JP6479509B2 - 圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子の形状構造に関する。更に詳しくは、音叉型の圧電振動子において、ＺＴＣ温度を改善することができる形状構造に関するものである。

圧電性を有する材料による振動子は、電子機器の周波数基準として広く用いられている。時計等の高精度機器には水晶振動子がよく使用され、多く用いられる形式の一つに音叉型屈曲振動子がある。水晶の音叉型屈曲振動子は、環境温度の変化に関して共振周波数が上方に凸型の、ほぼ２次曲線状に変化する温度特性を与えることができ、共振周波数が最高となる温度を頂点温度又はＺＴＣ温度と呼ぶ（ＺＴＣは温度係数がゼロであることを意味する）。ＺＴＣ温度は、圧電結晶材料から音叉型振動子を切り出す角度を調節することにより、ある温度範囲内で任意に設定することができる。

ＺＴＣ温度を機器の使用温度である常温付近、例えば２５°Ｃ前後に設定することにより、機器の使用温度が変化しても共振周波数の変化を比較的少なくすることができるので、音叉型圧電振動子は周波数基準に適する長所がある。

音叉型圧電振動子は常に小型化が要請されてきた。しかし、小型化するほど、ＺＴＣ温度が低下すると共に、ＣＩ値（クリスタルインピーダンス；等価直列抵抗）は高く、Ｑ値（品質係数）は低下する傾向が避けられず、改善が求められている。

ＺＴＣ温度の改善策としては、上記のように従来から、振動子の母材となる圧電材料よりなる基板（簡略に圧電基板と称することにする）を異方性の結晶材料から切り出すカット角を調整する方法が知られている。

また、ＣＩ値及びＱ値を改善するためには、圧電音叉型振動子の振動脚に溝を掘り込んでその内面に電極を設けることによって、励振のための電界強度を向上することが、下記特許文献１などによって知られている。

＜従来例・特許文献１に記載の技術の説明＞
特許文献１の代表的な図面である図１及び図３の主要部のみを抽出して、それぞれ本願の図４及び図５に掲げる（各部に付した符号は変更してある）。以下、両図を用いて説明する。また、用語等や説明を若干補った部分もある。

図４は音叉型屈曲水晶振動子の正面図、図５はそのＢ―Ｂ断面図である。なお、図４では音叉型屈曲水晶振動子を収容するケースの図を省略し、図５では電極の詳細な結線図が省略されている。図４において、音叉型屈曲水晶振動子３００は、基部６０から延出する２本の振動腕４０、５０を有し、各々振動腕４０、５０には正面から掘り込んだ溝１００、１１０を有する。溝１００、１１０のそれぞれの下端は、振動腕４０、５０の延出方向に対して基部６０に達する。

図５において、音叉の方向をｘｙｚ座標軸で示している。ｘ軸は音叉の主面に平行かつ振動腕４０、５０に垂直であって水晶の電気軸に一致する。また、振動腕４０、５０の長手方向であるｙ軸と音叉板面に垂直なｚ軸は、それぞれ水晶の機械軸と光軸に近い傾き角（数度）を持つ。

図５に示すように、音叉型屈曲振動子３００の振動腕４０、５０は図４に示した振動腕
の正面側から掘り込んだ溝１００、１１０と、裏面側から掘り込んだ溝１２０、１３０を有する。振動腕４０は、表裏に溝内面電極３３０、３６０を、両側面に側面電極３４０、３５０をそれぞれ有し、振動腕５０は、表裏に溝内面電極２７０、２８０を、両側面に側面電極２６０、２９０をそれぞれ有する。

そして、溝内電極３３０、３６０と、側面電極２６０、２９０（これらには同じ断面パターンを与えてある）とは結線でまとめられて励振用の一方の端子に導かれ、溝内電極２７０、２８０と、側面電極３４０、３５０（これらには他の同じ断面パターンを与えてある）とは結線でまとめられて励振用の他方の端子に導かれる。

このように電極を構成したので、振動腕４０、５０の側面に近い部位には、励振電圧が印加されたとき、図５に示すようにｘ軸方向の強い電界Ｅｘが各溝の全長にわたって生じる。その方向及び生起部位は屈曲振動の励振に都合がよく、小型化した振動子においてＣＩ値及びＱ値を改善する効果が高い。

特開２００３−２０４２４０号公報（第５−６頁、第１−４図）

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、ＣＩ値やＱ値の改善には役立つとされるが、ＺＴＣ温度の改善については何等言及されていない。本来、圧電音叉型屈曲振動子のカット角の調節によるＺＴＣ温度の高温化には限界（上限）があり、振動子を極めて小型化した場合には、カット角の変更のみでは対応し切れない場合がある。即ち、カット角以外にＺＴＣ温度を調整できる手段を得ることが望まれる。

