(57)【要約】【目的】本発明はＣＩ及び駆動電力に対する耐破壊強度、ＣＩ安定性及び周波数安定性等の電気的性能を向上した音叉型振動子、角速度センサ素子及び角速度センサを提供する。【構成】音叉形状の外形加工がウエットエッチングによってされ、音叉の長手方向を結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸として幅方向をＸ軸とした音叉状水晶片の２枚が、Ｘ軸の±方向を逆向きとして直接接合された音叉型水晶振動子において、前記音叉状水晶片の２枚を正立状態で見たとき、前記音叉状水晶片の２枚は、いずれも、右側面が水晶の＋Ｘ面である構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音叉形状の外形加工がウエットエッチングによってされ、音叉の長手方向を結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸として幅方向をＸ軸とした音叉状水晶片の２枚が、Ｘ軸の±方向を逆向きとして直接接合された音叉型水晶振動子において、前記音叉状水晶片の２枚を正立状態で見たとき、前記音叉状水晶片の２枚は、いずれも、右側面が水晶の＋Ｘ面であることを特徴とする音叉型水晶振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の音叉型水晶振動子は音叉基部から一対の音叉腕部が延出し、音叉股部は左右対称のＶ字溝であり、前記Ｖ字溝の各傾斜部は中央に稜線を有して断面を三角形とする音叉型水晶振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の音叉型水晶振動子は音叉基部から一対の音叉腕部が延出し、音叉股部は左右対称のＵ字溝であり、前記Ｕ字溝の各傾斜部は中央に稜線を有して断面を三角形とする音叉型水晶振動子。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の傾斜部は前記稜線の左右面が水晶のＲ面である音叉型水晶振動子。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載の音叉型水晶振動子であって、音叉振動を励起する駆動電極と、コリオリの力による電荷を検出するセンサ電極とを備えた角速度センサ素子。
【請求項６】
請求項５の角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子の音叉振動を励起する発振回路と、前記音叉型水晶振動子のセンサ電極からの電荷を検出する同期検波回路とを備えた角速度センサ。
【請求項７】
２枚のＺカットとした水晶ウェハを互いのＸ軸を逆向として直接接合して合成水晶ウェハを形成する工程と、前記合成水晶ウェハの表裏面に多数の合成音叉状水晶片を形成するエッチングマスクを、前記合成音叉状水晶片の幅方向が前記Ｘ軸に長さ方向がＹ軸となるように形成する工程と、前記エッチングマスクの形成された前記合成水晶ウェハをウエットエッチングにより選択的にエッチングして前記合成音叉状水晶片を形成する工程とを含む音叉型水晶振動子の製造方法において、前記合成水晶ウェハの表裏面に前記エッチングマスクを形成する際、前記合成音叉状水晶片における表裏の音叉状水晶片を正面から正立状態で見て右方向が水晶の＋Ｘ方向となるよう形成することを特徴とする音叉型水晶振動子の製造方法。
【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、角速度センサ素子、角速度センサ及び音叉型水晶振動子の製造方法を技術分野とし、特に角速度センサ素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）角速度センサ素子は車の誘導システムやカメラの手振防止装置等に使用され、量産化が進められている。このようなものの一つに、直接接合を用いて２枚の音叉状水晶片を貼り合わせてなる本出願人による角速度センサ素子がある。
【０００３】
