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技術 静電振動子および発振器

出願人 セイコーインスツル株式会社
発明者 神谷亮平大海学木村文雄
出願日 2007年10月31日 (11年8ヶ月経過) 出願番号 2007-282842
公開日 2009年5月21日 (10年2ヶ月経過) 公開番号 2009-111810
状態 特許登録済
技術分野 圧電・機械振動子,遅延・フィルタ回路 電気機械共振器を用いた発振回路
主要キーワード 連接点 無線携帯機器 双曲線関数 レバー支持体 共振周波数変化 高周波信号源 基準周波数発振器 高周波電子部品
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この項目の情報は公開日時点(2009年5月21日)のものです。
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図面 (11)

課題

共振周波数補償の精度をより向上させることができる静電振動子を提供する。

解決手段

振動体10と、前記振動体10に対し間隙dを隔て配置された電極2と、前記振動体10とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体9と、を含み、前記電極2と前記変形制御体9とが基板に固定された静電振動子であって、前記振動体10の形状が少なくとも一部で屈曲し、前記振動体10が前記変形制御体9に少なくとも一点で連接され、前記振動体10が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力14,15により変形する静電振動子の構成。

概要

背景

携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ時計等の電子機器において、小型でしかも安定な高周波信号源として水晶振動子が用いられてきた。

水晶振動子は他の高周波電子部品と比較すると大型であることから、近年、小型化の要求が高まってきている。しかし、その要求を十分に満足させることはできていない。

そのような要求を満足させ、水晶振動子を置き換えるものとして、近年、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術を用いて作製した静電振動子が注目されている。静電振動子は機械的に振動する振動体とそれに対して間隙を隔てて並列した電極を含む。振動体と電極の間には直流電圧印加されている。その状態でさらに振動体と電極の間に交流電圧を印加すると、ある一定の周波数において共振が起こる。この静電振動子は水晶振動子と同程度の共振Q値を持つだけでなく、水晶振動子に比べ、小型化、集積化高周波数対応が容易である等の利点があり、次世代の高周波信号源として期待されている。

上述のように静電振動子は水晶振動子に比べ多くの利点がある反面、解決しなければならない課題もある。静電振動子は水晶振動子に比べ共振周波数温度依存性が高く、温度変化に対する共振周波数の安定性が低い。そのために信頼性において水晶振動子より劣る。

この問題を解決する一つの方法として、温度変化に対する共振周波数変化補償する方法が特許文献1により公開されている。その方法は、温度変化に伴い、振動部と電極の間に印加する直流電圧や間隙の距離を能動的または受動的に変化させることで、温度変化に対する共振周波数変化を補償する方法である。

特許文献1では、振動体と電極を隔てる間隙の距離を温度変化に対して受動的に変化させる方法として、振動体を構成する振動部とそれを支え支持体、電極にそれぞれ熱膨張係数の異なる異種材料を用いる方法が示されている。その方法によると、基準温度において各部材の寸法、相対位置等の設計パラメータを設定することで、温度変化に対する前記間隙の距離の変化量を設計することができる。以下、特許文献1における前記設計パラメータについて、図9、図10を参照して説明する。図9、図10は、それぞれ特許文献1における発明の一実施形態による静電振動子を基板上面の視点から見た平面図である。図9、図10において、1は振動部、2は電極、3は基板、4はてこレバー、5はてこレバーの支持体、6はてこレバーの支柱、7と8は振動部1の支持体である。L1、L2、L11、L12、a、b、dが前記設計パラメータであり、それぞれ、基準温度における支持体7および支持体8の長さ、電極2の幅、てこレバーの支持体5の長さ、てこレバーの支柱6の長さ、てこレバー4の力点から支点までの距離、てこレバー4の支点から電極2までの距離、振動部1と電極2の間の距離である。これらは全て、温度変化に対して線形的に変化する。さらに、上記以外の設計パラメータとして各部材の熱膨張率があり、これは、異種材料を組み合わせた混合材を用いる等して変化させることができる。
米国特許第6987432号明細書

