JP5003811B2 - 圧電振動片、圧電振動子および加速度センサ - Google Patents
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Description
圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により各面における曲げ応力等に対する剛性が異なる場合が発生する。このような圧電振動片を励振電極により屈曲振動させると、所定の振幅方向のみならずそれに垂直な方向にも振幅する成分を有することになる。よって適用例1によれば、前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の屈曲振動に垂直に振動する方向に振動する成分を低減することができる。したがって第3の方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。
Zカット圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により+Z面と−Z面において曲げ応力等に対する剛性が異なる。このような圧電振動片を励振電極により屈曲振動させると、板状の圧電振動片が形成する平面と水平に振幅する成分のみならずそれに垂直な方向(厚み方向)にも振幅する成分を有することになる。よって適用例2によれば、前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の厚み方向に振動する成分を低減することができる。したがって厚み方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。
適用例3によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その+Z面に溝を形成することにより振動腕の+Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、振動腕の+Z面側と−Z面側との剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。
適用例4によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その+Z面に切欠きを形成することにより、適用例3の場合に比べてより小さな領域をエッチング加工するのみで効果的に+Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱めることができる。さらに適用例3の場合のようにフォトリソ加工において溝の位置決めを行うような高精度なパターニングを必要としないので、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。
適用例5によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側の両面に溝を設けることにより圧電振動片のCI値を低下させることができ、さらに+Z面側の溝を−Z面側よりも深く設けることにより、+Z面側と−Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の相対強度差を小さくして屈曲振動に対する振動腕の+Z面側と−Z面側の剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が抑制され、かつCI値の低い圧電振動片を形成することができる。
適用例6により、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その+Z面側に溝を形成することで、+Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕の+Z面側と−Z面側の剛性のバランスをとることができる。また、+Z面側の溝と−Z面側の溝とが深さ方向で干渉することがない。よって、適用例5よりも溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、適用例5の場合よりも溝を深く設計することができるため、適用例5の場合よりもさらにCI値の低い圧電振動片を形成できる。また適用例5の場合よりも厚み方向の非対称性が向上するため、厚み寸法に起因する不要振動の発生を抑制効果が向上する。
適用例7により、適用例6と同様に+Z面側の溝と−Z面側の溝とが深さ方向で干渉することがなく、溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、オーバーラップ領域において振動腕が厚み方向で薄くなり両面の溝に形成された励振電極同士の距離が短くなり、オーバーラップ領域に大きな電界を印加することができるため、さらにCI値の低い圧電振動片を形成できる。また溝領域のエッチング液との接触は外形領域の場合よりも疎となるため、溝領域のエッチング速度は外形のエッチング速度より遅くなる。よって溝を掘り下げるための特別な工程を必要とせず、圧電振動片の外形抜きと同時に行うことができ、適用例6の場合よりさらに歩留まりの高い圧電振動片を形成できる。
適用例8の構成によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側が肉厚となるように溝の長さを短く構成することができるため、梁の長さを短く構成しても−Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を+Z面側に対して相対的に高めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕の+Z面側と−Z面側との剛性のバランスをとることができる。また励振電極膜を形成する溝の長さを十分確保することができるので、溝内に広く圧電振動片の電極を形成することができる。また両面に溝を設けた形態を維持しているため適用例5の圧電振動片と遜色のないCI値をもつ圧電振動片を形成することができる。さらに梁を形成したことにより厚さ方向の非対称性が適用例5または6の場合に比べて向上するため、厚さ寸法に依存する不要振動の発生を抑制効果が向上する。
