JP3645141B2 - 三次元コーム加振構造物及びこれを採用した慣性感知センサーとアクチュエータ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は静電気力を用いた三次元コーム構造物(Comb Structure)及びこれを採用した慣性感知センサーとアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電力を用いた三次元コーム構造物は平板面に対して垂直に突出されて相互挟持された構造よりなる一対のコーム(Comb)に電圧を加えて両コーム間に発生する静電力(Electrostatic Force）がコーム間の相対的な動きに対して一定した力を発するようにしたものである。
【０００３】
マイクロ構造物を動かすためには静電気力アクチュエータ(Electrostatic Actuator)を用いる場合が多い。静電気力を用いたアクチュエータとしては静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive)(US ５,０２５,３４６)が広く知られている。この静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive）の基本原理を図１に基づいて説明すれば次のようである。
【０００４】
１対のコーム１、２が間隙sを介在して噛み合っており、各コーム１、２に電源３が導線４、５を用いて連結されている時、一方のコーム２の１本の歯(finger)に作用する水平方向の静電気力(Electrostatic Force）６は次の式（１）のように示される。
Ｆ＝ε0(t/s)V2 … （１）
ここで、ε0、t、s、Vは各々真空の誘電率、地面に垂直方向にコームの厚さ、コームのフィンガー間の間隔、コームフィンガー間に印加される電圧３である。このような静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive）は半導体RAMを形成する工程と同一なCMOS工程で形成しうる長所があり、式（１）からわかるように一方のコームの動きに対して一定の力を有するという長所がある。
【０００５】
図１に示したような既存の静電気力コーム駆動器の原理を用いたアクチュエータの一例として同一の特許に記載されたものを図２に示す。
このような静電気力アクチュエータ２０は多数の移動コーム(movable comb)２７を有する質量体２２と、質量体２２に接続された１つ以上の弾性部材２３と支持部２４を通して基板２１に支持されており、前記移動コーム２７と対向して位置し、前記移動コーム２７と交互に挿入される多数の固定コーム２５を有しており、固定コーム２５は固定コーム支持部２６を通して基板２１に支持されている。前記固定コーム２５と前記移動コーム２６に適切な手段(図示せず)を通して電圧を印加すると、式（１）によって発生する静電力によって質量体２２は基板２１に対して水平方向に直線運動する。このような構造による静電力は式（１）に示されたように動く距離に対して力が一定するという長所がある。しかし、かかる構造によれば移動コーム２７、固定コーム２５が基板２１と平行した平面上に配置され、また基板２１と平行した質量体平面の両側面に配置されることによってコームの個数を質量体側面の長さに比例して増加させうるので、そのコームの個数の限界によって静電力が小さく、また加速度センサーやジャイロセンサー等に用いるためには質量体を大きく動かすことが必要となるが、このような従来のコーム駆動器では小さな静電力により質量体を直接駆動しにくくて共振点でのみ駆動可能な問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を改善しようと創案したものであって、大きな構造物を駆動させうる力が大きく、構造物の位置を制御しやすくコームを平板上に垂直に配列した三次元コーム加振構造物及びこれを採用した慣性感知センサーとアクチュエータを提供するにその目的がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記懸垂構造物を慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第２発明は、第１発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第３発明は、第１発明において、前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第４発明は、第１発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、
前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている三次元コーム加振構造物を提供する。
【０００８】
本願第５発明は、第１発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第６発明は、第５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第７発明は、第１発明において、前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
