WO2015194480A1 - 振動駆動モジュール及びｍｅｍｓセンサ - Google Patents

振動駆動モジュール及びｍｅｍｓセンサ Download PDF

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WO2015194480A1
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electrode
fixed
vibration drive
vibration
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夕輝 植屋
威 岡見
潤弥 松岡
辻　信昭
崇 溝田
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株式会社村田製作所
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/574—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion
    • G01C19/5747—Structural details or topology the devices having two sensing masses in anti-phase motion each sensing mass being connected to a driving mass, e.g. driving frames
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Definitions

  • the present invention relates to a vibration drive module and a MEMS sensor.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the gyro sensor described above is a vibration drive module that is supported on the substrate extending in the XY direction so as to vibrate in the X direction, a movable body connected to the vibration drive module, and can be elastically displaced by the movable body. And a capacitance change detecting module for detecting a displacement amount in the Y direction.
  • the movable body and the movable electrode of the capacitance change detection module supported by the movable body are always reciprocated in the X direction, and the gyro sensor is perpendicular to the XY plane.
  • a Coriolis force that acts on the movable electrode when it rotates about an axis in the Z direction is detected as a displacement in the Y direction of the movable electrode.
  • the movable electrode of the capacitance change detection module is displaced not only by the Coriolis force acting by the change in the direction of the gyro sensor but also by the change in the speed of the gyro sensor in the Y direction.
  • the movable electrode and the fixed electrode are provided with protruding portions that alternately protrude in the vibration direction, and the protrusions of the movable electrode and the fixed electrode are alternately arranged in the XY plan view.
  • a technique for obtaining a driving force by forming parallel comb teeth is known (see, for example, JP-A-2013-96952).
  • the air existing between the electrodes is discharged to the outside of the electrodes or compressed between the electrodes.
  • the air resistance at this time is a major factor that limits driving force and amplitude in a fine MEMS. If a vibration drive module with insufficient driving force and amplitude is used for the MEMS sensor, sufficient detection accuracy of angular velocity may not be obtained.
  • This invention is made
  • the vibration drive module constitutes a MEMS sensor that detects angular velocity, generates vibration in one direction by application of a voltage, and includes a vibration drive unit and an elastic connected to the vibration drive unit. With body.
  • the vibration drive unit includes a movable electrode having a rectangular outer shape in cross section and a hollow cylindrical shape, and an even number of fixed electrodes arranged in the long side direction in the cross section within the movable electrode.
  • the elastic body supports the movable electrode so as to vibrate in the long side direction.
  • the movable electrode has a plurality of convex portions disposed at substantially equal intervals on an inner wall surface extending in the long side direction.
  • the even number of fixed electrodes are configured by alternately arranging first fixed electrodes and second fixed electrodes whose polarities are reversed from those of the first fixed electrodes.
  • Each of the convex portions is provided so as to face both the pair of adjacent first fixed electrodes and second fixed electrodes symmetrically and along the long side direction.
  • the first fixed electrode and the second fixed electrode which are opposite in polarity to the convex portion of the movable electrode, are shifted to the opposite side along the vibration direction.
  • the resultant force of the electrostatic force between the first portion and the first fixed electrode and the electrostatic force between the convex portion of the movable electrode and the second fixed electrode has a component in the long side direction, and moves the movable electrode in the long side direction.
  • the vibration drive module according to the present invention since the movable electrode moves in the arrangement direction of the fixed electrode, the distance in the short side direction between the convex portion of the movable electrode and the fixed electrode hardly changes by this movement.
  • the vibration driving module according to the present invention has a low air resistance when the movable electrode is moved, and therefore can increase the driving force and the amplitude.
  • substantially equidistant means that the deviation of each interval (difference from the average value) is within 10%.
  • the convex portion may be formed at a symmetrical position on a pair of inner wall surfaces of the movable electrode facing each other.
  • the convex portions of the movable electrode are formed symmetrically on the pair of inner wall surfaces (long side inner wall surfaces), so that the component in the short side direction of the electrostatic force acting on each convex portion is in a symmetrical position.
  • the parts cancel each other, and the movable electrode can be vibrated efficiently in the long side direction.
  • the even number of fixed electrodes may be arranged at substantially equal intervals.
  • the fixed electrodes are arranged at substantially equal intervals, the electrostatic force generated by each fixed electrode is made uniform, the area efficiency (driving force per unit area) is improved, and the larger driving force is obtained. Can be easily obtained.
  • the average overlap length in the long side direction between the convex portion and the first fixed electrode or the second fixed electrode is the first fixed electrode and the second fixed electrode. It is preferably not less than 1 ⁇ 4 times and not more than 3 ⁇ 4 times the average length of the fixed electrode in the long side direction. As described above, the average overlap length in the long side direction (vibration direction) between the convex portion and the first fixed electrode or the second fixed electrode is within the above range. The component of the vibration direction of the electrostatic force between the convex portion and the first fixed electrode and the second fixed electrode can be increased.
  • the MEMS sensor according to the present invention includes the vibration drive module according to the present invention.
  • the MEMS sensor according to the present invention includes the vibration drive module according to the present invention having a large driving force and amplitude, it has excellent detection accuracy.
  • the vibration driving module according to the present invention has a small air resistance of the movable electrode and a large driving force and amplitude during operation. For this reason, the MEMS sensor based on the said invention provided with the vibration drive module based on the said this invention is highly accurate.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA of the vibration drive module shown in FIG. It is a typical top view of the gyro sensor in one embodiment of the present invention.
  • the vibration drive module 1 shown in FIGS. 1 and 2 is formed on a substrate 2 that extends in the XY direction, and includes three vibration drive units 3 that are integrally formed side by side in the Y direction.
  • the vibration drive unit 3 includes two elastic bodies 4 connected to both sides in the X direction.
