(57)【要約】【課題】可動電極の非線形な動作もなく、振動デバイスの大きさも増加させない、周波数調整が可能な振動デバイスを提供すること。【解決手段】  振動デバイスは、基板に対して変位可能な梁３９と、前記梁から伸びた櫛歯状の可動電極４１、４２と、前記基板６０に固定され且つ前記可動電極の櫛歯状の電極に間挿した櫛歯状の固定電極３１、３２と、を備える振動子３と、前記振動子を発振させる発振回路と、前記可動電極と前記固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路と、を備える。【選択図】図２
2014011531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して変位可能な梁と、  前記梁から伸びた櫛歯状の可動電極と、前記基板に固定され且つ前記可動電極の櫛歯状の電極に間挿した櫛歯状の固定電極と、を備える振動子と、
前記振動子を発振させる発振回路と、
前記可動電極と前記固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路と、を備える振動デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の振動デバイスにおいて、
前記可動電極は、
平面視で前記梁を挟んで、一方の側に配置された櫛歯状の第１の可動電極と、他方の側に配置された櫛歯状の第２の可動電極とを含み、
前記固定電極は、
前記第１の可動電極に間挿した櫛歯状の第１の固定電極と、前記第２の可動電極に間挿した櫛歯状の第２の固定電極とを含み、
前記バイアス回路は、
前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第１のバイアス回路と、
前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第２のバイアス回路と、を備える振動デバイス。
【請求項３】
請求項２に記載の振動デバイスにおいて、
前記振動子は、
前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とが電気的に接続された前記可動電極と、
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とが電気的に絶縁された前記固定電極と、を備える振動デバイス。
【請求項４】
請求項２に記載の振動デバイスにおいて、
前記振動子は、
前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とが電気的に絶縁された前記可動電極と、
前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とが電気的に接続された前記固定電極と、を備える振動デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動デバイスにおいて、
前記振動子は、
前記梁の両端が前記基板に固定されている振動デバイス。
【請求項６】
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と、前記梁から伸びた櫛歯状の可動電極と、前記基板に固定され且つ前記可動電極の櫛歯状の電極に間挿した櫛歯状の固定電極と、を備える振動子と、
前記振動子を発振させる発振回路と、
前記可動電極と前記固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路と、を備え、
前記固定電極は、
前記可動電極を構成する電極の一方の側に第３の固定電極が配置されている振動デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の振動デバイスにおいて、
前記固定電極は、
前記可動電極を構成する電極の他方の側に第４の固定電極が配置され、
前記第３の固定電極と前記第４の固定電極とは、電気的に絶縁され、
前記バイアス回路は、
前記可動電極と前記第３の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第３のバイアス回路と、
前記可動電極と前記第４の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第４のバイアス回路と、を備える振動デバイス。
【請求項８】
請求項１乃至７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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動デバイス、電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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）。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２３２７９１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１１１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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、新たに引っ張り応力を発生させる電極を、振動子と同一平面状に別途設ける必要がある。そのため、振動デバイスが大きくなってしまうという課題があった。
【０００９】
