JP2002022453A

JP2002022453A - 振動体装置

Info

Publication number: JP2002022453A
Application number: JP2000209862A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Moriya; 和文森屋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2002-01-23

Abstract

(57)【要約】【課題】基板に応力が作用するときでも、振動体を常
に安定した周波数で振動させる。【解決手段】基板１には支持固定部３を設け、この支
持固定部３に設けた第１の支持梁４を介して第１の振動
体５をＸ軸方向に振動可能な状態で基板１に取付ける。
一方、第２の振動体７は、第２の支持梁６を介してＹ軸
方向に変位可能な状態で第１の振動体５に取付ける。ま
た、第１の振動体５と基板１との間には振動発生部９を
設けると共に、第２の振動体７と基板１との間には角速
度検出部１０を設ける。そして、支持固定部３にはＸ軸
方向に延びるスリット１２を設け、このスリット１２に
よって支持固定部３に生じる歪を吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば角速度セン
サ、加速度センサ、振動センサ、振動アクチュエータ等
として用いられる振動体装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、振動体装置として例えば角速度
センサ、加速度センサ、振動センサ、振動アクチュエー
タ等の各種の用途に用いられるが、例えば角速度センサ
に適用したものとして、基板と、該基板に設けられた支
持固定部と、該支持固定部に接続された支持梁と、該支
持梁によって振動可能に支持された振動体とから構成し
たものが知られている（例えば、特開平５−３１２５７
６号公報等）。

【０００３】そして、従来技術による角速度センサは、
振動体の周囲に振動体を振動させる振動発生手段を設け
ると共に、振動体が振動方向と直交する方向に変位する
したときの変位量を角速度として検出する角速度検出手
段が設けられている。

【０００４】これにより、従来技術による角速度センサ
は、互いに直交する３軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸とすると、
振動発生手段によって振動体を基板と平行なＸ軸方向に
対して振動させる。この状態で、外部からＺ軸周りの角
速度を加えると、コリオリ力によって振動体はＸ軸に直
交したＹ軸方向に変位する。そして、角速度検出手段
は、このコリオリ力による振動体のＹ軸方向の変位を圧
電抵抗、静電容量等の変化として検出することにより、
角速度の大きさを検出している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術に
よる角速度センサでは、振動体がＸ軸方向に振動すると
きの周波数が常に共振状態となるとき、即ち振動体の固
有振動数で振動しているときに安定したＹ軸方向への出
力を検出することができる。しかし、基板が熱によって
膨張、収縮したときや外部からの応力が基板に作用した
とき等には、支持固定部を介して支持梁に引張り、圧縮
応力が作用することがある。このような場合、振動体の
固有振動数が変化するから、角速度の検出感度に著しく
影響するという問題がある。

【０００６】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は支持固定部に作用する応力を緩
和し、振動体を常に安定して振動させることができる振
動体装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明は、基板と、該基板に設けられた支持固
定部と、該支持固定部に接続された支持梁と、該支持梁
によって振動可能に支持された振動体とからなる振動体
装置に適用される。

【０００８】そして、請求項１の発明が採用する構成の
特徴は、支持固定部には、該支持固定部に生じる歪みを
吸収するためのスリットを設けたことにある。

【０００９】このように構成したことにより、基板に応
力が生じたときでも、支持固定部に設けたスリットによ
って支持固定部に生じる歪みを吸収することができる。
このため、支持梁に応力が作用することがないから、振
動体の固有振動数を一定の値に保持することができる。

【００１０】また、請求項２の発明では、支持梁は振動
体の振動方向と直交する方向に延び、スリットは振動体
の振動方向と平行な方向に延びる構成としている。

【００１１】これにより、支持固定部に基板からの応力
が作用するときでも、スリットの幅寸法が変化し、支持
固定部が振動方向と直交する方向に伸縮するのを防ぐこ
とができる。このため、基板に応力が作用するときで
も、支持梁に引張り応力、圧縮応力が作用することがな
く、振動体を一定の周波数で安定して振動させることが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態に
よる振動体装置として角速度センサに適用した場合を例
に挙げ、図１ないし図５に従って詳細に説明する。

