JP5144004B2

JP5144004B2 - 慣性センサ素子

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Publication number: JP5144004B2
Application number: JP2005129390A
Authority: JP
Inventors: 日出夫鶯塚; 良太河合
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2005-04-27
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2025-04-27
Also published as: JP2006308359A

Description

本発明は、慣性センサに用いられる慣性センサ素子に関する。

従来から、慣性センサ素子には、Ｈ型構造、音叉型構造、音片構造、三脚音叉構造などが採用されている。
ここで、Ｈ型構造の慣性センサ素子を例に説明すると、Ｈ型構造の慣性センサ素子は、基部と、断面が矩形形状であって基部から平行に延出する２本の腕部とから構成されている。また、基部より上側の腕部には当該腕部を屈曲振動させるために電圧を印加する励振電極が備えられ、基部よりも下側の腕部には基部より上側の腕部が振動するとともにＹ´軸を中心とする角速度が加わると生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出電極が備えられている。
この電荷を検出電極によって検出することにより、角速度の大きさと向きを知ることができる。
このような慣性センサ素子の場合、励振電極に電圧を印加すると、励振電極の陰極と陽極との位置関係が相対するように対向していないので、つまり、直交する位置となっているので、腕部内を電界が一様に作用しないこととなる（例えば、特許文献１参照）。

ここで、慣性センサ素子に水晶振動子が用いられる場合を例に説明すると、慣性センサ素子は、育成された人工水晶の電気軸、機械軸、光軸に対して所定角度（例えば、０度〜１５度）回転した方向であって、光軸から所定角度回転した方向を法線とする水晶板から切り出すことで形成される。したがって、電気軸（Ｘ軸）、機械軸（Ｙ軸）、光軸（Ｚ軸）より所定角度回転した方向を示す軸をそれぞれ、Ｘ´軸、Ｙ´軸、Ｚ´軸とする。具体的には、Ｘ´軸は、慣性センサ素子を構成する圧電材料（例えば水晶）の電気軸を示し、Ｙ´軸は、Ｘ´軸を回転軸として回転した後の新たに設けられた機械軸を示し、Ｚ´軸は、Ｘ軸を回転軸として回転した後の新たに設けられた光軸を示す。つまり、基部の長手方向であって基部の中央を通る軸をＸ´軸、腕部の長手方向であって基部の中央を通る軸をＹ´軸、Ｘ´軸及びＹ´軸の両方に直角に交わる軸をＺ´軸とする。
特開２００４−３０１７３４号公報（段落０００２〜０００９、図６）

しかしながら、このような慣性センサ素子の場合、電界が腕部に一様に作用しない、つまり、電界が腕部の四隅に集中しやすくなり、効率よく電界を腕部に作用させることができなかった。
例えば、圧電素子が水晶からなる場合、等価直列抵抗Ｒ１と等価直列容量Ｃ１と等価直列インダクタンスＬ１との直列接続に、電極間容量Ｃ０が並列に接続した回路が等価回路として近似されるが、一般に、Ｘ軸方向の電界成分が大きいほど等価直列抵抗Ｒ１が小さくなる。また、等価直列抵抗Ｒ１が小さくなることによりＱ値が大きくなる。ここで、インピーダンスが小さいほど周波数特性に与える影響が小さく、また、Ｑ値が大きいほど振動が減衰しにくくなる。また、Ｑ値が大きいほど角速度検出感度が増大する。
したがって、断面が矩形形状となっている慣性センサ素子の腕部の四面に励振用電極を設けているため、この慣性センサ素子を小型化すると等価直列抵抗Ｒ１が大きくなり、高い角速度検出感度や起動時間等が得られなかった。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、等価回路の等価直列抵抗Ｒ１の値を減少させ、角速度検出感度や起動時間等への影響を軽減し、角速度検出感度が大きく、起動時間の早い慣性センサ素子及び慣性センサ素子の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、２つの第一の基部と１つの第二の基部とから構成されるセンサ基部と、印加された電圧により屈曲振動をする励振用腕部と、前記励振用腕部が屈曲運動するとともに所定の回転軸を中心に角速度が加わって生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出用腕部とを備えた圧電素子を用いた慣性センサ素子であって、前記第一の基部から延出する延出部と、前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と相対する位置となるように前記第一の基部から延出する延出部に設けられる電極と、前記第二の基部から平行一対に延出する延出部と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と相対する位置となるように前記第二の基部から延出する延出部に設けられる電極と、を備え、前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とが接合されて、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが相対するように配列されて音叉構造に形成され、前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とを介して配列された、所定の前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが前記励振用腕部である場合は、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部に設けられた電極が励振用電極となり、前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とを介して配列された、所定の前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが前記検出用腕部である場合は、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部に設けられた電極が検出用電極となるように構成されることを特徴とする慣性センサ素子である。

