JP5786303B2 - 振動片、振動子、物理量センサー、及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動腕の側面に段差部を設けた振動片と、この振動片を備えた振動子、物理
量センサー、及び電子機器に関する。

従来、励振電極を有する振動腕と、検出電極を有する振動腕とを備える音叉形振動子に
おいて、振動腕の断面形状は略矩形形状であり、振動腕の表裏面及び両側面に電極を配置
して振動腕を屈曲振動させ、固有の共振周波数を発振させる形態がある。
さらに、他の形態として、励振信号により振動腕を面内振動させているときに、振動腕
の延在方向の軸を検出軸として回転させると、コリオリの力により振動腕が面外振動する
。この面外振動の振幅は、音叉形振動子の回転速度に比例することから、角速度として検
出することが可能な角速度センサー（物理量センサー）がある。
検出電極は、一方の振動腕の面内振動方向の両側面に分割して設けられ、対向する検出
電極及び同一側面の検出電極の極性が異なるように構成されている（例えば、特許文献１
参照）。

特開平５−２５６７２３号公報

近年、電子機器は小型化の傾向にあり、音叉形振動片も小型化が要請されている。小型
化に伴い、振動腕の幅を狭くすると、電極の幅が大きくとれないため、電極面積が減少し
、それにより振動腕に加わる電界は、振動腕の断面の中央付近ほど弱まる。
振動片は、この電界効率の劣化により、振動損失が大きくなってしまう問題があった。
また、角速度センサーとして用いる場合、特許文献１では、検出電極が対向しているた
め、電界が直線的となり電荷を検出しやすいが、振動腕の両側面において検出電極を分割
する必要がある。これら検出電極は、側面に沿う方向からスパッタリング等の手段で形成
するため、側面方向（振動片の厚さ方向）に電極を分割して形成することが困難である。

また、対向する検出電極間の距離が振動腕自身の幅に依存しているため、この電極間距
離を小さくすることは単純にはできない。コリオリの力で発生する振動による発生電荷は
、電極間の静電容量に比例し、静電容量は電極間距離に反比例することから、電極間距離
が大きい場合には発生電荷が小さくなり検出感度が低いという課題がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形
態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る振動片は、第１軸と前記第１軸に平面上に直交する第２軸
とからなる平面に延在され、互いに対向する第１主面と第２主面と、前記第１主面と前記
第２主面とに連結する側面と、を有する振動片であって、基部と、前記基部から前記第１
軸方向に延在される複数の振動腕と、前記複数の振動腕のうちの少なくとも１本の振動腕
の前記第２軸方向の一方の側面に、前記第１主面側から形成される第１段差部と、前記第
２主面側から形成される第２段差部と、を有し、前記振動腕の他方の側面に形成される第
１電極と、前記第１電極と対向する前記第１段差部の側面に形成される第２電極と、前記
第１電極と対向する前記第２段差部の側面に形成される第３電極と、が備えられ、前記第
１電極と前記第２電極との間に発生する電界方向と、前記第１電極と前記第３電極との間
に発生する電界方向と、が互いに逆方向であることを特徴とする。

また、他の態様として、本適用例に係る振動片は、基部と、互いに対向する第１主面と第２主面と、前記第１主面及び前記第２主面を連結し互いに対向する第１側面と第２側面と、を有し、前記基部から延在された複数の振動腕と、複数の接続端子部と、を有し、前記第１側面側は、前記第２側面側よりもエッチングレートが高く、前記複数の振動腕のうちの少なくとも１本の振動腕は、前記第１側面に、前記第１主面側から設けられた第１段差部と、前記第２主面側から設けられた第２段差部と、を備えるとともに、前記第２側面に設けられた第１電極と、前記第１段差部の前記第１電極に対向する位置に設けられた第２電極と、前記第２段差部の前記第１電極に対向する位置に設けられた第３電極と、を備え、前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極は、それぞれ、異なる前記接続端子部に結線されていることを特徴とする。

さらに、他の態様として、本適用例に係る振動片は、前記第１電極と前記第２電極との
間に発生する電界方向と、前記第１電極と前記第３電極との間に発生する電界方向と、が
互いに逆方向であることを特徴とする。

これらによれば、振動腕に第１段差部と第２段差部とを設けることにより、第１電極と
、第２電極及び第３電極との電極間距離を段差部がない場合に比べて小さくすることがで
き、電界効率を高めることができる。
また、角速度センサーとして用いる場合、コリオリの力で発生する面外振動による発生
電荷は、電極間の静電容量に比例し、静電容量は電極間距離に反比例することから、電極
間距離を小さくすることで発生電荷が大きくなり検出感度を高めることができる。さらに
、検出用の振動腕を専用化できることから検出電極の面積を大きくでき、このことからも
検出感度を高めることができる。

また、前述した従来技術では１本の検出腕に４つの検出電極を設けていることに対して
、３つの検出電極を設ければよいので、第１電極、第２電極及び第３電極の配線を簡略化
できる。また、第１段差部と第２段差部とを設けることにより、電極形成のための表面積
が増加することから、平面的な各電極間の距離を広くでき電極間の寄生容量を小さくでき
るという効果もある。
さらに、これらの電極の断線やショートの発生を防止し、製造歩留まりを向上させるこ
とができる。

また、第２電極と第３電極とは、第１段差部と第２段差部とを設けることで物理的な敷
居ができ、厚さ方向に電極を分割して形成することが容易にできるという効果もある。

［適用例２］上記適用例に係る振動片において、前記振動腕が２本であって、前記第１
段差部と前記第２段差部とが、２本の前記振動腕それぞれの延在方向の前記基部に近い位
置に形成されていることが好ましい。
また、他の態様として、上記適用例に係る振動片において、前記振動腕は、励振電極と
検出電極とを備え、前記検出電極は、前記第１電極〜前記第３電極を用いたことが好まし
い。

