JP3767943B2 - ２軸振動構造物の固有振動数の調整方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は２軸振動構造物の固有振動数の調整方法に係り、詳細には蒸着又はエッチング工程を通して振動構造物の一部の厚さを増減させることにより２軸振動構造物の固有振動数を調整する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動構造物が特定の固有振動数で振動できるように補正することは大変重要な技術であり、加湿機等に用いられるクリスタル振動子、ＳＡＷ（ｓｕｒｆａｃｅａｃｏｕｓｔｉｃｓ ｗａｖｅ）フィルタ等によく用いられる。ところが、クリスタル振動子やＳＡＷフィルタ等は単一の振動モードで振動するので従来技術による周波数の調整方法を用いてその固有振動数を比較的容易に調整し得る。しかしながら、二つの振動モードで振動する２軸振動構造物は既存の周波数調整方法では調整が容易でないため、新しい周波数の調整方法が必要である。
【０００３】
一方、２軸振動構造物は最近その用途が大変多様になってきた。振動構造物が用いられる製品として代表的なものはジャイロが挙げられる。ジャイロは慣性体の角速度や加速度を検出するための角速度センサの役割を果たせるものであり、既に昔からミサイルや船舶、航空機等における航法装置の中核部品として用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、従来軍事用又は航空機用として用いられたジャイロは数万個の部品が精密加工及び組み立て工程等を通して製作されるので精密な性能を得られるが、高コストになり、嵩の大きい大型の構造を有するので一般産業用や民生用の家電製品に適用するには不向きであった。民生用に用いられるジャイロは自動車の加速度及び角速度を検出する航法装置や高倍率カムコーダの手振れを検出してこれを補正する装置に適用され得る。さらに、医療装備や産業用計測機等にも２軸振動構造物を内蔵したセンサが用いられる。
【０００５】
図１は、２軸振動構造物を用いたジャイロを概略的に示したものである。ジャイロの原理は第１軸方向に一定に振動したり回転する慣性体が前記第１軸方向に対して直角である第２軸方向から回転角速度の入力を受ける際、前記二つの軸に対して直交する第３軸方向に発生するコリオリの力を検出することにより回転角速度を検出することである。
【０００６】
ジャイロ10は、シリコンウエハ基板11の上部に配置された２軸構造物12を具備する。構造物12は導電性を有する材料であれば、任意のものを使用できる。構造物12は、他の部分より多少厚く形成された支持部13によりシリコン基板11の上に支持されている。すなわち、支持部13以外の部分は支持部13より薄く形成されて、ほとんどの振動構造物12がシリコン基板11の表面からＺ軸方向に離隔されている。構造物12には、ばね部分14，15，16と質量体17が備えられている。構造物12の両側面には、構造物12をＸ軸方向に振動させるための駆動部21が配置されている。駆動部21も導電性材料で形成されている。駆動部21は一種の電極として機能し、駆動部21に電流が印加されると駆動部21のフィンガー22に静電気力が発生して、構造物12のフィンガー19に振動運動が生じる。構造物12の下部には、構造物12のＺ軸方向変位を検知し得る表面センサ電極（図示しない）が配置されている。構造物12のＺ軸方向変位は表面センサ電極に発生されるキャパシタンス（静電容量）の変化から測定され得る。
【０００７】
Ｙ軸方向での回転慣性体の角速度は次のように求められる。フィンガー22に電流を印加して静電気力で前記構造物12のＸ軸方向振動を起こしながら、振動構造物12の中心部に位置した中心センサ電極23のフィンガー24においてＸ軸方向の振動数を測定する。これと共に、構造物12がコリオリの力によりＺ軸方向に振動すると構造物12の下部で基板１１の上に配置された表面センサ電極によりＺ軸方向の振動数を測定する。前記測定されたＸ軸方向及びＺ軸方向の振動数をデータ処理することにより回転慣性体の角速度を求め得るようになる。
【０００８】
