JP2008048274A - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を進める上で、周囲温度の変化に対する特性が良好な圧電振動片と、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所定長さの基部５１と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕３５，３６と、前記基部に対して連結部７３を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、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６１，６２とを備え、前記連結部７３の幅ｒと前記基部５１の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている。
【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１０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から図において上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、基部２の符号５，６で示す箇所に引出し電極が形成され、この部分に接着剤７，８を塗布して、例えばパッケージなどの基体に固定支持される。
そして、この接着剤による固定支持後に、圧電振動片を構成する材料と、パッケージなどの材料の線膨張係数の相違などに起因して残る残留応力が、振動腕の屈曲振動を妨げないように、基部２に切り込み部９，９を形成するようにしている。
このような、圧電振動片１においては各部位の小寸法化を進め、これに対応して、基部の長さも小さな寸法とされることで、圧電振動片１の小型化が進められている。

特開２００２−２６１５７５

ところが、このように小型化を進めた圧電振動片１においては、以下の理由により、温度特性試験において、好ましい結果が得られない場合がある。
すなわち、圧電振動片１を水晶で形成した場合に、その線膨張係数は１３．８ｐｐｍ／℃であるが、これを収容して接合するパッケージについては、アルミナセラミックパッケージで７．０ｐｐｍ／℃である。
そして、圧電振動片１のパッケージへの接合工程（マウント工程）では、導電性接着剤を用いて約２００度℃で接着剤を硬化させており、硬化後常温に戻した際には、圧電振動片１とパッケージの各線膨張係数の相違に対応した応力が、接合部に働くことになる。

このため、温度特性試験を行うと、例えば、図１１に示すように、理想の温度特性Ａに対して、実際にはＢのグラフに示すような特性を示す。
すなわち、マイナス５０度℃から１００度℃まで、温度環境を変化させてその特性を試験すると、マイナス４０度℃の際に上記接合部に働く応力のため、周波数はプラスにシフトしてしまう。
さらに、マイナス５５度（「摂氏」、以下、温度表示は全て「摂氏」）で１０００Ｈ（時間）放置試験（３２ｋＨｚ（キロヘルツ）の圧電振動子の場合）では、マイナス５５度の最も大きな応力が作用した後で、その後常温に戻すと、応力状態が完全に元に戻らないために、周波数はマイナスにシフトしてしまう。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、小型化を進める上で、温度特性が良好な圧電振動片と、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所定長さの基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、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とを備え、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下と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、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、本発明の圧電振動片では、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている。このため、励振部である各振動腕が、接合部となる各支持用アームからの影響をきわめて受けにくくなるので、小型化を進める上で、温度特性が良好な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、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％以上４０％以下と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、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％未満となると、落下衝撃などの外部からの衝撃により前記連結部が破断するおそれがあることが確認されている。
したがって、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％以上４０％以下とされることにより、励振部である各振動腕が、パッケージなどへの接合部を含む支持用アームからの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することのない圧電振動片を得ることができる。

また、上記目的は、第３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所定長さの基部と、前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、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とを備え、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている圧電デバイスにより、達成される。

第３の発明の構成によれば、パッケージに収容される圧電振動片において、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている。このため、第１の発明と同一の作用を得ることができ、特に、励振部である各振動腕が、パッケージへの接合部となる各支持用アームからの影響をきわめて受けにくくなるので、小型化を進める上で、温度特性が良好な圧電デバイスを提供することができる。

第４の発明は、第３の発明の構成において、前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％以上４０％以下とされていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、第２の発明で説明したのと同様の原理により、励振部である各振動腕が、パッケージへの接合部を含む支持用アームからの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することのない圧電振動片を得ることができる。

第５の発明は、第３または４のいずれかの発明の構成において、前記支持用アームが前記振動腕の両外側においてそれぞれ延びる一対の支持用アームであり、各支持用アームについてそれぞれ２箇所、合計４箇所の位置で、前記パッケージ内面に対して接合されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、圧電振動片がパッケージ内で４箇所により固定支持されることにより、接合状態が安定する。

図１および図２は、本発明の圧電デバイス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線切断端面図である。また、図３は図１の圧電振動片３２の詳細を説明するための拡大平面図４は図１の振動腕部分に関するＢ−Ｂ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、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おり、第１の基板５４と、第２の基板５５と、第３の基板５６の３つの基板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、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。

