圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロ素子、振動ジャイロセンサー及び電子機器
【課題】小型化と周波数温度特性の改善とを図った圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロセンサー、及びこれらを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】圧電振動素子１の圧電基板７は、複数の振動腕１５ａ、１５ｂ、その振動腕の一方の端部間を連接する基部１０、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部に夫々形成され幅広で且つ第１の溝部２２ａ〜２４ａが形成された錘部２０ａ、２０ｂ、及び、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線に沿って形成された第２の溝部１７ａ〜１８ｂ、を備えている。各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面と側面に夫々励振電極が形成されており、屈曲−捩じり結合振動が励振される。圧電振動素子１は、励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの屈曲振動を主振動とし、その周波数温度特性が温度に関し三次特性となるように圧電基板７の切断角度と、第一溝部及び第２の溝部の幅と深さと、及び振動腕の厚さを夫々設定する。
【解決手段】圧電振動素子１の圧電基板７は、複数の振動腕１５ａ、１５ｂ、その振動腕の一方の端部間を連接する基部１０、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部に夫々形成され幅広で且つ第１の溝部２２ａ〜２４ａが形成された錘部２０ａ、２０ｂ、及び、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線に沿って形成された第２の溝部１７ａ〜１８ｂ、を備えている。各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面と側面に夫々励振電極が形成されており、屈曲−捩じり結合振動が励振される。圧電振動素子１は、励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの屈曲振動を主振動とし、その周波数温度特性が温度に関し三次特性となるように圧電基板７の切断角度と、第一溝部及び第２の溝部の幅と深さと、及び振動腕の厚さを夫々設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子、振動ジャイロ素子等に関し、特に小型化を図ると共に周波数温度特性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロ素子、振動ジャイロセンサー及びそれらを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、モバイルコンピューター、ハードディスク・ドライブ等の小型情報機器や、携帯電話等の移動体通信機には、基準周波数源として圧電デバイスが広く用いられている。圧電デバイスを搭載した電子機器の小型化が進むに伴い、圧電デバイスには更なる小型化が求められている。
特許文献１には、水晶の電気軸（結晶軸の１つ）の回りに０°から−１５°の範囲で切り出された音叉型水晶振動子が開示されている。音叉型水晶振動子に励振される屈曲振動モード、捩れ振動モードの夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させ、結合させることにより主振動の屈曲振動モードの周波数温度特性を改善した水晶振動子である。
一般的に水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆは、温度Ｔに関する多項式で表わされるが、実用的には三次式で近似され、その一次係数〜三次係数はα、β、γで表わされる。
屈曲振動モードの周波数温度特性ＴｆＦは、捩れ振動モードの影響を受け、圧電基板ｈに依存する。種々の切断角θに対し、一次係数α＝０となるように厚みｈを設定し、更に二次係数βが零になる切断角度θと厚さｈとを、予め計算で求めた値から設定する。これにより、周波数温度特性ＴｆＦは三次係数γのみに依存し、温度特性の良好な水晶振動子が得られると開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、互いに平行な複数の振動腕の各先端部に、振動腕より幅広の拡大部を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。この拡大部は有底の孔を有し、この有底の孔には圧電材料より比重が大きい材料が充填して錘とすることにより、音叉型圧電振動子の小型化が図られると記されている。
また、特許文献３には、振動ジャイロ素子が開示されている。振動ジャイロ素子は、基部と、基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、基部から両側へ検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕を備えている。更に、基部から各検出用腕に沿って延出される２対の梁と、同方向に延出された各梁が連結された１対の支持部と、を同一平面に備え、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側で、且つ前記駆動用振動腕の間に配置するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５５−７５３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２２３０公報
【特許文献３】特開２０１０−２４３０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された、屈曲振動モードと捩じり振動モード夫々の周波数を近接させ互いに結合させることにより周波数温度特性を改善した音叉型圧電振動子は、小型化が難しいという問題があった。
また、特許文献２に記載の音叉型圧電振動子は、振動腕の先端部に錘部を形成することにより小型化は可能であるが、周波数温度特性は二次特性であり、周波数安定度に問題があった。
また、特許文献３の記載の振動ジャイロ素子は、温度変化により角速度の感度が変わるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型化と周波数温度特性の改善とを図った圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロセンサー、及びこれらを用いた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決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。
【０００７】
［適用例１］本圧明係る圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々連接され該各振動腕の他方の端部の幅よりも幅広の錘部と、前記錘部の表面及び裏面の少なくとも一方の面に前記各振動腕の長手方向に沿って延びる第１の溝部、及び、前記各振動腕の表裏面に夫々形成された第２の溝部、を備えた圧電基板と、前記錘部の表裏面と前記各第２の溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた屈曲−捩じり結合振動をする圧電振動素子であって、前記圧電振動素子の周波数温度特性が温度に関し三次特性であることを特徴とする。
【０００８】
音叉型圧電振動素子の各振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各振動腕の振動中心線に沿った表裏面に夫々第２の溝部を形成する。このように構成すると、音叉型圧電振動素子に励振される屈曲振動と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
【０００９】
［適用例２］また圧電振動素子は、前記基部は、前記振動腕の前記一方の端部と連接した一端を備える基部本体と、該基部本体の前記振動腕と連接した一端と対向する側の他端に連接した連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる支持腕と、を備えていることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。
【００１０】
圧電振動素子の基部が、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーを低減することでき、ＣＩ値が小さくなると共に、耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１１】
［適用例３］また圧電振動素子は、前記圧電基板は水晶板から構成され、前記水晶板の主面の法線が、水晶結晶の光学軸に対して水晶結晶の電気軸の回りに０度から−１５度の範囲内の角度で傾いていることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。
【００１２】
圧電基板の切断角度が電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された音叉型圧電振動素子を構成する。このような切断角度を選ぶと、屈曲−捩じり結合振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数をほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１３】
［適用例４］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記長手方向に沿って離間して並ぶ複数の溝を備えていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１４】
第一の溝部が前記のように形成された圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有する圧電振動素子が得られるという効果と、錘部平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００１５】
［適用例５］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記錘部の先端縁から前記錘部の中間部にかけて延在し、且つ前記振動腕における振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１６】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、温度特性が改善されるという効果と、錘部平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００１７】
［適用例６］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記第二の溝部と連続形成されると共に、該第一の溝部の先端部は前記錘部の先端縁まで延在し、且つ前記振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１８】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、圧電振動素子の温度特性が改善されるという効果と、第一及び第二溝部形成用マスクが容易になるという利点もある。
【００１９】
［適用例７］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、その少なくとも一部の幅が前記第二の溝部よりも幅広に形成されていることを特徴とする適用例５に記載の圧電振動素子である。
【００２０】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、圧電振動素子の温度特性が改善されるという効果と、第一の溝部の幅を適切に設定することにより屈曲振動周波数と捩れ振動周波数との結合が容易になるという利点もある。
【００２１】
［適用例８］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を載置する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子である。
【００２２】
音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子を絶縁基板に収容して、圧電振動子を構成することにより、小型でＱ値が高く、周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００２３】
［適用例９］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。
【００２４】
屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子と、ＩＣ部品と、これらを収容するパッケージと、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００２５】
［適用例１０］本発明に係る振動ジャイロ素子は、適用例１に記載の圧電振動素子が、前記基部から連接した角速度を検出するための検出用振動腕を備えることを特徴とする振動ジャイロ素子である。
【００２６】
各駆動腕用振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心線に沿った表面裏面に夫々第２の溝部を形成した振動ジャイロ素子を構成する。このような振動ジャイロ素子を構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
