JPH1096632A

JPH1096632A - 圧電ジャイロセンサ

Info

Publication number: JPH1096632A
Application number: JP8252093A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kikushima; 正幸菊島; Osamu Kawauchi; 修川内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1998-04-14

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電
ジャイロセンサにおいて、駆動側及び検出側相互の電気
的特性に優れており、また、各部の形状が対称的でバラ
ンスの良い、安価で小型の圧電ジャイロセンサを提供す
る。【解決手段】一対の駆動片と一対の検出片を有し、駆動
片と検出片を同一平面で結合する結合部とを有し、更に
駆動片、検出片及び結合部を支持する支持部を有してい
る圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電ジャイ
ロセンサ。更に、補正マスクを用いて接続部及び先端部
の対称性を良くした圧電ジャイロセンサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電部材、特に水
晶で形成された音叉型水晶振動子を用いた圧電ジャイロ
センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器等の小型化はめざましい
ものがあり、これに伴い装置等の回転運動等を検出する
角速度センサに属する、圧電ジャイロセンサに対しても
小型薄型化、低価格化が強く要求されている。

【０００３】即ち、圧電ジャイロセンサは、従来の船
舶、航空機、自動車等の航行制御や姿勢制御用等に利用
されるばかりでなく、ハンディビデオカメラの手振れ検
出センサや、３次元立体マウス用の回転方向検出センサ
等にも広く応用されはじめている。

【０００４】そこで、従来の圧電ジャイロセンサの一例
を、特開平７−５５４７９号公報により以下に説明す
る。

【０００５】特開平７−５５４７９号公報に記載された
圧電ジャイロセンサの構造図を図１１に示す。

【０００６】図１１において、一対の駆動片１０１と、
一対の検出片１０２とがそれぞれ回転軸１０３を対称に
して配置されている。そして、一対の駆動片１０１と一
対の検出片１０２は、結合部１０４で結合されている。

【０００７】また、結合部１０４は、内部に空間を有し
ており、その中心部に一対の駆動片１０１、一対の検出
片１０２、結合部１０４をそれぞれを支持する、支持部
１０５を有している。

【０００８】更に、この支持部１０５が、ハウジング１
０６に接着固定された構造となっている。

【０００９】そして、一対の駆動片１０１には駆動用の
電極１０７が、一対の検出片１０２には検出用の電極１
０８が、Ａｕ等の金属で蒸着されている。そして各々の
電極１０７、１０８から支持部１０５まで配線され、支
持部１０５に設けられたパッドからＡｕワイヤーボンデ
ィング線によりハウジング１０６のリード（図示せず）
に配線され、入出力される構造となっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上に示す従来の圧電
ジャイロセンサでは、駆動用の電極と、検出用の電極か
らの配線が同一の支持部１０５に集中して形成されてい
るため、配線相互によるクロストーク等が問題となり、
駆動あるいは検出信号等にノイズ等の悪影響を及ぼすと
いう欠点を有している。

【００１１】また、従来の圧電ジャイロセンサを水晶振
動子で形成する場合は、その量産効果等を考えると、フ
ォトリソ加工と呼ばれるウェットエッチングによる加工
方法が一般的である。

【００１２】しかし、従来の圧電ジャイロセンサでは、
エッチング加工すると水晶の異方性等により駆動片及び
検出片の断面、及び駆動片、検出片及び支持部と結合部
との接続部に突起状のヒレが発生する。そして、断面の
両側で発生するヒレのサイズが異なるため、断面形状が
非対称になってしまうという欠点も有している。また、
同時に駆動片及び検出片等の先端部や、結合部のコーナ
ーが対称的にエッチングされず、音叉形状のバランスが
悪くなる等の問題点も有している。

【００１３】このように、圧電ジャイロセンサの形状の
対称性が悪いと、振動のバランスが悪くなり振動片の振
幅等が不安定となる。また、不要な漏れ出力等も発生し
やすくなるという欠点を有している。

