JP2006038717A - 圧電ジャイロとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、振動特性が安定し高い信頼性を有し、検出感度が高く高精度の圧電ジャイロを提供することが目的である。さらに本発明は低い電圧で駆動でき消費電力の低い圧電ジャイロを提供することが目的である。
【解決手段】 基部と基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えたシリコン（Ｓｉ）からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロであって、その振動脚にＶ字溝が形成されており、その溝の斜面に圧電薄膜が形成されている。本圧電ジャイロは、平面が（１００）面であるＳｉウェハーを用意し、ウェットエッチング法によって所定の形状でＶ字溝を形成し、そのＶ字溝の斜面に圧電薄膜を形成した後、音叉型構造体の外形形状でマスク層を形成し、そのマスク層をマスクとして使用してドライエッチング法で加工することで製造することができる。
【選択図】 図１

Description

基部とこの基部から突出して形成される複数の振動脚とで構成される非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロとその製造方法に関し、特に振動特性に優れ高精度で高い信頼性を有する圧電ジャイロとその製造方法に関する。

近年のナビゲーションシステムやビデオカメラの普及にともない、それら製品の位置検出や手ぶれ制御に使われるジャイロには特に高信頼性と高精度化の要求が高まっている。

図９は、従来の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。図１０は従来の圧電ジャイロの要部断面図である。以下に従来の圧電ジャイロの構造を説明する（例えば、特許文献１参照。）。従来の圧電ジャイロ３は、基部１５０ａと基部１５０ａから突出して形成された複数の振動脚１５０ｂ、１５０ｃからなる音叉型構造体１５０と、各々の振動脚１５０ｂ、１５０ｃの主面５００上にそれぞれ離間するようにして設けられた圧電積層部４１０、４２０、４３０、４４０とで構成されている。

図１０は図９に示す圧電ジャイロ３のＣ−Ｃ断面を示した図である。図１０に示すように圧電積層部４１０は、下部電極１２１と、下部電極１２１上に設けられた圧電薄膜１３１と、その圧電薄膜１３１上に設けられた上部電極１４１とからなっている。また圧電積層部４２０は、下部電極１２２と、下部電極１２２上に設けられた圧電薄膜１３２と、その圧電薄膜１３２上に設けられた上部電極１４２とからなっている。また圧電積層部４３０は、下部電極１２３と、下部電極１２３上に設けられた圧電薄膜１３３と、その圧電薄膜１３３上に設けられた上部電極１４３とからなっている。また圧電積層部４４０は、下部電極１２４と、下部電極１２４上に設けられた圧電薄膜１３４と、その圧電薄膜１３４上に設けられた上部電極１４４とからなっている。

図９及び図１０に示すように、圧電積層部４１０と圧電積層部４２０は一本の振動脚１５０ｂ上に形成されているが、振動脚１５０ｂの中心線ＣＬ（図１０）を境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。また圧電積層部４３０と圧電積層部４４０は、圧電積層部４１０、４２０が形成されている振動脚１５０ｂとは別のもう一本の振動脚１５０ｃ上に形成されており、それらは振動脚１５０ｃの中心線ＣＬ（図１０）を境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。

以下に従来の圧電ジャイロ３の動作原理を説明する。図１０の振動脚１５０ｂにおいて、下部電極１２１と上部電極１４１の間に電圧を印加すると、両電極に挟まれた圧電薄膜１３１は圧電作用により伸縮する。また同様に、下部電極１２２と上部電極１４２の間に電圧を印加すると両電極に挟まれた圧電薄膜１３２は圧電作用により伸縮する。例えば下部電極１２１がプラス側、上部電極１４１がマイナス側になるように電圧を印加した時、圧電薄膜１３１が伸びる方向に伸縮したとする。その場合には、逆に下部電極１２２にはマイナス側、上部電極１４１にはプラス側の電圧を印加して、圧電薄膜１３２を縮ませる方向に伸縮させる。すると圧電薄膜１３１、１３２の伸縮が振動脚１５０ｂに伝わり、振動脚１５０ｂを撓ませることができる。連続的に下部電極１２１、１２２及び上部電極１４１、１４２に印加する電圧を反転させると、圧電薄膜１３１、１３２は交互に伸縮を繰り返し、その結果、振動脚１５０ｂは振動Ｗｘのように発振する（図１０）。また振動脚１５０ｃも同様に、下部電極１２３、１２４及び上部電極１４３、１４４に印加する電圧を交互に反転させると、圧電薄膜１３３、１３４が交互に伸縮を繰り返し、振動Ｗｘのように発振する。

圧電ジャイロ３は、振動脚１５０ｂ、１５０ｃを主面５００に平行な方向に振動させた状態、すなわち振動脚１５０ｂ、１５０ｃに振動Ｗｘを発生させた状態、で角速度が加わると、振動Ｗｘに直交する方向にコリオリ力が発生する原理を用いており、このコリオリ力の大きさから角速度の検出を行っている。