（従来技術の一例）第７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前述のように２枚の音叉状水晶片１（ａｂ）を直接接合によって貼り合わせた合成音叉状水晶片５を備える。各音叉状水晶片１（ａｂ）は水晶結晶軸（ＸＹＺ）のＸ軸を幅、Ｙ軸を長さ、Ｚ軸を厚み方向とする。そして、いずれの音叉状水晶片１（ａｂ）も正立状態で見たとき、Ｘ軸の−方向を右側、＋方向を左側とする。要するに、−Ｘ軸方向に直交する水晶の−Ｘ面が音叉状水晶の右側面とする。そして、各音叉状水晶片１（ａｂ）の±Ｘ軸方向を逆向きとして接合される。
【０００４】
合成音叉状水晶片５を得る場合、第８図に示したように、先ず、Ｚカットとした２枚の水晶ウェハ２（ａｂ）を互いの±Ｘ軸方向を逆向きとして直接接合する。次に、直接接合された合成水晶ウェハ４の表裏に音叉状のエッチングマスク３を形成する。エッチングマスク３は、後に形成される各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見て右方向が−Ｘ軸方向となるように形成される。そして、ウエットエッチングによって、合成水晶ウェハ４を選択的にエッチングして個々の合成音叉状水晶片５（角速度センサ素子）得る。
【０００５】
角速度センサ素子の一対の音叉腕のそれぞれには、音叉振動を駆動してコリオリの力を検出する電極が設けられる。ここでは、第９図の結線図に示したように、一方の音叉腕（図の右側）の表面電極６ａと、他方の音叉腕（図の左側）の裏面電極７ｂとは共通接続して、第１駆動端子Ｄ1を導出する。そして、一方の音叉腕の裏面電極６ｂからは第２駆動端子Ｄ2を導出する。
【０００６】
また、一対の音叉腕の内側面電極６ｃ、７ｃ同士及び外側面電極６ｄ、７ｄ同士を接続して、それぞれ第１及び第２センサ端子Ｓ1、Ｓ2を導出する。さらに、他方の音叉腕の表面電極７ａからはモニタ端子Ｍを導出する。
【０００７】
第１０図は角速度センサの概略構成図である。すなわち、角速度センサは第１と第２駆動端子Ｄ1、Ｄ2に接続して音叉振動を励起する発振回路８と、センサ端子Ｓ1、Ｓ2に接続してコリオリの力による電荷を増幅するチャージアンプ９（ａｂ）及び差動増幅器１０と、差動増幅器１０からコリオリの力による電荷分を検波する同期検波回路１１及びこれを平滑して直流電圧（回転角の検出値）を得るローパスフィルタ１２と、モニタ端子Ｍに接続して音叉振動による電荷を増幅するチャージアンプ９ｃ及びこの電荷量によって音叉振動の振幅を一定にするＡＧＣ回路１３とからなる。なお、ここでの同期検波回路１１の同期周波数はモニタ端子から供給される。これらの構成によってコリオリの力による電荷を検出して、回転角を確実に把握する。
【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、音叉型振動子としてのクリスタルインピーダンス（以下、ＣＩとする）、及び音叉振動させる際の駆動電力に対する耐破壊強度、周波数安定性、ＣＩ安定性（いわゆるドライブレベル特性）等の電気的特性、及び各素子間の均一性についてさらなる向上を図る上で好ましい構造ではなかった。
【０００９】
以下、課題の推定原因について説明する。上記構成の角速度センサ素子では、ウエットエッチングによって合成水晶ウェハ４をエッチングし、個々の合成音叉状水晶片５を得る。一方、水晶（結晶）はエッチング異方性であることから、結晶軸方向によってエッチング速度が異なる。しかも、ここでは二枚の水晶ウェハ２（ａｂ）がＸ軸方向を逆向きとして接合され、かつ各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見たとき音叉の右側面が−Ｘ面となるようエッチングマスクを合成水晶ウェハ４に形成していたため、特に音叉股部（音叉溝底面部）に独特の構造が生じる。
【００１０】
