CN1914799A - 音叉型振动片、压电振子、角速度传感器、以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供在宽的温度范围内频率温度特性良好的音叉型振子，即在宽的温度范围内频率变化也很小的音叉型振动片。作为解决手段，本发明的音叉型振动片使用GaPO4作为压电材料，具有一对臂部，其特征在于：绕着作为所述GaPO4的晶轴的X轴、Y轴和Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转大于等于7.7°且小于等于11.3°的角度，相对于由此得到的所述X轴、新的Y′轴以及Z′轴，使所述臂部的厚度方向成为所述Z′轴，使所述臂部的宽度方向成为所述X轴，使所述臂部的长度方向成为所述Y′轴。

Description

音叉型振动片、压电振子、角速度传感器、以及电子设备
技术领域
本发明涉及使用GaPO4作为压电材料的音叉型振动片、压电振子、角速度传感器、以及电子设备。
背景技术
在作为钟表或电子设备等的频率源而一直使用的振子中，有使用了音叉型石英振动片的音叉型石英振子，该音叉型石英振动片利用了弯曲振动。众所周知，该音叉型石英振子相对于温度变化的频率变动小。例如，绕着石英的晶轴X轴、Y轴以及Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转1.5°，在相对于由此得到的新的X′轴、Y′轴以及Z′轴、垂直于所述Z′轴切出的石英基板上，以音叉型石英振子的厚度方向为所述Z′轴、以臂的宽度方向为所述X′轴、以臂的长度方向为所述Y′轴，形成音叉型石英振子(未图示)，在图13中示出了该音叉型石英振子的频率温度特性(相对于温度变化的频率变动特性)。在图13中，横轴是温度(单位：℃)，纵轴示出了以温度25℃时的频率为基准的频率偏差(单位：ppm)。
为了进一步减小该相对于温度变化的频率变动，如日本特开昭54-40589中揭示的那样，有时利用音叉型石英振子中存在的两种振动，耦合这两种振动。
另外，如日本特开昭52-39391中揭示的那样，有时在同一石英基板上形成频率温度特性不同的两个音叉型石英振动片，形成使用该音叉型石英振动片的音叉型石英振子，以这两个频率之差作为基准频率。
另外，在非专利文献L.Delmas，E.Sthal，E.Bigler，B.Dulmet及R.Bourquin，″Temperature-Compensated Cuts For Vibrating Beam ResonatorsOf Gallium Orthophosphate GaPO4″Proceedings of the 2003 IEEEInternational Frequency Control Symposium and PDA Exhibition，pp.663-667中，揭示了取代石英基板而使用GaPO4基板。
但是，关于日本特开昭54-40589中记载的音叉型石英振子，由于频率温度特性随着两种振动的耦合程度而大幅变化，存在成品率降低的问题。另外，存在基部容易发生振动泄漏、不易实现支持方法的问题。
另外，关于日本特开昭52-39391中记载的音叉型石英振子，由于使用了两个音叉型石英振子，所以存在难以实现小型化、同时成本提高的问题。
另外，关于非专利文献L.Delmas，F.Sthal，E.Bigler，B.Dulmet及R.Bourquin，″Temperature-Compensated Cuts For Vibrating Beam ResonatorsOf Gallium Orthophosphate GaPO4″Proceedings of the 2003 IEEEInternational Frequency Control Symposium and PDA Exhibition，pp.663-667中记载的振子，是具有单纯梁状的振动片的振子，虽然进行了具有该梁状振动片的振子的计算，但没有进行具有音叉型振动片的音叉型振子的形状的计算。另外，计算中使用的理论式中只考虑了弹性常数，而没有考虑实际的振子中存在的压电常数和介电率，因此很难说表达了实际的最佳条件。特别地，GaPO4与石英相比电机耦合系数更大，因此在包含压电常数和介电率的实际的音叉型振子中，最佳条件大幅变化，可能无法得到预期的频率温度特性。
