JP4609586B2 - Piezoelectric vibrating piece, method for manufacturing piezoelectric vibrating piece, piezoelectric vibrator, and electronic device equipped with piezoelectric vibrator - Google Patents

Piezoelectric vibrating piece, method for manufacturing piezoelectric vibrating piece, piezoelectric vibrator, and electronic device equipped with piezoelectric vibrator Download PDF

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Description

本発明は、圧電振動片、圧電振動片の製造方法、圧電振動子およびこの圧電振動子を搭載する電子機器に関する。   The present invention relates to a piezoelectric vibrating piece, a method for manufacturing a piezoelectric vibrating piece, a piezoelectric vibrator, and an electronic device on which the piezoelectric vibrator is mounted.

従来、圧電振動子、例えば音叉型の水晶振動子が知られている。この水晶振動子は、時計用の時刻標準や角速度センサとしての圧電ジャイロセンサーなどとして用いられるが、これらを搭載した電子機器等の小型化もめざましいものがある。これに伴い、圧電振動子(水晶振動子)も小型化が求められている。
圧電振動子の振動体である圧電振動片の振動周波数は、同じ材料で形成されている場合、振動腕の断面形状(振動方向幅と厚み)と長さで決まる。即ち、圧電振動子を小型するためには、振動腕の長さを短くすることが最も寄与率が高く、また、それに伴い、振動腕の断面形状を小さくすることが要求される。
しかし、このようにすると高次振動モードが発生するなど振動状態が不安定になりやすくなることも知られている。
Conventionally, a piezoelectric vibrator, for example, a tuning fork type quartz vibrator, is known. This crystal resonator is used as a time standard for a clock, a piezoelectric gyro sensor as an angular velocity sensor, and the like. Accordingly, the piezoelectric vibrator (quartz crystal vibrator) is also required to be downsized.
The vibration frequency of the piezoelectric vibrating piece, which is the vibrating body of the piezoelectric vibrator, is determined by the cross-sectional shape (vibration direction width and thickness) and length of the vibrating arm, when the same material is used. That is, in order to reduce the size of the piezoelectric vibrator, shortening the length of the vibrating arm has the highest contribution rate, and accordingly, it is required to reduce the cross-sectional shape of the vibrating arm.
However, it is also known that when this is done, the vibration state tends to become unstable, such as the occurrence of a higher-order vibration mode.

この高次振動モードの発生を押えたり、安定した振動状態を得るために、振動片の振動腕の先端部に、振動腕の腕部の幅よりも大きく形成された錘部(バランスヘッド)を形成した圧電振動片(水晶振動片)が知られている(例えば、特許文献1参照)。   In order to suppress the occurrence of this higher-order vibration mode or to obtain a stable vibration state, a weight part (balance head) formed larger than the width of the arm part of the vibrating arm is provided at the tip of the vibrating arm of the vibrating piece. A formed piezoelectric vibrating piece (quartz crystal vibrating piece) is known (see, for example, Patent Document 1).

特開昭54−37488号公報(第2〜第3頁、図3、図4)JP-A-54-37488 (2nd to 3rd pages, FIGS. 3 and 4)

このような特許文献1では、水晶振動片の振動腕(発振片)の先端の腕幅を広げることにより、結果として振動腕先端に錘部(バランスヘッド)が形成されたこととなり、慣性質量の増加分だけ変位量も相対的に増加し、水晶振動片を小型化した場合に発生しやすい高次振動モードのみを特に抑圧することができた。
しかし、振動腕先端に錘部を形成するだけでは、振動腕は短くできるが変位量が増加するので小型化に限界があり、更に小型化するためには不十分であった。
また、小型化を進めていくと、振動腕、錘部、基部の形状の精度がより高く求められる。特に、振動腕の左右対称性のわずかなアンバランスが振動の安定性や励振性に影響するという課題が考えられた。
In Patent Document 1, by extending the width of the tip of the vibrating arm (oscillation piece) of the crystal vibrating piece, a weight portion (balance head) is formed at the tip of the vibrating arm as a result. Only the higher-order vibration mode, which is likely to occur when the crystal resonator element is miniaturized, can be particularly suppressed.
However, simply forming the weight portion at the tip of the vibrating arm can shorten the vibrating arm, but increases the amount of displacement, so there is a limit to downsizing, and it is insufficient for further downsizing.
Further, as the miniaturization proceeds, higher accuracy is required for the shapes of the vibrating arm, the weight portion, and the base portion. In particular, there was a problem that a slight imbalance in the left / right symmetry of the vibrating arm affects the stability and excitation of vibration.

本発明の目的は、小型で安定した振動特性が得られる圧電振動片、圧電振動片の製造方法、圧電振動子およびこの圧電振動子を搭載した電子機器を提供することである。   An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating piece, a method for manufacturing the piezoelectric vibrating piece, a piezoelectric vibrator, and an electronic device having the piezoelectric vibrator mounted thereon, which can obtain a small and stable vibration characteristic.

本発明の圧電振動片は、複数の棒状の腕部と、該腕部より幅が広く、前記腕部の一方の端部に形成された第1の錘部とを有する振動腕と、前記腕部の他方の端部を結合する基部とを備え、前記振動腕の振動中心線に沿って表面および裏面に溝部が形成されていることを特徴とする。
ここで、圧電振動片としては、水晶振動片を採用することができる。
ある実施例では、前記第1の錘部から延出し、且つ前記腕部と空隙を介して設けられる突出部を備える。
別の実施例では、前記突出部の先端に、該突出部よりも幅の広い第2の錘部を有する。
The piezoelectric vibrating piece according to the present invention includes a vibrating arm having a plurality of rod-shaped arm portions, a first weight portion that is wider than the arm portion and formed at one end of the arm portion, and the arm. And a base part that joins the other end of the part, and a groove part is formed on the front surface and the back surface along the vibration center line of the vibration arm.
Here, a quartz crystal vibrating piece can be adopted as the piezoelectric vibrating piece.
In one embodiment, a protruding portion is provided that extends from the first weight portion and is provided via the arm portion and a gap.
In another embodiment, a second weight portion having a width wider than the protruding portion is provided at the tip of the protruding portion.

この発明によれば、圧電振動片の振動腕には表面、裏面ともに溝部が形成されているので、この振動腕の幅方向断面は、例えば略H型形状に形成されている。
このことにより、振動腕の電界効率は、溝部が形成されない場合にくらべ大きくなる。従って、同じ振動周波数を得る場合、圧電振動片を小型化しても振動損失が少なくCI値(クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗)も低く抑えることができる。
また、腕部の端部(先端部)には錘部が形成されているので、圧電振動片を小型化した場合の振動周波数の安定性を得ることができる。振動腕は複数(例えば2本の音叉型)形成されているが、この錘部のため慣性モーメントが大きくなるので、振動腕個別のバラツキの影響を小さくできるという効果もある。
According to the present invention, since the groove portion is formed on both the front surface and the back surface of the vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece, a cross section in the width direction of the vibrating arm is formed in, for example, a substantially H shape.
As a result, the electric field efficiency of the vibrating arm is greater than when the groove is not formed. Therefore, when obtaining the same vibration frequency, even if the piezoelectric vibrating piece is downsized, the vibration loss is small and the CI value (crystal impedance or equivalent series resistance) can be kept low.
In addition, since the weight portion is formed at the end portion (tip portion) of the arm portion, it is possible to obtain the stability of the vibration frequency when the piezoelectric vibrating piece is downsized. A plurality of vibrating arms (for example, two tuning fork types) are formed. However, since the moment of inertia is increased due to the weight portion, there is also an effect that the influence of variation among the vibrating arms can be reduced.

本発明の圧電振動片は、前記第1の錘部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、それぞれ同じ位置、同じ大きさに形成されていることが好ましい。
このような構造によれば、例えば、音叉型の水晶振動片の場合、2本の振動腕の質量、慣性モーメントが同じになるので安定した振動が得られる。
また、2本の振動腕のバランスがとれていることから基部での振動漏れを少なくすることができる。
In the piezoelectric vibrating piece of the present invention, it is preferable that the first weight portion is formed symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm, and is formed at the same position and the same size.
According to such a structure, for example, in the case of a tuning-fork type crystal vibrating piece, the mass and the moment of inertia of the two vibrating arms are the same, so that stable vibration can be obtained.
In addition, since the two vibrating arms are balanced, vibration leakage at the base can be reduced.

また、本発明の圧電振動片は、前記腕部と前記第1の錘部との結合部および前記腕部と前記基部との結合部に、前記振動腕の振動中心に対して対称なテーパ部を有することを特徴とする。
この際、テーパ部は、直線で形成されても曲線で形成されても良い。
In addition, the piezoelectric vibrating piece according to the present invention includes a tapered portion symmetrical to a vibration center of the vibrating arm at a coupling portion between the arm portion and the first weight portion and a coupling portion between the arm portion and the base portion. It is characterized by having.
At this time, the tapered portion may be formed with a straight line or a curved line.