このように、第一の基部とこの第一の基部から延出する延出部とにわたって接合電極が形成され、この接合電極と相対する位置となるように延出部に電極が形成され、また、第二の基部とこの第二の基部から延出する延出部とにわたって接合電極が形成され、この接合電極と相対する位置となるように延出部に電極が形成されているので、接合電極を向かい合わせにして接合すると、延出部同士で接合電極を挟む状態となって腕部を形成する。
この腕部を励振用腕部とする場合は、接合電極と相対する位置となるように各延出部に形成された電極が励振用電極となる。また、この腕部を検出用腕部とする場合は、接合電極と相対する位置となるように各延出部に形成された電極が検出用電極となる。
したがって、励振時に延出部（腕部）内に生じる電界は、接合電極と電極とが相対する位置となっていることにより一様に延出部（腕部）内に生じるため、Ｘ軸方向の電界成分が大きくなり、等価回路における等価直列抵抗Ｒ１の値を減少させることができるようになっている。
したがって、角速度検出感度や起動時間等への影響が軽減され、角速度検出感度が大きく、起動時間を早くすることができる。

このように、第一の基部と当該第一の基部に対して対称に第一の基部から延出する延出部とにわたって接合電極が形成され、この接合電極と相対する位置となるように延出部に電極が形成されているので、接合電極を向かい合わせにして接合すると、延出部同士で接合電極を挟む状態となって腕部を形成する。
所定の腕部が励振用腕部である場合は、接合電極と相対する位置となるように延出部に形成された電極が励振用電極となる。また、他の腕部が検出用腕部である場合は、接合電極と相対する位置となるように延出部に形成された電極が検出用電極となる。
したがって、延出部（腕部）内に生じる電界は、接合電極と電極とが相対する位置となっていることにより一様に延出部（腕部）内に生じるため、Ｘ軸方向の電界成分が大きくなり、等価回路における等価直列抵抗Ｒ１の値を減少させることができるようになっている。

このような慣性センサ素子及び慣性センサ素子の製造方法によれば、等価回路の等価直列抵抗Ｒ１の値を減少させ、角速度検出感度や起動時間等への影響を軽減し、角速度検出感度が大きく、起動時間を早くすることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、説明に用いる図面では、説明を明確にするために、一部誇張して記載した構成が示されている。また、各実施形態の説明において、同一要素には同一符号を記載し、重複した説明を省略するものとする。
また、各実施形態において、圧電素子に水晶を用いた場合について説明する。
また、特別に説明する場合を除き、各実施形態における慣性センサ素子の各軸の方向として前記のとおり、Ｘ´軸、Ｙ´軸、Ｚ´軸とするが、本発明はこれに限定されず、これらが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と同一となっても良い。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す斜視図である。図２は、接合電極同士を接合する前の状態を示す模式図である。図３（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、図３（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。

図１に示すように、本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子１０は、Ｈ型構造で形成されており、腕部１１，センサ基部１２，接合電極１３，電極１４から構成されている。

センサ基部１２は、２つの第一の基部１２Ａと１つの第二の基部１２Ｂとから構成されており、第一の基部１２Ａ，１２Ａと第二の基部１２Ｂとは、一直線上に配置される。つまり、２つの第一の基部の間に第二の基部が配列される。また、第一の基部１２Ａと第二の基部１２Ｂとの間には接合電極が介在している。
これら第一の基部１２Ａ，１２Ａには、図２に示すように、パッケージ（図示せず）に慣性センサ素子を固定するための支持部１５Ｃ，１５Ｃを設けることができるようになっている。同様に、第二の基部１２Ｂには、パッケージ（図示せず）に慣性センサ素子１０を固定するための支持部１５Ａ，１５Ｂを設けることができるようになっている。

図２に示すように、第一の基部１２Ａからは延出部１１１が延出している。この延出部１１１は、断面が矩形形状であって、第一の基部１２Ａに対して対称に延出して、棒状に形成されている。
なお、第一の基部１２Ａを含み、第一の基部１２Ａを挟んだ延出部１１１，１１１の一つの面は、凹凸のない一様な平面となっていることが望ましい。
また、第二の基部１２Ｂの両端からは延出部１１２が平行に延出している。この延出部１１２は、断面が矩形形状であって、第二の基部１２Ｂに対して対称に延出して、第二の基部１２Ｂを含めた全体の平面形状がＨ型に形成されている。
なお、第二の基部１２Ｂを含み、第二の基部１２Ｂを挟んだ延出部１１２，１１２の面は、凹凸のない一様な平面となっていることが望ましい。

