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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5873811
(24)【登録日】2016年1月22日
(45)【発行日】2016年3月1日
(54)【発明の名称】改良された微小機械共振器
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5628 20120101AFI20160216BHJP
G01C 19/5621 20120101ALI20160216BHJP
【ＦＩ】
G01C19/56 128
G01C19/56 121
【請求項の数】19
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2012-553363(P2012-553363)
(86)(22)【出願日】2011年2月18日
(65)【公表番号】特表2013-520645(P2013-520645A)
(43)【公表日】2013年6月6日
(86)【国際出願番号】FI2011050152
(87)【国際公開番号】WO2011101547
(87)【国際公開日】20110825
【審査請求日】2013年11月28日
(31)【優先権主張番号】20105168
(32)【優先日】2010年2月22日
(33)【優先権主張国】FI
(73)【特許権者】
【識別番号】507220615
【氏名又は名称】ムラタ エレクトロニクス オサケユキチュア
(74)【代理人】
【識別番号】100080791
【弁理士】
【氏名又は名称】高島 一
(74)【代理人】
【識別番号】100125070
【弁理士】
【氏名又は名称】土井 京子
(74)【代理人】
【識別番号】100136629
【弁理士】
【氏名又は名称】鎌田 光宜
(74)【代理人】
【識別番号】100121212
【弁理士】
【氏名又は名称】田村 弥栄子
(74)【代理人】
【識別番号】100122688
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 健二
(74)【代理人】
【識別番号】100117743
【弁理士】
【氏名又は名称】村田 美由紀
(74)【代理人】
【識別番号】100163658
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 順造
(74)【代理人】
【識別番号】100174296
【弁理士】
【氏名又は名称】當麻 博文
(72)【発明者】
【氏名】カーヤカリ，ヴィレ
【審査官】
梶田 真也
(56)【参考文献】
【文献】
特開２００４−３５７１７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００９／０９２８４６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開平１１−２７１０６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−３４５５１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開昭５７−００４８２０（ＪＰ，Ｕ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０１Ｃ １９／５６ − １９／５７８３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
共振器構造であって、
当該共振器構造は、共振器部分と対電極部分とを有し、
当該共振器構造は、所与の機械的振幅と組み合わせた振動の特性周波数を有し、
前記機械的振幅の設定は、前記の共振器部分と対電極部分とを当該共振器構造内に有することにより達成され、
前記共振器部分は、第１のアンカーを有し、該第１のアンカーは、共振器構造基板の所与の点に位置する第１の係留点に該共振器部分を係留するように構成されており、かつ、
前記共振器部分は、第１の振動要素と第２の振動要素とを有し、これら第１の振動要素と第２の振動要素は、これら第１の振動要素と第２の振動要素が前記第１の係留点に関して同期して振動する構成となるように、前記第１の係留点に接続されており、
前記対電極部分は、第２のアンカーを有し、該第２のアンカーは、共振器構造基板の所与の点に位置する第２の係留点に該対電極部分を係留するように構成されており、
前記第１の係留点の位置と、前記第２の係留点の位置が、前記第１の振動要素と前記第２の振動要素との間に定められた領域を前記共振器構造基板上に投影してなる領域内にある、
前記共振器構造。
当該共振器構造は、共振器部分と対電極部分とを有し、
当該共振器構造は、所与の機械的振幅と組み合わせた振動の特性周波数を有し、
前記機械的振幅の設定は、前記の共振器部分と対電極部分とを当該共振器構造内に有することにより達成され、
前記共振器部分は、第１のアンカーを有し、該第１のアンカーは、共振器構造基板の所与の点に位置する第１の係留点に該共振器部分を係留するように構成されており、かつ、
前記共振器部分は、第１の振動要素と第２の振動要素とを有し、これら第１の振動要素と第２の振動要素は、これら第１の振動要素と第２の振動要素が前記第１の係留点に関して同期して振動する構成となるように、前記第１の係留点に接続されており、
前記対電極部分は、第２のアンカーを有し、該第２のアンカーは、共振器構造基板の所与の点に位置する第２の係留点に該対電極部分を係留するように構成されており、
前記第１の係留点の位置と、前記第２の係留点の位置が、前記第１の振動要素と前記第２の振動要素との間に定められた領域を前記共振器構造基板上に投影してなる領域内にある、
前記共振器構造。
【請求項2】
前記第１の振動要素が、少なくとも１つの支持梁を有している、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項3】
