JP4020010B2 - 圧電振動片と圧電振動片を利用した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器 - Google Patents
圧電振動片と圧電振動片を利用した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージに収容した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電振動片を収容した水晶振動子や水晶発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図８は、このような圧電デバイスに使用される圧電振動片の公知の構成例を示す概略平面図である（特許文献１参照）。また、図９は図８のＡ−Ａ線切断端面図である。
【０００３】
図８において、圧電振動片１は、例えば水晶の単結晶からなる水晶ウエハからエッチングにより図示するような音叉型に加工されて形成されている。
すなわち、圧電振動片１は、基部５と、この基部５から平行に延びる一対の振動腕６，７を備える音叉型水晶片で構成されている。
【０００４】
圧電振動片１の基部５は、図示しないパッケージ側の電極部に対して固定されるようになっている。図８および図９を参照して理解されるように、振動腕６，７の表面および裏面には、長さ方向に延びる溝部４，５が形成されている。この溝部４，５内には、図示しない駆動用の電極が形成されている。基部５１の振動腕６，７側の端部付近の幅方向の外縁には、切欠き部５ａ，５ｂが設けられている。
【０００５】
このような圧電振動片１は、基部５１に設けた図示しない引出し電極の部分を、パッケージ側の電極（図示せず）に対して、導電性接着剤等により固定されることによって、パッケージ側から各引出し電極を介して、溝部４，５内に形成した駆動用の電極に対して、駆動電圧が印加されるようになっている。
これにより、振動腕６，７はその先端側６ａ，７ａを互いに接近、離間させるようにして、図８の矢印に示すように屈曲振動する。このような振動に基づく振動周波数を取り出すことにより、制御用のクロック信号等の各種信号に利用されるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２６１５７５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構造の圧電振動片１が図８の矢印に示すように屈曲振動すると、図１０に示すように歪みの分布が生じる。
すなわち、図１０は、圧電振動片１が屈曲振動した場合に生じる歪みをシミュレーションした解析図であり、符号ａ、ｂ、ｃの順に歪みが大きい方からその領域が示されている。つまり、領域ａが一番歪みが大きく、領域ｃは歪みが最も小さい。
【０００８】
図１０によると、屈曲振動する振動腕６，７に歪みが大きな領域が存在するので、この領域に設けた溝部に駆動用の電極を設けることは、歪みの大きな領域に駆動のためのエネルギーを供給できるので、好ましい。
しかしながら、図１０によると振動腕６と振動腕７との間の股部８に近接した振動腕６，７の根元の部分に大きな歪みを生じる領域があることが理解される。このことから、圧電振動片１やこれをパッケージに収容した圧電デバイス（図示せず）が落下したりして、外部から衝撃を受けた際に、振動腕６，７が変位して、振動腕６，７の根元の領域に大きな応力が働き、この領域に設けられる図８，図９で説明した溝部４，５に関して、その溝底部を挟む両側の壁部の厚みが薄いと、破損するおそれがあるという問題がある。
【０００９】
本発明は、耐衝撃性にすぐれ、振動効率を高めて、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を抑制することができる圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージに収容した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成される壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成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、圧電振動片の複数の振動腕が屈曲振動する際に歪みが大きくなる領域に対応して前記溝部が、溝底部の両側に設けられる壁部の壁厚みを厚くするようにされている、このため、屈曲振動の際だけでなく、外部から衝撃が加わった際に、応力が集中する領域が構造的に強化されるので、耐衝撃性が向上する。また、このため各振動腕および溝部を長くして、屈曲振動に際して、振動腕を大きく振る構造としても、破損の心配がない。あるいは従来と同様に振動させるためには、少ない駆動電圧で済むから、ＣＩ値の低い圧電振動片を実現できる。
かくして、本発明によれば、耐衝撃性にすぐれ、振動効率を高めて、ＣＩ値を抑制することができるという効果を発揮することができる。
さらに、特に各振動腕の基端部である根元部において、前記壁部の厚みを厚くしたので、最も応力が集中する箇所が特に強靱な構造となる。
しかも、前記溝部が基部に到達するまで延長されている。この溝部は駆動用の電極を形成する領域であり、従来、駆動電極が形成されることがなかった基部の領域に、駆動用の電極を形成することができるので、従来利用されていなかった領域を利用しつつ、歪みの大きくなる領域に効率良く振動のためのエネルギーを供給することが可能となる。
さらに、前記各溝部の外形が、前記基部の領域において、その端部が内向きとされることで、基部における歪み分布に対応して振動領域を形成することができる。さらに、各溝部の外形が溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるようにされることで、基部において面状に広がる歪みの大きな領域に対応して、このような領域を積極的に利用して振動させる箇所を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図である。
