JP5565448B2 - Vibrating piece, vibrator, oscillator, sensor and device - Google Patents

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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

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。   The present invention relates to an improvement of a piezoelectric vibrating piece and a piezoelectric device in which the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package or a case.

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９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１０は図９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、必要な励振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、励振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。 Piezoelectric vibrators and piezoelectrics in small information devices such as HDDs (hard disk drives), mobile computers, IC cards, mobile communication devices such as mobile phones, car phones, and paging systems, and piezoelectric gyro sensors Piezoelectric devices such as oscillators are widely used.
FIG. 9 is a schematic plan view showing an example of a piezoelectric vibrating piece conventionally used in a piezoelectric device, and FIG. 10 is an end view taken along line AA in FIG.
In the figure, a piezoelectric vibrating reed 1 is formed by etching a piezoelectric material such as quartz to form the outer shape shown in the figure. A rectangular base 2 attached to a package (not shown) or the like, A pair of vibrating arms 3 and 4 extended rightward is provided. Long grooves 3a and 4a are formed on the main surfaces (front and back surfaces) of these vibrating arms, and necessary excitation electrodes are formed. (See Patent Document 1).
In such a piezoelectric vibrating piece 1, when a driving voltage is applied via an excitation electrode, a bending vibration is performed so that the tip portions of the vibrating arms 3 and 4 approach and separate from each other. The signal of the frequency of is extracted.

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／ｌ２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９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。 By the way, such a piezoelectric vibrating piece 1 is required to be formed in a small size in accordance with the downsizing of the above-described various products to which the piezoelectric device using the piezoelectric vibrating piece 1 is attached. It must be formed as small as possible. In particular, it is required to reduce the overall length AL1. Since downsizing of products is constantly progressing, the piezoelectric vibrating reed 1 has a structure that can be made smaller.
Here, the frequency f of the piezoelectric vibrating reed 1 that is a tuning fork type piezoelectric vibrating reed as shown is proportional to w / l 2 where the length of the vibrating arms 3 and 4 is 1 and the arm width is w.
This means that when the piezoelectric vibrating reed 1 that is long in one direction is to be reduced in size and the total length AL1 in FIG. 9 is to be reduced, the frequency is increased if the length l of the vibrating arm is reduced. To do. In addition, the frequency decreases as the width w of the vibrating arm decreases. From this, in order to maintain the conventional frequency and reduce the size, it is necessary to reduce the arm width w while shortening the length of the vibrating arm to some extent.

特開２００２−２６１５７５JP 2002-261575 A

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。   By the way, in reducing the size of the piezoelectric vibrating reed 1, the length l of the vibrating arms 3 and 4 is shortened and the arm width w is decreased in order to maintain the conventional frequency, for example, 32 kHz (32.768 kHz). However, when processing the small piezoelectric vibrating piece 1, particularly when trying to reduce the arm width w while maintaining the characteristics, there are the following difficulties.

具体的には、振動腕３，４には、図１０に示すような溝３ａ，４ａを加工する必要がある。図１０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が、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。 Specifically, it is necessary to process grooves 3a and 4a as shown in FIG. The size of t in FIG. 10 is not changed because it is restricted by the conditions of the processing material such as a quartz wafer, for example, and when it is 100 μm so far, it is 100 μm even when it is downsized.
On the other hand, consider a case where the arm width w is 100 μm so that the arm width w is about 50 μm by downsizing. When the arm width is 100 μm, the groove width C1 is about 70 μm and the side wall thicknesses S1 and S1 are about 15 μm. If the arm width w is about 50 μm, the groove width C1 is about 40 μm and the side wall thicknesses S1 and S1. Must be about 5 μm each.

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１０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１１は、従来構造のまま圧電振動片を小型化した場合の振動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１０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。 When such a piezoelectric vibrating piece is made, the rigidity of the vibrating arms 3 and 4 is greatly reduced, and the amplitude in the Z direction in FIG. The bending vibrations along the X direction of the arms 3 and 4 become bending vibrations as exaggerated by arrows SF and SF.
FIG. 11 is a graph showing the vibration characteristics when the piezoelectric vibrating piece is miniaturized with the conventional structure. When the drive voltage level is gradually increased along the horizontal axis of the figure, the frequency change on the vertical axis changes. It occurs in the negative direction. This indicates that the component of the Z direction vibration in FIG. 10 increases, resulting in vibration with a lot of energy loss, which causes an increase in CI (crystal impedance) value.