  • the substrate 2 is a base (base) for supporting the vibration drive unit 3 and the elastic body 4, and a conductive pattern 5 for applying a voltage to the vibration drive unit 3 is formed.
  • silicon As the material of the substrate 2, for example, silicon can be used.
  • the conductive pattern 5 is formed, for example, inside the substrate 2 and constitutes an electric circuit.
  • the vibration drive unit 3 has a central axis C extending in the Z direction orthogonal to the XY plane, the outer shape of the cross section is a rectangular and hollow cylindrical movable electrode 6 whose longitudinal direction is the X direction, and a movable electrode
  • the electrode 6 includes an even number of fixed electrodes 7 and 8 arranged in the long side direction in the cross section.
  • the “hollow cylindrical shape” means a hollow shape in which the shape of the cross section perpendicular to the axis does not change greatly, and the axial length may be small.
  • the movable electrodes 6 of the three vibration drive units 3 are integrally formed and supported by a pair of elastic bodies 4 so as to have a gap in the Z direction between the substrate 2. .
  • the movable electrode 6 of each vibration drive unit 3 has a plurality of convex portions 9 disposed at substantially equal intervals on the opposing long side inner wall surfaces.
  • the plurality of convex portions 9 are disposed symmetrically with respect to the center position in the Y direction.
  • the even-numbered convex portions 9 are arranged on the movable electrode 6 of each vibration drive unit 3 so as to form a pair facing each other in the Y direction.
  • three pairs of convex portions 9 are provided in the movable electrode 6 of the vibration driving unit 3 shown in FIG.
  • the shape of the protrusion 9 is such that it has a certain width in the X direction, projects in the Y direction at a certain height so as to form a planar opposing surface extending in the XZ direction, and is viewed from the Z direction. In this case, a rectangular shape is preferable.
  • the material of the movable electrode 6 for example, silicon can be used.
  • the vibration drive unit 3 shown in FIG. 1 applies a constant voltage to the movable electrode 6, and applies a voltage whose polarity is inverted to the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8.
  • the movable electrode 6 can be moved in the X direction by causing a difference between the magnitude of the electrostatic force between the fixed electrode 7 and the magnitude of the electrostatic force between the movable electrode 6 and the second fixed electrode 8. Further, by reversing the polarity of the voltage applied to the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 at regular intervals, the direction of the electrostatic force acting on the movable electrode 6 is reversed to vibrate the movable electrode 6. be able to.
  • the lower limit of the average thickness of the movable electrode 6 in the Z direction is not particularly limited and is a value allowed by the process.
  • the upper limit of the average thickness of the movable electrode 6 is preferably 100 ⁇ m, and more preferably 50 ⁇ m. When the average thickness of the movable electrode 6 exceeds the above upper limit, the thickness of the vibration drive module 1 may become unnecessarily large.
  • the distance between the movable electrode 6 and the substrate 2 in the Z direction is not particularly limited. However, the thickness of the vibration drive module 1 is not unnecessarily increased, and contact between the movable electrode 6 and the substrate 2 can be prevented. Is set.
  • the lower limit of the average interval in the vibration direction of the convex portions 9 of the movable electrode 6 (the average length of the concave portions between the convex portions 9) is preferably 5 ⁇ m and more preferably 10 ⁇ m.
  • the upper limit of the average interval in the vibration direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is preferably 100 ⁇ m, and more preferably 50 ⁇ m.
  • the vibration driving module 1 when the average interval in the vibration direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 exceeds the above upper limit, the area efficiency is lowered, so that the driving force of the vibration driving module 1 may be insufficient, or the vibration driving module 1 May become unnecessarily large.
  • the lower limit of the average length in the vibration direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is preferably 8 ⁇ m and more preferably 10 ⁇ m.
  • the upper limit of the average length in the vibration direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is preferably 50 ⁇ m, and more preferably 30 ⁇ m. If the average length in the vibration direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is less than the lower limit, the range in which a strong electrostatic force can be generated in the vibration direction is narrow, and the driving force and amplitude may be insufficient.
  • the vibration driving module 1 may be insufficient, or the vibration driving module. 1 may unnecessarily increase in size.
  • the lower limit of the average protrusion height (average length in the Y direction) of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is preferably 1 ⁇ m, and more preferably 2 ⁇ m.
  • the upper limit of the average protrusion height of the convex portion 9 of the movable electrode 6 is preferably 20 ⁇ m and more preferably 10 ⁇ m.
  • the even number of fixed electrodes 7 and 8 have one or more sets of first fixed electrodes 7 and second fixed electrodes 8 that are alternately arranged in the X direction.
  • the even number of fixed electrodes 7 and 8 are formed immovably on the substrate 2.
  • the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 are electrically connected to the conductive pattern 5 through the via hole 10 so that the polarities thereof are reversed.
  • a pair of the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 adjacent to each other faces one convex portion 9 of the movable electrode 6 and is shifted symmetrically in the vibration direction (X direction). .
  • the first fixed electrode 7 faces the portion on one side of the convex portion 9 in the X direction
  • the second fixed electrode 8 is on the other side of the convex portion 9 in the X direction.
  • the center in the X direction of the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the center in the X direction of the gap between the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 in a state where no voltage is applied to the movable electrode 6 and the fixed electrodes 7 and 8. are preferably the same.
  • first fixed electrode 7 may further extend to one side in the X direction from the convex portion 9 facing the second fixed electrode 7, and the second fixed electrode 8 may further extend to the other side in the X direction from the convex portion 9 facing the first fixed electrode 7. It is preferable for increasing the driving force.
  • the shape of the fixed electrodes 7 and 8 is preferably a rectangular parallelepiped shape in which the surface facing the movable electrode 6 is a flat surface extending in the XZ direction and the gap between the adjacent fixed electrodes 7 and 8 is constant.
  • silicon As the material of the fixed electrodes 7 and 8, for example, silicon can be used.
