JP4613498B2

JP4613498B2 - 圧電振動片、圧電振動子及び圧電発振器

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Publication number: JP4613498B2
Application number: JP2004056176A
Authority: JP
Inventors: 雅子田中; 巖中山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: JP2005252352A

Description

本発明は、主振動の特性を劣化することなく、圧電振動片の外周部へ主振動が伝播することを防止するための圧電振動片の構造に関するものである。

ＡＴカット水晶振動子の主振動である厚みすべり振動は、振動片の中央部が振動する如く励振電極の配置などが決められているが、中央部で振動する厚みすべり振動は、振動片の外周部へ伝播する。
振動片は、振動片の外周部をセラミック等から形成される収納器に固着されて保持されるため、この固着によって伝播した振動が抑制される。この伝播した振動の抑制が主振動である厚みすべり振動に影響して、クリスタルインピーダンス（以下、「ＣＩ値」という。）が低下したり、他の振動モードを誘発し発振周波数の安定性を低下させたりする。

振動の伝播は、式（１）〜式（４）により表される。式（１）〜式（４）によれば、同一振動片上に周波数の違いを持つ領域があると、振動の伝播は、周波数の高い方から低い方へ起こり、周波数の低い方から高い方に対しては、α、βが虚数となるため振動が伝播距離に従って減衰する。

前述の特性を用い、厚みすべり振動の振動片外周部への伝播を抑制するための方法が、図８に示すように開示されている（特許文献１、特許文献２）。図８により説明すると、振動片１００の主面１０１上に設けられた励振電極１０２が、溝１０５の中心側に設けられている。溝１０５は、振動片１００の主振動が外周部１０４へ伝播することを抑制し減衰させるためのものである。励振電極１０２は、支持電極１０６と接続されており、支持電極１０６の部分で図示しない振動片を保持するためのパッケージに固着される。

Ｕ：厚みすべり振動のＸ方向、Ｚ´方向への変位、Ｂ：振幅強度、
ω、ω_s：振動子、振動片、それぞれの角周波数 α、β、：Ｘ、Ｚ´方向それぞれへの伝播係数、Ｃ₅₅、Ｃ₆₆：弾性スティフネス（所定の結晶方向における弾性率を表すマトリックスの中の定数）、Ｓ₁₁、Ｓ₁₃、Ｓ₃₃：弾性コンプライアンス（所定の結晶方向における弾性率を表すマトリックスの中の定数）、ｊ：虚数単位、ｔ：時間、ｘ：Ｘ方向の距離、ｚ´：Ｚ´方向の距離。

特開２００１−２５７５５８号公報特開平９−９３０７６号公報

しかしながら、前述の背景技術に示した方法によれば、一つの溝を励振電極の外側に設けることにより、振動片の振動領域の直近で急激な振動の減衰が発生することとなる。この振動の急激な減衰により主振動の電気的特性が影響を受け、例えば、Ｃ₁（等価容量）が小さくなることによって周波数可変量がとれなくなる、等の課題を有していた。

かかる問題を解決するために、本発明に係る圧電振動片は、厚みすべり振動を主振動とする圧電基板と、前記圧電基板の表裏の主面に形成され、前記圧電基板を励振させる励振電極と、前記圧電基板の主面の中心部を囲む概周状に形成された複数の溝と、を有し、前記励振電極は少なくとも第１の領域と第２の領域を含んで構成され、前記第１の領域は最も内側の溝が囲む中心部側の領域であり、前記第２の領域は前記最も内側の溝に隣り合う外側の溝と前記最も内側の溝との間の領域であり、少なくとも前記第１の領域と前記第２の領域とが電気的に導通して設けられ、前記励振電極は接続電極によって支持電極に接続され、前記複数の溝のうち、最も外側の溝の幅は、前記圧電基板の厚み以上であり、前記複数の溝は、溝が３列以上形成され、前記複数の溝は、隣り合う溝と溝との間隔を、前記中心部から外周部に向かい順次狭くして形成され、前記複数の溝は、前記最も内側の溝から外周部に向かい溝の幅を順次広く形成され、前記励振電極の外縁は、前記第２の領域に隣り合う外側の溝の辺に重なる、あるいは溝内にある、ことを特徴とする。
本発明の圧電振動片によれば、複数の概周状の溝を設け、最も中心部側の溝と、最も外周側の溝との間に励振電極を設けることにより、複数の概周状の溝によって振動片のすべての方向に対して、主振動である厚みすべり振動を段階的に減衰させ、最も外周側の溝によって所望の変位量に減衰することができる。即ち、振動片のすべての方向に対して、急激な振動の減衰による主振動の電気的特性の影響を防ぐことができ、周波数可変量を確保することが可能となる。