【０００９】
本願第８発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第９発明は、第８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１０発明は、第８発明において、前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
【００１０】
本願第１１発明は、第８発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１２発明は、第８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１３発明は、第１２発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１４発明は、第８発明において、前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
【００１１】
本願第１５発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記懸垂構造物を加振させるために前記移動コーム及び固定コームとの間に電圧を提供するための電源とを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、アクチュエータを提供する。
本願第１６発明は、第１５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、アクチュエータを提供する。
本願第１７発明は、第１５発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、アクチュエータを提供する。
【００１２】
本願第１８発明は、第１５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、アクチュエータを提供する。
本願第１９発明は、第１８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、アクチュエータを提供する。
本願第２０発明は、第１５発明において、 前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、アクチュエータを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて本発明に係る三次元コーム加振構造物及びこれを用いたアクチュエータと慣性感知センサーを詳しく説明する。
図３は本発明に係る三次元コーム加振構造物の駆動原理を示す基本概念図である。この図３に示すように、本発明に係る静電力を用いた三次元コーム構造物は、基板３１上に垂直に立てられている１つ以上の固定コーム３２、この固定コーム３２と対向位置で相互挟持された形で位置する１つ以上の移動コーム３５で構成されている。前記固定コーム３２と前記移動コーム３５はコーム間の間隙sだけ離れており、基板３１に対して垂直方向に距離hだけ重畳されており、基板３１に対して水平方向に距離xだけ重畳された形からなっている。一対のコーム３２、３５は、示されたように、電気的に相互連結されており、電源供給手段３６により電場を受けて駆動される。
【００１４】
図３に示されたように、電源供給手段３６によって電圧が印加されると、固定コーム３２と移動コーム３５との間にはコンデンサーが形成されてエネルギーが貯蔵され、この際、形成されるキャパシタの容量は次の式（２）のように表される。
Ｃ=ε0(hxt/s) … （２）
ここで、ε0、s、h、xは間隔の誘電率、コーム間の間隙、一対のコームが基板に対して垂直方向に重畳された長さ、一対のコームが基板に対して水平方向に重畳された長さである。式（２）で与えられたキャパシタは、図３に示されたように、二本のコーム間の間隙sが存在するので、キャパシタに貯蔵されるエネルギーUは次の式（３）のように表される。
【００１５】
Ｕ=2(1/2)CV2＝ε0(hx/s)V2 … （３）
移動コーム３２と固定コーム３５に前記基板３１に平行した方向３７に加えられる力Fは次の式（４）のようである。
Ｆ=（∂Ｕ／∂ｘ）＝ε0(h/s)V2 … （４）
図３に示された本発明に係るよる三次元コーム加振構造物の駆動原理を示す基本概念図を参考に計算した移動コーム３２と固定コーム３５との間の静電気力の式である式（４）によれば、静電気力Fは突出した移動コーム３２と固定コーム３５の垂直方向、即ち基板３１と平行した方向３７に作用するということがわかる。
【００１６】
次いで、このような構成の静電気力を用いた三次元加振構造物の実施例を詳しく説明する。
