JP4745575B2 - 一体形マイクロ機械的リング振動子を有する時間基準部 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、時間基準部、すなわち、振動子と、振動子を駆動して振動させると共に、この振動に応答して所定振動数を有する信号を発生する集積電子回路とを含む装置に関する。
【０００２】
腕時計および他の時計から複雑な通信装置までのさまざまな電子装置に時間基準部、すなわち振動数標準部が必要である。そのような時間基準部は一般的に、水晶振動子と、振動子を駆動して振動させる電子回路とを含む発振器によって形成されている。低振動数が得られるように、発振器が発生した信号の振動数を分周するために、追加の分周チェーンを使用してもよい。回路の他の部分が、たとえば、分周チェーンの分周比を調整することによって振動数を調整する働きをすることができる。電子回路の構成部材は、ＣＭＯＳ技術で単一の半導体基板上に集積されている。振動数処理には直接的には関係ない他の機構を同じ基板上に集積してもよい。
【０００３】
水晶振動子の利点は、それらの高いＱ値にあり、それによって振動数安定性が良好になり、電力消費量が低下すると共に、温度安定性が良好になる。しかし、水晶振動子を使用した一般的な時間基準部の欠点として、高精度振動数とするためには、水晶振動子と集積電子回路の２部材が必要である。個別の水晶振動子はボード空間を必要とする。ボード空間は多くの場合に不足している。たとえば、腕時計に使用される標準的な水晶振動子は、２×２×６ｍｍ^３ 程度の空間を必要とする。さらに、２つの構成部材の組み立ておよび接続によって、追加コストが発生する。しかし、特に成長分野の携帯式電子装置では、空間および組み立てコストが大きな問題である。
【０００４】
したがって、本発明の主たる目的は、一体に組み込んだ振動子を有する時間基準部を提供することによって、上記問題の解決策を提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、単一基板上に完全に一体化することができ、大量生産に適し、ＣＭＯＳ技術に適合する時間基準部を提供することである。
【０００６】
本発明のさらに別の目的は、高いＱ値を有し、それによって振動数安定性が高く、電力消費量が低い振動子を有する時間基準部を提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、低価格であると共に、半導体チップ上の非常に小さい表面積しか必要としないそのような時間基準部を提供することである。
【０００８】
したがって、振動子と、この振動子を駆動して振動させると共に、その振動に応答して所定振動数を有する信号を発生する集積電子回路とを含む時間基準部であって、振動子は、基板に支持されて、第１振動モードによって基板にほぼ垂直な回転軸線を中心にして振動することができる一体形マイクロ機械的リング振動子であり、このリング振動子は、
基板から回転軸線に沿って延びる中央支柱と、
この中央支柱に連結された自立振動構造体とを含み、この自立振動構造体は、
回転軸線と同軸の外リングと、
中央支柱を中心にして対称配置されて外リングを中央支柱に連結する複数のばね素子とを含み、
さらに、
外リングの周囲に配置されて集積電子回路に接続された少なくとも一対の直径方向に向き合った電極構造体を含むことを特徴とする時間基準部が提供されている。
【０００９】
本発明に従った時間基準部の利点は、マイクロ機械的リング振動子が高いＱ値を示すことにある。２×１０^５ もの高いＱ値が測定された。それと比較して、音叉水晶振動子は一般的に、音叉の枝のレーザトリミング後に５×１０^４ 〜１×１０^５ の値を示す。高いＱ値を助長するさまざまな構造特徴が、従属請求項の目的であり、以下に詳細に説明する。
【００１０】
また、ある共振振動数に対して、リング振動子を形成するために基板上に必要な表面積が、他の振動子に較べて小さい。
【００１１】
本発明の１つの態様によれば、電子回路は、マイクロ機械的リング振動子と一緒に基板上に好都合に一体化されており、それによって低価格の時間基準部が得られる。ウェハボンディング技術を使用して振動子をウェハレベルパッケージすることによっても、低価格化が得られる。
【００１２】
同様な特徴を有するリング振動子が、角速度センサ、加速度計またはジャイロスコープなどの感知装置から周知であることを指摘する必要がある。たとえば、パティ(Putty)他の米国特許第５，４５０，７５１号およびスパークス(Sparks）の米国特許第５，５４７，０９３号は共に、シリコン基板の上方に支持されたメッキ金属リングおよびばねシステムを有する振動ジャイロスコープ用のマイクロ機械的リング振動子を開示している。ザラバディ(Zarabadi)他の米国特許第５，８７２，３１３号は、温度変化に対して最低限度の敏感性を示すように構成された上記センサの変更例を開示している。米国特許第５，０２５，３４６号も、ジャイロスコープまたは角速度センサ内のマイクロセンサとして使用するリング振動子を開示している。
【００１３】
