(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極はフィンガ型であり、前記慣性体の振動により相互に挿入可能であり、前記有効剛性制御用電極は前記第２の支持端からｘ1 の長さに延びる略テーパ状の曲線部と該曲線部の終了地点から電極の端部まで延びる直線部とを有し、
前記移動電極から前記有効剛性制御用電極の前記直線部までの距離をｓ0 、前記第２支持端における前記移動電極から前記有効剛性制御用電極までの距離をｓ1 とするとき、前記慣性体の変位ｘに対する前記移動電極から前記有効剛性制御用電極の曲線部までの距離ｓは、
【数１】
0003816996.tif 000011
の式で与えられることを特徴とする振動構造物。
【請求項２】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記移動電極は半径ｒi を有する棒形であり、前記有効剛性制御用電極はテーパ状に環状の断面を有するテーパ状に形成された中空の円筒であり、
前記慣性体の振動により前記移動電極は前記有効剛性制御用電極内に挿入可能であり、
前記慣性体の変位をｘとし、前記有効剛性制御用電極の内径と前記移動電極の半径ｒi との差をｓとするとき、前記有効剛性制御用電極の全体長をｘ1 、前記有効剛性制御用電極の端部における前記有効剛性制御用電極の内径と前記移動電極の半径ｒi との差をｓ0 、前記第２の支持端における前記有効剛性制御用電極の内径と移動電極の半径との差をｓ1 とすると、
【数２】
0003816996.tif 000012
の式を満たすことを特徴とする振動構造物。
【請求項３】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極は複数のフィンガ型であり、前記慣性体の振動により相互に挿入可能であり、前記有効剛性制御用電極の各フィンガは長さが同一であり、前記移動電極のフィンガは一端が相互に連結され、前記移動電極の最長フィンガの長手方向に対して線対称の形状を有することを特徴とする振動構造物。
【請求項４】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極は平板型であり所定の距離に相互に離隔して平行に配置され、前記慣性体または前記移動電極の変位に応じて前記移動電極と前記有効剛性制御用電極が重なる部分が三角形をなすことを特徴とする振動構造物。
【請求項５】
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極が重なる部分は二等辺三角形をなすことを特徴とする請求項４記載の振動構造物。
【請求項６】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記慣性体は少なくとも一つのスリットが形成された平板型であり、前記有効剛性制御用電極は平板型であり、前記慣性体は前記有効剛性制御用電極から所定の距離に離隔して平行に配置され、前記慣性体と前記有効剛性制御用電極が重なる部分が三角形をなすことを特徴とする振動構造物。
【請求項７】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、
前記慣性体に取り付けられた移動電極と、
第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、
前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置と、
を備え、
前記移動電極は三角形の端部を有し、相互に所定の距離に平行に離隔された複数のフィンガを備え、前記有効剛性制御用電極は相互平行に離隔された複数のフィンガを備え、前記移動電極のフィンガの各々は前記慣性体の振動により前記有効剛性制御用電極のフィンガの間に挿入されることを特徴とする振動構造物。
【請求項８】
第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、前記慣性体に取り付けられた所定形態の移動電極と、第２の支持端に連結された所定の形状を有する有効剛性制御用電極と、前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電気力を発生するように電圧を印加する電源供給装置とを備える振動構造物の固有振動数の制御方法であって、
