JP2022049898A - Vibration device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、振動デバイスに関する。 The present invention relates to a vibrating device.
従来、特許文献1に示すように、角速度を検出するジャイロ素子と、ジャイロ素子を支持する支持部と、ジャイロ素子及び支持部を収納するパッケージと、を備えた電子デバイスが知られている。
Conventionally, as shown in
しかしながら、特許文献1に記載の電子デバイスでは、ジャイロ素子に衝撃が加わること等により、ジャイロ素子を支持する支持リードが変形し、ジャイロ素子の保持姿勢が変化してしまい、この保持姿勢の変化によってジャイロ素子の検出感度が低下する、という課題がある。
However, in the electronic device described in
振動デバイスは、厚み方向に沿った軸を検出軸とする角速度に応じて検出振動する振動素子と、前記振動素子と前記振動素子の前記厚み方向に対向して配置され、前記振動素子を支持している支持基板と、前記振動素子の前記支持基板に対する傾きを検出する傾き検出回路と、を有し、前記振動素子は、第1駆動電極を備え、前記第1駆動電極に駆動信号を印加することにより駆動振動する第1駆動腕と、第2駆動電極を備え、前記第2駆動電極に駆動信号を印加することにより駆動振動する第2駆動腕と、第1検出電極を備え、前記角速度に応じて検出振動することにより前記第1検出電極から第1検出信号が出力される第1検出腕と、第2検出電極を備え、前記角速度に応じて検出振動することにより前記第2検出電極から第2検出信号が出力される第2検出腕と、を有し、前記支持基板は、基部と、前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも前記第1駆動電極、前記第2駆動電極、前記第1検出電極、及び前記第2検出電極のいずれかと少なくとも一部が重なる位置に配置された第1基板電極を有し、前記傾き検出回路は、前記第1基板電極と、前記第1基板電極と重なる位置に配置された前記第1駆動電極、前記第2駆動電極、前記第1検出電極、及び前記第2検出電極のいずれかの電極との間の第1静電容量を検出し、前記第1静電容量に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する。 The vibrating device is arranged with a vibrating element that detects and vibrates according to an angular velocity with an axis along the thickness direction as a detection axis, and the vibrating element and the vibrating element facing each other in the thickness direction to support the vibrating element. It has a support substrate and a tilt detection circuit for detecting the tilt of the vibrating element with respect to the support substrate. The vibrating element includes a first drive electrode, and a drive signal is applied to the first drive electrode. A first drive arm that drives and vibrates, a second drive electrode is provided, and a second drive arm that drives and vibrates by applying a drive signal to the second drive electrode, and a first detection electrode are provided, and the angular speed is increased. It is provided with a first detection arm that outputs a first detection signal from the first detection electrode by detecting and vibrating accordingly, and a second detection electrode, and by detecting and vibrating according to the angular velocity, the second detection electrode is used. It has a second detection arm from which a second detection signal is output, and the support substrate is provided on the base portion and the base portion, and at least the first drive electrode, the first drive electrode, in a plan view seen from the thickness direction. It has a first substrate electrode arranged at a position where at least a part overlaps with any of the second drive electrode, the first detection electrode, and the second detection electrode, and the tilt detection circuit is the same as the first substrate electrode. , The first electrostatic voltage between the first drive electrode, the second drive electrode, the first detection electrode, and any of the second detection electrodes arranged at positions overlapping with the first substrate electrode. The capacitance is detected, and the inclination of the vibrating element is detected based on the first capacitance.
1.実施形態1
実施形態1に係る振動デバイス1について、図1~図3を参照して説明する。なお、図1は、振動デバイス1の内部の構成を説明する便宜上、蓋体22と、接合部材23と、を取り外した状態を図示している。また、図中、説明する便宜上、各構成要素の寸法比率は実際とは異なる。
1. 1.
The
図面に付記する座標においては、互いに直交する3つの軸をX軸、Y軸、及びZ軸として説明する。X軸に沿う方向を「X方向」、Y軸に沿う方向を「Y方向」、Z軸に沿う方向を「Z方向」とし、矢印の方向がプラス方向である。また、Z方向を「厚み方向」、Z方向のプラス方向を「上」又は「上方」、Z方向のマイナス方向を「下」又は「下方」として説明する。また、Z方向から見たときの平面視において、Z方向プラス側の面を上面、これと反対側となるZ方向マイナス側の面を下面として説明する。また、X軸、Y軸、及びZ軸は、後述するように、水晶の結晶軸に相当し、X軸は、水晶の結晶軸である電気軸としてのA軸に相当し、Y軸は、機械軸としてのB軸に相当し、Z軸は、光軸としてのC軸に相当する。 In the coordinates added to the drawings, the three axes orthogonal to each other will be described as the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis. The direction along the X axis is the "X direction", the direction along the Y axis is the "Y direction", the direction along the Z axis is the "Z direction", and the direction of the arrow is the plus direction. Further, the Z direction will be described as "thickness direction", the plus direction in the Z direction will be described as "up" or "upward", and the minus direction in the Z direction will be described as "down" or "downward". Further, in a plan view when viewed from the Z direction, the surface on the plus side in the Z direction will be described as the upper surface, and the surface on the minus side in the Z direction opposite to this will be described as the lower surface. Further, the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis correspond to the crystal axis of the crystal, the X-axis corresponds to the A-axis as the electric axis which is the crystal axis of the crystal, and the Y-axis corresponds to the crystal axis of the crystal, as will be described later. It corresponds to the B axis as the mechanical axis, and the Z axis corresponds to the C axis as the optical axis.
図1及び図2に示すように、振動デバイス1は、Z軸を検出軸とする角速度ωzを検出する物理量センサーである。振動デバイス1は、パッケージ2と、パッケージ2に収納される支持基板4及び振動素子6と、振動素子6の支持基板4に対する傾きを検出するための傾き検出回路218を含む回路素子3と、を有する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
図1に示すように、振動素子6は、いわゆるダブルT型と呼ばれる構造を有する。振動素子6は、振動素子片30と、振動素子片30の表面に配置されている第1検出電極11、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16と、を有する。
As shown in FIG. 1, the
振動素子片30は、例えば、Zカット水晶基板から構成されている。Zカット水晶基板は、水晶の結晶軸である電気軸としてのA軸に相当するX軸及び機械軸としてのB軸に相当するY軸で規定されるXY平面に広がりを有し、光軸としてのC軸に相当するZ軸に沿った方向に厚みを有する。
The vibrating
また、振動素子片30は、素子基部31と、第1検出腕33と、第2検出腕34と、一対の連結腕311,312と、第1駆動腕35と、第2駆動腕36と、第3駆動腕37と、第4駆動腕38と、を有する。素子基部31は、振動素子片30の中央部に位置する。第1検出腕33及び第2検出腕34は、素子基部31からY軸に沿った方向にそれぞれ反対側であるY方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延出している。一対の連結腕311,312は、素子基部31からX軸に沿った方向にそれぞれ反対側であるX方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延出している。第1駆動腕35及び第3駆動腕37は、連結腕311の先端部からY方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延出している。第2駆動腕36及び第4駆動腕38は、連結腕312の先端部からY方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延出している。
