JP3309564B2 - 振動素子の周波数調整機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、振動型ジャイロ等に用
いられる振動素子の共振周波数の調整機構に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図４は、振動型ジャイロの振動センサ部
の従来例を示す。この振動センサ部は、マイクロマシニ
ング技術でシリコン基板上に作製した微細な半導体振動
素子２を有して構成されている。図４に示される半導体
振動素子２は、振動検知体６と櫛形の可動電極５と２本
の振動梁４を有し、振動検知体６に可動電極５が設けら
れ、振動検知体６が振動梁４を介して固定されている門
形状構造を持つ。なお、可動電極５に噛み合うように櫛
形の固定電極７が配置されている。

【０００３】可動電極５および固定電極７に交流電圧を
印加すると、可動電極５と固定電極７間に静電力が発生
し、この静電力で半導体振動素子２がｘ軸方向に振動す
る。

【０００４】半導体振動素子２を上述のようにｘ軸方向
に振動（励振振動）させ、ｚ軸を中心として回転する
と、回転軸方向および励振振動方向の両方向に直交する
方向（図４では紙面に垂直なｙ軸方向）にコリオリの力
が発生し、このコリオリ力が半導体振動素子２に加わ
り、半導体振動素子２がコリオリ力の発生方向に振動
（検知振動）し、励振振動と検知振動とが一致する共振
周波数で振動したときに、半導体振動素子２が最大振幅
で振動する。前記振動検知体６の表裏両面上に電極（図
示せず）が形成され、また、この振動検知体６上の各電
極に対峠して検知用電極（図示せず）が設置されてお
り、前記コリオリ力の発生による半導体振動素子２の検
知振動の振幅の大きさに対応する静電容量の変化を測定
してｚ軸回りの回転角速度等の大きさを検知するもので
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、マイク
ロマシニング技術を用いシリコン基板上に作製した微細
な半導体振動素子２において、設計した共振周波数で最
大振幅振動するように全ての半導体振動素子２を製造す
ることは不可能である。そこで、半導体振動素子２の質
量が減少するのに伴い半導体振動素子２の共振周波数が
高くなることを用いて、従来例では、設計した共振周波
数より低い共振周波数を持つ半導体振動素子２を予め作
製し、レーザ光で半導体振動素子２の削り取り領域を削
り取ることで共振周波数を高い方向に調整し設計した周
波数となるようにしていた。しかし、レーザ光による削
り取り量が目的とした量より多く、設計した共振周波数
より高い共振周波数に調整されてしまった場合に、共振
周波数を低い方向に改めて調整することが不可能である
という問題があった。

【０００６】また、微細な半導体振動素子２の削り取り
領域に対してのレーザ光のスポット径が大きく、削り取
り領域の微小な部分をレーザ光で削り取って共振周波数
の微調整を行うことが困難であるという問題があった。

【０００７】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、半導体振動素子２を
削り取ることなく、微調整が可能な半導体振動素子２の
共振周波数の調整機構を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、第
１の発明の振動素子の周波数調整機構は、振動素子から
１個以上の振動調整梁を異なる位置から突設し、各振動
調整梁の自由先端側には微小間隙を介して固定電極を対
向配置し、この固定電極に前記振動調整梁の自由先端側
を静電力によって接触させる固定電極への電圧印加手段
を設けたことを特徴として構成されている。

【０００９】第２の発明の振動素子の周波数調整機構
は、前記第１の発明の振動素子を半導体振動素子で形成
したことを特徴として構成されている。

【００１０】

【作用】上記発明において、振動素子の共振周波数が設
計した共振周波数より低い場合には、１個の振動調整梁
の自由先端側の対応する固定電極に電圧を印加する。こ
の電圧印加により振動調整梁の自由先端側と固定電極間
に静電引力が働き、振動調整梁の自由先端側が固定電極
に引き寄せられ接触することで、振動素子の共振周波数
が高い方向に変化する。さらに、振動素子の共振周波数
を高くする方向に微調整する場合、固定電極に印加する
電圧を上昇させ、静電引力を強くすることで振動調整梁
の自由先端側と固定電極との接触面積が大きくなり、振
動素子の共振周波数が僅かに高くなるようにして設計し
た共振周波数に合わせる。また、振動素子の共振周波数
を僅かに低くする場合、静電引力を弱くすることで振動
調整梁の自由先端側と固定電極との接触面積が小さくな
り、振動素子の共振周波数が僅かに低くなるようにして
設計した共振周波数に合わせる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一名
称部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略す
る。

