(57)【要約】【課題】小型化を図ると共に、周波数温度特性を改善した圧電振動素子を得る。【解決手段】圧電振動素子１は、圧電振動素子１の圧電基板８が、複数の振動腕１５ａ、１５ｂ、その振動腕の一方の端部間を連接する基部１０、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部に夫々形成され幅広で錘部２０ａ、２０ｂ、及び、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心に沿って形成された溝部１７ａ〜１８ｂ、を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂは、振動中心に沿っての両側に対称に配置され且つ大きな質量を備えた質量部２１を備えており、圧電振動素子１に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの屈曲振動を主振動とし、その周波数温度特性が温度に関し三次特性となるように、圧電基板８の厚さ及び切断角度と、各質量部２１及び溝部１７ａ〜１８ｂの形状と、を夫々適切に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部、を備えた圧電基板と、
前記錘部の両面と前記各溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた圧電振動素子であって、
前記各錘部は振動中心に沿った両側に大きな質量を備えるように質量部を備え、
前記質量部は前記振動中心に対する対称として構成され、
前記圧電振動素子に励振される屈曲−捩じり結合振動における屈曲振動を主振動とし、  前記圧電基板の厚さ及び切断角度と、前記各質量部及び溝部の幅と深さとを、周波数温度特性が温度に関して三次特性となるように夫々設定することを特徴とする圧電振動素子。
【請求項２】
前記圧電基板の切断角は、電気軸の回りに０度から−１５度の範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動素子。
【請求項３】
前記各錘部は、その先端縁中央部に前記振動中心に対して対称な切欠き部を有することにより凹形状を成していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】
前記切欠き部よりも前記振動腕寄りの前記錘部の面内には、前記振動中心に対して対称な貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の圧電振動素子。
【請求項５】
前記各錘部はその面積の中央部に振動中心に対して対称な貫通孔を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
【請求項６】
前記各錘部は基部側端に振動中心に対して対称な貫通孔を備え、且つ該貫通孔は前記各振動腕の溝部に連接していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
【請求項７】
前記基部は、基部本体と、該基部本体の前記振動腕とは反対側の他端縁中間部に設けた連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる左右一対の支持腕と、を備えていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の圧電振動素子。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項９】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項１０】
基部と、該基部の対向する２つの端縁から夫々同一直線上に突設された１対の検出用振動腕と、前記基部の対向する他の２つの端縁から夫々前記検出用振動腕と直交する方向に同一直線上に突設された１対の連結腕と、前記各連結腕の先部からそれと直交する両方向へ夫々突設された各１対の駆動用振動腕と、少なくとも前記１対の検出用振動腕と、前記各１対の駆動用振動腕とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた振動ジャイロ素子であって、
前記各駆動用振動腕は、その表裏面に各振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる溝部を備えると共に、先端部に夫々各振動腕よりも幅広の錘部を有し、
前記各錘部は振動中心に沿って両側に対称な質量部を備え、
前記駆動用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの屈曲振動を主振動とし、  前記振動ジャイロ素子の基板の切断角度と前記各質量部及び溝部の幅と深さとを、周波数温度特性が温度に関して三次特性となるように夫々設定することを特徴とする振動ジャイロ素子。
【請求項１１】
請求項１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたことを特徴とする振動ジャイロセンサー。
【請求項１２】
請求項８に記載の圧電振動子、又は請求項１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子、振動ジャイロ素子等に関し、特に小型化を図ると共に周波数温度特性を改善した圧電振動素子、振動ジャイロ素子、圧電振動子、振動ジャイロセンサー及びこれらを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、モバイルコンピューター、ハードディスク・ドライブ等の小型情報機器や、携帯電話等の移動体通信機には、基準周波数源として圧電デバイスが広く用いられている。圧電デバイスを搭載した電子機器の小型化が進むに伴い、圧電デバイスには更なる小型化が求められている。
特許文献１には、水晶の電気軸（直交する結晶軸の１つ）の回りに０°から−１５°の範囲で切り出された音叉型水晶振動子が開示されている。音叉型水晶振動子に励振される屈曲振動モード及び捩れ振動モードの夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させ、結合させることにより、主振動とする屈曲振動モードの周波数温度特性を改善した水晶振動子である。
【０００３】
一般的に、水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆ（Δｆ＝（ｆ−ｆ０）、ｆ０は常温にける共振周波数）は、温度Ｔに関する多項式で表わされる。実用的には三次式で近似され、その一次温度係数〜三次温度係数をα、β、γで表わす。
屈曲振動モードの周波数温度特性ＴｆＦは、捩れ振動モードの影響を受け、圧電基板ｈに依存する。種々の切断角θに対し、一次温度係数αが零となるように厚みｈを設定し、更に二次温度係数βが零になる切断角度θと厚さｈとを、予め計算で求めた表から設定する。これにより、周波数温度特性ＴｆＦは三次温度係数γのみに依存し、温度特性の良好な水晶振動子が得られると開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、互いに平行な複数の振動腕の各先端部に、振動腕より幅広の拡大部を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。この拡大部は有底の孔を有し、この有底の孔に圧電材料より比重の大きい材料を充填して錘とすることにより、音叉型圧電振動子の小型化が図られると開示されている。
また、特許文献３には、互いに平行な複数の振動腕の各先端部に、振動腕より幅広の錘部を設け、且つ錘部の幅方向中央部に、表面から裏面に貫通する略四角形の孔部を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。この孔部は、音叉型圧電振動子の表裏面に形成した電極同志を接続するためのスルーホールとして用いられている。
【０００５】
また、特許文献４には、振動ジャイロ素子が開示されている。振動ジャイロ素子は、基部と、基部から直線状に両側へ延出された１対の検出用振動腕と、基部から両側へ検出用振動腕に直交する方向に延出された１対の連結腕と、各連結腕の先端部からそれと直交して両側へ延出された各１対の駆動用振動腕を備えている。更に、基部から各検出用腕に沿って延出される２対の梁と、同方向に延出された各梁が連結された１対の支持部と、を同一平面に備え、支持部を検出用振動腕の延出する方向であって検出用振動腕の外側で、且つ前記駆動用振動腕の間に配置するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５５−７５３２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８２２３０公報
