JP2013172222A - 圧電振動素子及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、落下等の衝撃及び温度変化に起因する周波数変動が生じにくく、振動特性が改良された圧電振動素子及び圧電デバイスを提供する。
【解決手段】圧電振動素子（１３０）は、長辺及び短辺を含む矩形形状に形成され、第１主面とその裏面の第２主面とを有し、少なくとも第１主面に周辺部よりも厚みのあるメサ部（１３３）を有する圧電片（１３４）を備える。また、第１主面及び第２主面には一対の励振電極（１３１）が形成され、一対の励振電極からは一対の引出電極（１３２）が一方の短辺に引き出される。励振電極はメサ部の面積よりも広く、また、メサ部が形成される主面ではメサ部を覆うように形成される。また、励振電極の中心（ＣＲ）は圧電片の中心（ＣＡ）から他方の短辺側に第１距離（ＤＲ）だけ離れ、メサ部の中心（ＣＭ）は、圧電片の中心から他方の短辺側に第２距離（ＤＭ）だけ離れ、第２距離と第１距離とは異なる。
【選択図】図３

Description

本発明は、落下等の衝撃及び温度変化に起因する周波数変動が生じにくく、振動特性が改良されたメサ型の圧電片を含む圧電振動素子及び圧電デバイスに関する。

励振電極が形成され、励振電極に電圧がかけられることにより所定の振動周波数で振動する圧電片、及びこのような圧電片を含む圧電振動素子が知られている。また、このような圧電振動素子がパッケージに載置されることにより圧電デバイスが形成される。圧電片の主面には、圧電片の周辺部よりも厚さが厚いメサ部が形成されることにより、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が良くなることが知られている。また、このようなメサ部が形成されたメサ型の圧電片を含む圧電振動素子及び圧電デバイスでは、メサ部及び電極の形成位置及び大きさ等により振動特性が変化することが知られている。

例えば特許文献１では、メサ部より励振電極を広く形成することにより、周波数可変感度を高くし不要な振動を抑圧したメサ型振動片を開示している。また、メサ部を導電性接着剤から離して形成することにより、導電性接着剤と励振電極との間の電気的短絡を防止できることを示している。

特開２００５−９４４１０号公報

しかし、圧電振動素子及び圧電デバイスには、さらに落下等の衝撃及び温度変化等により圧電片に発生する応力に対して周波数変動が生じる場合があり、このような問題に対する対応が求められている。また、振動特性に関してもさらに改善されることが求められている。

本発明は、落下等の衝撃及び温度変化に起因する周波数変動が生じにくく、振動特性が改良された圧電振動素子及び圧電デバイスを提供することを目的とする。

第１観点の圧電振動素子は、長辺及び短辺を含む矩形形状に形成され、第１主面とその裏面の第２主面とを有し、少なくとも第１主面に周辺部よりも厚みのあるメサ部を有する圧電片と、第１主面及び第２主面に形成された一対の励振電極と、一対の励振電極から一方の短辺に引き出された一対の引出電極と、を備える。励振電極はメサ部の面積よりも広く、また、メサ部が形成される主面ではメサ部を覆うように形成される。励振電極の中心は圧電片の中心から他方の短辺側に第１距離だけ離れている。また、メサ部の中心は圧電片の中心から他方の短辺側に第２距離だけ離れている。さらに、第２距離と第１距離とは異なる。

第２観点の圧電振動素子は、第１観点において、第２距離は長辺の長さの０．０７３倍〜０．１４８倍である。

第３観点の圧電振動素子は、第１観点及び第２観点において、圧電片を囲み、圧電片の一方の短辺に接続される枠部を備え、一対の引出電極は一方の短辺からさらに枠部に引き出されている。

第４観点の圧電振動素子は、第１観点から第３観点の圧電振動素子と、圧電振動素子が載置されるベース板と、圧電片を密封するリッド板と、を備える。

本発明の圧電振動素子及び圧電デバイスによれば、落下等の衝撃及び温度変化に起因する周波数変動を生じにくくし、振動特性を良くすることができる。

圧電デバイス１００の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 圧電振動素子１３０の平面図である。 （ａ）は、圧電振動素子１３０ａの平面図である。 （ｂ）は、圧電デバイスの落下時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子１３０ａの平面図である。 （ｃ）は、圧電デバイスの温度変化時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子１３０ａの平面図である。 圧電振動素子の等価回路が示された図である。 （ａ）は、圧電振動素子１３０ｂの平面図である。 （ｂ）は、圧電振動素子１３０ｃの平面図である。 （ａ）は、メサ部のＸ軸方向の長さＭＸと等価直列容量Ｃ１との関係が示されたグラフである。 （ｂ）は、メサ部のＸ軸方向の長さＭＸと等価直列抵抗Ｒ１との関係が示されたグラフである。 圧電振動素子の励振電極の寸法及びメサ部の寸法が示された表である。 （ａ）は、第２距離ＤＭと等価直列容量Ｃ１との関係が示されたグラフである。 （ｂ）は、第２距離ＤＭとＲ１との関係を示したグラフである。 圧電デバイス２００の分解斜視図である。 図１０のＢ−Ｂ断面図である。 圧電振動素子２３０の平面図である。 （ａ）は、圧電振動素子２３０ａの平面図である。 （ｂ）は、圧電デバイスの落下時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子２３０ａの平面図である。 （ｃ）は、圧電デバイスの温度変化時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子２３０ａの平面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜圧電デバイス１００の構成＞
図１は、圧電デバイス１００の分解斜視図である。圧電デバイス１００は、リッド板１１０と、ベース板１２０と、圧電振動素子１３０と、により構成されている。圧電振動素子１３０には例えばＡＴカットの水晶振動素子が用いられる。ＡＴカットの水晶振動素子は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。以下の説明では、ＡＴカットの水晶振動素子の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、圧電デバイス１００においては圧電デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、圧電デバイス１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’軸方向として説明する。

