JP2014202616A - 振動素子、電子デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【課題】駆動用振動腕の励振が容易な半導体基板に圧電体と電極とを積層し微細加工して形成した振動素子と、その振動素子を備える電子デバイス、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】振動素子1は基部10と、基部10から延出している支持腕12a、12bと、支持腕から支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕14a、14bと、駆動用振動腕に設けられ、第1の電極層50a、第2の電極層52aおよび第1の電極層と第2の電極層との間に設けられている第1の圧電体層60aを有し、第1の電極層50aは駆動用振動腕14a側に配置されている駆動部32aと、駆動用振動腕に設けられ、第3の電極層50b、第4の電極層52bおよび第3の電極層と第4の電極層との間に設けられている第2の圧電体層60bを有し、第3の電極層は駆動用振動腕14a側に配置されているモニター部30aと、を備えている。
【選択図】図1
【解決手段】振動素子1は基部10と、基部10から延出している支持腕12a、12bと、支持腕から支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕14a、14bと、駆動用振動腕に設けられ、第1の電極層50a、第2の電極層52aおよび第1の電極層と第2の電極層との間に設けられている第1の圧電体層60aを有し、第1の電極層50aは駆動用振動腕14a側に配置されている駆動部32aと、駆動用振動腕に設けられ、第3の電極層50b、第4の電極層52bおよび第3の電極層と第4の電極層との間に設けられている第2の圧電体層60bを有し、第3の電極層は駆動用振動腕14a側に配置されているモニター部30aと、を備えている。
【選択図】図1
Description
本発明は、振動素子、電子デバイス、電子機器および移動体に関する。
従来から、角速度センサーは、船舶、航空機、ロケットなどの姿勢を自律制御する技術に使用されているが、最近では、車両における車体制御、カーナビゲーションシステムの自車位置検出、デジタルカメラ、ビデオカメラおよび携帯電話の振動制御補正(いわゆる手振れ補正)などに用いられている。これら電子機器の小型化に伴い、角速度センサーの小型化および低背化(薄型化)が要求されている。
これに対し、駆動用振動腕と検出用振動腕を有する角速度センサー用の振動素子を、圧電材料の機械加工やエッチング加工によって形成する製造方法で小型化を図っていたが、近年、更なる小型化に対応するために、特許文献1では、単結晶シリコンなどの半導体基板に圧電体と電極とを積層後、微細加工することにより振動素子を形成する技術が開示されている。
しかしながら、半導体基板に圧電体と電極とを積層し微細加工して形成した振動素子は、静電容量が大きく、且つインピーダンスが高いため、駆動用振動腕の屈曲振動を励振させることが非常に難しいという問題があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る振動素子は、基部と、前記基部から延出している支持腕と、前記支持腕から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕と、前記駆動用振動腕に設けられ、第1の電極層、第2の電極層および前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に設けられている第1の圧電体層を有し、前記第1の電極層は前記駆動用振動腕側に配置されている駆動部と、前記駆動用振動腕に設けられ、第3の電極層、第4の電極層および前記第3の電極層と前記第4の電極層との間に設けられている第2の圧電体層を有し、前記第3の電極層は前記駆動用振動腕側に配置されているモニター部と、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、第1の電極層と第2の電極層との間に第1の圧電体層を有する駆動部は、静電容量が大きく、且つインピーダンスが高いため、駆動用振動腕の屈曲振動を駆動し難い。そのため、駆動用振動腕上にモニター部を設けることで、モニター部で発生した駆動用振動腕の屈曲振動の振幅に応じた電荷を増幅しモニター電圧として駆動回路に印加することができるので、屈曲振動を駆動するのに十分な一定電圧が供給され、駆動用振動腕の屈曲振動を安定に駆動することができるという効果がある。
[適用例2]上記適用例に記載の振動素子において、前記駆動部と前記モニター部は、前記駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで駆動部とモニター部を設けることで、駆動部が伸縮して駆動した駆動用振動腕の長手方向と交差する方向に変位を有する屈曲振動が駆動したときに、モニター部に駆動部と逆位相で伸縮することによる振動の振幅に応じた電荷を発生させ、駆動回路にモニター電圧を印加するができるので、屈曲振動を駆動するのに十分な一定電圧が供給され、駆動用振動腕の屈曲振動を安定に駆動することができるという効果がある。
[適用例3]上記適用例に記載の振動素子において、前記駆動部は、第1の駆動部と第2の駆動部とを有し、前記駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで第1の駆動部と第2の駆動部とを設けることで、第1の駆動部と第2の駆動部とを逆位相で伸縮させることが可能となり、インピーダンスを大幅に低減することができるため、駆動用振動腕の屈曲振動を容易に駆動することができるという効果がある。
[適用例4]上記適用例に記載の振動素子において、駆動用振動腕の平面視において、前記モニター部は、前記駆動部よりも基部側に設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕上に設けられたモニター部と駆動部において、モニター部が駆動部よりも基部側に位置することで、モニター部と接続端子部との接続配線を断線することなく、駆動用振動腕の長手方向に十分な長さを有する駆動部を形成することができるので、インピーダンスを劣化することがなくなり、駆動用振動腕の屈曲振動を容易に駆動することができるという効果がある。
[適用例5]上記適用例に記載の振動素子において、前記駆動用振動腕において、前記モニター部は、前記支持腕と交差する一方の側に設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、モニター部を駆動用振動腕が支持腕と交差する一方の側に設けることで、駆動部と接続端子部との接続配線を断線することなく、駆動用振動腕の長手方向に十分な長さを有する駆動部を形成することができるので、インピーダンスを劣化することがなくなり、駆動用振動腕の屈曲振動を容易に駆動することができるという効果がある。
[適用例6]上記適用例に記載の振動素子において、前記モニター部は、前記駆動用振動腕の平面視において、前記第1の駆動部と前記第2の駆動部との間に設けられ、且つ前記モニター部の幅方向に対する中心線と、前記駆動用振動腕の幅方向に対する中心線とが交差しないことを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕の長手方向と交差する方向に変位を有する屈曲振動が駆動する駆動用振動腕において、モニター部の幅方向に対する中心線が駆動用振動腕の幅方向に対する中心線と並行して配置することで、駆動用振動腕の幅方向に対する中心線部分が伸縮により発生する電荷が相殺することを回避し、モニター電圧を得ることができる。そのため、駆動回路にモニター電圧を印加するができ、屈曲振動を駆動するのに十分な電圧が供給され、駆動用振動腕の屈曲振動を安定に駆動することができるという効果がある。
[適用例7]上記適用例に記載の振動素子において、前記基部から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している検出用振動腕を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、基部から延出している支持腕から支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕を有する振動素子に、基部から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している検出用振動腕を備えた構造とすることで、振動素子に角速度ωが加わった場合、コリオリ力が働き、検出用振動腕に屈曲振動が励振され、電荷が生じるので、その電荷に基づいて、振動素子に加わった角速度ωを求めることができるという効果がある。
[適用例8]上記適用例に記載の振動素子において、前記基部には、前記駆動部および前記モニター部と電気的に接続されている端子が設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、振動素子の基部に、駆動部やモニター部と電気的に接続されている端子が設けることで、駆動用振動腕と検出用振動腕の屈曲振動を阻害することなく、電気的に、且つ機械的にパッケージなどの実装端子へ接合することができるという効果がある。
[適用例9]本適用例に係る電子デバイスは、上記適用例に記載の振動素子と、回路素子と、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、振動素子の駆動用振動腕を安定して駆動できる電子デバイスが得られるという効果がある。
