JP2005354649A - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 振動特性を悪化させることなく小型化が可能な圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供すること。
【解決手段】 圧電材料により形成された基部５１と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕３５，３６とを備えており、前記振動腕が、先端側にいくに従い、徐々に縮幅されており、先端部の手前で連続的な縮幅が終わる腕幅の変更点Ｐを有し、この腕幅の変更点よりさらに先端側が拡幅されている圧電振動片。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電振動片と、パッケージやケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの改良に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器や圧電ジャイロセンサー等において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図１２は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図であり、図１３は図１２のＡ−Ａ線切断端面図である。
図において、圧電振動片１は、水晶などの圧電材料をエッチングすることにより、図示する外形を形成するもので、パッケージ（図示せず）等に取付けられる矩形の基部２と、基部２から図において右方に延長された一対の振動腕３，４を備えており、これら振動腕の主面（表裏面）に長溝３ａ，４ａを形成するとともに、必要な駆動用の電極を形成したものである（特許文献１参照）。
このような圧電振動片１においては、駆動用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕３，４の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。

ところで、このような圧電振動片１は、これを利用した圧電デバイスが取付けられる上記した種々の製品の小型化にともない、小型に形成することがもとめられており、このため、圧電振動片１もできる限り小型に形成しなければならず、特にその全長ＡＬ１を小さくすることがもとめられる。そして、製品の小型化は不断に進展していることから、圧電振動片１においては、より小型に形成していくことができる構造がもとめられている。
ここで、図示のような音叉型圧電振動片である圧電振動片１の周波数ｆは、振動腕３，４の長さをｌ、腕幅をｗとした場合、ｗ／ｌ^２に比例する。

特開２００２−２６１５７５

ところで、このような圧電振動片１には、複数の振動モードがあり、基本波による振動モードを利用する場合に、上述のように小型化を進めると、この基本波による振動におけるＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が大きくなる性質がある。
これを防ぐために、長溝３ａ，４ａの長さＰｌを長くして、電界効率を上げると、２次の高調波のＣＩ値が小さくなる。
そして、２次の高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値が１以上となる場合、つまり基本波のＣＩ値に比べて、２次の高調波のＣＩ値が大きくなるようにしないと、基本波よりも２次の高調波で発振しやすくなり、圧電振動片１の振動特性が悪くなるという問題がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、振動特性を悪化させることなく小型化が可能な圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供することを目的とする。

上述の目的は、第１の発明にあっては、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕とを備えており、前記振動腕が、先端側にいくに従い、徐々に縮幅されており、先端部の手前で連続的な縮幅が終わる腕幅の変更点を有し、この腕幅の変更点よりさらに先端側が拡幅されている圧電振動片により、達成される。
第１の発明の構成によれば、前記振動腕について、その幅が最も狭くなる箇所を、前記腕幅の変更点として、該振動腕の先端部よりもやや基部よりの箇所に設けて、この腕幅の変更点から先は腕幅が広くなるようにされている。
これにより、圧電振動片の２次の高調波の周波数が下がり、２次の高調波のＣＩ値が大きくなる。このため、圧電振動片は２次の高調波で振動しにくくなり、振動特性を良好に維持することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成によれば、前記各振動腕には、長さ方向に延びる有底の長溝が形成されており、この長溝内に電極が形成されていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電振動片の振動腕部分の電界効率が向上し、基本波のＣＩ値を下げることができる。この場合、単に前記長溝を設ける構成だけでは、同時に２次の高調波のＣＩ値も下がるが、第１の発明の構成を伴うことにより、２次の高調波のＣＩ値の低下は抑制されるので、基本波において振動しやすく、２次の高調波では振動しにくくすることができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の構成において、前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとした場合に、ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７５よりも大きく、０．９３よりも小さいことを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７５よりも小さい場合、あるいは０．９３よりも大きい場合には、２次の高調波／基本波の値が大きくなり、高調波のＣＩ値が十分高くできないので、２次の高調波の振動モードによる悪影響を効果的に抑制できない。

