JP5071058B2 - 圧電振動片 - Google Patents

Description

本発明は、ｎ本の振動腕それぞれが面外振動を行う圧電振動片に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、ＩＣカード等の小型情報機器や、携帯電話等の移動体通信機器では圧電振動子が広く採用されている。これらの圧電振動子（圧電振動片）は、製品の小型化に伴い一層の小型化が要求されている。

特に、圧電振動片の薄型化に関して、基部から平行に延在される複数の振動腕のそれぞれを面外振動させる振動モードを有する圧電振動片が提案されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。ここで、面外振動とは、圧電振動片が展開される面に対して垂直方向の振動を表す。

そして、このような面外振動モードを有する圧電振動片において、基材としての水晶の切り出し角の工夫や、３本の振動腕のうちの中央腕の幅を他の側腕の幅の１．５〜２．５倍とすることにより高精度化をはかり、基部に貫通孔を設けること、支持部を振動腕の連結部よりも細く形成することで漏れ振動の除去を目的とした圧電振動片が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−１９６８９１号公報（第４頁、図１，４，６） 永井健三、近野正著、コロナ社出版、電子回路素子としての電気・機械振動子とその応用（第１２頁、図１・２・２０（ａ）） Ｊ．Ｂａｂｏｒｏｗｓｋｉ，Ｃ．Ｂｏｕｒｇｅｏｉｓ，Ａ．Ｐｅｚｏｕｓ，Ｃ．Ｍｕｌｌｅｒ，Ｍ．Ａ＞Ｄｕｂｏｉｓ、２００７ ＩＥＥＥ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｎｔｒｏｌ Ａｉｍｐｏｓｉｕｍ、Ｊｏｉｎｎｔｒｙ Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ２１ｓｔ Ｅｒｏｐｉａｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｎｃｙ Ａｎｄ Ｔｉｍｅ Ｆｏｒｕｍ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｐ１２１０−１２１３、ＩＳＢＮ：１−４２４４−０６４７−１

このような非特許文献１，２では、３本の振動腕を面外振動させることで圧電振動子の薄型化をはかっているが、３本の振動腕それぞれの捩れによる漏れ振動を十分除去することはできない。

そこで、非特許文献２では、基部に貫通孔及び基部側面に切り欠き部を設けて漏れ振動が支持部に伝達されることを抑制する形態が図示されているが、振動腕自身の捩れは残留するため、漏れ振動除去効果としては不十分である。

また、上述した特許文献１では、側腕の幅に対して中央腕の幅を１．５〜２．５倍としている。具体的には、中央腕の質量を側腕の質量の略２倍として互いの共振周波数の差（ｄｆ）を小さくしているが、面外振動における各振動腕の捩れによる漏れ振動は、捩れモーメントの影響を受けることから質量の調整だけでは捩れモーメントに差異が生じ、捩れによる漏れ振動を除去することは困難であると考えられる。

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

［適用例１］本適用例に係る圧電振動片は、直交するＸＹ平面に展開され、支持部に連続する基部と、前記基部の１辺から互いに離間してＸ方向に並列されると共にＹ方向に延在されるｎ（ｎ＞３）本の振動腕と、を有する振動体と、前記振動腕それぞれの主面に設けられ励振信号が印加されることによりＹ方向に伸縮する薄膜圧電素子と、が備えられ、前記ｎ本の振動腕のうち隣り合う振動腕が互いに逆方向の面外振動を行い、前記振動体のＸ方向の中心軸に対して発生する前記ｎ本の振動腕それぞれの捩れモーメントの総和が略０であることを特徴とする。また、他の態様では、基部と、前記基部の一端から互いに離間して第１方向に並列されると共に前記第１方向に直交する第２方向に延在されるｎ（ｎ≧３）本の振動腕と、を有する振動体と、前記振動腕のそれぞれの主面には、励振信号が印加されることにより伸縮する薄膜圧電素子が備えられ、前記振動腕は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に対し法線方向に振動し、且つ、前記ｎ本の振動腕のうち隣り合う振動腕は、互いに逆方向に振動し、前記振動体の前記第１方向の中心軸に対して発生する前記ｎ本の振動腕の捩れモーメントの総和が零であることを特徴とする。

ここで、主面とは、ＸＹ平面に平行な面であって、振動腕の主面である。
また、捩れモーメントの総和を略０にする手段としては、上述の中心軸からの各振動腕の距離と質量の積を調整することで実現可能である。

