JP2011019159A - 圧電振動片、圧電振動子及び圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 第２高調波で発振させることができないように、この第２高調波の発生する周波数帯を基本波に対してより高い周波数帯にシフトさせることで、基本波のみによる正確な発振を得ることができる音叉型の圧電振動片を提供することである。
【解決手段】 基部２２と、この基部２２から所定の腕幅、腕長及び腕厚を有して平行に延び、表面に励振電極２９，３０が形成される一対の振動腕部２３，２４とを備え、基本波の振動を得るための音叉型の圧電振動片２１において、前記一対の振動腕部２３，２４は、それぞれが前記基部２２から延びる第１腕部２３ａ，２４ａと、この第１腕部２３ａ，２４ａの先方に延び、該第１腕部２３ａ，２４ａの腕幅よりも広い腕幅を有する第２腕部２３ｂ，２４ｂとによって形成され、前記第１腕部２３ａ，２４ａに対する第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕幅を約２倍以上、腕長を振動腕部２３，２４の全長の３０％以上に設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基本波での正確な発振を得るための音叉型の圧電振動片、この圧電振動片を組み込んだ圧電振動子及びこの圧電振動子に発振回路を備えた圧電発振器に関するものである。

従来の音叉型の圧電振動片は、基部と、この基部から延びる一対の振動腕部とを有し、この振動腕部の表面に励振電極を形成することによって、所定の基本波による発振のための振動を得るようになっている。また、前記振動腕部の表面に溝部を形成し、この溝部の内周面に励振電極を形成することで、電界効率の向上及び等価直列抵抗（Ｒ１）の改善を図っている。

このような音叉型の圧電振動片、圧電振動子を用いて構成される圧電発振器にあっては、基本波による正確な発振が求められるが、高調波の影響で正確な発振が阻害される場合がある。

特許文献１では、高調波の影響も含んだ振動特性を改善することを目的として、振動腕部に形成する溝部の長さに対する励振電極の長さを短くした構造の圧電振動片が示されている。この発明は、溝部と励振電極との寸法関係を規定することで、基本波の等価抵抗値Ｒ１を第２高調波の等価抵抗値Ｒ２よりも小さくすることを目的としている。また、特許文献２では、発振回路の基本波での負性抵抗を高くして発振余裕度を大きくし、高調波では負性抵抗を低くして発振できないようにするための内容が開示されている。

図９は、一般的な音叉型の圧電振動片で構成した圧電発振器における負性抵抗の周波数特性の一例を示したものである。この圧電発振器は、基本波（例えば、３２．７６８ｋＨｚ）での発振余裕度を十分に取れるようにするため、３２ｋＨｚでは負性抵抗が５００Ω以上となるように設計される。この発振回路は、周波数が高くなるにしたがって負性抵抗は徐々に減少していき、およそ３００ｋＨｚで発振不能となる。一般的な音叉型の圧電振動片の場合は、基本波３２．７６８ｋＨｚに対して、屈曲モードの第２高調波は約２００ｋＨｚとなるが、この２００ｋＨｚ付近の発振回路の負性抵抗は十分に大きく、通常の音叉型の圧電振動片ではこのような第２高調波で発振してしまうといった不具合を生じることがある。

特開２００２−２８０８７０号公報 特開２００３−２７３７００号公報

上記第２高調波における発振現象については、圧電振動片が大きい場合にはＲ１＜Ｒ２となるように各部の寸法を設計することは容易であり、その対応も可能である。しかしながら、圧電振動片の小型化に伴って設計の余裕度が少なくなると、Ｒ１＞Ｒ２となる場合があり、従来の設計手法が使えなくなってきた。

一方、圧電振動片の振動腕部に溝部を設けることで、電気機械エネルギー効率の改善効果が得られることは知られているが、第２高調波に対してどの程度影響を及ぼすかは明らかにされていない。また、前記振動腕部に形成される励振電極に関しては、短くすると第２高調波の等価抵抗を悪化させると同時に基本波の等価抵抗も悪化させてしまうなどの影響がある。これは、特に小型の圧電振動子を形成する場合に顕著となるため、採用することはできない。

