JP2011166324A - 音叉型圧電振動片及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】音叉型圧電振動片のＱ値向上及び小型化を実現する。
【解決手段】基部１２から延出しかつ先端に向けて縮幅する１対の振動腕１３，１４と、その表裏主面に形成した溝部１５，１６と、振動腕の主面及び側面に設けた励振電極２３〜２６と、振動腕の先端に設けた幅広の錘部２７，２８とを備える音叉型圧電振動片１１において、錘部が、振動腕との連結位置から先端側に拡幅するテーパー部分１７ａと、それより先端側の一定幅部分１７ｂとを有し、溝部がその先端位置を錘部の内部まで延長させて設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、音叉型圧電振動片に関し、更に音叉型圧電振動片をパッケージに収容した圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスに関する。

従来より、携帯電話等の通信機器、パーソナルコンピュータ等の情報機器、その他様々な電子機器には、圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。特に最近は、電子機器の高性能化、小型化に伴い、より一層の小型化を図ることができると共に、ＣＩ値を低く抑制しかつ高いＱ値（共振尖鋭度）を発揮する高品質で、高い安定性を有する圧電デバイスが要求されている。

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、かつ腕幅に比例する特性がある。従って、同じ共振周波数で振動腕の長さを短くしようとすると、腕幅も同様に小さくしなければならず、そのためにＣＩ値が大きくなるという問題が発生する。そこで、振動腕の表裏主面に長手方向の溝を形成しかつその内面に励振電極を設けることにより、振動腕の長さを短くしても、腕幅を必要以上小さくすることなく、電界効率を向上させてＣＩ値を低く抑制する方法が広く採用されている（例えば、特許文献１を参照）。

また、音叉型圧電振動片は、目的とする基本波の周波数だけでなく、好ましくない高調波の周波数でも発振する特性がある。かかる高調波の影響を防止するために、高調波のＣＩ値を基本波のＣＩ値より大きくする、即ちＣＩ値比（＝高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）を１．０より大きく設定することによって、高調波を発生し難くする方法が知られている。例えば、振動腕の腕幅を基部側から先端側に向けて先細のテーパー状に変化させることによって、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が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。

他方、音叉型圧電振動片のＱ値は、一般にＱ＝１／（ω・Ｃ₁・Ｒ₁）の式で表される。ここで、ωは角周波数（１／２πｆs、ｆs：直列共振周波数）、Ｃ₁は等価直列容量、Ｒ₁は等価直列抵抗である。等価直列抵抗Ｒ₁はＣＩ値にほぼ等しい。Ｑ値を大きくするためには、振動腕の腕幅を大きくする必要があるが、これに伴う高次振動モードの発生を抑制するために振動腕の長さも長くしなければならず、小型化は困難になる。そこで、振動腕の先端に幅広の錘部を設けることにより、振動腕を短くしても、高次振動モードの発生を抑制しかつ振動周波数の安定性を得られると共に、Ｑ値を高くする音叉型圧電振動片が知られている（例えば、特許文献３を参照）。

特開２００２−２８０８７０号公報 特開２００６−３１１０９０号公報 特開２００５−５８９６号公報

図４は、振動腕の先端に幅広の錘部を有する音叉型圧電振動片の典型例を示している。音叉型圧電振動片１は、基部２から平行に延出する１対の振動腕３，４を有し、その表裏主面にそれぞれ長手方向の溝部５，６が形成され、かつその先端に幅広の錘部７，８が一体に設けられている。前記振動腕と錘部との連結部では、溝部の有無や該連結部付近での幅の変化に伴って、その断面積及び断面形状が急激に変化するので、剛性が急激に変化する。そのため、前記振動腕を互いに接近離反する向きに屈曲振動させると、錘部７，８は、質量が非常に大きいので、前記振動腕に遅れて振り回されるような挙動をする。

