JP5101410B2 - 共振周波数可変ｍｅｍｓ振動子 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ振動子に関する。

ＭＥＭＳ振動子は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて作成された、通信回路における基準周波数発振源等に用いることが可能な振動素子である。
従来のＭＥＭＳ振動子は、一つ以上の保持手段によって基板から僅かに浮上した位置に保持された振動体と、振動体の振動方向に僅かな間隙を隔て配置された駆動電極と、駆動電極から振動体を挟んで対向した位置に僅かな間隙を隔て配置された検出電極と、を有し、駆動電極に接続された駆動回路から直流電圧でバイアスされた駆動交流電圧を駆動電極へ印加することで振動体を振動させ、その振動を検出電極で電気信号として検出する。駆動交流電圧がある特定の周波数のとき、振動体は強く振動し、検出電極で検出される信号も、強く、安定した信号となる。その特定の周波数を共振周波数と呼ぶ。

図６は、従来のＭＥＭＳ振動子の基本構成を示す斜視図である。図において、振動体６２１は、固定部６３１，６３２により基板６１１から僅かに浮上した位置に保持されている。ｘ軸方向に振動体６２１から間隙ｄ１を隔て駆動電極６４１が、振動体６２１を挟んで駆動電極６４１と対向した位置に振動体６２１から間隙ｄ２を隔て検出電極６５１が、それぞれ配置され、基板６１１に固定されている。直流電圧Ｖｐでバイアスされた交流電圧を駆動電圧とし、その駆動電圧を、駆動電極６４１に接続された図示しない駆動回路から間隙ｄ１へ印加することで、振動体６２１がｘ軸方向に振動する。その振動を電気信号として検出電極６５１に接続された図示しない検出回路により検出する。駆動電圧の交流成分の周波数がｆのときに、振動体６２１が強く振動し、検出電極６５１で検出される信号も、強く、安定した信号であるとする。その場合、周波数ｆを共振周波数と呼ぶ。
図６の構成を持つ従来のＭＥＭＳ振動子において、直流電圧Ｖｐ、または間隙ｄ１を変化させることで共振周波数ｆを微調整できることが知られている（特許文献１）。
米国特許第６９８７４３２号公報。

上述の通り従来のＭＥＭＳ振動子は、直流電圧Ｖｐを変化させることで共振周波数ｆを微調整できた。その調整により、デバイスの加工作製時の寸法誤差に起因する共振周波数の目標値からのズレの補正等が可能であった。直流電圧Ｖｐを高くすると共振周波数の変化量も大きくなるため、従来のＭＥＭＳ振動子においても、直流電圧Ｖｐを広い範囲で可変にすれば共振周波数の可変範囲を広くすることができた。
しかし、直流電圧Ｖｐを高くし過ぎると、振動体と駆動電極との間に作用する静電力により、振動体が駆動電極に張り付き、ショートする。また、一般に、直流電圧Ｖｐを高くした場合は駆動回路における消費電力が高くなる。そのため、直流電圧Ｖｐは低い方が望ましい。
しかしながら、直流電圧Ｖｐの可変範囲を低い範囲に限定すると、共振周波数の可変範囲が狭まる。そして、共振周波数の可変範囲が狭いとデバイスの加工作製時における寸法誤差の許容範囲が狭いため、その調整によって所望の共振周波数を得られるようにするには高い加工精度が要求される。直流電圧Ｖｐの可変範囲が低い範囲に限定されている場合、加工精度が高くなければ、共振周波数の調整が困難になる。
したがって、従来のＭＥＭＳ振動子は、作製時における加工の容易さと、消費電力の低さと、共振周波数の調整の容易さと、を同時に達成することが困難であった。そのため、加工が容易で、かつ、消費電力を低減でき、共振周波数を容易に調整可能なＭＥＭＳ振動子が望まれていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、表面に１或いは複数の櫛歯状の突起群が形成された振動体と、駆動回路に接続した駆動電極と、検出回路に接続した検出電極と、表面に櫛歯状の突起群が形成された１或いは複数の静電電極と、を備え、前記振動体が基板上に１或いは複数の点で固定され、前記駆動電極と前記検出電極と前記静電電極とが前記振動体から間隙を隔て配置され、前記駆動電極に駆動電圧を印加することで前記振動体が振動し、前記振動を前記検出電極で電気信号として検出するＭＥＭＳ振動子であり、前記静電電極の櫛歯状の突起群と前記振動体の櫛歯状の突起群とが対を成して櫛歯型キャパシタを構成し、前記櫛歯型キャパシタに直流電圧を印加することで前記振動体の振動の周波数が変化することを特徴とするＭＥＭＳ振動子である。