【特許文献３】特開２００５−５８９６公報
【特許文献４】特開２０１０−２４３０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された、屈曲振動モード及び捩じり振動モードの周波数を夫々近接させ互いに結合させることにより、周波数温度特性を改善した音叉型圧電振動子は、小型化が難しいという問題があった。
また、特許文献２に記載の音叉型圧電振動子は、振動腕の先端部に拡大部を形成することにより小型化は可能であるが、周波数温度特性は二次特性であり、周波数安定度に問題があった。
また、特許文献３に記載の音叉型圧電振動子は、振動腕の先端部に錘部を形成することにより小型化は可能であり、励振電極同志の接続は容易になるものの、周波数温度特性は二次特性であり、周波数安定度に問題があった。
また、特許文献４の記載の振動ジャイロ素子は、温度変化により角速度の感度が変わるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、小型化と周波数温度特性の改善とを図った圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、振動ジャイロセンサー、及びこれらを用いた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］本発明に係る圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部、を備えた圧電基板と、前記錘部の両面と前記各溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面及び両側面とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた圧電振動素子であって、前記各錘部は振動中心に沿った両側に大きな質量を備えるように質量部を備え、前記質量部は前記振動中心に対する対称として構成され、前記圧電振動素子に励振される屈曲−捩じり結合振動における屈曲振動を主振動とし、前記圧電基板の厚さ及び切断角度と、前記各質量部及び溝部の幅と深さとを、周波数温度特性が温度に関して三次特性となるように夫々設定することを特徴とする圧電振動素子である。
【００１０】
前記圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）は、各振動腕の先端部に夫々錘部が形成され、この錘部には振動中心に沿っての両側に対称に、大きな質量を備えた質量部が配置されている。更に、各振動腕には振動中心に沿って表裏面に夫々溝部が形成されている。このように構成すると、音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動及び捩れ振動が互いに近接し、結合する。圧電基板の厚さ及び切断角度と、各質量部及び各溝部の形状と、を夫々適切に設定すると、屈曲・捩じり結合振動の主振動である屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に、小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１１】
［適用例２］また圧電振動素子は、前記圧電基板の切断角が、電気軸の回りに０度から−１５度の範囲に設定されることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動素子である。
【００１２】
前記圧電基板の切断角度が、電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）を構成する。このような切断角度を設定し、圧電基板の厚さ等を適切に設定すると、屈曲・捩れ結合振動の主振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数を、ほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００１３】
［適用例３］また圧電振動素子は、前記各錘部が、その先端縁中央部に前記振動中心に対して対称な切欠き部を有することにより凹形状を成していることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。
【００１４】
各錘部の先端縁中央部に振動中心に対して対称な切欠き部を設けることにより、圧電振動素子１に励振される屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動を互いに近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲・捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を三次特性とすることができるという効果がある。
【００１５】
［適用例４］また圧電振動素子は、前記切欠き部よりも前記振動腕寄りの前記錘部の面内には、前記振動中心に対して対称な貫通孔が形成されていることを特徴とする適用例３に記載の圧電振動素子である。
【００１６】
前記切欠き部を小さくし、貫通孔と合わせて質量部を振動中心に沿っての両側に対称に配置し、且つ両質量部間に橋絡部を設けることにより、錘部が強化される。同時に屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動を互いに近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲・捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を、三次特性とすることができるという効果がある。
【００１７】
［適用例５］また圧電振動素子は、前記各錘部がその面積の中央部に振動中心に対して対称な貫通孔を備えていることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。
【００１８】
前記貫通孔を中央部に配置することにより、錘部の強度が増すが、屈折振動の周波数変化が若干減ずる。しかし、貫通孔の面積を少し大きくすれば、周波数の減少を補うことができる。この場合も屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動を互いに近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲・捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を、三次特性とすることができるという効果がある。
【００１９】
［適用例６］また圧電振動素子は、前記各錘部は基部側端に振動中心に対して対称な貫通孔を備え、且つ該貫通孔は前記各振動腕の溝部に連接していることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動素子である。
【００２０】
前記錘部の基部側端に貫通孔を設けると、屈曲振動の周波数変化が若干減ずるが、振動腕の溝部を延在することにより捩じり振動の周波数が減じて、二つの振動が近接し、結合させることができる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲・捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を、三次特性とすることができるという効果がある
【００２１】
［適用例７］また圧電振動素子は、前記基部は、基部本体と、該基部本体の前記振動腕とは反対側の他端縁中間部に設けた連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる左右一対の支持腕と、を備えていることを特徴とする適用例１乃至６に記載の圧電振動素子である。
【００２２】
