JP6571065B2 - 振動装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、振動装置に関する。

複数のマス部が接続された連成振動子では、複数の振動モードによって生じるうなりに起因して、振動の振幅が必要以上に大きくなることがある。このような必要以上に大きな振幅を有する振動は、振動装置の動作に悪影響を与えるおそれがある。

特許第５３８９６６４号公報 特開２００９−１０９４９４号公報 特表２０１３−５０１９４１号公報 特表２００５−５０４２７３号公報

振動の振幅が必要以上に大きくなることを抑制することが可能な振動装置を提供する。

実施形態に係る振動装置は、複数のマス部を含むマスユニットと、前記複数のマス部を接続する第１の接続ユニットと、を含む連成振動機構と、振動中の前記マスユニットを捕捉し且つ捕捉された前記マスユニットを解放して振動を開始させるものであって、前記マスユニットを捕捉するための電圧が印加される電極ユニットを含む捕捉及び解放機構と、前記マスユニットの捕捉及び解放を前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧によって制御する制御ユニットと、を備えた振動装置であって、前記制御ユニットは、前記マスユニットが前記捕捉及び解放機構から解放された後から前記マスユニットが振動している最中に前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に定常電圧が印加される前までの期間の少なくとも一部で、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する。

実施形態に係る振動装置の概念的な構成を示した図である。 実施形態に係る振動装置の第１の具体的構成例を模式的に示した図である。 実施形態に係る振動装置の第１の具体的構成例において、マス部を電極／ストッパーユニットで捕捉しているときの状態を模式的に示した図である。 実施形態に係る振動装置の振動制御方法を示したタイミングチャートである。 実施形態に係り、中間電圧と振動の振幅の利得との関係を示した図である。 実施形態に係り、中間電圧の印加期間と振動の振幅の利得との関係を示した図である。 実施形態に係る振動装置の第２の具体的構成例を模式的に示した図である。 実施形態に係る振動装置の第３の具体的構成例を模式的に示した図である。 実施形態に係る振動装置の振動制御方法の好ましい一般的な方法を示したタイミングチャートである。 実施形態に係る振動装置の振動制御方法の好ましい一般的な方法の一例を示したタイミングチャートである。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

図１は、実施形態に係る振動装置の概念的な構成を示した図である。本実施形態に係る振動装置は、ＭＥＭＳ（micro electromechanical systems）技術を用いて半導体基板上に形成され、ジャイロセンサ（角速度検出装置）として用いられる。

図１に示した振動装置は、連成振動機構（coupled oscillation mechanism）１０と、捕捉及び解放機構（catch and release mechanism）２０と、制御ユニット３０と、位置検出ユニット４０と、振動情報検出ユニット５０と、角速度算出ユニット６０とを備えている。

連成振動機構１０は、マスユニット１１と、固定ユニット１２と、接続ユニット（第２の接続ユニット）１３と、接続ユニット（第１の接続ユニット）１４とを含んでいる。

マスユニット１１は、複数のマス部１１ｘによって構成されている。これらのマス部１１ｘは連成振動機構１０のマス（mass）を構成するものであり、これらのマス部１１ｘの振動によって連成振動機構１０の振動が実行される。

固定ユニット１２は、複数のマス部１１ｘに対応して設けられた複数の固定部（固定端）１２ｘによって構成されている。これらの固定部１２ｘは基板上に固定されている。

接続ユニット（第２の接続ユニット）１３は、複数のマス部１１ｘと複数の固定部１２ｘとを接続するものである。接続ユニット１３は、複数のマス部１１ｘに対応して設けられた複数の接続バネ部１３ｘによって構成されている。各接続バネ部１３ｘの一端は対応するマス部１１ｘに接続され、各接続バネ部１３ｘの他端は対応する固定部１２ｘに接続されている。したがって、マス部１１ｘの振動に応じて接続バネ部１３ｘが伸縮する。

接続ユニット（第１の接続ユニット）１４は、複数のマス部１１ｘを接続するものである。図１に示した例では、接続ユニット１４は複数の接続部材１４ｘによって構成されている。接続ユニット１４を設けることにより、各マス部１１ｘの振動が他のマス部１１ｘによって制約される。接続部材１４ｘは、バネのような伸縮性を有する部材で形成されていてもよいし、伸縮性の無い部材（長さが不変の部材）で形成されていてもよい。

上述したマス部１１ｘ、固定部１２ｘ及び接続バネ部１３ｘによって１つの振動子ユニット１５が構成されており、複数の振動子ユニット１５によって連成振動機構１０が構成されている。

捕捉及び解放機構２０は、振動中のマスユニット１１を捕捉し且つ捕捉されたマスユニット１１を解放して振動を開始させるものである。この捕捉及び解放機構２０は、マスユニット１１を捕捉するための電圧が印加される電極ユニット２１と、マスユニット１１を捕捉する際にマスユニット１１が電極ユニット２１に接触することを阻止するストッパーユニット２２とを含んでいる。

