(57)【要約】【課題】固定電極を支持する基部を広幅化することなく、意図しない基部の変位を抑制できる構造のＭＥＭＳデバイスを実現する。【解決手段】駆動用可動電極３１ａ〜３４ａを備える可動部３０を変位させるために用いられる駆動部５０を、長方形板状とされる基部５１、５２と、基部５１、５２に備えられる駆動用固定電極５３、５４と、基部５１、５２を複数の箇所で支持する複数の支持部５５、５６とにより構成すると共に、基部５１、５２が支持部５５、５６により両持ち支持された構造とする。これにより、基部５１、５２の長手方向に対して交差する方向における剛性が向上し、意図しない基部５１、５２の変位、ひいては可動部３０の意図しない変位が抑制され、デバイス特性の低下が抑制されたＭＥＭＳデバイスとなる。【選択図】図１
2019203857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１０）と、
前記基板に固定された固定部（２０）と、
前記固定部に対して変位可能とされた可動部（３０）と、
前記固定部と前記可動部とを接続する支持部材（４３、４４）と、
前記可動部に接続される可動電極（３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ、３７ａ）と、
前記可動電極と距離を隔てて配置され、電圧が印加されることにより前記可動部を駆動させる固定電極（５３、５４）を備える駆動部（５０）と、を備え、
前記駆動部は、前記固定電極が接続される基部（５１、５２）と、前記基板に固定され、前記基部を支持する複数の支持部（５５、５６）と、を有してなり、
前記支持部は、複数の箇所で前記基部を支持しており、
前記基部は、複数の前記支持部により両持ち支持とされることにより、前記基板から隙間を隔てて浮遊した状態とされているＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記可動部は、一対の外側駆動錘（３１、３２）と、一対の内側駆動錘（３３、３４）と、前記内側駆動錘に周囲を囲まれた一対の検出錘（３５、３６）と、一対の駆動梁（４２）と、を有してなり、
前記外側駆動錘は、一対の前記内側駆動錘を挟んだ両側それぞれに配置されており、
前記検出錘は、検出梁（４１）を介して前記内側駆動錘と接続されており、
一対の前記駆動梁は、前記外側駆動錘と前記内側駆動錘とが並べられた方向に交差する方向の両端において前記外側駆動錘および前記内側駆動錘を連結すると共に、前記支持部材を介して前記固定部に支持されており、
前記駆動部は、前記外側駆動錘と前記内側駆動錘とを、互いに逆方向に振動させる請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記支持部は、少なくとも前記基部の両端に接続されている請求項１または２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記基部は、一端とその反対の他端を備え、
前記支持部は、前記基部のうち前記一端と前記他端との間の領域に接続され、前記基部を支持している請求項１ないし３のいずれか１つに記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離を隔てて配置された複数の電極を備え、当該電極に電圧を印加することで駆動するＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＭＥＭＳデバイスは、アクチュエータとしての櫛歯状電極を備え、例えば、振動型角速度センサや光走査装置などに採用されている。このＭＥＭＳデバイスを振動型角速度センサに適用された例としては、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。
【０００３】
特許文献１に記載の発明は、基板に支持された固定部と、固定部にバネ（梁部）を介して支持され、錘、駆動用可動電極および検出用可動電極を備える可動部と、可動部の錘を駆動させる駆動部と、検出部と、を有してなる。
【０００４】
この振動型角速度センサは、駆動部として、駆動用固定電極を備える基部と当該基部を支持する支持部とを有してなり、駆動用固定電極に電圧が印加されると、これと距離を隔てて配置された可動部の可動用電極との間に静電気力を生じる構成である。また、検出部は、検出用基部と、検出用可動電極と距離を隔てて対向配置された検出用固定電極とによりなる。
【０００５】
静電気力により、可動部を所望の方向に沿って駆動させた状態において、コリオリ力が印加されると、検出部に備えられた検出用固定電極と可動部の検出用可動電極との間における静電容量の変化が生じ、この変化に応じた信号の出力により角速度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−６２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この振動型角速度センサでは、駆動部のうち基部は、上面視にて長方形状とされると共に、基板に埋込酸化膜などによりなる犠牲層を介して固定されている。そのため、基板に歪みが生じると、基板に固定された基部も基板の歪みに引きずられて変位し、これに接続された駆動用固定電極も変位する。この駆動用固定電極の変位が生じた場合、駆動用固定電極と可動部の駆動用可動電極との間の静電気力も変化し、可動部が十分に駆動振動できなかったり、意図しない駆動振動が生じたりするなどの不具合が生じる。
【０００８】
このような課題を解決する構造としては、例えば、基部のうち駆動用固定電極を支持する支持部を基板との接続が解放された非固定部とし、その一端側を基板に固定された固定部とした構成とすることが考えられる。このような構成とすることで、基板の歪みが生じても駆動用固定電極が接続された部分が基板から解放された状態であるため、基板の歪みが駆動用固定電極に伝搬せず、駆動用可動電極との間の静電気力への悪影響を低減できる。