Further, the vibrating
また、第1検出腕33、第2検出腕34、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38は、それぞれその先端部に基端側よりもX方向の幅が広い幅広部331,341,351,361,371,381を有する。なお、幅広部331,341,351,361,371,381は、それぞれ、「ハンマーヘッド」とも呼ばれる。
Further, the
第1検出腕33の幅広部331の上面及び下面には、それぞれ第1検出電極11が配置されている。同様に、第2検出腕34、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38のそれぞれの幅広部341,351,361,371,381の上面及び下面には、それぞれ、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16が配置されている。なお、幅広部331,341,351,361,371,381に配置された第1検出電極11、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16は、それぞれ、第1検出腕33、第2検出腕34、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38の周波数調整に用いられる。
The
図2に示すように、パッケージ2は、上面に開口する凹部211を備えるベース21と、凹部211の開口を塞いでベース21の上面に接合部材23を介して接合されている蓋体22と、を有する。パッケージ2の内側には凹部211によって内部空間Sが形成され、内部空間Sに回路素子3、支持基板4、及び振動素子6が収容されている。
As shown in FIG. 2, the
凹部211は、複数の凹部で構成され、ベース21の上面に開口する凹部211aと、凹部211aの底面に開口し、凹部211aよりも開口幅が小さい凹部211bと、凹部211bの底面に開口し、凹部211bよりも開口幅が小さい凹部211cと、を有する。そして、凹部211aの底面に、振動素子6を支持した状態で支持基板4が固定され、凹部211cの底面に回路素子3が固定されている。
The
凹部211aの底面には複数の内部端子241が配置され、凹部211bの底面には複数の内部端子242が配置され、ベース21の下面には複数の外部端子243が配置されている。内部端子241、242、及び外部端子243は、ベース21内に形成されている図示しない配線を介して電気的に接続されている。また、内部端子241は、支持基板4を介して振動素子6と電気的に接続されており、内部端子242は、ボンディングワイヤーBWを介して回路素子3と電気的に接続されている。
A plurality of
回路素子3は、振動素子6を駆動し振動素子6に加わった角速度ωzを検出するための駆動回路や、振動素子6の支持基板4に対する傾きを検出するための傾き検出回路218を有する。
The
支持基板4は、TAB(Tape Automated Bonding)実装用の基板である。支持基板4は、振動素子6と回路素子3との間に位置し、振動素子6のZ方向、すなわち、振動素子6の厚み方向に対向して配置され、振動素子6を下側すなわちZ方向マイナス側から支持している。
The
図1~図3に示すように、支持基板4は、振動素子6の厚み方向であるZ方向からの平面視で枠状の基部41と、基部41に設けられる複数のリード42と、基部41の上面に配置される第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471、及び第6基板電極481と、基部41の下面に配置される電極パッド51,52,53,54と、基部41の上面に配置される配線511,521,531,532,541,542と、を有する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
基部41は、接合部材B1によって凹部211aの底面に固定され、さらに、この接合部材B1を介してリード42と凹部211aの底面に設けられた内部端子241とが電気的に接続される。
The
リード42は、振動素子6を支持するボンディングリードであり、導電性部材により構成され、振動素子6と内部端子241とを電気的に接続する配線として機能する。リード42の基端部は、基部41の下面に固定されており、接合部材B1を介して内部端子241と電気的に接続されている。
The
リード42は、リード42の基端部から先端部へ向かって、途中で屈曲して上側に傾斜しており、リード42の先端部が基部41よりも上方すなわちZ方向プラス側に位置している。リード42の先端部には、振動素子6の素子基部31が接合部材B2を介して固定されている。これにより、振動素子6の素子基部31は接合部材B2及びリード42を介して支持基板4に固定されるとともに、支持基板4及び接合部材B1を介して回路素子3と電気的に接続されている。
The
また、リード42は可撓性を有し、リード42により振動素子6を上方に浮かせるように且つ柔軟に支持することによって、振動素子6の振動特性に対する支持構造の影響や振動素子6への外力による衝撃を緩和することができる。
Further, the
第1基板電極431は、振動素子6の厚み方向であるZ方向の平面視で、第1検出腕33の幅広部331に配置されている第1検出電極11と少なくとも一部が重なるように、基部41の上面に配置されている。第1基板電極431と、配線511と、は電気的に接続しており、さらに、配線511は、図示しない貫通電極を介して基部41の下面に配置されている電極パッド51と電気的に接続している。電極パッド51は、接合部材B1及び内部端子241を介して回路素子3と電気的に接続されている。このように、第1基板電極431は、配線511などを介して回路素子3と電気的に接続されている。
The
同様に、第2基板電極441は、Z方向、すなわち、振動素子6の厚み方向の平面視で、第2検出腕34の幅広部341に配置されている第2検出電極12と少なくとも一部が重なるように、基部41の上面に配置されている。第2基板電極441は、配線521と、図示しない貫通電極と、電極パッド52と、接合部材B1と、内部端子241と、を介して回路素子3と電気的に接続されている。
Similarly, the
第3基板電極451及び第5基板電極471は、Z方向、すなわち、振動素子6の厚み方向の平面視で、第1駆動腕35の幅広部351に配置されている第1駆動電極13及び第3駆動腕37の幅広部371に配置されている第3駆動電極15にそれぞれ少なくとも一部が重なるように、基部41の上面に配置されている。第3基板電極451は、配線531と、図示しない貫通電極と、を介して電極パッド53と電気的に接続している。同様に、第5基板電極471は、配線532と、図示しない貫通電極と、を介して電極パッド53と電気的に接続されている。電極パッド53は、接合部材B1と、内部端子241と、を介して回路素子3と電気的に接続されている。このように、第3基板電極451及び第5基板電極471は、回路素子3と電気的に接続されている。
The
同様に、第4基板電極461及び第6基板電極481は、Z方向、すなわち、振動素子6の厚み方向の平面視で、第2駆動腕36の幅広部361に配置されている第2駆動電極14及び第4駆動腕38の幅広部381に配置されている第4駆動電極16にそれぞれ少なくとも一部が重なるように、基部41の上面に配置されている。第4基板電極461及び第6基板電極481は、配線541、542と、図示しない貫通電極と、電極パッド54と、接合部材B1と、内部端子241と、を介して、回路素子3と電気的に接続されている。
Similarly, the
なお、第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471、第6基板電極481は、それぞれに対向する第1検出電極11、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16との静電容量を測定することで、振動素子6の傾き等を検出することができる。
The
また、本実施形態では、第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471、第6基板電極481と、配線511,521,531,532,541,542と、は基部41の上面に配置されているが、基部41の下面に配置しても構わない。
Further, in the present embodiment, the
次に、図4を参照しながら、振動素子6について詳細に説明する。
図4に示すように、第1検出腕33と、第2検出腕34と、は素子基部31からY方向に沿って互いに反対側へ延出している。同様に、第1駆動腕35と、第3駆動腕37と、は連結腕311の先端部からY方向に沿って互いに反対側へ延出しており、第2駆動腕36と、第4駆動腕38と、は連結腕312の先端部からY方向に沿って互いに反対側へ延出している。
Next, the vibrating
As shown in FIG. 4, the
第1検出腕33の表面には、第1検出電極11が設けられている。第1検出電極11は、第1検出信号電極111と、検出定電位電極としての第1検出接地電極112と、を有する。
A
第1検出信号電極111は、第1検出腕33の幅広部331を除く上面及び下面に配置され、第1検出腕33の上面及び下面に配置されたそれぞれの第1検出信号電極111は、図示しない配線により電気的に接続されている。第1検出接地電極112は、第1検出腕33の幅広部331を除く両側面と、幅広部331の上面及び下面と、に配置されており、第1検出腕33の両側面と、幅広部331の上面及び下面と、に配置されたそれぞれの第1検出接地電極112は、図示しない配線により電気的に接続されている。
The first
同様に、第2検出腕34の表面には、第2検出信号電極121と、検出定電位電極としての第2検出接地電極122と、を有する第2検出電極12が設けられている。第2検出信号電極121は、第2検出腕34の幅広部341を除く上面及び下面に配置され、第2検出接地電極122は、第2検出腕34の幅広部341を除く両側面と、幅広部341の上面及び下面と、に配置されている。
Similarly, on the surface of the
また、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38の表面には、それぞれ、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16が設けられている。第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16は、駆動信号電極131と、駆動定電位電極としての駆動接地電極132と、を有する。
Further, on the surfaces of the
駆動信号電極131は、第1駆動腕35、第3駆動腕37のそれぞれの幅広部351,371を除く上面及び下面と、第2駆動腕36、第4駆動腕38のそれぞれの幅広部361,381を除く両側面と、幅広部361,381の上面及び下面と、に配置されている。第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38の表面に配置されている駆動信号電極131は、図示しない配線により電気的に接続されている。
The
駆動接地電極132は、第1駆動腕35、第3駆動腕37のそれぞれの幅広部351,371を除く両側面と、幅広部351,371の上面及び下面と、第2駆動腕36、第4駆動腕38のそれぞれの幅広部361,381を除く上面及び下面と、に配置されている。第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38の表面に配置されている駆動接地電極132は、図示しない配線により電気的に接続されている。
The
第1検出信号電極111、第1検出接地電極112、第2検出信号電極121、第2検出接地電極122、駆動信号電極131、駆動接地電極132と、素子基部31の下面に配置されている端子67と、は図示しない配線により電気的に接続されている。
The first
このように構成された振動素子6は、次のようにしてZ軸、すなわち、厚み方向に沿った軸を検出軸とする角速度ωzを検出する。
The vibrating
まず、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16に電圧、すなわち駆動信号を印加することにより、図4中矢印aで示す方向に、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38を屈曲振動、すなわち、駆動振動させる。
First, by applying a voltage, that is, a drive signal to the
