JP5970698B2 - 振動片、センサーユニット、電子機器 - Google Patents
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Description
また、特許文献3に記載の振動片では、漏れ出力抑制のための精緻な調整を行うには、極微細な切削部を設ける必要があり、近年、進展している振動ジャイロの小型化に伴う振動片の微細化によって、切削部の形成が更に困難になるとともに、切削部の形成によって振動片の機械的な強度が弱くなるという課題があった。
(1) f3>f2
(2) 0.964×(1−0.321(1+L/t))≦f2/f1≦0.995
一方、本適用例による振動片は、駆動用振動腕と検出用振動腕とだけが単純に連結された構成の振動体からなるのではなく、この振動体に更に突状部が設けられた構成となっている。突状部としては、例えば、振動ジャイロの場合には、漏れ出力を抑制するための調整用振動腕などがこれにあたる。このような構成に対しては、突状部の影響を含めて振動周波数の調整を行なう必要があり、本願発明者は、上記(1)および(2)の関係を満たす振動周波数とすることにより、駆動用振動腕から検出用振動腕への振動伝達効率を高めることができることを見出した。従って、例えば振動ジャイロなど、上記のような構成(つまり、振動体に更に突状部が設けられた構成)の振動片の場合には、上記(1)および(2)の関係を満たす設計を行なうことで、高い検出感度の振動片を得ることができる。
(3) f2/f1=0.976×(1−0.237(1+L/t))
なお、(3)の関係を満たすとは、(3)の関係を満たすように設計、および製造管理されることを意味している。
〔振動ジャイロ素子〕
まず、本発明の振動片を振動ジャイロ素子に具体化した実施形態について説明する。図1は、振動片としての振動ジャイロ素子の一実施形態を示す模式平面図である。
図1に示すように、振動片としての振動ジャイロ素子1は、基材(主要部分を構成する材料)を加工することにより一体に形成された基部21と、第2振動腕としての駆動用振動腕22a,22bおよび第1振動腕としての検出用振動腕23a,23bと、突状部としての調整用振動腕25a,25bとを有している。
また、振動ジャイロ素子1を成す平板は、水晶からの切り出し角度の誤差を、X軸、Y軸およびZ軸の各々につき多少の範囲で許容できる。例えば、X軸を中心に0度から2度の範囲で回転して切り出したものを使用することができる。Y軸およびZ軸についても同様である。
また、振動ジャイロ素子1は、水晶の結晶X軸(電気軸)と交差する方向に延出された一対の突状部として調整用振動腕25a,25bを有している。本実施形態の振動ジャイロ素子1において、調整用振動腕25a,25bは、基部21の駆動用振動腕22a,22bおよび検出用振動腕23a,23bと直交する方向(X軸方向)の両端部からX軸に沿ってそれぞれ延伸された一対の連結腕24a,24bの先端部から、駆動用振動腕22a,22bと並行させて設けられている。即ち、調整用振動腕25a,25bは、連結腕24a,24bの先端部から、Y軸に沿って(+Y方向に)延伸されている。
突状部としての調整用振動腕25a,25bは、第2振動腕としての駆動用振動腕22a,22bおよび第1振動腕としての検出用振動腕23a,23bよりも全長が小さく形成されている。これにより、漏れ出力を調整するための調整用振動腕25a,25bの振動が、第2振動腕と第1振動腕(駆動用振動腕と検出用振動腕)による振動ジャイロ素子1の主要な振動を阻害することがないので、振動ジャイロ素子1の振動特性が安定するとともに、振動ジャイロ素子1の小型化にも有利となる。
このような振動ジャイロ素子1の外形形状は、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング(ウエットエッチングまたはドライエッチング)により形成することができる。なお、振動ジャイロ素子1は、1枚の水晶ウエハーから複数個取りすることが可能である。
図2は、振動ジャイロ素子1の電極配置を一方の主面側から斜視して示す模式斜視図、図3は、振動ジャイロ素子1の電極配置を他方の主面側から斜視して示す模式斜視図である。