また、ＣＩ値を抑制するための効果的な対策としては、図９で説明した長溝３ａ，４ａを長くして、励振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、基本波ではなく高調波での発振の可能性が出てくる。   As an effective measure for suppressing the CI value, there is a method in which the long grooves 3a and 4a described in FIG. 9 are lengthened to increase the area for forming the excitation electrode. However, the piezoelectric vibrating piece has a plurality of vibration modes, and the fundamental wave that is usually used is, for example, 32.768 kHz, whereas the second harmonic of the piezoelectric vibrating piece 1 is around 250 kHz. . Even if the long grooves 3a and 4a are lengthened and the CI value of the fundamental wave can be lowered, the CI value of the second harmonic is also lowered, so that the CI value of the harmonic / the CI value of the fundamental wave. When the “CI value ratio” becomes small, there is a possibility of oscillation with harmonics instead of fundamental waves.

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、ＣＩ値を抑え、かつ振動特性を悪化させることなく小型化が可能な圧電振動片と、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。   The present invention has been made to solve the above-described problems. A piezoelectric vibrating piece that can be reduced in size without suppressing the CI value and without deteriorating the vibration characteristics, and a piezoelectric element using such a piezoelectric vibrating piece. The purpose is to provide a device.

本発明は、上記の目的の少なくとも一部を達成するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明のある実施形態に係る振動片は、基部と、前記基部の一方の基部端部から延出し、前記基部の幅方向に並んで設けられている複数の振動腕と、前記振動腕と前記基部との境に少なくとも配置されると共に、前記振動腕の先端側に設けられ２つの角部を含む前記幅方向に沿った辺を有する溝と、を備え、前記溝は、前記基部側の外縁に２つの角部を含み、前記振動腕は、前記一方の基部端部から先端側に向かって幅が徐々に縮幅している縮幅部を含み、前記振動腕の前記幅方向の一方の側面と前記溝の前記幅方向の一方の内側面との間を第１の幅、前記振動腕の前記幅方向の他方の側面と前記溝の前記幅方向の他方の内側面との間を第２の幅としたとき、前記振動腕は、前記第１の幅及び前記第２の幅の少なくとも何れかは、前記溝の先端側から前記基部側に向う方向に沿って徐々に大きくなっている領域を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記振動腕は、基端部から前記先端側に向うに従って、前記幅方向の腕幅が徐々に小さくなっている腕部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記溝は、前記先端側よりも前記基部側の溝幅が狭くなっていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記腕部に配置されている溝は、前記先端側よりも前記基部側の溝幅が狭くなっていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動片は、前記基部の前記一方の基部端部側寄りに切り込み部が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係る発振器は、前記振動片と、発振回路と、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係るセンサーは、前記振動片を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の実施形態に係るデバイスは、前記振動片を備えていることを特徴とする。
〔適用例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、前記長溝に形成した励振用の電極とを備えており、前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成とされていることを特徴とする圧電振動片。
適用例１によれば、振動腕の根本部分が先端側と比較してその剛性を強化されることにより、２次の高調波における振動の際の大きく歪む位置をより先端側に位置させることができると考えられる。このことにより、長溝を長くして圧電材料の電界効率を上げて、基本波のＣＩ値を低くしつつも、このことが、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値だけを低く抑えることができる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to achieve at least part of the above object, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
A vibrating piece according to an embodiment of the present invention includes a base, a plurality of vibrating arms extending from one base end of the base, and arranged side by side in the width direction of the base, the vibrating arm, and the A groove that is disposed at a boundary with the base portion and has a side along the width direction including two corner portions provided on the tip side of the vibrating arm, and the groove has an outer edge on the base side And the vibrating arm includes a reduced width portion whose width gradually decreases from the one base end portion toward the distal end side, and one of the vibrating arms in the width direction is provided. A first width between the side surface and one inner side surface of the groove in the width direction, and a first width between the other side surface of the vibrating arm in the width direction and the other inner side surface of the groove in the width direction. When the width of the vibration arm is 2, at least one of the first width and the second width is the tip of the groove. Characterized in that it comprises a region that gradually increases along from the side in a direction toward the base side.
In the resonator element according to another embodiment of the invention, the vibrating arm includes an arm portion whose arm width in the width direction gradually decreases from the base end portion toward the distal end side. And
A vibrating piece according to another embodiment of the present invention is characterized in that the groove has a narrower groove width on the base side than on the tip side.
A vibrating piece according to another embodiment of the present invention is characterized in that the groove disposed on the arm portion has a groove width on the base side narrower than that on the tip side.
A resonator element according to another embodiment of the present invention is characterized in that a cut portion is provided closer to the one base end side of the base portion.
A vibrator according to another embodiment of the present invention includes the vibrating piece and a package in which the vibrating piece is accommodated.
An oscillator according to another embodiment of the invention includes the resonator element and an oscillation circuit.
A sensor according to another embodiment of the present invention includes the vibrating piece.
A device according to another embodiment of the present invention includes the vibrating piece.
Application Example 1 A base portion formed of a piezoelectric material, a plurality of vibrating arms formed integrally with the base portion and extending in parallel with each other, long grooves formed along the longitudinal direction of the vibrating arms, and the long grooves A piezoelectric electrode characterized in that each of the vibrating arms has the highest rigidity on the base side and gradually decreases in rigidity toward the tip side. Vibrating piece.
According to the first application example, the rigidity of the root portion of the vibrating arm is strengthened compared to the tip side, so that the position where the second harmonic wave is greatly distorted can be positioned more on the tip side. It is considered possible. As a result, the long groove is lengthened to increase the electric field efficiency of the piezoelectric material, and the CI value of the fundamental wave is lowered, so that this does not cause a decrease in the CI value of the second harmonic. can do. Thus, even if the size is reduced, only the CI value of the fundamental wave can be kept low.

