JPH10325726A - 静電型振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電型振動アクチュエータにおいて、小さな
電圧で振動子を大きく振動させる。 【解決手段】 角速度センサ２１の振動子２６を矢示ａ
方向に振動させるために、くし型振動発生部３５を可動
側のくし状電極２７と固定側のくし状電極３１とから構
成し、平板型振動発生部３６を可動側の平板状電極２８
と固定側の平板状電極３２とから構成する。まず、くし
型振動発生部３５から発生する初期振動力により、平板
状電極２８，３２間の隙間を小さくする。そして、平板
状電極２８，３２間の接近により、平板型振動発生部３
６からは大きな追加振動力を発生し、初期振動力に引き
継ぎ振動子２６に大きな振動力を与える。これにより、
小さな電圧で振動子２６を大きく振動でき、角速度セン
サ２１の検出感度を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば角速度セン
サのように振動子を振動させるのに用いて好適な静電型
振動アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、静電型振動アクチュエータを用
いたものとして角速度センサが広く知られている。ここ
で、この角速度センサは、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向
において、振動子をある方向軸、例えばＸ軸に対して一
定の振動を与えた状態で、外部からＺ軸周りの回転力を
加えると、振動子にコリオリ力（慣性力）が作用して該
振動子はＹ軸方向に振動する。そして、このコリオリ力
に振動子のＹ軸方向の変位を圧電抵抗、静電容量等の変
化として検出するのが角速度センサである。その一例と
して、特開平６−１２３６３２号公報等に記載された両
持梁形式の角速度センサが知られている。

【０００３】そして、角速度センサでは、振動子に予め
一定方向の振動を与えておく必要があるが、この振動を
与えるための振動発生手段としてくし状電極を用いたく
し型振動発生手段と、平板状電極を用いた平板型振動発
生手段とが知られている。

【０００４】ここで、従来技術による両持梁式の角速度
センサのうち、くし型振動発生手段を用いた角速度セン
サについて、図５ないし図６を参照しつつ、説明する。

【０００５】１は角速度センサ、２は該角速度センサ１
の基台となる矩形状に形成された基板をそれぞれ示し、
該基板２は例えば高抵抗なシリコン材料によって形成さ
れている。

【０００６】３は基板２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドーピン
グされた低抵抗なポリシリコンまたは単結晶シリコン等
によって形成された可動部を示し、該可動部３は基板２
の四隅に位置して該基板２上に設けられた４個の支持部
４と、該各支持部４から中央部に向け、Ｘ軸と平行にな
る部分とＹ軸と平行になる部分を有するようにＬ字状に
折曲して形成された４本の支持梁５と、該各支持梁５に
よってＸ軸とＹ軸方向に変位可能に前記基板２の表面か
ら離間した状態で支持された矩形状の振動子６とからな
る。

【０００７】また、前記振動子６は、そのＸ軸方向とな
る左，右両側面には、それぞれ４枚の電極板７Ａからな
る可動側振動用くし状電極７，７が突出形成され、Ｙ軸
方向となる前，後両側面にはそれぞれ４枚の電極板８Ａ
からなる可動側検出用くし状電極８，８が突出形成され
ている。

【０００８】そして、可動部３は各支持部４のみが基板
２に固着され、各支持梁５と振動子６は前記基板２から
所定間隔を離間した状態で４点支持されている。また、
各支持梁５はＬ字状に形成されているから、Ｙ軸に平行
な部分を撓ませることにより振動子６をＸ軸方向に変位
させ、Ｘ軸に平行な部分を撓ませることにより振動子６
をＹ軸方向に変位させることができる。

【０００９】９，９は振動用固定部で、該各振動用固定
部９は振動子６を左，右両側で挟むように基板２上に設
けられている。

【００１０】１０，１０は固定側振動用くし状電極を示
し、該各固定側振動用くし状電極１０は、前記可動側振
動用くし状電極７の各電極板７Ａと隙間をもって交互に
対面するように、該各固定部９に突出形成された４枚の
電極板１０Ａからなる。

【００１１】１１，１１は検出用固定部で、該各検出用
固定部１１は振動子６を前，後両側で挟むように基板２
上に設けられている。

【００１２】１２，１２は固定側検出用くし状電極を示
し、該各固定側検出用くし状電極１２は、前記可動側検
出用くし状電極８の各電極板８Ａと隙間をもって交互に
対面するように、該各固定部１１に突出形成された４枚
の電極板１２Ａからなる。

【００１３】１３，１３はくし型振動発生手段となるく
し型振動発生部を示し、該各くし型振動発生部１３は可
動側振動用くし状電極７と固定側振動用くし状電極１０
とから構成され、該可動側のくし状電極７の各電極板７
Ａと、固定側のくし状電極１０の各電極板１０Ａとの間
にはそれぞれ等しい隙間が形成されている。ここで、可
動側のくし状電極７と固定側のくし状電極１０との間に
逆位相となる周波数ｆのパルス波または正弦波等の振動
駆動信号を印加すると、左，右に位置した各電極板７
Ａ，１０Ａ間には静電力が交互に発生し、各くし型振動
発生部１３で接近，離間を交互に繰り返す。これによ
り、各くし型振動発生部１３は、振動子６をＸ軸となる
矢示ａ方向に振動させる。

【００１４】１４，１４は変位検出部を示し、該各変位
検出部１４は可動側検出用くし状電極８と固定側検出用
くし状電極１２とから構成され、該可動側のくし状電極
８の各電極板８Ａと、固定側のくし状電極１２の各電極
板１２Ａとの間にはそれぞれ離間した空間が形成され、
該可動側のくし状電極８と固定側のくし状電極１２は、
検出用の平行平板コンデンサとして構成され、当該各変
位検出部１４は各電極板８Ａ，１２Ａ間の有効面積の変
化を静電容量の変化として検出する。