【０００９】
しかしながら、基部は、上面視にて長方形状とされており、その長手方向に対して交差する方向を交差方向として、交差方向における剛性が低い形状である。本発明者らは、基部が交差方向における剛性が低いことに起因し、角速度の検出精度が低下し得ることを突き止めた。
【００１０】
具体的には、駆動用固定電極への電圧印加により可動部を駆動させる際に、駆動用固定電極と可動部の駆動用可動電極との間に発生する静電気力が駆動用固定電極にも作用し、駆動用固定電極を支持する基部にも交差方向に沿った駆動力モーメントが生じる。
【００１１】
しかしながら、基部は、交差方向における剛性が低い構造とされており、交差方向の駆動力モーメントの影響により、交差方向に変位する。そして、基部が交差方向に変位すると、これに支持された駆動用可動電極も変位し、ひいては可動部の振動方向にも変化が生じてしまう。その結果、コリオリ力が作用していない状態においても、所望の方向以外の意図しない振動が生じてしまい、角速度の検出精度が低下してしまう。
【００１２】
基部が交差方向に変位しない構造としては、長手方向に対して直交する直交方向における基部の幅を大きくすることが考えられる。しかしながら、この構造では、基部を囲む可動部も大型化してしまい、近年の小型化や軽量化のニーズに反するため、好ましくない。
【００１３】
上記の課題は、振動型角速度センサだけでなく、従来のＭＥＭＳデバイスを加速度センサや光走査装置などの他の用途に適用された場合においても同様に生じ得る。つまり、アクチュエータとしての櫛歯状の電極に電圧を印加した際の静電気力により、櫛歯状の電極が接続された基部に意図しない変位が生じ、ひいては可動部に意図しない変位が生じてしまい、デバイス特性が低下してしまう。
【００１４】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、基板の歪みによる影響を低減すると共に、固定電極を支持する基部を広幅化することなく、意図しない基部の変位を抑制できる構造のＭＥＭＳデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスは、基板（１０）と、基板に固定された固定部（２０）と、固定部に対して変位可能とされた可動部（３０）と、固定部と可動部とを接続する支持梁（４３）と、可動部に接続される可動電極（３１ａ、３２ａ、３３ａ、３４ａ）と、可動電極と距離を隔てて配置され、電圧が印加されることにより可動部を駆動させる固定電極（５３、５４）を備える駆動部（５０）と、を備える。このような構成において、駆動部は、固定電極が接続される基部（５１、５２）と、基板に固定され、基部を支持する複数の支持部（５５、５６）と、を有してなり、支持部は、複数の箇所で基部を支持しており、基部は、複数の支持部により両持ち支持とされることにより、基板から隙間を隔てて浮遊した状態とされている。
【００１６】
これにより、支持部により両持ち支持されることで基部の剛性が高められ、固定電極に電圧を印加した際に生じる静電気力に起因した意図しない基部および可動部の変位が抑制され、デバイス特性の低下が抑制されるＭＥＭＳデバイスとなる。また、このＭＥＭＳデバイスは、基部が浮遊した状態であるため、基板の歪みによるデバイス特性の低下が抑制される。
【００１７】
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の振動型角速度センサを示す平面模式図である。
【図２】図１中のII-II間の断面構成を示す概略断面図である。
【図３】振動型角速度センサの基本動作時の様子を示した模式図である。
【図４】振動型角速度センサに角速度が印加された時の様子を示した模式図である。
【図５】従来の振動型角速度センサのうち駆動部であって、駆動用固定電極に電圧が印加された状態を示す平面模式図である。
【図６】図１の振動型角速度センサのうち駆動部であって、駆動用固定電極に電圧が印加された状態を示す平面模式図である。
【図７】第１実施形態の振動型角速度センサのうち駆動部の変形例の一例を示す平面模式図である。
【図８】第１実施形態の振動型角速度センサのうち駆動部の変形例の一例を示す平面模式図である。
【図９】第１実施形態の振動型角速度センサのうち駆動部の変形例の一例を示す平面模式図である。
【図１０】第２実施形態のＭＥＭＳデバイスの構造の一例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００２０】
（第１実施形態）
第１実施形態のＭＥＭＳデバイスが、例えば振動型角速度センサに適用された例について、図１〜図６を参照して述べる。図１では、後述する支持基板１１と半導体層１２とが分かり易くなるように、これらの外郭がずれたものを示しているが、これらの外郭が一致していてもよい。
【００２１】
なお、以降の説明の簡略化のため、図１に示すように、図１の紙面左右方向を「ｘ軸方向」と、該紙面平面においてｘ軸方向に対して垂直な方向を「ｙ軸方向」と、ｘｙ平面に対して垂直な方向を「ｚ軸方向」と称する。図３、図４においても、図１と同様に、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向を矢印などで示している。
【００２２】
本実施形態の振動型角速度センサは、角速度を検出するためのセンサであり、例えば、車両の上下方向に平行な中心線周りの回転角速度の検出に用いられる。この場合、本実施形態の振動型角速度センサは、図１の紙面に対する法線方向が車両の上下方向と一致するようにして車両に搭載される。なお、本実施形態の振動型角速度センサは、勿論、車両用以外の用途にも適用され得る。