図４は図３の三次元コーム加振構造物を用いた直進駆動型駆動器の実施例を示す構成図である。示されたように、この実施例において懸垂構造物４２は懸垂構造物に垂直に突出されている多数の移動コーム４３を有し、多数の支持バネ４４と多数の支持体４５によって基板に支持されている。前記移動コーム４３と対向して相互挟持される形に配置された多数の固定コーム４６は基板４１に支持されている。このような三次元コーム加振構造物は図３で説明したように静電気力によって駆動される。ここで、支持バネ４４は、基板に対して水平方向の幅より垂直方向の幅が大きくなるように製作する。これは支持バネ４４が水平方向(図面の矢印方向)には柔軟な弾力性を持って懸垂構造物４２を動かし、垂直方向には柔軟性無しに懸垂構造物４２を固定させるためである。即ち、図４において、支持バネの垂直幅をh、水平幅をb、長さをLとし、支持バネの剛性をKとすれば、加振方向と測定方向の剛性は次の式（５）のように表される。
【００１７】
Ｋx＝(Eb3h/12L),ＫZ＝(Ebh3/12L) … （５）
ここで、支持バネ４４が有する水平方向剛性及び垂直方向剛性は各々水平幅と垂直幅の三乗に比例することをわかる。
電源供給手段(図示せず)により前記移動コーム４３と前記固定コーム４６に電圧が加わると、前記移動コーム４３と固定コーム４６との間には式（２）のようなキャパシタンスが形成され、式（４）による力が基板と平行した方向に発生して懸垂構造物４２が右側に力を受けて動く。この際、電源供給手段(図示せず)に印加される電圧が交流ならば支持バネ４４は懸垂構造物４２を支持しながら印加される交流電圧によって懸垂構造物４２を矢印４７の方向に往復運動可能にする。このような動作を可能にするためには多数の支持体４５と基板４１とを電気的に絶縁して形成することが望ましい。
【００１８】
既存のコーム加振構造物はコームが質量体の両面に位置されることによって質量体面の長さに比例する反面、本発明に係る三次元コーム加振構造物によるコームは質量体の垂直方向に突状に形成されることによって質量体の面積に比例してコームの数を増加させうるので、図２に示した既存のコーム加振構造物より単位面積当りコームの数が増加できて力を大きく増加させうる長所がある。このような構造物は各種アクチュエータと慣性感知センサーに採用されて使われる。
【００１９】
前記静電力を用いた三次元コーム加振構造物が慣性感知センサーに採用された例としては加速度感知センサーが挙げられる。図４のコーム加振構造物において、懸垂構造物４２は基板４１から与えられた距離だけ離れているので懸垂構造物４２は基板４１に対して水平方向４７に動くことができる。この際、x方向の加速度が入力されると懸垂構造物４２はx方向に動くが、このような動きを移動コーム４３と固定コーム４６から発生する容量変化と感知すれば加速度の変化を感知しうる。
【００２０】
静電力を用いた三次元コーム加振構造物が慣性感知センサーに採用された他の例としてジャイロセンサーが挙げられる。図４において、懸垂構造物４２が基板４１に対して水平方向４７に動く時、y方向に角速度が入力されればz方向のコリオリの力が発生し、この力により懸垂構造物４２はz方向に振動する。この振動を適切なセンサー(図示せず)を用いて感知すれば入力された角速度を検出しうる。
【００２１】
この他にも慣性体の懸垂構造物を動かす様々な目的のアクチュエータに使え、各種の慣性センサーと磁束感知センサーに使える。
図５は本発明に係る三次元コーム加振構造物のさらに他の実施例であって、回転駆動型構造物５０を示す概略図である。これは円形の構造物に力を加えられる構造物の例であって、回転型懸垂構造物５２は回転型懸垂構造物５２に対して垂直に突出されている多数の移動コーム５３を有し、多数の支持バネ５５と支持体５６により基板５１と一定の間隔を保ちながら基板５１に支持される。移動コーム５３と対向して相互挟持された形に配置された１つ以上の固定コーム５４は基板５１上に垂直に立てられている。このようなコーム加振構造物の駆動原理は前述した構造物の駆動原理と類似している。
【００２２】
電源供給手段(図示せず)により移動コーム構造体５３と固定コーム構造体５４に電圧が印加されると移動コームと固定コームとの間には式（２）のようなキャパシタンスが形成され、式（４）による力が基板と平行した方向に発生して回転型懸垂構造物５２が回転する。この際、電源供給手段に印加される電圧が交流ならば、支持バネ５５は回転型懸垂構造物５２を支持しながら印加される交流電圧によって回転型懸垂構造物５２を一定した角度の円弧区間を往復する回転運動を可能にする。このような動作を可能にするために支持体５６と基板５１との間は電流が流れないように電気的に絶縁して形成することが望ましい。図６は前記支持体を回転質量体中に位置してなるものであって、作動原理は図５の構造物に対する説明と同一である。図５及び図６の構造物は、図４の構造物の説明中最後の説明と同一な原理により各種のアクチュエータとセンサーに利用しうる。
【００２３】
【発明の効果】
前述したように、本発明に係る三次元コーム加振構造物及びこれを採用した慣性感知センサー及びアクチュエータは、基板と所定の間隔を保ったまま配置された慣性体の懸垂構造物に付着されて懸垂構造物に垂直に突出される少なくとも１つ以上の移動コームと相互挟持された構造を有する基板に垂直に突出されて配置される少なくとも１つ以上の固定コームを有する固定コーム構造体からなっており、移動コームと固定コームとに連結された電源供給装置から提供される電圧により駆動されるので、これを用いたアクチュエータと慣性感知センサーは次のような多様な効果が得られる。
【００２４】