【００１４】本発明の目的は、以上の従来技術の課題を
解決するためになされたものであり、その目的とすると
ころは、高精度で電気的特性に優れ、また外形形状の対
称性に優れた小型の圧電ジャイロセンサを安価に提供す
ることである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電ジャイロ
センサにおいて、圧電ジャイロセンサは、一対の駆動片
と一対の検出片及び支持部と、結合部とのそれぞれの接
続部の形状を、相似形の形状としたことを特徴とする。

【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１におい
て、圧電振動子がＺカットの水晶振動子であることを特
徴とする。

【００１７】請求項３記載の発明は、請求項２におい
て、圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電ジャ
イロセンサにおいて、前記駆動片、前記検出片又は前記
支持部と前記結合部との−Ｘ方向の接続部の角度ａが約
６０°であり、前記駆動片、前記検出片又は前記支持部
と前記結合部との＋Ｘ方向の接続部の角度ｃが約３０°
であり、かつ、前記角度ｃから約６０°の角度ｂへと連
結した形状をもって形成されていることを特徴とする。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項２におい
て、圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電ジャ
イロセンサにおいて、前記駆動片、前記検出片及び前記
支持部と、前記結合部との接続部の形状が、少なくとも
Ｘ軸に対して約３０°及び約６０°の角度からなる面を
有する非対称のマスクを用いて形成されていることを特
徴とする。

【００１９】請求項５記載の発明は、請求項２において
圧電振動子を角速度センサとして使用する圧電ジャイロ
センサにおいて、前記駆動片と検出片の先端部、あるい
は結合部の−Ｘ側のコーナーに形状の補正を施し、Ｙ軸
に関して非対称な形状をしたマスクを用いて、前記圧電
振動子が形成されていることを特徴とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明の圧電ジャイロセンサの実
施の一形態を、圧電振動子に水晶振動子を用いた圧電ジ
ャイロセンサを例として、図面に基づいて説明する。

【００２１】図１、２、３、４、５、６、７、８、９及
び図１０は、請求項１、２、３、４及び５記載の発明に
係わる圧電ジャイロセンサの構造図及び水晶基板の構造
図等である。

【００２２】図１及び図２に示す圧電ジャイロセンサ１
の構造図において、圧電水晶チップ２は、一対の駆動片
３と一対の検出片４とを有し、一対の駆動片３と一対の
検出片４は結合部５により、直交座標系のＸ−Ｙ平面に
おいて結合されている。

【００２３】また、駆動片３及び検出片４に平行に結合
部５から、その両側に支持部６ａ、６ｂが形成されてい
る。そして、支持部６ａ、６ｂと結合部５との接続部７
ａは、トリミングにより細くくびれて加工されている。

【００２４】そして、駆動片３、検出片４、結合部５及
び支持部６ａ、６ｂは、その共通のＹ軸８に対して左右
対称となっている。そして、このＹ軸８が圧電ジャイロ
センサ１を、角速度センサとして回転させるときの回転
軸となっている。

【００２５】また、駆動片３には駆動用の電極９が形成
され、又、検出片４には検出用の電極１０が形成されて
いる。また、支持部６ａ、６ｂには、図２に示すケース
２１の内部端子２２に電気的に接続するための、駆動用
の電極パッド１１ａ、１１ｂ、及び検出用の電極パッド
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが、それぞれ形成され
ており、この電極パッド１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２
ｂ、１２ｃ、１２ｄと、駆動用の電極９及び検出用の電
極１０とをそれぞれ接続する金属配線１３が、結合部５
及び支持部６ａ、６ｂに形成されている。即ち、駆動用
の電極９と検出用の電極１０を分離して配置している。

【００２６】そして、図２に示すように圧電水晶チップ
２を、セラミックス等のケース２１にマウントし、金属
製等のキャップ２３で封止しパッケージングしている。

【００２７】ここで、上記で形成された圧電ジャイロセ
ンサの動作原理について説明する。

【００２８】圧電材料である水晶で形成された圧電ジャ
イロセンサの駆動片に電圧が印加され、駆動片は図１の
Ｘ方向にその共振周波数、約９０００Ｈｚで屈曲振動を
している。この状態で、圧電ジャイロセンサが図１のＹ
軸８周りに回転すると、その回転角速度ωに対して、駆
動片の振動方向と直角方向にコリオリの力Ｆが働き、こ
のコリオリの力Ｆにより駆動片はＺ軸方向に応力を受け
Ｚ方向に振動する（この振動は、一般的にはｗａｌｋ振
動と呼ばれる）。この振動が、結合部を介して検出片に
伝播し、検出片はその共振周波数、約１１０００Ｈｚで
振動する。このコリオリの力Ｆを、検出片に形成した検
出用の電極で、感度良く検出し電気的な処理を施すこと
により、圧電ジャイロセンサの回転角速度及びその回転
の方向等を精度良く求めることができる。

