JP2009117939A - 圧電振動片、圧電振動子および加速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】他軸感度を低減した圧電振動片、これを実装した圧電振動子および加速度センサを提供する。
【解決手段】第１の方向に延び、片持ち支持された振動腕１４と、前記振動腕を片持ち支持する基部１２と、前記振動腕１４を前記第１の方向に垂直な第２の方向に屈曲振動させる第１の側面電極膜３６、第２の側面電極膜３８、第１の内面電極膜４０、第２の内面電極膜４２、底面電極膜４４、第１の励振電極膜４６、第２の励振電極膜４８、第３の励振電極膜５０、引出し電極膜５２、接続電極膜５４を有する圧電振動片であって、前記振動腕に、前記第１及び第２の方向に垂直な第３の方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを特徴とする圧電振動片である。前記調整部は、前記振動腕の前記第３の方向を向く面の基部側から前記振動腕１４の自由端方向に沿って設けられた溝２６であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は他軸感度を低減させた圧電振動片、圧電振動子および加速度センサに関する。

音叉型水晶振動片は、振動腕の表裏面（ＸＹ平面）の形状が対称なものが一般的であり、例えば、特に振動腕の表裏面の凹形状の溝を形成したものとしては特許文献１に記載されている。音叉型水晶振動子は、その振動腕の長手方向をＹ軸としたとき、Ｙ軸方向の加速度を検出するための加速度センサ材料として利用できる。また、音叉型水晶振動子が音叉型水晶振動子の厚み方向である＋Ｚ軸方向に向かって加速度運動すると、音叉型水晶振動子の振動腕は慣性力の影響を受け、−Ｚ軸方向に撓み、また逆に−Ｚ軸方向に向かって加速度運動する場合は＋Ｚ軸方向に向かって撓むことになる。
特開２００４−２００９１７号公報

そこで、Ｚカット水晶基板によって形成された音叉形圧電振動子において、その振動腕が撓んだ状態における応力の分布を発明者が調査したところ、応力が＋Ｚ面側の平面に集中することを発見した。即ち、撓みにより圧縮も引張りも受けない中立面が＋Ｚ面側に片寄って発生していることを見出した。このことから音叉型水晶振動片の＋Ｚ面側の方が、−Ｚ面側よりも剛性が高いことが言える。

上述のように音叉型水晶振動子は主にＺカット水晶基板をもとに形成されているが、この場合、結晶の厚み方向の結合状態に対称性がなく、厚み方向に異方性を有する。即ち音叉型水晶振動片を裏返した場合はもとの音叉型水晶振動片と結晶の配列が同一とはならない。このような異方性から曲げ応力に係る弾性定数、圧電定数等が＋Ｚ面、−Ｚ面では同一ではなく、これにより剛性に差が生じ、水晶の場合は＋Ｚ面側の方が高くなったものと考えられる。

このように+Ｚ面側と−Ｚ面側との剛性に差がある音叉形圧電振動子を上述のようにＹ
軸方向加速度を検出する為の加速度センサとして使用した場合では、Ｚ軸方向の加速度に対して加速度センサが反応する、即ち他軸感度が発生してしまうため、正確にＹ軸方向の加速度検出結果を得ることができない。

このような他軸感度の問題は、次のように生じると考えられる。＋Ｚ面側及び−Ｚ面側のＺ方向の撓みに対する剛性にアンバランスがある場合において、音叉型水晶振動子を励振させ屈曲振動させると、上述の中立面から＋Ｚ面側は前記屈曲振動に対する剛性が強く、−Ｚ面側は弱くなることとなる。その結果、＋Ｚ面側より−Ｚ面側の振幅が大きくなるように作用するため、振動腕は振幅の大きい部分で剛性の強い＋Ｚ面からの引っ張り応力により、振幅の方向が＋Ｚ面側に引き寄せられ、結果的に振動腕は全体的に板状の音叉形圧電振動子が形成する平面と水平な振動とはならない。即ち、音叉形水晶振動子の振動腕がＸ軸方向のみならず、Ｚ軸方向にも振動することになる。このような振動形態のもと、音叉型水晶振動子がＺ軸方向の加速度運動をした場合、振動腕のＺ軸方向に振動する成分がＺ軸方向の加速度によって慣性力を受けるため、Ｚ軸方向の振動周波数が変化し、これに伴ないＸ軸方向に振幅する振動腕の共振周波数も変化することになる。そしてこの影響が音叉型水晶振動子の所望共振周波数のほかに雑音として現れる。

そこで、本発明は上記問題点に着目し、上述の屈曲振動に対する圧電振動片の両面の剛
性のバランスをとり、他軸感度を低減した圧電振動片およびこれを実装した圧電振動子および加速度センサを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］第１の方向に延び、片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を前記第１の方向に垂直な第２の方向に屈曲振動させる励振電極を有する圧電振動片であって、前記振動腕に、前記第１及び第２の方向に垂直な第３の方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを特徴とする圧電振動片。
圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により各面における曲げ応力等に対する剛性が異なる場合が発生する。このような圧電振動片を励振電極により屈曲振動させると、所定の振幅方向のみならずそれに垂直な方向にも振幅する成分を有することになる。よって適用例１によれば、前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の屈曲振動に垂直に振動する方向に振動する成分を低減することができる。したがって第３の方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。

［適用例２］Ｚカット圧電基板により形成され、長手方向に片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を厚み方向に対して垂直な方向に屈曲振動させる励振電極からなる圧電振動片であって、前記振動腕に厚み方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを特徴とする圧電振動片。
Ｚカット圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により+Ｚ面と−Ｚ面にお
いて曲げ応力等に対する剛性が異なる。このような圧電振動片を励振電極により屈曲振動させると、板状の圧電振動片が形成する平面と水平に振幅する成分のみならずそれに垂直な方向（厚み方向）にも振幅する成分を有することになる。よって適用例２によれば、前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の厚み方向に振動する成分を低減することができる。したがって厚み方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。

［適用例３］前記調整部は、前記振動腕の前記第３の方向を向く面の基部側から前記振動腕の自由端方向に沿って設けられた溝であることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動片。
適用例３によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その＋Ｚ面に溝を形成することにより振動腕の＋Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、振動腕の＋Ｚ面側と−Ｚ面側との剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。

［適用例４］前記調整部は、前記振動腕の＋Ｚ面の基部側に設けられた切欠きであることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動片。
適用例４によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その＋Ｚ面に切欠きを形成することにより、適用例３の場合に比べてより小さな領域をエッチング加工するのみで効果的に＋Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱めることができる。さらに適用例３の場合のようにフォトリソ加工において溝の位置決めを行うような高精度なパターニングを必要としないので、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。