なお、図2および図3では、本実施形態の電極配置において特徴的な検出用振動腕23a,23bと調整用振動腕25a,25bとの電極の接続関係を主に説明しており、駆動用振動腕22a,22bに設けられる駆動系の電極(駆動電極)の接続関係は従来の振動ジャイロ素子の駆動系の電極の接続関係と同様であるため、図示を省略している。
図2において、振動ジャイロ素子1の基部21の一端部から並行させて延伸された一対の駆動用振動腕22a,22bの両主面のうちの一方の主面には、駆動電圧を印加するための駆動用の電極である駆動電極32a,33aが設けられている。また、各駆動用振動腕22a,22bの両側面のうちの一方の側面には、駆動電極34b,35bがそれぞれ設けられている。
また、図3に示すように、各駆動用振動腕22a,22bの上記一方の主面と対向する他方の主面には、駆動電極32b,33bがそれぞれ設けられている。また、各駆動用振動腕22a,22bの上記一方の側面と対向する他方の側面には、駆動電極34a,35aがそれぞれ設けられている。
図2において、振動ジャイロ素子1の基部21の他端部から並行させて延伸された一対の検出用振動腕23a,23bの両側面のうちの一方の側面には、振動により発生した基材(水晶)の歪を検出するための検出用の電極である検出電極36a,38a、および、検出電極37a,39aが設けられている。具体的には、一対の検出用振動腕23a,23bのうち、検出用振動腕23aの両側面のうち一方の側面において、検出用振動腕23aの延伸方向に沿った両端部近傍に、互いに電位の異なる一対の検出電極36a,38aが設けられ、検出用振動腕23bの一方の側面において、検出用振動腕23bの延伸方向に沿った両端部近傍に、互いに電位の異なる一対の検出電極37a,39aが設けられている。
また、図3に示すように、各検出用振動腕23a,23bの上記一方の側面と対向する他方の側面には、検出電極37b,39b、および、検出電極36b,38bが設けられている。具体的には、一対の検出用振動腕23a,23bのうち、検出用振動腕23aの他方の側面において、検出用振動腕23aの延伸方向に沿った両端部近傍に、互いに電位の異なる一対の検出電極36b,38bが設けられ、検出用振動腕23bの他方の側面において、検出用振動腕23bの延伸方向に沿った両端部近傍に、互いに電位の異なる一対の検出電極37b,39bが設けられている。
また、各検出用振動腕23a,23bの両側面で対向する検出電極どうしは同電位となっている。即ち、検出用振動腕23aの両側面において、対向する検出電極36aと検出電極36bとが同電位であるとともに、対向する検出電極38aと検出電極38bとが同電位であり、また、検出用振動腕23bの両側面において、対向する検出電極37aと37bとが同電位であるとともに、対向する検出電極39aと検出電極39bとが同電位になっている。ここで、各検出用振動腕23a,23bにおいて同電位の対向する検出電極のうち一方、例えば、検出用振動腕23aの両側面に対向させて設けられた検出電極38a,38bと、検出用振動腕23bの両側面に対向させて設けられた検出電極39a,39bが、グランド電極となっている。
図2において、振動ジャイロ素子1の基部21の一端部および他端部と直交する方向の両端部からそれぞれ延伸された一対の連結腕24a,24bの先端から、駆動用振動腕22a,22bと並行させて延伸された一対の調整用振動腕25a,25bの両主面のうちの一方の主面には、調整部としての調整用電極45a,46aがそれぞれ設けられている。また、各調整用振動腕25a,25bの両側面のうちの一方の側面には、調整部としての調整用電極47a,48aがそれぞれ設けられている。
また、図3に示すように、各調整用振動腕25a,25bの上記一方の主面と対向する他方の主面には、調整部としての調整用電極45b,46bがそれぞれ設けられている。また、各調整用振動腕25a,25bの上記一方の側面と対向する他方の側面には、調整部としての調整用電極47b,48bがそれぞれ設けられている。
具体的には、図2および図3に示すように、検出用振動腕23aの検出電極36aと調整用振動腕25aの調整用電極45aとが電極間配線41aを介して接続され、検出電極38aと調整用電極47aとが電極間配線43aを介して接続され、検出電極36bと調整用電極45bとが電極間配線41bを介して接続され、検出電極38bと調整用電極47bとが電極間配線43bを介して接続されている。