前記圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）の基部は、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有している。基部は、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を、連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーを低減することができ、ＣＩ値が小さくなると共に、基部の構造により衝撃が緩和されるので、耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が、得られるという効果がある。
【００２３】
［適用例８］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至７の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電振動子である。
【００２４】
前記圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）に励起される屈曲振動及び捩れ振動を互いに近接させ、屈曲・捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子を、絶縁基板に収容して、圧電振動子を構成する。この結果、小型でＱ値が高く、耐衝撃性と周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００２５】
［適用例９］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至７の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。
【００２６】
屈曲振動と捩れ振動とを互いに近接させ、屈曲・捩じり結合振動が励起される圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）と、この圧電振動素子を発振させるＩＣ部品と、これらを収容するパッケージと、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００２７】
［適用例１０］本発明に係る振動ジャイロ素子は、基部と、該基部の対向する２つの端縁から夫々同一直線上に突設された１対の検出用振動腕と、前記基部の対向する他の２つの端縁から夫々前記検出用振動腕と直交する方向に同一直線上に突設された１対の連結腕と、前記各連結腕の先部からそれと直交する両方向へ夫々突設された各１対の駆動用振動腕と、少なくとも前記１対の検出用振動腕と、前記各１対の駆動用振動腕とに夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた振動ジャイロ素子であって、前記各駆動用振動腕は、その表裏面に各振動腕の長手方向に沿って直線状に延びる溝部を備えると共に、先端部に夫々各振動腕よりも幅広の錘部を有し、前記各錘部は振動中心に沿って両側に対称な質量部を備え、前記駆動用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの屈曲振動を主振動とし、前記振動ジャイロ素子の基板の切断角度と前記各質量部及び溝部の幅と深さとを、周波数温度特性が温度に関して三次特性となるように夫々設定することを特徴とする振動ジャイロ素子である。  
【００２８】
各駆動腕用振動腕の先端部に夫々錘部を形成し、該錘部に振動腕の長手方向に沿い振動中心に対称に切欠き部を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心に沿った表面裏面に夫々溝部を形成した振動ジャイロ素子を構成する。このように構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲・捩じり結合振動の主振動である屈曲振動の周波数温度特性が、温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に、小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
【００２９】
［適用例１１］本発明に係る振動ジャイロセンサーは、適用例１０に記載の振動ジャイロ素子と、該振動ジャイロ素子を収容するパッケージとを備えたことを特徴とする振動ジャイロセンサーである。
【００３０】
振動ジャイロ素子をパッケージに収容して振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲・捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が、改善されると共に、錘部を設けることにより、小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００３１】
［適用例１２］本発明に係る電子機器は、適用例８に記載の圧電振動子、又は適用例１１に記載の振動ジャイロセンサーを備えることを特徴とする電子機器である。
【００３２】
上記の圧電振動子を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善されるという効果がある。また、前記の振動ジャイロセンサーを備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）は本発明に係る圧電振動素子の構造を示した概略平面図であり、（ｂ）は振動腕の断面図。
【図２】振動腕の先端部に連接される錘部の変形例１を示す平面図。
【図３】錘部の変形例２を示す平面図。
【図４】錘部の変形例３を示す平面図。
【図５】（ａ）は梁の先端部に切欠き部を形成する前後の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図であり、（ｂ）は梁の中央部に溝部を形成する前後の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図、（ｃ）は梁の板厚を変えた前後の屈曲振動、捩れ振動夫々の周波数変化を示す説明図。
【図６】（ａ）は音叉振動（屈曲振動）の周波数温度特性であり、（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性、（ｃ）は屈曲−捩れ結合振動の周波数温度特性を示す図。
【図７】振動腕の板厚ｈを変えた場合の屈曲振動と捩れ振動との結合示す図。
【図８】屈曲−捩れ結合振動の板厚ｈと屈曲振動及び捩れ振動夫々の一次温度係数、二次温度係数との関係を示す図。
【図９】（ａ）〜（ｅ）は錘部に形成する切欠き部、貫通孔の平面図であり、（ｆ）は切欠き部と同面積を有する溝部の平面図。
【図１０】図９（ｂ）の形状の切欠き部を有する音叉型圧電振動素子と、切欠き部と同面積の溝部を有する音叉型圧電振動素子と、に夫々励起される屈曲振動及び捩れ振動の周波数と、周波数差とを示す図。
【図１１】図９（ｃ）の形状の貫通孔を有する音叉型圧電振動素子と、貫通孔と同面積の溝部を有する音叉型圧電振動素子と、に夫々励起される屈曲振動及び捩れ振動の周波数と、周波数差とを示す図。
【図１２】図９（ｄ）の形状の切欠き部及び貫通孔を有する音叉型圧電振動素子と、切欠き部及び貫通孔と同面積の溝部を有する音叉型圧電振動素子と、夫々に励起される屈曲振動及び捩れ振動の周波数と、周波数差とを示す図。
【図１３】図９（ｅ）の形状の細貫通孔と連接する溝部とを有する音叉型圧電振動素子と、細貫通孔と連接する溝部と同面積の溝部を有する音叉型圧電振動素子と、に夫々励起される屈曲振動及び捩れ振動の周波数と、周波数差とを示す図。
【図１４】図９（ｂ）〜（ｅ）の形状の錘部を有する音叉型圧電振動素子に励起される屈曲振動及び捩れ振動の周波数と、周波数差とを示す図。
【図１５】基部本体のみを有する音叉型圧電振動素子と、支持腕を備えた基部を有する音叉型圧電振動素子と、の振動漏れをシミュレーションにより求めた図。
【図１６】屈曲−捩れ結合振動を用いた圧電振動子の断面図。
【図１７】圧電発振器の断面図。
【図１８】（ａ）は振動ジャイロセンサーの平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は動作を説明する模式図。
【図１９】本発明の圧電振動子、又は振動ジャイロセンサーを用いた電子機器の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