[適用例10]本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の振動素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕を安定して駆動できる振動素子を備えた電子機器が構成できるという効果がある。
[適用例11]本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の振動素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、駆動用振動腕を安定して駆動できる振動素子を備えた移動体が構成できるという効果がある。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(振動素子)
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の構造を示す概略図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。また、図2は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の図1におけるB−B線断面図と回路構成を示す概略図である。ここで、図1および後述する図2〜図9では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」としている。また、以下では、X軸に平行な方向を「X軸方向」と言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」と言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と言う。
なお、本発明の実施形態に係る振動素子として、角速度センサーに用いられるダブルT型と呼ばれる構造の振動素子を一例として説明する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の構造を示す概略図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)のA−A断面図である。また、図2は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の図1におけるB−B線断面図と回路構成を示す概略図である。ここで、図1および後述する図2〜図9では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示しており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」としている。また、以下では、X軸に平行な方向を「X軸方向」と言い、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」と言い、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と言う。
なお、本発明の実施形態に係る振動素子として、角速度センサーに用いられるダブルT型と呼ばれる構造の振動素子を一例として説明する。
図1に示す振動素子1は、基部10と、基部10から延出した2つの支持腕12a,12bと、モニター部30a,30bと駆動部32a,32bとが配置された2つの駆動用振動腕14a,14bと、検出部34a,34b,34c,34dが配置された2つの検出用振動腕16a,16bと、を備えた基板8で構成されている。
図1(a)に示すように、支持腕12aはX軸方向の−側へ、支持腕12bはX軸方向の+側へ、それぞれ延出している。
また、2つの駆動用振動腕14a,14bは、略矩形であり、それぞれ支持腕12a,12bから支持腕12a,12bの延出方向と交差する方向(Y軸方向)に延出し、駆動用振動腕14aの中央部が支持腕12aの基部10と接合した側と反対側(X軸方向の−側)の先端部で接合している。また、駆動用振動腕14bの中央部が支持腕12bの基部10と接合した側と反対側(X軸方向の+側)の先端部で接合している。
更に、2つの検出用振動腕16a,16bは、略矩形であり、それぞれ長手方向の端部が基部10と接合し、支持腕12a,12bの延出方向と交差する方向(Y軸方向)に延出している。検出用振動腕16aはY軸方向の−側へ、検出用振動腕16bはY軸方向の+側へ、それぞれ延出している。
また、2つの駆動用振動腕14a,14bは、略矩形であり、それぞれ支持腕12a,12bから支持腕12a,12bの延出方向と交差する方向(Y軸方向)に延出し、駆動用振動腕14aの中央部が支持腕12aの基部10と接合した側と反対側(X軸方向の−側)の先端部で接合している。また、駆動用振動腕14bの中央部が支持腕12bの基部10と接合した側と反対側(X軸方向の+側)の先端部で接合している。
更に、2つの検出用振動腕16a,16bは、略矩形であり、それぞれ長手方向の端部が基部10と接合し、支持腕12a,12bの延出方向と交差する方向(Y軸方向)に延出している。検出用振動腕16aはY軸方向の−側へ、検出用振動腕16bはY軸方向の+側へ、それぞれ延出している。
駆動用振動腕14a,14bの長手方向の両先端部には、それぞれ、駆動用振動腕14a,14bの幅より大きい幅を有する錘部18a,18b,18e,18fが設けられている。同様に、検出用振動腕16a,16bの基部10と接合している側の反対側の先端部には、それぞれ、検出用振動腕16a,16bの幅より大きい幅を有する錘部18c,18dが設けられている。このような錘部を設けることにより、振動周波数を低下させ振動腕の長さを短くすることができるため、振動素子1の小型化が図れる。また、振動腕の先端部の質量が増し多くの電荷を発生させることができるため、角速度センサー素子としての検出感度を向上させることができる。なお、錘部18a,18b,18c,18d,18e,18fは必要に応じて設ければよく、無くても構わない。
次に、モニター部30a,30bと駆動部32a,32bについて説明する。なお、駆動部とは、駆動用振動腕を支持腕の延出する方向(X軸方向)に変位を有する屈曲振動を振動させるための圧電体素子であり、モニター部は、駆動部による駆動用振動腕の振動を起動させるための圧電体素子である。
モニター部30a,30bと駆動部32a,32bとは、それぞれ、Y軸方向を長辺方向とする略矩形であり、前述した振動素子1の駆動用振動腕14a,14b上に設けられている。また、モニター部30a,30bと駆動部32a,32bとは、駆動用振動腕14a,14bの幅方向に互いに間隔を隔てて並び、モニター部30a,30bは、駆動用振動腕14a,14bの幅方向(X軸方向)において、基部10の配置された側に設けられている。
モニター部30a,30bと駆動部32a,32bとは、それぞれ、Y軸方向を長辺方向とする略矩形であり、前述した振動素子1の駆動用振動腕14a,14b上に設けられている。また、モニター部30a,30bと駆動部32a,32bとは、駆動用振動腕14a,14bの幅方向に互いに間隔を隔てて並び、モニター部30a,30bは、駆動用振動腕14a,14bの幅方向(X軸方向)において、基部10の配置された側に設けられている。
モニター部30a,30bは、図1(a)に示すように、支持腕12a,12bと接合している駆動用振動腕14a,14bの中心部から基部10の検出用振動腕16aが接合された側の方向(Y軸方向)に延出して設けられている。また、駆動用振動腕14a上に設けられたモニター部30aと駆動用振動腕14b上に設けられたモニター部30bとは、支持腕12a,12bと基部10との上に設けられた配線部44により接続されている。更に、基部10上に設けられた接続端子部36とも基部10上に設けられた配線部44により接続されている。
駆動部32a,32bは、支持腕12a,12bと接合している駆動用振動腕14a,14bの中央部から両方向(Y軸の+側および−側方向)に延出して設けられている。また、駆動用振動腕14a上に設けられた駆動部32aと駆動用振動腕14b上に設けられた駆動部32bとは、支持腕12a,12bと基部10上に設けられた配線部46により接続されている。更に、基部10上に設けられた接続端子部38とも基部10上に設けられた配線部46により接続されている。
次に、駆動部32a,32bとモニター部30a,30bの積層構成について説明する。
図1(b)に示すように、駆動部32aは、駆動用振動腕14a上に第1の電極層50a、第2の電極層52aおよび第1の圧電体層60aを含み構成されている。第1の圧電体層60aは、第1の電極層50aと第2の電極層52aとの間に設けられ、第1の電極層50aは駆動用振動腕14a側に配置されている。
また、モニター部30aも同様に、駆動用振動腕14a上に第3の電極層50b、第4の電極層52bおよび第2の圧電体層60bを含み構成されている。第2の圧電体層60bは、第3の電極層50bと第4の電極層52bとの間に設けられ、第3の電極層50bは駆動用振動腕14a側に配置されている。
図1(b)に示すように、駆動部32aは、駆動用振動腕14a上に第1の電極層50a、第2の電極層52aおよび第1の圧電体層60aを含み構成されている。第1の圧電体層60aは、第1の電極層50aと第2の電極層52aとの間に設けられ、第1の電極層50aは駆動用振動腕14a側に配置されている。
