(57)【要約】【課題】  音叉型圧電振動片を実装した圧電デバイスにおいて、より一層の小型化を図りながら、温特ディップ現象による不都合を解消し、ＣＩ値を低く抑制しかつ安定した温度特性を確保する。【解決手段】  基部８と、該基部から平行に延出する複数の振動腕９，１０と、基部から振動腕と平行に延出する固定用腕１３，１４とを有する音叉型水晶振動片を、固定用腕をマウント部においてベースに固着することにより固定支持する圧電振動子１において、該振動片の励振時に、振動腕の屈曲振動の固有振動数と振動片の厚み方向に発生する同相振動の固有振動数とが、所定の使用温度範囲において異なるように、マウント部の位置、長さまたはその硬さを設定した。【選択図】  図１
2007081570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部から平行に延出する複数の振動腕とを有する音叉型圧電振動片をベースに固定支持した圧電デバイスであって、
前記圧電振動片の励振時に、前記振動腕の屈曲振動の固有振動数と前記圧電振動片の厚み方向に発生する同相振動の固有振動数とが、所定の使用温度範囲において異なるように構成したことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電振動片が、前記基部から前記振動腕と平行に延出する固定用腕を有し、かつ前記固定用腕を前記ベースに固着するマウント部により固定支持され、前記屈曲振動の固有振動数と前記厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように、前記マウント部の位置、長さまたはその硬さを設定することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記圧電振動片が、１対の前記振動腕と該振動腕の両側を延長する１対の前記固定用腕とを有し、前記各固定用腕の前記マウント部が、それぞれ該固定用腕の延長方向に沿って離隔された２つの接合部を有することを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記マウント部が導電性接着剤により前記固定用腕を前記ベースに固着し、前記導電性接着剤のヤング率を、前記屈曲振動の固有振動数と前記厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
外部からの衝撃による周波数のシフト量を考慮して、前記屈曲振動の固有振動数と前記厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音叉型圧電振動片をパッケージに実装した圧電振動子などの圧電デバイスに関する。
【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対応したより一層の小型化に加えて、振動損失を少なくしかつＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低く抑制し、良好な温度特性を発揮する高品質、高い安定性が要求されている。音叉型圧電振動片においてＣＩ値を低く保持するために、振動腕の表裏各主面に溝を設けた構造が開発されている（例えば、特許文献１、２を参照）。この溝付き振動腕構造では、溝の側面及び底面に成膜された電極と振動腕の各側面に成膜された電極との間で振動腕主面に平行な電界が発生し、電界効率が大幅に向上するので、振動片を小型化しても、ＣＩ値を低く抑制することができる。
【０００３】
このような溝付き構造の振動腕を有する音叉型水晶振動片であっても、より一層の小型化を進めるために、振動腕が突出する基部の長さを短くすると、ＣＩ値のばらつきが発生し易いという問題がある。また、振動腕の幅が小さくなると、通常の水平方向の屈曲振動に加えて、厚み方向成分の振動が発生し、振動エネルギが基部から漏れるという問題がある。かかる問題を解消するために、基部に切込み部を形成することにより、小型化しながら振動の漏れを緩和し、素子間におけるＣＩ値のばらつきを安定させた音叉型圧電振動片が知られている（例えば、特許文献３を参照）。
【０００４】
