(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
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、
前記複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）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、
（２）前記駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ＋１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×Ｓ〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極と
を有し、
さらに、各々の前記検出電極に電気的に接続し、前記上層金属膜と同一層の上層金属膜及び前記下層金属膜と同一層の下層金属膜により前記圧電体膜と同一層の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各々の引き出し電極を備え、
各々の前記駆動電極は、前記平面内の第１電極配置領域上に配置され、各々の前記検出電極は、前記第１電極配置領域と電気的に接しない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第２電極配置領域上に配置され、且つ
演算回路によって、前記検出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。
【請求項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、
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、
前記複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）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、
（２）前記駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ＋１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極と
を有し、
さらに、各々の前記検出電極に電気的に接続し、前記上層金属膜と同一層の上層金属膜及び前記下層金属膜と同一層の下層金属膜により前記圧電体膜と同一層の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各々の引き出し電極を備え、
各々の前記駆動電極は、前記平面内の第１電極配置領域上に配置され、各々の前記検出電極は、前記第１電極配置領域と電気的に接しない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第２電極配置領域上に配置され、且つ
演算回路によって、前記検出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。
【請求項３】
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、
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、
前記複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）Ｎを３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、
（２）前記駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ−１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ−２（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×Ｓ〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極と
を有し、
さらに、各々の前記検出電極に電気的に接続し、前記上層金属膜と同一層の上層金属膜及び前記下層金属膜と同一層の下層金属膜により前記圧電体膜と同一層の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各々の引き出し電極を備え、
各々の前記駆動電極は、前記平面内の第１電極配置領域上に配置され、各々の前記検出電極は、前記第１電極配置領域と電気的に接しない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第２電極配置領域上に配置され、且つ
演算回路によって、前記検出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。
【請求項４】
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、
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、
前記複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）Ｎを３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、
（２）前記駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ−１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ−２（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極と
を有し、
さらに、各々の前記検出電極に電気的に接続し、前記上層金属膜と同一層の上層金属膜及び前記下層金属膜と同一層の下層金属膜により前記圧電体膜と同一層の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各々の引き出し電極を備え、
各々の前記駆動電極は、前記平面内の第１電極配置領域上に配置され、各々の前記検出電極は、前記第１電極配置領域と電気的に接しない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第２電極配置領域上に配置され、且つ
演算回路によって、前記検出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。
【請求項５】
前記検出電極を第１検出電極としたときに、前記複数の電極が、次の（３）、すなわち、
（３）前記二次振動に対して｛９０／（Ｎ＋１）｝°離れた角度の振動軸の二次振動を検出し、且つ前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の第２検出電極と
をさらに有し、
各々の前記第２検出電極が、前記第２電極配置領域上に配置され、且つ
前記演算回路によって、各々の前記第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に記載の振動ジャイロ。
【請求項６】
前記検出電極を第１検出電極としたときに、前記複数の電極が、次の（３）、すなわち、
（３）前記二次振動に対して｛９０／（Ｎ−１）｝°離れた角度の振動軸の二次振動を検出し、且つ前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又は前記基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の第２検出電極と
