JP2011075415A - Piezoelectric oscillation device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric oscillation device with excellent vibration-proof and shock-resistant performance. <P>SOLUTION: The piezoelectric oscillation device 2 incorporated in a gyro sensor device 1 includes a base 20, driving arms 21a and 21b extending in a +Y direction across it, and a detecting arms 22a and 22b extending in a -Y direction. In addition, supporting arms 23a and 23b connected with linear parts 25a and 25b via curved parts 24a and 24b are provided in ±X directions across the base 20. The linear parts 25a and 25b are connected to a fixing part 27 to be fixed to a sensor fixing part of a holding part. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、振動検出用圧電素子を備えるデバイスに関し、特に物体の角速度を検出するジャイロセンサ等に関する。   The present invention relates to a device including a vibration detecting piezoelectric element, and more particularly to a gyro sensor and the like for detecting an angular velocity of an object.

従来、微小振動を検出する目的で圧電素子を備えた圧電振動デバイスが用いられている。そのような圧電振動デバイスとしては、超音波センサ、圧力センサ、及びジャイロセンサ(角速度センサ)等の種々のものが存在する。これらのなかでも、例えば、ジャイロセンサは、物体の角速度を検出するものであり、振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する振動を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転(動作)を検知・測定することが可能である。   Conventionally, a piezoelectric vibration device including a piezoelectric element has been used for the purpose of detecting minute vibrations. As such a piezoelectric vibration device, various devices such as an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a gyro sensor (angular velocity sensor) exist. Among these, for example, a gyro sensor detects an angular velocity of an object, and vibration generated due to Coriolis force generated when rotation is applied to a vibrating mass body is transmitted via a piezoelectric element. By detecting, rotation (operation) in each direction can be detected and measured.

このようなジャイロセンサ等の圧電振動デバイスは、近時、小型薄型化が進んでおり、薄膜加工や薄膜形成によって得られる圧電薄膜を用いたものが提案又は既に実用化されつつある。しかし、かかる小型かつ薄型の圧電振動デバイスは、一般に、圧電薄膜自体が極めて薄いものであるがゆえに、圧電振動デバイスが搭載される機器やシステムの外部からの振動や衝撃等の影響を受けやすく、それに起因するノイズによって角速度を誤検出してしまいやすい傾向にあることがある。   In recent years, piezoelectric vibrating devices such as gyro sensors have been reduced in size and thickness, and those using piezoelectric thin films obtained by thin film processing or thin film formation have been proposed or already put into practical use. However, such a small and thin piezoelectric vibration device is generally easily affected by vibrations and impacts from the outside of the device or system in which the piezoelectric vibration device is mounted because the piezoelectric thin film itself is extremely thin. There is a tendency that the angular velocity is likely to be erroneously detected due to noise caused by the noise.

そこで、特許文献1及び2には、ジャイロセンサの圧電振動素子にサスペンション機構を追設することにより、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能を向上させることを試みた例が記載されている。   Thus, Patent Documents 1 and 2 describe examples in which a suspension mechanism is additionally provided in the piezoelectric vibration element of the gyro sensor to attempt to improve the vibration resistance and shock resistance performance of the gyro sensor.

特開2005−106481号JP 2005-106481 A 特開2005−308683号JP-A-2005-308683

しかしながら、特許文献1に記載されたジャイロセンサを製造するには、サスペンション機構として、検出用振動アームが延出される中央基部の開口に設けられた撓曲可能なブリッジをジャイロセンサの素子本体自体に取り付けることが必要とされ、構造上、その取り付けに要求される精度が極めて高いことから、その製造は容易ではない。しかも、サスペンション機構の取り付け精度が十分に高くないと、検出用振動アームの振動の節(振動静止点)を確実に押さえて固定することが極めて困難であり、その場合、検出に不都合なノイズが不可避的に発生してしまうことから、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能としては未だ不十分である。   However, in order to manufacture the gyro sensor described in Patent Document 1, as a suspension mechanism, a bendable bridge provided at the opening of the central base portion where the vibration arm for detection is extended is attached to the element body itself of the gyro sensor. Since it is required to be attached and the accuracy required for the attachment is extremely high due to its structure, its manufacture is not easy. In addition, if the mounting accuracy of the suspension mechanism is not sufficiently high, it is extremely difficult to securely hold and fix the vibration node (vibration stationary point) of the vibration arm for detection. Since it is inevitably generated, the gyro sensor still has insufficient vibration and shock resistance.

また、特許文献2に記載された圧電振動素子を備えるジャイロセンサは、検出振動腕を備える圧電振動片が、その両面側(X−Y平面に沿う両面)から、リード部材を介して格納容器に接続固定されたものであるが、かかる構造は、Z軸振動成分から発生し得るノイズの低減を企図したものであり、圧電振動片は、角速度検出方向(Z軸まわり)に対しては“堅い”(リジッド)状態で保持されている、つまり、回転の検出方向(Z軸に直交するX方向又はY方向)に対しては固定されていることから、回転の検出時に、回転の検出方向に印加される外部振動の影響によってノイズが生じてしまい、結果として、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能の低下を招いてしまうという問題があった。   Further, in the gyro sensor provided with the piezoelectric vibrating element described in Patent Document 2, the piezoelectric vibrating piece including the detection vibrating arm is placed on the storage container from both sides (both sides along the XY plane) via the lead member. Although connected and fixed, this structure is intended to reduce noise that may be generated from the Z-axis vibration component, and the piezoelectric vibrating piece is “hard” in the angular velocity detection direction (around the Z-axis). ”(Rigid) state, that is, it is fixed with respect to the rotation detection direction (X direction or Y direction perpendicular to the Z axis). There is a problem that noise is generated due to the influence of the applied external vibration, and as a result, the vibration resistance and impact resistance performance of the gyro sensor is lowered.

ところで、近年、ジャイロセンサは、カーナビゲーションシステム、デジタル(ビデオ)カメラ、ゲーム機器のコントローラ、携帯電話等の小型電子機器に幅広く搭載されているが、これら機器の更なる小型化に伴い、ジャイロセンサ自体の更なる小型化が図られている。このように、ジャイロセンサ自体(センサ素子)を更に小型化していくと、検出振動の振幅は更に小さくなってしまい、その結果、検出信号は当然に更に小さくなることから、ジャイロセンサに印加される外部振動によるノイズの影響が相対的に大きくなり、そうなると、ジャイロセンサに対して所望の十分な感度を得られ難くなる虞がある。この点においても、ジャイロセンサの耐振・耐衝撃性能を更に向上させることが急務となっている。   By the way, in recent years, gyro sensors have been widely installed in small electronic devices such as car navigation systems, digital (video) cameras, game machine controllers, mobile phones, and the like. Further miniaturization of the device itself is being attempted. As described above, when the gyro sensor itself (sensor element) is further reduced in size, the amplitude of the detection vibration is further reduced, and as a result, the detection signal is naturally further reduced, so that it is applied to the gyro sensor. The influence of noise due to external vibration becomes relatively large, and it may be difficult to obtain a desired sufficient sensitivity for the gyro sensor. In this respect as well, there is an urgent need to further improve the vibration and shock resistance performance of the gyro sensor.

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比して優れた耐振・対衝撃性能を有する圧電振動デバイスを提供することにある。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibration device having vibration resistance and anti-impact performance superior to those of the prior art.

上記課題を解決するために、本発明による圧電振動デバイスは、半導体基板上に圧電素子を含むセンサ部と、センサ部を保持する固定部と、湾曲部を含み、かつ、湾曲部を介してセンサ部と固定部とを接続する複数の支持腕部とを有する。   In order to solve the above problems, a piezoelectric vibration device according to the present invention includes a sensor unit including a piezoelectric element on a semiconductor substrate, a fixing unit holding the sensor unit, a bending unit, and the sensor via the bending unit. And a plurality of support arm portions that connect the portion and the fixed portion.

この構成によれば、圧電振動デバイスのセンサ部を薄膜タイプのものとして形成することができ、また、そのセンサ部が微小振動を検出する際に、その検出方向における外部から衝撃や振動が固定部に印加されたとしても、その外部振動は、支持腕部の湾曲部で抑止、吸収、低減、相殺される等により(ただし、作用はこれらに限定されない)、センサ部への伝達・伝搬が抑制又は防止されるという言わば「ダンピング効果」を得ることができる。また、支持腕部の湾曲部は、他の形状(例えばL字状等)に比して外部振動の緩和効果がより高く、それ自体、耐衝撃性に優れているとともに、上述の如く、センサ部への外部振動の伝達が抑制又は防止されるので、センサ部の歪みエネルギーを減少させていわゆる「温度ドリフト効果」を低減させることもでき、これにより、圧電振動デバイスの動作安定性を高めることも可能となる。   According to this configuration, the sensor unit of the piezoelectric vibration device can be formed as a thin film type, and when the sensor unit detects a minute vibration, an impact or vibration from the outside in the detection direction is fixed. Even if it is applied to the sensor, the external vibration is suppressed, absorbed, reduced, canceled, etc. by the curved part of the support arm part (however, the action is not limited to this), and the transmission / propagation to the sensor part is suppressed. Or, it can be said that “damping effect” can be obtained. In addition, the curved portion of the support arm portion has a higher effect of mitigating external vibration than other shapes (for example, L-shape, etc.), and itself has excellent impact resistance. Since the transmission of external vibration to the part is suppressed or prevented, the strain energy of the sensor part can be reduced to reduce the so-called “temperature drift effect”, thereby improving the operational stability of the piezoelectric vibration device. Is also possible.

