JPH10191657A - マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装置 - Google Patents

マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装置

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JPH10191657A
JPH10191657A JP9297233A JP29723397A JPH10191657A JP H10191657 A JPH10191657 A JP H10191657A JP 9297233 A JP9297233 A JP 9297233A JP 29723397 A JP29723397 A JP 29723397A JP H10191657 A JPH10191657 A JP H10191657A
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comb
inverter
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秉 烈 李
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龍 洙 呉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装
置を提供する。 【解決手段】 本発明によるマイクロアクチュエータの
相補型静電駆動装置は、マイクロアクチュエータの自体
構造及び振動特性により寄生分布容量を通して加振信号
が感知信号に混合されてノイズになることを防止するた
めに、加振電圧信号が相殺されるようにインバータを用
いて相異なる極性の信号を加振板に印加することによ
り、ノイズ性加振信号を相殺させる効果がある。よっ
て、信号対ノイズ比が大幅に改善される。また、アクチ
ュエータと一体型でない回路でも振動変位の感知が容易
であり、感知部が単純化されてコストが低減される。さ
らに、振動方向の両側で加振信号を印加すれば交流成
分、即ちω成分の静電気力だけが作用するので変位の偏
差を誘発せず、共振特性を改善することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマイクロアクチュエ
ータの静電駆動装置に係り、特に寄生分布容量を相殺さ
せてマイクロアクチュエータが高感度の性能を発揮でき
るようにするマイクロアクチュエータの静電駆動装置に
関する。
【０００２】
【従来の技術】超微細機械式共振型アクチュエータ(Mic
romechanical Resonating Actuator)は位置あるいは運
動エネルギーを変換する高感度センサの核心的な部品と
して位置づけられており、特に減殺率がきわめて小さな
共振子の共振周波数変化を用いて圧力、加速度、ガス分
布度などを感知するセンサのみならず、最近ではこのよ
うな共振子を用いて角速度を感知できるマイクロジャイ
ロスコープ(Micro Gyroscope)の開発も活発に行われて
いる。
【０００３】図４は従来のくし駆動(Comb Driver)型マ
イクロアクチュエータ(Micro Actuator)における静電駆
動装置の回路図である。図示したように、くし駆動型マ
イクロアクチュエータは固定部１１ａにより固定された
くし型加振板１、固定部１２ａにより固定されたくし型
感知板２、支持ビーム３ａ及び固定部３ｂにより支持さ
れるくし型懸垂振動板３、接地電極４ａにより接地され
た接地板４、電源部５及び感知部６が具備され、電源部
５から固定部１１ａを通して加振板１にＡＣ及びＤＣ電
源が供給される。
【０００４】加振板１に電源部５から前記のような電源
が供給されれば、加振板１のくし部と懸垂振動板３のく
し部の間に静電気力が発生して懸垂振動板３が共振周波
数で振動するようになる。この際、くし型感知板２のく
し部と懸垂振動板３のくし部の対向面積の変化に応じる
キャパシタンスの変化を電圧の形で感知部６で感知する
ようになる。
【０００５】図５は従来の平行板型マイクロアクチュエ
ータにおける静電駆動装置の回路図である。図示したよ
うに、平行板型マイクロアクチュエータは平面基板上の
中央に感知板１２を置いてその両側に加振板１１が形成
