JP2013125882A - Coupling element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電効果及び電磁誘導を用いたカップリング素子に関する。 The present invention relates to a coupling element using a piezoelectric effect and electromagnetic induction.
磁気、圧電素子、光または静電容量を用いて、エネルギを伝達するカップリング素子が知られている（特許文献１参照）。このようなカップリング素子は、従来、エネルギ伝達効率が低く、消費電力が大きかった。カップリング素子は、エネルギ変換効率と絶縁性能との間に、トレードオフの関係を有しており、二次側に接続する素子に、十分な電圧、電流を与えることが難しい。 A coupling element that transmits energy using magnetism, a piezoelectric element, light, or capacitance is known (see Patent Document 1). Conventionally, such a coupling element has low energy transmission efficiency and high power consumption. The coupling element has a trade-off relationship between energy conversion efficiency and insulation performance, and it is difficult to give sufficient voltage and current to the element connected to the secondary side.
本発明は、上記問題点を鑑み、低消費電力、高効率で、高絶縁性を有するカップリング素子を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a coupling element having low power consumption, high efficiency, and high insulation.
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、基板と、前記基板に対して垂直方向に振動可能に、前記基板に支持された振動部と、前記振動部に設けられ、入力信号に応じた逆圧電効果により駆動し、前記振動部を振動させる駆動部と、前記基板に対して垂直方向に、前記振動部の上方に設けられた磁石部と、前記磁石部と対向するように前記振動部に設けられ、前記磁石部の磁束に応じた電磁誘導により出力信号を出力するコイル部とを備えるカップリング素子であることを要旨とする。 To achieve the above object, according to a first aspect of the present invention, there is provided a substrate, a vibration unit supported by the substrate, capable of vibrating in a direction perpendicular to the substrate, and the vibration unit. A drive unit that is driven by an inverse piezoelectric effect according to a signal to vibrate the vibration unit, a magnet unit provided above the vibration unit in a direction perpendicular to the substrate, and to face the magnet unit And a coil part that outputs an output signal by electromagnetic induction according to the magnetic flux of the magnet part.
また、本発明の第１の態様に係るカップリング素子においては、前記磁石部は、前記コイル部の中心に向かって細くなるように形成されることができる。 Moreover, in the coupling element which concerns on the 1st aspect of this invention, the said magnet part can be formed so that it may become thin toward the center of the said coil part.
また、本発明の第１の態様に係るカップリング素子においては、前記磁石部は、永久磁石と、前記永久磁石の先端に接合された磁性体とから構成され、前記磁性体は、前記コイル部の中心に向かって細くなるように形成されることができる。 Further, in the coupling element according to the first aspect of the present invention, the magnet part is composed of a permanent magnet and a magnetic body joined to a tip of the permanent magnet, and the magnetic body is the coil part. It can be formed so as to become thinner toward the center.
また、本発明の第１の態様に係るカップリング素子においては、前記コイル部は、重畳して設けられた２つのコイルからなることができる。 Moreover, in the coupling element which concerns on the 1st aspect of this invention, the said coil part can consist of two coils provided in piles.
また、本発明の第１の態様に係るカップリング素子においては、前記コイル部は、複数設けられ、前記複数のコイル部がそれぞれ出力信号を出力することができる。 Moreover, in the coupling element which concerns on the 1st aspect of this invention, the said coil part is provided with two or more, Each of these coil parts can output an output signal.
また、本発明の第１の態様に係るカップリング素子においては、前記コイル部は、複数設けられ、前記複数のコイル部のいずれかが、前記磁石部の磁場に応じたローレンツ力により、前記振動部の振動を制御することができる。 Further, in the coupling element according to the first aspect of the present invention, a plurality of the coil portions are provided, and any of the plurality of coil portions is subjected to the vibration by a Lorentz force according to the magnetic field of the magnet portion. The vibration of the part can be controlled.
本発明によれば、低消費電力、高効率で、高絶縁性を有するカップリング素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a coupling element having low power consumption, high efficiency, and high insulation.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、断面図と平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the cross-sectional view and the planar dimensions, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiment described below exemplifies an apparatus and a method for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, The layout is not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope described in the claims.
（カップリング素子）
本発明の実施の形態に係るカップリング素子は、図１、図２に示すように、回路基板１と、振動可能に回路基板１に支持される振動部１５と、振動部１５に設けられたコイル部１１と、駆動部１２と、コイル部１１に対向して設けられた磁石部２とを備える。
(Coupling element)
As shown in FIGS. 1 and 2, the coupling element according to the embodiment of the present invention is provided in the circuit board 1, the vibration part 15 that is supported by the circuit board 1 so as to be able to vibrate, and the vibration part 15. The coil part 11, the drive part 12, and the magnet part 2 provided facing the coil part 11 are provided.
