(57)【要約】【課題】  より一層小型化された溝付き振動腕構造の音叉型圧電振動片において、基本波ＣＩ値の抑制による高性能化と、１．０以上のＣＩ値比（高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）を確保した高安定性とをバランス良く同時に実現し得る最適の溝構造を提供する。【解決手段】  音叉型圧電振動片１０は、基部１１から延出する振動腕１２，１３の長さＬ0 に対してその主面に設けた溝１４、１５の長さＬ1 を０．７Ｌ0 に設定し、かつ主面側の駆動電極である第１電極１６ａ、１７ａを溝の全長に亘って形成する。振動腕の各側面には、側面側の駆動電極である第２電極１６ｂ、１７ｂを形成し、これら駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、２次高調波の影響を排除して安定した振動特性が得られる。更に基部の長さを短くでき、小型化を図ることができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部から延出する１対の振動腕と、前記各振動腕の表裏主面に設けられる第１電極及びその側面に設けられる第２電極からなる駆動電極と、前記振動腕の少なくとも一方の前記主面に該振動腕の基部側端部から長手方向に沿って延長する溝部とを有し、前記溝部の長さＬ1 が前記振動腕の長さＬ0 に対して０．７Ｌ0 であり、かつ、前記少なくとも一方の前記主面に設けられる前記第１電極が、前記溝部の内面にその全長に亘って形成されていることを特徴とする音叉型圧電振動片。
【請求項２】
前記基部の長さＬb が前記振動腕の長さＬ0 に対して０．２〜０．２５Ｌ0 であることを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動片。
【請求項３】
前記基部から前記１対の振動片とは逆向きに延出する別の１対の振動腕を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の音叉型圧電振動片。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の音叉型圧電振動片と、前記音叉型圧電振動片を前記基部において固定支持しかつその内部に封止するパッケージとを備えることを特徴とする圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、様々な電子機器に広く使用される圧電振動子や圧電発振器、角速度センサとして用いられる圧電振動ジャイロ等の圧電デバイスに関し、より詳細に言えば、それらについて使用する音叉型圧電振動片に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電デバイスは、これを搭載する電子機器の小型化に伴い、より一層の小型化が要求されると共に、低いＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を確保した高品質、高い安定性が要求されている。ＣＩ値を低く保持するために、振動腕の表裏主面に溝を設けた構造の音叉型圧電振動片が開発されている（例えば、特許文献１、２を参照）。この溝付き振動腕構造の音叉型圧電振動片は、振動腕の各主面にその長手方向に沿って直線状に延長する溝の側面及び底面に成膜された第１電極と、振動腕の各側面に成膜された第２電極とにより駆動電極が構成され、これに交流電圧を印加すると、隣接する第１電極と第２電極間で各主面に平行な電界が発生するので、電界効率が大幅に向上し、ＣＩ値を低く抑制することができる。
【０００３】