また、モニター部30aも同様に、駆動用振動腕14a上に第3の電極層50b、第4の電極層52bおよび第2の圧電体層60bを含み構成されている。第2の圧電体層60bは、第3の電極層50bと第4の電極層52bとの間に設けられ、第3の電極層50bは駆動用振動腕14a側に配置されている。
なお、駆動部32aとモニター部30aとを構成する第1の電極層50aと第3の電極層50b、第2の電極層52aと第4の電極層52bおよび第1の圧電体層60aと第2の圧電体層60bは、それぞれ、同一の電極層や圧電体層をフォトリソグラフィ技術により形成されたものなので、以降では、第1の電極層50、第2の電極層52および圧電体層60として説明する。
従って、駆動部32a,32bとモニター部30a,30b以外の検出部34a,34b,34c,34d、配線部44,46および接続端子部36,38,40a,40b,40c,40dについても、同様に、圧電体層60が第1の電極層50と第2の電極層52との間に設けられ、第1の電極層50が振動腕や基部などを有する基板8側に配置されている。
次に、検出部34a,34b,34c,34dについて説明する。なお、検出部は、検出用振動腕の支持腕の延出する方向に変位を有する屈曲振動により、電荷を発生させるための圧電体素子である。
検出部34a,34b,34c,34dは、それぞれ、Y軸方向を長辺方向とする略矩形であり、振動素子1の検出用振動腕16a,16b上に設けられている。また、検出部34a,34bは、検出用振動腕16aの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、検出部34c,34dは、検出用振動腕16bの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられている。
検出部34a,34b,34c,34dは、それぞれ、Y軸方向を長辺方向とする略矩形であり、振動素子1の検出用振動腕16a,16b上に設けられている。また、検出部34a,34bは、検出用振動腕16aの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、検出部34c,34dは、検出用振動腕16bの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられている。
検出部34aは、基部10上に設けられた接続端子部40aと接続され、検出用振動腕16aの先端部に結合した錘部18c方向(Y軸の−側方向)へ延出して設けられている。
検出部34bは、基部10上に設けられた接続端子部40bと接続され、検出用振動腕16aの先端部に結合した錘部18c方向(Y軸の−側方向)へ延出して設けられている。
検出部34cは、基部10上に設けられた接続端子部40cと接続され、検出用振動腕16bの先端部に結合した錘部18d方向(Y軸の+側方向)へ延出して設けられている。
検出部34dは、基部10上に設けられた接続端子部40dと接続され、検出用振動腕16bの先端部に結合した錘部18d方向(Y軸の+側方向)へ延出して設けられている。
検出部34bは、基部10上に設けられた接続端子部40bと接続され、検出用振動腕16aの先端部に結合した錘部18c方向(Y軸の−側方向)へ延出して設けられている。
検出部34cは、基部10上に設けられた接続端子部40cと接続され、検出用振動腕16bの先端部に結合した錘部18d方向(Y軸の+側方向)へ延出して設けられている。
検出部34dは、基部10上に設けられた接続端子部40dと接続され、検出用振動腕16bの先端部に結合した錘部18d方向(Y軸の+側方向)へ延出して設けられている。
また、検出部34a,34b,34c,34dの積層構成は、モニター部30a,30bや駆動部32a,32bと同様に、第1の電極層50、第2の電極層52および圧電体層60を含む構成で形成されている。なお、前述した配線部44,46や接続端子部36,38,40a,40b,40c,40dについても、同様な積層構成で形成されている。
なお、第2の電極層52は、圧電体層60と同様の配置構成であり、支持腕12a,12bや基部10上に設けられた配線部44,46により、モニター部30a,30b、駆動部32a,32bおよび検出部34a,34b,34c,34dが接続端子部36,38,40a,40b,40c,40dに電気的に接続されている。しかし、第1の電極層50は、基部10上に設けられた配線部48により、6つの接続端子部36,38,40a,40b,40c,40dとグランド端子となる接続端子部42a,42bとが電気的に接続されている。また、本実施形態では、6つの接続端子部36,38,40a,40b,40c,40dが電気的に接続されているグランド端子となる接続端子部42a,42bは2つであるが1つでも構わない。
ここで、本発明の第1の実施形態に係る振動素子1である、角速度センサー素子の振動動作について説明する。
駆動用振動腕14a,14b上に設けられた駆動部32a,32bは、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加されると、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じ、圧電体層60がY軸方向に伸張または収縮する。駆動部32a,32bは、図1(a)に示すように、駆動用振動腕14a,14bの幅方向(X軸方向)において、基部10の配置された側と反対側に設けられている。そのため、通電により駆動部32a,32bがY軸方向に伸縮すると、駆動用振動腕14a,14bの基部10の配置された側と反対側が伸縮し、X軸方向に変位を有する屈曲振動が発生する。また、駆動用振動腕14aと駆動用振動腕14bとは互いに接近・離間するように屈曲振動(駆動振動)する。
駆動用振動腕14a,14b上に設けられた駆動部32a,32bは、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加されると、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じ、圧電体層60がY軸方向に伸張または収縮する。駆動部32a,32bは、図1(a)に示すように、駆動用振動腕14a,14bの幅方向(X軸方向)において、基部10の配置された側と反対側に設けられている。そのため、通電により駆動部32a,32bがY軸方向に伸縮すると、駆動用振動腕14a,14bの基部10の配置された側と反対側が伸縮し、X軸方向に変位を有する屈曲振動が発生する。また、駆動用振動腕14aと駆動用振動腕14bとは互いに接近・離間するように屈曲振動(駆動振動)する。
また、検出用振動腕16a,16bに設けられた検出部34a,34b,34c,34dは、検出用振動腕16a,16bのX軸方向に変位を有する屈曲振動により、圧電体層60がY軸方向に伸張または収縮され、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じ、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電荷を出力するように構成されている。このような検出部34a,34bは、それぞれ、検出用振動腕16aの振動(X軸方向での屈曲振動)に伴って電荷を出力する。同様に、検出部34c,34dは、それぞれ、検出用振動腕16bの振動(X軸方向での屈曲振動)に伴って電荷を出力する。
なお、検出部34a,34bは、検出用振動腕16aの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、それぞれの電極を正負の構成にされている。そのため、検出用振動腕16aのX軸方向に変位する屈曲振動(いわゆる面内振動)が生じると、検出部34aが伸張した場合は検出部34bが収縮し、検出部34aが収縮した場合は検出部34bが伸張する。同様に、検出部34c,34dは、検出用振動腕16bの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、それぞれの電極を正負の構成にされている。そのため、検出用振動腕16bのX軸方向に変位する屈曲振動(いわゆる面内振動)が生じると、検出部34cが伸張した場合は検出部34dが収縮し、検出部34cが収縮した場合は検出部34dが伸張する。
角速度センサー素子である振動素子1に角速度ωが加わっていない場合、駆動用振動腕14aと駆動用振動腕14bとは、振動素子1の重心G(図示せず)を通るYZ平面に対し面対称の振動を行っているため、基部10および検出用振動腕16a,16bはほとんど振動しない。
このように駆動用振動腕14a,14bを駆動振動させた状態で、振動素子1にその重心Gを通る法線まわりの角速度ωが加わると、駆動用振動腕14a,14bには、それぞれ、コリオリ力が働く。これにより、支持腕12a,12bがY軸方向に屈曲振動し、これに伴いこの屈曲振動により発生するモーメントを打ち消すように、検出用振動腕16a,16bのX軸方向の屈曲振動(検出振動)が励振される。
このように駆動用振動腕14a,14bを駆動振動させた状態で、振動素子1にその重心Gを通る法線まわりの角速度ωが加わると、駆動用振動腕14a,14bには、それぞれ、コリオリ力が働く。これにより、支持腕12a,12bがY軸方向に屈曲振動し、これに伴いこの屈曲振動により発生するモーメントを打ち消すように、検出用振動腕16a,16bのX軸方向の屈曲振動(検出振動)が励振される。
そして、検出用振動腕16aの屈曲振動によって検出部34a,34bに生じた電荷が接続端子部40a,40bから出力される。また、検出用振動腕16bの屈曲振動によって検出部34c,34dに生じた電荷が接続端子部40c,40dから出力される。
