JP5953980B2

JP5953980B2 - 振動デバイス、電子機器

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Publication number: JP5953980B2
Application number: JP2012145116A
Authority: JP
Inventors: 俊之野澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-06-28
Also published as: JP2014011532A

Description

本発明は、振動デバイス、電子機器等に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用し、半導体基板にＭＥＭＳ素子を備えた発振器が一般に知られている。このような発振器においては、ＭＥＭＳ素子が振動子として用いられ、目的とする周波数のクロックパルスを外部の回路等に出力する。このようなＭＥＭＳ発振器を含めて、振動子（又は振動板）と必要な発振回路等を含んで目的とする周波数のクロックパルスを外部に出力するデバイスを、以下では振動デバイスと呼ぶ。また、振動子として用いられるＭＥＭＳ素子を、以下ではＭＥＭＳ振動子と呼ぶ。

従来のＭＥＭＳ振動子としては、支持部材によって基板の上に浮いた状態で保持された可動電極と、可動電極と僅かな距離を隔てて配置された固定電極とを備え、これらの電極間に交流電圧を与えることにより可動電極が振動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ＭＥＭＳ振動子を発振回路と組み合わせることで振動デバイス（ＭＥＭＳ発振器）を構成することが可能である。前記の交流電圧は発振回路により与えられ、発振回路はＭＥＭＳ振動子の共振周波数で決まる周波数で可動電極の発振を維持することができる。そのため、振動デバイスは、安定した周波数の信号を発生することができる。

しかし、例えば可動電極の寸法ばらつき等によって、一般にＭＥＭＳ振動子の共振周波数にはばらつきが生じる。そのため、何らかの方法で共振周波数のばらつきを補正する必要がある。特許文献１の発明では、振動子の固定電極と可動電極との間に直流バイアス電圧を与えることで発振器の発振周波数を調整する方法が記載されている。また、特許文献２の発明では、振動体（可動電極に対応）に引っ張り応力を掛けることで共振周波数のばらつきを補正する手法を開示する。

特開２０１０−２３２７９１号公報特開２０１０−０１１１３４号公報

しかし、特許文献１の発明では、可動電極と固定電極とが平行平板形状になっており、電極間に働く静電的な力は非線形である。そのため、バイアス電圧により共振周波数を大きく変化させると、電圧変化に対して力が大きく変化し、可動電極の変位に応じて非線形な動作が目立ってしまうという課題があった。

また、特許文献２の発明では、共振周波数の調整に伴う前記の非線形な動作の増加という課題は抑制できるものの、共振周波数を所望の値に調整するためにはアナログ電圧が必要になり、アナログ電圧発生回路が必要になってしまうという課題があった。アナログ電圧発生回路の追加によって振動デバイスの製造コストが上昇し、その消費電力も大きくなる。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、製造コストや消費電力の増加を抑制しつつ、周波数調整が可能な振動デバイスを提供することができる。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る振動デバイスは、基板と、前記基板上に空隙を隔てて配置され前記基板
に対して変位可能な可動電極と、平面視で前記可動電極に隣り合って前記基板上に配置さ
れている固定電極と、前記可動電極に対して静電力で引っ張り応力又は圧縮応力を与える
ための少なくとも２つに分割された周波数調整電極と、を備える振動子と、前記振動子を
発振させる発振回路と、分割された前記周波数調整電極のそれぞれに２種類の電圧のいず
れかを選択的に与えるスイッチ回路と、を備え、前記可動電極は、前記基板に一端が固定され且つ前記基板に対して変位可能な梁で支持され、前記周波数調整電極は、平面視で前記可動電極と重ならない前記基板上であって、前記梁の固定されていない他端側に配置されている。

［適用例２］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記周波数調整電極は、互いに異なる面積に分割されていることを特徴としてもよい。

［適用例３］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記スイッチ回路は、前記２種類の電圧を前記可動電極の電圧および所定の固定電圧としてもよい。

これらの適用例に係る振動デバイスは、基板に対して変位可能な可動電極と基板に固定されている固定電極と少なくとも２つに分割された周波数調整電極とを備える振動子と、振動子を発振させる発振回路と、分割された周波数調整電極のそれぞれに２種類の電圧のいずれかを選択的に与えるスイッチ回路とを含む。

