JP2006270177A - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動片を小型化した場合であっても、電極間の短絡を防止しつつ電極の断線を防止し、さらにＣＩ値を低く抑えることができる圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供すること。
【解決手段】 圧電材料により形成された基部５１と、基部５１と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕３５，３６と、この各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝３３，３４と、この長溝の内面に配置された内面電極４４，４５、及びこの内面電極に対向する側面に配置された側面電極４６，４７により形成された励振電極とを備えており、各振動腕３５，３６の幅寸法が、振動腕３５，３６の基部５１に対する付け根の箇所で、基部５１側に向かって拡幅する拡幅部６０を有し、この拡幅部６０の側面６０ｃおよび主面６０ｄに側面電極４６が引き回されている圧電振動片。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電振動片と、パッケージやケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの改良に関する。

図７は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図であり、図８は図７のＡ−Ａ線概略断面図である。
図において、圧電振動片１は、水晶などの圧電材料をエッチングすることにより、図示する外形を形成するもので、矩形の基部２と、基部２から図において右方に延長された一対の振動腕３，４を備えており、これら振動腕の主面（表裏面）に長溝３ａ，４ａを形成するとともに、必要な駆動用の電極を形成したものである。

すなわち、基部２には、互いに異極となるように駆動用の電圧が印加される電極５，６が設けられている。
電極５は、振動腕３に設けられた長溝３ａの内面と、振動腕４の長溝４ａの内面に対向する側面４ｂに引き回されている。
電極６は、電極５と短絡しないように、振動腕３の長溝３ａの内面に対向する側面３ｂに設けられた側面電極６ａ、及び基部２の主面に設けられた基部電極６ｂを通って、振動腕４に設けられた長溝４ａの内面まで引き回されている。

そして、側面電極６ａから基部電極６ｂへの引き回しは、振動腕３，４の股部２ａに電極を設けることは避けるべきことから、振動腕３の側壁３ｃの主面（表裏面）に側面電極６ａと接続された電極６ｃを形成し、この電極６ｃと基部電極６ｂとを接続するようにしている。
このようにして、長溝３ａ，４ａの各内面に設けられた電極と、振動腕３，４の各側面３ｂ，４ｂに設けられた電極との間において電界を生じさせて、クリスタルインピーダンス値（以下、「ＣＩ値」という。）を低減できるので、圧電振動片を小型化することができる。

ところで、このように小型化された圧電振動片においては、上述のような電極の引き回しは容易ではなく、特に、振動腕３の側壁３ｃの幅Ｗ１は非常に狭いため、長溝３ａの内面に設けた電極と接触することなく、側壁３ｃの主面上の電極６ｃを形成することは困難である。
そこで、振動腕の根元付近を拡大した部分拡大図である図９に示すような圧電振動片１０が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この圧電振動片１０は、振動腕１４の付け根にある長溝１３の幅Ｗ２を、長溝１３の先端側の幅Ｗ３に比べて狭くしており、この幅を狭くした分だけ、長溝１３の内面に設けた電極と接触することなく、側壁上の電極１２を確実に形成できるようにしている。

特開２００２−７６８２７

ところが、昨今の圧電振動片はさらなる小型化が進んできており、このため、もはや、振動腕の幅の非常に狭い側壁の主面に、電極を正確に形成することは困難になってきている。例えば、図７の側壁３ｃの主面の電極６ｃの幅は３μｍ程度しかないため、電極６ｃが側壁３ｃの主面に形成できないこともあり、このために電極６ｃと基部２上の電極６ｂとが接続できないことがある。また、たとえ側壁３ｃの主面上の電極６ｃが正確に形成できたとしても、この電極６ｃに接続される基部２上の電極６ｂの位置が若干ズレただけで、側壁の主面上の電極６ｃと基部２上の電極６ｂとが断線する恐れもある。

