(57)【要約】      （修正有）【課題】小型な振動片であっても静電容量を大きくし、負荷容量の変化に対して発振周波数感度の低い圧電振動片、圧電振動子、および圧電発振器を提供する。【解決手段】基部１０と、前記基部１０より延伸して形成され屈曲振動する振動腕２０、３０とを備え、圧電材料からなる振動片であって、前記振動腕の表裏面と側面とに形成された駆動電極と、前記振動腕の先端方向に前記駆動電極から離間して前記振動腕の表裏面に形成された非駆動電極と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部より延伸して形成され屈曲振動する振動腕とを備え、圧電材料からなる振動片であって、
前記振動腕の表裏面と側面とに形成された駆動電極と、
前記振動腕の先端方向に前記駆動電極から離間して前記振動腕の表裏面に形成された非駆動電極と、を備える、
ことを特徴とする圧電振動片。
【請求項２】
前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の溝部が形成され、
前記溝部に前記駆動電極または前記非駆動電極を形成する、
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】
前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の溝部が形成され、
前記溝部に前記駆動電極と前記非駆動電極と、を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
【請求項４】
前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の第１溝部が形成され、
前記振動腕の前記第１溝部の形成面の先端方向に、前記第１溝部から離間して形成された第２溝部を備え、
前記第１溝部に前記駆動電極を形成し、前記第２溝部に前記非駆動電極を形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
【請求項５】
前記圧電振動片が水晶であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電振動片。
【請求項６】
前記圧電振動片が音叉型振動片であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電振動片。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片を収納するパッケージと、を有する、
ことを特徴とする圧電振動子。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電振動片と、
前記圧電振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有する
ことを特徴とする圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動片、圧電振動子および圧電発振器に関する。
【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ー、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。これら圧電デバイスは、近年、機器の小型化に合わせて、より小型・薄型の圧電デバイスの要求が大きくなってきている。
【０００３】
従来、圧電デバイスには音叉型振動片が多く用いられ、小型・薄型の振動片を実現してきた。また、より小型化・薄型化の要望に対して、振動片の基部形状を改良することで圧電デバイスの性能、特にＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の素子間のばらつき低減を図り小型化する技術が開示されている（特許文献１）。
【０００４】
また、特許文献１に開示された振動片をさらに小型化するために、振動片が持つ静電容量を大きくすることで、負荷容量に対する発振周波数感度を小さくすることに効果があることが分かった。その手段として基部電極間の隙間を小さくすることが有効であり、基部電極間の隙間を小さくすることで生じる、パッケージへの振動片のマウント時に起こり易い電気的な短絡を防止するため、基部に連結して設けた支持アームにマウント部を設けた振動片が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５号公報
