JP6083110B2 - 振動素子、振動デバイス、ジャイロセンサーおよび電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動素子、振動デバイスおよび電子機器に関するものである。

例えば、角速度を検出する水晶発振器等の振動デバイスとしては、複数の振動腕を備える音叉型の振動素子を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
例えば、特許文献１に記載の振動デバイスは、基部と、この基部からＸ軸方向に並んで、互いにＹ軸方向に延出する２つの振動腕とを有する振動素子を有している。また、各振動腕は、Ｚ軸方向に対向する上面および下面の各々に形成された溝を有しており、その横断面形状が「Ｓ」字状となっている。各振動腕をこのような形状とすることにより、機械的強度を維持しつつＱ値の変動を抑制することができる。

ここで、特許文献１の振動素子では、各振動腕の横断面形状が左右非対称（Ｘ軸方向の中央線に関して非対称）となっているため、各振動腕をＺ軸方向に振動させると、Ｘ軸方向の振動が発生し、結果として、Ｚ軸方向およびＸ軸方向が合成された方向に斜め振動することとなる。このような斜め振動は、振動腕の振動バランスを向上させ、振動素子の振動特性を向上させる効果がある。

しかしながら、特許文献１の振動素子のように、「Ｓ」字状の横断面とするには、上面および下面に形成する溝を深く形成し、かつ幅を抑えなければならない。溝を、その幅を抑えつつ深く形成することは、困難であり、例えば、上面に形成する溝が下面に貫通してしまったり、側面に開放して側面が欠損してしまったりするおそれがある。すなわち、特許文献１では、振動腕の加工が困難であるという問題がある。

ＷＯ２０１０／０４７１１５号公報

本発明の目的は、加工が比較的簡単であり、かつ優れた振動特性を発揮することのできる振動素子を提供すること、また、この振動素子を備える信頼性に優れた振動デバイスおよび電子機器を提供することにある。

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、基部と、
前記基部から延出し、且つ、第１面、該第１面と表裏関係にある第２面、および前記第１面と前記第２面とを接続する一対の側面を含む駆動腕と、を有し、
前記駆動腕は、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方と前記一対の側面の少なくとも一方との間に段差部が設けられると共に、前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に溝部が設けられ、
前記駆動腕の横断面形状は、該駆動腕の幅方向の中心線および厚さ方向の中心線に対し非対称であることを特徴とする。
これにより、簡単な加工で、斜め振動させることのできる駆動腕を有する振動素子を得ることができる。斜め振動させる駆動腕を有することにより、振動漏れが抑制され、本発明の振動素子は、振動特性に優れたものとなる。また、加工が簡単であるため歩留まりが向上する。また、駆動腕を低インピーダンスで斜め振動をさせることができる。

［適用例２］
本発明の振動素子では、前記溝は、前記第１面および前記第２面に設けられていることが好ましい。
これにより、例えば、各溝内に駆動腕を駆動させる駆動用の電極を配置することにより、駆動腕を屈曲振動させる際の電界効率に優れ、効率的に駆動腕を屈曲振動させることができる。

［適用例３］
本発明の振動素子では、前記段差部は、前記第１面の前記一対の側面の一方側および前記第２面の前記一対の側面の他方側に設けられることが好ましい。
これにより、非対称な部分の形状を、より簡単な形状とすることができる。また、このような形状とすることにより、より円滑に駆動腕を斜め振動させることができる。

［適用例４］
本発明の振動素子では、前記段差部は、前記横断面形状が多角形状または湾曲状であることが好ましい。
例えば、湾曲状である場合には、段差面の境界部への応力集中が抑制され、より円滑に駆動腕を斜め振動させることができる。また、段差部に駆動用の電極を形成する場合には、段差面に沿って電極を形成しやすくなり、例えば、段差面の境界部等での断線や電極の剥がれ等を効果的に防止することができる。

［適用例５］
本発明の振動素子では、前記溝部の内壁面および前記段差部の表面には電極が設けられていることが好ましい。
これにより、対向する電極間距離を短くすることができるため、低インピーダンスで駆動腕を振動させることができる。

［適用例６］
本発明の振動素子では、前記駆動腕は、前記第１面および前記第２面の法線方向の振動成分と、前記一対の側面の法線方向の振動成分を含むことが好ましい。
これにより、駆動腕をバランスよく振動させることができる。
［適用例７］
本発明の振動デバイスは、本発明の振動素子と、
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、信頼性に優れた発振器等の振動デバイスを提供することができる。