圧電振動素子１３０は、所定の周波数で振動し、矩形形状に形成され、＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の主面に凸状に形成されたメサ部１３３を含む圧電片１３４と、メサ部１３３の全体及びメサ部１３３の周囲に形成された励振電極１３１と、各励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出された引出電極１３２と、を有している。圧電片１３４の＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３１から−Ｘ軸側に引き出され、さらに圧電片１３４の−Ｚ’軸側の側面を介して圧電片１３４の−Ｙ’軸側の面にまで引き出されている。圧電片１３４の−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１から引き出される引出電極１３２は、励振電極１３２から−Ｘ軸側に引き出され、圧電片１３４の＋Ｚ’軸側の側面を介して圧電片１３４の＋Ｙ’軸側の面にまで形成されている。

ベース板１２０には、＋Ｙ’軸側の面の周囲に封止材１４２（図２参照）を介してリッド板１１０に接合される接合面１２２が形成されている。また、ベース板１２０の＋Ｙ’軸側の面の中央には、接合面１２２から−Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１２１が形成されている。凹部１２１には一対の接続電極１２３が形成されており、各接続電極１２３は、導電性接着剤１４１（図２参照）を介して圧電振動素子１３０の引出電極１３２に電気的に接続される。また、ベース板１２０の−Ｙ’軸側の面には、一対の外部電極１２６が形成されている。外部電極１２６と接続電極１２３とはベース板１２０を貫通する貫通電極１２４により電気的に接続されている。

リッド板１１０は、−Ｙ’軸側の面に＋Ｙ’軸方向に凹んだ凹部１１１が形成されている。また、凹部１１１を囲むように接合面１１２が形成されている。接合面１１２は封止材１４２（図２参照）を介してベース板１２０の接合面１２２に接合される。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。圧電デバイス１００は、ベース板１２０の接合面１２２とリッド板１１０の接合面１１２とが封止材１４２を介して接合されることにより、圧電デバイス１００内に密閉されたキャビティ１０１が形成される。また、圧電振動素子１３０はキャビティ１０１に配置されている。圧電振動素子１３０には、励振電極１３１が形成されている。また、圧電片１３４にはメサ部１３３が形成されており、メサ部１３３のＹ’軸方向の厚さはメサ部１３３の周囲の周辺部１３５のＹ’軸方向の厚さよりも厚い。圧電振動素子１３０は、引出電極１３２が導電性接着剤１４１を介してベース板１２０の接続電極１２３に接合されて、キャビティ１０１内に配置されている。また、引出電極１３２と接続電極１２３とは導電性接着剤１４１を介して電気的に接続され、これにより励振電極１３１と外部電極１２６とが電気的に接続される。

図３は、圧電振動素子１３０の平面図である。圧電振動素子１３０は、Ｘ軸方向に長辺が伸び、Ｚ’軸方向に短辺が伸びた矩形形状の圧電片１３４を有している。圧電片１３４の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面には矩形形状の励振電極１３１が形成されている。＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面に形成された励振電極１３１は互いに同じ形状、及び寸法であり、ＸＺ’平面に対して面対称に形成されている。また、圧電片１３４の＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面には、表面が励振電極１３１に覆われたメサ部１３３が形成されている。また、各励振電極１３１からは、−Ｘ軸方向に引出電極１３２が引き出されている。

圧電片のＸ軸方向の長さ（長辺の長さ）を長さＡＸ、Ｚ’軸方向の長さ（短辺の長さ）を長さＡＺとすると、圧電振動素子１３０は、長さＡＸが１．３５５ｍｍ、長さＡＺが０．７９５ｍｍに形成されている。また以下では、励振電極のＸ軸方向の長さを長さＲＸ、励振電極のＺ’軸方向の長さを長さＲＺ、メサ部のＸ軸方向の長さを長さＭＸ、メサ部のＺ’軸方向の長さを長さＭＺとして説明する。さらに、圧電片１３４の＋Ｙ’軸側の面の中心を中心ＣＡ、＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１３１の中心を中心ＣＲ、＋Ｙ’軸側に形成されているメサ部１３３の中心を中心ＣＭとすると、中心ＣＡと中心ＣＲとの距離を第１距離ＤＲ、中心ＣＡと中心ＣＭとの距離を第２距離ＤＭとする。以下の説明の第２距離ＤＲ及び第２距離ＤＭは、中心ＣＲ及び中心ＣＭが中心ＣＡよりも−Ｘ軸側にある場合には負の値として示し、中心ＣＲ及び中心ＣＭが中心ＣＡよりも＋Ｘ軸側にある場合には正の値として示す。また、中心ＣＡ、中心ＣＲ、及び中心ＣＭはＸ軸に平行な直線１７１上に存在している。

