(57)【要約】  デバイス（１０）は、その縦軸（Δ）に沿って伸張／圧縮するように振動し、その中央平面（π）に振動ノード（Ｎ）を有し、その振動が半径方向の伸張／圧縮変形を自然に発生させる柱状共振器（Ｒ）と、該共振器を包囲する中空柱体（２）と、該中央平面に位置決めされ該共振器の柱状面と該中空柱体の内側柱状面とに固定的に接続された膜（１）とを備える機械的分離モジュールとを備える。該中空柱体は、該共振器の振動と逆位相で伸張／圧縮するように振動し、該中空柱体と該共振器の半径方向変形の影響が該中央平面に近接した該中空柱体の外面上に位置する領域（ＺＦ）において互いに相殺し合うことを可能にする。【選択図】図３Ｂ
2013531951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器と機械的分離モジュールとを含むデバイスであって、前記共振器が、その中心縦軸に沿って伸張／圧縮モードで振動する直柱によって形成され、前記縦軸に垂直な中央平面に振動ノードを有し、前記振動が半径方向の伸張／圧縮変形を自然に誘起するデバイスであって、前記分離モジュールが、間隙を介して前記共振器を包囲し前記共振器の中心縦軸及び中央平面と一致する中心縦軸及び中央平面を有する中空の直柱と、前記中央平面に位置決めされ、前記共振器の柱状面及び前記中空柱体の内側柱状面に固定的に接続された膜とを含み、前記中空柱体が、前記共振器の振動と逆位相でその縦軸に沿って伸張／圧縮モードで振動し、その結果、前記中空柱体と前記共振器の半径方向変形の影響が、前記中央平面に近接した前記中空柱体の外面上に位置する領域で互いに相殺し合うことを特徴とするデバイス。
【請求項２】
間隙を介して前記中空柱体を包囲し前記共振器の中心縦軸及び中央平面と一致する中心縦軸及び中央平面を有する追加の中空の直柱と、前記中央平面に位置決めされ、前記中空柱体の外側柱状面と前記追加の中空柱体の内側柱状面とに固定的に接続された追加の膜とを備え、前記追加の中空柱体が、前記中空柱体の振動と逆位相でその縦軸に沿って伸張／圧縮モードで振動することを特徴とする請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
平らなプレート状の材料に形成され、前記平らなプレートの厚み寸法が前記共振器の縦軸上に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記デバイスがモノリシックであり、前記材料がシリカ等の超低粘性減衰の等方性材料であり、前記共振器と前記中空柱体の準線が円形をなすことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
前記デバイスがモノリシックであり、前記材料が水晶であり、前記平らなプレートが結晶面ＸＹに平行であり、前記共振器と前記中空柱体の準線が、Ｙ軸に平行な各辺を有する正三角形をなすことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
前記プレートがＳＯＩプレートであり、前記共振器と前記中空柱体の準線が、シリコンの主軸に平行な辺を有する正方形をなすことを特徴とする請求項３に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間又は周波数の測定器を構成するために使用される機械的共振器の分野に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、“超安定発振器”（ＵＳＯ）と呼ばれる高安定時計に使用することを目的とした、高いＱ値（クオリティファクタ）を有する共振器の機械的分離(ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ)のためのモジュールに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＵＳＯは、この種の機械的共振器と、共振器の振動をその機械的共振周波数に維持することができる電子発振回路とによって構成される。従って、電子回路に存在する交流電気信号の周波数の安定性は、純粋に電子的な発振回路の周波数の安定性よりも一般に非常に高い共振器の機械的共振周波数の安定性によって向上する。