［適用例５］前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿
って設けられた第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝は前記第２の溝よりも深く形成されていることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動片。
適用例５によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側の両面に溝を設けることにより圧電振動片のＣＩ値を低下させることができ、さらに＋Ｚ面側の溝を−Ｚ面側よりも深く設けることにより、＋Ｚ面側と−Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の相対強度差を小さくして屈曲振動に対する振動腕の＋Ｚ面側と−Ｚ面側の剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が抑制され、かつＣＩ値の低い圧電振動片を形成することができる。

［適用例６］前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向にそ
って設けられた第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝の基部側の端は、前記第２の溝の基部側の端よりも基部側に位置することを特徴とする適用例２に記載の圧電振動片。
適用例６により、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側であって、その＋Ｚ面側に溝を形成することで、＋Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕の＋Ｚ面側と−Ｚ面側の剛性のバランスをとることができる。また、＋Ｚ面側の溝と−Ｚ面側の溝とが深さ方向で干渉することがない。よって、適用例５よりも溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、適用例５の場合よりも溝を深く設計することができるため、適用例５の場合よりもさらにＣＩ値の低い圧電振動片を形成できる。また適用例５の場合よりも厚み方向の非対称性が向上するため、厚み寸法に起因する不要振動の発生を抑制効果が向上する。

［適用例７］前記第２の溝の基部側の端には、前記第１の溝の自由端側の端よりも基部側に位置し、前記第１および第２の溝とが厚み方向から見て重なるオーバーラップ領域が形成されていることを特徴とする適用例６に記載の圧電振動片。
適用例７により、適用例６と同様に＋Ｚ面側の溝と−Ｚ面側の溝とが深さ方向で干渉することがなく、溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、オーバーラップ領域において振動腕が厚み方向で薄くなり両面の溝に形成された励振電極同士の距離が短くなり、オーバーラップ領域に大きな電界を印加することができるため、さらにＣＩ値の低い圧電振動片を形成できる。また溝領域のエッチング液との接触は外形領域の場合よりも疎となるため、溝領域のエッチング速度は外形のエッチング速度より遅くなる。よって溝を掘り下げるための特別な工程を必要とせず、圧電振動片の外形抜きと同時に行うことができ、適用例６の場合よりさらに歩留まりの高い圧電振動片を形成できる。

［適用例８］前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿
って設けられた第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝と、前記第２の溝の基部側に設けられた梁からなることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動片。
適用例８の構成によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕の基部側が肉厚となるように溝の長さを短く構成することができるため、梁の長さを短く構成しても−Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を＋Ｚ面側に対して相対的に高めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕の＋Ｚ面側と−Ｚ面側との剛性のバランスをとることができる。また励振電極膜を形成する溝の長さを十分確保することができるので、溝内に広く圧電振動片の電極を形成することができる。また両面に溝を設けた形態を維持しているため適用例５の圧電振動片と遜色のないＣＩ値をもつ圧電振動片を形成することができる。さらに梁を形成したことにより厚さ方向の非対称性が適
用例５または６の場合に比べて向上するため、厚さ寸法に依存する不要振動の発生を抑制効果が向上する。

［適用例９］前記梁は、前記第２の溝の基部側から自由端側へ隔離させてなることを特徴とする適用例８に記載の圧電振動片。
適用例９によれば、−Ｚ面の溝において梁を基部側から自由端側へ離隔させるほど−Ｚ面の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱くすることができる。したがって梁の位置を適切に決定することにより、振動腕の−Ｚ面の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の微調整を行うことができる。また梁の位置を適切に決定することにより厚み方向の非対称性の度合いを決定できるので不要振動を抑制するための最適化を行うことができる。

［適用例１０］前記調整部は、振動腕の+Ｚ面に設けられた第１の電極膜と、振動腕の
−Ｚ面に設けられ、かつ、前記第１の電極膜より薄い第２の電極膜と、を有することを特徴とする適用例１乃至９のいずれか１項に記載の圧電振動片。
適用例１０によれば、圧電振動片に上述の溝等を形成する特別なエッチング処理を行うことなく、−Ｚ面側の電極膜を＋Ｚ面側より厚くすることで−Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を相対的に高めることにより、屈曲振動に対する両面の剛性のバランスをとり、振動腕の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。また、圧電振動片に溝等を形成する必要がないため製造プロセスが複雑になることが避けられ、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。さらに、適用例１乃至９に記載の圧電振動片に本適用例を付加することにより、エッチング加工により得られる、溝等だけでなく、電極膜により屈曲振動に対する剛性のバランスを調整することになるため、振動腕の剛性の調整範囲が拡大し、他軸感度の低減をより効果的に行うことができる。

［適用例１１］前記振動腕は前記基部に２本平行に片持ち支持で設けられ、一方の振動腕に形成された前記励振電極と、他方の振動腕に形成された前記励振電極とがクロス配線によって接続されたことを特徴とする適用例１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電振動片。
適用例１１によれば、振動腕が基部に２本平行に片持ち支持で設けられることにより、振動腕は音叉型に形成されることとなり、さらに前記振動腕に励振電極をクロス配線することにより、振動腕が互いに接近・離反する屈曲振動を基本波モードとする逆相振動が可能な音叉型の圧電振動片を形成することができ、さらに適用例１乃至１０のいずれかを前記圧電振動片に適用することにより、厚み方向の加速度すなわち他軸感度を低減させた音叉型の圧電振動片を形成することができる。

［適用例１２］適用例１乃至１１のいずれか１項に記載の圧電振動片を、前記基部を固定端として片持ち支持状態で実装したことを特徴とする圧電振動子または加速度センサ。
適用例１２によれば、第１の方向または長手方向を検知軸とし、屈曲振動のＺ軸方向に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を実装した圧電振動子を構築することができる。また、第１の方向または長手方向を加速度検知軸とし、屈曲振動の厚み方向に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を実装した加速度センサを構築することができる。さらに実装後の周波数調整は振動腕の自由端側で行われるが、剛性の調整は振動腕の基部側で行なわれるため、周波数調整と剛性の調整はお互いに干渉することなく独立に行うことができる。

以下に、本発明に係る圧電振動片、圧電振動子および加速度センサの最良の実施形態について、音叉型圧電振動片をもとに図面を用いて説明するが、後述の振動腕が１本もしく
は２本以上有する圧電振動片に対しても適用できることはいうまでもない。
第１実施形態にかかる音叉型圧電振動片の概略図を図１（ａ）（全体図）、（ｂ）、（ｃ）（Ａ−Ａ線断面図）に示す。なお、後述の実施形態も全体的な外形は同じであるため図１（ａ）に記載されたＡ−Ａ線、及びＢ−Ｂ線は他の実施形態においてもそのまま適用する。また図１に示される互いに垂直なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向と音叉型圧電振動片との関係は、他の実施形態においてそのまま適用する。さらにいずれの実施形態においても音叉型圧電振動片の屈曲振動は基本波モードである。