図５は、一方の振動腕３の屈曲振動を模式的に例示している。錘部７は、想像線７’，７”で示すように図中左側から右側へ振れる際に、振動腕３との連結部が「節」のようになって振動し、前記振動腕の正常な屈曲振動を妨げる虞がある。そのため、圧電振動片１は、振動が不安定になって高調波などの好ましくない振動を発生させたり、振動漏れを生じ、ＣＩ値が上昇するなど、所望の振動特性が得られなくなる。更に、前記錘部と振動腕との連結部は、局所的に応力集中が起こり易く、外部からの衝撃等で破損することも考えられる。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、基部から先端に向けて縮幅させた振動腕の先端に幅広の錘部を有する音叉型圧電振動片において、振動腕を常に良好かつ安定に屈曲振動させることができ、Ｑ値を向上させかつＣＩ値を抑制して振動特性を向上させると共に、小型化を実現することにある。

更に本発明の目的は、かかる音叉型圧電振動片を備えることにより、高性能で小型化可能な圧電振動子、発振器等の圧電デバイスを提供することにある。

本発明の音叉型圧電振動片は、基部と、基部から延出しかつ先端に向けて全長に亘って縮幅する１対の振動腕と、各振動腕の表裏主面に形成されてその長手方向に延長する溝部と、各振動腕の表裏主面の溝部の内面に形成した第１励振電極及び各振動腕の側面に形成した第２励振電極と、各振動腕の先端に一体に設けられかつ該振動腕の前記先端における幅よりも広幅の部分を有する錘部とを備え、
錘部が、振動腕の長手方向に沿って振動腕との前記連結位置から先端側に徐々に拡幅するテーパー部分と、それより先端側の一定幅部分とを有し、かつ、溝部の先端が、振動腕と錘部との連結位置を越えて錘部の内部まで延長していることを特徴とする。

このように錘部のテーパー部分と溝部の錘部への延長部分とを組み合わせることによって、錘部の断面積及び断面形状は、最小断面積となる振動腕との連結部分から溝部の先端位置まで急激に変化することはない。これに対応して錘部の剛性も、振動腕との連結部分から溝部の先端位置まで徐々に高くなる。これにより、振動腕の屈曲振動による応力集中が大幅に緩和されるので、錘部の不安定な振動や異常な挙動を有効に防止又は抑制し、高調波などの好ましくない振動の発生を抑制して、振動腕を安定して良好に屈曲振動させることができる。また、落下等の衝撃による振動腕と錘部との連結部への応力集中も解消できる。従って、音叉型圧電振動片の小型化を図りつつ、良好かつ安定な屈曲振動を確保し、振動腕と錘部との連結部からの振動漏れを防止してＣＩ値を抑制し、Ｑ値等の振動特性及び耐衝撃性の向上を図ることができる。

或る実施例では、各振動腕の溝部が、基部側から先端側に向けて徐々に縮幅する部分を有するように形成されることによって、特にこの縮幅部分において、ＣＩ値比即ち、二次高調波モードＣＩ値／基本波モードＣＩ値を１より大きくすることができるので、高調波モードでの発振を抑制することができる。

この場合に、第１励振電極は、その先端位置が振動腕と錘部との連結位置又はそれよりも基部側に位置するように設けることが好ましい。

上述したように、一般に振動腕の表裏主面に溝部を形成した音叉型圧電振動片は、ＣＩ値を下げるために、溝部の全長に励振電極を設けることが好ましいとされている。ところが、本発明のように振動腕が基部から先端に向けて縮幅する音叉型圧電振動片では、溝部の全長に亘って励振電極を設けると、Ｑ値（Ｑ＝１／（ω・Ｃ₁・Ｒ₁））の等価直列抵抗Ｒ₁が不必要に下がり、等価直列容量Ｃ₁が高くなるという傾向が認められる。

