(57)【要約】【課題】本発明は、ＣＩ値バラツキを低減させる振動腕部断面の寸法を規定することを目的としている。【解決手段】本発明は、基部１２と、この基部１２から突出して形成されている振動腕部１４，１５と、を有する音叉型振動片１０であって、前記振動腕部１４，１５の表面部と裏面部に対称に溝部１４ａ，１５ａが形成されていると共に、前記振動腕部１４，１５の幅ｗと厚みｄとの比ｗ／ｄが０．７以上であることを特徴とする音叉型振動片１０により、達成される。その構成によれば、前記振動腕部１４，１５の幅ｗと厚みｄとの比ｗ／ｄが０．７以上であるので音叉型振動子を小型化させつつ、ＣＩ値バラツキを低減させることができる。【選択図】    図１
2004260604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、この基部から突出して形成されている振動腕部と、を有する音叉型振動片であって、前記振動腕部の表面部と裏面部に対称に溝部が形成されていると共に、前記振動腕部の幅ｗと厚みｄとの比ｗ／ｄが０．７以上であることを特徴とする音叉型振動片。
【請求項２】
前記ｗ／ｄが１．３以下であることを特徴とする請求項１記載の音叉型振動片。
【請求項３】
請求項１または２に記載の音叉型振動片を備えたことを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発振器や電子機器を構成する、水晶等からなる音叉型振動片の形状に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末などの小型の電子機器に対応すべく圧電振動子を構成する圧電振動片の更なる小型化が望まれている。この振動片は大きいほどＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）が安定しているが、逆に振動片を小さくしていくとＣＩ値が不安定になってくる。一般に小型化されている音叉型振動片の全長は３ｍｍ以下のものが主流である。従来、音叉型振動片においては、振動腕部の振動による振動漏れで生じるＣＩ値バラツキ（ＣＩ値の振動片素子間のバラツキ）を低減するために、例えば振動腕部の長さは１．６４４ｍｍで、基部の長さは０．７ｍｍに形成して、基部の長さが振動腕部の長さに対して４０％以上になるようにしていた。
【０００３】
この音叉型振動子の更なる小型化のために特許文献１では、これまで音叉型振動子を小型化する上で問題となっていたＣＩ値バラツキを低減すべく、振動腕部の表裏に溝を対向する形で形成させて、さらに、基部に切り込み部を形成させる構造としている。この振動腕部の溝と基部の切り込み部を形成させる方法によれば、ＣＩ値バラツキを低減させることができ、さらに、基部の長さを０．７ｍｍから０．５６ｍｍに短くすることにより音叉型振動子を小型化できた。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようにＣＩ値バラツキを低減させつつ、音叉型振動子を小型化させるためには、振動腕部の溝と、基部の切り込み部が重要なファクターとなっている。
【０００６】
しかしながら、音叉型振動子の小型化に伴い、振動腕部の幅が小さくなると、垂直成分の振動が発生して、この振動が基部に伝わり振動漏れを起こし、音叉型振動片の固定バラツキの影響によって、振動腕部の振動が不安定なものとなり、ＣＩ値バラツキが大きくなってしまう。
【０００７】
また、このような音叉型振動子のＣＩ値安定化のために振動腕部に溝を形成する場合、音叉型振動子の振動腕部断面の寸法規定はこれまでされていなかった。
そこで本発明は、上記問題点を解決するため、音叉型振動子を小型化する際に、ＣＩ値バラツキを低減して安定化させる振動腕部断面の寸法を規定することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、基部と、この基部から突出して形成されている振動腕部と、を有する音叉型振動片であって、前記振動腕部の表面部と裏面部に対称に溝部が形成されていると共に、前記振動腕部の幅ｗと厚みｄとの比ｗ／ｄが０．７以上であることを特徴とする音叉型振動片により、達成される。