しかし、上記特許のいずれも、発振器回路においてそのような形式のリング振動子を振動数標準部または時間基準部として機能するように使用することを表示または暗示していない。さらに、これらの特許に開示されているリング振動子の多くの構造特徴（たとえば、ばね素子の形状および数）は、振動数安定性および低電力消費量が必須である時計用途に適さないようなものである。たとえば、米国特許第５，０２５，３４６号に開示されている共振構造体では、Ｑ値が２０〜１４０であって、これは時計用途の高精度時間基準部に使用するには低すぎるのに対して、時計に使用される水晶振動子は、１×１０⁴ 〜１×１０⁵ 程度のＱ値を示す。
【００１４】
本発明によれば、高いＱ値、駆動電圧の振幅の変動に対する高い振動数安定性、さらに組み立て処理のばらつきの許容誤差を与えるさまざまな構造特徴が提案されている。実際に、発振器としての用途での主要目的の１つは、高いＱ値である。高いＱ値であることによって、時計用途に必要な低位相雑音および低電力消費量の安定した振動が得られる。
【００１５】
本発明の別の態様によれば、リング振動子の共振振動数に対する温度の影響をほぼ補償するために、さまざまな機構が提案されている。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、時間基準部が発生する信号の振動数に対する温度の影響を補償するために、さらに温度測定回路が基板上に一体に組み込まれている。本発明のリング振動子は、ほぼ線形の温度特性を示すという利点を有するので、振動子の温度依存のそのような補償を容易に行うことができる。
【００１７】
本発明のさらに別の態様によれば、温度補償を行うために、第２マイクロ機械的リング振動子を基板上に形成することができる。本発明の別の態様によれば、同時に異なった共振振動数を有する２つの振動モードで作動する単一のマイクロ機械的リング振動子を使用することによっても、温度補償を行うことができる。
【００１８】
本発明の他の態様、特徴および利点は、添付の図面を参照した非制限的な例および実施形態の以下の詳細な説明を読めば明らかになるであろう。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態の上面図を概略的に示す。全体的に参照番号１で表された一体形時間基準部が示されており、これは、振動子４と、振動子を駆動して振動させると共に、この振動に応答して所定振動数を有する信号を発生する集積電子回路３とを含む。図４は、図１に示されたＡ−Ａ’線に沿ったリング振動子４の断面図である。
【００２０】
集積電子回路３は、当該技術分野の専門家であれば容易に設計することができるので、この回路は詳細には示されていない。好ましくは、図１に示されているように、集積電子回路３および振動子４の両方が、同一基板２上に実現されて一体化されている。好適な基板材料はシリコンであるが、本発明の時間基準部を実現するのに等しく適することが当該技術分野の専門家にわかっている他の同様な材料も使用することができる。
【００２１】
本発明によれば、振動子４は、モノリシックマイクロ機械的共振リング、以下にマイクロ機械的リング振動子と呼ぶものの形として実現されている。これは、実質的に基板２に支持されて、基板２にほぼ垂直な回転軸線Ｏを中心にして振動することができる。リング振動子４は実質的に、基板２から回転軸線Ｏに沿って延びる中央支柱５と、全体的に参照番号６で表されて中央支柱５に連結された自立振動構造体とを含む。
【００２２】
自立振動構造体６は、回転軸線Ｏと同軸の外リング６０と、中央支柱５を中心にして対称配置されて外リング６０を中央支柱５に連結する複数のばね素子６２とを含む。ばね素子６２は実質的に、湾曲ロッド形ばね素子として形成されている。中央支柱５が、リング振動子４と基板２との間の唯一の機械的連結部を構成しており、振動子の振動が基板２の表面にほぼ平行な平面上で起きることが理解されるであろう。
【００２３】
本発明によるリング振動子４はさらに、図１に参照番号９で表されて外リング６０を取り囲む、直径方向で向き合っている対の電極構造体を含む。この第１実施形態によれば、自立振動構造体６の外リング６０上に櫛形部材８が設けられている。これらの櫛形部材８は、リングの電極構造体の一部を形成しており、それぞれが外リング６０から半径方向に延びるベース部材８０と、ベース部材８０の両側からほぼ垂直方向に延びる、それぞれ参照番号８２および８４で表された第１および第２横部材とを含む。
【００２４】
電極構造体９は、自立振動構造体の櫛形部材８と噛み合うようにして外リング６０を取り囲む第１および第２櫛形電極構造体９１および９３を含む。さらに具体的に言うと、本実施形態によれば、第１櫛形電極構造体９１は、第１電極９２を含み、第１電極９２が第１横部材８２に隣接するようにして、櫛形部材８と噛み合っている。同様に、（第１櫛形電極構造体９１と向き合わせて配置された）第２櫛形電極構造体９３は、第２電極９４を含み、第２電極９４が第２横部材８４に隣接するようにして、櫛形部材８と噛み合っている。図１に示されているように、横部材８２、８４と第１および第２電極構造体９１、９３の電極９２、９４とは好ましくは、外リング６０と同心状の円弧の形を有するように構成されている。
【００２５】
