JP5213284B2 - 共振器およびこれを用いた発振器 - Google Patents
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Description
本発明は共振器およびこれを用いた発振器に関する。特にＭＥＭＳ(Micro-Electro Mechanical Systems)素子に係り、微小機械要素が振動する共振器、フィルタ、発振器、ジャイロスコープ、圧力センサ、光スキャナ、質量検出素子等において、微小機械要素の振動周波数調整方法に関する。
従来の発振周波数調整機能を有するＭＥＭＳ発振器について、図１０を参照して説明する。図１０は「特許文献１」に記載されているＭＥＭＳ技術を用いた発振器のブロック図である。ＭＥＭＳ共振器１１２は駆動回路１１４と接続され、ＭＥＭＳの共振周波数で規定される周波数を有する出力信号を出力し、出力信号は補償回路１１８に入力される。補償回路１１８はＭＥＭＳ発振器１１０の出力信号の周波数を参照周波数として、ＰＬＬ回路、ＤＬＬ（ディレイロックループ）回路、またはデジタル周波数シンセサイザにより、参照周波数の整数倍または整数分の１または少数倍の周波数ｆに同期制御された信号を出力する。この倍数は温度検出回路１２４により決定され、温度によるＭＥＭＳ発振器１１０の出力信号の周波数シフトに起因する補償回路１１８の出力信号の周波数シフトを、適応的に倍数を変化されることで抑制することができる。なお、温度に依存する倍数の設定値はメモリ１２０に記憶されている。
上記「特許文献１」はＭＥＭＳ発振器の外部回路で周波数調整を行う方法の一例を示している。一方、「特許文献２」ではＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調整する方法が開示されている。図１１は「特許文献２」に開示されているＭＥＭＳ共振器の斜視図である。基板上に両端を支持された両持ち梁振動子２１８が２個並列に配置され、間を結合ばね２１９で連結されている。この振動子２１８は基板垂直方向にたわむ、たわみ振動モードを有する。２つの振動子が連結されることで、同相のたわみ振動モードおよび逆相の振動モードの２つの近接した共振周波数を有する。この振動子２１８への励振と振動の検出は、振動子と空隙をおいて基板上に配置された電極２２０および２２４で行われる。また、この電極２２０および２２４に並んで、チューニング電圧Ｖ１ΔｆおよびＶ２Δｆを供給する電極２２２および電極２２６が配置されている。静電結合型ＭＥＭＳ共振器の共振周波数は、振動子と電極との間のＤＣ電位差によりチューニングが可能である。これは、静電型トランスデューサで一般に「ｓｐｒｉｎｇ ｓｏｆｔｅｎｉｎｇ」と呼ばれている現象を利用した周波数調整方法である。
また、「特許文献３」においても「特許文献２」と同様、チューニング電極を設けて周波数調整を行っている。特許文献３の特徴はチューニング電極を複数個設けている点である。これはチューニング電圧による静電力の拘束を振動子に対して非対称に与えないためにチューニング電極を複数個設けている。また、これら複数のチューニング電極には同一のチューニング電圧が印加されている。
また、「特許文献３」においても「特許文献２」と同様、チューニング電極を設けて周波数調整を行っている。特許文献３の特徴はチューニング電極を複数個設けている点である。これはチューニング電圧による静電力の拘束を振動子に対して非対称に与えないためにチューニング電極を複数個設けている。また、これら複数のチューニング電極には同一のチューニング電圧が印加されている。
通常、シリコンを振動子の素材としたＭＥＭＳ発振器の周波数調整とは、主に製造誤差から生じる共振器の共振周波数の初期ばらつき補正と、温度変化による共振周波数シフトの補正の両方を示す。前者は概ね±1,000ppm〜±10,000ppmのオーダの周波数ばらつき、後者は±1,000ppm以内と考えてよい。
「特許文献１」記載のＰＬＬ等の外部回路で初期ばらつき補正と温度補正の双方の広範囲な周波数補正を行おうとすると、きめ細かく大量に分周比のセットを準備しなくてはならず、整数倍ＰＬＬでは対応できず少数倍ＰＬＬが必須となる。少数倍ＰＬＬは相異なる整数倍を一定時間内である一定の割合にふりわけた構成であるので、ＰＬＬ出力の信号の周波数偏差は見かけ上相殺されるが、ジッタや位相雑音は劣化する。
「特許文献１」記載のＰＬＬ等の外部回路で初期ばらつき補正と温度補正の双方の広範囲な周波数補正を行おうとすると、きめ細かく大量に分周比のセットを準備しなくてはならず、整数倍ＰＬＬでは対応できず少数倍ＰＬＬが必須となる。少数倍ＰＬＬは相異なる整数倍を一定時間内である一定の割合にふりわけた構成であるので、ＰＬＬ出力の信号の周波数偏差は見かけ上相殺されるが、ジッタや位相雑音は劣化する。
従って、ジッタや位相雑音への要求仕様が厳しい用途へは、ＰＬＬによる温度補正は可能な限り整数倍で粗く行い、微調整は「特許文献２」、「特許文献３」に示されるチューニング電圧により行うことが望ましい。究極には、初期ばらつき補正および温度補正の双方をチューニング電圧で行うことが望ましい。