このようにテーパ部を設けることによって、振動腕が振動する際に、腕部と錘部との結合部に応力集中をおこすことがなく、基本振動モードに影響をあたえることがないので安定した振動を得ることができる。
また、腕部と基部との結合部においてもテーパ部が設けられているので、より一層、安定した振動が得られる。
さらに、先述の各部位にテーパ部を設けることによって、圧電振動片が衝撃力を受けた場合に破壊されたり、振動モードが劣化するなどの課題を防止できる効果もある。
By providing the taper portion in this way, when the vibrating arm vibrates, no stress is concentrated on the joint between the arm portion and the weight portion, and the basic vibration mode is not affected. Can be obtained.
Further, since the taper portion is also provided at the joint portion between the arm portion and the base portion, a more stable vibration can be obtained.
Furthermore, by providing the tapered portion at each of the above-mentioned parts, there is an effect that it is possible to prevent problems such as destruction when the piezoelectric vibrating piece receives an impact force and deterioration of the vibration mode.

本発明の圧電振動片は、前記第1の錘部の長さが前記腕部の有効長さと略同じであることが好ましい。
例えば、振動腕を長くすると振動周波数は低くなり、短くすると振動周波数は高くなる。この際、圧電振動片を小型化するために振動腕長さを固定したときに、錘部の長さを長くすると振動周波数は高くなる。このことから、錘部の長さを腕部の有効長さと略同じにしておくと錘部が形成される効果が最大にいかされる。
In the piezoelectric vibrating piece of the present invention, it is preferable that the length of the first weight portion is substantially the same as the effective length of the arm portion.
For example, when the vibration arm is lengthened, the vibration frequency is lowered, and when the vibration arm is shortened, the vibration frequency is increased. At this time, when the length of the vibrating arm is fixed in order to reduce the size of the piezoelectric vibrating piece, the vibration frequency is increased by increasing the length of the weight portion. Therefore, if the length of the weight portion is made substantially the same as the effective length of the arm portion, the effect of forming the weight portion is maximized.

本発明の圧電振動片は、前記溝部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、前記第1の錘部と前記腕部の結合部よりも先端方向および前記腕部と前記基部との結合部よりも前記基部方向に延長して形成されていることが好ましい。   In the piezoelectric vibrating piece according to the aspect of the invention, the groove is formed symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm, the distal direction is greater than the coupling portion of the first weight portion and the arm portion, and the arm portion and the base portion. It is preferable that it is formed so as to extend in the base direction rather than the joint portion.

前述したように、振動腕には表面および裏面に溝部が形成され、振動腕の断面形状は略H型とされる。
この際、溝部は、振動腕の振動中心に対称形に形成され、錘部および基部に入り込む位置まで延長されている。このような形状の振動腕は、振動腕の基本振動モードを得るために必要な腕長さを確保できるとともに、腕部と錘部、基部との結合部において、溝部との応力集中をなくし安定した振動を得ることができる。前述のテーパ部と組み合わせることでより一層効果がでる。
As described above, the vibrating arm is formed with grooves on the front and back surfaces, and the cross-sectional shape of the vibrating arm is substantially H-shaped.
At this time, the groove portion is formed symmetrically at the vibration center of the vibrating arm and extends to a position where it enters the weight portion and the base portion. A vibrating arm with such a shape can secure the arm length necessary to obtain the fundamental vibration mode of the vibrating arm, and eliminates stress concentration with the groove at the joint between the arm, weight and base, and is stable. Vibration can be obtained. A further effect can be obtained by combining with the aforementioned tapered portion.

本発明の圧電振動片は、前記第1の錘部に前記振動腕の振動中心線の略延長上に、振動中心に対して対称に穿設された多角形または円形の孔部を有することが望ましい。   The piezoelectric vibrating piece according to the present invention may have a polygonal or circular hole formed in the first weight portion substantially symmetrically with respect to the vibration center on a substantial extension of the vibration center line of the vibrating arm. desirable.

この圧電振動片の表面には、後述するが、圧電振動片を駆動するための駆動電極と駆動状態を検出する検出電極が形成されている。この際、圧電振動片の表面、裏面は同じ電極が形成されるが、この表裏にある電極を接続するために表裏を貫通する孔部(スルーホール)が錘部に形成されている。表裏の電極を圧電振動片の側面部を電極分割する場合よりも容易に電極形成ができるとともに、圧電振動片が、例えば、水晶振動片であり、エッチング法で形成される場合、水晶は、結晶異方性があることが知られている。後述するが、場所によってエッチングスピードに差が出てくることがあり、この孔部を多角形または円形にすることでエッチングスピードの差による形状誤差を小さくすることができる。   As will be described later, a driving electrode for driving the piezoelectric vibrating piece and a detection electrode for detecting the driving state are formed on the surface of the piezoelectric vibrating piece. At this time, the same electrode is formed on the front and back surfaces of the piezoelectric vibrating piece, but a hole (through hole) penetrating the front and back is formed in the weight portion in order to connect the electrodes on the front and back. Electrodes can be formed on the front and back electrodes more easily than when the side portions of the piezoelectric vibrating piece are divided into electrodes, and when the piezoelectric vibrating piece is, for example, a quartz vibrating piece and formed by an etching method, the crystal is a crystal. It is known that there is anisotropy. As will be described later, there may be a difference in etching speed depending on the location. By making the hole polygonal or circular, the shape error due to the difference in etching speed can be reduced.

本発明の圧電振動片の製造方法は、前記圧電振動片の外形をエッチングで形成する工程と、前記溝部をエッチングで形成する工程とを有することが好ましい。
ある実施例では、圧電振動片を製造する際、前記溝部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、前記錘部と前記腕部の結合部よりも先端方向および前記腕部と前記基部との結合部よりも前記基部方向に延長して形成される。
別の実施例では、前記圧電振動片の外形および前記孔部がエッチングで形成される。
The method for manufacturing a piezoelectric vibrating piece according to the present invention preferably includes a step of forming an outer shape of the piezoelectric vibrating piece by etching and a step of forming the groove by etching.
In one embodiment, when manufacturing the piezoelectric vibrating piece, the groove portion is formed symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm, and the distal end direction and the arm portion are more than the connecting portion of the weight portion and the arm portion. It is formed so as to extend in the direction of the base than the joint with the base.
In another embodiment, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece and the hole are formed by etching.

このような製造方法では、圧電振動片の外形と孔部は、厚みを貫通するエッチング工程であり、溝部はハーフエッチング工程であるので、それぞれ選択された別の工程で形成されるのが好ましく、このことによって、外形と孔部、溝部は適切な形状、寸法で形成することができる。   In such a manufacturing method, the outer shape and the hole of the piezoelectric vibrating piece are an etching process that penetrates the thickness, and the groove is a half-etching process. As a result, the outer shape, the hole, and the groove can be formed with appropriate shapes and dimensions.

本発明の圧電振動片の製造方法は、前記圧電振動片が水晶振動片であって、前記圧電振動片の形状に対してエッチングの基点をずらして形成されるか、または前記振動腕の振動中心に対して非対称に形成されたエッチングマスクを用いて製造されることを特徴とする。   In the method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece according to the present invention, the piezoelectric vibrating piece is a quartz crystal vibrating piece, and is formed by shifting an etching base point with respect to the shape of the piezoelectric vibrating piece, or the vibration center of the vibrating arm. It is characterized by being manufactured using an etching mask formed asymmetrically with respect to.

前述したように、圧電振動片が水晶振動片である場合、結晶異方性があることが知られている。結晶異方性があることでエッチング工程においてエッチングする場所によってエッチングスピードが異なる。そこで、エッチングスピードが遅くなる場所や早くなる場所は、それぞれに対応して、予めエッチングマスクの形状を補正しておくことで、エッチング後の完成形状が所定の形状に形成することができる。このことで、安定した振動を得ることができる。   As described above, when the piezoelectric vibrating piece is a quartz vibrating piece, it is known that there is crystal anisotropy. Due to the crystal anisotropy, the etching speed varies depending on the etching location in the etching process. In view of this, a place where the etching speed is slow or a place where the etching speed is fast is corrected in advance so that the completed shape after etching can be formed into a predetermined shape. As a result, stable vibration can be obtained.

本発明の圧電振動子は、前記圧電振動片が、パッケージ内に収容されていることを特徴とする。
圧電振動片は、例えば、セラミック等で形成されたパッケージ内に収納される。パッケージ内は真空状態にあることが好ましく、真空環境で振動片が振動されることで、より一層安定した振動を長期間にわたって維持することができる。
また、パッケージに収納されることで、扱いやすいうえ、湿度など外部環境から圧電振動子片を保護することができる。
The piezoelectric vibrator of the present invention is characterized in that the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package.
The piezoelectric vibrating piece is housed in a package formed of, for example, ceramic. The inside of the package is preferably in a vacuum state, and the vibration piece is vibrated in a vacuum environment, so that more stable vibration can be maintained over a long period of time.
Further, by being housed in the package, it is easy to handle and the piezoelectric vibrator piece can be protected from the external environment such as humidity.

