JP2014192797A - Vibration piece, vibration element, vibrator, electronic apparatus, and mobile device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動片、振動素子、それを用いた振動子、電子機器、および移動体に関する。 The present invention relates to a resonator element, a resonator element, a vibrator using the resonator element, an electronic device, and a moving body.
振動素子として、シリコン基板などの平らな基板表面に、金属、誘電体、半導体などを積層し、外形形状、電極などをパターン処理することによって形成された振動素子が知られている。例えば、特許文献1には、振動素子の一例として、音叉形状の基板上にバッファー層、下部電極層、圧電層、上部電極層などが設けられた角速度センサー素子(振動素子)が開示されている。この角速度センサー素子においては、フォトリソグラフィー法などを用い、1枚の基板上に、連結された複数の角速度センサー素子が形成される。そして、複数の角速度センサー素子の個片化には、連結された複数の角速度センサー素子を有する基板の角速度センサー素子側の面を、接着層を介してダミー基板に貼り合わせた後、角速度センサー素子を有する基板の裏面を研削することによって、連結部分を除去する方法が開示されている。 As a vibration element, a vibration element formed by laminating a metal, a dielectric, a semiconductor, or the like on a flat substrate surface such as a silicon substrate and patterning an outer shape, an electrode, or the like is known. For example, Patent Document 1 discloses an angular velocity sensor element (vibration element) in which a buffer layer, a lower electrode layer, a piezoelectric layer, an upper electrode layer, and the like are provided on a tuning fork-shaped substrate as an example of a vibration element. . In this angular velocity sensor element, a plurality of connected angular velocity sensor elements are formed on a single substrate using a photolithography method or the like. For the separation of the plurality of angular velocity sensor elements, the surface of the substrate having the plurality of connected angular velocity sensor elements is bonded to the dummy substrate via an adhesive layer, and then the angular velocity sensor element A method for removing a connecting portion by grinding a back surface of a substrate having a substrate is disclosed.
しかしながら、上述の特許文献1の角速度センサー素子(振動素子)では、1枚の基板上に連結された角速度センサー素子を個片化するにあたって、角速度センサー素子が形成された基板を、ダミー基板に貼り合わせた後、基板の裏面を研削して連結部分を除去する。このように、幾つもの工程を経て角速度センサー素子を個片化するため、個片化の工数が多くかかってしまい、角速度センサー素子のコストアップの一因となっていた。また、基板の貼り合せに接着剤を用いており、個片化後には、この接着剤を除去することが必要であるが、除去しきれずに接着剤が残ってしまい、角速度センサー素子の特性に影響を与えてしまうという課題も有していた。 However, in the angular velocity sensor element (vibration element) of Patent Document 1 described above, when the angular velocity sensor elements connected on a single substrate are separated, the substrate on which the angular velocity sensor elements are formed is attached to a dummy substrate. After the alignment, the back surface of the substrate is ground to remove the connecting portion. As described above, since the angular velocity sensor elements are separated into pieces through a number of processes, the number of steps for the separation is increased, which contributes to the cost increase of the angular velocity sensor elements. In addition, an adhesive is used for bonding the substrates, and it is necessary to remove this adhesive after singulation. However, the adhesive remains without being removed, and the characteristics of the angular velocity sensor element are reduced. It also had the problem of affecting it.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係る振動片は、面方位(1,0,0)を主面とする単結晶シリコン基板を加工して形成された、振動体を含む振動素子と、折取り部と、枠部と、を有し、
前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、
前記折取り部の割断面が、面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面となることを特徴とする。
[Application Example 1] A resonator element according to this application example includes a vibrating element including a vibrating body, which is formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane direction (1, 0, 0) as a main surface; And a frame portion,
The vibration element is connected to the frame portion through the breaker portion,
The split section of the break-off portion is a plane having a plane orientation (0, 1, 1) or a plane having a plane direction (0, 1, 1).
単結晶シリコンは、その結晶方位によって劈開性、換言すれば割れ易さが異なる。本適用例の振動片は、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面が割断面となるように、主面を面方位(1,0,0)の面として形成されている。このため、単結晶シリコン基板に形成された振動片(枠部)から折取り部が折られることで個片化された振動素子は、折取り部の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、振動素子の個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するため振動素子のコスト低減に寄与することができる。 Single crystal silicon has different cleaving properties, in other words, crackability, depending on the crystal orientation. In the resonator element of this application example, the plane of the plane orientation (0, 1, 1) in which the single crystal silicon is easily cleaved or the plane in the vertical direction of the plane orientation (0, 1, 1) is a split section. The main surface is formed as a surface having a plane orientation (1, 0, 0). For this reason, the vibration element separated into pieces by folding the breaker part from the vibration piece (frame part) formed on the single crystal silicon substrate reduces the remaining unfolded part of the breaker part, It is possible to prevent problems related to folding, such as a decrease in the progression to the vibration element. As a result, the defective rate of dividing (breaking) the vibration elements decreases, in other words, the non-defective product ratio increases, which can contribute to the cost reduction of the vibration elements.
[適用例2]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部は、方向<1,1,0>、または方向<1,1,0>の垂直方向に配列されていることを特徴とする。 Application Example 2 In the resonator element according to the application example described above, the folding portions are arranged in a direction <1, 1, 0> or in a direction perpendicular to the direction <1, 1, 0>. And
本適用例によれば、折取り部の配列を、方向<1,1,0>、または方向<1,1,0>の垂直方向とすることで、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面を割断面とすることができる。 According to this application example, by setting the arrangement of the folding portions to the direction <1, 1, 0> or the direction perpendicular to the direction <1, 1, 0>, the plane orientation in which the single crystal silicon is easily cleaved ( The plane of 0,1,1) or the plane in the vertical direction of the plane orientation (0,1,1) can be a split section.
[適用例3]上記適用例に記載の振動片は、面方位(0,0,1)を主面とする単結晶シリコン基板を加工して形成された、振動体を含む振動素子と、折取り部と、枠部と、を有し、
前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、
前記折取り部の割断面が、面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面となることを特徴とする。
[Application Example 3] The resonator element according to the above application example includes a vibrating element including a vibrating body formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 0, 1) as a main surface, a folding element. A handle and a frame,
The vibration element is connected to the frame portion through the breaker portion,
The fractured section of the break-off portion is a plane having a plane orientation (1, 1, 0) or a plane having a plane direction (1, 1, 0).
本適用例の振動片は、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面が割断面となるように、主面を面方位(0,0,1)の面として形成されている。このため、単結晶シリコン基板に形成された振動片(枠部)から折取り部が折られることで個片化された振動素子は、折取り部の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、振動素子の個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するため振動素子のコスト低減に寄与することができる。 In the resonator element of this application example, the plane of the plane orientation (1, 1, 0) where the single crystal silicon is easy to cleave, or the plane in the vertical direction of the plane orientation (1, 1, 0) is a split section. The main surface is formed as a plane having a plane orientation (0, 0, 1). For this reason, the vibration element separated into pieces by folding the breaker part from the vibration piece (frame part) formed on the single crystal silicon substrate reduces the remaining unfolded part of the breaker part, It is possible to prevent problems related to folding, such as a decrease in the progression to the vibration element. As a result, the defective rate of dividing (breaking) the vibration elements decreases, in other words, the non-defective product ratio increases, which can contribute to the cost reduction of the vibration elements.
[適用例4]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部は、方向<0,1,1>、または方向<0,1,1>の垂直方向に配列されていることを特徴とする。 Application Example 4 In the resonator element according to the application example described above, the breaking portions are arranged in a direction <0, 1, 1> or a direction perpendicular to the direction <0, 1, 1>. And
本適用例によれば、折取り部の配列を、方向<0,1,1>、または方向<0,1,1>の垂直方向とすることで、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面を割断面とすることができる。 According to this application example, by setting the arrangement of the folding portions to the direction <0, 1, 1> or the direction perpendicular to the direction <0, 1, 1>, the plane orientation ( The plane of (1, 1, 0) or the plane in the vertical direction of the plane orientation (1, 1, 0) can be a split section.
[適用例5]上記適用例に記載の振動片において、面方位(0,1,0)を主面とする単結晶シリコン基板を加工して形成された、振動体を含む振動素子と、折取り部と、枠部と、を有し前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、前記折取り部の割断面が、面方位(1,0,1)の面、または面方位(1,0,1)の垂直方向の面となることを特徴とする。 [Application Example 5] In the resonator element according to the application example described above, a vibration element including a vibrating body formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 1, 0) as a main surface; And the vibration element is connected to the frame part via the breaker part, and the fractured section of the breaker part is a plane having a plane orientation (1, 0, 1). Or a surface in the vertical direction of the plane orientation (1, 0, 1).
本適用例によれば、振動片が、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(1,0,1)の面、または面方位(1,0,1)の垂直方向の面が割断面となるように、主面を面方位(0,1,0)の面として形成されている。このため、単結晶シリコン基板に形成された振動片(枠部)から折取り部が折られることで個片化された振動素子は、折取り部の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、振動素子の個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するため振動素子のコスト低減に寄与することができる。 According to this application example, the surface of the resonator element having a plane orientation (1, 0, 1) in which the single crystal silicon is easily cleaved or a plane in the vertical direction of the plane orientation (1, 0, 1) is a split section. As described above, the main surface is formed as a plane having a plane orientation (0, 1, 0). For this reason, the vibration element separated into pieces by folding the breaker part from the vibration piece (frame part) formed on the single crystal silicon substrate reduces the remaining unfolded part of the breaker part, It is possible to prevent problems related to folding, such as a decrease in the progression to the vibration element. As a result, the defective rate of dividing (breaking) the vibration elements decreases, in other words, the non-defective product ratio increases, which can contribute to the cost reduction of the vibration elements.
[適用例6]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部は、方向<1,0,1>、または方向<1,0,1>の垂直方向に配列されていることを特徴とする。 Application Example 6 In the resonator element according to the application example described above, the folding portions are arranged in a direction <1, 0, 1> or a direction perpendicular to the direction <1, 0, 1>. And
本適用例によれば、折取り部の配列を、方向<1,0,1>、または方向<1,0,1>の垂直方向とすることで、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(1,0,1)の面、または面方位(1,0,1)の垂直方向の面を割断面とすることができる。 According to this application example, by setting the arrangement of the broken portions to the direction <1, 0, 1> or the direction perpendicular to the direction <1, 0, 1>, the plane orientation ( The plane of (1, 0, 1) or the plane in the vertical direction of the plane orientation (1, 0, 1) can be a split section.
