(57)【要約】本発明の結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器の製造方法は、結晶質材料が三方（１）又は三方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか又は、立方構造の材料（シリコンを除く）から選択されるときは、［１１１］平面に切削され、その場合は２次振動モードで使用され、あるいは、結晶質材料が正方（１）又は正方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか、又は、それが立方構造の材料から選択されるときは、［００１］又は［１００］平面（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削され、そしてその場合は３次振動モードが使用され、これによって共振器は自然の材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示すことを特徴としている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶質材料が三方（１）又は三方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか又は、立方構造の材料（シリコンを除く）から選択されるときは、［１１１］平面に切削され、その場合は２次振動モードで使用され、
あるいは
結晶質材料が正方（１）又は正方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか、又は、それが立方構造の材料から選択されるときは、［００１］又は［１００］平面（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削され、そしてその場合は３次振動モードが使用され、
よって共振器は自然の材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示すことを特徴とする、結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器の製造方法。
【請求項２】
共振器が材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）示すように、
結晶質材料が、
ａ）［００１］平面に切削された正方（１）又は正方（２）構造の結晶質材料、その場合共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；
ｂ）［００１］平面に切削された三方（１）又は三方（２）構造の結晶質材料、その場合共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；
ｃ）［００１］平面に切削された六方構造の結晶質材料、その場合共振器は２次及び３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；及び
ｄ）以下の立方構造の結晶質材料：
‐［１１１］平面（シリコンを除く）に切削されたもの、その場合共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
又は
‐［００１］、［１００］（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削されたもの、その場合共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
から選択されることを特徴とする、結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器に基づくジャイロスコープ式装置の分野に於いて行なわれた改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロスコープ式装置は１本又はそれ以上の特定の軸について回転速度又は回転角を測定するための装置である。
【０００３】
現在、ジャイロスコープ式装置を製造するために使用される多くの技術が存在するが、当今は低コストで大量生産を達成することができ、高レベルの急激な加速に耐えることができ、且つ広範囲の回転速度で正確な測定値を与えることのできる非常にコンパクトな装置（数立方センチメートル以内のサイズ）を備える必要性が存在する。かかる装置の潜在的な適用分野の中で、特記すべきは小型スピン制御ミサイル（例えば、短距離対戦車ミサイル）や回転制御の軍需品（弾丸や迫撃砲）、即ち、代表的にはスピン制御ミサイルやフィン制御発射体の場合は秒当り数回転、またジャイロ制御発射体の場合は秒当り数百回転と高い整定回転速度で回転軸周りを回転する発射体の航行と誘導である。
【０００４】
この要件を満たすには、マイクロ機械加工構造の制作と組合された振動ジャイロスコープ技術が特に適している。しかしながら、いくつかの定式化が出現しまた比較的進んだ開発及び工業化の段階に到達しているけれども、それらのいずれも回転軸周りの回転測定を必要とする上述の用途により提起される問題を正しく解決することができない。かかる定式化が必要性を正しく満足できないのは以下の２つの原因の組合せによる：
‐第１の原因は、それらが本質的にジャイロメーター式フィードバック制御（角速度の測定）に適していること；
‐第２の原因は、ジャイロメーター式フィードバック制御が充分な精度を提供るすには回転軸周りの回転速度が動学的に早すぎ、および／または結果的に使用するセンサ電子機器が飽和状態になる。
【０００５】
従って、提起された問題に対する唯一可能な一般的解決法がジャイロスコープ式フィードバック制御（回転角の測定）に本質的に適した装置の使用にあることは知られている。さらに、文書ＦＲ  ２７５６３７５に明記されているように、担体の回転軸沿いに設置された振動する機械的共振器のジャイロスコープ式フィードバック制御は高い目盛り係数精度を得ることを可能にする。担体の横軸についてジャイロメーター・モードでフィードバック制御される共振器との組合せで、このように横方向共振器の偏り誤差が担体の回転軸周りの１回転で相殺されるような高性能システムを製造可能にする。
【０００６】
振動ジャイロスコープ技術に基づく装置の場合、最適なジャイロスコープ式フィードバック制御の条件は、コリオリの力の影響を通じて結合された２つの有用なモード間の周波数異方性が本質的にゼロであるような構造の探索を含む。