【００２３】
本実施形態の振動型角速度センサは、図１に示すように、板状の基板１０の一面側に形成されている。基板１０は、支持基板１１と半導体層１２とで犠牲層となる埋込酸化膜１３を挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Silicon on insulator）基板にて構成されている。このようなセンサ構造は、半導体層１２側をセンサ構造体のパターンにエッチングしたのち埋込酸化膜を部分的に除去し、センサ構造体の一部がリリースされた状態にすることで構成される。
【００２４】
半導体層１２は、固定部２０、可動部３０、梁部４０、駆動部５０および検出部６０にパターニングされている。固定部２０は、その裏面に図示しない埋込酸化膜が残されており、支持基板１１からリリースされることなく、埋込酸化膜を介して支持基板１１の一面上に固定された状態とされている。可動部３０および梁部４０は、その裏面側の埋込酸化膜が除去され、支持基板１１からリリースされた状態とされており、振動型角速度センサにおける振動子を構成するものである。梁部４０は、可動部３０を支持すると共に角速度検出を行うために可動部３０をｘ軸方向およびｙ軸方向において変位させるものである。駆動部５０および検出部６０は、埋込酸化膜を介して支持基板１１に固定された固定部分と、該固定部分に接続されると共に、埋込酸化膜が除去されて支持基板１１からリリースされた電極と、を有してなる。駆動部５０は、可動部３０を駆動させるのに用いられる。検出部６０は、可動部３０を駆動部５０により駆動させた状態で外力が印加された際に、その外力を検出するものである。
【００２５】
固定部２０は、例えば、図１に示すように、可動部３０および梁部４０などのセンサ構造体の周囲を囲むように配置され、その内壁において梁部４０を介して可動部３０を支持している。ここでは、固定部２０がセンサ構造体の周囲全域を囲む構造を例に挙げているが、その一部のみに形成された構造であっても構わない。また、固定部２０は、上記した例に限られず、他の固定部、例えば図示しないパッドなどが形成されるパッド用固定部などが備えられた構造とされてもよく、他の形状に適宜変更されてもよい。
【００２６】
可動部３０は、角速度の印加に応じて変位する部分であり、図１に示すように、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６とを有した構成とされている。可動部３０は、外側駆動錘３１、検出錘３５を備える内側駆動錘３３、検出錘３６を備える内側駆動錘３４および外側駆動錘３２がこの順にｘ軸方向に沿って並べられたレイアウトとされている。つまり、可動部３０は、検出錘３５、３６を内部に備えた２つの内側駆動錘３３、３４が内側に並べられていると共に、これら２つの内側駆動錘３３、３４を挟み込むように両外側にさらに外側駆動錘３１、３２が１つずつ配置された構造とされている。
【００２７】
外側駆動錘３１、３２は、図１に示すように、ｙ軸方向に沿って延設されている。外側駆動錘３１は、内側駆動錘３３と対向配置されている。外側駆動錘３２は、内側駆動錘３４と対向配置されている。これら外側駆動錘３１、３２は、質量部として機能し、梁部４０に含まれる各種梁よりも太くされ、後述する駆動梁４２および駆動部５０による駆動振動を行う際の振動方向であるｙ軸方向に沿って移動可能とされている。外側駆動錘３１、３２は、例えば図１に示すように、ｙ軸方向に沿った辺のうち内側駆動錘３３、３４側の辺に櫛歯状の可動電極３１ａ、３２ａが形成されている。
【００２８】
ここで、上記の可動電極３１ａ、３２ａおよび後述する可動電極３３ａ、３４ａと、後述する可動電極３５ａ、３６ａと、を区別するため、以下の説明にて、前者を「駆動用可動電極３１ａ、３２ａ」と称し、後者を「検出用可動電極３５ａ、３６ａ」と称する。また、駆動部５０の固定電極５３、５４と検出部６０の固定電極６２、６４とを区別するため、前者を「駆動用固定電極５３、５４」と称し、後者を「検出用固定電極６２、６４」と称する。
【００２９】
駆動用可動電極３１ａは、後述する駆動部５０のうち外側駆動錘３１側の辺に形成された櫛歯状の駆動用固定電極５３と距離を隔てて配置されている。駆動用可動電極３１ａのうちｙ軸方向に沿って延設された部分は、図１に示すように、駆動用固定電極５３のうちｙ軸方向に沿って延設された部分と互い違いになるように配置され、駆動用固定電極５３に電圧が印加されると、静電気力が生じる。外側駆動錘３１は、この静電気力の作用によりｙ軸方向に沿って駆動振動する。
【００３０】
駆動用可動電極３２ａは、図１に示すように、駆動部５０のうち外側駆動錘３２側の辺に形成された櫛歯状の駆動用固定電極５４と距離を隔てて配置されている。駆動用可動電極３２ａと駆動用固定電極５４との配置関係は、駆動用可動電極３１ａと駆動用固定電極５３との配置関係と同様であるため、説明を割愛する。外側駆動錘３２は、駆動用固定電極５４に電圧が印加されると、ｙ軸方向に沿って駆動振動する。
【００３１】
内側駆動錘３３、３４は、図１に示すように、上面視にて四角形状の枠体形状とされ、検出錘３５、３６のうち１つの周囲を囲んでいる。これら内側駆動錘３３、３４は、質量部として機能し、梁部４０に含まれる各種梁よりも太くされ、ｙ軸方向に移動可能とされている。四角形状で構成された内側駆動錘３３、３４は、図１に示すように、相対する二辺がそれぞれｘ軸方向およびｙ軸方向に平行となる配置とされている。内側駆動錘３３、３４は、ｙ軸方向に平行とされた二辺のうちの一辺が外側駆動錘３１、３２と対向配置され、もう一辺が内側駆動錘３３、３４の他方と対向配置されている。内側駆動錘３３、３４は、図１に示すように、ｙ軸方向に平行とされた辺のうち外側駆動錘３１、３２側の辺に櫛歯状の駆動用可動電極３３ａ、３４ａが形成されている。
