(57)【要約】      （修正有）【課題】斜め振動の抑制を容易にして機械的強度やＣＩを維持した角速度センサ素子を提供することを目的とする。【解決手段】音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を備え、前記音叉腕の幅方向となる音叉振動を駆動する駆動電極と前記音叉腕の厚み方向となる垂直振動による電荷を検出するセンサ電極とを有し、前記一対の音叉腕の斜め振動を防止する切削部を、前記音叉腕の主面における幅方向の両端側の少なくとも一方として、前記音叉腕の根元部に対して長さ方向にレーザーによって設けた角速度センサ素子において、前記切削部はフェムト秒レーザーから照射される超短パルスレーザーによって形成されるとともに、前記超短パルスレーザーを前記音叉腕の稜線部に斜交して前記音叉腕の長さ方向に沿って順次に入射し、前記稜線部を切削しながら出射して形成された複数の微小切削部からなる構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を備え、前記音叉腕の幅方向となる音叉振動を駆動する駆動電極と前記音叉腕の厚み方向となる垂直振動による電荷を検出するセンサ電極とを有し、前記一対の音叉腕の斜め振動を防止する切削部を、前記音叉腕の主面における幅方向の両端側の少なくとも一方として、前記音叉腕の根元部に対して長さ方向にレーザーによって設けた角速度センサ素子において、前記切削部はフェムト秒レーザーから照射される超短パルスレーザーによって形成されるとともに、前記超短パルスレーザーを前記音叉腕の稜線部に斜交して前記音叉腕の長さ方向に沿って順次に入射し、前記稜線部を切削しながら出射して形成された複数の微小切削部からなることを特徴とする角速度センサ素子。
【請求項２】
請求項１において、前記切削部は前記複数の微小切削部のうちの隣接する微小切削部が重畳した角速度センサ素子。
【請求項３】
請求項２において、前記切削部は平坦状である角速度センサ素子。
【請求項４】
請求項１において、前記切削部は前記複数の微小切削部うちの隣接する微小切削部が離間した角速度センサ素子。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４において、前記切削部は前記一対の音叉腕のいずれにも設けられ、前記一対の音叉腕における幅方向の同一側となる一端側とする角速度センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は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、斜め振動の抑制を容易にして角速度の検出感度を良好にした角速度センサ素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
角速度センサ素子は車の誘導装置（カーナビ）やカメラの手振れ防止等に適用され、需要も拡大の方向にある。このようなものの一つに、例えば本出願人による二枚の音叉状水晶片を直接接合によって張り合わせたものがある（特許文献１）。
【０００３】
（従来技術の一例）
第４図は一従来例を説明する図で、同図（ａ）は角速度センサ素子の外観図、同図（ｂ）は結線関係を示す同上面図である。
【０００４】
角速度センサ素子は、音叉基部１とこれから延出した一対の音叉腕２（ａｂ）とを有するＺカットとした音叉状水晶片３からなる。音叉状水晶片３は、結晶軸（ＸＹＺ）におけるＸ軸の±方向を逆向きとした二枚の水晶片３（ａｂ）を直接接合してなる。これらは、２枚の水晶ウェハを直接接合した後、フォトリソグラフィを用いたエッチングによって形成される。
【０００５】
音叉状水晶片３の一対の音叉腕２（ａｂ）には、駆動電極Ｄ、センサ電極Ｓ及びモニタ電極Ｍを有する。駆動電極Ｄは一方の音叉腕２ａの両主面（Ｄ±）及び他方の音叉腕２ｂの他主面（Ｄ−）に、センサ電極Ｓは各音叉腕２（ａｂ）の内側面（Ｓ−）及び外側面（Ｓ＋）に、モニタ電極Ｍは他方の音叉腕２ｂの一主面に形成される。