【００１５】このように構成される角速度センサ１にお
いては、各くし型振動発生部１３に逆位相となる周波数
ｆの振動駆動信号を印加すると、各電極板７Ａ，１０Ａ
間には静電力が左，右のくし型振動発生部１３，１３に
対して交互に作用し、振動子６はＸ軸となる矢示ａ方向
に接近，離間を繰返して振動する。

【００１６】この状態で角速度センサ１にＺ軸周りの角
速度Ωが加わると、Ｙ軸方向に下記の数２に示すような
コリオリ力（慣性力）Ｆが発生し、振動子６をＹ軸方向
に振動させる。

【００１７】ここで、各くし型振動発生部１３によって
振動子６をＸ軸方向に移動させる変位ｘとその速度ｖと
の関係は、次の数１によって表わされる。

【００１８】

【数１】 ｘ＝Ａｓｉｎωｔ ｖ＝Ａωｃｏｓωｔ 但し、Ａ ：振動子６の振幅 ω ：駆動モードの角周波数 ｔ ：時間

【００１９】さらに、振動子６をＸ軸方向に変位ｘ，速
度ｖで振動させたときに、Ｚ軸周りに加わる角速度Ωか
ら発生するＹ軸方向のコリオリ力Ｆは数２として表わさ
れる。

【００２０】

【数２】Ｆ＝２ｍΩｖ 但し、ｍ ：振動子６の質量

【００２１】そして、振動子６は数２のコリオリ力Ｆに
よってＹ軸方向に振動し、この振動子６による振動変位
を、各変位検出部１４では可動側のくし状電極８と固定
側のくし状電極１２との間の静電容量の変化として検出
し、Ｚ軸周りの角速度Ωを検出することができる。

【００２２】なお、各くし型振動発生部１３は、各電極
板７Ａからなる可動側のくし状電極７と、各電極板１０
Ａからなる固定側のくし状電極１０とから構成したか
ら、可動側のくし状電極７と固定側のくし状電極１０と
の間の対面する有効面積を大きく確保することができ
る。これにより、各くし型振動発生部１３に振動駆動信
号を印加したときには、各電極板７Ａ，１０Ａ間に発生
する静電力を大きくして振動子６を矢示ａ方向に大きく
振動させることができる。

【００２３】一方、各変位検出部１４は、各電極板８Ａ
からなる可動側のくし状電極８と、各電極板１２Ａから
なる固定側のくし状電極１２とから構成したから、該可
動側のくし状電極８と固定側のくし状電極１２との間の
対面する有効面積を大きくできる。これにより、振動子
２６のＹ軸方向への変位を、各変位検出部１４によって
静電容量の大きな変化として検出することができる。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術に
よる角速度センサ１のうち、くし型振動発生部を用いた
角速度センサは、角速度Ωの検出感度を高めようとする
と、前記数１と数２に示すように振動子６の振幅を大き
くすればよく、可動側のくし状電極７と固定側のくし状
電極１０からなる各くし型振動発生部１３によって発生
する静電力を大きくすればよいことがわかる。

【００２５】ここで、くし型振動発生部１３の可動側の
くし状電極７と固定側のくし状電極１０によって発生す
る静電力Ｆk は、数３によって表わされる。

【００２６】

【数３】 但し、ｎ ：電極板の数 ｄ ：電極板の厚さ ε ：雰囲気の誘電率 ｇ ：電極板間のギャップ Ｖ ：印加される電圧

【００２７】この静電力Ｆk を大きくしようとすると、
印加される電圧Ｖが一定の条件下では、電極板の数ｎを
増やす方法、電極板の厚さｄを大きくする方法、電極板
間のギャップｇを狭くする方法しかなく、シリコン材料
によって形成される角速度センサ１においては、電極板
間のギャップｇの寸法が限定されしまう。

【００２８】このため、静電力Ｆk を容易に高めること
ができず、振動用くし状電極７と１０を用いたくし型振
動発生部１３では振動子２６を大きく振動させることが
できないという問題がある。

【００２９】本発明は上述した従来技術の問題に鑑みな
されたもので、本発明は小さな電圧で振動子を大きく振
動させることのできる静電型振動アクチュエータを提供
することを目的としている。

【００３０】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１の発明による静電型振動アクチュエー
タは、基台上に位置して該基台に水平な所定軸方向に振
動可能に設けられた振動子と、可動側くし状電極と固定
側くし状電極とによって構成され、該振動子を所定軸方
向に初期振動力をもって振動を与えるくし型振動発生手
段と、可動側平板状電極と固定側平板状電極とによって
構成され、該くし型振動発生手段によって前記振動子に
初期振動を与えている状態で、前記振動子に追加振動力
をもって振動を与える平板型振動発生手段とから構成し
たことにある。

【００３１】このように構成することにより、くし型振
動発生手段と平板型振動発生手段に同じ電圧を印加する
と、まずくし型振動発生手段には初期振動力となる静電
力が発生する。振動子がこの初期振動力によって、可動
側平板状電極と固定側平板状電極との間の距離が近づく
と、平板型振動発生手段には２つの平板状電極間で追加
振動力となる静電力が発生し、この追加振動力が振動子
に加わる。これにより、くし型振動発生手段によって振
動子に初期振動力を与えると、平板型振動発生手段から
はこの初期振動を引き継ぐように、大きな追加振動を振
動子に与え、小さな電圧であっても振動子を大きく振動
させることができる。

【００３２】請求項２の発明では、くし型振動発生手段
の可動側くし状電極を振動子側に形成し、固定側くし状
電極を該可動側くし状電極と対向させる基台側に形成
し、平板型振動発生手段の可動側平板状電極を振動子側
に形成し、固定側平板状電極を該可動側平板状電極と対
向させて基台側に形成したことにある。