［適用例８］
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた携帯電話、パーソナルコンピューター、デジタルカメラ等の電子機器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図である。 図１に示す振動デバイスに備えられた振動素子を示す上面図である。 図２中のＡ−Ａ線断面図である。 図３に示す駆動腕の拡大断面図である。 図４に示す駆動腕の変形例を示す断面図である。 図２に示す振動素子の動作を説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の駆動腕の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の平面図である。 本発明の第４実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。 本発明の振動素子を備える電子機器（ノート型パーソナルコンピュータ）である。 本発明の振動素子を備える電子機器（携帯電話機）である。 本発明の振動素子を備える電子機器（ディジタルスチルカメラ）である。 図４に示す駆動腕の変形例を示す断面図である。

以下、本発明の振動素子、振動デバイス、振動デバイスおよび電子機器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図２は、図１に示す振動デバイスに備えられた振動素子を示す上面図、図３は、図２中のＡ−Ａ線断面図、図４は、図３に示す駆動腕の拡大断面図、図５は、図４に示す駆動腕の変形例を示す断面図、図６は、図２に示す振動素子の動作を説明するための断面図である。

なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸としてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を図示している。また、以下では、ｘ軸に平行な方向を「ｘ軸方向」、ｙ軸に平行な方向を「ｙ軸方向」、ｚ軸に平行な方向を「ｚ軸方向」と言う。また、以下では、ｘ軸とｙ軸とで規定される平面を「ｘｙ」平面と言い、ｙ軸とｚ軸とで規定される平面を「ｙｚ平面」と言い、ｘ軸とｚ軸とで規定される平面を「ｘｚ平面」と言う。また、以下の説明では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図１に示す振動デバイス１は、振動素子２と、この振動素子２を収納するパッケージ９とを有する。以下、振動デバイス１を構成する各部を順次詳細に説明する。

［振動素子］
まず、振動素子２について説明する。
図２に示すように、振動素子２は、３脚音叉型の振動素子である。また、本実施形態の振動素子２は、所定の周波数（共振周波数）で振動する電気信号を発生させるための振動子として用いられる。
このような振動素子２は、基部４および基部４から延出する３本の振動腕５、６、７により構成された圧電体基板３と、この圧電体基板３上に形成された複数の電極とを有している。

圧電体基板３は、圧電体材料で構成されており、このような圧電体材料としては、例えば、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、圧電体基板３を構成する圧電体材料としては水晶が好ましい。水晶（Ｚカット板など）で圧電体基板３を構成すると、圧電体基板３の振動特性（特に周波数温度特性）を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度で圧電体基板３を形成することができる。なお、圧電体基板３は必ずしも圧電性を有しなくても良く、例えばシリコン基板を用い圧電膜を用いて振動腕５、６、７を振動させても良い。

（基部４）
基部４は、ｘｙ平面に広がりを有し、ｚ軸方向に厚さを有する板状をなしている。また、基部４は、振動腕５、６、７と等しい厚さとなるように形成されている。このような基部４には、３つの振動腕５、６、７が接続されている。
これら振動腕５、６、７のうち、振動腕５、６は、振動素子２を駆動するための駆動腕として機能し、振動腕７は、振動腕５、６のＺ方向の振動を相殺するための調整腕として機能する。なお、以下では説明の便宜上、振動腕５および駆動腕６をそれぞれ「駆動腕５」および「駆動腕６」と言い、振動腕７を「調整腕７」とも言う。

駆動腕５、６は、基部４のｘ軸方向での両端部に接続され、調整腕７は、基部４のｘ軸方向での中央部に接続されている。これら３つの振動腕５〜７は、互いに平行となるように基部４からそれぞれｙ軸方向に延出して設けられている。また、３つの振動腕５〜７は、等間隔でｘ軸方向に並んで離間配置されている。また、３つの振動腕５〜７は、それぞれ、長手形状をなし、その端部が固定端となり、先端部が自由端となる。

（駆動腕５）
図２および図３に示すように、駆動腕５は、Ｙ軸方向に延在している。このような振動腕５は、ｙｚ平面であって、駆動腕５の幅方向（Ｘ軸方向）の中心線Ｌ’および厚さ方向（Ｚ軸方向）の中心線Ｌ”に関して非対称な横断面形状を有している。駆動腕５をこのような非対称な形状とすることにより、後述するように、駆動腕５をｘ軸方向およびｚ軸方向の両方向成分を有する方向、言い換えればｚ軸およびｚ軸の両軸に対して傾斜した方向に屈曲振動（以下、「斜め振動」とも言う。）させることができる。

具体的には、図４に示すように、駆動腕５は、ｚ軸方向に対向（離間）し、表裏関係にある、ｘｙ平面にて構成される上面（第１面）５１１および下面（第２面）５１２と、上面５１１および下面５１２を接続する一対の側面（第３面、第４面）５１３、５１４とを有している。また、駆動腕５には、上面５１１のｘ軸方向の一方側（調整腕７側）に位置し、側面５１３に開放する第１段差部（段差部）５３と、下面５１２のｘ軸方向の他方側（調整腕７と反対側）に位置し、側面５１４に開放する第２段差部（段差部）５４とが形成されている。これら第１、第２段差部５３、５４は、それぞれ、ｙ軸方向に延在しており、基部４との接続部を跨いで形成されている。