また、検出用振動腕23bの検出電極37aと調整用振動腕25bの調整用電極46aとが電極間配線42aを介して接続され、検出電極39aと調整用電極48aとが電極間配線44aを介して接続され、検出電極37bと調整用電極46bとが電極間配線42bを介して接続され、検出電極39bと調整用電極48bとが電極間配線44bを介して接続されている。
このような構成の振動ジャイロ素子1によれば、駆動用振動腕22a,22bに所定の励振信号を印加して振動させた状態で、振動ジャイロ素子1に角速度が加わったときに、検出用振動腕23a,23bがコリオリ力による振動を呈するのに伴って調整用振動腕25a,25bが励振され、その調整用振動腕25a,25bに設けた膜体(本実施形態では調整用電極)の重さを増減させたり、膜体としての調整用電極の体積を増減させて電荷量を変化させることにより、検出用振動腕23a,23bの望まない漏れ出力を抑制できる。従って、例えば、振動ジャイロ素子1の基材である水晶のエッチング異方性や、製造ばらつきなどにより、駆動用振動腕22a,22bや検出用振動腕23a,23bの断面形状が望まない形状となった場合に起こり得る漏れ出力に起因する検出感度の低下を抑制することができるので、感度の高い振動片としての振動ジャイロ素子を提供することができる。
図4において、実線矢印が面内振動を示し、破線矢印が面外振動を示している。面内振動とは、駆動用振動腕22a,22bに所定の励振信号を印加することで、所定の面としてのXY平面内に発生する駆動用振動腕22a,22bの屈曲振動である。面外振動とは、コリオリ力を受けて発生する所定の面に交差する方向の振動である。
振動ジャイロ素子1のように駆動用振動腕と検出用振動腕とが別々に構成された振動ジャイロ素子の場合に、角速度の検出感度を上げるためには、それぞれの振動周波数の調整が重要となる。具体的には、振動ジャイロ素子1の検出感度は、駆動用振動腕22a,22bの振動が、検出用振動腕23a,23bに伝達される効率に左右される。振動の伝達効率は、共振する場合に高くなるため、一般的に、検出用振動腕23a,23bの固有振動の周波数を駆動用振動腕22a,22bの面外振動の周波数に合わせることが好ましい。
検出用振動腕23a,23bの面外振動における固有振動の周波数をf1、駆動用振動腕22a,22bの面外振動における固有振動の周波数をf2、突状部としての調整用振動腕25a,25bの面外振動における固有振動の周波数をf3、基部21のY方向の長さLと振動ジャイロ素子1の厚さtとの比をR(=L/t)としたとき、以下の(1)および(2)の関係が満たされるように設定している。
(1) f3>f2
(2) 0.964×(1−0.321(1+R))≦f2/f1≦0.995
ここで、0.321(1+R)は、0.321の(1+R)乗を示している。
本願発明者は、上記(1)および(2)の関係を満たす振動周波数とすることにより、駆動用振動腕22a,22bから検出用振動腕23a,23bへの振動伝達効率を高めることができることを見出した。
また、本願発明者は、以下の(3)の関係を満たす振動周波数とすることにより、更に振動伝達効率が更に高められることを見出した。従って、以下の(3)の関係が満たされるように設計、および製造管理されることがより一層好ましい。
(3) f2/f1=0.976×(1−0.237(1+R))
まず、(1)の関係については、調整用振動腕25a,25bの面外振動における固有振動の周波数(f3)を、駆動用振動腕22a,22bの面外振動における固有振動の周波数(f2)よりも大きくすることを意味している。このようにすることで、漏れ出力を調整するための調整用振動腕25a,25bの振動が、駆動用振動腕22a,22bおよび検出用振動腕23a,23bによる振動ジャイロ素子1の主要な振動を阻害することを低減することができる。これにより振動ジャイロ素子1の振動特性を安定させることができる。
図5(a)〜(e)は、周波数比(f2/f1)を変化させたときの感度の推移を基部21の異なる長さLに対して評価したグラフである。具体的には、グラフ横軸に周波数比(f2/f1)を、縦軸には感度をとり、R(=L/t)を1.7から3.7まで0.5ステップで変えた場合の感度特性を5つのグラフに示している。なお、感度は、最大感度を1.0としたときの比を示している。グラフにおいて破線は、最大感度の70%の位置(70%線)を示している。また、P1、P3は、この70%線と感度特性線との交点を示し、P2は、ピーク感度の位置を示している。