【００２７】
［適用例１１］振動ジャイロセンサーは、適用例１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたることを特徴とする振動ジャイロセンサーである。
【００２８】
以上のように振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が改善されると共に、錘部を設けることにより小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００２９】
［適用例１２］本発明に係る電子機器は、適用例８に記載の圧電振動子、又は適用例１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器である。
【００３０】
以上のように圧電振動子を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善さるという効果がある。また、以上の振動ジャイロセンサーを備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）は本発明に係る圧電振動素子の構造を示した概略平面図であり、（ｂ）は振動腕の断面図。
【図２】振動腕の先端部に設けた錘部の断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は夫々錘部の変形例を示す平面図。
【図４】（ａ）は梁の先端部に溝を形成する場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図、（ｂ）は梁の中央部に溝を形成する場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図、（ｃ）は梁の板厚を変えた場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図。
【図５】（ａ）（ｂ）は錘部の表裏面に凹部を設けた場合、（ｃ）は錘部の先端部の表裏面に溝を設けた場合の平面図。
【図６】図５（ａ）〜（ｃ）は夫々対応した屈曲振動、捩れ振動の共振周波数及び共振周波数差（Δｆ）を示す図。
【図７】（ａ）は音叉振動（屈曲振動）の周波数温度特性、（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性、（ｃ）は屈曲−捩れ結合振動の周波数温度特性を示す図。
【図８】振動腕の板厚ｈを変えた場合の屈曲振動と捩れ振動との結合示す図。
【図９】（ａ）は屈曲−捩れ結合振動の、板厚ｈと屈曲振動及び捩れ振動夫々の一次係数、二次係数との関係を示す図、（ｂ）はその要部拡大図。
【図１０】屈曲−捩れ結合振動を用いた圧電振動子の断面図。
【図１１】圧電発振器の断面図。
【図１２】（ａ）は振動ジャイロセンサーの平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は動作を説明する模式図。
【図１３】電子機器の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略平面図である。圧電振動素子１は、平板状の圧電基板７と、圧電基板７の表裏面及び側面に形成した薄膜の電極２５と、を備えている。
圧電基板７は、図１（ａ）に示すように、互いに並行（平行）して直線状に延びる細幅帯状の複数（本例では二本）の振動腕１５ａ、１５ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの一方の端部（基端部）間を連接する基部１０と、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部（先端部）に夫々連接して一体形成され、且つ各振動腕１５ａ、１５ｂの前記他方の端部の幅よりも幅広な錘部２０ａ、２０ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面に夫々形成された第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）と、を備えている。
錘部２０ａ、２０ｂは、振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面の少なくとも一方の面（本例では両面）に、各振動腕１５ａ、１５ｂの長手方向（振動腕の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線分に沿った延び方向）に沿って直線状に延びる第１の溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を備えている。図２、図３で、２２ｂ、２４ｂは、錘部２０ａ、２０ｂの裏面に夫々形成された第１の溝部を示している。
なお、振動中心線Ｃとは振動腕の重心を通る振動腕の長手方向に延びた線のことである。
【００３３】
図１（ｂ）に示した薄膜の電極２５は、錘部２０ａ、２０ｂの夫々の表裏面及び第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと、図１（ｂ）に示すように、各第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）内を含めた各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面及び側面と、に夫々形成され、且つ基部１０に設けた複数の電極パッド（図示せず）との間を夫々リード電極（図示せず）にて電気的に接続される励振電極３０、３２、３４、３６と、を備えている。薄膜の電極２５は、蒸着法、又はスパッタ法を用いて真空装置の中で形成される。なお、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ内に密度の大きい金属、例えば金Ａｕ等を付着するだけで錘部２０ａ、２０ｂとしての機能を果たせる場合には、必ずしも錘部２０ａ、２０ｂの平坦面に電極を形成する必要はない。
【００３４】
図１（ａ）に示す基部１０は、振動漏れ低減と耐衝撃性改善のために、基部本体１２ａと、基部本体１２ａの振動腕１５ａ、１５ｂとは反対側の他端縁中間部（振動腕と連接した一端と対抗する側の他端）に設けた細幅の連結部１２ｄと、連結部１２ｄを介して連接され且つ基部本体１２ａとは離間した状態で幅方向に沿って延びた先から、振動腕１５ａ、１５ｂとを間に置いて長手方向に沿って延びる左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えている。つまり、Ｌ字状の支持腕１２ｂの基端部と、逆Ｌ字状の支持腕１２ｃの基端部とが連接され、この連接部分が連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端縁中央に連結されてコ字状をなし、基部本体１２ａの他方の端縁には各振動腕１５ａ、１５ｂの基端部が連結されている基部の例である。
図１の実施形態において、基部１０は、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えていると説明したが、基部本体１２ａのみでもよい。
また、各振動腕１５ａ、１５ｂは、基部体１２ａの端部より間隔を隔して互いに平行に延出し、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部には夫々振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部の幅よりも幅広の錘部２０ａ、２０ｂが連設一体化されている。
【００３５】
圧電基板７は、例えば水晶基板を用いる場合には、Ｚ板（光軸（Ｚ軸）に垂直に切り出された基板）を電気軸（Ｘ軸）の回りに０°から−１５°回転して切り出した基板を用いる。なお、圧電基板７の外形、錘部２０ａ、２０ｂの第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂの第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）は、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で形成されている。
【００３６】
図１（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図であり、各振動腕１５ａ、１５ｂに夫々形成された励振電極３０、３２、３４、３６の配置を示す図である。励振電極３０、３４は、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）の表面、及び側面に形成され、励振電極３２、３６は各振動腕１５ａ、１５ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極３０、３６と、励振電極３２、３４とは、互いに異符号の電圧が前記電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極３０、３６に＋電圧が印加されるとき、励振電極３２、３４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線Ｃｇに対し対称な音叉振動（屈曲振動）が励振される。
なお、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンスー）を小さくすることができる。
【００３７】
図２は、図１（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。錘部２０ａ、２０ｂは、図１（ａ）の平面図、図２の断面図に示すように、矩形平板状であって、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは、各振動腕１５ａ、１５ｂの長手方向に沿った錘部２０ａ、２０ｂの両端部に離間して配置され、且つ振動中心線Ｃに対して線対称であり、先端側の第１の溝部、及び基端側の第１の溝部を備えている。
図３（ａ）〜（ｃ）は、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂの変形例を示す平面図である。なお、図１（ａ）に示すように、錘部２０ａ、２０ｂは同一形状であるので、一方の錘部２０ａを用いて説明する。図３（ａ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、錘部２０ａの振動腕１５ａの長手方向先端縁から長手方向中間部にかけて延在し、且つ振動中心線Ｃに対し線対称に形成されている。
【００３８】
図３（ｂ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、第１の溝部２２ａ（２２ｂ）の基端部が第２の溝部１７ａ（１７ｂ）の先端部と連続形成されると共に、第１の溝部２２ａ（２２ｂ）の先端部は、錘部２０ａの先端縁まで延在し、且つ振動中心線Ｃに対し線対称に形成されている。
図３（ｃ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、その少なくとも一部の幅が第２の溝部１７ａ（１７ｂ）の幅よりも幅広に形成されている。
【００３９】
音叉型水晶振動素子１には、その重心を通り、振動腕１５ａ、１５ｂ方向の中心線Ｃｇに対し、互いに対称に振動する屈曲振動と、中心線Ｃｇに対し、互いに対称な捩れ振動とが励振される。励振電極を適切に形成することにより何れの振動モードを主振動とするかが選択できる。図１は音叉振動（屈曲振動）を主振動モードする実施例である。
本発明の圧電振動素子の一例として、水晶Ｚ板を電気軸（Ｘ軸）回りにθ（０度から−１５度の範囲）回転して切り出した基板を用いて、音叉型水晶振動素子１を形成する。各振動腕１５ａ、１５ｂには、第２の溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂを形成すると共に、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部に設けた錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂを形成する。
つまり、切断角度θと、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと、第２の溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂとを適切に選定することにより、音叉型水晶振動素子１に励起される屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動の共振周波数ｆＦ、ｆＴを、互いに近接させることによって二つ振動モードを結合させ、主振動の屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、小型化を図った音叉型水晶振動素子を構成している。
【００４０】
屈曲振動及び捩れ振動夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させる手段を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示す圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）に励起される屈曲振動の共振周波数ｆＦと、捩じり振動の共振周波数ｆＴとが、錘部２０ａ、２０ｂの第１の溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）、振動腕１５ａ、１５ｂの第２の溝部１７ａ、１７ｂ、及び振動腕１５ａ、１５ｂの厚さｈにより、どのように変化するかを定性的に説明する図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）の横軸のＡ、Ｂは梁（振動腕）１５の形状を示し、Ａは梁１５に溝を形成する前、Ｂは溝を形成した場合である。図４（ｃ）は梁１５の板厚を変えた場合である。
【００４１】