このように接続端子部40a,40b,40c,40dから出力された電荷に基づいて、振動素子1に加わった角速度ωを求めることができる。
このように接続端子部40a,40b,40c,40dから出力された電荷に基づいて、振動素子1に加わった角速度ωを求めることができる。
次に、振動素子を駆動するための駆動回路と角速度ωを検出するための検出回路について説明する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の図1(a)におけるB−B線断面図と回路構成を示す概略図である。
振動素子1の駆動用振動腕14a,14bを駆動するための駆動回路部90は、オペアンプ70a、コンデンサーや抵抗器などの電子部品72a、AGC(Automatic Gain Control)74および駆動部32aを駆動するための駆動回路76を含み構成されている。
図2は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の図1(a)におけるB−B線断面図と回路構成を示す概略図である。
振動素子1の駆動用振動腕14a,14bを駆動するための駆動回路部90は、オペアンプ70a、コンデンサーや抵抗器などの電子部品72a、AGC(Automatic Gain Control)74および駆動部32aを駆動するための駆動回路76を含み構成されている。
駆動回路76から駆動用振動腕14a上に設けられた駆動部32aの第1の電極層50と第2の電極層52とに電圧が印加されることで、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じ、圧電体層60がY軸方向に伸張または収縮し、駆動用振動腕14aがX軸方向に変位を有する屈曲振動が発生する。それに伴い、モニター部30aは駆動部32aが伸張した場合に収縮し、駆動部32aが収縮した場合に伸張する。そのため、モニター部30aの圧電体層60にZ軸方向の電界が生じ、第1の電極層50と第2の電極層52とに駆動用振動腕14aの屈曲振動の振幅に応じた電荷が発生する。
その後、発生した電荷は、第1の電極層50はグランドに接地しているため、第2の電極層52から駆動回路部90のオペアンプ70aと電子部品72aにより構成されたチャージアンプ(電流・電圧変換回路)へ入力され、増幅した後にモニター電圧として出力される。そして、屈曲振動の振幅に応じたモニター電圧はAGC74で一定電圧となり、駆動回路76へ印加され、その後、駆動回路76からモニター電圧に応じた一定電圧が駆動部32aの第1の電極層50と第2の電極層52とに印加されることにより、安定した屈曲振動を駆動することができる。従って、駆動用振動腕14a,14b上にモニター部30a,30bを設けることは、駆動部32a,32bに屈曲振動を駆動するのに十分な一定電圧を供給することができ、駆動用振動腕14a,14bの屈曲振動を安定に駆動することができるという効果がある。
振動素子1の検出用振動腕16a,16bに生じた電荷を検出するための検出回路部92は、オペアンプ70b,70c、コンデンサーや抵抗器などの電子部品72b,72c、差動増幅器78、同期検波回路80およびLPF(Low Pass Filter)82を含み構成されている。
振動素子1に角速度ωが加わることで、検出用振動腕16a上に設けられた検出部34a,34bから発生した電荷は、オペアンプ70b,70cとコンデンサーや抵抗器などの電子部品72b,72cとで構成された2つのチャージアンプによりそれぞれ増幅され、差動増幅器78において2つの検出部34a,34bから発生した電荷が加算される。その後、同期検波回路80で直流成分に変換され、LPF82により高周波数のノイズ成分が除去されることで、振動素子1に加わった角速度ωに比例した直流成分を検出することができる。
振動素子1に角速度ωが加わることで、検出用振動腕16a上に設けられた検出部34a,34bから発生した電荷は、オペアンプ70b,70cとコンデンサーや抵抗器などの電子部品72b,72cとで構成された2つのチャージアンプによりそれぞれ増幅され、差動増幅器78において2つの検出部34a,34bから発生した電荷が加算される。その後、同期検波回路80で直流成分に変換され、LPF82により高周波数のノイズ成分が除去されることで、振動素子1に加わった角速度ωに比例した直流成分を検出することができる。
以上、振動素子1の構造、動作原理および駆動・検出回路について説明したが、次に、振動素子1を構成する材料について説明する。
振動素子1を構成する基板8の材料としては、例えば、シリコン、石英およびガラスなどが挙げられる。特に、シリコンは、優れた振動特性を有する振動素子1を比較的安価に実現することができ、また、公知の微細加工技術(フォトリソグラフィ技術)を用いてエッチングにより高い寸法精度で振動素子1を形成することができるので好ましい。
振動素子1を構成する基板8の材料としては、例えば、シリコン、石英およびガラスなどが挙げられる。特に、シリコンは、優れた振動特性を有する振動素子1を比較的安価に実現することができ、また、公知の微細加工技術(フォトリソグラフィ技術)を用いてエッチングにより高い寸法精度で振動素子1を形成することができるので好ましい。
第1の電極層50は、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)などの金属材料や、ITO、ZnOなどの透明電極材料により形成することができる。
中でも、第1の電極層50の構成材料としては、金を主材料とする金属(金、金合金)または白金を用いるのが好ましく、金を主材料とする金属(特に金)を用いるのがより好ましい。
特に、金は導電性に優れ(電気抵抗が小さく)酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、金は白金に比べエッチングにより容易にパターニングすることができる。更に、第1の電極層50を金または金合金で構成することにより、圧電体層60の配向性を高めることもできる。
特に、金は導電性に優れ(電気抵抗が小さく)酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、金は白金に比べエッチングにより容易にパターニングすることができる。更に、第1の電極層50を金または金合金で構成することにより、圧電体層60の配向性を高めることもできる。
また、第1の電極層50の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。これにより、第1の電極層50が駆動部32a,32bの駆動特性や駆動用振動腕14a,14bの振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、前述したような第1の電極層50の導電性を優れたものとすることができる。
圧電体層60の構成材料(圧電体材料)としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などが挙げられる。
中でも、圧電体層60の構成材料としては、PZTを用いるのが好ましい。PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)は、c軸配向性に優れ、低インピーダンス化が図れる。そのため、PZTを主材料として圧電体層60を構成することにより、振動素子1のCI値を低減することができる。また、これらの材料は、反応性スパッタリング法により成膜することができる。
また、圧電体層60の平均厚さは、50〜3000nmであるのが好ましく、200〜2000nmであるのがより好ましい。これにより、圧電体層60が駆動用振動腕14a,14bや検出用振動腕16a,16bの振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、駆動部32a,32bの駆動特性や検出部34a,34b,34c,34dの検出特性を優れたものとすることができる。
第2の電極層52は、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)などの金属材料やITO、ZnOなどの透明電極材料により形成することができる。
また、第2の電極層52の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。これにより、第2の電極層52が駆動部32a,32bの駆動特性や駆動用振動腕14a,14bの振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、第2の電極層52の導電性を優れたものとすることができる。
なお、駆動用振動腕14a,14bと第1の電極層50との間や圧電体層60と第2の電極層52との間に下地層を設けても構わない。下地層を設けることで、第1の電極層50が駆動用振動腕14a,14bから剥離するのを、また、第2の電極層52が圧電体層60から剥離するのを防止することができる。
下地層は、例えば、Ti、Crなどで構成され、また、下地層の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。
下地層は、例えば、Ti、Crなどで構成され、また、下地層の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。