第１段差部５３は、二等分点Ｐよりも調整腕７側（一方側）に形成されている。このような第１段差部５３は、ｙｚ平面で構成され、上面５１１に接続された第１段差面５３１と、ｘｙ平面で構成され、第１段差面５３１と側面５１３とに接続された第２段差面５３２とを有している。一方、第２段差部５４は、二等分点Ｐよりも調整腕７と反対側（他方側）に位置している。このような第２段差部５４は、ｙｚ平面で構成され、下面５１２に接続された第３段差面５４１と、ｘｙ平面で構成され、第３段差面５４１と側面５１４とに接続された第４段差面５４２とを有している。すなわち、第１、第２段差部５３、５４は、多角形状の横断面形状をなしている。

ここで、駆動腕５の形状を言い換えると、次のように表すことができる。すなわち、図４に示すように、駆動腕５は、ｘ軸方向（＋）側に向けて延在する第１辺Ｌ１と、第１辺Ｌ１の先端からｚ軸方向（−）側へ延出する第２辺Ｌ２と、第２辺Ｌ２の先端からｘ軸方向（＋）側へ延出する第３辺Ｌ３と、第３辺Ｌ３の先端からｚ軸方向（−）側へ延出する第４辺Ｌ４と、第４辺Ｌ４の先端からｘ軸方向（−）側へ延出する第５辺Ｌ５と、第５辺Ｌ５の先端からｚ軸方向（＋）側へ延出する第６辺Ｌ６と、第６辺Ｌ６の先端からｘ軸方向（−）側へ延出する第７辺Ｌ７と、第７辺Ｌ７の先端からｚ軸方向（＋）側へ延出し、先端が第１辺Ｌ１の基端と接続する第８辺Ｌ８とで輪郭が構成される横断面形状を有している。
このような第１段差部５３と第２段差部５４とは、互いに同じ形状（大きさを含む）である。また、第１段差部５４と第２段差部５４は、駆動腕５の中心Ｏに関して回転対称に形成されている。これにより、駆動腕５の二等分点Ｐの一方側と他方側との質量をほぼ等しくすることができ、駆動腕５が質量的にバランスのとれた形状となる。

本実施形態の駆動腕５では、第１段差部５３の第２段差面５３２は、第２段差部５４の第４段差面５４２に対して、ｚ軸方向において等しい位置に設けられている。また、第１段差部５３の第１段差面５３１は、第２段差部５４の第３段差面５４１に対して、ｘ軸方向の調整腕７側に離間して設けられている。
このような構成とすることにより、第１段差部５３と第２段差部５４とに挟まれた領域Ｓ１の強度を十分に確保することができる。そのため、駆動腕５を安定的に斜め振動させることができる。また、強度を確保することにより駆動腕５の捩じれを効果的に防止することができ、不要な振動の発生を効果的に防止することができる。また、上面５１１および第４段差面５４２の離間距離と、下面５１２および第２段差面５３２の離間距離とを比較的長く確保することができ、後述する溝５５、５６の深さを十分に深くすることができる。

さらに、駆動腕５には、上面５１１に開放する第１溝（溝）５５と、下面に開放する第２溝（溝）５６とが形成されている。第１溝５５および第２溝５６は、それぞれ、ｙ軸方向に延在しており、基部４との接続部を跨いで形成されている。第１溝５５は、ｚ軸方向に深さを有しており、略Ｕ字の横断面形状をなしている。同様に、第２溝５６は、ｚ軸方向に深さを有しており、略Ｕ字状の横断面形状をなしている。

なお、第１溝５５および第２溝５６の形状としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、矩形の横断面形状を有していてもよい。
また、第１溝５５と第２溝５６とは、駆動腕５の中心軸Ｏに関して回転対称に形成されている。これにより、駆動腕５の二等分点Ｐの一方側と他方側とで質量および形状をほぼ等しくすることができ、駆動腕５が慣性的、質量的にバランスのとれた形状となる。

このような駆動腕５には、一対の第１駆動電極８１と一対の第２駆動電極８２とが形成されている。具体的には、第１駆動電極８１の一方は、第１溝５５の面内に形成されており、他方は、第２溝５６の内面に形成されている。また、第２駆動電極８２の一方は、第１段差面５３１、第２段差面５３２および側面５１３に跨って形成されており、他方は、側面５１４、第４段差面５４２および第３段差面５４１に跨って形成されている。
このような電極配置によれば、ｘ軸方向に隣接する第１、第２駆動電極８１、８２の離間距離を小さくすることができるため、第１、第２駆動電極８１、８２間に発生する電界を効率的に駆動腕５に作用させることができ、これにより、低インピーダンスで駆動腕５を効率的に屈曲振動させることができる。

