JP5392913B2 - 圧電体膜を用いた振動ジャイロ及びその製造方法 - Google Patents

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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の加工精度を格段に高めることが必要となる。また、単に小型化をするだけでなく、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が産業界の要望といえる。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。
特開平８−２７１２５８号公報 特開２０００−９４７３号公報
上述の通り、圧電体膜を用いた振動ジャイロの小型化と高い加工精度を達成しつつ、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、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。従って、小型化された振動ジャイロは本来検出すべき信号と外部からの不意の衝撃（外乱）によって発生する信号との差が小さくなるため、ジャイロとしての検出精度を高めることが難しくなる。
ところで、外部からの不意の衝撃の中には、様々な種類の衝撃が存在する。例えば、上述の特許文献２に記載されたリング状の振動体では、リングの中心の固定ポストを軸として、リングの存在する面の上下方向にシーソーのような動きを与える衝撃がある。この衝撃により、ロッキングモードと呼ばれる振動が励起される。他方、前述の固定ポストに支持された振動体のリング状部材の全周が同時に、リングの存在する面の上方又は下方に曲げられる衝撃も存在する。この衝撃により、バウンスモードと呼ばれる振動が励起される。これらのような衝撃が振動ジャイロに生じたとしても、正確な角速度を検出する技術を確立することは極めて困難である。
本発明は、上述の技術課題を解決することにより、圧電体膜を用い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。発明者らは、まず、上記の技術課題のうち、外乱に対する影響が比較的小さいと考えられるリング状の振動ジャイロを基本構造として採用した。その上で、発明者らは、一次振動の励起とコリオリ力により形成される二次振動の検出を、圧電体膜に担わせることによって上記各技術課題を解決する構造について鋭意研究を行った。その結果、高い加工精度を達成しうるドライプロセスが圧電体膜を用いた振動ジャイロに適用されるためには、振動ジャイロにおける各種電極の特有の配置が必要であることを見出した。本発明はこのような視点で創出された。なお、本出願では、「円環状又は多角形状の振動ジャイロ」を、簡略化して「リング状振動ジャイロ」とも呼ぶ。
本発明の１つの振動ジャイロは、平面を一様に備えたリング状振動体と、そのリング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、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及び固定電位電極とを備えている。ここで、前述の複数の電極は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードでそのリング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前述の各々の駆動電極から時計回り又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述のリング状振動体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一群の第１検出電極と、前述の各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述の二次振動を検出する一群の第２検出電極とを含んでいる。さらに、前述の各々の駆動電極、前述の各々の第１検出電極、及び前述の各々の第２検出電極は、前述のリング状振動体の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域又は内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域に配置されている。
この振動ジャイロによれば、リング状振動体が備える平面上であって、上記の特有の領域に圧電素子が電極として形成されているため、一軸の角速度センサとして一次振動の励起と二次振動の検出が可能となる。つまり、この振動ジャイロでは、リング状振動体の側面に圧電素子を形成せずに、リング状振動体上の圧電素子が配置される平面と同一平面内で一次振動が励起され、かつリング状振動体の動きを制御する構造を有しているため、ドライプロセス技術を用いて高精度に電極及びリング状振動体の加工を行うことが可能となる。また、この振動ジャイロでは、上記の特有な領域に圧電素子を配置することにより、Ｎを２以上の自然数とした場合のｃｏｓＮθの振動モードに適用しうる自由度を備えている。なお、ｃｏｓＮθの振動モードの複数の例は、例えば、特表２００５−５２９３０６号公報、又は、本願出願人による特許出願である特願２００７−２０９０１４に記載されている。また、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。
本発明の１つの振動ジャイロは、平面を一様に備えたリング状振動体と、そのリング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、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及び固定電位電極とを備えている。ここで、前述の複数の電極は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードでそのリング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前述の各々の駆動電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群のモニタ電極と、前述の各々の駆動電極から時計回り又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述のリング状振動体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一群の第１検出電極と、前述の各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述の二次振動を検出する一群の第２検出電極とを含んでいる。さらに、前述の各々の駆動電極、前述の各々のモニタ電極、前述の各々の第１検出電極、及び前述の各々の第２検出電極は、前述のリング状振動体の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域又は内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域に配置されている。
この振動ジャイロによれば、リング状振動体が備える平面上であって上記の特有の領域に、圧電素子が電極として形成されているため、一軸の角速度センサとして一次振動の励起と二次振動の検出が可能となる。つまり、この振動ジャイロでは、リング状振動体の側面に圧電素子を形成せずに、リング状振動体上の圧電素子が配置される平面と同一平面内で一次振動が励起され、かつリング状振動体の動きを制御する構造を有しているため、ドライプロセス技術を用いて高精度に電極及びリング状振動体の加工を行うことが可能となる。また、この振動ジャイロでは、上記の特有な領域に圧電素子を配置することにより、Ｎを２以上の自然数とした場合のｃｏｓＮθの振動モードに適用しうる自由度を備えている。
