(57)【要約】【目的】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。【構成】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根元部にレーザ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、前記音叉腕の主面方向からの前記レーザのビーム径に依存して    〜    μｍとした複数の微小穴の集合体から構成される。【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根元部にレーザ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、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、前記音叉腕の主面方向からの前記レーザのビーム径に依存して直径が３〜３０μｍとした複数の微小穴の集合体からなることを特徴とする角速度センサ素子。
【請求項２】
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根元部にレーザ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、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に前記音叉腕のエッジに沿って設けた複数の微小穴の集合体であって、各穴が前記エッジにかかって形成されていて輪郭が一部欠け直径換算で５〜３０μｍの複数の微小穴の集合体からなることを特徴とする角速度センサ素子。
【請求項３】
請求項１または２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である角速度センサ素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、前記レーザはフェムトレーザであ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た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７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）とからなり、Ｚカットとした音叉状水晶片３を備える。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ックを用いたエッチング（フォトエッチング）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。
【０００８】
【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」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
（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８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。
【００１０】
なお、２枚の水晶片３（ａｂ）を直接接合した場合は、エッチングの異方性によって各水晶片３（ａｂ）の＋Ｘ軸面に即ち各音叉腕２（ａｂ）の斜め方向に突起５を生じるので（第９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。
【００１１】
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。
【００１２】
しかし、通常の炭酸ガスレーザ等では、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。
【００１３】
（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】
【００１４】
（着目点及び想到）
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に着目し、これによる切削を想到した。
【００１５】
（解決手段）
本発明は、特許請求の範囲（請求項１）に示したように、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根元部にレーザ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、前記音叉腕の主面方向からの前記レーザのビーム径に依存して３〜３０μｍとした複数の微小穴の集合体から構成される。
【００１６】
また、請求項２に示したように、前記切削部は、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に前記音叉腕のエッジに沿って設けた複数の微小穴の集合体であって、各穴が前記エッジにかかって形成されていて輪郭が一部欠け直径換算で５〜３０μｍの複数の微小穴の集合体から構成される。
【発明の効果】
【００１７】
このような請求項１の構成であれば、音叉腕の根元部に設けられた複数の微小穴によって、質量分布を可変して斜め振動を抑制できる。この場合、切削部は微小穴の集合体とするので、従来例に比較して、切削部としての集合体の特に外周領域（輪郭）を明確にできる。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。
【００１８】
また、請求項２の構成であると、微小穴は閉じた穴ではなく音叉のエッジにて音叉の側面方向に開放された状態の微小穴になる。このため、レーザ加工時のレーザのパワーをエッジ側に逃がすことができる。フェムト秒レーザを用いる場合、レーザのパワーが強すぎると水晶にクラックを生じさせる場合がある。閉じた穴を形成する場合は、このクラックが生じ易いが、請求項２の構成であると、レーザのパワーを逃がすことができる分、クラックの発生を防止することができる。
【００１９】
なお、請求項1及び２における３〜３０μｍの微小穴の集合体は、斜め振動低減に好適であれば、はほぼ同一直径の微小穴の集合体でも良いし、直径が異なる微小穴の集合体でもよい。
【００２０】
（実施態様項）
本発明の請求項３では、請求項１又は２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。
【００２１】
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。
【００２２】
同請求項４では、請求項１〜３のいずれか１項において、前記レーザはフェムトレーザとする。これによれば、フェムトレーザ（超短パルスレーザ）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。
【００２３】
また、アナログ的な時間制御によるレーザに比較すると、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
第１図は本発明の一実施形態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。
【００２５】
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。なお、各音叉腕２（ａｂ）の両側面のセンサ電極±は、製造上の点から両主面に回り込んで形成される。ここでは、一部拡大図の第１図（ｂ）のみに示している。
【００２６】
そして、ここでは、フェムトレーザを用いて音叉腕２（ａｂ）の質量を調整し、斜め振動を抑制する。超短パルスレーザを用いる場合、レーザの出力パワー（エネルギー）をＰo μＪ、レーザの照射周期（回数）をＮ回／秒、照射時間をＴ秒とし、例えばこれらの条件を変更し組合せることで、斜め振動抑制の調整を行うことができる。これにより、根元部の各照射位置にはこれらの積算値であるエネルギーＰm（＝ＮＴＰo μJ）が照射される。