  • the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 1/4 times the average length in the vibration direction is preferable, 1/3 times is more preferable, and 2/5 times is more preferable.
  • the upper limit of the average overlap length L in the vibration direction between the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the first fixed electrode 7 or the second fixed electrode 8 is the vibration direction of the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8. Is preferably 3/4 times the average length, more preferably 2/3 times, and even more preferably 3/5 times.
  • the amplitude of the vibration drive module 1 may be insufficient. There is. Further, when the average overlap length L in the vibration direction between the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the first fixed electrode 7 or the second fixed electrode 8 exceeds the upper limit, the vibration driving module 1 is unnecessarily enlarged. There is a fear.
  • the lower limit of the average distance in the Y direction between the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 is preferably 0.1 ⁇ m and more preferably 1 ⁇ m.
  • the upper limit of the average distance in the Y direction between the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 is preferably 10 ⁇ m and more preferably 5 ⁇ m.
  • the “average distance” in the Y direction between the convex portion 9 of the movable electrode 6 and the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 is the distance between the convex portion 9 and the first fixed electrode 7 or the second fixed electrode 8. This means the average of the distances in the Y direction between the convex portions 9 and the fixed electrodes 7 and 8 in the overlapping region when viewed from the Y direction.
  • the lower limit of the average distance (gap between the fixed electrodes 7 and 8) in the vibration direction (X direction) between the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 is preferably 0.1 ⁇ m, and more preferably 1 ⁇ m.
  • the upper limit of the average distance in the vibration direction between the first fixed electrode 7 and the second fixed electrode 8 is preferably 20 ⁇ m, and more preferably 10 ⁇ m.
  • the fixed electrodes 7 and 8 are preferably arranged at substantially equal intervals. By arranging the fixed electrodes 7 and 8 at equal intervals, the electrostatic force generated by the fixed electrodes 7 and 8 can be equalized, so that it is easy to efficiently arrange the fixed electrodes 7 and 8 and increase the area efficiency. .
  • the elastic body 4 is formed in a substantially V shape in an XY plan view, one end is connected to the movable electrode 6 of the vibration drive unit 3, and the other end is fixed to a fixed wall 11 provided immovably on the substrate 2. .
  • the elastic body 4 is supported with a gap in the Z direction between the elastic body 4 and the substrate 2. Thereby, the elastic body 4 supports the movable electrode 6 so that it can vibrate in the X direction, that is, the long side direction of the cross section of the movable electrode 6 within the elastic deformation range.
  • silicon As a material of the elastic body 4, for example, silicon can be used.
  • the vibration drive module 1 is formed by laminating a material layer for forming the vibration drive unit 3 and the elastic body 4 on the substrate 2 through a sacrificial layer, by forming a substrate 2 having a conductive pattern 5 by a known semiconductor process.
  • the vibration drive unit 3 included in the vibration drive module 1 since the movable electrode 6 extends in the vibration direction, it is not necessary to discharge or compress the air between the movable electrode 6 and the fixed electrodes 7 and 8. Thereby, since the movable electrode 6 does not receive a large air resistance at the time of vibration, the vibration driving module 1 has a large driving force and amplitude and is excellent in energy efficiency.
  • the vibration drive module includes three vibration drive units.
  • the number and arrangement of the vibration drive units in the vibration drive module can be arbitrarily changed.
  • the number of vibration drive units in the vibration drive module may be one.
  • a plurality of vibration drive units may be arranged in the vibration direction.
  • the number of sets of the convex portions of the movable electrode and the fixed electrodes facing the movable electrode in each vibration drive unit can be any number of 1 or more.
  • the distance between the fixed electrodes in the vibration drive module may not be constant.
  • the distance between adjacent movable electrode sets may be larger than the distance between the first movable electrode and the second movable electrode that form a pair so as to face the same convex portion of the movable electrode.
  • the electrostatic force that the fixed electrode facing the adjacent convex portion acts on one convex portion of the movable electrode. Can be reduced, and the linearity of the driving force of the vibration driving module can be improved.
  • the amplitude of the vibration drive module can be made relatively large by making the interval between the pair of movable electrodes facing one convex portion of the movable electrode larger than the interval between the other set.
  • the vibration drive module may be disadvantageous from the viewpoint of area efficiency, but may have a plurality of vibration drive units with different numbers and intervals of the convex portions of the movable electrode.
  • the arrangement of the convex portions of the movable electrode in the vibration direction may be shifted by 1/2 pitch between adjacent vibration drive units.
  • the shape of the convex part of the movable electrode and the fixed electrode is not limited to a rectangular parallelepiped shape.
  • the convex portion of the movable electrode and the opposed surface of the fixed electrode may be inclined, curved, or bent with respect to the vibration direction.
  • the gyro sensor shown in FIG. 3 includes a substrate 2 extending in the XY direction, two capacitance change detection modules 20 formed side by side in the X direction, and the Y direction of the capacitance change detection module 20. There are two pairs, that is, a total of four vibration drive modules 1 disposed on both sides of the two.
  • the configuration of the vibration drive module 1 is the same as that of the vibration drive module shown in FIG.
  • Each pair of vibration driving modules 1 supports a rectangular frame-shaped moving body 21 formed so as to surround the capacitance change detecting module 20 and generates vibrations in synchronization, thereby moving the moving body 21 in the X direction. Vibrate.
  • the capacitance change detection module 20 is attached to the movable body 21 by four drive springs 22 so as to be movable in the Y direction, and is a three-frame detection movable electrode 23 integrally formed side by side in the Y direction. And a plurality of pairs of detection fixed electrodes 24 formed in a stationary manner on the substrate 2 and disposed one by one inside the movable detection electrode in plan view.