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、可動電極の非線形な動作もなく、振動デバイスの大きさも増加させない、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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
［適用例１］
本適用例に係る振動デバイスは、基板に対して変位可能な梁と、前記梁から伸びた櫛歯状の可動電極と、前記基板に固定され且つ前記可動電極の櫛歯状の電極に間挿した櫛歯状の固定電極と、を備える振動子と、前記振動子を発振させる発振回路と、前記可動電極と前記固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路と、を備える。
【００１２】
［適用例２］
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、平面視で前記梁を挟んで、一方の側に配置された櫛歯状の第１の可動電極と、他方の側に配置された櫛歯状の第２の可動電極とを含み、前記固定電極は、前記第１の可動電極に間挿した櫛歯状の第１の固定電極と、前記第２の可動電極に間挿した櫛歯状の第２の固定電極とを含み、前記バイアス回路は、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第１のバイアス回路と、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第２のバイアス回路と、を備えてもよい。
【００１３】
［適用例３］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記振動子は、前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とが電気的に接続された前記可動電極と、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とが電気的に絶縁された前記固定電極と、を備えてもよい。
【００１４】
［適用例４］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記振動子は、前記第１の可動電極と前記第２の可動電極とが電気的に絶縁された前記可動電極と、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極とが電気的に接続された前記固定電極と、を備えてもよい。
【００１５】
［適用例５］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記振動子は、前記梁の両端が前記基板に固定されていてもよい。
【００１６】
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梁と、梁から伸びた櫛歯状の可動電極と基板に固定されている櫛歯状の固定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、可動電極と固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路とを含む。ここで、振動子において、可動電極の櫛歯状の電極に固定電極の櫛歯状の電極が間挿されている。そのため、バイアス回路から与えられる直流バイアス電圧によって、両電極間に静電力が働いて可動電極が変位する、いわゆるコムドライブアクチュエーターを構成する。
【００１７】
例えば、静電力によって可動電極が固定電極に引きつけられると、可動電極を支持する梁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、バイアス回路が可動電極と固定電極との間に与える直流バイアス電圧を調整することで、共振周波数の調整が可能である。
【００１８】
このとき、特許文献１の発明のように可動電極と固定電極とが平行平板形状になってい
るわけではないので、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問題はない。また、可動電極と固定電極とが互いに引き合うので、引っ張り応力を発生させるための電極を別途設ける必要はない。つまり、振動デバイスのサイズが大きくなってしまうという問題もない。従って、これらの適用例に係る振動デバイスは、可動電極の非線形な動作もなく、振動デバイスの大きさも増加させずに、周波数を調整することができる。
【００１９】
ここで、振動子の可動電極は弾性を有する梁で支持されているが、可動電極は平面視で梁を挟む両側にそれぞれ櫛歯状の電極が伸びていてもよい。このとき、可動電極は一方の側の櫛歯状の電極を有する第１の可動電極と、他方の側の櫛歯状の電極を有する第２の可動電極とを含むことになる。そして、固定電極も、第１の可動電極に間挿した櫛歯状の第１の固定電極と、第２の可動電極に間挿した櫛歯状の第２の固定電極と、を含んでもよい。
【００２０】
このような構成の場合、バイアス回路は、第１の可動電極と第１の固定電極との間、第２の可動電極と第２の固定電極との間のそれぞれに、独立の直流バイアス電圧を与えることができる。そのため、これらの直流バイアス電圧の差によって梁に掛かる引っ張り応力を調整でき、結果として可動電極の共振周波数の調整の幅を広げることができる。
【００２１】
さらに、第１の可動電極と第２の可動電極とが電気的に接続されており、第１の固定電極と第２の固定電極とが電気的に絶縁されていてもよい。この場合には、第１の固定電極と第２の固定電極にそれぞれ独立の直流バイアス電圧を与えることができ、かつ位相が１８０度異なる交流電圧を与えることが可能である。従って、共振周波数を幅広く調整でき、かつ交流電圧によって可動電極を大きく振動させることができる。
【００２２】
ここで、逆に第１の可動電極と第２の可動電極とが電気的に絶縁されており、第１の固定電極と第２の固定電極とが電気的に接続されていてもよい。この場合にも、共振周波数を幅広く調整でき、かつ交流電圧によって可動電極を大きく振動させることができる。