圧電振動素子１は、外形が所定の形状に加工された平板状の圧電基板８と、圧電基板８の表裏面及び側面に形成した薄膜の電極２５と、を備えている。
圧電基板８は、図１（ａ）の実施の形態例に示すように、互いに並行（平行）して直線状に延びる細幅帯状の複数（本例では二本）の振動腕１５ａ、１５ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの一方の端部（基端部）間を連接する基部１０と、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部（先端部）に夫々連接して一体形成され、且つ各振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広な錘部２０ａ、２０ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心Ｃに沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）と、を備えている。
各錘部２０ａ、２０ｂは、各振動中心Ｃに対して対称であり、振動中心Ｃに沿った面の両側（振動中心Ｃの両側）に大きな質量を備えた質量部２１が対称に配置されている。
【００３５】
図１（ａ）に示す実施形態例では、各錘部２０ａ、２０ｂは、その先端縁中央部に各振動中心Ｃに対して対称な切欠き部（貫通部）２２ａ、２２ｂを形成することにより凹形状を成し、且つ各切欠き部の両側に質量部２１を形成している。つまり、質量部２１が、振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に配置されている実施例である。
先端縁中央部に各振動中心Ｃに対して対称な切欠き部を形成する例では、質量部２１は振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に対称に配置される。しかし、エッチングによって各錘部２０ａ、２０ｂに各振動中心Ｃに対して対称な溝部（有底＝非貫通）を形成する方法では、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面で対称な溝部を形成することが難しい。これは圧電基板固有の異方性により結晶軸方向によりエッチング速度が異なるためである。対称性を欠く圧電振動素子１を励振させると、主振動の屈曲振動に不要モードが重畳する虞がある。切欠き部２２ａ、２２ｂのように表裏面を貫通させることにより表裏面の対称性は改善される。
【００３６】
図１（ｂ）に示した薄膜の電極２５は、錘部２０ａ、２０ｂの夫々の表裏面と、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）内を含めた各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面及び側面と、に夫々形成され、且つ基部１０に設けた複数の電極パッド（図示せず）との間を、夫々リード電極（図示せず）にて電気的に接続される励振電極３０、３２、３４、３６と、を備えている。薄膜の電極２５は、蒸着法、又はスパッタ法等を用いて真空装置の中で形成される。
【００３７】
図１（ａ）に示す基部１０は、振動漏れ低減と耐衝撃性改善のために、基部本体１２ａと、基部本体１２ａの振動腕１５ａ、１５ｂとは反対側の他端縁中間部に設けた細幅の連結部１２ｄと、連結部１２ｄを介して連接され且つ基部本体１２ａとは離間して延びる左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えている。つまり、Ｌ字状支持腕１２ｂの基端部と、逆Ｌ字状の支持腕１２ｃの基端部とが連接され、この連接部分が連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端縁中央に連結されてコ字状をなし、基部本体１２ａの他方の端縁には各振動腕１５ａ、１５ｂの基端部が連結されている基部の例である。
図１の実施の形態において、基部１０は、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えていると説明したが、基部本体１２ａのみでもよい。
また、各振動腕１５ａ、１５ｂは、基部本体１２ａの端縁より間隔を隔して互いに平行に延出し、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部には夫々振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広の錘部２０ａ、２０ｂが連設一体化されている。
【００３８】
圧電基板８として、例えば水晶基板を用いる場合には、Ｚ板（光軸（Ｚ軸）に直交して切り出された基板）を電気軸（Ｘ軸）の回りに０°から−１５°回転して切り出した基板を用いる。なお、圧電基板８の外形形状、錘部２０ａ、２０ｂの質量部２１、各振動腕１５ａ、１５ｂの溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）は、圧電基板にフォトリソグラフィ技術とエッチング手法を適用して形成する。
【００３９】
図１（ｂ）に示す断面図は、各振動腕１５ａ、１５ｂに夫々形成された励振電極３０、３２、３４、３６の配置を示す図である。励振電極３０、３４は、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）の表面、及び側面に形成され、励振電極３２、３６は各振動腕１５ａ、１５ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極３０、３６と、励振電極３２、３４とは、互いに異符号の電圧が前記電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極３０、３６に＋電圧が印加されるとき、励振電極３２、３４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線Ｃｇ（以下、重心中心線と言う）に対し対称な音叉振動（屈曲振動）が励振される。
なお、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンスー）を小さくすることができる。
【００４０】
図２は、錘部２０ａ（２０ｂ）の他の実施の形態例（一方の錘部２０ａのみ図示）を示す平面図である。図１（ａ）に示す切欠き部２２ａ（２２ｂ）よりも振動腕１５ａ（１５ｂ）寄りの錘部２０ａ（２０ｂ）の面内に、振動中心Ｃに対して対称な貫通孔２３ａ（２３ｂ）が形成されている。質量部２１は、振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に配置されている。切欠き部２２ａ（２２ｂ）と貫通孔２３ａ（２３ｂ）とを互いに離間させることにより、振動中心Ｃを挟む質量部２１間を互いに連接する橋絡部２４ａ（２４ｂ）が形成される。
なお、貫通孔２３ａ（２３ｂ）の幅は、切欠き部２２ａ（２２ｂ）の幅と同等であっても良いし、異なっていても良い。
図１（ａ）の錘部２０ａ（２０ｂ）では、圧電振動素子１が励振され、振動腕１５ａ、１５ｂが屈曲モードで振動する際に、振動中心Ｃの左右の質量部２１が不要な振動を行う虞がある。これに対し、図２の実施の形態のように橋絡部２４ａ（２４ｂ）を設けることにより、質量部２１の不要振動は抑制され、且つ衝撃等にも強い圧電振動素子１が得られる。
【００４１】
図３は、錘部２０ａ（２０ｂ）の他の実施の形態例（一方の錘部２０ａのみ図示）を示す平面図である。図３の平面図に示すように、各錘部２０ａ（２０ｂ）は、その面積の中央部に振動中心Ｃに対して対称な貫通孔２３ａ（２３ｂ）を備えている。このように、錘部２０ａ（２０ｂ）の面積の中央部に、貫通孔２３ａ（２３ｂ）を設けることにより、質量部２１は、振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に配置されている。
また、図４は、錘部２０ａ（２０ｂ）の他の実施の形態例（一方の錘部２０ａのみ図示）を示す平面図である。各錘部２０ａ（２０ｂ）は、基部側端に振動中心Ｃに対して対称な貫通孔２３ａ（２３ｂ）を備え、且つ貫通孔２３ａ（２３ｂ）は、各振動腕１５ａ（１５ｂ）の溝部１７ａ、１７ｂ（１８ａ、１８ｂ）に連接（連通）している。質量部２１は、振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に配置されている。