また、本発明の１つの振動ジャイロの製造方法は、シリコン基板上に、一様に絶縁膜を形成する工程と、その絶縁膜上に、一様に下層金属膜を形成する工程と、その下層金属膜上に、一様に圧電体膜を形成する工程と、その圧電体膜上に、一様に上層金属膜を形成する工程と、その上層金属膜上に第１レジスト膜をパターニングする工程と、その上層金属膜をドライエッチングして前述の圧電体膜を露出させる工程と、その上層金属膜及びその圧電体膜上に第２レジスト膜をパターニングする工程と有している。さらに、本発明の１つの振動ジャイロの製造方法は、そのパターニングの後、前述の第２レジスト膜、前述の上層金属膜、又は前述の圧電体膜をエッチングマスクとして、その下層金属膜、その絶縁膜、及びそのシリコン基板をドライエッチングすることにより、リング状振動体及びそのリング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部、並びに、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードでそのリング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前述の各々の駆動電極から時計回り又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつそのリング状振動体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一群の第１検出電極と、前述の各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述の二次振動を検出する一群の第２検出電極とが形成される工程を有している。
この振動ジャイロの製造方法によれば、ドライプロセス技術による高精度の加工が可能となるため、リング状振動体が備える平面上の特有の領域に圧電素子を形成することが可能となる。その結果、圧電素子をリング状振動体の側面に配置することなく、その平面上の圧電素子のみが一軸の角速度センサとしての一次振動の励起と二次振動の検出の役割を担うことができる振動ジャイロが製造される。
また、リング状振動体をシリコン基板から形成するため、レジスト膜との選択比も十分に高い公知のシリコントレンチエッチング技術が適用できる。なお、仮にそのレジスト膜が消失しても、その下層にある上層金属膜又は圧電体膜がシリコンのエッチングの際のマスクとしての役割を果たす十分な選択比を備えている。
また、本発明のもう１つの振動ジャイロの製造方法は、シリコン基板上に、一様に絶縁膜を形成する工程と、その絶縁膜上に、一様に下層金属膜を形成する工程と、その下層金属膜上に、一様に圧電体膜を形成する工程と、その圧電体膜上に、一様に上層金属膜を形成する工程と、その上層金属膜上に第１レジスト膜をパターニングする工程と、その第１レジスト膜をエッチングマスクとして、前述の上層金属膜及び前述の圧電体膜をドライエッチングして前述の下層金属膜を露出させる工程と、その上層金属膜及びその下層金属膜上に第２レジスト膜をパターニングする工程とを有している。さらに、本発明のもう１つの振動ジャイロの製造方法は、そのパターニングの後、前述の第２レジスト膜、前述の上層金属膜、又は前述の下層金属膜をエッチングマスクとして、その絶縁膜、及びそのシリコン基板をドライエッチングすることにより、リング状振動体及び前記リング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部、並びに、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードで前述のリング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前述の各々の駆動電極から時計回り又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述のリング状振動体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一群の第１検出電極と、前述の各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前述の二次振動を検出する一群の第２検出電極とが形成される工程を有している。
この振動ジャイロの製造方法によっても、ドライプロセス技術による高精度の加工が可能となるため、リング状振動体が備える平面上の特有の領域に圧電素子を形成することが可能となる。その結果、圧電素子をリング状振動体の側面に配置することなく、その平面上の圧電素子のみが一軸の角速度センサとしての一次振動の励起と二次振動の検出の役割を担うことができる振動ジャイロが製造される。
本発明の１つの振動ジャイロによれば、リング状振動体の側面に圧電素子を形成せずに、リング状振動体上の圧電素子が配置される平面と同一平面内で一次振動が励起され、かつリング状振動体の動きも制御され得る。また、リング状振動体が備える平面に対するドライプロセス技術を用いて高精度に電極及びリング状振動体の加工を行うことが可能となる。また、この振動ジャイロは、特有な領域に圧電素子を配置することにより、Ｎを２以上の自然数とした場合のｃｏｓＮθの振動モードに適用しうる自由度を備えている。一方、本発明の１つの振動ジャイロの製造方法によれば、ドライプロセス技術による高精度の加工が可能となるため、リング状振動体が備える平面上の特有の領域に圧電素子を形成することが可能となる。その結果、圧電素子をリング状振動体の側面に配置することなく、その平面上の圧電素子のみが一軸の角速度センサとしての一次振動の励起と二次振動の検出の役割を担うことができる振動ジャイロが製造される。
本発明の１つの実施形態におけるリング状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に示す構造体の斜視図である。 図２Ａの一部（Ｗ部）の拡大図である。 図１のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の１つの実施形態におけるリング状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リング状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リング状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リング状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リング状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リング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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Ｙ−Ｙ断面図である。 本発明の他の実施形態におけるリング状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７のＺ−Ｚ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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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。 本発明の他の実施形態におけるリング状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１５ＡのＴ−Ｔ断面図である。 本発明の他の実施形態におけるｃｏｓ３θの振動モードの一次振動を概念的に説明する図である。 本発明の他の実施形態における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振動体形状を説明する図である。
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。
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態におけるリング状振動ジャイロ１００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。図２Ａは、図１に示す構造体の斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａの一部（Ｗ部）の拡大図である。また、図３は、図１のＸ−Ｘ断面図である。
