JP6318590B2 - 振動素子、振動子、振動デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents
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Description
さらに、特許文献1に記載の振動素子は、基部を支持する支持部と、基部と支持部とを連結する4つの梁(吊り腕)とを有し、各梁がX軸方向およびY軸方向に対して傾斜し、かつ、直線状に延出された構成となっている(特許文献2および3も参照)。
[適用例1]
本発明の振動素子は、基部と、
前記基部を支持する支持部と、
前記基部と前記支持部とを連結する吊り腕と、
前記基部からX軸方向に延出する支持腕と、
前記基部から前記X軸方向と直交するY軸方向に延出する検出腕と、
前記支持腕の先端部から前記Y軸方向に延出する駆動腕と、を有し、
前記吊り腕は、前記支持部から延在し、前記X軸方向と前記Y軸方向とに交互に延びた蛇行部と、前記蛇行部と前記基部とを連結し、前記X軸方向および前記Y軸方向の双方に対して傾斜した方向に延在する傾斜部と、を有することを特徴とする。
これにより、機械的強度(耐衝撃性)に優れる振動素子が得られる。
本発明の振動素子では、前記傾斜部は、前記X軸方向とのなす角度が異なる複数の部分を有することが好ましい。
これにより、傾斜部と蛇行部との境界部におけるX軸方向およびY軸方向の剛性の急激な変化を防止することができる。このため、当該境界部における応力集中も低減され、振動素子の機械的強度(耐衝撃性)の向上をより確実に図ることができる。
本発明の振動素子では、前記複数の部分の長さは、ほぼ等しいことが好ましい。
これにより、外部から衝撃が加えられて(落下時の衝撃によって)も、傾斜部を構成する各部分に応力がほぼ均等にかかるようになり、傾斜部の破損を好適に防止することができる。
本発明の振動素子では、前記蛇行部の前記傾斜部側の端部は、前記支持腕の延びる方向と平行な方向に沿って延在しており、
前記複数の部分は、前記基部側に位置し、前記X軸方向と第1角度をなす第1部分と、前記蛇行部側に位置し、前記X軸方向と前記第1角度より小さい第2角度をなす第2部分とを有することが好ましい。
これにより、傾斜部と蛇行部との境界部におけるX軸方向およびY軸方向の剛性の急激な変化を防止することができる。このため、当該境界部における応力集中も低減され、振動素子の機械的強度(耐衝撃性)の向上をより確実に図ることができる。
本発明の振動素子では、前記第1角度は、50〜70度であることが好ましい。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
[適用例6]
本発明の振動素子では、前記第2角度は、20〜40度であることが好ましい。
これにより、前述したような効果がより顕著に発揮される。
本発明の振動素子では、当該振動素子の前記各部は、一枚の圧電基板を加工することにより得られ、
前記蛇行部の前記端部と前記支持部との離間距離は、前記圧電基板の厚さの0.8倍以上であることが好ましい。
これにより、傾斜部と蛇行部との境界部や傾斜部と基部との境界部の、支持部側の側面(梁の内側面)を平滑面として形成すること、すなわち、梁の内側面に、いわゆるヒレが形成されるのを効果的に防止することができる。
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
[適用例9]
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例10]
本発明の移動体は、本発明の振動素子を備えたことを特徴とする移動体。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
1.振動素子
<第1実施形態>
まず、本発明の振動素子の第1実施形態について説明する。
図1に示す振動素子1は、角速度検出素子(ジャイロ素子)として用いられるものである。このような振動素子1は、圧電基板2と、圧電基板2の表面に形成された電極とを有している。
−圧電基板−
圧電基板2の構成材料としては、例えば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料が挙げられる。これらの中でも、圧電基板2の構成材料としては、水晶を用いることが好ましい。水晶を用いることで、他の材料と比較して優れた周波数温度特性を有する振動素子1が得られる。なお、以下では、圧電基板2を水晶で構成した場合について説明する。
このような圧電基板2は、振動部20と、振動部20を介してY軸方向に対向配置された第1、第2支持部251、252と、第1支持部251と振動部20とを連結する第1、第3梁(吊り腕)261、263と、第2支持部252と振動部20とを連結する第2、第4梁(吊り腕)262、264とを有している。
第1梁261は、第1検出腕221と第1駆動腕241との間を通って基部21と第1支持部251とを連結している。また、第2梁262は、第2検出腕222と第2駆動腕242との間を通って基部21と第2支持部252とを連結している。また、第3梁263は、第1検出腕221と第3駆動腕243との間を通って基部21と第1支持部251とを連結している。また、第4梁264は、第2検出腕222と第4駆動腕244との間を通って基部21と第2支持部252とを連結している。これら梁261、262、263、264は、重心Gに関して点対称に配置されている。
以上、圧電基板2の構成について簡単に説明した。