固定電極は可動電極と僅かな距離を隔てて配置されており、可動電極との間に交流電圧が与えられる。ここでの僅かな距離とは、固定電極との電位差によって生じる静電力によって可動電極が移動可能である程近い距離を意味する。そして、可動電極は支持部材によって基板から空隙を隔てて配置されており、固定電極との間で振動する。

ここで、可動電極は周波数調整電極との電位差によって生じる静電力によって引っ張り応力、又は圧縮応力が与えられる。例えば、静電力によって可動電極が周波数調整電極に引きつけられると、可動電極には引っ張り応力が掛かるため、可動電極の共振周波数は高くなる。従って、これらの適用例に係る振動デバイスは、スイッチ回路によって可動電極と周波数調整電極との間に生じる静電力を調整することで、共振周波数の調整が可能である。

このとき、スイッチ回路は、分割された周波数調整電極のそれぞれに２種類の電圧のい
ずれかを選択的に与える。そのため、スイッチ回路におけるオン、オフの組み合わせによ
って、デジタル的に可動電極と周波数調整電極との間に生じる静電力を調整できる。従っ
て、可動電極に引っ張り応力又は圧縮応力を与えるのにアナログ電圧発生回路を別途用意
する必要はなく、アナログ電圧発生回路を設けることによる製造コストの上昇やアナログ
電圧発生回路による消費電力の増加はない。すなわち、これらの適用例に係る振動デバイ
スは、製造コストや消費電力の増加を抑制しつつ、周波数調整が可能な振動デバイスを実
現できる。
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記可動電極は、前記基板に一端が固定され
且つ前記基板に対して変位可能な梁で支持され、前記周波数調整電極は、平面視で前記可
動電極と重ならない前記基板上であって、前記梁の固定されていない他端側に配置されて
いてもよい。
本適用例に係る振動デバイスの可動電極は、一端が固定され且つ基板に対して変位可能
な梁で支持されている。そのため、梁の固定端部分を除いて可動電極は静電力を受けて変
位できる。ここで、周波数調整電極は平面視で可動電極と重ならない基板上であって、梁
の固定端でない他端に配置されていてもよい。このとき、可動電極が振動する方向と直交
する方向に、可動電極に引っ張り応力が働く構成をとることができる。そのため、振動す
る方向に沿って引っ張り応力を生じさせた場合に目立ってしまう非線形な動作が生じるこ
ともない。

ここで、周波数調整電極は、互いに異なる面積に分割されていてもよい。このとき、分割された周波数調整電極の面積の違いによって、可動電極と周波数調整電極との間に生じる静電力を様々に調整できる。

また、スイッチ回路は、２種類の電圧を可動電極の電圧および所定の固定電圧としてもよい。ここで、２種類の電圧のうち可動電極の電圧を選択した場合には、可動電極と周波数調整電極との間に電位差が生じないので静電力が生じない。一方、所定の固定電圧（可動電極の電圧以外の例えば接地電位）を選択した場合には、電位差が生じて静電力が発生する。従って、可動電極の電圧の具体的な値が何であるかによらず、可動電極と周波数調整電極との間に生じる静電力を調整することが可能である。

［適用例４］
本適用例に係る電子機器は、前記適用例に係る振動デバイスを備える。

前記適用例に係る振動デバイスは、製造コストや消費電力の増加を抑制しつつ、周波数調整が可能な振動デバイスを実現する。従って、前記適用例に係る振動デバイスを備えている本適用例の電子機器は、低消費電力で所望の正確な周波数のクロックパルスに基づいて動作が可能である。例えば、電子機器が時計である場合には、電池の持ちがよく、精度の高い時刻表示を行うことが可能になる。

第１実施形態の振動デバイスのブロック図。第１実施形態の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す平面図。第１実施形態の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す側面図。第１実施形態の振動デバイスにおける可動電極の変形を模式的に示す図。第１実施形態の振動デバイスの回路構成例を説明するための図。第２実施形態の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す平面図。第２実施形態の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す側面図。第２実施形態の振動デバイスの回路構成例を説明するための図。第１変形例の振動デバイスの回路構成例を説明するための図。第２変形例の振動デバイスの回路構成例を説明するための図。適用例の電子機器のブロック図。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は電子機器の外観の一例を示す図。平行平板形状の電極を模式的に示す平面図。平行平板形状の電極を模式的に示す側面図。平行平板形状の電極間の静電力を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．第１実施形態
図１は、本実施形態の振動デバイス１のブロック図である。振動デバイス１は、発振回路２、振動子３、スイッチ回路６を含む。本実施形態では、振動子３はＭＥＭＳ振動子であり、後述するように可動電極、固定電極および周波数調整電極を備える。可動電極は固定電極との間に適当な交流電圧が与えられることによって、その共振周波数で振動する。スイッチ回路６は可動電極と周波数調整電極との間にバイアス電圧を与えて、後述するように振動子３の共振周波数を調整する。そして、発振回路２は振動子３を発振させる回路で構成されている。