図１乃至図３に示すとおり、本実施形態のリング状振動ジャイロ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から形成されるリング状振動体１１の上部の平面（以下、上面という）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〜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の外側端部は、約４０μｍ幅のリング状平面を有するリング状振動体１１の外周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１８μｍである。また、その上層金属膜５０は、リング状振動体１１の上面であるリング状平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。
ところで、本実施形態では、ｃｏｓ２θの振動モードでリング状振動ジャイロ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、リング状振動ジャイロ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又は図２ＢにおいてＶで示される領域は、リング状振動ジャイロ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、リング状振動体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、リング状振動体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。
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、図示しないリング状振動ジャイロ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、本実施形態のリング状振動ジャイロ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、実質的にリング状振動体１１の動きを阻害しない。また、図３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上に形成されている圧電体膜２０の上面には、レッグ部１５，・・・，１５上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、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００の製造方法について、図４Ａ乃至図４Ｆに基づいて説明する。なお、図４Ａ乃至図４Ｆは、図３における一部の範囲に対応する断面図である。
まず、図４Ａ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が積層されている。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４Ｂ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、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いた公知のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）条件によって行われた。
その後、図４Ｃ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、アルゴン（Ａｒ）とＣ２Ｆ６ガスの混合ガス、又はアルゴン（Ａｒ）とＣ２Ｆ６ガスとＣＨＦ３ガスの混合ガスを用いた公知のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）条件によって行われた。
続いて、図４Ｄ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、アルゴン（Ａｒ）又はアルゴン（Ａｒ）と酸素（Ｏ２）の混合ガスを用いた公知のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）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４Ｅ及び図４Ｆ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、シリコン酸化膜２０及びシリコン基板１０をドライエッチングする。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（Ｏ２）の混合ガスを用いた公知のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）条件によって行われた。また、本実施形態のシリコン基板１０のドライエッチングの条件は、公知のシリコントレンチエッチング技術が適用される。ここで、シリコン基板１０は貫通エッチングされる。従って、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、リング状振動ジャイロ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、リング状振動ジャイロ１００が形成される。
次に、リング状振動ジャイロ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１ＶＰ−０の交流電圧が印加される。その結果、圧電体膜４０が伸縮して一次振動が励起される。ここで、本実施形態では上層金属膜５０がリング状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されているため、リング状振動体１１の側面に形成されることなく圧電体膜４０の伸縮運動をリング状振動体１１の一次振動に変換することが可能となる。
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リング状振動体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、リング状振動体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、リング状振動体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に示すリング状振動ジャイロ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）の回りで角速度が加わると、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、リング状振動体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、リング状振動体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の位置の圧電体膜４０は、Ａ１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の位置の圧電体膜４０は、Ａ２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、リング状振動体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の位置の圧電体膜４０は、Ｂ１に示す矢印の方向に縮む一方、第２検出電極１３ｄの位置の圧電体膜４０は、Ｂ２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。
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。