【００４２】
音叉型水晶振動素子１には、その重心を通り、振動腕１５ａ、１５ｂ方向の重心中心線Ｃｇに対し、互いに対称に振動する屈曲振動と、重心中心線Ｃｇに対し、互いに対称な捩れ振動とが励振される。励振電極を適切に形成することにより、何れの振動モードを主振動とするかが選択できるが、図１の実施の形態例は、音叉振動（屈曲振動）を主振動モードする例である。
本発明の圧電振動素子の一例として、水晶Ｚ板を電気軸（Ｘ軸）回りにθ（０度から−１５度の範囲）回転して切り出した基板を用いて、音叉型水晶振動素子１を形成する。各振動腕１５ａ、１５ｂには、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成すると共に、錘部２０ａ、２０ｂには振動中心Ｃに沿いそれと離間して両側に質量部を形成する。
つまり、切断角度θと、圧電基板８の厚さと、錘部２０ａ、２０ｂの切欠き部２２ａ、２２ｂ、又は貫通孔２３ａ、２３ｂと、溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂと、を適切に設定することにより、音叉型水晶振動素子１に励起される屈曲振動（音叉振動）及び捩れ振動の共振周波数ｆＦ、ｆＴを、互いに近接させることによって二つ振動モードを結合させ、主振動とする屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、小型化を図った音叉型水晶振動素子が構成される。
【００４３】
屈曲振動及び捩れ振動夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させる手段を図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
図５（ａ）〜（ｃ）は、図１（ａ）に示す圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１に励起される屈曲振動の共振周波数ｆＦと、捩じり振動の共振周波数ｆＴとが、錘部２０ａ、２０ｂの切欠き部２２ａ、２２ｂ、振動腕１５ａ、１５ｂの溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ及び振動腕１５ａ、１５ｂの厚さｈにより、どのように変化するかを定性的に説明する図である。なお、図５（ａ）、（ｂ）の横軸のＡ、Ｂは、梁（振動腕）１５の平面形状を示し、Ａは梁１５に切欠き部を形成する前、Ｂは切欠き部を形成した後を示している。図５（ｃ）は、梁１５の板厚ｈをＡに比べ厚くした場合をＢで示している。
【００４４】
図５に示すように、切欠き部を形成する前の梁１５に励振される屈曲振動及び捩じり振動の共振周波数をｆＦ、ｆＴとし、梁１５の先端部に切欠き部を形成した場合の夫々の共振周波数をｆ’Ｆ、ｆ’Ｔとする。図５（ａ）に示すように、梁（振動腕）１５の先端部に切欠き部２２ａを形成すると、屈曲振動、捩じり振動夫々の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは、共に上昇するが、捩じり振動の周波数増加幅ｄｆＴ＝（ｆ’Ｔ−ｆＴ）に対し、屈曲振動の周波数増加幅ｄｆＦ＝（ｆ’Ｆ−ｆＦ）の方が大きい。切欠き部を設けることにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能となる。
【００４５】
一方、図５（ｂ）に示すように、梁（振動腕）１５の中央部に溝部１７ａ（１７ｂ）を形成すると、捩じり振動、屈曲振動の共振周波数ｆ’Ｔ、ｆ’Ｆは共に低下する。捩じり振動の周波数減少幅ｄｆＴ＝（ｆＴ−ｆ’Ｔ）は、屈曲振動の周波数減少幅ｄｆＦ＝（ｆＦ−ｆ’Ｆ）に比べて、大きくなる。つまり、溝部１７ａ（１７ｂ）を設けることにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能となる。
また、図５（ｃ）に示すように、梁１５の板厚ｈを厚くすると、屈曲振動の周波数ｆ’Ｆは、元の周波数ｆＦより僅かに減少するが、捩じり振動の共振周波数ｆ’Ｔは、元の周波数ｆＴより増加する。梁１５の板厚ｈを変えることにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能となる。
以上、説明したように、梁（振動腕）１５に形成する切欠き部２２ａの幅及び長さ、溝部１７ａ（１７ｂ）の幅及び深さ、梁（振動腕）１５の厚さ、を適切に設定することにより、屈曲振動、捩じり振動の夫々の共振周波数を近接させることが可能である。
【００４６】
図５（ａ）〜（ｃ）では、各要素に対し屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数の変化を定性的に説明した。そこで、図１に示した形状の錘部２０ａ、２０を有する音叉型水晶振動素子１に、有限要素法を適用して励振される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）と、のシミュレーションを行ったところ、図５と同様な結果が得られた。屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数を互いに近接させ得ることが、シミュレーションでも確認できた。
つまり、錘部２０ａ、２０ｂの先端部に切欠き部２２ａ（２２ｂ）を、振動腕１５ａ、１５ｂに溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂを形成して、周波数差Δｆ＝（ｆＴ−ｆＦ）を小さくすることにより、例えばΔｆ／（（ｆＴ＋ｆＦ）／２）の値を１０％以下にすると、屈曲振動と捩じり振動の結合が密になり、主振動とする屈曲振動の周波数温度特性が改善される。
【００４７】
図６は、音叉型水晶振動素子１で励振される屈曲振動と捩じり振動とを互いに結合させることにより、主振動の屈曲振動の周波数温度特性が改善される様子を、図を用いて定性的に表わしたものである。一般的に水晶振動子の周波数温度特性Δｆ／ｆ（＝（ｆ−ｆ０）／ｆ、ｆ０は所定の温度における周波数）は、式（１）のように温度Ｔの多項式で表わすことができる。
Δｆ／ｆ＝α（Ｔ−Ｔ０）＋β（Ｔ−Ｔ０）２＋γ（Ｔ−Ｔ０）３＋・・  （１）
図６（ａ）は主振動である屈曲振動の周波数温度特性で、温度Ｔに関し、二次曲線を呈している。図６（ｂ）は捩れ振動の周波数温度特性で、周波数Δｆ／ｆは温度Ｔに関し、一次式で近似される。図６（ｃ）は、屈曲振動と捩れ振動を結合させた場合の主振動である屈曲振動の周波数温度特性を示す図である。主振動の屈曲振動に捩れ振動を結合させることにより、屈曲振動の周波数温度特性を表わす多項式Δｆ／ｆの一次温度係数αと、二次温度係数βをほぼ零とすることが可能となり、主振動の屈曲振動の周波数温度特性は三次温度係数γで近似でき、図６（ｃ）に示すよう三次曲線を呈する。
【００４８】
図７は、音叉型水晶振動子１の振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを変化させた場合、屈曲振動と捩れ振動との結合の度合いをシミュレーションで求め、図示したものである。屈曲振動の共振周波数ｆＦは、厚さｈに関しほぼ平坦で、ｈの増加につれて僅かに減少する。一方、捩れ振動の共振周波数ｆＴは、厚さｈの増加に応じ、ほぼ比例するように増加する。図７の例では、８６μｍより少し薄い板厚ｈで結合が大きくなることが分かる。
【００４９】
図８は、錘部２０ａ（２０ｂ）の振動中心Ｃ沿って、溝部（有底）を形成した音叉型水晶振動子１に励振される屈曲振動の一次温度係数α、二次温度系数βと、捩れ振動の一次温度係数α’、二次温度係数β’と、をシミュレーションにより求め、それを図示したものである。屈曲振動の一次温度係数α、二次温度係数βを夫々菱形◆、四角■で示し、捩れ振動の二次温度係数β’を白抜き四角□で示している。捩れ振動の一次温度係数α’は、数値が大きすぎグラフの枠外となるため、図示していない。つまり、捩れ振動では一次温度係数α’が支配的である。
錘部２０ａ（２０ｂ）の振動中心Ｃ沿って、切欠き部２２ａ（２２ｂ）を形成した音叉型水晶振動子１についても、図８と同様な曲線が得られる。
【００５０】
図８は、振動腕１５ａ、１５ｂの板厚ｈを８２μｍから８６μｍの範囲で変化させた場合の屈曲振動、捩れ振動の夫々の一次温度係数、二次温度係数α、β、α’、β’を板厚ｈに対し示した図である。図８の例では、屈曲振動の一次温度係数α、二次温度係数βとも板厚ｈ＝８４．５μｍ近辺でほぼ零になることが判明した。また捩れ振動の二次温度係数β’も板厚ｈ＝８４．５μｍ近傍でほぼ零になることが分かる。
