JP5080616B2 - 音叉型圧電振動片及び圧電デバイス - Google Patents

音叉型圧電振動片及び圧電デバイス Download PDF

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Description

本発明は、一対の振動腕を有する音叉型圧電振動片、および音叉型圧電振動片をキャビティ内に有する圧電デバイスに関する。
圧電振動片は腕時計等の歩度を刻む信号源として知られている。近年では携帯型の電子機器に同期信号源として採用されており、これらの圧電振動片には特に、正確に振動し、さらに小電力で動作する音叉型圧電振動片が用いられている。
音叉型圧電振動片は、基部及び基部から所定方向に伸びる一対の振動腕により構成されている。また、振動腕には溝部及び励振電極が形成されている。特許文献1では、溝部を振動腕の長さ方向に2つに分割し、各溝部の長さを調節することにより衝撃に強く、CI(クリスタルインピーダンス)値が良好な音叉型水晶振動片が開示されている。
特開2006−246449号公報
しかし音叉型圧電振動片は、より安定した振動を得るため更なるCI値の低減が求められている。
本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、振動腕の溝部の長さの比を調節しCI値が低く抑えられた音叉型圧電振動片及び圧電デバイスを提供することを目的とする。
第1観点の音叉型圧電振動片は、圧電材料により形成された基部と、基部から所定方向に伸びる一対の振動腕と、を備え、振動腕の表面及び裏面には、基部側に第1励振溝部と、振動腕の先端側に第2励振溝部と、第1励振溝部と第2励振溝部とを仕切る仕切部とが形成され、第1励振溝部の基部側から第2励振溝部の先端までの所定方向の長さL1と第1励振溝部の前記所定方向の長さL2との比L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%から65%である。
第2観点の音叉型圧電振動片は、振動腕の所定方向への長さが1300μmから1700μmである。
第3観点の音叉型圧電振動片は、第1観点または第2観点において、一対の振動腕の両外側で基部から所定方向に伸びる一対の支持腕と、を備える。
第4観点の音叉型圧電振動片は、第3観点において、一対の支持腕及び基部を囲むようにして形成された枠体と、支持腕の先端側の一部に接続し一対の支持腕と枠体とを接続する接続腕と、を備える。
第5観点の圧電デバイスは、第1観点から第3観点に記載の音叉型圧電振動片と、音叉型圧電振動片を内に載置するパッケージと、パッケージ内を密封するリッドと、を備える。
第6観点の圧電デバイスは、第4観点に記載の音叉型圧電振動片と、枠体の裏面と接合されるベースと、枠体の表面と接合されるリッドと、を備え、一対の振動腕と、前記基部と、一対の支持腕と、接続腕と、を枠体と、ベースと、リッドと、により密封している。
本発明によれば、CI値が低く抑えられた音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動片を用いた圧電デバイスを提供できる。
(a)は、圧電デバイス100の斜視図である。 (b)は、圧電デバイス100の断面図である。 (c)は、音叉型圧電振動片30が載置されたパッケージ20の上面図である。 (a)は、音叉型圧電振動片30の平面図である。 (b)は、図2(a)のC−C断面図である。 音叉型圧電振動片30のL2/L1と、CI値との関係を示したグラフである。 音叉型圧電振動片230の平面図である。 (a)は、音叉型圧電振動片330が載置されたパッケージ320の上面図である。 (b)は、音叉型圧電振動片330の平面図である。 (c)は、図5(b)のD−D断面図である。 (a)は、圧電デバイス400の斜視図である。 (b)は、図6(a)のE−E分解断面図である。 (a)は、音叉型圧電振動片430の平面図である。 (b)は、図7(a)のF−F断面図である。
(第1実施例)
<圧電デバイス100>
図1(a)は、圧電デバイス100の斜視図である。圧電デバイス100は、リッド10、パッケージ20、及びパッケージ20内に載置されている音叉型圧電振動片30(図1(b)参照)により構成されている。以下、パッケージ20の長辺方向であり音叉型圧電振動片30の振動腕32(図1(c)参照)が伸びている方向をY軸方向、パッケージ20の短辺方向であり一対の振動腕32が並んでいる方向をX軸方向、X軸方向とY軸方向とに垂直な方向をZ軸方向として説明する。
パッケージ20は、内側にキャビティ24(図1(b)参照)が形成されており、音叉型圧電振動片30が載置されている。また、パッケージ20の−Z軸側の面には外部電極21が形成されている。リッド10は、パッケージ20の中を密封するようにパッケージ20の+Z軸側に配置されている。
