JP4761076B2

JP4761076B2 - ジャイロスコープ

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Publication number: JP4761076B2
Application number: JP2007517683A
Authority: JP
Inventors: 信三田; 宏文斎藤; 洋年吉
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: US8288188B2; CN101180516A; CN101180516B; JPWO2006126253A1; US20110086455A1; US7832271B2; US20090090200A1; WO2006126253A1

Description

本発明は、ジャイロスコープ、特に小型で高性能なジャイロスコープ及びその製造方法に関する。

近年、宇宙空間で作動する宇宙機に使用されるジャイロスコープは、小型で、高性能なものが求められている。
また、自動車等のナビゲーションシステム、ゲーム機、カメラ等において小型のジャイロスコープが必要とされている。

ジャイロスコープで利用するコリオリ力は、検出用質量の質量と速度が大きくなると、大きくなる。ジャイロスコープを小型化するため、検出用質量を小型化すると、質量が小さくなる。小さい質量で大きいコリオリ力を得るには、検出用質量の速度を速くする必要がある。しかし、検出用質量の速度には限度がある。
そのため、従来のジャイロスコープは、小型化すると、感度や安定性が低下するという欠点があった。

図１は、コリオリ力について説明する概略図である。質量ｍの検出用質量5が支持バネ4により、支持枠2に結合されている。支持バネ4はコイルバネの形で示す。検出用質量5をｘ方向に速度ｖで駆動し、この系に角速度Ωの回転を与えると、ｙ方向にコリオリ力Ｆ_coriが生じる。
Ｆ_cori＝２ｍΩｖ (1)
式(1)から分るように、大きなコリオリ力を得るためには、検出用質量5の質量ｍ及び速度ｖを大きくする必要がある。
検出用質量5を振幅ｘ₀、角周波数ωで駆動した場合、検出用質量5の変位ｘは、次式で表すことができる。
ｘ＝ｘ₀sin(ωｔ) (2)
検出用質量5の変位ｘを時間で微分すると、速度ｖ(ｔ)が得られる。
ｖ(ｔ)＝ｄｘ/ｄｔ＝ｘ₀ωcos(ωｔ) (3)

よって、コリオリ力Ｆ_coriは、
Ｆ_cori＝２ｍΩｘ₀ωcos(ωｔ) (4)
と表すことができ、振幅だけを考えると、
Ｆ_cori＝２ｍΩｘ₀ω (5)
となる。
即ち、大きなコリオリ力を得るためには、検出用質量5の質量ｍを大きくし、駆動する距離と周波数を大きくする必要がある。

機械振動系の場合、駆動周波数の上限は系の共振周波数である。共振周波数では、振幅がＱ値だけ大きくなることが期待されるが、実際には質量が移動可能な距離は構造上限界があるため、それほど大きくならない。
また、検出用質量を共振周波数で駆動する（Ｑ値を使う）と、振幅は周波数の変動に敏感になり、安定性が損なわれる。そのため、検出用質量は共振周波数で駆動しない方が、安定性は向上する。

駆動周波数を共振周波数に設定したと仮定する。集中定数のバネ−マス系のモデルで考え、バネ4のバネ定数をｋとすると、共振振動の角周波数ω_resは、
ω_res＝√(ｋ/ｍ) (6)
となる。
この式を(5)式に代入すると、
Ｆ_cori＝２ｍΩｘ₀√(ｋ/ｍ)＝２Ωｘ₀√(ｍｋ) (7)
となり、コリオリ力は振幅ｘ₀に比例し、バネ定数ｋと質量ｍの１/２乗に比例する。

検出用質量5の質量ｍが小さいマイクロジャイロの場合、検出用質量5を振動させるアクチュエータの駆動力を大きくして、検出用質量5を振動させる振幅ｘ₀を大きくすれば、大きいコリオリ力を発生することができる。即ち、ジャイロスコープの感度が向上する。しかし、ジャイロスコープの構造により振幅ｘ₀には限界がある。
また、バネ定数ｋを大きくすると、質量ｍを大きくするのと同様に、大きいコリオリ力を発生することができる。

