JP6759259B2 - 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において、マス部を捕捉及び解放することで、マス部を振動させるものが開発されている。

しかしながら、従来は必ずしも適正な捕捉及び解放動作が実行されているとは言えなかった。

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

適正な捕捉及び解放動作を行う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制御する制御ユニットとを備えており、前記制御ユニットは、前記捕捉及び解放機構による前記マスユニットの捕捉が成功したか失敗したかを判定する捕捉判定を行い、前記捕捉判定の結果が失敗であった場合、前記捕捉及び解放機構による前記マスユニットの捕捉可能性を高める捕捉制御を行う。

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。 実施形態に係る振動装置が備える各ユニットの構成例を示す図である。 実施形態に係る解放及び捕捉動作を示す第１の具体的なシーケンス図である。 実施形態に係る解放及び捕捉動作を示す第２の具体的なシーケンス図である。 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。

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、マスユニット１１を加振させる加振ユニット２３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捕捉電極部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と捕捉電極部２１ｘとの間に所定の電圧が印加されると、静電引力によってマス部１１ｘが捕捉電極部２１ｘに近づく。このとき、ストッパー部２２ｘによってマス部１１ｘが捕捉電極部２１ｘに接触することが阻止される。加振ユニット２３は、複数のマス部１１ｘに対応して設けられた複数の加振電極部２３ｘによって構成されている。マス部１１ｘが振動している最中に、マス部１１ｘと加振電極部２３ｘとの間に所定の電圧が印加されると、静電引力によってマス部１１ｘが加振される。すなわち、マス部１１ｘの振幅が増大する。

上述した捕捉電極部２１ｘ、ストッパー部２２ｘ、加振電極部２３ｘによって１つの電極／ストッパーユニット２４が構成されており、複数の電極／ストッパーユニット２４によって捕捉及び解放機構２０が構成されている。

なお、上述した加振ユニット２３を構成する加振電極部２３ｘは、加振用の電極である。しかし、加振ユニット２３がマスユニット１１を加振させることができれば、必ずしも電極でなくてもよい。以下の説明では、加振ユニット２３は、図１で示すように複数の加振電極部２３ｘ（加振用の電極）で構成されるとして説明する。

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。また、制御ユニット３０は、後述する位置検出ユニット４０、振動情報検出ユニット５０、及び角速度算出ユニット６０の動作の開始／停止を制御する。

位置検出ユニット４０は、マスユニット１１の位置（振動状態）を検出するものである。位置検出ユニット４０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。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（振動状態）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、位置検出ユニット４０と同様にマスユニット１１の振動に応じて変化する所定物理量を検出する。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、角速度の変調信号であるコリオリ力に基づくマスユニット１１の振幅情報を復調することで、角速度を取得できる。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。

なお、捕捉及び解放機構２０によって解放されることでマスユニット１１が振動する方向をドライブ方向と呼ぶ。また、マスユニット１１に働くコリオリ力に基づく振動の方向をセンス方向と呼ぶ。ここで、ドライブ方向とセンス方向とは互いに垂直である。

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２４ｘａ及び２４ｘｂ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２４ｘａは、捕捉電極部２１ｘａと、ストッパー部２２ｘａと、加振電極部２３ｘａとを含んでいる。同様に、電極／ストッパーユニット２４ｘｂは、捕捉電極部２１ｘｂと、ストッパー部２２ｘｂと、加振電極部２３ｘａ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。本実施形態では、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２４ｘａ及び２４ｘｂで捕捉しているときの状態を模式的に示した図である。

捕捉電極部２１ｘａ及び２１ｘｂに所定の電圧を印加することで、捕捉電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの間及び捕捉電極部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２２ｘｂにより、捕捉電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの接触及び捕捉電極部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、捕捉電極部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、捕捉電極部２１ｘｂとマス部１１ｘｂとの距離よりも小さい。したがって、捕捉電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの接触及び捕捉電極部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２４ｘａ及び２４ｘｂ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から所定の電圧が捕捉電極部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２４ｘａ及び２４ｘｂ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２４ｘａ及び２４ｘｂ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２４ｘａ及び２４ｘｂによって捕捉されている。この状態で、捕捉電極部２１ｘａ及び２１ｘｂに印加する電圧を変化させることで、マス部１１ｘａとマス部１１ｘｂとをそれぞれ電極／ストッパーユニット２４ｘａと電極／ストッパーユニット２４ｘｂ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２４ｘａ及び２４ｘｂ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、捕捉電極部２１ｘａ及び２１ｘｂに印加される電圧（捕捉電極部２１ｘａとマス部１１ｘａとの間に印加される電圧、捕捉電極部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とマス部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２４ｘａと電極／ストッパーユニット２４ｘｂ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。

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 を印加するようにすれば、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、図４では、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。すなわち、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。

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。

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。以下では中間電圧ＶMを印加する動作を減衰振動動作と呼ぶ。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。

しかしながら、上述した方法でマス部１１ｘａの振動の振幅を小さくした場合、マス部１１ｘａと捕捉電極部２１ｘａとの距離が離れてしまい、電極／ストッパーユニット２４ｘａによるマス部１１ｘａを捕捉するための条件（捕捉条件）を満たさない可能性がある。捕捉条件は以下の式で表される。

