JP2015035734A - 振動素子、振動デバイス、電子機器、および移動体 - Google Patents
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Abstract
Description
(第1実施形態)
図1〜図5を用い、本発明の第1実施形態に係る振動デバイスとしての振動子について説明する。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であり、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平面図(上面図)であり、図3(a)は駆動部の構成を示す図2中のA−A線断面図であり、図3(b)は駆動部の変形例を示す同様の断面図である。また、図4は、図2に示す振動素子の振動腕の動作を説明するための断面図であり、図4(a)は図3(a)の駆動部に対応し、図4(b)は図3(b)の駆動部に対応する図である。また、図5は、図2に示す振動素子の変形例を示す断面図である。なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸としてX軸(第1方向)、Y軸(第2方向)およびZ軸(第3方向)を図示している。また、以下では、X軸に平行な方向を「X軸方向(第1方向)」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向(第2方向)」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向(第3方向)」とも言う。また、以下では、X軸とY軸とで規定される平面を「XY」平面とも言い、Y軸とZ軸とで規定される平面を「YZ平面」とも言い、X軸とZ軸とで規定される平面を「XZ平面」とも言う。また、以下の説明では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
まず、図2および図3(a)に沿って振動素子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ことができる。振動素子2は、素子基板3に形成された基部4および基部4から延出する3本の振動腕(駆動腕5,6、および調整腕7)と、この素子基板3上に形成された複数の電極とを有している。
図2に示すように、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(駆動腕5,6、および調整腕7)と概ね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つの振動腕が接続されている。これら振動腕のうち、駆動腕5,6は、振動素子2を駆動するための駆動用腕として機能し、調整腕7は、駆動腕5,6のZ方向の振動を相殺するための調整用腕として機能する。
図2および図3(a)に示すように、駆動腕5は、XY平面で構成された第1面(上面)10と、XY平面で構成されるとともに第1面と表裏の関係となる第2面(下面)11とを有し、第1面10と第2面11とを繋ぐ側面20,21を有した構成となっている。駆動腕5には、第1面10から掘り込まれた段差部としての有底の溝部8aが設けられている。溝部8aの基部4側の端である一方端16は、基部4の端部4aに達しないように配置されている。このように溝部8aの一方端16を配置することで、溝部8aを設けることによって生じる駆動腕5の断面面積の小さい部分が、駆動腕5と基部4との接続部分に存在せず、駆動腕5と基部4との接続部分における駆動腕5の強度低下を生じない。これにより振動素子2の耐衝撃性を向上させることができる。また、溝部8aの先端部側の端である他方端18は、駆動腕5の先端に達しない位置、換言すれば先端部と距離を有する位置に配置されている。
調整腕7は、その長手方向(延出方向であるY軸方向)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5、および駆動腕6の振動に合わせて振動する。
図4(a)も併せて参照しながら駆動腕5,6および調整腕7の動作について説明する。
上述のような構成では、電源によって第1電極層12と、第2電極層14との間に交番電圧を印加すると、各圧電体層13がY軸方向に伸長または収縮し、ある一定の周波数(共振周波数)で駆動腕5および駆動腕6がZ軸方向に屈曲振動する。このとき、駆動腕5および駆動腕6には、Z軸方向の振動によってその形状に起因したX軸方向の新たな屈曲振動が励起される。この新たな屈曲振動により、駆動腕5および駆動腕6は、X軸方向への屈曲振動とZ軸方向への屈曲振動とが合成されることにより斜め振動するが、駆動腕5および駆動腕6の断面形状がXY平面およびYZ平面に関して非対称であるため、図4(a)に矢印L1,L2で示すようなZ軸およびX軸に対して傾斜した方向に振動する(すなわち斜め振動する)。また、駆動腕5および駆動腕6は、ZY平面に関して対称的に屈曲振動する。
なお、上述では、図3(a)に示すような、駆動腕5および駆動腕6の各第2面11に、第1電極層12、圧電体としての圧電体層(圧電薄膜)13、第2電極層14がこの順で積層されている駆動部の構成で説明したが、図3(b)に示すような駆動部の構成であってもよい。以下に詳細に説明する。
次に、図1に戻り、振動素子2を収容・固定する収容容器としてのパッケージ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(+Z方向)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とは、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、コバール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。
次に、本発明の第2実施形態に係る振動デバイスとしてのジャイロセンサーについて説明する。図6は、本発明の第2実施形態に係る振動デバイスとしてのジャイロセンサーを示す断面図、図7は、図6に示す振動デバイスに備えられた振動素子としてのジャイロ素子を示す平面図(上面図)平面図、図8(a)は図7中のB−B線断面図であり、図8(b)は駆動部の変形例を示す同様の断面図、図9は、図7に示すジャイロ素子の変形例を示す断面図である。また、図10は、図7に示すジャイロ素子の振動腕の動作を説明するための断面図であり、図10(a)は図8(a)の駆動部に対応し、図10(b)は図8(b)の駆動部に対応する図である。また、図11は、Z軸まわりの角速度が加わった際のジャイロ素子の振動を示す平面図であり、図12は、Y軸まわりの角速度が加わった際のジャイロ素子の振動を示す平面図である。
まず、図7および図8(a)に沿ってジャイロ素子40について説明する。図7に示すように、ジャイロ素子40は、所謂ダブルT型のジャイロ素子である。ジャイロ素子40は、素子基板70と、素子基板70に形成された複数の圧電体としての圧電体層63,66を含む駆動部とを有している。