本発明に係るＭＥＭＳ振動子によれば、加工が容易で、かつ、消費電力を低減でき、従来に比べその共振周波数を容易に調整できる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態１によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す斜視図である。図１において、振動体１２１は、基板１１１に接続した固定部１３１・１３２により基板１１１の表面から僅かに浮上した位置に保持されている両持ち梁型の構造である。そのｘ軸方向に振動体１２１から間隙を隔て駆動電極１４１が、振動体１２１を挟んで駆動電極１４１と対向した位置に振動体１２１から間隙を隔て検出電極１５１が、それぞれ配置され、基板１１１に固定されている。直流電圧Ｖｐでバイアスされた交流電圧を駆動電圧とし、その駆動電圧を、駆動電極１４１に接続された図示しない駆動回路から振動体１２１と駆動電極１４１との間隙へ印加することで、振動体１２１がｘ軸方向に振動する。その振動を電気信号として検出電極１５１に接続された図示しない検出回路により検出する。振動体１２１は、駆動電圧の交流成分の周波数が共振周波数ｆのときに強く振動する。

振動体１２１の一方の固定端付近の基板に垂直な両側面には、櫛歯１７１・１７２が形成されており、他方の固定端付近の基板に垂直な両側面には、櫛歯１７３・１７４が形成されている。図２は、振動体１２１の一方の固定端を拡大した平面図である。櫛歯１７１に対向する位置に櫛歯１７５を持った静電電極１６１が、櫛歯１７２に対向する位置に櫛歯１７６を持った静電電極１６２が、それぞれ配置され、基板１１１に固定されている。他方の固定端付近では、櫛歯１７３に対向する位置に櫛歯１７７を持った静電電極１６３が、櫛歯１７４に対向する位置に櫛歯１７８を持った静電電極１６４が、それぞれ配置され、基板１１１に固定されている。櫛歯１７１を構成する各突起は、櫛歯１７５を構成する各突起と交互に間隙を隔て配置されている。他の櫛歯の対も同様に、それぞれを構成する各突起が交互に間隙を隔て配置されている。櫛歯１７１と櫛歯１７５との各間隙と、櫛歯１７２と櫛歯１７６との各間隙とは、櫛歯１７１・１７２を構成する各突起からｙ軸方向負の向きにある方がｙ軸方向正の向きにある方よりも狭い。他方、櫛歯１７３と櫛歯１７７との各間隙と、櫛歯１７４と櫛歯１７８との各間隙とは、櫛歯１７３・１７４を構成する各突起からｙ軸方向正の向きにある方がｙ軸方向負の向きにある方よりも狭い。以上の構造により、向かい合った櫛歯の対が、それぞれ櫛歯型キャパシタを構成している。
図示しない電圧供給回路より、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Ｖｑを印加すると、各キャパシタ間にｙ軸方向の静電力が生じる。振動体１２１は、櫛歯１７１と櫛歯１７５とで構成されるキャパシタ、および櫛歯１７２と櫛歯１７６とで構成されるキャパシタ間に生じる静電力によって、ｙ軸方向負の向きに引っ張られ、残りのキャパシタ間に生じる静電力によって、ｙ軸方向正の向きに引っ張られる。それにより、振動体１２１はｙ軸方向の引っ張り応力を受ける。
振動体１２１に対しｙ軸方向の引っ張り応力が作用すると、振動体１２１の共振周波数ｆは高まる。よって、各櫛歯型キャパシタに印加する直流電圧Ｖｑを大きくすることで共振周波数ｆを高めることができる。図５は、ＶｐとＶｑの変化により共振周波数ｆが変化する様子を示すグラフであり、Ｖｐを大きくすることで共振周波数ｆが低下する様子と、Ｖｑを大きくすることで共振周波数ｆが高まる様子と、を示している。Ｖｑを印加しない場合の共振周波数ｆの可変範囲がａからｂの範囲であったとする。それが、Ｖｑを印加し、変化させることで、ａからｃの範囲にすることができる。よって、各静電電極が存在しない従来の構造に比べ、共振周波数ｆは可変範囲が広い。また、振動体１２１に圧縮応力が作用するように各櫛歯型キャパシタを構成することも可能であり、その場合は、Ｖｑを大きくすることで共振周波数ｆを低下させることができる。よって、その場合も、各静電電極が存在しない従来の構造に比べ、共振周波数ｆは可変範囲が広い。
共振周波数ｆの可変範囲が拡がれば、デバイスの加工作製時における寸法誤差の許容範囲も拡がる。櫛歯構造は少々複雑に見えるが、向かい合う櫛歯から交互に配置された各突起の間隙を、振動体１２１と検出電極１４１、または駆動電極１５１との間隙と同程度の寸法にとれば、求められる加工精度に変わりはない。よって、本実施形態に係る構造によれば、従来の構造に比べ寸法誤差の許容範囲が拡がった分だけ加工が容易な構造となる。
また、一般に櫛歯型キャパシタは、通常の同サイズの平行板キャパシタに比べ静電容量を大きくすることができ、低い直流電圧Ｖｑの印加でより大きな静電力を得ることができる。櫛歯型キャパシタ間の静電力を大きくすると、共振周波数ｆの可変範囲を維持したまま、駆動電圧の直流成分Ｖｐを低くすることができ、駆動回路における消費電力を低減できる。直流電圧Ｖｑを印加する電圧供給回路においても電力は消費されるが、櫛歯の突起を多くすることで静電力を維持したままＶｑを低くすることができ、それによって電圧供給回路における消費電力を抑えることができる。結果、駆動回路による消費電力と各櫛歯型キャパシタの電圧供給回路による消費電力とを合わせても、従来の駆動回路における消費電力よりも低くすることができる。よって、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子によれば、従来にくらべ消費電力を低減できる。
また、従来のＭＥＭＳ振動子と本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子とで、加工の容易さと周辺回路による消費電力とが等しいとすると、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子は、従来に比べ共振周波数の可変範囲を広くできる。
以上から、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子によれば、作製時における加工が容易なまま、消費電力を低減でき、従来に比べその共振周波数を容易に調整できる。

