JP4301201B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片と、パッケージやケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの改良に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器や圧電ジャイロセンサー等において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図１２は、圧電デバイスに従来より用いられている圧電振動片の一例を示す概略平面図であり、図１３は図１２のＡ−Ａ線切断端面図である。
図において、圧電振動片１は、水晶などの圧電材料をエッチングすることにより、図示のような音叉型圧電振動片としての外形を形成するもので、パッケージ（図示せず）等に取付けられる矩形の基部２と、基部２から図において右方に延長された一対の振動腕３，４を備えており、これら振動腕の主面（表裏面）に長溝３ａ，４ａを形成するとともに、必要な駆動用の電極を形成したものである（特許文献１参照）。
このような圧電振動片１においては、駆動用の電極を介して駆動電圧が印加されると、各振動腕３，４の先端部を近接・離間するようにして、屈曲振動することにより、所定の周波数の信号が取り出されるようになっている。

ところで、このような圧電振動片１は、これを利用した圧電デバイスが取付けられる上記した種々の製品の小型化にともない、小型に形成することがもとめられている。このため、圧電振動片１もできる限り小型に形成しなければならず、特にその全長ＡＬ１を小さくすることがもとめられる。そして、製品の小型化は不断に進展していることから、圧電振動片１においては、より小型に形成していくことができる構造がもとめられている。
ここで、図示のような音叉型圧電振動片である圧電振動片１の周波数ｆは、振動腕３，４の長さをｌ、腕幅をＷとした場合、Ｗ／（ｌ×ｌ）に比例する。
このことは、一方向に長い圧電振動片１を小型化しようとして、図１２における全長ＡＬ１の大きさを小さくしようとする場合、振動腕の長さｌを短くすると、周波数が高くなることを意味する。また、振動腕の幅Ｗが小さくなると、周波数は下がる。このことから、従来の周波数を維持して、小型化を図るためには、振動腕の長さをある程度短くしつつ腕幅ｗを小さくしなければならない。

特開２００２−２６１５７５

ところで、圧電振動片１を小型化する上では、これまでの周波数である例えば３２ｋＨｚ（３２．７６８ｋＨｚ）を維持するために、振動腕３，４の長さｌを短くし、腕幅Ｗを小さくすることがもとめられるが、小型の圧電振動片１を加工する上では、その特性を維持しながら、特に腕幅ｗを小さく加工しようとすると、以下のような困難がある。

具体的には、振動腕３，４には、図１３に示すような長溝３ａ，４ａを加工する必要がある。図１３のｔの寸法は、例えば水晶ウエハなどの加工材料の条件に拘束されるため変えにくいため、これまでのものが例えば１００μｍである場合においては、小型化する場合にも１００μｍである。
これに対して、腕幅Ｗは、これまでのものが１００μｍであったものを、小型化により５０μｍ程度とする場合を考える。腕幅１００μｍの際に、溝幅Ｃ１が７０μｍ程度、側壁厚みＳ１，Ｓ１がそれぞれ１５μｍ程度づつあったものが、腕幅Ｗを５０μｍ程度とすると、溝幅Ｃ１が４０μｍ程度、側壁厚みＳ１，Ｓ１はそれぞれ５μｍ程度づつとしなければならない。

このような圧電振動片を作った場合には、振動腕３，４の剛性は大きく低下し、駆動電圧の印加による上述の屈曲振動の際には、図１３におけるＺ方向の振幅が加わり、振動腕３，４のＸ方向に沿った屈曲振動が、矢印ＳＦ，ＳＦで誇張して示すような屈曲振動になってしまう。
図１４は、従来構造のまま圧電振動片を小型化した場合のドライブ特性を示すグラフであり、図の横軸に沿って、駆動電圧のレベルを徐々に増大させると、縦軸の周波数変化がマイナス方向に生じる。このことは、図１３のＺ方向振動の成分が多くなって、エネルギーロスの多い振動となってしまうことを示しており、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増大の原因となる。

また、ＣＩ値を抑制するための効果的な対策としては、図１２で説明した長溝３ａ，４ａを長くして、駆動用の電極を形成する面積を増やす方法がある。しかしながら、圧電振動片には、複数の振動モードがあり、通常使用される基本波は、例えば３２．７６８ｋＨｚで、これに対して、圧電振動片１の２次の高調波は、２５０ｋＨｚ付近にある。長溝３ａ，４ａを長くして、基本波のＣＩ値を低くできる。しかし、２次の高調波のＣＩ値も低くなることで、従来構造のままでは、図１５に示すように、多くの製品で、高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値であるＣＩ値比が１よりも小さくなり、基本波ではなく、２次の高調波で発振しやすくなるという不都合がある。