ところが、「特許文献２」、「特許文献３」記載のＭＥＭＳ共振器の共振周波数を調整する方法では一般に周波数調整範囲が小さい。これは、振動振幅の小さい振動子の固定端付近にチューニング用の電極を設置しているためである。そのため「特許文献３」では、チューニング電極に対向する振動子の部位を幅広にすることを特徴としているが、これは振動子の共振周波数の設計パラメータを増やすことであり、設計を困難なものとしている。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ＰＬＬを除いたＭＥＭＳ発振器自体の周波数調整に関して、周波数精度を確保しながら大きな周波数調整範囲を確保することを目的とする。また、ＰＬＬを援用して大きな周波数調整をする場合でも、ＰＬＬによるジッタや位相雑音が抑制された高性能の発振器を提供することを目的とする。
本発明の共振器は、ねじり振動する振動子と、前記振動子の振幅が互いに異なる部分に対し、それぞれ空隙を介して対向する複数の電極と、前記複数の電極のそれぞれと前記振動子との間の各直流電位差を互いに独立して設定するための直流電圧源と、を有し、前記振動子は、固定部と、少なくとも一端を前記固定部で支持され、ねじり振動するねじり梁と、前記ねじり梁に連結され、前記ねじり梁よりも大きな振幅で振動するパドルとを有し、前記複数の電極は、前記ねじり梁に対向する電極と、前記パドルに対向する電極と、を含む。
この構成によれば、共振器の共振周波数を広範囲かつ高精度に調整することができる。
この構成によれば、共振器の共振周波数を広範囲かつ高精度に調整することができる。
また、前記振動子は、固定部と、少なくとも一端を前記固定部で支持され、ねじり振動するねじり梁と、前記ねじり梁に連結され、前記ねじり梁よりも大きな振幅で振動するパドルとを有し、前記複数の電極は、前記ねじり梁に対向する電極と、前記パドルに対向する電極と、を含むことが好ましい。
この構成によれば、パドルに対向する電極に印加する直流電圧で周波数の粗調整を行い、ねじり梁に対向する電極に印加する直流電圧で微調整を行うことができ、全体として広範囲、かつ高精度の周波数調整を行うことができる。
この構成によれば、パドルに対向する電極に印加する直流電圧で周波数の粗調整を行い、ねじり梁に対向する電極に印加する直流電圧で微調整を行うことができ、全体として広範囲、かつ高精度の周波数調整を行うことができる。
また、前記振動子は、固定部と、少なくとも一端を前記固定部で支持され、たわみ振動するたわみ振動部とを有し、前記複数の電極は、前記たわみ振動部のたわみ振動の振幅が互いに異なる部分に対し、それぞれ空隙を介して対向する構成でも良い。
また、前記複数の電極と前記直流電圧源との間、または、前記振動子と前記直流電圧源との間に、インピーダンス素子を有し、前記振動子の共振周波数において、前記インピーダンス素子の電気的インピーダンスは、前記複数の電極と前記振動子との間のそれぞれの電気的インピーダンスよりも大きいことが好ましい。
この構成によれば、コイルや抵抗など、電極と振動子間の電気的インピーダンスよりも大きなインピーダンス素子が挿入されていることで、発振交流信号が直流電圧源に漏洩して発振器の損失が増大することを抑制することができる。
この構成によれば、コイルや抵抗など、電極と振動子間の電気的インピーダンスよりも大きなインピーダンス素子が挿入されていることで、発振交流信号が直流電圧源に漏洩して発振器の損失が増大することを抑制することができる。
また、本発明の発振器は、上記した共振器と、前記共振器の出力信号を増幅し、増幅された信号を入力信号として前記共振器に入力する増幅器とを有する。
この構成によれば、広範囲かつ高精度に周波数が調整された高周波を発振することができる。なお、周波数調整に用いるために直流電源に接続された電極として、共振器の入力電極または出力電極を用いても良い。
この構成によれば、広範囲かつ高精度に周波数が調整された高周波を発振することができる。なお、周波数調整に用いるために直流電源に接続された電極として、共振器の入力電極または出力電極を用いても良い。
また、前記共振器の周辺温度を測定する温度計測部と、前記周辺温度のそれぞれの値に対する前記直流電圧源の設定値を記録したメモリと、前記温度計測部が測定した前記周辺温度に基づいて、前記メモリより前記直流電圧源の設定値を読み出し、前記直流電圧源の設定を行う制御部とを有することが好ましい。
この構成によれば、振動子の共振周波数の初期ばらつきを補正するのみではなく、発振器として使用する環境の温度変化に応じて直流電圧源を制御することで、発振周波数を一定に保つことができる。
この構成によれば、振動子の共振周波数の初期ばらつきを補正するのみではなく、発振器として使用する環境の温度変化に応じて直流電圧源を制御することで、発振周波数を一定に保つことができる。
