JP4207873B2 - 圧電振動片および圧電デバイス - Google Patents

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。

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や圧電ジャイロセンサー等において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図８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９は図８のＡ−Ａ線切断端面図である。
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、パッケージ（図示せず）等に取付けられる矩形の基部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（特許文献１参照）。
このような圧電振動片１においては、駆動用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕３，４の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。

ところで、このような圧電振動片１は、これを利用した圧電デバイスが取付けられる上記した種々の製品の小型化にともない、小型に形成することがもとめられており、このため、圧電振動片１もできる限り小型に形成しなければならず、特にその全長ＡＬ１を小さくすることがもとめられる。そして、製品の小型化は不断に進展していることから、圧電振動片１においては、より小型に形成していくことができる構造がもとめられている。
ここで、図示のような音叉型圧電振動片である圧電振動片１の周波数ｆは、振動腕３，４の長さをｌ、腕幅をｗとした場合、ｗ／ｌ^２に比例する。
このことは、一方向に長い圧電振動片１を小型化しようとして、図８における全長ＡＬ１の大きさを小さくしようとする場合、振動腕の長さｌを短くすると、周波数が高くなることを意味する。また、振動腕の幅ｗが小さくなると、周波数は下がる。このことから、従来の周波数を維持して、小型化を図るためには、振動腕の長さをある程度短くしつつ腕幅ｗを小さくしなければならない。

特開２００２−２６１５７５

ところで、圧電振動片１を小型化する上では、これまでの周波数である例えば３２ｋＨｚ（３２．７６８ｋＨｚ）を維持するために、振動腕３，４の長さｌを短くし、腕幅ｗを小さくすることがもとめられるが、小型の圧電振動片１を加工する上では、その特性を維持しながら、特に腕幅ｗを小さく加工しようとすると、以下のような困難がある。

具体的には、振動腕３，４には、図９に示すような溝３ａ，４ａを加工する必要がある。図９のｔの寸法は、例えば水晶ウエハなどの加工材料の条件に拘束されるため変化しないので、これまでのものが例えば１００μｍである場合においては、小型化する場合にも１００μｍである。
これに対して、腕幅ｗは、これまでのものが１００μｍであったものを、小型化により５０μｍ程度とする場合を考える。腕幅１００μｍの際に、溝幅Ｃ１が７０μｍ程度、側壁厚みＳ１，Ｓ１がそれぞれ１５μｍ程度づつあったものが、腕幅ｗを５０μｍ程度とすると、溝幅Ｃ１が４０μｍ程度、側壁厚みＳ１，Ｓ１はそれぞれ５μｍ程度づつとしなければならない。

このような圧電振動片を作った場合には、振動腕３，４の剛性は大きく低下し、駆動電圧の印加による上述の屈曲振動の際には、図９におけるＺ方向の振幅が加わり、振動腕３，４のＸ方向に沿った屈曲振動が、矢印ＳＦ，ＳＦで誇張して示すような屈曲振動になってしまう。
図１０は、従来構造のまま圧電振動片を小型化した場合のドライブ特性を示すグラフであり、図の横軸に沿って、駆動電圧のレベルを徐々に増大させると、縦軸の周波数変化がマイナス方向に生じる。このことは、図９のＺ方向振動の成分が多くなって、エネルギーロスの多い振動となってしまうことを示しており、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増大の原因となる。

また、ＣＩ値を抑制するための効果的な対策としては、図８で説明した長溝３ａ，４ａを長くして、駆動用の電極を形成する面積を増やす方法がある。しかしながら、圧電振動片には、複数の振動モードがあり、通常使用される基本波は、例えば３２．７６８ｋＨｚで、これに対して、圧電振動片１の２次の高調波は、２５０ｋＨｚ付近にある。長溝３ａ，４ａを長くして、基本波のＣＩ値を低くできたとしても、２次の高調波のＣＩ値も低くなることで、高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値であるＣＩ値比が小さくなると、基本波ではなく、２次の高調波で発振しやすくなる。

尚、図１１は図８の構造で圧電振動片を小型化した場合のＣＩ値比の度数分布表である。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、小型化をする上で、ＣＩ値を抑え、かつ振動特性を悪化させることがない圧電振動片と、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。