更に、圧電体層60と第2の電極層52との間や圧電体層60と前述した下地層との間に絶縁体層(絶縁性の保護層)を設けても構わない。絶縁体層は、圧電体層60を保護するとともに、第1の電極層50と第2の電極層52との間の短絡を防止する機能を有するためである。絶縁体層は、例えば、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)などで構成され、絶縁体層の平均厚さは、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。絶縁体層の厚さが前記下限値未満であると、前述したような短絡を防止する効果が小さくなる傾向となり、一方、絶縁体層の厚さが前記上限値を超えると、モニター部、駆動部32a,32および検出部34a,34b,34c,34dの特性に悪影響を与える虞があるためである。
次に、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の圧電体と電極との構成における変形例1〜変形例3について説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の圧電体と電極との構成における変形例を示す図1(a)のA−A線断面図であり、図3(a)は変形例1を示す断面図、図3(b)は変形例2を示す断面図および図3(c)は変形例3を示す断面図である。
以下、変形例1、2および3では、前述した図1の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る振動素子の圧電体と電極との構成における変形例を示す図1(a)のA−A線断面図であり、図3(a)は変形例1を示す断面図、図3(b)は変形例2を示す断面図および図3(c)は変形例3を示す断面図である。
以下、変形例1、2および3では、前述した図1の実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
<変形例1>
変形例1の振動素子2aは、図3(a)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、第1の電極層50と圧電体層60とにモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていない点が異なっている。第1の電極層50と圧電体層60とにモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていなくても、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加され、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じるのは、第1の電極層50、圧電体層60および第2の電極層52が重なり合っている部分のみであるため、駆動用振動腕14aを駆動する上で問題はない。また、第1の電極層50と圧電体層60とにエッチングによるパターニングを省くことで、加工時間を短縮し、製造コストの低下が図れるという効果がある。
変形例1の振動素子2aは、図3(a)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、第1の電極層50と圧電体層60とにモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていない点が異なっている。第1の電極層50と圧電体層60とにモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていなくても、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加され、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じるのは、第1の電極層50、圧電体層60および第2の電極層52が重なり合っている部分のみであるため、駆動用振動腕14aを駆動する上で問題はない。また、第1の電極層50と圧電体層60とにエッチングによるパターニングを省くことで、加工時間を短縮し、製造コストの低下が図れるという効果がある。
<変形例2>
変形例2の振動素子2bは、図3(b)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、第1の電極層50にモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていない点が異なっている。第1の電極層50にモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていなくても、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加され、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じるのは、第1の電極層50、圧電体層60および第2の電極層52が重なり合っている部分のみであるため、駆動用振動腕14aを駆動する上で問題はない。また、第1の電極層50にエッチングによるパターニングを省くことで、加工時間を短縮し、製造コストの低下が図れるという効果がある。
変形例2の振動素子2bは、図3(b)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、第1の電極層50にモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていない点が異なっている。第1の電極層50にモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されていなくても、第1の電極層50と第2の電極層52との間に電圧が印加され、圧電体層60にZ軸方向の電界が生じるのは、第1の電極層50、圧電体層60および第2の電極層52が重なり合っている部分のみであるため、駆動用振動腕14aを駆動する上で問題はない。また、第1の電極層50にエッチングによるパターニングを省くことで、加工時間を短縮し、製造コストの低下が図れるという効果がある。
<変形例3>
変形例3の振動素子2cは、図3(c)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、基板である駆動用振動腕14aの一部までモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されている点が異なっている。駆動用振動腕14aにモニター部30aや駆動部32aのパターンを形成することで、モニター部30aや駆動部32aで励振する振動エネルギーがモニター部30aや駆動部32aがパターニングされた部分に閉じ込められ、振動エネルギーの漏洩を低減できるので、インピーダンスの低い振動素子2cが得られるという効果がある。
変形例3の振動素子2cは、図3(c)に示すように、第1実施形態の振動素子1に比べ、基板である駆動用振動腕14aの一部までモニター部30aや駆動部32aのパターンが形成されている点が異なっている。駆動用振動腕14aにモニター部30aや駆動部32aのパターンを形成することで、モニター部30aや駆動部32aで励振する振動エネルギーがモニター部30aや駆動部32aがパターニングされた部分に閉じ込められ、振動エネルギーの漏洩を低減できるので、インピーダンスの低い振動素子2cが得られるという効果がある。
<第2の実施形態>
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の構造を示す概略図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のC−C線断面図である。
以下、第2の実施形態の振動素子1aについて、前述した第1実施形態の振動素子1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の構造を示す概略図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のC−C線断面図である。
以下、第2の実施形態の振動素子1aについて、前述した第1実施形態の振動素子1との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態の振動素子1aは、図4に示すように、基板8aの外形形状は、第1実施形態の振動素子1の基板8の外形形状と同等であるが、駆動部132a,132b,232a,232bやモニター部130a,130bの構成が異なる。
駆動部132a,132b,232a,232bは、支持腕112a,112bと接合している駆動用振動腕114a,114bの中央部から両方向(Y軸の+側および−側方向)に延出して設けられている。また、駆動用振動腕114a上の駆動部132a,232aは、駆動用振動腕114aの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、駆動用振動腕114b上の駆動部132b,232bは、駆動用振動腕114bの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられている。更に、2つの駆動部232a,132bは、それぞれ駆動用振動腕114a,114b上の基部110の配置された側に設けられている。
駆動部132a,132b,232a,232bは、支持腕112a,112bと接合している駆動用振動腕114a,114bの中央部から両方向(Y軸の+側および−側方向)に延出して設けられている。また、駆動用振動腕114a上の駆動部132a,232aは、駆動用振動腕114aの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられ、駆動用振動腕114b上の駆動部132b,232bは、駆動用振動腕114bの幅方向(X軸方向)に互いに間隔を隔てて並んで設けられている。更に、2つの駆動部232a,132bは、それぞれ駆動用振動腕114a,114b上の基部110の配置された側に設けられている。