〔適用例２〕前記各振動腕は、先端にいくに従って徐々に腕幅が小さくなるように構成されていることを特徴とする圧電振動片。
適用例２によれば、振動腕に関して基部側の剛性が高く、先端にいくにしたがって剛性が低くなる構造を容易に実現できる。 Application Example 2 A piezoelectric vibrating piece characterized in that each vibrating arm is configured such that the arm width gradually decreases toward the tip .
According to the application example 2, it is possible to easily realize a structure in which the rigidity on the base side with respect to the vibrating arm is high and the rigidity is lowered toward the tip.

〔適用例３〕前記長溝が前記基部側において、溝幅が狭くなるように構成されていることを特徴とする圧電振動片。
適用例３によれば、長溝が設けられる振動腕においては、この長溝が前記基部側のその溝幅が小さくなるようにされることにより、長溝の両側の側壁の壁厚が増大するので、その領域の剛性は高くなる。このため、振動腕の基部側の剛性を高くし、先端側の剛性をこれより低くする構造を実現することができる。 Application Example 3 A piezoelectric vibrating piece characterized in that the long groove is configured to have a narrow groove width on the base side .
According to the application example 3 , in the vibrating arm provided with the long groove, the wall thickness of the side walls on both sides of the long groove is increased by reducing the width of the long groove on the base side. The rigidity of the region is increased. Therefore, it is possible to realize a structure in which the rigidity on the base side of the vibrating arm is increased and the rigidity on the distal end side is lowered.

〔適用例４〕前記長溝には、溝幅の方向に設けたリブ状もしくは壁状の補強部が、長溝の長さ方向に沿って複数設けられており、前記複数の補強部が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されていることを特徴とする圧電振動片。
適用例４によれば、長溝に設けた前記補強部が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されているので、前記基部側で振動腕の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造を実現することができる。 Application Example 4 In the long groove, a plurality of rib-like or wall-like reinforcing portions provided in the groove width direction are provided along the length direction of the long groove, and the plurality of reinforcing portions are formed in the long groove. A piezoelectric vibrating piece , wherein the piezoelectric vibrating piece is formed with a greater distance along the length direction toward the tip side .
According to the application example 4 , since the reinforcing portion provided in the long groove is formed with a large interval toward the distal end side along the length direction of the long groove, the rigidity of the vibrating arm is increased on the base side. It is possible to realize a structure that is high and the rigidity decreases as it goes to the tip side.

〔適用例５〕前記基部の前記振動腕の基端部に近接した箇所には、部分的に幅方向に切り込んだ切り込み部が形成されていることを特徴とする圧電振動片。
適用例５によれば、振動腕側からの振動が基部側へ漏れ込むことを防止し、一層、ＣＩ値を低く抑えることができる。 Application Example 5 A piezoelectric vibrating piece in which a cut portion that is partially cut in the width direction is formed at a location near the base end portion of the vibrating arm of the base portion .
According to the application example 5 , the vibration from the vibrating arm side can be prevented from leaking to the base side, and the CI value can be further reduced.

〔適用例６〕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励振用の電極とを備えており、前記各振動腕が、前記基部側において最も剛性が高く、先端側にいくに従い、徐々に剛性が低下する構成とされていることを特徴とする圧電デバイス。 Application Example 6 A piezoelectric device in which a piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package or a case, wherein the piezoelectric vibrating piece is formed of a piezoelectric material, and a plurality of base portions formed integrally with the base portion and extending in parallel with each other. Each vibration arm, a long groove formed along the longitudinal direction of each vibration arm, and an excitation electrode formed in the long groove, each vibration arm having the highest rigidity on the base side, A piezoelectric device characterized in that the rigidity gradually decreases as going to the tip side .

本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。The schematic plan view which shows embodiment of the piezoelectric device of this invention. 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。BB schematic sectional drawing of FIG. 図１のＣ−Ｃ線切断端面図。The CC sectional view taken on the line of FIG. 圧電振動片の長さ方向に関して、各部の歪み量を縦軸に示したグラフ。The graph which showed the distortion amount of each part on the vertical axis | shaft regarding the length direction of the piezoelectric vibrating piece. 図１の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。The graph which shows the drive level characteristic of the piezoelectric vibrating piece of FIG. 図１の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。The graph which shows CI value ratio of the piezoelectric vibrating piece of FIG. 変形例１の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a first modification. 変形例２の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a second modification. 従来の圧電振動片の概略平面図。FIG. 6 is a schematic plan view of a conventional piezoelectric vibrating piece. 図９のＡ−Ａ線切断端面図。FIG. 10 is an end view taken along line AA in FIG. 9. 図１０の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。The graph which shows the drive level characteristic of the piezoelectric vibrating piece of FIG. 図１０の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。The graph which shows CI value ratio of the piezoelectric vibrating piece of FIG.