第１実施形態にかかる圧電振動片はＺカット圧電基板により形成され、長手方向に片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を厚み方向に対して垂直な方向に屈曲振動させる励振電極からなる圧電振動片であって、前記振動腕は前記基部に２本平行に片持ち支持で設けられ、一方の振動腕に形成された前記励振電極と、他方の振動腕に形成された前記励振電極とがクロス配線によって接続され、前記振動腕に厚み方向の曲げに対する剛性の調整部を備え、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から前記振動
腕の自由端方向に沿って設けられた溝であることを特徴としている。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る圧電振動子の製造方法で使用する音叉型圧電振動片１０を示す平面図である。なお、音叉型圧電振動片１０の底面図は平面図と対称に表れるが、溝２６が表れない点が異なる。音叉型圧電振動片１０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。水晶の場合、水晶結晶軸のひとつであるＺ軸を法線方向とするＺ面を用いているが、実際にはＺ面の法線は前記Ｚ軸と最大で１０度程度の偏角をもって水晶結晶から切り出されている。音叉型圧電振動片１０は、基部１２と、基部１２から延びる一対の振動腕１４とを含む。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す音叉型圧電振動片１０のＡ−Ａ線断面拡大図（説明のため励振電極膜を省略したもの）である。図１（ｃ）は、図１（ａ）に示す音叉型圧電振動片１０のＡ−Ａ線断面拡大図（励振電極膜あり）である。振動腕１４は、相互に反対を向く＋Ｚ面１６（広義には表面）、−Ｚ面１８（広義には裏面）、と＋Ｚ面１６と−Ｚ面１８を両側で接続する第１の側面２０及び第２の側面２２とを有する。

一方、（図１（ｂ）で左側）の振動腕１４の第１の側面２０と他方（図１（ｂ）で右側）の振動腕１４の第２の側面２２が対向するように並列して片持ち支持状態でそれぞれ基部１２に支持されている。このため音叉型圧電振動片１０の振動腕１４の基部１２側は固定端となり、他端は自由端となる。そして振動腕１４を基本波モードによる屈曲振動をさせた場合は、振動腕１４の基部１２側は屈曲振動による曲げの応力が最も強くかかる部分となり、自由端側は最も大きい振幅で振動する部分となる。

振動腕１４は、基部１２に接続される根本部２４（固定端）において、基部１２側に向けて幅を拡げてあり、広い幅で基部１２に接続するので剛性が高くなっている。
振動腕１４には、＋Ｚ面１６に、長手方向に延びる溝２６がそれぞれ形成されている。溝２６は、振動腕１４の長手方向の５０〜７０％の長さを有する。また溝２６は、振動腕１４の幅の６０〜９０％の幅を有する。溝２６は、第１の側面２０と背中合わせに延びる第１の内面２８と、第２の側面２２と背中合わせ延びる第２の内面３０とを含む。

溝２６によって振動腕１４の屈曲振動に対する剛性を下げ、それとともに、第１の側面２０と第１の内面２８との間および第２の側面２２と第２の内面３０との間に強い電界を形成できるため、高い逆圧電効果が得られる。その結果、振動腕１４を効率的に振動させ、ＣＩ値を下げる事ができる。また、後述するが、＋Ｚ面１６側に溝２６を設け、一方、−Ｚ面１８側には、溝を設けない、或いは溝を設けても＋Ｚ面１６側の溝２６よりも浅いまたは小さい溝を設けることによって、屈曲振動に対する剛性の差をキャンセルすること
ができる。

基部１２には、幅方向（Ｘ軸方向）の幅が狭くなるように、相互に対向方向に一対のくびれ部３２が形成されている。一対のくびれ部３２は、音叉型圧電振動片１０のマウント部３４と振動腕１４との間で形成されている。そのためくびれ部３２によって、振動腕１４の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１２や振動腕１４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。くびれ部３２の長さ（深さ）は、基部１２の強度を確保出来る範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果は大きい。

図１（ｃ）示されるように、振動腕１４には、励振電極膜が形成されている。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、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。励振電極膜は、第１及び第２の側面２０、２２にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜３６、３８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４０、４２と、−Ｚ面１８に形成された、底面電極膜４４とからなる。

一つの溝２６に形成され、第１の励振電極膜４６を構成する第１及び第２の内面電極膜４０、４２は相互に連続的に形成されて電気的に接続され、第１の励振電極膜４６を構成する。
また１つの振動腕１４に形成された第１の側面電極膜３６と第２の側面電極膜３８は電気的に接続され、第２の励振電極膜４８を構成する。
また、底面電極膜４４は第３の励振電極膜５０を構成する。

一方の振動腕１４の溝２６に形成された第１の励振電極膜４６は、基部１２の＋Ｚ面１６に形成された引出し電極膜５２に接続され、もう一方の振動腕１４の側面に形成された第２の励振電極膜４８に接続される。また、一方の振動腕１４の−Ｚ面１８に形成された第３の励振電極膜５０は、基部１２の−Ｚ面１８に形成された引出し電極膜（不図示）に接続され、もう一方の振動腕１４の側面に形成された第２の励振電極膜４８に接続される。もう一方の振動腕１４の両側面に形成された第１の側面電極膜３６及び第２の側面電極膜３８は、振動腕１４の先端側の＋Ｚ面１６及び−Ｚ面１８の少なくとも一方に形成された接続電極膜５４によって接続されている。なお、接続電極膜５４は、周波数調整用の錘として機能させても良い。例えば、接続電極膜５４の質量を減少させ、共振周波数を高くすることができる。

本実施の形態では、第１の側面電極膜３６と第１の内面電極膜４０との間、第１の側面電極膜３６と底面電極膜４４との間に電圧を印加し、第２の側面電極膜３８と第２の内面電極膜４２との間、第２の側面電極膜３８と底面電極膜４４との間に電圧を印加することで、振動腕１４の一方の側端を伸ばし、他方の側端を縮ませて振動腕１４を屈曲させて振動させている。言い換えると、１つの振動腕１４において、第１の励振電極膜４６と第２の励振電極膜４８との間、第３の励振電極膜５０と第２の励振電極膜４８との間に電圧を印加して、振動腕１４の第１の側面２０および第２の側面２２を伸縮させることで振動腕１４を屈曲振動させる。なお、第１及び第２の励振電極膜４６、４８の長手方向の長さは、振動腕１４の長さの７０％までは、長くするほどＣＩ値が低下することがわかっている。

