(57)【要約】【課題】ＣＩ値を小さく抑制しながら、ＣＩ値のバラツキが小さく、安定したドライブ特性が得られる音叉型振動片および圧電デバイスを提供すること。【解決手段】基部１１と、この基部１１から突出して形成されている複数の振動腕部１２、１３とを備え、前記振動腕部１２、１３の表面部及び裏面部に溝部１４、１５を形成してなる音叉型振動片である。前記振動腕部１２、１３に形成された溝部１４、１５の基部側の端部位置を、振動腕部の長さをＬとした時、音叉股部の付け根１６の位置を基準（基準線Ｘ）として、基準に対して−０．１Ｌ〜＋０．１５Ｌ（振動腕部先端側を＋として）の位置に設定した。【選択図】    図２
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【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複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、
前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置を、音叉股部の付け根に対応する基準線に一致させたことを特徴とする音叉型振動片。
【請求項２】
基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、
前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置を、音叉股部の付け根に対応する基準線位置より上位の振動腕部先端側に設定したことを特徴とする音叉型振動片。
【請求項３】
基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、
前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置を、振動腕部の長さをＬとした時、音叉股部の付け根位置を基準とし振動腕部先端側を＋として、基準線に対し−０．１Ｌ〜＋０．１５Ｌの位置に設定したことを特徴とする音叉型振動片。
【請求項４】
前記溝部の長さは振動腕部長さの５０％以下に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の音叉型振動片。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１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】
本発明は音叉型振動片および圧電デバイスに係り、特に振動腕部に溝を形成した音叉型振動片および圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子、特に音叉振動子は、正確なクロック周波数を簡易に得ることができるものとして知られている。図９は従来の音叉振動子に用いられる音叉型振動片の一例を示す概略図である。従来の音叉型振動片１００は、図９に示すように、基部１１０と、この基部１１０から突出して形成されている振動腕部１２１、１２２とを備えた音叉型振動片であって、振動腕部１２１、１２２の表面部及び／又は裏面部に溝部１２３、１２４が形成されているとともに、前記基部１１０に切込み部１２５、１２５が形成されているものが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
前記音叉型振動片１００は、略３０ｋＨｚないし略４０ｋＨｚで発振し、水晶などの圧電材料で形成したものである。また、前記振動腕部１２１、１２２はそれぞれ略直方体であり、前記振動腕部１２１、１２２の表面部の短辺である腕部幅Ｗが５０μｍ以上１５０μｍ以下のものを使用している。さらに、前記振動腕部１２１、１２２の表面部及び裏面部に設けられた溝部１２３、１２４の深さは、前記振動腕部１２１、１２２の深さ方向の全長である厚みに対して３０％以上５０％以下に形成されている。また、前記振動腕部１２１、１２２の表面部及び裏面部に設けられた溝部１２３、１２４の幅は、前記振動腕部１２１、１２２の幅の４０％以上７０％以下に形成されている。また、振動腕部１２１、１２２には、表裏面及び各側面に励振電極がスパッタリング等で形成されている（図示せず）。これらの励振電極は、基部１１０に形成された接続電極に電気的に接続される。そして、音叉型振動片１００がパッケージ内に収容され、接続電極がパッケージに形成したマウント電極に接続されることにより音叉振動子が構成されることになる。
【０００４】