このとき、振動素子6に角速度ωzが加わらなければ、第1駆動腕35及び第3駆動腕37と、第2駆動腕36及び第4駆動腕38と、は中心点すなわち重心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、素子基部31、連結腕311,312及び第1検出腕33、第2検出腕34は、ほとんど振動しない。
At this time, if the angular velocity ωz is not applied to the vibrating
このように第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38を駆動振動させた状態で、振動素子6にその重心Gを通る法線まわり、すなわちZ軸まわりの角速度ωzが加わると、第1駆動腕35、第2駆動腕36、第3駆動腕37、第4駆動腕38には、それぞれ、コリオリ力が働き、連結腕311,312が図4中矢印bで示す方向に屈曲振動する。これに伴い、この屈曲振動を打ち消すように、第1検出腕33、第2検出腕34が図4中矢印cで示す方向に屈曲振動、すなわち、検出振動する。
In the state where the
このように、厚み方向に沿った軸であるZ軸を検出軸とする角速度ωzに応じて、振動素子6が検出振動することにより、検出振動によって第1検出腕33の第1検出電極11に生じた電荷は、第1検出電極11から第1検出信号として出力され、同様に、検出振動によって第2検出腕34の第2検出電極12に生じた電荷は、第2検出電極12から第2検出信号として出力される。そして、第1検出信号及び第2検出信号に基づいて、振動素子6に加わった角速度ωzを求めることができる。
In this way, the vibrating
次に、振動素子6の傾きを検出する方法について、図5~図10を参照して説明する。なお、図6は、図1の振動デバイス1から振動素子6及び支持基板4を抜き出したものであり、図1と同一の構成については同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
Next, a method of detecting the inclination of the vibrating
図5に示すように、振動素子6の傾きを検出する方法は、準備工程と、YZ平面におけるX軸周りの回転による傾きの算出工程と、一方の連結腕311の先端部と支持基板4との距離の算出工程と、他方の連結腕312の先端部と支持基板4との距離の算出工程と、XZ平面におけるY軸周りの回転による傾きの算出工程と、を含んでいる。
As shown in FIG. 5, the methods for detecting the inclination of the vibrating
1.1 準備工程
ステップS11において、振動素子6の駆動を停止する。具体的には、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16への駆動信号の印加を停止する。
1.1 Preparation step In step S11, the drive of the vibrating
1.2 YZ平面におけるX軸周りの回転による傾きの算出工程
ステップS12において、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出する。具体的には、まず、第1検出接地電極112と、第1基板電極431と、の間に電圧を印加する。図6及び図7に示すように、第1検出腕33の幅広部331の上面及び下面に設けられる第1検出接地電極112と、支持基板4の基部41の上面に設けられる第1基板電極431と、はZ方向から見た平面視で重なって配置されているので、第1検出接地電極112と、第1基板電極431と、の間に電圧が印加されることにより、第1検出接地電極112と、第1基板電極431と、の間に第1静電容量C11が形成される。
1.2 Calculation step of inclination due to rotation around the X axis in the YZ plane In step S12, the inclination θ1 due to the rotation around the X axis in the YZ plane of the vibrating
第1検出腕33の幅広部331と支持基板4との間の距離d11に応じて、第1静電容量C11は変化するので、予め、距離d11と、第1静電容量C11と、の相関関係を求めておくことにより、第1静電容量C11を検出し、検出した第1静電容量C11に基づいて、距離d11を算出することができる。
Since the first capacitance C11 changes according to the distance d11 between the
同様に、第2検出腕34の幅広部341に設けられる第2検出接地電極122と、支持基板4に設けられる第2基板電極441と、の間に電圧を印加することにより、第2検出接地電極122と、第2基板電極441と、の間に第2静電容量C12が形成されるので、予め、第2検出腕34の幅広部341と支持基板4との間の距離d12と、第2静電容量C12と、の相関関係を求めておくことにより、第2静電容量C12を検出し、検出した第2静電容量C12に基づいて、距離d12を算出することができる。
Similarly, by applying a voltage between the second
ここで、第1検出腕33の幅広部331と第2検出腕34の幅広部341との間の距離を直角三角形の斜辺とし、支持基板4の第1基板電極431と第2基板電極441との間の距離を直角三角形の底辺とし、第1検出腕33の幅広部331と支持基板4との間の距離d11と、第2検出腕34の幅広部341と支持基板4との間の距離d12と、の差を直角三角形の高さと見做すことができる。第1検出腕33の幅広部331と第2検出腕34の幅広部341との間の距離は、予め、振動素子6の設計時において既知であるので、第1検出腕33の幅広部331と支持基板4との間の距離d11と、第2検出腕34の幅広部341と支持基板4との間の距離d12と、の差から振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出することができる。
Here, the distance between the
なお、本実施形態では、第1静電容量C11及び第2静電容量C12から距離d11及び距離d12をそれぞれ算出した後に、距離d11と距離d12との差を算出しているが、予め、第1静電容量C11と第2静電容量C12との差と、距離d11と距離d12との差と、の相関関係を求めておき、第1静電容量C11と第2静電容量C12との差から、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出しても構わない。
In the present embodiment, after the distance d11 and the distance d12 are calculated from the first capacitance C11 and the second capacitance C12, respectively, the difference between the distance d11 and the distance d12 is calculated. The correlation between the difference between the first capacitance C11 and the second capacitance C12 and the difference between the distance d11 and the distance d12 is obtained, and the first capacitance C11 and the second capacitance C12 are obtained. From the difference, the inclination θ1 due to the rotation of the vibrating
また、本実施形態では、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出するために、第1検出電極11及び第2検出電極12と、それぞれに対向する第1基板電極431及び第2基板電極441と、の間の静電容量C11,C12を用いているが、第1駆動電極13及び第3駆動電極15と、それぞれに対向する第3基板電極451及び第5基板電極471と、の間にそれぞれ形成される静電容量の差から、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出しても構わない。同様に、第2駆動電極14及び第4駆動電極16と、それぞれに対向する第4基板電極461及び第6基板電極481と、の間にそれぞれ形成される静電容量の差から、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1を算出しても構わない。
Further, in the present embodiment, in order to calculate the inclination θ1 due to the rotation of the vibrating
1.3 一方の連結腕311の先端部と支持基板4との距離の算出工程
ステップS13において、一方の連結腕311の先端部と支持基板4との距離d31を算出する。具体的には、まず、第1駆動腕35及び第3駆動腕37の駆動接地電極132と、第3基板電極451及び第5基板電極471と、の間に電圧を印加する。図6及び図8に示すように、第1駆動腕35の幅広部351及び第3駆動腕37の幅広部371にそれぞれ設けられる駆動接地電極132と、支持基板4の基部41に設けられる第3基板電極451及び第5基板電極471と、はそれぞれZ方向から見た平面視で重なって配置されているので、駆動接地電極132と、第3基板電極451と、の間には第3静電容量C13が形成され、同様に、駆動接地電極132と、第5基板電極471と、の間には第5静電容量C15が形成される。
1.3 Calculation step of the distance between the tip of one connecting
本実施形態では、第3基板電極451と、第5基板電極471と、は配線531,532により電極パッド53に電気的に接続しており、第3静電容量C13と、第5静電容量C15と、を合成した第7静電容量C13+C15が得られる。
In the present embodiment, the
連結腕311の先端部と支持基板4との間の距離d31と、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1と、に応じて、第7静電容量C13+C15は変化するので、予め、距離d31と、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1と、第7静電容量C13+C15と、の相関関係を求めておくことにより、第7静電容量C13+C15から距離d31を算出することができる。
The seventh capacitance C13 + C15 changes according to the distance d31 between the tip of the connecting
なお、本実施形態では、第3静電容量C13と、第5静電容量C15と、の両方を形成し、さらに、第3静電容量C13と第5静電容量C15とを加算することにより第7静電容量C13+C15を合成しているが、第3静電容量C13と、第5静電容量C15と、を合成しなくても構わない。第3静電容量C13又は第5静電容量C15の少なくとも一方と、距離d31と、の相関関係を予め求めておき、第3静電容量C13又は第5静電容量C15の一方から距離d31を算出することにしても構わない。 In this embodiment, both the third capacitance C13 and the fifth capacitance C15 are formed, and further, the third capacitance C13 and the fifth capacitance C15 are added. Although the 7th capacitance C13 + C15 is synthesized, it is not necessary to synthesize the 3rd capacitance C13 and the 5th capacitance C15. The correlation between at least one of the third capacitance C13 or the fifth capacitance C15 and the distance d31 is obtained in advance, and the distance d31 is determined from one of the third capacitance C13 or the fifth capacitance C15. You may calculate it.