されており、これらの加振板１１及び感知板１２の上部
に懸垂振動板１３が具備されており、感知部１６が感知
板１２に回路的に連結されている。また、電源部１５と
してＡＣ、ＤＣ電源が具備されている。
【０００６】加振板１１に電源部１５から前記のような
電源が供給されれば、加振板１１と懸垂振動板１３の間
に静電気力が発生して懸垂振動板１３が共振周波数で上
下に振動するようになる。これを感知板１２と懸垂振動
板１３の振動による離隔距離に応じるキャパシタンスの
変化を電圧の形で感知部１６で感知するようになる。
【０００７】前述のような静電駆動マイクロアクチュエ
ータの振動特性は、レーザー干渉計(Laser Interferome
ter)のような光学装置を用いれば容易に分かることがで
きるが、これをセンサとして用いるためには振動に応じ
る容量変化を感知できる簡単な回路部が必ず要求され
る。しかしながら、共振子の振動変位がきわめて小さい
ために感知対象である容量変化に応じる信号の変化程度
が非常に小さくてマイクロアクチュエータに適用するこ
とが容易ではない。これを解決するために、通常アクチ
ュエータと感知回路部を集積させたり複雑な方法の信号
処理を通して変位を感知しているが、信号対ノイズ比を
改善するには限界があり、附加装置によるコスト上昇な
どの面で見ると、オフ−チップ(Off-Chip)、オープン−
ループ(Open-Loop) 状の簡単な感知装置の考案が必ず要
求される。
【０００８】図４の断面図の図６に示されたように、マ
イクロアクチュエータの静電駆動装置において、シリコ
ーン基板上にこれらの超微細振動構造を製作して共振さ
せながら共振子(懸垂振動板)３の動く変位を容量の変化
により感知しようとする場合、加振信号を印加する加振
板１と感知信号を検出する感知板２の間には、図６に示
したように、接地板４と各電極を通して寄生容量１０、
１１が存在せざるを得なくて、このような容量分布がノ
イズの伝達経路になって加振信号が感知部に伝達されて
感知信号に混合される。ここで、抵抗(Ｒ)は基板が有す
る等価抵抗である。このように寄生容量のために感知信
号に混合された加振信号は感知信号の感度を落とすノイ
ズ源として作用するようになる。
【０００９】これを図６に基づき更に具体的に説明する
と次の通りである。一般に、静電駆動型アクチュエータ
に静電力を加えるための加振信号としてはＤＣ成分とＡ
Ｃ成分を合わせて用いる。この際に発生する静電力の大
きさは印加信号の自乗に比例するので次のように示され
る。
【００１０】
【数１】
【００１１】即ち、静電アクチュエータに加振信号が印
加される時に発生する静電力はｄｃ成分、周波数ω成
分、かつ２ω成分が混合されている。従って、減殺率の
低い振動型アクチュエータにＶD(ｔ)の電圧を印加すれ
ば、周波数ω成分で、振幅はｄｃ積及びＡＣ成分に比例
する。この際、感知しようとする静電容量は次の通りで
ある。
【００１２】
【数２】
【００１３】ここで、ＣOは感知側の全体停止静電容量
であり、Ｃｍの絶対値は感知しようとする静電容量の変
化量の大きさ、即ち振幅であり、ωrは振動アクチュエ
ータの固有振動周波数である。この際に出力されるノイ
ズとしての加振信号は図６に示したような寄生分布容量
の経路を通して伝達されるので、交流成分Ｖacに比例し
て感知出力に現れる。従って、通常信号対ノイズ比を増
加させるためにＶdcを大きくしＶacをできるだけ小さく
印加することが一般的である。
【００１４】しかしながら、実際にはＶacを無制限に縮
めることはできないし、ある程度まで縮めてもこれに比
例するノイズ成分は相当量存在する。また、Ｖdcを大き
くすればするほどＤＣ成分の力により静電アクチュエー
タの振動板の位置が中央でなく片方に偏った状態で作動
するようになるので、振動板の振動特性が変化して共振
周波数の測定が容易ではないという問題点がある。
【００１５】このように、従来の静電駆動型マイクロア
クチュエータは静電力が発生するように駆動信号を印加
する端子と容量変化を感知する端子の間に寄生容量分布
が存在するために加振信号がノイズ源として感知端子に
伝達されるので実際に発生する変位による信号を正確に
感知できないという問題点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記のような