上記従来の音叉型振動片１００は、切込み部１２５、１２５を設けたことにより、振動エネルギーの閉じ込め効果を高めてＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）を小さくするようにしており、かつ、基部１１０を短くしてもＣＩ値の振動片間のバラツキが安定するとともに、振動片全体も小型化できるという利点があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２６１５７５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、励振電極は振動させるためと電荷を回収させるための２つの役割がある。励振電極は、特に溝無しのものについては、振動腕部だけでなく基部の半分位のところまで伸びている。これは励振電極を基部まで伸ばしてその部分を振動させ歪ませようとするためというより、振動によって生じる基部の歪み電荷を回収しようとするものである。これだけでもかなりＣＩ値が下げられる。このＣＩ値は、言ってみればエネルギー効率を表わしており、振動させるために必要な電荷を与え、振動によって発生する歪電荷を回収するので、その電荷のやり取りの効率を示している。この溝付きの音叉の場合、励振電極を基部側に下げ、さらに溝も下げていくと、基部でも積極的に振動させる事になり、その部分の歪みが大きくなり歪み電荷量も大きくなる。また、励振電極だけでも基部側に下げるとそれだけでも振動による基部の歪み電荷を拾える事になるため効率は良くなることになる。
【０００７】
図１０のグラフは溝付き音叉型振動片が振動した時の歪み量を示している。このグラフでは音叉の位置に対する歪み量を下側がプラスとなるように表している。このグラフからも解るように、振動腕部のみならず基部のかなり下のところまで歪みがあることが解る。グラフに歪みのある範囲を示す。この歪みによって電荷が発生し、電極を通して回路が回収する。この電荷量が大きければ大きいほど振動片としての効率がよく、つまりＣＩ値を低くすることができる。この溝付き音叉型振動片の場合、この例では基部の半分くらい下のところまで励振電極を配線してやれば、一番効率が上がることになる。溝付きの場合、溝を励振電極にあわせて基部のところまで下げてやれば（図において左方に移動させる。）、その基部の溝部には強い電界が発生し、より強く振動子を振動させることになるため（＝歪ませることになるため）、更に効率を上げる（ＣＩ値を下げる）ことができる。
【０００８】
整理すると、ＣＩ値を下げるためには、
▲１▼  電極を基部の歪みのある位置まで下げる。
▲２▼  さらに効率を上げるには、溝も含めて電極を基部の歪みのある位置まで下げる。
ということになる。
【０００９】
基部側の電極位置については以上の通りであるが、腕側の電極位置については次のように決めている。図１０のグラフから、先端までの励振電極にした方がＣＩ値が良くなることは明らかであるが、実際には、励振電極は腕部の５０％のところで切れている。それは、振動片の高調波で発振してしまう可能性がある。そのために、励振電極の位置を腕部の５０％の位置にしている。
【００１０】
このようなことから、従来では，溝付き腕部を有する音叉型振動片では、基部での歪みによる電荷回収効果が高いので、励振電極が設けられている溝部分を基部側に下げてＣＩ値をできるだけ小さくしようとしているのが一般的である。
【００１１】
しかし、この種の振動片では、ＣＩ値自体は小さいことが望ましいものの、そのバラツキが大きいと品質上好ましくないので、できるだけＣＩ値のバラツキが小さい方がよい。上記従来の音叉型振動片１００は、振動腕部１２１、１２２の幅Ｗについて規定しているが、従来では、溝位置を規定しておらず、特性の安定限界がわからず、製造する上で不都合であった。
【００１２】
本発明は上記問題に鑑み、ＣＩ値を小さく抑制しながら、ＣＩ値のバラツキが小さく、安定したドライブ特性が得られる音叉型振動片および圧電デバイスを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、小型音叉型水晶振動片において、振動子腕溝の位置と基部基準位置（振動腕股部）との関係において、ＣＩ値のばらつきを抑制できる関係を見出したものである。
【００１４】
すなわち、本発明に係る音叉型振動片は、基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置を、音叉股部の付け根に対応する基準線に一致させたことを特徴としている。
【００１５】
また、基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置を、音叉股部の付け根に対応する基準線位置より上位の振動腕部先端側に設定したことを特徴とする構成の音叉型振動片としてもよい。
【００１６】
更に、基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、前記振動腕部に形成された前記溝部の前記基部側の端部位置、振動腕部の長さをＬとした時、音叉股部の付け根位置を基準とし振動腕部先端側を＋として、基準線に対し−０．１Ｌ〜＋０．１５Ｌの位置に設定したことを特徴とする構成が望ましい。これらの場合において、前記溝部の長さは振動腕部長さの５０％以下に形成するようにすればよい。
また、本発明に係る圧電デバイスは、上記構成の音叉型振動片を備えた構成とすることによって、デバイスとしての品質を向上させることができる。
【００１７】
【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説明する。図１ないし図７は本発明の実施の形態を説明するためのものである。ここに、図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片を示す正面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