【００２３】
また、振動子は梁の両端が基板に固定されている両持ち梁構造であってもよい。両持ち梁構造にすることで、梁に効率的に引っ張り応力を与えることができ、共振周波数を幅広く調整することができる。
【００２４】
［適用例６］
本適用例に係る振動デバイスは、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と、前記梁から伸びた櫛歯状の可動電極と、前記基板に固定され且つ前記可動電極の櫛歯状の電極に間挿した櫛歯状の固定電極と、を備える振動子と、前記振動子を発振させる発振回路と、前記可動電極と前記固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路と、を備え、前記固定電極は、前記可動電極を構成する電極の一方の側に第３の固定電極が配置されている。
【００２５】
［適用例７］
前記適用例に係る振動デバイスにおいて、前記固定電極は、前記可動電極を構成する電極の他方の側に第４の固定電極が配置され、前記第３の固定電極と前記第４の固定電極とは、電気的に絶縁され、前記バイアス回路は、前記可動電極と前記第３の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第３のバイアス回路と、前記可動電極と前記第４の固定電極との間に直流バイアス電圧を与える第４のバイアス回路と、を備えてもよい。
【００２６】
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を備える振動子と、振動子を発振させる発振回路と、可動電極と固定電極との間に直流バイアス電圧を与えるバイアス回路とを含む。ここで、可動電極は基
板に一端が固定された弾性を有する梁で支持されている。そして、固定電極は、可動電極を構成する電極の一方の側（例えば、可動電極の櫛歯状の電極に対して、梁の固定部から遠い側）に間挿された櫛歯状の電極を有する第３の固定電極を含む。そのため、バイアス回路から与えられる直流バイアス電圧によって、両電極間に静電力が働いて可動電極が一方（例えば、梁の固定部から遠ざかる方向）に変位する、いわゆるコムドライブアクチュエーターを構成する。
【００２７】
例えば、静電力によって可動電極が固定電極（ここでは、第３の固定電極）に引きつけられると、可動電極を支持する梁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、バイアス回路が可動電極と固定電極との間に与える直流バイアス電圧を調整することで、共振周波数の調整が可能である。
【００２８】
このとき、特許文献１の発明のように可動電極と固定電極とが平行平板形状になっているわけではないので、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問題はない。また、可動電極と固定電極とが互いに引き合うので、引っ張り応力を発生させるための電極を別途設ける必要はない。つまり、振動デバイスのサイズが大きくなってしまうという問題もない。
【００２９】
従って、これらの適用例に係る振動デバイスは、可動電極の非線形な動作もなく、振動デバイスの大きさも増加させずに、周波数を調整することができる。また、片持ち梁構造をとることで、振動子は様々な形状の可動電極を用いることができ、柔軟な設計を行うことが可能になる。
【００３０】
ここで、固定電極は、可動電極の櫛歯状の電極に対して、第３の固定電極とは異なる他方の側（例えば、梁の固定部に近い側）に間挿された櫛歯状の電極を有する第４の固定電極を含んでいてもよい。このとき、第３の固定電極と第４の固定電極とは電気的に絶縁されており、バイアス回路は、可動電極と第３の固定電極との間、可動電極と第４の固定電極との間のそれぞれに、独立の直流バイアス電圧を与えることができる。そのため、これらの直流バイアス電圧の差によって梁に掛かる引っ張り応力または圧縮応力を調整でき、結果として可動電極の共振周波数の調整の幅を広げることができる。
【００３１】
［適用例８］
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。
【００３２】
前記適用例に係る振動デバイスは、可動電極の非線形な動作もなく、振動デバイスの大きさも増加させずに、周波数を調整することができる。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、小型でありながら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、サイズを小さくできて、精度の高い時刻表示を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１実施形態の振動デバイスのブロック図。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】櫛歯状の電極間の静電力を説明するための図。
【図６】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。
【図７】第１変形例の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す平面図。
【図８】第２変形例の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す平面図。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】第２実施形態の振動デバイスにおける可動電極の振動を模式的に示す図。
【図１３】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。
