JP2008178022A - 音叉型圧電振動片 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、ＣＩ値を抑え周波数への影響を低減することにある。
【解決手段】振動腕１２には、表裏面１４，１６に、長手方向に延びる長溝２６がそれぞれ形成される。長溝２６は、第１の側面１８と背中合わせに延びる第１の内面２８と、第２の側面２０と背中合わせに延びる第２の内面３０と、を含む。第１の内面２８は第２の内面３０よりも、表裏面１４，１６に対する角度が垂直に近くなっている。励振電極膜４０は、表裏面１４，１６にそれぞれ形成された表裏電極膜４２，４４と、第１及び第２の側面１８，２０にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜４６，４８と、第１及び第２の内面２８，３０にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２と、を含む。表裏電極膜４２，４４は、励振電極膜４０で最も厚い部分である。第１の内面電極膜５０は、励振電極膜４０で最も薄い部分である。
【選択図】図２

Description

本発明は、音叉型圧電振動片に関する。

音叉型圧電振動片は、一対の振動腕を有し、振動腕には励振電極が形成されている。また、振動腕に長溝を形成してＣＩ値を下げることも知られており、長溝内にも励振電極が形成される（特許文献１）。励振電極は、厚いと振動腕が振動しにくくなってＣＩ値が上昇する一方で、薄いと熱弾性による熱拡散を抑えることができずにＣＩ値が上昇し、薄すぎると電気的な接続不良が生じるおそれがある。また、振動腕及び励振電極をそれぞれ構成する水晶及び金属の線膨張係数差・ヤング率差に起因して、振動腕及び励振電極の界面に応力が生じており、応力は励振電極が厚いほど大きく、特に低温において、周波数に影響を及ぼしていた。
特開２００２−２６１５７５号公報

本発明の目的は、ＣＩ値を抑え周波数への影響を低減することにある。

（１）本発明に係る音叉型圧電振動片は、
基部と、
前記基部から延びる一対の振動腕と、
それぞれの前記振動腕に形成されている励振電極膜と、
を含み、
それぞれの前記振動腕は、相互に反対を向く表裏面と、前記表裏面を両側で接続する第１及び第２の側面と、を有し、一方の前記振動腕の前記第１の側面と他方の前記振動腕の前記第２の側面が対向するように並列し、
それぞれの前記振動腕には、前記表裏面に、長手方向に延びる長溝がそれぞれ形成され、前記長溝は、前記第１の側面と背中合わせに延びる第１の内面と、前記第２の側面と背中合わせに延びる第２の内面と、を含み、前記第１の内面は前記第２の内面よりも、前記表裏面に対する角度が垂直に近くなっており、
前記励振電極膜は、前記表裏面にそれぞれ形成された表裏電極膜と、前記第１及び第２の側面にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜と、前記第１及び第２の内面にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜と、を含み、
前記励振電極膜で最も厚い部分は、前記表裏電極膜の、前記表裏面の少なくとも一方上に形成され、
前記励振電極膜で最も薄い部分は、前記第１の内面電極膜の、前記表裏面の少なくとも一方の前記長溝に形成される。本発明では、第１の側面電極膜と第１の内面電極膜との間に電圧を印加し、第２の側面電極膜と第２の内面電極膜との間に電圧を印加することで、振動腕の一方の側端を伸ばし、他方の側端を縮ませて振動腕を屈曲させて振動させる。本発明によれば、第１の内面が表裏面に対して垂直近くになっている。振動腕の屈曲時に、第１の内面は凹凸に屈曲する面であってその上の第１の内面電極膜が振動の妨げとなりやすいが、第１の内面電極膜を励振電極膜で最も薄い部分としてあるので、振動の妨げになる要因を減らし、応力も減らして周波数に与える影響を低減することができる。また、振動腕の屈曲時に、表裏面は凹凸に屈曲する面ではなく、表裏電極膜は、第１及び第２の内面に比べると振動に与える影響が小さいので、この表裏電極膜を励振電極膜で最も厚い部分として、電気的な接続を確保し、熱弾性による熱拡散を抑えている。こうして、本発明によれば、ＣＩ値を抑え周波数への影響を低減することができる。
（２）この音叉型圧電振動片において、
前記第１及び第２の側面は、前記第２の内面よりも前記表裏面に対する角度が垂直に近くなっており、
前記第１及び第２の側面電極膜は、前記第２の内面電極膜よりも薄くてもよい。
（３）この音叉型圧電振動片において、
前記第１の側面は、前記表裏面の間隔によって定義される前記振動腕の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されていてもよい。
（４）この音叉型圧電振動片において、
前記第１の側面が描く前記山型の高さは、前記第１及び第２の側面の間隔によって定義される前記振動腕の幅の、０％超１２．５％以下であってもよい。
（５）この音叉型圧電振動片において、
前記基部及び前記一対の振動腕は、水晶から構成され、結晶方位について、前記表裏面がＺ軸方向を向き、前記第１の側面がＸ軸の＋方向を向き、前記第２の側面がＸ軸の−方向を向くように構成されていてもよい。
（６）この音叉型圧電振動片において、
それぞれの前記振動腕は、
前記第１及び第２の側面の間隔によって定義される幅が、前記基部から先端に向けて細くなる第１のテーパ部と、
前記第１のテーパ部よりも前記先端に近い位置に、前記幅が前記第１のテーパ部から前記先端に向けて太くなる第２のテーパ部と、
を含んでもよい。
（７）この音叉型圧電振動片において、
それぞれの前記振動腕は、前記第１及び第２のテーパ部が接続される幅変更点が前記溝よりも前記先端近くに位置するように形成されていてもよい。
（８）この音叉型圧電振動片において、
前記励振電極膜は、１００Å以上３００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、前記Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上５００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含んでもよい。
（９）この音叉型圧電振動片において、
前記基部から前記一対の振動腕の延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、前記一対の振動腕の延びる方向に屈曲してさらに延びる一対の支持腕をさらに含み、
前記基部には、前記表裏面と同じ側の面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向に一対の切り込みが形成され、
前記一対の切り込みは、それぞれ、前記一対の支持腕が屈曲して延びる方向の側で前記一対の支持腕に隣接して前記基部に形成されていてもよい。