回路基板１は、例えば矩形平板状である。振動部１５は、回路基板１に対して垂直方向に振動可能に回路基板１に支持される。振動部１５は、例えば、回路基板１に、回路基板１の上面から下面に貫通する、平面視Ｕ字型の孔部が形成されることにより、回路基板１に対して片持ち梁構造となっている。振動部１５は、例えば矩形平板状であり、回路基板１よりも厚さが薄く形成されている。 The circuit board 1 has, for example, a rectangular flat plate shape. The vibration part 15 is supported by the circuit board 1 so as to be able to vibrate in a direction perpendicular to the circuit board 1. The vibration part 15 has a cantilever structure with respect to the circuit board 1 by forming, for example, a U-shaped hole in plan view that penetrates the circuit board 1 from the upper surface to the lower surface of the circuit board 1. ing. The vibration part 15 is, for example, a rectangular flat plate, and is thinner than the circuit board 1.
駆動部１２は、振動部１５に設けられ、入力信号に応じた逆圧電効果により駆動し、振動部１５を振動させる。駆動部１２は、振動部１５の、回路基板１に支持される一端側に設けられ、コイル部１１は、他端側に設けられる。コイル部１１は、振動部１５がなす平面上に、二次元的に周回されている。コイル部１１は、磁石部２と対向するように振動部１５に設けられ、磁石部２の磁束に応じた電磁誘導により出力信号を出力する。 The drive unit 12 is provided in the vibration unit 15 and is driven by an inverse piezoelectric effect corresponding to an input signal to vibrate the vibration unit 15. The drive unit 12 is provided on one end side of the vibration unit 15 supported by the circuit board 1, and the coil unit 11 is provided on the other end side. The coil unit 11 is two-dimensionally wound on a plane formed by the vibration unit 15. The coil unit 11 is provided in the vibration unit 15 so as to face the magnet unit 2, and outputs an output signal by electromagnetic induction according to the magnetic flux of the magnet unit 2.
磁石部２は、磁極を結ぶ線が回路基板１に対する垂線に沿うように、振動部１５の上方に設けられている。磁石部２は、例えば、磁極をコイル部１１に対して垂直に設けられた永久磁石２１と、永久磁石２１のコイル部１１側に接合され、強磁性体からなる磁性体２２とから構成される。 The magnet unit 2 is provided above the vibrating unit 15 so that a line connecting the magnetic poles is along a perpendicular to the circuit board 1. The magnet unit 2 includes, for example, a permanent magnet 21 whose magnetic poles are provided perpendicular to the coil unit 11 and a magnetic body 22 that is joined to the coil unit 11 side of the permanent magnet 21 and is made of a ferromagnetic material. .
磁石部２は、コイル部１１に向かって垂直に配置されていることにより、コイル部１１を通過する磁束の磁束密度が大きい。磁石部２の、コイル部１１側の端部は、コイル部１１の中心に向かって細くなるように形成されており、コイル部１１を通過する磁束密度がより大きくなっている。 Since the magnet part 2 is arranged vertically toward the coil part 11, the magnetic flux density of the magnetic flux passing through the coil part 11 is large. The end of the magnet unit 2 on the coil unit 11 side is formed so as to become thinner toward the center of the coil unit 11, and the magnetic flux density passing through the coil unit 11 is larger.
図２（ｂ）に示すように、回路基板１及び振動部１５は、例えば単結晶シリコン等からなる支持基板１０１と、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）等からなる誘電体膜１０２とからなる。コイル部１１及び駆動部１２は、誘電体膜１０２の内部に形成されている。支持基板１０１として、半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術において、一般的な材料である単結晶シリコンを使用することで、異方性エッチングによる高精度な微細加工が実施できる。また、誘電体膜１０２として、フェライト含有誘電体、フェライト含有樹脂等、高透磁率材料を採用してもよい。振動部１５を被覆する材料として，透磁率の高い材料を使用することで，振動部１５の上方に位置する磁石部２からの磁場を効率よくコイルへ導くことができる。 As shown in FIG. 2B, the circuit substrate 1 and the vibration part 15 are composed of a support substrate 101 made of, for example, single crystal silicon, and a dielectric made of a silicon oxide film (SiO 2 ), a silicon nitride film (SiN), or the like. A film 102. The coil unit 11 and the drive unit 12 are formed inside the dielectric film 102. As the support substrate 101, in the micro electro mechanical system (MEMS) technology developed from the semiconductor manufacturing technology, single crystal silicon which is a general material can be used, so that highly accurate micro processing by anisotropic etching can be performed. . Further, as the dielectric film 102, a high magnetic permeability material such as a ferrite-containing dielectric or a ferrite-containing resin may be employed. By using a material having a high magnetic permeability as the material for covering the vibration part 15, the magnetic field from the magnet part 2 located above the vibration part 15 can be efficiently guided to the coil.