ｋｘ＜αＶ^２／（Ａ−ｘ） （１）
ｋは接続バネ部１３ｘａのバネ定数、ｘはマス部１１ｘａの振幅値である。αは捕捉電極部２１ｘａとマス部１１ｘａの構造に起因する構造係数、Ａは電極間距離（捕捉電極部２１ｘａの位置）、Ｖは捕捉動作時にマス部１１ｘａと捕捉電極部２１ｘａとの間に印加される電圧である。ここで、振幅値ｘは、０≦ｘ＜Ｂ＜Ａを満たす。Ｂはストッパー距離（ストッパー部２２ｘａの位置）である。なお、捕捉動作とは、マス部１１ｘａ（マスユニット１１）と捕捉電極部２１ｘａ（電極／ストッパーユニット２４）との間に、制御ユニット３０がマス部１１ｘａ（マスユニット１１）を捕捉するための電圧を印加する動作を言う。また、後述するが、解放動作とは、マス部１１ｘａ（マスユニット１１）と捕捉電極部２１ｘａ（電極／ストッパーユニット２４）との間に保持電圧ＶH が印加されている状態から、制御ユニット３０が印加電圧を保持電圧ＶH よりも小さい電圧に切り替える動作を言う。

マス部１１ｘａが捕捉電極部２１ｘａに最接近した状態において、マス部１１ｘａに働く復元力（式（１）の左辺）よりも、マス部１１ｘａに働く静電引力（式（１）の右辺）が大きい場合には、電極／ストッパーユニット２４ｘａは、マス部１１ｘａを捕捉することができる。他方、マス部１１ｘａに働く復元力（式（１）の左辺）が、マス部１１ｘａに働く静電引力（式（１）の右辺）よりも大きい場合には、電極／ストッパーユニット２４ｘａは、マス部１１ｘａを捕捉することができない。これは、電極／ストッパーユニット２４ｘｂによるマス部１１ｘｂの捕捉動作においても同様である。

そこで、本実施形態では、捕捉及び解放機構２０（電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂ）がマスユニット１１（マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂ）を解放した後、マスユニット１１（マス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂ）を捕捉するために、制御ユニット３０によって以下のような制御を行っている。

制御ユニット３０は、電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂそれぞれによるマス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂの捕捉が成功したか失敗したかを判定する捕捉判定を行い、捕捉判定の結果が失敗であった場合、電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂそれぞれによるマス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂの捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御を行う。

捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御には、例えば以下の方法がある。

（１）捕捉及び解放機構２０によるマスユニット１１の捕捉が失敗したときにマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加された電圧よりも大きい電圧をマスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加することである。これにより、電極／ストッパーユニット２４ｘａとマス部１１ｘａとの間及び電極／ストッパーユニット２４ｘｂとマス部１１ｘｂとの間に働く静電引力が増加する。したがって、電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂそれぞれによるマス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂの捕捉可能性（捕捉確率）が高まる。

（２）加振ユニット２３によりマスユニット１１を加振させることである。具体的には、制御ユニット３０により、加振電極部２３ｘａとマス部１１ｘａとの間に、マス部１１ｘａの振動に同期した電圧を印加する。また、制御ユニット３０により、加振電極部２３ｘｂとマス部１１ｘｂとの間に、マス部１１ｘｂの振動に同期した電圧を印加する。これにより、電圧印加に起因した静電引力を受けてマス部１１ｘａ及びマス部１１ｘａの振幅は増加する。よって、マス部１１ｘａが捕捉電極部２１ｘａに最接近した状態におけるマス部１１ｘａと捕捉電極部２１ｘａとの距離、及びマス部１１ｘｂが捕捉電極部２１ｘｂに最接近した状態におけるマス部１１ｘｂと捕捉電極部２１ｘｂとの距離が短くなる。これにより、電極／ストッパーユニット２４ｘａとマス部１１ｘａとの間、及び電極／ストッパーユニット２４ｘｂとマス部１１ｘｂとの間に働く静電引力が増加する。したがって、電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂそれぞれによるマス部１１ｘａ及びマス部１１ｘｂの捕捉可能性（捕捉確率）が高まる。

上述した捕捉可能性（捕捉確率）を高めてマスユニット１１を捕捉する動作を実現するための振動装置の構成について以下で説明する。

図５は、本実施形態に係る振動装置が備える各ユニットの構成例を示す図である。

図５に示した振動装置は、連成振動機構１０と、捕捉及び解放機構２０と、制御ユニット３０と、位置検出ユニット４０とを備えている。

図５では、連成振動機構１０は、２つの振動子ユニット１５ｘａ及び１５ｘｂを含んでいる。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、ダンパ部１６ｘａとを含んでいる。

マス部１１ｘａは、可動体７０ｘａの一部である。可動体７０ｘａは、マス部１１ｘａ、接続部７１ｘａ、平行平板型電極部７２ｘａ、櫛歯型電極部７３ｘａにより構成されている。接続バネ部１３ｘａの一端は、対応するマス部１１ｘａに接続され、接続バネ部１３ｘａの他端は、対応する固定部１２ｘａに接続されている。したがって、マス部１１ｘａの振動に応じて接続バネ部１３ｘａが伸縮する。

なお、振動子ユニット１５ｘｂも、振動子ユニット１５ｘａと同様に構成されている。

捕捉及び解放機構２０は、電極／ストッパーユニット２４ｘａ及び２４ｘｂを含んでいる。電極／ストッパーユニット２４ｘａは、捕捉電極部２１ｘａと、ストッパー部２２ｘａと、加振電極部２３ｘａとを含んでいる。

捕捉電極部２１ｘａは、平行平板型の電極である。捕捉電極部２１ｘａは、平行平板型電極部７２ｘａとともに平行平板型アクチュエータとして機能し、可動体７０ｘａの捕捉及び解放を行う。ストッパー部２２ｘａは、可動体７０ｘａが捕捉電極部２１ｘａ及び加振電極部２３ｘａに接触することを阻止する。加振電極部２３ｘａは櫛歯型の電極である。加振電極部２３ｘａは、可動体７０ｘａの櫛歯型電極部７３ｘａに静電引力を与えるための加振用の電極であり、後述する加振回路３５によって制御される。