【０００９】
その構成によれば、前記振動腕部の幅ｗと厚みｄとの比ｗ／ｄが０．７以上であるので音叉型振動子を小型化させつつ、ＣＩ値バラツキを低減させることができる。
好ましくは、前記ｗ／ｄが１．３以下であることを特徴とする音叉型振動片である。
【００１０】
その構成によれば、前記ｗ／ｄが１．３以下であるので、ＣＩ値を実用上の上限である１００ｋΩ以下に抑えることができる。
本発明に係る圧電デバイスは、上記音叉型振動片を備えていることを特徴としている。
【００１１】
このような構成により、ＣＩ値バラツキの小さい高性能な圧電デバイスとすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の音叉型振動片および圧電デバイスの実施形態について添付した図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態に係る音叉型振動片１０を示す図である。図１において、音叉型振動片１０は圧電材料からなり、例えば水晶Ｚ板となるように水晶の単結晶を切り出して形成される。また、図１に示す音叉型振動片１０は例えば３２．７６８ｋＨｚの周波数で発信するようにしてある。このような音叉型振動片１０は基部１２と、この基部１２から上方向に突出して形成されている２本の振動腕部１４，１５を有している。この２本の振動腕部１４，１５には溝１４ａ，１５ａが表面に形成されている。また、この溝は図１において振動腕部１４，１５の裏面にも同様に形成されている。このため、図１のＡ−Ａ’断面図である図２に示すように振動腕部１４，１５は、その断面形状が略Ｈ型に形成されている。
【００１３】
このような略Ｈ型の振動腕部１４，１５を有する音叉型振動片１０は、振動腕部１４，１５を短くして小型化しても、振動腕部１４，１５に溝１４ａ，１５ａを設けることにより、振動腕部１４，１５の振動損失が低くＣＩ値も低く抑えることができるという特性を有する。また、基部１２には切り込み部１６が形成されている。この切り込み部１６は、振動腕部１４，１５の振動が基部側へ漏れるのを緩和し、振動エネルギーの閉じ込め効果を高めている。
【００１４】
図３は図１におけるＢ−Ｂ’断面を示す図である。図３においてｗは図１において振動腕部１５の横方向の振動腕部断面の幅を表すものである。また、ｄは図１において振動腕部断面の幅の縦方向で紙面に直行する方向であり、振動腕部断面の厚みを表すものである。
【００１５】
一方、振動腕部１４，１５は通常、図３に示すａのように振動腕部１５の幅方向である水平方向に振動する。しかしながら音叉型振動子の小型化に伴い、振動腕部１５の幅ｗがだんだん小さくなってくると、図３に示したｂの垂直方向の振動成分が生じる。その結果として振動腕部１５の振動としては図３のｃに示す振動方向に振動する。
【００１６】
そこで、本実施形態では、振動腕部１４，１５の幅ｗと厚みｄの長さ比ｗ／ｄを０．７以上に規定する。また、ｗ／ｄが１．３よりも大きい場合、後述するように垂直方向の振動成分がほとんど生じないため、振動腕部１４，１５に溝１４ａ，１５ａを形成する必要性がなくなることから、望ましくはｗ／ｄを１．３以下に規定している。その理由について図４乃至図６を用いて詳細に説明する。
【００１７】
図４はｗ／ｄと垂直振動成分変位量の関係を示す図である。ここで、本実施形態で用いる振動腕部１４，１５の表面部又は裏面部に形成される溝１４ａ，１５ａの深さは、振動腕部１４，１５の深さ方向の全長である厚みｄに対して３０％以上５０％未満の深さに形成されているとし、溝幅は、振動腕部１４，１５の幅ｗの４０％以上７０％以下に形成されているものとする。
【００１８】
また、垂直振動成分変位量とは、図３において振動腕部断面の腕幅方向の水平成分をａとし、また、振動腕部断面の厚み方向の垂直成分をｂとしたとき、この垂直成分ｂの実際の変位量（ｎｍ）を示すものである。この垂直成分ｂは、前記水平成分ａのように基部１２において応力がキャンセルされることはなく、直接基部１２に伝わり振動漏れを起こしてしまう。よって、この振動漏れはＣＩ値を悪化させて、大きくばらつかせるものである。このことから垂直振動成分変位量が小さい程、ＣＩ値バラツキを低減させることができる。またｗ／ｄは振動腕部１４，１５の幅ｗと厚みｄの長さ比を示すものである。