電極ユニット２１は、複数のマス部１１ｘに対応して設けられた複数の電極部２１ｘによって構成されている。ストッパーユニット２２は、複数のマス部１１ｘに対応して設けられた複数のストッパー部２２ｘによって構成されている。マス部１１ｘと電極部２１ｘとの間に所定の電圧が印加されると、静電気力によってマス部１１ｘが電極部２１ｘに近づく。このとき、ストッパー部２２ｘによってマス部１１ｘが電極部２１ｘに接触することが阻止される。

上述した電極部２１ｘ及びストッパー部２２ｘによって１つの電極／ストッパーユニット２３が構成されており、複数の電極／ストッパーユニット２３によって捕捉及び解放機構２０が構成されている。

制御ユニット３０は、マスユニット１１の捕捉及び解放をマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加される電圧によって制御するものである。具体的には、制御ユニット３０から電極ユニット２１に制御電圧を印加することで、マスユニット１１の捕捉及び解放が行われる。この制御ユニット３０の動作の詳細は後述する。

位置検出ユニット４０は、マスユニット１１の位置を検出するものである。制御ユニット３０は、位置検出ユニット４０で検出されたマスユニット１１の位置に基づいて、マスユニット１１を捕捉するための電圧をマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加する。すなわち、位置検出ユニット４０は、マスユニット１１が振動している最中にマスユニット１１の位置を検出し、制御ユニット３０は、最適なタイミングでマスユニット１１が捕捉されるように制御電圧を電極ユニット２１に印加する。

振動情報検出ユニット５０は、マスユニット１１の振動情報を検出するものである。具体的には、振動情報検出ユニット５０は、マスユニット１１の振動に応じて変化する所定物理量を検出する。所定物理量は、静電容量に基づく物理量、抵抗に基づく物理量、又は圧電効果に基づく物理量等である。静電容量に基づく物理量は可変キャパシタ素子によって、抵抗に基づく物理量は可変抵抗素子によって、圧電効果に基づく物理量は圧電素子によって検出される。本実施形態では、振動情報検出ユニット５０は、マスユニット１１に働くコリオリ力（Coriolis force）に基づくマスユニット１１の振動情報を可変キャパシタ素子によって検出する。具体的には、マスユニット１１が振動している最中にマスユニット１１に回転運動が加わると、マスユニット１１にコリオリ力が働く。振動情報検出ユニット５０では、コリオリ力に基づくマスユニット１１の振動情報を、可変キャパシタ素子の静電容量変化から検出する。

角速度算出ユニット６０は、振動情報検出ユニット５０で検出された振動情報に基づいてマスユニット１１の角速度を算出するものである。すなわち、コリオリ力に基づくマスユニット１１の振幅とマスユニット１１の角速度との間には比例関係がある。したがって、コリオリ力に基づくマスユニット１１の振幅情報を振動情報検出ユニット５０によって検出することで、マスユニット１１の角速度を角速度算出ユニット６０によって算出することができる。

図２は、本実施形態に係る振動装置の第１の具体的構成例を模式的に示した図である。基本的な概念は、図１に示した振動装置と同様である。

図２に示した振動装置では、連成振動機構が２つの振動子ユニット１５ｘａ及び１５ｘｂで構成され、捕捉及び解放機構が２つの電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂによって構成されている。

振動子ユニット１５ｘａは、マス部１１ｘａと、固定部１２ｘａと、接続バネ部１３ｘａとを含んでいる。同様に、振動子ユニット１５ｘｂは、マス部１１ｘｂと、固定部１２ｘｂと、接続バネ部１３ｘｂとを含んでいる。

電極／ストッパーユニット２３ｘａは、電極部２１ｘａと、ストッパー部２２ｘａとを含んでいる。同様に、電極／ストッパーユニット２３ｘｂは、電極部２１ｘｂと、ストッパー部２２ｘｂとを含んでいる。

マス部（第１のマス部）１１ｘａ及びマス部（第２のマス部）１１ｘｂは、振動方向（第１の方向）に平行な方向に配列されており、接続ユニット１４によって接続されている。本実形態では、接続ユニット１４は単一の接続部材１４ｘによって構成されている。

マス部１１ｘａの近傍には電極部１８ａが設けられており、マス部１１ｘａと電極部１８ａとによって第１の可変キャパシタが構成されている。同様に、マス部１１ｘｂの近傍には電極部１８ｂが設けられており、マス部１１ｘｂと電極部１８ｂとによって第２の可変キャパシタが構成されている。マス部１１ｘａ及び１１ｘｂが振動することで、マス部１１ｘａと電極部１８ａとの距離並びにマス部１１ｘｂと電極部１８ｂとの距離が変化する。その結果、第１の可変キャパシタのキャパシタンス及び第２の可変キャパシタのキャパシタンスが変化する。これらのキャパシタンスの変化に基づいて、図１の振動情報検出ユニット５０で振動情報が検出される。

マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂは、互いに逆位相（anti-phase）で振動する。すなわち、マス部１１ｘａが固定部１２ｘａから遠ざかるときには、マス部１１ｘｂも固定部１２ｘｂから遠ざかる。逆に、マス部１１ｘａが固定部１２ｘａに近づくときには、マス部１１ｘｂも固定部１２ｘｂに近づく。このように、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂが逆位相で振動することにより、加速度等の並進運動の影響を排除することができ、回転運動を的確に抽出することができる。

図３は、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂをそれぞれ、電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂで捕捉しているときの状態を模式的に示した図である。

電極部２１ｘａ及び電極部２１ｘｂに所定の電圧を印加することで、電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの間及び電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの間に静電引力が働く。このとき、ストッパー部２２ｘａ及びストッパー部２２ｘｂにより、電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの接触及び電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの接触を阻止することができる。すなわち、ストッパー部２２ｘａとマス部１１ｘａとの距離は、電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの距離よりも小さい。同様に、ストッパー部２２ｘｂとマス部１１ｘｂとの距離は、電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの距離よりも小さい。したがって、電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの接触及び電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの接触を阻止することができる。

マス部１１ｘａ及び１１ｘｂを電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂで捕捉するタイミングは、図１に示した制御ユニット３０及び位置検出ユニット４０によって決定される。具体的には、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂがそれぞれ固定部１２ｘａ及び１２ｘｂに最接近した状態を位置検出ユニット４０で検出し、位置検出ユニット４０の検出結果に基づいて制御ユニット３０から所定の電圧が電極部２１ｘａ及び２１ｘｂに印加される。これにより、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂがそれぞれ、電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂによって捕捉される。

次に、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂを電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂから解放するタイミングについて説明する。

図３に示したように、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂが振動を開始する前は、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂは電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂによって捕捉されている。この状態で、電極部２１ｘａ及び電極部２１ｘｂに印加する電圧を変化させることで、マス部１１ｘａと１１ｘｂをそれぞれ電極／ストッパーユニット２３ｘａと２３ｘｂから解放することができ、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂが振動を開始する。以下、詳細に説明する。

すでに述べたように、本実施形態の振動装置では、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂが互いに逆位相（anti-phase）で振動するため、加速度等の並進運動の影響を排除することができ、回転運動を的確に抽出することができる。しかしながら、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂを電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂに捕捉した状態から解放して振動を開始させると、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとの共振周波数の違いや、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとの解放タイミングの違いにより、同位相（in-phase）モードの振動成分も発生する。その結果、逆位相モードの振動と同位相モードの振動とが重畳し、うなり（beat）が生じる。うなりが生じると、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂの振動の振幅が許容範囲を超えてしまい、振動の最中にマス部１１ｘａ及び１１ｘｂがストッパー部２２ｘａ及び２２ｘｂに接触するおそれがある。その結果、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂの振動が悪影響を受け、正確な検出動作をできなくなってしまう。

本実施形態では、上述したような問題を防止するため、以下に述べるような方法を採用している。

図４は、本実施形態に係る振動装置の振動制御方法を示したタイミングチャートである。横軸は、時間を示している。縦軸は、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂそれぞれの位置と、電極部２１ｘａ及び２１ｘｂに印加される電圧（電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの間に印加される電圧、電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの間に印加される電圧）とを示している。

図４に示すように、本実施形態では、マス部１１ｘａと１１ｘｂをそれぞれが捕捉されている電極／ストッパーユニット２３ｘａと２３ｘｂから解放する際に、保持（hold）電圧ＶH から解放（release）電圧ＶL に直接移行するのではなく、保持電圧ＶH の印加期間と解放電圧ＶL の印加期間との間に中間電圧ＶM の印加期間を設けている。本実施形態では、中間電圧ＶM は、保持電圧ＶH よりも小さく、解放電圧ＶL よりも大きい。

このように、中間電圧ＶM の印加期間を設けることで、解放時のマス部１１ｘａ及び１１ｘｂの振動エネルギーを下げることができる。これにより、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂの振動の振幅（特に、逆位相モードの振幅）を小さくすることができ、うなりの振幅も小さくすることができる。したがって、振動の最中にマス部１１ｘａ及び１１ｘｂがストッパー部２２ｘａ及び２２ｘｂに接触することを防止することができ、正確な検出動作を行うことが可能となる。

図５は、中間電圧ＶM と振動の振幅の利得との関係を示した図である。横軸は中間電圧であり、縦軸は利得である。保持電圧ＶH は２３（Ｖ）である。利得は、中間電圧の印加期間を設けなかった場合の最大振幅に対する、中間電圧の印加期間を設けた場合の最大振幅の比率である。図５に示すように、中間電圧を高くした方がより大きな減衰を得ることができる。