【００３３】このように構成することにより、可動側く
し状電極と固定側くし状電極との間、可動側平板状電極
と固定側平板状電極との間にそれぞれ電圧を印加する
と、くし型振動発生手段には初期振動力となる静電力が
発生する。振動子がこの初期振動力によって、可動側平
板状電極と固定側平板状電極と間の距離が近づくと、平
板型振動発生手段には２つの平板状電極間で追加振動力
となる静電力が発生し、この追加振動力が振動子に加わ
る。これにより、くし型振動発生手段によって振動子に
初期振動力を与えると、平板型振動発生手段からはこの
初期振動を引き継ぐように、大きな追加振動を振動子に
与え、小さな電圧であっても振動子を大きく振動させる
ことができる。

【００３４】請求項３の発明では、くし型振動発生手段
によって振動子に与える振幅は、平板型振動発生手段に
よって前記振動子に与える振幅の２／３以下となるよう
に電極間の離間寸法を設定したことにある。

【００３５】このように構成することにより、まずくし
型振動発生手段によって静電力（初期振動力）が発生し
て振動子に初期振動を与え、これが起因となって平板型
振動発生手段を構成する可動側平板状電極と固定側平板
状電極との間の距離が近づくと、該平板型振動発生手段
によって発生する静電力（追加振動力）が振動子に加わ
って、振動子を大きな力で振動させる。このとき、くし
型振動発生手段による振動子の振幅を平板型振動発生手
段による振動子の振幅の２／３以下になるように離間寸
法を設定しているから、平板型振動発生手段の平板状電
極が２／３近づく前にくし型振動発生手段を接触させる
ことによって、該くし型振動発生手段を平板型振動発生
手段に対するストッパとして機能させることができる。

【００３６】請求項４の発明では、平板型振動発生手段
を、可動側平板状電極の表面を三角波状に形成し、かつ
該可動側平板状電極と対向する固定側平板状電極の表面
も、三角波状に形成したことにある。

【００３７】このように構成することにより、平板型振
動発生手段による各平板状電極間の有効面積を大きく確
保でき、静電力を増大させることができる。

【００３８】

【発明の実施の形態】以下、本発明による実施の形態
を、図１ないし図４の図面に従って詳細に説明する。な
お、実施の形態では前述した従来技術と同一の構成要素
に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

【００３９】まず、図１と図２に第１の実施例に本発明
による振動アクチュエータを用いた角速度センサを示
し、２１は本実施例による角速度センサ、２２は該角速
度センサ２１の基台となる長方形状に形成された基板を
それぞれ示し、該基板２２は例えば高抵抗なシリコン材
料によって形成されている。

【００４０】２３は基板２２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドー
ピングされた低抵抗なポリシリコンまたは単結晶シリコ
ン等によって形成された可動部を示し、該可動部２３は
基板２２の四隅に位置して該基板２２上に設けられた４
個の支持部２４と、基端側が該各支持部２４に固着され
て先端側が中央部に向け、Ｘ軸と平行になる部分とＹ軸
と平行になる部分を有するようにＬ字状に折曲して形成
された４本の支持梁２５と、該各支持梁２５の先端側に
位置してＸ軸とＹ軸方向に変位可能に、前記基板２２の
表面から離間した状態で支持された棒状の振動子２６と
から構成されている。

【００４１】また、前記振動子２６は、Ｘ軸方向に延び
る棒状に形成され、そのＸ軸方向の左，右両側には、
左，右に２個ずつで合計４個の可動側振動用くし状電極
２７がＹ軸方向外側に向けて突出形成され、前記振動子
２６の両端部には可動側振動用平板状電極２８がＹ軸方
向に延びるように形成されている。また、振動子２６の
中央部には、Ｙ軸方向外側に延びる６枚の電極板２９Ａ
からなる可動側検出用くし状電極２９，２９が突出形成
されている。

【００４２】ここで、前記各可動側振動用くし状電極２
７は、振動子２６からＹ軸方向外側に向けて形成された
腕部２７Ａと、該腕部２７Ａに均等間隔でＸ軸方向外側
に向けてそれぞれ形成された７枚の電極板２７Ｂとから
構成されている。ここで、該各可動側振動用くし状電極
２７は、後述するくし型振動発生部３５の可動側電極と
なる。

【００４３】また、振動子２６の両端部に位置した可動
側振動用平板状電極２８は、後述する平板型振動発生部
３６の可動側電極となる。

【００４４】そして、前記可動部２３は、各支持部２４
のみが基板２２に固着され、各支持梁２５と振動子２６
は前記基板２２から所定間隔を離間した状態で４点支持
されている。また、各支持梁２５はＬ字状に形成されて
いるから、Ｙ軸に平行な部分を撓ませることにより振動
子２６をＸ軸方向に変位させ、Ｘ軸に平行な部分を撓ま
せることにより振動子２６をＹ軸方向に変位させること
ができる。

【００４５】３０，３０は基板２２の左，右両側位置に
固定して設けられた振動用固定部で、該各振動用固定部
３０は振動子２６を左，右両側に位置して略コ字状に形
成されている。また、該各振動用固定部３０は後述する
固定側振動用くし状電極３１を固定的に支持し、また固
定側振動用平板状電極３２の一部を構成している。

【００４６】３１，３１，…は振動用固定部３０のコ字
状部先端に設けられた固定側振動用くし状電極を示し、
該各固定側振動用くし状電極３１は、前記可動側振動用
くし状電極２７の各電極板２７Ｂと隙間をもって交互に
対面して前記固定部３０の両側先端部に位置してＹ軸方
向の中央に向けて延びる腕部３１Ａと、該腕部３１Ａに
均等間隔でＸ軸方向内側にそれぞれ延びる６枚の電極板
３１Ｂとからなり、該各固定側振動用くし状電極３１は
くし型振動発生部３５の固定側電極を構成している。