また、前記励振電極の外縁が、前記複数の溝のうちの一つの溝内にあることとしてもよい。

また、前記複数の溝のうち、前記主面の最も外周側に位置する溝の幅は、前記圧電基板の厚み以上であることが望ましい。
このようにすれば、最も外周側に形成された溝により、中心部から外周部への厚みすべり振動の伝播を確実に抑制することが可能となる。

また、前記複数の溝は、溝が３列以上形成され、前記複数の溝は、隣り合う溝と溝との間隔を、前記主面の中心部から外周部に向かい順次狭くして形成されていることが望ましい。
このようにすれば、主振動に近い部分での減衰を急激に起こさないことが可能となり、主振動の電気特性に対する影響を少なくすることが可能となる。

また、前記複数の溝は、前記主面の中心部に最も近い溝から外周部に向かい溝の幅を順次広く形成されていることが望ましい。
このようにすれば、主振動に近い部分での減衰を急激に起こさないことが可能となり、主振動の電気特性に対する影響を少なくすることが可能となる。

また、上述の、本発明に係る圧電振動片と、前記圧電振動片を固着して接続を行う保持部と、を有することを特徴とする圧電振動子を提供することも可能となる。

また、上述の、本発明に係る圧電振動片と、前記圧電振動片を駆動するための回路部と、前記圧電振動片及び前記回路部を固着して接続を行う固着部を有する保持部と、を有することを特徴とする圧電発振器を提供することも可能となる。

本発明に係る圧電振動片の最良の形態について、以下に図面を用いて説明する。なお、本発明は、後述の実施例に限定されるものではない。
（第１の実施形態）

本発明の圧電振動片の一例としての、２つの周状の溝を有する水晶片について、図１に沿って説明する。図１は、第１実施形態を説明するための水晶振動片の概略図であり、図１（ａ）は、水晶振動片の斜視図、図１（ｂ）は、水晶振動片の平面図、図１（ｃ）は、水晶振動片の図１（ｂ）に示すＡ−Ａ´断面図である。

圧電基板の一例として、共振周波数２７ＭＨｚ、Ｘ辺比３３、Ｚ辺比２１のＡＴカット水晶振動片（以下、「振動片」という。）１０を用いて説明する。本例の振動片１０のＹ´軸、及びＺ´軸は、ＩＥＣ基準に従った結晶軸の定義における、Ｘ軸回りに＋Ｘ方向に向かって時計回りに３５、２５度回転してなる新座標軸に対応している。振動片１０の形状は、Ｙ´軸方向に厚み２ｂを有する矩形状の平板であり、Ｚ´軸に直交するＸ軸方向を振動片１０の長手寸法２ａ（本例では、振動片１０の支持方向）、及びＸ軸に直交するＺ´軸方向を振動片１０の幅寸法２ｃとする主面１１を表裏に有している。

振動片１０の表裏に設けられた主面１１には、主面１１の中心部１２を囲み、振動片１０の外形形状にほぼ沿った周状の２つの溝が形成されている。２つ溝は、内側の溝１３（溝幅ｗ１）、及び外側の溝１４（溝幅ｗ２）であり、溝の幅（ｗ１及びｗ２）を５０μｍ、溝の深さを３μｍに形成している。

外側の溝１４の中心側の領域には、励振電極１５が形成されている。励振電極１５は、外側の溝１４と内側の溝１３との間の領域１５ｂ、及び内側の溝１３の中心側の領域１５ａに設けられており、電気的に導通している。本例では、励振電極１５の外縁は、外側の溝１４の内側の辺に重なっている。励振電極１５は、接続電極１８によって、支持電極１６ａ及び１６ｂと接続している。なお、支持電極１６ａ及び１６ｂは、導通電極１７ａ及び１７ｂによって裏面の支持電極（図示せず）と接続している。

