JP2015087145A - Vibration element, vibrator, electronic apparatus and mobile body - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a vibration element, a vibrator, an electronic device, and a moving body.
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。
Conventionally, as a vibration element for detecting an angular velocity, a vibration element as in Patent Document 1 is known. The vibration element described in Patent Document 1 includes a base, first and second detection arms extending from the base along both sides in the Y-axis direction, and first and second extending from the base to both sides in the X-axis direction. Two connecting arms, first and second driving arms extending from the first connecting arm to both sides in the Y-axis direction, and third and fourth driving arms extending from the second connecting arm to both sides in the Y-axis direction; have. In the vibration element having such a configuration, when an angular velocity around the Z axis is applied in a state where each drive arm is vibrated in the drive mode, vibration in the detection mode is excited in the first and second detection arms, and the vibration in the detection mode. The angular velocity can be detected from the signal obtained by.
In recent years, the use of such vibration elements has been expanded, for example, in portable devices and in-vehicle devices. As a result, the temperature environment to be used is diverse, and it is required to operate stably in a wide temperature range. In addition, downsizing is also required.
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。
In such a vibration element, even if the resonance frequency fd (Hz) of the first to fourth drive arms (hereinafter referred to as “drive vibration frequency fd”) is adjusted to a constant value at room temperature, the ambient temperature is high. When the temperature changes to a low temperature, a so-called temperature drift such as a change in resonance frequency or a change in characteristics occurs. It is known that the occurrence of this temperature drift is affected by unnecessary vibration such as an out-of-plane bending vibration mode. In order to suppress this temperature drift, for example,
However, although the above-described conventional vibration element is effective in the relationship between the drive vibration frequency fd and the out-of-plane bending mode vibration frequency fs, it is sufficiently effective for unnecessary vibration different from the out-of-plane bending vibration mode. However, further reduction in temperature drift has been demanded.
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。 An object of the present invention is to provide a vibration element, a vibrator, an electronic device, and a moving body that can reduce temperature drift while maintaining sufficient mechanical strength.
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]
本発明の振動素子は、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、
前記梁は、該梁の表面の異なる2箇所を貫通する貫通孔を有していることを特徴とする。
これにより、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。
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.
[Application Example 1]
The vibration element of the present invention includes a vibration part,
A support part for supporting the vibration part;
A beam connecting the vibrating portion and the support portion;
The beam has a through-hole penetrating two different places on the surface of the beam.
As a result, it is possible to obtain a vibration element capable of reducing temperature drift while maintaining sufficient mechanical strength.
[適用例2]
本適用例の振動素子では、前記貫通孔は、前記梁の前記振動部の厚み方向に対向する2箇所を貫通していることが好ましい。
これにより、特に、振動部の面内方向の衝撃に強い振動素子となる。
[適用例3]
本適用例の振動素子では、前記貫通孔は、前記梁の前記振動部の面内方向に対向する2箇所を貫通していることが好ましい。
これにより、特に、振動部の厚さ方向の衝撃に強い振動素子となる。
[Application Example 2]
In the vibration element according to this application example, it is preferable that the through-hole penetrates through two locations in the thickness direction of the vibration portion of the beam.
As a result, the vibration element is particularly resistant to an in-plane impact of the vibration part.
[Application Example 3]
In the vibration element according to this application example, it is preferable that the through-hole penetrates through two locations in the in-plane direction of the vibration portion of the beam.
As a result, the vibration element is particularly resistant to impact in the thickness direction of the vibration part.
[適用例4]
本適用例の振動素子では、前記梁の前記貫通孔に対して一方側に位置する第1部位と他方側に位置する第2部位とは、前記貫通孔を介して対称的に設けられていることが好ましい。
これにより、梁が全体としてバランスよく撓むことができるので、梁への応力集中を抑制することができる。
[Application Example 4]
In the vibration element according to this application example, the first portion located on one side with respect to the through hole of the beam and the second portion located on the other side are provided symmetrically via the through hole. It is preferable.