パッケージ５７の底部には、製造工程において、脱ガスするための貫通孔２７を有している。貫通孔２７は、第１の基板５４に形成された第１の孔２５と、第２の基板５５に形成され、上記第１の孔２５よりも小さな外径を有し、第１の孔２５と連通した第２の孔２６で形成されている。
そして、貫通孔２７には、封止材２８が充填されることにより、パッケージ５７内が気密状態となるように孔封止されている。

パッケージ５７は、図２に示すように、第３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。
パッケージ５７の第２の基板５５に形成した各電極部３１−１，３１−２、３１−１，３１−２の上には、導電性接着剤４３，４３、４３，４３を用いて、後述する圧電振動片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、図１の圧電デバイス３０よりも圧電振動片３２を接合する接合強度に優れている。

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。
尚、この実施形態では、各振動腕３５，３６の先端部は、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、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Ｌ２＋切り込み部長さ）を隔てた他端（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。

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、図３に示すように、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７１，７２を設けている。
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。
図３に示すように、この切り込み部７１，７２に挟まれた部分が連結部７３である。連結部７３は、基部５１の他端側において、両側方に延長された延長部７４に一体に接続されている。この最も外側で基部５１の幅方向に延長された部分（延長部７４）は、平行な一対の支持用アーム６１，６２との接続部として機能するものである。
ここで、図３において、連結部７３の幅寸法をｒとし、基部５１の幅寸法をｅとすると、連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされており、さらに好ましくは、ｒ／ｅが、２３％以上とされている。

次に、支持用アームの構造について説明する。
支持用アーム６１と支持用アーム６２は同一の形状であるから、支持用アーム６１について図３を参照しながら説明すると、その長さ寸法ｕは、圧電振動片３２の全長ａに対して、６０ないし８０％とすることが、安定した支持構造を得るために必要である。
また、支持用アーム６１，６２の外側コーナ部６１ａ，６２ａは、それぞれ内方に凸もしくは外方に凸となったＲ状に面取りされることにより、欠けたりする損傷を防止している。

支持用アームとの接合箇所は、例えば、一方の支持用アーム６１に関して、圧電振動片３２の長さ寸法の重心位置Ｇに相当する箇所をひとつだけ選択することもできる。しかし、図１で示すように、上記重心Ｇ位置を挟んで該重心位置から等距離離れた２点を選んで電極部３１−１，３１−２を設定し、接合すると、より接合構造が強化され、安定するので好ましい。
ひとつの支持用アームについて、１点で接合する場合は、接着剤塗布領域の長さが、圧電振動片３２の全長ａの２５％以上を確保することが十分な接合強度を得る上で好ましい。
この実施形態のように、２点の接合箇所（両方の支持用アームを合わせると４箇所）を設ける場合には、接合箇所どうしの間隔を圧電振動片３２の全長ａの２５％以上とすることが十分な接合強度を得る上で好ましい。

なお、各電極部３１−１，３１−２、３１−１，３１−２のうち、少なくとも一組の電極部３１−１，３１−２はパッケージ裏面の実装端子４１、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。
尚、蓋体４０は、透明な材料でなく、例えば、コバールなどの金属板体をシーム封止などで接合する構造としてもよい。

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（基部長さＬ２＋切り込み部長さ）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の腕幅寸法Ｗ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Ｗ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設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Ｗ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、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。
同様の理由により、切り込み部７１，７２が形成される箇所も、振動腕３５，３６の付け根部５２の箇所から振動腕３５，３６の腕幅寸法Ｗの大きさを超える箇所とするのが好ましい。このため、切り込み部７１，７２は、支持用アーム６１，６２が基部５１に対して一体に接続されている箇所を含んで、そこよりも振動腕寄りの位置に形成される。
尚、支持用アーム６１，６２は振動に関与しないので、その腕幅寸法Ｗに特別の条件はないが、支持構造を確実にするため、振動腕よりも大きな幅とすることが好ましい。

かくして、この実施形態では、振動腕の腕幅寸法Ｗが５５μｍ程度、振動腕どうしの間隔ＭＷが７０μｍ程度、支持用アーム６１，６２の幅ｆを９０μｍ程度とすることで、基部５１の幅ＢＷを５００μｍとすることができ、これは図１０の圧電振動片１の幅とほぼ同様で、長さは短く、従来と同じ大きさのパッケージに十分収容できるものである。本実施形態は、そのような小型化をはかりつつ、以下のような作用効果を得ることができる。

