JP2013157703A - 振動素子、振動デバイスおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動素子2は、基部4と、基部4から延出し、且つ、上面511、下面512および側面513、514を含む駆動腕5を有し、駆動腕5は、上面511と側面513との間に段差部53が設けられ、下面512と側面514との間に段差部54が設けられ、上面511に溝55が設けられ、下面512に溝56が設けられている。駆動腕5の断面形状は、駆動腕5の幅方向の中心線および厚さ方向の中心線に対し非対称である。
【選択図】図4
Description
例えば、特許文献1に記載の振動デバイスは、基部と、この基部からX軸方向に並んで、互いにY軸方向に延出する2つの振動腕とを有する振動素子を有している。また、各振動腕は、Z軸方向に対向する上面および下面の各々に形成された溝を有しており、その横断面形状が「S」字状となっている。各振動腕をこのような形状とすることにより、機械的強度を維持しつつQ値の変動を抑制することができる。
[適用例1]
本発明の振動素子は、基部と、
前記基部から延出し、且つ、第1面、該第1面と表裏関係にある第2面、および前記第1面と前記第2面とを接続する一対の側面を含む駆動腕と、を有し、
前記駆動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方と前記一対の側面の少なくとも一方との間に段差部が設けられると共に、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方に溝部が設けられ、
前記駆動腕の横断面形状は、該駆動腕の幅方向の中心線および厚さ方向の中心線に対し非対称であることを特徴とする。
これにより、簡単な加工で、斜め振動させることのできる駆動腕を有する振動素子を得ることができる。斜め振動させる駆動腕を有することにより、振動漏れが抑制され、本発明の振動素子は、振動特性に優れたものとなる。また、加工が簡単であるため歩留まりが向上する。また、駆動腕を低インピーダンスで斜め振動をさせることができる。
本発明の振動素子では、前記溝は、前記第1面および前記第2面に設けられていることが好ましい。
これにより、例えば、各溝内に駆動腕を駆動させる駆動用の電極を配置することにより、駆動腕を屈曲振動させる際の電界効率に優れ、効率的に駆動腕を屈曲振動させることができる。
本発明の振動素子では、前記段差部は、前記第1面の前記一対の側面の一方側および前記第2面の前記一対の側面の他方側に設けられることが好ましい。
これにより、非対称な部分の形状を、より簡単な形状とすることができる。また、このような形状とすることにより、より円滑に駆動腕を斜め振動させることができる。
本発明の振動素子では、前記段差部は、前記横断面形状が多角形状または湾曲状であることが好ましい。
例えば、湾曲状である場合には、段差面の境界部への応力集中が抑制され、より円滑に駆動腕を斜め振動させることができる。また、段差部に駆動用の電極を形成する場合には、段差面に沿って電極を形成しやすくなり、例えば、段差面の境界部等での断線や電極の剥がれ等を効果的に防止することができる。
本発明の振動素子では、前記溝部の内壁面および前記段差部の表面には電極が設けられていることが好ましい。
これにより、対向する電極間距離を短くすることができるため、低インピーダンスで駆動腕を振動させることができる。
本発明の振動素子では、前記駆動腕は、前記第1面および前記第2面の法線方向の振動成分と、前記一対の側面の法線方向の振動成分を含むことが好ましい。
これにより、駆動腕をバランスよく振動させることができる。
[適用例7]
本発明の振動デバイスは、本発明の振動素子と、
前記振動素子を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた発振器等の振動デバイスを提供することができる。
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた携帯電話、パーソナルコンピューター、デジタルカメラ等の電子機器を提供することができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図2は、図1に示す振動デバイスに備えられた振動素子を示す上面図、図3は、図2中のA−A線断面図、図4は、図3に示す駆動腕の拡大断面図、図5は、図4に示す駆動腕の変形例を示す断面図、図6は、図2に示す振動素子の動作を説明するための断面図である。
図1に示す振動デバイス1は、振動素子2と、この振動素子2を収納するパッケージ9とを有する。以下、振動デバイス1を構成する各部を順次詳細に説明する。
まず、振動素子2について説明する。
図2に示すように、振動素子2は、3脚音叉型の振動素子である。また、本実施形態の振動素子2は、所定の周波数(共振周波数)で振動する電気信号を発生させるための振動子として用いられる。
このような振動素子2は、基部4および基部4から延出する3本の振動腕5、6、7により構成された圧電体基板3と、この圧電体基板3上に形成された複数の電極とを有している。
基部4は、xy平面に広がりを有し、z軸方向に厚さを有する板状をなしている。また、基部4は、振動腕5、6、7と等しい厚さとなるように形成されている。このような基部4には、3つの振動腕5、6、7が接続されている。
これら振動腕5、6、7のうち、振動腕5、6は、振動素子2を駆動するための駆動腕として機能し、振動腕7は、振動腕5、6のZ方向の振動を相殺するための調整腕として機能する。なお、以下では説明の便宜上、振動腕5および駆動腕6をそれぞれ「駆動腕5」および「駆動腕6」と言い、振動腕7を「調整腕7」とも言う。
図2および図3に示すように、駆動腕5は、Y軸方向に延在している。このような振動腕5は、yz平面であって、駆動腕5の幅方向(X軸方向)の中心線L’および厚さ方向(Z軸方向)の中心線L”に関して非対称な横断面形状を有している。駆動腕5をこのような非対称な形状とすることにより、後述するように、駆動腕5をx軸方向およびz軸方向の両方向成分を有する方向、言い換えればz軸およびz軸の両軸に対して傾斜した方向に屈曲振動(以下、「斜め振動」とも言う。)させることができる。
