JP2009300283A - 圧電体膜を用いた振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体膜を用いた角速度センサの小型化と高性能化を同時に達成する。
【解決手段】振動ジャイロは、平面を一様に備えた円環状又は多角形状の振動体１００と、振動体１００を柔軟に支持する支持部となるレッグ部１５と、固定電位電極１６及びその平面上に形成されるとともに上層金属膜及び下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極１３ｂ，１３ｂとを備えている。その上で、平面の外周縁及び内周縁に連続し、かつ振動体１００の幅方向の垂直断面においてその平面が形成するその振動体の幅を１とした場合に、その振動体の厚み方向の全ての振動体の幅が１以下であるとともに、その振動体の厚み方向の少なくとも一部のその振動体の幅が０．９以下となる側面を有し、複数の電極１３ｂ，１３ｂが、その平面上に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電体膜を用いた振動ジャイロに関するものである。

近年、圧電材料を用いた振動ジャイロは盛んに開発されている。従来から、特許文献１に記載されているような振動体自体が圧電材料で構成されるジャイロが開発される一方、振動体上に形成される圧電体膜を利用するジャイロも存在する。例えば、特許文献２では、圧電材料であるＰＺＴ膜を用いて、振動体の一次振動を励起し、かつその振動体に角速度が与えられた際に発生するコリオリ力によって生じるジャイロの一部の歪みを検出する技術が開示されている。

他方、ジャイロが搭載される各種機器のサイズが日進月歩で小型化されている中で、ジャイロ自身の小型化も重要な課題である。ジャイロの小型化を達成するためには、ジャイロを構成する各部材を適切に配置する必要がある。また、小型化と同時に、ジャイロとしての性能、換言すれば、角速度の検出精度を更に高めることも重要である。しかしながら、特許文献２に示されているジャイロの構造は、ここ数年来の小型化及び高性能化の要求を満足するものではない。

本願出願人は、既に上述の複数の技術的課題に対して幾つかの提案を行っている（特許文献３乃至特許文献５）。しかしながら、圧電体を用いた振動体の効率的な駆動や検出方法には未だ改善の余地が残されている。
特開平８−２７１２５８号公報 特開２０００−９４７３号公報 特願２００８−２８８３５号 特願２００８−７７７５３号 特願２００８−７７７５４号

上述の通り、圧電体膜を用いた振動ジャイロの小型化を達成しつつ、ジャイロとしての高性能化の要求を同時に満足することは非常に難しい。一般的には、ジャイロが小型化されると、検出電極の面積も小さくなるため、振動体に角速度が与えられた場合に、ジャイロの検出電極によって検出される信号が微弱になるという問題がある。また、ジャイロが小型化されると、角速度を検出するために振動体に当初与えられる一次振動を生じさせるための十分な駆動力を与えることも容易ではない。加えて、圧電体膜の面積を安易に広く取ると、振動体の剛性が上がることになる。その結果、振動数が高くなるため、振動の制御が困難となる。従って、特に圧電体膜を用いた振動ジャイロが小型化された場合、駆動や検出を担う圧電体膜自身も小型化される状況下で、その圧電体をどのように効率的に活用するかが大きな課題となる。

本発明は、上述の技術課題を解決することにより、圧電体膜を備えた振動ジャイロの小型化及び高性能化に大きく貢献するものである。本発明で採用されている円環状又は多角形状の振動体を有する振動ジャイロの小型化を図る場合、駆動と検出の役割を担う圧電体には最も効率的に機能を発揮してもらわなければならない。そこで、発明者らは、高い加工精度を維持しつつ小型化を達成しうるため、半導体デバイスやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスに用いられているプロセス技術を適用し得る新たな構造を創出すべく、鋭意研究を重ねた。その結果、高い加工精度を維持した上で傾斜側面を備える振動体を製造する方法を用いることにより、圧電体の非常に効率的な配置が実現されることが知見された。本発明はこのような視点で創出された。

本発明の１つの振動ジャイロは、平面を一様に備えた円環状又は多角形状の振動体と、その振動体を柔軟に支持する支持部と、固定電位電極、及びその平面上に形成されるとともに上層金属膜及び下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備えている。その上で、前述の振動体の幅方向の垂直断面においてその平面が形成するその振動体の幅を１とした場合に、その振動体の厚み方向の全てのその振動体の幅が１以下であるとともに、その振動体の厚み方向の少なくとも一部のその振動体の幅が０．９以下となる、前述の平面の外周縁及び内周縁に連続する側面を有し、前述の複数の電極が、その平面上に配置されている。尚、本出願において「柔軟な」とは、「振動体が振動可能な程度に」という意味である。

