JP4301140B2 - 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から図において上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、基部２の符号５，６で示す箇所に引出し電極が形成され、この部分に接着剤を塗布して、例えばパッケージなどに固定支持される。
そして、この接着剤による固定支持後に、圧電振動片を構成する材料と、パッケージなどの材料の線膨張係数の相違などに起因して残る残留応力が、振動腕の屈曲振動を妨げないように、基部２に切り込み部７，７を形成するようにしている。

特開２００２−２６１５７５

ところで、従来の圧電振動片１においては、印加する駆動パワーを図８の横軸に沿って次第に増大させると、図示するように、縦軸で示す周波数がマイナスにシフトする場合があり、不良な特性を示す場合がある。
これは、圧電振動片１において、振動腕３，４の振動が基部２側に比較的多く漏れ込み、基部２に形成した切り込み部７，７が十分効果を上げていないためであると考えられる。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、振動腕側から基部側への振動の漏れ込みを適切に防止して、ドライブレベル特性が良好な圧電振動片と、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。

本発明の圧電振動片は、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を備え、前記基部の前記振動腕側とは反対側の端部付近で固定支持される音叉型の圧電振動片において、前記基部の側縁には、前記基部の幅方向の寸法を縮幅するように設けた切り込み部が形成されており、前記切り込み部が設けられる位置Ｋが、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法Ｗを超える位置であって、かつ前記固定支持される箇所よりも前記付け根側とされていて、前記各振動腕には、これらの長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成された駆動用の電極とを備えており、かつ前記各振動腕の幅寸法が、前記各振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する縮幅部を有し、前記長溝は、前記縮幅部に位置し、前記各振動腕の前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする。

このような発明の構成によれば、本発明の圧電振動片においては、支持固定される基部に切り込み部が設けられている。
ここで、本発明者は、音叉型振動片の振動腕が屈曲振動する際に、その振動漏れが伝えられる範囲について、振動腕の腕幅寸法Ｗと相関があることに着目し、従来の圧電振動片の切り込み部が、適切な位置に設けられていないという知見を持った。そこで、本発明では、前記切り込み部が設けられる位置Ｋについて、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法Ｗを超える位置であって、かつ前記固定支持される箇所よりも前記付け根側とすることにしたものである。これによって、切り込み部は、振動腕からの振動漏れが、基部側に伝搬することを、より確実に抑制することができる構造とすることができたものである。
したがって、本発明によれば、振動腕側から基部側への振動の漏れ込みを適切に防止して、ドライブレベル特性が良好な圧電振動片を提供することができる。

また、前記各振動腕の前記縮幅部は、前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する第１の縮幅部と、前記第１の縮幅部の終端から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する第２の縮幅部と、を有し、
前記第１の縮幅部における前記各振動腕の縮幅は、前記第２の縮幅部における前記各振動腕の縮幅よりも急激であることを特徴とする。

また、前記各振動腕の前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする。

また、本発明は、さらに、前記切り込み部の位置Ｋが、前記付け根の箇所から前記腕幅寸法Ｗ×１．２以上離れた位置に形成されることを特徴とする。
このような構成は、前記切り込み部の位置Ｋが、前記付け根の箇所から前記腕幅寸法Ｗ×１．２以上離れた位置に形成することで、ドライブレベル特性を正常な圧電振動片のレベルに適合させることができることを実験的に確認できたものである。

本発明の圧電デバイスは、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を備え、前記基部の前記振動腕側とは反対側の端部付近で固定支持される音叉型の圧電振動片において、前記基部の側縁には、前記基部の幅方向の寸法を縮幅するように設けた切り込み部が形成されており、前記切り込み部が設けられる位置Ｋが、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法Ｗを超える位置であって、かつ前記固定支持される箇所よりも前記付け根側とされていて、前記各振動腕には、これらの長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成された駆動用の電極とを備えており、かつ前記各振動腕の幅寸法が、前記各振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する縮幅部を有し、前記長溝は、前記縮幅部に位置し、前記各振動腕は、前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする。

また、前記各振動腕は、前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする。

また、本発明にかかる圧電デバイスは、前記切り込み部の位置Ｋが、前記付け根の箇所から前記腕幅寸法Ｗ×１．２以上離れた位置に形成しても良い。

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５１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３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。

