JP2011166325A - 音叉型圧電振動片及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】音叉型圧電振動片のＱ値向上及び小型化を実現する。
【解決手段】基部２から延出しかつ先端に向けて徐々に縮幅する１対の振動腕３，４と、その表裏主面に形成した溝部５，６と、振動腕の主面及び側面に設けた励振電極１３〜１６と、振動腕の先端に設けた幅広の錘部７，８とを備える音叉型圧電振動片１において、振動腕と錘部との連結位置Ｐを基準に先端側を正、基端側を負とし、錘部の長さＬwと連結位置Ｐから溝部先端位置Ｇまでの長さＬgとが−０．１≦Ｌg／Ｌw≦０．１を満足するように溝部を形成する。錘部は、振動腕との連結位置Ｐから先端側に拡幅するテーパー部分７ａとそれより先端側に連続する一定幅の矩形部分７ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、音叉型圧電振動片に関し、更に音叉型圧電振動片をパッケージに収容した圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスに関する。

従来より、携帯電話等の通信機器、パーソナルコンピュータ等の情報機器、その他様々な電子機器には、圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。特に最近は、電子機器の高性能化、小型化に伴い、より一層の小型化を図ることができると共に、ＣＩ値を低く抑制しかつ高いＱ値（共振尖鋭度）を発揮する高品質で、高い安定性を有する圧電デバイスが要求されている。

一般に音叉型圧電振動片の共振周波数は、振動腕の長さの二乗に反比例し、かつ腕幅に比例する特性がある。従って、同じ共振周波数で振動腕の長さを短くしようとすると、腕幅も同様に小さくしなければならず、そのためにＣＩ値が大きくなるという問題が発生する。そこで、振動腕の表裏主面に長手方向の溝を形成しかつその内面に励振電極を設けることにより、振動腕の長さを短くしても、腕幅を必要以上小さくすることなく、電界効率を向上させてＣＩ値を低く抑制する方法が広く採用されている。

また、音叉型圧電振動片は、目的とする基本波の周波数だけでなく、好ましくない高調波の周波数でも発振する特性がある。かかる高調波の影響を防止するために、高調波のＣＩ値を基本波のＣＩ値より大きくする、即ちＣＩ値比（＝高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）を１．０より大きく設定することによって、高調波を発生し難くする方法が知られている。例えば、振動腕の腕幅を基部側から先端側に向けて先細のテーパー状に変化させることによって、小型で基本波のＣＩ値が小さく、かつＣＩ値比の良好な音叉型圧電振動片が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

他方、音叉型圧電振動片のＱ値は、一般にＱ＝１／（ω・Ｃ_１・Ｒ_１）の式で表される。ここで、ωは角周波数、Ｃ_１は等価直列容量、Ｒ_１は等価直列抵抗である。等価直列抵抗Ｒ_１はＣＩ値にほぼ等しい。Ｑ値を大きくするためには、振動腕の腕幅を大きくする必要があるが、これに伴う高次振動モードの発生を抑えるために振動腕の長さも長くしなければならないので、小型化を図ることができない。そこで、振動腕の先端に幅広の錘部を設けることにより、振動腕を短くしても、高次振動モードの発生を抑制しかつ振動周波数の安定性を得られると共に、Ｑ値を高くする音叉型圧電振動片が知られている（例えば、特許文献２，３を参照）。

特開２００６−３１１０９０号公報 特開２００５−５８９６号公報 特開２００９−２７７１１号公報

音叉型圧電振動片の振動腕の表裏主面に形成する長手方向の溝は、ＣＩ値をより低く抑制するためには、より長く形成することが好ましい。しかしながら、特許文献３記載のように、溝部を振動腕先端の錘部の領域まで延長させると、周波数を低下させるという錘部の質量効果が損なわれ、振動腕を十分に短くできなくなる虞がある。

