(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動体と、前記振動体に対し間隙を隔て配置された電極と、前記振動体とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体と、を含み、前記電極と前記変形制御体とが基板に固定された静電振動子であって、
前記振動体は、少なくとも一部に屈曲した形状からなる屈曲部を有し、
前記振動体が前記変形制御体に少なくとも一点で連接され、
前記屈曲部が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力により変形し、
前記変形によって前記間隙の距離が前記温度変化に対して非線形的に変化することを特徴とする静電振動子。
【請求項２】
前記振動体と前記変形制御体とが少なくとも一つの前記連接点で接合されている請求項１に記載の静電振動子。
【請求項３】
前記振動体が、前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記屈曲部を構成し前記振動部を支持する少なくとも一つの支持体と、からなる請求項１または２に記載の静電振動子。
【請求項４】
前記振動体が、前記屈曲部を構成し前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記振動部を前記基板に固定する少なくとも一つの固定部と、からなる請求項１または２に記載の静電振動子。
【請求項５】
前記振動体が、前記電極からの交流電圧により振動する振動部と、前記屈曲部を構成し前記振動部を支持する少なくとも一つの支持体と、前記支持体を前記基板に固定する固定部と、からなる請求項１または２に記載の静電振動子。
【請求項６】
前記振動体と前記電極とが互いに熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電振動子。
【請求項７】
前記振動部および前記支持体のうち、いずれか一方が他方とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項３に記載の静電振動子。
【請求項８】
前記振動部および前記固定部のうち、いずれか一方が他方とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項４に記載の静電振動子。
【請求項９】
前記振動部、前記支持体、および前記固定部のうち、少なくとも一つが残りとは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成される請求項５に記載の静電振動子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の静電振動子と、
前記電極に駆動電圧を印加する駆動回路と、を備えていることを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子機器の基準周波数発振器に使用される静電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器や、パーソナルコンピュータ、時計等の電子機器において、小型でしかも安定な高周波信号源として水晶振動子が用いられてきた。
【０００３】
水晶振動子は他の高周波電子部品と比較すると大型であることから、近年、小型化の要求が高まってきている。しかし、その要求を十分に満足させることはできていない。
【０００４】
そのような要求を満足させ、水晶振動子を置き換えるものとして、近年、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System）技術を用いて作製した静電振動子が注目されている。静電振動子は機械的に振動する振動体とそれに対して間隙を隔てて並列した電極を含む。振動体と電極の間には直流電圧が印加されている。その状態でさらに振動体と電極の間に交流電圧を印加すると、ある一定の周波数において共振が起こる。この静電振動子は水晶振動子と同程度の共振Ｑ値を持つだけでなく、水晶振動子に比べ、小型化、集積化、高周波数対応が容易である等の利点があり、次世代の高周波信号源として期待されている。
【０００５】
上述のように静電振動子は水晶振動子に比べ多くの利点がある反面、解決しなければならない課題もある。静電振動子は水晶振動子に比べ共振周波数の温度依存性が高く、温度変化に対する共振周波数の安定性が低い。そのために信頼性において水晶振動子より劣る。
【０００６】
この問題を解決する一つの方法として、温度変化に対する共振周波数変化を補償する方法が特許文献１により公開されている。その方法は、温度変化に伴い、振動部と電極の間に印加する直流電圧や間隙の距離を能動的または受動的に変化させることで、温度変化に対する共振周波数変化を補償する方法である。
【０００７】