スイッチ回路６は、より具体的には、受け取った制御信号１１０に基づいて、スイッチのオン、オフを制御し、スイッチの出力信号であるスイッチ出力信号１１６によって、可動電極と周波数調整電極との間に与えるバイアス電圧を調整する。また、発振回路２は、目的とする周波数のクロックパルス１００を振動デバイス１の内部又は外部の回路等に出力する。

図２は、本実施形態の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す平面図である。なお、ＭＥＭＳ振動子や電極間の静電力の説明に用いるために、図２以降では必要に応じて互いに直交する３つの軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を図示するものとする。図２はＺ軸正方向から振動子３を見た平面図である。

図２のように、振動子３は基板６０の上に配置された固定電極、可動電極および周波数調整電極を備える。本実施形態において、固定電極は、基板６０の上に固定されている第１の固定電極３１と第２の固定電極３２とを含む。第１の固定電極３１と第２の固定電極３２とは、可動電極を支持する２本の梁３９を挟んで対向して配置されている。

可動電極は、弾性を有する梁３９で支持されており、基板６０に対して変位が可能である。本実施形態では、２本の梁３９が可動電極と一体的に形成されており、双音叉構造をとっている。このとき、第１の固定電極３１と第２の固定電極３２に同じ交流電圧を与えた場合、２本の梁３９は互いにＹ軸逆方向に振動するので、基板６０への振動エネルギーの漏れを抑制することができる。そして、梁３９の両端である固定部６２は基板６０に固定されており、可動電極３７は両持ち梁構造となっている。

周波数調整電極５０は、基板６０と可動電極３７との間に配置されている。具体的には、可動電極３７の梁３９から見て下側（Ｚ軸負方向）の基板６０の上（Ｚ軸正方向）に固
定されている。周波数調整電極５０は、互いに異なる面積をもつ２つの電極に分割されている。すなわち、周波数調整電極５０は、この例では第１の周波数調整電極５０Ａと第２の周波数調整電極５０Ｂで構成されている。

図３は、本実施形態の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す側面図であって、Ｙ軸負方向から見た図である。図２の第２の固定電極３２側から第１の固定電極３１側を見ることに対応する。なお、可動電極３７の梁３９の変形を示すために、一部を透過させて点線で表示している。

図３のように、可動電極は基板６０の上に空隙を隔てて配置されている。可動電極を支持する梁３９は、固定部６２で支持部材６４によって基板６０に固定されている。図３のように、可動電極は支持部材６４の高さの分の空隙があるため、Ｘ方向以外（Ｙ軸方向やＺ軸方向）に変位することができる。

本実施形態において、第１の周波数調整電極５０Ａと第２の周波数調整電極５０Ｂとは電気的に絶縁されている。そのため、可動電極３７と第１の周波数調整電極５０Ａの間、可動電極３７と第２の周波数調整電極５０Ｂの間に独立してバイアス電圧を与えることができる。このバイアス電圧は、スイッチ回路６（図１参照）からのスイッチ出力信号１１６によって決まる。

ここで、スイッチ回路６のスイッチは２種類の電圧の一方を出力する。すると、この例では４通りの組み合わせ（第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂのそれぞれが２種類の電圧の一方を受け取るため）がある。つまり、可動電極３７に対して４通りの引っ張り応力を与えることができる。このとき、デジタル的に引っ張り応力を選択することが可能であり、アナログ電圧発生回路は不要である。なお、この引っ張り応力は、周波数調整電極５０に与えられたバイアス電圧によって生じる静電力が作用するものであり、周波数調整電極５０の面積に応じて静電力は変化する。

