JP2006030050A - 角速度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【目的】角速度（コリオリの力）の検出感度を向上して、さらには製造容易とした角速度センサ素子を提供する。
【構成】音叉振動を励起する駆動電極を音叉状水晶片の一方の音叉腕に有し、内側面と外側面との間の両主面側で互いに逆向きの電界とする異符号の電荷を検出するそれぞれ内側電極と外側電極とからなる二組のセンサ電極を音叉状水晶片の他方の音叉腕に有する角速度センサ素子において、前記二組のセンサ電極のうちの各内側電極は両主面に設けられて独立し、かつ同符号となる各外側電極と電気的に接続した構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は音叉状水晶片（音叉型水晶振動子）を用いた角速度センサ素子を技術分野とし、特に製造を容易にして検出感度を高めた角速度センサ素子に関する。

（発明の背景）角速度センサ素子は、車等の誘導システム（カーナビ）やカメラの手振防止装置等に組み込まれ、需要も拡大の一途をたどっている。このようなものの一つに本出願人による角速度センサ素子がある。

（従来技術の一例）第６図は一従来例を説明する角速度センサ素子の図である。
角速度センサ素子は結晶軸（ＸＹＺ）のＺ軸に主面が直交するＺカットとした音叉状水晶片からなる。音叉状水晶片は音叉基部１と一対の音叉腕２（ａｂ）からなり、長さ方向を水晶のＹ軸、幅方向を水晶のＸ軸とする。一方の音叉腕２ａには音叉振動を励起する駆動電極３を有する。駆動電極３は音叉腕２ａの４面に形成され、両主面及び両側面を異符号の同電位として引回電極４によって結線される。そして、発振回路（ＯＳＣ）に接続する。

他方の音叉腕２ｂにはセンサ電極５とモニタ電極６を有する。センサ電極５は音叉腕２ｂの内側面に設けられた内側電極５ｉと、外側面に設けられた一主面側と他主面側の外側電極５o1、５o2とからなる。内側電極５ｉは共通化して設けられ、基準電位Ｅに接続する。外側電極５o1、５o2は、音叉腕の長手方向に沿って分割して設けられる。そして、センサ端子Ｓ1、Ｓ2に接続する。モニタ電極６は両主面に形成されて共通接続され、モニタ端子Ｍに接続する。

このようなものでは、発振回路（ＯＳＣ）によって一方の音叉腕２ａを駆動すると、他方の音叉腕２ｂが共振（共鳴）して水平方向に開閉する音叉振動を生ずる。そして、音叉振動中にＹ軸回りに角速度（回転力）があると、コリオリの力によって音叉腕２（ａｂ）の主面に対して垂直方向の撓み振動（垂直振動とする）を生ずる。

垂直振動は音叉腕２（ａｂ）のそれぞれが両主面側で互いに反対方向となるＹ軸方向に伸縮することによって生じる。そして、一対の音叉腕２（ａｂ）間では垂直振動は互いに逆方向になる。例えば、一方の音叉腕２ａが一主面側から他主面方向に撓むと、他方の音叉腕２ｂは他主面側から一主面方向に撓む。

そして、センサ電極５の設けられた他方の音叉腕２ｂでは、第７図に示したように外側面を水晶の＋Ｘ面とすると、一主面側が伸張することによって、＋Ｘ面には＋電荷が、−Ｘ面には−電荷が発生し、＋Ｘ面から−Ｘ面に向かう−Ｘ軸方向への電界を生じる。また、他主面側が縮小することによって、これとは逆に、＋Ｘ面には−電荷が、−Ｘ面には＋電荷が発生し、−Ｘ面から＋Ｘ面に向かう＋Ｘ軸方向への電界を生ずる。図中の「○の中に×」は伸張方向、「○の中に・」は縮小方向を示す。

