CN1533030A

CN1533030A - 压电振动片、压电振子及压电器件

Info

Publication number: CN1533030A
Application number: CNA2004100296083A
Authority: CN
Inventors: 田中雅子
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: US7157983B2; CN1533030B; US20040251774A1; JP4069773B2; JP2004289285A

Abstract

本发明提供一种压电振动片、压电振子及压电器件。该压电振动片在将晶体的电轴设为X轴，机械轴设为Y轴，光学轴设为Z轴的条件下，由具有与在Z轴的圆周上使X轴顺时针方向旋转大于3度、小于等于30度而设定的X’轴平行的边，和与在所述X’轴的圆周上使所述Z轴顺时针方向旋转大于33度、小于等于36度而设定的Z’轴平行的边的晶体板构成，所述晶体板具有：与在成为其厚度方向的Y’轴的圆周上顺时针方向旋转大于－35度小于等于－2度的X”轴和Z”轴分别平行的边。由此可实现宽温度范围的稳定频率，并且即使改变形状也能使频率稳定。

Description

压电振动片、压电振子及压电器件

技术领域

本发明涉及利用压电效应的振动片，特别是涉及使用了所谓的新型切割晶体板的压电振动片、压电振子及压电器件。

背景技术

近年来，随着各种机器的电子化和通信系统的发展，以压电振荡器为首的压电器件的使用迅速增多。特别是作为压电材料的晶体由于其具有可获得高频率、并且频率特性稳定的优点，在压电器件中被广泛地采用。而且，AT切割型晶体板(以下简称AT切割板)可构成在大范围的温度区域内具有稳定的频率特性的压电振子，因此，在很久以前就在压电器件中使用。该AT切割板，是使其一边与X轴平行，以使XZ面在X轴圆周上进行35.25度顺时针方向(以从X轴的-X方向向+X轴方向观察状态为基准)旋转的切割角切割而成。

但是，近年来，随着振荡器等安装的集成化，其工作温度升高，这样便需要提高压电振子的工作温度的设定，因此，提出了取代以往的AT切割振子，而采用将切割角在2轴的圆周上旋转的双旋转振子的方案。

理论证明，如果使用在晶体的结晶轴(电轴、机械轴、光学轴)中，以相对2轴旋转的切割角切割而成的晶体板(双旋转基板)，则频率温度特性的中心温度将向高温侧移动。

而且，在-25℃～100℃的温度范围内具有使频率稳定的切割角(例如参照专利文献1)。

虽然这样可使双旋转基板获得稳定的频率特性，但与此同时却增加了产生相对主振动的寄生振动、因寄生振动与主振动的机械振动耦合而造成的频率跳跃和阻抗值的上升的现象的几率。寄生振动的多数成分是依赖于晶体胚料的长边或短边的轮廓振动，或者是其复合振动模式。因此，在设计晶体胚料时，必须要慎重地确定其形状，以使寄生振动不发生在主振动频率的附近。

[专利文献1]专利第3218537号公报。

[专利文献2]特开2003-037462号公报。

关于双旋转振子的温度特性，图3表示了例如在Z轴的圆周上旋转10度后，在X轴的圆周上旋转了34.9度的振子的从-25℃到+100℃的频率温度特性。在图中，虽然虚线所示的是以往的AT切割振子的频率温度特性，但通过与AT切割振子比较，可以看出双旋转振子在高温区域的稳定的频率温度特性。该双旋转振子，其频率温度特性相对在为AT切割的情况下的在约25℃附近存在其切线的倾斜度为0的点，(以下，将在该点位置的温度称为中心温度。)，具有其中心温度对应不同的旋转角从25℃变化到100℃以上的特性。

虽然如上所述的双旋转振子的特性是有益的，但另一方面，相对以往的AT切割振子的情况，容易发生具有其它振动模式的寄生振动(不需要的振动)。例如，由于依赖于坯料的长边、短边的轮廓振动等，因坯料形状的偏差，其频率发生变化，因此，当其过于接近主振动时，双方的振动形成机械耦合振动，由此导致主振动频率的跳跃或阻抗的上升。同样，即使在被设定为动作温度范围的从-25℃到+100℃的温度区域内，也会在特定的温度下，在主振动的附近发生寄生振动，从而产生主振动的频率偏移或阻抗值上升的现象。尽管在AT切割振子的情况下也能够观测到同样的现象，但是在双旋转振子的情况下其发生的频度尤其高。