図６は、中間電圧ＶM の印加期間と振動の振幅の利得との関係を示した図である。横軸は中間電圧の印加期間比率であり、縦軸は利得である。中間電圧の印加期間比率は、振動の１周期に対する中間電圧の印加期間（印加時間）の比率である。利得は、中間電圧の印加期間を設けなかった場合の最大振幅に対する、中間電圧の印加期間を設けた場合の最大振幅の比率である。（ａ）は中間電圧が１０（Ｖ）の場合であり、（ｂ）は中間電圧が１５（Ｖ）の場合である。図６に示すように、中間電圧の印加期間を一定期間以上にすることで、印加期間に依存せずに中間電圧の値によって利得を定めることができる。

図７は、本実施形態に係る振動装置の第２の具体的構成例を模式的に示した図である。基本的な概念は、図１に示した振動装置と同様である。また、基本的な構成は図２及び図３に示した第１の具体的構成例と類似しているため、第１の具体的構成例で説明した事項の説明は省略する。

図７に示した振動装置では、連成振動機構が４つの振動子ユニット１５ｘａ、１５ｘｂ、１５ｘｃ及び１５ｘｄで構成され、捕捉及び解放機構が４つの電極／ストッパーユニット２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄによって構成されている。

振動子ユニット１５ｘａは、マス部１１ｘａと、固定部１２ｘａと、接続バネ部１３ｘａとを含んでいる。振動子ユニット１５ｘｂは、マス部１１ｘｂと、固定部１２ｘｂと、接続バネ部１３ｘｂとを含んでいる。振動子ユニット１５ｘｃは、マス部１１ｘｃと、固定部１２ｘｃと、接続バネ部１３ｘｃとを含んでいる。振動子ユニット１５ｘｄは、マス部１１ｘｄと、固定部１２ｘｄと、接続バネ部１３ｘｄとを含んでいる。

電極／ストッパーユニット２３ｘａは、電極部２１ｘａと、ストッパー部２２ｘａとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２３ｘｂは、電極部２１ｘｂと、ストッパー部２２ｘｂとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２３ｘｃは、電極部２１ｘｃと、ストッパー部２２ｘｃとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２３ｘｄは、電極部２１ｘｄと、ストッパー部２２ｘｄとを含んでいる。

マス部（第１のマス部）１１ｘａ及びマス部（第２のマス部）１１ｘｂは、それらの振動方向（第１の方向）に平行な方向に配列されている。マス部（第３のマス部）１１ｘｃ及びマス部（第４のマス部）１１ｘｄは、それらの振動方向（第２の方向）に平行な方向に配列されている。第２の方向は第１の方向に対して垂直である。

マス部１１ｘａ、マス部１１ｘｂ、マス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄは、接続ユニット１４によって接続されている。具体的には、接続ユニット１４は、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｃを接続する接続部材１４ｘ１と、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｄを接続する接続部材１４ｘ２と、マス部１１ｘｂ及びマス部１１ｘｃを接続する接続部材１４ｘ３と、マス部１１ｘｂ及びマス部１１ｘｄを接続する接続部材１４ｘ４とによって構成されている。

マス部１１ｘａの近傍には電極部１８ａが設けられており、マス部１１ｘａと電極部１８ａとによって第１の可変キャパシタが構成されている。マス部１１ｘｂの近傍には電極部１８ｂが設けられており、マス部１１ｘｂと電極部１８ｂとによって第２の可変キャパシタが構成されている。マス部１１ｘｃの近傍には電極部１８ｃが設けられており、マス部１１ｘｃと電極部１８ｃとによって第３の可変キャパシタが構成されている。マス部１１ｘｄの近傍には電極部１８ｄが設けられており、マス部１１ｘｄと電極部１８ｄとによって第４の可変キャパシタが構成されている。

図２及び図３に示した第１の具体的構成例と同様に、マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄと対応する電極部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ及び１８ｄとの距離が変化することで、第１、第２、第３及び第４の可変キャパシタのキャパシタンスが変化する。これらのキャパシタンスの変化に基づいて、図１の振動情報検出ユニット５０で振動情報が検出される。

マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂは、互いに逆位相で振動する。すなわち、マス部１１ｘａが固定部１２ｘａから遠ざかるときには、マス部１１ｘｂも固定部１２ｘｂから遠ざかる。逆に、マス部１１ｘａが固定部１２ｘａに近づくときには、マス部１１ｘｂも固定部１２ｘｂに近づく。同様に、マス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄも、互いに逆位相で振動する。このように、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂが逆位相で振動し、マス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄが逆位相で振動することにより、加速度等の並進運動の影響を排除することができ、回転運動を的確に抽出することができる。

また、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂのペアとマス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄのペアとは、互いに逆位相で振動する。すなわち、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとが互いに近づくとき、マス部１１ｘｃとマス部１１ｘｄとは互いに遠ざかる。マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとが互いに遠ざかるとき、マス部１１ｘｃとマス部１１ｘｄとは互いに近づく。

マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄをそれぞれ、電極／ストッパーユニット２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄで捕捉するときの基本的な原理及び基本的な動作は、図２及び図３に示した第１の具体的構成例と同様である。本構成例では、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂのペアとマス部１１ｘｃ及び１１ｘｄのペアとが互いに逆位相で振動するため、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂがそれぞれ電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂによって捕捉されるタイミングで、マス部１１ｘｃ及び１１ｘｄがそれぞれ電極／ストッパーユニット２３ｘｃ及び２３ｘｄによって捕捉される
マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを電極／ストッパーユニット２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄから解放するときの基本的な原理及び基本的な動作も、図２、図３及び図４に示した第１の具体的構成例と同様である。すなわち、本構成例でも、第１の具体的構成例の図４と同様に、保持電圧ＶH の印加期間と解放電圧ＶL の印加期間との間に中間電圧ＶM の印加期間を設けている。これにより、本構成例でも、第１の具体的構成例と同様に、うなりの振幅も小さくすることができ、振動の最中にマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄがストッパー部２２ｘａ、２２ｘｂ、２２ｘｃ及び２２ｘｄに接触することを防止することができ、正確な検出動作を行うことが可能となる。

図８は、本実施形態に係る振動装置の第３の具体的構成例を模式的に示した図である。基本的な概念は、図１に示した振動装置と同様である。また、基本的な構成は、図２及び図３に示した第１の具体的構成例並びに図７に示した第２の具体的構成例と類似している。したがって、第１の具体的構成例及び第２の具体的構成例で説明した事項の説明は省略する。

図７に示した第２の具体的構成例と同様、本構成例でも、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂは互いに逆位相で振動し、マス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄも互いに逆位相で振動する。ただし、本構成例では、マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂのペアとマス部１１ｘｃ及びマス部１１ｘｄのペアとは、互いに同位相で振動する。すなわち、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとが互いに近づくとき、マス部１１ｘｃとマス部１１ｘｄも互いに近づき、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとが互いに遠ざかるとき、マス部１１ｘｃとマス部１１ｘｄも互いに遠ざかる。

マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄをそれぞれ、電極／ストッパーユニット２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄで捕捉するときの基本的な原理及び基本的な動作は、図２及び図３に示した第１の具体的構成例と同様である。本構成例では、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂのペアとマス部１１ｘｃ及び１１ｘｄのペアとが互いに同位相で振動するため、マス部１１ｘａ及び１１ｘｂがそれぞれ電極／ストッパーユニット２３ｘａ及び２３ｘｂによって捕捉されるタイミングで、マス部１１ｘｃ及び１１ｘｄがそれぞれ電極／ストッパーユニット２３ｘｃ及び２３ｘｄによって捕捉される
マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを電極／ストッパーユニット２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄから解放するときの基本的な原理及び基本的な動作も、図２、図３及び図４に示した第１の具体的構成例と同様である。すなわち、本構成例でも、第１の具体的構成例の図４と同様に、保持電圧ＶH の印加期間と解放電圧ＶL の印加期間との間に中間電圧ＶM の印加期間を設けている。これにより、本構成例でも、第１の具体的構成例と同様に、うなりの振幅を小さくすることができ、振動の最中にマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄがストッパー部２２ｘａ、２２ｘｂ、２２ｘｃ及び２２ｘｄに接触することを防止することができ、正確な検出動作を行うことが可能となる。

なお、以上説明した振動装置の振動制御方法は一例であり、一般的には以下に述べるような振動制御方法を採用することが可能である。

上述した実施形態では、図４に示したように、マスユニット１１の解放タイミングの直後に中間電圧ＶM を印加するようにしていた。これにより、マス部の振動エネルギーが下がり、マス部の振幅を小さくすることができる。このような中間電圧ＶM の役割から考えると、中間電圧ＶM を印加するタイミングは、必ずしもマスユニット１１の解放タイミングの直後である必要はない。

また、上述した実施形態では、図４に示したように、中間電圧ＶM の大きさは、保持電圧ＶH よりも小さく且つ解放電圧ＶL よりも大きくしていた。しかしながら、上述した中間電圧ＶM の役割から考えると、中間電圧ＶM は、解放電圧ＶL よりも大きければよく、必ずしも保持電圧ＶH より小さい必要はない。

以上のことから、一般的には、制御ユニット３０は、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０から解放された後からマスユニット１１と電極ユニット２１との間に定常電圧が印加される前までの期間の少なくとも一部で、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、印加電圧を制御すればよい。定常電圧とは、マスユニット１１が振動している最中に、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に定常的に印加される電圧である。通常は、マスユニット１１が振動している最中に、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に最終的に印加される電圧である。図４に示した例では、解放電圧ＶL が定常電圧に対応する。定常電圧は、例えば、０（ボルト）である。