【００４７】３２，３２は振動用固定部３０のうち可動
側振動用平板状電極２８と対面する平面をもって形成さ
れた固定側振動用平板状電極で、該各固定側振動用平板
状電極３２は前記可動側振動用平板状電極２８と平行状
態で対向し、該各固定側振動用平板状電極３２は平板型
振動発生部３６の固定側電極を構成している。

【００４８】３３，３３は検出用固定部で、該各検出用
固定部３３は振動子２６を前，後両側で挟むように基板
２２上に固定して設けられている。

【００４９】３４，３４は固定側検出用くし状電極を示
し、該各固定側検出用くし状電極３４は、前記可動側検
出用くし状電極２９の各電極板２９Ａと隙間をもって交
互に対面するように、該各固定部３３からＹ軸方向に突
出形成された５枚の電極板３４Ａから構成されている。

【００５０】３５，３５はくし型振動発生手段となるく
し型振動発生部を示し、該くし型振動発生部３５は可動
側振動用くし状電極２７と固定側振動用くし状電極３１
とから構成されている。ここで、該可動側のくし状電極
２７の各電極板２７Ｂと、固定側のくし状電極３１の各
電極板３１Ｂとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成され
ている。そして、固定側のくし状電極３１の電極板３１
Ｂ先端と可動側のくし状電極２７の腕部２７Ａとの間の
距離、可動側のくし状電極２７の電極板２７Ｂ先端と固
定側のくし状電極３１の腕部３１Ａとの間の距離は、振
動子２６の振幅を機械的に規制する離間寸法ｄ1 に設定
されている。

【００５１】ここで、くし型振動発生部３５では、可動
側のくし状電極２７と固定側のくし状電極３１との間に
逆位相となる周波数ｆの正弦波または方形波からなる振
動駆動信号を印加すると、左，右に位置した各電極板２
７Ｂ，３１Ｂ間には静電力が発生し、左，右に位置した
各振動発生部３５で接近，離間を交互に繰り返す。これ
により、振動子２６をＸ軸となる矢示ａ方向に振動させ
る。

【００５２】３６，３６は平板型振動発生手段となる平
板型振動発生部を示し、該各平板型振動発生部３６は可
動側振動用平板状電極２８と固定側振動用平板状電極３
２とから構成されている。そして、可動側の平板状電極
２８と固定側の平板状電極３２との間は等しい離間寸法
ｄ2 を有し、この離間寸法ｄ2 は各振動発生部３６によ
る振動子２６の振幅を機械的に規制する距離に設定され
ている。

【００５３】ここで、平板型振動発生部３６では、可動
側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２との間に
逆位相となる周波数ｆの振動駆動信号を印加すると、
左，右に位置した可動側の平板状電極２８と固定側の平
板状電極３２との間には静電力が交互に発生し、各振動
発生部３６で接近，離間を交互に繰り返す。これによ
り、振動子２６をＸ軸をなす矢示ａ方向に振動させるよ
うになっている。

【００５４】３７，３７は変位検出部を示し、該各変位
検出部３７は可動側検出用くし状電極２９と固定側検出
用くし状電極３４とから構成されている。そして、可動
側のくし状電極２９の各電極板２９Ａと、固定側のくし
状電極３４の各電極板３４Ａとの間にはそれぞれ離間し
た空間が形成され、該可動側のくし状電極２９と固定側
のくし状電極３４は、検出用の平行平板コンデンサとな
している。従って、各変位検出部３７は、Ｙ軸方向の振
動子２６の変位を、各電極板２９Ａ，３４Ａ間の有効面
積の変化を静電容量の変化として検出するものである。

【００５５】次に、前記各くし型振動発生部３５による
振動子２６の振幅を規定する離間寸法ｄ1 と、各平板型
振動発生部３６による振動子２６の振幅を規定する離間
寸法ｄ2 との関係について説明する。

【００５６】まず、くし型振動発生部３５から発生する
静電力Ｆk は、数３のようになり、くし型振動発生部３
５は離間寸法ｄ1 に関係なく常に一定の静電力Ｆk を可
動側のくし状電極２７と固定側のくし状電極３１との間
に発生する。

【００５７】次に、平板型振動発生部３６に電圧Ｖを印
加したときに発生する静電力Ｆh は、数４のようにな
り、可動側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２
との間のギャップδから振動子２６の変位ｘを差算した
ものが実際のギャップとなるから、これを考慮すると、
静電力Ｆh は下記の数４のようになる。

【００５８】

【数４】

【００５９】また、振動子２６は支持梁２５を介して支
持部２４に弾性的に支持されているから、可動する振動
子２６には常にばね力Ｗが作用することになる。従っ
て、このばね力Ｗは、下記数５によって表わされる。

【００６０】

【数５】Ｗ＝ｋｘ 但し、ｋ ：ばね定数 ｘ ：変位（ばねの伸び）［０≦ｘ≦δ］

【００６１】従って、平板型振動発生部３６から発生す
る数５で表わされる静電力Ｆh と、数５で表わされるば
ね力Ｗとの関係から、数６のようになる。

【００６２】

【数６】 そして、数７により変位ｘの極限値を求めると、ｘ＝
０，δ／３となる。この時、極値δ／３を数６に代入し
て整理したときの値は数７の左辺のようになり、またば
ね力Ｗと静電力Ｆh が釣り合うための条件は、数７とな
る。

【００６３】

【数７】

【００６４】この数７の条件のときに、変位ｘは２解を
持ち、この２解のうち、大きい解よりも変位すると静電
力Ｆh がばね力Ｗに打ち勝って、各平板状電極が接触す
る。この大きい値を求めると、およそギャップδの２／
３となる。

