JP2006238001A - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】 CI値を抑え、かつ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、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕35,36と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法W1が、前記振動腕の前記基部51に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する縮幅部71と、該縮幅部71の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部72と、該ストレート部の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部73につながる幅変化の変更点Pとを有する圧電振動片である。
【選択図】 図1

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5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6は図5のB−B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。
このことは、一方向に長い圧電振動片1を小型化しようとして、図5における全長AL1の大きさを小さくしようとする場合、振動腕の長さlを短くすると、周波数が高くなることを意味する。また、振動腕の幅wが小さくなると、周波数は下がる。このことから、従来の周波数を維持して、小型化を図るためには、振動腕の長さをある程度短くしつつ腕幅wを小さくしなければならない。
特開2002−261575
ところで、圧電振動片1を小型化する上では、これまでの周波数である例えば32kHz(32.768kHz)を維持するために、振動腕3,4の長さlを短くし、腕幅wを小さくすることがもとめられるが、小型の圧電振動片1を加工する上では、その特性を維持しながら、特に腕幅wを小さく加工しようとすると、以下のような困難がある。
具体的には、振動腕3,4には、図6に示すような長溝3a,4aを加工する必要がある。図6のtの寸法は、例えば、材料として水晶ウエハなどを利用する場合、加工の条件に拘束されるため変化しないので、これまでのものが例えば100μmである場合においては、小型化する場合にも100μmである。
これに対して、腕幅wは、これまでのものが100μmであったものを、小型化により50μm程度とする場合を考える。腕幅100μmの際に、溝幅C1が70μm程度、側壁厚みS1,S1がそれぞれ15μm程度づつあったものが、腕幅wを50μm程度とすると、溝幅C1が40μm程度、側壁厚みS1,S1はそれぞれ5μm程度づつとしなければならない。
このような圧電振動片を作った場合には、振動腕3,4の剛性は大きく低下し、駆動電圧の印加による上述の屈曲振動の際には、図6におけるZ方向の振幅が加わり、振動腕3,4のX方向に沿った屈曲振動が、矢印SF,SFで誇張して示すような屈曲振動になってしまう。
図7は、従来構造のまま圧電振動片を小型化した場合のドライブ特性を示すグラフであり、図の横軸に沿って、駆動パワーのレベルを徐々に増大させると、縦軸の周波数変化がマイナス方向に生じる。このことは、図6のZ方向振動の成分が多くなって、エネルギーロスの多い振動となってしまうことを示しており、CI(クリスタルインピーダンス)値の増大の原因となる。
また、CI値を抑制するための効果的な対策としては、図5で説明した長溝3a,4aを長くして、駆動用の電極を形成する面積を増やす方法がある。しかしながら、圧電振動片には、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、これに対して、圧電振動片1の2次の高調波は、250kHz付近にある。長溝3a,4aを長くして、基本波のCI値を低くできたとしても、2次の高調波のCI値も低くなることで、高調波のCI値/基本波のCI値であるCI値比が小さくなると、ドライブ特性が悪化する。
すなわち、図8はこのようなCI値比が悪くなった状態を示しており、CI値比が1よりも小さく、マイナスとなると、圧電振動片1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。
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、CI値を抑え、かつ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。
上記目的は、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、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する縮幅部と、該縮幅部の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部と、該ストレート部の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部につながる幅変化の変更点Pとを有す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、前記振動腕には、長溝が形成されて、溝内に駆動用電極が設けられることによって、振動腕を構成する圧電材料の電界効率が高められている。一方、長溝が形成されている領域は、その分剛性が低下している。
このため、振動腕に縮幅部を形成することで、振動腕の付け根付近の剛性は、先端側と比較して高くされているので、屈曲振動を安定させCI値を低減し、しかも2次の高調波における振動の際の振動の「節」をより先端側に位置させることができると考えられる。このことにより、長溝を長くして圧電材料の電界効率を上げ、かつ屈曲振動を安定させることで、基本波のCI値を抑制しても、このことが、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。