概要

共振周波数の補償の精度をより向上させることができる静電振動子を提供する。振動体10と、前記振動体10に対し間隙dを隔て配置された電極2と、前記振動体10とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体9と、を含み、前記電極2と前記変形制御体9とが基板に固定された静電振動子であって、前記振動体10の形状が少なくとも一部で屈曲し、前記振動体10が前記変形制御体9に少なくとも一点で連接され、前記振動体10が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力14,15により変形する静電振動子の構成。

目的

本発明は、共振周波数の補償の精度をより向上させることができる静電振動子を提供することが目的である。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

振動体と、前記振動体に対し間隙を隔て配置された電極と、前記振動体とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体と、を含み、前記電極と前記変形制御体とが基板に固定された静電振動子であって、前記振動体の形状が少なくとも一部で屈曲し、前記振動体が前記変形制御体に少なくとも一点で連接され、前記振動体が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力により変形し、前記変形によって前記間隙の距離が変化することを特徴とする静電振動子。

請求項2

前記振動体と前記変形制御体とが少なくとも一つの前記連接点で接合されている請求項1に記載の静電振動子。

請求項3

前記振動体が、前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記振動部を支持する少なくとも一つの支持体と、からなる請求項1または2に記載の静電振動子。

請求項4

前記振動体が、前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記振動部を前記基板に固定する少なくとも一つの固定部と、からなる請求項1または2に記載の静電振動子。

請求項5

前記振動体が、前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記振動部を支持する少なくとも一つの支持体と、前記支持体を前記基板に固定する固定部と、からなる請求項1または2に記載の静電振動子。

請求項6

前記振動体と前記電極とが互いに熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の静電振動子。

請求項7

前記振動部および前記支持体のうち、いずれか一方が他方とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項3に記載の静電振動子。

請求項8

前記振動部および前記固定部のうち、いずれか一方が他方とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項4に記載の静電振動子。

請求項9

前記振動部、前記支持体、および前記固定部のうち、少なくとも一つが残りとは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項5に記載の静電振動子。

請求項10

請求項1〜9のいずれか1項に記載の静電振動子と、前記電極に駆動電圧印加する駆動回路と、を備えていることを特徴とする発振器。

技術分野

0001

本発明は、各種電子機器基準周波数発振器に使用される静電振動子に関する。

背景技術

0002

携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ時計等の電子機器において、小型でしかも安定な高周波信号源として水晶振動子が用いられてきた。

0003

水晶振動子は他の高周波電子部品と比較すると大型であることから、近年、小型化の要求が高まってきている。しかし、その要求を十分に満足させることはできていない。

0004

そのような要求を満足させ、水晶振動子を置き換えるものとして、近年、MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術を用いて作製した静電振動子が注目されている。静電振動子は機械的に振動する振動体とそれに対して間隙を隔てて並列した電極を含む。振動体と電極の間には直流電圧印加されている。その状態でさらに振動体と電極の間に交流電圧を印加すると、ある一定の周波数において共振が起こる。この静電振動子は水晶振動子と同程度の共振Q値を持つだけでなく、水晶振動子に比べ、小型化、集積化高周波数対応が容易である等の利点があり、次世代の高周波信号源として期待されている。

0005

上述のように静電振動子は水晶振動子に比べ多くの利点がある反面、解決しなければならない課題もある。静電振動子は水晶振動子に比べ共振周波数温度依存性が高く、温度変化に対する共振周波数の安定性が低い。そのために信頼性において水晶振動子より劣る。

0006

この問題を解決する一つの方法として、温度変化に対する共振周波数変化補償する方法が特許文献1により公開されている。その方法は、温度変化に伴い、振動部と電極の間に印加する直流電圧や間隙の距離を能動的または受動的に変化させることで、温度変化に対する共振周波数変化を補償する方法である。