前記慣性体の変位に対して前記電気力が線形的に変化することにより前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に印加される電圧を変化させて、前記固有振動数を制御する請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の振動構造物の固有振動数の制御方法。
【請求項９】
支持端に一端が支持された弾性部材と、前記弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、前記慣性体に加振し、前記慣性体の振動を検知する手段と、前記慣性体の一側にフィンガ型に形成された移動電極と、前記移動電極の間に挿入されるように請求項１に記載のフィンガ型に形成された有効剛性制御用電極と、前記移動電極と前記有効剛性制御用電極との間に電圧を印加する電源供給手段とを備え、
前記慣性体の変位に対して前記電気力が線形的に変化することを特徴とするアクチュエ−タ。
【請求項１０】
支持端に一端が支持された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により振動し、少なくとも一つのスリットが形成された平板型の慣性体と、
前記慣性体を加振して、前記慣性体の振動を検知する加振手段と、
前記平板型慣性体から所定の距離離隔して配置され、前記慣性体と三角形に重なる平板型の有効剛性制御用電極と、
前記慣性体と前記有効剛性制御用電極との間に所定の電圧を印加する電源供給手段とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項１１】
支持端に一端が支持された弾性部材と、
前記弾性部材の弾性力により回転し、少なくとも一つのスリットが形成された円形の平板状の慣性体と、
前記慣性体を加振して、前記慣性体の振動を検知する加振手段と、
前記慣性体から所定の距離離隔して配置され、前記慣性体と三角形に重なる有効剛性制御用電極とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動構造物及び振動構造物の固有振動数の制御方法に係り、さらに詳細には駆動電極または有効剛性制御用電極を所定の形状で形成することにより、慣性体の変位に応じて振動構造物に発生する電気力を線形的に変え、印加電圧により固有振動数を制御しうる振動構造物と、その振動数の制御方法に係り、かつ、本発明はこの振動構造物を備えるセンサ装置及びアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、振動構造物は多様な用途に用いられていて、例えば、ジャイロスコープ、加速度系のようなセンサ及びアクチュエータなどに用いられている。振動構造物の適用例のうち、ジャイロスコープは従来ミサイルや船舶、航空機などの航法装置の核心部品として用いられてきた。しかしながら、従来の軍事用または航空機用に用いられるジャイロスコープは、数万個の部品が精密加工及び組立工程により製作されるので精密な性能は得られるが、コスト高になり、構造の大型化をもたらすので、一般産業用や民生用の家電製品への適用には不向きである。民生機器に用いられるジャイロスコープは、自動車の加速度及び角速度を検出する航法装置や高倍率のカムコーダの手振れを検出し、これを補正する装置に適用されている。また、医療装備や産業用計測器などにも振動構造物を内蔵するセンサが用いられている。
【０００３】
図１３に従来の振動構造物の簡略図と振動構造物の振幅と振動数の関係を示す。図１３（ａ）に示すように、振動構造物１０は支持端１３により支持されたばね１２と慣性体１１とを備えている。振動構造物１０が多重の自由度を有する場合、図１３（ａ）に示した振動構造物を多数連結した等価振動構造物を構成することができる。この振動構造物１０は慣性体１１の質量ｍとばね１２のばね定数ｋが一定であるので、図１３（ｂ）に示すように、振幅に対して一定の固有振動数を有する。従って、振動構造物１０を用いたセンサやアクチュエータは、製作後振動構造物の固有振動数が任意に変更できないという問題点を有する。また、振動構造物１０の製作時、固有振動数を制御するために米国特許第４，１０７，３４９号に開示されるように銀等の金属体を蒸着させる方法を用いることができるが、これは蒸着工程自体が煩雑であり、その上、振動構造物の製作後、別途の固有振動数制御のための工程が必要となるという短所がある。
【０００４】
