JP2010056764A - Ｍｅｍｓ振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】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可能なＭＥＭＳ振動子を提供する。
【解決手段】基板１１１上に１或いは複数の点で固定され、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７２１と、振動体７２１の櫛歯状の突起群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群が形成された１或いは複数の静電電極１６１，１６２，１６３，１６４と、駆動電極１４１と、検出電極１５１と、を備え、振動体７２１が、駆動電極１４１からの駆動電圧によって振動する振動部７２２と、振動部７２２に結合する１或いは複数の振動制限部７２３と、により構成され、櫛歯型キャパシタに直流電圧を印加することで振動部７２２の振動の周波数が変化する。
【選択図】図１

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４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４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、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、前記振動体が、前記駆動電極からの駆動電圧によって振動する振動部と、前記振動部に結合する１或いは複数の振動制限部と、により構成される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、本発明の実施形態によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す平面図である。図１において、振動体７２１は、基板１１１に接続した固定部１３１・１３２により保持された振動部７２２（網掛けされた部分）と、基板１１１に接続した固定部７３３により保持された振動制限部７２３と、で構成され、振動部７２２と振動制限部７２３とが節７８１において結合した複合梁である。そのｘ軸方向に振動部７２２から間隙を隔て駆動電極１４１が、振動部７２２を挟んで駆動電極１４１と対向した位置に振動部７２２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部７２２と駆動電極１４１との間隙へ印加することで、振動部７２２がｘ軸方向に振動する。上記振動は、節７８１を振動の節とした振動である。上記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。振動部７２２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。

振動部７２２の、固定部１３１との接続部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、固定部１３２との接続部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、振動部７２２と固定部１３１との接続部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。図２に示した側とは逆の、振動部７２２と固定部１３２との接続部付近には、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。このとき、図１および図２の構造によると、振動部７２２の、固定部１３１からそれに近い方の節７８１までの範囲は、ｙ軸方向負の向きに引っ張られ、固定部１３２からそれに近い方の節７８１までの範囲は、ｙ軸方向正の向きに引っ張られる。また、固定部１３１に近い方の節７８１は、ｙ軸方向負の向きに、固定部１３２に近い方の節７８１は、ｙ軸方向正の向きにそれぞれ引っ張られることから、振動部７２２の、一方の節７８１から他方の節７８１までの範囲には、ｙ軸方向の引っ張り応力が作用する。

振動部７２２の、一方の節７８１から他方の節７８１までの範囲に対して、ｙ軸方向の引っ張り応力が作用すると、共振周波数ｆが高まる。すなわち、Ｖｑを印加することで共振周波数ｆを高めることができる。図３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。共振周波数ｆはＶｑを印加することで高められ、その最大値をｃとすると、印加するＶｑを変化させることで共振周波数ｆの可変範囲をａからｃの範囲に拡げることができる。また、振動部７２２の、一方の節７８１から他方の節７８１までの範囲に対して、ｙ軸方向の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る。そのように各櫛歯型キャパシタを構成すると、印加する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。この場合も、Ｖｑを印加しない場合に比べ共振周波数ｆの可変範囲が拡がる。

以下、直流電圧Ｖｐを一定とし、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Ｖｑを印加しないときの共振周波数ｆを基準共振周波数ｆ０と定義して用いる。振動体上の所望の位置が振動の節になるように振動体を構成できない従来の構造（以下、従来の構造）によれば、振動体のｙ軸方向の長さが異なれば、その他の寸法および材料が等しい構造だとしても、基準共振周波数ｆ０が異なる。しかし、本実施形態に係る構造によれば、振動部７２２のｙ軸方向の長さが異なっても、一方の節７８１から他方の節７８１までの長さが等しく、その他の寸法および材料が等しい構造であれば、基準共振周波数ｆ０が等しい。そのため、基準共振周波数ｆ０を一定に保ったまま、振動部７２２をｙ軸方向に長くすることができる。振動部７２２がｙ軸方向に長くなると、各櫛歯型キャパシタの櫛歯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。したがって、従来の構造に比べ、各櫛歯型キャパシタに直流電圧Ｖｑを印加したときの静電力を大きくすることができ、振動部７２２の、一方の節７８１から他方の節７８１までの範囲に作用する応力の大きさを大きくすることできる。それにより、基準共振周波数ｆ０からの共振周波数ｆの変化量を大きくすることができる。すなわち、本実施形態に係る構造によれば、従来の構造に比べ、共振周波数ｆの可変範囲を拡げることができる。

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、振動部７２２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、各櫛歯型キャパシタの櫛歯を構成する突起の数を増やすことで、従来と比較して作製時における加工の容易さを維持したまま、消費電力の低減と共振周波数ｆの容易な調整とが可能になる。

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。

本発明の実施形態によるＭＥＭＳ振動子の構造を示す平面図である。 図１の振動部７２２と固定部１３１との接続部を拡大した平面図である。 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、６１１ 基板
１２１、６２１、７２１ 振動体
７２２ 振動部
７２３ 振動制限部
１３１、１３２、６３１、６３２、７３３ 固定部
１４１、６４１ 駆動電極
１５１、６５１ 検出電極
１６１、１６２、１６３、１６４ 静電電極
１７１、１７２、１７３、１７４、１７５、１７６、１７７、１７８ 櫛歯
７８１ 節
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
ｆ０ 基準共振周波数

Claims (4)

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、前記振動体が、前記駆動電極からの駆動電圧によって振動する振動部と、前記振動部に結合する１或いは複数の振動制限部と、により構成されるＭＥＭＳ振動子。
2. 前記静電電極に直流電圧を印加するための入力部を有する請求項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引っ張り応力が生じ、前記引っ張り応力により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。
4. 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が生じ、前記圧縮応力により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。

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