このような構成によれば、振動体の中心軸に対して発生する前記ｎ本の振動腕それぞれの捩れモーメントの総和を略０とすることにより、捩れモーメントの影響による漏れ振動を除去することができることから、薄型化及び高精度の圧電振動片を実現できる。また、このようにすれば、振動腕の数をｎ＞４とする構成に対しても効果がある。

［適用例２］上記適用例に係る圧電振動片は、前記ｎ本の振動腕のうち前記中心軸から外側方向の振動腕の幅が順次縮小されていることが好ましい。また、他の態様では、前記第１方向の両端に配置された前記振動腕の幅は、内側に配置された前記振動腕の幅よりも縮小されていることを特徴とする。
ここで、振動腕の幅とは、振動腕のＸ方向の長さである。

［適用例３］また、上記適用例に係る圧電振動片は、前記ｎ本の振動腕のうち前記中心軸から外側方向の振動腕の厚さが順次縮小されていることが望ましい。また、他の態様では、前記第１方向の両端に配置された前記振動腕の厚さは、内側に配置された前記振動腕の厚さよりも縮小されていることを特徴とする。
ここで、振動腕の厚さとは、ＸＹ平面に直交するＺ方向の振動腕長さである。

上記適用例２，３に記載の構成によれば、捩れモーメントの総和を略０とする具体的手段として振動腕の幅または厚さを調整することにより、捩れモーメントの総和を略０とすることができる。このような手段は、各振動腕がエッチング法等の加工手段で容易に、しかも高精度に形成できるという効果もある。

また、中心軸から外側方向の振動腕の幅を順次縮小することにより、薄膜圧電素子の幅（平面積）も縮小される。従って、振動腕の数を３本以上に増加させても薄膜圧電素子の総容量の増加を抑えることができ、安定した共振振動を持続することができるという効果がある。
なお、各振動腕の幅または厚さは振動腕全体を一様にしてもよく、部分的に調整する構成としてもよい。

［適用例４］上記適用例に係る圧電振動片は、前記振動腕の少なくとも一本の主面には窪みが設けられ、前記窪みの内部に前記薄膜圧電素子が設けられていることが好ましい。

このような構成にすれば、振動腕に形成される窪み内に薄膜圧電素子を設けることにより、より一層、圧電振動片の薄型化を実現できる。

［適用例５］上記適用例に係る圧電振動片は、前記振動腕の面であって、前記薄膜圧電素子が形成された主面に対向する裏面に、前記薄膜圧電素子に対向するカウンタ膜が設けられていることが好ましい。また、他の態様では、前記振動腕の前記主面に対向する面に、前記薄膜圧電素子と平面視で重なるようにカウンタ膜が設けられていることを特徴とする。
なお、カウンタ膜としては、例えば、金属膜を用いることができる。また、上述の薄膜圧電素子に対向する薄膜圧電素子を設ける構造としてもよい。

振動腕の主面に薄膜圧電素子を設けることにより、振動腕に反りが発生することが考えられるが、裏面側にカウンタ膜を設けることにより、振動腕の反りを抑制することができる。また、裏面側にも薄膜圧電素子を設ける構成とし、主面側の薄膜圧電素子と逆位相の伸縮を行うようにすれば、反り防止効果と、振動効率を高めることができるという効果がある。

［適用例６］上記適用例に係る圧電振動片は、互いに隣り合う振動腕の間の前記基部に溝が設けられていることが好ましい。

このような構成にすれば、振動腕の間に溝を設けることにより、隣り合う薄膜圧電素子間に電界が発生することを防止し、隣り合う振動腕の共振振動への影響を抑制することができる。

［適用例７］上記適用例に係る圧電振動片は、前記ｎ本の振動腕と前記基部との連結部近傍に厚さ方向の貫通孔、または／及び前記基部と前記支持部の間の両側側面に窪みが設けられていることが好ましい。

このような構成によれば、各振動腕の捩れモーメントの総和を略０とすることと、さらに、上述した貫通孔または窪みを基部と支持部の間に設けることにより、漏れ振動が支持部まで伝達することを抑制することができ、高精度の圧電振動片を提供することができる。

［適用例８］上記適用例に係る圧電振動片は、前記振動体が水晶からなることが好ましい。

水晶は、周波数温度特性に優れており、振動体として水晶を用いることにより、周波数温度特性が優れた高精度の圧電振動片を実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は実施形態１に係る圧電振動片を示し、図２，３は実施形態２、図４は実施形態３、図５は実施形態４、図６は実施形態６、図７は実施形態７、図８は実施形態８、図９は実施形態９を示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）