以下に従来の圧電ジャイロ３の製造方法を説明する。まず初めにシリコン（Ｓｉ）基板を用意し、このＳｉウェハー上に下部電極１２１、１２２、１２３、１２４として白金チタン合金（ＰｔＴｉ）膜をスパッタリング法もしくは蒸着法によって約０．４μｍの厚みで成膜する。

さらにＰｔＴｉ膜上に圧電薄膜１３１、１３２、１３３、１３４としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜をスパッタリング法により２〜３μｍの厚みで成膜する。

さらにＰＺＴ膜上に上部電極１４１、１４２、１４３、１４４として金（Ａｕ）膜をスパッタリング法もしくは蒸着法によって約０．３μｍの厚みで成膜する。

その後、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて、下部電極１２１、１２２、１２３、１２４、圧電薄膜１３１、１３２、１３３、１３４、上部電極１４１、１４２、１４３、１４４をそれぞれ所定の形状にパターニングする。

そして最後にドライエッチング法によってＳｉウェハーを音叉型構造体１５０の外形形状に加工して、圧電ジャイロ３が完成する。

特開２００３−２２７７１９号公報（第９頁、図１、図２）

従来の圧電ジャイロ３は圧電積層部４１０、４２０、４３０、４４０が主面５００上に形成されており、その主面５００は振動Ｗｘの振動方向と平行な位置関係にあった。よって圧電積層部４１０と４２０、及び圧電積層部４３０と４４０の伸縮運動は振動脚１５０ｂ、１５０ｃに伝わりにくく、振動Ｗｘが発生し難い構造になっていた。

通常、圧電ジャイロでは振動Ｗｘが大きいほど角速度の検出感度が高まるので、振動Ｗｘが発生し難い従来の圧電ジャイロ３は角速度の検出感度が低く、その結果、精度が低く信頼性も低い圧電ジャイロであった。

なお従来の圧電ジャイロ３において、より高い検出感度を得るためには、圧電積層部４１０、４２０、４３０、４４０に大きな電力を与え振動Ｗｘを大きくする必要があった。そのため、従来の高精度の圧電ジャイロでは、消費電力が大きかった。

本発明の目的は、高精度で信頼性の高い圧電ジャイロとその製造方法を提供することであり、さらには低電力で駆動可能な圧電ジャイロとその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電ジャイロは、基部と基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロであって、
基部と複数の振動脚とを一平面に有する主面に対して所定の角度をなす斜面が、振動脚
に形成されており、斜面上に圧電薄膜が形成されていることを特徴としている。

さらに、音叉型構造体はシリコン（Ｓｉ）からなるのが望ましい。

さらに、主面がシリコン（Ｓｉ）の（１００）面であるのが望ましい。

さらに、斜面はウェットエッチング法によって形成された面であるのが望ましい。

また、本発明の圧電ジャイロは、基部と基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロであって、
振動脚に溝が形成されており、溝の中に圧電薄膜が形成されていることを特徴としている。

さらに、音叉型構造体はシリコン（Ｓｉ）からなるのが望ましい。

さらに、基部と複数の振動脚とを一平面に有する主面がシリコン（Ｓｉ）の（１００）面であるのが望ましい。

さらに、溝は断面がＶ字型もしくは台形であるのが望ましい。

さらに、圧電薄膜は溝の側面に形成されているのが望ましい。

さらに、溝はウェットエッチング法によって形成された溝であるのが望ましい。

また、本発明の圧電ジャイロの製造方法は、基部と基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロの製造方法であって、
シリコンウェハーを用意し、シリコンウェハーの少なくとも一平面上に、所定の形状からなる第１マスク層を形成する工程と、
ウェットエッチング法によってシリコンウェハーに溝を形成する工程と、
溝内に圧電薄膜を形成する工程と、
溝の一部または全部を覆うようにして所定の形状からなる第２マスク層を形成する工程と、
ドライエッチング法によってシリコンウェハーを音叉型構造体に加工する工程とを有していることを特徴としている。

さらに、シリコンウェハーは、平面が（１００）面であるのが望ましい。

さらに、溝は断面がＶ字型もしくは台形であるのが望ましい。

さらに、圧電薄膜を溝の斜面に形成するのが望ましい。

さらに、圧電薄膜を下部電極と上部電極との間に挟んで形成するのが望ましい。

さらに、圧電薄膜はスパッタリング法を用いて形成するのが望ましい。

（作用）
音叉型の圧電ジャイロは、振動脚を主面に平行な方向に振動させた状態において角速度が加わると、振動方向に直交する方向にコリオリ力が発生する原理を利用したものである
。このコリオリ力の大きさから角速度の検出を行う。よって、振動が大きいほど、検出感度が高まり、高精度のジャイロにすることができる。