なお、上述したように、中間電圧ＶM は必ずしも解放電圧ＶL と保持電圧ＶH との間の電圧ある必要はない。したがって、以後の説明では、便宜上、上述したマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加される中間電圧ＶM が定常電圧よりも大きい電圧ときを「振幅抑制電圧」と呼ぶ。

以下、本実施形態に係る振動装置における一般的な好ましい振動制御方法について説明する。

図９は、本実施形態に係る振動装置における一般的な好ましい振動制御方法を示したタイミングチャートである。図９（ａ）は、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加される電圧（絶対値電圧）である。図９（ｂ）は、マスユニット１１の変位を示しており、波形の上側ピークがマスユニット１１と電極ユニット２１との距離が最も近いときの変位であり、波形の下側ピークがマスユニット１１と電極ユニット２１との距離が最も遠いときの変位である。横軸は、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０から解放されてからの経過時間ｔである。

以下、図１に示した振動装置及び図９に示したタイミングチャートを参照して、本実施形態に係る振動装置の一般的な好ましい振動制御方法について説明する。

マスユニット１１を捕捉及び解放機構２０から解放するプロセスを開始するときの時刻をｔ＝０とする。また、マスユニット１１の主要共振モードの周期をＴとする。第１、第２及び第３の具体的構成例ですでに述べたように、本実施形態の振動装置は、逆位相共振モードで振動させている。したがって、マスユニット１１の主要共振モードは、逆位相共振モードである。また、マスユニット１１を捕捉及び解放機構２０に捕捉しておくために必要なマスユニット１１と電極ユニット２１との間の電圧をＶH （図４の保持電圧ＶH に対応）とし、マスユニット１１の振動が定常状態であるときにマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加されている電圧をＶL （図４の解放電圧ＶL に対応）とする。また、以下の説明において、ｎは正の整数を表すものとする。

すでに述べたように、「振幅抑制電圧」は、マス部の振幅を小さくために設けられる。このような機能を効果的に生じさせるためには、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０から遠ざかるときに振幅抑制電圧を印加することが好ましい。すなわち、図９（ｂ）では、変位（縦軸）が立ち下がる期間に振幅抑制電圧を印加することが好ましい。したがって、制御ユニット３０は、（ｎ−１）Ｔ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に振幅抑制電圧（定常電圧よりも大きい電圧）が印加されるように、印加電圧を制御することが好ましい。図９では、（ｎ−１）Ｔ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部において、振幅抑制電圧として電圧Ｖ2 が印加されている。

また、マスユニット１１が振動している最中に、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に大きな電圧が印加されると、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０に捕捉されてしまうおそれがある。すなわち、マスユニット１１を捕捉及び解放機構２０に捕捉しておくために必要なマスユニット１１と電極ユニット２１との間の最小電圧をＶH0とすると、マスユニット１１が振動している最中にＶH0以上の電圧がマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加されると、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０に捕捉されてしまうおそれがある。特に、マスユニット１１と電極ユニット２１との距離が最も近いときに、ＶH0以上の電圧が印加されることは好ましくない。すなわち、図９（ｂ）では、変位（縦軸）の上側ピーク及びその近傍でＶH0以上の電圧が印加されることは好ましくない。

上述したことから、制御ユニット３０は、０＜ｔ＜τ及びｎＴ−τ＜ｔ＜ｎＴ＋τ（τはＴ／２より短い微小期間）を満たす全ての期間で、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に電圧Ｖ1 （Ｖ1 はＶH0よりも小さい任意の電圧）が印加されるように、印加電圧を制御することが好ましい。この場合、制御ユニット３０は、（ｎ−１）Ｔ＋τ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に振幅抑制電圧として電圧Ｖ2 が印加されるように、印加電圧を制御することが好ましい。図９では、０＜ｔ＜τ及びｎＴ−τ＜ｔ＜ｎＴ＋τを満たす全ての期間で電圧Ｖ1 が印加され、（ｎ−１）Ｔ＋τ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で振幅抑制電圧として電圧Ｖ2 が印加されている。

図１０は、上述した各種条件を満たす振動制御方法の一例を示したタイミングチャートである。

通常は、すでに説明した実施形態のように、マスユニット１１の解放タイミングの直後に振幅抑制電圧（例えば、中間電圧ＶM ）を印加すること好ましい。この場合、図１０に示すように、制御ユニット３０は、０＜ｔ＜Ｔ／２を満たす期間の少なくとも一部で、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に振幅抑制電圧（定常電圧よりも大きい電圧、図１０では電圧Ｖ2 ）が印加され、振幅抑制電圧が印加された後にマスユニット１１と電極ユニット２１との間に定常電圧が印加されるように、印加電圧を制御することが好ましい。このように、振動の初期段階に振幅抑制電圧を印加することで、その後の振動にほとんど影響を与えることなく、振幅を抑制することができる。

