JP3352462B2 - 損失補償手段を備えた機械式信号プロセッサ - Google Patents

損失補償手段を備えた機械式信号プロセッサ

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、損失補償手段を備えたマイクロメカニカル
信号プロセッサに関する。
発明の背景 小型のセンサ、検出器および信号処理システムが求め
られている。
マイクロメカニカル部品はこのようなシステムを実現
するのに適している。従来のマイクロメカニカル・シス
テムは単純なものであり、それらの能力は圧倒的なもの
ではない。現在までのところ、より大きなシステムの物
理的特性をより小さなサイズの装置に移植することが小
型化を実施する単純な方法として行われている。「Mech
anical Signal Processor Based on Micromechanical O
scillators and Intelligent Acoustic Detectors and
Systems Based Thereon」という名称の同時係属特許出
願PCT/IB95/00817号に、マイクロメカニカルANDゲート
が初めて記載され、これがマイクロメカニックスの新た
な端緒を開いた。このようなANDゲートは、マイクロフ
ォン、音響センサ、触覚センサなどを含む多くの異なる
種類のマイクロメカニカル信号処理システムの基本的構
成単位としての役割を果たす可能性がある。
全ての機械システムはさまざまな性質の損失を受ける
ので、このような損失を補償し、必要であれば増幅機能
を提供するマイクロメカニカル構成単位が必要となる。
例えば、機械的に結合されたいくつかのレベルの振動片
持ち梁を備えた複雑なマイクロメカニカル音響センサ
は、特別な損失補償手段がなければ動作しないであろ
う。
したがって本発明の目的は、マイクロメカニカル・シ
ステムにおける損失を補償する方法および装置を提供す
ることにある。
本発明の目的は、振動する片持ち梁を備えたマイクロ
メカニカル・システムにおける損失を補償する方法およ
び装置を提供することにある。
本発明の目的は、周知のマイクロメカニカル信号処理
システムを改良する方法および装置を提供することにあ
る。
発明の概要 これは、ポンプ振動子のエネルギーをマイクロメカニ
カル・システムに伝達して損失を補償するような方法で
マイクロメカニカル・システムに機械式ポンプ振動子を
結合することによって達成される。
本発明の基本的構成単位は周波数f3で振動する振動部
材であり、その損失は、駆動されて周波数fp（fp＞f3）
で振動し非線形結合部品を介して振動部材にエネルギー
を伝達するマイクロメカニカル・ポンプ振動子によって
補償される。実施例によってはポンプ振動子の他にアイ
ドル振動子が必要となる。このアイドル振動子も前記振
動部材に結合され、周波数fi＝fp−f3で振動する。
前記基本的構成単位を使用して、損失補償付きマイク
ロメカニカルANDゲートを得ることができる。このANDゲ
ートは、周波数f1で振動する第１の片持ち梁および周波
数f2で振動する第２の片持ち梁を備える。これらの２つ
の片持ち梁は、周波数f1およびf2の振動の線形重ね合わ
せが起こるように線形結合部品によって結合される。前
記基本的構成単位の振動部材は、前記片持ち梁のうちの
第１の片持ち梁がf1で振動し、第２の片持ち梁がf2で振
動する場合にその共振周波数f3が刺激されるように、非
線形結合部品を介して前記２つの片持ち梁に結合され
る。前述のとおり前記振動部材は、その損失が補償さ
れ、必要ならばその振動が増幅されるようにポンプ振動
子に結合される。
このようなANDゲートを基にして、多くの異なる種類
のマイクロメカニカル・システムを実現することができ
る。
図面の説明 次に、以下の概略図を参照して本発明を詳細に説明す
る。
第１図は、本発明に基づく片持ち梁の透視図である。
第２図は、本発明に基づくブリッジの透視図である。
第３図は、本発明に基づく膜の透視図である。
第４図は、本発明に基づく基本的構成単位の第１の実
施例の概略上面図である。
第５図は、本発明に基づく基本的構成単位の第２の実
施形態の概略上面図である。
第６図は、同時係属特許出願PCT/IB95/00817号に記載
され、特許請求されている２つの振動を線形に重ね合わ
せるための機械システムの概略上面図である。
第７図は、本発明の第３の実施例の概略上面図であ
る。
第８図は、本発明の第４の実施例の概略上面図であ
る。
第９図は、非線形結合部品の実施態様の説明に使用す
る概略図である。
一般説明 本発明のさまざまな実施形態を説明する前にそれらの
基本部品について述べる。
片持ち梁： 片持ち梁は、製作が容易な周知のマイクロメカニカル
部品である。これには、従来の半導体製造方法を使用す
ることができる。要点を述べる。微細機械加工手法を使
用して別個の片持ち梁および片持ち梁のアレイを作り出
す。複雑な構造が必要な場合には、フォーカスト・イオ
ンミリング（focussed ion−milling）と呼ばれる手法
を使用することができる。ただしこの手法は大量生産に
あまり適していない。この手法では加工する基板を、ベ
ース圧力約2.3×10-6mbarの真空チャンバ内に封入す
る。イオン源からのガリウム（ga）イオンを、高電圧
（10〜30kV）によって加速し、ターゲットに集中させ
る。12〜300pAの電流を使用してターゲット・スポット
のところの材料を腐食させる。塩化物分子のストリーム
をターゲット領域に導くことによってこの方法の効率を
高めることができる。この方法を適用することによっ
て、異なる種類の全てのマイクロメカニカル構造を快適
に形成することができる。フォーカスト・イオンミリン
グ装置は市販されている。
片持ち梁の大きさを決めるときには、片持ち梁が形成
される基板に使用する材料の具体的パラメータを考慮し
なければならない。片持ち梁および片持ち梁のアレイは
通常、（100）配向または（111）配向のシリコン基板の
部分をエッチングで切り離すことによって製作される。
（100）配向のシリコンは例えば、エチルジアミンピロ
カテコール溶液またはKOH溶液を使用したウェット・エ
ッチングでエッチングすることができる。ウェット・エ
ッチング手法は一般に基板の結晶学的方位に左右され
る。例えば、（100）配向のシリコンは、（111）面のエ
ッチング速度が非常に遅く、そのため、（111）軸に沿
った方向のエッチングの止まりがよく、（100）から54.
