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技術 慣性センサ素子

出願人 京セラクリスタルデバイス株式会社
発明者 河合良太
出願日 2005年12月28日 (14年2ヶ月経過) 出願番号 2005-376746
公開日 2007年7月12日 (12年8ヶ月経過) 公開番号 2007-178248
状態 特許登録済
技術分野 平均速度の測定;速度、加速度の試験較正 ジャイロスコープ 圧電、電歪、磁歪装置
主要キーワード 字型構造 三回対称 圧電応力定数 平面視矩形形状 スチフネス 外形形成 励振モード 基本式
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (11)

課題

振動漏れを減少させ、精度の良い角速度の検出を行う。

解決手段

三回対称圧電材料からエッチングによって素子外形が形成されるH型構造慣性センサ素子で、軸線方向がX1軸と平行となる基部10と、軸線方向が基部10と直交する方向で基部10から延出する2つ一対の検出脚部20と、軸線方向が基部10と直交する方向であって検出脚部20とは反対側に基部10から延出する2つ一対の励振脚部30と、各励振脚部30の基部10側に向く端側において基部10に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部40と、を備え、エッチングで得られるテーパ部40において、基部10の+X方向を向く辺41における拡幅開始位置P1と、基部10の+X方向を向く辺41とは反対側の辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる先端43の位置とが、基部10の軸線方向と平行となる直線L1上に位置することを特徴とする。

概要

背景

従来から慣性センサ素子には様々な種類があるが、各種装置に組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、例えば、振動型角速度センサがある。
この振動型の慣性センサは、四角柱振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。
また、従来から、慣性センサ素子には、H型構造音叉型構造、音片構造、三脚音叉構造などが採用されている。

ここで、H型構造の慣性センサ素子を例に説明すると、H型構造の慣性センサ素子は、基部と、断面が短形形状であって、基部から平行に延出する4本の脚部とから構成されている。また、基部を境に一方の脚部、つまり、基部より上部の脚部には当該脚部を屈曲振動させるために電圧印加する励振電極が備えられ、基部を境に他方の脚部、つまり、基部よりも下部の脚部には基部より上側の脚部が振動するとともにY軸廻りの角速度が加わることにより生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出電極が備えられている。
この電荷を検出電極によって検出することにより、角速度の大きさと向きを知ることができる。

また、慣性センサ素子が水晶で構成されている場合を例に説明すると、従来の慣性センサ素子を形成している水晶ウェハは、Z板水晶ウェハ(Z軸に垂直に切り出されたウェハ)を用いている。このように形成した慣性センサ素子を励振させるために、電気軸(X軸)方向に平行な方向の電界(E1)を励振電極を介して外部より印加し、機械軸(Y軸)方向に平行な歪(S2)を得ることによって、XY平面内で屈曲振動をする(例えば、特許文献1参照)。

また、水晶を用いた慣性センサ素子を外形形成するためには、酸性フッ化アンモニウムフッ化水素酸水溶液を用いてエッチングをおこなうが、エッチングの異方性により、エッチング残さが生じる。
特開2004−301734号公報

概要

振動漏れを減少させ、精度の良い角速度の検出を行う。三回対称圧電材料からエッチングによって素子外形が形成されるH型構造の慣性センサ素子で、軸線方向がX1軸と平行となる基部10と、軸線方向が基部10と直交する方向で基部10から延出する2つ一対の検出脚部20と、軸線方向が基部10と直交する方向であって検出脚部20とは反対側に基部10から延出する2つ一対の励振脚部30と、各励振脚部30の基部10側に向く端側において基部10に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部40と、を備え、エッチングで得られるテーパ部40において、基部10の+X方向を向く辺41における拡幅開始位置P1と、基部10の+X方向を向く辺41とは反対側の辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる先端43の位置とが、基部10の軸線方向と平行となる直線L1上に位置することを特徴とする。

目的

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、振動漏れを減少させ、精度の良い角速度の検出ができる慣性センサ素子を提供することを課題とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成されるH型構造慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部から延出する2つ一対の検出脚部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記検出脚部とは反対側に前記基部から延出する2つ一対の励振脚部と、前記各励振脚部の前記基部側に向く端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