なお、駆動用振動腕114a,114b上に、駆動部132a,132b,232a,232bをそれぞれ2つ並んで設けることにより、駆動用振動腕114a,114bの屈曲振動の駆動力を向上させ、インピーダンスを大幅に低減することができるため、駆動用振動腕114a,114bの屈曲振動を容易に駆動することができるという効果がある。
駆動用振動腕114a,114b上に備えられた2つの駆動部132a,232bは、図4(a)に示すように、支持腕112a,112bと基部110上に設けられた配線部146aと、駆動用振動腕114a,114b上に設けられたモニター部130a,130bや駆動部232a,132bとの短絡を防止するために設けられた絶縁部材162a,162bの上に形成された接続電極154a,154bと、により接続されている。
また、同様に、駆動用振動腕114a,114b上に備えられた2つの駆動部232a,132bは、支持腕112a,112bと基部110上に設けられた配線部146bと、駆動用振動腕114a,114b上に設けられたモニター部130a,130dとの短絡を防止するために設けられた絶縁部材164a,164bの上に形成された接続電極156a,156bと、により接続されている。
更に、駆動部132a,232bは、配線部146aにより、基部110上に設けられた接続端子部138に接続され、駆動部232a,132bは、配線部146bにより、基部110上に設けられた接続端子部238に接続されている。よって、接続端子部138,238を通じて、図2に示す駆動回路76から駆動部132a,132b,232a,232bに電圧を印加することで、駆動用振動腕114a,114bを屈曲振動させることができる。
モニター部130a,130bは、駆動用振動腕114a,114bの幅方向(X軸方向)において、基部10の配置された側で、且つ支持腕112a,112bと接合している駆動用振動腕114a,114b上の中央部から両方向(Y軸の+側および−側方向)に延出して設けられている。
駆動用振動腕114a,114b上に設けられたモニター部130a,130bは、支持腕112a,112bと基部110上に設けられた配線部144により接続され、更に、基部110上に設けられた配線部146bとの短絡を防止するために設けられた絶縁部材166aの上に形成された接続電極158aにより接続端子部136と接続されている。
また、基部110上に設けられた接続端子部142は、第1の電極層150aにより形成されており、第1の電極層150aによる配線部148により、2つの駆動用の接続端子部136,138と4つの検出用の接続端子部とに電気的に接続されている。
なお、短絡を防止するために形成された絶縁部材162aと電気的な接続を図る接続電極154aの構造は、図4(b)に示すように、駆動用振動腕114aと支持腕112aとに設けられた第1の電極層150a、圧電体層160および第2の電極層150bの上に積層して形成されている。
絶縁部材162a,164a,166aは、例えば、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)などで構成され、絶縁部材162a,164a,166aの平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。
絶縁部材162a,164a,166aは、例えば、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)などで構成され、絶縁部材162a,164a,166aの平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。
更に、絶縁部材162a,164a,166a上に形成された接続電極154a,156a,158aは、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)などの金属材料やITO、ZnOなどの透明電極材料により形成することができ、特に限定されないが、例えば、第2の電極層152aと同じ材料が好ましい。また、接続電極154a,156a,158aの平均厚さは、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例1〜変形例4について説明する。なお、図5〜図8において、図4(a)の駆動用振動腕114aに相当する部分についてのみ示しているが、駆動用振動腕114bに相当する部分は、基部110のX軸方向の中心線(図示せず)に対し線対称の構成となっている。
<変形例1>
図5は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例1の構造を示す平面図である。
以下、変形例1の振動素子3aでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
<変形例1>
図5は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例1の構造を示す平面図である。
以下、変形例1の振動素子3aでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
変形例1の振動素子3aは、第2実施形態の振動素子1aに比べ、駆動用振動腕414の上に形成された駆動部432aがモニター部430との短絡を防止するための絶縁部材462上に形成された接続電極454により支持腕412の上に形成された配線部446aと接続されている点は同じであるが、配線部444と接続されているモニター部430が支持腕412と接合している駆動用振動腕414上の中央部からY軸方向の+側に延出している点が異なっている。そのため、駆動用振動腕414の支持腕412側に設けられた駆動部432bは、配線部446bと絶縁部材の形成や接続電極の形成を必要とせずに接続することができる。
このような構成により、駆動部432bと配線部446bとの接続において絶縁部材の形成や接続電極の形成不良による短絡を防止することができ、振動素子3aの不良を低減できるという効果がある。
<変形例2>
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例2について説明する。
図6は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例2の構造を示す平面図である。
以下、変形例2の振動素子3bでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例2について説明する。
図6は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例2の構造を示す平面図である。
以下、変形例2の振動素子3bでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
変形例2の振動素子3bは、第2実施形態の振動素子1aに比べ、駆動用振動腕514の上に形成された駆動部532aがモニター部530や駆動部532bとの短絡を防止するための絶縁部材562上に形成された接続電極554により支持腕512の上に形成された配線部546aと接続されている点は同じである。しかし、モニター部530が駆動用振動腕514上の幅方向(X軸方向)の中心線(図示せず)側に設けられている点と、駆動部532bが配線部546bと直接接続されている点と、モニター部530が駆動部532bとの短絡を防止するための絶縁部材562上に形成された接続電極556により配線部544と接続されている点と、が異なっている。
このような構成により、駆動部532bとの短絡を防止するための絶縁部材562の幅方向(Y軸方向)を大きくすることができるため、駆動部532aやモニター部530と駆動部532bやモニター部530との短絡を防止することができ、振動素子3bの不良を低減できるという効果がある。
<変形例3>
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例3について説明する。
図7は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例3の構造を示す平面図である。
以下、変形例3の振動素子3cではについて、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例3について説明する。
図7は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例3の構造を示す平面図である。
以下、変形例3の振動素子3cではについて、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
変形例3の振動素子3cは、第2実施形態の振動素子1aに比べ、駆動用振動腕614の上に形成された駆動部632aがモニター部630や駆動部632bとの短絡を防止するための絶縁部材662上に形成された接続電極654により支持腕612の上に形成された配線部646aと接続されている点は同じである。しかし、モニター部630が駆動用振動腕614上の幅方向(X軸方向)の中心線(図示せず)に対し、支持腕612と反対側に設けられている点と、駆動部632bが配線部646bと直接接続されている点と、モニター部630が駆動部632bとの短絡を防止するための絶縁部材662上に形成された接続電極656により配線部644と接続されている点と、が異なっている。