前記説明したように、ジャイロはシリコン基板11と、その上に固定された支持部13に幾つかのばね部分14，15，16で連結された質量体17を具備した振動構造物とを含み、前記質量体17はＸ軸方向及びＺ軸方向の２軸に振動運動するようになる。従って、ジャイロ10は２軸に対して固有振動数を有する。この際、ジャイロの性能を保障するためには、構造物12の２軸振動に対する固有振動数が所定の許容誤差範囲内にある必要がある。しかし、従来のエッチング工程やＣＶＤ（化学的蒸着法）などの製造工程を用いて構造物12を製作すると普通0．1〜1μmの加工誤差が生じる。このような製造工程の誤差により構造物12のばね係数と質量体17の質量とが設計値から大きく離れるようになり、実際に２軸方向の固有振動数が所望の値と異なるようになる。従って、ジャイロの性能が低下するという問題点がある。これを解決するためには構造物12のばね部分14，15，16のばね係数を適切に調整し得る方法が必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、２軸振動構造物の振動数を調整し得る新規の方法を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、２軸振動構造物のいずれか一軸の固有振動数を固定しながら他の一軸の固有振動数を調整し得る方法を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、２軸振動構造物が設けられた振動型ジャイロの固有振動数を調整し得る方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明によれば、静電気力が与えられる第１軸方向に長手方向が一致する第１ばね部分と、前記第１軸方向に平面上直交する第２軸方向に長手方向が一致し、前記第１ばね部分の幅より狭い幅を有する第２軸方向の第２ばね部分と、質量体とを具備する振動構造物の固有振動数の調整方法において、前記振動構造物の第１軸及び前記平面に直交する第３軸方向に対する固有振動数を測定する測定段階と、
前記第１軸方向の固有振動数を固定した状態で前記第３軸方向の固有振動数を調整し得るように前記第１ばね部分の厚さを変化させる厚さ増減段階と、
第１軸及び第３軸方向の固有振動数が所定の許容誤差範囲内に入るまで前記の測定段階及び厚さ増減段階を繰り返す段階とを有する２軸振動構造物の固有振動数の調整方法が提供される。
【００１１】
本発明の一つの特徴によれば、前記厚さ増減段階は、前記構造物の第３軸方向固有振動数が第１軸方向固有振動数より高い場合、ばね部分の厚さを減少させる厚さ減少段階を有する。
【００１２】
また、本発明の他の特徴によれば、前記厚さ増減段階は、前記構造物の第3軸方向固有振動数が第１軸方向固有振動数より低い場合、ばね部分の厚さを増加させる厚さ増加段階を有する。
【００１３】
また、本発明の他の特徴によれば、前記厚さ減少段階は反応イオンエッチング、プラズマエッチング又はスパッタにより行なわれる。
また、本発明の他の特徴によると、前記厚さ増加段階はスパッタ蒸着、イオンビームスパッタ蒸着、ＥＣＲスパッタ蒸着、イオンプレーティング、分子線エピタキシー、ＣＶＤ（化学的蒸着法）、又はＭＯ−ＣＶＤにより行われる。
【００１４】
また、本発明の他の特徴によれば、前記厚さ増減段階は、前記第１ばね部分の厚さ増減が行われる部分に対応するホールを具備するマスクを用いて、前記ホール部分の下の第１ばね部分の厚さを増減することにより行われる。
【００１５】
また、本発明によれば、静電気力が与えられる方向と一致する第１軸方向の第１ばね部分と、前記第１軸方向に平面上直交し前記第１ばね部分の幅より狭い幅を有する第２軸方向の第２ばね部分と、質量体とを具備する２軸振動構造物が設けられた振動型ジャイロの固有振動数の調整方法において、
前記振動構造物の第１軸及び前記平面に直交する第３軸方向に対する固有振動数を測定する測定段階、
前記第１軸方向の固有振動数を固定した状態で前記第３軸方向の固有振動数が調整できるように、前記第１ばね部分の厚さを変化させる厚さ増減段階及び、
前記測定段階で測定された第１軸及び第３軸方向の固有振動数が許容誤差範囲内に入るまで前記の測定段階及び厚さ増減段階を繰り返す段階とを有する振動型ジャイロの固有振動数の調整方法が提供される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき本発明を詳細に説明する。
本発明の理解を助けるために、図１及び図２に基づき２軸振動構造物12の周波数応答曲線を説明する。図２にはＸ軸方向周波数応答曲線25およびＺ軸方向周波数応答曲線26の二つの応答曲線が示されている。この図において、振動構造物のＸ軸方向の固有振動数をｆｘで、Ｚ軸方向の固有振動数をｆｚで表した。固有振動数ｆｘ、ｆｚをばねの弾性係数及び質量体の質量に関連する式として表せば、次のようになる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