＜＜圧電振動素子１３０のシミュレーション結果＞＞
圧電振動素子１３０におけるメサ部１３３及び励振電極１３１の最適な形成位置、形状、及び大きさに関して、シミュレーションを行うことにより調べた。以下にシミュレーションの結果について説明する。

＜圧電振動素子にかかる応力＞
図４（ａ）は、圧電振動素子１３０ａの平面図である。圧電振動素子１３０ａは、＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面にはメサ部１３３ａが形成され、圧電振動素子１３０ａの−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の角部の−Ｙ’軸側の面には、それぞれ導電性接着剤１４１ａが形成されるとしている。圧電振動素子にかかる応力に関するシミュレーションは、圧電振動素子１３０ａを用いて行われた。

図４（ｂ）は、圧電デバイスの落下時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子１３０ａの平面図である。圧電デバイスの落下時のシミュレーションは、Ｙ’軸方向に３０００Ｇの加速度がかかると仮定することにより行われた。図４（ｂ）では落下により圧電振動素子１３０ａにかかる応力の強さが９段階に分けて表示されている。白色に近い色で示された応力の強さが０〜１の領域は圧電振動素子１３０ａにかかる応力が最も弱いことを示し、黒色で示された応力の強さが８〜９の領域は圧電振動素子１３０ａにかかる応力が最も強いことを示している。図４（ｂ）では、導電性接着剤１４１ａの形成位置から最も離れた圧電振動素子１３０ａの＋Ｘ軸側の端部周辺にかかる応力が最も小さくなることがわかる。

図４（ｃ）は、圧電デバイスの温度変化時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子１３０ａの平面図である。圧電デバイスの温度変化のシミュレーションは、圧電デバイスにかかる温度が４００℃から２５℃に下げられた場合を仮定することにより行われた。図４（ｃ）では温度変化により圧電振動素子１３０ａにかかる応力の強さが９段階に分けて表示されている。白色に近い色で示された応力の強さが０〜１の領域は圧電振動素子１３０ａにかかる応力が最も弱いことを示し、黒色で示された応力の強さが８〜９の領域は圧電振動素子１３０ａにかかる応力が最も強いことを示している。図４（ｃ）では導電性接着剤１４１ａが形成される領域から離れるに従って温度変化による応力変化の影響が小さくなることが分かる。

圧電振動素子に発生する応力は、圧電振動素子の振動周波数をずらす原因になる。また、落下等により一度かかった応力によって導電性接着剤が変形し、圧電振動素子の振動周波数がずれたままになることがある。また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）からは、導電性接着剤が形成される位置から離れた場所では、落下及び温度変化により発生する応力の影響を受けにくいことが分かった。そのため、落下及び温度変化などによる応力発生に起因した振動周波数のずれを防ぐためには、圧電振動素子の振動周波数を形成する主な領域であるメサ部が導電性接着剤から離れた位置に形成されることが望ましい。

＜メサ部の寸法及び励振電極とメサ部との関係＞
図５は、圧電振動素子の等価回路が示された図である。圧電振動素子は図５に示されるような等価回路で示すことができる。図５では、等価直列インダクタンスをＬ１、等価直列容量をＣ１、等価直列抵抗をＲ１、平行実装容量をＣ０としている。Ｒ１は振動時の内部摩擦及び音響損失等の振動エネルギーの損失成分を示しており、圧電振動素子のクリスタルインピーダンス（ＣＩ）に相当する値である。そのため、Ｒ１は小さい方が好ましい。Ｃ１は圧電振動素子の伸縮性及び可塑性を示す値であり、Ｃ１が大きいときに圧電振動素子の可塑性が強くなるため好ましい。以下では、圧電振動素子１３０ｂ及び圧電振動素子１３０ｃに関してのＣ１及びＲ１についてシミュレーションを用いて評価することによりメサ部の寸法及び励振電極とメサ部との最適な関係を求める。

図６（ａ）は、圧電振動素子１３０ｂの平面図である。圧電振動素子１３０ｂには、＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面にメサ部１３３が形成され、さらにメサ部１３３を覆うように励振電極１３１が形成されている。圧電振動素子１３０ｂでは、長さＡＸは１．３５５ｍｍ、長さＡＺは０．７９５ｍｍ、長さＲＸは０．８９ｍｍ、長さＲＺは０．６４ｍｍ、長さＭＺは０．６ｍｍ、第２距離ＤＭは０．０４５ｍｍに形成されている。また、圧電片１３４の−Ｙ’軸側の面の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側には、導電性接着剤１４１ｂが形成されている。導電性接着剤１４１ｂは、Ｘ軸方向の長さＳＸが０．２１５ｍｍ、Ｚ’軸方向の長さＳＺが０．２２ｍｍに形成されている。

