JP4985960B2

JP4985960B2 - 振動片及び振動子

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Publication number: JP4985960B2
Application number: JP2007151772A
Authority: JP
Inventors: 憲也平沢
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-07-25
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Also published as: JP2008306468A

Description

本発明は、圧電振動片及び圧電振動子に関する。

音叉型圧電振動片は、一対の振動腕を有し、振動腕には励振電極が形成されている。また、振動腕に長溝を形成してＣＩ値を下げることも知られており、長溝内にも励振電極が形成される（特許文献１）。しかし、溝を長くすると基本波のＣＩ値よりも高調波のＣＩ値が大きく下がってしまうため、溝が振動腕の長さの６０％以上になると、駆動回路によっては高調波で発振してしまうことがあった。例えば、特許文献２には、溝の形成によって３次高調波のＣＩ値を低減することが記載されている。したがって、基本波で発振させる圧電振動片には、溝を形成してＣＩ値を下げるには限界があった。
特開２００５−３５４６４９号公報特開２００６−２４６４４８号公報

本発明は、高調波による発振を防止して基本波のＣＩ値を下げることを目的とする。

（１）本発明に係る圧電振動片は、
基部と、
前記基部からそれぞれ延びる一対の振動腕と、
それぞれの前記振動腕に形成されている励振電極膜と、
を含み、
それぞれの前記振動腕は、相互に反対を向く表裏面と、前記表裏面の両側に接続される側面と、を有し、
前記表裏面には、それぞれ、前記振動腕の長手方向に延びる溝が形成され、
前記溝は、前記側面と背中合わせに延びる内面を含み、
前記一対の振動腕は、前記側面が相互に接近及び離隔するように屈曲振動し、最も大きく屈曲する第１の屈曲部を前記基部との接続部に有し、前記接続部の次に大きく屈曲する第２の屈曲部を前記溝の長さ方向の中間部が形成されている部分に有し、
前記側面と前記内面の間隔は、前記第２の屈曲部において最も大きい。本発明によれば、二番目に最も大きく屈曲する第２の屈曲部において、側面と内面の間隔が最も大きい。これによって、第２の屈曲部の屈曲が抑えられる。第２の屈曲部での屈曲が高調波の振動を生じさせることが明らかになっており、その屈曲が抑えられるので、高調波の発生を防止することができる。また、溝の形成によって基本波のＣＩ値を下げることができる。
（２）この圧電振動片において、
前記第１の屈曲部は、基本波モードおよび２次高調波モードにおいて最も大きく屈曲する部分であり、
前記第２の屈曲部は、２次高調波モードにおいて、前記接続部の次に大きく屈曲する部分であることを特徴とする。
（３）この圧電振動片において、
それぞれの前記振動腕は、前記第２の屈曲部で前記側面に外凸部を有してもよい。
（４）この圧電振動片において、
前記溝は、前記第２の屈曲部で前記内面に内凸部を有してもよい。
（５）この圧電振動片において、
前記溝は、前記振動腕の長さの８０％以上の長さを有してもよい。
（６）この圧電振動片において、
前記溝は、長さ方向の全てにわたって深さが均一であってもよい。
（７）この圧電振動片において、
前記溝は、前記第２の屈曲部で最も深さが浅くてもよい。
（８）本発明に係る圧電振動子は、パッケージと、前記パッケージに導電性接着剤を介して電気的機械的に接続され、かつ、前記パッケージに収納される圧電振動片と、前記パッケージの上面を封止する蓋体と、を有する圧電振動子であって、
前記圧電振動片は、
基部と、
前記基部からそれぞれ延びる一対の振動腕と、
それぞれの前記振動腕に形成されている励振電極膜と、
を含み、
それぞれの前記振動腕は、相互に反対を向く表裏面と、前記表裏面の両側に接続される側面と、を有し、
前記表裏面には、それぞれ、前記振動腕の長手方向に延びる溝が形成され、
前記溝は、前記側面と背中合わせに延びる内面を含み、
前記一対の振動腕は、前記側面が相互に接近及び離隔するように屈曲振動し、最も大きく屈曲する第１の屈曲部を前記基部との接続部に有し、前記接続部の次に大きく屈曲する第２の屈曲部を前記溝の長さ方向の中間部が形成されている部分に有し、
前記側面と前記内面の間隔は、前記第２の屈曲部において最も大きい、
ことを特徴とする。本発明によれば、二番目に最も大きく屈曲する第２の屈曲部において、側面と内面の間隔が最も大きい。これによって、第２の屈曲部の屈曲が抑えられる。第２の屈曲部での屈曲が高調波の振動を生じさせることが明らかになっており、その屈曲が抑えられるので、高調波の発生を防止することができる。また、溝の形成によって基本波のＣＩ値を下げることができる。
（９）この圧電振動子において、
前記圧電振動片の前記第１の屈曲部は、基本波モードおよび２次高調波モードにおいて最も大きく屈曲する部分であり、
前記圧電振動片の前記第２の屈曲部は、２次高調波モードにおいて、前記接続部の次に大きく屈曲する部分である、
ことを特徴とする。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動片（音叉型圧電振動片）を示す平面図である。なお、圧電振動片の底面図は平面図と対称に表れる。圧電振動片は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料からなる。圧電振動片は、基部１２と、基部１２から延びる一対の振動腕１４と、を含む。