つまり、図８の音叉型水晶振動素子１の例では、板厚ｈを８４．５μｍに設定することにより、主振動である屈曲振動の周波数温度特性の一次温度係数α、二次温度係数βを共に零とすることができる。そのため屈曲振動の周波数温度特性は３次曲線を呈し、周波数温度特性が大幅に改善されると共に、錘部２０ａ、２０ｂの設けることにより振動腕が短縮され、小型の音叉型水晶振動素子１が得られる。
また、錘部２０ａ、２０ｂの表裏面に形成した電極、溝部１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂの電極、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した電極等にレーザー光線を照射し、音叉型圧電振動子に励振される屈曲振動と捩れ振動との結合度を微調整することが可能である。
【００５１】
図９は、既に説明した音叉型水晶振動素子１の錘部２０ａの各種の形状を示した図である。図９（ａ）は何も加工を施さない四角形状の錘部２０ａ、（ｂ）は先端縁に切欠き部２２ａを形成した錘部２０ａ、（ｃ）は（ａ）の錘部に貫通孔２３ａを形成した錘部２０ａ、（ｄ）は先端縁の切欠き部２２ａと貫通孔２３ａを形成した錘部２０ａ、（ｅ）は細貫通孔２３ａとこれと連接する溝部１７ａとを形成した錘部２０ａ、の平面図である。図９（ｂ）〜（ｅ）では、図９（ｂ）の切欠き部２２ａの面積と、図（ｃ）以下の貫通孔２３ａ、又は切欠き２２ａと貫通孔２３ａとを加算した面積は、全て同一としてある。また、図９（ｆ）は、振動中心Ｃに沿って溝部１９（有底）を形成した錘部２０ａの平面図であり、この溝部１９の面積も、図９（ｂ）の切欠き部２２ａの面積と同一とする。図９（ｃ）〜（ｅ）の貫通孔２３ａ、又は切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａに対応して形成した同面積の溝部１９を有する錘部２０ａについては、その図面を省略する。
【００５２】
溝部１９を有する錘部２０ａについては、図９（ｆ）のみ示したが、これは音叉型水晶振動素子１に励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数の近接する度合いをシミュレーションにより求める際に、切欠き部２２ａを有する錘部２０ａと比較するために必要な図である。
図９（ａ）の錘部２０ａを有する音叉型水晶振動素子１に励振される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の周波数を基準とし、図９（ｂ）〜（ｅ）の錘部２０ａを有する音叉型水晶振動素子１と、図９（ｂ）〜（ｅ）に夫々対応する溝部１９を有する音叉型水晶振動素子１とについて、屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴ、及び周波数差Δｆ（＝（ｆＴ−ｆＦ））について夫々シミュレーションを行った。
図９（ｂ）〜（ｅ）に示す切欠き部２２ａ、切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａを有する音叉型水晶振動素子１と、図９（ｂ）〜（ｅ）に対応して同面積の溝部１９を有する音叉型水晶振動素子１と、について屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆがどのように変化するかをシミュレーションで求めた。
【００５３】
図１０は、図９（ｂ）の形状の切欠き部２２ａを有する音叉型水晶振動素子１と、図９（ｂ）の切欠き部２２ａの面積と同面積の溝部１９を有する図９（ｆ）の音叉型水晶振動素子１と、に夫々励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆを夫々示した図である。切欠き部２２ａを形成した音叉型水晶振動素子１の方が、屈曲振動と捩れ振動との周波数差Δｆが小さく、屈曲振動と捩れ振動とが近接することを示している。
図１１は、図９（ｃ）の形状の貫通孔２３ａを有する音叉型水晶振動素子１と、この貫通孔２３ａの面積と同面積の溝部１９を有する音叉型水晶振動素子１と、に夫々励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆとを夫々示した図である。貫通孔２３ａを形成した音叉型水晶振動素子１の方が、屈曲振動と捩れ振動との周波数差Δｆが小さく、屈曲振動と捩れ振動とが近接することを示している。
【００５４】
図１２は、図９（ｄ）の形状の切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａを有する音叉型水晶振動素子１と、この切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａの面積と同面積の溝部１９を有する音叉型水晶振動素子１と、に夫々励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆとを夫々示した図である。切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａを形成した音叉型水晶振動素子１の方が、屈曲振動と捩れ振動との周波数差Δｆが小さく、屈曲振動と捩れ振動とが近接することを示している。
図１３は、図９（ｅ）の形状の細貫通孔２３ａとこれに連接する溝部１７ａを有する音叉型水晶振動素子１と、この細貫通孔２３ａの面積と溝部１７ａの面積とを加算した面積と同面積の溝部１９を有する音叉型水晶振動素子１と、に夫々励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆとを夫々示した図である。切欠き部２２ａ及び貫通孔２３ａを形成した音叉型水晶振動素子１の方が屈曲振動と捩れ振動との周波数差Δｆが小さく、屈曲振動と捩れ振動とが近接することを示している。
【００５５】
図１４は、以上の結果を纏めたもので、図９（ｂ）〜（ｅ）の形状を有する音叉型水晶振動素子１に励振される屈曲振動及び捩れ振動の周波数ｆＦ、ｆＴと、周波数差Δｆとを夫々左右の縦軸にとり、横軸の符号（ｂ）〜（ｅ）に対応して示した図である。周波数差Δｆが小さくなるのは、図９（ｂ）の形状、即ち錘部２０ａに振動中心Ｃに対して対称な切欠き部２２ａを形成した場合である。
図１５は、基部本体１２ａのみを有する音叉型圧電振動素子１の振動漏れと、基部本体１２ａ、連結部１２ｄ、支持腕１２ｂ、１２ｃを備えた基部１０を有する音叉型圧電振動素子の振動漏れと、をシミュレーションにより求めて比較した図である。支持腕１２ｂ、１２ｃを備えた基部１０を有する音叉型圧電振動素子１の方が、振動漏れが少ないことが明らかとなった。
【００５６】
図１の実施の形態に示すように、本発明の圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１は、各振動腕の先端部に夫々錘部が形成され、この錘部には振動中心に沿っての両側に対称に大きな質量を備えた質量部が配置されている。その上に、各振動腕には振動中心に沿って表裏面に夫々溝部が形成されている。このように構成すると、音叉型圧電振動素子１に励起される屈曲振動及び捩れ振動が互いに近接し、結合する。圧電基板の厚さ及び切断角度と各質量部及び各溝部の形状とを夫々適切に設定すると、屈曲−捩じり結合振動の主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型化された圧電振動素子が得られるという効果がある。
また、図１（ａ）の実施の形態に示す圧電基板８の切断角度が、電気軸（Ｘ軸）に回りに０度から−１５度に範囲で回転された圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１を構成する。このように切断角度を設定し、圧電基板の厚さ等を適切に設定すると、屈曲-捩れ結合振動の周波数温度特性を表わす多項式の一次係数及び二次係数をほぼ零とすることが可能となり、優れた温度特性の圧電振動素子が得られるという効果がある。
図１の実施の形態に示すように、各錘部２０ａ、２０ｂの先端縁中央部に振動中心Ｃに対して対称な切欠き部２２ａ、２２ｂを設けることにより、圧電振動素子１に励振される屈曲振動（音叉振動）と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を三次特性とすることができるという効果がある。