本发明着眼于上述以往的问题，目的在于提供在宽的温度范围内频率温度特性良好的音叉型振动片，即在宽的温度范围内频率变化也很小的音叉型振动片、压电振子、角速度传感器、以及电子设备。
发明内容
发明人对于使用了GaPO4的音叉型振动片的频率温度特性，对形成音叉型振动片的压电基板的切角进行了各种研究，发现在与上述非专利文献所记载的条件不同的条件下可以得到良好的频率温度特性。本发明就是基于这个发现而作出的。
本发明的音叉型振动片是使用GaPO4作为压电材料、具有一对臂部的音叉型振动片，其特征在于，通过如下方式形成：绕着作为所述GaPO4的晶轴的X轴、Y轴、Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转大于等于7.7°、且小于等于11.3°的角度，相对于由此得到的所述X轴、新的Y′轴以及Z′轴，使所述臂部的厚度方向成为所述Z′轴，使所述臂部的宽度方向成为所述X轴，使所述臂部的长度方向成为所述Y′轴。
另外，其特征在于，所述角度是绕所述X轴向着+X轴方向以顺时针方向旋转的大于等于8.4°、且小于等于10.7°。
另外，本发明的音叉型振动片是使用GaPO4作为压电材料、具有一对臂部的音叉型振动片，其特征在于，通过如下方式形成：绕着所述GaPO4的晶轴X轴、Y轴和Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转大于等于52.9°、且小于等于54.4°的角度，相对于由此得到的所述X轴、新的Y′轴以及Z′轴，使所述臂部的厚度方向成为所述Z′轴，使所述臂部的宽度方向成为所述X轴，使所述臂部的长度方向成为所述Y′轴。
另外，本发明的压电振子的特征在于，具有上述的音叉型振动片。
另外，本发明的角速度传感器的特征在于，具有上述的音叉型振动片。
另外，本发明的电子设备的特征在于，具有上述的音叉型振动片。
附图说明
图1是GaPO4的晶轴的说明图。
图2是本发明的压电基板切出角度的说明图。
图3(A)和图3(B)是音叉型振动片的立体图，图3(A)是从斜上方观察时的立体图，图3(B)是从斜下方观察时的立体图。
图4是表示本发明第一实施方式的音叉型振动片的频率温度特性的一例的曲线图。
图5是表示本发明第一实施方式的音叉型振动片的角度θ和频率温度特性的顶点温度的关系的曲线图。
图6是表示本发明第三实施方式的音叉型振动片的频率温度特性的曲线图。
图7是表示第二实施方式的音叉型振动片的使用温度范围内的频率变动量的曲线图。
图8是表示第三实施方式的音叉型振动片的使用温度范围内的频率变动量的曲线图。
图9是示出柱型压电振子的总体结构的立体图。
图10是示出片型压电振子的总体结构的立体图。
图11是示出角速度传感器的总体结构的立体图。
图12是角速度传感器的工作电路框图。
图13是示出现有的音叉型石英振动片的频率温度特性的一例的曲线图。
具体实施方式
参照附图对本发明的音叉型振子、压电振子、角速度传感器以及电子设备的实施方式进行说明。
图1示出了用于得到本发明的音叉型振动片的GaPO4的晶轴的定义。GaPO4晶体1的晶轴由图1所示的正交的3个轴，即X轴、Y轴、Z轴定义。
图2示出了本发明的音叉型振动片10和晶轴X轴、Y轴、Z轴和压电基板13的切出角之间的关系。本发明的音叉型振动片10设置在压电基板13上，压电基板13是从图1中记载的GaPO4晶体1中，绕着作为晶轴的X轴、Y轴和Z轴中的X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转θ(以下记作“角度θ”)，相对于由此得到的新的X′轴、Y′轴、Z′轴，垂直于所述Z′轴切出的。另外，新的X′轴是绕X轴旋转后的轴，所以同于X轴，但为了明确是旋转后，把旋转后的X轴当作“X′轴”。在用于实施本发明的最佳方式中，把旋转后的X轴当作“X′轴”进行说明。
音叉型振动片10是，相对于压电基板13上的X′轴、Y′轴、Z′轴，使一对臂部12a、12b并列的方向、即臂部12a、12b的宽度方向成为X′轴，使臂部12a、12b的厚度方向成为Z′轴，并使朝向臂部12a、12b的端部14a、14b的方向、即臂部12a、12b的长度方向成为Y′轴，从而形成的。