[適用例7]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部は、平面視で、前記振動体から前記枠部に向かう方向に交差する方向の幅が広い幅広部と、前記幅が前記幅広部より小さい幅狭部と、を備えていることを特徴とする。 Application Example 7 In the resonator element according to the application example described above, the breaker portion includes a wide portion having a wide width in a direction intersecting a direction from the vibrating body toward the frame portion, and the width in plan view. And a narrow portion smaller than the wide portion.
本適用例によれば、振動素子を折り取る際の折取り部にかかる応力が幅狭部に集中することにより、幅狭部での折り取りを選択的に行うことが可能となる。また、僅かな力で折り取ることが可能となり、加えて折り取り残りを減少させることが可能となる。 According to this application example, when the vibration element is folded, the stress applied to the folded portion is concentrated on the narrow portion, so that the folding at the narrow portion can be selectively performed. Further, it is possible to fold off with a slight force, and in addition, it is possible to reduce the unfolded portion.
[適用例8]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部は、平面視での前記幅が連続的に変わっていることを特徴とする。 Application Example 8 In the resonator element according to the application example described above, the width of the breaker portion in the plan view is continuously changed.
本適用例によれば、幅狭部での折り取りを選択的に行うことができると共に、折取り部における幅狭部以外の部分の強度を向上させることが可能となる。これにより、振動素子が幅狭部以外で折り取られることを防止することが可能となる。 According to this application example, it is possible to selectively perform folding at the narrow portion, and it is possible to improve the strength of the portion other than the narrow portion at the folded portion. As a result, it is possible to prevent the vibration element from being broken at a portion other than the narrow portion.
[適用例9]上記適用例に記載の振動片において、前記折取り部には、前記振動体から前記枠部に向かう方向に交差する方向の端から他端に渡る溝部が設けられていることを特徴とする。 Application Example 9 In the resonator element according to the application example described above, the breaker portion is provided with a groove portion extending from an end in a direction intersecting a direction from the vibrating body toward the frame portion to the other end. It is characterized by.
本適用例によれば、振動片から振動素子を折り取る際の折取り部にかかる応力が溝部に集中することにより、溝部での折り取りを選択的に行うことが可能となる。また、僅かな力で折り取ることが可能となり、加えて折り取り残りを減少させることが可能となる。 According to this application example, the stress applied to the breaker when the vibrating element is folded from the resonator element is concentrated on the groove, so that the groove can be selectively folded. Further, it is possible to fold off with a slight force, and in addition, it is possible to reduce the unfolded portion.
[適用例10]本適用例に係る振動素子は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片から折り取られたことを特徴とする。 Application Example 10 A vibration element according to this application example is characterized in that it is broken from the resonator element according to any one of the application examples.
本適用例によれば、折り取り部位のばらつきを削減し、折り取り残りを減少させたことによる低コストの振動片から折り取られたるため、低コストの振動素子を実現することができる。また、折り取りが安定しているため、振動素子としての振動特性を安定させることも可能となる。 According to this application example, since it is cut off from the low-cost vibrating piece by reducing the variation of the broken-off portion and reducing the unfolded portion, a low-cost vibrating element can be realized. In addition, since the folding is stable, the vibration characteristics as the vibration element can be stabilized.
[適用例11]本適用例に係る振動子は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片から折り取られた振動素子と、前記振動素子が収納されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。 Application Example 11 A vibrator according to this application example includes the vibration element that is broken off from the resonator element according to any one of the application examples, and a package in which the vibration element is stored. It is characterized by that.
本適用例によれば、折り取り部位のばらつきを削減し、折り取り残りを減少させることによる低コストの振動片から折り取られた振動素子を用いているため、低コストの振動子を実現することができる。また、折り取りが安定しているため、振動子としての振動特性を安定させることも可能となる。 According to this application example, since a vibration element that is broken from a low-cost vibrating piece by reducing the variation in the broken portion and reducing the unfolded portion is used, a low-cost vibrator is realized. be able to. In addition, since the folding is stable, the vibration characteristics as the vibrator can be stabilized.
[適用例12]本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片から折り取られた振動素子を備えていることを特徴とする。 Application Example 12 An electronic apparatus according to this application example includes a vibration element that is folded from the resonator element according to any one of the application examples.
本適用例によれば、折り取り部位のばらつきを削減し、折り取り残りを減少させることによる低コストの振動片から折り取られた振動素子を用いているため、電子機器の低コスト化に寄与することが可能となる。また、折り取りが確実に行われるため振動素子の振動特性が安定しており、これを用いた電子機器においても特性を安定させることが可能となる。 According to this application example, the use of a vibration element that is broken from a low-cost vibrating piece by reducing the variation in the broken-off part and reducing the unfolded part contributes to lowering the cost of electronic equipment. It becomes possible to do. In addition, since the folding is performed reliably, the vibration characteristics of the vibration element are stable, and the characteristics can be stabilized even in an electronic device using the vibration element.
[適用例13]本適用例に係る移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片から折り取られた振動素子を備えていることを特徴とする。 Application Example 13 A moving body according to this application example includes a vibration element that is broken from the resonator element according to any one of the application examples described above.
本適用例によれば、折り取り部位のばらつきを削減し、折り取り残りを減少させることによる低コストの振動片から折り取られた振動素子を用いているため、移動体の低コスト化に寄与することが可能となる。また、折り取りが確実に行われるため振動素子の振動特性が安定しており、これを用いた移動体においても特性を安定させることが可能となる。 According to this application example, the vibration element that is broken from the low-cost vibration piece by reducing the variation of the broken portion and reducing the unfolded portion contributes to the cost reduction of the moving body. It becomes possible to do. In addition, since the folding is performed reliably, the vibration characteristics of the vibration element are stable, and it is possible to stabilize the characteristics even in a moving body using the vibration element.
以下、本発明にかかる振動片および振動素子、振動素子を用いた振動子、電子機器、および移動体を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
<第1実施形態>
(振動子)
まず、本発明にかかる第1実施形態の振動片および振動素子としてのジャイロ素子を備える振動子について説明する。
Hereinafter, a resonator element and a resonator element according to the present invention, a vibrator using the resonator element, an electronic device, and a moving body will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<First Embodiment>
(Vibrator)
First, a resonator including the resonator element and the gyro element as the resonator element according to the first embodiment of the invention will be described.
図1は、本発明にかかる第1実施形態の振動片および振動素子としてのジャイロ素子を用いた振動子(ジャイロセンサー)の概略構成を示し、(a)は平面図、(b)は正断面図である。図2は、図1に示すジャイロ素子の平面図である。図3は、ジャイロ素子の断面の概略を示し、(a)は図2中のA−A線断面図、(b)は図2中のB−B線断面図である。図4は、ジャイロ素子の動作を説明するための概略図であり、(a)は図2に示すジャイロ素子の駆動を説明するための平面図、(b)は図2に示すジャイロ素子の検出を説明するための平面図である。図5は、単結晶シリコン基板上のジャイロ素子の配置を説明する平面図及び正面図である。図6は、ジャイロ素子と枠部(外枠)との連結を説明する図であり、(a)〜(c)は形態1〜形態3を示す平面図、(d)は折取り部の平面拡大図である。図7は、ジャイロ素子の折取り部における折り取り残りを説明する平面図である。図8(a)〜(i)は、折取り部の変形例を説明する平面図である。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a vibrator (gyro sensor) using a vibrating piece and a gyro element as a vibrating element according to the first embodiment of the present invention, (a) is a plan view, and (b) is a front cross section. FIG. FIG. 2 is a plan view of the gyro element shown in FIG. 3A and 3B schematically show a cross section of the gyro element, wherein FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 4A and 4B are schematic diagrams for explaining the operation of the gyro element. FIG. 4A is a plan view for explaining the driving of the gyro element shown in FIG. 2, and FIG. 4B is a detection of the gyro element shown in FIG. It is a top view for demonstrating. FIG. 5 is a plan view and a front view for explaining the arrangement of the gyro element on the single crystal silicon substrate. 6A and 6B are diagrams for explaining the connection between the gyro element and the frame portion (outer frame). FIGS. 6A to 6C are plan views showing the first to third embodiments, and FIG. It is an enlarged view. FIG. 7 is a plan view for explaining the unfolded portion at the break-off portion of the gyro element. FIGS. 8A to 8I are plan views for explaining modifications of the breaker.
なお、図1〜図4、および図6では、説明の便宜上、互いに直交する3軸として、x軸、y軸およびz軸を図示しており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」とする。また、以下では、x軸に平行な方向を「x軸方向」と言い、y軸に平行な方向を「y軸方向」と言い、z軸に平行な方向を「z軸方向」と言い、+z側(図1(b)および図3中の上側)を「上」、−z側(図1(b)および図3中の下側)を「下」と言う。 1 to 4 and 6, for convenience of explanation, the x axis, the y axis, and the z axis are illustrated as three axes orthogonal to each other, and the tip side of the illustrated arrow is “+ side”. The base end side is defined as “− side”. In the following, a direction parallel to the x-axis is referred to as “x-axis direction”, a direction parallel to the y-axis is referred to as “y-axis direction”, and a direction parallel to the z-axis is referred to as “z-axis direction”. The + z side (the upper side in FIG. 1 (b) and FIG. 3) is referred to as “upper”, and the −z side (the lower side in FIG. 1 (b) and FIG. 3) is referred to as “lower”.