をさらに有し、
各々の前記第２検出電極が、前記第２電極配置領域上に配置され、且つ
前記演算回路によって、各々の前記第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３に記載の振動ジャイロ。
【請求項７】
前記複数の電極が、さらに、
（４）Ｍ＝０，１，・・・，２Ｎ−１（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から円周方向に（１８０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝°離れた角度以外の角度に配置された一群のモニタ電極と
を有する
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項８】
前記複数の電極が、さらに、
（４）前記駆動電極の１つを基準駆動電極とし、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、同じ）とした場合に、前記基準駆動電極から円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された一群のモニタ電極と
を有する
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項９】
前記第１電極配置領域が、前記外周縁から前記内周縁までの幅の中央を結ぶ中央線を含む
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項１０】
前記リング状振動体がシリコン基板から形成され、
平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乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【請求項１１】
前記リング状振動体がシリコン基板から形成され、
平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乃至請求項６のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体膜を用いた振動ジャイロ、より具体的には、最大で２軸の角速度変化を測定しうる振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
上述の技術的な課題に対し、本願出願人は、基本的に全ての製造工程をドライプロセスで行うことにより、高い加工精度を達成しつつ、振動ジャイロとしての高性能化の要求を同時に満足する技術思想の一つを提案している（特許文献３）。【０００５】
また、上述の技術課題に加え、複数軸の回転に対する角速度をも測定する振動ジャイロに対する期待も高まっている（例えば、特許文献４）。しかし、小型化を可能にする簡便な構造を有する振動ジャイロの開発は未だ道半ばである。
【特許文献１】特開平８−２７１２５８号公報
【特許文献２】特開２０００−９４７３号公報
【特許文献３】特願２００８−２８８３５号公報
【特許文献４】特願２００５−５２９３０６号公報
【特許文献５】特表２００２−５０９６１５号公報
【特許文献６】特表２００２−５１０３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。加えて、上述の特許文献４に記載されている振動ジャイロは、複数の回転軸に対する角速度の測定が可能であるが、実質的に静電容量の変化を測定する方式が採用されているため、当該文献の図２及び図３に示されるように、幾つかの電極が振動体上とは異なる場所に配置されるという複雑な構造を備えている。すなわち、振動ジャイロが、小型化を可能にする簡易な構造によって複数の回転軸に対する角速度をも測定することが出来るようになれば、その振動ジャイロの技術的価値は一段と高まることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の技術課題を解決することにより、単数又は複数の回転軸に対する角速度を測定し得る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、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、圧電体膜が構成する各種電極の配置と振動体を支持する構造を工夫することによって、単数の回転軸のみならず複数の回転軸に対する角速度をも測定されることを知見した。さらに、発明者らは、それらの配置が高い加工精度を満足し得るドライプロセスによって達成できることを見出した。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。【０００８】
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、固定電位電極、及び前述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。加えて、それらの複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）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、
（２）前述の駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ＋１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×Ｓ〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極とを有している。
さらに、前述の各々の駆動電極は、前述の平面内の第１電極配置領域上に配置され、前述の各々の検出電極は、その第１電極配置領域と電気的に接しない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及び／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を含む第２電極配置領域上に配置されている。【０００９】
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、１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上に圧電素子を形成せずに、リング状振動体の平面上に形成された圧電素子のみにより、圧電素子が配置される平面を外れた振動モード（以下、アウト・オブ・プレーンの振動モードともいう）の一次振動が励起されるのみならず、平面内の振動モード（以下、イン・プレーンの振動モードともいう）の二次振動を検出することができる。また、圧電素子がリング状振動体の平面上にのみ形成されているため、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、全ての本出願に係る発明において、「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。【００１０】
さらに、前述の１軸の振動ジャイロにおける複数の電極において、前述の検出電極を第１検出電極としたときに、次の（３）の構成を備えた検出電極が第２検出電極として追加されれば、合計２軸（例えば、Ｘ軸とＹ軸）のイン・プレーンの振動モードを用いた角速度の検出が可能となる点が大きな利点といえる。但し、（４）の構成を備えた検出電極は、前述の第２電極配置領域上に配置される。
（３）上述の二次振動に対して｛９０／（Ｎ＋１）｝°離れた角度の振動軸の二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、上述の基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の第２検出電極【００１１】