【００６５】なお、実施例においては、ギャップδは可
動側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２との離
間寸法はｄ2 となり、振動子２６の振動に伴う実際の離
間寸法は（ｄ2 −ｘ）となる。

【００６６】従って、平板型振動発生部３６では、可動
側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２との離間
寸法ｄ2 が２ｄ2 ／３だけ変化すると、静電力Ｆh がば
ね力Ｗより勝り、可動側の平板状電極２８と固定側の平
板状電極３２が接触することになる。このため、平板型
振動発生部３６においては、振動子２６が離間寸法ｄ2
の２／３以上変位しないようにするストッパ機構が与え
る必要がある。

【００６７】本実施例では、上述したように平板型振動
発生部３６の特性を踏まえた上で、くし型振動発生部３
５による離間寸法ｄ1 を、下記数８のように設定する。

【００６８】

【数８】

【００６９】これにより、くし型振動発生部３５では、
平板型振動発生部３６から発生する静電力Ｆh によっ
て、離間寸法ｄ2 が２／３よりも変化して可動側の平板
状電極２８と固定側の平板状電極３２とが一気に接触し
ようとする前に、くし型振動発生部３５の可動側のくし
状電極２７と固定側のくし状電極３１とを接触させるこ
とができ、該くし型振動発生部３５は平板型振動発生部
３６のストッパ機構として用いることができる。

【００７０】しかも、くし型振動発生部３５において
は、可動側のくし状電極２７の電極板２７Ｂ先端が固定
側のくし状電極３１の腕部３１Ａに接触し、固定側のく
し状電極３１の電極板３１Ｂ先端が可動側のくし状電極
２７の腕部２７Ａに接触するだけであり、その接触面積
は小さくなっているから、短絡は防止できる。

【００７１】さらに、振動子２６の左，右にはくし型振
動発生部３５がそれぞれ配設され、該各くし型振動発生
部３５には交互に振動駆動信号が印加されるため、右側
に位置したくし型振動発生部３５が接触するときには、
右側に位置した振動発生部３５，３６への電圧は低減
し、左側に位置した振動発生部３５，３６への電圧は増
加しているから、右側は静電力が低減し、左側は静電力
が増加する。このため、くし型振動発生部３５では、可
動側の電極板２７Ｂと固定側の電極板３１Ｂとの先端が
接触するかしないか程度で離間でき、電気的な短絡を防
止できる。

【００７２】本実施例による角速度センサ２１はこのよ
うに構成されるが、前述した従来技術と同様に、振動子
２６を矢示ａ方向に振動させた状態で、Ｚ軸周りの角速
度Ωが加わると、コリオリ力Ｆによって振動子２６がＦ
方向に変位し、この変位を変位検出部３７をなす検出用
くし状電極２９，３４との間の静電容量の変化として検
出することができる。従って、角速度Ωの検出動作につ
いては従来技術と変わるところはない。

【００７３】然るに、本実施例では、振動子２６に振動
を与える振動発生手段を、可動側のくし状電極２７と固
定側のくし状電極３１とからなるくし型振動発生部３５
と、可動側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２
とからなる平板型振動発生部３６とから構成している。
そして、くし型振動発生部３５を構成する可動側のくし
状電極２７と固定側のくし状電極３１との間に電圧を印
加すると、該くし型振動発生部３５からは振動子２６の
変化に拘らず一定の静電力Ｆk となる初期振動力を発生
する。そして、振動子２６がこの初期振動力によって、
可動側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２との
間の距離が近づくと、平板型振動発生部３６には可動側
の平板状電極２８と固定側の平板状電極３２との間に、
離間寸法ｄ2 の変位によって変化する静電力Ｆk を追加
振動力として発生し、振動子２６にこの追加振動力を与
える。

【００７４】これにより、くし型振動発生部３５と平板
型振動発生部３６に電圧を印加すると、まずくし型振動
発生部３５から発生する静電力Ｆk （初期振動力）によ
って振動子２６を変位させ、可動側の平板状電極２８と
固定側の平板状電極３２との離間寸法ｄ2 を小さくす
る。このとき、平板型振動発生部３６から発生する静電
力Ｆh （追加振動力）は、数５に示すように振動子２６
の接近に伴って指数的に大きくなり、この静電力Ｆh に
より振動子２６を矢示ａ方向に大きく振動させることが
できる。

【００７５】しかも、平板型振動発生部３６は、くし型
振動発生部３５で振動子２６を近づけることにより静電
力Ｆh を大きくし、振動子２６を大きく振動させるよう
にしたから、平板型振動発生部３６において振動子２６
を近づけるために必要であった大きな電圧は必要なく、
小さな電圧であってもくし型振動発生部３５の初期振動
力によって振動子２６を容易に近づけ、その後に平板型
振動発生部３６の追加振動力によって大きく振動させる
ことができる。

【００７６】また、振動子２６を中心として、左，右に
くし型振動発生部３５と平板型振動発生部３６とをそれ
ぞれ配設したから、左，右に位置したくし型振動発生部
３５と平板型振動発生部３６に振動駆動信号を交互に印
加することにより、振動子２６の駆動力を増加させ、振
動子２６をＸ軸方向に大きな振幅で振動させることがで
きる。

【００７７】また、くし型振動発生部３５の可動側のく
し状電極２７と固定側のくし状電極３１との離間寸法ｄ
1 と平板型振動発生部３６の振動用可動側の平板状電極
２８と固定側の平板状電極３２との離間寸法ｄ2 との関
係は数８のように設定したから、この離間寸法の関係か
ら、くし型振動発生部３５と平板型振動発生部３６によ
り規制される振動子２６の振幅を大きくすることができ
る。