特許文献１は、シリコン基板をエッチングすることによって、一体的に形成された振動ジャイロを開示する。
しかし、このジャイロスコープは、振動体は１つであり、発生するコリオリ力は小さい。また、１枚のシリコン基板から作成するので、多層化するのが難しい。

そのため、さらに小型軽量で高性能のジャイロスコープの開発が望まれている。また、このようなジャイロスコープを製造する方法が望まれている。

特開平５-２０９７５４号

本発明の目的は、小型軽量で高性能なジャイロスコープを提供することである。
本発明の他の目的は、マイクロマシニング技術を使用して、このようなジャイロスコープの製造方法を提供することである。

本発明のジャイロスコープは、複数の検出用質量を有し、各々の検出用質量を同期させて振動させ、発生するコリオリ力を足し合わせ、１つの検出用質量を高速で振動させた場合以上のコリオリ力を得ることができる。

本発明の１態様によるジャイロスコープは、
外枠と、
前記外枠内に配置された内枠と、
前記内枠内に配置された複数の検出用質量と、
前記外枠と前記内枠とを結合し、前記外枠に対して前記内枠を一方向に移動可能に支持する複数の外側支持バネと、
前記内枠と各々の前記検出用質量とを結合し、前記検出用質量を前記一方向と垂直な方向に移動可能に支持する複数の内側支持バネと、
各々の前記検出用質量を加速するためのアクチュエータと、
前記外枠に対する前記内枠の変位を検出するための検出器とを備え、
前記アクチュエータにより、前記複数の検出用質量を振動させ、それぞれの検出用質量の振動により発生するコリオリ力が前記内枠で足し合わされるようになっている。
前記複数の検出用質量は同位相で振動させることが好ましい。

本発明のこの態様によれば、個々の検出用質量により生じるコリオリ力を内枠で足し合わせることにより、大きいコリオリ力を得ることができる。

本発明の他の態様によるジャイロスコープは、
外枠と、
前記外枠内に配置された内枠と、
前記内枠内に、前記内枠の回転軸を中心とする円周上に配置された複数の検出用質量と、
前記外枠と前記内枠とを結合し、前記内枠を前記回転軸を中心として回転可能に支持する複数の外側支持バネと、
前記内枠と各々の前記検出用質量とを結合し、前記検出用質量を前記内枠の半径方向に移動可能に支持する複数の内側支持バネと、
各々の前記検出用質量を加速するためのアクチュエータと、
前記外枠に対する前記内枠の変位を検出するための検出器とを備え、
前記アクチュエータにより、前記複数の検出用質量を同期して振動させ、それぞれの検出用質量の振動により発生するコリオリ力が前記内枠で足し合わされ、前記内枠に回転トルクが発生するようになっている。

本発明のこの態様によれば、個々の検出用質量により生じるコリオリ力を内枠で足し合わせることにより、コリオリ力による大きいトルクを得ることができる。

シリコンでできた第１の層と第２の層とを備え、前記外枠と、前記内枠と、前記検出用質量とは、前記第１の層と前記第２の層の両方にわたって配置され、前記外側支持バネと前記内側支持バネとは、第１の層又は第２の層の何れか一方に配置されることが好ましい。
第１の層と第２の層に異なる構造を形成することができるので、設計の自由度があがる。

本発明の他の態様は、シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、外枠と、内枠と、検出用質量と、前記外枠と前記内枠とを結合する外側支持バネと、前記検出用質量と前記内枠を結合する内側支持バネとを備えるジャイロスコープを一体に形成する製造方法である。この製造方法は、
(a)第１の面にシリコン酸化膜を堆積してパターニングし、前記シリコン酸化膜の上にアルミニウム層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の第２の面にアルミニウム層を堆積してパターニングし、
(b)前記第１の面から、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、第１の層の構造を形成し、
(c)前記第１の面の前記アルミニウム層を除去し、前記シリコン酸化膜を露出させ、再び前記第１の面よりエッチングを行い、前記シリコン酸化膜でマスクされた部分以外をエッチングして、前記第１の層の可動部分が浮いた構造とし、
(d)前記第２の面よりエッチングを行い、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外をエッチングして、第２の層の構造を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記第１の層と前記第２の層の構造を前記外枠から切り離す、ステップを備える。

