JP2005217903A

JP2005217903A - 音叉型振動片及び電子機器

Info

Publication number: JP2005217903A
Application number: JP2004023935A
Authority: JP
Inventors: Makoto Eguchi; 誠江口; Shigeo Kanna; 重男神名; Masako Tanaka; 雅子田中
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11
Also published as: WO2005074130A1; CN1914799B; CN1914799A; US20050206277A1

Abstract

【課題】
広い温度範囲にわたって安定した周波数が得られるようにする。
【解決手段】
音叉型振動片の圧電材料にＧａＰＯ４を用い，前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のＸ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に７．７°〜１１．３°、または５２．９°〜５４．４°回転させた新しいＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に、前記音叉型振動片の厚み方向をＺ’軸、腕の幅方向をＸ’軸、腕の長さ方向をＹ’軸とする音叉型振動片を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、音叉型振動片及び当該振動片を備えた振動子および各速度センサおよび電子機器に関する。

時計や電子機器等の周波数源として古くから使用されている振動子に、屈曲振動を利用した音叉型水晶振動子がある。この音叉型水晶振動子は温度変化に対する周波数変動が小さいことが知られている。例えば、水晶の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに前記Ｙ軸に対して時計方向に１．５°回転させた新しいＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された水晶基板上に、音叉型水晶振動子の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ’軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とした音叉型水晶振動子（図示せず）の周波数温度特性（温度変化に対する周波数変動特性）を図８に示す。横軸が温度（単位：℃）であって、縦軸が温度２５℃のときの周波数を基準にした周波数偏差（単位：ｐｐｍ）を示している。

この温度変化に対する周波数変動を一層低減させる目的から、音叉型水晶振動子に存在する二つの振動を利用して、この二つの振動を結合させる場合がある。（例えば、特許文献１）
また、同一の水晶基板に周波数温度特性の異なる二個の音叉型水晶振動子を形成し、二つの周波数の差を基準周波数とする場合がある。（例えば、特許文献２）
また、水晶基板の代わりにＧａＰＯ４基板が用いられる場合がある。（例えば、非特許文献１）
特開昭５４−４０５８９特開昭５２−３９３９１Ｌ.Ｄｅｌｍａｓ、Ｆ.Ｓｔｈａｌ、Ｅ.Ｂｉｇｌｅｒ、Ｂ.Ｄｕｌｍｅｔ、ａｎｄＲ.Ｂｏｕｒｑｕｉｎ、"Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＣｕｔｓＦｏｒＶｉｂｒａｔｉｎｇＢｅａｍＲｅｓｏｎａｔｏｒｓＯｆＧａｌｌｉｕｍＯｒｔｈｏｐｈｏｓｐｈａｔｅＧａＰＯ４"Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２００３ＩＥＥＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＣｏｎｔｒｏｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍａｎｄＰＤＡＥｘｈｉｂｉｔｉｏｎ、ｐｐ.６６３−６６７

しかし、特許文献１に記載の音叉型水晶振動子は、二つの振動の結合度合いによって周波数温度特性が大きく変化するため、歩留まりが悪いという課題があった。さらに、基部に振動が漏れやすく、支持方法が容易ではないという課題があった。

また、特許文献２に記載の音叉型水晶振動子は、音叉型水晶振動子を二個使用していることから、小型化が困難であるとともに高コストになるという課題があった。

また、非特許文献１に記載の振動子は単純な梁状の振動子であり、この梁状振動子における計算はなされているものの、音叉型振動子の形状における計算はなされていない。さらに計算に用いた理論式には弾性定数しか考慮されておらず、実際の振動子に存在する圧電定数や誘電率は考慮されていないことから、実際の最適な条件を表しているとは言い難い。特に、ＧａＰＯ４は水晶に比べて電気機械結合係数が大きいため、圧電定数や誘電率を含んだ実際の音叉型振動子では、最適な条件が大きく変わり、所望の周波数温度特性を得られないことがある。

本発明は、上記従来の問題点に着目し、広い温度範囲において温度特性が良好な音叉型振動子を提供することを目的とする。

発明者は、ＧａＰＯ４を用いた音叉型振動子の周波数温度特性について、音叉型振動子が形成された圧電基板のカット角について種々検討したところ、非特許文献１記載の条件とは異なる条件において良好な周波数温度特性が得られることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明に係る音叉型振動片は、圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に７．７°〜１１．３°回転させた新しいＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動片の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ’軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする。

上記構成によれば、良好な周波数温度特性を有し、かつ−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲の任意の温度に頂点温度を設定することができるという効果を有する。