【００７８】しかも、振動子２６がａ方向に振動して平
板型振動発生部３６による離間寸法ｄ2 が２ｄ2 ／３以
上に変化しそうになったときには、くし型振動発生部３
５では、可動側のくし状電極２７の電極板２７Ｂ先端が
固定側のくし状電極３１の腕部３１Ａに接触し、固定側
のくし状電極３１の電極板３１Ｂ先端が可動側のくし状
電極２７の腕部２７Ａに接触し、振動子２６の変位を規
制することができる。

【００７９】これにより、平板型振動発生部３６に対し
ては、可動側の平板状電極２８と固定側の平板状電極３
２とが一気に接触するのを防止でき、短絡を防止できる
と共に、可動部２３等の破損を防止できる。

【００８０】かくして、本実施例による角速度センサ２
１では、小さな電圧で振動子２６をＸ軸方向に大きく振
動させることにより、前記数１と数２に示すように、振
動子２６に加わるコリオリ力Ｆを大きくし、さらに振動
子２６のＹ軸方向の変位を大きくして、Ｚ軸周りに加わ
る角速度Ωを高精度に検出することができる。

【００８１】次に、図３と図４に本発明による第２の実
施例を示すに、本実施例の特徴は、くし状電極のくし型
振動発生手段を振動子の両側に４個ずつ配設し、平板型
振動発生手段をなす平板状電極の表面形状を三角波状の
凹凸状に形成したことにある。なお、本実施例では前述
した第１の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付
し、その説明を省略するものとする。

【００８２】４１は本実施例による角速度センサ、４２
は該角速度センサ４１の基台となる長方形状に形成され
た基板をそれぞれ示し、該基板４２は例えば高抵抗なシ
リコン材料によって形成されている。

【００８３】４３は基板２２上にＰ，Ｂ，Ｓｂ等がドー
ピングされた低抵抗なポリシリコンまたは単結晶シリコ
ン等によって形成された可動部を示し、該可動部４３は
基板４２の四隅に位置して該基板４２上に設けられた４
個の支持部４４と、基端側が該各支持部４４に固着され
て先端側が中央部に向き、Ｘ軸と平行になる部分とＹ軸
と平行になる部分を有するようにＬ字状に折曲して形成
された４本の支持梁４５と、該各支持梁４５の先端側に
位置してＸ軸とＹ軸方向に変位可能に、前記基板４２の
表面から離間した状態で支持された棒状の振動子４６と
から構成されている。

【００８４】ここで、前記振動子４６は、Ｘ軸方向に延
びる棒状に形成され、そのＸ軸方向の左，右両側には、
左，右に４個ずつで合計８個の可動側振動用くし状電極
４７がＹ軸方向外側に向けて突出形成され、前記振動子
４６の両端部には可動側振動用平板状電極４８がＹ軸方
向に延びるように形成されている。また、前記振動子４
６の中央部には、Ｙ軸方向外側に延びる８個の可動側検
出用くし状電極４９が突出形成されている。

【００８５】また、前記各可動側振動用くし状電極４７
は、振動子４６からＹ軸方向外側に向けて形成された腕
部４７Ａと、Ｙ軸方向に延びる該腕部４７Ａに均等間隔
でＸ軸方向外側に向けてそれぞれ形成された７枚の電極
板４７Ｂとから構成されている。ここで、該各可動側振
動用くし状電極４７は、後述するくし型振動発生部５５
の可動側電極を構成している。

【００８６】また、振動子４６の両端部に位置した前記
可動側振動用平板状電極４８は、その側面が三角波状の
凹凸状に形成され、後述する平板型振動発生部５６の可
動側電極を構成している。

【００８７】さらに、前記各可動側検出用くし状電極４
９は、振動子４６からＹ軸方向外側に向けて形成された
腕部４９Ａと、Ｙ軸方向に延びる該各腕部４９Ａに均等
間隔でＸ軸方向に向けてそれぞれ形成された６枚の電極
板４９Ｂとからなる。ここで、該各可動側検出用くし状
電極４９は後述する変位検出部５７の可動側電極を構成
している。

【００８８】そして、可動部４３は各支持部４４のみが
基板４２に固着され、各支持梁４５と振動子４６は前記
基板４２から所定間隔を離間した状態で４点支持されて
いる。また、各支持梁４５はＬ字状に形成されているか
ら、Ｙ軸に平行な部分を撓ませることにより振動子４６
をＸ軸方向に変位させ、Ｘ軸に平行な部分を撓ませるこ
とにより振動子４６をＹ軸方向に変位させることができ
る。

【００８９】５０，５０は基板４２の左，右力側位置に
固定して設けられた振動用固定部で、該各振動用固定部
５０は振動子４６を左，右両側に位置した略コ字状に形
成されている。そして、この振動用固定部５０は後述の
固定側振動用くし状電極５１を固定的に支持し、また固
定側振動用平板状電極５２の一部を構成している。

【００９０】５１，５１，…は振動用固定部５０のコ字
状部先端に設けられた固定側振動用くし状電極を示し、
該各固定側振動用くし状電極５１は、前記可動側振動用
くし状電極４７の各電極板４７Ｂと隙間をもって交互に
対面して前記固定部５０の両側先端部に位置してＹ軸方
向の中央に向けて延びる腕部５１Ａと、該腕部５１Ａに
均等間隔でＸ軸方向内側にそれぞれ延びる６枚の電極板
５１Ｂとからなり、該各固定側振動用くし状電極５１は
くし型振動発生部５５の固定側電極を構成している。

【００９１】５２，５２は振動用固定部５０のうち可動
側振動用平板状電極４８と対面する平面をもって形成さ
れた固定側振動用平板状電極で、該各固定側振動用平板
状電極５２は前記可動側振動用平板状電極４８と平行状
態で対向し、それぞれその表面は三角波状に形成されて
いる。また、該各固定側振動用平板状電極５２は平板型
振動発生部５６の固定側電極を構成している。