  • the gyro sensor can detect a change in the direction of the gyro sensor by constantly reciprocating the detection movable electrode 23 of the capacitance change detection module 20 in the X direction by the vibration driving module 1. Specifically, the gyro sensor uses the Coriolis force acting on the detection movable electrode 23 when the substrate 2 is rotated about the axis in the Z direction perpendicular to the XY plane together with the Y of the detection movable electrode 23. This is detected as a change in capacitance between the detection movable electrode 23 and the detection fixed electrode 24 caused by the displacement of the direction, and a change in the direction of the gyro sensor is derived.
  • the detection movable electrode 23 of the capacitance change detection module 20 is displaced in the Y direction not only by the Coriolis force due to the change in the direction of the gyro sensor but also by the inertia force due to the speed change in the Y direction of the gyro sensor. Therefore, the gyro sensor cancels out the acceleration in the Y direction applied to the gyro sensor by taking the difference between the displacements of the detection movable electrodes 23 of the two capacitance change detection modules 20.
  • the Coriolis force generated by the rotation of the gyro sensor about the axis in the Z direction passing through the center of the center of gravity of the capacitance change detection module 20 is detected.
  • the gyro sensor forms components of the vibration drive module 1 and the capacitance change detection module 20 on a silicon substrate 2 using a known semiconductor manufacturing technique such as photolithography, material lamination, and etching. Can be manufactured.
  • the gyro sensor includes the vibration drive module 1 shown in FIG. 1, the movable electrode 6 does not receive a large air resistance during vibration, and therefore the detection movable electrode 23 has a large amplitude in the X direction. For this reason, the Coriolis force acting on the detection movable electrode 23 is increased, and the angular velocity can be detected with high accuracy.
  • the gyro sensor according to the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the detection movable electrode is vibrated using the two vibration drive units disposed so as to sandwich the detection movable electrode in the Y direction.
  • the detection movable electrode is vibrated in the X direction. If so, the vibration drive module may be arranged in any way.
  • the vibration driving module according to the present invention has a large driving force and amplitude. Therefore, a MEMS sensor using the vibration drive module has high accuracy and can be suitably used for a portable terminal or the like as a gyro sensor.
  • vibration drive module 1 vibration drive module, 2 substrate, 3 vibration drive unit, 4 elastic body, 5 conductive pattern, 6 movable electrode, 7 first fixed electrode, 8 second fixed electrode, 9 convex part, 10 via hole, 11 fixed wall, 20 static Capacitance change detection module, 21 moving body, 22 drive spring, 23 movable electrode for detection, 24 fixed electrode for detection.