【特許文献２】特開２００６−２０３７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の特許文献１では、振動片の小型化が目的であっても、支持アームを備えなければならず、小型化を阻害するものであった。そこで、小型な振動片であっても静電容量を大きくし、負荷容量の変化に対して発振周波数感度の低い圧電振動片、圧電振動子、および圧電発振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例の圧電振動片は、基部と、前記基部より延伸して形成され屈曲振動する振動腕とを備え、圧電材料からなる振動片であって、前記振動腕の表裏面と側面とに形成された駆動電極と、前記振動腕の先端方向に前記駆動電極から離間して前記振動腕の表裏面に形成された非駆動電極と、を備えることを特徴とする圧電振動片。
【０００９】
上述の適用例によれば、小型の振動片であっても、振動腕の先端方向に非駆動電極を備えることにより、振動片の静電容量を大きくすることができる。従って、負荷容量のばらつきによる周波数変化の変動を抑えることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の溝部が形成され、前記溝部に前記駆動電極または前記非駆動電極を形成することを特徴とする。
【００１１】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の溝部が形成され、前記溝部に前記駆動電極と前記非駆動電極とを形成することを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、溝部に駆動電極を形成した場合には振動損失が少なく、またＣＩ値も低く抑えることができる。
【００１３】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記振動腕の表裏面に、少なくとも１本の第１溝部が形成され、前記振動腕の前記第１溝部の形成面の先端方向に、前記第１溝部から離間して形成された第２溝部を備え、前記第１溝部に前記駆動電極を形成し、前記第２溝部に前記非駆動電極を形成することを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、上述の効果に加え第１溝部と第２溝部によりタイバー部が形成され、このタイバー部が振動腕の捻り強度を高め、屈曲振動以外の振動モードの発生を抑制することができ、更に薄型の振動片を得ることができる。
【００１５】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記圧電振動片が水晶であることを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、安定して低いＣＩ値を有する振動片を得ることができる。
【００１７】
〔適用例６〕上述の適用例において、前記圧電振動片が音叉型振動片であることを特徴とする。
【００１８】
上述の適用例によれば、小型且つ薄型の振動片を得ることができる。
【００１９】
〔適用例７〕上述の適用例のいずれかに記載の圧電振動片と、前記圧電振動片を収納するパッケージと、を有することを特徴とする圧電振動子。
【００２０】
〔適用例８〕上述の適用例のいずれかに記載の圧電振動子と、前記圧電振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有することを特徴とする圧電発振器。
【００２１】
上述の適用例によれば、負荷容量のばらつきによる周波数変動の小さい振動子、および発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の圧電振動片を示し、（ａ）は表平面図、（ｂ）は裏平面図、（ｃ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’部の拡大断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’部の拡大断面図、（ｅ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’部の拡大断面図。
【図２】圧電振動片の実装状態を示す回路図。
【図３】第１実施形態の圧電振動片のその他の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’部の拡大断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ’部の拡大断面図、（ｄ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ’部の拡大断面図。
【図４】第１実施形態の圧電振動片のその他の形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＧ−Ｇ’部の拡大断面図、（ｃ）は（ｂ）に示すＨ方向の矢視図。
【図５】第１実施形態の圧電振動片のその他の形態を示す平面図。
【図６】第２実施形態の圧電振動子を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＪ−Ｊ’部の断面図。
【図７】第２実施形態において、その他の実施形態の圧電振動片を用いた形態を示す平面図。