【００９２】５３，５３は検出用固定部で、該各検出用
固定部５３は振動子４６を前，後両側で挟むように基板
４２上に固定して設けられている。

【００９３】５４，５４，…は固定側検出用くし状電極
を示し、該各固定側検出用くし状電極５４は、各検出用
固定部５３からＹ軸方向の中央に向けて延びる４本の腕
部５４Ａと、該腕部５４Ａに均等間隔でＸ軸方向内側に
それぞれ延びる６枚の電極板５４Ｂとからなり、該各固
定側検出用くし状電極５４は変位検出部５７の固定側電
極を構成している。

【００９４】５５，５５，…はくし型振動発生手段とな
るくし型振動発生部を示し、該各振動発生部５５は可動
側振動用くし状電極４７と固定側振動用くし状電極５１
とから構成されている。ここで、該可動側のくし状電極
４７の各電極板４７Ｂと、固定側のくし状電極５１の各
電極板５１Ｂとの間にはそれぞれ等しい隙間が形成され
ている。そして、固定側のくし状電極５１の電極板５１
Ｂ先端と可動側のくし状電極４７の腕部４７Ａとの間の
距離、可動側のくし状電極４７の電極板４７Ｂ先端と固
定側のくし状電極５１の腕部５１Ａとの間の距離、振動
子４６の振幅を機械的に規制する離間寸法ｄ3 に設定さ
れている。

【００９５】ここで、くし型振動発生部５５では、可動
側のくし状電極４７と各固定側のくし状電極５１との間
に逆位相となる周波数ｆの正弦波または方形波からなる
振動駆動信号を印加すると、前，後に位置した各電極板
４７Ｂ，５１Ｂ間には静電力が発生し、左，右に位置し
た各振動発生部５５で接近，離間を交互に繰り返す。こ
れにより、振動子４６をＸ軸となる矢示ａ方向に振動さ
せる。

【００９６】５６，５６は平板型振動発生手段となる平
板型振動発生部を示し、該各平板型振動発生部５６は可
動側振動用平板状電極４８と固定側振動用平板状電極５
２とから構成されている。そして、可動側の平板状電極
４８と固定側の平板状電極５２との間は等しい離間寸法
ｄ4 を有し、この離間寸法ｄ4 は各振動発生部５６によ
る振動子４６の振幅を機械的に規制する距離に設定され
ている。

【００９７】ここで、平板型振動発生部５６では、可動
側の平板状電極４８と固定側の平板状電極５２との間に
逆位相となる周波数ｆの振動駆動信号を印加すると、
左，右に位置した可動側の平板状電極４８，５２間には
静電力が交互に発生し、各振動発生部５６で接近，離間
を交互に繰り返す。これにより、振動子４６をＸ軸をな
す矢示ａ方向に振動させるようになっている。

【００９８】５７，５７，…は変位検出手段となる変位
検出部を示し、該各変位検出部５７は可動側のくし状電
極４９と固定側のくし状電極５４とから構成されてい
る。そして、該可動側のくし状電極４９の各電極板４９
Ｂと固定側のくし状電極５４の各電極板５４Ｂとの間に
はそれぞれ離間した空間が形成され、該可動側のくし状
電極４９と固定側のくし状電極５４は検出用の平行平板
コンデンサをなしている。従って、変位検出部５７は、
Ｙ軸方向の振動子４６の変位を各電極板４９Ｂ，５４Ｂ
間の有効面積の変化、即ち静電容量の変化として検出す
るものである。

【００９９】ここで、前記各くし型振動発生部５５によ
る振動子４６の振幅を規定する離間寸法ｄ3 と、各平板
型振動発生部５６による振動子４６の振幅を規定する離
間寸法ｄ4 との関係については、前述した第１の実施例
と同様に、下記数９のように設定されている。

【０１００】

【数９】

【０１０１】本実施例による角速度センサ４１はこのよ
うに構成されるが、前述した第１の実施例と同様に、振
動子４６を矢示ａ方向に振動させた状態で、Ｚ軸周りの
角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆによって振動子４６
がＦ方向に変位し、この変位を変位検出部５７をなす可
動側のくし状電極４９と固定側のくし状電極５４との間
の静電容量の変化として検出することができる。

【０１０２】また、第２の実施例においても、第１の実
施例と同様に、各くし型振動発生部５５から発生する初
期振動力で振動子４６を変位させ、平板型振動発生部５
６では離間寸法ｄ4 を小さくすることにより、該平板型
振動発生部５６から発生する静電力Ｆh （追加振動力）
を大きくし、振動子４６を矢示ａ方向に大きく振動させ
ることができる。これにより、角速度センサ４１の検出
感度を高めることができる。

【０１０３】しかも、くし型振動発生部５５の離間寸法
ｄ3 と平板型振動発生部５６のｄ4との関係を、数９の
ように設定することにより、各くし型振動発生部５５
は、平板型振動発生部５６から発生する静電力Ｆh によ
って、離間寸法ｄ4 が２／３よりも変位して振動側の平
板状電極４８と固定側の平板状電極５２とが接触する前
に、各くし型振動発生部５５を構成する振動用のくし状
電極４７と固定側のくし状電極５１とを接触させて、平
板型振動発生部５６のストッパとして使用することがで
き、振動発生部５６，支持梁４５等の破損を防止するこ
とができる。

【０１０４】また、くし状電極からなるくし型振動発生
部５５の個数を左，右に４個ずつ配設し、平板状電極か
らなる平板型振動発生部５６を構成する可動側の平板状
電極４８と固定側の平板状電極５２との表面を三角波状
にしたから、各くし型振動発生部５５による静電力Ｆk
と平板型振動発生部５６による静電力Ｆh とを大きく
し、振動子４６における振幅を大きくして、角速度セン
サ４１の検出感度をより高めることができる。