このような問題点を解決するために、本願出願人は、振動構造物に別途の有効剛性制御用電極と電源供給手段を備え、有効剛性制御用電極に印加される電圧を変化させて固有振動数を制御する振動構造物を提案した。すなわち、振動構造物の慣性体を移動電極として用い、移動電極と振動構造物の支持端に固定された有効剛性制御用電極の間に電圧を印加して電気力を発生させることにより、振動構造物の固有振動数を制御している。振動構造物の固有振動数は電圧の大きさを変更することにより増減することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
有効剛性制御用電極による振動構造物の固有振動数の制御は、慣性体の振動変位が極めて微小であるという前提に基づいている。実際に振動構造物に加えられる弾性力は一定の傾斜を有する線形関数で表示されるが、有効剛性制御用電極により振動構造物に加えられる電気力は慣性体の変位に対して非線形関数で表示される。これは振動構造物に加えられる電気力が慣性体よりなる移動電極と有効剛性制御用電極との間で発生するので、移動電極の振動変位に応じて電極の大きさが変化するためである。したがって、振動変位が微小であるという前提条件が成立する振動構造物では、電圧の大きさのみを調節することにより固有振動数の制御が可能である。しかしながら、このような前提条件が成立し得ない程度に振動変位が大きい場合には、固有振動数の制御が不可能になるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記のような問題点を解決するために案出されたものであり、慣性体の振動変位に応じて線形の電気力を発生することができる形状の有効剛性制御用電極または移動電極を備える振動構造物を提供することを目的とする。また、本発明は、慣性体の振動変位に応じて線形の電気力を発生するように、振動構造物に備えられた有効剛性制御用電極または移動電極を所定の形状で形成することにより、振動構造物の固有振動数を制御する方法を提供することを目的とする。更に、本発明はこのような有効剛性制御用電極または移動電極を有する振動構造物を備えるセンサ装置及びアクシュエータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の振動構造物は、第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、この弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、この慣性体に取り付けられた移動電極と、第２の支持端に連結された有効剛性制御用電極と、移動電極と有効剛性制御用電極との間に電気力を発生させる電源供給装置とを備える。
【０００８】
ここで、移動電極と有効剛性制御用電極をフィンガ型とし、慣性体の振動により相互に挿入可能なように形成し、有効剛性制御用電極は第２の支持端からｘ1の長さに延びる略テーパ状の曲線部と該曲線部の終了地点から電極の端部まで延びる直線部とを有し、移動電極から有効剛性制御用電極の直線部までの距離をｓ0 、第２支持端における移動電極から有効剛性制御用電極までの距離をｓ1 とするとき、慣性体の変位ｘに対する移動電極から有効剛性制御用電極の曲線部までの距離ｓは、
【０００９】
【数３】
0003816996.tif 000002
の式で与えられるように構成してもよい。
【００１０】
また、移動電極は半径ｒi を有する棒形であり、有効剛性制御用電極は環状の断面を有するテーパ状に形成された中空の円筒であり、慣性体の振動により移動電極は有効剛性制御用電極内に挿入可能であり、慣性体の変位をｘとし、有効剛性制御用電極の内径と移動電極の半径ｒi との差をｓとするとき、有効剛性制御用電極の全体長をｘ1、有効剛性制御用電極の端部における有効剛性制御用電極の内径と移動電極の半径ｒi との差をｓ0 、第２の支持端における有効剛性制御用電極の内径と移動電極の半径との差をｓ1 とすると、
【００１１】
【数４】
0003816996.tif 000003
の式を満たすように構成してもよい。
【００１２】
また、移動電極と有効剛性制御用電極は複数のフィンガ型であり、慣性体の振動により相互に挿入可能であり、有効剛性制御用電極の各フィンガは長さが同一であり、移動電極のフィンガは一端が相互に連結され、移動電極の最長フィンガの長手方向に対して線対称の形状を有するように構成することができる。更に、移動電極と有効剛性制御用電極は平板型であり所定の距離に相互に離隔して平行に配置され、慣性体または移動電極の変位に応じて移動電極と有効剛性制御用電極が重なる部分が三角形をなすように構成することができる。ここで、移動電極と有効剛性制御用電極が重なる部分は二等辺三角形であることが好ましい。
【００１３】