1.4 他方の連結腕312の先端部と支持基板4との距離の算出工程
ステップS14において、他方の連結腕312の先端部と支持基板4との距離d32を算出する。具体的には、まず、第2駆動腕36及び第4駆動腕38の駆動信号電極131と、第4基板電極461及び第6基板電極481と、の間に電圧を印加する。図6及び図9に示すように、第2駆動腕36の幅広部361に設けられる駆動信号電極131と、第4基板電極461と、の間には第4静電容量C14が形成され、そして、第4駆動腕38の幅広部381に設けられる駆動信号電極131と、第6基板電極481と、の間には第6静電容量C16が形成される。
1.4 Calculation step of the distance between the tip of the other connecting
本実施形態では、第4基板電極461と、第6基板電極481と、は配線541,542により電極パッド54に電気的に接続しており、第4静電容量C14と、第6静電容量C16と、を合成した第8静電容量C14+C16が得られる。
In the present embodiment, the
ステップS13と同様に、予め、連結腕312の先端部と支持基板4との間の距離d32と、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1と、第8静電容量C14+C16と、の相関関係を求めておくことにより、第8静電容量C14+C16から距離d32を算出することができる。
Similar to step S13, in advance, the distance d32 between the tip of the connecting
なお、本実施形態では、第4静電容量C14と、第6静電容量C16と、の両方を形成し、さらに、第4静電容量C14と第6静電容量C16とを加算することにより合成しているが、第4静電容量C14と、第6静電容量C16と、を合成しなくても構わない。第4静電容量C14又は第6静電容量C16の少なくとも一方と、距離d32と、の相関関係を予め求めておき、第4静電容量C14又は第6静電容量C16の一方から距離d32を算出することにしても構わない。 In this embodiment, both the fourth capacitance C14 and the sixth capacitance C16 are formed, and further, the fourth capacitance C14 and the sixth capacitance C16 are added. Although it is synthesized, it is not necessary to synthesize the fourth capacitance C14 and the sixth capacitance C16. The correlation between at least one of the fourth capacitance C14 or the sixth capacitance C16 and the distance d32 is obtained in advance, and the distance d32 is determined from one of the fourth capacitance C14 or the sixth capacitance C16. You may calculate it.
1.5 XZ平面におけるY軸周りの回転による傾きの算出工程
ステップS15において、振動素子6のXZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2を算出する。図10に示すように、連結腕311の先端部と連結腕312の先端部との間の距離を直角三角形の斜辺とし、連結腕311の先端部と支持基板4との間の距離d31と連結腕312の先端部と支持基板4との間の距離d32との差を直角三角形の高さと見做すことができ、さらに、連結腕311の先端部と連結腕312の先端部との間の距離は、予め、振動素子6の設計時において既知であるので、連結腕311の先端部と支持基板4との間の距離d31と連結腕312の先端部と支持基板4との間の距離d32との差から、振動素子6のXZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2を算出することができる。
1.5 Calculation step of inclination due to rotation around the Y axis in the XZ plane In step S15, the inclination θ2 due to the rotation around the Y axis in the XZ plane of the vibrating
なお、本実施形態では、距離d31及び距離d32を算出した後に、距離d31及び距離d32の差から、振動素子6のXZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2を算出しているが、距離d31と相関関係にある第3静電容量C13、第5静電容量C15又は第7静電容量C13+C15の何れか1つと、距離d32と相関関係にある第4静電容量C14、第6静電容量C16又は第8静電容量C14+C16の何れか1つと、の差から、振動素子6のXZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2を算出することにしても構わない。
In the present embodiment, after the distance d31 and the distance d32 are calculated, the inclination θ2 due to the rotation of the vibrating
また、本実施形態では、第1検出電極11、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15及び第4駆動電極16にそれぞれ対向する6個の基板電極、すなわち、第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471及び第6基板電極481を有しているが、基板電極は、第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471及び第6基板電極481の何れか1個以上あれば構わない。1個以上の基板電極を有し、1個以上の静電容量を検出することにより、振動素子6の傾きを検出することができる。また、基板電極の数を少なくすることにより、支持基板4や支持基板から回路素子3までの配線などを簡略化することができるので、製造コストを低減した振動デバイス1を得ることできる。
Further, in the present embodiment, the six substrates facing the
次に、振動素子6の支持基板4に対する傾きを検出する傾き検出回路218を含む回路素子3について、図11を参照して説明する。
Next, the
図11に示すように、振動デバイス1は、振動素子6と、支持基板4と、回路素子3と、を有する。回路素子3は、基準電圧回路202と、駆動回路204と、角速度検出回路206と、デジタル演算回路281及びインターフェイス回路282を含むデータ処理回路208と、記憶部210と、発振回路212と、クロック信号生成回路214と、素子端子切替回路216と、傾き検出回路218と、を有する。
As shown in FIG. 11, the
基準電圧回路202は、VDD端子及びVSS端子からそれぞれ供給される電源電圧及びグラウンド電圧に基づいて、アナロググラウンド電圧である基準電圧などの定電圧や定電流を生成し、駆動回路204や角速度検出回路206、傾き検出回路218に供給する。
The
発振回路212は、源クロック信号を発生させてクロック信号生成回路214に出力する。
The
クロック信号生成回路214は、発振回路212が発生させた源クロック信号に基づいて、マスタークロック信号MCLKを発生させ、マスタークロック信号MCLKをデジタル演算回路281に出力する。また、クロック信号生成回路214は、発振回路212が発生させた源クロック信号に基づいて、クロック信号ADCLKを発生させ、クロック信号ADCLKを角速度検出回路206に出力する。
The clock
記憶部210は、駆動回路204や角速度検出回路206において用いられる各種のトリミングデータ、例えば、調整データや補正データを記憶している。また、記憶部210は、傾き検出回路218において用いられる各電極間の静電容量と振動素子6の傾きとの相関関係を記述したデータ、例えば、相関テーブルや計算式を記憶している。また、記憶部210は、デジタル演算回路281において用いられる振動素子6の支持基板4に対する傾きの異常を判定するための基準となる傾き異常値を記憶している。また、記憶部210は、デジタル演算回路281において用いられる振動デバイス1に対する衝撃の有無を判定するための基準となる角速度上限値、などを記憶している。
The
駆動回路204は、振動素子6を駆動振動させるための駆動信号DSSを生成し、素子端子切替回路216及びDS端子を介して振動素子6の第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、及び第4駆動電極16に供給する。振動素子6の駆動振動により第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、及び第4駆動電極16に発生する発振電流DGSは、DG端子及び素子端子切替回路216を介して駆動回路204に入力される。駆動回路204は、この発振電流DGSの振幅が一定に保持されるように駆動信号DSSの振幅レベルをフィードバック制御する。また、駆動回路204は、駆動信号DSSと位相が同じ検波信号SDETを生成し、角速度検出回路206に出力する。
The
角速度検出回路206には、S1端子、S2端子、及び素子端子切替回路216を介して、振動素子6の第1検出電極11及び第2検出電極12からそれぞれ出力される第1検出信号S1S及び第2検出信号S2Sが入力され、角速度検出回路206は、検波信号SDETを用いて、第1検出信号S1S及び第2検出信号S2Sに含まれる角速度成分を検出し、角速度成分の大きさに応じたデジタル信号VDOを生成して出力する。
The angular
データ処理回路208は、デジタル演算回路281及びインターフェイス回路282を含む。
The
デジタル演算回路281は、角速度検出回路206から出力されるデジタル信号VDOに対して所定の演算処理を行い、演算処理により得られたデジタルデータVOを角速度ωzとして出力する。本実施形態では、デジタル演算回路281は、所定の演算処理として、デジタル信号VDOを平均化する処理を行う。なお、所定の演算処理は、デジタル信号VDOを平均化する処理の他、振動素子6の傾きなどに応じてデジタル信号VDOを補正する、いわゆる感度補正などを含んでいても構わない。
The digital
また、デジタル演算回路281は、振動デバイス1が角速度ωzを検出するための角速度検出モードと、振動素子6の支持基板4に対する傾きを検出する傾き検出モードの切替を行う。具体的には、デジタル演算回路281は、角速度検出モードにおいて、角速度検出回路206に角速度検出タイミング信号SEL1を出力し、角速度検出回路206を動作可能にするとともに、素子端子切替回路216に素子端子切替信号SEL3を出力する。素子端子切替信号SEL3に基づき、素子端子切替回路216は、駆動回路204から出力される駆動信号DSSがDS端子から振動素子6に出力され、また、振動素子6から出力される発振電流DGS、第1検出信号S1S、及び第2検出信号S2Sが、それぞれDG端子、S1端子、及びS2端子を介して駆動回路204、角速度検出回路206に入力されるように、DS端子、DG端子、S1端子及びS2端子の切替を行う。
Further, the digital