図１の圧電振動片３２においては、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。

さらに、図１０の構成と比較して、容易に理解されるように、図１０では、互いに接近した引き出し電極５と引き出し電極６に、導電性接着剤７，８を塗布して接合する構造であるから、これらが接触しないように、短絡を避けてきわめて狭い範囲に接着剤を塗布（パッケージ側）したり、接合後も硬化前に接着剤が流れて短絡しないようにしながら接合工程を実行しなければならず、容易な工程ではなかった。
これに対して、図１の圧電振動片３２では、互いにパッケージ５７の幅方向一杯に離れた支持用アーム６１，６２のそれぞれの中間付近に対応する電極部３１，３１に、導電性接着剤４３，４３を塗布すればよいので、上述のような困難さがほとんどなく、また、短絡の心配もないものである。

さらに、図３において、圧電振動片３２では、振動腕の長さをＬ１とし、基部５１の長さをＬ２（距離ＢＬ−切り込み部長さ）としている。
支持用アーム６２が基部５１に対して一体に接続されている接続部の幅Ｌ３が６０μｍ以上、１００μｍ以下とされると好ましい。すなわち、この幅Ｌ３が６０μｍ未満のものの製造は難しい。Ｌ３が１００μｍを超えると、圧電振動片の小型化の障害になる。

次に、本実施形態の圧電振動片３２の好ましい詳細構造について、図３および図４を参照しながら説明する。
図３に示す圧電振動片３２の各振動腕３５，３６は同じ形状であるから、振動腕３６について説明すると、基部５１から各振動腕が延びる基端部Ｔでは、振動腕幅が最も広い。そして、振動腕３６の付け根部であるこのＴの位置から振動腕３６の先端側に僅かな距離だけ離れたＵの箇所の間において、急激に縮幅する第１の縮幅部ＴＬが形成されている。そして第１の縮幅部ＴＬの終端であるＵの位置から、振動腕３６のさらに先端側に向かって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する第２の縮幅部が形成されている。

このため、振動腕３６は基部に近い付け根付近が、第１の縮幅部ＴＬを設けることにより、高い剛性を備えるようにされている。また、第１の縮幅部の終端Ｕから先端に向かうにつれて、第２の縮幅部ＣＬを形成したことにより、連続的に剛性が低くなるようにされている。Ｐの箇所は腕幅の変更点Ｐであり、振動腕３６の形態上くびれた位置であるから、くびれ位置Ｐと表現することもできる。振動腕３６においては、この腕幅の変更点Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が同じ寸法で延長されるか、好ましくは図示のように徐々に僅かに拡大している。

ここで、図３の長溝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する。ここで、振動腕の全長Ｌ１に対して、長溝３３，３４の基部５１からの長さｊ（長溝の長さ）が、少なくともｊ／Ｌ１＝０．７程度までは、長くするほど音叉型振動片のＣＩ値は下がることがわかっている。このため、ｊ／Ｌ１＝０．５ないし０．７であることが好ましい。この実施形態では、図３において、振動腕３６の全長Ｌ１は、例えば１２２０μｍ程度である。

また、長溝の長さを適切に長くして、十分にＣＩ値の抑制をはかるようにした場合、次に圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）が問題となる。
すなわち、基本波のＣＩ値が低減されると同時に、高調波のＣＩ値も抑制され、該高調波のＣＩ値が、基本波のＣＩ値よりも小さくなると、高調波により発振しやすくなってしまう。
そこで、長溝を長くしてＣＩ値を低くするだけでなく、さらに、腕幅の変更点Ｐについても振動腕の先端よりに設けることで、ＣＩ値を低減しつつ、さらにＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）を大きくすることができる。
すなわち、振動腕３６ではその根本部分、つまり、付け根付近が、第１の縮幅部ＴＬにより、剛性が強化されている。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、ＣＩ値の抑制をはかることができる。

