JP7183902B2 - 振動デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、振動デバイス、電子機器および移動体に関するものである。

特許文献１に記載されている振動素子は、振動体と、振動体を支持し、パッケージ等に固定される第１支持部および第２支持部と、振動体と第１支持部とを接続している一対の梁部と、振動体と第２支持部とを接続している一対の梁部と、を有する。

特開２０１７－１９４４８５号公報

しかしながら、上述の振動素子では、振動体の空隙を縫うように梁部を形成しなければならないため、梁部の形状が制約を受ける。そのため、不要振動の周波数設計が制約を受け、不要振動が十分に抑制された振動素子を実現することが困難であった。

本適用例に係る振動デバイスは、互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
前記Ａ軸および前記Ｂ軸に平行な平面に沿って、かつ前記Ａ軸に沿って屈曲振動する振動腕を有する振動素子と、前記振動素子と前記Ｃ軸に沿って並んで配置された支持基板と、を備えている振動構造体を有し、
前記支持基板は、前記振動素子を支持している基部と、前記基部を支持している支持部と、前記基部と前記支持部とを接続する梁部と、を有し、
前記振動構造体の前記Ｂ軸に沿った振動の共振周波数をｆ０とし、前記振動素子の駆動周波数をｆ１としたとき、
ｆ０＜ｆ１である。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記梁部の前記Ａ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫａとし、前記梁部の前記Ｂ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫｂとしたとき、
Ｋａ＞Ｋｂであり、
前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
前記支持部は、前記振動素子に対して前記Ａ軸に沿った一方側に位置している第１支持部と、前記Ａ軸に沿った他方側に位置している第２支持部と、を有することが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
前記支持部は、前記振動素子に対して前記Ｂ軸に沿った一方側に位置している第１支持部と、前記Ｂ軸に沿った他方側に位置している第２支持部と、を有することが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記振動素子は、
素子基部と、
前記素子基部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出している検出腕と、
前記素子基部から前記Ａ軸に沿って延出している第１連結腕と、
前記素子基部から前記Ａ軸に沿って前記第１連結腕が延出する方向とは反対側に延出している第２連結腕と、
前記第１連結腕の先端部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出している前記振動腕と、
前記第２連結腕の先端部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出し、前記Ａ軸および前記Ｂ軸に平行な平面に沿って、かつ前記Ａ軸に沿って屈曲振動する振動腕と、
を有し、
前記素子基部が接合部材を介して前記基部に固定されることが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記駆動周波数ｆ１における前記振動素子の前記Ｂ軸に沿った振動の変位振幅倍率が０．８未満であることが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記振動素子は、振動基板と、前記振動基板に配置されている電極と、を有し、
前記振動基板および前記支持基板は、同じカット角の水晶基板で構成されていることが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
前記支持基板と前記振動腕とが重なっていることが好ましい。

本適用例に係る振動デバイスでは、前記振動素子は、物理量を検出する物理量センサー素子であることが好ましい。

本適用例に係る電子機器は、上述の振動デバイスと、
前記振動デバイスの出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えていることを特徴とする。

本適用例に係る移動体は、上述の振動デバイスと、
前記振動デバイスの出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えていることを特徴とする。

第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図である。 図１の振動デバイスを示す平面図である。 図１の振動デバイスが有する振動素子を示す平面図である。 図３の振動素子の駆動を説明する模式図である。 図３の振動素子の駆動を説明する模式図である。 図１に示す振動デバイスが有する支持基板を示す平面図である。 周波数比ｆ１／ｆｄと、駆動周波数ｆ１における不要振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示すグラフである。 周波数比ｆ１／ｆｄ＝１のときの、ｆ０／ｆ１と、駆動周波数ｆ１における不要振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示すグラフである。 第２実施形態の振動デバイスを示す平面図である。 第３実施形態の振動デバイスが有する支持基板を示す平面図である。 第４実施形態のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。 第５実施形態の携帯電話機を示す斜視図である。 第６実施形態のデジタルスチールカメラを示す斜視図である。 第７実施形態の自動車を示す斜視図である。

以下、本適用例の振動デバイス、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図である。図２は、図１の振動デバイスを示す平面図である。図３は、図１の振動デバイスが有する振動素子を示す平面図である。図４および図５は、図３の振動素子の駆動を説明する模式図である。図６は、図１に示す振動デバイスが有する支持基板を示す平面図である。図７は、周波数比ｆ１／ｆｄと、駆動周波数ｆ１における不要振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示すグラフである。図８は、周波数比ｆ１／ｆｄ＝１のときの、ｆ０／ｆ１と、駆動周波数ｆ１における不要振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示すグラフである。なお、説明の便宜上、図１ないし図６には、互いに直交する３軸であるＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸を示している。また、以下では、各軸の矢印先端側を「プラス側」とも言い、反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｃ軸のプラス側を「上」とも言い、マイナス側を「下」とも言う。また、Ｃ軸に沿った方向からの平面視を、単に「平面視」とも言う。

図１に示す振動デバイス１は、Ｃ軸を検出軸とする角速度ωｃを検出する物理量センサーである。振動デバイス１を物理量センサーとすることにより、振動デバイス１を幅広い電子機器に搭載することができ、利便性の高い振動デバイス１となる。このような振動デバイス１は、パッケージ２と、パッケージ２に収納されている回路素子３、支持基板４および振動素子６と、を有している。