なお、電極／ストッパーユニット２４ｘｂも電極／ストッパーユニット２４ｘａと同様に構成されている。

位置検出ユニット４０は、複数のトランスデューサ素子４１と、変位量変換回路４２とを含んでいる。トランスデューサ素子４１は、振動子ユニット１５ｘａ及び１５ｘｂそれぞれに対応して設けられる。トランスデューサ素子４１は、例えば、可動体７０ｘａのドライブ方向の振動に応じてキャパシタンスが変化する可変キャパシタによって構成される。変位量変換回路４２には、増幅器４３とインピーダンス素子４４とが含まれる。位置検出ユニット４０では、トランスデューサ素子４１及び変位量変換回路４２によって、マス部１１ｘａのドライブ方向における振動に応じて変化する物理量（キャパシタンス）と、マス部１１ｘｂのドライブ方向における振動に応じて変化する物理量（キャパシタンス）とがそれぞれ電圧に変換される。そして、変換された電圧を示す信号が位置検出ユニット４０から制御ユニット３０に出力される。

制御ユニット３０は、比較器３１と、振動制御部３２と、捕捉判定部３３と、電圧選択部３４と、加振回路３５と、動作停止部３６とを含んでいる。

位置検出ユニット４０から出力された信号は、比較器３１を介して、振動制御部３２、捕捉判定部３３、及び加振回路３５に送られる。

振動制御部３２は、位置検出ユニット４０から出力される信号に基づいて、後述する電圧選択部３４による電圧の選択を制御することで、マス部１１ｘａの振動状態を制御する。振動制御部３２は、制御情報を電圧選択部３４に出力する。制御情報には、捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの間に印加すべき電圧、すなわち電圧選択部３４が選択すべき電圧の情報が含まれる。捕捉動作が実行される場合、振動制御部３２は、マス部１１ｘａが捕捉電極部２１ｘａに最接近するタイミングで、上述した保持電圧の情報を含む制御情報を電圧選択部３４に送る。

捕捉判定部３３は、位置検出ユニット４０から出力される信号（マスユニット１１の振動状態）に基づいて電極／ストッパーユニット２４ｘａがマス部１１ｘａの捕捉に成功したか失敗したかを判定する。捕捉に成功したとは、電極／ストッパーユニット２４ｘａがマス部１１ｘａを捕捉できたことを言い、捕捉に失敗したとは、電極／ストッパーユニット２４ｘａがマス部１１ｘａを捕捉できなかったこと言う。

具体的には、捕捉判定部３３は、位置検出ユニット４０から出力される信号に基づいてマス部１１ｘａが振動状態にあるか振動停止状態にあるかを判定することで、電極／ストッパーユニット２４ｘａによるマス部１１ｘａの捕捉が成功したか失敗したかを判定する。また、捕捉判定部３３は、捕捉判定の結果を電圧選択部３４、加振回路３５、及び動作停止部３６に出力する。

電圧選択部３４は、捕捉電極部２１ｘａと可動体７０ｘａの平行平板型電極部７２ｘａとの間に印加する電圧を選択する。このとき、電圧選択部３４は、振動制御部３２から出力された制御情報又は捕捉判定部３３による捕捉判定の結果に基づいて印加電圧を選択する。捕捉動作時には、電圧選択部３４は、振動制御部３２から出力される制御情報に基づいて制御電圧を選択する。一方、捕捉判定が失敗であった場合における捕捉制御時には、電圧選択部３４は、捕捉判定部３３による捕捉判定の結果に基づいてマス部１１ｘａの捕捉可能性を高めるための電圧選択を行う。

選択対象の電圧値には、保持電圧ＶH、解放電圧ＶL、中間電圧ＶM、変更保持電圧Ｖ0（＞ＶH）がある。保持電圧ＶH、解放電圧ＶL、中間電圧ＶMは、上述した通りである。変更保持電圧Ｖ0は、捕捉判定部３３による捕捉判定の結果が失敗であった場合に印加される電圧である。

マス部１１ｘａを捕捉する場合、電圧選択部３４は、マス部１１ｘａが捕捉電極部２１ｘａに最接近するタイミングで捕捉電極部２１ｘａに印加する電圧を保持電圧ＶHに切り替える。マス部１１ｘａを解放する場合、電圧選択部３４は、マス部１１ｘａを解放するタイミングで捕捉電極部２１ｘａに印加する電圧を中間電圧ＶMに切り替え、その後解放電圧ＶLに切り替える。

捕捉判定部３３による捕捉判定の結果が失敗であった場合、マス部１１ｘａの捕捉動作時に、電圧選択部３４は、捕捉電極部２１ｘａに印加される電圧を保持電圧ＶHに代えて変更保持電圧Ｖ0 に切り替える。これにより、電極／ストッパーユニット２４ｘａによるマス部１１ｘａの捕捉可能性が高まる。

加振回路３５は、位置検出ユニット４０から出力される信号に基づいてマス部１１ｘａの振動状態に同期してマス部１１ｘａを加振する。これによりマス部１１ｘａの振幅は大きくなる。具体的には、加振回路３５は、加振電極部２３ｘａに位置検出ユニット４０から出力される信号に同期した信号を入力すること、すなわち加振電極部２３ｘａと櫛歯型電極部７３ｘａとの間にマス部１１ｘａの振動に同期した電圧を印加することで、マス部１１ｘａに静電引力を与える。これにより、マス部１１ｘａは電圧印加に起因した静電引力を受けるため、マス部１１ｘａの振幅は大きくなる。これにより、電極／ストッパーユニット２４ｘａによるマス部１１ｘａの捕捉可能性が高まる。