第１１図（ａ）はこの独特な構造となる音叉股部を説明する音叉腕を切断した分解図である。この図から明らかなように、音叉股部には接合界面を頂点とする山状部分１００を生ずる。そして、各音叉腕１０１、１０２における根元部の内側面は山状部分１００に接合する。山状部分の主たる傾斜面１００ａはいわゆる水晶のＲ面と呼ばれる面で構成され、その左右１００ｂ、１００ｃが水晶のｒ面で構成される。これはエッチング液に対するエッチング速度がＲ＞ｒであるために生じる。
【００１１】
第１１図（ｂ）は音叉基部を切断して一方の音叉腕１０１を示す図である。この図から分かるように、音叉腕部側面のうち水晶の＋Ｘ面に当たる面には、エッチング異方性に起因する突起１０１ａが生じる。この突起１０１ａの稜線は、各音叉状水晶片１（ａｂ）の＋Ｘ面上であって、各音叉状水晶片１（ａｂ）が接合している境界１０５近くに、音叉腕部の長手方向に沿って生じている。そして、この稜線は上述した山状部分１００に対し、この山状部分１００の稜線から少しずれた位置で交わっている。
【００１２】
そして、上述したこれらの音叉股部の物理的形状は前述の電気的特性を阻害する。例えば左右の音叉腕が音叉振動すると、音叉股部には上下方向の応力が発生する。しかし、山状部分は上記の上下方向への変位を抑制するので、音叉振動を抑制する。要するに、左右の音叉腕は山状部分によって機械的に拘束され、音叉振動の負荷を大きくする。これらのことから、ＣＩを高くする。
【００１３】
また、上述した稜線１０１ａと山状部分１００との交点Ｐ（前第１１図参照）付近には音叉振動時の音叉腕の屈曲時の応力が集中し易くなるため、音叉に印加する電力を増加した際、クラック等の発生原因となる。これはドライブレベル特性を損ねる原因となる。
【００１４】
特に、上記構成のモニタ端子を備えてＡＧＣ回路によって音叉振動の振幅レベルを一定に維持する角速度センサでは、振幅レベルが小さくなった場合には振幅が所定値になるように自動的に駆動電力が大きくなる。したがって、破損を引き起こしやすくなる。
【００１５】
（発明の目的）本発明はＣＩ及び駆動電力に対する耐破壊強度、ＣＩ安定性及び周波数安定性等の電気的性能を向上した音叉型振動子、角速度センサ素子及び角速度センサを提供することを目的とする。
【特許文献１】特開２００２−１８８９２２号公報
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（着目点）本発明は特許文献１での音叉溝をＶ字状とする構成に着目した。すなわち、音叉基部から延出した音叉腕部の延出方向と直交する方向の左側を前面の音叉状水晶片の−Ｘ軸方向とする構成、換言すると直接接合前の音叉状水晶片の２枚を正立状態で見たとき、これらはいずれも、Ｘ軸の＋方向に直交する水晶の＋Ｘ面が音叉状水晶片の右側面である構成に着目した。
【００１７】
（発見）このような構成の音叉状水晶片では、音叉股部が単板の場合に見られた非対称のＶ字状ではなく、対称のＶ字状となることを発見した。
【００１８】
（解決手段）本発明は、特許請求の範囲の請求項１に示したように、音叉形状の外形加工がウエットエッチングによってされ、音叉の長手方向を結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸として幅方向をＸ軸とした音叉状水晶片の２枚が、Ｘ軸の±方向を逆向きとして直接接合された音叉型水晶振動子において、前記音叉状水晶片の２枚を正立状態で見たとき、前記音叉状水晶片の２枚は、いずれも、右側面が水晶の＋Ｘ面である構成とする。
【００１９】
請求項２では、請求項１に記載の音叉型水晶振動子は音叉基部から一対の音叉腕部が延出し、音叉股部は左右対称のＶ字溝であり、前記Ｖ字溝の各傾斜部は中央に稜線を有して断面を三角形とする。
【００２０】
請求項３では、請求項１に記載の音叉型水晶振動子は音叉基部から一対の音叉腕部が延出し、音叉股部は左右対称のＵ字溝であり、前記Ｕ字溝の各傾斜部は中央に稜線を有して断面を三角形とする。
【００２１】
請求項４では、請求項２又は３に記載の傾斜部は前記稜線の左右面が水晶のＲ面であるとする。
【００２２】