ここで、第１の実施形態で説明した、複数の溝を用いた水晶振動片の厚みすべり振動の減衰について、図２を用いて説明する。
図２は、水晶振動片の主振動たる厚みすべり振動の減衰を示す模式図である。なお、本例では、２つの溝によって振動片の外周部を保持しても主振動である厚みすべり振動の特性に影響を与えない振動の変位量まで減衰させる例を用いて説明する。

図２によれば、厚みすべり振動は、振動片１０の中心部で最大の変位（ｈ）をもって振動している。振動の減衰は、振動片に設けられた溝１及び溝２によって行われるが、先ず振動片に設けられた溝１の中心側端から厚みすべり振動の減衰が始まり溝１の外周側端までの間で所定の変位量（ｊ）までの減衰を行う。溝１と溝２との間、即ち溝１の外周側の溝のない部分には、励振電極が形成されているため一旦振動の変位量は大きくなる（ｋ）。続いて厚みすべり振動は、溝２の中心側端から、再び減衰が始まり溝２の外周側端まで減衰する。その後は、平坦部となるため振動の変位量（ｍ）は、ほぼ変わらずに小さいレベルで継続する。ここで、変位量（ｍ）が、振動片の外周端部を固定しても振動に影響の発生しない所望の変位量、或いは、所望の変位量より小さな変位量である。

本例によれば、振動片の中心部を囲む概周状に複数の溝を設けることにより、振動片のすべての方向に対して厚みすべり振動を主面の中心部から主面の外周部に向かって段階的に減衰させることが可能となる。従って、主振動に近い部分の急激な振動の減衰を起こすことなく、振動片の外周部を固定しても主振動である厚みすべり振動に影響のない値まで振動を減衰することが可能となる。
さらに、励振電極を外側の溝の内側に辺の領域まで形成することで、励振電極の面積を変えることなく所望の変位量までの減衰を行うことができる。従って、電極面積に依存する振動特性であるクリスタルインピーダンス（ＣＩ値）を悪化させることがない。
また、複数の溝を同じ深さで形成することにより、エッチング等の加工で同時に形成することが可能となる。
＜変形例＞

水晶片に形成する厚みすべり振動の伝播を抑制するための溝部の変形例を、図３、図４、及び図５を用いて説明する。
なお、本変形例において、それぞれの図中にハッチングで示す励振電極が形成されているが、以下の説明では励振電極についての説明は省略する。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、溝部は、周状に設けられた溝幅ｗ３の複数の溝の一部に溝を有していない構成でも良い。図３（ａ）は、４つのコーナー部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４に溝がない構成であり、図３（ｂ）は、Ｚ´軸方向の一部に溝がない部分Ｆを有する構成である。なお、溝がない部分は、振動の減衰に影響がなければ、位置、個数は任意に設定することができる。

また、溝部は、図３（ｃ）に示すように、周状に設けられた複数の溝の幅は一定でなくてもよく、部分的に幅の広い部分が有っても良い。図３（ｃ）によれば、外周側の溝Ｏでは、Ｚ´軸方向に沿って設けられる溝の幅がＸ軸に沿って設けられる溝の幅よりも大きい構成であり、中心部側の溝Ｉでは、Ｚ´軸方向に沿って設けられる溝の幅がＸ軸に沿って設けられる溝の幅よりも小さい構成となっている。
また、溝の幅が辺の途中で部分的に大きくなっている部分Ｑを有してもよく、さらに図示しないが、溝の幅が部分的に小さくなっている部分を有してもよい。

また、図４に示すように、振動片１０の中心部に近い溝３、振動片１０の外周部に近い溝５、溝３と溝５との中間に位置する溝４の３つの溝を有し、振動片の中心部に近い２つの溝、即ち、溝３と溝４の間隔Ｌ３が、振動片の外周部に近い２つの溝、即ち、溝４と溝５の間隔Ｌ４より大きく（Ｌ３＞Ｌ４）形成してもよい。

同様に、図示しないが、溝が４つ以上設けられた場合は、溝と溝との間隔を、振動片１０の中心部から外周部に向かって順次小さくなるように形成してもよい。

振動の減衰は、溝と溝との間隔を大きくする、即ち、減衰が起こらない領域を大きくすることにより、減衰の早さがゆっくりとなる。
本例のように、振動領域に近接する部分での溝と溝との間隔を大きく形成し、外周部に向かって順次小さくするように形成することにより、振動変位の大きい、即ち、主振動に近接する領域での振動の減衰はゆっくりとなり、急激な振動の減衰を起こすことなく外周部に向かって徐々に減衰を行う。したがって、主振動である厚みすべり振動の電気特性に影響させることなく外周部への振動の伝播を抑制することができる。