図２は、図１に示す圧電振動片のII−II線断面拡大図である。振動腕１４は、相互に反対を向く表裏面１６と、表裏面１６を両側で接続する第１及び第２の側面２１，２２とを有する。圧電振動片を水晶から構成する場合、水晶ウエハは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。

一方（図１で左側）の振動腕１４の第１の側面２１と、他方（図１で右側）の振動腕１４の第２の側面２２が対向するように並列している。第１の側面２１は、表裏面１６の間隔によって定義される振動腕１４の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されている（図２参照）。第１の側面２１が描く山型の高さは、第１及び第２の側面２１，２２の間隔によって定義される振動腕１４の幅の、０％超１２．５％以下である。

振動腕１４は、基部１２に接続される接続部２４において、基部１２側に向けて幅を拡げてあり、広い幅で基部１２に接続するので剛性が高くなっている。振動腕１４は、第１及び第２の側面２１，２２の間隔によって定義される幅が、基部１２から先端に向けて細くなる第１のテーパ部２６を含む。第１のテーパ部２６を形成することにより、振動腕１４は振動しやすくなっている。振動腕１４は、第１のテーパ部２６よりも先端に近い位置に、幅が第１のテーパ部２６から先端に向けて太くなる第２のテーパ部２８を含む。第２のテーパ部２８は、錘の機能を果たすので、振動周波数を低くすることができる。振動腕１４は、第１及び第２のテーパ部２６，２８が接続される幅変更点が溝３０よりも先端近くに位置するように形成されている。

振動腕１４には、表裏面１６に、長手方向に延びる溝３０がそれぞれ形成されている。溝３０によって振動腕１４が動きやすくなって効率的に振動するのでＣＩ値を下げることができる。溝３０は、振動腕１４の長さの８０％以上の長さを有する。また、溝３０は、振動腕１４の幅の６０〜９０％の幅を有する。

溝３０は、第１の側面２１と背中合わせに延びる第１の内面３１と、第２の側面２２と背中合わせに延びる第２の内面３２と、を含む。第１の内面３１は第２の内面３２よりも、表裏面１６に対する角度が垂直に近くなっている。第１の内面３１は平坦面であってもよい。第２の内面３２も平坦面であってもよいが、図２に示す例では、異なる角度の面が接続されてなる。第１及び第２の側面２１，２２は、第２の内面３２よりも表裏面１６に対する角度（表裏面１６と接続する部分の角度）が垂直に近くなっている。

図３は、図１に示す圧電振動片のIII−III線断面拡大図である。溝３０は、第１及び第２の内面３１，３２にそれぞれ内凸部３４が形成されている。内凸部３４の形成によって、溝３０の幅が最も狭くなっている。また、内凸部３４が形成された領域では、溝３０の深さも最も浅くなっている。これは、溝３０の形成にウエットエッチングを適用したためである。

図４は、一対の振動腕が基本波モードで駆動されたときの圧電振動片を示す図である。一対の振動腕１４は、第１及び第２の側面２１，２２が相互に接近及び離隔するように屈曲振動する。振動腕１４は、最も大きく屈曲（応力集中）する第１の屈曲部１８を基部１２との接続部２４に有する。

図５は、２次高調波モードによって一対の振動腕が振動するときの圧電振動片を示す図である。２次高調波モードにおいても、振動腕１４は、最も大きく屈曲する第１の屈曲部１８を基部１２との接続部２４に有する。また、振動腕１４は、接続部２４の次に大きく屈曲（応力集中）する第２の屈曲部２０を、溝３０の長さ方向の中間部（両端部を除く領域）が形成されている部分に有する。