一方、本実施形態では、レッグ部１５，・・・，１５上に、引き出し電極１４としての上層金属膜５０、圧電体膜４０、及び下層金属膜３０が形成されている。ここで、仮に、リング状振動ジャイロ１００に対して既に述べたバウンスモードを励起する振動を伴う外乱（衝撃）が発生した場合、レッグ部１５，・・・，１５がリング状振動ジャイロ１００の垂直軸の一方向に動くため、レッグ部１５，・・・，１５上の圧電体膜４０の伸縮に伴う電気信号が発生する。しかしながら、この場合は、二次振動を検出するための全ての電極に連結するレッグ部の前述の電気信号の正負は一致しているため、演算回路６０においてそれらの差分を取ることにより、各レッグ部１５からの信号は実質的にキャンセルされることになる。
他方、ロッキングモードの振動を励起する外乱が発生した場合、例えば、図１に示すとおり、第１検出電極１３ｂ,１３ｂは、それぞれ円周方向に１８０°離れた場所に配置されているため、各々の第１検出電極１３ｂ,１３ｂに連結するレッグ部上の圧電体膜４０の伸縮は逆になる。その結果、各第１検出電極１３ｂの電気信号の正負が逆になる。従って、それらの電気信号は互いに相殺し合うことになる。上述の現象は、各第２検出電極１３ｄに連結するレッグ部の前述の電気信号にも当てはまる。このため、ロッキングモードの振動による演算回路６０への実質的な影響はなくなる。
上述の通り、本実施形態のリング状振動ジャイロ１００は、２つの第１検出電極１３ｂ,１３ｂ及び２つの第２検出電極１３ｄ,１３ｄを備えることにより、二次振動の検出能力が高められるとともに、バウンスモードやロッキングモードの振動を励起する外部衝撃に対する耐衝撃性も高められる。
＜第２の実施形態＞
図５は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ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Ｙ−Ｙ断面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ２００は、第１の実施形態における圧電体膜４０及び上層金属膜５０を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ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、第１の実施形態と同様、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。なお、図５では、図面を見易くするため、便宜的に図１における演算回路６０が省略されている。
図５及び図６に示すとおり、本実施形態のリング状振動ジャイロ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、リング状振動体１１の内周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１８μｍである。また、それらの上層金属膜５０は、リング状振動体１１のリング状平面の中央線よりも内側に形成されている。
本実施形態では、図６に示すように、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がエッチングされている。このため、下層金属膜３０が形成されている領域に影響されずに、上層金属膜５０に印加された交流電圧が鉛直下向きのみに印加されるため、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。なお、本実施形態では、上層金属膜５０のドライエッチング工程の後、上層金属膜５０上の残留レジスト膜又は上記金属膜５０自身をエッチングマスクとして、引き続いて第１の実施形態と同条件によるドライエッチングを行うことにより、前述の圧電体膜４０が形成される。また、図６に示すように、本実施形態では圧電体膜４０が傾斜状（例えば、傾斜角が７５°）にエッチングされている。しかしながら、図６のような急峻な傾斜を有する圧電体膜４０は、図５に示すリング状振動ジャイロ２００の正面視においては、他の領域と比較して実質的に視認されないものとして本出願では取り扱われる。
ここで、第１の実施形態と同様の一次振動が励起されたリング状振動ジャイロ２００に対し、リング状振動ジャイロ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、リング状振動体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、リング状振動体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。
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、本実施形態のリング状振動ジャイロ２００は、回路設計上極めて簡便化される利点を備える。
ところで、本実施形態においてロッキングモードの振動を励起する外乱として発生した場合、例えば、図５に示すとおり、第１検出電極１３ｂ,１３ｂは、それぞれ円周方向に１８０°離れた場所に配置されているため、第１検出電極１３ｂ,１３ｂに連結するレッグ部上の圧電体膜４０の伸縮は逆になる。その結果、各第１検出電極１３ｂの電気信号の正負が逆になる。従って、それらの電気信号は互いに相殺し合うことになる。上述の現象は、各第２検出電極２１３ｄに連結するレッグ部の前述の電気信号にも当てはまる。このため、ロッキングモードの振動に対する演算回路への実質的な影響はなくなる。
なお、本実施形態では、バウンスモードの振動を励起する外乱（衝撃）が発生した場合、二次振動を検出するための全ての電極に連結するレッグ部の電気信号の正負が一致するため、演算回路においてそれらの和を取ると、第１の実施形態のようにキャンセルされない。従って、本実施形態のリング状振動ジャイロ２００は、バウンスモードの振動を励起する耐衝撃性を有しない。
上述の通り、本実施形態のリング状振動ジャイロ２００は、２つの第１検出電極１３ｂ,１３ｂ及び２つの第２検出電極２１３ｄ,２１３ｄを備えることにより、二次振動の検出能力が高められる。
＜第３の実施形態＞
図７は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ３００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。また、図８は、図７のＺ−Ｚ断面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ３００は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ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、第１の実施形態と同様、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。なお、図７でも、図面を見易くするため、便宜的に図１における演算回路６０が省略されている。
図７及び図８に示すとおり、本実施形態のリング状振動ジャイロ３００は、第１の実施形態の第１検出電極１３ｂ,１３ｂの代わりに第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂを備えるとともに、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３１３ｄ,３１３ｄを備える。本実施形態の第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂ及び第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄの上層金属膜５０の外側端部は、リング状振動体１１の内周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１８μｍである。また、それらの上層金属膜５０は、リング状振動体１１の上面における中央線よりも内側に形成されている。
ここで、第１の実施形態と同様の一次振動が励起されたリング状振動ジャイロ３００に対し、リング状振動ジャイロ３００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３１３ｂ,３１３ｂと、２つの第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄによって検出される。