【０００４】
機械的共振器の共振周波数の安定性は共振振動のＱ値と共に増加する。言い換えれば、共振器に含まれる振動エネルギーは、振動周期当たりに失われるエネルギーに比べて大きい。エネルギー損失には２つの種類があり、一つは、例えば共振器の原材料の粘性減衰に起因する固有損失、もう一方は、例えばガス減衰あるいは共振器の不適切な固定に起因する外因的損失である。このため、最良の共振器は、水晶等の超低粘性減衰の材料から作製され、更に真空中でケーシングにパッケージされ、各ケーシング内では、一般的に受け入れられている理論的用語で“振動ノード”と呼ばれる位置に取付けられる。
【０００５】
前述のエネルギー損失の種々の原因の寄与が実用的定式化によって表されており、以下において説明する。
【０００６】
共振器の実際のＱ値の式は以下のように表わされる。
【０００７】
（数１）
実際のＱ＝２π・Ｅ／ΔＥ
上記の式において、Ｅは共振器に含まれるエネルギーであり、ΔＥは振動周期当たりのエネルギー損失である。上記例に関して、ΔＥは以下のように表わされる。
【０００８】
（数２）
ΔＥ＝固有のΔＥ＋ガスΔＥ＋取付ΔＥ
従って、以下のように表わすことができる。
【０００９】
（数３）
１／実際のＱ＝（固有のΔＥ＋ガスΔＥ＋取付ΔＥ）／２π・Ｅ
従って、以下のように表わすことができる。
【００１０】
（数４）
１／実際のＱ＝固有のΔＥ／２π・Ｅ＋ガスΔＥ／２π・Ｅ＋取付ΔＥ／２π・Ｅ
このように、エネルギー損失の各原因は、それ自身のＱ値と関連付けることができ、以下のように表わすことができる。
【００１１】
（数５）
１／実際のＱ＝１／固有のＱ＋１／ガスＱ＋１／取付Ｑ
従って、共振器の実際のＱ値をその固有のＱ値に近づけるためには、外因的損失の種々の原因に関連付けられるＱ値が、固有のＱ値よりも非常に大きくなくてはならない。例えば、固有のＱが約１０６であれば、取付Ｑ及びガスＱは少なくとも１０７程度であることが好ましい。
【００１２】
本発明は、特に、共振器の取付けによって生じる損失に関し、取付Ｑが固有のＱよりも非常に大きいことを確実にすることを目的とする。
【００１３】
振動ノードの位置への共振器の取付けは、点取付け及び単一の空間次元を有する共振器モデルの概念であり、一般的な例において容易に理解される。しかし、必然的に非ゼロ次元の取付領域に配置される三次元の共振器などの実際のケースでは、上記問題を解決するのは一般的に難しく、機械的分離モジュールを使用する必要がある。この機械的分離モジュールは、共振器を組み込んだデバイスを構成する一部分である。分離モジュールは、超低粘性減衰の材料から作製されなければならず、また、共振器の機械的振動から十分に分離される領域がデバイスに設けられるようにしなければならない。このため、ケーシングにおけるこの領域の取付けは、共振器のＱ値に悪影響を及ぼさない。この取付領域は、デバイスの振動ノードとみなすことができる。共振器の固有のＱが高いほど、分離モジュールの効率も高くなければならないことは明らかである。
【００１４】
ＵＳＯに使用される高いＱ値の共振器に関して、モノリシックであり、厚さ方向せん断モードで振動する水晶ブランクによって形成され、そのエッジに取付けられるデバイスを作製する方法が知られている（ＵＳ４，３８１，４７１）。ブランクの一方の面は平面で、他方の面は凸面であり、振動エネルギーが、まずブランクの中心領域（最も厚い領域）に位置し、エッジで完全に消滅するまで徐々に減衰する。このように、ブランクの中心領域は共振器とみなすことができ、エッジが取付領域を形成し、ブランクの残りの部分が機械的分離モジュールとなる。ブランクの主面上の中心領域に被着した金属電極は、圧電効果によって共振器の振動を励起するために使用される。尚、このデバイスは、ブランクの一方の面の凸性による機械的分離と同じ動作原理に従って、厚さ方向伸張／圧縮モードでも動作する。