そこで、本発明の目的は、第２高調波で発振させることができないように、この第２高調波の発生する周波数帯を基本波に対してより高い周波数帯にシフトさせることで、基本波のみによる正確な発振を得ることができる音叉型の圧電振動片、圧電振動子及び圧電発振器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の圧電振動片は、基部と、この基部から所定の腕幅、腕長及び腕厚を有して平行に延び、表面に励振電極が形成される一対の振動腕部とを備え、基本波の振動を得るための音叉型の圧電振動片において、前記一対の振動腕部は、それぞれが前記基部から延びる第１腕部と、この第１腕部の先方に延び、該第１腕部の腕幅よりも広い腕幅を有する第２腕部とによって形成され、前記第１腕部に対する第２腕部の腕幅を約２倍以上、腕長を振動腕部の全長の３０％以上に設定することによって、第２高調波の振動を阻止することを特徴とする。

本発明の圧電振動片によれば、一対の振動腕部が基部から延びる第１腕部と、この第１腕部の先に延びる第２腕部とによって構成され、先端側の第２腕部が第１腕部よりも２倍以上の広い腕幅と、振動腕部の全長の３０％以上を占める腕長とを有して形成されているため、第２高調波の振動節点が前記第１腕部の基部側に近い位置にシフトされることとなる。これによって、第２高調波の振動が阻止され、本来の純粋な基本波のみによる正確な発振が可能となる。また、前記振動腕部に溝部を形成しているため、等価直列抵抗値の改善効果も得られることとなる。

また、本発明の圧電振動子は、前記構造による圧電振動片をケース内に気密封止しているため、第２高調波で発振されることなく、基本波のみによる正確な発振を得ることができる。さらに、前記圧電振動子と、この圧電振動子を３２〜３３ｋＨｚで発振させるための発振回路とを組み合わせることで、前記発振回路の負性抵抗の絶対値が基本波の等価抵抗以上であり、第２高調波近傍における発振周波数の負性抵抗の絶対値が該第２高調波の等価抵抗以下となる圧電発振器を得ることができる。

本発明の圧電振動片の斜視図である。 上記圧電振動片の平面図である。 上記圧電振動片の断面図である。 第１腕部と第２腕部の腕幅及び腕長の比率を変化させた場合の基本波と第２高調波との関係を示す測定グラフである。 上記圧電振動片を組み込んだ圧電振動子の透過平面図である。 上記圧電振動子を中心として構成される圧電発振器の回路図である。 第２実施形態の圧電振動片の平面図である。 第３実施形態の圧電振動片の平面図である。 従来の圧電振動片を用いた発振回路における負性抵抗の周波数特性を示すグラフである。

以下、本発明の圧電振動片の実施形態を添付図面に基づいて説明する。本実施形態の圧電振動片は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系においてカットされた水晶板を音叉型に加工して形成されている。なお、この圧電振動片は、ＸＹＺからなる三次元の直交座標系のＸ−Ｙ平面（Ｚ板）をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたＸＹ´Ｚ´の座標系の水晶板が用いられ、振動周波数の範囲が３２〜３３ｋＨｚに設定される。本実施形態の圧電振動片では、時計用の基準信号として現在広く用いられている３２．７６８ｋＨｚを基本波としている。

図１及び図２は、本実施形態における圧電振動片２１の全体の基本形状を示したものであり、図３は、前記圧電振動片２１のＡ−Ａ断面を示したものである。この圧電振動片２１は、図示しないケース内に固定される矩形状の基部２２と、この基部２２から平行に延びる一対の振動腕部２３，２４とを備えている。

前記振動腕部２３，２４は、基部２２の一端からＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に平行する一対の細長い四角柱体であり、前記基部２２から延びる第１腕部２３ａ，２４ａと、この第１腕部２３ａ，２４ａの先にＸ軸方向の腕幅Ｗ２を広くした第２腕部２３ｂ，２４ｂとによって一体に形成されている。前記第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕幅Ｗ２は、第１腕部２３ａ，２４ａの腕幅Ｗ１に対して２倍以上となるように、第１腕部２３ａ，２４ａの左右側面から張り出して形成される。本実施形態では、図２に示したように、振動腕部２３，２４の腕長方向に対する振動の中立線であるセンターライン（ＹＺ面）を中心として左右対称となるように張り出し量を設定した。ただし、前記張り出し量は、左右それぞれの振動腕部のセンターライン（ＹＺ面）に対して鏡像であれば均等である必要はない。また、前記第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕長Ｌ２と第１腕部２３ａ，２４ａの腕長Ｌ１は、後述する腕幅Ｗ２，Ｗ１の比率に応じて設定される。なお、第２腕部２３ｂ，２４ｂと第１腕部２３ａ，２４ａの厚みについては略均一に設定される。本実施形態では、第２腕部２３ｂ，２４ｂ全体が第１腕部２３ａ，２４ａより広い一定の腕幅にして形成されているが、必ずしも一定の腕幅でなくとも、左右対称形であり、全体として第１腕部２３ａ，２４ａより広く形成されていればよい。例えば、先端部に向かって最大腕幅となるようにテーパ状に形成したり、中間部が最大腕幅となるように楕円状あるいはひし形状に形成したりすることによっても特有の効果を得ることができる。なお、前記第１腕部２３ａ，２４ａの基端部にあっては、振動による負荷が大きくかかる部分であるため、補強用として、前記基部２２と繋がる部分が若干広くなるように裾部２３ｃ，２４ｃが形成されている。ただし、この裾部２３ｃ，２４ｃによって基本波や第２高調波に影響を及ぼすことはない。

