JP2016086383A - 振動素子、電子デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動素子としての音叉型振動片100は、屈曲振動する駆動振動腕120,130と、駆動振動腕120,130に設けられている駆動電極(第1駆動電極121a,121b,132a,132b、第2駆動電極122a,122b,131a,131b)と、を有し、駆動振動腕120,130が延在する方向をY軸とし、駆動振動腕120,130が主振動する方向をX軸とし、前記Y軸と前記X軸とに直交する方向をZ軸とした時、駆動振動腕120,130は、前記Z軸方向の変位量を前記X軸方向の変位量で除した変位比が0%を超え20%以下で前記屈曲振動する。
【選択図】図1
Description
これらの電子機器の小型化に伴い、振動素子にも小型化が求められている。振動素子を小型化すると、振動素子を形成する際の加工精度が相対的に大きくなる。例えば、振動腕を有する振動素子では、振動腕の形状が非対称になると主振動による面内方向の変位と、もれ振動による面内方向と交差する面外方向の変位と、を有する斜め振動が生じてしまう。この斜め振動を除去する方法として、特許文献1に記載されているように、振動腕と基部との間の結合領域に形成された金属膜(調整膜)をレーザーでトリミングする屈曲振動片の製造方法が知られていた。
<振動素子>
まず、実施形態1に係る振動素子の概略構成について、図1を用いて説明する。図1(a)は、実施形態1に係る振動素子としての音叉型振動片の概略構成を模式的に示す平面図である。図1(b)は、図1(a)におけるA−A線での断面図である。
図2(a)に示すように、駆動振動腕120をX軸とZ軸とで成すXZ平面に平行に切断した時、その断面形状は、音叉型振動片100の外形を形成する際、製造工程における加工のばらつきなどにより、中心線CLに対して非対称になることがある。詳しくは、駆動振動腕120の断面は、表面103cで形成される第1の辺と、裏面103dで形成される第2の辺とが、X軸方向に沿って互いに逆方向にズレを生じた平行四辺形をなしている。
音叉型振動片100は、駆動振動腕120,130の変位比を20%以下にすることで、CI値の上昇を10%以内に抑えることができるので、CI値の上昇による影響を軽微にでき、所望のCI値を有することができる。さらに、変位比を13%以下にすることで、CI値の偏差を小さくすることができる。また、変位比が20%以下または13%以下まで許容されることで、歩留りの向上とトリミングに要する負荷とが軽減され、音叉型振動片100の製造コストを低下させることができる。さらに、変位比を2%以上に設定することで、駆動振動腕120,130のZ軸方向の変位を必要以上に抑える必要がなくなりトリミングに要する負荷が軽減され、音叉型振動片100の製造コストをさらに低下させることができる。したがって、所望のCI値を有し、コストを低下させた振動素子としての音叉型振動片100を提供することができる。
<ジャイロ素子−1>
まず、実施形態2に係る振動素子としてのジャイロ素子について、図5および図6を参照して説明する。図5(a)はジャイロ素子を模式的に示す斜視図、図5(b)はジャイロ素子を模式的に示す平面図である。図6は、ジャイロ素子の電極構成を説明する図であり、図6(a)は図5(b)におけるC−C線での断面図、図6(b)は図5(b)におけるD−D線での断面図である。
さらに、検出振動腕3a,3bの基部1の一端側とは反対側の他端側には、検出振動腕3a,3bよりも幅の広い(X軸方向の寸法が大きい)略矩形状の錘部53a,53bが設けられている。このように、検出振動腕3a,3bにおいても、錘部53a,53bが設けられていることにより、検出振動腕3a,3bの長さ(Y軸方向の寸法)の増大を抑えながら所定の検出振動を得ることができるため、ジャイロ素子を小型化することが可能となる。また、一対の検出振動腕3a,3bには、凹部58a,58bが設けられている。本実施形態における凹部58a,58bは、図6に示すように表面3c,3gおよび裏面3d,3fの両面側から掘り込まれている構成であるが、表面3c,3gあるいは裏面3d,3fの一方の面から掘り込まれた構成でもよい。
駆動振動腕2aのXZ平面に平行に切断した断面形状は、例えばドライエッチング加工において加工誤差を生じるなどして、図2(a)と同様に平行四辺形等に形成されてしまうことがある。この状態で、駆動電極11a,11bと駆動電極12cとに交流電圧を印加して駆動振動腕2aに屈曲振動を励起させた時(駆動モード時)、駆動振動腕2aは、主振動によるX軸方向(面内方向)の変位と、漏れ振動によるZ軸方向(面外方向)の変位と、を有する斜め振動を生じる。斜め振動は、図2(b)および図2(c)と同様に、二つの振動形態を有する。