請求項2

X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される音叉型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の一方の端側から延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の他方の端側から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

請求項3

X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される三脚音叉型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の中央から延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の両端から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

請求項4

X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される略王の字型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の中央からこの基部を挟んで延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の両端からこの基部を挟んで延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

請求項5

X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される音片型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部から延出する検出脚部と、前記検出脚部とは反対側に前記基部から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

技術分野

0001

本発明は、物体位置状態を検出する慣性センサ素子に関する。

背景技術

0002

従来から慣性センサ素子には様々な種類があるが、各種装置に組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、例えば、振動型角速度センサがある。
この振動型の慣性センサは、四角柱振動させて回転に伴って働くコリオリの力を検出するものである。
また、従来から、慣性センサ素子には、H型構造音叉型構造、音片構造、三脚音叉構造などが採用されている。

0003

ここで、H型構造の慣性センサ素子を例に説明すると、H型構造の慣性センサ素子は、基部と、断面が短形形状であって、基部から平行に延出する4本の脚部とから構成されている。また、基部を境に一方の脚部、つまり、基部より上部の脚部には当該脚部を屈曲振動させるために電圧印加する励振電極が備えられ、基部を境に他方の脚部、つまり、基部よりも下部の脚部には基部より上側の脚部が振動するとともにY軸廻りの角速度が加わることにより生じるコリオリの力によって発生した電荷を検出する検出電極が備えられている。
この電荷を検出電極によって検出することにより、角速度の大きさと向きを知ることができる。

0004

また、慣性センサ素子が水晶で構成されている場合を例に説明すると、従来の慣性センサ素子を形成している水晶ウェハは、Z板水晶ウェハ(Z軸に垂直に切り出されたウェハ)を用いている。このように形成した慣性センサ素子を励振させるために、電気軸(X軸)方向に平行な方向の電界(E1)を励振電極を介して外部より印加し、機械軸(Y軸)方向に平行な歪(S2)を得ることによって、XY平面内で屈曲振動をする(例えば、特許文献1参照)。

0005

また、水晶を用いた慣性センサ素子を外形形成するためには、酸性フッ化アンモニウムフッ化水素酸水溶液を用いてエッチングをおこなうが、エッチングの異方性により、エッチング残さが生じる。
特開2004−301734号公報

発明が解決しようとする課題

0006

従来の慣性センサ素子は逆圧電効果励振振動をさせる。
ここで、圧電基本式のe形式を示す。
[T]=[cE][S]−[e]t[E] ・・・(1)
(cE:弾性スチフネス定数、S:歪、e:圧電応力定数、E:電界)
この(1)式に示す圧電基本式のe形式より、励振振動させる際には、外力として歪は加えないので圧電基本式のe形式は、(2)式となる。
[T]=−[e]t[E] ・・・(2)
このとき、電界成分は電気軸(X軸)方向に平行な方向であるので、E2(Y軸方向)=E3(Z軸方向)=0となる。[E]はE1(X軸方向)成分のみである。[e]に水晶の圧電応力定数を代入し、上記の圧電基本式を計算すると、励振振動の成分以外に、すべり応力T4が生じる。応力を歪に変換した場合も同様に、すべり歪S4(X軸方向からZ軸)が生じる。このため、励振振動をさせると、Z軸方向成分を含んで振動し、これが、振動漏れの原因となる。
なお、歪は、工学表記法で、S1、S2、S3、S4、S5、S6の要素からなる行列式で現される。

0007

また、慣性センサ素子の外形形成を酸性フッ化アンモニウム、フッ化水素酸の水溶液を用いてエッチングをおこなうと、エッチングの異方性によって、Y軸またはZ軸に対して非対称にエッチング残さが生じるため、励振振動も振動モードがアンバランスなものとなったり、励振モード検出モードとが結合しやすくなったりし、角速度が印加されていないときであっても、検出信号が出力される(0点出力が発生する)。そのため、機械的に脚部の一部を切削することで、振動バランスを調整する必要があった。

0008

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、振動漏れを減少させ、精度の良い角速度の検出ができる慣性センサ素子を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