また、周波数ｆ０を参照周波数としたとき、ＰＬＬ回路またはＤＬＬ回路またはデジタル周波数シンセサイザにより、ｆ０の整数倍または整数分の１または少数倍の周波数ｆに同期制御された信号を出力する同期部をさらに有することが好ましい。
この構成によれば、より広範囲の周波数調整範囲を得ることができる。
この構成によれば、より広範囲の周波数調整範囲を得ることができる。
本発明者は種々の実験を重ねた結果、振動子に近接する複数の電極と振動子との間の直流電位差を個別に調整することで広範囲かつ高精度に周波数調整可能であることに着目した。すなわち、振動の腹に近い部分で粗調整を行うとともに、振動の節に近い部分で微調整を行うことで広範囲かつ高精度の周波数調整が可能となる点を発見しこれに着目してなされたものである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施の形態１の共振器を構成する振動子を示す図である。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における振動子１０１を示す上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ１’断面およびＡ２−Ａ２’断面を示す図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。振動子１０１の材料は単結晶シリコンである。
図１（ａ）に示すように、ねじり振動の主軸となるねじり梁１の両端にアンカー２ａ、２ｂが形成され、このアンカー２ａ、２ｂは基板（図示せず）に固定され、振動子を構成している。ねじり梁１の中心部には付加質量となるパドル３が連接されている。振動子１０１がねじり梁１を主軸にねじり振動を行う際、パドル３は剛体、すなわちおもりとして機能する。このパドル３は、微小な励振力で大きな回転力を発生させる役割と、ねじり共振周波数を調整する役割とを担っている。
（実施の形態１）
図１（ａ）乃至（ｃ）は、本発明の実施の形態１の共振器を構成する振動子を示す図である。図１（ａ）は、本発明の実施の形態１における振動子１０１を示す上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ１’断面およびＡ２−Ａ２’断面を示す図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面図である。振動子１０１の材料は単結晶シリコンである。
図１（ａ）に示すように、ねじり振動の主軸となるねじり梁１の両端にアンカー２ａ、２ｂが形成され、このアンカー２ａ、２ｂは基板（図示せず）に固定され、振動子を構成している。ねじり梁１の中心部には付加質量となるパドル３が連接されている。振動子１０１がねじり梁１を主軸にねじり振動を行う際、パドル３は剛体、すなわちおもりとして機能する。このパドル３は、微小な励振力で大きな回転力を発生させる役割と、ねじり共振周波数を調整する役割とを担っている。
図１（ａ）のＡ１−Ａ１’断面およびＡ２−Ａ２’断面を図１（ｂ）に示した。振動子を構成する、ねじり梁１およびパドル３のいずれも基板に接触しておらず中空構造となって振動可能な状態となっている。各断面における側面は傾斜面となっている。これは１００単結晶シリコンウェハをＴＭＡＨ(Tetramethyl ammonium hydroxide)溶液により異方性エッチング加工した結果、斜面には（１１１）面が露出した結果である。Ａ１−Ａ１’断面は三角形もしくは三角形に近い台形であり、Ａ２−Ａ２’断面は台形となっている。
図１（ａ）のＢ−Ｂ’断面を図１（ｃ）に示した。アンカー２ａ、２ｂはスペーサ１０４を介して基板１００に繋留されている。例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を出発材料として用いてＭＥＭＳ素子形成プロセスで形成すれば、スペーサ１０４はＢＯＸ（Buried Oxide）層１０２、振動子はＳＯＩ層で形成することができる。なお、図１（ａ）のパドルに多数のエッチホールが設けられているのは、図１（ｂ）のようにパドル３を中空構造にするためにＢＯＸ層１０２をエッチング除去する際に、エッチホール１０３を介してエッチングガス（または液）がパドル３となる領域の下部にまわりこみやすくするためである。
図２（ａ）乃至（ｄ）は図１の振動子１０１を用いた発振器の構成を示す図である。図２（ａ）に示すように、この発振器では、振動子１０１のねじり梁１に近接して微調整用電極４を配置し、パドル３が最も大きく変位可能な両端の最外郭に近接して、入力電極６および出力電極７を配置した。また、パドル３の外郭のうち、ねじり梁１から最外郭へ向かう領域に近接して、補助的な微調整用電極である補助微調整用電極５を配置した。