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Abstract

　角速度を検出するＭＥＭＳセンサを構成し、電圧の印加により一方向への振動を発生する振動駆動モジュール（１）は、振動駆動ユニット（３）と、弾性体（４）とを備える。振動駆動ユニット（３）は、断面の外形が長方形でかつ中空筒状の可動電極（６）と、可動電極（６）内で上記長辺方向（Ｘ）に配列する偶数の固定電極（７，８）とを含む。弾性体（４）は、可動電極（６）を上記長辺方向（Ｘ）に振動可能に支持する。可動電極（６）は、上記長辺方向（Ｘ）に延在する内壁面に略等間隔に配設される複数の凸部（９）を有する。偶数の固定電極（７，８）は、第１固定電極（７）と上記第１固定電極（７）と極性が反転する第２固定電極（８）とが交互に配設されることで構成される。凸部（９）の各々は、隣り合う一組の第１固定電極及（７）び第２固定電極（８）の双方に上記長辺方向（Ｘ）に沿って対称に跨ってかつ対向するように設けられる。

Description

振動駆動モジュール及びＭＥＭＳセンサ
　本発明は、振動駆動モジュール及びＭＥＭＳセンサに関する。
　近年、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる半導体製造技術を利用して形成した微細な機械要素を有する装置が開発されており、被測定体の角速度を検出するジャイロセンサや加速度センサとして実現されている。
　例えば、上述のジャイロセンサは、Ｘ－Ｙ方向に延在する基板上にＸ方向に振動可能に支持される振動駆動モジュール、この振動駆動モジュールに接続される移動体、この移動体に弾性変位可能に支持されＹ方向の変位量を検出する静電容量変化検出モジュール等を備えている。
　このようなジャイロセンサは、振動駆動モジュールによって移動体及び移動体に支持されている静電容量変化検出モジュールの可動電極をＸ方向に常時往復移動させておき、ジャイロセンサがＸ－Ｙ平面に垂直なＺ方向の軸を中心に回転したときに可動電極に作用するコリオリ力を可動電極のＹ方向の変位として検出する。静電容量変化検出モジュールの可動電極は、ジャイロセンサの向きの変化により作用するコリオリ力だけでなく、ジャイロセンサのＹ方向の速度変化によっても変位する。そこで、２つの静電容量変化検出モジュールの可動電極の変位の差分をとることでジャイロセンサに加えられたＹ方向の加速度を相殺し、ジャイロセンサのＸ－Ｙ平面上の向きの変化（傾き）を検出する。
　このようなＭＥＭＳセンサに用いられる振動駆動モジュールにおいて、可動電極及び固定電極に、振動方向に互い違いに突出する突出部を設け、可動電極及び固定電極をＸ－Ｙ平面視で互いの突起が交互に並列する櫛歯状に形成することで、駆動力を得る技術が知られている（例えば特開２０１３－９６９５２号公報参照）。
特開２０１３－９６９５２号公報
　従来の振動駆動モジュールにおいて、可動電極を固定電極側に引き寄せるときには、電極間に存在する空気が電極の外側に排出又は電極間で圧縮される。このときの空気の抵抗は、微細なＭＥＭＳにおいては駆動力及び振幅を制限する大きな要因である。ＭＥＭＳセンサに駆動力及び振幅が不十分な振動駆動モジュールを用いると、角速度の十分な検出精度が得られないおそれがある。
　本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、駆動力及び振幅が大きい振動駆動モジュール及びこれを用いたＭＥＭＳセンサを提供することを課題とする。
　本発明に基づく振動駆動モジュールは、角速度を検出するＭＥＭＳセンサを構成し、電圧の印加により一方向への振動を発生するものであって、振動駆動ユニットと、上記振動駆動ユニットに接続される弾性体とを備える。上記振動駆動ユニットは、断面の外形が長方形でかつ中空筒状の可動電極と、上記可動電極内で上記断面における長辺方向に配列する偶数の固定電極とを含む。上記弾性体は、上記可動電極を上記長辺方向に振動可能に支持する。上記可動電極は、上記長辺方向に延在する内壁面に略等間隔に配設される複数の凸部を有する。上記偶数の固定電極は、第１固定電極と、上記第１固定電極と極性が反転する第２固定電極とが交互に配設されることで構成される。上記凸部の各々は、隣り合う一組の第１固定電極及び第２固定電極の双方に上記長辺方向に沿って対称に跨ってかつ対向するように設けられる。
　上記本発明に基づく振動駆動モジュールは、可動電極の凸部と対向する極性が異なる第１固定電極及び第２固定電極が互いに振動方向に沿って反対側にシフトしているので、可動電極の凸部及び第１固定電極間の静電気力と、可動電極の凸部及び第２固定電極間の静電気力との合力が長辺方向の成分を有し、可動電極を長辺方向に移動させる。上記本発明に基づく振動駆動モジュールは、可動電極が固定電極の配列方向に移動するので、この移動によって可動電極の凸部と固定電極との間の短辺方向の距離が殆ど変化せず、可動電極と固定電極との間の空気を可動電極と固定電極との間から押し出す必要がない。従って、上記本発明に基づく振動駆動モジュールは、可動電極移動時の空気抵抗が小さいので、駆動力及び振幅を大きくできる。なお、「略等間隔」とは、それぞれの間隔の偏差（平均値との差）が１０％以内であることをいう。
　上記本発明に基づく振動駆動モジュールにあっては、上記凸部が、上記可動電極の互いに対向する一対の内壁面の対称位置に形成されているとよい。このように、可動電極の凸部が一対の内壁面（長辺側内壁面）に対称に形成されることによって、各凸部に作用する静電気力の短辺方向の成分が対称位置にある凸部間で互いに相殺され、可動電極を長辺方向に効率よく振動させられる。
　上記本発明に基づく振動駆動モジュールにあっては、上記偶数の固定電極が、略等間隔に配設されているとよい。このように、固定電極が略等間隔に配設されることによって、各固定電極が発生する静電気力が均一化され、面積効率（単位面積当たりの駆動力）を向上させて、より大きい駆動力を得ることが容易となる。
　上記本発明に基づく振動駆動モジュールにあっては、上記凸部と上記第１固定電極又は上記第２固定電極との上記長辺方向の平均重複長さが、上記第１固定電極及び上記第２固定電極の上記長辺方向の平均長さの１／４倍以上３／４倍以下が好ましい。このように、凸部と第１固定電極又は第２固定電極との長辺方向（振動方向）の平均重複長さが上記範囲内であることによって、面積効率を低下させずに、可動電極の凸部と第１固定電極及び第２固定電極と間の静電気力の振動方向の成分を大きくすることができる。
　本発明に基づくＭＥＭＳセンサは、上記本発明に基づく振動駆動モジュールを備える。