図１は実施形態１に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面説明図、（ｃ）は振動モードを示す説明図である。図１（ａ），（ｂ）において、圧電振動片１００は、直交するＸＹ平面に展開され、図示しないパッケージ等の基台に固定される支持部１２に連続する基部１１と、基部１１の１辺から互いに離間してＸ方向に並列されると共にＹ方向に互いに平行に延在される３本の振動腕１３，１４，１５とを有する振動体１０と、振動腕１３，１４，１５のそれぞれの主面に設けられ励振信号が印加されることによりＹ方向に伸縮する薄膜圧電素子６２，６１，６３と、が備えられて構成されている。

本実施形態では、振動体１０は水晶からなり、Ｘ軸は電気軸、Ｙ軸は機械軸、Ｚ軸は光学軸を表す水晶Ｚ板を例示している。但し、水晶のカット角は特に限定されず、振動腕１３〜１５が面外振動をするために最も振動効率の高い適正なカット角で切り出される。

振動体１０は、薄膜圧電素子６１〜６３を含んで幅方向（Ｘ方向）の中央の中心軸Ｐ０に対して線対称形である。本実施形態の場合、振動体１０の厚さ（Ｚ方向の長さ）は一定である。従って、振動腕１４，１５の幅（幅ｗ₁で表される）は等しく、中心軸Ｐ０から振動腕１４の中心軸Ｐ１までの距離と、中心軸Ｐ０から振動腕１５の中心軸Ｐ２までの距離（共に距離Ｌ₁で表される）は等しい。振動腕１３の幅はｗ₀、振動腕１３〜１５の実効長さは、長さＬ₀で表される。また、振動腕１４，１５の幅ｗ₁は、中央の振動腕１３の幅ｗ₀よりも縮小されている。

薄膜圧電素子６２は、振動腕１３の主面側から下部電極３２、圧電薄膜５２、上部電極４２の順に積層形成されている。また、薄膜圧電素子６１は、振動腕１４の主面側から下部電極３１、圧電薄膜５１、上部電極４１の順に積層形成され、薄膜圧電素子６３は、振動腕１５の主面側から下部電極３３、圧電薄膜５３、上部電極４３の順に積層形成されている。

次に、図１（ｂ）を参照して、各下部電極及び上部電極の接続構成について説明する。下部電極３１，３３及び上部電極４２とが接続され第１電極群を構成し接続電極８１に接続されている。また、下部電極３２と上部電極４１，４３とが接続され第２電極群を構成し接続電極８２に接続されている。

続いて、本実施形態の振動モードについて図１（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。なお、本実施形態では、圧電薄膜５１〜５３の分極方向を共通にしている。第１電極群及び第２電極群それぞれに逆位相の電圧を印加すると、圧電薄膜５２が縮小して中央の振動腕１３が＋Ｚ方向に変位するとき（振動腕１３´で表す）、両側の圧電薄膜５１，５３は伸張して振動腕１４，１５は−Ｚ方向に変位する（振動腕１４´，１５´で表す）。従って、上述した電圧と逆相の電圧を印加すると、振動腕１３は−Ｚ方向に、振動腕１４，１５は＋Ｚ方向に変位する。こうして３本の振動腕のうちの隣り合う振動腕が互いに逆方向の面外振動を行う。

この際、中心軸Ｐ０と振動体１０の厚さ（Ｚ方向）中心との交点である中心点Ｇ０を中心として中心軸Ｐ０から振動腕１４側では、振動腕１４に反時計周りの捩れモーメント＋Ｍ₁が発生する。捩れモーメント＋Ｍ₁は、Ｍ₁＝ρｈｗ₁Ｌ₀Ｌ₁によって求められる。ここで、水晶の密度ρ、振動腕の厚さｈとする。この際、ρｈｗ₁Ｌ₀は振動腕１４の質量であり、捩れモーメントＭ₁は振動腕１４の質量と振動腕の長さＬ₀の積によって求められる。そして、振動腕１３には、捩れモーメント＋Ｍ₁を抑制しようとする反力としての時計周りの捩れモーメント−Ｍ₀が発生する。

また、中心軸Ｐ０から振動腕１５側では、振動腕１５には振動腕１４と同様な計算式によって求められる時計周りの捩れモーメント−Ｍ₁が発生し、振動腕１３に、捩れモーメント−Ｍ₁を抑制しようとする反力としての反時計周りの捩れモーメント＋Ｍ₀が発生する。

従って、振動腕１４，１５に発生する捩れモーメント±Ｍ₁と反力として発生する捩れモーメント±Ｍ₀の総和は０となる。振動体１０の中心軸Ｐ０に対して発生する３本の振動腕１３〜１５それぞれの捩れモーメントの総和を略０とすることにより、捩れモーメントの影響による漏れ振動の発生を除去することができることから、薄型化及び高精度の圧電振動片を実現できる。