この振動ジャイロは、振動体の幅方向に沿った垂直断面を考えたときに、検出電極が形成されている振動体の平面の幅がその振動体の中で最も長くなっている。すなわち、その断面を一見すると、この振動ジャイロは、その平面に続く側面がその平面と略垂直に形成されている場合と比較して、その平面が円環状又は多角形状の振動体の外側又は内側に飛び出した構造を有している。したがって、この振動ジャイロは、振動体のサイズ及び固有振動数を殆ど変えることなく各電極面積を広くすることが出来る構造となる。その結果、一次振動の励起を行う駆動電極の能力、角速度の検出精度が向上する。

また、本発明の１つの振動ジャイロは、平面を一様に備えた円環状又は多角形状の振動体と、その振動体を柔軟に支持する支持部と、固定電位電極、及びその平面上に形成されるとともに上層金属膜及び下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備えている。その上で、前述の振動体の幅方向の垂直断面においてその振動体の厚み方向のその振動体の幅が、その平面からその厚み方向に向かうにしたがって狭くなる、前述の平面の外周縁及び内周縁に連続する傾斜側面を有するとともに、前述の複数の電極が、その平面上に配置されている。

この振動ジャイロも、振動体の幅方向に沿った垂直断面を考えたときに、検出電極が形成されている振動体の平面の幅がその振動体の中で最も長くなっている。すなわち、その断面を一見すると、この振動ジャイロは、その平面に続く側面がその平面と略垂直に形成されている場合と比較して、その平面が円環状又は多角形状の振動体の外側又は内側に飛び出した構造を有している。したがって、この振動ジャイロは、振動体のサイズ及び固有振動数を殆ど変えることなく各電極面積を広くすることが出来る構造となる。その結果、一次振動の励起を行う駆動電極の能力、角速度の検出精度が向上する。

ところで、上述の検出電極及び／又は駆動電極を、前述の振動体の平面上であって、その外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域内及び／又はその振動体の内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域内に配置していることは好ましい一態様である。具体的には、例えば、一次振動をイン・プレーンのｃｏｓ２θモードにする場合は、振動体に振動を生じさせる際に圧電体に生じた歪みを効率的に振動体の駆動力に変換するために、駆動電極を前記領域に配置することが好ましい。他方、例えば、一次振動をアウト・オブ・プレーンのｃｏｓ３θモードにする場合は、駆動電極を上述の領域に配置する必要はないが、発生する二次振動は、イン・プレーンの振動になるため、検出電極を前述の領域に配置することは、好ましい他の一態様である。なお、一次振動の駆動モードによって駆動電極の配置は適宜選定される。

本発明の１つの振動ジャイロによれば、角速度が生じた際に効率的に角速度を検出することができる。

つぎに、本発明の実施形態を、添付する図面に基づいて詳細に述べる。尚、この説明に際し、全図にわたり、特に言及がない限り、共通する部分には共通する参照符号が付されている。また、図中、本実施形態の要素は必ずしもスケール通りに示されていない。また、各図面を見やすくするために、一部の符号が省略され得る。また、特に言及がない限り、以下の各種ガスの流量は、標準状態の流量を示す。

＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態における円環型振動ジャイロ１００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

図１及び図２に示すとおり、本実施形態の円環型振動ジャイロ１００は、大きく３つの領域に分類される。第１の領域は、シリコン基板１０から形成される円環状振動体１１の上部の平面（以下、上面という）上及びその上面に続く傾斜側面上に、シリコン酸化膜２０を備え、さらにその上に、圧電体膜４０であるＰＺＴ膜が、下層金属膜３０である白金と上層金属膜５０である白金との間に挟まれることにより形成される複数の電極１３ａ〜１３ｄを備えた領域である。本実施形態では、複数の電極１３ａ〜１３ｄを構成する上層金属膜５０は、約４６μｍ幅の上面を有する円環状振動体１１の外周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約２１μｍである。また、その上層金属膜５０は、円環状振動体１１の上面の幅の両端間の中央を結ぶ線（以下、単に中央線という）よりも外側に形成されている。加えて、本実施形態における傾斜側面の角度（図２におけるｐ）は、上面を基準として俯角で約１００°である。なお、図２における一点鎖線及び角度を表す曲線は便宜的に描かれたものである。ところで、本実施形態のシリコン基板１０は、その厚みが１００μｍである。なお、シリコン基板の厚みは、前述の厚みに限定されることはない。その厚みの上限又は下限については特段に限定されるものではないが、取扱いの容易性、及び後述するシリコン基板の貫通エッチングを行う製造工程上の負担を考慮すれば、シリコン基板の厚みは、２０μｍ以上、２００μｍ以下であることが好ましい。尚、図１のＡ−Ａ方向（本実施形態では、直径方向）が振動体の幅方向である。