図２（ａ）において、微調整用電極４周辺のＡ１−Ａ１’における断面を図２（ｂ）に示した。ねじり梁１の断面は三角形に近い台形であり、一様の空隙を介して微調整用電極４が配置され、コンデンサを形成している。微調整用電極４の厚みはねじり梁１の厚みの約１／２に設定してある。これはねじり変位量に対する容量変化の割合が最大となるようにしたためである。この設計による効果は前記特許文献４に記述されている。
図２（ａ）において、微調整用電極４周辺のＡ１−Ａ１’における断面を図２（ｂ）に示した。ねじり梁１の断面は三角形に近い台形であり、一様の空隙を介して微調整用電極４が配置され、コンデンサを形成している。微調整用電極４の厚みはねじり梁１の厚みの約１／２に設定してある。これはねじり変位量に対する容量変化の割合が最大となるようにしたためである。この設計による効果は前記特許文献４に記述されている。
パドル３、入力電極６および出力電極７周辺のＢ１−Ｂ１’における断面を図２（ｃ）に示した。入力電極６とパドル３、および出力電極７とパドル３のそれぞれが、空隙を介してコンデンサを形成している。入力電極６および出力電極７の厚みを、パドル３の厚みと同一としたのも、特許文献４に基づき、ねじり変位量に対する容量変化の割合が最大となるようにしたためである。
パドル３、補助微調整用電極５周辺のＣ−Ｃ’における断面を図２（ｄ）に示す。補助微調整用電極５の厚みは、微調整用電極４と入出力電極６，７との中間的な値に設定した。
パドル３、補助微調整用電極５周辺のＣ−Ｃ’における断面を図２（ｄ）に示す。補助微調整用電極５の厚みは、微調整用電極４と入出力電極６，７との中間的な値に設定した。
入力電極６への交流信号を印加すると、振動子１０１のねじり共振モード周波数において出力電極７から交流信号が流れ出る。この出力交流信号を、増幅器８を介して入力電極６に戻し、増幅器８のゲインと位相調整器９の位相を調整すると、ねじり共振モード周波数における発振が起こり、発振器として機能する。発振信号はバッファ１０を介して出力される。
微調整用電極４および補助微調整用電極５には直流電圧Ｖfineが制御入力され、振動子１０１には粗調整用直流電圧である粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseが制御入力される構成となっている。従って、振動子１０１と、微調整用電極４および補助微調整用電極５との間の直流電位差ΔＶfineは｜Ｖcoarse−Ｖfine｜となっている。一方、増幅器８にインバータアンプを使用する場合、自己バイアス回路により増幅器８の直流動作電位は、インバータへの供給電圧Ｖddの約半分となるため、振動子と入力電極（または出力電極）間の直流電位差ΔＶcoarseは｜Ｖcoarse−０．５Ｖdd｜となっている。
このΔＶfineおよびΔＶcoarseを用いて高精度の周波数調整が可能であることを、具体的な共振器の寸法を用いて次に示す。
図１（ａ）の振動子において、ねじり梁１およびパドル３の寸法を、Ｌ１＝３０μｍ、Ｌ２＝２０μｍ、Ｌ３＝２０μｍとすると、振動子は約４ＭＨｚのねじり振動モードを持つ。微調整用電極４および補助微調整用電極５には、図２（ａ）に示したように、同じ制御直流電圧Ｖfine が印加される。なお、直流電圧源Ｖfineと、微調整用電極４および補助微調整用電極５との間には、発振周波数の交流信号が電圧源Ｖfine に漏洩しないように、ＡＣブロック用インピーダンス素子Ｚが挿入されている。このインピーダンス素子Ｚのインピーダンスは、振動子１０１の共振周波数における、振動子１０１に対向する各電極と、振動子１０１との間のそれぞれの電気的インピーダンスよりも大きなインピーダンス素子とすることで、発振周波数の交流信号が微調整用の可変電圧源２５に漏洩することを阻止する効果が高まる。
図１（ａ）の振動子において、ねじり梁１およびパドル３の寸法を、Ｌ１＝３０μｍ、Ｌ２＝２０μｍ、Ｌ３＝２０μｍとすると、振動子は約４ＭＨｚのねじり振動モードを持つ。微調整用電極４および補助微調整用電極５には、図２（ａ）に示したように、同じ制御直流電圧Ｖfine が印加される。なお、直流電圧源Ｖfineと、微調整用電極４および補助微調整用電極５との間には、発振周波数の交流信号が電圧源Ｖfine に漏洩しないように、ＡＣブロック用インピーダンス素子Ｚが挿入されている。このインピーダンス素子Ｚのインピーダンスは、振動子１０１の共振周波数における、振動子１０１に対向する各電極と、振動子１０１との間のそれぞれの電気的インピーダンスよりも大きなインピーダンス素子とすることで、発振周波数の交流信号が微調整用の可変電圧源２５に漏洩することを阻止する効果が高まる。
図３に、ΔＶcoarseを１．２Vから１．８Vの各値としたときの、ΔＶfine（横軸）と周波数調整量（縦軸）との関係を示した。まずΔＶcoarseが１．２Vから１．８Vまでの間の一定値となるよう粗調整用の可変電圧源２４である直流電圧源の電位Ｖcoarseの値を選択し、次にΔＶcoarse一定のもと微調整用の可変電圧源２５の電位Ｖfineを調整する。ΔＶcoarseおよびΔＶfineともに０．１V単位の供給精度を持つものとすると、図３グラフ上の○プロット上の周波数を選択することができる。そのうち、塗りつぶした○プロットのみを選択すると周波数―４０ｐｐｍから＋４０ｐｐｍまで５ｐｐｍ単位で調整することができる。