しかしながら、従来の圧電ジャイロでは基部と複数の振動脚とを一平面に有する主面上に圧電薄膜を形成していたため、圧電薄膜に電圧を加えて圧電薄膜を伸縮させても、振動脚は主面と平行な方向にはわずかにしか振動せず、その結果、検出感度が低く精度が低いジャイロになっていた。

本発明の上記手段では、主面に対して所定の角度をなす斜面が振動脚に形成されており、その斜面上に圧電薄膜を形成している。この構成により圧電薄膜に電圧を加えて圧電薄膜を伸縮させると、圧電薄膜は斜面に沿って伸縮し、振動脚は主面と平行な方向に撓みやすくなる。その結果、振動脚は主面と平行な方向に大きく振動しやすくなり、これにより検出感度が高まり、高精度のジャイロにすることができる。また少ない電力で大きな振動を発生できるため、低消費電力のジャイロにすることができる。

また、本発明の上記別の手段では、振動脚の主面に断面がＶ字型もしくは台形である溝を形成し、その溝の側面上に圧電薄膜を形成している。この構成により圧電薄膜に電圧を加えて圧電薄膜を伸縮させると、圧電薄膜は溝の側面に沿って伸縮し、振動脚は主面と平行な方向に撓みやすくなる。その結果、振動脚は主面と平行な方向に振動しやすくなり、これにより検出感度が高まり、高精度のジャイロにすることができる。また少ない電力で大きな振動を発生できるため、低消費電力のジャイロにすることができる。

なお、上記のような斜面や溝（Ｖ字溝、台形溝）が形成された振動脚を有する圧電ジャイロは、音叉型構造体をシリコン（Ｓｉ）で形成し、且つ、ウェットエッチング法によって斜面や溝を加工することで容易に製造することができる。特に平面が（１００）面であるＳｉウェハーを用い、その平面を主面とした音叉型構造体にすると、Ｓｉ特有の異方性エッチングによって、Ｓｉの結晶面に沿った一定の角度の斜面を形成することが可能である。なおＳｉの異方性エッチングとは、結晶面によってエッチング速度が異なるＳｉ特有のエッチング現象である。その結果、主面に対して必ず一定の角度をなす斜面や溝（Ｖ字溝、台形溝）を形成できるため、寸法精度が高く信頼性の高いジャイロを製造することができる。

本発明の目的は、高精度で信頼性の高い圧電ジャイロとその製造方法を提供することであり、さらには、低消費電力の圧電ジャイロとその製造方法を提供することにある。

本発明の圧電ジャイロによれば、振動脚の振動を大きくすることができるため、角速度が加わったときに発生するコリオリ力が大きくなり、その結果、検出感度が高く高精度の圧電ジャイロを得ることができた。

本発明の圧電ジャイロによれば、少ない電力で振動脚を大きく振動させることができるため、低消費電力の圧電ジャイロを得ることができた。

本発明の圧電ジャイロの製造方法によれば、圧電薄膜を形成する斜面を、ウェットエッチング法によって、一定の角度で安定して形成することができ、その結果、振動脚の振動を安定化させることができた。これにより、検出感度が安定した信頼性の高い圧電ジャイロを得ることができた。

（第１の実施形態）
図１は斜面を有する本発明の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。本発明の圧電ジャイロ１は、基部１０ａと基部１０ａから突出して形成された複数の振動脚１０ｂ、１０ｃからなる音叉型構造体１０と、各々の振動脚１０ｂ、１０ｃにそれぞれ離間するようにして設けられた圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０とで構成されている。

なお圧電ジャイロ１には、基部１０ａと振動脚１０ｂ、１０ｃとを一平面に有する主面５００に対して所定の角度をなす斜面５１、５２、５３、５４が振動脚１０ｂ、１０ｃにそれぞれ２つずつ形成されている。本実施形態ではこれら斜面５１、５２、５３、５４上に圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０が形成されている。

図３は斜面を有する本発明の圧電ジャイロとＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの要部断面図である。図３（ａ）は図１に示す圧電ジャイロ１のＡ−Ａ断面を示した図である。図３（ａ）に示すように圧電積層部３１０は、下部電極２１と、下部電極２１上に設けられた圧電薄膜３１と、その圧電薄膜３１上に設けられた上部電極４１とからなっている。また圧電積層部３２０は、下部電極２２と、下部電極２２上に設けられた圧電薄膜３２と、その圧電薄膜３２上に設けられた上部電極４２とからなっている。また圧電積層部２３０は、下部電極２３と、下部電極２３上に設けられた圧電薄膜３３と、その圧電薄膜３３上に設けられた上部電極４３とからなっている。また圧電積層部３４０は、下部電極２４と、下部電極２４上に設けられた圧電薄膜３４と、その圧電薄膜３４上に設けられた上部電極４４とからなっている。