また、図５に示すように、振動片１０の中心部に近い溝６の溝幅Ｓ６が、振動片１０の外周に近い溝７の溝幅Ｓ７よりも小さく（Ｓ６＜Ｓ７）形成されてもよい。

同様に、溝が３個以上の複数設けられる場合は、溝の溝幅が、振動片１０の中心部から外周部に向かって順次大きくなるように形成する。

また、溝部を構成する複数の溝のうちの、最も振動片の外周側にある溝の幅を、振動片の厚み（Ｙ´方向寸法）よりも大きくすることで、振動の伝播を完全に抑制することが可能となる。

振動の減衰は、溝幅が小さければ小さいほど、当該溝による減衰を小さくすることができるため、主振動領域に近接する溝の幅を最も小さく形成し、外周部に向かって順次大きくするように形成することにより、振動変位の大きな主振動に近接する部分での減衰を小さく開始し、順次主振動の影響が小さくなる外周側に近づくにつれて溝幅を大きくして完全な減衰を図ることができる。したがって、主振動に近接する領域での急激な振動の減衰を防止することができるため、主振動である厚みすべり振動の電気特性に影響させることなく外周部への振動の伝播を完全に抑制することができる。

また、励振電極の外縁が、複数の溝のうちの一つの溝の中、換言すれば、溝の有している幅の中にあっても良く、その効果は同等である。

なお、前述までの説明では、短冊型（矩形形状）の振動片を用いて説明したが、外形形状が円形の振動片、外形形状が正方形の振動片等他の形状の振動片形状においても同様な構成を用いることができる。

また、溝は主面の表裏に設けることで説明したがこれに限らず、片面に設ける構成でも同様な効果を有している。

また、上述の実施例、及び応用例の説明に用いた図では、周状の溝が、直線で振動片の外形形状に平行で形成される例で表されているが、これに限らず、曲線形状などの非直線形状でもよく、さらには、振動片の外形には平行でなくても構わない。
（第２の実施形態）

本発明の圧電振動片を用いた圧電振動子を、図６に示し説明する。図６は、本発明の圧電振動子の概略図であり、図６（ａ）は、圧電振動子の斜視図、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す圧電振動子のＡ−Ａ´断面図である。

本発明の圧電振動子５０は、例えば、セラミック製のパッケージ（収納容器）５１の内の基台５２に、厚みすべり振動を発生させるために任意の形状で形成された励振電極５３と、励振電極から接続される外部接続のための支持電極５４と、厚みすべり振動の外周部への伝播を抑制するための主面の中心部を囲む概周状の溝５６とを、主面に形成した圧電振動片５５が導電性接着剤５７などにより電気的接続を取りながら固定されている。ここで、パッケージ５１の底部５８は、圧電振動片が固定接続される基台５２以外の部分は圧電振動片５５に接しないように窪み構造となっている。さらに、蓋体５９がパッケージ５１の上面に接合されて気密性を保持する構成となっている。

本発明によれば、振動片の中心部を囲む概周状の溝により振動片のすべての方向の外周部において、主振動である厚みすべり振動に影響のない値まで振動を減衰することが可能な圧電振動片を用いることにより、該振動片の外周部をパッケージに固定接続しても、主振動の特性に影響ない安定した振動を継続できる、或いは、周波数可変を大きく取れるなど振動特性のよい圧電振動子を提供することができる。
（第３の実施形態）

本発明の圧電振動片を用いた圧電発振器を、図７に示し説明する。図７は、本発明の圧電振動器の概略図であり、図７（ａ）は、圧電発振器の斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す圧電発振器のＡ−Ａ´断面図である。