これらのグラフから分かるように、感度のピーク(P2)は、f1とf2とが同じ値となるポイント(f2/f1=1.0)からずれた領域にある。また、最大感度の70%以上が得られる周波数比(f2/f1)の領域は、Rによって変化している。
この周波数比(f2/f1)とRとの関係を示すグラフにおいて、P1〜P3の各点のプロットから、以下の近似式が得られた。
P1の近似式: f2/f1=0.964×(1−0.321(1+R))
P2の近似式: f2/f1=0.976×(1−0.237(1+R))
P3の近似式: f2/f1=0.995
つまり、(2)の関係は、最大感度の70%以上が得られる周波数比(f2/f1)とRとの関係領域を意味しており、(3)の関係は、最大感度が得られる周波数比(f2/f1)とRとの関係を示している。
上記(2)の関係が満たされることで、駆動用振動腕22a,22bと検出用振動腕23a,23bとが共振しやすくなり、振動ジャイロ素子1の角速度検出感度が向上する。
また、上記(3)の関係が満たされることで、駆動用振動腕22a,22bと検出用振動腕23a,23bとの共振がピークとなり、あるいはピークにより近づき、振動ジャイロ素子1の角速度検出感度が更に向上する。
従って、本実施形態による振動片としての振動ジャイロ素子1によれば高い検出感度の振動片を得ることができる。
この場合、突状部としての調整用振動腕25a,25bは、第2振動腕としての検出用振動腕23a,23bが延出している方向に沿って設けられている。また、第1振動腕としての駆動用振動腕22a,22bの面外振動における固有振動周波数がf1であり、第2振動腕としての検出用振動腕23a,23bの面外振動における固有振動周波数がf2である。
〔ジャイロセンサー〕
次に、第2の実施形態にかかるセンサーユニットとしてのジャイロセンサー50について説明する。なお、説明にあたり、上述した実施形態と同一の構成部位については、同一の符号を使用し、重複する説明は省略する。
図7は、ジャイロセンサー50を説明するものであり、図7(a)は上側からみた概略平面図、図7(b)は、図7(a)のA−A線断面を示す概略断面図である。
なお、図7(a)では、ジャイロセンサー50の内部の構造を説明する便宜上、ジャイロセンサー50の上方に設けられた蓋体としてのリッド70を取り外した状態を図示している。また、本実施形態のジャイロセンサー50の構成では、振動片として、上記実施形態の振動ジャイロ素子1を搭載した例を説明する。
また、複数のIC接続端子66が設けられた第2層基板62上に、第3層基板63によりIC接続端子66を囲むように形成される段差上には、振動ジャイロ素子1が中継基板80を介して接合される振動片接続端子67が設けられている。
パッケージ60に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により接続されている。
ICチップ90は、パッケージ60の凹部の凹底部分に設けられたダイパッド65上に、ダイアタッチ材99(例えばろう材)によって接着・固定されている。また、本実施形態では、ICチップ90とパッケージ60とが、ワイヤーボンディング法を用いて電気的に接続されている。すなわち、ICチップ90に設けられた複数の電極パッドと、パッケージ60の対応するIC接続端子66とが、ボンディングワイヤー49により接続されている。
中継基板80は、パッケージ60の凹部内に振動ジャイロ素子1を支持する複雑な支持構造を形成することなく、振動ジャイロ素子1を所定の弾性を持たせながら支持するとともに、振動ジャイロ素子1とパッケージ60との電気的な接続を中継するための配線基板である。本実施形態の中継基板80は、振動ジャイロ素子1の支持部分が配置される基部21が配置される領域に設けられた開口部(デバイス穴)82を有する絶縁性の基材と、基材の一方の主面に設けられた複数の電極リード85と、対応する電極リード85と基材の層内配線などにより電気的に接続された接続電極86と、を有している。複数の電極リード85は、一端側が基材上に設けられ、他端側が基材の開口部82の中央に向かってオーバーハングされた状態で延出されている。