ここで、上述の傾斜側面の角度は、上面を基準として俯角９２°以上１２０°以下に形成されることが好ましい。これは、俯角１２０°以上の急峻な角度になれば、従来のドライエッチングプロセスの諸条件の変更のみではその製造が実質的に困難になるためである。一方、俯角９２°以下の傾斜側面になれば、側面が垂直な場合と実質的に同じとなり、圧電体の歪みを極めて効率的に駆動や検出に反映させるという意義が薄れるためである。上述の観点でいえば、さらに好ましい傾斜角の範囲は、俯角９３°以上１１０°以下である。

ところで、本実施形態では、図９に示されるイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードで円環型振動ジャイロ１００の一次振動が励起される。従って、前述の複数の電極１３ａ〜１３ｄの内訳は、互いに円周方向に１８０°離れた角度に配置された２つの駆動電極１３ａ，１３ａと、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって９０°離れた角度に配置された２つのモニタ電極１３ｃ，１３ｃと、円環型振動ジャイロ１００に角速度が与えられたときに発生する二次振動を検出する、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄである。本実施形態では、第１検出電極１３ｂ，１３ｂは、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって時計回りに４５°離れた角度に配置される。また、第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、第１検出電極１３ｂ，１３ｂから円周方向であって９０°離れた角度、換言すれば、駆動電極１３ａ，１３ａから円周方向であって反時計回りに４５°離れた角度に配置される。

また、本実施形態では、下層金属膜３０及び上層金属膜５０の厚みは１００ｎｍであり、圧電体膜４０の厚みは、３μｍである。また、シリコン基板１０の厚みは１００μｍである。なお、図１においてＶで示される斜線領域は、円環型振動ジャイロ１００を構成する構造体が何も存在しない空間又は空隙部分であり、図面を分かりやすくするために便宜上設けられた領域である。

第２の領域は、円環状振動体１１の一部と連結しているレッグ部１５，・・・，１５である。このレッグ部１５，・・・，１５もシリコン基板１０から形成されている。また、レッグ部１５，・・・，１５上には、円環状振動体１１上のそれらと連続する上述のシリコン酸化膜２０、下層金属膜３０、及び圧電体膜４０がレッグ部１５，・・・，１５の上面全体に形成されている。さらに、圧電体膜４０の上面の中央線上には、幅約８μｍの引き出し電極１４，・・・，１４である上層金属膜５０が形成されている。なお、本実施形態のレッグ部１５，・・・，１５も、上述と同様の傾斜側面が形成されている。

第３の領域は、上述のレッグ部１５，・・・，１５に連結しているシリコン基板１０から形成される支柱１９及び電極パッド１８，・・・，１８を備えた電極パッド用固定端部１７，・・・，１７である。本実施形態では、支柱１９が、図示しない円環型振動ジャイロ１００のパッケージ部に連結し、固定端としての役割を果たしている。また、本実施形態の円環型振動ジャイロ１００は、支柱１９以外の固定端として、電極パッド用固定端部１７，・・・，１７を備えている。この電極パッド用固定端部１７，・・・，１７は、支柱１９及び上述のパッケージ部のみに連結しているため、実質的に円環状振動体１１の動きを阻害しない。また、図２に示すように、支柱１９及び電極パッド用固定端部１７，・・・，１７の上面には、グラウンド電極である固定電位電極１６を除き、レッグ部１５，・・・，１５上のそれらと連続する上述のシリコン酸化膜２０、下層金属膜３０、及び圧電体膜４０が形成されている。ここで、シリコン酸化膜２０上に形成された下層金属膜３０が固定電位電極１６の役割を担っている。また、支柱１９及び電極パッド用固定端部１７，・・・，１７の上方に形成されている圧電体膜２０の上面には、レッグ部１５，・・・，１５の上方のそれと連続する前述の引き出し電極１４，・・・，１４及び電極パッド１８，・・・，１８が形成されている。

次に、本実施形態の円環型振動ジャイロ１００の製造方法について、図３Ａ乃至図３Ｆに基づいて説明する。なお、図３Ａ乃至図３Ｆは、図２における一部の範囲に対応する断面図である。

まず、図４に示すシリコン基板１０のエッチング装置５００の構成について説明する。エッチング対象となるシリコン基板１０は、チャンバー５２０の下部側に設けられたステージ５２１に載置される。チャンバー５２０には、エッチングガス、有機堆積物形成ガス（以下、保護膜形成ガスともいう）から選ばれる少なくとも一種類のガスが、各ボンベ５２２ａ，５２２ｂからそれぞれガス流量調整器５２３ａ，５２３ｂを通して供給される。これらのガスは、第１高周波電源５２５により高周波電力を印加されたコイル５２４によりプラズマ化される。その後、第２高周波電源５２６を用いてステージ５２１に高周波電力が印加されることにより、これらの生成されたプラズマはシリコン基板１０に引き込まれる。このチャンバー５２０内を減圧し、かつプロセス後に生成されるガスを排気するため、チャンバー５２０には真空ポンプ５２７が排気流量調整器５２８を介して接続されている。尚、このチャンバー５２０からの排気流量は排気流量調整器５２８により変更される。上述のガス流量調整器５２３ａ，５２３ｂ、第１高周波電源５２５、第２高周波電源５２６及び排気流量調整器５２８は、制御部５２９により制御される。なお、図４は、シリコン基板１０をエッチングするための装置構成として説明されたが、上述の圧電体膜４０や金属膜のためのエッチング装置としても利用され得る。例えば、エッチング装置５００を用いれば、チャンバー５２０内に導入するガスの種類を適宜選定することによって、後述のシリコン以外の対象をエッチングすることもできる。