１．本発明の懸垂構造物及び基板に垂直方向にコームを製作することによって、既存の駆動器に比べて単位面積当りのコームの数を大幅に増加できるので、既存のコーム加振駆動器に比べて静電力を大きくしうる。
２．既存のコーム加振駆動器の静電力の方向はコームの突出方向と同一であるが、本発明による三次元コーム加振駆動器の静電力の方向はコームの突出方向と垂直である。
【００２５】
３．既存のコーム加振駆動器に比べて大きな力を有するので懸垂構造物が駆動される駆動変位を大きくしうる。
４．大きな力を有するので構造物を動かすために共振点における駆動が不要で任意の周波数で構造物を駆動しうる。よって、マイクロジャイロのような共振を用いるセンサーを本発明の構造物で製造すれば構造物の加振方向の共振周波数と感知方向の共振周波数とを一致させる必要がない。
【００２６】
５．小さい駆動電圧でも十分に大きな力が発せられるので、既存のコーム加振駆動器に比べて小さな電圧で駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静電気力を用いたコーム加振構造物の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】図１のコーム加振構造物を採用した慣性感知センサーの実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る慣性感知センサー及びアクチュエータに採用される三次元コーム加振構造物の基本構造を示す斜視図である。
【図４】図３の三次元コーム加振構造物を用いた直進駆動型アクチュエータの実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る慣性感知センサー及びアクチュエータに採用される回転型三次元コーム加振構造物の実施例を概略的に示す平面図である。
【図６】図５の回転型三次元コーム加振構造物の他の実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
４２ 懸垂構造物
４３ 移動コーム
４４ 支持バネ
４５ 支持体
４６ 固定コーム
【発明の属する技術分野】
本発明は静電気力を用いた三次元コーム構造物(Comb Structure)及びこれを採用した慣性感知センサーとアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電力を用いた三次元コーム構造物は平板面に対して垂直に突出されて相互挟持された構造よりなる一対のコーム(Comb)に電圧を加えて両コーム間に発生する静電力(Electrostatic Force）がコーム間の相対的な動きに対して一定した力を発するようにしたものである。
【０００３】
マイクロ構造物を動かすためには静電気力アクチュエータ(Electrostatic Actuator)を用いる場合が多い。静電気力を用いたアクチュエータとしては静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive)(US ５,０２５,３４６)が広く知られている。この静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive）の基本原理を図１に基づいて説明すれば次のようである。
【０００４】
１対のコーム１、２が間隙sを介在して噛み合っており、各コーム１、２に電源３が導線４、５を用いて連結されている時、一方のコーム２の１本の歯(finger)に作用する水平方向の静電気力(Electrostatic Force）６は次の式（１）のように示される。
Ｆ＝ε0(t/s)V2 … （１）
ここで、ε0、t、s、Vは各々真空の誘電率、地面に垂直方向にコームの厚さ、コームのフィンガー間の間隔、コームフィンガー間に印加される電圧３である。このような静電気力コーム駆動器(Electrostatic Comb Drive）は半導体RAMを形成する工程と同一なCMOS工程で形成しうる長所があり、式（１）からわかるように一方のコームの動きに対して一定の力を有するという長所がある。
【０００５】
図１に示したような既存の静電気力コーム駆動器の原理を用いたアクチュエータの一例として同一の特許に記載されたものを図２に示す。
このような静電気力アクチュエータ２０は多数の移動コーム(movable comb)２７を有する質量体２２と、質量体２２に接続された１つ以上の弾性部材２３と支持部２４を通して基板２１に支持されており、前記移動コーム２７と対向して位置し、前記移動コーム２７と交互に挿入される多数の固定コーム２５を有しており、固定コーム２５は固定コーム支持部２６を通して基板２１に支持されている。前記固定コーム２５と前記移動コーム２６に適切な手段(図示せず)を通して電圧を印加すると、式（１）によって発生する静電力によって質量体２２は基板２１に対して水平方向に直線運動する。このような構造による静電力は式（１）に示されたように動く距離に対して力が一定するという長所がある。