JP2012093153A - ２軸検出用角速度センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来る２軸検出用角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。
【解決手段】本発明の２軸検出用角速度センサ素子は、Ｙ軸検出振動体２７、３１、４７、５１によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体３４、３９、５４、５９によりＺ軸方向の角速度を検出するようにしたため、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来るという効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される２軸検出用角速度センサ素子に関するものである。

従来のこの種の角速度センサ素子は図４に示すような構成となっていた。この図４において、１は水晶からなる正方形状の固定部で、この固定部１はＸ軸方向に向かって延出される第１の延出腕２と第２の延出腕３を設けている。４は水晶製の第１の検出電極振動体で、この第１の検出電極振動体４は一端が前記固定部１に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の検出電極振動体４の４つの外側面にはそれぞれ検出電極５を設けているものである。そして、これと同様に、前記固定部１からは前記第１の検出電極振動体４を延出した方向と反対側のＹ軸方向に第２の検出電極振動体６を設けており、かつこの第２の検出電極振動体の４つの外側面にもそれぞれ検出電極５を設けているものである。

７は水晶製の第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体７は一端が前記第１の延出腕２に接続され、かつ他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第１の駆動振動体７の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。９は水晶製の第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体９は一端が前記第１の延出腕２に接続されるとともに、他端が前記第１の駆動振動体７を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第２の駆動振動体９の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。１０は水晶製の第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体１０は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端がＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第３の駆動振動体１０の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。１１は水晶製の第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体１１は一端が第２の延出腕３に接続されるとともに、他端が前記第３の駆動振動体１０を延出した方向と反対側のＹ軸方向に向かって延出され、さらにこの第４の駆動振動体１１の４つの外側面にはそれぞれ駆動電極８を設けているものである。

以上のように構成された従来の角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。

第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１のそれぞれの駆動電極８に交流電圧を印加することにより、駆動方向に速度Ｖで駆動振動する。そして、この第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１が駆動振動している状態において、角速度センサ素子を設けた平面と垂直な方向であるＺ軸を中心軸として角速度ωで回転すると、第１の駆動振動体７、第２の駆動振動体９、第３の駆動振動体１０および第４の駆動振動体１１にＦ＝２ｍｖ×ωのコリオリ力が発生する。そして、このコリオリ力を第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出電極振動体４および第２の検出電極振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力するものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００１−２６４０６７号公報

しかしながら、上記従来の構成においては、第１の延出腕２および第２の延出腕３および固定部１を介して第１の検出電極振動体４および第２の検出電極振動体６に伝えることにより、それぞれの検出電極５から角速度に応じた出力信号を出力しているため、Ｚ軸周りの１軸方向の角速度のみしか検出できないという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来る２軸検出用角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続されるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とを備え、前記Ｙ軸検出振動体によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体によりＺ軸方向の角速度を検出するようにしたもので、この構成によれば、Ｙ軸検出振動体によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体によりＺ軸方向の角速度を検出するようにしたため、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出する２軸検出用角速度センサ素子を提供することが出来るという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、Ｚ軸検出振動体をＬ字形状としたもので、この構成によれば、Ｚ軸検出振動体をＬ字形状としたため、Ｚ軸検出振動体におけるＺ軸検出圧電電極にコリオリ力により発生する電荷に、撓み振動に発生する電荷が加算されることとなり、これにより、Ｚ軸周りの角速度の出力信号の感度が向上するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、重り部に一対の又部を設けるとともに、この一対の又部の各々をＺ軸検出振動体の両側に配設するようにしたもので、この構成によれば、重り部に一対の又部を設けるとともに、この一対の又部の各々をＺ軸検出振動体の両側に配設するようにしたため、２軸検出角速度センサ素子の隙間が小さくなり、これにより、小型な２軸検出角速度センサ素子を提供することが出来るという作用効果を有するものである。

