発振器
【課題】複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器を提供する。
【解決手段】機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備える。
【解決手段】機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度（即ちＱ値）が極めて大きく、１００００を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
【０００３】
そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコンを用いたMEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術により形成された小型のMEMS振動子を用いたMEMS発振器が報告されている（非特許文献１）。MEMS発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、MEMS振動子はシリコンを用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
【非特許文献１】T.Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術に係るMEMS発振器によれば、一つの基本周波数しか得られないため、基本周波数以外の周波数が必要な場合、用途に応じて基本周波数を分周または逓倍して利用する必要があり、周波数分周器または周波数逓倍器といった外部回路が必要になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る発振器は、機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備える。
上記の構成によれば、直流電圧印加部が、出力用振動子に直流電圧を印加し、さらに、励振用電極が、出力用振動子との間で電界を介して相互に作用して出力用振動子を励振して固有振動モードを変化させ、発振回路が、出力用振動子の固有振動モードに応じた共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【０００７】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極と前記発振回路との間に接続され、前記発振回路から前記励振用電極への電気的な接続経路を選択する基本周波数選択回路を更に備えた事を特徴とする。
上記の構成によれば、基本周波数選択回路が、発振回路から励振用電極への電気的な接続経路を選択する事で励振用電極への電圧の印加方法が変更できるため、励振用電極が出力用振動子の所望の位置に電界を介して作用して所望の振動モードを選択し、発振回路が、出力用振動子の所望の共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【０００８】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、前記励振用電極が、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする。
上記の構成によれば、出力用振動子と励振用電極とが同一の半導体基板上に形成できるため、小型化できる。
【０００９】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【００１０】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【００１１】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数で発振する事ができる。
【００１２】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数の２分の1の周波数で発振する事ができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、出力用振動子の振動の腹に相当する位置に励振用電極を配置することで、出力用振動子に発生する静電気力の位置を制御し、出力用振動子の固有振動モードを変化させる様にしたので、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、本発振器は、振動子１００、直流バイアス電圧印加回路１０１、基本周波数選択回路１０２、出力用発振回路１０３から構成される。
【００１５】
振動子１００は、直流バイアス電圧印加回路１０１に接続されると共に、基本周波数選択回路１０２にも接続される。また、基本周波数選択回路１０２は出力用発振回路１０３に接続される。
【００１６】
次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
まず、直流バイアス電圧印加回路１０１は、振動子１００に直流バイアス電圧を印加して静電気力による駆動ができる状態にする。次に、基本周波数選択回路１０２は、振動子１００の共振周波数の選択を行い、出力用発振回路１０３は、振動子１００の共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。
上記の様に本発振器は、基本周波数選択回路１０２において選択された周波数の発振信号を出力するものである。
【００１７】
次に、以上に説明した本実施形態に係る発振器の各構成要素の一例について詳述する。
まず、図２を参照して上記振動子１００の構成の第１の例を説明する。
同図に示すように、振動子１００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１、出力用振動子電極パッド２０２，２０３、励振用電極パッド２０４〜２０６、励振用電極２０７〜２０９、支持層２１０、絶縁層２１１〜２１５、固定部２１６，２１７から構成される。
【００１８】
出力用振動子（カンチレバー）２０１は、支持層２１０の上面に絶縁層２１１，２１２を介して固定部２１６，２１７が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）２０１は固定部２１６，２１７と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１と支持層２１０の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド２０２，２０３は、それぞれ固定部２１６，２１７の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１に電気的に接続されている。
【００１９】
また、励振用電極２０７〜２０９は、支持層２１０の上面に絶縁層２１３〜２１５を介して固定されている。励振用電極パッド２０４〜２０６は、それぞれ励振用電極２０７〜２０９の上に設けられており、それぞれ励振用電極２０７〜２０９に電気的に接続されている。
【００２０】
振動子１００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層２１０を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９はエッチングによって、支持層２１０に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極２０７〜２０９は、振動子出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）２０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００２１】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）２０１の固定部２１６，２１７以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と支持層２１０との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部２１６，２１７の下面の絶縁層２１１，２１２が、支持層２１０と出力用振動子（カンチレバー）２０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部２１６，２１７を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）２０１は固定部２１６，２１７を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層２１０は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）２０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００２２】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド２０２，２０３が出力用振動子（カンチレバー）２０１の固定部２１６，２１７の上面にそれぞれ形成され、励振用電極パッド２０４〜２０６が励振用電極２０７〜２０９の上面にそれぞれ形成される。そして、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００２３】
次に、振動子１００の動作原理を説明する。
図３（ａ）は、振動子を表す動作原理図である。この図に示す様に、MEMS振動子は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、３０１はバネ、３０２は錘、３０３は基板、３０４は励振用電極、３０５は電極、３０６は交流電源、３０７は直流電源である。MEMS振動子は電圧を印加して静電気力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性（例えばＱ値）となるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。
【００２４】
このMEMS振動子の電極に印加される電圧Vは、図３（ｂ）に示す様に、直流バイアス電圧v0、交流信号の振幅δを用いて、
V= v0+δejωt
と表すことができる。
【００２５】
次に、図４を参照して、振動子１００の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、４００〜４０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００２６】
直流バイアス電圧源４００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０２に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド２０６に接続され、正極は接地される。また、支持層２１０と励振用電極パッド２０５は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞Ｖａとする。
【００２７】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）２０１は、電圧値Ｖｂｉａｓの電圧が印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極２０７〜２０９との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００２８】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極２０８との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極２０９との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の電位は＋Ｖｂｉａｓであって、Ｖｂｉａｓ＞Ｖａであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜＜｜Ｆｃ｜
の関係を満たす。
【００２９】
次に、図５を参照して出力用振動子（カンチレバー）２０１に上述した様な静電気力が働いた場合の固有振動モードの変化について説明する。
図５（ａ）は、一点が固定された出力用振動子の固有振動モードの説明図である。
同図において、５００は、出力用振動子、５０１は、支点である。また、出力用振動子５００の長さはＬ、高さはｂ、幅はｔである。また、出力用振動子５００は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
【００３０】
図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、出力用振動子５００の振動を図５（ａ）に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図５（ｂ）は、１次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、支点５０１の反対側が振動の腹となる。
図５（ｃ）は、２次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、出力用振動子５００の長さ０．７７４Ｌの位置が振動の節となる。
図５（ｄ）は、３次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、出力用振動子５００の長さ０．５Ｌの位置と０．８６８Ｌの位置とが振動の節となる。
【００３１】
図５（ｅ）は、両端が固定された振動子の固有振動モードの原理図である。
同図において、５１０は、出力用振動子、５１１は、支点である。また、出力用振動子５１０の長さはＬ、高さはｂ、幅はｔである。出力用振動子５１０は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
【００３２】
図５（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、出力用振動子５１０の振動を図５（ｅ）に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図５（ｆ）は、１次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の長さ方向の中間点が最大振幅の腹となる。
図５（ｇ）は、２次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の長さ０．５Ｌの位置が振動の節となる。
図５（ｈ）は、３次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の両端の支点５１１から長さ０．３５９Ｌの位置がそれぞれ振動の節となる。
【００３３】
これらの各固有振動モードにおける共振周波数は、振動子のヤング率をＥ、振動子の密度をρとして、
【００３４】
【数１】
【００３５】
と表すことができる。
【００３６】
次に、図6を参照して振動子１００の接続について説明する。
図６（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、６００は、直流バイアス電圧源、６０１は、交流電圧源、６０２〜６０４は、スイッチ、６０５は、端子（１）、６０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００３７】
直流バイアス電圧印加回路１０１：直流バイアス電圧源６００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０３に接続され、負極が接地される。交流電圧源６０１は、両端が端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続される。
基本周波数選択回路１０２：スイッチ６０２〜６０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ６０２は、一端が励振用電極パッド２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０３は、一端が励振用電極パッド２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０４は、一端が励振用電極パッド２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、支持層２１０は、接地されている。
【００３８】
図６（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、６１０は、交流電圧源６０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。また、波形６１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数と等しくする。
【００３９】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド２０４〜２０６に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源６０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００４０】