7゜の角度を有するよく画定されたエッチング平面を生
成する。代替方法では、例えば反応性イオン・ビーム・
エッチング（RIE）、化学支援イオン・ビーム・エッチ
ング、またはマイクロ波支援プラズマ・エッチングなど
のドライ・エッチング手法を利用する。特にRIE法は、
単一装置またはアレイのバッチ製造によく適している。
前述のフォーカスト・イオンミリング法も片持ち梁構造
を製作する方法の１つである。プロセス条件によっては
寸法の制御に優れる深い異方性構造が得られる。エッチ
ングする構造を画定するためにマスクを使用することが
できる。使用する片持ち梁の形状は、フォトリソグラフ
ィ、エッチング、およびフォーカスト・イオン・ミリン
グで得られるものであればどんな形状でもよい。断面形
状は例えば、長方形、円形、楕円形、多角形などにする
ことができる。
本発明とともに使用することができる片持ち梁10を第
１図に示す。同図に示すとおり基板12が層11で覆われて
いる。この層11および基板12をエッチングして片持ち梁
10を形成する。この片持ち梁は溝13の中に延びている。
この図には基板の配向＜100＞が示されている。
ピーターセン（K.E.Petersen）著「dynamic Micromec
hnics on Silicon:Techniques and Devices」,IEEE Tra
nsactions on Electronic Devices,Vol.ED25,No.10,197
8,pp.1241−1249に報告されているように、ガリウムヒ
素などのその他の半導体材料も片持ち梁の製造に適す
る。
片持ち梁の設計を適当にすることによって、ある周波
数に感応するマイクロメカニカル部材を得ることができ
る。適正な形状、長さおよび材料を選択することによっ
て、力、例えば十分な振幅（強度）を有する特定の周波
数の音響信号が印加されると強く振動し始める部材を得
ることができる。この振動は、片持ち梁を担持する基板
内の音波または超音波によっても励起される。振動は、
機械的刺激によっても生じる。
本発明によれば、片持ち梁の共振周波数は、この特定
の片持ち梁で検出しようとする周波数にほぼ一致するよ
うに選択される。第１の機械的共振は、 から計算することができる。上式で、κは補正率（約
１）で、片持ち梁材料の密度、ヤング率Ｅ（薄いSiO2で
はＥ＝6.7×1010N/m2）、およびその他の構造上の詳細
によって決まる。ｌは片持ち梁の長さ、ｔは片持ち梁の
厚さ、ρは密度である。現在までのところ単純なシリコ
ン片持ち梁で観察された最も高い共振周波数は約1.25MH
zである。これについては、ピーターセン（K.E.Peterse
n）著「Silicon as Mechanical Material」Proceedings
of the IEEE,Vol.70,No.5,May 1982,p.447を参照され
たい。人間の耳は、20000Hzまでの周波数に感応する
が、これは、現在のマイクロメカニカル片持ち梁で検出
できる周波数の約1/60でしかない。
ブリッジ： ブリッジは、ギターの弦のように両端が固定された梁
である。一例を第２図に示す。基板22の上に層21が形成
されている。基板および層は、溝23の上にブリッジ20が
形成されるようにして例えばリソグラフィーおよびエッ
チングによって構造化される。
解析によって解くことができ、共振周波数とブリッジ
の所与の張力を与える引力との間の関係を表す潜在的な
力−周波数式となる微分方程式が存在する。力が小さい
ときにはこの式は、 で近似することができる。上式で、ｆは負荷時の共振周
波数、f0は無負荷時の共振周波数、Ｆは引力、Ｅはヤン
グ率、ｌはブリッジの長さ、ｔはブリッジの厚さ、ｂは
ブリッジの幅である。上の式（２）は、感度などのブリ
ッジの特性を計算するのに有用である。例えば本発明に
基づく音響検出器に使用する場合、このようなブリッジ
の正確な形状は、音波またはその他の力が固定梁に作用
する方法を考慮して慎重に選択しなければならない。さ
らなる詳細は例えば、F.R.ブロム（F.R.Blom）他「Reso
nating Silicon Beam Force Sensor」Sensors and Actu
ators,17,1989,pp.513−519.に示されている。
膜： 前述のブリッジを使用する代わりに、２つ以上のコー
ナを固定した膜状マイクロメカニカル部材30を使用する
ことができる。一例を第３図に示す。膜30は、基板32お
よびこれを覆う層31を適当に構造化することによって形
成される。膜30の下にはエッチング溝33がある。２つの
コーナが固定された正方形の膜の場合には以下の式を使
用して共振周波数を計算することができる。
上式で、f0は面内応力がない場合の基本共振周波数、Ｅ
はヤング率、νはポアソン比、ｔは膜厚、ａは膜の側面
の長さである。さらなる詳細は、R.P.リード（R.P.Rie
d）他「Modulation of Micromachined−Microphone Fre
quency Response Using an On−Diaphragm Heater」,DS
C−Vol.46,Micromechanical Systems,ASME（American S