図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電電振動片を示す平面図である。なお、音叉型圧電電振動片の底面図は平面図と対称に表れるので記載を省略する。音叉型圧電電振動片は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料からなる。音叉型圧電振動片は、基部１０と、基部１０から延びる一対の振動腕１２と、を含む。

図２は、図１に示す音叉型圧電振動片のII−II線断面拡大図である。振動腕１２は、相互に反対を向く表裏面１４，１６と、表裏面１４，１６を両側で接続する第１及び第２の側面１８，２０と、を有する。音叉型圧電電振動片を水晶から構成する場合、結晶方位について、表裏面１４，１６がＺ軸方向を向き、第１の側面１８がＸ軸の＋方向を向き、第２の側面２０がＸ軸の−方向を向くように構成する。

一方（図２で左側）の振動腕１２の第１の側面１８と他方（図２で右側）の振動腕１２の第２の側面２０が対向するように並列している。第１の側面１８は、表裏面１４，１６の間隔によって定義される振動腕１２の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されている。第１の側面１８が描く山型の高さは、第１及び第２の側面１８，２０の間隔によって定義される振動腕１２の幅の、０％超１２．５％以下である。

振動腕１２は、基部１０に接続される根本部において、基部１０側に向けて幅を拡げてあり、広い幅で基部１０に接続するので剛性が高くなっている。振動腕１２は、第１及び第２の側面１８，２０の間隔によって定義される幅が、基部１０から先端に向けて細くなる第１のテーパ部２２を含む。第１のテーパ部２２を形成することにより、振動腕１２は振動しやすくなっている。振動腕１２は、第１のテーパ部２２よりも先端に近い位置に、幅が第１のテーパ部２２から先端に向けて太くなる第２のテーパ部２４を含む。第２のテーパ部２４は、錘の機能を果たすので、振動周波数を低くすることができる。振動腕１２は、第１及び第２のテーパ部２２，２４が接続される幅変更点が長溝２６よりも先端近くに位置するように形成されている。