0009

前記課題を解決するため、本発明は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成されるH型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部から延出する2つ一対の検出脚部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記検出脚部とは反対側に前記基部から延出する2つ一対の励振脚部と、前記各励振脚部の前記基部側に向く端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする。

0010

また、本発明は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される音叉型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の一方の端側から延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の他方の端側から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする。

0011

また、本発明は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される三脚音叉型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の中央から延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の両端から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする慣性センサ素子。

0012

また、本発明は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される略王の字型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部の中央からこの基部を挟んで延出する検出脚部と、前記検出脚部と向かい合って、前記基部の両端からこの基部を挟んで延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする。

0013

また、本発明は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料からウェットエッチングによって素子外形が形成される音片型構造の慣性センサ素子であって、軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸と平行となる基部と、軸線方向が前記基部と直交する方向であって前記基部から延出する検出脚部と、前記検出脚部とは反対側に前記基部から延出する励振脚部と、前記検出脚部及び前記励振脚部の前記基部側に向く各端側において該基部に近づくにつれて広がるように拡幅するテーパ部と、を備え、前記ウェットエッチングで得られる当該テーパ部において、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置と、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置とが、前記基部の軸線方向と平行となる直線上に位置する、又は、前記基部の+X方向を向く辺における拡幅開始位置が、前記基部の+X方向を向く辺とは反対側の辺に形成される残渣の前記基部から離れる先端の位置よりも前記基部から離れる方向に位置する、ことを特徴とする。

発明の効果

0014

このような慣性センサ素子によれば、慣性センサ素子を励振振動させる際に、Z軸方向成分の歪を著しく小さくすることができる。そのため、誤検出を防止し、精度の良い角速度の検出ができる。

発明を実施するための最良の形態

0015

次に、本発明を実施するための最良の形態(以下、「実施形態」という。)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の構成要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
また、「高さ方向」という場合は、励振脚部又は検出脚部の軸線方向を指すものとする。また、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料を水晶とし、別途、説明する以外は、X1軸とこれと直角に交わる2つの軸をY1軸、Z軸とする。また、厚さは、素子全体で均一となっている場合について説明する。さらに、素子外形にはウェットエッチングの異方性による残渣を含まないものとする。

0016

(第一の実施形態)
図1に示すように、本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子101は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料をウェットエッチングによってH型構造となる素子形状に形成しており、図1に示すように、基部10と、一対の検出脚部20,20と、一対の励振脚部30,30と、各励振脚部30の基部10側の端側に形成されるテーパ部40とから主に構成されている。

0017

基部10は、図1に示すように、平面視矩形形状となっており、その長辺側における軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸(本実施形態ではX1軸とする)と平行となっている。
なお、基部10の中央部から支持棒11が延出し、この支持棒11の端部に支持部12が設けられており、図示しないパッケージに慣性センサ素子101を接続することができるようになっている。

0018

検出脚部20は、図1に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(X1軸と直交するY1軸)であってこの基部10の両端側から延出している。この検出脚部20には後述する検出用電極(図示せず)が設けられている。

0019

励振脚部30は、図1に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であって検出脚部20,20とは反対側にこの基部10から延出している。
この励振脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。
また、この励振脚部30には後述する励振用電極(図示せず)が設けられている。

0020

テーパ部40は、図1に示すように、各励振脚部30の基部10側に向く端側において該基部10に近づくにつれて広がるように拡幅している。
具体的には、テーパ部40は、図2に示すように、ウェットエッチングの異方性によって2段階に拡幅しており、基部10側における拡幅率は、励振脚部30の先端側の拡幅率に比べて大きくなっている。例えば、素子外形におけるテーパ部40の辺41、42の向きは、辺41において、拡幅開始位置P1から次の拡幅開始位置P2までの辺の向きがY2軸のマイナス方向と直角となる向きとなり、拡幅開始位置P2から基部10までの辺の向きがX3軸のマイナス方向と直角となる向きとなっている。また、辺42において、拡幅開始位置P3から次の拡幅開始位置P4までの辺の向きがY3軸のマイナス方向と直角となる向きとなり、拡幅開始位置P2から基部10までの辺の向きがX2軸のプラス方向と直角となる向きとなっている。

