JP2015087142A - 振動素子、振動子、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的強度を十分に保ちつつ、温度ドリフトを低減することのできる振動素子、振動子、電子機器および移動体を提供する。
【解決手段】振動素子１は、振動部２０と、振動部２０を支持する支持部２５１、２５２と、振動部２０と支持部２５１、２５２とを連結する梁２６１、２６２、２６３、２６４とを有し、梁２６１、２６２、２６３、２６４は、それぞれ、その全長の少なくとも一部に、振動部２０の厚さ方向（Ｚ軸方向）で実効幅が異なる部分を有する横断面形状を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動素子、振動子、電子機器および移動体に関するものである。

従来から、角速度を検出するための振動素子として、特許文献１のような振動素子が知られている。特許文献１に記載の振動素子は、基部と、基部からＹ軸方向両側に沿って延出している第１、第２検出腕と、基部からＸ軸方向両側へ延出している第１、第２連結腕と、第１連結腕からＹ軸方向両側へ延出している第１、第２駆動腕と、第２連結腕からＹ軸方向両側へ延出している第３、第４駆動腕とを有している。このような構成の振動素子では、各駆動腕を駆動モードで振動させた状態でＺ軸まわりの角速度が加わると第１、第２検出腕に検出モードの振動が励振され、この検出モードの振動によって得られる信号から角速度を検知することができる。
このような振動素子は、近年、例えば、携帯機器、車載機器など、その用途が拡大している。これにより、使用される温度環境も多岐に渡り、広い温度範囲において安定に動作することも要求されるようになっている。また、併せて小型化も要求されるようになっている。

このような振動素子においては、室温において、第１〜第４駆動腕の共振周波数ｆｄ（Ｈｚ）（以下、「駆動振動周波数ｆｄ」という。）を一定値に調節しても、周囲温度が高温や低温に変化したとき、共振周波数の変動や特性の変動などの所謂温度ドリフトが発生する。この温度ドリフトの発生には、面外屈曲振動モードなどの不要振動が影響することが知られている。この温度ドリフトの抑制のため、例えば、特許文献２には、面外屈曲モードとしての面外屈曲一次モード振動周波数ｆｓ１を、ｆｄ×２．２≦ｆｓ１≦ｆｄ×２．８、またはｆｄ×３．２≦ｆｓ１≦ｆｄ×３．８のいずれかとすることが提案されている。
しかしながら、前述の従来技術の振動素子では、駆動振動周波数ｆｄと面外屈曲モード振動周波数ｆｓとの関係においては有効であったが、面外屈曲振動モードと異なる不要振動に対しては効果が十分でなく、更なる温度ドリフトの低減が求められていた。

特開２００６−２０１０１１号公報 特開２００８−２６１１０号公報

本発明の目的は、機械的強度を十分に保ちつつ、温度ドリフトを低減することのできる振動素子、振動子、電子機器および移動体を提供することにある。

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。
［適用例１］
本適用例の振動素子は、振動部と、
前記振動部を支持する支持部と、
前記振動部と前記支持部とを連結する梁と、を有し、
前記梁の全長の少なくとも一部の横断面形状は、実効幅が前記振動部の厚さ方向で異なっている部分を有していることを特徴とする。
これにより、梁の曲げ剛性を低くしつつ、梁のねじり剛性を十分に高く確保することができるため、機械的強度を十分に保ちつつ、温度ドリフトを低減することのできる振動素子が得られる。

［適用例２］
本適用例の振動素子では、前記横断面形状は、
広幅部と、
前記広幅部と前記厚さ方向に並んで設けられ、前記広幅部よりも幅が狭い狭幅部と、を有していることが好ましい。
これにより、簡単な横断面形状となる。

［適用例３］
本適用例の振動素子では、前記広幅部は、前記狭幅部を間に挟んで一対設けられていることが好ましい。
これにより、梁の剛性の偏りが小さくなる。そのため、梁の破損を効果的に抑制することができる。

［適用例４］
本適用例の振動素子では、前記横断面形状は、その外縁に開放する凹部を有していることが好ましい。
これにより、簡単な構成で広幅部と狭幅部とを形成することができる。
［適用例５］
本適用例の振動素子では、前記横断面形状は、
広幅部と、
前記広幅部と前記厚さ方向に並んで設けられ、内側に空洞をすることで実効幅が前記広幅部よりも狭い狭幅部と、を有していることが好ましい。
これにより、簡単な構成で広幅部と狭幅部とを形成することができる。

［適用例６］
本適用例の振動素子では、前記狭幅部の幅は、前記広幅部の幅と等しいことが好ましい。
これにより、比較的簡単（単純）な外形の横断面形状となるため、梁の形成がより容易となる。

［適用例７］
本適用例の振動素子では、前記梁は、所定方向へ延在する第１延在部と、前記所定方向と異なる方向へ延在する第２延在部とを有し、
前記第１延在部の少なくとも一部および前記第２延在部の少なくとも一部が前記横断面形状を有した部分で構成されていることが好ましい。
これにより、より効果的に梁の曲げ剛性を低くすることができる。
［適用例８］
本適用例の振動素子では、前記梁の両端部に前記横断面形状を有した部分が設けられていることが好ましい。
これにより、梁の破損をより効果的に抑制することができる。

［適用例９］
本適用例の振動素子では、前記振動部は、基部と、
前記基部から第１軸に沿って延出する検出腕と、
前記基部から前記第１軸に交差する第２軸に沿って延出する連結腕と、
前記連結腕から前記第１軸に沿って延出する駆動腕と、を有し、
前記梁は、前記検出腕と前記駆動腕との間を通って前記基部と前記支持部とを連結していることが好ましい。
これにより、振動素子を角速度検出素子として利用することができる。

［適用例１０］
本適用例の振動子は、本適用例の振動素子と、
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、信頼性の高い振動子が得られる。
［適用例１１］
本適用例の電子機器は、本適用例の振動素子を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
［適用例１２］
本適用例の移動体は、本適用例の振動素子を備えたことを特徴とする移動体。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。

本発明の振動素子の好適な実施形態を示す平面図である。 図１に示す振動素子が有する電極を示す平面図である。 図１に示す振動素子が有する電極を示す平面図（透過図）である。 図１に示す振動素子の動作を説明するための図である。 図１に示す振動素子に発生し得る不要振動の様子を示す斜視図である。 図１に示す振動素子の特性を説明するための説明図である。 図１に示す振動素子の出力温度変動幅を示すグラフである。 図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。 図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。 図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。 図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。 図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。 本発明の振動子の好適な実施形態を示す図であり（ａ）が断面図、（ｂ）が上面である。 本発明の振動素子を備える物理量センサーの好適な実施形態を示す断面図である。 図１４に示す物理量センサーの上面図である。 図１４に示す物理量センサーの上面図である。 本発明の振動素子を備える物理量検出装置のブロック図である。 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。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 本発明の振動素子を備える移動体を適用した自動車の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の振動素子、振動子、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．振動素子
図１は、本発明の振動素子の好適な実施形態を示す平面図である。図２は、図１に示す振動素子が有する電極を示す平面図である。図３は、図１に示す振動素子が有する電極を示す平面図（透過図）である。図４は、図１に示す振動素子の動作を説明するための図である。図５は、図１に示す振動素子に発生し得る不要振動の様子を示す斜視図である。図６は、図１に示す振動素子の特性を説明するための説明図である。図７は、図１に示す振動素子の出力温度変動幅を示すグラフである。図８ないし図１２は、それぞれ、図１に示す振動素子の梁の横断面形状を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１の紙面手前側を「上側」とも言い、紙面奥側を「下側」とも言う。また、図１、図５、図８ないし図１２では、説明の便宜上、電極の図示を省略している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ軸方向」とも言い、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ軸方向」とも言う。