中継基板80には、例えば、従来から知られるTAB(Tape Automated Bonding)実装用のTAB基板を用いることができる。フープ状の絶縁性基材に多数の中継基板80が等間隔で形成されるTAB基板を用いることにより、中継基板80の製造から振動ジャイロ素子1の実装までを連続して効率よく行うことができる。
なお、中継基板80は、本実施形態で説明したTAB基板に限らず、例えば、リードフレームなどにより形成する構成とすることもできる。
なお、本実施形態では、中継基板80を介して振動ジャイロ素子1をパッケージ60内に接合する形態を説明したが、これに限らず、振動ジャイロ素子1の振動漏れなどが起こらない支持構造であればよい。例えば、パッケージ60の凹部内に、接続端子を有する支持部を設け、この支持部に振動ジャイロ素子1を接合・支持する支持構造を形成する構成としてもよい。
上記凹部空間は、減圧空間または不活性ガス雰囲気に密閉・封止することができる。
〔電子機器〕
図8(a)は、上記実施形態で説明した振動ジャイロ素子1、および、それを備えたセンサーユニットとしてのジャイロセンサー50を搭載した電子機器としてのデジタルビデオカメラへの適用例を示すものである。デジタルビデオカメラ240は、受像部241、操作部242、音声入力部243、および表示ユニット1001を備えている。このようなデジタルビデオカメラ240に、上記実施形態の振動ジャイロ素子1や、センサーユニットとしてのジャイロセンサー50を搭載することにより、所謂手ぶれ補正機能を具備させることができる。
また、図8(b)は、電子機器としての携帯電話機、図8(c)は、情報携帯端末(PDA:Personal Digital Assistants)への適用例をそれぞれ示すものである。
まず、図8(b)に示す携帯電話機3000は、複数の操作ボタン3001およびスクロールボタン3002、並びに表示ユニット1002を備える。スクロールボタン3002を操作することによって、表示ユニット1002に表示される画面がスクロールされる。
また、図8(c)に示すPDA4000は、複数の操作ボタン4001および電源スイッチ4002、並びに表示ユニット1003を備える。電源スイッチ4002を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が表示ユニット1003に表示される。
このような携帯電話機3000やPDA4000に、上記実施形態の振動ジャイロ素子1や、センサーユニットとしてのジャイロセンサー50を搭載することにより、様々な機能を付与することができる。例えば、図8(b)の携帯電話機3000に、図示しないカメラ機能を付与した場合に、上記のデジタルビデオカメラ240と同様に、手振れ補正を行うことができる。また、図8(b)の携帯電話機3000や、図8(c)のPDA4000に、GPS(Global Positioning System)として広く知られる汎地球測位システムを具備した場合に、上記実施形態の振動ジャイロ素子1や、センサーユニットとしてのジャイロセンサー50を搭載することにより、GPSにおいて、携帯電話機3000やPDA4000の位置や姿勢を認識させることができる。
図9(a)〜(d)は、振動ジャイロ素子の変形例として、様々なバリエーションの例を示す模式平面図である。
第1の実施形態では、図1あるいは図4に示される形状の振動ジャイロ素子1に対して上述した(1)〜(3)の関係を満たすf1、f2、f3の設定をするとして説明したが、振動ジャイロ素子の形状は、これに限定するものではない。図9(a)〜(d)に例示される形状の振動ジャイロ素子においても上述した(1)〜(3)の関係を用いて同様に設定することができる。
図9において、A1は第1振動腕、A2は第2振動腕を示し、どちらか一方が駆動用振動腕であり、他方が検出用振動腕である。また、A3,A4は、突状部であり、その目的とする機能の一例として、上述した調整用振動腕25a,25bがある。
M1は、振動ジャイロ素子をパッケージ60にマウントする支持部であり、支持部M1におけるマウントポイントM2が接着剤などによりパッケージ60に接着される。支持部M1は、連結腕24a,24bを介して基部21に連結されている。支持部M1を持つ振動ジャイロ素子は、中継基板80を介さずに支持部M1が第3層基板63に接着されることでパッケージ60に固定することができる。