本発明の電子機器は、前述のような構成と製造方法で製造された圧電振動子が搭載されていることを特徴とする。
このような圧電振動子は安定した振動モードが得られ、この圧電振動子は、例えば、時計などの時間標準や圧電ジャイロセンサに使用され、通信機器の基準発信器、自動車の姿勢制御装置、カーナビゲーション装置、カメラ等の手ぶれ防止装置などの電子機器を提供することができる。
The electronic device of the present invention is characterized in that a piezoelectric vibrator manufactured by the above-described configuration and manufacturing method is mounted.
Such a piezoelectric vibrator can obtain a stable vibration mode. This piezoelectric vibrator is used, for example, in a time standard such as a watch or a piezoelectric gyro sensor, and is used as a reference transmitter for a communication device, an attitude control device for an automobile, a car Electronic devices such as navigation devices and camera shake prevention devices such as cameras can be provided.

本発明の実施形態にかかる圧電振動片を示す平面図。FIG. 3 is a plan view showing the piezoelectric vibrating piece according to the embodiment of the invention. 圧電振動片の錘部の要部平面図。The principal part top view of the weight part of a piezoelectric vibrating piece. 本発明の圧電振動片の変形例を示す斜視図。The perspective view which shows the modification of the piezoelectric vibrating piece of this invention. 本発明の圧電振動片の他の変形例を示す斜視図。The perspective view which shows the other modification of the piezoelectric vibrating piece of this invention. 圧電振動片の電極構成を示す斜視図。The perspective view which shows the electrode structure of a piezoelectric vibrating piece. 圧電振動片製造工程を示す部分断面。The partial cross section which shows a piezoelectric vibrating piece manufacturing process. 水晶基板X−Y平面内のエッチングレートを示す極座標図。The polar coordinate figure which shows the etching rate in quartz crystal substrate XY plane. エッチングレートを配慮しない場合の錘部の要部平面図。The principal part top view of the weight part when not considering an etching rate. エッチングレートを配慮した場合の錘部の要部平面図。The principal part top view of the weight part at the time of considering an etching rate. エッチングレートを配慮しない場合の錘部の孔部平面図。The hole part top view in the case of not considering an etching rate. エッチングレートを配慮した場合の錘部の孔部平面図。The hole part top view of the weight part at the time of considering an etching rate. セラミックパッケージ型振動子の構成を示す概略断面図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a ceramic package type vibrator. シリンダー型圧電振動子の構成を示す概略断面図。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a cylinder type piezoelectric vibrator.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1〜図3は本実施形態の圧電振動片100が示されている。
図1は本実施形態の圧電振動片100の平面図、図2は、圧電振動片100の錘部110の要部平面図、図3は本実施形態の圧電振動片100の斜視図を示す。
図1(a)および(b)において、本実施形態では、圧電振動片100の基部130の端部から一対の細棒状の振動腕120が形成されている。振動腕120の長手方向先端部には振動腕120の腕部121の幅よりも大きく設定された略四角形の錘部110が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3 show a piezoelectric vibrating piece 100 of the present embodiment.
FIG. 1 is a plan view of a piezoelectric vibrating piece 100 according to the present embodiment, FIG. 2 is a plan view of a principal part of a weight 110 of the piezoelectric vibrating piece 100, and FIG. 3 is a perspective view of the piezoelectric vibrating piece 100 according to the present embodiment.
1A and 1B, in this embodiment, a pair of thin rod-shaped vibrating arms 120 are formed from the end of the base 130 of the piezoelectric vibrating piece 100. A substantially square weight portion 110 that is set to be larger than the width of the arm portion 121 of the vibrating arm 120 is formed at the longitudinal end portion of the vibrating arm 120.

この一対の振動腕120は相似形とされ、長さ、幅、質量とも同じとされている。錘部110は、振動腕100の振動中心Bに対して左右対称である。このことにより、一対の振動腕120は正確に同じ振動周波数、振幅で振動される。
振動腕120の腕部121には、振動中心Bに沿って、溝部122が形成されている。この溝部122は、振動中心Bに対して対称形に形成され、基部130の振動腕120側端部131より入り込んだ位置から始まり、錘部110に入り込んだ位置まで延長されている。
The pair of vibrating arms 120 has a similar shape, and the length, width, and mass are the same. The weight part 110 is symmetrical with respect to the vibration center B of the vibrating arm 100. As a result, the pair of vibrating arms 120 are vibrated with exactly the same vibration frequency and amplitude.
A groove portion 122 is formed along the vibration center B in the arm portion 121 of the vibrating arm 120. The groove 122 is formed symmetrically with respect to the vibration center B, and starts from a position where it enters from the end 131 of the base 130 on the vibrating arm 120 side and extends to a position where it enters the weight 110.

図1(b)は、腕部121のA−A’断面を示す。このように、溝部122は、圧電振動片120の裏面にも同じ幅、長さ、深さで形成されて略H型の断面形状を有する。   FIG. 1B shows an A-A ′ cross section of the arm 121. As described above, the groove 122 is formed on the back surface of the piezoelectric vibrating piece 120 with the same width, length, and depth, and has a substantially H-shaped cross-sectional shape.

腕部121と基部130との結合部には、テーパ部132が形成されており、また、腕部121と錘部110との結合部は、テーパ部112が形成されている。
これらテーパ部132,112は、振動中心Bに対して対称形であり、先述のそれぞれの結合部において、振動腕121がX方向に振動された際に応力集中を小さくするように設定されている。この際、テーパ部132と112は同じ形状で設定される必要はなく、所定の振動モードに合わせて適宜に設定できる。
本実施形態では、圧電振動片は水晶振動片とされ、図1(a)で示すように、Xは機械軸、Yは電気軸、Zは光軸である。
A tapered portion 132 is formed at a joint portion between the arm portion 121 and the base portion 130, and a tapered portion 112 is formed at a joint portion between the arm portion 121 and the weight portion 110.
These tapered portions 132 and 112 are symmetrical with respect to the vibration center B, and are set so as to reduce stress concentration when the vibrating arm 121 is vibrated in the X direction in each of the coupling portions described above. . At this time, the tapered portions 132 and 112 do not need to be set in the same shape, and can be appropriately set in accordance with a predetermined vibration mode.
In this embodiment, the piezoelectric vibrating piece is a quartz vibrating piece, and as shown in FIG. 1A, X is a mechanical axis, Y is an electric axis, and Z is an optical axis.

錘部110の幅方向中央部には、表面から裏面に貫通する略四角形の孔部113が設けられている。この孔部113は、後述するが、圧電振動片100の表裏面に形成される電極を接続するためのスルーホールである(図3)。
この孔部113は、振動腕120の振動中心Bの延長上に位置され、対称形である。図1(a)では、四角形とされるが、他の六角形などの多角形であっても円形であっても、左右の振動腕120の振動バランスがとれるように設定される。
この際、錘部長さLwと腕部の振動有効長さLaとは、ほぼ同じ長さに設定されている。即ち、振動腕120の全長に対して錘部113および腕部121の長さLw、Laは、それぞれ、ほぼ1/2の長さである。
A substantially rectangular hole 113 that penetrates from the front surface to the back surface is provided at the center in the width direction of the weight portion 110. As will be described later, the hole 113 is a through hole for connecting electrodes formed on the front and back surfaces of the piezoelectric vibrating piece 100 (FIG. 3).
The hole 113 is positioned on the extension of the vibration center B of the vibrating arm 120 and is symmetrical. In FIG. 1A, it is a quadrangle, but it is set so that the vibration balance of the left and right vibrating arms 120 is balanced regardless of whether it is a polygon such as another hexagon or a circle.
At this time, the weight portion length Lw and the effective vibration length La of the arm portion are set to substantially the same length. That is, the lengths Lw and La of the weight part 113 and the arm part 121 with respect to the entire length of the vibrating arm 120 are each approximately ½ of the length.

図2は、本実施形態の錘部110の形状についての変形例を示す。錘部110の形状以外は、図1と同じため説明は省略する。
図2(a)において、錘部110の先端の端面と外形長手方向(Y軸方向)の側面との直交部を曲線で連続した形状に形成されている。この形状は、先端部をひとつの曲線で連続した形状としてもよく、直線をいれた面取り状の形状でもよい。
FIG. 2 shows a modification of the shape of the weight part 110 of the present embodiment. Except for the shape of the weight part 110, the description is omitted because it is the same as FIG.
In FIG. 2A, an orthogonal part between the end face of the tip of the weight part 110 and the side surface in the outer shape longitudinal direction (Y-axis direction) is formed in a continuous shape with a curve. This shape may be a shape in which the tip is continuous with one curve, or may be a chamfered shape with a straight line.

図2(b)は、錘部110と腕部121との結合部のテーパ部形状の変形例である。図2(b)において、テーパ部114は、錘部110の長手方向外形(Y軸方向)と腕部121とを直線で連続した形状に形成されている。   FIG. 2B is a modification of the tapered portion shape of the joint portion between the weight portion 110 and the arm portion 121. In FIG. 2B, the taper portion 114 is formed in a shape in which the outer shape in the longitudinal direction (Y-axis direction) of the weight portion 110 and the arm portion 121 are continuous in a straight line.