0021

また、前記に示すテーパ部40は、図2に示すように、基部10の+X方向を向くこのテーパ部40の辺41における拡幅開始位置をP1、拡幅率が大きくなる基部10側の次の拡幅開始位置をP2とし、基部10の+X方向を向く辺41とは反対側の辺42における拡幅開始位置をP3、拡幅率が大きくなる基部10側の次の拡幅開始位置をP4とすると、辺41における拡幅開始位置P1と、辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる先端43の位置PNとは、基部10の軸線方向と平行となる直線L1上に位置している。つまり、ウェットエッチングによって辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる側の先端が辺42における拡幅開始位置P3と重なるように形成される。

0022

これにより、慣性センサ素子101の残渣Nを含めた全体の形状において、振動バランスが良好な形状となる。また、素子の形成においても、残渣Nの除去や整形を行う必要がないので、生産性を向上させることもできる。
また、励振脚部をX1軸とY1軸とを含む平面(以下、「X1−Y1平面」という。)で1次屈曲振動モードにて励振振動させる際、Z軸方向成分の振動が伝播しないため、Y軸周りに角速度が加わっていない状態であっても誤検出することなく、精度の良い角速度の検出ができる。

0023

また、図3及び図4に示すように、辺41における拡幅開始位置P1を辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる側の先端PNの位置よりも基部10から離れる方向に位置させた慣性センサ素子101´としてもよい。
具体的には、辺41における拡幅開始位置P1は、辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる側の先端PN(辺42ににおける拡幅開始位置P3)が位置する基部10の軸線方向と平行となる直線L2(図4参照)の近傍に位置するのが良い。
このようにしても、振動バランスは大きく崩れることなく、良好な振動を得ることができる。

0024

例えば、図3図5に示すように、T1点における2つの励振脚部30,30の励振時のZ軸方向の振動変位の差と、T2点における2つの検出脚部20,20の励振時のZ軸方向の振動変位の差と、T3点における2つの検出脚部20,20の励振時のZ軸方向の振動変位の差と、を比較して振動バランスの検討を行った。
ここで、素子形状を、X1軸方向の全長(基部10のX1軸方向の長さ)を1mm、Y1軸方向の全長を3.6mm、励振脚部30の長さを1.2mm、検出脚部20の長さを1.6mm、基部10の長さを0.2mmとする。
その結果、辺41における拡幅開始位置P1と辺42に形成される残渣Nの基部10から離れる側の先端PNの位置との高さ方向の距離の差ΔLが7.6〜8μm程度(図5参照)となったところでZ軸方向成分の振動(振動漏れ)が小さくなり、これよりも距離の差ΔLの値が大きくなると、振動バランスが悪くなり、Z軸方向成分の振動(振動漏れ)が大きくなっていることが確認できた。

0025

なお、この慣性センサ素子101(101´)において、検出脚部20,20に形成される検出用電極と、励振脚部に形成される励振用電極とにより、X1−Y1平面内の1次屈曲振動の状態(以下、「励振時」という。)でY1軸周りの回転角速度Ωが加わると、励振脚部30にコリオリの力がZ軸方向に作用してZ軸方向成分の振動が生じる。すると、検出脚部20にも振動が生じ、検出脚部30に設けられた検出用電極により角速度の向きと大きさとを検出することができる。

0026

(第二の実施形態)
次に、図6に示す本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子102について説明する。
本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子102は、音叉構造となっている点で第一の実施形態と異なる。

0027

図6(a)に示す慣性センサ素子102は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料をウェットエッチングによって音叉構造となる素子形状に形成しており、図6(a)に示すように、基部10と、検出脚部20と、励振脚部30と、各励振脚部30の基部10側の端側に形成されるテーパ部40とから主に構成されている。

0028

検出脚部20は、図6(a)に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(X1軸と直交するY1軸)であってこの基部10の一方の端側から延出している。この検出脚部20には検出用電極(図示せず)が設けられている。
この検出脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。

0029

励振脚部30は、図4に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であって検出脚部20と向かい合うようにこの基部10の他方の端側から延出している。
この励振脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。
また、この励振脚部30には励振用電極(図示せず)が設けられている。