【図８】第３実施形態の圧電発振器を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る振動片を示し、図１（ａ）は表平面図、図１（ｂ）は裏平面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’部の断面図、図１（ｄ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ’部の断面図、図１（ｅ）は図１（ａ）におけるＣ−Ｃ’部の断面図であり、図１（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ、拡大断面図である。圧電振動片１００は、圧電材料から形成され、基部より２本の振動腕が延出した、いわゆる音叉型圧電振動片である。本実施形態では水晶を用いて形成された水晶振動片１００により説明するが、その他の圧電材料として、例えばタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体、または、シリコンなどの半導体であっても適用できる。
【００２５】
図１（ａ）、（ｂ）に示すように水晶振動片１００は、基部１０と、基部１０から延出する２本の振動腕２０、３０と、水晶振動片基板１００ａの表面に形成された電極４０、５０とを備えている。振動腕２０の表裏には第１溝部２０ａ、２０ｃと第２溝部２０ｂ、２０ｄが形成されている。また、振動腕３０にも同様に第１溝部３０ａ、３０ｃと第２溝部３０ｂ、３０ｄが形成されている。
【００２６】
図１（ｅ）の断面図で示すように、第１溝部２０ａ、２０ｃおよび３０ａ、３０ｃによって、振動腕２０、３０は第１溝部形成領域では略Ｈ型の断面形状となっている。また、振動腕２０、３０の先端側には第２溝部２０ｂ、２０ｄ、３０ｂ、３０ｄが表裏に形成されている。第２溝部形成領域も図１（ｄ）に示すように、略Ｈ型の断面形状となっている。
【００２７】
また、例えば振動腕２０の場合、第１溝部２０ａと第２溝部２０ｂとの間、第１溝部２０ｃと第２溝部２０ｄとの間にはタイバー２０ｅ、２０ｆが形成されている。同様に振動腕３０にもタイバー３０ｅ、３０ｆが形成されている。タイバー２０ｅ、２０ｆ、３０ｅ、３０ｆは、後述する第１溝部に形成される励振電極と第２溝部に形成される非励振電極とを確実に離間する作用だけでなく、振動腕２０、３０の屈曲振動における捩れ剛性を高め、不要な振動モードの発生を抑制する効果を持ち、薄型の振動片を安定して振動させることができる。
【００２８】
次に電極４０、５０の形態について説明する。図１（ａ）に示すように、基部１０に、後述する振動子あるいは発振器へ実装する際の、パッケージ接続電極と導電性接着剤を介して電気的な接続がされる、基部電極４０ａ、５０ａが形成されている。この基部電極４０ａ、５０ａから振動腕２０、３０の励振電極、非励振電極へ延伸されている。
【００２９】
電極４０の場合、基部電極４０ａから振動腕２０の両側面の側面励振電極４０ｂへ延伸される配線と、振動腕３０の第１溝部３０ａ、３０ｃの溝励振電極４０ｃへ延伸される配線へ繋がる。なお、振動腕２０の両側面の側面励振電極４０ｂは、図１（ｂ）に示すように振動腕２０の裏面で裏面配線４０ｄにより接続されている。また、振動腕３０の裏面の第１溝部３０ｃの溝部励振電極４０へは裏面配線４０ｅにより接続されている。
【００３０】
振動腕３０の第２溝部３０ｂへは、電極４０が第１溝部３０ａに形成された溝励振電極４０ｃよりタイバー３０ｅを跨ぐ配線４０ｆによって接続される、非励振電極４０ｇが形成されている。また振動腕２０の裏面の第２溝部２０ｄには、両側の側面励振電極４０ｂを繋ぐ裏面配線４０ｄと接続された裏面の非励振電極４０ｇに接続されている。
【００３１】
電極５０も、電極４０同様に振動腕３０の裏面配線５０ｄにより接続されている振動腕３０の側面励振電極５０ｂと、側面励振電極５０ｂから裏面の配線５０ｅにより振動腕２０の第１溝部２０ａ、２０ｃに形成した溝励振電極５０ｃに接続される。さらに、表面の溝励振電極５０ｃからタイバー２０ｅを跨ぐ配線５０ｇによって、第２溝部２０ｂに形成した非励振電極５０ｈに接続されている。また、裏面では裏面配線５０ｄに接続して第２溝部３０ｄの非励振電極５０ｉに接続している。
【００３２】
このように配線された水晶振動片１００に、基部１０の配線４０ａと５０ａとの間に、図示しない発信回路から交番電流が入力されると、振動腕２０に設けた溝励振電極５０ｃと側面励振電極４０ｂとの間と、振動腕３０に設けた溝励振電極４０ｃと側面励振電極５０ｂとの間とに電界が生じ、振動腕２０、３０を屈曲振動させる屈曲振動部を構成する。
【００３３】
しかし、第２溝部２０ｂ、２０ｄ、３０ｂ、３０ｄに設けた非励振電極４０ｇ、４０ｈ、５０ｈ、５０ｉでは、図１（ｄ）にも示すように振動腕２０、３０の側面部には電極は配置されず、振動腕２０、３０の表裏方向だけの電界が生じているため、屈曲振動には寄与しない電極となる。