また、機械的な振動の振動腕から基部への漏れを防止するために、音叉型圧電振動片が基部から振動腕と平行に延びる複数の固定用腕を備え、各固定用腕が重心の近傍の位置で基体と接合される構成の圧電デバイスが提案されている（例えば、特許文献４を参照）。同様に基部から振動腕と平行に延びる支持腕部を備え、振動腕部の中央付近まで延ばした支持腕部の先端部で圧電片をバランスよく実装基板上に支持するようにした音叉型圧電振動子が知られている（例えば、特許文献５を参照）。これらの音叉型圧電振動子は、外部からの衝撃に対しても、発振周波数のずれや変化を抑制することができる。
【０００５】
更に、上述した溝付き構造の振動腕及び基部から振動腕と平行に延出するフレームを有し、増幅回路の増幅率と帰還回路の帰還率との関係により、衝撃や振動などの影響による２次高調波モード振動を抑制して、基本波モード振動で発振させるようにした音叉型水晶振動子が知られている（例えば、特許文献６を参照）。また、周波数温度特性を改善するために、屈曲振動と捩り振動とを結合させた音叉型水晶振動子が知られている（例えば、特許文献７を参照）。
【０００６】
【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２００２−２６１５７５号公報
【特許文献４】特開２００４−２９７１９８号公報
【特許文献５】特開２００４−３５７１７８号公報
【特許文献６】特開２００５−３９７６７号公報
【特許文献７】特公昭６２−５８１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に音叉型圧電振動子は、図９に例示するように、使用温度範囲においてＣＩ値が直線状に変化し、カーブフィット誤差が０に近い値を示す場合に、良好な温度特性を有するものと理解される。ところが、実際には、図１０に例示するように、或る温度または温度範囲でＣＩ値が異常に上昇し、それに伴って周波数が一時的に大きく変化する現象を生じる場合がある。これは、温度スプリアスまたは温特ディップとも呼ばれている。かかる現象が使用温度範囲に存在すると、圧電振動子の周波数及びＣＩ値が不安定になり、ドライブレベル特性が劣化し、信頼性が低下するという問題が生じる。
【０００８】
他方、音叉型水晶振動子は、その小型化により振動腕の幅が小さくなると、振動腕の剛性が低下して振動が不安定になり、ＣＩ値が上昇する傾向がある。特に振動腕の剛性低下は、落下などの衝撃により振動腕がパッケージ内壁に激突して損傷するという問題を生じる虞がある。これに対し、振動腕の厚みを大きくして剛性を高くすると、屈曲振動に加えて厚み方向の振動が発生するので、振動特性が劣化するという問題が生じる。
【０００９】
しかしながら、上述した従来技術の特許文献は、いずれも上記温特ディップ現象及びその解決方法について何ら言及していない。また、音叉型水晶振動子の小型化により振動腕の幅を小さくした場合に、その厚みを大きくすることなくＣＩ値の上昇を解消し、落下等の衝撃に対して安定した周波数特性を維持、確保する有効な方法を開示していない。特許文献６に記載されるように、補正回路を付加する方法も考えられるが、装置全体が複雑になりかつ大型化し、コストが増大するなどの問題を生じる虞がある。
【００１０】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、音叉型圧電振動片を実装した圧電振動子などの圧電デバイスにおいて、より一層の小型化を図りながら、温特ディップ現象による不都合を解消することができ、それによりＣＩ値を低く抑制しかつ安定した温度特性を確保することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明者は、上記温特ディップ現象について様々な試験を行いかつ検討した。その結果、音叉型水晶振動子を加熱すると、図９及び図１０に示すようなＣＩ値温度特性において、温度ディップ現象が高温側にシフトし、逆に冷却しまたは落下などの衝撃を加えた場合には、低温側にシフトすることを見出した。これには、後述するように、振動片をパッケージに固定支持している導電性接着剤の硬さ即ちヤング率が関係していると考えられる。
【００１２】
また、本願発明者は、基部と該基部から平行に延出する複数の振動腕とを有し、かつ基部から振動腕と平行に延出する固定用腕においてベースに固定支持される音叉型水晶振動子について、固定用腕のマウント構造による振動片の振動状態について試験を行いかつ検討した。その結果、各固定用腕を１点位置で固定した場合には、通常の使用温度範囲で必ず温特ディップ現象が発生すること、及び各固定用腕をその延長方向に２点位置で固定した場合には、その固定位置及びそれら２点間の延長方向長さが温特ディップ現象の発生に関係することを見出した。また、振動片の厚さを大きくすると、温特ディップ現象が発生し難く、小さくすると発生し易いことを見出した。
