JP6011725B2 - 改良された共振器 - Google Patents
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Description
本発明は、機械的(メカニカル)共振器に関し、特に、独立請求項の序文に定められるような調節要素(control element、制御要素)、機械的共振器、および、機械的共振器を作動させる方法に関する。
微小電気機械システム(Micro-Electro-Mechanical System)、即ち、MEMSは、少なくともいくつかの要素が機械的機能性を持った、小型化された機械的および電気機械的システムとして定義され得る。MEMSデバイスは、集積回路をつくるために使用されるツールと同じツールで造られるので、マイクロマシンとマイクロエレクトロニクスは、同じシリコンピース上で製造され得、知能を有するマシン(machines with intelligence)を可能にする。
本発明の目的は、機械的な共振器システムのための、改良された電気的なフィードバックメカニズムを提供することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従った、調節要素、機械的共振器、および、方法により達成される。
以下の実施形態は、例示的なものである。明細書は、「ある(an)」、「1つの(one)」、または、「いくつかの(some)」実施形態に言及するであろうが、それは、そのような言及それぞれが、同じ実施形態を指すことや、その特徴が単一の実施形態だけに適用されることを必ずしも意味しない。異なる実施形態の単一の特徴は、さらなる実施形態を提供するべく、組み合わせられ得る。
である。
上記式において、Qmは、機械的共振器の機械的なQ値である。周波数は、共振周波数ω0=2πf0=1となるように正規化されており、sは、正規化された周波数(虚数)である。図5は、Q値1000での例示的な機械的共振器の伝達関数を示し、図6は、それの位相伝達プロットを示している。機械的共振器がその共振周波数で励起されるとき、特定の駆動力(driving force)にて到達した変位が最大となるのがわかる。図5および6は、振幅応答における共振周波数で非常に狭くて高いピークがあること、および、位相応答において、0から−πへの急峻な遷移(transition)があることを示している。
である。
ここで、Kは、低い周波数におけるループゲインである。閉ループの効果的なQ値は、
である。
の形態を持ち得る。
上式において、Qeは、ローパスフィルターのQ値であり、Kは、低い周波数での増幅である。Qeは、好ましくは、3〜10の範囲にあり、Kは、0.1〜0.3の範囲にある。式(5)の伝達関数がフィードバックシステムにおいて使用され、フィードバックの符号が正に選択されるとき、振幅については図14に示される閉ループ伝達関数が、位相については図15に示される閉ループ伝達関数が得られる。
である。
の形態を持ち得る。
Claims (18)
- 調節要素(33)であって、
当該調節要素は、
第一の電気信号(S1)のための入力を有し、該第一の電気信号は、質量体に作用する力に応じた、機械的共振器における基準点の変位に対応するものであり、
その特徴は、
第二の電気信号(S2)のための出力を有し、該第二の電気信号は、機械的共振器に作用するダンピングフィードバック力を定めるものであり、かつ、
特定の応答関数に従って第二の電気信号を生成するための信号処理フィルターを有し、該応答関数は、前記第一の電気信号の値と前記第二の電気信号の値との間の対応関係を定めるものであり、前記機械的共振器は、第一の共振周波数を持ち、かつ、前記応答関数は、共振周波数のピークを持った周波数応答関数であって、該共振周波数のピークが、前記第一の共振周波数と実質的に一致することである、
前記調節要素(33)。 - 前記信号処理フィルターのクォリティファクターが、1を上回ることを特徴とする、請求項1に記載の調節要素。
- 前記信号処理フィルターのクォリティファクターが、3〜10の範囲内にあることを特徴とする、請求項2に記載の調節要素。
- 共振器デバイス(30)であって、
当該共振器デバイスは、
機械的共振器(31)を有し、
第一のトランスデューサー(43、44)、第二のトランスデューサー(45、46)および、調節要素(33)を含んだ、閉じたフィードバックループを有し、
前記第一のトランスデューサーは、第一の電気信号(S1)を出力するように構成され、該第一の電気信号は、慣性座標系について前記機械的共振器における基準点の変位に対応するものであり、前記第一の電気信号は、第一の共振周波数を持っており、
前記調節要素(33)は、前記第一のトランスデューサーおよび前記第二のトランスデューサーに電気的に接続されており、
前記調節要素は、前記第一のトランスデューサーから前記第一の電気信号(S1)を受け取り、特定の応答関数に従って、第二の電気信号(S2)を生成するように構成されており、前記応答関数は、前記第一の電気信号の値と前記第二の電気信号の値との間の対応関係を定めるものであり、