Thereby, since a beam can bend with sufficient balance as a whole, the stress concentration to a beam can be controlled.
[適用例5]
本適用例の振動素子では、前記貫通孔は、前記梁の全長の50%以上に設けられていることが好ましい。
これにより、より効果的に、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ができる。
[Application Example 5]
In the vibration element according to this application example, it is preferable that the through hole is provided in 50% or more of the total length of the beam.
Thereby, temperature drift can be reduced more effectively while maintaining sufficient mechanical strength.
[適用例6]
本適用例の振動素子では、前記貫通孔は、少なくとも、前記梁の両端部に設けられていることが好ましい。
梁の中でも、その両端部に応力が集中し易いため、梁の両端部に貫通孔を設けることによって、梁の破損をより効果的に抑制することができる。
[Application Example 6]
In the resonator element according to this application example, it is preferable that the through hole is provided at least at both ends of the beam.
Since stress tends to concentrate at both ends of the beam, damage to the beam can be more effectively suppressed by providing through holes at both ends of the beam.
[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に前記貫通孔が形成されていることが好ましい。
これにより、例えば、前述した適用例2のように、貫通孔が梁の振動部の厚み方向に対向する2箇所を貫通している場合には、面内方向の如何なる方向からの衝撃に対しても優れた強度を有する梁となる。
[Application Example 7]
In the vibration element according to this application example, the beam includes a first extension portion extending in a predetermined direction and a second extension portion extending in a direction different from the predetermined direction,
It is preferable that the through hole is formed in at least a part of the first extension part and at least a part of the second extension part.
Thereby, for example, in the case where the through-hole passes through two locations facing the thickness direction of the vibrating portion of the beam as in the above-described application example 2, the impact from any direction in the in-plane direction can be prevented. The beam also has excellent strength.
[適用例8]
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用いることができる。
[Application Example 8]
In the vibration element of this application example, the vibration unit includes a base,
A detection arm extending along the first axis from the base;
A connecting arm extending along a second axis intersecting the first axis from the base;
A drive arm extending from the connection arm along the first axis,
It is preferable that the beam passes between the detection arm and the drive arm to connect the base portion and the support portion.
Thereby, a vibration element can be used as an angular velocity detection element.
[適用例9]
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10]
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11]
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。
[Application Example 9]
The vibrator of this application example includes the vibration element of this application example,
And a package containing the vibration element.
Thereby, a highly reliable vibrator is obtained.
[Application Example 10]
An electronic apparatus according to this application example includes the vibration element according to this application example.
As a result, a highly reliable electronic device can be obtained.
[Application Example 11]
A moving body according to this application example includes the vibration element according to this application example.
Thereby, a mobile body with high reliability is obtained.
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
<第1実施形態>
まず、本発明の振動素子の第1実施形態について説明する。
Hereinafter, a resonator element, a vibrator, an electronic device, and a moving body of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
1. Vibration Element <First Embodiment>
First, a first embodiment of the resonator element according to the invention will be described.
図1は、本発明の振動素子の第1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は、図1に示す振動素子の梁を示す図であり、(a)が斜視図、(b)が同図(a)中のA−A線断面図である。図9は、従来型の梁を示す図であり、(a)が斜視図、(b)が同図(a)中のB−B線断面図である。図10は、Z軸方向の角速度が加わったときに図9および図10に示す梁に発生する応力を示す斜視図である。図11および図12は、それぞれ、図8に示す梁の変形例を示す斜視図である。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、それぞれ、説明の便宜上、電極の図示を省略している。また、以下では、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。 FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of a resonator element according to the invention. FIG. 2 is a plan view showing electrodes of the vibration element shown in FIG. FIG. 3 is a plan view (transmission diagram) showing electrodes included in the vibration element shown in FIG. 1. FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the vibration element shown in FIG. 1. FIG. 5 is a perspective view showing a state of unnecessary vibration that can occur in the vibration element shown in FIG. 1. FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the characteristics of the vibration element shown in FIG. 1. FIG. 7 is a graph showing the output temperature fluctuation range of the vibration element shown in FIG. 1. 8A and 8B are diagrams showing a beam of the vibration element shown in FIG. 1, in which FIG. 8A is a perspective view, and FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 9A and 9B are views showing a conventional beam, in which FIG. 9A is a perspective view, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 10 is a perspective view showing stress generated in the beam shown in FIGS. 9 and 10 when an angular velocity in the Z-axis direction is applied. 11 and 12 are perspective views showing modifications of the beam shown in FIG. In the following, for convenience of explanation, the front side of the sheet of FIG. 1 is also referred to as “upper side” and the rear side of the sheet is also referred to as “lower side”. 1, 5, and 8 to 12, for convenience of explanation, illustration of electrodes is omitted. In the following, the direction along the X axis is also referred to as “X axis direction”, and the direction along the Y axis is also referred to as “Y axis direction”.