上述の振動構造物において、慣性体は少なくとも一つのスリットが形成された平板型であり、有効剛性制御用電極は平板型であり、慣性体は有効剛性制御用電極から所定の距離に離隔して平行に配置され、慣性体と有効剛性制御用電極が重なる部分が三角形をなすように構成することができる。また、慣性体は少なくとも一つのスリットが形成された平板型であり、有効剛性制御用電極は平板型であり、慣性体は有効剛性制御用電極から所定の距離に離隔して平行に配置され、慣性体のスリットと有効剛性制御用電極が重なる部分が三角形をなすように構成することができる。更に、移動電極は三角形の端部を有し、相互に所定の距離に平行に離隔された複数のフィンガを備え、有効剛性制御用電極は相互平行に離隔された複数のフィンガを備え、移動電極のフィンガの各々は慣性体の振動により有効剛性制御用電極のフィンガの間に挿入されるように構成してもよい。
【００１４】
また、本発明の振動構造物の固有振動数の制御方法は、第１の支持端に一端が連結された弾性部材と、弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、慣性体に取り付けられた所定形態の移動電極と、第２の支持端に連結された所定の形状を有する有効剛性制御用電極と、移動電極と有効剛性制御用電極との間に電気力を発生するように電圧を印加する電源供給装置とを備える振動構造物の固有振動数の制御方法であって、慣性体の変位に対して電気力が線形的に変化することにより移動電極と有効剛性制御用電極との間に印加される電圧を変化させて、固有振動数を制御する。
【００１５】
また、本発明のアクチュエータは、支持端に一端が支持された弾性部材と、この弾性部材の弾性力により振動する慣性体と、この慣性体に加振し、慣性体の振動を検知する手段と、慣性体の一側にフィンガ型に形成された移動電極と、この移動電極の間に挿入されるようにフィンガ型に形成された有効剛性制御用電極と、移動電極と有効剛性制御用電極との間に電圧を印加する電源供給手段とを備え、慣性体の変位に対して電気力が線形的に変化する。
【００１６】
本発明の他の態様のアクチュエータは、支持端に一端が支持された弾性部材と、この弾性部材の弾性力により振動し、少なくとも一つのスリットが形成された平板型の慣性体と、この慣性体を加振して、慣性体の振動を検知する加振手段と、平板型慣性体から所定の距離離隔して配置され、慣性体と三角形に重なる平板型の有効剛性制御用電極と、慣性体と有効剛性制御用電極との間に所定の電圧を印加する電源供給手段とを備える。
【００１７】
また、本発明の他の態様のアクチュエータは、支持端に一端が支持された弾性部材と、この弾性部材の弾性力により回転し、少なくとも一つのスリットが形成された円形の平板慣性体と、この慣性体を加振して、慣性体の振動を検知する加振手段と、慣性体から所定の距離離隔して配置され、慣性体と三角形に重なる有効剛性制御用電極とを備える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の振動構造物の第１の実施の形態を示す。この第１の実施の形態の振動構造物は、振動構造物に加えられる電気力が線形になるように有効剛性制御用電極を所定の形状で形成する振動構造物である。図１（ａ）に示すように、慣性体２３は第１の支持端２１に支持された弾性部材２２の弾性力により、Ｘ−Ｚ平面上でＸ方向に動き、慣性体２３には移動電極２８がフィンガ型に一体形成されている。慣性体２３に電気力を加えるように第２支持端２１′に有効剛性制御用電極２４が固定されており、有効剛性制御用電極２４もフィンガ型に形成される。
【００１９】
本発明の特徴によれば、有効剛性制御用電極２４及び移動電極２８は所定の形態を有しており、これは後に詳細に説明する。移動電極２８は有効剛性制御用電極２４の間に所定の距離に離間して挿入されている。電源供給装置２７は有効剛性制御用電極２４と移動電極２８に電圧を印加する。慣性体２３には弾性部材２２による弾性力のみならず、電極による電気力が印加される。
【００２０】
図１（ｂ）は図１（ａ）に示した有効剛性制御用電極２４と移動電極２８を一部拡大した正面図である。図１（ｂ）に示すように、有効剛性制御用電極２４は第２支持端２１′からｘ1の長さに延びる略テーパ状の曲線部とこの曲線部から端部まで延びる直線部とを有する。参照記号ｓは移動電極２８と有効剛性制御用電極２４の曲線部との距離を示す変数であり、参照記号ｓ0 は移動電極２８の側面と有効剛性制御用電極２４の直線部との距離を示し、参照記号ｓ1 は第２支持端２１′における有効剛性用制御電極２４と移動電極２８との距離を示す。ｓは慣性体２３の変位ｘに対する関数であり、次式（１）のように表すことができる。
