JP5696751B2 - 振動片および振動子 - Google Patents

Description

本発明は、振動片および振動子に関するものである。

音叉型圧電振動片は、発振器等のタイミングデバイスなどに広く利用されている。音叉型圧電振動片は、基部から延出する一対の振動腕を有した形状を有する。音叉型圧電振動片が動作する際には、これら一対の振動腕は、接近・離間するように屈曲振動する。音叉型圧電振動片の振動腕には、励振用電極が設けられ、該励振用電極を介して駆動電圧が印加される。これにより、たとえば基準周波数信号などを取り出すことができるようになっている。音叉型圧電振動片は、発振器などを小型化する要請から、一層の小型化が求められている。特に、音叉型圧電振動片は、振動腕の延びる方向の全長を小さくすることが要求されている。

一般に、音叉型圧電振動片の共振周波数は、振動腕の長さの二乗に反比例し、腕幅に比例する。このことは、音叉型圧電振動片の振動腕の長さを短くすることによって小型化しようとした場合、共振周波数を一定に保つためには、腕幅を十分に小さくしなければならないということを示している。

音叉型圧電振動片の小型化のために腕幅を小さくすると、ＣＩ値（クリスタルインピーダンス）が大きくなってしまうという問題があった。そのため、ＣＩ値を下げるために、振動腕にその長手方向に延びる溝を形成することや、振動腕に形成される励振電極の配置を工夫することなどが知られている。

音叉型圧電振動片を小型化する方法の一つとしては、たとえば、特許文献１に、振動腕の腕幅を基部側から先端側までの間でテーパー状に変化させる技術が開示されている。同文献には、振動腕の腕幅を基部側から先端側までの間で変化させることにより、小型で基本波のＣＩ値が小さく、かつＣＩ値比の良好な音叉型圧電振動片を得ることができる等の記載がある。

特開２００６−３１１０９０号公報

一方、音叉型圧電振動片が動作する際、振動腕は、複数の振動モードを有して振動することがある。たとえば、振動腕は、基本波モード（たとえば３２．７６８ｋＨｚ）と二次高調波モード（たとえば２５０ｋＨｚ付近）を有して振動する場合がある。このような場合（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比が１よりも小さくなると、音叉型圧電振動片は、所望する基本波モードではなく、２次高調波モードで発振しやすくなる場合がある。このような場合には、上記特許文献１の如く、振動腕の腕幅を変化させるだけでは、音叉型圧電振動片の小型化およびＣＩ値比の向上の両立は、必ずしも達成されなかった。

本発明者らは、検討の結果、振動腕に形成した溝の形状を変形することによって、音叉型圧電振動片のＣＩ値比を制御できることを見出した。

本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、小型で振動波モードのＣＩ値が充分低く、かつ、ＣＩ値比の良好な振動片および振動子を提供することにある。

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、以下の態様または適用例として実現することができる。
本発明のある形態に係る振動片は、基部と、前記基部から延出され、互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくともいずれかに溝が形成されている振動腕と、を含み、前記振動腕は、前記基部側に配置されている第１テーパー部と、平面視で、前記第１テーパー部を間に挟んで、前記基部側とは反対側に配置されている第２テーパー部と、を含み、前記第１テーパー部の前記延出方向と交差する方向に沿った幅は、前記基部から離れるにしたがい減少し、前記第２テーパー部の前記交差する方向に沿った幅は、前記第１テーパー部から離れるにしたがい前記第１テーパー部の幅の減少よりも緩やかに減少し、前記溝は、前記第１テーパー部において前記交差する方向に沿った幅が一定であり、前記溝の開口部の前記延出方向に沿った外縁と前記振動腕の前記延出方向に沿った外縁との間の距離は、平面視で、前記第１テーパー部において前記基部から離れるにしたがい小さくなり、前記第２テーパー部において一定であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記溝の前記基部側に、前記振動腕の主面と平行な面と、前記主面の垂線に対して傾斜している面と、を含む内面があり、前記溝の前記基部側とは反対側に、前記主面の垂線に対して傾斜している面からなる内面があることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕の基本波モードのクリスタルインピーダンス値に対する二次高調波モードのクリスタルインピーダンス値の比が１以上であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を含むことを特徴とする。