音叉型振动片10具有大致方形的基部11和在所述Y′轴方向上延伸的一对(2个)臂部12a、12b，所述臂部12a、12b是在X′Y′平面中相位相反地进行弯曲振动的音叉型振动片。另外，在图2中，臂部12a、12b在所述Y轴中，在+Y′轴方向上延伸，但也可以在-Y′轴方向上延伸。即，即使所述角度θ加上180°，基于图2说明的所述音叉型振动片10和所述晶轴X轴、Y轴、Z轴和压电基板13的切出角度之间的关系也是相同的。
接下来，对音叉型振动片10的电极的一例进行说明。图3A、图3B是音叉型振动片的立体图，图3A是从斜上方观察时的立体图，图3B是从斜下方观察时的立体图。
如图3(A)、图3(B)所示，在音叉型振动片10的各臂部22、23的上面部25和下面部26的中央部分中，由隔着预定的间隙27形成的两个电极图案40分别形成了驱动电极45。在图3A、图3B中，为了区别两个电极图案40，对一个电极图案40附上了右下斜线，对另一个电极图案40附上了右上斜线，分别图示。
在音叉型振动片10的臂部22、23的上面部25和下面部26的中央部分中分别形成了驱动电极45。音叉型振动片10的上面部25一侧的驱动电极45和下面部26一侧的驱动电极45通过由上面部25的缘部分251、252、253、254、下面部26的缘部分261、262、263、264、各侧面部271、272上形成的电极图案40所构成的导通用电极46而电连接。
从而，在把电极图案40中的形成在基部24上的部分作为支持电极48(也称为安装部)、在其上通过焊锡或导电性粘结剂等电连接了未图示的连接端子的状态下，如果通过连接端子向驱动电极45施加了交流电压，则臂部22、23以预定的频率振动。在此情况下，导通用电极46也具有使音叉型振动片10振动的功能。此外，臂部22、23的末端侧形成有用于通过激光修整等进行频率调节的重锤部分49。
图4是示出现有的音叉型石英振动片和本发明第一实施方式的音叉型振动片(角度θ＝9.3)的频率温度特性的曲线图。如图4所示，本发明的旋转角的角度θ＝9.3的音叉型振动片与现有的音叉型石英振动片的频率变动量相比，可以将以-40℃～+120℃温度范围内的最大频率为基准的频率偏差的变动幅度(频率变动量＝频率偏差的最大值-频率偏差的最小值)抑制得较小。
图5是示出本发明第一实施方式的音叉型振动片的旋转角的角度θ与频率温度特性的顶点温度(赋予频率温度特性的极值的温度，例如图4中赋予最大频率的温度)之间的关系的曲线图。如图5所示，可知在角度θ大于等于7.7且小于等于11.3的范围内，顶点温度为大于等于-40℃且小于等于+120℃。在民生用途下使用的温度范围(以下称为使用温度范围)可以宽至-40℃～+120℃。并且，使用频度高的温度随着用途而不同，期望顶点温度处于该使用频度高的温度附近的音叉型石英振动片。因此，通过使角度θ大于等于7.7且小于等于11.3，可以得到顶点温度存在于使用频度高的温度附近的音叉型振动片。如图4所示，在顶点温度的附近，每单位温度的频率变化小，可以提供把由于温度变化引起的频率变化抑止得较小的、频率相对于温度稳定的音叉型振动片。
图7是示出本发明的第二实施方式的音叉型振动片的-40℃～+120℃温度范围内的频率变动量的曲线图。如图7所示，第二实施方式的音叉型振动片在角度θ大于等于8.4且小于等于10.7的范围内，频率变动量为约260ppm以下。图4所示的现有例的音叉型石英振动片在-40℃～+120℃温度范围内的频率变动量约为260ppm。即，本发明的压电振动片在-40℃～+120℃温度范围内的频率变动量好于现有的音叉型石英振动片的频率变动量，即，可使频率变动量更小。例如，在角度θ＝9.6的情况下，频率变动量可以约为100ppm。另外，该频率变动量显著地小于现有的音叉型振动片的频率变动量。
图6是示出本发明的第三实施方式的音叉型振动片的频率温度特性的曲线图。如图6所示，第三实施方式的音叉型振动片在角度θ为54的附近，频率温度特性成为3次曲线，频率相对于温度的变化较小，即得到了频率稳定的音叉型振动片。特别地，在频率温度特性的曲线与曲线图的横轴大致平行的室温附近，可以使频率变动量特别地小。