具体的には、センサ部が、駆動腕と検出腕とからなる振動腕と、その振動腕を支持しかつ支持腕部が接続された基部を有する構成を例示でき、更に具体的には、駆動腕及び検出腕が、基部を挟んで互いに逆方向に延在する構成が挙げられる。このような構成においては、支持腕部がセンサ部の基部に接続されているので、圧電振動デバイスの外部から固定部を通して外部振動が印加された場合、その外部振動は支持腕部によって基部へ伝達が抑止され、駆動腕と検出腕からなる振動腕への外部振動の影響を確実に防止することができる。   Specifically, a configuration in which the sensor unit has a vibrating arm composed of a driving arm and a detection arm and a base that supports the vibrating arm and to which the supporting arm unit is connected can be exemplified. A configuration in which the arm and the detection arm extend in directions opposite to each other with the base interposed therebetween may be mentioned. In such a configuration, since the support arm is connected to the base of the sensor unit, when external vibration is applied from the outside of the piezoelectric vibration device through the fixed unit, the external vibration is transmitted to the base by the support arm. Is suppressed, and the influence of external vibration on the vibrating arm composed of the drive arm and the detection arm can be reliably prevented.

また、本発明による圧電振動デバイスは、支持腕部が湾曲部を含むので、支持腕部の実効長を湾曲部がない場合に比して伸長させることができ、そうすると、支持腕部全体(場合によっては、支持腕部が接続されて一体になった質量体全体(系全体)。以下同様。)の共振周波数が低下するので、センサ部の駆動振動数領域における外部振動の伝達率を低減させることもできる。すなわち、この観点からすれば、支持腕部が、湾曲部がない場合に比して共振周波数が低下するように形成されたものであると有効であるということもできる。   In the piezoelectric vibration device according to the present invention, since the support arm portion includes the curved portion, the effective length of the support arm portion can be extended as compared with the case where there is no curved portion. Depending on the case, the resonance frequency of the entire mass body (system as a whole) to which the support arm portion is connected (the same applies hereinafter) is reduced, so that the transmission rate of external vibration in the drive frequency region of the sensor portion is reduced. You can also. That is, from this point of view, it can be said that it is effective that the support arm portion is formed so that the resonance frequency is lower than that in the case where there is no curved portion.

また、支持腕部が湾曲部と直線部(更に具体的には、湾曲部と接続され直線状に延在する直線部)とを有する構成が挙げられる。このようにすれば、湾曲部と直線部を任意に組み合わせることにより、支持腕部に湾曲部を設けつつも、支持腕部を所望かつ任意の形状とする(設計する)ことができるので、センサ部と固定部とがその支持腕部で接続された圧電振動デバイス全体の加工性、汎用性、及び構造安定性を高めることが可能となる。   Moreover, the structure which a support arm part has a curved part and a linear part (more specifically, a linear part connected with a curved part and extending linearly) is mentioned. In this way, by arbitrarily combining the bending portion and the linear portion, the supporting arm portion can be formed in a desired and arbitrary shape (designed) while providing the bending portion in the supporting arm portion. It becomes possible to improve the workability, versatility, and structural stability of the entire piezoelectric vibration device in which the portion and the fixed portion are connected by the support arm portion.

さらに、支持腕部が、複数の湾曲部が連設された部分を含むように構成してもよい。この場合、複数の湾曲部が近接して又は密に隣接していてもよく、断続的に連続して設けられていてもよい。この構成によれば、複数の湾曲部を有することで支持腕部の実効長を更に伸ばすことができ、これにより、支持腕部の共振周波数を更に低下させて、振動検出方向の外部からの振動に対して、より高い減衰効果を実現することができるとともに、上述した温度ドリフト効果を更に一層低減させることも可能となる。   Furthermore, you may comprise so that a support arm part may contain the part by which the some bending part was provided in succession. In this case, the plurality of curved portions may be adjacent or closely adjacent to each other, or may be provided intermittently and continuously. According to this configuration, the effective length of the support arm portion can be further extended by having a plurality of curved portions, thereby further reducing the resonance frequency of the support arm portion, and vibration from the outside in the vibration detection direction. On the other hand, a higher attenuation effect can be realized, and the above-described temperature drift effect can be further reduced.

またさらに、固定部がセンサ部の少なくとも一部を取り囲むようにしても好適である。このように構成すれば、その構造上、センサ部の一部又は全部が固定部によって保護されるので、圧電振動デバイスの構造強度が向上され、外部からの振動や衝撃に対する耐性を更に高めることができるとともに、固定部をセンサ部の周囲の所望の位置に配置することができるので、圧電振動デバイス全体の形状設計裕度、及びの組み立ての自由度をも向上させることができる。   Furthermore, it is preferable that the fixing portion surrounds at least a part of the sensor portion. If constituted in this way, part or all of the sensor part is protected by the fixing part due to its structure, so that the structural strength of the piezoelectric vibration device is improved and resistance to vibration and impact from the outside can be further increased. In addition, since the fixing portion can be disposed at a desired position around the sensor portion, it is possible to improve the shape design tolerance of the entire piezoelectric vibration device and the degree of freedom in assembly.

さらにまた、支持腕部が直線部を有するときに、その直線部が、センサ部の振動腕に沿って延在するように構成すると有用である。かかる構成においては、センサ部と支持腕部との間隙を適宜の状態に調整することが容易となり、特に、センサ部と支持腕部とを近接させ易くなるので、圧電素子デバイスの更なる小型化、及び機械的強度(剛性)の向上に資することができる。また、直線部に角速度検出方向(Z軸)等の衝撃が印加された場合に、圧電振動デバイスへの衝撃を更に緩和する効果が期待できる。   Furthermore, when the support arm portion has a straight portion, it is useful to configure the straight portion so as to extend along the vibrating arm of the sensor portion. In such a configuration, it becomes easy to adjust the gap between the sensor unit and the support arm unit to an appropriate state, and in particular, the sensor unit and the support arm unit can be easily brought close to each other. , And mechanical strength (rigidity) can be improved. In addition, when an impact in the angular velocity detection direction (Z axis) or the like is applied to the linear portion, an effect of further mitigating the impact on the piezoelectric vibration device can be expected.

本発明の圧電振動デバイスによれば、湾曲部を有する支持腕を有するので、圧電振動デバイスのセンサ部を薄膜で形成しても、センサ部が微小振動を検出する際に印加された外部から衝撃や振動が、その支持腕部の湾曲部で低減等されることにより、センサ部へ伝達・伝搬してしまうことを有効に抑制又は防止することができ、これにより、耐振・耐衝撃性能を格段に向上させることが可能となる。   According to the piezoelectric vibration device of the present invention, since the support arm having the curved portion is provided, even if the sensor portion of the piezoelectric vibration device is formed of a thin film, an impact is applied from the outside applied when the sensor portion detects minute vibrations. And vibration can be effectively suppressed or prevented from being transmitted / propagated to the sensor part by reducing it at the curved part of the supporting arm part, thereby significantly improving the vibration / impact resistance performance. Can be improved.

第1実施形態に係るジャイロセンサ装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the gyro sensor apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るジャイロセンサ素子の動作状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the operation state of the gyro sensor element which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係るジャイロセンサ素子の動作状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the operation state of the gyro sensor element which concerns on 1st Embodiment. 第2実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 2nd Embodiment. 第3実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 3rd Embodiment. 第4実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 4th Embodiment. 第5実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 5th Embodiment. 第6実施形態に係るジャイロセンサ素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gyro sensor element which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係る超音波センサ素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the ultrasonic sensor element which concerns on 6th Embodiment. 第6実施形態に係るジャイロセンサ素子の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the gyro sensor element which concerns on 6th Embodiment.

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. Further, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.

<第1実施形態>
図1は、本発明による圧電振動デバイスの第1実施形態に係るジャイロセンサ装置1の内部構成を概略的に示す斜視図である。このジャイロセンサ装置1(圧電振動デバイス)においては、例えば、箱状、枠状等の形状をなすケース4の内部に、段差を有して(階段状に)設けられた窪み41及び42が形成されており、それらの窪み41,42は、それぞれ、内部空間G1,G2を画定する。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an internal configuration of a gyro sensor device 1 according to a first embodiment of a piezoelectric vibration device according to the present invention. In this gyro sensor device 1 (piezoelectric vibration device), for example, indentations 41 and 42 provided with steps (in a step shape) are formed inside a case 4 having a box shape, a frame shape, or the like. The depressions 41 and 42 define internal spaces G1 and G2, respectively.