図１（ｃ）において本実施の形態に係る音叉型圧電振動片１０の動作を説明する。図１（ｃ）に示すように、一方の振動腕１４の第１の励振電極膜４６と第２の励振電極膜４８との間、第３の励振電極膜５０と第２の励振電極膜４８との間に電圧が印加され、他方の
振動腕１４の第１の励振電極膜４６と第２の励振電極膜４８との間、第３の励振電極膜５０と第２の励振電極膜４８との間に電圧が印加される。

ここで、一方（左側）の振動腕１４の第１の励振電極膜４６と第３の励振電極膜５０と他方（右側）の振動腕１４の第２の励振電極膜４８が同じ電位（図１（ｃ）の例では＋電位）となる、一方（左側）の振動腕１４の第２の励振電極膜４８と他方の（右側）の振動腕１４の第１の励振電極膜４６と第３の励振電極膜５０とが同じ電位（図１（ｃ）の例では−電位）となるように、第１の励振電極膜４６、第２の励振電極膜４８及び第３の励振電極膜５０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１（ｃ）に矢印で示すように、電界が発生し、これにより、振動腕１４は、互いに逆相振動となるように（振動腕１４の自由端側が、Ｚ軸を法線とする面内で互いに接近・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。

図２（ａ）（溝２６がない場合）（ｂ）（溝２６を形成した場合）に音叉型圧電振動片１０のＺ軸方向に撓んだ場合に発生する中立面の状態をＡ−Ａ線断面図により示す。既述のとおり、Ｚ軸方向に加速度が働いた場合には、音叉型圧電振動片１０が撓み、＋Ｚ面１６側に引張応力が働き、−Ｚ面１８側に圧縮応力が働く。そして、振動腕１４内において圧縮も引張りも生じない中立面５６は図２（ａ）に示すように、＋Ｚ面１６側に片寄って発生することになる。このような音叉形圧電振動片１０を屈曲振動させると、Ｘ方向に振幅するのみならず、Ｚ方向にも振幅する成分を有することになる。この結果、屈曲振動のＺ軸方向に振動する成分はＺ軸方向の加速度によって慣性力を受け、これによって屈曲振動のＺ軸方向の振動周波数が変動し、これに伴ない、振動腕のＸ軸方向に振幅する屈曲振動の共振周波数が変動することになる。

一方、図２（ｂ）のように溝２６を形成することにより、片面凹型の断面形状の振動腕１４が形成されることとなる。この状態で音叉型圧電振動片１０を屈曲振動させた場合、前記溝２６はその屈曲振動による曲げ応力が最も係る部分である振動腕１４の基部１２側の根本部２４から自由端側に沿って形成されており、これにより振動腕１４の屈曲振動に対する剛性に最も寄与する部分が取り払われることになるため、＋Ｚ面１６側の屈曲振動に対する剛性は効果的に弱まったことになる。このとき中立面５６は図２（ｂ）に示すように厚み方向の中間部にシフトしており、振動腕１４において中立面５６より＋Ｚ面１６側にある成分の曲げモーメントと、中立面５６より−Ｚ面１８側にある成分の曲げモーメントの差は縮小し、このため屈曲振動のＺ軸方向に振動する成分は低減されている。したがって音叉型圧電振動片１０がＺ軸方向から加速度を受けても、屈曲振動がＺ軸方向からの加速度によって受ける慣性力を小さく押えられ、Ｚ軸方向からの加速度の検知感度を低減することができる。

以上述べたように、Ｚカット圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により+Ｚ面１６と−Ｚ面１８において曲げ応力等に対する剛性が異なる。このような圧電振動
片を励振電極により屈曲振動させると、板状の圧電振動片が形成する平面と水平に振幅する成分のみならずそれに垂直な方向（厚み方向）にも振幅する成分を有することになる。よって、第１実施形態によれば前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の厚み方向に振動する成分を低減することができる。したがって厚み方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。さらに、第１実施形態によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕１４の基部１２側であって、その＋Ｚ面１６に溝２６を形成することにより振動腕１４の＋Ｚ面１６側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、振動腕の＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側との剛性のバランスをとり、振動腕１４の屈曲振動の厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速
度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。また振動腕１４が基部に２本平行に片持ち支持で設けられることにより、振動腕１４は音叉型に形成されることとなり、さらに前記振動腕１４に励振電極をクロス配線することにより、振動腕１４が互いに接近・離反する屈曲振動を基本波モードとする逆相振動が可能な音叉型の圧電振動片を形成することができ、さらに後述の実施形態のいずれかを前記圧電振動片に適用することにより、厚み方向の加速度すなわち他軸感度を低減させた音叉型の圧電振動片を形成することができる。

図９（ａ）は、図９（ｄ）で概略を示した音叉型圧電振動片１０を基部１２で片持ち支持し、加速度αがＺ軸方向に加わった時のＣ−Ｃ線断面図である。ここで、音叉型圧電振動片１０の水晶の結晶軸は本発明の図１（ａ）と同様であるが、簡単のため、くびれ部、溝および励振電極を無くした形状とした。また、水晶からなる振動腕の長さは３２００μ、幅は２０４μとした。

加速度αがＺ軸方向、すなわち＋Ｚ面１６の法線方向に加わった場合、振動腕１４には加速度αと反対の−Ｚ面１８方向に慣性力が働く。その結果、振動腕１４は撓み、振動腕１４の＋Ｚ面１６の近傍にはＹ軸方向（長手方向）に引張応力が加わり、振動腕１４の−Ｚ面１８の近傍にはＹ軸方向に圧縮応力が加わる。

発明者は、図９（ａ）の加速度αを５００Ｇ（Ｇは重力加速度の絶対値）とした時のＹ軸方向の応力分布をシミュレーションした。根本部２４付近の領域７６についてのその応力分布のシミュレーション結果を、図9（ｂ）（Ｙ−Ｚ平面）に示し、Ｄ−Ｄ線断面にお
けるその応力分布（中立面）のシミュレーション結果を図9（ｃ）（Ｘ−Ｚ平面）に示す
。

図９（ａ）（ｂ）から分かるように、Ｙ軸方向の応力は、＋Ｚ面１６から離れ−Ｚ面１８に近づくにつれて、引張から圧縮に連続的に変化し、Ｙ軸方向の応力が０となる面、すなわち、中立面５６を形成する。発明者は、シミュレーションの結果、中立面５６と＋Ｚ面１６との距離は、中立面５６と−Ｚ面１８との距離よりも短いこと、すなわち中立面５６のズレを見出した。発明者は、この中立面５６のズレは、水晶の＋Ｚ面１６側のＺ軸方向の撓みによる曲げ応力に対する剛性が、−Ｚ面１８側のＺ軸方向の撓みによる曲げ応力に対する剛性よりも高いことから生じると考えた。

