JP4930769B2 - Oscillator - Google Patents

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本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。   The present invention relates to an oscillator using MEMS technology.

携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度(即ちQ値)が極めて大きく、10000を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。   While the demand for miniaturization and high precision of electronic devices such as wireless portable devices such as mobile phones and personal computers is increasing, such electronic devices require a small and stable high-frequency signal source. It is essential. A typical electronic component for satisfying this requirement is a crystal resonator. A quartz resonator is known to have a very high resonance sharpness (ie, Q value), which is an index of the quality of an oscillation element, and exceeds 10,000 because of good crystal stability. This is the reason why crystal resonators are widely used as stable high-frequency signal sources for wireless portable devices and personal computers. However, it has become clear that this quartz crystal resonator cannot sufficiently satisfy the recent demand for further downsizing.

そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコンを用いたMEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術により形成された小型のMEMS振動子を用いたMEMS発振器が報告されている(非特許文献1)。MEMS発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、MEMS振動子はシリコンを用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
T.Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001
Therefore, in recent years, a MEMS oscillator using a small MEMS vibrator formed by MEMS (Micro-Electro-Mechanical-System) technology using silicon instead of a quartz vibrator has been reported (Non-patent Document 1). . MEMS oscillators can be downsized compared to crystal oscillators and are easy to cope with high frequencies, so that they are expected to spread especially to small devices such as mobile phones. In addition, since the MEMS resonator can be manufactured using silicon, it can be integrated with the peripheral circuit in one chip.
T. Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001

しかしながら、上述の従来技術に係るMEMS発振器によれば、一つの基本周波数しか得られないため、基本周波数以外の周波数が必要な場合、用途に応じて基本周波数を分周または逓倍して利用する必要があり、周波数分周器または周波数逓倍器といった外部回路が必要になるという問題があった。   However, according to the MEMS oscillator according to the above-described prior art, only one fundamental frequency can be obtained. Therefore, when a frequency other than the fundamental frequency is required, it is necessary to divide or multiply the fundamental frequency depending on the application. There is a problem that an external circuit such as a frequency divider or a frequency multiplier is required.

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器を提供する事である。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an oscillator using a small MEMS vibrator capable of selecting and outputting one fundamental frequency from a plurality of fundamental frequencies.

本発明に係る発振器は、機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、
前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記出力用振動子の長手方向に沿うように複数配置されている励振用電極であって、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する複数の励振用電極と、前記複数の励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路と、前記発振回路から各々の前記励振用電極への電気的な接続経路を選択することにより、前記出力用振動子の固有振動モードを変更する基本周波数選択回路とを備える。
上記の構成によれば、直流電圧印加部が、出力用振動子に直流電圧を印加し、さらに、励振用電極が、出力用振動子との間で電界を介して相互に作用して出力用振動子を励振して固有振動モードを変化させ、発振回路が、出力用振動子の固有振動モードに応じた共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
An oscillator according to the present invention includes an output vibrator provided so as to be able to vibrate mechanically,
A DC voltage application unit that applies a DC voltage to the output vibrator; and a plurality of excitation electrodes that are arranged along a longitudinal direction of the output vibrator, the antinode of vibration of the output vibrator A plurality of excitation electrodes that are arranged in the vicinity of each other and interact with each other via an electric field with the output vibrator, and are electrically connected to the plurality of excitation electrodes, and the resonance of the output vibrator An oscillation circuit that oscillates at a frequency and outputs an oscillation signal, and an electrical connection path from the oscillation circuit to each of the excitation electrodes, thereby changing a natural vibration mode of the output vibrator A frequency selection circuit .
According to the above configuration, the DC voltage application unit applies a DC voltage to the output vibrator, and the excitation electrode interacts with the output vibrator via an electric field to output the output vibrator. The natural vibration mode is changed by exciting the vibrator, and the oscillation circuit can oscillate at a resonance frequency corresponding to the natural vibration mode of the output vibrator and output an oscillation signal.

また、例えば、発振器は、前記励振用電極と前記発振回路との間に接続され、前記発振回路から前記励振用電極への電気的な接続経路を選択する基本周波数選択回路を更に備えた事を特徴とする。
上記の構成によれば、基本周波数選択回路が、発振回路から励振用電極への電気的な接続経路を選択する事で励振用電極への電圧の印加方法が変更できるため、励振用電極が出力用振動子の所望の位置に電界を介して作用して所望の振動モードを選択し、発振回路が、出力用振動子の所望の共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
In addition, for example, the oscillator further includes a basic frequency selection circuit that is connected between the excitation electrode and the oscillation circuit and that selects an electrical connection path from the oscillation circuit to the excitation electrode. Features.
According to the above configuration, the fundamental frequency selection circuit can change the method of applying a voltage to the excitation electrode by selecting the electrical connection path from the oscillation circuit to the excitation electrode. A desired vibration mode is selected by acting on a desired position of the vibrator for vibration via an electric field, and the oscillation circuit can oscillate at a desired resonance frequency of the vibrator for output and output an oscillation signal.

また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、前記複数の励振用電極が、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする。
上記の構成によれば、出力用振動子と励振用電極とが同一の半導体基板上に形成できるため、小型化できる。
Further, in the oscillator according to the present invention, the output vibrator is disposed to face a support layer that is a semiconductor substrate, at least a part of which is fixed to an insulating layer on the support layer, and the plurality of excitation vibrators An electrode is arranged to face the support layer, and the whole is fixed to the insulating layer on the support layer.
According to the above configuration, since the output vibrator and the excitation electrode can be formed on the same semiconductor substrate, the size can be reduced.

また、本発明に係る発振器は、前記複数の励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
The oscillator according to the present invention is characterized in that the plurality of excitation electrodes are arranged on one side of the output vibrator along a long side direction of the output vibrator.
According to the above configuration, the oscillator can oscillate at the resonance frequency of the desired vibration mode of the output vibrator according to the arrangement position of the excitation electrode and output an oscillation signal.

また、本発明に係る発振器は、前記複数の励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
The oscillator according to the present invention is characterized in that the plurality of excitation electrodes are arranged on both sides of the output vibrator along the long side direction of the output vibrator.
According to the above configuration, the oscillator can oscillate at the resonance frequency of the desired vibration mode of the output vibrator according to the arrangement position of the excitation electrode and output an oscillation signal.

また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数で発振する事ができる。
The oscillator according to the present invention is characterized in that a DC positive voltage is applied to the output vibrator and the support layer is grounded.
According to the above configuration, the oscillation circuit can oscillate at the resonance frequency of the output vibrator.

また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数の2分の1の周波数で発振する事ができる。
The oscillator according to the present invention is characterized in that the output vibrator is grounded and a negative DC voltage is applied to the support layer.
According to the above configuration, the oscillation circuit can oscillate at a frequency that is half the resonance frequency of the output vibrator.

本発明によれば、出力用振動子の振動の腹に相当する位置に励振用電極を配置することで、出力用振動子に発生する静電気力の位置を制御し、出力用振動子の固有振動モードを変化させる様にしたので、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器が提供できる。   According to the present invention, by arranging the excitation electrode at a position corresponding to the antinode of the vibration of the output vibrator, the position of the electrostatic force generated in the output vibrator is controlled, and the natural vibration of the output vibrator is controlled. Since the mode is changed, an oscillator using a small MEMS vibrator capable of selecting and outputting one fundamental frequency from a plurality of fundamental frequencies can be provided.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、本発振器は、振動子100、直流バイアス電圧印加回路101、基本周波数選択回路102、出力用発振回路103から構成される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of an oscillator according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the oscillator includes a vibrator 100, a DC bias voltage application circuit 101, a fundamental frequency selection circuit 102, and an output oscillation circuit 103.

振動子100は、直流バイアス電圧印加回路101に接続されると共に、基本周波数選択回路102にも接続される。また、基本周波数選択回路102は出力用発振回路103に接続される。   The vibrator 100 is connected to the DC bias voltage application circuit 101 and also to the fundamental frequency selection circuit 102. The fundamental frequency selection circuit 102 is connected to the output oscillation circuit 103.

次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
まず、直流バイアス電圧印加回路101は、振動子100に直流バイアス電圧を印加して静電気力による駆動ができる状態にする。次に、基本周波数選択回路102は、振動子100の共振周波数の選択を行い、出力用発振回路103は、振動子100の共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。
上記の様に本発振器は、基本周波数選択回路102において選択された周波数の発振信号を出力するものである。
Next, the operation of the oscillator according to this embodiment will be described in detail.
First, the DC bias voltage application circuit 101 applies a DC bias voltage to the vibrator 100 so that it can be driven by electrostatic force. Next, the fundamental frequency selection circuit 102 selects the resonance frequency of the vibrator 100, and the output oscillation circuit 103 oscillates at the resonance frequency of the vibrator 100 and outputs an output oscillation signal.
As described above, this oscillator outputs an oscillation signal having a frequency selected by the basic frequency selection circuit 102.

次に、以上に説明した本実施形態に係る発振器の各構成要素の一例について詳述する。
まず、図2を参照して上記振動子100の構成の第1の例を説明する。
同図に示すように、振動子100は、出力用振動子(カンチレバー)201、出力用振動子電極パッド202,203、励振用電極パッド204〜206、励振用電極207〜209、支持層210、絶縁層211〜215、固定部216,217から構成される。
Next, an example of each component of the oscillator according to the present embodiment described above will be described in detail.
First, a first example of the configuration of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
As shown in the figure, the vibrator 100 includes an output vibrator (cantilever) 201, output vibrator electrode pads 202 and 203, excitation electrode pads 204 to 206, excitation electrodes 207 to 209, a support layer 210, Insulating layers 211 to 215 and fixing portions 216 and 217 are included.

出力用振動子(カンチレバー)201は、支持層210の上面に絶縁層211,212を介して固定部216,217が固定されている。
出力用振動子(カンチレバー)201は固定部216,217と同じ高さに設けられており、出力用振動子(カンチレバー)201と支持層210の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子(カンチレバー)201は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド202,203は、それぞれ固定部216,217の上に設けられており、出力用振動子(カンチレバー)201に電気的に接続されている。
In the output vibrator (cantilever) 201, fixing portions 216 and 217 are fixed to the upper surface of the support layer 210 via insulating layers 211 and 212.
The output vibrator (cantilever) 201 is provided at the same height as the fixing portions 216 and 217, and there is no insulating layer between the output vibrator (cantilever) 201 and the support layer 210 to form a gap. Yes. Thereby, the output vibrator (cantilever) 201 can vibrate mechanically. The output vibrator electrode pads 202 and 203 are provided on the fixing portions 216 and 217, respectively, and are electrically connected to the output vibrator (cantilever) 201.

また、励振用電極207〜209は、支持層210の上面に絶縁層213〜215を介して固定されている。励振用電極パッド204〜206は、それぞれ励振用電極207〜209の上に設けられており、それぞれ励振用電極207〜209に電気的に接続されている。   In addition, the excitation electrodes 207 to 209 are fixed to the upper surface of the support layer 210 via insulating layers 213 to 215. The excitation electrode pads 204 to 206 are provided on the excitation electrodes 207 to 209, respectively, and are electrically connected to the excitation electrodes 207 to 209, respectively.