【００２１】
【数５】
0003816996.tif 000004
【００２２】
移動電極２８が微小距離ｄｘに移動したとき、電極間の静電容量の増加ｄｃ及び静電容量の変化率（ｄｃ／ｄｘ）は次のような式（２）で表される。
【００２３】
【数６】
0003816996.tif 000005
ここで、εは移動電極と有効剛性制御用電極との空間の誘電率であり、ｔはフィンガのＹ方向の長さである。したがって、二つの電極間に作用する電気力Ｆは、電源供給装置２７から供給される電圧をＶとするとき、次式（３）のように表される。
【００２４】
【数７】
0003816996.tif 000006
【００２５】
上記の式から判るように、移動電極２８と有効剛性制御用電極２４との電気力は電圧が一定の場合、慣性体の変位ｘに比例して大きくなるので、電気力は距離に対して線形になる。
【００２６】
図２（ａ）は図１（ａ）に示した振動構造物の慣性体２３が変位ｘを起こすとき、発生する電気力と弾性力を示すグラフである。電気力と弾性力は所定の傾斜を有する直線２９及び３０により示している。電気力と弾性力は一定の位置３１において平行となる。図２（ａ）において、直線３０の傾斜と直線２９の傾斜との差を全体振動構造物の有効剛性と見なすことができ、有効剛性ｋeff は次のような式（４）で表すことができる。
【００２７】
【数８】
0003816996.tif 000007
【００２８】
上記の式から判るように、振動構造物の有効剛性は電圧の自乗に比例し、電圧が一定であれば、有効剛性も一定である。このような振動構造物を図２（ｂ）に示すように等価有効剛性ｋeff を有する単振動構造物として表すことができる。この振動構造物の固有振動数ｆn は次式（５）の通りであり、これを用いると電圧により固有振動数を制御することができる。
【００２９】
【数９】
0003816996.tif 000008
【００３０】
図３は本発明の振動構造物の第２の実施の形態を示す。この振動構造物の有効剛性制御用電極及び移動電極が円筒型及び円筒に挿入される棒型で形成されている。図３に示すように、慣性体３６は弾性部材３８により第１の支持端３２に支持されており、慣性体３６には棒型の移動電極３５が一体に形成されている。移動電極３５は半径がｒi である円形状の断面を有する。有効剛性制御用電極３３は第２の支持端３２′に一端が固定されており、移動電極３５が挿入されるように中空となっていて、テーパ状に形成され、円型環状の断面を有している。これは有効剛性制御用電極３３と移動電極３５との間に発生する電気力を慣性体３６の変位に応じて線形的に変化させるためである。
【００３１】
図３に示す振動構造物において、慣性体３６の変位ｘに対する有効剛性制御用電極３３の中空内径と移動電極３５の半径ｒi との差ｓは、次のような式（６）で表される。
【００３２】
【数１０】
0003816996.tif 000009
ここで、ｘ1 は有効剛性制御用電極３３の全体の長さ、ｓ0 は有効剛性制御用電極３３の端部３４の内径と移動電極３５の外径との差、ｓ1 は支持端３２′における有効剛性制御用電極３３の内径と移動電極３５の外径との差を示す。
【００３３】
式（６）に示すように、図１（ａ）に示した振動構造物から導出されたものと同じ結果が得られた。即ち、式（６）を満たす中空円筒型の有効剛性制御用電極３３を有する振動構造物においても、慣性体３６の変位に応じて電気力が線形的に変化する。したがって、電源供給装置３７により有効剛性電極３３に対する印加電圧を変化させるだけで、振動構造物の固有振動数を調節することができる。図３に示す振動構造物の有効剛性ｋeff は次の式（７）ように表される。
【００３４】
【数１１】
0003816996.tif 000010
【００３５】
図４は本発明の振動構造物の第３の実施の形態を示し、この振動構造物は慣性体の変位に応じて電気力が線形的に変化するものである。図４に示すように、慣性体４１は弾性部材４８により第１の支持端４７に支持されており、慣性体４１にはフィンガ型の移動電極４２〜４５が一体に形成されている。移動電極４２〜４５はそれぞれ端部が相互に一直線に連結されている。移動電極４２と慣性体４１が交差する地点を基にして、移動電極４２〜４５の長さを変数ｌ、慣性体４１の長手方向をｙ軸方向、最短の移動電極４５の長さをｂ、移動電極４２〜４５の端部を連結する線の傾斜をａとするとき、ｌ＝ａｙ＋ｂの関係が成立する。そして、フィンガ間のピッチがｐならば、隣接するフィンガ間の長さの差はａｐとなる。例えば、電極４５の長さはｂであり、電極４４の長さはｂ＋ａｐである。