このような構成により、駆動部632bとの短絡を防止するための絶縁部材662の幅方向(Y軸方向)を大きくすることができるため、駆動部632aやモニター部630と駆動部632bやモニター部630との短絡を防止することができ、振動素子3cの不良を低減できるという効果がある。
<変形例4>
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例4について説明する。
図8は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例4の構造を示す平面図である。
以下、変形例4の振動素子3dでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例4について説明する。
図8は本発明の第2の実施形態に係る振動素子の変形例4の構造を示す平面図である。
以下、変形例4の振動素子3dでは、前述した第2の実施形態の振動素子1aとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
変形例4の振動素子3dは、第2実施形態の振動素子1aに比べ、駆動用振動腕714の上に形成された駆動部732aがモニター部730a,730bや駆動部732bとの短絡を防止するための絶縁部材762上に形成された接続電極754により支持腕712の上に形成された配線部746aと接続されている点は同じである。しかし、2つのモニター部730a,730bが駆動用振動腕714上の中央部から両方向(Y軸の+側および−側方向)に設けられ、2つのモニター部730a,730bが駆動用振動腕714上に設けられた配線部748により接続されている点と、駆動部732bが配線部746bと直接接続されている点と、2つのモニター部730a,730bを接続している配線部748が駆動部732bとの短絡を防止するための絶縁部材762上に形成された接続電極756により配線部744と接続されている点と、駆動部732a,732bのX軸方向の幅が均一に形成されている点と、が異なっている。
このような構成により、駆動部723a,732bのX軸方向の幅が均一に形成されているため、駆動力が向上し、インピーダンスを低減することができるため、駆動用振動腕714の屈曲振動を容易に駆動することができるという効果がある。また、駆動部732bとの短絡を防止するための絶縁部材762の幅方向(Y軸方向)を大きくすることができるため、駆動部732aやモニター部730a,730bと駆動部732bやモニター部730a,730bとの短絡を防止することができ、振動素子3dの不良を低減することができるという効果がある。
(電子デバイス)
次に、本発明の振動素子を適用した電子デバイス(角速度センサー)について説明する。
図9は、本発明の振動素子を備える電子デバイスの構造を示した概略図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は図9(a)のD−D線断面図である。なお、図9(a)において、電子デバイスの内部の構成を説明する便宜上、蓋体を取り外した状態を図示している。また、第1の実施形態の振動素子1を用いて説明しているが、第2の実施形態の振動素子1aや変形例で示した振動素子2a,2b,2c,3a,3b,3c,3dであっても構わない。
電子デバイス5は、図9(a)に示すように、振動素子1、ICチップ170、振動素子1とICチップ170とを収容するために矩形の箱状に形成されているパッケージ本体150、および蓋体154、とを含み構成されている。なお、振動素子1とICチップ170とを収容するパッケージ本体150のキャビティー180内は窒素などの不活性気体雰囲気あるいは減圧雰囲気となっている。
次に、本発明の振動素子を適用した電子デバイス(角速度センサー)について説明する。
図9は、本発明の振動素子を備える電子デバイスの構造を示した概略図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は図9(a)のD−D線断面図である。なお、図9(a)において、電子デバイスの内部の構成を説明する便宜上、蓋体を取り外した状態を図示している。また、第1の実施形態の振動素子1を用いて説明しているが、第2の実施形態の振動素子1aや変形例で示した振動素子2a,2b,2c,3a,3b,3c,3dであっても構わない。
電子デバイス5は、図9(a)に示すように、振動素子1、ICチップ170、振動素子1とICチップ170とを収容するために矩形の箱状に形成されているパッケージ本体150、および蓋体154、とを含み構成されている。なお、振動素子1とICチップ170とを収容するパッケージ本体150のキャビティー180内は窒素などの不活性気体雰囲気あるいは減圧雰囲気となっている。
パッケージ本体150は、図9(b)に示すように、第1の基板151、第2の基板152および第3の基板153を積層して形成されている。実装端子157は、第1の基板151の外部底面に複数形成されている。また、第1の基板151の上面の所定の位置にはICチップ170を実装するために、貫通電極や層間配線(図示せず)を介して、実装端子157と電気的に導通する複数の接続電極172が設けられている。
第2の基板152は、中央部が除去された環状体であり、ICチップ170を収容するキャビティー180が形成されている。また、第2の基板152の上面の所定の位置には振動素子1を実装するために、貫通電極や層間配線(図示せず)を介して、接続電極172や実装端子157と電気的に導通する複数の接続電極156が設けられている。
第3の基板153は、中央部が除去された環状体であり、振動素子1を収容するキャビティー180が形成されている。また、第3の基板153の上面には蓋体154を接合することによってキャビティー180内を気密封止するための、シームリング155が設けられている。
振動素子1は、駆動部や検出部の形成された側をパッケージ本体150側に向け、基部10に設けられた接続端子部36,38,40a〜40d,42a,42bと、支持基板159と非導電性の接合部材(図示せず)によって接合されたリードフレーム160a〜160hのパッケージ本体150の中央部に配置された一方の端部と、がそれぞれ一致するように配置され、金属あるいは半田などからなるバンプなどの接合部材161を介して接合されている。また、リードフレーム160a〜160hの他方の端部は、導電性接着剤などの導電性の接合部材158を介して第2の基板152に設けられた接続電極156に接合され、機械的な接合を図るとともに電気的な接続もされている。
一方、ICチップ170は、金属あるいは半田などからなるバンプやろう材あるいは導電性接着剤などの接合部材171を介して第1の基板151の上面に設けられた接続電極172に接合され、機械的な接合を図るとともに電気的な接続もされている。更に、ICチップ170の周辺のキャビティー180部に樹脂材料などを充填し、ICチップ170を固定しても構わない。
なお、ICチップ170は、振動素子1の駆動を制御するための駆動回路部90(図2参照)や検出を制御するための検出回路部92(図2参照)を有しており、このICチップ170によって、振動素子1に加わった角速度ωに比例した直流成分を出力し、角速度ωを検出することができる。
以上、説明したパッケージ本体150の、第1の基板151、第2の基板152および第3の基板153は、絶縁性を有する材料で構成されている。このような材料としては、特に限定されず、例えば、酸化物系セラミックス、窒化物系セラミックス、炭化物系セラミックスなどの各種セラミックスを用いることができる。また、パッケージ本体150に設けられた各電極、端子あるいはそれらを電気的に接続する配線パターンや層内配線パターンなどは、一般的に、タングステン(W)、モリブデン(Mo)などの金属材料を絶縁材料上にスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル(Ni)、金(Au)などのめっきを施すことにより形成されている。
蓋体154は、ガラス、セラミック、金属などを用いることができる。なお、蓋体154の材料として、光を通過する材料、例えば、ホウケイ酸ガラスなどを用いると、パッケージ本体150を封止後に、外部からレーザー光を介して振動素子1の錘部18a〜18fに形成された電極(図示せず)などを一部蒸散させることにより、質量削減方式による駆動用振動腕14a,14bや検出用振動腕16a,16bの周波数調整を行うことができる。よって、駆動用振動腕14a,14bや検出用振動腕16a,16bの周波数を所望の周波数にすることができるため、角速度センサー素子としての検出精度をより向上させることができるという効果がある。
(電子機器)
次いで、本発明の振動素子を適用した電子機器の一例について、図10〜図12に基づき、詳細に説明する。
図10は、本発明の振動素子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
次いで、本発明の振動素子を適用した電子機器の一例について、図10〜図12に基づき、詳細に説明する。
図10は、本発明の振動素子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
図11は、本発明の振動素子を備える電子機器としての携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。このような携帯電話機1200には、角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