また、中立面５６から＋Ｚ面１６側に距離Ｌ離れた箇所７８における引張応力の絶対値は、中立面５６から−Ｚ面１８側に距離Ｌ離れた箇所８０における圧縮応力の絶対値よりも高くなっていることを、発明者は見出した。すなわち、＋Ｚ面１６側に応力が集中する傾向を見出した。これらのことから、音叉型圧電振動片１０の基本波モードによる屈曲振動による曲げ応力に対する剛性も、中立面５６から＋Ｚ面１６側、−Ｚ面１８側において異なると考えた。

音叉型圧電振動片１０にＺ軸方向、すなわちＺ面の法線方向の加速度が加わった時の基本波モードの固有共振周波数の変化をシミュレーションによって求め、周波数偏差として図１０（ｂ）に示した。周波数偏差とは、Ｚ面の法線方向の加速度の単位変化量あたりの周波数変化であり、ここでは、単位をｐｐｍ／１Ｇとした。なお、Ｚ軸方向の加速度の単位変化量あたりの周波数変化は厚み方向感度と呼ばれる場合もある。

シミュレーションに用いた音叉型圧電振動片は、溝が形成されていない形状で等方性材料を用いたもの（１）、溝が形成されていない形状で異方性材料を用いたもの（２）、溝が＋Ｚ面側に形成され異方性材料を用いたもの（３）、溝が−Ｚ面側に形成され異方性材料を用いたもの（４）である。

溝の有無および溝の位置を除けば、図１（ａ）〜（ｃ）に示された形状であり、各寸法を図１０（ａ）のように規定している。ただし、溝が＋Ｚ面側に形成され異方性材料を用いたもの（３）の振動腕の長さを１６４４μとしているが、他の例（１）、（２）、（４）では、微調整されている。すなわち、他の寸法が変わらないようにすると、溝の有無、溝の位置、材料によって、基本波モードの固有共振振動数Ｆｄが変化するが、振動腕の長さを微調整することで、他の寸法およびＦｄを変えないように調整した。なお、片持ち梁の基本波モードの固有共振周波数は、一般的に、振動腕の長さの２乗に反比例する。

図１０（ｂ）から分かるように、溝がない形状であっても、異方性材料を用いた場合（２）、等方性材料を用いた場合（１）に比べ、２桁程度周波数偏差が大きいことが分かる。
また、異方性材料を用いた場合、＋Ｚ面側に溝を設けると（３）、溝がない形状（２）よりも周波数偏差が約半分に低下し、一方、−Ｚ面側に溝を設けると（４）、溝がない形状（２）よりも周波数偏差が増加した。

このことから、振動腕の＋Ｚ面側に溝を設けると、＋Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性が低下し、−Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性とのバランスを取ることができ、その結果、周波数偏差が低下すると考えられる。

一方、−Ｚ面側に溝を設けると、−Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性が低下し、＋Ｚ面側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性との差がさらに広がりバランスを悪くなり、その結果、周波数偏差が増加すると考えられる

図３に第２実施形態にかかる音叉型圧電振動片１０の概略図（図３（ａ））およびＡ−Ａ断面図（図３（ｂ））を示す。第２実施形態に係る音叉型圧電振動片１０は、基本的には第１実施形態と同様であるが、振動腕の屈曲振動に対する剛性を調整する調整部は、前記振動腕の＋Ｚ面の基部側から前記振動腕の自由端方向に沿って設けられた切欠きであることを特徴としている。なお、第２実施形態、およびそれ以降の実施形態においても音叉型圧電振動片には励振電極膜が形成されているが、その形態は第１実施形態と同様であるため説明は省略する。

第２実施形態において切欠き５８は、切欠きを形成する部分を残して音叉型圧電振動素板（不図示）を金属膜で覆い、エッチング処理をして形成することができる。切欠き５８は第１実施形態における溝２６の幅が広がり、振動腕１４のＸ軸方向の幅と同一になったものと考えることができる。上述のように振動腕１４の基部１２側が屈曲振動による曲げ応力が最もかかる部分である。ここに切欠き５８を形成すれば、屈曲振動に対する剛性に最も寄与する部分は溝２６よりも多く切り取られることになる。よって振動腕１４の基部１２側からその自由端方向に沿って形成された同じ長さの溝と切欠きを形成して比較した場合、切欠きの方が剛性の調整効果が大きいことは明らかである。逆にいえば切欠きは自由端方向にそれほど長く形成する必要はなく、振動腕１４の基部１２側を含む小さな領域で形成すれば十分である。

したがって、第２実施形態によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕１４の基部側であって、その＋Ｚ面１６に切欠き５８を形成することにより、第１実施形態の場合に比べてより小さな領域をエッチング加工するのみで効果的に＋Ｚ面１６側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱めることができる。さらに適用例３の場合のようにフォトリソ加工において溝の位置決めを行うような高精度なパターニングを必要としないので、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。

図４に第３実施形態に係る音叉型圧電振動片１０のＡ−Ａ線断面図を示す。第２実施形態に係る音叉型圧電振動片１０は、基本的構成は第１実施形態と同様であるが、振動腕の剛性の調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられ
た第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝は前記第２の溝よりも深く形成されていることを特徴としている。なお、このように両面に溝を形成することにより音叉型圧電振動片１０のＣＩ値は第１実施形態の場合よりもさらに低下する。ここで第１の溝である＋Ｚ面溝６０と第２の溝である−Ｚ面溝６２を形成するためには、深さが異なるため同時にパターニングしてエッチング処理をすることはできず、別々のプロセスで行う必要がある。また、＋Ｚ面溝６０および−Ｚ面溝６２の位置は振動腕１４の長手方向の位置が揃っているため、それぞれの溝の深さの和が振動腕１４の厚みを越えて形成させることはできない。

このように振動腕１４に対して＋Ｚ面溝６０および−Ｚ面溝６２を形成すると、振動腕１４の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性に寄与する部分が溝の形成により取り払われているため、その分＋Ｚ面１６側および−Ｚ面１８側の剛性は弱まったことになる。しかし＋Ｚ面溝６０は−Ｚ面溝６２よりも深く形成されるため＋Ｚ面１６側の方の剛性は割合的に小さくなることで、＋Ｚ面１６側の剛性は−Ｚ面１８側の剛性と相対的に近い値となり、結果的に＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランスをとることができる。