このような構成では、例えば、角速度センサーとして用いる場合、振動腕の根元部に検
出電極を、先端部に励振用の電極を形成することができる。つまり、２本の振動腕を有す
る音叉形状となるためＣＩ値を小さくでき駆動のための消費電流を低減できる。

［適用例３］上記適用例に係る振動片において、前記振動腕が、前記基部の第１軸方向
の一端部と、前記一端部に対向する他端部からそれぞれ２本ずつ延在され、前記一端部に
延在される振動腕、または前記他端部に延在される振動腕のどちらか一方に、前記第１段
差部と前記第２段差部とが、形成されていることが好ましい。
また、他の態様として、上記適用例に係る振動片において、前記基部の一端部と、前記
一端部に対向する他端部とから、それぞれ２本ずつ前記振動腕が延在された形状であるこ
とが好ましい。

このように構成される振動片は、第１軸方向の一端部と他端部の音叉が基部で結合され
たＨ型をなしている。そこで、角速度センサーとして用いれば、一方の音叉を駆動（励振
）用、一方の音叉を検出用とすれば、励振電極と検出電極とが分離できるため、検出電極
の面積を大きくでき検出感度を高めることができる。

［適用例４］上記適用例に係る振動片において、前記第１段差部及び前記第２段差部を
エッチング法により形成する場合、前記第１段差部及び前記第２段差部は、エッチングレ
ートが高い方向の側面に形成されることが好ましい。
また、他の態様として、上記適用例に係る振動片において、前記第１側面側は、前記第
２側面側よりもエッチングレートが高いことが好ましい。

例えば、振動片が水晶で構成される場合、水晶の結晶構造からエッチング異方性が存在
する。このような場合、エッチングレートが高い方向では厚さ方向側面を主面に対してほ
ぼ直角にエッチングすることができ、一方エッチングレートが低い方向では、主面に対し
て斜め方向にエッチングされる。従って、第１段差部及び第２段差部を、エッチングレー
トが高い方向の側面に形成することで、第１電極と、第２電極及び第３電極と、の対向す
る電極間距離を小さくでき、電界効率を高めることができ、角速度センサーとして用いれ
ば検出感度を高めることができる。

［適用例５］上記適用例に係る振動片において、前記第１段差部と前記第２段差部とが
、平行な複数の振動腕に形成される場合、各振動腕の同一方向の側面に形成されているこ
とが好ましい。
また、他の態様として、上記適用例に係る振動片において、前記複数の振動腕の各々は
、前記第１段差部と前記第２段差部とが、前記第１側面に設けられたことが好ましい。

例えば、角速度センサーとして用いる場合、コリオリの力によって面外振動する複数の
振動腕は、隣り合う振動腕が交互方向に振動する。そこで、第１段差部と第２段差部とを
、各振動腕の同一方向に形成することにより、発生電荷の絶対値を合成して出力すれば検
出感度をより高めることができる。

［適用例６］上記適用例に係る振動片において、前記複数の振動腕が、検出軸の回りに
回転したときにコリオリの力で面外振動することが好ましい。

例えば、角速度センサーとして用いる場合、検出腕に第１段差部と第２段差部とを設け
ることにより、第１電極と、第２電極及び第３電極と、の電極間距離を小さくすることが
でき、コリオリの力で発生する面外振動による発生電荷が大きくなり検出感度を高めるこ
とができる。

［適用例７］本適用例に係る振動子は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片と、
前記振動片を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする。

これによれば、上記振動片を用いたことにより、電界効率を高めた振動子を実現するこ
とができる。

［適用例８］本適用例に係る角速度センサーは、上記適用例のいずれか一例に記載の振
動片と、前記振動腕を面内に励振する励振手段と、前記面外振動を検出する検出手段と、
が備えられていることを特徴とする。
また、他の態様として、本適用例にかかる物理量センサーは、上記適用例のいずれか一
例に記載の振動片を備えたことを特徴とする。

本適用例によれば、前述した振動片を用いているため、例えば、検出感度が高い角速度
センサーを実現することができる。

［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の振動片を
備えたことを特徴とする。

これによれば、上記振動片を備えたことにより、上記適用例の効果を奏する電子機器を
提供することができる。

実施形態１に係る振動片を示す斜視図。 図１のＡ−Ａ切断面を示す断面図。 図１のＢ−Ｂ切断面を示す断面図。 実施形態１変形例に係る第１検出腕と第２検出腕を示す断面図。 段差部の形成方向による検出腕の成形の差を示す部分断面図。 実施形態２に係る振動片を示す平面図。 図６のＡ−Ａ切断面を示す断面図。 実施形態３に係る振動片を示す平面図。 図８のＢ−Ｂ切断面を示す断面図。 実施形態４に係る振動片を示す平面図。 図１０のＣ−Ｃ切断面を示す断面図。 周知技術を示す断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実施形態５に係る振動片を示す平面図。 振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際
のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）

図１は、実施形態１に係る振動片を示す斜視図、図２は図１のＡ−Ａ切断面を示す断面
図、図３は図１のＢ−Ｂ切断面を示す断面図である。まず、図１を参照して振動片の全体
構成を説明する。

本実施形態の振動片１０は、図示Ｘ軸（第２軸）と、Ｘ軸に平面上に直交するＹ軸（第
１軸）からなる平面に延在され、互いに対向する第１主面１１と第２主面１２とを有する
。なお、第１主面１１及び第２主面１２に垂直な軸をＺ軸とする。振動片１０が水晶の場
合、Ｘ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、Ｚ軸は光学軸である。振動片１０は、基部２０から＋
Ｙ方向に第１振動腕３１と第２振動腕３５とが延在され、−Ｙ方向に第３振動腕４０と第
４振動腕５０とが延在され構成されている。