パッケージ２は、上面に開口する凹部２１１を備えるベース２１と、凹部２１１の開口を塞ぐようにベース２１の上面に接合部材２３を介して接合されているリッド２２と、を有する。パッケージ２の内側には凹部２１１によって内部空間Ｓが形成され、内部空間Ｓに回路素子３、支持基板４および振動素子６が収容されている。例えば、ベース２１は、アルミナ等のセラミックスで構成することができ、リッド２２は、コバール等の金属材料で構成することができる。ただし、ベース２１およびリッド２２の構成材料としては、それぞれ、特に限定されない。

収納空間Ｓは、気密であり、減圧状態、好ましくは、より真空に近い状態となっている。これにより、振動素子６の振動特性が向上する。ただし、収納空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気圧状態、加圧状態となっていてもよい。

また、凹部２１１は、複数の凹部で構成され、ベース２１の上面に開口している凹部２１１ａと、凹部２１１ａの底面に開口し、凹部２１１ａよりも開口幅が小さい凹部２１１ｂと、凹部２１１ｂの底面に開口し、凹部２１１ｂよりも開口幅が小さい凹部２１１ｃと、を有する。そして、凹部２１１ａの底面に、振動素子６を支持した状態で支持基板４が固定され、凹部２１１ｃの底面に、回路素子３が固定されている。

また、図２に示すように、内部空間Ｓにおいて、振動素子６、支持基板４および回路素子３は、平面視で互いに重なって配置されている。言い換えると、振動素子６、支持基板４および回路素子３は、Ｃ軸に沿って並んで配置されている。これにより、パッケージ２のＡ軸およびＢ軸に沿った方向への平面積の広がりを抑制でき、振動デバイス１の小型化を図ることができる。また、支持基板４は、振動素子６と回路素子３との間に位置し、振動素子６を下側すなわちＣ軸マイナス側から支えるように支持している。

また、図１および図２に示すように、凹部２１１ａの底面には複数の内部端子２４１が配置され、凹部２１１ｂの底面には複数の内部端子２４２が配置され、ベース２１の下面には複数の外部端子２４３が配置されている。これら内部端子２４１、２４２および外部端子２４３は、ベース２１内に形成されている図示しない配線を介して電気的に接続されている。また、内部端子２４１は、導電性の接合部材Ｂ１、Ｂ２および支持基板４を介して振動素子６と電気的に接続され、内部端子２４２は、ボンディングワイヤーＢＷを介して回路素子３と電気的に接続されている。

振動素子６は、物理量センサー素子として、Ｃ軸を検出軸とする角速度ωｃを検出することのできる角速度センサー素子である。図３に示すように、振動素子６は、振動基板７と、振動基板７の表面に配置されている電極８と、を有する。また、振動基板７は、Ｚカットの水晶基板で構成され、素子の中央部に位置する素子基部７０と、素子基部７０からＢ軸に沿って両側に向けて延出している検出腕７１、７２と、素子基部７０からＡ軸に沿って延出している第１連結腕７３と、素子基部７０からＡ軸に沿って第１連結腕７３が延出している方向とは反対側に延出している第２連結腕７４と、第１連結腕７３の先端部からＢ軸に沿って両側に向けて延出している振動腕としての駆動腕７５、７６と、第２連結腕７４の先端部からＢ軸に沿って両側に向けて延出している振動腕としての駆動腕７７、７８と、を有する。なお、Ｚカットの水晶基板は、水晶の結晶軸である電気軸としてのＸ軸および機械軸としてのＹ軸で規定されるＸ－Ｙ平面に広がりを有し、光軸としてのＺ軸に沿った方向に厚みを有している。

また、各検出腕７１、７２は、その先端部に、基端側の部分よりも幅広の幅広部７１１、７２１を有する。また、各駆動腕７５、７６、７７、７８は、その先端部に、基端側の部分よりも幅広の幅広部７５１、７６１、７７１、７８１を有する。

また、電極８は、駆動信号電極８１と、駆動接地電極８２と、第１検出信号電極８３と、第１検出接地電極８４と、第２検出信号電極８５と、第２検出接地電極８６と、を有する。駆動信号電極８１は、駆動腕７５、７６の上下面と駆動腕７７、７８の両側面とに配置されている。一方、駆動接地電極８２は、駆動腕７５、７６の両側面と駆動腕７７、７８の上下面とに配置されている。また、第１検出信号電極８３は、検出腕７１の上下面に配置され、第１検出接地電極８４は、検出腕７１の両側面に配置されている。一方、第２検出信号電極８５は、検出腕７２の上下面に配置され、第２検出接地電極８６は、検出腕７２の両側面に配置されている。

また、これら電極８１～８６は、それぞれ、素子基部７０の下面まで引き回されている。そのため、素子基部７０の下面には、駆動信号電極８１と電気的に接続されている端子７０１と、駆動接地電極８２と電気的に接続されている端子７０２と、第１検出信号電極８３と電気的に接続されている端子７０３と、第１検出接地電極８４と電気的に接続されている端子７０４と、第２検出信号電極８５と電気的に接続されている端子７０５と、第２検出接地電極８６と電気的に接続されている端子７０６と、が配置されている。

また、図３に示すように、振動素子６は、駆動腕７５～７８の幅広部７５１～７８１にも電極８が配置されている。振動デバイス１では、リッド２２をベース２１に接合する前に、Ｃ軸プラス側から幅広部７５１～７８１上の電極８にレーザー光を照射し、電極８の少なくとも一部を除去することにより、駆動腕７５～７８の質量を減少させ、振動素子６の振動バランスや駆動周波数を調整することができる。以下、この工程を「駆動周波数調整工程」とも言う。