しかし、かかる構造によれば移動コーム２７、固定コーム２５が基板２１と平行した平面上に配置され、また基板２１と平行した質量体平面の両側面に配置されることによってコームの個数を質量体側面の長さに比例して増加させうるので、そのコームの個数の限界によって静電力が小さく、また加速度センサーやジャイロセンサー等に用いるためには質量体を大きく動かすことが必要となるが、このような従来のコーム駆動器では小さな静電力により質量体を直接駆動しにくくて共振点でのみ駆動可能な問題点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記問題点を改善しようと創案したものであって、大きな構造物を駆動させうる力が大きく、構造物の位置を制御しやすくコームを平板上に垂直に配列した三次元コーム加振構造物及びこれを採用した慣性感知センサーとアクチュエータを提供するにその目的がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本願第１発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記懸垂構造物を慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第２発明は、第１発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第３発明は、第１発明において、前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第４発明は、第１発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、
前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている三次元コーム加振構造物を提供する。
【０００８】
本願第５発明は、第１発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第６発明は、第５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
本願第７発明は、第１発明において、前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、三次元コーム加振構造物を提供する。
【０００９】
本願第８発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第９発明は、第８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１０発明は、第８発明において、前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
【００１０】
本願第１１発明は、第８発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１２発明は、第８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１３発明は、第１２発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
本願第１４発明は、第８発明において、前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサーを提供する。
【００１１】
本願第１５発明は、基板と、前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、前記懸垂構造物を加振させるために前記移動コーム及び固定コームとの間に電圧を提供するための電源とを含み、前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、アクチュエータを提供する。
本願第１６発明は、第１５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、アクチュエータを提供する。
本願第１７発明は、第１５発明において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、アクチュエータを提供する。
【００１２】
本願第１８発明は、第１５発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、アクチュエータを提供する。
本願第１９発明は、第１８発明において、前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、アクチュエータを提供する。
本願第２０発明は、第１５発明において、 前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、アクチュエータを提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づいて本発明に係る三次元コーム加振構造物及びこれを用いたアクチュエータと慣性感知センサーを詳しく説明する。
図３は本発明に係る三次元コーム加振構造物の駆動原理を示す基本概念図である。この図３に示すように、本発明に係る静電力を用いた三次元コーム構造物は、基板３１上に垂直に立てられている１つ以上の固定コーム３２、この固定コーム３２と対向位置で相互挟持された形で位置する１つ以上の移動コーム３５で構成されている。前記固定コーム３２と前記移動コーム３５はコーム間の間隙sだけ離れており、基板３１に対して垂直方向に距離hだけ重畳されており、基板３１に対して水平方向に距離xだけ重畳された形からなっている。一対のコーム３２、３５は、示されたように、電気的に相互連結されており、電源供給手段３６により電場を受けて駆動される。