そこで、このように第１励振電極を溝部内にその先端よりも短く設けることによって、等価直列容量Ｃ₁の抑制とＱ値の向上とのバランスを図り、良好な振動特性を得ることができる。更に、振動腕と錘部との連結部付近は、溝部に第１励振電極を形成しないことによって、振動腕の励振時に電界による歪みが発生しないから、錘部の不安定な振動や異常な挙動を防止し、振動腕を安定して良好に屈曲振動させることができる。

別の実施例では、溝部を、その基端が振動腕と基部との結合位置を越えて基部の内部まで延長するように設けることによって、基部は、両振動腕が結合する音叉の叉部に、振動腕の屈曲振動で生じ得る応力集中を緩和することができる。これにより、振動腕を良好に安定して振動させ、ＣＩ値をばらつきを生じることなく抑制することができ、安定して良好な振動特性を得ることができる。

この場合に、第１励振電極を、その基端位置が振動腕と基部との結合位置又はそれよりも先端側に位置するように設けることにより、振動腕の励振時に電界による歪みが基部に発生しないので、振動腕の屈曲振動及び振動特性の安定性を確保できる。

また別の実施例では、各振動腕が、その長手方向に沿って基部との連結部付近の第１テーパー部とそれより先端側の第２テーパー部とを有し、第１テーパー部が第２テーパー部よりも急峻に縮幅するように形成される。これにより、振動腕と基部との結合部付近の剛性を向上させて、振動腕の屈曲振動によって起こる応力集中を緩和し、振動腕の良好かつ安定な屈曲振動を確保すると共に、振動漏れを抑制してＣＩ値の低下を図ることができる。更に、振動腕と基部との結合部付近に振動腕の励振電極から基部側に引き出す配線を引き回すために十分なスペースを確保できるので、振動片の設計及び電極膜の成膜工程において有利である。

この場合に、更に各振動腕の第１テーパー部に形成される溝部の幅を一定にすることによって、振動腕の励振電極からの配線を引き回すために、より大きなスペースを確保することができる。

本発明の別の側面によれば、上述した本発明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備えることにより、高いＱ値を発揮しかつ小型化可能で耐衝撃性に優れた圧電デバイスが提供される。

本発明による音叉型圧電振動片の実施例の平面図。 図１の一方の振動腕を示す部分拡大平面図。 図１の音叉型圧電振動片を搭載した圧電振動子の縦断面図。 従来の音叉型圧電振動片を示す平面図。 図５の一方の振動腕の屈曲振動を示す部分拡大図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した音叉型圧電振動片の好適な実施例を示している。本実施例の音叉型圧電振動片１１は、基部１２と、該基部から平行に延出する１対の振動腕１３，１４とを備える。振動腕１３，１４の表裏主面には、それぞれ長手方向に延長する溝部１５，１６が形成されている。前記各振動腕の先端には、それぞれ幅広の錘部１７，１８が一体に設けられている。前記錘部によって、前記振動腕はその長さを短くしても、高次振動モードの発生を抑制して振動周波数を安定させることができるので、圧電振動片１全体を長手方向に小型化することができる。

圧電振動片１１は更に、基部１２の幅方向両端から振動腕１３，１４と平行に延出する１対の支持腕１９，２０を有する。基部１２の両側部には、支持腕１９，２０との連結部付近に切欠き２１，２２が形設されている。この切欠きによって、前記振動腕から前記基部を介して前記支持腕側に振動漏れが生じるのを抑制することができる。

圧電振動片１１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を用いて、公知のフォトエッチング技術により所望の形状に形成することができる。特に、水晶を用いる場合には、水晶結晶軸のＸ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）及びＺ軸（光軸）からなる直交座標系において、Ｘ軸を中心に、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸＹ平面を反時計回りに０°乃至５°の範囲で回転させて切り出した水晶Ｚ板を用いる。この場合、水晶Ｚ板は、図１に示すように、そのＹ軸を前記振動腕の長手方向に配向するのが通例である。