【図１４】第３変形例の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す平面図。
【図１５】第３変形例の振動デバイスのＭＥＭＳ振動子を模式的に示す側面図。
【図１６】適用例の電子機器のブロック図。
【図１７】図１７（Ａ）〜図１７（Ｃ）は電子機器の外観の一例を示す図。
【図１８】平行平板形状の電極を含む振動子を模式的に示す平面図。
【図１９】平行平板形状の電極を含む振動子を模式的に示す側面図。
【図２０】平行平板形状の電極間の静電力を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
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、バイアス回路４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と固定電極を備える。バイアス回路４は可動電極と固定電極との間に直流バイアス電圧を与えて振動子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。
【００３６】
バイアス回路４は、受け取った制御信号１１０に基づいて、可動電極と固定電極との間に与える直流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。
【００３７】
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。
【００３８】
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と可動電極とを備える。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梁３９を挟んで対向して配置されている。第１の固定電極３１および第２の固定電極３２は、梁３９に向かって伸び、梁３９の長手方向と直交する櫛歯状の電極を備えている。
【００３９】
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、梁３９は可動電極と一体的に形成されているものとする。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、可動電極は両持ち梁構造となっている。
【００４０】
可動電極は、第１の固定電極３１の櫛歯状の電極に間挿された櫛歯状の電極を有する。すなわち、可動電極は、図２の平面図において梁３９からＹ軸正方向に伸び、第１の固定電極３１の櫛歯状の電極に間挿された櫛歯状の電極を有する。ここで、可動電極のうち梁３９からＹ軸正方向に伸びる電極を含む部分を第１の可動電極４１とする。
【００４１】
また、可動電極は、第２の固定電極３２の櫛歯状の電極に間挿された櫛歯状の電極を有する。すなわち、可動電極は、図２の平面図において梁３９からＹ軸負方向に伸び、第２の固定電極３２の櫛歯状の電極に間挿された櫛歯状の電極を有する。ここで、可動電極のうち梁３９からＹ軸負方向に伸びる電極を含む部分を第２の可動電極４２とする。なお、図２では図示の都合上、第１の固定電極３１の電極の一部が第１の可動電極４１に、第２の固定電極３２の電極の一部が第２の可動電極４２に入り込んでいるが、第１の可動電極４１および第２の可動電極４２は可動電極の一部であって固定電極の電極を含むものではない。
【００４２】
第１の可動電極４１と前記第２の可動電極４２とは電気的に接続されている。その一方で、第１の固定電極３１と第２の固定電極３２は電気的に絶縁されている。従って、第１の可動電極４１と第１の固定電極３１との間、第２の可動電極４２と第２の固定電極３２との間に独立して交流電圧や直流バイアス電圧を与えることができる。従って、本実施形態の振動デバイス１の振動子３は、図２に示すような２つの振動子３Ａ、３Ｂを含んで構成されていると言える。
【００４３】
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、櫛歯状の電極を示すために、一部を透過させて点線で表示している。
【００４４】
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（例えばＹ方向）に変位することができる。
【００４５】
可動電極（図３では第２の可動電極４２）の櫛歯状の電極と固定電極（図３では第２の固定電極３２）の櫛歯状の電極とは、図３に示すように互いに間挿されており、これらの電極間に与えられた電圧に応じて可動電極が移動するコムドライブアクチュエーターを構成している。
【００４６】
図４は、本実施形態の振動デバイス１における可動電極の変形を模式的に示す図である。具体的には、直流バイアス電圧を与えることによって、可動電極を支持する梁３９に引っ張り応力が掛かり、第２の固定電極３２側に近づくように変形している様子を表す。そして、発振回路２（図１参照）から位相が互いに１８０度異なる交流電圧が、第１の固定電極３１、第２の固定電極３２に与えられて、図４に示した可動電極がＹ軸方向に振動する。なお、図２と同じ要素については同じ符号を付しており説明を省略する。
【００４７】
ここで、直流バイアス電圧について詳しく説明する。本実施形態では、バイアス回路４（図１参照）は独立した第１のバイアス回路（不図示）と第２のバイアス回路（不図示）を含み、第１のバイアス回路は第１の可動電極４１と第１の固定電極３１との間に直流バイアス電圧を与え、第２のバイアス回路は第２の可動電極４２と第２の固定電極３２との間に直流バイアス電圧を与える。このとき、第１のバイアス回路と第２のバイアス回路とは独立して直流バイアス電圧を与えることができる。
【００４８】