図1(b)は、圧電デバイス100の断面図である。図1(b)は、図1(a)および図1(c)のA−Aにおける断面図になっている。パッケージ20の内側にはキャビティ24が形成されており、キャビティ24内には接続電極22が形成されている。接続電極22は導電部23を通して外部電極21に電気的に接続されている。また、キャビティ24には音叉型圧電振動片30が載置されている。音叉型圧電振動片30は、接続電極22と導電性接着剤41を通して接続されている。
図1(c)は、音叉型圧電振動片30が載置されたパッケージ20の上面図である。また、図1(c)は、図1(b)のB−B断面図である。音叉型圧電振動片30は、基部31と、基部31より伸びる一対の振動腕32とを有している。また、パッケージ20内には2カ所に接続電極22が形成されている。音叉型圧電振動片30は、基部31において接続電極22と接続されている。
<音叉型圧電振動片30>
図2(a)は、音叉型圧電振動片30の平面図である。また、図2(b)は図2(a)のC−C断面図である。以下、図2(a)及び図2(b)を参照して音叉型圧電振動片30について説明する。
音叉型圧電振動片30は、基部31と基部31から互いに平行に伸びている一対の振動腕32とを備えている。また、音叉型圧電振動片30は圧電材料CRを基材としている。圧電材料CRの表面には電極が形成される。電極として用いられる金(Au)又は銀(Ag)は圧電材料CRに直接形成することが困難であるため、圧電材料CRの表面に電極と同じ形状に第1層36を形成し、第1層36の表面上に第2層37を形成している。圧電材料CRには、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等が用いられる。また、第1層36の材料には、Cr、Ni等が用いられ第2層37の材料には金(Au)、銀(Ag)等が用いられる。
各振動腕32には、底を有する溝部が形成されている。振動腕32の基部31側には第1励振溝部33が形成されており、振動腕32の先端方向には第2励振溝部34が形成されている。第1励振溝部33の基部31側の端部は基部31と振動腕32との境界に位置している。また、第1励振溝部33及び第2励振溝部34は振動腕32の表面(+Z軸側の面)及び裏面(−Z軸側の面)に形成されている。これらの振動腕32における各溝部は、クリスタルインピーダンス値(CI値)の上昇を抑える。また、第1励振溝部33と第2励振溝部34との間には仕切部35が形成されており、第1励振溝部33と第2励振溝部34との間を仕切っている。仕切部35は、振動腕32の衝撃に対する強度を強くしている。
また、音叉型圧電振動片30には、互いに電気的に接続されておらず、異なる電圧が印加される2つの電極が形成されている。一方の電極は、基部31の+X軸側に形成されている電極31Rと、+X軸側の振動腕32の第1励振溝部33、第2励振溝部34及び仕切部35以外の領域に形成されている電極32Rと、−X軸側の振動腕32の第1励振溝部33、第2励振溝部34及び仕切部35に形成されている電極38Lと、により形成されている。他方の電極は、基部31の−X軸側に形成されている電極31Lと、−X軸側の振動腕32の第1励振溝部33、第2励振溝部34及び仕切部35以外の領域に形成されている電極32Lと、+X軸側の振動腕32の第1励振溝部33、第2励振溝部34及び仕切部35に形成されている電極38Rと、により形成されている。図2(a)では、同じ電位の電極に対して、同じ模様のハッチングを描いている。
音叉型圧電振動片30の各部の寸法を図2(a)及び図2(b)を参照して示すと、振動腕32のX軸方向の幅W1は100μm、溝部の幅W2は70μm、基部31の幅W3は500μmである。また、仕切部35のY軸方向の長さdは15μm、振動腕32の長さL0は1650μm、基部31の長さL3は600μmである。
<実験>
振動腕32に形成される第1励振溝部33及び第2励振溝部34は、その長さの比によってCI値が大きく変わってくる。そのため、実験として、第1励振溝部33、第2励振溝部34及び仕切部35を含めた全体のY軸方向への長さをL1、第1励振溝部33のY軸方向への長さをL2とし、様々な比L2/L1の値におけるCI値を実測した。
図3は、音叉型圧電振動片30のL2/L1と、CI値との関係を示したグラフである。また、表1は、L1、L2、L2/L1、及びCI値を示している。以下に、図3及び表1を用いて、実験の結果を説明する。