振動腕１３，１４の表裏主面には、溝部１５，１６の内面に第１励振電極２３，２４が形成され、前記振動腕の側面には、第２励振電極２５，２６が形成されている。一方の前記振動腕の第１励振電極２３及び第２励振電極２５は、それぞれ他方の振動腕の第２励振電極２６及び第１励振電極２４と互いに接続されている。支持腕１９，２０の表面にはそれぞれ引出電極２７，２８が形成され、その一方２７が第１励振電極２５及び第２励振電極２４と、他方２８が第１励振電極２３及び第２励振電極２６と、それぞれ基部１２上に設けた配線を介して接続されている。

図２には、一方の振動腕１３が前記第２励振電極を省略して示されている。尚、他方の振動腕１４は、振動腕１３と実質的に同一に構成されるので、説明を省略する。

振動腕１３は、その幅が基部１２側から先端に向けて徐々に狭くなるように縮幅させて形成されている。本実施例の振動腕１３は、その長手方向に沿って基部１２との結合部付近に設けた第１テーパー部１３ａと、それより先端側に連続する第２テーパー部１３ｂとを有する。第２テーパー部１３ｂは、その先端まで概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅し、第１テーパー部１３ａは、第２テーパー部１３ｂよりも急峻に縮幅するように形成される。

これにより、前記振動腕は、基部１２との結合部の剛性が高くなるので、その屈曲振動による応力集中を緩和し、屈曲振動をより良好に安定させ、かつ前記結合部からの振動漏れを抑制してＣＩ値の低下を図ることができる。また、振動腕１３と基部１２との結合部付近に該振動腕の前記励振電極から基部側に引き出す配線を引き回すために十分なスペースを確保することができる。従って、圧電振動片１を設計する際及び電極膜の成膜工程において有利である。

錘部１７は、振動腕１３の長手方向に沿って該振動腕との連結部から先端側に徐々に拡幅するテーパー部分１７ａを有する。テーパー部分１７ａより先端側に連続する錘部１７の大部分は、幅が一定の矩形部分１７ｂである。テーパー部分１７ａは、振動腕１３の長手方向に直交する幅方向を基準として、その傾斜角度θが約５０〜８０°となるように設定するのが好ましい。上述したように水晶Ｚ板を用いて圧電振動片１１を形成した場合には、このように傾斜角度θに設定することによって、ウエットエッチングで前記圧電振動片を外形加工する際に、前記テーパー部分と振動腕１３の側面との隅にヒレと呼ばれる突起が形成されることを有効に防止し又は抑制できるので、好都合である。

溝部１５は、その長手方向に沿って全長が振動腕１３よりも長く、かつその断面積が基部１２側から先端側に向けて徐々に小さくなるように、徐々に縮幅する部分を有するように形成される。溝部１５の先端位置Ｇdは、前記振動腕と錘部１７との連結部を越えて、前記錘部の矩形部分１７ｂの領域まで延長している。更に溝部１５の基端位置Ｇpは、前記振動腕と基部１２との結合部を越えて該基部の内部まで延長している。

溝部１５の断面積は、該溝部の深さを振動腕１３側から前記連結部を跨いで徐々に浅くすることによっても、徐々に小さく構成することができる。但し、溝部のウエットエッチングは、深さ方向に加工するよりも、上述したように縮幅する方が、高精度な加工を容易に行うことができる。それによって、圧電振動片の個体間における形状のばらつき、それに伴う振動特性や耐衝性のばらつきを防止又は抑制することができる。

錘部１７は、振動腕１３との連結部付近がテーパー部分１７ａと溝部１５の錘部への延長部分との組合せによって、その断面積及び断面形状が、最小断面積となる前記振動腕との連結部から溝部先端位置Ｇdまで急激に変化することはない。これに対応して錘部１７の剛性も、前記振動腕との連結部から溝部先端位置Ｇdまで徐々に高くなる。

