(57)【要約】【課題】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ようにする。【解決手段】音叉型振動片１０は、基部１１と、この基部１１から突出して形成されている振動腕部１２、１３とを備えている。振動腕部１２、１３は、表面部及び裏面部に溝部１４、１５が設けてある。振動腕部１２、１３の幅をＷ１、振動腕部１２、１３間の間隔をＷ２としたとき、Ｗ２／Ｗ１≦２．０にしてある。これにより、ＣＩ値のバラツキの小さい、ドライブ特性の安定した音叉型振動片を得ることができる。【選択図】        図１
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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、
前記振動腕部の間隔を前記振動腕部の幅で割った値が２．０以下であることを特徴とする音叉型振動片。
【請求項２】
前記振動腕部の厚みは８０μｍ以上１３０μｍ以下であり、前記振動腕部の間隔は５０μｍ以上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有する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、水晶などの圧電結晶材料からなる音叉型振動片に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子、特に音叉型振動子は、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７は従来の音叉型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７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はそれぞれ矩形状であり、その前記振動腕部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は、表裏面及び各側面に励振電極をスパッタリング等で形成される。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は、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電極に接続されることにより音叉型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号公報の図１ないし図４、段落番号〔００４５〕以降。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の音叉型振動片１００は、振動腕部１２１、１２２の幅Ｗについては規定しているものの、振動腕部１２１、１２２の間隔を規定しておらず、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。
本発明は上記問題に鑑み、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ようにすることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決しようとする手段】
本発明者は、音叉型振動片の厚みｄを変え、また、振動腕部の幅及び両振動腕部間の幅を変化させて、ＣＩ値のバラツキσ（標準偏差）を調べた。また、当該音叉型振動片の駆動パワー（ドライブパワー）を変えて発振させて音叉型振動片のドライブ特性を測定し、さらに落下試験に耐える寸法を求め、その結果を基に本発明に至る知見を得たものである。
【０００８】
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、前記振動腕部の間隔を前記振動腕部の幅で割った値が２．０以下であることを特徴としている。これにより、ＣＩ値が小さく、ドライブ特性の安定した圧電振動片が得られる。すなわち、音叉型振動片の各振動腕部は、完全に対称の形状でない。このため、各振動腕部の間隔が大きくなると、その非対称性が振動特性に現れてＣＩ値が大きくなるとともに、ＣＩ値のバラツキが大きくなる。したがって、各振動腕部の間隔を振動腕部の幅で割った値は、２以下が望ましい。
【０００９】
なお、振動腕部の厚みは８０μｍ以上１３０μｍ以下が望ましく、振動腕部の間隔は５０μｍ以上であることが望ましい。振動腕部の厚さが８０μｍより小さくなると取り扱いが容易でなく、製造時における破損の割合が大きくなる。また、振動腕部の厚さが１３０μｍを超えると、圧電デバイスの薄型化が困難になるとともに、振動腕部の質量が大きくなり、落下の衝撃による破損が生じやすくなる。そして、振動腕部の間隔が５０μｍより小さくなると、エッチングによって振動腕部を形成する際に、各振動腕部を分離することが困難となるとともに、両振動腕部間の付け根部に生ずるエッチング残り部が大きくなって耐衝撃性が小さくなる。
そして、本発明に係る圧電デバイスは、上記の音叉型振動片を有することを特徴としている。これにより、上記の効果を有する圧電デバイスが得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電振動片及び圧電デバイス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３は本発明の実施の形態を説明する図である。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。
【００１１】