振動腕１２には、表裏面１４，１６に、長手方向に延びる長溝２６がそれぞれ形成されている。長溝２６によって振動腕１２が動きやすくなって効率的に振動するのでＣＩ値を下げることができる。長溝２６は、振動腕１２の長さの５０〜７０％の長さを有する。また、長溝２６は、振動腕１２の幅の６０〜９０％の幅を有する。

長溝２６は、第１の側面１８と背中合わせに延びる第１の内面２８と、第２の側面２０と背中合わせに延びる第２の内面３０と、を含む。第１の内面２８は第２の内面３０よりも、表裏面１４，１６に対する角度が垂直に近くなっている。第１の内面２８は平坦面であってもよい。第２の内面３０も平坦面であってもよいが、図２に示す例では、異なる角度の面が接続されてなる。第１及び第２の側面１８，２０は、第２の内面３０よりも表裏面１４，１６に対する角度（表裏面１４，１６と接続する部分の角度）が垂直に近くなっている。

音叉型圧電電振動片は、基部１０から一対の振動腕１２が延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、一対の振動腕１２の延びる方向に屈曲してさらに延びる一対の支持腕３２をさらに含む。屈曲することで、支持腕３２は小型化される。支持腕３２は、図示しないパッケージなどに取り付けられる部分であり、支持腕３２での取り付けによって、振動腕１２及び基部１０は浮いた状態になる。

基部１０には、振動腕１２の表裏面１４，１６と同じ側の面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向に一対の切り込み３４が形成されている。一対の切り込み３４は、それぞれ、一対の支持腕３２が屈曲して延びる方向の側で一対の支持腕３２に隣接して基部１０に形成されている。切り込み３４によって、振動腕１２の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１０や支持腕３２を介して外部に伝わること（振動漏れ）を抑制し、ＣＩ値の上昇を防止することができる。切り込み３４の長さ（深さ）は、基部１０の強度を確保できる範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果は大きい。一対の切り込み３４の間の幅（一対の切り込み３４に挟まれた部分の幅）は、一対の振動腕１２の対向する第１及び第２の側面１８，２０の間隔よりも小さくしてもよいし大きくしてもよいし、一対の振動腕１２の相互に反対を向く第１及び第２の側面１８，２０の距離よりも小さくしてもよいし大きくしてもよい。

振動腕１２には、励振電極膜４０が形成されている。励振電極膜４０は、１００Å以上３００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上５００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含む多層構造であってもよい。Ｃｒ膜は水晶との密着性が高く、Ａｕ膜は電気抵抗が低く酸化し難いことで知られている。

励振電極膜４０は、表裏面１４，１６にそれぞれ形成された表裏電極膜４２，４４（複数の表電極膜４２と複数の裏電極膜４４）と、第１及び第２の側面１８，２０にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜４６，４８と、第１及び第２の内面２８，３０にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２と、を含む。なお、複数の表電極膜４２は相互に電気的に分離され、複数の裏電極膜４４は相互に電気的に分離されている。表裏電極膜４２，４４は、励振電極膜４０で最も厚い部分である。第１の内面２８に形成された第１の内面電極膜５０は、励振電極膜４０で最も薄い部分である。第１及び第２の側面電極膜４６，４８は、第２の内面電極膜５２よりも薄い。すなわち、第１の内面電極膜５０の厚みＴ_１、第１又は第２の側面電極膜４６，４８の厚みＴ_２、第２の内面電極膜５２の厚みＴ_３、表裏電極膜４２，４４の厚みＴ_４について、
Ｔ_１＜Ｔ_２＜Ｔ_３＜Ｔ_４
の関係が成立する。

励振電極膜４０によって、第１及び第２の励振電極６０，６２が構成される。１つの振動腕１２において、第１及び第２の励振電極６０，６２間に電圧を印加して、振動腕１２の第１及び第２の側面１８，２０を伸縮させることで振動腕１２を振動させる。なお、第１及び第２の励振電極６０，６２は、振動腕１２の７０％までは、長いほどＣＩ値が下がることが分かっている。