また、音叉型圧電振動片の実際の使用時には、その使用条件によって負荷容量の値にばらつきが生じる。そのため、製造時に所定の公称周波数に設定しても、実際の使用時には周波数にばらつきを生じる虞がある。特に音叉型振動片のＣ_１の値が大きいと、音叉型振動片を実際に使用したときに、負荷容量のばらつきによって周波数が大きくばらつく虞がある。上述したＱ値の一般式から分かるように、使用条件による負荷容量のばらつきによる影響を解消し又は抑制するためには、音叉型圧電振動片のＣ_１の値を小さく即ちそのＱ値を十分に大きくする必要がある。

他方、振動腕と錘部との連結部は、溝部の有無や該連結部付近での幅の変化に伴って、その断面積及び断面形状が急激に変化するので、局所的に振動腕の屈曲振動による応力集中が起こり易い。そのため、振動腕の振動が不安定になったり、好ましくない振動を発生する虞があるだけでなく、最悪の場合、振動腕と錘部との連結部が破損することも考えられる。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、音叉型圧電振動片において、振動腕を良好かつ安定に屈曲振動させることができ、Ｑ値及びＣＩ値の双方において振動特性を向上させると共に、小型化を実現することにある。

更に本発明の目的は、かかる音叉型圧電振動片を備えることにより、高性能で小型化可能な圧電振動子、発振器等の圧電デバイスを提供することにある。

本願発明者らは、振動腕に溝部を設ける範囲が圧電振動片のＱ値に及ぼす影響を様々に検討した。その結果、基部から先端側に縮幅する振動腕の先端に錘部を有する場合に、振動腕の長手方向に沿って錘部長さと溝部先端位置との間に、Ｑ値に影響を与える一定の関係があることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて上記目的を達成するためになされたものである。

本発明の音叉型圧電振動片は、基部と、該基部から延出しかつそれぞれに基部から先端に向けて全長に亘って徐々に縮幅する１対の振動腕と、各振動腕の表側又は裏側主面の少なくとも一方に形成した溝部と、各振動腕の溝部の内面を含む両主面と各振動腕の側面とに設けられた励振電極と、各振動腕の先端に一体に設けられかつ該振動腕の先端における幅よりも広幅の部分を有する錘部とを備え、
振動腕の長手方向に沿って振動腕と錘部との連結位置Ｐを基準に先端側を正方向及び基端側を負方向とし、錘部の長さをＬw、連結位置Ｐから溝部の先端位置Ｇまでの長さをＬgとすると、前記溝部が、−０．１≦Ｌg／Ｌw≦０．１を満足するように設けられていることを特徴とする。

後述するように、このように溝部の先端位置を錘部長さとの関係から規定することによって、音叉型圧電振動片の小型化を図りつつ、良好かつ安定な屈曲振動を確保し、その振動特性をＱ値及びＣＩ値の双方において最適に設定することができる。

或る実施例では、溝部をその先端位置Ｇが錘部との連結位置Ｐよりも基端側に位置するように設けることによって、錘部の質量を維持できるので、振動腕の長さを短くしても高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られるという、錘部の作用効果を低減することなく、Ｑ値の向上及び小型化を図ることができる。

別の実施例では、錘部が、振動腕の長手方向に沿って振動腕との連結位置から先端側に徐々に拡幅するテーパー部分とそれより先端側の一定幅部分とを有する。これにより、錘部は、テーパー部分において振動腕との連結部分から幅の拡大と共にその剛性が徐々に高くなるので、振動腕の屈曲振動時に振動腕との連結部分への応力集中が緩和され、振動腕の屈曲振動をより良好に安定させて、高調波などの好ましくない振動の発生を抑制することができる。

或る実施例では、各振動腕の溝部が、基部側から先端側に向けて徐々に縮幅する部分を有するように形成されることによって、ＣＩ値比即ち、二次高調波モードのＣＩ値／基本波モードのＣＩ値を１より大きくすることができ、高調波モードでの発振を抑制することができる。

別の実施例では、各振動腕が、その長手方向に沿って基部との連結部付近の第１テーパー部とそれより先端側の第２テーパー部とを有し、第１テーパー部が第２テーパー部よりも急峻に縮幅するように形成される。これにより、振動腕と基部との連結部付近の剛性を向上させ、それにより振動腕の屈曲振動時に起こり得る応力集中を緩和して、振動腕の屈曲振動をより良好に安定させ、振動漏れを抑制してＣＩ値の低下を図ることができる。