動作停止部３６は、捕捉判定部３３からの捕捉判定の結果に基づいて位置検出ユニット４０の動作を停止する。すなわち、捕捉が成功した場合には、動作停止部３６は、位置検出ユニット４０の動作を停止する。なお、動作停止部３６は、振動情報検出ユニット５０及び角速度算出ユニット６０の動作も停止するようにしてもよい。

なお、加振電極部２３ｘａに代えて捕捉電極部２１ｘａを用いてマス部１１ｘａを加振させることもできる。この場合、捕捉時における印加電圧（保持電圧ＶH ）に重畳して、捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの間にマス部１１ｘａの振動に同期した電圧が印加される。加振電極部２３ｘａに代えて捕捉電極部２１ｘａを加振動作に用いれば、加振電極部２３ｘａを電極／ストッパーユニット２４ｘａに設けなくてよい。

一方、捕捉電極部２１ｘａは平行平板型の電極であるため、マス部１１ｘａの位置に依存して捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの距離が変わる。捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの間に印加される電圧に起因する静電引力の大きさは、捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの距離が長いほど小さくなる。このため、マス部１１ｘａが捕捉電極部２１ｘａから離れた場合、マス部１１ｘａに与える静電引力が弱まってしまう。

他方、加振電極部２３ｘａは櫛歯型の電極であるため、加振電極部２３ｘａと櫛歯型電極部７３ｘａとの間の櫛歯の配列方向における距離は一定である。このため、加振電極部２３ｘａと櫛歯型電極部７３ｘａとの間に印加される電圧に起因する静電引力の大きさは、マス部１１ｘａの位置に依存しない。したがって、捕捉電極部２１ｘａを用いるよりも加振電極部２３ｘａを用いた方が、加振動作の制御が容易である。

なお、上述した例では、捕捉可能性（捕捉確率）を高める処理として捕捉電極部２１ｘａと平行平板型電極部７２ｘａとの間の印加電圧を高める処理、及び加振電極部２３ｘａと櫛歯型電極部７３ｘａとの間にマス部１１ｘａの振動に同期した電圧を印加する処理の両方を行うようにしたが、いずれか一方の処理のみを行うようにしてもよい。

図６は、本実施形態に係る解放及び捕捉動作を示す第１の具体的なシーケンス図である。

なお、図６には、捕捉可能性を高めるために加振動作が実行されることを示しているが、加振動作に代えてマスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増加させる動作が実行されてもよいし、両方が実行されてもよい。

（Ａ）のシーケンスは、捕捉及び解放機構２０による捕捉動作及び解放動作についての制御状態を示す。捕捉期間において、制御ユニット３０はマスユニット１１と電極ユニット２１との間に保持電圧ＶH を印加している。解放期間において、制御ユニット３０はマスユニット１１と電極ユニット２１との間に中間電圧ＶMを印加した後、解放電圧ＶL を印加している。

（Ｂ）のシーケンスは、位置検出ユニット４０の動作状態を示す。Ｏｎ状態において、位置検出ユニット４０は動作しており、Ｏｆｆ状態において、位置検出ユニット４０は動作を停止している。（Ｃ）のシーケンスは、マスユニット１１の振動状態を示している。マスユニットの状態には、無振動と、振動と、不定とがある。図６のシーケンスでは、マスユニット１１の振動状態が不定である期間において、捕捉判定部３３はマスユニット１１の振動状態に基づいて捕捉判定を行っている。このため、不定の期間中、マスユニット１１は振動しているか否か不明である。（Ｄ）のシーケンスは、制御ユニット３０の各制御状態（減衰振動動作状態、捕捉判定動作状態、加振動作状態）、及び振動装置における計測動作状態を示す。

次に、図６のシーケンスに基づいた振動装置の動作の説明を行う。

（Ｂ）において、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を解放する直前に、制御ユニット３０は位置検出ユニット４０を動作させる。これにより、位置検出ユニット４０は、Ｏｆｆ状態からＯｎ状態に遷移する。これはマスユニット１１の位置情報を位置検出ユニット４０が検出するためのスタートアップ期間を確保するためである。

（Ａ）において、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を解放すると、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動する（無振動から振動へ遷移）。このとき、（Ｄ）に示すように、制御ユニット３０はまず減衰振動動作を行う。すなわち、ＶM の電圧印加を行う。減衰振動動作が完了した後、振動情報検出ユニット５０及び位置検出ユニット４０は物理量の計測動作を行う。この計測動作はドライブ方向及びセンス方向でのマスユニット１１の位置情報（振動情報）を計測する動作である。計測動作時において、振動情報検出ユニット５０は、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の変化に基づいてマスユニット１１の振動情報を検出する。

減衰振動動作及び計測動作の後、（Ａ）に示すように捕捉及び解放機構２０はマスユニット１１の捕捉動作を行う。捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉に成功することが望ましいが、制御ユニット３０が減衰振動動作を行っているため、マスユニット１１の振幅が小さくなり、捕捉条件が満たされていない場合がある。