［適用例１]
本発明にかかる複合音叉型圧電振動片の一態様は、
基部と、
前記基部から延びる一対の振動腕と、
前記一対の振動腕の各々の表面および裏面に形成され、該振動腕に沿って延びる有底の溝と、
を含み、
前記一対の振動腕の各々は、前記基部に連続するテーパー領域、および、前記テーパー領域に連続する定幅領域を有し、
前記テーパー領域の幅は、前記基部から離間するにともない減少し、
前記定幅領域の幅は、前記テーパー領域の先端の幅を有して一定であり、
前記溝は、前記テーパー領域において、前記基部から離間するにともない幅が減少する部分を有する。

このような音叉型圧電振動片は、小型で基本波モードのＣＩ値が充分低く、かつ、ＣＩ値比が良好である。すなわち、適用例１の音叉型圧電振動片は、振動腕の長さを小さくすることができ、その上、振動腕のテーパー領域において、溝の幅が基部から離間する方向に沿って減少する部分を有するため、（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比を１以上とすることができる。これにより、高調波モードでの発振を抑制することができる。

［適用例２］
適用例１において、
前記テーパー領域は、前記基部側の第１テーパー部および前記定幅領域側の第２テーパー部と、を含み、
平面視における前記溝の輪郭および前記振動腕の輪郭の間の距離は、前記第１テーパー部において前記基部から離間するにともない小さくなり、前記第２テーパー部において一定である、音叉型圧電振動片。

このような音叉型圧電振動片は、適用例１の特徴に加え、振動腕の基部との付け根部分の強度が向上するとともに、配線等を配置する領域を確保することができる。

［適用例３］
適用例２において、
前記溝は、前記第１テーパー部において、前記幅が一定である、音叉型圧電振動片。

このような音叉型圧電振動片は、適用例２の特徴に加え、さらに、ＣＩ値比を向上することができる。

［適用例４］
適用例１において、
前記溝は、前記基部側から、前記定幅領域側に向かって、前記幅が単調に減少している、音叉型圧電振動片。

このような音叉型圧電振動片は、適用例１の特徴に加え、さらに、ＣＩ値比を向上することができる。

［適用例５］
適用例１ないし適用例４のいずれか一例において、
前記溝の前記基部側では、前記溝の内面は、前記振動腕の表面と平行な面および該表面に対して傾斜した面からなり、
前記溝の前記定幅領域側では、前記溝の内面は、前記振動腕の表面に対して傾斜した面からなる、音叉型圧電振動片。

このような音叉型圧電振動片は、上記の特徴に加え、振動腕の強度を高く保つことができる。

［適用例６］
本発明にかかる圧電振動子の一態様は、
適用例１ないし適用例５のいずれか一例に記載された音叉型圧電振動片と、
前記音叉型圧電振動片を収容するパッケージと、
を含む。

このような圧電振動子は、小型で、かつ、ＣＩ値比が良好である。すなわち、適用例７の圧電振動子は、上述の音叉型圧電振動片を含むため、（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比を１以上とすることができる。これにより、高調波モードでの発振を抑制することができる。

実施形態にかかる音叉型圧電振動片１００を模式的に示す平面図。 実施形態の音叉型圧電振動片の振動腕２０の要部を模式的に示す平面図。 実施形態の音叉型圧電振動片１００の振動腕２０の断面の模式図。 実施形態の音叉型圧電振動片１００の振動腕２０の断面の模式図。 振動腕の振動状態の模式図。 振動腕の歪みの分布の模式図。 溝のテーパー度合いと基本波ＣＩ値との関係を示すグラフ。 溝のテーパー度合いとＣＩ値比との関係を示すグラフ。 振動腕２０の変形例を模式的に示す平面図。 音叉型圧電振動片１００の変形例を模式的に示す平面図。 溝３０の変形例を模式的に示す平面図。 変形例にかかる音叉型圧電振動片１２０を模式的に示す平面図。 実施形態の圧電振動子１０００の断面の模式図。

以下に本発明の好適な実施形態のいくつかについて、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も含む。

１．音叉型圧電振動片
図１は、本実施形態の音叉型圧電振動片１００を模式的に示す平面図である。図２は、振動腕２０の要部を模式的に示す平面図である。図２は、説明の便宜のため、振動腕２０を幅方向に拡大して描いてある。図３および図４は、振動腕２０の断面の模式図である。図３および図４は、それぞれ図２のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線の断面に相当する。なお本実施形態の音叉型圧電振動片１００の底面図は、平面図とほぼ同様に表れる。