【００１５】
この既知の先行技術によるデバイスは、共振器の高い固有のＱ値のあらゆる変化を防止するのに十分に効果的な機械的分離をもたらすので、非常に良く動作する。この既知のデバイスは、一般的に、金属サポートを用いて取付けられ、各金属サポートは一端がブランクのエッジに取付けられ、他端がケーシングの密閉十字部品（ｓｅａｌｅｄ  ｃｒｏｓｓ−ｐｉｅｃｅ）に取付けられており、ケーシングの密閉十字部品とブランク上に被着した金属電極との間の電気的接続を容易にする。
【００１６】
また、ブランクのエッジ付近の材料を除去して、リンクによって元のブランクよりも小さい中心ブランクに接続された周縁リングをデバイスに設け、且つブランクの厚み寸法においてこれらのリンクの厚みを減少する方法が知られている（特許ＦＲ２  ３３８  ６０７又はそれに相当するＵＳ４，１３５，１０８）。このデバイスはその周縁リングによって取付けられるため、例えば熱に起因する又は加速場の存在に起因する寄生効果から中心ブランクが保護される。一方、リング及びリンクは共振器の振動の機械的分離に寄与しない。これは、この場合も、機械的分離はブランクの一方の面の凸性によってもたらされるからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４，３８１，４７１号明細書
【特許文献２】仏国特許第２  ３３８  ６０７号明細書（米国特許第４，１３５，１０８号明細書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、これら既知のデバイスは、特に、最適な曲率半径の精密な値との適合性に関して、十分な精度でブランクの凸面を形成することが困難であるという欠点がある。従って、この要件のために、生成される各ブランクを検査して補修しなければならず、結果的に製造コストが高くなる。
【００１９】
本発明の目的は、特に、同様に効果的であるが安価なマシニング処理によって作製可能な機械的分離モジュールを含むデバイスを提案することによって先行技術の欠点を克服することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この目的のため、本デバイスは、共振器と機械的分離モジュールとを含み、該共振器が、その中心縦軸に沿って伸張／圧縮モードで振動する直柱によって形成され、該縦軸に垂直な中央平面に振動ノードを有し、該振動が半径方向の伸張／圧縮変形を自然に誘起するデバイスであって、該分離モジュールが、間隙を介して該共振器を包囲し該共振器の中心縦軸及び中央平面と一致する中心縦軸及び中央平面を有する中空の直柱と、該中央平面に位置決めされ、該共振器の柱状面及び該中空柱体の内側柱状面に固定的に接続された膜とを含み、該中空柱体が、該共振器の振動と逆位相でその縦軸に沿って伸張／圧縮モードで振動し、その結果、該中空柱体と該共振器の半径方向変形の影響が、該中央平面に近接した該中空柱体の外面上に位置する領域で互いに相殺し合うことを特徴とする。
【００２１】
共振器と中空柱体との逆位相の同時振動は、本発明によるデバイスの特定の機械的共振モードに相当し、このモードの存在条件は、共振器と中空柱体の高さが略同一であるということである。
【００２２】
このように、中空柱体の外面上に位置する該領域は、共振器の振動から分離され、本デバイスをこの領域に取付けることによって、共振器の実際のＱ値をその高い固有のＱ値に近づけることができる。最大分離を達成するために、例えば有限要素法に基づくデジタルシミュレーションによって本デバイスの設計を最適化する。
【００２３】
また、本デバイスは、共振器の縦軸上に厚み寸法を有する平らなプレート状の材料の両面に安価なマシニングを施すことで該膜に対応する深さを設けることによって形成することもできる。例えば、本デバイスは、時計用の水晶振動子を製造する時計製造産業で用いられる方法と類似の方法による、水晶板の複合ケミカルマシニングによって形成される。