図2(c)は、図2(b)の錘部110と腕部121との結合部の他の変形例を示す。図2(c)に示すように、錘部110と腕部121との結合部は、曲線で連続して形成されている(図中115で示す)。ここで、錘部110側の曲線と腕部110側の曲線との間に直線を入れた形状としてもよい。   FIG. 2C shows another modification of the connecting portion between the weight part 110 and the arm part 121 shown in FIG. As shown in FIG.2 (c), the coupling | bond part of the weight part 110 and the arm part 121 is continuously formed in the curve (it shows by 115 in a figure). Here, it is good also as a shape which put the straight line between the curve by the side of the weight part 110, and the curve by the side of the arm part 110. FIG.

この際、前述した錘部110の先端部形状(例えば、図2(a))と錘部110と腕部121との結合部の形状(例えば、図2(b)、図2(c))をそれぞれ組み合わせて形成してもよい。   At this time, the shape of the tip portion of the weight portion 110 (for example, FIG. 2A) and the shape of the joint portion of the weight portion 110 and the arm portion 121 (for example, FIGS. 2B and 2C). These may be formed in combination.

図3、図4は、本実施形態の圧電振動片100の錘部110の変形例を示す斜視図である。
図3(a)において、錘部110は、基部130に向かって腕部121の幅方向両側に、腕部121とは離れた位置に、腕部121に沿って延出されたそれぞれ一対の突出部116が形成されている。この突出部116(図中4本)は、すべて同じ大きさとされる。
3 and 4 are perspective views showing modifications of the weight portion 110 of the piezoelectric vibrating piece 100 according to the present embodiment.
In FIG. 3 (a), the weight part 110 has a pair of protrusions extending along the arm part 121 at both sides in the width direction of the arm part 121 toward the base part 130 at positions away from the arm part 121. A portion 116 is formed. The protrusions 116 (four in the figure) are all the same size.

図3(b)は、図3(a)の圧電振動片100の変形例を示す。図3(b)において、前述した突出部116の先端に、突出部116の幅よりも広い第2の錘部117が形成されている。この第2の錘部117もそれぞれ同じ大きさとされる。   FIG. 3B shows a modification of the piezoelectric vibrating piece 100 of FIG. In FIG. 3B, a second weight portion 117 wider than the width of the protruding portion 116 is formed at the tip of the protruding portion 116 described above. The second weight portions 117 are also the same size.

図4は、本実施形態の圧電振動片100の他の変形例を示す。図4において、基部130の腕部121の連結部と他方の端部の間には、基部130の幅方向両側に略コの字状の切欠き131が一対形成されている。これらの切欠き131は、基部130の幅方向中心線(図示せず)に対して対称形とされる。   FIG. 4 shows another modification of the piezoelectric vibrating piece 100 of the present embodiment. In FIG. 4, a pair of substantially U-shaped notches 131 are formed on both sides of the base portion 130 in the width direction between the connecting portion of the arm portion 121 of the base portion 130 and the other end portion. These notches 131 are symmetrical with respect to the center line (not shown) of the base portion 130 in the width direction.

図5は、本実施形態の圧電振動片100の斜視図であり、圧電振動片100の表面に形成された電極140の構成を示したものである。
このように形成されている断面略H型の音叉型の圧電振動片100には、図5において斜線で示されている部分に電極140が形成されている。電極140は、基部130から2本の振動腕120の腕部121、錘部110にかけて形成されているとともに、腕部121や錘部110の側面や溝部122の内面にも形成されている。
また、電極140は、図5に図示されていない圧電振動片100の裏面にも表面と同様に形成されている。ここで、錘部110に設けられた孔部113の孔部側面にも形成され、表面電極と裏面電極とが接続されている。
FIG. 5 is a perspective view of the piezoelectric vibrating piece 100 according to the present embodiment, and shows the configuration of the electrode 140 formed on the surface of the piezoelectric vibrating piece 100.
In the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 100 having a substantially H-shaped cross section formed in this way, an electrode 140 is formed at a portion indicated by hatching in FIG. The electrode 140 is formed from the base portion 130 to the arm portion 121 and the weight portion 110 of the two vibrating arms 120, and is also formed on the side surfaces of the arm portion 121 and the weight portion 110 and the inner surface of the groove portion 122.
The electrode 140 is also formed on the back surface of the piezoelectric vibrating piece 100 not shown in FIG. 5 in the same manner as the front surface. Here, it is also formed on the hole side surface of the hole 113 provided in the weight part 110, and the front electrode and the back electrode are connected.

このように配置形成された電極140は、外部から電流が印加されると電界を発生させ、圧電体である圧電振動片100の振動腕120を振動させるようになっている。   The electrode 140 arranged and formed in this way generates an electric field when an electric current is applied from the outside, and vibrates the vibrating arm 120 of the piezoelectric vibrating piece 100 that is a piezoelectric body.

このように形成された圧電振動片100は、例えば、時計などの時間標準として用いられる振動周波数が32,768kzの場合、従来の溝がない同じ振動周波数の圧電振動片と比べ小型に形成される。
一方、この断面略H型の圧電振動片100の厚みは、例えば約0,1mm程度とされ、従来の溝部がない圧電振動片の厚みと同等に形成されている。
つまり、この圧電振動片100には溝部122が形成されており、この溝部122内に電極140が形成されているため、発生する電界が振動腕120の内部に広く分布されるので、振動腕120の振動損失が小さくCI値を押えることができるのである。
従って、上述のように溝部がない圧電振動片と比べ小型でも低CI値の圧電振動片が構成される。
For example, when the vibration frequency used as a time standard for a timepiece or the like is 32,768 kz, the piezoelectric vibration piece 100 formed in this way is formed smaller than a conventional piezoelectric vibration piece having the same vibration frequency without a groove. .
On the other hand, the thickness of the piezoelectric vibrating piece 100 having a substantially H-shaped cross section is, for example, about 0.1 mm, and is formed to be equal to the thickness of a piezoelectric vibrating piece without a conventional groove.
That is, since the groove part 122 is formed in the piezoelectric vibrating piece 100 and the electrode 140 is formed in the groove part 122, the generated electric field is widely distributed inside the vibrating arm 120. The vibration loss is small and the CI value can be suppressed.
Accordingly, a piezoelectric vibrating piece having a small CI value and a low CI value is formed as compared with the piezoelectric vibrating piece having no groove as described above.

次に、この錘部110を有する断面略H型圧電振動片100の製造方法について図6を用いて説明する。
図6は、本実施形態の圧電振動片100の腕部121のA−A’断面(図1に示す)を模式的に示したものである。
本実施形態の圧電振動片100が水晶振動片である場合、図示しないが、水晶の単結晶から切り出され音叉型に加工されている。図1で示すように、X軸が電気軸、Y軸が機械軸、Z軸が光軸となるように切り出された水晶基板をエッチング法などで音叉型かつ断面H型の圧電振動片100が形成される。
Next, a manufacturing method of the substantially H-shaped piezoelectric vibrating piece 100 having the weight 110 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 schematically shows an AA ′ cross section (shown in FIG. 1) of the arm portion 121 of the piezoelectric vibrating piece 100 of the present embodiment.
When the piezoelectric vibrating piece 100 of the present embodiment is a quartz vibrating piece, although not shown, it is cut out from a single crystal of quartz and processed into a tuning fork type. As shown in FIG. 1, a piezoelectric substrate 100 having a tuning fork type and an H-shaped cross section is formed by etching or the like on a quartz substrate cut out so that the X axis is an electric axis, the Y axis is a mechanical axis, and the Z axis is an optical axis. It is formed.

図6において、上述したように切り出された水晶基板150の表裏両面に蒸着法などによって耐蝕膜151が形成され、この耐蝕膜151の上面にレジスト膜152が塗布される(図6(a))。
続いて、圧電振動片100の外形および錘部110の孔部113の形状に合わせたマスク(図示しない)を用いて外形パターン露光、および外形パターン現像が行われる(図6(b))。
次に、耐蝕膜151の現像された露出部分がエッチング液により剥離され(図6(c))、レジスト152が剥離される(図6(d))。この際、圧電振動片100の外形に近い形状の耐蝕膜151のみが残されている。
In FIG. 6, a corrosion resistant film 151 is formed on both the front and back surfaces of the quartz substrate 150 cut out as described above by vapor deposition or the like, and a resist film 152 is applied on the upper surface of the corrosion resistant film 151 (FIG. 6A). .
Subsequently, external pattern exposure and external pattern development are performed using a mask (not shown) that matches the external shape of the piezoelectric vibrating piece 100 and the shape of the hole 113 of the weight portion 110 (FIG. 6B).
Next, the developed exposed portion of the corrosion-resistant film 151 is peeled off by the etching solution (FIG. 6C), and the resist 152 is peeled off (FIG. 6D). At this time, only the corrosion-resistant film 151 having a shape close to the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 100 is left.