本発明は、カット角の調節のみでは対応し切れないＺＴＣの調整技術を適用した圧電振動子を提供することを目的とする。

本発明の圧電振動子は、上記目的を達成するため、以下の構成を採用する。

本発明の圧電振動子は、基部と、基部から延出し、基部側の端にテーパ部が設けられた振動脚と、振動脚に形成された溝部と、を備える圧電振動子であって、溝部は、振動脚の延出方向に対して、振動脚の先端側に位置する第１溝領域と振動脚の後端側に位置する第２溝領域とに領域を分ける壁部を有し、壁部は、第２溝領域における壁部の側面の位置が基部と振動脚との境界位置から、振動脚の全長に対して５％〜２０％の位置となるように形成され、前記延出方向について、前記壁部は、前記テーパ部の前記先端側の端部の位置にあることを特徴とする。
また、本発明の圧電振動子は、基部と、基部から延出し、基部側の端にテーパ部が設けられた振動脚と、振動脚に形成された溝部と、を備える圧電振動子であって、溝部は、振動脚の延出方向に対して、振動脚の先端側に位置する第１溝領域と振動脚の後端側に位置する第２溝領域とに領域を分ける壁部を有し、壁部は、第２溝領域における壁部の側面の位置が基部と振動脚との境界位置から、振動脚の全長に対して５％〜２０％の位置となるように形成され、境界位置から振動脚の全長に対して９％の位置に、テーパ部の先端側の端部があることを特徴とする。

また、第２溝領域における壁部の側面と対向する面の位置は、境界位置であってもよい。

また、第２溝領域における壁部の側面と対向する面の位置は、境界位置より基部の内側に延出した位置であってもよい。

本発明によれば、上述の位置範囲に壁部を構成にすることによって、カット角の調整だけでは得られなかった圧電振動子のＺＴＣ温度（例えば２５°Ｃ）が本発明により得られるようになり、共振周波数の温度特性を改善することができる。

（ａ）は、実施例１である圧電振動子の正面図である。（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面の拡大図で、溝形状の異なる２つの例である。 圧電振動子の数種のモデルにおける、壁部の位置によるＺＴＣ温度の変化を表すグラフである。 図２のグラフの各線に対応するモデルの概形を示した説明図である。 従来例の音叉型圧電振動子の正面図である。 従来例の音叉型圧電振動子のＢ−Ｂ断面図である。

本発明は、基部から延出する溝部を有する振動脚を備える圧電振動子において、溝部を第１溝領域と第２溝領域とを分ける壁部を、基部と振動脚との境界位置から振動脚の全長に対して５％〜２０％の位置に形成することによってＺＴＣ温度を調整、改善することである。以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

［実施例１の構成の説明：図１］
図１（ａ）は、本発明の実施例１である圧電振動子の正面図である。この振動子は、圧電基板、例えば水晶から結晶軸に対して所定の角度を与えて切り出された板材から、フォトエッチング手法によって打ち抜き形成されている。圧電振動子は基部１から平行な向き（図１の上方）に向かって延出する一対の振動脚２（図４，５の従来例では振動腕なる名称を用いている）を備える。振動脚２の先端にはそれぞれ錘部３を有している。錘部３は所定の共振周波数（例えば３２７６８Ｈｚ）を与えるように、振動脚２の自由端の質量を増す膨大部である。

一対の振動脚２は、音叉の主面（図１の面であり、圧電基板の表面でもある）に平行な面内で、音叉形状の対称軸に関して対称なモードで、錘部３を自由端とする屈曲振動を行う。振動脚２の基部１側の端（底端）にはテーパ部４が設けられている。テーパ部４の主な役割は、振動脚２の底端部を補強し、過度に応力が集中して破損することを防止することである。

各振動脚２は、その主面側から圧電基板の内部に向かってエッチング手法を用いて彫り込まれた溝部５（従来例では単に溝と称している）を有する。溝部５は、振動脚２の先端側に位置する長めの第１溝領域５ａと、後端側（基部１側）に位置しほぼ同じ深さの第２溝領域５ｂより成り、それら２領域の間を隔てる部分が壁部６となる。

振動脚２の幅よりも狭い第１溝領域５ａによって、その長辺部と振動脚２の両側面との間に堤防状の残肉部である側壁７が形成される。図１（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面の拡大図であり、（ａ）では図示を省略した励振電極も示している。側壁７の内面に形成された薄膜電極である溝内面電極８と、振動脚２の両側面に形成された薄膜電極である脚側面電極９とは側壁７の内外に向かう電界を生じ、２端子の励振電極を構成している。