図１および図２において、圧電デバイス３０は、水晶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、パッケージ３６内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３６は、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形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成するようにされている。
この内部空間Ｓ２が圧電振動片を収容するための収容空間である。
すなわち、図２に示されているように、この実施形態では、パッケージ３６は、例えば、下から第１の積層基板５２、第２の積層基板５３を重ねて形成されている。
【００１８】
パッケージ３６の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成する第１の積層基板５２には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。
この電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部３１，３１の上に導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤４３，４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
尚、基部５１には、図８で説明した切欠き部５ａ，５ｂのような切欠き部もしくは凹部を形成してもよい。
【００１９】
パッケージ３６の開放された上端には、ロウ材３３を用いて蓋体３９が接合されることにより、封止されている。蓋体３９は、好ましくは、パッケージ３６に封止固定した後で、図２に示すように、外部からレーザ光Ｌ２を圧電振動片３２の金属被覆部（図示せず）に照射して、質量削減方式により周波数調整を行うために、光を透過する材料，特に、薄板ガラスにより形成されている。
蓋体３９として適するガラス材料としては、例えば、ダウンドロー法により製造される薄板ガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスが使用される。
【００２０】
圧電振動片３２は、水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図３に拡大して示す形状とされている。また、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。図３において圧電振動片３２は、Ｘ軸が電気軸、Ｙ’軸が機械軸およびＺ’軸が光軸となるように水晶の単結晶から切り出された水晶ウエハをウエットエッチングして形成されている。圧電振動片３２は、パッケージ３６側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
【００２１】
図３に示すように、圧電振動片３２の各振動腕３４，３５の表面および裏面には、それぞれ長さ方向に延びる溝部５６と溝部５７が設けられている。
振動腕３４には、その主面である表面と裏面にそれぞれ溝部５６，５６が設けられており、振動腕３５には、その主面である表面と裏面にそれぞれ溝部５７，５７が設けられている。これらの溝部は、例えば、水晶ウエハをエッチングして圧電振動片３２の外形を形成した後で、振動腕の部分をハーフエッチングすることにより形成することができる。
【００２２】
図４に示すように、振動腕３４には、溝部の底部を構成する部分２１と、この部分２１の両側で起立する壁部が形成されている。振動腕３４の構造は図３に示すように、厚み方向の中心に関して上下対称の形態である。このため、厚み方向の中心に位置する部分２１に対して、上側に壁部２２，２２が、同様に下側にも壁部２２，２２が形成されている。振動腕３５も振動腕３４と同じ構造で、厚み方向の中心に位置する部分２１に対して、上側に壁部２３，２３が、同様に下側にも壁部２３，２３が形成されている。
【００２３】
さらに、図３において、圧電振動片３２の基部５１の幅方向両端付近には、引出し電極５８，５９が形成されている。各引出し電極５８，５９は、圧電振動片３２の基部５１の裏面にも同様に形成されている。
これらの各引出し電極５８，５９は、上述したように図１に示されているパッケージ側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分である。そして、各引出し電極５８，５９は、各振動腕３４，３５の溝部５６，５７内等に設けた駆動用の電極である励振電極６３，６４（図４にのみ図示）と接続されている。
【００２４】
すなわち、図４に示すように、各振動腕３４，３５の溝部５６，５７内には、電極が形成されている。具体的には、振動腕３４の溝部５６，５６には、励振電極６３，６３が、振動腕３４の両側面には、これと対となる励振電極６４，６４とが形成されている（側面電極）。一方、振動腕３５の溝部５７，５７には、励振電極６４，６４が、振動腕３５の両側面には、これと対となる励振電極６３，６３とが形成されている（側面電極）。これにより、溝部に形成した電極と対となる側面電極との間が、溝の壁部を隔てるだけの近い距離となることで、圧電材料内部に効率的に電界を形成することができる。
ここで、これら電極の構造は、各振動腕３４，３５の主面である表面と裏面、すなわち、図４において上面と下面とで同じ構造である。図４の上面の励振電極６３，６４が表面電極であり、下面の励振電極６３，６４が裏面電極である。
【００２５】