第４の発明は、第３の発明の構成において、前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとした場合に、ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７８よりも大きく０．９１よりも小さいことを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、前記ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７８よりも大きく、０．９１よりも小さい場合には、２次の高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値を、ほぼ確実に「１」以下とすることができ、２次の高調波の振動モードによる悪影響をほぼ確実に抑制することができる。

第５の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとし、さらに前記長溝の前記基部を基準とした長さをＰＬとした場合に、ＰＬがＣＬよりも小さいことを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、前記ＰＬがＣＬよりも小さいことにより、その分、振動腕の前記腕幅の変更点から先の重量が重くなり、２次の高調波で発振しにくくすることができる。

また、上述の目的は、第６の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕とを備えており、前記振動腕が、先端側にいくに従い、徐々に縮幅されており、先端部の手前で連続的な縮幅が終わる腕幅の変更点を有し、この腕幅の変更点よりさらに先端側が拡幅されている圧電デバイスにより、達成される。

第７の発明は、第２ないし第５の発明の構成において、前記各振動腕の表裏面の少なくとも一方の長溝を先端側に延長するとともに、他方の延長されない長溝を有する面には、この長溝よりも先端側に周波数調整用の金属被覆部が設けられていることを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、第２ないし第５の発明の構成に基づく作用効果に加えて、さらに、基部から互いに平行に延びる振動腕を有する音叉型の振動片における前記振動腕に設けた長溝が、表面または裏面の少なくとも一方において、先端側に延長されることで、電界効率が向上するので、その分ＣＩ値が低くなる。
また、表面または裏面の延長されない長溝を有する面には、振動腕の長溝よりも先端側に比較的大きな余地があるので、ここに周波数調整用の電極を容易に設けることができる。

第８の発明は、第７の発明の構成において、前記延長された長溝は、振動腕の先端部に達するように形成されていることを特徴とする。
第８の発明の構成によれば、前記長溝を延長する場合において、当該延長される長溝の設けられる振動腕の先端に達するまで延長することで、最も電界効率を向上させて、ＣＩ値の低減をはかることができる。

図１ないし図４は、本発明の圧電デバイスの第１の実施形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図、図３は図１の圧電デバイスに使用される圧電振動片の概略平面図、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。
これらの図において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示しており、圧電デバイス３０は、図１および図２に示すように、パッケージ３７内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３７は、図２に示すように、第１の基板５５と第２の基板５６とを積層して形成されており、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。

パッケージ３７は、図２に示すように、第２の基板５６の内側の材料を除去することで、内部空間Ｓのスペースを形成している。この内部空間Ｓが圧電振動片３２を収容するための収容空間である。そして、第１の基板５５に形成した電極部３１，３１の上に、導電性接着剤４３，４３を用いて、圧電振動片３２の基部に設けた引出し電極３３ａ，３４ａの箇所を載置して接合している。なお、電極部３１，３１はパッケージ裏面の実装端子４１，４２と導電スルーホールなどで接続されている。パッケージ３７は、圧電振動片３２を収容した後で、透明なガラス製の蓋体４０が封止材３８を用いて接合されることにより、気密に封止されている。これにより、蓋体４０を封止した後で、外部からレーザ光ＬＢを照射して圧電振動片３２の電極（図示せず）などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。

圧電振動片３２は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片３２は、図３に示すように、パッケージ３７側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３５，３６を備えている。
各振動腕３５，３６の主面には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３４を形成し、図４に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極が設けられている（符号省略）。

励振電極は、この長溝内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされ、各電極は、図１で説明した引出し電極３３ａ，３４ａにそれぞれ引き回されている。これにより、圧電デバイス３０を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、各実装端子４１，４２から、電極部３１，３１を介して圧電振動片３２の各引出し電極３３ａ，３４ａに伝えられ、上記した各励振電極に伝えられるようになっている。
これにより、長溝３３，３４内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。長溝３３，３４が長い程、振動腕３５，３６を形成する材料について電界効率が向上し、振動腕の全長Ｌに対して、長溝３３，３４の基部５１からの長さＰＬが、少なくともＰＬ／Ｌ＝０．７程度までは、長くするほど圧電振動片３２のＣＩ値は下がることがわかっている。