振動脚２の断面形状は、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ断面（１）の如くほぼ「Ｈ」字型を成すのを普通とするが、表裏両側から彫り込まれた溝部５は必ずしも同じ深さでなくてもよく、極端な場合は、図１（ｃ）に示すＡ−Ａ断面（２）の如く圧電基板の片面のみに掘り込まれてもよい。この場合、溝部５のない方の溝内面電極は平面電極８ａとなる。

第２溝領域５ｂは、振動脚２の基部１側で、第１溝領域５ａの延長上にあり、テーパ部４に入り込んだ位置に形成される。第２溝領域５ｂにおいて励振電極の形成は必須ではないが、図１（ｂ）又は（ｃ）に準じた形で、溝内面電極８とテーパ部４の側面に側面電極
９を設け、これらを第１溝領域５ａの溝内面電極８、側面電極９とそれぞれ接続して用いても良い。

一例として、実施例１の主な寸法的緒元を示す。振動脚２の全長Ｌは基部１の端面から７７６μｍ、錘部３を除く振動脚２の幅は４０μｍ、振動脚２の錘部３を除く部分の間隔は１５９μｍ、テーパ部４の基部１の端面からの高さは７０μｍ、テーパ部４の基部１側の幅は振動脚２の片側で３７μｍずつ、基部１の幅は３２７μｍ、溝部５の幅は２４μｍ、第１溝領域５ａと第２溝領域５ｂを含めた溝部５の全さ〔図１（ａ）のＬｍ〕は５５６μｍ、溝部５の深さは４２μｍ、壁部６の厚さｈは１０μｍ、圧電基板の厚さは１００μｍ、基部１も含めた音叉の全長１１００μｍである。極めて小型の振動子であることがわかる。

［壁部６の形成位置による作用効果の説明：図２、３］
図２は、圧電振動子の数種のモデルにおける、基部１と振動脚２との境界位置を基準とした壁部６の位置によるＺＴＣ温度の変化を表すグラフであり、図３は、グラフの各線に対応するモデルの概形を示した説明図である。

図２のグラフは、横軸に基部１の端面（基部１と振動脚２との境界位置）から壁部６の端面（第２溝領域５ｂにおける壁部６の側面）までの距離〔図１（ａ）におけるＨ〕をμｍ単位でとり、縦軸にΔＺＴＣを℃単位でとってモデル毎に表したものである。振動脚２の全長〔図１（ａ）におけるＬに対応する〕は、いずれのモデルも一定で７７６μｍとし、またテーパ部４形状は等しくしてある。なお、ΔＺＴＣとは、各モデルについて、壁部６がない場合に対する、壁部６を設けた場合のＺＴＣ温度の上昇量を示したものであり、壁部６の位置によるＺＴＣ温度の改善効果の変化を表している。

図３（ａ）〜（ｅ）を用いて、図２のグラフの各線（線２１から線２５）に対応して採り上げたモデルを説明する。図示した概形は振動脚２の片方のみを示しているが、もちろん他方も同じ形状である。なお、各概形は、基部１を左側に、振動脚２の自由端を右側に示す。

図３（ａ）の基準モデル（線２１）は、実施例１で述べた寸法緒元を持つモデルである。図３（ｂ）の溝長短モデル（線２２）は、基準モデルにおける溝部５の長さを半分にしたものである。図３（ｃ）の側壁薄モデル（線２３）は、溝幅を増して側壁７を薄くしたものである。図３（ｄ）の脚太側壁薄モデル（線２４）は、振動脚２の幅と溝部５の幅の両方を太くし側壁７を薄くしたものである。図３（ｅ）の脚太側壁厚モデル（線２５）は、基準モデルにおいて溝幅を変えずに振動脚２を太くし、側壁７を厚くしたものである。

図２のグラフは、図３（ａ）〜（ｅ）のどのモデルにおいても、Ｈ＝７０μｍ付近でＺＴＣ温度の顕著な改善が見られ、数℃から１０℃を超えてＺＴＣ温度を上昇させる効果がある。また、側壁７の厚さが薄いほど効果が大きい傾向も見られる。これにより、カット角によるＺＴＣ温度の調整では対応しきれない場合においても、壁部６の形成位置によってＺＴＣ温度を変更することができる。また、所定のカット角で準備した圧電基板内に壁部６の位置が異なるように加工・成型することによって、ＺＴＣ温度が低めの圧電振動子から高めの圧電振動子まで任意に調節することもでき、圧電振動子の生産上の大きな利点となる。