　上記本発明に基づくＭＥＭＳセンサは、駆動力及び振幅が大きい上記本発明に基づく振動駆動モジュールを備えるので、検出精度に優れる。
　以上のように、上記本発明に基づく振動駆動モジュールは、可動電極の空気抵抗が小さく動作時の駆動力及び振幅が大きい。このため、上記本発明に基づく振動駆動モジュールを備えた上記本発明に基づくＭＥＭＳセンサは、高精度である。
本発明の一実施形態における振動駆動モジュールの模式的平面図である。 図１に示す振動駆動モジュールのＡ－Ａ線での模式的断面図である。 本発明の一実施形態におけるジャイロセンサの模式的平面図である。
　以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳説する。
　［振動駆動モジュール］
　図１及び図２に示す振動駆動モジュール１は、Ｘ－Ｙ方向に延在する基板２の上に形成されており、Ｙ方向に並んで一体に形成されている３つの振動駆動ユニット３と、この振動駆動ユニット３のＸ方向における両側に接続されている２つの弾性体４とを備える。
　＜基板＞
　基板２は、振動駆動ユニット３及び弾性体４を支持するベース（土台）であると共に、振動駆動ユニット３に電圧を印加するための導電パターン５が形成されている。
　基板２の材質としては、例えばシリコンを使用できる。
　（導電パターン）
　導電パターン５は、図２に示すように、例えば基板２の内部に形成され、電気回路を構成する。
　＜振動駆動ユニット＞
　振動駆動ユニット３は、Ｘ－Ｙ平面に直交するＺ方向に延在する中心軸Ｃを有し、断面の外形がＸ方向を長手方向とする長方形でかつ中空筒状の可動電極６と、可動電極６内で上記断面における長辺方向に配列する偶数の固定電極７，８とを備える。なお、「中空筒状」とは、軸に垂直な断面の形状が大きく変化しない中空の形状を意味し、軸方向の長さが小さくてもよい。
　図１の振動駆動モジュール１において、３つの振動駆動ユニット３の可動電極６は、一体に形成され、基板２との間にＺ方向の隙間を有するように一対の弾性体４によって支持されている。
　（可動電極）
　各振動駆動ユニット３の可動電極６は、対向する長辺側内壁面に略等間隔に配設される複数の凸部９を有する。この複数の凸部９は、Ｙ方向の中心位置を基準に対称に配設されている。換言すると、各振動駆動ユニット３の可動電極６には、偶数の凸部９がＹ方向に互いに対向し合う対を形成するよう配設されている。なお、図１に示す振動駆動ユニット３の可動電極６では、３対の凸部９が配設されている。
　凸部９の形状としては、Ｘ方向に一定の幅を有し、Ｘ－Ｚ方向に延在する平面状の対向面を形成するよう一定の高さでＹ方向に突出し、かつＺ方向から見た場合に方形状に形成されるものが好ましい。
　可動電極６の材質としては、例えばシリコンを使用できる。
　図１に示す振動駆動ユニット３は、可動電極６に一定の電圧を印加し、第１固定電極７及び第２固定電極８に極性が反転する電圧を印加することにより、可動電極６と第１固定電極７との間の静電気力の大きさと、可動電極６と第２固定電極８との間の静電気力の大きさとに差を生じさせることで、可動電極６をＸ方向に移動させられる。さらに、第１固定電極７及び第２固定電極８に印加する電圧の極性を一定時間ごとに反転させることで、可動電極６に作用する静電気力の方向を逆転して、可動電極６を振動させることができる。
　可動電極６のＺ方向の平均厚さは、小さいほど可動電極６の質量が小さくなるので振動駆動ユニット３のＸ－Ｙ方向の大きさを小さくできる。このため、可動電極６のＺ方向の平均厚さの下限としては、特に限定されず、プロセスが許容する値とされる。一方、可動電極６の平均厚さの上限としては、１００μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。可動電極６の平均厚さが上記上限を超える場合、当該振動駆動モジュール１の厚さが不必要に大きくなるおそれがある。
　可動電極６と基板２とのＺ方向の間隔としては、特に限定されないが、当該振動駆動モジュール１の厚さを不必要に大きくせず、かつ可動電極６と基板２との接触を防止できるよう設定される。
　可動電極６の凸部９の振動方向の平均間隔（凸部９間の凹部の平均長さ）の下限としては、５μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。一方、可動電極６の凸部９の振動方向の平均間隔の上限としては、１００μｍが好ましく、５０μｍがより好ましい。可動電極６の凸部９の振動方向の平均間隔が上記下限に満たない場合、当該振動駆動モジュール１の駆動力及び振幅が不十分となるおそれがある。また、可動電極６の凸部９の振動方向の平均間隔が上記上限を超える場合、面積効率が低下するので、当該振動駆動モジュール１の駆動力が不十分となるおそれや、当該振動駆動モジュール１が不必要に大型化するおそれがある。
　可動電極６の凸部９の振動方向の平均長さの下限としては、８μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。一方、可動電極６の凸部９の振動方向の平均長さの上限としては、５０μｍが好ましく、３０μｍがより好ましい。可動電極６の凸部９の振動方向の平均長さが上記下限に満たない場合、振動方向に強い静電気力を発生できる範囲が狭く、駆動力及び振幅が不十分となるおそれがある。また、可動電極６の凸部９の振動方向の平均長さが上記上限を超える場合、面積効率が低下するので、当該振動駆動モジュール１の駆動力が不十分となるおそれや、当該振動駆動モジュール１が不必要に大型化するおそれがある。
　可動電極６の凸部９の平均突出高さ（Ｙ方向の平均長さ）の下限としては、１μｍが好ましく、２μｍがより好ましい。一方、可動電極６の凸部９の平均突出高さの上限としては、２０μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。可動電極６の凸部９の平均突出高さが上記下限に満たない場合、可動電極６の凸部９の間の凹部が固定電極７，８との間に電界を形成し、凸部９が形成する電界に干渉することによって、当該振動駆動モジュールの駆動力及び振幅が不十分となるおそれがある。また、可動電極６の凸部９の平均突出高さが上記上限を超える場合、振動駆動ユニット３ひいては当該振動駆動モジュール１がＹ方向に不必要に大型化するおそれがある。
　（固定電極）
　偶数の固定電極７，８は、Ｘ方向に交互に配設される第１固定電極７及び第２固定電極８を１組以上有する。また、偶数の固定電極７，８は、基板２上に不動に形成されている。また、第１固定電極７と第２固定電極８とは、互いに極性が反転するよう、ビアホール１０によって導電パターン５に電気的に接続されている。振動駆動ユニット３では、隣り合う第１固定電極７及び第２固定電極８の一組が、可動電極６の１つの凸部９に対向し、振動方向（Ｘ方向）に対称にシフトしている。つまり、可動電極６が基準位置にある状態で、第１固定電極７が凸部９のＸ方向の一方側の部分に対向し、第２固定電極８が凸部９のＸ方向の他方側の部分に対向する。可動電極６及び固定電極７，８に電圧を印加しない状態において、可動電極６の凸部９のＸ方向の中心と、第１固定電極７及び第２固定電極８間の隙間のＸ方向の中心とが一致することが好ましい。また、第１固定電極７が対向する凸部９からさらにＸ方向の一方側に延出すると共に、第２固定電極８が対向する凸部９からさらにＸ方向の他方側に延出することが、駆動力を大きくするために好ましい。