このような振動素子６は、次のようにして角速度ωｃを検出する。まず、駆動信号電極８１および駆動接地電極８２間に駆動信号を印加すると、駆動腕７５～７８が、図４に示すように、Ａ軸およびＢ軸に平行な平面内に沿って、かつＡ軸に沿って屈曲振動する。以下、この駆動モードを駆動振動モードと言う。そして、駆動振動モードで駆動している状態で、振動素子６に角速度ωｃが加わると、図５に示す検出振動モードが新たに励振される。検出振動モードでは、駆動腕７５～７８にコリオリの力が作用して矢印Ｄに示す方向の振動が励振され、この振動に呼応して、検出腕７１、７２が矢印Ｅに示す方向に屈曲振動する。このような検出振動モードによって検出腕７１に発生した電荷を第１検出信号電極８３および第１検出接地電極８４の間から第１検出信号として取り出し、検出腕７２に発生した電荷を第２検出信号電極８５および第２検出接地電極８６の間から第２検出信号として取り出し、これら第１、第２検出信号に基づいて角速度ωｃを検出することができる。

図１に示すように、回路素子３は、凹部２１１ｃの底面に固定されている。また、回路素子３には、振動素子６を駆動し、振動素子６に加わった角速度ωｃを検出する駆動回路および検出回路が含まれている。ただし、回路素子３としては、特に限定されず、例えば、温度補償回路等、他の回路が含まれていてもよい。

図２に示すように、支持基板４は、基部４０と、基部４０を支持し、基部４０のＡ軸に沿って両側に分かれて配置されている第１支持部４１１および第２支持部４１２を備える支持部４１と、基部４０と第１支持部４１１とを接続している一対の梁部４２、４３と、基部４０と第２支持部４１２とを接続している一対の梁部４４、４５と、を有する。

そして、基部４０に導電性の接合部材Ｂ２を介して振動素子６の素子基部７０が固定されており、第１支持部４１１および第２支持部４１２がそれぞれ接合部材Ｂ１を介して凹部２１１ａの底面に固定されている。つまり、振動素子６は、支持基板４を介してベース２１に固定されている。このように、振動素子６とベース２１との間に支持基板４を介在させることにより、支持基板４によってベース２１から伝わる応力を吸収、緩和することができ、当該応力が振動素子６に伝わり難くなる。そのため、振動素子６の振動特性の低下や変動を効果的に抑制することができる。

特に、本実施形態では、平面視で、第１、第２支持部４１１、４１２がそれぞれ振動素子６の外側に位置している。具体的には、振動素子６のＡ軸プラス側に第１支持部４１１が位置し、Ａ軸マイナス側に第２支持部４１２が位置している。これにより、第１、第２支持部４１１、４１２を、振動素子６を間に挟んで互いに十分に離間させて配置することができるため、支持基板４によって振動素子６をより安定した姿勢で支持することができる。そのため、振動素子６の振動特性が向上する。

なお、接合部材Ｂ１、Ｂ２としては、導電性と接合性とを兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、金バンプ、銀バンプ、銅バンプ、はんだバンプ等の各種金属バンプ、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系の各種接着剤に銀フィラー等の導電性フィラーを分散させた導電性接着剤等を用いることができる。接合部材Ｂ１、Ｂ２として前者の金属バンプを用いると、接合部材Ｂ１、Ｂ２からのガスの発生を抑制でき、内部空間Ｓの環境変化、特に圧力の上昇を効果的に抑制することができる。一方、接合部材Ｂ１、Ｂ２として後者の導電性接着剤を用いると、接合部材Ｂ１、Ｂ２が比較的柔らかくなり、接合部材Ｂ１、Ｂ２においても前述の応力を吸収、緩和することができる。

本実施形態では、接合部材Ｂ１として導電性接着剤を用いており、接合部材Ｂ２として金属バンプを用いている。異種の材料である支持基板４とベース２１とを接合する接合部材Ｂ１として導電性接着剤を用いることにより、これらの間の熱膨張係数の差に起因して生じる熱応力を接合部材Ｂ１によって効果的に吸収、緩和することができる。一方、支持基板４と振動素子６とは、比較的狭い領域に配置されている６つの接合部材Ｂ２で接合されているため、接合部材Ｂ２として金属バンプを用いることにより、導電性接着剤のような濡れ広がりが抑制され、接合部材Ｂ２同士の接触を効果的に抑制することができる。

図３に示すように、梁部４２、４３、４４、４５は、それぞれ、その途中にＳ字状に蛇行した屈曲部４２１、４３１、４４１、４５１を有し、Ａ軸方向およびＢ軸方向に弾性変形し易い形状となっている。そのため、梁部４２～４５によって、ベース２１から伝わる応力をより効果的に吸収、緩和することができる。ただし、梁部４２～４５の形状は、それぞれ、特に限定されず、例えば、屈曲部４２１～４５１を省略してストレート状としてもよい。また、梁部４２～４５は、少なくとも１つが他と異なる形状となっていてもよい。

また、平面視で、振動素子６の駆動腕７５が梁部４２と重なっており、駆動腕７６が梁部４３と重なっており、駆動腕７７が梁部４４と重なっており、駆動腕７８が梁部４５と重なっている。そのため、衝撃等によって駆動腕７５～７８がＣ軸方向に撓んだ際、駆動腕７５～７８が梁部４２～４５と接触し、それ以上の過度な撓みが抑制される。すなわち、梁部４２～４５が駆動腕７５～７８のＣ軸方向への過度な変形を抑制するストッパーとして機能する。これにより、振動素子６の破損を抑制することができる。特に、梁部４２～４５は、支持基板４の中でも柔らかい部位であるため、駆動腕７５～７８を梁部４２～４５に接触させることにより、接触時の衝撃を和らげることもできる。また、本実施形態では、駆動腕７５～７８の先端部すなわち幅広部７５１～７８１と梁部４２～４５とが重なっているため、駆動腕７５～７８のＣ軸方向への過度な変形をより効果的に抑制することができる。