上記の目的は、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、前記長溝内に形成された励振電極と、前記長溝内の励振電極と対になるように前記振動腕の側面に形成された励振電極とを備えた圧電振動片において、前記各振動腕は、その腕幅を前記振動腕の前記基部との接続箇所である基端部で最も広くなるようにして前記基端部から前記各振動腕の先端側に向かって連続的に縮幅させるとともに、前記振動腕の先端側の腕幅を拡大させるよう前記腕幅が増加に転じるくびれを設け、前記くびれの位置を前記長溝の先端部よりもさらに前記各振動腕の先端側に位置させたことを特徴とす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、所謂音叉型圧電振動片においては、振動腕に形成した前記長溝に駆動用の電極（励振電極）を形成した場合に、その腕幅に関して、前記基部側から先端側に向かって、徐々に縮幅するとともに、前記先端側には前記幅寸法が増加に転じる幅変化の変更点Ｐを設けることにより、ＣＩ値を抑制しつつ、２次の高調波における発振の防止をすることができる。
この場合、振動腕の長さや、腕幅、などは一様ではないことを前提とすると、圧電振動片によっては、さらに、前記変更点Ｐを、前記長溝の先端部よりもさらに腕先端側に位置させるようにし、かつ、前記振動腕の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、前記振動腕の腕長さに対する前記長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定された構造を持つことにより、全体を小型化をする上で、ＣＩ値を抑え、かつ振動特性を悪化させることがない圧電振動片を提供することができる。

第２の発明は、さらに、前記振動腕は、前記各振動腕の長さに対する前記長溝の長さの割合を６１パーセントとした場合に、前記各振動腕の最大幅／最小幅の割合が１．０６以上となるようにしたことを特徴とする。

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、前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、前記各振動腕の幅寸法が、前記基部側から先端側に向かって、徐々に縮幅するとともに、前記先端側には前記幅寸法が増加に転じる幅変化の変更点Ｐがあり、前記変更点Ｐを、前記長溝の先端部よりもさらに腕先端側に位置させるようにし、かつ、前記振動腕の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、前記振動腕の腕長さに対する前記長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定されている圧電デバイスにより、達成される。

第３の発明は、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、前記長溝内に形成された励振電極と、前記長溝内の励振電極と対になるように前記振動腕の側面に形成された励振電極とを備えた圧電振動片を、パッケージまたはケース内に収容した圧電デバイスにおいて、前記圧電振動片の前記各振動腕は、その腕幅を前記振動腕の前記基部との接続箇所である基端部で最も広くなるようにして前記基端部から前記各振動腕の先端側に向かって連続的に縮幅させるとともに、前記振動腕の先端側の腕幅を拡大させるよう前記腕幅が増加に転じるくびれを設け、前記くびれの位置を前記長溝の先端部よりもさらに前記各振動腕の先端側に位置させたことを特徴とする圧電デバイスに関係する。

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平面図、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。
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の基部に設けた引出し電極３７ａ，３８ａ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。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、パッケージ３７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。
各振動腕３５，３６の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３４をそれぞれ形成し、図３および図４に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極３７，３８が設けられている。このような圧電振動片３２の音叉状の外形と、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精密に形成することができる。

励振電極３７，３８は、長溝３３，３４内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされている。そして、各励振電極３７，３８は、図１で説明した引出し電極３７ａ，３８ａにそれぞれ引き回されている。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、電極部３１，３１を介して圧電振動片３２の各引出し電極３７ａ，３８ａに伝えられ、各励振電極３７，３８に伝えられるようになっている。

これにより、長溝３３，３４内の励振電極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ようになっている。
また、好ましくは、基部５１には、図８の振動片と同様に、基部５１の両側縁に、基板５１の幅方向の寸法に関して部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部を設けてもよい（図示せず）。この切り込み部は、基部５１の各振動腕３５，３６の付け根に近接した箇所である。これにより、各振動腕３５，３６の屈曲振動による振動の基部５１側への漏れ込みを大きく低減することができ、ＣＩ値の抑制効果を得ることができる。

さらに、圧電振動片３２においては、図３に示されている形状に各振動腕３５，３６が形成されている。各振動腕は同じ形状であるから、振動腕３５について説明すると、基部５１から延びる基端部Ｔでは、振動腕幅Ｗ１が最も広く、このＴの位置から振動腕３５の先端側にいくに従って、Ｐの位置まで、すなわち、振動腕に関して、ＣＬの距離にわたって、徐々に連続的に縮幅している。このため、振動腕３５は基部から先端に向かうにつれて、連続的に剛性が低くなるようにされている。Ｐの箇所は腕幅の変更点Ｐであり、振動腕３５の形態上くびれた位置であるから、くびれ位置Ｐと表現することができる。振動腕３５においては、このくびれ位置Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が拡大している。
ここで、図３の長溝３３，３４が長い程、振動腕３５，３６を形成する材料について電界効率が向上し、振動腕の全長Ｌに対して、長溝３３，３４の基部５１からの長さＰＬが、少なくともＰＬ／Ｌ＝０．７程度までは、長くするほど音叉型振動片のＣＩ値は下がることがわかっている。

