(57)【特許請求の範囲】
【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。
【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。
【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、
前記電源部は交流電源、インバータ、及び二つの直流電源を具備し、一方の前記直流電源は前記第２固定板に直接印加し、他方の前記直流電源は前記第５固定板に直接印加し、前記交流電源は前記第２固定板には前記インバータを連結して反転された信号が印加されるようにし、前記第５固定板には元の信号がそのまま印加されるように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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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(Micromechanical 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 Interferometer)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ＡＣ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】
0003785261.tif 000002
【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。
【００１２】
【数２】
0003785261.tif 000003
【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。
【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、前記電源部は交流電源、インバータ、及び二つの直流電源を具備し、一方の前記直流電源は前記第２固定板に直接印加し、他方の前記直流電源は前記第５固定板に直接印加し、前記交流電源は前記第２固定板には前記インバータを連結して反転された信号が印加されるようにし、前記第５固定板には元の信号がそのまま印加されるようにしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明は、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。
【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。
【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ＶD２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４１ａ，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，４２ｂを感知板とする。従って、両側の加振板４１ａ，４２ａ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２ω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４３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。
【図１】
0003785261.tif 000004
【図２】
0003785261.tif 000005
【図３】
0003785261.tif 000006
【図４】
0003785261.tif 000007
【図５】
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【図６】
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