【００２４】
本発明の特徴及び利点は、詳細な説明及びそれに関する図面から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１Ａは、等方性材料に適した、本発明の第１の実施形態によるモノリシックデバイスの斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのデバイスの縦断面の斜視図である。
【図２】図２Ａ及び２Ｂは、共振器の縦軸に沿う共振器の伸張／圧縮振動がポアソン効果と呼ばれる半径方向伸張／圧縮変形を自然に引き起こす様子を図解するための、振動している共振器の変形を誇張拡大して示す図である。
【図３】図３Ａは、デバイスの取付領域を示す、図１Ａと同様の図であり、図３Ｂは、関連するポアソン効果とともに、共振器及び中空柱体の縦方向移動を示す、図１Ｂと同様の図である。
【図４】図４は、金属サポートを使用した、図３Ａのデバイスを保持する方法を示す図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、一体化した取付システムを使用した、図３Ａのデバイスを保持する方法を示す図である。
【図６】図６Ａ及び６Ｂは、間隙を介して該中空柱体を包囲する追加の中空柱体を備え、機械的分離モジュールの効果をより高い製造公差で維持できるようにすることを目的とする、本発明の第２の実施形態によるモノリシックデバイスを示す図である。
【図７】図７Ａ及び７Ｂは、水晶に適した、本発明の第３の実施形態によるモノリシックデバイスを示す図である。
【図８】図８Ａ及び８Ｂは、シリコンに適した、本発明の第４の実施形態による非モノリシックデバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
最初に、本発明によるデバイス１０の斜視図を示す図１Ａ及び図１Ａの縦断面の斜視図を示す１Ｂを参照する。デバイス１０は、縦軸に垂直な中央平面πに関して対称的な、円形準線及び中心縦軸Δを有する直柱によって形成される共振器Ｒと、円形準線を有し、間隙を介して共振器Ｒを包囲し、共振器の中心縦軸と中央平面と一致する中心縦軸と中央平面とを有する中空の直柱２と、該中央平面に位置し、共振器の柱状面及び中空柱体の内側柱状面に固定的に接続された膜１とを含む。
【００２７】
中空柱体２及び膜１はデバイス１０の機械的分離モジュールを形成する。
【００２８】
図面では、共振器Ｒ及び中空柱体２は同じ高さ寸法ｈを有する。以下に説明するように、共振器Ｒと中空柱体２とが略同一の高さを有することが本デバイスの動作にとって重要である。
【００２９】
記号Φは共振器Ｒの直径を示し、ｄ１とｅはそれぞれ膜１の半径寸法と厚さとを示し、ｄ２は中空柱体２の壁の厚み、言い換えれば、中空柱体２の外径と内径との差を示す。
【００３０】
デバイス１０はモノリシックであり、シリカ等の超低粘性減衰の等方性材料からなる平らなプレート状から作製される。このプレートの厚み寸法は、共振器の縦軸Δ上に位置し、該高さｈと等しい。デバイス１０は、例えば、該膜に対応する深さに達するまで該プレートの両面にプラズママシニングを施すことによって形成される。
【００３１】
本発明によるデバイスの動作を、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ及び３Ｂを参照して説明する。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ｂの共振器Ｒ及び膜１の縦断面図であり、その縦軸Δに沿って伸張（図２Ａ）と圧縮（図２Ｂ）を交互に行うように振動し、その中央平面πに振動ノードＮを有する共振器の変形を誇張拡大して示している。この伸張／圧縮振動によって、該材料のポアソン効果による半径方向の伸張／圧縮変形が自然に引き起こされ、これら半径方向の変形は中央平面πにおいて最大であり、共振器の端部においてゼロである。このように、共振器の振動は、縦軸Δ上、言い換えれば、共振器材料の中心に位置する唯一の振動ノードＮを有する。これらの図面では、縦方向の変形がベクトル矢印で示され、半径方向の変形がＶ字型矢印で示されている。