したがって第３実施形態によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕１４の根本部２４、すなわち基部１２側の両面に溝を設けることにより音叉型圧電振動片のＣＩ値を低下させることができ、さらに＋Ｚ面溝６０を−Ｚ面溝６２よりも深く設けることにより、＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の相対強度差を小さくして屈曲振動に対する振動腕の＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側の剛性のバランスをとり、振動腕１４の屈曲振動のＺ軸方向、即ち厚み方向の成分を低減することができる。したがって、厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が抑制され、かつＣＩ値の低い圧電振動片を形成することができる。

図５に第４実施形態にかかる音叉型圧電振動片の概略図（図５（ａ））およびＢ−Ｂ線断面図（図５（ｂ））に示す。第４実施形態にかかる音叉型圧電振動片は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、振動腕の調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振
動腕の自由端方向にそって設けられた第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝の基部側の端は、前記第２の溝の基部側の端よりも基部側に位置することを特徴としている。

第１の溝である＋Ｚ面溝６４、第２の溝である−Ｚ面溝６６はその深さが異なる場合には両者を同時にフォトリソ加工によりパターニングしてエッチング加工により形成することはできないが、深さが同じである場合は同時に形成することができる。−Ｚ面溝６６は、＋Ｚ面溝６４の自由端側の終端よりもさらに自由端側を基点として自由端方向に沿って形成されているため、＋Ｚ面溝６４、−Ｚ面溝６６が互いに干渉して振動腕１４の厚み方向に貫通孔を形成することはない。よって、それぞれの溝は振動腕１４の厚み近くの深さまで形成させることができる。よって第３実施形態の場合に比べて更にＣＩ値を低下させることができる。

＋Ｚ面溝６４は、屈曲振動による曲げ応力が最も大きく係る部分である振動腕１４の基部１２側に形成されているが、−Ｚ面溝６６は屈曲振動による曲げ応力があまり掛からない振動腕１４の基部１２からかなり離れた位置に形成されている。よってこれらの溝が形成されることによる屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱める効果は＋Ｚ面溝６４の方が大きい。

したがって、第４実施形態により、音叉型圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕１４の根本部２４、すなわち基部１２側であって、その＋Ｚ面１６側に溝を形成することで、＋Ｚ面１６側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を効果的に弱めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕の＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側の剛性のバランスをとることができる。また、＋Ｚ面溝６４と−Ｚ面溝６６とが深さ方向で干渉することがない。よって、第３実施形態よりも溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、第３実施形態の場合よりも溝を深く設計することができるため、第３実施形態の場合よりもさらにＣＩ値の低い圧電振動片を形成できる。また第３実施形態の場合よりも厚み方向の非対称性が向上するため、厚み寸法に起因する不要振動の発生を抑制効果が向上する。

さらに、図５（ｃ）のように、前記第２の溝である−Ｚ面軸６６の基部１２側の端には、前記第１の溝である+Ｚ面軸６４の自由端側の端よりも基部１２側に位置し、前記第１
および第２の溝とが厚み方向から見て重なるオーバーラップ領域６７を設けても良い。オーバーラップ領域６７は結晶の異方性に起因する各結晶面におけるエッチング速度の相違により形成可能となる。よって異方性エッチングを利用すればオーバーラップ領域６７を設けつつ+Ｚ面溝６４と−Ｚ面溝６６とが貫通させないように形成することが可能である
。

したがって図５（ｃ）の構成にすれば、上述同様に＋Ｚ面１６側の溝である+Ｚ面溝６
４と−Ｚ面側の溝である−Ｚ面溝６６とが深さ方向で干渉することがなく、溝の深さ方向の設計の自由度が向上するとともに、オーバーラップ領域６７において振動腕１４が厚み方向で薄くなり両面の溝に形成された励振電極同士の距離が短くなり、オーバーラップ領域６７に大きな電界を印加することができるため、さらにＣＩ値の低い圧電振動片を形成できる。また溝領域のエッチング液との接触は外形領域の場合よりも疎となるため、溝領域のエッチング速度は外形のエッチング速度より遅くなる。よって溝を掘り下げるための特別な工程を必要とせず、圧電振動片の外形抜きと同時に行うことができ、上述の場合よりさらに歩留まりの高い圧電振動片を形成できる。

図６に第５実施形態にかかる音叉型圧電振動片のＢ−Ｂ線断面図（図５（ａ））を示す。第５実施形態にかかる音叉型圧電振動片１０は図５（ａ）に示すように、基本的には第１実施形態と同様であるが、振動腕の剛性を調整する調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基
部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝と、前記第２の溝の基部側に設けられた梁からなることを特徴とし前記梁は、前記第２の溝の基部側から自由端側へ隔離させてなることを特徴としている。

第１の溝である＋Ｚ面溝６８、第２の溝である−Ｚ面溝７０ともに溝の深さは同じであるため、梁７２とともに同時にパターニングしてエッチング処理により形成することができる。両溝の深さ及び位置は＋Ｚ面１６側および−Ｚ面１８側で同一であるから、溝だけを考慮すれば屈曲振動に対する剛性は同じ割合で小さくなっているが、−Ｚ面溝７０の根本部２４、すなわち基部１２側には梁７２があるので、これが屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を高める方向に寄与する結果、＋Ｚ面１６側より−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を相対的に高めて、＋Ｚ面１６と−Ｚ面１８側との剛性のバランスをとることができる。

また図５（ｂ）に示すように、梁７２の位置はパターニングにより−Ｚ面溝７０において自由に決めることができる。上述のように振動腕１４の根本部２４、すなわち基部１２側が屈曲振動による曲げ応力を最も受ける部分であるから、梁７２を基部１２側に形成し
た場合が最も−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性が強まり、自由端側に形成すると−Ｚ面１８側の剛性は最も弱まるが、−Ｚ面溝７０に梁７２がない場合よりも−Ｚ面１８側の剛性は強くなるように調整されている。すなわち、梁７２の位置を変えることにより、−Ｚ面１８側の剛性をコントロールして＋Ｚ面１６側および−Ｚ面側１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランスをとることができる。

