JP2016154333A - 時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器 - Google Patents
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Abstract
【課題】時間領域スイッチを用いる加速度感度および位相ノイズの低い共振器のための装置および方法を提供する。【解決手段】共振器10は、フレーム12と、フレームに対して実質的に同じ共振周波数で振動するように構成された第1及び第2の振動子14、16と、第1及び第2の相対位置スイッチ半体18、20と、第1の振動子を第1の振動子の共振周波数で駆動するように構成された第1の駆動装置とで構成される。第1及び第2の振動子は、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計される。第1の振動子が振動すると、第1及び第2の振動子間に相対的動きが生じて、第1及び第2の相対位置スイッチ半体が互いにすれ違う際、各振動ごとに第1の相対位置スイッチ半体が閉鎖状態を通る。【選択図】図1
Description
本出願は、共同所有され同時係属中のPCT出願第PCT/US2012/058794号(出願日:2012年10月4日、発明の名称「時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器」)に対する優先権を主張する。PCT出願第PCT/US2012/058794号は、共同所有され同時係属中の米国特許出願シリアル番号第13/276,948号(出願日:2011年10月19日、発明の名称「時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器)に対する優先権を主張する。上記文献それぞれの全体を参照によってここに組み込む。
既存の共振器は、タイミング用途めに利用可能な共振を生成するのに多様な物理的機構を用いている。例を挙げると、構造モード共振およびバルク音響波共振の例がある。しかし、いずれの既存技術の場合も、外部振動(すなわち、擾乱、加速度など)に鋭敏であるためタイミング精度に問題があり、また、経時変化する位相ノイズもある。これらの欠陥に起因して、例えば個別素子として用いられるか、または半導体基板に搭載された既存の電子回路に組み込まれたタイミング用途の共振器の精度および有用性が低下する。出力共振器周波数の位相ノイズすなわちジッタは、容量性の共振検出法に起因することがあるため、正弦波出力となる。この正弦波出力は、例えば変換技術によって誘起されるノイズに起因して本質的に雑音性となり得る。ノイズ正弦波出力が位相同期ループ(PLL)または遅延ロックループ(DLL)制御ループを介して共振器へフィードバックされると、フィードバック回路内が不安定になる。また、信号測定は容量性または圧電効果に基づいて行なわれるため、信号は、信号の共振モードの形状、周波数または位相の経時変化を生ずることのある外部振動などに鋭敏である。現行の共振器の場合、この環境ノイズの影響を別個に測定し、または相殺する有効な手段に欠けている。
本願に記載されているのは、ロバストで低コストかつ高分解能の双振動子共振器と、その実現方法および使用方法のいくつかの実施形態である。開示される共振器の一実施形態は、フレームと、第1の振動子および第2の振動子と、第1の相対位置スイッチ半体および第2の相対位置スイッチ半体と、駆動装置とを含む。第1の振動子は、フレームに対して振動するように構成され、第1の駆動装置は、第1の振動子を第1の振動子の共振周波数で駆動するように構成されている。第1の振動子および第2の振動子は、実質的に同じ共振周波数を有し、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。相対位置スイッチの第1の半体および第2の半体は、第1の振動子および第2の振動子へそれぞれ取り付けられている。第1の振動子が振動すると、第1の振動子および第2の振動子間に動きが発生して、相対位置スイッチは、各振動ごとに第1および第2のスイッチ半体が互いにすれ違う際、閉鎖状態を通る。
本願には、共振器に時間領域スイッチを設ける方法も記載されている。一実施形態において、本方法は、フレームを設け、第1の振動子をフレームに対して振動するように構成することから開始する。次に、第1の振動子を第1の振動子の共振周波数で駆動する。他のステップにおいて、相対位置スイッチの第1の半体を第1の振動子へ取り付け、第1の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第2の振動子を設ける。第1の振動子および第2の振動子は、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。第1の振動子が振動すると、第1の振動子および第2の振動子間に相対的動きが発生する。相対位置スイッチの第2の半体を第2の振動子へ取り付けて、各振動ごとに第1のおよび第2のスイッチ半体が互いにすれ違うと、相対位置スイッチが閉鎖状態を通るようにする。そこで、相対位置スイッチの連続する閉鎖状態間の差として振動周期を判定する。