本実施形態の円環型振動ジャイロ１００の製造方法では、最初に、図３Ａに示すように、シリコン基板１０上に、シリコン酸化膜２０、下層金属膜３０、圧電体膜４０、及び上層金属膜５０が積層される。前述の各膜は公知の成膜手段によって形成されている。本実施形態では、シリコン酸化膜２０は公知の手段による熱酸化膜である。また、下層金属膜３０、圧電体膜４０、及び上層金属膜５０は、いずれも公知のスパッタリング法により形成されている。なお、これらの膜の形成は、前述の例に限定されず、他の公知の手段によっても形成され得る。

次に、上層金属膜５０の一部がエッチングされる。本実施形態では、上層金属膜５０上に公知のレジスト膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術により形成されたパターンに基づいてドライエッチングを行うことにより、図３Ｂに示される上層金属膜５０が形成される。ここで、上層金属膜５０のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

その後、図３Ｃに示すように、圧電体膜４０の一部がエッチングされる。まず、上述の同様、フォトリソグラフィ技術によりパターニングがされたレジスト膜に基づいて、圧電体膜４０がドライエッチングされる。なお、本実施形態の圧電体膜４０のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）とＣ_２Ｆ_６ガスの混合ガス、又はアルゴン（Ａｒ）とＣ_２Ｆ_６ガスとＣＨＦ_３ガスの混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

続いて、図３Ｄに示すように、下層金属膜３０の一部がエッチングされる。本実施形態では、下層金属膜３０を利用した固定電位電極１６が形成されるように、再度、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたレジスト膜を用いてドライエッチングされる。本実施形態では、固定電位電極１６は、グラウンド電極として利用される。なお、本実施形態の下層金属膜３０のドライエッチングは、上述のエッチング装置５００を用いて、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

ところで、本実施形態では、前述の再び形成されたレジスト膜をエッチングマスクとして、その後のシリコン酸化膜２０及びシリコン基板１０を連続的にエッチングするため、このレジスト膜の厚みは、約４μｍになるように形成されている。但し、万一、このレジスト膜がシリコン基板１０のエッチング中に消失した場合であっても、シリコン基板１０に用いられるエッチャントに対するエッチングレートの選択比が有利に働くため、前述のエッチングによって下層金属膜３０の性能は実質的に影響を受けない。

次に、図３Ｅ及び図３Ｆに示すように、上述の通り、下層金属膜３０をエッチングするためのレジスト膜を利用して、上述のエッチング装置５００を用いてシリコン酸化膜２０及びシリコン基板１０のドライエッチングが行われる。本実施形態のシリコン酸化膜２０のドライエッチングは、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ_２）の混合ガスを用いた公知のエッチング条件によって行われた。

その後、本実施形態のシリコン基板１０のドライプロセスによる貫通エッチングが行われる。本実施形態では、保護膜形成ガスが導入される保護膜形成工程とエッチングガスが導入されるエッチング工程とを順次繰り返す方法が採用される。尚、本実施形態の保護膜形成ガスはＣ_４Ｆ_８であり、エッチングガスはＳＦ_６である。

具体的には、保護膜形成工程において、一単位時間としての処理時間である５秒間に、保護膜形成ガスが２００ｍＬ／ｍｉｎ．で供給され、チャンバー５２０内の圧力は２．７Ｐａに制御される。コイル５２４には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が１８００Ｗ印加されるが、ステージ５２１には１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加されない。一方、つづくエッチング工程では、一単位時間としての処理時間である１０秒間に、エッチングガスが３５０ｍＬ／ｍｉｎ．で供給され、チャンバー５２０内の圧力は５．３Ｐａに制御される。コイル５２４には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が２５００Ｗ印加される。一方、ステージ２１には、１３．５６ＭＨｚの高周波電力が５０Ｗ印加される。上述の条件により、上面を基準として俯角で約１００°の傾斜を有する側面が形成される。

また、前述のドライエッチングは、貫通時にシリコン基板１０を載置するステージをプラズマに曝さないようにするための保護基板をシリコン基板１０の下層に伝熱性の優れたグリース等により貼り付けた状態で行われる。そのため、例えば、貫通後にシリコン基板１０の厚さ方向に垂直な方向の面、換言すればエッチング側面が侵食されることを防ぐために、特開２００２−１５８２１４に記載されているドライエッチング技術が採用されることは好ましい一態様である。