与えられた直流バイアス電圧によって後述するような静電力が作用するため、可動電極はより電位差の大きい固定電極側（図４の例では第２の固定電極３２側）に定常的に引きつけられることになる。そして、１８０度異なる交流電圧が、第１の固定電極３１、第２の固定電極３２に与えられることで、可動電極はその共振周波数で大きく振動する。
【００４９】
ここで、直流バイアス電圧が与えられていない状態（図２参照）と比べると、可動電極と一体化され可動電極を支持している梁３９に引っ張り応力が掛かることで、可動電極の共振周波数は高くなる。すなわち、第１のバイアス回路と第２のバイアス回路とが与える直流バイアス電圧の差に応じて、可動電極の共振周波数を調整することが可能になる。１つのバイアス回路だけでなく、独立した２つのバイアス回路（第１のバイアス回路、第２のバイアス回路）の電圧の差で調整が可能であるため、可動電極の共振周波数の調整の幅を広げることができる。
【００５０】
また、振動子３では可動電極の櫛歯状の電極と固定電極の櫛歯状の電極とは互いに間挿されて、これらの電極間に与えられた電圧に応じて可動電極が移動するコムドライブアクチュエーターを構成しているが、この構成の利点について以下に説明する。
【００５１】
図５は、互いに間挿された櫛歯状の電極間の静電力を説明するための図である。なお、図５の電極３０は、図２の振動子３の一部を構成する電極３０に対応し、図５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。
【００５２】
図５において、Ｙ軸正方向への静電力Ｆｅｓを考える。櫛歯状の電極の高さ（図５ではＺ軸方向）をｈ、櫛歯状の電極の間隔（図５ではＸ軸方向）をｇ、Ｙ軸方向の櫛歯状の電極の初期の重なり距離をｙ０、可動電極の櫛歯状の電極のＹ軸正方向への変位をｙ、対向する櫛歯状の電極がｎ対であるとすると、静電力Ｆｅｓは下記の式（１）で表される。
【００５３】
【数１】
2014011531.tif 000003
ここで、ε０は真空の誘電率、εｒは電極間を満たす物質の比誘電率である。また、Ｖは電極間の電位差である。式（１）の通り静電力Ｆｅｓは変位ｙや初期の重なり距離ｙ０に対する依存性をもたない。このことは、互いに間挿された櫛歯状の電極を用いた構造とすることで、周波数調整を行っても非線形動作の影響を受けないことを意味する。
【００５４】
このことについて詳しく説明するために、比較例となる平行平板形状の電極間の静電力を求める。図１８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１８は、Ｚ軸正方向から振動子１０３を見ている。
【００５５】
この比較例の振動子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。
【００５６】
図１９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２０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２０の電極１３０は、図１９の振動子１０３の一部を構成する電極１３０に対応し、図２０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。
【００５７】
図２０において、Ｚ軸正方向への静電力Ｆｅｓ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ｚ０、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Ｆｅｓは下記の式（２）で表される。なお、面積
Ａは、図２０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
【００５８】
【数２】
2014011531.tif 000004
ここで、式（１）と同様に、ε０は真空の誘電率、εｒ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。比較例のような平行平板形状の電極では、式（２）から明らかなように電極間に働く静電力Ｆｅｓは非線形であり、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て、非線形な動作が目立つことになる。
【００５９】
一方、本実施形態のように互いに間挿された櫛歯状の電極では、式（１）で示したように、電極間に働く静電力Ｆｅｓに変位ｙ（式（２）の変位ｚに対応）への依存性はない。従って、本実施形態の振動デバイス１の振動子３は、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問題はない。また、可動電極と固定電極とが互いに引き合うので、引っ張り応力を発生させるための電極を別途設ける必要はない。つまり、振動デバイス１のサイズが大きくなってしまうという問題もない。
【００６０】
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６に示すような回路構成で実現できる。前記のように、振動子３は２つの振動子３Ａ、３Ｂ（図２参照）を含んで構成されていると言える。そして、振動子３Ａ、３Ｂが互いに位相が１８０度異なる交流信号１００Ａ、１００Ｂを受け取ることで、両持ち梁構造の可動電極は図２のＹ軸方向に大きく振動する。
【００６１】
発振回路２は、位相反転増幅回路２０を含み、コンデンサーを介して互いに位相が１８０度異なる交流信号１００Ａ、１００Ｂを出力する。そして、その一方（例えば交流信号１００Ｂ）を目的とする周波数のクロックパルス１００として出力する。
【００６２】
振動子３の共振周波数を所望の値に調整するためには、バイアス回路４によって適切な直流バイアス電圧を電極間に与える必要がある。図６の回路構成例では、バイアス回路４は、抵抗分割によって直流バイアス電圧を電極間に与える第１のバイアス回路４Ａおよび第２のバイアス回路４Ｂを含む。