また、振動体１０の基材として水晶を用いることにより、周波数温度特性が優れた高精度の圧電振動片１００を実現できる。

なお、振動体１０の基材としての材質は、水晶の他にＳｉ、ＧａＰ４等を採用することができ、圧電薄膜５１〜５３の材質としては、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）等を採用できるが、基材よりも電気結合係数が大きい材料を採用することがより好ましい。
（実施形態２）

次に、実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２では、振動腕を３本より多い奇数本とする場合を振動腕５本とした構成を例示している。
図２は、実施形態２に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図である。図２（ａ），（ｂ）において、圧電振動片１００は、支持部１２に連続する基部１１と、基部１１の１辺から互いに離間してＸ方向に並列されると共にＹ方向に互いに平行に延在される５本の振動腕１３〜１７とを有する振動体１０と、振動腕１３〜１７のそれぞれの主面に設けられ励振信号が印加されることによりＹ方向に伸縮する薄膜圧電素子６１〜６５と、が備えられ構成されている。

圧電振動片１００は、薄膜圧電素子６１〜６５を含めて中心軸Ｐ０に対して線対称形である。そして、振動腕１３には薄膜圧電素子６１、振動腕１４には薄膜圧電素子６２、振動腕１５には薄膜圧電素子６３、振動腕１６には薄膜圧電素子６４、振動腕１７には薄膜圧電素子６５がそれぞれ設けられている。薄膜圧電素子６１〜６５はそれぞれ、下部電極と圧電薄膜と上部電極とから構成されており、これらの構成と接続構成は前述した実施形態１（図１（ｂ）、参照）と同構成及び同じ考え方で接続されているため図示及び説明を省略する。

次に、本実施形態の振動腕１３〜１７の振動モードについて説明する。本実施形態においても各圧電薄膜は分極方向を同じにしている。従って、振動腕１３が＋Ｚ方向に変位する（振動腕１３´で表す）とき、隣り合う振動腕１４，１５は−Ｚ方向に変位（振動腕１４´，１５´で表す）し、また、振動腕１４，１５の外側の振動腕１６，１７は＋Ｚ方向に変位する（振動腕１６´，１７´で表す）。

この際、振動腕１４には中心点Ｇ０に対して反時計回りの捩れモーメント＋Ｍ₁が発生し、振動腕１６には時計回りの捩れモーメント−Ｍ₂が発生する。同様に、振動腕１５には時計回りの捩れモーメント−Ｍ₁が発生し、振動腕１７には反時計周りの捩れモーメント＋Ｍ₂が発生する。振動腕１４に発生する捩れモーメント＋Ｍ₁は、Ｍ₁＝ρｈｗ₁Ｌ₀Ｌ₁で表される。また、振動腕１６に発生する捩れモーメント−Ｍ₂の大きさは、Ｍ₂＝ρｈｗ₂Ｌ₀Ｌ₂で表わされる。なお、振動腕１６の幅をｗ₂、中心軸Ｐ０から振動腕１６の中心軸Ｐ３までの距離をＬ₂で表している。

ここで、本実施形態では、捩れモーメントの大きさをＭ₁＝Ｍ₂（共に絶対値）となるように、振動腕１４の幅ｗ₁と距離Ｌ₁と、振動腕１６の幅ｗ₂と距離Ｌ₂とを設定している。圧電振動片１００は、中心軸Ｐ０に対して線対称形であるため、振動腕１５，１７についても同じ関係となることから、発生方向を加味した捩れモーメント±Ｍ₁と捩れモーメント±Ｍ₂の総和は０となる。

この際、各振動腕の幅寸法の関係は、ｗ₀＞ｗ₁＞ｗ₂となるよう中心腕としての振動腕１３（中心軸Ｐ０）から外側に向かって順次縮小されている。従って、各圧電薄膜の幅寸法においても薄膜圧電素子６１から外側に向かって順次縮小されている。
なお、振動腕の数（薄膜圧電素子の数）を増やしても薄膜圧電素子の総容量Ｃ₀は、振動腕の数ほど増加しないことを図面を参照して説明する。

図３は、振動腕の数（ｎ）と総容量Ｃ₀の増加について模式的に表すグラフである。このグラフで表すように、振動腕の数が増加するに従い、総容量Ｃ₀は増加量（変化量）が減少していく。