特許文献１では、振動体と電極を隔てる間隙の距離を温度変化に対して受動的に変化させる方法として、振動体を構成する振動部とそれを支える支持体、電極にそれぞれ熱膨張係数の異なる異種材料を用いる方法が示されている。その方法によると、基準温度において各部材の寸法、相対位置等の設計パラメータを設定することで、温度変化に対する前記間隙の距離の変化量を設計することができる。以下、特許文献１における前記設計パラメータについて、図９、図１０を参照して説明する。図９、図１０は、それぞれ特許文献１における発明の一実施形態による静電振動子を基板上面の視点から見た平面図である。図９、図１０において、１は振動部、２は電極、３は基板、４はてこレバー、５はてこレバーの支持体、６はてこレバーの支柱、７と８は振動部１の支持体である。Ｌ１、Ｌ２、Ｌ１１、Ｌ１２、ａ、ｂ、ｄが前記設計パラメータであり、それぞれ、基準温度における支持体７および支持体８の長さ、電極２の幅、てこレバーの支持体５の長さ、てこレバーの支柱６の長さ、てこレバー４の力点から支点までの距離、てこレバー４の支点から電極２までの距離、振動部１と電極２の間の距離である。これらは全て、温度変化に対して線形的に変化する。さらに、上記以外の設計パラメータとして各部材の熱膨張率があり、これは、異種材料を組み合わせた混合材を用いる等して変化させることができる。
【特許文献１】米国特許第６９８７４３２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１で示されている温度変化に対する前記間隙の距離の変化量の設計方法によると、前記間隙の距離の変化は温度変化に対して線形的であるため、共振周波数の補償の精度が十分ではなかった。
【０００９】
本発明は、共振周波数の補償の精度をより向上させることができる静電振動子を提供することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、振動体と、前記振動体に対し間隙を隔て配置された電極と、前記振動体とは熱膨張係数の異なる異種材料によって形成された変形制御体と、を含み、前記電極と前記変形制御体とが基板に固定された静電振動子であって、前記振動体は、少なくとも一部に屈曲した形状からなる屈曲部を有し、前記振動体が前記変形制御体に少なくとも一点で連接され、前記屈曲部が温度変化に起因して前記連接点に生じる応力により変形し、前記変形によって前記間隙の距離が非線形的に変化することを特徴とする静電振動子である。
【００１１】
前記間隙の距離の変化を非線形的にするために、新たな設計パラメータとして関数ｆを導入する。前記関数ｆは、前記振動体の形状を曲線で近似的に表した場合に、任意に決めた座標における前記曲線の関数を表す。
【００１２】
前記関数ｆは微分不可の点も含むことができる。その場合の前記関数ｆは、前記微分不可の点を除き区分的に定義する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、振動体が温度変化に起因する応力により変形し、その変形によって振動体と電極とを隔てる間隙の距離を変化させることができる。この間隙の距離の変化は非線形的に設計することが可能である。そのような設計により、温度変化に対する共振周波数の変化を従来の方法に比べ高い精度で補償可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１、図３〜図８は、それぞれ本発明の一実施形態による静電振動子を基板上面の視点から見た平面図である。また、図２は図１の振動体１０の形状を曲線ｙ＝ｆ（ｘ）で近似的に表現した図である。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本発明の実施形態１による静電振動子の構造を示す平面図である。図１において、振動体１０はその形状が長尺状をなしているとともに基準温度において少なくとも一部で屈曲した状態にあり、本実施形態では、長尺状の振動体１０は例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。この状態において、振動体１０には外力はかかっていない。振動体１０は変形制御体９に対して例えば両端部である二点で連接し、少なくとも一点で接合されている。以下の全ての実施形態において、少なくとも一点で接合されていると言った場合、特に明示しない限り説明上は全ての連接点で接合されている構造を想定している。しかし、基準温度の設定によって、必ずしも接合されずに単に接している構造でも同様な効果が得られる場合があり、特に明示しなくとも各実施形態はそのような構造を含んでいる。電極２は基板３に固定されている。振動体１０は、例えばその屈曲部が電極２に対して間隙ｄを隔てるように配置されている。変形制御体９は、振動体１０に比べ熱膨張係数が小さな異種材料により形成されている。また、図には明示していないが、変形制御体９も基板３に固定されている。振動体１０や電極２、変形制御体９の形状、配置はこの限りでなく、また、振動体１０、電極２にはそれぞれ互いに熱膨張係数の異なる異種材料を用いることができる。
【００１６】
基準温度から温度が上昇すると、振動体１０や電極２、変形制御体９はそれぞれ膨張する。しかし、変形制御体９の膨張量は振動体１０の膨張量よりも小さい。よって、振動体１０は変形制御体９との連接点において応力１４、応力１５を受ける。これにより、振動体１０はその屈曲部の屈曲角度が小さくなるように変形する、つまり、振動体１０が変位２３の向きに出っ張るように変形する。その結果、間隙ｄが増加する。
【００１７】
図示しない駆動回路により、振動体１０と電極２との間に一定の直流電圧をかけ、その状態で電極２から振動体１０にある周波数の交流電圧をかけると振動体１０が大きく振動する。その周波数が静電振動子の共振周波数である。温度変化に依存して共振周波数は変化するが、図１の構造によれば、共振周波数の変化を補償する方向に間隙ｄを変化させることができる。また、振動体１０が屈曲していることにより、温度変化による間隙ｄの変化は非線形的な変化となる。
