JPH08114460A - 振動型素子の共振周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロマシニング技術等により作製された
微細な振動型素子の共振周波数を高精度に調整する方法
を提供するものである。 【構成】 振動型素子である両持振動梁８の比較的大き
な面積を有する部分９に加工し易いＡｕ薄膜３が付着形
成されており、集束イオンビームでＡｕ薄膜３をスパッ
タ除去し、共振周波数を精度よく高い方向に調整する。
また、両持振動梁中央部９に集束イオンビームを照射す
ることにより成膜物質を付着し、共振周波数を低くする
方向に調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マイクロマシニング技
術により作製された振動型素子の共振周波数調整方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は、機械加工による従来の音叉型角
速度センサを示す。この音叉型角速度センサは、矩形板
状の駆動用弾性体12の一端側と検知用弾性体11の一端側
とがジョイント14により直交接合されて振動型素子を構
成しており、駆動用弾性体12の他端側は電極ブロック13
により接続されている。駆動用弾性体12は圧電素子とな
っており、また、検知用弾性体11はバイモルフ素子によ
って形成される。

【０００３】この音叉型角速度センサは、駆動用弾性体
12をｘ軸方向に振動させ、センサをｚ軸中心にして回転
させると、回転軸方向と振動方向に共に直交する方向、
ここでは、検知用弾性体11の面に垂直な方向（ｙ軸方
向）にコリオリの力Ｆが発生し、このコリオリの力が検
知用弾性体11に加わると検知用弾性体11にはコリオリ力
の発生方向に振動して歪を生じ、この振幅の大きさに対
応する歪の電気信号を測定することで角速度の大きさを
検知するものである。

【０００４】ところで、角速度センサに対する感度を高
めるためには、駆動用弾性体12に与える振幅速度Ｖを速
めてその振幅を大きくすることが要求され、また、角速
度センサに対する感度を一定にするためには、振幅速度
Ｖを一定にしなければならない。そのためには、設計時
に定めた一定の共振周波数で振動し、かつ、一定振幅の
振動型素子を製造することが必要である。ところが、左
右の振動型素子の形状寸法や質量を完全に等しく作製す
ることは困難である。また、センサ間のばらつきも考慮
すれば不可能である。その結果、振動型素子の左右形状
の不整合、センサ間の共振周波数の違い、共振インピー
ダンスの違いから感度やノイズ特性のばらつきが生じる
という問題がある。この問題を解決するために、検知用
弾性体11の自由端15をレーザビームやサンドプラストを
用いて切断や研磨し、振動型素子の共振周波数を調整す
る方法が採られていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、マイクロマシニ
ング技術の進歩により微細な振動型センサが作製される
ようになってきた。従来の音叉型角速度センサ等の振動
型センサは、弾性体11，12の振動型素子が大きいことか
らレーザビーム等による目的の共振周波数を得るための
トリミング加工による調整が可能であったが、マイクロ
マシニング技術を用いて作製された微細な振動型センサ
では、振動型素子のトリミング領域( 例えば数10μｍ）
に対してのレーザビームのスポット径（10〜数10μｍ）
が大きく、トリミング領域の微小な部分をトリミング
し、素子の共振周波数を設計値に精度よく調整すること
が極めて困難である。

【０００６】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、微細な振動型素子の
共振周波数を高精度に調整する方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次のように構成されている。すなわち、第
１の発明は、振動型素子の表面に予め加工用物質を付着
形成しておき、この加工用物質にレーザビーム又は集束
イオンビームを当てて加工用物質をスパッタ除去し、振
動型素子の共振周波数を高くする方向に調整することを
特徴として構成されている。

【０００８】また、第２の発明は、振動型素子の表面に
成膜物質の蒸着又は成膜物質の集束イオンビーム照射に
よって成膜物質を付着し、振動型素子の共振周波数を低
くする方向に調整することを特徴として構成されてい
る。