実験は5つの条件にて行われた。各条件におけるサンプル数は50個である。また、表1中のCI値は、サンプル50個の平均値である。また、この実験例では、d=15μmなので、d/L1≒0.0184である。各条件をNo.1〜No.5とする。表1では、例えばNo.1は、L1を814.5μm、L2を320μmとして、L2/L1が39.29%となった場合のCI値は35.9kohmであった事を示している。また図3には、表1に示されたL2/L1とCI値との関係が示されている。図3からは、L2/L1を大きくするほどCI値が低くなっていくのが分かる。しかも、第1励振溝部33のY軸方向の長さL2と第2励振溝部34の同方向の長さとが同じよりもL2が長くなった方が(すなわち条件No.3を越えてNo.4の領域に入った方が)CI値の改善が図れる。しかし、No.3からNo.5の範囲では、L2/L1が大きくなるほどCI値の下がり幅が小さくなることが予想される。よって、L2/L1をNo.5の条件である58.93%以上に上げても大きなCI値の低減は期待できない。そのため、L2/L1としてはNo.3よりも大きくなること、すなわち、L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%以上の場合に良好なCI値が得られると考えられる。

他方、この出願に係る発明者の知見によれば、特許文献1に示されるように、L2/L1が35%〜65%の時に音叉型圧電振動片の耐衝撃性能が良好である。そのため、実験と特許文献1とを合わせて考えると、L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%〜65%の場合に音叉型圧電振動片の耐衝撃性能及びCI値が良好であるといえる。
(第2実施例)
<音叉型圧電振動片230>
音叉型圧電振動片30では、第1励振溝部33の基部31側の端部は基部31と振動腕32との境界に位置していた。しかし、第1励振溝部の基部側の端部は、基部側に入り込んで存在していても良い。以下に、第1励振溝部の一部分が基部に形成されている音叉型圧電振動片230について説明する。
図4は、音叉型圧電振動片230の平面図である。音叉型圧電振動片230は、基部231と、一対の振動腕232とにより構成されている。音叉型圧電振動片230の外形及びその寸法等は音叉型圧電振動片30と同一であるため、以下では、音叉型圧電振動片30と異なる点を重点的に説明する。
音叉型圧電振動片230の各振動腕232には、底を有する溝部が形成されている。振動腕232の基部231側には第1励振溝部233が形成されており、振動腕232の先端方向には第2励振溝部234が形成されている。第1励振溝部233の端部は基部231に長さL2bだけ−Y軸側に形成されている。また、第1励振溝部233及び第2励振溝部234は振動腕232の表面(+Z軸側の面)及び裏面(−Z軸側の面)に形成されている。また、第1励振溝部233と第2励振溝部234との間には仕切部235が形成されており、第1励振溝部233と第2励振溝部234との間を仕切っている。
第1励振溝部233、第2励振溝部234及び仕切部235を含めた全体のY軸方向への長さをL1、第1励振溝部233のY軸方向への長さをL2とし、L2bがL2の1割程度(例えば30μm)とする。このような構成であっても、比L2/L1は図3と同じような実験結果が得られた。すなわち、L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%〜65%の場合に音叉型圧電振動片の耐衝撃性能及びCI値が良好であるといえる。
(第3実施例)
<音叉型圧電振動片330>
音叉型圧電振動片30には、支持腕が形成されていても良い。以下、支持腕が形成された音叉型圧電振動片330について説明する。
図5(a)は、音叉型圧電振動片330が載置されたパッケージ320の上面図である。音叉型圧電振動片330は図1(a)に示した圧電デバイス100と同様の外形形状の圧電デバイス(不図示)を構成するパッケージ320内に載置され、リッド(不図示)によりパッケージ320内が密封される。パッケージ320は内側にキャビティ324が形成されており、キャビティ324には2つの接続電極322が形成されている。音叉型圧電振動片330は、基部331と、基部331より伸びる一対の振動腕332とを有している。また、音叉型圧電振動片330は、振動腕332の外側に振動腕332と平行に伸びている一対の支持腕336を有している。音叉型圧電振動片330は、支持腕336の先端部付近において接続電極322と接続されることによりキャビティ324内に固定される。一対の支持腕336で音叉型圧電振動片330を支持することで、振動腕332からの振動漏れの影響やパッケージ320外からの温度変化や衝撃の影響を小さくしている。
図5(b)は、音叉型圧電振動片330の平面図である。音叉型圧電振動片330は、基部331と、基部331から互いに平行に伸びている一対の振動腕332と、振動腕332の外側に振動腕332と平行に伸びている一対の支持腕336とを有している。
