JPH03501529A - 静電的に励振される複式振動ビームの力トランスデューサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 静電的に励振される複式振動 ビームのカドランスデューサ １覧ゑ上１ 本発明は、カドランスデューサに関し、特に、機械的に結合された一対の振動ビ ームを有するカドランスデューサに関する。

１１立１遣 米国特許第４，３７２，１７３号及び第４，７２４，３５１号の明細書に記載さ れたものと同様の複式振動ビームのカドランスデューサは、加速度計、圧力ドラ ンスデューサ及びスケール（ｓｃａｌｅｓ）を含め、多くの装置において使用が 見られている。トランスデユーサは、一対の共通の取付はバラ５ド間に延びる一 対のビームもしくははりを有して、概して両端音さの形態を有している０例えば 加速度計で用いる場合は、加速度が、ビームの軸に沿った引張力もしくは圧縮力 に変換されて、振動ビームの共振周波数に変化を生じるゆその周波数変化が加速 度の測定値として用いられる。

複式振動ビームのカドランスデューサは、普通、結晶状の石英もしくは水晶から 作られ、その特徴は、トランスデユーサが圧電気的に励振されるのを許容する。

しかしながら、トランスデユーサがシリコンのような非圧電気物質から作られる 場合には、何等かの他の手段によって共振器もしくは共振子を励振させなければ ならない。

英国特許第２，１６２，３１４号明細書には、熱的に励振される小型の両端音さ トランスデユーサが記載されている。

しかしながら、かかるトランスデユーサが励振され得る周波数は、伴われた熱時 定数により固有に制限される。

１班五ＪＬＪ２ 本発明は、静電の励振系を含み、それにより、トランスデユーサが広い範囲の励 振周波数に互って１２ｉｌｌ振されるのを許容するようにした複式振動ビームの カドランスデューサを提供する。好適な実施例においては、Ｉ・ランスデューサ は、両端で一緒に結合された概して平行の第１及び第２のビームを有する胴体部 を備える。第１及び第２の電極がそれぞれのビームど接触しないように隣接して 位置付けられる。励振手段もしくは駆動手段が電極に電気的に結合されて、振動 電圧が電極に与えられるようにする。このようにしてビームは静電力を受け、該 静電力により、ビームは、双方のビームを含む振動面において、互いに１８０° の位相差で振動させられる。振動周波数がビームに沿って及ぼされる引張力もし くは圧縮力の関数であるように、ビームの機械的な共振が、駆動もしくは励振回 路／を極／ビームの組合わせの周波数もしくは振動数を制御する。トランスデユ ーサがミクロ機械加工された装置（ａ　ｍｉｃｒｏｍａｃｂｉｎｅｄ　ｄｅｖｉ ｃｅ）で用いられる場合に、ビーム及び電極が単一の結晶状層からエツチングさ れ得るように、電極はビームの面内にあって良い、駆動もしくは励振手段がビー ムの一方に直接結合される実施例も記載されている。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明の第１の好適な実施例を示す図である。

第２図は、第１図の線２−２に沿って見た断面図である。

第３図は、ミクロ機械加工された加速度計にカドランスデューサを用いた場合を 示す概略図である。

第４図は、本発明の第２の好適な実施例を示す概略図である。

第５図は、本発明の第３の好適な実施例を示す概略図である。

第６図は、第５図の線６−６に沿って見た断面図である。

第７図は、本発明の第４の好適な実施例を示す概略図である。

第８図は、Ｉ！Ｉｌ振回路もしくは駆動回路を示す回路図である。

日　ｆ　一 本発明のカドランスデューサの第１の好適な実施例が第１図及び第２図に示され ているゆトランスデユーサ１０は、両端音さ構造を有する胴体部１２ど、一対の 電極１４及び１６と、そして電極及び胴体部に電気的に結合された励振回路もし くは駆動回路１８とを含んでいる。

胴体部１２は、それぞれ張出部もしくはアウトリガ区分３０及び３２を介して両 端が取付はパッド２４及び２６に接続される、概して平行のビームもしくははり ２０及び２２を含んでいる。胴体部１２は、金属のような導電性物質またはシリ コンのような誘電性物質のいずれかを含み得る。