図３に示すように、駆動部１２は、電極層１２１と、電極層１２１の上面に積層された圧電体層１２２と、圧電体層１２２の上面に積層された電極層１２３とを備える。電極層１２１，１２３は、それぞれ誘電体膜１０２から外部に露出した２つの電極パッド１４と接続される。２つの電極パッド１４及び電極層１２１，１２３を介して信号を印加され、圧電体層１２２が変位することにより、振動部１５は、コイル部１１に対して垂直方向に振動する。 As shown in FIG. 3, the drive unit 12 includes an electrode layer 121, a piezoelectric layer 122 stacked on the upper surface of the electrode layer 121, and an electrode layer 123 stacked on the upper surface of the piezoelectric layer 122. The electrode layers 121 and 123 are connected to the two electrode pads 14 exposed from the dielectric film 102 to the outside. When a signal is applied through the two electrode pads 14 and the electrode layers 121 and 123 and the piezoelectric layer 122 is displaced, the vibration unit 15 vibrates in a direction perpendicular to the coil unit 11.
振動部１５が振動すると、コイル部１１を通る磁石部２の磁束が変動して、コイル部１１の両端にそれぞれ接続される２つの端子である電極パッド１３の間に電圧が生じる。電極パッド１３間に生じた二次電圧の位相を検出し、電極パッド１４に入力する電圧に対してフィードバック制御することにより、振動部１５の振動を、振動部１５の機械的強度の共振周波数で行うことができる。 When the vibration part 15 vibrates, the magnetic flux of the magnet part 2 passing through the coil part 11 fluctuates, and a voltage is generated between the electrode pads 13 that are two terminals respectively connected to both ends of the coil part 11. By detecting the phase of the secondary voltage generated between the electrode pads 13 and performing feedback control with respect to the voltage input to the electrode pad 14, the vibration of the vibration unit 15 is caused at the resonance frequency of the mechanical strength of the vibration unit 15. It can be carried out.
振動部１５が共振周波数で振動することにより、コイル部１１が効率よく変位し、磁石部２の磁束との電磁誘導により、コイル部１１の両端に誘導起電力を発生させ、高効率にエネルギを伝達することができる。また、磁石部２の先端部が、コイル部１１に向かって細くなるように形成されていることにより、コイル部１１を通る磁束の磁束密度をより大きくすることができる。 When the vibration part 15 vibrates at the resonance frequency, the coil part 11 is efficiently displaced, and an induced electromotive force is generated at both ends of the coil part 11 by electromagnetic induction with the magnetic flux of the magnet part 2, and energy is efficiently generated. Can communicate. Further, since the tip of the magnet part 2 is formed so as to become narrower toward the coil part 11, the magnetic flux density of the magnetic flux passing through the coil part 11 can be further increased.
回路基板１は、振動部１５の形成、コイル部１１や電極パッド１３，１４の形成及び駆動部１２の形成プロセスを、ＭＥＭＳ技術により一貫して行うことができる。また、μｍオーダでの加工ができるため、微小な力で大きな変位する振動部１５の形成が可能である。 The circuit board 1 can perform the formation process of the vibration part 15, the formation of the coil part 11 and the electrode pads 13 and 14, and the formation process of the drive part 12 consistently by the MEMS technology. In addition, since processing can be performed in the order of μm, it is possible to form the vibrating portion 15 that is displaced greatly by a minute force.
図４に示すように、磁石部２として、磁極の先端が細く形成された永久磁石２１ａ〜２１ｈを用いてもよい。図４（ａ）に示す永久磁石２１ａは錐体、図４（ｂ）に示す永久磁石２１ｂは截頭錐体である。図４（ｃ）に示す永久磁石２１ｃは半球、図４（ｄ）に示す永久磁石２１ｄは截頭半球である。図４（ｅ）に示す永久磁石２１ｅは半扁球、図４（ｆ）に示す永久磁石２１ｆは截頭半扁球である。図４（ｇ）に示す永久磁石２１ｇは階段状に先端が細くなるように形成されている。図４（ｈ）に示す永久磁石２１ｈは、先端の一部が截頭錐体となっている。 As shown in FIG. 4, permanent magnets 21 a to 21 h in which the tips of the magnetic poles are formed thin may be used as the magnet unit 2. The permanent magnet 21a shown in FIG. 4A is a cone, and the permanent magnet 21b shown in FIG. 4B is a truncated cone. The permanent magnet 21c shown in FIG. 4C is a hemisphere, and the permanent magnet 21d shown in FIG. 4D is a truncated hemisphere. The permanent magnet 21e shown in FIG. 4 (e) is a semi-flat ball, and the permanent magnet 21f shown in FIG. 4 (f) is a truncated semi-flat ball. The permanent magnet 21g shown in FIG. 4 (g) is formed in a stepped shape so that the tip is thin. In the permanent magnet 21h shown in FIG. 4 (h), a part of the tip is a truncated cone.