これらの窪み41,42のうち、より深い方の窪み41の底面には、集積回路素子支持表面43が設けられており、その上に、集積回路素子3が配置されている。また、より浅い方の窪み42の周囲には、環状の保持部支持表面44が設けられており、その上に、保持部5が固定されている。   An integrated circuit element support surface 43 is provided on the bottom surface of the deeper depression 41 of these depressions 41 and 42, and the integrated circuit element 3 is disposed thereon. Further, an annular holding portion support surface 44 is provided around the shallower recess 42, and the holding portion 5 is fixed thereon.

保持部5は、保持部支持表面44上に接する平板枠状のベース部5aと、そのベース部5aから内部空間G2へ向けて上方(図示+Z軸方向)に折り曲げられて延在する傾斜部5bを有しており、その傾斜部5bの先端部には、集積回路素子支持表面43及び保持部支持表面44と平行な面内に再度折り曲げられてなるセンサ固定部5cが設けられている。そして、センサ固定部5cには、ジャイロセンサ素子2が、センサ固定部5cと同一面内に位置するように、又は、センサ固定部5cと平行になるように固定されており、かつ、内部空間G2内に保持されている。   The holding portion 5 includes a flat frame-shaped base portion 5a that is in contact with the holding portion support surface 44, and an inclined portion 5b that is bent and extends upward (in the drawing + Z-axis direction) from the base portion 5a toward the internal space G2. And a sensor fixing portion 5c that is bent again in a plane parallel to the integrated circuit element support surface 43 and the holding portion support surface 44. The gyro sensor element 2 is fixed to the sensor fixing portion 5c so as to be positioned in the same plane as the sensor fixing portion 5c or parallel to the sensor fixing portion 5c, and the internal space. Held in G2.

集積回路3は、後述するジャイロセンサ素子2の各駆動腕21a及び21bに設けられた複数の圧電素子に駆動信号を送信すると共に、後述するジャイロセンサ素子2の各検出腕22a及び22bに設けられた複数の圧電素子から出力される検出信号を受信するためのものである。なお、ケース4は、例えば複数のセラミック薄板を積層することによって形成されたものが挙げられ、通常、ジャイロセンサ装置1の使用状態においては、内部空間G2上の開放部分を覆う蓋部(図示せず)によって密閉される。   The integrated circuit 3 transmits drive signals to a plurality of piezoelectric elements provided on each drive arm 21a and 21b of the gyro sensor element 2 described later, and is provided on each detection arm 22a and 22b of the gyro sensor element 2 described later. In addition, the detection signals output from the plurality of piezoelectric elements are received. The case 4 includes, for example, one formed by laminating a plurality of ceramic thin plates. Usually, when the gyro sensor device 1 is in use, a lid (not shown) that covers an open portion on the internal space G2. )).

図2は、ジャイロセンサ素子2の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ素子2は、中央に位置しかつ平面視において長方形(矩形)をなす基部20と、基部20を挟んで一方(図2では+Y方向)に伸びる一対の駆動腕21a,21b、及び、その駆動腕とは反対側(図2では−Y方向)に伸びる一対の検出腕22a,22bを備えるものである。また、駆動腕と検出腕を備える基部20の長方形形状のうち駆動腕及び検出腕が対向する辺とは別の対向する辺(図2では±X方向)には、基部20を挟んで湾曲部24a,24bを介して、それぞれ直線部25a,25bへと連なる一対の支持腕23a,23bが設けられており、それらの直線部25a,25bは、前述した保持部5のセンサ固定部5cへと固定される固定部27に接続されている。   FIG. 2 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of the gyro sensor element 2. The gyro sensor element 2 includes a base 20 that is located in the center and forms a rectangle (rectangle) in plan view, a pair of drive arms 21a and 21b that extend in one direction (+ Y direction in FIG. 2) across the base 20, and A pair of detection arms 22a and 22b extending on the side opposite to the drive arm (in the -Y direction in FIG. 2) is provided. Further, of the rectangular shape of the base 20 having the drive arm and the detection arm, a curved portion sandwiching the base 20 on the opposite side (± X direction in FIG. 2) different from the side where the drive arm and the detection arm are opposed to each other. A pair of support arms 23a and 23b are provided through 24a and 24b to the straight portions 25a and 25b, respectively, and these straight portions 25a and 25b are connected to the sensor fixing portion 5c of the holding portion 5 described above. It is connected to a fixed part 27 to be fixed.

同図に示す如く、上記一対の駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、支持腕23a,23bの各々は、基部20に対して左右対称に設置されている。なお、本明細書において、「左右」方向とは、図示±X方向、すなわち、ジャイロセンサ素子2の重心位置を勘案して決定される仮想的な振動静止点α(図2参照)を通り、かつ、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、支持腕23a,23bの直線部25a,25bの各々の延在方向に沿って平行に伸びる仮想的な中心線βに直交する方向(±X方向)を示す。また、「左右対称」とは、紙面における左右方向の対称性を指すために便宜的に用いたものであり、中心線βを対称軸として線対称であることを示す。さらに、本実施形態においては、ジャイロセンサ素子2として、横置き音叉型のものを例示しているが、この場合の「音叉」とは、ジャイロセンサ素子2を構成する部位(要素)のうち、基部20、駆動腕21a,21b、及び検出腕22a,22bからなる部分を示す。   As shown in the figure, each of the pair of drive arms 21 a and 21 b, detection arms 22 a and 22 b, and support arms 23 a and 23 b is installed symmetrically with respect to the base 20. In this specification, the “left / right” direction refers to the ± X direction shown in the drawing, that is, a virtual vibration stationary point α (see FIG. 2) determined in consideration of the position of the center of gravity of the gyro sensor element 2. In addition, a direction (± X) orthogonal to a virtual center line β extending in parallel along the extending direction of each of the straight portions 25a and 25b of the drive arms 21a and 21b, the detection arms 22a and 22b, and the support arms 23a and 23b. Direction). Further, “left-right symmetry” is used for the sake of convenience to indicate left-right symmetry on the paper surface, and indicates line symmetry with the center line β as the symmetry axis. Furthermore, in the present embodiment, the horizontal tuning fork type is exemplified as the gyro sensor element 2, but the “tuning fork” in this case is a part (element) constituting the gyro sensor element 2. The part which consists of the base 20, the drive arms 21a and 21b, and the detection arms 22a and 22b is shown.

本実施形態における、基部20、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、支持腕23a,23b、及び固定部27から構成されるジャイロセンサ素子2は、共通の材料(例えばシリコン)からなり、一般的なウェハ(シリコンウェハ等)のパターニング加工によって一括形成することが可能である。よって、従来の如く音叉部分を形成した後で、その音叉部分に別体の支持部材を取り付ける(接続加工する)場合と比較すると、本発明によりジャイロセンサ素子2は、支持部材及び固定部材まで含めて一括形成することにより、その製造過程における工数が大幅に減少されるだけではなく、予め設計段階で決定された振動静止点αに対応する支持腕23a,23bの取り付けを高精度で行うことが可能となる。   In the present embodiment, the gyro sensor element 2 including the base 20, the drive arms 21a and 21b, the detection arms 22a and 22b, the support arms 23a and 23b, and the fixing portion 27 is made of a common material (for example, silicon). It is possible to form a batch by patterning a general wafer (silicon wafer or the like). Therefore, the gyro sensor element 2 according to the present invention includes the support member and the fixing member as compared with the case where a separate support member is attached to the tuning fork portion after the tuning fork portion is formed as in the prior art. By forming them in a lump, not only the man-hours in the manufacturing process are greatly reduced, but also the support arms 23a and 23b corresponding to the vibration stationary point α determined in advance in the design stage can be attached with high accuracy. It becomes possible.

特に、本発明によるジャイロセンサ素子2の製造においては、従来の構成では支持部材の精確な取り付けが極めて困難又は不可能な複雑な形状を有する音叉であっても、事前にシミュレーション等による構造計算の結果に基づいて、ウェハのパターニング設計を変更するのみで簡易に対応することができ、種々の使用条件に応じた種々の形状を備えるジャイロセンサ素子2を確実に製造することが可能となる。   In particular, in the manufacture of the gyro sensor element 2 according to the present invention, even if a tuning fork having a complicated shape that is extremely difficult or impossible to accurately mount the support member with the conventional configuration, structural calculation by simulation or the like is performed in advance. Based on the results, it is possible to simply cope with the change of the patterning design of the wafer, and it is possible to reliably manufacture the gyro sensor element 2 having various shapes according to various use conditions.

