(57)【要約】  時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器のための装置および方法。一実施形態において、共振器は、フレームと、フレームに対して振動するように構成された第１の振動子と、第１の振動子を第１の振動子の共振周波数で駆動するように構成された第１の駆動装置と、第１の振動子へ取り付けられた第１の相対位置スイッチの第１の半体と、第１の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第２の振動子とを含み、第１の振動子および第２の振動子は、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計され、さらに、第２の振動子へ取り付けられた第１の相対位置スイッチの第２の半体を含む。第１の振動子が振動すると、第１の振動子および第２の振動子間に相対的動きが生じて、第１のおよび第２のスイッチ半体が互いにすれ違う際、各振動ごとに第１の相対位置スイッチが閉鎖状態を通る。【選択図】図1
2014533009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に第１の周波数で振動するように構成された第１の振動子と、
実質的に前記第１の周波数で前記第１の振動子とは位相がずれた状態で振動するように構成された第２の振動子とを含み、前記第１の振動子および第２の振動子は、双振動子共振器に対する外部擾乱に対して同様の様態で応動するように配置され、さらに、
前記第１の振動子および第２の振動子の振幅が互いに実質的に等しい場合に出力信号を生成するように構成された検出回路を含む双振動子共振器。
【請求項２】
フレームと、
該フレームに対して振動するように構成された第１の振動子と、
該第１の振動子を前記第１の振動子の共振周波数で駆動するように構成された第１の駆動装置と、
前記第１の振動子へ取り付けられた第１の相対位置スイッチの第１の半体と、
前記第１の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第２の振動子とを含み、前記第１の振動子および第２の振動子は、前記フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計され、さらに、
前記第２の振動子へ取り付けられた前記第１の相対位置スイッチの第２の半体を含み、前記第１の振動子が振動すると、前記第１の振動子および第２の振動子間に相対的動きが発生して、前記第１の相対位置スイッチの前記第１のスイッチ半体および第２のスイッチ半体が互いにすれ違う際、各振動ごとに前記第１の相対位置スイッチが閉鎖状態を通過する共振器。
【請求項３】
前記第２の振動子を該第２の振動子の共振周波数で前記第１の振動子と位相がずれた状態で駆動するように構成された第２の駆動装置をさらに含む請求項２に記載の共振器。
【請求項４】
前記第２の振動子は駆動されない請求項２に記載の共振器。
【請求項５】
前記第１の相対位置スイッチは、各振動ごとの閉鎖状態において電気インパルスを通すように構成された請求項２に記載の共振器。
【請求項６】
前記第１の相対位置スイッチの前記第１の半体および第２の半体は平面導体を含む請求項５に記載の共振器。
【請求項７】
前記平面導体はそれぞれ実質的に直線状の縁部を含み、該縁部は実質的に平行であり、前記第１の相対位置スイッチが前記閉鎖状態になると、前記縁部は微小ギャップよって互いに分離される請求項６に記載の共振器。
【請求項８】
前記第１の相対位置スイッチは電子トンネルチップを含む請求項７に記載の共振器。
【請求項９】
前記第１の相対位置スイッチは容量スイッチである請求項２に記載の共振器。
【請求項１０】
前記第１の相対位置スイッチは光スイッチである請求項２に記載の共振器。
【請求項１１】
前記第１の相対位置スイッチは、各振動ごとに閉鎖状態にある際、２値で変化する電気信号を出力して、該共振器の出力がデジタル信号となるように構成された請求項２に記載の共振器。
【請求項１２】
前記第１の駆動装置は、前記第１の振動子へ動作的に接続された電極を含む請求項２に記載の共振器。
【請求項１３】
前記第１の駆動装置は、共振動作を維持する電気信号を生成するように構成されたフィードバック回路を含む請求項２に記載の共振器。
【請求項１４】
前記第１の駆動装置は、前記第１の振動子を駆動するように構成された圧電変換素子を含む請求項２に記載の共振器。
【請求項１５】
第１の半体および第２の半体を含む絶対位置スイッチをさらに含み、該絶対位置スイッチの前記第１の半体は前記第１の振動子へ取り付けられ、前記絶対位置スイッチの前記第２の半体は前記フレームへ取り付けられて、前記第１の振動子の各振動ごとに前記絶対位置スイッチが閉鎖状態を通る請求項２に記載の共振器。
【請求項１６】
第１の半体および第２の半体を有する第２の相対位置スイッチをさらに含み、該第２の相対位置スイッチの前記第１の半体および第２の半体はそれぞれ、前記第１の相対位置スイッチの前記第１の半体および第２の半体の上方に配置されて、前記第１の振動子上のいずれかの所与の相対位置スイッチ半体から電流が該所与の相対位置スイッチ半体と整列した前記第２の振動子上の前記相対位置スイッチ半体のうちのいずれかへ通ることができる請求項２に記載の共振器。
