JPH0832396A - 振動素子およびその共振周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ジャイロや共振子等に用いられる振動素子１
において、精密にしかも容易に共振周波数の調整を行う
ことができる振動素子１およびその共振周波数調整方法
を提供することである。 【構成】 振動体２が梁３に支えられて振動する振動素
子１において、加熱により記憶された形状に伸び又は縮
み変形する形状記憶材５の表裏両面に通電加熱用の電極
７，８を設けた形状記憶体６を梁３の表面に固定配設す
る。振動素子１の共振周波数が設定の共振周波数からず
れているとき、形状記憶材５を通電加熱により記憶され
た形状に変形し、梁３に共振周波数のずれを修正する方
向の応力を加え、振動素子１の共振周波数を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、角速度センサ（ジャイ
ロ）や共振子等に設けられる振動素子およびその共振周
波数調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４には、角速度センサ（ジャイロ）や
共振子等に用いられる両持梁の振動素子１が示されてい
る。振動素子１は、振動体２と、その振動体２を支える
梁３と、振動体２をｘ軸方向（又はｚ軸方向）に振動さ
せる振動駆動手段（図示せず）とを有して構成されてお
り、振動体２と梁３等がシリコン基板４等のエッチング
処理等によって形成され、振動駆動手段の駆動によって
振動体２が梁３に支えられてｘ軸方向（又はｚ軸方向）
に励振振動する。

【０００３】上記振動素子１の共振周波数は、振動素子
１（振動体２）の質量や梁３の形状等の複数の条件によ
って決まる。一般に、作製する振動素子１の共振周波数
は、予め設計段階で設定されており、振動体２や梁３の
前記形状等の条件を設定の共振周波数に合うように加工
して振動素子１を形成する。しかし、全ての振動素子１
を設定の共振周波数となるように形成するのは不可能で
ある。そのため、従来では、作製した振動素子の共振周
波数を調べ、設定の共振周波数からずれているときに
は、振動体２の質量を増減して振動素子１の共振周波数
を設定共振周波数に合わせる修正調整が行われている。

【０００４】この振動素子１の共振周波数の調整では、
振動体２の質量を小さくすると振動素子１の共振周波数
が高くなることから、予め設定の共振周波数より低い共
振周波数で振動する振動素子１を作製し、レーザの照射
で振動体２の微小領域を削取し振動体２の質量を小さく
して振動素子１の共振周波数を高くして振動素子１の共
振周波数を設定の共振周波数に合わせる修正調整を行
う。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
の照射を行う装置は、大掛かりなものであり、設備コス
トが高くなってしまうという問題がある。

【０００６】そこで、従来、大掛かりな装置を用いない
で、静電引力や圧電素子の伸縮を用いて梁３に応力を加
えることで、振動素子１の共振周波数を調整する手法が
提案されている。

【０００７】上記梁３に応力を加える振動素子１の共振
周波数の調整では、梁３の長手方向（図４の矢印方向）
における引っ張り応力を大きくすると振動素子１の共振
周波数が高くなり、引っ張り応力をそれよりも小さくす
ると振動素子１の共振周波数が低くなることから、高電
圧を印加して圧電素子を伸縮させ、又は、静電引力を発
生させて、梁３に適宜に応力を加え、振動素子１の共振
周波数の調整を行う。

【０００８】しかし、振動素子１の駆動時には共振周波
数の調整状態を維持するために、高電圧を印加し続けな
ければならず、振動素子１の消費電力が大きくなるとい
う問題があり、また、静電引力を用いる場合には、振動
体２や梁３の形状が制約されてしまったり、圧電素子を
用いる場合には、高電圧を印加しても梁３に加える応力
が小さくて振動素子１の共振周波数の調整可能な周波数
領域が狭いものになってしまう。

【０００９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たものであり、その目的は、振動素子の駆動時に設定の
共振周波数を維持するために高電圧を印加することな
く、また、振動素子の共振周波数の調整可能な周波数領
域が広く、精密にしかも容易に共振周波数の調整ができ
る振動素子およびその共振周波数調整方法を提供するこ
とである。

【００１０】

【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、本
発明の振動素子は、振動体が梁に支えられて振動する振
動素子において、前記梁には加熱によって記憶された形
状に変形する形状記憶材が固定配設されていることを特
徴として構成され、また、形状記憶材は複数分割された
形態で配設されていること、形状記憶材の表裏両面には
通電加熱用の電極が設けられていることも本発明の振動
素子の特徴とするところである。