音叉型圧電振動片１００は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料からなる。音叉型圧電振動片１００を水晶から構成する場合に用いる水晶ウエハは、水晶の結晶軸に対応してＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる直交座標系をとり、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を用いることができる。水晶Ｚ板は、所定の厚みに切断研磨して得ることができる。各平面図は、振動腕２０の延びる方向が水晶の結晶のＹ軸であり、音叉型圧電振動片１００がＸＹ平面に平行となっている場合を例示しており、軸方向を示す矢印を図中に併記した。

本実施形態にかかる音叉型圧電振動片１００は、基部１０と、基部１０から延びる一対の振動腕２０と、一対の振動腕２０の各々の表面および裏面に形成され、該振動腕２０に沿って延びる有底の溝３０と、を含む。

１．１．基部
基部１０は、音叉型圧電振動片１００において、一対の振動腕２０をそれぞれ片持ち梁状に支持する基体となる部位である。基部１０の形状は、一対の振動腕２０を支持できるかぎり限定されない。図１の例では、基部１０は、略矩形の外形を有している。

基部１０のＹ軸方向の大きさは、たとえば、音叉型圧電振動片１００の全長の１０％以上２０％以下とすることができる。基部１０のＸ軸方向の大きさは、たとえば、２００μｍ以上４００μｍ以下とすることができる。基部１０の厚みは限定されず、たとえば、７０μｍ以上１３０μｍ以下とすることができる。基部１０の厚みは、振動腕２０と同じ厚みとすることにより、基部１０および振動腕２０を一体的に形成する際の製造を容易化することができる。

基部１０は、平面視において、相互に対向方向を向く一対の切り欠き１２を有してもよい。図１の例では、切り欠き１２は、Ｘ軸方向に向かって切り欠かれている。切り欠き１２は、基部１０によって音叉型圧電振動片１００が固定されたときに、外部への振動漏れを抑制するように設計されることができる。したがって、基部１０に切り欠き１２が形成されると、音叉型圧電振動片１００のＣＩ値をより小さくすることができる。切り欠き１０の長さ（深さ）は、基部１０の強度を確保できる範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果を大きくすることができる。切り欠き１２の幅は、たとえば、５０μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。また、切り欠き１２が設ける場合、切り欠き１２の位置は、振動腕２０の付け根から振動腕２０の幅の１．２倍の距離よりも大きく離間していることがより好ましい。

また、基部１０には、図示しない貫通孔が設けられてもよい。貫通孔は、基部１０から外部への振動漏れを抑制するように設計されることができる。

１．２．振動腕
本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、基部１０から延びるように形成された一対（２本）の振動腕２０を有する。振動腕２０は、いずれも基部１０によって片持ち梁状に支持されている。一対の振動腕２０の間の間隔は、たとえば、５０μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。振動腕２０の長さは、所望の共振周波数で振動できる長さであれば特に限定されない。振動腕２０の長さは、たとえば、基本波モードにおいて３２．７６８ｋＨｚの信号を所望する場合には、１１００μｍ以上１４００μｍ以下とすることができる。振動腕２０は、基部１０および各振動腕２０を含む面内（ＸＹ面内）で屈曲振動することができる。一対の振動腕２０は、互いに接近・離間するように屈曲振動することができる。振動腕２０から取り出される周波数は、たとえば、振動腕２０の共振周波数とすることができる。

振動腕２０は、基部１０に連続するテーパー領域２２、および、テーパー領域２２に連続する定幅領域２４を有する。

テーパー領域２２は、振動腕２０の幅が基部１０から離間するにともなって減少する領域である。本明細書において、振動腕２０の幅とは、平面視における振動腕２０のＸ軸方向の大きさを指す。振動腕２０は、テーパー領域２２の幅の大きいほうの端部において基部１０に接続される。本実施形態の音叉型圧電振動片１００では、振動腕２０がテーパー領域２２を有するため、振動腕２０の基部１０付近の剛性が高くなっている。テーパー領域２２の幅は、基部１０側が大きく、基部１０の反対側（定幅領域２４側）が基部１０側よりも小さい。

テーパー領域２２の幅の変化の様式は、特に限定されず、たとえば、図２に示すように基部１０側の幅と、定幅領域２４側の幅を直線的につなぐような様式とすることができる。この場合、テーパー領域２２の幅は、基部１０側から定幅領域２４側に向かって単調に減少している。また、テーパー領域２２の幅の変化の様式は、曲線的であってもよく、また、折れ線で結ばれるような様式であってもよい。テーパー領域２２の幅が折れ線となる様式については、変形例においてさらに述べる。