図１及び図３（ａ）に示すように、一本の振動脚１０ｂにおいて、斜面５１、５２は振動脚１０ｂの中心線ＣＬ（図３（ａ））を境に左右にほぼ均等に形成されており、さらにそれら斜面５１、５２上に形成されている圧電積層部３１０と圧電積層部３２０も、振動脚１０ｂの中心線ＣＬを境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。

また、別のもう一本の振動脚１０ｃにおいても、斜面５３、５４は振動脚１０ｃの中心線ＣＬ（図３（ａ））を境に左右にほぼ均等に形成されており、さらにそれら斜面５３、５４上に形成されている圧電積層部３３０と圧電積層部３４０も、振動脚１０ｃの中心線ＣＬを境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。

以上のような構成からなる本実施形態の圧電ジャイロ１の動作原理を以下に説明する。図３（ａ）の振動脚１０ｂにおいて、下部電極２１と上部電極４１の間に電圧を印加すると両電極に挟まれた圧電薄膜３１は圧電作用により伸縮する。また、下部電極２２と上部電極４２の間に電圧を印加すると両電極に挟まれた圧電薄膜３２は圧電作用により伸縮する。

例えば下部電極２１がプラス側、上部電極４１がマイナス側になるように電圧を印加した時に、圧電薄膜３１が伸びる方向に伸縮したとする。その場合には、逆に下部電極２２にはマイナス側、上部電極４１にはプラス側の電圧を印加し、圧電薄膜３２を縮ませるようにする。すると、振動脚１０ｂを一方向に撓ませることができる。下部電極２１、２２及び上部電極４１、４２に印加する電圧を交互に反転させると、圧電薄膜３１と圧電薄膜３２はそれぞれ斜面５１、５２に平行な方向に沿って伸縮を繰り返し、振動脚１０ｂは中心線ＣＬを境に左右均等に交互に撓みを繰り返し、最終的に振動Ｗｘのように発振させることができる。

一方、振動脚１０ｃも同様に、下部電極２３、２４及び上部電極４３、４４に印加する電圧を交互に反転させると、圧電薄膜３３、３４がそれぞれ斜面５３、５４に平行な方向に沿って伸縮を繰り返し、その結果、振動Ｗｘのように発振する。

図９及び図１０に示すような従来の圧電ジャイロ３は圧電積層部４１０、４２０、４３０、４４０が主面５００上に形成されており、その主面５００は振動Ｗｘの振動方向と平行な位置関係にあった。よって圧電積層部４１０と４２０、及び圧電積層部４３０と４４０の伸縮運動は振動脚１５０ｂ、１５０ｃに伝わりにくく、その結果、振動Ｗｘの振幅は小さかった。

しかしながら、本実施形態の圧電ジャイロ１では、圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０が主面５００に対してある所定の角度をなす斜面５１、５２、５３、５４上に形成されている。これら斜面５１、５２、５３、５４は振動Ｗｘの方向とも一定の角度をなしている。よって圧電積層部３１０と３２０、及び圧電積層部３３０と３４０の伸縮運動が振動脚１０ｂ、１０ｃに伝わりやすく、その結果、振動Ｗｘの振幅も大きくすることができた。

通常、圧電ジャイロは、振動脚に振動Ｗｘを発生させた状態において角速度が加わると、振動Ｗｘの方向に直交する方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力の大きさから角速度の検出を行う。よって、本実施形態の圧電ジャイロ１のように振動Ｗｘの振幅が大きいほど、検出感度が高まり、高精度の圧電ジャイロにすることができる。

また本実施形態の圧電ジャイロ１では、上述のように振動脚１０ｂ、１０ｃが振動しやすい構造になっているので、従来よりも少ない電力で従来と同等の振動特性を得ることができ、その結果、低消費電力の圧電ジャイロを得ることができた。

以下に本発明の圧電ジャイロ１の製造方法を説明する。図４は斜面を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の前半の工程を示した図である。図５は斜面を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の後半の工程を示した図である。まず初めに図４（ａ）に示すように、シリコンウェハー（Ｓｉウェハー１００）を用意し、その一方の平面上に、部分的に所定の形状で開口しているパターンからなる第１マスク層２１０を形成し、別の他方の平面上には全面に第１マスク層２００を形成する。なおここで用いられるＳｉウェハー１００はその平面が（１００）面の結晶面になるようにカットされた基板である。

本実施形態では第１マスク層２００、２１０とも、上層が０．２μｍ厚の金（Ａｕ）膜、下層が０．０５μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜からなる積層膜を用いた。