第一の基部１２Ａをまたいで延出部１１１，１１１に形成される凹凸のない一様な平面の全体に接合電極１３が形成されるとともに、延出部１１１，１１１に、この接合電極１３と相対する位置となるように電極１４，１４が形成される。
また、第二の基部１２Ｂをまたいで延出部１１２，１１２に形成される凹凸のない一様な平面の全体に接合電極１３が形成されるとともに、延出部１１２，１１２に、この接合電極１３と相対する位置となるように電極１４，１４が形成される（電極形成工程）。
なお、接合電極１３と、電極１４とはＡｕ（金）で形成されているが、これに限定されない。

ここで、本発明の慣性センサ素子１０は、第一の基部１２Ａをまたいで延出部１１１，１１１の平面に形成された接合電極１３と、第二の基部１２Ｂをまたいで延出部１１２，１１２の平面に形成された接合電極１３とを向かい合わせにして接合して一体に構成されている（接合工程）。

接合電極１３を接合する際に、ＧＧＩ接合（超音波金−金接合）又は陽極接合を用いることができる。
例えば、接合電極１３，１３にＡｕが用いられる場合であって、当該接合電極１３，１３同士の接合にＧＧＩ接合を用いた場合は、第二の基部１２Ｂとこれから延出している延出部１１２を固定し、第二の基部１２Ｂをまたいで延出部１１２，１１２の平面に形成された接合電極１３と、第一の基部１２Ａをまたいで延出部１１１，１１１の平面に形成された接合電極１３とを向かい合わせの状態にし、第一の基部１２Ａ又は／及び第二の基部１２Ｂに超音波をかけながら、接合電極１３同士を押し当てつつ温度を上昇させて互いの接合電極１３を接合させる。なお、固定側となる部材は、適宜変更しても良い。
また、陽極接合においても、互いの接合電極１３同士を接合することができる。

このようにすると、接合電極１３を介して第一の基部１２Ａから延出する延出部１１１と第二の基部１２Ｂから延出する延出部１１２とで４つの腕部１１，１１，１１，１１が形成される。このように形成された腕部１１・・・は、接合電極１３を介して配列された所定の延出部１１１，１１２同士が励振用腕部１１Ａ（図１〜図３参照）となり、接合電極１３を介して配列された他の延出部１１１，１１２同士が検出用腕部１１Ｂ（図１〜図３参照）となる。

例えば、図２に示すように、センサ基部１２に対して紙面上方に位置する腕部１１，１１を励振用腕部１１Ａとし、紙面下方に位置する腕部１１，１１を検出用腕部１１Ｂとする。このとき、励振用腕部１１Ａを構成する延出部１１１に設けられた電極１４と延出部１１２に設けられた電極１４とを励振用電極１４Ａとし、検出用腕部１１Ｂを構成する延出部１１１に設けられた電極１４と延出部１１２に設けられた電極１４とを検出用電極１４Ｂとする。
なお、本発明はこれに限定されず、励振用腕部１１Ａをセンサ基部１２に対して紙面下方に位置させ、検出用腕部１１Ｂを、紙面上方に位置させても良い。

また、腕部１１を検出用腕部１１Ｂで用いる場合は、検出用電極１４Ｂ（電極１４）を複数設けても良い（図１及び図３参照）。
例えば、検出用腕部１１Ｂには、第一の基部１２Ａから延出する延出部１１１に極性の異なる二つの検出用電極１４Ｂ，１４Ｂが形成され、第二の基部１２Ｂから延出する延出部１１２にも、極性の異なる二つの検出用電極１４Ｂ，１４Ｂが形成され、相対する延出部１１１の検出用電極１４Ｂ，１４Ｂと延出部１１２の検出用電極１４Ｂ，１４Ｂとの極性が異なるようになっている。

このとき、接合電極１３は、アナロググランドに接続されて基準電位とされる。そして、２つの励振用腕部１１Ａ，１１Ａに設けられた励振用電極１４Ａ・・・から励振用腕部１１Ａに交流の電圧を印加すると、一方の励振用腕部１１Ａには、接合電極１３から励振用電極１４Ａに向かう一様な電界と励振用電極１４Ａから接合電極１３に向かう一様な電界とが交互に発生する。また、他方の励振用腕部１１Ａ，１１Ａには、これとは逆となる、励振用電極１４Ａから接合電極１３に向かう一様な電界と接合電極１３から励振用電極１４Ａに向かう一様な電界とが交互に発生する（その一例を図３（ａ）に示す。）。