振動腕２０の長さに占めるテーパー領域２２の長さは、５０％以上７０％未満とすることができる。振動腕２０の長さに占めるテーパー領域２２の長さが上記範囲を逸脱する場合は、基本波モードのＣＩ値を充分小さくし、かつ、ＣＩ値比を１以上にすることができなくなる場合がある。

定幅領域２４は、テーパー領域２２の基部１０と反対側に形成される。定幅領域２４の機能の一つとしては、振動腕２０の先端の錘であることが挙げられる。定幅領域２４は、テーパー領域２２の基部１０と反対側の位置における幅で、一定の幅を有する。換言すると、定幅領域２４およびテーパー領域２２のそれぞれの幅は、それらの境界領域において相等しい。したがって、振動腕２０は、先端部分の幅が大きい形状（いわゆるハンマーのような構成）を有さない。仮に、振動腕２０の先端部分の幅を大きくし、先端部分の質量が大きくなると、先端部分の振動が不安定になりやすく、その不安定な振動により振動漏れが生じ、ＣＩ値を上昇させてしまう可能性がある。振動腕２０の長さに占める定幅領域２４の長さは、３０％以上５０％未満とすることができる。

振動腕２０の定幅領域２４には、振動の周波数を調節するための金属膜等（配線を兼ねてもよい）が設けられてもよい。このような金属膜を設ける場合には、たとえば、音叉型圧電振動片１００をパッケージ等に収容した後に、レーザー等を照射して振動腕２０の先端の質量を変化させることができる。そのため、定幅領域２４に金属膜を形成すると、たとえば振動腕２０の振動周波数の最終的な微調整に利用することができる。金属膜の材質としては、たとえば、ＣｒおよびＡｕ等を挙げることができ、これらの積層構造としてもよい。

振動腕２０には、振動腕２０を屈曲振動させるための励振電極を設けることができる。励振電極は、振動腕２０の表面側および裏面側に形成される溝３０の内部と両側面とに形成され、振動腕２０を屈曲振動させるための電界を印加することができる。

振動腕２０および基部１０には、励振電極に電気的に接続する配線を設けることができる。配線は、振動腕２０の表面側、裏面側および両側面に形成されることができる。配線は、振動腕２０の定幅領域２４における錘の機能を兼ねていてもよい。配線は、振動腕２０から基部１０に連続するように設けられてもよい。配線は、基部１０において、パッド形状を有していてもよい。このようなパッドは、導電性接着剤による接合や、バンプによる接合の際に利用することができる。これにより、音叉型圧電振動片１００の機械的な固定と、電気的な接続を容易化することができる。励振電極および配線の材質としては、たとえば、ＣｒおよびＡｕ等を挙げることができ、これらの積層構造としてもよい。

１．３．溝
溝３０は、一対の振動腕２０のそれぞれに形成される。溝３０は、振動腕２０のＺ軸方向に垂直な互いに反対を向く面、すなわち表面２０ａおよび裏面２０ｂにそれぞれ形成される。図２に示すように、溝３０は、平面的に見て、振動腕２０の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って延びる形状を有する。また、図２に示すように、溝３０は、テーパー領域２２において、基部１０から離間するにともない幅が減少する部分（以下、縮幅部３２という。）を有する。さらに、図３および図４に示すように、溝３０は、振動腕２０を貫通しない有底の形状を有する。

本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、振動腕２０に溝３０が形成されるため、振動腕２０が効率的に振動できる。そのため、音叉型圧電振動片１００のＣＩ値を下げること、および振動周波数を低下させすることができる。

溝３０は、振動腕２０の長さの５０％以上７０％以下の長さを有することが好ましい。また、溝３０の幅は、振動腕２０の幅の６０〜９０％であることが好ましい。溝３０は、基部１０に及んで設けられてもよい。また、溝３０は、振動腕２０の定幅領域２４に及んで設けられてもよい。また、溝３０を基部１０に設けないようにすると、たとえば、振動腕２０の付け根付近の剛性を高めることができる。その結果、振動腕２０の振動特性を安定化でき、ＣＩ値を低減させることができる。

本明細書において、溝３０の幅とは、平面視においてＹ軸方向に延びる溝３０のＸ軸方向の両端の間の距離をいう。溝３０の幅は、振動腕２０の幅よりも小さい。したがって、振動腕２０は、溝３０の周囲に表面２０ａおよび裏面２０ｂが残っており、この部分が土手のような形状となっている。溝３０の深さ（振動腕２０の表面２０ａまたは裏面２０ｂから、溝３０の最深部までの距離）は、振動腕２０を溝３０が貫通しない程度であるかぎり限定されない。溝３０の深さは、たとえば、振動腕２０の厚みの３０％以上４８％以下とすることができる。