ここで、内側電極５ｉに発生する異符号の電荷は、内側電極５ｉを共通とするために相殺されて０電位（基準電位）になる。また、一主面側の外側電極５o1と他主面側の外側電極５o2に発生する異符合の電荷はそのまま検出される。そして、これらの異符号の電荷はセンサ端子Ｓ1、Ｓ2を経て例えば差動増幅器によって合成され、コリオリの力を誘起する角速度が計測される。

なお、モニタ電極６には音叉振動による電荷が誘起され、モニタ端子Ｍを経てオペアンプ等によって検出される。そして、この電荷量に基づいて、音叉振動の振幅が検出感度等を最良とする一定値に制御される。ここでは、モニタ電極６を音叉腕２ｂの両主面に設けたが、一主面のみであってもよい。
超音波ＴＥＣＨＮＯ 2001.2 P63（角速度センサ用音叉型水晶振動子）

（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の角速度センサ素子では、他方の音叉腕２ｂの内側電極５ｉを共通として基準電位とすることによって、検出感度が低下する問題があった。すなわち、コリオリの力（角速度）によって他方の音叉腕２ｂの両主面側で互いに反対方向の電界（電荷）を生ずる。したがって、本来であれば、内側電極５ｉを分割して両主面側で、外側電極５o1、５o2と互いに対をなす二組のセンサ電極５を形成すればよい。しかし、音叉腕２ｂの内側面に電極を分割して形成することは困難になるので、共通接続した内側電極（基準電極）５ｉを形成していた。

この場合、音叉腕２ｂの内側面の両主面側で生ずる電荷は互いに異符号（±）なので、前述のように共通の内側電極５ｉによって相殺される。したがって、音叉腕２ｂの外側面に生ずる異符号の電荷を検出するのみなので、感度向上の点で損失を生ずる問題があった。基本的には、内側面に生ずる異符号の電荷が相殺されるので、検出感度が半減する。

（発明の目的）本発明は感度を向上して、さらには製造容易とした角速度センサ素子を提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように音叉振動を励起する駆動電極を音叉状水晶片の一方の音叉腕に有し、角速度に応じて音叉振動と直交する方向に音叉両腕がたわむことで音叉腕の内側面と外側面との間に生じる電荷を検出するそれぞれ内側電極と外側電極とからなる二組のセンサ電極を音叉状水晶片の他方の音叉腕に有する角速度センサ素子において、前記二組のセンサ電極のうちの各内側電極は音叉腕の両主面の音叉股部側の端部に独立して設けられ、かつ同符号となる各外側電極と電気的に接続した構成とする。

上記構成であれば、二組のセンサ電極のうちの内側電極はそれぞれ独立するので、内側面に生ずる異符号の電荷は相殺されない。そして、同符号となる各外側電極と電気的に接続するので、内側電極を基準電位と比較すると基本的に２倍の電荷量となる。したがって、感度向上に寄与する。また、内側面に内側電極を要しないので、製造を容易にする。

本発明の請求項２に示したように、請求項１の前記二組のセンサ電極のうちの外側電極は音叉腕の両主面に設けられる。同請求項３では、請求項１の前記二組のセンサ電極のうちの外側電極は音叉腕の外側面に設けられる。これらのうち、同請求項３では＋Ｘ面での電荷を直接的に検出するので感度を向上できる。そして、いずれも内側面に内側電極を要しないので、製造を容易にする。

本発明の請求項４では、請求項１の音叉状水晶片はフォトリソグラフィー及びウェットエッチングによって形成され、前記他方の音叉腕の外側面は水晶の＋Ｘ面とする。これにより、＋Ｘ面に生ずる山状突起部をレーザー等によって分割できるので、製造を容易にできる。

第１図は本発明の一実施例を説明する音叉型角速度センサ素子の図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。

音叉型角速度センサ素子は前述のようにＺカットとした音叉状水晶片を備え、一方の音叉腕２ａに音叉振動を励起する駆動電極３を、他方の音叉腕２ｂにセンサ電極５及びモニタ電極６を有する。ここでは、他方の音叉腕２ｂの両主面に外側電極５o1、５o2と内側電極５i1、５i2とを有し、二組のセンサ電極５を形成する。