【０００９】また、第３の発明は、振動型素子の表面に
予め加工用物質を付着形成しておき、この加工用物質に
レーザビーム又は集束イオンビームを当てて加工用物質
をスパッタ除去する工程と、振動型素子の表面に成膜物
質の蒸着又は成膜物質の集束イオンビーム照射によって
成膜物質を付着する工程とを適宜繰り返すことによって
振動素子の共振周波数を高低所望方向に調整することを
特徴として構成されている。

【００１０】

【作用】上記構成の本発明において、例えば、角速度セ
ンサ等に設けられる微細な振動型素子の共振周波数は、
予め素子表面に付着形成した加工用物質にレーザビーム
又は集束イオンビームを当ててスパッタ除去して振動型
素子の共振周波数を高くしたり、あるいは、素子表面に
成膜物質を蒸着又は集束イオンビーム照射で付着するこ
とで振動型素子の共振周波数を低くしたりして調整され
る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はマイクロマシニング技術を用いて作製され
た櫛形電極構造を持つ微細な振動型角速度センサを示
す。また、図２は、図１における（Ａ−Ａ）部分の断面
図である。

【００１２】図１、図２において、シリコン基板１上に
は、ポリシリコン２が形成されており、そのポリシリコ
ン２を異方性エッチング処理等のマイクロマシニング技
術による加工で櫛形の固定電極５や、櫛形の可動電極６
が両持振動梁８に連接され構成されている振動型素子が
作製され、振動型素子（可動電極６および両持振動梁
８）とシリコン基板１との間には隙間７が形成されてい
る。固定電極５はシリコン基板１に固定され、固定電極
５と可動電極６は噛み合う状態で配置されている。ま
た、固定電極５および可動電極６に駆動用導体パターン
層４を介して交流電圧が印加されると固定電極５と可動
電極６間に静電力が発生し、この静電力で振動型素子が
ｘ軸方向（矢印方向）に振動する。

【００１３】この角速度センサは、振動型素子をｘ軸方
向に振動させ、ｚ軸を中心として回転すると、図１では
紙面に垂直な方向にコリオリの力Ｆが発生し、このコリ
オリ力が振動型素子に加わり、振動型素子がコリオリ力
の発生方向に振動し、この振幅の大きさに対応する静電
容量の変化を測定し、角速度の大きさを検知するもので
ある。

【００１４】ところで、角速度センサの感度に大きく関
与する振動型素子の共振周波数ｆｒと、振動型素子の質
量ｍの関係は次式で表される。

【００１５】（２πｆｒ）² ＝ｋ／ｍ

【００１６】ここでは、ｋはバネ定数である。上式は、
質量ｍを小さくすれば共振周波数ｆｒはそれに伴い高く
なり、質量ｍを大きくすれば共振周波数ｆｒは低くなる
ことを表しており、また、共振周波数ｆｒの調整には質
量ｍの微小な増減が必要であることが分かる。そこで、
本発明者は、この点に着目し、振動型素子の質量を増減
することにより振動型素子の共振周波数の調整を行う方
法を発明した。

【００１７】本発明の第１の実施例の共振周波数調整方
法において特徴的なことは、図１に示す角速度センサの
振動型素子の共振周波数を調整するために、両持振動梁
８の中央部の比較的大きな面積を有する部分９に加工し
易い物質、ここではＡｕ薄膜３を蒸着したことである。

【００１８】次に、この加工用物質（Ａｕ薄膜３）を蒸
着した振動型素子の共振周波数調整方法を説明する。

【００１９】まず、高倍率観察装置を備えた集束イオン
ビーム装置内に、角速度センサを駆動させるための配線
および振動型素子の共振特性を測るための配線を角速度
センサに施して設置する。ここで集束イオンビーム装置
とは、ビームのスポット径を0.1 μｍ程度に絞ることが
できるイオンビームを、対象物に照射させる装置であ
り、また、イオンビームの照射により発生した二次電子
を検出して高倍率の像が観察でき、サブミクロン加工が
可能な装置である。