ここでkｘは、図１に示した振動構造物12のばね部分14，15，16に対するＸ軸方向等価ばね係数であり、kｚは、ばね部分14，15，16のＺ軸方向等価ばね係数を表し、ｍは質量体17の質量を表す。（この際、質量体17は各方向のばね部分14，15，16と一体に構成されているが質量体17の質量に比べてばね部分14，15，16の質量は無視しても良いくらい軽いので、それぞれの軸方向の固有振動数計算時に考慮する質量ｍは質量体17の質量のみに限られる。）
【００１９】
一般的に、２軸振動構造物は駆動電極により静電気力が与えられる第１軸方向では幅の広いばね部分を有する反面、それに直交する第２軸方向では幅の狭いばねを有する。図１に示されるように、ばね部分15の幅はばね部分14,16の幅よりも広い。ばね部分14，15，16の厚さが変わると、前記Ｘ軸及びＺ軸方向に対するばね係数も変わる。
【００２０】
２軸振動構造物12の性能を保障するためには、図２において、Ｘ軸方向の固有振動数ｆｘを固定して、Ｚ軸方向の固有振動数ｆｚを変化させることで調整が行われるべきである。ところが、図１に示した構造物の形状を考慮する際に、幅の狭いばね部分14又はばね部分16の厚さを変化させると、両軸方向のばね係数が共に変化する。その反面、幅の広いばね部分15の厚さを変化させると、Ｘ軸方向のばね係数ｋｘはほとんど変化しないままＺ軸方向のばね係数ｋｚのみを変化させ得る。本発明では前記のような点に基づき、幅の広いばね部分15の厚さを変化させることにより、Ｘ軸方向の固有振動数ｆｘを固定した状態でＺ軸方向の固有振動数ｆｚを調整することが出来る。
【００２１】
図３には、本発明による２軸振動構造物32の固有振動数を調整する方法が示されている。図３に示した２軸振動構造物32は図２に示したものと類似なもので、Ｘ軸方向では幅の広いばね部分35を有し、Ｙ軸方向では幅の狭いばね部分34，36を有し、さらに質量体37を有する。幅の広いばね部分35の厚さを変化させることは、マスク41を用いて所定部位39に付加的な物質を蒸着させたり、ばね部分の厚さの一部をエッチングすることにより行われる。蒸着方法としてよく用いられる方法には、スパッタ蒸着、イオンビーム蒸着、ＥＣＲスパッタ蒸着、イオンプレーティング、分子線エピタキシー、ＣＶＤ（化学的蒸着法）、又はＭＯ−ＣＶＤ等がある。エッチングをする場合、半導体工程でよく用いられる反応イオンエッチングを用いてばね部分の一部を取り除くことができる。例えば、0 ．01〜0 ．10Ｔｏｒｒ 程度でＣＦ₄ガスを用いれば、0 ．05〜１μm／minの速度にエッチングをすることができる。他にもプラズマエッチング、スパッタによるエッチングを用いて、ばね部分35の厚さを変化させ得る。マスク41にはホール42が形成されているが、これはばね部分35の厚さを変化させるべき部分39に対応するように形成されている。図４は、図３のＡ−Ａ線矢視の断面を示したものである。図４の（Ａ）で示されるように、ばね部分35の厚さの一部３９Ａが、エッチングにより取り除かれた。一方、図４の（Ｂ）に示されるように、ばね部分35の厚さの一部３９Ｂが蒸着により増加された。
【００２２】
ばね部分35の厚さを変化させて固有振動数を調整することは、反復的施行錯誤法で行われる。一応、構造物32が製作された後に、それぞれの軸方向に対する固有振動数を測定する。前記の図１に基づいて説明したように、Ｘ軸方向での固有振動数の測定はジャイロ１０で構造物の中心部に位置した中心センサ電極23を用いて行い、Ｚ軸方向での固有振動数の測定は基板１１に配置されたセンサ電極（図示しない）を用いて行い得る。２つの軸方向の固有振動数は相互一致するのが理想的であるが、設計上一定の範囲内では一致しない時もある。測定された固有振動数を比較してｆｚがｆｘより高い場合には、図４の（Ａ）のようにエッチング作業をすることにより、ｋｚを減少させてｆｚを減少させ得る。その反対の場合には、図４の（Ｂ）のように蒸着作業をすることにより、ｆｚを増加させ得る。エッチングや蒸着作業が終了した後には、それぞれの軸方向での固有振動数が所定の許容誤差範囲内に入るのかを測定する。もし、許容誤差範囲内でなければ、再び前記の作業を繰り返す。
【００２３】
【発明の効果】