図1に示す振動子1は、振動子1の一例としての、角速度を検出するジャイロセンサーである。この振動子1は、振動片から折り取られて個片とされた振動素子としてのジャイロ素子(振動素子)2と、ジャイロ素子2を収納するパッケージ9とを有している。
A vibrator 1 shown in FIG. 1 is a gyro sensor that detects an angular velocity as an example of the vibrator 1. The vibrator 1 includes a gyro element (vibration element) 2 as a vibration element that is broken from the vibration piece into individual pieces, and a
[ジャイロ素子]
ジャイロ素子2は、ジャイロ素子2の主面(x−y面)に対してz軸まわりの角速度を検出する「面外検出型」のジャイロ素子である。このジャイロ素子2は、図2に示すように、複数の振動腕を有する振動体3と、振動体3の表面に設けられた複数の圧電体素子41〜44、51〜58、複数の質量調整部61〜66および複数の端子71〜76とを備える。
[Gyro element]
The
以下、ジャイロ素子2を構成する各部を順次詳細に説明する。
ジャイロ素子2は、基部31と、基部31を支持する支持部32と、基部31から延出した2つの検出用振動腕(第2の振動腕)33、34および4つの駆動用振動腕(第1の振動腕)35〜38とを有する。この内、基部31と、基部31から延出した2つの検出用振動腕(第2の振動腕)33、34および4つの駆動用振動腕(第1の振動腕)35〜38とによって振動体3と称する。振動体3は、いわゆるダブルT型と呼ばれる構造を有する。
Hereinafter, each part which comprises the
The
基部31は、本体部311と、本体部311からx軸方向に沿って互いに反対側へ延出する1対の連結腕312、313とを有する。支持部32は、パッケージ9に対して固定される1対の固定部321、322と、固定部321と基部31の本体部311とを連結する1対の梁部323、324と、固定部322と基部31の本体部311とを連結する1対の梁部325、326とを有する。
The
固定部321、322には、後述するジャイロ素子2の製造工程において、単結晶シリコン基板85(図5参照)から個片化される際に折り取られた劈開面である折取り部78、79(図5、図6(a)参照)の折り取り残り部78a、79aが残っている。本形態では、固定部321の外側の辺にx軸に沿って配列された3つの折り取り残り部78aが存在し、固定部322のx軸方向の辺にy軸に沿って配列された2つの折り取り残り部79aが存在している。
In the fixing
検出用振動腕33、34は、基部31の本体部311からy軸方向に沿って互いに反対側へ延出している。駆動用振動腕35、36は、基部31の連結腕312の先端部からy軸方向に沿って互いに反対側へ延出している。駆動用振動腕37、38は、基部31の連結腕313の先端部からy軸方向に沿って互いに反対方向へ延出している。
The
本実施形態では、検出用振動腕33の先端部には、基端部よりも幅が大きい錘部(ハンマーヘッド)331が設けられている。同様に、検出用振動腕34の先端部には、錘部341が設けられ、駆動用振動腕35の先端部には、錘部351が設けられ、駆動用振動腕36の先端部には、錘部361が設けられ、駆動用振動腕37の先端部には、錘部371が設けられ、駆動用振動腕38の先端部には、錘部381が設けられている。このような錘部を設けることにより、ジャイロ素子2の検出感度を向上させることができる。
In the present embodiment, a weight portion (hammer head) 331 having a width larger than that of the proximal end portion is provided at the distal end portion of the
このようなジャイロ素子2の構成材料としては、所望の振動特性を発揮することができるものであれば、特に限定されず、各種圧電体材料および各種非圧電体材料を用いることができる。
The constituent material of the
例えば、ジャイロ素子2を構成する圧電体材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、ジャイロ素子2を構成する圧電体材料としては水晶(Xカット板、ATカット板、Zカット板等)が好ましい。水晶でジャイロ素子2を構成すると、ジャイロ素子2の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度でジャイロ素子2を形成することができる。
For example, examples of the piezoelectric material constituting the
また、ジャイロ素子2を構成する非圧電体材料としては、例えば、シリコン、石英等が挙げられる。特に、ジャイロ素子2を構成する非圧電体材料としてはシリコンが好ましい。シリコンでジャイロ素子2を構成すると、優れた振動特性を有するジャイロ素子2を比較的安価に実現することができる。また、公知の微細加工技術を用いてエッチングにより高い寸法精度でジャイロ素子2を形成することができる。
In addition, examples of the non-piezoelectric material constituting the
[圧電体素子]
次に、圧電体素子41〜44、51〜58について説明する。
圧電体素子41、42は、それぞれ、前述した振動体3の検出用振動腕33上に設けられている。また、圧電体素子43、44は、それぞれ、振動体3の検出用振動腕34上に設けられている。
[Piezoelectric element]
Next, the
The
1対の圧電体素子41、42は、検出用振動腕33のx軸方向での屈曲振動(いわゆる面内振動)を検出するものである。同様に、1対の圧電体素子43、44は、検出用振動腕34のx軸方向での屈曲振動を検出するものである。より具体的に説明すると、1対の圧電体素子41、42は、検出用振動腕33の幅方向(x軸方向)での一方側(図2中右側)に圧電体素子41が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子42が設けられている。同様に、1対の圧電体素子43、44は、検出用振動腕34の幅方向(x軸方向)において、一方側(図2中右側)に圧電体素子43が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子44が設けられている。
The pair of
そして、圧電体素子41〜44は、それぞれ、y軸方向に伸縮することにより電荷を出力するように構成されている。このような圧電体素子41、42は、それぞれ、検出用振動腕33の振動(x軸方向での屈曲振動)に伴って電荷を出力する。同様に、圧電体素子43、44は、それぞれ、検出用振動腕34の振動(x軸方向での屈曲振動)に伴って電荷を出力する。
The
このような圧電体素子41〜44を用いることにより、検出用振動腕33、34自体が圧電性を有していなかったり、検出用振動腕33、34自体が圧電性を有していても、その分極軸や結晶軸の方向がx軸方向での屈曲振動の検出に適していなかったりする場合でも、比較的簡単かつ効率的に、各検出用振動腕33、34のx軸方向での屈曲振動を検出することができる。また、検出用振動腕33、34の圧電性の有無、分極軸や結晶軸の方向を問わないので、各検出用振動腕33、34の構成材料の選択の幅が広がる。そのため、所望の振動特性を有する振動体3を比較的簡単に実現することができる。
By using such
一方、圧電体素子51、52は、振動体3の駆動用振動腕35上に設けられている。また、圧電体素子53、54は、振動体3の駆動用振動腕36上に設けられている。また、圧電体素子55、56は、振動体3の駆動用振動腕37上に設けられている。また、圧電体素子57、58は、振動体3の駆動用振動腕38上に設けられている。
On the other hand, the
1対の圧電体素子51、52は、駆動用振動腕35をx軸方向に屈曲振動させるものである。同様に、1対の圧電体素子53、54は、駆動用振動腕36をx軸方向に屈曲振動させるものである。また、1対の圧電体素子55、56は、駆動用振動腕37をx軸方向に屈曲振動させるものである。また、1対の圧電体素子57、58は、駆動用振動腕38をx軸方向に屈曲振動させるものである。
The pair of
より具体的に説明すると、1対の圧電体素子51、52は、駆動用振動腕35の幅方向(x軸方向)において、一方側(図2中右側)に圧電体素子51が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子52が設けられている。同様に、1対の圧電体素子53、54は、駆動用振動腕36の幅方向(x軸方向)において、一方側(図2中右側)に圧電体素子53が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子54が設けられている。また、1対の圧電体素子55、56は、駆動用振動腕37の幅方向(x軸方向)において、一方側(図2中右側)に圧電体素子55が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子56が設けられている。また、1対の圧電体素子57、58は、駆動用振動腕38の幅方向(x軸方向)において、一方側(図2中右側)に圧電体素子57が設けられ、他方側(図2中左側)に圧電体素子58が設けられている。
More specifically, the pair of
そして、圧電体素子51〜58は、それぞれ、通電によりy軸方向に伸縮するように構成されている。このような圧電体素子51、52は、それぞれ、通電により駆動用振動腕35を駆動振動(x軸方向に屈曲振動)させる。同様に、圧電体素子53、54は、それぞれ、通電により駆動用振動腕36を駆動振動(x軸方向に屈曲振動)させる。また、圧電体素子55、56は、それぞれ、通電により駆動用振動腕37を駆動振動(x軸方向に屈曲振動)させる。また、圧電体素子57、58は、それぞれ、通電により駆動用振動腕38を駆動振動(x軸方向に屈曲振動)させる。
The
このような圧電体素子51〜58を用いることにより、駆動用振動腕35〜38自体が圧電性を有していなかったり、駆動用振動腕35〜38自体が圧電性を有していても、その分極軸や結晶軸の方向がx軸方向での屈曲振動に適していなかったりする場合でも、比較的簡単かつ効率的に、各駆動用振動腕35〜38をx軸方向に屈曲振動(駆動振動)させることができる。また、駆動用振動腕35〜38の圧電性の有無、分極軸や結晶軸の方向を問わないので、各駆動用振動腕35〜38の構成材料の選択の幅が広がる。そのため、所望の振動特性を有する振動体3を比較的簡単に実現することができる。
このような圧電体素子41〜44、51〜58は、それぞれ、複数の層をz軸方向に積層した積層構造を有する。
By using such
Such
以下、圧電体素子51、52の構成について詳細に説明する。なお、圧電体素子41〜44、53〜58の構成については、圧電体素子51、52と同様である(同様の積層構造を有する)ため、その説明を省略する。
Hereinafter, the configuration of the
圧電体素子51は、図3(a)に示すように、駆動用振動腕35上に、第1の下地層511、第1の電極層512、圧電体層(圧電薄膜)513、絶縁体層514、第2の下地層515、第2の電極層516がこの順で積層されて構成されている。同様に、圧電体素子52は、駆動用振動腕35上に、第1の下地層521、第1の電極層522、圧電体層(圧電薄膜)523、絶縁体層524、第2の下地層525、第2の電極層526がこの順で積層されて構成されている。
As shown in FIG. 3A, the
第1の下地層511は、駆動用振動腕35と第1の電極層512との間に設けられ、第1の電極層512が駆動用振動腕35から剥離するのを防止する機能を有する。同様に、第1の下地層521は、駆動用振動腕35と第1の電極層522との間に設けられ、第1の電極層522が駆動用振動腕35から剥離するのを防止する機能を有する。
The first base layer 511 is provided between the driving
第1の下地層511、521は、それぞれ、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)等で構成されている。また、第1の下地層511、521の平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。なお、第1の下地層511、521は、第1の電極512、522の構成材料と駆動用振動腕35の構成材料との組み合わせによっては、省略することができる。このような第1の下地層511上には、第1の電極層512が設けられ、同様に、第1の下地層521上には、第1の電極層522が設けられている。
The first foundation layers 511 and 521 are made of, for example, titanium (Ti), chromium (Cr), or the like. Moreover, the average thickness of the first underlayers 511 and 521 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 300 nm, for example. Note that the first base layers 511 and 521 can be omitted depending on the combination of the constituent material of the first electrodes 512 and 522 and the constituent material of the
第1の電極層512は、駆動用振動腕35と圧電体層513との間に設けられ、また、第1の電極層522は、駆動用振動腕35と圧電体層523との間に設けられている。第1の電極層512、522は、それぞれ、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料や、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)等の透明電極材料により形成することができる。
The first electrode layer 512 is provided between the driving
中でも、第1の電極層512、522の構成材料としては、それぞれ、金を主材料とする金属(金、金合金)または白金を用いるのが好ましく、金を主材料とする金属(特に金)を用いるのがより好ましい。金(Au)は、導電性に優れ(電気抵抗が小さく)、酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、金(Au)は、白金(Pt)に比べエッチングにより容易にパターニングすることができる。さらに、第1の電極層512、522を金または金合金で構成することにより、圧電体層513、523の配向性を高めることもできる。 Among these, as the constituent material of the first electrode layers 512 and 522, it is preferable to use a metal (gold, gold alloy) or platinum mainly made of gold, and a metal (especially gold) mainly made of gold. Is more preferable. Gold (Au) is suitable as an electrode material because it has excellent conductivity (low electrical resistance) and excellent resistance to oxidation. Further, gold (Au) can be easily patterned by etching compared to platinum (Pt). Furthermore, the orientation of the piezoelectric layers 513 and 523 can be enhanced by forming the first electrode layers 512 and 522 from gold or a gold alloy.