次に、図７を参照して振動子１００の動作を説明する。
図７は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１００を上部から見た模式図である。
図７（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、７００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置７００は、直線である。
【００４１】
図７（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。７０１は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、７０２は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、７０３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置である。
【００４２】
出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置７０３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１に印加される直流バイアス電圧源６００（電圧Ｖｂ）の影響で、励振用電極２０８側へ引力が働いて湾曲する。
【００４３】
同図に示した１次モードの振動を発生させる場合、図７（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図７（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図６における励振用電極２０７〜２０９のすべてが端子（１）６０５へ接続される。つまり、スイッチ６０２〜６０４のすべてが端子（１）６０５側へ接続される。これにより、励振用電極２０７〜２０９には、交流電圧源６０１によって同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極２０７〜２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となり、交流電圧の位相に応じて静電気力の大きさが一様に変化するので、１次モードの振動が発生する。
【００４４】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図７（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。７０４は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、７０５は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動を発生させる場合、図７（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００４５】
図７（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図６における励振用電極２０７が端子（１）６０５へ接続され、励振用電極２０９が端子（２）６０６へ接続され、励振用電極２０８が開放される。つまり、スイッチ６０２が端子（１）６０５側へ接続され、スイッチ６０４が端子（２）６０６側へ接続され、スイッチ６０３が開放される。これは、図６（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００４６】
これにより、励振用電極２０７，２０９には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極２０８には電圧が印加されないので、励振用電極２０７によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力とは、ある瞬間においては常に強さが異なるので、２つの腹と１つの節を持つ２次モードの振動が発生する。
この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源６０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
【００４７】
つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動の腹に配置された励振用電極２０７〜２０９に印加される交流電圧によって所望の固有振動モードの共振周波数を得る事ができる。なお、上記説明においては２次モードまでの例を説明したが、励振用電極の数、配置位置、電圧印加状態を変更する事で３次モード以上の固有振動モードの共振周波数を得ることもできる。
【００４８】
次に、振動子１００へのその他の電圧印加方法について説明する。
まず、図８を参照して、振動子１００の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、４００〜４０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００４９】
直流バイアス電圧源４００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０２に接続され、負極は支持層２１０に接続される。また、直流バイアス電圧源４０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド２０６に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド２０２と励振用電極パッド２０５は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【００５０】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）２０１と所定の電圧が印加されている励振用電極２０７〜２０９との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００５１】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極２０８との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極２０９との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の電位はＧＮＤであるので、上記の各静電気力は、
Ｆａ＝Ｆｃ、Ｆｂ＝０
の関係を満たす。つまり、励振用電極２０７と励振用電極２０９とに印加される電圧が逆極性であっても出力用振動子（カンチレバー）２０１には同じ方向の静電気力が働く。
【００５２】
次に、図９を参照して振動子１００の接続について説明する。
図９（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、６００は、直流バイアス電圧源、９０１は、交流電圧源、６０２〜６０４は、スイッチ、６０５は、端子（１）、６０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００５３】
直流バイアス電圧源６００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０３に接続され、負極が支持層２１０に接続される。交流電圧源９０１は、両端が端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続される。スイッチ６０２〜６０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ６０２は、一端が励振用電極パッド２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０３は、一端が励振用電極パッド２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０４は、一端が励振用電極パッド２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド２０３は、接地されている。
【００５４】
図９（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、９１０は、交流電圧源９０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形９１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源９０１の周波数は出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数の２分の１となる。
【００５５】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド２０４〜２０６に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源９０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００５６】
次に、図１０を参照して振動子１００の動作を説明する。
図１０は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１００を上部から見た模式図である。
図１０（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、７００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置７００は、直線である。
【００５７】
図１０（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１００１は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、１００２は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、１００３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置である。
出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置１００３は、振動子の電位がＧＮＤであるため、湾曲しない。
同図に示した１次モードの振動の場合、図１０（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００５８】
図１０（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図９における励振用電極２０７〜２０９のすべてが端子（１）６０５へ接続される。つまり、スイッチ６０２〜６０４のすべてが端子（１）６０５側へ接続される。これにより、励振用電極２０７〜２０９には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極２０７〜２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、１次モードの振動が発生する。
【００５９】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１０（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１００４は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、１００５は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動の場合、図１０（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００６０】
図１０（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図９における励振用電極２０７が端子（１）６０５へ接続され、励振用電極２０９が端子（２）６０６へ接続され、励振用電極２０８が開放される。つまり、スイッチ６０２が端子（１）６０５側へ接続され、スイッチ６０４が端子（２）６０６側へ接続され、スイッチ６０３が開放される。これは、図９（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００６１】
これにより、励振用電極２０７、２０９には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極２０８には電圧が印加されないので、励振用電極２０７によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力とは常に同じ大きさとなるので、静電気力の及ぼされない励振用電極２０８の部分を節として２次モードの振動が発生する。
【００６２】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源９０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
上述の様な直流バイアス電圧の印加を行う事で、１次モードの場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の持つ共振周波数の２分の１の発振周波数を得る事ができ、２次モードの場合、その約２．８倍の発振周波数を得る事ができる。
【００６３】
次に、図１１を参照して発振回路の一例を説明する。
同図に示した発振回路は、図１を用いて説明した出力用発振回路１０３の回路例である。なお、本発振回路は、水晶発振器で一般に用いられているコルピッツ発振回路を応用した回路である。
【００６４】
同図に示すように、発振回路は、振動子１１００、スイッチ１１０１、直流成分カット用容量１１０２，１１０３、負荷容量１１０４，１１０５、負荷抵抗１１０８、インバータ（アンプ）１１１０，１１１１、発振信号出力端子１１２０から構成される。ここで、振動子１１００は、図２に示した振動子１００を表し、スイッチ１１０１は、図６に示したスイッチ６０４〜６０６を表す。ここでは、振動子１１００は２端子、スイッチ１１０１は２入出力端子の一例を示しているが、端子数はこの例に限定されない。
【００６５】
振動子１１００の両端には、スイッチ１１０１の２つの入力端がそれぞれ接続される。また、スイッチ１１０１の２つの出力端には、直流成分カット用容量１１０２，１１０３の一端がそれぞれ接続される。
【００６６】
直流成分カット用容量１１０２の他端は、負荷容量１１０４の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）１１１０の入力端と負荷抵抗１１０８の一端が接続される。また、直流成分カット用容量１１０３の他端は、負荷容量１１０５の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）１１１０の出力端とインバータ（アンプ）１１１１の入力端と負荷抵抗１１０８の他端とが接続される。
また、負荷容量１１０４，１１０５の他端は、それぞれ接地される。インバータ（アンプ）１１１１の出力は、発振信号出力端子１１２０に接続される。
【００６７】
次に、発振回路の動作を説明する。
発振回路は、振動子１１００の共振周波数で発振して発振信号を発振信号出力端子１１２０から出力する。ここで、図７を用いて説明した様に、スイッチ１１０１を切り替える事によって振動子１１００の固有振動モードを変更し、共振周波数を変化させて発振器の発振周波数を変更できる。これは、本発明における基本周波数選択回路として機能する。
【００６８】
上述してきた構成を用いる事で、本実施形態に係る発振器は、１次モードのみではなく、２次モード以上の固有振動モードを利用して、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して発振信号を出力する事ができる。
【００６９】
次に、振動子の第２の構成例を説明する。
図１２は、振動子の第２の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子１２００は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１、出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３、励振用電極パッド１２０４〜１２０９、励振用電極１２１０〜１２１５、支持層１２１６、絶縁層１２１７〜１２２４、固定部１２２５，１２２６から構成される。
【００７０】
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、支持層１２１６の上面に絶縁層１２１７，１２１８を介して固定部１２２５，１２２６が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は固定部１２２５，１２２６と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と支持層１２１６の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３は、それぞれ固定部１２２５，１２２６の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１２０１に電気的に接続されている。