縮幅部３２は、振動腕２０のテーパー領域２２に設けられる。縮幅部３２は、溝３０の幅が基部１０から離間するにともなって減少する部分である。本実施形態では、縮幅部３２がテーパー領域２２に形成されるため、音叉型圧電振動片１００の共振周波数が小さく抑えられている。縮幅部３２は、溝３０の全体にわたっていてもよい。図２の例では、溝３０の全体が縮幅部３２であり、縮幅部３２がテーパー領域２２に設けられている。

縮幅部３２の幅の変化の様式は、特に限定されず、たとえば、図２に示すように、縮幅部３２の基部１０側の端の幅と、基部１０と反対側の端の幅を直線的につなぐような様式とすることができる。この場合、縮幅部３２の幅は、基部１０側から定幅領域２４側に向かって単調に減少している。また、縮幅部３２の幅の変化の様式は、曲線的であってもよく、さらに折れ線でつながれるような様式であってもよい。

平面視における溝３０の縮幅部３２の輪郭および振動腕２０の輪郭の間の距離は、一定であっても異なっていてもよい。図２の例では、溝３０の縮幅部３２の輪郭および振動腕２０の輪郭の間の距離は溝３０全体にわたって一定となっている。すなわち、図２の例では、溝３０の縮幅部３２の輪郭および振動腕２０の幅方向の輪郭は、互いに平行となっている。この構成により、従来の溝の幅を一定にする形態と比較して、励振時に強く電界を印加することができるため、電界効率が高まり、また、電気機械変換効率も高まるため、ＣＩ値をより低減することができる。この効果は、図２に示すように、溝３０の縮幅部３２の輪郭および振動腕２０の幅方向の輪郭が互いに平行となっている領域が、少なくとも振動腕２０の基部１０と接続する部分（振動腕２０の付け根部分）まで及ぶ場合、より顕著に得られる。

また、溝３０の縮幅部３２の輪郭および振動腕２０の輪郭の間の距離を調節することによって、振動腕２０が振動したときに生じる歪みの分布または大きさを調節することができる。これにより、ＣＩ値をより小さくし、共振周波数を低く抑えることができるため、振動腕２０の全長を短くすることができる。その結果として、音叉型圧電振動片１００の全体の小型化が可能になる。

音叉型圧電振動片１００が水晶で形成される場合、溝３０は、エッチングにより形成され、溝３０の断面は、図３および図４に示すような形状を有する。この形状は、水晶の結晶軸の方向に依存するエッチングレートの異方性によって形成される。

溝３０の内面は、テーパー領域２２の幅の小さい側においては、図３に示すように、振動腕２０の表面２０ａまたは裏面２０ｂに対して傾斜した面のみからなるようにすることができる。一方、溝３０の内面は、テーパー領域２２の幅の大きい側において、図４に示すように、振動腕２０の表面２０ａ（裏面２０ｂ）と平行な平行面３０ａ（平行面３０ｂ）および傾斜した面からなるようにすることができる。このようにすれば、テーパー領域２２の幅の大きい側における振動腕２０の剛性より、テーパー領域２２の幅の小さい側における振動腕２０の剛性が極端に低下しない構造を実現できる。その結果、振動腕２０の不安定な振動が抑制され、該不安定な振動により生じる振動漏れを小さくでき、ＣＩ値を低減することができる。

溝３０の内面に振動腕２０の表面２０ａ（裏面２０ｂ）と平行な平行面３０ａ（平行面３０ｂ）を形成する方法としては、ウエットエッチングと、ドライエッチングのような等方性のエッチングとを併用する方法、またはマスク工程を追加する方法などによって形成することができる。

１．４．振動モード
図５は、一般的な片持ち梁状の振動腕の振動モードを説明するための模式図である。図５は、一本の振動腕の振動における、２つの特定の瞬間の振動腕の形状を模式的に示している。図５において、符号Ｐを付した形状は、基本波モードにおける振動腕の形状を模式的に示し、符号Ｓを付した形状は、二次高調波モードにおける振動腕の形状を模式的に示している。また、図５中の符号１０は、振動腕を片持ち梁状に支持する基部を表している。一般に、振動腕は、複数の振動モードが重畳するように振動する。図示の例では、２つの振動モードを示しているが、三次以上の更に高次の振動モードも存在する場合がある。