0007

特許文献1では、振動体と電極を隔てる間隙の距離を温度変化に対して受動的に変化させる方法として、振動体を構成する振動部とそれを支え支持体、電極にそれぞれ熱膨張係数の異なる異種材料を用いる方法が示されている。その方法によると、基準温度において各部材の寸法、相対位置等の設計パラメータを設定することで、温度変化に対する前記間隙の距離の変化量を設計することができる。以下、特許文献1における前記設計パラメータについて、図9図10を参照して説明する。図9図10は、それぞれ特許文献1における発明の一実施形態による静電振動子を基板上面の視点から見た平面図である。図9図10において、1は振動部、2は電極、3は基板、4はてこレバー、5はてこレバーの支持体、6はてこレバーの支柱、7と8は振動部1の支持体である。L1、L2、L11、L12、a、b、dが前記設計パラメータであり、それぞれ、基準温度における支持体7および支持体8の長さ、電極2の幅、てこレバーの支持体5の長さ、てこレバーの支柱6の長さ、てこレバー4の力点から支点までの距離、てこレバー4の支点から電極2までの距離、振動部1と電極2の間の距離である。これらは全て、温度変化に対して線形的に変化する。さらに、上記以外の設計パラメータとして各部材の熱膨張率があり、これは、異種材料を組み合わせた混合材を用いる等して変化させることができる。
米国特許第6987432号明細書

発明が解決しようとする課題

0008

特許文献1で示されている温度変化に対する前記間隙の距離の変化量の設計方法によると、前記間隙の距離の変化は温度変化に対して線形的であるため、共振周波数の補償の精度が十分ではなかった。

0009

本発明は、共振周波数の補償の精度をより向上させることができる静電振動子を提供することが目的である。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、振動体と、前記振動体に対し間隙を隔て配置された電極と、前記振動体とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体と、を含み、前記電極と前記変形制御体とが基板に固定された静電振動子であって、前記振動体の形状が少なくとも一部で屈曲し、前記振動体が前記変形制御体に少なくとも一点で連接され、前記振動体が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力により変形し、前記変形によって前記間隙の距離が変化することを特徴とする静電振動子である。

0011

前記間隙の距離の変化を非線形的にするために、新たな設計パラメータとして関数fを導入する。前記関数fは、前記振動体の形状を曲線近似的に表した場合に、任意に決めた座標における前記曲線の関数を表す。

0012

前記関数fは微分不可の点も含むことができる。その場合の前記関数fは、前記微分不可の点を除き区分的に定義する。

発明の効果

0013

本発明によれば、振動体が温度変化に起因する応力により変形し、その変形によって振動体と電極とを隔てる間隙の距離を変化させることができる。この間隙の距離の変化は非線形的に設計することが可能である。そのような設計により、温度変化に対する共振周波数の変化を従来の方法に比べ高い精度で補償可能となる。

発明を実施するための最良の形態

0014

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図1図3図8は、それぞれ本発明の一実施形態による静電振動子を基板上面の視点から見た平面図である。また、図2図1の振動体10の形状を曲線y=f(x)で近似的に表現した図である。

0015

図1は、本発明の実施形態1による静電振動子の構造を示す平面図である。図1において、振動体10はその形状が長尺状をなしているとともに基準温度において少なくとも一部で屈曲した状態にあり、本実施形態では、長尺状の振動体10は例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。この状態において、振動体10には外力はかかっていない。振動体10は変形制御体9に対して例えば両端部である二点で連接し、少なくとも一点で接合されている。以下の全ての実施形態において、少なくとも一点で接合されていると言った場合、特に明示しない限り説明上は全ての連接点で接合されている構造を想定している。しかし、基準温度の設定によって、必ずしも接合されずに単に接している構造でも同様な効果が得られる場合があり、特に明示しなくとも各実施形態はそのような構造を含んでいる。電極2は基板3に固定されている。振動体10は、例えばその屈曲部が電極2に対して間隙dを隔てるように配置されている。変形制御体9は、振動体10に比べ熱膨張係数が小さな異種材料により形成されている。また、図には明示していないが、変形制御体9も基板3に固定されている。振動体10や電極2、変形制御体9の形状、配置はこの限りでなく、また、振動体10、電極2にはそれぞれ互いに熱膨張係数の異なる異種材料を用いることができる。