振動子100は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層210を有している。これらの層の内、活性層(シリコン)は出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207〜209を形成するために用いられる。この出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207〜209はエッチングによって、支持層210に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極207〜209は、振動子出力用振動子(カンチレバー)201の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子(カンチレバー)201を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。   The vibrator 100 is formed by MEMS technology using an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. The SOI substrate has an active layer, an insulating layer, and a support layer 210. Of these layers, the active layer (silicon) is used to form the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrodes 207 to 209. The output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrodes 207 to 209 are formed by etching so as to face the support layer 210 and be adjacent to each other. The excitation electrodes 207 to 209 are arranged so as to be positioned on the antinodes of the vibration of the vibrator output vibrator (cantilever) 201. In order to make this vibrator output vibrator (cantilever) 201 function as a movable electrode, the resistance of the active layer is lowered in advance by impurity doping or the like.

また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子(カンチレバー)201の固定部216,217以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子(カンチレバー)201と支持層210との間にギャップ(空隙)を形成する。エッチングされずに残った固定部216,217の下面の絶縁層211,212が、支持層210と出力用振動子(カンチレバー)201とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部216,217を介して固定する。このような構成により、出力用振動子(カンチレバー)201は固定部216,217を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層210は半導体(シリコン)基板であり、出力用振動子(カンチレバー)201を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
Further, by removing the insulating layer on the lower surface other than the fixed portions 216 and 217 of the output vibrator (cantilever) 201 by etching after the processing of the active layer, the output vibrator (cantilever) 201 and the support layer 210 are removed. A gap (air gap) is formed between the two. The insulating layers 211 and 212 on the lower surfaces of the fixing portions 216 and 217 remaining without being etched electrically insulate the support layer 210 and the output vibrator (cantilever) 201 from each other, and via the fixing portions 216 and 217. Fix it. With such a configuration, the output vibrator (cantilever) 201 can vibrate using the fixing portions 216 and 217 as fulcrums.
The support layer 210 is a semiconductor (silicon) substrate, which mechanically fixes the output vibrator (cantilever) 201 and also functions as a fixed electrode.

さらに、アルミニウム(Al)の蒸着などにより出力用振動子電極パッド202,203が出力用振動子(カンチレバー)201の固定部216,217の上面にそれぞれ形成され、励振用電極パッド204〜206が励振用電極207〜209の上面にそれぞれ形成される。そして、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。   Further, the output vibrator electrode pads 202 and 203 are formed on the upper surfaces of the fixing portions 216 and 217 of the output vibrator (cantilever) 201 by vapor deposition of aluminum (Al), and the excitation electrode pads 204 to 206 are excited. The electrodes 207 to 209 are formed on the upper surfaces of the electrodes. And each pad is electrically connected to an external circuit using wire bonding etc. which are not illustrated.

次に、振動子100の動作原理を説明する。
図3(a)は、振動子を表す動作原理図である。この図に示す様に、MEMS振動子は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、301はバネ、302は錘、303は基板、304は励振用電極、305は電極、306は交流電源、307は直流電源である。MEMS振動子は電圧を印加して静電気力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性(例えばQ値)となるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。
Next, the operation principle of the vibrator 100 will be described.
FIG. 3A is an operation principle diagram showing a vibrator. As shown in this figure, the MEMS vibrator includes a capacitive element between electrodes having a gap. In the figure, 301 is a spring, 302 is a weight, 303 is a substrate, 304 is an excitation electrode, 305 is an electrode, 306 is an AC power source, and 307 is a DC power source. The MEMS vibrator is driven by electrostatic force by applying a voltage. At that time, by applying a DC bias voltage in addition to the AC signal, the same electrical characteristics (for example, Q value) as the quartz vibrator are obtained. It can be used as a vibrator of an oscillator with the same configuration as a crystal oscillator.

このMEMS振動子の電極に印加される電圧Vは、図3(b)に示す様に、直流バイアス電圧v0、交流信号の振幅δを用いて、
V= v0+δejωt
と表すことができる。
As shown in FIG. 3B, the voltage V applied to the electrodes of the MEMS vibrator is obtained by using the DC bias voltage v 0 and the amplitude δ of the AC signal,
V = v 0 + δe jωt
It can be expressed as.

次に、図4を参照して、振動子100の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、400〜402は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図2を用いて説明した振動子100の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, with reference to FIG. 4, a voltage application state to each electrode of the vibrator 100 and an electrostatic force acting on the vibrator will be described.
In the figure, reference numerals 400 to 402 denote DC bias voltage sources. The other components are the same as those of the vibrator 100 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源400(電圧値Vbias)は、正極が出力用振動子電極パッド202に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源401(電圧値+Va)は、正極が励振用電極パッド204に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源402(電圧値−Va)は、負極が励振用電極パッド206に接続され、正極は接地される。また、支持層210と励振用電極パッド205は接地される。なお、電圧値Vbias>Vaとする。   The DC bias voltage source 400 (voltage value Vbias) has a positive electrode connected to the output transducer electrode pad 202 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 401 (voltage value + Va) has a positive electrode connected to the excitation electrode pad 204 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 402 (voltage value −Va) has a negative electrode connected to the excitation electrode pad 206 and a positive electrode grounded. The support layer 210 and the excitation electrode pad 205 are grounded. Note that the voltage value Vbias> Va.

次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子(カンチレバー)201は、電圧値Vbiasの電圧が印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極207〜209との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子(カンチレバー)201に働く静電気力Fの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
Next, the electrostatic force acting on the vibrator in the voltage application state shown in FIG.
Since the output vibrator (cantilever) 201 is applied with the voltage Vbias, an electrostatic force acts between the excitation electrodes 207 to 209 to which a predetermined voltage is applied. That is, the magnitude of the electrostatic force F acting on the output vibrator (cantilever) 201 is proportional to the potential difference between the vibrator and the electrode.

ここで、出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207との間に働く静電気力をFa、励振用電極208との間に働く静電気力をFb、励振用電極209との間に働く静電気力をFcとする。この場合、出力用振動子(カンチレバー)201の電位は+Vbiasであって、Vbias>Vaであるので、上記の各静電気力は、
|Fa|<|Fb|<|Fc|
の関係を満たす。
Here, the electrostatic force acting between the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrode 207 is Fa, the electrostatic force acting between the excitation electrode 208 is Fb, and the static electricity acting between the excitation electrode 209 The force is Fc. In this case, the potential of the output vibrator (cantilever) 201 is + Vbias and Vbias> Va.
| Fa | <| Fb | <| Fc |
Satisfy the relationship.

次に、図5を参照して出力用振動子(カンチレバー)201に上述した様な静電気力が働いた場合の固有振動モードの変化について説明する。
図5(a)は、一点が固定された出力用振動子の固有振動モードの説明図である。
同図において、500は、出力用振動子、501は、支点である。また、出力用振動子500の長さはL、高さはb、幅はtである。また、出力用振動子500は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
Next, a change in the natural vibration mode when the electrostatic force as described above is applied to the output vibrator (cantilever) 201 will be described with reference to FIG.
FIG. 5A is an explanatory diagram of the natural vibration mode of the output vibrator in which one point is fixed.
In the figure, reference numeral 500 denotes an output vibrator, and reference numeral 501 denotes a fulcrum. The length of the output vibrator 500 is L, the height is b, and the width is t. Further, it is assumed that the output vibrator 500 vibrates in the vibration direction shown in FIG.

図5(b)、(c)、(d)は、出力用振動子500の振動を図5(a)に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図5(b)は、1次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子500は、支点501を固定して振動し、支点501の反対側が振動の腹となる。
図5(c)は、2次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子500は、支点501を固定して振動し、出力用振動子500の長さ0.774Lの位置が振動の節となる。
図5(d)は、3次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子500は、支点501を固定して振動し、出力用振動子500の長さ0.5Lの位置と0.868Lの位置とが振動の節となる。
5B, 5C, and 5D are schematic views when the vibration of the output vibrator 500 is observed from the observation direction shown in FIG.
FIG. 5B shows the vibration in the first mode. As shown in the figure, the output vibrator 500 vibrates with the fulcrum 501 fixed, and the opposite side of the fulcrum 501 is the antinode of vibration.
FIG. 5C shows the vibration of the secondary mode. As shown in the figure, the output vibrator 500 vibrates with the fulcrum 501 fixed, and the position of the output vibrator 500 having a length of 0.774L becomes a vibration node.
FIG. 5D shows the vibration in the third mode. As shown in the figure, the output vibrator 500 vibrates with the fulcrum 501 fixed, and the position of the output vibrator 500 having a length of 0.5 L and a position of 0.868 L are nodes of vibration.

図5(e)は、両端が固定された振動子の固有振動モードの原理図である。
同図において、510は、出力用振動子、511は、支点である。また、出力用振動子510の長さはL、高さはb、幅はtである。出力用振動子510は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
FIG. 5E is a principle diagram of the natural vibration mode of the vibrator having both ends fixed.
In the figure, 510 is an output vibrator and 511 is a fulcrum. The length of the output vibrator 510 is L, the height is b, and the width is t. The output vibrator 510 is assumed to vibrate in the vibration direction shown in FIG.

図5(f)、(g)、(h)は、出力用振動子510の振動を図5(e)に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図5(f)は、1次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子510は、両端の支点511を固定して振動し、出力用振動子510の長さ方向の中間点が最大振幅の腹となる。
図5(g)は、2次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子510は、両端の支点511を固定して振動し、出力用振動子510の長さ0.5Lの位置が振動の節となる。
図5(h)は、3次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子510は、両端の支点511を固定して振動し、出力用振動子510の両端の支点511から長さ0.359Lの位置がそれぞれ振動の節となる。
FIGS. 5F, 5G, and 5H are schematic views when the vibration of the output vibrator 510 is observed from the observation direction shown in FIG.
FIG. 5 (f) represents the vibration in the first mode. As shown in the figure, the output vibrator 510 vibrates with the fulcrums 511 at both ends fixed, and the intermediate point in the length direction of the output vibrator 510 becomes the antinode of the maximum amplitude.
FIG. 5G shows the vibration in the secondary mode. As shown in the figure, the output vibrator 510 vibrates with the fulcrums 511 at both ends fixed, and the position of the output vibrator 510 with a length of 0.5 L becomes a vibration node.
FIG. 5 (h) represents the vibration of the third mode. As shown in the figure, the output vibrator 510 vibrates with the fulcrums 511 at both ends fixed, and the position of 0.359 L in length from the fulcrums 511 at both ends of the output vibrator 510 becomes a vibration node. .

これらの各固有振動モードにおける共振周波数は、振動子のヤング率をE、振動子の密度をρとして、   The resonance frequency in each of these natural vibration modes is expressed as follows: the Young's modulus of the vibrator is E, and the density of the vibrator is ρ.

Figure 0004930769
Figure 0004930769

と表すことができる。 It can be expressed as.