また、検出用電極１４Ｂ・・・を設けた２つの検出用腕部１１Ｂ，１１Ｂを用いて、励振用腕部の長手方向と平行な軸（Ｙ´軸）を回転軸とする角速度ωで回転した場合であって、励振用腕部１１Ａに交流の電圧を印加した場合に生じるコリオリの力で検出用腕部１１Ｂ，１１Ｂに生じた電荷を検出する。

このときの一方の検出用腕部１１Ｂに発生する電界の向きは、電気軸方向に、相対する第一の基部１２Ａから延出する延出部１１１に設けられた検出用電極１４Ｂから第二の基部１２Ｂから延出する延出部１１２に設けられた検出用電極１４Ｂへ向かう向きと、相対する第二の基部１２Ｂから延出する延出部１１２に設けられた検出用電極１４Ｂから第一の基部１２Ａから延出する延出部１１１に設けられた検出用電極１４Ｂへ向かう向きとの２方向１組の電界が、それぞれ、その向きを反転するように生じる（その一例を図３（ｂ）に示す。）。他方の検出用腕部１１Ｂには、これとは逆向きの電界が生じる。

このように慣性センサ素子１０を構成したので、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｘ軸方向の電界成分が大きくなり、腕部１１に一様に電界が生じるので、等価回路における等価直列抵抗Ｒ１の値を減少させることができる。
これにより、角速度検出感度や起動時間等への影響が軽減され、角速度検出感度が大きく、起動時間が早い慣性センサ素子とすることができる。

（第二の実施形態）
次に、図４（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子２０について説明する。この慣性センサ素子２０は、音叉構造となっている点で第一の実施形態と異なる。
図４（ａ）は、本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す側面模式図であり、（ｂ）は、本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す斜視図である。

この場合、図４（ａ），（ｂ）に示すように、第一の基部１２Ａから延出する延出部１１１と第二の基部１２Ｂから延出する延出部１１２とで２つの腕部１１，１１が形成される。これら腕部１１，１１は、一方の腕部１１が励振用腕部１１Ａであり、他方の腕部１１が検出用腕部１１Ｂである。
したがって、励振用腕部１１Ａと検出用腕部１１Ｂとの位置関係が第一の実施形態と比べて異なっていても、第一の実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。
例えば、電極１４Ａは延出部１１１の一つの面の全面に設けられる必要はなく、第一の基部１２Ａの一部分に至る位置から延出部１１１の端部から離れた位置の間に設けられても良い。

本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す斜視図である。分割部材に形成した接合電極同士を接合する前の状態を示す模式図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ断面図である。（ａ）は本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す側面模式図であり、（ｂ）は本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０慣性センサ素子
１１腕部
１１Ａ励振用腕部
１１Ｂ検出用腕部
１１１，１１２延出部
１２センサ基部
１２Ａ第一の基部
１２Ｂ第二の基部
１３接合電極
１４電極
１４Ａ励振用電極
１４Ｂ検出用電極

Claims

２つの第一の基部と１つの第二の基部とから構成されるセンサ基部と、
印加された電圧により屈曲振動をする励振用腕部と、
前記励振用腕部が屈曲運動するとともに所定の回転軸を中心に角速度が加わって生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出用腕部と
を備えた圧電素子を用いた慣性センサ素子であって、
前記第一の基部から延出する延出部と、
前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、
前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と相対する位置となるように前記第一の基部から延出する延出部に設けられる電極と、
前記第二の基部から平行一対に延出する延出部と、
前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、
前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と相対する位置となるように前記第二の基部から延出する延出部に設けられる電極と、
を備え、
前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とが接合されて、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが相対するように配列されて音叉構造に形成され、
前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とを介して配列された、所定の前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが前記励振用腕部である場合は、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部に設けられた電極が励振用電極となり、
前記第一の基部と前記第一の基部から延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極と、前記第二の基部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とにわたって形成されているＸ’軸が法線の凹凸のない一様な平面の全体に設けられる接合電極とを介して配列された、所定の前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部とが前記検出用腕部である場合は、前記第一の基部から延出する延出部と前記第二の基部から平行一対に延出する延出部に設けられた電極が検出用電極となるように構成される
ことを特徴とする慣性センサ素子。