【００１３】図において、１は角速度センサの本体をな
す矩形状の基板で、該基板１は例えば低抵抗なシリコン
材料によって形成されている。

【００１４】２は基板１に固定的に設けられた固定枠
で、該固定枠２は基板１の外周に沿って略四角形の枠状
に形成されている。また、固定枠２には、その外周側に
段部を形成する周壁部２Ａが設けられている。これによ
り、固定枠２のうち周壁部２Ａの内周側に位置する部位
は、基板１から離間した状態となっている。

【００１５】３，３はＸ軸方向に離間して固定枠２の内
周側に設けられた左，右方向で一対の支持固定部で、該
各支持固定部３は、固定枠２から基板１の中央に向けて
延び、固定枠２の周壁部２Ａによって基板１から浮いた
状態となっている。また、各支持固定部３は、前，後方
向（Ｙ軸方向）に向けて長さ寸法Ｌを有すると共に、後
述する第１の振動体５を左，右両側で挟んでいる。

【００１６】４，４，…は左，右の支持固定部３からＹ
軸方向の両側に向けて延びる前，後方向で一対の第１の
支持梁で、該第１の支持梁４は、支持固定部３を挟んだ
状態で各支持固定部３の前，後方向（Ｙ軸方向）の両端
に２本ずつ合計４本設けられている。そして、第１の支
持梁４は、その基端側が支持固定部３に接続されると共
に、その先端側は後述する第１の振動体５に接続されて
いる。

【００１７】５は第１の支持梁４によって基板１の表面
から離間した状態で支持された第１の振動体で、該第１
の振動体５は、互いに対向してＸ軸方向に延びる一対の
Ｘ軸方向枠部５Ａ，５Ａと、互いに対向してＹ軸方向に
延びる一対のＹ軸方向枠部５Ｂ，５Ｂとによって略四角
形の枠形状に形成されている。そして、第１の振動体５
の四隅には、Ｙ軸方向枠部５Ｂに平行に延びる４本の支
持梁４の先端がそれぞれ取付けられている。これによ
り、第１の振動体５は、Ｙ軸方向への変位が規制された
状態でＸ軸方向に変位可能となっている。

【００１８】６，６，…は第１の振動体５の枠内に位置
してＸ軸方向枠部５Ａと平行にＸ軸方向に延びる合計４
本の第２の支持梁で、該各支持梁６は、第１の振動体５
の四隅近傍から振動体５のＸ軸方向中央部に向けて延
び、その両端はＹ軸方向枠部５Ｂと支持連結部８とにそ
れぞれ接続されている。

【００１９】７は第１の振動体５の枠内に位置して第２
の支持梁６によって基板１の表面から離間した状態で支
持された第２の振動体で、該第２の振動体７は、略長方
形の枠形状に形成された枠部７Ａと、該枠部７Ａの中心
部をＸ軸方向に延びて該枠部７Ａの左，右両辺を連結す
る連結部７Ｂとによって構成されている。そして、連結
部７Ｂは、Ｙ軸方向の中央部に位置して後述の電極１０
Ｃ，１１Ｂが取付けられている。

【００２０】８，８は枠部７Ａの前，後方向の両辺に設
けられた前，後方向で一対の支持連結部で、該各支持連
結部８は、枠部７Ａの外側に位置して枠部７Ａの左，右
方向の中間部に設けられている。そして、各支持連結部
８には、Ｘ軸方向に延びる第２の支持梁６がそれぞれ２
本ずつ取付けられている。

【００２１】ここで、第１，第２の振動体５，７は、第
１の支持梁４の形状、第１，第２の振動体５，７の質量
等を適宜設定することによって、第１の固有振動数ｆ1
を有している。そして、第１，第２の振動体５，７は、
後述の振動発生部９によって固有振動数ｆ1をもってＸ
軸方向に振動する。

【００２２】一方、第２の振動体７は、第２の支持梁６
の形状、第２の振動体７の質量等を適宜設定することに
よって、第２の固有振動数ｆ2を有している。また、第
２の固有振動数ｆ2は、第１の振動体５の固有振動数ｆ1
よりも５％程度高いまたは低い振動数に設定されてい
る。これにより、製造公差等によって第１，第２の固有
振動数ｆ1，ｆ2が予め設定した値に対して僅かに異なる
値になるときであっても、角速度に対する第２の振動体
７の変位量はほぼ一定の値に保持される。