【００３２】
駆動用可動電極３３ａは、駆動部５０のうち内側駆動錘３３側の辺に形成された駆動用固定電極５３と距離を隔てて配置されている。駆動用可動電極３３ａのうちｙ軸方向に沿って延設された部分は、図１に示すように、駆動用固定電極５３のうちｙ軸方向に沿って延設された部分と互い違いになるように配置され、駆動用固定電極５３に電圧が印加されると、静電気力が生じる。内側駆動錘３３は、この静電気力の作用によりｙ軸方向に沿って駆動振動する。
【００３３】
駆動用可動電極３４ａは、駆動部５０のうち内側駆動錘３４側の辺に形成された駆動用固定電極５４と距離を隔てて配置されている。駆動用可動電極３２ａと駆動用固定電極５４との配置関係は、駆動用可動電極３３ａと駆動用固定電極５３との配置関係と同様であるため、説明を割愛する。内側駆動錘３４は、駆動用固定電極５４に電圧が印加されると、ｙ軸方向に沿って駆動振動する。
【００３４】
検出錘３５、３６は、図１に示すように、上面視にて、後述する検出部６０を囲む四角形枠体状とされており、その外壁面に接続された後述する検出梁４１を介して内側駆動錘３３、３４の内壁面に支持されている。検出錘３５、３６は、駆動錘３１〜３４と同様に、質量部として機能し、駆動振動によって内側駆動錘３３、３４と共にｙ軸方向に移動させられるが、角速度印加時にはｘ軸方向に移動させられる。
【００３５】
検出錘３５、３６は、例えば、図１に示すように、その内壁面のうちｘ軸方向に平行とされた辺に検出用可動電極３５ａ、３６ａが形成されている。検出用可動電極３５ａ、３６ａは、ｙ軸方向に沿って延設されると共に、検出部６０のうち後述する検出用固定電極６２、６４と距離を隔てて配置されている。
【００３６】
検出用可動電極３５ａは、検出用基部６１の外壁面のうちｘ軸方向に沿った辺にｙ軸方向に沿って延設された検出用固定電極６２と互い違いになるように配置されている。検出用可動電極３６ａは、検出用基部６３の外壁面のうちｘ軸方向に沿った辺にｙ軸方向に沿って延設された検出用固定電極６４と互い違いになるように配置されている。
【００３７】
梁部４０は、図１に示すように、検出梁４１、駆動梁４２および支持部材４３を有した構成とされている。
【００３８】
検出梁４１は、図１に示すように、駆動錘３１〜３４の振動方向であるｙ軸方向に沿って直線的に延設され、内側駆動錘３３、３４の内壁面のうちｘ軸方向に平行とされた辺と検出錘３５、３６の外壁面のうちｘ軸方向に平行とされた辺とを接続している。
【００３９】
駆動梁４２は、図１に示すように、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を連結すると共に、これら外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４のｙ軸方向への移動を可能とするものである。具体的には、駆動梁４２は、２つ揃えられることで一対とされ、一方の外側駆動錘３１、一方の内側駆動錘３３、他方の内側駆動錘３４および他方の外側駆動錘３２の順番に並べられた駆動錘３１〜３４を連結している。つまり、本実施形態では、一対の駆動梁４２は、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３４、３５が並べられた方向に交差する方向の両端において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３４、３５を連結している。言い換えると、駆動錘３１〜３４がｘ軸方向に沿って並べて配置され、これらがｙ軸方向での両端において一対の駆動梁４２により挟まれつつ、駆動梁４２により連結されたラダー構造とされている。
【００４０】
より具体的には、駆動梁４２は、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁である。駆動梁４２は、図１に示すように、ｙ軸方向において、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４を挟んだ両側に一本ずつ配置されており、それぞれ、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４に接続されている。駆動梁４２と、外側駆動錘３１、３２および内側駆動錘３３、３４とは直接接続されていても良いが、例えば、本実施形態では駆動梁４２と内側駆動錘３３、３４とが連結部４２ａを介して接続されている。
【００４１】
支持部材４３は、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６を支持するものである。具体的には、支持部材４３は、固定部２０の内壁面と駆動梁４２との間に備えられており、駆動梁４２を介して上記各錘３１〜３６を固定部２０に支持する。
【００４２】
支持部材４３は、回転梁４３ａと支持梁４３ｂおよび連結部４３ｃとを有した構成とされている。回転梁４３ａは、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、その両端に支持梁４３ｂが接続されていると共に、支持梁４３ｂと反対側の中央位置に連結部４３ｃが接続されている。この回転梁４３ａは、センサ駆動時に連結部４３ｃを中心としてＳ字状に波打って撓む。支持梁４３ｂは、回転梁４３ａの両端を固定部２０に接続するものであり、本実施形態では直線状部材とされている。この支持梁４３ｂは、衝撃などが加わった時に各錘３１〜３６がｘ軸方向に移動することを許容する役割も果たしている。連結部４３ｃは、支持部材４３を駆動梁４２に接続する役割を果たしている。
【００４３】