図４は、本実施形態の振動デバイス１における可動電極３７の変形を模式的に示す図である。可動電極３７に引っ張り応力が与えられると、図４に示すように、可動電極３７の梁３９は定常的に周波数調整電極５０側に引きつけられることになる。このとき、周波数調整電極５０にバイアス電圧が与えられていない状態（図３参照）と比べて可動電極の共振周波数は高くなる。また、可動電極３７に与えられる引っ張り応力の大きさに応じて、共振周波数も変化する。そのため、本実施形態の振動デバイス１では、スイッチ回路６によってデジタル的に可動電極３７の共振周波数を調整することが可能になる。

そして、本実施形態の振動デバイス１では、可動電極３７が振動する方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｚ方向）に可動電極３７に引っ張り応力が働く。そのため、振動する方向に沿って引っ張り応力を生じさせた場合に目立ってしまう非線形な動作も生じない。

非線形な動作の解消という利点について詳しく説明するために、図１３〜図１５を用いて、比較例となる平行平板形状の電極間の静電力について説明する。図１３は、平行平板形状の電極を含む振動子１０３を模式的に示す平面図である。図１３は、Ｚ軸正方向から振動子１０３を見ている。

この振動子１０３は、基板１６０の上に配置された固定電極１３１と可動電極１３３とを備える。固定電極１３１は基板１６０の上に固定されているが、可動電極１３３は固定部１６２で基板１６０に固定されて、他の部分は基板１６０の上に空隙を隔てて配置されている片持ち梁構造となっている。

図１４は、平行平板形状の電極を含む振動子１０３を模式的に示す側面図である。前記のように固定電極１３１は基板１６０の上に固定されており、可動電極１３３は固定部１６２で支持部材１６４によって基板１６０に固定されている
図１５は、平行平板形状の電極間の静電力を説明するための図である。図１５の電極１３０は、図１４の振動子１０３の一部を構成する電極１３０に対応し、図１５の上方の電極が可動電極、下方の電極が固定電極であるとして説明する。

図１５において、Ｚ軸正方向への静電力Ｆ_ｅｓを考える。向かい合う平行平板形状の電極の面積をＡ、Ｚ軸方向の平行平板形状の電極の初期の間隔をｚ_０、可動電極のＺ軸正方向への変位がｚであるとすると、静電力Ｆ_ｅｓは下記の式（１）で表される。なお、面積Ａは、図１５では電極のＸ軸方向の辺の長さとＹ軸方向の辺の長さから求められる

ここで、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒは電極間を満たす物質の比誘電率、Ｖは電極間の電位差である。この比較例においては、可動電極が振動する方向もＺ軸方向である。式（１）から明らかなように非線形の静電力が電極間に作用するが、共振周波数を調整するためにバイアス電圧を大きく変化させると、静電力Ｆ_ｅｓが可動電極の振動に大きく影響して非線形のふるまいが目立つことになる。

一方、本実施形態の振動デバイス１では、可動電極３７が振動する方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｚ方向）に可動電極３７に引っ張り応力が働く。すなわち、共振周波数を調整するためにバイアス電圧を大きく変化させても、可動電極３７の振動に影響することはない。

ここで、可動電極３７に作用する式（１）の静電力Ｆ_ｅｓは、電極の面積Ａに比例し、電極間の電圧Ｖの２乗に比例する。前記の通り、本実施形態の振動デバイス１では、予め電極の面積Ａを分割（先の例では第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂに２分割）し、分割したそれぞれの電極が２種類の電圧の一方を選択できる。そのため、静電力Ｆ_ｅｓの強さを制御可能であり、結果として可動電極３７の共振周波数を所望の値に調整することができる。

以上に説明した振動子３を用いて、本実施形態の振動デバイス１は例えば図５に示すような回路構成で実現できる。なお、図１〜図４と同じ要素については同じ番号、符号を付しており説明を省略する。

発振回路２は、反転増幅を行うインバーターと帰還抵抗を含んで構成され、図５に示すように振動子３と電気的に接続される。なお、第１の固定電極３１と第２の固定電極３２には同じ交流信号が与えられ、２本の梁３９は互いに逆方向に振動する。

スイッチ回路６は、所望の静電力を生じるように調整された調整電位Ｖ_０又は接地電位をとり得るスイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂを生成する。スイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂの値は、それぞれ制御信号１１０Ａ、１１０Ｂで選択されるスイッチで決定される。なお、制御信号１１０Ａ、１１０Ｂは、図１の制御信号１１０に対応し、スイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂは、図１のスイッチ出力信号１１６に対応する。