次に、残った耐蝕膜151表面を含めて、水晶基板150表面にレジスト膜152を全面塗布し(図6(e))、溝部122のパターン露光、現像を行い(図6(f))、続いて、圧電振動片100の外形エッチングを行う(図6(g))。この際、図示しないが、錘部110に設けられる孔部113も同時に形成される。
レジスト膜152は、溝部122の外形に合わせて残されている。
Next, the entire surface of the quartz substrate 150 including the remaining surface of the corrosion-resistant film 151 is coated with a resist film 152 (FIG. 6E), pattern exposure and development of the groove 122 are performed (FIG. 6F), Subsequently, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 100 is etched (FIG. 6G). At this time, although not shown, a hole 113 provided in the weight 110 is also formed at the same time.
The resist film 152 is left in accordance with the outer shape of the groove 122.

次に、耐蝕膜151を剥離し、溝部122のみが水晶基板150表面に露出され、続いて、溝部122をエッチングする。このエッチング工程は、ハーフエッチングとされ、エッチング時間等を管理して所定の深さまで掘り下げられて、溝部が所定の形状、深さに形成される(図6(i))。
その後、レジスト膜152、耐蝕膜151が剥離されて溝付きの圧電振動片が形成されるのである(図6(j))。
Next, the corrosion-resistant film 151 is peeled off, and only the groove 122 is exposed on the surface of the crystal substrate 150, and then the groove 122 is etched. This etching process is half-etched, and is etched down to a predetermined depth while managing the etching time and the like, so that a groove is formed to a predetermined shape and depth (FIG. 6 (i)).
Thereafter, the resist film 152 and the corrosion-resistant film 151 are peeled off to form a grooved piezoelectric vibrating piece (FIG. 6 (j)).

このような工程で圧電振動片100の外形、孔部113、溝部122が形成された後、図5で示すような電極140が形成され圧電振動片100の形状が完成される。
電極140は、圧電振動片100の表面に金などの電気伝導度のよい金属膜を蒸着やスパッタリングなどの方法で形成され、エッチング法で所定の形状に電極分割がなされる。
After the outer shape, the hole 113, and the groove 122 of the piezoelectric vibrating piece 100 are formed in such a process, the electrode 140 as shown in FIG. 5 is formed, and the shape of the piezoelectric vibrating piece 100 is completed.
The electrode 140 is formed by depositing a metal film having good electrical conductivity such as gold on the surface of the piezoelectric vibrating piece 100 by a method such as vapor deposition or sputtering, and dividing the electrode into a predetermined shape by an etching method.

圧電振動片100が水晶で形成される場合、水晶には結晶異方性があることが知られている。このことによって、水晶基板150のエッチングを行う際にエッチング異方性が存在し、同じ条件でエッチングをしても基板の部位によってエッチングされるスピードが異なってくる。このエッチングされるスピードがエッチングレートと呼ばれている。   When the piezoelectric vibrating piece 100 is formed of quartz, it is known that the quartz has crystal anisotropy. As a result, etching anisotropy exists when the quartz substrate 150 is etched, and the etching speed varies depending on the portion of the substrate even if etching is performed under the same conditions. This etching speed is called an etching rate.

図7は、水晶基板150のX−Y平面内のエッチングレートを示す極座標図である。
図7において、円の中心がエッチングレート0であり、外側にいくほどエッチングレートが速くなるように表示されている。
特に、+X方向、X軸に対して+120°方向、および−120°方向の面内エッチングスピードが速く、逆に−X方向、X軸に対して+30°方向および−30°方向の内面エッチングスピードが遅くなる。
これに対して、Z方向のエッチングスピードは、−30°方向および−30°方向が速くなり、+X方向、X軸に対して+120°方向および−120°方向が遅くなる。
FIG. 7 is a polar coordinate diagram showing the etching rate of the quartz crystal substrate 150 in the XY plane.
In FIG. 7, the center of the circle has an etching rate of 0, and the etching rate is displayed faster as it goes outward.
In particular, the in-plane etching speeds in the + X direction, the + 120 ° direction with respect to the X axis, and the −120 ° direction are high, and conversely, the inner surface etching speeds in the + 30 ° direction and the −30 ° direction with respect to the −X direction and the X axis. Becomes slower.
On the other hand, the etching speed in the Z direction increases in the −30 ° direction and the −30 ° direction, and decreases in the + X direction and the + 120 ° direction and the −120 ° direction with respect to the X axis.

このようにエッチング加工性に異方性があることから、圧電振動片100の形状を正確に形成するために最適なマスク形状を焼きつけフォトリソ加工がなされている。例えば、錘部110の先端部、錘部110と腕部121との結合部、錘部腕部121と基部130との結合部、錘部110に設けられた孔部113などに対しては、エッチングレートに対応してマスクの形状が補正されて形成されている。   Since there is anisotropy in the etching processability as described above, an optimal mask shape is baked and photolithography is performed in order to accurately form the shape of the piezoelectric vibrating piece 100. For example, for the tip portion of the weight portion 110, the joint portion between the weight portion 110 and the arm portion 121, the joint portion between the weight portion arm portion 121 and the base portion 130, the hole portion 113 provided in the weight portion 110, etc. The mask shape is corrected in accordance with the etching rate.

図8〜図11において、このマスク形状と圧電震動片100の形状の関係について説明する。
図8は、エッチングレートを配慮しない場合の錘部110の要部平面図、図9は、エッチングレートを配慮した場合の錘部110の要部平面図、図10は、エッチングレートを配慮しない場合の孔部113の平面図、図11は、エッチングレートを配慮した孔部113の平面図である。
The relationship between the mask shape and the shape of the piezoelectric vibrating piece 100 will be described with reference to FIGS.
8 is a plan view of the main part of the weight part 110 when the etching rate is not considered, FIG. 9 is a plan view of the main part of the weight part 110 when the etching rate is considered, and FIG. 10 is a case where the etching rate is not considered. FIG. 11 is a plan view of the hole 113 in consideration of the etching rate.

図8において、エッチング用のマスク150は、圧電振動片110の所定の形状に合わせて(形状補正せずに)形成されている。即ち、振動腕120の振動中心B’に対して対称形に形成されている(図中、実線で示す)。このマスクを使用してエッチング工程を行うと、前述のエッチングレートの違いから図中二点鎖線で示される錘部110のように、錘部110と腕部121の重心を結んだ直線Bが本来の振動中心(図中B’)からずれて形成される。
また、錘部110の先端コーナーの図中左側コーナー110Aは、面取りがされたような形状となり、もう一方のコーナー110Bも同様な形状となる。
また、錘部110と腕部121の間に形成されたテーパ部112の−X方向側テーパ部112Aは、小さめに、+X側テーパ部112Bは、大きめに形成される。
In FIG. 8, the etching mask 150 is formed in accordance with a predetermined shape of the piezoelectric vibrating piece 110 (without correcting the shape). That is, it is formed symmetrically with respect to the vibration center B ′ of the vibrating arm 120 (shown by a solid line in the figure). When the etching process is performed using this mask, a straight line B connecting the center of gravity of the weight part 110 and the arm part 121 is originally formed like the weight part 110 indicated by a two-dot chain line in the figure due to the difference in the etching rate. The center of vibration (B ′ in the figure) is deviated.
Further, the left corner 110A in the figure of the tip corner of the weight portion 110 has a chamfered shape, and the other corner 110B has a similar shape.
Further, the −X direction taper portion 112A of the taper portion 112 formed between the weight portion 110 and the arm portion 121 is formed smaller, and the + X side taper portion 112B is formed larger.

図9は、エッチング用マスク150を前述のエッチングレートに合わせて形状を予め補正をして形成された場合の錘部110の形状を示す。
図9において、実線で表示される形状はマスク150であり、二点鎖線で示される形状がエッチング工程で形成された錘部110の形状である。マスク150のX方向中心線B’は、振動腕120の振動中心Bに対して+X軸方向に補正された形状とされ、錘部110の先端−X方向(図中左側)コーナー150Aは、+Y方向に突起が形成され、また、−Y方向(図中左下側)にも同様な突起150Bが−Y方向に形成されている。
マスク150のテーパ部も−X方向側のテーパ部112Aは、+X側テーパ部112B側より大きく形成されている。
このように、予めエッチングレートに従ってエッチング基点と形状が補正されたマスク150を用いてエッチング工程を行った場合、当初狙いの振動中心に対して錘部110の中心線Bが一致し、中心線Bに対して対称な振動腕部120が形成される。
この際、図8、図9において、錘部110に形成された孔部113は省略されている。
FIG. 9 shows the shape of the weight portion 110 when the etching mask 150 is formed by correcting the shape in advance according to the above-described etching rate.
In FIG. 9, the shape indicated by the solid line is the mask 150, and the shape indicated by the two-dot chain line is the shape of the weight part 110 formed by the etching process. The X-direction center line B ′ of the mask 150 has a shape corrected in the + X-axis direction with respect to the vibration center B of the vibrating arm 120, and the tip 150 of the weight portion 110 in the −X direction (left side in the drawing) corner 150 A is + Y A projection is formed in the direction, and a similar projection 150B is also formed in the -Y direction in the -Y direction (lower left side in the figure).
The taper part 112A on the −X direction side of the mask 150 is also formed larger than the + X side taper part 112B side.
As described above, when the etching process is performed using the mask 150 whose etching base point and shape are corrected in advance according to the etching rate, the center line B of the weight portion 110 coincides with the initially targeted vibration center, and the center line B Symmetrical vibrating arm 120 is formed.
At this time, in FIG. 8 and FIG. 9, the hole 113 formed in the weight 110 is omitted.