【００１８】
温度変化によって間隙ｄが非線形的に変化する一例として、図２のｆ（ｘ）が例えば双曲線関数、高次の多項式関数、および楕円の一部を切り取った弧を表す関数である場合を挙げることができる。ここで挙げた関数はあくまで一例であり、ｆ（ｘ）はその限りではない。
【実施例２】
【００１９】
図３は、本発明の実施形態２による静電振動子の構造を示す平面図である。図３は図１の変形制御体９を変形制御体１６で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図１と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図３の変形制御体１６は、振動体１０の周囲を囲む長方形の枠として形成されており、その枠の途中に切れ目はなく、枠は閉路である。また、図には示していないが、変形制御体１６は基板３に固定されている。図１の変形制御体９は、振動体１０を応力１４と応力１５により変形させるが、応力１４と応力１５の反作用によりそれ自体も変形する。変形制御体９を変形制御体１６に置き換えることにより、変形制御体がより強固になり、応力１４と応力１５の反作用によるそれ自体の変形が抑えられる。変形制御体の変形が抑えられることにより、振動体１０の変形が増大する。また、変形制御体１６は変形制御体９に比べ応力による材料の疲労が少なく、耐久性が高い。変形制御体１６は長方形の枠状に形成されているが、変形制御体の形状はこの限りではない。
【実施例３】
【００２０】
図４は、本発明の実施形態３による静電振動子の構造を示す平面図である。図４は図１の変形制御体９を変形制御体１７で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図１と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図４の変形制御体１７は、振動体１０の例えば両端部の内側に二点で連接し、少なくとも一点で接合されており、振動体１０の両端部で挟み込まれた状態となっている。また、図には示していないが、変形制御体１７は基板３に固定されている。この構造は、その他の実施形態に比べ静電振動子全体をよりコンパクトにまとめることができるという利点がある。
【実施例４】
【００２１】
図５は、本発明の実施形態４による静電振動子の構造を示す平面図である。図５は図１の振動体１０を振動部１、支持体１８、および支持体１９で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図１と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。振動部１は支持体１８と支持体１９とに接続している。支持体１８と支持体１９とは変形制御体９にそれぞれ一点で連接し、それら計二点の連接点のうち少なくとも一点で接合されている。長尺状の振動体となる振動部１、支持体１８、および支持体１９は、例えば長手方向の略中央部に位置する振動部１で屈曲した状態にある。また、振動部１、支持体１８、および支持体１９にはそれぞれ互いに熱膨張係数が異なる材料を用いることができる。振動部１はそのままに、支持体１８と支持体１９とを形成する材料を振動部１とは熱膨張係数の異なる異種材料に変えると、共振周波数は変えずに温度変化による間隙ｄの変化量を変えることができる。すなわち、共振周波数は変えずに温度変化に対する共振周波数の変化の補正効果だけを変えることができる。これにより、設計の自由度が増し、共振周波数は変えずに静電振動子全体を小型にする等の設計が可能になる。
【実施例５】
【００２２】
図６は、本発明の実施形態５による静電振動子の構造を示す平面図である。図６は図１の振動体１０を振動部１１、固定部１２、および固定部１３で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図１と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図１では、振動体１０は変形制御体９に連接し、少なくとも一点で接合されている。しかし、図６では、図には明示していないが、振動部１１に接続している固定部１２および固定部１３は基板３に固定されるとともに変形制御体９に連接されている。長尺状の振動体となる振動部１１、固定部１２、及び固定部１３は、長尺状の振動部１１における例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。そして、振動部１１、固定部１２、および固定部１３のいずれも変形制御体９に接合されている必要はない。図６の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙ｄが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部および固定部により構成される場合は、必ずしも振動体が変形制御体に接合されている必要はない。
【実施例６】
【００２３】