本発明の実施の形態に係る音叉型振動片１０は、図１ないし図３に示すように、基部１１と、この基部１１から突出して形成された矩形状の振動腕部１２、１３とを備えている。各振動腕部１２、１３の表面部及び裏面部には、溝部１４、１５が形成され、これにより腕部１２、１３の断面形状が、図３に示しているように、Ｈ型断面をなしている。Ｈ型断面の振動腕部１２、１３を有する音叉型振動片１０は、振動腕部１２、１３を短くして小型化しても、励振電極が形成された溝部１４、１５の存在により、腕部１２、１３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。このような音叉型振動片１０は、水晶などの圧電結晶から形成してあり、例えば略３０ｋＨｚないし４０ｋＨｚで発振するようにしてある。また、振動腕部１２、１３の幅寸法は５０μｍ〜１５０μｍ、厚みは８０μｍ〜１３０μｍに設定されている。また、前記振動腕部１２、１３の溝部１４、１５の幅は、前記振動腕部１２、１３の幅の４０％以上７０％以下に形成されている。
【００１９】
溝部１４、１５の長さは基本的に振動腕部１２、１３の長さＬに対し、０．５Ｌの長さとなるように設定され、かつ溝部１４、１５部分に励振電極を形成した構成としている。電界効率を考慮し、しかも励振電極を最大限伸ばすということを考えて、励振電極長さが溝長さに一致するように設定しているのである。これは、励振させる場合にはＣＩ値を考えると電極の長さが長い方が好ましいものの、オーバートーンを抑制する観点から規定されたものである。オーバートーンのＣＩ値が基本波（３２．７６８ｋＨｚ）のＣＩ値との比を見て、基本波のＣＩ値が低いことを条件としたときにも０．５Ｌというのが必要になる。図８は励振電極位置に対するＣＩ比（高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）の関係を示したもので、励振電極が０．５Ｌ以下であれば、ＣＩ比（高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）を１．０以上にする事ができることが示されている。
【００２０】
上記基本構成の音叉型振動片１０に対し、本実施形態では、図２（１）に示すように、前記振動腕部１２、１３に形成された溝部１４、１５の基端位置を、音叉股部の付け根１６に対応する基準線Ｘに一致させて形成し、もしくは、一致させずとも、前記基準線Ｘ位置より上位の振動腕部１２、１３先端側に設定するようにし、あるいは、後述するように−０．１Ｌ＜溝位置＜＋０．１５Ｌ（基準線に対して基部側をマイナス、腕側をプラスとする）の範囲に収めるように構成されている。これは、基本的に振動による歪みの大きい基部１１側での電荷回収によるＣＩ値の低下も重要であるが、それ故にＣＩ値のバラツキが大きくなって、逆にドライブ特性が悪化してしまうことを防止することが重要であるとの知見に立脚したものである。
【００２１】
なお、図４は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片１０を備えた音叉型振動子を示す断面図である。この図４において、音叉型振動子２０は、パッケージ２１の内部に音叉型振動片１０を収容して構成される。パッケージ２１は、例えばアルミナなどのセラミックス等で構成されたベース部２２と、ガラスからなる蓋体２３と、低融点ガラスからなる封止部２４とから構成されており、箱状の形状をとる。ベース部２２の内部には、マウント部２６が形成される。このマウント部２６の上面には、パッケージ側電極（マウント電極）２５が設けられている。
【００２２】
音叉型振動片１０は、振動腕部１２、１３の各面に電極膜がスパッタリング等で形成され、電極膜をエッチングして形成した励振電極（図示せず）を備えている。また、音叉型振動片１０は、基部１１に励振電極を電気的に接続された接続電極（図示せず）を有する。音叉型振動片１０は、基部１１がパッケージ２１のマウント部２６に導電性接着剤などによって接合され、接続電極がマウント電極に電気的に接続される。
【００２３】
今、溝の形状とＣＩ値のバラツキの関係を調べてみると図５のようになる。この図は溝の深さと溝幅を変化させた場合のＣＩ値のバラツキについて調べたものである。図示のように、溝深さによってＣＩ値のバラツキの変動は殆ど無いことが分かる。そこで、溝位置に対するＣＩ値のバラツキの関係を調べた結果を図６のグラフに示す。前述したように、溝幅、溝深さなどの溝部１４、１５の形状によってＣＩ値はバラツキが小さい。そこで、溝幅を腕幅の７０％、溝深さは厚みの４５％と固定したときの溝位置に対するＣＩ値のバラツキを調べたものが図６である。このグラフから理解できるように，溝部１４、１５の位置が基部１１側にずらすほど、ＣＩ値のバラツキが大きくなることが解る。このＣＩ値のバラツキについては、大きくなると製造上の信頼性、安定性が問題とされるので、小さければ小さい程良いということになる。通常の流動品は標準偏差（σ）＝２．０ｋΩ位になっている。現状品においてＣＩ値平均値が５０ｋΩでＣＩ値の最大値が、６５ｋΩ（＝５０ｋΩ＋３×５ｋΩ（σ））であるため、ＣＩ値のバラツキのＭＡＸは５ｋΩが限界となる。このグラフで、−０．１Ｌまで溝をずらすと、腕幅Ｗが５０μｍでは、ＣＩ値のバラツキは５ｋΩとなり、信頼性のある音叉型振動子のレベルを超える。したがって、ＣＩ値のバラツキを抑制するためには、少なくとも溝部１４、１５の位置は−０．１Ｌより基準線側以上であることが望ましい。