ただし、これに限定されず、例えば、基部４０や第１、第２支持部４１１、４１２が駆動腕７５～７８と重なっていてもよいし、基部４０、第１、第２支持部４１１、４１２および梁部４２～４５のいずれも駆動腕７５～７８と重なっていなくてもよい。

このような支持基板４は、水晶基板で構成されている。このように、支持基板４を振動基板７と同様に水晶基板で構成することにより、支持基板４と振動基板７との熱膨張係数を等しくすることができる。そのため、支持基板４と振動基板７との間には、互いの熱膨張係数差に起因する熱応力が実質的に生じず、振動素子６がより応力を受け難くなる。そのため、振動素子６の振動特性の低下や変動をより効果的に抑制することができる。

特に、支持基板４は、振動素子６が有する振動基板７と同じカット角の水晶基板で構成されている。本実施形態では、振動基板７がＺカット水晶基板で構成されているため、支持基板４もＺカット水晶基板で構成されている。また、支持基板４の結晶軸の向きは、振動基板７の結晶軸の向きと一致している。すなわち、支持基板４と振動基板７とで互いにＸ軸に沿う方向が一致し、互いにＹ軸に沿う方向が一致し、互いにＺ軸に沿う方向が一致している。水晶は、Ｘ軸に沿う方向、Ｙ軸に沿う方向およびＺ軸に沿う方向のそれぞれで熱膨張係数が異なるため、支持基板４と振動基板７とを同じカット角とし、互いの結晶軸の向きを揃えることにより、支持基板４と振動基板７との間で前述の熱応力がより生じ難くなる。そのため、振動素子６がさらに応力を受け難くなり、その振動特性の低下や変動をさらに効果的に抑制することができる。

なお、支持基板４としては、これに限定されず、例えば、振動基板７と同じカット角であるが、結晶軸の方向が振動基板７とは異なっていてもよい。また、支持基板４は、振動基板７と異なるカット角の水晶基板から形成されていてもよい。また、支持基板４は、水晶基板から形成されていなくてもよい。この場合、支持基板４の構成材料は、水晶との熱膨張係数の差が、水晶とベース２１の構成材料との熱膨張係数差よりも小さい材料であることが好ましい。

また、支持基板４には、振動素子６と内部端子２４１とを電気的に接続する配線５が配置されている。図６に示すように、配線５は、基部４０に配置されている端子５１１、５２１、５３１、５４１、５５１、５６１と、第１支持部４１１に配置されている端子５１２、５３２、５４２と、第２支持部４１２に配置されている端子５２２、５５２、５６２と、を有する。また、配線５は、梁部４２を通って端子５１１と端子５１２を接続する引出配線５１３と、梁部４４を通って端子５２１と端子５２２とを接続する引出配線５２３と、梁部４３を通って端子５３１と端子５３２とを接続する引出配線５３３と、梁部４２、４３を通って端子５４１と端子５４２とを接続する引出配線５４３と、梁部４５を通って端子５５１と端子５５２とを接続する引出配線５５３と、梁部４４、４５を通って端子５６１と端子５６２とを接続する引出配線５６３と、を有する。

そして、図示しないが、基部４０に配置されている端子５１１～５６１は、接合部材Ｂ２を介して、振動素子６の素子基部７０に配置されている端子７０１～７０６と電気的に接続されており、第１、第２支持部４１１、４１２に配置されている端子５１２～５６２は、接合部材Ｂ１を介して、内部端子２４１と電気的に接続されている。これにより、振動素子６と回路素子３とが電気的に接続される。

以上、振動デバイス１の構成について簡単に説明した。ここで、前述した振動素子６では、例えば、振動基板７の駆動周波数調整工程によって駆動腕７５～７８の重量バランスが十分に調整されず、振動素子６の重心が素子の中心からずれてしまうと、駆動振動モード時に振動素子６がＢ軸に沿って振動する不要振動（以下、単に「不要振動」と言う。）が生じる。この不要振動が生じると振動素子６の振動漏れが大きくなり、その分、Ｑ値が低下して振動素子６の振動特性が低下する。

そこで、振動デバイス１では、振動素子６を支持している支持基板４で振動素子６の不要振動を減衰し、振動素子６の振動特性の低下を抑制する構成となっている。以下、このことについて詳細に説明する。なお、以下では、振動素子６と支持基板４とからなる構造体を「振動構造体１０」とも言う。振動構造体１０は、基部４０および振動素子６を含む質量部と、４つの梁部４２～４５を含むばね部と、からなる振動系１００を有する。

前述したように、振動デバイス１では、振動素子６を支持する支持基板４を振動素子６とは別体で構成し、しかも、支持基板４と振動素子６とをＣ軸に沿って重ねて配置している。これにより、振動素子６に邪魔されることなく、支持基板４を自由に設計することができる。支持基板４の設計自由度が増すことにより、その設計がより好適なものとなり、より効果的に振動素子６の不要振動を抑制することができる。