さらに、圧電振動片３２においては、図３に示されている形状に各振動腕３５，３６が形成されている。各振動腕は同じ形状であるから、振動腕３５について説明すると、基部５１から延びる基端部Ｔでは、振動腕幅Ｗ１が最も広く、この腕幅はそれより先端側であるＵの位置まで縮幅し、さらに、Ｕの位置から振動腕３５の先端側にいくに従って、Ｐの位置まで、すなわち、振動腕に関して、ＣＬの距離にわたって、徐々に連続的に縮幅している。Ｐの箇所は腕幅の変更点であり、腕幅の変更点Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が拡大している。

本実施形態は以上のように構成されており、次に、図５および図６を参照しながら、この実施形態の作用を説明する。
圧電振動片３２には、複数の振動モードがあり、通常使用される基本波は、例えば３２．７６８ｋＨｚである。これに対して、圧電振動片３２の２次の高調波は、２５０ｋＨｚ付近にある。
図５のＡは本実施形態の圧電振動子３２を示し、Ｂは図１２で説明した従来の圧電振動片１を示しており、Ａ，Ｂの各直線の左端は基本波の周波数を、右端は２次の高調波の周波数を示している。本実施形態の圧電振動子３２では、図３で説明した形状とすることにより、図５に示すように２次の高調波の周波数を低くすることができる。

図６は、本実施形態の圧電振動片３２について、腕幅の変更点Ｐを設ける位置と、２次屈曲振動固有値（２次の周波数）／基本波屈曲振動固有値（基本波の周波数）との関係を示すグラフである。この図６の横軸は、図３の振動腕の全長Ｌを１とした場合にの基部５１から腕幅の変更点Ｐまでの距離を示している。
圧電振動片３２において、基本波で励振させようとする際に、駆動電圧を変化させることにより、そのドライブレベルを変化させると、基本波で正常に振動していた状態に、２次の高調波が作用してパラメトリック励振と呼ばれる異常発振が発生して、励振状態が不安定になることがある。

このような状態は、２次の高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値が１以上となる場合、つまり基本波のＣＩ値に比べて、２次の高調波のＣＩ値が大きくなると、基本波よりも２次の高調波で発振しやすくなって、このようなドライブレベルへの悪影響が生じるものである。
図６において、縦軸の値、すなわち、２次屈曲振動固有値（２次の周波数）／基本波屈曲振動固有値（基本波の周波数）が大きくなると、２次の高調波のＣＩ値が低くなることがわかっており、上述のようなドライブレベルの悪化を避けるために、２次の高調波のＣＩ値を十分高くするためには、図６の縦軸の値を低くする必要がある。

圧電振動片３２の腕幅の変更点Ｐの位置が、図６において０．７５からＧ（０．９３）の範囲では、圧電振動片３２の２次の高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値を効果的に低くすることができ、このため、圧電振動片３２の駆動に際して、２次の高調波の影響をかなり抑制できる。
さらに、圧電振動片３２の腕幅の変更点Ｐの位置が、図６においてＥ（０．７８）からＦ（０．９１）の範囲では、２次の高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値を、ほぼ確実に「１」以下とすることができ、２次の高調波の振動モードによる悪影響をほぼ確実に抑制することができる。
さらに、図３において、長溝の長さＰＬが、基部５１から腕幅の変更点Ｐまでの長さＣＬよりも小さくするようにすると好ましい。これにより、その分、振動腕について腕幅の変更点Ｐから先の重量が重くなり、２次の高調波において、より発振しにくくすることができる。

図７および図８は圧電振動片の第２の実施形態を示している。
これらの図において、図１ないし図４で説明した圧電振動片と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複する説明は極力省略し、以下、相違点を中心に説明する。