図６（ｂ）は、圧電振動素子１３０ｃの平面図である。圧電振動素子１３０ｃには、＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面にメサ部１３３が形成され、さらにメサ部１３３の表面に励振電極１３１ｃが形成されている。また、圧電片１３４の−Ｙ’軸側の面の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側には、導電性接着剤１４１ｂが形成されている。圧電振動素子１３０ｃは、長さＡＸ、ＡＺ、ＭＺ、ＳＸ、ＳＺ、及び第２距離ＤＭが圧電振動素子１３０ｂと同じ値に形成されている。励振電極１３１ｃの長さＲＺは０．５ｍｍに形成され、長さＲＸはメサ部１３３の長さＭＸから０．１ｍｍ引いた長さに形成される。すなわち、励振電極１３１ｃはメサ部１３３の外周の辺から０．０５ｍｍ内側に励振電極１３１ｃの外周が形成され、励振電極１３１ｃの面積が励振電極１３１よりも狭くなる。

図７（ａ）は、メサ部１３３のＸ軸方向の長さＭＸと等価直列容量Ｃ１との関係が示されたグラフである。図７（ａ）の白抜きの三角形は圧電振動素子１３０ｂ、バツ印は圧電振動素子１３０ｃの結果を示している。また、図７（ａ）の横軸はメサ部のＸ軸方向の長さＭＸが示され、縦軸には等価直列容量Ｃ１の値が示されている。図７（ａ）において、圧電振動素子１３０ｂは、長さＭＸが０．３５ｍｍのときにＣ１が約１．２ｆＦであり、長さＭＸが１ｍｍのときにＣ１が約２．０ｆＦである。圧電振動素子１３０ｃは、長さＭＸが０．５ｍｍのときにＣ１が約０．７ｆＦ、長さＭＸが１．０ｍｍのときにＣ１が約１．７ｆＦとなっている。図７（ａ）からは、圧電振動素子１３０ｂ及び圧電振動素子１３０ｃともに、メサ部１３３のＸ軸方向の長さＭＸが長くなるほどＣ１の値が高くなる傾向がある。すなわち、メサ部１３１の面積が広くなるほどＣ１が高くなり好ましいといえる。また、メサ部１３３のＸ軸方向の長さＭＸでは、圧電振動素子１３０ｂが圧電振動素子１３０ｃよりも常にＣ１が高い。圧電振動素子１３０ｂと圧電振動素子１３０ｃとの違いは励振電極の面積にあるため、圧電振動素子１３０ｂの励振電極１３１の面積が圧電振動素子１３０ｃの励振電極１３１ｃの面積よりも広いことによりＣ１が高くなっていると考えられる。これより、励振電極の面積は広い方が好ましいと考えられる。

図７（ｂ）は、メサ部１３１のＸ軸方向の長さＭＸと等価直列抵抗Ｒ１との関係が示されたグラフである。図７（ｂ）の白抜きの三角形は圧電振動素子１３０ｂ、バツ印は圧電振動素子１３０ｃの結果を示している。また、図７（ｂ）の横軸はメサ部１３１のＸ軸方向の長さＭＸが示され、縦軸には等価直列抵抗Ｒ１の値が示されている。図７（ｂ）においては、圧電振動素子１３０ｂは、長さＭＸが０．３５ｍｍのときにＲ１が約８７Ωであり、長さＭＸが１．０ｍｍのときにＲ１が約４６Ωである。圧電振動素子１３０ｃは、長さＭＸが０．５ｍｍのときにＲ１が約１５０Ωであり、長さＭＸが１．０ｍｍのときにＲ１が約７５Ωとなっている。図７（ｂ）からは、圧電振動素子１３０ｂ及び圧電振動素子１３０ｃともにメサ部１３１のＸ軸方向の長さＭＸが長くなるに従ってＲ１が低下することがわかる。すなわち、メサ部１３１の面積が広くなるほどＲ１が低くなり好ましいといえる。また、メサ部のＸ軸方向の長さＭＸが同じ場合、圧電振動素子１３０ｂは圧電振動素子１３０ｃよりも常にＲ１が低い。これはすなわち、圧電振動素子１３０ｂの励振電極１３１の面積が圧電振動素子１３０ｃの励振電極１３１ｃの面積よりも広いことによりＲ１が低くなっていると考えられる。これより、励振電極の面積は広い方が好ましいと考えられる。

