JPH08261766A

JPH08261766A - 振動ジャイロスコープ

Info

Publication number: JPH08261766A
Application number: JP7087506A
Authority: JP
Inventors: Kanji Adachi; 完二阿達
Original assignee: Clarion Co Ltd
Current assignee: Faurecia Clarion Electronics Co Ltd
Priority date: 1995-03-20
Filing date: 1995-03-20
Publication date: 1996-10-11

Abstract

(57)【要約】【目的】振動体の支持体及び圧電体層からの電気信号
取り出し方法の簡素化を実現した安価で高性能な圧電型
振動ジャイロスコープの提供。【構成】振動ジャイロスコープは、Ｎ⁺シリコンから
なり両側面及び上面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）を施
した、台形の断面を有し長手方向の３方面にそれぞれ酸
化亜鉛（ＺｎＯ）キャパシタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが
設けられたカンチレバー構造の振動体１０を有してい
る。振動体１０の一端は固定されているが、台形部分１
５は自由端部である。キャパシタ１１ａに振動体１０の
固有振動数に近い周波数のＡＣ電圧を印加するとＹ方向
に台形部分１５が振動し、キャパシタ１１ｂ，１１ｃ間
に電圧が発生する。このとき、振動体１０全体をＺ軸の
周りに回転させるとコリオリ力ＦがＸ方向に働きキャパ
シタ１１ｂ，１１ｃに発生する電圧は振動体１０の無回
転時に比べて変化するのでキャパシタ１１ｂ，１１ｃの
電圧変動分を検知すれば振動体１０の回転角速度ωを算
出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は振動ジャイロスコープに
関し、特に、角速度センサなどに用いられる圧電型振動
ジャイロスコープに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、角速度センサとして圧電型振動ジ
ャイロスコープ（以下、圧電ジャイロと記す）の開発が
行われている。この圧電ジャイロは振動している物体に
回転角速度が与えられるとその振動方向と直角方向にコ
リオリ力が発生することを利用したもので、最近ではナ
ビゲーション・システムやＶＴＲカメラの手振れなど外
的振動を検知して適切な制振を行うヨーレイトセンサな
どに使用されている。これらに利用されている小型圧電
ジャイロの代表例として、両端が自由な横振動細棒・双
共振子（いわゆる、双共振音片）を利用した正三角形片
型ジャイロがある。

【０００３】このジャイロは、振動体として、長さ１０
ミリ（mm）、幅が数ミリの恒弾性金属（エリンバ材）を
機械加工により作製した振動体上に検出用・駆動用の圧
電磁器片（数ミリ角）を装着した双共振音片を用いてお
り、この双共振音片（振動体）の支持方法として振動体
の両端を自由にするためにノード点（共通節点）近傍の
２箇所を支持部材で支持している。

【０００４】このため、製造上で、振動体の固定工程に
おいて精度が要求されるのに加え、振動体の加工寸法精
度や断面形状（この場合、正三角形のため面と面とのな
す角度が６０度であることが必要）が振動周波数を決定
するので加工寸法精度の再現性が要請される点に問題点
があった。また、振動体の加工精度の他に検出用・駆動
用の圧電磁器片の接着位置と接着剤の量の変動等、組立
時の変動要因が重なり、検出感度が低く、製造コストが
高いという問題点があった。更に、この圧電ジャイロで
は振動子の製造上の制約から振動子自体、数１０ミリの
長さになるため、結果として、センサ部である圧電ジャ
イロ自体の容積が大きくなり、圧電ジャイロの信号処理
部を含めると更に容積が大きくなるという問題点があっ
た。

