(57)【要約】【課題】水晶を使用した慣性センサ素子の外形をフォトリソグラフィ法により形成した場合、振動脚部と基部との接続部分に、エッチング異方性のための加工残部が生じる。この加工残部を切削や研削をするために、新たな工程及び設備を用いて物理的に排除していた。【解決方法】水晶を使用し、少なくとも２つの振動脚部が平行に設けられ、且つこの振動脚部の同一方向の端部に振動脚部を保持する基部が設けられた形状の慣性センサ素子において、振動脚部間の距離をｓとし、両脚部の厚みをｔとした場合に、ｓ／ｔの比率を１．３以上２．０以下の範囲内とすることを特徴とする慣性センサ素子。【選択図】図１
2004177305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶を使用し、少なくとも２つの振動脚部が平行に設けられ、且つ該振動脚部の同一方向の端部に該振動脚部を保持する基部が設けられた形状の慣性センサ素子において、該振動脚部間の距離をｓとし、該振動脚部の厚みをｔとした場合に、ｓ／ｔの比率を１．３以上２．０以下の範囲内とすることを特徴とする慣性センサ素子。
【請求項２】
前記慣性センサ素子において、該慣性センサ素子の幅の方位をＸ結晶軸、該慣性センサ素子の長さの方位をＹ結晶軸、該慣性センサ素子の厚さの方位をＺ結晶軸として形成したことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ素子。
【請求項３】
前記慣性センサ素子を、角速度センサに使用することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の慣性センサ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加速度や角速度などの慣性を利用して検出する慣性センサに用いる慣性センサ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】慣性センサには、加速度センサ、角速度センサ、或いはそれらを組み合わせたハイブリッドセンサなどがあり、それらは、慣性を利用して、移動体の直線的、曲線的な運動をセンシングすることが行われている。近年では、低価格でセンシング性能が優れる、即ちコストパフォーマンスの良いセンサとして、その内部に搭載されるセンサ素子の多くには水晶等の圧電材料が使用されている。
【０００３】
従来の慣性センサに使用される慣性センサ素子を、角速度センサ素子を例示して説明する。角速度センサ素子を構成する材料として圧電材料の一つである水晶を使用する。角速度センサ素子の形状は、少なくとも２つの振動脚部が平行に設けられ、これら振動脚部の同一方向の端部に、この脚部を保持する基部が設けられた、所謂音叉形状をしている。
【０００４】
このような形状の角速度センサ素子の振動用脚部表面には、それぞれに金属製の駆動用電極及び検出用電極を形成し、基部表面にも各電極からの引出電極や外部接続用電極パッドなどが形成されている。角速度センサとは、角速度センサ素子に設けた駆動用電極により振動脚部を振動させ、その角速度センサ素子に回転が加わった際、脚部振動方向とは直交する方向に、慣性力である「コリオリの力」により生じた振動脚部の直交振動信号を検出用電極により検出し、その信号から角速度を計測するものである。
【０００５】
角速度センサに使用される角速度センサ素子の製造方法としては、通常、一枚の水晶板から、フォトリソグラフィ法により、一度に複数個のセンサ素子を形成する方法が用いられている。
【０００６】
前記の角速度センサに代表されるような慣性センサに使用される慣性センサ素子ついては、以下のような文献が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２５３３６３号公報
【特許文献２】
特開平１０−２０６１６７号公報
【０００８】
尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。
【０００９】
又、加速度センサ等の他の慣性要素を検出する慣性センサの素子にも、同じ水晶を使用した音叉形状の慣性センサ素子が使用されており、その製造方法もフォトリソグラフィ法を用いた方法が使用されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】通常の一般電子部品と同様に、慣性センサにおいても小型化が進み、内部に搭載される慣性センサ素子も小型化への対応が必要とされている。そのため慣性センサ素子における振動脚部間の距離は、より狭まる傾向にある。
【００１１】
しかし、水晶を慣性センサ素子の材料に使用し、慣性センサ素子の外形をフォトリソグラフィ法により形成した場合、振動脚部と基部との接続部分に、水晶の結晶由来のエッチング異方性のため加工残部が生じる。この加工残部は、それぞれの振動脚部と基部との接続部分に、非対称の形状で発生し、振動脚部の振動モードを著しく悪化させ、且つ振動脚部間の振動特性に差が生じる原因となっている。