図10および図11は、錘部110に形成された孔部113を拡大して模式的に示した平面図である。
図10において、マスク150は、孔部113の形状に対応して光が透過される開口部151が形成されている。この開口部151は、振動腕120の振動中心に対して対称に四角形に形成されている。この場合、振動中心とマスク開口部151の中心線B’と一致している。
このようなマスクを用いてエッチング工程が行われると、図中二点鎖線で示すように(113A)、−X方向に大きく形成され、エッチングレートの小さい113B,113C部は、コーナーがきちんと形成されないエッチング残りが生じている。
従って、エッチングされた振動腕120は、孔部113中心線Bが振動中心に対してずれた位置に移動し、且つ、中心線Bに対して非対称な形状に形成されている。
この際、この孔部113と圧電振動片100の外形とが、同じエッチング工程で形成することができる。
10 and 11 are enlarged plan views schematically showing the hole 113 formed in the weight part 110. FIG.
In FIG. 10, the mask 150 has an opening 151 through which light is transmitted corresponding to the shape of the hole 113. The opening 151 is formed in a quadrangular shape symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm 120. In this case, the vibration center coincides with the center line B ′ of the mask opening 151.
When an etching process is performed using such a mask, as shown by the two-dot chain line in the figure (113A), it is formed large in the -X direction, and the corners 113B and 113C having a low etching rate are not formed properly. Etching remains.
Therefore, the etched vibrating arm 120 is formed in an asymmetric shape with respect to the center line B, and the hole 113 center line B moves to a position shifted from the vibration center.
At this time, the hole 113 and the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 100 can be formed by the same etching process.

図11は、所定の孔部113に対して予め形状補正したマスク150を用いた場合の錘部110の孔部113を示したものである。
図11において、マスク150は、孔部113の形状に対応して光が透過される開口部151が形成されている。この開口部151の中心線は、振動腕120の振動中心に対してB’までずらされており、マスク150の開口部151の図中上方−X側コーナー部は、−X方向に凹部151Aが形成され、凹部151Aの−Y側コーナーには、凹部151Aと同様な凹部151Bが形成されている。
このように形成されたマスク150を用いてエッチング工程がなされた孔部113は、図中二点鎖線で示されるように振動腕120の振動中心に対して孔部中心線Bが一致し、且つ、中心線Bに対して対称に形成されている。
FIG. 11 shows the hole portion 113 of the weight portion 110 when a mask 150 whose shape is corrected in advance for the predetermined hole portion 113 is used.
In FIG. 11, the mask 150 has an opening 151 through which light is transmitted corresponding to the shape of the hole 113. The center line of the opening 151 is shifted to B ′ with respect to the vibration center of the vibrating arm 120, and the upper −X side corner in the drawing of the opening 151 of the mask 150 has a recess 151 </ b> A in the −X direction. A recess 151B similar to the recess 151A is formed at the -Y side corner of the recess 151A.
In the hole 113 subjected to the etching process using the mask 150 formed in this way, the hole center line B coincides with the vibration center of the vibrating arm 120 as shown by a two-dot chain line in the figure, and Are formed symmetrically with respect to the center line B.

図9および図10で示したように、エッチングレートを配慮して形成されたマスク150を用いてエッチング工程を行っているので、圧電振動片100は、二本の振動腕120の左右バランスがとれているとともに、錘部110も振動中心に対して中心線Bが一致し、外形、孔部113共に、振動中心(中心線B)に対して対称に形成されている。
このようにして製造された圧電振動片100は、パッケージ内に収納されて使用される。
As shown in FIGS. 9 and 10, since the etching process is performed using the mask 150 formed in consideration of the etching rate, the piezoelectric vibrating piece 100 can balance the left and right of the two vibrating arms 120. In addition, the weight part 110 also has a center line B that coincides with the vibration center, and both the outer shape and the hole 113 are formed symmetrically with respect to the vibration center (center line B).
The piezoelectric vibrating piece 100 manufactured in this way is used by being housed in a package.

図12および図13は、本実施形態の圧電振動片100がパッケージ内に収納された状態を示している。
図12は、セラミックパッケージ型振動子200の構成を示す概略断面図である。図12に示すように、セラミックパッケージ210は、内側に空間を有する箱状のパッケージ210である。このパッケージ210には、その底部にベース部211を備えている。このベース部211は、例えばアルミナ等のセラミック等で形成されている。
12 and 13 show a state in which the piezoelectric vibrating piece 100 of the present embodiment is housed in a package.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the ceramic package type resonator 200. As shown in FIG. 12, the ceramic package 210 is a box-shaped package 210 having a space inside. The package 210 has a base portion 211 at the bottom thereof. The base portion 211 is made of ceramic such as alumina, for example.

ベース部211の上には、封止部212が設けられており、封止部212はベース部211と同様な材料から形成されている。また、この封止部212の上部には蓋体213が載置され、これらベース部211、封止部212、蓋体213によって中空の箱体が形成されている。   A sealing portion 212 is provided on the base portion 211, and the sealing portion 212 is formed from the same material as the base portion 211. Further, a lid 213 is placed on the upper portion of the sealing portion 212, and a hollow box is formed by the base portion 211, the sealing portion 212, and the lid 213.

このように形成されたパッケージ210のベース211上にはパッケージ側電極214が設けられている。このパッケージ側電極214の上に導電接着剤等を介して電極140が形成された圧電振動片100の端部が固定されている。このパッケージ210内は、真空状態にされていることが安定した屈曲振動を維持するためには好ましい。
この圧電振動子片100は、パッケージ側電極214から一定の駆動電圧が印加されると正確に振動されるようになっている。
また、図示しないが、このパッケージ210の底部211と圧電振動片100との断面方向隙間に振動制御用などの半導体チップを載置して圧電振動片100の電極140と接続して発信器等に使用することもできる構成とされている。
A package-side electrode 214 is provided on the base 211 of the package 210 formed in this way. An end portion of the piezoelectric vibrating piece 100 in which the electrode 140 is formed on the package side electrode 214 via a conductive adhesive or the like is fixed. The package 210 is preferably in a vacuum state in order to maintain stable bending vibration.
The piezoelectric vibrator piece 100 is vibrated accurately when a constant driving voltage is applied from the package-side electrode 214.
Although not shown, a semiconductor chip for vibration control is placed in the gap in the cross section between the bottom portion 211 of the package 210 and the piezoelectric vibrating piece 100 and connected to the electrode 140 of the piezoelectric vibrating piece 100 to be connected to a transmitter or the like. It is set as the structure which can also be used.

図13は、シリンダー型圧電振動子500の構成を示す概略断面図である。
図13において、シリンダー型圧電振動子500は、その内部に圧電振動片100を収納するための金属製のキャップ530を有している。このキャップ530は、ステム520に対して圧入され、その内部は真空状態に保持されている。
ステム520を貫通してリード510が2本設けられている。このリード520に圧電振動片100の端部の電極140が導電接着剤等で固定され保持される。
このように構成された圧電振動片100にリード510から一定の駆動電圧が印加されると振動腕120が正確に振動し、圧電振動子500として機能されることになる。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the cylinder-type piezoelectric vibrator 500.
In FIG. 13, a cylinder type piezoelectric vibrator 500 has a metal cap 530 for housing the piezoelectric vibrating piece 100 therein. The cap 530 is press-fitted into the stem 520, and the inside is kept in a vacuum state.
Two leads 510 are provided through the stem 520. The electrode 140 at the end of the piezoelectric vibrating piece 100 is fixed and held on the lead 520 with a conductive adhesive or the like.
When a constant drive voltage is applied from the lead 510 to the piezoelectric vibrating piece 100 configured as described above, the vibrating arm 120 vibrates accurately and functions as the piezoelectric vibrator 500.

このように構成され、また、前述した製造法で製造された圧電振動子200,500は、時計や電子機器の時間標準などとして使用される。
また、このような圧電振動片100は、Z軸を回転軸にして回転させ、コリオリの力を発生させ、それを検出することで角速度センサとして圧電ジャイロセンサに使用され、自動車の姿勢制御装置、カーナビゲーション装置、カメラ等の手ぶれ防止装置などの電子機器に搭載されている。
The piezoelectric vibrators 200 and 500 configured as described above and manufactured by the above-described manufacturing method are used as a time standard for a timepiece or an electronic device.
Further, such a piezoelectric vibrating piece 100 is used in a piezoelectric gyro sensor as an angular velocity sensor by rotating the Z-axis as a rotation axis, generating a Coriolis force, and detecting it. It is installed in electronic devices such as car navigation devices and camera shake prevention devices such as cameras.

