JP5585861B2 - 結合共振器のアレイ、バンドパスフィルタおよび発振器 - Google Patents
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Description
それは、選択的フィルタの設計として電気通信分野に、あるいはより一般的には、計算ユニットのペースを調整するまたは信号復調に対応するタイムベースを形成する発振器の設計として電子機器分野に顕著に適用される。
結合共振器のアレイを使用してフィルタの帯域幅を調整することを可能にする機構が、H.ChandrahalimおよびS.Bhaveによる文献、タイトル「Digitally-tunable MEMS filter using Mechanically-Coupled Resonator Array」、第21回 微小電気機械システムに関するIEEE 国際会議、米国アリゾナ州トゥーソン、2008年1月13〜17日に記載される。
−これらのN個の結合共振器のそれぞれに関して、
・入力電気信号に従ってこの結合共振器を作動させるために入力電気信号供給手段に接続された作動手段、および
・この結合共振器固有の結合共振器を作動させるための可変利得入力増幅手段と、
−入力増幅手段のそれぞれの可変利得の特定の設定を制御するための手段とを備える。
−これらのN個の結合共振器のそれぞれに関して、
入力電気信号によるN個の結合共振器の電気励起に応答してこの結合共振器の反応を検出し、この反応を中間電気信号に変換するための手段と、
−出力電気信号を形成するために中間電気信号を一緒にまとめるための手段とを備え、
これらのN個の結合共振器それぞれの検出および変換手段は、この結合共振器に固有の、それらが供給する中間信号に関する可変利得出力増幅手段に結合され、この可変利得は具体的には、制御手段によって設定することができる。
最後に、数Nは、2つの共振器から数千の共振器まで変化することが可能であり、これは、NEMS共振器の場合に顕著である。
N個の結合共振器のベクトル反応Uは、モードベクトルと呼ばれるNモードベクトル反応Unの線形結合として表すことができることが、モーダル法によって示され、その成分ui nは、共振器16iのモード変位にそれぞれ対応し、以下のように定義される。
類推により、本発明の一実施形態において、アレイ10のNモードベクトルのうちの1つに入力信号を投影することによって、すなわち、増幅器201,…,20i−1,20i,20i+1,…,20NのN可変利得GEiの値を、Nのモードベクトルのうちの1つの成分に従って、より具体的にはこれらの成分に比例して選択的に設定することによって、アレイ10のN周波数応答モードのうちの1つが作動される。この投影が、アレイ10を選択されたモードでバンドパスフィルタとして反応するようにさせる。その結果、いかなる励起周波数に関してもそれらのモード係数がゼロである仮定すると、他のモードは反応しないため、入力信号Veが投影されるモードベクトルに対応するモードのみが作動される。ゲインGEiの選択的な設定は、制御手段22によって行われる。
しかしながら、検出電極261,…,26i−1,26i,26i+1,…,26Nを加算器30に接続することによってこのまとめるステップが直接行われる場合、以下の式が得られる。
先に定義されたスカラー積の直交特性(式4)を使用することによって、出力で以下が得られる。
図4aは、107rad/sに等しい共振角速度を有するNEMSタイプのN=49の結合共振器の固定端部でのアレイ10の動作の可能なモードの例42、44および46をグラフ式に図示する。比較として、別の共振器に結合されない場合のこれらの共振器のうちのただ1つの周波数応答が、曲線40によって表され、その共振角速度は、107rad/s付近を中心とする。
図4bに示される共振器のアレイ10の別の可能な動作によると、入力信号Veによって第1の共振器16iのみが励起される際、すべての共振器の間の結合を介してアレイの全ての動作モードが始動される。これらのモードは、正弦波変調関数
fn=sin(n.π/N+1)を使用して作動され、これは、上記のN動作モードの中心周波数の範囲(8)の全てをカバーする広帯域フィルタリングの実現を可能にする。このような広帯域フィルタリングは、曲線48によって図示される。
したがって、共振器のアレイ10により、簡単かつ精密なものが好ましい、その作動モードのいくつかまたは全てを設定する手段を設けることによって調整することが可能な中心周波数および帯域を有するフィルタまたは発振器を形成することが可能になる。
また、少なくとも自由度1のその結合共振器の数Nを増大させることによって、アレイの動作モードの数を増やすことも可能である。したがって、これにより、上記の範囲(8)内で共振器のこのアレイの中心周波数の可能な調節の精密度を上げることが可能になる。
先に示したように、上記に記載する共振器のアレイ10は、調節可能な中心周波数および帯域を有するバンドパスフィルタとして使用することができる。この用途において、フィルタの入力信号は、信号Veであり、Vsは、フィルタ処理された信号である。