本発明のもう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、固定電位電極、及び前述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。加えて、それらの複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）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、
（２）前述の駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ＋１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ＋１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極とを有している。
さらに、前述の各々の駆動電極は、前述の平面内の第１電極配置領域上に配置され、前述の各々の検出電極は、その第１電極配置領域と電気的に接しない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及び／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を含む第２電極配置領域上に配置されている。【００１２】
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、１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上に圧電素子を形成せずに、リング状振動体の平面上に形成された圧電素子のみにより、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動が励起されるのみならず、イン・プレーンの振動モードの二次振動を検出することができる。また、圧電素子がリング状振動体の平面上にのみ形成されているため、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。【００１３】
また、本発明のもう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、固定電位電極、及び前述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。加えて、それらの複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）Ｎを３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、
（２）前述の駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ−１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ−２（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×Ｓ〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極とを有している。
前述の各々の駆動電極は、前述の平面内の第１電極配置領域上に配置され、前述の各々の検出電極は、その第１電極配置領域と電気的に接しない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及び／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を含む第２電極配置領域上に配置されている。【００１４】
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、１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上に圧電素子を形成せずに、リング状振動体の平面上に形成された圧電素子のみにより、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動が励起されるのみならず、イン・プレーンの振動モードの二次振動を検出することができる。また、圧電素子がリング状振動体の平面上にのみ形成されているため、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。【００１５】
さらに、前述の１軸の振動ジャイロにおける複数の電極において、前述の検出電極を第１検出電極としたときに、次の（３）の構成を備えた検出電極が第２検出電極として追加されれば、合計２軸（例えば、Ｘ軸とＹ軸）のイン・プレーンの振動モードを用いた角速度の検出が可能となる点が大きな利点といえる。但し、（４）の構成を備えた検出電極は、前述の第２電極配置領域上に配置される。
（３）上述の二次振動に対して｛９０／（Ｎ−１）｝°離れた角度の振動軸の二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ−２（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、上述の基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の第２検出電極【００１６】
また、本発明のもう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、固定電位電極、及び前述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。加えて、それらの複数の電極は、次の（１）及び（２）、すなわち、
（１）Ｎを３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、
（２）前述の駆動電極の１つを基準駆動電極とした場合であって、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ｃｏｓ（Ｎ−１）θの振動モードの二次振動を検出し、且つＳ＝０，１，・・・，Ｎ−２（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（１／４）｝〕°離れた角度に配置された電極及び／又はその基準駆動電極から〔｛３６０／（Ｎ−１）｝×｛Ｓ＋（３／４）｝〕°離れた角度に配置された電極を備える一群の検出電極とを有している。
前述の各々の駆動電極は、前述の平面内の第１電極配置領域上に配置され、前述の各々の検出電極は、その第１電極配置領域と電気的に接しない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及び／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を含む第２電極配置領域上に配置されている。【００１７】
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、１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上に圧電素子を形成せずに、リング状振動体の平面上に形成された圧電素子のみにより、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動が励起されるのみならず、イン・プレーンの振動モードの二次振動を検出することができる。また、圧電素子がリング状振動体の平面上にのみ形成されているため、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。【００１８】