また、本発明に係る音叉型振動片は、圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に８．４°〜１０．７°回転させた新しいＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動片の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ'軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする。

上記構成によれば、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量が音叉型水晶振動子より良好になるという効果を有する。

また、本発明に係る音叉型振動片は、圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に５２．９°〜５４．４°回転させた新しいＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動子の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ’軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする。

上記構成によれば、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量が音叉型水晶振動子より良好になるとともに、室温近傍における周波数変動量を小さくすることができるという効果を有する。

また、本発明に係る角速度センサは、上記の音叉型振動片を備えていることを特徴とする。これにより、使用される温度範囲が広い場合であっても、温度補償回路を必要とすることなく周波数を安定させることができる。また、温度変化に対する漏れ出力の変化を小さくすることができる。さらに電気機械結合係数が水晶より大きいことにより、素子単体から出力される電気信号を大きくすることができ、検出回路の増幅部の負担を軽減できる。

また、本発明に係る電子機器は、上記の音叉型振動片を備えていることを特徴とする。これにより、使用される温度範囲が広い場合であっても、温度補償回路を必要とすることなく周波数を安定させることができ、回路の部品点数や工数の増加を避けることができ、コストの低減が図れる。さらに電気機械結合係数が大きいことを利用し、製造プロセスのばらつきにより、温度に対する周波数の変動量ではなく周波数そのものがばらついた場合であっても、周辺回路によって容易に周波数を修正することができる。

本発明に係る音叉型振動子、角速度センサ、電子機器の実施の形態を、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る音叉型振動片を得るためのＧａＰＯ４の結晶軸の定義を示すものである。ＧａＰＯ４結晶１の結晶軸は、図１に図示する直交する３軸、すなわちＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸によって定義される。

図２は本発明に係る音叉型振動片１０と前記結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸と圧電基板１３の切り出し角との関係を示すものである。本発明に係る音叉型振動片１０は、図１に記載のＧａＰＯ４結晶１から前記結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向にθ（以下、「角度θ」と書く）だけ回転させた新しいＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板１３上に設けられ、大略方形の基部１１と前記Ｙ’軸に延在する２本の腕部１２ａおよび１２ｂとを有し、前記腕部１２ａおよび１２ｂがＸ’Ｙ’平面にて逆位相で屈曲振動する音叉型振動片である。図２では腕部１２ａおよび１２ｂは、前記Ｙ軸において、＋Ｙ’軸方向に延在しているが、−Ｙ’軸方向に延在しても良い。すなわち、前記角度θに１８０°を加えても、図２に基づいて説明した前記音叉型振動片１０と前記結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸と圧電基板１３の切り出し角との関係は変わるものではない。

図３は従来の音叉型水晶振動片と本発明の第１の実施形態に係る音叉型振動片（角度θ＝９．３°）の周波数温度特性を示したものである。図３に示されているように、角度θ＝９．３°の音叉型振動片の場合、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における最大周波数を基準とした周波数偏差の変動幅（周波数変動量＝周波数偏差の最大値―周波数偏差の最小値）が、音叉型水晶振動片の周波数変動量より小さく抑えることが可能となる。

図４は本発明の第１実施形態に係る音叉型振動片の回転角の角度θと周波数温度特性の頂点温度（周波数温度特性の極値を与える温度であり、例えば図３では最大周波数を与える温度である）の関係を示したものである。図４において，角度θが７．７°〜１１．３°の範囲で頂点温度が−４０℃以上かつ＋１２０℃以下になることがわかる。民生用途で使用される温度範囲（以下、使用温度範囲）は、広いものでは−４０℃〜＋１２０℃がある。そして、用途によって使用頻度が高い温度は異なっており、この使用頻度が高い温度の近傍に頂点温度を有する音叉型振動片が望まれる。従って、角度θを７．７°〜１１．３°とすることにより、使用頻度が高い温度の近傍に頂点温度が存在する音叉型振動片が得られ、温度変化による周波数変化を小さく抑えた、温度に対して周波数が安定した音叉型振動片が提供できる。

図６は本発明の第２の実施形態に係る音叉型振動片の、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量を示したものである。図３に示した従来の音叉型水晶振動片は、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量は約２６０ｐｐｍである。図６より、角度θが８．４°〜１０．７°の範囲では周波数変動量が約２６０ｐｐｍ以下となる。すなわち、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における本発明の圧電振動片の周波数変動量は、従来の音叉型水晶振動片の周波数変動量より良好にできる。例えば、角度θ＝９．６°の場合、周波数変動量が約１００ｐｐｍとなり、従来の音叉型水晶振動片の周波数変動量より、かなり小さくなる。