従って、本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(効果1)
本実施形態によれば、圧電振動片100の腕部121には表面、裏面ともに溝部122が形成されているので、この腕部121の幅方向断面は、例えば断面略H型形状に形成されている。このことにより、腕部121の断面係数は、溝部122が形成されない場合にくらべ大きくなる。従って、同じ振動周波数を得る場合、圧電振動片100を小型化しても振動損失が少なくCI値(クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗)も低く抑えることができる。
また、振動腕120の端部(先端部)には錘部110が形成されているので、圧電振動片100を小型化した場合の振動周波数の安定性を得ることができる。振動腕120は複数(本実施形態では、2本の音叉型)形成されているが、この錘部110のため慣性モーメントが大きくなるので、振動腕個別のバラツキの影響を小さくできるという効果もある。
(Effect 1)
According to the present embodiment, since the groove portion 122 is formed on both the front surface and the back surface of the arm portion 121 of the piezoelectric vibrating piece 100, the cross section in the width direction of the arm portion 121 is formed in, for example, a substantially H-shaped cross section. Yes. As a result, the section modulus of the arm 121 is larger than when the groove 122 is not formed. Therefore, when obtaining the same vibration frequency, even if the piezoelectric vibrating piece 100 is downsized, the vibration loss is small and the CI value (crystal impedance or equivalent series resistance) can be kept low.
Further, since the weight portion 110 is formed at the end portion (tip portion) of the vibrating arm 120, the stability of the vibration frequency when the piezoelectric vibrating piece 100 is reduced in size can be obtained. A plurality of vibrating arms 120 (two tuning fork types in the present embodiment) are formed. However, since the moment of inertia increases because of the weight 110, there is also an effect that the influence of variation of the vibrating arms can be reduced. .

(効果2)
本発明の圧電振動片100は、前記錘部110が、前記振動腕120の振動中心Bに対して対称に形成され、それぞれ同じ位置、同じ大きさに形成されているので、このような構造によれば、例えば、音叉型の水晶振動片の場合、2本の振動腕120の質量、慣性モーメントが同じになるので安定した振動が得られる。
また、2本の振動腕120のバランスがとれていることから基部での振動漏れを少なくすることができる。
(Effect 2)
The piezoelectric vibrating piece 100 of the present invention has such a structure because the weight portion 110 is formed symmetrically with respect to the vibration center B of the vibrating arm 120 and is formed at the same position and size. Therefore, for example, in the case of a tuning-fork type crystal vibrating piece, the mass and the moment of inertia of the two vibrating arms 120 are the same, so that stable vibration can be obtained.
In addition, since the two vibrating arms 120 are balanced, vibration leakage at the base can be reduced.

(効果3)
本実施形態のようにテーパ部112を設けることによって、振動腕120が振動する際に、腕部121と錘部110との結合部に応力集中をおこすことがなく、基本振動モードに影響をあたえることがないので安定した振動を得ることができる。
また、腕部121と基部130との結合部においてもテーパ部132が設けられているので、より一層、安定した振動が得られる。このようにテーパ部132を設けることにより、錘部110と腕部121の形状が多少対称性が崩れを生じても相対的なバランスの差による影響を小さくすることもできる。
さらに、先述の各部位にテーパ部を設けることによって、圧電振動片100が衝撃力を受けた場合に破壊されたり、振動モードが劣化するなどの課題を防止できる効果もある。
(Effect 3)
By providing the tapered portion 112 as in the present embodiment, when the vibrating arm 120 vibrates, stress concentration is not caused at the joint portion between the arm portion 121 and the weight portion 110, and the basic vibration mode is affected. Therefore, stable vibration can be obtained.
Further, since the tapered portion 132 is provided also in the joint portion between the arm portion 121 and the base portion 130, more stable vibration can be obtained. By providing the tapered portion 132 in this manner, even if the shapes of the weight portion 110 and the arm portion 121 are slightly symmetric, the influence of the relative balance difference can be reduced.
Furthermore, by providing the tapered portion at each of the aforementioned portions, there is an effect that it is possible to prevent problems such as destruction when the piezoelectric vibrating piece 100 receives an impact force or deterioration of the vibration mode.

(効果4)
前述したように、腕部121には表面および裏面に溝部122が形成され、腕部の断面形状は略H型とされる。
この際、溝部122は、振動腕120の振動中心Bに対して対称形に形成され、錘部110および基部130に入り込む位置まで延長されている。このような形状の振動腕120は、溝部122の基点位置の影響を受けずに、振動腕120の基本振動モードを得るために必要な腕長さを確保できるとともに、腕部121と錘部110、基部130との結合部において、溝部122との応力集中をなくし安定した振動を得ることができる。前述のテーパ部と組み合わせることでより一層効果がある。
(Effect 4)
As described above, the groove 121 is formed on the front surface and the back surface of the arm 121, and the cross-sectional shape of the arm is substantially H-shaped.
At this time, the groove 122 is formed symmetrically with respect to the vibration center B of the vibrating arm 120 and extends to a position where it enters the weight 110 and the base 130. The vibrating arm 120 having such a shape can secure the arm length necessary to obtain the basic vibration mode of the vibrating arm 120 without being affected by the base point position of the groove portion 122, and the arm portion 121 and the weight portion 110. In the joint portion with the base portion 130, stress concentration with the groove portion 122 is eliminated, and stable vibration can be obtained. A further effect can be obtained by combining with the aforementioned tapered portion.

(効果5)
また、本実施形態では、錘部110の長さが前記振動腕の有効長さの約1/2とされる。例えば、振動腕120を長くすると振動周波数は低くなり、短くすると振動周波数は高くなる。この際、圧電振動片100を小型化するために振動腕120の長さを固定したときに、錘部110の長さを長くすると振動周波数は高くなる。このことから、錘部110の長さを振動腕120の有効長さの1/2にしておくと(つまり、錘部110の長さと腕部121の長さを略同じ)、錘部110が形成される効果が最大に生かされる。
(Effect 5)
In the present embodiment, the length of the weight part 110 is about ½ of the effective length of the vibrating arm. For example, when the vibrating arm 120 is lengthened, the vibration frequency is decreased, and when the vibration arm 120 is shortened, the vibration frequency is increased. At this time, when the length of the vibrating arm 120 is fixed in order to reduce the size of the piezoelectric vibrating piece 100, the vibration frequency is increased by increasing the length of the weight portion 110. Therefore, when the length of the weight part 110 is set to ½ of the effective length of the vibrating arm 120 (that is, the length of the weight part 110 and the length of the arm part 121 are substantially the same), the weight part 110 is The effect formed is utilized to the maximum.

(効果6)
本実施形態では、圧電振動片100の表裏に形成された電極140を接続するために表裏を貫通する孔部(スルーホール)113が錘部110に形成されている。表裏の電極140を圧電振動片100の側面部で行う場合よりも、広い面積がある錘部110にスルーホールによって電極接続する方が容易にできるという効果がある。
また、この孔部(スルーホール)113は、前述したように場所によってエッチングレートに差があるので、四角形は勿論、六角形や八角形あるいは円形にすることで、マスクの補正量を少なくしたり、設定が容易になるという効果もある。
(Effect 6)
In this embodiment, in order to connect the electrodes 140 formed on the front and back of the piezoelectric vibrating piece 100, a hole portion (through hole) 113 penetrating the front and back is formed in the weight portion 110. Compared with the case where the front and back electrodes 140 are formed on the side surface portions of the piezoelectric vibrating piece 100, there is an effect that it is easier to connect the electrodes to the weight portion 110 having a large area by through holes.
In addition, since the hole (through hole) 113 has a difference in etching rate depending on the location as described above, the correction amount of the mask can be reduced by making it a hexagon, an octagon or a circle as well as a square. There is also an effect that the setting becomes easy.

(効果7)
本実施形態の製造方法では、圧電振動片100の外形と孔部113は、厚み方向に貫通するエッチング工程で形成され、溝部122はハーフエッチング工程で形成され、それぞれ選択された別の工程で形成される。このことによって、圧電振動片100の外形と孔部113および溝部122は適切な形状、寸法で形成することができる。
(Effect 7)
In the manufacturing method of the present embodiment, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 100 and the hole 113 are formed by an etching process penetrating in the thickness direction, and the groove 122 is formed by a half-etching process, and is formed by another selected process. Is done. Thus, the outer shape of the piezoelectric vibrating piece 100, the hole 113, and the groove 122 can be formed with appropriate shapes and dimensions.

(効果8)
また、本実施形態では、前述したように、圧電振動片100が水晶振動片である場合、結晶異方性があることが知られている。結晶異方性があることでエッチング工程においてエッチングする場所によってエッチングスピード(エッチングレート)が異なる。そこで、エッチングスピードが遅くなる場所や早くなる場所は、それぞれに対応して、予めエッチングマスクの形状をエッチングの基点をずらしたり、形状を補正しておくことで、エッチング後の振動中心に対する対称性が確保されるので、より安定した振動モード、振動周波数を得ることができる。
(Effect 8)
In the present embodiment, as described above, it is known that when the piezoelectric vibrating piece 100 is a crystal vibrating piece, there is crystal anisotropy. Due to the crystal anisotropy, the etching speed (etching rate) varies depending on the etching location in the etching process. Therefore, the place where the etching speed is slowed down and the place where it is fastened are symmetric with respect to the vibration center after etching by shifting the etching base point in advance or correcting the shape in advance corresponding to each place. Therefore, a more stable vibration mode and vibration frequency can be obtained.