以上のように、本実施形態によれば、連成振動機構を有する振動装置において、マスユニットが捕捉及び解放機構から解放された後に、マスユニットと電極ユニットとの間に定常電圧よりも大きい電圧を印加することで、振動エネルギーを下げることができ、マスユニットの振動の振幅を小さくすることができる。そのため、解放後の振動中にマス部が捕捉及び解放機構に接触することを防止でき、優れた性能を有する振動装置を得ることができる。したがって、このような振動装置をジャイロセンサに適用することで、正確な検出動作を行うことが可能となる。

また、上述した振動装置をＭＥＭＳ技術によって半導体基板上に形成することにより、振動装置を高精度に形成することができる。特に、半導体装置の加工技術を用いることで、捕捉及び解放機構の電極部とストッパー部との間の相対的な位置精度を高くすることができる。そのため、マスユニットと捕捉及び解放機構との間に働く静電引力の制御性を高めることができ、上述したような振動制御を的確に行うことが可能となる。

以下、上述した実施形態の内容を付記する。

[付記１]
複数のマス部を含むマスユニットと、前記複数のマス部を接続する第１の接続ユニットと、を含む連成振動機構と、
振動中の前記マスユニットを捕捉し且つ捕捉された前記マスユニットを解放して振動を開始させるものであって、前記マスユニットを捕捉するための電圧が印加される電極ユニットを含む捕捉及び解放機構と、
前記マスユニットの捕捉及び解放を前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧によって制御する制御ユニットと、
を備えた振動装置であって、
前記制御ユニットは、前記マスユニットが前記捕捉及び解放機構から解放された後から前記マスユニットが振動している最中に前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に定常電圧が印加される前までの期間の少なくとも一部で、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
ことを特徴とする振動装置。

[付記２]
前記マスユニットが前記捕捉及び解放機構から解放されてからの経過時間をｔとし、前記マスユニットの主要共振モードの周期をＴとし、ｎを正の整数として、
前記制御ユニットは、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧が印加される前までの期間であって且つ（ｎ−１）Ｔ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記３]
前記主要共振モードは、逆位相共振モードである
ことを特徴とする付記２に記載の振動装置。

[付記４]
前記制御ユニットは、０＜ｔ＜Ｔ／２を満たす期間の少なくとも一部で前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加され、前記定常電圧よりも大きい電圧が印加された後に前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
ことを特徴とする付記２に記載の振動装置。

[付記５]
前記マスユニットを前記捕捉及び解放機構に捕捉しておくために必要な前記マスユニットと前記電極ユニットとの間の最小電圧をＶH0とし、前記定常電圧をＶL とし、ｎを正の整数として、
前記制御ユニットは、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧が印加される前までの期間において、０＜ｔ＜τ及びｎＴ−τ＜ｔ＜ｎＴ＋τ（ｎは正の整数、τはＴ／２より短い期間）を満たす全ての期間で前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に電圧Ｖ1 （Ｖ1 はＶH0よりも小さい任意の電圧）が印加され、（ｎ−１）Ｔ＋τ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に電圧Ｖ2 （Ｖ2 はＶL よりも大きい任意の電圧）が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
ことを特徴とする付記２に記載の振動装置。

[付記６]
前記連成振動機構は、複数の固定部を含む固定ユニットと、前記複数のマス部と前記複数の固定部とを接続する第２の接続ユニットと、をさらに含む
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記７]
前記第２の接続ユニットは、前記複数のマス部に対応して設けられた複数の接続バネ部を含む
ことを特徴とする付記６に記載の振動装置。

[付記８]
前記捕捉及び解放機構は、前記マスユニットを捕捉する際に前記マスユニットが前記電極ユニットに接触することを阻止するストッパーユニットをさらに含む
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記９]
前記マスユニットは、第１の方向に配列された第１のマス部及び第２のマス部を含む
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記１０]
前記第１の接続ユニットは、前記第１のマス部及び前記第２のマス部を接続する接続部材を含む
ことを特徴とする付記９に記載の振動装置。

[付記１１]
前記第１のマス部及び前記第２のマス部は逆位相で振動する
ことを特徴とする付記９に記載の振動装置。

[付記１２]
前記マスユニットは、第１の方向に配列された第１のマス部及び第２のマス部と、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に配列された第３のマス部及び第４のマス部と、を含む
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記１３]
前記第１のマス部及び前記第２のマス部は逆位相で振動し、前記第３のマス部及び前記第４のマス部は逆位相で振動する
ことを特徴とする付記１２に記載の振動装置。

[付記１４]
前記第１のマス部と前記第２のマス部とが互いに近づくとき、前記第３のマス部と前記第４のマス部とは互いに遠ざかり、
前記第１のマス部と前記第２のマス部とが互いに遠ざかるとき、前記第３のマス部と前記第４のマス部とは互いに近づく
ことを特徴とする付記１３に記載の振動装置。

[付記１５]
前記第１のマス部と前記第２のマス部とが互いに近づくとき、前記第３のマス部と前記第４のマス部とは互いに近づき、
前記第１のマス部と前記第２のマス部とが互いに遠ざかるとき、前記第３のマス部と前記第４のマス部とは互いに遠ざかる
ことを特徴とする付記１３に記載の振動装置。