本実施形態では、図７に示すように、第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂ及び第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄ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３１３ｂ,３１３ｂ及び第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄは、リング状振動体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３１３ｂ,３１３ｂと第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄの電気的信号の正負が逆になる。
ここで、図示しない公知の差分回路である演算回路において、第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂと第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄ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。
一方、本実施形態では、レッグ部１５，・・・，１５上に、引き出し電極１４としての上層金属膜５０、圧電体膜４０、及び下層金属膜３０が形成されている。ここで、仮に、リング状振動ジャイロ３００に対して既に述べたバウンスモードの振動を励起する外乱（衝撃）が発生した場合、レッグ部１５，・・・，１５がリング状振動ジャイロ３００の垂直軸の一方向に動くため、レッグ部１５，・・・，１５上の圧電体膜４０の伸縮に伴う電気信号が発生する。しかしながら、この場合は、二次振動を検出するための全ての電極に連結するレッグ部の前述の電気信号の正負は一致しているため、上述の演算回路においてそれらの差分を取ることにより、各レッグ部１５からの信号は実質的にキャンセルされることになる。
他方、ロッキングモードの振動を励起する外乱が発生した場合、例えば、図７に示すとおり、第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂは、それぞれ円周方向に１８０°離れた場所に配置されているため、第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂに連結するレッグ部上の圧電体膜４０の伸縮は逆になる。その結果、各第１検出電極３１３ｂの電気信号の正負が逆になる。従って、それらの電気信号は互いに相殺し合うことになる。上述の現象は、各第２検出電極３１３ｄに連結するレッグ部の前述の電気信号にも当てはまる。このため、ロッキングモードの振動に対する演算回路への実質的な影響はなくなる。
上述の通り、本実施形態のリング状振動ジャイロ３００は、２つの第１検出電極３１３ｂ,３１３ｂ及び２つの第２検出電極３１３ｄ,３１３ｄを備えることにより、二次振動の検出能力が高められるとともに、バウンスモードやロッキングモードの振動を励起する外部衝撃に対する耐衝撃性も高められる。
＜第４の実施形態＞
図１０は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ４００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ４００は、第１の実施形態におけるモニタ電極に関わる第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１０でも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ４００は、図１０に示すように４つのモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃを備えており、それぞれのモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃが引き出し電極を介して電極パッド１８，・・・，１８と接続している。これらのモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃは、第１の実施形態と同様、リング状振動体１１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。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
図１０に示すように、モニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃは、必ずしも各々の駆動電極１３ａ，１３ａから（１８０／２）°、すなわち９０°離れた角度に配置される必要はない。図１０に示すモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃの配置であっても、本発明の主たる効果は奏される。なお、本実施形態では、モニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、それぞれが等角度ずつ離れた角度に配置されている。このため、製造工程のバラつきが引き起こすモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃの位置ずれに伴う検出感度の不均一性の影響が低減される。加えて、リング状振動体１１の二次振動による逆位相の出力が相互に抑制し合うため、新たに発生する二次振動の影響を受けることなく、一次振動の大きさを一定に保つことが可能となる。
＜第５の実施形態＞
図１１は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ５００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ５００は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１１でも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ５００は、図１１に示すように２つのモニター電極５１３ｃ，５１３ｃを備えており、それぞれのモニター電極５１３ｃ，５１３ｃが引き出し電極を介して電極パッド１８，１８と接続している。これらのモニター電極５１３ｃ，５１３ｃは、第１の実施形態と同様、リング状振動体１１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。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
図１１に示すように、モニター電極５１３ｃ，５１３ｃは、必ずしも各々の駆動電極１３ａ，１３ａから（１８０／２）°、すなわち９０°離れた角度に配置される必要はない。図１１に示すモニター電極５１３ｃ，５１３ｃの配置であっても、本発明の主たる効果は奏される。ここで、本実施形態では、モニター電極５１３ｃ，５１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、それぞれが反時計周りに等角度ずつ離れた角度に配置されている。このため、製造工程のバラつきが引き起こすモニター電極５１３ｃ，５１３ｃの位置ずれに伴う検出感度の不均一性の影響を低減することが可能となる。なお、モニター電極５１３ｃ，５１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、それぞれが時計周りに等角度ずつ離れた角度に配置されていても前述と同様の効果が奏される。
＜第６の実施形態＞