図１ないし図３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。 1 to 3 show an embodiment of a piezoelectric device of the present invention, FIG. 1 is a schematic plan view thereof, FIG. 2 is a schematic sectional view taken along line BB of FIG. 1, and FIG. It is a C-line cut end view.
In these drawings, the piezoelectric device 30 shows an example in which a piezoelectric vibrator is configured. As shown in FIGS. 1 and 2, the piezoelectric device 30 accommodates a piezoelectric vibrating piece 32 in a package 37. Yes. As shown in FIG. 2, the package 37 is formed by laminating a first substrate 55 and a second substrate 56. For example, an aluminum oxide ceramic green sheet is formed as an insulating material. After forming the shape, it is formed by sintering.

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３３ａ，３４ａ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（図示せず）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。   As shown in FIG. 2, the package 37 forms a space of the internal space S by removing the material inside the second substrate 56. This internal space S is a housing space for housing the piezoelectric vibrating piece 32. Then, on the electrode portions 31 and 31 formed on the first substrate 55, the positions of the extraction electrodes 33 a and 34 a provided at the base portion of the piezoelectric vibrating piece 32 are placed using the conductive adhesives 43 and 43. Are joined. The electrode portions 31 and 31 are connected to mounting terminals 41 and 42 on the back surface of the package through conductive through holes. The package 37 is hermetically sealed by housing the piezoelectric vibrating piece 32 and then bonding a transparent glass lid 40 using a sealing material 38. Thus, after the lid 40 is sealed, the frequency can be adjusted by trimming the electrode (not shown) of the piezoelectric vibrating piece 32 by irradiating the laser beam LB from the outside.

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１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、図において右に向けて、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の主面には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３４を形成し、図３に示すように、この長溝内に励振用の電極が設けられている（符号省略）。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。 The piezoelectric vibrating piece 32 is formed of, for example, quartz, and a piezoelectric material such as lithium tantalate or lithium niobate can be used in addition to quartz. As shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrating piece 32 includes a base 51 fixed to the package 37 side, and a pair of vibrations extending in parallel to be divided into two forks toward the right in the drawing with the base 51 as a base end. Arms 35 and 36 are provided.
The main surfaces of the vibrating arms 35 and 36 are preferably formed with long grooves 33 and 34 extending in the length direction, respectively, and as shown in FIG. 3, electrodes for excitation are provided in the long grooves ( (Omitted sign). Such a tuning-fork-shaped outer shape of the piezoelectric vibrating piece 32 and a long groove provided in each vibrating arm are precisely formed by wet etching or dry etching a material such as a quartz wafer with a hydrofluoric acid solution, for example. Can do.

励振電極は、この長溝内と、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、各電極は、図１で説明した引出し電極３３ａ，３４ａ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３３ａ，３４ａに伝えられ、上記した各励振電極に伝えられるようになっている。   The excitation electrode is formed in the long groove and on the side surface of each vibrating arm, and for each vibrating arm, the electrode in the long groove and the electrode provided on the side surface are paired. Each electrode is described in FIG. The drawn electrodes 33a and 34a are respectively routed around. Thereby, when the piezoelectric device 30 is mounted on a mounting substrate or the like, an external driving voltage is applied from the mounting terminals 41 and 42 to the lead electrodes 33a and 34a of the piezoelectric vibrating piece 32 via the electrode portions 31 and 31, respectively. And is transmitted to each of the excitation electrodes described above.

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。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、長くするほど圧電振動片３２のＣＩ値は下がることがわかっている。
また、好ましくは、基部５１には、この基部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４４，４４が形成されている。この切り込み部４４，４４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。 Thereby, by applying a driving voltage to the excitation electrodes in the long grooves 33 and 34, the electric field efficiency inside the region where the long grooves of the respective vibrating arms are formed can be increased during driving. As the long grooves 33 and 34 are longer, the electric field efficiency of the material forming the vibrating arms 35 and 36 is improved, and the length PL from the base 51 of the long grooves 33 and 34 with respect to the entire length L of the vibrating arms is at least PL / It is known that the CI value of the piezoelectric vibrating piece 32 decreases as the length increases up to about L = 0.7.
Preferably, the base 51 is formed with recesses or cuts 44, 44 formed by partially reducing the width of the base 51 in the width direction. The cut portions 44 and 44 are locations close to the roots of the vibrating arms 35 and 36 of the base 51. Thereby, the leakage of the vibration to the base 51 side due to the bending vibration of the vibrating arms 35 and 36 can be greatly reduced, and an effect of suppressing the CI value can be obtained.