[付記１６]
前記第１の接続ユニットは、前記第１のマス部及び前記第３のマス部を接続する接続部材と、前記第１のマス部及び前記第４のマス部を接続する接続部材と、前記第２のマス部及び前記第３のマス部を接続する接続部材と、前記第２のマス部及び前記第４のマス部を接続する接続部材と、を含む
ことを特徴とする付記１２に記載の振動装置。

[付記１７]
前記マスユニットの振動情報を検出する振動情報検出ユニットをさらに備える
ことを特徴とする付記１に記載の振動装置。

[付記１８]
前記振動情報検出ユニットは、前記マスユニットの振動に応じて変化する所定物理量を検出する
ことを特徴とする付記１７に記載の振動装置。

[付記１９]
前記所定物理量は、静電容量に基づく物理量、抵抗に基づく物理量、又は圧電効果に基づく物理量である
ことを特徴とする付記１８に記載の振動装置。

[付記２０]
前記振動情報検出ユニットは、前記マスユニットに働くコリオリ力に基づく前記マスユニットの振動情報を検出する
ことを特徴とする付記１７に記載の振動装置。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…連成振動機構
１１…マスユニット
１１ｘ、１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ、１１ｘｄ…マス部
１２…固定ユニット
１２ｘ、１２ｘａ、１２ｘｂ、１２ｘｃ、１２ｘｄ…固定部
１３…第２の接続ユニット
１３ｘ、１３ｘａ、１３ｘｂ、１３ｘｃ、１３ｘｄ…接続バネ部
１４…第１の接続ユニット １４ｘ…接続部材
１５、１５ｘａ、１５ｘｂ、１５ｘｃ、１５ｘｄ…振動子ユニット
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ…電極部
２０…捕捉及び解放機構
２１…電極ユニット
２１ｘ、２１ｘａ、２１ｘｂ、２１ｘｃ、２１ｘｄ…電極部
２２…ストッパーユニット
２２ｘ、２２ｘａ、２２ｘｂ、２２ｘｃ、２２ｘｄ…ストッパー部
２３、２３ｘ、２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ、２３ｘｄ…電極／ストッパーユニット
３０…制御ユニット ４０…位置検出ユニット
５０…振動情報検出ユニット ６０…角速度算出ユニット

Claims (6)

1. 複数のマス部を含むマスユニットと、前記複数のマス部を接続する第１の接続ユニットと、を含む連成振動機構と、
   振動中の前記マスユニットを捕捉し且つ捕捉された前記マスユニットを解放して振動を開始させるものであって、前記マスユニットを捕捉するための電圧が印加される電極ユニットを含む捕捉及び解放機構と、
   前記マスユニットの捕捉及び解放を前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧によって制御する制御ユニットと、
   を備えた振動装置であって、
   前記制御ユニットは、前記マスユニットが前記捕捉及び解放機構から解放された後から前記マスユニットが振動している最中に前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に定常電圧が印加される前までの期間の少なくとも一部で、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
   ことを特徴とする振動装置。
2. 前記マスユニットが前記捕捉及び解放機構から解放されてからの経過時間をｔとし、前記マスユニットの主要共振モードの周期をＴとし、ｎを正の整数として、
   前記制御ユニットは、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧が印加される前までの期間であって且つ（ｎ−１）Ｔ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧よりも大きい電圧が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
3. 前記マスユニットを前記捕捉及び解放機構に捕捉しておくために必要な前記マスユニットと前記電極ユニットとの間の最小電圧をＶH0とし、前記定常電圧をＶL とし、ｎを正の整数として、
   前記制御ユニットは、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に前記定常電圧が印加される前までの期間において、０＜ｔ＜τ及びｎＴ−τ＜ｔ＜ｎＴ＋τ（ｎは正の整数、τはＴ／２より短い期間）を満たす全ての期間で前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に電圧Ｖ1 （Ｖ1 はＶH0よりも小さい任意の電圧）が印加され、（ｎ−１）Ｔ＋τ＜ｔ＜（ｎ−１／２）Ｔを満たす期間の少なくとも一部で前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に電圧Ｖ2 （Ｖ2 はＶL よりも大きい任意の電圧）が印加されるように、前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加される電圧を制御する
   ことを特徴とする請求項２に記載の振動装置。
4. 前記連成振動機構は、複数の固定部を含む固定ユニットと、前記複数のマス部と前記複数の固定部とを接続する第２の接続ユニットと、をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
5. 前記マスユニットは、第１の方向に配列された第１のマス部及び第２のマス部と、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に配列された第３のマス部及び第４のマス部と、を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
6. 前記第１のマス部及び前記第２のマス部は逆位相で振動し、前記第３のマス部及び前記第４のマス部は逆位相で振動する
   ことを特徴とする請求項５に記載の振動装置。

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