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から突出してそれぞれ矩形状に形成されている振動腕部１２、１３とを備えている。振動腕部１２、１３は、表面部及び裏面部に溝部１４、１５が形成してある。また、音叉型振動片１０は、基部１１及び振動腕部１２、１３の厚みｄが８０μｍ以上１３０μｍ以下に形成してある。そして、振動腕部１２と振動腕部１３との間隔Ｗ２が５０μｍ以上で、かつ、前記振動腕部の間隔Ｗ２を前記振動腕部の幅Ｗ１で割った値が２．０以下としたものである。
【００１２】
さらに説明すると、前記音叉型振動片１０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。音叉型振動片１０の発振周波数ｆは、振動腕部１２、１３の基端である基点Ｃを含む水平線Ｘから振動腕部１２、１３の先端までの長さをＬとすると、次の数式１によって表される。
【数１】
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ここに、ｋは比例定数である。
【００１３】
また、音叉型振動片１０の基部１１の長さは例えば５６０μｍに形成されている。また、音叉型振動片１０の振動腕部１２、１３の長さＬは例えば１６４４μｍに形成されている。また、前記振動腕部１２、１３は、振動腕部１２、１３の表面部の短辺である腕部幅Ｗ１が５０μｍ以上１５０μｍ以下にしてある。さらに、前記振動腕部１２、１３の表面部及び裏面部に設けられた溝部１４、１５の深さは、振動腕部１２、１３の各深さ方向の全長である厚みｄに対して３０％以上５０％以下に形成されたものである。また、前記振動腕部１２、１３の表面部及び裏面部に設けられた溝部１４、１５の幅は、前記振動腕部１２または振動腕部１３の幅Ｗ１の４０％以上７０％以下に形成されたものである。
【００１４】
図４は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片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、上記構成の音叉型振動片１０を用いている。この音叉型振動子２０を構成する音叉型振動片１０は、振動腕部１２、１３の表裏面及び両側面のそれぞれに、スパッタリング等で形成した金属膜からなる励振電極（図示せず）を有する。これらの励振電極は、基部１１に形成した接続電極に電気的に接続してある。
【００１５】
音叉型振動子２０は、パッケージ２１に音叉型振動片１０を収容した構造をなしている。パッケージ２１は、図４に示すように、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、低融点ガラスなどからなる封止部２４とから構成されており、箱状の形状をとる。ベース部２２は、内部に階段状のマウント部を有し、このマウント部２６の上面にマウント電極２５が設けてある。そして、音叉型振動片１０は、基部１１の接続電極が導電性接着剤によってマウント部２６のマウント電極２５に接合される。
【００１６】
上述したような構造及び配線がされた音叉型振動片１０で、かつ、音叉型振動片１０の各種寸法を変えたものを用いた音叉型振動子２０を、ＣＩ値を測定できる測定器でＣＩ値を測定し、その測定結果を図５に示す。ここで、図５は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片において、厚み小（８０μｍ）と厚み大（１３０μｍ）との二つについて、Ｗ２／Ｗ１の値を変化させたときのＣＩ値のバラツキを標準偏差σで示した特性図であり、横軸にＷ２／Ｗ１の値を、縦軸にＣＩ値バラツキσをｋΩの単位でとったものである。
【００１７】
この図５において、音叉型振動片１０の厚みを８０μｍとした場合、Ｗ２／Ｗ１の値が０．５のときのＣＩ値バラツキσは略１．０ｋΩとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が１．０のときのＣＩ値バラツキσは略１．５ｋΩとなる。さらに、Ｗ２／Ｗ１の値が１．５のときのＣＩ値バラツキσは略３．０ｋΩとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が２．０のときのＣＩ値バラツキσは略５．０ｋΩとなった。
【００１８】
また、上記図５において、音叉型振動片１０の厚みを１３０μｍとした場合、Ｗ２／Ｗ１の値が０．５のときのＣＩ値バラツキσは略２．８ｋΩとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が１．０のときのＣＩ値バラツキσは略３．２ｋΩとなる。また、Ｗ２／Ｗ１の値が１．５のときのＣＩ値バラツキσは略５．０ｋΩとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が２．０のときのＣＩ値バラツキσは略８．０ｋΩとなった。
【００１９】
この図５に示す特性図によれば、Ｗ２／Ｗ１の値、すなわち両振動腕部１２、１３の間隔Ｗ２が大きくなるのにしたがってＣＩ値バラツキσが大きくなる傾向を示す。
【００２０】
なお、ＣＩ値バラツキσは、小さければ小さいほどよいということになっている。通常の音叉型振動片１０では、標準偏差σは、通常、２．０ｋΩ位に設定されている。また、通常の音叉型振動片１０では、ＣＩ値の平均値が略５０ｋΩに設定され、ＣＩ値の最大が略６５ｋΩに設定されている。したがって、この実施形態においては、音叉型振動片１０のＣＩ値の最大値を６５ｋΩとすると、
【数２】
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ということで、ＣＩ値バラツキσの最大値を略５ｋΩに設定した。すなわち、安定した音叉型振動片としては、略５ｋΩが限界値となる。このため、音叉型振動片１０は、厚みが薄い場合（ここでは、８０μｍ）、Ｗ２／Ｗ１の値は２．０が限界となり、厚みが厚い場合（ここでは、１３０μｍ）、Ｗ２／Ｗ１の値は１．５が限界となる。
【００２１】