【００７１】
また、励振用電極１２１０〜１２１５は、支持層１２１６の上面に絶縁層１２１７〜１２２４を介して固定されている。励振用電極パッド１２０４〜１２０９は、それぞれ励振用電極１２１０〜１２１５の上に設けられており、それぞれ励振用電極１２１０〜１２１５に電気的に接続されている。
【００７２】
振動子１２００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層１２１６を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５はエッチングによって、支持層１２１６に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極１２１０と励振用電極１２１３、励振用電極１２１１と励振用電極１２１４、励振用電極１２１２と励振用電極１２１５は、それぞれ互いに対向し、振動子出力用振動子（カンチレバー）１２０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）１２０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００７３】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）１２０１の固定部１２２５，１２２６以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と支持層１２１６との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部１２２５，１２２６の下面の絶縁層１２１７，１２１８が、支持層１２１６と出力用振動子（カンチレバー）１２０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部１２２５，１２２６を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）１２０１は固定部１２２５，１２２６を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層１２１６は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）１２０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００７４】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３が出力用振動子（カンチレバー）１２０１の固定部１２２５，１２２６の上面にそれぞれ形成される。また、励振用電極パッド１２０４〜１２０９が励振用電極１２１０〜１２１５の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００７５】
次に、図１３を参照して、振動子１２００の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、１３００〜１３０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図１２を用いて説明した振動子１２００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００７６】
直流バイアス電圧源１３００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド１２０２に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１３０１（電圧値Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド１２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１３０２（電圧値Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド１２０６に接続され、正極は接地される。また、支持層１２１６と励振用電極パッド１２０５，１２０７，１２０８，１２０９は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【００７７】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、電圧値Ｖｂｉａｓが印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極１２１０〜１２１５との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）１２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００７８】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０，１２１３との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極１２１１，１２１４との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極１２１２，１２１５との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の電位は＋Ｖｂｉａｓであって、Ｖｂｉａｓ−Ｖａ＜Ｖｂｉａｓ＋Ｖａであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｃ｜、Ｆｂ＝０
の関係を満たす。
【００７９】
次に、図１４を参照して振動子１２００の接続について説明する。
図１４（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、１４００は、直流バイアス電圧源、１４０１は、交流電圧源、１４０２〜１４０７は、スイッチ、１４０８は、端子（１）、１４０９は、端子（２）である。その他の構成要素は、図１２を用いて説明した振動子１２００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００８０】
直流バイアス電圧源１４００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド１２０３に接続され、負極が接地される。交流電圧源１４０１は、両端が端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続される。スイッチ１４０２〜１４０７は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ１４０２は、一端が励振用電極パッド１２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０３は、一端が励振用電極パッド１２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０４は、一端が励振用電極パッド１２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。
【００８１】
また、スイッチ１４０５は、一端が励振用電極パッド１２０７に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０６は、一端が励振用電極パッド１２０８に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０７は、一端が励振用電極パッド１２０９に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、支持層１２１６は、接地されている。
【００８２】
図１４（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、１４１０は、交流電圧源１４０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形１４１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の共振周波数と等しくする。
【００８３】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド１２０４〜１２０９に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源１４０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００８４】
次に、図１５を参照して振動子１２００の動作を説明する。
図１５は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１２００を上部から見た模式図である。
図１５（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、１５００は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の位置１５００は、直線である。
【００８５】
図１５（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１５０１は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して最も励振用電極１２１４に近づいた位置、１５０２は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して最も励振用電極１２１１に近づいた位置、１５０３は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の振動中心位置である。
【００８６】
同図に示した１次モードの振動を発生させる場合、図１５（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図１５（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図１４における励振用電極１２１３〜１２１５が端子（１）１４０８へ接続され、励振用電極１２１０〜１２１２が端子（２）１４０９へ接続される。つまり、スイッチ１４０５〜１４０７が端子（１）１４０８側へ接続され、スイッチ１４０２〜１４０４が端子（２）１４０９側へ接続される。これは、図１４（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００８７】
これにより、励振用電極１２１０〜１２１２には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１３〜１２１５には、励振用電極１２１０〜１２１２とは逆位相の交流電圧が印加される。従って、この励振用電極１２１０〜１２１２によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力は、励振用電極１２１３〜１２１５によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力とは常に逆方向の力となるので、１次モードの振動が発生する。
【００８８】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１５（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１５０４は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して腹が最も励振用電極１２１２，１２１３に近づいた位置、１５０５は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して腹が最も励振用電極１２１０，１２１５に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動を発生させる場合、図１５（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００８９】
図１５（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図１４における励振用電極１２１２，１２１３が端子（１）１４０８へ接続され、励振用電極１２１０，１２１５が端子（２）１４０９へ接続され、励振用電極１２１１，１２１４が開放される。つまり、スイッチ１４０４，１４０５が端子（１）１４０８側へ接続され、スイッチ１４０２，１４０７が端子（２）１４０９側へ接続され、スイッチ１４０３，１４０６が開放される。
【００９０】
これにより、励振用電極１２１２，１２１３には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１０，１２１５には、励振用電極１２１２，１２１３とは逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１１，１２１４には電圧が印加されない。
従って、励振用電極１２１０，１２１３によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極１２１２，１２１５によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力とは常に逆方向となるので、２つの腹と１つの節を持つ２次モードの振動が発生する。
【００９１】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源１４０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
つまり、上述の振動子１２００を用いると、１次モードである基本周波数に加えて、２次モードである約２．８倍の基本周波数の発振周波数を得る事ができる。
【００９２】
次に、振動子の第３の構成例を説明する。
図１６は、振動子の第３の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子１６００は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１、出力用振動子電極パッド１６０２、励振用電極パッド１６０３〜１６０５、励振用電極１６０６〜１６０８、支持層１６０９、絶縁層１６１０〜１６１３、固定部１６１４から構成される。
【００９３】
出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、支持層１６０９の上面に絶縁層１６１０を介して固定部１６１４が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１は固定部１６１４と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と支持層１６０９の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド１６０２は、固定部１６１４の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に電気的に接続されている。
【００９４】
また、励振用電極１６０６〜１６０８は、支持層１６０９の上面に絶縁層１６１１〜１６１３を介して固定されている。励振用電極パッド１６０３〜１６０５は、それぞれ励振用電極１６０６〜１６０８の上に設けられており、それぞれ励振用電極１６０６〜１６０８に電気的に接続されている。
【００９５】
振動子１６００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層１６０９を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８はエッチングによって、支持層１６０９に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極１６０６〜１６０８は、振動子出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）１６０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００９６】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）１６０１の固定部１６１４以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と支持層１６０９との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部１６１４の下面の絶縁層１６１０が、支持層１６０９と出力用振動子（カンチレバー）１６０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部１６１４を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は固定部１６１４を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層１６０９は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）１６０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００９７】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド１６０２が出力用振動子（カンチレバー）１６０１の固定部１６１４の上面に形成される。また、励振用電極パッド１６０３〜１６０５が励振用電極１６０６〜１６０８の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００９８】