取付はパッド２４及び２６はそれぞれ構造体４０及び４２に接続され、これによ り、それら構造体は、ビーム２０及び２２の縦軸線に沿って方向付けられる圧縮 力または引張力を与え得る。以下に一層詳細に説明する駆動回路もしくは励振回 路１８は、振動電圧が電極１４及び１６に与えられるようにする。電極がそれら に与えられる電圧を有するとき、それらは、電荷の移動（導電性胴体部１２の場 合）またはＫＷの分極（誘電性胴体部１２の場合）をビーム２０及び２２内に生 じ、結果どして電極１４及びビーム２０間に吸引力を、そして電極１６及びビー ム２２間に吸引力を生じる。これら吸引力は、胴体部１２に対して電極が正に充 電されたかまたは負に充電されたかにかかわらず生じる。これにより、電極に周 波数での振動電圧が与えられると、ビーム２０及び２２は、１８０°の位相差で 互いに向かう方向及び離れる方向に周波数（もしくは振動数）２ｆで振動される であろう。従って、ビーム２０及び２２が周波数ｆで振動するように、振動電圧 のピークよりも大きいバイアス電圧が振動電圧に加えられる。このことは概して 両端音さトランスデユーサにとって好ましい共振モードである。というのは、ア ウトリガ３０及び３２と取付はパッド２４及び２６とに結合される応力は相殺さ れる傾向を有し、その結果、構造体４０及び４２への機械的エネルギーの損失を ほとんどなくすからである。

ビーム２０及び２２と結合して、ｌ２ｉｌＪ振回路もしくは駆動回路１８と電極 １４及び１６どは、周波数ｆで振動する発振器を形成し、該振動周波数は、周波 数２ｆでビーム２０及び２２の機械的共振によって制御される。このように、構 造体４０及び４２によりビームに沿って方向付けられる軸方向の力は共振周波数 ２ｆを変更し、これにより、構造体により胴体部１２上に及ぼされる力の測定値 を与える。駆動回路１８は、線４４上に周波数ｆの出力信号を生成し、そしてこ の周波数は、周波数測定回路４６によって力の測定値に変換される。

第３図は、トランスデユーサ１０を加速度計に用いた場合を示す、第３図に示す 加速度計は、たわみ体５４によって支持体５２に結合された保証質量体５０を含 んでいる。たわみ体５４は、第３図の図面の面と垂直に該たわみ体を貫くヒンジ 軸線ＨＡの回りで、支持体５２に対して保証質量体５０が回転するのを可能にす る１本発明のカドランスデューサ５６は、ヒンジ軸ｔ！ＨＡに隣接して保証質量 体５０と支持体５２との間に接続される。従って、感度軸＠ＳＡに沿った加速度 は、ヒンジ軸線の回りで保証質量体５０を回転させ、その結果、カドランスデュ ーサ５６上に圧縮力または引張力のいずれかを生じる。

シリコンから形成されたミクロ機械加工（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ）の加速 度計の場合、カドランスデューサ５６、及び第１図に示された関連の電極は、シ リコン・ウエーファの上部表面上に作られたエピタキシャル層をエツチングする ことにより形成され得る。同様の態様で、ウエーファの低部表面上にエピタキシ ャル層を作り、そして電気化学的な腐食停止（ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉ ｃａｌ　ｅｔｃｈ　５ｔｏｐ）としてかかる層を用いることにより、たわみ体５ ４が形成され得る。

本発明のカドランスデューサの第２の好適な実施例が第４図に示されている。該 トランスデユーサは、胴体部６０と電極６２及び６４とを含んでいる。胴体部６ ０は両端音さ構造を有し、アウトリガ７４及び７６とそれぞれの取付はパッド８ ０及び８２とによって端部が一緒に結合されたビーム７０及び７２を含んでいる 。取付はパッド８０は加速度計の支持部材を含み得る構造体８４に接続され、取 付はパッド８２は加速度計の保証質量体を含み得る構造体８６に装着される。電 極６２及び６４もまた構造体８４に装着され、電極の縁もしくは電極エツジ９０ 及び９２が、それぞれビーム７０及び７２の外方に面する表面に隣接して位置付 けられるように、一方だけで支えられて該構造体から外方に突出している。

電極６２及び６４を一方だけで支持すれば、電極を保証質量体８６に装着するこ とを不必要とし、これにより保証質量体の運動を妨害することが避けられる。電 極は、第１図に示されたように駆動回路もしくは励振回路に結合される。シリコ ンのミクロ機械加工装置において、胴体部６０と、電極６２及び６４とは、シリ コン・ウエーファの表面上に成長した単一のエピタキシャル層から形成されるの が好ましく、この場合、構造体８４及び８６は、元のもしくは原型の（ｏｒｉｇ ｉｎａｌ）ウエーファ物質から形成される６例えば、Ｐ型つエーファが、構造体 ８４及び８６を形成するために用いられ得、そしてＮドープ・エピタキシャル層 が、胴体部６０と電極６０及び６２とを形成するために用いられ得る。第４図に 示された同面型の設計が好ましく、その理由は、同面型の設計が、電極及び両端 音さ胴体部の双方を単一層から同時に製造するのを可能にするからである。