次に、音叉型振動片１０の各種寸法を変えた場合の、ドライブパワーを変化させたときのドライブ特性である周波数変化率Δｆ（ｐｐｍ）を測定して結果を、図６に示す。ここで、図６は、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片において、厚み小（８０μｍ）と厚み大（１３０μｍ）の二つについて、Ｗ２／Ｗ１を変化させたときのドライブ特性の関係を示す特性図であり、横軸にＷ２／Ｗ１を、縦軸にドライブ特性としてのドライブパワーを変化させたときの周波数変化率Δｆ（ｐｐｍ）を、それぞれとったものである。この場合、ドライブパワーは、０．５μＷから３．０μＷに変化させた。
【００２２】
この図６において、音叉型振動片１０の厚みが８０μｍの場合、Ｗ２／Ｗ１の値が０．５のときのΔｆは略１．５ｐｐｍとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が１．０のときのΔｆは略マイナス０．５ｐｐｍとなる。そして、Ｗ２／Ｗ１の値が１．５のときのΔｆは略マイナス３．０ｐｐｍとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が２．０のときのΔｆは略マイナス５．０ｐｐｍとなった。
また、上記図６において、音叉型振動片１０の厚みが１３０μｍの場合、Ｗ２／Ｗ１の値が０．５のときのΔｆは略マイナス１．５ｐｐｍとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が１．０のときのΔｆは略マイナス４．０ｐｐｍとなる。また、Ｗ２／Ｗ１の値が１．５のときのΔｆは略マイナス７．０ｐｐｍとなり、Ｗ２／Ｗ１の値が２．０のときのΔｆは略マイナス９．０ｐｐｍとなった。
【００２３】
この図６に示す特性図によれば、Ｗ２／Ｗ１の値が大きくなるのに従ってドライブ特性を示す周波数変化率Δｆがマイナスに大きくシフトしていることがわかる。なお、Δｆは、マイナス５ｐｐｍが限界値である。したがって、厚みが薄い場合（ここでは、８０μｍ）、Δｆがマイナス５ｐｐｍとなるＷ２／Ｗ１の値は２．０であり、厚みが厚い場合（ここでは、１３０μｍ）、Δｆがマイナス５ｐｐｍとなるＷ２／Ｗ１の値は略１．３位の値である。
【００２４】
なお、Δｆは、音叉型振動片１０に印加するパワーを０．５μＷから３．０μＷに変化させると、そのパワーに比例して周波数が変化する。３．０μＷで５ｐｐｍということは、１μＷ当たり２．０ｐｐｍ変化したことを意味する。仕様上では、０．１μＷから１．０μＷの範囲での使用において、２ｐｐｍの周波数変化を限界値としている。したがって、Ｗ２／Ｗ１の変化に伴うΔｆは、マイナス５ｐｐｍを限界値としている。
【００２５】
以上の結果から、Ｗ２／Ｗ１≦２．０とすることが望ましい。そして、振動腕部１２、１３の厚さは、８０μｍより小さくなると取り扱いが容易でなく、製造時における破損の割合が大きくなる。したがって振動腕部１２、１３の厚さは８０μｍ以上とすることが望ましい。また、振動腕部１２、１３の厚さが１３０μｍを超えると、圧電デバイスの薄型化が困難になるとともに、振動腕部１２、１３の質量が大きくなり、落下の衝撃による破損が生じやすくなる。このため、振動腕部１２、１３の厚さｄは、１３０μｍ以下が望ましい。
【００２６】
次に、落下試験に耐える音叉型振動片１０の形状、寸法について検証する。携帯電話などに使用する音叉型振動子の場合、１００グラムの治具に音叉型振動子を実装した基板を取り付け、水晶振動子の落下姿勢を直交ＸＹＺの３軸に各１０回、１５０ｃｍの高さからコンクリート床上に落下させることが行われている。落下前の周波数（ｆ）と、落下試験後の周波数変化を測定し、その周波数変化率が８ｐｐｍ以下としている。
【００２７】
また、前記振動腕部１２、１３の間の間隔Ｗ２は、製造上１５μｍあればウエットエッチング可能であるが、前記振動腕部１２、１３の間の間隔Ｗ２が１５μｍ〜５０μｍであると、上述した落下試験のときに、振動腕部１２、１３の根元で折れてしまう結果となった。そこで、前記振動腕部１２、１３の間の間隔Ｗ２は少なくとも５０μｍ以上必要とすることになった。
【００２８】
なお、既に説明しているように、前記音叉型振動片１０は、略３０ｋＨｚないし略４０ｋＨｚで発振し、水晶などで形成したものである。
なお、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片１０は、デジタル携帯電話、携帯情報端末、パーソナルコンピュータ、テレビジョン受像機、ビデオ機器などの各種の電子機器や、時計、時計内蔵機器に使用できる。
【００２９】
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る音叉型振動片１０は、上述したような構造及び寸法を採用しているので、ＣＩ値のバラツキの小さい、ドライブ特性の安定した音叉型振動片１０を得ることができる利点がある。
なお、上述した実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、これらの形態に限られるものではない。
【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型振動子を示す断面図である。
【図５】音叉型振動片におけるＣＩ値バラツキ特性図である。
【図６】音叉型振動片のドライブ特性を示す特性図である。
【図７】従来の音叉型振動片の一例を示す概略図である。
【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、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。
【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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