本実施形態では、第１櫛形電極構造体９１がリング振動子４を靜電的に駆動して振動させる働きをし、ベース部材８０の他方側に配置された第２櫛形電極構造体９３は振動子の振動を容量的に感知する働きをする。振動子４を取り囲む第１電極構造体９１は、基板２上に形成された第１導体１１によって互いに接続されており、同様に、第２電極構造体９３は、基板２上に形成された第２導体１２によって互いに接続されている。これらの導体１１、１２は、中央支柱５を介してリングに電気接触した第３導体１３と共に、電子回路３の適当な端子に接続されている。
【００２６】
図４は、図１に示されたＡ−Ａ’線に沿ったリング振動子４の断面図を示す。厚さおよび他の寸法は一定の比率ではない。基板２と、リング振動子の回転軸線Ｏに沿った中央支柱５と、外リング６０およびばね素子６２を含む自立振動構造体６と、櫛形部材８の横部材８２と、第１櫛形電極構造体９１の電極９２と、それぞれ外リング６０を取り囲む電極構造体９１および９３に接続された第１および第２コネクタ１１、１２とが示されている。図４はさらに、基板２の表面の上方かつリング振動子４の下方に形成された酸化ケイ素層などの第１絶縁層２０を示し、これの上に第１および第２導体１１、１２が形成されている。第１層２０の上方かつリング振動子の下方に、別の酸化物層または窒化ケイ素層などの第２絶縁層２１が形成されている。
【００２７】
好ましくは、共振リング構造体は、当該技術分野の専門家にはよく知られたシリコン表面マイクロ機械加工技術によって製造され、したがってここでは詳細に記載しない。１つのそのような技術は、振動子の自立構造体を形成するために、いわゆる「犠牲層」の上部に付着させた多結晶シリコンを利用する。別の技術は、たとえば、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハなどに埋め込まれた酸化物層を犠牲層として使用して、単結晶シリコンからなる自立構造体を生じる。しかし、本発明に従ったマイクロ機械的リング振動子を実現するために、他の材料および処理技術を使用することもできる。
【００２８】
時間基準部すなわち振動数標準部として用いる場合の主要目的の１つは、振動子の高いＱ値である。高いＱ値であることによって、時計用途に必要な低位相雑音および低電力消費量の安定した振動が得られる。本発明に従ったマイクロ機械的リング振動子のＱ値は、後述する多くの構造特徴のために非常に高い。前述したように、これらの構造体では、２×１０^５ もの高いＱ値が測定された。それと比較して、音叉水晶振動子は一般的に、音叉の枝のレーザトリミング後に５×１０^４ 〜１×１０^５ の値を示す。
【００２９】
外リング６０を中央支柱５に連結するばね素子６２の形状は、高いＱ値が得られるように最適化される。直線状のばね素子を使用した時に生じる状態と比較して、この場合の湾曲線に沿った張力は、ばね素子に沿って均一に分布する。湾曲形状は１振動周期当たりのエネルギ損失が最小に保持されるような形状である。
【００３０】
また、ばね素子６２および中央支柱５間の接合部６３は、図２に示されているように、ほぼ垂直である。好ましくは、接合部６３に丸形部分すなわちすみ肉６３ａが設けられている。これらのすみ肉６３ａは、振動中の切り欠き張力を防止し、それによって、振動中に中央支柱５内でエネルギがほとんどまったく消散しないため、Ｑ値の向上を助長する。さらに、中央支柱５はほぼ張力を受けないため、これも高いＱ値を助長する。図３は、ばね素子６２と外リング６０との接合部６４を示す。この場合も、ほぼ垂直の接合部６４およびすみ肉６４ａが好都合な構造である。
【００３１】
明確な懸垂に必要な最小の３個ではなく複数のばね素子６２を使用することによって、Ｑ値が増加する。材料の不均一性と共に（たとえば、処理中の空間的変動の結果としての）わずかな幾何学的ばらつきが、複数のばね素子全体で平均化されることから、Ｑ値はばね素子の数に伴って増加する。上限は、マイクロ構造処理の設計基準による幾何学的制限によって定められる。したがって、ばね素子の数は、４〜５０で、好ましくは２０程度である。
【００３２】
リング振動子の高いＱ値を助長する別の要素は、完全な回転対称構造であって、構造体全体の重心が不動のままであることにある。それによって、ほとんどの他の振動子構造に存在する非線形効果が大幅に除去される。
【００３３】
リング振動子の共振振動数は、装置の幾何学的寸法を変化させることによって、広範囲で調整することができる。リング振動子は、外リングのセグメントに連結された複数のばね素子として見なすことができる。ゼロ次概算では、共振振動数のための厳密な代数式を得るために、図５に示されているように、直線状のばね素子２２および外リング６０のセグメント２７の場合を研究することができる。この構造の共振振動数ｆrは：
【００３４】
【数１】

【００３５】
であり、ここで、Ｊ＝ｄ・ｗ^３／１２は構造体の表面慣性モーメントであり、Ｅは弾性係数であり、ｄ、ｗおよびｌはそれぞれ直線状ばね素子２２の厚さ、幅および長さであり、ｍr、ｍsはそれぞれリングセグメント２７およびばね素子２２の質量である。上記式から、ばね素子の幅および／または長さの変更によるか、やはり幾何学的寸法を介した外リングの質量（櫛形部材８の質量を含む）の変更によって、共振振動数に影響を与えることができることが容易にわかるであろう。さらに、構造全体の拡大縮小も到達可能な振動数範囲を広くする。