図４は、本実施の形態の、ΔＶcoarseおよびΔＶfineによる周波数補正とＰＬＬによる周波数補正を組み合わせた温度調整機能付き発振器のブロック図である。この発振器は、温度計測部２０と、制御部２１と、メモリ２２と、ＰＬＬ２３と、粗調整用の可変電圧源２４と、微調整用の可変電圧源２５と、発振器２６とで構成されている。そして、温度計測部２０が共振器または共振器周辺の温度を計測する。その温度測定値を制御部２１が読み取り、メモリ２２内の格納情報を選択し読み出す。メモリ２２には、温度測定値に対して、ＰＬＬ２３の分周比Ｍ、Ｖcoarseの設定値およびＶfineの設定値が割り当てられている。
温度測定値はT(1,1)・・T(1,n)、T(2,1)・・T(2,n)、T(N,1)・・T（N,n）のN×nの階数を有する。それに対してＰＬＬ２３の分周比MはM(1)からM(N)のN通りである。連続したn段の温度範囲に対して分周比１つが割り当てられている。また1つの分周比に対してn通りのＶcoarseとＶfineの組み合わせが記憶されている。この組み合わせとは図３のグラフの塗りつぶした○プロットのΔＶcoarseとΔＶfineを実現する粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseと微調整用の可変電圧源２５の電位Ｖfineの組み合わせである。
このように、ＰＬＬと複数電極への直流電圧源とを組み合わせて制御することにより、N×nの階数のＰＬＬ分周制御を必要とせずに、N通りの分周比を揃えることで高精度の周波数補正が可能となる。直流電圧源から流れるDC電流は、電圧切替時以外は発生しないため、消費電流を抑制することが可能となる。粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseと微調整用の可変電圧源２５の電位Ｖfineとのn通りの組み合わせは、１つの繰り返しブロック単位となるので、ＰＬＬ分周比M(1)〜M(N)すべてに対応して記憶させる必要はなく、１ブロックのみの記憶で十分であり、メモリを節約することができる。
なお、本実施の形態では、微調整用の電極として微調整用電極４および補助微調整用電極５の２つを用いたが、いずれか一方のみであっても同様の効果を得ることができる。すなわち、微調整用の電極として単一の電極を設定し、その構成において図３の特性を測定しておくことによって、本実施形態と同じように周波数を調整することができる。また、微調整用の電極として３つ以上の電極を設けることも可能である。
なお、本実施の形態では、微調整用の電極として微調整用電極４および補助微調整用電極５の２つを用いたが、いずれか一方のみであっても同様の効果を得ることができる。すなわち、微調整用の電極として単一の電極を設定し、その構成において図３の特性を測定しておくことによって、本実施形態と同じように周波数を調整することができる。また、微調整用の電極として３つ以上の電極を設けることも可能である。
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２の発振器について説明する。
本実施の形態の発振器を図５に示す。図２に示した構成との比較から明らかなように、本実施の形態では、出力電極を省き、出力電極の機能を振動子に持たせている。増幅器８へは、振動子のアンカー２ａから配線を引き出し、接続している。本実施形態では、振動子の直流電位は増幅器８の直流動作点の直流電位で固定されるため、振動子と入力電極６との間の直流電位差ΔＶcoarseを、粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseで調整する。また、振動子と微調整用電極４および補助微調整用電極５との電位差ΔＶfineを、微調整用の可変電圧源２５の電位Ｖfineで調整する。このように構成した発振器においても、図３に示すようなΔＶcoarseおよびΔＶfineと周波数シフト量との関係により、周波数の微調整を行うことができる。具体的な周波数調整方法については、前記実施の形態１と同様である。
次に本発明の実施の形態２の発振器について説明する。
本実施の形態の発振器を図５に示す。図２に示した構成との比較から明らかなように、本実施の形態では、出力電極を省き、出力電極の機能を振動子に持たせている。増幅器８へは、振動子のアンカー２ａから配線を引き出し、接続している。本実施形態では、振動子の直流電位は増幅器８の直流動作点の直流電位で固定されるため、振動子と入力電極６との間の直流電位差ΔＶcoarseを、粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseで調整する。また、振動子と微調整用電極４および補助微調整用電極５との電位差ΔＶfineを、微調整用の可変電圧源２５の電位Ｖfineで調整する。このように構成した発振器においても、図３に示すようなΔＶcoarseおよびΔＶfineと周波数シフト量との関係により、周波数の微調整を行うことができる。具体的な周波数調整方法については、前記実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３の発振器について説明する。