本発明の圧電発振器７０は、例えば、セラミック製のパッケージ（収納容器）７１の内の基台７２に、厚みすべり振動を発生させるために任意の形状で形成された励振電極７４と、励振電極７４から接続される外部接続のための支持電極７５と、厚みすべり振動の外周部への伝播を抑制するための主面の中心部を囲む概周状の溝７６とを、表裏に設けた主面に形成した圧電振動片７７が導電性接着剤７８などにより電気的接続を取りながら固定されている。さらに、該パッケージ７１の底部７９には、圧電振動片７７と電気的に接続された、少なくとも圧電振動片７７を動作させる機能を有する動作回路部８０が固定されている。ここで、パッケージ７１の底部７９は、圧電振動片が固定接続される基台７２以外の部分は圧電振動片７７と動作回路部８０が接しないような深さを持った窪み構造となっている。さらに、パッケージ７１の内に固着された圧電振動片７７、及び動作回路部８０は、パッケージ７１の上面に接合される蓋体８１によって気密性を持って収納される。

本例によれば、振動片の中心部を囲む概周状の溝により振動片のすべての方向の外周部において、主振動である厚みすべり振動に影響のない値まで振動を減衰することが可能な圧電振動片を用いることにより、該振動片の外周部をパッケージに固定接続しても、主振動の特性に影響ない安定した振動を継続できる、或いは、周波数可変を大きく取れるなど振動特性のよい圧電発振器を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の水晶振動片を説明するための概略図。本発明の水晶振動片の主振動たる厚みすべり振動の減衰を表す模式図。本発明の第１の実施形態における水晶振動片の溝形状の応用例を示す概略図。本発明の第１の実施形態における水晶振動片の溝形状の応用例を示す概略図。本発明の第１の実施形態における水晶振動片の溝形状の応用例を示す概略図。本発明の第２の実施形態における圧電振動子を示す概略図。本発明の第３の実施形態における圧電発振器を示す概略図。従来の圧電振動片を示す概略図。

符号の説明

１０…水晶振動片、１１…主面、１２…主面の中心部、１３…内側の溝、１４…外側の溝、
１５…励振電極、１５ａ…内側の溝１３の中心側の領域、
１５ｂ…外側の溝１４と内側の溝１３との間の領域、
１６ａ…表面の励振電極と接続する支持電極、
１６ｂ…裏面の励振電極と接続する支持電極、
１７ａ…表面の励振電極と接続する導通電極、
１７ｂ…裏面の励振電極と接続する導通電極、１８…接続電極、
Ｘ…結晶軸におけるＸ軸方向（振動片の支持方向）、
Ｙ´…結晶軸におけるＹ´軸方向（振動片の厚み方向）、
Ｚ´…結晶軸におけるＺ´軸方向（振動片の幅方向）、
２ａ…Ｘ軸方向における振動片の外形寸法（振動片支持方向寸法）、
２ｂ…Ｙ´軸方向における振動片の厚み寸法、
２ｃ…Ｚ´軸方向における振動片の外形寸法（振動片の幅寸法）。

Claims

厚みすべり振動を主振動とする圧電基板と、
前記圧電基板の表裏の主面に形成され、前記圧電基板を励振させる励振電極と、
前記圧電基板の主面の中心部を囲む概周状に形成された複数の溝と、を有し、
前記励振電極は少なくとも第１の領域と第２の領域を含んで構成され、
前記第１の領域は最も内側の溝が囲む中心部側の領域であり、
前記第２の領域は前記最も内側の溝に隣り合う外側の溝と前記最も内側の溝との間の領域であり、
少なくとも前記第１の領域と前記第２の領域とが電気的に導通して設けられ、
前記励振電極は接続電極によって支持電極に接続され、
前記複数の溝のうち、最も外側の溝の幅は、前記圧電基板の厚み以上であり、
前記複数の溝は、溝が３列以上形成され、前記複数の溝は、隣り合う溝と溝との間隔を、前記中心部から外周部に向かい順次狭くして形成され、
前記複数の溝は、前記最も内側の溝から外周部に向かい溝の幅を順次広く形成され、
前記励振電極の外縁は、前記第２の領域に隣り合う外側の溝の辺に重なる、あるいは溝内にある、ことを特徴とする圧電振動片。
請求項１に記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片を固着して接続を行う保持部と、
を有することを特徴とする圧電振動子。
請求項１ないし請求項２のいずれかに記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片を駆動するための回路部と、
前記圧電振動片及び前記回路部を固着して接続を行う固着部を有する保持部と、
を有することを特徴とする圧電発振器。