従って、基部２０と第１振動腕３１と第２振動腕３５とで音叉形振動片を構成し、基部
２０と第３振動腕４０と第４振動腕５０とで音叉形振動片を構成している。この二つの音
叉形振動片が基部２０で結合されており、このような構成の振動片をＨ型振動片と呼称す
ることがある。

なお、第１振動腕３１と第２振動腕３５とは互いに平行で同じ長さ、同じ断面形状で構
成され、第３振動腕４０と第４振動腕５０とは互いに平行で同じ長さ、同じ断面形状で構
成されている。本実施形態では、第１振動腕３１と第２振動腕３５とが駆動腕（励振腕）
であって、第３振動腕４０と第４振動腕５０とが検出腕である。よって、以降、第３振動
腕４０を第１検出腕４０、第４振動腕５０を第２検出腕５０と表し説明する。

第１検出腕４０には、第１主面１１から−Ｘ方向の側面（第１側面）４１にかけて穿設
される第１段差部４３と、第１主面１１に対向する第２主面１２から−Ｘ方向の側面４１
にかけて穿設される第２段差部４４とが形成されている。第１段差部４３と第２段差部４
４とは、−Ｘ方向に向かって第１検出腕４０の先端部から根元部までの長さのほぼ全体に
わたって形成されている。

第２検出腕５０には、第１主面１１から−Ｘ方向の側面（第１側面）５１にかけて穿設
される第３段差部５３と、第２主面１２から側面５１にかけて穿設される第４段差部５４
とが形成されている。第３段差部５３と第４段差部５４とは、−Ｘ方向に向かって第２検
出腕５０の先端部から根元部までの長さのほぼ全体にわたって形成されている。なお、第
１検出腕４０と第２検出腕５０のＸ方向の断面形状は同じである。

続いて、第１振動腕３１及び第２振動腕３５に形成される電極の構成について図２を参
照して説明する。なお、第１振動腕３１と第２振動腕３５とは、正方形または長方形の断
面形状を有している。第１振動腕３１には、それぞれ対向する電極６１，６２と、電極６
３，６４とが形成されている。また、第２振動腕３５には、それぞれ対向する電極６５，
６６と、電極６７，６８とが形成されている。

そして、電極６１，６２，６７，６８が第１振動腕３１及び第２振動腕３５の表面にわ
たって延在され接続端子部Ｓ１で結線される。また、電極６３，６４，６５，６６が第１
振動腕３１及び第２振動腕３５の表面にわたって延在され接続端子部Ｓ２で結線される。
なお、図示は省略するが、接続端子部Ｓ１，Ｓ２は、第１主面１１または第２主面１２に
設けられる。
電極６１，６２，６７，６８と、電極６３，６４，６５，６６とは、互いに極性が異な
る励振信号が入力される励振電極である。

次に、第１検出腕４０及び第２検出腕５０に形成される電極の構成について図３を参照
して説明する。第１検出腕４０には、第１段差部４３及び第２段差部４４とは反対の側面
（つまり、＋Ｘ側側面、第２側面）４２の全体に形成される第１電極としての検出電極７
１と、第１段差部４３の検出電極７１に対向する側面４５に形成される第２電極としての
検出電極７２と、第２段差部４４の検出電極７１に対向する側面４６に形成される第３電
極としての検出電極７３と、が形成されている。

なお、図３に示すように検出電極７２は、側面４５から第１段差部４３まで連続されて
おり、検出電極７３は、側面４６から第２段差部４４まで連続されて形成されている。

第２検出腕５０には、第３段差部５３及び第４段差部５４とは反対の側面（つまり、＋
Ｘ側側面、第２側面）５２の全体に形成される第４電極としての検出電極７４と、第３段
差部５３の検出電極７４に対向する側面５５に形成される第５電極としての検出電極７５
と、第４段差部５４の検出電極７４に対向する側面５６に形成される第６電極としての検
出電極７６と、が形成されている。

なお、図３に示すように検出電極７５は、側面５５から第３段差部５３まで連続されて
おり、検出電極７６は、側面５６から第４段差部５４まで連続されて形成されている。

検出電極７１，７４は接続端子部Ｓ３、検出電極７２，７６は接続端子部Ｓ４、検出電
極７３，７５は接続端子部Ｓ５に結線される。図示は省略するが、接続端子部Ｓ３，Ｓ４
，Ｓ５は、第１主面１１または第２主面１２の前述した接続端子部Ｓ１，Ｓ２が設けられ
る同じ主面に設けられる。

検出電極７１，７４と、検出電極７２，７６と、検出電極７３，７５とは、コリオリの
力で発生する振動による発生電荷を効率よく検出するため、それぞれ対向する検出電極の
極性が異なるように配設される。

次に、本実施形態における振動片１０の作用について説明する。まず、電極６１〜電極
６８に励振信号を入力する。図２では、電極６３，６４，６５，６６に正電位、電極６１
，６２，６７，６８に負電位を印加した場合を表している。このとき、図示するように電
界が矢視方向の曲線的に発生し、対向する電極の間には直線的な電界成分Ｅｘが働く。第
１振動腕３１と第２振動腕３５とは、電界成分Ｅｘの方向が逆になるため、第１振動腕３
１と第２振動腕３５は、それぞれ−Ｘ方向と＋Ｘ方向に変位する。そして、各電極に交流
信号を入力することで、第１振動腕３１と第２振動腕３５とは、±Ｘ方向に屈曲振動を継
続する。