振動構造体１０すなわち振動系１００のＢ軸に沿った振動の共振周波数をｆ０とし、駆動振動モードにおける振動素子６単体の駆動周波数をｆ１としたとき、本実施形態の振動デバイス１は、ｆ０＜ｆ１の関係を満たす。振動素子６の不要振動は、駆動振動モードにおける駆動腕７５～７８の振動に起因して生じるため、その周波数は、駆動周波数ｆ１と実質的に等しい。したがって、ｆ０＜ｆ１とすることにより、実質的にｆ１である不要振動の周波数と共振周波数ｆ０との間に差が生じ、言い換えると、不要振動の周波数が共振周波数ｆ０からずれ、不要振動に呼応した振動系１００の共振を抑制することができる。そのため、支持基板４によって振動素子６の不要振動を効果的に減衰させることができる。

ここで、共振周波数ｆ０と駆動周波数ｆ１との間に差を生じさせるためなら、ｆ０＞ｆ１であってもよい。しかしながら、ｆ０＞ｆ１とするには、振動系１００の前記質量部を軽くするか、振動系１００の前記ばね部のばね定数を大きくする必要がある。そして、前者の場合、例えば、振動素子６のサイズを小さくすることにより対応可能であるが、振動素子６のサイズを小さくすれば、その分、振動素子６の振動特性が低下する。一方、後者の場合、梁部４２～４５を硬くすることにより対応可能であるが、梁部４２～４５を硬くすれば、その分、パッケージ２からの応力が支持基板４を伝って振動素子６に伝わり易くなる。このように、ｆ０＞ｆ１では、他の要因によって振動素子６の振動特性の低下を招いてしまう。これに対して、本実施形態のように、ｆ０＜ｆ１とすれば、そのような問題が生じず、より効果的に、振動素子６の振動特性の低下を抑制することができる。

特に、本実施形態では、梁部４２～４５をＢ軸よりもＡ軸に沿って長く形成させており、これにより、各梁部４２～４５は、Ａ軸に沿った弾性変形よりもＢ軸に沿って弾性変形し易くなっている。つまり、振動系１００のばね部では、Ａ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫａとし、Ｂ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫｂとしたとき、Ｋａ＞Ｋｂである。これにより、共振周波数ｆ０を効果的に下げることができ、共振周波数ｆ０と駆動周波数ｆ１の差ｆ１－ｆ０をより大きくすることができる。したがって、支持基板４による不要振動の減衰効果がより向上する。なお、ばね定数Ｋａ、Ｋｂは、０．２≦Ｋｂ／Ｋａ≦０．８であることが好ましく、０．３≦Ｋｂ／Ｋａ≦０．７であることがより好ましく、０．４≦Ｋｂ／Ｋａ≦０．６であることがさらに好ましい。これにより、梁部４２～４５の機械的強度を確保しつつ、ばね定数Ｋｂを十分に小さくすることができる。そのため、支持基板４による不要振動の減衰効果がさらに向上する。ただし、これに限定されず、Ｋａ≦Ｋｂであってもよい。

次に、図７に、振動素子６のＢ軸に沿った振動である不要振動の周波数をｆｄとしたときのｆ１／ｆｄと、駆動周波数ｆ１における振動素子６のＢ軸に沿った振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示す。なお、「変位振幅」とは、振動時の寸法変位の最大幅であり、「変位振幅倍率」とは、ｆ１／ｆｄを０．０１としたときの変位振幅に対する変位振幅の倍率である。このグラフ中の曲線Ｑ１は、本実施形態の振動構造体１０であり、曲線Ｑ２は、後述する第２実施形態の振動構造体１０であり、曲線Ｑ３は、従来技術で挙げた特開２０１７－１９４４８５号公報に記載されている比較例としての振動素子である。

前述したように、不要振動の周波数ｆｄは、駆動周波数ｆ１と実質的に等しいため、図７中のｆ１／ｆｄ＝１について比較すれば、本実施形態の振動構造体１０の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が最も小さく、次に、後述する第２実施形態の振動構造体１０の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が小さく、比較例としての振動素子の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が最も大きいことが分かる。変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が小さい程、振動系１００における質量部すなわち振動素子６のＢ軸方向への振幅が小さいことを意味するため、本実施形態の振動構造体１０によれば、振動素子６の不要振動をより効果的に減衰させることができる。

また、図８に、ｆ１／ｆｄ＝１のときの、振動系１００のＢ軸に沿った振動の共振周波数ｆ０と駆動周波数ｆ１の比であるｆ０／ｆ１と、駆動周波数ｆ１における振動素子６のＢ軸に沿った振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）との関係を示す。この図から分かるように、ｆ０／ｆ１が小さくなる程、すなわち、共振周波数ｆ０と駆動周波数ｆ１の差：ｆ１－ｆ０が大きくなる程、変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が小さくなる。そして、本実施形態では、変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が０．８未満である。比較例として挙げた振動素子の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が０．８であるため、少なくとも０．８未満であれば、比較例に対して優れた不要振動減衰効果を発揮することができる。なお、変位振幅倍率（ｇａｉｎ）は、０．６未満であることが好ましく、０．４未満であることがより好ましく、０．２未満であることがさらに好ましい。これにより、不要振動減衰効果をより顕著に発揮することができる。

なお、図８から、変位振幅倍率を０．８未満とするには、ｆ０／ｆ１を０．７未満とすればよく、変位振幅倍率を０．６未満とするには、ｆ０／ｆ１を０．６５未満とすればよく、変位振幅倍率を０．４未満とするには、ｆ０／ｆ１を０．５５未満とすればよく、変位振幅倍率を０．２未満とするには、ｆ０／ｆ１を０．４未満とすればよいことが分かる。つまり、ｆ０／ｆ１は、０．７未満であることが好ましく、０．６５未満であることがより好ましく、０．５５未満であることがさらに好ましく、０．４未満であることがますます好ましい。