次に、本実施形態の溝部５６，５７の特徴的な構造について詳しく説明する。図５は、圧電振動片３２について、振動腕３４，３５が、その各先端３４ａ，３５ａを矢印に示すように接近・離間させるように屈曲振動する場合に、歪みが生じる領域の分布状態をシミュレーションした図であり、符号ａ、ｂ、ｃの順に歪みが大きい方からその領域が示されている。つまり、領域ａが一番歪みが大きく、領域ｃは歪みが最も小さい。
図５によると、振動腕３４，３５に関して、これらの根元部Ｒ１の箇所から、各先端３４ａ，３５ａに向けて、Ｌ１の範囲にわたって、ａ領域とｂ領域が拡がっている。さらに、Ｌ１の範囲に加えて、基部５１の振動腕側の端部にもａ領域とｂ領域が分布している。この範囲を含めると、Ｌ２の範囲が歪みの大きい領域である。
【００２６】
そこで、図３に示されているように、この実施形態では、振動腕３４，３５の各溝部５６，５７の壁部２２，２２、２３，２３の厚みを、他の箇所よりも厚くなるように構成している。しかも、好ましくは、これらの壁部の厚みが振動腕３４，３５の根元部Ｒ１に向かって、徐々に増すようにされることで、図５の歪みの分布領域の分布態様に適合するようにされている。
【００２７】
このため、振動腕３４，３５の屈曲振動の際だけでなく、外部から衝撃が加わった際に、応力が集中する領域が構造的に強化されるので、耐衝撃性が向上する。また、このため各振動腕および溝部を長くして、屈曲振動に際して、振動腕を大きく振る構造としても、破損の心配がない。さらに、例えば、従来と同様に振動させるためには、少ない駆動電圧で済むから、ＣＩ値の低い圧電振動片を実現できる。
特に各振動腕３４，３５の基端部である根元部Ｒ１において、上述の壁部２２，２２、２３，２３の厚みを厚くしたので、最も応力が集中する箇所が特に強靱な構造となる。
【００２８】
また、図３に示されているように、各振動腕３４，３５に設けられる溝部５６，５７が基部５１に向かって長さ方向に延長されて、上述したＬ２の範囲を含むように、基部５１の振動腕側端部（以下、「端部領域」という）まで延ばされている。このため、従来、駆動電極が形成されることがなかった基部５１の領域に、駆動用の電極を形成することができるので、従来利用されていなかった領域を利用しつつ、歪みの大きくなる領域に効率良く振動のためのエネルギーを供給することが可能となる。
【００２９】
そして、溝部５６，５７の外形が、基部５１の領域において、その端部２６，２７が内向きとされている。
すなわち、図５に示されているように、基部５１の端部領域においては、歪みが大きな領域が曲線状に分布しており、これに適合させて、溝部を延長したことにより端部２６，２７が内向きに形成されている。これにより、歪みの大きな領域をできるだけ無駄なく活用することができる。
さらに、各溝部５６，５７の外形が溝部の端部２６，２７に向かって拡径部２４，２５によって徐々に幅広くなるようにされている。このため、基部５１の端部領域において、面状に拡がる歪みの大きな領域に対応して、このような領域を積極的に利用して振動させる箇所を形成することができる。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態において、上述した圧電振動片３２の溝部構造を採用した圧電デバイスを高さ１．５ｍの位置から落下させた際に、床等への衝突時に圧電振動片３２の各振動腕の根元部にかかる力を計測した結果を示すグラフである。
図示されているように、従来の圧電デバイスと比べると、接合箇所に加わる力が４０パーセント程度低減している。
【００３１】
図７は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン３０８および受信内容を音声出力とするためのスピーカ３０９を備えており、さらに、送受信信号の変調および復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるコントローラ（ＣＰＵ）３０１を備えている。
コントローラ３０１は、送受信信号の変調および復調の他に画像表示部としてのＬＣＤや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部３０２や、ＲＡＭ，ＲＯＭ等でなる情報記憶手段であるメモリ３０３の制御を行うようになっている。このため、コントローラ３０１には、圧電デバイス３０が取り付けられて、その出力周波数をコントローラ３０１に内蔵された所定の分周回路（図示せず）等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このコントローラ３０１に取付けられる圧電デバイス３０は、圧電デバイス３０単体でなくても、圧電デバイス３０と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
【００３２】
コントローラ３０１は、さらに、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）３０５と接続され、温度補償水晶発振器３０５は、送信部３０７と受信部３０６に接続されている。これにより、コントローラ３０１からの基本クロックが、環境温度が変化した場合に変動しても、温度補償水晶発振器３０５により修正されて、送信部３０７および受信部３０６に与えられるようになっている。
このように、デジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス３０を利用することにより、ＣＩ値を抑制するができ信頼性の高いデジタル式携帯電話装置３００を得ることができる。
【００３３】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各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。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。