また、基部20は、図2に示すように、その基部20に対して左右対称に設けられた一対の支持腕23a,23bによって側面方向(図示±X方向)から支持されることにより内部空間G2に保持されており、その結果、基部20の面方向に延在する駆動腕21a,21b、及び検出腕22a,22bも内部空間G2内に保持されている。   Further, as shown in FIG. 2, the base portion 20 is supported from the side surface direction (± X direction in the drawing) by a pair of support arms 23a and 23b provided symmetrically with respect to the base portion 20, thereby causing an internal space G2. As a result, the drive arms 21a and 21b and the detection arms 22a and 22b extending in the surface direction of the base 20 are also held in the internal space G2.

ここで、一対の駆動腕21a,21bは、基部20、検出腕22a,22b、及び支持腕23a,23bを含む平面上に、左右対称に、かつ基部20から遠ざかるように+Y方向へ延在しており、一対の検出腕22a,22bは、基部20、駆動腕21a,21b、及び支持腕23a,23bを含む平面上に、左右対称に、かつ基部20から遠ざかるように−Y方向へと延在しており、このとき、駆動腕21a,21b及び検出腕22a,22bの長さ(基部20との接続部位を始点としたY方向に沿う長さ)が互いに等しい場合には、検出腕22a,22bの幅(X方向に沿う長さ)が駆動腕21a,21bの幅に比して大きい(幅広である)ことが好ましい。   Here, the pair of drive arms 21a and 21b extend in the + Y direction so as to be symmetrical and away from the base 20 on a plane including the base 20, the detection arms 22a and 22b, and the support arms 23a and 23b. The pair of detection arms 22a and 22b extend in the -Y direction so as to be symmetrical and away from the base 20 on a plane including the base 20, the drive arms 21a and 21b, and the support arms 23a and 23b. In this case, when the lengths of the drive arms 21a and 21b and the detection arms 22a and 22b (the length along the Y direction starting from the connection portion with the base 20) are equal to each other, the detection arm 22a , 22b (length along the X direction) is preferably larger (wider) than the width of the drive arms 21a, 21b.

このように構成すれば、コリオリ力の検出時に生じる駆動腕21a,21bのX軸方向への振動等が検出腕22a,22bに伝搬するのに起因して音叉自体が振動してしまうことを抑止でき、これにより、検出腕22a,22bにおけるコリオリ力の検出においてノイズ信号を誤って検知してしまうことをより有効に防止し易くなる。よって、ジャイロセンサ素子2の角速度検出精度を更に向上させる観点から、駆動腕21a,21bの幅は振動用圧電素子を形成可能な限り狭くすることが可能であり、検出腕22a,22bの幅は基部20の幅を勘案して可能な限り広くすることが可能である。また、検出腕22a,22bに形成する検出用圧電素子は、検出腕(22a又は22b)の幅を超えない範囲で広くすることがより好ましい。   If comprised in this way, it will suppress that the tuning fork itself vibrates due to the vibration etc. to the X-axis direction of the drive arms 21a and 21b which generate | occur | produce at the time of the detection of Coriolis force propagating to the detection arms 22a and 22b. This makes it easier to effectively prevent the noise signal from being erroneously detected in the detection of the Coriolis force in the detection arms 22a and 22b. Therefore, from the viewpoint of further improving the angular velocity detection accuracy of the gyro sensor element 2, the width of the drive arms 21a and 21b can be made as narrow as possible to form the vibration piezoelectric element, and the width of the detection arms 22a and 22b is Taking the width of the base 20 into consideration, it is possible to make it as wide as possible. Further, it is more preferable that the detection piezoelectric elements formed on the detection arms 22a and 22b be wide as long as they do not exceed the width of the detection arm (22a or 22b).

さらに、駆動腕21a,21bのいわゆる根元部分(基部20との接続部位に近い部分)には、それぞれ、各駆動腕21a,21bの延在方向に対して左右対称に配置された一対の振動用圧電素子26a,26b、及び、一対の振動用圧電素子26c,26dが設けられている。これらの一対の圧電素子26a,26b、及び一対の圧電素子26c,26dは、駆動腕21a,21bのそれぞれを、基部20、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、及び支持腕23a,23bを含む面に沿ってX軸方向に振動させるためのものである。   Further, a so-called root portion of the drive arms 21a and 21b (portion close to the connection portion with the base 20) is a pair of vibrations arranged symmetrically with respect to the extending direction of the drive arms 21a and 21b, respectively. Piezoelectric elements 26a and 26b and a pair of vibrating piezoelectric elements 26c and 26d are provided. The pair of piezoelectric elements 26a and 26b and the pair of piezoelectric elements 26c and 26d are configured so that the drive arms 21a and 21b are respectively connected to the base 20, the drive arms 21a and 21b, the detection arms 22a and 22b, and the support arms 23a and 23b. Is to vibrate in the X-axis direction along the plane including the.

一方、検出腕22a,22bのいわゆる根元部分(基部20との接続部位に近い部分)の一方面(表面)には、それぞれ、検出用圧電素子26e,26gが設けられている。これらの検出用圧電素子26e,26gは、検出腕22a,22bがZ軸方向に振動したときに、その振動を検出するためのものである。また、各検出腕22a,22bの他方面(裏面)において、検出用圧電素子26e,26gに対応する位置に更なる検出用圧電素子26f,26hを設置してもよく、これらの一対の検出用圧電素子26e,26f、及び一対の検出用圧電素子26g,26hを用いて、一つのコリオリ力に起因して発生する振動を検出することにより、角速度の検出感度及び精度を更に一層高めることも可能である。   On the other hand, detection piezoelectric elements 26e and 26g are provided on one surface (surface) of a so-called root portion of the detection arms 22a and 22b (portion close to the connection portion with the base 20), respectively. These detection piezoelectric elements 26e and 26g are for detecting the vibration when the detection arms 22a and 22b vibrate in the Z-axis direction. Further, on the other surface (back surface) of each detection arm 22a, 22b, further detection piezoelectric elements 26f, 26h may be installed at positions corresponding to the detection piezoelectric elements 26e, 26g. It is possible to further increase the detection sensitivity and accuracy of the angular velocity by detecting vibration generated due to one Coriolis force using the piezoelectric elements 26e and 26f and the pair of detection piezoelectric elements 26g and 26h. It is.

図3A及び図3Bは、ジャイロセンサ素子2が動作している状態を模式的に示す斜視図であり、ジャイロセンサ素子2による角速度の検出原理を示す図でもある。図3Aに示すように、ジャイロセンサ素子2は、集積回路素子3からの制御信号により、初期的に、一対の振動用圧電素子26a,26bを逆位相で伸縮させるとともに、振動用圧電素子26c,26dも逆位相で伸縮させることによって、駆動腕21a,21bをX軸方向(図示矢印S1で示す方向)に振動させる。この時、振動用圧電素子26a,26dを同位相かつ同期して伸縮させ、振動用圧電素子26b,26cを同位相かつ同期して伸縮させることにより、駆動腕21a,21bは、同一周期で互いに接近と離隔を繰り返するように振動する。   3A and 3B are perspective views schematically showing a state in which the gyro sensor element 2 is operating, and are also diagrams showing the principle of detection of angular velocity by the gyro sensor element 2. FIG. As shown in FIG. 3A, the gyro sensor element 2 initially expands / contracts the pair of vibration piezoelectric elements 26a and 26b in opposite phases by a control signal from the integrated circuit element 3, and the vibration piezoelectric element 26c, 26d is also expanded and contracted in the opposite phase to vibrate the driving arms 21a and 21b in the X-axis direction (the direction indicated by the arrow S1 in the drawing). At this time, the driving piezoelectric elements 26a and 26d are expanded and contracted in the same phase and synchronously, and the piezoelectric elements 26b and 26c are expanded and contracted in the same phase and synchronously, so that the driving arms 21a and 21b are mutually in the same cycle. Vibrates to repeat approach and separation.

この駆動腕21a,21bの振動中に、ジャイロセンサ装置1が搭載された物体がY軸方向を回転軸とする回転運動を行うと、図3Bに示されるように、駆動腕21a,21bにコリオリ力が作用し、駆動腕21a,21bは、Z軸方向(図示矢印S2で示す方向)に逆位相で検出振動を生じる。そして、駆動腕21a,21bに作用するコリオリ力に起因したその振動が基部20へと伝達されると、基部20に接続されている検出腕22a,22bが、それぞれ、駆動腕21a,21bに対して、Z軸方向において逆向き(図示矢印S3で示す方向)に振動することとなり、これらの検出腕22a,22bにおけるZ軸方向の変位を検出することにより、角速度が検出される。   When the object on which the gyro sensor device 1 is mounted performs a rotational movement with the Y axis direction as the rotation axis during the vibration of the drive arms 21a and 21b, as shown in FIG. 3B, the drive arms 21a and 21b are moved to the Coriolis. A force acts, and the driving arms 21a and 21b generate detection vibrations in the opposite phase in the Z-axis direction (the direction indicated by the arrow S2 in the drawing). When the vibration caused by the Coriolis force acting on the drive arms 21a and 21b is transmitted to the base 20, the detection arms 22a and 22b connected to the base 20 are respectively connected to the drive arms 21a and 21b. Thus, vibrations occur in the opposite direction (the direction indicated by the arrow S3 in the figure) in the Z-axis direction, and the angular velocity is detected by detecting the displacement in the Z-axis direction of these detection arms 22a and 22b.