当業者であれば、添付図面および以下に示す例示的実施形態の詳細な説明を読めば、本開示の他の特徴および利点をすぐに理解する。
いくつかの図面中、類似の要素は、類似の参照符号によって示す。図面中、要素は縮尺通りに描かれておらず、明確さのために寸法が誇張されている場合もある。本願で用いられる「上」、「下」、「側部」、「上方」、「下方」、「左」、「右」などの用語は、単に1つのコンポーネントと別のコンポーネントとの間の相対位置または配置を示すものであり、絶対的な基準フレームまたは必要な方向を示すものではない。例えば、或るコンポーネントの「上」部は、当該コンポーネントが別の装置に取り付けられた場合(例えば、PCBの下側に取り付けられた場合)、実際は「下」部の下側に存在し得る。
共振器の実施形態の平面図である。
図2A:振動子の変位を示す共振器の実施形態の側面図である。図2B:整列した振動子を示す共振器の実施形態の側面図である。図2C:振動子の変位を示す共振器の実施形態の側面図である。
電子トンネルチップの多様な実施形態の平面図である。
重なった相対位置スイッチ半体を有する共振器の実施形態の側面図である。
重なった相対位置スイッチ半体を有する振動子の振動振幅の経時的グラフである。
2つの振動子のうちの1つの振動時における2つの振動子の様々な相対位置を示す図である。
図6Aに示す共振器の経時的振動振幅のグラフである。
双振動子共振器の一実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。
図12A:双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。図12Bないし図12C:図12Aに示す双振動子共振器の実施形態の側面図である。
双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。
および
双振動子共振器の異なる実施形態の機能ブロック図である。
ないし
双振動子共振器の異なる実施形態からの2つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
ないし
双振動子共振器の異なる実施形態からの2つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
双振動子共振器の実施形態からの2つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
図1は、低位相ノイズで外部擾乱および/または他の現象に対する鋭敏性が最小化された共振器10の実施形態の平面図である。共振器10は、フレーム12と、第1の振動子14および第2の振動子16と、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20と、駆動装置22(図2A〜図2Cに示す)とを含む。駆動装置22は、第1の振動子14を第1の振動子の共振周波数で駆動するように構成されている。共振器10は、第1の振動子14がフレーム12に対して振動すると、第1の振動子14と第2の振動子16との間に相対的動きが発生するように構成されている。第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20は、それぞれ第1の振動子14および第2の振動子16へ何らかの構成で取り付けられて、第1の振動子14の1振動ごとに第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が互いにすれ違う時、相対位置スイッチが閉鎖状態になる。第1の振動子14および第2の振動子16は、実質的に同じ共振周波数を有し、フレームに対する外部擾乱12に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。
図2A〜図2Cは、共振器10の一実施形態の側面図/断面図であり、第1の振動子14がフレーム12に対して振動する際の第1の振動子14の可能な様々な位置を示す。図2Bは、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が閉鎖状態にある様子を示す。図2Aおよび図2Cは、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が開口状態にある様子を示す。図2A〜図2Cは、駆動装置22の実施形態も示し、駆動装置22は第1の振動子14の上方に配置された電極である。