図７（ａ）及び図７（ｂ）から、メサ部１３３の面積が広くなるとＣ１が高くなり、さらにＲ１が低くなり好ましいといえる。また、励振電極の面積が広くなるとＣ１が高くなり、さらにＲ１が低くなり好ましい。圧電振動素子１３０では、励振電極の面積を広く形成するために励振電極の中心ＣＲが圧電片１３４の中心ＣＡに近くになり、また、引出電極１３２が圧電片１３４の−Ｘ軸側の辺に形成することを考慮した場合、励振電極１３１の中心ＣＲは圧電片１３４の中心ＣＡから僅かに＋Ｘ軸側に寄った位置に形成されることが好ましいと考えられる。また、メサ部１３３は圧電片１３４の＋Ｘ軸側に寄った方が応力がかかりにくく好ましいことから、メサ部１３３の中心ＣＭは励振電極１３１の中心ＣＲ及び圧電片１３４の中心ＣＡよりも＋Ｘ軸側に寄った位置に形成されることが好ましいと考えられる。

＜メサ部の形成位置＞
図８は、圧電振動素子の励振電極の寸法及びメサ部の寸法が示された表である。以下、図８に示された圧電振動素子に関してシミュレーションを行うことにより、メサ部が圧電振動素子に対してどの位置に形成されることが好ましいかを説明する。図８には、圧電振動素子１３０ｄ、圧電振動素子１３０ｅ、圧電振動素子１３０ｆ、及び圧電振動素子１３０ｇの４つの圧電振動素子が示されている。圧電振動素子１３０ｄと圧電振動素子１３０ｅとは、励振電極及びメサ部が同じ寸法で形成されており、励振電極の中心と圧電振動素子の中心との距離ＤＲのみが異なって形成されている。また、圧電振動素子１３０ｆと圧電振動素子１３０ｇとはメサ部のＸ軸方向の長さＭＸのみが異なっている。さらに、圧電振動素子１３０ｄ及び１３０ｅと、圧電振動素子１３０ｆ及び１３０ｇとでは、主に励振電極のＸ軸方向の長さＲＸが異なっている。

図９（ａ）は、第２距離ＤＭと等価直列容量Ｃ１との関係が示されたグラフである。図９（ａ）では、横軸に第２距離ＤＭが示され、縦軸に等価直列容量Ｃ１が示されている。また、図９（ａ）には、図８に示された４つの圧電振動素子に関しての第２距離ＤＭと等価直列容量Ｃ１との関係が示されている。図９（ａ）では、白抜きの菱形は圧電振動素子１３０ｄを示しており、白抜きの三角形は圧電振動素子１３０ｅを示しており、黒塗りの正方形は圧電振動素子１３０ｆを示しており、黒塗りの円形は圧電振動素子１３０ｇを示している。

圧電振動素子１３０ｄ及び圧電振動素子１３０ｅの第２距離ＤＭに対するＣ１の変化は、共に似たような傾向を示している。第２距離ＤＭが−０．１ｍｍ付近までは、第２距離ＤＭの増加に伴いＣ１も増加する傾向にある。また、第２距離ＤＭが−０．１ｍｍよりも大きい値を取る場合には、第２距離ＤＭの値に係らずＣ１が約１．３ｆＦ近傍の値で安定している。そのため、圧電振動素子１３０ｄ及び圧電振動素子１３０ｅは、第２距離ＤＭが−０．１ｍｍよりも大きい場合にＣ１の値が高くなり好ましい。また、圧電振動素子１３０ｄ及び圧電振動素子１３０ｅは共に似たような傾向を示していることから、励振電極１３１の形成位置がＣ１に及ぼす影響は小さいと考えられる。

圧電振動素子１３０ｆでは、第２距離ＤＭが−０．１ｍｍまでは第２距離ＤＭの増加に伴ってＣ１が増加する。また、第２距離ＤＭが−０．１ｍｍから０．２ｍｍの間では、Ｃ１が約１．５ｆＦから約１．７ｆＦの間で安定し、第２距離ＤＭが０．２ｍｍ以上となる場合には、第２距離ＤＭの増加に伴ってＣ１が減少する。そのため、圧電振動素子１３０ｆでは、第２距離ＤＭが−０．１ｍｍから０．２ｍｍの間でＣ１の値が高くなり好ましい。

圧電振動素子１３０ｇでは、第２距離ＤＭが０ｍｍ以下の場合には第２距離ＤＭの増加に伴ってＣ１が増加する。また、第２距離ＤＭが０ｍｍから０．２ｍｍの間では、Ｃ１が約１．９ｆＦから約２．１ｆＦの間で安定し、第２距離ＤＭが０．２ｍｍ以上となる場合には、第２距離ＤＭの増加に伴ってＣ１が減少する。そのため、圧電振動素子１３０ｄでは、第２距離ＤＭが０ｍｍから０．２ｍｍの間でＣ１の値が高くなり好ましい。

図９（ａ）では、圧電振動素子１３０ｇのＣ１の値は圧電振動素子１３０ｆのＣ１の値よりも高い傾向にある。圧電振動素子１３０ｆと圧電振動素子１３０ｇとはメサ部１３３の面積が異なるため、メサ部１３３の面積が広いほどＣ１の値が高くなると考えられる。これは、圧電振動素子１３０ｆ及び圧電振動素子１３０ｇよりもメサ部１３３の面積が狭い圧電振動素子１３０ｄ及び圧電振動素子１３０ｅが、圧電振動素子１３０ｆ及び圧電振動素子１３０ｇよりＣ１が低いことに一致する。