　固定電極７，８の形状としては、可動電極６に対する対向面がＸ－Ｚ方向に延在する平面となり、隣接する固定電極７，８間の隙間が一定となる直方体状が好ましい。
　固定電極７，８の材質としても、例えばシリコンを使用できる。
　可動電極６の凸部９と第１固定電極７又は第２固定電極８との振動方向（Ｘ方向）の平均重複長さＬの下限としては、第１固定電極７及び第２固定電極８の振動方向の平均長さの１／４倍が好ましく、１／３倍がより好ましく、２／５倍がさらに好ましい。一方、可動電極６の凸部９と第１固定電極７又は第２固定電極８との振動方向の平均重複長さＬの上限としては、第１固定電極７及び第２固定電極８の振動方向の平均長さの３／４倍が好ましく、２／３倍がより好ましく、３／５倍がさらに好ましい。可動電極６の凸部９と第１固定電極７又は第２固定電極８との振動方向の平均重複長さＬが上記下限に満たない場合、当該振動駆動モジュール１の振幅が不十分となるおそれがある。また、可動電極６の凸部９と第１固定電極７又は第２固定電極８との振動方向の平均重複長さＬが上記上限を超える場合、当該振動駆動モジュール１が不必要に大型化するおそれがある。
　可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８とのＹ方向の平均距離の下限としては、０．１μｍが好ましく、１μｍがより好ましい。一方、可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８とのＹ方向の平均距離の上限としては、１０μｍが好ましく、５μｍがより好ましい。可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８とのＹ方向の平均距離が上記下限に満たない場合、空気の粘性に起因して可動電極６の振動に伴う空気のせん断抵抗が大きくなり、当該振動駆動モジュール１の駆動力及び振幅が不十分となるおそれや、当該振動駆動モジュール１の製造が容易ではなくなるおそれがある。また、可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８とのＹ方向の平均距離が上記上限を超える場合、可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８との間に作用する静電気力が小さくなり、当該振動駆動モジュール１の駆動力及び振幅が不十分となるおそれがある。なお、可動電極６の凸部９と第１固定電極７及び第２固定電極８とのＹ方向の「平均距離」とは、凸部９と第１固定電極７又は第２固定電極８とをＹ方向から見た場合に重複する領域内における凸部９と固定電極７，８との間のＹ方向の距離の平均を意味する。
　第１固定電極７と第２固定電極８との振動方向（Ｘ方向）の平均距離（固定電極７，８間の隙間）の下限としては、０．１μｍが好ましく、１μｍがより好ましい。一方、第１固定電極７と第２固定電極８との振動方向の平均距離の上限としては、２０μｍが好ましく、１０μｍがより好ましい。第１固定電極７と第２固定電極８との振動方向の平均距離が上記下限に満たない場合、当該振動駆動モジュール１の製造が容易ではなくなるおそれがある。また、第１固定電極７と第２固定電極８との振動方向の平均距離が上記上限を超える場合、当該振動駆動モジュール１の面積効率が低くなるおそれがある。
　固定電極７，８は、略等間隔に配設されることが好ましい。固定電極７，８を等間隔に配置することにより、各固定電極７，８が生じる静電気力を均等化できるので、効率よく固定電極７，８を配置して面積効率を高めることが容易となる。
　＜弾性体＞
　弾性体４は、Ｘ－Ｙ平面視略Ｖ字状に形成され、一端が振動駆動ユニット３の可動電極６に接続され、他端が基板２に不動に設けた固定壁１１に固定されている。弾性体４は、基板２との間にＺ方向の隙間を空けて支持されている。これにより、弾性体４は、可動電極６をその弾性変形範囲内でＸ方向、つまり可動電極６の断面の長辺方向に振動可能に支持している。
　弾性体４の材質としても、例えばシリコンを使用できる。
　＜振動駆動モジュールの製造方法＞
　振動駆動モジュール１は、公知の半導体プロセスにより導電パターン５を備える基板２を形成する工程と、振動駆動ユニット３及び弾性体４を形成するための材料層を基板２上に犠牲層を介して積層する工程と、上記材料層をエッチングして可動電極６、弾性体４及び固定電極７，８の平面形状を形成する工程と、ビアホール１０を形成して固定電極７，８を導電パターン５に接続する工程と、エッチングにより犠牲層を除去して可動電極６及び弾性体４を基板２から分離する工程とを備える製造方法により製造され得る。
　＜利点＞
　当該振動駆動モジュール１が備える振動駆動ユニット３は、可動電極６が振動方向に延在しているため、可動電極６と固定電極７，８との間の空気を排出又は圧縮する必要がない。これにより、可動電極６が振動時に大きな空気抵抗を受けないので、当該振動駆動モジュール１は駆動力及び振幅が大きく、エネルギー効率も優れる。
　＜その他の実施形態＞
　上述の実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上述の実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらはすべて本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。
　上述の実施形態では、振動駆動モジュールが３つの振動駆動ユニットを備える構成としたが、振動駆動モジュールにおける振動駆動ユニットの数及び配列は任意に変更できる。例えば、振動駆動モジュールにおける振動駆動ユニットの数は、１つであってもよい。また、振動駆動モジュールにおいて、複数の振動駆動ユニットを振動方向に並べてもよい。また、各振動駆動ユニットにおける可動電極の凸部とこれに対向する固定電極の組数とは、１以上の任意の数とすることができる。
　また、振動駆動モジュールにおける固定電極間の距離は、一定でなくてもよい。具体例として、可動電極の同一の凸部に対向するよう組をなす第１可動電極及び第２可動電極間の距離よりも隣り合う可動電極の組間の距離を大きくしてもよい。このように隣り合う組の固定電極の間隔を組内の固定電極の間隔よりも大きくすることによって、可動電極の１の凸部に対し、隣り合う凸部に対向する固定電極が作用させる静電気力の影響を低減することができ、当該振動駆動モジュールの駆動力の線形性を向上することができる。また、可動電極の１つの凸部に対向する一組の可動電極の間隔を他の組との間隔よりも大きくすることにより、当該振動駆動モジュールの振幅を比較的大きくすることができる。
