(57)【要約】      （修正有）【課題】周波数温度特性が良好であって、水晶よりも電気機械結合係数が大きい、携帯機器の小型化に寄与する、圧電振動子を提供する。【解決手段】ＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片１０と、この圧電片に形成された励振用の電極３１，３２と、を備えた屈曲振動モードで振動する圧電振動子１００を、携帯機器に用いる。Ｘ軸に対する回転角度θが４５°〜５５°であるＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板は一次温度係数及び二次温度係数βが零に近く、周波数温度特性が良好であり、ＬｉＴａＯ３は水晶よりも電気機械結合係数が大きいので、小型化を図ったとしても、低クリスタルインピーダンス値を確保することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタル酸リチウムの４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片と、
この圧電片に形成され、当該圧電片を屈曲振動モードで振動させるための電極と、を備え、
携帯機器に用いられることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記圧電振動子は携帯機器の時計信号源として用いられることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
【請求項３】
タンタル酸リチウムの４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片と、
この圧電片に形成され、当該圧電片を屈曲振動モードで振動させるための電極と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電片は、基部と、基部より延出する複数本の振動腕部とを備えた音叉型に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンタル酸リチウムよりなる圧電片に電極を形成した圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば携帯電話や携帯情報端末等の携帯機器では、時計信号源、同期信号源等として、周波数温度特性に優れた水晶振動子が用いられている。しかしながら水晶振動子は電気機械結合係数がそれ程大きくないため、前記携帯機器のさらなる小型化が要求されると、共振抵抗値が大きくなって振動損失が増大するため、顧客のニーズを満たさないことが懸念される。
【０００３】
そこで本発明者らは、携帯機器の小型化の要請に応えるために水晶振動子よりも電気機械結合係数が大きいタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）よりなる圧電振動子を用いることを検討している。電気機械結合係数が大きいと、共振抵抗値が小さくなり、小型化しても低クリスタルインピーダンス値（ＣＩ）を確保できて、消費電力が低減できるからである。このＬｉＴａＯ３を用いて音叉型の圧電振動子を構成する場合、４０°回転Ｙ板を用いることにより、圧電項が最大になることや、１次温度係数がほぼ零になることが知られている。しかしながらＬｉＴａＯ３よりなる圧電振動子を例えば携帯機器の時計信号源に用いることを検討すると、周波数精度を高めるためには、４０°回転Ｙ板よりも周波数温度特性の良好な圧電振動子が求められる。
このように携帯機器では、小型化の要請に応えるために水晶よりも大きい電気機械結合係数を備え、かつ精度の高い周波数信号を確保するために、ＬｉＴａＯ３の４０°回転Ｙ板より周波数温度特性が良好な圧電振動子が要求される。
【０００４】
特許文献１には、ＬｉＴａＯ３の回転Ｙ板からなる音叉型圧電振動子が提案されており、特許文献２には、弾性表面波フィルタに用いられる基板として、ＬｉＴａＯ３の２４°〜５４°回転Ｙ板が好ましいことが記載されている。しかしながらこれらの特許文献１、２には、電気機械結合係数と周波数温度特性との関係については何ら開示されていない。また特許文献３には、ＬｉＴａＯ３の１３０°回転Ｙ板を用いると共振周波数の温度係数をほぼ零と設定できることが記載されているが、本発明者らは１３０°回転Ｙ板よりもさらに温度特性がよい圧電片を求めている。従ってこれらの特許文献１〜３に基づいても本発明の課題を解決することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１８５９８７号公報（段落００２０等参照）