周波数異方性は以下の３つの主要項に分解できる：
Δｆ＝Δｆm＋Δｆg＋Δｆs
ここで、
Δｆは総周波数異方性、
Δｆmは共振器の材料により導入される周波数異方性、
Δｆgは共振器の幾何学的形状により導入される周波数異方性、及び
Δｆsは共振器の懸架装置や付属品により導入される周波数異方性である。
【０００７】
例えば、使用される電子機器により導入される異方性など、他の項も追加できるが、しかし、これらの項は本書で言及する項と比較して二次的であると見なされる。
【０００８】
よって、総周波数異方性Δｆがゼロであるには、これらの成分Δｆm、Δｆg及びΔｆsがすべてゼロであれば充分である。その他の充分条件も可能であるが、それらは必ずΔｆm及び／又はΔｆg及び／又はΔｆs成分の間の補償を伴い、これは共振器の構造の定義の複雑さを増長し且つこの構造が何らかのパラメータの変動に対して特に影響を受けやすくなる。従って、Δｆm、Δｆg及びΔｆsの各項がゼロであるような構造を探すのが基本的に重要であると思われる。しかしながら、その固有の対称性又は共振器構造を支持するウェーハが切断される切削平面から生じるその対称性を通じて共振器の構成材料を考慮することが基本的であるのにも関わらず、微細機械加工された共振器構造の場合に通常採用されるアプローチは幾何学的側面のみを考慮することが分かっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記に説明したことを示す例として、その幾何学的形状がジャイロスコープ式フィードバック制御に完全に適した振動リングの既知の例を考慮することができる。［００１］平面に切削されたシリコン・ウェーハ（ウェットエッチングによる）中にこの構造を生成することによりまた主要モードとして及び二次モードとして楕円変形の２つの平面モードを使用することにより、勿論Δｆg＝０を得ることができるが、しかしΔｆmは１Ｈｚよりずっと大きい。実際には、直径が５ｍｍで厚みが１００μｍの平均周波数が４００Ｈｚのリングでは、Δｆm＝２５０Ｈｚが得られ、そのため最後には、付属品やその他の要素により導入される周波数異方性を無視することにより、約２５０Ｈｚの総周波数異方性Δｆが得られる。この結果は有効なジャイロスコープ式フィードバック制御と両立せずまた超小形電子工学技術を使用して得られる共振器の場合に提起される問題を明確に示している。
【００１０】
これは微細機械加工された共振器構造物が、支持材料として、元来異方性でありまたよって電子工学の集合的プロセスで実施されているように、化学的エッチングによる微細機械加工にそれら自身特に適している結晶質材料を使用するからである。しかしながら、機械加工作業の集合的側面に関わる利点に対する代償として、材料の異方性の重大な欠点が存在する。使用されるモードの対称性と一致する材料の対称性に関する選択規則が尊重されない場合、この異方性は結果として取り返し不能に非ゼロ項Δｆmを生じる。
【００１１】
従って、本発明が材料（Δｆm＝０）により導入される周波数等方性を得るための手段を提供することを唯一の目的としていること、及び幾何学的形状（Δｆg）及び懸架装置（Δｆs）によって周波数等方性を得る問題は固有ジャイロスコープ式装置の（例として文書ＦＲ  ０１／０２４９８を参照）を構成可能な総周波数等方性（Δｆ＝０）を得る目的で別途解決されるべきであることを理解した上で、発明の目的は平らな構造の振動共振器がそれから切削される結晶質材料により導入される周波数等方性を確実に達成する先端技術的解決法（方法と装置）を提案することにある。
【００１２】
共振器の材料が等方性であるとすれば、２つのｋ次モードの固有パルスは等しくなり、これはｋが何であってもそうであること、即ち、ω1＝ω2＝ωであることを理解すべきである。
【００１３】
その上、２つのｋ次固有モードの形状はπ／２ｋの角度の基準フレームの回転により同一である。よって、振動リングの２次モードは互いにπ／４＝４５°の角度でずれた楕円形に相当する。同様に、振動リングの３次モードは互いにπ／６＝３０°の角度でずれた三裂的形状に相当する。
【００１４】
結晶質材料の切断面は、その正規ベクトルＶの位置により決定され、これ自身は正規直交座標系０ｅｘ、ｅｙ、ｅｚのその座標［ｘ、ｙ、ｚ］により決定される。よって、３つの情報項目［ｘ、ｙ、ｚ］の唯一のデータが正規ベクトルＶを、また従って切削面が単一に決定されることを許容する。例えば、［００１］データは正規ベクトルの座標を与え且つ平面は（ｅｘ、ｅｙ）平面に平行である。
【００１５】
その上、現在既知の結晶質材料は剛性マトリクスとたわみ性マトリクスの表現の観点からは９つの族内の３２のクラスに分類することができる：特記すべきは正方（１）、正方（２）、三方（１）、三方（２）、六方及び立方族である。
【００１６】
最後に、振動共振器のｋ＝２とｋ＝３次の振動モードのみが現時点では実際上利用可能であるのに対して、より高次（ｋ＝４、５など）の振動モードの利用は非常に複雑な電子機器の使用を必要とするであろうこと（励磁／検知電極数の増加は小型、又はさらに超小型サイズのジャイロスコープ式装置の製造と両立しないであろう）も指摘しておくべきである。
【００１７】
疑いの余地なく、文書ＷＯ  ０１／５５６７５は、まさにシリコン結晶について、［１１１］平面に切削されたシリコン結晶で２次の振動モード及び［１００］平面に切削されたシリコン結晶で３次モードの可能性を記載している。しかしながら、これはシリコンのその他の可能な切断平面に関しては、又は立方構造のその他の結晶質材料で可能な切削平面、あるいはより一般的に他の結晶質材料の可能な切削平面に関しては２次および３次の振動の場合、当業者に如何なる指示も提供しない一つの特殊な情報項目である。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明にかかる結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器の製造方法においては、
結晶質材料が三方（１）又は三方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか又は、立方構造の材料（シリコンを除く）から選択されるときは、［１１１］平面に切削され、その場合は２次振動モードで使用され、
あるいは