すなわち、一主面の外側電極５o1及び内側電極５i1で一組のセンサ電極５を形成する。また、他方の主面の外側電極５o2及び内側電極５i2で他組のセンサ電極５を形成する。これらの外側電極５o1、５o2及び内側電極５i1、５i2は、音叉腕２ｂの外辺及び内辺に沿って形成される。

そして、一主面の外側電極５o1と他主面の内側電極５i2とを音叉腕２ｂの上部主面及び内側面を経た引回電極４によって共通接続する。また、他主面の外側電極５o2と一主面の内側電極５i1とを音叉基部１の下部主面及び外側面を経た引回電極４によって共通接続する。

このような構成であれば、第２図（他方の音叉腕２ｂの上面図）に示したようにコリオリの力（角速度）に基づいた垂直振動によって、一主面の外側電極５o1と他主面の内側電極５i2には＋電荷を生ずる。また、他主面の外側電極５o2と一主面の内側電極５i1には−電荷を生ずる。したがって、従来の内側電極５ｉを基準電極（共通電極）として外側電極５o1、５o2のみによる電荷検出に比較して、基本的に２倍の電荷を検出できる。これにより、角速度（コリオリの力）の検出感度を大きく向上する。

また、音叉腕２ｂの両主面に内側電極５i1、５i2を形成するので、内側面に形成する場合に比較して電極形成を容易にする。

なお、この実施例において、外側電極５o1、５o2は例えば外側面にまたがって形成してもよい(第３図参照)。この場合、各外側電極５o1、５o2は電荷が発生する（電界が直交する）Ｘ面になるので、感度をさらに向上する。無論、外側面にのみ形成してもよい。これらの場合でも、音叉腕２ｂの内側面には電極を要しないので、電極形成を容易にする。

第４図は本発明の第２実施例を説明する角速度センサ素子の図である。なお、前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。

角速度センサ素子は第１実施例と同様にＺカット板からなり、この第２実施例ではフォトリソグラフィー及びウェットエッチングによって音叉状水晶片を形成してある。音叉状水晶片は正立状態で右側面を＋Ｘ面として外形加工される。これらは、図示しない水晶ウェハに一体的に多数が形成される。この場合、水晶のエッチング異方性によって、音叉状水晶片の＋Ｘ面は長さ方向に沿って山状突起７が形成される。

そして、音叉状水晶片「一対の音叉腕２（ａｂ）」に設けられた引回電極４を含む各電極は、音叉状水晶片の全周に設けられた金属膜を分割して形成される。但し、各電極は一方の音叉腕２ａの駆動電極３、及び他方の音叉腕２ｂのセンサ電極５、モニタ電極６からなる。

そして、二組のセンサ電極５は第１実施例と同様にそれぞれ独立した内側電極５i1、５i2と外側電極５o1、５o2からなる。ここでは、内側電極５i1、５i2は同様に両主面の内辺（音叉腕部側の端部）に沿って形成される。そして、外側電極５o1、５o2は＋Ｘ面である外側面の山状突起７の両側となる傾斜面に形成される。

また、一主面の外側電極５o1と他主面の内側電極５i2とは一主面の上端側の引回電極４によって共通接続する。そして、他主面側の外側電極５o2と一主面の内側電極５i1とは一主面の下端側の引回電極４によって共通接続する。

これら電極３〜６は、例えば第５図（一部断面図）に示したように、音叉加工の済んだ水晶ウェハ８の全面に図示しない電極用金属膜及びフォトレジスト膜を設けてマスクＭを密着し、所定の露光・現像、メタルエッチングする工法によって形成される。なお、Ｍ１は遮光部である。この場合、フォトエッチングの照射光Ｐは水晶ウェハ８の板面に対して基本的に直進させる。

このような構成であれば、第１実施例と同様に、二組のセンサ電極５は電気的に独立してコリオリの力による異符号の電荷をそれぞれ検出する。したがって、内側電極５ｉを基準電極（共通電極）とした場合に比較して２倍の電荷を検出でき、感度を向上する。