【００３６】
そのようなリング振動子の大量生産には、各チップ間で共振振動数を狭い許容誤差に保持することが重要である。リングおよびばねを注意深く一定寸法にすることによって、処理パラメータのわずかな変動による共振振動数の許容誤差を大幅に低減することができる。これは、図５の例を使用しても示すことができる。処理後に参照番号２６で表されたばね素子２２の幅が、過剰エッチングなどによって、所望幅２５より小さい場合、共振振動数が計画振動数より低くなるであろう。しかし、同時に、同じ過剰エッチングによってリング６０の質量が（ベース部材８０および横部材８２、８４の質量と共に）小さくなることを考慮した場合、共振振動数の減少は質量の低下によって補償されるであろう。リングの開口および構造体の処理に必要と思われるバー（図示せず）はこの効果を助長する。
【００３７】
本発明によるマイクロ機械的リング振動子が必要とする表面積は、得られる共振振動数に対して非常に小さい。たとえば、３２ｋＨｚの比較的低振動数用に設計された本発明によるリング振動子は、１ｍｍ^２ 未満の表面を必要とするだけである。従来形構造では、そのような低い振動数を得るために比較的大きい構造体を必要とする。ある幾何学的レイアウトにおいて、寸法と振動数とは反比例の関係にある、すなわち、幾何学的寸法が大きいほど、振動数が低くなる。それと比較して、ヨーロッパ特許第０，７９５，９５３号は、１ＭＨｚの高振動数用に約１．９ｍｍ^２ の表面を必要とするシリコン振動子を記載している。振動子が必要とする基板の表面積が一体形時間基準部の価格と正比例の関係にあることは明白である。
【００３８】
リング振動子の共振振動数は、０〜６０°Ｃの温度範囲では、ほぼ温度の一次関数である。４５ｋＨｚの共振振動数では、共振振動数の温度係数が−２５ｐｐｍ／°Ｃ程度であることが観察されている。したがって、時間基準部が発生する信号の振動数を適切に調整することによって振動数変動を補償するために使用できる出力信号を有する温度測定回路を同じ基板２に組み込むことが望ましい。
【００３９】
このために、本発明による時間基準部は、一体化された温度測定回路（図示せず）を含むことが好都合であろう。そのような温度測定回路の一例が、「センサおよびアクチュエータ」Ａ２１〜Ａ２３（１９９０年）の６３６〜６３８頁のクルメナチャー(Krumenacher)およびＨ．オギュエイ(Oguey)による論文「ＣＭＯＳ技術におけるスマート温度センサ」に記載されている。この場合、たとえば、当該技術分野の専門家には周知の阻害技術を使用して分周チェーンの分周比に作用することによって、温度補償が行われる。
【００４０】
あるいは、異なった共振振動数を有する２つのリング振動子を同一チップ上に一体化してもよく、そのような構造では、２つの振動子の振動数の差を測定することによって、チップ温度を正確に決定することができる（両方のリング振動子は、同一材料で形成されていることから同一温度係数を有する）。
【００４１】
本発明による一体形時間基準部を使用する利点は２つあり、第１として、リング振動子の温度依存性が線形であり、これによって、温度を補償するために必要な電子信号処理が容易になる。第２のもっと重要利点として、リング振動子の小型かつモノリシック一体化によって、チップ寸法をわずかに増加させるだけで第２振動子を設けることができ、さらなる外部接続が必要ない。
【００４２】
あるいは、本発明の特に好都合な実施形態によれば、同時に２つの振動モードで作動する単一のリング振動子を使用することが可能である。これらのモードの第１モードは上記の回転モードである。第２振動モードは傾斜振動モードで、自立構造体６が基板平面に対して傾斜振動を行うようにしてもよい。この傾斜振動モードでは、基板上の、リング部分の下側の位置にさらなる電極を使用することによって、靜電的に励起して、容量的に感知することができる。異なった振動数を有するように２つのモードを選択することによって、振動数の差を測定することによって温度補償を行うことができる。上記傾動モードの概略的な説明が、図１１ａおよび図１１ｂに示されている。これらの図面に示されているように、ほぼ円弧の形状の２組の電極１００および１２０（この場合は４個）が、基板上の、リング６０の下側の位置に配置されて、第１組の電極１００が構造体６を駆動して傾斜振動させ、第２組の電極１２０がこの傾斜振動を感知するようになっている。駆動電極組１００および感知電極組１２０は、中央支柱５に対して構造体６の対向側部に（それぞれ図１１ａの左側および右側に）配置されている。
【００４３】
第２振動モードを垂直振動モードにして、自立構造体６が基板平面に垂直な垂直振動を行う、すなわち、自立構造体６が回転軸線Ｏに平行な方向に振動するようにしてもよい。上記垂直モードの概略的な説明が、図１２ａおよび図１２ｂに示されている。これらの図面に示されているように、２組の電極１３０および１５０が、基板上の、リング６０の下側の位置に配置されて、第１組の電極１３０が構造体６を駆動して基板平面に垂直に振動させ、第２組の電極１５０がこの振動を感知するようになっている。傾動モードと異なって、駆動および感知電極組１３０、１５０は、中央支柱５を中心にして対称配置されている、すなわち、各電極組が直径方向に向き合った電極を有する。