　また、振動駆動モジュールは、面積効率の観点では不利になる場合があるが、可動電極の凸部の数や間隔等が異なる複数の振動駆動ユニットを有してもよい。例えば、隣り合う振動駆動ユニット間で可動電極の凸部の振動方向の配置が１／２ピッチずらされてもよい。
　また、可動電極の凸部や固定電極の形状も、直方体状に限られない。例えば、可動電極の凸部及び固定電極の対向面が振動方向に対して傾斜したり湾曲又は屈曲してもよい。また、可動電極の凸部及び固定電極の対向面の表面形状として、例えば、台形、円形等の任意の形状を採用してもよい。
　［ジャイロセンサ］
　次に、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施形態におけるジャイロセンサ（ＭＥＭＳセンサ）について説明する。
　図３に示すジャイロセンサは、Ｘ－Ｙ方向に延在する基板２と、Ｘ方向に並んで形成された２つの静電容量変化検出モジュール２０と、この静電容量変化検出モジュール２０のＹ方向の両側にそれぞれ配設された二対、すなわち合計で４つの振動駆動モジュール１とを有する。
　＜振動駆動モジュール＞
　振動駆動モジュール１の構成は、図１に示す振動駆動モジュールと同一であるため、重複する説明を省略する。各対の振動駆動モジュール１は、静電容量変化検出モジュール２０を取り囲むように形成された方形枠状の移動体２１を支持し、同期して振動を発生することで、移動体２１をＸ方向に振動させる。
　＜静電容量変化検出モジュール＞
　静電容量変化検出モジュール２０は、４つの駆動ばね２２によって移動体２１に対してＹ方向に移動可能に取り付けられ、Ｙ方向に並んで一体に形成された３連枠状の検出用可動電極２３と、基板２上に不動に形成され、平面視で検出用可動電極の内側に１対ずつ配設された複数対の検出用固定電極２４とを有する。
　当該ジャイロセンサは、当該振動駆動モジュール１によって静電容量変化検出モジュール２０の検出用可動電極２３をＸ方向に常時往復移動させておくことによって当該ジャイロセンサの向きの変化を検出できるようにする。具体的には、当該ジャイロセンサは、基板２ごとＸ－Ｙ平面に垂直なＺ方向の軸を中心に回転したときに検出用可動電極２３に作用するコリオリ力を、検出用可動電極２３のＹ方向の変位により生じる検出用可動電極２３と検出用固定電極２４との間の静電容量の変化として検出し、当該ジャイロセンサの向きの変化を導出する。
　静電容量変化検出モジュール２０の検出用可動電極２３は、当該ジャイロセンサの向きの変化によるコリオリ力だけでなく、当該ジャイロセンサのＹ方向の速度変化による慣性力によってもＹ方向に変位する。そこで、当該ジャイロセンサは、２つの静電容量変化検出モジュール２０の検出用可動電極２３の変位の差分をとることで、当該ジャイロセンサに加えられたＹ方向の加速度を相殺し、２つの静電容量変化検出モジュール２０の重心位置の中心を通るＺ方向の軸を中心にした当該ジャイロセンサの回転により生じるコリオリ力を検出する。
　当該ジャイロセンサは、例えばシリコン製の基板２上に、フォトリソグラフィー、材料の積層、エッチング等の公知の半導体製造技術を用いて、振動駆動モジュール１及び静電容量変化検出モジュール２０の構成要素を形成することにより製造され得る。
　＜利点＞
　当該ジャイロセンサは、図１に示した振動駆動モジュール１を備えるため、可動電極６が振動時に大きな空気抵抗を受けないので、検出用可動電極２３のＸ方向の振幅が大きい。このため検出用可動電極２３に作用するコリオリ力が大きくなり、精度よく角速度を検出することができる。
　＜その他の実施形態＞
　本発明に係るジャイロセンサは、上述した実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態では、検出用可動電極をＹ方向に挟み込むように配置した２つの振動駆動ユニットを用いて検出用可動電極を振動させたが、検出用可動電極をＸ方向に振動させられる配置であれば、振動駆動モジュールをどのように配置してもよい。
　今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は請求の範囲によって画定され、また請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
　以上において説明したように、本発明に係る振動駆動モジュールは、駆動力及び振幅が大きい。そのため、当該振動駆動モジュールを用いたＭＥＭＳセンサは、精度が高くジャイロセンサとして携帯端末等に好適に用いることができる。
　１　振動駆動モジュール、２　基板、３　振動駆動ユニット、４　弾性体、５　導電パターン、６　可動電極、７　第１固定電極、８　第２固定電極、９　凸部、１０　ビアホール、１１　固定壁、２０　静電容量変化検出モジュール、２１　移動体、２２　駆動ばね、２３　検出用可動電極、２４　検出用固定電極。

Claims (5)

  1. 　角速度を検出するＭＥＭＳセンサを構成し、電圧の印加により一方向への振動を発生する振動駆動モジュールであって、
    　振動駆動ユニットと、
    　前記振動駆動ユニットに接続される弾性体とを備え、
    　前記振動駆動ユニットが、断面の外形が長方形でかつ中空筒状の可動電極と、前記可動電極内で前記断面における長辺方向に配列する偶数の固定電極とを備え、
    　前記弾性体が、前記可動電極を前記長辺方向に振動可能に支持し、
    　前記可動電極が、前記長辺方向に延在する内壁面に略等間隔に配設される複数の凸部を有し、
    　前記偶数の固定電極が、第１固定電極と、前記第１固定電極と極性が反転する第２固定電極とが交互に配設されることで構成され、
    　前記凸部の各々が、隣り合う一組の第１固定電極及び第２固定電極の双方に前記長辺方向に沿って対称に跨ってかつ対向するように設けられる、振動駆動モジュール。
  2. 　前記凸部が、前記可動電極の互いに対向する一対の内壁面の対称位置に形成されている、請求項１に記載の振動駆動モジュール。
  3. 　前記偶数の固定電極が、略等間隔に配設されている、請求項１又は２に記載の振動駆動モジュール。
  4. 　前記凸部と前記第１固定電極又は前記第２固定電極との前記長辺方向の平均重複長さが、前記第１固定電極及び前記第２固定電極の前記長辺方向の平均長さの１／４倍以上３／４倍以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の振動駆動モジュール。
  5. 　請求項１から４のいずれか１項に記載の振動駆動モジュールを備える、ＭＥＭＳセンサ。
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