フレーム12は、任意の所望のサイズおよび/または形状を持ってよく、第1の振動子14および第2の振動子16を支持することが可能な任意の構造を持ってよい。例えば、一実施形態において、共振器10およびそのコンポーネントは全て、微小電気機械システム(MEMS)としてモノリシックに製造してよい。フレームの構成材料として適切なものを非限定的に挙げると、シリコン、ガリウムヒ素(GaAs)、および他の半導体材料ならびに石英、PZTおよび他の圧電材料がある。
第1の振動子14および第2の振動子16は、図1および図2A〜図2Cではカンチレバーバネ要素として図示しているが、第1の振動子14および第2の振動子16がフレーム12に対して振動して第1の振動子14および第2の振動子16間で相対的動きが可能な任意の様態でフレーム12へ接続してよいことが理解される。本願に用いられる「振動子」という用語は、基準位置に対して周期的または非周期的に変位するように構成されたアセンブリを非限定的に指す。第1の振動子14および第2の振動子16の適切な例を非限定的に挙げると、両持ち梁共振器、音叉共振器、非対称共振器、対称アンカ型共振器、バルクディスク共振器および横モード共振器がある。第1の振動子14および第2の振動子16のうち一方または両方を駆動してよい。1つの別の実施形態において、第1の振動子14および第2の振動子16を両方とも駆動して共振周波数で共振させ、両共振器を互いに180度位相がずれた状態で同期させる。別の実施形態において、第1の振動子14のみが駆動装置22によって駆動されて共振周波数で振動する一方、第2の振動子16は、フレーム12を通して第2の共振器16へ伝達される第1の振動子14からの外部擾乱および振動以外は、実質的に静止したままである。
図1および図2A〜図2Cに示す共振器10の実施形態において、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20は、薄板平面走査トンネル顕微鏡(STM)チップであり、第1の振動子14および第2の振動子16の縁部に実装されている。しかし、相対位置スイッチ半体18および20は、1振動ごとに第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が互いにすれ違う際、検出可能なインパルスまたは基準変化を生成可能な任意の2つの素子でよいことが理解される。相対位置スイッチの目的は、第1の振動子14および第2の振動子16の位置を限定して、正確な加速度依存型の位相測定を行うことを可能にすることであり、これにより、位相同期ループの閉鎖の安定性が増し、共振器10の全体的位相ノイズおよびジッタが低減する。相対位置スイッチが電子トンネルスイッチである共振器10の実施形態では、有限幅パルスが生成される。電流パルス自体はトランスインピーダンス増幅器を介してレールに対して増幅することができる。位置の限定に用いられるパルスの立上がりエッジおよびまたは立下りエッジは、共振器の経時的位置についての情報を提供し、これについては図6Aおよび図6Bならびに以下の表1を参照してさらに詳述する。相対位置スイッチは容量スイッチであってもよく、これは、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が互いに重なり合う面積が変わるにつれて経時的変化を生ずることによって機能する。この変化は、上記したようなトンネル電流と同様の方法でレールに対して積分し増幅することができる。他のスイッチ(例えば、光源と、第1の振動子14および第2の振動子16上に配置された検出器または磁気スイッチとの間の光遮蔽)も利用することができる。相対位置スイッチは、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20間の電子の電界放出または熱イオン放出を検出することによって機能するものでもよい。別の実施形態として、光源を用いて光補助トンネル作用を実現し、相対位置スイッチ内のトンネル電流または熱イオン電流を高めることができる。電力節減のために、共振周波数と同期して光源をパルス駆動して、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が整列し、または整列に近い状態の期間においてのみ、光を放出するようにする。