本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、音叉型振動片を小型化する上で、振動腕の不要な方向への動きを抑制することで、ＣＩ値を抑え、かつ振動特性を悪化させることがない圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記目的は、圧電材料により形成された基部と、 前記基部と一体に形成され、前記基部の一端から延びる複数の振動腕と、前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、前記各振動腕は、該振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から先端側に向かって縮幅する縮幅部を備え、前記各縮幅部の先端に、前記振動腕の幅寸法が一定または増加に転じる幅変化の変更点Ｐがあり、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端部よりもさらに振動腕の先端側に位置し、 前記各縮幅部は、第１の縮幅部と、前記第１の縮幅部の終端からさらに腕先端側に向かって縮幅する第２の縮幅部と、を備え、前記第１の縮幅部は前記第２の縮幅部より急激に縮幅する圧電振動片と、前記圧電振動片の第１の端子が入力に接続され、前記圧電振動片の第２の端子が出力に接続されるＣＭＯＳインバータを用いた増幅器と、を有することを特徴とする圧電発振器により達成される。

また、前記基部には、その圧電材料を幅方向に縮幅して形成した切り込み部を有しており、該切り込み部が、前記各振動腕の付け根から前記腕幅の寸法の１．２倍以上の距離を離して前記基部に形成されていても良い。

また、前記各振動腕の側面に、プラスＸ軸（機械軸）方向に突出する異形部が５μｍ以内となるように形成されていても良い。

また、前記振動腕の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、前記振動腕の腕長さに対する前記長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定され、前記Ｎを６１．５パーセントとした場合に、前記Ｍを１．０６以上としても良い。

また、前記第１の縮幅部の幅が１１μｍ以上であっても良い。

図１ないし図４は、本発明の圧電デバイスの実施形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図、図３は図１の圧電デバイスに使用されている圧電振動片の実施形態を示す概略平面図、図４は図３のＣ−Ｃ線切断端面図である。
パッケージ５７は、図１および図２に示すように、例えば、矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ５７は、第１の基板５４と、第２の基板５５と、第３の基板５６とを積層して形成されており、例えば、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て図示の形状とした後で、焼結して形成されている。
パッケージ５７の底部には、製造工程において、脱ガスするための貫通孔２７を有している。貫通孔２７は、第１の基板５４に形成された第１の孔２５と、第２の基板５５に形成され、上記第１の孔２５よりも小さな外径を有し、第１の孔２５と連通した第２の孔２６で形成されている。
そして、貫通孔２７には、封止材２８が充填されることにより、パッケージ５７内が気密状態となるように孔封止されている。

パッケージ５７は、図２に示すように、第２の基板５６の内側の材料を除去することで、内部空間Ｓのスペースを形成している。この内部空間Ｓが圧電振動片３２を収容するための収容空間である。そして、第２の基板５５に形成した電極部３１，３１の上に、導電性接着剤４３，４３を用いて、圧電振動片３２の基部に設けた引出し電極３７ａ，３８ａの箇所を載置して接合している。なお、電極部３１，３１はパッケージ裏面の実装端子４１，４２と導電スルーホールなどで接続されている。パッケージ５７は、真空チャンバーなどを用いて、真空状態で圧電振動片３２を収容した後で、透明なガラス製の蓋体４０が封止材３８を用いて接合されることにより、真空状態で気密に封止されている。これにより、蓋体４０を封止した後で、外部からレーザ光ＬＢを照射して圧電振動片３２の電極などをトリミングして、周波数調整できるようになっている。
なお、蓋体４０は、コバールなどの金属板を用いることもでき、この場合には、外部からレーザ光ＬＢを照射して圧電振動片３２の周波数調整を行うことはできない。

圧電振動片３２は、例えば水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。この圧電振動片３２は、図３に示すように、パッケージ５７側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３５，３６を備えている。
各振動腕３５，３６の主面の表裏には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる長溝３３，３４をそれぞれ形成し、図３および図４に示すように、この長溝内に駆動用の電極である励振電極３７，３８が設けられている。このような圧電振動片３２の音叉状の外形と、各振動腕に設ける長溝は、それぞれ例えば水晶ウエハなどの材料をフッ酸溶液などでウエットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に形成することができる。

