JP5045890B2 - 圧電振動片 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片に関する。

基部から延びる一対の振動腕を有する圧電振動片において、基部に切り込みを形成することによって、振動腕からの振動が基部に伝わり難くすることが知られている（特許文献１）。これによれば、基部におけるパッケージとの固定部分に振動が伝わること（振動漏れ）を防止してＣＩ値の安定化を図ることができる。ただし、切り込みを形成すると振動漏れを防止する代わりに曲げ強さが低下し、落下衝撃に対する強度が低下するのでその対策が必要である。
特開２００２−２６１５７５号公報

本発明の目的は、曲げ強さを大きくし、落下衝撃に対する強度低下を最小限に抑えて振動漏れを防止することにある。

（１）本発明に係る圧電振動片は、
表裏面に括れた形状が表れるように１つの直線に沿って対向方向に一対の切り込みが形成され、前記一対の切り込みを挟んで両側に位置する第１及び第２の部分と、前記一対の切り込みの間で前記第１及び第２の部分を接続する接続部と、を含む基部と、
前記第１の部分から前記表裏面に平行に延びる一対の振動腕と、
を有し、
前記接続部は、前記表裏面に直交するとともに前記１つの直線を含む断面において、矩形の両側に三角形を接続した形、矩形の両側に半円を接続した形、ひし形及び円形からなるグループの形状のうちいずれか１つの形状である。本発明によれば、接続部の断面が上述した形状になっているので、接続部は、表裏面が向く方向には変形しやすく、これに直交する方向には変形しにくい。また、前記直交する方向は曲げ強さが大きい。このことは、それぞれの方向の断面二次モーメント及び断面係数を計算することにより明らかにすることができる。（詳しくは後述する）。したがって、表裏面が向く方向の曲がりやすさによって振動漏れを防止しすることができ、一方では、表裏面方向に直交する方向の曲げ強さを大きくすることによって、落下衝撃に対する強度を向上することができる。
（２）この圧電振動片において、
前記基部の前記第２の部分から延びる一対の支持腕をさらに含んでもよい。
（３）この圧電振動片において、
前記基部及び前記一対の振動腕は、水晶から構成され、結晶方位について、前記表裏面がＺ軸方向を向き、前記基部から前記一対の振動腕が前記Ｙ軸に沿って延びるように構成されてもよい。
（４）この圧電振動片において、
前記接続部に、前記表裏面に貫通する貫通穴が形成されてもよい。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。なお、底面図は平面図と対称に表れる。圧電振動片（例えば音叉型圧電振動片）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からなる。圧電振動片を水晶から構成する場合、水晶ウエハは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。圧電振動片は、基部１０と、基部１０から延びる一対の振動腕１２と、を含む。

基部１０には、表裏面に括れた形状が表れるように１つの直線に沿って対向方向に一対の切り込み１４が形成されている。基部１０は、一対の切り込み１４を挟んで両側に位置する第１及び第２の部分１６，１８と、一対の切り込み１４の間で第１及び第２の部分１６，１８を接続する接続部２０と、を含む。切り込み１４によって、振動腕１２の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１０や支持腕３０を介して外部に伝わること（振動漏れ）を抑制し、ＣＩ値の上昇を防止することができる。切り込み１４の長さ（深さ）は、基部１０の強度を確保できる範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果は大きい。一対の切り込み１４の間の幅（接続部２０の幅）は、一対の振動腕１２の対向する側面の間隔よりも小さくしてもよいし大きくしてもよいし、一対の振動腕１２の相互に反対を向く側面の距離よりも小さくしてもよいし大きくしてもよい。

図２は、図１に示す圧電振動片のII−II線断面拡大図である。すなわち、図２には、接続部２０の、表裏面に直交するとともに１つの直線（II−II線）を含む断面が示されている。この断面において、接続部２０は、矩形の両側（その対向辺）に三角形（その辺）を接続した形をなしている。

本実施の形態によれば、接続部２０の断面が上述した形状になっているので、接続部２０は、表裏面が向く方向には変形しやすく、これに直交する方向には変形しにくい。このことは、それぞれの方向の断面二次モーメント及び断面係数を計算すると明らかである。接続部２０の一例についての計算結果を次の表に示す。