上述の通り、シリコン基板１０及びシリコン基板１０上に積層された各膜のエッチングによって、円環型振動ジャイロ１００の中心的な構造部が形成されたのち、公知の手段によるパッケージへの収容工程、及び配線工程を経ることにより、円環型振動ジャイロ１００が形成される。

次に、円環型振動ジャイロ１００が備える各電極の作用について説明する。上述の通り、本実施形態はイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードの一次振動が励起される。なお、固定電位電極１６が接地されるため、固定電位電極１６と連続して形成されている下層電極膜３０は一律に０Ｖになっている。

最初に、図１に示すように、２つの駆動電極１３ａ，１３ａに１Ｖ_Ｐ−０の交流電圧が印加される。その結果、圧電体膜４０が伸縮して上述の一次振動が励起される。ここで、本実施形態では、図２に示すように、上層金属膜５０が円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されるとともに、下地の円環状振動体１１の下方に行くに従って先細りとなる傾斜側面が形成されている。従って、例えば、図１２Ａに示す従来の振動体の幅方向に沿った垂直断面形状では、各電極が配置できる振動体の上面に限りがあった。しかし、図１２Ｂに示す本実施形態のその断面形状では、各電極が配置される振動体の上面が広がるとともに、下面が狭くなるため、振動体の質量（Ｍ）とバネ定数（ｋ）を実質的に変更することなく、振動体上面のより外周側に配置することができる。その結果、非常に効率的に圧電体膜４０の伸縮運動を円環状振動体１１の一次振動に変換するとともに、角速度の検出感度も向上する。なお、図１２Ｂ中の破線は、図１２Ａに示す振動体の位置を示すために便宜上設けられたものである。

次に、図１に示すモニタ電極１３ｃ，１３ｃが、上述の一次振動の振幅及び共振周波数を検出して、図示しない公知のフィードバック制御回路に信号を送信する。本実施形態のフィードバック制御回路は、駆動電極１３ａ，１３ａに印加される交流電圧の周波数と円環状振動体１１が持つ固有周波数が一致するように制御するとともに、円環状振動体１１の振幅がある一定の値となるようにモニタ電極１３ｃ，１３ｃの信号を用いて制御している。その結果、円環状振動体１１は、一定の振動が持続される。

上述の一次振動が励起された後、図１に示す円環型振動ジャイロ１００の配置された平面に垂直な軸（紙面に垂直な方向の軸、以下、単に「垂直軸」という）の回りの角速度が加わると、ｃｏｓ２θの振動モードである本実施形態では、コリオリ力により一次振動の振動軸に対して両側に４５°傾いた新たな振動軸を有するイン・プレーンの二次振動が生じる。

この二次振動が２つの第１検出電極１３ｂ，１３ｂと、２つの第２検出電極１３ｄ，１３ｄによって検出される。本実施形態では、図１に示すように、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、それぞれ二次振動の振動軸に対応して配置されている。また、全ての第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｄは、円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されている。従って、角速度を受けて励起される二次振動によって生じる第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極１３ｄ，１３ｄの電気的信号の正負が逆になる。これは、図９に示すように、例えば、円環状振動体１１が縦に楕円となる振動体１１ａの振動状態に変化した場合、中央線より外側に配置されている第１検出電極１３ｂの角度の圧電体膜４０は、Ａ_１に示す矢印の方向に伸びる一方、中央線より外側に配置されている第２検出電極１３ｄの角度の圧電体膜４０は、Ａ_２に示す矢印の方向に縮むため、それらの電気的信号は逆になる。同様に、円環状振動体１１が横に楕円となる振動体１１ｂの振動状態に変化した場合、第１検出電極１３ｂの角度の圧電体膜４０は、Ｂ_１に示す矢印の方向に縮む一方、第２検出電極１３ｄの角度の圧電体膜４０は、Ｂ_２に示す矢印の方向に伸びるため、この場合も、それらの電気的信号が逆になる。本実施形態では、上層金属膜５０が円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されるとともに、下地の円環状振動体１１の下方に行くに従って先細りとなる傾斜側面が形成されている。

従って、振動体のサイズ及び固有振動数を殆ど変えることなく各電極面積を広くすることが出来る構造となる。その結果、一次振動の励起を行う駆動電極の能力、角速度の検出感度が向上する。特に、従来のように振動体の側面がその上面と略垂直に形成されている場合と比較して、各電極が中央線から寄り離れた位置に形成することができる。そのため、圧電体膜４０の歪み量が、従来と比較してより大きくなる点は特筆に値する。

ここで、公知の差分回路である演算回路６０において、第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極１３ｄ，１３ｄの電気信号の差が算出される。その結果、検出信号は第１検出信号又は第２検出信号のいずれか一方のみの場合と比較して約２倍の検出能力を備えることになる。