【０００６】
各音叉腕２（ａｂ）の同符号の駆動電極Ｄ−同士及びセンサ電極Ｓ±同士が図示しない音叉表面上の配線路によって結線される。そして、駆動電極Ｄ±は図示しない発振回路に接続して交番電圧が印加される。駆動電極（Ｄ±）はセンサ電極Ｓ（±）との間で生ずる実線で示す電界によって、音叉腕２（ａｂ）の幅方向となる音叉振動（水平振動）を励起する。
【０００７】
センサ電極Ｓ±は図示しない電荷検出回路に接続し、基準電位Ｅに設定される。そして、コリオリの力に伴う、音叉腕２（ａｂ）の厚み方向となる互いに反対方向の垂直振動（板面に対する垂直方向への変位）によって生じる点線で示す電界に基づく電荷を検出する。なお、直接接合による２枚の水晶片３（ａｂ）はＸ軸の±方向が逆向きなので、各音叉腕２（ａｂ）の内側面及び外側面には同符号の電荷が発生する。
【特許文献１】特開２００５−２４１６０６号公報「第４図（ａｂ）」
【特許文献２】特開２００４−９３１５８号公報「第３図」
【特許文献３】特願２００６-７９４４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
（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、駆動周波数とセンサ周波数とを接近させて角速度の検出感度を高めるために幅と厚みを同等にすることや、例えばエッチングを用いた製造上の点から生ずる各音叉腕及び各音叉腕間の質量の非対称性に起因して、音叉振動は水平成分「第５図の矢印Ａ方向」のみならず垂直成分「同矢印Ｂ方向」を含む斜め振動「同矢印Ｃ方向」となる。
【０００９】
なお、２枚の水晶片３（ａｂ）を直接接号した場合は、エッチングの異方性によって各水晶片（ａｂ）の＋Ｘ軸面に即ち各音叉腕の２（ａｂ）の斜め方向に突起５を生じるので（第６図）、特に斜め振動を生じやすい。この場合、各音叉腕２（ａｂ）の水平及び垂直方向の中心線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂに対して質量分布が均一であっても、互いに逆となる斜め方向での質量分布は、右上がり方向が右下がり方向よりも大きくなる。したがって、この場合は、質量分布の大きい右上がり方向での斜め振動となる。
【００１０】
このことから、例えば特許文献２では、音叉腕２の根元部にレーザーを照射して角部に切削部４を設け、一対の音叉腕間での質量バランスをとることを開示している。この場合は、複数のレーザーを異なる角度から根元部に照射してその合成量によって切削し、それぞれの単一のレーザーでは切削できないエネルギーとして必要部分以外には損傷を与えないとしている。
【００１１】
しかし、通常の炭酸ガスレーザー等では、ビーム径が集光レンズを用いても例えば100μｍとして大きくなって、局所的に切削することは困難となり、音叉腕の角部を全体的に切削することになる。このため、レーザーによる根元部の調整によって斜め振動を抑制する質量バランスがとれても、機械的強度や例えば駆動電極を損傷してクリスタルインピーダンス（ＣＩ）等を損なう虞があった。これは、小型化が進むほど、影響が大きくなる。
【００１２】
（発明の目的）
本発明は、斜め振動の抑制を容易にして機械的強度やＣＩを維持した角速度センサ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（着目点及び先願）
本発明はビーム径が小さくエネルギーが大きなフェムト秒レーザーに着目し、これによる先願（特許文献３）では、いずれも音叉腕の根元部における幅方向の辺縁の主面に対して、フェムト秒レーザによる垂直方向から超短パルスレーザーを照射して円又は円弧状の穴を設ける構成とする。
【００１４】