次に、図6を参照して振動子100の接続について説明する。
図6(a)は、振動子の接続図である。同図において、600は、直流バイアス電圧源、601は、交流電圧源、602〜604は、スイッチ、605は、端子(1)、606は、端子(2)である。その他の構成要素は、図2を用いて説明した振動子100の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, the connection of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
FIG. 6A is a connection diagram of the vibrator. In the figure, 600 is a DC bias voltage source, 601 is an AC voltage source, 602 to 604 are switches, 605 is a terminal (1), and 606 is a terminal (2). The other components are the same as those of the vibrator 100 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧印加回路101:直流バイアス電圧源600(電圧値Vb)は、正極が出力用振動子電極パッド203に接続され、負極が接地される。交流電圧源601は、両端が端子(1)605と端子(2)606に接続される。
基本周波数選択回路102:スイッチ602〜604は、接続を3状態間で切り替えられるものであり、スイッチ602は、一端が励振用電極パッド204に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ603は、一端が励振用電極パッド205に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ604は、一端が励振用電極パッド206に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、支持層210は、接地されている。
DC bias voltage application circuit 101: DC bias voltage source 600 (voltage value Vb) has a positive electrode connected to output transducer electrode pad 203 and a negative electrode grounded. Both ends of the AC voltage source 601 are connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606.
Basic frequency selection circuit 102: The switches 602 to 604 can switch the connection between three states. The switch 602 has one end connected to the excitation electrode pad 204 and two terminals out of the other three terminals. Each is connected to terminal (1) 605 and terminal (2) 606, and one terminal is open. In addition, one end of the switch 603 is connected to the excitation electrode pad 205, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606, respectively, and one terminal is opened. Yes. The switch 604 has one end connected to the excitation electrode pad 206, two of the other three terminals connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606, respectively, and one terminal opened. Yes. The support layer 210 is grounded.

図6(b)は、交流電圧源の波形図である。同図において、610は、交流電圧源601の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。また、波形610の最大値は電圧Vacであり、Vb>Vacとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子(カンチレバー)201の共振周波数と等しくする。   FIG. 6B is a waveform diagram of the AC voltage source. In the figure, reference numeral 610 denotes a waveform of the AC voltage source 601. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage value. The maximum value of the waveform 610 is the voltage Vac, and Vb> Vac. The frequency of the AC voltage is made equal to the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201.

なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド204〜206に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源601として出力用発振回路103を接続する。それにより、出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207〜209との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。   In the figure, a simplified circuit configuration is shown in which an AC voltage is applied to the excitation electrode pads 204 to 206 in order to explain the principle of the change in the natural vibration mode. The oscillation circuit 103 is connected. Thus, an oscillation signal can be obtained by interacting between the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrodes 207 to 209 via an electric field.

次に、図7を参照して振動子100の動作を説明する。
図7は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子100を上部から見た模式図である。
図7(a)は、無振動状態の模式図である。同図において、700は、出力用振動子(カンチレバー)201の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子(カンチレバー)201の位置700は、直線である。
Next, the operation of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the natural vibration mode of the vibrator. This figure is a schematic view of the vibrator 100 as viewed from above.
Fig.7 (a) is a schematic diagram of a non-vibration state. In the figure, 700 indicates the position of the output vibrator (cantilever) 201. In the no-vibration state, the position 700 of the output vibrator (cantilever) 201 is a straight line.

図7(b)は、1次モードの振動状態の模式図である。701は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して最も励振用電極208に近づいた位置、702は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して最も励振用電極208から遠ざかった位置、703は、出力用振動子(カンチレバー)201の振動中心位置である。   FIG. 7B is a schematic diagram of the vibration state of the primary mode. Reference numeral 701 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates closest to the excitation electrode 208, and reference numeral 702 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates most away from the excitation electrode 208. Reference numeral 703 denotes a vibration center position of the output vibrator (cantilever) 201.

出力用振動子(カンチレバー)201の振動中心位置703は、出力用振動子(カンチレバー)201に印加される直流バイアス電圧源600(電圧Vb)の影響で、励振用電極208側へ引力が働いて湾曲する。   The vibration center position 703 of the output vibrator (cantilever) 201 is affected by the DC bias voltage source 600 (voltage Vb) applied to the output vibrator (cantilever) 201, and an attractive force acts on the excitation electrode 208 side. Bend.

同図に示した1次モードの振動を発生させる場合、図7(c)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図7(c)は、1次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、1次モードの振動時には、図6における励振用電極207〜209のすべてが端子(1)605へ接続される。つまり、スイッチ602〜604のすべてが端子(1)605側へ接続される。これにより、励振用電極207〜209には、交流電圧源601によって同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極207〜209によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となり、交流電圧の位相に応じて静電気力の大きさが一様に変化するので、1次モードの振動が発生する。
When the primary mode vibration shown in the figure is generated, it is necessary to set the excitation electrode connection state shown in FIG. 7C.
FIG. 7C is a diagram illustrating a connection state of the excitation electrodes during the vibration in the primary mode.
As shown in the figure, all of the excitation electrodes 207 to 209 in FIG. 6 are connected to the terminal (1) 605 during the vibration in the primary mode. That is, all of the switches 602 to 604 are connected to the terminal (1) 605 side. Thus, an AC voltage having the same phase is applied to the excitation electrodes 207 to 209 by the AC voltage source 601, and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 201 by the excitation electrodes 207 to 209 is always the same. Since the magnitude of the electrostatic force changes uniformly according to the phase of the AC voltage, the vibration of the primary mode is generated.

次に、2次モードの振動状態について説明する。
図7(d)は、2次モードの振動状態の模式図である。704は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して腹が最も励振用電極207に近づいた位置、705は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して腹が最も励振用電極209に近づいた位置である。
同図に示した2次モードの振動を発生させる場合、図7(e)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
Next, the vibration mode in the secondary mode will be described.
FIG. 7D is a schematic diagram of the vibration mode in the secondary mode. 704 is a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates and the antinode is closest to the excitation electrode 207, and 705 is a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates and the antinode is most close to the excitation electrode 209. It is a close position.
When the secondary mode vibration shown in the figure is generated, it is necessary to connect the excitation electrodes shown in FIG. 7 (e).

図7(e)は、2次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、2次モードの振動時には、図6における励振用電極207が端子(1)605へ接続され、励振用電極209が端子(2)606へ接続され、励振用電極208が開放される。つまり、スイッチ602が端子(1)605側へ接続され、スイッチ604が端子(2)606側へ接続され、スイッチ603が開放される。これは、図6(a)に示したスイッチの接続状態である。
FIG. 7E is a diagram illustrating a connection state of the excitation electrodes during the secondary mode vibration.
As shown in the figure, during secondary mode vibration, the excitation electrode 207 in FIG. 6 is connected to the terminal (1) 605, the excitation electrode 209 is connected to the terminal (2) 606, and the excitation electrode 208 is Opened. That is, the switch 602 is connected to the terminal (1) 605 side, the switch 604 is connected to the terminal (2) 606 side, and the switch 603 is opened. This is the connection state of the switch shown in FIG.

これにより、励振用電極207,209には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極208には電圧が印加されないので、励振用電極207によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力と、励振用電極209によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力とは、ある瞬間においては常に強さが異なるので、2つの腹と1つの節を持つ2次モードの振動が発生する。
この場合、出力用振動子(カンチレバー)201の共振周波数は、1次モードの際の共振周波数の約2.8倍になるため、交流電圧源601の周波数も約2.8倍に設定する必要がある。
As a result, alternating voltages having opposite phases are applied to the excitation electrodes 207 and 209, and no voltage is applied to the excitation electrode 208, so that the excitation electrode 207 exerts the output vibrator (cantilever) 201. Since the electrostatic force and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 201 by the excitation electrode 209 are always different in strength at a certain moment, the vibration of the secondary mode having two antinodes and one node. Occurs.
In this case, since the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201 is about 2.8 times the resonance frequency in the primary mode, the frequency of the AC voltage source 601 needs to be set to about 2.8 times. There is.

つまり、出力用振動子(カンチレバー)201の振動の腹に配置された励振用電極207〜209に印加される交流電圧によって所望の固有振動モードの共振周波数を得る事ができる。なお、上記説明においては2次モードまでの例を説明したが、励振用電極の数、配置位置、電圧印加状態を変更する事で3次モード以上の固有振動モードの共振周波数を得ることもできる。   In other words, the resonance frequency of the desired natural vibration mode can be obtained by the AC voltage applied to the excitation electrodes 207 to 209 disposed on the vibration antinode of the output vibrator (cantilever) 201. In the above description, the example up to the secondary mode has been described. However, the resonance frequency of the natural vibration mode of the tertiary mode or higher can be obtained by changing the number of the excitation electrodes, the arrangement position, and the voltage application state. .

次に、振動子100へのその他の電圧印加方法について説明する。
まず、図8を参照して、振動子100の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、400〜402は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図2を用いて説明した振動子100の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, another method for applying a voltage to the vibrator 100 will be described.
First, with reference to FIG. 8, the state of voltage application to the electrodes of the vibrator 100 and the electrostatic force acting on the vibrator will be described.
In the figure, reference numerals 400 to 402 denote DC bias voltage sources. The other components are the same as those of the vibrator 100 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源400(電圧値Vbias)は、正極が出力用振動子電極パッド202に接続され、負極は支持層210に接続される。また、直流バイアス電圧源401(電圧値+Va)は、正極が励振用電極パッド204に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源402(電圧値−Va)は、負極が励振用電極パッド206に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド202と励振用電極パッド205は接地される。なお、電圧値Vbias>電圧値Vaとする。   The DC bias voltage source 400 (voltage value Vbias) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 202 and a negative electrode connected to the support layer 210. The DC bias voltage source 401 (voltage value + Va) has a positive electrode connected to the excitation electrode pad 204 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 402 (voltage value −Va) has a negative electrode connected to the excitation electrode pad 206 and a positive electrode grounded. The output vibrator electrode pad 202 and the excitation electrode pad 205 are grounded. It is assumed that voltage value Vbias> voltage value Va.

次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子(カンチレバー)201と所定の電圧が印加されている励振用電極207〜209との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子(カンチレバー)201に働く静電気力Fの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
Next, the electrostatic force acting on the vibrator in the voltage application state shown in FIG.
An electrostatic force acts between the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrodes 207 to 209 to which a predetermined voltage is applied. That is, the magnitude of the electrostatic force F acting on the output vibrator (cantilever) 201 is proportional to the potential difference between the vibrator and the electrode.

ここで、出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207との間に働く静電気力をFa、励振用電極208との間に働く静電気力をFb、励振用電極209との間に働く静電気力をFcとする。この場合、出力用振動子(カンチレバー)201の電位はGNDであるので、上記の各静電気力は、
Fa=Fc、Fb=0
の関係を満たす。つまり、励振用電極207と励振用電極209とに印加される電圧が逆極性であっても出力用振動子(カンチレバー)201には同じ方向の静電気力が働く。
Here, the electrostatic force acting between the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrode 207 is Fa, the electrostatic force acting between the excitation electrode 208 is Fb, and the static electricity acting between the excitation electrode 209 The force is Fc. In this case, since the potential of the output vibrator (cantilever) 201 is GND, each electrostatic force described above is
Fa = Fc, Fb = 0
Satisfy the relationship. That is, the electrostatic force in the same direction acts on the output vibrator (cantilever) 201 even if the voltages applied to the excitation electrode 207 and the excitation electrode 209 have opposite polarities.