駆動部５０は、可動部３０や梁部４０などのセンサ構造体を駆動振動させるためのものであり、例えば、図１に示すように、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間および外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間にそれぞれ配置されている。
【００４４】
具体的には、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間には、駆動用固定電極５３を備える基部５１が２つの支持部５５により両持ち支持された駆動部５０が配置されている。外側駆動錘３２と内側駆動錘３４との間には、駆動用固定電極５４を備える基部５２が２つの支持部５６により両持ち支持された駆動部５０が配置されている。
【００４５】
基部５１、５２は、本実施形態では、例えば、図１に示すように、上面視にてｙ軸方向に沿って延設され、ｙ軸方向を長手方向とする長方形状とされている。基部５１、５２は、本実施形態では、例えば、図２に示すように、その裏面側の埋込酸化膜１３が除去されており、支持基板１１からリリースされた状態とされている。基部５１は、長手方向における一端および他端それぞれが支持部５５に支持された状態、すなわち２つの支持部５５により両持ち支持の状態とされている。そのため、基部５１は、支持基板１１から隙間を隔てて浮遊した状態とされている。基部５２は、図２に示す基部５１と同様の状態、すなわち２つの支持部５６により両持ち支持され、支持基板１１から浮遊した状態とされている。
【００４６】
なお、ここでいう「両持ち支持」とは、基部５１または５２がその長手方向の両端の２箇所で支持された状態だけでなく、基部５１または５２がその両端に限られず、２以上の箇所で支持部５５または５６により支持された状態を含む。
【００４７】
駆動用固定電極５３、５４は、駆動用可動電極３１ａ〜３４ａと同様に例えば櫛歯状とされ、電圧が印加されることにより、駆動用可動電極３１ａ〜３４ａとの間に静電気力を生じさせ、可動部３０を駆動するために用いられる。駆動用固定電極５３、５４は、例えば、駆動部５０のうち支持部５５、５６に形成された図示しない電極パッドに接続され、外部から電圧が印加される構成とされている。駆動用固定電極５３、５４は、その裏側の埋込酸化膜が除去され、支持基板１１からリリースされている。
【００４８】
駆動用固定電極５３は、基部５１のうちｙ軸方向に沿った辺のそれぞれに形成され、駆動用可動電極３１ａ、３３ａと向き合っている。駆動用固定電極５４は、基部５２のうちｙ軸方向に沿った辺のそれぞれに形成され、駆動用可動電極３２ａ、３４ａと向き合っている。
【００４９】
支持部５５、５６は、図１に示すように、１つの基部５１、５２に対して複数設けられ、基部５１、５２を複数の箇所で支持する部材である。支持部５５は、図２に示すように、その裏側に埋込酸化膜１３が残されることで支持基板１１に固定されており、本実施形態では、基部５１をその両端で支持するアンカーとして機能する。支持部５６についても支持部５５と同様に支持基板１１に固定され、本実施形態では、基部５２の両端を支持している。
【００５０】
検出部６０は、角速度印加に伴う検出梁４１の変位に応じた電気信号を出力する部分である。本実施形態の場合、検出部６０は、図１に示すように、検出錘３５、３６の内側にそれぞれ配置されている。具体的には、検出用基部６１と検出用固定電極６２とによりなる検出部６０が検出錘３５の内側に配置され、検出用基部６３と検出用固定電極６４とによりなる検出部６０が検出錘３６の内側に配置されている。
【００５１】
検出用基部６１、６３は、その裏側に図示しない埋込酸化膜が残されており、支持基板１１に固定されている。
【００５２】
検出用固定電極６２、６４は、例えば、図１に示すように、検出用基部６１、６３の外壁面のうちｘ軸方向に沿った辺に形成されており、ｙ軸方向に沿って延設されている。検出用固定電極６２、６４は、その裏側の埋込酸化膜が除去され、支持基板１１からリリースされている。
【００５３】
以上のような構造により、外側駆動錘３１、３２や内側駆動錘３３、３４および検出錘３５、３６がそれぞれ２つずつ備えられた一対の角速度検出構造が備えられた振動型角速度センサが構成されている。
【００５４】
次に、振動型角速度センサの基本動作時の様子について図３を参照して説明する。
【００５５】
駆動用固定電極５３、５４に対してＤＣ電圧に加算したＡＣ電圧を印加することにより、外側駆動錘３１、３２と内側駆動錘３３、３４との間に電位差を発生させると、その電位差に基づいてｙ軸方向に沿った静電気力が発生する。この静電気力に基づいて、例えば図３に示すように、各駆動錘３１〜３４をｙ軸方向に振動させる。このとき、ＡＣ電圧の周波数を変えながら各駆動錘３１〜３４のｙ軸方向の振動をモニタし、ＡＣ電圧の周波数が所定の駆動共振周波数となるように調整する。例えば、外側駆動錘３１、３２と対向配置されるようにモニタ用の電極を設け、これらの間に形成される容量の変化に基づいて外側駆動錘３１、３２の変位を検出する。
【００５６】
そして、図３に示すように、駆動用固定電極５３と外側駆動錘３１の駆動用可動電極３１ａおよび内側駆動錘３３の駆動用可動電極３３ａとの配置により、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。また、駆動用固定電極５３と外側駆動錘３２の駆動用可動電極３２ａおよび内側駆動錘３４の駆動用可動電極３４ａの配置により、図３に示すように、外側駆動錘３２と内側駆動錘３４とがｙ軸方向において互いに逆位相で振動させられるようにしている。さらに、２つの内側駆動錘３３、３４がｙ軸方向において逆位相で振動させられるようにしている。これにより、振動型角速度センサは、駆動モード形状にて駆動されることになる。