また、音叉型圧電振動片は、その振動により目的とする基本波の周波数で信号を発振すると同時に、振動子等の機器にとって動作上好ましくない高調波の周波数でも同様の信号を発振してしまう特性がある。高調波の影響を防止する方法として、ＣＩ値比（高調波ＣＩ値／基本波ＣＩ値）を基準に音叉型圧電振動片を設計する方法が知られている。高調波ＣＩ値を基本波ＣＩ値より大きく、即ちＣＩ値比を１．０以上にすると、高調波が発生し難くなる。ＣＩ値比を１．０以上にするには、振動腕の溝に形成された主面側の駆動電極の長さを振動腕の長さ（Ｌ）に対して５０％（０．５Ｌ）に設定すればよいことが知られている。ところが、一般に高調波ＣＩ値を上昇させると、基本波ＣＩ値も大きくなり、主面側の駆動電極の長さを長くするほど、基本波ＣＩ値は下降するが、同時にＣＩ値比も１．０に近付く傾向があるので、これを１．０以上にすることは容易でない。
【０００４】
そこで、先に本願出願人は、このような溝付き構造の振動腕を有し、基本波のＣＩ値を低く抑えながらＣＩ値比を一定に保持し、基部を短くしても振動片、素子間のＣＩ値のばらつきを小さくでき、しかも振動片全体も小型化できる音叉型圧電振動片を提案している（特許文献３を参照）。この音叉型圧電振動片は、図７及び図８に例示するように、基部１から突出する１対の振動腕２，３の表裏各主面に溝部４，５が、該振動腕の長さ（Ｌ）に対して７０％の長さ（０．７Ｌ）に形成され、該溝部には、主面側の駆動電極６ａ，７ａが振動腕の長さ（Ｌ）に対して５０％の長さ（０．５Ｌ）に形成され、振動腕２，３の側面には、側面側の駆動電極６ｂ，７ｂが形成されている。このように溝部４，５の長さを設定することによって基本波のＣＩ値を低く抑制でき、かつこのような割合で主面側の駆動電極６ａ，７ａを設けることによってＣＩ値比が１．０以上となり、高調波で誤った発振をし難くなるので、高性能な振動片が得られる。
【０００５】
更に、基部において片持ちに固定支持される音叉型圧電振動片は、一般に基部の長さを振動腕の長さの４０％以上に確保しないと、ＣＩ値が安定せず、性能を低下させる虞がある。これは、振動腕の小型化によりその長さが短くなって幅も狭くなると、振動腕の振動が垂直方向の成分を含むようになり、垂直方向の振動が振動片の基部へ漏れると、基部のパッケージへの固定領域からエネルギが逃げて振動が不安定になるので、これを防止するためで、振動片の小型化に障害となっていた。
【０００６】
そこで、本願出願人は、音叉型圧電振動片の基部の両側に、振動腕の振動を阻害したりパッケージへ固定に影響しないように、その固定領域よりも先の位置に切り込み部を設けた構造を提案している（同じく、特許文献３を参照）。振動腕の垂直成分の振動が基部に漏れても、切り込み部により後方へ基部の固定領域までは伝わり難く、従ってエネルギの逃げが生じ難くなるので、基部を小型化しても、振動片間でのＣＩ値のばらつき及びその増大を有効に防止することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５６−６５５１７号公報
【特許文献２】再表００−４４０９２号公報
【特許文献３】特開２００２−２８０８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、現在の音叉型圧電振動子は更に一層の小型化が要求されており、それに伴って振動片の支持構造などの影響により、特に２次の高調波が強く振動片の振動に作用する傾向がある。振動腕は通常その主面を含む平面内で振動するが、２次の高調波のＣＩ値は、振動腕の剛性に関係して変化する。例えば、この溝付き振動腕構造の音叉型水晶振動片において、基本波が３２．７６８ｋＨｚの場合、２次の高調波が約２５０ｋＨｚに存在し、振動腕の長さ１３００μｍに対して溝の長さを１０００μｍに設定すると、２次の高調波のＣＩ値は約１０ｋΩとなり、基本波のＣＩ値約５０ｋΩより小さくなる。この音叉型水晶振動片への供給電圧を変化させてそのドライブレベル（励振レベル）を高くすると、基本波で正常に振動していた振動片に、２次高調波が作用してパラメトリック励振即ち間欠的な異常発振が発生し、振動が不安定になる。
【０００９】