また、ジャイロセンサ素子2は、先述したとおり、湾曲部24a及び直線部25aと、湾曲部24b及び直線部25bとからなる一対の支持腕23a,23bを有し、それらの支持腕23a,23bによって基部20が左右側方から担持されることにより、ジャイロセンサ装置1における内部空間G2に保持されている(図2参照)。ここで、ジャイロセンサ素子2の耐振性能を高めるためには、支持腕23a,23bの湾曲部24a,24bと基部20との接続位置が、ジャイロセンサ2の振動静止点αを中心として中心線βに対して線対称となる位置であることが好ましい。この構成において、上述したとおり、ジャイロセンサ素子2の検出感度を高めるべく、駆動腕21a,21bの幅に比して検出腕22a,22bの幅を広くする場合、振動静止点αが中心線β上において−Y方向に移動(変位)するので、支持腕23a,23bの湾曲部24a,24bと基部20との接続位置も−Y方向に移動(変位)することが好ましい。   Further, as described above, the gyro sensor element 2 has the pair of support arms 23a and 23b including the curved portion 24a and the straight portion 25a, and the curved portion 24b and the straight portion 25b, and the support arms 23a and 23b Since the base 20 is carried from the left and right sides, it is held in the internal space G2 in the gyro sensor device 1 (see FIG. 2). Here, in order to improve the vibration proof performance of the gyro sensor element 2, the connection position between the curved portions 24 a and 24 b of the support arms 23 a and 23 b and the base portion 20 is centered on the vibration stationary point α of the gyro sensor 2. It is preferable that the position is symmetrical with respect to the axis. In this configuration, as described above, in order to increase the detection sensitivity of the gyro sensor element 2, when the widths of the detection arms 22a and 22b are made larger than the widths of the drive arms 21a and 21b, the vibration rest point α is set to the center line β. Since it moves (displaces) in the -Y direction above, it is preferable that the connection positions of the curved portions 24a, 24b of the support arms 23a, 23b and the base 20 also move (displace) in the -Y direction.

さらに、支持腕23a,23bの湾曲部24a,24bは、基部20との接続部位の近辺では、X軸に沿って基部20から離れる方向に延伸する直線形状をなし、それから、検出腕22a,22bの延在方向に向かって、U字状に所定の曲率で略180度湾曲(屈曲)し、さらにその先で、所定の曲率で再度逆方向に略90度湾曲(屈曲)してから直線部25へと接続される(図2参照)。本発明者の知見によれば、このような湾曲部24a,24bにおいては、ジャイロセンサ素子2が安定した耐振性能を発現するためには、一回目の180度の湾曲と二回目の90度の湾曲の曲率(程度;いわゆる“アール”)が同一又は略同一であることが望ましい。そして、湾曲部24a,24bから延設される直線部25a,25bは、それぞれ、検出腕22a,22bの延在方向と平行、かつ検出腕22a,22bに近接して延在している。このように湾曲部24a,24bを含む支持腕23a,23bの全長は、検出椀22a,22bの全長よりも長くされ、最終的には固定部27に接続される。   Further, the curved portions 24a and 24b of the support arms 23a and 23b have a linear shape extending in the direction away from the base 20 along the X axis in the vicinity of the connection portion with the base 20, and then the detection arms 22a and 22b. In the extending direction, the U-shaped curve is bent (bent) at a predetermined curvature of approximately 180 degrees, and further beyond that, the linear portion is again bent (bent) at a predetermined curvature of approximately 90 degrees in the opposite direction. 25 (see FIG. 2). According to the knowledge of the present inventor, in such bending portions 24a and 24b, in order for the gyro sensor element 2 to exhibit stable vibration resistance, the first bending of 180 degrees and the second bending of 90 degrees. It is desirable that the curvature of curvature (degree; so-called “R”) is the same or substantially the same. The straight portions 25a and 25b extending from the bending portions 24a and 24b are parallel to the extending direction of the detection arms 22a and 22b and extend close to the detection arms 22a and 22b, respectively. Thus, the total length of the support arms 23 a and 23 b including the curved portions 24 a and 24 b is longer than the total length of the detection rods 22 a and 22 b, and is finally connected to the fixed portion 27.

また、ジャイロセンサ素子2における音叉は、一対の支持腕23a,23bによって左右から側面支持されているので、Z軸周りに外部からの衝撃が印加される場合、音叉が板状の基部の底面や上部表面で支持される場合と比較して、音叉自体が回転することが防止される。さらに、支持腕23a,23bが湾曲部24a,24bを有することにより、ジャイロセンサ素子2に外部からZ軸方向(コリオリ力の検出方向)の衝撃が印加された場合でも、ジャイロセンサ素子2を構成する音叉、すなわち基部20、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22bにその外部振動が伝搬されないという「ダンピング効果」を有効に発現させることができる。かかる湾曲部24a,24bを有することによるダンピング効果は、ジャイロセンサ素子2に対してX方向及び/又はY方向の外部衝撃が印加された場合にも有効である。   In addition, since the tuning fork in the gyro sensor element 2 is supported from the left and right by the pair of support arms 23a and 23b, when an external impact is applied around the Z axis, the tuning fork is The tuning fork itself is prevented from rotating compared to the case where it is supported by the upper surface. Further, since the support arms 23a and 23b have the curved portions 24a and 24b, the gyro sensor element 2 is configured even when an external impact in the Z-axis direction (Coriolis force detection direction) is applied to the gyro sensor element 2. The “damping effect” that the external vibration is not propagated to the tuning fork, that is, the base 20, the drive arms 21a and 21b, and the detection arms 22a and 22b can be effectively expressed. The damping effect by having such curved portions 24 a and 24 b is also effective when an external impact in the X direction and / or Y direction is applied to the gyro sensor element 2.

加えて、湾曲部24を有することで支持腕23a,23bの実効長が、そのような支持腕23a,23bを有しない場合に比して長くなり、支持腕23a,23bの共振周波数が有意に低下するので、コリオリ力の検出方向の振動に対してより高い振動減衰効果(音叉の駆動周波数における振動伝達率の低減)を実現することが可能となり、その結果、応力緩和効果が高くなるので、耐衝撃性能も向上される。さらに、支持腕23a,23bが湾曲部24a,24bを有することにより、外部からの振動や衝撃に起因して生じ得るジャイロセンサ素子2本体の歪みエネルギーを優位に低減することができる。これにより、ジャイロセンサ素子2によれば、そのような歪みエネルギーが熱エネルギーに変換されて素子本体の温度が上昇してしまう「温度ドリフト効果」を防ぐこともできる。   In addition, by having the curved portion 24, the effective length of the support arms 23a and 23b becomes longer than when the support arms 23a and 23b are not provided, and the resonance frequency of the support arms 23a and 23b is significantly increased. Since it decreases, it becomes possible to realize a higher vibration damping effect (reduction of vibration transmissibility at the driving frequency of the tuning fork) with respect to the vibration in the detection direction of the Coriolis force, and as a result, the stress relaxation effect becomes higher. Impact resistance is also improved. Furthermore, since the support arms 23a and 23b have the curved portions 24a and 24b, the distortion energy of the gyro sensor element 2 main body that may be generated due to external vibration or impact can be reduced significantly. Thereby, according to the gyro sensor element 2, it is also possible to prevent the “temperature drift effect” in which such strain energy is converted into thermal energy and the temperature of the element body rises.

またさらに、支持腕23a,23bの直線部25a又は25bにZ軸方向の衝撃が印加されたときにジャイロセンサ素子2全体にかかる力のモーメントは、中心線βから支持腕23a,23bの直線部25a,25bまでの距離が短いほど小さくなるので、支持腕23a,23bの直線部25a,25bを、検出腕22a,22bと同一平面内において検出腕22a,22bに近接して延在させることにより、更に優れた耐振・耐衝撃効果が期待できる。このように、例えば、支持腕23の直線部25を検出腕22により近接させるには、本実施形態における湾曲部24a,24bの形状は、U字状であることが最も好ましい。   Furthermore, when a shock in the Z-axis direction is applied to the linear portion 25a or 25b of the support arms 23a and 23b, the moment of force applied to the entire gyro sensor element 2 is from the center line β to the linear portions of the support arms 23a and 23b. Since the distance to 25a, 25b is shorter, the linear portions 25a, 25b of the support arms 23a, 23b extend close to the detection arms 22a, 22b in the same plane as the detection arms 22a, 22b. Furthermore, excellent vibration and shock resistance effects can be expected. Thus, for example, in order to bring the straight portion 25 of the support arm 23 closer to the detection arm 22, the shapes of the curved portions 24a and 24b in the present embodiment are most preferably U-shaped.