従って、振動腕が３本から５本に増加させても捩れモーメントの大きさの総和を０に近づけるように振動腕１４〜１７の幅及びそれぞれの中心軸Ｐ０からの距離Ｌ₁，Ｌ₂を設定することにより、捩れモーメントの影響を除去し、高精度な圧電振動片を実現することができる。

また、本実施形態の構成は、振動腕の数を奇数本とし、且つ、５本以上にしても同様な効果を奏し、数が多ければ、微調整がしやすくなることが予測できる。さらに、中心軸から外側方向の振動腕の幅を順次縮小することにより、薄膜圧電素子の幅（平面積）も縮小される。従って、振動腕の数を５本以上に増加させても薄膜圧電素子の総容量Ｃ₀の増加を抑えることができ、安定した共振振動を持続できるという効果がある。
（実施形態３）

続いて、実施形態３について図面を参照して説明する。実施形態３は、振動腕の数を３本以上の偶数本にしていることに特徴を有する。
図４は、実施形態３に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図である。図３（ａ），（ｂ）において、圧電振動片１００は、支持部１２に連続する基部１１と、基部１１の１辺から互いに離間してＸ方向に並列されると共にＹ方向に互いに平行に延在される４本の振動腕１８〜２１とを有する振動体１０と、振動腕１８〜２１のそれぞれの主面に設けられ励振信号が印加されることによりＹ方向に伸縮する薄膜圧電素子６４〜６７と、が備えられ構成されている。

圧電振動片１００は、薄膜圧電素子６４〜６７を含めて中心軸Ｐ０に対して線対称形である。そして、振動腕１８には薄膜圧電素子６４、振動腕１９には薄膜圧電素子６５、振動腕２０には薄膜圧電素子６６、振動腕２１には薄膜圧電素子６７が設けられている。薄膜圧電素子６４〜６７はそれぞれ、下部電極と圧電薄膜と上部電極とから構成されており、これらの構成と接続構成は前述した実施形態１（図１（ｂ）、参照）と同構成及び同じ考え方で接続され第１電極群と第２電極群とが構成されるため図示及び説明を省略する。

次に、本実施形態の振動腕１８〜２１の振動モードについて説明する。本実施形態においても各圧電薄膜は分極方向を同じにしている。従って、振動腕１８が＋Ｚ方向に変位する（振動腕１８´で表す）とき、隣り合う振動腕２０は−Ｚ方向に変位（振動腕２０´で表す）し、振動腕１９は−Ｚ方向に変位する（振動腕１９´で表す）。さらに、振動腕１９の外側にて隣り合う振動腕２１は、振動腕１９とは逆方向の＋Ｚ方向に変位する（振動腕２１´で表す）。

この際、振動腕１８には中心点Ｇ０に対して時計回りの捩れモーメント−Ｍ₃が発生し、振動腕１９には時計回りの捩れモーメント−Ｍ₄が発生する。同様に、振動腕２０には反時計回りの捩れモーメント＋Ｍ₅が発生し、振動腕２１には反時計周りの捩れモーメント＋Ｍ₆が発生する。振動腕１８に発生する捩れモーメント−Ｍ₃の大きさは、Ｍ₃＝ρｈｗ₀Ｌ₀Ｌ₁で表される（振動腕１８の幅ｗ₀、中心点Ｇ０から振動腕１８の中心軸Ｐ１までの距離Ｌ₁とする）。また、振動腕２０に発生する捩れモーメント＋Ｍ₅の大きさは、Ｍ₅＝ρｈｗ₁Ｌ₀Ｌ₂で表わされる（振動腕２０の幅をｗ₁、中心軸Ｐ０から振動腕２０の中心軸Ｐ３までの距離をＬ₂とする）。

ここで、本実施形態では、捩れモーメントの大きさをＭ₃＝Ｍ₅（共に絶対値）となるように、振動腕１８の幅ｗ₀と距離Ｌ₁、振動腕２０の幅ｗ₁と距離Ｌ₂とを設定している。圧電振動片１００は、中心軸Ｐ０に対して線対称形であるため、振動腕１９，２１についても同じ関係となることから、発生方向を加味した捩れモーメントＭ₃〜Ｍ₆の捩れモーメントの総和は０となる。
この際、各振動腕の幅寸法の関係は、ｗ₀＞ｗ₁となるよう振動腕１８〜２１が設定されている。
（実施形態４）