励振信号を入力しているときにＹ軸（検出軸）まわりに振動片１０を回転すると、第１
振動腕３１と第２振動腕３５との振動方向（面内振動）に対して直角方向にコリオリの力
が発生し、第１検出腕４０、第２検出腕５０が±Ｚ方向に面外振動する。

図３では、検出電極７１，７４はＧＮＤ電極とし、検出電極７２，７６は正電位、検出
電極７３，７５は負電位の場合を表している。コリオリの力により面外振動するとき、図
示するように対向する電極の間には直線的な電界成分Ｅｘが発生する。そして、発生する
電荷量を測定することで、振動片１０の角速度を検出することができる。

従って、本実施形態によれば、第１検出腕４０に第１段差部４３及び第２段差部４４、
第２検出腕５０に第３段差部５３及び第４段差部５４を設けることにより、検出電極７１
と、検出電極７２及び検出電極７３との対向する電極間距離、並びに検出電極７４と、検
出電極７５及び検出電極７６との対向する電極間距離を段差部がない場合に比べて小さく
することができる。
コリオリの力で発生する面外振動による発生電荷は、電極間の静電容量に比例し、静電
容量は電極間距離に反比例することから、電極間距離を小さくすることで発生電荷が大き
くなり検出感度を高めることができる。さらに、第１検出腕４０と第２検出腕５０とを検
出用に専用化できることから、検出電極７２，７３と検出電極７１との対向面積、検出電
極７５，７６と検出電極７４との対向面積を大きくでき、このことからも検出感度を高め
ることができる。

また、前述した従来技術では１本の検出腕に４つの検出電極を設けていることに対して
、３つの検出電極を設ければよいので、各検出電極の配線を簡略化できる。また、第１段
差部４３と第２段差部４４、及び第３段差部５３と第４段差部５４とを設けることと、検
出腕を専用化することとにより、電極形成のための表面積が増加することから、平面的な
各電極間の距離を広くでき、電極間の寄生容量を小さくできるという効果もある。
さらに、これら検出電極の断線やショートの発生を抑制し、製造歩留まりを向上させる
ことができる。

また、第１段差部４３と第２段差部４４、第３段差部５３と第４段差部５４とを、第１
検出腕４０及び第２検出腕５０それぞれの同一方向に形成していることから、発生電荷の
絶対値を合成して出力すれば検出感度をより高めることができる。

また、検出電極７２と検出電極７３、及び検出電極７５と検出電極７６との間に、それ
ぞれ第１段差部４３と第２段差部４４、第３段差部５３と第４段差部５４とを設けること
で物理的な敷居ができ、側面方向（厚さ方向）に検出電極を分割して形成することが容易
にできるという効果もある。
（実施形態１の変形例）

続いて、実施形態１の変形例について説明する。この変形例は、実施形態１に係る第１
段差部４３と第２段差部４４、第３段差部５３と第４段差部５４とが、それぞれ第１検出
腕４０と第２検出腕５０との＋Ｘ方向に設けられていることに特徴を有している。よって
、実施形態１との相違箇所を中心に説明する。また、同じ機能箇所には同じ符号を附して
いる。

図４は、変形例に係る第１検出腕と第２検出腕を示す断面図である。なお、図４は図１
のＢ−Ｂ切断位置に相当する断面図である。第１検出腕４０には、第１主面１１から＋Ｘ
方向の側面４１にかけて穿設される第１段差部４３と、第２主面１２から側面４１にかけ
て穿設される第２段差部４４とが形成されている。第１段差部４３と第２段差部４４とは
、第１検出腕４０の先端部から根元部までの長さのほぼ全体にわたって形成されている。

第２検出腕５０には、第１主面１１から＋Ｘ方向の側面５１にかけて穿設される第３段
差部５３と、第２主面１２から側面５１にかけて穿設される第４段差部５４とが形成され
ている。第３段差部５３と第４段差部５４とは、第２検出腕５０の先端部から根元部まで
の長さのほぼ全体にわたって形成されている。なお、第１検出腕４０と第２検出腕５０と
のＸ方向の断面形状は同じである。

第１検出腕４０及び第２検出腕５０に形成される検出電極は、実施形態１（図３、参照
）と同じ構成（つまり、同じ符号の検出電極は共通に結線される）であるため、説明を省
略する。

このような構成にしても、段差部を設けない構造に対して、実施形態１と同様な効果が
得られる。しかし、振動片１０を水晶とし、エッチング法を用いて成形する場合、水晶の
結晶異方性に起因するエッチングレートの差があり、段差部の形成方向に配慮する必要が
ある。そこで、段差部の形成方向について説明する。

図５は、段差部の形成方向による検出腕の成形の差を示す部分断面図であり、（ａ）は
−Ｘ方向に段差部を設ける場合、（ｂ）は＋Ｘ方向に段差部を設ける場合を示している。
なお、図５はエッチングシミュレーションの結果を拡大して表している。第２検出腕５０
を例示して説明する。振動片１０が水晶の場合、−Ｘ方向のエッチングレートは高く、＋
Ｘ方向のエッチングレートは低い。

従って、図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較すると、図５（ｂ）に示すように、＋Ｘ方向
に第３段差部５３と第４段差部５４とを設ける場合、第３段差部５３側の側面５５と第４
段差部５４側の側面５６とは側面の傾斜が緩やかとなる。一方、図５（ａ）に示すように
、−Ｘ方向に第３段差部５３と第４段差部５４とを設ける場合、第３段差部５３側の側面
５５と第４段差部５４側の側面５６とは、第１主面１１または第２主面１２に対して直角
に近い傾斜となる。