前記第１の振動要素が、複数の樹状突起を有している、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項4】
前記複数の樹状突起が、複数の梁様分岐を有している、請求項３に記載の共振器構造。
【請求項5】
前記第１の振動要素および前記第２の振動要素のうちの少なくとも一方の特性寸法が、前記振動の特性周波数の周波数を所与の値に設定するように事前に決定されている、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項6】
前記複数の樹状突起のうちの１つの樹状突起の特性寸法が、前記振動の特性周波数の周波数を所与の値に設定するように事前に決定されている、請求項３に記載の共振器構造。
【請求項7】
当該共振器構造が、同じ周波数の振動の特性周波数を有する複数の樹状突起を有している、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項8】
当該共振器構造が、所与の規則下で互いに異なるように調整された、振動の特性周波数の周波数を有する複数の樹状突起を有している、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項9】
前記複数の樹状突起のうちの１つの特性周波数が、前記複数の樹状突起のうちの１つの機械的特性寸法または質量により事前に決定される、請求項８に記載の共振器構造。
【請求項10】
前記第１の振動要素および前記第２の振動要素のうちの少なくとも一方の要素が、異なる向きの接続要素によって支持梁に取り付けられた梁様分岐を有することを特徴とする、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項11】
複数の共振器部分を有する、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項12】
前記第１の係留点が、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を励起させるように選択される、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項13】
前記第１の係留点が、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を抑制するように選択される、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項14】
さらに、複数の梁を備え、これらの梁は、前記梁様分岐の間で、励起枠構造を実施するように互いに入り込んでいる、請求項１０に記載の共振器構造。
【請求項15】
フラクタル様構造を備える、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項16】
折り畳まれた音叉構造を備える、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項17】
Ｔ字形構造を備える、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項18】
前記第１の振動要素および前記第２の振動要素のうちの少なくとも一方が、湾曲形状を有するように構成される、請求項１に記載の共振器構造。
【請求項19】
前記係留点が、前記第１の振動要素および前記第２の振動要素の振動の特性周波数を設定する所与の寸法が所与の平均律音程の周波数比率になるように選択される、請求項１に記載の共振器構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小機械共振器の設計に関し、より詳細には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器の設計に関する。本発明の目的は、特に小規模用途で、厳しい条件下で高い信頼性で使用するために適した構造を有する微小電気機械システム技術（ＭＥＭＳ）の改良された共振器構造を提供することである。
【背景技術】
【０００２】
共振器は、様々なタイミング用途及び周波数基準用途での鍵となる構成要素である。共振器は作動して、共振器又はそのような機能を提供する同様の構成要素の材料、形状、及び／又は特性寸法によって決まる固有特性共振周波数近くで振動する。
【０００３】
基準及びタイミング機能に使用する場合、動作周波数を正確に制御可能／設定可能なことが必須である。典型的な用途では、周波数制御の不正確性は１〜１００ｐｐｍ（百万分の一）の範囲まで許され得る。そのようなｐｐｍレベルの精度は、厳しい制限を製造許容差に設定する。さらに、追加の機械的微調整及び／又は電気的微調整が、最終的な調整で必要なことが多い。
【０００４】
微小機械共振器は、主要な構成要素としてＭＥＭＳに基づく機器に広く使用されている。そのような機器の例として、マイクロジャイロスコープ、マイクロ振動計、マイクロマシン、及びマイクロ波システムを挙げることができる。共振器は静電アクチュエーションにより駆動されて、特性固有共振周波数近くで振動する。
【０００５】
さらに、微小機械共振器を使用して、周波数基準装置内の水晶共振器に基づく技術の実施形態を補完することができ、それにより、特定の用途で水晶に基づく発振器技術に完全に取って代わることができるようになるには、周波数精度を改良しなければならない。
【０００６】
微小機械共振器は、光学リソグラフィとエッチング技術とを、この尺度分類で必要とされるように組み合わせて、従来の水晶に基づく共振器技術よりも優れた利点を提供することにより製造される。しかし、製造プロセスは、製造中の装置の寸法で数パーセントまでのばらつきを生じさせ得る。
【０００７】
従来技術による解決策と本発明の実施形態との関係をよりよく理解するために、以下のように図１Ａ及び図１Ｂを次に参照する：
図１Ａは、従来技術による共振器の基本構造を示し、