【００１１】また、本発明の振動素子の共振周波数調整
方法は、振動体が梁に支えられて振動する振動素子の前
記梁に、加熱によって記憶された形状に変形する形状記
憶材を設けておき、振動素子の共振周波数が設定の共振
周波数からずれているときに、前記形状記憶材を加熱
し、形状記憶材を伸び又は縮み変形させて梁に前記共振
周波数のずれを修正する方向の応力を加え、振動素子の
共振周波数を設定の共振周波数に調整することを特徴と
して構成されている。

【００１２】

【作用】上記構成の本発明において、例えば、形状記憶
材として、加熱によって伸び変形する材料が梁に固定配
設されている振動素子にあっては、その振動素子の共振
周波数が設定の共振周波数よりも高い方向にずれている
ときに、形状記憶材を加熱し伸び変形させ、梁に振動素
子の共振周波数を低くする方向の応力を加え、振動素子
の共振周波数を設定の共振周波数に合わせる修正調整を
行う。

【００１３】一方、形状記憶材として、加熱によって縮
み変形する材料が梁に固定配置されている振動素子にあ
っては、その振動素子の共振周波数が設定の共振周波数
よりも低い方向にずれているときに、形状記憶材を加熱
し縮み変形させ、梁に振動素子の共振周波数を高くする
方向に応力を加え、振動素子の共振周波数を設定の共振
周波数に合わせる修正調整を行う。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
なお、以下に説明する各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
省略し、また、以下の各実施例を通して最初に説明した
名称部分については、後の詳細な重複説明は省略する。

【００１５】図１の（ａ）には第１の実施例を示す振動
素子１が示され、図１の（ｂ）には振動素子１のＡ−Ａ
断面図が示されている。本実施例の振動素子１の共振周
波数の調整は、形状記憶材５を用いて梁３に応力を加え
て振動素子１の共振周波数を調整するようにしており、
本実施例の振動素子１においては、梁３の上面に下部電
極８が固定配設され、下部電極８上には合金材料や樹脂
材料の公知の形状記憶材５が接着、あるいは蒸着その他
の成膜技術を用いた薄膜によって設けられ、さらに、形
状記憶材５上には上部電極７が設けられて、下部電極８
と形状記憶材５と上部電極７とが一体化されて形状記憶
体６を成している。前記形状記憶材５は、変態点以上の
温度に加熱されると、記憶された形状に伸び又は縮み変
形し、また、加熱を止め変態点以下の温度になっても、
記憶された形状を保ち、伸び又は縮み変形したままの形
態を保つ。

【００１６】上記振動素子１において、形状記憶材５と
して加熱により伸び変形する材料が用いられている場合
には、振動素子１の共振周波数が設定の共振周波数より
高い方向にずれているとき、共振周波数の調整のために
下部電極８と上部電極７を電圧印加手段（図示せず）に
導通接続し、下部電極８と上部電極７を電圧印加手段か
ら通電し、形状記憶材５を変態点以上の温度に通電加熱
する。すると、形状記憶材５が伸び変形し、梁３に圧縮
する方向の応力が加えられ、梁３の応力の変化分に応じ
て振動素子１の共振周波数が低くなり、振動素子１の共
振周波数を設定の共振周波数と合うように修正調整す
る。

【００１７】一方、形状記憶材５として加熱により縮み
変形する材料が用いられている場合には、振動素子１の
共振周波数が設定の共振周波数より低い方向にずれてい
るとき、上記同様に、形状記憶材５を変態点以上の温度
に通電加熱する。すると、形状記憶材５が縮み変形し、
梁３に引っ張り方向の応力が加えられ、梁３の引っ張り
応力の変化分に応じて振動素子１の共振周波数が高くな
り、振動素子１の共振周波数を設定の共振周波数と合う
ように修正調整する。

【００１８】本実施例によれば、梁３に形状記憶材５を
設けたので、振動素子１の共振周波数が、形状記憶材５
を通電加熱によって変形させるだけで、設定の共振周波
数に合わせる修正調整ができ、大掛かりな装置を必要と
せず、また、高電圧を印加することもなく、通電電極
７，８に、例えば５Ｖ以下の低電圧を印加するだけでよ
く、容易に共振周波数の調整を行うことができる。

【００１９】さらに、提案例の圧電素子を用いて梁３に
応力を加える振動素子１の共振周波数の調整では、圧電
素子から梁３に加えることのできる応力が４kgf ／mm²
程度と小さいが、本実施例で用いた形状記憶材５は梁３
に、例えば40kgf ／mm² 程度の大きな応力を加えること
ができ、振動素子１の共振周波数の調整可能な周波数領
域が広く、振動素子１の共振周波数と設定の共振周波数
が大きくずれていても、振動素子１の共振周波数の調整
を行うことができる。