次に図４（ｂ）に示すように、ウェットエッチング法によって第１マスク層２１０で覆われていない部分のＳｉウェハー１００をエッチングし、Ｖ字溝６０を形成する。なおＶ字溝とは図４（ｂ）にあるように溝の断面がＶ字型の溝のことを言う。本実施形態のように（１００）面を平面とするＳｉウェハー１００をウェットエッチングすると、Ｓｉの結晶面に沿ってエッチングがなされるため、必ず結晶面の角度に従った一定の角度のＶ字溝６０を形成することができる。よってこの工程で形成されるＶ字溝６０は非常に寸法精度が安定している。なお本実施形態では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１０％水溶液を用いてウェットエッチングを行った。

その後、第１マスク層２００、２１０を除去し、Ｖ字溝６０が形成されたＳｉウェハー１１０が完成する（図４（ｃ））。

次に図５（ａ）に示すように、このＳｉウェハー１１０のＶ字溝６０それぞれに圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０をパターニングして形成する。

なお圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０は下部電極、圧電薄膜、上部電極が積層して構成されたものである。本実施形態では、下部電極として白金チタン合金（ＰｔＴ
ｉ）膜を蒸着法で０．４μｍ厚で成膜し、さらにその上に圧電薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜をスパッタリング法により３μｍ厚で成膜し、さらにその上に上部電極として金（Ａｕ）膜を蒸着法によって０．３μｍ厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて、それぞれを所定の形状にパターニングした。なお以上の工程は、本実施形態のように斜面上であれば問題なく形成可能であり、且つ高い寸法精度で形成可能である。

次に図５（ｂ）に示すように、音叉型構造体の外形をかたどった形状の第２マスク層６００を圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０上及びＳｉウェハー１１０の一部表面上に形成する。

その後、図５（ｃ）に示すように、ドライエッチング法によって、Ｓｉウェハー１１０の第２マスク層６００が形成されていない部分を貫通するまでエッチングし、音叉型構造体１０を形成する。

最後に図５（ｄ）に示すように、第２マスク層６００を例えば酸素プラズマアッシング等の方法によって除去して本発明の圧電ジャイロ１（図１）が完成する。

なお、圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０を主面に対して垂直に配置すれば、主面に平行な振動Ｗｘの振幅を最大にすることができる。しかしながら、上記のように圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０の形成には、Ｓｉウェハーの平面上での加工を得意とするスパッタリング法、蒸着法、フォトリソグラフィー法、及びドライエッチング法等を用いるため、主面に対して垂直に切り立っている面に圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０を形成することはできなかった。よって製造上の観点から見ても、本発明のように圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０を斜面５１、５２、５３、５４に形成する構成が最も優れた構成であると言える。

なお本実施形態では、圧電機能を利用したデバイスとして圧電ジャイロを示したが、本構成と製造方法は圧電機能を利用したその他のデバイス、例えばアクチュエータ、光スイッチなどにも適用可能である。

（第２の実施形態）
図２はＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。本発明の圧電ジャイロ２は、基部１１ａと基部１１ａから突出して形成された複数の振動脚１１ｂ、１１ｃからなる音叉型構造体１１と、各々の振動脚１１ｂ、１１ｃにそれぞれ離間するようにして設けられた圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０とで構成されている。

なお圧電ジャイロ２には、基部１１ａと振動脚１１ｂ、１１ｃとを一平面に有する主面５００に対して所定の角度をなす斜面を有するＶ字溝６１、６２が振動脚１１ｂ、１１ｃのそれぞれに形成されている。本実施形態ではこれらＶ字溝６１、６２内の側面、すなわち斜面上、に圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０が形成されている。

図３は斜面を有する本発明の圧電ジャイロとＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの要部断面図である。図３（ｂ）は図２に示す圧電ジャイロ２のＢ−Ｂ断面を示した図である。図３（ｂ）に示すように圧電積層部３５０は、下部電極２５と、下部電極２５上に設けられた圧電薄膜３５と、その圧電薄膜３５上に設けられた上部電極４５とからなっている。また圧電積層部３６０は、下部電極２６と、下部電極２６上に設けられた圧電薄膜３６と、その圧電薄膜３６上に設けられた上部電極４６とからなっている。また圧電積層部２７０は、下部電極２７と、下部電極２７上に設けられた圧電薄膜３７と、その圧電薄膜３７上に設けられた上部電極４７とからなっている。また圧電積層部３８０は、下部電極２
８と、下部電極２８上に設けられた圧電薄膜３８と、その圧電薄膜３８上に設けられた上部電極４８とからなっている。

図２及び図３（ｂ）に示すように、一本の振動脚１１ｂにおいて、Ｖ字溝６１は振動脚１１ｂのほぼ中央に形成されており、さらにＶ字溝６１内に形成されている圧電積層部３５０と圧電積層部３６０は、振動脚１１ｂの中心線ＣＬを境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。

