(57)【要約】【課題】圧電振動片の振動腕を小型化しつつ、振動腕の破損を防止して、優れた振動特性を備える圧電振動片およびこれを利用した圧電デバイス、並びに、この圧電デバイスを利用した電子機器を提供すること。【解決手段】固定される基部５０と、この基部５０から平行に延びる複数の振動腕２４，２６とを備える圧電振動片２０であって、複数の振動腕２４，２６は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝２１，２２を有しており、この長溝２１，２２が形成されている振動腕２４，２６の厚み方向に関する断面二次モーメントが、長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されていることを特徴とする。【選択図】      図３
2004282498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料により形成され、固定される基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備える圧電振動片であって、
前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されていることを特徴とする圧電振動片。
【請求項２】
パッケージと、このパッケージに固定される基部を有し、この基部から平行に延びる複数の振動腕を有していて、圧電材料により形成された圧電振動片とを備える圧電デバイスであって、
前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されていることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項３】
パッケージと、このパッケージに固定される基部を有し、この基部から平行に延びる複数の振動腕を有していて、圧電材料により形成された圧電振動片とを備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、
前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されている圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにしたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片およびこれを利用した圧電デバイス、並びにこの圧電デバイスを利用した電子機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の圧電デバイスに用いられる圧電振動片１の概略斜視図であり、図９は、図８のＡ−Ａ線切断端面図である。
これらの図において、圧電振動片１は、矩形状の基部２と、この基部２を基端として平行に延びる一対の振動腕３，４とを備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂音叉型圧電振動片となっている。
この圧電振動片１は、基部２のみが接着剤等を用いてケース或いはパッケージ（図示せず）に接続され、片持ち式に固定されるようになっている。
【０００３】
圧電振動片１の振動腕３，４には、図８および図９に示すように、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝５，６が上下面に形成され、振動腕３，４の断面形状が略Ｈ型となるように形成されている。また、図９に示すように、振動腕３の長溝５，５と両側面、及び、振動腕４の長溝６，６と両側面には、それぞれ励振電極７，７，８，８が設けられ、この励振電極７，７と励振電極８，８は互いに異極となっている。このようにして、励振電極７，７，８，８に駆動電圧が印加されると、振動腕３，４が互いに接近離間（図に示すＸ方向）するように屈曲振動することになる。この際、振動腕３，４には、上述のように長溝５，６が設けられているので、長溝５，６が設けられた振動腕３，４内の電界を、Ｅ方向に沿って効率よく発生させることができる。このため、圧電振動片１を小型化しても、所定の振動周波数を得ることができるようになっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７７公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、圧電振動片１の振動腕３，４が屈曲振動をすると、その振動により機械的な応力が発生し、その応力は圧電振動片１の形状が変化した部分に集中することになる。また、駆動電圧が印加されたとき、振動腕３，４の機械的な剛性（曲げこわさ）は、長溝５，６を設けることにより低下し、屈曲振動時の振動腕３，４内部に発生する応力が増加する。このため腕部に応力が集中し、励振時における発生応力が過大になると、振動腕３，４の長溝５，６が設けられた部位が破損してしまう恐れがある。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためのものであり、圧電振動片の振動腕を小型化しつつ、振動腕の破損を防止して、優れた振動特性を備える圧電振動片およびこれを利用した圧電デバイス、並びに、この圧電デバイスを利用した電子機器を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、第１の発明によれば、圧電材料により形成されており、固定される基部と、この基部から平行に延びる複数の振動腕とを備える圧電振動片であって、前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されている、圧電振動片により達成される。