このような改善効果が顕著に得られる壁部の位置Ｈの範囲を一般的に表すには、振動脚２の全長Ｌに対する比率として示すと、５％〜２０％とするのが好ましい。グラフ画面に縦の細い点線で、５％ライン３１と、２０％ライン３２を記載した。

壁部６の位置の作用について考察を加える。基準モデルを含む各モデルにおいて、テーパ部４が振動脚２の側面に達する高さは前述の通り基板１の端面から７０μｍであった。一方グラフを見るとΔＺＴＣのピークもやはりほぼＨ＝７０μｍの前後で生じている。また振動脚２が屈曲振動を行うとき、振動脚２の側面の曲げ応力が集中する位置は、テ―パ部４が振動脚２に接する部分の近傍になる。よって、壁部６は、振動脚２の振動ひずみが大きくなる部分に設けるとΔＺＴＣ上昇効果が大きくなる。

［実施例１の変形例について］
以上、実施例１について述べたが、本発明における圧電振動子の形状、寸法は自由に変更することができる。例えば形状については、壁部６の厚さｈは増減があってもよい。また、第２溝領域における壁部の側面と対向する面の位置は、境界位置であってもよい。さらに、第２溝領域５ｂの下端（第２溝領域５ｂにおける壁部６の側面と対向する面）は、基部１の内側まで延出してもよい。またテ―パ部４の斜面を直線状とせず、曲線状又は折れ線状としてもよい。また基部１の端面は一直線上でなく、凹凸があってもよい。その場合は、基部１の端面として、一対の振動脚２を分けている溝部５の底端をとってもよい。また、基部１内の端部から離れた位置に、緩衝のためのくびれ部分を設けてもよい。
また、圧電材料として水晶以外の材料、例えばタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムやランがサイト等を用いてもよい。もとより、他の材料においては、その性質に基づいて、振動子の形状、切り出し角度、調整部位の位置、調整量などは適宜変更される。

以上に説明したように、カット角の調整だけでは得られなかった圧電振動子のＺＴＣ温度（例えば２５°Ｃ）が本発明により得られるようになり、共振周波数の温度特性を改善することができたので、圧電振動子の生産に貢献するものである。

１、６０ 基部
２、４０，５０ 振動脚（又は振動腕）
３ 錘部
４ テーパ部
５ 溝部
５ａ 第１溝領域
５ｂ 第２溝領域
６ 壁部
７ 側壁
８、２７０、２８０、３３０、３６０ 溝内面電極
８ａ 平面電極
９、２６０、２９０、３４０、３５０ 脚側面電極
２１、２２、２３、２４、２５ グラフ線
３１ 振動脚の全長に対する５％位置
３２ 振動脚の全長に対する２０％位置
１００、１１０、１２０、１３０ 溝
Ｈ 壁部の位置
ｈ 壁部の厚さ
Ｌ 振動脚の全長
Ｌｍ 溝部の全長

Claims (4)

1. 基部と、
   前記基部から延出し、前記基部側の端にテーパ部が設けられた振動脚と、
   前記振動脚に形成された溝部と、を備える圧電振動子であって、
   前記溝部は、前記振動脚の延出方向に対して、前記振動脚の先端側に位置する第１溝領域と前記振動脚の後端側に位置する第２溝領域とに領域を分ける壁部を有し、
   前記壁部は、前記第２溝領域における前記壁部の側面の位置が前記基部と前記振動脚との境界位置から、前記振動脚の全長に対して５％〜２０％の位置となるように形成され、
   前記延出方向について、前記壁部は、前記テーパ部の前記先端側の端部の位置にある
   ことを特徴とする圧電振動子。
2. 基部と、
   前記基部から延出し、前記基部側の端にテーパ部が設けられた振動脚と、
   前記振動脚に形成された溝部と、を備える圧電振動子であって、
   前記溝部は、前記振動脚の延出方向に対して、前記振動脚の先端側に位置する第１溝領域と前記振動脚の後端側に位置する第２溝領域とに領域を分ける壁部を有し、
   前記壁部は、前記第２溝領域における前記壁部の側面の位置が前記基部と前記振動脚との境界位置から、前記振動脚の全長に対して５％〜２０％の位置となるように形成され、
   前記境界位置から前記振動脚の全長に対して９％の位置に、前記テーパ部の前記先端側の端部がある
   ことを特徴とする圧電振動子。
3. 前記第２溝領域における前記壁部の側面と対向する面の位置は、前記境界位置である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
4. 前記第２溝領域における前記壁部の側面と対向する面の位置は、前記境界位置より前記基部の内側に延出した位置である
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧電振動子。

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