次に、図9を参照して振動子100の接続について説明する。
図9(a)は、振動子の接続図である。同図において、600は、直流バイアス電圧源、901は、交流電圧源、602〜604は、スイッチ、605は、端子(1)、606は、端子(2)である。その他の構成要素は、図2を用いて説明した振動子100の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, the connection of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
FIG. 9A is a connection diagram of the vibrator. In the figure, 600 is a DC bias voltage source, 901 is an AC voltage source, 602 to 604 are switches, 605 is a terminal (1), and 606 is a terminal (2). The other components are the same as those of the vibrator 100 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源600(電圧値Vb)は、正極が出力用振動子電極パッド203に接続され、負極が支持層210に接続される。交流電圧源901は、両端が端子(1)605と端子(2)606に接続される。スイッチ602〜604は、接続を3状態間で切り替えられるものであり、スイッチ602は、一端が励振用電極パッド204に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ603は、一端が励振用電極パッド205に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ604は、一端が励振用電極パッド206に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)605と端子(2)606に接続され、1端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド203は、接地されている。   The DC bias voltage source 600 (voltage value Vb) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 203 and a negative electrode connected to the support layer 210. Both ends of the AC voltage source 901 are connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606. The switches 602 to 604 can switch the connection between three states. One end of the switch 602 is connected to the excitation electrode pad 204, and two terminals among the other three terminals are the terminal (1) 605, respectively. And terminal (2) 606, and one terminal is open. In addition, one end of the switch 603 is connected to the excitation electrode pad 205, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606, respectively, and one terminal is opened. Yes. The switch 604 has one end connected to the excitation electrode pad 206, two of the other three terminals connected to the terminal (1) 605 and the terminal (2) 606, respectively, and one terminal opened. Yes. The output transducer electrode pad 203 is grounded.

図9(b)は、交流電圧源の波形図である。同図において、910は、交流電圧源901の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形910の最大値は電圧Vacであり、Vb>Vacとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源901の周波数は出力用振動子(カンチレバー)201の共振周波数の2分の1となる。   FIG. 9B is a waveform diagram of the AC voltage source. In the figure, reference numeral 910 denotes a waveform of the AC voltage source 901. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage value. The maximum value of the waveform 910 is the voltage Vac, and Vb> Vac. Further, as described above, since the electrostatic force acts in the same direction even if the polarity of the voltage applied to the excitation electrode is in the reverse direction, the frequency of the AC voltage source 901 is the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201. Half of that.

なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド204〜206に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源901として出力用発振回路103を接続する。それにより、出力用振動子(カンチレバー)201と励振用電極207〜209との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。   In the figure, a simplified circuit configuration in which an AC voltage is applied to the excitation electrode pads 204 to 206 is used to explain the principle of the change of the natural vibration mode. The oscillation circuit 103 is connected. Thus, an oscillation signal can be obtained by interacting between the output vibrator (cantilever) 201 and the excitation electrodes 207 to 209 via an electric field.

次に、図10を参照して振動子100の動作を説明する。
図10は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子100を上部から見た模式図である。
図10(a)は、無振動状態の模式図である。同図において、700は、出力用振動子(カンチレバー)201の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子(カンチレバー)201の位置700は、直線である。
Next, the operation of the vibrator 100 will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the natural vibration mode of the vibrator. This figure is a schematic view of the vibrator 100 as viewed from above.
FIG. 10A is a schematic diagram in a no-vibration state. In the figure, 700 indicates the position of the output vibrator (cantilever) 201. In the no-vibration state, the position 700 of the output vibrator (cantilever) 201 is a straight line.

図10(b)は、1次モードの振動状態の模式図である。1001は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して最も励振用電極208に近づいた位置、1002は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して最も励振用電極208から遠ざかった位置、1003は、出力用振動子(カンチレバー)201の振動中心位置である。
出力用振動子(カンチレバー)201の振動中心位置1003は、振動子の電位がGNDであるため、湾曲しない。
同図に示した1次モードの振動の場合、図10(c)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
FIG. 10B is a schematic diagram of the vibration state in the primary mode. Reference numeral 1001 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates closest to the excitation electrode 208. Reference numeral 1002 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates most away from the excitation electrode 208. Reference numeral 1003 denotes a vibration center position of the output vibrator (cantilever) 201.
The vibration center position 1003 of the output vibrator (cantilever) 201 is not curved because the vibrator potential is GND.
In the case of the vibration in the primary mode shown in the figure, it is necessary to make the connection state of the excitation electrode shown in FIG.

図10(c)は、1次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、1次モードの振動時には、図9における励振用電極207〜209のすべてが端子(1)605へ接続される。つまり、スイッチ602〜604のすべてが端子(1)605側へ接続される。これにより、励振用電極207〜209には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極207〜209によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、1次モードの振動が発生する。
FIG. 10C is a diagram illustrating a connection state of the excitation electrodes during the first mode vibration.
As shown in the figure, all of the excitation electrodes 207 to 209 in FIG. 9 are connected to the terminal (1) 605 during the vibration in the primary mode. That is, all of the switches 602 to 604 are connected to the terminal (1) 605 side. As a result, an AC voltage having the same phase is applied to the excitation electrodes 207 to 209, and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 201 by the excitation electrodes 207 to 209 is always in the same direction. First-order mode vibration occurs.

次に、2次モードの振動状態について説明する。
図10(d)は、2次モードの振動状態の模式図である。1004は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して腹が最も励振用電極207に近づいた位置、1005は、出力用振動子(カンチレバー)201が振動して腹が最も励振用電極209に近づいた位置である。
同図に示した2次モードの振動の場合、図10(e)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
Next, the vibration mode in the secondary mode will be described.
FIG. 10D is a schematic diagram of the vibration mode in the secondary mode. Reference numeral 1004 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 201 vibrates and the antinode is closest to the excitation electrode 207, and reference numeral 1005 denotes an output vibrator (cantilever) 201 vibrates and the antinode is the most to the excitation electrode 209. It is a close position.
In the case of the secondary mode vibration shown in the figure, it is necessary to set the excitation electrode connection state shown in FIG.

図10(e)は、2次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、2次モードの振動時には、図9における励振用電極207が端子(1)605へ接続され、励振用電極209が端子(2)606へ接続され、励振用電極208が開放される。つまり、スイッチ602が端子(1)605側へ接続され、スイッチ604が端子(2)606側へ接続され、スイッチ603が開放される。これは、図9(a)に示したスイッチの接続状態である。
FIG. 10E is a diagram illustrating a connection state of the excitation electrodes during secondary mode vibration.
As shown in the figure, at the time of secondary mode vibration, the excitation electrode 207 in FIG. 9 is connected to the terminal (1) 605, the excitation electrode 209 is connected to the terminal (2) 606, and the excitation electrode 208 is Opened. That is, the switch 602 is connected to the terminal (1) 605 side, the switch 604 is connected to the terminal (2) 606 side, and the switch 603 is opened. This is the connection state of the switch shown in FIG.

これにより、励振用電極207、209には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極208には電圧が印加されないので、励振用電極207によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力と、励振用電極209によって出力用振動子(カンチレバー)201に及ぼされる静電気力とは常に同じ大きさとなるので、静電気力の及ぼされない励振用電極208の部分を節として2次モードの振動が発生する。   As a result, alternating voltages having opposite phases are applied to the excitation electrodes 207 and 209, and no voltage is applied to the excitation electrode 208, so that the excitation electrode 207 exerts the output vibrator (cantilever) 201. Since the electrostatic force and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 201 by the excitation electrode 209 are always the same magnitude, the vibration of the second mode is performed with the portion of the excitation electrode 208 not subjected to the electrostatic force as a node. Will occur.

この場合、出力用振動子(カンチレバー)201の共振周波数は、1次モードの際の共振周波数の約2.8倍になるため、交流電圧源901の周波数も約2.8倍に設定する必要がある。
上述の様な直流バイアス電圧の印加を行う事で、1次モードの場合、出力用振動子(カンチレバー)201の持つ共振周波数の2分の1の発振周波数を得る事ができ、2次モードの場合、その約2.8倍の発振周波数を得る事ができる。
In this case, since the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201 is about 2.8 times the resonance frequency in the primary mode, the frequency of the AC voltage source 901 needs to be set to about 2.8 times. There is.
By applying the DC bias voltage as described above, in the primary mode, it is possible to obtain an oscillation frequency that is half of the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 201. In this case, it is possible to obtain an oscillation frequency about 2.8 times that.

次に、図11を参照して発振回路の一例を説明する。
同図に示した発振回路は、図1を用いて説明した出力用発振回路103の回路例である。なお、本発振回路は、水晶発振器で一般に用いられているコルピッツ発振回路を応用した回路である。
Next, an example of an oscillation circuit will be described with reference to FIG.
The oscillation circuit shown in the figure is a circuit example of the output oscillation circuit 103 described with reference to FIG. This oscillation circuit is a circuit to which a Colpitts oscillation circuit generally used in a crystal oscillator is applied.

同図に示すように、発振回路は、振動子1100、スイッチ1101、直流成分カット用容量1102,1103、負荷容量1104,1105、負荷抵抗1108、インバータ(アンプ)1110,1111、発振信号出力端子1120から構成される。ここで、振動子1100は、図2に示した振動子100を表し、スイッチ1101は、図6に示したスイッチ604〜606を表す。ここでは、振動子1100は2端子、スイッチ1101は2入出力端子の一例を示しているが、端子数はこの例に限定されない。   As shown in the figure, the oscillation circuit includes a vibrator 1100, a switch 1101, DC component cutting capacitors 1102 and 1103, load capacitors 1104 and 1105, load resistors 1108, inverters (amplifiers) 1110 and 1111, and an oscillation signal output terminal 1120. Consists of Here, the vibrator 1100 represents the vibrator 100 illustrated in FIG. 2, and the switch 1101 represents the switches 604 to 606 illustrated in FIG. 6. Here, the vibrator 1100 is an example of two terminals and the switch 1101 is an example of two input / output terminals, but the number of terminals is not limited to this example.

振動子1100の両端には、スイッチ1101の2つの入力端がそれぞれ接続される。また、スイッチ1101の2つの出力端には、直流成分カット用容量1102,1103の一端がそれぞれ接続される。   Two input ends of the switch 1101 are connected to both ends of the vibrator 1100. One end of each of the DC component cut capacitors 1102 and 1103 is connected to the two output terminals of the switch 1101.

直流成分カット用容量1102の他端は、負荷容量1104の一端が接続されると共に、インバータ(アンプ)1110の入力端と負荷抵抗1108の一端が接続される。また、直流成分カット用容量1103の他端は、負荷容量1105の一端が接続されると共に、インバータ(アンプ)1110の出力端とインバータ(アンプ)1111の入力端と負荷抵抗1108の他端とが接続される。
また、負荷容量1104,1105の他端は、それぞれ接地される。インバータ(アンプ)1111の出力は、発振信号出力端子1120に接続される。
The other end of the DC component cutting capacitor 1102 is connected to one end of a load capacitor 1104, and is connected to an input end of an inverter (amplifier) 1110 and one end of a load resistor 1108. The other end of the DC component cutting capacitor 1103 is connected to one end of a load capacitor 1105, and the output end of the inverter (amplifier) 1110, the input end of the inverter (amplifier) 1111, and the other end of the load resistor 1108. Connected.
The other ends of the load capacitors 1104 and 1105 are grounded. The output of the inverter (amplifier) 1111 is connected to the oscillation signal output terminal 1120.