さらに、上述の実施形態では、パッケージに水晶材料を使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属やセラミックのシリンダー状のケースに圧電振動片を収容するもの等、いかなるパッケージやケースを伴うものについても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。
【図２】 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。
【図３】 図１の圧電振動片の拡大した概略平面図。
【図４】 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図５】 図１の圧電振動片の屈曲振動における歪み領域の分布を示す図。
【図６】 従来の圧電デバイスと本発明の実施形態の圧電デバイスの耐衝撃性を比較したグラフ。
【図７】 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図８】 従来の圧電デバイスを示す概略平面図。
【図９】 図８のＡ−Ａ線切断端面図。
【図１０】 図８の圧電振動片の屈曲振動における歪み領域の分布を示す図。
【符号の説明】
３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片 、３４，３５・・・振動腕、５６，５７・・・溝部、６３，６４・・・励振電極（駆動用の電極）
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージに収容した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電振動片を収容した水晶振動子や水晶発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図８は、このような圧電デバイスに使用される圧電振動片の公知の構成例を示す概略平面図である（特許文献１参照）。また、図９は図８のＡ−Ａ線切断端面図である。
【０００３】
図８において、圧電振動片１は、例えば水晶の単結晶からなる水晶ウエハからエッチングにより図示するような音叉型に加工されて形成されている。
すなわち、圧電振動片１は、基部５と、この基部５から平行に延びる一対の振動腕６，７を備える音叉型水晶片で構成されている。
【０００４】
圧電振動片１の基部５は、図示しないパッケージ側の電極部に対して固定されるようになっている。図８および図９を参照して理解されるように、振動腕６，７の表面および裏面には、長さ方向に延びる溝部４，５が形成されている。この溝部４，５内には、図示しない駆動用の電極が形成されている。基部５１の振動腕６，７側の端部付近の幅方向の外縁には、切欠き部５ａ，５ｂが設けられている。
【０００５】
このような圧電振動片１は、基部５１に設けた図示しない引出し電極の部分を、パッケージ側の電極（図示せず）に対して、導電性接着剤等により固定されることによって、パッケージ側から各引出し電極を介して、溝部４，５内に形成した駆動用の電極に対して、駆動電圧が印加されるようになっている。
これにより、振動腕６，７はその先端側６ａ，７ａを互いに接近、離間させるようにして、図８の矢印に示すように屈曲振動する。このような振動に基づく振動周波数を取り出すことにより、制御用のクロック信号等の各種信号に利用されるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２６１５７５
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような構造の圧電振動片１が図８の矢印に示すように屈曲振動すると、図１０に示すように歪みの分布が生じる。
すなわち、図１０は、圧電振動片１が屈曲振動した場合に生じる歪みをシミュレーションした解析図であり、符号ａ、ｂ、ｃの順に歪みが大きい方からその領域が示されている。つまり、領域ａが一番歪みが大きく、領域ｃは歪みが最も小さい。
【０００８】
図１０によると、屈曲振動する振動腕６，７に歪みが大きな領域が存在するので、この領域に設けた溝部に駆動用の電極を設けることは、歪みの大きな領域に駆動のためのエネルギーを供給できるので、好ましい。
しかしながら、図１０によると振動腕６と振動腕７との間の股部８に近接した振動腕６，７の根元の部分に大きな歪みを生じる領域があることが理解される。このことから、圧電振動片１やこれをパッケージに収容した圧電デバイス（図示せず）が落下したりして、外部から衝撃を受けた際に、振動腕６，７が変位して、振動腕６，７の根元の領域に大きな応力が働き、この領域に設けられる図８，図９で説明した溝部４，５に関して、その溝底部を挟む両側の壁部の厚みが薄いと、破損するおそれがあるという問題がある。
【０００９】
本発明は、耐衝撃性にすぐれ、振動効率を高めて、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を抑制することができる圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージに収容した圧電デバイス、ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成される壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成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、圧電振動片の複数の振動腕が屈曲振動する際に歪みが大きくなる領域に対応して前記溝部が、溝底部の両側に設けられる壁部の壁厚みを厚くするようにされている、このため、屈曲振動の際だけでなく、外部から衝撃が加わった際に、応力が集中する領域が構造的に強化されるので、耐衝撃性が向上する。また、このため各振動腕および溝部を長くして、屈曲振動に際して、振動腕を大きく振る構造としても、破損の心配がない。あるいは従来と同様に振動させるためには、少ない駆動電圧で済むから、ＣＩ値の低い圧電振動片を実現できる。