励振電極３７，３８は、長溝３３，３４内と、各振動腕の側面とに形成され、各振動腕について長溝内の電極と、側面に設けた電極が対となるようにされている。そして、各励振電極３７，３８は、図１で説明した引出し電極３７ａ，３８ａにそれぞれ引き回されている。これにより、圧電デバイス３０を実装基板などに実装した場合に、外部からの駆動電圧が、各実装端子４１，４２から、電極部３１，３１を介して圧電振動片３２の各引出し電極３７ａ，３８ａに伝えられ、各励振電極３７，３８に伝えられるようになっている。
そして、長溝３３，３４内の励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕の長溝が形成された領域の内部の電界効率を高めることができるようになっている。

すなわち、図４に示すように、各励振電極３７，３８はクロス配線により、交流電源に接続されており、電源から駆動電圧としての交番電圧が、各振動腕３５，３６に印加されるようになっている。
これにより、振動腕３５，３６は互いに逆相振動となるように励振され、基本モード、すなわち、基本波において、各振動腕３５，３６の先端側を互いに接近・離間させるように屈曲振動されるようになっている。
ここで、例えば、圧電振動片３２の基本波は、Ｑ値：１２０００、容量比（Ｃ０／Ｃ１）：２６０、ＣＩ値：５７ｋΩ、周波数：３２．７６８ｋＨｚ（「キロヘルツ」、以下同じ）である。
また、２次の高調波は、例えば、Ｑ値：２８０００、容量比（Ｃ０／Ｃ１）：５１００、ＣＩ値：７７ｋΩ、周波数：２０７ｋＨｚである。

また、好ましくは、基部５１には、図１２の振動片と同様に、基部５１の両側縁に、基板５１の幅方向の寸法に関して部分的に縮幅して形成した凹部もしくは切り込み部７１，７１を設けている。この切り込み部の位置については、後述する。基部５１に切り込み部７１，７１を形成することにより、各振動腕３５，３６の屈曲振動による振動の基部５１側への漏れ込みを大きく低減することができ、ＣＩ値の抑制効果を得ることができる。

さらに、圧電振動片３２においては、各振動腕３５，３６が図３に示すような形状となるように形成されている。各振動腕は同じ形状であるから、振動腕３６について説明すると、基部５１から延びる基端部Ｔでは、振動腕幅が最も広い。そして、振動腕３６の付け根であるこのＴの位置から振動腕３６の先端側に僅かな距離だけ離れたＵの箇所の間において、急激に縮幅する第１の縮幅部ＴＬが形成されている。そして第１の縮幅部ＴＬの終端であるＵの位置から、振動腕３６のさらに先端側に向かってＰの位置まで、すなわち、振動腕に関して、ＣＬの距離にわたって、徐々に連続的に縮幅する第２の縮幅部が形成されている。なお、図３のＰの位置から、さらに振動腕の先端側にかけては、図示のように徐々に拡幅させてもよいし、殆ど腕幅を変更しなくてもよい。そして、Ｐの位置よりも先端側の腕幅を変更しない場合に、後述する電極形成工程で、その領域の電極膜（金属被覆）を厚くするなどして、重量増加させてもよい。

このため、振動腕３６は基部に近い付け根付近が、第１の縮幅部ＴＬを設けることにより、高い剛性を備えるようにされている。また、第１の縮幅部の終端Ｕから先端に向かうにつれて、第２の縮幅部を形成したことにより、連続的に剛性が低くなるようにされている。Ｐの箇所は腕幅の変更点Ｐであり、振動腕３６の形態上くびれた位置であるから、くびれ位置Ｐと表現することもできる。振動腕３６においては、このくびれ位置Ｐよりもさらに先端側は、腕幅が同じ寸法で延長されるか、あるいは図示のように徐々に拡大している。
ここで、図３の長溝３３，３４が長い程、振動腕３５，３６を形成する材料について電界効率が向上し、振動腕の全長Ｌに対して、長溝３３，３４の基部５１からの長さＰＬが、少なくともＰＬ／Ｌ＝０．７程度までは、長くするほど音叉型振動片のＣＩ値は下がることがわかっている。この実施形態では、図３において、振動腕３６の全長Ｌは、例えば１２５０μｍ程度である。