【０００８】
第１の発明によれば、複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有している。このため、圧電振動片の振動腕は、小型化できるが、励振時に長溝が形成された部位の剛性が低下して変形し易く、腕内部に発生する応力が長溝がない場合に比較し大きくなり、応力集中により破損する恐れがある。
ところで、音叉の振動腕部における励振時の機械的剛性（曲げのこわさ）は、圧電材料の物性値である弾性係数と、腕部の断面形状により決まる断面二次モーメントの積で表される。この際、圧電振動片は圧電材料により形成され、弾性係数は圧電材料の物性として一定であり、振動腕の機械的剛性（曲げのこわさ）は断面二次モーメントに依存し、振動腕の励振時の曲げにより発生する応力は、断面二次モーメントに左右されることになる。
この点、第１の発明では、長溝が形成されている振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されている。そうすると、振動腕が強励振した時に、長溝が形成されている振動腕内部にかかる応力を、長溝が形成されていない場合の振動腕内部にかかる応力値と同程度にすることができる。これにより、振動腕に長溝を形成した場合であっても、長溝が形成されていない場合の振動腕と同程度の位階的強度を得ることができる。したがって、本発明の作用効果として、圧電振動片の振動腕を小型化しつつ、振動腕の破損を防止して、優れた振動特性を備える圧電振動片を提供することができる。
【０００９】
また、上記目的は、第２の発明によれば、パッケージと、このパッケージに固定される基部を有し、この基部から平行に延びる複数の振動腕を有していて、圧電材料により形成された圧電振動片とを備える圧電デバイスであって、前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されている、圧電デバイスにより達成される。
【００１０】
また、上記目的は、第３の発明によれば、パッケージと、このパッケージに固定される基部を有し、この基部から平行に延びる複数の振動腕を有していて、圧電材料により形成された圧電振動片とを備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、前記複数の振動腕は、それぞれ長手方向に沿って延びる長溝を有しており、この長溝が形成されている前記振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントが、前記長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントを１としたとき、０．８５以上となるように設定されている圧電デバイスにより制御用のクロック信号を得るようにした、電子機器により達成される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１２】
図１ないし図３は、本発明の実施形態を示す圧電デバイス１０であって、図１は圧電デバイス１０の概略平面図であり、図２は、図１のＢ−Ｂ線切断断面図、図３は圧電デバイス１０の圧電振動片のみを拡大した拡大斜視図である。
これらの図において、圧電デバイス１０は、圧電振動子を構成した例を示しており、圧電デバイス１０は、パッケージ３０内に圧電振動片２０を収容している。
パッケージ３０は、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型して形成される複数の基板３１，３２を積層した後に、焼結して形成されている。すなわち、図２に示されるように、この実施形態では、パッケージ３０は、第１の基板３１の上に第２の基板３２を積層して形成されている。
【００１３】
第２の基板３２は、図２に示されるように、その内側に所定の孔３２ａを形成することで、第１の基板３１に積層した場合に、パッケージ３０の内側に圧電振動片２０を収容する内部空間Ｓ１を形成するようにされている。また、第２の基板３２の上端にある開放端面３２ｂには、例えば、低融点ガラス等のロウ材４３を介して、蓋体３４が接合されることにより、封止されている。
【００１４】
第１の基板３１は、内部空間Ｓ１内の図において左端部付近に、例えば、金または金合金で形成した電極部４０，４０が設けられている。この電極部４０，４０は、外部と接続されて駆動電圧を供給するものである。
この電極部４０，４０の上には、接合力を発揮する接着成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させた導電性接着剤４２，４２が塗布されている。導電性接着剤４２，４２には、エポキシ系、ポリイミド系、あるいはシリコーン系の導電性接着剤等を利用することができる。