これら第１、第２駆動電極８１、８２の構成としては、特に限定されず、金（Ａｕ）、金合金、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銀（Ａｇ）、銀合金、クロム（Ｃｒ）、クロム合金、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電材料により形成することができる。

中でも、第１、第２駆動電極８１、８２の構成材料としては、金を主材料とする金属（金、金合金）、白金を用いるのが好ましく、金を主材料とする金属（特に金）を用いるのがより好ましい。Ａｕは、導電性に優れ（電気抵抗が小さく）、酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、ＡｕはＰｔに比しエッチングにより容易にパターニングすることができる。

なお、例えば、第１、第２駆動電極８１、８２を金で構成し、圧電体基板３を水晶で構成した場合、これらの密着性が低い。そのため、このような場合、第１、第２駆動電極８１、８２と圧電体基板３との間には、Ｔｉ、Ｃｒ等で構成された下地層を設けるのが好ましい。これにより、下地層と駆動腕５との密着性、および、下地層と第１、第２駆動電極８１、８２との密着性をそれぞれ優れたものとすることができる。その結果、第１、第２駆動電極８１、８２が駆動腕５から剥離するのを防止し、振動素子２の信頼性を優れたものとすることができる。

以上、駆動腕５の形状について説明したが、例えば、図５に示すような形状とすることもできる。なお、図５に示す形状は、いずれも、第１段差部５３および第２段差部５４の形状（幅と厚さのアスペクト非）が本実施形態と異なる以外は、同様の構成である。また、図５では、説明の便宜上、駆動腕５の幅の０％、５０％、１００％の箇所と、駆動腕５の厚さの０％、５０％、１００％の箇所とに補助線を表示してある。また、図５では、説明の便宜上、各種電極および第１、第２溝５５、５６の図示を省略している。

図５（ａ）に示す駆動腕５では、第１段差部５３の第２段差面５３２は、第２段差部５４の第４段差面５４２に対して、ｚ軸方向の上面５１１側に離間して設けられている。また、第１段差部５３の第１段差面５３１は、第２段差部５４の第３段差面５４１に対して、ｘ軸方向の調整腕７側に離間して設けられている。
図５（ｂ）に示す駆動腕５では、第１段差部５３の第２段差面５３２は、第２段差部５４の第４段差面５４２に対して、ｚ軸方向の下面５１２側に離間して設けられている。また、第１段差部５３の第１段差面５３１は、第２段差部５４の第３段差面５４１に対して、ｘ軸方向の調整腕７側に離間して設けられている。

図５（ｃ）に示す駆動腕５では、第１段差部５３の第２段差面５３２は、第２段差部５４の第４段差面５４２に対して、ｚ軸方向の上面５１１側に離間して設けられている。また、第１段差部５３の第１段差面５３１は、第２段差部５４の第３段差面５４１に対して、ｘ軸方向において等しい位置に設けられている。
図５（ｄ）に示す駆動腕５では、第１段差部５３の第２段差面５３２は、第２段差部５４の第４段差面５４２に対して、ｚ軸方向の上面５１１側に離間して設けられている。また、第１段差部５３の第１段差面５３１は、第２段差部５４の第３段差面５４１に対して、ｘ軸方向の調整腕７と反対側に離間して設けられている。
このような図５（ａ）〜（ｄ）に示すような構成によっても、簡単な構成にて、駆動腕５を斜め振動させることができる。

（駆動腕６）
駆動腕６は、ｙｚ平面に関して駆動腕５と対称的に形成されている以外は、駆動腕５と同様の構成（形状）である。したがって、駆動腕６の構成については、その説明を省略する。
このような駆動腕６には、一対の第１駆動電極８１と一対の第２駆動電極８２とが形成されている。具体的には、第１駆動電極８１の一方は、第１段差面６３１、第２段差面６３２および側面６１３に跨って形成されており、他方は、側面６１４、第４段差面６４２および第３段差面６４１に跨って形成されている。また、第２駆動電極８２の一方は、第１溝６５の内面に形成されており、他方は、第２溝６６の内面に形成されている。

（調整腕７）
調整腕７は、その長手方向の全域にわたって、厚さ（ｚ軸方向の長さ）および幅（ｘ軸方向の長さ）が一定となっている。このような調整腕７は、駆動腕６、７の振動に合わせて振動する。
以上、振動素子２の構成について説明した。このような振動素子２は、次のようにして駆動する。