≪振動素子の基本的構造≫
図１に示す振動素子１は、角速度検出素子（ジャイロ素子）として用いられるものである。このような振動素子１は、圧電基板２と、圧電基板２の表面に形成された電極とを有している。
−圧電基板−
圧電基板２の構成材料としては、例えば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料が挙げられる。これらの中でも、圧電基板２の構成材料としては、水晶を用いることが好ましい。水晶を用いることで、他の材料と比較して優れた周波数温度特性を有する振動素子１が得られる。なお、以下では、圧電基板２を水晶で構成した場合について説明する。

図１に示すように、圧電基板２は、水晶基板の結晶軸であるＹ軸（機械軸。第１軸）およびＸ軸（電気軸。第２軸）で規定されるＸＹ平面に広がりを有し、Ｚ軸（光軸）方向に厚みを有する板状をなしている。すなわち、圧電基板２は、Ｚカット水晶板で構成されている。なお、Ｚ軸は、圧電基板２の厚さ方向と一致しているのが好ましいが、常温近傍における周波数温度変化を小さくする観点から、厚さ方向に対して若干（例えば、１５°未満程度）傾けてもよい。

このような圧電基板２は、振動部２０と、振動部２０を介してＹ軸方向に対向配置された第１、第２支持部２５１、２５２と、第１支持部２５１と振動部２０とを連結する第１、第３梁２６１、２６３と、第２支持部２５２と振動部２０とを連結する第２、第４梁２６２、２６４とを有している。
また、振動部２０は、中心部に位置する基部２１と、基部２１からＹ軸方向両側に延出する第１、第２検出腕２２１、２２２と、基部２１からＸ軸方向両側に延在する第１、第２連結腕２３１、２３２と、第１連結腕２３１の先端部からＹ軸方向両側に延出する第１、第２駆動腕２４１、２４２と、第２連結腕２３２の先端部からＹ軸方向両側に延出する第３、第４駆動腕２４３、２４４とを有し、基部２１が梁２６１、２６２、２６３、２６３によって第１、第２支持部２５１、２５２に支持されている。

第１検出腕２２１は、基部２１から＋Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２２１１が設けられている。一方、第２検出腕２２２は、基部２１から−Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２２２１が設けられている。これら第１、第２検出腕２２１、２２２は、振動素子１の重心Ｇを通るＸＺ平面に関して面対称に配置されている。

第１、第２検出腕２２１、２２２にハンマーヘッド２２１１、２２２１を設けることで角速度の検出感度が向上するとともに、第１、第２検出腕２２１、２２２の長さを短くすることができる。なお、ハンマーヘッド２２１１、２２２１は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。また、必要に応じて、検出腕２２１、２２２の上面および下面に長さ方向に延在する有底の溝を形成してもよい。

第１連結腕２３１は、基部２１から＋Ｘ軸方向に延出している。一方、第２連結腕２３２は、基部２１から−Ｘ軸方向に延出している。これら第１、第２連結腕２３１、２３２は、重心Ｇを通るＹＺ平面に関して面対称に配置されている。なお、第１、第２連結腕２３１、２３２の上面および下面に、その長さ方向（Ｘ軸方向）に延在する有底の溝を設けてもよい。

第１駆動腕２４１は、第１連結腕２３１の先端部から＋Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２４１１が設けられている。また、第２駆動腕２４２は、第１連結腕２３１の先端部から−Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２４２１が設けられている。また、第３駆動腕２４３は、第２連結腕２３２の先端部から＋Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２４３１が設けられている。また、第４駆動腕２４４は、第２連結腕２３２の先端部から−Ｙ軸方向に延出し、その先端部には幅広のハンマーヘッド２４４１が設けられている。これら４本の駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４は、重心Ｇに関して点対称に配置されている。

駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４にハンマーヘッド２４１１、２４２１、２４３１、２４４１を設けることで角速度の検出感度が向上するとともに、駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４の長さを短くすることができる。なお、ハンマーヘッド２４１１、２４２１、２４３１、２４４１は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。また、必要に応じて、駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４の上面および下面に長さ方向に延在する有底の溝を形成してもよい。
第１支持部２５１は、基部２１に対して＋Ｙ軸方向側に位置し、Ｘ軸方向延在して配置されている。一方、第２支持部２５２は、基部２１に対して−Ｙ軸方向側に位置し、Ｘ軸方向に延在して配置されている。これら第１、第２支持部２５１、２５２は、重心Ｇを通るＸＺ平面に関して面対称に配置されている。

第１梁２６１は、第１検出腕２２１と第１駆動腕２４１との間を通って基部２１と第１支持部２５１とを連結している。また、第２梁２６２は、第２検出腕２２２と第２駆動腕２４２との間を通って基部２１と第２支持部２５２とを連結している。また、第３梁２６３は、第１検出腕２２１と第３駆動腕２４３との間を通って基部２１と第１支持部２５１とを連結している。また、第４梁２６４は、第２検出腕２２２と第４駆動腕２４４との間を通って基部２１と第２支持部２５２とを連結している。これら梁２６１、２６２、２６３、２６４は、重心Ｇに関して点対称に配置されている。

各梁２６１、２６２、２６３、２６４は、Ｘ軸方向に沿って往復しながらＹ軸方向に沿って延びる蛇行部（Ｓ字形状部）を有しており、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に弾性を有している。また、各梁２６１、２６２、２６３、２６４は、それぞれ、蛇行部を有する細長い形状を有しているので、あらゆる方向に弾性を有している。そのため、外部から衝撃が加えられても、各梁２６１、２６２、２６３、２６４で衝撃を吸収でき、衝撃に起因する検出ノイズを低減または抑制することができる。

−電極−
圧電基板２の表面には、電極が形成されている。
図２および図３に示すように、電極は、検出信号電極３１１と、検出信号端子３１２と、検出接地電極３２１と、検出接地端子３２２と、駆動信号電極３３１と、駆動信号端子３３２と、駆動接地電極３４１と、駆動接地端子３４２とを有している。なお、図２および図３では、説明の便宜上、検出信号電極３１１および検出信号端子３１２、検出接地電極３２１および検出接地端子３２２、駆動信号電極３３１および駆動信号端子３３２、駆動接地電極３４１および駆動接地端子３４２を、それぞれ、異なるハッチングで図示している。また、圧電基板２の側面に形成されている電極、配線、端子を太線で図示している。

検出信号電極３１１は、第１、第２検出腕２２１、２２２の上面および下面（ハンマーヘッド２２１１、２２２１を除く部分）に形成されている。このような検出信号電極３１１は、第１、第２検出腕２２１、２２２の検出振動が励起されたときに、該振動によって発生する電荷を検出するための電極である。
検出信号端子３１２は、第１、第２支持部２５１、２５２の右側端部に形成されている。第１支持部２５１に形成された検出信号端子３１２は、第１梁２６１に形成された検出信号配線を介して、第１検出腕２２１に形成された検出信号電極３１１と電気的に接続されている。一方、第２支持部２５２に形成された検出信号端子３１２は、第２梁２６２に形成された検出信号配線を介して、第２検出腕２２２に形成された検出信号電極３１１と電気的に接続されている。

また、検出接地電極３２１は、第１、第２検出腕２２１、２２２の両側面に形成されている。第１検出腕２２１の両側面に形成れている検出接地電極３２１は、ハンマーヘッド２２１１を経由して電気的に接続されており、第２検出腕２２２の両側面に形成れている検出接地電極３２１は、ハンマーヘッド２２２１を経由して電気的に接続されている。このような検出接地電極３２１は、検出信号電極３１１に対してグランドとなる電位を有する。