本実施の形態によれば、二番目に最も大きく屈曲する第２の屈曲部２０において、第１の側面及び第１の内面２１，３１の間隔並びに第２の側面及び第２の内面２２，３２の間隔が、他の部分よりも大きくなっている。これによって、第２の屈曲部２０の屈曲が抑えられる。第２の屈曲部２０での屈曲が高調波の振動を生じさせることが明らかになっており、その屈曲が抑えられるので、高調波の発生を防止することができる。また、溝３０の形成によって基本波のＣＩ値を下げることができる。

圧電振動片は、一対の支持腕３６を含む。一対の支持腕３６は、基部１２から一対の振動腕１４が延びる方向とは交差方向であってそれぞれ相互に反対方向に延び、一対の振動腕１４の延びる方向に屈曲してさらに延びる。屈曲することで、支持腕３６は小型化される。支持腕３６は、パッケージに取り付けられる部分であり、支持腕３６での取り付けによって、振動腕１４及び基部１２は浮いた状態になる。

基部１２には、振動腕１４の表裏面１６と同じ側の面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向に一対の切り込み３８が形成されている。一対の切り込み３８は、それぞれ、一対の支持腕３６が基部１２から延びて屈曲する方向の側で一対の支持腕３６に隣接して基部１２に形成されている。切り込み３８によって、振動腕１４の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１２や支持腕３６を介して外部に伝わること（振動漏れ）を抑制し、ＣＩ値の上昇を防止することができる。切り込み３８の長さ（深さ）は、基部１２の強度を確保できる範囲で長い（深い）ほど、振動漏れ抑制効果は大きい。一対の切り込み３８の間の幅（一対の切り込み３８に挟まれた部分の幅）は、一対の振動腕１４の対向する第１及び第２の側面２１，２２の間隔よりも小さくしてもよいし大きくしてもよいし、一対の振動腕１４の相互に反対を向く第１及び第２の側面２１，２２の距離よりも小さくしてもよいし大きくしてもよい。

振動腕１４には、励振電極膜が形成されている。励振電極膜は、１００Å以上３００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上５００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含む多層構造であってもよい。Ｃｒ膜は水晶との密着性が高く、Ａｕ膜は電気抵抗が低く酸化し難い。励振電極膜は、第１及び第２の側面２１，２２にそれぞれ形成された第１及び第２の側面電極膜４２，４４と、第１及び第２の内面３１，３２にそれぞれ形成された第１及び第２の内面電極膜４６，４８と、を含む。励振電極膜によって、第１及び第２の励振電極５０，５２が構成される。

第１の励振電極５０は、溝３０に形成された第１及び第２の内面電極膜４６，４８を含む。１つの溝３０に形成された第１及び第２の内面電極膜４６，４８は、相互に連続的に形成されて電気的に接続されている。表裏面１６の一方（例えば表面）の溝３０に形成された第１及び第２の内面電極膜４６，４８と、表裏面１６の他方（例えば裏面）の溝３０に形成された第１及び第２の内面電極膜４６，４８と、は電気的に接続されている。すなわち、表裏面１６それぞれに形成された一対の第１の励振電極５０は電気的に接続されている。また、一方の振動腕１４に形成された一対の第１の励振電極５０は、基部１２上の表裏面１６それぞれに形成された引き出し電極５４に接続され、これらの引き出し電極５４が、他方の振動腕１４の第１又は第２の側面電極膜４２，４４に接続されることで電気的に接続される。

第２の励振電極５２は、第１及び第２の側面電極膜４２，４４を含む。また、第１及び第２の側面電極膜４２，４４は電気的に接続されている。その電気的接続は、振動腕１４の溝３０が形成されていない部分（例えば先端部）において、表裏面１６の少なくとも一方（あるいは両方）上に形成された接続電極５６によってなされている。

一方の振動腕１４に形成された第１の励振電極５０と、他方の振動腕１４に形成された第２の励振電極５２と、は基部１２上の引き出し電極５４で電気的に接続されている。引き出し電極５４は、第２の励振電極５２が形成される振動腕１４の隣に並ぶ支持腕３６上に至るまで形成されている。引き出し電極５４は、支持腕３６の表裏面１６（あるいはさらに側面）に形成されている。支持腕３６上で、引き出し電極５４を外部との電気的接続部にすることができる。

本実施の形態では、第１の側面電極膜４２と第１の内面電極膜４６との間に電圧を印加し、第２の側面電極膜４４と第２の内面電極膜４８との間に電圧を印加することで、振動腕１４の一方の側端を伸ばし、他方の側端を縮ませて振動腕１４を屈曲させて振動させる。言い換えると、１つの振動腕１４において、第１及び第２の励振電極５０，５２間に電圧を印加して、振動腕１４の第１及び第２の側面２１，２２を伸縮させることで振動腕１４を振動させる。