【００２０】次に電極５，６に交流電圧を印加して振動
型素子を振動させながら、交流電圧の周波数を可変して
行って共振周波数を測定し、振動型素子が設計値より低
い共振周波数を持っていることが分かった場合には、イ
オンビームの引き出し電圧により液体金属イオン源から
イオンを引き出し、これを静電レンズによって集束させ
イオンビームを発生し、Ａｕ薄膜３に当て、振動型素子
の共振特性を測定しながら設計の共振周波数で振幅が最
大となるようにＡｕ薄膜３をスパッタ除去（蒸発）し、
振動型素子の共振周波数を調整設定する。

【００２１】なお、両持振動梁中央部９の表面にＡｕ薄
膜３を付着形成し、設計の共振周波数よりやや低い共振
周波数を持つ振動型素子を予め作製しておけば、本実施
例を用いて振動型素子の共振周波数調整を行うことで全
ての振動型素子を設計された共振周波数に調整できる。

【００２２】従来のレーザビームを使用し素子をトリミ
ング加工する調整方法では、マイクロマシニング技術で
作製された微細な素子を高精度に共振周波数調整を行う
のが不可能であった。それは、トリミング領域に対して
レーザビームのスポット径が大きく、トリミング領域の
微小な部分をトリミングすることができず、微妙な質量
の増減が困難であるためである。そこで、スポット径が
小さくできる集束イオンビームと、高倍率で像が観察で
きる装置を使用して、振動型素子に付着させた加工し易
い物質の質量を調節するという振動型素子の本実施例の
共振周波数調整を行うことで、精度よく振動型素子の共
振周波数を調整することが可能となり、感度やノイズ特
性のセンサ間のばらつきがない角速度センサが作製でき
る。

【００２３】次に、第２の実施例を説明する。第２の実
施例は振動型素子の共振周波数を低い方向に調整する方
法である。なお、本実施例の説明において、第１の実施
例と同一の名称には同一符号を付し、その詳細な説明は
省略する。

【００２４】まず、第１の実施例と同様に、高倍率観察
装置を備えた集束イオンビーム装置に、図１に示される
ような振動型角速度センサ（但し、Ａｕ薄膜３は付着形
成されていない。）を設置する。

【００２５】次に第１の実施例と同様に振動型素子の共
振特性を測定し、振動型素子が設計値より高い共振周波
数を持っていることが分かった場合、イオンビームの引
き出し電圧により振動型素子の共振周波数を調整する成
膜物質である、例えばタングステン等の液体金属のイオ
ン源からイオンを引き出し、これを静電レンズによって
集束させイオンビームを発生し、振動型素子の共振特性
を測定しながら設計の共振周波数で振幅が最大となるよ
うに両持振動梁８の比較的大きな面積を有する部分９に
タングステン等の金属イオンを照射して付着させ、振動
型素子の共振周波数を設計値の共振周波数に正しく調整
する。

【００２６】なお、振動型素子を設計の共振周波数より
やや高い周波数で共振するように作製しておけば、本実
施例を用い共振周波数を低くする方向に調整すること
で、全ての振動型素子を設計値の共振周波数に調整する
ことができる。

【００２７】第２の実施例は上述のように成膜物質を付
着形成し、微細な素子の共振周波数を調整する方法であ
り、第１の実施例と同様に高精度な調整が可能となり、
精度のよい角速度センサを作製できる。

【００２８】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、上記
実施例では、振動型素子が両持振動梁８で構成されてい
たが、片持振動梁で構成してもよい。

【００２９】また、第１の実施例で、振動型素子表面に
加工用物質としてＡｕ薄膜３を付着形成していたが、Ａ
ｕ以外の加工し易い物質を加工用物質として振動型素子
表面に付着してもよい。

【００３０】さらに、第１の実施例では集束イオンビー
ムを使用して共振周波数を調整したが、ＹＡＧレーザや
Ｃｏ₂ レーザ等を用い共振周波数調整を行ってもよい。
ここでは、従来のように素子をレーザビームでトリミン
グする調整方法ではなく、加工し易い物質を蒸発させる
方法で調整するものであり、レーザ出力の調節で加工用
物質の質量増減の微調整が可能である由による。また、
第２の実施例でも集束イオンビームを使用せず、Ａｕ等
蒸着しても調整できる。