この場合に、別の実施例では、更に各振動腕の第１テーパー部に形成される溝部の幅を一定にすることによって、振動腕の励振電極から基部側に引き出される配線を引き回すために、より大きなスペースを確保できるので、振動片の設計及び電極膜の成膜工程において有利である。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明の音叉型圧電振動片と、該音叉型圧電振動片を収容するパッケージとを備えることにより、優れたＱ値を発揮しかつ小型可能な圧電デバイスが提供される。

本発明による音叉型圧電振動片の実施例の平面図。 図１の一方の振動腕を示す部分拡大平面図。 振動腕の溝先端位置とＱ値との関係を示す線図。 図１の音叉型圧電振動片を搭載した圧電振動子の縦断面図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した音叉型圧電振動片の好適な実施例を示している。本実施例の音叉型圧電振動片１は、基部２と、該基部から平行に延出する１対の振動腕３，４とを備える。振動腕３，４の表裏主面には、それぞれ長手方向に延長する溝部５，６が形成されている。前記各振動腕の先端には、それぞれ幅広の錘部７，８が一体に設けられている。前記錘部によって、前記振動腕はその長さを短くしても、高次振動モードの発生を抑制して振動周波数を安定させることができるので、圧電振動片１全体を長手方向に小型化することができる。

圧電振動片１は更に、基部２の幅方向両端から振動腕３，４と平行に延出する１対の支持腕９，１０を有する。基部２の両側部には、支持腕９，１０との連結部付近に切欠き１１，１２が形設されている。この切欠きによって、前記振動腕から前記基部を介して前記支持腕側に振動漏れが生じるのを抑制することができる。

圧電振動片１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により、公知のフォトエッチング技術を用いて所望の形状に形成することができる。特に、水晶を用いる場合には、水晶結晶軸のＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）及びＺ軸（光軸）からなる直交座標系において、Ｘ軸を中心に、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面を反時計回りに０°乃至５°の範囲で回転させて切り出した水晶Ｚ板を用いる。この場合、水晶Ｚ板は、図１に示すように、Ｙ軸を前記振動腕の長手方向に配向するのが通例である。

振動腕３，４は、溝部５，６の内面を含めて表裏主面に第１励振電極１３，１４が形成され、かつその側面に第２励振電極１５，１６が形成されている。本実施例では、第１励振電極１３，１４を設ける範囲が溝部５，６の先端よりも少し手前の位置までである。別の実施例では、前記第１励振電極を前記溝部の全長に亘って設けることもできる。一方の前記振動腕の第１励振電極１３及び第２励振電極１５は、それぞれ他方の振動腕の第２励振電極１６及び第１励振電極１４と互いに接続されている。支持腕９，１０の表面にはそれぞれ引出電極１７，１８が形成され、その一方１７が第１励振電極１５及び第２励振電極１４と、他方１８が第１励振電極１３及び第２励振電極１６と、それぞれ基部２上に設けた配線を介して接続されている。

図２には、一方の振動腕３が前記励振電極を省略して示されている。尚、他方の振動腕４は、振動腕３と実質的に同一に構成されるので、説明を省略する。

振動腕３は、その幅が基部２側から先端に向けて徐々に狭くなるように縮幅させて形成されている。本実施例の振動腕３は、その長手方向に沿って基部２との連結部付近に設けた第１テーパー部３ａと、それより先端側に連続する第２テーパー部３ｂとを有する。第２テーパー部３ｂは、その先端まで概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅し、第１テーパー部３ａは、第２テーパー部３ｂよりも急峻に縮幅するように形成される。これにより、前記振動腕は、基部２との連結部の剛性が高くなるので、その屈曲振動による応力集中を緩和し、屈曲振動をより良好に安定させ、かつ前記連結部からの振動漏れを抑制してＣＩ値の低下を図ることができる。

