JPH0744828U - 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】 【目的】 トランスデューサが広い範囲の励振周波数に
亘って励振されるのを許容するようにした複式振動ビー
ムの力トランスデューサを提供する。 【構成】 トランスデューサは、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２０、２２を有す
る胴体部１２を備える。第１及び第２の電極１４、１６
がそれぞれのビーム２０、２２と接触しないように隣接
して位置付けられる。駆動回路１８が電極１４、１６に
電気的に結合されて、振動電圧が電極１４、１６に与え
られるようにする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、力ト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 ビームを有する力トランスデューサに関する。

【０００２】

【従来の技術】

米国特許第４,３７２,１７３号及び第４,７２４,３５１号明細書に記載された ものと同様の複式振動ビームの力トランスデューサは、加速度計、圧力トランス 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されている。 トランスデューサは、一対の共通の取付けパッ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。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。その周波数変化が加速度の測定値として 用いられる。 複式振動ビームの力トランスデューサは、普通、結晶状の石英もしくは水晶か ら形成され、その特徴は、トランスデューサが圧電気的に励振されるのを許容す ることにある。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、トランスデュ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ューサが記載されている。しかしながら、かかるトランス デュ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。

【０００４】 本考案は、静電の励振系を含み、それにより、トランスデューサが広い範囲の 励振周波数に亘って励振されるのを許容するようにした複式振動ビームの力トラ ンスデューサを提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

好適な実施例においては、トランスデューサは、両端で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 れのビームと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／電極／ビームの組合わせの周波数も しくは振動数を制御する。トランスデューサがミクロ機械加工された装置（a mi cromachimed device）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 らエッ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。

【０００６】

【実施例】

実施例１． 本考案の力トランスデューサの第１の好適な実施例が図１及び図２に示されて いる。トランスデューサ１０は、両端音さ構造を有する胴体部１２と、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けパッド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 。

【０００７】 取付けパッド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。

【０００８】 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）または電荷の分極（誘電性胴体部１２の場合）をビーム２０ 及び２２内に生じ、結果として電極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。それら吸引力は、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ｆの振動電圧が与えられると、ビーム２０及び２２は、１８ ０°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）２ ｆで振動されるであろう。

【０００９】 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 トランスデューサにとって好ましい共振モードである。

【００１０】 この理由は、アウトリガ３０及び３２と取付けパッド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。

【００１１】 ビーム２０及び２２と結合して、励振回路もしくは駆動回路１８と電極１４及 び１６とは、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４ ０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。

【００１２】 図３は、トランスデューサ１０を加速度計に用いた場合を示す。図３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、図３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。 本考案の力トランスデューサ５６は、ヒンジ軸線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、感度軸線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、力トランスデューサ５ ６上に圧縮力または引張力のいずれかを生じる。

【００１３】 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 、力トランスデューサ５６、及び図１に示された関連の電極は、シリコン・ウェ ーファの上部表面上に作られたエピタキシャル層をエッチングすることにより形 成され得る。同様の態様で、ウェ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 electrochemical etch stop）としてかかる 層を用いることにより、たわみ体５４が形成され得る。

【００１４】 本考案の力トランスデューサの第２の好適な実施例が図４に示されている。該 トランスデューサは、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とそれぞれの取付けパッド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 。取付けパッド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 付けパッド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。

【００１５】 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ッジ 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。

【００１６】 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、図１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。

【００１７】 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（ original）ウエーファ物質から形成される。

【００１８】 例えば、Ｐ型ウエーファが、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。図４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。

【００１９】 本考案の第３の好適な実施例が図５及び図６に示されている。トランスデュー サは、図１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 んでする。胴体部１００は、それぞれアウトリガ１１０及び１１２を介して取付 けパッド１０６及び１０８間に接続されるビーム１０２及び１０４を含んでいる 。取付けパッド１０６及び１０８は、構造体１２０及び１２２にそれぞれ接続さ れる。

【００２０】 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１３６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 引かれた線１３８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。

【００２１】 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、電極及びビームの間の静電力により、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、図４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。

【００２２】 電極１３１〜１３４は、図４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。

【００２３】 図５及び図６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 デューサを設計することはしばしば可能である。

【００２４】 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。

【００２５】 図７は本考案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。図７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１４ ４とを含んでいる。胴体部１４０は、取付けパッド１５２及び１５４間に延びる ビーム１５０を含んでおり、胴体部１４２は、取付けパッド１６２及び１６４間 に延びるビーム１６０を含んでいる。取付けパッド１５２及び１６２は、構造体 １６６に接続され、取付けパッド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。

【００２６】 例示されているように、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。

【００２７】 ミクロ機械加工の過程（例えば、集束されたイオン・ビームによるフライス削 り〔focused ion beam milling〕）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ューサ・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け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。

【００２８】 本考案の駆動回路もしくは励振回路に対する適切な実施例が図８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（ＡＧＣ）回路１５６とを含んでいる。図８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。

【００２９】 増幅器１５０は、定電圧源（a steady voltage source）１７０及び抵抗器１ ７２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。

【００３０】 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えることができる。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 はシールドはこつようとされない。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。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。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けの意味においても、また、トランスデ ュ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。

【００３１】 すべての実施例の場合、電極形状及び大きさは、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。例えば、図１において、電極１４及び１６の各は 、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。図８を参照すると、駆動もしくは励振電極 は、線１６６に接続され、感知電極は線１６０に接続されるであろう。

【００３２】

【考案の効果】

以上の説明より明らかなように、本考案に係る複式振動ビームの力トランスデ ューサによれば、トランスデューサが広い範囲の励振周波数に亘って励振される のを許容することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本考案の第１の好適な実施例を示す図であ
る。

【図２】 図１の線２−２に沿って見た断面図である。

【図３】 ミクロ機械加工された加速度計に力トランス
デューサを用いた場合を示す概略図である。

【図４】 本考案の第２の好適な実施例を示す概略図で
ある。

【図５】 本考案の第３の好適な実施例を示す概略図で
ある。

【図６】 図５の線６−６に沿って見た断面図である。

【図７】 本考案の第４の好適な実施例を示す概略図で
ある。

【図８】 励振回路もしくは駆動回路を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１ トランスデューサ、１２ 胴体部、１４、１６、６
２、６４、１３１〜１３４ 電極、１８ 駆動手段、２
０、２２、７０、７２、１０２、１０４、１５０、１６
０ はり（ビーム）、１４０、１４２ 胴体部、１４４
駆動手段、１６６、１６８ 構造体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 ノーリング、ブライアン・エル アメリカ合衆国、ワシントン州 98012、 ミル・クリーク、ワンハンドレッドフォー ティフィフス・プレイス・エス・イー 1532

Claims (6)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 両端で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(1
   2,60,100)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(14,16,62,64,131〜134)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
   °の位置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. 【請求項２】 前記電極は前記振動面内にある請求項１
   記載の力トランスデューサ。
3. 【請求項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項２記載の力ト
   ランスデューサ。
4. 【請求項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けられた上部(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項１記
   載の力トランスデューサ。
5. 【請求項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
   同一である請求項１記載の力トランスデューサ。
6. 【請求項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(140,142)を含
   み、各胴体部は、第１及び第２の端部分(152,154,162,1
   64)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。