図６は、本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。図６に示すように、一方の振動腕１４の第１及び第２の励振電極５０，５２に電圧が印加され、他方の振動腕１４の第１及び第２の励振電極５０，５２に電圧が印加される。ここで、一方（左側）の振動腕１４の第１の励振電極５０と他方（右側）の振動腕１４の第２の励振電極５２が同じ電位（図６の例では＋電位）となり、一方（左側）の振動腕１４の第２の励振電極５２と他方（右側）の振動腕１４の第１の励振電極５０が同じ電位（図６の例では−電位）となるように、第１の励振電極５０及び第２の励振電極５２は、クロス配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。印加電圧によって、図６に矢印で示すように電界が発生し、これにより、振動腕１４は、互いに逆相振動となるように（振動腕１４の先端側が互いに接近・離間するように）励振されて屈曲振動する。また、基本モードで振動するように交番電圧が調整されている。

なお、本実施の形態に係る圧電振動片の製造方法は、上述した構成の説明から自明な事項を含む。

（変形例）
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動片の変形例を示す平面図である。詳しくは、図７（Ａ）は図２の変形例であり、図７（Ｂ）は図３の変形例である。この変形例では、溝１３０の第１及び第２の内面１３１，１３２が表裏面１１６に対して垂直になっている。この形状は、溝１３０の形成にドライエッチングを適用することで可能となる。また、内凸部１３４の形成によって、溝１３０の幅が狭くなっているが、溝１３０の深さは長さ方向の全てにわたって均一になっている。これも、ドライエッチングを適用したことに起因する。

（第２の実施の形態）
図８は、本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。図９は、図８に示す圧電振動片のIX−IX線断面拡大図である。本実施の形態では、振動腕２１４は、第２の屈曲部２２０で、第１及び第２の側面２２１，２２２に外凸部２６０を有している。本実施の形態でも、二番目に最も大きく屈曲する第２の屈曲部２２０において、第１の側面及び第１の内面２２１，２３１の間隔並びに第２の側面及び第２の内面２２２，２３２の間隔が、他の部分よりも大きくなっているので、第２の屈曲部２２０の屈曲が抑えられる。これにより、高調波の発生を防止することができる。その他の構成及び製造方法は、第１の実施の形態で説明した内容が該当する。

（第３の実施の形態）
図１０は、本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。図１１は、図１０に示す圧電振動片のXI−XI線断面拡大図である。本実施の形態では、振動腕３１４は、第２の屈曲部３２０で、第１及び第２の内面３３１，３３２に内凸部３３４を有し、かつ、第１及び第２の側面３２１，３２２に外凸部３６０を有している。本実施の形態でも、第２の屈曲部３２０の屈曲が抑えられるので、高調波の発生を防止することができる。その他の構成及び製造方法は、第１の実施の形態で説明した内容が該当する。

（圧電振動子の構造）
図１２は、本実施の形態に係る音叉型圧電振動片が収納された音叉型圧電振動子を示す上面図であり、図１３は、図１２に示す音叉型圧電振動子のXIII−XIII線断面図である。

パッケージ４００は、第１の基板４０２、第２の基板４０４、パッケージフレーム４０６の３層のセラミックスグリーンシートを積層し、焼成し、接合することで構成されている。

第２の基板４０４の上面にはパッケージ４００の焼成前にマウント電極４０８が形成されている。マウント電極４０８は、導電性接着剤４１０が塗布され、導電性接着剤４１０を介して、音叉型振動片４１２の励振電極４１４が電気的機械的に接続されている。また、第２の基板４０４には、第２の孔４１６が形成されている。

マウント電極４０８は、第２の基板４０４の側面および第１の基板４０２の側面に形成された金属層（図示せず）を介して第１の基板４０２の下面に露出する端子４１８に接続され、図示しない発振回路に接続される。或いは、マウント電極４０８は、第２の基板４０４の側面および第１の基板４０２の側面に代えて、スルーホール（図示せず）を介して第１の基板４０２の下面の端子４１８に接続しても良い。

第１の基板４０２には、第２の孔４１６より大きな径を有する第１の孔４２０が、第２の孔４１６と重なる位置に設けられている。さらに、後述する封止材４２２との気密性を高めるため、第１の孔４２０の側壁に金属膜４２４が形成されている。

