弯曲振动片以及电子部件
技术领域
本发明涉及在弯曲振动模式下振动的弯曲振动片,进一步涉及使用弯曲振动片的振动器、谐振器、振荡器陀螺仪、各种传感器等多样的电子部件。
背景技术
以往,作为弯曲振动模式的压电振动片,广泛采用音叉型压电振动片,该音叉型压电振动片从基部平行地延伸出1对振动臂,并且这1对振动臂在水平方向上,朝彼此靠近或分离的方向振动。当对该振动臂实施弯曲激励时,如果该振动能量发生损失,则会引起振动器性能下降,即,导致CI值增加、Q值减小等。因此,为了防止或降低该振动能量的损失,以往曾采取过各种措施。
例如,公知有这样的音叉型石英振动片:该音叉型石英振动片在延伸出振动臂的基部的两侧部,形成有切入部或规定深度的切入槽(参照专利文献1、2)。该石英振动片在振动臂的振动还包含垂直方向分量的情况下,利用切入部或切入槽来缓解从基部发生的漏振,由此提高了振动能量的封闭效果,CI值得到抑制,并且防止了振动片之间CI值的偏差。
除上述机械损失以外,还会由于热传导而发生振动能量损失,该热传导是由于弯曲振动的振动臂的压缩部与受到拉伸应力的拉伸部之间产生的温度差而引起的。因该热传导而引起的Q值降低被称为热弹性损失效应。公知有这样的音叉型振动器:该音叉型振动器为了防止或抑制因热弹性损失效应引起的Q值降低,在具有矩形剖面的振动臂(振动梁)的中心线上,形成有槽或孔(例如参照专利文献3)。
根据该专利文献3,说明了如下情况:对于一般因温度差而产生的固体的内部摩擦而言,根据公知的变形与应力之间的关系式可知,关于热弹性损失,在弯曲振动模式的振动器中,当振动频率发生了变化时,在缓和振动频率(relaxation vibration frequency)fm=1/2πτ(这里,π为圆周率,τ为缓和时间)处,Q值为极小值。通常用图5所示的曲线F来表示该Q值与频率之间的关系(例如参照非专利文献1)。在该图中,Q值达到极小值Q0时的频率是缓和频率f0(=1/2πτ)。
此外,还公知有利用下式来求取缓和振动频率f0的技术。
f0=πk/(2ρCp a2)…(1)
这里,π是圆周率,k是振动部(弯曲振动部的热容量),a是振动部(弯曲振动部)的振动方向(弯曲振动方向)的幅度。
另一方面,作为音叉型以外的弯曲振动器,还曾经设计出如下的谐振器:该谐振器通过连接部将2个平行的振动臂彼此结合,并且从该连接部向2个振动臂之间延伸出中央臂(例如参照专利文献4)。该谐振器由作为单体部件的振动片构成,该单体部件由石英形成,在振动臂的正面或背面中的至少一方上形成有至少1个槽,由此,能够使激励电场更加均匀,并能够局部增强该激励电场,减少能耗并抑制CI值。此外,振动臂的槽一直延伸到机械应力最大的连接部,提取出该区域中的电场,由此增加振动臂的振动结合效果。
对于在弯曲振动振动模式下振动的振动片而言,除了上述压电驱动型振动片之外,还存在使用静电力的静电驱动型振动片以及使用磁场的磁场驱动型振动片。作为静电驱动型振动片,公知有如下角速度传感器:该角速度传感器在硅材料基板上,利用第1支撑梁以可使其在X轴方向上振动的方式支撑由方形框部构成的第1振动体,在第1振动体的框部内,利用第2支撑梁以可使其在Y轴方向上振动的方式支撑方形平板状的第2振动体,利用设置在基板侧边缘部的固定侧导电部与设置在第1振动体侧边缘部的可动侧导电部之间产生的静电力,使第1支撑梁弯曲,使第1振动体在X轴方向上振动(例如参照专利文献5)。作为其它静电驱动型的振动片,公知有如下角速度传感器:该角速度传感器由具有锤部的硅晶片传感器主体和与其对置的玻璃基板构成,通过在传感器主体侧与玻璃基板侧的平行平板电极之间作用的静电力来使传感器主体及锤部进行振动,该锤部通过复合梁安装在振动框内侧,该振动框通过驱动梁而支撑在固定框内侧(例如参照专利文献6)。