次に、図１７を参照して、振動子１６００の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、１７００〜１７０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図１６を用いて説明した振動子１６００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００９９】
直流バイアス電圧源１７００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド１６０２に接続され、負極は支持層１６０９に接続される。また、直流バイアス電圧源１７０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド１６０３に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１７０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド１６０５に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド１６０２と励振用電極パッド１６０４は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【０１００】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１と所定の電圧が印加されている励振用電極１６０３〜１６０５との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【０１０１】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極１６０７との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極１６０８との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の電位はＧＮＤであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜＜｜Ｆｃ｜
の関係を満たす。
【０１０２】
次に、図１８を参照して振動子１６００の接続について説明する。
図１８（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、１８００は、直流バイアス電圧源、１８０１は、交流電圧源、１８０２〜１８０４は、スイッチ、１８０５は、端子（１）、１８０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図１６を用いて説明した振動子１６００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【０１０３】
直流バイアス電圧源１８００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド１６０２に接続され、負極が支持層１６０９に接続される。交流電圧源１８０１は、両端が端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続される。スイッチ１８０２〜１８０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ１８０２は、一端が励振用電極パッド１６０３に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１８０３は、一端が励振用電極パッド１６０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１８０４は、一端が励振用電極パッド１６０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド１６０２は、接地されている。
【０１０４】
図１８（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、１８１０は、交流電圧源１８０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形１８１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源１８０１の周波数は出力用振動子（カンチレバー）１６０１の共振周波数の２分の１となる。
【０１０５】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド１６０３〜１６０５に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源１８０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【０１０６】
次に、図１９を参照して振動子１６００の動作を説明する。
図１９は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１６００を上部から見た模式図である。
図１９（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、１９００は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の位置１９００は、直線である。
【０１０７】
図１９（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１９０１は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して最も励振用電極１６０８に近づいた位置、１９０２は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して最も励振用電極１６０８から遠ざかった位置、１９０３は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動中心位置である。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動中心位置１９０３は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に印加される直流バイアス電圧源１８００（電圧Ｖｂ）の影響で、励振用電極１６０８側へ引力が働いて湾曲する。
同図に示した１次モードの振動の場合、図１９（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【０１０８】
図１９（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図１８における励振用電極１６０６〜１６０８のすべてが端子（１）１８０５へ接続される。つまり、スイッチ１８０２〜１８０４のすべてが端子（１）１８０５側へ接続される。これにより、励振用電極１６０６〜１６０８には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極１６０６〜１６０８によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、１次モードの振動が発生する。
【０１０９】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１９（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１９０４は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して自由端が最も励振用電極１６０８に近づいた位置、１９０５は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して自由端が最も励振用電極１６０８から遠ざかった位置である。
同図に示した２次モードの振動の場合、図１９（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【０１１０】
図１９（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図１８における励振用電極１６０６，１６０７が端子（１）１８０５へ接続され、励振用電極１６０８が開放される。つまり、スイッチ１８０２，１８０３が端子（１）１８０５側へ接続され、スイッチ１８０４が開放される。これは、図１８（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【０１１１】
これにより、励振用電極１６０６，１６０７には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１６０８には、電圧が印加されない。従って、励振用電極１６０６，１６０７によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は、方向が同じで周期的に強さの変化する力となり、励振用電極１６０８によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は常に一定の力となる。その結果、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、先端が自由振動すると共に励振用電極１６０７の近傍が腹となり振動する。つまり、この周期的な力により、２つの腹と１つの節を持った２次モードの振動が発生する。
【０１１２】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約６．３倍になるため、交流電圧源１８０１の周波数も約６．３倍に設定する必要がある。
上述の様な構成の振動子１６００に上述の直流バイアス電圧の印加を行う事で、１次モードの場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の持つ共振周波数の２分の１の発振周波数を得る事ができ、２次モードの場合、その約６．３倍の発振周波数を得る事ができる。
【０１１３】
上述してきた構成とする事で、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。
【０１１４】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、励振用電極の数は上述した例に限らず、また、発振回路の構成は図１１に示した構成に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】同上の振動子の第１の構成例を示す斜視図である。
【図３】同上の振動子を表す原理図である。
【図４】同上の振動子の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図５】同上の振動子の固有振動モードの説明図である。
【図６】同上の振動子の接続図である。
【図７】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である
【図８】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図９】同上の振動子の接続図である。
【図１０】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【図１１】同上の発振回路の回路図である。
【図１２】同上の振動子の第２の構成例を示す斜視図である。
【図１３】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図１４】同上の振動子の接続図である。
【図１５】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【図１６】同上の振動子の第３の構成例を示す斜視図である。
【図１７】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図１８】同上の振動子の接続図である。
【図１９】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１００；出力用振動子、１０１；直流バイアス電圧印加回路、１０２；基本周波数選択回路、１０３；出力用発振回路、２０１；出力用振動子（カンチレバー）、２０２，２０３；出力用振動子電極パッド、２０４〜２０６；励振用電極パッド、２０７〜２０９；励振用電極、２１０；支持層、２１１〜２１５；絶縁層、２１６，２１７；固定部、３０１；バネ、３０２；錘、３０３；基板、３０４；励振用電極、３０５；電極、３０６；交流電源、３０７；直流電源、４００〜４０２；直流バイアス電圧源、５００；出力用振動子、５０１；支点、６００；直流バイアス電圧源、６０１；交流電圧源、６０２〜６０４；スイッチ、６０５；端子（１）、６０６；端子（２）、７００；出力用振動子（カンチレバー）の位置、７０１；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、７０２；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、７０３；出力用振動子（カンチレバー）の振動中心位置、９０１；交流電圧源、９１０；交流電圧源の波形、１００１；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、１００２；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、１００３；出力用振動子（カンチレバー）の振動中心位置、１００４；出力用振動子（カンチレバー）が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、１００５；出力用振動子（カンチレバー）が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置、１１００；振動子、１１０１；スイッチ、１１０２，１１０３；直流成分カット用容量、１１０４，１１０５；負荷容量、１１０８；負荷抵抗、１１１０，１１１１；インバータ（アンプ）、１１２０；発振信号出力端子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、MEMS技術を用いた発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話等に代表される無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の電子機器の小型化と高精度化の要求が高まっている中で、この様な電子機器には小型でしかも安定な高周波信号源が必要不可欠である。この要求を満足させる為の代表的な電子部品が水晶振動子である。水晶振動子は、良好な結晶の安定性から、発振素子の品質の指標である共振先鋭度（即ちＱ値）が極めて大きく、１００００を超える事が知られている。これが、無線携帯機器、パーソナルコンピュータ等の安定な高周波信号源として、広く水晶振動子が利用されている理由である。しかし、この水晶振動子は、近年のより一層の小型化の要求を十分に満足させる事ができない事も明らかになってきている。
【０００３】
そこで近年、水晶振動子の代わりに、シリコンを用いたMEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技術により形成された小型のMEMS振動子を用いたMEMS発振器が報告されている（非特許文献１）。MEMS発振器は水晶発振器に比べて小型化が可能であり、また高周波への対応が容易である事から、特に携帯電話などの小型機器への普及が見込まれている。また、MEMS振動子はシリコンを用いて作製できる事から、周辺回路とワンチップ化する事も可能である。
【非特許文献１】T.Mattila et al., “14MHz Micromechanical Oscillator”, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述の従来技術に係るMEMS発振器によれば、一つの基本周波数しか得られないため、基本周波数以外の周波数が必要な場合、用途に応じて基本周波数を分周または逓倍して利用する必要があり、周波数分周器または周波数逓倍器といった外部回路が必要になるという問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る発振器は、機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路とを備える。