デジタル演算回路281は、傾き検出モードにおいて、傾き検出回路218に傾き検出タイミング信号SEL2を出力し、傾き検出回路218を動作可能にするとともに、素子端子切替回路216に素子端子切替信号SEL3を出力する。素子端子切替信号SEL3に基づき、素子端子切替回路216は、振動素子6の第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、及び第4駆動電極16と、傾き検出回路218と、がDS端子、DG端子を介して接続され、同様に、振動素子6の第1検出電極11及び第2検出電極12と、傾き検出回路218と、がS1端子、S2端子を介して接続されるように、DS端子、DG端子、S1端子、及びS2端子の切替を行う。
In the tilt detection mode, the digital
このようにして、傾き検出モードにおいて、傾き検出回路218は、DS端子、DG端子、S1端子、及びS2端子を介して、振動素子6の第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16、第1検出電極11、及び第2検出電極12と接続している。また、傾き検出回路218は、DST端子、DGT端子、S1T端子、及びS2T端子を介して、支持基板4に設けられた第1基板電極431、第2基板電極441、第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471、及び第6基板電極481に接続している。
In this way, in the tilt detection mode, the
傾き検出回路218は、S1端子及びS1T端子を介して、振動素子6に設けられている第1検出電極11と、第1検出電極11と対向するように支持基板4に設けられている第1基板電極431と、の間に電圧を印加し、第1検出電極11に充電された電荷Q3と、第1基板電極431に充電された電荷Q7と、をそれぞれ測定することにより、第1検出電極11と、第1基板電極431と、の間に形成された第1静電容量C11を検出することができる。
The
同様にして、傾き検出回路218は、S2端子及びS2T端子を介して、振動素子6に設けられている第2検出電極12と、第2検出電極12と対向するように支持基板4に設けられている第2基板電極441と、の間に電圧を印加し、第2検出電極12及び第2基板電極441にそれぞれ充電された電荷Q4及びQ8を測定することにより、第2検出電極12と、第2基板電極441と、の間の第2静電容量C12を検出することができる。
Similarly, the
また、同様にして、傾き検出回路218は、DS端子、DG端子、DST端子、及びDGT端子を介して、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、及び第4駆動電極16と、それぞれの駆動電極に対向して配置される第3基板電極451、第4基板電極461、第5基板電極471、及び第6基板電極481と、の間に電圧を印加し、それぞれの電極に充電された電荷Q1,Q2,Q5及びQ6を測定することにより、それぞれ対向する駆動電極と基板電極との間の静電容量C13,C14,C15,C16を検出することができる。
Similarly, the
傾き検出回路218は、各電極間の静電容量と、記憶部210に記憶されている各電極間の静電容量と振動素子6の傾きとの相関関係を記述したデータに基づいて、振動素子6の支持基板4に対する傾きを算出し、振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じた傾き値であるデジタル信号VTOを生成して、デジタル演算回路281に出力する。
The
デジタル演算回路281は、振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じた傾き値であるデジタル信号VTOと、記憶部210に記憶されている振動素子6の支持基板4に対する傾きの異常を判定するための傾き異常値と、の比較に基づき、振動素子6の支持基板4に対する傾きの異常を判定する演算回路としての機能を有する。デジタル演算回路281は、振動素子6の支持基板4に対する傾きが異常である場合は、振動素子6の支持基板4に対する傾きが異常であることを示す信号である異常報知信号ERRをインターフェイス回路282に出力する。
The digital
インターフェイス回路282は、振動デバイス1の外部装置であるMCU(Micro Control Unit)300からの要求に応じて記憶部210に記憶されているデータを読み出してMCU300に出力する処理や、MCU300から入力されたデータを記憶部210に書き込む処理などを行う。MCU300から送信された選択信号、クロック信号、データ信号が、それぞれ回路素子3のSS端子,SCLK端子,SI端子を介して入力される。また、インターフェイス回路282は、角速度成分の大きさに応じたデジタル信号VDOや、振動素子6の傾きが異常であることを示す異常報知信号ERRなどのデータ信号を回路素子のSO端子を介してMCU300に出力する。
The
次に、振動デバイス1の角速度測定手順について、図12を参照して説明する。
図12に示すように、例えば、振動デバイス1が起動されると、ステップS101において、振動素子6の支持基板4に対する傾きを測定する。本実施形態では、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1と、XZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2の両方が測定される。
Next, the procedure for measuring the angular velocity of the
As shown in FIG. 12, for example, when the
ステップS102において、振動素子6の傾きθ1,θ2と、振動素子6の支持基板4に対する傾きの異常を判定するための基準となる傾き異常値D1と、を比較する。傾き異常値D1は、振動素子6の傾きθ1,θ2の絶対値が、傾き異常値D1よりも大きい場合に振動素子6の傾きが異常であることを示す角度であり、本実施形態では、5°である。振動素子6の傾きθ1及び振動素子6の傾きθ2の両方の絶対値が傾き異常値D1よりも大きい場合は、ステップS103へ進み、振動デバイス1の異常を報知する。
In step S102, the inclinations θ1 and θ2 of the vibrating
なお、本実施形態では、振動素子6の傾きθ1及びθ2の両方の絶対値が傾き異常値D1よりも大きい場合に振動素子6の傾きが異常であると判定しているが、振動素子6の傾きθ1又は振動素子6の傾きθ2のどちらか一方の絶対値が傾き異常値D1よりも大きい場合に振動デバイス1の傾きの異常を報知することにしても構わない。また、振動素子6の傾きθ1,θ2のどちらか一方のみを傾き異常値D1と比較することにしても構わない。また、振動素子6の傾きθ1又は振動素子6の傾きθ2の異常を判定するための傾き異常値D1は、振動素子6の傾きθ1,θ2に対しそれぞれ異なる角度としても構わない。
In the present embodiment, when the absolute values of both the inclinations θ1 and θ2 of the
ステップS102において、振動素子6の傾きθ1及び振動素子6の傾きθ2の両方の絶対値が傾き異常値D1以下である場合は、ステップS104に進み、角速度ωzを測定する。
In step S102, if the absolute values of both the inclination θ1 of the vibrating
次に、ステップS105に進み、振動デバイス1に対する衝撃の有無を判定する。振動デバイス1に対する衝撃の有無を判定するための基準となる角速度上限値G1と、ステップS102において測定された角速度ωzを比較する。ステップS102において測定された角速度ωzが、角速度上限値G1より大きい場合は、振動デバイス1に対する衝撃があったと判断し、すなわち、振動デバイス1に対する衝撃により振動素子6の保持姿勢が変化し、振動素子6の支持基板4に対する傾きが変化した可能性があるので、ステップS101に進み、振動素子6の傾きを測定する。
Next, the process proceeds to step S105, and it is determined whether or not there is an impact on the vibrating
ステップS105において、ステップS104において測定された角速度ωzが、角速度上限値G1以下の場合は、ステップS106に進み、ステップS104において測定された角速度ωzを出力する。 In step S105, if the angular velocity ωz measured in step S104 is equal to or less than the angular velocity upper limit value G1, the process proceeds to step S106, and the angular velocity ωz measured in step S104 is output.
ステップS106において、角速度ωzを出力した後は、ステップS104に進み、角速度ωzを測定し、以後は上述した手順を繰り返す。このような手順で角速度ωzを測定することにより、振動素子6の傾きが小さい、すなわち、振動デバイス1の感度低下が小さい状態で角速度ωzの測定を行うことができる。また、振動素子6の傾きが大きい、すなわち、振動デバイス1の感度低下が大きい状態では、振動デバイス1の異常を報知することができるので、ユーザーにとって利便性の高い振動デバイス1を得ることができる。
After outputting the angular velocity ωz in step S106, the process proceeds to step S104, the angular velocity ωz is measured, and the above-mentioned procedure is repeated thereafter. By measuring the angular velocity ωz by such a procedure, the angular velocity ωz can be measured in a state where the inclination of the vibrating
以上述べた通り、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。傾き検出回路218は、振動素子6の検出腕33,34、及び駆動腕35,36,37,38にそれぞれ設けられた検出電極11,12、及び駆動電極13,14,15,16と、振動素子6の厚み方向であるZ方向から見た平面視で、支持基板4の基部41に設けられ、検出電極11,12、及び駆動電極13,14,15,16のいずれかの電極と少なくとも一部が重なる位置に配置された基板電極431,441,451,461,471,481と、の間の静電容量C11,C12,C13,C15,C16のうち、少なくとも1つ以上の静電容量に基づき、振動素子6の傾きを検出することができる。このように、振動素子6の傾きを検出することにより、振動素子6の保持姿勢の変化を把握することができる。これにより、振動素子6の保持姿勢の変化によって角速度検出感度が低下した状態での角速度ωzの測定を免れることができ、精度の高い角速度ωzの測定が可能な振動デバイス1を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained. The
2.実施形態2
次に、実施形態2に係る振動デバイス1aを、図13及び図14を参照して説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態1との相違点を中心に説明し、実施形態1と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
2. 2.