次に、発振回路の動作を説明する。
発振回路は、振動子1100の共振周波数で発振して発振信号を発振信号出力端子1120から出力する。ここで、図7を用いて説明した様に、スイッチ1101を切り替える事によって振動子1100の固有振動モードを変更し、共振周波数を変化させて発振器の発振周波数を変更できる。これは、本発明における基本周波数選択回路として機能する。
Next, the operation of the oscillation circuit will be described.
The oscillation circuit oscillates at the resonance frequency of the vibrator 1100 and outputs an oscillation signal from the oscillation signal output terminal 1120. Here, as described with reference to FIG. 7, the natural vibration mode of the vibrator 1100 can be changed by switching the switch 1101, and the oscillation frequency of the oscillator can be changed by changing the resonance frequency. This functions as a fundamental frequency selection circuit in the present invention.

上述してきた構成を用いる事で、本実施形態に係る発振器は、1次モードのみではなく、2次モード以上の固有振動モードを利用して、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して発振信号を出力する事ができる。   By using the configuration described above, the oscillator according to the present embodiment selects one fundamental frequency from a plurality of fundamental frequencies using not only the primary mode but also the natural vibration mode of the secondary mode or higher. An oscillation signal can be output.

次に、振動子の第2の構成例を説明する。
図12は、振動子の第2の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子1200は、出力用振動子(カンチレバー)1201、出力用振動子電極パッド1202,1203、励振用電極パッド1204〜1209、励振用電極1210〜1215、支持層1216、絶縁層1217〜1224、固定部1225,1226から構成される。
Next, a second configuration example of the vibrator will be described.
FIG. 12 is a perspective view illustrating a second configuration example of the vibrator.
As shown in the figure, the vibrator 1200 includes an output vibrator (cantilever) 1201, output vibrator electrode pads 1202 and 1203, excitation electrode pads 1204 to 1209, excitation electrodes 1210 to 1215, a support layer 1216, Insulating layers 1217 to 1224 and fixing portions 1225 and 1226 are included.

出力用振動子(カンチレバー)1201は、支持層1216の上面に絶縁層1217,1218を介して固定部1225,1226が固定されている。
出力用振動子(カンチレバー)1201は固定部1225,1226と同じ高さに設けられており、出力用振動子(カンチレバー)1201と支持層1216の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子(カンチレバー)1201は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド1202,1203は、それぞれ固定部1225,1226の上に設けられており、出力用振動子(カンチレバー)1201に電気的に接続されている。
In the output vibrator (cantilever) 1201, fixing portions 1225 and 1226 are fixed to the upper surface of the support layer 1216 via insulating layers 1217 and 1218.
The output vibrator (cantilever) 1201 is provided at the same height as the fixed portions 1225 and 1226, and there is no insulating layer between the output vibrator (cantilever) 1201 and the support layer 1216, thus forming a gap. Yes. Thereby, the output vibrator (cantilever) 1201 can mechanically vibrate. The output vibrator electrode pads 1202 and 1203 are provided on the fixing portions 1225 and 1226, respectively, and are electrically connected to the output vibrator (cantilever) 1201.

また、励振用電極1210〜1215は、支持層1216の上面に絶縁層1217〜1224を介して固定されている。励振用電極パッド1204〜1209は、それぞれ励振用電極1210〜1215の上に設けられており、それぞれ励振用電極1210〜1215に電気的に接続されている。   Further, the excitation electrodes 1210 to 1215 are fixed to the upper surface of the support layer 1216 via insulating layers 1217 to 1224. The excitation electrode pads 1204 to 1209 are provided on the excitation electrodes 1210 to 1215, respectively, and are electrically connected to the excitation electrodes 1210 to 1215, respectively.

振動子1200は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層1216を有している。これらの層の内、活性層(シリコン)は出力用振動子(カンチレバー)1201と励振用電極1210〜1215を形成するために用いられる。この出力用振動子(カンチレバー)1201と励振用電極1210〜1215はエッチングによって、支持層1216に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極1210と励振用電極1213、励振用電極1211と励振用電極1214、励振用電極1212と励振用電極1215は、それぞれ互いに対向し、振動子出力用振動子(カンチレバー)1201の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子(カンチレバー)1201を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。   The vibrator 1200 is formed by MEMS technology using an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. The SOI substrate includes an active layer, an insulating layer, and a support layer 1216. Of these layers, the active layer (silicon) is used to form an output vibrator (cantilever) 1201 and excitation electrodes 1210 to 1215. The output vibrator (cantilever) 1201 and the excitation electrodes 1210 to 1215 are formed by etching so as to face the support layer 1216 and be adjacent to each other. The excitation electrode 1210 and the excitation electrode 1213, the excitation electrode 1211 and the excitation electrode 1214, and the excitation electrode 1212 and the excitation electrode 1215 face each other, and the vibration output of the vibrator output vibrator (cantilever) 1201. It arrange | positions so that it may be located in. In order to make this vibrator output vibrator (cantilever) 1201 function as a movable electrode, the resistance of the active layer is lowered in advance by impurity doping or the like.

また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子(カンチレバー)1201の固定部1225,1226以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子(カンチレバー)1201と支持層1216との間にギャップ(空隙)を形成する。エッチングされずに残った固定部1225,1226の下面の絶縁層1217,1218が、支持層1216と出力用振動子(カンチレバー)1201とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部1225,1226を介して固定する。このような構成により、出力用振動子(カンチレバー)1201は固定部1225,1226を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層1216は半導体(シリコン)基板であり、出力用振動子(カンチレバー)1201を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
Further, by removing the insulating layer on the lower surface other than the fixed portions 1225 and 1226 of the output vibrator (cantilever) 1201 by etching after the processing of the active layer, the output vibrator (cantilever) 1201 and the support layer 1216 A gap (air gap) is formed between the two. Insulating layers 1217 and 1218 on the lower surface of the fixing portions 1225 and 1226 that remain without being etched electrically insulate the support layer 1216 and the output vibrator (cantilever) 1201 from each other and through the fixing portions 1225 and 1226. Fix it. With such a configuration, the output vibrator (cantilever) 1201 can vibrate with the fixed portions 1225 and 1226 as fulcrums.
The support layer 1216 is a semiconductor (silicon) substrate, which mechanically fixes the output vibrator (cantilever) 1201 and also functions as a fixed electrode.

さらに、アルミニウム(Al)の蒸着などにより出力用振動子電極パッド1202,1203が出力用振動子(カンチレバー)1201の固定部1225,1226の上面にそれぞれ形成される。また、励振用電極パッド1204〜1209が励振用電極1210〜1215の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。   Furthermore, output vibrator electrode pads 1202 and 1203 are formed on the upper surfaces of the fixing portions 1225 and 1226 of the output vibrator (cantilever) 1201 by vapor deposition of aluminum (Al), respectively. In addition, excitation electrode pads 1204 to 1209 are formed on the upper surfaces of the excitation electrodes 1210 to 1215, and the respective pads are electrically connected to an external circuit using wire bonding (not shown).

次に、図13を参照して、振動子1200の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、1300〜1302は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図12を用いて説明した振動子1200の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, with reference to FIG. 13, the voltage application state to each electrode of the vibrator 1200 and the electrostatic force acting on the vibrator will be described.
In the figure, reference numerals 1300 to 1302 denote DC bias voltage sources. The other components are the same as those of the vibrator 1200 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源1300(電圧値Vbias)は、正極が出力用振動子電極パッド1202に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源1301(電圧値Va)は、正極が励振用電極パッド1204に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源1302(電圧値Va)は、負極が励振用電極パッド1206に接続され、正極は接地される。また、支持層1216と励振用電極パッド1205,1207,1208,1209は接地される。なお、電圧値Vbias>電圧値Vaとする。   The DC bias voltage source 1300 (voltage value Vbias) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 1202 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 1301 (voltage value Va) has a positive electrode connected to the excitation electrode pad 1204 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 1302 (voltage value Va) has a negative electrode connected to the excitation electrode pad 1206 and a positive electrode grounded. The support layer 1216 and the excitation electrode pads 1205, 1207, 1208, and 1209 are grounded. It is assumed that voltage value Vbias> voltage value Va.

次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子(カンチレバー)1201は、電圧値Vbiasが印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極1210〜1215との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子(カンチレバー)1201に働く静電気力Fの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
Next, the electrostatic force acting on the vibrator in the voltage application state shown in FIG.
Since the output vibrator (cantilever) 1201 is applied with the voltage value Vbias, an electrostatic force acts between the excitation electrodes 1210 to 1215 to which a predetermined voltage is applied. That is, the magnitude of the electrostatic force F acting on the output vibrator (cantilever) 1201 is proportional to the potential difference between the vibrator and the electrode.

ここで、出力用振動子(カンチレバー)1201と励振用電極1210,1213との間に働く静電気力をFa、励振用電極1211,1214との間に働く静電気力をFb、励振用電極1212,1215との間に働く静電気力をFcとする。この場合、出力用振動子(カンチレバー)1201の電位は+Vbiasであって、Vbias−Va<Vbias+Vaであるので、上記の各静電気力は、
|Fa|<|Fc|、Fb=0
の関係を満たす。
Here, the electrostatic force acting between the output vibrator (cantilever) 1201 and the excitation electrodes 1210 and 1213 is Fa, the electrostatic force acting between the excitation electrodes 1211 and 1214 is Fb, and the excitation electrodes 1212 and 1215. Let Fc be the electrostatic force acting between the two. In this case, the potential of the output vibrator (cantilever) 1201 is + Vbias and Vbias−Va <Vbias + Va.
| Fa | <| Fc |, Fb = 0
Satisfy the relationship.

次に、図14を参照して振動子1200の接続について説明する。
図14(a)は、振動子の接続図である。同図において、1400は、直流バイアス電圧源、1401は、交流電圧源、1402〜1407は、スイッチ、1408は、端子(1)、1409は、端子(2)である。その他の構成要素は、図12を用いて説明した振動子1200の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, the connection of the vibrator 1200 will be described with reference to FIG.
FIG. 14A is a connection diagram of the vibrator. In the figure, 1400 is a DC bias voltage source, 1401 is an AC voltage source, 1402 to 1407 are switches, 1408 is a terminal (1), and 1409 is a terminal (2). The other components are the same as those of the vibrator 1200 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源1400(電圧値Vb)は、正極が出力用振動子電極パッド1203に接続され、負極が接地される。交流電圧源1401は、両端が端子(1)1408と端子(2)1409に接続される。スイッチ1402〜1407は、接続を3状態間で切り替えられるものであり、スイッチ1402は、一端が励振用電極パッド1204に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1403は、一端が励振用電極パッド1205に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1404は、一端が励振用電極パッド1206に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。   The DC bias voltage source 1400 (voltage value Vb) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 1203 and a negative electrode grounded. The AC voltage source 1401 has both ends connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409. The switches 1402 to 1407 can switch the connection between three states. One end of the switch 1402 is connected to the excitation electrode pad 1204, and two of the other three terminals are the terminal (1) 1408. And the terminal (2) 1409, and one terminal is open. The switch 1403 has one end connected to the excitation electrode pad 1205, two of the other three terminals connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409, and one terminal opened. Yes. In addition, one end of the switch 1404 is connected to the excitation electrode pad 1206, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409, respectively, and one terminal is opened. Yes.

また、スイッチ1405は、一端が励振用電極パッド1207に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1406は、一端が励振用電極パッド1208に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1407は、一端が励振用電極パッド1209に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1408と端子(2)1409に接続され、1端子は開放されている。また、支持層1216は、接地されている。   The switch 1405 has one end connected to the excitation electrode pad 1207, two of the other three terminals connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409, and one terminal opened. Yes. The switch 1406 has one end connected to the excitation electrode pad 1208, two of the other three terminals connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409, respectively, and one terminal opened. Yes. In addition, one end of the switch 1407 is connected to the excitation electrode pad 1209, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 1408 and the terminal (2) 1409, respectively, and one terminal is opened. Yes. The support layer 1216 is grounded.