ジャイロ素子300は、Y軸回りの角速度ωにより駆動振動腕2a,2bに生じたZ軸方向の屈曲振動(変位)に共振する検出振動腕3a,3bの検出電極に発生した電荷を検出する。したがって、斜め振動の大きいジャイロ素子300は、角速度ωの検出感度に顕著な影響を及ぼすので、ジャイロ素子300を個別にトリミングして漏れ振動(Z軸方向の変位を)を抑える必要があった。
ジャイロ素子300の駆動振動腕2a,2bの変位比を、13%以下、好ましくは10%以下とすることで、ジャイロ素子300は、感度低下を軽微にし、所望の検出感度を有することができる。ジャイロ素子300の駆動振動腕2a,2bの変位比を、0%を超え、好ましくは2%以上とすることで、ジャイロ素子300の駆動振動腕2a,2bの漏れ振動によるZ軸方向の変位を必要以上に抑える必要がなくなるため、トリミングに要する負荷を軽減させ、歩留りを向上させることができる。したがって、コストを低下させ、所望の検出感度を有する振動素子としてのジャイロ素子300を提供することができる。
<ジャイロ素子−2>
次に、図8を参照して、実施形態3に係る振動素子としてのジャイロ素子400について説明する。
図8は、実施形態3に係るジャイロ素子の概略構成を模式的に示し、ジャイロ素子を+側のZ軸方向から見た平面図である。なお、ジャイロ素子400には、検出信号電極、検出信号配線、検出信号端子、検出接地電極、検出接地配線、検出接地端子、駆動信号電極、駆動信号配線、駆動信号端子、駆動接地電極、駆動接地配線および駆動接地端子などが設けられているが、図8においては省略している。
ジャイロ素子400の各駆動振動腕441,442,443,444の変位比を、13%以下、好ましくは10%以下とすることで、ジャイロ素子400は、感度低下を軽微にし、所望の検出感度を有することができる。ジャイロ素子400の各駆動振動腕441,442,443,444の変位比を、0%を超え、好ましくは2%以上とすることで、ジャイロ素子400の各駆動振動腕441,442,443,444の漏れ振動によるZ軸方向の変位を必要以上に抑える必要がなくなるため、トリミングに要する負荷を軽減させ、歩留りを向上させることができる。したがって、コストを低下させ、所望の検出感度を有する振動素子としてのジャイロ素子400を提供することができる。
<ジャイロ素子−3>
次に、図9を参照して、ジャイロ素子600について説明する。図9は、実施形態4に係る振動素子の一例としてのジャイロ素子600を模式的に示す平面図である。図10は、実施形態4に係るジャイロ素子600を模式的に示す図であり、図10(a)は図9のE−E線での断面図、図10(b)は図9のF−F線での断面図である。
ジャイロ素子600は、振動体620の検出部650においてY軸まわりの角速度を検出するジャイロ素子(静電容量型MEMSジャイロ素子)である。
なお、便宜上、図9では、基体610を透視して図示している。また、基体610の振動体620が設けられる基面である第1面611(図10参照)の法線方向から見ること、即ち基体610に支持されている振動体620を上方から見ることを、以下、「平面視」という。
本実施形態の凹部614の平面形状(Z軸方向から見たときの形状)は、長方形であるが、特に限定されない。凹部614は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によって形成される。
図9および図10に示すように、弾性支持体630の一端615(固定部617)は、X軸方向において振動体620を挟むように配置されていてもよい。また、弾性支持体630の一端615は、Y軸方向において振動体620を挟むように配置されていてもよい。即ち、弾性支持体630の一端615は、2か所、あるいは4か所設けられていてもよい。
検出部650は、可動電極としての第1フラップ板651および第2フラップ板653と、第1フラップ板651と接続された第1梁部652と、第2フラップ板653と接続された第2梁部654と、検出用固定電極655と、を有している。第1フラップ板651および第2フラップ板653は、前述のように、シリコンに、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされることにより導電性が付与されている。
第2梁部654は、支持部612のY軸方向に沿って対向する二つの延在部分の内側に、両端が接続されている。第2フラップ板653の第2梁部654と接続されている端と反対側の端は、自由端となっている。第2フラップ板653は、第2梁部654を回転軸としてZ軸方向に搖動することができる。第1フラップ板651および第2フラップ板653のそれぞれの自由端は、Y軸方向の内側を向くように配置され、間隙を有して対向するように設けられている。
ジャイロ素子600の駆動振動は、角速度ωが加わらない状態において、支持部612に接続された駆動部640における駆動用固定電極部642と駆動用可動電極部641との間に生じる静電力により、振動体620がX軸に沿って往復振動(運動)を行う。より具体的には、駆動用固定電極部642と駆動用可動電極部641との間に交番電圧を印加する。これにより、第1フラップ板651および第2フラップ板653などを含む振動体620を、所定の周波数で、X軸に沿って振動させることができる。