また、圧電振動素子１３０ｆ及び圧電振動素子１３０ｇでは、第２距離ＤＭの値が０．２ｍｍを超えたあたりからＣ１が急激に低下する。これは、メサ部１３３が圧電振動素子の端部に近づきすぎると振動としてうまく働かないためであると考えられる。圧電振動素子１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、及び１３０ｇでは第２距離ＤＭが０ｍｍから０．２ｍｍの範囲で共通してＣ１が高くなるため、圧電振動素子は第２距離ＤＭがこの範囲に存在する場合が好ましいと考えられる。また、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように圧電振動素子では、振動する領域が導電性接着剤から遠い＋Ｘ軸側の端に近い方が、応力がかかりにくいため好ましい。そのため、メサ部１３３の中心ＣＭの最適な位置は、第２距離ＤＭが０ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲において、さらにメサ部１３３の中心ＣＭが＋Ｘ軸側に寄った０．１〜０．２ｍｍの間がより好ましい。また、この第２距離ＤＭと圧電振動素子１３０ｆの長辺の長さＡＸとの長さの比を考えると、長さＡＸが１．３５５ｍｍのときに第２距離ＤＭが０．１ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲が良いため、第２距離ＤＭは長さＡＸに対して０．０７３倍〜０．１４８倍となるときに好ましい。

図９（ｂ）は、第２距離ＤＭとＲ１との関係を示したグラフである。図９（ｂ）では、図８に示された４つの圧電振動素子に関してのＲ１と第２距離ＣＭとの関係が示されている。図９（ｂ）では、図９（ａ）と同様に白抜きの菱形は圧電振動素子１３０ｄを示しており、白抜きの三角形は圧電振動素子１３０ｅを示しており、黒塗りの正方形は圧電振動素子１３０ｆを示しており、黒塗りの円形は圧電振動素子１３０ｇを示している。圧電振動素子１３０ｄ及び圧電振動素子１３０ｅは共に似たような傾向を示しており、第２距離ＤＭが−０．２ｍｍよりも大きいときにＲ１が約８０Ω近傍の低い値で安定しており好ましい。また、圧電振動素子１３０ｆ及び圧電振動素子１３０ｇでは、それぞれ第２距離ＤＭが−０．１ｍｍ〜０．２５ｍｍ及び０ｍｍ〜０．２ｍｍの場合にＲ１が低くなり好ましい。

図９（ａ）と同様に、圧電振動素子１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、及び１３０ｇにおいてそれぞれＲ１が異なる原因は、メサ部１３３の面積に起因すると考えられる。また、圧電振動素子１３０ｆ及び圧電振動素子１３０ｇにおいて、それぞれ第２距離ＤＭが０．２５ｍｍ及び０．２ｍｍよりも大きくなる場合にＲ１が大きくなるのは、メサ部１３３が圧電振動素子の端部に近づきすぎると振動としてうまく働かないためであると考えられる。圧電振動素子１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、及び１３０ｇは、図９（ａ）の場合と同様に、０ｍｍから０．２ｍｍの間で共通してＲ１が低くなり好ましい。さらに、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示されるように圧電振動素子では振動する領域が導電性接着剤から遠い＋Ｘ軸側の端に近い場合に応力がかかりにくいため好ましいため、メサ部１３３の中心ＣＭの最適な位置は、第２距離ＤＭが０ｍｍ〜０．２ｍｍとなる範囲において、さらにメサ部１３３の中心ＣＭが＋Ｘ軸側に寄った０．１〜０．２ｍｍの間がより好ましい。すなわち、図９（ａ）と同様に、第２距離ＤＭは長さＡＸに対して０．０７３倍〜０．１４８倍となるときに好ましい。

（第２実施形態）
圧電振動素子は、圧電片の周りを囲む枠部が形成されていても良い。以下に、枠部が形成されている圧電振動素子２３０、及び圧電振動素子２３０を有する圧電デバイス２００に関して説明する。なお、以下の説明では、第１実施形態で説明された部分と同様の部分に関しては、第１実施形態における番号と同様の番号を付してその説明を省略する。

＜圧電デバイス２００の構成＞
図１０は、圧電デバイス２００の分解斜視図である。圧電デバイス２００は、圧電振動素子２３０と、ベース板２２０と、リッド板１１０と、を有している。圧電振動素子２３０は、圧電片２３４と圧電片２３４を取り囲む枠部２３５とを有しており、ベース板２２０とリッド板１１０とが枠部２３５を挟んで接合されることにより、圧電デバイス２００が形成されている。