前記調節要素は、前記第二の電気(S2)信号を前記第二のトランスデューサーに送るように構成されており、
共振器デバイスの特徴が、
前記第二のトランスデューサーが、前記第二の電気信号に対応しているダンピング力を、前記機械的共振器(31)に対して加えるように構成されており、
前記調節要素が、信号処理フィルターであり、
前記信号処理フィルターの応答関数が、共振周波数のピークを持ち、該共振周波数のピークが、前記第一の共振周波数と実質的に一致することである、
前記共振器デバイス(30)。 - 前記信号処理フィルターのクォリティファクターが、1を上回ることを特徴とする、請求項4に記載の共振器デバイス。
- 前記信号処理フィルターのクォリティファクターが、3〜10の範囲内にあることを特徴とする、請求項5に記載の共振器デバイス。
- 前記第一の共振周波数を下回る周波数についての前記閉じたフィードバックループのループゲインが、1未満であることを特徴とする、請求項4〜6のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記第一の共振周波数を下回る周波数についての前記閉じたフィードバックループのループゲインが、0.1〜0.3の範囲内にあることを特徴とする、請求項7に記載の共振器デバイス。
- 前記第一の共振周波数からの、前記共振周波数のピークの偏差が、50%未満であることを特徴とする、請求項4〜8のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記第一の共振周波数からの前記共振周波数のピークの偏差が、20%未満であることを特徴とする、請求項9に記載の共振器デバイス。
- 前記調節要素がローパスフィルターであり、前記閉じたフィードバックループのフィードバックが正であることを特徴とする、請求項4〜10のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記調節要素がハイパスフィルターであり、前記閉じたフィードバックループのフィードバックが負であることを特徴とする、請求項4〜10のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記調節要素が、バンドパスフィルターとオールパスフィルターとの組み合わせであり、前記閉じたフィードバックループのフィードバックが正であることを特徴とする、請求項4〜10のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記感知デバイスがMEMSデバイスであることを特徴とする、請求項4〜13のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記第一のトランスデューサーが、キャパシティ効果、圧電効果、電磁効果、または、ピエゾ抵抗効果に基づいて、運動、応力、または、歪みによって、変位を検出するように構成されていることを特徴とする、請求項4〜14のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記第二のトランスデューサーが、静電効果、圧電効果、電磁効果、熱弾性効果、電歪、または、磁歪に基づいて、力、トルク、応力、または、歪みによって、変位をひきおこすように構成されていることを特徴とする、請求項4〜15のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 前記共振器デバイスが、センサーデバイスまたはアクチュエーターデバイスであることを特徴とする、請求項4〜16のいずれか一項に記載の共振器デバイス。
- 機械的共振器の作動を制御する方法であって、
当該方法は、
第一のトランスデューサーと第二のトランスデューサーと調節要素とを含む閉じたフィードバックループに、前記機械的共振器を連結することを有し、
前記第一のトランスデューサーから前記調節要素へと、第一の電気信号を出力することを有し、該第一の電気信号は、慣性座標系について前記機械的共振器における基準点の変位に対応しており、前記機械的共振器は、第一の共振周波数を持っており、
特定の応答関数に従って、前記調節要素において第二の電気信号を生成することを有し、前記応答関数は、前記第一の電気信号の値と前記第二の電気信号の値との間の対応関係を定めるものであり、前記調節要素は信号処理フィルターであり、
前記第二の電気信号を、前記調節要素から前記第二のトランスデューサーに送ることを有し、
当該方法の特徴が、
前記第二のトランスデューサーを用いて、前記機械的共振器に対して、前記第二の電気信号に対応しかつ前記変位とは反対のダンピング力を作用させること、および、前記信号処理フィルターの前記応答関数が、前記第一の共振周波数と実質的に一致する共振周波数のピークを持っていることである、
前記方法。
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