図14(b)は、交流電圧源の波形図である。同図において、1410は、交流電圧源1401の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形1410の最大値は電圧Vacであり、Vb>Vacとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子(カンチレバー)1201の共振周波数と等しくする。   FIG. 14B is a waveform diagram of the AC voltage source. In the figure, reference numeral 1410 denotes a waveform of the AC voltage source 1401. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage value. The maximum value of the waveform 1410 is the voltage Vac, and Vb> Vac. The frequency of the AC voltage is made equal to the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 1201.

なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド1204〜1209に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源1401として出力用発振回路103を接続する。それにより、出力用振動子(カンチレバー)1201と励振用電極1210〜1215との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。   In this figure, a simplified circuit configuration in which an AC voltage is applied to the excitation electrode pads 1204 to 1209 is used in order to explain the principle of the change of the natural vibration mode. The oscillation circuit 103 is connected. Thus, an oscillation signal can be obtained by interacting between the output vibrator (cantilever) 1201 and the excitation electrodes 1210 to 1215 via an electric field.

次に、図15を参照して振動子1200の動作を説明する。
図15は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子1200を上部から見た模式図である。
図15(a)は、無振動状態の模式図である。同図において、1500は、出力用振動子(カンチレバー)1201の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子(カンチレバー)1201の位置1500は、直線である。
Next, the operation of the vibrator 1200 will be described with reference to FIG.
FIG. 15 is a schematic diagram illustrating the natural vibration mode of the vibrator. This figure is a schematic view of the vibrator 1200 as viewed from above.
FIG. 15A is a schematic diagram in a no-vibration state. In the figure, reference numeral 1500 denotes the position of the output vibrator (cantilever) 1201. In the no-vibration state, the position 1500 of the output vibrator (cantilever) 1201 is a straight line.

図15(b)は、1次モードの振動状態の模式図である。1501は、出力用振動子(カンチレバー)1201が振動して最も励振用電極1214に近づいた位置、1502は、出力用振動子(カンチレバー)1201が振動して最も励振用電極1211に近づいた位置、1503は、出力用振動子(カンチレバー)1201の振動中心位置である。   FIG. 15B is a schematic diagram of the vibration state of the primary mode. Reference numeral 1501 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 1201 vibrates closest to the excitation electrode 1214, and 1502 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 1201 vibrates closest to the excitation electrode 1211. Reference numeral 1503 denotes a vibration center position of the output vibrator (cantilever) 1201.

同図に示した1次モードの振動を発生させる場合、図15(c)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図15(c)は、1次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、1次モードの振動時には、図14における励振用電極1213〜1215が端子(1)1408へ接続され、励振用電極1210〜1212が端子(2)1409へ接続される。つまり、スイッチ1405〜1407が端子(1)1408側へ接続され、スイッチ1402〜1404が端子(2)1409側へ接続される。これは、図14(a)に示したスイッチの接続状態である。
When the primary mode vibration shown in the figure is generated, it is necessary to set the connection state of the excitation electrodes shown in FIG.
FIG. 15C is a diagram showing a connection state of the excitation electrodes during the primary mode vibration.
As shown in the figure, during the primary mode vibration, the excitation electrodes 1213 to 1215 in FIG. 14 are connected to the terminal (1) 1408, and the excitation electrodes 1210 to 1212 are connected to the terminal (2) 1409. That is, the switches 1405 to 1407 are connected to the terminal (1) 1408 side, and the switches 1402 to 1404 are connected to the terminal (2) 1409 side. This is the connection state of the switch shown in FIG.

これにより、励振用電極1210〜1212には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極1213〜1215には、励振用電極1210〜1212とは逆位相の交流電圧が印加される。従って、この励振用電極1210〜1212によって出力用振動子(カンチレバー)1201に及ぼされる静電気力は、励振用電極1213〜1215によって出力用振動子(カンチレバー)1201に及ぼされる静電気力とは常に逆方向の力となるので、1次モードの振動が発生する。   Accordingly, an alternating voltage having the same phase is applied to the excitation electrodes 1210 to 1212, and an alternating voltage having a phase opposite to that of the excitation electrodes 1210 to 1212 is applied to the excitation electrodes 1213 to 1215. Accordingly, the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1201 by the excitation electrodes 1210 to 1212 is always opposite to the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1201 by the excitation electrodes 1213 to 1215. Therefore, the first mode vibration is generated.

次に、2次モードの振動状態について説明する。
図15(d)は、2次モードの振動状態の模式図である。1504は、出力用振動子(カンチレバー)1201が振動して腹が最も励振用電極1212,1213に近づいた位置、1505は、出力用振動子(カンチレバー)1201が振動して腹が最も励振用電極1210,1215に近づいた位置である。
同図に示した2次モードの振動を発生させる場合、図15(e)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
Next, the vibration mode in the secondary mode will be described.
FIG. 15D is a schematic diagram of the vibration mode in the secondary mode. 1504 is the position where the output vibrator (cantilever) 1201 vibrates and the antinode is closest to the excitation electrodes 1212 and 1213, and 1505 is the position where the output vibrator (cantilever) 1201 vibrates and the antinode is the most excitation electrode. It is a position approaching 1210 and 1215.
When the secondary mode vibration shown in the figure is generated, it is necessary to set the excitation electrode connection state shown in FIG.

図15(e)は、2次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、2次モードの振動時には、図14における励振用電極1212,1213が端子(1)1408へ接続され、励振用電極1210,1215が端子(2)1409へ接続され、励振用電極1211,1214が開放される。つまり、スイッチ1404,1405が端子(1)1408側へ接続され、スイッチ1402,1407が端子(2)1409側へ接続され、スイッチ1403,1406が開放される。
FIG. 15E is a diagram showing a connection state of the excitation electrodes during secondary mode vibration.
As shown in the figure, at the time of vibration in the secondary mode, the excitation electrodes 1212 and 1213 in FIG. 14 are connected to the terminal (1) 1408, and the excitation electrodes 1210 and 1215 are connected to the terminal (2) 1409. The electrodes 1211 and 1214 are opened. That is, the switches 1404 and 1405 are connected to the terminal (1) 1408 side, the switches 1402 and 1407 are connected to the terminal (2) 1409 side, and the switches 1403 and 1406 are opened.

これにより、励振用電極1212,1213には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極1210,1215には、励振用電極1212,1213とは逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極1211,1214には電圧が印加されない。
従って、励振用電極1210,1213によって出力用振動子(カンチレバー)1201に及ぼされる静電気力と、励振用電極1212,1215によって出力用振動子(カンチレバー)1201に及ぼされる静電気力とは常に逆方向となるので、2つの腹と1つの節を持つ2次モードの振動が発生する。
Thereby, an alternating voltage having the same phase is applied to the excitation electrodes 1212 and 1213, and an alternating voltage having an opposite phase to that of the excitation electrodes 1212 and 1213 is applied to the excitation electrodes 1210 and 1215. No voltage is applied to 1211, 1214.
Therefore, the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1201 by the excitation electrodes 1210 and 1213 and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1201 by the excitation electrodes 1212 and 1215 are always in opposite directions. Therefore, the vibration of the secondary mode having two antinodes and one node occurs.

この場合、出力用振動子(カンチレバー)1201の共振周波数は、1次モードの際の共振周波数の約2.8倍になるため、交流電圧源1401の周波数も約2.8倍に設定する必要がある。
つまり、上述の振動子1200を用いると、1次モードである基本周波数に加えて、2次モードである約2.8倍の基本周波数の発振周波数を得る事ができる。
In this case, since the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 1201 is about 2.8 times the resonance frequency in the primary mode, the frequency of the AC voltage source 1401 must also be set to about 2.8 times. There is.
That is, when the above-described vibrator 1200 is used, an oscillation frequency having a fundamental frequency of about 2.8 times that of the secondary mode can be obtained in addition to the fundamental frequency that is the primary mode.

次に、振動子の第3の構成例を説明する。
図16は、振動子の第3の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子1600は、出力用振動子(カンチレバー)1601、出力用振動子電極パッド1602、励振用電極パッド1603〜1605、励振用電極1606〜1608、支持層1609、絶縁層1610〜1613、固定部1614から構成される。
Next, a third configuration example of the vibrator will be described.
FIG. 16 is a perspective view showing a third configuration example of the vibrator.
As shown in the figure, the vibrator 1600 includes an output vibrator (cantilever) 1601, an output vibrator electrode pad 1602, excitation electrode pads 1603 to 1605, excitation electrodes 1606 to 1608, a support layer 1609, and an insulating layer. 1616 to 1613 and a fixed portion 1614.

出力用振動子(カンチレバー)1601は、支持層1609の上面に絶縁層1610を介して固定部1614が固定されている。
出力用振動子(カンチレバー)1601は固定部1614と同じ高さに設けられており、出力用振動子(カンチレバー)1601と支持層1609の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子(カンチレバー)1601は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド1602は、固定部1614の上に設けられており、出力用振動子(カンチレバー)1601に電気的に接続されている。
The output vibrator (cantilever) 1601 has a fixing portion 1614 fixed to the upper surface of the support layer 1609 with an insulating layer 1610 interposed therebetween.
The output vibrator (cantilever) 1601 is provided at the same height as the fixed portion 1614, and there is no insulating layer between the output vibrator (cantilever) 1601 and the support layer 1609, and there is a gap. Thereby, the output vibrator (cantilever) 1601 can vibrate mechanically. The output vibrator electrode pad 1602 is provided on the fixed portion 1614 and is electrically connected to the output vibrator (cantilever) 1601.

また、励振用電極1606〜1608は、支持層1609の上面に絶縁層1611〜1613を介して固定されている。励振用電極パッド1603〜1605は、それぞれ励振用電極1606〜1608の上に設けられており、それぞれ励振用電極1606〜1608に電気的に接続されている。   The excitation electrodes 1606 to 1608 are fixed to the upper surface of the support layer 1609 through insulating layers 1611 to 1613. The excitation electrode pads 1603 to 1605 are provided on the excitation electrodes 1606 to 1608, respectively, and are electrically connected to the excitation electrodes 1606 to 1608, respectively.

振動子1600は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層1609を有している。これらの層の内、活性層(シリコン)は出力用振動子(カンチレバー)1601と励振用電極1606〜1608を形成するために用いられる。この出力用振動子(カンチレバー)1601と励振用電極1606〜1608はエッチングによって、支持層1609に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極1606〜1608は、振動子出力用振動子(カンチレバー)1601の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子(カンチレバー)1601を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。   The vibrator 1600 is formed by MEMS technology using an SOI (Silicon-On-Insulator) substrate. The SOI substrate includes an active layer, an insulating layer, and a support layer 1609. Among these layers, the active layer (silicon) is used to form an output vibrator (cantilever) 1601 and excitation electrodes 1606 to 1608. The output vibrator (cantilever) 1601 and the excitation electrodes 1606 to 1608 are formed to be opposite to the support layer 1609 and adjacent to each other by etching. The excitation electrodes 1606 to 1608 are arranged so as to be positioned on the antinodes of vibration of the vibrator output vibrator (cantilever) 1601. In order to make this vibrator output vibrator (cantilever) 1601 function as a movable electrode, the resistance of the active layer is lowered in advance by impurity doping or the like.