【００２０】さらに、形状記憶材５は、変態点以上の温
度に加熱され記憶された形状に変形した後、加熱を止め
て変態点以下の温度になっても記憶された形状を保って
いるために、提案例のように、振動素子１の駆動時に調
整状態を維持するための高電圧を印加し続ける必要がな
く、その分、振動素子１の消費電力を小さくすることが
できる。また、振動素子１の駆動時に調整状態を維持す
るための電圧印加手段を振動素子１に設ける必要がな
い。

【００２１】さらにまた、形状記憶材５として多くの材
料があるけれども、特にＴｉＮｉ系の合金材料を用いた
形状記憶材５には耐腐食性があり、振動素子１を設置し
た後のジャイロや共振子等の化学溶剤を用いる製造プロ
セスで、形状記憶材５が劣化損傷することがないため、
使用する化学溶剤の変更等を行う必要がなく、振動素子
１の設置後における現行の製造プロセスを変更する必要
がないので、製造の上で有利である。

【００２２】なお、加熱によって伸び変形する形状記憶
材５を設ける場合には、振動素子１の共振周波数を設定
の共振周波数より予め高くなるように形成すれば、全て
の振動素子１の共振周波数を低くする方向に調整して、
振動素子１の共振周波数と設定の共振周波数とのずれを
修正することができる。また、反対に、加熱によって縮
み変形する形状記憶材５を設ける場合には、振動素子１
の共振周波数を設定の共振周波数より予め低くなるよう
に形成すれば、全ての振動素子１の共振周波数を高くす
る方向に調整して、振動素子１の共振周波数と設定の共
振周波数とのずれを修正することができる。

【００２３】第２の実施例を図２に基づいて説明する。
本実施例の振動素子１では、上部電極７が、複数に分割
されて共通の形状記憶材５上に配設されている。この上
部電極７は、振動素子１の共振周波数が設定の共振周波
数からずれているとき、振動素子１の共振周波数と設定
の共振周波数とのずれの大きさに応じて、１箇所以上に
それぞれ個別に通電され、形状記憶材５を局部的に通電
加熱するものである。

【００２４】例えば、上記振動素子１において、振動素
子１の共振周波数が設定の共振周波数からずれていると
き、まず、上部電極７ａと下部電極８を用いて、形状記
憶材５の図２の（ｂ）に示す網目領域を通電加熱し変形
させ、梁３に振動素子１の共振周波数のずれを修正する
方向の応力を加える。次に、振動素子１の共振周波数を
測定し、まだ設定の共振周波数からずれているときに
は、上記用いた上部電極７ａではない別の上部電極（例
えば７ｂ）を用いて、上記同様に、形状記憶材５を局部
的に通電加熱し変形させて、梁３にさらに応力を加え
る。それでも前記ずれが生じている場合には、上部電極
７ｃを用いる、というように、順次通電する上部電極７
を変えて形状記憶材５を局部的に通電加熱し変形させ、
梁３に応力を加えていき、振動素子１の共振周波数を設
定の共振周波数に合わせる修正調整を行う。

【００２５】なお、振動素子１の共振周波数が設定の共
振周波数から大きくずれている場合には、１箇所ずつ上
部電極７を通電していくのではなく、振動素子１の共振
周波数のずれの大きさに応じて、１度に２箇所以上の上
部電極７に通電してもよい。

【００２６】本実施例によれば、第１の実施例と同様な
効果を持つ他に、第１の実施例のように１度に形状記憶
材５全体を変形させるのではなく、上部電極７を複数分
割し、形状記憶材５を局部的に通電加熱して変形させる
ので、梁３に加える応力を細かく調整することができ、
微妙な振動素子１の共振周波数の調整を行うことができ
る。

【００２７】第３の実施例を図３に基づいて説明する。
本実施例が第２の実施例と異なる特徴的なことは、上部
電極７ばかりでなく、形状記憶材５も複数分割されてい
ることであり、上部電極７によって通電加熱される形状
記憶材５の領域が確定されるため、梁３に加える応力の
大きさが求め易くなり、梁３に加える応力の制御が行い
易く、精密な振動素子１の共振周波数の調整ができる。

【００２８】なお、本発明は上記各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
記各実施例では、上部電極７と下部電極８と形状記憶材
５とを梁３の上面に設けていたが、梁３の側面等の他の
面に設けてもよい。