また、上記特許文献３では、その図１３において、振動腕の長さに対する電極の長さの割合に関する基本波ＣＩ値及びＣＩ値比の関係が示され、駆動（励振）電極の長さが振動腕の長さに対して短くなればなるほど、基本波ＣＩ値が上昇し、かつこれによりＣＩ値比も上昇すること、及び逆に励振電極の長さが長くなればなるほど、基本波ＣＩ値が下降すると同時にＣＩ値比も１．０に近づく傾向を示している。しかし、同図は、電極の長さの割合が４５〜５５％の範囲に限られており、それ以外の範囲における傾向は明らかになっていない。同様に、上記特許文献３において、基本波ＣＩ値と溝長さとの関係を示す図３も、溝長／音叉長（％）が７０％までの範囲しか示されていない。
【００１０】
更に、上記特許文献３において提案した構造では、振動腕に対する基部の長さはせいぜい３４％程度であり、却って切り込み部の存在に制限されて、基部の長さをそれ以上小さくすることを困難にしている。
【００１１】
本発明は、上述した従来の様々な問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、溝付き振動腕構造を有する音叉型圧電振動片において、より一層の小型化を図ることを前提として、溝長さ及び電極の長さと基本波及び高調波（特に、２次）のＣＩ値との関係をより広い範囲に亘って解析し、基本波ＣＩ値を低くして高性能化を図ると同時に、高調波ＣＩ値を大きくしてＣＩ値比を１．０以上に維持し、高い安定性を実現し得る最適の溝構造を提供することにある。
【００１２】
また本発明の目的は、このような音叉型圧電振動片を利用した高品質かつ高安定性の圧電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明者は、溝付き振動腕構造の音叉型水晶振動片について、振動腕の長さが、上記特許文献３において「短い」とされた１．６４４mmよりも更に短い１．３００mm（約８０％）とし、かつ振動腕の溝の全長に亘って主面側の駆動電極を設けた場合に、溝長さ（＝電極の長さ）に関する基本波ＣＩ値の変化を、溝長さ／振動腕長さの割合約５０〜１００％の範囲に亘って解析した。図１は、そのＦＥＭ（finite element method）解析及び実験により得られた基本波ＣＩ値を示している。基本波ＣＩ値は、溝の長さ（＝電極の長さ）が増すに連れて低下し、溝長さが振動腕長さに対して５０％に近づくと、その変化量が小さくなっている。
【００１４】
更に本願発明者は、溝長さに関する基本波ＣＩ値と２次高調波ＣＩ値との関係を、溝長さ／振動腕長さの割合約６０〜８０％の範囲に亘って解析した。図２は、そのＦＥＭ解析による結果を示している。溝の長さ（＝電極の長さ）が振動腕の長さに対して約７０％を超えると、基本波ＣＩ値が２次高調波ＣＩ値より大きくなり、ＣＩ値比が１．０以下になることが分かる。
【００１５】
これら図１及び図２の解析結果から、次のように判断される。
（１）溝の長さ（＝電極の長さ）が振動腕の長さに対して約７０％以下であれば、基本波のＣＩ値を十分に低く抑制できる。
（２）実際には、個々の振動片について基本波のＣＩ値に或る程度のばらつきがあることを考慮すれば、２次高調波ＣＩ値が１００ｋΩ以上であれば、１．０以上のＣＩ値比を確保できる。
【００１６】
本発明は、かかる知見に基づいてなされたもので、その或る側面によれば、基部と、該基部から延出する１対の振動腕と、各振動腕の表裏主面に設けられる第１電極及びその側面に設けられる第２電極からなる駆動電極と、振動腕の少なくとも一方の主面に該振動腕の基部側端部から長手方向に沿って延長する溝部とを有し、該溝部の長さＬ1 が振動腕の長さＬ0 に対して０．７Ｌ0 であり、かつ、前記少なくとも一方の主面に設けられる第１電極が、溝部の内面にその全長に亘って形成された音叉型圧電振動片が提供される。圧電材料としては、従来から一般に採用されている水晶が好ましい。
【００１７】
上記解析結果から分かるように、このように振動腕の長さに対する溝の長さ及び駆動電極の長さを設定することによって、音叉型圧電振動片をより一層小型化する上で、基本波ＣＩ値の抑制による高性能化と、１．０以上のＣＩ値比の確保による高い安定性とを、バランス良く同時に実現し得る最適の溝構造が得られる。