≪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。
≪Basic structure of vibration element≫
A vibrating element 1 shown in FIG. 1 is used as an angular velocity detecting element (gyro element). Such a vibration element 1 has a
-Piezoelectric substrate-
Examples of the constituent material of the
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。
As shown in FIG. 1, the
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。
Such a
The
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。
The
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。
By providing the hammer heads 2211 and 2221 on the first and
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。
The first connecting
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。
The
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。
By providing
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。
The
The
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。
Each
−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。
-Electrode-
Electrodes are formed on the surface of the
As shown in FIGS. 2 and 3, the electrodes are the
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。
The
The
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。
The
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。
The
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。
Thus, by arranging the
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。
The
The
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。
The
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。
The
By arranging the
The configuration of the electrode as described above is not particularly limited as long as it has conductivity. For example, Ni (nickel), Au (metal) layer such as Cr (chromium), W (tungsten), etc. (Gold), Ag (silver), Cu (copper), etc. can be comprised by the metal film which laminated | stacked each film.
≪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。
≪Drive of vibration element≫
Next, driving of the vibration element 1 will be described.
An electric field is generated between the
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。
When an angular velocity ω around the Z-axis is applied to the vibration element 1 in a state where this drive vibration is being performed, a detection vibration as shown in FIG. 4B is excited. Specifically, Coriolis force in the direction of arrow B acts on the
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。
Next, unnecessary vibration that occurs when the vibration element 1 is driven will be described.
When the vibration element 1 is driven as described above, a slight unnecessary vibration is generated along with the vibration in the driving mode. There are various vibration modes for this unnecessary vibration, but the inventors have shown that the following two vibration modes (y1 mode vibration and y2 mode vibration) greatly affect the temperature drift in the characteristics of the vibration element 1. Focused on having. Therefore, with reference to FIGS. 5 and 6, the vibrations in the y1 mode and the y2 mode and the influence of the vibrations on the characteristics of the vibration element 1 will be described.
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。
First, the y1 mode will be described. As shown in FIG. 5A, the y1 mode is a vibration mode in which the
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。
Next, the y2 mode will be described. As shown in FIG. 5B, the y2 mode is a vibration mode in which the
Next, y1 mode and y2 mode excitation will be described. Here, the y1 mode vibration frequency will be described as y1 mode vibration frequency fy1, the y2 mode vibration frequency as y2 mode vibration frequency fy2, and the resonance frequencies of the
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。 As shown in FIG. 6B, the difference | fd−fy2 | between the y2 mode vibration frequency fy2 and the drive vibration frequency fd is larger than the difference | fd−fy1 | between the y1 mode vibration frequency fy1 and the drive vibration frequency fd. In this case, the y1 mode vibration is likely to be excited. In contrast, as shown in FIG. 6C, the difference | fd−fy2 | between the y2 mode vibration frequency fy2 and the drive vibration frequency fd is the difference | fd− between the y1 mode vibration frequency fy1 and the drive vibration frequency fd. If it is smaller than fy1 |, the y2 mode vibration is likely to be excited, which suppresses the excitation of the y1 mode vibration and makes it difficult to excite.