【００１４】
図３に示されたように、電源供給手段３６によって電圧が印加されると、固定コーム３２と移動コーム３５との間にはコンデンサーが形成されてエネルギーが貯蔵され、この際、形成されるキャパシタの容量は次の式（２）のように表される。
Ｃ=ε0(hxt/s) … （２）
ここで、ε0、s、h、xは間隔の誘電率、コーム間の間隙、一対のコームが基板に対して垂直方向に重畳された長さ、一対のコームが基板に対して水平方向に重畳された長さである。式（２）で与えられたキャパシタは、図３に示されたように、二本のコーム間の間隙sが存在するので、キャパシタに貯蔵されるエネルギーUは次の式（３）のように表される。
【００１５】
Ｕ=2(1/2)CV2＝ε0(hx/s)V2 … （３）
移動コーム３２と固定コーム３５に前記基板３１に平行した方向３７に加えられる力Fは次の式（４）のようである。
Ｆ=（∂Ｕ／∂ｘ）＝ε0(h/s)V2 … （４）
図３に示された本発明に係るよる三次元コーム加振構造物の駆動原理を示す基本概念図を参考に計算した移動コーム３２と固定コーム３５との間の静電気力の式である式（４）によれば、静電気力Fは突出した移動コーム３２と固定コーム３５の垂直方向、即ち基板３１と平行した方向３７に作用するということがわかる。
【００１６】
次いで、このような構成の静電気力を用いた三次元加振構造物の実施例を詳しく説明する。
図４は図３の三次元コーム加振構造物を用いた直進駆動型駆動器の実施例を示す構成図である。示されたように、この実施例において懸垂構造物４２は懸垂構造物に垂直に突出されている多数の移動コーム４３を有し、多数の支持バネ４４と多数の支持体４５によって基板に支持されている。前記移動コーム４３と対向して相互挟持される形に配置された多数の固定コーム４６は基板４１に支持されている。このような三次元コーム加振構造物は図３で説明したように静電気力によって駆動される。ここで、支持バネ４４は、基板に対して水平方向の幅より垂直方向の幅が大きくなるように製作する。これは支持バネ４４が水平方向(図面の矢印方向)には柔軟な弾力性を持って懸垂構造物４２を動かし、垂直方向には柔軟性無しに懸垂構造物４２を固定させるためである。即ち、図４において、支持バネの垂直幅をh、水平幅をb、長さをLとし、支持バネの剛性をKとすれば、加振方向と測定方向の剛性は次の式（５）のように表される。
【００１７】
Ｋx＝(Eb3h/12L),ＫZ＝(Ebh3/12L) … （５）
ここで、支持バネ４４が有する水平方向剛性及び垂直方向剛性は各々水平幅と垂直幅の三乗に比例することをわかる。
電源供給手段(図示せず)により前記移動コーム４３と前記固定コーム４６に電圧が加わると、前記移動コーム４３と固定コーム４６との間には式（２）のようなキャパシタンスが形成され、式（４）による力が基板と平行した方向に発生して懸垂構造物４２が右側に力を受けて動く。この際、電源供給手段(図示せず)に印加される電圧が交流ならば支持バネ４４は懸垂構造物４２を支持しながら印加される交流電圧によって懸垂構造物４２を矢印４７の方向に往復運動可能にする。このような動作を可能にするためには多数の支持体４５と基板４１とを電気的に絶縁して形成することが望ましい。
【００１８】
既存のコーム加振構造物はコームが質量体の両面に位置されることによって質量体面の長さに比例する反面、本発明に係る三次元コーム加振構造物によるコームは質量体の垂直方向に突状に形成されることによって質量体の面積に比例してコームの数を増加させうるので、図２に示した既存のコーム加振構造物より単位面積当りコームの数が増加できて力を大きく増加させうる長所がある。このような構造物は各種アクチュエータと慣性感知センサーに採用されて使われる。
【００１９】
前記静電力を用いた三次元コーム加振構造物が慣性感知センサーに採用された例としては加速度感知センサーが挙げられる。図４のコーム加振構造物において、懸垂構造物４２は基板４１から与えられた距離だけ離れているので懸垂構造物４２は基板４１に対して水平方向４７に動くことができる。この際、x方向の加速度が入力されると懸垂構造物４２はx方向に動くが、このような動きを移動コーム４３と固定コーム４６から発生する容量変化と感知すれば加速度の変化を感知しうる。
【００２０】
静電力を用いた三次元コーム加振構造物が慣性感知センサーに採用された他の例としてジャイロセンサーが挙げられる。図４において、懸垂構造物４２が基板４１に対して水平方向４７に動く時、y方向に角速度が入力されればz方向のコリオリの力が発生し、この力により懸垂構造物４２はz方向に振動する。この振動を適切なセンサー(図示せず)を用いて感知すれば入力された角速度を検出しうる。
【００２１】
この他にも慣性体の懸垂構造物を動かす様々な目的のアクチュエータに使え、各種の慣性センサーと磁束感知センサーに使える。