図４に示す電源９００によって、第１、第２駆動電極８１、８２間に交番電圧を印加すると、駆動腕５、６は、それぞれ、中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して非対称な横断面形状をなしているため、面内振動によって、図６に示すように斜め振動する。この際、駆動腕５、６のｘ軸方向への屈曲振動が相殺（キャンセル）されるため、調整腕７は、ｘ軸方向には殆ど振動しない。一方、駆動腕５、６のｚ軸方向への屈曲振動は相殺されないため、調整腕７は、駆動腕５、６とのバランスを取るように、ｚ軸方向で駆動腕５、６と互いに逆向きに屈曲振動する。

このような振動においては、駆動腕５、６は、ｙｚ平面に関して対称的に振動するため、駆動腕５の屈曲振動のうちのｘ軸方向成分の振動と、振動腕６の屈曲振動のうちのｘ軸方向成分の振動とが釣り合って相殺（キャンセル）される。そのため、調整腕７には、ｘ軸方向の振動が伝達されず、調整腕７は、ｘ軸方向にほとんど振動しない。また、駆動腕５、６と調整腕７とがｚ軸方向の反対側に屈曲振動するため、駆動腕５、６の屈曲振動のうちのｚ軸方向成分の振動と、調整腕７のｚ軸方向の振動とが釣り合って相殺（キャンセル）される。そのため、振動素子２によれば、効果的に、振動漏れを防止することができる。

特に、本実施形態では、斜め振動する２つの駆動腕５、６が基部４の両端部に位置しているため、面外方向および面内方向ともにバランシングされる（バランスよく駆動することができる）ので、より安定して駆動腕５、６および調整腕７を振動させることができる。そのため、振動漏れをより効果的に防止することができる。また、振動素子２では、調整腕７を有しているため、駆動腕５、６のｚ軸方向の振動（並進運度）が自動的に相殺されるため、回転モーメントも相殺されて小さくなる。

［パッケージ］
次に、振動素子２を収容・固定するパッケージ９について説明する。
図１に示すように、パッケージ９は、板状のベース基板９１と、枠状の枠部材９２と、板状の蓋部材９３とを有している。ベース基板９１、枠部材９２および蓋部材９３は、下側から上側へこの順で積層されている。ベース基板９１と枠部材９２とは、後述のセラミック材料等で形成されており、互いに一体に焼成されることで接合されている。枠部材９２と蓋部材９３は、接着剤あるいはろう材等により接合されている。そして、パッケージ９は、ベース基板９１、枠部材９２および蓋部材９３で画成された内部空間Ｓに、振動素子２を収納している。なお、パッケージ９内には、振動素子２の他、振動素子２を駆動する電子部品（発振回路）等を収納することもできる。

なお、ベース基板９１の構成材料としては、絶縁性（非導電性）を有しているものが好ましく、例えば、各種ガラス、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックス材料、ポリイミド等の各種樹脂材料などを用いることができる。
また、枠部材９２および蓋部材９３の構成材料としては、例えば、ベース基板９１と同様の構成材料、Ａｌ、Ｃｕのような各種金属材料、各種ガラス材料等を用いることができる。

このベース基板９１の上面には、固定材９６を介して、前述した振動素子２が固定されている。この固定材９６は、例えば、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等の接着剤で構成されている。このような固定材９６は、未硬化（未固化）の接着剤をベース基板９１上に塗布し、さらに、この接着剤上に振動素子２を載置した後、その接着剤を硬化または固化させることにより形成される。これにより、振動素子２がベース基板９１に確実に固定される。
なお、この固定は、導電性粒子を含有するエポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等の導電性接着剤を用いて行ってもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の振動デバイスの第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の振動腕の断面図である。
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、振動素子の構成（振動腕の形状）が異なる以外は、第１実施形態とほぼ同様である。なお、図７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、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様に、駆動腕５、６は、互いにｙｚ平面に関して対称に形成されているため、以下では、駆動腕５について代表して説明し、駆動腕６については、その説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の駆動腕５では、第１段差部５３は、ｙｚ平面で構成され、上面５１１に接続された第１段差面５３１と、ｘｙ平面で構成され、側面５１３に接続された第２段差面５３１と、第１段差面５３１と第２段差面５３２との間に位置し、これら２つの面５３１、５３２を接続する第５段差面５３３を有している。このような第５段差面５３３は、ｘｙ平面およびｙｚ平面に対してｚ軸まわりに傾斜した湾曲面で構成されている。すなわち、第１段差部５３は、湾曲状の横断面形状をなしている。なお、本実施形態の第５段差面５３３は、湾曲凹面で構成されているが、第５段差面５３３は、平坦面で構成されていてもよい。