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。 FIG. 7 shows the relationship between the difference | fd−fy2 | between the y2 mode vibration frequency fy2 and the drive vibration frequency fd and the difference | fd−fy1 | between the y1 mode vibration frequency fy1 and the drive vibration frequency fd. It is a graph which shows the influence which it has with respect to the temperature fluctuation range. As shown in FIG. 7, | fd−fy2 | / | fd−fy1 | = 1, ie, | fd−fy2 | = | fd−fy1 | It can be seen that the temperature fluctuation range of the output of the vibration element 1 is extremely large on the side where the temperature fluctuation range of the output of 1 is extremely small and the number is large. Thus, by setting the relationship between the drive vibration frequency fd, the y1 mode vibration frequency fy1 and the y2 mode vibration frequency fy2 to | fd−fy1 |> | fd−fy2 |, the y1 mode vibration is hardly excited. Thus, the influence of the output characteristics of the vibration element 1 on the temperature drift can be suppressed.
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の形状に特徴を与えている。
The inventors have made the
≪梁の形状≫
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。
図8(a)、(b)に示すように、梁261は、その全長のほぼ全域にわたって両側面(振動部20の面内方向に対向する2箇所)を貫通する貫通孔261Cが形成されている。そのため、梁261は、+Z軸側に位置する上側梁部(第1部位)261Aと、空隙を挟んで上側梁部261Aと対向配置され、−Z軸側に位置する下側梁部(第2部位)261Bとで構成されているとも言える。上側梁部261Aと下側梁部261Bは、貫通孔261Cを介して上下に対照的に設けられている。すなわち、上側梁部261Aと下側梁部261Bの横断面形状がほぼ等しい。また、貫通孔261Cの厚さdとしては、特に限定されないが、例えば、梁261の厚さDの1/4以上、1/2以下程度であることが好ましい。
梁261をこのような構成とすることで、例えば、図9(a)、(b)に示す従来型の梁261’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。
≪Beam shape≫
Hereinafter, the shapes of the
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
By configuring the
さらには、梁261をこのような構成とすることで、振動素子1にZ軸方向の衝撃(加速度)が加わったときに、従来型の梁261’よりもせん断応力が加わり難くなる。具体的に説明すると、前記衝撃によって基部21が支持部251、252に対してZ軸方向に変位すると、従来型の梁261’では、図10(a)に示すように、梁261’が捩じれてせん断応力が発生する。これに対して、梁261によれば、図10(b)に示すように、実質的に上側梁部261Aと下側梁部261Bの各々がその厚さ方向(Z軸方向)に撓むだけなので、せん断応力が発生し難い。このことから、梁261は、Z軸方向の衝撃を受けても壊れにくい。したがって、優れた機械的強度(耐衝撃性)を有する振動素子1となる。
以上より、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。
Furthermore, with the
As described above, according to the
特に、上側梁部261Aと下側梁部261Bが貫通孔261Cを介して対照的に設けられていため、上側梁部261Aと下側梁部261Bとがバランスよく撓み、梁261への応力集中を効果的に抑制している。そのため、より高い機械的強度を発揮することができる。
なお、図8(a)に示すように、本実施形態では、梁261の全長のほぼ全域にわたって貫通孔261Cが形成されているが、これに限定されず、貫通孔261Cは、図11(a)に示すように、梁261の全長の一部にのみ形成されていてもよい。ただし、貫通孔261Cは、梁261の全長の50%以上にわたって形成されていることが好ましく、70%以上にわたって設けられていることがより好ましく、90%以上にわたって設けられていることがさらに好ましい。これにより、上述した効果を効果的に発揮することができる。
In particular, since the
As shown in FIG. 8A, in this embodiment, the through
また、図11(b)に示すように、貫通孔261Cは、梁261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。特に、図11(b)に示すように、貫通孔261Cは、梁261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形成されていることが好ましい。具体的には、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とを有しており、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、に貫通孔261Cが形成されていることが好ましい。これにより、Z軸方向の衝撃が加わったときでも、梁261にせん断応力がより加わり難くなり、上記効果をより効果的に発揮することができる。