なお、前述の２軸の各振動ジャイロにおける複数の電極に、次の（４）の構成を備えたモニタ電極が追加されることは、特に小型化されたリング状振動体の限定された平面領域の中で他の電極群の配置及び／又は引き出し電極の配置を容易にすることになる点で好ましい一態様である。
（４）Ｎを２以上の自然数とした場合であって、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、上述の基準駆動電極から円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置された一群のモニタ電極
【発明の効果】
【００１９】
本発明の１つ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、１軸乃至２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上に圧電素子を形成せずに、リング状振動体の平面上に形成された圧電素子のみにより、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動が励起されるのみならず、イン・プレーンの振動モードの二次振動を検出することができる。また、圧電素子がリング状振動体の平面上にのみ形成されているため、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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】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２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３Ａ】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。
【図３Ｂ】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。
【図３Ｃ】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。
【図３Ｄ】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。
【図３Ｅ】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。
【図３Ｆ】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。
【図４】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】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６】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図２に相当する断面図である。
【図７】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８】図７のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】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１０】図９のＣ−Ｃ断面図である。
【図１１Ａ】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。
【図１１Ｂ】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。
【図１１Ｃ】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。
【図１２Ａ】本発明の他の実施形態におけるアウト・オブ・プレーンの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。
【図１２Ｂ】本発明の他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。
【図１２Ｃ】本発明の他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。
【図１３】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１４Ａ】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１４Ｂ】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１４Ｃ】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１４Ｄ】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１４Ｅ】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１４Ｆ】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
図１は、本実施形態における２軸の角速度を測定す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２は、図１のＡ−Ａ断面図である。なお、説明の便宜上、図１には、Ｘ軸及びＹ軸が表記されている。
【００２３】
図１及び図２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つの構成に分類される。第１の構成は、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〜１３ｆを備えた構成である。本実施形態では、複数の電極１３ｂ〜１３ｅを構成する上層金属膜５０の外側端部又は内側端部は、約４０μｍ幅のリング状平面を有するリング状振動体１１の外周縁又は内周縁から約１μｍ内側に形成され、その幅は約１２μｍである。また、その上層金属膜５０のうち、また、４個の電極１３ａ，１３ｆは中央線を含むように形成され、その幅は約１２μｍである。また、１２個の電極は、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、その他の１２個の電極は、中央線よりも内側に配置されている。
【００２４】
ところで、本実施形態では、図１１Ａアウト・オブ・プレーンの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。また、本実施形態の二次振動の振動モードは、図１１Ｂに示すＸ軸のｃｏｓ３θのイン・プレーンの振動モードと、図１１Ｃに示すＹ軸のｃｏｓ３θのイン・プレーンの振動モードである。
【００２５】
従って、前述の複数の電極１３ａ〜１３ｆ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１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、リング状振動体上の圧電素子が配置される平面、換言すれば、図１における紙面をＸ‐Ｙ平面とした場合に、リング状振動ジャイロ１００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１３ｂ，１３ｃ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、リング状振動ジャイロ１００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１３ｄ，１３ｅ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。