しかも、第２の縮幅部ＣＬを設けたことで、振動腕３６は、その付け根付近から、先端側に向かって、腕幅の変更点であるくびれ位置Ｐまで、徐々に剛性が低下し、くびれ位置Ｐからさらに先端側では、長溝３４が無く、腕幅を徐々に拡大させていることから、剛性は先端側にいくに従って高くされている。
このため、２次の高調波における振動の際の振動の「節」を、振動腕３６のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝３４を長くして圧電材料の電界効率を上げ、ＣＩ値を上昇させても、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ないようにすることができる。このことから、図３に示すように、好ましくは腕幅の変更点Ｐを長溝の先端部よりも、振動腕の先端側に設けることで、ほぼ確実にＣＩ値比を大きくして、高調波による発振を防止できる。

さらに、本発明者の研究によると、振動腕の全長Ｌ１に対して、長溝３３，３４の基部５１からの長さｊとしたときの、上記ｊ／Ｌ１と、振動腕３６の最大幅／最小幅の値である腕幅縮幅率Ｍと、これらに対応したＣＩ値比（第２高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）とは相関がある。
そして、上記ｊ／Ｌ１＝６１．５％とした場合、振動腕３６の最大幅／最小幅の値である腕幅縮幅率Ｍを１．０６よりも大きくすることにより、ＣＩ値比を１より大きくすることができ、高調波による発振を防止することができることが確認されている。
かくして、全体を小型化しても、基本波のＣＩ値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。

次に、圧電振動片３２のさらに好ましい構造について説明する。
図４の寸法ｘで示すウエハ厚み、すなわち、圧電振動片を形成する水晶ウエハの厚みは、７０μｍないし１３０μｍが好ましい。
図３の寸法ａで示す圧電振動片３２の全長は、１３００μｍないし１６００μｍ程度である。振動腕の全長である寸法Ｌ１は、１１００ないし１４００μｍとし、圧電振動片３２の全幅ｄは、４００μｍないし６００μｍとすることが、圧電デバイスの小型化の上で好ましい。このため、音叉部分の小型化のためには、基部５１の幅寸法ｅは２００ないし４００μｍ、支持用アームの幅ｆは、５０ないし１５０μｍとすることが支持効果を確実にする上で必要である。

また、図３の振動腕３５と３６の間の寸法ｋは、５０ないし１００μｍとするのが好ましい。寸法ｋが５０μｍより少ないと、圧電振動片３２の外形を、後述するように、水晶ウエハをウエットエッチングにより貫通させて形成する場合に、エッチング異方性に基づく異形部、すなわち、図４の符号８１で示した振動腕側面におけるプラスＸ軸方向へのヒレ状凸部を、十分に小さくすることが困難になる。寸法ｋが１００μｍ以上となると、振動腕の屈曲振動が不安定になるおそれがある。
さらに、図４の振動腕３５（振動腕３６も同じ）における長溝３３の外縁と振動腕の外縁との寸法ｍ１，ｍ２は、ともに３ないし１５μｍとするとよい。寸法ｍ１，ｍ２は１５μｍ以下とすることで、電界効率が向上し、３μｍ以上とすることで、電極の分極が確実に行われるのに有利である。

図３の振動腕３６において、第１の縮幅部ＴＬの幅寸法ｎが１１μｍ以上あると、ＣＩ値の抑制に確実な効果が期待できる。
図３の振動腕３６において、腕幅の変更点Ｐよりも先端側が拡幅している拡幅度合いが、振動腕３６の腕幅が最小とされている箇所である該腕幅の変更点Ｐの箇所の幅に対して、０ないし２０μｍ程度の増加とするのが好ましい。これを超えて拡幅されると、振動腕３６の先端部が重くなりすぎて、屈曲振動の安定性を損なうおそれがある。

また、図４における振動腕３５（振動腕３６も同じ）の外側の一側面に、プラスＸ軸方向にヒレ状に突出する異形部８１が形成されている。これは、圧電振動片をウエットエッチングして外形形成する際に、水晶のエッチング異方性によりエッチング残りとして形成されるものであるが、好ましくは、フッ酸とフッ化アンモニウムによるエッチング液中で、９時間ないし１１時間エッチングすることにより、該異形部８１の突出量ｖを５μｍ以内に低減することが、振動腕３５の安定した屈曲振動を得る上で好ましい。