【００２７】
ここでは、フェムト秒レーザのパワーを１０μＪ、パルス幅を７０フェムト秒、パルス周期を１０Ｈｚとする。そして、斜め振動が抑制されるよう、レーザ照射時間を制御する。そして、一方の音叉腕２ｂの根元部における一主面の幅方向の一端側ここでは外側に超短パルスレーザＰを照射する。例えば根元部としての音叉溝底部から音叉腕１ｂの先端側に向かって直線上に順番に照射する。
【００２８】
これにより、音叉主面の一端側（外側）にはビーム径に依存した直径が約２０μｍ、深さが約５０μｍ程度の微小穴６が直線上に形成される。すなわち、微小穴６の集合体として切削部４が形成される。そして、音叉基部１の根元部に対する超短パルスレーザＰ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。
【００２９】
以下では、各照射位置に対するエネルギーＰmを単位照射とし、音叉溝底部から先端側に向かっての単位照射を照射回数とする。
【００３０】
第２図は超短パルスレーザの照射回数を横軸とし、斜め振動の垂直成分による電荷量に基づく検出電圧Ｅsを縦軸とした関係図である。
【００３１】
この図から明らかなように、超短パルスレーザＰを照射する以前の角速度センサ素子（初期状態）では、各音叉腕２（ａｂ）における質量分布の不均一性から斜め振動を生じ、この場合は例えば右上がり方向「第３図の矢印Ｃ1」の斜め振動を生じる。したがって、斜め振動の垂直成分「前第７図の矢印Ｂ」による検出電圧Ｅsが得られ、この例では約400ｍＶ（但し、正電圧）となる。そして、超短パルスレーザＰの照射回数とともに検出電圧Ｅsは小さくなって０になり、照射回数がさらに増加すると検出電圧Ｅsが−方向に増加する直線状となる。
【００３２】
ここでは、超短パルスレーザの照射回数が５回目で検出電圧Ｅsが約200ｍＶ、１０回目で検出電圧Ｅsがほぼ０ｍＶとなる。すなわち、照射回数が５回目までの超短パルスレーザＰによる溝底部からの５個の微小穴６によって、音叉基部１における一主面の外側の質量が減じられる。これにより、右上がりの斜め方向の質量が減じられて互いに逆となる斜め振動方向の質量分布が均一化し、水平振動（純粋な音叉振動）となる質量分布に移行する。そして、照射回数が１０回目で垂直成分の除去された水平成分のみの音叉振動になる「第３図の矢印Ａ方向」。
【００３３】
さらに、照射回数が増加すると、互いに逆となる斜め方向での質量分布が初期状態とは反対方向に不均一化する。したがって、初期状態とは反対方向の斜め振動即ち右下がり方向となり「第３図の矢印Ｃ2」、例えば１５回目で検出電圧Ｅsが200ｍＶ（但し、負電圧）となる。これにより、照射回数に対して検出電圧Ｅsは０を挟んで直線状となる。但し、音叉根元部での微小穴６は音叉底部側での影響が大きく先端側ほど小さくなるので、微小穴６を同一径として同一間隔とすると、照射回数に対して指数関数的に緩やか減少する曲線になる。
【００３４】
このような構成であれば、他方の音叉腕２ｂの根元部における主面の外側に設けられた直線状の複数の微小穴６によって、右上がりの斜め方向の質量分布を小さくする。したがって、右上がり方向の斜め振動を抑制できる。この場合、超短パルスレーザによる切削部４は微小穴６の集合体となることから、従来例に比較して、切削部４として特に外周領域（輪郭）を明確にできる。
【００３５】
したがって、切削部４の外周近辺での不要な切削を防止するので、例えば駆動電極を損傷せずに電気的特性を良好にするとともに機械的強度を維持できる。また、アナログ的な時間制御によるレーザに比較し、超短パルスレーザであれば、音叉基部１の切削部４に対して的確（ピンポイント的）に照射できる。したがって、予めのサンプルデータに基づく照射回数によって、例えば粗調整時での斜め振動の抑制を容易にする。但し、粗調整後に、微調整を行う。
【００３６】
（他の事項）
上記実施例では切削部としての微小穴の集合体は、音叉腕の幅方向の端であって例えば音叉腕２ｂのエッジから音叉腕の中側に入った領域に形成したが、第４図に示したようにしてもよい。すなわち、切削部４は、例えば音叉腕２ｂの主面における幅方向の両端側の少なくとも一方に、音叉腕２ｂのエッジＰに沿って設けた複数の微小穴６ａの集合体であってもよい。各微小穴６ａはエッジＰにかかって形成され、輪郭が一部欠けて直径換算で５〜３０μｍとする。
【００３７】
これによれば、微小穴６ａの輪郭が一部欠けた部分はレーザ加工時のレーザパワーの逃げ場になるので、レーザ加工時に微小穴付近にクラックが生じるおそれを軽減する。これに対し、微小穴６が実施形態での円の場合は、レーザパワーが大きすぎると、微小穴６の周辺領域にクラックが生じ、センサ素子の特性を悪化させることがある。
【００３８】
また、上記実施例では音叉腕の一方のみに切削部４を設ける例を説明したが、第５図及び第６図に示したように、一対の音叉腕２（ａｂ）における幅方向の同一側となる一端側であって、斜め振動防止効果を与える側に設けてもよい。
【００３９】
すなわち、音叉腕２（ａｂ）のいずれにも切削部４を形成した場合は、質量が減じられて音叉腕２（ａｂ）のそれぞれの固有振動数も変化する。したがって、この場合は、各音叉腕２（ａｂ）間での固有振動数を均一にし、振動特性を良好にする。これに対し、一対の音叉腕２（ａｂ）の一方のみに切削部４を設けると、各音叉腕２（ａｂ）間での固有振動数に違いが出て、振動特性を悪化させることがある。
【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。
【００４１】
また、切削部４は音叉基部の主面の外側に直線状に一列に微小穴を設けたが、複数列であってもよく切削部４としての領域であればよい。そして、切削部４は音叉基部の主面の内側でもよく、一方の音叉腕の内側と他方の音叉腕の外側が等価な効果を奏し、一方の音叉腕の外側と他方の音叉腕の内側とが等価な効果を奏する。
【００４２】
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】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態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）は一部拡大図である。
【図２】本発明の一実施形態の作用を説明する照射回数に対する検出電圧特性図である。
【図３】本発明の一実施形態の作用を説明する角速度センサ素子の上面図である。
【図４】本発明の他の例を説明する角速度センサ素子の平面図である。
【図５】本発明の他の例を説明する角速度センサ素子の平面図である。
【図６】本発明の他の例を説明する角速度センサ素子の平面図である。
【図７】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８】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９】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】
【００４４】
１  音叉基部、２  音叉腕、３  音叉状水晶片、４  切削部４、５  突起、６  微小穴。
【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８】
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【図９】
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【図１】
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【図７】
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