上記の構成によれば、直流電圧印加部が、出力用振動子に直流電圧を印加し、さらに、励振用電極が、出力用振動子との間で電界を介して相互に作用して出力用振動子を励振して固有振動モードを変化させ、発振回路が、出力用振動子の固有振動モードに応じた共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【０００７】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極と前記発振回路との間に接続され、前記発振回路から前記励振用電極への電気的な接続経路を選択する基本周波数選択回路を更に備えた事を特徴とする。
上記の構成によれば、基本周波数選択回路が、発振回路から励振用電極への電気的な接続経路を選択する事で励振用電極への電圧の印加方法が変更できるため、励振用電極が出力用振動子の所望の位置に電界を介して作用して所望の振動モードを選択し、発振回路が、出力用振動子の所望の共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【０００８】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、前記励振用電極が、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする。
上記の構成によれば、出力用振動子と励振用電極とが同一の半導体基板上に形成できるため、小型化できる。
【０００９】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【００１０】
また、本発明に係る発振器は、前記励振用電極が、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振器が、励振用電極の配置位置に応じて出力用振動子の所望の振動モードの共振周波数で発振して発振信号を出力できる。
【００１１】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数で発振する事ができる。
【００１２】
また、本発明に係る発振器は、前記出力用振動子が接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする。
上記の構成によれば、発振回路が出力用振動子の共振周波数の２分の1の周波数で発振する事ができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、出力用振動子の振動の腹に相当する位置に励振用電極を配置することで、出力用振動子に発生する静電気力の位置を制御し、出力用振動子の固有振動モードを変化させる様にしたので、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して出力できる小型のMEMS振動子を用いた発振器が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。同図に示すように、本発振器は、振動子１００、直流バイアス電圧印加回路１０１、基本周波数選択回路１０２、出力用発振回路１０３から構成される。
【００１５】
振動子１００は、直流バイアス電圧印加回路１０１に接続されると共に、基本周波数選択回路１０２にも接続される。また、基本周波数選択回路１０２は出力用発振回路１０３に接続される。
【００１６】
次に、本実施形態に係る発振器の動作を詳細に説明する。
まず、直流バイアス電圧印加回路１０１は、振動子１００に直流バイアス電圧を印加して静電気力による駆動ができる状態にする。次に、基本周波数選択回路１０２は、振動子１００の共振周波数の選択を行い、出力用発振回路１０３は、振動子１００の共振周波数で発振して出力用発振信号を出力する。
上記の様に本発振器は、基本周波数選択回路１０２において選択された周波数の発振信号を出力するものである。
【００１７】
次に、以上に説明した本実施形態に係る発振器の各構成要素の一例について詳述する。
まず、図２を参照して上記振動子１００の構成の第１の例を説明する。
同図に示すように、振動子１００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１、出力用振動子電極パッド２０２，２０３、励振用電極パッド２０４〜２０６、励振用電極２０７〜２０９、支持層２１０、絶縁層２１１〜２１５、固定部２１６，２１７から構成される。
【００１８】
出力用振動子（カンチレバー）２０１は、支持層２１０の上面に絶縁層２１１，２１２を介して固定部２１６，２１７が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）２０１は固定部２１６，２１７と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１と支持層２１０の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド２０２，２０３は、それぞれ固定部２１６，２１７の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）２０１に電気的に接続されている。
【００１９】
また、励振用電極２０７〜２０９は、支持層２１０の上面に絶縁層２１３〜２１５を介して固定されている。励振用電極パッド２０４〜２０６は、それぞれ励振用電極２０７〜２０９の上に設けられており、それぞれ励振用電極２０７〜２０９に電気的に接続されている。
【００２０】
振動子１００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層２１０を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９はエッチングによって、支持層２１０に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極２０７〜２０９は、振動子出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）２０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００２１】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）２０１の固定部２１６，２１７以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と支持層２１０との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部２１６，２１７の下面の絶縁層２１１，２１２が、支持層２１０と出力用振動子（カンチレバー）２０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部２１６，２１７を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）２０１は固定部２１６，２１７を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層２１０は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）２０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００２２】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド２０２，２０３が出力用振動子（カンチレバー）２０１の固定部２１６，２１７の上面にそれぞれ形成され、励振用電極パッド２０４〜２０６が励振用電極２０７〜２０９の上面にそれぞれ形成される。そして、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００２３】
次に、振動子１００の動作原理を説明する。
図３（ａ）は、振動子を表す動作原理図である。この図に示す様に、MEMS振動子は空隙を有する電極間の静電容量素子を含んでいる。同図において、３０１はバネ、３０２は錘、３０３は基板、３０４は励振用電極、３０５は電極、３０６は交流電源、３０７は直流電源である。MEMS振動子は電圧を印加して静電気力による駆動を行うが、その際、交流信号に加えて直流バイアス電圧を印加することで水晶振動子と同じ電気的特性（例えばＱ値）となるので、水晶発振器と同様の構成で発振器の振動子として用いる事が可能である。
【００２４】
このMEMS振動子の電極に印加される電圧Vは、図３（ｂ）に示す様に、直流バイアス電圧v0、交流信号の振幅δを用いて、
V= v0+δejωt
と表すことができる。
【００２５】
次に、図４を参照して、振動子１００の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、４００〜４０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００２６】
直流バイアス電圧源４００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０２に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド２０６に接続され、正極は接地される。また、支持層２１０と励振用電極パッド２０５は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞Ｖａとする。
【００２７】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）２０１は、電圧値Ｖｂｉａｓの電圧が印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極２０７〜２０９との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００２８】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極２０８との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極２０９との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の電位は＋Ｖｂｉａｓであって、Ｖｂｉａｓ＞Ｖａであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜＜｜Ｆｃ｜
の関係を満たす。
【００２９】
次に、図５を参照して出力用振動子（カンチレバー）２０１に上述した様な静電気力が働いた場合の固有振動モードの変化について説明する。
図５（ａ）は、一点が固定された出力用振動子の固有振動モードの説明図である。
同図において、５００は、出力用振動子、５０１は、支点である。また、出力用振動子５００の長さはＬ、高さはｂ、幅はｔである。また、出力用振動子５００は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
【００３０】
図５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、出力用振動子５００の振動を図５（ａ）に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図５（ｂ）は、１次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、支点５０１の反対側が振動の腹となる。
図５（ｃ）は、２次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、出力用振動子５００の長さ０．７７４Ｌの位置が振動の節となる。
図５（ｄ）は、３次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５００は、支点５０１を固定して振動し、出力用振動子５００の長さ０．５Ｌの位置と０．８６８Ｌの位置とが振動の節となる。
【００３１】
図５（ｅ）は、両端が固定された振動子の固有振動モードの原理図である。
同図において、５１０は、出力用振動子、５１１は、支点である。また、出力用振動子５１０の長さはＬ、高さはｂ、幅はｔである。出力用振動子５１０は、同図に示した振動方向に振動するものとする。
【００３２】
図５（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）は、出力用振動子５１０の振動を図５（ｅ）に示した観察方向から観察した場合の模式図である。
図５（ｆ）は、１次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の長さ方向の中間点が最大振幅の腹となる。
図５（ｇ）は、２次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の長さ０．５Ｌの位置が振動の節となる。
図５（ｈ）は、３次モードの振動を表す。同図に示す様に、出力用振動子５１０は、両端の支点５１１を固定して振動し、出力用振動子５１０の両端の支点５１１から長さ０．３５９Ｌの位置がそれぞれ振動の節となる。
【００３３】
これらの各固有振動モードにおける共振周波数は、振動子のヤング率をＥ、振動子の密度をρとして、
【００３４】
【数１】
【００３５】
と表すことができる。
【００３６】
次に、図6を参照して振動子１００の接続について説明する。
図６（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、６００は、直流バイアス電圧源、６０１は、交流電圧源、６０２〜６０４は、スイッチ、６０５は、端子（１）、６０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００３７】
直流バイアス電圧印加回路１０１：直流バイアス電圧源６００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０３に接続され、負極が接地される。交流電圧源６０１は、両端が端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続される。
基本周波数選択回路１０２：スイッチ６０２〜６０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ６０２は、一端が励振用電極パッド２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０３は、一端が励振用電極パッド２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０４は、一端が励振用電極パッド２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、支持層２１０は、接地されている。
【００３８】
図６（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、６１０は、交流電圧源６０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。また、波形６１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数と等しくする。
【００３９】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド２０４〜２０６に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源６０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００４０】
次に、図７を参照して振動子１００の動作を説明する。
図７は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１００を上部から見た模式図である。
図７（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、７００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置７００は、直線である。
【００４１】
図７（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。７０１は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、７０２は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、７０３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置である。
【００４２】
出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置７０３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１に印加される直流バイアス電圧源６００（電圧Ｖｂ）の影響で、励振用電極２０８側へ引力が働いて湾曲する。