【００５７】
なお、このとき、駆動梁４２がＳ字状に波打つことで各錘３１〜３４のｙ軸方向への移動が許容されるが、回転梁４３ａと駆動梁４２とを接続している連結部４３ｃの部分については振幅の節、すなわち不動点となり、殆ど変位しない構造である。
【００５８】
上記した図３のような基本動作を行っている際に振動型角速度センサにｚ軸回りの角速度が印加されると、コリオリ力により、図４に示すように検出錘３５、３６がｘ軸方向へ変位する。この変位により、検出錘３５の検出用可動電極３５ａと検出用基部６１の検出用固定電極６２とで構成されるキャパシタの容量値や、検出錘３６の検出用可動電極３６ａと検出用基部６３の検出用固定電極６４とで構成されるキャパシタの容量値が変化する。
【００５９】
このため、検出用基部６１、６３の図示しないボンディングパッドからの信号取り出しに基づいてキャパシタの容量値の変化を読み取ることにより、角速度を検出することができる。例えば、本実施形態のような構成の場合、２つの角速度検出構造それぞれから取り出した信号を差動増幅してキャパシタの容量値の変化を読み取ることが可能であるため、より正確に角速度を検出することが可能となる。このようにして、本実施形態の振動型角速度センサにより、印加された角速度を検出することができる。
【００６０】
以上のような動作により、本実施形態の振動型角速度センサは、印加された角速度を検出することができる。
【００６１】
次に、支持部５５、５６を備える駆動部５０による効果について、図５、図６を参照して説明するが、ここでは、まず、従来の振動型角速度センサにおける駆動部７０およびその課題について簡単に説明する。
【００６２】
図５、図６では、駆動部の代表例として、外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間に配置されたものを示している。また、図５、６では、見易くするため、駆動用固定電極５３、７２の一部、基部５１、７１、アンカー７３、支持部５５および駆動用可動電極３１ａ、３３ａのみを示すと共に、基部５１、７１に作用する静電気力を白抜き矢印で示し、他の要素を省略している。
【００６３】
従来の駆動部７０は、例えば、図５に示すように、上面視にて長方形状とされた基部７１と、基部７１の長手方向に沿った辺に形成された駆動用固定電極７２と、基部７１の一端を片持ち支持するアンカー７３と、を有してなる。基部７１および駆動用固定電極７２は、その裏側の埋込酸化膜が除去され、基板から浮遊した状態である。アンカー７３は、その裏側の埋込酸化膜が残されており、基板に固定された状態である。駆動用固定電極７２は、外側駆動錘３１に備えられた駆動用可動電極３１ａまたは内側駆動錘３３に備えられた駆動用可動電極３３ａと距離を隔てて配置されている。駆動用固定電極７２のうち基部７１の長手方向に沿って延設された部分は、駆動用可動電極３１ａ、３３ａのうち該長手方向に沿って延設された部分と互い違いになる配置とされている。
【００６４】
外側駆動錘３１および内側駆動錘３３を駆動振動させるために、駆動用固定電極７２に電圧を印加すると静電気力が生じ、この静電気力は、駆動用可動電極３１ａ、３３ａおよび駆動用固定電極７２に作用する。そのため、基部７１には、図５に白抜き矢印で示す静電気力が生じることとなる。
【００６５】
このとき、基部７１は、浮遊した状態であって、かつアンカー７３により片持ち支持された状態であるため、長手方向に対して交差する方向（以下「交差方向」という）における剛性が低い構造である。その結果、基部７１は、図５に示すように、駆動錘３１、３３を駆動振動させるための静電気力により、アンカー７３に支持されていない自由端が意図しない交差方向に変位する。すると、基部７１に備えられた駆動用固定電極７２が基部７１の変位に伴って変位し、ひいては駆動用固定電極７２と対向配置された駆動用可動電極３１ａ、３３ａと共に、駆動錘３１、３３が意図しない駆動振動をすることとなる。
【００６６】
つまり、基部７１が意図しない交差方向に変位すると、駆動錘３１、３３が意図しない交差方向に駆動振動をしてしまい、角速度の検出精度が低下してしまう。
【００６７】
次に、本実施形態の振動型角速度センサにおける駆動部５０について、図６を参照して説明する。
【００６８】
駆動部５０は、図６に示すように、従来の駆動部７０と異なり、２つの支持部５５により基部５１が両持ち支持された状態、すなわち基部５１の長手方向に対する交差方向における剛性が高い状態とされた構造である。そのため、駆動用固定電極５３に電圧が印加され、図６に白抜き矢印で示す交差方向における静電気力が生じても、基部５１は、その両端を固定されているため、交差方向への変位が抑制される。
【００６９】
つまり、基部５１に意図しない変位が生じることが抑制されることで、駆動錘３１、３３は、意図しない交差方向における駆動振動をすることが抑制されることとなる。これにより、駆動錘３１、３３の駆動振動の精度が高められ、ひいては角速度の検出精度が高められる。
【００７０】
なお、ここで、基部５１、７１のヤング率Ｅおよび長手方向における長さＬを同一とし、それぞれの交差方向に対する曲げ剛性Ｋとし、基部５１、７１における断面二次モーメントをＩとする。また、このとき、基部５１のうち最も曲げ剛性が低い箇所は、長手方向における中心となり、この箇所における曲げ剛性Ｋ１は次の（１）式で表すことができる。
【００７１】
Ｋ１＝１９２ＥＩ／Ｌ３・・・（１）
一方、基部７１のうち最も曲げ剛性が低い箇所は、長手方向のうちアンカー７３の反対側の自由端であり、この箇所における剛性Ｋ２は次の（２）式で表すことができる。
【００７２】
Ｋ２＝３ＥＩ／Ｌ３     ・・・（２）