図３の寸法ｇで示す長溝の幅寸法は、振動腕の該長溝が形成されている領域において、振動腕の腕幅ｃに対して、６０ないし９０％程度とするのが好ましく、その寸法は４０μｍないし６０μｍとするのが好ましい。振動腕３５，３６には、第１および第２の縮幅部が形成されているので、腕幅ｃは振動腕の長さ方向の位置により異なるが、振動腕の最大幅に対して、長溝の幅ｇは６０ないし９０％程度となる。これより長溝の幅が小さくなると、電界効率が下がり、ＣＩ値の上昇につながる。

さらに、図３の基部５１の全長ｈは、圧電振動片３２の全長ａに対して、従来３０％程度あったものが、この実施形態は、切り込み部の採用などにより、１５ないし２５％程度とすることができ、小型化を実現している。
また、好ましくは、基部５１には、図１の実施形態と同様に、基部５１の両側縁に、凹部もしくは切り込み部７１，７２を設けてあり、その深さ（図３の寸法ｑ）は、例えば８０μｍ程度とすることができる。
また、本実施形態では、パッケージ寸法を小型にするために、基部５１の側面と支持用アーム６１，６２の間隔（寸法ｐ）が３０ないし１００μｍとされている。
図４に示すように、圧電振動片３２の各励振電極３７，３８はクロス配線により、交流電源に接続されており、電源から駆動電圧としての交番電圧が、各振動腕３５，３６に印加されるようになっている。

これにより、振動腕３５，３６は互いに逆相振動となるように励振され、基本モード、すなわち、基本波において、各振動腕３５，３６の先端側を互いに接近・離間させるように屈曲振動されるようになっている。
ここで、例えば、圧電振動片３２の基本波は、Ｑ値：１２０００、容量比（Ｃ０／Ｃ１）：２６０、ＣＩ値：５７ｋΩ、周波数：３２．７６８ｋＨｚ（「キロヘルツ」、以下同じ）である。
また、２次の高調波は、例えば、Ｑ値：２８０００、容量比（Ｃ０／Ｃ１）：５１００、ＣＩ値：７７ｋΩ、周波数：２０７ｋＨｚである。

図５は、本実施形態の圧電振動片３２を利用して圧電発振器を構成する場合の発振回路の例を示す回路図である。
発振回路９１は、増幅回路９２と帰還回路９３を含んでいる。
増幅回路９２は、増幅器９５と帰還抵抗９４を含んで構成されている。帰還回路９３は、ドレイン抵抗９６と、コンデンサ９７，９８と、圧電振動片３２とを含んで構成されている。
ここで、図５の帰還抵抗９４は、例えば１０ＭΩ（メガオーム）程度、増幅器９５はＣＭＯＳインバータを用いることができる。ドレイン抵抗９６は、例えば２００ないし９００ｋΩ（キロオーム）、コンデンサ９７（ドレイン容量）と、コンデンサ９８（ゲート容量）は、それぞれ１０ないし２２ｐＦ（ピコファラド）とすることができる。

本実施形態の圧電振動片３２、および圧電デバイス３０は以上のように構成されており、特徴的な作用効果について説明する。
既に説明したように、本実施形態の圧電振動片３２においては、図３において、連結部７３の幅寸法をｒとし、基部５１の幅寸法をｅとすると、連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅを所定の値にすることで、図６および図７に示すような結果が期待できる。

すなわち、図６は横軸にｒ／ｅの値をとり、縦軸にマイナス５０℃における温度特性、特に周波数のバラツキを示しており、図７は、横軸にｒ／ｅの値をとり、縦軸にマイナス５０℃における温度特性、特に理想の温度特性に対する周波数のシフトを示している。
これらの図において、周波数のバラツキ（図６）および周波数のシフト（図７）のいずれかに関しても、連結部７３の幅寸法ｒを小さくすることで、改善させることがわかる。
特に、連結部７３の幅寸法ｒを次第に小さくして、ｒ／ｅの値が４０％程度で、周波数のバラツキは２．５ｐｐｍ程度まで改善される。
一方、図７の周波数シフトに関しては、ｒ／ｅの値が４０％を超えて小さくされても、徐々に改善される傾向は続く。
しかしながら、本発明者等の試みによれば、ｒ／ｅの値が、２３％未満となると、圧電デバイスを落下させるなどした際における落下衝撃などの外部からの衝撃により、連結部７３が破断するおそれがあることが確認されている。
したがって、ｒ／ｅの値が、２３％以上４０％以下とされることにより、圧電振動片３２および、これを収容した圧電デバイス３０において、励振部である各振動腕３５，３６が、パッケージ５７への接合部を含む支持用アーム６１，６２からの影響をきわめて受けにくく、しかも外部からの衝撃で、容易に破損することがない。