同様に、第２段差部５４は、ｙｚ平面で構成され、下面５１２に接続された第３段差面５４１と、ｘｙ平面で構成され、側面５１４に接続された第４段差面５４２と、第３段差面５４１と第４段差面５４２との間に位置し、これら３つの面５４１、５４２を接続する第６段差面５４３を有している。このような第６段差面５４３は、第５段差面５３３と同様に、ｘｙ平面およびｙｚ平面に対してｚ軸まわりに傾斜した湾曲面で構成されている。すなわち、第２段差部５４は、湾曲状の横断面形状をなしている。なお、本実施形態の第６段差面５４３は、湾曲凹面で構成されているが、第６段差面５４３は、平坦面で構成されていてもよい。

このような構成の駆動腕５によれば、第１段差面５３１と第２段差面５３２とで形成される角部５７が第５段差面５３３によって丸み付け（面取り）されており、第１段差面５３１から第２段差面５３２へ連続的に面の向きが変わっている。同様に、第３段差面５４１と第４段差面５４２とで形成される角部５８が第６段差面５４３によって丸み付け（面取り）されており、第３段差面５４１から第４段差面５４２へ連続的に面の向きが変わっている。そのため、例えば、前述した第１実施形態と比較して、角部５７、５８への応力集中を緩和することができ、駆動腕５をより円滑に斜め振動させることができる。さらに、角部５７、５８への第２駆動電極８２の形成が簡単となるとともに、角部５７、５８での第２駆動電極８２の断線を効果的に防止することができる。
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の作用・効果を奏することができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の振動デバイスの第３実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の平面図である。
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３実施形態は、振動素子の構成（基部の構成）が異なる以外は、第１実施形態とほぼ同様である。なお、図８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。なお、図８では、説明の便宜上、電極の図示を省略している。
本実施形態の振動素子２では、基部４が板状の本体４５と、本体４５の両側からｘ軸方向に延出する一対の支持腕４６１、４６２とで構成されている。そして、本体４５に調整腕７が接続されており、支持腕４６１の先端部に駆動腕５が接続されており、支持腕４６２の先端部に振動腕６が接続されている。
このような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の振動デバイスの第４実施形態について説明する。
図９は、本発明の第４実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。なお、図９は、前述した図２のＡ−Ａ線断面図に対応する図である。
以下、第４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４実施形態は、振動素子をジャイロ素子として用いること以外は、第１実施形態とほぼ同様である。なお、図９では、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図９に示すように、振動素子２の調整腕（検出腕）７には、角速度を検出するための第１〜第４検出電極８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄが形成されている。第１検出電極８６ａは、調整腕７の上面に形成されており、第２検出電極８６ｂは、調整腕７の下面に形成されており、第３検出電極８６ｃは、調整腕７の一方の側面に形成されており、第４検出電極８６ｄは、調整腕７の他方の側面に形成されている。

これら各検出電極８６ａ〜８６ｄの構成としては、特に限定されず、金（Ａｕ）、金合金、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銀（Ａｇ）、銀合金、クロム（Ｃｒ）、クロム合金、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電材料により形成することができる。

前述した第１実施形態と同様にして各駆動腕５、６を屈曲振動させている状態にて、振動素子２にｙ軸まわりの角速度ωが加わった場合には、コリオリ力が作用することによって、調整腕（検出腕）７にｘ軸方向の新たな振動Ａが励起される。そして、この新たな振動Ａにより発生した調整腕（検出腕）７のｘ軸方向への歪みにより発生する電荷を第１〜第４検出電極８６ａ〜８６ｄによって検出することにより、ｙ軸まわりの角速度ωが求められる。

なお、チューニングによってｘ軸方向の振動をほぼ０（ゼロ）とすることができ、この場合には、より精度が高くなる。
なお、本実施形態では、各振動腕５、６、７の先端部に錘部（ハンマーヘッド）を形成してもよい。
このような第４実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の振動デバイスの第５実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第５実施形態に係る振動デバイスが備える振動素子の断面図である。なお、図１０は、前述した図２のＡ−Ａ線断面図に対応する図である。
以下、第４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５実施形態は、振動素子をジャイロ素子として用いること以外は、第１実施形態とほぼ同様である。なお、図１０では、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図１０に示すように、振動素子２の調整腕（検出腕）７の上面には、角速度を検出するための２つの圧電体素子２５、２６がｘ軸方向に並んで形成されている。圧電体素子２５は、第１電極層２５１、圧電体層２５２、第２電極層２５３がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体素子２６は、第１電極層２６１、圧電体層２６２、第２電極層２６３がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体層２５２、２６２は、一体的に形成されている。なお、圧電体層２５２、２６２は、一体的に形成しなくてもよい。