検出接地端子３２２は、第１、第２支持部２５１、２５２の中央部に形成されている。第１支持部２５１に形成されている検出接地端子３２２は、第１梁２６１に形成された検出接地配線を介して、第１検出腕２２１に形成された検出接地電極３２１と電気的に接続されている。一方、第２支持部２５２に形成されている検出接地端子３２２は、第２梁２６２に形成された検出接地配線を介して、第２検出腕２２２に形成された検出接地電極３２１と電気的に接続されている。

このように検出信号電極３１１と、検出信号端子３１２と、検出接地電極３２１と、検出接地端子３２２とを配置することで、第１検出腕２２１に生じた検出振動は、第１検出腕２２１に形成された検出信号電極３１１と検出接地電極３２１との間の電荷として現れ、第１支持部２５１に形成された検出信号端子３１２と検出接地端子３２２とから信号として取り出すことができる。また、第２検出腕２２２に生じた検出振動は、第２検出腕２２２に形成された検出信号電極３１１と検出接地電極３２１との間の電荷として現れ、第２支持部２５２に形成された検出信号端子３１２と検出接地端子３２２とから信号として取り出すことができる。

駆動信号電極３３１は、第１、第２駆動腕２４１、２４２の上面および下面（ハンマーヘッド２４１１、２４２１を除く部分）に形成されている。さらに、駆動信号電極３３１は、第３、第４駆動腕２４３、２４４の両側面に形成されている。第３駆動腕２４３の両側面に形成れている駆動信号電極３３１は、ハンマーヘッド２４３１を経由して電気的に接続されており、第４駆動腕２４４の両側面に形成れている駆動信号電極３３１は、ハンマーヘッド２４４１を経由して電気的に接続されている。このような駆動信号電極３３１は、第１、第２、第３、第４駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４の駆動振動を励起させるための電極である。
また、駆動信号端子３３２は、第２支持部２５２の左端部に形成されている。駆動信号端子３３２は、第４梁２６４に形成された駆動信号配線を介して、第１、第２、第３、第４駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４に形成された駆動信号電極３３１と電気的に接続されている。

駆動接地電極３４１は、第３、第４駆動腕２４３、２４４の上面および下面（ハンマーヘッド２４３１、２４４１を除く部分）に形成されている。さらに、駆動接地電極３４１は、第１、第２駆動腕２４１、２４２の両側面に形成されている。第１駆動腕２４１の両側面に形成れている駆動接地電極３４１は、ハンマーヘッド２４１１を経由して電気的に接続されており、第２駆動腕２４２の両側面に形成れている駆動接地電極３４１は、ハンマーヘッド２４２１を経由して電気的に接続されている。このような駆動接地電極３４１は、駆動信号電極３３１に対してグランドとなる電位を有する。
また、駆動接地端子３４２は、第１支持部２５１の左端部に形成されている。駆動接地端子３４２は、第３梁２６３に形成された駆動接地配線を介して、第１、第２、第３、第４駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４に形成された駆動接地電極３４１と電気的に接続されている。

このように駆動信号電極３３１、駆動信号端子３３２、駆動接地電極３４１、駆動接地端子３４２を配置することで、駆動信号端子３３２と駆動接地端子３４２との間に駆動信号を印加することで、第１、第２、第３、第４駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４に形成された駆動信号電極３３１と駆動接地電極３４１との間に電界を生じさせ、各駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４を駆動振動させることができる。
以上のような電極の構成としては、導電性を有していれば特に限定されないが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などのメタライズ層（下地層）に、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。

≪振動素子の駆動≫
次に、振動素子１の駆動について説明する。
振動素子１に角速度が加わらない状態において、駆動信号端子３３２と駆動接地端子３４２との間に電圧（交番電圧）を印加することで駆動信号電極３３１と駆動接地電極３４１との間に電界が生じると、図４（ａ）に示すように、各駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４が矢印Ａに示す方向に屈曲振動を行う。このとき、第１、第２駆動腕２４１、２４２と第３、第４駆動腕２４３、２４４とが振動素子１の重心Ｇを通るＹＺ平面に関して面対称の振動を行っているため、基部２１、第１、第２検出腕２２１、２２２および第１、第２連結腕２３１、２３２は、ほとんど振動しない。

この駆動振動を行っている状態で、振動素子１にＺ軸周りの角速度ωが加わると、図４（ｂ）に示すような検出振動が励振される。具体的には、駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４および第１、第２連結腕２３１、２３２に矢印Ｂ方向のコリオリの力が働き、新たな振動が励起される。この矢印Ｂ方向の振動は、重心Ｇに対して周方向の振動である。また同時に、第１、第２検出腕２２１、２２２には、矢印Ｂの振動に呼応して、矢印Ｃ方向の検出振動が励起される。そして、この振動により第１、第２検出腕２２１、２２２に発生した電荷を、検出信号電極３１１と検出接地電極３２１とから信号として取り出し、この信号に基づいて角速度が求められる。

次に、振動素子１の駆動時に発生する不要振動について説明する。
振動素子１が上述のように駆動している際、駆動モードの振動と共に、僅かではあるが不要振動が発生する。この不要振動には種々の振動モードが存在するが、発明者らは、次に示す２つの振動モード（ｙ１モードの振動、およびｙ２モードの振動）が振動素子１の特性における温度ドリフトに大きな影響を持つことに着目した。そこで、図５および図６を用いて、ｙ１モードおよびｙ２モードの振動とその振動が振動素子１の特性に対して与える影響について説明する。

まず、ｙ１モードについて説明する。図５（ａ）に示すように、ｙ１モードは、基部２１と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４とがＹ軸方向同じ側に動く振動モードである。このように、ｙ１モードでは、基部２１と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４とがＹ軸方向同じ方向に動くため、基部２１の振動と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４の振動とを閉じ込めきれず、振動素子１の振動特性、特に温度に依存する特性変動である温度ドリフトに影響を与えてしまう。具体的に説明すると、図６（ａ）に示す曲線Ｌ２のように、温度変化に伴って振動素子１の出力特性が変動し、出力の変動幅が大きくなってしまう。すなわち、温度ドリフトが大きくなってしまう。なお、温度ドリフトが生じなければ、曲線Ｌ１のように殆んどふらつきのない特性が得られる。

次に、ｙ２モードについて説明する。図５（ｂ）に示すように、ｙ２モードは、基部２１と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４とがＹ軸方向反対側に動く振動モードである。このように、ｙ２モードでは、基部２１と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４とがＹ軸方向反対側に動くため、基部２１の振動と駆動腕２４１、２４２、２４３、２４４の振動とが相殺され、それによって振動を閉じ込めることができる。したがって、ｙ２モードは、振動素子１の振動特性、特に温度に依存する特性変動である温度ドリフトには、殆んど影響を与えることが無い。

次に、ｙ１モード、ｙ２モードの励起について説明する。ここでは、ｙ１モードの振動周波数をｙ１モード振動周波数ｆｙ１、ｙ２モードの振動周波数をｙ２モード振動周波数ｆｙ２、駆動腕２４１、２４３、２４２、２４４の共振周波数を駆動振動周波数ｆｄとして説明する。
図６（ｂ）に示すように、ｙ２モード振動周波数ｆｙ２と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ２｜が、ｙ１モード振動周波数ｆｙ１と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ１｜より大きい場合は、ｙ１モードの振動が励起され易くなる。これに対し、図６（ｃ）に示すように、ｙ２モード振動周波数ｆｙ２と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ２｜が、ｙ１モード振動周波数ｆｙ１と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ１｜より小さい場合は、ｙ２モードの振動が励起され易くなり、これによってｙ１モードの振動の励起が抑えられ、励起し難くなる。