【００２６】
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。
【００２７】
なお、本実施形態及び後述する他の実施形態では、各電極が配置されている領域が２つに分類される。１つは、リング状振動体１１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及び／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る第１検出電極１３ｂ，１３ｃ及び第２検出電極１３ｄ，１３ｅの領域である。これを、第２電極配置領域とする。もう１つは、リング状振動体１１の上面であって、その第２電極配置領域と電気的に接しないように配置される各駆動電極１３ａ，１３ａが形成された領域である。これを、第１電極配置領域とする。
【００２８】
第２の構成は、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。
【００２９】
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、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、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、第２検出電極１３ｂ，１３ｄからの電気信号の偏りを解消するために、第２検出電極１３ｂ，１３ｄ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、それぞれの第２検出電極１３ｂ，１３ｄ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。
【００３０】
第３の構成は、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、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、支柱１９は、電極パッド１８，・・・，１８を備えている。また、図２に示すように、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。
【００３１】
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。
【００３２】
まず、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。
【００３３】
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、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る。
【００３４】
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、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る。
【００３５】
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、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る。
【００３６】
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上層金属膜５０、圧電体膜４０、及び下層金属膜３０の性能は実質的に影響を受けない。すなわち、本実施形態では、リング状振動体１１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。
【００３７】
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、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。
【００３８】
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。従って、この振動ジャイロ１００によれば、リング状振動体１１の側面に圧電素子を形成せずに、リング状振動体１１の平面上に形成された圧電素子のみにより、アウト・オブ・プレーンの一次振動の励起と、最大で２軸のイン・プレーンの二次振動の検出が可能となる。その結果、上述の高精度で安価に量産が可能なドライプロセス技術を用いて振動ジャイロ１００を製造することが可能となる。
【００３９】
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、本実施形態はアウト・オブ・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。
【００４０】
最初に、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、平面視においてリング状振動体１１の中央線を含むように形成されている。これは、イン・プレーンの振動モードとなる二次振動を圧電体膜の歪みによって励起しにくいためである。しかしながら、一次振動と二次振動のリング状振動体１１の共振点が異なれば、各駆動電極１３ａが中央線を含まないように配置されていても良い。
【００４１】
次に、図１に示すモニタ電極１３ｆ，１３ｆ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１３ｆ，１３ｆ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。
【００４２】
ここで、上述の一次振動が励起された後、Ｘ軸の回りで角速度が加わる場合について説明する。この場合、図１１Ｂに示すイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードの二次振動が生じる。
【００４３】
この二次振動が６つの検出電極（第１検出電極）１３ｂ，・・・，１３ｂと、別の６つの検出電極（第１検出電極）１３ｃ，・・・，１３ｃによって検出される。本実施形態では、図１に示すように、各検出電極１３ｂ，１３ｃは、それぞれイン・プレーンの二次振動の振動軸に対応して配置されている。なお、本実施形態では、上述の各検出電極１３ｂ，１３ｃは、検出対象となる二次振動、すなわちイン・プレーンの振動モードを最も検出しやすいように、リング状振動体１１の上面における中央線よりも外側及び内側に配置されている。
【００４４】
本実施形態では、各検出電極１３ｂ，１３ｃの配置により、角速度を受けて励起されるイン・プレーンの二次振動によって生じる各検出電極１３ｂ，１３ｃの電気的信号の正負が逆になる。従って、公知の差分回路である演算回路において、各検出電極１３ｂ，１３ｃ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。
【００４５】
次に、上述の一次振動が励起された後、Ｙ軸の回りで角速度が加わる場合について説明する。この場合、図１１Ｃに示すイン・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードの二次振動が生じる。
【００４６】
この二次振動が６つの検出電極（第２検出電極）１３ｄ，・・・，１３ｄと、別の６つの検出電極（第２検出電極）１３ｅ，・・・，１３ｅによって検出される。本実施形態では、図１に示すように、各検出電極１３ｄ，１３ｅは、それぞれイン・プレーンの二次振動の振動軸に対応して配置されている。なお、本実施形態では、上述の各検出電極１３ｄ，１３ｅも、検出対象となる二次振動、すなわちイン・プレーンの振動モードを最も検出しやすいように、リング状振動体１１の上面における中央線よりも外側及び内側に配置されている。