【００２９】ここで、駆動片の質量をｍ、駆動片の速度
をＶとし、回転角速度をωとすると、駆動片に発生する
コリオリの力Ｆは、

【００３０】

【数１】

【００３１】の式で与えられる。

【００３２】次に、本発明の水晶で形成された圧電ジャ
イロセンサの製造方法について、詳細に説明する。

【００３３】図３に、一般的な水晶結晶の結晶外観図を
示す。図３に示すように水晶の結晶体３１には、電気軸
と呼ばれるＸ軸、機械軸と呼ばれるＹ軸及び光学軸と呼
ばれるＺ軸がある。

【００３４】そして、この結晶体３１から、圧電水晶チ
ップ２を形成する水晶基板（水晶ウェハー）３２を切り
出す。

【００３５】本発明で用いているＺカットの水晶基板３
２を、図４及び図５に示す。

【００３６】このようにして、形成された水晶基板３２
に、金属膜をスパッタリング装置等で蒸着する。そし
て、この金属膜を蒸着した水晶基板３２にレジストを塗
布し露光機により、圧電水晶チップ２の外形形状を焼き
付ける。そして、ふっ酸等のエッチング液に浸けること
により、図１の圧電水晶チップ２の外形形状が形成され
る。

【００３７】次に、外形エッチングで形成された圧電水
晶チップ２に、駆動用の電極９及び検出用の電極１０等
の電極を、Ａｕ等の金属膜を蒸着することにより形成す
る。

【００３８】第一の電極形成工程では、水晶基板３２に
金属製のメタルマスクを位置決めして取り付け、真空蒸
着機にセットする。そして、メタルマスクの開口部から
Ｃｒ＋Ａｕ等（例えば、Ｃｒ膜の上にＡｕ膜を蒸着す
る）の金属粒子を角度をつけて蒸着させ、図１に示すよ
うに圧電水晶チップ２の各側面部１４、表面１５及び裏
面１６に金属膜を形成する。この第一の電極形成工程
で、駆動片３、検出片４、結合部５及び支持部６ａ、６
ｂの各側面部１４、及び接続部７ｂの斜面１７等に必要
なパターンが形成される。そして同時に表面１５及び裏
面１６のほぼ全面に、Ｃｒ＋Ａｕ等の金属膜が形成され
る。

【００３９】ここで、メタルマスクを取り付け斜めに蒸
着するため、特に圧電水晶チップ２の立体配線部１８
は、側面部１４及び斜面１７等を用いて配線する。この
ように配線することにより、パターンの断線防止や、パ
ターン強度等を向上することができる。

【００４０】次に、第二の電極形成工程では、第一の電
極形成工程で形成された水晶基板３２にレジスト剤をコ
ーティングし、フォトマスクを用いて表面１５及び裏面
１６に必要なパターンが形成されるように、露光機によ
り焼き付ける。

【００４１】そして、Ｃｒ＋Ａｕ等の金属膜のエッチ
ングを行い、不要な金属膜をトリミングする。

【００４２】以上により、圧電水晶チップ２に、駆動用
の電極９、検出用の電極１０及び金属配線１３を形成す
ることができる。

【００４３】そして、図６に駆動側及び検出側の電極の
構成を示す。ここで、検出側は、４系統の電極に分割し
て構成してある。

【００４４】このように、マスク蒸着工程とフォトリソ
工程を組み合わせることにより、複雑な電極の形成が効
率よく生産できる。

【００４５】更に、水晶基板３２に圧電水晶チップ２が
複数形成された状態で、圧電水晶チップ２に電圧を印加
し、駆動片３及び検出片４の共振周波数を測定する。そ
して、共振周波数の狙い値に対するズレを、駆動片３あ
るいは、検出片４の先端部１９に重り付け等を施し、こ
れにより周波数調整する。