適用例9によれば、−Z面の溝において梁を基部側から自由端側へ離隔させるほど−Z面の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱くすることができる。したがって梁の位置を適切に決定することにより、振動腕の−Z面の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の微調整を行うことができる。また梁の位置を適切に決定することにより厚み方向の非対称性の度合いを決定できるので不要振動を抑制するための最適化を行うことができる。
適用例10によれば、圧電振動片に上述の溝等を形成する特別なエッチング処理を行うことなく、−Z面側の電極膜を+Z面側より厚くすることで−Z面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を相対的に高めることにより、屈曲振動に対する両面の剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。また、圧電振動片に溝等を形成する必要がないため製造プロセスが複雑になることが避けられ、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。さらに、適用例1乃至9に記載の圧電振動片に本適用例を付加することにより、エッチング加工により得られる、溝等だけでなく、電極膜により屈曲振動に対する剛性のバランスを調整することになるため、振動腕の剛性の調整範囲が拡大し、他軸感度の低減をより効果的に行うことができる。
適用例11によれば、振動腕が基部に2本平行に片持ち支持で設けられることにより、振動腕は音叉型に形成されることとなり、さらに前記振動腕に励振電極をクロス配線することにより、振動腕が互いに接近・離反する屈曲振動を基本波モードとする逆相振動が可能な音叉型の圧電振動片を形成することができ、さらに適用例1乃至10のいずれかを前記圧電振動片に適用することにより、厚み方向の加速度すなわち他軸感度を低減させた音叉型の圧電振動片を形成することができる。
適用例12によれば、第1の方向または長手方向を検知軸とし、屈曲振動のZ軸方向に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を実装した圧電振動子を構築することができる。また、第1の方向または長手方向を加速度検知軸とし、屈曲振動の厚み方向に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を実装した加速度センサを構築することができる。さらに実装後の周波数調整は振動腕の自由端側で行われるが、剛性の調整は振動腕の基部側で行なわれるため、周波数調整と剛性の調整はお互いに干渉することなく独立に行うことができる。
第1実施形態にかかる音叉型圧電振動片の概略図を図1(a)(全体図)、(b)、(c)(A−A線断面図)に示す。なお、後述の実施形態も全体的な外形は同じであるため図1(a)に記載されたA−A線、及びB−B線は他の実施形態においてもそのまま適用する。また図1に示される互いに垂直なX軸、Y軸、Z軸の方向と音叉型圧電振動片との関係は、他の実施形態においてそのまま適用する。さらにいずれの実施形態においても音叉型圧電振動片の屈曲振動は基本波モードである。
振動腕14には、+Z面16に、長手方向に延びる溝26がそれぞれ形成されている。溝26は、振動腕14の長手方向の50〜70%の長さを有する。また溝26は、振動腕14の幅の60〜90%の幅を有する。溝26は、第1の側面20と背中合わせに延びる第1の内面28と、第2の側面22と背中合わせ延びる第2の内面30とを含む。
また1つの振動腕14に形成された第1の側面電極膜36と第2の側面電極膜38は電気的に接続され、第2の励振電極膜48を構成する。
また、底面電極膜44は第3の励振電極膜50を構成する。
また、異方性材料を用いた場合、+Z面側に溝を設けると(3)、溝がない形状(2)よりも周波数偏差が約半分に低下し、一方、−Z面側に溝を設けると(4)、溝がない形状(2)よりも周波数偏差が増加した。
Claims (4)
- 厚みを規定する2つの主面がZ軸と交わったZカット圧電基板により形成され、屈曲振動する振動腕と、前記振動腕の長手方向の一端側が非固定状態の自由端である片持ち梁の状態で前記振動腕が支持されるように前記振動腕の長手方向の他端側を固定する基部と、を備えた圧電振動片であって、
前記振動腕の+Z面側の主面に前記長手方向に沿って設けられ、且つ当該主面から厚み方向に掘り下げられた形状の有底の第1の溝と、前記振動腕の−Z面側の主面に前記長手方向に沿って設けられ、且つ当該主面から厚み方向に掘り下げられた形状の有底の第2の溝とを有し、前記第1の溝における前記自由端の側にあって、且つ前記+Z面側の主面に位置する端は、前記第2の溝における前記基部の側にあって、且つ前記−Z面側の主面に位置する端よりも前記基部の側に位置し、
前記第1の溝と前記第2の溝とは、長手方向から見て互いに重なり合う部分を備えていることを特徴とする圧電振動片。 - 前記振動腕の+Z面に設けられた第1の電極膜と、前記振動腕の−Z面に設けられた第2の電極膜とを有し、前記第1の電極膜が前記第2電極膜より薄いことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
- 前記振動腕は前記基部に2本平行に片持ち支持で設けられ、一方の振動腕に形成された前記励振電極と、他方の振動腕に形成された前記励振電極とがクロス配線によって接続されたことを特徴とする請求項1または2に記載の圧電振動片。
- 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電振動片を、前記基部を固定端として片持ち支持状態でパッケージに実装したことを特徴とする圧電振動子または加速度センサ。
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