かくして、本発明によれば、耐衝撃性にすぐれ、振動効率を高めて、ＣＩ値を抑制することができるという効果を発揮することができる。
さらに、特に各振動腕の基端部である根元部において、前記壁部の厚みを厚くしたので、最も応力が集中する箇所が特に強靱な構造となる。
しかも、前記溝部が基部に到達するまで延長されている。この溝部は駆動用の電極を形成する領域であり、従来、駆動電極が形成されることがなかった基部の領域に、駆動用の電極を形成することができるので、従来利用されていなかった領域を利用しつつ、歪みの大きくなる領域に効率良く振動のためのエネルギーを供給することが可能となる。
さらに、前記各溝部の外形が、前記基部の領域において、その端部が内向きとされることで、基部における歪み分布に対応して振動領域を形成することができる。さらに、各溝部の外形が溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるようにされることで、基部において面状に広がる歪みの大きな領域に対応して、このような領域を積極的に利用して振動させる箇所を形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図である。
図１および図２において、圧電デバイス３０は、水晶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、パッケージ３６内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３６は、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形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成するようにされている。
この内部空間Ｓ２が圧電振動片を収容するための収容空間である。
すなわち、図２に示されているように、この実施形態では、パッケージ３６は、例えば、下から第１の積層基板５２、第２の積層基板５３を重ねて形成されている。
【００１８】
パッケージ３６の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成する第１の積層基板５２には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。
この電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部３１，３１の上に導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤４３，４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。
尚、基部５１には、図８で説明した切欠き部５ａ，５ｂのような切欠き部もしくは凹部を形成してもよい。
【００１９】
パッケージ３６の開放された上端には、ロウ材３３を用いて蓋体３９が接合されることにより、封止されている。蓋体３９は、好ましくは、パッケージ３６に封止固定した後で、図２に示すように、外部からレーザ光Ｌ２を圧電振動片３２の金属被覆部（図示せず）に照射して、質量削減方式により周波数調整を行うために、光を透過する材料，特に、薄板ガラスにより形成されている。
蓋体３９として適するガラス材料としては、例えば、ダウンドロー法により製造される薄板ガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスが使用される。
【００２０】
圧電振動片３２は、水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図３に拡大して示す形状とされている。また、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。図３において圧電振動片３２は、Ｘ軸が電気軸、Ｙ’軸が機械軸およびＺ’軸が光軸となるように水晶の単結晶から切り出された水晶ウエハをウエットエッチングして形成されている。圧電振動片３２は、パッケージ３６側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。
【００２１】
図３に示すように、圧電振動片３２の各振動腕３４，３５の表面および裏面には、それぞれ長さ方向に延びる溝部５６と溝部５７が設けられている。
振動腕３４には、その主面である表面と裏面にそれぞれ溝部５６，５６が設けられており、振動腕３５には、その主面である表面と裏面にそれぞれ溝部５７，５７が設けられている。これらの溝部は、例えば、水晶ウエハをエッチングして圧電振動片３２の外形を形成した後で、振動腕の部分をハーフエッチングすることにより形成することができる。
【００２２】
図４に示すように、振動腕３４には、溝部の底部を構成する部分２１と、この部分２１の両側で起立する壁部が形成されている。振動腕３４の構造は図３に示すように、厚み方向の中心に関して上下対称の形態である。このため、厚み方向の中心に位置する部分２１に対して、上側に壁部２２，２２が、同様に下側にも壁部２２，２２が形成されている。振動腕３５も振動腕３４と同じ構造で、厚み方向の中心に位置する部分２１に対して、上側に壁部２３，２３が、同様に下側にも壁部２３，２３が形成されている。
【００２３】
さらに、図３において、圧電振動片３２の基部５１の幅方向両端付近には、引出し電極５８，５９が形成されている。各引出し電極５８，５９は、圧電振動片３２の基部５１の裏面にも同様に形成されている。