【００６３】
第１のバイアス回路４Ａは、制御信号１１０Ａに従って可変の抵抗値Ｒ２Ａを変更し、第１の可動電極４１（図２参照）と第１の固定電極３１（図２参照）との間の直流バイアス電圧を調整する。また、第２のバイアス回路４Ｂは、制御信号１１０Ｂに従って第２の可動電極４２（図２参照）と第２の固定電極３２（図２参照）との間の直流バイアス電圧を調整する。なお、制御信号１１０Ａおよび制御信号１１０Ｂは、図１の制御信号１１０に対応する。
【００６４】
以上のように、本実施形態の振動デバイス１は、バイアス回路４（図１参照）が可動電極と固定電極との間に与える直流バイアス電圧を調整することで、共振周波数の調整が可能である。このとき、可動電極と固定電極とが平行平板形状になっているわけではないので、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問題はない。また、可動電極と固定電極とが互いに引き合うので、引っ張り応力を発生させるための電極を別途設ける必要はない。つまり、振動デバイス１のサイズが大きくなってしまうという問題もない。
【００６５】
２．第１実施形態の変形例
第１実施形態の変形例について図７〜図９を用いて説明する。なお、図１〜図６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１実施形態の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。
【００６６】
２．１．第１変形例
図７は、第１変形例の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す平面図である。本変形例の振動子３は、第１実施形態と異なり、第１の可動電極４１と前記第２の可動電極４２とは電気的に絶縁されている。具体的には絶縁体３８によって２つの可動電極に分離されている。その一方で、固定電極３４は電気的に接続されており、第１実施形態のように第１の固定電極３１（図２参照）と第２の固定電極３２（図２参照）とに分離されていない。
【００６７】
本変形例は、第１実施形態における固定電極と可動電極の扱いを交換したものである。しかし、振動子３が２つの振動子３Ａ、３Ｂを含んで構成されていることは同じであり、第１実施形態と同じ回路構成（図６参照）が可能である。そして、本変形例の振動デバイス１は、第１実施形態と同じように、可動電極の非線形な動作もなく、その大きさも増加させず、周波数調整が可能である。
【００６８】
２．２．第２変形例
図８は、第２変形例の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す平面図である。本変形例の振動子３は、第１実施形態と異なり、１組の固定電極（第１の固定電極３１）と可動電極（第１の可動電極４１）しか持たない。このとき、バイアス回路４（図１参照）によって、これらの電極間に直流バイアス電圧を調整することで振動子３の共振周波数を調整する。
【００６９】
図９は、本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、ただ１つの振動子３を含んでおり、発振回路２は、インバーターと帰還抵抗を用いて位相調整を行う。なお、バイアス回路４については、図６の第１のバイアス回路４Ａと同じ回路構成であってもよい。
【００７０】
本変形例の振動デバイス１は、第１実施形態と同じように、可動電極の非線形な動作もなく、周波数調整が可能である。そして、本変形例の振動デバイス１は、可動電極の振動幅は第１実施形態ほど大きくできないが、振動子３の回路面積を小さくできるので、よりサイズの小さい振動デバイス１を実現できる。
【００７１】
３．第２実施形態
第２実施形態について図１０〜図１３を用いて説明する。なお、図１〜図９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。
【００７２】
図１０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１０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と固定電極（第３の固定電極３５、第４の固定電極３６）とを備える。
【００７３】
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１０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からは櫛歯状に突起した電極が設けられている。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。
【００７４】
固定電極は、基板６０の上に固定されている第３の固定電極３５、第４の固定電極３６を含む。第３の固定電極３５と第４の固定電極３６は、それぞれ梁３９に向かって伸び、梁３９の長手方向と直交する櫛歯状の電極を備えている。固定電極の櫛歯状の電極は、可動電極の櫛歯状の電極に間挿されている。ここで、第３の固定電極３５の櫛歯状の電極は、可動電極の櫛歯状の電極に対して、固定部６２から遠い側に間挿されている。一方、第４の固定電極３６の櫛歯状の電極は、可動電極の櫛歯状の電極に対して、固定部６２に近い側に間挿されている。
【００７５】
本実施形態では、第３の固定電極３５と前記第４の固定電極３６とは電気的に絶縁されており、バイアス回路４（図１参照）は独立した第３のバイアス回路（不図示）と第４のバイアス回路（不図示）を含み、第３のバイアス回路は可動電極３７と第３の固定電極３５との間に直流バイアス電圧を与え、第４のバイアス回路は可動電極３７と第４の固定電極３６との間に直流バイアス電圧を与える。このとき、第３のバイアス回路と第４のバイアス回路とは独立して直流バイアス電圧を与えることができる。