図５に示すように、磁石部２として、永久磁石２１と、永久磁石２１に接合され、先端側が細く形成された磁性体２２ａ〜２２ｈとを用いてもよい。図５（ａ）に示す磁性体２２ａは錐体、図５（ｂ）に示す磁性体２２ｂは截頭錐体である。図５（ｃ）に示す磁性体２２ｃは半球、図５（ｄ）に示す磁性体２２ｄは截頭半球である。図５（ｅ）に示す磁性体２２ｅは半扁球、図５（ｆ）に示す磁性体２２ｆは截頭半扁球である。図５（ｇ）に示す磁性体２２ｇは階段状に先端が細くなるように形成されている。図５（ｈ）に示す磁性体２２ｈは、先端の一部が截頭錐体となっている。 As shown in FIG. 5, as the magnet portion 2, a permanent magnet 21 and magnetic bodies 22 a to 22 h that are joined to the permanent magnet 21 and have a thin tip end side may be used. The magnetic body 22a shown in FIG. 5A is a cone, and the magnetic body 22b shown in FIG. 5B is a truncated cone. The magnetic body 22c shown in FIG. 5C is a hemisphere, and the magnetic body 22d shown in FIG. 5D is a truncated hemisphere. The magnetic body 22e shown in FIG. 5 (e) is a semi-flat ball, and the magnetic body 22f shown in FIG. 5 (f) is a truncated half-flat ball. The magnetic body 22g shown in FIG. 5 (g) is formed so that the tip is thin like a step. In the magnetic body 22h shown in FIG. 5 (h), a part of the tip is a truncated cone.
−変形例−
以下、本発明の実施の形態に係るカップリング素子の変形例について説明する。以下の変形例において説明しない他の構成は、上述の本発明の実施の形態と実質的に同様であるので重複する説明を省略する。
-Modification-
Hereinafter, modified examples of the coupling element according to the embodiment of the present invention will be described. Other configurations that are not described in the following modifications are substantially the same as those of the above-described embodiment of the present invention, and thus redundant description is omitted.
図６に示すように、振動部１５は、上面の全域に亘って駆動部１２ａが設けられてもよい。駆動部１２ａは、振動部１５の上面全域に設けられた電極層１２１ａと、電極層１２１ａの上面に、上面の一部を除いて積層された圧電体層１２２ａと、圧電体層１２２ａの上面に積層された電極層１２３ａとを備える。電極層１２１ａ，１２３ａは、それぞれ外部に露出した２つの電極パッドと接続される。また、駆動部１２ａは、誘電体膜１０２の内部に設けられるようにしてもよい。振動部１５の上面の全域に亘って設けられた駆動部１２ａは、圧電体層１２２ａの変位量が大きいため、振動部１５の振動量を大きくすることができ、コイル部１１に発生する誘導起電力を大きくすることができる。 As shown in FIG. 6, the vibration unit 15 may be provided with a drive unit 12 a over the entire upper surface. The drive unit 12a includes an electrode layer 121a provided over the entire upper surface of the vibration unit 15, a piezoelectric layer 122a laminated on the upper surface of the electrode layer 121a except for a portion of the upper surface, and an upper surface of the piezoelectric layer 122a. And a stacked electrode layer 123a. The electrode layers 121a and 123a are connected to two electrode pads exposed to the outside, respectively. Further, the driving unit 12a may be provided inside the dielectric film 102. Since the drive unit 12a provided over the entire upper surface of the vibration unit 15 has a large displacement amount of the piezoelectric layer 122a, the vibration amount of the vibration unit 15 can be increased, and the induction generated in the coil unit 11 can be increased. Electric power can be increased.
図７に示すように、振動部１５は、積層された圧電体層１２２ｂと、積層された圧電体層１２２ｂのそれぞれの間に、互い違いに積層された電極層１２１ｂ及び電極層１２３ｂとを備える駆動部１２ｂが設けられてもよい。駆動部１２ｂは、振動部１５の、回路基板１に支持される一端側に設けられる。駆動部１２ｂは、圧電体層１２２ｂが積層されているため変位量が大きく、振動部１５の振動量を大きくすることができ、コイル部１１に発生する誘導起電力を大きくすることができる。 As shown in FIG. 7, the vibration unit 15 includes a stacked piezoelectric layer 122b, and an electrode layer 121b and an electrode layer 123b that are alternately stacked between the stacked piezoelectric layers 122b. The part 12b may be provided. The drive unit 12 b is provided on one end side of the vibration unit 15 supported by the circuit board 1. The drive unit 12b has a large displacement amount because the piezoelectric layer 122b is laminated, can increase the vibration amount of the vibration unit 15, and can increase the induced electromotive force generated in the coil unit 11.