【００４７】
本実施形態では、各検出電極１３ｂ，１３ｃの配置により、角速度を受けて励起されるイン・プレーンの二次振動によって生じる各検出電極１３ｄ，１３ｅの電気的信号の正負が逆になる。従って、上述と同様、公知の差分回路である演算回路において、各検出電極１３ｄ，１３ｅ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。
【００４８】
ところで、上述の第１の実施形態では、便宜上、角速度を検出する対象となる２軸のそれぞれを検出する検出電極に対して第１検出電極及び第２検出電極の名称を与えていたが、各軸用の検出電極の名称は、第１検出電極及び第２検出電極のうち、任意の重複しない１つの名称が与えられてもよい。
【００４９】
＜第１の実施形態の変形例（１）＞
図４は、第１の実施形態の一部を変形した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。
【００５０】
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、本実施形態の一次振動の振動モード及び二次振動の振動モードは、第１の実施形態のそれらと同じ振動モードである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。
【００５１】
図４に示すように、本実施形態のリング状振動ジャイロ２００は、各検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが１つずつ配置されている。このような各検出電極の配置であっても、本発明の効果が実質的に奏される。すなわち、各検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが存在することにより、２軸（Ｘ軸とＹ軸）のイン・プレーンの振動モードを用いた角速度の検出が可能となる。なお、第１の実施形態のそれと同じ電極面積の各検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが１つずつしか存在しないため、第１の実施形態と比較して検出能力が劣る。また、図４では、図１において便宜上図示していなかった交流電源１２，１２が表示されている。なお、実際の交流電源１２，１２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。
【００５２】
また、本実施形態では、各電極が偏在しているため、引き出し電極１４が形成されていないレッグ部１５が存在するが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、引き出し電極１４が形成されていないレッグ部１５が無くなっても、本実施形態と同等の効果が奏される。但し、無秩序なレッグ部１５の不在はリング状振動体１１の均質な振動に支障が生じ得るため、均等な角度だけ離れるように割り振られる位置にあるレッグ部１５のみを無くした構造が好ましい。
【００５３】
＜第１の実施形態の変形例（２）＞
図５は、第１の実施形態の一部を変形した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。
【００５４】
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、本実施形態の一次振動の振動モード及び二次振動の振動モードは、第１の実施形態のそれらと同じ振動モードである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。
【００５５】
図５に示すように、本実施形態のリング状振動ジャイロ３００上には、駆動電極１３ａ，１３ａと、モニタ電極１３ｆ，１３ｆと、Ｘ軸の角速度測定用の第１検出電極のうちの１つの電極１３ｂと、Ｙ軸の角速度測定用の第２電極のうちの１つの電極１３ｅのみが形成されている。また、各駆動電極１３ａの一部は、中央線のみならず、中央線から内周縁の近傍に至るまで配置されている。さらに、各検出電極１３ｂ，１３ｅは、その電極領域が、中央線から外周縁の近傍に至るまで又は中央線から内周縁の近傍に至るまで広がっている。このような各検出電極の配置であっても、第１の実施形態と実質的に同様の効果が奏される。すなわち、第１の実施形態が備えるＸ軸用の第１検出電極１３ｂ，１３ｃの内の少なくとも１つの電極と、同じくＹ軸用の第２検出電極１３ｄ，１３ｅの内の少なくとも１つの電極が存在することにより、２軸（Ｘ軸とＹ軸）のイン・プレーンの振動モードを用いた角速度の検出が可能となる。
【００５６】
ところで、各駆動電極１３ａは、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動のみを励起し、イン・プレーンの振動モードである二次振動を励起しにくいように配置されることが好ましい。これは、仮に、角速度が加わっていない状態で二次振動が発生すると、振動ジャイロ３００のゼロ点出力を発生させる要因となるからである。イン・プレーンの振動モードでは、各駆動電極１３ａが中央線を含むように配置されることは、中央線付近の歪みが小さいことによってイン・プレーンの振動モードである二次振動を励起しにくくなるため、好ましい一態様となる。なお、イン・プレーンの振動モードでは中央線を境として歪み方向が逆になるため、中央線に対して対称となるように各駆動電極１３ａが配置されることがさらに好ましい一態様となる。また、たとえ複数の駆動電極１３ａが中央線に対して対象となるように配置されていなくても、採用する振動モードに応じてイン・プレーンの振動モードを励起させにくい各駆動電極１３ａの配置は多様に存在する。従って、既述のとおり、各駆動電極１３ａが配置される第１電極配置領域は、第２電極配置領域と電気的に接しないリング状振動体１１の上面の領域として定義される。
【００５７】
また、各検出電極１３ｂ、１３ｅは、その電極領域が中央線を含むように配置されているが、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のみ及び／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のみの配置の方が、イン・プレーンの二次振動の振動モードの検出感度が向上する。これは、イン・プレーンの振動モードでは、中央線を境として歪み方向が逆になるため、中央線を越えて存在する電極領域からの信号が検出信号の強さを弱めてしまうためである。
【００５８】
ところで、本実施形態では、第１の実施形態に採用された差分回路が不要となるため、回路の単純化が図られる。また、本実施形態では、特に、１つの駆動電極１３ａの面積が第１の実施形態のそれよりも大きく形成されている。このように、駆動電極１３ａの面積を大きく取ることにより、駆動に必要な電力を抑制することもできる。
【００５９】
また、本実施形態では、モニタ電極１３ｆの面積が第１の実施形態のそれと同じであるが、これに限定されない。モニタ電極の面積を増やすことにより、検出能力が向上することは好ましい一態様である。
【００６０】
また、本実施形態では、各電極が偏在しているため、引き出し電極１４が形成されていないレッグ部１５が存在するが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、引き出し電極１４が形成されていないレッグ部１５が取り除かれても、本実施形態と同等の効果が奏される。但し、無秩序なレッグ部１５の不在は、リング状振動体１１の均質な振動に支障が生じ得るため、均等な角度だけ離れるように割り振られる位置にあるレッグ部１５のみが取り除かれた構造が好ましい。
【００６１】
＜第１の実施形態の変形例（３）＞
図６は、第１の実施形態の一部を変形した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図２に相当する断面図である。