＜第１の実施形態の変形例＞
図５は、本実施形態におけるもう一つの円環型振動ジャイロ２００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。また、図６は、図５のＢ−Ｂ断面図である。本実施形態の円環型振動ジャイロ２００は、第１の実施形態における一部の上層金属膜５０の位置を除き、第１の実施形態の円環型振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法は一部を除いて第１の実施形態と同じである。さらに、本実施形態の振動モードは、駆動及び検出に関して第１の実施形態と同様、イン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。

図５及び図６に示すとおり、本実施形態の円環型振動ジャイロ２００は、第１の実施形態の第２検出電極１３ｄ，１３ｄの代わりに、第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄを備える。本実施形態の第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄの上層金属膜５０の外側端部は、約４６μｍ幅の上面を有する円環状振動体１１の内周縁から約１μｍ外側に形成され、その幅は約２１μｍである。加えて、本実施形態における傾斜側面の角度（図６におけるｑ）は、上面を基準として俯角で約１００°である。なお、図６における一点鎖線及び角度を表す曲線は便宜的に描かれたものである。

ここで、第１の実施形態と同様の一次振動が励起された円環型振動ジャイロ２００に対し、円環型振動ジャイロ２００の垂直軸（紙面に垂直な方向）の回りで角速度が加わると、
二次振動が２つの第１検出電極１３ｂ，１３ｂと、２つの第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄによって検出される。

本実施形態では、図５に示すように、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ及び第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄは、それぞれ二次振動の振動軸に対応して配置されている。また、第１検出電極１３ｂ，１３ｂは、円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されている。他方、第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄは、円環状振動体１１の上面における中央線よりも内側に形成されている。従って、角速度を受けて励起される二次振動によって生じる第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄの電気的信号の正負が一致することになる。特に、本実施形態では、上層金属膜５０が円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側及び内側に形成されるとともに、下地の円環状振動体１１の下方に行くに従って先細りとなる傾斜側面が形成されている。従って、振動体のサイズ及び固有振動数を殆ど変えることなく各電極面積を広くすることが出来る構造となる。その結果、一次振動の励起を行う駆動電極の能力、角速度の検出精度が向上する。

ここで、図示しない公知の加算回路である演算回路において、第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄの電気信号の和が算出される。その結果、検出信号は第１検出信号又は第２検出信号のいずれか一方のみの場合と比較して約２倍の検出能力を備えることになる。なお、前述の加算回路の代わりに、第１検出電極１３ｂ，１３ｂと第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄからの引き出し電極１４，・・・，１４を単に接続することによっても、前述の加算回路と同等の効果が奏されるため、本実施形態の円環型振動ジャイロ２００は、回路設計上極めて簡便化される利点を備える。

上述の通り、本実施形態の円環型振動ジャイロ２００は、中央線よりも外側に形成された２つの第１検出電極１３ｂ，１３ｂと中央線よりも内側に形成された２つの第２検出電極２１３ｄ，２１３ｄ、及び下地の円環状振動体１１の特殊な形状により、二次振動の検出能力が非常に高められる。

＜第２の実施形態＞
図７は、本実施形態における２軸の角速度を測定する円環型振動ジャイロ３００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。図８は、図７のＣ−Ｃ断面図である。なお、説明の便宜上、図７には、Ｘ軸及びＹ軸が表記されている。本実施形態の円環型振動ジャイロ３００は、第１の実施形態における一部の上層金属膜５０の位置を除き、第１の実施形態の円環型振動ジャイロ３００と同一の構成を備える。また、その製造方法は、フォトリソグラフィ技術によるパターニングを除いて第１の実施形態と同じである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。

図７及び図８に示すとおり、本実施形態の円環型振動ジャイロ３００も、大きく３つの領域に分類される。第１の領域は、シリコン基板１０から形成される円環状振動体１１の上面上に、シリコン酸化膜２０を備え、さらにその上に、圧電体膜４０が下層金属膜３０及び上層金属膜５０に挟まれることにより形成される複数の電極１３ａ，１３ｆ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅを備えた領域である。本実施形態では、複数の電極３３ｂ〜３３ｅの一部を構成する１２個の上層金属膜５０の外側端部は、約４０μｍ幅のリング状平面を有する円環状振動体１１の外周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１２μｍである。また、複数の電極３３ｂ〜３３ｅの一部を構成する１２個の上層金属膜５０の内側端部は、約４０μｍ幅のリング状平面を有する円環状振動体１１の内周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１２μｍである。また、その他の４個の電極１３ａ，１３ｆは中央線を含むように配置され、その幅は約１２μｍである。加えて、本実施形態における傾斜側面の角度（図８におけるｒ）は、上面を基準として俯角で約１１０°である。なお、図８における一点鎖線及び角度を表す曲線は便宜的に描かれたものである。