また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子(カンチレバー)1601の固定部1614以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子(カンチレバー)1601と支持層1609との間にギャップ(空隙)を形成する。エッチングされずに残った固定部1614の下面の絶縁層1610が、支持層1609と出力用振動子(カンチレバー)1601とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部1614を介して固定する。このような構成により、出力用振動子(カンチレバー)1601は固定部1614を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層1609は半導体(シリコン)基板であり、出力用振動子(カンチレバー)1601を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
Further, by removing the insulating layer on the lower surface other than the fixed portion 1614 of the output vibrator (cantilever) 1601 by etching after the processing of the active layer, the gap between the output vibrator (cantilever) 1601 and the support layer 1609 is removed. A gap is formed. The insulating layer 1610 on the lower surface of the fixing portion 1614 that remains without being etched electrically insulates the support layer 1609 and the output vibrator (cantilever) 1601 and fixes them via the fixing portion 1614. With such a configuration, the output vibrator (cantilever) 1601 can vibrate with the fixed portion 1614 as a fulcrum.
The support layer 1609 is a semiconductor (silicon) substrate, which mechanically fixes the output vibrator (cantilever) 1601 and also functions as a fixed electrode.

さらに、アルミニウム(Al)の蒸着などにより出力用振動子電極パッド1602が出力用振動子(カンチレバー)1601の固定部1614の上面に形成される。また、励振用電極パッド1603〜1605が励振用電極1606〜1608の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。   Further, an output vibrator electrode pad 1602 is formed on the upper surface of the fixed portion 1614 of the output vibrator (cantilever) 1601 by vapor deposition of aluminum (Al). In addition, excitation electrode pads 1603 to 1605 are formed on the upper surfaces of the excitation electrodes 1606 to 1608, respectively, and the respective pads are electrically connected to an external circuit using wire bonding (not shown).

次に、図17を参照して、振動子1600の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、1700〜1702は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図16を用いて説明した振動子1600の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, with reference to FIG. 17, the state of voltage application to the electrodes of the vibrator 1600 and the electrostatic force acting on the vibrator will be described.
In the figure, reference numerals 1700 to 1702 denote DC bias voltage sources. The other components are the same as those of the vibrator 1600 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源1700(電圧値Vbias)は、正極が出力用振動子電極パッド1602に接続され、負極は支持層1609に接続される。また、直流バイアス電圧源1701(電圧値+Va)は、正極が励振用電極パッド1603に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源1702(電圧値−Va)は、負極が励振用電極パッド1605に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド1602と励振用電極パッド1604は接地される。なお、電圧値Vbias>電圧値Vaとする。   The DC bias voltage source 1700 (voltage value Vbias) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 1602 and a negative electrode connected to the support layer 1609. The DC bias voltage source 1701 (voltage value + Va) has a positive electrode connected to the excitation electrode pad 1603 and a negative electrode grounded. The DC bias voltage source 1702 (voltage value −Va) has a negative electrode connected to the excitation electrode pad 1605 and a positive electrode grounded. The output vibrator electrode pad 1602 and the excitation electrode pad 1604 are grounded. It is assumed that voltage value Vbias> voltage value Va.

次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子(カンチレバー)1601と所定の電圧が印加されている励振用電極1603〜1605との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子(カンチレバー)1601に働く静電気力Fの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
Next, the electrostatic force acting on the vibrator in the voltage application state shown in FIG.
An electrostatic force acts between the output vibrator (cantilever) 1601 and the excitation electrodes 1603 to 1605 to which a predetermined voltage is applied. That is, the magnitude of the electrostatic force F acting on the output vibrator (cantilever) 1601 is proportional to the potential difference between the vibrator and the electrode.

ここで、出力用振動子(カンチレバー)1601と励振用電極1606との間に働く静電気力をFa、励振用電極1607との間に働く静電気力をFb、励振用電極1608との間に働く静電気力をFcとする。この場合、出力用振動子(カンチレバー)1601の電位はGNDであるので、上記の各静電気力は、
|Fa|<|Fb|<|Fc|
の関係を満たす。
Here, the electrostatic force acting between the output vibrator (cantilever) 1601 and the excitation electrode 1606 is Fa, the electrostatic force acting between the excitation electrode 1607 is Fb, and the static electricity acting between the excitation electrode 1608 The force is Fc. In this case, since the potential of the output vibrator (cantilever) 1601 is GND, each electrostatic force described above is
| Fa | <| Fb | <| Fc |
Satisfy the relationship.

次に、図18を参照して振動子1600の接続について説明する。
図18(a)は、振動子の接続図である。同図において、1800は、直流バイアス電圧源、1801は、交流電圧源、1802〜1804は、スイッチ、1805は、端子(1)、1806は、端子(2)である。その他の構成要素は、図16を用いて説明した振動子1600の構成要素と共通するため、説明は省略する。
Next, connection of the vibrator 1600 will be described with reference to FIG.
FIG. 18A is a connection diagram of the vibrator. In the figure, 1800 is a DC bias voltage source, 1801 is an AC voltage source, 1802 to 1804 are switches, 1805 is a terminal (1), and 1806 is a terminal (2). The other components are the same as those of the vibrator 1600 described with reference to FIG.

直流バイアス電圧源1800(電圧値Vb)は、正極が出力用振動子電極パッド1602に接続され、負極が支持層1609に接続される。交流電圧源1801は、両端が端子(1)1805と端子(2)1806に接続される。スイッチ1802〜1804は、接続を3状態間で切り替えられるものであり、スイッチ1802は、一端が励振用電極パッド1603に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1805と端子(2)1806に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1803は、一端が励振用電極パッド1604に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1805と端子(2)1806に接続され、1端子は開放されている。また、スイッチ1804は、一端が励振用電極パッド1605に接続され、他端の3端子のうち2端子が、それぞれ端子(1)1805と端子(2)1806に接続され、1端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド1602は、接地されている。   The DC bias voltage source 1800 (voltage value Vb) has a positive electrode connected to the output vibrator electrode pad 1602 and a negative electrode connected to the support layer 1609. Both ends of the AC voltage source 1801 are connected to the terminal (1) 1805 and the terminal (2) 1806. The switches 1802 to 1804 can switch the connection between three states. One end of the switch 1802 is connected to the excitation electrode pad 1603, and two of the three terminals at the other end are the terminal (1) 1805, respectively. And the terminal (2) 1806, and one terminal is open. Further, one end of the switch 1803 is connected to the excitation electrode pad 1604, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 1805 and the terminal (2) 1806, respectively, and one terminal is opened. Yes. Further, one end of the switch 1804 is connected to the excitation electrode pad 1605, two of the other three terminals are connected to the terminal (1) 1805 and the terminal (2) 1806, respectively, and one terminal is opened. Yes. The output transducer electrode pad 1602 is grounded.

図18(b)は、交流電圧源の波形図である。同図において、1810は、交流電圧源1801の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形1810の最大値は電圧Vacであり、Vb>Vacとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源1801の周波数は出力用振動子(カンチレバー)1601の共振周波数の2分の1となる。   FIG. 18B is a waveform diagram of the AC voltage source. In the figure, reference numeral 1810 denotes the waveform of the AC voltage source 1801. In the figure, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates voltage value. The maximum value of the waveform 1810 is the voltage Vac, and Vb> Vac. Further, as described above, even if the polarity of the voltage applied to the excitation electrode is in the reverse direction, the electrostatic force acts in the same direction. Therefore, the frequency of the AC voltage source 1801 is the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 1601. Half of that.

なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド1603〜1605に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源1801として出力用発振回路103を接続する。それにより、出力用振動子(カンチレバー)1601と励振用電極1606〜1608との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。   In the figure, a simplified circuit configuration in which an AC voltage is applied to the excitation electrode pads 1603 to 1605 is used to explain the principle of the change of the natural vibration mode. The oscillation circuit 103 is connected. Thus, an oscillation signal can be obtained by interacting between the output vibrator (cantilever) 1601 and the excitation electrodes 1606 to 1608 via an electric field.

次に、図19を参照して振動子1600の動作を説明する。
図19は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子1600を上部から見た模式図である。
図19(a)は、無振動状態の模式図である。同図において、1900は、出力用振動子(カンチレバー)1601の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子(カンチレバー)1601の位置1900は、直線である。
Next, the operation of the vibrator 1600 will be described with reference to FIG.
FIG. 19 is a schematic diagram illustrating the natural vibration mode of the vibrator. This figure is a schematic view of the vibrator 1600 as viewed from above.
FIG. 19A is a schematic diagram in a no-vibration state. In the figure, 1900 represents the position of an output transducer (cantilever) 1601. In the no-vibration state, the position 1900 of the output vibrator (cantilever) 1601 is a straight line.

図19(b)は、1次モードの振動状態の模式図である。1901は、出力用振動子(カンチレバー)1601が振動して最も励振用電極1608に近づいた位置、1902は、出力用振動子(カンチレバー)1601が振動して最も励振用電極1608から遠ざかった位置、1903は、出力用振動子(カンチレバー)1601の振動中心位置である。
出力用振動子(カンチレバー)1601の振動中心位置1903は、出力用振動子(カンチレバー)1601に印加される直流バイアス電圧源1800(電圧Vb)の影響で、励振用電極1608側へ引力が働いて湾曲する。
同図に示した1次モードの振動の場合、図19(c)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
FIG. 19B is a schematic diagram of the vibration state of the primary mode. Reference numeral 1901 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 1601 vibrates closest to the excitation electrode 1608, and 1902 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 1601 vibrates most away from the excitation electrode 1608. Reference numeral 1903 denotes the vibration center position of the output vibrator (cantilever) 1601.
The vibration center position 1903 of the output vibrator (cantilever) 1601 is affected by the DC bias voltage source 1800 (voltage Vb) applied to the output vibrator (cantilever) 1601, and an attractive force acts on the excitation electrode 1608 side. Bend.
In the case of the vibration in the primary mode shown in the figure, it is necessary to set the excitation electrode connection state shown in FIG.

図19(c)は、1次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、1次モードの振動時には、図18における励振用電極1606〜1608のすべてが端子(1)1805へ接続される。つまり、スイッチ1802〜1804のすべてが端子(1)1805側へ接続される。これにより、励振用電極1606〜1608には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極1606〜1608によって出力用振動子(カンチレバー)1601に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、1次モードの振動が発生する。
FIG. 19C is a diagram illustrating a connection state of the excitation electrodes during the vibration in the primary mode.
As shown in the figure, all of the excitation electrodes 1606 to 1608 in FIG. 18 are connected to the terminal (1) 1805 at the time of vibration in the primary mode. That is, all of the switches 1802 to 1804 are connected to the terminal (1) 1805 side. As a result, AC voltages having the same phase are applied to the excitation electrodes 1606 to 1608, and the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1601 by the excitation electrodes 1606 to 1608 is always in the same direction. First-order mode vibration occurs.

