振動片、振動子、発振器、センサー及びデバイス
【課題】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。
【解決手段】圧電材料により形成された基部５１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３５，３６と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝３３，３４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。
【解決手段】圧電材料により形成された基部５１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３５，３６と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝３３，３４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的は、第１の発明にあっては、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝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圧電振動片により、達成される。
第１の発明の構成によれば、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。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の構成において、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。
第２の発明の構成によれば、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。
【００１２】
第３の発明は、第１または第２の発明のいずれかの構成において、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。
第３の発明の構成によれば、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。
【００１３】
第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明の構成において、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。
第４の発明の構成によれば、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。
【００１４】
第５の発明は第１ないし第４のいずれかの発明の構成において、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。
第５の発明の構成によれば、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。
【００１５】
また、上述の目的は、第６の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した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圧電デバイスにより、達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線概略断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図４】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。
【図５】図１の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。
【図６】図１の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。
【図７】変形例１の概略平面図。
【図８】変形例２の概略平面図。
【図９】従来の圧電振動片の概略平面図。
【図１０】図９のＡ−Ａ線切断端面図。
【図１１】図１０の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。
【図１２】図１０の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【符号の説明】
【００３４】
３０・・・圧電デバイス、３２，６０，７０・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的は、第１の発明にあっては、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝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圧電振動片により、達成される。
第１の発明の構成によれば、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。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明の構成において、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。
第２の発明の構成によれば、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。
【００１２】
第３の発明は、第１または第２の発明のいずれかの構成において、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。
第３の発明の構成によれば、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。
【００１３】
第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明の構成において、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。
第４の発明の構成によれば、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。
【００１４】
第５の発明は第１ないし第４のいずれかの発明の構成において、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。
第５の発明の構成によれば、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。
【００１５】
また、上述の目的は、第６の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスであって、前記圧電振動片が、圧電材料により形成された基部と、前記基部と一体に形成され、互いに平行に延びる複数の振動腕と前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した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圧電デバイスにより、達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線概略断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図４】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。
【図５】図１の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。
【図６】図１の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。
【図７】変形例１の概略平面図。
【図８】変形例２の概略平面図。
【図９】従来の圧電振動片の概略平面図。
【図１０】図９のＡ−Ａ線切断端面図。
【図１１】図１０の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。
【図１２】図１０の圧電振動片のＣＩ値比を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【符号の説明】
【００３４】
３０・・・圧電デバイス、３２，６０，７０・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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請求項１に記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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請求項１に記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電振動片。
【請求項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。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６６２１０（Ｐ２０１３−６６２１０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５１５５５（Ｐ２０１２−２５１５５５）
【出願日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【分割の表示】特願２００９−２９８７７１（Ｐ２００９−２９８７７１）の分割
【原出願日】平成１６年５月２７日（２００４．５．２７）
【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２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【分割の表示】特願２００９−２９８７７１（Ｐ２００９−２９８７７１）の分割
【原出願日】平成１６年５月２７日（２００４．５．２７）
【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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