【００４４】
前述したように、図１の実施形態に示された櫛形電極構造体９１は、リング振動子を靜電的に駆動して振動させる働きをし、反対側の櫛形電極構造体９３は、この機械的振動を容量的に感知する働きをする。振動子の作動時に、交流電圧信号を電極構造体９１に印加すると、靜電力がリングに作用してそれを振動させ、それによって、他方組の電極構造体９３に交流信号が誘発される。電極構造体９１および９３が相互交換可能であることは理解されるであろう。
【００４５】
電極に印加される電圧と、その結果としてリングに作用する力との間に放物線関係が存在するので、ほぼ線形の力−電圧関係を得るために一定の直流電圧を交流電圧に加えることが望ましい。図１の概略図には、それぞれ電極構造体９１、電極構造体９３および中央支柱５に接続された３本の信号線すなわち導体１１〜１３が示されている。これらの線は、リング振動子を駆動して振動させ、この振動をそれぞれの電極構造体によって感知する働きをする。
【００４６】
第１例によれば、直流電圧成分を中央支柱５経由でリング振動子に印加するために導体１３を使用する一方、導体１１によって交流電圧成分を電極構造体９１に印加し、それによって生じた信号を感知するために導体１２を使用することができる。第２例では、交流駆動電圧および直流電圧成分を合わせて導体１１によって電極構造体９１に加える一方、リング振動子を導体１３によって固定電位、たとえばアースに結合することができる。この場合、導体１２は信号を感知するために使用される。電極構造体９１および９３が相互交換可能であり、変更形として電極構造体９３を駆動用に使用し、電極構造体９１を感知用に使用してもよいことは理解されるであろう。
【００４７】
あるいは、共振のインピーダンスの変化を検出することによって、感知を行ってもよい。図６に示されているように、そのような方法は、２本の導体１１および１３と、導体１１に接続された単一組の櫛形電極構造体９１を含む電極構造体９^＊とを必要とするだけである（それに合わせて櫛形部材８^＊も変更されて、第１横部材８２を有するだけである）。第１例によれば、導体１１によって交流駆動電圧が単一組の電極構造体９１に印加され、導体１３によって直流電圧成分がリングに印加される。別の例によれば、交流および直流の合計駆動電圧を導体１１によって電極構造体９１に印加することができ、この場合、リングは導体１３によってアースなどの固定電位に結合される。
【００４８】
２本導体式には２つの利点があり、すなわち、（ｉ）第２導体およびリングを取り囲む第２電極構造体組が不必要になるため、構造体全体の直径が減少し、（ｉｉ）外リング６０の外周に沿った櫛形電極構造体９１の数を増加させることが可能になり、それによって信号が向上する。
【００４９】
リング振動子のさまざまな作動モードを以下の表にまとめる。上記例のいずれにおいても、駆動電極およびリングに印加される信号、すなわち、交流駆動電圧および直列電圧成分が完全に相互交換可能であることは理解されるであろう。
【表１】

【００５０】
横部材８２、８４および電極９２、９４が湾曲形状で、外リング６０と同心状であることによって、電気機械的結合における非線形性が減少し、その結果、高いＱ値が得られる一方、リング振動子の共振振動数が、交流および直流駆動電圧の振幅からほぼ独立する。さらに、本発明によるマイクロ機械的リング振動子は、低い１．５Ｖの電圧で駆動することができ、このことは携帯式電子器具には大きな利点である。
【００５１】
さらに、靜電的駆動および容量的感知のため、また、構造によって決定される高いＱ値のため、リング振動子の電力消費量が水晶の場合の１０〜１００分の１であり、このことは携帯式電子器具には特に重要である。
【００５２】
図７ａ〜図７ｃは、衝撃の際にリング振動子が固着することを防止するための３種類の好適な構造特徴を示す。図７ａに示された第１例によれば、基板２上に配置されたストッパ構造体２８が、ベース部材８０の外端部８０ａに設けられている。これらのストッパ構造体２８は、たとえば、機械的衝撃によって過剰角移動が発生した時、リング構造体６の角移動を制限し、それによって自立振動構造体６０が電極構造体９上に固着することを防止するように構成されている。
【００５３】
あるいは、図７ｂに示されているように、横部材８２、８４の先端８２ａ、８４ａおよび／または電極９２、９４の先端９２ａ、９４ａを、固着を防止するように尖った形状か、少なくとも適当に小さい表面積を有するように構成してもよい。
【００５４】
最後になるが、図７ｃの例に示されているように、横部材８２、８４の１つ８２^＊、８４^＊を他のものより長く形成し、それによって、櫛形部材８および櫛形電極構造体９１、９３が互いに機械的に接触した時の付着力を減少させることができる。電極９２、９４の１つを他のものより長くした時も、同じ効果を得ることができることは明白である。
【００５５】