図７は、ｙ２モード振動周波数ｆｙ２と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ２｜とｙ１モード振動周波数ｆｙ１と駆動振動周波数ｆｄとの差｜ｆｄ−ｆｙ１｜との関係が振動素子１の出力の温度変動幅に対して与える影響を示すグラフである。図７に示すように、｜ｆｄ−ｆｙ２｜／｜ｆｄ−ｆｙ１｜＝１、すなわち、｜ｆｄ−ｆｙ２｜＝｜ｆｄ−ｆｙ１｜となる点を境に、数字が小さくなる側は、振動素子１の出力の温度変動幅が極端に小さくなっており、数字が大きくなる側は、振動素子１の出力の温度変動幅が極端に大きくなっていることが分かる。このように、駆動振動周波数ｆｄと、ｙ１モード振動周波数ｆｙ１と、ｙ２モード振動周波数ｆｙ２との関係を｜ｆｄ−ｆｙ１｜＞｜ｆｄ−ｆｙ２｜とすることで、ｙ１モードの振動が励起され難くなり、振動素子１の出力特性の温度ドリフトへの影響を抑制させることが可能となる。

発明者らは、｜ｆｄ−ｆｙ１｜＞｜ｆｄ−ｆｙ２｜とするための１つの方法として、各梁２６１、２６２、２６３、２６４を薄くしたり細くしたりし、各梁２６１、２６２、２６３、２６４の曲げ剛性を小さくすればよいことを見出した。ただし、ただ単純に各梁２６１、２６２、２６３、２６４の曲げ剛性を小さくしただけでは、梁２６１、２６２、２６３、２６４の強度不足を招き、例えば落下時の衝撃等によって振動素子１にＺ軸方向の衝撃（加速度）が加わると、梁２６１、２６２、２６３、２６４が破損するおそれが高まる。そこで、振動素子１では、ｙ１モードの振動が励起され難く、さらに、十分な機械的強度を発揮することができるように、各梁２６１、２６２、２６３、２６３の断面形状に特徴を与えている。

≪梁の形状≫
振動素子１にＺ軸方向の加速度を加えると梁２６１、２６２、２６３、２６４にせん断応力が発生する。そのため、ｙ１モードの振動が励起され難く、さらに、十分な機械的強度を有する振動素子とするためには、各梁２６１、２６２、２６３、２６４の曲げ剛性（特に断面二次モーメント）を小さくしつつ、梁２６１、２６２、２６３、２６４のねじり剛性（特に断面極モーメント）を大きくする（すなわち十分な値を確保する）ことが有効である。したがって、振動素子１では、梁２６１、２６２、２６３、２６４の形状を、このような物性を満足することのできるものとしている。

以下、梁２６１、２６２、２６３、２６４の形状について詳細に説明するが、各梁２６１、２６２、２６３、２６４は同様の構成であるため、以下では、梁２６１について代表して説明し、梁２６２、２６３、２６４についてはその説明を省略する。
梁２６１は、その全長のうちの少なくとも一部が、図８〜図１２に示すように、厚さ方向（Ｚ軸方向）において実効幅が異なる部位を有する横断面形状をなしている。これにより、梁２６１の曲げ剛性を小さくしつつ、ねじり剛性を大きくすることができる。ただし、梁２６１の横断面形状としては、厚さ方向において実効幅が異なる部位を有していれば図８〜図１２に示す形状に限定されない。
なお、以下では、説明を容易とするために、厚さ：幅＝１：１である矩形の横断面形状を有する従来型の梁と比較しながら説明する。

−第１の横断面形状−
梁２６１の第１の横断面形状は、図８（ｂ）に示すように、両側面の中央部（外縁）に開放する凹部が形成されており、厚さ方向（Ｚ軸方向）の中央部がくびれた略「Ｉ」型をなしている。これにより、比較的簡単な形状の横断面形状となる。
具体的に説明すると、第１の横断面形状は、厚さ方向の中央部に位置する狭幅部２６１Ａ１と、狭幅部２６１Ａ１の上側（＋Ｚ軸方向）に位置し、狭幅部２６１Ａ１よりも幅が広い広幅部２６１Ａ２と、狭幅部２６１Ａ１の下側（−Ｚ軸方向）に位置し、狭幅部２６１Ａ１よりも幅が広い広幅部２６１Ａ３とを有している。広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３の幅は、ほぼ等しい。

このような横断面形状とすることで、図８（ａ）に示す従来型の梁と比較して、Ｚ軸まわりの断面二次モーメントＩｚを選択的に低下させることができる。そのため、曲げ剛性の小さい梁２６１となる。一方で、Ｘ軸回り（Ｙ軸回り）の断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）の低下が抑えられるため、従来型の梁からの断面極モーメントＩｐの減少が小さく抑えられる。そのため、ねじり剛性の大きい梁２６１となる。したがって、第１の横断面形状を有する梁２６１によれば、温度ドリフトを低減することができ、かつ十分な機械的強度を備えた振動素子１が得られる。
特に、第１の横断面形状では、一対の広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３が狭幅部２６１Ａ１を挟んで設けられているため、上下対称の横断面形状となっている。そのため、梁２６１の剛性の偏りが小さくなり、梁２６１の破損を効果的に抑制することができる。

なお、第１の横断面形状では、狭幅部２６１Ａ１と、広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３の境界が明確に分かれているが、例えば、図８（ｃ）に示すように、幅が厚さ方向中央部から上側および下側の両側に向けて漸増しているような形状であってもよい。また、図８（ｄ）に示すように、従来型の梁の横断面積と等しくなるように厚みを厚くしてもよい。すなわち、凹部を形成するために除去した分だけ厚みを厚くしてもよい。これにより、図８（ｂ）に示す構成よりも断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）が高まり、よりねじり剛性の大きい梁２６１となる。

また、第１の横断面形状では、狭幅部２６１Ａ１と、広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３とが、互いにほぼ同じ厚さとなっているが、これらの厚さの関係は、これに限定されず、例えば、狭幅部２６１Ａ１が、広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３よりも厚くてもよいし、反対に、薄くてもよい。ただし、広幅部２６１Ａ２、２６１Ａ３は、同じ厚さとすることが好ましい。狭幅部２６１Ａ１の幅としては特に限定されないが、梁２６１の幅の１／４〜１／２程度であることが好ましい。

−第２の横断面形状−
梁２６１の第２の横断面形状は、図９（ｂ）に示すように、一方の側面の中央部（外縁）に開放する凹部が形成されており、厚さ方向（Ｚ軸方向）の中央部片側がくびれた略「Ｃ」型をなしている。具体的に説明すると、第２の横断面形状は、厚さ方向の中央部に位置する狭幅部２６１Ｂ１と、狭幅部２６１Ｂ１の上側（＋Ｚ軸方向）に位置し、狭幅部２６１Ｂ１よりも幅が広い広幅部２６１Ｂ２と、狭幅部２６１Ｂ１の下側（−Ｚ軸方向）に位置し、狭幅部２６１Ｂ１よりも幅が広い広幅部２６１Ｂ３とを有しており、狭幅部２６１Ｂ１が幅方向の片側に偏在している。広幅部２６１Ｂ２、２６１Ｂ３の幅は、ほぼ等しい。

このような横断面形状とすることで、図９（ａ）に示す従来型の梁と比較して、Ｚ軸まわりの断面二次モーメントＩｚを選択的に低下させることができ、曲げ剛性の小さい梁２６１となる。一方で、Ｘ軸回り（Ｙ軸回り）の断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）の低下が抑えられるため、従来型の梁からの断面極モーメントＩｐの減少が小さく抑えられ、ねじり剛性の大きい梁２６１となる。したがって、第２の横断面形状を有する梁２６１によって、温度ドリフトを低減することができ、かつ十分な機械的強度を備えた振動素子１が得られる。