【００３３】
その縦軸に沿う共振器の伸張／圧縮が十分に純粋であること、言い換えれば、共振器の断面が、事実上、該縦方向の並進及び半径方向の変形のみを受けることを保証するため、共振器の高さｈは、その直径Φよりもかなり大きくなければならない。好ましくは、高さｈは直径Φの３倍から１０倍の間である。
【００３４】
中央平面πに膜１を位置決めすると、共振器の振動中に中央平面に膜が留まることができるので、共振器のその縦軸に沿う変形に関しては有益であるが、中央平面πにおける共振器の半径方向に交互に起きる伸張及び圧縮変形が膜１に直接作用し、特に、その外径を交互に変化させる。
【００３５】
言い換えれば、膜１をケーシング内に直接取付けることは、共振器の振動エネルギーの損失に繋がるため、有益ではない。しかし、膜１を中央平面πに位置決めすることは、共振器の振動の機械的分離に関しては非常に有益であるとみなすことができる。尚、この見解は、膜の厚みｅが共振器の高さｈに対して十分に小さい場合に限って有意義である。好ましくは、厚みｅは高さｈの２０分の１よりも小さい。また、膜の機械的共振の寄生モードが本発明によるデバイスの動作を阻害しないことを保証するためには、膜の半径寸法ｄ１がその厚みｅに対して大き過ぎないことも重要である。好ましくは、寸法ｄ１は厚みｅの２０倍以下である。
【００３６】
図３Ｂ及び図３Ａを参照して、共振器Ｒを包囲する中空柱体２がどのように共振器の振動の優れた機械的分離を行うかを説明する。図３Ｂは、図１Ｂと同様の図であり、矢印を用いて、共振器Ｒの共振振動時の、共振器及び中空柱体２の縦方向の変形とともに、関連する半径方向の変形を示している。中空柱体に対応する矢印は破線で示す。中空柱体は、その縦軸に沿って、共振器の振動と逆位相で伸張／圧縮モードで振動する。共振器と中空柱体との逆位相の同時振動は本発明によるデバイスの特定の機械的共振モードに対応し、共振振動において音叉の２つの略同一の二又部分の逆位相の同時振動とよく似た方法で作用することを強調すべきである。本発明によるデバイスに関して、特定の共振モードが存在する条件は、共振器Ｒと中空柱体２の高さが略同一であるということであり、その結果、別々のものと考えられる共振器と中空柱体の共振伸張／圧縮振動が同様の周波数を有する。この条件が満たされれば、これら２つの要素に固定的に取付けられた膜１は、音叉の２つの二又部分に固定的に接続されたベースと同様に、これらの振動間で強い機械的結合を行い、該特定の共振モードが存在できるようになる。
【００３７】
音叉の２つの略同一の二又部分は略同一の振幅を有するが、本発明によるデバイスの共振器Ｒと中空柱体２の振幅は概して互いに大きく異なる。これは、中空柱体の質量が共振器の質量よりも概してかなり大きいからである。その結果、中空柱体の振幅は、共振器の振幅よりも概してはるかに低く、それによって、本発明によるデバイスの特定の共振モードに存在する移動量のバランスを自然に保つことができる。中空柱体の半径寸法、特にその壁厚ｄ２が、本デバイスの特定の共振モードの存在に影響を及ぼすことなく、ある程度中空柱体の振幅と共振器の振幅との比率を調整するために用いることができる次元パラメータであることが分かると思われる。この動作の自由を、以下に説明するように、本発明によるデバイスにおいて有効利用する。
【００３８】
再度図３Ｂを参照すると、中空柱体の縦方向の変形によって、その壁に半径方向の変形が生じる。より正確には、縦方向の伸張によって壁の厚みｄ２が圧縮され、縦方向の圧縮によって厚みｄ２が伸張する。いずれの場合も、これによって、中空柱体の外側及び内側柱状面上で相反する半径方向の移動が生じ、本発明によるデバイスの２つの特定のクオリティ（Ｑ）を得ることが可能になる。
【００３９】