これらの各引出し電極５８，５９は、上述したように図１に示されているパッケージ側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分である。そして、各引出し電極５８，５９は、各振動腕３４，３５の溝部５６，５７内等に設けた駆動用の電極である励振電極６３，６４（図４にのみ図示）と接続されている。
【００２４】
すなわち、図４に示すように、各振動腕３４，３５の溝部５６，５７内には、電極が形成されている。具体的には、振動腕３４の溝部５６，５６には、励振電極６３，６３が、振動腕３４の両側面には、これと対となる励振電極６４，６４とが形成されている（側面電極）。一方、振動腕３５の溝部５７，５７には、励振電極６４，６４が、振動腕３５の両側面には、これと対となる励振電極６３，６３とが形成されている（側面電極）。これにより、溝部に形成した電極と対となる側面電極との間が、溝の壁部を隔てるだけの近い距離となることで、圧電材料内部に効率的に電界を形成することができる。
ここで、これら電極の構造は、各振動腕３４，３５の主面である表面と裏面、すなわち、図４において上面と下面とで同じ構造である。図４の上面の励振電極６３，６４が表面電極であり、下面の励振電極６３，６４が裏面電極である。
【００２５】
次に、本実施形態の溝部５６，５７の特徴的な構造について詳しく説明する。図５は、圧電振動片３２について、振動腕３４，３５が、その各先端３４ａ，３５ａを矢印に示すように接近・離間させるように屈曲振動する場合に、歪みが生じる領域の分布状態をシミュレーションした図であり、符号ａ、ｂ、ｃの順に歪みが大きい方からその領域が示されている。つまり、領域ａが一番歪みが大きく、領域ｃは歪みが最も小さい。
図５によると、振動腕３４，３５に関して、これらの根元部Ｒ１の箇所から、各先端３４ａ，３５ａに向けて、Ｌ１の範囲にわたって、ａ領域とｂ領域が拡がっている。さらに、Ｌ１の範囲に加えて、基部５１の振動腕側の端部にもａ領域とｂ領域が分布している。この範囲を含めると、Ｌ２の範囲が歪みの大きい領域である。
【００２６】
そこで、図３に示されているように、この実施形態では、振動腕３４，３５の各溝部５６，５７の壁部２２，２２、２３，２３の厚みを、他の箇所よりも厚くなるように構成している。しかも、好ましくは、これらの壁部の厚みが振動腕３４，３５の根元部Ｒ１に向かって、徐々に増すようにされることで、図５の歪みの分布領域の分布態様に適合するようにされている。
【００２７】
このため、振動腕３４，３５の屈曲振動の際だけでなく、外部から衝撃が加わった際に、応力が集中する領域が構造的に強化されるので、耐衝撃性が向上する。また、このため各振動腕および溝部を長くして、屈曲振動に際して、振動腕を大きく振る構造としても、破損の心配がない。さらに、例えば、従来と同様に振動させるためには、少ない駆動電圧で済むから、ＣＩ値の低い圧電振動片を実現できる。
特に各振動腕３４，３５の基端部である根元部Ｒ１において、上述の壁部２２，２２、２３，２３の厚みを厚くしたので、最も応力が集中する箇所が特に強靱な構造となる。
【００２８】
また、図３に示されているように、各振動腕３４，３５に設けられる溝部５６，５７が基部５１に向かって長さ方向に延長されて、上述したＬ２の範囲を含むように、基部５１の振動腕側端部（以下、「端部領域」という）まで延ばされている。このため、従来、駆動電極が形成されることがなかった基部５１の領域に、駆動用の電極を形成することができるので、従来利用されていなかった領域を利用しつつ、歪みの大きくなる領域に効率良く振動のためのエネルギーを供給することが可能となる。
【００２９】
そして、溝部５６，５７の外形が、基部５１の領域において、その端部２６，２７が内向きとされている。
すなわち、図５に示されているように、基部５１の端部領域においては、歪みが大きな領域が曲線状に分布しており、これに適合させて、溝部を延長したことにより端部２６，２７が内向きに形成されている。これにより、歪みの大きな領域をできるだけ無駄なく活用することができる。
さらに、各溝部５６，５７の外形が溝部の端部２６，２７に向かって拡径部２４，２５によって徐々に幅広くなるようにされている。このため、基部５１の端部領域において、面状に拡がる歪みの大きな領域に対応して、このような領域を積極的に利用して振動させる箇所を形成することができる。
【００３０】
図６は、本発明の実施形態において、上述した圧電振動片３２の溝部構造を採用した圧電デバイスを高さ１．５ｍの位置から落下させた際に、床等への衝突時に圧電振動片３２の各振動腕の根元部にかかる力を計測した結果を示すグラフである。
図示されているように、従来の圧電デバイスと比べると、接合箇所に加わる力が４０パーセント程度低減している。
【００３１】
図７は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン３０８および受信内容を音声出力とするためのスピーカ３０９を備えており、さらに、送受信信号の変調および復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるコントローラ（ＣＰＵ）３０１を備えている。
コントローラ３０１は、送受信信号の変調および復調の他に画像表示部としてのＬＣＤや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部３０２や、ＲＡＭ，ＲＯＭ等でなる情報記憶手段であるメモリ３０３の制御を行うようになっている。このため、コントローラ３０１には、圧電デバイス３０が取り付けられて、その出力周波数をコントローラ３０１に内蔵された所定の分周回路（図示せず）等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このコントローラ３０１に取付けられる圧電デバイス３０は、圧電デバイス３０単体でなくても、圧電デバイス３０と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
【００３２】