【００５７】
また、図２の実施の形態に示すように、切欠き部２２ａを小さくし、貫通孔２３ａと合わせて、質量部２１を振動中心Ｃに沿っての両側に対称に配置し、且つ両質量部２１間に橋絡部２４ａを設けることにより、錘部２０ａ、２０ｂが強化される。同時に屈曲振動（音叉振動）と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を三次特性とすることができるという効果がある。
【００５８】
図３の実施の形態に示すように、貫通孔２３ａ（２３ｂ）を中央部に配置することにより錘部２０ａ、２０ｂの強度が増すが、屈折振動の周波数変化が若干減ずる。しかし、貫通孔２３ａ（２３ｂ）の面積を少し大きくすれば周波数の減少を補うことができる。この場合も屈曲振動（音叉振動）と捩れ振動とを近接させ、結合させることが可能となる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を三次特性とすることができるという効果がある。
また、図４の実施の形態に示すように、錘部２０ａ、２０ｂの基部側端に貫通孔２３ａ（２３ｂ）を設けると、屈曲振動の周波数変化が若干減ずるが、振動腕の溝部を延在することにより捩じり振動の周波数が減じて、二つの振動が互いに近接し、結合させることができる。各パラメータを適切に設定することにより、屈曲−捩じり結合振動の屈曲振動の周波数温度特性を三次特性とすることができるという効果がある。
【００５９】
また、図１（ａ）に示すように、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１の基部１０が、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕１２ｂ、１２ｃと、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を、連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端部中央に連接して構成されている。このため、振動腕１５ａ、１５ｂより各支持腕１２ｂ、１２ｃに漏洩する振動エネルギーを低減することができ、ＣＩ値が小さくなると共に、基部の構造により衝撃が緩和されるので耐衝撃性が改善される。この結果、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動素子が得られるという効果がある。
【００６０】
図１６は、本発明に係る第２の実施の形態の圧電振動子２の構成を示す断面図である。圧電振動子２は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、ガラス等からなる窓部材５４を有する蓋部材５２とから成る。
パッケージ本体４０は、図１６に示すように、絶縁基板として第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３とを積層して形成されており、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形し箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数形成されている。
第３の基板４３は中央部が除去されており、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、圧電振動素子１を収容する凹部が形成されている。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。
素子搭載パッド４７の位置は、圧電振動素子１を載置した際に支持腕１２ｂ、１２ｃに形成したパッド電極（図示せず）に対応するように配置されている。
【００６１】
圧電振動子２の構成は、パッケージ本体４０の素子搭載パッド４７に導電性接着剤５０、例えばシリコン系接着剤、エポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤等の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１を載置して荷重をかける。
パッケージ本体４０に搭載された圧電振動子１の導電性接着剤５０を硬化させるために所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。アニール処理を施した後、上方からレーザー光を照射して各錘部２０ａ、２０ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂに形成された周波数調整用金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部５４を備えて蓋部材５２を、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４に、シーム溶接する。
【００６２】
パッケージの貫通孔４８を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージの上下を逆にして、貫通孔４８内の段差部上に金属球の充填材４８ａを載置する。充填材４８ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材４８ａにレーザー光を照射して溶融させ、貫通孔４８を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。パッケージの外部から窓部材５４を介してレーザー光をパッケージ内に照射し、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数微調整を行い、圧電振動子２を完成する。
以上の圧電振動子２の実施の形態例では、パッケージ本体４０に積層板を用いた例を説明したが、パッケージ本体４０に単層セラミック板を用い、蓋体に絞り加工を施したキャップを用いた圧電振動子も開発されている。
【００６３】
図１６の構成の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形について説明する。圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、素子搭載パッド４７を支点として、変形し易い支持腕支持部１２ｂ、１２ｃがパッケージ本体４０の底面に向かって変形する。次に、この変形が基部１０の外側端縁１２ｅで反射し、変形が基部本体１２ａの中央部に伝搬し、基部本体１２ａを含めた全体がパッケージ本体４０の底面側に沈み込む。その結果、振動腕１５ａ、１５ｂは、その先端側がパッケージ底面に向かって変形する。つまり、基部１０の構造が、基部本体１２ａに連結部１２ｄを介して支持腕１２ｂ、１２ｃに連接されていることにより、加えられた衝撃を基部１０の構造で緩和するように構成されている。
図１６の実施形態の断面図に示すように、音叉型圧電振動素子１に励起される屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１を絶縁基板４０に収容して圧電振動子２を構成することにより、小型でＱ値が高く、周波数温度特性の優れた圧電振動子が得られるという効果がある。
【００６４】
図１７は、本発明に係る第３の実施の形態の圧電発振器３の構成を示す断面図である。圧電発振器３は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品７８と、圧電振動素子１を真空封止すると共にＩＣ部品７８を収容するパッケージ本体６０、及び窓部材７５ａ有する蓋部材７５と、を備えている。圧電振動素子１にレーザー光を照射しての粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔６８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品７８はパッケージ本体６０のＩＣ部品搭載パッド６９に、金属バンプ７６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図１７に示した圧電発振器３では、ＩＣ部品７８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品７８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