发明内容

本发明的发明者使用有限要素法的解析方法对其原因进行了研究。

研究的结果表明，其原因在于，成为主振动的厚度方向滑动振动的变位方向。相对以往的AT切割振子的只有在X方向上的变位方向的厚度方向滑动振动，而双旋转振子的变位方向则具有在X、Y、Z所有方向上的成分。由寄生振动而使得频率偏移或阻抗值增加的现象的原因是，由于主振动与寄生振动具有相同的变位成分，并形成振动的耦合(谐振)。即，AT切割振子的主振动只与具有在X方向的变位成分的寄生振动相耦合，而双旋转振子由于具有3个方向的变位成分，所以存在与大多数的寄生振动相耦合的可能性。

本发明的发明者计算出了在双旋转切割的晶体坯料的表面，即，在由X’轴和Z’轴构成的平面上的变位矢量，并使X”轴沿着该变位矢量方向在Y’轴的圆周上进行顺时针方向的面内旋转。由此使被切割成的新的矩形坯料的两边分别与新轴X”和Z”轴平行。

即，本发明提供一种压电振动片，在将晶体的电轴设为X轴，机械轴设为Y轴，光学轴设为Z轴的条件下，由具有与在Z轴的圆周上使X轴顺时针方向旋转大于3度、小于等于30度而设定的X’轴平行的边，和与在所述X’轴的圆周上使所述Z轴顺时针方向旋转大于33度、小于等于36度的Z’轴平行的边的晶体板构成，其特征在于：所述晶体板具有：与在成为其厚度方向的Y轴的圆周上顺时针方向旋转大于-35度小于等于-2度的X”轴和Z”轴分别平行的边。

本发明的压电振动片在各种形状下都具有稳定的主振动频率，并且即使寄生振动与主振动接近，也很少发生变化，可降低频率跳跃和阻抗上升的概率。

另外，本发明中的“在轴的圆周上的顺时针方向”是以在从该轴的负轴侧观察正轴侧时的方向为基准。因此，例如“在Z轴的圆周上的顺时针方向”是指“从-Z向+Z方向观察的顺时针方向”。

而且，本发明的压电振子的特征是，由上述任意一种压电振动片构成。由此，不仅可不受坯料的长边、短边的加工偏差的影响而提高频率稳定度，而且能够实现在-25℃到+100℃的宽温度范围内频率稳定的压电振子。

另外，本发明的压电器件的特征是，具有上述的压电振子。这样，可增加在批量生产工序中的加工误差容许度，得到稳定的频率。作为结果，即便是在如车用零件等的使用温度范围广的情况下，不需要温度补偿电路也可以保持稳定的频率，并可通过减少零件数量和工时数量来降低成本。

附图说明

图1是说明成为本发明的实施方式的基础的双旋转切割角的说明图。

图2是说明本发明的实施方式的切割角的说明图。

图3表示双旋转振子(φ＝10°、θ＝34.9°)的频率温度特性。

图4是表示在双旋转振子平面上的主振动的变位方向的图。

图5是表示在Z轴圆周上的旋转角φ与从变位的长边方向的偏移γ的关系的图。

图6表示在变位方向与长边方向平行的情况下的Z边比与频率的关系。

图7表示在变位方向与长边方向偏移8度的情况下的Z边比与频率的关系。

图8表示在变位方向与长边方向偏移16度的情况下的Z边比与频率的关系。

图9是以频度分布来表示在变位方向与长边方向平行的情况下的各种形状的振动片的主振动频率的离散性的图。

图10是以频度分布来表示在变位方向与长边方向偏移8度的情况下的各种形状的振动片的主振动频率的离散性的图。

图11是以频度分布来表示在变位方向与长边方向偏移16度的情况下的各种形状的振动片的主振动频率的离散性的图。

图12是表示本发明的晶体振动片在φ＝10°、Ω＝-8.0°、θ＝34.85°时的频率温度特性的图。

图13是本实施方式的压电振子的说明图，其中(1)是沿(2)中的B-B线的剖面图，(2)是沿(1)中的A-A线的剖面图。

图中：10-晶体结晶；11-双旋转切割角晶体板；12-本发明的晶体板；20-压电振子；22-封装体；24压电振动片；30-电极；36-激振电极。

具体实施方式

下面，参照附图，对本发明的压电振动片及压电振子以及压电器件的良好的实施方式进行详细说明。

图1和图2是说明为了获得成为本发明的压电振动片的晶体振动片而对晶体进行切割的切割角的说明图。在图1中，将与晶体结晶10正交的3个轴分别设为X轴、Y轴和Z轴，即，把电轴设为X轴，把与X轴正交的机械轴设为Y轴，把与X轴、Y轴正交的光学轴设为Z轴。本发明所定义的双旋转切割角晶体板(晶体基板)11的切割角是，首先设定通过在Z轴的圆周上将X轴顺时针方向旋转φ角的X’轴，在该条件下具有与该X’轴平行的边。并且，晶体板11具有与在X’的圆周上使Z轴顺时针方向旋转θ角的Z’轴平行的边。