0016

基準温度から温度が上昇すると、振動体10や電極2、変形制御体9はそれぞれ膨張する。しかし、変形制御体9の膨張量は振動体10の膨張量よりも小さい。よって、振動体10は変形制御体9との連接点において応力14、応力15を受ける。これにより、振動体10はその屈曲部の屈曲角度が小さくなるように変形する、つまり、振動体10が変位23の向きに出っ張るように変形する。その結果、間隙dが増加する。

0017

図示しない駆動回路により、振動体10と電極2との間に一定の直流電圧をかけ、その状態で電極2から振動体10にある周波数の交流電圧をかけると振動体10が大きく振動する。その周波数が静電振動子の共振周波数である。温度変化に依存して共振周波数は変化するが、図1の構造によれば、共振周波数の変化を補償する方向に間隙dを変化させることができる。また、振動体10が屈曲していることにより、温度変化による間隙dの変化は非線形的な変化となる。

0018

温度変化によって間隙dが非線形的に変化する一例として、図2のf(x)が例えば双曲線関数高次多項式関数、および楕円の一部を切り取った弧を表す関数である場合を挙げることができる。ここで挙げた関数はあくまで一例であり、f(x)はその限りではない。

0019

図3は、本発明の実施形態2による静電振動子の構造を示す平面図である。図3図1の変形制御体9を変形制御体16で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図1と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図3の変形制御体16は、振動体10の周囲を囲む長方形の枠として形成されており、その枠の途中に切れ目はなく、枠は閉路である。また、図には示していないが、変形制御体16は基板3に固定されている。図1の変形制御体9は、振動体10を応力14と応力15により変形させるが、応力14と応力15の反作用によりそれ自体も変形する。変形制御体9を変形制御体16に置き換えることにより、変形制御体がより強固になり、応力14と応力15の反作用によるそれ自体の変形が抑えられる。変形制御体の変形が抑えられることにより、振動体10の変形が増大する。また、変形制御体16は変形制御体9に比べ応力による材料の疲労が少なく、耐久性が高い。変形制御体16は長方形の枠状に形成されているが、変形制御体の形状はこの限りではない。

0020

図4は、本発明の実施形態3による静電振動子の構造を示す平面図である。図4図1の変形制御体9を変形制御体17で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図1と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図4の変形制御体17は、振動体10の例えば両端部の内側に二点で連接し、少なくとも一点で接合されており、振動体10の両端部で挟み込まれた状態となっている。また、図には示していないが、変形制御体17は基板3に固定されている。この構造は、その他の実施形態に比べ静電振動子全体をよりコンパクトにまとめることができるという利点がある。

0021

図5は、本発明の実施形態4による静電振動子の構造を示す平面図である。図5図1の振動体10を振動部1、支持体18、および支持体19で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図1と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。振動部1は支持体18と支持体19とに接続している。支持体18と支持体19とは変形制御体9にそれぞれ一点で連接し、それら計二点の連接点のうち少なくとも一点で接合されている。長尺状の振動体となる振動部1、支持体18、および支持体19は、例えば長手方向の略中央部に位置する振動部1で屈曲した状態にある。また、振動部1、支持体18、および支持体19にはそれぞれ互いに熱膨張係数が異なる材料を用いることができる。振動部1はそのままに、支持体18と支持体19とを形成する材料を振動部1とは熱膨張係数の異なる異種材料に変えると、共振周波数は変えずに温度変化による間隙dの変化量を変えることができる。すなわち、共振周波数は変えずに温度変化に対する共振周波数の変化の補正効果だけを変えることができる。これにより、設計の自由度が増し、共振周波数は変えずに静電振動子全体を小型にする等の設計が可能になる。