【特許文献２】特開２０１１−２１１４６０号公報（段落００６７等参照）
【特許文献３】特開２００３−５７０３５号公報（段落００６７等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、周波数温度特性が良好であって、水晶よりも電気機械結合係数が大きい圧電片を用いることにより圧電振動子の小型化を図り、このような圧電振動子を携帯機器に用いることにより、前記携帯機器の小型化に寄与することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため本発明の圧電振動子は、タンタル酸リチウムの４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片と、
この圧電片に形成され、当該圧電片を屈曲振動モードで振動させるための電極と、を備え、
携帯機器に用いられることを特徴とする。
【０００８】
また本発明の他の圧電振動子は、タンタル酸リチウムの４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片と、
この圧電片に形成され、当該圧電片を屈曲振動モードで振動させるための電極と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
タンタル酸リチウムの回転Ｙ板は、Ｘ軸に対する回転角度と周波数温度特性の一次温度係数及び二次温度係数との間に相関関係があり、前記回転角度が４５°〜５５°である４５°〜５５°回転Ｙ板は前記一次温度係数及び二次温度係数が零に近く、周波数温度特性が良好である。またタンタル酸リチウムは水晶よりも電気機械結合係数が大きい。このためタンタル酸リチウムの４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片を用いた圧電振動子は、小さくしても低クリスタルインピーダンス値を確保することができ、圧電振動子の小型化を図ることができる。従って前記圧電振動子を携帯機器に用いた場合には、携帯機器の小型化に寄与することができ、消費電力の低減に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】圧電振動子の一実施の形態の一面側を示す斜視図である。
【図２】圧電振動子の一実施の形態の他面側を示す斜視図である。
【図３】圧電片の切断方位を説明する説明図である。
【図４】圧電振動子の横断面図である。
【図５】圧電片の回転角度と一次温度係数、二次温度係数との関係を示す特性図である。
【図６】圧電片の回転角度と周波数偏差との関係を示す特性図である。
【図７】圧電振動子のパッケージの一例を示す縦断面図と底面図である。
【図８】携帯電話の機能のブロック図である。
【図９】圧電振動子の他の例を示す正面図と横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の圧電振動子の一実施の形態について、図１〜図４を参照して説明する。この圧電振動子１００は、図１及び図２に示すように音叉型の圧電振動子であり、図１は一面側（表側）から見た斜視図、図２は他面側（裏側）から見た斜視図である。この圧電振動子１００における圧電片１０は、基部１と、この基部１の上端側から各々互いに間隔をおいて平行に伸び出した一対の振動腕部２１、２２とを備えていて、全体の形状が音叉型の圧電片１０として構成されている。
【００１２】
前記圧電片１０は、ＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる。この回転Ｙ板とは、図３に示すように、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした直交座標系において、ＸＺ平面を主面とする板状体２０を、Ｘ軸を回転軸として反時計回りに回転角度θで回転させたＸＺ´平面に主面を有するものである。
【００１３】
前記振動腕部２１、２２の一面側の中央部には、夫々振動腕部２１、２２の長さ方向に沿って溝部２３１、２３２が形成されている。また振動腕部２１、２２の他面側にも、一面側の溝部２３１、２３２と対応する位置に溝部２４１、２４２が形成されている。振動腕部２１、２２において、長さ方向については基部１側を一端側、振動腕部２１、２２の先端側を他端側とし、左右方向については溝部２３１、２３２（２４１、２４２）を境にして内側及び外側として説明する。例えば左右方向については、振動腕部２１であれば、振動腕部２２側が内側となり、振動腕部２２であれば、振動腕部２１側が内側となる。