【０１０５】なお、第１実施例の平板型振動発生部３６
に第２実施例による平板状電極の表面を三角波状にした
平板型振動発生部５６を用いてもよく、逆に第２の実施
例による平板型振動発生部５６に平板状電極の表面を平
面とした平板型振動発生部３６を用いてもよい。

【０１０６】また、第２の実施例では、くし型振動発生
部５５を左，右に４個ずつ配設したが、これに限らず、
左，右に２個、６個，…を設けるようにしてもよく、変
位検出部５７においても上，下に４個ずつ配設したが、
上，下に１個，２個，３個，…を設けるようにしてもよ
いことは勿論である。

【０１０７】

【発明の効果】以上詳述した如く、請求項１の本発明に
よれば、振動子を所定軸方向に変位させるための振動発
生手段を、振動子の所定軸方向に初期振動力をもって振
動を与えるくし型振動発生手段と、該くし型振動発生手
段によって振動子に初期振動を与えている状態で、振動
子に追加振動力をもって振動を与える平板型振動発生手
段とから構成したから、くし型振動発生手段と平板型振
動発生手段に同じ電圧を印加すると、まずくし型振動発
生手段によって発生する静電力が初期振動力として発生
し、この初期振動によって、可動側平板状電極と固定側
平板状電極との間の距離を近づける。このように、くし
状振動発生手段によって振動子に初期振動を与えると、
平板型振動発生手段がこの初期振動を引き継ぐように、
大きな追加振動を振動子に与え、小さな電圧であっても
振動子を大きく振動させることができる。従って、角速
度センサの振動子を振動させる振動アクチュエータに用
いた場合には、小さな電圧で振動子を大きく振動させる
ことにより、角速度の検出感度を高めることができる。

【０１０８】請求項２の発明では、くし型振動発生手段
の可動側くし状電極を振動子側に形成し、固定側くし状
電極を基台側に形成し、平板型振動発生手段の可動側平
板状電極を振動子側に形成し、固定側平板状電極を基台
側に形成したから、可動側くし状電極と固定側くし状電
極との間、可動側平板状電極と固定側平板状電極との間
に電圧を印加すると、くし型振動発生手段をなすくし状
電極間には、初期振動力となる静電力が発生し、可動側
平板状電極と固定側平板状電極との間の距離が近づく。
これにより、平板型振動発生手段では、振動子に追加振
動力を与え、振動子を大きく振動させる。これにより、
小さな電圧であっても振動子を大きく振動させることが
できる。

【０１０９】請求項３の発明では、くし型振動発生手段
による振動子の振幅を、平板型振動発生手段による振動
子の振幅の２／３以下となるように電極間の離間寸法を
設定したから、平板型振動発生手段によって発生する静
電力で振動子を引き寄せるとき、くし型振動発生手段に
よるくし状電極を接触させて、平板型振動発生手段によ
る平板状電極の接触を防止できる。

【０１１０】請求項４の発明では、平板型振動発生手段
を構成する可動側平板状電極の表面と固定側平板状電極
の表面を、三角波状に形成したから、平板型振動発生手
段による各平板状電極間の有効面積を大きく確保でき、
静電力を増大でき、振動子をより大きく振動させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例による角速度センサを示す平面図
である。

【図２】図１中の振動発生部を示す要部拡大図である。

【図３】第２の実施例による角速度センサを示す平面図
である。

【図４】図３中の振動発生部を示す要部拡大図である。

【図５】従来技術による角速度センサを示し斜視図であ
る。

【図６】従来技術による角速度センサを示す平面図であ
る。

【符号の説明】

２１，４１ 角速度センサ ２２，４２ 基板（基台） ２３，４３ 可動部 ２６，４６ 振動子 ２７，４７ 可動側振動用くし状電極 ２８，４８ 可動側振動用平板状電極 ３１，５１ 固定側振動用くし状電極 ３２，５２ 固定側振動用平板状電極 ３５，５５ くし型振動発生部（くし型振動発生手段） ３６，５６ 平板型振動発生部（平板型振動発生手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基台上に位置して該基台に水平な所定軸
   方向に振動可能に設けられた振動子と、可動側くし状電
   極と固定側くし状電極とによって構成され、該振動子を
   所定軸方向に初期振動力をもって振動を与えるくし型振
   動発生手段と、可動側平板状電極と固定側平板状電極と
   によって構成され、該くし型振動発生手段によって前記
   振動子に初期振動を与えている状態で、前記振動子に追
   加振動力をもって振動を与える平板型振動発生手段とか
   ら構成してなる静電型振動アクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記くし型振動発生手段の可動側くし状
   電極は振動子側に形成し、固定側くし状電極は該可動側
   くし状電極と対向させる基台側に形成し、前記平板型振
   動発生手段の可動側平板状電極は振動子側に形成し、固
   定側平板状電極は該可動側平板状電極と対向させる基台
   側に形成してなる請求項１記載の静電型振動アクチュエ
   ータ。
3. 【請求項３】 前記くし型振動発生手段によって振動子
   に与える振幅は、前記平板型振動発生手段によって前記
   振動子に与える振幅の２／３以下となるように電極間の
   離間寸法を設定してなる請求項１または２記載の静電型
   振動アクチュエータ。
4. 【請求項４】 前記平板型振動発生手段は、可動側平板
   状電極の表面を三角波状に形成し、かつ該可動側平板状
   電極と対向する固定側平板状電極の表面も、三角波状に
   形成してなる請求項１，２または３記載の静電型振動ア
   クチュエータ。