各振動モードには、それぞれ対応するＣＩ値が存在する。ＣＩ値が低い振動モードほど、効率の良い振動モードとなっており、振動腕が励振されたときには、振動腕は、ＣＩ値の低い振動モードで優先的に振動する傾向がある。したがって、基本波モードの周波数で振動腕を励振させたい場合は、高次の高調波で振動させないようにするため、高次高調波モードのＣＩ値よりも、基本波モードのＣＩ値を小さくするようにする。

図６は、各振動モードにおける振動腕の歪みの大きさを説明するための模式図である。図６は、横軸に振動腕の延びる方向（Ｙ軸の方向）の位置をとり（基部と振動腕とが接続している位置を原点とした。）、縦軸に振動腕に生じている歪みの大きさをとったものである。そして、図６において、符号Ｐを付したラインは、基本波モードにおける振動腕の歪みの分布を模式的に示し、符号Ｓを付したラインは、二次高調波モードにおける振動腕の歪みの分布を模式的に示している。

図６に示したように、基本波モードにおいては、振動腕は、基部の近傍において最も歪みの大きい部分を有している。そして、二次高調波モードでは、振動腕の最も歪みの大きい部分は、振動腕のより基部から離れた部分に形成される。図６の例では、二次高調波モードにおける振動腕の最も歪みの大きい部分は、基本波モードに比較して、振動腕のより先端側となっている。

本発明者らは、振動腕の歪みの生じる位置を変化させることによって、各モードにおけるＣＩ値を変化させうることを見出した。そして、振動腕に形成される溝の形状を変化させれば（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比を制御できることを見出した。

本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、一対の振動腕２０の各々がテーパー領域２２を有し、該振動腕２０に沿って形成された溝３０の幅が、テーパー領域２２において減少する部分を有する。そのため、振動腕２０における、基本波モードおよび二次高調波モードでの歪みが大きくなる部分の位置関係が、縮幅部３２を有さない場合に比して変化している。

図７は、溝３０のテーパー度合いと基本波モードのＣＩ値との関係を示している。溝のテーパー度合いとは、基部側の最大の溝幅と振動腕先端側の最小の溝幅の比を表している。図７は、振動腕２０のテーパーを固定して溝のテーパーを変えたときの基本波モードのＣＩ値を示している。

また、図８は、図７と同じ条件で測定した、溝のテーパー度合いとＣＩ値比との関係を示している。図７および図８をみると、溝をテーパー形状とすることで、基本波モードのＣＩ値が充分小さく、ＣＩ比を大きく（良好に）できることがわかる。

以上のことから、音叉型圧電振動片１００は、小型で基本波モードのＣＩ値が充分に低く、かつ、ＣＩ値比が良好である。すなわち、本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、Ｙ軸方向の全長として、１３００μｍ以上、１６００μｍ以下程度となるように振動腕２０の長さを小さくすることができ、その上、振動腕２０のテーパー領域２２において、溝３０の幅が基部から離間する方向に沿って減少する部分を有するため（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比を１以上となっている。これにより、本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、高調波モードでの発振が抑制され、安定して所望の周波数を供給することができる。

１．５．変形例
本実施形態の音叉型圧電振動片１００は、種々の変形が可能である。図９は、振動腕２０の変形例を模式的に示す平面図である。

振動腕２０のテーパー領域２２は、第１テーパー部２２ａおよび第２テーパー部２２ｂを設けることができる。第１テーパー部２２ａは、テーパー領域２２の基部１０側に形成される。第２テーパー部２２ｂは、テーパー領域２２の定幅領域２４側に形成される。

第１テーパー部２２ａおよび第２テーパー部２２ｂは、いずれも、基部１０から離間するにつれて幅が小さくなるように形成される。また、第１テーパー部２２ａは、第２テーパー部２２ｂよりも急峻に幅が小さくなるように形成されることができる。図９の例では、平面視における溝３０の輪郭および振動腕２０の輪郭の間の距離は、第１テーパー部２２ａにおいて基部１０から離間するにともない小さくなり、第２テーパー部２２ｂにおいて一定となっている。