したがって、第５実施形態によれば、圧電振動片の屈曲振動によって最も強い曲げ応力の掛かる部分である振動腕１４の基部１２側が肉厚となるように−Ｚ面溝７０の長さを＋Ｚ面溝６８よりも短く構成することができるため、梁７２の長さを短く構成しても−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を＋Ｚ面１６側に対して相対的に高めて、屈曲振動による曲げ応力に対する振動腕１４の＋Ｚ面１６側と−Ｚ面１８側との剛性のバランスをとることができる。また励振電極膜を形成する溝の長さを十分確保することができるので、溝内に広く圧電振動子の電極を形成することができる。また両面に溝を設けた形態を維持しているため第３実施形態の圧電振動片と遜色のないＣＩ値をもつ圧電振動片を形成することができる。さらに梁７２を形成したことにより厚さ方向の非対称性が第３実施形態の場合に比べて向上するため、厚さ寸法に依存する不要振動の発生を抑制効果が向上する。さらに、−Ｚ面溝７０において梁７２を基部１２側から自由端側へ離隔させるほど−Ｚ面１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を弱くすることができる。したがって梁７２の位置を適切に決定することにより、振動腕１４の−Ｚ面１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の微調整を行うことができる。また梁７２の位置を適切に決定することにより厚み方向の非対称性の度合いを決定できるので不要振動を抑制するための最適化を行うことができる。

図７（ａ）に第６実施形態に係る音叉型圧電振動片１０のＢ−Ｂ線断面図を示す。第６実施形態にかかる音叉型圧電振動片は、基本的には第１形態と同様であるが、剛性を調整する調整部は、振動腕の+Ｚ面に設けられた第１の電極膜と、振動腕の−Ｚ面に設けられ
、かつ、前記第１の電極膜より薄い第２の電極膜と、を有することを特徴としている。

第６実施形態においては電極膜７４によって＋Ｚ面１６側及び−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランス調整をすることになる。電極膜７４は音叉型圧電振動片１０の振動腕１４を発振させるための第１の励振電極膜４６、第２の励振電極膜４８、第３の励振電極膜５０、引出し電極膜５２、および接続電極膜５４とから構成されているが、本実施形態では振動腕１４に形成される電極膜７４について−Ｚ面１８側より+
Ｚ面１６側を薄く形成して、−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を相対的に高めて、上述同様に中立面５６を厚み方向の中央部へ移動させ、振動腕１４の屈曲振動に対する剛性のバランスをとる効果を発揮する。電極膜７４の材料は上述のようにＣｒ、Ａｕ、その他Ａｌ等が用いられる。なお、第１の励振電極膜４６、第２の励振電極膜４８、第３の励振電極膜５０、引出し電極膜５２、および接続電極膜５４からなる電極膜７４の電極パターンは第１実施形態の場合と同様である。

電極膜７４を用いて振動腕１４の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を調整する場合、水晶およびこれら金属のヤング率が重要なファクターとなる。ヤング率が高いほど引張りや圧縮に対するひずみが小さくなるため、その分剛性も高くなる。

本実施形態においてはＣｒのヤング率（２８５ＧＰａ）はＡｕ（８２ＧＰａ）や、Ａｌ（６９ＧＰａ）よりも高い。一方、水晶のヤング率はＺ面においては約１００ＧＰａである。よってＣｒのヤング率は水晶のヤング率よりも高いので、電極膜７４において＋Ｚ面１６側の電極膜７４ａよりも−Ｚ面１８の電極膜７４ｂが相対的に厚く形成されることによる剛性の調整効果は、電極膜７４の材料としてＣｒを用いた場合は大きくなる。

電極膜７４はスパッタ等により形成されるが、この場合−Ｚ面１８側の方が、＋Ｚ面１６側よりもスパッタ時間を長くする等の工夫を行うことにより、−Ｚ面１８側の方を、＋Ｚ面１６側よりも厚く形成させることができる。よって電極膜７４の材料、およびその厚みを調整することにより、＋Ｚ面１６および−Ｚ面１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランス調整を行うことができる。また図７（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図に示すように、第１実施形態乃至第５実施形態の音叉型圧電振動片１０のように溝等が形成された後においても（図５（ｂ）では第５実施形態を用いている）、電極膜７４は何ら制限を受けることなく形成することが可能である。

よって第６実施形態によれば、圧電振動片に上述の溝等を形成する特別なエッチング処理を行うことなく、−Ｚ面１８側の電極膜を＋Ｚ面１６側より厚くすることで−Ｚ面１８側の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性を相対的に高めることにより、屈曲振動による曲げ応力に対する両面の剛性のバランスをとり、振動腕１４の屈曲振動のＺ軸方向成分を低減することができる。したがって、Ｚ軸方向、すなわち厚み方向の加速度の検出感度、すなわち他軸感度が低減された圧電振動片を形成することができる。また、圧電振動片に溝等を形成する必要がないため製造プロセスが複雑になることが避けられ、圧電振動片の製造の歩留まりを高めることができる。さらに、第１実施形態乃至第５実施形態の圧電振動片に本適用例を付加することにより、エッチング加工により得られる溝等だけでなく、電極膜７４によっても＋Ｚ面１６および−Ｚ面１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランスを調整することになるため、＋Ｚ面１６および−Ｚ面１８の剛性の調整範囲が拡大し、他軸感度の低減をより効率的に行うことができる。

図８に第７実施形態にかかる圧電振動子、および加速度センサの概略図を示す。第７実施形態にかかる圧電振動子、および加速度センサは第１実施形態乃至第６実施形態のいずれか１の音叉型圧電振動片１０を、前記音叉型圧電振動片１０の基部１２を片持ち支持状態で実装したことを特徴としている。第７実施形態にかかる加速度センサ８２は圧電振動片１０、マウント用電極８４、パッケージ８６、薄板ガラス等を材料とするリッド８８から構成された圧電振動子を、図示しない外部回路を配線することにより得られる。音叉型圧電振動片１０はその基部１２をパッケージ８６底面とマウント用電極８４を介して接合しており、音叉型圧電振動片１０はパッケージ８６に基部１２を固定端として片持ち支持状態で固定されている。リッド８８はパッケージ８６に音叉型圧電振動片１０を実装したのち、シーム溶接によりパッケージ８６上面と接合される。上記構成によりＹ軸方向を加速度検知軸として、かつＺ軸方向、すなわち厚み方向の他軸感度を低減した加速度センサ８２を構築することができる。

ところで加速度センサ８２は実装後に振動周波数の微調整を行う必要が発生する。この振動周波数の微調整は振動腕の自由端側である接続電極膜５４にある電極膜７４をレーザ９０で除去してその質量を変えることにより行うことができるが、基部１２側の質量を変えても振動周波数の変化はほとんどない。一方、+Ｚ面１６および−Ｚ面１８の剛性の調
整は振動腕１４の基部１２側を覆う電極膜６８をレーザ９０で除去することにより行うことができる。そして、+Ｚ面および−Ｚ面１８の屈曲振動による曲げ応力に対する剛性の
変化は、上述から振動腕１４の基部１２側の質量の変化によって最も影響を受けるので、レーザ９０により接続電極膜５４側の質量を変えても圧電振動片１０の剛性のバランスに影響を及ぼすことはほとんどない。よって、第６実施形態の音叉型圧電振動片１０を図８のようにリッド８８にレーザ９０を透過する材料（例えば、薄板ガラス）を用いて実装すると、振動腕１４の接続電極膜５４にレーザ９０を照射して共振周波数の微調整を行うのみならず、振動腕１４の基部１２側にレーザ９０を照射して、実装後においても屈曲振動による曲げ応力に対する剛性のバランス調整が可能となる。このとき＋Ｚ面１６、−Ｚ面１８いずれの面もマウント用電極８４との接合面に用いてもよい。もちろんレーザ９０を照射され、電極膜７４が除去された方の面の剛性が弱くなる。