これにより、錘部１７は、振動腕１３との連結部付近において、前記振動腕の屈曲振動による応力集中が大幅に緩和されるので、その不安定な振動や異常な挙動を有効に防止又は抑制できる。従って、圧電振動片１１は、高調波などの好ましくない振動の発生が抑制され、前記振動腕と錘部との連結部からの振動漏れを防止してＣＩ値の抑制、Ｑ値の向上を図ることができ、常に安定して良好な振動特性が得られる。また、落下等の衝撃による振動腕と錘部との連結部への応力集中も解消できるので、圧電振動片１１の耐衝撃性が向上する。

また、前記圧電振動片を水晶Ｚ板で形成した場合、錘部１７のテーパー部分１７ａを形成し得る領域は、その傾斜角度θによって一定の範囲に制限される。特に本実施例では、溝部先端位置Ｇdを矩形部分１７ｂの領域まで延長させたので、テーパー部分１７ａの領域を越えて更に錘部１７の先端側へ、剛性を緩やかに変化させることができる。

基部１２は、その内部まで溝部１５を延長させたことによって、両振動腕１３，１４との結合部付近の剛性を幾分低下させ、特に前記両振動腕の音叉の叉部に、その屈曲振動で生じ得る応力集中を緩和することができる。これにより、前記振動腕を常に良好に安定して振動させ、ＣＩ値をばらつきを生じることなく抑制することができるので、圧電振動片１１の振動特性が向上する。

また、溝部１５は、その長手方向に沿って振動腕１３の第１テーパー部１３ａに対応しかつそれより基端側の領域１５ａが幅一定に形成され、かつ第２テーパー部１３ｂに対応しかつそれより先端側の領域１５ｂが概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅している。このような縮幅部分を溝部１５に設けることによって、圧電振動片１１は、そのＣＩ値比＝二次高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値を１より大きくすることができるので、高調波モードでの発振が抑制される。

更に、幅一定の領域１５ａは、振動腕１３の第１テーパー部１３ａと協働して、前記励振電極から基部１２側に配線を引き回すために、より大きなスペースを確保することができる。従って、圧電振動片１１の設計及び前記励振電極並びに配線の成膜がより容易になる。

第１励振電極２３は、溝部１５の全長ではなく、それより短く形成されている。図２に示すように、第１励振電極２３の先端位置Ｅdは、錘部１７と振動腕１３との連結部によりも基部１２側に設けられている。上述したように、一般に音叉型圧電振動片は、基部から先端に向けて縮幅する振動腕の溝部の全長に亘って励振電極を設けると、Ｑ値（Ｑ＝１／（ω・Ｃ₁・Ｒ₁））の等価直列抵抗Ｒ₁が不必要に下がり、等価直列容量Ｃ₁が高くなる。このように第１励振電極２３の先端側を溝部１５よりも短くすることによって、等価直列容量Ｃ₁の上昇を抑制しつつ等価直列抵抗を十分低くした音叉型振動片が得られる。

特に本実施例は、前記振動腕と錘部との連結部よりも先端側には、第１励振電極２３を形成しないので、前記振動腕の励振時に電界による歪みが発生しない。従って、錘部１７の不安定な振動や異常な挙動を抑制し、振動腕の屈曲振動を良好に安定させることができる。

また、第１励振電極２３の基端位置Ｅpは、振動腕１３と基部１２との結合位置に設けられている。別の実施例では、前記第１励振電極の基端位置Ｅpを前記振動腕と基部との結合位置よりも先端側に設けることもできる。このように第１励振電極２３の基端を配置することによって、前記振動腕の励振時に電界による歪みが基部１２に発生しないので、安定した振動腕の屈曲振動及び振動特性が得られる。