なお、フェムト秒レーザ（超短パルスレーザー）は、数フェムト秒（１フェムトは１０００兆分の１）単位での極めて短いパルス信号としたレーザーを発生する。したがって、ビーム径は３〜５０μｍ程度と非常に小さく、エネルギーが極短時間に集中して出力レベルが非常に大きい。これにより、切削部（根元部）における微小穴の切削を容易にする。また、超短パルスのため、水晶への熱影響が実質的にないので、双晶発生のおそれも極めて小さい。
【００１５】
また、アナログ的な時間制御によるレーザーに比較すると、音叉基部の切削部に対して的確（ピンポイント的）に照射できることから、時間ではなく照射回数の制御によって斜め振動の抑制を容易にする。
【００１６】
（先願の問題点）
この場合、フェムト秒レーザーの出力を小さくすると切削時間がかかりすぎ、出力を大きくすると穴の底面に超短パルスレーザーのエネルギーが集中（残留）する。このため、穴の底面にクラック等の損傷を生じたり、結晶構造自体を破壊し易いという問題があった。
【００１７】
（解決手段）
音叉基部から一対の音叉腕が延出した音叉状水晶片を備え、前記音叉腕の幅方向となる音叉振動を駆動する駆動電極と前記音叉腕の厚み方向となる垂直振動による電荷を検出するセンサ電極とを有し、前記一対の音叉腕の斜め振動を防止する切削部を、前記音叉腕の主面における幅方向の両端側の少なくとも一方として、前記音叉腕の根元部に対して長さ方向にレーザーによって設けた角速度センサ素子において、前記切削部はフェムト秒レーザーから照射される超短パルスレーザーによって形成されるとともに、前記超短パルスレーザーを前記音叉腕の稜線部に斜交して前記音叉腕の長さ方向に沿って順次に入射し、前記稜線部を切削しながら出射して形成された複数の微小切削部からなる構成とする。
【発明の効果】
【００１８】
このような構成であれば、音叉腕の根元部に設けられた複数の微小切削部によって、質量分布を可変して斜め振動を抑制できる。この場合、微小切削部からなる集合体の外周領域（輪郭）は、従来例に比較して明確になる。したがって、切削部の外周近辺での不要な切削を防止するので、機械的強度や電気的特性を良好に維持できる。
【００１９】
また、フェムト秒レーザーによる超短パルスレーザーは音叉腕の稜線部を斜交して切削しながら入出射する。したがって、超短パルスレーザーのエネルギーが先願（特許文献３）のように残留せず、余すことなく逃げるので、水晶に対する損傷を防止できる。
【００２０】
（実施態様項）
本発明の請求項２では、請求項１において、前記切削部は前記複数の微小切削部のうちの隣接する微小切削部が重畳する。これにより、超短パルスレーザーによる複数の微小切削部は音叉腕の延出始端側となる音叉根元部に集中して形成されるので、斜め振動の制御効率を高められる。これは、切削部が音叉腕の延出始端に近いほど音叉振動に影響を与えることに起因する。
【００２１】
同請求項３では、請求項２において、前記切削部は平坦状とする。これによれば、超短パルスレーザーが請求項２の場合よりも根元部に集中するので、さらに斜め振動の制御効率を高める。なお、微小切削部は超短パルスレーザーのビーム形状に応じて基本的には円弧状となるので、微小切削部が接近するほど平坦状となる。但し、超短パルスレーザーのビーム径は極めて小さいので、隣接する微小切削部が重畳すると切削部はほぼ平坦になる。
【００２２】
同請求項４では、請求項１において、前記切削部は前記複数の微小切削部の隣接する微小切削部が離間する。この場合は、隣接する微小切削部が離間して重畳しないので、各微小切削部に対する超短パルスレーザーの照射も１回のみとなる。したがって、超短パルスレーザーを重複させる請求項２や３の場合に比較して損傷や双晶化をさらに防止する。
【００２３】
同請求項５では、請求項１、２、３又は４において、前記切削部は前記一対の音叉腕のいずれにも設けられ、前記一対の音叉腕における幅方向の同一側となる一端側とする。これによれば、一対の音叉腕のいずれにも切削部を設けるので、斜め振動を抑制した上で、一対の音叉腕の質量を均等に維持する。
【００２４】