【００２３】９，９，…は基板１と第１の振動体５との
間に設けられた振動発生部で、該各振動発生部９は、第
１の振動体５の四隅近傍に合計４個配設されている。そ
して、各振動発生部９は、基板１に固定された振動用固
定部９Ａと、該振動用固定部９Ａから第１の振動体５に
向けて延びる櫛歯状の電極９Ｂと、第１の振動体５から
振動用固定部９Ａに向けて延び、該電極９Ｂと噛合する
櫛歯状の電極９Ｃとによって構成されている。

【００２４】そして、振動発生部９は、各電極９Ｂ，９
Ｃ間に逆位相となる周波数ｆの駆動信号を発振回路（図
示せず）から印加することによって、各電極９Ｂ，９Ｃ
間には静電引力を交互に発生し、第１の振動体５を矢示
ａ方向（Ｘ軸方向）に振動させる。

【００２５】１０，１０は基板１と第２の振動体７との
間に設けられた角速度検出部で、該各角速度検出部１０
は、第２の振動体７の枠部７Ａ内に位置して基板１に固
定された検出用固定部１０Ａと、該検出用固定部１０Ａ
から連結部７Ｂに向けて延びる櫛歯状の電極１０Ｂと、
連結部７Ｂから検出用固定部１０Ａに向けて延び該電極
１０Ｂに噛合するアンテナ状の電極１０Ｃとによって平
行平板コンデンサとして構成されている。

【００２６】そして、角速度検出部１０は、第１，第２
の振動体５，７が矢示ａ方向に振動している状態でＺ軸
回りの角速度Ωが作用したときには、第２の振動体７が
コリオリ力ＦによってＹ軸方向に変位するから、角速度
Ωに対応した第２の振動体７のＹ軸方向への変位量を電
極１０Ｂ，１０Ｃ間の静電容量の変化量によって検出
し、各電極１０Ｂ，１０Ｃ間の静電容量に応じた検出信
号を出力している。

【００２７】１１，１１は基板１と第２の振動体７との
間に設けられた振動状態モニタ部で、該各振動状態モニ
タ部１１は検出用固定部１０Ａから連結部７Ｂに向けて
延びる櫛歯状の電極１１Ａと、連結部７Ｂから検出用固
定部１０Ａに向けて延び該電極１１Ａに噛合する櫛歯状
の電極１１Ｂとによって構成されている。

【００２８】そして、振動状態モニタ部１１は、第１，
第２の振動体５，７が振動発生部９によってＸ軸方向に
振動するときの振動状態を各電極１１Ａ，１１Ｂ間の静
電容量の変化としてモニタし、検出用固定部１０Ａを通
じて各電極１１Ａ，１１Ｂ間の静電容量に応じたモニタ
信号を出力している。

【００２９】１２，１２，…は各支持固定部３に例えば
５本ずつ貫通して設けられたスリットで、該スリット１
２は、幅寸法δをもってＸ軸方向に延びると共に、前，
後方向で一対の支持梁４，４の中間部位に対して略対称
となる位置に配設されている。そして、各スリット１２
は、前，後方向の幅寸法δが伸縮することによって支持
固定部３に生じるＹ軸方向の歪みを吸収するものであ
る。

【００３０】本発明の実施の形態による角速度センサは
上述のように構成されるものであって、次にその作動に
ついて説明する。

【００３１】まず、各振動発生部９に固有振動数ｆ1と
ほぼ等しい値の周波数ｆの駆動信号を逆位相で印加する
と、各電極９Ｂ，９Ｃ間には静電引力が交互に作用し、
第１の振動体５は、第２の振動体７と共にＸ軸方向とな
る矢示ａ方向に接近，離間を繰返して振動する。

【００３２】このように、第１，第２の振動体５，７が
振動した状態で、角速度センサにＺ軸周りの角速度Ωが
加わると、Ｙ軸方向にコリオリ力（慣性力）が発生し、
第２の振動体７はＹ軸方向に下記の数１に示すようなコ
リオリ力Ｆで変位する。