以下、それぞれの形状を具体的に説明する。
図9(b)に示す振動ジャイロ素子は、振動ジャイロ素子1が有する連結腕24a,24bのそれぞれの先に支持部M1を設けた形状であり、突状部A3は、支持部M1から第2振動腕A2と同じ方向にY軸に沿って並行させて延伸されている。
図9(c)に示す振動ジャイロ素子は、図9(b)で示す振動ジャイロ素子の連結腕24a,24bの位置を、基部21の+Y方向の端部までY軸方向にずらし、また突状部A3が連結腕24a,24bから延出するようにした形状である。
図9(d)に示す振動ジャイロ素子は、図9(b)で示す振動ジャイロ素子の基部21を±X方向に長くなるように延伸させ、延伸した基部21の両端部の領域から突状部A4を第2振動腕A2と同じ方向にY軸に沿って並行させて延伸させた形状である。また、支持部M1およびマウントポイントM2が−Y方向に移動している。
本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態および変形例では、振動片としての振動ジャイロ素子形成材料として水晶を用いた例を説明したが、水晶以外の圧電体材料を用いることができる。例えば、窒化アルミニウム(AlN)や、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、四ほう酸リチウム(Li2B4O7)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウムや五酸化タンタル(Ta2O5)などの圧電体材料を積層させて構成された積層圧電基板、あるいは圧電セラミックスなどを用いることができる。
また、圧電体材料以外の材料を用いて振動片を形成することができる。例えば、シリコン半導体材料などを用いて振動片を形成することもできる。
また、振動片の振動(駆動)方式は圧電駆動に限らない。圧電基板を用いた圧電駆動型のもの以外に、静電気力を用いた静電駆動型や、磁力を利用したローレンツ駆動型などの振動片においても、本発明の構成およびその効果を発揮させることができる。
Claims (5)
- 基部と、前記基部の一端から延出している第1振動腕と、前記基部の前記一端とは反対側の他端から延出している第2振動腕と、を有する振動体と、
前記振動体から、前記第2振動腕が延出している方向に沿って設けられている突状部と、を備え、
前記第1振動腕および前記第2振動腕のうち、一方が駆動用振動腕であり、他方が検出用振動腕であり、
前記駆動用振動腕は、所定の面内で屈曲振動するように駆動され、
前記検出用振動腕は、コリオリ力によって生じる前記所定の面に交差する方向の振動の検出に用いられ、
前記基部の厚みをtとし、
前記第2振動腕が延出する方向の前記基部の長さをLとし、
前記第1振動腕の前記所定の面に交差する方向の固有振動周波数をf1とし、
前記第2振動腕の前記所定の面に交差する方向の固有振動周波数をf2とし、
前記突状部の前記所定の面に交差する方向の固有振動周波数をf3、としたときに、(1)および(2)の関係を満たすことを特徴とする振動片。
(1) f3>f2
(2) 0.964×(1−0.321(1+L/t))≦f2/f1≦0.995 - (3)の関係を満たすことを特徴とする請求項1に記載の振動片。
(3) f2/f1=0.976×(1−0.237(1+L/t)) - 前記振動体は、更に、前記基部を支持する支持部と、前記基部と前記支持部とを連結する連結腕とを備え、
前記突状部は、前記支持部または前記連結腕から前記第2振動腕が延出している方向に沿って設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の振動片。 - 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と、
前記駆動用振動腕を励振させる駆動回路と、前記検出用振動腕に生じる検出信号を検出する検出回路と、を含む電子部品と、を備えていることを特徴とするセンサーユニット。 - 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を備えていることを特徴とする電子機器。
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