ociety of Mechanical Engineers）1993,pp.7−12に示
されている。
前記の全ての部品、すなわち片持ち梁、ブリッジおよ
び膜を本明細書では、マイクロメカニカル部材、マイク
ロメカニカル振動子、または振動部材と呼ぶ。前記マイ
クロメカニカル部材の形状を、ある種の必要性に合致す
るように最適化することができる。そのためには例え
ば、 1.片持ち梁の端部における追加の保証質量（延長端部質
量）、 2.感度を増大させるための他よりも幅広いセクション、 3.適当な断面 などを提供する。
前記ブリッジおよび膜が高周波用検出器としてよく適
していることは注目に値する。この片持ち梁を例えばら
せん形に丸めて、低周波に感応する部材を得ることがで
きる。
マイクロメカニカル部材のアレイ： マイクロメカニカル部材のアレイが得られるように前
記部材同士を隣り合わせに配置することができる。これ
には、さまざまな組合せおよび配置が考えられる。この
ようなアレイは高精度、高再現性で製作することができ
る。適切に設計すれば、アレイを低コストかつ高歩留り
で大量生産することができる。
本発明によれば、前記マイクロメカニカル部材および
各部材の共振周波数を、ある周波数に感応する部品が得
られるように選択する必要がある。周囲環境、例えば質
量負荷、ダスト、水吸着、腐食などとマイクロメカニカ
ル部材との物理的および化学的相互作用に起因する共振
周波数の偏移を回避するためには、個々のマイクロメカ
ニカル部材またはアレイ全体を適当にカプセル化すると
有利である。ある状況下では、マイクロメカニカル部材
を排気されたハウジング内に置くことが推奨される。こ
れによって部材の汚染を防ぐことができるだけでなく、
機械的なＱ（quality factor）を高くすることができ
る。これを達成するため該部材を、例えばマイクロキャ
ビティ内に置いてもよい。場合によっては、例えば音響
信号によって生じた外力が特定のマイクロメカニカル部
材に直接に作用しないようにすることが重要となる。特
定のマイクロメカニカル部材が望ましくない方法で刺激
されるのを防ぐのに使用できる手段にはさまざまなもの
がある。それぞれのマイクロメカニカル部材を例えば90
゜回転させて、例えば音響信号などの力によって刺激さ
れる部材とは直角に振動するようにしてもよい。音響信
号のターゲットとして機能する表面のサイズを小さくす
ることによって、例えば音響信号などに対する感度を低
くすることができる。最後に、マイクロメカニカル部材
を遮蔽するか、またはハウジング内に封入することがで
きる。機械式または静電気式の制動手段を提供すること
も可能である。片持ち梁に静電引力（または磁力）が作
用すると片持ち梁の共振周波数は小さくなる。
マイクロメカニカル部材およびハウジングの設計また
は前記部材を封入するキャビティによっては、気体を導
入することによって機械的なＱを下げることができる
（共振周波数はＱに一次で反比例することに留意された
い）。マイクロメカニカル部材を硬くすると共振周波数
が高くなり、質量負荷は共振周波数を低くする。これら
の効果を使用して、それぞれのマイクロメカニカル部材
を微調整することができる。適当な気体を充てんするこ
とができるキャビティの中に１つまたは複数の部材を入
れて制動効果を得ることができる。マイクロメカニカル
部材のアレイに、それぞれ排気されているかまたは気体
を充てんしたこのようなキャビティをいくつか持たせて
もよい。気体の圧力が1mbar未満であると通常、共振周
波数の重大な偏移は起こらないが、実際の効果は、キャ
ビティまたはハウジングのサイズ、マイクロメカニカル
部材の形状、材料およびその他のパラメータ、ならびに
導入する気体の種類によって決まることに留意された
い。
例えば製造のばらつきをならすために質量負荷を使用
して共振周波数を偏移させることもできる。質量負荷の
問題点は、質量を追加するのは可能だが、除去するのは
容易でないということである。しかし、ある種の気体は
振動子上に（水蒸気のように）凝結する。これによって
質量が追加される。振動子を加熱すれば気体（液体）が
放出され、質量が再び除去される。密閉箱内ではこの効
果は可逆的である。例えば樹脂の小滴または薄い酸化物
層を使用して、マイクロメカニカル部材に荷重を追加す
ることができる。フォーカスト・イオン・ミリングによ
って特定の片持ち梁の質量を除去することができると考
えられるが、これは非常に複雑で費用がかかる。
ポンプ振動子： 前述の受動振動部材の他に、駆動されてある周波数で
振動する「能動」マイクロメカニカル部材が必要であ
る。これらの「能動」マイクロメカニカル部材を以後、
ポンプ振動子と呼ぶ。
このようなポンプ振動子は、片持ち梁およびアクチュ
エータを備え、アクチュエータをポンプ周波数fpで片持
ち梁の振動を刺激するように配置することができる。圧
電アクチュエータの場合には、適当な駆動電気信号がア
クチュエータを作動させ、アクチュエータは片持ち梁の
振動を刺激する。２つ以上のアクチュエータを使用する
場合には、片持ち梁の振動動作を複雑にすることができ
る。ポンプ振動子の自由端が例えば円運動をしてもよ
い。一般的なアクチュエータの例を以下に示す。図を簡
単にするためこれらのアクチュエータは図面に記載しな