圧電振動素子２３０は、圧電片２３４及び枠部２３５により形成されている。圧電片２３４は、−Ｘ軸側の辺が枠部２３５に連結されている。また、圧電片２３４にはメサ部２３３が形成されており、メサ部２３３及びその周囲には励振電極２３１が形成されている。励振電極２３１からは、枠部２３５に引出電極２３２が引き出されている。

ベース板２２０は、＋Ｙ’軸側の面の周囲に封止材１４２（図１１参照）を介して枠部２３５に接合される接合面２２２が形成されている。また、ベース板２２０の＋Ｙ’軸側の面の中央には、接合面２２２から−Ｙ’軸方向に凹んだ凹部２２１が形成されている。ベース板２２０の四隅の接合面２２２には接続電極２２３が形成されており、接続電極２２３には圧電振動素子２３０の引出電極２３５が電気的に接続される。また、ベース板２２０の四隅の側面には、ベース板２２０の内側に凹んでいるキャスタレーション２２５が形成される。各キャスタレーション２２５にはその側面に側面電極２２４が形成される。また、ベース板２２０の−Ｙ’軸側の面には一対の外部電極２２６が形成される。外部電極２２６は側面電極２２４を介して接続電極２２３に電気的に接続されている。

図１１は、図１０のＢ−Ｂ断面図である。圧電デバイス２００は、圧電振動素子２３０の枠部２３５の＋Ｙ’軸側の面には封止材１４１を介してリッド板１１０が接合され、枠部２３５の−Ｙ’軸側の面には封止材１４１を介してベース板２２０が接合される。これにより圧電デバイス２００にはキャビティ２０１が形成され、圧電振動素子２３０の圧電片２３４はキャビティ２０１に密封される。

圧電振動素子２３０の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面にはメサ部２３３が形成されている。また、メサ部２３３を覆うように励振電極２３１が形成され、励振電極２３１からは引出電極２３２が枠部２３５の−Ｙ’軸側の面にまで引き出されている。引出電極２３２はベース板２２０の接続電極２２３に電気的に接続される。また、接続電極２２３が側面電極２２４を介して外部電極２２６に電気的に接続されていることから、励振電極２３１は外部電極２２６に電気的に接続される。

図１２は、圧電振動素子２３０の平面図である。圧電振動素子２３０は、圧電片２３４と枠部２３５とを有している。圧電片２３４は−Ｘ軸側の辺で枠部２３５に接続している。また、圧電片２３４と枠部２３５との間には圧電振動素子２３０をＹ’軸方向に貫通する貫通溝２３６が形成されている。貫通溝２３６は、圧電片２３４の−Ｘ軸側の中央、＋Ｘ軸側、＋Ｚ’軸側、及び−Ｚ’軸側に形成されている。そのため、圧電片２３４は、圧電片２３４の−Ｘ軸側の辺の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の端部の２箇所で枠部２３５に接続されている。この圧電片２３４が枠部２３５に接続される２箇所の部分を接続部２３７とする。

圧電振動素子２３０の圧電片２３４の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面にはメサ部２３３が形成されており、また、圧電片２３４にはメサ部２３３を覆うように励振電極２３１が形成されている。圧電片２３４の＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極２３３からは、圧電片２３４の＋Ｚ’軸側の側面及び＋Ｚ’軸側の接続部２３７を介して枠部２３５の−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側の角にまで引出電極２３２が引き出されている。また、−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極２３３からは、−Ｚ’軸側の接続部２３７を介して枠部２３５の＋Ｘ軸側の−Ｚ’軸側の角にまで引出電極２３２が引き出されている。

＜＜圧電振動素子２３０ａのシミュレーション結果＞＞
圧電振動素子２３０におけるメサ部２３３の最適な形成位置、形状、及び大きさを、シミュレーションを用いて調べた。以下にシミュレーションの結果について説明する。

＜応力、温度依存性＞
図１３（ａ）は、圧電振動素子２３０ａの平面図である。シミュレーションは、圧電振動素子２３０ａを用いて行われた。圧電振動素子２３０ａの＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面にはメサ部２３３が形成され、圧電振動素子２３０ａの−Ｘ軸側の辺の＋Ｚ’軸側及び−Ｚ’軸側の端部では、接合部２３７を介して振動部２３４と枠部２３５とが接続されている。

図１３（ｂ）は、圧電デバイスの落下時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子２３０ａの平面図である。圧電デバイスの落下時のシミュレーションは、Ｙ’軸方向に３０００Ｇの加速度がかかると仮定することにより行われた。図１３（ｂ）では落下により圧電振動素子２３０ａにかかる応力の強さが９段階に分けて表示されている。白色に近い色で示された応力の強さが０〜１の領域は圧電振動素子２３０ａにかかる応力が最も弱いことを示し、黒色で示された応力の強さが８〜９の領域は圧電振動素子２３０ａにかかる応力が最も強いことを示している。図１３（ｂ）では、圧電片２３４内にかかる応力は、圧電片２３４の＋Ｘ軸側で小さくなることが分かる。そのため、振動が形成されるメサ部２３３は、圧電片２３４の＋Ｘ軸側に形成されることが好ましい。