【００１４】
振動腕部２１及び振動腕部２２の一面側には、溝部２３１、２３２の外側に第１の電極３１が振動腕部２１の長さ方向に沿って夫々形成されている。振動腕部２１の第１の電極３１の一端側は基部１に形成された外部端子４１に接続されており、他端側は振動腕部２１の内側面２１１を介して他面側まで引き回されている。また振動腕部２２の第１の電極３１の他端側は振動腕部２２の内側面２２１を介して他面側まで引き回されている。そして振動腕部２１、２２の他面側の第１の電極３１は、夫々溝部２４１、２４２の内側にて、振動腕部２１、２２の長さ方向に沿って伸びるように夫々形成され、基部１を介して互いに接続されている。
【００１５】
また振動腕部２１、２２の一面側には、溝部２３１、２３２の内側に第２の電極３２が振動腕部２１、２２の長さ方向に沿って夫々形成され、これら第２の電極３２の一端側は互いに接続されて、基部１に形成された外部端子４２に接続されている。また振動腕部２２に形成された第２の電極３２は、振動腕部２２の外側面２２２を介して他面側まで引き回されている。
そして振動腕部２２の他面側では、第２の電極３２は、振動腕部２２から基部１を介して振動腕部２１側へ伸び、振動腕部２１、２２の溝部２４１、２４２の外側において夫々振動腕部２１、２２の長さ方向に沿って伸びるように形成されている。
【００１６】
こうして、図４に図１のＡ−Ａ´線で切断した横断面図を示すように、振動腕部２１においては、一面側には溝部２３１の外側に第１の電極３１、溝部２３１の内側に第２の電極３２が夫々形成され、他面側には溝部２４１の外側に第２の電極３２、溝部２４１の内側に第１の電極３１が、一面側の第１の電極３１と第２の電極３２と対向するように夫々形成される。また振動腕部２２においては、一面側には溝部２３２の内側に第２の電極３２、溝部２３２の外側に第１の電極３１が夫々形成され、他面側には溝部２４２の内側に第１の電極３１、溝部２４２の外側に第２の電極３２が、一面側の第２の電極３２と第１の電極３１と対向するように夫々形成される。このように圧電片１０を挟んで互いに対向する第１の電極３１と第２の電極３２とにより一組の電極対が構成され、圧電振動子１００には、左右方向に４組の電極対が並んで設けられることになる。
【００１７】
第１の電極３１、第２の電極３２、外部端子４１、４２は、例えば上層側が金、下層側がクロムの積層膜により形成され、外部端子４１、４２に交流電圧が印加されることにより、図４に矢印で電界を示すように、一面側の電極３１、３２と他面側の電極３１、３２との間で圧電片１０の厚み方向に電界が形成される。このとき電界の向きは溝部２３１（２４１）を介して異なり、左右方向に並ぶ４つの電極対の内、外側の２つの電極対と、内側の２つの電極対との電界の向きが異なる。こうして外部端子４１、４２に交流電圧が印加されることにより、圧電片１０の厚み方向に電界が形成されて、圧電振動子１００の長さ方向に伸び縮みするように振動する屈曲振動モードが励振される。前記圧電片１０は、例えば３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ例えば３２ｋＨｚで発振するものが用いられる。また第１の電極３１と第２の電極３２との間に溝部２３１（２４１）、２３２（２４２）が形成されているので、電界の漏れが抑えられる。
【００１８】
既述のように、圧電振動子１００はＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板により構成されているが、この４５°〜５５°回転Ｙ板を用いることにより、ある程度高い電気機械結合係数を確保しながら、良好な周波数温度特性を得ることができる。これは、本発明者らがＬｉＴａＯ３の回転Ｙ板のＸ軸回りの回転角度θと、当該ＬｉＴａＯ３の回転Ｙ板の周波数温度特性との相関関係を理論計算し、数値解析した結果、取得した知見である。
【００１９】
図５は、前記回転角度θと一次温度係数α及び二次温度係数βとの関係を示す特性図であり、これら一次温度係数αと二次温度係数βのデータの取得方法については後述する。図５では、横軸が回転角度θ、縦軸が一次温度係数α及び二次温度係数βを夫々示し、図５中一次温度係数αは○で、二次温度係数βは●でプロットしている。なお縦軸は、一次温度係数はαｐｐｍ／ｄｅｇ、二次温度係数はβ×１００ｐｐｍ／ｄｅｇ２としている。
【００２０】