ところで、本実施形態では、図１０Ａに示すアウト・オブ・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードで円環型振動ジャイロ３００の一次振動が励起される。また、本実施形態の二次振動の振動モードは、図１０Ｂに示すＸ軸のイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードと、図１０Ｃに示すＹ軸のイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードである。

従って、前述の複数の電極１３ａ，１３ｆ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅの内訳は、次のとおりである。まず、互いに円周方向に１８０°離れた角度に配置された２つの駆動電極１３ａ，１３ａが配置される。ここで、図面の便宜上、駆動電極１３ａ，１３ａに接続する交流電源は省略されている。また、前述の２つの駆動電極１３ａ，１３ａの内の１つの駆動電極１３ａ（例えば、図７において時計の１２時方向の駆動電極１３ａ）を基準電極とした場合に、その駆動電極１３ａから円周方向であって９０°及び２７０°離れた角度に２つのモニタ電極１３ｆ，１３ｆが配置される。また、円環状振動体上の圧電素子が配置される平面、換言すれば、図７における紙面をＸ‐Ｙ平面とした場合に、円環型振動ジャイロ３００にＸ軸まわりの角速度が与えられたときに発生する二次振動を検出する、第１検出電極３３ｂ，３３ｃが、基準電極から円周方向であって０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、及び３００°離れた角度に配置される。同様に、円環型振動ジャイロ３００にＹ軸まわりの角速度が与えられたときに発生する二次振動を検出する第２検出電極３３ｄ，３３ｅが、基準電極から円周方向であって３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、及び３３０°離れた角度に配置される。

なお、本実施形態では、２４本のレッグ部１５，・・・，１５のうち、１２本のレッグ部１５，・・・，１５上には複数の引き出し電極１４が形成されている。これらは、円環状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域に、又は中央線を含むように配置された各電極から支柱１９上の電極パッド１８まで引き出すための経路を確保するために創出された。特に、本実施形態では、各検出電極３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅからの電気信号の偏りを解消するために、各検出電極３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅのそれぞれの両端部から引き出し電極１４，１４が形成されている。なお、各検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅの片側のみから引き出し電極１４，１４が形成されている場合であっても、振動ジャイロとしての機能を失うことはない。

また、本実施形態でも、下層金属膜３０及び上層金属膜５０の厚みは１００ｎｍであり、圧電体膜４０の厚みは、３μｍである。また、シリコン基板１０の厚みは１５０μｍである。

上述のとおり、アウト・オブ・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードで円環型振動ジャイロ３００の一次振動が発生し、かつイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードで２次振動を検出する場合は駆動電極１３ａが中央線を含むように配置されていても良い。すなわち、本実施形態の場合は、駆動電極１３ａが円環状振動体１１の上面上であって、その上面の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域又はその上面の内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域内に配置されなくても、適切に一次振動を励起することが可能となる。

また、本実施形態においても、検出電極となる上層金属膜５０が円環状振動体１１の上面における中央線よりも外側及び内側に形成されるとともに、下地の円環状振動体１１の下方に行くに従って先細りとなる傾斜側面が形成されている。従って、振動体のサイズ及び固有振動数を殆ど変えることなく各電極面積を広くすることが出来る構造となる。その結果、一次振動の励起を行う駆動電極の能力、角速度の検出精度が向上する。

ところで、上述の第２及び第３の実施形態では、中央線より外側に配置された検出電極と中央線より内側に配置された検出電極とが両方存在していたが、これに限定されない。検出電極が、中心線よりも外側にのみ、あるいは内側にのみ配置されていても、両方配置されている場合と比較して検出性能がやや低下するが、地の円環状振動体１１の下方に行くに従って先細りとなる傾斜側面が形成されていることによる本発明の効果は奏される。

また、上述の各実施形態では、圧電体膜４０はエッチングされずに、上層金属膜５０のパターニングによって各電極が形成されていたが、これに限定されない。例えば、図１１に示す円環型振動ジャイロ４００の中心的役割を果たす構造体の断面図のように、実質的に上層金属膜５０が形成されている領域に合わせて圧電体膜４０がエッチングされることは、圧電体膜４０の望ましくない伸縮や電気信号の発信が防がれるという観点では好ましい一態様であるといえる。すなわち、上層金属膜５０と下層金属膜３０との間に、実質的に圧電体膜４０の全部が厚み方向に挟まれている場合も好ましい一態様である。

また、上述の各実施形態は、円環状の振動体を用いた振動ジャイロで説明されているが、円環状の代わりに、多角形状の振動体であってもよい。例えば、正六角形、正八角形、正十二角形、正二十角形等の正多角形状の振動体であっても、本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。また、図１３に示す多角形状振動ジャイロ４５０の八角形状の振動体１１１のような振動体であってもよい。振動体の正面視において点対象形状となる多角形状の振動体が採用されれば、振動体の振動時の安定性の観点で好ましい。