表１において、Ｗ１は接続部２０の矩形部分の幅であり、Ｗ２は接続部２０の三角形部分の幅（矩形部分からの突出長さ）であり、Ｄ１は接続部２０の厚みである。断面二次モーメント及び断面係数の計算において、結晶の方位に対応するように、接続部２０の幅方向をＸ軸方向とし、厚み方向をＺ軸方向とする。

この接続部２０では、Ｚ軸方向の断面二次モーメントＩｚは１．５４×１０^７μｍ^４である。断面二次モーメントＩｚは、Ｚ軸方向の変形のしやすさを表している。一方、Ｘ軸方向の変形しやすさを表す断面二次モーメントＩｘは、８．１５５×１０^７μｍ^４である。

図３は、図２に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。図３に示す例では、Ｘ軸方向の断面二次モーメントＩｘは、表１に示すように５．２８×１０^７μｍ^４である。

つまり、図２及び図３に示す断面形状を比較すると、図２に示す形状の方が、Ｘ軸方向の断面二次モーメントが大きい。すなわち、表裏面が向く方向の変形しやすさ（Ｉｚ）が同じ場合、長方形の断面形状と比較して、本実施の形態に係る接続部２０の断面形状は、表裏面が向く方向に直交する方向には変形しにくい。

断面係数Ｚｘは、Ｚ軸方向の曲げ強さを示す値である。これによって図２及び図３に示す断面形状を比較しても、断面二次モーメントと同様、図２のＺｘの方が大きくなる。すなわち、Ｉｚが同じ場合、長方形の断面形状よりも、本実施の形態に係る接続部２０は、表裏面が向く方向に直交する方向には曲げ強さが大きく、つまり、落下衝撃に対する強度が高い。

したがって、本実施の形態によれば、表裏面が向く方向の曲がりやすさ（応力の集中）によって振動漏れを防止し、これに直交する方向の曲げ強さを高めることができ、Ｘ軸方向の落下衝撃に対する強度を向上することができる。

図４は、図１に示す圧電振動片のIV−IV線断面拡大図である。一対の振動腕１２は、基部１０の第１の部分１６から表裏面に平行に延びる。振動腕１２は、相互に反対を向く表裏面と、表裏面を両側で接続する第１及び第２の側面２２，２４と、を有する。圧電振動片を水晶から構成する場合、結晶方位について、第１の側面２２がＸ軸の＋方向を向き、第２の側面２４がＸ軸の−方向を向き、基部１０から＋Ｙ軸に沿って延びるように構成する。

一方（図４で左側）の振動腕１２の第１の側面２２と他方（図４で右側）の振動腕１２の第２の側面２４が対向するように並列している。第１の側面２２は、表裏面の間隔によって定義される振動腕１２の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されている。第１の側面２２が描く山型の高さは、第１及び第２の側面２２，２４の間隔によって定義される振動腕１２の幅の、０％超１２．５％以下である。

振動腕１２は、基部１０に接続される根本部において、基部１０側に向けて幅を拡げてあり、広い幅で基部１０に接続するので剛性が高くなっている。振動腕１２は、第１及び第２の側面２２，２４の間隔によって定義される幅が、基部１０から先端に向けて細くなっている。このようなテーパを形成することにより、振動腕１２は振動しやすくなっている。ただし、振動腕１２は、先端に近い位置で、幅が先端に向けて太くなるように逆テーパが付けられている。逆テーパを付けることで、先端部分が錘の機能を果たすので、振動周波数を低くすることができる。テーパから逆テーパに反転する位置が長溝２６よりも先端近くに位置するように、振動腕１２は形成されている。

振動腕１２には、表裏面に、長手方向に延びる長溝２６がそれぞれ形成されている。長溝２６によって振動腕１２が動きやすくなって効率的に振動するのでＣＩ値を下げることができる。長溝２６は、振動腕１２の長さの５０〜７０％の長さを有する。また、長溝２６は、振動腕１２の幅の６０〜９０％の幅を有する。

長溝２６は、第１の側面２２と背中合わせに延びる第１の内面と、第２の側面２４と背中合わせに延びる第２の内面と、を含む。第１の内面は第２の内面よりも、表裏面に対する角度が垂直に近くなっている。第１の内面は平坦面であってもよい。第２の内面も平坦面であってもよいが、図４に示す例では、異なる角度の面が接続されてなる。第１及び第２の側面２２，２４は、第２の内面よりも表裏面に対する角度（表裏面と接続する部分の角度）が垂直に近くなっている。