図１２は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ６００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ６００は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１２でも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ６００は、図１２に示すように２つのモニター電極６１３ｃ，６１３ｃを備えており、それぞれのモニター電極６１３ｃ，６１３ｃが引き出し電極を介して電極パッド１８，１８と接続している。これらのモニター電極６１３ｃ，６１３ｃは、第１の実施形態と同様、リング状振動体１１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。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
図１２に示すように、モニター電極６１３ｃ，６１３ｃは、必ずしも各々の駆動電極１３ａ，１３ａから（１８０／２）°、すなわち９０°離れた角度に配置される必要はない。図１２に示すモニター電極６１３ｃ，６１３ｃの配置であっても、本発明の主たる効果は奏される。ここで、本実施形態では、モニター電極６１３ｃ，６１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、１つが反時計周りに、他方が時計回りに等角度ずつ離れた角度に配置されている。その結果、リング状振動体１１の二次振動による逆位相の出力が相互に抑制し合うため、新たに発生する二次振動の影響を受けることなく、一次振動の大きさを一定に保つことが可能となる。
＜第７の実施形態＞
図１３Ａは、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ７００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ７００は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１３Ａでも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ７００は、図１３Ａに示すように２つのモニター電極５１３ｃ，５１３ｃを備えており、それぞれのモニター電極７１３ｃ，７１３ｃが引き出し電極を介して電極パッド１８，１８と接続している。これらのモニター電極７１３ｃ，７１３ｃは、第１の実施形態と同様、リング状振動体１１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。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
図１３Ａに示すように、モニター電極７１３ｃ，７１３ｃは、必ずしも各々の駆動電極１３ａ，１３ａから（１８０／２）°、すなわち９０°離れた角度に配置される必要はない。図１３Ａに示すモニター電極７１３ｃ，７１３ｃの配置であっても、本発明の主たる効果は奏される。ここで、本実施形態では、モニター電極７１３ｃ，７１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、それぞれが反時計周りに等角度ずつ離れた角度に配置されている。このため、製造工程のバラつきが引き起こすモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃの位置ずれに伴う検出感度の不均一性の影響が低減される。なお、モニター電極７１３ｃ，７１３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、それぞれが時計周りに等角度ずつ離れた角度に配置されていても前述と同様の効果が奏される。
＜第７の実施形態の変形例＞
図１３Ｂは、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ７５０の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ７５０は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１３Ｂでも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ７５０は、図１３Ｂに示すように２つのモニター電極７５３ｃ，７５３ｃを備えており、それぞれのモニター電極７５３ｃ，７５３ｃが引き出し電極を介して電極パッド１８，１８と接続している。これらのモニター電極７５３ｃ，７５３ｃは、第１の実施形態と同様、リング状振動体１１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。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
図１３Ｂに示すように、モニター電極７５３ｃ，７５３ｃは、必ずしも各々の駆動電極１３ａ，１３ａから（１８０／２）°、すなわち９０°離れた角度に配置される必要はない。図１３Ａに示すモニター電極７５３ｃ，７５３ｃの配置であっても、本発明の主たる効果は奏される。ここで、本実施形態では、モニター電極７５３ｃ，７５３ｃが、各駆動電極１３ａ，１３ａから９０°離れた角度を中心に、リング状振動体１１の外周側にある１つが反時計周りに、リング状振動体１１の外周側にある他方が時計回りに等角度ずつ離れた角度に配置されている。その結果、このため、製造工程のバラつきが引き起こすモニター電極４１３ｃ，・・・，４１３ｃの位置ずれに伴う検出感度の不均一性の影響が低減される。
＜第８の実施形態＞
図１４は、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ８００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ８００は、第１の実施形態におけるレッグ部１５，・・・，１５の配置及び第１の領域の上層金属膜５０の配置を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同一の構成を備える。また、その製造方法はフォトリソグラフィ技術により形成されたパターンを除いて第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、第１の実施形態と同様、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。なお、図１４でも、図面を見易くするため、便宜的に演算回路６０が省略されている。
本実施形態のリング状振動ジャイロ８００は、図１４に示すように、各々の駆動電極１３ａ，・・・，１３ａ、各々の第１検出電極１３ｂ，・・・，１３ｂ、及び各々の第２検出電極１３ｄ，・・・，１３ｄが、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域又はその内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域に配置されている。また、各々のモニタ電極１３ｃ，１３ｃは、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域に配置されている。なお、本実施形態では、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域の駆動電極１３ａ，１３ａに対する駆動電圧の位相は、その内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域の駆動電極１３ａ，１３ａに対する駆動電圧の位相と逆となる。また、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域内に配置される第１検出電極１３ｂ，１３ｂが検出する位相は、その内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域の第１検出電極１３ｂ，１３ｂが検出する位相と同じになる。また、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域内に配置される第２検出電極１３ｄ，１３ｄが検出する位相は、その内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域の第２検出電極１３ｄ，１３ｄが検出する位相と同じになる。但し、各第１検出電極１３ｂの位相は、各第２検出電極１３ｄの位相に対して逆となる。