【請求項１７】
フレームを設け、
第１の振動子を前記フレームに対して振動するように構成し、
前記第１の振動子の共振周波数で前記第１の振動子を駆動し、
前記第１の振動子へ相対位置スイッチの第１の半体を取り付け、
前記第１の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第２の振動子を設け、前記第１の振動子および第２の振動子は、前記フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計され、前記第１の振動子が振動すると、前記第１の振動子および第２の振動子間に相対的動きが発生し、
前記相対位置スイッチの第２の半体を前記第２の振動子へ取り付けて、各振動ごとに前記第１のスイッチ半体および第２のスイッチ半体が互いにすれ違うと、前記相対位置スイッチが閉鎖状態を通り、
前記相対位置スイッチの連続する閉鎖状態間の差として振動周期を判定することを含む、共振器に時間領域スイッチを設ける方法。
【請求項１８】
前記第２の振動子の共振周波数で前記第２の振動子を前記第１の振動子と位相がずれた状態で駆動するステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
絶対位置スイッチを前記第１の振動子および前記フレームへ取り付けて、前記第１の振動子の各振動ごとに前記絶対位置スイッチが閉鎖状態を通るようにするステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶対位置スイッチの出力に基づいて時変加速度を判定し、前記振動周期のスキューを前記時変加速度に基づいて補償するステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、共同所有され同時係属中のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５８７９４号（出願日：２０１２年１０月４日、発明の名称「時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器」）に対する優先権を主張する。ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０５８７９４号は、共同所有され同時係属中の米国特許出願シリアル番号第１３／２７６，９４８号（出願日：２０１１年１０月１９日、発明の名称「時間領域スイッチを用い加速度感度および位相ノイズの低い共振器）に対する優先権を主張する。上記文献それぞれの全体を参照によってここに組み込む。
【背景】
【０００２】
既存の共振器は、タイミング用途めに利用可能な共振を生成するのに多様な物理的機構を用いている。例を挙げると、構造モード共振およびバルク音響波共振の例がある。しかし、いずれの既存技術の場合も、外部振動（すなわち、擾乱、加速度など）に鋭敏であるためタイミング精度に問題があり、また、経時変化する位相ノイズもある。これらの欠陥に起因して、例えば個別素子として用いられるか、または半導体基板に搭載された既存の電子回路に組み込まれたタイミング用途の共振器の精度および有用性が低下する。出力共振器周波数の位相ノイズすなわちジッタは、容量性の共振検出法に起因することがあるため、正弦波出力となる。この正弦波出力は、例えば変換技術によって誘起されるノイズに起因して本質的に雑音性となり得る。ノイズ正弦波出力が位相同期ループ（ＰＬＬ）または遅延ロックループ（ＤＬＬ）制御ループを介して共振器へフィードバックされると、フィードバック回路内が不安定になる。また、信号測定は容量性または圧電効果に基づいて行なわれるため、信号は、信号の共振モードの形状、周波数または位相の経時変化を生ずることのある外部振動などに鋭敏である。現行の共振器の場合、この環境ノイズの影響を別個に測定し、または相殺する有効な手段に欠けている。
【概要】
【０００３】
本願に記載されているのは、ロバストで低コストかつ高分解能の双振動子共振器と、その実現方法および使用方法のいくつかの実施形態である。開示される共振器の一実施形態は、フレームと、第１の振動子および第２の振動子と、第１の相対位置スイッチ半体および第２の相対位置スイッチ半体と、駆動装置とを含む。第１の振動子は、フレームに対して振動するように構成され、第１の駆動装置は、第１の振動子を第１の振動子の共振周波数で駆動するように構成されている。第１の振動子および第２の振動子は、実質的に同じ共振周波数を有し、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。相対位置スイッチの第１の半体および第２の半体は、第１の振動子および第２の振動子へそれぞれ取り付けられている。第１の振動子が振動すると、第１の振動子および第２の振動子間に動きが発生して、相対位置スイッチは、各振動ごとに第１および第２のスイッチ半体が互いにすれ違う際、閉鎖状態を通る。
【０００４】