なお、第２の横断面形状では、狭幅部２６１Ｂ１と、広幅部２６１Ｂ２、２６１Ｂ３の境界が明確に分かれているが、例えば、図９（ｃ）に示すように、幅が厚さ方向中央部から上側および下側の両側に向けて漸増しているような形状であってもよい。また、図９（ｄ）に示すように、従来型の梁の横断面積と等しくなるように厚みを厚くしてもよい。すなわち、凹部を形成するために除去した分だけ厚みを厚くしてもよい。これにより、図９（ｂ）に示す構成よりも断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）が高まり、よりねじり剛性の大きい梁２６１となる。

また、第２の横断面形状では、狭幅部２６１Ｂ１と、広幅部２６１Ｂ２、２６１Ｂ３とが、互いにほぼ同じ厚さとなっているが、これらの厚さの関係は、これに限定されず、例えば、狭幅部２６１Ｂ１が、広幅部２６１Ｂ２、２６１Ｂ３よりも厚くてもよいし、反対に、薄くてもよい。ただし、広幅部２６１Ｂ２、２６１Ｂ３は、同じ厚さとすることが好ましい。狭幅部２６１Ｂ１の幅としては特に限定されないが、梁２６１の幅の１／４〜１／２程度であることが好ましい。
また、第２の横断面形状では、狭幅部２６１Ｂ１が図中左側に偏在しているが、これとは反対に、右側に偏在していてもよい。

−第３の横断面形状−
梁２６１の第３の横断面形状は、図１０（ｂ）に示すように、上面の中央部（外縁）に開放する凹部が形成されており、略「凹」型をなしている。具体的に説明すると、第３の横断面形状は、下側（−Ｚ軸方向）に位置する広幅部２６１Ｃ２と、広幅部２６１Ｃ２の上側に位置し、内側に空洞を有することで広幅部２６１Ｃ２よりも実効幅（物性に寄与する実質的な幅。具体的には、全幅Ｗ１から空洞の幅Ｗ２を引いた幅）が狭い狭幅部２６１Ｃ１とを有している。

このような横断面形状とすることで、見かけ上の幅が厚さ方向に等しくても、実効的な幅を厚さ方向に異ならせることができるため、図１０（ａ）に示す従来型の梁と比較して、Ｚ軸まわりの断面二次モーメントＩｚを選択的に低下させることができ、曲げ剛性の小さい梁２６１となる。一方で、Ｘ軸回り（Ｙ軸回り）の断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）の低下が抑えられるため、従来型の梁からの断面極モーメントＩｐの減少が小さく抑えられ、ねじり剛性の大きい梁２６１となる。したがって、第３の横断面形状を有する梁２６１によれば、温度ドリフトを低減することができ、かつ十分な機械的強度を備えた振動素子１が得られる。
特に、第３の横断面形状では、狭幅部２６１Ｃ１と広幅部２６１Ｃ２の幅（全幅）が等しくなっているため、その外形が比較的簡単となる（外形を構成する辺の数を少なく抑えることができる）。したがって、形成し易い梁２６１となる。

また、第３の横断面形状によれば、フォトリソグラフィー技法およびウエットエッチング技法を用いて、前述した第１、第２の横断面形状よりも簡単に梁２６１を形成することができる。簡単に説明すると、第１、第２の横断面形状では、梁２６１の側面に凹部が形成されているため、梁２６１の側面に凹部に対応した開口するマスクを形成する必要がある。しかしながら、マスクをパターニングするための光を梁２６１の側面に照射するには、光を斜め方向から照射しなければならず、特殊な装置が必要となったり、照射精度が悪かったりする。これに対して、第３の横断面形状では、梁２６１の上面に凹部が形成されているため、梁２６１の上面に凹部に対応した開口するマスクを形成する必要がある。この場合、マスクをパターニングするための光を梁２６１の真上から照射すればよく、通常の装置で高精度に照射することができる。このようなことから、第３の横断面形状の方が、第１、第２の横断面形状よりも簡単に形成することができる。

なお、第３の横断面形状では、上面に形成された凹部の幅が厚さ方向にほぼ一定であるが、例えば、図１０（ｃ）に示すように、凹部の幅がその底部に向けて漸減していてもよい。また、図１０（ｄ）に示すように、従来型の梁の横断面積と等しくなるように厚みを厚くしてもよい。すなわち、凹部を形成するために除去した分だけ厚みを厚くしてもよい。これにより、図１０（ｂ）に示す構成よりも断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）が高まり、よりねじり剛性の大きい梁２６１となる。

また、第３の横断面形状では、狭幅部２６１Ｃ１が広幅部２６１Ｃ２よりも厚く形成されているが、これらの厚さの関係は、これに限定されず、例えば、狭幅部２６１Ｃ１と広幅部２６１Ｃ２とが等しい厚さであってもよいし、狭幅部２６１Ｃ１が広幅部２６１Ｃ２よりも薄く形成されていてもよい。ただし、狭幅部２６１Ｃ１は、梁２６１の厚さの１／２〜３／４程度であることが好ましい。
また、第３の横断面形状では、上面に凹部が形成されているが、これとは反対に、下面に凹部が形成されていてもよい。

−第４の横断面形状−
梁２６１の第４の横断面形状は、図１１（ｂ）に示すように、上面の両側が欠損しており、略「凸」型をなしている。具体的に説明すると、第４の横断面形状は、下側（−Ｚ軸方向）に位置する広幅部２６１Ｄ２と、広幅部２６１Ｄ２の上側に位置し、広幅部２６１Ｄ２より幅が狭い狭幅部２６１Ｄ１とを有している。

このような横断面形状とすることで、図１１（ａ）に示す従来型の梁と比較して、Ｚ軸まわりの断面二次モーメントＩｚを選択的に低下させることができ、曲げ剛性の小さい梁２６１となる。一方で、Ｘ軸回り（Ｙ軸回り）の断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）の低下が抑えられるため、従来型の梁からの断面極モーメントＩｐの減少が小さく抑えられ、ねじり剛性の大きい梁２６１となる。したがって、第４の横断面形状を有する梁２６１によれば、温度ドリフトを低減することができ、かつ十分な機械的強度を備えた振動素子１が得られる。
特に、第４の横断面形状によれば、フォトリソグラフィー技法およびウエットエッチング技法を用いて、前述した第１、第２の横断面形状よりも簡単に梁２６１を形成することができる。この理由は、前述した第３の横断面形状と同様である。

なお、第４の横断面形状では、狭幅部２６１Ｄ１の幅が厚さ方向にほぼ一定であるが、例えば、図１１（ｃ）に示すように、狭幅部２６１Ｄ１の幅が下側へ向けて漸増していてもよい。また、図１１（ｄ）に示すように、従来型の梁の横断面積と等しくなるように厚みを厚くしてもよい。すなわち、欠損させた分だけ厚みを厚くしてもよい。これにより、図１１（ｂ）に示す構成よりも断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）が高まり、よりねじり剛性の大きい梁２６１となる。

また、第４の横断面形状では、狭幅部２６１Ｄ１が広幅部２６１Ｄ２よりも薄く形成されているが、これらの厚さの関係は、これに限定されず、例えば、狭幅部２６１Ｄ１と広幅部２６１Ｄ２とが等しい厚さであってもよいし、狭幅部２６１Ｄ１が広幅部２６１Ｄ２よりも厚く形成されていてもよい。ただし、狭幅部２６１Ｄ１は、梁２６１の厚さの１／４〜３／４程度であることが好ましい。
また、第４の横断面形状では、上面に狭幅部２６１Ｄ１が形成されているが、これとは反対に、下面に狭幅部２６１Ｄ１が形成されていてもよい。