図８に示すように、振動部１５は、上面の広域に亘って駆動部１２ｃが設けられ、下面の全域に亘って駆動部１２ｄが設けられるようにしてもよい。駆動部１２ｃは、振動部１５の上面の広域に設けられた電極層１２１ｃと、電極層１２１ｃの上面に、上面の一部を除いて積層された圧電体層１２２ｃと、圧電体層１２２ａの上面の広域に積層された電極層１２３ａとを備える。駆動部１２ｄは、振動部１５の下面の広域に設けられた電極層１２１ｄと、電極層１２１ｄの下面の広域に積層された圧電体層１２２ｄと、圧電体層１２２ｄの下面の広域に積層された電極層１２３ｄとを備える。電極層１２１ｄ，１２３ｄは、圧電体層１２２ｄが設けられていない箇所に、絶縁膜１０３が設けられており、互いに絶縁されている。振動部１５のそれぞれ両面に設けられた駆動部１２ｃ及び駆動部１２ｄは、振動部１５の振動量を大きくすることができ、コイル部１１に発生する誘導起電力を大きくすることができる。 As shown in FIG. 8, the vibration unit 15 may be provided with the drive unit 12 c over a wide area on the upper surface and with the drive unit 12 d over the entire area on the lower surface. The drive unit 12c includes an electrode layer 121c provided in a wide area on the upper surface of the vibration unit 15, a piezoelectric layer 122c laminated on the upper surface of the electrode layer 121c except for a part of the upper surface, and an upper surface of the piezoelectric layer 122a. Electrode layer 123a laminated in a wide area. The drive unit 12d includes an electrode layer 121d provided in a wide area on the lower surface of the vibration unit 15, a piezoelectric layer 122d stacked in a wide area on the lower surface of the electrode layer 121d, and a wide area on the lower surface of the piezoelectric layer 122d. An electrode layer 123d. The electrode layers 121d and 123d are provided with an insulating film 103 at locations where the piezoelectric layer 122d is not provided, and are insulated from each other. The drive unit 12 c and the drive unit 12 d provided on both surfaces of the vibration unit 15 can increase the amount of vibration of the vibration unit 15 and increase the induced electromotive force generated in the coil unit 11.
図９に示すように、振動部１５ｅは、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）等の誘電体から構成されてもよい。振動部１５ｅは、化学蒸着、物理蒸着、溶液キャスト法等により形成可能である。振動部１５ｅは、例えば、樹脂等からなる接合部１０５を介して、支持基板１０４に振動可能に支持される。コイル部１１は、振動部１５ｅの内部に埋め込まれるよう設けられてもよく、振動部１５ｅの表面に設けられるようにしてもよい。 As shown in FIG. 9, the vibration part 15e may be made of a dielectric material such as a silicon oxide film (SiO 2 ) or a silicon nitride film (SiN). The vibration part 15e can be formed by chemical vapor deposition, physical vapor deposition, a solution casting method, or the like. The vibration part 15e is supported by the support substrate 104 so as to be able to vibrate via a bonding part 105 made of, for example, resin. The coil part 11 may be provided so as to be embedded inside the vibration part 15e, or may be provided on the surface of the vibration part 15e.
図１０に示すように、振動部１５ｆは、圧電体層１２２を主として構成されるようにしてもよい。振動部１５ｆは、平板状の圧電体層１２２ｆと、圧電体層１２２ｆの両面に形成された電極層１２１ｆ，１２３ｆとを備える。コイル部１１は、圧電体層１２２ｆの内部に埋め込まれるよう設けられてもよく、絶縁膜を介して振動部１５ｆの表面に設けられるようにしてもよい。バルクの圧電材料から構成される振動部１５ｆは、駆動部としての薄膜状の圧電体よりも安定した圧電特性を得ることができる。バルクの圧電材料から構成される振動部１５ｆは、薄膜状の圧電体よりも電極の短絡の可能性が低い。 As shown in FIG. 10, the vibration part 15 f may be configured mainly with the piezoelectric layer 122. The vibrating portion 15f includes a flat piezoelectric layer 122f and electrode layers 121f and 123f formed on both surfaces of the piezoelectric layer 122f. The coil unit 11 may be provided so as to be embedded in the piezoelectric layer 122f, or may be provided on the surface of the vibration unit 15f via an insulating film. The vibrating portion 15f made of a bulk piezoelectric material can obtain more stable piezoelectric characteristics than a thin film piezoelectric body as a driving portion. The vibration part 15f made of a bulk piezoelectric material has a lower possibility of electrode short-circuiting than a thin-film piezoelectric body.
図１１に示すように、振動部１５ｇ及びコイル部１１ｇは、１枚の金属板１０６を選択的に貫通させることにより形成されてもよい。金属板１０６は、機械加工や成型加工が容易であり、材料が非常に安価であるため、低コストでのデバイス製作が可能となる。また、振動部１５ｇと磁石部２とのパッケージング材料としても使用することが出来るため、振動部１５ｇとパッケージ部との一体成型が可能となる。 As shown in FIG. 11, the vibration part 15g and the coil part 11g may be formed by selectively penetrating one metal plate 106. The metal plate 106 is easy to machine and mold, and the material is very inexpensive. Therefore, it is possible to manufacture a device at a low cost. Moreover, since it can be used also as a packaging material of the vibration part 15g and the magnet part 2, the vibration part 15g and a package part can be integrally molded.
