JP2013066211A - 振動片、振動子、発振器、センサー及びデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電材料により形成された基部51と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕35,36と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝33,34と、前記長溝に形成した励振用の電極とを備えており、前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成。
【選択図】図1
Description
図9は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図であり、図10は図9のA−A線切断端面図である。
図において、圧電振動片1は、水晶などの圧電材料をエッチングすることにより、図示する外形を形成するもので、パッケージ(図示せず)等に取付けられる矩形の基部2と、基部2から図において右方に延長された一対の振動腕3,4を備えており、これら振動腕の主面(表裏面)に長溝3a,4aを形成するとともに、必要な励振用の電極を形成したものである(特許文献1参照)。
このような圧電振動片1においては、励振用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕3,4の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。
ここで、図示のような音叉型圧電振動片である圧電振動片1の周波数fは、振動腕3,4の長さをl、腕幅をwとした場合、w/l2に比例する。
このことは、一方向に長い圧電振動片1を小型化しようとして、図9における全長AL1の大きさを小さくしようとする場合、振動腕の長さlを短くすると、周波数が高くなることを意味する。また、振動腕の幅wが小さくなると、周波数は下がる。このことから、従来の周波数を維持して、小型化を図るためには、振動腕の長さをある程度短くしつつ腕幅wを小さくしなければならない。
これに対して、腕幅wが、これまでのものが100μmであったものを、小型化により50μm程度とする場合を考える。腕幅100μmの際に、溝幅C1が70μm程度、側壁厚みS1,S1がそれぞれ15μm程度づつあったものが、腕幅wを50μm程度とすると、溝幅C1が40μm程度、側壁厚みS1,S1はそれぞれ5μm程度づつとしなければならない。
図11は、従来構造のまま圧電振動片を小型化した場合の振動特性を示すグラフであり、図の横軸に沿って、駆動電圧のレベルを徐々に増大させると、縦軸の周波数変化がマイナス方向に生じる。このことは、図10のZ方向振動の成分が多くなって、エネルギーロスの多い振動となってしまうことを示しており、CI(クリスタルインピーダンス)値の増大の原因となる。
第1の発明の構成によれば、振動腕の根本部分が先端側と比較してその剛性を強化されることにより、2次の高調波における振動の際の大きく歪む位置をより先端側に位置させることができると考えられる。このことにより、長溝を長くして圧電材料の電界効率を上げて、基本波のCI値を低くしつつも、このことが、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。かくして、小型化しても、基本波のCI値だけを低く抑えることができる。
第2の発明の構成によれば、振動腕に関して基部側の剛性が高く、先端にいくにしたがって剛性が低くなる構造を容易に実現できる。
第3の発明の構成によれば、長溝が設けられる振動腕においては、この長溝が前記基部側のその溝幅が小さくなるようにされることにより、長溝の両側の側壁の壁厚が増大するので、その領域の剛性は高くなる。このため、振動腕の基部側の剛性を高くし、先端側の剛性をこれより低くする構造を実現することができる。
第4の発明の構成によれば、長溝に設けた前記補強部が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されているので、前記基部側で振動腕の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造を実現することができる。
第5の発明の構成によれば、振動腕側からの振動が基部側へ漏れ込むことを防止し、一層、CI値を低く抑えることができる。
これらの図において、圧電デバイス30は、圧電振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス30は、図1および図2に示すように、パッケージ37内に圧電振動片32を収容している。パッケージ37は、図2に示すように、第1の基板55と第2の基板56とを積層して形成されており、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。
各振動腕35,36の主面には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34を形成し、図3に示すように、この長溝内に励振用の電極が設けられている(符号省略)。このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
また、好ましくは、基部51には、この基部51の幅方向の寸法に関して部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部44,44が形成されている。この切り込み部44,44は、基部51の各振動腕35,36の付け根に近接した箇所である。これにより、各振動腕35,36の屈曲振動による振動の基部51側への漏れ込みを大きく低減することができ、CI値の抑制効果を得ることができる。
ところが、長溝33は、その基部51寄りの基端部で、溝幅MW1が小さく、先端にいくに従って溝幅MW2が次第に大きくなるようにされている。
このため、後述するように、2次の高調波における振動の際に大きく歪む位置を、振動腕35のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝33を長くして圧電材料の電界効率を上げて、基本波のCI値を低くしつつも、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。かくして、小型化しても、基本波のCI値を低く抑えることができる圧電振動片を提供することができる。
図4は、従来の圧電振動片1と、本実施形態の圧電振動片32について、駆動電圧を印加して屈曲振動させる場合、横軸に示した圧電振動片の長さ方向に関して、各部の歪み量を縦軸に示したグラフであり、図4(a)は従来の圧電振動片1、図4(b)は本実施形態の圧電振動片32を示し、Aは基本波による振動時の歪み量、Bは2次の高調波による振動時の歪み量をそれぞれ表している。なお、これらの図において、圧電振動片の基部の切り込み部または凹部は図が複雑になるので、記載を省略している。
そうすると、基本波のCI値を低くできたとしても、2次の高調波のCI値はさらに低くなり、高調波のCI値/基本波のCI値であるCI値比が小さくなり、「1」を下回る。そうなると基本波ではなく高調波での発振の可能性がでてくる。
また、図6は、圧電振動片32のCI値比(高調波のCI値/基本波のCI値)を示しており、CI値比は全体として1よりも大きい。
かくして、圧電振動片32では、各振動腕35,36の電界効率を向上させて、CI値を低くすることができ、しかも2次の高調波のCI値は低くならないので、基本波での良好な振動特性を維持できる。
圧電振動片60の各振動腕35,36の長溝33,34には、溝幅の方向に設けたリブ状もしくは壁状の補強部61が形成されている。各振動腕35,36は同じ構造であるから、振動腕36についてだけ説明すると、補強部61は、複数個が、長溝34の長さ方向にY沿って複数設けられている。