また、前記ストレート部を設けることで、このストレート部が形成された長さ範囲の剛性は低下せず、さらに、前記変更点Pから先の腕幅を拡大している。このことは、振動腕の屈曲振動において、錘として作用する部分を先端側に位置されることができ、2次の高調波における振動の際の振動の「節」をより先端側に位置させることができると考えられるので、基本波のCI値を抑制しながら、2次の高調波のCI値の低下を招くことが一層確実に行えるから、2次の高調波による発振が生じにくい。
かくして、小型化しても、基本波のCI値だけを低く抑えることができ、ドライブ特性が悪化することがない圧電振動片を提供することができる。
第2の発明は、第1の発明の構成において、前記縮幅部を第1の縮幅部として、さらに前記振動腕の前記基部に対する付け根から、前記第1の縮幅部が始まる箇所までの間で、先端側に向かって急激に縮幅する第2の縮幅部を備えることを特徴とする。
第2の発明の構成によれば、振動腕の付け根付近は、第2の縮幅部により、剛性が一層強化されている。これにより、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができ、基本波のCI値の抑制をはかることができる。
第3の発明は、第1または2のいずれかの発明の構成において、前記基部の前記一端側より前記所定距離だけ離れた他端側から幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームを備えることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、基部の一端から屈曲振動する振動腕が伸びていて、所定長さの前記基部の他端から、支持用アームが延びている。このため、支持用アームがパッケージなどの基体側に接着などにより接合された場合においては、周囲温度の変化や、落下衝撃などを原因として、その接合箇所に生じた応力変化が、支持用アームの接合箇所から、前記基部の他端までの距離を隔てて、さらには基部の所定長さの距離を隔てて振動腕に影響を与えることはほとんどなく、このため、特に温度特性が良好となる。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕からの振動漏れは、基部を隔てた支持用アームに達するまでに基部の所定長さを隔てていることから、ほとんど及ぶことがない。すなわち、基部長さが極端に短いと、屈曲振動の漏れた成分が支持用アーム全体に拡がり、制御が困難となる事態が考えられるが、この発明において、そのようなおそれがない。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アームは、基部の他端から幅方向に延長され、振動腕の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また、上記目的は、第4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、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する縮幅部と、該縮幅部の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部と、該ストレート部の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部につながる幅変化の変更点Pとを有する圧電デバイスにより、達成される。
図1および図2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A−A線切断端面図、図3は図1の圧電振動片32の振動腕35,36を含む部分の部分拡大平面図である。
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、この圧電デバイス30は、基体であるパッケージ57内に圧電振動片32を収容している。
パッケージ57は、図1および図2に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ57は、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57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の支持用アーム61,62の後述する引出し電極形成箇所を載置して接合している。
このため、この圧電振動片32の導電性接着剤43による固定支持の後においては、圧電振動片32を構成する材料と、パッケージ57を構成する材料の線膨張係数の相違などに起因して、基部51には、残留応力が存在している。
なお、電極部31,31はパッケージ裏面の実装端子41と導電スルーホールなどで接続されている。パッケージ57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58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、外部からレーザ光を照射して圧電振動片32の電極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1に示すように、基部51と、この基部51の一端(図において右端)から、右方に向けて、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の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝33,34をそれぞれ形成し、図1および図2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37,38が設けられている。
この圧電振動片32の一対の振動腕35,36は、同じ構造であり、図1および図3を参照しながら、振動腕36を代表させてその特徴を説明する。
振動腕36は、基部51に対する付け根付近を起点として、それより先端側に一定長さL1で延びる第1の縮幅部71を有している。この第1の縮幅部71は、先端に向かって腕幅W1が徐々に縮幅している部分である。この第1の縮幅部71は、ほぼ長溝34の先端付近まで続いており、第1の縮幅部71の終端から所定距離にわたって、腕幅W1が変化しない部分であるストレート部72が、L2の長さで形成されている。