続けて共振器10の実施形態について、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20は、図1および図2A〜図2Bに示すような薄板平面STMチップである。相対位置スイッチが閉鎖状態にある場合、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20は、高電位領域を示す微小ギャップ24によって分離される。第1の相対位置スイッチ半体18が第2の相対位置スイッチ半体20の接地導電面を通過する際、これに何らかの差分電圧があると、電流パルスが発生する。図2Bに示すような相対位置スイッチの閉鎖状態時に第1の振動子14および第2の振動子16が互いにすれ違ったときのみ、ギャップ24を通して電流が「トンネル」する。ギャップ24の幅Wは、10オングストローム未満である(しかし、これに限定されない)。この構成(すなわち、チップ間および/または縁部間)は、原子からなる帯電平面とチップ先端との間で電流が「トンネル」するような他の典型的なSTM構成とは異なる。
駆動装置22は、第1の振動子14を駆動してフレーム12に対して振動させることが可能な任意の装置でよい。例えば、駆動装置22は、第1の振動子14に振動運動を誘起して第1のスイッチ半体18を第2の半体20に対して変位させるように構成された駆動信号を出力する駆動回路でよい。駆動装置22の別の適切な例を非限定的に挙げると、第1の振動子14の上下に配置された電極がある(例えば、図2A〜図2Cに示す)。第1の振動子14は、フィードバック回路を通して生成されて共振振動を維持する一定の電気信号によって駆動してもよい。駆動装置22のさらに別の例として、第1の振動子14の上方または下方に配置された電極へ短時間幅の電圧を印加する装置がある。1つのアプローチにおいて、駆動装置22からの駆動信号は、(例えば、周期的に)オンおよびオフする時間ゲート(すなわち「ピング」)信号を含む。換言すれば、振動子14の振動は、調波振動を開始するための階段状静電気力を用いることによって発生する。この静電気力は振動子14の共振周波数と比較して時間幅が短いため、振動子14を共振上体に保つ「プッシュ」強化が得れる。必要に応じてこの静電気力を周期的に繰り返すことにより確実に、振動子の振幅は、別の静電パルスすなわち「ピング」が印加される最小値より上に留まる。別のアプローチにおいて、第1の振動子14は、例えば時変波関数によって連続的に駆動される。駆動装置22は、共振器10がカンチレバーバネである実施形態ではこれに配置された圧電変換素子を含んでもよい。
共振器10は、アナログ信号出力ではなくデジタル(時間ベース)出力を提供するように構成されている。このような構成により共振器10の精度は確実に、トリガ事象の一致、振動の性質(調波であるか、または非調波であるか)、および隣接するトリガされた事象の時間測定精度のみに依存する。トリガ事象は、製造時に確定した物理的寸法に基づいているため、有利なことに、提案した方式では、連続的較正は不要である(すなわち、「自己較正型」である)。
特性周波数における質量の時変変位に依存する共振器は、質量−バネ系としてモデル化することができる。よって、このような系は、外部加速度および力を受けるため、位相精度および共振周期性を乱すことがあり、その結果閉ループ制御回路に影響がでる。この状況の結果、全てのMEMS共振器は加速度依存性がある。共振器10は、これらの欠陥に対処する。従来の構造においては、調波振動子は、平衡位置から変位すると、以下のように変位xに比例する回復力Fを生ずる系である。
回復力が振動子系に作用する唯一の力である場合、系は単純調波振動子と呼ばれ、単純な調波運動をする。調波運動は、平衡点を中心とする正弦波振動によって特徴付けられ、一定の振幅と振幅に依存しない一定の周波数f0とを含む。
ただし、
Kは、バネ定数であり、
mは、振動子質量であり、
f0は、振動子共振周波数であり、
T0は、対応する振動周期である。
図3A〜図3Dは、電子トンネルチップとしての第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20の多様な例示的実施形態を示す。第1のスイッチ半体18が第2のスイッチ半体20と整列すると、閉スイッチ状態を示すトリガ信号が検出回路によって生成可能となる。1つの例示的な実現例では、2つの電子トンネル電極(第1の振動子14および第2の振動子16のそれぞれへ1個宛固定)を2つのスイッチ半体として用い、トリガ信号は、両電極が閉スイッチ位置で整列した際に電極チップが最接近すると発生するトンネル放電パルスを含む。図3Aは矩形チップを示す。図3Bは円形チップを示し、図3Cは三角形チップを示す。図3Dは等脚台形チップを示す。第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20が電子トンネルチップである共振器10の実施形態では、トンネルチップの形状は、幾何的な電界増強を生ずるか、またはトンネル領域が増すものであれば何でもよいことが理解される。