圧電振動片は、基部１０の第２の部分１８から延びる一対の支持腕３０を有する。一対の支持腕３０は、基部１０から一対の振動腕１２が延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、一対の振動腕１２の延びる方向に屈曲してさらに延びる。屈曲することで、支持腕３０は小型化される。支持腕３０は、図示しないパッケージなどに取り付けられる部分であり、支持腕３０で取り付けられることによって、振動腕１２及び基部１０は浮いた状態になる。

振動腕１２には、励振電極膜４０が形成されている。励振電極膜４０は、１００Å以上３００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上５００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含む多層構造であってもよい。Ｃｒ膜は水晶との密着性が高く、Ａｕ膜は電気抵抗が低く酸化し難いことで知られている。

励振電極膜４０は、表裏面にそれぞれ形成された表裏電極膜（複数の表電極膜と複数の裏電極膜）と、第１及び第２の側面２２，２４にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜と、第１及び第２の内面にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜と、を含む。なお、複数の表電極膜は相互に電気的に分離され、複数の裏電極膜は相互に電気的に分離されている。

励振電極膜４０によって、第１及び第２の励振電極４２，４４が構成される。１つの振動腕１２において、第１及び第２の励振電極４２，４４間に電圧を印加して、振動腕１２の第１及び第２の側面２２，２４を伸縮させることで振動腕１２を振動させる。なお、第１及び第２の励振電極４２，４４は、振動腕１２の７０％までは、長いほどＣＩ値が下がることが分かっている。

第１の励振電極４２は、長溝２６の第１及び第２の内面にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜と、表裏面にそれぞれ形成された表裏電極膜と、を含む。１つの長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜は、相互に連続的に形成されて電気的に接続されている。さらに、１つの長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜は、表裏電極膜の一方（例えば、表面に形成された長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜に対応するのは表電極膜）と連続的に形成されて電気的に接続されている。また、表裏面の一方（例えば表面）の長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜並びにこれらに電気的に接続する表裏電極膜の一方（例えば表電極膜）と、表裏面の他方（例えば裏面）の長溝２６に形成された第１及び第２の内面電極膜並びにこれらに電気的に接続する表裏電極膜の他方（例えば裏電極膜）と、は電気的に接続されている。すなわち、表裏面それぞれに形成された一対の第１の励振電極４２は電気的に接続されている。一方の振動腕１２に形成された一対の第１の励振電極４２は、基部１０上の表裏面それぞれに形成された引き出し電極４８に接続され、これらの引き出し電極４８が、他方の振動腕１２の第１又は第２の側面電極膜に接続されることで電気的に接続される。

第２の励振電極４４は、第１及び第２の側面２２，２４に形成された第１及び第２の側面電極膜と、表裏面に形成された表裏電極膜を含む。詳しくは、第１の側面電極膜に連続するように表裏電極膜が形成され、同様に、第２の側面電極膜に連続するように他の表裏電極膜が形成されている。また、第１及び第２の側面電極膜は電気的に接続されている。その電気的接続は、振動腕１２の長溝２６が形成されていない部分（例えば先端部）において、表裏面の少なくとも一方（あるいは両方）上に形成された接続電極４６によってなされている。

一方の振動腕１２に形成された第１の励振電極４２と、他方の振動腕１２に形成された第２の励振電極４４と、は基部１０上の引き出し電極４８で電気的に接続されている。引き出し電極４８は、第２の励振電極４４が形成される振動腕１２の隣に並ぶ支持腕３０上に至るまで形成されている。引き出し電極４８は、支持腕３０の表裏面（あるいはさらに側面）に形成してもよい。支持腕３０上で、引き出し電極４８を外部との電気的接続部にすることができる。

図５は、本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。図５に示すように、一方の振動腕１２の第１及び第２の励振電極４２，４４に電圧が印加され、他方の振動腕１２の第１及び第２の励振電極４２，４４に電圧が印加される。ここで、一方の振動腕１２の第１の励振電極４２と他方の振動腕１２の第２の励振電極４４が同じ電位（図５の例では＋電位）となり、一方の振動腕１２の第２の励振電極４４と他方の振動腕１２の第１の励振電極４２が同じ電位（図５の例では−電位）となるように、第１の励振電極４２及び第２の励振電極４４は、クロス配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。印加電圧によって、図５に矢印で示すように電界が発生し、これにより、振動腕１２は、互いに逆相振動となるように（振動腕１２の先端側が互いに接近・離間するように）励振されて屈曲振動する。また、基本モードで振動するように交番電圧が調整されている。