【００４６】このように周波数調整された、複数の圧電
水晶チップ２を、水晶基板３２から連続して折り取り、
図２に示すケース２１に接着剤等でマウントする。

【００４７】更に、圧電水晶チップ２に形成された、電
極パッド１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１
２ｄから、ケース２１の内部端子２２にＡｕ線２４等
でワイヤーボンディングして、電気的に接続する。

【００４８】ここで、ケース２１は、セラミックス等で
形成されており、支持部６を用いて圧電水晶チップ２を
マウントする凸状の座が２個所設けられている。更に、
この座の周囲にはアース用の電極パターンが形成されて
いる。

【００４９】そして、最後にケース２１に金属製等のキ
ャップ２３を用い、シーム溶接等で封止する。以上によ
り、小型・薄型の圧電ジャイロセンサ１が得られる。

【００５０】また、図７は、Ｚカットの水晶基板のＸ−
Ｙ平面内のエッチングレートを示す極座標図である。図
７は、円の中心がエッチングレートが０であり、外側に
いくほどエッチングレート速くなるように示してある。
このように、Ｚカットの水晶は、そのエッチング加工性
に異方性を有することがわかる。

【００５１】特に、＋Ｘ方向、Ｘ軸に対して＋１２０°
方向、及び−１２０°方向の面内エッチングスピードが
早く、逆に−Ｘ方向、Ｘ軸に対して＋３０°方向及び−
３０°方向の面内エッチングスピードが遅くなる。

【００５２】これに対してＺ方向のエッチングスピード
は、 −Ｘ方向、Ｘ軸に対して＋３０°方向及び−３０
°方向が早くなり、＋Ｘ方向、Ｘ軸に対して＋１２０°
方向、及び−１２０°方向が遅くなる。

【００５３】このように、エッチング加工性に異方性が
あることから、それぞれの接続部７ａ、７ｂの形状や、
駆動片３、検出片４及び結合部５等の先端部、あるいは
コーナーの形状が、図８のように非対称となってしま
う。この形状を対称良く形成するために、最適なマスク
により形状を焼き付け、フォトリソ加工している。

【００５４】具体的には、駆動片３及び検出片４及び支
持部６ａ、６ｂと、結合部５との接続部７ａ、７ｂの形
状については、図９に示すように角度ａ、ｂ、ｃが、Ｘ
軸に対してそれぞれａ＝約６０°、ｂ＝約６０°、ｃ＝
約３０°に形成されたマスクを用いて、それぞれの接続
部７ａ、７ｂの形状が相似形となるように形成してい
る。

【００５５】更に、図９に示すように、マスクの形状は
Ｙ軸に対して左右非対称に形成してある。つまり、接続
部７ａ、７ｂの形状の対称性を良くするため、＋Ｘ側
と、−Ｘ側のエッチングレート特性を最適化した条件で
加工できるように、マスク形状を設計している。

【００５６】また、駆動片３、検出片４及び結合部５等
の先端部あるいはコーナーの形状については、図１０に
示す形状のマスクを用いてフォトリソ加工している。図
１０には、駆動片３、検出片４の先端部の補正に用いて
いる、３種類のマスク形状を一例として示してある。結
合部５のコーナー部も、この形状と同様の補正を行って
いる。このように、−Ｘ側のコーナーに補正をした非対
称のマスクにより、圧電水晶チップ２の形状を対称性の
良い形状にしている。

【００５７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、圧電ジャ
イロセンサは、一対の駆動片と一対の検出片及び支持部
と、結合部とのそれぞれの接続部の形状を、相似形の形
状としたことにより、安定したバランスの良い駆動部の
振動、及びコリオリ力の発生による応力を効率良く検出
部に伝播することが可能となり、高精度で小型の圧電ジ
ャイロセンサを提供できるという効果を有する。

【００５８】請求項２記載の発明によれば、圧電振動子
がＺカットの水晶振動子であることにより、フォトリソ
加工におけるエッチングの加工性が良く、短時間で精度
の良い形状加工が可能であるという効果を有する。