前述した第１実施形態と同様にして駆動腕５、６を屈曲振動させている状態にて、振動素子２にｙ軸まわりの角速度ωが加わった場合には、コリオリ力が作用することによって、調整腕（検出腕）７にｘ軸方向の新たな振動Ａが励起される。このような振動Ａにより発生した調整腕７のｘ軸方向への歪みを２つの圧電体素子２５、２６によって検出することにより、ｙ軸まわりの角速度ωが求められる。
このような第５実施形態によっても前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上、本発明の振動素子を備える振動デバイス（本発明の振動デバイス）について説明した。

次に、本発明の振動素子を備える電子機器について、図１１〜図１３に基づき、詳細に説明する。
図１１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。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１００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、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。

図１２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１００が配置されている。
このような携帯電話機１２００には、フィルター、共振器等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。

図１３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。

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、表示部は、被写体を電子画像として表示するファインダとして機能する。
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１３０８に転送・格納される。

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、フィルター、共振器等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。

なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図１１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１２の携帯電話機、図１３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。

以上、本発明の振動素子、振動デバイスおよび電子機器を、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。
また、各振動腕の先端部には、必要に応じて、基端部よりも横断面積が大きい質量部（ハンマーヘッド）を設けてもよい。これにより、振動素子をより小型なものとしたり、振動腕の屈曲振動の周波数をより低めたりすることができる。

また、本発明の振動素子（振動デバイス）は、水晶発振器（ＳＰＸＯ）、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）等の圧電発振器等にも適用することができる。
また、駆動腕５、６の形状としては、中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して非対称な横断面形状を有していれば、前述したものに限定されず、例えば、次のような形状であってもよい。

図１４（ａ）に示す駆動腕５には、上面５１１のｘ軸方向の一方側（調整腕７側）に位置し、側面５１３に開放する第１段差部５３と、下面５１２のｘ軸方向の他方側（調整腕７と反対側）に位置し、側面５１４に開放する第２段差部５４とが形成されており、さらに、第２段差部５４に開放する第１溝５５と、下面５１２に開放する第２溝５６とが形成されている。

図１４（ｂ）に示す駆動腕５には、上面５１１のｘ軸方向の一方側（調整腕７と反対側）に位置し、側面５１４に開放する段差部５９が形成されており、さらに、上面５１１に開放する第１溝５５と、下面５１２に開放する第２溝５６とが形成されている。
以上説明したような形状は、第１、第２溝５５、５６を除いた状態でも、中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して非対称な横断面形状を有しているが、例えば、第１、第２溝５５、５６を除いた状態では中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して対称な横断面形状であるが、第１、第２溝５５、５６を形成することにより中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して非対称な横断面形状となる構成であってもよい。このような構成の一例として、図１４（ｃ）に示す構成が挙げられる。

図１４（ｃ）に示す駆動腕５には、上面５１１のｘ軸方向の一方側（調整腕７側）に位置し、側面５１３に開放する第１段差部５３と、下面５１２のｘ軸方向の他方側（調整腕７と反対側）に位置し、側面５１４に開放する第２段差部５４とが形成されている。第１段差部５３と第２段差部５４とは、中心線Ｌ’に関して対称的に設けられている。そのため、第１、第２溝５５、５６を除いた構成では、駆動腕５は、中心線Ｌ’に関して対称となっている。しかしながら、このような駆動腕５には、上面５１１に開放する第１溝５５と下面５１２に開放する第２溝５６とが形成されており、これにより、駆動腕５が中心線Ｌ’、Ｌ”の両線に関して非対称な横断面形状となっている。

１……振動デバイス ２……振動素子 ２５、２６…圧電体素子 ２５１、２６１…第１電極層 ２５２、２６２…圧電体層 ２５３、２６３……第２電極層 ３…圧電体基板 ４……基部 ４５…本体 ４６１、４６２……支持腕 ５……振動腕（駆動腕） ５１１……上面 ５１２……下面 ５１３、５１４……側面 ５３……第１段差部 ５３１……第１段差面 ５３２……第２段差面 ５３３……第５段差面 ５４……第２段差部 ５４１…第３段差面 ５４２…第４段差面 ５４３…第６段差面 ５５……第１溝 ５６……第２溝 ５７、５８……角部 ６……振動腕（駆動腕） ６１３、６１４……側面 ６３１……第１段差面 ６３２……第２段差面 ６４１……第３段差面 ６４２……第４段差面 ６５……第１溝 ６６……第２溝 ７……振動腕（検出腕） ８１……第１駆動電極 ８２……第２駆動電極 ８６ａ、８６ｂ、８６ｃ、８６ｄ……検出電極 ９……パッケージ ９１……ベース基板 ９２……枠部材 ９３……蓋部材 ９６……固定材 ９００…電源 １００‥‥表示部 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 １２００‥‥携帯電話機
１２０２‥‥操作ボタン １２０４‥‥受話口 １２０６‥‥送話口 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 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 Ｐ‥‥二等分点 Ｓ‥‥内部空間 Ｌ１……第１辺 Ｌ２……第２辺 Ｌ３……第３辺 Ｌ４……第４辺 Ｌ５……第５辺 Ｌ６……第６辺 Ｌ７……第７辺 Ｌ８……第８辺 Ｌ’、Ｌ”……中心線 Ｓ１……領域