第１テーパー部２２ａの機能の一つとしては、振動腕２０の付け根部分の強度を高めることが挙げられる。また、第１テーパー部２２ａの機能の一つとしては、振動腕２０の付け根部分に、励振電極から引き出される配線を配置するスペースを提供することが挙げられる。図１０は、振動腕２０が第１テーパー部２２ａを有する場合における配線の配置の一例を模式的に示す平面図である。図１０中、斜線によるハッチングを施した部材が、励振電極および配線を表している。図１０に示したように、第１テーパー部２２ａが形成されることにより、振動腕２０の表面側および裏面側の導電層を接続するための領域を大きく採ることができる。

図１１は、溝３０の変形例を模式的に示す平面図である。他の変形例にかかる振動腕２０では、第１テーパー部２２ａが形成されるとともに、溝３０に、第１テーパー部２２ａにおいて幅が一定である定幅部３４が形成されている。そして、溝３０は、第２テーパー部２２ｂにおいては、上述したと同様の縮幅部３２を有する。

定幅部３４は、縮幅部３２の基部１０側の端における幅で、一定の幅を有する。換言すると、定幅部３４および縮幅部３２のそれぞれの幅は、それらの境界領域において互いに等しい。このようにすると、振動腕２０の基部側の剛性がより大きくなることで、不安定な振動により生じる振動漏れを小さくでき、ＣＩ値の低減が可能になる。また、この変形例の振動腕２０のように、溝３０にこのような定幅部３４が設けられることにより、さらに、ＣＩ値比を高めることができる。また、定幅部３４の機能の一つとしては、配線等を形成するためのスペースを確保することも挙げられる。この変形例においても、平面視における溝３０の輪郭および振動腕２０の輪郭の間の距離は、第１テーパー部２２ａにおいて基部１０から離間するにともない小さくなり、第２テーパー部２２ｂにおいて一定となっている。

図１２は、変形例にかかる音叉型圧電振動片１２０を模式的に示す平面図である。変形例にかかる音叉型圧電振動片２００は、一対の支持腕４０を含む。一対の支持腕４０は、基部１０からＹ軸方向に交差する方向に相互に反対方向に延び、Ｙ軸方向に屈曲してさらに延びる。支持腕４０は、たとえば、音叉型圧電振動片１２０をパッケージ等に取り付けるために利用できる。支持腕４０での取り付けによって、振動腕２０および基部１０は、浮いた状態になる。支持腕４０のＸ軸方向における幅としては、たとえば、５０μｍ以上１５０μｍ以下とすることができる。

支持腕４０の機能としては、音叉型圧電振動片１２０を構造的に支持すること、音叉型圧電振動片１２０をパッケージ等に固定する際の固定部となること、および、電気的接続のためのパッド等を形成する領域を提供すること、の少なくとも一つが挙げられる。

支持腕４０のＹ軸方向の長さは、音叉型圧電振動片２００の全長に対して、６０％以上８０％以下とすることができる。また、図示しないが、支持腕４０には、たとえば、薄肉化されるなどして、剛性の小さい部分が形成されてもよい。

支持腕４０の材質は、音叉型圧電振動片１２０（基部１０）の材質と同一の材質で形成されることができ、その場合には、支持腕４０および基部１０は、一体的に形成されることができる。音叉型圧電振動片１２０では、支持腕４０および音叉型圧電振動片１２０は、いずれも水晶で一体的に形成されている。そのため、音叉型圧電振動片１２０は、高いＱ値を有することができる。

２．圧電振動子
図１３は、本実施形態にかかる圧電振動子１０００の断面の模式図である。

本発明にかかる圧電振動子は、上述の音叉型圧電振動片と、該音叉型圧電振動片を収容するパッケージと、を含む。以下、本発明の圧電振動子が音叉型圧電振動片１００を含む場合について説明する。

本実施形態にかかる圧電振動子１０００は、音叉型圧電振動片１００と、音叉型圧電振動片１００を収容するパッケージ２００と、を含む。音叉型圧電振動片１００は、上記と同様であり、同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

パッケージ２００は、たとえば、ケース体２１０および蓋体２２０からなることができる。

ケース体２１０は、音叉型圧電振動片１００を収容することができる容器状の形状を有する。ケース体２１０の平面的な形状は、特に限定されず矩形、円形等とすることができる。また、図１３に例示するように、ケース体２１０は、容器の底を形成する底材２１２および容器の側壁を形成する壁材２１４が接合された構成としてもよい。ケース体２１０は、底材２１２と壁材２１４とが一体化した部材となっていてもよい。ケース体２１０の上部は、音叉型圧電振動片１００をケース体２１０の内部に入れることができる程度の開口を有している。ケース体２１０の開口は、蓋体２２０によって気密封止されることができる。底材２１２は、ケース体２１０の内部の導電部材と外部の導電部材とを電気的に接続するビアホール２１６を有してもよい。ビアホール２１６に使用される導電材としては、たとえば、タングステン、モリブデンなどが挙げられる。ビアホール２１６は、気密性を有する。ケース体２１０の材質は、水晶、セラミック、ガラス等の無機材料であることができる。