【００２４】
一方、溝部１４、１５の位置とＣＩ値の関係を図７のグラフに示す。これは、溝部１４、１５を腕部に入れて実用範囲のＣＩ値が得られる範囲である腕幅Ｗを５０μｍ〜１５０μｍとし、厚みをＣＩ値が最も低くなる１３０μｍとし、溝は製造限界であり、最もＣＩ値が低くなる溝幅７０％、溝深さを４５％とした場合、溝部１４、１５を上下に位置変化させた場合のＣＩ値の値を調べたものである。一般に、ＣＩ値の上限値については、振動子を発振させるＩＣのドライブ能力とある程度の余裕を考慮して決まる。ＩＣのドライブ能力があればいくらでもＣＩ値が高くてもよいことになるが、実用的なＣＩ値としては、ＩＣの能力を考えると、この３０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯では１００ｋΩ位と考えられる。このグラフから判断すると，溝部１４、１５の位置を＋０．１５Ｌの位置より基準線側とすることで実用ＣＩ値の１００ｋΩが得られる。
【００２５】
以上のことから、ＣＩ値を実用範囲内にあって、ＣＩ値のバラツキを抑えるためには、−０．１Ｌ＜溝位置＜＋０．１５Ｌを満たす必要がある。したがって、図２（２）に示すような溝部１４、１５の基端位置が下限位置（＝−０．１Ｌ）にある場合から、同図（３）に示すような溝部１４、１５が振動腕部１２、１３の先端側にずらした上限位置（＝＋０．１５Ｌ）の範囲内にすることによって、適正ＣＩ値を保持しつつＣＩ値のバラツキを最小限に抑制することのができるのである。特に、溝部１４、１５の基端部を音叉股部の付け根１６に対応する基準線Ｘに一致させて形成し、もしくは、一致させずとも、前記基準線Ｘ位置より上位の振動腕部１２、１３先端側に設定することにより、ＣＩ値を限界の１００ｋΩ以下に抑制しつつ、ＣＩ値のバラツキを最大でも２．８ｋΩ以下に抑制することができるので好ましい形態とすることができる。多少腕部先端側に０．０５Ｌ程度ずらしても腕幅寸法の調整によりＣＩ値を最大２ｋΩ以下にすることができるので、溝部１４、１５は腕部先端側に位置を移動させてもよい。もちろん、溝位置＜＋０．１５Ｌを満足する必要があるのは当然である。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、基部と、この基部から突出して形成されている複数の振動腕部とを備え、前記振動腕部の表面部及び裏面部に溝部を形成してなる音叉型振動片であって、前記振動腕部に形成された溝部の基端位置を、振動腕部の長さをＬとした時、音叉股部の付け根位置を基準として、−０．１Ｌ〜＋０．１５Ｌの位置に設定した構成としたので、ＣＩ値を小さく抑制しながら、ＣＩ値のバラツキが小さく、安定したドライブ特性が得られる音叉型振動片および圧電デバイスとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る音叉型振動片を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る音叉型振動片を示す正面図である。
【図３】図２（１）のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る音叉型振動片を備えた音叉振動子を示す断面図である。
【図５】音叉型振動片の溝部の形状変化に対するＣＩ値バラツキ特性図である。
【図６】音叉型振動片の溝部の位置変化に対するＣＩ値バラツキ特性図である
【図７】音叉型振動片の溝部の形状変化に対するＣＩ値特性図である
【図８】励振電極位置に対するＣＩ比（高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）の関係を示すグラフ。
【図９】従来の音叉型振動片の正面図である。
【図１０】従来の音叉型振動片の励振時の歪み特性図である。
【符号の説明】
１０………音叉型振動片、１１………基部、１２、１３………振動腕部、１４、１５………溝部、１６………音叉股部付け根、２０………音叉型振動子、２１………パッケージ、２２………ベース部、２３………蓋体、２４………封止部、２５………パッケージ側電極、２６………マウント部。
【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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【図９】
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【図１０】
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