これらの内の第１のクオリティは、中空柱体の内側柱状面の半径方向の移動が共振器の柱状面の半径方向の移動と同じ方向であるという事実によるもので、共振器の振動と中空柱体の振動との間に膜１を介した前述の強い機械的結合を生成することに寄与する。
【００４０】
本発明によるデバイスの第２のクオリティは、中空柱体の外側柱状面上において、中空柱体の半径方向の変形による半径方向の移動が、共振器の半径方向の変形による半径方向の移動と反対の方向であるという事実によるもので、従って、中央平面πに近接する中空柱体の外面上に位置する領域内でこれらの影響を相殺できるようになる。このように、該領域は、共振器の振動から実質的に分離され、また、本デバイスをこの領域に取付けることによって、共振器の実際のＱ値がその高い固有のＱ値に近づくことになる。この領域を取付領域と呼び、図３ＡにおいてＺＦで示し、破線で画定している。取付領域ＺＦは、高さｚを有する柱状面であり、共振器及び中空柱体と同じ中央平面（π）を有する。高さｚは膜１の厚みｅよりも概して大きい。例えば、高さｚは厚みｅの２倍に等しくてもよく、こうすると、以下に説明するように、領域ＺＦ上に取付システムを位置決めするのに比較的都合がよい。共振器の振動について領域ＺＦの最大分離を達成するためには、例えば有限要素法に基づくデジタルシミュレーションによって、本発明によるデバイスの設計を最適化する。中空柱体及び共振器によるポアソン効果は、中空柱体の縦方向の振幅を調整することによって実質的には完全に相殺される。これは、中空柱体によるポアソン効果がこの振幅に比例するためである。上述のように、この調整は中空柱体の質量を変化させること、例えば、その壁の厚みｄ２を変化させることで行うことができる。図では、半径寸法ｄ２は共振器の直径Φと同じオーダー（桁）である。より一般的には、半径寸法ｄ２は、直径Φの２分の１から直径Φの２倍の間であることが好ましい。
【００４１】
その材料の中心に１つの振動ノードＮを有する共振器Ｒを使用する際に、膜１及び中空の直柱２を含む分離モジュールによって、本発明によるデバイス１０が、共振器の振動から実質的に分離されるとともに中空柱体の外側柱状面上に位置する取付領域ＺＦを有することができるようになり、それによってケーシング内に本デバイスを取付けるシステムを位置決めすることが容易になるメカニズムについて説明した。この取付システムは様々な構成を有し得る。
【００４２】
例えば、図４は金属サポートＳＭとしての取付システムを示し、各金属サポートは、前文で説明した先行技術で用いられる方法によれば、一端が取付領域ＺＦ上に取付けられ、他端がケーシングＥＢ（図示せず）のベース上に取付けられている。
【００４３】
また、一例として、図５Ａ及び５Ｂは、本発明によるデバイス１０と一体化した取付システムを示し、その取付けは、同じ平らなプレート状の材料において行われる。取付システムは、間隙を介して中空柱体２を包囲する略正方形の準線を有する中空の直柱ＣＣと、中央平面πに位置決めされ、中空柱体２の外側柱状面と中空柱体ＣＣの内側柱状面とに固定的に接続され、薄厚Ｐを有するリンクとからなる。中空柱体ＣＣの外側ベースのうちの一つはケーシングＥＢ（図示せず）のベース上に取付けられる。この取付システムは、従って、前文で説明した先行技術で使用される取付システムに関連し、この取付システムは、例えば熱による又は加速場の存在による寄生効果から本発明によるデバイス１０が保護される点で有用である。しかし、中空柱体ＣＣ及びリンクＰは共振器の振動の機械的分離には寄与しない。従って、中空柱体ＣＣの形状はほとんど重要ではなく、例えば、ケーシングＥＢのベースの形状を基に成形してもよい。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施形態によるデバイス２０を示す図６Ａ及び６Ｂを参照する。デバイス２０は、上述のデバイス１０と、間隙を介して中空柱体２を包囲しデバイス１０の縦軸と中央平面と一致する縦軸と中央平面とを有する追加の中空の直柱４と、前述の中央平面に位置決めされ、中空柱体２の外側柱状面と追加の中空柱体４の内側柱状面とに固定的に接続された追加の膜３とを備える。