前記振動腕部２３，２４の表面には、前記基部２２から延びる極性の異なる励振電極２９，３０が形成されている。前記振動腕部２３の表面及び裏面には励振電極２９が形成され、振動腕部２４の表面及び裏面には励振電極３０が形成される。また、前記振動腕部２３の両側面には励振電極３０が、振動腕部２４の両側面には励振電極２９が形成される。

また、前記第１腕部２３ａ，２４ａには、表面側（＋Ｚ面）及び裏面側（−Ｚ面）にそれぞれのＹ軸方向に沿って溝部２５，２６が設けられる。この溝部２５，２６は振動腕部２３，２４の＋Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向と−Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向に沿って設けられる。前記溝部２５，２６は、略同一の溝幅Ｗ３、溝長Ｌ３及び溝厚によって形成されている。

次に、上記構造の圧電振動片２１において、第１腕部２３ａ，２４ａと第２腕部２３ｂ，２４ｂのそれぞれの腕幅及び腕長に対する基本波（Ｆ１）及び第２高調波（Ｆ２）との関係を実証するための実験結果について説明する。この実験は、有限要素法のＡＮＳＹＳに基づくもので、用いた圧電振動片のサンプルは、図２に示したように、基部２２の幅が０.３２ｍｍ、長さが０．３０ｍｍであり、振動腕部２３，２４の腕長Ｌ０は１．００ｍｍに設定した。また、溝部２５，２６は、それぞれの振動腕部２３，２４の腕長Ｌ０を長手方向に沿って２分する中心線に沿って形成され、その溝幅Ｗ３はおよそＷ１−１０μｍで、溝の深さは、表面及び裏面から形成した場合に貫通しないように、振動腕部２３，２４の厚みの１／２未満に設定される。また、励振電極２９，３０は、前記溝部２５，２６を設けた領域全体をカバーすると共に、溝部２５，２６の凹み面に沿うように形成される。

本実験では、第１腕部２３ａ，２４ａの腕幅Ｗ１に対する第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕幅Ｗ２を１．０〜３．２までの範囲の比率で変化させると共に、振動腕部２３，２４全体の腕長Ｌ０に対する第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕長Ｌ２を０．２〜０．８の範囲の比率で変化させて行った。このとき、Ｌ１＝Ｌ３の条件で計算しているが、Ｌ１とＬ３の関係は本発明には関係ない。図４は、前記各部の比率に対して、第２高調波（Ｆ２）が基本波（Ｆ１）からどの程度シフトするかを表したものである。この実験結果によれば、第１腕部２３ａ，２４ａと第２腕部２３ｂ，２４ｂのそれぞれの腕幅が等しい（Ｗ２／Ｗ１＝１．０）場合にあっては、Ｆ２／Ｆ１が５．９〜６．０であるのに対して、Ｗ２／Ｗ１＝３．２にあっては、Ｆ２／Ｆ１が８．２〜１２．０となっている。また、振動腕部２３，２４全体に対する第２腕部の腕長の比率（Ｌ２／Ｌ０）が高くなるにしたがって、Ｆ２／Ｆ１の比率も大きく上昇することが確認された。特に、Ｗ２／Ｗ１＝２．０以上、且つ、Ｌ２／Ｌ０＝０．３以上に設定することで、Ｆ２／Ｆ１を８．５以上とすることができ、第２高調波が基本波からより離れた高い周波数帯にシフトされる結果となった。