【００６２】
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６に示すリング状振動ジャイロ４００の平面視においては、他の領域との対比におい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。加えて、この実施形態で開示された圧電体膜４０がエッチングされた態様は、少なくとも本出願の全ての実施形態で適用され得る。
【００６３】
＜第１の実施形態の変形例（４）＞
上述の第１の実施形態及びその変形例（１）乃至（３）では、２軸の角速度を検出し得る振動ジャイロの構造が説明されているが、１軸の角速度検出のための各検出電極の配置も第１の実施形態から導き出される。
【００６４】
例えば、第１検出電極及び第２検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅのうち、Ｘ軸の角速度測定用の第１検出電極１３ｂ，１３ｃのみがリング状振動体１１上に配置されることにより、１軸の角速度を検出する振動ジャイロが製造される。すなわち、第１検出電極及び第２検出電極のうちの１つの軸に対応する検出電極が選択されることにより、１軸の角速度を検出する振動ジャイロを得ることができる。なお、例えば、各第１検出電極１３ｂ，１３ｃのうち、１つの第１検出電極（例えば、１３ｂ）のみが配置されることにより、本発明の効果が実質的に奏されることは既に述べたとおりである。
【００６５】
＜第２の実施形態＞
図７は、本実施形態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。また、図８は、図７のＢ−Ｂ断面図である。
【００６６】
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５００は、第１の実施形態のリング状振動ジャイロ１００と同様、複数の電極１３ａ〜１３ｆを備える。本実施形態では、いずれの電極も、中央線よりも外側か、又は中央線よりも内側に配置されている。
【００６７】
ところで、本実施形態では、図１２Ａに示すアウト・オブ・プレーンのｃｏｓ３θの振動モードでリング状振動ジャイロ５００の一次振動が励起される。他方、本実施形態の二次振動の振動モードは、イン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードである。従って、前述の複数の電極１３ａ〜１３ｆ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，１３ａの内の１つの駆動電極１３ａ（例えば、図９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６０°、１８０°、及び３００°離れた角度に３つのモニタ電極１３ｆ，１３ｆ，１３ｆが配置される。また、リング状振動体１１上の圧電素子が配置される平面、換言すれば、図９における紙面を図中のようにＸ‐Ｙ平面とした場合に、Ｘ軸まわりの角速度検出用の第１検出電極１３ｂ，１３ｃが、基準電極から円周方向であって０°、９０°、１８０°、及び２７０°離れた角度に配置される。同様に、Ｙ軸まわりの角速度検出用の第２検出電極１３ｄ，１３ｅが、基準電極から円周方向であって４５°、１３５°、２２５°、及び３１５°離れた角度に配置される。
【００６８】
このような各検出電極の配置であっても、本発明の効果が実質的に奏される。すなわち、各検出電極１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅが存在することにより、２軸のイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードを用いた角速度の検出が可能となる。具体的には、Ｘ軸のイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードは図１２Ｂに示され、Ｙ軸のイン・プレーンのｃｏｓ２θの振動モードは図１２Ｃに示される。
【００６９】
なお、本実施形態では、駆動電極１３ａ，１３ａ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ているが、これに限定されない。各駆動電極１３ａは、アウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動のみを励起し、イン・プレーンの振動モードである二次振動を励起しにくいように配置されることが好ましい。これは、仮に、角速度が加わっていない状態で二次振動が発生すると、振動ジャイロ５００のゼロ点出力を発生させる要因となるからである。従って、イン・プレーンの振動モードでは、各駆動電極１３ａが中央線を含むように配置されることは、中央線付近の歪みが小さいことによってイン・プレーンの振動モードである二次振動を励起しにくくなるため、好ましい一態様となる。なお、イン・プレーンの振動モードでは中央線を境として歪み方向が逆になるため、中央線に対して対称となるように各駆動電極１３ａが配置されることがさらに好ましい一態様となる。
【００７０】
＜第２の実施形態の変形例＞
図９は、第１の実施形態の一部を変形した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。また、図１０は、図９のＣ−Ｃ断面図である。
【００７１】
本実施形態のリング状振動ジャイロ６００は、第２の実施形態と比較して、リング状振動体１１の周囲に溝又はレッグ部１７を介して固定端６０が形成されている。また、レッグ部１７及び固定端６０上には、駆動電極１３ａ，１３ａ，１３ａ及びモニタ電極１３ｆ，１３ｆ，１３ｆを起点とする引き出し電極１４及び電極パッド１８が形成されている。さらに、前述のレッグ部１７上の引き出し電極１４が形成されたために、レッグ部１５及び固定端１９上の引き出し電極１４及び電極パッド１８は取り除かれている。さらに、本実施形態では、第２の実施形態のリング状振動ジャイロ５００が有する１６本のレッグ部１５のうち、８本のレッグ部１５は取り除かれている。本実施形態のリング状振動ジャイロ６００は、上述の点以外は、第２の実施形態と同じ構成を備えている。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、本実施形態の一次振動の振動モード及び二次振動の振動モードは、第２の実施形態のそれらと同じ振動モードである。従って、第１の実施形態と重複する説明は省略される。また、本実施形態では、図面を見やすくするために、駆動電極１３ａ，１３ａ，１３ａに接続する交流電源は図示されていない。
【００７２】
本実施形態のレッグ部１７の形成により、リング状振動体１１上の複雑な配線が不要となる。従って、製造工程の不具合等による引き出し電極間の短絡の危険性が大きく軽減する。図９に示すとおり、各電極の幅の中央部に引き出し電極１４が接合しているため、電気信号の偏りは生じない。また、各レッグ部１５，１７の間隔が広がるため、製造プロセス上、エッチングレートが向上することによるスループットの改善や、エッチング工程の歩留まりの向上が期待できる。他方、固定端６０が形成されることにより、振動ジャイロのサイズが第１の実施形態のそれと比較して大きくなる。
【００７３】
ところで、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に示すリング状振動ジャイロ７００の十二角形状の振動体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。なお、図１３では、図１等とは異なり、図を見やすくするために、レッグ部及び支柱は図示されていない。
【００７４】