また、この昨今の圧電振動片の極小化は、図９の圧電振動片１０についても断線の恐れを生じさせている。例えば、側壁の主面上の電極１２の位置が図９の点線の位置１２ａにずれてしまって、この側壁の主面上の電極１２と側面電極１１とが断線する恐れがある。
そして、この側壁の主面上の電極１２の位置が多少ズレても、図９の長溝１３の幅Ｗ２を従来よりもさらに小さくして、側壁の主面上の電極１２の幅をさらに大きくすることで、側面電極１１と側壁上の電極１２との断線を回避する手段もあるが、長溝１３の幅Ｗ２を無闇に小さくすると、逆に、ＣＩ値が増大してしまうという問題が残ってしまう。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、圧電振動片を小型化した場合であっても、電極間の短絡を防止しつつ電極の断線を防止し、さらにＣＩ値を低く抑えることができる圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記目的は、第１の発明にあっては、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝の内面に配置された内面電極、および前記振動腕の前記内面電極に対向する側面に配置された側面電極により形成された励振電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根の箇所で、基部側に向かって拡幅する拡幅する拡幅部を有し、この拡幅部の側面および主面に前記側面電極が引き回されている圧電振動片により達成される。

第１の発明の構成によれば、振動腕の基部に対する付け根の箇所で、基部側に向かって拡幅する拡幅部を有しているので、振動腕が屈曲振動する際に、最も大きな応力が作用し、歪みが大きくなる付け根部分の剛性を向上させることができる。これにより、振動腕の屈曲振動が安定し、不要な方向への振動成分が抑制されるので、ＣＩ値を低く抑えることができる。
さらに、拡幅部の側面および主面に側面電極が引き回されている。このため、たとえ振動腕の側壁の主面上の電極と基部上の電極とが接触していない場合であっても、拡幅部の側面および主面に引き回された電極を介して、側面電極と基部上の電極とを接続することができる。
また、このように、振動腕の側壁の主面上の電極の幅を気にしなくても、側面電極と基部上の電極とを接続できるので、振動腕の側壁の主面上の電極の幅を小さく形成し、或いは形成しなくてもよく、このため、長溝内の電極との短絡を防止できる。
かくして、圧電振動片を小型化した場合であっても、電極間の短絡を防止しつつ電極の断線を防止し、ＣＩ値を低く抑えることができる圧電振動片を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記拡幅部は、基部側に向かって拡幅の度合いを段階的に変えながら拡幅していることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、拡幅部は、基部側に向かって拡幅の度合いを段階的に変えながら拡幅しているので、拡幅部の側面と拡幅部の主面とが接する長さを、拡幅の度合いを変えない場合に比べて、長くすることができる。したがって、第１の発明に比べて、拡幅部の側面と拡幅部の主面との断線を防止することができる。

また、上記目的は、第３の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝の内面に配置された内面電極、および前記振動腕の前記内面電極に対向する側面に配置された側面電極により形成された励振電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根の箇所で、基部側に向かって拡幅する拡幅部を有し、この拡幅部の側面および主面に前記側面電極が引き回されている圧電デバイスにより達成される。
第３の発明の構成によれば、第１の発明と同様の原理により、電極間の短絡を防止するとともに電極の断線を防止し、振動腕の屈曲振動を安定させて、ＣＩ値を低く抑えた圧電デバイスを提供することができる。

図１ないし図４は、本発明の圧電デバイスの実施形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図、図３は図１の圧電デバイスに使用されている圧電振動片の実施形態を示す概略斜視図、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。
なお、図１および図２においては、理解の便宜のために、後述する励振電極を省略して図示してある。また、図３の平行斜線は断面を示しものではなく、電極を示している。

これらの図において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス３０は、図１および図２に示すように、パッケージ３７内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３７は、図２に示すように、第１の基板５５と第２の基板５６とを積層して形成されており、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して図示の形状とした後で、焼結して形成されている。