また、別のもう一本の振動脚１１ｃにおいても、Ｖ字溝６２は振動脚１１ｃのほぼ中央に形成されており、さらにＶ字溝６２内に形成されている圧電積層部３７０と圧電積層部３８０も、振動脚１１ｃの中心線ＣＬを境に左右にほぼ均等に離間して形成されている。

以上のような構成からなる本実施形態の圧電ジャイロ２の動作原理を以下に説明する。図３（ｂ）の振動脚１１ｂにおいて、下部電極２５と上部電極４５の間に電圧を印加すると両電極に挟まれた圧電薄膜３５は圧電作用により伸縮する。また、下部電極２６と上部電極４６の間に電圧を印加すると両電極に挟まれた圧電薄膜３６は圧電作用により伸縮する。

例えば下部電極２５がプラス側、上部電極４５がマイナス側になるように電圧を印加した時に圧電薄膜３５が伸びる方向に伸縮したとする。この場合には、逆に下部電極２６にはマイナス側、上部電極４６にはプラス側の電圧を印加して、圧電薄膜３６を縮ませるようにする。すると、振動脚１１ｂを一方向に撓ませることができる。下部電極２５、２６及び上部電極４５、４６に印加する電圧を交互に反転させると、圧電薄膜３５と圧電薄膜３６はそれぞれＶ字溝６１の斜面に平行な方向に沿って伸縮を繰り返す。これにより、振動脚１１ｂは中心線ＣＬを境に左右均等に交互に撓みを繰り返し、その結果、振動脚１１ｂは振動Ｗｘのように発振する。

一方、振動脚１１ｃも同様に、下部電極２７、２８及び上部電極４７、４８の印加電圧を交互に反転させると、圧電薄膜３７、３８がそれぞれ斜面５７、５８に平行な方向に沿って伸縮を繰り返し、その結果、振動Ｗｘのように発振する。

本実施形態の圧電ジャイロ２では、圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０が主面５００に対してある所定の角度をなして形成されている。よってこれら圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０は振動Ｗｘの方向とも一定の角度をなす位置関係にある。このような位置関係により圧電積層部３５０と３６０、及び圧電積層部３７０と３８０の伸縮運動が振動脚１１ｂ、１１ｃに伝わりやすくなり、その結果、振動Ｗｘの振幅も大きくすることができた。これにより、検出感度が高まり、高精度の圧電ジャイロにすることができた。

なお、圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０を主面に対して垂直に配置すれば、振動Ｗｘの振幅を最大にすることができるが、圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０をそのような垂直面に形成する手段はなく、このような構成は達成不可能である。よって、本発明のように溝内に圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０を形成する場合には、Ｖ字溝の斜面に圧電積層部３１０、３２０、３３０、３４０を形成するのが望ましい。

以下に本発明の圧電ジャイロ２の製造方法を説明する。図６はＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の前半の工程を示した図である。図７はＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の後半の工程を示した図である。まず初めに図６（ａ）に示すように、Ｓｉウェハー１００を用意し、その一方の平面上に、部分的に所定の形状で開口し
ているパターンからなる第１マスク層２２０を形成し、別の他方の平面上には全面に第１マスク層２００を形成する。なおここで用いられるＳｉウェハー１００はその平面が（１００）面の結晶面になるようにカットされた基板である。

本実施形態では第１マスク層２００、２２０とも、上層が０．２μｍ厚の金（Ａｕ）膜、下層が０．０５μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜からなる積層膜を用いた。

次に図６（ｂ）に示すように、ウェットエッチング法によって第１マスク層２２０で覆われていない部分のＳｉウェハー１００をエッチングし、Ｖ字溝６１、６２を形成する。本実施形態のように（１００）面を平面とするＳｉウェハー１００をウェットエッチングすると、Ｓｉの結晶面に沿ってエッチングがなされるため、必ず結晶面の角度に従った一定の角度のＶ字溝６１、６２を形成することができる。よってこの工程で形成されるＶ字溝６１、６２は非常に寸法精度が安定している。なお本実施形態では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１０％水溶液を用いてウェットエッチングを行った。

その後、第１マスク層２００、２２０を除去し、Ｖ字溝６１、６２が形成されたＳｉウェハー１２０が完成する（図６（ｃ））。

次に図７（ａ）に示すように、このＳｉウェハー１２０のＶ字溝６１、６２の斜面に圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０をパターニングして形成する。

なお圧電積層部３５０、３６０、３７０、３８０は下部電極、圧電薄膜、上部電極が積層して構成されたものである。本実施形態では、下部電極として白金チタン合金（ＰｔＴｉ）膜を蒸着法で０．４μｍ厚で成膜し、さらにその上に圧電薄膜としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）膜をスパッタリング法により３μｍ厚で成膜し、さらにその上に上部電極として金（Ａｕ）膜を蒸着法によって０．３μｍ厚で成膜した後、フォトリソグラフィー法とドライエッチング法を用いて、それぞれを所定の形状にパターニングした。