図１Ｂは、従来技術による共振器の集中機械モデルを示す。
【０００８】
したがって、図１Ａは、従来技術による共振器それ自体の基本構造を示す。単純な共振器は、バネ要素（梁）と、矩形質量要素（質量）とを備える。バネ要素は、例えば、図１に示されるように、機械的な片持ち梁バネ（梁）であることができる。
【０００９】
図１Ａの単純な共振器では、特性共振周波数ω０は、
【数１】
・・・（１）
であり、式中、バネ定数ｋは
【数２】
・・・（２）
である。
【００１０】
図１Ｂは、従来技術による基本的な共振器の集中モデルを示す。ここでは、Ｙはバネ材料のヤング係数であり、ｗはバネ要素の幅であり、ｈはバネ要素の高さであり、Ｌはバネ要素の特性長さである。バネ要素の幅ｗは通常、極めて小さく、三乗測依存性により、共振周波数ω０はバネ要素の幅ｗのばらつきの影響を受けやすい。
【００１１】
バネ要素の幅の変化に関連する共振周波数ω０の一次変化は、
【数３】
であり、式中、∂ω０は、バネ要素の幅の無限小変化∂ｗに起因する周波数の無限小変化である。微小機械共振器の最も大きな問題の１つは、共振周波数のばらつきであり、このばらつきは、共振器構造の機械的寸法の不十分な制御又は不良な精密性により生じる。
【００１２】
例えば、式３に基づいて評価すると、バネ要素の幅が４％変動する場合、共振周波数も変動するが、その変動は６％又は６０，０００ｐｐｍと同じ程度であることが分かる。
【００１３】
それに関連して、特許文献１には、周波数のばらつきに関する問題に対する製造精度の影響を制御する従来技術による方法が記載されている。
【００１４】
しかし、摂動状況下では、共振器にかけられる力が、共振器及び／又は共振器の部分を加速させることを通して機能に影響することを理解しなければならない。それにより、共振器が堅牢な設計を有する場合であっても、共振器構造は変形し、振動運動が干渉され得る。強い摂動力の影響はさらに、一端部でのみ支持される長いバネ様構造の広振幅運動を生じさせ、それにより、特定の状況下で構造の他の部分に当たるおそれがあり、さらには、機械的破損を受け、又は構造の動作制御に使用される電気信号に干渉するおそれがある。そのような場合に対処するために、例えば、容量共振器では、保護距離を有する電極間隙を設計する必要があり、これは、十分に高い容量を比較的小さな構造で得なければならない場合に問題を生じさせ得る。他方、より高い容量に向けての目標では、より大きな質量をバネ要素に追加する必要があり得、その結果、例えば、質量の慣性を通して望ましくないように共振周波数に影響し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９２８４６ Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、干渉の影響を受けにくいが、高容量と組み合わせられた小型サイズに役立ち、信頼性の高い周波数基準として機能することが可能な、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器のそのような改良された設計構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様によれば、本発明による共振器構造は、所与の機械的振幅と組み合わせて振動の特性周波数を有し、それにより、上記機械的振幅の設定は、共振器構造基板の所与のポイントに配置された係留点での係留を通して、第１の振動要素（以下、第１の要素とも言う）と、第２の振動要素（以下、第２の要素とも言う）とを共振器構造内に有することにより達成され、第１の要素及び第２の要素は、上記第１の要素及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方が、上記係留点に関して同期して振動するように構成されるように振動的に適合され、それにより、上記係留点の位置が実質的に、上記第１の要素及び上記第２の要素の寸法により画定される、結合した投影部内にあるように選択される。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、少なくとも１つの支持梁を備えるそのような１種類の上記１つの第１の要素を備える。それにより、支持梁には、上記第１の要素と同様の複数の他のバネ要素を取り付けることができ、他のバネ要素は必ずしも同じ特性寸法を有する必要はない。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１の要素は複数の樹状突起を備える。それにより、各樹状突起は、樹状突起の個々の共振周波数を設定し、且つ／又は上記第１の要素の特性周波数を設定する、断面積、長さ、幅、厚さ、及び／又は質量であり得る個々の特性寸法を有することができる。本発明の実施形態では、樹状突起は、センサ構造及び／又は励起枠構造のいずれかの実施形態での容量用途で電極エリアを提供するために利用することもできる。それにより、支持点の適切な選択により、より小さな振幅の機械的振動の利用が可能になり、その結果、小さな電極間隙により、より高い容量が提供されるため、より小型のサイズも提供する。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、樹状突起は複数の梁様分岐を備える。