【００３３】

【数１】Ｆ＝２ｍΩｖただし、ｍ：第２の振動体７の質量 Ω：角速度ｖ：第２の振動体７のＸ軸方向の速度

【００３４】そして、第２の振動体７は数１のコリオリ
力ＦによってＹ軸方向に振動し、この振動体７の変位
を、各角速度検出部１０では各電極１０Ｂ，１０Ｃ間の
静電容量の変化として検出し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検
出することができる。

【００３５】また、振動発生部９によって第１，第２の
振動体５，７がＸ軸方向に振動したときには、振動状態
モニタ部１１の各電極１１Ａ，１１Ｂ間の静電容量が変
化する。このため、振動状態モニタ部１１は、各電極１
１Ａ，１１Ｂ間の静電容量を検出することによって、第
１，第２の振動体５，７の振動状態をモニタすることが
でき、第１，第２の振動体５，７のＸ軸方向の振幅を一
定に保持することができる。

【００３６】さらに、第１の支持梁４を支持する支持固
定部３にはスリット１２を設けたから、スリット１２に
よって支持固定部３に生じる歪みを吸収することができ
る。

【００３７】即ち、基板１が熱によって膨張、収縮した
とき、外部からの応力が基板１に作用したとき等には、
支持固定部３がＸ軸方向、Ｙ軸方向に伸縮し、歪みが生
じることがある。しかし、本実施の形態では、支持固定
部３にスリット１２を設けたから、支持固定部３がＹ軸
方向に伸縮するときには、スリット１２の幅寸法δが伸
縮する。このため、基板１が熱によって膨張、収縮等し
たときであっても、支持固定部３の長さ寸法Ｌをほぼ一
定の値に保持することができる。

【００３８】この結果、基板１に応力等が作用するとき
でも、第１の支持梁４に引張り応力、圧縮応力が作用す
ることがなく、第１，第２の振動体５，７はその固有振
動数ｆ1の値がほぼ一定値に保持される。従って、第
１，第２の振動体５，７を固有振動数ｆ1で安定して振
動させ、さらに振動状態モニタ部１１のモニタ信号を用
いてフィードバック制御することによってその振幅を一
定値に保持できると共に、第１の振動体５と第２の振動
体７との固有振動差をほぼ一定にすることができる。こ
の結果、コリオリ力Ｆに対して角速度Ωの検出精度を向
上させることができる。

【００３９】かくして、本実施の形態では、第１の支持
梁４が接続された支持固定部３にはスリット１２を設け
たから、スリット１２によって支持固定部３の歪を吸収
することができ、第１，第２の振動体５，７が振動する
ときの固有振動数ｆ1をほぼ一定の値に保持することが
できる。このため、第１，第２の振動体５，７を常に安
定した周波数と振幅をもって振動させることができるか
ら、角速度Ωに対する第２の振動体７の変位量を安定化
でき、角速度Ωの検出精度を向上させることができる。

【００４０】また、第１の支持梁４はＹ軸方向に延びて
支持固定部３に接続されると共に、スリット１２はＸ軸
方向に延びて支持固定部３に設ける構成としたから、支
持固定部３に基板１からの応力が作用するときでも、ス
リット１２の幅寸法δが変化することによって支持固定
部３に生じる歪を吸収し、支持固定部３のＹ軸方向の長
さ寸法Ｌを一定値に保持することができる。このため、
基板１に応力が作用するときでも、第１の支持梁４に引
張り応力、圧縮応力が作用することがなく、第１，第２
の振動体５，７を一定の周波数ｆで安定して振動させる
ことができる。

【００４１】さらに、第１の支持梁４は支持固定部３を
挟んでＹ軸方向の両端側にそれぞれ設け、スリット１２
は一対の支持梁４，４の中間部位に対して略対称となる
位置に複数個設ける構成としたから、各スリット１２の
幅寸法δが伸縮するときでも、各支持梁４に作用する応
力をほぼ等しくすることができる。このため、支持固定
部３を挟むＹ軸方向両側の支持梁４，４によって第１の
振動体５を均等に支持することができるから、第１の振
動体５を安定してＸ軸方向に振動させることができる。