振動子３において、可動電極３７は発振回路２によって定まる直流電位をとるが、周波数調整電極５０との電位差に応じて静電力（式（１）参照）が生じ、可動電極３７の共振
周波数が調整される。例えば、スイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂが接地電位の場合にだけ静電力が生じるものとすると、図５ではスイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂが共に接地電位である場合に比べて、周波数調整電極５０の面積が第１の周波数調整電極５０Ａの分だけ減った効果を与える。すなわち、可動電極３７に作用する静電力が弱まり、共振周波数の調整量が小さくなる。このとき、スイッチ回路６は、アナログ電圧を必要とせず、デジタル的に共振周波数を調整できる。この例では４通りの調整ができるが、必要であれば周波数調整電極５０をＮ個（Ｎ＞２）に分割することで、最大で２のＮ乗の調整が可能になる。

本実施形態では、周波数調整電極５０を互いに面積が異なるように分割しているが、分割したもので同じ面積であるものが存在してもよい。例えば、全て同じ面積で分割した場合には、スイッチ回路６におけるオン状態のスイッチの数とオフ状態のスイッチの数の比から静電力の大きさを容易に把握することが可能になる。ただし、調整できるパターン数は少なくなる。

以上のように、本実施形態の振動デバイス１は、スイッチ回路６におけるオン、オフの組み合わせによって、デジタル的に可動電極３７と周波数調整電極５０との間に生じる静電力を調整し、可動電極３７の共振周波数を調整できる。このとき、アナログ電圧を必要とせず、アナログ電圧発生回路を設ける必要がないため製造コストや消費電力の増加を抑制することができる。また、周波数調整電極５０は基板６０と可動電極３７との間に配置されているため、振動デバイス１の大きさが増加するといった問題が生じることはない。

２．第２実施形態
第２実施形態について図６〜図８を用いて説明する。なお、図１〜図５と同じ要素については同じ番号、符号を付しており説明を省略する。また、第２実施形態に係る振動デバイス１についても、ブロック図は第１実施形態（図１）と同じであり、説明を省略する。

図６は、本実施形態の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す平面図であり、Ｚ軸正方向から振動子３を見ている。図６のように、振動子３は基板６０の上に配置された可動電極３７、固定電極（第１の固定電極３１、第２の固定電極３２）、周波数調整電極（第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂ、第３の周波数調整電極５０Ｃ）を備える。

可動電極３７は基板６０の上に一端が固定部６２で固定された弾性を有する２本の梁３９で支持されている。図６のように、可動電極３７は片持ち梁構造をしており、それぞれの梁３９の先端はＹ軸方向に伸びて周波数調整電極と対向している。なお、本実施形態では可動電極３７は基板６０への振動エネルギーの漏れを抑制するように、互いに逆方向に振動する２本の梁３９を持つ音叉構造となっているが、梁３９が１本の構造であってもよい。梁３９が１本の場合には、Ｙ軸方向の上半分（又は下半分）の構成によって振動子３を実現できる。

第１実施形態と同じように、第１の固定電極３１と第２の固定電極３２には同じ交流信号が与えられ、２本の梁３９はＹ軸方向に互いに逆方向に振動する。しかし、第１実施形態とは異なり、周波数調整電極が可動電極３７の先端部（図６の紙面右側）にあり、可動電極３７と周波数調整電極との電位差による静電力はＸ軸正方向に働くことになる。

本実施形態の振動デバイス１でも、可動電極３７が振動する方向（Ｙ方向）と直交する方向（Ｘ方向）に可動電極３７に引っ張り応力が働く。そのため、振動する方向に沿って引っ張り応力を生じさせた場合に目立ってしまう非線形な動作が生じることもない。

また、本実施形態において、周波数調整電極は、第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂ、第３の周波数調整電極５０Ｃの３つに分割されている。ここで、第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂ、第３の周波数調整電極５０Ｃの面積比は、互いに２のｎ乗（ｎは整数）の関係としている。例えば、第３の周波数調整電極５０Ｃの面積をＳとする。このとき、第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂがそれぞれ４Ｓ、２Ｓであるとすると、組み合わせによって８通り（０、Ｓ、２Ｓ、…、７Ｓ）の調整が可能である。すなわち理論的に可能な最大の調整を行うことができる。

図７は、本実施形態の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す側面図であって、Ｙ軸負方向から見た図である。図７のように、可動電極３７は基板６０の上に空隙を隔てて配置されている。可動電極３７を支持する梁３９は、可動電極３７と一体になっており、固定部６２で支持部材６４によって基板６０に一端が固定されている。図７のように、可動電極３７は支持部材６４の高さの分の空隙があり、固定部６２以外では静電力を受けて変位することができる。