検出の観点から、検出電極26iによって各共振器16iの反応が検出および変調され、その変換ゲインは、可変であり、そのバイアス電圧Viに比例する。このバイアス電圧Viは、先に示したように共振器のアレイの出力を増幅させるために、制御手段22によって励振電極18iのバイアス電圧と等しくなるように設定される。さらに、検出電極26iによって供給された中間信号は、出力信号を支持する強度ii(t)の電流を供給するために相互コンダクタンスgを有するトランジスタを備えるゲインステージ50iを通過する。
図5に表される発振器はまた、読出し回路52を備える。この読出し回路は、所定の電位Vddに接続された負荷抵抗Rsと、接地に接続された負荷キャパシタCsとを備え、その末端で出力電圧Vsが測定される。
したがって、検出の観点から、入力信号Veと等しい周波数で振動し、異なるようにバイアスがかけられた可変静電容量dCiを有するキャパシタとして考えることができる各共振器16i、この共振器16iおよびその検出電極26iを負荷キャパシタCsに接続し、ゲインステージ50i、加算器30および読出し回路52を構成する回路を、図6に表される等価回路によって設計することができる。
曲線48によって図示されるような広い帯域幅を実現し、中心周波数の設定を可能にするために、図7に図示される実施形態によって1つの解決策が与えられる。
同一の行iの共振器間の結合241は、例えば、中心周波数に近いモード(水平として条件付けられる)を生成するために脆弱であり、同一の列jの共振器間の結合(242)は、例えば、中心周波数から離れたモード(垂直として条件付けられる)を生成するために強力である。
結果として生じる共振器のアレイ10はしたがって、結合共振器16iのM行とn列のMxNのマトリクスを備える。
本発明によると、周波数ωで振動する同一の入力信号Veを使用することで、ゲイン値GEi,jを設定することによって、M、N共振器161,1,…,16i,j,…,16M,Nのそれぞれに特定の振幅の励起を個々に適用することが可能になる。
曲線56は、その第2垂直動作モード(m=2)によるアレイ10の周波数応答を表し、ゲインGEi,2およびGSi,2は、制御手段22によって関数f2.n(i)値に設定される。
最後に、曲線58は、その最終垂直動作モード(m=3)によるアレイ10の周波数応答を表し、ゲインGEi、3およびGSi,3は、制御手段22によって関数のf3.n(i)値に設定される。
この二次元アレイのおかげで、広域バンドフィルタリング、およびMの異なる垂直モードに従って調節可能な中心周波数を有する共振器のアレイ、またはM、Nの異なるモードに従って調節することが可能な中心周波数を有する狭帯域共振器のアレイのいずれかの実現が可能になることを理解することができる。
例えば先に記載したもののうちの1つなどの共振器のアレイにより、簡単なゲイン設定によって、良好な精度で共振中心周波数を調節することが可能になることが明らかに分かる。
さらに、作動だけではなく検出も同一の動作モードに投影することによって、出力信号が共振器の数に比例することから、共振器のアレイからの出力信号の振幅を実質的に増大させることが可能である。
したがって、発振器としてアレイを使用する際、多数の共振器がアレイ内で使用される場合、出力信号は既に高度に増幅されているため、発振器を維持するために反応電極内で高いゲインを生成する必要はない。
選択的なフィルタリングタイプの用途において、質量、加速度、圧力または他のセンサを設計するために、先に記載したものなどのアレイをベースとした共振器センサを想定することが可能である。共振器の数に比例する因子によって大きくなる測定信号を有することによって、1つのみの共振器を有するセンサ内で使用される同様の原理を適用することができ、これにより、信号ノイズ比が改善され、故に極めて遅い変動の検出が容易になる。
さらに、各共振器固有のノイズが相関されない場合、共振器のアレイ内に生じた位相ノイズは、それが、共振器の数の平方根に反比例するという事実によって減少することが示される。
同様に、共振器の共振周波数のばらつきの標準偏差もまた、共振器の数の平方根に反比例するため、共振器のアレイは、このばらつきに対しても堅牢である。
また本発明は、先に記載した実施形態に限定されるものではないことに留意されたい。開示されてきた教義に照らして、当業者は上記に記載の実施形態に対して多様な修正形態を作成することができる。以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、請求の範囲を本記載内で説明される実施形態に限定するものと解釈されるべきではなく、特許請求の範囲がそれらが考案された方法によって包含することを目的とする全ての等価を含むものと解釈されるべきであり、またその対応は、それらに対して開示されてきた教示の実施に対して彼らの一般的な知識を適用することにより当業者の範囲内にある。
特に、共振器は、必ずしもNEMS/MEMS技法を使用して形成される必要はない。それらは、水晶、NEMS/MEMS以外の電気機械共振器を基にして、または受動電気構成要素のRLC回路によって形成することも可能である。
Claims (10)
- 入力電気信号(Ve)を供給するための入力電気信号供給手段(12)と、アレイ状に並んだ複数のN個の結合共振器(16 i 、16 i,j )のそれぞれを前記入力電気信号(Ve)を使用して電気的に励起するための電気励起手段(14)とを備える結合共振器のアレイであって、前記電気励起手段(14)は、
−複数のN個の前記結合共振器(16 i 、16 i,j )のそれぞれに関して、