この圧電振動片３２−１は、図７に示すように、パッケージ３７側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３５，３６を備えている。そして、これら振動腕３５，３６はその基端部から、Ｐの位置まで、徐々に連続的に縮幅していて、Ｐの箇所は腕幅の変更点であり、腕幅の変更点Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が拡大している構造は、先に説明した圧電振動片３２と同じである。

図７（ａ）は、圧電振動片３２−１の表面側、すなわち、図２における蓋体４０と対向する面を示しており、図７（ｂ）は圧電振動片３２−１の裏面側、すなわち、図２における圧電振動片３２の実装面（パッケージ内側底面）と対向する面を示している。

各振動腕３５，３６の主面には、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３３−１，３４，３４−１を形成し、図８に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極６１，６２が設けられている。
具体的には、各振動腕３５，３６の表面側には、図７（ａ）に示すように、従来と同じ長さの長溝３３，３４が形成されている。また、各振動腕３５，３６の裏面側には、図７（ｂ）に示すように、従来よりもｌ１の長さだけ先端側に延長された長溝３３−１，３４−１が形成されている。これらの長溝は、圧電振動片３２の外形を形成するエッチング作業と同時にあるいは、別の工程で、ハーフエッチングすることにより形成することができる。

励振電極６１，６２は、上記した長溝内と、各振動腕３５，３６の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされ、各励振電極６１，６２は、図７に示す引出し電極３３ａ，３４ａにそれぞれ引き回されている。これにより、圧電デバイス３０を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、各実装端子４１，４２から、電極部３１，３１を介して圧電振動片３２の各引出し電極３３ａ，３４ａに伝えられ、上記した各励振電極に伝えられるようになっている。
これにより、長溝３３，３４内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。

ここで、上記各長溝は長い程、振動腕３５，３６を形成する材料について電界効率が向上し、ＣＩ値を低減することができる。このような効果をできるだけ得ようとする場合には、各振動腕３５，３６について、表裏の長溝をそれぞれ長くすることが好ましいが、この実施形態では、図７（ａ）に示すように、表面側の長溝３３，３４は、従来と同じ長さとして、これより先端側には、各励振電極６１，６２が振動腕の左右の側縁の電極を一体に接続する領域を利用して、周波数調整用の金属被覆部６３，６３を形成するようにしている。
この金属被覆部６３，６３は、図２で説明したレーザ光ＬＢ等により蓋体４０ごしにトリミングされることで、質量削減方式により周波数調整に利用される部分である。したがって、金属被覆部６３，６３は、励振電極６１，６２と一体に形成してもよく、これとは別の金属を付着させて形成してもよい。なお、励振電極６１，６２は、水晶の上に下地層としてのクロム（Ｃｒ）を例えば、９００オングストローム程度成膜し、その上に金（Ａｕ）を５００ないし６００オングストローム成膜してスパッタリングなどにより形成されるのに対して、金属被覆部６３，６３は、例えば、同様の金属により１００００オングストローム程度の膜厚に成膜することで形成することができる。

かくして、本実施形態においては、振動腕３５，３６の裏面側の長溝３３−１，３４−１が先端側に延長された分だけ、電界効率が向上するので、その分ＣＩ値を低くすることができる。しかも振動腕３５，３６の表面側には、図７（ａ）に示すように、金属被覆部６３，６３を形成しているので、従来と同様に、蓋体４０を接合後において、周波数調整することができる。
すなわち、第２の実施形態の圧電振動片３２−１によれば、第１の実施形態の圧電振動片３２と共通する構成に基づいて、振動腕について腕幅の変更点Ｐから先の重量が重くなり、２次の高調波において、より発振しにくくすることができる。しかも、基本波におけるＣＩ値をきわめて低くすることができるものである。