図4A〜図4Cは、複数の相対位置スイッチを上下に重ねた様子の側面図であり、第1の振動子14および第2の振動子16は、様々なトリガ位置にある。図4A〜図4Cは、第3の相対位置スイッチ半体26を第1の相対位置スイッチ半体18の上に、また第4の相対位置スイッチ半体28を第2の相対位置スイッチ半体20の上にそれぞれ重ねた様子を示す。これらの重ねられたスイッチ半体は、誘電材料30によって分離されている。標準的なモノリシックプリント回路作製技術を用いて、本実施形態の共振器10を作製することができる。振動子14の各振動サイクルごとに、相対位置スイッチ半体18、20、26および28が3つのトリガ位置のうちいずれかを通過するたびに、トンネル放電電流パルスが2つ以上の相対位置スイッチ半体すなわち電極の間のギャップ24に誘起される。本実施形態におけるこれらの3つのトリガ位置は、ゼロ力ポイント位置34、正方向変位(+d0)位置36、および負方向変位(−d0)位置38(それぞれ、図4A、図4Bおよび図4Cに示す)を含む。第1の振動子14および第2の振動子16が正方向変位位置36、ゼロ力ポイント位置34または負方向変位位置38に整列すると、トンネル放電電流パルス40、42および44がそれぞれ誘起される。トンネル放電電流パルス40、42および44は、図5を参照して以下にさらに詳述する低ノイズ電流増幅器によって検出および増幅することができる。
図5は、トンネル放電電流パルス40、42および44をレールに対して増幅する様態を示す。トンネル放電パルスの幅は、式3によって得られる量子トンネル効果の指数関数的挙動に起因して、極めて短時間しか持続しない場合がある。
ただし、
Iは、出力電流であり、
Uは、印加されたトンネルバイアス電圧であり、
dは、トンネルギャップ幅であり、
Kは、発生源および到達先の双方に利用可能な状態密度を示す定数であり、
βは、電子の仕事関数すなわち電子を真空電位へ放出するために必要なエネルギーを示す定数である。
この極めて短いインパルスは、第1の振動子14がゼロ力ポイント基準位置34を通過した正確な時点(図4Aに示す)を高精度に特定するのに役立つ。パルスの振幅は、例えば印加されたトンネル電圧の変動(電圧ノイズ)および/またはトンネル距離の変動に起因して異なることがあるため、低ノイズ電流増幅器を用いて、放電電流パルス40、42および44をレールに対して増幅して(レールは、検出回路の最大電流レベル値である)、実質的に矩形形状を呈する増幅されたパルス46、48および50を出力するようにしてもよい。振幅情報は失われるものの、増幅された矩形パルスは、デジタル回路および/またはさらに他の高機能装置(例えば、デジタル信号プロセッサ)との接続に有利に適している。
図6A〜図6Bは、図4A〜図4Cに示す共振器10の実施形態のトンネルパルス生成の例示的シーケンスを示す。このシーケンスは、第1の振動子14の1振動サイクル全体を含む。図6Aおよび図6B中、白抜き丸付き位置表示子1、3、5、7、9、11および13は、電流を流す導電路が確立されるチップ位置(すなわち、トリガ位置34、36および38)を示す。これらのチップ位置は、論理値「1」に対応させてよい。影付き丸付き位置表示子2、4、6、8、10および12は、導電電流が無い位置に対応する。これらの位置は、論理値「0」に対応させてよい。振動子14がゼロ力位置34(例えば、位置1、7および13)にあると、両相対位置スイッチが整列するため、電流パルス42が相対位置スイッチ半体18および20間ならびにスイッチ半体26および28間に発生する。振動子14が正方向変位位置36(参照符号3および5によって示す)にあると、電流パルス40は、第1の相対位置スイッチ半体18と第4の相対位置スイッチ半体28との間に発生する。同様に、振動子14が負方向変位位置38(参照符号9および11によって示す)にあると、電流パルス44は、第3の相対位置スイッチ半体26と第2の相対位置スイッチ半体20との間に発生する。振動子14が参照符号2、4、6、8、10および12によって示す位置にあると、相対位置スイッチによって電流パルスは発生しない。
図7〜図8は、第1の振動子14および第2の振動子16の経時的振動振幅のグラフであり、この場合、第1の振動子14は共振駆動され、第2の振動子16は駆動されていない。線52は、第1の振動子14の振動を示す。線54は、第2の振動子16の振動を示す。図7は、第1の振動子14および第2の振動子16が同じように外部擾乱へ応動する様態を示す。図8は、第1の振動子14および第2の振動子16の交点が常に実質的に同じ測定周期Tとなることを示す。
図9は、第1の振動子14および第2の振動子16の経時的な振動振幅のグラフである。この図によれば、第1の振動子14の周期Tをフレーム12に対して測定すると、測定された周期に誤差が生ずることが分かる。真なる周期Ttrueは、2つ振動子の交差によって得られる。