続いて、振動腕を偶数本として前述した実施形態３よりも多く有する実施形態４について図面を参照して説明する。
図５は、実施形態４に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図である。図５（ａ），（ｂ）において、圧電振動片１００は、支持部１２に連続する基部１１と、基部１１の１辺から互いに離間してＸ方向に並列されると共にＹ方向に互いに平行に延在される６本の振動腕１８〜２３とを有する振動体１０と、振動腕１８〜２３のそれぞれの主面に設けられ励振信号が印加されることによりＹ方向に伸縮する薄膜圧電素子６４〜６９と、が備えられ構成されている。

圧電振動片１００は、薄膜圧電素子６４〜６９を含めて中心軸Ｐ０に対して線対称形である。そして、振動腕１８には薄膜圧電素子６４、振動腕１９には薄膜圧電素子６５、振動腕２０には薄膜圧電素子６６、振動腕２１には薄膜圧電素子６７、振動腕２２には薄膜圧電素子６８、振動腕２３には薄膜圧電素子６９が設けられている。薄膜圧電素子６４〜６９はそれぞれ、下部電極と圧電薄膜と上部電極とから構成されており、これらの構成と接続構成は前述した実施形態１（図１（ｂ）、参照）と同構成及び同じ考え方で接続され第１電極群と第２電極群とが構成されるため図示及び説明を省略する。

次に、本実施形態の振動腕１８〜２３の振動モードについて説明する。本実施形態においても各圧電薄膜は分極方向を同じにしている。従って、振動腕１８が＋Ｚ方向に変位する（振動腕１８´で表す）とき、隣り合う振動腕２０は−Ｚ方向に変位（振動腕２０´で表す）し、さらに、振動腕２０の外側の振動腕２０と隣り合う振動腕２２は、振動腕２０とは逆方向の＋Ｚ方向に変位する（振動腕２２´で表す）。

一方、振動腕１８と隣り合う振動腕１９は、振動腕１８とは逆方向の−Ｚ方向に変位し（振動腕１９´で表す）、隣り合う振動腕２１は＋Ｚ方向に変位し（振動腕２１´で表す）、さらに、振動腕２１の外側の振動腕２１と隣り合う振動腕２３は、振動腕２１とは逆方向の−Ｚ方向に変位する（振動腕２３´で表す）。

この際、振動腕１８には中心点Ｇ０に対して時計回りの捩れモーメント−Ｍ₃が発生し、振動腕１９には時計回りの捩れモーメント−Ｍ₄が発生する。同様に、振動腕２０には反時計回りの捩れモーメント＋Ｍ₅が発生し、振動腕２１には反時計周りの捩れモーメント＋Ｍ₆が発生する。また、振動腕２２には時計回りの捩れモーメント−Ｍ₇が発生し、振動腕２３には時計周りの捩れモーメント−Ｍ₈が発生する。

振動腕１８に発生する捩れモーメント−Ｍ₃の大きさは、Ｍ₃＝ρｈｗ₀Ｌ₀Ｌ₁で表わされる（振動腕１８の幅ｗ₀、中心点Ｇ０から振動腕１８の中心軸Ｐ１までの距離Ｌ₁とする）。また、振動腕２０に発生する捩れモーメント＋Ｍ₅の大きさは、Ｍ₅＝ρｈｗ₁Ｌ₀Ｌ₂で表される（振動腕２０の幅をｗ₁、中心軸Ｐ０から振動腕２０の中心軸Ｐ３までの距離をＬ₂とする）。また、振動腕２２に発生する捩れモーメント−Ｍ₇の大きさは、Ｍ₇＝ρｈｗ₂Ｌ₀Ｌ₃で表わされる（振動腕２２の幅をｗ₂、中心軸Ｐ０から振動腕２２の中心軸Ｐ５までの距離をＬ₃とする）。

一方、振動腕１９，２１，２３は、中心点Ｇ０に対して振動腕１８，２０，２２と線対称形をしている。従って、捩れモーメントの大きさ（絶対値）は、Ｍ₃＋Ｍ₇＝Ｍ₅、Ｍ₄＋Ｍ₈＝Ｍ₆の関係となるように、振動腕の幅ｗ₀，ｗ₁，ｗ₂及び中心軸Ｐ０からの距離Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃を設定する。圧電振動片１００は、中心軸Ｐ０に対して線対称形であるため、捩れモーメントの発生方向を加味した捩れモーメントＭ₃〜Ｍ₈の総和は０となる。
この際、各振動腕の幅寸法の関係は、ｗ₀＞ｗ₁＞ｗ₂となるよう振動腕１８〜２３が設定される。