【００１８】
更に本発明の音叉型圧電振動片によれば、その基部に切り込み部を設けなくても、基部の固定領域からパッケージ側への振動エネルギの漏れによる不安定な振動が解消され、振動腕の長さに対する基部の長さを更に小さくできることが分かった。或る実施例では、基部の長さＬb を振動腕の長さＬ0 に対して０．２〜０．２５Ｌ0 に設定することができ、これにより音叉型圧電振動片をより小型化することが可能である。
【００１９】
別の実施例では、前記音叉型圧電振動片が、基部から前記１対の振動片とは逆向きに延出する別の１対の振動腕を更に有することにより、圧電振動ジャイロに使用することができる。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の音叉型圧電振動片と、該音叉型圧電振動片をその基部において固定支持して内部に封止するパッケージとを備える圧電デバイス、及び、該パッケージに更にＩＣ素子を搭載した圧電デバイスが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図３は、本発明を適用した音叉型水晶振動片の好適な実施例を概略的に示している。音叉型水晶振動片１０は、基部１１から図中上向きに平行に延長する１対の振動腕１２，１３を有し、その表裏各主面には、それぞれ基部側端部即ち音叉の股部から先端部に向けて長手方向に延長する直線状の溝１４、１５が形成されている。
【００２２】
図４に良く示すように、各溝１４、１５には、その側面及び底面に成膜した電極膜からなる第１電極１６ａ、１７ａが形成され、かつ各振動腕１２，１３の側面には第２電極１６ｂ、１７ｂが形成され、これらは互いに一方の振動腕の第１電極１６ａ（１７ａ）が他方の振動腕の第２電極１７ｂ（１６ｂ）に電気的に接続されて、音叉型水晶振動片１０を振動させる駆動電極を構成している。基部１１には、後述するようにパッケージ側に接続するために、前記駆動電極から引き出された接続電極１８、１９が設けられている。接続端子１８、１９から前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、隣接する第１電極１６ａ、１７ａと第２電極１６ｂ、１７ｂ間で電界が交互に逆向きに発生し、振動腕１２，１３が互いに逆向きに屈曲運動を繰り返し行う。
【００２３】
本実施例において、溝１４、１５の長さＬ1 は振動腕１２，１３の長さＬ0 に対して７０％即ち０．７Ｌ0 に設定する。第１電極１６ａ、１７ａは溝１４、１５の全長に亘って形成し、その長さＬ2 を溝の長さＬ1 と等しくする。
【００２４】
或る実施例において、振動腕の長さＬ0 を１．３００mm、溝の長さＬ1 ＝第１電極１６ａ、１７ａの長さＬ2 を０．９mm（＝０．６９Ｌ0 ）に設定した。この音叉型水晶振動片に所定の交流電圧を印加して振動させたところ、図１及び図２に関連して上述したように、基本波ＣＩ値が低く抑制されると同時に、２次高調波ＣＩ値を基本波ＣＩ値より大きくして１．０以上のＣＩ値比を確保することができた。
【００２５】
しかも、この実施例では、基部の長さＬｂを０．２８mmとし、振動腕の長さに対してＬｂ＝０．２１Ｌ0 （約２１％）に設定したが、音叉型水晶振動片の動作は安定しており、基部の固定領域からパッケージ側への振動エネルギの漏れに起因する不安定な振動は認められなかった。
【００２６】
別の実施例では、振動腕の長さＬ0 を１．０４０mm、溝の長さＬ1 ＝第１電極１６ａ、１７ａの長さＬ2 を０．７３mm（＝０．７０Ｌ0 ）、基部の長さＬｂを０．２６mm（＝０．２５Ｌ0 ）に設定した。この実施例においても、同様に基本波ＣＩ値を低く抑制し、１．０以上のＣＩ値比を確保すると共に、安定した音叉型水晶振動片の動作が得られた。
【００２７】