請求項５では、請求項１、２、３又は４に記載の音叉型水晶振動子であって、音叉振動を励起する駆動電極と、コリオリの力による電荷を検出するセンサ電極とを備えた角速度センサ素子を構成する。
【００２３】
請求項６では、請求項５の角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子の音叉振動を励起する発振回路と、前記音叉型水晶振動子のセンサ電極からの電荷を検出する同期検波回路とを備えた角速度センサを構成する。
【００２４】
請求項７では、２枚のＺカットとした水晶ウェハを互いのＸ軸を逆向として直接接合して合成水晶ウェハを形成する工程と、前記合成水晶ウェハの表裏面に多数の合成音叉状水晶片を形成するエッチングマスクを、前記合成音叉状水晶片の幅方向が前記Ｘ軸に長さ方向がＹ軸となるように形成する工程と、前記エッチングマスクの形成された前記合成水晶ウェハをウエットエッチングにより選択的にエッチングして前記合成音叉状水晶片を形成する工程とを含む音叉型水晶振動子の製造方法において、前記合成水晶ウェハの表裏面に前記エッチングマスクを形成する際、前記合成音叉状水晶片における表裏の音叉状水晶片を正面から正立状態で見て右方向が水晶の＋Ｘ方向となるよう形成する音叉型水晶振動子の製造方法とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の請求項１では、直接接合前の音叉状水晶片の２枚を正立状態で見たとき、音叉状水晶片の２枚は、いずれも、前記Ｘ軸の＋方向に直交する水晶の＋Ｘ面が前記音叉状水晶片の右側面としたことによって、ウェットエッチングによる外形形状は、エッチングの加工量に応じて音叉股部が特許文献１で示すように例えばＶ字状あるいはＵ字状となる。
【００２６】
そして、さらに観察した結果、非対称ではなく左右対称なＶ字状あるいはＵ字状となる。したがって、音叉構造に接近した形状となる。このことから、音叉振動の負荷が小さくなってＣＩを小さくできる。また、これに伴い、実施例で示すように、実験の結果ＣＩ及び駆動電力に対する耐破壊強度、周波数安定性及びＣＩ安定性等の電気的性能が向上する。
【００２７】
請求項２及び３では音叉股部を明確にＶ字状及びＵ字状とする。したがって、ＣＩを小さくして電気的特性を確実に向上する。請求項４ではＶ字溝又はＵ字溝の断面三角形の両面は水晶のＲ面であるとして具体的構成をさらに明確にする。
【００２８】
請求項５では、以上のような音叉型振動子に音叉振動を励起する駆動電極と、コリオリの力による電荷を検出するセンサ電極と設けて角速度センサ素子を形成するので、電気的性能を高めた角速度センサ素子を得られる。
【００２９】
請求項６では、少なくとも請求項５の角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子の音叉振動を駆動する発振回路と、前記音叉型水晶振動子のセンサ電極からの電荷を検出する同期検波回路とを備えた角速度センサを構成する。したがって、高性能の角速度センサを提供できる。
【００３０】
請求項７では、合成水晶ウェハ４の表裏面に形成するエッチングマスクを、合成音叉状水晶片における表裏の音叉状水晶片を正面から正立状態で見て右方向がそれぞれ水晶の＋Ｘ方向となるように形成する製造方法とする。したがって、ウエットエッチング後には、音叉股部が対称構造となるＶ字状又はＵ字状の音叉型振動子を得ることができる。
【実施例】
【００３１】
第１図及び第２図は本発明の一実施例を説明する図で、第１図は角速度センサ素子の図、第２図は合成水晶ウェハの図である。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し、製造工程を踏まえて説明する。
【００３２】
角速度センサ素子の製造には、先ず、Ｚカットの水晶ウェハ２（ａｂ）を、±Ｘ軸方向を逆向きとして直接接合し、合成水晶ウェハ４を形成する（第２図）。次に、合成水晶ウェハ４の表裏面に多数の合成音叉状水晶片５を形成するエッチングマスク３を写真印刷技術によって設ける。
【００３３】