【００３６】
有効剛性制御用電極４６は第２の支持端４７′に支持されており、同一の長さを有するフィンガ型である。有効剛性制御用電極４６のフィンガと移動電極４２〜４５のフィンガは相互に噛み合っている。このような振動構造物に作用する電気力Ｆは噛み合うフィンガの数のみに関系していて、フィンガ間の距離をｓ、フィンガの厚さをｔ、電源供給装置４９により印加される電圧をＶとするとき、次のような式で表される。
Ｆ＝ε（ａｔ／ｐｓ）Ｖ2 ｘ          …（８）
また、振動構造物の有効剛性ｋeff は、
ｋeff ＝ｋ−ε（ａｔ／ｐｓ）−Ｖ2   …（９）
のように表される。
【００３７】
式（８）及び（９）から判るように、図４に示した振動構造物の有効剛性は慣性体４１の水平方向運動とは無関係であり、電気力は慣性体４１の変位に対して線形的に変化するので、印加電圧を変更することにより固有振動数を制御することができる。また、移動電極の長さを同一にし、有効剛性制御用電極４６の長さを線形的に変化させる場合にも類似な結果をえることができる。
【００３８】
図５は本発明の振動構造物の第４の実施の形態を示し、この振動構造物は慣性体の変位に応じて電気力が線形的に変化する。図５（ａ）に示すように、弾性部材５２を介して第１の支持端５１に支持された慣性体または移動電極５３は四角形の平板型であり、第２の支持端５１′により支持された有効剛性制御用電極５４は三角形の平板部を有する。電源供給装置５５は移動電極５３と有効剛性制御用電極５４との間に電圧を印加して電気力を発生させる。慣性体または移動電極５３は有効剛性制御用電極５４の三角形部分内でＸ軸方向の変位を起こす。
【００３９】
図５（ｂ）に示すように、移動電極５３と有効剛性制御用電極５４が重なる領域５６は、移動電極５３のＸ軸方向の変位に対して線形的に変化する。有効剛性制御用電極５４の三角形部分の頂点を平面座標系の原点とし、三角形の一辺の傾斜をａ、有効剛性制御用電極５４と移動電極５３とのＺ軸方向の距離をｈとすると、電源供給装置５５により電圧Ｖが印加されるとき、Ｘ軸方向に作用する電気力は次の式のようになる。
【００４０】
Ｆ＝ａ（ε／ｈ）Ｖ2 ｘ            …（１０）
また、図５（ａ）に示す振動構造物の有効剛性は次のように表せる。
ｋeff ＝ｋ−ａ（ε／ｈ）Ｖ2       …（１１）
【００４１】
式（１０）及び（１１）から判るように、振動構造物に作用する電気力は移動電極５３の変位に応じて線形的に変化するので、印加電圧を変化させるだけで固有振動数の制御が可能である。図６及び図７は図５に示す振動構造物を変形させた本発明の振動構造物の第５及び第６の実施の形態を示す。
【００４２】
図６を参照すると、慣性体６３の両端は支持端６１に対して弾性部材６２により支持され、慣性体６３には一つ以上のスリット６４が形成されている。慣性体６３は有効剛性制御用電極６５から所定の距離に離隔されている。有効剛性制御用電極６５は三角形が一辺を接する状態で形成された四角形をなす。ここで三角形は二等辺三角形のものが望ましく、二等辺三角形の下辺が接する四角形をなすことが望ましい。電源供給装置６６は有効剛性制御用電極６５と慣性体６３との間に電圧を印加する。
【００４３】
このような構成を有する振動構造物において、慣性体６３が振動する場合、慣性体６３に形成されたスリット６４により有効剛性制御用電極６５と慣性体６３が重なる部分は、点線で表される三角形状を保つ。したがって、振動構造物に作用する電気力は慣性体６３の変位に応じて線形的に変化する。
【００４４】
図７に示す振動構造物も図６に示したものと類似であるが、この場合は有効剛性制御用電極７５の三角形部分がスリット７４と重なる。この場合も振動構造物に印加される電気力は慣性体のｘ方向の変位に対して線形的に変化する。図７の慣性体７３の両端は支持端７１に対して弾性部材７２により支持され、慣性体７３には少なくとも一つのスリット７４が形成されている。慣性体７３は有効剛性制御用電極７５から所定の距離に離隔されていて、電源供給装置７６は有効剛性制御用電極７５と慣性体７３との間に電圧を印加する。
【００４５】