0022

図6は、本発明の実施形態5による静電振動子の構造を示す平面図である。図6図1の振動体10を振動部11、固定部12、および固定部13で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図1と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図1では、振動体10は変形制御体9に連接し、少なくとも一点で接合されている。しかし、図6では、図には明示していないが、振動部11に接続している固定部12および固定部13は基板3に固定されるとともに変形制御体9に連接されている。長尺状の振動体となる振動部11、固定部12、及び固定部13は、長尺状の振動部11における例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。そして、振動部11、固定部12、および固定部13のいずれも変形制御体9に接合されている必要はない。図6の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙dが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部および固定部により構成される場合は、必ずしも振動体が変形制御体に接合されている必要はない。

0023

図7は、本発明の実施形態6による静電振動子の構造を示す平面図である。図7図5の支持体18を固定部12および支持体20で置き換え、支持体19を固定部13と支持体21で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図5と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図5では、支持体18および支持体19は変形制御体9に連接し、少なくともどちらか一方は変形制御体9に接合されている。しかし、図7では、図には明示していないが、支持体20に接続している固定部12は基板3に固定されるとともに変形制御体9に連接され、支持体21に接続している固定部13も基板3に固定されるとともに変形制御体9に連接されている。長尺状の振動体となる振動部1、支持体20、支持体21、固定部12、及び固定部13は、例えば長手方向の略中央部に位置する振動部1で屈曲した状態にある。そして、振動部1、固定部12、固定部13、支持体20、および支持体21のいずれも変形制御体9に接合されている必要はない。図7の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙dが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部、固定部、および支持体により構成される場合も、必ずしも振動体が変形制御体に接合されている必要はない。

0024

図8は、本発明の実施形態7による静電振動子の構造を示す平面図である。図8図1の振動体10を振動部11および固定部12で置き換え、変形制御体9を変形制御体22で置き換え、振動部11における固定部に接続されていない方の端点が変形制御体22と連接した図である。図8では、図には明示していないが、振動部11に接続している固定部14は基板3に固定されているが、変形制御体22には連接されていない。変形制御体22は、振動体となる振動部11および固定部12の周囲を囲む長方形の枠として形成されており、その枠の途中に切れ目はなく、枠は閉路である。長尺状の振動体となる振動部11および固定部12は、長尺状の振動部11における例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。また、振動部11および固定部12で構成される振動体は、前記連接点でのみ変形制御体22と連接している。これらが図1図8の違いであり、その他の部分に違いはない。よって、図1と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。振動部11および固定部12で構成される振動体は、振動部11における固定部に接続されていない方の端点でのみ変形制御体22と連接している。また、その連接点において振動部11と変形制御体22とは接合されていてもよいが、必ずしもその必要はなくただ接しているだけでもよい。図8の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙dが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部および固定部により構成される場合は、必ずしも振動体が変形制御体と二点以上で連接している必要はなく、連接点が一点あれば本発明の効果が得られる。また、図によって明示はしないが、振動体が振動部、固定部、および支持体により構成される場合も同様に、必ずしも振動体が変形制御体と二点以上で連接している必要はなく、連接点が一点あれば本発明の効果が得られる。

図面の簡単な説明

0025

本発明の実施形態1による静電振動子の構造を示す平面図である。
図1の振動体10の形状を曲線y=f(x)で近似的に表現した図である。
本発明の実施形態2による静電振動子の構造を示す平面図である。
本発明の実施形態3による静電振動子の構造を示す平面図である。
本発明の実施形態4による静電振動子の構造を示す平面図である。
本発明の実施形態5による静電振動子の構造を示す平面図である。
本発明の実施形態6による静電振動子の構造を示す平面図である。
本発明の実施形態7による静電振動子の構造を示す平面図である。
特許文献1に記載の発明の一実施形態による静電振動子の構造を示す平面図である。
特許文献1に記載の発明の一実施形態による静電振動子の構造を示す平面図である。

符号の説明

0026

1,11…振動部、2…電極、3…基板、4…てこレバー、5…てこレバー支持体、6…てこレバー支柱、7,8,18,19,20,21…支持体、9,16,17,22…変形制御体、10…振動体、12,13…固定部、14,15…応力、23…変位、d…振動体と電極の間隙、f…振動体の形状を表す関数

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