図５は本発明の第３実施形態に係る音叉型振動片の周波数温度特性を示したものである。図５において、角度θが５４．０°近傍で周波数温度特性が３次曲線となり，温度に対して周波数が安定した音叉型振動片が得られる。すなわち、室温近傍における周波数変動量を小さくすることができる。

図７は本発明の第３の実施形態に係る音叉型振動片の、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量を示したものである。図７より、角度θが５２．９°〜５４．４°の範囲では周波数変動量が約２２０ｐｐｍ以下となる。すなわち、−４０℃〜＋１２０℃の温度範囲における周波数変動量が音叉型水晶振動片より良好にできる。

また、本実施形態に係る音叉型振動片を備えている角速度センサは、使用温度範囲が広い場合であっても、温度補償回路を必要とすることなく周波数を安定させることができる。図示しないが、音叉型振動片を備えている角速度センサとは、前記角速度センサの素子の一部に上記実施例の音叉型振動片を含んでいるものを指す。前記角速度センサは、振動する物体に回転角速度が働くと、この振動している物体にコリオリ力が発生することを利用し、そのコリオリ力による変形に基づくひずみを電気信号として取り出すことで、角速度を検出する。周波数安定性が悪い場合、回転角速度が働いていないにもかかわらず、コリオリ力が作用したかのような電気信号が出力される（漏れ出力と呼ぶ）ことがある。しかし、前記角速度センサは、温度に対する周波数安定性が良いことから、温度変化に対する漏れ出力の変化を小さくすることができる。また、ＧａＰＯ４は電気機械結合係数が水晶より大きいことが知られている。これにより、素子単体から出力される電気信号を大きくすることができ、検出回路の増幅部の負担を軽減できる。

また、本実施形態に係る音叉型振動片を備えている電子機器としては、周波数基準源となる発振器、携帯電話、デジタルカメラのような電子機器が挙げられる。前記電子機器では、当該電子機器に備えられた上記実施例の音叉型振動片が、使用される温度範囲が広い場合であっても、温度補償回路を必要とすることなく周波数を安定させることができることから、回路の部品点数や工数の増加を避けることができ、コストの低減が図れる。さらに電気機械結合係数が大きいことを利用して、製造プロセスのばらつきにより、温度変化に対する周波数の変動量ではなく周波数そのものがばらついた場合であっても、周辺回路によって容易に周波数を修正することができる。

以上説明したように、本発明によれば、音叉型振動片に特定の角度で切り出されたＧａＰＯ４基板を用いることにより、安定した周波数温度特性を備えた音叉型振動片を得ることができ、複雑なモード結合を用いたり、あるいは複数個の振動片を用いたりせずに安定した周波数温度特性を備える小型な音叉型振動片を容易に提供することができる。

さらに本発明によれば、上述した効果を享受した角速度センサ、電子機器を提供することができる。

ＧａＰＯ４の結晶軸の説明図である。本発明に係る圧電基板切り出し角度の説明図である。本発明の第１の実施形態に係る音叉型振動片の周波数温度特性の一例を表した図である。本発明の第１の実施形態に係る音叉型振動片の角度θと周波数温度特性の頂点温度の関係を表した図である。本発明に係る第２の実施形態に係る音叉型振動片の周波数温度特性を表した図である。第１の実施形態に係る音叉型振動片における使用温度範囲内における周波数変動量を表した図である。第２の実施形態に係る音叉型振動片における使用温度範囲における周波数変動量を表した図である。従来の音叉型水晶振動片の周波数温度特性の一例を表した図である。

符号の説明

１ＧａＰＯ４結晶
１０本発明に係る音叉型振動片
１１基部
１２ａ、１２ｂ音叉腕
１３圧電基板

Claims

圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、
前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に７．７°〜１１．３°回転させた新しいＸ’軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動片の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ’軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする音叉型振動片。
圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、
前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に８．４°〜１０．７°回転させた新しいＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動片の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ'軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする音叉型振動片。
圧電材料にＧａＰＯ４を用いた音叉型振動片であって、
前記ＧａＰＯ４の結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の前記Ｘ軸まわりに＋Ｘ軸方向に向かって時計方向に５２．９°〜５４．４°回転させた新しいＸ’、Ｙ’、Ｚ’軸に対して、前記Ｚ’軸に垂直に切り出された圧電基板上に設けられた音叉型振動片であって、前記音叉型振動片の厚み方向を前記Ｚ’軸、腕の幅方向を前記Ｘ’軸、腕の長さ方向を前記Ｙ’軸とすることを特徴とする音叉型振動片。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音叉型振動片を備えることを特徴とする角速度センサ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の音叉型振動片を備えることを特徴とする電子機器。