・前記入力電気信号供給手段(12)の出力を受け、前記出力を可変の入力利得で増幅して出力する可変利得入力増幅手段(20 i 、20 i,j )と、
・前記可変利得入力増幅手段(20 i 、20 i,j )の前記出力を一対一の関係で受け、前記出力に基づいて前記結合共振器(16 i 、16 i,j )を一対一の関係で電気的に励起する作動手段(18 i 、18 i,j )とを備え、
−複数のN個の前記可変利得入力増幅手段(20i、20i,j)のそれぞれに必要な特定の可変の入力利得を制御する制御手段(22)を更に備え、
複数のN個の前記可変利得入力増幅手段(20 i 、20 i,j )のそれぞれに必要な特定の可変の入力利得は、他の可変利得入力増幅手段の可変の入力利得とは独立に、かつ個別に制御されることを特徴とする結合共振器アレイ(10)。 - 前記結合共振器(16i、16i,j)が、屈曲に関して振動するビームタイプ素子と、体積に関して振動するディスク、プレートまたはビームタイプ素子と、少なくとも1つのナノワイヤとで構成される要素のセットのうちの1つから選択された少なくとも1つの振動素子を有する、請求項1に記載の結合共振器アレイ(10)。
- 複数のN個の前記結合共振器(16i、16i,j)が、NEMSまたはMEMSタイプの電気機械共振器であり、複数のN個の前記結合共振器(16i、16i,j)のそれぞれの前記作動手段(18i、18i,j)および前記可変利得入力増幅手段(20i、20i,j)が、静電励振電極を備え、そのバイアス電圧が、前記制御手段(22)によって設定される、請求項1または2に記載の結合共振器アレイ(10)。
- 複数のN個の前記結合共振器(16 i 、16 i,j )が複数のN個の異なるモード周波数で複数のN個の異なる共振モードを生成することに基づき、また前記入力電気信号(Ve)を使用した励起に応答して複数のN個の前記結合共振器(16i、16i,j)によって供給された複数のN個の電気信号から生じる任意のベクトル信号が、複数のN個の共振モードのうちの1つとして複数のN個の前記結合共振器(16 i 、16 i,j )の応答をそれぞれ表す、複数のN個の所定のモードベクトルの線形結合として表せることに基づき、前記制御手段(22)が、複数のN個の所定のモードベクトルのうちの1つのモードベクトルに含まれる複数のN個の成分に従って、複数のN個の前記可変利得入力増幅手段(20i、20i,j)に与えられる複数のN個の前記可変の入力利得の値を選択的に設定するように設計された、請求項1から3のいずれか一項に記載の結合共振器アレイ(10)。
- −複数のN個の前記結合共振器(16i、16i,j)のそれぞれに関して、
・前記入力電気信号(Ve)による電気的な励起で得られた前記結合共振器(16 i 、16 i,j )の反応を一対一の関係で検出し、前記反応を中間電気信号に変換して出力する検出変換手段(26 i 、26 i,j )と、
・前記中間電気信号を一対一の関係で受け、前記中間電気信号を可変の出力利得で増幅して出力する可変利得出力増幅手段(28 i 、28 i,j )とを備え、
−複数のN個の前記可変利得出力増幅手段(28 i 、28 i,j )の全ての出力をまとめて単一の出力電気信号(Vs)として出力するまとめる手段(30)を更に備え、
複数のN個の前記可変利得出力増幅手段(28 i 、28 i,j )のそれぞれに必要な特定の可変の出力利得は、他の可変利得出力増幅手段の可変の出力利得とは独立に、かつ個別に制御されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の結合共振器アレイ(10)。 - 複数のN個の前記結合共振器(16 i 、16 i,j )のそれぞれに対応した前記検出変換手段(26i、26i,j)および前記可変利得出力増幅手段(28i、28i,j)は容量検出電極を備え、その検出電圧を前記制御手段(22)によって設定することができる、請求項5に記載の結合共振器アレイ(10)。
- 前記制御手段(22)は、複数のN個の前記可変利得入力増幅手段(20i、20i,j)に必要な複数のN個の可変の入力利得の値を設定するために選択されたモードベクトルの複数のN個の成分に従って、複数のN個の前記可変利得出力増幅手段(28i、28i,j)に必要な複数のN個の可変の出力利得の値を設定するように設計された、請求項5に記載の結合共振器アレイ(10)。
- 前記まとめる手段(30)によって伝達される電流を受信するように前記まとめる手段(30)に接続され、その末端の電圧が出力電気信号(Vs)を表わすように設定された容量負荷(52)を有する、請求項5から7のいずれか一項に記載の結合共振器アレイ(10)。
- 複数のN個の前記結合共振器(16 i 、16 i,j )のアレイへの入力電気信号(Ve)として、フィルタ処理される信号を受信するように設計された、請求項1から8のいずれか一項に記載の結合共振器アレイ(10)を備える、調節可能な中心周波数を有するバンドパスフィルタ。
- 請求項5から8のいずれか一項に記載の前記結合共振器アレイ(10)と、前記結合共振器アレイ(10)の前記出力電気信号(Vs)に従って前記入力電気信号(Ve)を供給するフィードバック回路(32)とを備える、調節可能な発振周波数を有する発振器。
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