【００４３】
同図に示した１次モードの振動を発生させる場合、図７（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図７（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図６における励振用電極２０７〜２０９のすべてが端子（１）６０５へ接続される。つまり、スイッチ６０２〜６０４のすべてが端子（１）６０５側へ接続される。これにより、励振用電極２０７〜２０９には、交流電圧源６０１によって同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極２０７〜２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となり、交流電圧の位相に応じて静電気力の大きさが一様に変化するので、１次モードの振動が発生する。
【００４４】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図７（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。７０４は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、７０５は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動を発生させる場合、図７（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００４５】
図７（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図６における励振用電極２０７が端子（１）６０５へ接続され、励振用電極２０９が端子（２）６０６へ接続され、励振用電極２０８が開放される。つまり、スイッチ６０２が端子（１）６０５側へ接続され、スイッチ６０４が端子（２）６０６側へ接続され、スイッチ６０３が開放される。これは、図６（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００４６】
これにより、励振用電極２０７，２０９には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極２０８には電圧が印加されないので、励振用電極２０７によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力とは、ある瞬間においては常に強さが異なるので、２つの腹と１つの節を持つ２次モードの振動が発生する。
この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源６０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
【００４７】
つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動の腹に配置された励振用電極２０７〜２０９に印加される交流電圧によって所望の固有振動モードの共振周波数を得る事ができる。なお、上記説明においては２次モードまでの例を説明したが、励振用電極の数、配置位置、電圧印加状態を変更する事で３次モード以上の固有振動モードの共振周波数を得ることもできる。
【００４８】
次に、振動子１００へのその他の電圧印加方法について説明する。
まず、図８を参照して、振動子１００の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、４００〜４０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００４９】
直流バイアス電圧源４００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０２に接続され、負極は支持層２１０に接続される。また、直流バイアス電圧源４０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源４０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド２０６に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド２０２と励振用電極パッド２０５は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【００５０】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）２０１と所定の電圧が印加されている励振用電極２０７〜２０９との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００５１】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極２０８との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極２０９との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の電位はＧＮＤであるので、上記の各静電気力は、
Ｆａ＝Ｆｃ、Ｆｂ＝０
の関係を満たす。つまり、励振用電極２０７と励振用電極２０９とに印加される電圧が逆極性であっても出力用振動子（カンチレバー）２０１には同じ方向の静電気力が働く。
【００５２】
次に、図９を参照して振動子１００の接続について説明する。
図９（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、６００は、直流バイアス電圧源、９０１は、交流電圧源、６０２〜６０４は、スイッチ、６０５は、端子（１）、６０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図２を用いて説明した振動子１００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００５３】
直流バイアス電圧源６００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド２０３に接続され、負極が支持層２１０に接続される。交流電圧源９０１は、両端が端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続される。スイッチ６０２〜６０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ６０２は、一端が励振用電極パッド２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０３は、一端が励振用電極パッド２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ６０４は、一端が励振用電極パッド２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）６０５と端子（２）６０６に接続され、１端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド２０３は、接地されている。
【００５４】
図９（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、９１０は、交流電圧源９０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形９１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源９０１の周波数は出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数の２分の１となる。
【００５５】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド２０４〜２０６に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源９０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）２０１と励振用電極２０７〜２０９との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００５６】
次に、図１０を参照して振動子１００の動作を説明する。
図１０は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１００を上部から見た模式図である。
図１０（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、７００は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）２０１の位置７００は、直線である。
【００５７】
図１０（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１００１は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、１００２は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、１００３は、出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置である。
出力用振動子（カンチレバー）２０１の振動中心位置１００３は、振動子の電位がＧＮＤであるため、湾曲しない。
同図に示した１次モードの振動の場合、図１０（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００５８】
図１０（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図９における励振用電極２０７〜２０９のすべてが端子（１）６０５へ接続される。つまり、スイッチ６０２〜６０４のすべてが端子（１）６０５側へ接続される。これにより、励振用電極２０７〜２０９には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極２０７〜２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、１次モードの振動が発生する。
【００５９】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１０（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１００４は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、１００５は、出力用振動子（カンチレバー）２０１が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動の場合、図１０（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００６０】
図１０（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図９における励振用電極２０７が端子（１）６０５へ接続され、励振用電極２０９が端子（２）６０６へ接続され、励振用電極２０８が開放される。つまり、スイッチ６０２が端子（１）６０５側へ接続され、スイッチ６０４が端子（２）６０６側へ接続され、スイッチ６０３が開放される。これは、図９（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００６１】
これにより、励振用電極２０７、２０９には、互いに逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極２０８には電圧が印加されないので、励振用電極２０７によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極２０９によって出力用振動子（カンチレバー）２０１に及ぼされる静電気力とは常に同じ大きさとなるので、静電気力の及ぼされない励振用電極２０８の部分を節として２次モードの振動が発生する。
【００６２】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源９０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
上述の様な直流バイアス電圧の印加を行う事で、１次モードの場合、出力用振動子（カンチレバー）２０１の持つ共振周波数の２分の１の発振周波数を得る事ができ、２次モードの場合、その約２．８倍の発振周波数を得る事ができる。
【００６３】
次に、図１１を参照して発振回路の一例を説明する。
同図に示した発振回路は、図１を用いて説明した出力用発振回路１０３の回路例である。なお、本発振回路は、水晶発振器で一般に用いられているコルピッツ発振回路を応用した回路である。
【００６４】
同図に示すように、発振回路は、振動子１１００、スイッチ１１０１、直流成分カット用容量１１０２，１１０３、負荷容量１１０４，１１０５、負荷抵抗１１０８、インバータ（アンプ）１１１０，１１１１、発振信号出力端子１１２０から構成される。ここで、振動子１１００は、図２に示した振動子１００を表し、スイッチ１１０１は、図６に示したスイッチ６０４〜６０６を表す。ここでは、振動子１１００は２端子、スイッチ１１０１は２入出力端子の一例を示しているが、端子数はこの例に限定されない。
【００６５】
振動子１１００の両端には、スイッチ１１０１の２つの入力端がそれぞれ接続される。また、スイッチ１１０１の２つの出力端には、直流成分カット用容量１１０２，１１０３の一端がそれぞれ接続される。
【００６６】
直流成分カット用容量１１０２の他端は、負荷容量１１０４の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）１１１０の入力端と負荷抵抗１１０８の一端が接続される。また、直流成分カット用容量１１０３の他端は、負荷容量１１０５の一端が接続されると共に、インバータ（アンプ）１１１０の出力端とインバータ（アンプ）１１１１の入力端と負荷抵抗１１０８の他端とが接続される。
また、負荷容量１１０４，１１０５の他端は、それぞれ接地される。インバータ（アンプ）１１１１の出力は、発振信号出力端子１１２０に接続される。
【００６７】
次に、発振回路の動作を説明する。
発振回路は、振動子１１００の共振周波数で発振して発振信号を発振信号出力端子１１２０から出力する。ここで、図７を用いて説明した様に、スイッチ１１０１を切り替える事によって振動子１１００の固有振動モードを変更し、共振周波数を変化させて発振器の発振周波数を変更できる。これは、本発明における基本周波数選択回路として機能する。
【００６８】
上述してきた構成を用いる事で、本実施形態に係る発振器は、１次モードのみではなく、２次モード以上の固有振動モードを利用して、複数の基本周波数から一つの基本周波数を選択して発振信号を出力する事ができる。
【００６９】
次に、振動子の第２の構成例を説明する。
図１２は、振動子の第２の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子１２００は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１、出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３、励振用電極パッド１２０４〜１２０９、励振用電極１２１０〜１２１５、支持層１２１６、絶縁層１２１７〜１２２４、固定部１２２５，１２２６から構成される。
【００７０】
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、支持層１２１６の上面に絶縁層１２１７，１２１８を介して固定部１２２５，１２２６が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は固定部１２２５，１２２６と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と支持層１２１６の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３は、それぞれ固定部１２２５，１２２６の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１２０１に電気的に接続されている。
【００７１】
また、励振用電極１２１０〜１２１５は、支持層１２１６の上面に絶縁層１２１７〜１２２４を介して固定されている。励振用電極パッド１２０４〜１２０９は、それぞれ励振用電極１２１０〜１２１５の上に設けられており、それぞれ励振用電極１２１０〜１２１５に電気的に接続されている。
【００７２】