図３は、図１の音叉型圧電振動片１１を搭載した圧電振動子の実施例を示している。本実施例の圧電振動子３１は、圧電振動片１１を収容するために表面実装型のパッケージ３２を備える。パッケージ３２は、例えばセラミック薄板の積層構造からなる矩形箱状のベース３３と、ガラス等からなる矩形平板状のリッド３４とを有する。

ベース３３は、その内部に画定される空所の底面にマウント電極３５が、圧電振動片１１の支持腕１９，２０に対応する位置に設けられている。圧電振動片１１は、前記各支持腕を対応するマウント電極３５に整合させかつ導電性接着剤３６で接着することにより、ベース３３の内部に電気的に接続されかつ機械的に固定支持される。リッド３４をベース３３上端に気密に接合すると、前記圧電振動片はパッケージ３２内に気密に封止される。外部からマウント電極３５を介して圧電振動片１１に所定の電流を印加すると、振動腕１３，１４は所定の周波数で互いに接近離反する向きに屈曲振動する。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、支持腕を有しない音叉型圧電振動片で基部において片持ちに接着固定する構造のものや、同様に基部から延出する振動腕を有する圧電ジャイロ素子等、基部から延出する振動腕を有する他の様々な音叉型圧電振動片についても適用することができる。また、本発明の音叉型圧電振動片は、上記実施例以外の様々な構造のパッケージに搭載することができ、圧電振動子以外に、圧電発振器等の様々な圧電デバイスに適用することができる。

１，１１…圧電振動片、２，１２…基部、３，４，１３，１４…振動腕、５，６，１５，１６…溝部、７，８，１７，１８…錘部、７ａ，１７ａ…テーパー部分、１３ａ…第１テーパー部、１３ｂ…第２テーパー部、１５ａ，１５ｂ…領域、１９，２０…支持腕、２１，２２…切欠き、２３，２４…第１励振電極、２５，２６…第２励振電極、２７，２８…引出電極、３１…圧電振動子、３２…パッケージ、３３…ベース、３４…リッド、３５…マウント電極、３６…導電性接着剤。

Claims (8)

1. 基部と、前記基部から延出しかつ先端に向けて全長に亘って縮幅する１対の振動腕と、前記各振動腕の表裏主面に形成されてその長手方向に延長する溝部と、前記各振動腕の前記表裏主面の前記溝部の内面に形成した第１励振電極及び前記各振動腕の側面に形成した第２励振電極と、前記各振動腕の先端に一体に設けられかつ該振動腕の前記先端における幅よりも広幅の部分を有する錘部とを備え、
   前記錘部が、前記振動腕の長手方向に沿って前記振動腕との前記連結位置から先端側に徐々に拡幅するテーパー部分と、それより先端側の一定幅部分とを有し、
   前記溝部の先端が、前記振動腕と前記錘部との連結位置を越えて前記錘部の内部まで延長していることを特徴とする音叉型圧電振動片。
2. 前記溝部が、前記基部側から先端側に向けて徐々に縮幅する部分を有することを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動片。
3. 前記第１励振電極が、その先端位置が前記振動腕と錘部との連結位置又はそれよりも前記基部側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項２記載の音叉型圧電振動片。
4. 前記溝部の基端が、前記振動腕と前記基部との結合位置を越えて前記基部の内部まで延長していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の音叉型圧電振動片。
5. 前記第１励振電極が、その基端位置が前記振動腕と前記基部との結合位置又はそれよりも先端側に位置するように設けられていることを特徴とする請求項４記載の音叉型圧電振動片。
6. 前記各振動腕が、その長手方向に沿って前記基部との連結部付近の第１テーパー部とそれより先端側の第２テーパー部とを有し、前記第１テーパー部が前記第２テーパー部よりも急峻に縮幅するように形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の音叉型圧電振動片。
7. 前記各振動腕の前記第１テーパー部に形成される前記溝部の幅が一定であることを特徴とする請求項６記載の音叉型圧電振動片。
8. 請求項１乃至７のいずれか記載の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備えることを特徴とする圧電デバイス。

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