問題点を改善するために案出されたものであり、信号対
ノイズ比及び振動特性を大幅に改善できる新たな構造の
マイクロアクチュエータ静電駆動装置を提供することに
その目的がある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前記のような目的を達成
するために本発明によるくし型マイクロアクチュエータ
静電駆動装置は、両側にくし部を有する懸垂振動板と、
前記懸垂振動板の一側のくし部にそのくし部が噛み合っ
た加振板と、前記懸垂振動板の他側のくし部にそのくし
部が噛み合った感知板と、前記感知板を通して前記懸垂
振動板の変位を前記懸垂振動板と感知板の間の容量を電
圧の形で感知する感知手段、及び前記懸垂振動板を加振
させる静電気力を前記加振板に与える静電駆動手段を具
備してなるくし型マイクロアクチュエータの静電駆動装
置において、前記加振板は二つのくし群に分離された第
１加振板及び第２加振板を具備し、前記静電駆動手段は
電源及びインバータを具備し、前記第１加振板には前記
電源を直接連結し前記第２加振板には前記インバータを
通して前記電源を連結したことを特徴とする。
【００１８】ここで、前記電源は交流電源及び直流電源
が直列に接続されたことを特徴とする。
【００１９】また、前記のような目的を達成するために
本発明による更に他のくし型マイクロアクチュエータの
静電駆動装置は、両側にくし部を有する懸垂振動板と、
前記懸垂振動板の一側のくし部にそのくし部が噛み合っ
た加振板と、前記懸垂振動板の他側のくし部にそのくし
部が噛み合った感知板と、前記感知板を通して前記懸垂
振動板の変位を前記懸垂振動板と感知板の間の容量によ
り電圧の形で感知する感知手段、及び前記懸垂振動板を
加振させる静電気力を前記加振板に与える静電駆動手段
を具備してなるくし型マイクロアクチュエータの静電駆
動装置において、前記加振板は前記懸垂振動板の両側の
くし部と噛み合うくし部を各々三つのくし群に分離して
固定させた一側の第１，２，３固定板及び他側の第４，
５，６固定板のうち、前記懸垂振動板の一側の中央に位
置した第２固定板及び他側の中央に位置した第５固定板
から形成され、前記感知板は前記一側の固定板のうち外
側の第１固定板と第３固定板及び前記他側の固定板のう
ち外側の第４固定板と第６固定板から形成され、前記静
電駆動手段は電源及びインバータを具備し、前記第２固
定板には前記電源を直接連結し前記第５固定板には前記
インバータを通して前記電源を連結したことを特徴とす
る。
【００２０】本発明は、前記静電駆動装置において、前
記電源が一つの交流電源及び第１及び第２直流電源から
構成され、前記第２固定板には各々前記交流電源及び前
記第１直流電源が直列に接続され、前記第５固定板には
前記交流電源が前記インバータを経て接続され前記第２
直流電源は直接接続されることが望ましく、前記感知手
段は、前記一側の第１固定板及び第３固定板を短絡させ
てその一側の入力端子に接続し前記他側の第４固定板及
び第６固定板を短絡させてその他側の入力端子に接続し
た差動増幅手段を更に具備してなることが望ましい。
【００２１】また、前記のような目的を達成するために
本発明による平行板型マイクロアクチュエータの静電駆
動装置は、平面基板上に相互離隔され形成された第１及
び第２加振板と、前記第１及び第２加振板の間の前記基
板上に形成された感知板と、前記第１及び第２加振板及
び前記感知板上に離隔され形成され、基板に平行するよ
うに形成された平行型懸垂振動板と、前記平行型懸垂振
動板の変位を前記平行型懸垂振動板と感知板の間の離隔
距離に応じる容量の変化により電圧の形で感知する感知
手段、及び前記平行型懸垂振動板を加振させる静電気力
を前記第１及び第２加振板に与える静電駆動手段を具備
してなる平行板型マイクロアクチュエータの静電駆動装
置において、前記静電駆動手段は電源及びインバータを
具備するが、前記第１加振板には前記電源を直接連結し
前記第２加振板には前記インバータを通して前記電源を
連結したことを特徴とする。
【００２２】ここで、前記電源は交流電源及び直流電源
が直列に接続されたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明による
マイクロアクチュエータの静電駆動装置を更に詳細に説
明する。
【００２４】図１は本発明の一実施例によるくし駆動型
マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装置の回路図
である。これは基本的な形態であり、図４に示したよう
なくし駆動(Comb Driver) 型マイクロアクチュエータで
前述した問題点を改善するために分離型加振板とインバ
ータを有する電源部を具備する。基本的に静電力は印加
信号の自乗に比例しノイズ成分は印加信号に直接比例す
るということを用いて、図４の静電駆動装置とは異な
り、加振信号を印加するくし(Comb Finger) 部を二つの
固定板２１ａ，２１ｂに分けて、同一な静電力が発生す
るが寄生分布容量により感知部２６に伝達されてノイズ
になる交流(ａｃ)成分は相殺されるように相互反対の極
性を有するように印加する。即ち、二つのくし群のうち
一つの固定板２１ｂには信号反転用のインバータ２７を
連結し電源部２５の信号を反転させて印加する。この際
に発生する静電気力は大きさが同じでその極性は反対で
あるが、伝達されたノイズ信号は相異なる位相を有す
る。従って、信号対ノイズ比が大きく改善される。
【００２５】ＶD１(ｔ)＝Ｖdc＋Ｖaccosωｔ ＶD２(ｔ)＝−Ｖdc−Ｖaccosωｔ Ｆe１(ｔ)＝Ｆe２(ｔ) ＶN１(ｔ)＝−ＶN２(ｔ)
【００２６】ここで、Ｆe１(ｔ)はＶD１による静電力で
あり、Ｆe２(ｔ)はＶD２による静電力であり、ＶN１
(ｔ)はＶD１によるノイズ信号であり、ＶN２(ｔ)はＶD
２によるノイズ信号である。
【００２７】図２は本発明の他の実施例による平行板型
マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装置の回路図
であり、図５に示したような平行板型静電駆動マイクロ
アクチュエータに図１に示したような相補型静電駆動装
置を適用したものである。即ち、第１加振板３１ａには
インバータ３７を連結して電源部３５の信号を反転させ
て印加し、第２加振板３１ｂには電源部３５の信号をそ
のまま印加する。図１に示したようなくし駆動型マイク
ロアクチュエータの相補型静電駆動装置と原理的に同一
な特性及び効果を得ることができる。
【００２８】図３は本発明の更に他の実施例による振動
特性を改善したくし駆動型マイクロアクチュエータの相
補型静電駆動装置の回路図である。図示したように、こ
れは相補型静電駆動装置を用いてアクチュエータの振動
特性を改善したものである。
【００２９】このような相補型静電駆動装置を作るため
に懸垂振動板４３の両側のくし部と噛み合うくし部を各
々三つのくし群に分離して固定させた六つの固定板４１
ａ，４１ｂ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４２ｂを形成
し、これらのうち中央にある固定板４１ａ，４２ａを加
振板として、残りの各々二つずつの固定板４１ｂ，４２
ｂを感知板とする。従って、両側の加振板４１ａ，４２
ａに同一な大きさの駆動電圧を印加し、ａｃ成分だけに
１８０゜の位相差が存在するように加振させることによ
り振動特性が改善される。
【００３０】即ち、二つの直流電源４５ａ，４５ｂと一
つの交流電源４５ｃを具備し、二つの直流電源４５ａ，
４５ｂは各々第１加振板４１ａ及び第２加振板４２ａに
直接印加し、交流電源４５ｃは第１加振板４１ａにはイ
ンバータ４７を連結して反転された信号が印加されるよ
うにし、第２加振板４２ａには元の信号がそのまま印加
されるようにする。
【００３１】こうすれば、極性が相異なるａｃ加振信号
により寄生分布容量によるノイズ性加振信号の相殺効果
を得ることができるだけでなく、全体的にｄｃ成分と２
ω成分による静電気力は両側に同一に作用するので相殺
され、純粋なω成分による静電気力は二倍に作用して振
動子は初期変位が発生しない状態で駆動するようになる
ので共振による振動特性を改善することができる。ま
た、この際に感知部４６もくし部を両側に分けて形成さ
れた感知板４１ｂ，４２ｂに各々差動増幅器４８を通し
て接続させることにより、二つの感知板４１ｂ，４２ｂ
の各々の出力信号の差動成分を増幅して取れば振動板４
３の大きな変位信号を検出することができる。
【００３２】
【発明の効果】以上、述べたように本発明によるマイク
ロアクチュエータの相補型静電駆動装置は、マイクロア