ジャイロ素子600の振動体620などを含むシリコン構造体の形状は、例えばドライエッチング加工において加工誤差を生じるなどして、本来は正方形あるいは長方形になるべき断面形状が、図2(a)と同様に平行四辺形等に形成されてしまうことがある。この状態で、駆動部640に交流電圧を印加して、駆動振動を励起させた時、駆動部640は、主振動によるX軸方向(面内方向)の変位と、漏れ振動によるZ軸方向(面外方向)の変位と、を有する斜め振動を生じてしまう。この斜め振動が検出部650に伝わり、検出部650が角速度を検出する振動方向であるZ軸方向に振動してしまうと、角速度が生じていないにもかかわらず検出部650が角速度を検出してしまったり、検出した角速度に誤差を生じてしまったりする。
次に、実施形態2に係るジャイロ素子300を備えた電子デバイスとしてのジャイロセンサーについて、図11を参照して説明する。図11は、電子デバイスの一例としてのジャイロセンサーの概略構成を示す正断面図である。
次に、図12を参照して、前述の実施形態に係る振動素子を備えた電子機器について説明する。なお、以下の説明では、振動素子の一例としてジャイロ素子300を用いた例について説明する。図12(a)〜図12(c)は、ジャイロ素子300を備える電子機器の一例を示す斜視図である。
次に、前述の実施形態に係る振動素子を備えた移動体について説明する。なお、以下の説明では、振動素子の一例としてジャイロ素子300を用いた例について説明する。図13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1500には実施形態3に係るジャイロ素子300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1500には、ジャイロ素子300を内蔵してタイヤなどを制御する電子制御ユニット1510が車体に搭載されている。また、ジャイロ素子300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 (11)
- 屈曲振動する振動腕と、
前記振動腕に設けられている駆動電極と、を有し、
前記振動腕が延在する方向をY軸とし、前記振動腕が主振動する方向をX軸とし、前記Y軸と前記X軸とに直交する方向をZ軸とした時、
前記振動腕は、前記Z軸方向の変位量を前記X軸方向の変位量で除した変位比が0%を超え20%以下で前記屈曲振動すること、を特徴とする振動素子。 - 前記振動腕の前記変位比は、2%以上13%以下であること、を特徴とする請求項1に記載の振動素子。
- 前記振動腕を前記X軸と前記Z軸とで成す面で切断した時、
前記X軸に沿って対向する二辺の前記X軸方向におけるズレ量は、前記振動腕の前記Z軸方向の寸法の0.8%以下であること、を特徴とする請求項1に記載の振動素子。 - 前記振動腕を前記X軸と前記Z軸とで成す面で切断した時、
前記X軸に沿って対向する二辺の前記X軸方向におけるズレ量は、前記振動腕の前記Z軸方向の寸法の0.5%以下であること、を特徴とする請求項2に記載の振動素子。 - 基部を、有し、
前記振動腕は、前記基部の前記Y軸方向の一方の端部から一対で延出していること、を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の振動素子。 - 前記基部の前記一方の端部とは反対側の他方の端部から延出している一対の検出腕を有していること、を特徴とする請求項5に記載の振動素子。
- 基部と、
前記基部から前記X軸方向に沿って両側に延出している連結腕と、
前記基部から前記Y軸方向に沿って両側に延出している検出腕と、を有し、
前記振動腕は、前記連結腕の先端部から前記Y軸方向に沿って両側に延出していること、を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の振動素子。 - 前記振動腕、および前記検出腕の少なくとも一つの、前記基部の一端側とは反対側の他端側に、錘部が設けられていること、を特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の振動素子。
- 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の振動素子と、
少なくとも前記振動腕を励振させる駆動回路を含む電子部品と、
前記振動素子および前記電子部品の少なくとも一方を収容しているパッケージと、を備えていること、を特徴とする電子デバイス。 - 請求項1から請求項8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から請求項8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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