另外,作为磁场驱动类型,公知有如下振动体结构:该振动体结构利用一端的支撑部将恒弹性材料的振动体固定支撑在外部固定台上,通过固定其自由端的磁铁与固定在基台上的电磁线圈,来驱动从该其连接部分支出的弹簧部,使其振动(例如参照专利文献7)。作为其它磁场驱动类型,公知有如下角速度传感器:该角速度传感器在由硅基板形成的、被支撑为悬臂梁状的薄膜振动板上,配置有薄膜磁铁,向设置在薄膜振动板外侧的导体或电磁线圈通入交流电而产生电磁力,通过该电磁力的作用来使薄膜振动板沿厚度方向振动(例如参照专利文献8)。
【非专利文献1】C.Zener及另外2人,「InternalFriction in Solids III.Experimental Demonstration of Thermoelastic InternalFriction」,PHYSICALREVIEW,1938年1月1日,Volume 53,p.100-101
【专利文献1】日本特开2002-261575号公报
【专利文献2】日本特开2004-260718号公报
【专利文献3】日本实愿昭63-110151号说明书
【专利文献4】日本特开2006-345519号公报
【专利文献5】日本特开平5-312576号公报
【专利文献6】日本特开2001-183140号公报
【专利文献7】日本特公昭43-1194号公报
【专利文献8】日本特开平10-19577号公报
但是,至少据本发明人所知,在现有技术中,除了专利文献3以外,几乎未找到研究过上述热弹性损失效应对弯曲振动模式的压电振动片的影响的例子。因此,本发明人针对专利文献4所述结构的压电振动片,即针对在2个振动臂之间、从连接部延伸出1个中央支撑臂的结构的压电振动片,研究了因振动臂的弯曲振动引起的热弹性损失对其性能造成的影响。
在图6中,压电振动片1具有从连接部2延伸出的2个平行振动臂3、4。在2个振动臂3、4之间,从连接部2以与上述振动臂等间隔地平行的方式延伸出1个中央支撑臂5。在上述各振动臂的正反主面上,分别形成有1个直线状的槽6、7。压电振动片1通过上述中央支撑臂的前端侧、即与上述连接部相反侧的端部,固定保持在未图示的封装(package)等中。在该状态下,如果对未图示的激励电极施加规定电压,则振动臂3、4如图中的假想线及箭头所示,在彼此靠近或分离的方向上进行弯曲振动。
由于该弯曲振动,使得在连接部2上,在连接振动臂3、4的各部分与连接中央支撑臂5的部分之间的区域8、9中,沿着上述各个臂的宽度方向发生机械变形。对于该变形,在各区域8、9的振动臂侧的部分10、11与其相反侧的部分12、13之间,观察到较大的温度梯度。即,当上述振动臂朝彼此靠近的方向弯曲时,在上述区域的振动臂侧的部分10、11中产生压缩应力作用,从而该部分的温度上升,与之相对,在相反侧的部分12、13中产生拉伸应力作用,从而该部分的温度下降。相反,当上述振动臂朝彼此分离的方向弯曲时,在上述区域的振动臂侧的部分10、11中产生拉伸应力,从而该部分的温度下降,与之相对,在相反侧的部分12、13中产生压缩应力作用,从而该部分的温度上升。
由于这种温度梯度,在连接部2内部的区域8、9中,在振动臂侧的部分10、11与相反侧的部分12、13之间产生热传导。温度梯度与上述振动臂的弯曲振动相对应地,在振动臂侧及其相反侧反向地产生,与其相应,热传导也是方向相反。由于该热传导,使得在振动中,振动臂3、4的振动能量的一部分始终以热弹性损失的形式而损失掉。结果,振动片的Q值减小,难以实现所希望的高性能。