溝部を形成する前の梁１５に励振される屈曲振動及び捩じり振動の共振周波数をｆＦ、ｆＴとし、梁１５の先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）を形成した場合の共振周波数を夫々ｆ’Ｆ、ｆ’Ｔとする。図４（ａ）に示すように、梁（振動腕）１５の先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）を形成すると、屈曲振動、捩じり振動夫々の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは、共に上昇するが、捩じり振動の周波数増加幅ｄｆＴ＝（ｆ’Ｔ−ｆＴ）に対し、屈曲振動の周波数増加幅ｄｆＦ＝（ｆ’Ｆ−ｆＦ）の方が大きい。
【００４２】
一方、図４（ｂ）に示すように、梁（振動腕）１５の中央部に溝部１７ａ（１７ｂ）を形成すると、捩じり振動、屈曲振動の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは共に低下するが、捩じり振動の周波数減少幅ｄｆＴ＝（ｆＴ−ｆ’Ｔ）は、屈曲振動の周波数減少幅ｄｆＦ＝（ｆＦ−ｆ’Ｆ）に比べて、大きくなる。
また、図４（ｃ）に示すように、梁１５の板厚ｈを厚くすると、屈曲振動の周波数ｆ’Ｆは元の周波数ｆＦより僅かに減少するが、捩じり振動の共振周波数ｆ’Ｔは元の周波数ｆＴより増加する。
以上のように、梁（振動腕）１５に形成する溝部の位置、梁（振動腕）１５の厚さを適切に選ぶことにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能となる。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｃ）は、音叉型水晶振動素子１の外形形状は変えずに、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に形成する凹部、溝部のみを変化させた場合の錘部２０ａ、２０ｂの平面図である。図５（ａ）、（ｂ）は錘部２０ａ、２０ｂの表裏面の中央部に、振動腕１５ａ、１５ｂの長さ方向に沿い、振動中心線Ｃに対し線対称に、対向する凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）を形成した例である。図５（ｂ）の凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）の面積の方が、図５（ａ）の凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）の面積より大きく形成してある。図５（ｃ）は、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に先端より中央部にかけ、振動腕１５ａ、１５ｂの長さ方向に沿い、振動中心線Ｃに対し線対称に溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を形成した例である。
【００４４】
図６は、図５（ａ）〜（ｃ）に示した形状の錘部２０ａ、２０を有する音叉型水晶振動素子１に、励振される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴと、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）と、を有限要素法を用いたシミュレーションで求めた図である。縦軸左側が共振周波数ｆＦ、ｆＴを示し、縦軸右側が差周波数Δｆを示している。横軸は図５（ａ）〜（ｃ）に示した形状の錘部２０ａ、２０を有する音叉型水晶振動素子１に対応して符号ａ、ｂ、ｃで示している。
図６のａとｂとの夫々の共振周波数を比べると、音叉型水晶振動素子１の外形形状を変えずに、錘部２０ａ、２０ｂの凹部の大きさを変化させた場合は、凹部の面積の大きい方が、差周波数Δｆが小さくなることが分かる。これは図４（ａ）に示すように、梁（振動腕）１５の先端部の質量を減ずると屈曲振動の周波数の上昇の方が、捩れ振動の周波数の上昇より大きく、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）が減少することからも説明できる。また、ａの屈曲振動の周波数よりｂの屈曲振動の周波数の方が、周波数が高くなることも図４（ａ）より説明できる。
図６のｃは、錘部２０ａ、２０ｂの先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を形成した例で、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）を更に小さくできることを示している。差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）を小さくすることにより、例えばΔｆ／（（ｆＴ−ｆＦ）／２）の値を１０％以下にすると、屈曲振動と捩じり振動の結合が密になり、主振動とする屈曲振動の周波数温度特性が改善される。
【００４５】
図７は、音叉型水晶振動素子１で励振される屈曲振動と捩じり振動とを互いに結合させることにより、主振動の屈曲振動の周波数温度特性が改善される様子を、図を用いて定性的に表わしたものである。一般的に水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆ（＝（ｆ−ｆ０）／ｆ、ｆ０は所定の温度における周波数）は、式（１）のように温度Ｔの多項式で表わすことができる。
Δｆ／ｆ＝α（Ｔ−Ｔ０）＋β（Ｔ−Ｔ０）２＋γ（Ｔ−Ｔ０）３＋・・ （１）
図７（ａ）は主振動である屈曲振動の周波数温度特性で、温度Ｔに関し、二次曲線を呈している。図７（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性で、周波数Δｆ／ｆは温度Ｔに関し、一次式で近似される。図７（ｃ）は、屈曲振動と捩れ振動を結合させた場合の主振動である屈曲振動の周波数温度特性を示す図である。主振動の屈曲振動に捩れ振動を結合させることにより、屈曲振動の周波数温度特性を表わす多項式Δｆ／ｆの一次係数αと、二次係数βをほぼ零とすることが可能となり、主振動の屈曲振動の周波数温度特性は三次係数γで近似でき、図７（ｃ）に示すよう常温を含む所望の温度範囲において三次曲線（三次特性）を呈する。
【００４６】
図８は、音叉型水晶振動子１の振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを変化させた場合、屈曲振動と捩れ振動との結合の度合いをシミュレーションで求め、図示したものである。屈曲振動の共振周波数ｆＦは、厚さｈに関しほぼ平坦で、ｈの増加につれて僅かに減少する。一方、捩れ振動の共振周波数ｆＴは、厚さｈの増加に応じ、ほぼ比例するように増加する。図８の例では、８６μｍより少し薄い板厚ｈで結合が大きくなることが分かる。
【００４７】
図９（ａ）は、音叉型水晶振動子１に励振される屈曲振動の一次係数α、二次系数βと、捩れ振動の一次係数α’、二次係数β’と、をシミュレーションで求め、それを図示したものである。屈曲振動の一次係数α、二次係数βを夫々菱形◆、四角■で示し、捩れ振動の一次係数α’、二次係数β’を夫々白抜き菱形◇、白抜き四角□で示している。図９（ａ）より捩れ振動の一次係数α’が他の係数に比べ大きいことが分かる。つまり、捩れ振動では一次係数α’が支配的である。
また、屈曲振動の一次係数α、二次係数βは、図９の例では、振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈが８４μｍから８５μｍの範囲で極めて小さくなることが分かる。
【００４８】
図９（ｂ）は、振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを８２μｍから８６μｍの範囲で変化させた場合の屈曲振動、捩れ振動の夫々の一次係数、二次係数α、β、α’、β’を板厚ｈに対し示した図である。図９（ｂ）の例では、屈曲振動の一次係数α、二次係数βとも板厚ｈ＝８４．５μｍ近辺でほぼ零になることが判明した。また捩れ振動の二次係数β’も板厚ｈ＝８４．５μｍ近傍でほぼ零になることが分かる。
つまり、図９の音叉型水晶振動素子１の例では、板厚ｈを８４．５μｍに設定することにより、主振動である屈曲振動の周波数温度特性の一次係数α、二次係数βを共に零とすることができる。そのため屈曲振動の周波数温度特性は３次曲線を呈し、周波数温度特性が大幅に改善されると共に、錘部２０ａ、２０ｂの設けることにより振動腕が短縮され、小型の音叉型水晶振動素子１が得られる。
【００４９】
また、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に形成した電極、第一の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ内に形成した電極、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した電極をレーザー光を照射することにより、音叉型圧電振動子に励振される屈曲振動と捩れ振動との結合度の微調整をすることが可能である。
また、落下衝撃等による周波数変動を考慮すると錘部の表裏面の電極（特に先端部）は避け、第一の溝部内にのみに錘用の電極を形成する方がよい場合がある。
【００５０】
図１に示すように、本発明の圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１は、各振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各振動腕の振動中心線に沿って表裏面に夫々第２の溝部を形成する。このように構成すると、音叉型圧電振動素子１に励起される屈曲振動と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。屈曲−捩じり結合振動の主振動である屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００５１】
また、図１（ａ）に示すように、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１の基部が、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーを低減することができ、ＣＩ値が小さくなると共に、耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００５２】
また、図１（ａ）に示す圧電基板７の切断角度が、電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１を構成する。このように切断角度を選ぶと、屈曲-捩れ結合振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数をほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
また、第一の溝部２２ａ〜２４ｂが、図１（ａ）に示すように形成された圧電振動素子１を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有する圧電振動素子が、得られるという効果と、錘部２０ａ、２０ｂの平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００５３】
また、第一の溝部２２ａ〜２４ｂが、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように形成された圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、温度特性が改善されるという効果ある。更に、図３（ａ）の例では錘部２０ａの平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点、図３（ｂ）の例では、第一及び第二溝部形成用マスクが容易になるという利点、図３（ｃ）の例では、第一の溝部の幅を適切に設定することにより屈曲振動周波数と捩れ振動周波数との結合が容易になるという利点もある。
【００５４】
図１０は、本発明に係る第２の実施の形態の圧電振動子２の構成を示す断面図である。圧電振動子２は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、ガラス等からなる窓部材５４を有する蓋部材５２とから成る。
パッケージ本体４０は、図１０に示すように、絶縁基板として第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３とを積層して形成されており、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箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数形成されている。
第３の基板４３は中央部が除去されており、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、圧電振動素子１を収容する凹部が形成されている。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。
素子搭載パッド４７の位置は、圧電振動素子１を載置した際に支持腕１２ｂ、１２ｃに形成したパッド電極（図示せず）に対応するように配置されている。
【００５５】
圧電振動子２の構成は、パッケージ本体４０の素子搭載パッド４７に導電性接着剤５０、例えばエポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１を載置して荷重をかける。
パッケージ本体４０に搭載された圧電振動子１の導電性接着剤５０を硬化させるために所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。アニール処理を施した後、上方からレーザー光を照射して各錘部２０ａ、２０ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂに形成された周波数調整用金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部５４を備えて蓋部材５２を、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４に、シーム溶接する。