図８および図９は、図１に示された本発明によるマイクロ機械的リング振動子４の改良を示す。図９は、図８のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。導体パターン３１が、自立振動構造体６の少なくとも一部、すなわち、ばね素子６２、外リング６０および櫛形部材８の下側で基板２の表面上（または下方）に設けられており、この導体パターン３１の形状は実質的に、自立振動構造体６を基板２の表面上に投影した形状である。この導体パターン３１を自立振動構造体６と同一の電位に接続することによって、リング振動子４および基板２の表面間の基板２に垂直な力が抑制され、直流電圧成分から独立した共振振動数が得られる。
【００５６】
図１０ａと図１０ｂは、本発明に従ったマイクロ機械的リング振動子４のさらなる改良を示し、これは、共振振動数の温度係数をゼロに近い値まで減少させることができる。２つの主要素がリング振動子の温度特性を決定する。第１に、振動構造体を実現するために使用された材料のヤング係数Ｅが温度上昇に伴って低下し、その結果、ばね素子６２の剛度が低下し、従って共振振動数が減少する。第２に、熱膨張によって、リングの直径が温度の上昇に伴って増加する結果、構造体の質量慣性モーメントが増加し、それによっても共振振動数が減少する。
【００５７】
図１０ａまたは図１０ｂに概略的に示されたような補償機構６５を導入するために、異なった材料の異なった熱膨張率を利用することができる。図１０ａおよび図１０ｂに示されているように、複数の温度補償部材６５（１つだけが図示されている）が外リング６０に取り付けられている。これらの温度補償部材６５は、自立振動構造体６の質量慣性モーメントを温度の関数として変更して、振動子４の共振振動数に対する温度の影響をほぼ補償できるように構成されている。このために、部材６５は、それぞれ異なった温度係数を有する第１および第２材料で形成された第１および第２層６８、６９を有する連結部材６７によって外リング６０に連結されたおもり部材６６を含む。材料は、第１層６８の熱膨張率αth1が第２層６９の熱膨張率αth2より小さくなるように選択される。好適な実施形態では、第１材料がシリコンであり、第２材料が金属、好ましくはアルミニウムである。
【００５８】
図１０ａに従った機構６５の構造は、温度の上昇に伴って、第１および第２層６８、６９の熱膨張が異なることによって連結部材６７がまっすぐになるような構造である。その結果、おもり部材６６がリングの中心に向かって移動する、すなわち、振動構造体６の回転軸線Ｏに接近し、それによってリング振動子の質量慣性モーメントが減少する結果、共振振動数が増加して、共振振動数に対するリングのヤング係数および熱膨張の影響をほぼ相殺する。そのような温度補償機構は、図１０ｂに示されているように、リング６０の外側や、自立振動機構６の他の部分に取り付けて、その質量慣性モーメントが温度の関数として変化するようにすることができる。部材６５のレイアウトおよび構成は、温度の上昇時におもり部材６６がリング振動子の回転軸線Ｏに向かって移動するように実現しなければならない。
【００５９】
本発明を一定の具体的な実施形態に関して説明してきたが、これらの実施形態は本発明を制限するものではないことを理解されたい。実際に、添付の請求項の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および／または応用が当該技術分野の専門家には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 マイクロ機械的リング振動子および集積電子回路を含む本発明による時間基準部の第１実施形態を概略的に示す上面図である。
【図２】 マイクロ機械的リング振動子の中央支柱、およびそれとばね素子との接合部を示す詳細図である。
【図３】 外リングの一部、およびそれとばね素子との接合部を示す詳細図である。
【図４】 図１のマイクロ機械的リング振動子のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図５】 理想化された直線状ばね素子と外リングの一部とを示す。
【図６】 本発明による時間基準部の第２実施形態を概略的に示す上面図である。
【図７ａ】 リング振動子が電極構造体に固着することを防止できるようにする３種類の構造の詳細上面図である。
【図７ｂ】 リング振動子が電極構造体に固着することを防止できるようにする３種類の構造の詳細上面図である。
【図７ｃ】 リング振動子が電極構造体に固着することを防止できるようにする３種類の構造の詳細上面図である。
【図８】 図１に示された第１実施形態の改良を示す上面図である。
【図９】 図８の実施形態のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。
【図１０ａ】 リング振動子の共振振動数に対する温度の影響をほぼ補償するために、リング振動子の質量慣性モーメントを温度の関数として変更する機構の２例を示す２つの上面図である。
【図１０ｂ】 リング振動子の共振振動数に対する温度の影響をほぼ補償するために、リング振動子の質量慣性モーメントを温度の関数として変更する機構の２例を示す２つの上面図である。