このような第1段差部53と第2段差部54とは、互いに同じ形状(大きさを含む)である。また、第1段差部54と第2段差部54は、駆動腕5の中心Oに関して回転対称に形成されている。これにより、駆動腕5の二等分点Pの一方側と他方側との質量をほぼ等しくすることができ、駆動腕5が質量的にバランスのとれた形状となる。
このような構成とすることにより、第1段差部53と第2段差部54とに挟まれた領域S1の強度を十分に確保することができる。そのため、駆動腕5を安定的に斜め振動させることができる。また、強度を確保することにより駆動腕5の捩じれを効果的に防止することができ、不要な振動の発生を効果的に防止することができる。また、上面511および第4段差面542の離間距離と、下面512および第2段差面532の離間距離とを比較的長く確保することができ、後述する溝55、56の深さを十分に深くすることができる。
また、第1溝55と第2溝56とは、駆動腕5の中心軸Oに関して回転対称に形成されている。これにより、駆動腕5の二等分点Pの一方側と他方側とで質量および形状をほぼ等しくすることができ、駆動腕5が慣性的、質量的にバランスのとれた形状となる。
このような電極配置によれば、x軸方向に隣接する第1、第2駆動電極81、82の離間距離を小さくすることができるため、第1、第2駆動電極81、82間に発生する電界を効率的に駆動腕5に作用させることができ、これにより、低インピーダンスで駆動腕5を効率的に屈曲振動させることができる。
図5(b)に示す駆動腕5では、第1段差部53の第2段差面532は、第2段差部54の第4段差面542に対して、z軸方向の下面512側に離間して設けられている。また、第1段差部53の第1段差面531は、第2段差部54の第3段差面541に対して、x軸方向の調整腕7側に離間して設けられている。
図5(d)に示す駆動腕5では、第1段差部53の第2段差面532は、第2段差部54の第4段差面542に対して、z軸方向の上面511側に離間して設けられている。また、第1段差部53の第1段差面531は、第2段差部54の第3段差面541に対して、x軸方向の調整腕7と反対側に離間して設けられている。
このような図5(a)〜(d)に示すような構成によっても、簡単な構成にて、駆動腕5を斜め振動させることができる。
駆動腕6は、yz平面に関して駆動腕5と対称的に形成されている以外は、駆動腕5と同様の構成(形状)である。したがって、駆動腕6の構成については、その説明を省略する。
このような駆動腕6には、一対の第1駆動電極81と一対の第2駆動電極82とが形成されている。具体的には、第1駆動電極81の一方は、第1段差面631、第2段差面632および側面613に跨って形成されており、他方は、側面614、第4段差面642および第3段差面641に跨って形成されている。また、第2駆動電極82の一方は、第1溝65の内面に形成されており、他方は、第2溝66の内面に形成されている。
調整腕7は、その長手方向の全域にわたって、厚さ(z軸方向の長さ)および幅(x軸方向の長さ)が一定となっている。このような調整腕7は、駆動腕6、7の振動に合わせて振動する。
以上、振動素子2の構成について説明した。このような振動素子2は、次のようにして駆動する。
次に、振動素子2を収容・固定するパッケージ9について説明する。
図1に示すように、パッケージ9は、板状のベース基板91と、枠状の枠部材92と、板状の蓋部材93とを有している。ベース基板91、枠部材92および蓋部材93は、下側から上側へこの順で積層されている。ベース基板91と枠部材92とは、後述のセラミック材料等で形成されており、互いに一体に焼成されることで接合されている。枠部材92と蓋部材93は、接着剤あるいはろう材等により接合されている。そして、パッケージ9は、ベース基板91、枠部材92および蓋部材93で画成された内部空間Sに、振動素子2を収納している。なお、パッケージ9内には、振動素子2の他、振動素子2を駆動する電子部品(発振回路)等を収納することもできる。
また、枠部材92および蓋部材93の構成材料としては、例えば、ベース基板91と同様の構成材料、Al、Cuのような各種金属材料、各種ガラス材料等を用いることができる。
なお、この固定は、導電性粒子を含有するエポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等の導電性接着剤を用いて行ってもよい。
次に、本発明の振動デバイスの第2実施形態について説明する。
図7は、本発明の第2実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の振動腕の断面図である。
以下、第2実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。
次に、本発明の振動デバイスの第3実施形態について説明する。
図8は、本発明の第3実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の平面図である。
以下、第3実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態の振動素子2では、基部4が板状の本体45と、本体45の両側からx軸方向に延出する一対の支持腕461、462とで構成されている。そして、本体45に調整腕7が接続されており、支持腕461の先端部に駆動腕5が接続されており、支持腕462の先端部に振動腕6が接続されている。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、本発明の振動デバイスの第4実施形態について説明する。
図9は、本発明の第4実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。なお、図9は、前述した図2のA−A線断面図に対応する図である。