また、第1の電極層512、522の平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。これにより、第1の電極層512、522が圧電体素子51、52の駆動特性や駆動用振動腕35の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、前述したような第1の電極層512、522の導電性を優れたものとすることができる。このような第1の電極層512上には、圧電体層513が設けられ、同様に、第1の電極層522上には、圧電体層523が設けられている。
The average thickness of the first electrode layers 512 and 522 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 300 nm, and more preferably 10 to 200 nm, for example. This prevents the first electrode layers 512 and 522 from adversely affecting the drive characteristics of the
圧電体層513、523の構成材料(圧電体材料)としては、それぞれ、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、四ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等が挙げられる。 Examples of the constituent material (piezoelectric material) of the piezoelectric layers 513 and 523 include zinc oxide (ZnO), aluminum nitride (AlN), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), and niobium, respectively. Examples include potassium acid (KNbO 3 ), lithium tetraborate (Li 2 B 4 O 7 ), barium titanate (BaTiO 3 ), and PZT (lead zirconate titanate).
中でも、圧電体層513、523の構成材料としては、PZTを用いるのが好ましい。PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)は、c軸配向性に優れている。そのため、圧電体層513、523をPZTを主材料として構成することにより、振動体3のCI値を低減することができる。また、これらの材料は、反応性スパッタリング法により成膜することができる。
Among these, PZT is preferably used as a constituent material of the piezoelectric layers 513 and 523. PZT (lead zirconate titanate) is excellent in c-axis orientation. Therefore, the CI value of the vibrating
また、圧電体層513、523の平均厚さは、それぞれ、50〜3000nmであるのが好ましく、200〜2000nmであるのがより好ましい。これにより、圧電体層513、523が駆動用振動腕35の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、圧電体素子51、52の駆動特性を優れたものとすることができる。このような圧電体層513上(圧電体層513の駆動用振動腕35とは反対の面側)には、絶縁体層514が設けられ、同様に、圧電体層523上(圧電体層523の駆動用振動腕35とは反対の面側)には、絶縁体層524が設けられている。
In addition, the average thickness of the piezoelectric layers 513 and 523 is preferably 50 to 3000 nm, and more preferably 200 to 2000 nm. Accordingly, it is possible to improve the drive characteristics of the
絶縁体層(絶縁性の保護層)514は、圧電体層513を保護するとともに、第1の電極層512と第2の電極層516との間の短絡を防止する機能を有する。同様に、絶縁体層(絶縁性の保護層)524は、圧電体層523を保護するとともに、第1の電極層522と第2の電極層526との間の短絡を防止する機能を有する。絶縁体層514、524は、それぞれ、例えば、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)等で構成されている。 The insulating layer (insulating protective layer) 514 has a function of protecting the piezoelectric layer 513 and preventing a short circuit between the first electrode layer 512 and the second electrode layer 516. Similarly, the insulating layer (insulating protective layer) 524 has a function of protecting the piezoelectric layer 523 and preventing a short circuit between the first electrode layer 522 and the second electrode layer 526. The insulator layers 514 and 524 are made of, for example, SiO 2 (silicon oxide), AlN (aluminum nitride), SiN (silicon nitride), or the like.
また、絶縁体層514、524の平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。かかる厚さが前記下限値未満であると、前述したような短絡を防止する効果が小さくなる傾向となり、一方、かかる厚さが前記上限値を超えると、圧電体素子51、52の特性に悪影響を与えるおそれがある。
The average thickness of the insulator layers 514 and 524 is not particularly limited, but is preferably 50 to 500 nm. When the thickness is less than the lower limit value, the effect of preventing the short circuit as described above tends to be reduced. On the other hand, when the thickness exceeds the upper limit value, the characteristics of the
なお、絶縁体層514、524は、圧電体層513、523の厚さ、構成材料、成膜状態等によっては、省略することができる。このような絶縁体層514上には、第2の下地層515が設けられ、同様に、絶縁体層524上には、第2の下地層525が設けられている。
Note that the insulating
第2の下地層515は、第2の電極層516が絶縁体層514(絶縁体層514を省略した場合には圧電体層513)から剥離するのを防止する機能を有する。同様に、第2の下地層525は、第2の電極層526が絶縁体層524(絶縁体層524を省略した場合には圧電体層523)から剥離するのを防止する機能を有する。第2の下地層515、525は、それぞれ、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)等で構成されている。
The second base layer 515 has a function of preventing the second electrode layer 516 from being separated from the insulator layer 514 (the piezoelectric layer 513 when the
また、第2の下地層515、525の平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。なお、第2の下地層515、525は、第2の電極層516、526の構成材料と絶縁体層514、524(絶縁体層514、524を省略した場合には圧電体層513、523)の構成材料との組み合わせによっては、省略することができる。このような第2の下地層515上(圧電体層513の駆動用振動腕35とは反対の面側)には、第2の電極層516が設けられ、同様に、第2の下地層525上(圧電体層523の駆動用振動腕35とは反対の面側)には、第2の電極層526が設けられている。 In addition, the average thickness of each of the second underlayers 515 and 525 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 300 nm, for example. Note that the second base layers 515 and 525 include the constituent materials of the second electrode layers 516 and 526 and the insulator layers 514 and 524 (the piezoelectric layers 513 and 523 when the insulator layers 514 and 524 are omitted). Depending on the combination with the constituent materials, it can be omitted. A second electrode layer 516 is provided on the second base layer 515 (on the side of the piezoelectric layer 513 opposite to the driving vibration arm 35), and similarly, the second base layer 525 is provided. A second electrode layer 526 is provided above (on the side of the piezoelectric layer 523 opposite to the driving vibrating arm 35).
第2の電極層516、526は、それぞれ、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料やITO、ZnO等の透明電極材料により形成することができる。 The second electrode layers 516 and 526 are, for example, gold (Au), gold alloy, platinum (Pt), aluminum (Al), aluminum alloy, silver (Ag), silver alloy, chromium (Cr), and chromium alloy, respectively. Metal materials such as copper (Cu), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tungsten (W), iron (Fe), titanium (Ti), cobalt (Co), zinc (Zn), zirconium (Zr) It can be formed of a transparent electrode material such as ITO or ZnO.
また、第2の電極層516、526の平均厚さは、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。これにより、第2の電極層516、526が圧電体素子51、52の駆動特性や駆動用振動腕35の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、第2の電極層516、526の導電性を優れたものとすることができる。
Further, the average thickness of the second electrode layers 516 and 526 is not particularly limited, but is preferably about 1 to 300 nm, and more preferably 10 to 200 nm, for example. This prevents the second electrode layers 516 and 526 from adversely affecting the drive characteristics of the
このような圧電体素子51においては、第1の電極層512と第2の電極層516との間に電圧が印加されると、圧電体層513にz軸方向の電界が生じ、圧電体層513がy軸方向に伸張または収縮する。同様に、圧電体素子52においては、第1の電極層522と第2の電極層526との間に電圧が印加されると、圧電体層523にz軸方向の電界が生じ、圧電体層523がy軸方向に伸張または収縮する。
In such a
このとき、圧電体素子51、52のうちの一方の圧電体素子をy軸方向に伸張させたときに他方の圧電体素子をy軸方向に収縮させることにより、駆動用振動腕35をx軸方向に屈曲振動させることができる。同様に、圧電体素子53、54により駆動用振動腕36をx軸方向に屈曲振動させることができる。また、圧電体素子55、56により駆動用振動腕37をx軸方向に屈曲振動させることができる。また、圧電体素子57、58により駆動用振動腕38をx軸方向に屈曲振動させることができる。
At this time, when one of the