【００３１】また、例えば、振動型素子の共振周波数が
設定値より低いときには、第１の実施例のように、予め
振動型素子の表面に付着形成されている加工用物質をス
パッタ除去して共振周波数を高くする方向に調整する
が、この除去量が多すぎると、今度は逆に共振周波数が
設定値より高くなってしまう場合が生じる。この場合に
は、第２の実施例のように振動型素子の表面に成膜物質
を付着させ、振動型素子の共振周波数を低くする方向の
調整を行う。このように、素子表面の加工用物質をスパ
ッタ除去して素子の共振周波数を高くする工程と、素子
表面に成膜物質を付着させ素子の共振周波数を低くする
工程とを適宜に繰り返して、振動型素子の共振周波数を
設定値に一致させるようにしてもよい。このような調整
方式をとる場合には、上記各実施例のように、振動型素
子を予め設計の共振周波数より高く又は低く作製する必
要がなく、振動型素子の共振周波数が設定値より高低い
ずれの方向にずれているかにかかわらず、振動型素子の
共振周波数を調整することができる。

【００３２】また、上記各実施例では角速度センサの振
動型素子の共周波数の調整を例に挙げて説明したが、本
発明は共振子等の同様な振動型素子の共振周波数の調整
にも適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】第１の発明によれば、予め振動型素子表
面に付着させた加工し易い加工用物質にレーザビーム又
は集束イオンビームを当ててスパッタ除去することで、
振動型素子の共振周波数を高くする方向に調整できる。
しかも、集束イオンビームはスポット径を0.1 μｍ程度
に小さくすることができるので、微小な質量の減少調整
が可能となり、微妙な共振周波数の調整が可能である。
また、レーザビームにおても、振動型素子表面に加工し
易い加工用物質を付着しているため、レーザ出力の調整
で同様に加工用物質の質量減少の微調整が可能となる。

【００３４】また、第２の発明によれば、蒸着又は集束
イオンビームを照射して成膜物質を振動型素子の表面に
付着することで振動型素子の共振周波数を低くする方向
に調整できる。集束イオンビームはスポット径が小さ
く、微小の成膜物質を振動型素子表面に付着でき、蒸着
の場合も、蒸着条件を制御することで、成膜物質の微小
な成膜付着量の調整ができ、振動型素子の共振周波数の
微妙な調整が共に可能となる。

【００３５】さらに、第３の発明によれば、第１の発明
を用いた振動型素子の共振周波数を高くする工程と、第
２の発明を用いた振動型素子の共振周波数を低くする工
程とを繰り返すことによって、振動型素子の共振周波数
が設定の共振周波数より高い方向又は低い方向のいずれ
にずれているかにかかわらず、振動型素子の共振周波数
を調整することができる。

【００３６】したがって、マイクロマシニング技術によ
り作製された微細な振動型素子においても、共振周波数
の微調整を確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】マイクロマシニング技術により作製された角速
度センサの一例を示す説明図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面を示す説明図である。

【図３】従来例の音叉型角速度センサを示す説明図であ
る。

【符号の説明】

３ Ａｕ薄膜 ８ 両持振動梁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 厚地 健一 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 田中 克彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動型素子の表面に予め加工用物質を付
   着形成しておき、この加工用物質にレーザビーム又は集
   束イオンビームを当てて加工用物質をスパッタ除去し、
   振動型素子の共振周波数を高くする方向に調整する振動
   型素子の共振周波数調整方法。
2. 【請求項２】 振動型素子の表面に成膜物質の蒸着又は
   成膜物質の集束イオンビーム照射によって成膜物質を付
   着し、振動型素子の共振周波数を低くする方向に調整す
   る振動型素子の共振周波数調整方法。
3. 【請求項３】 振動型素子の表面に予め加工用物質を付
   着形成しておき、この加工用物質にレーザビーム又は集
   束イオンビームを当てて加工用物質をスパッタ除去する
   工程と、振動型素子の表面に成膜物質の蒸着又は成膜物
   質の集束イオンビーム照射によって成膜物質を付着する
   工程とを適宜繰り返すことによって振動素子の共振周波
   数を高低所望方向に調整する振動型素子の共振周波数調
   整方法。