パッケージ３７は、図２に示すように、第２の基板５６の内側の材料を除去することで、内部空間Ｓのスペースを形成している。この内部空間Ｓが圧電振動片３２を収容するための収容空間である。そして、第１の基板５５に形成した電極部３１，３１の上に、導電性接着剤４３，４３を用いて、圧電振動片３２の基部５１に設けた引出し電極５２，５３の箇所を載置して接合している。なお、電極部３１，３１はパッケージ裏面の実装端子４１，４２と導電スルーホールなどで接続されている。
また、パッケージ３７は、圧電振動片３２を収容した後で、透明なガラス製の蓋体４０が封止材３８を用いて接合されることにより、気密に封止されている。これにより、蓋体４０を封止した後で、外部からレーザ光ＬＢを照射して圧電振動片３２の電極などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。

圧電振動片３２は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片３２は、図３に示すように、基部５１と、この基部５１を基端として、図において上に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３５，３６を備えている。
なお、このような圧電振動片３２の音叉状の外形と、後述する各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより形成することができる。

基部５１は、振動腕３５，３６を支持するための部分であり、本実施形態では、パッケージ３７側に固定される領域を含む部分でもある。
すなわち、この基部５１の幅方向の両端には、互いに異極となるように実装端子４１，４２（図２を参照）に接続された複数の引出し電極５２，５３が設けられている。この引出し電極５２，５３は、後述する励振電極に駆動用の電圧を伝達するための電極であり、例えば、クロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）をスパッタして形成されている。

振動腕３５と振動腕３６は略同様の外形をしており、各主面である表裏には、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３４がそれぞれ形成されて、図４に示すように、断面が略Ｈ型となっている。
そして、振動腕３５，３６には、図３および図４に示すように、長溝３３，３４の内面に配置された内面電極４４，４５、及びこの内面電極４４，４５に対向する側面３５ｂ，３６ｂに配置された側面電極４６，４７により、駆動用の電極となる励振電極が形成されている。すなわち、内面電極４４と側面電極４６は対向して配置され、また、内面電極４５と側面電極４７も対向して配置され、内面電極４４，４５と側面電極４６，４７とが互いに異極となるように、基部５１上の引出し電極５２，５３に接続されている。これらの励振電極は、例えば、クロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）をスパッタして形成されている。

これにより、圧電デバイス３０を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、各実装端子４１，４２から、引出し電極５２，５３を介して、振動腕３５，３６の各励振電極に伝えられるようになっている。そして、この際、内面電極４４，４５とこれに対向する側面電極４６，４７に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝３３，３４内の励振電極が形成された領域の内部の電界効率を高めることができる。

そして、好ましくは、内面電極４４，４５と側面電極４６，４７とは、次のように引出し電極５２，５３と接続されて、互いに異極となっている。
まず、引出し電極５３は、基部５１の主面（表裏面）を通って、長溝３３の内面電極４４に接続されると共に、振動腕３６の内面電極４５と対向する側面３６ｂに設けらた側面電極４７に接続されている。

一方、引出し電極５２は、引出し電極５３、及びこの引出し電極５３に接続された基部５１の主面の電極、内面電極４４、側面電極４７と接触しないように、振動腕３５の側面３５ｂ及び先端を回りこんでから、振動腕３５の内面電極４５に接続されている。
すなわち、引出し電極５２は、振動腕３５の側面３５ｂ上の側面電極４６に接続され、この側面電極４６は、基部５１の主面（表裏面）の接続用電極４８を介して、振動腕３５の長溝３４内の内面電極４５と接続されている。
なお、側面電極４６を基部５１の接続用電極４８に接続する際には、側面電極４６が、基部５１の振動腕３５と振動腕３６との間に位置する股部５１ａに被覆されないようにし、股部５１ａに電界が生じないようにしている。

ここで、本実施形態における圧電振動片３２は、各振動腕３５，３６の幅寸法Ｗａが、振動腕３５，３６の基部５１に対する付け根の箇所で、基部５１側に向かって拡幅する拡幅部６０，６０を有している。
この拡幅部６０，６０は、好ましくは、図１に示すように、平面視において、振動腕３５，３６の幅方向の中心を通る長手方向に沿った仮想線ＣＬを中心にした外側の拡幅部６０ａと内側（股部５１ａ側）の拡幅部６０ｂとが略対称となるように形成されている。これにより、振動腕３５，３６の内側と外側とのバランスをとって、安定した屈曲振動を可能としている。