【００１９】
そこで図４のグラフよりｗ／ｄが１以下の場合、垂直振動成分変位量は急激に増大する。しかしながら、ｗ／ｄが１．１以上では垂直振動成分変位量は１００ｎｍ以下でほぼ一定の値を示している。これによりｗ／ｄが１よりも大きいと垂直振動成分を抑えることができる。
【００２０】
図５はｗ／ｄとＣＩ値バラツキの関係を示す図である。本実施形態で用いる振動腕部１４，１５の表面部又は裏面部に形成される溝１４ａ，１５ａの深さは、前記図４で用いた音叉型振動子と同様のものとする。図５において、ｗ／ｄが小さくなるに従い、ＣＩ値バラツキの値が大きくなる。これは腕幅ｗが大きい時より腕幅ｗが小さくなるに従い、振動腕部１４，１５、溝１４ａ，１５ａの加工寸法バラツキによる振動腕部１４，１５の表裏および２本の振動腕部１４，１５の寸法非対称性が相対的に大きくなり、垂直振動成分が発生しやすくなる。そのためにＣＩ値バラツキが大きくなるためである。ここで、前記図４に示した垂直振動成分変位量とｗ／ｄとの関係と同じく、ｗ／ｄが１．０から１．２の値の間を境に小さくなると、ＣＩ値バラツキ（標準偏差σ）も急激に増大している。この結果より垂直振動成分がＣＩ値バラツキに大きく影響していることが明らかである。
【００２１】
なお、このＣＩ値バラツキは、小さければ小さいほど振動片として安定していることを示す。しかし、この値が大きくなると構造上の信頼性、安定性が問題とされる。通常の流動品は標準偏差（σ）＝２．０ｋΩ位に設定している。現状品において音叉型振動片１０は、ＣＩ値平均が５０ｋΩでＣＩ値の最大値が６５ｋΩとなるように規制している。そこで、６５ｋΩ≧５０ｋΩ＋３σを考慮すると、ＣＩ値バラツキの最大値を５．０ｋΩとする必要がある。こうした理論では、ＣＩ値の平均値、ＣＩ値の最大値が変わればＣＩ値バラツキ最大値も変わってよいことになるが、ＣＩ値バラツキが５．０ｋΩでは品質上大きな問題があるレベルといえる。
【００２２】
そうすると図４において垂直振動成分変位量を小さくするにはｗ／ｄの値を１以上にすれば良い。一方、ＣＩ値バラツキの限界値を５．０ｋΩとした場合、図５よりｗ／ｄの値は少なくとも０．７以上であればよい。よって製品の信頼性を考慮するとＣＩ値バラツキは５ｋΩが限界値であり、図５の結果よりｗ／ｄの下限値としては０．７以上ある必要がある。
【００２３】
図６は溝なし音叉型振動片（振動腕部）の厚みに対するＣＩ値の関係を示す図である。音叉型振動片１０は大きいほどＣＩ値バラツキを低減させることができる。しかしながら、小型化の目的で振動腕部１４，１５を短くして音叉型振動片１０を小さくすると、それに応じて振動腕部１４，１５の幅を小さくする必要がある。そうすると水平方向の振動に垂直方向の振動が加わって、ＣＩ値バラツキが大きくなってしまう。
【００２４】
そこで、溝なし音叉型振動子を用いてＣＩ値が低く電気抵抗の少ない振動腕部の厚みの上限値を規定する。ここでＣＩ値の値を下げるために振動腕部に溝を入れることが効果的であることが知られているので、この厚みの上限値に対して振動腕部に溝を形成すれば実用的な音叉型振動子が得られる。
【００２５】
実施形態ではｗ／ｄ＝１．３の例を示している。ｗ／ｄを１．３で固定したまま振動腕部の厚みｄを８０μｍから１３０μｍまで厚くしていく。図６のグラフより横軸の厚みｄが大きくなるに従って、縦軸のＣＩ値は下がってくる。なお、厚みｄが１３０μｍより大きい場合は振動腕部の重さも増大する。小型音叉型振動片では、基部を接着剤でマウントし、衝撃試験を行ったとき、振動腕部の厚さｄが１３０μｍを超えると振動腕部の重みで破損してしまう問題が生じる。よって、振動腕部の厚みｄは１３０μｍ以下であることが望ましい。
【００２６】