以上、振動デバイス１について説明した。振動デバイス１は、前述したように、互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、Ａ軸およびＢ軸に平行な平面に沿って、かつＡ軸に沿って屈曲振動する振動腕としての駆動腕７５、７６、７７、７８を有する振動素子６と、振動素子６とＣ軸に沿って並んで配置された支持基板４と、を備えている振動構造体１０を有する。また、支持基板４は、振動素子６を支持している基部４０と、基部４０を支持している支持部４１と、基部４０と支持部４１とを接続する梁部４２、４３、４４、４５と、を有する。そして、振動構造体１０のＢ軸に沿った振動の共振周波数をｆ０とし、振動素子６の駆動周波数をｆ１としたとき、ｆ０＜ｆ１である。このように、ｆ０＜ｆ１とすることにより、実質的にｆ１である不要振動の周波数と共振周波数ｆ０とに差が生じ、不要振動による振動系１００の共振を抑制することができる。そのため、支持基板４によって振動素子６の不要振動を効果的に減衰させることができる。

また、前述したように、梁部４２、４３、４４、４５のＡ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫａとし、梁部４２、４３、４４、４５のＢ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫｂとしたとき、Ｋａ＞Ｋｂである。また、Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、支持部４１は、振動素子６に対してＡ軸に沿った一方側、本実施形態ではプラス側に位置している第１支持部４１１と、Ａ軸に沿った他方側、本実施形態ではマイナス側に位置している第２支持部４１２と、を有する。このように、第１、第２支持部４１１、４１２を振動素子６の両側に配置することにより、振動素子６を安定した姿勢で支持することができる。そのため、振動素子６の振動特性が安定する。また、第１、第２支持部４１１、４１２をＡ軸に沿って並べて配置することにより、基部４０と第１、第２支持部４１１、４１２とを接続する梁部４２、４３、４４、４５をＢ軸よりもＡ軸に沿って長く形成させ易くなり、Ｋａ＞Ｋｂの関係を満たし易くなる。そのため、支持基板４の設計自由度が向上する。

また、前述したように、振動素子６は、素子基部７０と、素子基部７０からＢ軸に沿って両側に向けて延出している検出腕７１、７２と、素子基部７０からＡ軸に沿って延出している第１連結腕７３と、素子基部７０からＡ軸に沿って第１連結腕７３が延出する方向とは反対側に延出している第２連結腕７４と、第１連結腕７３の先端部からＢ軸に沿って両側に向けて延出している振動腕としての駆動腕７５、７６と、第２連結腕７４の先端部からＢ軸に沿って両側に向けて延出している振動腕としての駆動腕７７、７８と、を有しており、素子基部７０が接合部材Ｂ２を介して基部４０に固定されている。これにより、物理量を検出する物理量センサー素子としての振動素子６の不要振動をより効果的に減衰させることができ、高精度の振動デバイス１を実現することができる。

また、前述したように、駆動周波数ｆ１における振動素子６のＢ軸に沿った振動の変位振幅倍率（ｇａｉｎ）が０．８未満である。これにより、支持基板４によって、振動素子６の不要振動をより効果的に減衰させることができる。

また、前述したように、振動素子６は、振動基板７と、振動基板７に配置されている電極８と、を有する。そして、振動基板７および支持基板４は、同じカット角の水晶基板で構成されている。これにより、支持基板４と振動基板７との熱膨張係数を等しくすることができる。そのため、支持基板４と振動基板７との間には、互いの熱膨張係数差に起因する熱応力が実質的に生じず、振動素子６がより応力を受け難くなる。そのため、振動素子６の振動特性の低下や変動をより効果的に抑制することができる。

また、前述したように、Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、支持基板４と駆動腕７５、７６、７７、７８とが重なっている。そのため、支持基板４が駆動腕７５～７８のＣ軸方向への過度な変形を抑制するストッパーとして機能し、振動素子６の破損を効果的に抑制することができる。

また、前述したように、振動素子６は、物理量を検出する物理量センサー素子である。特に、本実施形態では、振動素子６は、角速度ωｃを検出する角速度センサー素子である。これにより、振動デバイス１を幅広い電子機器に搭載することができ、利便性の高い振動デバイス１となる。

なお、以上のような第１実施形態では、支持基板４は、振動素子６と回路素子３との間に位置し、振動素子６を下側すなわちＣ軸マイナス側から支えるように支持していたが、振動素子６は、支持基板４と回路素子３との間に位置し、支持基板４が、振動素子６を上側すなわちＣ軸プラス側から支えるように支持してもよい。また、第１実施形態では、支持基板４は、接合部材Ｂ１を介してベース２１の凹部２１１ａの底面に固定されていたが、支持基板４は、接合部材を介して回路素子３に固定されていてもよい。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態の振動デバイスを示す平面図である。