この方法によれば、シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板を用い、マイクロマシニング技術を使用して、ジャイロスコープの構成要素を単一の基板上に２層構造で作成することができる。

前記(b)、(c)、(d)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行うことが好ましい。

本発明によれば、小型軽量で高性能で安定性の良いジャイロスコープを得ることができる。
複数の検出用質量を用いることにより、個々の検出用質量のばらつきを平均化し、動作の安定したジャイロスコープを得ることができる。
また、製造方法が簡単なので、このようなジャイロスコープを安価に製造することができる。

図２は、２つの検出用質量を有するジャイロスコープのコリオリ力について説明する概略図である。支持バネ4は１本の線で示す。(a)は初期状態を示し、(b)は検出用質量5a,5bを同位相で振動させ、角速度Ωで回転している状態を示す。(6)式から、検出用質量5の質量が小さくなると、共振周波数は大きくなる。そこで、検出用質量5を5a,5bの２つに分割すると、共振周波数は大きくなる。そして、個々の検出用質量5a,5bを同位相で振動させることにより、個々の検出用質量5a,5bは同じ方向のコリオリ力Ｆ_coriを発生する。このコリオリ力を足しあわすことができれば、１つの検出用質量5を駆動する場合より大きなコリオリ力を得ることができる。

図３も、２つの検出用質量を有する場合のコリオリ力について説明する概略図である。図３では、それぞれの検出用質量5a,5bは、２本の支持バネ4により支持され、ｙ（上下）方向に動くことができるが、ｘ（左右）方向には動けないように拘束されている。検出用質量5a,5bをｙ方向に振動させて、角速度Ωで回転させると、ｘ方向にコリオリ力Ｆ_coriが発生し、コリオリ力は支持バネ4を通して支持枠2に伝達される。２つの検出用質量5a,5bを同位相で振動させる場合、それぞれの検出用質量5a,5bにより発生するコリオリ力は同方向であり、発生したコリオリ力は支持枠2で加算される。

図４は、本発明の第１の実施形態による４つの検出用質量15を有するジャイロスコープ10の概略平面図である。ジャイロスコープ10は、シリコン酸化膜の両面にシリコン層を有する絶縁体上シリコン(ＳＯＩ(Silicon on Insulator))基板から成形されたものである。ジャイロスコープ10は、断面がほぼ４角形の外枠11と、外枠11内の断面がほぼ４角形の内枠12とを備える。内枠12のｘ方向の２つの辺の中央部12aは、それぞれｙ軸に平行な２つの外側支持バネ13により外枠11の内側に結合されている。外側支持バネ13は厚さが薄い板状体であり、外側支持バネ13の一端部が外枠11の内側に結合された状態で、内枠12の中央部12aに固定された外側支持バネ13の他端部はｘ方向のみに移動することができる。外側支持バネ13のｙ方向の長さは変化せず、また外側支持バネ13はｚ軸方向にも曲がらない。従って、内枠12は外枠11内でｘ方向に移動することができるようになっている。静止状態では、内枠12は外側支持バネ13により中立位置に位置する。
ジャイロスコープ10は、内枠12内に４つの検出用質量15を備える。各検出用質量15のｙ方向の２つの辺の中央部15aは、それぞれｘ軸に平行な２本の内側支持バネ14により内枠12の内側に結合されている。内側支持バネ14は厚さが薄い板状体である。検出用質量15は内枠12内でｙ方向に移動できるようになっている。静止状態では、各検出用質量15は内側支持バネ14により中立位置に位置する。

ジャイロスコープ10は、それぞれの検出用質量15をｙ方向に振動させるためのアクチュエータ16を有する。アクチュエータ16は、静電駆動型のものである。即ち、内枠12に結合したフィンガー状の電極16aと、検出用質量15の延長部15bとが交互に配置され、電極16aと延長部15bとの間に電圧を印加することにより、静電力により検出用質量15を駆動する。これ以外に、圧電駆動、磁気駆動等のアクチュエータを使用することもできる。外枠11には、内枠12の変位を検出するための検出器17が設けられている。検出器17は、検出用電極17aと内枠12の延長部12bとの間の静電容量の変化で変位を検出するものである。又は、ピエゾ抵抗の変化等他の方法により変位を検出することもできる。