各振動腕332には、底を有する溝部が形成されている。振動腕332の基部331側には第1励振溝部333が形成されており、振動腕332の先端方向には第2励振溝部334が形成されている。第1励振溝部333の基部331側の端部は基部331と振動腕332との境界に位置している。また、第1励振溝部333及び第2励振溝部334は振動腕332の表面(+Z軸側の面)及び裏面(−Z軸側の面)に形成されている。また、第1励振溝部333と第2励振溝部334との間には仕切部335が形成されており、第1励振溝部333と第2励振溝部334との間を仕切っている。また、音叉型圧電振動片330には、互いに電気的に接続されておらず、異なる電圧が印加される2つの電極が形成されている。電極の形成のされ方は音叉型圧電振動片30と同様である。図5(b)では、同じ電位の電極に対して、同じ模様のハッチングを描いている。
音叉型圧電振動片330の各部の寸法は、振動腕332のX軸方向の幅W31は100μm、各溝部の幅W32は70μm、基部331及び支持腕336を合わせた幅W33は600〜800μm、支持腕336の幅W34は100μmである。また、支持腕336の長さL34は1200〜1500μmである。
図5(c)は、図5(b)のD−D断面図である。図5(c)では、第1励振溝部333と第2励振溝部334とが点線で示されている。音叉型圧電振動片330の振動腕332の長さL30は1650μm、仕切部335のY軸方向の長さd3は15μmである。
ここで第1励振溝部333、第2励振溝部334及び仕切部335を含めた全体のY軸方向への長さをL1、第1励振溝部333のY軸方向への長さをL2とする。一対の支持腕336を有する音叉型圧電振動片330であっても、比L2/L1は図3と同じような実験結果が得られた。すなわち、L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%〜65%の場合に音叉型圧電振動片の耐衝撃性能及びCI値が良好であるといえる。
(第4実施例)
<音叉型圧電振動片430>
音叉型圧電振動片330には、支持腕336及び基部331を囲むようにして枠体が形成されていても良い。以下に、枠体が形成された音叉型圧電振動片430及び音叉型圧電振動片430を備える圧電デバイス400について説明する。
図6(a)は、圧電デバイス400の斜視図である。圧電デバイス400は、音叉型圧電振動片430がリッド410とベース420とで上下を挟まれることにより形成されている。また、ベース420は、下部に外部電極421が形成されている。
図6(b)は、図6(a)のE−E分解断面図である。音叉型圧電振動片430は、基部431と、振動腕432と、支持腕436(図7(a)参照)と、接続腕438(図7(a)参照)と、これらを囲むようにして形成されている枠体437とにより構成されている。音叉型圧電振動片430は、リッド410及びベース420により枠体437を挟みこんで支えるようにして配置されている。リッド410及びベース420の音叉型圧電振動片430に向かいあう面には凹部が形成されており、この凹部は圧電デバイス400が形成された時にキャビティ424を形成する。音叉型圧電振動片430の枠体437以外の部分は、このキャビティ424に配置される。また、ベース420の+Z軸側の面には接続電極422が形成されている。接続電極422は、ベース420の内部を貫通する導通部(不図示)により外部電極421に電気的に接続されている。また、接続電極422は、音叉型圧電振動片430の枠体437に形成されている電極接合部439と電気的に接続される。
図7(a)は、音叉型圧電振動片430の平面図である。音叉型圧電振動片430は、基部431と、基部431から互いに平行に伸びている一対の振動腕432と、振動腕432の外側で振動腕432と平行に伸びている一対の支持腕436とを有している。そして音叉型圧電振動片430は、基部431、振動腕432及び支持腕436を囲むように形成されている枠体437と、支持腕436及び枠体437を接続している接続腕438とを有している。各振動腕432には、底を有する溝部が形成されている。振動腕432の基部431側には第1励振溝部433が形成されており、振動腕432の先端方向には第2励振溝部434が形成されている。第1励振溝部433の基部431側の端部は基部431と振動腕432との境界に位置している。また、第1励振溝部433及び第2励振溝部434は振動腕432の表面(+Z軸側の面)及び裏面(−Z軸側の面)に形成されている。また、第1励振溝部433と第2励振溝部434との間には仕切部435が形成されており、第1励振溝部433と第2励振溝部434との間を仕切っている。また、音叉型圧電振動片430には、互いに電気的に接続されておらず、異なる電圧が印加される2つの電極が形成されている。電極の形成のされ方は音叉型圧電振動片330と同様であり、音叉型圧電振動片430では支持腕に形成された電極が更に枠体437の角にまで伸びている。枠体437の角に形成されている電極接合部439において、音叉型圧電振動片430に形成されている電極と、ベース420の接続電極422とが電気的に接続されている。図7(a)でも、同じ電位の電極に対して、同じ模様のハッチングを描いている。