さらに、圧電振動片３２においては、図１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。この実施形態では、基部５１から延びる振動腕３５の腕幅はＷ１で、その全長にわたって変化がない。
ところが、長溝３３は、その基部５１寄りの基端部で、溝幅ＭＷ１が小さく、先端にいくに従って溝幅ＭＷ２が次第に大きくなるようにされている。 Further, in the piezoelectric vibrating piece 32, the vibrating arms 35 and 36 are formed in the shape shown in FIG. Since each vibrating arm has the same shape, the vibrating arm 35 will be described. In this embodiment, the arm width of the vibrating arm 35 extending from the base 51 is W1, and there is no change over the entire length thereof.
However, the long groove 33 is configured such that the groove width MW1 is small at the base end near the base 51, and the groove width MW2 gradually increases toward the tip.

これにより、振動腕３５の根本部分が先端側と比較してその剛性を強化される。すなわち、振動腕３５の長溝３３において、溝幅が小さくされている符号ＭＷ１の箇所では、長溝３３の両側の壁部（図３参照）の厚みが、振動腕３５のより先端側の領域よりも厚くされることによって、剛性が強化されている。
このため、後述するように、２次の高調波における振動の際に大きく歪む位置を、振動腕３５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３３を長くして圧電材料の電界効率を上げて、基本波のＣＩ値を低くしつつも、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る圧電振動片を提供することができる。 As a result, the rigidity of the root portion of the vibrating arm 35 is enhanced compared to the tip side. That is, in the long groove 33 of the vibrating arm 35, the thickness of the wall portions (refer to FIG. 3) on both sides of the long groove 33 is larger than that of the region on the distal end side of the vibrating arm 35 at the portion indicated by the reference numeral MW 1. By increasing the thickness, the rigidity is enhanced.
For this reason, as will be described later, it is considered that a position that is greatly distorted at the time of vibration at the second harmonic can be positioned closer to the distal end side of the vibrating arm 35. It is possible to increase the electric field efficiency of the piezoelectric material and reduce the CI value of the second harmonic, while lowering the CI value of the fundamental wave. Thus, it is possible to provide a piezoelectric vibrating piece that can keep the CI value of the fundamental wave low even if it is downsized.

この点について、さらに詳しく説明する。
図４は、従来の圧電振動片１と、本実施形態の圧電振動片３２について、駆動電圧を印加して屈曲振動させる場合、横軸に示した圧電振動片の長さ方向に関して、各部の歪み量を縦軸に示したグラフであり、図４（ａ）は従来の圧電振動片１、図４（ｂ）は本実施形態の圧電振動片３２を示し、Ａは基本波による振動時の歪み量、Ｂは２次の高調波による振動時の歪み量をそれぞれ表している。なお、これらの図において、圧電振動片の基部の切り込み部または凹部は図が複雑になるので、記載を省略している。 This point will be described in more detail.
FIG. 4 shows the distortion of each part of the conventional piezoelectric vibrating piece 1 and the piezoelectric vibrating piece 32 of this embodiment when bending vibration is applied by applying a driving voltage with respect to the length direction of the piezoelectric vibrating piece shown on the horizontal axis. FIG. 4A shows a conventional piezoelectric vibrating piece 1, FIG. 4B shows the piezoelectric vibrating piece 32 of the present embodiment, and A shows distortion during vibration due to a fundamental wave. The quantity B represents the amount of distortion during vibration caused by the second harmonic. In these drawings, the notched portion or the concave portion of the base portion of the piezoelectric vibrating piece is not illustrated because the drawing is complicated.

図４のグラフで示す歪み量に関して、基本波Ａは、振動腕の先端になるに従い歪みは小さくなっていくが、高調波Ｂでは振動腕先端側に大きな歪みを持っているところがある。こうした歪み方の違いにより、励振電極を長くして行った時の基本波のＣＩ値低下に比べ高調波のＣＩ値低下は大きくなる。 また、図４（ａ）の従来の圧電振動片１においては、長溝３ａ，４ａの長さＰＬ１は、図９の振動腕の全長ｌを１としたとき、例えば０．５程度になるようにされている。これに対して、図４（ｂ）の本実施形態の圧電振動片３２では、長溝３３，３４の長さＰＬ２は、図１の振動腕の全長Ｌを１としたとき、たとえば０．６程度としている。これによって、ＣＩ値が抑制されるようになっている。   Regarding the distortion amount shown in the graph of FIG. 4, the distortion of the fundamental wave A becomes smaller as it reaches the tip of the vibrating arm, but the harmonic B has a large distortion on the tip side of the vibrating arm. Due to the difference in the distortion method, the reduction in the CI value of the harmonics becomes larger than the reduction in the CI value of the fundamental wave when the excitation electrode is made longer. Further, in the conventional piezoelectric vibrating piece 1 of FIG. 4A, the length PL1 of the long grooves 3a and 4a is, for example, about 0.5 when the total length l of the vibrating arm of FIG. Has been. On the other hand, in the piezoelectric vibrating piece 32 of the present embodiment in FIG. 4B, the length PL2 of the long grooves 33 and 34 is, for example, about 0.6 when the total length L of the vibrating arm in FIG. It is said. As a result, the CI value is suppressed.