（圧電デバイスの製造方法）
次に、図８のフローチャートを参照しながら、上述の圧電デバイスの製造方法の一例を説明する。
（蓋体およびパッケージの製造方法）
圧電デバイス３０の圧電振動片３２と、パッケージ５７と、蓋体４０は、それぞれ別々に製造される。
蓋体４０は、例えば、所定の大きさのガラス板、例えば、硼珪酸ガラスの板ガラスを切断し、パッケージ５７を封止するのに適合する大きさの蓋体として用意される。
パッケージ５７は、上述したように、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形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓを形成する。

（圧電振動片の製造方法）
先ず、圧電基板を用意し、ひとつの圧電基板から所定数の圧電振動片について、同時にその外形をエッチングにより形成する（外形エッチング）。
ここで、圧電基板は、圧電材料のうち、例えば、圧電振動片３２を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハが使用される。この圧電基板は工程の進行により図３の圧電振動片３２（図１の圧電振動片３２なども同様に製造される）を形成するので、図１あるいは図４に示すＸ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、圧電材料、例えば水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度（図９のθ）の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られる。

外形エッチングでは、図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、圧電振動片の外形から外側の部分として露出した圧電基板に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。
ここで、外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図３に示した機械軸Ｘ、電気軸Ｙ、光学軸Ｚに関して、エッチングの進行上、次のようなエッチング異方性を示す。
すなわち、圧電振動片３２に関して、そのＸ−Ｙ平面内におけるエッチングレートについては、プラスＸ方向で、このＸ軸に対して１２０度の方向、およびマイナス１２０度の方向の面内においてエッチングの進行が速く、マイナスＸ方向でＸ軸に対してプラス３０度の方向、およびマイナス３０度の方向の内面のエッチングの進行が遅くなる。
同様に、Ｙ方向のエッチングの進行は、プラス３０度方向およびマイナス３０度方向が速くなり、プラスＹ方向で、Ｙ軸に対してプラス１２０度方向、およびマイナス１２０度方向が遅くなる。

このようなエッチング進行上の異方性により、圧電振動片３２では、図４の符号８１で示されているように、各振動腕の外側側面に、ヒレ状に突出した異形部が形成される。
しかしながら、この実施形態では、エッチング液として、フッ酸および、フッ化アンモニウムを用いて、十分な時間、すなわち、９時間ないし１１時間という十分な時間をかけて、エッチングを行うことにより、図４で説明した異形部８１の突出量ｖが５μｍ以内と、きわめて小さくすることができる（ＳＴ１１）。
この工程において、圧電振動片３２の切り込み部７１，７２を含む外形が同時に形成され、終了時には、水晶ウエハに対して、それぞれ細い一体部で基部５１付近を接続された多数の圧電振動片３２の外形完成状態のものが得られる。

（溝形成のためのハーフエッチング工程）
次に、図示しない溝形成用レジストにより、図４で示した形態となるように、各長溝を挟む両側の壁部を残す様にして、溝を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、各振動腕３５，３６の表面と裏面を、それぞれウエットエッチングすることにより長溝に対応した底部を形成する（ＳＴ１２）。
ここで、図４を参照すると、符号ｔで示す溝深さは、全体厚みｘに対して、３０ないし４５％程度とされる。ｔに関して、全体厚みｘの３０％以下だと、電界効率を十分向上させることができない場合がある。４５％以上だと、剛性が不足して、屈曲振動に悪影響を与えたり、強度が不足する場合がある。

なお、上記外形エッチングおよび溝エッチングは、その一方もしくは両方をドライエッチングにより形成してもよい。その場合には、例えば、圧電基板（水晶ウエハ）上に、圧電振動片３２の外形や、外形形成後には、長溝に相当する領域を、その都度メタルマスクを配置して覆う。この状態で、例えば、図示しないチャンバー内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングすることができる。つまり、真空チャンバー（図示せず）には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバーには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
真空チャンバー内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。