Further, as shown in FIG. 11B, the through-
また、梁261は、図12(a)に示すように、少なくとも、その両端部T1、T2に貫通孔261Cが形成され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の中でも、両端部T1、T2、すなわち支持部251との接続部付近および基部21との接続部付近に特に大きな応力が加わるため、両端部T1、T2に貫通孔261Cを形成することで、上記効果をより効果的に発揮することができる。
In addition, as shown in FIG. 12A, the
また、本実施形態では、貫通孔261Cは、その全域が梁261の内側に収まっているが、これに限定されず、例えば、図12(b)に示すように、一端が第1支持部251内に侵入しており、他端が基部21内に侵入していてもよい。前述したように、Z軸方向の衝撃(加速度)を受けたとき、支持部251との接続部付近および基部21との接続部付近に特に大きな応力が加わるため、このような構成とすることで、上記効果をさらに効果的に発揮することができる。
In the present embodiment, the entire area of the through-
また、貫通孔261Cは、梁261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形成されていることが好ましい。具体的には、図13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とを有しており、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、に貫通孔261Cが形成されていることが好ましい。これにより、Z軸方向の衝撃が加わったときでも、梁261にせん断応力がより加わり難くなり、上記効果をより効果的に発揮することができる。
Moreover, it is preferable that the through-
<第2実施形態>
次に、本発明の振動素子の第2実施形態について説明する。
図13は、本発明の第2実施形態に係る振動子が有する梁を示す図であり、(a)が斜視図、(b)が同図(a)中のC−C線断面図である。図14は、(a)がX軸方向の角速度が加わったときに梁に発生する応力を示す斜視図、(b)がY軸方向の角速度が加わったときに梁に発生する応力を示す斜視図である。図15および図16は、それぞれ、図13に示す梁の変形例を示す斜視図である。なお、図13ないし図16では、それぞれ、説明の便宜上、電極の図示を省略している。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the resonator element according to the invention will be described.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing beams included in the vibrator according to the second embodiment of the present invention, in which FIG. 13A is a perspective view and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. . 14A is a perspective view showing the stress generated in the beam when an angular velocity in the X-axis direction is applied, and FIG. 14B is a perspective view showing the stress generated in the beam when an angular velocity in the Y-axis direction is applied. FIG. 15 and 16 are perspective views showing modifications of the beam shown in FIG. In FIG. 13 to FIG. 16, illustration of electrodes is omitted for convenience of explanation.
以下、第2実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態は、各梁の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、図14では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。また、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。
Hereinafter, the second embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The second embodiment is the same as the first embodiment described above except that the configuration of each beam is different. In FIG. 14, the same reference numerals are given to the same components as those in the above-described embodiment. Hereinafter, the shapes of the