図８は図５の振動構造物を変形した第７の実施の形態を示すものである。図８に示すように、慣性体８３は弾性部材８２により第１の支持端８１に固定され、同一の長さの平板型の移動電極８４が慣性体８３に多数取り付けられている。移動電極８４の端部は三角形状を有している。ここで、三角形は二等辺三角形であることが望ましい。第２の支持端８１′には同一の長さを有する有効剛性制御用電極８５が多数固定されており、有効剛性制御用電極８５も平板型であり慣性体８３の振動により移動電極８４の間に挿入される。慣性体８３の変位は移動電極８４の端部に形成された三角形部分のみが有効剛性制御用電極８５に重なるように制限することが望ましい。電源供給装置８７は有効剛性制御用電極８５と移動電極８４との間に電圧を印加する。この振動構造物においても、印加電圧を変化させるだけで固有振動数の制御が可能である。
【００４６】
図９は前述した振動構造物の多様な実施の形態を一般化して示した振動構造物の構成図である。この振動構造物は第１の支持端１０１により支持された弾性部材１０２と、この弾性部材の一端に固定された慣性体または移動電極１０３と、第２の支持段１０１′に固定された有効剛性制御用電極１０５と、電圧を印加する電源供給装置１０４とを備える。移動電極１０３または有効剛性制御電極１０５は振動構造物に発生する電気力が慣性体の変位に応じて線形的に変化するように所定の形状で形成される。移動電極１０３と有効剛性制御用電極１０５の間の静電容量をｃとし、ｃ＝αｓ2 ＋βｓ＋γ（α、β、γは定数）とするとき、、二つの電極の間に作用する電気力は次のように表すことができる。
Ｆ＝１／２（ｄｃ／ｄｓ）Ｖ2 ＝１／２（２αｓ＋β）Ｖ2     …（１２）
式（１２）において、ｄｃ／ｄｓは電極間の静電容量の感度であり、ｓは二つの電極の相対的な動きによる距離であり、Ｖは印加電圧である。式（１２）から判るように、電極は印加電圧Ｖが一定の場合、電極間の距離ｓに対して線形的に変化する。
【００４７】
振動構造物の有効剛性は次のような式で表される。
Ｋeff ＝ｋ−（１／２）αＶ2           …（１３）
式（１３）から明らかなように、振動構造物の有効剛性は印加電圧Ｖに応じて変化するので、振動構造物の固有振動数は印加電圧の大きさを変化することにより制御することができる。
【００４８】
図１０乃至図１２に本発明の電圧により振動構造物の共振周波数を制御することができるアクチュエータの実施の形態を示す。上述した振動構造物は多方向に振動する振動構造物の固有振動数の制御にも用いられ、共振型のセンサにも利用可能である。この振動構造物はシリコン基板上に薄膜技術を用いて製作される。
【００４９】
図１０はアクチュエータの概略平面図である。図示のように、アクチュエータ３０９では、支持端１１１により支持された弾性部材１１２の他の端部には慣性体１１３が懸架されている。慣性体１１３は弾性部材１１２により基板（図示せず）から所定の間隔に離隔されている。慣性体１１３には駆動電極１１４と移動電極１１７がフィンガ型に形成されており、慣性体１１３は加振装置により平面移動することができる。加振装置は加振部１１５に形成された加振電極１１６を備え、加振電極１１６はフィンガ型であり慣性体１１３に形成されたフィンガ型の駆動電極１１４の間に挿入されている。
【００５０】
加振電極１１６と駆動電極１１４との間に印加された電圧は電気力を発生させて慣性体１１３を平面振動させる。加振装置１１６と駆動電極１１４との間に発生する電気力は慣性体１１３の変位にかかわらず一定である。これは図１（ａ）に示す第１の実施の形態においてから誘導された式（３）におけるｓ0 ＝ｓ1 の場合に当たる。加振電極１１６と駆動電極１１４は慣性体１１３の平面振動運動状態を検知する検知手段として相互に用いることができる。
【００５１】
複数の有効剛性制御用電極１１８が支持端１１９に固定され、各々の有効剛性制御用電極の形状は図１（ａ）に示した有効剛性制御用電極のものと類似である。有効剛性制御用電極１１８もフィンガ型に形成されいて、慣性体１１３の移動電極１１７の間に挿入される。電源供給装置１２０は有効剛性制御用電極１１８と移動電極１１７との間に電圧を印加して電気力を発生させる。有効剛性制御用電極１１８が所定の形状で製作されるので、慣性体１１３の変位に応じて移動電極１１７と有効剛性制御用電極１１８に印加される電気力は線形に変化する。
【００５２】
図１１は図４及び図６に示した振動構造物を適用したアクチュエータである。図１１に示すように、慣性体１３２は弾性部材１３９により支持端１３１に支持されて基板（図示せず）から所定の距離に上方に離隔されている。慣性体１３２の両側には駆動電極１３４がフィンガ型に形成されている。そして、支持端１３５にフィンガ型に形成された加振電極１３６が駆動電極１３４の間に挿入される。駆動電極１３４と加振電極１３６との間に印加される電圧は慣性体１３２をＸ軸方向に平面運動させる。駆動電極１３４と加振電極１３６は慣性体１３２の平面運動を検知する検知手段として用いられる。