本発明による２軸振動構造物の固有振動数の調整方法は、振動構造物の固有振動数を設計値に一致するように調整することにより、センサの感度向上、直線性向上、作動帯域幅の増加をもたらす効果が有る。さらに、振動構造物の周波数誤差の調節が出来るようにすることで、振動構造物を用いたジャイロ、角速度センサ及び加速度センサ等の性能を向上させ得る。
本発明は図面に示した一実施例を参考にして説明されたが、本技術分野において通常の知識を持つ者であれば、本発明から多様な変形が可能であることが分かるはずである。従って、本発明の真正な保護範囲は、添付した請求の範囲により定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術によるジャイロに設けられた２軸振動構造物を示す概略斜視図である。
【図２】２軸振動構造物のＸ軸及びＺ軸方向の固有振動数を表すグラフである。
【図３】本発明により２軸振動構造物の固有振動数を調整する方法を示す概略斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線矢視の断面図である。
【符号の説明】
１２ 振動構造物
１４，１６ 第２のばね部分
１５ 第１のばね部分
１７ 質量体
４１ マスク
４２ ホール

Claims (7)

1. 静電気力が与えられる第１軸方向に長手方向が一致する第１ばね部分と、前記第１軸方向に平面上直交する第２軸方向に長手方向が一致し、前記第１ばね部分の幅より狭い幅を有する第２軸方向の第２ばね部分と、質量体とを具備する振動構造物の固有振動数の調整方法において、
   前記振動構造物の第１軸及び前記平面に直交する第３軸方向に対する固有振動数を測定する測定段階と、
   前記第１軸方向の固有振動数を固定した状態で前記第３軸方向の固有振動数を調整し得るように、前記第１ばね部分の厚さを変化させる厚さ増減段階と、
   第１軸及び第３軸方向の固有振動数が所定の許容誤差範囲内に入るまで前記の測定段階及び厚さ増減段階を繰り返す段階とを有する２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
2. 前記厚さ増減段階は、前記構造物の第３軸方向固有振動数が第１軸方向固有振動数より高い場合、ばね部分の厚さを減少させる厚さ減少段階を有することを特徴とする請求項１に記載の２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
3. 前記厚さ増減段階は、前記構造物の第３軸方向固有振動数が第１軸方向固有振動数より低い場合、ばね部分の厚さを増加させる厚さ増加段階を有することを特徴とする請求項１に記載の２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
4. 前記厚さ減少段階は、反応イオンエッチング、プラズマエッチング又はスパッタにより行われることを特徴とする請求項２に記載の２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
5. 前記厚さ増加段階は、スパッタ蒸着、イオンビームスパッタ蒸着、ＥＣＲスパッタ蒸着、イオンプレーティング、分子線エピタキシー、ＣＶＤ（化学的蒸着法）、又はＭＯ−ＣＶＤにより行われることを特徴とする請求項３に記載の２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
6. 前記厚さ増減段階は、前記第１ばね部分において厚さ増減が行われる部分に対応するホールを具備するマスクを用いて、前記ホール部分の下の第１ばね部分の厚さを増減することで行われることを特徴とする請求項１に記載の２軸振動構造物の固有振動数の調整方法。
7. 静電気力が与えられる方向と一致する第１軸方向の第１ばね部分と、前記第１軸の方向に平面上直交し前記第１ばね部分の幅より狭い幅を有する第２軸方向の第２ばね部分と、質量体とを具備する２軸振動構造物が設けられた振動型ジャイロの固有振動数の調整方法において、
   前記振動構造物の第１軸及び前記平面に直交する第３軸方向に対する固有振動数を測定する測定段階と、
   前記第１軸方向の固有振動数を固定した状態で前記第３軸方向の固有振動数を調整し得るように、前記第１ばね部分の厚さを変化させる厚さ増減段階と、
   前記測定段階で測定された第１軸及び第３軸方向の固有振動数が許容誤差範囲内に入るまで、前記の測定段階及び厚さ増減段階を繰り返す繰り返し段階とを有する振動型ジャイロの固有振動数の調整方法。

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