この際、エッチングマスク３は、後に形成される合成音叉状水晶片５の幅方向がＸ軸、長さ方向がＹ軸となるように形成される。しかも、合成音叉状水晶片５の表裏から各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見て、それぞれ右方向が水晶の＋Ｘ軸方向（右側面が＋Ｘ面）となるよう形成する。
【００３４】
次に、ウエットエッチングによって合成水晶ウェハ４を選択的にエッチングし、多数の合成音叉状水晶片５を得る。但し、この時点では各合成音叉状水晶片５は一部同士が連結され、一体化している。そして、図示しない駆動電極、センサ電極及びモニタ電極を同様のウエットエッチングによって形成した後、個々の角速度センサ素子を得る（第１図）。これらは、音叉基部が保持されて端子の導出した図示しない密閉容器に封入される。
【００３５】
このようなものでは、個々に分割された各合成音叉状水晶片５は、合成音叉状水晶片５の表裏から各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見て、それぞれ右方向が水晶の＋Ｘ軸方向、即ち水晶の＋Ｘ面が右側面となる。要するに、各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見たとき、＋Ｘ面が右側面となる２枚の音叉状水晶片１（ａｂ）を±Ｘ軸方向を逆向きとして直接接合されたものとなる。
【００３６】
第３図（ａ）は特に音叉股部を説明する音叉腕を切断した合成音叉状水晶片の分解図であり、同図（ｂ）は正面図である。図から明らかなように、音叉股部は正面方向から見て左右対称のＶ字状（Ｖ字溝）になる。そして、Ｖ字溝における左右の各傾斜部は中央に稜線を有して断面を三角形とする傾斜部になる。また、これらの各傾斜部の両面は水晶のＲ面となる。しかも、本構造では、従来問題であった交点Ｐ（前第１１図参照）は生じない。
【００３７】
以下、実験結果に基づいて本発明をさらに説明する。ここでの合成音叉形状水晶片は、第４図に示したように、一対の音叉腕部と両者間のスペースを足した寸法より幅の広い音叉基部に一対の音叉腕部を結合した形状とする。そして、同一寸法の条件で合成音叉状水晶片５を形成する。さらに、前述した駆動電極及びセンサ電極を形成して、音叉振動させたときの本発明品と従来品（第１１図用いて説明した音叉股部のもの）との電気的特性を各実験によって比較する。
【００３８】
第５（ａｂ）は駆動電力に対するインピーダンス特性、及び第６図（ａｂ）は同周波数変化率特性で、各図（ａ）が本発明品、同（ａ）が従来品である。なお、各実験における試料品は５個であり、振動周波数は概略１７ＫHzである。
【００３９】
先ず、駆動電力に対する耐破壊強度を第５図（ａｂ）によって比較する。本発明品の破壊強度の限界となる駆動電力は72.9、104.3、91.8、75.9、74.4μＷ、平均で83.9μＷであり、従来品は12.6、22.6、27.6、14.1、27.6μＷ、平均で20.9μＷある。したがって、本発明品では破壊強度は約４倍に向上する。なお、ここでの破壊強度の限界とは、測定不能となる駆動電力である。これは、角速度センサ素子の破損や、音叉振動の位相が合わず不発振状態を意味する。
【００４０】
次に、駆動電力に対するＣＩは、いずれの場合も、駆動電力の増加とともにＣＩも上昇する。そして、本発明品では耐破壊強度の限界まで緩やかに変化するのに対し、従来品では急激に変化する。したがって、駆動電力に対するＣＩの安定性も本発明品は従来品よりも格段に優れる。
【００４１】
次に、駆動電力に対する周波数変化率「第６図（ａｂ）」は、いずれも駆動電力の増加とともに変化する。そして、ＣＩと同様に、本実施例では耐破壊強度の限界まで緩やかに変化するのに対し、従来品では急激に変化する。例えば周波数変化率Δｆ／ｆ0が６ｐｐｍ以内とする駆動電力は、本実施例ではそれぞれ約29.9、39.4、39.3、38.7、38.0μＷ、平均で37.01μＷになる。これに対し、従来品では6.7、14.3、11.4、11.4、14.0μＷ、平均で11.6μＷになる。したがって、本発明品では従来品に対して電力耐性は、３倍以上になる。