【００１２】図１には、本発明による半導体振動素子２
の周波数調整機構の第１の実施例が振動型ジャイロの振
動センサ部と共に示されている。また、図２は、図１の
Ａ−Ａ断面を示す断面図である。この振動センサ部は、
従来例と同様な構成をもつ微細な半導体振動素子２を有
して構成され、従来例と同様に、半導体振動素子２の可
動電極（図示せず）と固定電極（図示せず）間の静電力
によりｘ軸方向の励振振動が生じ、また、ｚ軸を中心と
して回転すると、図１では紙面に垂直なｙ軸方向にコリ
オリ力による検知振動が起こり、この検知振動の振幅の
大きさに対応する静電容量の変化を測定して、ｚ軸回り
の回転角速度等の大きさを測定する。本実施例の周波数
調整機構は、半導体振動素子２の共振周波数を調整する
ための振動調整梁１を有し、この振動調整梁１が振動梁
４に図では横向きに突設され、その振動調整梁１の自由
先端側に微小間隙８を介して調整用固定電極３が対向配
置されている。

【００１３】振動調整梁１は、半導体振動素子２の共振
周波数をやや高い方向（例えば５％程度）に調整する振
動調整梁１ａと、振動調整梁１ａより高い方向（例えば
10％程度）に調整する振動調整梁１ｂと、さらに高い方
向（例えば15％程度）に調整する振動調整梁１ｃとを有
し、マイクロマシニング技術を用い、シリコン基板に半
導体振動素子２と一体形成されている。また、各振動調
整梁１ａ，１ｂ，１ｃの自由先端側に対向した位置に微
小間隙を介して調整用固定電極３ａ，３ｂ，３ｃが固定
配設されている。さらに、各調整用固定電極３ａ，３
ｂ，３ｃに電圧を印加するための電圧印加手段が設けら
れ、この電圧印加手段は、各調整固定電極３ａ，３ｂ，
３ｃと接続されている。

【００１４】振動調整梁１と調整用固定電極３を有する
調整機構において、調整用固定電極３に正の電圧を印加
すると、振動調整梁１の自由先端側と調整用固定電極３
との間に静電引力が生じ、この静電引力により振動調整
梁１の自由先端側が調整固定電極３に引き寄せられて、
接触電圧以上で生じる静電引力で接触し、さらに電圧を
上昇させ静電引力を強めると接触面積が大きくなり、電
圧を下降させ静電引力を弱めると接触面積が小さくな
る。

【００１５】ところで、半導体振動素子２の質量ｍと、
半導体振動素子２の固定端Ｏから自由最先端Ｐまでの長
さＬをパラメータとして、半導体振動素子２の共振周波
数を変化させることができる。例えば、半導体振動素子
２の質量ｍを一定とした場合、半導体振動素子２の長さ
Ｌを短くすると半導体振動素子２の共振周波数は高くな
り、長さＬを長くすると共振周波数は低くなる。そこ
で、本発明者は前記半導体振動素子２の長さＬに着目し
て、半導体振動素子２の共振周波数の調整機構を発明し
た。

【００１６】次に、図１に示される半導体振動素子２の
周波数調整機構を用いて共振周波数の調整方法を説明す
る。

【００１７】まず、半導体振動素子２を駆動するための
配線、および半導体振動素子２の共振周波数を測定する
ための配線、および電源（電圧印加手段）から分配器
（図示せず）を通して調整用固定電極３ａ，３ｂ，３ｃ
の何れか１個に選択的に電圧を印加するための配線を施
して、検査調整用装置に設置する。

【００１８】次に、半導体振動素子２の励振振動をさせ
るための交流電圧の周波数を変化させていき、半導体振
動素子２の励振振動と検知振動が共振し、最大振幅で振
動する共振周波数を測定する。この測定で得られた半導
体振動素子２の共振周波数が設計した共振周波数より低
かった場合には、例えば、半導体振動素子２の共振周波
数と設計した共振周波数との誤差が５％程度ならば、半
導体振動素子２の共振周波数を５％程度高い方向に調整
する振動調整梁１ａの対応する調整用固定電極３ａに接
触電圧以上を印加し、振動調整梁１ａを調整用固定電極
３ａに電気的に固定して再び共振周波数の測定を行う。
このように、振動調整梁１ａが固定されることで、半導
体振動素子２の固定端Ｏが仮の固定端Ｑへと移り、半導
体振動素子２の長さＬを実際に短くしたことと見かけ上
同じになり、半導体振動素子２の共振周波数が高くな
る。