具体的には、拡幅部６０は、平面視（水平視）において、根元部分の幅寸法が先端側から基部５１側に向かうにしたがって、拡幅の度合いを変えないように傾斜しており、図３に示すように、その側面６０ｃは均一の角度を有する傾斜面となるように形成されている。
また、拡幅部６０は、基部５１に接した位置における最大幅Ｗｂが大きいほど、後述するように電極の引き回しを容易にすることができ、少なくとも長溝３３が設けられたことで形成された側壁３５ａの幅よりも大きな幅となるように拡幅している。但し、この拡幅部６０の最大幅Ｗｂが大き過ぎると、股部５１ａがなくなって、拡幅部６０自体が股部のような働きをする部分になってしまう、或いは、この拡幅部６０の股部化を避けるためには、股部５１ａの幅寸法を大きくすることも考えられるが、そうすると、圧電振動片３２全体の幅が大きくなってしまう。そこで、拡幅部６０は、股部５１ａが残るように、最大幅Ｗｂが２３μｍ程度となるように形成されている。また、拡幅部６０の長さＬ１は、最大幅Ｗｂのおよそ２倍の５０μｍ程度とされている。

そして、この拡幅部６０，６０，６０，６０の側面６０ｃ，６０ｃ，６０ｃ，６０ｃに側面電極４６，４７が引き回されている。そして、これら複数の拡幅部のうち、振動腕３５の内側の拡幅部６０ｂの主面（表裏面）６０ｄにも側面電極４６が引き回されている。
すなわち、上述のように、一方の引出し電極５２及びこれと電気的に接続された励振電極と、他方の引出し電極５３及びこれと電気的に接続された励振電極とが接触しないように、一方の引出し電極５２を振動腕３５の側面および先端を回り込ませて側面電極４６を形成し、この側面電極４６を基部５１の主面まで引き回して、基部５１上に振動腕３６の内面電極４５と接続された接続用電極４８を形成するようにしている。そこで、この側面電極４６を基部５１上の接続用電極４８まで引き回す際に、拡幅部６０ｂの側面６０ｃと主面６０ｄが利用されている。

本発明の実施形態は以上のように構成されており、圧電振動片３２は、各振動腕３５，３６の幅寸法Ｗａが、振動腕３５，３６の基部５１に対する付け根の箇所で、基部５１側に向かって拡幅する拡幅部６０，６０を有している。このため、振動腕３５，３６が屈曲振動する際に、最も大きな応力が作用し、歪みが大きくなる付け根部分の剛性を向上させることができる。これにより、振動腕３５，３６の屈曲振動が安定し、不要な方向（例えば、振動腕の厚み方向）への振動成分が抑制されるので、ＣＩ値を低く抑えられる。

さらに、拡幅部６０の側面６０ｃおよび主面６０ｄに側面電極４６が引き回されている。このため、例えば、振動腕３５の根元付近の部分図である図５に示すように、たとえ振動腕３５の側壁３５ａの主面（表裏面）の電極が正確に形成されない場合、或いは、側壁３５ａの主面の電極が全く形成されていない場合等、振動腕３５の側壁３５ａの主面の電極と基部５１の接続用電極４８とが接触していなくても、拡幅部６０の側面６０ｃおよび主面６０ｄに引き回された電極を介して、側面電極４６と基部５１上の接続用電極４８とを電気的に接続して、断線を回避できる。

しかも、振動腕３５の側壁３５ａの主面の電極に注意を払わなくても、側面電極４６と基部５１上の接続用電極４８とを接続できるので、振動腕３５の側壁３５ａの主面の電極の幅を小さく形成し、或いは形成しなくてもよく、このため、長溝３３内の内面電極４４と接触することを防止できる。