−第５の横断面形状−
梁２６１の第５の横断面形状は、図１２（ｂ）に示すように、内部に空洞が形成されており、略「ロ」型をなしている。具体的に説明すると、第５の横断面形状は、上側（＋Ｚ軸方向）に位置する広幅部２６１Ｅ２と、下側に位置する広幅部２６１Ｅ３と、広幅部２６１Ｅ２、２６１Ｅ３の間に位置し、内部に空洞を有することで広幅部２６１Ｅ２、２６１Ｅ３よりも実効幅（物性に寄与する実質的な幅。具体的には、全幅Ｗ１から空洞の幅Ｗ２を引いた幅）が狭い狭幅部２６１Ｅ１とを有している。

このような横断面形状とすることで、見かけ上の幅が厚さ方向に等しくても、実効的な幅を厚さ方向に異ならせることができるため、図１２（ａ）に示す従来型の梁と比較して、Ｚ軸まわりの断面二次モーメントＩｚを選択的に低下させることができ、曲げ剛性の小さい梁２６１となる。一方で、Ｘ軸回り（Ｙ軸回り）の断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）の低下が抑えられるため、従来型の梁からの断面極モーメントＩｐの減少が小さく抑えられ、ねじり剛性の大きい梁２６１となる。したがって、第５の横断面形状を有する梁２６１によれば、温度ドリフトを低減することができ、かつ十分な機械的強度を備えた振動素子１が得られる。

このような第５の横断面形状の梁２６１は、例えば、中実な梁２６１の内部にフェムト秒レーザーを照射することによって形成することができる。
なお、図１２（ｃ）に示すように、従来型の梁の横断面積と等しくなるように厚みを厚くしてもよい。すなわち、内部の空洞を形成するために除去した分だけ厚みを厚くしてもよい。これにより、図１２（ｂ）に示す構成よりも断面二次モーメントＩｘ（Ｉｙ）が高まり、よりねじり剛性の大きい梁２６１となる。

また、第５の横断面形状では、狭幅部２６１Ｅ１と、広幅部２６１Ｅ２、２６１Ｅ３とが、互いにほぼ同じ厚さとなっているが、これらの厚さの関係は、これに限定されず、例えば、狭幅部２６１Ｅ１が、広幅部２６１Ｅ２、２６１Ｅ３よりも厚くてもよいし、反対に、薄くてもよい。ただし、広幅部２６１Ｅ２、２６１Ｅ３は、同じ厚さとすることが好ましい。狭幅部２６１Ｅ１の実効幅としては特に限定されないが、梁２６１の幅の１／４〜１／２程度であることが好ましい。

以上、梁２６１の横断面形状について５つの具体例を挙げて説明した。なお、第１〜第５の横断面形状では、いずれも、梁２６１のアスペクト比、すなわち、厚さ（Ｚ軸方向の長さ）／幅（Ｘ軸（Ｙ軸）方向の長さ）がほぼ１である。この関係を満足することで、梁２６１のねじり剛性をより高めることができる。ただし、梁２６１のアスペクト比としてはこれに限定されず、例えば、面積が同じであるならば、１以上３以下程度であれば、十分なねじり剛性を発揮することができる。

梁２６１、２６２、２６３、２６４は、それぞれ、その全長の少なくとも一部に、前述した第１〜第５の横断面形状の部分を有していればよいが、第１〜第５の横断面形状の部分が、全長の５０％以上に設けられていることが好ましく、全長の７０％以上に設けられていることがより好ましく、全長の９０％以上に設けられていることがさらに好ましい。これにより、上述した効果をより効果的に発揮することができる。なお、第１〜第５の横断面形状の部分は、梁２６１〜２６４の全長に複数に分かれて間欠的に設けられていてもよい。

また、図１に示すように、梁２６１、２６２、２６３、２６４は、それぞれ、少なくとも、その両端部Ｔ１、Ｔ２に前述した第１〜第５の横断面形状の部分を有していることが好ましい。Ｚ軸方向の衝撃（加速度）を受けたとき、梁２６１、２６２、２６３、２６４の中でも、その両端部Ｔ１、Ｔ２、すなわち支持部２５１、２５２との接続部付近および基部２１との接続部付近に大きなせん断応力が加わるため、両端部Ｔ１、Ｔ２に第１〜第５の横断面形状の部分を有していることで、上記効果をより効果的に発揮することができる。

また、前述した第１〜第５の横断面形状の部分は、梁２６１、２６２、２６３、２６４のＸ軸方向に延在している部分とＹ軸方向に延在している部分のそれぞれに設けられていることが好ましい。梁２６１を代表して説明すると、図１に示すように、梁２６１は、基部２１から＋Ｘ軸方向に延出する延在部２６１１と、延在部２６１１の先端部から＋Ｙ軸方向に延出する延在部２６１２と、延在部２６１２の先端部から−Ｘ軸方向に延出する延在部２６１３と、延在部２６１３の先端部から＋Ｙ軸方向に延出し、第１支持部２５１に接続されている延在部２６１４とを有しているが、これら延在部のうち、延在部（第１延在部）２６１１、２６１３の少なくとも一方の少なくとも一部と、延在部（第２延在部）２６１２、２６１４の少なくとも一方の少なくとも一部と、に前述した第１〜第５の横断面形状の部分が形成されていることが好ましい。これにより、梁２６１、２６２、２６３、２６４の曲げ剛性をＸ軸方向とＹ軸方向とでバランスよく小さくすることができ、上記効果を効果的に発揮することができる。

２．振動子
次に、振動素子１を用いた振動子１０について説明する。
図１３は、本発明の振動子の好適な実施形態を示す図であり（ａ）が断面図、（ｂ）が上面である。
図１３（ａ）、（ｂ）に示すように、振動子１０は、振動素子１と、振動素子１を収容するパッケージ８と、を有している。

パッケージ８は、凹部８１１を有する箱状のベース８１と、凹部８１１の開口を塞いでベース８１に接合された板状のリッド８２とを有している。そして、凹部８１１がリッド８２によって塞がれることにより形成された収容空間に振動素子１が収納されている。収容空間は、減圧（真空）状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。

ベース８１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や、各種ガラス材料を用いることができる。また、リッド８２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース８１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８１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８１とリッド８２の接合方法は、特に限定されず、例えば、接着材やろう材を介して接合することができる。

凹部８１１の底面には、接続端子８３１、８３２、８３３、８３４、８３５、８３６が形成されている。これら接続端子８３１〜８３６は、それぞれ、ベース８１に形成された図示しない貫通電極等によって、ベース８１の下面（パッケージ８の外周面）に引き出されている。接続端子８３１〜８３６の構成としては、導電性を有していれば特に限定されないが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などのメタライズ層（下地層）に、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。

振動素子１は、第１支持部２５１が導電性接着材８６１、８６２、８６３によって凹部８１１の底面に固定されており、第２支持部２５２が導電性接着材８６４、８６５、８６６によって凹部８１１の底面に固定されている。また、導電性接着材８６１によって、一方の検出信号端子３１２と接続端子８３１とが電気的に接続され、導電性接着材８６２によって、一方の検出接地端子３２２と接続端子８３２とが電気的に接続され、導電性接着材８６３によって、駆動接地端子３４２と接続端子８３３とが電気的に接続され、導電性接着材８６４によって、他方の検出信号端子３１２と接続端子８３４とが電気的に接続され、導電性接着材８６５によって、他方の検出接地端子３２２と接続端子８３５とが電気的に接続され、導電性接着材８６６によって、駆動信号端子３３２と接続端子８３６とが電気的に接続されている。
導電性接着材８６１〜８６６としては、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等の接着材に銀粒子等の導電性フィラーを分散させたものを用いることができる。