従って、図５（ｂ）では、側面５２と側面５５、側面５２と側面５６との距離が、−Ｘ
方向に段差部を設ける場合よりも大きくなる。このことから、対向する各検出電極間の電
極間距離が大きくなり検出感度は低下する。

従って、図５（ａ）のように、第１段差部４３及び第２段差部４４、第３段差部５３及
び第４段差部５４を、エッチングレートが高い方向の側面（−Ｘ方向）に形成することで
、検出感度をより高めることができる。なお、図５（ａ）では側面５２の表面が緩やかな
弓形になっているが、オーバーエッチングを施して、側面５２を第１主面１１または第２
主面１２に対して直角にすれば、側面５２と側面５５、側面５２と側面５６との距離を、
さらに短くすることができ、検出感度をより高めることができる。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る振動片について図面を参照して説明する。前述した実施形態
１がＨ型の音叉構成であることに対して、実施形態２は２本音叉形であることに特徴を有
している。
図６は、実施形態２に係る振動片を示す平面図、図７は図６のＡ−Ａ切断面を示す断面
図である。振動片１１０は、基部１２０から＋Ｙ方向に平行に延在される２本の振動腕１
３１，１４０とから構成されている。ここで、振動腕１３１は、断面形状が四角形であっ
て励振電極を有し、前述した実施形態１（図１、図２、参照）の第１振動腕３１に相当す
る。振動腕１４０は、段差部及び検出電極を有して構成されるため検出腕であって、実施
形態１（図１、図３、参照）の第２検出腕５０に相当する。よって、振動腕１４０を検出
腕１４０と表し説明する。

次に、振動腕１３１と検出腕１４０の断面形状、電極の結線構成について図７を参照し
て説明する。振動腕１３１には、対向する電極６１，６２と、電極６３，６４とが形成さ
れている。そして、電極６１，６２が振動腕１３１の表面に延在され接続端子部Ｓ１で結
線される。また、電極６３，６４は、振動腕１３１の表面に延在され接続端子部Ｓ２で結
線される。なお、図示は省略するが、接続端子部Ｓ１，Ｓ２は、第１主面１１または第２
主面１２に設けられる。
電極６１，６２と、電極６３，６４とは、互いに極性が異なる励振信号が入力される励
振電極である。

検出腕１４０には、第１主面１１から−Ｘ方向の側面（第１側面）１４１にかけて穿設
される第１段差部１４３と、第１主面１１に対向する第２主面１２から側面１４１にかけ
て穿設される第２段差部１４４とが形成されている。第１段差部１４３と第２段差部１４
４とは、−Ｘ方向に向かって検出腕１４０の先端部から根元部までの長さのほぼ全体にわ
たって形成されている。

検出腕１４０には、第１段差部１４３及び第２段差部１４４とは反対側の側面１４２（
つまり、＋Ｘ側側面、第２側面）全体に形成される第１電極としての検出電極１７４と、
第１段差部１４３の検出電極１７４に対向する側面１４５に形成される第２電極としての
検出電極１７５と、第２段差部１４４の検出電極１７４に対向する側面１４６に形成され
る第３電極としての検出電極１７６と、が形成されている。

なお、図７に示すように検出電極１７５は、側面１４５から第１段差部１４３まで連続
されており、検出電極１７６は、側面１４６から第２段差部１４４まで連続されて形成さ
れている。

検出電極１７４は接続端子部Ｓ３、検出電極１７５は接続端子部Ｓ４、検出電極１７６
は接続端子部Ｓ５に結線される。図示は省略するが、接続端子部Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５は、第
１主面１１または第２主面１２の前述した接続端子部Ｓ１，Ｓ２が設けられる同じ主面に
設けられる。

検出電極１７４と、検出電極１７５と、検出電極１７６とは、コリオリの力で発生する
振動による発生電荷を効率よく検出するため、それぞれ対向する検出電極の極性が異なる
ように配設される。

次に、本実施形態における振動片１１０の作用について説明する。まず、電極６１〜電
極６４に励振信号を入力する。なお、振動腕１３１は実施形態１（図２、参照）と同じ電
極構成であるため、図示するように電界が矢視する方向に曲線的に発生し、対向する電極
の間には直線的な電界成分Ｅｘが働き、先端部が−Ｘ方向に変位する。そして、各電極に
交流信号を入力することで、音叉効果により振動腕１３１と検出腕１４０は、±Ｘ方向に
面内の屈曲振動を継続する。

励振信号を入力しているときに振動片１１０をＹ軸（検出軸）まわりに回転すると、振
動腕１３１と検出腕１４０の振動方向（面内振動）に対して直角方向のコリオリの力が発
生し、振動腕１３１と検出腕１４０とが±Ｚ方向に互いに交互に面外振動する。

なお、検出腕１４０は、実施形態１（図３、参照）と同じ電極構成であるため、コリオ
リの力により面外振動するとき、図示するように対向する電極の間には直線的な電界成分
Ｅｘが発生する。そして、発生する電荷量を測定することで、振動片１１０の角速度を検
出することができる。

従って、本実施形態によれば、振動腕１３１、検出腕１４０の２本構成であるため、構
造が簡単となる。また、励振電極（電極６１〜６４）と検出電極１７４〜１７６とを分離
しているため、各電極の配線を簡略化できる。また、検出腕を専用化することにより、電
極形成のための表面積が増加することから、平面的な各電極間の距離を広くでき電極間の
寄生容量を小さくできるという効果もある。
さらに、これらの電極の断線やショートの発生を抑制し、製造歩留まりを向上させるこ
とができる。
（実施形態３）