それぞれの検出用質量15は、アクチュエータ16により、図４のｙ方向に同位相で振動される。この状態で、ジャイロスコープ10をｚ軸の周りに角速度Ωで回転させると、ｘ軸方向にコリオリ力が生じる。それぞれの検出用質量15で発生するコリオリ力は同方向であり、内枠12で加算され、内枠12には合計のコリオリ力が作用する。内枠12は、コリオリ力と、外側支持バネ13のバネ定数で決まる距離だけｘ方向に変位する。検出器17により、内枠12の変位を検出することにより、内枠12で加算されたコリオリ力を求めることができる。
図４には、４つの検出用質量を備えるジャイロスコープを示すが、検出用質量の数は４つに限定されるものではなく、３つ又はそれ以上あればよい。１実施例では、120ｍｍ×120ｍｍ、厚さ0.52ｍｍのＳＯＩ基板に、７×７個の検出用質量を備える。

図５は、２つの検出用質量を逆位相で振動させる場合の概略図である。支持バネ4はコイルバネの形で示す。検出用質量が同位相で振動する振動型ジャイロスコープの場合、加速度等の外乱があると、それをコリオリ力として検出してしまう。そこで、図５に示すように、検出用質量5a,5bを互いに逆位相で振動させると、逆方向のコリオリ力Ｆ_cori1、Ｆ_cori2が発生し、それぞれの発生するコリオリ力の差を取ると、外乱を除去することができる。しかし、この構造では検出用質量5a,5bにより発生するコリオリ力の方向が互いに反対であるため、コリオリ力は互いに打ち消しあい、足し合わせることができない。

図６は、２つの検出用質量5a,5bを回転軸8の周りに配置し、半径方向に逆位相で振動させる場合の概略図である。支持バネ4は１本の線で示す。支持枠2を角速度Ωで回転させたとき、２つの検出用質量5a,5bにより発生するコリオリ力Ｆ_coriは逆方向であるが、支持枠2の回転軸8の周りに同じ方向のトルクＴが発生する。即ち、コリオリ力はトルクＴとして足し合わせることができる。また、複数の検出用質量5a,5bは逆位相で振動するので、外乱に対する耐性を持つ。

図７は、複数の検出用質量5（図７では４個）を回転軸8の周りの円周上に配置し、半径方向に振動させる場合の概略図である。支持バネ4はコイルバネの形で示す。検出用質量5は同期させて振動させる、即ち全ての検出用質量5が同時に半径方向外方向に動き同時に内方向に動くようにする。支持枠2を角速度Ωで回転させたとき、各々の検出用質量5のコリオリ力Ｆ_coriは、支持枠2を回転軸8の周りに同方向に回転させるように働く。各検出用質量5のコリオリ力によるトルクの総和Ｔ_totalは検出用質量の数、即ち合計の質量に比例する。トルクの総和Ｔ_totalを変位に変換し、検出器（図示せず）で容量変化に変換してコリオリ力を求めることができる。
このように複数の検出用質量を円周上に配置して振動させると、色々の方向からの外乱に対して耐性を有する。検出用質量のコリオリ力を足し合わすことができ、大きいコリオリ力を得ることができ、感度も向上する。