さらにまた、支持腕23a,23bが湾曲部24a,24bを有しているので、湾曲部24a,24bの直線形状部分の長さ、及び、湾曲部分の曲率(湾曲の程度)を適宜調整することにより、直線部25a,25bと検出腕22a,22bとが接触しない程度にまで近接するような構成として、設置面積を低減しつつ、ジャイロセンサ素子2全体の機械的な剛性を高めることも可能である。また、支持腕23a,23bの共振周波数をより低下させる観点から、支持腕23a,23bの幅は、支持対象である音叉を安全に支持可能な限り小さく(細く)することが好ましい。さらに、音叉の形状の変化に応じて、耐振・耐衝撃効果を随意高めるために、支持腕23a,23bの幅を部分的に増減させることも可能である。   Furthermore, since the support arms 23a and 23b have the curved portions 24a and 24b, the lengths of the linear portions of the curved portions 24a and 24b and the curvature (degree of bending) of the curved portions are appropriately adjusted. As a result, it is possible to increase the mechanical rigidity of the entire gyro sensor element 2 while reducing the installation area so that the straight portions 25a, 25b and the detection arms 22a, 22b are close to each other. is there. Further, from the viewpoint of further reducing the resonance frequency of the support arms 23a and 23b, the width of the support arms 23a and 23b is preferably made as small (thin) as possible so that the tuning fork that is the support target can be safely supported. Furthermore, the widths of the support arms 23a and 23b can be partially increased or decreased in order to enhance the vibration and shock resistance effects as the shape of the tuning fork changes.

また、支持腕23a,23bが接続される固定部27は、センサ固定部5cの端部に固定されている。ここで、センサ固定部5cを含む支持部5が、例えば、弾性を有する金属ばねのような弾性体からなる場合には、コリオリ力の検出方向(Z軸方向)に適度に撓むことが可能であり、これにより、耐振・耐衝撃性能を更に向上させるとともに、角速度の検出感度を更に一層高めることができる。なお、固定部27は、駆動用及び検出用の圧電素子に対する電力を供給する電源(図示せず)に接続されており、固定部27に設けられた例えば電極パッドから支持腕23a,23b上に配設された配線線等の導体を通じて、駆動腕21a,21b及び検出腕22a,22bに対して電力供給を行うことが可能であるので、この場合、圧電素子用に別途配線を設ける必要が無く、かかる配線と駆動腕21a,21bや検出腕22a,22bとの接触等によって生じ得る振動の誤検出といった不都合を抑止し、ジャイロセンサ素子2の耐久性及び信頼性を向上させることもできる。   The fixing portion 27 to which the support arms 23a and 23b are connected is fixed to the end portion of the sensor fixing portion 5c. Here, when the support part 5 including the sensor fixing part 5c is made of an elastic body such as a metal spring having elasticity, for example, the support part 5 can be appropriately bent in the Coriolis force detection direction (Z-axis direction). As a result, the vibration resistance and shock resistance performance can be further improved, and the angular velocity detection sensitivity can be further increased. The fixing unit 27 is connected to a power source (not shown) that supplies power to the driving and detection piezoelectric elements, and is mounted on the support arms 23a and 23b from, for example, electrode pads provided on the fixing unit 27. Since it is possible to supply power to the drive arms 21a and 21b and the detection arms 22a and 22b through the conductors such as the arranged wiring lines, it is not necessary to provide a separate wiring for the piezoelectric element in this case. Inconveniences such as erroneous detection of vibration that may occur due to contact between the wiring and the driving arms 21a and 21b and the detection arms 22a and 22b can be suppressed, and durability and reliability of the gyro sensor element 2 can be improved.

しかも、ジャイロセンサ素子2は、音叉構造と支持部23及び固定部27が、例えばシリコンで一体形成されるものであるので、煩雑な組立工程を経ることなく、ジャイロセンサ素子2における各接続部位は当然ながら極めて高精度で取り付けられ(加工され)、かつ、ジャイロセンサ素子2の剛性を十分に高めることが可能であるので、ジャイロセンサ2の耐振・耐衝撃性能を更に飛躍的に大きく向上させることができる。   Moreover, since the tuning fork structure, the support portion 23, and the fixing portion 27 of the gyro sensor element 2 are integrally formed of, for example, silicon, each connection site in the gyro sensor element 2 is not required to go through a complicated assembly process. Naturally, the gyro sensor element 2 can be mounted (processed) with extremely high precision and the rigidity of the gyro sensor element 2 can be sufficiently increased, so that the vibration resistance and shock resistance performance of the gyro sensor 2 can be greatly improved greatly. Can do.

<第2実施形態>
図4は、本発明による圧電振動デバイスの第2実施形態に係るジャイロセンサ素子30の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ素子30は、固定部27に代えて、図示下側の固定辺272a、同右側の固定辺272b、同上側の固定辺272c、及び同左側の固定辺272dを有する長方形(矩形)状の枠体である固定部272を備え、基部20、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、及び支持腕23a,23bの全てが同一平面内において、その固定部272で取り囲まれた構造を有すること以外は、前述したジャイロセンサ素子2と同様に構成されたものである。よって、図4においては、ジャイロセンサ素子2と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する(図5〜図8において同様とする。)。
Second Embodiment
FIG. 4 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of the gyro sensor element 30 according to the second embodiment of the piezoelectric vibrating device according to the present invention. The gyro sensor element 30 has a rectangular (rectangular) shape having a fixed side 272a on the lower side, a fixed side 272b on the right side, a fixed side 272c on the same side, and a fixed side 272d on the left side instead of the fixed part 27. A fixed portion 272 that is a frame body is provided, and the base portion 20, the drive arms 21a and 21b, the detection arms 22a and 22b, and the support arms 23a and 23b are all surrounded by the fixed portion 272 in the same plane. Except for this, the configuration is the same as that of the gyro sensor element 2 described above. Therefore, in FIG. 4, the same reference numerals are given to members common to the gyro sensor element 2, and the description thereof will be omitted here in order to avoid redundant description (the same applies to FIGS. 5 to 8). .)

このジャイロセンサ素子30は、第1実施形態と同様に、共通の材料(例えばシリコン)からなり、一般的なウェハ(シリコンウェハ等)のパターニング加工によって一括形成することで可能である。ここで、固定部272は、支持腕23a,23bを保持すると同時に、内部の基部20、駆動腕21a,21b、検出腕22a,22b、及び支持腕2323a,23b等を四方向から保護することにより、外部からの振動や衝撃に対する耐性を高める効果を奏するものである。   As in the first embodiment, the gyro sensor element 30 is made of a common material (for example, silicon), and can be formed in a lump by patterning a general wafer (silicon wafer or the like). Here, the fixing portion 272 holds the support arms 23a and 23b, and at the same time, protects the internal base portion 20, the drive arms 21a and 21b, the detection arms 22a and 22b, the support arms 2323a and 23b, and the like from four directions. It has the effect of increasing the resistance to external vibrations and impacts.

なお、センサ保持部5cの端部に固定されるべき固定部272の部位は、ジャイロセンサ素子2における固定部27に対応する固定辺272aに限定されず、図示右側の固定辺272b、同上側の固定辺272c、同左側の固定辺272dの何れであってもよい。特に、ケース4の形状を所望の形に変更することを目的として、固定辺272b及び272dをセンサ保持部5cに固定接続するようにしてもよい。   The portion of the fixing portion 272 to be fixed to the end portion of the sensor holding portion 5c is not limited to the fixing side 272a corresponding to the fixing portion 27 in the gyro sensor element 2, but the fixing side 272b on the right side of the figure, Either the fixed side 272c or the fixed side 272d on the left side may be used. In particular, the fixed sides 272b and 272d may be fixedly connected to the sensor holding portion 5c for the purpose of changing the shape of the case 4 to a desired shape.

<第3実施形態>
図5は、本発明による圧電振動デバイスの第3実施形態に係るジャイロセンサ素子40の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ素子40は、湾曲部24a,24bを有する支持腕23a,23bに代えて、2つの湾曲を有する(二重)湾曲部243a,243bを備えること以外は、前述したジャイロセンサ素子2と同様に構成されたものである。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of the gyro sensor element 40 according to the third embodiment of the piezoelectric vibrating device according to the present invention. The gyro sensor element 40 is the same as the gyro sensor element 2 described above except that the support arms 23a and 23b having the curved portions 24a and 24b are replaced with (double) curved portions 243a and 243b having two curved portions. It is composed of.