結晶質材料が正方（１）又は正方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択されるとき、この材料は［００１］平面に切削されるか、又は、それが立方構造の材料から選択されるときは、［００１］又は［１００］平面（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削され、そしてその場合は３次振動モードが使用され、
よって共振器は自然の材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示すことを特徴としている。
【００１９】
本発明にかかる結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造を持つ機械的共振器は、
共振器が材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）示すように、
結晶質材料が、
ａ）［００１］平面に切削された正方（１）又は正方（２）構造の結晶質材料、その場合共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；
ｂ）［００１］平面に切削された三方（１）又は三方（２）構造の結晶質材料、その場合共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；
ｃ）［００１］平面に切削された六方構造の結晶質材料、その場合共振器は２次及び３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す；及び
ｄ）以下の立方構造の結晶質材料：
‐［１１１］平面（シリコンを除く）に切削されたもの、その場合共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
又は
‐［００１］、［１００］（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削されたもの、その場合共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
から選択されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
以上の結果として、構成結晶質材料の適切な選択による、前述の結晶質材料の切削平面及びｋ次振動モードの発明に基づき製造された共振器は、材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示し、また総周波数等方性Δｆ＝０が得られるならば（例えばΔｆg＝０及びΔｆs＝０、又はΔｆg＋Δｆs＝０で）、かかる共振器は最適設計のジャイロスコープ装置の核を構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
これを述べた上で、請求項１の発明に於いて、下記を特徴とする、結晶質材料内に機械加工された平らなモノリシック振動構造をもつ機械的共振器の製造方法を提案する：
‐結晶質材料が三方（１）又は三方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択される場合は、この材料は［００１］平面に切削されるか又は、立方構造の物質（シリコンを除く）から選択される場合は、それは［１１１］平面に切削され、且つその場合は２次振動モードが使用される、
あるいはまた、
‐結晶質材料が正方（１）又は正方（２）又は六方構造の結晶質材料から選択される場合は、この材料は［００１］平面に切削されるか、又は、それが立方構造の物質から選択される場合は、それは［００１］又は［１００］平面（シリコンを除く）か又は［０１０］平面に切削され、且つその場合は３次の振動モードが使用され、
よって共振器は自然の材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示す。
これらの特徴は以下のように要約することができる：
【００２２】
【数１】
2005527805.tif 000002
【００２３】
【数２】
2005527805.tif 000003
【００２４】
勿論、提示された規定の使用は、幾何学的形状ベースの等方性Δｆg＝０を結果として生じる軸対称構造を伴い得る。
【００２５】
その請求項２の発明に基づき、本発明は材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示すための共振器について、結晶質材料が以下から選択されることを特徴とする、結晶質材料により機械加工された平らなモノリシック振動構造をもつ機械的共振器を提案する：
ａ）［００１］平面に切削された正方（１）又は正方（２）構造の結晶質材料、この場合、共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
ｂ）［００１］平面に切削された三方（１）又は三方（２）構造の結晶質材料、この場合、共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
ｃ）［００１］平面に切削された六方構造の結晶質材料、この場合、共振器は２次及び３次の両方の振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
ｄ）以下の立方構造の結晶質材料：
‐［１１１］平面（シリコンを除く）に切削されたもので、この場合、共振器は２次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す
又は
‐［００１］、［１００］（シリコンを除く）又は［０１０］平面に切削されたもので、この場合、共振器は３次振動モードで材料ベースの周波数等方性を示す。
【００２６】
この結果として、構成結晶質材料の適切な選択による、前述の結晶質材料の切削平面及びｋ次振動モードの発明に基づき製造された共振器は材料ベースの周波数等方性（Δｆm＝０）を示し、また総周波数等方性Δｆ＝０が得られるならば（例えばΔｆg＝０及びΔｆs＝０、又はΔｆg＋Δｆs＝０で）、かかる共振器は最適設計のジャイロスコープ装置の核を構成することができる。
【国際調査報告】
2005527805.tif 000004
2005527805.tif 000005
2005527805.tif 000006
2005527805.tif 000007