そして、ここでは、正立状態で音叉状水晶片の右側面を＋Ｘ面とし、右側面の長手方向に沿って山状突起７を設ける。したがって、右側面（＋Ｘ面）に設けた金属膜の山状突起７部を水晶ウェハに対する直進光によって容易に切除できる。これにより、右側面の金属膜を容易に分割できて、二組のセンサ電極５のうちの各外側電極５o1、５o2を簡単に得られる。

なお、右側面が仮に平坦面とすると、水晶ウェハ８の板面に対して照射光を斜め方向にしなければならず、例えば装置を大掛かりにする。また、音叉状水晶片の小型化や一枚の水晶ウェハ８から多数の音叉状水晶片を得るには、一対の音叉腕２（ａｂ）間及び各音叉状水晶片間の距離も小さくなって、斜め方向からの照射を困難にする。したがって、金属膜の分割自体を困難にする。よって、本願のように＋Ｘ面の斜面を利用するのは好ましい。

また、右側面（＋Ｘ面）の金属膜はフォトエッチングによって分割するとしたが、例えばこの部分のみをレーザで分割してもよい。この場合でも、直進光で分割できる。この場合には、マスクを設けることなくビーム状としたレーザによって分割できる。

そして、両主面側の外側電極５o1、５o2は一主面を経た引回電極４によって各内側電極５i1、５i2と共通接続する。したがって、レーザを音叉腕２（ａｂ）の先端側から連続的に照射して下部の引回電極４をジャンプすればよいので、金属膜の分割を容易にする。例えば一主面側の外側電極５o1を他主面を経て内側電極５ｉ2と共通接続した場合は、山状突起７部の上部及び下部に引回電極４が存在するので、金属膜の分割を面倒にする。

なお、第２実施例においても、外側電極５o1、５o2は両主面側にまたがって形成されてあってもよい。

本発明の第１実施例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は外観図、同図（ｂ）は上面図（結線図）である。 本発明の第１実施例の作用を説明する角速度センサ素子の他方の音叉腕の上面図である。 本発明の第１実施例の他の例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は外観図、同図（ｂ）は上面図（結線図）である。 本発明の第２実施例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は外観図、同図（ｂ）は上面図（結線図）である。 本発明の第２実施例を説明する角速度センサの製造工程の一部図で、水晶ウェハの断面図ある。 従来例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は外観図、同図（ｂ）は上面図（結線図）である。 従来例の問題点を説明する角速度センサ素子の他方の音叉腕の上面図である。

符号の説明

１ 音叉基部、２ 音叉腕、３ 駆動電極、４ 引回電極、５ｏ 外側電極、５ｉ 内側電極、６ モニタ電極、７ 山状突起、８ 水晶ウェハ。

Claims (4)

1. 音叉振動を励起する駆動電極を音叉状水晶片の一方の音叉腕に有し、角速度に応じて音叉振動と直交する方向に音叉両腕がたわむことで音叉腕の内側面と外側面との間に生じる電荷を検出するそれぞれ内側電極と外側電極とからなる二組のセンサ電極を音叉状水晶片の他方の音叉腕に有する角速度センサ素子において、前記二組のセンサ電極のうちの各内側電極は音叉腕の両主面の音叉股部側の端部に独立して設けられ、かつ同符号となる各外側電極と電気的に接続してあることを特徴とする角速度センサ素子。
2. 請求項１において、前記二組のセンサ電極のうちの外側電極は音叉腕の両主面に設けられた角速度センサ素子。
3. 請求項１において、前記二組のセンサ電極のうちの外側電極は音叉腕の外側面に設けられた角速度センサ素子。
4. 請求項１において、前記音叉状水晶片はフォトリソグラフィー及びウェットエッチングによって形成され、前記他方の音叉腕の外側面は水晶の＋Ｘ面である角速度センサ素子。

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