本発明の２軸検出角速度センサ素子は、固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面に少なくとも１つの検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続されるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つの検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とを備え、前記Ｙ軸検出振動体によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体によりＺ軸方向の角速度を検出するようにしたもので、この構成によれば、Ｙ軸検出振動体によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体によりＺ軸方向の角速度を検出するようにしたため、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出する２軸検出用角速度センサ素子を提供することが出来るという効果を有するものである。

本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子の上面図 同２軸検出用角速度センサ素子における駆動圧電電極、Ｙ軸検出圧電電極、Ｚ軸検出圧電電極およびモニター圧電電極の側断面図 本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子の組立工程図 従来の角速度センサ素子の上面図

以下、本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子の上面図、図２は同２軸検出用角速度センサ素子における駆動圧電電極、Ｙ軸検出圧電電極、Ｚ軸検出圧電電極およびモニター圧電電極の側断面図である。

図１、図２において、２１はＳｉからなる第１の固定部で、この第１の固定部２１の上面には一対の駆動電極ランド２２、１つのＹ方向検出電極ランド２３、４つのＺ方向検出電極ランド２４、ＧＮＤ電極ランド２５およびモニター電極ランド２６を設けている。２７はＳｉからなる第１のＹ軸検出振動体で、この第１のＹ軸検出振動体２７は一端を第１の固定部２１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けており、このＹ軸検出圧電電極２８はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３１はＳｉからなる第２のＹ軸検出振動体で、この第２のＹ軸検出振動体３１は一端を第１の固定部２１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。３２は捩れ延出部で、この捩れ延出部３２は前記第１のＹ軸検出振動体２７の他端と、第２のＹ軸検出振動体３１の他端とを連接している。３３は第１の駆動振動体で、この第１の駆動振動体３３は前記捩れ延出部３２から垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けており、この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３４は第１のＺ軸検出振動体で、この第１のＺ軸検出振動体３４は前記第１の駆動振動体３３の他端に、第１の駆動振動体３３の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第１のＺ軸検出振動体３４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けており、このＺ軸検出圧電電極３５はＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。３６は重り部で、この重り部３６は、前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端に接続されるとともに、一対の又部３７を設けており、この又部３７の各々を前記第１のＺ軸検出振動体３４の他端の両側に配設するように設けている。３８は第２の駆動振動体で、この第２の駆動振動体３８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第１の駆動振動体３３と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。３９は第２のＺ軸検出振動体で、この第２のＺ軸検出振動体３９は前記第２の駆動振動体３８の他端に、第２の駆動振動体３８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第１のＺ軸検出振動体３４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。４０は重り部で、この重り部４０は前記第２のＺ軸検出振動体３９の他端に接続されている。４１はＳｉからなる第２の固定部で、この第２の固定部４１の上面には一対の駆動電極ランド４２、１つのＹ方向検出電極ランド４３、４つのＺ方向検出電極ランド４４、ＧＮＤ電極ランド４５およびモニター電極ランド４６を設けている。４７はＳｉからなる第３のＹ軸検出振動体で、この第３のＹ軸検出振動体４７は一端を第２の固定部４１の一端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。５１はＳｉからなる第４のＹ軸検出振動体で、この第４のＹ軸検出振動体５１は一端を第２の固定部４１の他端と接続されるとともに、上面にＹ軸検出圧電電極２８を設けている。そして、第３のＹ軸検出振動体４７の他端と、第４のＹ軸検出振動体５１の他端とは前記捩れ延出部３２に接続されている。５２は第３の駆動振動体で、この第３の駆動振動体５２は前記捩れ延出部３２から前記第２の駆動振動体３８と反対方向でかつ捩れ延出部３２と垂直な方向に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。この駆動圧電電極３３ａはＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２９と、この共通ＧＮＤ電極２９の上面に設けられたＰＺＴ薄膜からなる圧電層３０とにより構成されている。５４は第３のＺ軸検出振動体で、この第３のＺ軸検出振動体５４は前記第３の駆動振動体５２の他端に、第３の駆動振動体５２の延出方向と垂直な方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。また、前記第３のＺ軸検出振動体５４の上面には、Ｚ軸検出圧電電極３５を設けている。５６は重り部で、この重り部５６は、前記第３のＺ軸検出振動体５４の他端に接続されている。５８は第４の駆動振動体で、この第４の駆動振動体５８は捩れ延出部３２から垂直な方向に前記第３の駆動振動体５２と平行に延出されるとともに、上面に一対の駆動圧電電極３３ａを設けている。５９は第４のＺ軸検出振動体で、この第４のＺ軸検出振動体５９は前記第４の駆動振動体５８の他端に、第４の駆動振動体５８の延出方向と垂直な方向でかつ、前記第３のＺ軸検出振動体５４と反対の方向に延出されるとともに、Ｌ字形状に略中央を折り曲げられている。６０は重り部で、この重り部６０は前記第４のＺ軸検出振動体５９の他端に接続されている。そして、前記第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８と捩れ延出部３２との接続箇所の近傍の上面には、各々、モニター圧電電極６１を設けている。そしてまた、前記第１の固定部２１における駆動電極ランド２２は、第１の駆動振動体３２および第２の駆動振動体３８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド２３は配線パターン６２により、第１のＹ軸検出振動体２７および第２のＹ軸検出振動体３１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第１の固定部２１におけるＺ方向検出電極ランド２４は、第１のＺ軸検出振動体３４および第２のＺ軸検出振動体３９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド２６は、第１の駆動振動体３３および第２の駆動振動体３８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。さらに、前記第２の固定部４１における駆動電極ランド４２は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａと配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、Ｙ方向検出電極ランド４３は配線パターン６２により、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１におけるＹ軸検出圧電電極２８と電気的に接続されている。さらに、第２の固定部４１におけるＺ方向検出電極ランド４４は、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９におけるＺ軸検出圧電電極３５と配線パターン６２により電気的に接続されるとともに、モニター電極ランド４６は、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８におけるモニター圧電電極６１と配線パターン６２により電気的に接続されている。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子について、次にその組立方法を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、予め上面に駆動電極ランド２２、４２、Ｙ方向検出電極ランド２３、４３、Ｚ方向検出電極ランド２４、４４、モニター電極ランド２６、４６、ＧＮＤ電極ランド２５、４５、Ｙ軸検出圧電電極２８、駆動圧電電極３３ａ、Ｚ軸検出圧電電極３５、モニター圧電電極６１および配線パターン６２を形成したウェハ６３を準備する。