本願には、共振器に時間領域スイッチを設ける方法も記載されている。一実施形態において、本方法は、フレームを設け、第１の振動子をフレームに対して振動するように構成することから開始する。次に、第１の振動子を第１の振動子の共振周波数で駆動する。他のステップにおいて、相対位置スイッチの第１の半体を第１の振動子へ取り付け、第１の振動子と実質的に同じ共振周波数を有する第２の振動子を設ける。第１の振動子および第２の振動子は、フレームに対する外部擾乱に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。第１の振動子が振動すると、第１の振動子および第２の振動子間に相対的動きが発生する。相対位置スイッチの第２の半体を第２の振動子へ取り付けて、各振動ごとに第１のおよび第２のスイッチ半体が互いにすれ違うと、相対位置スイッチが閉鎖状態を通るようにする。そこで、相対位置スイッチの連続する閉鎖状態間の差として振動周期を判定する。
【０００５】
当業者であれば、添付図面および以下に示す例示的実施形態の詳細な説明を読めば、本開示の他の特徴および利点をすぐに理解する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
いくつかの図面中、類似の要素は、類似の参照符号によって示す。図面中、要素は縮尺通りに描かれておらず、明確さのために寸法が誇張されている場合もある。本願で用いられる「上」、「下」、「側部」、「上方」、「下方」、「左」、「右」などの用語は、単に１つのコンポーネントと別のコンポーネントとの間の相対位置または配置を示すものであり、絶対的な基準フレームまたは必要な方向を示すものではない。例えば、或るコンポーネントの「上」部は、当該コンポーネントが別の装置に取り付けられた場合（例えば、ＰＣＢの下側に取り付けられた場合）、実際は「下」部の下側に存在し得る。
【図１】共振器の実施形態の平面図である。
【図２】図２Ａ：振動子の変位を示す共振器の実施形態の側面図である。図２Ｂ：整列した振動子を示す共振器の実施形態の側面図である。図２Ｃ：振動子の変位を示す共振器の実施形態の側面図である。
【図３Ａ−３Ｄ】電子トンネルチップの多様な実施形態の平面図である。
【図４Ａ−４Ｃ】重なった相対位置スイッチ半体を有する共振器の実施形態の側面図である。
【図５】重なった相対位置スイッチ半体を有する振動子の振動振幅の経時的グラフである。
【図６Ａ】２つの振動子のうちの１つの振動時における２つの振動子の様々な相対位置を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示す共振器の経時的振動振幅のグラフである。
【図７】双振動子共振器の一実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
【図８】双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
【図９】双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
【図１０】双振動子共振器の別の実施形態の振動振幅の経時的グラフである。
【図１１】双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。
【図１２】図１２Ａ：双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。図１２Ｂないし図１２Ｃ：図１２Ａに示す双振動子共振器の実施形態の側面図である。
【図１３】双振動子共振器の別の実施形態の平面図である。
【図１４Ａ】および
【図１４Ｂ】双振動子共振器の異なる実施形態の機能ブロック図である。
【図１５Ａ】ないし
【図１５Ｂ】双振動子共振器の異なる実施形態からの２つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
【図１６Ａ】ないし
【図１６Ｂ】双振動子共振器の異なる実施形態からの２つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
【図１７】双振動子共振器の実施形態からの２つの振動子の振動振幅の経時的グラフである。
【実施形態の詳細な説明】
【０００７】
図１は、低位相ノイズで外部擾乱および／または他の現象に対する鋭敏性が最小化された共振器１０の実施形態の平面図である。共振器１０は、フレーム１２と、第１の振動子１４および第２の振動子１６と、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０と、駆動装置２２（図２Ａ〜図２Ｃに示す）とを含む。駆動装置２２は、第１の振動子１４を第１の振動子の共振周波数で駆動するように構成されている。共振器１０は、第１の振動子１４がフレーム１２に対して振動すると、第１の振動子１４と第２の振動子１６との間に相対的動きが発生するように構成されている。第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０は、それぞれ第１の振動子１４および第２の振動子１６へ何らかの構成で取り付けられて、第１の振動子１４の１振動ごとに第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が互いにすれ違う時、相対位置スイッチが閉鎖状態になる。第１の振動子１４および第２の振動子１６は、実質的に同じ共振周波数を有し、フレームに対する外部擾乱１２に対して実質的に同じ様態で応動するように設計されている。