図13(a)、(b)に示すように、梁261は、その全長のほぼ全域にわたって上下面を貫通する貫通孔261Fが形成されている。そのため、梁261は、−X軸側に位置する内側梁部(第1部位)261D、空隙を挟んで内側梁部261Dと対向配置され、+X軸側に位置する外側梁部(第2部位)261Eとで構成されているとも言える。内側梁部261Dと外側梁部261Eは、貫通孔261Fを介して左右に対照的に設けられている。すなわち、内側梁部261Dと外側梁部261Eの横断面形状がほぼ等しい。また、貫通孔261Fの幅wとしては、特に限定されないが、例えば、梁261の幅Wの1/4以上、1/2以下程度であることが好ましい。
As shown in FIGS. 13A and 13B, the
梁261をこのような構成とすることで、例えば、図9(a)、(b)に示す従来型の梁261’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。
さらには、梁261をこのような構成とすることで、振動素子1にXY平面の面内方向(X軸方向やY軸方向)の衝撃(加速度)が加わったときに、従来型の梁261’よりもせん断応力が加わり難くなる。具体的に説明すると、梁261によれば、前記衝撃によって基部21が支持部251、252に対してX軸方向に変位しても、図14(a)に示すように、実質的に、内側梁部261Dと外側梁部261EのY軸方向に延在している部分(延在部2612、2614)の各々がX軸方向に撓むだけなので、せん断応力が発生し難い。また、前記衝撃によって基部21が支持部251、252に対してY軸方向に変位しても、図14(b)に示すように、実質的に、内側梁部261Dと外側梁部261EのX軸方向に延在している部分(延在部2611、2613)の各々がY軸方向に撓むだけなので、せん断応力が発生し難い。このことから、梁261は、XY平面内の面内方向の衝撃を受けても壊れにくい。したがって、優れた機械的強度(耐衝撃性)を有する振動素子1となる。
以上より、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。
By configuring the
Furthermore, by configuring the
As described above, according to the
特に、内側梁部261Dと外側梁部261Eが貫通孔261Fを介して対照的に設けられていため、内側梁部261Dと外側梁部261Eとがバランスよく撓み、梁261への応力集中を効果的に抑制している。そのため、より高い機械的強度を発揮することができる。
なお、図13(a)に示すように、本実施形態では、梁261の全長のほぼ全域にわたって貫通孔261Fが形成されているが、これに限定されず、貫通孔261Fは、図15(a)に示すように、梁261の全長の一部にのみ形成されていてもよい。ただし、貫通孔261Fは、梁261の全長の50%以上にわたって形成されていることが好ましく、70%以上にわたって設けられていることがより好ましく、90%以上にわたって設けられていることがさらに好ましい。これにより、上述した効果を効果的に発揮することができる。
In particular, since the
As shown in FIG. 13A, in the present embodiment, the through
また、図15(b)に示すように、貫通孔261Fは、梁261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。特に、図15(b)に示すように、貫通孔261Fは、梁261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形成されていることが好ましい。具体的には、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、に貫通孔261Fが形成されていることが好ましい。これにより、X軸方向の衝撃が加わったときも、Y軸方向の衝撃が加わったときも、共に、梁261にせん断応力がより加わり難くなり、上記効果をより効果的に発揮することができる。
Moreover, as shown in FIG.15 (b), the through-
また、梁261は、図16(a)に示すように、少なくとも、その両端部T1、T2に貫通孔261Fが形成されていることが好ましい。XY平面の面内方向の衝撃(加速度)を受けたとき、梁261の中でも両端部T1、T2、すなわち支持部251との接続部付近および基部21との接続部付近に特に大きな応力が加わるため、両端部T1、T2に貫通孔261Fを形成することで、上記効果をより効果的に発揮することができる。
In addition, as shown in FIG. 16A, the
また、本実施形態では、貫通孔261Fは、その全域が梁261の内側に収まっているが、これに限定されず、例えば、図16(b)に示すように、一端が第1支持部251内に侵入しており、他端が基部21内に侵入していてもよい。前述したように、XY平面の面内方向の衝撃(加速度)を受けたとき、支持部251との接続部付近および基部21との接続部付近に特に大きな応力が加わるため、このような構成とすることで、上記効果をさらに効果的に発揮することができる。
In the present embodiment, the entire area of the through
<第3実施形態>
次に、本発明の振動素子の第3実施形態について説明する。
図17は、本発明の第3実施形態に係る振動子が有する梁を示す図であり、(a)が斜視図、(b)が同図(a)中のD−D線断面図である。なお、図17では、説明の便宜上、電極の図示を省略している。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the resonator element according to the invention will be described.
FIGS. 17A and 17B are diagrams showing a beam included in the vibrator according to the third embodiment of the present invention, in which FIG. 17A is a perspective view and FIG. 17B is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG. . In FIG. 17, for convenience of explanation, illustration of electrodes is omitted.