また、上述の第１の実施形態及びその変形例（１）乃至（３）では、モニタ電極１３ｆ，１３ｆが同じ位置乃至領域内に配置されていたが、これに限定されない。すなわち、モニタ電極１３ｆは、Ｎを２以上又は３以上の自然数とした場合であって、駆動電極１３ａの１つを基準駆動電極とし、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、必ずしも、その基準駆動電極１３ａから円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置される必要はない。例えば、ｃｏｓＮθの振動モードの場合であって、Ｌ＝０，１，・・・，２Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、各モニタ電極１３ｆが、基準駆動電極から、円周方向に（１８０／Ｎ）×｛Ｌ＋（１／２）｝°離れた以外の角度の配置、又はその角度の位置に対して線対称となるような配置を避けるように配置されることにより、第１の実施形態又はその変形例による効果が実質的に奏される。なお、特に小型化されたリング状振動体１１の限定された平面領域の中では、第１の実施形態で示したようなモニタ電極１３ｆの配置が、他の電極群の配置及び／又は引き出し電極の配置を容易にすることになる。具体的には、モニタ電極１３ｆは、Ｎを２以上又は３以上の自然数とした場合であって、駆動電極１３ａの１つを基準駆動電極とし、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極１３ａから円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置されることは好ましい一態様といえる。
【００７５】
上述の具体的な一例は、図１４Ａに示すリング状振動ジャイロ８００である。リング状振動ジャイロ８００のモニタ電極２１３ｆ，２１３ｆは、Ｎを２以上又は３以上の自然数とした場合であって、駆動電極１３ａの１つを基準駆動電極とし、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、必ずしも、その基準駆動電極１３ａから円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置されていない。しかしながら、図１４Ａに示すモニタ電極２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆの配置であっても、第１の実施形態と同様の効果が奏される。
【００７６】
また、他の一例は、図１４Ｂに示すリング状振動ジャイロ８２０である。リング状振動ジャイロ８２０のモニタ電極３１３ｆ，３１３ｆは、図１４Ａのリング状振動ジャイロ８００のモニタ電極２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆのうちの２つが取り除かれた状態となるように配置されている。しかしながら、図１４Ｂに示すモニタ電極３１３ｆ，３１３ｆの配置であっても、第１の実施形態と同様の効果が奏される。
【００７７】
また、他の一例は、図１４Ｃに示すリング状振動ジャイロ８４０である。リング状振動ジャイロ８４０のモニタ電極４１３ｆ，４１３ｆは、図１４Ａのリング状振動ジャイロ８００のモニタ電極２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆのうちの他の２つが取り除かれた状態となるように配置されている。しかしながら、図１４Ｃに示すモニタ電極３１３ｆ，３１３ｆの配置であっても、第１の実施形態と同様の効果が奏される。
【００７８】
加えて、他の一例は、図１４Ｄに示すリング状振動ジャイロ８６０である。リング状振動ジャイロ８６０のモニタ電極５１３ｆ，５１３ｆは、図１４Ａのリング状振動ジャイロ８００のモニタ電極２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆ，２１３ｆのうちの上述とは別の２つが取り除かれた状態となるように配置されている。しかしながら、図１４Ｄに示すモニタ電極５１３ｆ，５１３ｆの配置であっても、第１の実施形態と同様の効果が奏される。
【００７９】
さらに、他の一例は、図１４Ｅに示すリング状振動ジャイロ８８０である。リング状振動ジャイロ８８０のモニタ電極６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆの幾つかは、リング状振動体１１の内周縁から中央線に至るまでの領域上に配置されている。他方、第２検出電極１３ｄ，１３ｅの電極面積は縮小されている。しかしながら、図１４Ｅに示すモニタ電極６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆの配置であっても、検出電極の感度が下がることによってＳ（信号）とＮ（ノイズ）比（所謂、Ｓ／Ｎ比）が悪くなる点を除いて、第１の実施形態と同様の効果が奏される。同様に、モニタ電極６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆ，６１３ｆの幾つか又は全てが、リング状振動体１１の外周縁から中央線に至るまでの領域上に配置されていても、第１の実施形態と同様の効果が奏される。
【００８０】
なお、上述のモニタ電極１３ｆの配置の技術思想は、上述の第２の実施形態にも適用され得る。具体的には、例えば、図１４Ｆのリング状振動ジャイロ９００のモニタ電極７１３ｆ，７１３ｆ，７１３ｆのように、各モニタ電極が、各駆動電極から３０°離れた角度以外の角度に配置されることにより、第２の実施形態による効果が実質的に奏される。
【００８１】
上述の各例に示すように、本発明のリング状振動ジャイロは、いずれもアウト・オブ・プレーンの振動モードの一次振動が励起されるため、リング状振動体１１の平面上のモニタ電極の配置は、その内周縁から外周縁に至るまでの領域上であれば、高い自由度が与えられることになる。但し、例えば、ｃｏｓＮθの振動モードの場合であって、Ｌ＝０，１，・・・，２Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、各モニタ電極１３ｆは、基準駆動電極から円周方向に（１８０／Ｎ）×｛Ｌ＋（１／２）｝°離れた角度の配置、又はその角度の位置に対して線対称となるような配置を避けるように配置される。前者の理由は、その位置に配置されるとリング状振動子１１の歪みがゼロ（０）となるからである。また、後者の理由は、歪み方向が互いに逆方向のため、その歪みが相殺されるからである。なお、特に小型化されたリング状振動体１１の限定された平面領域の中では、第１の実施形態で示したようなモニタ電極１３ｆの配置が、他の電極群の配置及び／又は引き出し電極の配置を容易にすることになる。具体的には、モニタ電極１３ｆは、Ｎを２以上又は３以上の自然数とした場合であって、駆動電極１３ａの１つを基準駆動電極とし、且つＭ＝０，１，・・・，Ｎ−１（以下、本パラグラフ内において同じ）とした場合に、その基準駆動電極１３ａから円周方向に〔（３６０／Ｎ）×｛Ｍ＋（１／２）｝〕°離れた角度に配置されることは好ましい一態様といえる。
【００８２】
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、各実施形態の他の組合せを含む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。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
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適用され得る。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１４Ｆ】
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