一方、検出用振動腕33の振動を検出する圧電体素子41、42は、検出用振動腕33がx軸方向に屈曲振動すると、一方の圧電体素子がy軸方向に伸張し、他方の圧電体素子がy軸方向に収縮し、電荷を出力する。同様に、圧電体素子43、44は、検出用振動腕34がx軸方向に屈曲振動すると、一方の圧電体素子がy軸方向に伸張し、他方の圧電体素子がy軸方向に収縮し、電荷を出力する。
On the other hand, in the
このような圧電体素子51は、第1の電極層512が配線(図示せず)を介して端子71に電気的に接続され、第2の電極層516が配線(図示せず)を介して端子74に電気的に接続されている。また、圧電体素子52は、第1の電極層522が配線(図示せず)を介して端子74に電気的に接続され、第2の電極層526が配線(図示せず)を介して端子71に電気的に接続されている。
In such a
同様に、圧電体素子53は、第1の電極層が端子71に電気的に接続され、第2の電極層が端子74に電気的に接続され、また、圧電体素子54は、第1の電極層が端子74に電気的に接続され、第2の電極層が端子71に電気的に接続されている。また、圧電体素子55は、第1の電極層が端子74に電気的に接続され、第2の電極層が端子71に電気的に接続され、また、圧電体素子56は、第1の電極層が端子71に電気的に接続され、第2の電極層が端子74に電気的に接続されている。
Similarly, in the
また、圧電体素子57は、第1の電極層が端子74に電気的に接続され、第2の電極層が端子71に電気的に接続され、また、圧電体素子58は、第1の電極層が端子71に電気的に接続され、第2の電極層が端子74に電気的に接続されている。
また、圧電体素子41は、第1の電極層が端子72に電気的に接続され、第2の電極層が端子73に電気的に接続され、また、圧電体素子42は、第1の電極層が端子73に電気的に接続され、第2の電極層が端子72に電気的に接続されている。
The
In the
また、圧電体素子43は、第1の電極層が端子75に電気的に接続され、第2の電極層が端子76に電気的に接続され、また、圧電体素子44は、第1の電極層が端子76に電気的に接続され、第2の電極層が端子75に電気的に接続されている。このような端子71〜73は、前述した支持部32の固定部321上に設けられ、端子74〜76は、支持部32の固定部322上に設けられている。
The
また、端子71〜76および配線(図示せず)等は、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデンン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料やITO、ZnO等の透明電極材料により形成することができる。また、これらは、圧電体素子41〜44、51〜58の第1の電極層または第2の電極層と同時に一括形成することができる。
The
[質量調整部]
次に、質量調整部61〜66について説明する。図2に示すように、質量調整部61は、検出用振動腕33の先端部(錘部331)上に設けられている。この質量調整部61は、例えばエネルギー線の照射により一部または全部が除去されることにより質量を減少させて、検出用振動腕33の共振周波数を調整するための錘である。
[Mass adjustment unit]
Next, the
同様に、質量調整部62は、検出用振動腕34の先端部(錘部341)上に設けられている。また、質量調整部63、64、65、66は、それぞれ、駆動用振動腕35、36、37、38の先端部(錘部351、361、371、381)上に設けられている。このような質量調整部が検出用振動腕33、34および駆動用振動腕35〜38にそれぞれ設けられているので、検出用振動腕33、34および駆動用振動腕35〜38の共振周波数をそれぞれ調整することができる。
Similarly, the
以下、質量調整部63について詳細に説明する。なお、質量調整部61、62、64〜66については、質量調整部63と同様であるため、その説明を省略する。図3(b)に示すように、駆動用振動腕35の錘部351上に、質量調整部63は、第1の層631、第2の層632、第3の層(質量調整層)633がこの順で積層されて構成されている。
Hereinafter, the
第1の層631および第2の層632は、第3の層633が駆動用振動腕35から剥離するのを防止する機能を有する。この第1の層631は、圧電体素子51、52の第1の下地層511、521と同一材料で構成されている。このような第1の層631が第2の層632と駆動用振動腕35との間に設けられていることにより、ジャイロ素子2の製造工程を簡単化しつつ、第2の層632が駆動用振動腕35から剥離するのを防止することができる。
The
第2の層632は、圧電体素子51、52の第1の電極層512、522と同一材料で構成されている。このような第2の層632が第3の層633と駆動用振動腕35との間に設けられていることにより、ジャイロ素子2の製造工程を簡単化しつつ、第3の層633が駆動用振動腕35から剥離するのを防止することができる。
The
第3の層633は、圧電体素子51、52の圧電体層513、523と同一材料で構成されている。これにより、後述するように第3の層633(質量調整層)を形成する際に、その厚さを高精度に制御し、所望の質量の質量調整部63を得ることができる。そのため、周波数調整を簡単かつ高精度に行うことができる。また、圧電体層513、523の形成とともに第3の層633を一括して形成することができる。そのため、ジャイロ素子2の製造工程を簡単化することができる。
The
この第3の層633の駆動用振動腕35とは反対の面側には、前述した圧電体素子51、52の第2の電極層516、526と同一材料で構成された層が存在しない。すなわち、第3の層633(質量調整層)の駆動用振動腕35とは反対の面側は、露出している。これにより、質量調整部63の少なくとも一部をレーザーまたは電子ビームにより簡単かつ高精度に除去することができる。
There is no layer made of the same material as the second electrode layers 516 and 526 of the
また、第3の層633の駆動用振動腕35とは反対の面側には、前述した圧電体素子51、52の絶縁体層514、524と同一材料で構成された層も存在しない。これにより、質量調整部63の少なくとも一部をレーザーまたは電子ビームにより簡単かつ高精度に除去することができる。
Further, there is no layer made of the same material as the insulator layers 514 and 524 of the
このように構成されたジャイロ素子2は、次のようにしてz軸まわりの角速度ωを検出する。まず、端子71と端子74との間に電圧(駆動信号)を印加することにより、図4(a)に示すように、図中矢印Aに示す方向に、駆動用振動腕35と駆動用振動腕37とを互いに接近・離間するように屈曲振動(駆動振動)させるとともに、駆動用振動腕36と駆動用振動腕38とを上記屈曲振動と同方向に互いに接近・離間するように屈曲振動(駆動振動)させる。
The
このとき、ジャイロ素子2に角速度が加わらないと、駆動用振動腕35、36と駆動用振動腕37、38とは、中心点(重心G)を通るyz平面に対して面対称の振動を行っているため、基部31(本体部311および連結腕312、313)および検出用振動腕33、34は、ほとんど振動しない。このように駆動用振動腕35〜38を駆動振動させた状態で、ジャイロ素子2にその重心Gを通る法線(z軸)まわりの角速度ωが加わると、駆動用振動腕35〜38には、それぞれ、コリオリ力が働く。これにより、図4(b)に示すように、連結腕312、313が図中矢印Bに示す方向に屈曲振動し、これに伴いこの屈曲振動を打ち消すように、検出用振動腕33、34の図中矢印Cに示す方向の屈曲振動(検出振動)が励振される。
At this time, if no angular velocity is applied to the
そして、検出用振動腕33の屈曲振動によって圧電体素子41、42に生じた電荷が端子72、73から出力される。また、検出用振動腕34の屈曲振動によって圧電体素子43、44に生じた電荷が端子75、76から出力される。このように端子72、73、75、76から出力された電荷に基づいて、ジャイロ素子2に加わった角速度ωを求めることができる。
Then, the charges generated in the
[ジャイロ素子の製造方法]
ここで、前述したジャイロ素子2の製造方法の一例について簡単に説明する。ジャイロ素子2の製造方法は、[A]単結晶シリコン基板上にジャイロ素子2の外形を形成する工程と、[B]圧電体素子41〜44、51〜58の第1の下地層と質量調整部61〜66の第1の層とを形成する工程と、[C]圧電体素子41〜44、51〜58の第1の電極層と質量調整部61〜66の第2の層とを形成する工程と、[D]圧電体素子41〜44、51〜58の圧電体層と質量調整部61〜66の第3の層とを形成する工程と、[E]圧電体素子41〜44、51〜58の絶縁体層を形成する工程と、[F]圧電体素子41〜44、51〜58の第2の下地層を形成する工程と、[G]圧電体素子41〜44、51〜58の第2の電極層を形成する工程と、[H]単結晶シリコン基板からジャイロ素子2を折り取り個片化する工程と、を有する。以下、各工程について説明する。
[Gyro element manufacturing method]
Here, an example of a manufacturing method of the above-described
[A]まず、ジャイロ素子2を形成するための図5に示すような単結晶シリコン基板85を用意する。この単結晶シリコン基板85は、面方位(1,0,0)を主面とするウェハーであり、この単結晶シリコン基板85をエッチングすることにより、振動体3を含むジャイロ素子2を形成する。単結晶シリコン基板85には、複数のジャイロ素子2が配列され、折取り部78、79によって枠部としての外枠80、81に支持されて振動片を構成している。
[A] First, a single
ここで、図6(a)、(d)を参照して、単結晶シリコン基板85上に形成されるジャイロ素子2について説明する。それぞれのジャイロ素子2は、その固定部321、322と外枠80および/または外枠81とが折取り部78、79によって連結され、外枠80、および/または外枠81に支持されている。外枠80は、方向<1,1,0>に沿って設けられており、外枠81は、方向<1,1,0>の垂直方向である方向<−1,1,0>に沿って設けられている。
Here, the
折取り部78は、方向<1,1,0>に沿って複数個が配列されており、本形態では3つの折取り部78が設けられている。また、折取り部79は、方向<−1,1,0>に沿って複数個が配列されており、本形態では2つの折取り部79が設けられている。このように、折取り部78と折取り部79とが、互いに垂直方向に設けられていることで、折り取りの際の力の加わり方が分散され、折り取りが行い易いという利点がある。
A plurality of the
図6(d)に示すように、折取り部78は、外枠80のジャイロ素子2側の辺からジャイロ素子2の固定部321に向かって幅が連続的に狭くなるように設けられている。換言すれば、折取り部78の外枠80との接続部の幅寸法L1は、折取り部78の固定部321との接続部の幅寸法L2よりも大きく形成されている。なお、折取り部79についても前述と同様な構成で形成されている。
As shown in FIG. 6D, the
なお、折取り部78、79は、前述の形態に限らず、図6(b)、(c)の変形例に示すような形態でもよい。図6(b)に示す変形例は、折取り部78が、固定部321に対向する外枠80との間に、方向<1,1,0>に沿って3つ配列されており、折取り部79が、固定部322に対向する外枠80aとの間に1つ配置されている。また、図6(c)に示す変形例は、折取り部78が、固定部321に対向する外枠80との間に、方向<1,1,0>に沿って3つ配列されており、この折取り部78だけでジャイロ素子2が外枠80に支持されている。
Note that the
[B]その後、振動体3上に圧電体素子41〜44、51〜58の第1の下地層と質量調整部61〜66の第1の層とを形成する。この第1の下地層および第1の層の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特にスパッタリング法もしくは真空蒸着法)を用いるのが好ましい。また、第1の下地層および第1の層の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィー法を用いるのが好ましい。なお、第1の下地層および第1の層は、同一の成膜工程で一括形成される。
[B] Thereafter, the first underlayer of the
[C]次いで、第1の下地層上に第1の電極層を形成すると共に、第1の層上に第2の層を形成する。この第1の電極層および第2の層の形成方法としては、上述の第1の電極層および第2の層の形成方法と同一の方法を用いることができる。また、第1の電極層および第2の層の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィー法を用いるのが好ましい。なお、第1の電極層および第2の層は、同一の成膜工程で一括形成される。また、必要に応じて、配線等は、工程[A]、[B]にて同時に形成する。 [C] Next, a first electrode layer is formed on the first underlayer, and a second layer is formed on the first layer. As a method for forming the first electrode layer and the second layer, the same method as the method for forming the first electrode layer and the second layer described above can be used. In forming (patterning) the first electrode layer and the second layer, it is preferable to use a photolithography method. Note that the first electrode layer and the second layer are collectively formed in the same film formation step. If necessary, the wiring and the like are formed at the same time in the steps [A] and [B].