また、上述の第１の実施形態では、シリコン基板上の絶縁膜としてシリコン酸化膜が採用されているが、これに限定されない。例えば、シリコン酸化膜の代わりに、シリコン窒化膜が形成されていても、本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。

さらに、上述の各実施形態以外に、イン・プレーンの一次振動であって、アウト・オブ・プレーンの二次振動を用いた多軸ジャイロに対しても、本発明は適用され得る。また、上述の各実施形態ではシリコンを母材とする円環型振動ジャイロが採用されているが、これにも限定されない。例えば、振動ジャイロの母材がシリコンゲルマニウムであってもよい。以上、述べたとおり、本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明は、振動ジャイロとして種々のデバイスの一部として広く適用され得る。

本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの中心的役割を果たす構造体の正面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの一部の製造工程の過程を示す断面図である。 本発明の１つの実施形態における円環型振動ジャイロの製造装置の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施形態における円環型振動ジャイロの中心的役割を果たす構造体の正面図である。 図５のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の他の実施形態における円環型振動ジャイロの中心的役割を果たす構造体の正面図である。 図５のＣ−Ｃ断面図である。 第１検出電極と第２検出電極の電気的信号の正負を概念的に説明する図である。 本発明の１つの実施形態におけるアウト・オブ・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードの一次振動を概念的に説明する図である。 本発明の１つの実施形態におけるＸ軸の回りで角速度が加わる場合のイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードの二次振動を概念的に説明する図である。 本発明の１つの実施形態におけるＹ軸の回りで角速度が加わる場合のイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードの二次振動を概念的に説明する図である。 本発明の他の実施形態における円環型振動ジャイロの中心的役割を果たす構造体の断面図である。 本発明の有用性を説明する説明図である。 本発明の有用性を説明する説明図である。 本発明の他の実施形態における振動体形状を説明する図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１１，１１ａ，１１ｂ 円環状振動体
１２ 交流電源
１３ａ 駆動電極
１３ｂ，３３ｂ，３３ｃ 第１検出電極
１３ｃ，１３ｆ モニタ電極
１３ｄ，３３ｄ，３３ｅ，２１３ｄ 第２検出電極
１４ 引き出し電極
１５ レッグ部
１６ 固定電位電極（グラウンド電極）
１７ 電極パッド用固定端部
１８ 電極パッド
１９ 支柱
２０ シリコン酸化膜
３０ 下層金属膜
４０ 圧電体膜
５０ 上層金属膜
６０ 演算回路
１００，２００，３００，４００ 円環型振動ジャイロ
４５０ 多角形状振動ジャイロ
５００ エッチング装置
５２０ チャンバー
５２１ ステージ
５２２ａ，５２２ｂ ガスボンベ
５２３ａ，５２３ｂ ガス流量調整器
５２４ コイル
５２５ 第１高周波電源
５２６ 第２高周波電源
５２７ 真空ポンプ
５２８ 排気流量調整器
５２９ 制御部

Claims (6)

1. 平面を一様に備えた円環状又は多角形状の振動体と、
   前記振動体を柔軟に支持する支持部と、
   固定電位電極、及び前記平面上に形成されるとともに上層金属膜及び下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備え、
   前記振動体の幅方向の垂直断面において前記平面が形成する前記振動体の幅を１とした場合に、前記振動体の厚み方向の全ての前記振動体の幅が１以下であるとともに、前記振動体の厚み方向の少なくとも一部の前記振動体の幅が０．９以下となる、前記平面の外周縁及び内周縁に連続する側面を有し、
   前記複数の電極が、前記平面上に配置される
   振動ジャイロ。
2. 平面を一様に備えた円環状又は多角形状の振動体と、
   前記振動体を柔軟に支持する支持部と、
   固定電位電極、及び前記平面上に形成されるとともに上層金属膜及び下層金属膜により圧電体膜を厚み方向に挟む複数の電極とを備え、
   前記振動体の幅方向の垂直断面において前記振動体の厚み方向の前記振動体の幅が前記平面から前記厚み方向に向かうにしたがって狭くなる、前記平面の外周縁及び内周縁に連続する傾斜側面を有するとともに、
   前記複数の電極が、前記平面上に配置される
   振動ジャイロ。
3. 前記複数の電極のうち、駆動電極又は検出電極が、前記平面上であって、前記平面の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域及び／又はその内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域を含む領域内に配置される
   請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記傾斜側面の平均傾斜角度が、前記平面を基準としたときに、俯角９２°以上１２０°以下である
   請求項２に記載の振動ジャイロ。
5. 前記振動体がシリコン基板から形成され、
   正面視で実質的に前記上層金属膜、前記圧電体膜、及び前記下層金属膜のみが観察される
   請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。
6. 前記振動体がシリコン基板から形成され、
   正面視で実質的に前記上層金属膜及び前記下層金属膜のみが観察される
   請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。

Images