0030

テーパ部40は、第一の実施形態に係る慣性センサ素子101のテーパ部40(図2参照)と同様の構成となっている。
また、変形例として慣性センサ素子102´のテーパ部40の形状(図6(b)参照)を第一の実施形態に係る慣性センサ素子101´のテーパ部40(図4参照)と同様の構成としても良い。

0031

これにより、慣性センサ素子102(102´)の残渣Nを含めた全体の形状において、振動バランスが良好な形状となる。また、素子の形成においても、残渣Nの除去や整形を行う必要がないので、生産性を向上させることもできる。
また、励振脚部30をX1軸とY1軸とを含む平面(以下、「X1−Y1平面」という。)で1次屈曲振動モードにて励振振動させる際、Z軸方向成分の振動が伝播しないため、Y軸周りに角速度が加わっていない状態であっても誤検出することなく、精度の良い角速度の検出ができる。

0032

(第三の実施形態)
次に、図7に示す本発明の第三の実施形態に係る慣性センサ素子103について説明する。図7(a)に示すように、本発明の第三の実施形態に係る慣性センサ素子103は、三脚音叉構造となっている点で第一の実施形態と異なる。

0033

この慣性センサ素子103は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料をウェットエッチングによって三脚音叉構造となる素子形状に形成しており、図7(a)に示すように、基部10と、検出脚部20と、一対の励振脚部30,30と、各励振脚部30の基部10側の端側に形成されるテーパ部40とから主に構成されている。

0034

検出脚部20は、図7(a)に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(X1軸と直交するY1軸)であってこの基部10の中央部から延出している。この検出脚部20には検出用電極(図示せず)が設けられている。
また、この検出脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。

0035

励振脚部30は、図7(a)に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であって検出脚部20と向かい合うようにこの基部10の両端側から延出している。
この励振脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。
また、この励振脚部30には励振用電極(図示せず)が設けられている。

0036

テーパ部40は、第一の実施形態に係る慣性センサ素子101のテーパ部40(図2参照)と同様の構成となっている。
また、変形例として慣性センサ素子103´のテーパ部40の形状(図7(b)参照)を第一の実施形態に係る慣性センサ素子101´のテーパ部40(図4参照)と同様の構成としても良い。

0037

したがって、慣性センサ素子103(103´)の残渣Nを含めた全体の形状において、振動バランスが良好な形状となる。また、素子の形成においても、残渣Nの除去や整形を行う必要がないので、生産性を向上させることもできる。
また、励振脚部30をX1軸とY1軸とを含む平面(以下、「X1−Y1平面」という。)で1次屈曲振動モードにて励振振動させる際、Z軸方向成分の振動が伝播しないため、Z軸周りに角速度が加わっていない状態であっても誤検出することなく、精度の良い角速度の検出ができる。

0038

(第四の実施形態)
次に、図8に示す本発明の第四の実施形態に係る慣性センサ素子104について説明する。本発明の第四の実施形態に係る慣性センサ素子104は、略王の字型構造となっている点で第一の実施形態と異なる。

0039

この慣性センサ素子104は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料をウェットエッチングによって略王の字型構造となる素子形状に形成しており、図8(a)に示すように、基部10と、一対の検出脚部20,20と、一対二組の励振脚部30,30,30,30と、各励振脚部30の基部10側の端側に形成されるテーパ部40とから主に構成されている。

0040

検出脚部20,20は、図8に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(X1軸と直交するY1軸)であってこの基部10の中央部から当該基部10を挟んで延出している。この検出脚部20には検出用電極(図示せず)が設けられている。
また、この検出脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。

0041

励振脚部30は、図8に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であって検出脚部20と向かい合うようにこの基部10の両端側から当該基部10を挟んで延出している。
この励振脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。
また、この励振脚部30には励振用電極(図示せず)が設けられている。

0042

テーパ部40は、第一の実施形態に係る慣性センサ素子101のテーパ部40(図2参照)と同様の構成となっている。
また、変形例として慣性センサ素子104´のテーパ部40の形状(図9参照)を第一の実施形態に係る慣性センサ素子101´のテーパ部40(図4参照)と同様の構成としても良い。