従って、実施形態３及び実施形態４では、振動腕が偶数本であって、且つ６本以上にしても同様な効果を奏し、数が多ければ、微調整がしやすくなることが予測できる。さらに、中心軸Ｐ０から外側方向の振動腕の幅を順次縮小することにより、薄膜圧電素子の幅（平面積）も縮小される。従って、振動腕の数を６本以上に増加させても薄膜圧電素子の総容量Ｃ₀の増加を抑えることができ、安定した共振振動を持続することができるという効果がある。
（実施形態５）

続いて、実施形態５に係る圧電振動片について説明する。なお、図示は省略する。前述した実施形態１〜実施形態４が捩れモーメントの除去手段として各振動腕の幅と中心軸Ｐ０からの距離の設定により行う構成に対し、本実施形態は、各振動腕の厚さで調整することを特徴とする。振動腕の厚さ調整においては、振動腕の全体厚さを変更する構成と、振動腕の部分厚さを調整する方法がある。

前述したように、中心点Ｇ０に対する捩れモーメントの大きさは、振動腕の質量と、中心点Ｇ０（または、中心軸Ｐ０）から振動腕の中心軸までの距離との積によって決定される。従って、振動腕の厚さにより質量を調整することにより捩れモーメントの大きさを調整し、圧電振動片の捩れモーメントの総和を０に近づけることにより、捩れモーメントの影響を最小に抑制することができる。

また、本実施形態では、振動腕の部分厚さを変更する構成としてもよい。例えば、振動腕には主面（表面）に薄膜圧電素子を設け、裏面側に、薄膜圧電素子に対向する位置に窪みを設け部分的に厚さを薄くする。窪みの大きさ（面積と深さ）及び位置は、各振動腕の捩れモーメントの総和が０となるように設定するが、窪みの位置は、各振動腕の最大応力発生位置に設けることが効果的である。

なお、各振動腕の厚さは、中心軸Ｐ０から外側方向に順次縮小するが、面外振動における各振動腕の共振周波数を一致させるために、振動腕の長さまたは幅も合わせて調整することが好ましい。
（実施形態６）

次に、実施形態６に係る圧電振動片について図面を参照して説明する。実施形態６は、振動腕の主面に窪みを形成し、その窪みの内部に薄膜圧電素子を設けていることに特徴を有する。振動腕１５を代表例示して説明する。
図６は、実施形態６に係る圧電振動片を示す側面図である。図６において、振動腕１５の主面には窪み７２が形成され、この窪み７２内に下部電極と圧電薄膜と上部電極からなる薄膜圧電素子６３が設けられている。

図６では、窪み７２の深さは、薄膜圧電素子６３の表面が振動腕１５の表面から僅かに突出する形状を例示しているが、薄膜圧電素子６３が振動腕１５の表面から突出しない深さにすることがより好ましい。
このような構成にすれば、圧電振動片１００のより一層の薄型化を実現できる。
（実施形態７）

続いて、実施形態７に係る圧電振動片について図面を参照して説明する。実施形態７は、振動腕の裏面にカウンタ膜を設けていることに特徴を有する。
図７は、実施形態７に係る圧電振動片を示す側面図である。振動腕１５を代表例示して説明する。振動腕１５の主面（表面）には、薄膜圧電素子６３が設けられている。そして、裏面側にはカウンタ膜７１が設けられている。

カウンタ膜７１は、薄膜圧電素子６３と対向して設けられ、薄膜より形成されている。カウンタ膜７１の材料は特に限定されず、金属膜、樹脂膜、セラミック膜、シリコン膜等から選択できる。

振動腕１５の主面に薄膜圧電素子６３を設けることにより、振動腕１５に反りが発生することが考えられるが、裏面側にカウンタ膜７１を設けることにより、振動腕の反りを抑制することができる。従って、カウンタ膜７１の材質は、上述した材料群のうちで、薄膜圧電素子６３と膨張率が近い材料とすることがより望ましい。

なお、カウンタ膜として薄膜圧電素子を用いる構成としてもよい。この構成では、振動腕の裏面側に、主面に設けられる薄膜圧電素子と対になる薄膜圧電素子が設けられる。表裏両面に薄膜圧電素子を設けることにより、振動腕の反りを防止すると共に、裏面側の薄膜圧電素子を主面側の薄膜圧電素子と逆位相となる伸縮を行うように各下部電極及び上部電極を接続すれば、一層、振動効率を高めることができるという効果がある。

振動腕の表裏両面に薄膜圧電素子を設ける構成では、前述した実施形態６（図６、参照）と同様に、振動腕の表裏両面に窪みを形成し、この窪み内に薄膜圧電素子を設ける構成にすれば、厚さを増加せずに高精度の圧電振動片を提供できる。
（実施形態８）