図12は、本発明の振動素子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図である。尚、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
デジタルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
デジタルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部100に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このデジタルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター(PC)1440が、それぞれ必要に応じて接続される。更に、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなデジタルカメラ1300には、角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図10のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図11の携帯電話機、図12のデジタルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーターなどに適用することができる。
(移動体)
図13は、本発明の振動素子を備える移動体の自動車1500を概略的に示す斜視図である。この図において、タイヤを制御する電子制御ユニット1510に角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
自動車1500には、本発明に係る振動素子が搭載されており、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システムなどの電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)1510に広く適用できる。
図13は、本発明の振動素子を備える移動体の自動車1500を概略的に示す斜視図である。この図において、タイヤを制御する電子制御ユニット1510に角速度センサーとして機能する振動素子1が内蔵されている。
自動車1500には、本発明に係る振動素子が搭載されており、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システムなどの電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)1510に広く適用できる。
以上、本発明の振動素子、振動デバイス、電子機器および移動体の実施形態について、図面に基づいて説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
1…振動素子、5…電子デバイス、8…基板、10…基部、12a,12b…支持腕、14a,14b…駆動用振動腕、16a,16b…検出用振動腕、18a,18b,18c,18d,18e,18f…錘部、30a,30b…モニター部、32a,32b…駆動部、34a,34b,34c,34d…検出部、36,38,40a,40b,40c,40d,42a,42b…接続端子部、44,46,48…配線部、50…第1の電極層、52…第2の電極層、60…圧電体層、70a,70b,70c…オペアンプ、72a,72b,72c…電子部品、74…AGC、76…駆動回路、78…差動増幅器、80…同期検波回路、82…LPF、90…駆動回路部、92…検出回路部、100…表示部、150…パッケージ本体、151…第1の基板、152…第2の基板、153…第3の基板、154…蓋体、155…シームリング、156…接続電極、157…実装端子、158…接合部材、159…支持基板、160a,160b,160c,160d,160e,160f,160g,160h…リードフレーム、161…接合部材、162a,164a,166a…絶縁部材、170…ICチップ、171…接合部材、172…接続電極、180…キャビティー、1100…パーソナルコンピューター,1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1300…デジタルカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター、1500…自動車、1510…電子制御ユニット。
[適用例1]本適用例に係る振動素子は、基部と、前記基部から延出している支持腕と、前記支持腕から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕と、前記駆動用振動腕に設けられており、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に設けられている第1の圧電体層と、を有する第1の積層構造体を備える駆動部と、前記駆動用振動腕に設けられており、第3の電極層と、第4の電極層と、前記第3の電極層と前記第4の電極層との間に設けられている第2の圧電体層と、を有する第2の積層構造体を備え、前記駆動用振動腕の振動に応じた電荷を発生するモニター部と、を備えていることを特徴とする。また、本適用例に係る振動素子は、互いに直交する3本の仮想軸を、それぞれX軸、Y軸及びZ軸としたときに、前記X軸と前記Y軸とで規定されるXY平面に沿って延出し、少なくとも前記X軸方向に振動する駆動用振動腕と、前記XY平面に沿って延出し、前記Z軸を軸とする角速度が加わったとき、前記XY平面に沿うように変位する検出用振動腕と、を備え、前記駆動用振動腕に、前記振動に応じた電荷を発生するモニター部が設けられていることを特徴とする。
[適用例6]上記適用例に記載の振動素子において、前記モニター部は、前記駆動用振
動腕の平面視において、前記第1の駆動部と前記第2の駆動部との間に設けられ、且つ前
記モニター部の幅方向に対する中心線と、前記駆動用振動腕の幅方向に対する中心線とが
一致しないことを特徴とする。
動腕の平面視において、前記第1の駆動部と前記第2の駆動部との間に設けられ、且つ前
記モニター部の幅方向に対する中心線と、前記駆動用振動腕の幅方向に対する中心線とが
一致しないことを特徴とする。
Claims (11)
- 基部と、
前記基部から延出している支持腕と、
前記支持腕から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している駆動用振動腕と、
前記駆動用振動腕に設けられ、第1の電極層、第2の電極層および前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に設けられている第1の圧電体層を有し、前記第1の電極層は前記駆動用振動腕側に配置されている駆動部と、
前記駆動用振動腕に設けられ、第3の電極層、第4の電極層および前記第3の電極層と前記第4の電極層との間に設けられている第2の圧電体層を有し、前記第3の電極層は前記駆動用振動腕側に配置されているモニター部と、
を備えていることを特徴とする振動素子。 - 前記駆動部と前記モニター部は、前記駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで設けられていることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。
- 前記駆動部は、第1の駆動部と第2の駆動部とを有し、
前記駆動用振動腕の幅方向に互いに間隔を隔てて並んで設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の振動素子。 - 駆動用振動腕の平面視において、前記モニター部は、前記駆動部よりも基部側に設けられていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記駆動用振動腕において、前記モニター部は、前記支持腕と交差する一方の側に設けられていることを特徴とする請求項4に記載の振動素子。
- 前記モニター部は、前記駆動用振動腕の平面視において、前記第1の駆動部と前記第2の駆動部との間に設けられ、且つ前記モニター部の幅方向に対する中心線と、前記駆動用振動腕の幅方向に対する中心線とが交差しないことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記基部から前記支持腕の延出方向と交差する方向に延出している検出用振動腕を備えていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記基部には、前記駆動部および前記モニター部と電気的に接続されている端子が設けられていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の振動素子。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の振動素子と、
回路素子と、
を備えていることを特徴とする電子デバイス。 - 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1乃至8のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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