第１の励振電極６０は、長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２と、表裏電極膜４２，４４と、を含む。１つの長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２は、相互に連続的に形成されて電気的に接続されている。さらに、１つの長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２は、表裏電極膜４２，４４の一方（例えば、表面１４に形成された長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２に対応するのは表電極膜４２）と連続的に形成されて電気的に接続されている。また、表裏面１４，１６の一方（例えば表面１４）の長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２並びにこれらに電気的に接続する表裏電極膜４２，４４の一方（例えば表電極膜４２）と、表裏面１４，１６の他方（例えば裏面１６）の長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜５０，５２並びにこれらに電気的に接続する表裏電極膜４２，４４の他方（例えば裏電極膜４４）と、は電気的に接続されている。すなわち、表裏面１４，１６それぞれに形成された一対の第１の励振電極６０は電気的に接続されている。一方の振動腕１２に形成された一対の第１の励振電極６０は、基部１０上の表裏面１４，１６それぞれに形成された引き出し電極６６に接続され、これらの引き出し電極６６が、他方の振動腕１２の第１又は第２の側面電極膜４６，４８に接続されることで電気的に接続される。

第２の励振電極６２は、第１及び第２の側面電極膜４６，４８並びに表裏電極膜４２，４４を含む。詳しくは、第１の側面電極膜４６に連続するように表裏電極膜４２，４４が形成され、同様に、第２の側面電極膜４８に連続するように他の表裏電極膜４２，４４が形成されている。また、第１及び第２の側面電極膜４６，４８は電気的に接続されている。その電気的接続は、振動腕１２の長溝２６が形成されていない部分（例えば先端部）において、表裏面１４，１６の少なくとも一方（あるいは両方）上に形成された接続電極６４によってなされている。

一方の振動腕１２に形成された第１の励振電極６０と、他方の振動腕１２に形成された第２の励振電極６２と、は基部１０上の引き出し電極６６で電気的に接続されている。引き出し電極６６は、第２の励振電極６２が形成される振動腕１２の隣に並ぶ支持腕３２上に至るまで形成されている。引き出し電極６６は、支持腕３２の表裏面（あるいはさらに側面）に形成してもよい。支持腕３２上で、引き出し電極６６を外部との電気的接続部にすることができる。

本実施の形態では、第１の側面電極膜４６と第１の内面電極膜５０との間に電圧を印加し、第２の側面電極膜４８と第２の内面電極膜との間に電圧を印加することで、振動腕１２の一方の側端を伸ばし、他方の側端を縮ませて振動腕１２を屈曲させて振動させる。本実施の形態によれば、第１の内面２８が表裏面１４，１６に対して垂直近くになっている。振動腕１２の屈曲時に、第１の内面２８は凹凸に屈曲する面であってその上の第１の内面電極膜５０が振動の妨げとなりやすいが、第１の内面電極膜５０を励振電極膜４０で最も薄い部分としてあるので、振動の妨げになる要因を減らし、応力も減らして周波数に与える影響を低減することができる。また、表裏面１４，１６は、振動腕１２の屈曲時に凹凸に屈曲する面ではなく、表裏電極膜４２，４４は、第１及び第２の内面２８，３０に比べると振動に与える影響が小さいので、この表裏電極膜４２，４４を励振電極膜４０で最も厚い部分として、電気的な接続を確保し、熱弾性による熱拡散を抑えている。こうして、本実施の形態によれば、ＣＩ値を抑え周波数への影響を低減することができる。

図３は、本実施の形態に係る音叉型圧電振動片の動作を説明する図である。図３に示すように、一方の振動腕１１２の第１及び第２の励振電極１６０，１６２に電圧が印加され、他方の振動腕２１２の第１及び第２の励振電極２６０，２６２に電圧が印加される。ここで、一方の振動腕１１２の第１の励振電極１６０と他方の振動腕２１２の第２の励振電極２６２が同じ電位（図３の例では＋電位）となり、一方の振動腕１１２の第２の励振電極１６２と他方の振動腕２１２の第１の励振電極２６０が同じ電位（図３の例では−電位）となるように、第１の励振電極１６０，２６０及び第２の励振電極１６２，２６２は、クロス配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。印加電圧によって、図３に矢印で示すように電界が発生し、これにより、振動腕１１２，２１２は、互いに逆相振動となるように（振動腕１１２，２１２の先端側が互いに接近・離間するように）励振されて屈曲振動する。また、基本モードで振動するように交番電圧が調整されている。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電電振動片を示す平面図である。 図２は、図１に示す音叉型圧電振動片のII−II線断図である。 図３は、本実施の形態に係る音叉型圧電振動片の動作を説明する図である。