図８は、本発明の第２の実施形態のジャイロスコープ20の概略平面図である。図８において、図４と同様の部品又は部分は、同じ参照番号を付す。第１の実施形態と同様、ジャイロスコープ20は、ＳＯＩ基板から成形されたものである。ジャイロスコープ20は、断面がほぼ４角形の外枠11と、外枠11の４隅のアンカー19とを備える。外枠11内に断面がほぼ円筒形の内枠12が配置される。各々のアンカー19と内枠12とは、外側支持バネ13により接続されている。外側支持バネ13は厚さが薄い板状体であり、外側支持バネ13の一端部がアンカー19に結合された状態で、内枠12に固定された外側支持バネ13の他端部はアンカー19の周りに円周方向のみに移動することができる。外側支持バネ13の半径方向の長さは変化せず、また外側支持バネ13はｚ軸方向にも曲がらない。従って、内枠12は回転軸18の周りに回転可能に支持されている。静止状態では、内枠12は外側支持バネ13により中立位置に位置する。
内枠12内には、同じ質量の８個の検出用質量15が円周上に等間隔に配置されている。内枠12の半径方向における各検出用質量15の２つの端部は、それぞれの２本の内側支持バネ14により内枠12の内側に結合されている。内側支持バネ14は厚さが薄い板状体である。各検出用質量15は内枠12内で内枠12の半径方向に移動可能になっている。静止状態では、各検出用質量15は内側支持バネ14により中立位置に位置する。
ジャイロスコープ20は、各検出用質量15を内枠12の半径方向に振動させるためのアクチュエータ16を有する。ジャイロスコープ20は、回転軸18の周りの内枠12の回転変位を検出するための検出器17を備える。アクチュエータ16と、検出器17の原理は本発明の第１の実施形態と同様である。

各検出用質量15に設けられたアクチュエータ16により、各検出用質量15を同期させて半径方向に振動させる。即ち、全ての検出用質量15が同時に外方向に動き同時に内方向に動くように振動させる。この状態で、ジャイロスコープ20が角速度Ωで回転すると、各検出用質量15の運動により、各検出用質量15には内枠12の円周方向にコリオリ力が発生する。このコリオリ力は内側支持バネ14を介して内枠12に伝えられ、内枠12で加算される。これにより、内枠12に中心軸28の周りの回転トルクが発生し、内枠12は外側支持バネ13に抗して回転軸18の周りに円周方向に回転する。内枠12の回転変位を検出器17により検出することにより、コリオリ力を求めることができる。
図８には、８つの検出用質量を備えるジャイロスコープを示すが、検出用質量の数は８つに限定されるものではない。１実施例では、120ｍｍ×120ｍｍ、厚さ0.52ｍｍのＳＯＩ基板に、検出用質量が円周上に１６個配置されている。

検出用質量が１つのジャイロスコープでは、(7)式より、検出用質量の質量ｍを大きくすると、コリオリ力は質量ｍの１/２乗に比例して大きくなると考えられる。一方、ジャイロスコープの構造により移動距離ｘ₀には限界があるので、コリオリ力にも限界がある。
本発明の多質量型のジャイロスコープでは、個々の検出用質量の質量を小さくし、検出用質量の数を増やす。この場合、検出用質量により発生するコリオリ力は検出用質量の数、即ち合計質量に比例する。そのため、１つの検出用質量の質量を大きくした以上の効果を得ることができる。

また、検出用質量の個数を増やすことにより、揺らぎやノイズを平均化することができる。そのため、外乱に強い。検出用質量の個数が多いので、検出用質量の１つに不具合があっても、ジャイロスコープは作動し、信頼性が向上する。

図９は、本発明の実施の形態によるアクチュエータ10,20の作成方法を示す図であり、左側の図は平面図、右側の図は左側の図のＡ−Ａ線に沿った断面図である。この図では、内枠12、検出用質量15、内側支持バネ14のみを示し、外枠11、外側支持バネ13は、図示していない。外枠11、外側支持バネ13は、内枠12、内側支持バネ14と同時に形成することができる。
(a)まず、絶縁体上シリコン(ＳＯＩ(Silicon on Insulator))基板を準備する。このＳＯＩ基板は、シリコン酸化膜21の上面にシリコン層22、下面にシリコン層23が形成されたものである。以下の説明で、２つの面を区別するため、上面（第２の面）、下面（第１の面）と呼ぶが、２つの面は相互に交換可能である。
ＳＯＩ基板の下面にシリコン酸化膜24を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、所望の形状にパターニングする。このシリコン酸化膜24の上にアルミニウム層25を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、所望の形状にパターニングする。ＳＯＩ基板の上面にアルミニウム層26を堆積し、フォトリソグラフィー技術を使用して、所望の形状にパターニングする。