【００１３】
更に、本願発明者は、これら温特ディップ現象の発生要因について様々な試験を行いかつ検討した。その結果、音叉型水晶振動片の屈曲振動とその厚み方向に発生する同相振動の２つの振動モードが温特ディップ現象の発生に関係することを見出した。即ち、温特ディップ現象は、屈曲振動の固有振動数と厚み方向の同相振動の固有振動数とが異なる場合には発生しないが、一致する場合には発生する。本願発明は、本願発明者のかかる知見に基づき、案出されたものである。
【００１４】
本発明によれば、上記目的を達成するために、基部と、該基部から平行に延出する複数の振動腕とを有する音叉型圧電振動片をベースに固定支持し、圧電振動片の励振時に、振動腕の屈曲振動の固有振動数と圧電振動片の厚み方向に発生する同相振動の固有振動数とが、所定の使用温度範囲において異なるように構成した圧電デバイスが提供される。
【００１５】
また、本願発明者は、基部から振動腕と平行に延出する固定用腕を更に有しかつ該固定用腕をベースに固着するマウント部により固定支持される音叉型圧電振動片において、該マウント部の位置、固定用腕の延長方向におけるマウント部の長さ、及びマウント部の硬さにより、厚み方向同相振動の固有振動数が屈曲振動の固定振動数と一致しないように構成できることを見出した。
【００１６】
そこで、或る実施例では、圧電振動片が、基部から振動腕と平行に延出する固定用腕を有し、かつ該固定用腕をベースに固着するマウント部により固定支持され、該マウント部の位置、長さまたはその硬さを、屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように設定した圧電デバイスが提供される。
【００１７】
また、或る実施例では、圧電振動片が、１対の振動腕と該振動腕の両側を延長する１対の固定用腕とを有し、各固定用腕のマウント部が、それぞれ該固定用腕の延長方向に沿って離隔された２つの接合部を有することにより、圧電振動片をバランス良く固定支持することができる。
【００１８】
別の実施例では、マウント部が導電性接着剤により固定用腕をベースに固着し、該導電性接着剤のヤング率を適当に選択することにより、屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように、マウント部の硬さを設定することができる。
【００１９】
また、別の実施例では、外部からの衝撃による周波数のシフト量を考慮して、屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固有振動数とが所定の使用温度範囲において異なるように設定することにより、衝撃に対しても安定な周波数特性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の好適な実施例について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した音叉型水晶振動子の構成を概略的に示している。この水晶振動子１は、パッケージ２とその内部に気密に封止された音叉型水晶振動片３とを備える。パッケージ２は、複数のセラミックス薄板４ａ，４ｂを積層したベース４と矩形薄板の蓋５とから概ね矩形箱状に構成されている。ガラス又はセラミックス等の絶縁材料からなる蓋５は、例えば低融点ガラス６でベース４の上端面に気密に接合される。また、ベース４の底面には、外部回路と接続するための外部端子７が設けられている。
【００２１】
音叉型水晶振動片３は、基部８から平行に延長する１対の振動腕９，１０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１１，１２が形成されている。更に、水晶振動片３は、基部８からその両側に振動腕９，１０と平行に延長する１対の固定用腕１３，１４を有する。基部８の両側辺には、振動腕から基部への振動漏れを緩和するための切込み部１５，１５が、それぞれ固定用腕１３，１４との結合部より先端側に形成されている。
【００２２】