Claims (10)

1. 基部と、
   前記基部から延出している第１駆動腕および第２駆動腕と、
   を有する振動素子であって、
   前記第１駆動腕および前記第２駆動腕が並んでいる方向を第１の方向とし、前記第１駆動腕が延出している方向を第２の方向とし、前記第１の方向および前記第２の方向がなす面に垂直な方向を第３の方向としたとき、
   前記第１駆動腕は、第１面および前記第１面と表裏関係にある第２面、並びに第１側面および前記第１側面と表裏関係にある第２側面を有し、
   前記第２駆動腕は、第３面および前記第３面と表裏関係にある第４面、並びに第３側面および前記第３側面と表裏関係にある第４側面を有し、
   前記第１の方向に関して、前記第１側面、前記第２側面、前記第３側面、および前記第４側面はこの順に並んで位置しており、
   前記第３の方向に関して、前記第１面と前記第３面は同じ側にあると共に前記第２面と前記第４面は同じ側にあり、
   前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に第１の溝部が設けられており、
   前記第３面および前記第４面の少なくとも一方に第２の溝部が設けられており、
   前記第１面と前記第２側面との間に第１の段差部が設けられており、
   前記第３面と前記第３側面との間に第２の段差部が設けられており、
   前記第１駆動腕の少なくとも一部は、前記第２の方向に垂直な断面において前記第１の方向の中心線および前記第３の方向の中心線に対し非対称な形状を有し、
   前記第２駆動腕の少なくとも一部は、前記第２の方向に垂直な断面において前記第１の方向の中心線および前記第３の方向の中心線に対し非対称な形状を有する振動素子。
2. 基部と、
   前記基部から延出している第１駆動腕および第２駆動腕と、
   を有する振動素子であって、
   前記第１駆動腕および前記第２駆動腕が並んでいる方向を第１の方向とし、前記第１駆動腕が延出している方向を第２の方向とし、前記第１の方向および前記第２の方向がなす面に垂直な方向を第３の方向としたとき、
   前記第１駆動腕は、第１面および前記第１面と表裏関係にある第２面、並びに第１側面および前記第１側面と表裏関係にある第２側面を有し、
   前記第２駆動腕は、第３面および前記第３面と表裏関係にある第４面、並びに第３側面および前記第３側面と表裏関係にある第４側面を有し、
   前記第１の方向に関して、前記第１側面、前記第２側面、前記第３側面、および前記第４側面はこの順に並んで位置しており、
   前記第３の方向に関して、前記第１面と前記第３面は同じ側にあると共に前記第２面と前記第４面は同じ側にあり、
   前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に第１の溝部が設けられており、
   前記第３面および前記第４面の少なくとも一方に第２の溝部が設けられており、
   前記第２面と前記第１側面との間に第１の段差部が設けられており、
   前記第４面と前記第４側面との間に第２の段差部が設けられており、
   前記第１駆動腕の少なくとも一部は、前記第２の方向に垂直な断面において前記第１の方向の中心線および前記第３の方向の中心線に対し非対称な形状を有し、
   前記第２駆動腕の少なくとも一部は、前記第２の方向に垂直な断面において前記第１の方向の中心線および前記第３の方向の中心線に対し非対称な形状を有する振動素子。
3. 前記第１の溝部は、前記第１面および前記第２面に設けられており、前記第２の溝部は、前記第３面および前記第４面に設けられている、請求項１または２に記載の振動素子。
4. 前記第１の段差部は、前記第１面の前記第２側面側および前記第２面の前記第１側面側に設けられ、前記第２の段差部は、前記第３面の前記第３側面側および前記第４面の前記第４側面側に設けられている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の振動素子。
5. 前記第１の段差部および前記第２の段差部の少なくとも一方は、前記横断面形状が多角形状または湾曲状である、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の振動素子。
6. 前記溝部の内壁面および前記段差部の表面には電極が設けられている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の振動素子。
7. 前記第１の駆動腕及び前記第２の駆動腕は、前記第１面の法線方向の振動成分と、前記第１側面の法線方向の振動成分を含む、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の振動素子。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記振動素子を収納したパッケージと、を備えている振動デバイス。
9. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記振動素子を収納したパッケージと、を備えているジャイロセンサー。
10. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の振動素子を備えている電子機器。

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