以上の構造を前提として、この実施形態では、図３において、振動腕３５の全長Ｌを、例えば１２００μｍ程度として、次の関係が成立する。
図５は横軸にくびれ位置Ｐをとった場合において、振動腕の長さ方向のどの位置にくびれ位置Ｐがあるかにより、縦軸に示す圧電振動片３２のＣＩ値の変化を示している。図５のグラフの横軸のパーセンテージは、振動腕の全長Ｌを「１」とした場合に、基部からくびれ位置Ｐまでの長さＣＬが、どのような比率であるかを示している。そして、横軸の０の位置が、図３の長さＰＬで示された長溝３４の先端位置であり、０の位置は、長溝３４の先端位置にくびれ位置（変更点Ｐ）Ｐがあることを示している。
図５を参照すると、長溝の長さＰＬを上述のように適切な長さとして、十分にＣＩ値の抑制をはかると同時に、この長溝の先端位置と、くびれ位置Ｐの位置によってＣＩ値が大きく変化することがわかる。

図６は横軸にくびれ位置Ｐをとった場合において、振動腕の長さ方向のどの位置にくびれ位置Ｐがあるかにより、縦軸に示す圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）の変化を示している。図６のグラフの横軸は図５と同じである。ＣＩ値比が１より小さくなると、基本波のＣＩ値のほうが高調波のＣＩ値よりも大きくなり、高調波で発振しやすくなる。
図６を参照すると、長溝の長さＰＬを上述のように適切な長さとして、十分にＣＩ値の抑制をはかれば、くびれ位置Ｐがある程度変位しても、圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）は１よりも大きいが、くびれ位置Ｐが先端にいくほどＣＩ値比は大きくなり、高調波で発振しにくい。
このように、図３の振動腕３５に関して、長溝３４を長くするほどＣＩ値は低くなり、
くびれ位置（変更点Ｐ）Ｐも振動腕の先端よりに設けることで、ＣＩ値を低減しつつ、さらにＣＩ値比を大きくすることができる。このことから、好ましくはくびれ位置Ｐを長溝の先端部よりも、振動腕の先端側に設けることで、ほぼ確実にＣＩ値比を大きくして、高調波による発振を防止できる。

さらに、図７は、図３の長溝３４の長さＰＬ／振動腕３５の長さである溝長さの割合Ｎを６１．５パーセントとした場合において、振動腕３５の腕幅縮幅率Ｍである振動腕の最大幅（Ｗ２）／最小幅（Ｗ１）の値を横軸にとり、縦軸にＣＩ値比をとったグラフである。
図示するように、腕幅縮幅率Ｍを大きくする程、ＣＩ値比が大きくなり、好ましい。この実施形態では、振動腕３５の腕幅縮幅率Ｍを１．０６よりも大きくすることにより、ＣＩ値比を１より大きくすることができ、高調波による発振を防止することができる。

かくして、圧電振動片３２において、振動腕の腕幅の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、振動腕の腕長さに対する長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定されることにより、圧電振動片３２やこれを搭載した圧電デバイス３０を小型化しつつ、ＣＩ値を低減し、しかも高調波で発振しにくくして、良好な振動特性を実現することができる。

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。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。

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る圧電振動片の概略平面図。 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。 圧電振動片の振動腕のくびれ位置とＣＩ値の関係を示すグラフ。 圧電振動片の振動腕のくびれ位置とＣＩ値比の関係を示すグラフ。 圧電振動片の振動腕の腕幅の幅縮幅率とＣＩ値比の関係を示すグラフ。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図８のＡ−Ａ線切断端面図。 図８の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。 図８の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕

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、
   前記長溝内に形成された励振電極と、
   前記長溝内の励振電極と対になるように前記振動腕の側面に形成された励振電極とを備えた圧電振動片において、
   前記各振動腕は、その腕幅を前記振動腕の前記基部との接続箇所である基端部で最も広くなるようにして前記基端部から前記各振動腕の先端側に向かって連続的に縮幅させるとともに、前記振動腕の先端側の腕幅を拡大させるよう前記腕幅が増加に転じるくびれを設け、前記くびれの位置を前記長溝の先端部よりもさらに前記各振動腕の先端側に位置させたことを特徴とする圧電振動片。
2. 前記振動腕は、前記各振動腕の長さに対する前記長溝の長さの割合を６１パーセントとした場合に、前記各振動腕の最大幅／最小幅の割合が１．０６以上となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
3. 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、
   前記長溝内に形成された励振電極と、
   前記長溝内の励振電極と対になるように前記振動腕の側面に形成された励振電極とを備えた圧電振動片を、パッケージまたはケース内に収容した圧電デバイスにおいて、
   前記圧電振動片の前記各振動腕は、その腕幅を前記振動腕の前記基部との接続箇所である基端部で最も広くなるようにして前記基端部から前記各振動腕の先端側に向かって連続的に縮幅させるとともに、前記振動腕の先端側の腕幅を拡大させるよう前記腕幅が増加に転じるくびれを設け、前記くびれの位置を前記長溝の先端部よりもさらに前記各振動腕の先端側に位置させたことを特徴とする圧電デバイス。

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