次に、スピンコートによりウェハ６３の上面に、例えば、アルミ、チタン、酸化シリコン、窒化シリコン等のレジスト膜６４を塗布した後、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、レジスト膜６４を所定形状にパターンニングする。

次に、前記ウェハ６３をドライエッチング装置（図示せず）にセットした後、ＳＦ₆あるいはＣＦ₆等のフッ素系ガスを導入することにより、図３（ｃ）に示すように、Ｓｉからなるウェハ６３のレジスト膜６４を設けた部分以外をエッチングして溝６５を形成する。

次に、図３（ｄ）に示すように、前記レジスト膜６４の上面に、５０〜２００ミクロンのバックグラインド時にウェハ６３の上面を保護する機能を有する粘着剤層（図示せず）を設けたフィルム６６を貼り、その後、ウェハ６３の上下を逆さまにして、ウェハ６３の上面側に設けたフィルム６６をチャックテーブル（図示せず）に固定する。

次に、図３（ｅ）に示すように、バックグラインドホイール６７を回転させることにより、ウェハ６３の裏面を研削する。

最後に、ＵＶを照射することにより、フィルム６６の粘着力を低減させてレジスト膜６４の上面から前記フィルム６６を剥離した後、前記レジスト膜６４を除去するとともに、前記ウェハ６３から個片の角速度センサ素子を取り出す。