３．物理量センサー
次に、振動素子１を用いた物理量センサー１００について説明する。
図１４は、本発明の振動素子を備える物理量センサーの好適な実施形態を示す断面図である。図１５および図１６は、それぞれ、図１４に示す物理量センサーの上面図である。なお、図１６では、説明の便宜上、リッドおよび振動素子の図示を省略している。

図１４、図１５および図１６に示すように、物理量センサー１００は、振動素子１と、振動素子１を収容するパッケージ８と、ＩＣチップ９と、を有している。
図１４に示すように、パッケージ８は、凹部８１１を有する箱状のベース８１と、凹部８１１の開口を塞いでベース８１に接合された板状のリッド８２とを有している。そして、凹部８１１がリッド８２によって塞がれることにより形成された収容空間に振動素子１およびＩＣチップ９が収納されている。収容空間は、減圧（真空）状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。

凹部８１１は、ベース８１の上面に開放する第１凹部８１１ａと、第１凹部８１１ａの底面の中央部に開放する第２凹部８１１ｂと、第２凹部８１１ｂの底面の中央部に開放する第３凹部８１１ｃと、を有している。そして、第１凹部８１１ａの底面から第２凹部８１１ｂの底面に跨って接続配線８７１、８７２、８７３、８７４、８７５、８７６が形成されている。

図１５に示すように、振動素子１は、第１支持部２５１が導電性接着材８６１、８６２、８６３によって第１凹部８１１ａの底面に固定されており、第２支持部２５２が導電性接着材８６４、８６５、８６６によって第１凹部８１１ａの底面に固定されている。そして、導電性接着材８６１によって、一方の検出信号端子３１２と接続配線８７１とが電気的に接続され、導電性接着材８６２によって、一方の検出接地端子３２２と接続配線８７２とが電気的に接続され、導電性接着材８６３によって、駆動接地端子３４２と接続配線８７３とが電気的に接続され、導電性接着材８６４によって、他方の検出信号端子３１２と接続配線８７４とが電気的に接続され、導電性接着材８６５によって、他方の検出接地端子３２２と接続配線８７５とが電気的に接続され、導電性接着材８６６によって、駆動信号端子３３２と接続配線８７６とが電気的に接続されている。

図１６に示すように、ＩＣチップ９は、第３凹部８１１ｃの底面にろう材等によって固定されている。ＩＣチップ９は、導電性ワイヤーによって各接続配線８７１、８７２、８７３、８７４、８７５、８７６と電気的に接続されている。これにより、２つの検出信号端子３１２、２つの検出接地端子３２２、駆動信号端子３３２、駆動接地端子３４２の各々は、ＩＣチップ９と電気的に接続された状態となっている。ＩＣチップ９は、振動素子１を駆動振動させるための駆動回路と、角速度が加わったときに振動素子１に生じる検出振動を検出する検出回路と、を有する。
なお、本実施形態では、ＩＣチップ９がパッケージ８の内部に設けられているが、ＩＣチップ９は、パッケージ８の外部に設けられていてもよい。

４．物理量検出装置
次に、振動素子１を用いた物理量検出装置１０００について説明する。
図１７は、本発明の振動素子を備える物理量検出装置のブロック図である。
図１７に示すように、物理量検出装置１０００は、振動素子１と、駆動回路７１と、検出回路７２と、を有している。駆動回路７１と検出回路７２とは、例えば、前述したようなＩＣチップ９に組み込むことができる。

駆動回路７１は、駆動回路として機能し、Ｉ／Ｖ変換回路（電流電圧変換回路）７１１と、ＡＣ増幅回路７１２と、振幅調整回路７１３とを有している。このような駆動回路７１は、振動素子１に形成された駆動信号電極３３１に駆動信号を供給するための回路である。
振動素子１が振動すると、圧電効果に基づく交流電流が振動素子１に形成された駆動信号電極３３１から出力され、駆動信号端子３３２を介してＩ／Ｖ変換回路７１１に入力される。Ｉ／Ｖ変換回路７１１は、入力された交流電流を振動素子１の振動周波数と同一の周波数の交流電圧信号に変換して出力する。Ｉ／Ｖ変換回路７１１から出力された交流電圧信号は、ＡＣ増幅回路７１２に入力され、ＡＣ増幅回路７１２は、入力された交流電圧信号を増幅して出力する。

ＡＣ増幅回路７１２から出力された交流電圧信号は、振幅調整回路７１３に入力される。振幅調整回路７１３は、入力された交流電圧信号の振幅を一定値に保持するように利得を制御し、利得制御後の交流電圧信号を、振動素子１に形成された駆動信号端子３３２を介して駆動信号電極３３１に出力する。この駆動信号電極３３１に入力される交流電圧信号（駆動信号）により振動素子１が振動する。

検出回路７２は、検出回路として機能し、チャージアンプ回路７２１、７２２と、差動増幅回路７２３と、ＡＣ増幅回路７２４と、同期検波回路７２５と、平滑回路７２６と、可変増幅回路７２７と、フィルター回路７２８と、を有している。検出回路７２は、振動素子１の第１検出腕２２１に形成された検出信号電極３１１に生じる第１検出信号と、第２検出腕２２２に形成された検出信号電極３１１に生じる第２検出信号と、を差動増幅させて差動増幅信号を生成し、該差動増幅信号に基づいて所定の物理量を検出する回路である。

チャージアンプ回路７２１、７２２には、振動素子１の第１、第２検出腕２２１、２２２に形成された検出信号電極３１１により検出された互いに逆位相の検出信号（交流電流）が、検出信号端子３１２を介して入力される。例えば、チャージアンプ回路７２１には第１検出腕２２１に形成された検出信号電極３１１により検出された第１検出信号が入力され、チャージアンプ回路７２２には第２検出腕２２２に形成された検出信号電極３１１により検出された第２検出信号が入力される。そして、チャージアンプ回路７２１、７２２は、入力された検出信号（交流電流）を、基準電圧Ｖｒｅｆを中心とする交流電圧信号に変換する。

差動増幅回路７２３は、チャージアンプ回路７２１の出力信号と、チャージアンプ回路７２２の出力信号とを差動増幅して差動増幅信号を生成する。差動増幅回路７２３の出力信号（差動増幅信号）は、さらにＡＣ増幅回路７２４で増幅される。同期検波回路７２５は、検波回路として機能し、駆動回路７１のＡＣ増幅回路７１２が出力する交流電圧信号を基に、ＡＣ増幅回路７２４の出力信号を同期検波することにより角速度成分を抽出する。

同期検波回路７２５で抽出された角速度成分の信号は、平滑回路７２６で直流電圧信号に平滑化され、可変増幅回路７２７に入力される。可変増幅回路７２７は、平滑回路７２６の出力信号（直流電圧信号）を、設定された増幅率（または減衰率）で増幅（または減衰）して角速度感度を変化させる。可変増幅回路７２７で増幅（または減衰）された信号は、フィルター回路７２８に入力される。

フィルター回路７２８は、可変増幅回路７２７の出力信号から高周波のノイズ成分を除去し（正確には所定レベル以下に減衰させ）、角速度の方向および大きさに応じた極性および電圧レベルの検出信号を生成する。そして、この検出信号は、外部出力端子（図示せず）から外部へ出力される。
このような物理量検出装置１０００によれば、上述のとおり、第１検出腕２２１に形成された検出信号電極３１１に生じる第１検出信号と、第２検出腕２２２に形成された検出信号電極３１１に生じる第２検出信号とを差動増幅させて差動増幅信号を生成し、該差動増幅信号に基づいて所定の物理量を検出することができる。

５．電子機器
次いで、振動素子１を適用した電子機器について、図２０〜図２２に基づき、詳細に説明する。
図１８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１１０８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、角速度検知手段（ジャイロセンサー）として機能する振動素子１が内蔵されている。