（電極形成工程）
次に、蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属、例えば、金を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、図１で示した駆動用の電極を形成する（ＳＴ１３）。
その後、各振動腕３５，３６の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極（金属被膜）２１，２１が形成される（ＳＴ１４）。錘付け電極２１，２１は通電されて圧電振動片３２の駆動に用いられるのではなく、後述する周波数調整に利用される。

次いで、ウエハ上で、周波数の粗調整が行われる（ＳＴ１５）。粗調整は、錘付け電極２１，２１の一部をレーザ光などのエネルギービームを照射することにより、部分的に蒸散させて、質量削減方式による周波数調整である。
続いて、上記したウエハに対する細い一体部を折り取り、圧電振動片３２を個々に形成する個片にする（ＳＴ１６）。
次に、図１で説明したように、パッケージ５７の各電極部３１−１，３１−２，３１−１，３１−２に導電性接着剤４３，４３，４３，４３を塗布し、その上に支持用アーム６１，６２を載置して、接着剤を加熱・硬化させることにより、パッケージ５７に対して、圧電振動片３２を接合する（ＳＴ１７）。
なお、この導電性接着剤４３としては、例えば、合成樹脂などを利用したバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接続とを同時に行うことができるものである。

続いて、蓋体４０が金属製などの不透明な材料で形成されている場合には、図２で説明した貫通孔２７は設けられていない。そして、圧電振動片３２に対して、駆動電圧を印加して、周波数を見ながら、例えば、レーザ光を圧電振動片３２の振動腕３５および／または振動腕３６の錘付け電極２１の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う（ＳＴ１８−１）。
次いで、真空中でシーム溶接などにより蓋体４０をパッケージ５７に接合し（ＳＴ１９−１）、必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。

あるいは、パッケージ５７を透明な蓋体４０で封止する場合には、圧電振動片３２のＳＴ１７における接合後において、該蓋体４０をパッケージ５７に接合する（ＳＴ１８−２）。
この場合、例えば、低融点ガラスなどを加熱して、蓋体４０をパッケージ５７に接合する加熱工程が行われるが、この際に、低融点ガラスや導電性接着剤などからガスが生成される。そこで、加熱により、このようなガスを図２で説明した貫通孔２７から排出し（脱ガス）、その後、真空中で段部２９に金錫、より好ましくは、金ゲルマニウムなどでなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図２の金属充填材２８が貫通孔２７を気密に封止する（ＳＴ１９−２）。
次いで、図２で示すように、ガラスなどでなる透明な蓋体４０を透過させるように外部からレーザ光を圧電振動片３２の振動腕３５および／または振動腕３６の錘付け電極２１の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う（ＳＴ２０−２）。次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。

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の実施形態に係る圧電振動片の概略拡大平面図。 図１の振動腕部分のＢ−Ｂ線切断端面図。 図１の圧電振動片を用いた発振回路例を示す回路図。 図３の圧電振動片の寸法と温度特性の周波数バラツキを示すグラフ。 図３の圧電振動片の寸法と温度特性の周波数シフトを示すグラフ。 本発明の圧電デバイスの製造方法の一例を示すフローチャート。 水晶Ｚ板の座標軸を示す図。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図１０の圧電振動片の温度特性を示す図。

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、５１・・・基部、６１，６２・・・支持用アーム

Claims (5)

1. 圧電材料により形成された所定長さの基部と、
   前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、
   前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、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と
   を備え、
   前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている
   ことを特徴とする圧電振動片。
2. 前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％以上４０％以下と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. 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所定長さの基部と、
   前記基部の一端側から延びる複数の振動腕と、
   前記基部に対して連結部を介して一体に接合されており、前記基部の前記一端側より所定距離だけ離れた他端側において幅方向に延長され、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と
   を備え、
   前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、ほぼ４０％以下とされている
   ことを特徴とする圧電デバイス。
4. 前記連結部の幅ｒと前記基部の幅ｅの比率であるｒ／ｅが、２３％以上４０％以下とされていることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイス。
5. 前記支持用アームが前記振動腕の両外側においてそれぞれ延びる一対の支持用アームであり、各支持用アームについてそれぞれ２箇所、合計４箇所の位置で、前記パッケージ内面に対して接合されていることを特徴とする請求項３または４に記載の圧電デバイス。
   

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