図１（Ｃ）に示すように、各振動腕９，１０の溝１１，１２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１６，１７が形成され、かつ前記各振動腕の側面には、第２電極１８，１９が形成されている。一方の振動腕の第１電極１６（１７）は他方の振動腕の第２電極１９（１８）に電気的に接続されて、水晶振動片３を振動させる駆動電極を構成している。基部８には、後述するようにパッケージ側に接続するために、前記駆動電極から接続電極２０，２１が引き出され、更にそれぞれ対応する固定用腕１３，１４の表面まで引き出されている。
【００２３】
水晶振動片３は、固定用腕１３，１４においてベース４内部の空所底部に略水平に固定支持されている。各固定用腕１３，１４は、その延長方向に離隔した２点位置でそれぞれ導電性接着剤からなる接合部２２，２３，２４，２５により、ベース４底面の対応する接続端子２６，２７，２８，２９に固着されかつ電気的に接続されている。
【００２４】
図２は、本発明の変形例による音叉型水晶振動子を示している。この変形例は、各固定用腕１３，１４が、その延長方向に離隔した２点位置間で連続する導電性接着剤からなる接合部３０により、ベース４底面の対応する接続端子３１に固着されている点において、図１の実施例と異なる。
【００２５】
図１の実施例において、接続端子２０，２１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１６，１７と第２電極１８，１９間で電界が交互に逆向きに発生し、振動腕９，１０が水平方向（図中Ｘ方向）に互いに逆向きに屈曲振動を繰り返し行う。これと同時に、振動腕９，１０には、前記接合部からなるマウント部を支点として、その厚み方向（図中Ｚ方向）に同相振動が発生する。
【００２６】
図３は、前記導電性接着剤の硬さ即ちヤング率に関する周波数の変化を示している。同図に示すように、屈曲振動の周波数は、ヤング率の値に拘わらず概ね一定である。これに対し、厚み方向（Ｚ方向）の同相振動は、ヤング率の値によって変化する。また、これら振動モードの振動数は、或るヤング率において一致する場合がある。このような場合、水晶振動子１には温特ディップ現象が発生する。
【００２７】
上述したように、音叉型水晶振動子を加熱した場合には、ＣＩ値温度特性において温度ディップ現象が高温側にシフトし、逆に冷却しまたは落下などの衝撃を加えた場合には、低温側にシフトする。従って、本実施例では、所望の使用温度範囲において、屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固定振動数が異なるように導電性接着剤のヤング率を設定することにより、温特ディップ現象を回避することができる。また、温度変化だけでなく、落下などの衝撃によるシフト量を考慮して導電性接着剤のヤング率を設定し、衝撃に対して安定した周波数特性を確保することができる。
【００２８】
また、本実施例では、固定用腕１３，１４の基部側端縁即ち基部８の端縁８ａから基部側の接合部２２，２３までの距離Ｌ１を前記マウント部の位置として、これを適当に選択することにより、同様に屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固定振動数が異なるように設定することができる。更に本実施例では、基部８の端縁８ａから先端側の接合部２４，２５までの距離Ｌ２と距離Ｌ１との差を前記マウント部の長さとして、これを適当に選択することにより、屈曲振動の固有振動数と厚み方向同相振動の固定振動数とが異なるように設定することができる。
【００２９】
次の条件で音叉型水晶振動片をシリコーン系接着剤でマウントした図１の音叉型水晶振動子について、その厚みを変化させた場合における固有振動数の変化、及びＣＩ値温度特性を試験した。
振動片寸法：  振動片全長＝１４５０μｍ、振動腕長さ＝１２５０μｍ、振動腕幅＝６０μｍ、溝幅＝４０μｍ
マウント位置：  Ｌ１＝２５０μｍ
マウント長さ：  ＬＭ＝５００μｍ
この結果を図４に示す。
【００３０】
図４（Ａ）に示すように、厚み１００μｍにおいて、屈曲振動と厚み方向同相振動とが結合している。そして、図４（Ｂ）に示す厚み１００μｍの場合には、温特ディップ現象が発生し、図４（Ｃ）に示す厚み１２０μｍでは、温特ディップ現象が発生していないことが分かる。
【００３１】
また、次の条件で音叉型水晶振動片をシリコーン系接着剤でマウントした図１の音叉型水晶振動子について、そのマウント位置Ｌ１を変化させた場合における固有振動数の変化、及びＣＩ値温度特性を試験した。
振動片寸法：  振動片全長＝１４５０μｍ、振動腕長さ＝１２５０μｍ、振動腕幅＝６０μｍ、溝幅＝４０μｍ、厚み＝１００μｍ