【００４２】なお、前記実施の形態では、第１の支持梁
４が接続される支持固定部３にスリット１２を設けるも
のとしたが、本発明はこれに限らず、例えば図４に示す
第１の変形例のように第２の支持梁６を第２の振動体７
に接続する支持連結部８にＹ軸方向に延びるスリット２
１を複数個設ける構成としてもよい。これにより、第２
の振動体７等が熱によって膨張、収縮するときでも、第
２の支持梁６に引張り応力、圧縮応力が作用することが
なくなる。このため、角速度に対する第２の振動体７の
変位量を一定にすることができ、角速度の検出精度をさ
らに向上することができる。

【００４３】また、前記実施の形態では、第１の振動体
５を基板１と平行なＸ軸方向に変位可能な状態で基板１
に設け、第２の振動体７を基板１と平行でＸ軸方向に直
交するＹ軸方向に変位可能な状態で第１の振動体５に設
ける構成としたが、本発明はこれに限らず、第１の振動
体を基板１と平行なＸ軸方向に変位可能な状態で基板１
に設け、第２の振動体を基板１と垂直なＺ軸方向に変位
可能な状態で第１の振動体に設ける構成としてもよい。
この場合、Ｙ軸回りに作用する角速度を検出することが
できる。

【００４４】さらに、前記実施の形態では、第１の支持
梁４によって第１，第２の振動体５，７をＸ軸方向に振
動可能に支持し、第２の支持梁６によって第２の振動体
７をＹ軸方向に振動可能に支持する構成するものとした
が、図５に示す第２の変形例のように支持固定部３に設
けた支持梁３１によって振動体３２をＸ軸、Ｚ軸のいず
れの方向にも振動可能に支持する構成としてもよい。こ
の場合、基板１上には振動体３２に対面して角速度検出
手段としての電極３３を設ける共に、支持固定部３には
振動体３２の振動方向（矢示ａ方向）と平行な方向に延
びるスリット３４を設けるものである。

【００４５】また、前記実施の形態では、スリット１２
を振動体５の振動方向と平行な方向に延びる構成とした
が、例えばスリット１２を振動体５の振動方向に対して
傾斜して延びる構成としてもよい。

【００４６】さらに、本実施の形態では、振動体装置と
して角速度センサに適用した場合を例に挙げて説明した
が、本発明はこれに限らず、振動体を支持梁によって振
動可能に支持する加速度センサ、振動センサ、振動アク
チュエータ等に適用してもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、請求項１の発明によ
れば、支持固定部には、該支持固定部に生じる歪みを吸
収するためのスリットを設けたから、基板に応力が生じ
たときでも、支持固定部に設けたスリットによって支持
固定部に生じる歪みを吸収することができる。このた
め、支持梁に応力が作用することがないから、振動体の
固有振動数を一定の値に保持することができ、振動体を
一定の周波数で振動させ、さらに２つの振動体の周波数
差も一定にすることができる。

【００４８】また、請求項２の発明によれば、支持梁は
振動体の振動方向と直交する方向に延び、スリットは振
動体の振動方向と平行な方向に延びる構成としたから、
支持固定部に基板からの応力が作用するときでも、スリ
ットの幅寸法が変化し、支持固定部が振動方向と直交す
る方向に伸縮するのを防ぐことができる。このため、基
板に応力が作用するときでも、支持梁に引張り応力、圧
縮応力が作用することがなく、振動体を一定の周波数で
安定して振動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による角速度センサを示す
平面図である。

【図２】図１中の矢示II−II方向からみた断面図であ
る。

【図３】支持固定部、スリット等を拡大して示す要部拡
大平面図である。

【図４】本発明の第１の変形例による角速度センサを示
す平面図である。

【図５】本発明の第２の変形例による角速度センサを示
す平面図である。

【符号の説明】

１基板３支持固定部４第１の支持梁（支持梁）５第１の振動体（振動体）６第２の支持梁７第２の振動体９振動発生部１０角速度検出部１２，２１，３４スリット３１支持梁３２振動体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板に設けられた支持固定部
と、該支持固定部に接続された支持梁と、該支持梁によ
って振動可能に支持された振動体とからなる振動体装置
において、前記支持固定部には、該支持固定部に生じる
歪みを吸収するためのスリットを設けたことを特徴とす
る振動体装置。
【請求項２】前記支持梁は前記振動体の振動方向と直
交する方向に延び、前記スリットは前記振動体の振動方
向と平行な方向に延びる構成としてなる請求項１に記載
の振動体装置。