【０００８】
図２Ａ〜図２Ｃは、共振器１０の一実施形態の側面図／断面図であり、第１の振動子１４がフレーム１２に対して振動する際の第１の振動子１４の可能な様々な位置を示す。図２Ｂは、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が閉鎖状態にある様子を示す。図２Ａおよび図２Ｃは、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が開口状態にある様子を示す。図２Ａ〜図２Ｃは、駆動装置２２の実施形態も示し、駆動装置２２は第１の振動子１４の上方に配置された電極である。
【０００９】
フレーム１２は、任意の所望のサイズおよび／または形状を持ってよく、第１の振動子１４および第２の振動子１６を支持することが可能な任意の構造を持ってよい。例えば、一実施形態において、共振器１０およびそのコンポーネントは全て、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）としてモノリシックに製造してよい。フレームの構成材料として適切なものを非限定的に挙げると、シリコン、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、および他の半導体材料ならびに石英、ＰＺＴおよび他の圧電材料がある。
【００１０】
第１の振動子１４および第２の振動子１６は、図１および図２Ａ〜図２Ｃではカンチレバーバネ要素として図示しているが、第１の振動子１４および第２の振動子１６がフレーム１２に対して振動して第１の振動子１４および第２の振動子１６間で相対的動きが可能な任意の様態でフレーム１２へ接続してよいことが理解される。本願に用いられる「振動子」という用語は、基準位置に対して周期的または非周期的に変位するように構成されたアセンブリを非限定的に指す。第１の振動子１４および第２の振動子１６の適切な例を非限定的に挙げると、両持ち梁共振器、音叉共振器、非対称共振器、対称アンカ型共振器、バルクディスク共振器および横モード共振器がある。第１の振動子１４および第２の振動子１６のうち一方または両方を駆動してよい。１つの別の実施形態において、第１の振動子１４および第２の振動子１６を両方とも駆動して共振周波数で共振させ、両共振器を互いに１８０度位相がずれた状態で同期させる。別の実施形態において、第１の振動子１４のみが駆動装置２２によって駆動されて共振周波数で振動する一方、第２の振動子１６は、フレーム１２を通して第２の共振器１６へ伝達される第１の振動子１４からの外部擾乱および振動以外は、実質的に静止したままである。
【００１１】
図１および図２Ａ〜図２Ｃに示す共振器１０の実施形態において、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０は、薄板平面走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）チップであり、第１の振動子１４および第２の振動子１６の縁部に実装されている。しかし、相対位置スイッチ半体１８および２０は、１振動ごとに第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が互いにすれ違う際、検出可能なインパルスまたは基準変化を生成可能な任意の２つの素子でよいことが理解される。相対位置スイッチの目的は、第１の振動子１４および第２の振動子１６の位置を限定して、正確な加速度依存型の位相測定を行うことを可能にすることであり、これにより、位相同期ループの閉鎖の安定性が増し、共振器１０の全体的位相ノイズおよびジッタが低減する。相対位置スイッチが電子トンネルスイッチである共振器１０の実施形態では、有限幅パルスが生成される。電流パルス自体はトランスインピーダンス増幅器を介してレールに対して増幅することができる。位置の限定に用いられるパルスの立上がりエッジおよびまたは立下りエッジは、共振器の経時的位置についての情報を提供し、これについては図６Ａおよび図６Ｂならびに以下の表１を参照してさらに詳述する。相対位置スイッチは容量スイッチであってもよく、これは、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が互いに重なり合う面積が変わるにつれて経時的変化を生ずることによって機能する。この変化は、上記したようなトンネル電流と同様の方法でレールに対して積分し増幅することができる。他のスイッチ（例えば、光源と、第１の振動子１４および第２の振動子１６上に配置された検出器または磁気スイッチとの間の光遮蔽）も利用することができる。相対位置スイッチは、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０間の電子の電界放出または熱イオン放出を検出することによって機能するものでもよい。別の実施形態として、光源を用いて光補助トンネル作用を実現し、相対位置スイッチ内のトンネル電流または熱イオン電流を高めることができる。電力節減のために、共振周波数と同期して光源をパルス駆動して、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が整列し、または整列に近い状態の期間においてのみ、光を放出するようにする。