（第１の変形例）
図６（Ａ）は、本発明の実施の形態の第１の変形例を示す図である。この変形例では、接続部１２０が、表裏面に直交するとともに１つの直線を含む断面において、ひし形である。この場合であっても、上述した実施の形態と同じ効果が得られることが計算から明らかである。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。計算結果を表２に示す。

（第２の変形例）
図７（Ａ）は、本発明の実施の形態の第２の変形例を示す図である。この変形例では、接続部２２０が、表裏面に直交するとともに１つの直線を含む断面において、矩形の両側に半円を接続した形である。この場合であっても、上述した実施の形態と同じ効果が得られることが計算から明らかである。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。計算結果を表３に示す。

（第３の変形例）
図８（Ａ）は、本発明の実施の形態の第３の変形例を示す図である。この変形例では、接続部３２０が、表裏面に直交するとともに１つの直線を含む断面において円形である。この場合であっても、上述した実施の形態と同じ効果が得られることが計算から明らかである。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。計算結果を表４に示す。

（第４の変形例）
図９は、本発明の実施の形態の第４の変形例を示す図である。この変形例では、接続部４２０に、表裏面に貫通する貫通穴４２２が形成されている。貫通穴４２２は、表裏面に対して垂直な内壁面のみによって形成されている。貫通穴４２２を形成しても、上述した効果を達成することができる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１は、本発明の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。 図２は、図１に示す圧電振動片のII−II線断面拡大図である。 図３は、図２に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。 図４は、図１に示す圧電振動片のIV−IV線断面拡大図である。 図５は、本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。 図６（Ａ）は、本発明の実施の形態の第１の変形例を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。 図７（Ａ）は、本発明の実施の形態の第２の変形例を示す図であり、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。 図８（Ａ）は、本発明の実施の形態の第３の変形例を示す図であり、図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す断面と断面二次モーメントＩｚが同じになる長方形の断面を示す図である。 図９は、本発明の実施の形態の第４の変形例を示す図である。

符号の説明

１０…基部、 １２…振動腕、 １４…切り込み、 １６…第１の部分、 １８…第２の部分、 ２０…接続部、 ２２…第１の側面、 ２４…第２の側面、 ２６…長溝、 ３０…支持腕、 ４０…励振電極膜、 ４２…第１の励振電極、 ４４…第２の励振電極、 ４６…接続電極、 ４８…引き出し電極、 １２０…接続部、 ２２０…接続部、 ３２０…接続部、 ４２０…接続部、 ４２２…貫通穴

Claims (5)

1. 第１の部分と第２の部分とを有し、前記第１の部分と前記第２の部分との間に、平面視において括れた形状の接続部を備えている基部と、
   前記第１の部分から表裏面に平行に延びている一対の振動腕と、を備え、
   前記接続部は、前記第１の部分、前記接続部および前記第２の部分が並んでいる方向に対して直交している断面が、矩形の両側に三角形を接続したような形状であり、
   前記三角形は、第１の辺と、第２の辺と、第３の辺と、を有し、
   前記第１の辺は、前記三角形と前記矩形との境界線であり、
   前記第１の辺と前記第２の辺とがなしている角、および前記第１の辺と前記第３の辺とがなしている角は、鋭角である圧電振動片。
2. 請求項１において、
   前記三角形は、前記第１の辺を底辺とする二等辺三角形である圧電振動片。
3. 請求項１又は２に記載された圧電振動片において、
   前記基部の前記第２の部分から延びている一対の支持腕をさらに含んでいる圧電振動片。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された圧電振動片において、
   前記基部及び前記一対の振動腕は、水晶から構成され、結晶方位について、前記表裏面がＺ軸方向を向き、前記基部から前記一対の振動腕がＹ軸に沿って延びているように構成されてなる圧電振動片。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された圧電振動片において、
   前記接続部に、前記表裏面に貫通している貫通穴が形成されてなる圧電振動片。