ジャイロセンサ素子40の湾曲部243a,243bは、基部20との接続部位の近辺では、X軸に沿って基部20から離れる方向に延伸する直線形状をなし、それから、検出腕(図示しないが検出腕22a,22bと同様)の延在方向に向かって、所定の曲率で略180度湾曲(屈曲)し、それから、逆方向に略180度湾曲し、さらに、逆方向(一回目の湾曲と同方向)に略180度湾曲し、またさらに、再度逆方向(二回目の湾曲と同方向)に略90度湾曲してから直線部253へと接続され、支持腕233a,233bは、固定部273へと接続されている。このとき、より安定した耐振性能を発現するためには、一回目〜四回目の湾曲の曲率が同一又は略同一であることが望ましい。   The curved portions 243a and 243b of the gyro sensor element 40 have a linear shape extending in the direction away from the base 20 along the X axis in the vicinity of the connection portion with the base 20, and then a detection arm (not shown) (Same as 22a, 22b) is bent (bent) approximately 180 degrees with a predetermined curvature, and then is bent approximately 180 degrees in the opposite direction, and further in the opposite direction (the same direction as the first curve). ) And is further bent approximately 90 degrees in the opposite direction (the same direction as the second curve) and then connected to the straight portion 253, and the support arms 233 a and 233 b are connected to the fixing portion 273. Connected with. At this time, in order to express more stable vibration resistance performance, it is desirable that the curvatures of the first to fourth curves are the same or substantially the same.

このように構成されたジャイロセンサ素子40も、第1実施形態と同様に、共通の材料のパターニング加工によって一括形成することが可能である。また、二重の湾曲部243a,243bを有することにより、ジャイロセンサ素子40によれば、外部からZ軸方向(コリオリ力の検出方向)の振動が印加された場合に、更に高いダンピング効果を得ることができる。また、二重の湾曲部243a,23bを有することにより、支持腕233a,233bの実効長がより一層長くなるので、支持腕233a,233bの共振周波数を更に低下させることにより、コリオリ力の検出方向の振動に対してより高い減衰効果を得ることが可能となり、これにより、応力緩和効果が更に高まって耐衝撃性能を一層向上させることができ、しかも、「温度ドリフト効果」をも更に低減させることが可能である。   Similarly to the first embodiment, the gyro sensor element 40 configured as described above can be collectively formed by patterning a common material. Further, by having the double curved portions 243a and 243b, the gyro sensor element 40 obtains a higher damping effect when external vibration in the Z-axis direction (Coriolis force detection direction) is applied. be able to. Further, since the effective lengths of the support arms 233a and 233b are further increased by having the double curved portions 243a and 23b, the Coriolis force detection direction is further reduced by further reducing the resonance frequency of the support arms 233a and 233b. It is possible to obtain a higher damping effect against the vibration of the material, thereby further enhancing the stress relaxation effect and further improving the impact resistance performance, and further reducing the “temperature drift effect”. Is possible.

また、二重の湾曲部243a,243bを有することにより、検出腕(検出腕22a,22bと同様)に近接する支持腕233a,233bの直線部253a,253bの長さが第1実施形態に比して短くなるが、湾曲部243a,243bにおける湾曲の回数及び直線部253a,253bの長さの組み合わせは、音叉の形状や質量等の条件を勘案して、最良の耐振・耐衝撃性能が得られるように予めコンピュータシミュレーション等による構造計算によって適宜選択することができる。また、上述したように、本実施形態のジャイロセンサ素子40もウェハのパターニング加工による一括形成で製造することが可能であるので、十分に高い生産性をもって簡便に製造することができる。   Further, since the double curved portions 243a and 243b are provided, the lengths of the straight portions 253a and 253b of the support arms 233a and 233b adjacent to the detection arms (similar to the detection arms 22a and 22b) are different from those of the first embodiment. However, the combination of the number of times of bending at the bending portions 243a and 243b and the length of the straight portions 253a and 253b gives the best vibration and shock resistance performance in consideration of conditions such as the shape and mass of the tuning fork. It can be appropriately selected by structural calculation by computer simulation or the like in advance. Further, as described above, the gyro sensor element 40 of the present embodiment can also be manufactured by batch formation by patterning a wafer, so that it can be easily manufactured with sufficiently high productivity.

<第4実施形態>
図6は、本発明による圧電振動デバイスの第4実施形態に係るジャイロセンサ50の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ50は、支持腕23a,23bに代えて、別体の固定部274a,274bに接続された支持腕234a,234bを備えること以外は、前述したジャイロセンサ素子2と同様に構成されたものである。
<Fourth embodiment>
FIG. 6 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of the gyro sensor 50 according to the fourth embodiment of the piezoelectric vibrating device according to the present invention. The gyro sensor 50 is configured in the same manner as the gyro sensor element 2 except that the gyro sensor 50 includes support arms 234a and 234b connected to separate fixing portions 274a and 274b instead of the support arms 23a and 23b. It is.

ジャイロセンサ素子50における支持腕234a,234bと別体の固定部274a,274bの組み合わせは、ジャイロセンサ装置1の設計の自由度を更に向上させるものである。ジャイロセンサ素子50は、例えば、所望の設置場所の形状に合わせてケース4の形状を変更するために、ケース4の内部空間におけるセンサ保持部5cの位置及び形状に変更が生じる場合であっても、例えば、一方の支持腕234aの湾曲部及び直線部等を調整することにより対応可能であり、両方の支持腕234a,234bのそれぞれの湾曲部及び直線部等を適宜調整してもよい。そのような支持腕の形状の調整は、音叉の形状や質量等の条件を勘案して、最良の耐振・耐衝撃性能が得られるように予めコンピュータシミュレーション等による構造計算によって適宜選択することができる。また、上述したように、本実施形態のジャイロセンサ素子50もウェハのパターニング加工による一括形成で製造することが可能であるので、十分に高い生産性をもって簡便に製造することができる。   The combination of the support arms 234a and 234b and the separate fixing portions 274a and 274b in the gyro sensor element 50 further improves the design freedom of the gyro sensor device 1. For example, the gyro sensor element 50 may change the position and shape of the sensor holding portion 5c in the internal space of the case 4 in order to change the shape of the case 4 according to the shape of a desired installation location. For example, this can be dealt with by adjusting the curved portion and the straight portion of one of the support arms 234a, and the respective curved portions and straight portions of both the support arms 234a and 234b may be appropriately adjusted. Such adjustment of the shape of the support arm can be appropriately selected by structural calculation by computer simulation or the like in advance so as to obtain the best vibration and shock resistance performance in consideration of conditions such as the shape and mass of the tuning fork. . Further, as described above, the gyro sensor element 50 of this embodiment can also be manufactured by batch formation by wafer patterning, and can be easily manufactured with sufficiently high productivity.

<第5実施形態>
図7は、本発明による圧電振動デバイスの第5実施形態に係るジャイロセンサ60の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ60は、ジャイロセンサ素子2の検出腕22a,22b(図示せず)側に設けられた支持腕235a,235bに加えて、同駆動腕21a,21b(図示せず)側にも支持腕235c,235dが設けられており、それぞれ、固定部275a,275bへと接続されていること以外は、ジャイロセンサ素子2と同様に構成されたものである。
<Fifth Embodiment>
FIG. 7 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of a gyro sensor 60 according to a fifth embodiment of the piezoelectric vibrating device according to the present invention. In addition to the support arms 235a and 235b provided on the detection arms 22a and 22b (not shown) side of the gyro sensor element 2, the gyro sensor 60 also supports the drive arms 21a and 21b (not shown). 235c and 235d are provided and are configured in the same manner as the gyro sensor element 2 except that they are connected to the fixing portions 275a and 275b, respectively.

かかる構成を有するジャイロセンサ60によれば、音叉を側面で支持腕235a,235b,235c,235dと接続し、かつ、湾曲後に、図示において上下両方向から支持腕235a,235b,235c,235dを固定することにより、音叉に生じるZ軸方向の傾きやずれを防止することができる。なお、駆動腕(図示しないが駆動腕21a,21bと同様)は圧電素子によって横方向(X軸方向)に振動するため、支持腕235c,235dの直線部255c,255dと接触する可能性がある場合には、湾曲部245c,245dの湾曲の程度等を適宜調整するようにすればよい。   According to the gyro sensor 60 having such a configuration, the tuning fork is connected to the support arms 235a, 235b, 235c, and 235d on the side surface, and after bending, the support arms 235a, 235b, 235c, and 235d are fixed from both the upper and lower directions in the drawing. As a result, it is possible to prevent a tilt or deviation in the Z-axis direction that occurs in the tuning fork. Note that the drive arm (not shown but similar to the drive arms 21a and 21b) vibrates in the lateral direction (X-axis direction) by the piezoelectric element, and thus may come into contact with the linear portions 255c and 255d of the support arms 235c and 235d. In such a case, the degree of bending of the bending portions 245c and 245d may be adjusted as appropriate.