以下、第3実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態は、各梁の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、図17では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。また、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。
Hereinafter, the third embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The second embodiment is the same as the first embodiment described above except that the configuration of each beam is different. In FIG. 17, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment. Hereinafter, the shapes of the
図17(a)、(b)に示すように、梁261は、その全長のほぼ全域にわたって、斜め方向(Z軸に対して傾斜した方向)に傾斜する貫通孔261Iが形成されている。そのため、梁261は、−X軸側に位置する内側梁部(第1部位)261G、空隙を挟んで内側梁部261Gと対向配置され、+X軸側に位置する外側梁部(第2部位)261Hとで構成されているとも言える。このような構成の梁261によれば、前述した第1実施形態の効果と、第2実施形態の効果とを発揮することができる。すなわち、Z軸方向の衝撃にも、XY平面の面内方向の衝撃にも強い振動素子1となる。
As shown in FIGS. 17A and 17B, the
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18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18(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。
2. Next, the
18A and 18B are diagrams showing a preferred embodiment of the vibrator of the present invention. FIG. 18A is a cross-sectional view, and FIG. 18B is a top view.
As illustrated in FIGS. 18A and 18B, the
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。
The package 8 includes a box-shaped
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。
The constituent material of the
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。
In the vibration element 1, the
The
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19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20および図21は、それぞれ、図19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。
3. Physical Quantity Sensor Next, the
FIG. 19 is a cross-sectional view illustrating a preferred embodiment of a physical quantity sensor including the vibration element of the present invention. 20 and 21 are top views of the physical quantity sensor shown in FIG. 19, respectively. In FIG. 16, for convenience of explanation, illustration of the lid and the vibration element is omitted.
図19、図20および図21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19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。
As shown in FIGS. 19, 20, and 21, the
As shown in FIG. 19, the package 8 includes a box-shaped
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。
The
図20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。
As shown in FIG. 20, in the vibration element 1, the
図21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。
As shown in FIG. 21, the IC chip 9 is fixed to the bottom surface of the
In the present embodiment, the IC chip 9 is provided inside the package 8, but the IC chip 9 may be provided outside the package 8.
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22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22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。
4). Physical Quantity Detection Device Next, a physical
FIG. 22 is a block diagram of a physical quantity detection device including the vibration element of the present invention.
As illustrated in FIG. 22, the physical
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。
The
When the vibration element 1 vibrates, an alternating current based on the piezoelectric effect is output from the
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。
The AC voltage signal output from the
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。
The
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。
In the
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。
The
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。
The angular velocity component signal extracted by the
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。
The
According to such a physical
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23〜図25に基づき、詳細に説明する。
図23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。
5. Electronic Device Next, an electronic device to which the vibration element 1 is applied will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 23 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer to which an electronic device including the resonator element according to the invention is applied.
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。
In this figure, a
図24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。
FIG. 24 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile phone (including PHS) to which an electronic device including the resonator element according to the invention is applied.
In this figure, a
図25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。
FIG. 25 is a perspective view illustrating a configuration of a digital still camera to which an electronic device including the resonator element according to the invention is applied. 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。
A display unit is provided on the back of a case (body) 1302 in the
A
When the photographer confirms the subject image displayed on the display unit and presses the
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。
In the
Such a
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図23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24の携帯電話機、図25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。 Note that the electronic device including the vibration element of the present invention includes, for example, an ink jet type ejection device (for example, a personal computer (mobile personal computer) in FIG. 23, a mobile phone in FIG. 24, and a digital still camera in FIG. 25). Inkjet printers), laptop personal computers, televisions, video cameras, video tape recorders, car navigation devices, pagers, electronic notebooks (including those with communication functions), electronic dictionaries, calculators, electronic game devices, word processors, workstations, televisions Telephone, crime prevention TV monitor, electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (for example, electronic thermometer, blood pressure monitor, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish detector, various measuring devices, instruments Class (eg, vehicle, aircraft) Gauges of a ship), can be applied to a flight simulator or the like.
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26に基づき、詳細に説明する。
図26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。
6). Next, a moving body to which the vibration element shown in FIG. 1 is applied will be described in detail with reference to FIG.
FIG. 26 is a perspective view illustrating a configuration of an automobile to which a moving body including the vibration element according to the invention is applied.