以上の構造を前提として、この実施形態では、図３において、振動腕３６の全長Ｌを、例えば１２５０μｍ程度として、次の関係が成立する。
図５は横軸に、腕幅の変更点Ｐであるくびれ位置Ｐをとった場合において、振動腕の長さ方向のどの箇所に、該くびれ位置Ｐがあるかにより、縦軸に示す圧電振動片３２のＣＩ値の変化を示している。図５のグラフの横軸のパーセンテージは、振動腕の全長Ｌを「１」とした場合に、基部からくびれ位置Ｐまでの長さＣＬが、どのような比率であるかを示している。そして、横軸の０の位置が、図３の長さＰＬで示された長溝３４の先端位置であり、０の位置は、長溝３４の先端位置にくびれ位置（変更点）Ｐがあることを示している。
図５を参照すると、長溝の長さＰＬを上述のように適切な長さとして、十分にＣＩ値の抑制をはかると同時に、この長溝の先端位置に対して、どのような箇所にくびれ位置Ｐを設けたかによってＣＩ値が大きく変化することがわかる。しかも、くびれ位置（腕幅の変更点）Ｐを長溝の先端よりも、さらに振動腕の先端側に設けることで、急激にＣＩ値を低減できる。

図６は横軸には、振動腕の長さ方向のどの箇所に、該くびれ位置Ｐがあるかを示しており、その箇所に対応して、縦軸には、圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）の変化を示している。図６のグラフの横軸は図５と同じである。ＣＩ値比が１より小さくなると、基本波のＣＩ値のほうが高調波のＣＩ値よりも大きくなり、高調波で発振しやすくなる。
図６を参照すると、長溝の長さＰＬを上述のように適切な長さとして、十分にＣＩ値の抑制をはかれば、くびれ位置Ｐがある程度変位しても、圧電振動片３２のＣＩ値比（高調波のＣＩ値／基本波のＣＩ値）は１よりも大きい値を維持することができ、くびれ位置Ｐが先端にいくほどＣＩ値比は大きくなり、高調波で発振しにくい。
このように、図３の振動腕３６に関して、長溝３４を長くするほどＣＩ値は低くなり、
くびれ位置（変更点）Ｐも振動腕の先端よりに設けることで、ＣＩ値を低減しつつ、さらにＣＩ値比を大きくすることができる。このことから、好ましくはくびれ位置Ｐを長溝の先端部よりも、振動腕の先端側に設けることで、ほぼ確実にＣＩ値比を大きくして、高調波による発振を防止できる。

さらに、図７は、図３の長溝３４の長さＰＬ／振動腕３６の長さである溝長さの割合Ｎを６１．５パーセントとした場合において、振動腕３６の腕幅縮幅率Ｍである振動腕の最大幅（Ｗ２）／最小幅（Ｗ１）の値を横軸にとり、縦軸にＣＩ値比をとったグラフである。
図示するように、腕幅縮幅率Ｍを大きくする程、ＣＩ値比が大きくなり、好ましい。この実施形態では、振動腕３６の腕幅縮幅率Ｍを１．０６よりも大きくすることにより、ＣＩ値比を１より大きくすることができ、高調波による発振を防止することができる。
かくして、圧電振動片３２において、振動腕の腕幅の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、振動腕の腕長さに対する長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定されることにより、圧電振動片３２やこれを搭載した圧電デバイス３０を小型化しつつ、ＣＩ値を低減し、しかも高調波で発振しにくくして、良好な振動特性を実現することができる。

また、図８は図３の右側に拡大して示した第１の縮幅部ＴＬの幅寸法とＣＩ値の関係を図示したものである。
この場合、第１の縮幅部の高さ寸法ＴＨは５０μｍ程度として、幅ＴＷを横軸にとり、縦軸に示すＣＩ値の変化を記録している。
図示されているように、ＴＷが小さいとＣＩ値が高く、ＴＷが大きくなると歪みが小さくなって、図１３で説明したＺ方向の振動成分が減少し、振動が安定することで、ＣＩ値が小さくなる。図示されているように、この場合には、ＴＷが０つまり、全く第１の縮幅部を形成しない状態から、この第１の縮幅部を設けてＴＷを１０μｍ程度、特に１１μｍ付近まで形成する場合に、ＣＩ値の顕著な減少が見られる。さらにＴＷの寸法が大きくされて、基部５１の幅一杯まで増加させる間もＣＩ値は徐々に減少する。