図１２に示すように、振動部１５ｈは、樹脂から構成されてもよい。振動部１５ｈは、樹脂基板１０５ｈから形成される。振動部１５ｈは、樹脂基板１０５ｈを加工することで端部に形成された接合部において、支持基板１０４に振動可能に支持される。コイル部１１は、振動部１５ｈの内部に埋め込まれるよう設けられてもよく、振動部１５ｈの表面に設けられるようにしてもよい。 As shown in FIG. 12, the vibration part 15h may be comprised from resin. The vibration part 15h is formed from the resin substrate 105h. The vibration portion 15h is supported by the support substrate 104 so as to be vibrated at a joint portion formed at an end portion by processing the resin substrate 105h. The coil part 11 may be provided so as to be embedded inside the vibration part 15h, or may be provided on the surface of the vibration part 15h.
図１３に示すように、振動部１５が備えるコイル部１１は、互いに接続された複数のコイルにより形成されてもよい。コイル部（１１１，１１２）は、回路基板１に対して垂直方向に重畳して設けられた２つのコイル１１１，１１２から構成される。コイル１１１，１１２は、それぞれの中心において互いに接続され、他所は誘電体膜等により絶縁されている。重畳して設けられたコイル部（１１１，１１２）は、磁石部２の磁束に応じた電磁誘導により、出力信号として、より大きな誘導起電力を得ることができる。 As shown in FIG. 13, the coil unit 11 included in the vibration unit 15 may be formed by a plurality of coils connected to each other. The coil portion (111, 112) is composed of two coils 111, 112 provided so as to overlap with the circuit board 1 in the vertical direction. The coils 111 and 112 are connected to each other at their centers, and the other portions are insulated by a dielectric film or the like. The coil portions (111, 112) provided in an overlapping manner can obtain a larger induced electromotive force as an output signal by electromagnetic induction according to the magnetic flux of the magnet portion 2.
図１４に示すように、重畳して設けられたコイル部（１１１，１１２）は、複数設けられてもよい。複数のコイル部（１１１ｊ，１１２ｊ），（１１１ｋ，１１２ｋ）は、磁石部２の磁束に応じた電磁誘導により、出力信号として、図１３に示すコイル部（１１１，１１２）の場合より更に大きな誘導起電力を得ることができる。 As shown in FIG. 14, a plurality of coil portions (111, 112) provided in an overlapping manner may be provided. The plurality of coil portions (111j, 112j) and (111k, 112k) are induced by electromagnetic induction according to the magnetic flux of the magnet portion 2 as an output signal, which is larger than the case of the coil portions (111, 112) shown in FIG. An electromotive force can be obtained.
図１５に示すように、複数のコイル部１１ｍ、１１ｎを備える振動部１５ｍは、コイル部１１ｎを、振動の制御に用いることができる。コイル部１１ｍは、磁石部２の磁束に応じて電極パッド１３ｍの間に誘導起電力を生じる。コイル部１１ｎは、電極パッド１３ｎからの入力及び磁石部２の磁場に応じたローレンツ力により、振動部１５ｍの振動を制御する。振動部１５ｍの振動の制御は、電極パッド１３ｍに生じた二次電圧の位相を電極パッド１３ｎに入力する信号にフィードバック制御することにより行うことができる。振動部１５が共振振動をしている状態において、入力信号をオフにしてから停止するまで、振動の減衰に時間を要する。コイル部１１ｎは、磁石部２とのローレンツ力を利用することにより、停止までの時間を短くすることができる。 As illustrated in FIG. 15, the vibration unit 15m including the plurality of coil units 11m and 11n can use the coil unit 11n for vibration control. The coil part 11m generates an induced electromotive force between the electrode pads 13m according to the magnetic flux of the magnet part 2. The coil part 11n controls the vibration of the vibration part 15m by the Lorentz force according to the input from the electrode pad 13n and the magnetic field of the magnet part 2. The vibration of the vibration part 15m can be controlled by feedback control of the phase of the secondary voltage generated in the electrode pad 13m to a signal input to the electrode pad 13n. In the state where the vibration unit 15 is in resonance vibration, it takes time to attenuate the vibration until the input signal is turned off and then stopped. 11 n of coil parts can shorten time to a stop by utilizing the Lorentz force with the magnet part 2. FIG.
図１６に示すように、振動部１５ｏのコイル部１１ｏは、誘電体膜１０２の上面に露出して設けられてもよい。これにより、コイル部１１ｏと磁石部２との間の距離を短くすることができ、より大きな誘導起電力を得ることができる。 As shown in FIG. 16, the coil part 11 o of the vibration part 15 o may be provided exposed on the upper surface of the dielectric film 102. Thereby, the distance between the coil part 11o and the magnet part 2 can be shortened, and a larger induced electromotive force can be obtained.