以下、第4実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図9に示すように、振動素子2の調整腕(検出腕)7には、角速度を検出するための第1〜第4検出電極86a、86b、86c、86dが形成されている。第1検出電極86aは、調整腕7の上面に形成されており、第2検出電極86bは、調整腕7の下面に形成されており、第3検出電極86cは、調整腕7の一方の側面に形成されており、第4検出電極86dは、調整腕7の他方の側面に形成されている。
なお、本実施形態では、各振動腕5、6、7の先端部に錘部(ハンマーヘッド)を形成してもよい。
このような第4実施形態によっても前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、本発明の振動デバイスの第5実施形態について説明する。
図10は、本発明の第5実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。なお、図10は、前述した図2のA−A線断面図に対応する図である。
以下、第4実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図10に示すように、振動素子2の調整腕(検出腕)7の上面には、角速度を検出するための2つの圧電体素子25、26がx軸方向に並んで形成されている。圧電体素子25は、第1電極層251、圧電体層252、第2電極層253がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体素子26は、第1電極層261、圧電体層262、第2電極層263がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体層252、262は、一体的に形成されている。なお、圧電体層252、262は、一体的に形成しなくてもよい。
このような第5実施形態によっても前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上、本発明の振動素子を備える振動デバイス(本発明の振動デバイス)について説明した。
図11は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
このような携帯電話機1200には、フィルター、共振器等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリ1308に転送・格納される。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、フィルター、共振器等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
また、各振動腕の先端部には、必要に応じて、基端部よりも横断面積が大きい質量部(ハンマーヘッド)を設けてもよい。これにより、振動素子をより小型なものとしたり、振動腕の屈曲振動の周波数をより低めたりすることができる。
また、駆動腕5、6の形状としては、中心線L’、L”の両線に関して非対称な横断面形状を有していれば、前述したものに限定されず、例えば、次のような形状であってもよい。
以上説明したような形状は、第1、第2溝55、56を除いた状態でも、中心線L’、L”の両線に関して非対称な横断面形状を有しているが、例えば、第1、第2溝55、56を除いた状態では中心線L’、L”の両線に関して対称な横断面形状であるが、第1、第2溝55、56を形成することにより中心線L’、L”の両線に関して非対称な横断面形状となる構成であってもよい。このような構成の一例として、図14(c)に示す構成が挙げられる。
1202‥‥操作ボタン 1204‥‥受話口 1206‥‥送話口 1300‥‥ディジタルスチルカメラ 1302‥‥ケース 1304‥‥受光ユニット 1306‥‥シャッターボタン 1308‥‥メモリ 1312‥‥ビデオ信号出力端子 1314‥‥入出力端子 1430‥‥テレビモニター 1440‥‥パーソナルコンピューター P‥‥二等分点 S‥‥内部空間 L1……第1辺 L2……第2辺 L3……第3辺 L4……第4辺 L5……第5辺 L6……第6辺 L7……第7辺 L8……第8辺 L’、L”……中心線 S1……領域
Claims (8)
- 基部と、
前記基部から延出し、且つ、第1面、該第1面と表裏関係にある第2面、および前記第1面と前記第2面とを接続する一対の側面を含む駆動腕と、を有し、
前記駆動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方と前記一対の側面の少なくとも一方との間に段差部が設けられると共に、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方に溝部が設けられ、
前記駆動腕の横断面形状は、該駆動腕の幅方向の中心線および厚さ方向の中心線に対し非対称であることを特徴とする振動素子。 - 前記溝は、前記第1面および前記第2面に設けられている、請求項1に記載の振動素子。
- 前記段差部は、前記第1面の前記一対の側面の一方側および前記第2面の前記一対の側面の他方側に設けられる、請求項1または2に記載の振動素子。
- 前記段差部は、前記横断面形状が多角形状または湾曲状である、請求項1ないし3のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記溝部の内壁面および前記段差部の表面には電極が設けられている、請求項1ないし4のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記駆動腕は、前記第1面および前記第2面の法線方向の振動成分と、前記一対の側面の法線方向の振動成分を含む、請求項1ないし5のいずれか一項に記載の振動素子。
- 請求項1ないし6のいずれか一項に記載の振動素子と、
前記振動素子を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし6のいずれか一項に記載の振動素子を備えたことを特徴とする電子機器。
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