パッケージの貫通孔４８を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージの上下を逆にして、貫通孔４８内の段差部上に金属球の充填材４８ａを載置する。充填材４８ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材４８ａにレーザー光を照射して溶融させ、貫通孔４８を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。パッケージの外部から窓部材５４を介してレーザー光をパッケージ内に照射し、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数微調整を行い、圧電振動子２を完成する。
【００５６】
図１０の構成の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形について説明する。圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、素子搭載パッド４７を支点として、変形し易い支持腕支持部１２ｂ、１２ｃがパッケージ本体４０の底面に向かって変形する。次に、この変形が基部１０の外側端縁１２ｅで反射し、変形が基部本体１２ａの中央部に伝搬し、基部本体１２ａを含めた全体がパッケージ本体４０の底面側に沈み込む。その結果、振動腕１５ａ、１５ｂは、その先端側がパッケージ底面に向かって変形する。つまり、基部１０の構造が基部本体１２ａに連結部１２ｄを介して支持腕１２ｂ、１２ｃに連接されていることにより、加えられた衝撃を基部１０の構造で緩和するように構成されている。
図１０の断面図に示すように、音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１を絶縁基板４０に収容して、圧電振動子２を構成することにより、小型でＱ値が高く、周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００５７】
図１１は、本発明に係る第３の実施の形態圧電発振器３の構成を示す断面図である。圧電発振器３は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を励振するＩＣ部品７８と、圧電振動素子１を真空封止すると共にＩＣ部品７８を収容するパッケージ本体６０、及び窓部材７５ａ有する蓋部材７５と、を備えている。圧電振動素子１にレーザー光を照射しての粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔６８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品７８はパッケージ本体６０のＩＣ部品搭載パッド６９に、金属バンプ７６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図１１に示した圧電発振器３では、ＩＣ部品７８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品７８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
【００５８】
図１１の断面図に示すように、屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１と、ＩＣ部品７８と、これらを収容するパッケージ６０と、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００５９】
図１２は、本発明に係る第４の実施の形態の振動ジャイロセンサー４の構成を示す図であり、蓋体を取り除いて示している。図１２（ａ）は、振動ジャイロセンサー４の平面図であり、同図（ｂ）はＰ−Ｐ断面図である。
振動ジャイロセンサー４は、振動ジャイロ素子８０と、振動ジャイロ素子８０を収容するパッケージと、を概略備えている。パッケージは、絶縁基板（パッケージ本体）７９と、絶縁基板７９を気密封止する蓋体と、を備えている。
振動ジャイロ素子８０は、基部本体８１と、基部本体８１の対向する２つの端縁から夫々同一直線上に突設された１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂとを備えた基部を備えている。更に、振動ジャイロ素子８０は、基部本体８１の対向する他の２つの端縁から夫々検出用振動腕８５ａ、８５ｂと直交する方向に同一直線上に突設された１対の第１の連結腕８２ａ、８２ｂと、各第１の連結腕８２ａ、８２ｂの先端部からそれと直交する両方向へ夫々突設された各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、を備えている。
【００６０】
更に、基部は、基部本体８１の対向する他の２つの端縁から夫々検出用振動腕８５ａ、８５ｂと直交する方向に同一直線上に突設された各１対の第２の連結腕と、各第２の連結腕の先端部からそれと直交する両方向へ夫々突設され、検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、駆動用振動腕８３ａ、３ｂ及び８４ａ、８４ｂとの間に配置された各１対の支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂと、を備えている。
励振電極は、少なくとも１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、に夫々形成されている。支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂには、複数の電極パッド（図示せず）が形成され、この電極パッドと励振電極との間は、夫々電気的に接続されている。
【００６１】
図１２（ｃ）は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。振動ジャイロセンサー４は角速度が加わらない状態では、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。このとき、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂと、駆動用振動腕８４ａ、８４ｂとが、重心Ｇを通るＹ’軸方向の直線に関して線対称の振動を行っているため、基部本体８１、連結腕８２ａ、８２ｂ、検出用振動腕８５ａ、８５ｂはほとんど振動しない。
振動ジャイロセンサー４にＺ’軸回りの角速度ωが加わると、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ及び第１の連結腕８２ａ、８２ｂにコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。同時に、検出用振動腕８５ａ、８５ｂは、この振動に応じて検出振動が励起される。この振動により発生した歪を検出用振動腕８５ａ、８５ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。
【００６２】
本発明の振動ジャイロセンサー４の特徴は、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの先端部に錘部２６が設けられ、各錘部２６の表裏面には振動腕の長さ方向に沿って振動中心線に線対称に第１の溝部２７が形成されている。さらに、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂには、振動腕の長さ方向に沿って振動中心線に線対称に第２の溝部２８が形成されている。振動ジャイロ素子８０の圧電振動基板の切断角度θと、錘部２６の第１の溝部２７と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの第２の溝部２８と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの板厚を適切に選定することにより、振動ジャイロ素子８０に励起される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させることができる。二つ振動モードを結合させ、主振動の屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、錘部２６を設けることにより駆動用振動腕、検出用親王腕を短縮することにより、小型の振動ジャイロセンサー４を構成することができる。
【００６３】
図１２（ａ）に示すように、各駆動腕用振動腕８３ａ〜８４ｂの先端部に夫々錘部２６を形成し、該錘部２６の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部２７を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心線に沿った表面裏面に夫々第２の溝部２８を形成した振動ジャイロ素子８０を構成する。このような振動ジャイロ素子８０を構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
また、図１２（ａ）に示すように、振動ジャイロ素子をパッケージに収容して振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が改善されると共に、錘部を設けることにより小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００６４】
図１３は本発明に係る電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器５には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２を備えている。圧電振動子２を用いた電子機器５として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器５において圧電振動子５は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。
図１３に示すように、図１０の圧電振動子２を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善さるという効果がある。また、図１２（ａ）の振動ジャイロセンサーを備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【符号の説明】
【００６５】
１…圧電振動素子、２…圧電振動子、３…圧電発振器、４…振動ジャイロセンサー、５…電子機器、７…圧電基板、１０…基部、１２ａ…基部本体、１２ｂ、１２ｃ…支持腕、１２ｄ…連結部、１２ｅ…外側端縁、１５…梁、１５ａ、１５ｂ…振動腕、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、２８…第２の溝部、２０ａ、２０ｂ、２６…錘部、２１ａ、２１ｂ、２１’ａ、２１’ｂ…凹部、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２７…第１の溝部、２５…電極、３０、３２、３４、３６…励振電極、４０、６０、７９…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…金属シールリング、４５…実装端子、４６…導体、４７…素子搭載パッド、４８、６８…貫通孔、４８ａ…充填材、５０…導電性接着剤、５２、７５…蓋部材、５４、７５ａ…窓部材、部品搭載パッド…６９、７８…ＩＣ部品、８０…振動ジャイロ素子、８１…基部本体、８２ａ、８２ｂ…第１の連結腕、８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ…駆動用振動腕、８５ａ、８５ｂ…検出用振動腕、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ…支持腕、Ｃ…振動中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子、振動ジャイロ素子等に関し、特に小型化を図ると共に周波数温度特性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロ素子、振動ジャイロセンサー及びそれらを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、モバイルコンピューター、ハードディスク・ドライブ等の小型情報機器や、携帯電話等の移動体通信機には、基準周波数源として圧電デバイスが広く用いられている。圧電デバイスを搭載した電子機器の小型化が進むに伴い、圧電デバイスには更なる小型化が求められている。
特許文献１には、水晶の電気軸（結晶軸の１つ）の回りに０°から−１５°の範囲で切り出された音叉型水晶振動子が開示されている。音叉型水晶振動子に励振される屈曲振動モード、捩れ振動モードの夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させ、結合させることにより主振動の屈曲振動モードの周波数温度特性を改善した水晶振動子である。
一般的に水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆは、温度Ｔに関する多項式で表わされるが、実用的には三次式で近似され、その一次係数〜三次係数はα、β、γで表わされる。