そこで、（Ｄ）に示すように捕捉及び解放機構２０によるマスユニット１１の捕捉動作とともに、制御ユニット３０は捕捉判定を行う。（Ｃ）に示すように、捕捉判定中、マスユニット１１の振動状態は不定である。すなわち、捕捉が成功している場合もあれば、捕捉が失敗している場合もある。制御ユニット３０は、捕捉判定を位置検出ユニット４０によって検出されるマスユニット１１の振動状態（位置情報）に基づいて行う。このため、（Ｂ）に示すように、捕捉動作開始後、しばらくの間位置検出ユニット４０は動作している。マスユニット１１を構成する振動子ユニット１５がストッパーユニット２２に接触して振動が完全に停止するまでの時間は、マスユニット１１の振動の１周期程度以下である。よって、制御ユニット３０による捕捉判定期間は、少なくともマスユニット１１の振動の１周期分である。そして、少なくともこの期間中、位置検出ユニット４０は捕捉判定の結果待ちの状態である。

捕捉判定期間中、位置検出ユニット４０からの信号に含まれる電圧の振動の振幅が所定値以下であった場合、マスユニット１１が停止していると判断できる。よって、この場合、制御ユニット３０は捕捉動作の結果が成功であると判定する。他方、捕捉判定期間中、位置検出ユニット４０からの信号に含まれる電圧に変動がある場合、マスユニット１１は振動していると判断できるため、制御ユニット３０は捕捉動作の結果が失敗であると判定する。

捕捉判定の結果が成功であった場合、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動していない状態にあることが確定する。また、捕捉判定の結果が成功であった場合、（Ｂ）に示すように、制御ユニット３０は位置検出ユニット４０の動作を停止する。これにより、位置検出ユニット４０の不要な動作を停止することができるため、消費電力を下げることができる。なお、振動情報検出ユニット５０及び角速度算出ユニット６０の動作は、上述した計測動作が終了した時（捕捉動作の開始時）に停止される。

マスユニット１１が捕捉された後、上述したように、（Ｂ）において、マスユニット１１の解放直前に位置検出ユニット４０を起動する。その後、（Ａ）において、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を解放するため、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１が振動する。そして、（Ｄ）に示すように減衰振動動作及び物理量の計測動作が実行された後、（Ａ）に示すように捕捉及び解放機構２０はマスユニット１１の捕捉動作を行う。また、（Ｄ）に示すように捕捉及び解放機構２０によるマスユニット１１の捕捉動作とともに、制御ユニット３０は捕捉判定を行う。

捕捉判定の結果が失敗であった場合、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動状態にあることが確定する。その場合、（Ｄ）に示すように、制御ユニット３０は加振動作を行いながら、捕捉判定を行う。制御ユニット３０によって加振動作及び捕捉判定が実行されている期間中は、マスユニット１１の振動状態は不定である。

上述したように、制御ユニット３０は、マスユニット１１の振動状態に同期して、マスユニット１１を加振させる。また、制御ユニット３０はマスユニット１１の振動状態に基づいて捕捉判定を行う。さらに、マスユニット１１の振動状態は、位置検出ユニット４０によって検出される。このため、（Ｂ）に示すように加振動作時及び捕捉判定時には、位置検出ユニット４０が動作している。

制御ユニット３０は、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を捕捉するまで加振動作及び捕捉判定を続ける。捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉に成功すると、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動していない状態（無振動）にあることが確定する。この場合、制御ユニット３０は位置検出ユニット４０の動作を停止する。なお、振動情報検出ユニット５０及び角速度算出ユニット６０の動作は、計測動作の終了時、すなわち捕捉動作の開始時に停止される。

図６に示すシーケンスに基づいて、捕捉判定及び捕捉可能性（捕捉確率）を高める動作を実行することで、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を確実に捕捉することが可能になる。従って、減衰振動動作に起因して捕捉動作が不完全となることを未然に防ぐことができる。

なお、捕捉判定結果が失敗であった場合、制御ユニット３０は加振動作を行った後に捕捉判定を実行してもよい。すなわち、加振動作と捕捉判定とが同時に実行されなくてもよい。この場合、加振動作の開始、加振動作の停止、捕捉判定の順序でそれらの動作が繰り返される。

また、図６に示すシーケンスおいて、制御ユニット３０は捕捉動作の開始時（捕捉判定の開始時）から加振動作を行ってもよい。言い換えると、制御ユニット３０は捕捉判定が完了する前から加振動作を行ってもよい。

しかし、捕捉条件が満たされている場合には、捕捉判定期間中に不要な加振動作を実行することになるため、不要な消費電力が発生する。したがって、捕捉判定の完了後であって、捕捉判定の結果が失敗であった場合に加振動作を実行する方が、消費電力を抑制できる。

ただし、捕捉判定を実行する前において、捕捉動作時に捕捉条件が満たされないと判断できる場合、制御ユニット３０が捕捉動作の開始時から加振動作を実行することで、捕捉及び解放機構２０は早期にマスユニット１１を捕捉することができる。例えば、マスユニット１１の解放及び捕捉に関する実験データを振動装置に記憶しておくことで、その実験データとマスユニット１１の解放時の条件等とに基づいて、マスユニット１１の解放後の捕捉時に捕捉条件が満たされるか否かを判断することができる。

なお、マスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増加させる動作が実行される場合、保持電圧ＶH よりも大きい電圧Ｖ0 を印加して捕捉判定を行い、その捕捉判定結果が失敗であったならば、電圧Ｖ0よりも大きい電圧Ｖ1 を印加してもよい。すなわち、捕捉判定結果が失敗である度に、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を捕捉するまで、マスユニット１１と電極ユニット２１との間に印加する電圧を徐々に増加させてもよい。また、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉に成功した後は、マスユニット１１と電極／ストッパーユニット２４との間に印加される電圧を、捕捉成功時に印加していた電圧から保持電圧ＶH に低下させてもよい。