【００７６】
図１１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。なお、櫛歯状の電極を示すために、一部を透過させて点線で表示している。
【００７７】
図１１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１１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。
【００７８】
可動電極３７の櫛歯状の電極と固定電極（第３の固定電極３５、第４の固定電極３６）の櫛歯状の電極とは、図１１に示すように互いに間挿されており、これらの電極間に与えられた電圧に応じて可動電極が移動するコムドライブアクチュエーターを構成している。
【００７９】
ここで、可動電極３７の櫛歯状の電極に対して、第３の固定電極３５の櫛歯状の電極は、固定部６２から遠い側に間挿されている。従って、可動電極３７と第３の固定電極３５との間に直流バイアス電圧を与えると、可動電極３７の櫛歯状の電極は第３の固定電極３５側に近づくように静電力が働く。すなわち、固定部６２から離れる方向（Ｘ軸正方向）に、可動電極３７の櫛歯状の電極に対して静電力（図１０のＦ１参照）が働く。
【００８０】
一方、可動電極３７の櫛歯状の電極に対して、第４の固定電極３６の櫛歯状の電極は、固定部６２に近い側に間挿されている。従って、可動電極３７と第４の固定電極３６との間に直流バイアス電圧を与えると、可動電極３７の櫛歯状の電極は第４の固定電極３６側に近づくように静電力が働く。すなわち、固定部６２に近づく方向（Ｘ軸負方向）に、可動電極３７の櫛歯状の電極に対して静電力が働く。
【００８１】
本実施形態では前記の通り、バイアス回路４（図１参照）は独立した第３のバイアス回路と第４のバイアス回路を含み、第３のバイアス回路は可動電極３７と第３の固定電極３５との間に直流バイアス電圧（以下、正方向バイアス電圧とする）を与え、第４のバイアス回路は可動電極３７と第４の固定電極３６との間に直流バイアス電圧（以下、負方向バイアス電圧とする）を与える。よって、正方向バイアス電圧と負方向バイアス電圧が等しければつりあって打ち消しあうが、これらの電圧が異なっている場合は釣り合いが崩れ、可動電極３７の梁３９に引っ張り応力（Ｘ軸正方向に作用する力）又は圧縮応力（Ｘ軸負
方向に作用する力）を加えるように作用する。この性質を利用して、可動電極３７の共振周波数を変化させることができる。
【００８２】
ここで、可動電極３７の振動については第１実施形態と同様である。つまり、第３の固定電極３５と第４の固定電極３６に交流電圧が与えられることで、可動電極はその共振周波数でＹ方向に振動する。
【００８３】
図１２は、本実施形態の振動デバイス１における可動電極３７の振動を模式的に示す図である。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を持つ音叉構造である。そのため、この例では一方（上側）の梁３９がＹ軸正方向に変位し、他方（下側）の梁３９がＹ軸負方向に変位している。なお、この例において正方向バイアス電圧が負方向バイアス電圧よりも強く、図１０のＦ１で示す静電力が作用している。そのため、定常的に可動電極３７の櫛歯状の電極が第３の固定電極３５側に引きつけられ、共振周波数の調整が行われている。
【００８４】
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１３に示すような回路構成で実現できる。前記のように、振動子３には２つの独立したバイアス回路である第３のバイアス回路４Ｃと第４のバイアス回路４Ｄによって、直流バイアス電圧を与えることができる。第３のバイアス回路４Ｃと第４のバイアス回路４Ｄは、それぞれ制御信号１１０Ｃ、１１０Ｄで調整可能な可変抵抗を含む抵抗分割回路（図６参照）で構成されていてもよいし、他のバイアス回路（例えばトランジスターを用いるもの）が用いられてもよい。なお、発振回路２については図９と同じであるため説明を省略する。
【００８５】
以上のように、本実施形態の振動デバイス１は、バイアス回路４が可動電極と固定電極との間に与える直流バイアス電圧を調整することで、共振周波数の調整が可能である。このとき、可動電極と固定電極とが平行平板形状になっているわけではないので、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問題はない。また、可動電極と固定電極とが互いに引き合うので、引っ張り応力を発生させるための電極を別途設ける必要はない。つまり、振動デバイス１のサイズが大きくなってしまうという問題もない。
【００８６】
４．第２実施形態の変形例
第２実施形態の変形例について図１４〜図１５を用いて説明する。なお、図１〜図１３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実施形態の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。
【００８７】
図１４は、第２実施形態の変形例である第３変形例の振動デバイス１の振動子３を模式的に示す平面図である。本変形例の振動子３は、第２実施形態と異なり、第４の固定電極３６を含まない。そのため、第２実施形態の振動デバイス１の振動子３よりも回路構造が簡単になり、例えば製造の歩留まり向上が期待できる。
【００８８】