つまり、片持ち支持の構造である基部７１に比べて、両持ち支持の構造である基部５１の曲げ剛性は、基部７１の６４倍となる。これは、基部５１がその長手方向に対する直交方向における幅を広くされずとも、基部５１の交差方向における変形が従来よりも抑制されることを示している。
【００７３】
また、両持ち支持の構造とされることで基部５１、５２の交差方向における剛性が向上するため、仮に加工において基部５１の対称性が確保できなかったとしても、基部５１が駆動力モーメントによって意図しない変位をすることが抑制される。そのため、可動部３０が理想の駆動方向と異なる方向の意図しない駆動振動をすることが抑制され、検出部６０が可動部３０の意図しない駆動振動に伴う信号、すなわちノイズ信号を出力することが抑制される。
【００７４】
本実施形態によれば、可動部３０を駆動させる駆動部５０が両持ち支持された構造とされ、その長手方向に交差する方向における変位が抑制される構造の振動型角速度センサとなる。そのため、角速度が印加されない状態において、駆動錘３１〜３４が意図しない交差方向における振動をすることが抑制され、検出精度が高い振動型角速度センサとなる。また、駆動部５０の基部５１、５２が支持基板１１からリリースされた状態とされているため、支持基板１１が歪んだとしても、基部５１、５２のすべてが固定される従来の構造に比べて、基板の歪みによる検出精度低下が抑制される。
【００７５】
（第１実施形態の変形例）
上記第１実施形態の駆動部５０の変形例について、図７〜図９を参照して説明する。図７〜図９では、分かり易くするため、駆動部５０の代表例として外側駆動錘３１と内側駆動錘３３との間に配置されたものを示すと共に、駆動部５０および駆動用可動電極３１ａ、３３ａ以外の構成要素を省略している。
【００７６】
駆動部５０は、例えば、図７に示すように、支持部５５が基部５１の一端と他端との間の領域に支持部５５が２つ配置され、これらの支持部５５により両持ち支持された構造とされてもよい。言い換えると、支持部このとき、基部５１のうち支持部５５から一端側または他端側に突き出た部分に駆動用固定電極５３が形成されていてもよい。
【００７７】
また、駆動部５０は、例えば、図８に示すように、２つの支持部５５により基部５１がその両端で両持ち支持されると共に、これと異なる１つの支持部５５が基部５１の一端と他端との間の領域に配置され、当該１つの支持部５５にも支持された構造とされてもよい。
【００７８】
さらに、駆動部５０は、例えば、図９に示すように、基部５１が略Ｔ字状とされ、２つの支持部５５により両持ち支持されると共に、これらと異なる１つの支持部５５により両持ちされた辺に対して垂直に延設された辺が支持された構造とされてもよい。
【００７９】
なお、基部５２、駆動用固定電極５４および支持部５６で構成される駆動部５０についても、上記と同様の変形が可能であることは言うまでもない。また、駆動部５０は、基部５１、５２の交差方向における幅を広げることなく、交差方向における剛性が向上する構造であればよく、上記した例に限られず、基部５１、５２が他の箇所で支持部５５、５６に支持されていてもよい。
【００８０】
上記のような変形例であっても、基部５１は、両持ち支持の状態のため、駆動用固定電極５３に電圧を印加した際の静電気力が作用する交差方向における剛性が高い構造となる。そのため、駆動用可動電極３１ａ、３３ａ、ひいては、駆動錘３１、３３の意図しない変位が抑制され、角速度の検出精度が高く、基板の歪みによる特性低下が抑制される振動型角速度センサとなる。
【００８１】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、ＭＥＭＳデバイスが振動型角速度センサに適用された例について説明したが、これに限られず、櫛歯状の電極をアクチュエータとして備える各種デバイスにも適用することができる。例えば、加速度センサ、マイクロステージや光走査装置などに適用されることができる。本実施形態では、振動型角速度センサと異なるデバイスとして適用される場合の一例について、図１０を参照して説明する。
【００８２】
図１０では、構成を分かり易くするために、デバイスとして機能する主要な部位を示すと共に、便宜的にｘ軸方向およびｙ軸方向を示し、他の領域については省略している。
【００８３】
本実施形態のＭＥＭＳデバイスは、例えば、図１０に示すように、固定部２０と、可動部３０と、固定部２０と可動部３０とを接続して支持する支持部材４４と、可動部３０を駆動させる駆動部５０と、を有してなる。
【００８４】
固定部２０は、その裏側に図示しない埋込酸化膜が残されていることで図示しない支持基板に固定されている。固定部２０は、本実施形態では、図１０に示すように、上面視にて矩形板状とされると共に、可動部３０の外側の領域に４つ配置されている。具体的には、固定部２０それぞれは、可動部３０のうち矩形板状とされた台座３７の四隅のうちの１つと支持部材４４を介して接続され、台座３７を４箇所で支持している。
【００８５】
可動部３０は、本実施形態では、例えば図１０に示すように、台座３７と、台座３７の外壁面のうち対向する二辺に備えられた駆動用可動電極３７ａと、を有してなる。可動部３０は、その裏側の図示しない埋込酸化膜が除去され、支持基板１１からリリースされた状態である。
【００８６】
台座３７は、例えば、図１０に示すように、四角形状とされ、ｙ軸方向に沿って移動可能な構成とされ、後述する駆動部５０の駆動用固定電極５３、５４に電圧が印加されることにより、駆動させられることも可能である。
【００８７】