図６は、本発明の実施形態の変形例であって、圧電振動片の振動腕の付け根付近を拡大した部分拡大図である。
この図において、図１ないし図５の圧電振動片３２と同一の符号を付した箇所は共通の構成であるから、重複する説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
図６において、圧電振動片７０が、図１ないし図５の圧電振動片３２と異なるのは、拡幅部６０の形状のみについてである。

すなわち、図６の圧電振動片７０は、拡幅部６０，６０，６０，６０が、基部５１側に向かって拡幅の度合いを段階的に変えながら拡幅している。すなわち、各拡幅部６０は、平面視において、その途中で傾斜角度を変える変更点Ｐを有するように形成されている。
より好ましくは、各拡幅部６０は、先端側の拡幅部６０−１よりも基部側の拡幅部６０−２の方が、拡幅の度合いが大きくなるように形成されている。これにより、より大きな応力が作用し、歪みが大きくなる基部側の付け根部分の剛性を高めることができる。
なお、図６の変形例では、各拡幅部６０は、拡幅の度合いは１段階だけ変わっており、平面視において、２つの異なる傾斜角度を有する拡幅部６０−１，６０−２で形成されているが、拡幅の度合いは２段階以上にわたって変わっていても勿論よい。

本発明の実施形態の変形例は以上のように構成されており、拡幅部６０は、基部５１側に向かって拡幅の度合いを段階的に変えながら拡幅しているため、拡幅部６０の側面６０ｃと拡幅部６０の主面６０ｄとが接する長さを、拡幅の度合いを変えない場合に比べて、長くすることができる。したがって、図１ないし図５の圧電振動片３２に比べて、拡幅部６０の側面６０ｃと拡幅部６０の主面６０ｄとの断線を防止することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
例えば、図６に示す圧電振動片７０を図１および図２に示すパッケージ３７に収容して圧電デバイスを形成するようにしても勿論よく、また、パッケージは箱状のパッケージに限られず、例えばシリンダー状の容器などであってもよい。
さらに、圧電振動片についても、図１ないし図６では、基部５１がパッケージ３７に接合されているが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、振動腕３５，３６とは別に、基部５１の端部から第２の腕部を延ばし、この第２の腕部をパッケージに接合するようにしてもよい。

本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。 図１の圧電デバイスに使用されている圧電振動片の実施形態を示す概略斜視図。 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。 本発明に係る圧電振動片の振動腕の根元付近の部分図。 本発明の実施形態の変形例であって、圧電振動片の振動腕の付け根付近を拡大した部分拡大図。 圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図。 図７のＡ−Ａ線概略断面図。 従来の振動腕の根元付近を拡大した部分拡大図。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３２，７０・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕、４４，４５・・・内面電極、４６，４７・・・側面電極、５１・・・基部、６０・・・拡幅部、６０ｃ・・・拡幅部の側面、６０ｄ・・・拡幅部の主面

Claims (3)

1. 圧電材料により形成された基部と、
   前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と、
   前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
   前記長溝の内面に配置された内面電極、および前記振動腕の前記内面電極に対向する側面に配置された側面電極により形成された励振電極と
   を備えており、
   前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根の箇所で、基部側に向かって拡幅する拡幅部を有し、この拡幅部の側面および主面に前記側面電極が引き回されている
   ことを特徴とする圧電振動片。
2. 前記拡幅部は、基部側に向かって拡幅の度合いを段階的に変えながら拡幅していることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
3. パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、
   前記圧電振動片が、
   圧電材料により形成された基部と、
   前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と、
   前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
   前記長溝の内面に配置された内面電極、および前記振動腕の前記内面電極に対向する側面に配置された側面電極により形成された励振電極と
   を備えており、
   前記各振動腕の幅寸法が、前記振動腕の前記基部に対する付け根の箇所で、基部側に向かって拡幅する拡幅部を有し、この拡幅部の側面および主面に前記側面電極が引き回されている
   ことを特徴とする圧電デバイス。

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