共振器それぞれの一方の端子側に配置されており、他方の端子側には配置されていない、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発振器。
7. 前記所定の周波数は、１０ＫＨｚ以上の周波数である、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の発振器。
8. 前記インダクタは、前記複数の共振器を備えたチップに配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発振器。
9. 前記インダクタは、前記複数の共振器を備えたチップを保持するパッケージまたは、プリント回路基板に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の発振器。
10. 前記電圧バイアス回路は、前記複数の共振器に対して交流の電圧を印加する、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の発振器。
11. 前記複数の共振器は、３０ＧＨｚから３０ＴＨｚまでの範囲に含まれる周波数の電磁波を発生させる、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の発振器。
12. 前記負性抵抗素子は、共鳴トンネルダイオードである、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の発振器。
13. パッケージ、プリント回路基板、および表面実装素子をさらに有する、
    ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の発振器。
14. 前記複数の共振器は、チップに配されており、
    前記チップのサイズは、数ミリメータ角から数十ミリメータ角である、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の発振器。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載の発振器を有する照明装置と、
    前記発振器によって発生した電磁波が照射された被対象を撮像する撮像素子と、
    を備える、
    ことを特徴とする撮像装置。

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