【図１１ａ】 振動子が傾斜振動を行う第２振動モードを説明する、それぞれ上面図および断面図である。
【図１１ｂ】 振動子が傾斜振動を行う第２振動モードを説明する、それぞれ上面図および断面図である。
【図１２ａ】 振動子が基板平面に垂直な垂直振動を行う別の第２振動モードを説明する、それぞれ上面図および断面図である。
【図１２ｂ】 振動子が基板平面に垂直な垂直振動を行う別の第２振動モードを説明する、それぞれ上面図および断面図である。

Claims (20)

1. 振動子（４）と、該振動子（４）を駆動して振動させると共に、該振動に応答して所定振動数を有する信号を生成する集積電子回路（３）とを含む時間基準部であって、前記振動子（４）は、基板（２）に支持されて、第１振動モードによって前記基板（２）にほぼ垂直な回転軸（Ｏ）を中心にして振動することができる一体形マイクロ機械的リング振動子（４）であり、該リング振動子（４）は、
   前記基板（２）から前記回転軸（Ｏ）に沿って延びる中央支柱（５）と、該中央支柱（５）に連結された自立振動構造体（６）とを含み、該自立振動構造体（６）は、
   前記回転軸線（Ｏ）と同軸の外リング（６０）と、
   前記中央支柱（５）を中心にして対称配置されて、前記外リング（６０）を前記中央支柱（５）に連結する数４〜５０でなる複数のばね素子（６２）
   とを含み、
   さらに、
   前記外リング（６０）の周囲に配置されて、前記集積電子回路（３）に接続された少なくとも一対の直径方向に向き合った電極構造体（９；９*）を含み、
   さらに、前記ばね素子（６２）は湾曲形状を有し、すみ肉（６３ａ）が設けられた第１接合部（６３）によって前記中央支柱（５）にほぼ垂直に連結され、かつ前記ばね素子（６２）はすみ肉（６４ａ）が設けられた第２接合部（６４）によって前記外リング（６０）にほぼ垂直に連結されており、前記ばね素子（６２）の各々が、前記回転軸線（Ｏ）を横切る半径方向線の延長部分で前記中央支柱（５）から離れる方向に延びることを特徴とする時間基準部。
2. 前記電子回路（３）は、前記マイクロ機械的リング振動子（４）と一緒に前記基板（２）上に一体化されていることを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
3. 前記自立振動構造体（６）はさらに、前記外リング（６０）の周囲に配置された少なくとも一対の直径方向に向き合った櫛形部材（８）を含み、該櫛形部材（８）は、
   前記外リング（６０）から半径方向に延びるベース部材（８０）と、
   該ベース部材（８０）の第１側部からほぼ垂直に延びる少なくとも１つの第１横部材（８２）と、
   前記ベース部材（８０）の第１側部と反対の第２側部からほぼ垂直に延びる少なくとも１つの第２横部材（８４）とを有しており、
   また、前記電極構造体（９）の各々は、
   前記第１横部材（８２）に隣接した第１電極（９２）を有して、前記櫛形部材（８）と噛み合った第１櫛形電極構造体（９１）と、
   前記第２横部材（８４）に隣接した第２電極（９４）を有して、前記櫛形部材（８）と噛み合った第２櫛形電極構造体（９３）とを有することを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
4. 前記第１櫛形電極構造体（９１）は、前記リング振動子（４）を駆動して振動させるために使用され、
   前記自立振動構造体（６）は、前記中央支柱（５）を介して固定電位に結合されており、
   前記第２櫛形電極構造体（９３）は、前記リング振動子（４）の振動によって発生する信号を感知するために使用され、
   前記第１櫛形電極構造体（９１）または自立振動構造体（６）の一方または両方に一定の直流電圧成分が追加されることを特徴とする請求項３記載の時間基準部。
5. 前記自立振動構造体（６）はさらに、前記外リング（６０）の周囲に配置された少なくとも一対の直径方向に向き合った櫛形部材（８^*）を含み、該櫛形部材（８^*）は、
   前記外リング（６０）から半径方向に延びるベース部材（８０）と、
   該ベース部材（８０）の第１側部からほぼ垂直に延びる少なくとも１つの第１横部材（８２）とを有しており、
   また、前記電極構造体（９^*）の各々は、
   −前記第１横部材（８２）に隣接した第１電極（９２）を有して、前記櫛形部材（８）と噛み合った櫛形電極構造体（９１）を有することを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
6. 前記第１櫛形電極構造体（９１）は、前記リング振動子（４）を駆動して振動させるために使用され、
   前記自立振動構造体（６）は、前記中央支柱（５）を介して固定電位に結合されており、
   前記櫛形電極構造体（９１）または自立振動構造体（６）の一方または両方に一定の直流電圧成分が追加され、
   共振のインピーダンスの変化を検出することによって感知が行われることを特徴とする請求項５記載の時間基準部。
7. 前記横部材（８２、８４）および前記電極（９２、９４）は、前記外リング（６０）と同心状の円弧の形状を有することを特徴とする請求項３または５記載の時間基準部。