さらに、ストレート部72の終端は、幅の変更点Pであり、このPの箇所からさらに先端側はL3の長さで、腕幅W1が次第に拡幅する拡幅部73が形成されている。
すなわち、この実施形態では、各振動腕35,36の先端部である拡幅部73は、ややテーパ状に次第に拡幅されることにより、重量増加され、錘の役割を果たすようにされている。これにより、振動腕の屈曲振動がされやすくなっている。
また、好ましくは、振動腕36の基部51に対する付け根には、第1の縮幅部71が始まる箇所までの間、すなわち、L4の距離の範囲で、先端側に向かって急激に縮幅する第2の縮幅部74を備えている。
これにより、振動腕36の付け根付近は、第2の縮幅部74により、剛性が一層強化されている。このため、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができ、さらに、基本波のCI値の抑制をはかることができる。
また、圧電振動片32は、その基部51の振動腕を形成した一端より、図1において、所定距離BL(基部長さ)隔てた他端(図において左端)において、基部51の幅方向に延長され、かつ振動腕35,36の両外側の位置で、各振動腕35,36の延びる方向(図1において右方向)に、これら振動腕35,36と平行に延びている支持用アーム61,62を備えている。
このような圧電振動片32の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。
駆動用の電極である励振電極37,38は、長溝33,34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ている。そして、各励振電極37,38は、それぞれ引出し電極37a,38aとして、支持用アーム61,62に引き回されている。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、実装端子41から、電極部31,31を介して圧電振動片32の各支持用アーム61,62の引出し電極37a,38aに伝えられ、各励振電極37,38に伝えられるようになっている。
そして、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。
また、好ましくは、基部51には、基部51の振動腕側の端部から十分離れた位置において、両側縁に、基部51の幅方向の寸法を部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部を設けることができる。切り込み部の深さは、例えば、それぞれ近接する振動腕35,36の外側の側縁と一致する程度まで縮幅されると好ましい。
これにより、振動腕35,36が屈曲振動する際に振動漏れが基部51側に漏れ、支持用アーム61,62に伝搬することを抑制し、CI値を低く抑えることができる。
ここで、本実施形態では、上述した支持用アーム61,62が延びる箇所、すなわち、基部51の他端部53は、振動腕35,36の付け根部52よりも十分離れた距離BLを有するようにされている。
この距離BLは、好ましくは、振動腕35,36の付け根付近における腕幅寸法W1の大きさを超える寸法とされている。
すなわち、音叉型振動片の振動腕35,36が屈曲振動する際に、その振動漏れが基部51に向かって伝えられる範囲は、振動腕35,36の腕幅寸法W1と相関がある。本発明者はこの点に着目し、支持用アーム61,62の基端となる箇所を適切な位置にもうけなければならないという知見を持った。
そこで、本実施形態では、支持用アーム61,62の基端となる箇所53について、振動腕の付け根部52を起点として、振動腕の腕幅寸法W1の大きさに対応した寸法を超える位置を選択することで、振動腕35,36からの振動漏れが、支持用アーム61,62側に伝搬することを、より確実に抑制する構造とすることができたものである。したがって、CI値を抑制して、かつ後述する支持用アームの作用効果を得るためには、他端部53の位置を振動腕35,36の付け根部(すなわち、基部51の一端部である)52の箇所から上記BLの距離だけ離すことが好ましい。
かくして、この実施形態では、支持用アーム61,62がパッケージ57側に導電性接着剤43により接合されているので、周囲温度の変化や、落下衝撃などを原因として、その接合箇所に生じた応力変化が、支持用アーム61,62の接合箇所から、基部51の他端部53までの屈曲した距離と、さらには、距離BLを超える基部51の長さ分の距離を隔てて振動腕35,36に影響を与えることはほとんどなく、このため、特に温度特性が良好となる。
しかも、これとは逆に屈曲振動する振動腕35,36からの振動漏れは、基部51を隔てた支持用アーム61,62に達するまでに距離BLを超える基部51の所定長さを隔てていることから、ほとんど及ぶことがない。
ここで、基部51の長さが極端に短いと、屈曲振動の漏れた成分が支持用アーム61,62の全体に拡がり、制御が困難となる事態が考えられるが、この実施形態では、そのような事態が十分に回避される。
そして、このような作用を得ることができる上に、支持用アーム61,62は、図示したように、基部51の他端部53から幅方向に延長され、振動腕35,36の外側で、この振動腕と同じ方向に延びる構成としたから、全体の大きさをコンパクトにすることができる。
また、この実施形態では、図1に示すように、支持用アーム61,62の先端が、振動腕35,36の先端よりも基部51寄りになるように形成されている。この点においても、圧電振動片32の大きさをコンパクトにすることができる。
ここで、図3は、振動腕の各部の寸法例を記載しており、各寸法は、振動腕35,36において同じであるから、振動腕36についてだけ説明する。
振動腕36の長溝34の溝幅MWは、例えば約30ないし40μmとされている。振動腕35と振動腕36の間隔BWが、約80μmである。振動腕36の長溝34を両側から挟む圧電材料の壁部分の壁厚みに関しては、基部51の近傍の壁厚みDW1が、例えば10μm程度、長溝34の先端付近の壁厚みDW2が、例えば5μm程度とされている。
図4は、圧電振動片の第2の実施形態を示している。
図4の圧電振動片32−1において、図1及び図2の第1の実施形態と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複する説明は省略し、相違点を中心に説明する。