そして、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３の振動片と同様に、基部５１の両側縁に、基部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６１，６２を設けている。この切り込み部６１，６２は、基部５１の各振動腕３５，３６の付け根の位置Ｔから、圧電振動片３２が支持固定される箇所である引出し電極３７ａ，３８ａ側に向かって所定距離隔てた符号Ｋで示す位置に形成されている（図３右下拡大図）。切り込み部６１，６２の深さは、例えば、それぞれ近接する振動腕３５，３６の外側の側縁と一致する程度まで縮幅されると好ましい。

この切り込み部６１，６２は、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して、ＣＩ値を抑制を図るために設けられるが、この実施形態では、その実効をはかるため、符号Ｋの位置に関して、以下のような工夫がなされている。

すなわち、切り込み部６１，６２が設けられる位置Ｋは、前記振動腕の付け根の箇所Ｔから、振動腕３５，３６の腕幅寸法Ｗの大きさを超える位置であって、かつ圧電振動片３２が、前記固定支持される箇所である引出し電極３７ａ，３８ａよりも付け根Ｔ側とされている。
すなわち、音叉型振動片の振動腕３５，３６が屈曲振動する際に、その振動漏れが基部５１に向かって伝えられる範囲は、振動腕３５，３６の腕幅寸法Ｗと相関があることが知られている。本発明者はこの点に着目し、従来の圧電振動片の切り込み部が、適切な位置に設けられていないという知見を持った。そこで、本実施形態では、切り込み部６１，６２が設けられる位置Ｋについて、振動腕の付け根Ｔを起点として、振動腕の腕幅寸法Ｗの大きさに対応した距離を超える位置であって、かつ引出し電極３７ａ，３８ａの箇所よりも付け根Ｔ側とすることにしたものである。これによって、切り込み部６１，６２は、振動腕３５，３６からの振動漏れが、基部５１側に伝搬することを、より確実に抑制する構造とすることができたものである。
これにより、本実施形態においては、振動腕側から基部側への振動の漏れ込みを適切に防止して、ドライブレベル特性が良好な圧電振動片を提供することができる。

図５は、切り込み部６１，６２が設けられる位置である上記Ｋの値（付け根Ｔから切り込み６１，６２までの距離）を横軸にとり、ドライブレベル特性を見たときの周波数偏差を縦軸にとったグラフである。
正常な圧電振動片では、そのドライブレベル特性においては、プラスの６ｐｐｍ程度の周波数シフトが見られる。
この実施形態では、図３の振動腕の幅Ｗは５０μｍであるが、図５において、切り込み部を５０μｍとした時に、周波数はプラス４ｐｐｍシフトしており、振動腕Ｗの寸法に１．２を乗じた数値である６０μｍの位置に切り込み部を形成した時、ドライブレベル特性は略プラス６ｐｐｍとなり、正常な圧電振動片の値と一致する。

図６は、本実施形態の圧電振動片３２のドライブレベル特性を見たグラフであり、横軸は印加する駆動パワーを、縦軸は対応する周波数偏差を示している。この場合、駆動パワーを０．５マイクロワット（μＷ）から、３．０マイクロワット（μＷ）に変化させている。
図８の従来の例と比べると、図８の例では、周波数偏差がマイナスになっており、振動腕の屈曲振動の際にエネルギーが漏れながら、すなわち、不安定な屈曲振動により振動していたものである。これに対して、図６では、周波数偏差はプラスになっており、切り込み部６１，６２が十分にその機能を発揮して、安定した振動を実現できていることがわかる。

さらに、圧電振動片３２においては、各振動腕３５，３６が図３に示すような形状となるように形成されている。
各振動腕は同じ形状であるから、振動腕３６について説明すると、基部５１から延びる基端部（付け根の箇所と同じ）Ｔでは、振動腕幅が最も広い。そして、振動腕３６の付け根であるこのＴの位置から振動腕３６の先端側に僅かな距離だけ離れたＵの箇所の間において、急激に縮幅する第１の縮幅部ＴＬが形成されている。そして第１の縮幅部ＴＬの終端であるＵの位置から、振動腕３６のさらに先端側に向かって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する第２の縮幅部ＣＬが形成されている。