本実施形態は、振動素子６の向きが異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図９において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図９示すように、本実施形態の支持基板４では、振動素子６以外の各部分、すなわち、パッケージ２、支持基板４および回路素子３が前述した第１実施形態からＣ軸まわりに９０°回転して配置されている。すなわち、支持基板４は、基部４０と、基部４０を支持し、基部４０のＢ軸に沿って両側に分かれて配置されている第１支持部４１１および第２支持部４１２を備える支持部４１と、基部４０と第１支持部４１１とを接続している一対の梁部４２、４３と、基部４０と第２支持部４１２とを接続している一対の梁部４４、４５と、を有する。そして、基部４０に導電性の接合部材Ｂ２を介して振動素子６の素子基部７０が固定されており、第１支持部４１１および第２支持部４１２がそれぞれ接合部材Ｂ１を介して凹部２１１ａの底面に固定されている。このような構成によっても、前述した図７中の曲線Ｑ２に示すように、支持基板４によって振動素子６の不要振動を効果的に減衰させることができる。なお、支持基板４は、結晶軸の向きについてはＣ軸まわりに回転しておらず、前述した第１実施形態のままである。

このような、本実施形態の振動デバイス１によれば、支持基板４によって振動素子６の不要振動を効果的に減衰させることができるとともに、第１、第２支持部４１１、４１２を振動素子６の両側に配置することにより、振動素子６を安定した姿勢で支持することができる。そのため、振動素子６の振動特性が安定する。

＜第３実施形態＞
図１０は、第３実施形態の振動デバイスが有する支持基板を示す平面図である。

本実施形態は、支持基板４の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１０において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図１０に示すように、本実施形態の支持基板４は、ジンバル形状となっている。すなわち、支持基板４は、中央部に位置し、接合部材Ｂ２を介して振動素子６が固定されている基部４６と、基部４６を囲み、基部４６を支持すると共に接合部材Ｂ１を介して凹部２１１ａの底面に固定されている支持部４７と、基部４６と支持部４７との間に位置し、これらを接続する梁部４８と、を有する。

また、梁部４８は、基部４６と支持部４７との間に位置し、基部４６を囲む枠状の枠部４８１と、基部４６と枠部４８１とを接続する第１梁部４８２と、支持部４７と枠部４８１とを接続する第２梁部４８３と、を有する。第１梁部４８２は、Ｂ軸に沿った方向の中央において基部４６と枠部４８１とを接続しており、その中心軸Ｊ２がＡ軸に沿っている。一方、第２梁部４８３は、Ａ軸に沿った方向の中央において支持部４７と枠部４８１とを接続しており、その中心軸Ｊ１がＢ軸に沿っている。つまり、中心軸Ｊ１、Ｊ２は、直交しており、その交点は、支持基板４の中心Ｏ４とほぼ一致している。ただし、中心軸Ｊ１、Ｊ２は、０°超９０°未満の角度で交わっていてもよいし、これらの交点が中心Ｏ４からずれていてもよい。

また、支持部４７は、矩形の枠状をなし、平面視で、振動素子６に対してＡ軸プラス側に位置する第１支持部４７１と、Ａ軸マイナス側に位置する第２支持部４７２と、を有する。そして、第１支持部４７１および第２支持部４７２がそれぞれ接合部材Ｂ１を介して凹部２１１ａの底面に固定されている。

このような構成によっても、前述した第１実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。なお、本実施形態では、支持部４７が枠状をなしているが、これに限定されず、例えば、周方向の一部が欠損して、Ｃ字状となっていてもよい。枠部４８１についても同様である。

＜第４実施形態＞
図１１は、第４実施形態のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。

図１１に示す電子機器としての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１１０８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。また、パーソナルコンピューター１１００には、物理量センサーとしての振動デバイス１と、振動デバイス１からの出力信号に基づいて信号処理すなわち各部の制御を行う信号処理回路１１１０と、が内蔵されている。

このように、電子機器としてのパーソナルコンピューター１１００は、振動デバイス１と、振動デバイス１の出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路１１１０と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

＜第５実施形態＞
図１２は、第５実施形態の携帯電話機を示す斜視図である。

図１２に示す電子機器としての携帯電話機１２００は、図示しないアンテナ、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。また、携帯電話機１２００には、物理量センサーとしての振動デバイス１と、振動デバイス１からの出力信号に基づいて信号処理すなわち各部の制御を行う信号処理回路１２１０と、が内蔵されている。

このように、電子機器としての携帯電話機１２００は、振動デバイス１と、振動デバイス１の出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路１２１０と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

＜第６実施形態＞
図１３は、第６実施形態のデジタルスチールカメラを示す斜視図である。

図１３に示す電子機器としてのデジタルスチールカメラ１３００は、ケース１３０２を備え、このケース１３０２の背面には表示部１３１０が設けられている。表示部１３１０は、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成となっており、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の正面側には、光学レンズやＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。そして、撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押すと、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、デジタルスチールカメラ１３００には、物理量センサーとしての振動デバイス１と、振動デバイス１からの出力信号に基づいて信号処理すなわち各部の制御を行う信号処理回路１３１２と、が内蔵されている。

このように、電子機器としてのデジタルスチールカメラ１３００は、振動デバイス１と、振動デバイス１の出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路１３１２と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

なお、振動デバイス１を備える電子機器は、前述したパーソナルコンピューター１１００、携帯電話機１２００およびデジタルスチールカメラ１３００の他、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチを含む時計、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、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、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、電子手帳、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、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、電子内視鏡のような医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶のような計器類、携帯端末用の基地局、フライトシミュレーター等であってもよい。

＜第７実施形態＞
図１４は、第７実施形態の自動車を示す斜視図である。

図１４に示す移動体としての自動車１５００は、エンジンシステム、ブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステム等のシステム１５０２を含んでいる。また、自動車１５００には、物理量センサーとしての振動デバイス１と、振動デバイス１からの出力信号に基づいて信号処理すなわちシステム１５０２の制御を行う信号処理回路１５１０と、が内蔵されている。