图8是示出本发明的第三实施方式的音叉型振动片在-40℃～+120℃温度范围内的频率变动量的曲线图。如图8所示，在角度θ大于等于52.9且小于等于54.4的范围内，频率变动量为约260ppm以下。即，第三实施方式的音叉型振动片可以使在-40℃～+120℃温度范围内的频率变动量小于现有的音叉型石英振动片。
接下来，沿着图9和图10对使用了本发明的音叉型振动片的压电振子进行说明。图9是示出作为压电振子的一例形成为圆筒形状的所谓柱型压电振子的总体结构的立体图。图10是示出作为压电振子的一例形成为直方体的所谓片型压电振子的总体结构的立体图。
首先，对柱型压电振子进行说明。如图9所示，柱型压电振子100由以下部分构成：从基部21延伸出一对臂部22、23的由薄板状的压电基材(GaPO4)构成的音叉型振动片10，内部端子31连接在该音叉型振动片10的基部21上的插头30，收纳音叉型振动片10的壳体35。内部端子31贯通插头31而成为外部端子33。
音叉型振动片10在基部21的端部处通过焊锡等的接合材料(未图示)与内部端子31连接。把壳体35压入到在内部端子31上连接了音叉型振动片10的插头30上，由此使内部保持气密状态。
接下来，对片型压电振子进行说明。如图10所示，在片型压电振子500中，例如在陶瓷制的收纳容器102内的基台104上通过导电性粘接剂106等连接音叉型振动片10。收纳容器102的底面110构造成由于基台104而不与音叉型振动片10的振动部分接触。收纳了音叉型振动片10的收纳容器102的接合部114上接合了盖体112。通过接合该盖体112而使收纳容器102的内部保持气密状态。
根据本例的柱型压电振子100以及片型压电振子500，由于使用了前述实施方式中说明的音叉振动片10，所以可以提供具有与该音叉振动片相同的效果的压电振子。特别地，可以提供能够减小以-40℃～+120℃温度范围内的最大频率为基准的频率偏差的变动幅度(频率变动量＝频率偏差的最大值-频率偏差的最小值)的压电振子。
另外，在前述的压电振子100以及片型压电振子500的结构的说明中，说明了在壳体35以及收纳容器102内收纳音叉型振动片10的结构，但是也可以是在壳体35以及收纳容器102内至少收纳具有驱动音叉型振动片10的功能的电路元件等的电路部(未图示)的结构，即所谓压电振荡器的结构。
接下来，沿着附图对使用了本发明的音叉型振动片的角速度传感器的一例进行说明。图11示出了角速度传感器的总体结构，是从斜上方观察的立体图的部分断面图。
如图11所示，角速度传感器1000是指在构成角速度传感器1000的元件的一部分中包含为角速度传感器用而形成的实施例中记载的音叉型振动片10a的装置。角速度传感器1000利用了在振动的物体上作用旋转角速度时、在该振动的物体上产生科里奥利(Coriolis)力的现象，作为电信号提取出基于由该科里奥利力产生的变形的翘曲，从而检测角速度。
首先，对角速度传感器的结构进行说明。如图11所示，角速度传感器1000由以下部分构成：压电振动片10a、收纳压电振动片10a的例如由陶瓷形成的收纳容器(封装)60、封住收纳容器60的开口部的盖体62。压电振动片10a由薄板状的压电基材(GaPO4)构成。压电振动片10a由以下部分构成：在X′Y′平面内通过基部53结合的一对臂部52a、52b，从基部53延伸出去、把压电振动片10a固定在收纳容器60的固定部55上的支持部56。臂部52a、52b的表面上形成有励振电极58、58b，在支持部56的表面上形成有检测电极59。将该压电振动片10a的支持部56的端部通过未图示的导电性粘接剂等固定在收纳容器60的固定部55上。在收纳容器60的上表面61上保持气密状态而接合有盖体62。
接下来，对角速度传感器的动作进行说明。在以Z′轴为中心轴的回转系中，通过励振电极58a、58b，使臂部52a、52b在X′Y′平面内相位完全相反地进行振动(A1、A2)。在该状态下绕着Z′轴作用旋转角速度ω1时，由于科里奥利力，在各臂部52a、52b上作用了沿着Y′轴相互反向的力F1、F2。其结果，在基部53的两端作用力矩M1、M2。由于该力矩M1、M2，在支持部56上产生X′Y′平面内的弯曲振动B。通过检测电极59检测出该弯曲振动B，从而可以测量旋转角速度ω1。另外，旋转角速度的检测也可以检测出与前述的旋转角速度ω1相反方向的旋转角速度ω1′。