【０００５】上記問題点に関し、小型化及び量産化を目
的としたものに図６に示す特開平５−２０９７５４号公
報に開示の「振動ジャイロ」及び関連技術として特開平
５−２５６６５２号公報に開示の「振動ジャイロ」があ
る。図６で、振動ジャイロ６０は薄膜形成法を用いるも
のであり、シリコン基板をエッチングすることによっ
て、略３角柱状の振動体６２と、Ｘ字状の２つの支持部
材６４ａ及び６４ｂと、矩形枠状の支持台６６とを一体
的に形成し、振動体６２の３つの側面全面に金属薄膜か
らなる下部電極６７を形成する。さらに、振動体６２の
１つの側面の中央には圧電体薄膜からなる圧電体層６８
ａ及び金属電極６９ａを積層的に形成し、同様に、振動
体６２の他の２つの側面の中央にも圧電体層及び上部電
極をそれぞれ積層的に形成した構造を有している。な
お、特開平５−２５６６５２号公報に開示の「振動ジャ
イロ」は、振動ジャイロの圧電体層に係わる技術であり
説明を省略する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記特開平５−２０９
７５４号公報に開示の「振動ジャイロ」では薄膜形成法
を用いることにより小型化及び量産化を実現している
が、前記従来の正三角形片型ジャイロ（振動子を振動体
に接着する方式のもの）と同様に双共振音片は振動体の
長手方向の両端を固定せず自由に振動できるように構成
されており、振動体の支持方法として、振動の節にあた
る部分（すなわち、振動変位が最も小さい部分）２箇所
で固定支持し、それ以外は振動体が宙に浮いている構成
をなしている。このため、振動体の支持体及び圧電体層
からの電気信号取り出し方法が複雑となり、圧電体から
の信号取り出し用配線の設置作業が困難であるという問
題点があった。

【０００７】本発明は、超小型化、量産化の実現に加
え、振動体の支持体及び圧電体層からの電気信号取り出
し方法の簡素化を実現した安価で高性能な圧電ジャイロ
の提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の振動ジャイロスコープは、シリコン基板を
エッチングすることによって一体的に形成される一端が
固定された片持梁構造の振動体を有し、振動体が、台形
状に形成された自由端部と、該自由端部の上面及び両側
面にそれぞれ形成された金属被膜からなる圧電体層と、
それぞれの圧電体層の表面にそれぞれ形成された電極
と、を含むことを特徴とする。

【０００９】

【作用】上記構成により本発明の振動ジャイロスコープ
は、自由端部の上面に形成された電極に振動体の形状等
で決まる固有振動数に近い周波数のＡＣ電圧を印加する
と圧電体の圧電横効果によりＸ軸（該電極が設けられた
自由端部の上面と直交する方向）に自由端部が振動す
る。この片持梁構造の振動体１０の振動により自由端部
の両側面に形成された電極間に金属被膜の圧電体の圧電
性により電圧が発生する。このように振動した状態で振
動体１０全体をＺ軸（自由端部の長手方向を軸とする方
向）の周りに回転角速度ωで回転させるとコリオリ力Ｆ
がＸ軸方向に働き、振動体はねじれ振動になる。このた
め、自由端部の両側面に形成された電極間に発生する電
圧は振動他の無回転時に比べて変化する。したがって、
これら自由端部の両側面に形成された電極間の電圧変動
分を検知することで回転角速度ωを算出することができ
る。

【００１０】

【実施例】図１は本発明に基づく圧電ジャイロ（圧電型
振動ジャイロスコープ）の主要部である振動体の一実施
例を示す斜視図であり、圧電ジャイロは、Ｎ⁺シリコン
からなり両側面及び上面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）
を施した、台形の断面を有し長手方向の３方面にそれぞ
れ酸化亜鉛（ＺｎＯ）キャパシタ（電極）１１ａ，１１
ｂ，１１ｃが設けられたカンチレバー（cantilever；片
持梁）構造の振動体１０を有している。

【００１１】図１に示すように振動体１０の一端は固定
されており、固定された端部１３には駆動検出用パッド
１２が設けられ、その上にキャパシタ１１ａ，１１ｂ，
１１ｃが延設されている。また、台形部分１５は自由端
部をなしている。なお、後述するように振動体１０の自
由端部は双共振音片としての機能（動作）を示す。