蓋体２２０は、ケース体２１０の上部の開口を封止する平板形状を有する。蓋体２２０の平面形状は、ケース体２１０の開口を封止できるかぎり任意である。蓋体２２０の材質としては、水晶、セラミック、ガラス、金属等が挙げられる。ケース体２１０と蓋体２２０との接合は、たとえば、プラズマ溶接、シーム溶接、超音波接合、または接着剤等を用いて行われることができる。ケース体２１０および蓋体２２０によって形成されるキャビティー２１８は、音叉型圧電振動片１００が動作するための空間となる。また、キャビティー２１８は、密閉されることができるため、音叉型圧電振動片１００を減圧空間や不活性ガス雰囲気に設置することができる。

音叉型圧電振動片１００は、キャビティー２１８内の壁面（図示の例では、底材２１２の上面）に、たとえば、接着剤、ペースト、ロウ材等によって固定されることができる。図示の例では、音叉型圧電振動片１００は、底材２１２の上面に、バンプ２３０によって機械的に固定されるとともに、底材２１２の外側に形成されたパッド２３２と、ビアホール２１６を介して電気的に接続されている。

本実施形態の圧電振動子１０００は、上述のパッケージ２００に、上述の音叉型圧電振動片１００が収容されている。そのため、本実施形態の圧電振動片１００は、小型で、かつ、ＣＩ値比が良好である。すなわち、本実施形態の圧電振動片１００は、（二次高調波モードのＣＩ値）／（基本波モードのＣＩ値）であるＣＩ値比を１以上となっている。これにより、本実施形態の圧電振動片１００は、高調波モードでの発振が抑制され、安定して所望の周波数を供給することができる。

以上実施形態および変形例で述べた変形は、単独あるいは複数を互いに組み合わせて、実施形態の音叉型圧電振動片に対して適用することができる。これにより各変形の単独の効果または各変形の組み合わせによる相乗的な効果を得ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…基部
１２…切り欠き
２０…振動腕
２０ａ…表面
２０ｂ…裏面
２２…テーパー領域
２２ａ…第１テーパー部
２２ｂ…第２テーパー部
２４…定幅領域
３０…溝
３０ａ，３０ｂ…平行面
３２…縮幅部
３４…定幅部
４０…支持腕
１００，１２０…音叉型圧電振動片
２００…パッケージ
２１０…ケース体
２１２…底材
２１４…壁材
２１６…ビアホール
２１８…キャビティー
２２０…蓋体
２３０…バンプ
２３２…パッド
１０００…圧電振動子

Claims (4)

1. 基部と、
   前記基部から延出され、互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくともいずれかに溝が形成されている振動腕と、
   を含み、
   前記振動腕は、
   前記基部側に配置されている第１テーパー部と、
   平面視で、前記第１テーパー部を間に挟んで、前記基部側とは反対側に配置されている第２テーパー部と、
   を含み、
   前記第１テーパー部の前記延出方向と交差する方向に沿った幅は、前記基部から離れるにしたがい減少し、
   前記第２テーパー部の前記交差する方向に沿った幅は、前記第１テーパー部から離れるにしたがい前記第１テーパー部の幅の減少よりも緩やかに減少し、
   前記溝は、前記第１テーパー部において前記交差する方向に沿った幅が一定であり、
   前記溝の開口部の前記延出方向に沿った外縁と前記振動腕の前記延出方向に沿った外縁との間の距離は、平面視で、前記第１テーパー部において前記基部から離れるにしたがい小さくなり、前記第２テーパー部において一定であることを特徴とする振動片。
2. 請求項１において、
   前記溝の前記基部側に、前記振動腕の主面と平行な面と、前記主面の垂線に対して傾斜している面と、を含む内面があり、
   前記溝の前記基部側とは反対側に、前記主面の垂線に対して傾斜している面からなる内面があることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または２において、
   前記振動腕の基本波モードのクリスタルインピーダンス値に対する二次高調波モードのクリスタルインピーダンス値の比が１以上であることを特徴とする振動片。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動片と、
   前記振動片が収容されているパッケージと、
   を含むことを特徴とする振動子。

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