屈曲振動モードの周波数温度特性ＴｆＦは、捩れ振動モードの影響を受け、圧電基板ｈに依存する。種々の切断角θに対し、一次係数α＝０となるように厚みｈを設定し、更に二次係数βが零になる切断角度θと厚さｈとを、予め計算で求めた値から設定する。これにより、周波数温度特性ＴｆＦは三次係数γのみに依存し、温度特性の良好な水晶振動子が得られると開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、互いに平行な複数の振動腕の各先端部に、振動腕より幅広の拡大部を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。この拡大部は有底の孔を有し、この有底の孔には圧電材料より比重が大きい材料が充填して錘とすることにより、音叉型圧電振動子の小型化が図られると記されている。
また、特許文献３には、振動ジャイロ素子が開示されている。振動ジャイロ素子は、基部と、基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、基部から両側へ検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕を備えている。更に、基部から各検出用腕に沿って延出される２対の梁と、同方向に延出された各梁が連結された１対の支持部と、を同一平面に備え、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側で、且つ前記駆動用振動腕の間に配置するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５５−７５３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２２３０公報
【特許文献３】特開２０１０−２４３０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された、屈曲振動モードと捩じり振動モード夫々の周波数を近接させ互いに結合させることにより周波数温度特性を改善した音叉型圧電振動子は、小型化が難しいという問題があった。
また、特許文献２に記載の音叉型圧電振動子は、振動腕の先端部に錘部を形成することにより小型化は可能であるが、周波数温度特性は二次特性であり、周波数安定度に問題があった。
また、特許文献３の記載の振動ジャイロ素子は、温度変化により角速度の感度が変わるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型化と周波数温度特性の改善とを図った圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロセンサー、及びこれらを用いた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決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。
【０００７】
［適用例１］本圧明係る圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々連接され該各振動腕の他方の端部の幅よりも幅広の錘部と、前記錘部の表面及び裏面の少なくとも一方の面に前記各振動腕の長手方向に沿って延びる第１の溝部、及び、前記各振動腕の表裏面に夫々形成された第２の溝部、を備えた圧電基板と、前記錘部の表裏面と前記各第２の溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた屈曲−捩じり結合振動をする圧電振動素子であって、前記圧電振動素子の周波数温度特性が温度に関し三次特性であることを特徴とする。
【０００８】
音叉型圧電振動素子の各振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各振動腕の振動中心線に沿った表裏面に夫々第２の溝部を形成する。このように構成すると、音叉型圧電振動素子に励振される屈曲振動と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
【０００９】
［適用例２］また圧電振動素子は、前記基部は、前記振動腕の前記一方の端部と連接した一端を備える基部本体と、該基部本体の前記振動腕と連接した一端と対向する側の他端に連接した連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる支持腕と、を備えていることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。
【００１０】
圧電振動素子の基部が、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーを低減することでき、ＣＩ値が小さくなると共に、耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１１】
［適用例３］また圧電振動素子は、前記圧電基板は水晶板から構成され、前記水晶板の主面の法線が、水晶結晶の光学軸に対して水晶結晶の電気軸の回りに０度から−１５度の範囲内の角度で傾いていることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。
【００１２】
圧電基板の切断角度が電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された音叉型圧電振動素子を構成する。このような切断角度を選ぶと、屈曲−捩じり結合振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数をほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１３】
［適用例４］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記長手方向に沿って離間して並ぶ複数の溝を備えていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１４】
第一の溝部が前記のように形成された圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有する圧電振動素子が得られるという効果と、錘部平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００１５】
［適用例５］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記錘部の先端縁から前記錘部の中間部にかけて延在し、且つ前記振動腕における振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１６】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、温度特性が改善されるという効果と、錘部平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００１７】
［適用例６］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、前記第二の溝部と連続形成されると共に、該第一の溝部の先端部は前記錘部の先端縁まで延在し、且つ前記振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子である。
【００１８】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、圧電振動素子の温度特性が改善されるという効果と、第一及び第二溝部形成用マスクが容易になるという利点もある。
【００１９】
［適用例７］また圧電振動素子は、前記第一の溝部は、その少なくとも一部の幅が前記第二の溝部よりも幅広に形成されていることを特徴とする適用例５に記載の圧電振動素子である。
【００２０】
第一の溝部を前記のように形成した圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、圧電振動素子の温度特性が改善されるという効果と、第一の溝部の幅を適切に設定することにより屈曲振動周波数と捩れ振動周波数との結合が容易になるという利点もある。
【００２１】
［適用例８］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を載置する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子である。
【００２２】
音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子を絶縁基板に収容して、圧電振動子を構成することにより、小型でＱ値が高く、周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００２３】
［適用例９］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。
【００２４】
屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子と、ＩＣ部品と、これらを収容するパッケージと、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００２５】
［適用例１０］本発明に係る振動ジャイロ素子は、適用例１に記載の圧電振動素子が、前記基部から連接した角速度を検出するための検出用振動腕を備えることを特徴とする振動ジャイロ素子である。
【００２６】
各駆動腕用振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心線に沿った表面裏面に夫々第２の溝部を形成した振動ジャイロ素子を構成する。このような振動ジャイロ素子を構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
【００２７】
［適用例１１］振動ジャイロセンサーは、適用例１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたることを特徴とする振動ジャイロセンサーである。
【００２８】
以上のように振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が改善されると共に、錘部を設けることにより小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００２９】
［適用例１２］本発明に係る電子機器は、適用例８に記載の圧電振動子、又は適用例１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器である。
【００３０】
以上のように圧電振動子を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善さるという効果がある。また、以上の振動ジャイロセンサーを備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】（ａ）は本発明に係る圧電振動素子の構造を示した概略平面図であり、（ｂ）は振動腕の断面図。
【図２】振動腕の先端部に設けた錘部の断面図。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は夫々錘部の変形例を示す平面図。
【図４】（ａ）は梁の先端部に溝を形成する場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図、（ｂ）は梁の中央部に溝を形成する場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図、（ｃ）は梁の板厚を変えた場合の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図。
【図５】（ａ）（ｂ）は錘部の表裏面に凹部を設けた場合、（ｃ）は錘部の先端部の表裏面に溝を設けた場合の平面図。
【図６】図５（ａ）〜（ｃ）は夫々対応した屈曲振動、捩れ振動の共振周波数及び共振周波数差（Δｆ）を示す図。
【図７】（ａ）は音叉振動（屈曲振動）の周波数温度特性、（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性、（ｃ）は屈曲−捩れ結合振動の周波数温度特性を示す図。
【図８】振動腕の板厚ｈを変えた場合の屈曲振動と捩れ振動との結合示す図。
【図９】（ａ）は屈曲−捩れ結合振動の、板厚ｈと屈曲振動及び捩れ振動夫々の一次係数、二次係数との関係を示す図、（ｂ）はその要部拡大図。
【図１０】屈曲−捩れ結合振動を用いた圧電振動子の断面図。
【図１１】圧電発振器の断面図。
【図１２】（ａ）は振動ジャイロセンサーの平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は動作を説明する模式図。
【図１３】電子機器の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略平面図である。圧電振動素子１は、平板状の圧電基板７と、圧電基板７の表裏面及び側面に形成した薄膜の電極２５と、を備えている。
圧電基板７は、図１（ａ）に示すように、互いに並行（平行）して直線状に延びる細幅帯状の複数（本例では二本）の振動腕１５ａ、１５ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの一方の端部（基端部）間を連接する基部１０と、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部（先端部）に夫々連接して一体形成され、且つ各振動腕１５ａ、１５ｂの前記他方の端部の幅よりも幅広な錘部２０ａ、２０ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面に夫々形成された第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）と、を備えている。