【００３４】
以上、説明した実施形態の水晶振動片１００では、屈曲振動のための励振電極に加えて、屈曲振動には寄与しない電極を付加した。これにより、周波数変動の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００３５】
水晶振動片１００を実装する場合、図２に示すように負荷容量ＣLを決めて使用され、負荷容量ＣLの値（大きさ）は、多少の変動を持って決定され、使用することが実務的である。この負荷容量ＣLと、水晶振動片１００の電極によって圧電体を挟んだことによる誘電体としての容量である静電容量Ｃ0とによって、次式（式１）に表されるように周波数変動の度合い（周波数変動率）が求められる。
Δｆ／ｆ＝Ｃ1／｛２（Ｃ0＋ＣL）｝…式１
ここで、Δｆは周波数変化量、ｆは周波数、Ｃ1は水晶振動片固有の容量である。
【００３６】
本発明の上述の実施形態において、Ｃ0は励振電極により構成されるＣ01と、非励振電極により構成される静電容量Ｃ02を含むものである。すなわち、従来の特許文献１に開示されている水晶振動片の静電容量Ｃ0に対応するものが、本実施形態の静電容量Ｃ01であり、実質的に静電容量Ｃ02分の容量が大きい静電容量を作り出すことができる。すなわち、式１に本願発明の静電容量を代入すると、
Δｆ／ｆ＝Ｃ1／｛２（Ｃ01＋Ｃ02＋ＣL）｝…式２
と表すことができ、負荷容量ＣLの変動に対しても周波数変動率の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００３７】
上述の圧電（水晶）振動片１００は、屈曲振動の振動モードを前提に説明したが、屈曲振動以外の振動モードを含んでいても、屈曲振動を主体とする振動片であれば、上述の効果を得ることができる。
【００３８】
本実施形態の水晶振動片１００では、励振電極と非励振電極とは１対の主面に設けた溝に形成したが、以下の形態においても上述の実施形態同様の効果を得ることができる。図３、４に、本発明の水晶振動片のその他の形態を示す。
【００３９】
図３に励振電極の形成領域だけに溝部を形成する形態を示す。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＤ−Ｄ’断面を示す断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示すＥ−Ｅ’断面の断面図、図３（ｄ）は図３（ａ）に示すＦ−Ｆ’断面の断面図である。
【００４０】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、水晶振動片１０１の振動腕２１、３１の表裏面には溝部２１ａ、２１ｂおよび３１ａ、３１ｂが形成されている。振動腕２１の溝部２１ａには電極５１から引き回された励振電極５１ｂが形成されている。同様に振動腕３１の溝部３１ａには励振電極４１ｂが形成されている。
【００４１】
これに対して、非励振電極４１ｃ、５１ｃの形成領域には振動腕２１、３１に溝を設けず、振動腕２１、３１の表裏面に非励振電極４１ｃ、５１ｃを形成する。このように構成しても、静電容量Ｃ0を実質的に大きくすることができ、負荷容量ＣLの変動に対して周波数変動率の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００４２】
上述の形態では、励振電極４１ｂ、５１ｂを溝部２１ａ、２１ｂ、３１ａ、３１ｂに形成したが、非励振電極４１ｃ、５１ｃの形成領域に溝部を形成し、励振電極４１ｂ、５１ｂの形成領域には溝部を設けない構成としても良い。このように構成しても、静電容量Ｃ0を実質的に大きくすることができ、負荷容量ＣLの変動に対して周波数変動率の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００４３】
図４に励振電極と非励振電極を一つの溝部に形成する形態を示す。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）に示すＧ−Ｇ’断面を示す断面図、図４（ｃ）は図４（ｂ）のＨ方向の矢視図、すなわち図４（ａ）の裏面平面図である。
【００４４】
図４（ａ）の水晶振動片１０２は、振動腕２２、３２の表裏面に溝部２２ａ、３２ａと溝部２２ｂ、３２ｂ（図４（ｃ））を備える。この溝部２２ａ、３２ａには励振電極と非励振電極とをかねる溝電極４２ｄ、５２ｄが形成されている。また裏面の溝部２２ｂ、３２ｂには図４（ｃ）に示すように、励振電極４２ｂ、５２ｂと非励振電極４２ｃ、５２ｃとが形成されている。
【００４５】
表面の溝電極４２ｄ、５２ｄは、側面励振電極４２ａ、５２ａの形成領域までは励振電極４２ｂ、５２ｂとしての機能領域であり、側面励振電極４２ａ、５２ａが形成されない領域では非励振電極４２ｃ、５２ｃとしての機能領域である。上述の様に、励振電極と非励振電極を１本の溝部に形成することでも、静電容量Ｃ0を実質的に大きくすることができ、負荷容量ＣLの変動に対して周波数変動率の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００４６】