図３は、本発明の実施形態２によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す、ｙ−ｚ平面方向の断面図である。図３において、振動体２２１は、基板２１１・２１２に接続した固定部２３１・２３２により保持されている両持ち梁である。また、基板２１２は、基板２１３と接続している。ｚ軸方向に振動体２２１から間隙を隔て駆動電極２４１が、振動体２２１を挟んで駆動電極２４１と対向した位置に振動体２２１から間隙を隔て検出電極２５１が、それぞれ配置され、駆動電極２４１は基板２１３に、検出電極２５１は基板２１１に、それぞれ固定されている。直流電圧Ｖｐでバイアスされた交流電圧を駆動電圧とし、その駆動電圧を、駆動電極２４１に接続された図示しない駆動回路から振動体２２１と駆動電極２４１との間隙へ印加することで、振動体２２１がｚ軸方向に振動する。その振動を電気信号として検出電極２５１に接続された図示しない検出回路により検出する。振動体２２１は、駆動電圧の交流成分の周波数が共振周波数ｆのときに強く振動する。

図４は、図３のＭＥＭＳ振動子のｘ−ｙ平面方向の断面図である。振動体２２１の両側面には、櫛歯２７１・２７２が形成されている。櫛歯２７１に対向する位置に櫛歯２７３を持った静電電極２６１が、櫛歯２７２に対向する位置に櫛歯２７４を持った静電電極２６２が、それぞれ配置され、基板２１２に固定されている。櫛歯２７１を構成する各突起は、櫛歯２７３を構成する各突起と交互に間隙を隔て配置されている。櫛歯２７２と櫛歯２７４との対も同様に、それぞれを構成する各突起が交互に間隙を隔て配置されている。その間隙は、ｙ軸方向に沿って各櫛歯の中央から固定部２３１の方向に向かって配置された範囲においては、櫛歯２７１・２７２を構成する各突起からｙ軸方向負の向きにある方がｙ軸方向正の向きにある方よりも狭く、ｙ軸方向に沿って各櫛歯の中央から固定部２３２の方向に向かって配置された範囲においては、櫛歯２７１・２７２を構成する各突起からｙ軸方向正の向きにある方がｙ軸方向負の向きにある方よりも狭い。以上の構造により、振動体２２１の各櫛歯とそれぞれに対応する静電電極の各櫛歯とが、それぞれ櫛歯型キャパシタを構成している。