本発明の第３の好適な実施例が第５図及び第６図に示されている。トランスデユ ーサは、第１図に示された胴体部１２と同一であって良い両端音さ胴体部１００ を含んでいる。胴体部１００は、それぞれアウトリガ１１０及び１１２を介して 取付はパッド１０６及び１０８間に接続されるビーム１０２及び１０４を含んで いる。取付はパッド１０６及び１０８は、構造体１２０及び１２２にそれぞれ接 続される０合計４つの電極１３１〜１３４が、ビーム１０２及び１０４の回りに 位置付けられている。電極１３１及び１３３は、ビーム１０４の上及び下に位置 付けられ、そして電極１３１の中央と電極１３３の中央との間に引かれた線１３ ６に対して該ビームが内方に位置付けられるように、ビーム１０４から外方に間 を置かれている。ビーム１０２は同様に、電極１３２の中央と電極１３４の中央 との間に引かれたｉｌｌ　３８に対して内方に位置付けられるように配置されて いる。すべての電極は、駆動回路から共通の駆動電圧を受けるように接続される 。

電圧が電極１３１〜１３４に与えられたとき、ビーム１０２及び１０４は、それ ぞれ線１３６及び１３８の方向に向かって互いに離れる方向に外方に引っ張られ る。

実際、電極及びビーム間の静電力により、各ビームは、隣接した電極対間の中央 にそれ自身で位置しようとする。

従って、この配列は、第４図に示された実施例の場合のように、胴体部１００の 面内に完全に含まれるビーム駆動力もしくは励振力を生成する。を極１３１〜１ ３４は、第４図に示されたのと概して同様の態様で、それらをビームから外方へ そして取付構造体１２０の方向へ延ばすことによって支持され得る。この実施例 の場合、胴体部／電極の構造体を形成するために合計５つの層が必要とされ：１ つの層は胴体部１００のためであり、２つの層は電極のためであり、そして電極 と胴体部１００との間の２つの犠牲的な層は電極をビームから間を置いて位置付 けるためである。

第５図及び第６図に示された配列は、電極１３３及び１３４を除去することによ って変更され得る。残りの電極１３１及び１３２上の周期電圧は、尚、胴体部の 面に周期的な駆動力もしくは励振力を生成するが、ビームに偽のもしくはスプリ アスなモードを励起し得る周期的な横断力をも生成する。しかしながら、かかる スプリアスなモードの周波数が所望のモードの帯域幅の外側にあるようにトラン スデユーサを設計することはしばしば可能である。従って、駆動回路もしくは励 振回路の適切な設計によってスプリアスなモードを避けることができる。

第７図は本発明のさらに別の実施例を示しており、この実施例においては、静電 力は、ビームの１つに直接的に電圧を与えることによって作られる。第７図に示 される実施例は、同一の胴体部１４０及び１４２と駆動回路もしくは励振回路１ ４４とを含んでいる。胴体部１４０は、取付はパッド１５２及び１５４間に延び るビーム１５０を含んでおり、胴体部１４２は、取付はパッド１６２及び１６４ 間に延びるビーム１６０を含んでいる。

取付パッド１５２及び１６２は、構造体１６６に接続され、取付はパッド１５４ 及び１６４は、第２の構造体１６８に接続される。胴体部１４０及び１４２は、 ビーム１５０及び１６０が互いに平行でかつ小さいギャップで互いに離れて間を 置かれるように整列される。

示された例において、胴体部１４０は接地され、そして胴体部１４２は駆動回路 １４４に接続されて該駆動回路から周期的な電圧を受ける。かかる電圧は、上述 の実施、例のものと同様の態様で、ビームを共振的に励振させる周期的な吸引力 をそれらビーム間に生じさせる。ミクロ機械加工の過程（例えば、藁束されたイ オン・ビームによるフライス削り［ｆｏｃｕｓｅｄ　ｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｍｉｌ ｌｉｎｇコ）によって許容される非常に狭いビーム間隔、並びに双方のトランス デユーサ・ビームが同じ構造体に一体的に接続されるという事実は、ビームがア ウトリガ及び取付はパッドを介して互いに対して直接に接続されるようにすると いう大きな長所が得られるということを意味する。ビームの両端での良好なトル ク相殺性を得るために必要とされるビームの接近性は、低い励振電圧で大きい励 振力を発生するのを許容する効果をも有する。