本実施の形態の発振器を図６に示す。本実施の形態ではＰＬＬの分周比を制御する必要がない固定倍ＰＬＬ構成、もしくはＰＬＬ自体を必要としない場合の発振器の構成について説明する。
図１（ａ）に示した実施の形態１の振動子の寸法において、Ｌ１＝１００μｍ、Ｌ２＝１００μｍ、Ｌ３＝２００μｍとすると、振動子は約３２ｋＨｚのねじり振動モードを持つ。この振動子を用いて、図６に示す発振器構造を形成する。電極の配置は図２に示した実施の形態１の発振器と同様であるが、図６に示すように、本実施の形態では、微調整用電極４および補助微調整用電極５に、それぞれ独立に微調整用の可変電圧源２５ａ(電位Ｖfine1)および２５ｂ（電位Ｖfine2）が接続されている。また、入力電極６の電位は０．５Ｖｄｄと固定されている。
次に本発明の実施の形態３の発振器について説明する。
本実施の形態の発振器を図６に示す。本実施の形態ではＰＬＬの分周比を制御する必要がない固定倍ＰＬＬ構成、もしくはＰＬＬ自体を必要としない場合の発振器の構成について説明する。
図１（ａ）に示した実施の形態１の振動子の寸法において、Ｌ１＝１００μｍ、Ｌ２＝１００μｍ、Ｌ３＝２００μｍとすると、振動子は約３２ｋＨｚのねじり振動モードを持つ。この振動子を用いて、図６に示す発振器構造を形成する。電極の配置は図２に示した実施の形態１の発振器と同様であるが、図６に示すように、本実施の形態では、微調整用電極４および補助微調整用電極５に、それぞれ独立に微調整用の可変電圧源２５ａ(電位Ｖfine1)および２５ｂ（電位Ｖfine2）が接続されている。また、入力電極６の電位は０．５Ｖｄｄと固定されている。
次にこの発振器の周波数調整操作について説明する。
本実施形態の発振器では、まず周波数の粗調整を行う。振動子に与える粗調整用の可変電圧源２４の直流電位Ｖcoarseを制御することにより、振動子と入力電極６間の直流電位差を制御する。振動子の最も大きく変位する部分、すなわち、パドル３の最も大きく変位する最外郭に近接して入力電極６を設け、入力電極６と振動子との間の電位差を制御することで、広い周波数範囲にわたって共振周波数を粗く調整させることができる。
ここで、図７を用いて、本実施形態における周波数調整方法を説明する。図７のグラフにおいて、横軸は直流電位差を、縦軸は共振周波数を示している。なお、横軸の直流電位差は、曲線ａ、ｂ、ｃのそれぞれに対して異なる値を示している。すなわち、曲線ａに対しては、粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseと入力電極６の電位０．５Ｖddとの電位差を示している。曲線ｂに対しては、第１の微調整用の可変電圧源２５ｂの電位Ｖfine２と粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseとの電位差を示している。曲線ｃに対しては、第２の微調整用の可変電圧源２５ａの電位Ｖfine１と粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseとの電位差を示している。直流電圧源の精度をΔＶとすると、まずはこの粗調整により共振周波数のばらつきを、矢印Ａで示す範囲内まで抑えることができる。
本実施形態の発振器では、まず周波数の粗調整を行う。振動子に与える粗調整用の可変電圧源２４の直流電位Ｖcoarseを制御することにより、振動子と入力電極６間の直流電位差を制御する。振動子の最も大きく変位する部分、すなわち、パドル３の最も大きく変位する最外郭に近接して入力電極６を設け、入力電極６と振動子との間の電位差を制御することで、広い周波数範囲にわたって共振周波数を粗く調整させることができる。
ここで、図７を用いて、本実施形態における周波数調整方法を説明する。図７のグラフにおいて、横軸は直流電位差を、縦軸は共振周波数を示している。なお、横軸の直流電位差は、曲線ａ、ｂ、ｃのそれぞれに対して異なる値を示している。すなわち、曲線ａに対しては、粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseと入力電極６の電位０．５Ｖddとの電位差を示している。曲線ｂに対しては、第１の微調整用の可変電圧源２５ｂの電位Ｖfine２と粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseとの電位差を示している。曲線ｃに対しては、第２の微調整用の可変電圧源２５ａの電位Ｖfine１と粗調整用の可変電圧源２４の電位Ｖcoarseとの電位差を示している。直流電圧源の精度をΔＶとすると、まずはこの粗調整により共振周波数のばらつきを、矢印Ａで示す範囲内まで抑えることができる。