上述の第１実施形態において、水晶振動片の表裏面に溝部を形成し、励振電極あるいは励振電極と非励振電極とを溝部に形成する構成を説明したが、溝部を設けずに励振電極および非励振電極を振動腕表面に設ける構成としても良い。
【００４７】
振動片のその他の実施形態を図５に示す。図５に示す水晶振動片１０３は、上述の実施形態における水晶振動片１００、１０１、１０２に対して、基部１０より支持アーム６０ａ、６０ｂが延出している点が異なる。水晶振動片１０３は、後述するパッケージへ実装する際、基部１０から延出した支持アーム６０ａ，６０ｂを導電性接着剤によってパッケージに接着固定し、振動子に形成される。従って、電極４３、５３の基部１０に形成される基部電極４３ａ、５３ａは支持アーム６０ａ、６０ｂまで延伸されている。
【００４８】
支持アーム６０ａ、６０ｂを備える水晶振動片１０３は、基部１０においてパッケージ固定されないため、基部１０での基部電極４３ａと基部電極５３ａとの距離δを最小値で形成することで、更に水晶振動片１０３の静電容量Ｃ0を大きくすることができる。従って、負荷容量ＣLの変動に対して、更に周波数変動率の小さい水晶振動片を得ることができる。
【００４９】
（第２実施形態）
上述の第１実施形態による水晶振動片１００を用いた振動子について説明する。図６（ａ）は、蓋体を除いて内部を露出させた状態での振動子１０００の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＪ−Ｊ’部の断面を示す断面図である。
【００５０】
水晶振動片１００は、第１基板２０１、第２基板２０２、第３基板２０３を積層し形成したパッケージ２００の内部に、第２基板２０２上に備えた電極部５００に、水晶振動片１００の基部１０の電極４０ａ、５０ａを対向させて導電性接着剤６００により電気的に接続し、パッケージ２００に固定される。電極部５００は図示しないパッケージ２００内の経路を経て、パッケージ外部に形成された実装端子５０１と繋がっている。
【００５１】
水晶振動片１００が固定されたパッケージ２００の開口の端部に蓋体３００を封止材４００によって、減圧チャンバー内でパッケージ２００に固定され、水晶振動片１００の内部が減圧状態に保たれる。こうして得られた振動子１０００は、実装端子５０１を介して図示しない発振回路からの交番電流により水晶振動片１００を屈曲振動させる。
【００５２】
第１実施形態の水晶振動片１００を振動子１０００に用いたことにより、Ｑ値の低下防止と、負荷容量ＣLのばらつきに対しても周波数変動率の小さい振動子を得ることができる。
【００５３】
図７は、第１実施形態におけるその他の形態である図５に示す水晶振動片１０３を用いた水晶振動子１００１を説明する図である。水晶振動片１０３は、支持アーム６０ａ、６０ｂをパッケージ２０１の水晶振動片１０３を載置固定する電極部５００に導電性接着剤６００によって固着し、図示しない蓋体により密封され水晶振動子１００１となる。こうして得られる水晶振動子１００１は、支持アーム６０ａ、６０ｂ部分においてパッケージ２０１に固定されるので、Ｑ値の低下防止と、負荷容量ＣLのばらつきに対しても周波数変動率の小さい水晶振動子を得ることができる。
【００５４】
（第３実施形態）
第３実施形態として、上述の第１実施形態による水晶振動片１００を用いた発振器について説明する。図８は、第３実施形態の発振器２０００を示す断面図である。本実施形態は、第２実施形態の振動子１０００に対して、水晶振動片１００を駆動させる駆動回路を含むＩＣチップを備えた点で、第２実施形態と異なるため、第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、同じ構成には同一の符号を付与する。
【００５５】
図８に示すように、発振器２０００はパッケージ２００の内部に水晶振動片１００が第２基板２０２上の電極部５００に固定されている。さらに、第１基板２０１にはＩＣチップ７００が接着剤などにより固定され、ＩＣチップ７００の上面に形成されたＩＣ接続パッド７０１と第１基板２０１上に形成された内部接続端子５０２とを金属ワイヤー８００で電気的に接続している。
【００５６】
第１実施形態の水晶振動片１００を発振器２０００に用いたことにより、Ｑ値の低下防止と、負荷容量ＣLのばらつきに対しても周波数変動率の小さい発振器を得ることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１０…基部、２０，３０…振動腕、４０，５０…電極、１００…水晶振動片。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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