続いて、実施形態３について図面を参照して説明する。前述した実施形態２が振動腕と
検出腕とに分離していることに対して、実施形態３は、振動腕を２本有し、第１段差部と
第２段差部とが、２本の振動腕それぞれの延在方向の基部に近い位置に形成されているこ
とに特徴を有している。従って、実施形態２との相違箇所を中心に説明する。なお、実施
形態１及び実施形態２との共通部分には同じ符号を附している。

図８は、実施形態３に係る振動片を示す平面図であり、図９は図８のＢ−Ｂ切断面を示
す断面図である。図８、図９において、振動片１１０は、基部１２０から＋Ｙ方向に平行
に延在された２本の振動腕１３１，１３２とから構成されている。ここで、振動腕１３１
，１３２の先端方向が振動腕部１３０であって、断面形状が四角形であり励振電極を有し
、前述した実施形態１（図１、図２、参照）の第１振動腕３１及び第２振動腕３５に相当
する。

振動腕１３１，１３２それぞれの振動腕部１３０の断面形状及び電極（励振電極）の構
成は、前述した実施形態１（図２、参照）と同じであるため説明を省略する。

振動腕１３１，１３２には、それぞれ延在方向の基部１２０に近い位置に段差部と検出
電極とが形成されている。従って、これら段差部が形成される範囲を検出腕部１５０とす
る。検出腕部１５０に形成される段差部、検出電極の構成、及び検出電極の結線構成は、
実施形態１（図３、参照）と同じであるため説明を省略する。

また、振動腕１３１，１３２の駆動作用は、前述した実施形態１（図１、参照）の第１
振動腕３１及び第２振動腕３５と同じであるが、振動腕１３１，１３２が面内振動をして
いるときに、振動片１１０をＹ軸（検出軸）まわりに回転すると、振動腕１３１と振動腕
１３２との振動方向（面内振動）に対して直角方向のコリオリの力が発生し、振動腕１３
１と振動腕１３２とが±Ｚ方向に互いに交互に面外振動する。従って、実施形態１（図１
，２、参照）と同様な作用で角速度を検出できる。

このような構成によれば、励振駆動は振動腕１３１，１３２を有する２本音叉のため、
実施形態２の１本の振動腕による駆動よりもＣＩ値が低くなり消費電流を低減することが
できる。
なお、本実施形態は、角速度センサーだけでなく、固有周波数を発振する音叉形振動子
に対しても適用可能である。この場合、段差部を設けることにより、電極間の距離が狭く
なり、電界効率が向上するので、振動損失を低減することが可能である。また従来では、
振動腕の表裏面および両側面の４面に電極を設けていたが、本実施例では電極は３つ形成
すればよいので配線を簡略化できる。
（実施形態４）

続いて、実施形態４について図面を参照して説明する。前述した実施形態２及び実施形
態３が、２本の振動腕を有して構成されていることに対して、実施形態４は３本の振動腕
を有して構成され、それら振動腕の１本を検出腕とすることを特徴とする。従って、前述
した実施形態１〜実施形態３との相違箇所を中心に説明する。なお、共通部分には同じ符
号を附している。

図１０は、実施形態４に係る振動片を示す平面図、図１１は図１０のＣ−Ｃ切断面を示
す断面図である。図１０、図１１において、振動片２１０は、基部１２０と、基部１２０
から＋Ｙ方向に平行に延在された３本の振動腕１３１，１３２，１４０とから構成されて
いる。
ここで、振動腕１３１，１３２には励振電極が形成されており、振動腕１４０には段差
部と検出電極とが形成されている。よって、振動腕１４０は検出腕であって、以降、検出
腕１４０と表し説明する。

なお、図１０、図１１に示す形態は１例であって、検出腕１４０と振動腕１３１との位
置を置き換えてもよく、また、検出腕１４０と振動腕１３２との位置を置き換えてもよい
。

振動腕１３１，１３２の形状、励振電極（電極６１〜６８）の構成及び結線構成は実施
形態１（図１，２、参照）と同じであるため説明を省略する。

また、検出腕１４０に形成される第１段差部１４３、第２段差部１４４、検出電極１７
４〜１７６の構成及び結線構成は、実施形態２（図７、参照）と同じであるため説明を省
略する。

このように構成される振動片２１０に励振信号を入力すると、振動腕１３１，１３２及
び検出腕１４０が面内振動を開始する。そこで、Ｙ軸（検出軸）まわりに回転させると振
動腕１３１，１３２及び検出腕１４０が、コリオリの力によって互いに交互方向に面外振
動を行い、検出電極１７４〜１７６に発生する電荷量を測定することで、振動片２１０の
角速度を検出することができる。

このような構成によれば、２本の振動腕１３１，１３２による音叉振動となるため、Ｃ
Ｉ値が小さくなり消費電流を低減することができる。また、励振用の振動腕１３１，１３
２と検出腕１４０とを分離しているため、励振用の電極６１〜６８と、検出電極１７４〜
１７６とを分離できることから、それら各電極の平面的な電極間距離を広くでき電極間の
寄生容量を小さくできるという効果もある。
さらに、これらの電極の断線やショートの発生を抑制し、製造歩留まりを向上させるこ
とができる。

なお、振動腕の幅方向中央に、第１主面１１及び第２主面１２から溝を形成して振動腕
の断面形状を略Ｈ型にする構造が提案されている（例えば、特開２００４−３５０３２４
号公報）。
図１２は、この周知技術を示す断面図である。なお、図１２は特開２００４−３５０３
２４号公報の図３に記載の図面を表している。しかし、このような構成では、水晶の＋Ｘ
方向と−Ｘ方向のエッチングレートの差により、＋Ｘ方向側面の傾斜が−Ｘ方向側面の傾
斜よりも大きくなる。つまり、＋Ｘ方向の斜面は図５（ｂ）、−Ｘ方向の斜面は図５（ａ
）のように形成される。