【００５９】請求項３及び４記載の発明によれば、一対
の駆動片と一対の検出片及び支持部と、結合部との接続
部の形状が、少なくともＸ軸に対して約３０°及び約６
０°の角度からなる面を有するマスクを用いて形成する
ことにより、接続部の形状が対称となり、バランスの良
い共振振動が得られるという効果を有する。また、接続
部に発生する応力も均一化され、応力集中による接続部
付近へのクラック等の発生も防止できるという効果も有
する。

【００６０】請求項５記載の発明によれば、一対の駆動
片と一対の検出片の先端部、あるいは結合部のコーナー
を、−Ｘ側のコーナーに形状補正をした非対称のマスク
を用いて形成することにより、先端部あるいはコーナー
の形状を対称良く形成できるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電ジャイロセンサの一実施例を示す
構造図。

【図２】本発明の圧電ジャイロセンサの一実施例を示す
構造図。

【図３】水晶の結晶構造を示す構造図。

【図４】本発明の圧電ジャイロセンサ用の水晶基板を切
り出し角度を示す構造図。

【図５】本発明の圧電ジャイロセンサ用の水晶基板を切
り出し角度を示す構造図。

【図６】本発明の圧電ジャイロセンサの電極配線図。

【図７】Ｚカット水晶基板のエッチング特性図。

【図８】従来の圧電ジャイロセンサの接続部の構造図。

【図９】本発明の圧電ジャイロセンサの外形形状を形成
するマスク図面。

【図１０】本発明の圧電ジャイロセンサの外形形状を形
成するマスク図面。

【図１１】従来の圧電ジャイロセンサの構造図。

【符号の説明】

１圧電ジャイロセンサ２圧電水晶チップ３駆動片４検出片５結合部６ａ、６ｂ支持部７ａ、７ｂ接続部８Ｙ軸９、１０電極１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ電
極パッド１３金属配線１４側面部１５表面１６裏面１７斜面１８立体配線部１９先端部２１ケース２２内部端子２３キャップ２４Ａｕ線３１結晶体３２水晶基板１０１駆動片１０２検出片１０３回転軸１０４結合部１０５支持部１０６ハウジング１０７、１０８電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電振動子を角速度センサとして使用する
圧電ジャイロセンサにおいて、前記圧電ジャイロセンサは、一対の駆動片、一対の検出
片及び支持部と、結合部とのそれぞれの接続部の形状
を、相似形の形状としたことを特徴とする圧電ジャイロ
センサ。
【請求項２】圧電振動子を角速度センサとして使用する
圧電ジャイロセンサにおいて、前記圧電振動子がＺカットの水晶振動子であることを特
徴とする請求項１記載の圧電ジャイロセンサ。
【請求項３】圧電振動子を角速度センサとして使用する
圧電ジャイロセンサにおいて、前記駆動片、前記検出片又は前記支持部と前記結合部と
の−Ｘ方向の接続部の角度ａが約６０°であり、前記駆動片、前記検出片又は前記支持部と前記結合部と
の＋Ｘ方向の接続部の角度ｃが約３０°であり、かつ、
前記角度ｃから約６０°の角度ｂへと連結した形状をも
って形成されていることを特徴とする請求項２記載の圧
電ジャイロセンサ。
【請求項４】圧電振動子を角速度センサとして使用する
圧電ジャイロセンサにおいて、前記駆動片、前記検出片及び前記支持部と、前記結合部
との接続部の形状が、少なくともＸ軸に対して約３０°
及び約６０°の角度からなる面を有する非対称のマスク
を用いて形成されていることを特徴とする請求項２記載
の圧電ジャイロセンサ。
【請求項５】圧電振動子を角速度センサとして使用する
圧電ジャイロセンサにおいて、前記駆動片と検出片の先端部、あるいは結合部の−Ｘ側
のコーナーに形状の補正を施し、Ｙ軸に関して非対称な
形状をしたマスクを用いて、前記圧電振動子が形成され
ていることを特徴とする請求項２記載の圧電ジャイロセ
ンサ。