そして、この導電性接着剤４２，４２の上に、圧電振動片２０が載置され、導電性接着剤４２，４２が硬化することにより、圧電振動片２０が電極部４０，４０に接続されるようになっている。
【００１５】
圧電振動片２０は、例えば水晶から形成されており、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。本実施形態の場合、圧電振動片２０は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示する形状とされている。すなわち、圧電振動片２０は、パッケージ３０と固定される基部５０と、この基部５０を基端として、図１において右方に向けて、二股に別れて平行に延びる１対の振動腕２４，２６を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂音叉型圧電振動片が利用されている。
【００１６】
圧電振動片２０の基部５０は、その端部（図１では左端部）の幅方向両端付近に、例えばクロム（Ｃｒ）および金（Ａｕ）をメッキして形成された引出し電極３６，３７が形成されている。引出し電極３６，３７は、図２に示されるように、基部５０の上下面に形成されている。この引出し電極３６，３７は、上述したように、図１に示されるパッケージ３０側の電極部４０，４０と導電性接着剤４２，４２により接続される部分である。
また、基部５０は、図１に示されるように、各振動腕２４，２６の基端部近傍に、基部５０の幅を縮幅するようにして設けた切欠き部２８，２８を備えている。これにより、各振動腕２４，２６からの振動の基部５０側への漏れ込みを抑制し、クリスタルインピーダンス値（以下、「ＣＩ値」と云う。）を低く抑えることができる。したがって、このような圧電振動片２０のＣＩ値を、従来の圧電振動片のＣＩ値となるように形成して、振動腕２４，２６の長さを短くできる。
【００１７】
圧電振動片２０の各振動腕２４，２６は、図３に示されるように、それぞれ長さ方向に延びる長溝２１，２２を有している。各長溝２１，２２は、図３のＣ−Ｃ線切断端面図である図４に示すように、各振動腕２４，２６の上下面に設けられ、振動腕２４，２６の断面形状が略Ｈ型となるように形成されている。振動腕２４側の長溝２１，２１には励振電極４６，４６が設けられており、振動腕２６側の長溝２２，２２には励振電極４７，４７が設けられている。また、振動腕２４の両側面には励振電極４７，４７が設けられており、振動腕２６の両側面には励振電極４６，４６が設けられている。この励振電極４６，４６，４６，４６は、図３に示されるように圧電振動片２０の表面を引き回されて引出し電極３７と電気的に接続され、励振電極４７，４７，４７，４７は、引出し電極３６と電気的に接続されている。このようにして、励振電極４６，４６，４６，４６と、励振電極４７，４７，４７，４７は互いに異極となっている。
これにより、図４に示されるように、振動腕２４，２６内の電界をＥ方向に沿って効率よく発生させ、圧電振動片２０のＣＩ値を低く抑えることができる。したがって、圧電振動片２０の振動周波数を維持しつつ、振動腕２４，２６の長さを短くできる。
【００１８】
ここで、具体的に、振動腕２４，２６の長溝２１，２１，２２，２２が形成されている部位の形状は、次のようになっている。
図５は、図４の励振電極４６，４７を取り外して、長溝２１，２１，２２，２２が形成されている振動腕２４，２６の形状を理解し易いようにした図である。なお、振動腕２４の長溝２１，２１と振動腕２６の長溝２２，２２とは、略同一の構成であるため、以下、長溝２１，２１が形成された振動腕２４についてのみ説明する。
【００１９】
図５において、長溝が形成されていない場合の振動腕の断面二次モーメントＩＺ１は、図５に示される全体の幅Ｗ１３×厚みＤ１／１２で求められ、振動腕２４の長溝２１，２１が形成されている部位（断面形状が略Ｈ型）の断面二次モーメントＩＺ２は、ＩＺ１−２×（Ｗ２３×Ｄ２／１２）で求められる。しかし、実際の音叉外形形状及び長溝形状についてはエッチング手法により形成され、圧電材料の結晶構造が異方性であるため、音叉外形形状が完璧な長方形にならず、また、図５の点線で示される形状のように、長溝が形成されている振動腕の部位の断面形状が完璧なＨ型にはならない。そのため、断面二次モーメントの算出には平行軸定理を加味する必要がある。この平行軸定理を加味して長溝２１，２１が形成されていない場合の振動腕の厚み方向の断面二次モーメントＩＺ１を１とした時、長溝２１，２１が形成されている振動腕２４の厚み方向の断面二次モーメントＩＺ２を、０．８５となる形状に設定されている。
【００２０】
図６は、有限要素法により励振時の振動腕内に発生した応力をシミュレーションしたものである。すなわち、図６（ａ）に示すように、ＩＺ２／ＩＺ１が０．８５である振動腕２４、長溝２１，２１が形成されていない場合の振動腕２４Ａ、及び、ＩＺ２／ＩＺ１が０．６５である振動腕２４Ｂのそれぞれについて、先端に集中荷重Ｐを機械的に付加して、振動腕２４，２４Ａ，２４Ｂの長溝付近の最大引張応力λ１および最大圧縮応力λ２を算出し、その算出結果を、最大引張応力比および最大圧縮応力比として図６（ｂ）に表している。