[D]次いで、第1の電極層上に圧電体層を形成すると共に、第2の層上に第3の層を形成する。この圧電体層および第3の層の形成方法としては、上述の第1の電極層および第2の層の形成方法と同一の方法を用いることができる。また、圧電体層および第3の層をパターニングする際に、不要部分の除去にはウェットエッチングを用いるのが好ましい。なお、圧電体層および第3の層は、同一の成膜工程で一括形成される。 [D] Next, a piezoelectric layer is formed on the first electrode layer, and a third layer is formed on the second layer. As a method for forming the piezoelectric layer and the third layer, the same method as that for forming the first electrode layer and the second layer described above can be used. Further, when patterning the piezoelectric layer and the third layer, it is preferable to use wet etching to remove unnecessary portions. The piezoelectric layer and the third layer are collectively formed in the same film forming process.
[E]次いで、圧電体層上に絶縁体層を形成する。この絶縁体層の形成方法としては、上述の第1の電極層および第2の層の形成方法と同一の方法を用いることができる。また、絶縁体層をパターニングする際に、不要部分の除去にはウェットエッチングを用いるのが好ましい。 [E] Next, an insulator layer is formed on the piezoelectric layer. As a method for forming this insulator layer, the same method as the method for forming the first electrode layer and the second layer described above can be used. Further, when patterning the insulator layer, it is preferable to use wet etching to remove unnecessary portions.
[F]次いで、絶縁体層上に第2の下地層を形成する。この第2の下地層の形成方法としては、上述の第1の電極層および第2の層の形成方法と同一の方法を用いることができる。また、第2の下地層の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィー法を用いるのが好ましい。 [F] Next, a second underlayer is formed on the insulator layer. As a method for forming the second underlayer, the same method as the method for forming the first electrode layer and the second layer described above can be used. In forming (patterning) the second underlayer, it is preferable to use a photolithography method.
[G]次いで、第2の下地層上に第2の電極層を形成する。この第2の電極層の形成方法としては、上述の第1の電極層および第2の層の形成方法と同一の方法を用いることができる。また、第2の電極層の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィー法を用いるのが好ましい。 [G] Next, a second electrode layer is formed on the second underlayer. As a method for forming the second electrode layer, the same method as the method for forming the first electrode layer and the second layer described above can be used. In forming (patterning) the second electrode layer, it is preferable to use a photolithography method.
[H]次いで、単結晶シリコン基板上に配列されたジャイロ素子2を単結晶シリコン基板折り取り個片化する。このようにすれば、折取り部78、79の劈開面(割断面)が、面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面となって折り取られたジャイロ素子2が形成される。
[H] Next, the
なお、前述では折取り部78が方向<1,1,0>に沿って複数個が配列され、折取り部79が、方向<−1,1,0>に沿って複数個が配列された例で説明したが、僅かであればそれぞれの方向に対してずれを生じてもよい。ずれが生じた場合は、図7に示すように、ジャイロ素子2を個片化する際の折り取り残り部が大きくなる傾向となる。例えば、ずれが角度30度程度となると図中βで示すような、やや大きな折り取り残り部78b(79b)が生じる。この程度が実用上許容できる範囲である。なお、このずれが角度10度程度であることが望ましい。この場合、図中αで示すような僅かな折り取り残り部78a(79a)が生じる。この程度の折り取り残り部78a(79a)であれば、問題なく使用可能である。
以上説明したようにして、ジャイロ素子2を製造することができる。
In the above description, a plurality of
As described above, the
なお、前述したジャイロ素子2の製造方法では、ジャイロ素子2の外形を形成した後に圧電体素子41〜44、51〜58および質量調整部61〜66を形成したが、単結晶シリコン基板上に圧電体素子41〜44、51〜58および質量調整部61〜66を形成した後に、当該基板をエッチングすることによりジャイロ素子2の外形を形成してもよい。また、この場合、単結晶シリコン基板上に、圧電体素子41〜44、51〜58の第1の下地層、第1の電極層、圧電体層、絶縁体層、第2の下地層および第2の電極層と同一材料で構成された複数の層をこの順で一様に成膜・積層して積層体を形成した後に、かかる積層体のうち、圧電体素子41〜44、51〜58となる部分以外の部分について、絶縁体層、第2の下地層および第2の電極層と同一材料で構成された層をエッチングにより除去して、圧電体層と同一材料で構成された層の一部を露出させ、その後、圧電体素子41〜44、51〜58および質量調整部61〜66となる部分以外の部分について、第1の下地層、第1の電極層、圧電体層と同一材料で構成された層をエッチングにより除去することにより、圧電体素子41〜44、51〜58および質量調整部61〜66を形成してもよい。
In the above-described manufacturing method of the
また、上述の例では、単結晶シリコン基板の面方位(1,0,0)を主面とするウェハーで説明したが、これに限らない。
例えば、単結晶シリコン基板の面方位(0,0,1)を主面とするウェハーを用いてジャイロ素子2を形成することもできる。この場合、折取り部は、方向<0,1,1>、または方向<0,1,1>の垂直方向に配列され、折り取りの割断面が、面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面となる。
Further, in the above-described example, the wafer having the main surface of the plane orientation (1, 0, 0) of the single crystal silicon substrate has been described, but the present invention is not limited to this.
For example, the
また、単結晶シリコン基板の面方位(0,1,0)を主面とするウェハーを用いてジャイロ素子2を形成することもできる。この場合、折取り部は、方向<1,0,1>、または方向<1,0,1>の垂直方向に配列され、折り取りの割断面が、面方位(1,0,1)の面、または面方位(1,0,1)の垂直方向の面となる。
In addition, the
[パッケージ]
図1に戻り、パッケージ9について説明する。パッケージ9は、ジャイロ素子2を収納するものである。なお、パッケージ9には、ジャイロ素子2の他に、ジャイロ素子2の駆動等を行うICチップ等が収納されていてもよい。このようなパッケージ9は、その平面視(xy平面視)にて、略矩形状をなしている。
[package]
Returning to FIG. 1, the
パッケージ9は、上面に開放する凹部を有するベース91と、凹部の開口を塞ぐようにベース91に接合されているリッド(蓋体)92とを有している。また、ベース91は、板状の底板911と、底板911の上面周縁部に設けられている枠状の側壁912とを有している。このようなパッケージ9は、その内側に収納空間Sを有しており、この収納空間S内に、ジャイロ素子2が気密的に収納、設置されている。
The
また、底板911の上面には、ジャイロ素子2の端子71〜76に対応する6つの接続パッド10が設けられており、半田、銀ペースト、導電性接着剤(樹脂材料中に金属粒子などの導電性フィラーを分散させた接着剤)などの導電性固定部材8を介して、これら各接続パッド10とそれと対応するいずれかの端子とが電気的に接続されている。また、この導電性固定部材8により、ジャイロ素子2が底板911に対して固定されている。
Further, on the upper surface of the
また、導電性固定部材8は、ジャイロ素子2と底板911との間にギャップ(隙間)を形成し、これらの接触を防止するギャップ材としても機能する。これにより、底板911との接触によるジャイロ素子2の破壊・破損を防止することができ、正確な角速度の検出と、優れた信頼性を発揮することのできる振動子(ジャイロセンサー)1となる。
The
なお、各接続パッド10は、図示しない導体ポストを介してパッケージ9の外部へ引き出されている。なお、パッケージ9内にICチップ等を収納する場合には、各接続パッド10は、ICチップと電気的に接続されていてもよい。
Each
ベース91の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、リッド92の構成材料としては、特に限定されないが、ベース91の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース91の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。なお、ベース91とリッド92の接合は、特に限定されず、例えば、接着剤を介して接合してもよいし、シーム溶接等により接合してもよい。
The constituent material of the
以上説明したような第1実施形態に係るジャイロ素子2を備える振動子(ジャイロセンサー)1によれば、折取り部78,79の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、ジャイロ素子2の個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するためジャイロ素子2のコストが低減されるため、このジャイロ素子2を用いたジャイロセンサーもコスト低減を図ることができる。また、折り取りが安定しているため、ジャイロ素子の振動特性が安定するため、ジャイロセンサーとしての特性も安定させ、且つ信頼性を高めることが可能となる。
According to the vibrator (gyro sensor) 1 including the
また、折取り部78、79は、折取り部78、79の外枠80、81からジャイロ素子2の固定部321、322に向かう方向に交差する方向の両端に渡る溝が設けられている構成であってもよい。なお、この溝は、主面から厚み方向に有底の溝部であり、表面に設けられる構成、裏面に設けられる構成、あるいは表面、裏面の双方から設けられる構成のいずれであってもよい。このように溝を設けることにより、この溝の部分に折り取り時の力(応力)が集中し、この部分(固定部321、322との接続部分)での折り取りを容易に行うことができる。
Further, the
(折取り部の変形例)
折取り部78、79の平面視での形状は、前述の例示に限らない。他の形状を示す変形例について、図8を用いて説明する。図8(a)〜(i)は、折取り部の変形例を説明する平面図である。
(Modification of the breaker)
The shape of the
図8(a)に示す形状は、前述の第1実施形態で説明した形状と同様である。折取り部78は、外枠80からジャイロ素子2の固定部321に向かって幅が連続的に狭くなるように、直線状の外形を有して構成されている。このような形状とすることで、折取り部78の幅が最も狭くなる固定部321との接続部分に折り取り時の力(応力)が集中し、この部分(固定部321との接続部分)での折り取りを行うことができる。
The shape shown in FIG. 8A is the same as the shape described in the first embodiment. The