錘部２０ａ、２０ｂは、振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面の少なくとも一方の面（本例では両面）に、各振動腕１５ａ、１５ｂの長手方向（振動腕の一方の端部と他方の端部とを結ぶ線分に沿った延び方向）に沿って直線状に延びる第１の溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を備えている。図２、図３で、２２ｂ、２４ｂは、錘部２０ａ、２０ｂの裏面に夫々形成された第１の溝部を示している。
なお、振動中心線Ｃとは振動腕の重心を通る振動腕の長手方向に延びた線のことである。
【００３３】
図１（ｂ）に示した薄膜の電極２５は、錘部２０ａ、２０ｂの夫々の表裏面及び第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと、図１（ｂ）に示すように、各第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）内を含めた各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面及び側面と、に夫々形成され、且つ基部１０に設けた複数の電極パッド（図示せず）との間を夫々リード電極（図示せず）にて電気的に接続される励振電極３０、３２、３４、３６と、を備えている。薄膜の電極２５は、蒸着法、又はスパッタ法を用いて真空装置の中で形成される。なお、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ内に密度の大きい金属、例えば金Ａｕ等を付着するだけで錘部２０ａ、２０ｂとしての機能を果たせる場合には、必ずしも錘部２０ａ、２０ｂの平坦面に電極を形成する必要はない。
【００３４】
図１（ａ）に示す基部１０は、振動漏れ低減と耐衝撃性改善のために、基部本体１２ａと、基部本体１２ａの振動腕１５ａ、１５ｂとは反対側の他端縁中間部（振動腕と連接した一端と対抗する側の他端）に設けた細幅の連結部１２ｄと、連結部１２ｄを介して連接され且つ基部本体１２ａとは離間した状態で幅方向に沿って延びた先から、振動腕１５ａ、１５ｂとを間に置いて長手方向に沿って延びる左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えている。つまり、Ｌ字状の支持腕１２ｂの基端部と、逆Ｌ字状の支持腕１２ｃの基端部とが連接され、この連接部分が連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端縁中央に連結されてコ字状をなし、基部本体１２ａの他方の端縁には各振動腕１５ａ、１５ｂの基端部が連結されている基部の例である。
図１の実施形態において、基部１０は、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えていると説明したが、基部本体１２ａのみでもよい。
また、各振動腕１５ａ、１５ｂは、基部体１２ａの端部より間隔を隔して互いに平行に延出し、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部には夫々振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部の幅よりも幅広の錘部２０ａ、２０ｂが連設一体化されている。
【００３５】
圧電基板７は、例えば水晶基板を用いる場合には、Ｚ板（光軸（Ｚ軸）に垂直に切り出された基板）を電気軸（Ｘ軸）の回りに０°から−１５°回転して切り出した基板を用いる。なお、圧電基板７の外形、錘部２０ａ、２０ｂの第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂの第２の溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）は、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で形成されている。
【００３６】
図１（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図であり、各振動腕１５ａ、１５ｂに夫々形成された励振電極３０、３２、３４、３６の配置を示す図である。励振電極３０、３４は、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）の表面、及び側面に形成され、励振電極３２、３６は各振動腕１５ａ、１５ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極３０、３６と、励振電極３２、３４とは、互いに異符号の電圧が前記電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極３０、３６に＋電圧が印加されるとき、励振電極３２、３４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線Ｃｇに対し対称な音叉振動（屈曲振動）が励振される。
なお、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンスー）を小さくすることができる。
【００３７】
図２は、図１（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。錘部２０ａ、２０ｂは、図１（ａ）の平面図、図２の断面図に示すように、矩形平板状であって、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂは、各振動腕１５ａ、１５ｂの長手方向に沿った錘部２０ａ、２０ｂの両端部に離間して配置され、且つ振動中心線Ｃに対して線対称であり、先端側の第１の溝部、及び基端側の第１の溝部を備えている。
図３（ａ）〜（ｃ）は、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂの変形例を示す平面図である。なお、図１（ａ）に示すように、錘部２０ａ、２０ｂは同一形状であるので、一方の錘部２０ａを用いて説明する。図３（ａ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、錘部２０ａの振動腕１５ａの長手方向先端縁から長手方向中間部にかけて延在し、且つ振動中心線Ｃに対し線対称に形成されている。
【００３８】
図３（ｂ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、第１の溝部２２ａ（２２ｂ）の基端部が第２の溝部１７ａ（１７ｂ）の先端部と連続形成されると共に、第１の溝部２２ａ（２２ｂ）の先端部は、錘部２０ａの先端縁まで延在し、且つ振動中心線Ｃに対し線対称に形成されている。
図３（ｃ）に示す第１の溝部２２ａ（２２ｂ）は、その少なくとも一部の幅が第２の溝部１７ａ（１７ｂ）の幅よりも幅広に形成されている。
【００３９】
音叉型水晶振動素子１には、その重心を通り、振動腕１５ａ、１５ｂ方向の中心線Ｃｇに対し、互いに対称に振動する屈曲振動と、中心線Ｃｇに対し、互いに対称な捩れ振動とが励振される。励振電極を適切に形成することにより何れの振動モードを主振動とするかが選択できる。図１は音叉振動（屈曲振動）を主振動モードする実施例である。
本発明の圧電振動素子の一例として、水晶Ｚ板を電気軸（Ｘ軸）回りにθ（０度から−１５度の範囲）回転して切り出した基板を用いて、音叉型水晶振動素子１を形成する。各振動腕１５ａ、１５ｂには、第２の溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂを形成すると共に、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部に設けた錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂを形成する。
つまり、切断角度θと、第１の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂと、第２の溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂとを適切に選定することにより、音叉型水晶振動素子１に励起される屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動の共振周波数ｆＦ、ｆＴを、互いに近接させることによって二つ振動モードを結合させ、主振動の屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、小型化を図った音叉型水晶振動素子を構成している。
【００４０】
屈曲振動及び捩れ振動夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させる手段を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示す圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）に励起される屈曲振動の共振周波数ｆＦと、捩じり振動の共振周波数ｆＴとが、錘部２０ａ、２０ｂの第１の溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）、振動腕１５ａ、１５ｂの第２の溝部１７ａ、１７ｂ、及び振動腕１５ａ、１５ｂの厚さｈにより、どのように変化するかを定性的に説明する図である。なお、図４（ａ）、（ｂ）の横軸のＡ、Ｂは梁（振動腕）１５の形状を示し、Ａは梁１５に溝を形成する前、Ｂは溝を形成した場合である。図４（ｃ）は梁１５の板厚を変えた場合である。
【００４１】
溝部を形成する前の梁１５に励振される屈曲振動及び捩じり振動の共振周波数をｆＦ、ｆＴとし、梁１５の先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）を形成した場合の共振周波数を夫々ｆ’Ｆ、ｆ’Ｔとする。図４（ａ）に示すように、梁（振動腕）１５の先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）を形成すると、屈曲振動、捩じり振動夫々の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは、共に上昇するが、捩じり振動の周波数増加幅ｄｆＴ＝（ｆ’Ｔ−ｆＴ）に対し、屈曲振動の周波数増加幅ｄｆＦ＝（ｆ’Ｆ−ｆＦ）の方が大きい。
【００４２】
一方、図４（ｂ）に示すように、梁（振動腕）１５の中央部に溝部１７ａ（１７ｂ）を形成すると、捩じり振動、屈曲振動の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは共に低下するが、捩じり振動の周波数減少幅ｄｆＴ＝（ｆＴ−ｆ’Ｔ）は、屈曲振動の周波数減少幅ｄｆＦ＝（ｆＦ−ｆ’Ｆ）に比べて、大きくなる。
また、図４（ｃ）に示すように、梁１５の板厚ｈを厚くすると、屈曲振動の周波数ｆ’Ｆは元の周波数ｆＦより僅かに減少するが、捩じり振動の共振周波数ｆ’Ｔは元の周波数ｆＴより増加する。
以上のように、梁（振動腕）１５に形成する溝部の位置、梁（振動腕）１５の厚さを適切に選ぶことにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能となる。
【００４３】
図５（ａ）〜（ｃ）は、音叉型水晶振動素子１の外形形状は変えずに、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に形成する凹部、溝部のみを変化させた場合の錘部２０ａ、２０ｂの平面図である。図５（ａ）、（ｂ）は錘部２０ａ、２０ｂの表裏面の中央部に、振動腕１５ａ、１５ｂの長さ方向に沿い、振動中心線Ｃに対し線対称に、対向する凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）を形成した例である。図５（ｂ）の凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）の面積の方が、図５（ａ）の凹部２１ａ（２１ｂ）、２１’ａ（２１’ｂ）の面積より大きく形成してある。図５（ｃ）は、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に先端より中央部にかけ、振動腕１５ａ、１５ｂの長さ方向に沿い、振動中心線Ｃに対し線対称に溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を形成した例である。
【００４４】
図６は、図５（ａ）〜（ｃ）に示した形状の錘部２０ａ、２０を有する音叉型水晶振動素子１に、励振される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴと、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）と、を有限要素法を用いたシミュレーションで求めた図である。縦軸左側が共振周波数ｆＦ、ｆＴを示し、縦軸右側が差周波数Δｆを示している。横軸は図５（ａ）〜（ｃ）に示した形状の錘部２０ａ、２０を有する音叉型水晶振動素子１に対応して符号ａ、ｂ、ｃで示している。
図６のａとｂとの夫々の共振周波数を比べると、音叉型水晶振動素子１の外形形状を変えずに、錘部２０ａ、２０ｂの凹部の大きさを変化させた場合は、凹部の面積の大きい方が、差周波数Δｆが小さくなることが分かる。これは図４（ａ）に示すように、梁（振動腕）１５の先端部の質量を減ずると屈曲振動の周波数の上昇の方が、捩れ振動の周波数の上昇より大きく、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）が減少することからも説明できる。また、ａの屈曲振動の周波数よりｂの屈曲振動の周波数の方が、周波数が高くなることも図４（ａ）より説明できる。
図６のｃは、錘部２０ａ、２０ｂの先端部に溝部２２ａ（２２ｂ）、２４ａ（２４ｂ）を形成した例で、差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）を更に小さくできることを示している。差周波数Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）を小さくすることにより、例えばΔｆ／（（ｆＴ−ｆＦ）／２）の値を１０％以下にすると、屈曲振動と捩じり振動の結合が密になり、主振動とする屈曲振動の周波数温度特性が改善される。