次に周波数の中庸の調整を行う。周波数調整用の補助微調整用電極５に与える第１の微調整用の可変電圧源２５ｂの直流電位Ｖfine2を制御することにより、振動子１０１と補助微調整用電極５との間の直流電位差を制御する。図７の曲線ｂに示すように、直流電位差に対して中庸の傾きをもって周波数が調整され、直流電圧源の精度をΔＶとすると、周波数ばらつき範囲Ｂまで周波数ばらつきを抑えることができる。前記粗調整およびこの中庸の調整を併用することで、振動子の形状誤差による周波数のばらつきを、矢印Ｂで示す範囲内まで抑えることができる。
最後に周波数の微調整を行う。微調整用電極４に与える第２の微調整用の可変電圧源２５ａの直流電位Ｖfine1を制御することにより、振動子１０１と周波数の微調整用電極４との間の直流電位差を制御する。図７の曲線ｃに示すように、直流電位差に対して最も小さな傾きをもって周波数が調整され、直流電圧源の精度をΔＶとすると、最終調整目標周波数Ｏに対して、周波数のばらつきを矢印Ｃで示す範囲内まで抑えることができる。主にこの微調整は、共振器の温度変化に対する周波数シフトを補正する目的に用いることができる。
より具体的に周波数調整の追い込みを説明する図が図８である。振動子は加工時の形状誤差により４６，０００ｐｐｍの周波数偏差を初期段階で有している。まずは粗調整により１０，０００ｐｐｍまで追い込む。粗調整は１Ｖあたり１００，０００ｐｐｍの調整能力を持っているので、調整電圧範囲０．４６Ｖを０．１Ｖ精度で４６段階に切り替えることにより１０，０００ｐｐｍまで追い込むことが可能である。次に中庸調整を行う。中庸調整は１Ｖあたり８，０００ｐｐｍの調整能力を持っているので、調整電圧範囲１．２５Ｖを０．１Ｖ精度で１３段階に切り替えることにより８００ｐｐｍまで追い込むことが可能である。この８００ｐｐｍに対して、温度による周波数ずれが加わる。シリコン振動子の場合、約２，０００ｐｐｍ／１００℃の周波数ずれが見込まれる。従って２，８００ｐｐｍを最終の微調整により１００ｐｐｍまで追い込む。微調整は１Ｖあたり１，０００ｐｐｍの調整能力を持っているので、調整電圧範囲２．８Ｖを０．１Ｖ精度で２８段階に切り替えることで１００ｐｐｍまで周波数調整を可能である。
以上説明してきたように、複数の電極と振動子との間の直流電位差を互いに独立に調整することにより、周波数精度の高い発振器を提供することができる。なお、この発振器を信号源ｆ０として、後段にＰＬＬ回路、ＤＬＬ回路またはデジタル周波数シンセサイザを接続し、ｆ０の整数倍または整数分の１または少数倍の周波数ｆに同期制御された信号を出力する同期部を付加した発振器としてもよい。またこの倍数を固定せずプログラム可能なものとして任意の周波数信号発生源としてもよい。
（参考例）
次に本発明の参考例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
なお、前記実施の形態１乃至３では、いずれもねじり振動について説明したが、たわみ振動にも適用可能である。図９は実施の形態３で説明したねじり振動子を用いた図６の発振器の構成において、ねじり振動子をたわみ振動子におきかえた例である。図９中、両端をスペーサ１０４で基板１００に固定された両持ち梁からなる振動子１０１は、基板に対し水平方向に振動するたわみ振動モード振動子である。この振動子の振動部の長さ１／２の部分、すなわち、たわみ基本モードの腹の部分に空隙を介して入力電極６と出力電極７を配している。振動子１０１の直流電位Vcoarseと入力電極６の直流電位との差により、たわみ共振周波数の粗調整を行う。また、振動子１０１の最も変位する腹部分から離れて一方の固定端（節）に向かう途中で、補助微調整用電極５と対向しており、固定端（節）近傍で微調整用電極４に対向している。補助微調整用電極５の第１の可変電圧源２５ｂ(電位Vfine2)と可変電圧源２４の電位Vcoarseとの直流電位差で周波数の補助的な微調整（中庸調整）を行う。微調整用電極４の第２の可変電圧源２５ａ(直流電位Vfine1)と可変電圧源２４の電位Vcoarseとの直流電位差で周波数の最終的な微調整を行う。
以上説明してきたように、複数電極の直流電位を独立に調整することにより周波数精度の高い発振器を提供することができる。
なお、本参考例では、微調整用の電極として微調整用電極４および補助微調整用電極５の２つを用いたが、いずれか一方のみであっても同様の効果を得ることができる。また、微調整用の電極として３つ以上の電極を設けることも可能である。
次に本発明の参考例について図面を参照しつつ詳細に説明する。