本发明的晶体板12是，具有与使所述晶体板11如图2所示的那样在Y’轴的圆周上只旋转Ω角而形成的X”和Z”轴分别平行的边的晶体板。另外，在本图中，Y’轴的+方向是从图页的背面朝向表面的方向。

本发明者，通过对在晶体结晶10的X轴、Y’轴、Z轴的各自的圆周上旋转的切割角进行了各种的研究，得出的结果是，本发明的切割角振子与以往的双旋转振子比较，在各种的形状下，减少了由于寄生振动所造成的频率跳跃和阻抗的上升，获得了稳定的温度特性。

如图4所示，当通过计算导出在双旋转切割晶体片11上的主振动的变位方向时，主振动的变位方向如图中的箭头所示，不是与X”轴的长边方向平行，而是具有偏移角γ。图5表示通过计算导出的在改变Z轴圆周上的旋转角φ时的在双旋转切割晶体片11上的主振动的变位方向。横轴表示在Z轴圆周上的旋转角φ，纵轴表示变位方向的偏移γ，并将该偏移γ的相对+Y’轴的顺时针方向定义为正。如图所示，旋转角φ越大，X’轴与变位方向的偏移γ越向负的方向加大。

因此，因为使坯料的长边方向与主振动的变位方向平行，在由X’轴和Z’轴形成的平面内沿Y’轴的圆周进行γ部分的旋转。

该旋转角为Ω，例如，在变位方向与长边方向平行的情况和不平行的情况下，计算了由于寄生振动造成的主振动频率的偏移程度或者阻抗值的上升程度。在此，将与X”轴平行的边定义为长边，将与Z”轴平行的边定义为短边。在图6至图8中表示了其结果。图中的横轴表示坯料的短边长度除以晶体的厚度的Z边比，纵轴表示频率。这里，设φ为20度，设坯料的长边为固定的长度，为2.0mm。图中，用白点表示的是主振动的频率位置，用黑点群表示的是寄生振动的频率位置。点的大小分别对应振动的强度，点越大则振动强度越强。例如，图6中用线表示的是，关注某个寄生振动而表示的其移动，但随着坯料的Z边比增大，寄生振动的位置向低频率一侧偏移。对此，虽然主振动与Z边比无关而保持基本一定，但如果寄生振动接近，则由于振动耦合而使得频率发生大的偏移。同时，由于寄生振动的点变大，所以可以推测其振动强度也相对主振动而变大。这时，主振动的振动强度因其振动能被寄生振动所剥夺而变小。即，导致主振动的阻抗值的上升。

下面，对各图进行比较。图6表示在使变位方向与坯料的长边方向平行的情况下，Y’轴圆周上的旋转角Ω为-8度，图7表示Ω为0，即，在为双旋转切割角时的其长边方向从变位方向偏移8度的情况，图8表示Ω为8度，长边方向从变位方向偏移16度的情况。通过3个图的比较，可看出，在变位方向与长边方向平行的图6中，频率偏移小，寄生振动的强度也不是很大。但是，如从图7、图8中所看到的那样，随着变位方向和长边方向从相互平行到相互偏移，频率的变化范围增加，寄生振动整体的振动强度也增加。

在通过计算对上述的现象进行了验证后，进行使用本发明的晶体片的振子的试制，采用了如下的试制条件进行制作，φ为20度、θ为34.0度的双旋转切割角晶体振动片在Y’轴的圆周上分别将Ω旋转-8度、0度、8度。使坯料的长边和短边分别与面内旋转后的X”轴Z”轴平行。在本试制过程中，将长边设为一定，通过从15.0至17.0改变Z边比来改变短边，分别测定各个振动片的主振动频率。

图9、图10和图11分别以频率的频度分布表示了上述的测定结果。表示主振动的变位方向与长边方向平行的图9与变位方向与长边方向的偏移为8度的图10和偏移为16度的图11比较，频率分布的离散小，而偏移越大离散度的幅度就越大。可以认为，从平行方向的偏移越大，与各种形状下的寄生振动的振动耦合产生的越多，因而使主振动频率发生跳跃。由上述的结果可知，通过使长边方向与变位方向平行，可以获得不受振动片形状的影响的稳定的频率。