本発明の駆動回路もしくは励振回路に対する適切な実施例が第８図に示されてい る。駆動回路もしくは励振回路は、増幅器１５０及び１５２と、出力バッファ１ ５４と、そして自動利得制御（八ＣＣ）回路１５６とを含んでいる。第８ｉ２に おいて、共振構造は、コンデンサにより分路される、コンデンサ、誘導子及び抵 抗器の直列結合によってブロック１５８に表わされている。電極は、線１６０に よって増幅器１５０の入力端子に結合され、該増幅器１５０は電流／電圧変換器 として動作し、出力電圧は入力電流の位相とずれる。増幅器１５０は、定電圧源 （ａ　５ｔｅａｄｙ　ｖｏｌｔａｇｅ　５ｏｕｒｅｅ）　１７０及び抵抗器１７ ２からのバイアス電流をブロック１５８からの電流と合計する。増幅器１５０の 出力は、可変利得電圧インバータとして動作する増幅器１５２の入力に結合され 、インバータの利得の大きさは、ＡＧＣ回路からの線１６４上の制御信号により 制御される。線１６６上の増幅器１５２の出力は、出力バッファ１５４に接続さ れ、そして共振構造１５８にフィードバックされる。

上述したすべての実施例の場合、熱励振（ａ　ｔｈｅｒｍａｌｄｒｉｖｅ）で行 うことができるよりも一層高い周波数で励振を与ることができる。静電駆動によ って生じる電界は、電極及びビーム間の空間に大いに制限されるので、広範囲の 遮蔽もしくはシールドは必要とされない、もちろん、当業者は、提起された実施 例の変形態様である他の励振配列を生成し得る１例えば、電極及びビームには同 様の電荷を与えることができ、その場合には、励振力は吸引的であるよりもむし ろ反発的である１反発的な配列の不利な点は、吸引的な場合におけるよりも一層 多くの磁界の漏れを生じることである。この場合には、駆動もしくは励振電極の 外側にビームを置くというような物理的位置付４すの意味においても、また、ト ランスデユーサの胴体部及びビームを導体から作り、かつ電極を誘電物質から作 るというような材料の意味においても、ビーム及び電極の役割は反対にされ得る 。すべての実施例の場合、！種形状及び大きさは、所望の共振モードを励振する のを最適にするように調整され得る。さらに、記載された実施例におけるように 単一の電極に励振及び感知の双方の機能を結合するよりもむしろ、励振及び感知 の別々の電極を設けても良い０例えば、第１図において、電極１４及び１６の各 々は、駆動もしくは励振電極を含む中央部分と、感知電極を含む相互接続された 端部とに縦方向に分割することができる。第８図を参照すると、駆動もしくは励 振電極は１．線１６６に接続され、感知電極は！！１６０に接続されるであろう 。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．両端で一緒に結合された概して平行の第１及び第２のビーム（２０，２２， ７０，７２，１０２，１０４）を含んだ胴体部（１２，６０，１００）を備えた 型の振動ビーム力トランスデューサにおいて、それぞれ前記第１及び第２のビー ムに隣接するが接触しないように位置付けられた第１及び第２の電極（１４，１ ６，６２，６４，１３〜１３４）と、前記電極に電気的に結合され、前記双方の ビームを含む振動面内で互いに１８０°の位相差で前記ビームを振動させる静電 力を該ビームが受けるように前記電極に振動電圧が与えられるようにする駆動手 段（１８）と、を備え、前記振動電圧は、前記ビームに沿って縦に与えられる力 の関数である周波数を有するように改良された力トランスデューサ。 ２．前記電極は前記振動面内にある請求の範囲第１項記載の力トランスデューサ 。 ３，各電極は、その関連のビームの、他方のビームとは反対側に位置付けられた 請求の範囲第２項記載の力トランスデューサ。 ４．各電極は、前記振動面と垂直の方向に、関連のビームの反対側に位置付られ た上部（１３１，１３２）及び下部（１３３，１３４）の電極部分を備え、これ ら電極部分は、ビームがそれら電極部分間の中心にはないように位置付けられ、 これにより、それら電極部分に電圧が与えられたときには、ビームは、それら電 極部分間の中心の位置の方向に向かって吸引されるようにした請求の範囲第１項 記載の力トランスデューサ。 ５．前記振動電圧は定常成分を含み、これにより前記振動電圧の周波数は前記ビ ームの振動周波数と同一である請求の範囲第１項記載の力トランスデューサ。 ６．第１及び第２の構造体（１６６，１６８）間に及ぼされる力を測定するため の振動ビーム力トランスデューサであって、第１及び第２の胴体部（１４０，１ ４２）を含み、各胴体部は、第１及び第２の端部分（１５２，１５４，１６２， １６４）間に延びるビーム（１５０，１６０）を含み、前記両胴体部は、各胴体 部が一方の端部分で各構造体に接続されるように、かつ前記ビームが平行で互い に隣接しているが互いに接触しないようにして、位置付けられ、前記力トランス デューサはさらに、前記胴体部の一方に周期電圧を与えるための手段（１４４） を含み、これにより、前記ビーム間に周期的な静電力を生じさせて、前記構造体 によりそれらビームに沿って与えられる軸方向の力の関数である周波数で、それ らビームを共振振動で励振させるようにした力トランスデューサ。