(効果9)
また、本実施形態の変形例(図3に示す)においては、錘部110の基部130側に突出部116が設けられているので、錘部110の質量を変えずに振動腕120の振動二次モーメントの腕長を短くできるため、エッチングレートの差による振動の安定性を高めることができ、CI値を低くすることができる。
また、突出部116の先端に第2の錘部117を設けることにより、一層これらの効果を高めることができる。
更に、図4に示すように、基部130に切欠き部131を設けることにより、振動腕120の屈曲振動を基部130からの振動漏れを減ずることができ、CI値を低く抑えることができる。
(Effect 9)
In the modification of the present embodiment (shown in FIG. 3), since the protruding portion 116 is provided on the base portion 130 side of the weight portion 110, the vibration arm 120 can be vibrated without changing the mass of the weight portion 110. Since the arm length of the next moment can be shortened, the stability of vibration due to the difference in etching rate can be increased, and the CI value can be lowered.
Further, by providing the second weight portion 117 at the tip of the protruding portion 116, these effects can be further enhanced.
Furthermore, as shown in FIG. 4, by providing the notch 131 in the base portion 130, the bending vibration of the vibrating arm 120 can reduce the vibration leakage from the base portion 130, and the CI value can be kept low.

(効果10)
本実施形態の圧電振動片100は、セラミック等で形成されたパッケージ内210に収納されている。パッケージ210内は真空状態で保持されているので、より一層安定した振動を長期間にわたって維持することができる。
また、パッケージ210に収納されていることで、扱いやすいうえ、湿度など外部環境から圧電振動子片100を保護することができる。
(Effect 10)
The piezoelectric vibrating piece 100 of this embodiment is housed in a package 210 formed of ceramic or the like. Since the package 210 is held in a vacuum state, a more stable vibration can be maintained over a long period of time.
Moreover, since it is housed in the package 210, it is easy to handle and the piezoelectric vibrator piece 100 can be protected from the external environment such as humidity.

(効果11)
本実施形態の電子機器は、前述のような構成と製造方法で製造された圧電振動子200、500が搭載されている。
このような圧電振動子200および500は安定した振動モード、振動周波数が得られ、例えば、時計などの時間標準や圧電ジャイロセンサに使用され、通信機器の基準発信器、自動車の姿勢制御装置、カーナビゲーション装置、カメラ等の手ぶれ防止装置などの電子機器を提供することができる。
(Effect 11)
The electronic apparatus according to the present embodiment includes the piezoelectric vibrators 200 and 500 manufactured by the above-described configuration and manufacturing method.
Such piezoelectric vibrators 200 and 500 can obtain a stable vibration mode and vibration frequency, and are used for, for example, time standards such as watches and piezoelectric gyro sensors, and are used as reference transmitters for communication devices, attitude control devices for automobiles, cars. Electronic devices such as navigation devices and camera shake prevention devices such as cameras can be provided.

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、音叉型の圧電振動片100を例にあげ説明したが、音叉型圧電振動子以外にも、例えば、駆動腕と検出腕とが別に構成される平面H型圧電振動子やダブルT型振動子と呼ばれる圧電振動子にも適用できる。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, in the above-described embodiment, the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 100 has been described as an example. However, in addition to the tuning fork type piezoelectric vibrator, for example, a planar H type piezoelectric vibrator in which a drive arm and a detection arm are configured separately. It can also be applied to a piezoelectric vibrator called a double T-type vibrator.

このような本発明によれば、小型で安定した振動特性が得られる圧電振動片、圧電振動片の製造方法、この圧電振動片を有する圧電振動子および圧電振動子を搭載した電子機器を提供することができる。   According to the present invention as described above, a piezoelectric vibrating piece capable of obtaining a small and stable vibration characteristic, a method for manufacturing the piezoelectric vibrating piece, a piezoelectric vibrator having the piezoelectric vibrating piece, and an electronic device equipped with the piezoelectric vibrator are provided. be able to.

100…圧電振動片、110…錘部、116…突出部、117…第2の錘部、120…振動腕、121…腕部、122…腕部、130…基部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Piezoelectric vibrating piece, 110 ... Weight part, 116 ... Projection part, 117 ... Second weight part, 120 ... Vibrating arm, 121 ... Arm part, 122 ... Arm part, 130 ... Base part.

Claims (12)

複数の棒状の腕部と、該腕部より幅が広く、前記腕部の一方の端部に形成された第1の錘部とを有する振動腕と、
前記腕部の他方の端部を結合する基部と、
前記第1の錘部から延出し、且つ前記腕部と空隙を介して設けられる突出部と、
を備え、
前記振動腕の振動中心に沿って表面および裏面に溝部が形成されていることを特徴とする圧電振動片。
A vibrating arm having a plurality of rod-shaped arm portions and a first weight portion that is wider than the arm portions and formed at one end of the arm portions;
A base for joining the other end of the arm,
A projecting portion extending from the first weight portion and provided through the arm portion and a gap;
With
A piezoelectric vibrating piece, wherein grooves are formed on a front surface and a back surface along a vibration center of the vibrating arm.
請求項1に記載の圧電振動片において、
前記突出部の先端に、該突出部よりも幅の広い第2の錘部を有することを特徴とする圧電振動片。
The piezoelectric vibrating piece according to claim 1,
A piezoelectric vibrating piece having a second weight portion wider than the protruding portion at a tip of the protruding portion.
請求項1または請求項2に記載の圧電振動片において、
前記第1の錘部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、それぞれ同じ位置、同じ大きさに形成されていることを特徴とする圧電振動片。
The piezoelectric vibrating piece according to claim 1 or 2,
The piezoelectric vibrating piece, wherein the first weight portion is formed symmetrically with respect to a vibration center of the vibrating arm, and is formed at the same position and the same size.
請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の圧電振動片において、
前記腕部と前記第1の錘部との結合部および前記腕部と前記基部との結合部に、前記振動腕の振動中心に対して対称なテーパ部を有することを特徴とする圧電振動片。
The piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 3,
A piezoelectric vibrating piece having a tapered portion symmetrical with respect to a vibration center of the vibrating arm at a connecting portion between the arm portion and the first weight portion and a connecting portion between the arm portion and the base portion. .
請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の圧電振動片において、
前記第1の錘部の長さが前記腕部の有効長さと略同じであることを特徴とする圧電振動片。
The piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 4,
The piezoelectric vibrating piece, wherein a length of the first weight portion is substantially the same as an effective length of the arm portion.
請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の圧電振動片において、
前記溝部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、前記第1の錘部と前記腕部の結合部よりも先端方向および前記腕部と前記基部との結合部よりも前記基部方向に延長して形成されていることを特徴とする圧電振動片。
In the piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 5,
The groove portion is formed symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm, and the base portion is more distal than the connecting portion between the first weight portion and the arm portion and the connecting portion between the arm portion and the base portion. A piezoelectric vibrating piece formed by extending in a direction.
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の圧電振動片において、
前記振動腕の振動中心線の略延長上に、振動中心に対して対称に穿設された多角形または円形の孔部を前記第1の錘部に有することを特徴とする圧電振動片。
The piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 6,
A piezoelectric vibrating piece having a polygonal or circular hole portion formed symmetrically with respect to a vibration center on the first weight portion on substantially an extension of a vibration center line of the vibration arm.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の前記圧電振動片を製造する方法であって、前記圧電振動片の外形をエッチングで形成する工程と、
前記溝部をエッチングで形成する工程とを有することを特徴とする前記圧電振動片の製造方法。
A method for manufacturing the piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 7, wherein an outer shape of the piezoelectric vibrating piece is formed by etching,
And a step of forming the groove part by etching.
請求項8に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記溝部が、前記振動腕の振動中心に対して対称に形成され、前記第1の錘部と前記腕部の結合部よりも先端方向および前記腕部と前記基部との結合部よりも前記基部方向に延長して形成されることを特徴とする前記圧電振動片の製造方法。
The method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece according to claim 8,
The groove portion is formed symmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm, and the base portion is more distal than the connecting portion between the first weight portion and the arm portion and the connecting portion between the arm portion and the base portion. The method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece, wherein the piezoelectric vibrating piece is formed extending in a direction.
請求項9に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記圧電振動片が水晶振動片であって、
前記圧電振動片の形状に対してエッチングの基点をずらして形成されるか、または前記振動腕の振動中心に対して非対称に形成されたエッチングマスクを用いて製造されることを特徴とする圧電振動片の製造方法。
The method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece according to claim 9,
The piezoelectric vibrating piece is a quartz vibrating piece,
Piezoelectric vibration characterized in that it is formed using an etching mask formed by shifting an etching base point with respect to the shape of the piezoelectric vibrating piece or asymmetrically with respect to the vibration center of the vibrating arm. A manufacturing method of a piece.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の圧電振動片が、パッケージ内に収容されていることを特徴とする圧電振動子。   A piezoelectric vibrator, wherein the piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 7 is housed in a package. 請求項11に記載の圧電振動子が搭載されていることを特徴とする電子機器。   An electronic device, wherein the piezoelectric vibrator according to claim 11 is mounted.
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