図１３（ｃ）は、圧電デバイスの温度変化時の応力分布のシミュレーション結果が示された圧電振動素子２３０ａの平面図である。圧電デバイスの温度変化のシミュレーションは、圧電デバイスにかかる温度が４００℃から２５℃に下げられた場合を仮定することにより行われた。図１３（ｃ）では温度変化により圧電振動素子２３０ａにかかる応力の強さが９段階に分けて表示されている。白色に近い色で示された応力の強さが０〜１の領域は圧電振動素子２３０ａにかかる応力が最も弱いことを示し、黒色で示された応力の強さが８〜９の領域は圧電振動素子２３０ａにかかる応力が最も強いことを示している。図１３（ｃ）では、枠部２３５及び圧電片２３４の接続部２３７付近が黒色で示されており、これらの領域に強い応力がかかることが分かる。また、圧電片２３４では接続部２３７から離れるに従って応力が弱くなっており、圧電片２３４の＋Ｘ軸側の端部周辺で最も温度変化による応力変化の影響が小さくなることが想定される。

図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）からは、接続部２３７から最も離れた領域での応力が小さくなっている。すなわち、圧電振動素子ではメサ部２３３が＋Ｘ軸側にあるほど応力の影響による周波数変動を生じにくいことが分かる。また圧電片１３４の−Ｘ軸側が導電性接着剤により固定されているのと同様に、圧電片２３４は−Ｘ軸側の辺で接続部２３７を介して枠部２３５に固定されている。そのため、第１実施形態と同様に、第２距離ＤＭは長さＡＸに対して０．０７３倍〜０．１４８倍となるときに好ましいと考えられる。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

例えば、第１実施形態及び第２実施形態では＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の両主面にメサ部が形成されていたが、メサ部はどちらか一方の主面のみに形成されていても良い。また、上記の実施形態では圧電片がＡＴカットの水晶片である場合を示したが、同じように厚みすべりモードで振動するＢＴカットの水晶片などであっても同様に適用できる。さらに圧電片は水晶材のみならず、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムあるいは圧電セラミックを含む圧電材に基本的に適用できる。

１００、２００ … 圧電デバイス
１０１、２０１ … キャビティ
１１０ … リッド板
１１１ … 凹部
１１２ … 接合面
１２０、２２０ … ベース板
１２１、２２１ … 凹部
１２２、２２２ … 接合面
１２３、２２３ … 接続電極
１２４ … 貫通電極
１２６、２２６ … 外部電極
１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ、１３０ｇ、２３０、２３０ａ … 圧電振動素子
１３１、１３１ｃ、２３１ … 励振電極
１３２、２３２ … 引出電極
１３３、１３３ａ、２３３ … メサ部
１３４、２３４ … 圧電片
１３５ … 周辺部
１４１、１４１ａ、１４１ｂ … 導電性接着剤
１４２ … 封止材
２２４ … 側面電極
２２５ … キャスタレーション
２３５ … 枠部
２３６ … 貫通溝
２３７ … 接続部
ＡＸ … 圧電片のＸ軸方向の長さ
ＡＺ … 圧電片のＺ’軸方向の長さ
ＣＡ … 圧電片の中心
ＣＭ … メサ部の中心
ＣＲ … 励振電極の中心
ＤＭ … 第２距離
ＤＲ … 第１距離
ＭＸ … メサ部のＸ軸方向の長さ
ＭＺ … メサ部のＺ’軸方向の長さ
ＲＸ … 励振電極のＸ軸方向の長さ
ＲＺ … 励振電極のＺ’軸方向の長さ
ＳＸ … 導電性接着剤１４１ｂのＸ軸方向の長さ
ＳＺ … 導電性接着剤１４１ｂのＺ’軸方向の長さ

Claims (4)

1. 長辺及び短辺を含む矩形形状に形成され、第１主面とその裏面の第２主面とを有し、少なくとも前記第１主面に周辺部よりも厚みのあるメサ部を有する圧電片と、
   前記第１主面及び前記第２主面に形成された一対の励振電極と、
   前記一対の励振電極から一方の前記短辺に引き出された一対の引出電極と、
   を備え、
   前記励振電極は前記メサ部の面積よりも広く、また、前記メサ部が形成される主面では前記メサ部を覆うように形成され、
   前記励振電極の中心は前記圧電片の中心から他方の前記短辺側に第１距離だけ離れ、
   前記メサ部の中心は、前記圧電片の中心から前記他方の前記短辺側に第２距離だけ離れ、
   前記第２距離は前記第１距離と異なる圧電振動素子。
2. 前記第２距離は前記長辺の長さの０．０７３倍〜０．１４８倍である請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 前記圧電片を囲み、前記圧電片の前記一方の短辺に接続される枠部を備え、
   前記一対の引出電極は前記一方の短辺からさらに前記枠部に引き出されている請求項１又は請求項２に記載の圧電振動素子。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子が載置されるベース板と、
   前記圧電片を密封するリッド板と、
   を備える圧電デバイス。