このように、長溝34に設けた各補強部61,61,61が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されているので、基部51側で振動腕36の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造とされている。
これによって、上述の実施形態と同様、図4で説明したように、2次の高調波の歪み量Bにおけるマイナス方向のピーク位置が、符号CM1と符号CM2とでそれぞれ示すように、距離MBで示す分だけ、圧電振動片60の振動腕36の長さ方向(Y方向)に沿って、先端側に移動されているので、第1の実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。
変形例2の圧電振動片70においては、各振動腕35,36が、先端にいくに従って徐々に腕幅が小さくなるように構成されている。各振動腕35,36は同じ構造であるから、振動腕36についてだけ説明すると、振動腕36の基端部側の腕幅W3は、先端側の腕幅W2よりも大きく、腕幅は、基端部から先端側にいくに従って、徐々に小さくなるようにされている。
これにより、基部51側で振動腕36の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造とされている。
このため、長溝34の領域Rtに関しては、溝をはさむ両側の壁部の厚みが大きいことから、振動腕36の基部51に近接した領域の剛性は、その領域より先端側と比べると、より高い剛性となるようにされている。
これによって、上述の実施形態と同様、図4で説明したように、2次の高調波の歪み量Bにおけるマイナス方向のピーク位置が、符号CM1と符号CM2とでそれぞれ示すように、距離MBで示す分だけ、圧電振動片70の振動腕36の長さ方向(Y方向)に沿って、先端側に移動されているので、第1の実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。
また、各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。
本発明のある実施形態に係る振動片は、基部と、前記基部の一方の基部端部から延出し、前記基部の幅方向に並んで設けられている複数の振動腕と、前記振動腕の延出方向に沿って、前記振動腕に配置されている溝と、を備え、前記振動腕は、前記一方の基部端部から先端側に向かって幅が徐々に縮幅している縮幅部を含み、前記振動腕の前記延出方向の長さをL、前記溝の前記基部側の端から前記先端側の端までの長さをPLとしたとき、0.5<PL/L≦0.7を満たすことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記溝には前記幅方向に補強部が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記基部に切り込み部が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記切り込み部は、平面視で前記一方の基部端部とは反対側の他方の基部端部よりも前記一方の基部端部側寄りに配置されていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る発振器は、前記振動片と、発振回路と、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係るセンサーは、前記振動片を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係るデバイスは、前記振動片を備えていることを特徴とする。
〔適用例1〕圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した励振用の電極とを備えており、前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成とされていることを特徴とする圧電振動片。
適用例1によれば、振動腕の根本部分が先端側と比較してその剛性を強化されることにより、2次の高調波における振動の際の大きく歪む位置をより先端側に位置させることができると考えられる。このことにより、長溝を長くして圧電材料の電界効率を上げて、基本波のCI値を低くしつつも、このことが、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。かくして、小型化しても、基本波のCI値だけを低く抑えることができる。
適用例2によれば、振動腕に関して基部側の剛性が高く、先端にいくにしたがって剛性が低くなる構造を容易に実現できる。
適用例3によれば、長溝が設けられる振動腕においては、この長溝が前記基部側のその溝幅が小さくなるようにされることにより、長溝の両側の側壁の壁厚が増大するので、その領域の剛性は高くなる。このため、振動腕の基部側の剛性を高くし、先端側の剛性をこれより低くする構造を実現することができる。
適用例4によれば、長溝に設けた前記補強部が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されているので、前記基部側で振動腕の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造を実現することができる。
適用例5によれば、振動腕側からの振動が基部側へ漏れ込むことを防止し、一層、CI値を低く抑えることができる。
Claims (6)
- 圧電材料により形成された基部と、
前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と
前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
前記長溝に形成した励振用の電極と
を備えており、
前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成とされている
ことを特徴とする、圧電振動片。 - 前記各振動腕は、先端にいくに従って徐々に腕幅が小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 前記長溝が前記基部側において、溝幅が狭くなるように構成されていることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の圧電振動片。
- 前記長溝には、溝幅の方向に設けたリブ状もしくは壁状の補強部が、長溝の長さ方向に沿って複数設けられており、前記複数の補強部が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の圧電振動片。
- 前記基部の前記振動腕の基端部に近接した箇所には、部分的に幅方向に切り込んだ切り込み部が形成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の圧電振動片。
- パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、
前記圧電振動片が、
圧電材料により形成された基部と、
前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と
前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
前記長溝に形成した励振用の電極と
を備えており、
前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成とされている
ことを特徴とする、圧電デバイス。
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