図６に示すシーケンスでは、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉に成功した後、スタートアップ期間の開始時までの間、位置検出ユニット４０の動作を停止することで振動装置全体の省電力化を図っていた。しかし、捕捉判定結果が失敗であった場合、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉に成功するまで捕捉可能性（捕捉確率）を高める制御及び捕捉判定が実行される。また、捕捉判定期間中、位置検出ユニット４０の動作を停止できないため、位置検出ユニット４０の動作期間が長引いてしまう。

そこで、位置検出ユニット４０の動作期間を長引かせないため、以下に述べるような方法を採用してもよい。以下に述べる方法によれば、捕捉及び解放周期に対して位置検出ユニット４０の動作を停止する割合を増加させることで、さらなる位置検出ユニット４０の省電力化、そして振動装置全体の省電力化を図ることができる。

図７は、本実施形態に係る、解放及び捕捉動作を示す第２の具体的なシーケンス図である。図７は、図６に示すシーケンスと比べてさらに消費電力を下げるため改良されたシーケンスを示す。なお、（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、及び（Ｄ）の意味は、図６と同様である。また、図７には、捕捉可能性を高めるために加振動作が実行されることを示しているが、加振動作に代えてマスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増加させる動作が実行されてもよいし、両方が実行されてもよい。

図６に示すシーケンスでは、捕捉判定を開始するタイミングが捕捉動作の開始時であるため、捕捉動作の開始時からマスユニット１１が捕捉されるまでの期間中、捕捉判定が行われる。そして、その期間中、位置検出ユニット４０は動作している。

図７では、（Ｄ）に示すように制御ユニット３０は、捕捉及び解放機構２０によってマスユニット１１の解放動作が実行される直前に捕捉判定を行う。保持電圧ＶH が印加されている状態で、マスユニット１１が捕捉及び解放機構２０に捕捉されていれば、保持電圧ＶH よりも小さい電圧を印加することで、マスユニット１１は解放され、振動し始める。他方、保持電圧ＶH が印加されている状態でマスユニット１１が捕捉及び解放機構２０に捕捉されていなければ、解放動作の前後いずれにおいてもマスユニット１１は振動した状態である。

捕捉及び解放機構２０が解放動作を実行する直前に、（Ｂ）に示すように制御ユニット３０は位置検出ユニット４０を動作させている。捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前であれば、捕捉判定時間はマスユニット１１の振動周期の半分程度以下となる。よって、捕捉判定時間が図６の場合と比べて短くできる。

捕捉判定の結果、捕捉が成功であった場合、（Ａ）に示すような捕捉及び解放機構２０による解放動作によって、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動する（無振動から振動へ遷移）。このとき、まず（Ｄ）に示すように制御ユニット３０は減衰振動動作を実行する。減衰振動動作が完了した後、振動情報検出ユニット５０及び位置検出ユニット４０によって物理量の計測動作が行われる。このとき、捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前に実行された捕捉判定結果に関係なく、計測動作中において制御ユニット３０は加振動作を行わない。制御ユニット３０は、この捕捉判定の結果に基づいて、計測動作の直後の捕捉及び解放機構２０による捕捉動作の開始時に、加振動作を実行する又は非実行とする。

捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行されてからしばらくすると、（Ａ）に示すように捕捉及び解放機構２０は捕捉動作を実行する。このとき、捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前に実行された捕捉判定結果が成功であった場合、制御ユニット３０は加振動作を行わない。また、（Ｂ）に示すように制御ユニット３０は位置検出ユニット４０の動作を停止する。ここで、制御ユニット３０は振動情報検出ユニット５０と角速度算出ユニット６０との動作も停止する。捕捉判定は実行されないため、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動しているか否か不定である。そして、（Ｄ）に示すように捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前に制御ユニット３０は捕捉判定を行う。捕捉判定期間中は、（Ｂ）に示すように制御ユニット３０は位置検出ユニット４０を動作させている。

（Ａ）に示すように捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行された後は、（Ｃ）に示すようにマスユニット１１は振動している状態であるといえる。

捕捉判定の結果、捕捉が失敗であった場合、マスユニット１１は捕捉及び解放機構２０に捕捉されていなかったことになる。すなわち捕捉が失敗であった場合、（Ｃ）の中央部に示す不定の期間は、マスユニット１１は振動していたことになり、捕捉及び解放機構２０による解放動作の前後いずれにおいてもマスユニット１１は振動している状態である。

また、捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行された後、（Ｄ）に示すように減衰振動動作及び物理量の計測動作が実行される。その後しばらくすると、（Ａ）に示すように捕捉及び解放機構２０は捕捉動作を実行する。

もし、捕捉及び解放機構２０が解放動作を実行する直前に実行された捕捉判定結果が失敗であった場合、（Ｄ）に示すように、捕捉及び解放機構２０が解放動作を実行した後であって次に捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１の捕捉動作を実行するときに、制御ユニット３０は加振動作を行う。加振動作は、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を捕捉できる程度の時間、実行される。その加振時間は予め定められている。

加振動作中、制御ユニット３０は捕捉判定を行わない。このため、捕捉及び解放機構２０はマスユニット１１を捕捉できたか否かが不明であり、（Ｃ）に示すように、マスユニット１１は振動しているか否か不定である。捕捉判定は、次の捕捉及び解放機構２０による解放動作の直前に実行される。このように、解放動作の直前まで、捕捉判定は実行されないため、（Ｂ）に示すように、加振動作が終了した時に制御ユニット３０は位置検出ユニット４０の動作を停止することができる。