図１７に示すように、１つの回路基板が、それぞれ、駆動部１２ｐ，１２ｑ、コイル部１１ｐ，１１ｑを備える２つの振動部１５ｐ，１５ｑを備えるようにしてもよい。２つの振動部１５ｐ，１５ｑは、同一の支持基板１０１及び誘電体膜１０２からなり、それぞれ駆動部１２ｐ，１２ｑが設けられた、支持される一端側において、共通の支持部によって支持される。支持基板１０１からなる支持部は、例えば他の基板１０６に接合される。振動部１５ｐ，１５ｑは、それぞれ支持部を中心に振動することにより、コイル部１１ｐ，１１ｑのそれぞれ両端に誘導起電力が生じる。磁石部２は、コイル部１１ｐ，１１ｑそれぞれに対応して複数設けられてもよく、コイル部１１ｐ，１１ｑに対して共通の磁石部を用いるようにしてもよい。振動部１５ｐ，１５ｑの両先端側にコイル部１１ｐ，１１ｑを配置して、振動部１５ｐ，１５ｑの中心を支点として振動することで、一つの入力信号で，二つの出力信号を取り出すことができる。 As shown in FIG. 17, one circuit board may be provided with two vibration parts 15p and 15q each including drive parts 12p and 12q and coil parts 11p and 11q. The two vibrating parts 15p and 15q are composed of the same supporting substrate 101 and dielectric film 102, and are supported by a common supporting part on one end side where the driving parts 12p and 12q are provided. A support portion made of the support substrate 101 is bonded to, for example, another substrate 106. The vibration parts 15p and 15q vibrate around the support part, respectively, so that induced electromotive force is generated at both ends of the coil parts 11p and 11q. A plurality of magnet parts 2 may be provided corresponding to each of the coil parts 11p and 11q, or a common magnet part may be used for the coil parts 11p and 11q. By arranging the coil portions 11p and 11q on both ends of the vibration portions 15p and 15q and vibrating with the centers of the vibration portions 15p and 15q as fulcrums, two output signals can be extracted with one input signal. .
図１８に示すように、振動部１５ｒは、回路基板１ｒに支持された一端側において、２つのトーションビーム１６により、回路基板１ｒに支持されるようにしてもよい。振動部１５ｒは、２つのトーションビーム１６を結ぶ線を回転軸として、回路基板１ｒに対して垂直方向に振動する。振動部１５ｒは、コイル部１１ｒが設けられる一端側の反対側に、トーションビーム１６から長さｄだけ延伸している。これにより、振動部１５ｒと回路基板１ｒとの接合部分を、振動部１５ｒの側面部とすることができるため、振動部１５ｒのバネ剛性を低減でき、その結果、振動部１５ｒの振動振幅を増加させることができる。 As shown in FIG. 18, the vibrating portion 15r may be supported by the circuit board 1r by two torsion beams 16 on one end side supported by the circuit board 1r. The vibration part 15r vibrates in a direction perpendicular to the circuit board 1r with a line connecting the two torsion beams 16 as a rotation axis. The vibrating part 15r extends from the torsion beam 16 by a length d on the side opposite to one end where the coil part 11r is provided. Thereby, since the joint part of the vibration part 15r and the circuit board 1r can be used as the side part of the vibration part 15r, the spring rigidity of the vibration part 15r can be reduced, and as a result, the vibration amplitude of the vibration part 15r is increased. Can be made.
図１９に示すように、回路基板１ｓは、複数の振動部１５ｓ-1，１５ｓ-2，…，１５ｓ-n（ｎ：２以上の整数）を備えるようにしてもよい。１つの回路基板１ｓに複数の振動部１５ｓ-1〜１５ｓ-nを配列することで、１つの入力信号に対して、複数の信号出力が可能となる。 As illustrated in FIG. 19, the circuit board 1 s may include a plurality of vibrating portions 15 s −1, 15 s −2,..., 15 s-n (n: an integer equal to or greater than 2). By arranging a plurality of vibrating portions 15s-1 to 15s-n on one circuit board 1s, a plurality of signal outputs can be performed with respect to one input signal.
図２０に示すように、振動部１５ｔは、先端部におもり部１７を有するようにしてもよい。おもり部１７は、例えば、振動部１５ｔの先端部の下面に、支持基板１０１により形成された凸部とすることができる。振動部１５ｔの先端部におもり部１７を有することにより、振動部１５ｔの振動振幅を増加させることができる。 As shown in FIG. 20, the vibration part 15t may have a weight part 17 at the tip part. The weight part 17 can be, for example, a convex part formed by the support substrate 101 on the lower surface of the tip part of the vibration part 15t. By having the weight part 17 at the tip of the vibration part 15t, the vibration amplitude of the vibration part 15t can be increased.
図２１に示すように、図１８に示す例において、振動部１５ｕは、トーションビーム１６ｕからコイル部１１ｕが設けられる一端側に向かって幅が広くなるように形成される。振動部１５ｕの先端部近傍のおもさが増加することで、振動部１５ｕの振動振幅を増加させることができる。 As shown in FIG. 21, in the example shown in FIG. 18, the vibrating portion 15 u is formed so as to increase in width from the torsion beam 16 u toward one end side where the coil portion 11 u is provided. By increasing the weight in the vicinity of the tip of the vibration part 15u, the vibration amplitude of the vibration part 15u can be increased.