本実施形態のように、各種の電極が、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域に配置されると共に、その内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域に配置された場合であっても、本発明の効果と同様の効果が奏される。特に、リング状振動体１１の外周縁からその外周縁の近傍に至るまでの領域に配置されると共に、その内周縁からその内周縁の近傍に至るまでの領域に配置された場合、各種の電極の配置が多少複雑化するが、リング状振動体１１の駆動能力や二次振動の検出能力が倍増するため、本実施形態のリング状振動ジャイロ８００も好ましい一態様である。
また、本実施形態のリング状振動ジャイロ８００のモニター電極１３ｃ，１３ｃの一部又は全部の配置を、第４乃至第８の実施形態のように配置した場合であっても、第４乃至第８の実施形態の効果と同様の効果が奏される。
＜第９の実施形態＞
図１５Ａは、本実施形態におけるもう一つのリング状振動ジャイロ９００の中心的役割を果たす構造体の正面図である。また、図１５Ｂは、図１５ＡのＴ−Ｔ断面図である。本実施形態のリング状振動ジャイロ９００は、第１の実施形態における第１の領域の上層金属膜５０の配置及び電極パッド用固定端部１７，・・・，１７を除き、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と実質的に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り形成された各種パターンを除いて第１の実施形態と同じである。他方、本実施形態の振動モードは、第１の実施形態とは異なり、ｃｏｓ３θ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。なお、図１５Ａでは、図面を見易くするため、便宜的に演算回路が省略されている。また、説明の便宜上、図１５Ａには、Ｘ軸及びＹ軸が表記されている。加えて、本実施形態では、他の実施形態の図面内に記載される斜線及びＶの文字が省略されている。
図１５Ａに示すとおり、本実施形態のリング状振動ジャイロ９００の各上層金属膜５０は、中央線よりも外側に形成されている。
ところで、本実施形態の一次振動の振動モードは、図１６Ａに示すイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードである。また、本実施形態の二次振動の振動モードとは、図１６Ｂに示すｃｏｓ３θのイン・プレーンの振動モードである。従って、複数の電極１３ａ〜１３ｅの内訳は、次のとおりである。まず、互いに円周方向に１２０°離れた角度に配置された３つの駆動電極１３ａ，１３ａ，１３ａが配置される。また、前述の３つの駆動電極１３ａ，１３ａの内の１つの駆動電極１３ａ（例えば、図１５Ａ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、その基準電極から円周方向であって時計回りに６０°、１８０°、及び３００°離れた角度にモニタ電極１３ｃ，１３ｃ，１３ｃが配置される。また、第１検出電極１３ｂ，１３ｂ，１３ｂは、その基準電極から円周方向であって時計回りに３０°、１５０°、及び２７０°離れた角度に配置される。加えて、第２検出電極１３ｄ，１３ｄ，１３ｄは、その基準電極から円周方向であって時計回りに９０°、２１０°、及び３３０°離れた角度に配置される。
なお、本実施形態では、図１５Ａに示すように、各種の電極の１つについて、電気信号の偏りを解消するために、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、各種の電極の片側のみから引き出し電極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、本実施形態の第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である。本実施形態では、この支柱１９が第１の実施形態における電極パッド用固定端部１７の機能を兼ねている。また、支柱１９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の上方に形成されている圧電体膜４０の上面には、レッグ部１５，・・・，１５上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、リング状振動ジャイロ９００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ｃｏｓ３θ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、３つの駆動電極１３ａ，１３ａ，１３ａに１ＶＰ−０の交流電圧が印加される。その結果、圧電体膜４０が伸縮して一次振動が励起される。ここで、本実施形態では上層金属膜５０がリング状振動体１１の上面における中央線よりも外側に形成されているため、リング状振動体１１の側面に形成されることなく圧電体膜４０の伸縮運動をリング状振動体１１の一次振動に変換することが可能となる。なお、実際の交流電源１２は、導電性ワイヤに接続される電極パッド１８を介して駆動電極１３ａに印加するが、本実施形態及び他の実施形態では、説明の便宜上、省略される。
次に、図１５Ａに示すモニタ電極１３ｃ，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，１３ａに印加される交流電圧の周波数とリング状振動体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、リング状振動体１１の振幅がある一定の値となるようにモニタ電極１３ｃ，１３ｃ，１３ｃの信号を用いて制御している。その結果、リング状振動体１１は、一定の振動が持続される。
ここで、リング状振動ジャイロ９００に対し、リング状振動ジャイロ９００の垂直軸（紙面、すなわちＸ−Ｙ平面に垂直な方向）の回りで角速度が加わると、イン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードである本実施形態では、コリオリ力により、図１６Ａに示す一次振動の振動軸に対して両側に３０°傾いた新たな振動軸を有する図１６Ｂに示す二次振動が生じる。
この二次振動が、３つの第１検出電極１３ｂ,１３ｂ,１３ｂと３つの第２検出電極１３ｄ,１３ｄ,１３ｄによって検出される。本実施形態でも、第１の実施形態と同様、公知の差分回路である演算回路において、各検出電極１３ｂ，１３ｄの電気信号の差が算出される。その結果、検出信号はいずれか一方の検出電極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。
上述の通り、本実施形態のリング状振動ジャイロ９００は、第１検出電極１３ｂ及び第２検出電極１３ｄを備えることにより、ｃｏｓ３θの振動モードであっても、二次振動の検出能力が高められるとともに、バウンスモードやロッキングモードの振動を励起する外部衝撃に対する耐衝撃性も高められる。
なお、本実施形態のリング状振動ジャイロ９００のモニター電極１３ｃ，１３ｃ，１３ｃの一部又は全部の配置を、第４乃至第８の実施形態のように配置した場合であっても、第４乃至第８の実施形態の効果と同様の効果が奏される。
ところで、上述の第１の実施形態及び第３の実施形態では、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。第１の実施形態又は第３の実施形態においても、第２の実施形態のように、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により、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。
また、上述の各実施形態では、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、シリコン窒化膜や、シリコン酸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。