い。
アクチュエータ： ポンプ振動子などの「能動」マイクロメカニカル部材
は振動を刺激するアクチュエータを備える。
トランスデューサとも呼ばれる集積圧電アクチュエー
タで実施できる例示的な振動方式についてはPCT特許出
願公告WO89/07256号の第34図ないし第37図に示されてい
る。
その他の種類のアクチュエータおよび振動部材の例は
当技術分野で周知である。R.T.ハウ（R.T.Howe）他の論
文「Silicon Micromechanics:Sensors and Actuators o
n a Chip」,IEEE Spectrum,1990年７月,pp.29−35には
微振動梁が記載されている。
アイドル振動子： いくつかの場合にはいわゆる「アイドル振動子」が必
要となる。アイドル振動子はその共振周波数fiが、ポン
プ振動子のポンプ周波数fpおよび損失を補償する振動部
材の共振周波数f3によって決まるマイクロメカニカル部
材である。このようなアイドル振動子は共振周波数fi＝
fp−f3を有する。アイドル振動子は、アイドル周波数fp
−f3の振動エネルギーを反射して増幅回路に戻す働きを
する。このエネルギーの逆反射は、周波数f3での増幅を
実施するのに必要である。
駆動回路： 駆動回路を含むある種の手段および適当な配線が必要
である。これらの手段を実施するのに、既存の工具と半
導体およびソリッドステート産業に共通のプロセスを使
用することができる。これらの駆動電子回路を、本明細
書で特許請求し開示したマイクロメカニカル構造に組み
込んでもよい。
線形および非線形結合： 本発明によれば、２つ以上のマイクロメカニカル部材
を線形的および／または非線形的方法で結合しなければ
ならない。
「線形結合部品」という表現は、２つの振動の線形重
ね合わせを行うのに適した一切の手段を包含する。第６
図に関連して後に述べるような２つの片持ち梁間のマイ
クロメカニカル・ブリッジは単純な線形結合部品であ
る。
以後に使用する非線形結合部品とは、２つ以上のマイ
クロメカニカル部材を、前記部材の第１の部材の運動
が、前記マイクロメカニカル部材の第２の部材に非線形
的方法で伝達されるように結合するのに適した部品であ
る。非線形結合部品による結合は例えば、２次元的でも
よいし３次元的でもよい。以下に概示するように非線形
結合はマイクロメカニカル部品のみによって達成される
わけではない。
・非線形結合は例えば、高粘度の流体でマイクロメカニ
カル部材を包み込むことによっても達成することができ
る。マイクロメカニカル部材の下のエッチング溝（キャ
ビティ）を流体の容器となるように設計してもよい。こ
の場合、これらの部材はこの溝の中に配置され、流体に
よって部分的にまたは完全に包み込まれる。さらに流体
によって２つの片持ち梁が相互作用するようにギャップ
を設計する必要がある。
・同様に、２つのマイクロメカニカル部材間の狭いギャ
ップに適当な気体を満たし非線形結合部品として使用す
ることができる。
・静電的な非線形結合部品を利用することができる。マ
イクロメカニカル部材に適当な電極を設けることによっ
て、これらの電極間に電圧を印加したときに誘導される
力でそれぞれの部材を非線形結合する。この方法の１つ
の利点は、印加電圧を変化させることによって結合効
率、すなわちばね定数を調整できることである。
・マイクロメカニカル部材を非線形的な方法で結合する
のに使用できるその他の一切の手段も適当である。前記
方法を組み合せて使用することができることは明白であ
る。
本発明に基づく線形結合部品および非線形結合部品を
振動子とともに形成してもよい。同様に、振動子の材料
とは異なるその他の材料からできた結合部品を例えば振
動子にはんだボンディングして利用してもよい。
非線形結合部品の目的は、２つ以上の入力信号（すな
わち振動子の振動）を結合して、前の信号の単純な加法
重ね合わせではない出力信号を生成することである。非
線形結合部品の非線形動作によって周波数混合が実施さ
れる。周波数混合とは、それぞれの入力周波数を整数倍
した倍数の和および差に相当する周波数を有する追加の
信号が出力チャネルに生成されることを意味する。結合
された振動子のシステムにおける非線形効果は通常、こ
のシステムを大きな振幅で駆動させ、機械的停止機構で
線形結合部品の動きを制限することによって得られる。
振動子間の非線形結合を実現する別の方法を第９図に示
す。同図では、ばね（kln）によって線形に結合された
入力振動子（１〜ｎ）と出力振動子は直交する方向に振
動する。追加のばね（kc）が出力振動子を線形入力結合
子と結合する。これらの振動が直交しているため、出力
振動子は、入力振動の振幅Znの和Zsの２乗に比例する駆
動力Ｆによって励起される。設計を適当にすることによ
って、このシステムの非線形結合を小さな振動振幅に対
して有効なものにすることができる。さらにこのシステ
ムは、全ての構成部品がその通常の線形弾性性能レジー
ムで動作するので、効率および信頼性に関して有利であ
る。
本発明の第１の実施例を第４図に示す。周波数f3でｘ
−ｙ平面上を矢印で示すように振動する振動部材40を備
えるマイクロメカニカル・システムが示されている。こ