このような第２高調波（Ｆ２）のシフトは、第２腕部２３ｂ，２４ｂの腕幅Ｗ２を第１腕部２３ａ，２４ａの腕幅Ｗ１よりも広く設定することによって、先端部分でのマス効果が大きくなることと、第２高調波の歪みの発生している付近の近傍で振動部幅が太くなることで、振動節点が基部２２側に近いところに移動するためであると思われる。これによって、第２高調波を前記基本波に影響を及ぼさないようなより高い周波数帯にシフトすることができ、純粋な基本波のみによるノイズのない安定した振動モードを得ることができる。従来の振動腕部の腕幅が全体に亘って均一の圧電振動片では、第２高調波が基本波の約６倍の周波数帯で発生するため、基本波へ影響を及ぼしていたが、本発明の圧電振動片２１によれば、前記第２高調波の発生を基本波の約８．５倍以上、望ましくは９倍以上の高い周波数帯にシフトすることができるので、基本波への影響がほとんどゼロに近いものとなる。

また、振動腕部２３，２４に設けた溝部２５，２６によって、電界効率を高めることができるので、第２高調波の影響をなくすとともに、等価直列抵抗値Ｒ１を低減させるといった効果も同時に得ることができる。

図５は、上記振動腕部２３，２４からなる圧電振動片２１を凹陥状の収容部を有するケース５２内に蓋体（図示せず）によって気密封止した圧電振動子５０を示したものである。前記圧電振動片２１は、基部２２及び一対の振動腕部２３，２４と、前記基部２２から延びる一対の支持腕部５３を有して構成されている。前記支持腕部５３は、先端部分がケース５２内に設けられている一対の電極端子５４に導電性接着剤５５を介して導通支持される。このように、前記支持腕部５３を長く延ばすことによって、前記ケース５２が受ける衝撃が直接振動腕部２３，２４に伝わらないようにするとともに、この振動腕部２３，２４で生じた音叉振動の漏れを防止することができる。特に、前記振動腕部２３，２４の腕幅を細くすることによって、小型化を図る構造の圧電振動片５１の場合に大きな効果が得られる。

図６は、圧電発振器６０の構成例を示したものである。この圧電発振器６０は、前記圧電振動子５０と、この圧電振動子５０を基本波で発振させるための発振回路６１とを備えている。発振回路６１は、増幅素子（インバータ）ＩＣ１と、圧電振動子５０の励振レベル調整・ゲイン−周波数特性の調整・バイアス調整などのための抵抗素子Ｒ１及びＲ２、発振周波数を調整するコンデンサ素子Ｃ１、Ｃ２とからなる各種の回路素子によって構成されている。この発振回路５１の各回路素子を調整することによって、発振周波数や負性抵抗等の調整が行われる。前記発振回路６１の負性抵抗は、その絶対値が基本波の等価抵抗以上で、第２高調波近傍における発振周波数の負性抵抗の絶対値が該第２高調波の等価抵抗以下となるように調整することで、正確な基本波で発振させることができる。なお、各回路素子の数値は、３２〜３３ｋＨｚの発振周波数、特に、時計用の発振周波数（３２．７６８ｋＨｚ）による基本波を得るための一般的なものである。このような構成による圧電発振器６０は、第２高調波が高い周波数帯にシフトされているので前記発振回路で発振せず、正確な基本波による発振周波数となって出力される。

次に、上記以外で第２高調波の影響をなくすことが可能な圧電振動片の形態例を示す。図７に示す圧電振動片３１の振動腕部３３，３４は、基部３２から延びる腕幅の細い第１腕部３３ａ，３４ａから腕幅の太い第２腕部３３ｂ，３４ｂに至る間に次第に腕幅が広がるようなテーパ状の連結部３７を設けて形成したものである。また、図８に示す圧電振動片４１は、振動腕部４３，４４を構成する第２腕部４３ｂ，４４ｂが第１腕部４３ａ，４４ａの先端部から階段状に延びる連結部４７によって、ある一定のステップ幅で腕幅を段階的に広げていくように形成されている。

前記圧電振動片３１，４１は、共に第２腕部の先端部分の腕幅が最大となっており、この部分の腕幅が第１腕部の腕幅に対して大きくなるほど第２高調波のシフト幅も大きくなる。また、振動腕部に溝部を設けることや支持腕部５３を振動腕部に沿って長く延ばすことによって、等価直列抵抗Ｒ１を低減させる効果も同様に備わることとなる。

また、上記圧電振動片３１，４１に形成される溝部についても、連結部から第２腕部の腕幅に合わせて溝幅を広くすることによって、第２高調波をより高い周波数帯にシフトさせると同時にＲ１をさらに低減させることが可能となる。なお、前記溝部は、振動腕部の先端部まで長く延ばすことによって、さらなるＲ１の低減効果を得ることができる。