溝部５は、基部２側から先端側に向けてその断面積が徐々に小さくなるように、徐々に縮幅する部分を有する。本実施例の溝部５は、その長手方向に沿って振動腕３の第１テーパー部３ａに対応する領域５ａが幅一定に形成され、かつ第２テーパー部３ｂに対応する領域５ｂが、その先端まで概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅している。溝部５に前記縮幅部分を設けることによって、圧電振動片１は、そのＣＩ値比＝二次高調波モードのＣＩ値／基本波モードのＣＩ値を１より大きくすることができ、高調波モードでの発振を抑制することができる。更に、幅一定の領域５ａを有することによって、前記励振電極から基部２側に配線を引き回すために、より大きなスペースを確保できるので、圧電振動片１の設計上及び前記励振電極並びに配線の成膜工程において有利である。

溝部５の断面積は、振動腕３の先端に向けて該溝部の深さを徐々に浅くすることによっても、徐々に小さく構成することができる。但し、前記溝部のウエットエッチングは、深さ方向に加工するよりも、上述したように縮幅する方が、高精度な加工を容易に行うことができる。それによって、圧電振動片１の個体間における形状のばらつき、それに伴う振動特性や耐衝撃性のばらつきを防止又は抑制することができる。

錘部７は、振動腕３の長手方向に沿って該振動腕との連結位置Ｐから先端側に徐々に拡幅するテーパー部分７ａを有する。テーパー部分７ａより先端側に連続する錘部７の大部分は、幅が一定の矩形部分７ｂである。テーパー部分７ａは、振動腕３との連結位置Ｐから幅が拡大すると共に、その剛性が徐々に高くなる。従って、前記振動腕の屈曲振動は、該振動腕と錘部７との連結部分への応力集中が緩和されるので、良好に安定させることができ、高調波などの好ましくない振動の発生が抑制される。

このとき、テーパー部分７ａは、振動腕３の長手方向に直交する幅方向を基準として、その傾斜角度θが約５０〜８０°となるように設定するのが好ましい。上述したように水晶Ｚ板を用いて圧電振動片１を形成した場合には、このように傾斜角度θに設定することによって、ウエットエッチングで前記圧電振動片を外形加工する際に、前記テーパー部分と振動腕３の側面との隅にヒレと呼ばれる突起が形成されることを防止し又は抑制できるので、好都合である。

溝部５は、その長手方向に沿って全長が振動腕３の全長よりも短く、先端位置Ｇが錘部７と振動腕３との連結位置Ｐによりも少し基部２側に配置されている。図示するように、振動腕３の長手方向に連結位置Ｐを基準即ち０としてそれより先端側を正方向、基端側を負方向としたとき、錘部７の長さＬwと、連結位置Ｐから溝部先端位置Ｇまでの長さＬgとが、−０．１≦Ｌg／Ｌw＜０を満足するように、溝部５が設けられている。

本願発明者らは、溝部５の先端位置Ｇが錘部長さＬwとの関係において圧電振動片１のＱ値に及ぼす影響を検討した。図３は、錘部長さＬwに関する連結位置Ｐから溝部先端位置Ｇまでの長さＬgの比率を溝先端位置として、それに対するＱ値の変化を実験により確認した結果を示している。同図において、実線はＱ値の変化を、破線はそれに対応するＣＩ値の変化をそれぞれ示している。

図３の実験結果から、−０．１≦Ｌg／Ｌw≦０．１の範囲が、Ｑ値及びＣＩ値双方において最適範囲であることが分かる。但し、０＜Ｌg／Ｌw≦０．１の範囲では、溝部５が錘部７に入り込むので、それだけ錘部の質量が少なくなる。従って、振動腕３の長さを短くしても高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られるという、錘部７の作用効果を幾分損なう虞がある。しかしながら、溝部５が錘部に入り込む長さは上記範囲に制限されているので、通常の使用において実質的な影響は無いと考えられる。また、Ｌg／Ｌw＝０のとき、即ち溝部先端位置Ｇが錘部７と振動腕３との連結位置Ｐ上に来るときは、その境界における剛性が非常に低下するので、テーパー部分７ａの傾斜角度θをできる限り大きくして、前記振動腕の振動時に応力集中を緩和することが好ましい。