の振動部材40は基板41に形成される。損失のために、こ
の振動部材40の振動は短時間で停止する。本発明の目的
は、これらの損失を補償する手段を提供することであ
る。これを実現するために、マイクロメカニカル・ポン
プ振動子42が基板43に形成される。このポンプ振動子
は、駆動されると周波数fp（fp＞f3）で振動する。この
例では、このポンプ振動子もｘ−ｙ平面上で振動する
が、振動部材の振動方向とは垂直に振動する。ポンプ振
動子42は、前記ポンプ振動子42のエネルギーが非線形結
合部品44を介して前記振動部材40に伝達されるように、
前記非線形結合部品44を介して振動部材40に結合され
る。すなわちポンプ振動子42は、ポンプ・ソースまたは
ポンプ・バッテリの働きをする。基本的に２つの異なる
状態が存在する。１）振動部材40が振動しない場合、前
記ポンプ振動子42から前記振動部材40に伝達されるエネ
ルギーはわずかであり、振動部材は振動しないままであ
る。２）振動部材40が周波数f3で振動する場合、損失
は、ポンプ振動子42によって供給されるエネルギーによ
って補償される。ポンプ・ソースから振動部材40に伝達
されるエネルギーの量によってはこの部材の振動が増幅
されることもある。この実施例では、２つの振動子40お
よび42が次の式fp＝２×f3を満足するように設計される
のでアイドル振動子は必要ない。
本発明に基づく第２の実施例を第５図に示す。第４図
と同様に、振動部材50およびポンプ振動子52を備えたマ
イクロメカニカル・システムが示されている。ポンプ振
動子52は、非線形結合部品54を介して前記振動部材50に
損失が補償されるように結合される。第２の実施例は、
fp＞f3であること以外に制限がないので第１の実施例よ
りも一般的である。このようなシステムを適切に動作さ
せるためにはアイドル振動子56が必要である。この例で
は、アイドル振動子56が別個の非線形結合部品55を介し
て前記振動部材50に結合される。アイドル振動子は、周
波数fi＝fp−f3で振動するように設計されていなければ
ならない。アイドル振動子56およびポンプ振動子52がと
もにｙ−ｚ平面上で振動するのに対して、振動部材50は
ｘ−ｙ平面上で振動することに留意されたい。
より一般的な第２の実施例から第１の実施例を導くこ
とができる。fp＝２×f3の場合、上式はfi＝f3であると
きにのみ満たされる。すなわち、ポンプ振動子が周波数
fp＝２×f3で動作する場合にはアイドル振動子は必要な
い。
同時係属特許出願PCT/IB95/00817号に記載され特許請
求されているように、２つの振動f1およびf2を、第６図
に示すように線形結合部品61によって機械的に重ね合わ
せることができる。この同時係属特許出願およびこれに
記載された詳細は参照によって本明細書に組み込まれ
る。第６図には、２つの片持ち梁60.1および60.2が示さ
れている。これらの２つの片持ち梁60.1および60.2は基
板60に形成される。第１の片持ち梁60.1の共振周波数は
f1、第２の片持ち梁60.2の共振周波数はf2である。これ
らの片持ち梁の自由端は線形結合部品61によって相互接
続される。第１の片持ち梁60.1が周波数f1で振動するす
るように刺激され、第２の片持ち梁が周波数f2で振動す
るように刺激されると、線形結合部品61のところで２つ
の周波数の線形重ね合わせが起こる。第７図に示すよう
に、このマイクロメカニカル・システムを非線形結合部
品73を介して振動部材70に結合してもよい。振動部材70
の共振周波数f3が、線形結合部品61での線形重ね合わせ
の周波数項の１つと一致する場合、振動部材70は非線形
結合部品73を介して刺激され、周波数f3で振動し始め
る。部品60.1、60.2、61、70、73を備えたマイクロメカ
ニカル・システムはANDゲートのように動作する。すな
わち、２つの信号f1およびf2が「検出」されると信号f3
が供給される。前述の特許出願に記載され特許請求され
ているこのような機械式ANDゲートには、損失のために
振動部材70の振動が短時間で停止するという欠点があ
る。非線形結合部品74を介して振動部材70を、周波数fp
＝２×f3で振動するポンプ振動子72に結合するとこれら
の損失は補償される。すなわち、損失補償付きのマイク
ロメカニカルANDゲートが提供される。既に述べたよう
に、振動を増幅すること、すなわち利得を有するANDゲ
ートを実現することができる。これは、振動部材70に伝
達されたエネルギーの量が損失を過補償する場合にのみ
可能である。第７図に示した損失補償付きANDゲートが
本発明の第３の実施例である。
他の実施例を第８図に示す。この図に示したマイクロ
メカニカル・システムは、刺激されると周波数f1で振動
する第１の片持ち梁80.1を備える。第２の片持ち梁80.2
は刺激されると周波数f2で振動する。これらの２つの片
持ち梁80.1および80.2は線形結合部品81を介して結合さ
れる。さらに、ポンプ振動子82およびアイドル振動子86
が同じ線形結合部品81に結合される。振動部材80は非線
形結合部品83を介して接続される。第１の片持ち梁80.1
および第２の片持ち梁80.2が周波数f1およびf2でそれぞ
れ振動すると、部材80はその共振周波数f3で振動し始め