なお、台座３７は、用途に応じて適宜形状などが変更されてもよく、他の構成要素が追加されてもよい。例えば、本実施形態のＭＥＭＳデバイスを加速度センサとして適用する場合には、台座３７は、検出錘として機能すればよく、他の構成要素が追加されなくてもよい。本実施形態のＭＥＭＳデバイスを光走査装置として適用する場合には、台座３７は、その上に外部から照射される光を反射させる図示しない反射材がさらに配置された構成とされていればよく、必要に応じて円板状などの他の形状とされてもよい。本実施形態のＭＥＭＳデバイスをいわゆるマイクロステージとして適用する場合には、平板状とされればよく、他の追加の構成要素が追加されなくてもよい。このように、台座３７は、上記の例に限られず、ＭＥＭＳデバイスの用途に応じて、適宜その構成や形状などが変更される。
【００８８】
駆動用可動電極３７ａは、本実施形態では、例えば、図１０に示すように、櫛歯状とされ、台座３７のうちｙ軸方向に平行な二辺それぞれに備えられている。駆動用可動電極３７ａは、図１０に示すように、駆動部５０のうち駆動用固定電極５３または５４と距離を隔てて対向配置されると共に、駆動部５０のうち駆動用固定電極５３または５４と互い違いになるようにｙ軸方向に沿って配置されている。
【００８９】
なお、駆動用可動電極３７ａは、ＭＥＭＳデバイスの用途に応じて、「検出用可動電極」として機能してもよく、この場合、駆動部５０が「検出部」として機能することとなる。
【００９０】
支持部材４４は、ｙ軸方向の幅が所定寸法とされた直線状梁であり、台座３７の四隅のうちの１つと固定部２０のうちの１つとを接続する部材である。支持部材４４は、ｙ軸方向に変位可能とされており、台座３７がｙ軸方向に移動することを可能としている。
【００９１】
駆動部５０は、本実施形態では、可動部３０を挟んでｘ軸方向における両側に配置されている。可動部３０のｘ軸方向左側には、基部５１、駆動用固定電極５３および２つの支持部５５によりなる駆動部５０が配置され、可動部３０のｘ軸方向右側には、基部５２、駆動用固定電極５４および２つの支持部５６によりなる駆動部５０が配置されている。
【００９２】
なお、基部５１、５２および支持部５５、５６は、上記第１実施形態の説明において、図２に示した構造と同様の構造とされているため、その詳細な説明を省略する。
【００９３】
駆動用固定電極５３、５４のうちｙ軸方向に沿って延設された部分は、図１０に示すように、複数設けられ、駆動用可動電極３７ａのうちｙ軸方向に沿って延設された複数の部分と互い違いになるように配置されている。駆動用固定電極５３、５４に電圧が印加されると、駆動用可動電極３７ａとの間に静電気力が生じ、台座３７をｙ軸方向に沿って駆動振動させることができる。
【００９４】
なお、駆動部５０は、ＭＥＭＳデバイスの用途に応じて、「検出部」として機能させてもよく、この場合には、駆動用固定電極５３、５４が「検出用固定電極」として機能することとなる。また、駆動用固定電極５３、５４は、その形状が平板状とされ、平行に配置されたもの、すなわち単純な平行平板の組み合わせとされてもよい。このようにＭＥＭＳデバイスの用途に応じて、電極５３、５４は、任意の形状とされてもよい。
【００９５】
本実施形態のＭＥＭＳデバイスは、ｙ軸方向に沿って台座３７が移動した際の移動量に応じた信号を出力させたり、台座３７をｙ軸方向に沿って所望の移動をさせたりする構成とされる。本実施形態のＭＥＭＳデバイスにおいても、駆動部５０が支持部５５により両持ち支持され、駆動用可動電極３７ａと駆動用固定電極５３、５４との間の静電気力に起因する駆動力モーメントにより基部５１、５２が意図しない変位をすることが抑制される。そのため、駆動部５０が意図しない変位をすることに起因する可動部３０の意図しない移動をすることが抑制され、デバイス特性の精度が高いＭＥＭＳデバイスとなる。
【００９６】
（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示したＭＥＭＳデバイスは、本発明のＭＥＭＳデバイスの一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００９７】
例えば、上記第１実施形態やその変形例において、駆動用可動電極３１ａ〜３４ａ、駆動用固定電極５３、５４、検出用可動電極３５ａ、３６ａおよび検出用固定電極６２、６４の数、形状や配置などについては、上記した例に限られず、適宜変更されてもよい。
【００９８】
また、上記第２実施形態では、台座３７がｙ軸方向の一方向に移動させられることが可能な構成とされた例について示したが、一方向だけに限られず、二方向に移動可能な構成とされてもよい。この場合、アクチュエータとしての駆動部５０が少なくとも基部５１、５２が支持部５５または５６により両持ち支持された状態とされればよく、他の構成については、公知の構造が採用されてもよい。
【符号の説明】
【００９９】
１１            支持基板
３０            可動部
３１〜３６      駆動錘
３１ａ〜３４ａ  駆動用可動電極
４１            検出梁
５０            駆動部
５１、５２      基部
５３、５４      駆動用固定電極
５５、５６      支持部
６０            検出部
【図１】
2019203857.tif 000003
【図２】
2019203857.tif 000004
【図３】
2019203857.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019203857.tif 000007
【図６】
2019203857.tif 000008
【図７】
2019203857.tif 000009
【図８】
2019203857.tif 000010
【図９】
2019203857.tif 000011
【図１０】
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