【００１２】
続けて共振器１０の実施形態について、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０は、図１および図２Ａ〜図２Ｂに示すような薄板平面ＳＴＭチップである。相対位置スイッチが閉鎖状態にある場合、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０は、高電位領域を示す微小ギャップ２４によって分離される。第１の相対位置スイッチ半体１８が第２の相対位置スイッチ半体２０の接地導電面を通過する際、これに何らかの差分電圧があると、電流パルスが発生する。図２Ｂに示すような相対位置スイッチの閉鎖状態時に第１の振動子１４および第２の振動子１６が互いにすれ違ったときのみ、ギャップ２４を通して電流が「トンネル」する。ギャップ２４の幅Ｗは、１０オングストローム未満である（しかし、これに限定されない）。この構成（すなわち、チップ間および／または縁部間）は、原子からなる帯電平面とチップ先端との間で電流が「トンネル」するような他の典型的なＳＴＭ構成とは異なる。
【００１３】
駆動装置２２は、第１の振動子１４を駆動してフレーム１２に対して振動させることが可能な任意の装置でよい。例えば、駆動装置２２は、第１の振動子１４に振動運動を誘起して第１のスイッチ半体１８を第２の半体２０に対して変位させるように構成された駆動信号を出力する駆動回路でよい。駆動装置２２の別の適切な例を非限定的に挙げると、第１の振動子１４の上下に配置された電極がある（例えば、図２Ａ〜図２Ｃに示す）。第１の振動子１４は、フィードバック回路を通して生成されて共振振動を維持する一定の電気信号によって駆動してもよい。駆動装置２２のさらに別の例として、第１の振動子１４の上方または下方に配置された電極へ短時間幅の電圧を印加する装置がある。１つのアプローチにおいて、駆動装置２２からの駆動信号は、（例えば、周期的に）オンおよびオフする時間ゲート（すなわち「ピング」）信号を含む。換言すれば、振動子１４の振動は、調波振動を開始するための階段状静電気力を用いることによって発生する。この静電気力は振動子１４の共振周波数と比較して時間幅が短いため、振動子１４を共振上体に保つ「プッシュ」強化が得れる。必要に応じてこの静電気力を周期的に繰り返すことにより確実に、振動子の振幅は、別の静電パルスすなわち「ピング」が印加される最小値より上に留まる。別のアプローチにおいて、第１の振動子１４は、例えば時変波関数によって連続的に駆動される。駆動装置２２は、共振器１０がカンチレバーバネである実施形態ではこれに配置された圧電変換素子を含んでもよい。
【００１４】
共振器１０は、アナログ信号出力ではなくデジタル（時間ベース）出力を提供するように構成されている。このような構成により共振器１０の精度は確実に、トリガ事象の一致、振動の性質（調波であるか、または非調波であるか）、および隣接するトリガされた事象の時間測定精度のみに依存する。トリガ事象は、製造時に確定した物理的寸法に基づいているため、有利なことに、提案した方式では、連続的較正は不要である（すなわち、「自己較正型」である）。
【００１５】
特性周波数における質量の時変変位に依存する共振器は、質量−バネ系としてモデル化することができる。よって、このような系は、外部加速度および力を受けるため、位相精度および共振周期性を乱すことがあり、その結果閉ループ制御回路に影響がでる。この状況の結果、全てのＭＥＭＳ共振器は加速度依存性がある。共振器１０は、これらの欠陥に対処する。従来の構造においては、調波振動子は、平衡位置から変位すると、以下のように変位ｘに比例する回復力Ｆを生ずる系である。
【数１】
2014533009.tif 000003
【００１６】
回復力が振動子系に作用する唯一の力である場合、系は単純調波振動子と呼ばれ、単純な調波運動をする。調波運動は、平衡点を中心とする正弦波振動によって特徴付けられ、一定の振幅と振幅に依存しない一定の周波数ｆ０とを含む。
【００１７】
【数２】
2014533009.tif 000004
ただし、
Ｋは、バネ定数であり、
ｍは、振動子質量であり、
ｆ０は、振動子共振周波数であり、
Ｔ０は、対応する振動周期である。
【００１８】