このような振動子３を用いて、本実施形態の振動デバイス１は例えば図８に示すような回路構成で実現できる。発振回路２の構成および振動子３との接続は、第１実施形態の場合と同じであるため説明を省略する。第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂ、第３の周波数調整電極５０Ｃには、それぞれ、独立のスイッチからの出力であるスイッチ出力信号１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｃが与えられる。ここで、スイッチ回路６の調整電位Ｖ_１は例えばＶｄｄであってもよいし、その他の調整電位であってもよい。

前記のように、第１の周波数調整電極５０Ａ、第２の周波数調整電極５０Ｂ、第３の周波数調整電極５０Ｃの面積比は、互いに２のｎ乗の関係であるため、図８のスイッチ回路６によって８通りの共振周波数の調整が可能である。

以上のように、本実施形態の振動デバイス１は、スイッチ回路６におけるオン、オフの組み合わせによって、デジタル的に可動電極３７と周波数調整電極との間に生じる静電力を調整し、可動電極３７の共振周波数を調整できる。このとき、アナログ電圧を必要とせず、アナログ電圧発生回路を設ける必要がないため製造コストや消費電力の増加を抑制することができる。そして、分割した周波数調整電極の面積比が互いに２のｎ乗の関係であるようにすることで理論的に可能な最大の調整を行うことができる。

３．変形例
第１実施形態および第２実施形態の変形例について図９〜図１０を用いて説明する。なお、図１〜図８と同じ要素については同じ番号、符号を付しており説明を省略する。また、変形例に係る振動デバイス１についても、ブロック図は第１実施形態（図１）と同じであり、説明を省略する。また、発振回路２、振動子３、スイッチ回路６は第１実施形態又は第２実施形態と同じであるため説明を省略し、相違点である電気的な接続のみを説明する。

図９は、第１実施形態の変形例である第１変形例の振動デバイス１の回路構成例を説明するための図である。第１実施形態と異なり、発振回路２の出力側が可動電極３７に、帰還側が固定電極３１、３２に接続されている。また、スイッチ回路６で作られる調整電位Ｖ_０（図５参照）に代えて可動電極３７の電位が用いられる。このようにすることで可動電極３７には交流電位が与えられることになるが、例えば、スイッチ出力信号１１６Ａが可動電極３７と同電位である場合には、第１の周波数調整電極５０Ａは可動電極３７との間で電位差を全く生じないため、分割された周波数調整電極の面積比だけを考慮して静電力を計算することができる。このとき、可動電極３７の具体的な電位の値を把握する必要
もない。また、スイッチ回路６が調整電位Ｖ_０を生成する必要がないため、回路が単純化されて振動デバイス１の設計が容易になる。一方、可動電極３７と第２の周波数調整電極５０Ｂとの間には（交流的な）静電力が働くため、周波数調整の機能は失われていない。

図１０は、第２実施形態の変形例である第２変形例の振動デバイス１の回路構成例を説明するための図である。第２実施形態と異なり、スイッチ回路６で作られる調整電位Ｖ_１（図８参照）に代えて可動電極３７の電位が用いられる。第２変形例も、分割された周波数調整電極の面積比だけを考慮して静電力を計算することができ、回路が単純化されて振動デバイス１の設計が容易になる。

４．電子機器
第１実施形態、第２実施形態およびこれらの変形例についての適用例である電子機器３００について、図１１〜図１２を用いて説明する。なお、図１〜図１０と同じ要素については同じ番号、符号を付しており説明を省略する。

図１１は、適用例の電子機器３００の機能ブロック図である。本適用例の電子機器３００は、振動デバイス１、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３２０、操作部３３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）３４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）３５０、通信部３６０、表示部３７０、音出力部３８０を含んで構成されている。なお、本適用例の電子機器３００は、図１１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更してもよいし、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

振動デバイス１は、前記の通り、例えばその製造時の生じる共振周波数のばらつきをバイアス電圧で補正した高精度の発振信号（クロックパルス）を出力することができる。このとき、アナログ電圧発生回路は不要であり、消費電力が増加することもない。