なお、前記実施の形態１乃至３では、いずれもねじり振動について説明したが、たわみ振動にも適用可能である。図９は実施の形態３で説明したねじり振動子を用いた図６の発振器の構成において、ねじり振動子をたわみ振動子におきかえた例である。図９中、両端をスペーサ１０４で基板１００に固定された両持ち梁からなる振動子１０１は、基板に対し水平方向に振動するたわみ振動モード振動子である。この振動子の振動部の長さ１／２の部分、すなわち、たわみ基本モードの腹の部分に空隙を介して入力電極６と出力電極７を配している。振動子１０１の直流電位Vcoarseと入力電極６の直流電位との差により、たわみ共振周波数の粗調整を行う。また、振動子１０１の最も変位する腹部分から離れて一方の固定端（節）に向かう途中で、補助微調整用電極５と対向しており、固定端（節）近傍で微調整用電極４に対向している。補助微調整用電極５の第１の可変電圧源２５ｂ(電位Vfine2)と可変電圧源２４の電位Vcoarseとの直流電位差で周波数の補助的な微調整（中庸調整）を行う。微調整用電極４の第２の可変電圧源２５ａ(直流電位Vfine1)と可変電圧源２４の電位Vcoarseとの直流電位差で周波数の最終的な微調整を行う。
以上説明してきたように、複数電極の直流電位を独立に調整することにより周波数精度の高い発振器を提供することができる。
なお、本参考例では、微調整用の電極として微調整用電極４および補助微調整用電極５の２つを用いたが、いずれか一方のみであっても同様の効果を得ることができる。また、微調整用の電極として３つ以上の電極を設けることも可能である。
本出願は、２００９年６月９日出願の日本特許出願（特願２００９−１３８４５５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明にかかる共振器およびこれを用いた発振器は、複数の直流電圧を独立に制御することで高精度の周波数調整が可能である。そのため発振器のみならず、フィルタ、ジャイロスコープ、圧力センサ、光スキャナ、質量検出素子等への幅広い産業用途に展開可能である。
１０１ 振動子
１０２ ＢＯＸ層
１０３ エッチホール
１ ねじり梁
２ａ、２ｂ アンカー
３ パドル
４ 微調整用電極
５ 補助微調整用電極
６ 入力電極
７ 出力電極
８ 増幅器
９ 位相調整器
１０ バッファ
１０２ ＢＯＸ層
１０３ エッチホール
１ ねじり梁
２ａ、２ｂ アンカー
３ パドル
４ 微調整用電極
５ 補助微調整用電極
６ 入力電極
７ 出力電極
８ 増幅器
９ 位相調整器
１０ バッファ
Claims (6)
- ねじり振動する振動子と、
前記振動子の振幅が互いに異なる部分に対し、それぞれ空隙を介して対向する複数の電極と、
前記複数の電極のそれぞれと前記振動子との間の各直流電位差を互いに独立して設定するための直流電圧源と、を有し、
前記振動子は、固定部と、少なくとも一端を前記固定部で支持され、ねじり振動するねじり梁と、前記ねじり梁に連結され、前記ねじり梁よりも大きな振幅で振動するパドルとを有し、
前記複数の電極は、前記ねじり梁に対向する電極と、前記パドルに対向する電極と、を含む共振器。 - ねじり振動する振動子と、
前記振動子の振動の腹に近い部分で、前記振動子と空隙を介して対向して、前記振動子の共振周波数の粗調整を行う１以上の電極と、
前記振動子の振動の節に近い部分で、前記振動子と空隙を介して対向して、前記振動子の共振周波数の微調整を行う１以上の電極と、
前記複数の電極のそれぞれと前記振動子との間の各直流電位差を互いに独立して設定する直流電圧源とを有し、
前記振動子は、固定部と、少なくとも一端を前記固定部で支持され、ねじり振動するねじり梁と、前記ねじり梁に連結され、前記ねじり梁よりも大きな振幅で振動するパドルとを有し、
前記複数の電極は、前記ねじり梁に対向する電極と、前記パドルに対向する電極と、を含む共振器。 - 前記複数の電極と前記直流電圧源との間、または、前記振動子と前記直流電圧源との間に、インピーダンス素子を有し、
前記振動子の共振周波数において、前記インピーダンス素子の電気的インピーダンスは、前記複数の電極と前記振動子との間のそれぞれの電気的インピーダンスよりも大きい、請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の共振器。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の共振器と、
前記共振器の出力信号を増幅し、増幅された信号を入力信号として前記共振器に入力する増幅器と、を有する発振器。 - 前記共振器の周辺温度を測定する温度計測部と、
前記周辺温度のそれぞれの値に対する前記直流電圧源の設定値を記録したメモリと、
前記温度計測部が測定した前記周辺温度に基づいて、前記メモリより前記直流電圧源の設定値を読み出し、前記直流電圧源の設定を行う制御部と、
を有する、請求項４に記載の発振器。 - 周波数ｆ０を参照周波数としたとき、ＰＬＬ回路またはＤＬＬ回路またはデジタル周波数シンセサイザにより、ｆ０の整数倍または整数分の１または少数倍の周波数ｆに同期制御された信号を出力する同期部をさらに有する、請求項４に記載の発振器。
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