【００１９】同様に、半導体振動素子２の共振周波数と
設計した共振周波数との誤差が10％程度ならば振動調整
梁１ｂを選択し、誤差が15％程度ならば振動調整梁１ｃ
を選択して電気的に固定し、再度測定する。

【００２０】選択した振動調整梁１で設計した共振周波
数またはそれに近い共振周波数にならなかった場合に
は、もっと高い方向に調整する１ランク上の振動調整梁
１（例えば、振動調整梁１ａを用いて設計した共振周波
数に近似できなかったならば、振動調整梁１ｂ）につい
て上述の調整を繰り返し、適切な振動調整梁１を選択
し、半導体振動素子２の共振周波数の大まかな調整を行
う。

【００２１】さらに、上述のような大まかな調整を行っ
た後に以下のような微調整を行い、設計した共振周波数
と一致させる。

【００２２】半導体振動素子２の共振周波数が僅かに低
い場合には、前記選択した振動調整梁１に対応する調整
用固定電極３の印加電圧を上昇させ、振動調整梁１と調
整用固定電極３間の静電引力を強め、振動調整梁１と調
整用固定電極３との接触面積を大きくすることで、半導
体振動素子２の共振周波数を僅かに高い方向へ調整す
る。また、反対に、共振周波数が僅かに高い場合には、
選択した振動調整梁１に対応する調整用固定電極３への
印加電圧を下降させ、静電引力を弱くし、接触面積を小
さくすることで、半導体振動素子２の共振周波数を僅か
に低い方向へ調整する。このような接触面積による微調
整と半導体振動素子２の共振周波数の測定を交互に繰り
返し行い、設計した共振周波数と半導体振動素子２の共
振周波数を一致させる。

【００２３】上述のように２段階調整で使用する振動調
整梁１と、この振動調整梁１に対応する調整用固定電極
３に印加する電圧が決定する。実際に上記周波数調整機
構を有する振動センサが作動する際には、電圧印加手段
から使用する唯１個の調整用固定電極３へ上記で決定し
た電圧を供給する。

【００２４】本実施例では、半導体振動素子２に周波数
調整機構を設け、振動梁４に設けられた振動調整梁１の
１個を電気的に固定させ、半導体振動素子２の共振周波
数の調整を行う構成としたので、設計した共振周波数に
対するずれの大きさに応じて使用する振動調整梁１を選
択し、その調整用固定電極３に印加する電圧を変えるこ
とで、容易に共振周波数を設計値に調整することが可能
となる。また、従来例では、レーザ光のスポット径が削
り取り領域に対して大きく、削り取り領域の微小な部分
をレーザ光で削り取る共振周波数の微調整が困難であっ
たが、本実施例では、振動調整梁１と調整用固定電極３
との接触面積を変化させることで、半導体振動素子２の
共振周波数の微調整（共振周波数の変化率１〜５％）が
できるようになる。

【００２５】また、半導体振動素子２の共振周波数を測
定し、その測定値と設計した共振周波数とのずれに対応
する電圧を電圧印加手段により調整用固定電極３に印加
して共振周波数の調整を行うフィードバック調整が可能
となり、共振周波数の調整精度が非常に良いものとな
る。

【００２６】図３には、半導体振動素子２の周波数調整
機構の第２の実施例が振動型ジャイロの振動センサ部と
共に示されている。なお、第２の実施例の説明におい
て、従来例および第１の実施例と同一名称には同一符号
を付し、その詳細な説明は省略する。