ＣＰＵ３２０は、ＲＯＭ３４０等に記憶されているプログラムに従い、振動デバイス１が出力する発振信号（クロックパルス）を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＣＰＵ３２０は、操作部３３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部３６０を制御する処理、表示部３７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部３８０に各種の音を出力させる処理等を行う。

操作部３３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＣＰＵ３２０に出力する。

ＲＯＭ３４０は、ＣＰＵ３２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。

ＲＡＭ３５０は、ＣＰＵ３２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ３４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部３３０から入力されたデータ、ＣＰＵ３２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。

通信部３６０は、ＣＰＵ３２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。

表示部３７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＣＰＵ３２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。

音出力部３８０は、スピーカー等の音を出力する装置である。

本適用例の電子機器３００によれば、振動デバイス１によって正確な周波数のクロックパルスを得ることができる。そのため、ＣＰＵ３２０等が各種の計算処理や制御処理を正確に行うことが可能になる。さらに、振動デバイス１は低消費電力であるため、高度な演算処理を行う携帯機器等への適用が考えられる。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）は、電子機器３００の外観の一例を示す図である。電子機器３００は、例えば、図１２（Ａ）に示すような時計であってもよいし、図１２（Ｂ）に示すような、携帯型のナビゲーション端末であってもよい。あるいは、電子機器３００は、図１２（Ｃ）に示すように、スマートフォンや携帯電話等であってもよい。なお、図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に図示されているボタン等は操作部３３０に対応し、液晶画面等は表示部３７０に対応する。

図１２（Ａ）に示される時計は、時刻を正確に表示するために正確な周波数のクロックパルスが必要である。また、図１２（Ｂ）に示される携帯型のナビゲーション端末は、ＧＰＳ（Global Positioning System）によって使用者の正確な位置を示すのに正確な周波数のクロックパルスが必要である。そして、図１２（Ｃ）のスマートフォンでは、通信に用いる正確な周波数のクロックパルスが必要である。しかも、これらは携帯機器であるため低消費電力であることが求められる。本適用例の電子機器３００は、振動デバイス１を用いることで、これらの要求を満たすことが可能である。

５．その他
本発明は前記の実施形態、変形例に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。すなわち、前記の実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。例えば、ＣＰＵ３２０が周波数調整部としての機能を備え、制御信号１１０を生成する構成であってもよいし、独立した周波数調整部が振動デバイス１に含まれていてもよい。

本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１振動デバイス、２発振回路、３振動子、６スイッチ回路、３１第１の固定電極、３２第２の固定電極、３７可動電極、３９梁、５０周波数調整電極、５０Ａ
第１の周波数調整電極、５０Ｂ第２の周波数調整電極、５０Ｃ第３の周波数調整電極、６０基板、６２固定部、６４支持部材、１００クロックパルス、１０３振動子、１１０制御信号、１１０Ａ制御信号、１１０Ｂ制御信号、１１０Ｃ制御信号、１１６スイッチ出力信号、１１６Ａスイッチ出力信号、１１６Ｂスイッチ出力信号、１１６Ｃスイッチ出力信号、１３０電極、１３１固定電極、１３３可動電極、１６０基板、１６２固定部、１６４支持部材、３００電子機器、３３０操作部、３６０通信部、３７０表示部、３８０音出力部

Claims

基板と、
前記基板上に空隙を隔てて配置され前記基板に対して変位可能な可動電極と、平面視で
前記可動電極に隣り合って前記基板上に配置されている固定電極と、前記可動電極に対し
て静電力で引っ張り応力又は圧縮応力を与えるための少なくとも２つに分割された周波数
調整電極と、を備える振動子と、
前記振動子を発振させる発振回路と、
分割された前記周波数調整電極のそれぞれに２種類の電圧のいずれかを選択的に与える
スイッチ回路と、を備え、
前記可動電極は、
前記基板に一端が固定され且つ前記基板に対して変位可能な梁で支持され、
前記周波数調整電極は、
平面視で前記可動電極と重ならない前記基板上であって、前記梁の固定されていない他
端側に配置されている
振動デバイス。
請求項１に記載の振動デバイスにおいて、
前記周波数調整電極は、
互いに異なる面積に分割されていることを特徴とする振動デバイス。
請求項１又は２に記載の振動デバイスにおいて、
前記スイッチ回路は、
前記２種類の電圧を前記可動電極の電圧および所定の固定電圧とする、振動デバイス。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の振動デバイスを備えたことを特徴とする電子機
器。