Next, the
本実施形態に係る振動デバイス1aは、実施形態1に係る振動デバイス1に比べ、さらに、振動素子6の支持基板4に対する傾きに応じて、振動素子6の角速度検出感度を補正する点で異なる。具体的には、振動素子6の支持基板4に対する傾きが大きくなると角速度検出感度が低下し、振動デバイス1aが出力する角速度ωzは、振動デバイス1aに実際に加えられた真の角速度ωzよりも小さくなってしまうため、本実施形態では、記憶部210aが記憶している振動素子6の支持基板4に対する傾きと振動素子6の角速度検出感度との相関関係を記述したデータに基づき、デジタル演算回路281aが振動素子6の角速度検出感度を補正している。
The
図13に示すように、振動デバイス1aは、デジタル演算回路281aを含むデータ処理回路208aと、記憶部210aと、を含む回路素子3aを有し、記憶部210aは、デジタル演算回路281aにおいて用いられる振動素子6の支持基板4に対する傾きと振動素子6の角速度検出感度との相関関係を記述したデータである相関テーブルを記憶している。
As shown in FIG. 13, the
デジタル演算回路281aは、傾き検出モードにおいて、傾き検出回路218から出力された振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じた傾き値であるデジタル信号VTOと、記憶部210aに記憶されている振動素子6の支持基板4に対する傾きと振動素子6の角速度検出感度との相関関係を記述したデータである相関テーブルに基づき、角速度検出感度を補正する。
In the tilt detection mode, the digital
本実施形態では、角速度検出感度とは、デジタル信号VDOを増幅するための補正係数に相当し、角速度検出感度を補正するとは、振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じて補正係数を設定することであり、振動素子6の支持基板4の傾きがない状態では、補正係数は1である。なお、角速度検出感度の補正の方法は、これに限らず、他の方法であっても構わない。
In the present embodiment, the angular velocity detection sensitivity corresponds to a correction coefficient for amplifying the digital signal VDO, and correcting the angular velocity detection sensitivity is a correction coefficient according to the magnitude of the inclination of the vibrating
また、デジタル演算回路281aは、振動デバイス1aが角速度ωzを検出するための角速度検出モードにおいて、角速度検出回路206から出力される角速度成分の大きさに応じたデジタル信号VDOに対して、振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じた感度補正を含む所定の演算処理を行い、演算処理により得られたデジタルデータVOを角速度ωzとして出力する。
Further, the
なお、本実施形態では、振動素子6の支持基板4に対する傾きの大きさに応じた感度補正とは、角速度検出回路206から出力されデジタル信号VDOに振動素子6の傾きの大きさに応じた補正係数を乗算し、デジタル信号VDOを増幅することである。なお、振動素子6の傾きの大きさに応じた感度補正の方法は、これに限らず、他の方法であっても構わない。
In the present embodiment, the sensitivity correction according to the magnitude of the inclination of the vibrating
また、本実施形態では、記憶部210aに記憶されている振動素子6の支持基板4に対する傾きと振動素子6の角速度検出感度との相関関係を記述したデータとして、相関テーブルを使用しているが、相関テーブル以外のデータ、例えば、振動素子6の支持基板4に対する傾きと振動素子6の角速度検出感度の相関関係を記述した計算式でも構わない。
Further, in the present embodiment, the correlation table is used as the data describing the correlation between the inclination of the vibrating
次に、振動デバイス1aの角速度測定手順について、図14を参照して説明する。本実施形態に係る振動デバイス1aの角速度測定手順は、実施形態1に係る振動デバイス1の角速度測定手順に比べ、さらに、振動素子6の支持基板4に対する傾きに応じて、振動素子6の角速度検出感度を補正する点で異なる。
Next, the procedure for measuring the angular velocity of the
図14に示すように、例えば、振動デバイス1aが起動されると、ステップS201において、振動素子6の支持基板4に対する傾きを測定する。本実施形態では、振動素子6のYZ平面におけるX軸周りの回転による傾きθ1と、XZ平面におけるY軸周りの回転による傾きθ2の両方が測定される。
As shown in FIG. 14, for example, when the
ステップS202において、振動素子6の傾きθ1,θ2と、振動素子6の支持基板4に対する傾きの異常を判定するための基準となる傾き異常値D1と、を比較する。振動素子6の傾きθ1及び振動素子6の傾きθ2の両方の絶対値が傾き異常値D1よりも大きい場合は、ステップS203へ進み、振動デバイス1aの異常を報知する。
In step S202, the inclinations θ1 and θ2 of the vibrating
ステップS202において、振動素子6の傾きθ1及び振動素子6の傾きθ2の両方の絶対値が傾き異常値D1以下である場合は、ステップS204に進み、振動素子6の傾きθ1,θ2に基づき、振動素子6の角速度検出感度を補正する。なお、本実施形態では、振動素子6の傾きθ1及びθ2の両方を用いて角速度検出感度を補正しているが、振動素子6の傾きθ1又は振動素子6の傾きθ2のどちらか一方を用いて角速度検出感度を補正することにしても構わない。
In step S202, if the absolute values of both the inclination θ1 of the vibrating
次に、ステップS205に進み、角速度ωzを測定する。 Next, the process proceeds to step S205, and the angular velocity ωz is measured.
角速度ωzを測定したら、ステップS206に進み、振動デバイス1に対する衝撃の有無を判定する。角速度ωzが、角速度上限値G1以下の場合は、ステップS207に進み、ステップS205において測定された角速度ωzを出力する。
After measuring the angular velocity ωz, the process proceeds to step S206 to determine whether or not there is an impact on the vibrating
ステップS207において、角速度ωzを出力したら、ステップS205に進み、角速度ωzを測定し、以後は上述した手順を繰り返す。 After outputting the angular velocity ωz in step S207, the process proceeds to step S205, the angular velocity ωz is measured, and the above-mentioned procedure is repeated thereafter.
以上述べた通り、本実施形態によれば、実施形態1での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。振動素子6の支持基板4に対する傾きθ1,θ2と、振動素子6の速度検出感度と、の相関を示す相関テーブルに基づき、傾き検出回路218で検出された振動素子6の傾きθ1,θ2に応じ、振動素子6の角速度検出感度を補正することにより、精度の高い角速度ωzの測定ができる振動デバイス1aを得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects in the first embodiment. Based on the correlation table showing the correlation between the tilts θ1 and θ2 of the vibrating
3.実施形態3
次に、実施形態3に係る振動デバイス1bを、図15~図17を参照して説明する。なお、以下の説明では、上述した実施形態1との相違点を中心に説明し、実施形態1と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
3. 3.