【００４５】
例えば、より広範な製造公差が求められる場合、デバイス２０の使用が有益である。
【００４６】
デバイス２０は、デバイス１０に関して上記で説明したように、中空柱体２及び共振器Ｒが互いに逆位相で振動し、追加の中空柱体４が中空柱体２と逆位相で振動する特定の共振モードを有している。このように、例えば製造欠陥に起因する、中央平面に近接した中空柱体２の外面上に残る任意の残留半径方向移動は、デバイス１０に関して説明したメカニズムと同じメカニズムによって、中央平面に近接した追加の中空柱体４の外側柱状面上に位置する取付領域ＺＦ’における追加の中空柱体４の半径方向変形によって、その影響が相殺される。従って、デバイス２０の分離モジュールは、構成及び機能の点で、上述したように２つの分離モジュールを直列に配置したものとみなすことができる。
【００４７】
図７Ａ及び７Ｂは、本発明の第３の実施形態によるモノリシックデバイスを示す。デバイス１０との主な違いは、共振器Ｒ’’と中空柱体２’’の三角形の準線と、材料の性質に関することであり、デバイス３０は、Ｘが電気軸でありＹが機械軸である結晶面ＸＹに平行な水晶（ｑｕａｒｔｚ）の平面に形成される。低製造コストが決定的な判断基準である場合、水晶を選択すると有益である。このように、デバイス３０は、時計用の水晶振動子を製造するための時計製造産業で用いられる方法に類似の方法により、水晶板の複合ケミカルマシニングによって形成される。大抵の場合、一般的にはフッ化水素酸を含む槽において行われる水晶のケミカルマシニングによって、斜めのファセットが出現するので、一般的にはこの斜めのファセットのための余裕を持たせておかなければならない。ケミカルマシニングによって生成した共振器Ｒ’’を直柱に似せるためには、柱体の準線が、機械軸Ｙに平行な辺を有する正三角形でなければならない。尚、水晶の三方晶系結晶格子とは、１２０°の等角度間隔で離間した３つのＸ軸が結晶面ＸＹに存在し、１２０°の等角度間隔で離間した３つのＹ軸が存在することを意味することに留意すべきである。また、Ｙ軸に平行な辺のケミカルマシニングは、取り除くべき材料が対応するＸ軸の反対側にある場合、エッチングの底に到達するまで、言い換えれば、事実上斜めのファセットなしに、面ＸＹに略垂直に行われることにも留意すべきである。
【００４８】
このように、共振器Ｒ’’と中空柱体２’’の外側柱状面は直柱である。一方、内側柱状面２’’は、図７Ｂに示すように、三角形の準線を有する円錐台の形状をしている。これは、この形状が本デバイスの設計を最適化するのに用いられるデジタルシミュレーションにおいて許容されるなら、デバイス３０の動作にとって欠点にはならない。当業者には、本文で用いられる「直柱」という表現はより広義にとらえられるべきであることが理解されるであろうし、その重要な要件は、デバイス３０の動作が上記のデバイス１０の動作と類似であること、及び、デバイス３０が中空柱体の外面上に位置する取付領域ＺＦ’’に取付けられ、この領域ＺＦ’’が共振器の振動から実質的に分離されていることである。
【００４９】
図８Ａ及び８Ｂは本発明の第４の実施形態によるデバイス４０を示す。デバイス１０との主な違いは、共振器Ｒ’’’と中空柱体２’’’の正方形の準線と、デバイス４０がＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）プレートに形成されることによる本デバイスの非モノリシックな性質とに関する。より具体的には、ＳＯＩプレートは、平らなプレート状のシリカ（ＳｉＯ２）の両面上に取付けられた２枚の同一の平らなプレート状のシリコン（Ｓｉ）によって形成される。シリコンは、シリカ同様に、超低粘性減衰の材料である。シリコンプレート及びシリカプレートの取付けは、一般に原子レベルでの接着に基づくものであり、これは、超低粘性減衰の確保にも寄与する。シリカプレートの厚みｅは、好ましくは、各シリコンプレートの厚みの１０分の１未満、言い換えれば、ＳＯＩプレートの全厚ｈの２０分の１未満である。