図8(b)に示す折取り部78は、外枠80、およびジャイロ素子2の固定部321の双方から折取り部78の中央側に向かって幅が連続的に狭くなるように直線状の外形を有して構成されている。即ち、折取り部78の中央部に狭幅部が形成されている。このような形状とすることで、折取り部78の幅が最も狭くなる狭幅部に折り取り時の力(応力)が集中し、この狭幅部での折り取りを行うことができる。
The
図8(c)に示す折取り部78は、ジャイロ素子2の固定部321から外枠80に向かって幅が連続的に狭くなるように、直線状の外形を有して構成されている。このような形状とすることで、折取り部78の幅が最も狭くなる外枠80との接続部分に折り取り時の力(応力)が集中し、この部分(外枠80との接続部分)での折り取りを行うことができる。
The
図8(d)に示す折取り部78は、外枠80からジャイロ素子2の固定部321に向かって幅が連続的に狭くなるように、曲線状の外形を有して構成されている。このような外形線が曲線状の折取り部78であっても、折取り部78の幅が最も狭くなる固定部321との接続部分に折り取り時の力(応力)が集中し、この部分(固定部321との接続部分)での折り取りを行うことができる。
The
図8(e)に示す折取り部78は、外枠80、およびジャイロ素子2の固定部321の双方から折取り部78の中央側に向かって幅が連続的に狭くなるように、それぞれr1、r2の曲線状の外形を有して構成されている。即ち、折取り部78の中央部に狭幅部が形成されている。このような外形線が曲線状の折取り部78であっても、折取り部78の幅が最も狭くなる狭幅部に折り取り時の力(応力)が集中し、この狭幅部での折り取りを行うことができる。
The
図8(f)に示す折取り部78は、ジャイロ素子2の固定部321から外枠80に向かって幅が連続的に狭くなるように、曲線状の外形を有して構成されている。このような形状とすることで、折取り部78の幅が最も狭くなる外枠80との接続部分に折り取り時の力(応力)が集中し、この部分(外枠80との接続部分)での折り取りを行うことができる。
The
図8(g)に示す折取り部78は、外枠80から延設された幅広部78cと、ジャイロ素子2の固定部321から延設された幅広部78cより幅寸法の小さな細幅部78dとを有し、幅広部78cと細幅部(幅狭部)78dとが連結されている。このような形状とすることで、剛性の弱い細幅部78dでの折り取りを行うことができる。なお、幅広部78cと細幅部78dと連結は、できるだけ固定部321に近接していることが望ましい。このようにすることで、細幅部78dが形成される部分が固定部321よりになり、折り取り部分を固定部321に近づけることができる。これにより折り取り残りを小さくすることが可能となる。
8 (g) includes a
図8(h)に示す折取り部78は、外枠80およびジャイロ素子2の固定部321のそれぞれから延設された幅広部78cと、双方の幅広部78cの連結部分に設けられた幅広部78cより幅寸法の小さな細幅部(幅狭部)78dとを有している。このような形状とすることで、剛性の弱い細幅部78dでの折り取りを行うことができる。なお、幅広部78cは、その長さをできるだけ短くすることが望ましい。このようにすることで、折り取りの生じる位置を限定することができる。
8 (h) includes a
図8(i)に示す折取り部78は、外枠80からジャイロ素子2の固定部321まで略同じ幅で構成されている。このような外形形状の折取り部78であっても、単結晶シリコンが劈開し易い面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面が割断面となるようになっているため、折り取りを行うことができる。なお、本例では、外枠80と固定部321との間の間隙をできるだけ小さくすることが望ましい。即ち、折取り部78の長さを短くすることになり、これにより、折り取りの生じる位置を限定することができる。
8 (i) is configured with substantially the same width from the
<第2実施形態>
次に、本発明にかかる第2実施形態の振動片および振動素子としてのジャイロ素子について説明する。図9は、第2実施形態にかかるジャイロ素子の平面図であり、図10は、図9に示すジャイロ素子の駆動を説明するための平面図である。以下、第2実施形態のジャイロ素子について、前述した第1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。
Second Embodiment
Next, the resonator element and the gyro element as the resonator element according to the second embodiment of the invention will be described. FIG. 9 is a plan view of the gyro element according to the second embodiment, and FIG. 10 is a plan view for explaining driving of the gyro element shown in FIG. Hereinafter, the gyro element according to the second embodiment will be described focusing on the differences from the first embodiment described above, and description of similar matters will be omitted.
本発明の第2実施形態にかかるジャイロ素子は、いわゆるH型の振動体を含むジャイロ素子に本発明を適用した以外は、前述した第1実施形態と同様である。図9に示すジャイロ素子2Bは、振動体3Bと、振動体3B上に設けられた圧電体素子41B、43B、51B〜54B、質量調整部61B〜64Bおよび端子71B〜76Bとを有する。
The gyro element according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment described above, except that the present invention is applied to a gyro element including a so-called H-type vibrating body. A
振動体3Bは、いわゆるH型と呼ばれる構造を有する。振動体3Bは、基部31Bと、支持部32Bと、1対の検出用振動腕33B、34Bと、1対の駆動用振動腕35B、36Bとを有する。基部31Bは、支持部32Bに支持されている。支持部32Bは、図示しないパッケージに対して固定される枠状の固定部321Bと、固定部321Bと基部31Bとを連結する4つの梁部323B、324B、325B、326Bとを有する。
The vibrating
固定部321Bには、前述した第1実施形態のジャイロ素子2およびジャイロ素子2の製造工程と同様な、単結晶シリコン基板85(図5参照)から個片化される際に折り取られた劈開面である折取り部78、79(図5、図6(a)参照)の折り取り残り部78a、79aが残っている。本形態では、固定部321Bのx軸に沿った外側の辺にx軸に配列された3つの折り取り残り部78aが存在し、固定部321Bのy軸方向に沿った辺に配列された2つの折り取り残り部79aが存在している。
In the fixing
検出用振動腕33B、34Bは、それぞれ、基部31Bからy軸方向(−y方向側)に延出している。駆動用振動腕35B、36Bは、それぞれ、基部31Bからy軸方向(+y方向側)に延出している。このような振動体3Bは、前述した第1実施形態の振動体3と同様の材料を用いて構成することができる。
The
このように構成された振動体3Bの検出用振動腕33B上には、圧電体素子41Bおよび質量調整部61Bが設けられている。同様に、検出用振動腕34B上には、圧電体素子43Bおよび質量調整部62Bが設けられている。また、駆動用振動腕35B上には、1対の圧電体素子51B、52Bおよび質量調整部63Bが設けられている。また、駆動用振動腕36B上には、1対の圧電体素子53B、54Bおよび質量調整部64Bが設けられている。
A
圧電体素子41Bは、検出用振動腕33Bのz軸方向での屈曲振動を検出するものである。同様に、圧電体素子43Bは、検出用振動腕34Bのz軸方向での屈曲振動を検出するものである。一方、1対の圧電体素子51B、52Bは、駆動用振動腕35Bをx軸方向に屈曲振動させるものである。同様に、1対の圧電体素子53B、54Bは、駆動用振動腕36Bをx軸方向に屈曲振動させるものである。
The
このような圧電体素子41B、43B、51B〜54Bは、前述した第1実施形態の圧電体素子41〜44、51〜58と同様に構成されている。また、圧電体素子41Bは、端子72B、75Bに配線(図示せず)を介して電気的に接続され、圧電体素子43Bは、端子73B、76Bに配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。
Such
また、圧電体素子51B〜54Bは、端子71B、74Bに配線(図示せず)を介して電気的に接続されている。これら端子71B〜76Bは、それぞれ、振動体3Bの固定部321B上に設けられている。また、質量調整部61Bは、検出用振動腕33Bの先端部上に設けられている。この質量調整部61Bは、例えばエネルギー線の照射により一部または全部が除去されることにより質量を減少させて、検出用振動腕33Bの共振周波数を調整するための錘である。
The
同様に、質量調整部62Bは、検出用振動腕34Bの先端部上に設けられている。また、質量調整部63B、64Bは、それぞれ、駆動用振動腕35B、36Bの先端部上に設けられている。このような質量調整部61B〜64Bは、前述した第1実施形態の質量調整部61〜66と同様に構成されている。
Similarly, the
このように構成されたジャイロ素子2Bでは、端子71Bと端子74Bとの間に駆動信号が印加されることにより、図10に示すように、駆動用振動腕35Bと駆動用振動腕36Bが互いに接近・離間するように屈曲振動(駆動振動)する。すなわち、駆動用振動腕35Bが図10に示す矢印A1の方向に屈曲するとともに駆動用振動腕36Bが図10に示す矢印A2の方向に屈曲する状態と、駆動用振動腕35Bが図10に示す矢印B1の方向に屈曲するとともに駆動用振動腕36Bが図10に示す矢印B2の方向に屈曲する状態とを交互に繰り返す。
In the
このように駆動用振動腕35B、36Bを駆動振動させた状態で、ジャイロ素子2Bにy軸まわりの角速度ωが加わると、駆動用振動腕35B、36Bは、コリオリ力により、z軸方向に互いに反対側に屈曲振動する。これに伴い、検出用振動腕33B、34Bは、z軸方向に互いに反対側に屈曲振動(検出振動)する。すなわち、検出用振動腕33Bが図10に示す矢印C1の方向に屈曲するとともに検出用振動腕34Bが図10に示す矢印C2の方向に屈曲する状態と、検出用振動腕33Bが図10に示す矢印D1の方向に屈曲するとともに検出用振動腕34Bが図10に示す矢印D2の方向に屈曲する状態とを交互に繰り返す。
If the angular velocity ω around the y-axis is applied to the
このような検出用振動腕33B、34Bの検出振動により圧電体素子41B、43Bに生じた電荷を検出することにより、ジャイロ素子2Bに加わった角速度ωを求めることができる。
The angular velocity ω applied to the
以上説明したような第2実施形態にかかるジャイロ素子2Bによっても、折取り部の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、ジャイロ素子2Bの個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するためジャイロ素子2Bのコストが低減されるため、このジャイロ素子2Bを用いたジャイロセンサーもコスト低減を図ることができる。また、折り取りが安定し、ジャイロ素子の振動特性が安定するため、ジャイロセンサーとしての特性も安定させ、且つ信頼性を高めることが可能となる。
Even with the
なお、本第2実施形態における、単結晶シリコン基板85(図5参照)から個片化される際に折り取られる折取り部78、79の構成については、前述の第1実施形態で説明した構成を適用することができる。
In addition, the structure of the
<第3実施形態>
次に、本発明にかかる第3実施形態の振動片および振動素子としてのジャイロ素子について説明する。図11は、第3実施形態にかかるジャイロ素子の概略を示し、ジャイロ素子が単結晶シリコン基板に設けられている状態を示す平面図である。図12は、図11に示すジャイロ素子の駆動を説明するための平面図である。なお、前述した第1実施形態と同様な構成については、同符号を付して説明を省略することもある。
<Third Embodiment>
Next, the resonator element and the gyro element as the resonator element according to the third embodiment of the invention will be described. FIG. 11 is a plan view showing an outline of the gyro element according to the third embodiment and showing a state in which the gyro element is provided on the single crystal silicon substrate. FIG. 12 is a plan view for explaining driving of the gyro element shown in FIG. In addition, about the structure similar to 1st Embodiment mentioned above, the same code | symbol may be attached | subjected and description may be abbreviate | omitted.