第1、第2検出振動腕42,43は、重心(中心)Gと交わるXZ平面に関して対称に設けられている。また、これら第1、第2検出振動腕42,43は、図8(a)に示すように略矩形の横断面形状をなしている。第1検出振動腕42の第2面(下面)68には、二つの検出部がX軸方向に並んで形成されている。二つの検出部は、第1電極層65a、圧電体層66、第2電極層67aがこの順に積層されている第1検出部75と、第1電極層65b、圧電体層66、第2電極層67bがこの順に積層されている第2検出部76とを含む。なお、本例の圧電体層66は、一体的に形成されているが、一体的に形成されていなくてもよく、それぞれ個別に形成されている構成でもよい。なお、第2検出部76は、第1検出部75に対してグランドとなる電位を有する。同様に、第2検出振動腕43の第2面(下面)にも、二つの検出部がX軸方向に並んで形成されているが、構成が同じであるので説明を省略する。
なお、二つの検出部を用いることにより、簡単な構成で、より確実に第1、第2検出振動腕42,43の歪みを信号として取り出すことができる。
次に、第1、第2、第3、第4駆動振動腕46,47,48,49の構成について説明する。なお、第1、第2駆動振動腕46,47と第3、第4駆動振動腕48,49とは、重心(中心)Gと交わるXZ平面に関して対称に設けられている。したがって、本説明では、第1、第2駆動振動腕46,47について説明し、第3、第4駆動振動腕48,49の説明は省略する。
図8(b)に示す駆動部は、第1駆動振動腕46および第2駆動振動腕47の各第2面61に、2つに分割された第1電極層としての第3電極62aおよび第4電極62b、圧電体としての圧電体層(圧電薄膜)63、2つに分割された第2電極層としての第5電極64aおよび第6電極64bがこの順で積層されている。このような構成の駆動部においては、第3電極62a、圧電体層13、および第5電極64aを含む駆動部と、第4電極62b、圧電体層63、および第6電極64bを含む駆動部とに、電源によって交番電圧を印加すると、第3電極62aに対応する圧電体層63および第4電極62bに対応する圧電体層63とが、Y軸方向に伸長または収縮し、ある一定の周波数(共振周波数)で第1駆動振動腕46および第2駆動振動腕47がX軸方向に屈曲振動する。なお、第1駆動振動腕46および第2駆動振動腕47の断面形状が、上述の実施形態と同様にXY平面およびYZ平面に関して非対称であるため、図10(b)に矢印L4,L5で示すようなZ軸およびX軸に対して傾斜した方向に振動する(すなわち斜め振動する)。また、第1駆動振動腕46および第2駆動振動腕47は、ZY平面に関して対称的に屈曲振動する。
次に、図6に戻り、ジャイロ素子40を収容・固定する収容容器としてのパッケージ9aについて説明する。図6に示すように、パッケージ9aは、板状のベース基板91aと、枠状の枠部材92aと、板状の蓋部材93aとを有している。ベース基板91a、枠部材92aおよび蓋部材93aは、下側から上側(+Z方向)へこの順で積層されている。ベース基板91aと枠部材92a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92aと蓋部材93aとは、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9aは、ベース基板91a、枠部材92aおよび蓋部材93aで画成された内部空間Sに、ジャイロ素子40を収納している。なお、パッケージ9a内には、ジャイロ素子40の他、ジャイロ素子40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92aおよび蓋部材93aの構成材料としては、例えば、ベース基板91aと同様の構成材料、Al、Cu、コバール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。
以上、ジャイロセンサー1aの構成について説明した。ジャイロセンサー1aは、次のようにしてY軸まわりの角速度ωyおよびZ軸まわりの角速度ωzを検出する。以下、図10ないし図12を用いて説明するが、説明の便宜上、図11および図12では、各電極、溝部などの図示を省略している。
次いで、本発明の一実施形態に係る振動デバイスとして、振動素子2を用いた振動子1、あるいはジャイロ素子40を用いたジャイロセンサー1aのいずれかを適用した電子機器について、図14〜図16に基づき、詳細に説明する。なお、説明では、ジャイロセンサー1aを適用した例を示している。
図17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506には本発明に係る電子デバイスとしてのジャイロセンサー1a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506には、ジャイロセンサー1aを内蔵してタイヤ509などを制御する電子制御ユニット508が車体507に搭載されている。また、ジャイロセンサー1a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。
Claims (10)
- 基部と、
第1面および前記第1面と表裏関係にある第2面を含み、前記基部から延設されている駆動腕と、
前記第1面に設けられている有底の段差部と、
前記第2面に、圧電体を含み設けられている駆動部と、を備え、
前記駆動腕は、前記駆動腕の延設する方向と直交する幅方向の中心を通る第1の中心線に対し、非対称な断面形状を含み設けられていることを特徴とする振動素子。 - 前記駆動部は、前記幅方向に分割されて設けられていることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。
- 前記段差部は、前記駆動腕に設けられており、前記基部に達していないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の振動素子。
- 前記段差部は、前記幅方向の両側に前記駆動腕の壁部を有する溝部であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記基部から延出されている検出腕を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動素子。
- 前記駆動腕は、並設されている第1駆動腕と第2駆動腕とを含み、
前記第1駆動腕および前記第2駆動腕には、厚さ方向の中心を通る中心線に向かって互いに同方向に偏って配置されている前記段差部が設けられていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の振動素子。 - 前記駆動腕は、対で配設されており、一対の前記駆動腕と前記駆動腕との間に、前記基部から延出されている調整腕を備えていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動素子。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の振動素子と、
前記振動素子が収納されている収納容器と、を含むことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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