Next, the
本実施形態に係る振動デバイス1bは、実施形態1に係る振動デバイス1に比べ、支持基板4を有さず、パッケージ2が支持基板4を兼ねている点で異なる。具体的には、パッケージ2のベース21が、支持基板4の基部41に相当する。
The
図15~図17に示すように、パッケージ2のベース21の上面に開口する凹部211aの底面には複数の内部端子241と、第1基板電極431bと、第2基板電極441bと、第3基板電極451bと、第4基板電極461bと、第5基板電極471bと、第6基板電極481bと、電極パッド51b,52b,53b,54bと、配線511b,521b,531b,532b,541b,542bと、が配置されている。
As shown in FIGS. 15 to 17, a plurality of
第1基板電極431bと、第2基板電極441bと、第3基板電極451bと、第4基板電極461bと、第5基板電極471bと、第6基板電極481bは、それぞれ配線511b,521b,531b,532b,541b,542bとを介して、電極パッド51b,52b,53b,54bに接続されている。電極パッド51b,52b,53b,54bは、ベース21内に形成されている図示しない配線及び内部端子242を介して、回路素子3に電気的に接続されている。このようにして、第1基板電極431b、第2基板電極441b、第3基板電極451b、第4基板電極461b、第5基板電極471b、第6基板電極481bは、回路素子3と電気的に接続されている。
The
複数のリード42は、接合部材B1によって凹部211aの底面に固定され、さらに、この接合部材B1を介してリード42と内部端子241とが電気的に接続されている。内部端子241は、ベース21内に形成されている図示しない配線及び内部端子242を介して回路素子3に電気的に接続されている。
The plurality of
このように、パッケージ2のベース21に、複数のリード42を介して、振動素子6を接合、固定し、さらに、パッケージ2のベース21に、第1基板電極431bと、第2基板電極441bと、第3基板電極451bと、第4基板電極461bと、第5基板電極471bと、第6基板電極481bと、を設けることにより、振動素子6に設けられた第1検出電極11、第2検出電極12、第1駆動電極13、第2駆動電極14、第3駆動電極15、第4駆動電極16と、それぞれの検出電極11,12及び駆動電極13,14,15,16に対向する位置に配置されたパッケージ2に設けられた基板電極431b,441b,451b,461b,471b,481bと、の間に形成される静電容量を検出し、静電容量に基づき振動素子6の傾きを検出することができる。
In this way, the vibrating
以上述べた通り、本実施形態によれば、実施形態1での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。支持基板4を用いずに、パッケージ2を用いて振動素子6を支持し、さらに、パッケージ2に基板電極431b,441b,451b,461b,471b,481bを設けることにより、振動素子6の傾きを検出することができるので、部品点数が少なく、製造コストを低減した振動デバイス1bを得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the effects in the first embodiment. The inclination of the vibrating
なお、上述した振動デバイス1~1bは、例えば、角速度センサーとして、スマートフォンなどの電子機器や、自動車などの移動体などの制御に適用することができる。
The
1,1a,1b…振動デバイス、2…パッケージ、3,3a…回路素子、4…支持基板、6…振動素子、11…第1検出電極、12…第2検出電極、13…第1駆動電極、14…第2駆動電極、15…第3駆動電極、16…第4駆動電極、21…ベース、22…蓋体、23…接合部材、30…振動素子片、31…素子基部、33…第1検出腕、34…第2検出腕、35…第1駆動腕、36…第2駆動腕、37…第3駆動腕、38…第4駆動腕、41…基部、42…リード、111…第1検出信号電極、112…第1検出接地電極、121…第2検出信号電極、122…第2検出接地電極、131…駆動信号電極、132…駆動接地電極、202…基準電圧回路、204…駆動回路、206…角速度検出回路、208,208a…データ処理回路、210,210a…記憶部、212…発振回路、214…クロック信号生成回路、216…素子切替回路、218…傾き検出回路、281,281a…デジタル演算回路、282…インターフェイス回路、300…MCU、311,312…連結腕、331,341,351,361,371,381…幅広部、431,431b…第1基板電極、441,441b…第2基板電極、451,451b…第3基板電極、461,461b…第4基板電極、471,471b…第5基板電極、481,481b…第6基板電極、B1…接合部材、B2…接合部材、C11…第1静電容量、C12…第2静電容量、C13…第3静電容量、C14…第4静電容量、C15…第5静電容量、C16…第6静電容量、d11,d12,d31,d32…距離、D1…傾き異常値、G1…角速度上限値、DSS…駆動信号、DGS…発振電流、S1S…第1検出信号、S2S…第2検出信号、SEL1…角速度検出タイミング信号、SEL2…傾き検出タイミング信号、SEL3…素子端子切替信号、θ1,θ2…傾き。 1,1a, 1b ... Vibration device, 2 ... Package, 3,3a ... Circuit element, 4 ... Support substrate, 6 ... Vibration element, 11 ... First detection electrode, 12 ... Second detection electrode, 13 ... First drive electrode , 14 ... 2nd drive electrode, 15 ... 3rd drive electrode, 16 ... 4th drive electrode, 21 ... base, 22 ... lid, 23 ... joining member, 30 ... vibration element piece, 31 ... element base, 33 ... 1 detection arm, 34 ... second detection arm, 35 ... first drive arm, 36 ... second drive arm, 37 ... third drive arm, 38 ... fourth drive arm, 41 ... base, 42 ... lead, 111 ... first 1 Detection signal electrode, 112 ... 1st detection ground electrode, 121 ... 2nd detection signal electrode, 122 ... 2nd detection ground electrode, 131 ... Drive signal electrode, 132 ... Drive ground electrode, 202 ... Reference voltage circuit, 204 ... Drive Circuit, 206 ... angular velocity detection circuit, 208, 208a ... data processing circuit, 210, 210a ... storage unit, 212 ... oscillation circuit, 214 ... clock signal generation circuit, 216 ... element switching circuit, 218 ... tilt detection circuit, 281,281a ... Digital arithmetic circuit, 282 ... Interface circuit, 300 ... MCU, 311, 312 ... Connecting arm, 331, 341, 351, 361, 371, 381 ... Wide part, 431, 431b ... First substrate electrode, 441, 441b ... First 2 substrate electrodes, 451 and 451b ... 3rd substrate electrodes, 461,461b ... 4th substrate electrodes, 471,471b ... 5th substrate electrodes, 481,481b ... 6th substrate electrodes, B1 ... bonding members, B2 ... bonding members, C11 ... 1st capacitance, C12 ... 2nd capacitance, C13 ... 3rd capacitance, C14 ... 4th capacitance, C15 ... 5th capacitance, C16 ... 6th capacitance, d11, d12, d31, d32 ... distance, D1 ... tilt abnormal value, G1 ... angular speed upper limit value, DSS ... drive signal, DGS ... oscillation current, S1S ... first detection signal, S2S ... second detection signal, SEL1 ... angular speed detection timing signal , SEL2 ... Tilt detection timing signal, SEL3 ... Element terminal switching signal, θ1, θ2 ... Tilt.
Claims (11)
前記振動素子と前記振動素子の前記厚み方向に対向して配置され、前記振動素子を支持している支持基板と、
前記振動素子の前記支持基板に対する傾きを検出する傾き検出回路と、を有し、
前記振動素子は、
第1駆動電極を備え、前記第1駆動電極に駆動信号を印加することにより駆動振動する第1駆動腕と、
第2駆動電極を備え、前記第2駆動電極に駆動信号を印加することにより駆動振動する第2駆動腕と、
第1検出電極を備え、前記角速度に応じて検出振動することにより前記第1検出電極から第1検出信号が出力される第1検出腕と、
第2検出電極を備え、前記角速度に応じて検出振動することにより前記第2検出電極から第2検出信号が出力される第2検出腕と、を有し、
前記支持基板は、
基部と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも前記第1駆動電極、前記第2駆動電極、前記第1検出電極、及び前記第2検出電極のいずれかと少なくとも一部が重なる位置に配置された第1基板電極を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第1基板電極と、前記第1基板電極と重なる位置に配置された前記第1駆動電極、前記第2駆動電極、前記第1検出電極、及び前記第2検出電極のいずれかの電極との間の第1静電容量を検出し、
前記第1静電容量に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
振動デバイス。 A vibrating element that detects and vibrates according to the angular velocity with the axis along the thickness direction as the detection axis,
A support substrate which is arranged so as to face the vibrating element and the vibrating element in the thickness direction and supports the vibrating element, and a support substrate.
It has a tilt detection circuit for detecting the tilt of the vibrating element with respect to the support substrate.
The vibrating element is
A first drive arm provided with a first drive electrode and driven and vibrated by applying a drive signal to the first drive electrode,
A second drive arm provided with a second drive electrode and driven and vibrated by applying a drive signal to the second drive electrode,
A first detection arm provided with a first detection electrode, and a first detection signal is output from the first detection electrode by detecting and vibrating according to the angular velocity.
It has a second detection electrode, and has a second detection arm, which outputs a second detection signal from the second detection electrode by detecting and vibrating according to the angular velocity.
The support substrate is
At the base,
A position provided on the base portion and at least partially overlapping with any one of the first drive electrode, the second drive electrode, the first detection electrode, and the second detection electrode in a plan view from the thickness direction. Has a first substrate electrode located in
The tilt detection circuit is
The first substrate electrode and one of the first drive electrode, the second drive electrode, the first detection electrode, and the second detection electrode arranged at a position overlapping with the first substrate electrode. Detects the first capacitance between
The inclination of the vibrating element is detected based on the first capacitance.
Vibration device.
前記振動素子は、
前記支持基板に接合されている素子基部と、
前記素子基部から前記B軸に沿った方向にそれぞれ反対側に延出している前記第1検出腕及び前記第2検出腕と、
前記素子基部から前記A軸に沿った方向にそれぞれ反対側に延出している一対の連結腕と、
一方の前記連結腕の先端部から前記B軸に沿った方向にそれぞれ反対側に延出している前記第1駆動腕及び第3駆動腕と、
他方の前記連結腕の先端部から前記B軸に沿った方向にそれぞれ反対側に延出している前記第2駆動腕及び第4駆動腕と、を有し、
前記素子基部が接合部材を介して前記支持基板に固定されている、
請求項1記載の振動デバイス。 When the three axes orthogonal to each other are the A axis, the B axis, and the C axis, which is the detection axis,
The vibrating element is
The element base bonded to the support substrate and
The first detection arm and the second detection arm extending from the element base to the opposite sides in the direction along the B axis, respectively.