【００２１】
その結果、最大圧縮応力に関する結果を表す図６（ｂ）の右側のグラフに示されるように、振動腕２４Ａの応力を１とすると、ＩＺ２／ＩＺ１が０．８５である振動腕２４の応力は１．１１となった。また、振動腕２４Ｂの応力については、振動腕２４Ａと振動腕２４との応力比に略比例した結果を得た。
ところが、最大引張応力に関する結果を表す図６（ｂ）の左側のグラフに示されるように、振動腕２４Ａの応力を１とすると、ＩＺ２／ＩＺ１が０．８５である振動腕２４の応力は１．２１であり、ＩＺ２／ＩＺ１が０．６５である振動腕２４Ｂの応力は１．９２という結果を得た。すなわち、この図６（ｂ）の左側のグラフでは、ＩＺ２／ＩＺ１＝０．８５に設定した振動腕２４を境に、それ以上断面二次モーメントを小さくすると、急激に振動腕内に発生する応力が増加する結果が得られた。
【００２２】
本発明の実施形態は以上のように構成され、長溝２１，２２が形成されている振動腕２４，２６の厚み方向に関する断面二次モーメントＩＺ２が、長溝が形成されていない場合の振動腕の厚み方向に関する断面二次モーメントＩＺ１を１としたとき、０．８５となるように設定されている。このため、図６に示されるように、振動腕２４，２６内に発生する応力を、長溝が形成されていない場合の振動腕内に発生する応力と同程度の応力値にすることができる。したがって、強励振時においても、長溝２１，２２が設けられた振動腕２４，２６の部位が破損してしまう恐れを有効に防止することができる。
【００２３】
図７は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置３００の概略構成を示す図である。
図において、マイクロフォン３０８により電気信号に変換された送信者の音声は、デモジュレータ，コーデック部でデジタル変調され、送信部３０７においてＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯に周波数変換後、アンテナを通して基地局（図示せず）に送信される。また、基地局からのＲＦ信号は受信部３０６において周波数変換後、デモジュレータ，コーデック部において音声信号に変換され、スピーカー３０９から出力される。また、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）３０１は液晶表示装置及びキーボードからなる入出力部３０２をはじめ、デジタル式携帯電話装置３００の全体の動作を制御している。メモリ３０３はＣＰＵ３０１により制御される、ＲＡＭ，ＲＯＭからなる情報記憶手段であり、これらの中にはデジタル式携帯電話装置３００の制御プログラムや電話帳などの情報が格納されている。
【００２４】
このように、デジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス１０を利用することにより、振動腕の破損を防止しつつ、圧電デバイスを小型化して、デジタル式携帯電話装置３００全体の小型化に寄与できる。
【００２５】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜相互に組み合わせたり、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。例えば、圧電振動片を利用するものであれば、圧電発信器、フィルタ等その名称を問わずに適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す圧電デバイスの概略平面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線切断断面図。
【図３】本発明の実施形態を示す圧電デバイスの圧電振動片のみを拡大した拡大斜視図。
【図４】図３のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図５】図４の励振電極を取り外して、長溝が形成されている振動腕の形状を理解し易いようにした図。
【図６】有限要素法により励振時の振動腕内にかかる応力をシミュレーションしたものであり、図６（ａ）は振動腕の先端に集中荷重を機械的に付加した図、図６（ｂ）の右側は最大圧縮応力に関する結果を表すグラフ、左側は最大引張応力に関する結果を表すグラフである。
【図７】本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図８】従来の圧電デバイスに用いられる圧電振動片の概略斜視図。
【図９】図８のＡ−Ａ線切断端面図。
【符号の説明】
１０・・・圧電デバイス、２０・・・圧電振動片、２１，２２・・・長溝、２４，２６・・・振動腕、３０・・・パッケージ、５０・・・基部
【図１】
2004282498.tif 000003
【図２】
2004282498.tif 000004
【図３】
2004282498.tif 000005
【図４】
2004282498.tif 000006
【図５】
2004282498.tif 000007
【図６】
2004282498.tif 000008
【図７】
2004282498.tif 000009
【図８】
2004282498.tif 000010
【図９】
2004282498.tif 000011