(b)下面から深堀りリアクティブイオンエッチング(ＲＩＥ(Reactive Ion Etching))により、アルミニウム層25でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、ＳＯＩ基板の下層（ハンドル層、第１層）に検出用質量15の下部、内枠12、内側支持バネ14等の構造を形成する。このとき、シリコン酸化膜21（ボックス層）がエッチングストップ層となるので、その上のシリコン層22はエッチングされない。

(c)下面のアルミニウム層25のマスクを除去し、シリコン酸化膜24を露出させ、再び下面よりＲＩＥを行い、シリコン酸化膜24でマスクされた部分以外をエッチングする。これにより、検出用質量15、内側支持バネ14等の可動部分が底面から浮いた構造となる。
(d)上面より深堀りＲＩＥを行い、アルミニウム層26でマスクされた部分以外をエッチングし、上層（第２層）に検出用質量55の上部、内枠12を形成する。図示していないが、この段階で、上層のアクチュエータ16、検出器17も形成することができる。
(e)ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜21を犠牲層エッチングにより除去し、検出用質量15、内枠12、内側支持バネ14等の可動部分を外枠11の支持部から切り離す。これにより、可動部分は移動可能となる。

図１０は、ＳＯＩ基板を使用して作成したジャイロスコープの構造を例示する斜視図である。この図では、内枠12、検出用質量15、内側支持バネ14のみを示し、外枠11、外側支持バネ13等は図示していない。(a)は従来のＳＯＩ基板の上層のみに構造を作成した例である。従来は、ＳＯＩ基板の下層（ハンドル層）を構造としては使用しなかった。本発明では、ＳＯＩ基板の上面と下面のシリコン層を構造として使用する。(b)は、本発明により検出用質量15を上層と下層の両方に形成し、内側支持バネ14を上層に作成した例を示す。(c)は、検出用質量15を上層と下層の両方に形成し、内側支持バネ14を下層に作成した例を示す。

このように、シリコン酸化膜（絶縁層）21の両側のシリコン層22,23に検出用質量15を形成し、検出用質量15の質量を増加させることができる。また、上層と下層の両方の層に内枠12を形成することにより、内枠12の強度を向上させることができる。支持バネは下層と上層の何れかの層に形成することができるので、設計の自由度が大きくなる。
また、下層と、上層の間に絶縁層として作用するシリコン酸化膜があるので、下層と上層を電気的に絶縁することができ、複雑な配線を実現することができる。

図１１は、検出用質量に金属層を形成した実施形態を示す断面図である。(aは、メッキ等により金属材料27を埋め込んだものである。(b)は、検出用質量の一部に比重の大きい金属材料28、例えば鉛錫等を貼り付けたものである。このように検出用質量の質量を大きくして、大きなコリオリ力を得ることができる。

本発明によれば、小型軽量で高性能で安定性の良いジャイロスコープを得ることができる。そのため、小型で高精度の姿勢制御システムを実現することができ、小型の宇宙用探査機に使用することができる。また、カメラの手ぶれ防止装置、ゲーム機用のセンサ等に使用することができる。

コリオリ力について説明する概略図。２つの検出用質量を有する場合のコリオリ力について説明する概略図。２つの検出用質量を有する場合のコリオリ力について説明する概略図。本発明の第１の実施形態による４つの検出用質量を有するジャイロスコープの概略平面図。２つの検出用質量を逆位相で振動させる場合の概略図。２つの検出用質量を回転軸の周りに配置し、半径方向に逆位相で振動させる場合の概略図。複数の検出用質量を回転軸の周りに配置し、半径方向に同期させて振動させる場合の概略図。本発明の第２の実施形態による円周上に配置された検出用質量を有するジャイロスコープの概略平面図。本発明の実施の形態によるジャイロスコープの作成方法を示す断面図。ＳＯＩ基板を使用して作成したジャイロスコープの構造を例示する斜視図。検出用質量に金属層を形成した実施形態を示す断面図。