发明内容
因此,本发明正是鉴于上述现有问题而完成的,其目的在于,针对在多个振动臂之间从连接部延伸出1个中央支撑臂的弯曲振动模式的弯曲振动片,消除或改善因振动臂的弯曲振动而在连接部上产生的热弹性损失所导致的Q值下降,实现性能的提高。
根据本发明,为了实现上述目的而提供一种弯曲振动片,该弯曲振动片具有:多个平行的振动臂;将该振动臂结合的连接部;以及1个中央支撑臂,其从该连接部在振动臂之间与这些振动臂等间隔地平行延伸,连接部具有形成在其正反主面上的槽,该槽被配置在振动臂的宽度方向上,且位于上述连接部的振动臂侧及其相反侧交替产生由振动臂的弯曲振动引起的压缩应力和拉伸应力的区域内。
在由于振动臂的弯曲振动而交替产生压缩应力和拉伸应力的、连接部的振动臂侧与其相反侧之间,因压缩引起温度上升,因拉伸引起温度下降,由此导致产生温度差,但是,利用连接部的槽能够抑制它们之间的热传递。结果,抑制了因热弹性损失而引起的Q值降低,实现了性能提高。
本发明的弯曲振动片包括振动器、谐振器、陀螺仪、各种传感器等压电器件以及其它电子部件中使用的压电驱动型压电振动片。而且,与现有技术关联起来,本发明的弯曲振动片还包括上述静电驱动型以及磁场驱动型弯曲振动片。
在某实施例中,优选的是,连接部的槽被形成在振动臂的宽度方向上,且位于连接部的与振动臂连接的部分和连接部的与中央支撑臂连接的部分之间的范围内。根据本发明人的各种研究结果可知,当该连接部的槽延伸至振动臂或中央支撑臂时,反而会给振动臂的弯曲振动造成影响而发生振动能量损失,导致Q值降低。
在另一实施例中,由于连接部的槽是有底的槽,因此连接部的振动臂侧与其相反侧之间的热传递路径在中途变窄,显然比以往更长。其结果,在连接部的振动臂侧与其相反侧之间,温度达到平衡状态之前的缓和时间τ变长,因此,产生Q值的极小值的缓和振动频率(f=1/2πτ)低于没有槽的情况下的缓和振动频率。因此,在高于没有槽的情况下的缓和振动频率的频率范围内,Q值比以往更高。
此外,根据另一实施例,连接部的槽是贯通槽,因此,连接部的振动臂侧与其相反侧之间的热传递路径在中途被切断,比以往更短。其结果,在连接部的振动臂侧与其相反侧之间,温度达到平衡状态之前的缓和时间τ变短,因此,产生Q值的极小值的缓和振动频率(f=1/2πτ)高于没有槽的情况下的缓和振动频率。因此,在低于没有槽的情况下的缓和振动频率的频率范围内,Q值比以往更高。
在某个实施例中,如果将槽在振动臂的长边方向上的宽度W设定为,相对于连接部的宽度T,处于0.1T≤W≤0.65T的范围内,则与以往相比,能够将Q值提高大致5%以上,因此是优选的。而且,如果进一步将槽在振动臂的长边方向上的宽度W设定为,相对于连接部的宽度T处于0.2T≤W≤0.6T的范围内,则能够进一步提高Q值,因此更加优选。
本发明的弯曲振动片可与现有的音叉型压电振动片同样地由石英材料形成,也可以使用其它公知的压电材料来形成。
根据本发明的另一方面,提供通过设置上述本发明的弯曲振动片来实现高Q值及高性能的压电振动器、谐振器、压电振荡器、角速度传感器等压电器件以及其它电子部件。
附图说明
图1是示出本发明的压电振动片的第1实施例的俯视图。
图2(A)是示出图1的压电振动片的连接部的局部放大俯视图,(B)是其II-II线处的剖视图。
图3是示出图1的压电振动片中槽宽度(W/T)与Q值之间的关系的曲线图。