したがって、一対の音叉腕の一方のみに切削部を設けた場合に比較し、両音叉腕の固有振動周波数を均一にして、音叉基部への振動漏れを防止し、クリスタルインピーダンスを良好にする。なお、斜め振動の防止に当たり、音叉腕の一方のみに切削部を設けると、左右の音叉腕の固有振動数を異ならせる原因となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１実施形態、請求項１、４に相当）
第１図は本発明の第１実施形態を説明する角速度センサ素子（音叉状水晶片）の一部拡大図である。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。
【００２６】
角速度センサ素子は前述したように２枚の水晶ウェハ３（ａｂ）を直接接合によって張り合わせた後にフォトエッチングによって加工され、音叉基部１から一対の音叉腕２（ａｂ）が延出した個々の音叉状水晶片３に分割される。一対の音叉腕２（ａｂ）には、音叉振動を励起する駆動電極Ｄ±、垂直振動による電荷を検出するセンサ電極Ｓ±、及び音叉振動の振幅レベルを一定にするモニタ電極Ｍを有する（前第４図参照）。
【００２７】
そして、フェムト秒レーザによる超短パルスレーザー（図中の矢印Ｐ）を少なくとも音叉腕２（ａｂ）の一方例えば２ａの根元部に照射して切削し、斜め振動を抑制する。この場合、超短パルスレーザーにおけるパルス１個分の出力パワー（エネルギー）をＰo μＪ、照射回数をＮ回とし、これらの積算値であるレーザエネルギーＰm（＝ＮＰo μJ）が照射される。
【００２８】
例えば超短パルスレーザーのパルス幅を７０フェムト秒とし、１パルスの出力パワーＰoを１０μＪ、パルス回数Ｎを１０回、レーザエネルギーＰmを１００μJとする。
【００２９】
超短パルスレーザーは、一方の音叉腕２ａの根元部における外側（右側）の稜線部に斜交して照射する。超短パルスレーザーの照射角度は音叉腕２ａの一主面に対して例えば４５゜として入射し、音叉腕２ａの外側面から出射する。この場合、超短パルスレーザのエネルギーによって稜線部を斜め方向に切削しながら貫通し、稜線部に微小切削部４が形成される。
【００３０】
そして、音叉腕２ａにおける音叉基部１の根元部中の延出始端から長さ方向に沿って、順次に先端側に向かって超短パルスレーザーを稜線部に照射する。これにより、音叉腕２ａの根元部における稜線部には長さ方向に沿った複数の微小切削部４が形成される。この場合、音叉基部１の根元部に対する超短パルスレーザーの照射ごとに角速度センサ素子を駆動し、斜め振動の垂直成分による電荷をセンサ電極Ｓ±によって検出する。そして、垂直成分による電荷がほぼ０とする規格値以下になるまでこれを繰り返す。
【００３１】
このようなものでは、発明の効果の欄でも述べたように、超短パルスレーザーによる切削なので微小切削部４の集合領域（輪郭）が明確になって、集合領域の外周近辺での不要な切削を防止し、機械的強度や電気的特性を良好に維持できる。そして、超短パルスレーザーは音叉腕２ａの稜線部を斜交して切削しながら貫通する。
【００３２】
したがって、超短パルスレーザーのエネルギーが微小切削部４内に残留せず、余すことなく逃げるので、水晶に対する損傷や双晶化を防止できる。さらに、この例では、複数の微小切削部４は離間して形成されるので、隣接する微小切削部を重畳させる場合（第２実施形態）に比較し、超短パルスレーザーを重複して照射しないので、水晶の損傷や双晶化をさらに防止できる。
【００３３】
（第２実施形態、請求項１、２、３に相当）
第２図は本発明の第２実施形態を説明する角速度センサ素子の一部拡大図である。なお、第１実施形態と同一部分の説明は省略又は簡略する。
【００３４】
第２実施形態でも、フェムト秒レーザによる超短パルスレーザーは、第１実施形態と同様に、音叉腕２ａの根元部における稜線部に斜交して、音叉腕２ａの延出始端から先端側に向かって照射される。そして、ここでは、超短パルスレーザーによる微小切削部４は隣接するもの同士が重畳して形成される。この場合、超短パルスレーザーのビーム径は前述のように  μｍとするので、微小切削部４の集合体は稜線部を斜交する平坦部４Ａを形成する。