図５は、図３の音叉型水晶振動片を用いた本発明の水晶振動子の構造を概略的に示している。この水晶振動子２０は、複数のセラミックス薄板を積層した概ね矩形箱状のベース２１と蓋２２とからなるパッケージ２３を備え、その内部に音叉型水晶振動片１０が気密に封止されている。音叉型水晶振動片１０はベース２１内部の空所底部に、基部１１の接続電極１８、１９をベース２１底面の対応する接続端子２４に導電性接着剤２５で固着して、片持ちで略水平に支持されかつ電気的に接続されている。ガラス又はセラミックス等の絶縁材料からなる矩形薄板の蓋２２は、ベース２１の上端面に低融点ガラスで気密に接合される。
【００２８】
別の実施例では、図５と同様のパッケージ内に、更に音叉型水晶振動片の駆動回路等を構成するＩＣを搭載することにより、圧電発振器やリアルタイムクロックのような圧電デバイスを構成することができる。
【００２９】
また、別の実施例では、音叉型水晶振動片１０の基部１１から振動腕１２，１３とは逆向きに延出する別の１対の振動腕を更に設けることができる。図６は、このような音叉型圧電振動片２６を示しており、図３の圧電振動片１０と同じ１対の振動腕１２，１３が中央の基部２７から一方の側に延出し、それとは反対側に１対の検出腕２８、２９が延出している。振動腕１２，１３は、図３に関連して上述したように駆動電極が設けられ、検出腕２８、２９は、その側面に２対の検出用電極３０ａ、３０ｂが設けられている。圧電振動片２６は、基部２７に設けられた支持部３１ａ、３１ｂを接着固定することにより所定のパッケージ（図示せず）内にマウントされて、角速度センサまたは回転センサとして使用される圧電振動ジャイロを構成する。
【００３０】
振動腕１２，１３は、一方の支持部３１ａに設けられた電極パッド３２を介して前記駆動電極に所定の交流電圧を印加すると、互いに逆向きに屈曲振動する。この状態で音叉型水晶振動片２６が図中Ｙ軸３３を中心に回転すると、その回転角速度に対してコリオリ力が振動方向と直交する向きに働いて、振動腕１２，１３がＺ方向に振動する。この振動が基部２７を介して伝達されて、検出腕２８、２９をその共振振動数で同じくＺ方向に振動させるので、これを電気信号として他方の支持部３１ｂに設けられた電極パッド３４から検出すると、音叉型水晶振動片２６の回転角速度及びその回転方向等が求められる。
【００３１】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、本発明の音叉型圧電振動片は、水晶以外にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】溝付き振動腕構造の音叉型水晶振動片において、溝長さ／振動腕長さに関する基本波ＣＩ値の変化を示す線図。
【図２】溝付き振動腕構造の音叉型水晶振動片において、溝長さ／振動腕長さに関する基本波及び２次高調波のＣＩ値の変化を示す線図。
【図３】本発明による音叉型水晶振動片の好適実施例の平面図。
【図４】図３のIV−IV線における振動腕の断面図。
【図５】図３の音叉型水晶振動片を用いた水晶振動子の縦断面図。
【図６】本発明による音叉型水晶振動片の別の実施例の平面図。
【図７】従来の溝付き構造の振動腕を有する音叉型水晶振動片の平面図。
【図８】図７のVIII−VIII線における振動腕の断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１，１１，２７…基部、２，３，１２，１３…振動腕、４，５，１４，１５…溝、６ａ，７ａ，１６ａ，１７ａ…第１電極、６ｂ，７ｂ，１６ｂ，１７ｂ…第２電極、１０，２６…音叉型水晶振動片、１８，１９…接続電極、２０…水晶振動子、２１…ベース、２２…蓋、２３…パッケージ、２４…接続端子、２５…導電性接着剤、２８，２９…検出腕、３０ａ，３０ｂ…検出用電極、３１ａ，３１ｂ…支持部、３２，３４…電極パッド、３３…Ｙ軸。
【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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