图4(A)图是示出本发明的第2实施例的压电振动片的连接部的局部放大图,(B)是其IV-IV线处的剖视图。
图5是示出弯曲振动模式的压电振动片中缓和频率与Q值的极小值之间的关系的曲线图。
图6是示出现有的压电振动片的典型例的俯视图。
标号说明
1、21...压电振动片;2、22...连接部;3、4、23、24...振动臂;5、25...中央支撑臂;6、7、26、27...槽;8、9、28、29...区域;10、11、12、13、32、33、34、35、37、38...部分;30、31、36...槽。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1概略地示出应用了本发明的压电振动片的第1实施例的结构。本实施例的压电振动片21具有:连接部22、从该连接部延伸出的2个平行振动臂23、24以及1个中央支撑臂25。中央支撑臂25从连接部22在上述2个振动臂之间与该振动臂等间隔地平行延伸。在各振动臂23、24的各个正反主面上,分别沿着长边方向形成有1个直线状的槽26、27,用以抑制CI值。
如图1及图2(A)所示,在连接部22的各个正反主面上,在连接振动臂23、24的各部分与连接中央支撑臂25的部分之间的区域28、29中,沿着与上述振动臂的长边方向垂直的方向,分别形成有槽30、31。槽30、31是从上述连接部的各个正反主面起具有相同深度的有底的槽,其中一方如图2(B)所示。各槽30、31被配置成,沿上述振动臂的长边方向,与振动臂侧的端缘及其相反侧的端缘之间的距离相等。
本实施例的压电振动片21与现有的音叉型石英振动片同样,是通过由所谓的Z切割(Z cut)石英薄板分别进行如下定向而形成的:将石英晶轴的Y轴定向为上述振动臂的长度方向,将X轴定向为其宽度方向,将Z轴定向为上述振动片的正反主面的垂直方向。在其它实施例中,可利用石英以外的压电材料来形成压电振动片21。
未作图示,在包含槽26、27的内表面的各振动臂23,24的表面上形成有激励电极,而且在连接部22及中央支撑臂25的表面上形成有从上述激励电极引出的布线以及与外部之间的连接端子。在使用时,压电振动片21通过上述中央支撑臂的前端侧、即与上述连接部相反侧的端部,固定在未图示的封装等中,以悬臂方式被保持为大致水平。在该状态下,当对上述激励电极施加规定电压时,振动臂23、24在水平方向上,如图中箭头所示,朝彼此靠近或分离的方向弯曲振动。
由于该弯曲振动,使得在连接部22上,在连接振动臂23、24的各部分与连接中央支撑臂25的部分之间的区域28、29中,沿上述各个臂的宽度方向产生压缩应力和拉伸应力。即,当上述振动臂朝彼此靠近的方向弯曲时,在各区域28、29的振动臂侧的部分32、33中产生压缩应力作用,而在相反侧的部分34、35中产生拉伸应力作用。由于该机械变形,受到压缩应力的压缩部分32、33的温度上升,受到拉伸应力的拉伸部分34、35的温度下降。相反,当上述振动臂朝彼此分离的方向弯曲时,在振动臂侧的部分32、33中产生拉伸应力作用而温度下降,在相反侧的部分34、35中产生压缩应力作用而温度上升。这样,在连接部22的内部,振动臂侧的部分32、33与相反侧的部分34、35之间产生温度梯度,其倾斜方向因上述振动臂彼此靠近或分离的方向而相反。
图2(B)例示了如下情况:上述振动臂朝彼此靠近的方向弯曲,振动臂侧的部分32(33)为压缩侧,而相反侧的部分34(35)为拉伸侧。图中,用“+”号表示温度上升,用“-”号表示温度下降。压缩侧部分32的温度上升,拉伸侧部分34的温度下降。由于该温度梯度的作用,热量从压缩侧(+)的部分32经过槽30的部分而向拉伸侧(-)的部分34传递。