【００２７】この振動センサ部は、第１の実施例と同様
な構成および機能を持つ微細な半導体振動素子２の有し
て構成されている。また、半導体振動素子２の周波数調
整機構の第２の実施例において特徴的なことは、半導体
振動素子２の共振周波数を調整するために、右の振動梁
４Ａと左の振動梁４Ｂに架橋梁９を渡し、その架橋梁９
の左右対称の中心位置から振動調整梁１を図では上向き
に突設し、この振動調整梁１に微小間隙を介して調整用
固定電極３を対向配置したことである。ここでの振動調
整梁１および架橋梁９も第１の実施例と同様にマイクロ
マシニング技術を用いシリコン基板で半導体振動素子２
と一体形成されている。

【００２８】上述の第２の実施例も第１の実施例と同様
に、調整用固定電極３への印加電圧を調整することで、
半導体振動素子２の共振周波数の微調整を行うことがで
きる。

【００２９】第２の実施例では、第１の実施例と同様な
効果を持つ他に、周波数調整機構を構成する振動調整梁
１を半導体振動素子２の左右対称となる位置に突設した
ので、半導体振動素子２の励振振動に左右方向のばらつ
きがなく、左右の振動バランスが良いものとなり、ま
た、半導体振動素子２のＱ値（Quality factor値）の低
下を防止できるので、振動調整梁１が調整用固定電極３
に固定されていても共振周波数に対する高い感度を維持
した半導体振動素子２の共振振動が可能となる。

【００３０】なお、第１、第２の各実施例で、半導体振
動素子２の共振周波数が設計した共振周波数より低くな
るように予め作製すれば、第１および第２の実施例のよ
うな調整機構で全ての半導体振動素子２の共振周波数を
調整できる。

【００３１】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では半導体振動素子２が２本の振動梁４で振動検
知体６を支える門形状構造であったが、１本の振動梁４
で振動検知体６を支える構造でもよい。

【００３２】また、上記実施例では、半導体振動素子２
が片持ち梁であったが、両持ち梁でもよい。

【００３３】さらに、上記実施例では、可動電極および
固定電極を設け、前記電極に交流電圧を印加することで
発生する静電力を用い、半導体振動素子２の励振振動を
起こしていたが、振動梁４の表面に異なった分極状態を
もつ２枚の圧電素子を互い違いに貼り合わせ、前記圧電
素子に電圧を印加して発生する振動梁４の歪を用いて半
導体振動素子２の励振振動をさせたり、また、振動梁４
の固定端を振動装置に接続し、半導体振動素子２の励振
振動をさせてもよい。

【００３４】さらに、上記実施例では、振動調整梁１を
振動梁４に設置していたが、図３に示すように、振動検
知体６の自由先端側に点線で表した振動調整梁１を図の
上向き方向に突設してもよい。

【００３５】さらに、上記実施例の周波数調整機構を有
する半導体振動素子２は、振動型ジャイロに用いられて
いたが、共振子の共振周波数の調整に適用することもで
きる。

【００３６】さらにまた、上記実施例の振動素子は半導
体によって形成されていたが、半導体以外の素子によっ
て形成してもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、振動素子の共振周波数
が設計した共振周波数より低い場合には、振動調整梁の
自由先端側の固定電極に電圧を印加して、この電圧によ
り振動調整梁の自由先端側を固定電極に引き寄せて接触
し、振動素子の共振周波数を高い方向へ設計した共振周
波数と合うように調整を行うことができる。特に、固定
電極への印加電圧を変化させると、振動調整梁の接触面
積を変動させることができ、振動素子の共振周波数の微
調整が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による振動素子の周波数調整機構の第１
の実施例を振動センサ部と共に示す説明図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す説明図である。

【図３】振動素子の周波数調整機構の第２の実施例を振
動センサ部と共に示す説明図である。

【図４】従来例の振動センサ部を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 振動調整梁 ２ 半導体振動素子 ３ 調整用固定電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 友保 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (72)発明者 田中 克彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 平６−300569（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−60210（ＪＰ，Ａ) 実公 昭51−26033（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 19/56 G01P 9/04 H01L 29/84 H03H 9/00 - 9/74

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動素子から１個以上の振動調整梁を異
   なる位置から突設し、各振動調整梁の自由先端側には微
   小間隙を介して固定電極を対向配置し、この固定電極に
   前記振動調整梁の自由先端側を静電力によって接触させ
   る固定電極への電圧印加手段を設けた振動素子の周波数
   調整機構。
2. 【請求項２】 振動素子を半導体振動素子で形成した請
   求項１記載の周波数調整機構。