る。同じ線形結合部品81および非線形結合部品83を介し
て振動部材80にエネルギーが、少なくともその損失が補
償されるように伝達される。ポンプ振動子82の振動周波
数fpが式fp＝２×f3を満たさない場合、アイドル振動子
86が必要となる。アイドル振動子86は周波数fi＝fp−f3
で動作する。
アイドル振動子自体が信号発振器の役割を果たしても
よい。すなわち、アイドル振動子から直接に出力信号を
とってもよい。これによって、本発明の他の実施態様が
実現可能となる。
基本部品を多くの異なる方法で配置することができる
ことを理解されたい。使用する線形および非線形結合部
品の種類、ならびに選択する周波数の特定の範囲によっ
ては、マイクロメカニカル・システム全体を共通の基板
上に集積することができる。
これまでに述べた異なる構成単位、すなわち、 ・２つ（またはそれ以上）の振動の線形重ね合わせを実
施するマイクロメカニカル・システム（例えば第６図参
照）、 ・ANDゲート（第７図参照）、 ・損失補償付きANDゲート（第７図参照）、および ・利得を有するANDゲート に基づいて、より複雑なマイクロメカニカル・システム
を実現することができる。以下にいくつかの例を示す。
前述の部品を使用して音響信号処理システムを実施す
ることができる。このような音響信号処理システムのい
くつかの詳細については前述の特許出願に記載されてい
る。本発明に基づいて損失が補償される限りは、いくつ
かの構成単位を相互に簡単に接続することができる。こ
れによって、音の周波数パターンまたは複雑な周波数パ
ターンを認識することが可能となる。この処理の一部ま
たは全体を機械的に実施することができる。前記構成単
位、特に、損失補償および増幅手段を使用して、これま
で知られているものとは異なる音声認識システム、マイ
クロフォン・アセンブリ、補聴器、雑音除去器などを実
現することができる。
前記構成単位によって、マイクロメカニカル計算器ま
たはマイクロメカニカル・コンピュータを実現すること
も可能である。前記構成単位は、従来のコンピュータの
実施に使用される電子部品よりも低速ではあるが、これ
らの機械式構成単位を並列度の高い演算に使用するとこ
の欠点は容易に克服される。一般に、計算器またはコン
ピュータにサービスするこのようなマイクロメカニカル
・システムは、いくつかの入力状態（振動）に応じて特
定の出力状態（振動）を提示する。前記構成単位が３次
元構造に配置される場合には、非常に複雑な演算を小さ
なボリュームの中で実施することができる。
これらの機械式信号処理システムはさまざまな利点を
有する。いくつかの利点を挙げると、これらのシステム
は信頼性が高く、製作が容易で、価格が安く、核衝突後
の電磁的衝撃波などの電磁気による外乱に無感応であ
る。
フロントページの続き (72)発明者 ヘーベルレ、ヴァルター スイス国ヴェーデンスヴィル、ビュルグ リパルク 15 (56)参考文献 特開 昭63−61920（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−35476（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開1153825（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B06B 1/00 - 1/20 B06B 3/00 - 3/04 G01H 11/00

Claims (22)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】周波数f3で振動するように設計された振動
    部材（40）と、 駆動されるとfp＝２×f3である周波数fpで振動するマイ
    クロメカニカル・ポンプ振動子（42）と、 前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（42）の振動を
    前記振動部材（40）に非線形的に結合する非線形結合部
    品（44）とを備え、 前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（42）の振動が
    前記非線形結合部品（44）を介して前記振動部材（40）
    に伝達されるように配置され、前記周波数f3で振動する
    前記振動部材（40）の損失が補償されることを特徴とす
    る、マイクロメカニカル信号処理システム。
  2. 【請求項２】前記振動部材（40）が、ｘ−ｙ平面で振動
    し、前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（42）が、
    前記振動部材（40）の振動方向と垂直な方向でｘ−ｙ平
    面で振動することを特徴とする、請求項１に記載のマイ
    クロメカニカル信号処理システム。
  3. 【請求項３】前記周波数f3で振動し始めるように前記振
    動部材を機械的に刺激する手段を備えることを特徴とす
    る、請求項１又は２に記載のマイクロメカニカル信号処
    理システム。
  4. 【請求項４】周波数f3で振動するように設計された振動