0043

したがって、慣性センサ素子104(104´)の残渣Nを含めた全体の形状において、振動バランスが良好な形状となる。また、素子の形成においても、残渣Nの除去や整形を行う必要がないので、生産性を向上させることもできる。
また、励振脚部30をX1軸とY1軸とを含む平面(以下、「X1−Y1平面」という。)で1次屈曲振動モードにて励振振動させる際、Z軸方向成分の振動が伝播しないため、Z軸周りに角速度が加わっていない状態であっても誤検出することなく、精度の良い角速度の検出ができる。

0044

(第五の実施形態)
次に、図10に示す本発明の第五の実施形態に係る慣性センサ素子105について説明する。本発明の第五の実施形態に係る慣性センサ素子105は、音片構造となっている点で第一の実施形態と異なる。

0045

本発明の第五の実施形態に係る慣性センサ素子105は、X1軸、X2軸、X3軸を有する三回対称の圧電材料をウェットエッチングによって音片構造となる素子形状に形成しており、図10(a)に示すように、基部10と、検出脚部20と、励振脚部30と、励振脚部30の基部10側の端側に形成されるテーパ部40とから主に構成されている。

0046

基部10は、図10(a)に示すように、平面視矩形形状となっており、その長辺側における軸線方向がX1軸、X2軸、X3軸のうちいずれか1つの軸(本実施形態ではX1軸とする)と平行となっている。

0047

検出脚部20は、図10(a)に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であってこの基部10から延出している。この検出脚部20には検出用電極(図示せず)が設けられている。

0048

励振脚部30は、図10(a)に示すように、軸線方向が基部10と直交する方向(Y1軸)であって検出脚部20とは反対側にこの基部10から延出している。
この励振脚部30には、基部10側に向く端側にテーパ部40が設けられており、他方の端側からテーパ部40までは所定の幅で形成されている。
また、この励振脚部30には励振用電極(図示せず)が設けられている。

0049

テーパ部40は、第一の実施形態に係る慣性センサ素子101のテーパ部40(図2参照)と同様の構成となっている。
また、変形例として慣性センサ素子105´のテーパ部40の形状(図10(b)参照)を第一の実施形態に係る慣性センサ素子101´のテーパ部40(図4参照)と同様の構成としても良い。

0050

したがって、慣性センサ素子105(105´)の残渣Nを含めた全体の形状において、振動バランスが良好な形状となる。また、素子の形成においても、残渣Nの除去や整形を行う必要がないので、生産性を向上させることもできる。
また、励振脚部30をX1軸とY1軸とを含む平面(以下、「X1−Y1平面」という。)で1次屈曲振動モードにて励振振動させる際、Z軸方向成分の振動が伝播しないため、Y軸周りに角速度が加わっていない状態であっても誤検出することなく、精度の良い角速度の検出ができる。

0051

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、三脚音叉構造や王の字型構造の慣性センサ素子において、基部の中央から延出するのを検出脚部、両端側から延出するのを励振脚部としたが、これに限定されず、基部の中央から励振脚部を延出させ、両端側から検出脚部を延出させた構成としても、同様の効果を奏する。

図面の簡単な説明

0052

本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。
図1のA部拡大図である。
本発明の第一の実施形態に係る慣性センサ素子の変形例の一例を示す図である。
図3のB部拡大図である。
Z方向への動きと変形量との関係を示す図である。
(a)は本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す図であり、(b)は本発明の第二の実施形態に係る慣性センサ素子の変形例の一例を示す図である。
(a)は本発明の第三の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す図であり、(b)は本発明の第三の実施形態に係る慣性センサ素子の変形例の一例を示す図である。
本発明の第四の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す図である。
本発明の第四の実施形態に係る慣性センサ素子の変形例の一例を示す図である。
(a)は本発明の第五の実施形態に係る慣性センサ素子の一例を示す図であり、(b)は本発明の第五の実施形態に係る慣性センサ素子の変形例の一例を示す図である。

符号の説明

0053

101慣性センサ素子
10 基部
20検出脚部
30励振腕部
40テーパ部
41,42 辺
43 先端
L1,L2 直線
N 残渣
P1 拡幅開始位置

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