図３Ａ〜図３Ｄは、電子トンネルチップとしての第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０の多様な例示的実施形態を示す。第１のスイッチ半体１８が第２のスイッチ半体２０と整列すると、閉スイッチ状態を示すトリガ信号が検出回路によって生成可能となる。１つの例示的な実現例では、２つの電子トンネル電極（第１の振動子１４および第２の振動子１６のそれぞれへ１個宛固定）を２つのスイッチ半体として用い、トリガ信号は、両電極が閉スイッチ位置で整列した際に電極チップが最接近すると発生するトンネル放電パルスを含む。図３Ａは矩形チップを示す。図３Ｂは円形チップを示し、図３Ｃは三角形チップを示す。図３Ｄは等脚台形チップを示す。第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０が電子トンネルチップである共振器１０の実施形態では、トンネルチップの形状は、幾何的な電界増強を生ずるか、またはトンネル領域が増すものであれば何でもよいことが理解される。
【００１９】
図４Ａ〜図４Ｃは、複数の相対位置スイッチを上下に重ねた様子の側面図であり、第１の振動子１４および第２の振動子１６は、様々なトリガ位置にある。図４Ａ〜図４Ｃは、第３の相対位置スイッチ半体２６を第１の相対位置スイッチ半体１８の上に、また第４の相対位置スイッチ半体２８を第２の相対位置スイッチ半体２０の上にそれぞれ重ねた様子を示す。これらの重ねられたスイッチ半体は、誘電材料３０によって分離されている。標準的なモノリシックプリント回路作製技術を用いて、本実施形態の共振器１０を作製することができる。振動子１４の各振動サイクルごとに、相対位置スイッチ半体１８、２０、２６および２８が３つのトリガ位置のうちいずれかを通過するたびに、トンネル放電電流パルスが２つ以上の相対位置スイッチ半体すなわち電極の間のギャップ２４に誘起される。本実施形態におけるこれらの３つのトリガ位置は、ゼロ力ポイント位置３４、正方向変位（＋ｄ０）位置３６、および負方向変位（−ｄ０）位置３８（それぞれ、図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃに示す）を含む。第１の振動子１４および第２の振動子１６が正方向変位位置３６、ゼロ力ポイント位置３４または負方向変位位置３８に整列すると、トンネル放電電流パルス４０、４２および４４がそれぞれ誘起される。トンネル放電電流パルス４０、４２および４４は、図５を参照して以下にさらに詳述する低ノイズ電流増幅器によって検出および増幅することができる。
【００２０】
図５は、トンネル放電電流パルス４０、４２および４４をレールに対して増幅する様態を示す。トンネル放電パルスの幅は、式３によって得られる量子トンネル効果の指数関数的挙動に起因して、極めて短時間しか持続しない場合がある。
【００２１】
【数３】
2014533009.tif 000005
ただし、
Ｉは、出力電流であり、
Ｕは、印加されたトンネルバイアス電圧であり、
ｄは、トンネルギャップ幅であり、
【００２２】
Ｋは、発生源および到達先の双方に利用可能な状態密度を示す定数であり、
【００２３】
βは、電子の仕事関数すなわち電子を真空電位へ放出するために必要なエネルギーを示す定数である。
【００２４】
この極めて短いインパルスは、第１の振動子１４がゼロ力ポイント基準位置３４を通過した正確な時点（図４Ａに示す）を高精度に特定するのに役立つ。パルスの振幅は、例えば印加されたトンネル電圧の変動（電圧ノイズ）および／またはトンネル距離の変動に起因して異なることがあるため、低ノイズ電流増幅器を用いて、放電電流パルス４０、４２および４４をレールに対して増幅して（レールは、検出回路の最大電流レベル値である）、実質的に矩形形状を呈する増幅されたパルス４６、４８および５０を出力するようにしてもよい。振幅情報は失われるものの、増幅された矩形パルスは、デジタル回路および／またはさらに他の高機能装置（例えば、デジタル信号プロセッサ）との接続に有利に適している。
【００２５】
図６Ａ〜図６Ｂは、図４Ａ〜図４Ｃに示す共振器１０の実施形態のトンネルパルス生成の例示的シーケンスを示す。このシーケンスは、第１の振動子１４の１振動サイクル全体を含む。図６Ａおよび図６Ｂ中、白抜き丸付き位置表示子１、３、５、７、９、１１および１３は、電流を流す導電路が確立されるチップ位置（すなわち、トリガ位置３４、３６および３８）を示す。これらのチップ位置は、論理値「１」に対応させてよい。影付き丸付き位置表示子２、４、６、８、１０および１２は、導電電流が無い位置に対応する。これらの位置は、論理値「０」に対応させてよい。振動子１４がゼロ力位置３４（例えば、位置１、７および１３）にあると、両相対位置スイッチが整列するため、電流パルス４２が相対位置スイッチ半体１８および２０間ならびにスイッチ半体２６および２８間に発生する。振動子１４が正方向変位位置３６（参照符号３および５によって示す）にあると、電流パルス４０は、第１の相対位置スイッチ半体１８と第４の相対位置スイッチ半体２８との間に発生する。同様に、振動子１４が負方向変位位置３８（参照符号９および１１によって示す）にあると、電流パルス４４は、第３の相対位置スイッチ半体２６と第２の相対位置スイッチ半体２０との間に発生する。振動子１４が参照符号２、４、６、８、１０および１２によって示す位置にあると、相対位置スイッチによって電流パルスは発生しない。
【００２６】