ここでＣＩ値は、音叉型振動子を発振させるＩＣのドライブ能力に依存している。音叉型振動子の小型化によりＩＣのドライブ能力も小さくなっているので、ＩＣの消費電力を抑えるためにはＣＩ値を低く設定することが望ましい。実用的なＣＩ値としては、周波数３０ｋＨｚから４０ｋＨｚを対象とした場合、１００ｋΩ位が実用的なＣＩ値であると考えられる。図６のグラフより、実用的なＣＩ値の上限である１００ｋΩとなる厚みｄは１３０μｍである。よってｗ／ｄが１．３以下であれば、振動腕部に溝を形成することによりＣＩ値を１００ｋΩ以下にすることができる。なお、ｗ／ｄ＝１．３の場合、厚みｄが１３０μｍ以上ではＣＩ値が１００ｋΩ以下となり、充分実用的な値の範囲であることから振動腕部に溝を入れる必要性がなくなる。
【００２７】
図７は実施形態に係る音叉型振動片を備えた圧電デバイスを示す図である。図７において、圧電デバイス２０は、その内部に空間を有する箱状のパッケージ２２を有している。このパッケージ２２には、その底部にベース部２４を備えている。このベース部２４は、例えばアルミナ等のセラミックス等で形成されている。ベース部２４上には、封止部２６が設けられており、この封止部２６は、低融点ガラスなどから形成されている。この封止部２６の上端部にはガラスからなる蓋体２８が載置され、これらベース部２４、封止部２６及び蓋体２８で、中空の箱体を形成することになる。このように形成されているパッケージ２２のベース部２４には、内部にマウント部２５が形成され、このマウント部２５の上面にマウント電極３０が設けられている。このマウント電極３０の上には電導性接着剤２７等を介して音叉型振動片１０の基部１２が固定されている。また、音叉型振動片１０の下方で、ベース部２４の上に、音叉型振動片１０を発振させる集積回路３２を配置している。よって、この圧電デバイス２０は、その内部に配置された音叉型振動片１０が振動すると、その振動は、集積回路３２に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。すなわち、圧電デバイス２０に収容されている音叉型振動片１０は図１に示すように構成されているため、小型でＣＩ値バラツキが小さいので、この音叉型振動片１０を搭載した圧電デバイス２０でも小型でＣＩ値バラツキが小さい高性能な発振器となる。
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば溝付音叉型振動子の構造としては、振動腕部の断面の比ｗ／ｄは０．７以上１．３以下の範囲において、実用的なＣＩ値と、バラツキの少ないＣＩ値の音叉型振動子が得られる。また、この音叉型振動子を圧電デバイスに搭載することにより、小型でＣＩ値バラツキが小さい高性能な発振器となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態に係る音叉型振動片の概略図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線の断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線の断面図である。
【図４】ｗ／ｄと垂直振動成分変位量の関係を示す図である。
【図５】ｗ／ｄとＣＩ値バラツキの関係を示す図である。
【図６】溝なし音叉型振動片の厚みに対するＣＩ値の関係を示す図である。
【図７】実施形態に係る圧電デバイスを示す図である。
【符号の説明】
１０………音叉型振動片、１２………基部、１４，１５………振動腕部、１４ａ，１５ａ………溝、１６………切り込み部、２０………圧電デバイス、２２………パッケージ、２４………ベース部、２５………マウント部、２６………封止部、２７………電導性接着剤、２８………蓋体、３０………マウント電極、３２………集積回路。
【図１】
2004260604.tif 000003
【図２】
2004260604.tif 000004
【図３】
2004260604.tif 000005
【図４】
2004260604.tif 000006
【図５】
2004260604.tif 000007
【図６】
2004260604.tif 000008
【図７】
2004260604.tif 000009