符号の説明

１０…基部、 １２…振動腕、 １４…表面、 １６…裏面、 １８…第１の側面、 ２０…第２の側面、 ２２…第１のテーパ部、 ２４…第２のテーパ部、 ２６…長溝、 ２８…第１の内面、 ３０…第２の内面、 ３２…支持腕、 ３４…切り込み、 ４０…励振電極膜、 ４２…表電極膜、 ４４…裏電極膜、 ４６…第１の側面電極膜、 ４８…第２の側面電極膜、 ５０…第１の内面電極膜、５２…第２の内面電極膜、 ６０…第１の励振電極、 ６２…第２の励振電極、 ６４…接続電極、 ６６…引き出し電極

Claims (9)

1. 基部と、
   前記基部から延びる一対の振動腕と、
   それぞれの前記振動腕に形成されている励振電極膜と、
   を含み、
   それぞれの前記振動腕は、相互に反対を向く表裏面と、前記表裏面を両側で接続する第１及び第２の側面と、を有し、一方の前記振動腕の前記第１の側面と他方の前記振動腕の前記第２の側面が対向するように並列し、
   それぞれの前記振動腕には、前記表裏面に、長手方向に延びる長溝がそれぞれ形成され、前記長溝は、前記第１の側面と背中合わせに延びる第１の内面と、前記第２の側面と背中合わせに延びる第２の内面と、を含み、前記第１の内面は前記第２の内面よりも、前記表裏面に対する角度が垂直に近くなっており、
   前記励振電極膜は、前記表裏面にそれぞれ形成された表裏電極膜と、前記第１及び第２の側面にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜と、前記第１及び第２の内面にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜と、を含み、
   前記励振電極膜で最も厚い部分は、前記表裏電極膜の、前記表裏面の少なくとも一方上に形成され、
   前記励振電極膜で最も薄い部分は、前記第１の内面電極膜の、前記表裏面の少なくとも一方の前記長溝に形成されている音叉型圧電振動片。
2. 請求項１に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記第１及び第２の側面は、前記第２の内面よりも前記表裏面に対する角度が垂直に近くなっており、
   前記第１及び第２の側面電極膜は、前記第２の内面電極膜よりも薄い音叉型圧電振動片。
3. 請求項１又は２に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記第１の側面は、前記表裏面の間隔によって定義される前記振動腕の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されてなる音叉型圧電振動片。
4. 請求項３に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記第１の側面が描く前記山型の高さは、前記第１及び第２の側面の間隔によって定義される前記振動腕の幅の、０％超１２．５％以下である音叉型圧電振動片。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記基部及び前記一対の振動腕は、水晶から構成され、結晶方位について、前記表裏面がＺ軸方向を向き、前記第１の側面がＸ軸の＋方向を向き、前記第２の側面がＸ軸の−方向を向くように構成されてなる音叉型圧電振動片。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載された音叉型圧電振動片において、
   それぞれの前記振動腕は、
   前記第１及び第２の側面の間隔によって定義される幅が、前記基部から先端に向けて細くなる第１のテーパ部と、
   前記第１のテーパ部よりも前記先端に近い位置に、前記幅が前記第１のテーパ部から前記先端に向けて太くなる第２のテーパ部と、
   を含む音叉型圧電振動片。
7. 請求項６に記載された音叉型圧電振動片において、
   それぞれの前記振動腕は、前記第１及び第２のテーパ部が接続される幅変更点が前記溝よりも前記先端近くに位置するように形成されてなる音叉型圧電振動片。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記励振電極膜は、１００Å以上３００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、前記Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上５００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含む音叉型圧電振動片。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載された音叉型圧電振動片において、
   前記基部から前記一対の振動腕の延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、前記一対の振動腕の延びる方向に屈曲してさらに延びる一対の支持腕をさらに含み、
   前記基部には、前記表裏面と同じ側の面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向に一対の切り込みが形成され、
   前記一対の切り込みは、それぞれ、前記一対の支持腕が屈曲して延びる方向の側で前記一対の支持腕に隣接して前記基部に形成されてなる音叉型圧電振動片。