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。
The
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。 As described above, the resonator element, the vibrator, the electronic device, and the moving body of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part has the same function. Any configuration can be substituted. In addition, any other component may be added to the present invention. Further, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
具体的には、例えば、第1梁および第4梁を第1実施形態の梁形状とし、第2梁および第3梁を第2実施形態の梁形状としたり、第1、第3梁を第1実施形態の梁形状とし、第2、第4梁を第2実施形態の梁形状としたりしてもよい。これにより、第1実施形態の効果と、第2実施形態の効果とを共に発揮することのできる振動素子となる。
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。
Specifically, for example, the first beam and the fourth beam have the beam shape of the first embodiment, the second beam and the third beam have the beam shape of the second embodiment, and the first and third beams are the first beam shape. The beam shape of the first embodiment may be used, and the second and fourth beams may be the beam shape of the second embodiment. Thereby, it becomes a vibration element which can exhibit both the effect of 1st Embodiment and the effect of 2nd Embodiment.
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the vibration element has four beams has been described, but the number of beams is not particularly limited, and may be 1 to 3, or 5 or more. There may be. More specifically, for example, the second support portion and the second and fourth beams may be omitted, and the first support portion and the first and third beams may be supported on one side.
また、前述した実施形態では、各梁がX軸方向に延在する延在部と、Y軸方向に延在する延在部とが交互に計4つ接続されている構成となっているが、梁の構成としては、これに限定されず、例えば、X軸方向に延在する延在部と、Y軸方向に延在する延在部とが交互に計6つ接続されている構成であってもよいし、交互に計8つ接続されている構成であってもよい。 In the embodiment described above, each beam has a configuration in which a total of four extending portions extending in the X-axis direction and extending portions extending in the Y-axis direction are connected alternately. The configuration of the beam is not limited to this. For example, a total of six extending portions extending in the X-axis direction and extending portions extending in the Y-axis direction are connected. There may be a configuration in which a total of eight are connected alternately.
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。この構成では、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。 In the embodiment described above, the vibration unit included in the vibration element includes the base, the first and second detection arms, the first and second connection arms, and the first to fourth drive arms. However, the configuration of the vibration unit is not limited to this. For example, a base, a pair of drive arms extending from the base in the + Y-axis direction and arranged side by side in the X-axis direction, and extending from the base to the −Y-axis direction and arranged side by side in the X-axis direction A configuration having a pair of detection arms may be used. In this case, the beam can be arranged to pass between the detection arm and the drive arm so as to connect the base portion and the support portion. In this configuration, when an angular velocity around the Y axis is applied in a state where the pair of driving arms is driven in the driving mode that is the X anti-phase mode, vibration in the detection mode that drives the pair of detecting arms in the Z anti-phase mode. Is excited. Then, the angular velocity around the Y axis can be detected based on the signal output from the detection arm at that time.
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 261A……上側梁部 261B……下側梁部 261C……貫通孔 261D……内側梁部 261E……外側梁部 261F……貫通孔 261G……内側梁部 261H……外側梁部 261I……貫通孔 2611……延在部 2612……延在部 2613……延在部 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……両端部 d、D……厚さ w、W……幅
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (11)
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、
前記梁は、該梁の表面の異なる2箇所を貫通する貫通孔を有していることを特徴とする振動素子。 A vibrating part;
A support part for supporting the vibration part;
A beam connecting the vibrating portion and the support portion;
The beam has a through-hole penetrating two different places on the surface of the beam.
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に前記貫通孔が形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。 The beam has a first extension portion extending in a predetermined direction and a second extension portion extending in a direction different from the predetermined direction,
The vibration element according to claim 1, wherein the through hole is formed in at least a part of the first extension part and at least a part of the second extension part.
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7のいずれか1項に記載の振動素子。 The vibrating part includes a base part,
A detection arm extending along the first axis from the base;
A connecting arm extending along a second axis intersecting the first axis from the base;
A drive arm extending from the connection arm along the first axis,
The vibrating element according to claim 1, wherein the beam passes between the detection arm and the drive arm and connects the base portion and the support portion.
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。 The vibration element according to any one of claims 1 to 8,
And a package containing the vibration element.
Priority Applications (1)
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