クチュエータ自体の構造及び振動特性により寄生分布容
量を通して加振信号が感知信号に混合されてノイズにな
ることを防止するために、加振電圧信号が相殺されるよ
うにインバータを用いて相異なる極性の信号を加振板に
印加することにより、ノイズ性加振信号を相殺させる効
果がある。よって、信号対ノイズ比が大幅に改善され
る。また、アクチュエータと一体型でない回路でも振動
変位の感知が容易であり、感知部が単純化されてコスト
が低減される。さらに、振動方向の両側で加振信号を印
加すれば交流成分、即ちω成分の静電気力のみが作用す
るので変位の偏差(Offset)を誘発せず、共振特性を改善
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるくし駆動(Comb Driver)型マイク
ロアクチュエータ(Micro Actuator)の相補型静電駆動装
置の回路図である。
【図２】本発明の他の実施例による平行板型マイクロア
クチュエータの相補型静電駆動装置の回路図である。
【図３】本発明の更に他の実施例による振動特性を改善
したくし駆動型マイクロアクチュエータの相補型静電駆
動装置の回路図である。
【図４】従来のくし駆動型マイクロアクチュエータにお
ける静電駆動装置の回路図である。
【図５】従来の平行板型マイクロアクチュエータにおけ
る静電駆動装置の回路図である。
【図６】図４のくし駆動型マイクロアクチュエータにお
ける寄生容量分布図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年１１月２７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１０】
【数１】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】即ち、静電アクチュエータに加振信号が印
加される時に発生する静電力はｄｃ成分、周波数ω成
分、かつ２ω成分が混合されている。従って、減殺率の
低い振動型アクチュエータにＶD(ｔ)の電圧を印加すれ
ば、周波数ω成分で、振幅はｄｃ電圧とａｃ電圧との掛
けに比例する。この際、感知しようとする静電容量は次
の通りである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２４】図１は本発明の一実施例によるくし駆動型
マイクロアクチュエータの相補型静電駆動装置の回路図
である。これは基本的な形態であり、図４に示したよう
なくし駆動(Comb Driver) 型マイクロアクチュエータで
前述した問題点を改善するために分離型加振板とインバ
ータを有する電源部を具備する。基本的に静電力は印加
信号の自乗に比例しノイズ成分は印加信号に直接比例す
るということを用いて、図４の静電駆動装置とは異な
り、加振信号を印加するくし(Comb Finger) 部を二つの
固定板２１ａ，２１ｂに分けて、同一な静電力が発生す
るが寄生分布容量により感知部２６に伝達されてノイズ
になる交流(ａｃ)成分は相殺されるように相互反対の極
性を有するように印加する。即ち、二つのくし群のうち
一つの固定板２１ｂには信号反転用のインバータ２７を
連結し電源部２５の信号を反転させて印加する。この際
に伝達されるノイズは大きさが同じでその極性は反対で
あるが、伝達されたノイズ信号は相異なる位相を有す
る。従って、信号対ノイズ比が大きく改善される。
フロントページの続き (72)発明者 宋 基 武 大韓民国 京畿道 城南市 盆唐区 二梅 洞 99番地

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 両側にくし部を有する懸垂振動板と、 前記懸垂振動板の一側にそのくし部が噛み合った加振板
    と、 前記懸垂振動板の他側にそのくし部が噛み合った感知板
    と、 前記感知板を通して前記懸垂振動板の変位を前記懸垂振
    動板と感知板の間の容量により電圧の形で感知する感知
    手段と、 前記懸垂振動板を加振させる静電気力を前記加振板に与
    える電源部とを具備してなるくし型マイクロアクチュエ
    ータの静電駆動装置において、 前記加振板は二つのくし群に分離された第１加振板及び
    第２加振板を具備し、 前記電源部は電源及びインバータを具備し、前記第１加