図1に示すように、第1梁261は、第1支持部251に連結された蛇行部261aと、蛇行部261aと基部21とを連結する傾斜部261bとを有している。第2梁262は、第2支持部252に連結された蛇行部262aと、蛇行部262aと基部21とを連結する傾斜部262bとを有している。第3梁263は、第1支持部251に連結された蛇行部263aと、蛇行部263aと基部21とを連結する傾斜部263bとを有している。第2梁262は、第2支持部252に連結された蛇行部264aと、蛇行部264aと基部21とを連結する傾斜部264bとを有している。
このように、第1梁261(第2〜第4梁262〜264も同様)が、蛇行部261aと傾斜部261bとの双方を有することにより、機械的強度(耐衝撃性)に特に優れる振動素子1が得られる。
また、傾斜部261bの長さも、特に限定されないが、第1梁261の全長の0.5〜20%程度であるのが好ましく、1〜15%程度であるのがより好ましく、3〜10%程度であるのがさらに好ましい。これにより、振動素子1の大型化を防止しつつ、その機械的強度(耐衝撃性)の向上を図ることができる。
圧電基板2の表面には、電極が形成されている。
図3および図4に示すように、電極は、検出信号電極311と、検出信号端子312と、検出接地電極321と、検出接地端子322と、駆動信号電極331と、駆動信号端子332と、駆動接地電極341と、駆動接地端子342とを有している。なお、図3および図4では、説明の便宜上、検出信号電極311および検出信号端子312、検出接地電極321および検出接地端子322、駆動信号電極331および駆動信号端子332、駆動接地電極341および駆動接地端子342を、それぞれ、異なるハッチングで図示している。また、圧電基板2の側面に形成されている電極、配線、端子を太線で図示している。
検出信号端子312は、第1、第2支持部251、252の右側端部に形成されている。第1支持部251に形成された検出信号端子312は、第1梁261に形成された検出信号配線を介して、第1検出腕221に形成された検出信号電極311と電気的に接続されている。一方、第2支持部252に形成された検出信号端子312は、第2梁262に形成された検出信号配線を介して、第2検出腕222に形成された検出信号電極311と電気的に接続されている。
また、駆動信号端子332は、第2支持部252の左端部に形成されている。駆動信号端子332は、第4梁264に形成された駆動信号配線を介して、第1、第2、第3、第4駆動腕241、242、243、244に形成された駆動信号電極331と電気的に接続されている。
また、駆動接地端子342は、第1支持部251の左端部に形成されている。駆動接地端子342は、第3梁263に形成された駆動接地配線を介して、第1、第2、第3、第4駆動腕241、242、243、244に形成された駆動接地電極341と電気的に接続されている。
以上のような電極の構成としては、導電性を有していれば特に限定されないが、例えば、Cr(クロム)、W(タングステン)などのメタライズ層(下地層)に、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。
次に、振動素子1の駆動について説明する。
振動素子1に角速度が加わらない状態において、駆動信号端子332と駆動接地端子342との間に電圧(交番電圧)を印加することで駆動信号電極331と駆動接地電極341との間に電界が生じると、図5(a)に示すように、各駆動腕241、242、243、244が矢印Aに示す方向に屈曲振動を行う。このとき、第1、第2駆動腕241、242と第3、第4駆動腕243、244とが振動素子1の重心Gを通るYZ平面に関して面対称の振動を行っているため、基部21、第1、第2検出腕221、222および第1、第2連結腕231、232は、ほとんど振動しない。
次に、本発明の振動素子の第2実施形態について説明する。
図6は、本発明の振動子の第2実施形態の中央部付近を拡大して示す平面図である。なお、図6では、説明の便宜上、電極の図示を省略している。
以下、第2実施形態について、前述した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。
また、蛇行部261aの第1延在部2611を傾斜部261bから+Y軸方向に延出して形成する場合には、傾斜部261bにおいて、第1傾斜部2615の第1角度θ1が、第2傾斜部2616の第2角度θ2より小さくなるように設計するのが好ましい。
次に、振動素子1を用いた振動子10について説明する。
図7は、本発明の振動子の好適な実施形態を示す図であり(a)が断面図、(b)が上面図である。
図7(a)、(b)に示すように、振動子10は、振動素子1と、振動素子1を収容するパッケージ8と、を有している。
導電性接着材861〜866としては、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等の接着材に銀粒子等の導電性フィラーを分散させたものを用いることができる。
次に、振動素子1を用いた物理量センサー100について説明する。
図8は、本発明の振動素子を備える物理量センサーの好適な実施形態を示す断面図である。図9および図10は、それぞれ、図8に示す物理量センサーの上面図である。なお、図16では、説明の便宜上、リッドおよび振動素子の図示を省略している。
図8、図9および図10に示すように、物理量センサー100は、振動素子1と、振動素子1を収容するパッケージ8と、ICチップ9と、を有している。
なお、本実施形態では、ICチップ9がパッケージ8の内部に設けられているが、ICチップ9は、パッケージ8の外部に設けられていてもよい。
次に、振動素子1を用いた物理量検出装置1000について説明する。
図11は、本発明の振動素子を備える物理量検出装置のブロック図である。
図11に示すように、物理量検出装置1000は、振動素子1と、駆動回路71と、検出回路72と、を有している。駆動回路71と検出回路72とは、例えば、前述したようなICチップ9に組み込むことができる。