図９は、本実施形態における長溝の長さとＣＩ値比を示すグラフであり、横軸は、音叉型振動片の振動腕の全長が１．４ｍｍである場合において、そこに形成される長溝の長さを示している。長溝が長いほどＣＩ値は低減される。
かくして、本実施形態によれば、ＣＩ値の上昇を抑制しつつ小型化が可能な圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供することができる。

図１０は、圧電振動片の第３の実施形態を示す図であり、その裏面側だけを示し、励振電極は図７（ｂ）の場合とほぼ同じであるから、図示省略している。
図１１は一方の振動腕３５の先端部を示す概略斜視図である。
これらの図において、第３の実施形態の圧電振動片３２−２は、図示の構成以外は第２の実施形態と同じであるから相異点だけを説明する。

図１０に示されているようにこの圧電振動片３２−２では、各振動腕３５，３６の裏面の長溝３３−２，３４−２が、さらに延長され、各振動腕の全長にわたって形成されている。
この場合、各振動腕の側面の電極を接続する電極は、図１１に示されているように、例えば振動腕の先端端面３５ａに回り込むようにして接続されている。
かくして、第３の実施形態においては、長溝がさらに延長された分だけ、電界効率は一層向上し、ＣＩ値を一層低減することができる。それ以外の作用効果は第２の実施形態と同じである。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。

本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。 図１の圧電デバイスに使用される圧電振動片の概略平面図。 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。 図１の圧電デバイスに使用される圧電材料についての説明図。 図３の圧電振動片について、腕幅の変更点を設ける位置と、２次屈曲振動固有値（２次の周波数）／基本波屈曲振動固有値（基本波の周波数）との関係を示すグラフ。 図１の圧電デバイスに使用される第２の実施形態に係る圧電振動片の概略表面図および裏面図。 図７のＤ−Ｄ線切断端面図。 図７の圧電デバイスに使用される圧電振動片に関して、その振動腕の全長を１．４ｍｍとした場合における長溝の長さに対応したＣＩ値比を示すグラフ。 圧電振動片の第３の実施形態の概略裏面図。 図１０の圧電振動片の振動腕の先端部を示す概略斜視図。 従来の圧電振動片の一例を示す概略平面図。 図１２のＡ−Ａ線切断端面図。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３２，３２−１，３２−２・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕、Ｐ，Ｐ・・・腕幅の変更点。

Claims (8)

1. 圧電材料により形成された基部と
   前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と
   を備えており、
   前記振動腕が、先端側にいくに従い、徐々に縮幅されており、先端部の手前で連続的な縮幅が終わる腕幅の変更点を有し、この腕幅の変更点よりさらに先端側が拡幅されている
   ことを特徴とする、圧電振動片。
2. 前記各振動腕には、長さ方向に延びる有底の長溝が形成されており、この長溝内に電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
3. 前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとした場合に、ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７５よりも大きく、０．９３よりも小さいことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片。
4. 前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとした場合に、ＣＬ／Ｌが、ほぼ０．７８よりも大きく０．９１よりも小さいことを特徴とする請求項３に記載の圧電振動片。
5. 前記基部を基準とした前記振動腕の長さをＬとし、前記基部から前記腕幅の変更点までの長さをＣＬとし、さらに前記長溝の前記基部を基準とした長さをＰＬとした場合に、ＰＬがＣＬよりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電振動片。
6. パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、
   前記圧電振動片が、
   圧電材料により形成された基部と、
   前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と
   を備えており、
   前記振動腕が、先端側にいくに従い、徐々に縮幅されており、先端部の手前で連続的な縮幅が終わる腕幅の変更点を有し、この腕幅の変更点よりさらに先端側が拡幅されている
   ことを特徴とする、圧電デバイス。
7. 前記各振動腕の表裏面の少なくとも一方の長溝を先端側に延長するとともに、他方の延長されない長溝を有する面には、この長溝よりも先端側に周波数調整用の金属被覆部が設けられていることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の圧電振動片。
8. 前記延長された長溝は、振動腕の先端部に達するように形成されていることを特徴とする請求項７に記載の圧電振動片。

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