コントローラ３０１は、さらに、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）３０５と接続され、温度補償水晶発振器３０５は、送信部３０７と受信部３０６に接続されている。これにより、コントローラ３０１からの基本クロックが、環境温度が変化した場合に変動しても、温度補償水晶発振器３０５により修正されて、送信部３０７および受信部３０６に与えられるようになっている。
このように、デジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス３０を利用することにより、ＣＩ値を抑制するができ信頼性の高いデジタル式携帯電話装置３００を得ることができる。
【００３３】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各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。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。
さらに、上述の実施形態では、パッケージに水晶材料を使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属やセラミックのシリンダー状のケースに圧電振動片を収容するもの等、いかなるパッケージやケースを伴うものについても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。
【図２】 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。
【図３】 図１の圧電振動片の拡大した概略平面図。
【図４】 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図５】 図１の圧電振動片の屈曲振動における歪み領域の分布を示す図。
【図６】 従来の圧電デバイスと本発明の実施形態の圧電デバイスの耐衝撃性を比較したグラフ。
【図７】 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図８】 従来の圧電デバイスを示す概略平面図。
【図９】 図８のＡ−Ａ線切断端面図。
【図１０】 図８の圧電振動片の屈曲振動における歪み領域の分布を示す図。
【符号の説明】
３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片 、３４，３５・・・振動腕、５６，５７・・・溝部、６３，６４・・・励振電極（駆動用の電極）
Claims (4)
- 全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、
前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成される壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、
かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成されている
ことを特徴とする、圧電振動片。 - ケースまたはパッケージ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、
全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、
前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成される壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、
かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成されている
ことを特徴とする、圧電デバイス。 - パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、
前記圧電振動片が、
全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、
前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成される壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、
かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、携帯電話装置。 - パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスを利用した電子機器であって、
前記圧電振動片が、
全体が圧電材料により形成され、固定するための基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備え、各振動腕に長さ方向に延びる溝部が形成されている圧電振動片であって、
前記各振動腕に設けられる前記溝部が前記基部に向かって長さ方向に延長されて、前記基部の前記振動腕側端部に到達するようにされていて、前記溝部の溝底部両側に形成され る壁部の壁厚みが、前記各振動腕の基端部である根元部の領域に向かって徐々に増すようにされることで、前記根元部の領域の前記壁厚みがそれ以外の領域における壁厚みよりも厚くなるようにされており、
かつ、前記各溝部の外形が、前記基部に入り込んだ領域において、該溝部の端部が内向きとされ、かつ溝部の端部に向かって徐々に幅広くなるように、形成されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした
ことを特徴とする、電子機器。
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