    部材（50）と、 駆動されるとfp＞f3である周波数fpで振動するマイクロ
    メカニカル・ポンプ振動子（52）と、 周波数fi＝fp−f3で振動するように設計されたアイドル
    振動子（56）と、 前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（52）の振動を
    前記振動部材（50）に非線形的に結合する第１の非線形
    結合部品（54）と、 前記アイドル振動子（56）の振動を前記振動部材（50）
    に非線形的に結合する第２の非線形結合部品（55）と、 前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（52）の振動が
    前記第１の非線形結合部品（54）を介して前記振動部材
    （50）に伝達され、前記アイドル振動子（56）の振動が
    前記第２の非線形結合部品（55）を介して前記振動部材
    （50）に伝達されるように配置され、前記周波数f3で振
    動する前記振動部材（50）の損失が補償されることを特
    徴とする、マイクロメカニカル信号処理システム。
  5. 【請求項５】前記振動部材（50）が、ｘ−ｙ平面で振動
    し、前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（52）及び
    前記アイドル振動子（56）が、ｙ−ｚ平面で振動するこ
    とを特徴とする、請求項４に記載のマイクロメカニカル
    信号処理システム。
  6. 【請求項６】前記周波数f3で振動し始めるように前記振
    動部材を機械的に刺激する手段を備えることを特徴とす
    る、請求項４又は５に記載のマイクロメカニカル信号処
    理システム。
  7. 【請求項７】周波数f1で振動するように設計された第１
    の振動部材（60.1）と、 周波数f2で振動するように設計された第２の振動部材
    （60.2）と、 周波数f3で振動するように設計された第３の振動部材
    （70）と、 駆動されるとfp＝２×f3である周波数fpで振動するマイ
    クロメカニカル・ポンプ振動子（72）と、 前記第１の振動部材（60.1）の振動及び前記第２の振動
    部材（60.2）の振動の線形重ね合わせをする線形結合部
    品（61）と、 該線形結合部品（61）の振動を前記振動部材（70）に非
    線形的に結合する第１の非線形結合部品（73）と、 前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（72）の振動を
    前記振動部材（70）に非線形的に結合する第２の非線形
    結合部品（74）とを備え、 前記第１の振動部材（60.1）の振動及び前記第２の振動
    部材（60.2）の振動が、前記線形結合部品（61）及び前
    記第１の非線形結合部品（73）を介して前記振動部材
    （70）に伝達され、前記マイクロメカニカル・ポンプ振
    動子（72）の振動が、前記第２の非線形結合部品（74）
    を介して前記振動部材（70）に伝達されるように配置さ
    れ、前記周波数f3で振動する前記振動部材（70）の損失
    が補償されることを特徴とする、マイクロメカニカル信
    号処理システム。
  8. 【請求項８】前記振動部材（70）が、ｘ−ｙ平面で振動
    し、前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子（72）が、
    前記振動部材（70）の振動方向と垂直な方向でｘ−ｙ平
    面で振動し、前記第１の振動部材（60.1）及び前記第２
    の振動部材（60.2）が、ｙ−ｚ平面で振動することを特
    徴とする、請求項７に記載のマイクロメカニカル信号処
    理システム。
  9. 【請求項９】前記周波数f1で振動し始めるように前記第
    １の振動部材（60.1）を機械的に刺激する手段及び前記
    周波数f2で振動し始めるように前記第２の振動部材（6
    0.2）を機械的に刺激する手段を備えることを特徴とす
    る、請求項７又は８に記載のマイクロメカニカル信号処
    理システム。
  10. 【請求項１０】周波数f1で振動するように設計された第
    １の振動部材（80.1）と、 周波数f2で振動するように設計された第２の振動部材
    （80.2）と、 周波数f3で振動するように設計された第３の振動部材
    （80）と、 駆動されるとfp＝２×f3である周波数fpで振動するマイ
    クロメカニカル・ポンプ振動子（82）と、 前記第１の振動部材（80.1）の振動、前記第２の振動部
    材（80.2）の振動及び前記マイクロメカニカル・ポンプ
    振動子（82）の振動の線形重ね合わせをする線形結合部
    品（81）と、 該線形結合部品（81）の振動を前記振動部材（80）に非
    線形的に結合する非線形結合部品（83）とを備え、 前記第１の振動部材（80.1）の振動、前記第２の振動部
    材（80.2）の振動及び前記マイクロメカニカル・ポンプ
    振動子（82）の振動が、前記線形結合部品（81）及び前