【００１２】〈カンチレバー構造の振動体の動作例〉図
１のキャパシタ１１ａにカンチレバーの形状等で決まる
固有振動数に近い周波数のＡＣ（交流）電圧（±５Ｖ）
を印加した。その結果、酸化亜鉛膜の圧電横効果により
図１のＹ方向（キャパシタ１１ａが設けられた台形部分
１５の上面と直交する方向）に台形部分１５が振動し、
その先端１６が数１０００Å（１０^-8ｃｍ；オングスト
ローム）振動することを確認した。このカンチレバー構
造の振動体１０の振動によりキャパシタ１１ｂ，１１ｃ
それぞれの電極間に酸化亜鉛膜の圧電性により電圧が発
生する。

【００１３】このように振動した状態で振動体１０全体
を図１でＺ軸の周りに回転角速度ωで回転させると下記
の式で表わされるコリオリ力ＦがＸ軸方向に働き、振動
体１０はねじれ振動になる。

【数１】Ｆ＝２ｍｖω ただし、ｍは質量、ｖは振動速度である。このため、キ
ャパシタ１１ｂ，１１ｃに発生する電圧は振動体１０の
無回転時に比べて変化する。したがって、これらキャパ
シタ１１ｂ，１１ｃの電圧変動分を検知することで回転
角速度ωを算出することができる。

【００１４】〈カンチレバーの形成〉図２は異方性エッ
チングにより形成された異方エッチング部の例を示す斜
視図であり、図３は薄膜形成法により上部表面に酸化亜
鉛膜２３が形成されたシリコンウェハ２１の断面図であ
り、図４は裏面からの異方性エッチング過程のシリコン
ウェハ２１の断面図であり、図５は最終工程により形成
されたカンチレバー構造の振動体１０の断面図である。

【００１５】まず、Ｎ⁺シリコンウェハ２１の（１０
０）面を酸化して（１００）面上にシリコン酸化膜２２
を形成し、シリコン酸化膜２２上にフォトリソグラフィ
手法により所望のパターンを（１００）面上に転写しエ
ッチングによりシリコン酸化膜２２に窓開けした後、１
０Ｎ（規定）のテトラメチルアンモニウムを８０℃に
し、シリコンウェハ２１を異方性エッチングして深さ約
５０ミクロンの異方性エッチング部２３を形成する（図
２）。この異方性エッチングではＮ⁺シリコンウェハ２
１の（１００）面のエッチングレートは異方性エッチン
グで形成された斜面（１００）の数１００倍であり、熱
酸化被膜であるシリコン酸化膜２２の数１０００倍であ
るため、図２に示すような凹凸が得られる。

【００１６】次に再び１０００Å（オングストローム）
酸化し、１回の酸化亜鉛膜２４（厚さ約５μｍ）を反応
性スパッタリングなどの薄膜形成法により成膜する（図
３）。これにより、シリコンウェハ２１の（１００）面
と５４．７度の角度をなす（１１０）面上にＣ軸配向し
た酸化亜鉛膜２４が形成される。なお、この酸化亜鉛膜
２４の圧電性は実験により確認されている。その後、
（１００）面と（１１０）面の酸化亜鉛膜２４を所望パ
ターンに形成して圧電層２４ａ，２４ｂ，２４ｃとし、
電極付けしてキャパシタ（電極）１１ａ，１１ｂ，１１
ｃを設け、イオンクラスタ法などの薄膜形成法により保
護膜２５を形成する。