    振板には前記電源を直接連結し前記第２加振板には前記
    インバータを通して前記電源を連結したことを特徴とす
    るくし型マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
  2. 【請求項２】 前記電源は交流電源及び直流電源が直列
    に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のくし型
    マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
  3. 【請求項３】 両側にくし部を有する懸垂振動板と、 前記懸垂振動板の一側のくし部にそのくし部が噛み合っ
    た加振板と、 前記懸垂振動板の他側のくし部にそのくし部が噛み合っ
    た感知板と、 前記感知板を通して前記懸垂振動板の変位を前記懸垂振
    動板と感知板の間の容量を電圧の形で感知する感知手段
    と、 前記懸垂振動板を加振させる静電気力を前記加振板に与
    える電源部とを具備してなるくし型マイクロアクチュエ
    ータの静電駆動装置において、 前記加振板は前記懸垂振動板の両側のくし部と噛み合う
    くし部を各々三つのくし群に分離して固定させた一側の
    第１，２，３固定板及び他側の第４，５，６固定板のう
    ち、前記懸垂振動板の一側の中央に位置した第２固定板
    及び他側の中央に位置した第５固定板から形成され、 前記感知板は前記一側の固定板のうち外側の第１固定板
    と第３固定板及び前記他側の固定板のうち外側の第４固
    定板と第６固定板から形成され、 前記電源部は電源及びインバータを具備し、前記第２固
    定板には前記電源を直接連結し前記第５固定板には前記
    インバータを通して前記電源を連結したことを特徴とす
    るくし型マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
  4. 【請求項４】 前記電源部において、前記電源は一つの
    交流電源及び第１，第２直流電源から構成され、前記第
    ２固定板には各々前記交流電源及び前記第１直流電源が
    直列に接続され、前記第５固定板には前記交流電源が前
    記インバータを経て接続され前記第２直流電源は直接接
    続されたことを特徴とする請求項３に記載のくし型マイ
    クロアクチュエータの静電駆動装置。
  5. 【請求項５】 前記感知手段は、前記一側の第１固定板
    及び第３固定板を短絡させてその一側の入力端子に接続
    し前記他側の第４固定板及び第６固定板を短絡させてそ
    の他側の入力端子に接続した差動増幅手段を更に具備し
    てなることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の
    くし型マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
  6. 【請求項６】 平面基板上に相互離隔され形成された第
    １及び第２加振板と、 前記第１及び第２加振板の間の前記基板上に形成された
    感知板と、 前記第１及び第２加振板及び前記感知板上に離隔され形
    成され基板に平行形成された平行型懸垂振動板と、 前記平行型懸垂振動板の変位を前記平行型懸垂振動板と
    感知板の間の離隔距離に応じる容量の変化により電圧の
    形で感知する感知手段と、 前記平行型懸垂振動板を加振させる静電気力を前記第１
    及び第２加振板に与える電源部とを具備してなる平行板
    型マイクロアクチュエータの静電駆動装置において、 前記電源部は電源及びインバータを具備し、前記第１加
    振板には前記電源を直接連結し前記第２加振板には前記
    インバータを通して前記電源を連結したことを特徴とす
    る平行板型マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
  7. 【請求項７】 前記電源は交流電源及び直流電源が直列
    に接続されたことを特徴とする請求項６に記載の平行板
    型マイクロアクチュエータの静電駆動装置。
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