図１７の実施形態の断面図に示すように、屈曲振動と捩れ振動を互いに近接させ、屈曲−捩じり結合振動が励起される音叉型圧電振動素子１と、この音叉型圧電振動素子１を発振させるＩＣ部品７８と、これらを収容するパッケージ６０と、を備えた圧電発振器を構成することにより、小型で周波数温度特性の優れた圧電発振器が得られるという効果がある。
【００６５】
図１８は、本発明に係る第４の実施の形態の振動ジャイロセンサー４の構成を示す図であり、蓋体を取り除いて示している。図１８（ａ）は、振動ジャイロセンサー４の平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。
振動ジャイロセンサー４は、振動ジャイロ素子８０と、振動ジャイロ素子８０を収容するパッケージと、を概略備えている。パッケージは、絶縁基板（パッケージ本体）７９と、絶縁基板７９を気密封止する蓋体と、を備えている。
振動ジャイロ素子８０は、中央に位置する概略四角形の基部８１と、基部８１の対向する２つの端縁中央部から夫々同一直線上に突設された１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、を備えている。更に、振動ジャイロ素子８０は、基部４１の対向する他の２つの端縁から夫々検出用振動腕８５ａ、８５ｂと直交する方向に同一直線上に突設された１対の第１の連結腕８２ａ、８２ｂと、各第１の連結腕８２ａ、８２ｂの先端部からそれと直交する両方向へ夫々突設された各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、を備えている。
【００６６】
更に、振動ジャイロ素子８０は、基部８１の四つの角隅部からは、夫々Ｌ字状に各１対の支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂが延びている。即ち、支持腕８６ａ、８６ｂは、第１の連結腕８２ａを間に挟んだ対称位置に設けられ、支持腕８７ａ、８７ｂは、第１の連結腕８２ｂを間に挟んだ対称位置に設けられている。
励振電極は、少なくとも１対の検出用振動腕８５ａ、８５ｂと、各１対の駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ及び８４ａ、８４ｂと、に夫々形成されている。支持腕８６ａ、８６ｂ及び８７ａ、８７ｂには、複数の電極パッド（図示せず）が形成され、この電極パッドと励振電極との間は、夫々電気的に接続されている。
【００６７】
図１８（ｃ）は振動ジャイロ素子の動作を説明する模式平面図である。振動ジャイロセンサー４は角速度が加わらない状態では、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂが矢印Ｅで示す方向に屈曲振動を行う。このとき、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂと、駆動用振動腕８４ａ、８４ｂとが、重心Ｇを通るＹ’軸方向の直線に関して線対称の振動を行っているため、基部８１、連結腕８２ａ、８２ｂ、検出用振動腕８５ａ、８５ｂはほとんど振動しない。
振動ジャイロセンサー４にＺ’軸回りの角速度ωが加わると、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ及び第１の連結腕８２ａ、８２ｂにコリオリ力が働き、新たな振動が励起される。この振動は重心Ｇに対して周方向の振動である。同時に、検出用振動腕８５ａ、８５ｂは、この振動に応じて検出振動が励起される。この振動により発生した歪を検出用振動腕８５ａ、８５ｂに形成した検出電極が検出して角速度が求められる。
【００６８】
本発明の振動ジャイロセンサー４の特徴は、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの先端部に錘部２６が設けられ、各錘部２６の振動腕の長さ方向に沿って振動中心に線対称に切欠き部２７が形成されている。さらに、駆動用振動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂには、振動腕の長さ方向に沿って振動中心に線対称に溝部２８が形成されている。振動ジャイロ素子８０の圧電振動基板の切断角度θと、錘部２６の切欠き部２７と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの溝部２８と、駆動腕８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂの板厚を適切に選定することにより、振動ジャイロ素子８０に励起される屈曲振動及び捩れ振動の夫々の共振周波数ｆＦ、ｆＴを互いに近接させることができる。二つ振動モードを結合させ、主振動の屈曲振動の周波数温度特性を改善すると共に、錘部２６を設けることにより駆動用振動腕、検出用親王腕を短縮することにより、小型の振動ジャイロセンサー４を構成することができる。
【００６９】
図１８（ａ）の実施形態に示すように、各駆動腕用振動腕８３ａ〜８４ｂの先端部に夫々錘部２６を形成し、該錘部２６に振動腕の長手方向に沿い振動中心に線対称に切欠き部２７を形成すると共に、各駆動腕用振動腕の振動中心に沿った表面裏面に夫々溝部２８を形成した振動ジャイロ素子８０を構成する。このような振動ジャイロ素子８０を構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動のうちの主振動である屈曲振動の周波数温度特性が温度に関し三次特性となり、優れた温度特性を有すると共に小型の振動ジャイロ素子が得られるという効果がある。
また、図１８（ａ）に示すように、振動ジャイロ素子をパッケージに収容して振動ジャイロセンサーを構成すると、各駆動腕用振動腕に励振される屈曲−捩じり結合振動の主振動の周波数温度特性が改善されると共に、錘部を設けることにより小型化された振動ジャイロセンサーが得られるという効果とがある。
【００７０】
図１９は本発明に係る電子機器の構成を示す概略構成図である。電子機器５には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２、又は第４の実施形態で説明した振動ジャイロセンサーを備えている。圧電振動子２を用いた電子機器５として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器５において圧電振動子５は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。
図１９の実施の形態に示すように、図１６の圧電振動子２を備えた電子機器を構成することにより、電子機器の周波数源の安定が改善されるという効果がある。また、図１８（ａ）の振動ジャイロセンサー４を備えた電子機器を構成することにより、温度による角速度の感度変化を低減できるという効果がある。
【符号の説明】
【００７１】
１…圧電振動素子、２…圧電振動子、３…圧電発振器、４…振動ジャイロセンサー、５…電子機器、８…圧電基板、１０…基部、１２ａ…基部本体、１２ｂ、１２ｃ…支持腕、１２ｄ…連結部、１２ｅ…外側端縁、１５…梁、１５ａ、１５ｂ…振動腕、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ、１９、２８…溝部、２０ａ、２０ｂ、２６…錘部、２１…質量部、２２ａ、２２ｂ…切欠き部、２３ａ、２３ｂ…貫通孔、２４ａ、２４ｂ…橋絡部、２５…電極、３０、３２、３４、３６…励振電極、４０、６０、７９…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…金属シールリング、４５…実装端子、４６…導体、４７…素子搭載パッド、４８、６８…貫通孔、４８ａ…充填材、５０…導電性接着剤、５２、７５…蓋部材、５４、７５ａ…窓部材、部品搭載パッド…６９、７８…ＩＣ部品、８０…振動ジャイロ素子、８１…基部、８２ａ、８２ｂ…第１の連結腕、８３ａ、８３ｂ、８４ａ、８４ｂ…駆動用振動腕、８５ａ、８５ｂ…検出用振動腕、８６ａ、８６ｂ、８７ａ、８７ｂ…支持腕、Ｃ…振動中心、Ｃｇ…重心中心線、Ｇ…重心
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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