符号の説明

2 支持枠
4 支持バネ
5 検出用質量
8 回転軸
10 ジャイロスコープ
11 外枠
12 内枠
12a 中央部
13 外側支持バネ
14 内側支持バネ
15 検出用質量
15a 中央部
15b 延長部
16 アクチュエータ
17 検出器
17a 検出用電極
18 回転軸
19 アンカー
20 ジャイロスコープ
21 シリコン酸化層
22 シリコン層
23 シリコン層
24 シリコン酸化膜
25 アルミニウム層
26 アルミニウム層
27 金属材料
28 金属材料

Claims

外枠と、
前記外枠内に配置された内枠と、
前記内枠内に配置された複数の検出用質量と、
前記外枠と前記内枠とを結合し、前記外枠に対して前記内枠を一方向に移動可能に支持する複数の外側支持バネと、
前記内枠と各々の前記検出用質量とを結合し、前記検出用質量を前記一方向と垂直な方向に移動可能に支持する複数の内側支持バネと、
各々の前記検出用質量を加速するためのアクチュエータと、
前記外枠に対する前記内枠の変位を検出するための検出器とを備え、
前記アクチュエータにより、前記複数の検出用質量を振動させ、それぞれの検出用質量の振動により発生するコリオリ力が前記内枠で足し合わされるようになっていることを特徴とするジャイロスコープ。
外枠と、
前記外枠内に配置された内枠と、
前記内枠内に、前記内枠の回転軸を中心とする円周上に配置された複数の検出用質量と、
前記外枠と前記内枠とを結合し、前記内枠を前記回転軸を中心として回転可能に支持する複数の外側支持バネと、
前記内枠と各々の前記検出用質量とを結合し、前記検出用質量を前記内枠の半径方向に移動可能に支持する複数の内側支持バネと、
各々の前記検出用質量を加速するためのアクチュエータと、
前記外枠に対する前記内枠の変位を検出するための検出器とを備え、
前記アクチュエータにより、前記複数の検出用質量を同期して振動させ、それぞれの検出用質量の振動により発生するコリオリ力が前記内枠で足し合わされ、前記内枠に回転トルクが発生するようになっていることを特徴とするジャイロスコープ。
シリコンでできた第１の層と第２の層とを備え、
前記外枠と、前記内枠と、前記検出用質量とは、前記第１の層と前記第２の層の両方にわたって配置され、
前記外側支持バネと前記内側支持バネとは、第１の層又は第２の層の何れか一方に配置される請求項１又は２に記載のジャイロスコープ。
シリコン酸化膜を介して２枚のシリコン基板を接合した絶縁体上シリコン基板から、外枠と、内枠と、検出用質量と、前記外枠と前記内枠とを結合する外側支持バネと、前記検出用質量と前記内枠を結合する内側支持バネとを備えるジャイロスコープを一体に形成する製造方法であって、
(a)前記絶縁体上シリコン基板の第１の面にシリコン酸化膜を堆積してパターニングし、前記シリコン酸化膜の上にアルミニウム層を堆積してパターニングし、前記絶縁体上シリコン基板の第２の面にアルミニウム層を堆積してパターニングし、
(b)前記第１の面から、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外の部分をエッチングし、第１の層に前記検出用質量の下部と前記内枠と前記内側支持バネと前記外側支持バネを形成し、
(c)前記第１の面の前記アルミニウム層を除去し、前記シリコン酸化膜を露出させ、再び前記第１の面よりエッチングを行い、前記シリコン酸化膜でマスクされた部分以外をエッチングして、前記第１の層の可動部分となる前記検出用質量の下部と前記内枠と前記内側支持バネと前記外側支持バネが前記絶縁体上シリコン基板の底面から浮いた構造とし、
(d)前記第２の面よりエッチングを行い、前記アルミニウム層でマスクされた部分以外をエッチングして、第２の層に前記検出用質量の上部と前記内枠を形成し、
(e)前記絶縁体上シリコン基板のシリコン酸化膜を犠牲層エッチングにより除去し、前記第１の層と前記第２の層の構造を前記外枠から切り離して可動にする、
ステップを備えることを特徴とする製造方法。
前記(b)、(c)、(d)のエッチング工程は、深堀りリアクティブイオンエッチングで行う請求項４に記載の製造方法。