【００２２】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方の特性寸法は、上記機械的特性振動の周波数を所与の値に設定するように事前に決定される。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、第１の要素において、複数の樹状突起内の樹状突起のうちの少なくとも１つでは、少なくとも１つの特性寸法は、上記機械的特性振動の周波数を所与の値に設定するように事前に決定される。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、同じ機械的特性振動周波数を有する複数の樹状突起を備える。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、所与の規則下で互いに異なるように調整された機械的特性振動周波数を有するそのような複数の樹状突起を備える。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、樹状突起の特性周波数は、樹状突起の機械的特性寸法及び／又は質量により事前に決定される。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも特定の要素は、異なる向きの接続要素を用いて支持梁に取り付けられた梁様分岐を備える。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、Ｅの形状を有する複数の共振器を備え、上記共振器のうちの少なくとも１つは、文字形状の共振器構造として実施される。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記文字形状の要素のうちの少なくとも１つは、文字Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚを含む群から選択される形状を有する。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、係留点は、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を励起させるように選択される。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、係留点は、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を抑制するように選択される。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、梁様分岐の間で、励起枠構造を実施するように互いに入り込む梁を備える。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、フラクタル様構造を備える。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、折り畳まれた音叉構造を備える。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、Ｔ字形構造を備える。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方は、湾曲形状を有するように構成される。
【００３７】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記係留点は、上記第１及び上記第２の要素の振動の特性周波数を設定する所与の寸法が所与の平均律音程の周波数比率になるように選択される。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１の要素、第２の要素、樹状突起、及び支持梁のうちの少なくとも１つは特に、製造での寸法のばらつきに対する共振器の共振周波数変更の受けやすさ、すなわち、ｄ（Δω０／ω０）／ｄδがゼロであるか、又はゼロに近づくような寸法を有する。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、微小機械共振器のバネ構造において、特性寸法と樹状突起の対応する寸法との比率は、最大で１０であり、有利には７以下であり、さらにより有利には５以下である。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、バネ構造は、音叉構造の一部に係留することにより適合される。本発明の実施形態によれば、上記音叉構造は折り畳まれた音叉構造である。それにより、係留点は、音叉のシャフトに適合され、そのシャフトは、音叉構造の叉の間に配置される。本発明の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造は、Ｅ字幾何学的形状を有するように構成される。本発明の別の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造はＴ字幾何学的形状を有するように構成される。本発明の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造はＥ字並びにＴ字の幾何学的形状を有するように構成される。本発明の実施形態によれば、係留点は、折り畳まれた音叉構造のシャフトを、所与の特性周波数を有する特性寸法に分割し、結果として、音程の周波数比率になるように選択される。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、シャフトの一部は、励起枠構造を実施し、且つ／又はシャフトの別の部分に関して所与の振動位相を維持する個々の樹状突起を有する。位相の維持は、例えば、静電信号を用いて達成することができる。
【００４２】
本発明の実施形態によれば、樹状突起の共振周波数は、以下のように樹状突起の幅、密度、長さ、及びユング係数を用いて表すことができる。
【数４】
【００４３】
本発明の実施形態によれば、微小機械共振器構造は、励起枠構造を実施するアクチュエータ手段を有する。変形実施形態によれば、上記手段は静電的である。本発明の実施形態によれば、電極間隙は、振動の振幅の最大で３倍、有利には２倍の大きさであるように選択される。
【００４４】
本発明の実施形態によれば、共振器構造は、励起枠構造内に、振幅を電気的に減衰させ、且つ／又は共振器構造及びその部分の機械的な力により誘発される運動を完全に結合する部分として静電ダンパーを有する。
【００４５】
図面リスト