図５は本発明に係る三次元コーム加振構造物のさらに他の実施例であって、回転駆動型構造物５０を示す概略図である。これは円形の構造物に力を加えられる構造物の例であって、回転型懸垂構造物５２は回転型懸垂構造物５２に対して垂直に突出されている多数の移動コーム５３を有し、多数の支持バネ５５と支持体５６により基板５１と一定の間隔を保ちながら基板５１に支持される。移動コーム５３と対向して相互挟持された形に配置された１つ以上の固定コーム５４は基板５１上に垂直に立てられている。このようなコーム加振構造物の駆動原理は前述した構造物の駆動原理と類似している。
【００２２】
電源供給手段(図示せず)により移動コーム構造体５３と固定コーム構造体５４に電圧が印加されると移動コームと固定コームとの間には式（２）のようなキャパシタンスが形成され、式（４）による力が基板と平行した方向に発生して回転型懸垂構造物５２が回転する。この際、電源供給手段に印加される電圧が交流ならば、支持バネ５５は回転型懸垂構造物５２を支持しながら印加される交流電圧によって回転型懸垂構造物５２を一定した角度の円弧区間を往復する回転運動を可能にする。このような動作を可能にするために支持体５６と基板５１との間は電流が流れないように電気的に絶縁して形成することが望ましい。図６は前記支持体を回転質量体中に位置してなるものであって、作動原理は図５の構造物に対する説明と同一である。図５及び図６の構造物は、図４の構造物の説明中最後の説明と同一な原理により各種のアクチュエータとセンサーに利用しうる。
【００２３】
【発明の効果】
前述したように、本発明に係る三次元コーム加振構造物及びこれを採用した慣性感知センサー及びアクチュエータは、基板と所定の間隔を保ったまま配置された慣性体の懸垂構造物に付着されて懸垂構造物に垂直に突出される少なくとも１つ以上の移動コームと相互挟持された構造を有する基板に垂直に突出されて配置される少なくとも１つ以上の固定コームを有する固定コーム構造体からなっており、移動コームと固定コームとに連結された電源供給装置から提供される電圧により駆動されるので、これを用いたアクチュエータと慣性感知センサーは次のような多様な効果が得られる。
【００２４】
１．本発明の懸垂構造物及び基板に垂直方向にコームを製作することによって、既存の駆動器に比べて単位面積当りのコームの数を大幅に増加できるので、既存のコーム加振駆動器に比べて静電力を大きくしうる。
２．既存のコーム加振駆動器の静電力の方向はコームの突出方向と同一であるが、本発明による三次元コーム加振駆動器の静電力の方向はコームの突出方向と垂直である。
【００２５】
３．既存のコーム加振駆動器に比べて大きな力を有するので懸垂構造物が駆動される駆動変位を大きくしうる。
４．大きな力を有するので構造物を動かすために共振点における駆動が不要で任意の周波数で構造物を駆動しうる。よって、マイクロジャイロのような共振を用いるセンサーを本発明の構造物で製造すれば構造物の加振方向の共振周波数と感知方向の共振周波数とを一致させる必要がない。
【００２６】
５．小さい駆動電圧でも十分に大きな力が発せられるので、既存のコーム加振駆動器に比べて小さな電圧で駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の静電気力を用いたコーム加振構造物の概略的な構成を示す平面図である。
【図２】図１のコーム加振構造物を採用した慣性感知センサーの実施例を示す斜視図である。
【図３】本発明に係る慣性感知センサー及びアクチュエータに採用される三次元コーム加振構造物の基本構造を示す斜視図である。
【図４】図３の三次元コーム加振構造物を用いた直進駆動型アクチュエータの実施例を示す斜視図である。
【図５】本発明に係る慣性感知センサー及びアクチュエータに採用される回転型三次元コーム加振構造物の実施例を概略的に示す平面図である。
【図６】図５の回転型三次元コーム加振構造物の他の実施例を示す平面図である。
【符号の説明】
４２ 懸垂構造物
４３ 移動コーム
４４ 支持バネ
４５ 支持体
４６ 固定コーム
Claims (20)
- 基板と、
前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、
前記懸垂構造物に接続されて前記懸垂構造物を慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、
前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、
前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、
前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、
前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、請求項１に記載の三次元コーム加振構造物。
- 前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、請求項１に記載の三次元コーム加振構造物。
- 前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、