一次温度係数α及び二次温度係数βは、零に近い程、周波数温度特性が良好であることを示している。図５により、一次温度係数αは、回転角度θが４０°〜５３°の範囲で零に近くなり、二次温度係数βは、回転角度θが１０°と５５°の時に零に近くなっている。従ってこれら一次温度係数α及び二次温度係数βがいずれも零に近くなる回転角度θは４５°〜５５°の範囲であり、回転角度θがこの範囲のＬｉＴａＯ３の回転Ｙ板は、周波数温度特性が良好であると言える。
【００２１】
実際に−４０℃〜８５℃の温度範囲における周波数偏差ｄｆを数値解析により求めたところ、この周波数偏差ｄｆと回転角度θとの間には図６の関係があることが確認されている。この図６より回転角度θが５０°近傍のときに最も周波数偏差ｄｆが小さく、回転角度θが４５°〜５５°の範囲では、−４０℃〜８５℃の温度範囲における周波数偏差ｄｆは３００ｐｐｍ以下であるという演算結果が得られた。
【００２２】
このような圧電振動子１００は、例えば図７に示すように、パッケージに格納され、例えば圧電振動子１００のパッケージとして出荷される。図７（ａ）は、圧電振動子パッケージの縦断面図である。図７（ａ）において、５は例えばアルミナなどのセラミックスあるいはガラス、シリコンなどの絶縁体からなるパッケージである。このパッケージ５は、上面が開口している例えばセラミックス製のケース体５１と、例えば金属製の蓋体５２とから構成される。ケース体５１と蓋体５２とは例えばシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。製造された音叉型の圧電振動子１００は、このパッケージ５内の台座５３部分に基部１の電極端子４１、４２が導電性接着剤５４により固定され、振動腕部２１、２２がパッケージ５内部の空間に伸び出した状態で横向きに配置される。電極端子４１、４２は、台座５３を上下方向に貫通するように形成された導電路５５、５６（５６は紙面奥側の導電路である）により、ケース体５１の外部底面の長手方向に対向するように設けられた電極５７、５８に接続されている（図７（ｂ）参照）。
【００２３】
このような圧電振動子１００は携帯機器に例えば時計信号源や同期信号発生源として組み込まれる。携帯機器とはバッテリ（電池）を備え、携帯できる電子機器であり、例えば携帯電話や情報端末装置等が相当する。ここでは例えば携帯電話に時計振動源として圧電振動子１００を設ける例について説明する。図８は携帯電話の機能をブロック化して簡易的に示す構成図である。携帯電話は、アンテナ６１、ＲＦ／ＩＦ部６２、システム制御部６３、メモリ６４、表示部６５、アプリケーション部６６、電池を含む電源部６７等を備えている。アプリケーション部６６には、ＧＰＳ部６６１、本発明の圧電振動子１００を含む時計部６６２、カメラ部６６３、音源部６６４等が組み込まれている。ＧＰＳ部６６１はＧＰＳ衛星６８からの電波を受信するが、前記電波にはＧＰＳ衛星６８に設けられた原子時計の時刻情報が含まれており、この時刻情報に基づいて時計部６６２の時刻がＧＰＳ衛星６８の時刻に揃うように校正される機能を備えている。
【００２４】
このような圧電振動子１００によれば、ＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板により構成されているので、既述のように、一次温度係数α及び二次温度係数βが零に近く、周波数温度特性が良好である。なおＬｉＴａＯ３は圧電項の観点からは、ＬｉＴａＯ３の４０°回転Ｙ板が好ましいが、ＬｉＴａＯ３は元来、水晶よりも電気結合係数が大きい。従って４５°〜５５°回転Ｙ板であっても、水晶よりは高い電気機械結合係数を確保することができる。このように、ＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板は、水晶よりも大きい電気機械結合係数と、良好な周波数温度特性を備えている。
【００２５】
水晶振動子とＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板の共振抵抗値を比較すると、水晶振動子が５０ｋΩ程度であるのに対して、ＬｉＴａＯ３は約３０ｋΩであってかなり小さい。このため圧電振動子１００は小型化しても十分に発振し、低ＣＩ値を確保することができて、消費電力が小さくなる。従って、携帯電話等のような携帯機器に用いた場合には、携帯機器の小型に寄与することができ、かつ消費電力が小さいので、電池の寿命を延長できる。
【００２６】