相反,在上述振动臂朝彼此分离的方向弯曲的情况下,振动臂侧的部分32(33)为拉伸侧,而相反侧的部分34(35)为压缩侧。因此,压缩侧部分34的温度上升,拉伸侧部分32的温度下降,所以,从压缩侧部分34经过槽30的部分向拉伸侧部分32,反向地进行热传递。
在本实施例中,由于槽30的作用,使得压缩侧部分32与拉伸侧部分34之间的热传递路径在中途变窄。其结果,在两部分32、34之间,温度达到平衡状态之前的缓和时间τ1比没有上述槽的现有结构的缓和时间τ0长。这可以认为是与如下情况等价,即:如图2(B)中的假想线22′所示,沿着上述振动臂的宽度方向,将连接部22的宽度T显著延长至T1。因此,对于本实施例的压电振动片21而言,缓和振动频率f10为f10=1/2πτ1,且由于τ1>τ0,因此缓和振动频率f10低于现有结构的缓和振动频率f0=1/2πτ0。
根据图5的频率与Q值之间的关系进行观察,由于曲线F自身的形态未发生变化,因此,随着缓和振动频率的降低,曲线F向频率降低方向移动而到达曲线F1的位置。因此,在所希望的使用频率高于振动频率f0的范围内,Q值始终高于现有结构中的极小值Q0。这样,本实施例的压电振动片21通过在连接部22中设置有底槽30、31,能够改善Q值,实现高性能。另外,即使这些有底槽仅被设置在连接部22的正反主面中的任意一个主面上,也能够获得同样的作用效果。
本发明人进一步对槽30、31的宽度W与连接部22的宽度T之间的关系进行了研究。将连接部22的上述振动臂在长度方向上的剖面形状设定为矩形,将其厚度设定为100,将槽30、31相对于该厚度的深度设定为45。使槽宽度W在从0(即没有槽的现有技术的状况)到80的范围内变化,可利用公知的有限要素法,并通过4次近似式来表示Q值。结果如图3所示。
在该图中,由于设置了上述槽,因此Q值比较急速地上升,并在进行了大致恒定的过渡之后,比较急速地下降。由该图可知,当槽宽度W相对于连接部的宽度T,处于0.1T≤W≤0.65T的范围内时,Q值提高大约5%以上。进一步,当槽宽度W处于0.2T≤W≤0.6T的范围内时,Q值提高大约7%以上。这样,通过设定槽30、31的宽度W,本发明的压电振动片与以往相比,能够对Q值进行显著改善。
此外,在本实施方式中,从改善Q值的角度看,当将上述连接部的厚度设定为DC时,优选将设置在上述连接部的各个正反主面上的上述槽的深度D1设定为0.1DC≤D1<0.5DC。另外,如果将槽的深度D1设定为0.3DC≤D1<0.5DC,则能够进一步改善Q值。
图4(A)、(B)示出应用了本发明的压电振动片的第2实施例。在该图中,对与第1实施例相同的结构要素标注相同的参照符号来进行说明。在本实施例中,在连接部22上,在连接振动臂23、24的各部分与连接中央支撑臂25的部分之间的区域28、29中,沿着上述各个臂的宽度方向,分别形成槽36。本实施例的槽36与第1实施例不同,其贯通上述连接部的正反面。由此,区域28、29沿着上述振动臂的长边方向,隔着槽36而被分离成振动臂侧的部分37及其相反侧的部分38。
与第1实施例同样,当振动臂23、24在水平方向上,朝彼此靠近或分离的方向弯曲振动时,在连接部22上,在连接振动臂23、24的各部分与连接中央支撑臂25的部分之间的区域28、29中,沿上述各个臂的宽度方向产生压缩应力和拉伸应力。当上述振动臂朝彼此靠近的方向弯曲时,在各区域28、29的振动臂侧的部分37中产生压缩应力作用,而在相反侧的部分38中产生拉伸应力作用。由此,受到压缩应力的压缩部分37的温度上升,受到拉伸应力的拉伸部分38的温度下降。相反,当上述振动臂朝彼此分离的方向弯曲时,在振动臂侧的部分37中产生拉伸应力作用而温度下降,在相反侧的部分38中产生压缩应力作用而温度上升。