振動子１２００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層１２１６を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５はエッチングによって、支持層１２１６に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極１２１０と励振用電極１２１３、励振用電極１２１１と励振用電極１２１４、励振用電極１２１２と励振用電極１２１５は、それぞれ互いに対向し、振動子出力用振動子（カンチレバー）１２０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）１２０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００７３】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）１２０１の固定部１２２５，１２２６以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と支持層１２１６との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部１２２５，１２２６の下面の絶縁層１２１７，１２１８が、支持層１２１６と出力用振動子（カンチレバー）１２０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部１２２５，１２２６を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）１２０１は固定部１２２５，１２２６を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層１２１６は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）１２０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００７４】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド１２０２，１２０３が出力用振動子（カンチレバー）１２０１の固定部１２２５，１２２６の上面にそれぞれ形成される。また、励振用電極パッド１２０４〜１２０９が励振用電極１２１０〜１２１５の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００７５】
次に、図１３を参照して、振動子１２００の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、１３００〜１３０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図１２を用いて説明した振動子１２００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００７６】
直流バイアス電圧源１３００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド１２０２に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１３０１（電圧値Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド１２０４に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１３０２（電圧値Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド１２０６に接続され、正極は接地される。また、支持層１２１６と励振用電極パッド１２０５，１２０７，１２０８，１２０９は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【００７７】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）１２０１は、電圧値Ｖｂｉａｓが印加されているため、所定の電圧が印加されている励振用電極１２１０〜１２１５との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）１２０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【００７８】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０，１２１３との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極１２１１，１２１４との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極１２１２，１２１５との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の電位は＋Ｖｂｉａｓであって、Ｖｂｉａｓ−Ｖａ＜Ｖｂｉａｓ＋Ｖａであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｃ｜、Ｆｂ＝０
の関係を満たす。
【００７９】
次に、図１４を参照して振動子１２００の接続について説明する。
図１４（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、１４００は、直流バイアス電圧源、１４０１は、交流電圧源、１４０２〜１４０７は、スイッチ、１４０８は、端子（１）、１４０９は、端子（２）である。その他の構成要素は、図１２を用いて説明した振動子１２００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００８０】
直流バイアス電圧源１４００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド１２０３に接続され、負極が接地される。交流電圧源１４０１は、両端が端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続される。スイッチ１４０２〜１４０７は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ１４０２は、一端が励振用電極パッド１２０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０３は、一端が励振用電極パッド１２０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０４は、一端が励振用電極パッド１２０６に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。
【００８１】
また、スイッチ１４０５は、一端が励振用電極パッド１２０７に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０６は、一端が励振用電極パッド１２０８に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１４０７は、一端が励振用電極パッド１２０９に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１４０８と端子（２）１４０９に接続され、１端子は開放されている。また、支持層１２１６は、接地されている。
【００８２】
図１４（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、１４１０は、交流電圧源１４０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形１４１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、交流電圧の周波数は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の共振周波数と等しくする。
【００８３】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド１２０４〜１２０９に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源１４０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）１２０１と励振用電極１２１０〜１２１５との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【００８４】
次に、図１５を参照して振動子１２００の動作を説明する。
図１５は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１２００を上部から見た模式図である。
図１５（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、１５００は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の位置１５００は、直線である。
【００８５】
図１５（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１５０１は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して最も励振用電極１２１４に近づいた位置、１５０２は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して最も励振用電極１２１１に近づいた位置、１５０３は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の振動中心位置である。
【００８６】
同図に示した１次モードの振動を発生させる場合、図１５（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
図１５（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図１４における励振用電極１２１３〜１２１５が端子（１）１４０８へ接続され、励振用電極１２１０〜１２１２が端子（２）１４０９へ接続される。つまり、スイッチ１４０５〜１４０７が端子（１）１４０８側へ接続され、スイッチ１４０２〜１４０４が端子（２）１４０９側へ接続される。これは、図１４（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【００８７】
これにより、励振用電極１２１０〜１２１２には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１３〜１２１５には、励振用電極１２１０〜１２１２とは逆位相の交流電圧が印加される。従って、この励振用電極１２１０〜１２１２によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力は、励振用電極１２１３〜１２１５によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力とは常に逆方向の力となるので、１次モードの振動が発生する。
【００８８】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１５（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１５０４は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して腹が最も励振用電極１２１２，１２１３に近づいた位置、１５０５は、出力用振動子（カンチレバー）１２０１が振動して腹が最も励振用電極１２１０，１２１５に近づいた位置である。
同図に示した２次モードの振動を発生させる場合、図１５（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【００８９】
図１５（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図１４における励振用電極１２１２，１２１３が端子（１）１４０８へ接続され、励振用電極１２１０，１２１５が端子（２）１４０９へ接続され、励振用電極１２１１，１２１４が開放される。つまり、スイッチ１４０４，１４０５が端子（１）１４０８側へ接続され、スイッチ１４０２，１４０７が端子（２）１４０９側へ接続され、スイッチ１４０３，１４０６が開放される。
【００９０】
これにより、励振用電極１２１２，１２１３には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１０，１２１５には、励振用電極１２１２，１２１３とは逆位相の交流電圧が印加され、励振用電極１２１１，１２１４には電圧が印加されない。
従って、励振用電極１２１０，１２１３によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力と、励振用電極１２１２，１２１５によって出力用振動子（カンチレバー）１２０１に及ぼされる静電気力とは常に逆方向となるので、２つの腹と１つの節を持つ２次モードの振動が発生する。
【００９１】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）１２０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約２．８倍になるため、交流電圧源１４０１の周波数も約２．８倍に設定する必要がある。
つまり、上述の振動子１２００を用いると、１次モードである基本周波数に加えて、２次モードである約２．８倍の基本周波数の発振周波数を得る事ができる。
【００９２】
次に、振動子の第３の構成例を説明する。
図１６は、振動子の第３の構成例を示す斜視図である。
同図に示すように、振動子１６００は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１、出力用振動子電極パッド１６０２、励振用電極パッド１６０３〜１６０５、励振用電極１６０６〜１６０８、支持層１６０９、絶縁層１６１０〜１６１３、固定部１６１４から構成される。
【００９３】
出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、支持層１６０９の上面に絶縁層１６１０を介して固定部１６１４が固定されている。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１は固定部１６１４と同じ高さに設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と支持層１６０９の間には絶縁層が存在せず空隙となっている。これにより、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、機械的に振動し得る。出力用振動子電極パッド１６０２は、固定部１６１４の上に設けられており、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に電気的に接続されている。
【００９４】
また、励振用電極１６０６〜１６０８は、支持層１６０９の上面に絶縁層１６１１〜１６１３を介して固定されている。励振用電極パッド１６０３〜１６０５は、それぞれ励振用電極１６０６〜１６０８の上に設けられており、それぞれ励振用電極１６０６〜１６０８に電気的に接続されている。
【００９５】
振動子１６００は、SOI(Silicon-On-Insulator)基板を用いてMEMS技術によって形成される。SOI基板は活性層、絶縁層、支持層１６０９を有している。これらの層の内、活性層（シリコン）は出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８を形成するために用いられる。この出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８はエッチングによって、支持層１６０９に対向すると共に互いに隣接して形成される。励振用電極１６０６〜１６０８は、振動子出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動の腹に位置する様に配置される。また、この振動子出力用振動子（カンチレバー）１６０１を可動電極として機能させるため、予め不純物ドープなどにより活性層を低抵抗化しておく。
【００９６】
また、上記活性層の加工後にエッチングによって上記出力用振動子（カンチレバー）１６０１の固定部１６１４以外の下面の絶縁層を除去することで、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と支持層１６０９との間にギャップ（空隙）を形成する。エッチングされずに残った固定部１６１４の下面の絶縁層１６１０が、支持層１６０９と出力用振動子（カンチレバー）１６０１とをそれぞれ電気的に絶縁すると共に固定部１６１４を介して固定する。このような構成により、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は固定部１６１４を支点として振動する事が可能となる。
また、支持層１６０９は半導体（シリコン）基板であり、出力用振動子（カンチレバー）１６０１を機械的に固定すると共に固定電極としても機能する。
【００９７】