図４は、図１の音叉型圧電振動片１を搭載した圧電振動子の実施例を示している。本実施例の圧電振動子２１は、圧電振動片１を収容するために表面実装型のパッケージ２２を備える。パッケージ２２は、例えばセラミック材料からなる矩形箱状のベース２３と、ガラス等からなる矩形平板状のリッド２４とを有する。

ベース２３は、その内部に画定される空所の底面に、圧電振動片１の支持腕９，１０に対応する位置に形成したマウント電極２５を有する。圧電振動片１は、前記各支持腕を対応するマウント電極２５に整合させかつ導電性接着剤２６で接着することにより、ベース２３の内部に電気的に接続されかつ機械的に固定支持される。リッド２４は、ベース２３の上端に気密に接合されて、前記圧電振動片をパッケージ２２内に気密に封止する。この状態で、外部からマウント電極２５を介して圧電振動片１に所定の電流を印加すると、振動腕３，４が所定の周波数で互いに接近離反する向きに屈曲振動する。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、支持腕を備えていない、基部で片持ちに接着固定する構造の音叉型圧電振動片や、同様に基部から延出する振動腕を有する圧電ジャイロ素子についても適用することができる。また、上記実施例では、振動腕の表裏両主面に溝部を設けたが、表側又は裏側いずれか一方の主面にのみ溝部を設けることもできる。更に、本発明は、圧電振動子以外に、圧電発振器等の様々な圧電デバイスに適用することができる。

１…圧電振動片、２…基部、３，４…振動腕、３ａ…第１テーパー部、３ｂ…第２テーパー部、５，６…溝部、５ａ，５ｂ…領域、７，８…錘部、７ａ…テーパー部分、９，１０…支持腕、１１，１２…切欠き、１３，１４…第１励振電極、１５，１６…第２励振電極、１７，１８…引出電極、２１…圧電振動子、２２…パッケージ、２３…ベース、２４…リッド、２５…マウント電極、２６…導電性接着剤。

Claims (7)

1. 基部と、前記基部から延出しかつそれぞれに前記基部から先端に向けて全長に亘って徐々に縮幅する１対の振動腕と、前記各振動腕の表側又は裏側主面の少なくとも一方に形成した溝部と、前記各振動腕の前記溝部の内面を含む前記両主面と前記各振動腕の側面とに設けられた励振電極と、前記各振動腕の先端に一体に設けられかつ該振動腕の前記先端における幅よりも広幅の部分を有する錘部とを備え、
   前記振動腕の長手方向に沿って前記振動腕と前記錘部との連結位置Ｐを基準に先端側を正方向及び前記基端側を負方向とし、前記錘部の長さをＬw、前記連結位置Ｐから前記溝部の先端位置Ｇまでの長さをＬgとすると、前記溝部が、−０．１≦Ｌg／Ｌw≦０．１を満足するように設けられていることを特徴とする音叉型圧電振動片。
2. 前記溝部の前記先端位置Ｇが前記連結位置Ｐよりも前記基端側に位置するように、前記溝部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動片。
3. 前記錘部が、前記振動腕の長手方向に沿って前記振動腕との連結位置から先端側に徐々に拡幅するテーパー部分と、それより先端側の一定幅部分とを有することを特徴とする請求項１又は２記載の音叉型圧電振動片。
4. 前記各振動腕の前記溝部が、前記基部側から先端側に向けて徐々に縮幅する部分を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の音叉型圧電振動片。
5. 前記各振動腕が、その長手方向に沿って前記基部との連結部付近の第１テーパー部とそれより先端側の第２テーパー部とを有し、前記第１テーパー部が前記第２テーパー部よりも急峻に縮幅するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の音叉型圧電振動片。
6. 前記各振動腕の前記第１テーパー部に形成される前記溝部の幅が一定であることを特徴とする請求項５記載の音叉型圧電振動片。
7. 請求項１乃至４のいずれか記載の音叉型圧電振動片と、前記音叉型圧電振動片を収容するパッケージとを備えることを特徴とする圧電デバイス。

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