    記非線形結合部品（83）を介して前記振動部材（80）に
    伝達されるように配置され、前記周波数f3で振動する前
    記振動部材（80）の損失が補償されることを特徴とす
    る、マイクロメカニカル信号処理システム。
  11. 【請求項１１】前記振動部材（80）が、ｘ−ｙ平面で振
    動し、前記第１の振動部材（80.1）及び前記第２の振動
    部材（80.2）が、ｙ−ｚ平面で振動することを特徴とす
    る、請求項10に記載のマイクロメカニカル信号処理シス
    テム。
  12. 【請求項１２】前記周波数f1で振動し始めるように前記
    第１の振動部材（80.1）を機械的に刺激する手段及び前
    記周波数f2で振動し始めるように前記第２の振動部材
    （80.2）を機械的に刺激する手段を備えることを特徴と
    する、請求項10又は11に記載のマイクロメカニカル信号
    処理システム。
  13. 【請求項１３】周波数f1で振動するように設計された第
    １の振動部材（80.1）と、 周波数f2で振動するように設計された第２の振動部材
    （80.2）と、 周波数f3で振動するように設計された第３の振動部材
    （80）と、 駆動されるとfp＞f3である周波数fpで振動するマイクロ
    メカニカル・ポンプ振動子（82）と、 周波数fi＝fp−f3である周波数fiで振動するように設計
    されたアイドル振動子（86）と、 前記第１の振動部材（80.1）の振動、前記第２の振動部
    材（80.2）の振動、前記マイクロメカニカル・ポンプ振
    動子（82）の振動及び前記アイドル振動子（86）の振動
    の線形重ね合わせをする線形結合部品（81）と、 該線形結合部品（81）の振動を前記振動部材（80）に非
    線形的に結合する非線形結合部品（83）とを備え、 前記第１の振動部材（80.1）の振動、前記第２の振動部
    材（80.2）の振動、前記マイクロメカニカル・ポンプ振
    動子（82）の振動及び前記アイドル振動子（86）の振動
    が、前記線形結合部品（81）及び前記非線形結合部品
    （83）を介して前記振動部材（80）に伝達されるように
    配置され、前記周波数f3で振動する前記振動部材（80）
    の損失が補償されることを特徴とする、マイクロメカニ
    カル信号処理システム。
  14. 【請求項１４】前記振動部材（80）が、ｘ−ｙ平面で振
    動し、前記第１の振動部材（80.1）及び前記第２の振動
    部材（80.2）が、ｙ−ｚ平面で振動することを特徴とす
    る、請求項13に記載のマイクロメカニカル信号処理シス
    テム。
  15. 【請求項１５】前記周波数f1で振動し始めるように前記
    第１の振動部材（80.1）を機械的に刺激する手段及び前
    記周波数f2で振動し始めるように前記第２の振動部材
    （80.2）を機械的に刺激する手段を備えることを特徴と
    する、請求項13又は14に記載のマイクロメカニカル信号
    処理システム。
  16. 【請求項１６】前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子
    が、この振動子の前記周波数fpでの振動を能動的に刺激
    する駆動手段を備えることを特徴とする、請求項2,5,8,
    10又は13に記載のマイクロメカニカル信号処理システ
    ム。
  17. 【請求項１７】前記駆動手段が、信号によって駆動され
    た場合に前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子の振動
    運動を刺激する圧電アクチュエータを備えることを特徴
    とする、請求項16に記載のマイクロメカニカル信号処理
    システム。
  18. 【請求項１８】前記駆動手段が、信号によって駆動され
    た場合に前記マイクロメカニカル・ポンプ振動子の円運
    動を刺激する少なくとも２つの圧電アクチュエータを備
    えることを特徴とする、請求項16に記載のマイクロメカ
    ニカル信号処理システム。
  19. 【請求項１９】請求項１ないし請求項18に記載のマイク
    ロメカニカル信号処理システムを少なくとも１つ備える
    信号処理システム。
  20. 【請求項２０】音響信号を処理または検出しあるいはそ
    の両方を実施するように設計されていることを特徴とす
    る、請求項19に記載の信号処理システム。
  21. 【請求項２１】機械的信号を処理するように設計されて
    いることを特徴とする、請求項19に記載の信号処理シス
    テム。
  22. 【請求項２２】いくつかの入力状態が検出された場合に
    特定の出力状態が提示されるように配置され、相互接続
    された請求項１ないし請求項21に記載の複数のマイクロ
    メカニカル信号処理システムを備える、マイクロメカニ
    カル・コンピュータまたは計算器。
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