在此，测定了本发明的振动片的频率温度特性。图12表示其结果。可以看出，在与图3所示的双旋转振子的频率温度特性同样宽的温度范围内可获得稳定的主振动频率，并且在Y’轴圆周上的旋转基本不会对温度特性产生影响。

根据上述的结果，在双旋转切割角振子中，由于主振动的变位方向与长边方向不平行，所以容易与存在于附近的寄生振动耦合，其结果易导致频率的跳跃和阻抗值的增加。为了防止上述的结果，希望在双旋转的切割角中，将Ω在从-35度至-2度的范围内进行面内旋转。但由于φ在小于3度(不包括3度)时，变位方向与长边方向基本平行，因此不需要进行在Y’轴圆周上的面内旋转。并且，在φ大于30度(不包括30度)的情况下，由于温度特性曲线的中心温度过于高温，因此不实用。因此，φ的范围优选大于3度、小于30度。在该φ的范围内，温度特性曲线的在中心温度附近的切线斜率为0的θ的范围成为大于33度、小于36度。如将以上用公式表达，则

-35≤Ω≤-2

其中：3.0≤φ≤30；33.0≤θ≤36.0)

虽然把特别是满足在图5所示

Ω°＝(-0.0037×φ³+0.1106×φ²-1.161×φ+0.239±3)°。

的函数的φ和Ω的关系视为最佳条件，但双旋转切割振子的频率温度特性的良好的区域在边比、以及电极所致的基板后移量多少有些不同。因此，由于也偏移了Ω的最佳区域，所以，实际上是通过公式3导出的Ω值的±3度的幅度为最佳区域。如果把其用公式表达，则

Ω°＝(-0.0037×φ³+0.1106×φ²-1.161×φ+0.239±3)°。

(其中：3.0≤φ≤30)

通过将由根据在上述的条件下得出的切割角切割的晶体板12构成的压电振动片(晶体振动片)封装在封装体内，可作为压电振子使用。图13是说明压电振子的说明图。而且，该图的图(1)是该图的图(2)中的B-B线上的俯视图，该图(2)是A-A线上的侧剖面图。

在图13中，压电振子20的封装体22由陶瓷材料等绝缘材料形成。而且，在封装体22中形成有容纳压电振动片24的空腔26。另外，封装体22在空腔26的底面上形成电极30及布线图形(未图示)，其能够与形成在封装体22背面上的外部端子(未图示)导通。然后，把压电振动片24以单侧被固定的状态封装在空腔26内。具体是，在电极30上涂敷导电性粘合剂32，在其上面配置压电振动片24的连接电极34，并将其固定。这样，可从封装体22的底面上的外部端子向压电振动片24的激振电极36通电。此外，在封装体22的上部安装盖部件38，并将封装体22的内部保持成为氮气气氛等。

另外，本实施方式的压电振动片通过与集成电路元件组合构成谐振电路，可作为压电振荡器使用。例如，通过将图13所示的压电振子20和未图示的集成电路元件安装在形成有布线图形的模块基板上，可构成压电振荡器模块。另外，通过将集成电路元件与压电振动片24一同封装在图13所示的封装体22的内部，可构成压电振荡器封装体。

另外，本发明的压电振动片既可以是平板状，也可以是凸面状，或者也可以使压电振动片的中央部形成凹部的倒台形。

如上所述，通过采用本发明的切割角，无论各种形状的晶体片都可获得稳定的主振动频率。

Claims

1.一种压电振动片，在将晶体的电轴设为X轴，机械轴设为Y轴，光学轴设为Z轴的条件下，由具有与在Z轴的圆周上使X轴顺时针方向旋转大于3度、小于等于30度而设定的X’轴平行的边，和与在所述X’轴的圆周上使所述Z轴顺时针方向旋转大于33度、小于等于36度的Z’轴平行的边的晶体板构成，

其特征在于：所述晶体板具有：与在成为其厚度方向的Y轴的圆周上顺时针方向旋转大于-35度小于等于-2度的X”轴和Z”轴分别平行的边。

2.根据权利要求1所述的压电振动片，其特征在于：当把在Z轴的圆周上旋转的角度定义为φ度，在X’轴的圆周上的旋转角度定义为θ度，在Y’轴的圆周上旋转的角度定义为Ω度时，

Ω°＝(-0.0037×φ³+0.1106×φ²-1.161×φ+0.239±3)°。

(其中：3.0≤φ≤30)

3.一种压电振子，其特征在于：由权利要求1或2所述的压电振动片构成。

4.一种压电器件，其特征在于：具有权利要求3所述的压电振子。