【００４５】
図７は、音叉型水晶振動素子１で励振される屈曲振動と捩じり振動とを互いに結合させることにより、主振動の屈曲振動の周波数温度特性が改善される様子を、図を用いて定性的に表わしたものである。一般的に水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆ（＝（ｆ−ｆ０）／ｆ、ｆ０は所定の温度における周波数）は、式（１）のように温度Ｔの多項式で表わすことができる。
Δｆ／ｆ＝α（Ｔ−Ｔ０）＋β（Ｔ−Ｔ０）２＋γ（Ｔ−Ｔ０）３＋・・ （１）
図７（ａ）は主振動である屈曲振動の周波数温度特性で、温度Ｔに関し、二次曲線を呈している。図７（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性で、周波数Δｆ／ｆは温度Ｔに関し、一次式で近似される。図７（ｃ）は、屈曲振動と捩れ振動を結合させた場合の主振動である屈曲振動の周波数温度特性を示す図である。主振動の屈曲振動に捩れ振動を結合させることにより、屈曲振動の周波数温度特性を表わす多項式Δｆ／ｆの一次係数αと、二次係数βをほぼ零とすることが可能となり、主振動の屈曲振動の周波数温度特性は三次係数γで近似でき、図７（ｃ）に示すよう常温を含む所望の温度範囲において三次曲線（三次特性）を呈する。
【００４６】
図８は、音叉型水晶振動子１の振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを変化させた場合、屈曲振動と捩れ振動との結合の度合いをシミュレーションで求め、図示したものである。屈曲振動の共振周波数ｆＦは、厚さｈに関しほぼ平坦で、ｈの増加につれて僅かに減少する。一方、捩れ振動の共振周波数ｆＴは、厚さｈの増加に応じ、ほぼ比例するように増加する。図８の例では、８６μｍより少し薄い板厚ｈで結合が大きくなることが分かる。
【００４７】
図９（ａ）は、音叉型水晶振動子１に励振される屈曲振動の一次係数α、二次系数βと、捩れ振動の一次係数α’、二次係数β’と、をシミュレーションで求め、それを図示したものである。屈曲振動の一次係数α、二次係数βを夫々菱形◆、四角■で示し、捩れ振動の一次係数α’、二次係数β’を夫々白抜き菱形◇、白抜き四角□で示している。図９（ａ）より捩れ振動の一次係数α’が他の係数に比べ大きいことが分かる。つまり、捩れ振動では一次係数α’が支配的である。
また、屈曲振動の一次係数α、二次係数βは、図９の例では、振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈが８４μｍから８５μｍの範囲で極めて小さくなることが分かる。
【００４８】
図９（ｂ）は、振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを８２μｍから８６μｍの範囲で変化させた場合の屈曲振動、捩れ振動の夫々の一次係数、二次係数α、β、α’、β’を板厚ｈに対し示した図である。図９（ｂ）の例では、屈曲振動の一次係数α、二次係数βとも板厚ｈ＝８４．５μｍ近辺でほぼ零になることが判明した。また捩れ振動の二次係数β’も板厚ｈ＝８４．５μｍ近傍でほぼ零になることが分かる。
つまり、図９の音叉型水晶振動素子１の例では、板厚ｈを８４．５μｍに設定することにより、主振動である屈曲振動の周波数温度特性の一次係数α、二次係数βを共に零とすることができる。そのため屈曲振動の周波数温度特性は３次曲線を呈し、周波数温度特性が大幅に改善されると共に、錘部２０ａ、２０ｂの設けることにより振動腕が短縮され、小型の音叉型水晶振動素子１が得られる。
【００４９】
また、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に形成した電極、第一の溝部２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ内に形成した電極、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した電極をレーザー光を照射することにより、音叉型圧電振動子に励振される屈曲振動と捩れ振動との結合度の微調整をすることが可能である。
また、落下衝撃等による周波数変動を考慮すると錘部の表裏面の電極（特に先端部）は避け、第一の溝部内にのみに錘用の電極を形成する方がよい場合がある。
【００５０】
図１に示すように、本発明の圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１は、各振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部を形成すると共に、各振動腕の振動中心線に沿って表裏面に夫々第２の溝部を形成する。このように構成すると、音叉型圧電振動素子１に励起される屈曲振動と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。屈曲−捩じり結合振動の主振動である屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００５１】
また、図１（ａ）に示すように、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１の基部が、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーを低減することができ、ＣＩ値が小さくなると共に、耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００５２】
また、図１（ａ）に示す圧電基板７の切断角度が、電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１を構成する。このように切断角度を選ぶと、屈曲-捩れ結合振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数をほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
また、第一の溝部２２ａ〜２４ｂが、図１（ａ）に示すように形成された圧電振動素子１を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有する圧電振動素子が、得られるという効果と、錘部２０ａ、２０ｂの平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点もある。
【００５３】
また、第一の溝部２２ａ〜２４ｂが、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように形成された圧電振動素子を構成することにより、屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、温度特性が改善されるという効果ある。更に、図３（ａ）の例では錘部２０ａの平坦面に励振電極間を電気的に接続するリード電極を形成することができるという利点、図３（ｂ）の例では、第一及び第二溝部形成用マスクが容易になるという利点、図３（ｃ）の例では、第一の溝部の幅を適切に設定することにより屈曲振動周波数と捩れ振動周波数との結合が容易になるという利点もある。
【００５４】
図１０は、本発明に係る第２の実施の形態の圧電振動子２の構成を示す断面図である。圧電振動子２は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、ガラス等からなる窓部材５４を有する蓋部材５２とから成る。
パッケージ本体４０は、図１０に示すように、絶縁基板として第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３とを積層して形成されており、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箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数形成されている。
第３の基板４３は中央部が除去されており、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、圧電振動素子１を収容する凹部が形成されている。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。
素子搭載パッド４７の位置は、圧電振動素子１を載置した際に支持腕１２ｂ、１２ｃに形成したパッド電極（図示せず）に対応するように配置されている。
【００５５】
圧電振動子２の構成は、パッケージ本体４０の素子搭載パッド４７に導電性接着剤５０、例えばエポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１を載置して荷重をかける。
パッケージ本体４０に搭載された圧電振動子１の導電性接着剤５０を硬化させるために所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。アニール処理を施した後、上方からレーザー光を照射して各錘部２０ａ、２０ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂに形成された周波数調整用金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部５４を備えて蓋部材５２を、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４に、シーム溶接する。
パッケージの貫通孔４８を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージの上下を逆にして、貫通孔４８内の段差部上に金属球の充填材４８ａを載置する。充填材４８ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材４８ａにレーザー光を照射して溶融させ、貫通孔４８を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。パッケージの外部から窓部材５４を介してレーザー光をパッケージ内に照射し、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数微調整を行い、圧電振動子２を完成する。
【００５６】
図１０の構成の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形について説明する。圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、素子搭載パッド４７を支点として、変形し易い支持腕支持部１２ｂ、１２ｃがパッケージ本体４０の底面に向かって変形する。次に、この変形が基部１０の外側端縁１２ｅで反射し、変形が基部本体１２ａの中央部に伝搬し、基部本体１２ａを含めた全体がパッケージ本体４０の底面側に沈み込む。その結果、振動腕１５ａ、１５ｂは、その先端側がパッケージ底面に向かって変形する。つまり、基部１０の構造が基部本体１２ａに連結部１２ｄを介して支持腕１２ｂ、１２ｃに連接されていることにより、加えられた衝撃を基部１０の構造で緩和するように構成されている。
図１０の断面図に示すように、音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１を絶縁基板４０に収容して、圧電振動子２を構成することにより、小型でＱ値が高く、周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００５７】
図１１は、本発明に係る第３の実施の形態圧電発振器３の構成を示す断面図である。圧電発振器３は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を励振するＩＣ部品７８と、圧電振動素子１を真空封止すると共にＩＣ部品７８を収容するパッケージ本体６０、及び窓部材７５ａ有する蓋部材７５と、を備えている。圧電振動素子１にレーザー光を照射しての粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔６８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品７８はパッケージ本体６０のＩＣ部品搭載パッド６９に、金属バンプ７６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図１１に示した圧電発振器３では、ＩＣ部品７８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品７８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
【００５８】
図１１の断面図に示すように、屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１と、ＩＣ部品７８と、これらを収容するパッケージ６０と、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００５９】
図１２は、本発明に係る第４の実施の形態の振動ジャイロセンサー４の構成を示す図であり、蓋体を取り除いて示している。図１２（ａ）は、振動ジャイロセンサー４の平面図であり、同図（ｂ）はＰ−Ｐ断面図である。
振動ジャイロセンサー４は、振動ジャイロ素子８０と、振動ジャイロ素子８０を収容するパッケージと、を概略備えている。パッケージは、絶縁基板（パッケージ本体）７９と、絶縁基板７９を気密封止する蓋体と、を備えている。
振動ジャイロ素子８０は、基部本体８１と、基部本体８１の対向する２つの端縁から夫々同一直線上に突設された１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂとを備えた基部を備えている。更に、振動ジャイロ素子８０は、基部本体８１の対向する他の２つの端縁から夫々検出用振動腕８５ａ、８５ｂと直交する方向に同一直線上に突設された１対の第１の連結腕８２ａ、８２ｂと、各第１の連結腕８２ａ、８２ｂの先端部からそれと直交する両方向へ夫々突設された各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、を備えている。