２１ 圧電振動片
２２ 基部
２３，２４ 振動腕部
２３ａ，２４ａ 第１腕部
２３ｂ，２４ｂ 第２腕部
２３ｃ，２４ｃ 裾部
２５，２６ 溝部
２９，３０ 励振電極
３１ 圧電振動片
３２ 基部
３３，３４ 振動腕部
３３ａ，３４ａ 第１腕部
３３ｂ，３４ｂ 第２腕部
３５，３６ 溝部
３７，４７ 連結部
４１ 圧電振動片
４２ 基部
４３，４４ 振動腕部
４３ａ，４４ａ 第１腕部
４３ｂ，４４ｂ 第２腕部
４５，４６ 溝部
５０ 圧電振動子
５２ ケース
５３ 支持腕部
５４ 電極端子
５５ 導電性接着剤
６０ 圧電発振器
６１ 発振回路

Claims (11)

1. 基部と、この基部から所定の腕幅、腕長及び腕厚を有して平行に延び、表面に励振電極が形成される一対の振動腕部とを備え、基本波の振動を得るための音叉型の圧電振動片において、
   前記一対の振動腕部は、それぞれが前記基部から延びる第１腕部と、この第１腕部の先方に延び、該第１腕部の腕幅よりも広い腕幅を有する第２腕部とによって形成され、
   前記第１腕部に対する第２腕部の腕幅を約２倍以上、腕長を振動腕部の全長の３０％以上に設定することによって、第２高調波の振動を阻止することを特徴とする圧電振動片。
2. 基部と、この基部から所定の腕幅、腕長及び腕厚を有して平行に延び、表面に励振電極が形成される一対の振動腕部とを備え、基本波の振動を得るための音叉型の圧電振動片において、
   前記一対の振動腕部は、それぞれが前記基部から延びる第１腕部と、この第１腕部の先方に延び、該第１腕部の腕幅よりも広い腕幅を有する第２腕部とを備え、第２高調波の振動節点を第１腕部の基部側にシフトさせることによって、前記第２高調波によって発生する周波数帯を基本波より高い周波数帯にシフトさせることを特徴とする圧電振動片。
3. 前記第２腕部は、前記一対の振動腕部の長手方向に沿って二分する中立線に対して左右対称に形成される請求項１又は２記載の圧電振動片。
4. 前記第２腕部は、先端部が最大腕幅となるように形成される請求項１又は２記載の圧電振動片。
5. 前記振動腕部は、前記第１腕部から第２腕部に向けてテーパ状あるいは階段状に腕幅が次第に広がる連結部を有して形成される請求項１又は２記載の圧電振動片。
6. 前記振動腕部には、前記第１腕部の基部側から第２腕部の先端部に向けて連続して延びる溝部が形成される請求項１又は２記載の圧電振動片。
7. 前記溝部は、前記第２腕部の腕幅が広くなるにしたがって溝幅が広がるように形成される請求項６記載の圧電振動片。
8. 前記第２高調波は、前記基本波の約８倍以上の高い周波数帯にシフトされる請求項１又は２記載の圧電振動片。
9. 前記第２高調波は、３２〜３３ｋＨｚの基本波に対して３００ｋＨｚ以上の周波数帯にシフトされる請求項１又は２記載の圧電振動片。
10. 凹陥状の収容部を有するケースと、
    前記収容部内に設けられる一対の電極端子と、
    該電極端子に電気的に支持される音叉型の圧電振動片と、
    前記ケースの上面を封止する蓋体とを備え、基本波の振動を得るための圧電振動子であって、
    前記圧電振動片は、基部と、
    この基部から所定の腕幅、腕長及び腕厚を有して平行に延び、表面に励振電極が形成される一対の振動腕部と、
    前記基部から前記一対の振動腕部に沿って延び、先端部が前記電極端子に支持される一対の支持腕部とを備え、
    前記一対の振動腕部は、それぞれが前記基部から延びる第１腕部と、この第１腕部の先方に延び、該第１腕部の腕幅よりも広い腕幅を有する第２腕部とによって形成され、
    前記第１腕部に対する第２腕部の腕幅を約２倍以上、腕長を振動腕部の全長の３０％以上に設定することによって、第２高調波の振動を阻止することを特徴とする圧電振動子。
11. 請求項１０記載の圧電振動子と、この圧電振動子を３２〜３３ｋＨｚで発振させるための発振回路とを備えて構成され、前記発振回路の負性抵抗の絶対値が基本波の等価抵抗以上であり、第２高調波近傍における発振周波数の負性抵抗の絶対値が該第２高調波の等価抵抗以下であることを特徴とする圧電発振器。

Images