またＧＰＳ部６６１が設けられた携帯電話では、所定のタイミングでＧＰＳ衛星６８の原子時計との時刻合わせが行われるので、時計信号の精度が高い。温度に対する周波数偏差ｄｆについては水晶振動子が約２００ｐｐｍであるのに対してＬｉＴａＯ３は約３００ｐｐｍであるが、既述のように時計信号の精度は十分保たれているので、問題にはならない。
【００２７】
以上において、本発明の音叉型の圧電振動子の振動腕部は図９に示すように、３本以上であってもよい。図９（ｂ）は図９（ａ）をＢ−Ｂ´線に沿って切断した横断面図である。図中７は基部、７１〜７３は振動腕部、７４１〜７４３は溝部、７５は第１の電極、７６は第２の電極である。振動腕部７１〜７３では、一面側及び他面側において、第１の電極７５と第２の電極７６とが圧電片７０を介して互いに対向するように設けられている。そして圧電片７０を介して対向する第１の電極７５と第２の電極７６との間で電界が形成され、屈曲振動モードで励振されるように構成されている。
【００２８】
以上において、圧電片に形成される電極のパターンは上述の例に限らず、屈曲振動モードで励振される構成であればよい。また振動腕部の溝部は必ずしも必要ではなく、溝部の代わりに孔部が形成される構成であってもよい。さらにまた本発明の圧電振動子は音叉型形状に限らず、ＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片と、この圧電片に形成され、当該圧電片を屈曲振動モードで振動させるための電極と、を備えた構成であればよい。例えば平面形状が四角形状や円形状の板状のＬｉＴａＯ３の４５°〜５５°回転Ｙ板よりなる圧電片に、圧電片の厚み方向に電界が形成されるように、当該圧電片を屈曲振動させるための電極を形成したものであってもよい。さらにまた本発明の圧電振動子は、必ずしも携帯機器に設ける必要はない。
【００２９】
続いて、図５に示すＬｉＴａＯ３の回転Ｙ板のＸ軸まわりの回転角度θと一次温度係数α及び二次温度係数βとの関係の取得方法について説明する。
一次温度係数α及び二次温度係数βを求めるにあたり、次の（１）式に示す周波数の関係式により共振周波数Ｆｒを算出している。
【００３０】
Ｆｒ∝（Ｄ/Ｌ２）×（１／（ρ×Ｓ´２２）１／２）
ここで、Ｆｒ：共振周波数、Ｄ：振動腕の幅、Ｌ：振動腕の長さ（Ｄ、Ｌについては図１参照）、ρ:密度、Ｓ´２２：弾性定数である。
【００３１】
これら定数のうち、幅Ｄ、長さＬ、密度ρは温度により変化し、弾性定数Ｓ２２は温度及び前記回転角度θにより変化する。このように弾性定数は前記回転角度θに依存するため、Ｓ２２は回転前の弾性定数、Ｓ´２２は回転後の弾性定数としている。
【００３２】
共振周波数Ｆｒの算出では、先ず各温度における幅Ｄ、長さＬ、密度ρ、弾性定数Ｓ２２の値を数値計算により算出する。なお前記各温度は−４０℃〜８５℃の範囲で１０℃毎に設定した（ステップ１）。次いで既述のように弾性定数Ｓ２２は結晶軸の回転により変化するため、前記回転角度θに合わせて数値計算（行列演算）により、各温度における前記回転角度θ毎の弾性定数Ｓ´２２を算出する（ステップ２）。そして算出した、各温度の幅Ｄ、長さＬ、密度ρ、及び各温度における各回転角度θの弾性定数Ｓ´２２を既述の（１）式に代入して、共振周波数Ｆｒを算出する（ステップ３）。こうして得られた共振周波数Ｆｒを用いて、前記回転角度θ毎に周波数対温度のグラフを作成し、二次までの多項式近似により、一次温度係数α及び二次温度係数βを決定している（ステップ４）。
【００３３】
また図６に示す−４０℃〜８５℃の温度範囲の周波数偏差ｄｆについては、数値演算により得られた−４０℃〜８５℃の各温度の共振周波数を用いて、（ｆ１−ｆ２）／ｆ１により求めている。ｆ１は基準温度（２５℃）の共振周波数、ｆ２は夫々の温度の共振周波数である。
【符号の説明】
【００３４】
１              基部
１０            圧電片
１００          圧電振動子
２１、２２      振動腕部
２３１、２３２、２４１、２４２  溝部
３１            第１の電極
３２            第２の電極
４１、４２      電極端子
【図１】
2015198296.tif 000003
【図２】
2015198296.tif 000004
【図３】
2015198296.tif 000005
【図４】
2015198296.tif 000006
【図５】
2015198296.tif 000007
【図６】
2015198296.tif 000008
【図７】
2015198296.tif 000009
【図８】
2015198296.tif 000010
【図９】
2015198296.tif 000011