そのことから、電極３６と電極３３，３４との対向する電極間距離、電極３０と電極２
５，２６との対向する電極間距離が大きくなる。このような構成を検出腕に応用した場合
、検出電極の対向する電極間距離が大きくなることに起因して発生電荷が小さくなること
から、検出感度が低くなるという課題がある。よって、検出腕の−Ｘ方向に段差部を設け
る構成が、角速度の検出センサーとしてより好ましいことを示している。
（実施形態５）

続いて、実施形態５について図面を参照して説明する。前述した実施形態２〜実施形態
４が、Ｙ軸に平行に延びた振動腕を有して構成されていることに対して、実施形態５はＹ
軸に対して斜めに延びた振動腕を有することを特徴とする。従って、前述した実施形態１
〜実施形態４との相違箇所を中心に説明する。なお、共通部分には同じ符号を附している
。

図１３は、実施形態５に係る振動片を示す平面図である。
図１３（ａ）に示すように、振動片３１０は、基部２０の一方の端部から第１振動腕３
３１及び第２振動腕３３５が、Ｘ軸及びＹ軸に対して交差する方向に沿って−Ｘ側に延在
している。また、振動片３１０は、基部２０の他方の端部から第３振動腕３４０及び第４
振動腕３５０が、Ｘ軸及びＹ軸に対して交差する方向に沿って＋Ｘ側に延在している。
ここで、第１振動腕３３１及び第３振動腕３４０と、第２振動腕３３５及び第４振動腕
３５０とは、Ｘ軸に対して線対称の位置に配置されている。

ここで、第１振動腕３３１及び第２振動腕３３５には、励振電極が形成されており、第
３振動腕３４０及び第４振動腕３５０には、段差部と検出電極とが形成されている。よっ
て、第３振動腕３４０及び第４振動腕３５０は検出腕であって、以降、第１検出腕３４０
及び第２検出腕３５０と表し説明する。

第１振動腕３３１及び第２振動腕３３５の形状、励振電極の構成及び結線構成は、実施
形態１（図１，２、参照）と同じであるため説明を省略する。
また、第１検出腕３４０及び第２検出腕３５０に形成される第１段差部３４３，３５３
、第２段差部３４４，３５４、検出電極の構成及び結線構成は、実施形態１（図１，３、
参照）と同じであるため説明を省略する。

ここで、振動片３１０の動作の概略を説明する。
駆動腕である第１振動腕３３１及び第２振動腕３３５を、根元部を中心として矢印Ｄの
ようにＸ軸及びＹ軸に対して交差する方向に向かって屈曲振動させる。この状態で、振動
片３１０をＸ軸（検出軸）まわりに回転させると、第１振動腕３３１及び第２振動腕３３
５は、コリオリの力によって面外振動（Ｚ軸方向の屈曲振動）する。
この際、第１振動腕３３１の振動の位相と第２振動腕３３５の振動の位相とが同じにな
る。これに応答して、第１検出腕３４０及び第２検出腕３５０が、互いに順位相で振動す
る。第１検出腕３４０及び第２検出腕３５０に励起される各検出振動に基づいて、互いに
順位相の電荷が発生するので、その和を算出する。この和に基づいて、Ｘ軸まわりの角速
度を算出（検出）する。

図１３（ｂ）に示すように、振動片４１０は、基部２０からＸ軸及びＹ軸に対して交差
する方向に沿って−Ｘ側に延在した２本の振動腕４３１，４４０を有して構成されている
。
駆動腕である振動腕４３１の形状、励振電極の構成及び結線構成は、実施形態２（図６
、７、参照）と同じであるため説明を省略する。
また、検出腕である振動腕４４０（以下、検出腕４４０という）に形成される第１段差
部４４３、第２段差部４４４、検出電極の構成及び結線構成は、実施形態２（図６、７、
参照）と同じであるため説明を省略する。

このように構成された振動片４１０に励振信号を入力すると、振動腕４３１及び検出腕
４４０が面内振動を開始する。そこで、Ｘ軸（検出軸）まわりに回転させると振動腕４３
１及び検出腕４４０が、コリオリの力によって面外振動を行い、検出電極に発生する電荷
量を測定することで、振動片４１０の角速度を検出することができる。

図１３（ｃ）に示すように、振動片５１０は、基部２０からＸ軸及びＹ軸に対して交差
する方向に沿って＋Ｙ側に延在した２本の振動腕５３１，５３２と、Ｙ軸に沿って＋Ｙ側
に延在した振動腕５４０と、を有して構成されている。
ここで、振動腕５３１，５３２には励振電極が形成されており、振動腕５４０には段差
部と検出電極とが形成されている。

振動腕５３１，５３２の形状、励振電極の構成及び結線構成は、実施形態１（図１，２
、参照）と同じであるため説明を省略する。
また、検出腕である振動腕５４０（以下、検出腕５４０という）に形成される第１段差
部５４３、第２段差部５４４、検出電極の構成及び結線構成は、実施形態２（図７、参照
）と同じであるため説明を省略する。

このように構成された振動片５１０に励振信号を入力すると、振動腕５３１，５３２及
び検出腕５４０が面内振動を開始する。そこで、Ｙ軸（検出軸）まわりに回転させると振
動腕５３１，５３２及び検出腕５４０が、コリオリの力によって面外振動を行い、検出電
極に発生する電荷量を測定することで、振動片５１０の角速度を検出することができる。
（物理量センサー）

続いて、前述した実施形態１〜実施形態５に記載の振動片１０〜振動片５１０のいずれ
かを備えた物理量センサーとしての角速度センサーについて説明する。なお、図示は省略
する。角速度センサーは、前述した各実施形態による振動片と、振動片の振動腕を面内に
励振する励振手段としての発振回路と、面外振動を検出する検出手段としての検出回路と
を含んで構成される。