上述したように、捕捉及び解放機構２０による解放動作の直前に行った捕捉判定結果に基づいて次の捕捉動作時における加振動作の実行の有無を決めることが可能である。特に、マスユニット１１の捕捉及び解放の周期において、ほぼ振幅が変わらない程度にマスユニット１１の振動のＱ値が高い場合に、このような制御は有効である。

なお、図７に示すシーケンスにおいて、捕捉判定結果が失敗であったときに制御ユニット３０は減衰振動動作を行わずに、振動情報検出ユニット５０及び位置検出ユニット４０が物理量の計測動作を実行することも可能である。マスユニット１１が捕捉されていなかった場合、その後の振動によってマスユニット１１がストッパーユニット２２に接触する可能性が低いからである。

また、図７に示すシーケンスにおいて、捕捉判定結果が失敗である場合に加振動作ではなく、マスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増大する動作を行う場合、制御ユニット３０は捕捉動作が開始されたときに位置検出ユニット４０の動作を直ちに停止できる。加振動作を実行する場合には、マスユニット１１の振動周期に同期した電圧を加振ユニット２３に印加するために、制御ユニット３０は位置検出ユニット４０を動作させている。しかしながら、マスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増大する動作を実行する場合、そのような同期は不要であるからである。

なお、マスユニット１１と電極ユニット２１との間の印加電圧を増加させる動作が実行される場合、捕捉及び解放機構２０がマスユニット１１を捕捉できる程度の電圧Ｖ0 （＞ＶH）を予め定めておき、捕捉判定結果が失敗であった後の捕捉動作時に、制御ユニット３０がその予め定めた電圧を印加することにしてもよい。また、制御ユニット３０が電圧Ｖ0 を印加した後に捕捉判定を実行し、その捕捉判定結果が失敗であった場合、その捕捉判定後の捕捉動作時に電圧Ｖ0 よりも大きい電圧Ｖ1 を印加してもよい。すなわち、捕捉に成功するまで、制御ユニット３０は、捕捉動作が実行される毎にその捕捉動作時に印加される電圧を増加させてもよい。

図７に示すシーケンスにおいては、捕捉及び解放機構２０による解放動作が実行される直前に捕捉判定を行うことで、捕捉判定時間を短くすることができる。また、捕捉判定の結果が失敗である場合、捕捉可能性を高める制御動作を次の捕捉動作時に持ち越す。このため、捕捉判定時間中における位置検出ユニット４０の動作を停止する時間を増やし、位置検出ユニット４０の低消費電力化を図ることができる。

図８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８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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄ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２４ｘａは、捕捉電極部２１ｘａと、ストッパー部２２ｘａと、加振電極部２３ｘａとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２４ｘｂは、捕捉電極部２１ｘｂと、ストッパー部２２ｘｂと、加振電極部２３ｘｂとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２４ｘｃは、捕捉電極部２１ｘｃと、ストッパー部２２ｘｃと、加振電極部２３ｘｃとを含んでいる。電極／ストッパーユニット２４ｘｄは、捕捉電極部２１ｘｄと、ストッパー部２２ｘｄと、加振電極部２３ｘｄ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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄ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２４ｘａ及び２４ｘｂ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２４ｘｃ及び２４ｘｄ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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄ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。

マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを加振電極部２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄによって加振させるときの基本的な原理及び基本的な動作も、図２、図３に示した第１の具体的構成例と同様である。また、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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄで捕捉するときに、捕捉電極部２１ｘａ、２１ｘｂ、２１ｘｃ及び２１ｘｄに印加される電圧を増加する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。すなわち、本構成例でも、第１の具体的構成例の図５と同様に、制御ユニット３０は、電極／ストッパーユニット２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄによるそれぞれマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄの捕捉が成功したか失敗したかを判定し、判定の結果が失敗であった場合、マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄの捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御を行う。捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御には、上述したように、マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを加振させることと、マス部１１ｘａと捕捉電極部２１ｘａとの間、マス部１１ｘｂと捕捉電極部２１ｘｂとの間、マス部１１ｘｃと捕捉電極部２１ｘｃとの間、及びマス部１１ｘｄと捕捉電極部２１ｘｄとの間に印加する電圧を増加させることとが含まれる。さらに、捕捉判定のタイミング及び捕捉可能性（確率）を高める制御に関して図６に示すシーケンスを適用することができる。

これにより、本構成例でも、第１の具体的構成例と同様に、電極／ストッパーユニット２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄがマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを確実に捕捉することが可能になる。したがって、減衰振動動作に起因して捕捉動作が不完全となることを未然に防ぐことができる。

また、本構成例に図７に示すシーケンスを適用することもできる。これにより、本構成例でも、捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前に捕捉判定を行うことで捕捉判定時間を短くすることができる。また、捕捉判定の結果が失敗である場合、捕捉可能性を高める制御動作を次の捕捉動作時に持ち越すため、捕捉判定時間中における位置検出ユニット４０の動作を停止する時間を増やし、位置検出ユニット４０のさらなる低消費電力化を図ることができる。

図９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８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８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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄ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２４ｘａ及び２４ｘｂ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２４ｘｃ及び２４ｘｄ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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄ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。

マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを加振電極部２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ及び２３ｘｄによって加振させるときの基本的な原理及び基本的な動作も、図２、図３に示した第１の具体的構成例と同様である。また、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２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄで捕捉するときに、捕捉電極部２１ｘａ、２１ｘｂ、２１ｘｃ及び２１ｘｄに印加される電圧を増加する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。すなわち、本構成例でも、第１の具体的構成例の図５と同様に、制御ユニット３０は、電極／ストッパーユニット２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄによるそれぞれマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄの捕捉が成功したか失敗したかを判定し、判定の結果が失敗であった場合、マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄの捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御を行う。捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御には、上述したように、マス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを加振させることと、マス部１１ｘａと捕捉電極部２１ｘａとの間、マス部１１ｘｂと捕捉電極部２１ｘｂとの間、マス部１１ｘｃと捕捉電極部２１ｘｃとの間、及びマス部１１ｘｄと捕捉電極部２１ｘｄとの間に印加する電圧を増加させることとが含まれる。さらに、捕捉判定のタイミング及び捕捉可能性（確率）を高める制御に関して図６に示すシーケンスを適用することができる。

これにより、本構成例でも、第１の具体的構成例と同様に、電極／ストッパーユニット２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ及び２４ｘｄがマス部１１ｘａ、１１ｘｂ、１１ｘｃ及び１１ｘｄを確実に捕捉することが可能になる。従って、減衰振動動作に起因して捕捉動作が不完全となることを未然に防ぐことができる。

また、本構成例に図７に示すシーケンスを適用することもできる。これにより、本構成例でも、捕捉及び解放機構２０によって解放動作が実行される直前に捕捉判定を行うことで、捕捉判定時間を短くすることができる。また、捕捉判定の結果が失敗である場合、捕捉可能性を高める制御動作を次の捕捉動作時に持ち越すため、捕捉判定時間中における位置検出ユニット４０の動作を停止する時間を増やし、位置検出ユニット４０のさらなる低消費電力化を図ることができる。

なお、上述した本実施形態の説明では減衰振動動作を実行する場合について説明したが、必ずしも減衰振動動作が実行されなくてもよい。すなわち、減衰振動動作を実行しない振動装置に対しても、捕捉判定を行い、捕捉判定の結果が失敗であった場合に捕捉及び解放機構２０によるマスユニット１１の捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御を行うことを適用することができる。

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、捕捉及び解放機構によるマスユニットの捕捉が成功したか失敗したかを判定する捕捉判定を行い、その捕捉判定の結果が失敗であった場合、捕捉及び解放機構によるマスユニットの捕捉可能性（捕捉確率）を高める捕捉制御を行うことで、捕捉及び解放機構がマスユニットを捕捉することが可能になる。このため、マスユニットの解放後において、減衰振動動作の実行又はその他の理由によりマスユニットの振幅が小さくなった場合でもマスユニットを捕捉することができる。よって、適正な捕捉及び解放動作を行うことが可能な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。

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、１４ｘ１、１４ｘ２、１４ｘ３、１４ｘ４…接続部材
１５、１５ｘａ、１５ｘｂ、１５ｘｃ、１５ｘｄ…振動子ユニット
１６ｘａ…ダンパ部
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…捕捉電極部
２２…ストッパーユニット
２２ｘ、２２ｘａ、２２ｘｂ、２２ｘｃ、２２ｘｄ…ストッパー部
２３…加振ユニット
２３ｘ、２３ｘａ、２３ｘｂ、２３ｘｃ、２３ｘｄ…加振電極部
２４、２４ｘａ、２４ｘｂ、２４ｘｃ、２４ｘｄ…電極／ストッパーユニット
３０…制御ユニット ３１…比較器 ３２…振動制御部 ３３…捕捉判定部
３４…電圧選択部 ３５…加振回路 ３６…動作停止部
４０…位置検出ユニット ４１…トランスデューサ素子 ４２…変位量変換回路
４３…増幅器 ４４…インピーダンス素子
５０…振動情報検出ユニット ６０…角速度算出ユニット
７０ｘａ…可動体 ７１ｘａ…接続部 ７２ｘａ…平行平板型電極部
７３ｘａ…櫛歯型電極部

Claims (12)

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、前記捕捉及び解放機構による前記マスユニットの捕捉が成功したか失敗したかを判定する捕捉判定を行い、前記捕捉判定の結果が失敗であった場合、前記捕捉及び解放機構による前記マスユニットの捕捉可能性を高める捕捉制御を行う
   ことを特徴とする振動装置。
2. 前記捕捉及び解放機構は、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み、
   前記制御ユニットは、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ことを特徴とする請求項１記載の振動装置。
3. 前記捕捉制御は、前記捕捉及び解放機構による前記マスユニットの捕捉が失敗したとき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た電圧よりも大きい電圧を前記マスユニットと前記電極ユニットとの間に印加することを含むことを特徴とする請求項２記載の振動装置。
4. 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請求項２記載の振動装置。
5. 前記捕捉及び解放機構は、前記マスユニットを加振させる加振ユニットを備え、
   前記捕捉制御は、前記加振ユニットにより前記マスユニットを加振させることを含むことを特徴とする請求項１記載の振動装置。
6. 前記制御ユニットは、前記捕捉及び解放機構が解放動作を実行する直前に前記捕捉判定を行い、前記捕捉判定の結果が失敗であった場合、前記捕捉及び解放機構が解放動作を実行した後であって次に前記捕捉及び解放機構が前記マスユニットの捕捉動作を行うときに、前記捕捉制御を行うことを特徴とする請求項１記載の振動装置。
7. 前記制御ユニットは、前記捕捉判定を前記マスユニットの振動状態に基づいて行うことを特徴とする請求項１記載の振動装置。
8. 前記マスユニットの振動状態を検出する位置検出ユニットを更に備え、
   前記制御ユニットは、前記捕捉判定の結果が成功であった場合、前記位置検出ユニットの動作を止めることを特徴とする請求項１項記載の振動装置。
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。
10. 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９に記載の振動装置。
11. 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請求項１０に記載の振動装置。
12. 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請求項１０に記載の振動装置。

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