図１５は、本変形例の振動デバイス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。なお、櫛歯状の電極を示すために、一部を透過させて点線で表示している。第２実施形態と異なり、可動電極の櫛歯状の電極に対して、固定部６２から遠い側に間挿されている第３の固定電極３５の櫛歯状の電極しか存在しない。そのため、バイアス回路４からの直流バイアス電圧によって、可動電極３７の梁３９には、引っ張り応力（Ｘ軸正方向に作用する力）だけが作用する。なお、このような振動子３を用いて、本変形例の振動デバイス１は例えば図９に示すような回路構成で実現できる。
【００８９】
本変形例の振動デバイス１は、第２実施形態と同じように、可動電極の非線形な動作も
なく、その大きさも増加させず、周波数調整が可能である。なお、本変形例の振動デバイス１は、可動電極３７に引っ張り応力だけが作用するので、共振周波数の調整幅は第２実施形態ほど大きくできない。しかし、前記のように、回路構造が簡単になり、例えば製造の歩留まり向上が期待できる。
【００９０】
５．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１６〜図１７を用いて説明する。なお、図１〜図１５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。
【００９１】
図１６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１６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。
【００９２】
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直流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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
音出力部３８０は、スピーカー等の音を出力する装置である。
【０１００】
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は小型にできるため、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。
【０１０１】
図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）および図１７（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１７（Ａ）に示すような時計であってもよいし、図１７（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１７（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１７（Ａ）〜図１７（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。
【０１０２】
図１７（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１７（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１７（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小型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。
【０１０３】
６．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。
【０１０４】
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。
【符号の説明】
【０１０５】
１  振動デバイス、２  発振回路、３  振動子、３Ａ  振動子、３Ｂ  振動子、４  バイアス回路、４Ａ  第１のバイアス回路、４Ｂ  第２のバイアス回路、４Ｃ  第３のバイアス回路、４Ｄ  第４のバイアス回路、２０  位相反転増幅回路、３０  電極、３１  第１の固定電極、３２  第２の固定電極、３４  固定電極、３５  第３の固定電極、３６  第４の固定電極、３７  可動電極、３８  絶縁体、３９  梁、４１  第１の可動電極、４２
第２の可動電極、６０  基板、６２  固定部、６４  支持部材、１００  クロックパルス、１００Ａ  交流信号、１００Ｂ  交流信号、１０３  振動子、１１０  制御信号、１１０Ａ  制御信号、１１０Ｂ  制御信号、１１０Ｃ  制御信号、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
【図１】
2014011531.tif 000005
【図２】
2014011531.tif 000006
【図３】
2014011531.tif 000007
【図４】
2014011531.tif 000008
【図５】
2014011531.tif 000009
【図６】
2014011531.tif 000010
【図７】
2014011531.tif 000011
【図８】
2014011531.tif 000012
【図９】
2014011531.tif 000013
【図１０】
2014011531.tif 000014
【図１１】
2014011531.tif 000015
【図１２】
2014011531.tif 000016
【図１３】
2014011531.tif 000017
【図１４】
2014011531.tif 000018
【図１５】
2014011531.tif 000019
【図１６】
2014011531.tif 000020
【図１７】
2014011531.tif 000021
【図１８】
2014011531.tif 000022
【図１９】
2014011531.tif 000023
【図２０】
2014011531.tif 000024