図１９は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成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１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００には、角速度検知手段（ジャイロセンサー）として機能する振動素子１が内蔵されている。

図２０は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成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。

ディジタルスチルカメラ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１３１０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、メモリー１３０８に転送・格納される。

また、このディジタルスチルカメラ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−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。
このようなディジタルスチルカメラ１３００には、角速度検知手段（ジャイロセンサー）として機能する振動素子１が内蔵されている。

なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図１８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１９の携帯電話機、図２０のディジタルスチルカメラの他にも、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、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）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

６．移動体
次いで、図１に示す振動素子を適用した移動体について、図２１に基づき、詳細に説明する。
図２１は、本発明の振動素子を備える移動体を適用した自動車の構成を示す斜視図である。

自動車１５００には、角速度検知手段（ジャイロセンサー）として機能する振動素子１が内蔵されており、振動素子１によって車体１５０１の姿勢を検出することができる。振動素子１の検出信号は、車体姿勢制御装置１５０２に供給され、車体姿勢制御装置１５０２は、その信号に基づいて車体１５０１の姿勢を検出し、検出結果に応じてサスペンションの硬軟を制御したり、個々の車輪１５０３のブレーキを制御したりすることができる。その他、このような姿勢制御は、二足歩行ロボットやラジコンヘリコプターで利用することができる。以上のように、各種移動体の姿勢制御の実現にあたって、振動素子１が組み込まれる。

以上、本発明の振動素子、振動子、電子機器および移動体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）を組み合わせたものであってもよい。
また、前述した実施形態では、振動素子が４本の梁を有している構成について説明したが、梁の数は特に限定されず、１〜３本であってもよいし、５本以上であってもよい。より具体的には、例えば、第２支持部および第２、第４梁を省略して、第１支持部および第１、第３梁によって片側で支持してもよい。

また、前述した実施形態では、振動素子が有する振動部が、基部と、第１、第２検出腕と、第１、第２連結腕と、第１〜第４駆動腕とを有しているが、振動部の構成は、これに限定されない。例えば、基部と、基部から＋Ｙ軸方向に延出し、Ｘ軸方向に並んで設けられている一対の駆動腕と、基部から−Ｙ軸方向に延出し、Ｘ軸方向に並んで設けられている一対の検出腕とを有する構成であってもよい。この場合、梁は、検出腕と駆動腕との間を通って基部と支持部とを連結するように配置することができる。このような構成の振動素子では、一対の駆動腕をＸ逆相モードである駆動モードで駆動させた状態で、Ｙ軸まわりの角速度が加わると、一対の検出腕に、Ｚ逆相モードで駆動する検出モードの振動が励振される。そして、その際に検出腕から出力される信号に基づいて、Ｙ軸まわりの角速度を検知することができる。

１……振動素子 ２……圧電基板 ２０……振動部 ２１……基部 ２２１……第１検出腕 ２２１１……ハンマーヘッド ２２２……第２検出腕 ２２２１……ハンマーヘッド ２３１……第１連結腕 ２３２……第２連結腕 ２４１……第１駆動腕 ２４１１……ハンマーヘッド ２４２……第２駆動腕 ２４２１……ハンマーヘッド ２４３……第３駆動腕 ２４３１……ハンマーヘッド ２４４……第４駆動腕 ２４４１……ハンマーヘッド ２５１……第１支持部 ２５２……第２支持部 ２６１……第１梁 ２６１Ａ１……狭幅部 ２６１Ａ２、２６１Ａ３……広幅部 ２６１Ｂ１……狭幅部 ２６１Ｂ２、２６１Ｂ３……広幅部 ２６１Ｃ１……狭幅部 ２６１Ｃ２……広幅部 ２６１Ｄ１……狭幅部 ２６１Ｄ２……広幅部 ２６１Ｅ１……狭幅部 ２６１Ｅ２、２６１Ｅ３……広幅部 ２６１１、２６１２、２６１３、２６１４……延在部 ２６２……第２梁 ２６３……第３梁 ２６４……第４梁 ３１１……検出信号電極 ３１２……検出信号端子 ３２１……検出接地電極 ３２２……検出接地端子 ３３１……駆動信号電極 ３３２……駆動信号端子 ３４１……駆動接地電極 ３４２……駆動接地端子 ７１……駆動回路 ７１１……Ｉ／Ｖ変換回路 ７１２……ＡＣ増幅回路 ７１３……振幅調整回路 ７２……検出回路 ７２１……チャージアンプ回路 ７２２……チャージアンプ回路 ７２３……差動増幅回路 ７２４……ＡＣ増幅回路 ７２５……同期検波回路 ７２６……平滑回路 ７２７……可変増幅回路 ７２８……フィルター回路 ８……パッケージ ８１……ベース ８１１……凹部 ８１１ａ……第１凹部 ８１１ｂ……第２凹部 ８１１ｃ……第３凹部 ８２……リッド ８３１、８３２、８３３、８３４、８３５、８３６……接続端子 ８６１、８６２、８６３、８６４、８６５、８６６……導電性接着材 ８７１、８７２、８７３、８７４、８７５、８７６……接続配線 ９……ＩＣチップ １０……振動子 １００……物理量センサー １０００……物理量検出装置 １１００……パーソナルコンピューター １１０２……キーボード １１０４……本体部 １１０６……表示ユニット １１０８……表示部 １２００……携帯電話機 １２０２……操作ボタン １２０４……受話口 １２０６……送話口 １２０８……表示部 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……メモリー １３１０……表示部 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 １５００……自動車 １５０１……車体 １５０２……車体姿勢制御装置 １５０３……車輪 Ｇ……重心 Ｔ１、Ｔ２……端部 Ｗ１……全幅 Ｗ２……幅

Claims (12)

1. 振動部と、
   前記振動部を支持する支持部と、
   前記振動部と前記支持部とを連結する梁と、を有し、
   前記梁の全長の少なくとも一部の横断面形状は、実効幅が前記振動部の厚さ方向で異なっている部分を有していることを特徴とする振動素子。
2. 前記横断面形状は、
   広幅部と、
   前記広幅部と前記厚さ方向に並んで設けられ、前記広幅部よりも幅が狭い狭幅部と、を有している請求項１に記載の振動素子。
3. 前記広幅部は、前記狭幅部を間に挟んで一対設けられている請求項２に記載の振動素子。
4. 前記横断面形状は、その外縁に開放する凹部を有している請求項２または３に記載の振動素子。
5. 前記横断面形状は、
   広幅部と、
   前記広幅部と前記厚さ方向に並んで設けられ、内側に空洞をすることで実効幅が前記広幅部よりも狭い狭幅部と、を有している請求項１に記載の振動素子。
6. 前記狭幅部の幅は、前記広幅部の幅と等しい請求項５に記載の振動素子。
7. 前記梁は、所定方向へ延在する第１延在部と、前記所定方向と異なる方向へ延在する第２延在部とを有し、
   前記第１延在部の少なくとも一部および前記第２延在部の少なくとも一部が前記横断面形状を有した部分で構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動素子。
8. 前記梁の両端部に前記横断面形状を有した部分が設けられている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動素子。
9. 前記振動部は、基部と、
   前記基部から第１軸に沿って延出する検出腕と、
   前記基部から前記第１軸に交差する第２軸に沿って延出する連結腕と、
   前記連結腕から前記第１軸に沿って延出する駆動腕と、を有し、
   前記梁は、前記検出腕と前記駆動腕との間を通って前記基部と前記支持部とを連結している請求項１ないし８のいずれか１項に記載の振動素子。
10. 請求項１ないし９のいずれか１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子。
11. 請求項１ないし９のいずれか１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。
12. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動素子を備えたことを特徴とする移動体。

Images