JP3887662B2 - 共振周波数可変共振子 - Google Patents

Description

本発明は、電気的な共振周波数可変共振子に関し、特にその低コスト化に関するものである。

古くから使用されている可変容量コンデンサは、インダクターと組み合わせてラジオやテレビ放送の受信機等に用いられ同調（共振）周波数の選択に重宝している。しかし、可変容量コンデンサはその容量を変化させるためには機械的外力を加えなければならず、自動で周波数を選択することは基本的に困難である。

そこで、可変容量ダイオードが登場した。可変容量ダイオードはダイオードに逆バイアスをかけると、電圧に依存してｐ−ｎ接合の空乏層の厚みが変化することに着目したダイオードで，機械部分がないのが特徴である。空乏層の厚みが変化すると、ｐ−ｎ接合間の容量が変化するので、結果として電圧で容量をコントロールできるように製品化されたものである。

可変容量ダイオードの登場によって、いままで人間が触れなければ変わらなかった同調周波数はマイコンでコントロールできるようになり、自動的に決められた範囲の周波数を走査して放送周波数を探索、同調できるようになった。

しかし、可変容量ダイオードの容量可変範囲は狭く、コンデンサとインダクターで構成された共振回路に付加され使用されるため、部品点数が増えるだけでなく共振の性能を表すＱも低くなるという問題があった。Ｑが低いと周波数の選択性が悪くなる。

そこで、静電力による機械的な変形すなわちストレス（内部応力）が機械的な共振周波数を変化させる現象を用いた圧電薄膜共振子が提案された。特許文献１がその例である。これは圧電現象を用いたメカニカルフィルターの一種であり、共振周波数を静電力でコントロールするメカニカルフィルターである。一般にメカニカルフィルターのＱは高く、周波数の選択性は良い。
特開平０７−２２６６４８号公報

可変容量ダイオードも圧電薄膜共振子も半導体製造プロセスで製造される。しかし、半導体製造プロセスではアナログ素子を製造するには性能のバラつきの問題の解決が難しい。

事実、可変容量ダイオードの仕様書にはウェハ内で容量そのもののバラつきが存在するために、できるだけ近傍の素子をまとめてある旨の記述がある。

また、圧電薄膜共振子では、圧電薄膜を形成する際にも膜厚にウェハ内でのバラつきが存在し、膜厚はそのまま共振周波数のバラつきに反映され、性能のそろった部品を提供することは難しく、許容範囲が製品の歩留まりに大きな影響を与え、それがコストに反映される。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、素子機能のバラつきを極力少なくし、歩留まりを向上させ、コスト低下を実現できる共振周波数可変共振子を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、本発明では、周波数可変共振子を次の（１）〜（５）のとおりに構成する。

（１）固定電極と、前記固定電極に対し間隔をおいて対向配置された可動電極と、間隔をおいて対向配置され、予め全て外側または全て内側に撓ませた複数枚の導電機能を有する板ばねからなり、各板ばねの一方の端部は前記固定電極と一体化され、各板ばねの他方の端部は前記可動電極と一体化されたばね部材と、前記可動電極を押し引きして前記板ばねを変形させるアクチュエータとを備えた共振周波数可変共振子。

（２）前記（１）に記載の共振周波数可変共振子において、
前記アクチュエータは圧電素子である共振周波数可変共振子。

（３）前記（１）に記載の共振周波数可変共振子において、
前記アクチュエータは磁歪素子である共振周波数可変共振子。

（４）前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の共振周波数可変共振子において、
前記板ばねをマイクロマシニングの製造技術を用いて形成した共振周波数可変共振子。

（５）前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の共振周波数可変共振子において、
前記ばね部材の導電機能は、板ばねの表面にめっきを施すことにより付与した共振周波数可変共振子。

本発明によれば、素子機能のバラつきを極力少なくし、歩留まりを向上させ、コスト低下を実現できる共振周波数可変共振子を提供する。

詳しくは、たとえば、マイクロマシニングの製造技術を用いて単結晶シリコンから板ばねを形成し、その表面に金属めっきを施して導電性を付与し、本発明の共振子を形成する。本発明では、ばね部材そのものの機械共振現象を使用していないので、共振子の基本共振周波数が構造体の加工精度に依存する度合いは水晶振動子のようなメカニカルフィルターと比較して小さく、素子機能のバラつきを極力少なくし、歩留まりを向上させることが可能である。

１例では、シミュレーションの結果から、外力を加えないときの共振周波数はこの形状の場合には２１．８ＧＨｚであり、外力を加えて形状を約２２％変形させたときの共振周波数は１９．２ＧＨｚとなり共振周波数は約８％変化していることが分かっている。さらに形状の最適化を行えば、形状変化と共振周波数の変化を１対１で対応させることも可能である。

本発明の共振子は、形状を極めて微小にできるため、例えば携帯電話に組み込めば携帯電話の使用周波数が多波長になったときにも対応できるばかりではなく、携帯電話で地上波デジタルテレビを受信する際のオートチューナーにも使用できる。電波を使用している携帯型機器や車載機器も同様である。