次に、2次モードの振動状態について説明する。
図19(d)は、2次モードの振動状態の模式図である。1904は、出力用振動子(カンチレバー)1601が振動して自由端が最も励振用電極1608に近づいた位置、1905は、出力用振動子(カンチレバー)1601が振動して自由端が最も励振用電極1608から遠ざかった位置である。
同図に示した2次モードの振動の場合、図19(e)に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
Next, the vibration mode in the secondary mode will be described.
FIG. 19D is a schematic diagram of the vibration mode in the secondary mode. Reference numeral 1904 denotes a position where the output vibrator (cantilever) 1601 vibrates and the free end is closest to the excitation electrode 1608. Reference numeral 1905 denotes the output vibrator (cantilever) 1601 vibrates and the free end is the excitation electrode most. It is a position away from 1608.
In the case of the vibration in the secondary mode shown in the figure, it is necessary to make the connection state of the excitation electrode shown in FIG.

図19(e)は、2次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、2次モードの振動時には、図18における励振用電極1606,1607が端子(1)1805へ接続され、励振用電極1608が開放される。つまり、スイッチ1802,1803が端子(1)1805側へ接続され、スイッチ1804が開放される。これは、図18(a)に示したスイッチの接続状態である。
FIG. 19 (e) is a diagram showing a connection state of the excitation electrodes during secondary mode vibration.
As shown in the figure, at the time of vibration in the secondary mode, the excitation electrodes 1606 and 1607 in FIG. 18 are connected to the terminal (1) 1805 and the excitation electrode 1608 is opened. That is, the switches 1802 and 1803 are connected to the terminal (1) 1805 side, and the switch 1804 is opened. This is the connection state of the switch shown in FIG.

これにより、励振用電極1606,1607には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極1608には、電圧が印加されない。従って、励振用電極1606,1607によって出力用振動子(カンチレバー)1601に及ぼされる静電気力は、方向が同じで周期的に強さの変化する力となり、励振用電極1608によって出力用振動子(カンチレバー)1601に及ぼされる静電気力は常に一定の力となる。その結果、出力用振動子(カンチレバー)1601は、先端が自由振動すると共に励振用電極1607の近傍が腹となり振動する。つまり、この周期的な力により、2つの腹と1つの節を持った2次モードの振動が発生する。   As a result, an alternating voltage having the same phase is applied to the excitation electrodes 1606 and 1607, and no voltage is applied to the excitation electrode 1608. Accordingly, the electrostatic force exerted on the output vibrator (cantilever) 1601 by the excitation electrodes 1606 and 1607 becomes a force whose direction is the same and whose intensity changes periodically, and the output vibrator (cantilever) is driven by the excitation electrode 1608. ) The electrostatic force exerted on 1601 is always a constant force. As a result, the output vibrator (cantilever) 1601 vibrates in the vicinity of the excitation electrode 1607 as a belly while the tip vibrates freely. That is, this periodic force generates a secondary mode vibration having two antinodes and one node.

この場合、出力用振動子(カンチレバー)1601の共振周波数は、1次モードの際の共振周波数の約6.3倍になるため、交流電圧源1801の周波数も約6.3倍に設定する必要がある。
上述の様な構成の振動子1600に上述の直流バイアス電圧の印加を行う事で、1次モードの場合、出力用振動子(カンチレバー)1601の持つ共振周波数の2分の1の発振周波数を得る事ができ、2次モードの場合、その約6.3倍の発振周波数を得る事ができる。
In this case, since the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 1601 is about 6.3 times the resonance frequency in the primary mode, the frequency of the AC voltage source 1801 must also be set to about 6.3 times. There is.
By applying the above-described DC bias voltage to the vibrator 1600 having the above-described configuration, an oscillation frequency that is half the resonance frequency of the output vibrator (cantilever) 1601 is obtained in the primary mode. In the secondary mode, an oscillation frequency about 6.3 times that can be obtained.

上述してきた構成とする事で、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。   With the configuration described above, this oscillator can be formed by integrating all the components on the same substrate. Further, for example, other integrated circuits that perform various signal processing using the oscillation signal of the present oscillation circuit can be formed on the same substrate.

以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、励振用電極の数は上述した例に限らず、また、発振回路の構成は図11に示した構成に限定されない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was explained in full detail, the concrete structure is not restricted to this embodiment, The design change etc. of the range which does not deviate from the summary of this invention are included.
For example, the number of excitation electrodes is not limited to the above-described example, and the configuration of the oscillation circuit is not limited to the configuration illustrated in FIG.

本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。It is a block diagram of the oscillator concerning the embodiment of the present invention. 同上の振動子の第1の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 1st structural example of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の振動子を表す原理図である。It is a principle figure showing a vibrator same as the above. 同上の振動子の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。It is a figure explaining the application state of the voltage to each electrode of a vibrator | oscillator same as the above, and the electrostatic force which acts on a vibrator | oscillator. 同上の振動子の固有振動モードの説明図である。It is explanatory drawing of the natural vibration mode of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の振動子の接続図である。It is a connection diagram of a vibrator same as the above. 同上の振動子の固有振動モードを表す模式図であるIt is a schematic diagram showing the natural vibration mode of the vibrator same as the above 同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。It is a figure explaining the application state of the voltage to the electrode of a vibrator | oscillator same as the above, and the electrostatic force which acts on a vibrator | oscillator. 同上の振動子の接続図である。It is a connection diagram of a vibrator same as the above. 同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the natural vibration mode of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の発振回路の回路図である。It is a circuit diagram of an oscillation circuit same as the above. 同上の振動子の第2の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 2nd structural example of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。It is a figure explaining the application state of the voltage to the electrode of a vibrator | oscillator same as the above, and the electrostatic force which acts on a vibrator | oscillator. 同上の振動子の接続図である。It is a connection diagram of a vibrator same as the above. 同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the natural vibration mode of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の振動子の第3の構成例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 3rd structural example of a vibrator | oscillator same as the above. 同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。It is a figure explaining the application state of the voltage to the electrode of a vibrator | oscillator same as the above, and the electrostatic force which acts on a vibrator | oscillator. 同上の振動子の接続図である。It is a connection diagram of a vibrator same as the above. 同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。It is a schematic diagram showing the natural vibration mode of a vibrator | oscillator same as the above.

符号の説明Explanation of symbols

100;出力用振動子、101;直流バイアス電圧印加回路、102;基本周波数選択回路、103;出力用発振回路、201;出力用振動子(カンチレバー)、202,203;出力用振動子電極パッド、204〜206;励振用電極パッド、207〜209;励振用電極、210;支持層、211〜215;絶縁層、216,217;固定部、301;バネ、302;錘、303;基板、304;励振用電極、305;電極、306;交流電源、307;直流電源、400〜402;直流バイアス電圧源、500;出力用振動子、501;支点、600;直流バイアス電圧源、601;交流電圧源、602〜604;スイッチ、605;端子(1)、606;端子(2)、700;出力用振動子(カンチレバー)の位置、701;出力用振動子(カンチレバー)が振動して最も励振用電極208に近づいた位置、702;出力用振動子(カンチレバー)が振動して最も励振用電極208から遠ざかった位置、703;出力用振動子(カンチレバー)の振動中心位置、901;交流電圧源、910;交流電圧源の波形、1001;出力用振動子(カンチレバー)が振動して最も励振用電極208に近づいた位置、1002;出力用振動子(カンチレバー)が振動して最も励振用電極208から遠ざかった位置、1003;出力用振動子(カンチレバー)の振動中心位置、1004;出力用振動子(カンチレバー)が振動して腹が最も励振用電極207に近づいた位置、1005;出力用振動子(カンチレバー)が振動して腹が最も励振用電極209に近づいた位置、1100;振動子、1101;スイッチ、1102,1103;直流成分カット用容量、1104,1105;負荷容量、1108;負荷抵抗、1110,1111;インバータ(アンプ)、1120;発振信号出力端子。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100; Output vibrator, 101; DC bias voltage application circuit, 102; Fundamental frequency selection circuit, 103; Output oscillation circuit, 201; Output vibrator (cantilever), 202, 203; Output vibrator electrode pad, 204-206; Excitation electrode pad, 207-209; Excitation electrode, 210; Support layer, 211-215; Insulating layer, 216, 217; Fixing part, 301; Spring, 302; Weight, 303; Substrate, 304; Excitation electrode, 305; Electrode, 306; AC power supply, 307; DC power supply, 400 to 402; DC bias voltage source, 500; Output vibrator, 501; Support point, 600; DC bias voltage source, 601; 602 to 604; switch 605; terminal (1), 606; terminal (2), 700; position of output vibrator (cantilever), 701; output Position at which the moving element (cantilever) vibrates closest to the excitation electrode 208, 702; Position at which the output vibrator (cantilever) vibrates most away from the excitation electrode 208, 703; Output vibrator (cantilever) ); 901; AC voltage source, 910; AC voltage source waveform, 1001; Position where the output vibrator (cantilever) vibrates closest to the excitation electrode 208, 1002; Output vibrator ( The position where the cantilever oscillates most away from the excitation electrode 208, 1003; the vibration center position of the output vibrator (cantilever), 1004; 1005; position where the output vibrator (cantilever) vibrates and the antinode is closest to the excitation electrode 209, 1100; Child, 1101; switches, 1102 and 1103; the DC component cutting capacitor, 1104 and 1105; load capacity, 1108; load resistors, 1110, 1111; inverter (amplifier), 1120; oscillation signal output terminal.

Claims (6)

機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、
前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記出力用振動子の長手方向に沿うように複数配置されている励振用電極であって、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する複数の励振用電極と、
前記複数の励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路と
前記発振回路から各々の前記励振用電極への電気的な接続経路を選択することにより、前記出力用振動子の固有振動モードを変更する基本周波数選択回路と
を備える発振器。
An output vibrator provided so as to vibrate mechanically;
A DC voltage application unit for applying a DC voltage to the output vibrator;
A plurality of excitation electrodes arranged along the longitudinal direction of the output vibrator, which are arranged in the vicinity of the vibration abdomen of the output vibrator, and an electric field is generated between the output vibrator and the output vibrator. A plurality of excitation electrodes interacting with each other,
An oscillation circuit that is electrically connected to the plurality of excitation electrodes and oscillates at a resonance frequency of the output vibrator and outputs an oscillation signal ;
An oscillator comprising: a fundamental frequency selection circuit that changes a natural vibration mode of the output vibrator by selecting an electrical connection path from the oscillation circuit to each of the excitation electrodes .
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、
前記複数の励振用電極は、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項1記載の発振器。
The output vibrator is disposed to face a support layer that is a semiconductor substrate, at least a part of which is fixed to an insulating layer on the support layer,
2. The oscillator according to claim 1 , wherein the plurality of excitation electrodes are arranged to face the support layer, and the entirety thereof is fixed to the insulating layer on the support layer.
前記複数の励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする請求項に記載の発振器。 3. The oscillator according to claim 2 , wherein the plurality of excitation electrodes are arranged on one side of the output vibrator along a long side direction of the output vibrator. 前記複数の励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする請求項に記載の発振器。 The oscillator according to claim 2 , wherein the plurality of excitation electrodes are arranged on both sides of the output vibrator along a long side direction of the output vibrator. 前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする請求項から請求項の何れか1項に記載の発振器。 Wherein the output transducer positive voltage of the DC is applied, the oscillator according to any one of the preceding claims 2, wherein the supporting layer is characterized in that the grounded. 前記出力用振動子は接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする請求項又は請求項に記載の発振器。 The oscillator according to claim 2 or 3 , wherein the output vibrator is grounded, and a negative DC voltage is applied to the support layer.
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