従来技術の考察中、図１Ａ〜図１Ｃ及び図２を参照したが、次に、本発明の実施形態の例示について、以下の説明のうちの部分としての図３〜図９を参照することにより説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】従来技術による共振器それ自体の基本構造を示す。
【図１Ｂ】従来技術による共振器それ自体の基本構造の集中機械的モデルを示す。
【図１Ｃ】従来技術による音叉共振器を示す。
【図２】従来技術による音叉共振器を示す。
【図３】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図４】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図５】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図６】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図７】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図８】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図９】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
示される実施形態では、いくつかの発振器の振動方向は概略的に説明されるが、示される例示の実施形態に示される方向のみに、基板又は土台に関して発生する振動の方向を限定しない。
【００４８】
共振器は、タイミング用途又は周波数基準用途で鍵となる構成要素である。タイミング用途で１つの一般に使用される共振器構造は、図１Ｃ及び図２に示される音叉の共振器構造である。ここでは、音叉の２つの叉が逆位相で振動し、それにより、共通点での正味運動はゼロになる。これは、係留点での損失が最小に抑えられるため、有利である。
【００４９】
図３では、共振器それ自体の音叉型の基本構造が説明される。構造の一端部は係留点で固定されるため、加速により、かなり高いトルクが生まれ、このトルクが共振器を作動させる。かなり高い加速の結果として、共振器の叉は基板又はケースに接触さえし得る。
【００５０】
図４では、音叉の叉端部の近傍に複数の電極を有するシリコン微小機械音叉共振器が示される。共振器は、共振器電極の近くに配置された対電極を用いて静電的に励起／作動させることができる。
【００５１】
図５では、図４に示された音叉共振器の機能が説明される。共振器アンカー及び電極アンカーは構造の遠位端部に配置されるため、装置は、加速又は外力により生まれる基板の寸法の歪みの影響を受けやすい。共振器電極と対電極との電極間隙は、例えば、基板の変形により影響を受け得る。
【００５２】
図６では、新規のタイプの音叉共振器が説明される。係留点（本明細書では、アンカーという用語は各電極の係留点を指す）を折り畳まれた音叉の叉１、２内部に配置することにより、係留点Ａを共振器の重心近くにすることができる。この構成は、外力からの加速により生じる運動の振幅を大幅に抑制することができる。
【００５３】
図７には、共振器及びアンカーの両方を音叉の叉内部に有する改良された共振器構造が示される。アンカーが共振器の重心の近くに配置され、さらに、互いに近いアンカーを有するため、装置は、加速又は外力により生じる基板の寸法の歪みの影響を受けにくい。
【００５４】
図８には、図７の改良された共振器構造内に接点エリアを構成する１つの可能な技法が示される。ここでは、２つの追加のアンカーが共振器構造外部に配置され、電気接点はこれらの電極に接合される。外側のアンカーは、可撓性梁構造を用いて共振器及び電極に電気的に接続される。電気接点の可撓性により、共振器基板又はケースが変形を受ける場合、又は外側のアンカーが変位する場合であっても、共振器及び電極は変位しない。
【００５５】
図９には、アンカーが右側、音叉の叉の外側、アクチュエータ電極の中心に移動した本発明のそのような実施形態が示される。
【００５６】
係留点を適切に選択することにより、共振器の機械的振動の振幅を低減することができ、それにより、機械的運動は、例えば、電極間隙での寸法が小さいほど高速になり、したがって、大きな寸法の使用に関してより高い容量を達成する。
【００５７】
実施形態によれば、係留点の適切な選択及び共振器の振動部分の長さ又は他の何らかの特性寸法の調整により、振動の特定の周波数成分を共振器の特定の部分にリンクすることができる。それにより、共振器の部分間で位相シフトを生成することができる。
【００５８】
その結果、特に、別の電極枠構造が、共振器の特性部分の寸法によって決まる周波数で逆位相の振動を生成／取り込むために利用される場合、少なくとも理論的に、共振器で発生する特定の調和振動数成分をなくすか、又は抑制することが可能であり、それにより、振動は、上記周波数で、共振器固有の振動位相とは逆位相で動作する。
【０００１】
本発明は、一般的には微小機械共振器の設計に関し、より詳細には、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器の設計に関する。本発明の目的は、特に小規模用途で、厳しい条件下で高い信頼性で使用するために適した構造を有する微小電気機械システム技術（ＭＥＭＳ）の改良された共振器構造を提供することである。
【背景技術】
【０００２】
共振器は、様々なタイミング用途及び周波数基準用途での鍵となる構成要素である。共振器は作動して、共振器又はそのような機能を提供する同様の構成要素の材料、形状、及び／又は特性寸法によって決まる固有特性共振周波数近くで振動する。
【０００３】
基準及びタイミング機能に使用する場合、動作周波数を正確に制御可能／設定可能なことが必須である。典型的な用途では、周波数制御の不正確性は１〜１００ｐｐｍ（百万分の一）の範囲まで許され得る。そのようなｐｐｍレベルの精度は、厳しい制限を製造許容差に設定する。さらに、追加の機械的微調整及び／又は電気的微調整が、最終的な調整で必要なことが多い。