したがって第７実施形態によれば、長手方向を加速度検知軸とし、屈曲振動のＺ軸方向に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を実装した加速度センサを構築することができる。さらに実装後の周波数調整は振動腕の自由端側で行われるが、剛性の調整は振動腕の基部側で行なわれるため、周波数調整と剛性の調整はお互いに干渉することなく独立に行うことができる。

いずれの実施形態においても片持ち支持された振動腕が２つある音叉型圧電振動片を前提に述べてきたが、振動腕が１本でも２本以上でも本実施形態が適用できることはいうまでもない。また加速度検出センサのみならず、他の圧電デバイス材料、例えばクロック源に用いられる圧電振動片としても適用できる。

本発明に係る圧電振動片はいずれの実施形態においても、第１の方向に延び、片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を前記第１の方向に垂直な第２の方向に屈曲振動させる励振電極を有する圧電振動片であって、前記振動腕に、前記第１及び第２の方向に垂直な第３の方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを共通の特徴としている。

圧電基板から形成された圧電振動片は、その異方性により各面における曲げ応力等に対する剛性が異なる場合が発生する。このような圧電振動片を励振電極により屈曲振動させると、所定の振幅方向のみならずそれに垂直な方向にも振幅する成分を有することになる。よって本発明によれば、前記屈曲振動に対する剛性のバランスをとることにより、振動腕の屈曲振動に垂直に振動する方向に振動する成分を低減することができる。したがって第３の方向からの加速度に起因する屈曲振動の共振周波数の偏差の発生を低減する圧電振動片を形成することができる。

したがって長手方向（第１の方向、Ｙ方向）に垂直な方向（第２の方向、Ｘ方向）に屈曲振動し、屈曲振動のＺ方向（第３の方向）に振動する成分を低減させたことにより他軸感度が低減された圧電振動片を形成することが出来るとともに、圧電振動片の基部を固定端として片持ち支持状態で実装した圧電振動子、圧電デバイスを構築することができる。

第１実施形態の音叉型圧電振動片の概略図である。 厚み方向に撓んだ場合の中立面を示すＡ−Ａ線断面図である。 第２実施形態の音叉型圧電振動片の概略図である。 第３実施形態の音叉型圧電振動片のＡ−Ａ線断面図である。 第４実施形態の音叉型圧電振動片の概略図である。 第５実施形態の音叉型圧電振動片のＢ−Ｂ線断面図である。 第６実施形態の音叉型圧電振動片のＢ−Ｂ線断面図である。 第７実施形態の加速度センサの概略図である。 音叉型圧電振動片が厚み方向に撓んだときに応力分布を示す概略図である。 音叉型圧電振動片の周波数変動のシミュレーション結果を示す表である。

符号の説明

１０………音叉型圧電振動片、１２………基部、１４………振動腕、１６………＋Ｚ面、１８………−Ｚ面、２０………第１の側面、２２………第２の側面、２４………根本部、２６………溝、２８………第１の内面、３０………第２の内面、３２………くびれ部、３４………マウント部、３６………第１の側面電極膜、３８………第２の側面電極膜、４０………第１の内面電極膜、４２………第２の内面電極膜、４４………底面電極膜、４６………第１の励振電極膜、４８………第２の励振電極膜、５０………第３の励振電極膜、５
２………引出し電極膜、５４………接続電極膜、５６………中立面、５７………オーバーラップ領域、５８………切欠き、６０………＋Ｚ面溝、６２………−Ｚ面溝、６４………＋Ｚ面溝、６６………−Ｚ面溝、６８………＋Ｚ面溝、７０………−Ｚ面溝、７２………梁、７４………電極膜、７６………領域、７８………箇所、８０………箇所、８２………加速度センサ、８４………マウント用電極、８６………パッケージ、８８………リッド、９０………レーザ。

Claims (12)

1. 第１の方向に延び、片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を前記第１の方向に垂直な第２の方向に屈曲振動させる励振電極を有する圧電振動片であって、
   前記振動腕に、前記第１及び第２の方向に垂直な第３の方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを特徴とする圧電振動片。
2. Ｚカット圧電基板により形成され、長手方向に片持ち支持された振動腕と、前記振動腕を片持ち支持する基部と、前記振動腕を厚み方向に対して垂直な方向に屈曲振動させる励振電極からなる圧電振動片であって、
   前記振動腕に厚み方向の曲げに対する剛性の調整部を備えることを特徴とする圧電振動片。
3. 前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から前記振動腕の自由端方向に沿って設け
   られた溝であることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
4. 前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側に設けられた切欠きであることを特徴とす
   る請求項２に記載の圧電振動片。
5. 前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられ
   た第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝は前記第２の溝よりも深く形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
6. 前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向にそって設けられ
   た第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝とを有し、前記第１の溝の基部側の端は、前記第２の溝の基部側の端よりも基部側に位置することを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
7. 前記第２の溝の基部側の端には、前記第１の溝の自由端側の端よりも基部側に位置し、前記第１および第２の溝とが厚み方向から見て重なるオーバーラップ領域が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の圧電振動片。
8. 前記調整部は、前記振動腕の+Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられ
   た第１の溝と、前記振動腕の−Ｚ面の基部側から振動腕の自由端方向に沿って設けられた第２の溝と、前記第２の溝の基部側に設けられた梁からなることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
9. 前記梁は、前記第２の溝の基部側から自由端側へ隔離させてなることを特徴とする請求項８に記載の圧電振動片。
10. 前記調整部は、振動腕の+Ｚ面に設けられた第１の電極膜と、振動腕の−Ｚ面に設けら
    れ、かつ、前記第１の電極膜より薄い第２の電極膜と、を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の圧電振動片。
11. 前記振動腕は前記基部に２本平行に片持ち支持で設けられ、一方の振動腕に形成された前記励振電極と、他方の振動腕に形成された前記励振電極とがクロス配線によって接続されたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧電振動片。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧電振動片を、前記基部を固定端として片持ち支持状態で実装したことを特徴とする圧電振動子または加速度センサ。

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