次に図７（ｂ）に示すように、Ｖ字溝６１、６２を覆うようにして音叉型構造体の外形をかたどった形状からなる第２マスク層６１０を形成する。

その後、図７（ｃ）に示すように、ドライエッチング法によって、Ｓｉウェハー１２０の第２マスク層６１０が形成されていない部分を貫通するまでエッチングし、音叉型構造体１１を形成する。

最後に図７（ｄ）に示すように、第２マスク層６１０を例えば酸素プラズマアッシング等の方法によって除去して本発明の圧電ジャイロ２（図２）が完成する。

（第３の実施形態）
図８は四隅に斜面を有する本発明の圧電ジャイロと台形溝を有する本発明の圧電ジャイロの要部断面図である。本実施形態の圧電ジャイロでは、図８（ａ）に示すように、二つの主面５００、５１０に対して所定の角度で傾き、且つ、二つの主面５００、５１０と二つの側面５５０、５６０の間に連続して配置される４つの斜面が、振動脚１２ｂ、１２ｃの四隅に形成されている。また、そのそれぞれの斜面上に圧電積層部３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２、３４１、３４２が形成されている。

これら圧電積層部３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２、３４１、３４２はいずれも、下部電極と、下部電極上に設けられた圧電薄膜と、その圧電薄膜上に設けられた上部電極とからなっており（図８（ａ）では下部電極、圧電薄膜、上部電極は省略されて描かれている。）、下部電極と上部電極間に電圧を印加することで伸縮運動を行う。
なお以上の構成は、図１に示す圧電ジャイロ１と同様の製造方法で形成することができた。

図８（ａ）に示す本実施形態の圧電ジャイロは、図１に記載されている圧電ジャイロ１と同様の動作原理によって振動を発生させ角速度を検出する。本実施形態でも斜面を設けることによって、圧電積層部３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２、３４１、３４２の伸縮運動が振動脚１２ｂ、１２ｃに伝わりやすくなり、その結果、振動振幅も大きくすることができた。

さらに本実施形態では、振動脚１２ｂ、１２ｃの四隅に圧電積層部３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２、３４１、３４２を設けることによって、図１に記載されている圧電ジャイロ１に比べて、約２倍の振動振幅を得ることができ、その結果、より正確で高精度の圧電ジャイロを達成できた。

（第４の実施形態）
本実施形態の圧電ジャイロでは、図８（ｂ）に示すように、振動脚１３ｂ、１３ｃそれぞれに２つずつ、断面が台形形状である台形溝７０、７１を形成した。また、各々の台形溝７０、７１の側面に形成される斜面上に圧電積層部３５１、３５２、３６１、３６２、３７１、３７２、３８１、３８２が形成されている。

これら圧電積層部３５１、３５２、３６１、３６２、３７１、３７２、３８１、３８２はいずれも、下部電極と、下部電極上に設けられた圧電薄膜と、その圧電薄膜上に設けられた上部電極とからなっており（図８（ｂ）では下部電極、圧電薄膜、上部電極は省略されて描かれている。）、下部電極と上部電極間に電圧を印加することで伸縮運動を行う。以上の構成は、図２に示す圧電ジャイロ２と同様の製造方法で形成することができた。なおＶ字溝を台形溝にするには、溝幅を広げ、溝深さを浅く設計するだけで達成できる。

図８（ｂ）に示す本実施形態の圧電ジャイロは、図２に記載されている圧電ジャイロ２と同様の動作原理によって振動を発生させ角速度を検出する。本実施形態でも溝内部の側面に斜面を設けることによって、圧電積層部３５１、３５２、３６１、３６２、３７１、３７２、３８１、３８２の伸縮運動が振動脚１３ｂ、１３ｃに伝わりやすくなり、その結果、振動振幅も大きくすることができた。

さらに本実施形態では、振動脚１３ｂ、１３ｃのそれぞれに、２つずつ溝を形成し、その溝内の斜面に圧電積層部３５１、３５２、３６１、３６２、３７１、３７２、３８１、３８２を設けることによって、図２に記載されている圧電ジャイロ２に比べて、約２倍の振動振幅を得ることができ、その結果、より正確で高精度の圧電ジャイロを達成できた。

以上のように、本発明により、振動振幅を大きくでき、その結果、検出感度が高く、高い精度を有する圧電ジャイロを得ることができた。また検出感度が高くなることによって、正確な角速度を検出できるようになり、その結果、信頼性の高い圧電ジャイロを得ることができた。さらに、従来に比べ少ない電力で従来と同等の振動振幅が得られるようになったので、低消費電力の圧電ジャイロを得ることができた。