【００６０】
更に、基部は、基部本体８１の対向する他の２つの端縁から夫々検出用振動腕８５ａ、８５ｂと直交する方向に同一直線上に突設された各１対の第２の連結腕と、各第２の連結腕の先端部からそれと直交する両方向へ夫々突設され、検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、駆動用振動腕８３ａ、３ｂ及び８４ａ、８４ｂとの間に配置された各１対の支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂと、を備えている。
励振電極は、少なくとも１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、に夫々形成されている。支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂには、複数の電極パッド（図示せず）が形成され、この電極パッドと励振電極との間は、夫々電気的に接続されている。
【００６１】
図１２（ｃ）は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。振動ジャイロセンサー４は角速度が加わらない状態では、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。このとき、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂと、駆動用振動腕８４ａ、８４ｂとが、重心Ｇを通るＹ’軸方向の直線に関して線対称の振動を行っているため、基部本体８１、連結腕８２ａ、８２ｂ、検出用振動腕８５ａ、８５ｂはほとんど振動しない。
振動ジャイロセンサー４にＺ’軸回りの角速度ωが加わると、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ及び第１の連結腕８２ａ、８２ｂにコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。同時に、検出用振動腕８５ａ、８５ｂは、この振動に応じて検出振動が励起される。この振動により発生した歪を検出用振動腕８５ａ、８５ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。
【００６２】
本発明の振動ジャイロセンサー４の特徴は、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの先端部に錘部２６が設けられ、各錘部２６の表裏面には振動腕の長さ方向に沿って振動中心線に線対称に第１の溝部２７が形成されている。さらに、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂには、振動腕の長さ方向に沿って振動中心線に線対称に第２の溝部２８が形成されている。振動ジャイロ素子８０の圧電振動基板の切断角度θと、錘部２６の第１の溝部２７と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの第２の溝部２８と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの板厚を適切に選定することにより、振動ジャイロ素子８０に励起される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させることができる。二つ振動モードを結合させ、主振動の屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、錘部２６を設けることにより駆動用振動腕、検出用親王腕を短縮することにより、小型の振動ジャイロセンサー４を構成することができる。
【００６３】
図１２（ａ）に示すように、各駆動腕用振動腕８３ａ〜８４ｂの先端部に夫々錘部２６を形成し、該錘部２６の表裏面に振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる第１の溝部２７を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心線に沿った表面裏面に夫々第２の溝部２８を形成した振動ジャイロ素子８０を構成する。このような振動ジャイロ素子８０を構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
また、図１２（ａ）に示すように、振動ジャイロ素子をパッケージに収容して振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が改善されると共に、錘部を設けることにより小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００６４】
図１３は本発明に係る電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器５には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２を備えている。圧電振動子２を用いた電子機器５として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器５において圧電振動子５は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。
図１３に示すように、図１０の圧電振動子２を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善さるという効果がある。また、図１２（ａ）の振動ジャイロセンサーを備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【符号の説明】
【００６５】
１…圧電振動素子、２…圧電振動子、３…圧電発振器、４…振動ジャイロセンサー、５…電子機器、７…圧電基板、１０…基部、１２ａ…基部本体、１２ｂ、１２ｃ…支持腕、１２ｄ…連結部、１２ｅ…外側端縁、１５…梁、１５ａ、１５ｂ…振動腕、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、２８…第２の溝部、２０ａ、２０ｂ、２６…錘部、２１ａ、２１ｂ、２１’ａ、２１’ｂ…凹部、２２ａ、２２ｂ、２４ａ、２４ｂ、２７…第１の溝部、２５…電極、３０、３２、３４、３６…励振電極、４０、６０、７９…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…金属シールリング、４５…実装端子、４６…導体、４７…素子搭載パッド、４８、６８…貫通孔、４８ａ…充填材、５０…導電性接着剤、５２、７５…蓋部材、５４、７５ａ…窓部材、部品搭載パッド…６９、７８…ＩＣ部品、８０…振動ジャイロ素子、８１…基部本体、８２ａ、８２ｂ…第１の連結腕、８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ…駆動用振動腕、８５ａ、８５ｂ…検出用振動腕、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ…支持腕、Ｃ…振動中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々連接され該各振動腕の他方の端部の幅よりも幅広の錘部と、前記錘部の表面及び裏面の少なくとも一方の面に前記各振動腕の長手方向に沿って延びる第１の溝部、及び、前記各振動腕の表裏面に夫々形成された第２の溝部、を備えた圧電基板と、
前記錘部の表裏面と前記各第２の溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた屈曲−捩じり結合振動をする圧電振動素子であって、
前記圧電振動素子の周波数温度特性が温度に関し三次特性である圧電振動素子。
【請求項２】
前記基部は、前記振動腕の前記一方の端部と連接した一端を備える基部本体と、該基部本体の前記振動腕と連接した一端と対向する側の他端に連接した連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる支持腕と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
【請求項３】
前記圧電基板は水晶板から構成され、前記水晶板の主面の法線が、水晶結晶の光学軸に対して水晶結晶の電気軸の回りに０度から−１５度の範囲内の角度で傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】
前記第一の溝部は、前記長手方向に沿って離間して並ぶ複数の溝を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項５】
前記第一の溝部は、前記錘部の先端縁から前記錘部の中間部にかけて延在し、且つ前記振動腕における振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項６】
前記第一の溝部は、前記第二の溝部と連続形成されると共に、該第一の溝部の先端部は前記錘部の先端縁まで延在し、且つ前記振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項７】
前記第一の溝部は、その少なくとも一部の幅が前記第二の溝部よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電振動素子。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を載置する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項９】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電振動素子が、前記基部から連接した角速度を検出するための検出用振動腕を備えることを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたることを特徴とする振動ジャイロセンサー。
【請求項１２】
請求項８に記載の圧電振動子、又は請求項１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々連接され該各振動腕の他方の端部の幅よりも幅広の錘部と、前記錘部の表面及び裏面の少なくとも一方の面に前記各振動腕の長手方向に沿って延びる第１の溝部、及び、前記各振動腕の表裏面に夫々形成された第２の溝部、を備えた圧電基板と、
前記錘部の表裏面と前記各第２の溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた屈曲−捩じり結合振動をする圧電振動素子であって、
前記圧電振動素子の周波数温度特性が温度に関し三次特性である圧電振動素子。
【請求項２】
前記基部は、前記振動腕の前記一方の端部と連接した一端を備える基部本体と、該基部本体の前記振動腕と連接した一端と対向する側の他端に連接した連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる支持腕と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
【請求項３】
前記圧電基板は水晶板から構成され、前記水晶板の主面の法線が、水晶結晶の光学軸に対して水晶結晶の電気軸の回りに０度から−１５度の範囲内の角度で傾いていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】
前記第一の溝部は、前記長手方向に沿って離間して並ぶ複数の溝を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項５】
前記第一の溝部は、前記錘部の先端縁から前記錘部の中間部にかけて延在し、且つ前記振動腕における振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項６】
前記第一の溝部は、前記第二の溝部と連続形成されると共に、該第一の溝部の先端部は前記錘部の先端縁まで延在し、且つ前記振動中心線に対し線対称となる前記錘部の表裏面の位置に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項７】
前記第一の溝部は、その少なくとも一部の幅が前記第二の溝部よりも幅広に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧電振動素子。
【請求項８】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を載置する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項９】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項１０】
請求項１に記載の圧電振動素子が、前記基部から連接した角速度を検出するための検出用振動腕を備えることを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたることを特徴とする振動ジャイロセンサー。
【請求項１２】
請求項８に記載の圧電振動子、又は請求項１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７８６４４（Ｐ２０１２−１７８６４４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９５１９（Ｐ２０１１−３９５１９）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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