【０００４】
微小機械共振器は、主要な構成要素としてＭＥＭＳに基づく機器に広く使用されている。そのような機器の例として、マイクロジャイロスコープ、マイクロ振動計、マイクロマシン、及びマイクロ波システムを挙げることができる。共振器は静電アクチュエーションにより駆動されて、特性固有共振周波数近くで振動する。
【０００５】
さらに、微小機械共振器を使用して、周波数基準装置内の水晶共振器に基づく技術の実施形態を補完することができ、それにより、特定の用途で水晶に基づく発振器技術に完全に取って代わることができるようになるには、周波数精度を改良しなければならない。
【０００６】
微小機械共振器は、光学リソグラフィとエッチング技術とを、この尺度分類で必要とされるように組み合わせて、従来の水晶に基づく共振器技術よりも優れた利点を提供することにより製造される。しかし、製造プロセスは、製造中の装置の寸法で数パーセントまでのばらつきを生じさせ得る。
【０００７】
従来技術による解決策と本発明の実施形態との関係をよりよく理解するために、以下のように図１Ａ及び図１Ｂを次に参照する：
図１Ａは、従来技術による共振器の基本構造を示し、
図１Ｂは、従来技術による共振器の集中機械モデルを示す。
【０００８】
したがって、図１Ａは、従来技術による共振器それ自体の基本構造を示す。単純な共振器は、バネ要素（梁）と、矩形質量要素（質量）とを備える。バネ要素は、例えば、図１に示されるように、機械的な片持ち梁バネ（梁）であることができる。
【０００９】
図１Ａの単純な共振器では、特性共振周波数ω０は、
【数１】
であり、式中、バネ定数ｋは
【数２】
である。
【００１０】
図１Ｂは、従来技術による基本的な共振器の集中モデルを示す。ここでは、Ｙはバネ材料のヤング係数であり、ｗはバネ要素の幅であり、ｈはバネ要素の高さであり、Ｌはバネ要素の特性長さである。バネ要素の幅ｗは通常、極めて小さく、三乗測依存性により、共振周波数ω０はバネ要素の幅ｗのばらつきの影響を受けやすい。
【００１１】
バネ要素の幅の変化に関連する共振周波数ω０の一次変化は、
【数３】
【００１２】
例えば、式３に基づいて評価すると、バネ要素の幅が４％変動する場合、共振周波数も変動するが、その変動は６％又は６０，０００ｐｐｍと同じ程度であることが分かる。
【００１３】
それに関連して、特許文献１には、周波数のばらつきに関する問題に対する製造精度の影響を制御する従来技術による方法が記載されている。
【００１４】
しかし、摂動状況下では、共振器にかけられる力が、共振器及び／又は共振器の部分を加速させることを通して機能に影響することを理解しなければならない。それにより、共振器が堅牢な設計を有する場合であっても、共振器構造は変形し、振動運動が干渉され得る。強い摂動力の影響はさらに、一端部でのみ支持される長いバネ様構造の広振幅運動を生じさせ、それにより、特定の状況下で構造の他の部分に当たるおそれがあり、さらには、機械的破損を受け、又は構造の動作制御に使用される電気信号に干渉するおそれがある。そのような場合に対処するために、例えば、容量共振器では、保護距離を有する電極間隙を設計する必要があり、これは、十分に高い容量を比較的小さな構造で得なければならない場合に問題を生じさせ得る。他方、より高い容量に向けての目標では、より大きな質量をバネ要素に追加する必要があり得、その結果、例えば、質量の慣性を通して望ましくないように共振周波数に影響し得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０９２８４６ Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、干渉の影響を受けにくいが、高容量と組み合わせられた小型サイズに役立ち、信頼性の高い周波数基準として機能することが可能な、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器のそのような改良された設計構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の第１の態様によれば、本発明による共振器構造は、所与の機械的振幅と組み合わせて振動の特性周波数を有し、それにより、上記機械的振幅の設定は、共振器構造基板の所与のポイントに配置された係留点での係留を通して、第１の振動要素（以下、第１の要素とも言う）と、第２の振動要素（以下、第２の要素とも言う）とを共振器構造内に有することにより達成され、第１の要素及び第２の要素は、上記第１の要素及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方が、上記係留点に関して同期して振動するように構成されるように振動的に適合され、それにより、上記係留点の位置が実質的に、上記第１の要素及び上記第２の要素の寸法により画定される、結合した投影部内にあるように選択される。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、少なくとも１つの支持梁を備えるそのような１種類の上記１つの第１の要素を備える。それにより、支持梁には、上記第１の要素と同様の複数の他のバネ要素を取り付けることができ、他のバネ要素は必ずしも同じ特性寸法を有する必要はない。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１の要素は複数の樹状突起を備える。それにより、各樹状突起は、樹状突起の個々の共振周波数を設定し、且つ／又は上記第１の要素の特性周波数を設定する、断面積、長さ、幅、厚さ、及び／又は質量であり得る個々の特性寸法を有することができる。本発明の実施形態では、樹状突起は、センサ構造及び／又は励起枠構造のいずれかの実施形態での容量用途で電極エリアを提供するために利用することもできる。それにより、支持点の適切な選択により、より小さな振幅の機械的振動の利用が可能になり、その結果、小さな電極間隙により、より高い容量が提供されるため、より小型のサイズも提供する。