図７〜図８は、第１の振動子１４および第２の振動子１６の経時的振動振幅のグラフであり、この場合、第１の振動子１４は共振駆動され、第２の振動子１６は駆動されていない。線５２は、第１の振動子１４の振動を示す。線５４は、第２の振動子１６の振動を示す。図７は、第１の振動子１４および第２の振動子１６が同じように外部擾乱へ応動する様態を示す。図８は、第１の振動子１４および第２の振動子１６の交点が常に実質的に同じ測定周期Ｔとなることを示す。
【００２７】
図９は、第１の振動子１４および第２の振動子１６の経時的な振動振幅のグラフである。この図によれば、第１の振動子１４の周期Ｔをフレーム１２に対して測定すると、測定された周期に誤差が生ずることが分かる。真なる周期Ｔｔｒｕｅは、２つ振動子の交差によって得られる。
【００２８】
共振器１０の一実施形態において、駆動周波数ｆｄｒｖは、第１の振動子１４の固有振動数ｆ０と一致するように構成され、これにより、図７〜図９に示すような第１の振動子１４の正弦波運動が得られる。共振駆動系には一般に、高いＱの振動プルーフマス系が必要である。しかし、この実施形態では、文字通り振動子を共振状態に維持する何らかの駆動信号を使用可能であることが理解される。別の実施形態（図示せず）において、第１の振動子１４は「オフ共振」で駆動され、その結果、とりわけ振動周期の高精度制御、したがって検出器精度の制御が可能になる。オフ共振駆動系は一般に、低いＱの振動子が必要である。第１の振動子１４および第２の振動子１６が同じ周波数で駆動されかつ互いに位相がずれている限り、第１の振動子１４および第２の振動子１６の非調波実施形態を本発明と共に用いることも可能である。
【００２９】
図１０は、外部加速度が加わった場合および加わっていない場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示すグラフである。フレーム１２に外部加速度が加わったときの第１の振動子１４の経時的振動振幅を実線５６によって示す。フレーム１２へ外部加速度が加わっていないときの第１の振動子１４の経時的振動振幅を点線５８によって示す。フレーム１２に外部加速度が加わったときの第２の振動子１６の経時的振動振幅を正弦波破線６０によって示す。外部加速度がフレーム１２へ加わっていないときの第２の振動子１６の経時的振動振幅を一点鎖線６２によって示す。期間Ｔ１ａは、外部加速度を受けた場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動交点間の距離を示す。期間Ｔ１は、外部加速度を受けない場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動交点間の距離を示す。図１０から分かるように、Ｔ１ａは、Ｔ１に実質的に等しい。このように、共振器１０へ外部力が加わっても、各交点間のタイミングは実質的に影響がない。よって、２つの連続するトリガ事象間の時間を記録することにより、第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動周波数を判定することができる。典型的なＭＥＭＳ共振器は、容量性駆動および検出型、または圧電変換素子駆動および検出型である。すなわち、位相同期ループ（ＰＬＬ）が実現可能か否かは、圧電変換素子の発生した容量性信号または正弦波電圧から生じた正弦波電荷の正確な位相すなわち振幅を精密に測定する能力に依存する。共振器１０は、図１０に示すように加速度に実質的に依存しない既知の時点において第１の振動子１４および第２の振動子１６間で十分に確定したトリガを有し、これによりＰＬＬは、従来の共振器の場合より高精度かつロバストな様態で同期することができる。
【００３０】
図１１は、共振器１０の別の実施形態の平面図である。本実施形態において、第１の振動子１４および第２の振動子１６は、フレーム１２の片側に取り付けられ、第１の相対位置スイッチ半体１８および第２の相対位置スイッチ半体２０は平面導体であり、ギャップ２４によって離隔された平行な縁部を有する。また、本実施形態において、第１の絶対位置スイッチ半体６４および第２の絶対位置スイッチ半体６６も図示されている。絶対位置スイッチの第１の半体６４はフレーム１２へ取り付けられ、第２の半体６６は第１の振動子１４へ取り付けられている。このようにして、フレーム１２の加速度を別々に測定することができる。
【００３１】
図１２Ａ〜図１２Ｄは、共振器１０の別の実施形態を示す。図１２Ａは、フレーム１２の両側に取り付けられた第１の振動子１４および第２の振動子１６を示す平面図である。図１２Ｂ〜図１２Ｄは、図１２Ａに示す共振器１０の実施形態の側面図であり、第１の振動子１４および第２の振動子１６間の相対的動きを誇張して示す。本実施形態において、両振動子１４および１６は、駆動装置２２によって１８０ずれた位相で駆動される。
【００３２】