【００１７】さらに、シリコンウェハ２１の裏面のシリ
コン酸化膜上にフォトリソグラフィ手法により所望のパ
ターンを転写しエッチングによりシリコン酸化膜に窓開
けした後、１０Ｎ（規定）のテトラメチルアンモニウム
を８０℃にし、シリコンウェハ２１を異方性エッチング
してシリコンウェハ２１の裏面側からシリコン異方性エ
ッチングを行う（図４）。最後に残っている酸化膜等を
エッチングして厚さ約５０μｍ、幅約１ｍｍ、長さ約５
ｍｍで、長さ方向に直交する平面による一方の端部が固
定され他の部分は自由な、断面が台形状のカンチレバー
構造の振動体１０が得られる（図５）。

【００１８】なお、実施例では上記工程中で１０００Å
（オングストローム）酸化し１回の酸化亜鉛膜２４を薄
膜形成法により成膜して、その後、所望パターンに形成
して圧電層２４ａ，２４ｂ，２４ｃを得ているが、圧電
層２４ａ，２４ｂ，２４ｃを構成する圧電体薄膜の材料
は酸化亜鉛に限られず、チタン酸ジルコン酸鉛などを用
いてもよい。また、圧電体薄膜を形成するための薄膜形
成法としてはスパッタリングの他に化学気相蒸着法やイ
オンクラスタ法、イオンプレーティング法などの物理的
気相蒸着法などがある。

【００１９】以上により本発明によれば、振動体の加工
精度、特に単結晶シリコンの異方性エッチングを利用す
るため、振動体の傾斜面（図１のキャパシタ１１ｂ，１
１ｃが形成される斜面とキャパシタ１１ａの形成される
面のなす角度）は自動的に単結晶シリコンの（１００）
面と（１１０）面のなす角度（５４．７度）で決定され
るので再現性良く実現できる。

【００２０】また、検出・駆動用の圧電体をスパッタリ
ング等の薄膜形成法で形成するので前述した正三角形片
型ジャイロのような振動体の間の接着材等による特性劣
化がない。さらに、従来の双共振子構造のように２箇所
のノード点で支持して振動体を浮かしているのではな
く、本発明では振動体は一端が固定された片持梁（カン
チレバー）構造を利用した双共振音片をなしているの
で、従来の双共振子構造とは振動自体が異なる。また、
振動体は前述したように基本的にＩＣ加工技術を用いて
作製できるので、再現性がよく、同一加工精度の製品が
大量生産可能であり、さらに、その振動ジャイロの信号
処理部をＩＣ化することでワンチップ化が可能となり、
一層の小型化が可能となる。

【００２１】以上本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種
々の変形実施が可能であることはいうまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来の双共振子構造のように２箇所のノード点で支持して
振動体を浮かしているのではなく、振動体は一端が固定
された片持梁（カンチレバー）構造を利用した双共振音
片をなしているので、従来の双共振子構造とは異なり、
圧電体からの信号取り出し用配線の設置作業が簡単にな
り、製造工程が簡略化でき、また容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく圧電型振動ジャイロスコープの
主要部である振動体の一実施例を示す斜視図である。

【図２】異方性エッチングにより形成された異方エッチ
ング部の例を示す斜視図である。

【図３】薄膜形成法により上部表面に酸化亜鉛膜が形成
されたシリコンウェハの断面図である。

【図４】裏面からの異方性エッチング過程のシリコンウ
ェハの断面図である。

【図５】最終工程により形成されたカンチレバー構造の
振動体の断面図である。

【図６】従来の圧電型振動ジャイロスコープの構成例を
示す斜視図である。

【符号の説明】

１０振動体１１，１１ｂ，１１ｃキャパシタ（電極）１３固定された端部１５台形部分（自由端部）２１シリコンウェハ（シリコン基板）２４ａ，２４ｂ，２４ｃ圧電層（圧電体層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板をエッチングすることによ
って一体的に形成される一端が固定された片持梁構造の
振動体を有し、上記振動体が、台形状に形成された自由端部と、該自由
端部の上面及び両側面にそれぞれ形成された金属被膜か
らなる圧電体層と、それぞれの圧電体層の表面にそれぞ
れ形成された電極と、を含むことを特徴とする振動ジャ
イロスコープ。