さらに、アルミニウム（Ａｌ）の蒸着などにより出力用振動子電極パッド１６０２が出力用振動子（カンチレバー）１６０１の固定部１６１４の上面に形成される。また、励振用電極パッド１６０３〜１６０５が励振用電極１６０６〜１６０８の上面にそれぞれ形成され、図示しないワイヤボンディングなどを用いてそれぞれのパッドが外部回路に電気的に接続される。
【００９８】
次に、図１７を参照して、振動子１６００の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する。
同図において、１７００〜１７０２は直流バイアス電圧源である。その他の構成要素は、図１６を用いて説明した振動子１６００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【００９９】
直流バイアス電圧源１７００（電圧値Ｖｂｉａｓ）は、正極が出力用振動子電極パッド１６０２に接続され、負極は支持層１６０９に接続される。また、直流バイアス電圧源１７０１（電圧値＋Ｖａ）は、正極が励振用電極パッド１６０３に接続され、負極は接地される。また、直流バイアス電圧源１７０２（電圧値−Ｖａ）は、負極が励振用電極パッド１６０５に接続され、正極は接地される。また、出力用振動子電極パッド１６０２と励振用電極パッド１６０４は接地される。なお、電圧値Ｖｂｉａｓ＞電圧値Ｖａとする。
【０１００】
次に、同図に示した電圧印加状態における振動子に働く静電気力について説明する。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１と所定の電圧が印加されている励振用電極１６０３〜１６０５との間に静電気力が働く。つまり、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に働く静電気力Ｆの大きさは、振動子と電極との間の電位差に比例する。
【０１０１】
ここで、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６との間に働く静電気力をＦａ、励振用電極１６０７との間に働く静電気力をＦｂ、励振用電極１６０８との間に働く静電気力をＦｃとする。この場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の電位はＧＮＤであるので、上記の各静電気力は、
｜Ｆａ｜＜｜Ｆｂ｜＜｜Ｆｃ｜
の関係を満たす。
【０１０２】
次に、図１８を参照して振動子１６００の接続について説明する。
図１８（ａ）は、振動子の接続図である。同図において、１８００は、直流バイアス電圧源、１８０１は、交流電圧源、１８０２〜１８０４は、スイッチ、１８０５は、端子（１）、１８０６は、端子（２）である。その他の構成要素は、図１６を用いて説明した振動子１６００の構成要素と共通するため、説明は省略する。
【０１０３】
直流バイアス電圧源１８００（電圧値Ｖｂ）は、正極が出力用振動子電極パッド１６０２に接続され、負極が支持層１６０９に接続される。交流電圧源１８０１は、両端が端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続される。スイッチ１８０２〜１８０４は、接続を３状態間で切り替えられるものであり、スイッチ１８０２は、一端が励振用電極パッド１６０３に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１８０３は、一端が励振用電極パッド１６０４に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、スイッチ１８０４は、一端が励振用電極パッド１６０５に接続され、他端の３端子のうち２端子が、それぞれ端子（１）１８０５と端子（２）１８０６に接続され、１端子は開放されている。また、出力用振動子電極パッド１６０２は、接地されている。
【０１０４】
図１８（ｂ）は、交流電圧源の波形図である。同図において、１８１０は、交流電圧源１８０１の波形である。同図は、横軸に時間、縦軸に電圧値を示している。波形１８１０の最大値は電圧Ｖａｃであり、Ｖｂ＞Ｖａｃとする。また、前述の様に励振用電極に印加される電圧の極性が逆方向であっても同じ向きに静電気力が働くので、交流電圧源１８０１の周波数は出力用振動子（カンチレバー）１６０１の共振周波数の２分の１となる。
【０１０５】
なお、同図においては、固有振動モードの変化の原理を説明するために交流電圧を励振用電極パッド１６０３〜１６０５に印加する簡略化した回路構成としているが、通常は交流電圧源１８０１として出力用発振回路１０３を接続する。それにより、出力用振動子（カンチレバー）１６０１と励振用電極１６０６〜１６０８との間で電界を介して相互に作用して発振信号を得る事ができる。
【０１０６】
次に、図１９を参照して振動子１６００の動作を説明する。
図１９は、振動子の固有振動モードを表す模式図である。同図は、振動子１６００を上部から見た模式図である。
図１９（ａ）は、無振動状態の模式図である。同図において、１９００は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の位置を表す。無振動状態においては、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の位置１９００は、直線である。
【０１０７】
図１９（ｂ）は、１次モードの振動状態の模式図である。１９０１は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して最も励振用電極１６０８に近づいた位置、１９０２は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して最も励振用電極１６０８から遠ざかった位置、１９０３は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動中心位置である。
出力用振動子（カンチレバー）１６０１の振動中心位置１９０３は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１に印加される直流バイアス電圧源１８００（電圧Ｖｂ）の影響で、励振用電極１６０８側へ引力が働いて湾曲する。
同図に示した１次モードの振動の場合、図１９（ｃ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【０１０８】
図１９（ｃ）は、１次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、１次モードの振動時には、図１８における励振用電極１６０６〜１６０８のすべてが端子（１）１８０５へ接続される。つまり、スイッチ１８０２〜１８０４のすべてが端子（１）１８０５側へ接続される。これにより、励振用電極１６０６〜１６０８には、同位相の交流電圧が印加され、この励振用電極１６０６〜１６０８によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は常に同一の方向となるので、１次モードの振動が発生する。
【０１０９】
次に、２次モードの振動状態について説明する。
図１９（ｄ）は、２次モードの振動状態の模式図である。１９０４は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して自由端が最も励振用電極１６０８に近づいた位置、１９０５は、出力用振動子（カンチレバー）１６０１が振動して自由端が最も励振用電極１６０８から遠ざかった位置である。
同図に示した２次モードの振動の場合、図１９（ｅ）に示す励振用電極の接続状態とする事が必要である。
【０１１０】
図１９（ｅ）は、２次モードの振動時の励振用電極の接続状態を示す図である。
同図に示す様に、２次モードの振動時には、図１８における励振用電極１６０６，１６０７が端子（１）１８０５へ接続され、励振用電極１６０８が開放される。つまり、スイッチ１８０２，１８０３が端子（１）１８０５側へ接続され、スイッチ１８０４が開放される。これは、図１８（ａ）に示したスイッチの接続状態である。
【０１１１】
これにより、励振用電極１６０６，１６０７には、同位相の交流電圧が印加され、励振用電極１６０８には、電圧が印加されない。従って、励振用電極１６０６，１６０７によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は、方向が同じで周期的に強さの変化する力となり、励振用電極１６０８によって出力用振動子（カンチレバー）１６０１に及ぼされる静電気力は常に一定の力となる。その結果、出力用振動子（カンチレバー）１６０１は、先端が自由振動すると共に励振用電極１６０７の近傍が腹となり振動する。つまり、この周期的な力により、２つの腹と１つの節を持った２次モードの振動が発生する。
【０１１２】
この場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の共振周波数は、１次モードの際の共振周波数の約６．３倍になるため、交流電圧源１８０１の周波数も約６．３倍に設定する必要がある。
上述の様な構成の振動子１６００に上述の直流バイアス電圧の印加を行う事で、１次モードの場合、出力用振動子（カンチレバー）１６０１の持つ共振周波数の２分の１の発振周波数を得る事ができ、２次モードの場合、その約６．３倍の発振周波数を得る事ができる。
【０１１３】
上述してきた構成とする事で、本発振器は同一の基板上にすべての構成要素を一体化して形成する事が可能である。また、例えば本発振回路の発振信号を利用して各種信号処理を行うその他の集積回路を同一基板上に形成する事も可能である。
【０１１４】
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、励振用電極の数は上述した例に限らず、また、発振回路の構成は図１１に示した構成に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の実施形態に係る発振器のブロック図である。
【図２】同上の振動子の第１の構成例を示す斜視図である。
【図３】同上の振動子を表す原理図である。
【図４】同上の振動子の各電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図５】同上の振動子の固有振動モードの説明図である。
【図６】同上の振動子の接続図である。
【図７】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である
【図８】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図９】同上の振動子の接続図である。
【図１０】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【図１１】同上の発振回路の回路図である。
【図１２】同上の振動子の第２の構成例を示す斜視図である。
【図１３】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図１４】同上の振動子の接続図である。
【図１５】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【図１６】同上の振動子の第３の構成例を示す斜視図である。
【図１７】同上の振動子の電極への電圧の印加状態と振動子へ働く静電気力について説明する図である。
【図１８】同上の振動子の接続図である。
【図１９】同上の振動子の固有振動モードを表す模式図である。
【符号の説明】
【０１１６】
１００；出力用振動子、１０１；直流バイアス電圧印加回路、１０２；基本周波数選択回路、１０３；出力用発振回路、２０１；出力用振動子（カンチレバー）、２０２，２０３；出力用振動子電極パッド、２０４〜２０６；励振用電極パッド、２０７〜２０９；励振用電極、２１０；支持層、２１１〜２１５；絶縁層、２１６，２１７；固定部、３０１；バネ、３０２；錘、３０３；基板、３０４；励振用電極、３０５；電極、３０６；交流電源、３０７；直流電源、４００〜４０２；直流バイアス電圧源、５００；出力用振動子、５０１；支点、６００；直流バイアス電圧源、６０１；交流電圧源、６０２〜６０４；スイッチ、６０５；端子（１）、６０６；端子（２）、７００；出力用振動子（カンチレバー）の位置、７０１；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、７０２；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、７０３；出力用振動子（カンチレバー）の振動中心位置、９０１；交流電圧源、９１０；交流電圧源の波形、１００１；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８に近づいた位置、１００２；出力用振動子（カンチレバー）が振動して最も励振用電極２０８から遠ざかった位置、１００３；出力用振動子（カンチレバー）の振動中心位置、１００４；出力用振動子（カンチレバー）が振動して腹が最も励振用電極２０７に近づいた位置、１００５；出力用振動子（カンチレバー）が振動して腹が最も励振用電極２０９に近づいた位置、１１００；振動子、１１０１；スイッチ、１１０２，１１０３；直流成分カット用容量、１１０４，１１０５；負荷容量、１１０８；負荷抵抗、１１１０，１１１１；インバータ（アンプ）、１１２０；発振信号出力端子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、
前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、
前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路と
を備える発振器。
【請求項２】
前記励振用電極と前記発振回路との間に接続され、前記発振回路から前記励振用電極への電気的な接続経路を選択する基本周波数選択回路を更に備えた事を特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、
前記励振用電極は、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
【請求項４】
前記励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする請求項３に記載の発振器。
【請求項５】
前記励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする請求項３に記載の発振器。
【請求項６】
前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする請求項３から請求項５の何れか１項に記載の発振器。
【請求項７】
前記出力用振動子は接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする請求項３又は請求項４の何れか１項に記載の発振器。
【請求項１】
機械的に振動し得るように設けられた出力用振動子と、
前記出力用振動子に直流電圧を印加する直流電圧印加部と、
前記出力用振動子の振動の腹部の近傍に配置され、該出力用振動子との間で電界を介して相互に作用する励振用電極と、
前記励振用電極に電気的に接続され、前記出力用振動子の共振周波数で発振して発振信号を出力する発振回路と
を備える発振器。
【請求項２】
前記励振用電極と前記発振回路との間に接続され、前記発振回路から前記励振用電極への電気的な接続経路を選択する基本周波数選択回路を更に備えた事を特徴とする請求項１に記載の発振器。
【請求項３】
前記出力用振動子は、半導体基板である支持層に対向して配置され、その少なくとも一部は前記支持層上の絶縁層に固定され、
前記励振用電極は、前記支持層に対向して配置され、その全体は前記支持層上の前記絶縁層に固定されている事を特徴とする請求項１又は２に記載の発振器。
【請求項４】
前記励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の片側に配置された事を特徴とする請求項３に記載の発振器。
【請求項５】
前記励振用電極は、前記出力用振動子の長辺方向に沿って該出力用振動子の両側に配置された事を特徴とする請求項３に記載の発振器。
【請求項６】
前記出力用振動子には直流の正電圧が印加され、前記支持層が接地された事を特徴とする請求項３から請求項５の何れか１項に記載の発振器。
【請求項７】
前記出力用振動子は接地され、前記支持層には直流の負電圧が印加された事を特徴とする請求項３又は請求項４の何れか１項に記載の発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００８−６６８００（Ｐ２００８−６６８００Ａ）
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３９４４６（Ｐ２００６−２３９４４６）
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２１日（２００８．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月４日（２００６．９．４）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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