図１３は、共振器１０の別の実施形態の平面図である。本実施形態において、３つの相対位置スイッチが第１の振動子１４および第２の振動子１６へ取り付けられている。第１の相対位置スイッチは、第１のスイッチ半体１８および第２のスイッチ半体２０を含む。第２の相対位置スイッチは、第３のスイッチ半体２６および第４のスイッチ半体２８を含む。第３の相対位置スイッチは、第５の相対位置スイッチ半体６８および第６の相対位置スイッチ半体７０を含む。本実施形態には、絶対位置スイッチが２つ存在する。第１の絶対位置スイッチは、第１のスイッチ半体６４および第２のスイッチ半体６６を含む。第１の絶対位置スイッチ半体６４は、フレーム１２へ取り付けられ、第２の絶対位置スイッチ半体６６は、第１の振動子１４の縁部へ取り付けられている。第２の絶対位置スイッチは、第３のスイッチ半体７２および第４のスイッチ半体７４を含む。第３の絶対位置スイッチ半体７２は、第２の振動子１６の縁部へ取り付けられている。第４の絶対位置スイッチ半体７４は、フレームへ取り付けられている。
【００３３】
図１４Ａ〜図１４Ｂは、共振器１０の２つの異なる実施形態の機能ブロック図である。図１４Ａは、第１の振動子１４のみが駆動された場合の共振器１０の動作を示す。本実施形態において、駆動装置２２は、第１の振動子１４を駆動し、電圧バイアス７５をアナログ出力として生成する。このアナログ出力７５は周波数検出器７６内へ供給され、周波数検出器７６は出力７８を生成する。出力７８はローパスフィルタ８０に入力され、そこでローパスフィルタ８０は、フィルタリングした信号８２を出力する。次に信号８２は駆動装置２２に入力される。第１の振動子１４が振動すると、相対位置スイッチ８０は、相対位置スイッチ８０が閉鎖状態になる度に電流パルス８２を出力する。電流パルス８２は、周波数検出器７６内へフィードバック可能なデジタル出力である。図１４Ｂは、共振器１０の実施形態で第２の振動子１６も駆動装置２２によって駆動される場合の動作を示す。図１４Ｂに示すように、駆動出力７５は、位相シフタ８４によって位相シフトされた後、第２の振動子１６に到達する。
【００３４】
図１５Ａ、図１５Ｂ、図１６Ａ、図１６Ｂおよび図１７は、第１の振動子１４および第２の振動子１６の両方が駆動装置２２によって駆動される場合の、共振器１０の実施形態の振動振幅のいくつかの経時的グラフを示す。両振動子が駆動される場合、両者間の１８０度の位相差は不要であり、単に位相差が存在すればよい。図１５Ａは、位相差がπラジアンである場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示す。図１５Ｂは、位相差がπ／１．２ラジアンである場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示す。図１６Ａは、位相差がπ／１．４ラジアンである場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示す。図１６Ｂは、位相差がπ／２ラジアンである場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示す。図１７は、位相差がπ／４ラジアンである場合の第１の振動子１４および第２の振動子１６の振動を示す。
【００３５】
共振器１０のこれまでの記載から明らかなように、共振器１０の概念から逸脱することなく共振器１０の着想を実現するために多様な技術を用いることが可能である。例えば、一実施形態において、共振器１０は、可動部分の無いプリント回路として実現してもよい。さらに、共振器１０の多様な特徴は、処理装置（例えば、汎用プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））において実行されるソフトウェアルーチンまたは命令として実現することができる。記載の実施形態は、全ての点において限定的ではなく例示的なものとみなされるべきである。また、共振器１０は、本願に記載の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲から逸脱することなく多数の実施形態が可能であることが理解される。
【図１】
2014533009.tif 000006
【図２】
2014533009.tif 000007
【図３Ａ−３Ｄ】
2014533009.tif 000008
【図４Ａ−４Ｃ】
2014533009.tif 000009
【図５】
2014533009.tif 000010
【図６Ａ】
2014533009.tif 000011
【図６Ｂ】
2014533009.tif 000012
【図７】
2014533009.tif 000013
【図８】
2014533009.tif 000014
【図９】
2014533009.tif 000015
【図１０】
2014533009.tif 000016
【図１１】
2014533009.tif 000017
【図１２】
2014533009.tif 000018
【図１３】
2014533009.tif 000019
【図１４Ａ】
2014533009.tif 000020
【図１４Ｂ】
2014533009.tif 000021
【図１５Ａ】
2014533009.tif 000022
【図１５Ｂ】
2014533009.tif 000023
【図１６Ａ】
2014533009.tif 000024
【図１６Ｂ】
2014533009.tif 000025
【図１７】
2014533009.tif 000026
【国際調査報告】
2014533009.tif 000027