振動素子1が振動すると、圧電効果に基づく交流電流が振動素子1に形成された駆動信号電極331から出力され、駆動信号端子332を介してI/V変換回路711に入力される。I/V変換回路711は、入力された交流電流を振動素子1の振動周波数と同一の周波数の交流電圧信号に変換して出力する。I/V変換回路711から出力された交流電圧信号は、AC増幅回路712に入力され、AC増幅回路712は、入力された交流電圧信号を増幅して出力する。
フィルター回路728は、可変増幅回路727の出力信号から高周波のノイズ成分を除去し(正確には所定レベル以下に減衰させ)、角速度の方向および大きさに応じた極性および電圧レベルの検出信号を生成する。そして、この検出信号は、外部出力端子(図示せず)から外部へ出力される。
このような物理量検出装置1000によれば、上述のとおり、第1検出腕221に形成された検出信号電極311に生じる第1検出信号と、第2検出腕222に形成された検出信号電極311に生じる第2検出信号とを差動増幅させて差動増幅信号を生成し、該差動増幅信号に基づいて所定の物理量を検出することができる。
次いで、振動素子1を適用した電子機器について、図12〜図14に基づき、詳細に説明する。
図12は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)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、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1208が配置されている。このような携帯電話機1200には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する振動素子1が内蔵されている。
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。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、角速度検知手段(ジャイロセンサー)として機能する振動素子1が内蔵されている。
次いで、図1に示す振動素子を適用した移動体について、図15に基づき、詳細に説明する。
図15は、本発明の振動素子を備える移動体を適用した自動車の構成を示す斜視図である。
また、前述した実施形態では、各梁がX軸方向に延在する延在部と、Y軸方向に延在する延在部とが交互に計4つ接続されている構成となっているが、梁の構成としては、これに限定されず、例えば、X軸方向に延在する延在部と、Y軸方向に延在する延在部とが交互に計6つ接続されている構成であってもよいし、交互に計8つ接続されている構成であってもよい。
Claims (11)
- 第1軸および前記第1軸と交差する第2軸により規定される平面に設けられた振動部と、
前記振動部を支持する支持部と、
前記振動部と前記支持部とを連結する吊り腕と、を備え、
前記吊り腕は、
前記支持部から延在し、前記第1軸と前記第2軸とに沿って交互に延びた蛇行部と、
前記蛇行部と前記振動部とを連結し、前記第1軸および前記第2軸の双方に対して傾斜した傾斜部と、を有し、
前記傾斜部は、前記第1軸とのなす角度が異なる複数の部分を有することを特徴とする振動素子。 - 前記振動部は、
基部と、
前記基部から前記第1軸に沿って延出した支持腕と、
前記支持腕の先端部から前記第2軸に沿って延出した駆動腕と、
前記基部から前記第2軸に沿って延出した検出腕と、を有し、
前記吊り腕は、前記基部と前記支持部とを連結していることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。 - 前記複数の部分のそれぞれの長さは、互いにほぼ等しいことを特徴とする請求項1または2に記載の振動素子。
- 前記蛇行部の前記傾斜部側の端部は、前記第1軸に沿って延在しており、
前記複数の部分は、
前記振動部側に位置し、前記第1軸と第1角度をなす第1部分と、
前記蛇行部側に位置し、前記第1軸と前記第1角度より小さい第2角度をなす第2部分と、を有することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の振動素子。 - 前記第1角度は、50〜70度であることを特徴とする請求項4に記載の振動素子。
- 前記第2角度は、20〜40度であることを特徴とする請求項4または5に記載の振動素子。
- 前記振動部と前記支持部と前記吊り腕とは、一枚の圧電基板を加工することにより得られ、
前記振動部は、基部と、前記基部から前記第1軸に沿って延出した支持腕と、前記支持腕の先端部から前記第2軸に沿って延出した駆動腕と、前記基部から前記第2軸に沿って延出した検出腕と、を有し、
前記吊り腕は、前記基部と前記支持部とを連結し
前記蛇行部の前記端部と前記支持腕との離間距離は、前記圧電基板の厚さの0.8倍以上であることを特徴とする請求項4ないし6のいずれか一項に記載の振動素子。 - 請求項1に記載の振動素子と、
前記振動素子を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする振動子。 - 請求項1に記載の振動素子と、
前記振動素子と電気的に接続された回路と、を備えたことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1に記載の振動素子を備えたことを特徴とする電子機器。
- 請求項1に記載の振動素子を備えたことを特徴とする移動体。
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