本実施形態は、実施形態１とは異なり、駆動電極２４１および検出電極２５１が属する平面と各櫛歯が属する平面とが異なる。振動体２２１は両平面の交線上に存在し、両平面に属する。このような構造にすることで、振動体２２１の両側面に形成された櫛歯２７１・２７２を構成する突起の数、および各静電電極の側面に形成された櫛歯２７３・２７４を構成する突起の数を増やすことができ、各櫛歯型キャパシタの静電容量を大きくすることができる。よって、本実施形態の構造によれば、実施形態１の構造にくらべ、各櫛歯型キャパシタ間にかける電圧Ｖｑをそのままに、振動体２２１に作用させる静電力の大きさを大きくすることができる。
従って、本実施形態に係るＭＥＭＳ振動子は、作製時における加工が容易なまま、消費電力を低減でき、実施形態１よりもさらにその共振周波数を容易に調整できる。

本発明の実施形態１によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す斜視図である。 図１の振動体１２１の固定端付近を拡大した平面図である。 本発明の実施形態２によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す、ｙ−ｚ平面方向の断面図である。 図３のＭＥＭＳ振動子のｘ−ｙ平面方向の断面図である。 ＶｐとＶｑの変化により共振周波数ｆが変化する様子を示すグラフである。 従来のＭＥＭＳ振動子の基本構成を示す斜視図である。

符号の説明

１１１、２１１、２１２、２１３、６１１ 基板
１２１、２２１、６２１ 振動体
１３１、１３２、２３１、２３２、６３１、６３２ 固定部
１４１、２４１、６４１ 駆動電極
１５１、２５１、６５１ 検出電極
１６１、１６２、１６３、１６４、２６１、２６２ 静電電極
１７１、１７２、１７３、１７４、１７５、１７６、１７７、１７８、２７１ 櫛歯
２７１、２７２、２７３、２７４ 櫛歯
ｄ１、ｄ２ 間隙
Ｖｐ 駆動電圧中の直流電圧
Ｖｑ 櫛歯間に印加する直流電圧
ｆ 共振周波数

Claims (6)

1. 基板上に１或いは複数の点で固定され、表面に櫛歯状の突起が形成された振動体と、
   前記振動体の前記櫛歯状の突起との間で櫛歯型キャパシタを構成する、表面に櫛歯状の突起が形成された静電電極と、駆動電極と、検出電極と、を備えたＭＥＭＳ振動子。
2. 前記櫛歯型キャパシタへの直流電圧の印加により、前記振動体の長軸方向に引っ張り応力を生じ、前記振動体の周波数が増大する請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子。
3. 前記櫛歯型キャパシタへの直流電圧の印加により、前記振動体の長軸方向に圧縮応力を生じ、前記振動体の周波数が減少する請求項１に記載のＭＥＭＳ振動子。
4. 前記振動体と前記駆動電極と前記検出電極と前記静電電極とが同一平面内に存在し、同一基板上に固定されている請求項１〜３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ振動子。
5. 前記振動体と前記静電電極とが同一平面内に存在し、前記振動体と前記駆動電極と前記検出電極とが前記平面とは別の同一平面内に存在し、前記振動体と前期静電電極とが同一基板上に固定され、前記基板と接合した前記基板とは異なる２つの基板のうちの一方に前記駆動電極が、他方に前記検出電極が、それぞれ固定されている請求項１〜４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ振動子。
6. 請求項１ないし５いずれか１項記載のＭＥＭＳ振動子と、前記ＭＥＭＳ振動子に直流電圧を印加するための電源部を有する振動回路。

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