【００３５】
このようなものでは、音叉腕２ａの根元部における延出始端側に微小切削部４を集中して平坦部４Ａ形成する。したがって、微小切欠部４を離間して形成する第１実施形態に比較し、微小切削部４による平坦部４Ａが延出始端部側となるので斜め振動に対する抑制効果（調整感度）を高められる。
【００３６】
（他の事項）
上記実施形態では一方の音叉腕２ａにのみ超短パルスレーザーを照射して斜め振動を抑制したが、一対の音叉腕２（ａｂ）における幅方向の各一端側（例えば右側）となる一主面の稜線部に超短パルスレーザーを照射してもよい。これらの場合、一対の音叉腕２（ａｂ）の根元部中の延出始端側に超短パルスレーザーを照射できるので、一方の音叉腕２ａのみの根元部に照射する場合に比較して斜め振動の抑制効果を高められる。
【００３７】
なお、各音叉腕２（ａｂ）における幅方向の一端側となる一主面(例えば右側主面）の稜線部に超短パルスレーザーを照射したとき、前第５図に示した斜め振動Ｃを水平振動Ａに戻す。そして、各音叉腕２（ａｂ）における幅方向の他端側となる一主面（左側主面）に照射したとき、水平振動Ａを斜め振動Ｃにする。そして、一対の音叉腕２（ａｂ）の他主面の稜線部を切削する場合は、これらとは逆方向の調整となる。
【００３８】
要するに、一対の音叉腕２（ａｂ）における各主面側の稜線部において、一方の音叉腕２ａの内側と他方の音叉腕２ｂの外側が等価な効果を奏し、一方の音叉腕２ａの外側と他方の音叉腕２ｂの内側とが等価な効果を奏する。このことから、一方の音叉腕２ａの一端側にて斜め振動を抑制して逆方向の斜め振動となった場合は、一方の音叉腕２ａ又は及び他方の音叉腕２ｂの他端側に超短パルスレーザーを照射して元の水平振動に戻すことができる。
【００３９】
そして、一対の音叉腕２（ａｂ）の稜線部に超短パルスレーザーを照射して微小切削部４を設けた場合は、各音叉腕２（ａｂ）間での固有振動周波数を均等にするので、振動特性を良好に維持できる。さらに、一対の音叉腕２（ａｂ）の同一主面側から超短パルスレーザーを照射して斜め振動を抑制する場合は、第３図に示したように、凹状の容器本体５に角速度センサ素子を収容した後、調整できるので有用となる。なお、図中の符号６は音叉基部１を保持する台座である。
【００４０】
また、音叉状水晶片３は２枚の水晶片３（ａｂ）の直接接合としたが、単板であったとしても適用できることは勿論である。この場合は、エッチングの異方性によって＋Ｘ軸面に突起を生じ、（第３図の上面図）同様に斜め振動を生じる。また、上記実施例では水晶を用いた音叉の例を説明したが、材料はこれに限らず、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、さらには圧電膜を形成したシリコン等任意のもので構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態を説明する角速度センサ素子の一部拡大図である。
【図２】本発明の第２実施形態を説明する角速度センサ素子の一部拡大図である。
【図３】本発明の適用例を示す容器本体に収容した角速度センサ素子の平面図である。
【図４】従来例を説明する図で、同図（ａ）は角速度センサ素子の外観図、同図（ｂ）は結線関係を示す上面図である。
【図５】従来例（斜め振動）を説明する角速度センサ素子の上面図である。
【図６】従来例を説明する角速度センサ素子の上面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  音叉基部、２  音叉腕、３  音叉状水晶片、４  切削部４、５  容器本体、６  台座。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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