ここで、圧電振動片の振動腕に関して、従来と同じ構造を採用すると、形成されている励振電極位置における２次高調波Ｂのマイナス歪み量が急激に増大する。
そうすると、基本波のＣＩ値を低くできたとしても、２次の高調波のＣＩ値はさらに低くなり、高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値であるＣＩ値比が小さくなり、「１」を下回る。そうなると基本波ではなく高調波での発振の可能性がでてくる。 Here, if the same structure as the conventional structure is adopted for the vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece, the amount of negative distortion of the second-order harmonic B at the position of the excitation electrode formed increases abruptly.
Then, even if the CI value of the fundamental wave can be lowered, the CI value of the second harmonic becomes further lower, and the CI value ratio that is the CI value of the harmonic / the CI value of the fundamental wave becomes small. Below. Then, there is a possibility of oscillation with harmonics instead of fundamental waves.

そこで、長溝３３について、図１で説明したように、その基部５１寄りの基端部で、溝幅ＭＷ１が小さく、先端にいくに従って溝幅ＭＷ２が次第に大きくなるようにしたことで、図４（ａ）と、図４（ｂ）とを比較して理解されるように、２次の高調波の歪み量Ｂにおけるマイナス方向のピーク位置が、符号ＣＭ１と符号ＣＭ２とでそれぞれ示すように、距離ＭＢで示す分だけ、圧電振動片の振動腕の長さ方向（図示のＹ方向）に沿って、先端側に移動する。   Therefore, as described in FIG. 1, the groove width MW1 is small at the base end portion near the base portion 51 of the long groove 33, and the groove width MW2 is gradually increased toward the tip. As can be understood by comparing a) with FIG. 4B, the peak positions in the negative direction in the distortion amount B of the second-order harmonic are indicated by the symbols CM1 and CM2, respectively. It moves to the tip side along the length direction (Y direction in the figure) of the vibrating arm of the piezoelectric vibrating piece by the amount indicated by MB.

このことにより、形成されている励振電極位置における２次高調波Ｂのマイナス歪み量は低く抑えることができるようになる。こうして、基本波のＣＩ値を低くしつつも、高調波のＣＩ値の低下は抑えられることになる。 図５は、本実施形態の圧電振動片３２について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プラス方向に生じている。このことは、図１０で説明したＺ方向振動の成分を抑制でき、エネルギーロスが僅かであって、ＣＩ値が抑制できることを示している。
また、図６は、圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）を示しており、ＣＩ値比は全体として１よりも大きい。
かくして、圧電振動片３２では、各振動腕３５，３６の電界効率を向上させて、ＣＩ値を低くすることができ、しかも２次の高調波のＣＩ値は低くならないので、基本波での良好な振動特性を維持できる。 As a result, the amount of negative distortion of the second harmonic B at the position of the excitation electrode formed can be kept low. In this way, it is possible to suppress a decrease in the harmonic CI value while lowering the CI value of the fundamental wave. FIG. 5 is a graph showing the drive characteristics of the piezoelectric vibrating piece 32 of the present embodiment. When the drive voltage level is gradually increased along the horizontal axis of the figure, the frequency change on the vertical axis increases in the positive direction. Has occurred. This indicates that the component of the Z-direction vibration described with reference to FIG. 10 can be suppressed, the energy loss is small, and the CI value can be suppressed.
FIG. 6 shows the CI value ratio of the piezoelectric vibrating piece 32 (CI value of harmonic / CI value of fundamental wave), and the CI value ratio is larger than 1 as a whole.
Thus, in the piezoelectric vibrating piece 32, the electric field efficiency of each of the vibrating arms 35 and 36 can be improved, the CI value can be lowered, and the CI value of the second harmonic is not lowered. Vibration characteristics can be maintained.