【００５０】
デバイス４０は、ＳＯＩプレートの両面に施されるプラズママシニングによって形成される。マシニングパラメータは、マシニングが選択的であり、シリコンの強エッチング及びシリカの弱エッチングに適していることを確実にするように選択される。このように、停止層として機能するシリカプレートにエッチングが到達したときにマシニングを停止させるためエッチングの深さを制御することは容易である。従って、膜１’’’がシリカから作製され、共振器Ｒ’’’及び中空柱体２’’’の大部分がシリコンによって作製されたデバイス４０を形成することは容易である。
【００５１】
シリコンは立方晶結晶格子を有する。従って、共振器と中空柱体の準線には正方形状を選択し、この正方形の辺がシリコンの主軸に平行である方が概して有益であり、その結果デバイス４０の動作がより良くなる。
【００５２】
特に中空柱体の準線の形状に関して、本デバイスの動作を更に向上させるためには、おおむね正方形に似た形状を維持しながらも、完全な正方形を用いることは避ける方が有益である。これは、デジタルシミュレーションによってデバイス４０の形状を最適化するために行われ、取付領域ＺＦ’’’が共振器の振動から実質的に分離されることを確実にすることを目的とする作業によって実証されている。製造の実現可能性に関して、プラズマエッチングに使用されるマシニングマスクはフォトリソグラフィー法によって作製されるため、デジタルシミュレーションによる最適形状をマシニングすることには格別の困難はない。
【００５３】
従って、本文で用いられる「正方形の準線」という用語は広義に解釈されるべきであり、また、より一般的には、中空柱体の準線の形状は共振器の準線の形状と大きく異なっていてもよい。
【００５４】
本発明によるデバイスを、主にその機械的挙動に関して説明した。
【００５５】
共振器の振動を励起する方法に関しては、様々な手段を使用することができる。
【００５６】
例えば、三角形の水晶デバイス３０に関して、中空柱体のマシニングを受けた側に被着した電極を使用して電気軸Ｘに沿って電界を発生させてもよく、この電界は中空柱体の壁厚の交互の圧縮及び伸張に圧電効果によって結合される。
【００５７】
また、一例として、シリカデバイス１０及びＳＯＩデバイス４０に関して、プレートの面と同一平面の共振器の面上に載置された金属シート又はミラーを使用して、静電効果によって、又は光熱効果等の光学効果によって、又は放射圧によって、共振器の振動を励起してもよい。共振器のこれらの面は、機械的変形をほとんど受けず、単に共振器の振動中に交互並進を受けるだけなので、金属シート及びミラーは、質量の平衡を保つように共振器の二面上に載置されているとすれば、共振器のＱ値を全く変化させることはない。
【図１Ａ】
2013531951.tif 000003
【図１Ｂ】
2013531951.tif 000004
【図２Ａ−２Ｂ】
2013531951.tif 000005
【図３Ａ】
2013531951.tif 000006
【図３Ｂ】
2013531951.tif 000007
【図４】
2013531951.tif 000008
【図５Ａ】
2013531951.tif 000009
【図５Ｂ】
2013531951.tif 000010
【図６Ａ】
2013531951.tif 000011
【図６Ｂ】
2013531951.tif 000012
【図７Ａ】
2013531951.tif 000013
【図７Ｂ】
2013531951.tif 000014
【図８Ａ】
2013531951.tif 000015
【図８Ｂ】
2013531951.tif 000016
【国際調査報告】
2013531951.tif 000017
2013531951.tif 000018
2013531951.tif 000019
2013531951.tif 000020
2013531951.tif 000021
2013531951.tif 000022