【００２１】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、樹状突起は複数の梁様分岐を備える。
【００２２】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方の特性寸法は、上記機械的特性振動の周波数を所与の値に設定するように事前に決定される。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、第１の要素において、複数の樹状突起内の樹状突起のうちの少なくとも１つでは、少なくとも１つの特性寸法は、上記機械的特性振動の周波数を所与の値に設定するように事前に決定される。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、同じ機械的特性振動周波数を有する複数の樹状突起を備える。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、所与の規則下で互いに異なるように調整された機械的特性振動周波数を有するそのような複数の樹状突起を備える。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、樹状突起の特性周波数は、樹状突起の機械的特性寸法及び／又は質量により事前に決定される。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも特定の要素は、異なる向きの接続要素を用いて支持梁に取り付けられた梁様分岐を備える。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、Ｅの形状を有する複数の共振器を備え、上記共振器のうちの少なくとも１つは、文字形状の共振器構造として実施される。
【００２９】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記文字形状の要素のうちの少なくとも１つは、文字Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、Ｆ、Ｈ、Ｉ、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｓ、Ｔ、Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、Ｚを含む群から選択される形状を有する。
【００３０】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、係留点は、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を励起させるように選択される。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、係留点は、所与の機械的寸法の所与の特性周波数で所与の機械的調和振動を抑制するように選択される。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、梁様分岐の間で、励起枠構造を実施するように互いに入り込む梁を備える。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、フラクタル様構造を備える。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、折り畳まれた音叉構造を備える。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造は、Ｔ字形構造を備える。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１及び上記第２の要素のうちの少なくとも一方は、湾曲形状を有するように構成される。
【００３７】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記係留点は、上記第１及び上記第２の要素の振動の特性周波数を設定する所与の寸法が所与の平均律音程の周波数比率になるように選択される。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、本発明の第１の態様による共振器構造では、上記第１の要素、第２の要素、樹状突起、及び支持梁のうちの少なくとも１つは特に、製造での寸法のばらつきに対する共振器の共振周波数変更の受けやすさ、すなわち、ｄ（Δω０／ω０）／ｄδがゼロであるか、又はゼロに近づくような寸法を有する。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、微小機械共振器のバネ構造において、特性寸法と樹状突起の対応する寸法との比率は、最大で１０であり、有利には７以下であり、さらにより有利には５以下である。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、バネ構造は、音叉構造の一部に係留することにより適合される。本発明の実施形態によれば、上記音叉構造は折り畳まれた音叉構造である。それにより、係留点は、音叉のシャフトに適合され、そのシャフトは、音叉構造の叉の間に配置される。本発明の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造は、Ｅ字幾何学的形状を有するように構成される。本発明の別の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造はＴ字幾何学的形状を有するように構成される。本発明の実施形態によれば、それにより、折り畳まれた音叉構造はＥ字並びにＴ字の幾何学的形状を有するように構成される。本発明の実施形態によれば、係留点は、折り畳まれた音叉構造のシャフトを、所与の特性周波数を有する特性寸法に分割し、結果として、音程の周波数比率になるように選択される。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、シャフトの一部は、励起枠構造を実施し、且つ／又はシャフトの別の部分に関して所与の振動位相を維持する個々の樹状突起を有する。位相の維持は、例えば、静電信号を用いて達成することができる。