また、本発明の圧電ジャイロに備わる斜面は、Ｓｉのウェットエッチング法によって、Ｓｉの結晶面に従った正確な角度で形成されるため、非常に安定して製造することができ、その結果、高い信頼性を有する圧電ジャイロを容易に製造することができるようになった。

斜面を有する本発明の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。 Ｖ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。 斜面を有する本発明の圧電ジャイロとＶ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの要部断面図である。 斜面を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の前半の工程を示した図である。 斜面を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の後半の工程を示した図である。 Ｖ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の前半の工程を示した図である。 Ｖ字溝を有する本発明の圧電ジャイロの製造方法の後半の工程を示した図である。 四隅に斜面を有する本発明の圧電ジャイロと台形溝を有する本発明の圧電ジャイロの要部断面図である。 従来の圧電ジャイロの構造を示した斜視図である。 従来の圧電ジャイロの要部断面図である。

符号の説明

１、２、３ 圧電ジャイロ
１０、１１ 音叉型構造体
１０ａ、１１ａ 基部
１０ｂ、１０ｃ、１１ｂ、１１ｃ、１２ｂ、１２ｃ、１３ｂ、１３ｃ 振動脚
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 下部電極
３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８ 圧電薄膜
４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８ 上部電極
５１、５２、５３、５４ 斜面
６０、６１、６２ Ｖ字溝
７０、７１ 台形溝
１００、１１０、１２０ Ｓｉウェハー
１２１、１２２、１２３、１２４ 下部電極
１３１、１３２、１３３、１３４ 圧電薄膜
１４１、１４２、１４３、１４４ 上部電極
１５０ 音叉型構造体
１５０ａ 基部
１５０ｂ、１５０ｃ 振動脚
２００、２１０、２２０ 第１マスク層
３１０、３１１、３１２、３２０、３２１、３２２ 圧電積層部
３３０、３３１、３３２、３４０、３４１、３４２ 圧電積層部
３５０、３５１、３５２、３６０、３６１、３６２ 圧電積層部
３７０、３７１、３７２、３８０、３８１、３８２ 圧電積層部
４１０、４２０、４３０、４４０ 圧電積層部
５００、５１０ 主面
５５０、５６０ 側面
６００、６１０ 第２マスク層

Claims (16)

1. 基部と該基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロであって、
   前記基部と前記複数の振動脚とを一平面に有する主面に対して所定の角度をなす斜面が、前記振動脚に形成されており、該斜面上に前記圧電薄膜が形成されている圧電ジャイロ。
2. 前記音叉型構造体はシリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の圧電ジャイロ。
3. 前記主面がシリコンの（１００）面であることを特徴とする請求項２に記載の圧電ジャイロ。
4. 前記斜面はウェットエッチング法によって形成された面であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電ジャイロ。
5. 基部と該基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロであって、
   前記振動脚に溝が形成されており、該溝の中に圧電薄膜が形成されている圧電ジャイロ。
6. 前記音叉型構造体はシリコンからなることを特徴とする請求項５に記載の圧電ジャイロ。
7. 前記基部と前記複数の振動脚とを一平面に有する主面がシリコンの（１００）面であることを特徴とする請求項６に記載の圧電ジャイロ。
8. 前記溝は断面がＶ字型または台形であることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の圧電ジャイロ。
9. 前記圧電薄膜は溝の斜面に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の圧電ジャイロ。
10. 前記溝はウェットエッチング法によって形成された溝であることを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか一項に記載の圧電ジャイロ。
11. 基部と該基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた非圧電材料からなる音叉型構造体上に圧電薄膜が構成された圧電ジャイロの製造方法であって、
    シリコンウェハーを用意し、該シリコンウェハーの少なくとも一平面上に、所定の形状からなる第１マスク層を形成する工程と、
    ウェットエッチング法によって前記シリコンウェハーに溝を形成する工程と、
    該溝内に圧電薄膜を形成する工程と、
    該溝の一部または全部を覆うようにして所定の形状からなる第２マスク層を形成する工程と、
    ドライエッチング法によって前記シリコンウェハーを音叉型構造体に加工する工程とを有する圧電ジャイロの製造方法。
12. 前記シリコンウェハーは、平面が（１００）面であることを特徴とする請求項１１に記載の圧電ジャイロの製造方法。
13. 前記溝は断面がＶ字型または台形であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の圧電ジャイロの製造方法。
14. 前記圧電薄膜を前記溝の斜面に形成することを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の圧電ジャイロの製造方法。
15. 前記圧電薄膜を下部電極と上部電極の間に挟んで形成することを特徴とする請求項１１から請求項１４のいずれか一項に記載の圧電ジャイロの製造方法。
16. 前記圧電薄膜はスパッタリング法を用いて形成することを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか一項に記載の圧電ジャイロの製造方法。

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