図７は、本発明の実施形態６による静電振動子の構造を示す平面図である。図７は図５の支持体１８を固定部１２および支持体２０で置き換え、支持体１９を固定部１３と支持体２１で置き換えた図であり、その他の部分に違いはない。よって、図５と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。図５では、支持体１８および支持体１９は変形制御体９に連接し、少なくともどちらか一方は変形制御体９に接合されている。しかし、図７では、図には明示していないが、支持体２０に接続している固定部１２は基板３に固定されるとともに変形制御体９に連接され、支持体２１に接続している固定部１３も基板３に固定されるとともに変形制御体９に連接されている。長尺状の振動体となる振動部１、支持体２０、支持体２１、固定部１２、及び固定部１３は、例えば長手方向の略中央部に位置する振動部１で屈曲した状態にある。そして、振動部１、固定部１２、固定部１３、支持体２０、および支持体２１のいずれも変形制御体９に接合されている必要はない。図７の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙ｄが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部、固定部、および支持体により構成される場合も、必ずしも振動体が変形制御体に接合されている必要はない。
【実施例７】
【００２４】
図８は、本発明の実施形態７による静電振動子の構造を示す平面図である。図８は図１の振動体１０を振動部１１および固定部１２で置き換え、変形制御体９を変形制御体２２で置き換え、振動部１１における固定部に接続されていない方の端点が変形制御体２２と連接した図である。図８では、図には明示していないが、振動部１１に接続している固定部１４は基板３に固定されているが、変形制御体２２には連接されていない。変形制御体２２は、振動体となる振動部１１および固定部１２の周囲を囲む長方形の枠として形成されており、その枠の途中に切れ目はなく、枠は閉路である。長尺状の振動体となる振動部１１および固定部１２は、長尺状の振動部１１における例えば長手方向の略中央部で屈曲した状態にある。また、振動部１１および固定部１２で構成される振動体は、前記連接点でのみ変形制御体２２と連接している。これらが図１と図８の違いであり、その他の部分に違いはない。よって、図１と同一部分には同一符号を与え、説明を省略する。振動部１１および固定部１２で構成される振動体は、振動部１１における固定部に接続されていない方の端点でのみ変形制御体２２と連接している。また、その連接点において振動部１１と変形制御体２２とは接合されていてもよいが、必ずしもその必要はなくただ接しているだけでもよい。図８の構造によっても、他の実施形態と同様、間隙ｄが温度変化によって非線形的に変化する効果が得られる。そのため、振動体が振動部および固定部により構成される場合は、必ずしも振動体が変形制御体と二点以上で連接している必要はなく、連接点が一点あれば本発明の効果が得られる。また、図によって明示はしないが、振動体が振動部、固定部、および支持体により構成される場合も同様に、必ずしも振動体が変形制御体と二点以上で連接している必要はなく、連接点が一点あれば本発明の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態１による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図２】図１の振動体１０の形状を曲線ｙ＝ｆ（ｘ）で近似的に表現した図である。
【図３】本発明の実施形態２による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態３による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態４による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態５による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図７】本発明の実施形態６による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の実施形態７による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図９】特許文献１に記載の発明の一実施形態による静電振動子の構造を示す平面図である。
【図１０】特許文献１に記載の発明の一実施形態による静電振動子の構造を示す平面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１，１１…振動部、２…電極、３…基板、４…てこレバー、５…てこレバー支持体、６…てこレバー支柱、７，８，１８，１９，２０，２１…支持体、９，１６，１７，２２…変形制御体、１０…振動体、１２，１３…固定部、１４，１５…応力、２３…変位、ｄ…振動体と電極の間隙、ｆ…振動体の形状を表す関数
【図１】
0005112819.tif 000002
【図２】
0005112819.tif 000003
【図３】
0005112819.tif 000004
【図４】
0005112819.tif 000005
【図５】
0005112819.tif 000006
【図６】
0005112819.tif 000007
【図７】
0005112819.tif 000008
【図８】
0005112819.tif 000009
【図９】
0005112819.tif 000010
【図１０】
0005112819.tif 000011