図７は、圧電振動片の変形例１を示す概略平面図であり、図１の圧電振動片３２と同じ符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
圧電振動片６０の各振動腕３５，３６の長溝３３，３４には、溝幅の方向に設けたリブ状もしくは壁状の補強部６１が形成されている。各振動腕３５，３６は同じ構造であるから、振動腕３６についてだけ説明すると、補強部６１は、複数個が、長溝３４の長さ方向にＹ沿って複数設けられている。 FIG. 7 is a schematic plan view showing Modification Example 1 of the piezoelectric vibrating piece, and the portions denoted by the same reference numerals as those of the piezoelectric vibrating piece 32 in FIG. The difference will be mainly described.
Rib-shaped or wall-shaped reinforcing portions 61 provided in the groove width direction are formed in the long grooves 33 and 34 of the vibrating arms 35 and 36 of the piezoelectric vibrating piece 60. Since each of the vibrating arms 35 and 36 has the same structure, only the vibrating arm 36 will be described. A plurality of reinforcing portions 61 are provided along the length direction of the long groove 34 along the Y direction.

そして、これら複数の補強部６１，６１，６１は、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程、その間隔ｔ１，ｔ２，ｔ３が次第に大きな間隔となるように設けられている。
このように、長溝３４に設けた各補強部６１，６１，６１が、長溝の長さ方向に沿って、先端側にいく程大きな間隔をおいて形成されているので、基部５１側で振動腕３６の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造とされている。
これによって、上述の実施形態と同様、図４で説明したように、２次の高調波の歪み量Ｂにおけるマイナス方向のピーク位置が、符号ＣＭ１と符号ＣＭ２とでそれぞれ示すように、距離ＭＢで示す分だけ、圧電振動片６０の振動腕３６の長さ方向（Ｙ方向）に沿って、先端側に移動されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。 And these some reinforcement parts 61, 61, 61 are provided so that the space | interval t1, t2, t3 may become a large space | interval gradually, so that it goes to the front end side along the length direction of a long groove.
In this way, the reinforcing portions 61, 61, 61 provided in the long groove 34 are formed with a larger interval toward the distal end side along the length direction of the long groove, so that the vibrating arm is formed on the base 51 side. The rigidity of 36 is high, and the rigidity decreases as it goes to the tip side.
Accordingly, as described in FIG. 4, the peak positions in the negative direction of the second-order harmonic distortion amount B are represented by the distance MB as indicated by the reference symbols CM1 and CM2, as described in FIG. Since it is moved to the tip side along the length direction (Y direction) of the vibrating arm 36 of the piezoelectric vibrating piece 60 by the amount shown, the same operational effects as those of the first embodiment can be exhibited.

図８は、圧電振動片の変形例２を示す概略平面図であり、図１の圧電振動片３２と同じ符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
変形例２の圧電振動片７０においては、各振動腕３５，３６が、先端にいくに従って徐々に腕幅が小さくなるように構成されている。各振動腕３５，３６は同じ構造であるから、振動腕３６についてだけ説明すると、振動腕３６の基端部側の腕幅Ｗ３は、先端側の腕幅Ｗ２よりも大きく、腕幅は、基端部から先端側にいくに従って、徐々に小さくなるようにされている。
これにより、基部５１側で振動腕３６の剛性が高く、先端側にいくにしたがい剛性が低下する構造とされている。 FIG. 8 is a schematic plan view showing Modification Example 2 of the piezoelectric vibrating piece, and the portions denoted by the same reference numerals as those of the piezoelectric vibrating piece 32 in FIG. The difference will be mainly described.
In the piezoelectric vibrating piece 70 of Modification 2, the vibrating arms 35 and 36 are configured such that the arm width gradually decreases toward the tip. Since the vibrating arms 35 and 36 have the same structure, only the vibrating arm 36 will be described. The arm width W3 on the proximal end side of the vibrating arm 36 is larger than the arm width W2 on the distal end side. It is made to become small gradually as it goes to the tip side from the end.
Thereby, the rigidity of the vibrating arm 36 is high on the base 51 side, and the rigidity is reduced as it goes to the distal end side.

さらに好ましくは、長溝３４に関して、その基部５１寄りの領域である領域Ｒｔの箇所において、溝幅が小さく形成されている。
このため、長溝３４の領域Ｒｔに関しては、溝をはさむ両側の壁部の厚みが大きいことから、振動腕３６の基部５１に近接した領域の剛性は、その領域より先端側と比べると、より高い剛性となるようにされている。
これによって、上述の実施形態と同様、図４で説明したように、２次の高調波の歪み量Ｂにおけるマイナス方向のピーク位置が、符号ＣＭ１と符号ＣＭ２とでそれぞれ示すように、距離ＭＢで示す分だけ、圧電振動片７０の振動腕３６の長さ方向（Ｙ方向）に沿って、先端側に移動されているので、第１の実施形態と同様の作用効果を発揮することができる。 More preferably, with respect to the long groove 34, the groove width is formed to be small in the region Rt, which is a region near the base 51.
For this reason, with respect to the region Rt of the long groove 34, since the thickness of the wall portions on both sides sandwiching the groove is large, the rigidity of the region close to the base 51 of the vibrating arm 36 is higher than that of the distal end side than that region. It is designed to be rigid.
Accordingly, as described in FIG. 4, the peak positions in the negative direction of the second-order harmonic distortion amount B are represented by the distance MB as indicated by the reference symbols CM1 and CM2, as described in FIG. Since it is moved to the tip side along the length direction (Y direction) of the vibrating arm 36 of the piezoelectric vibrating piece 70 by the amount shown, the same operational effects as those of the first embodiment can be exhibited.