図11に示す第3実施形態のジャイロ素子401は、外部接続部415およびその中央部分からジャイロ素子401の中心部分に向けて延出された支持部416と、この支持部416を挟むよう錘部417を対称配置し、それぞれの錘部417が一対の駆動振動部405で接続されている。駆動振動部405上には、駆動部および駆動電極、検出部及び検出電極が配置され、外部接続部415に設けた電極パッドと配線電極を介して接続しているが、本説明での図示は省略している。なお、支持部416の先端部分と錘部417を接続する各駆動振動部405は、Y軸方向に延びる複数の駆動振動腕405a、405bを折り返し接続したつづら折れ構造としている。
A
そして、図示しない制御回路から出力された駆動信号を図示しない駆動電極に印加することで、図12に示すように錘部417をX軸方向に伸縮するように基本振動させ、この基本振動の状態においてZ軸方向回りの角速度を受けることでコリオリ力が生じる。このコリオリ力により駆動振動部405がY軸方向に振動するようになる。そして、このY軸方向の振動による駆動振動部405の変形を図示しない検出電極で検知し電気信号に変換し、この検出信号を制御回路に出力する構造としている。
Then, by applying a drive signal output from a control circuit (not shown) to a drive electrode (not shown), the
なお、ジャイロ素子401は、前述の第1実施家形態と同様に、面方位(1,0,0)を主面とする単結晶シリコン基板上に配列されている。ジャイロ素子401は、単結晶シリコン基板上に形成された外枠80、80aに複数の折取り部78、79を介して連結、支持されている。折取り部78、79は、一方の外枠80または他方の外枠80aから外部接続部415に向けて、その幅寸法が連続的に細くなるように設けられており、幅寸法の細部で外部接続部415と接続されている。折取り部78、79は、方向<1,1,0>に沿って複数個が配列されており、本形態ではそれぞれ3つの折取り部78、79が設けられている。
Note that the
なお、単結晶シリコン基板は、面方位(0,0,1)を主面とする単結晶シリコン基板でもよく、面方位(0,0,1)を主面とする単結晶シリコン基板上に配列されている場合の折取り部78、79は、方向<0,1,1>に沿って複数個が配列される。
Note that the single crystal silicon substrate may be a single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 0, 1) as a principal plane, and is arranged on the single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 0, 1) as a principal plane. A plurality of the
面方位(1,0,0)を主面とする単結晶シリコン基板上に配列されたジャイロ素子2は、折取り部78、79の劈開面(割断面)が、面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面となって折り取られ、個片化される。なお、面方位(0,0,1)を主面とする単結晶シリコン基板上に配列されたジャイロ素子2の場合は、折取り部78、79の劈開面(割断面)が、面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面となって折り取られ、個片化される。
In the
以上説明したような第3実施形態にかかるジャイロ素子401によっても、折取り部の折り取り残りが減少し、また折り取りの振動素子への進行が減少するなど、折り取りに関する不具合を防止することができる。これにより、ジャイロ素子401の個片化(折り取り)の不良率が低下し、換言すれば良品率が上昇するためジャイロ素子401のコストが低減されるため、このジャイロ素子401を用いたジャイロセンサーもコスト低減を図ることができる。また、折り取りが安定しているため、ジャイロ素子の振動特性が安定し、ジャイロセンサーとしての特性も安定させ、且つ信頼性を高めることが可能となる。
Even with the
なお、第3実施形態における、単結晶シリコン基板から個片化される際に折り取られる折取り部78、79の構成については、前述の第1実施形態で説明した構成を適用することができる。
Note that the configuration described in the above first embodiment can be applied to the configuration of the
[電子機器]
次いで、本発明の一実施形態に係る振動素子としてのジャイロ素子2、2B、401、またはジャイロ素子2、2B、401を用いた振動子(ジャイロセンサー)1を適用した電子機器について、図13〜図15に基づき、詳細に説明する。なお、説明では、のジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1を適用した例を示している。
[Electronics]
Next, electronic devices to which the
図13は、本発明の一実施形態に係る振動子(ジャイロセンサー)1を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成の概略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、角速度を検出する機能を備えたジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1が内蔵されている。
FIG. 13 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer as an electronic apparatus including the vibrator (gyro sensor) 1 according to an embodiment of the present invention. In this figure, a
図14は、本発明の一実施形態に係る振動子(ジャイロセンサー)1を備える電子機器としての携帯電話機(PHSも含む)の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。このような携帯電話機1200には、角速度センサー等として機能するジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1が内蔵されている。
FIG. 14 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a mobile phone (including PHS) as an electronic apparatus including the vibrator (gyro sensor) 1 according to the embodiment of the invention. In this figure, a
図15は、本発明の一実施形態に係る振動子(ジャイロセンサー)1を備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。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、デジタルスチールカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)等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。
FIG. 15 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a digital still camera as an electronic apparatus including the vibrator (gyro sensor) 1 according to an embodiment of the present invention. In this figure, connection with an external device is also simply shown. Here, an ordinary camera sensitizes a silver halide photographic film with a light image of a subject, whereas a
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
A
撮影者が表示部100に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ1300には、角速度センサー等として機能するジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1が内蔵されている。
When the photographer confirms the subject image displayed on the
なお、本発明の一実施形態に係る振動子(ジャイロセンサー)1は、図13のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図14の携帯電話機、図15のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。 The vibrator (gyro sensor) 1 according to an embodiment of the present invention includes, for example, a personal computer (mobile personal computer) in FIG. 13, a mobile phone in FIG. 14, and a digital still camera in FIG. Inkjet ejection device (for example, inkjet printer), laptop personal computer, TV, video camera, video tape recorder, car navigation device, pager, electronic notebook (including communication function), electronic dictionary, calculator, electronic game device, Word processor, workstation, videophone, security TV monitor, electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (eg electronic thermometer, blood pressure monitor, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish finder , Various measuring instruments, instruments For example, gages for vehicles, aircraft, and ships), can be applied to electronic devices such as flight simulators.
[移動体]
図16は移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車106には本発明に係るジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1が搭載されている。例えば、同図に示すように、移動体としての自動車106には、ジャイロ素子2を用いた振動子(ジャイロセンサー)1を内蔵してタイヤ109などを制御する電子制御ユニット108が車体107に搭載されている。また、振動子(ジャイロセンサー)1は、他にもキーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
[Moving object]
FIG. 16 is a perspective view schematically showing an automobile as an example of a moving body. The
1…振動子、2…振動素子としてのジャイロ素子、3、3B…振動体、8…導電性固定部材、9……パッケージ、10…接続パッド、31、31B…基部、32、32B…支持部、33、33B、34、34B…検出用振動腕、35、35B、36、36B、37、38…駆動用振動腕、41、41B、42、43、43B、44、51、51B、52、52B、53、53B、54、54B、55、56、57、58…圧電体素子、61、61B、62、62B、63、63B、64、64B、65、66、…質量調整部、71、71B、72、72B、73、73B、74、74B、75、75B、76、76B…端子、78、79…折取り部、78a、78b、79a、79b…折り取り残り部、80、81…枠部としての外枠、85…単結晶シリコン基板、91…ベース、92…リッド、100…表示部、106…移動体としての自動車、311…本体部、312、313…連結腕、321、321B、322…固定部、323、324、325、326、323B、324B、325B、326B…梁部、331、341、351、361、371、381…錘部、511…第1の下地層、512…第1の電極層、513…圧電体層、514…‥‥絶縁体層、515…第2の下地層、516…第2の電極層、521…第1の下地層、522…第1の電極層、523…圧電体層、524…絶縁体層、525…第2の下地層、526…第2の電極層、631…第1の層、632…第2の層、633…第3の層(質量調整層)、911…底板、912…側壁、1100…電子機器としてのモバイル型のパーソナルコンピューター、1200…電子機器としての携帯電話機、1300…電子機器としてのデジタルスチールカメラ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vibrator, 2 ... Gyro element as vibration element, 3, 3B ... Vibrating body, 8 ... Conductive fixing member, 9 ... Package, 10 ... Connection pad, 31, 31B ... Base part, 32, 32B ... Support part , 33, 33B, 34, 34B ... vibrating arm for detection, 35, 35B, 36, 36B, 37, 38 ... vibrating arm for driving, 41, 41B, 42, 43, 43B, 44, 51, 51B, 52,
Claims (13)
前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、
前記折取り部の割断面が、面方位(0,1,1)の面、または面方位(0,1,1)の垂直方向の面となることを特徴とする振動片。 A vibration element including a vibrating body formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane orientation of (1, 0, 0) as a main surface, a break portion, and a frame portion;
The vibration element is connected to the frame portion through the breaker portion,
The resonator element according to claim 1, wherein the fractured surface of the broken portion is a plane having a plane orientation (0, 1, 1) or a plane having a plane direction (0, 1, 1).
前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、
前記折取り部の割断面が、面方位(1,1,0)の面、または面方位(1,1,0)の垂直方向の面となることを特徴とする振動片。 A vibration element including a vibrating body formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 0, 1) as a main surface, a breaker portion, and a frame portion;
The vibration element is connected to the frame portion through the breaker portion,
The resonator element according to claim 1, wherein the fractured surface of the break portion is a plane having a plane orientation (1, 1, 0) or a plane having a plane direction (1, 1, 0).
前記振動素子は、前記折取り部を介して前記枠部に連結され、
前記折取り部の割断面が、面方位(1,0,1)の面、または面方位(1,0,1)の垂直方向の面となることを特徴とする振動片。 A vibrating element including a vibrating body, a breaker part, and a frame part, which are formed by processing a single crystal silicon substrate having a plane orientation (0, 1, 0) as a main surface. , Connected to the frame part through the breaker part,
The resonator element according to claim 1, wherein the fractured surface of the break portion is a plane having a plane orientation (1, 0, 1) or a plane having a plane direction (1, 0, 1).
前記振動素子が収納されているパッケージと、を備えていることを特徴とする振動子。 A vibration element broken from the vibration piece according to any one of claims 1 to 9,
And a package in which the vibration element is housed.
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US10644222B2 (en) | 2015-12-03 | 2020-05-05 | Seiko Epson Corporation | Piezoelectric drive apparatus for motor and method for manufacturing the same, motor, robot, and pump |
US11820284B2 (en) | 2018-09-05 | 2023-11-21 | Ts Tech Co., Ltd. | Vehicle illumination device and vehicle door |
WO2023238680A1 (en) * | 2022-06-08 | 2023-12-14 | コニカミノルタ株式会社 | Die , method for manufacturing die, droplet ejection head, and droplet ejection device |
-
2013
- 2013-03-28 JP JP2013068242A patent/JP2014192797A/en active Pending
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