A pair of connecting arms extending from the element base to the opposite sides in the direction along the A axis,
The first drive arm and the third drive arm extending from the tip of one of the connecting arms to the opposite sides in the direction along the B axis, respectively.
It has the second driving arm and the fourth driving arm extending from the tip end portion of the other connecting arm to the opposite sides in the direction along the B axis, respectively.
The element base is fixed to the support substrate via a joining member.
The vibration device according to claim 1.
前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第1駆動電極と重なる位置に配置された前記第1基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第2駆動電極と重なる位置に配置された第2基板電極と、を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第1静電容量と、前記第2駆動電極と前記第2基板電極との間の第2静電容量と、を検出し、
前記第1静電容量と、前記第2静電容量との差に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
請求項1又は請求項2記載の振動デバイス。 The support substrate is
The first substrate electrode arranged at a position where at least a part of the first driving electrode overlaps with the first driving electrode in a plan view from the thickness direction.
It has a second substrate electrode provided at the base portion and arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the second drive electrode in a plan view seen from the thickness direction.
The tilt detection circuit is
The first capacitance and the second capacitance between the second drive electrode and the second substrate electrode are detected.
The inclination of the vibrating element is detected based on the difference between the first capacitance and the second capacitance.
The vibration device according to claim 1 or 2.
前記支持基板は、
前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第1駆動電極と重なる位置に配置された前記第1基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第2駆動電極と重なる位置に配置された第2基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第3駆動電極と重なる位置に配置され、前記第1基板電極と電気的に接続された第3基板電極と、を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第2駆動電極と前記第2基板電極との間の第2静電容量と、
前記第1静電容量と、前記第3駆動電極と前記第3基板電極との間の第3静電容量とが合成された第7静電容量と、を検出し、
前記第7静電容量と、前記第2静電容量との差に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
請求項2記載の振動デバイス。 The third drive arm has a third drive electrode and has a third drive electrode.
The support substrate is
The first substrate electrode arranged at a position where at least a part of the first driving electrode overlaps with the first driving electrode in a plan view from the thickness direction.
A second substrate electrode provided at the base portion and arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the second drive electrode in a plan view seen from the thickness direction.
A third substrate electrode provided on the base portion, at least a part thereof is arranged at a position overlapping with the third drive electrode in a plan view from the thickness direction, and is electrically connected to the first substrate electrode. Have,
The tilt detection circuit is
The second capacitance between the second drive electrode and the second substrate electrode,
The 7th capacitance, which is a combination of the 1st capacitance and the 3rd capacitance between the 3rd drive electrode and the 3rd substrate electrode, is detected.
The inclination of the vibrating element is detected based on the difference between the seventh capacitance and the second capacitance.
The vibration device according to claim 2.
前記第4駆動腕は第4駆動電極を有し、
前記支持基板は、
前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第1駆動電極と重なる位置に配置された前記第1基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第2駆動電極と重なる位置に配置された第2基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第3駆動電極と重なる位置に配置され、前記第1基板電極と電気的に接続された第3基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第4駆動電極と重なる位置に配置され、前記第2基板電極と電気的に接続された第4基板電極と、を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第1静電容量と、前記第3駆動電極と前記第3基板電極との間の第3静電容量とが合成された第7静電容量と、
前記第2駆動電極と前記第2基板電極との間の第2静電容量と、前記第4駆動電極と前記第4基板電極との間の第4静電容量とが合成された第8静電容量と、を検出し、
前記第7静電容量と、前記第8静電容量との差に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
請求項2記載の振動デバイス。 The third drive arm has a third drive electrode and has a third drive electrode.
The fourth drive arm has a fourth drive electrode and has a fourth drive electrode.
The support substrate is
The first substrate electrode arranged at a position where at least a part of the first driving electrode overlaps with the first driving electrode in a plan view from the thickness direction.
A second substrate electrode provided at the base portion and arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the second drive electrode in a plan view seen from the thickness direction.
A third substrate electrode provided on the base portion, at least a part thereof is arranged at a position overlapping with the third drive electrode in a plan view from the thickness direction, and is electrically connected to the first substrate electrode.
A fourth substrate electrode provided on the base portion, at least a part thereof is arranged at a position overlapping with the fourth drive electrode in a plan view from the thickness direction, and is electrically connected to the second substrate electrode. Have,
The tilt detection circuit is
The seventh capacitance, which is a combination of the first capacitance and the third capacitance between the third drive electrode and the third substrate electrode,
The eighth static electricity is a combination of the second capacitance between the second drive electrode and the second substrate electrode and the fourth capacitance between the fourth drive electrode and the fourth substrate electrode. Detects the capacity and
The inclination of the vibrating element is detected based on the difference between the 7th capacitance and the 8th capacitance.
The vibration device according to claim 2.
前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第1検出電極と重なる位置に配置された前記第1基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第2検出電極と重なる位置に配置された第2基板電極と、を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第1静電容量と、前記第2駆動電極と前記第2基板電極との間の第2静電容量と、を検出し、
前記第1静電容量と、前記第2静電容量との差に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
請求項1又は請求項2記載の振動デバイス。 The support substrate is
The first substrate electrode arranged at a position where at least a part of the first detection electrode overlaps with the first detection electrode in a plan view from the thickness direction.
It has a second substrate electrode provided at the base portion and arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the second detection electrode in a plan view seen from the thickness direction.
The tilt detection circuit is
The first capacitance and the second capacitance between the second drive electrode and the second substrate electrode are detected.
The inclination of the vibrating element is detected based on the difference between the first capacitance and the second capacitance.
The vibration device according to claim 1 or 2.
前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第1検出電極と重なる位置に配置された第5基板電極と、
前記基部に設けられ、前記厚み方向から見た平面視で、少なくとも一部が前記第2検出電極と重なる位置に配置された第6基板電極と、を有し、
前記傾き検出回路は、
前記第1検出電極と前記第5基板電極との間の第5静電容量と、前記第2検出電極と前記第6基板電極との間の第6静電容量と、を検出し、
前記第5静電容量と、前記第6静電容量との差に基づいて、前記振動素子の傾きを検出する、
請求項3乃至請求項5の何れか一項に記載の振動デバイス。 The support substrate is
A fifth substrate electrode arranged at a position where at least a part of the first detection electrode overlaps with the first detection electrode in a plan view from the thickness direction.
It has a sixth substrate electrode provided at the base portion and arranged at a position where at least a part thereof overlaps with the second detection electrode in a plan view seen from the thickness direction.
The tilt detection circuit is
The fifth capacitance between the first detection electrode and the fifth substrate electrode and the sixth capacitance between the second detection electrode and the sixth substrate electrode were detected.
The inclination of the vibrating element is detected based on the difference between the fifth capacitance and the sixth capacitance.
The vibration device according to any one of claims 3 to 5.
請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の振動デバイス。 It has a package for accommodating the vibrating element, and the support substrate is fixed to the package.
The vibration device according to any one of claims 1 to 7.
請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の振動デバイス。 It has a package for accommodating the vibrating element, and the support substrate is the package.
The vibration device according to any one of claims 1 to 7.
前記傾き検出回路で検出された傾き値と前記傾き異常値とを比較して、前記振動素子の傾きの異常を判定する演算回路と、
前記振動素子の傾きが異常である場合、前記振動素子の傾きが異常であることを示す信号を外部へ出力するインターフェイス回路と、
を備える、
請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の振動デバイス。 A storage unit that stores abnormal tilt values and
An arithmetic circuit for determining an abnormality in the inclination of the vibrating element by comparing the inclination value detected by the inclination detection circuit with the inclination abnormality value.
When the inclination of the vibrating element is abnormal, an interface circuit that outputs a signal indicating that the inclination of the vibrating element is abnormal to the outside and
To prepare
The vibration device according to any one of claims 1 to 9.
前記傾き検出回路で検出された前記振動素子の傾きに応じ、前記相関テーブルに基づいて前記角速度検出感度を補正する、
請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の振動デバイス。 A storage unit that stores a correlation table showing the correlation between the inclination of the vibrating element and the angular velocity detection sensitivity of the vibrating element is provided.
The angular velocity detection sensitivity is corrected based on the correlation table according to the inclination of the vibrating element detected by the inclination detection circuit.
The vibration device according to any one of claims 1 to 9.
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