【００４２】
最後に、前第５図に基づいてＣＩを比較する。本発明品の例えば３μＷ付近でのＣＩは934、895、900、903、915ＫΩ、平均で909ＫΩであり、従来品のＣＩは1037、950、956、975、969ＫΩ、平均で977ＫΩである。したがって、本発明品では約７％のＣＩの向上が認められる。
【００４３】
これらの実験結果から明らかなように、本発明品によればＣＩ及び駆動電力に対する耐破壊強度、ＣＩ安定性及び周波数安定性等の電気的性能が著しく向上する。これらは、各音叉状水晶片１（ａｂ）を正立状態で見たとき、右側面を＋Ｘ面として±Ｘ軸方向を逆向きとして接合したことによって得られる。すなわち、このような軸方向でウェットエッチングすると、音叉股部は左右対称のＶ字状となる。したがって、理想的な音叉形状に接近して音叉股部での負荷が小さくなり、音叉振動をスムーズにする。これらのことから、ＣＩ及び駆動電力に対する各電気的特性を向上する。そして、前述した角速度センサを構成した場合、品質に優れたものとなる。
【００４４】
（他の事項）上記実施例では音叉股部はＶ字状としたが、Ｕ字状であってもよい。これらは、エッチングマスク３やエッチング時間等によって微妙に変化し、概ねの形状がＶ字あるいはＵ字状で左右対称であれば本発明の効果を奏する。また、左右対称とは寸分違わず幾何学上の対称ではなく、大筋での対称性を意味する。要は、各音叉上水晶片を正立状態で見たとき、右側面を＋Ｘ面として±Ｘ軸方向を逆向きとして接合したことによって得られる対称性である。また、角速度センサ素子として説明したが、通常の音叉型振動子として使用する場合にも適用できる。
【００４５】
また、実験での合成音叉形状水晶片は、一対の音叉腕部と両者間のスペースを足した寸法より幅の広い音叉基部に一対の音叉腕部を結合した形状として説明した。このような形状であると、２本の音叉腕部のそれぞれの左右に傾斜部（中央に稜線を有して稜線の両側が水晶のＲ面で構成された傾斜部）が生じた音叉が得られるので耐電力向上により好ましいからである。しかし、本発明は第１図に示したような平面的に見て単純な音叉形状の音叉に対しても勿論有効である。このような単純な音叉であっても音叉股部に対する本発明の効果は同様に得られるからである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施例を説明する角速度センサ素子の図である。
【図２】本発明の一実施例を説明する合成水晶ウェハの図である。
【図３】本発明の一実施例の作用を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は音叉腕を切断した分解図、同図（ｂ）は正面図である。
【図４】本発明の一実施例の実験に使用した角速度センサ素子の正面図である。
【図５】本発明の作用効果を説明する駆動電力−ＣＩ特性図である。
【図６】本発明の作用効果を説明する駆動電力−周波数変化率特性図である。
【図７】従来例を説明する角速度センサ素子の図である。
【図８】従来例を説明する合成水晶ウェハの図である。
【図９】従来例を説明する角速度センサ素子の結線図である。
【図１０】従来例を説明する角速度センサの概略ブロック図である。
【図１１】従来例を説明する角速度センサ素子の図で、同図（ａ）は音叉腕を切断した分解図、同図（ｂ）は一方の音叉腕の図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  音叉状水晶片、２  水晶ウェハ、３  エッチングマスク、４  合成水晶ウェハ、５  合成音叉状水晶片、６、７  電極、８  発振回路、９  チャージアンプ、１０  差動増幅器、１１  同期検波回路、１２  ローパスフィルタ．
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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