さらに、パケージフレーム４０６は、上面開口を塞ぐように、蓋体４２６によって封止される。蓋体４２６は、周波数調整用のレーザービームＬＢが透過できれば良く、例えば、ガラスや光透過性セラミックスから構成してもよいし、金属枠にガラスがはめ込んだ構成などが採用される。また、蓋体４２６の構成に合わせて、ロウ材による封止や、シーム封止などが適宜採用される。

蓋体４２６によってパッケージフレーム４０６が封止された後、音叉型圧電振動子４１２の上下を逆さにして、第１の孔４２０の径より径が小さく、第２の孔４１６より径が大きい封止材４２２（Ａｕ−Ｇｅ合金、Ａｕ−Ｓｎ合金等の合金からなる金属ボール）を第１の孔４２０に入れて真空で加熱することで第１の孔４２０が封止され、音叉型圧電振動片４１２は真空収納される。ここで、第２の孔４１６は封止材４２２がパッケージ４００の内部に入らないようにするストッパーとして働く。

なお、本実施の形態によると、第１および第２の孔４２０、４１６を使わずに蓋封止工程を真空で行った場合に比べると、ＣＩ値が低い振動子を提供することが分かっている。これは、蓋封止工程においてガスが発生し、第１および第２の孔４２０、４１６を使わない場合には、パッケージ４００内部の真空度が低下するからであると考えられている。変形例として、第１及び第２の基板４０２，４０４の代わりに、パッケージフレーム４０６とその一部が重なる位置に封止孔を有する基板を用いて、その封止孔に金属ボールを入れて真空で加熱する手法を採用することもできる（図示せず）。このようにすれば、基板が１層で足りるので、パッケージを薄型化することができる。

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

本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動片（音叉型圧電振動片）を示す平面図である。図１に示す圧電振動片のII−II線断面拡大図である。図１に示す圧電振動片のIII−III線断面拡大図である。一対の振動腕が駆動されたときの圧電振動片を示す図である。一対の振動腕が駆動されたときの圧電振動片を示す図である。本実施の形態に係る圧電振動片の動作を説明する図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動片の変形例を示す平面図である。本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。図８に示す圧電振動片のIX−IX線断面拡大図である。本発明の第３の実施の形態に係る圧電振動片を示す平面図である。図１０に示す圧電振動片のXI−XI線断面拡大図である。図１２は、本実施の形態に係る音叉型圧電振動片が収納された音叉型圧電振動子を示す上面図である。図１３は、図１２に示す音叉型圧電振動子のXIII−XIII線断面図である。

符号の説明

１２…基部、１４…振動腕、１６…表裏面、１８…第１の屈曲部、２０…第２の屈曲部、２１…第１の側面、２２…第２の側面、２４…接続部、２６…第１のテーパ部、２８…第２のテーパ部、３０…溝、３１…第１の内面、３２…第２の内面、３４…内凸部、３６…支持腕、３８…切り込み、４２…第１の側面電極膜、４４…第２の側面電極膜、４６…第１の内面電極膜、４８…第２の内面電極膜、５０…第１の励振電極、５２…第２の励振電極、５４…引き出し電極、５６…接続電極、１１６…表裏面、１３０…溝、１３１…第１の内面、１３２…第２の内面、１３４…内凸部、２１４…振動腕、２２０…第２の屈曲部、２２１…第１の側面、２２２…第２の側面、２３１…第１の内面、２３２…第２の内面、２６０…外凸部、３１４…振動腕、３２０…第２の屈曲部、３２１…第１の側面、３２２…第２の側面、３３１…第１の内面、３３２…第２の内面、３３４…内凸部、３６０…外凸部

Claims

基部と、
前記基部から延びており、相互に接近及び離隔するように屈曲振動する一対の振動腕と、
前記振動腕に形成されている励振電極膜と、
を含み、
前記振動腕は、表裏面と、前記表裏面の両側に接続される側面と、を有し、
前記表裏面には、それぞれ、前記振動腕の長手方向に延び前記振動腕の長さの８０％以上の長さを有している溝が配置され、
前記振動腕は、第１の屈曲部を前記基部との接続部に有し、２次高調波モードによって
前記一対の振動腕が屈曲振動する場合に前記第１の屈曲部を除いて最も大きく屈曲する第２の屈曲部を、前記溝の長さ方向の両端部を除く中間部に有し、
前記振動腕は、前記溝の内面における前記第２の屈曲部に内凸部を有する、振動片。
前記振動腕は、前記側面における前記第２の屈曲部に外凸部を有する、請求項１記載の振動片。
前記振動片は圧電振動片である、請求項１または請求項２の振動片。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項の振動片と、
前記振動片を収容するパッケージと、
前記パッケージの上面を封止する蓋体と、
を有する、振動子。