この圧電振動片32−1は、圧電材料により形成された基部51と、基部51と一体に形成され、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕35,36と、各振動腕35,36の長手方向に沿って形成された長溝33,34とを有し、さらに、各振動腕35,36の幅寸法が、振動腕の基部51に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する第1の縮幅部71と、第1の縮幅部71の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部72と、該ストレート部72の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部73につながる幅変化の変更点Pとを有しており、駆動電極の図示は省略されている。
したがって、支持用アーム61,62を備えない以外は、第1の実施形態の圧電振動片32と同じである。
ここで、例えば、第1の縮幅部71の長さL1、ストレート部72の長さL2、拡幅部73の長さL3は、L1:L2:L3が、0.738:0.262:0.200(単位はすべて「mm」)とすることができ、きわめて小さな圧電振動片であることがわかる。
したがって、支持用アームによる作用効果以外の第1の実施形態の作用効果を全て発揮することができる。振動腕35,36は互いに同一の構成であるから、振動腕36についてだけ説明すると、振動腕36には、長溝34が形成されて、溝内に駆動用電極が設けられることによって、振動腕36を構成する圧電材料の電界効率が高められている。一方、長溝36が形成されている領域は、その分剛性が低下している。
このため、振動腕36に第1の縮幅部71を形成することで、振動腕36の付け根付近の剛性は、先端側と比較して高くされているので、屈曲振動を安定させCI値を低減し、しかも2次の高調波における振動の際の振動の「節」をより先端側に位置させることができると考えられる。このことにより、長溝36を長くして圧電材料の電界効率を上げ、かつ屈曲振動を安定させることで、基本波のCI値を抑制しても、このことが、2次の高調波のCI値の低下を招くことがないようにすることができる。
本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や変形例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ー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。さらに、圧電振動片32では、一対の振動腕を形成しているが、これに限らず、振動腕は3本でも、4本以上でもよい。
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A−A線切断端面図。 図1の圧電振動片の振動腕付近の部分拡大平面図。 本発明の圧電デバイスに使用される圧電振動片の第2の実施形態を示す概略平面図。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図5のB−B線切断端面図。 図5の圧電デバイスに使用される圧電振動片の温度−周波数特性を示すグラフ。 図5の圧電デバイスに使用される圧電振動片の温度−CI値特性を示すグラフ。
符号の説明
30・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、33,34・・・長溝、35,36・・・振動腕、61,62・・・支持用アーム

Claims (4)

  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、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕と、
    前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
    前記長溝に形成した駆動用の電極と
    を備えており、
    前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する縮幅部と、
    該縮幅部の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部と、
    該ストレート部の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部につながる幅変化の変更点Pと
    を有することを特徴とする、圧電振動片。
  2. 前記縮幅部を第1の縮幅部として、さらに前記振動腕の前記基部に対する付け根から、前記第1の縮幅部が始まる箇所までの間で、先端側に向かって急激に縮幅する第2の縮幅部を備えることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
  3. 前記基部の前記一端側より前記所定距離だけ離れた他端側から幅方向に延長され、かつ前記振動腕の外側において、該振動腕と同じ方向に延びる支持用アームを備える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. 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、前記基部の一端側から互いに平行に延びる複数の振動腕と、
    前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
    前記長溝に形成した駆動用の電極と
    を備えており、
    前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根付近から先端側に向かって、徐々に縮幅する縮幅部と、
    該縮幅部の終端からさらに先端側に向かって腕幅に変化なく延びるストレート部と、
    該ストレート部の終端であり、前記幅寸法が先端側に向かって徐々に増加する拡幅部につながる幅変化の変更点Pと
    を有することを特徴とする、圧電デバイス。
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