なお、検出手段には、増幅器、Ａ／Ｄ変換回路、検出した電荷量を角速度に変換する演
算処理回路等が含まれる他、ノイズキャンセル回路等が含まれる。

このように構成されることにより、前述した検出感度が高い振動片を用いていることか
ら、検出感度が高い角速度センサーを実現することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成でき
る範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態１〜実施形態５によれば、第１段差部と第２段差部とを設け
る構造を例示しているが、第１段差部または第２段差部のいずれかを設ける構造としても
よい。

また、実施形態１〜実施形態５の振動腕（振動腕部）と検出腕（検出腕部）とを組み合
わせて構成してもよい。
（振動子）

続いて、上記振動片を備えた振動子、例えば、前述した実施形態１〜実施形態５に記載
の振動片１０〜振動片５１０のいずれかを備えた振動子について説明する。
図１４は、振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の
Ｆ−Ｆ切断面を示す断面図である。
図１４に示すように、振動子５００は、上記各振動片の一例としての振動片１１０と、
振動片１１０が収納されたパッケージ２８０と、を備えている。

パッケージ２８０は、パッケージベース２８１、シームリング２８２、蓋体２８５など
から構成されている。
パッケージベース２８１は、振動片１１０を収納できるように凹部が形成され、その凹
部に振動片１１０の図示しないマウント電極と接続される接続パッド２８８が設けられて
いる。
接続パッド２８８は、パッケージベース２８１内の配線に接続され、パッケージベース
２８１の外周部に設けられた外部接続端子２８３と導通可能に構成されている。

パッケージベース２８１の凹部の周囲には、シームリング２８２が設けられている。さ
らに、パッケージベース２８１の底部には、貫通孔２８６が設けられている。
振動片１１０は、パッケージベース２８１の接続パッド２８８に導電性接着剤２８４を
介して接着固定されている。そして、パッケージ２８０は、パッケージベース２８１の凹
部を覆う蓋体２８５とシームリング２８２とがシーム溶接されている。
パッケージベース２８１の貫通孔２８６には、金属材料などからなる封止材２８７が充
填されている。この封止材２８７は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース
２８１内が減圧状態を保持できるように、貫通孔２８６を気密に封止している。
なお、パッケージは、平板状のパッケージベースと凹部を有するリッドなどから構成さ
れていてもよい。また、パッケージは、パッケージベース及びリッドの両方に凹部を有し
ていてもよい。

振動子５００は、外部接続端子２８３を介した外部からの駆動信号により振動片１１０
が励振され、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、振動子５００は、振動片１１０を備えていることから、電界効率を高
めた振動子を実現することができる。
なお、振動子５００は、振動片１１０に代えて前述した他の振動片を備えても同様の効
果を奏することができる。
（電子機器）

続いて、上述した振動片を備えた電子機器について説明する。なお、図示は省略する。
上記振動片は、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ナビゲーション装置、ポイン
ティングデバイス、ゲームコントローラー、携帯電話、電子ブック、パーソナルコンピュ
ーター、テレビ、ビデオレコーダー、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー
、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器などの電子
機器に、センシングデバイスまたはタイミングデバイスとして好適に用いることができ、
いずれの場合にも上記実施形態及び変形例で説明した効果を奏する電子機器を提供するこ
とができる。

１０…振動片、１１…第１主面、１２…第２主面、２０…基部、３１，３５…振動腕、
４０…第１検出腕、４１…第１側面としての側面、４２…第２側面としての側面、４３…
第１段差部、４４…第２段差部、５０…第２検出腕、５１…第１側面としての側面、５２
…第２側面としての側面、５３…第３段差部、５４…第４段差部、７１…第１電極として
の検出電極、７２…第２電極としての検出電極、７３…第３電極としての検出電極、７４
〜７６…検出電極。

Claims (8)

1. 基部と、
   互いに対向する第１主面と第２主面と、前記第１主面及び前記第２主面を連結し互いに対向する第１側面と第２側面と、を有し、前記基部から延在された複数の振動腕と、
   複数の接続端子部と、を有し、
   前記第１側面側は、前記第２側面側よりもエッチングレートが高く、
   前記複数の振動腕のうちの少なくとも１本の振動腕は、前記第１側面に、前記第１主面側から設けられた第１段差部と、前記第２主面側から設けられた第２段差部と、を備えるとともに、
   前記第２側面に設けられた第１電極と、
   前記第１段差部の前記第１電極に対向する位置に設けられた第２電極と、
   前記第２段差部の前記第１電極に対向する位置に設けられた第３電極と、を備え、
   前記第１電極、前記第２電極および前記第３電極は、それぞれ、異なる前記接続端子部に結線されていることを特徴とする振動片。
2. 請求項１に記載の振動片において、前記第１電極と前記第２電極との間に発生する電界方向と、前記第１電極と前記第３電極との間に発生する電界方向と、が互いに逆方向であることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または請求項２に記載の振動片において、前記振動腕は、励振電極と検出電極とを備え、前記検出電極は、前記第１電極〜前記第３電極を用いたことを特徴とする振動片。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の振動片において、前記基部の一端部と、前記一端部に対向する他端部とから、それぞれ２本ずつ前記振動腕が延在された形状であることを特徴とする振動片。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の振動片において、前記複数の振動腕の各々は、前記第１段差部と前記第２段差部とが、前記第１側面に設けられたことを特徴とする振動片。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片と、
   前記振動片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。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片を備えたことを特徴とする物理量センサー。
8. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の振動片を備えたことを特徴とする電子機器。

Images