在音叉型振动片10a的频率稳定性不好的情况下，音叉型振动片的驱动振动频率和检测振动频率相对于温度变化分别变动，检测灵敏度变化。换言之，由于驱动振动频率和检测振动频率之间的频率差变化，检测灵敏度变化。由于该检测灵敏度的变化，有时在没有作用旋转角速度的情况下也检测出象作用了科里奥利力时那样的电信号(称为泄漏输出)。但是，本实施例的角速度传感器的频率相对于温度的稳定性良好，所以可以使相对于温度变化的泄漏输出的变化很小。另外，已知GaPO4的电机耦合系数比石英大。因此，可以加大从元件单体输出的电信号，可以减轻检测电路的放大部的负担。
另外，在前述的角速度传感器1000的说明中，说明了在收纳容器内收纳音叉型振动片10a的结构，但也可以是在同一收纳容器内收纳电路部的结构，即所谓电路一体型角速度传感器。如图12的电路框图所示，一体型角速度传感器2000在同一收纳容器内收纳了音叉型振动片10a、具有驱动音叉型振动片10a的功能的驱动电路部70、处理检测出的角速度的电信号的同步检波部71、调整电路部72、功能逻辑电路部73等的电路部。另外，图12记载的所有模块也可以不在同一收纳容器内，例如，也可以是音叉型振动片10a和驱动电路70收纳在同一收纳容器内的结构。
另外，在前述的角速度传感器1000的说明中，利用绕Z′轴作用旋转角速度ω1的例子进行了说明，但也可以检测其它方向的旋转角速度。例如，通过在图11所示的音叉型振动片10a的臂部52a、52b的侧面部63上设置检测电极(未图示)，可以检测绕Y′轴的旋转角速度ω2或者与旋转角速度ω2相反方向的旋转角速度ω2′。
另外，作为具有本发明的音叉型振动片的电子设备，可以列举出作为频率基准源的振荡器、便携电话、数码相机等的电子设备。在前述电子设备中，该电子设备中所具有的上述实施例的音叉型振动片在使用温度范围很宽的情况下，也可以无需温度补偿电路而使频率稳定。因此，可以避免电路的部件数量和工作量的增加，实现成本的缩减。另外，利用电机耦合系数较大这一点，在由于制造工艺的偏差，不是频率相对于温度变化的变动量、而是频率本身发生偏差的情况下，也可以通过周边电路容易地对频率进行修正。
如以上说明的那样，根据本发明，通过对于音叉型振动片使用按照特定角度切出的GaPO4基板，可以得到具有稳定的频率温度特性的音叉型振动片，可以提供无需复杂的模式耦合、或者使用多个振动片，即可具有稳定的频率温度特性的小型的音叉型振动片。

Claims (6)

1.一种音叉型振动片，其使用GaPO4作为压电材料，具有一对臂部，其特征在于，
绕着作为所述GaPO4的晶轴的X轴、Y轴和Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转大于等于7.7°且小于等于11.3°的角度，相对于由此得到的所述X轴、新的Y′轴以及Z′轴，使所述臂部的厚度方向成为所述Z′轴，使所述臂部的宽度方向成为所述X轴，使所述臂部的长度方向成为所述Y′轴，从而形成该音叉型振动片。
2.根据权利要求1所述的音叉型振动片，其特征在于，所述角度是绕所述X轴向着+X轴方向以顺时针方向旋转的大于等于8.4°且小于等于10.7°的角度。
3.一种音叉型振动片，其使用GaPO4作为压电材料，具有一对臂部，其特征在于，
绕着所述GaPO4的晶轴X轴、Y轴和Z轴中的所述X轴，向着+X轴方向以顺时针方向旋转大于等于52.9°且小于等于54.4°的角度，相对于由此得到的所述X轴、新的Y′轴以及Z′轴，使所述臂部的厚度方向成为所述Z′轴，使所述臂部的宽度方向成为所述X轴，使所述臂部的长度方向成为所述Y′轴，从而形成该音叉型振动片。
4.一种压电振子，其特征在于，具有权利要求1～3中任意一项所述的音叉型振动片。
5.一种角速度传感器，其特征在于，具有权利要求1～3中任意一项所述的音叉型振动片。
6.一种电子设备，其特征在于，具有权利要求1～3中任意一项所述的音叉型振动片。
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