【００５３】
慣性体１３２にはスリット１３３が形成されており、スリット１３３の下部には有効剛性制御用電極１３７が基板に固定されている。図６を参照して説明したように、有効剛性制御用電極１３７は三角形の一辺を相互に接して形成された四角形であり、三角形は二等辺三角形のものが望ましい。電源供給装置１３８により慣性体１３２と有効剛性制御用電極１３７との間に電圧が供給されて電気力が発生する。慣性体１３２がＸ軸方向に振動するとき、慣性体１３２と有効剛性制御用電極１３７が重なる部分は常時三角形となる。
【００５４】
図１２は慣性体が回転振動する場合を示す平面図である。慣性体１５３は円形であり、弾性部材１５２により円周面に沿って９０°の間隔で支持端１５１により支持されており、慣性体１５３は基板（図示せず）から所定の間隔に上方に離隔されている。図示しない手段により慣性体１５３は回転振動する。慣性体１５３にはスリット１５４が形成されており、スリット１５４の下部には有効剛性制御用電極１５５が基板に固定されている。電源供給装置１５７は慣性体１５３と有効剛性制御用電極１５５との間に電圧を印加する。ここで、スリット１５４は慣性体１５３の中心を基にして１８０°の間隔で形成されている。スリット１５４の下部に配置された有効剛性制御用電極１５５も三角形の一辺を相互に接する四角形の形態を有し、慣性体１５３が回転振動するとき、慣性体と有効剛性制御用電極１５５が重なる部分は三角形を形成する。
【００５５】
ここでは、本発明の振動構造物をアクチュエータに適用した例を示したが、本発明の振動構造物はこれに限定されることはなく、例えば、センサ装置や加速度系またはジャイロスコープなどの多様な装置に適用することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の振動構造物によれば、振動構造物の移動電極及び有効剛性制御用電極は所定の形状で形成され、電極の間に発生する電気力は慣性体の変位に応じて線形的に変化する。従って、振動構造物の有効剛性は慣性体の変位に関わらず、印加電圧を変化することにより振動構造物の固有振動数を制御することができる。このような振動構造物を備えるセンサ装置、アクチュエータ、加速度系などは感度や作動範囲を使用者が任意に変更させることができる。特に、ジャイロスコープの場合、２軸振動構造物においていずれか一軸の固有振動数をもう一軸の固有振動数に一致させる振動数の制御が、振動構造物自体を変更せずに印加電圧を変更させるだけで可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動構造物の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の振動構造物の慣性体の変位に対する弾性力及び電気力のグラフと等価振動構造物を示す構成図である。
【図３】本発明に係る振動構造物の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図４】本発明に係る振動構造物の第３の実施の形態を示す構成図である。
【図５】本発明に係る振動構造物の第４の実施の形態を示す構成図である。
【図６】本発明に係る振動構造物の第５の実施の形態を示す構成図である。
【図７】本発明に係る振動構造物の第６の実施の形態を示す構成図である。
【図８】本発明に係る振動構造物の第７の実施の形態を示す構成図である。
【図９】本発明に係る振動構造物を一般化して示す構成図である。
【図１０】本発明に係る振動構造物を備えるアクチュエータの示す構成図である。
【図１１】本発明に係る振動構造物を備えるアクチュエータを示す構成図である。
【図１２】本発明に係る振動構造物を備える回転型アクチュエータを示すの構成図である。
【図１３】従来の振動構造物と振動構造物の固有振動数のグラフを示す図である。
【符号の説明】
２２，３８，４８，５２，６２，７２，８２，１０２，１１２，１３９，１５２…弾性部材
２３，３６，４１，６３，７３，８３，１１３，１３２，１５３…慣性体
２４，３３，４６，５４，６５，７５，８５，１０５，１１８，１３７，１５５…有効剛性制御用電極
２８，３５，４２〜４５，５３，８４，１０３，１１７…移動電極
２７，３７，４９，５５，６６，７６，８７，１０４，１２０，１３８，１５７…電源供給装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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