前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、請求項１に記載の三次元コーム加振構造物。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、請求項１に記載の三次元コーム加振構造物。
- 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、請求項５に記載の三次元コーム加振構造物。
- 前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、請求項１に記載の三次元コーム加振構造物。
- 基板と、
前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、
前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、
前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、
前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、
前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、
前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、請求項８に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。
- 前記懸垂構造物及び移動コームは一体化されて前記基板に対して水平振動運動する、請求項８に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。
- 前記移動コームと前記固定コームとは、相対配置されるとともに、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、
前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、請求項８に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとの間隔ｓが一定である、請求項８に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。
- 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、請求項１２に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。
- 前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、請求項８に記載の三次元コーム加振構造物を有する慣性感知センサー。
- 基板と、
前記基板上で振動可能に前記基板と所定の間隔を保持して配置される懸垂構造物と、
前記懸垂構造物に接続されて前記慣性運動可能に支持する少なくとも１つ以上の弾性部材と、
前記基板に接続されて前記弾性部材を支持する少なくとも１つ以上の支持体と、
前記懸垂構造物に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の移動コームと、
前記移動コームに対向して前記移動コームとは所定間隔を保持しつつ相互に挟持され、前記基板に対して垂直に突出した少なくとも１本以上の固定コームとを含み、
前記懸垂構造物を加振させるために前記移動コーム及び固定コームとの間に電圧を提供するための電源とを含み、
前記移動コームと固定コームへの電圧の印加時発生する静電力が、前記懸垂構造物に接続された移動コームの突出方向と垂直に発生し、前記懸垂構造物が基板と平行方向に加振される、アクチュエータ。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されていない場合において、前記移動コームと前記固定コームとは、前記静電力が印加される基板と水平な方向において、一部のみが重畳するように相互に挟持される、請求項１５に記載のアクチュエータ。
- 前記移動コームと前記固定コームとは、前記懸垂構造物の回動中心に対して対称に配置され、
前記懸垂構造物は、前記基板に対して水平かつ、前記回動中心に対して回動するように形成されている、請求項１５に記載のアクチュエータ。 - 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コーム と前記固定コームとの間隔ｓが一定である、請求項１５に記載のアクチュエータ。
- 前記移動コーム及び固定コームに電圧が印加されている場合において、前記移動コームと前記固定コームとが前記静電力が印加される基板と水平な方向において重畳する長さｘが一定である、または前記基板に垂直な方向において重畳する長さｈが一定である、請求項１８に記載のアクチュエータ。
- 前記移動コームと前記固定コームとの間に印加される電圧が一定の時、前記移動コームと前記固定コームとの間の相対的な距離の変化に応じて発生する静電力が一定である、請求項１５に記載のアクチュエータ。
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