マウント長さ：  ＬＭ＝５００μｍ
この結果を図５に示す。
【００３２】
図５（Ａ）に示すように、マウント位置Ｌ１＝２５０μｍにおいて、屈曲振動と厚み方向同相振動とが結合している。そして、図５（Ｂ）に示すマウント位置Ｌ１＝２５０μｍの場合には、温特ディップ現象が発生し、図５（Ｃ）に示すマウント位置Ｌ１＝０μｍでは、温特ディップ現象が発生していないことが分かる。
【００３３】
また、次の条件で音叉型水晶振動片をシリコーン系接着剤でマウントした図１の音叉型水晶振動子について、そのマウント長さＬＭを変化させた場合における固有振動数の変化、及びＣＩ値温度特性を試験した。
振動片寸法：  振動片全長＝１４５０μｍ、振動腕長さ＝１２５０μｍ、振動腕幅＝６０μｍ、溝幅＝４０μｍ、厚み＝１２０μｍ
マウント位置：  Ｌ１＝２５０μｍ
この結果を図６乃至図８に示す。
【００３４】
図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、マウント長さＬＭ＝１００μｍ、２５０μｍにおいて、屈曲振動と厚み方向同相振動とが結合している。そして、これらの場合には、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示すように温特ディップ現象が発生している。これに対し、図８（Ａ）に示すマウント長さＬＭ＝５００μｍでは、屈曲振動と厚み方向同相振動とが結合しておらず、図８（Ｂ）に示すように温特ディップ現象が発生していないことが分かる。また、この傾向は、マウント位置を変えても同様の結果であった。
【００３５】
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、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】
【００３６】
【図１】（Ａ）図は本発明による音叉型水晶振動子を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図は（Ａ）図のＩ−Ｉ線における振動腕の拡大断面図。
【図２】本発明の変形例による音叉型水晶振動子の部分縦断面図。
【図３】図１の水晶振動子において水晶振動片をベースに固着する導電性接着剤のヤング率に関する振動数の変化を示す線図。
【図４】（Ａ）図は水晶振動片の厚みの変化に対する固有振動数の変化を示す線図、（Ｂ）図及び（Ｃ）図は、それぞれ厚み１００μｍ、１２０μｍにおける温度特性を示す線図。
【図５】（Ａ）図は音叉型水晶振動片のマウント位置の変化に対する固有振動数の変化を示す線図、（Ｂ）図及び（Ｃ）図は、それぞれマウント位置Ｌ１＝２５０μｍ、０μｍにおける温度特性を示す線図。
【図６】（Ａ）図はマウント長さＬＭ＝１００μｍにおいて水晶振動片をベースに固定する接着剤のヤング率に関する固有振動数の変化を示す線図、（Ｂ）図はその温度特性を示す線図。
【図７】（Ａ）図はマウント長さＬＭ＝２５０μｍにおいて水晶振動片をベースに固定する接着剤のヤング率に関する固有振動数の変化を示す線図、（Ｂ）図はその温度特性を示す線図。
【図８】（Ａ）図はマウント長さＬＭ＝５００μｍにおいて水晶振動片をベースに固定する接着剤のヤング率に関する固有振動数の変化を示す線図、（Ｂ）図はその温度特性を示す線図。
【図９】音叉型水晶振動子の良好な温度特性を示す線図。
【図１０】音叉型水晶振動子の温度スプリアスを有する温度特性を示す線図。
【符号の説明】
【００３７】
１…水晶振動子、２…パッケージ、３…水晶振動片、４…ベース、４ａ，４ｂ…セラミックス薄板、５…蓋、６…低融点ガラス、７…外部端子、８…基部、９，１０…振動腕、１１，１２…溝、１３，１４…固定用腕、１５…切込み部、１６，１７…第１電極、１８，１９…第２電極、２０，２１…接続電極、２２〜２５，３０…接合部、２６〜２９，３１…接続端子。
【図１】
2007081570.tif 000003
【図２】
2007081570.tif 000004
【図３】
2007081570.tif 000005
【図４】
2007081570.tif 000006
【図５】
2007081570.tif 000007
【図６】
2007081570.tif 000008
【図７】
2007081570.tif 000009
【図８】
2007081570.tif 000010
【図９】
2007081570.tif 000011
【図１０】
2007081570.tif 000012