8. 衝撃の際に角および／または傾斜移動を制限して前記自立振動構造体（６）の固着を防止するために、前記基板（２）上で少なくとも１つのベース部材（８０）の外端部（８０ａ）に隣接した位置に少なくとも１つのストッパ構造体（２８）が設けられていることを特徴とする請求項３または５記載の時間基準部。
9. 衝撃の際の前記自立振動構造体（６）の固着を防止するために、前記横部材（８２、８４）の先端（８２ａ、８４ａ）および／または前記電極（９２、９３）の先端（９２ａ、９４ａ）が尖っているか、適当に小さい表面積を有することを特徴とする請求項３または５記載の時間基準部。
10. 衝撃の際の前記自立振動構造体（６）の固着を防止するために、少なくとも前記横部材（８２、８４）の１つおよび／または前記電極（９２、９４）の１つが、その他のものより長いことを特徴とする請求項３または５記載の時間基準部。
11. ほぼ前記自立振動構造体（６）の形状を有する導体パターン（３１）が、前記基板（２）の表面上の、前記自立振動構造体（６）の少なくとも一部の下側の位置に設けられており、前記自立振動構造体（６）および前記導体パターンは同一電位に置かれていることを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
12. 前記自立振動構造体（６）はさらに、前記外リング（６０）の周囲に配置された少なくとも第一対の直径方向に向き合った温度補償部材（６５）を含み、該温度補償部材（６５）は、リング振動子（４）の共振振動数に対する温度の影響を補償するために、前記自立振動構造体（６）の質量慣性モーメントを温度の関数として変更することができることを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
13. 前記温度補償部材（６５）の各々は、それぞれ異なった温度係数を有する第１および第２材料で形成された第１および第２層（６８、６９）を有する連結部材（６７）によって前記外リング（６０）に連結されたおもり部材（６６）を含み、温度が上昇した時、前記連結部材（６７）は前記おもり部材（６６）を前記回転軸線（Ｏ）に徐々に接近させて、それによって前記自立振動構造体（６）の質量慣性モーメントを減少させることができることを特徴とする請求項１２記載の時間基準部。
14. さらに、発生する信号の振動数に対する温度の影響を補償できるようにする、一体に組み込まれた温度測定回路を含むことを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
15. さらに、前記基板（２）の上方に支持されて、他の振動子の共振振動数と異なった共振振動数で振動することができる第２マイクロ機械的リング振動子を含み、発生する信号の振動数に対する温度の影響を補償するために、両共振振動数の振動数差を利用することを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
16. 電極（１００、１２０；１３０、１５０）を前記自立振動構造体（６）の下側に配置して、前記第１振動モードの共振振動数と異なった共振振動数を有する第２振動モードの駆動および感知を行うことができるようにし、発生する信号の振動数に対する温度の影響を補償するために、両共振振動数の振動数差を利用することを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
17. 前記第２振動モードは、傾斜振動モードであることを特徴とする請求項１６記載の時間基準部。
18. 前記第２振動モードは、前記回転軸線（Ｏ）に平行な垂直振動モードであることを特徴とする請求項１６記載の時間基準部。
19. 前記基板（２）および前記リング振動子（４）は、シリコン材料製であることを特徴とする請求項１記載の時間基準部。
20. 基板（２）の上方に支持されて、該基板（２）にほぼ垂直な回転軸線（Ｏ）を中心にして振動することができ、
    前記基板（２）から前記回転軸線（Ｏ）に沿って延びる中央支柱（５）と、
    該中央支柱（５）に連結された自立振動構造体（６）とを含み、該自立振動構造体（６）は、
    前記回転軸線（Ｏ）と同軸の外リング（６０）と、
    前記中央支柱（５）を中心にして対称配置されて、前記外リング（６０）を中央支柱（５）に連結する数４〜５０でなる複数のばね素子（６２）とを
    有し、さらに 前記外リング（６０）の周囲に配置されて、集積電子回路（３）に接続される少なくとも一対の直径方向に向き合った電極構造体（９；９^*）を含む、時間基準部用の一体形マイクロ機械的リング振動子（４）であって、
    前記ばね素子（６２）は湾曲形状を有し、すみ肉（６３ａ）が設けられた第１接合部（６３）によって前記中央支柱（５）にほぼ垂直に連結され、かつ前記ばね素子（６２）はすみ肉（６４ａ）が設けられた第２接合部（６４）によって前記外リング（６０）にほぼ垂直に連結されており、前記ばね素子（６２）の各々が、前記回転軸線（Ｏ）を横切る半径方向線の延長部分で前記中央支柱（５）から離れる方向に延びることを特徴とするリング振動子。

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