このように、移動体としての自動車１５００は、振動デバイス１と、振動デバイス１の出力信号としての発振信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路１５１０と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。

なお、振動デバイス１を備える移動体は、自動車１５００の他、例えば、ロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等であってもよい。

以上、本発明の振動デバイス、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれ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…振動デバイス、１０…振動構造体、１００…振動系、２…パッケージ、２１…ベース、２１１…凹部、２１１ａ、２１１ｂ、２１１ｃ…凹部、２２…リッド、２３…接合部材、２４１、２４２…内部端子、２４３…外部端子、３…回路素子、４…支持基板、４０…基部、４１…支持部、４１１…第１支持部、４１２…第２支持部、４２…梁部、４２１…屈曲部、４３…梁部、４３１…屈曲部、４４…梁部、４４１…屈曲部、４５…梁部、４５１…屈曲部、４６…基部、４７…支持部、４７１…第１支持部、４７２…第２支持部、４８…梁部、４８１…枠部、４８２…第１梁部、４８３…第２梁部、５…配線、５１１、５１２…端子、５１３…引出配線、５２１、５２２…端子、５２３…引出配線、５３１、５３２…端子、５３３…引出配線、５４１、５４２…端子、５４３…引出配線、５５１、５５２…端子、５５３…引出配線、５６１、５６２…端子、５６３…引出配線、６…振動素子、７…振動基板、７０…素子基部、７０１～７０６…端子、７１…検出腕、７１１…幅広部、７２…検出腕、７２１…幅広部、７３…第１連結腕、７４…第２連結腕、７５…駆動腕、７５１…幅広部、７６…駆動腕、７６１…幅広部、７７…駆動腕、７７１…幅広部、７８…駆動腕、７８１…幅広部、８…電極、８１…駆動信号電極、８２…駆動接地電極、８３…第１検出信号電極、８４…第１検出接地電極、８５…第２検出信号電極、８６…第２検出接地電極、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、１１０８…表示部、１１１０…信号処理回路、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１２０８…表示部、１２１０…信号処理回路、１３００…デジタルスチールカメラ、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、１３１０…表示部、１３１２…信号処理回路、１５００…自動車、１５０２…システム、１５１０…信号処理回路、Ｂ１、Ｂ２…接合部材、ＢＷ…ボンディングワイヤー、Ｄ、Ｅ…矢印、Ｊ１、Ｊ２…中心軸、Ｏ４…中心、Ｑ１～Ｑ３…曲線、Ｓ…内部空間、ｆ０…共振周波数、ｆ１…駆動周波数、ｆｄ…周波数、ωｃ…角速度

Claims (10)

1. 互いに直交する３軸をＡ軸、Ｂ軸およびＣ軸としたとき、
   前記Ａ軸および前記Ｂ軸に平行な平面に沿って、かつ前記Ａ軸に沿って屈曲振動する振動腕を有する振動素子と、前記振動素子と前記Ｃ軸に沿って並んで配置された支持基板と、を備えている振動構造体を有し、
   前記支持基板は、前記振動素子を支持している基部と、前記基部を支持している支持部と、前記基部と前記支持部とを接続する梁部と、を有し、
   前記振動構造体の前記Ｂ軸に沿った振動の共振周波数をｆ０とし、前記振動素子の駆動周波数をｆ１としたとき、
   ｆ０＜ｆ１であることを特徴とする振動デバイス。
2. 前記梁部の前記Ａ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫａとし、前記梁部の前記Ｂ軸に沿った弾性変形のばね定数をＫｂとしたとき、
   Ｋａ＞Ｋｂであり、
   前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
   前記支持部は、前記振動素子に対して前記Ａ軸に沿った一方側に位置している第１支持部と、前記Ａ軸に沿った他方側に位置している第２支持部と、を有する請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
   前記支持部は、前記振動素子に対して前記Ｂ軸に沿った一方側に位置している第１支持部と、前記Ｂ軸に沿った他方側に位置している第２支持部と、を有する請求項１に記載の振動デバイス。
4. 前記振動素子は、
   素子基部と、
   前記素子基部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出している検出腕と、
   前記素子基部から前記Ａ軸に沿って延出している第１連結腕と、
   前記素子基部から前記Ａ軸に沿って前記第１連結腕が延出する方向とは反対側に延出している第２連結腕と、
   前記第１連結腕の先端部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出している前記振動腕と、
   前記第２連結腕の先端部から前記Ｂ軸に沿って両側に向けて延出し、前記Ａ軸および前記Ｂ軸に平行な平面に沿って、かつ前記Ａ軸に沿って屈曲振動する振動腕と、
   を有し、
   前記素子基部が接合部材を介して前記基部に固定される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイス。
5. 前記駆動周波数ｆ１における前記振動素子の前記Ｂ軸に沿った振動の変位振幅倍率が０．８未満である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動デバイス。
6. 前記振動素子は、振動基板と、前記振動基板に配置されている電極と、を有し、
   前記振動基板および前記支持基板は、同じカット角の水晶基板で構成されている請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動デバイス。
7. 前記Ｃ軸に沿った方向からの平面視で、
   前記支持基板と前記振動腕とが重なっている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動デバイス。
8. 前記振動素子は、物理量を検出する物理量センサー素子である請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動デバイス。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の振動デバイスと、
   前記振動デバイスの出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えていることを特徴とする電子機器。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の振動デバイスと、
    前記振動デバイスの出力信号に基づいて信号処理を行う信号処理回路と、を備えていることを特徴とする移動体。

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