【００４２】
本発明の実施形態によれば、樹状突起の共振周波数は、以下のように樹状突起の幅、密度、長さ、及びユング係数を用いて表すことができる。
【数４】
本発明の実施形態によれば、微小機械共振器構造は、励起枠構造を実施するアクチュエータ手段を有する。変形実施形態によれば、上記手段は静電的である。本発明の実施形態によれば、電極間隙は、振動の振幅の最大で３倍、有利には２倍の大きさであるように選択される。
【００４４】
本発明の実施形態によれば、共振器構造は、励起枠構造内に、振幅を電気的に減衰させ、且つ／又は共振器構造及びその部分の機械的な力により誘発される運動を完全に結合する部分として静電ダンパーを有する。
【００４５】
図面リスト
従来技術の考察中、図１Ａ〜図１Ｃ及び図２を参照したが、次に、本発明の実施形態の例示について、以下の説明のうちの部分としての図３〜図９を参照することにより説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】従来技術による共振器それ自体の基本構造を示す。
【図１Ｂ】従来技術による共振器それ自体の基本構造の集中機械的モデルを示す。
【図１Ｃ】従来技術による音叉共振器を示す。
【図２】従来技術による音叉共振器を示す。
【図３】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図４】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図５】いくつかの共振器実施形態の音叉構造を示す。
【図６】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図７】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図８】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【図９】本発明の実施形態による共振器構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
示される実施形態では、いくつかの発振器の振動方向は概略的に説明されるが、示される例示の実施形態に示される方向のみに、基板又は土台に関して発生する振動の方向を限定しない。
【００４８】
共振器は、タイミング用途又は周波数基準用途で鍵となる構成要素である。タイミング用途で１つの一般に使用される共振器構造は、図１Ｃ及び図２に示される音叉の共振器構造である。ここでは、音叉の２つの叉が逆位相で振動し、それにより、共通点での正味運動はゼロになる。これは、係留点での損失が最小に抑えられるため、有利である。
【００４９】
図３では、共振器それ自体の音叉型の基本構造が説明される。構造の一端部は係留点で固定されるため、加速により、かなり高いトルクが生まれ、このトルクが共振器を作動させる。かなり高い加速の結果として、共振器の叉は基板又はケースに接触さえし得る。
【００５０】
図４では、音叉の叉端部の近傍に複数の電極を有するシリコン微小機械音叉共振器が示される。共振器は、共振器電極の近くに配置された対電極を用いて静電的に励起／作動させることができる。
【００５１】
図５では、図４に示された音叉共振器の機能が説明される。共振器アンカー及び電極アンカーは構造の遠位端部に配置されるため、装置は、加速又は外力により生まれる基板の寸法の歪みの影響を受けやすい。共振器電極と対電極との電極間隙は、例えば、基板の変形により影響を受け得る。
【００５２】
図６では、新規のタイプの音叉共振器が説明される。係留点（本明細書では、アンカーという用語は各電極の係留点を指す）を折り畳まれた音叉の叉１、２内部に配置することにより、係留点Ａを共振器の重心近くにすることができる。この構成は、外力からの加速により生じる運動の振幅を大幅に抑制することができる。
【００５３】
図７には、共振器及びアンカーの両方を音叉の叉内部に有する改良された共振器構造が示される。アンカーが共振器の重心の近くに配置され、さらに、互いに近いアンカーを有するため、装置は、加速又は外力により生じる基板の寸法の歪みの影響を受けにくい。
【００５４】
図８には、図７の改良された共振器構造内に接点エリアを構成する１つの可能な技法が示される。ここでは、２つの追加のアンカーが共振器構造外部に配置され、電気接点はこれらの電極に接合される。外側のアンカーは、可撓性梁構造を用いて共振器及び電極に電気的に接続される。電気接点の可撓性により、共振器基板又はケースが変形を受ける場合、又は外側のアンカーが変位する場合であっても、共振器及び電極は変位しない。
【００５５】
図９には、アンカーが右側、音叉の叉の外側、アクチュエータ電極の中心に移動した本発明のそのような実施形態が示される。
【００５６】
係留点を適切に選択することにより、共振器の機械的振動の振幅を低減することができ、それにより、機械的運動は、例えば、電極間隙での寸法が小さいほど高速になり、したがって、大きな寸法の使用に関してより高い容量を達成する。
【００５７】
実施形態によれば、係留点の適切な選択及び共振器の振動部分の長さ又は他の何らかの特性寸法の調整により、振動の特定の周波数成分を共振器の特定の部分にリンクすることができる。それにより、共振器の部分間で位相シフトを生成することができる。
【００５８】
その結果、特に、別の電極枠構造が、共振器の特性部分の寸法によって決まる周波数で逆位相の振動を生成／取り込むために利用される場合、少なくとも理論的に、共振器で発生する特定の調和振動数成分をなくすか、又は抑制することが可能であり、それにより、振動は、上記周波数で、共振器固有の振動位相とは逆位相で動作する。