本発明は上述の実施形態に限定されない。所謂音叉型の圧電振動片において、その振動腕の根本付近の剛性が高くされる構成を備えていれば、上述の実施形態や変形例以外の構造を備えるものも本発明の範囲である。
また、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、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. A so-called tuning-fork type piezoelectric vibrating piece is within the scope of the present invention if it has a configuration in which the rigidity near the root of the vibrating arm is increased.
In addition, each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with other configurations not shown.
The present invention is not limited to the case where the piezoelectric vibrating piece is accommodated in the box-shaped package, the case where the piezoelectric vibrating piece is accommodated in the cylindrical container, the piezoelectric vibrating piece functioning as a gyro sensor, Can be applied to any piezoelectric device using a piezoelectric vibrating piece regardless of the name of a piezoelectric vibrator, a piezoelectric oscillator, or the like.

３０・・・圧電デバイス、３２，６０，７０・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕   30 ... Piezoelectric device, 32, 60, 70 ... Piezoelectric vibrating piece, 33, 34 ... Long groove, 35, 36 ... Vibrating arm

Claims (9)

基部と、
前記基部の一方の基部端部から延出し、前記基部の幅方向に並んで設けられている複数の振動腕と、
前記振動腕と前記基部との境に少なくとも配置されると共に、前記振動腕の先端側に設けられ２つの角部を含む前記幅方向に沿った辺を有する溝と、
を備え、
前記溝は、前記基部側の外縁に２つの角部を含み、
前記振動腕は、前記一方の基部端部から先端側に向かって幅が徐々に縮幅している縮幅部を含み、
前記振動腕の前記幅方向の一方の側面と前記溝の前記幅方向の一方の内側面との間を第１の幅、
前記振動腕の前記幅方向の他方の側面と前記溝の前記幅方向の他方の内側面との間を第２の幅としたとき、
前記振動腕は、
前記第１の幅及び前記第２の幅の少なくとも何れかは、前記溝の先端側から前記基部側に向う方向に沿って徐々に大きくなっている領域を含むことを特徴とする振動片。 The base,
A plurality of vibrating arms extending from one base end of the base and arranged side by side in the width direction of the base;
A groove having at least a boundary between the vibrating arm and the base and having a side along the width direction including two corners provided on a distal end side of the vibrating arm;
With
The groove includes two corners on an outer edge on the base side,
The vibrating arm includes a reduced width portion whose width is gradually reduced from the one base end portion toward the distal end side,
A first width between one side surface in the width direction of the vibrating arm and one inner side surface in the width direction of the groove,
When the width between the other side surface of the vibrating arm in the width direction and the other inner side surface of the groove in the width direction is a second width,
The vibrating arm is
At least one of the first width and the second width includes a region that gradually increases along a direction from the distal end side to the base side of the groove. 請求項１において、
前記振動腕は、
基端部から前記先端側に向うに従って、前記幅方向の腕幅が徐々に小さくなっている腕部を含むことを特徴とする振動片。 In claim 1 ,
The vibrating arm is
An oscillating piece comprising: an arm portion having an arm width that gradually decreases in the width direction from the proximal end portion toward the distal end side. 請求項１又は２において、
前記溝は、
前記先端側よりも前記基部側の溝幅が狭くなっていることを特徴とする振動片。 In claim 1 or 2 ,
The groove is
The resonator element according to claim 1, wherein a groove width on the base side is narrower than the tip side. 請求項２において、
前記腕部に配置されている溝は、
前記先端側よりも前記基部側の溝幅が狭くなっていることを特徴とする振動片。 In claim 2 ,
The groove arranged in the arm part is
The resonator element according to claim 1, wherein a groove width on the base side is narrower than the tip side. 請求項１ないし４のいずれか一項において、
前記基部の前記一方の基部端部側寄りに切り込み部が設けられていることを特徴とする振動片。 In any one of Claims 1 thru | or 4 ,
A resonator element, wherein a cut portion is provided closer to the one base end side of the base. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片が収容されているパッケージと、
を含むことを特徴とする振動子。 A vibrating piece according to any one of claims 1 to 5 ,
A package containing the resonator element;
A vibrator characterized by comprising: 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の振動片と、
発振回路と、
を含むことを特徴とする発振器。 A vibrating piece according to any one of claims 1 to 5 ,
An oscillation circuit;
An oscillator comprising: 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とするセンサー。 A sensor comprising the resonator element according to claim 1 . 請求項１ないし５のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とするデバイス。 A device comprising the resonator element according to claim 1 .
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