<第6実施形態>
図8は、本発明による圧電振動デバイスの第6実施形態に係るジャイロセンサ70の構成の一例を示す平面図(上面図)である。ジャイロセンサ70は、基部20から延在する支持腕236a,236bが、湾曲によって検出腕(図示しないが検出腕22a,22bと同様)の延在方向と平行な向き(Y軸方向)に延伸することなく、それぞれ、基部20の左右方向(X軸方向)に延伸し、かつ、別体の固定部276a,276bと接続されていること以外は、ジャイロセンサ素子2と同様に構成されたものである。
<Sixth Embodiment>
FIG. 8 is a plan view (top view) showing an example of the configuration of the gyro sensor 70 according to the sixth embodiment of the piezoelectric vibrating device according to the present invention. In the gyro sensor 70, the support arms 236a and 236b extending from the base 20 extend in a direction (Y-axis direction) parallel to the extending direction of the detection arms (not shown but similar to the detection arms 22a and 22b) by bending. Without extending the base portion 20 in the left-right direction (X-axis direction) and being connected to separate fixing portions 276a and 276b, respectively. is there.

かかるジャイロセンサ60の構成は、ジャイロセンサ用途のみならず、圧電素子を利用する超音波センサ等に用いても特に有効である。ここで、図9は、ジャイロセンサ60の構成を適用することができる超音波センサ素子の構成の一例を概略的に示す断面図である。図9に示すように、超音波センサ6は、超音波による薄膜160の振動を圧電素子161(例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を一対のPtで挟んだ積層構造の素子)によって電気的に検出するものであり、角速度を測定するジャイロセンサ素子2のような複数の駆動腕21a,21b及び検出腕22a,22bを必要としないため、ジャイロセンサ素子2等に比して簡便な構成を有し、小型軽量化が可能であり、かつ、設置自由度も更に増す。   Such a configuration of the gyro sensor 60 is particularly effective when used not only for a gyro sensor but also for an ultrasonic sensor using a piezoelectric element. Here, FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of an ultrasonic sensor element to which the configuration of the gyro sensor 60 can be applied. As shown in FIG. 9, the ultrasonic sensor 6 electrically causes vibration of the thin film 160 due to ultrasonic waves by a piezoelectric element 161 (for example, an element having a laminated structure in which lead zirconate titanate (PZT) is sandwiched between a pair of Pt). It is a detection device and does not require a plurality of drive arms 21a, 21b and detection arms 22a, 22b unlike the gyro sensor element 2 for measuring the angular velocity, and therefore has a simpler configuration than the gyro sensor element 2 or the like. In addition, the size and weight can be reduced, and the degree of freedom of installation is further increased.

また、図10は、ジャイロセンサ素子2及び超音波センサ6に対する耐振・耐衝撃効果を更に高めるべく、4本の支持腕237a,237b,237c,237dを、それぞれ、固定部277a,277b,277c,277dに接続してなる、第6実施形態の変形例の構成を示す平面図である。本変形例では、特に軽量な超音波センサ素子6を用いる場合、4本の支持腕237a,237b,237c,237dによってセンサ素子を保持することにより、支持腕237a,237b,237c,237dの直線部が極めて短くても、湾曲部が存在することのみで十分な耐振・耐衝撃効果を得ることが可能であるので、支持腕237a,237b,237c,237dを含む超音波センサ装置のパッケージをより小型化することが可能である。   FIG. 10 also shows that the four support arms 237a, 237b, 237c, and 237d are fixed to the fixing portions 277a, 277b, 277c, and 237d, respectively, in order to further improve the vibration and shock resistance effects on the gyro sensor element 2 and the ultrasonic sensor 6. It is a top view which shows the structure of the modification of 6th Embodiment formed by connecting to 277d. In this modification, when the light-weight ultrasonic sensor element 6 is used, the linear portions of the support arms 237a, 237b, 237c, and 237d are held by holding the sensor elements by the four support arms 237a, 237b, 237c, and 237d. Even if it is extremely short, it is possible to obtain a sufficient vibration and impact resistance effect only by the presence of the curved portion. Therefore, the package of the ultrasonic sensor device including the support arms 237a, 237b, 237c, and 237d can be made smaller. It is possible to

なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、先に適宜述べたとおり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更(例えば、各実施形態の内容の適宜な組み合わせ等)が可能である。   The present invention is not limited to each of the above-described embodiments. As described above, various modifications (for example, appropriate contents of each embodiment are possible without departing from the spirit of the present invention). Combination) is possible.

1…ジャイロセンサ装置(圧電振動デバイス)、2,30,40,50,60,70…ジャイロセンサ素子(圧電振動デバイス)、3…集積回路素子、4…ケース、5…保持部、5a…ベース部、5b…傾斜部、5c…センサ固定部、6…超音波センサ(圧電振動デバイス)、20…基部、21,213,214,215,216,217…駆動腕、22,223,224,225,226,227…検出腕、23,233,234,235,236,237…支持腕、24,243,244,245,246,247…湾曲部、25,253,254,255,256,257…直線部、26…圧電素子、27,272,273,274,275,276,277…固定部、160…薄膜、161…圧電素子、41,42…窪み、43…集積回路素子支持表面、44…保持部支持表面、G1,G2…内部空間、α…振動静止点、β…中心軸、(各部材の符号においては、説明の都合上、必要に応じて、添字の「a」、「b」等を適宜割愛した。)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gyro sensor apparatus (piezoelectric vibration device), 2, 30, 40, 50, 60, 70 ... Gyro sensor element (piezoelectric vibration device), 3 ... Integrated circuit element, 4 ... Case, 5 ... Holding part, 5a ... Base Part, 5b ... inclined part, 5c ... sensor fixing part, 6 ... ultrasonic sensor (piezoelectric vibration device), 20 ... base part, 21, 213, 214, 215, 216, 217 ... drive arm, 22, 223, 224, 225 , 226, 227 ... detection arm, 23, 233, 234, 235, 236, 237 ... support arm, 24, 243, 244, 245, 246, 247 ... curved portion, 25, 253, 254, 255, 256, 257 ... Linear part, 26 ... Piezoelectric element, 27, 272, 273, 274, 275, 276, 277 ... Fixed part, 160 ... Thin film, 161 ... Piezoelectric element, 41, 42 ... Depression, 43 ... Collection Circuit element support surface, 44 ... holding part support surface, G1, G2 ... internal space, α ... vibration stationary point, β ... central axis, (in the reference numerals of each member, subscripts are added as necessary for convenience of explanation) “A”, “b”, etc. were omitted as appropriate).

Claims (8)

半導体基板上に圧電素子を含むセンサ部と、
前記センサ部を保持する固定部と、
湾曲部を含み、かつ、該湾曲部を介して前記センサ部と前記固定部とを接続する支持腕部と、
を有する圧電振動デバイス。
A sensor unit including a piezoelectric element on a semiconductor substrate;
A fixing part for holding the sensor part;
A support arm part including a bending part and connecting the sensor part and the fixing part via the bending part;
A piezoelectric vibration device having:
前記センサ部は、駆動腕と検出腕とからなる振動腕と、該振動腕を支持しかつ前記支持腕部が接続された基部を有する、
請求項1に記載の圧電振動デバイス。
The sensor unit includes a vibrating arm including a driving arm and a detection arm, and a base that supports the vibrating arm and is connected to the supporting arm unit.
The piezoelectric vibration device according to claim 1.
前記支持腕部は、前記湾曲部がない場合に比して共振周波数が低下するように形成されたものである、
請求項1又は2に記載の圧電振動デバイス。
The support arm portion is formed so that the resonance frequency is reduced as compared with the case where the bending portion is not provided.
The piezoelectric vibration device according to claim 1 or 2.
前記支持腕部は、湾曲部と直線部とを有する、
請求項1乃至3の何れかに記載の圧電振動デバイス。
The support arm portion has a curved portion and a straight portion.
The piezoelectric vibration device according to claim 1.
前記支持腕部は、前記湾曲部が複数連設された部分を有する、
請求項1乃至4の何れかに記載の圧電振動デバイス。
The support arm portion has a portion in which a plurality of the curved portions are continuously provided.
The piezoelectric vibration device according to claim 1.
前記固定部は、前記センサ部の少なくとも一部を取り囲む、
請求項1乃至5の何れかに記載の圧電振動デバイス。
The fixing portion surrounds at least a part of the sensor portion;
The piezoelectric vibration device according to claim 1.
前記支持腕部の前記直線部が、前記センサ部の前記振動腕に沿って延在する、
請求項2乃至6の何れかに記載の圧電振動デバイス。
The linear portion of the support arm portion extends along the vibrating arm of the sensor portion;
The piezoelectric vibration device according to claim 2.
前記駆動腕及び前記検出腕は、前記基部を挟んで互いに逆方向に延在する、
請求項2乃至7の何れかに記載の圧電振動デバイス。
The drive arm and the detection arm extend in opposite directions with the base interposed therebetween,
The piezoelectric vibration device according to claim 2.
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