以上のようにして組み立てられた本発明の一実施の形態における２軸検出用角速度センサ素子について、次にその動作を説明する。

第１の固定部２１における駆動電極ランド２２および第２の固定部４１における駆動電極ランド４２に交流電圧を印加することにより、配線パターン６２を介して、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８における駆動圧電電極３３ａの分極の方向と同じ方向の場合には駆動圧電電極３３ａに引張応力が発生し、一方、反対の方向の場合には、圧縮応力が発生する。そうすると、交流電圧の位相に応じて、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。この駆動振動は第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９を介して重り部３６、４０、５６、６０に伝わり、重り部３６、４０、５６、６０がＸ軸方向に速度Ｖで駆動振動する。

ここで、まず、角速度センサ素子にＺ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。

重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｙ軸方向に振動駆動する。

そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９における第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８から垂直な方向に延出された箇所がＹ軸方向に振動駆動する。そして、角速度に応じた電荷がＺ軸検出圧電電極３５に発生する。さらに、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９のＬ字形状に折り曲げられた先端側は、前述のＹ軸方向振動駆動に伴い、Ｘ軸方向に撓み振動する。したがって、この撓み振動により発生する電荷が、Ｚ軸検出圧電電極３５に加算して発生し、Ｚ軸周りの角速度を検出することが出来るものである。

次に、角速度センサ素子にＹ軸方向回りの角速度が発生する場合を考える。

その場合には、重り部３６、４０、５６、６０がコリオリ力により、Ｚ軸方向に振動駆動する。そうすると、第１のＺ軸検出振動体３４、第２のＺ軸検出振動体３９、第３のＺ軸検出振動体５４および第４のＺ軸検出振動体５９と、第１の駆動振動体３３、第２の駆動振動体３８、第３の駆動振動体５２および第４の駆動振動体５８を介して、捩れ延出部３２に捩り力が加わり、第１のＹ軸検出振動体２７、第２のＹ軸検出振動体３１、第３のＹ軸検出振動体４７および第４のＹ軸検出振動体５１がＺ方向に振動駆動する。そして、Ｙ軸検出圧電電極２８に電荷が発生し、Ｙ軸周りの角速度を検出することが出来るものである。

本発明に係る２軸検出用角速度センサ素子は、Ｙ軸周りおよびＺ軸周りの２軸方向の角速度を検出することが出来るという効果を有するものであり、特に各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される２軸検出用角速度センサ素子として有用なものである。

２１、４１ 固定部
２７、３１、４７、５１ Ｙ軸検出振動体
２８ Ｙ軸検出圧電電極
３２ 捩れ延出部
３３、３８、５２、５８ 駆動振動体
３３ａ 駆動圧電電極
３４、３９、５４、５９ Ｚ軸検出振動体
３６、４０、５６、６０ 重り部
３７ 又部

Claims (3)

1. 固定部と、この固定部に一端が接続されるとともに上面に少なくとも１つのＹ軸検出圧電電極を設けたＹ軸検出振動体と、このＹ軸検出振動体の他端と一端を接続された捩れ延出部と、一端を前記捩れ延出部と接続されるとともに、捩れ延出部から垂直な方向に延出されかつ上面に少なくとも１つの駆動圧電電極を設けた駆動振動体と、一端を駆動振動体の他端に接続されるとともに駆動振動体の延出方向と垂直な方向に延出され、さらに上面に少なくとも１つのＺ軸検出圧電電極を設けたＺ軸検出振動体と、このＺ軸検出振動体の他端と接続された重り部とを備え、前記Ｙ軸検出振動体によりＹ軸方向の角速度を検出するとともに、Ｚ軸検出振動体によりＺ軸方向の角速度を検出するように構成した２軸検出用角速度センサ素子。
2. Ｚ軸検出振動体をＬ字形状とした請求項１記載の２軸検出用角速度センサ素子。
3. 重り部に一対の又部を設けるとともに、この一対の又部の各々をＺ軸検出振動体の両側に配設するようにした請求項１記載の２軸検出用角速度センサ素子。

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