共振器10の一実施形態において、駆動周波数fdrvは、第1の振動子14の固有振動数f0と一致するように構成され、これにより、図7〜図9に示すような第1の振動子14の正弦波運動が得られる。共振駆動系には一般に、高いQの振動プルーフマス系が必要である。しかし、この実施形態では、文字通り振動子を共振状態に維持する何らかの駆動信号を使用可能であることが理解される。別の実施形態(図示せず)において、第1の振動子14は「オフ共振」で駆動され、その結果、とりわけ振動周期の高精度制御、したがって検出器精度の制御が可能になる。オフ共振駆動系は一般に、低いQの振動子が必要である。第1の振動子14および第2の振動子16が同じ周波数で駆動されかつ互いに位相がずれている限り、第1の振動子14および第2の振動子16の非調波実施形態を本発明と共に用いることも可能である。
図10は、外部加速度が加わった場合および加わっていない場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示すグラフである。フレーム12に外部加速度が加わったときの第1の振動子14の経時的振動振幅を実線56によって示す。フレーム12へ外部加速度が加わっていないときの第1の振動子14の経時的振動振幅を点線58によって示す。フレーム12に外部加速度が加わったときの第2の振動子16の経時的振動振幅を正弦波破線60によって示す。外部加速度がフレーム12へ加わっていないときの第2の振動子16の経時的振動振幅を一点鎖線62によって示す。期間T1aは、外部加速度を受けた場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動交点間の距離を示す。期間T1は、外部加速度を受けない場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動交点間の距離を示す。図10から分かるように、T1aは、T1に実質的に等しい。このように、共振器10へ外部力が加わっても、各交点間のタイミングは実質的に影響がない。よって、2つの連続するトリガ事象間の時間を記録することにより、第1の振動子14および第2の振動子16の振動周波数を判定することができる。典型的なMEMS共振器は、容量性駆動および検出型、または圧電変換素子駆動および検出型である。すなわち、位相同期ループ(PLL)が実現可能か否かは、圧電変換素子の発生した容量性信号または正弦波電圧から生じた正弦波電荷の正確な位相すなわち振幅を精密に測定する能力に依存する。共振器10は、図10に示すように加速度に実質的に依存しない既知の時点において第1の振動子14および第2の振動子16間で十分に確定したトリガを有し、これによりPLLは、従来の共振器の場合より高精度かつロバストな様態で同期することができる。
図11は、共振器10の別の実施形態の平面図である。本実施形態において、第1の振動子14および第2の振動子16は、フレーム12の片側に取り付けられ、第1の相対位置スイッチ半体18および第2の相対位置スイッチ半体20は平面導体であり、ギャップ24によって離隔された平行な縁部を有する。また、本実施形態において、第1の絶対位置スイッチ半体64および第2の絶対位置スイッチ半体66も図示されている。絶対位置スイッチの第1の半体64はフレーム12へ取り付けられ、第2の半体66は第1の振動子14へ取り付けられている。このようにして、フレーム12の加速度を別々に測定することができる。
図12A〜図12Dは、共振器10の別の実施形態を示す。図12Aは、フレーム12の両側に取り付けられた第1の振動子14および第2の振動子16を示す平面図である。図12B〜図12Dは、図12Aに示す共振器10の実施形態の側面図であり、第1の振動子14および第2の振動子16間の相対的動きを誇張して示す。本実施形態において、両振動子14および16は、駆動装置22によって180ずれた位相で駆動される。
図13は、共振器10の別の実施形態の平面図である。本実施形態において、3つの相対位置スイッチが第1の振動子14および第2の振動子16へ取り付けられている。第1の相対位置スイッチは、第1のスイッチ半体18および第2のスイッチ半体20を含む。第2の相対位置スイッチは、第3のスイッチ半体26および第4のスイッチ半体28を含む。第3の相対位置スイッチは、第5の相対位置スイッチ半体68および第6の相対位置スイッチ半体70を含む。本実施形態には、絶対位置スイッチが2つ存在する。第1の絶対位置スイッチは、第1のスイッチ半体64および第2のスイッチ半体66を含む。第1の絶対位置スイッチ半体64は、フレーム12へ取り付けられ、第2の絶対位置スイッチ半体66は、第1の振動子14の縁部へ取り付けられている。第2の絶対位置スイッチは、第3のスイッチ半体72および第4のスイッチ半体74を含む。第3の絶対位置スイッチ半体72は、第2の振動子16の縁部へ取り付けられている。第4の絶対位置スイッチ半体74は、フレームへ取り付けられている。