【００２９】また、分割された上部電極７および形状記
憶材５は、梁３の長手方向と直交する方向に設けられて
いるが、図２および図３に示す点線のように、長手方向
と平行に設けてもよい。この場合には、加熱することに
よって形状記憶材が長手方向に伸縮されることになる。

【００３０】さらに、上記各実施例の振動素子１は４本
の梁３で支持していたが、図１の（ｃ）に示すように、
振動素子１を２本の梁で支持してもよい。

【００３１】さらに、各実施例の振動素子１は両持梁で
あったが、片持梁であってもよい。

【００３２】さらに、上記各実施例では、上部電極７と
下部電極８とを用いて形状記憶材５の通電加熱を行って
いたが、通電加熱ではなく、ヒータやレーザの照射、あ
るいは高周波加熱、あるいは化学反応等によって形状記
憶材５の加熱を行ってもよい。

【００３３】さらにまた、図３に示す分割された形状記
憶材５は、全て同種の材料のものであり、振動素子１の
共振周波数を低くする方向あるいは高くする方向のどち
らか一方向の調整を行うものであったが、縮み変形する
材料の形状記憶材５と、伸び変形する材料の形状記憶材
５の両方を共通の下部電極８上に配設すれば、振動素子
１の共振周波数を低くする方向にも高くする方向にも調
整できる。また、例えば、振動素子１の共振周波数が設
定の共振周波数より低い方向にずれているとき、縮み変
形する形状記憶材５を用いて振動素子１の共振周波数を
高い方向に修正する応力を加えたが、この応力が大き過
ぎたときには、伸び変形する形状記憶材５によって、圧
縮する方向の応力を加えて、振動素子１の共振周波数を
設定の共振周波数に合わせるように修正することができ
る。

【００３４】なお、上記各実施例のような１個の変態点
を持つ材料の形状記憶材５ではなく、形状記憶材５とし
て、複数の変態点を持つ材料や、加熱温度が高くなるに
伴い徐々に伸び又は縮み変形する材料を用いた場合に
は、上部電極７の通電量を変える等の形状記憶材５の加
熱温度の制御を行って、振動素子１の共振周波数の調整
を行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、振動素子の共振周波数
が設定の共振周波数からずれているとき、梁に固定配設
されている形状記憶材を加熱し、記憶された形状に伸び
又は縮み変形させて、梁に適宜な応力を加え、振動素子
の共振周波数を設定の共振周波数に調整するので、簡単
な構成で容易に振動素子の共振周波数を調整することが
できる。

【００３６】また、形状記憶材を用いたので、この形状
記憶材が加熱により記憶された形状に変形し、そして、
加熱を止めても記憶された形状を保っているため、振動
素子の駆動時に設定の共振周波数を維持するための高電
圧を印加する必要がなく、その分、振動素子の消費電力
を小さくすることができる。

【００３７】さらに、形状記憶材を用いたことで、加熱
による伸び又は縮みの変形量を大きくできることによっ
て、梁に大きな応力を加えることができ、共振周波数の
調整可能な周波数領域を広くするこが可能となる。

【００３８】さらにまた、分割された形状記憶材を持つ
構成の振動素子にあっては、梁に加える応力を微妙に調
整することができ、より精密な振動素子の共振周波数の
調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す説明図である。

【図２】第２の実施例を示す説明図である。

【図３】第３の実施例を示す説明図である。

【図４】振動素子の従来例を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 振動素子 ２ 振動体 ３ 梁 ５ 形状記憶材 ７ 上部電極 ８ 下部電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体が梁に支えられて振動する振動素
   子において、前記梁には加熱によって記憶された形状に
   変形する形状記憶材が固定配設されていることを特徴と
   する振動素子。
2. 【請求項２】 形状記憶材は複数分割された形態で配設
   されている請求項１記載の振動素子。
3. 【請求項３】 形状記憶材の表裏両面には通電加熱用の
   電極が設けられていることを特徴とする請求項１又は請
   求項２記載の振動素子。
4. 【請求項４】 振動体が梁に支えられて振動する振動素
   子の前記梁に、加熱によって記憶された形状に変形する
   形状記憶材を設けておき、振動素子の共振周波数が設定
   の共振周波数からずれているときに、前記形状記憶材を
   加熱し、形状記憶材を伸び又は縮み変形させて梁に前記
   共振周波数のずれを修正する方向の応力を加え、振動素
   子の共振周波数を設定の共振周波数に調整する振動素子
   の共振周波数調整方法。