図２２，２３に示すように、振動部（１５１，１５２）は、それぞれ、棒状であり、先端部が渦状に形成された同形状の２つの上層振動部１５１、下層振動部１５２から構成される。コイル部１１ｖは、上層振動部１５１の上面から下層振動部１５２の下面にかけて形成されている。振動部（１５１，１５２）の形状を渦状とすることで，振動部（１５１、１５２）の長さを増加させることができるので、振動振幅を増加させることができる。 As shown in FIGS. 22 and 23, each of the vibrating parts (151 and 152) is formed of two upper layer vibrating parts 151 and a lower layer vibrating part 152 having the same shape, each having a rod shape and a tip part formed in a spiral shape. . The coil portion 11v is formed from the upper surface of the upper layer vibrating portion 151 to the lower surface of the lower layer vibrating portion 152. By making the shape of the vibrating parts (151 and 152) spiral, the length of the vibrating parts (151 and 152) can be increased, so that the vibration amplitude can be increased.
図２４に示すように、振動部１５ｗ及びコイル部１１ｗは、同一の基板から構成されるようにしてもよい。基板は、例えば、上層から順に、金属板１０７、絶縁膜１０８、支持基板１０９とからなる。振動部１５ｗ及びコイル部１１ｗは、同様の断面である延伸部１１３，１１４の断面を図２４（ｂ）に示すように、金属板１０７、絶縁膜１０８、を選択的にエッチングすることにより形成可能である。コイル部１１ｗの中心は、ワイヤ１１５によりワイヤボンディングされるようにすればよい。振動部１５ｗとコイル部１１ｗを一枚の金属板１０７から、機械成型によって製作することが出来るため、製作時間の短縮、および、コストの低減が可能となる。 As shown in FIG. 24, the vibration part 15w and the coil part 11w may be made of the same substrate. The substrate includes, for example, a metal plate 107, an insulating film 108, and a support substrate 109 in order from the upper layer. The vibrating portion 15w and the coil portion 11w can be formed by selectively etching the metal plate 107 and the insulating film 108 as shown in FIG. It is. The center of the coil portion 11w may be wire-bonded with the wire 115. Since the vibration part 15w and the coil part 11w can be manufactured from one metal plate 107 by mechanical molding, the manufacturing time can be shortened and the cost can be reduced.
図２５に示すように、振動部１５の周囲の領域ＤにＣＭＯＳ回路等の集積回路を形成することができる。シリコン基板を使用した振動部１５形成の過程またはその前後で、シリコン基板上に、集積回路を形成できることから、駆動デバイス部と信号処理回路を一体化することができる。そのため、小型化、プロセスの低コスト化が可能となる。 As shown in FIG. 25, an integrated circuit such as a CMOS circuit can be formed in a region D around the vibrating portion 15. Since an integrated circuit can be formed on the silicon substrate in the process of forming the vibration part 15 using the silicon substrate, or before and after that, the driving device part and the signal processing circuit can be integrated. For this reason, it is possible to reduce the size and the cost of the process.
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明を上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
(Other embodiments)
As described above, the present invention has been described according to the above-described embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
上記の他、各変形例を互いに応用した構成等、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 In addition to the above, of course, the present invention includes various embodiments and the like that are not described herein, such as configurations in which the respective modifications are applied to each other. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
１…回路基板
２…磁石部
１１…コイル部
１２…駆動部
１５…振動部
２１…永久磁石
２２…磁性体
１１１，１１２…コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Circuit board 2 ... Magnet part 11 ... Coil part 12 ... Drive part 15 ... Vibrating part 21 ... Permanent magnet 22 ... Magnetic body 111,112 ... Coil
Claims (6)
前記基板に対して垂直方向に振動可能に、前記基板に支持された振動部と、
前記振動部に設けられ、入力信号に応じた逆圧電効果により駆動し、前記振動部を振動させる駆動部と、
前記基板に対して垂直方向に、前記振動部の上方に設けられた磁石部と、
前記磁石部と対向するように前記振動部に設けられ、前記磁石部の磁束に応じた電磁誘導により出力信号を出力するコイル部と
を備えることを特徴とするカップリング素子。 A substrate,
A vibrating portion supported by the substrate so as to be capable of vibrating in a direction perpendicular to the substrate;
A drive unit that is provided in the vibration unit and is driven by an inverse piezoelectric effect according to an input signal to vibrate the vibration unit;
A magnet portion provided above the vibrating portion in a direction perpendicular to the substrate;
A coil unit that is provided in the vibration unit so as to face the magnet unit, and that outputs an output signal by electromagnetic induction according to the magnetic flux of the magnet unit;
A coupling element comprising:
前記磁性体は、前記コイル部の中心に向かって細くなるように形成されることを特徴とする請求項１に記載のカップリング素子。 The magnet part is composed of a permanent magnet and a magnetic body joined to the tip of the permanent magnet,
The coupling element according to claim 1, wherein the magnetic body is formed so as to become thinner toward a center of the coil portion.
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- 2011-12-15 JP JP2011274122A patent/JP2013125882A/en active Pending
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