続いて、実施形態８に係る圧電振動片について図面を参照して説明する。実施形態８は、振動腕の連結部（基部）に、互いに隣り合う振動腕の間に溝が設けられていることを特徴とする。
図８は、実施形態８に係る圧電振動片を示す部分平面図である。実施形態１で示した振動腕が３本の場合（図１（ａ）も参照）を例示して説明する。図８において、振動腕１３と振動腕１４の間には溝７３、振動腕１３と振動腕１５の間には溝７４がそれぞれ設けられている。

溝７３，７４は、振動腕１３〜１５が基部１１において連結される位置に設けられており、薄膜圧電素子６１〜６３の端部位置よりも支持部１２側に近い位置の範囲に形成されている。

隣り合う各振動腕は、互いに逆位相となる面外振動を行うため、隣り合う下部電極には逆位相の電圧が印加される。従って、溝７３，７４を設けることにより、隣り合う下部電極間に電界が発生することを防止し、隣り合う振動腕の共振振動への影響を抑制することができる。

また、振動腕１３〜１５は、面外振動を行うことから、溝７３，７４を設けることにより、各振動腕間の漏れ振動の伝達を抑制し、高精度の圧電振動片を提供できる。
（実施形態９）

続いて、実施形態９に係る圧電振動片について図面を参照して説明する。実施形態９は、前述した実施形態１〜実施形態８の構成に加え、さらに基部または基部と支持部の間に漏れ振動を抑制するための貫通孔または窪みを設けていることに特徴を有する。実施形態１（図１（ａ）、参照）に記載の圧電振動片を例示して説明する。
図９は、実施形態９に係る圧電振動片を示す部分平面図である。図９において、振動腕１３〜１５と基部１１との連結部近傍に厚さ方向に貫通する貫通孔１１ａと、基部１１と支持部１２との間の両側側面に窪み１２ａが設けられている。

なお、貫通孔１１ａと窪み１２ａとは、いずれか一方を設ける構成としてもよく、図９に示すように両方設ける構造としてもよい。

前述した実施形態１〜実施形態８で記載したように各振動腕の捩れモーメントの総和を略０とすることに加え、さらに、貫通孔１１ａ、窪み１２ａを設けることにより、漏れ振動が支持部まで伝達することを抑制することができ、より一層高精度の圧電振動片を提供することができる。

実施形態１に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面説明図、（ｃ）は振動モードを示す説明図。 実施形態２に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図。 振動腕の数（ｎ）と総容量Ｃ₀の増加について模式的に表すグラフ。 実施形態３に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図。 実施形態４に係る圧電振動片を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は振動モードを示す説明図。 実施形態６に係る圧電振動片を示す側面図。 実施形態７に係る圧電振動片を示す側面図。 実施形態８に係る圧電振動片を示す部分平面図。 実施形態９に係る圧電振動片を示す部分平面図。

符号の説明

１０…振動体、１１…基部、１２…支持部、１３〜１５…振動腕、６１〜６３…薄膜圧電素子、１００…圧電振動片。

Claims (6)

1. 基部と、
   前記基部の一端から互いに離間して第１方向に並列されると共に前記第１方向に直交する第２方向に延在されるｎ（ｎ≧３）本の振動腕と、を有する振動体と、
   前記振動腕のそれぞれの主面には、励振信号が印加されることにより伸縮する薄膜圧電素子が備えられ、
   前記振動腕は、前記第１方向と前記第２方向とを含む平面に対し法線方向に振動し、且つ、前記ｎ本の振動腕のうち隣り合う振動腕は、互いに逆方向に振動し、
   前記振動体の前記第１方向の中心軸に対して発生する前記ｎ本の振動腕の捩れモーメントの総和が零であることを特徴とする圧電振動片。
2. 請求項１に記載の圧電振動片において、
   前記第１方向の両端に配置された前記振動腕の幅は、内側に配置された前記振動腕の幅よりも縮小されていることを特徴とする圧電振動片。
3. 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方向の両端に配置された前記振動腕の厚さは、内側に配置された前記振動腕の厚さよりも縮小されていることを特徴とする圧電振動片。
4. 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、
   前記振動腕の少なくとも一本の主面には窪みが設けられ、
   前記窪みの内部に前記薄膜圧電素子が設けられていることを特徴とする圧電振動片。
5. 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、
   前記振動腕の前記主面に対向する面に、前記薄膜圧電素子と平面視で重なるようにカウンタ膜が設けられていることを特徴とする圧電振動片。
6. 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、
   互いに隣り合う振動腕の間の前記基部に溝が設けられていることを特徴とする圧電振動片。

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