また、上述の第１乃至第８の実施形態では、ｃｏｓ２θの振動モードが採用されているが、これに限定されない。Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードで前記リング状振動体の一次振動を励起する駆動電極を採用することにより、本発明の効果と実質的に同様の効果が奏される。例えば、ｃｏｓ３θの振動モードが採用される第９の実施形態の各電極の配置は、当業者にとって、上述の第１乃至第８の実施形態に相当するｃｏｓ３θの振動モードの各電極の配置を十分に開示するものである。すなわち、Ｎを２以上の自然数とした場合のｃｏｓＮθの振動モードの各電極の配置は、上述の各実施形態の説明によって十分に開示されている。
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１７に示すリング状振動ジャイロ９５０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。なお、「円環状」には楕円形状が含まれる。
さらに、上述の各実施形態では、シリコンを母材とするリング状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ゲルマニウム又はシリコンゲルマニウムであってもよい。上述のうち、特に、シリコン又はシリコンゲルマニウムの採用は、公知の異方性ドライエッチング技術を適用することができるため、振動体を含めたジャイロ全体の加工精度の向上に大きく寄与する。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に適用され得る。

Claims (7)

  1. 平面を一様に備えたリング状振動体と、
    前記リング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、
    前記平面の上方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、及び固定電位電極とを備え、
    前記複数の電極は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードで前記リング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前記各々の駆動電極から時計回り及び／又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前記リング状振動体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一群の第１検出電極と、前記各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前記二次振動を検出する一群の第２検出電極と、
    前記第１検出電極に電気的に接続し、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、前記レッグ部の上方に形成される第１引き出し電極と、
    前記第２検出電極と電気的に接続し、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、前記レッグ部の上方に形成される第２引き出し電極と、を含み、
    前記各々の駆動電極、前記各々の第１検出電極、及び前記各々の第２検出電極は、前記リング状振動体の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域及び／又は内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域に配置され、且つ
    演算回路によって、前記第１引き出し電極及び前記第２引き出し電極から出力される信号の差分を算出する
    振動ジャイロ。
  2. 平面を一様に備えたリング状振動体と、
    前記リング状振動体を柔軟に支持するとともに固定端を有するレッグ部と、
    前記平面の上方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、及び固定電位電極とを備え、
    前記複数の電極は、Ｎを２以上の自然数とした場合に、ｃｏｓＮθの振動モードで前記リング状振動体の一次振動を励起する、互いに円周方向に（３６０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群の駆動電極と、前記各々の駆動電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置された一群のモニタ電極と、前記各々の駆動電極から時計回り及び／又は反時計回りに（９０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前記リング状振動体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一群の第１検出電極と、前記各々の第１検出電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度に配置され、かつ前記二次振動を検出する一群の第２検出電極と、
    前記第１検出電極に電気的に接続し、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、前記レッグ部の上方に形成される第１引き出し電極と、
    前記第２検出電極と電気的に接続し、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、前記レッグ部の上方に形成される第２引き出し電極と、を含み、
    前記各々の駆動電極、前記各々のモニタ電極、前記各々の第１検出電極、及び前記各々の第２検出電極は、前記リング状振動体の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域及び／又は内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域に配置され、且つ
    演算回路によって、前記第１引き出し電極及び前記第２引き出し電極から出力される信号の差分を算出する
    振動ジャイロ。
  3. 前記複数の電極は、前記各々の駆動電極から（１８０／Ｎ）°離れた角度を除く、｛（１８０／Ｎ）−（４５／Ｎ）｝°から｛（１８０／Ｎ）＋（４５／Ｎ）｝°までの領域内に配置された一群のモニタ電極をさらに含み、
    前記各々のモニタ電極が、前記リング状振動体の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域及び／又は内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域に配置されている
    請求項１に記載の振動ジャイロ。
  4. 前記全ての第１検出電極及び前記全ての第２検出電極が、前記リング状振動体の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域又は内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域のいずれか一方のみに配置されており、
    演算回路によって前記各々の第１検出電極及び前記各々の第２検出電極から出力される信号の差分を算出する
    請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。
  5. 前記全ての第１検出電極及び前記全ての第２検出電極が、前記リング状振動体の外周縁から前記外周縁の近傍に至るまでの領域又は内周縁から前記内周縁の近傍に至るまでの領域の互いに異なる領域に配置されており、
    演算回路又は前記第１検出電極及び前記第２検出電極から引き出される電極の接続によって前記各々の第１検出電極及び前記各々の第２検出電極から出力される信号の和を算出する
    請求項１又は請求項２に記載の振動ジャイロ。
  6. 前記リング状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。
  7. 前記リング状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。
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