このため、振動腕３６は基部５１に近い付け根付近が、第１の縮幅部ＴＬを設けることにより、高い剛性を備えるようにされている。また、第１の縮幅部ＴＬの終端Ｕから先端に向かうにつれて、第２の縮幅部ＣＬを形成したことにより、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３６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３６においては、このくびれ位置Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が同じ幅で延びるか、あるいは図示のように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。この実施形態では、図３において、振動腕３６の全長Ｌは、例えば１２００μｍ程度である。

以上の構造により、振動腕３６の根本部分、すなわち、付け根付近が、第１の縮幅部ＴＬにより、剛性が強化されている。これにより、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができＣＩ値の抑制をはかることができる。
しかも、第２の縮幅部ＣＬを設けたことで、振動腕３６は、その付け根付近から、先端側に向かって、くびれ位置Ｐまで、徐々に剛性が低下し、くびれ位置Ｐからさらに先端側では、長溝３４が無く、腕幅が徐々に拡大していることから、剛性は先端側にいくに従って高くされている。
このため、２次の高調波における振動の際の振動の「節」を、振動腕３６のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝３４を長くして圧電材料の電界効率を上げ、ＣＩ値を上昇させても、基本波のＣＩ値を抑制しながら、２次の高調波のＣＩ値の低下を招くことがないようにすることができる。かくして、小型化しても、基本波のＣＩ値を低く抑えることができ、ドライブ特性が悪化することがない圧電振動片を提供することができる。

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ー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。 図３の圧電振動片の切り込み部の位置とドライブレベル特性の関係を示すグラフ。 図３の圧電振動片に印加する駆動パワーを変化させた場合の周波数変化を示すグラフ。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図７の圧電振動片に印加する駆動パワーを変化させた場合の周波数変化を示すグラフ。

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、ＴＬ・・・第１の縮幅部、ＣＬ・・・第２の縮幅部、６１，６２・・・切り込み部

Claims (5)

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を備え、前記基部の前記振動腕側とは反対側の端部付近で固定支持される音叉型の圧電振動片において、
   前記基部の側縁には、前記基部の幅方向の寸法を縮幅するように設けた切り込み部が形成されており、
   前記切り込み部が設けられる位置Ｋが、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法Ｗを超える位置であって、かつ前記固定支持される箇所よりも前記付け根側とされていて、
   前記各振動腕には、これらの長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成された駆動用の電極とを備えており、かつ前記各振動腕の幅寸法が、前記各振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する縮幅部を有し、
   前記長溝は、前記縮幅部に位置し、
   前記各振動腕の前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする、圧電振動片。
2. 前記各振動腕の前記縮幅部は、前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する第１の縮幅部と、前記第１の縮幅部の終端から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する第２の縮幅部と、を有し、
   前記第１の縮幅部における前記各振動腕の縮幅は、前記第２の縮幅部における前記各振動腕の縮幅よりも急激であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動片。
3. 前記切り込み部の位置Ｋが、前記付け根の箇所から前記腕幅寸法Ｗ×１．２以上離れた位置に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動片。
4. 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を備え、前記基部の前記振動腕側とは反対側の端部付近で固定支持される音叉型の圧電振動片において、
   前記基部の側縁には、前記基部の幅方向の寸法を縮幅するように設けた切り込み部が形成されており、
   前記切り込み部が設けられる位置Ｋが、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法Ｗを超える位置であって、かつ前記固定支持される箇所よりも前記付け根側とされていて、
   前記各振動腕には、これらの長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成された駆動用の電極とを備えており、かつ前記各振動腕の幅寸法が、前記各振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から前記各振動腕の先端側に向かって縮幅する縮幅部を有し、前記長溝は、前記縮幅部に位置し、
   前記各振動腕は、前記縮幅部の終端から、前記幅寸法が前記各振動腕の先端側に向かって等しい大きさで延びるか、あるいは増加に転じる幅変化の変更点Ｐを有し、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端よりもさらに前記各振動腕の先端に位置することを特徴とする、圧電デバイス。
5. 前記切り込み部の位置Ｋが、前記付け根の箇所から前記腕幅寸法Ｗ×１．２以上離れた位置に形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイス。

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