図14A〜図14Bは、共振器10の2つの異なる実施形態の機能ブロック図である。図14Aは、第1の振動子14のみが駆動された場合の共振器10の動作を示す。本実施形態において、駆動装置22は、第1の振動子14を駆動し、電圧バイアス75をアナログ出力として生成する。このアナログ出力75は周波数検出器76内へ供給され、周波数検出器76は出力78を生成する。出力78はローパスフィルタ80に入力され、そこでローパスフィルタ80は、フィルタリングした信号82を出力する。次に信号82は駆動装置22に入力される。第1の振動子14が振動すると、相対位置スイッチ80は、相対位置スイッチ80が閉鎖状態になる度に電流パルス82を出力する。電流パルス82は、周波数検出器76内へフィードバック可能なデジタル出力である。図14Bは、共振器10の実施形態で第2の振動子16も駆動装置22によって駆動される場合の動作を示す。図14Bに示すように、駆動出力75は、位相シフタ84によって位相シフトされた後、第2の振動子16に到達する。
図15A、図15B、図16A、図16Bおよび図17は、第1の振動子14および第2の振動子16の両方が駆動装置22によって駆動される場合の、共振器10の実施形態の振動振幅のいくつかの経時的グラフを示す。両振動子が駆動される場合、両者間の180度の位相差は不要であり、単に位相差が存在すればよい。図15Aは、位相差がπラジアンである場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示す。図15Bは、位相差がπ/1.2ラジアンである場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示す。図16Aは、位相差がπ/1.4ラジアンである場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示す。図16Bは、位相差がπ/2ラジアンである場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示す。図17は、位相差がπ/4ラジアンである場合の第1の振動子14および第2の振動子16の振動を示す。
共振器10のこれまでの記載から明らかなように、共振器10の概念から逸脱することなく共振器10の着想を実現するために多様な技術を用いることが可能である。例えば、一実施形態において、共振器10は、可動部分の無いプリント回路として実現してもよい。さらに、共振器10の多様な特徴は、処理装置(例えば、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA))において実行されるソフトウェアルーチンまたは命令として実現することができる。記載の実施形態は、全ての点において限定的ではなく例示的なものとみなされるべきである。また、共振器10は、本願に記載の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲から逸脱することなく多数の実施形態が可能であることが理解される。
Claims (20)
- 実質的に第1の周波数で振動するように構成された第1の振動子と、
実質的に前記第1の周波数で前記第1の振動子とは位相がずれた状態で振動するように構成された第2の振動子とを含み、前記第1の振動子および第2の振動子は、双振動子共振器に対する外部擾乱に対して同様の様態で応動するように配置され、さらに、
前記第1の振動子および第2の振動子の振幅が互いに実質的に等しい場合に出力信号を生成するように構成された検出回路を含む双振動子共振器。 - フレームと、
該フレームに対して振動するように構成された第1の振動子と、
該第1の振動子を前記第1の振動子の共振周波数で駆動するように構成された第1の駆動装置と、
前記第1の振動子へ取り付けられた第1の相対位置スイッチの第1の半体と、
前記第1の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第2の振動子とを含み、前記第1の振動子および第2の振動子は、前記フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計され、さらに、
前記第2の振動子へ取り付けられた前記第1の相対位置スイッチの第2の半体を含み、前記第1の振動子が振動すると、前記第1の振動子および第2の振動子間に相対的動きが発生して、前記第1の相対位置スイッチの前記第1のスイッチ半体および第2のスイッチ半体が互いにすれ違う際、各振動ごとに前記第1の相対位置スイッチが閉鎖状態を通過する共振器。 - 前記第2の振動子を該第2の振動子の共振周波数で前記第1の振動子と位相がずれた状態で駆動するように構成された第2の駆動装置をさらに含む請求項2に記載の共振器。