音叉型圧電振動片430の各部の寸法は、振動腕432のX軸方向の幅W41は100μm、各溝部の幅W42は70μm、基部431及び支持腕436を合わせた幅W43は600〜800μm、支持腕436の幅W44は100μmである。また、支持腕436の長さL44は1200〜1500μmである。
図7(b)は、図7(a)のF−F断面図である。図7(b)では、第1励振溝部433と第2励振溝部434とが点線で示されている。音叉型圧電振動片430の振動腕432の長さL40は1650μm、仕切部435のY軸方向の長さd4は15μmである。
第1励振溝部433、第2励振溝部434及び仕切部435を含めた全体のY軸方向への長さをL1、第1励振溝部433のY軸方向への長さをL2とする。枠体437を有する音叉型圧電振動片430であっても、比L2/L1は図3と同じような実験結果が得られた。すなわち、L2/L1が例えば51%以上、又は52%以上、好ましくは53%以上、より好ましくは54%〜65%の場合に音叉型圧電振動片の耐衝撃性能及びCI値が良好であるといえる。
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、音叉型圧電振動片330及び音叉型圧電振動片430では、音叉型圧電振動片230で示したように第1励振溝部が、基部内に入り込んで形成されていても良い。
また、振動腕の長さL0、L30およびL40は1650μmとし、また、振動腕の幅W1を100μm、溝部の幅W2を70μmとしたが、W1、W2および振動腕の長さL0、L30、L40は相互の関係を考慮し、すなわち振動周波数の関係からW1を小さくしたならばW2も小さくかつ振動腕の長さも短くする等、変更できる。ただし、腕の幅W1を70〜110μm程度とした場合、腕の長さは典型的には1300μm〜1700μmの範囲で調節することが可能である。
また仕切部35のY方向寸法dを15μmとしたが、これも変更できる。ただしこの出願に係る発明者の知見によればd/L1=0.01〜0.018が良い。
10、410 リッド
20、320 パッケージ
21、421 外部電極
22、322、422 接続電極
23 導通部
24、324、424 キャビティ
30、230、330、430 音叉型圧電振動片
31、231、331、431 基部
32、232、332、432 振動腕
33、233、333、433 第1励振溝部
34、234、334、434 第2励振溝部
35、235、335、435 仕切部
36 第1層
37 第2層
40 封止材
41 導電性接着剤
100、400 圧電デバイス
336、436 支持腕
420 ベース
437 枠体
438 接続腕
439 引出電極
CR 圧電材料

Claims (6)

  1. 圧電材料により形成された基部と、
    前記基部から所定方向に伸びる一対の振動腕と、を備え、
    前記振動腕の表面及び裏面には、前記基部側に第1励振溝部と、前記振動腕の先端側に第2励振溝部と、前記第1励振溝部と第2励振溝部とを仕切る仕切部とが形成され、
    前記第1励振溝部の基部側から前記第2励振溝部の先端までの所定方向の長さL1と前記第1励振溝部の前記所定方向の長さL2との比L2/L1が0.51から0.65であり、
    前記第1励振溝部の基部側の端部は、前記振動腕が前記基部から伸びる位置から前記基部方向に所定長さL2b伸びて形成されており、前記第1励振溝部の前記所定方向の長さL2と前記所定長さL2bとの比L2b/L2が0.1である音叉型圧電振動片。
  2. 前記振動腕の前記所定方向への長さが1300μmから1700μmである請求項1に記載の音叉型圧電振動片。
  3. 前記一対の振動腕の両外側で前記基部から前記所定方向に伸びる一対の支持腕、を備える請求項1または請求項2に記載の音叉型圧電振動片。
  4. 前記一対の支持腕及び前記基部を囲むようにして形成された枠体と、
    前記支持腕の先端側の一部に接続し、前記一対の支持腕と前記枠体とを接続する接続腕と、を備えた請求項3に記載の音叉型圧電振動片。
  5. 請求項1から請求項3に記載の音叉型圧電振動片と、
    前記音叉型圧電振動片を内に載置するパッケージと、
    前記パッケージ内を密封するリッドと、を備える圧電デバイス。
  6. 請求項4に記載の音叉型圧電振動片と、
    前記枠体の裏面と接合されるベースと、
    前記枠体の表面と接合されるリッドと、を備え、
    前記一対の振動腕と、前記基部と、前記一対の支持腕と、前記接続腕と、を前記枠体と、前記ベースと、前記リッドと、により密封している圧電デバイス。
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