在本实施例中,通过设置贯通槽36,从而不会在振动臂侧的部分37与相反侧的部分38之间产生热传递。但进行局部观察可知,对于振动臂侧的部分37而言,在振动臂侧及槽36侧作用的压缩应力或拉伸应力的大小存在差异。相反侧的部分38也是同样,在槽36侧及其相反侧作用的压缩应力或拉伸应力的大小存在差异。结果,在各部分37、38的内部,分别沿着上述振动臂的长度方向,在振动臂侧与其相反侧之间产生温度梯度。该温度梯度的倾斜方向因上述振动臂彼此靠近或分离的方向而相反。
图4(B)例示了如下情况:上述振动臂朝彼此靠近的方向弯曲,振动臂侧的部分37为压缩侧,而相反侧的部分38为拉伸侧。图中,用“+”号的数量表示温度上升的程度,用“-”号的数量表示温度下降的程度。将连接部22作为整体进行观察,压缩侧部分37的温度上升,拉伸侧部分38的温度下降。对部分37进行局部观察,在压缩应力更大的振动臂侧,温度上升得更高,在压缩应力比其低的槽36侧,温度上升小。由于这种温度上升的相对差异,在部分37的内部,从振动臂侧(++)向槽36侧(+)产生温度梯度,并沿着该温度梯度发生热传递。
同样,对部分38进行局部观察,在拉伸应力更大的振动臂相反侧,温度下降得更低,在拉伸应力比其低的槽36侧,温度下降小。由于这种温度上升的相对差异,在部分38的内部,从槽36侧(-)向其相反侧(--)产生温度梯度,并沿着该温度梯度产生热传递。
相反,在上述振动臂朝彼此分离的方向弯曲的情况下,振动臂侧的部分37为拉伸侧,而相反侧的部分38为压缩侧。因此,当将连接部22作为全体进行观察时,拉伸侧部分34的温度上升,压缩侧部分32的温度下降。对各部分37、38进行局部观察,分别从振动臂相反侧向槽36侧、从槽36侧向振动臂侧,产生温度梯度,并在各部分37、38的内部沿着该温度梯度发生热传递。
在本实施例中,由于槽36的作用,各部分37、38内部的热传递路径比以往大幅缩短。结果,在各部分37、38中,温度到达平衡状态之前的缓和时间τ2比没有上述槽的现有结构的缓和时间τ0短。这可以认为与如下情况等价,即:沿着上述振动臂的宽度方向,将连接部22的宽度T显著缩短至各部分37、38的宽度T2。因此,本实施例的压电振动片的缓和振动频率f20为f20=1/2πτ2,而由于τ2<τ0,因此缓和振动频率f20高于现有结构的缓和振动频率f0=1/2πτ0。
根据图5的频率与Q值之间的关系进行观察,由于曲线F自身的形态未发生变化,因此,随着缓和振动频率的上升,曲线F向频率增加方向移动而到达曲线F2的位置。因此,在所希望的使用频率低于振动频率f0的范围内,Q值始终高于现有结构中的极小值Q0。这样,在本实施例中,通过设置贯通槽36,能够与第1实施例同样地改善Q值,实现高性能。
本发明不限于上述实施例,可以在其技术范围内实施各种变形或变更。例如,本发明同样可以应用于从连接部延伸出的振动臂增加至3个以上的结构的压电振动片。另外,上述各实施例的弯曲振动片不限于由压电材料一体形成,还可以是这样的方式:使用硅半导体等材料,并在其表面上设置压电板材。而且,本发明不限于压电驱动型弯曲振动片,同样可以应用于静电驱动型或磁场驱动型的弯曲振动片。在该情况下,除了压电材料以外,还可以采用硅半导体等各种公知的材料来形成弯曲振动片。另外,本发明的弯曲振动片可应用于压电器件以外的各种电子部件。