- 前記第2の振動子は駆動されない請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチは、各振動ごとの閉鎖状態において電気インパルスを通すように構成された請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチの前記第1の半体および第2の半体は平面導体を含む請求項5に記載の共振器。
- 前記平面導体はそれぞれ実質的に直線状の縁部を含み、該縁部は実質的に平行であり、前記第1の相対位置スイッチが前記閉鎖状態になると、前記縁部は微小ギャップよって互いに分離される請求項6に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチは電子トンネルチップを含む請求項7に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチは容量スイッチである請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチは光スイッチである請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の相対位置スイッチは、各振動ごとに閉鎖状態にある際、2値で変化する電気信号を出力して、該共振器の出力がデジタル信号となるように構成された請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の駆動装置は、前記第1の振動子へ動作的に接続された電極を含む請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の駆動装置は、共振動作を維持する電気信号を生成するように構成されたフィードバック回路を含む請求項2に記載の共振器。
- 前記第1の駆動装置は、前記第1の振動子を駆動するように構成された圧電変換素子を含む請求項2に記載の共振器。
- 第1の半体および第2の半体を含む絶対位置スイッチをさらに含み、該絶対位置スイッチの前記第1の半体は前記第1の振動子へ取り付けられ、前記絶対位置スイッチの前記第2の半体は前記フレームへ取り付けられて、前記第1の振動子の各振動ごとに前記絶対位置スイッチが閉鎖状態を通る請求項2に記載の共振器。
- 第1の半体および第2の半体を有する第2の相対位置スイッチをさらに含み、該第2の相対位置スイッチの前記第1の半体および第2の半体はそれぞれ、前記第1の相対位置スイッチの前記第1の半体および第2の半体の上方に配置されて、前記第1の振動子上のいずれかの所与の相対位置スイッチ半体から電流が該所与の相対位置スイッチ半体と整列した前記第2の振動子上の前記相対位置スイッチ半体のうちのいずれかへ通ることができる請求項2に記載の共振器。
- フレームを設け、
第1の振動子を前記フレームに対して振動するように構成し、
前記第1の振動子の共振周波数で前記第1の振動子を駆動し、
前記第1の振動子へ相対位置スイッチの第1の半体を取り付け、
前記第1の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第2の振動子を設け、前記第1の振動子および第2の振動子は、前記フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計され、前記第1の振動子が振動すると、前記第1の振動子および第2の振動子間に相対的動きが発生し、
前記相対位置スイッチの第2の半体を前記第2の振動子へ取り付けて、各振動ごとに前記第1のスイッチ半体および第2のスイッチ半体が互いにすれ違うと、前記相対位置スイッチが閉鎖状態を通り、
前記相対位置スイッチの連続する閉鎖状態間の差として振動周期を判定することを含む、共振器に時間領域スイッチを設ける方法。 - 前記第2の振動子の共振周波数で前記第2の振動子を前記第1の振動子と位相がずれた状態で駆動するステップをさらに含む請求項17に記載の方法。
- 絶対位置スイッチを前記第1の振動子および前記フレームへ取り付けて、前記第1の振動子の各振動ごとに前記絶対位置スイッチが閉鎖状態を通るようにするステップをさらに含む請求項17に記載の方法。
- 前記絶対位置スイッチの出力に基づいて時変加速度を判定し、前記振動周期のスキューを前記時変加速度に基づいて補償するステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
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