【００１２】
従来では、この加工残部を切削や研削をすることで物理的に排除していたが、そのための工程が新たに必要となり、且つセンサ素子が非常に小型になると、特殊な設備工具が必要となり、或いは排除加工が不可能となることから、安価で性能の良い慣性センサ素子を製造することが困難であった。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決するもので、水晶を使用し、少なくとも２つの振動脚部が平行に設けられ、且つこの振動脚部の同一方向の端部に振動脚部を保持する基部が設けられた形状の慣性センサ素子において、振動脚部間の距離をｓとし、両脚部の厚みをｔとした場合に、ｓ／ｔの比率を１．３以上２．０以下の範囲内とすることを特徴とする慣性センサ素子である。
【００１４】
又、前記慣性センサ素子において、この慣性センサ素子の幅の方位をＸ結晶軸、長さの方位をＹ結晶軸、厚さの方位をＺ結晶軸として形成したことを特徴とする慣性センサ素子でもある。
【００１５】
更に、前記慣性センサ素子を、角速度センサに使用することを特徴とする慣性センサ素子でもある。
【００１６】
尚、上記形状の慣性センサ素子は、小型化の際に、振動脚部と基部との接続部分にエッチング異方性により生じる加工残部を非常に小さくすることができ、振動脚部の振動モードに悪影響を与えない作用を成す。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、添付図面に従って本発明の実施例を説明する。図１は、本実施例における、慣性センサ素子の上方斜視図を示す。又、図２は、振動リーク量と、振動脚部間の距離ｓと振動脚部の厚さｔとのｓ／ｔ比との相関を示すグラフである。尚、各図において、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示せず、又、寸法も一部誇張して図示している。
【００１８】
即ち、慣性センサ素子の内部に搭載される慣性センサ素子１１は、水晶よりフォトリソグラフィ法により、慣性センサ素子１１の幅の方位がＸ結晶軸、長さの方位がＹ結晶軸、厚さの方位がＺ結晶軸となるように形成している。慣性センサ素子１１の外形形状は、２本の振動脚部１２を平行に形成し、その振動脚部１２の一方の端部に、振動脚部１２を保持する基部１３を振動脚部１２と一体で形成された、所謂音叉形状をしている。ここで、振動脚部の幅をｗ、厚さをｔ、及び２本の振動脚部間の距離をｓと規定する。
【００１９】
２本の振動脚部１２と基部１３との接続部分には、水晶の結晶軸由来のエッチングに対する異方性のために、振動脚部１２と基部１３との接続部分に非対称形状な加工残部１４が生じる。この加工残部１４のために、振動脚部１２の振動は、本来の音叉の振動（Ｘ軸方向に平行な方向の振動）にはならず、Ｚ軸方向の振動成分を有した振動モードとなり、所望する振動脚部１２の振動にはならない。
【００２０】
この振動モードのズレの影響により、検出電極（図示しない）にズレ分に対応した検出電圧が発生する。これを「振動リーク量」と称し、振動リーク量は計測上の誤値となる。
【００２１】
各種測定の結果、この振動リーク量と、振動脚部間の距離ｓと振動脚部の厚さｔとの比率ｓ／ｔとの間に、図２のような相関があることが判明した。即ち、振動脚部の厚さｔに対する振動脚部間の距離ｓが大きいければ振動リーク量が小さくなり、理論値に限りなく近い振動モードで振動脚部が振動する慣性センサ素子を形成することができる。
【００２２】
但し、振動脚部間の距離ｓが大きくなると振動特性は改善するが、素子自体の大きさが大きくなり小型化に反することとなる。そこで、振動特性が良好で、且つ素子の小型化に対応できる範囲として、本発明はｓ／ｔ比を１．３以上２．０以下の範囲とする。ｓ／ｔ比が１．３未満では、振動リーク量が大きくなり振動特性が悪くなる。又、ｓ／ｔ比が２．０より大きい場合では、センサ素子形状の大きさが大きくなり、小型化が難しくなる。
【００２３】
尚、本実施例では、振動脚部１２が２本で且つ振動脚部１２が基部１３の一つの辺に接続している形状を例示しているが、本発明は、例示のような振動脚部の本数、及び振動脚部と基部との接続箇所に限定するものではなく、複数本の振動脚部を有するような慣性センサ素子においても、本発明はもちろん有用である。
【００２４】
【発明の効果】本発明によって、新たな工程を設け、且つ新規設備を新設し、振動脚部と基部との接続箇所に生じる加工残部を取り除く必要がなくなり、因って、安価に振動特性の良い慣性センサ素子を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本実施例における、慣性センサ素子の上方からの斜視図を示す。
【図２】図２は、振動リーク量と、振動脚部間の距離ｓと振動脚部の厚さｔとのｓ／ｔ比との相関を示すグラフを示す。
【符号の説明】
１１，慣性センサ素子
１２，振動脚部
１３，基部
【図１】
2004177305.tif 000003
【図２】
2004177305.tif 000004