以下、本発明の実施の形態を共振周波数可変共振子の実施例により詳しく説明する。

図１は、実施例である“共振周波数可変共振子”の動作原理を説明するための断面図である。この共振周波数可変共振子（以下、単に素子ともいう）は、固定電極１と、この固定電極１に対し間隔をおいて対向配置された可動電極３と、間隔をおいて対向配置され、予め全て外側に撓ませた２枚の導電機能を有する板ばね２−１、２−２からなる。固定電極１を不図示の部材で固定し、可動電極３に外力を印加し、素子を変形させる。素子の電流経路には分布定数で記述される容量とインダクタンスが存在し、それらが素子の変形と共に変化して素子の共振周波数を変化させる。図２は実際に変形前の３次元形状での電流経路の電気特性をシミュレーションした結果である。この素子の場合、共振周波数は２１．８ＧＨｚである。共振周波数は素子の３次元形状に依存するが、特に高周波の場合には表皮効果によって素子表面の形状に依存する。図３は外力を印加して長手方向に２２％圧縮する方向で変化させた場合の形状と共振周波数のシミュレーションを行った結果である。この場合の共振周波数は１９．２ＧＨｚになっており、同じ素子でも形状の変化によって電流経路が変化し、同時に分布定数も変化して、共振周波数の変化となって現れる。

本実施例の素子は、電流経路がばね材で構成されているために、形状変化は可逆的に起こり、周波数の変化はばね材の機械的な寿命が訪れるまで安定している。

形状と基本共振周波数との関係は加工精度で定まるが、マイクロマシニングの技術で製造すれば、１〜２マイクロメートルの精度で加工でき、例えば長さ１ｍｍの素子の場合には０．１％の誤差しかない。この形状の０．１％の誤差ではシミュレーション上、共振周波数はメカニカルフィルターほど変化しない。したがって、形状の微細な加工精度に共振周波数が依存する度合いは少なく他のメカニカルフィルターと比較しても品質が揃えやすいと言える。

図４は、本実施例の構成を示す断面図である。図４において、２−１、２−２は予め外側に撓ませた導電性の板ばねである。１は板ばね２−１、２−２の一方の端部がその上下面に固着されている第１の固定電極、３は板ばね２−１、２−２の他方の端部がその上下面に固着されている可動電極、４−１は第２の固定電極、４−２は第３の固定電極である。５は中央部が可動電極３に固着され、端部が第２，第３の固定電極に固着されている導電性の板ばねである。６は可動電極３を固定電極１に対し押し引きするアクチュエータである圧電素子、７、８はその電極である。固定電極１の左面と圧電素子６の右面は不図示の固定部に固定されている。

電極７、８に所要の直流電圧を印加すると、圧電素子６は長手方向に伸長し、板ばね２−１、２−２、５は図５に示すように変形し、電流経路の分布定数が変化し所要の周波数に共振周波数が変化する。

板ばね２−１、２−２、５は、金属製の板ばねであるが、これに限らず、単結晶シリコン製の板ばね、合成樹脂製の板ばねであってもよい。この場合、導電性を付与するため、表面に金などの金属めっきをする。

板ばね２−１、２−２は、個別の部材とする必要がなく、たとえば図６に示すような、断面略ロの字型あるいは略コの字型の１個の板ばねであってもよく、固定電極１、可動電極３を板ばねの端の折曲部に固着する。あるいは、板ばねの端の折曲部自体を電極としてもよい。

この場合の板ばねは、たとえば、金属板ね材を折り曲げることに形成する。あるいは、マイクロマシニングの製造技術を用いて、単結晶シリコンウェハから、ウェハの断面方向が板ばねの面方向となるように、異方性エッチングにより、リング状に連続した略ロの字型形状のばね部材を抜き出し、表面に金メッキをすることにより形成する。

板ばね５は、この形状に限らず、変形形状の再現性が優れた任意の形状とすることができる。

可動電極を押し引きするアクチュエータとしては、圧電素子に限らず、磁歪素子、ソレノイドなど、適宜の電気−機械変換素子を用いることができる。

板ばね２は、２枚に限らず、３枚以上の適宜の枚数の板ばねを用いることができ、その際、変形の再現性が得られるように、板ばねの長手方向に想定される軸を中心とする円周上に各板ばねが等間隔で並ぶように配列する。

本実施例では、間隔をおいて対向配置される板ばねは、予め全て外側に撓ませた、いわゆるたる型の形状としているが、これに限らず，予め全て内側に撓ませた、いわゆるつずみ型の形状としてもよい。

以上説明したように、本実施例によれば、形状の微細な加工精度に共振周波数が依存する度合いは少なく、素子機能のバラつきを極力少なくし、歩留まりを向上させ、コスト低下を実現できる。

動作原理説明図 動作原理説明図（変形なし） 動作原理説明図（２２％変形後） 実施例の構成を示す断面図（変形なし） 実施例の構成を示す断面図（変形後） 板ばねの別例の構成を示す断面図

符号の説明

１ 固定電極
２ 板ばね
３ 可動電極
６ アクチュエータ

Claims (5)

1. 固定電極と、前記固定電極に対し間隔をおいて対向配置された可動電極と、間隔をおいて対向配置され、予め全て外側または全て内側に撓ませた複数枚の導電機能を有する板ばねからなり、各板ばねの一方の端部は前記固定電極と一体化され、各板ばねの他方の端部は前記可動電極と一体化されたばね部材と、前記可動電極を押し引きして前記板ばねを変形させるアクチュエータとを備えたことを特徴とする共振周波数可変共振子。
2. 請求項１に記載の共振周波数可変共振子において、
   前記アクチュエータは圧電素子であることを特徴とする共振周波数可変共振子。
3. 請求項１に記載の共振周波数可変共振子において、
   前記アクチュエータは磁歪素子であることを特徴とする共振周波数可変共振子。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の共振周波数可変共振子において、
   前記板ばねをマイクロマシニングの製造技術を用いて形成したことを特徴とする共振周波数可変共振子。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の共振周波数可変共振子において、
   前記ばね部材の導電機能は、板ばねの表面にめっきを施すことにより付与したことを特徴とする共振周波数可変共振子。