以上述べたように、本実施形態によれば、圧電振動片３２の各振動腕３５，３６の根本部分、すなわち、付け根付近が、第１の縮幅部により、剛性が強化されている。これにより、振動腕の屈曲振動を一層安定させることができＣＩ値の抑制をはかることができる。
しかも、第２の縮幅部を設けたことで、振動腕３６は、その付け根付近から、先端側に向かって、くびれ位置Ｐまで、徐々に剛性が低下し、くびれ位置Ｐからさらに先端側では、長溝３４が無く、腕幅が徐々に拡大していることから、剛性は先端側にいくに従って高くされている。
このため、２次の高調波における振動の際の振動の「節」を、振動腕３６のより先端側に位置させることができると考えられ、このことにより、長溝３４を長くして圧電材料の電界効率を上げ、ＣＩ値を上昇させても、基本波のＣＩ値を抑制しながら、２次の高調波のＣＩ値の低下を招くことがないようにすることができる。かくして、小型化しても、基本波のＣＩ値を低く抑えることができ、ドライブ特性が悪化することがない圧電振動片を提供することができる。

次に、本実施形態の圧電振動片３２の好ましい詳細構造について、図３および図４を参照しながら説明する。
図３に示す圧電振動片３２の各振動腕３５，３６は同じ形状であるから、振動腕３５と振動腕３６のいずれかについて説明する事項は、両振動腕に共通する事項である。
図４の寸法ｘで示すウエハ厚み、すなわち、圧電振動片を形成する水晶ウエハの厚みは、７０μｍないし１３０μｍが好ましい。
図３の寸法ａで示す圧電振動片３２の全長は、１３００μｍないし１６００μｍ程度である。
振動腕の全長である寸法ｂは、１１００ないし１４００μｍとし、１２５０μｍ程度が上述した理由により最も好ましい。
圧電デバイス３０の基部幅である全幅ｄは、４００μｍないし６００μｍ程度とすることが、圧電デバイスの小型化の上で好ましく、この実施形態では５００μｍ程度である。このため、音叉部分の小型化のためには、基部５１の先端側の幅寸法ｅは２００ないし４００μｍ程度である。

また、図３の振動腕３５と３６の間の寸法ｋは、５０ないし１００μｍとするのが好ましい。寸法ｋが５０μｍより少ないと、圧電振動片３２の外形を、後述するように、水晶ウエハをウエットエッチングにより貫通させて形成する場合に、エッチング異方性に基づく異形部、すなわち、図４の符号８１で示した振動腕側面におけるプラスＸ軸方向へのヒレ状凸部を、十分に小さくすることが困難になる。寸法ｋが１００μｍ以上となると、振動腕の屈曲振動が不安定になるおそれがある。
さらに、図４の振動腕３５（振動腕３６も同じ）における長溝３３の外縁と振動腕の外縁との寸法ｍ１，ｍ２は、ともに３ないし１５μｍとするとよい。寸法ｍ１，ｍ２は１５μｍ以下とすることで、電界効率が向上し、３μｍ以上とすることで、電極の分極が確実に行われるのに有利である。

図３の振動腕３６において、腕幅の変更点Ｐよりも先端側が拡幅している拡幅度合いが、振動腕３６の腕幅が最小とされている箇所である該腕幅の変更点Ｐの箇所の幅に対して、０ないし２０μｍ程度の増加とするのが好ましい。これを超えて拡幅されると、振動腕３６の先端部が重くなりすぎて、屈曲振動の安定性を損なうおそれがある。

また、図４における振動腕３５（振動腕３６も同じ）の外側の一側面に、プラスＸ軸方向にヒレ状に突出する異形部８１が形成されている。これは、圧電振動片をウエットエッチングして外形形成する際に、水晶のエッチング異方性によりエッチング残りとして形成されるものであるが、好ましくは、フッ酸とフッ化アンモニウムによるエッチング液中で、９時間ないし１１時間エッチングすることにより、該異形部８１の突出量ｖを５μｍ以内に低減することが、振動腕３５の安定した屈曲振動を得る上で好ましい。

図３の寸法ｇで示す長溝の幅寸法は、振動腕の該長溝が形成されている領域において、振動腕の腕幅ｃに対して、６０ないし９０パーセント程度とするのが好ましい。振動腕３５，３６には、第１および第２の縮幅部が形成されているので、腕幅ｃは振動腕の長さ方向の位置によって異なるが、振動腕の最大幅に対して、長溝の幅ｇは６０ないし９０パーセント程度となる。これより長溝の幅が小さくなると、電界効率が下がり、ＣＩ値の上昇につながる。

さらに、図３の基部５１の全長ｈは、圧電振動片３２の全長ａに対して、従来３０パーセント程度あったものが、この実施形態は、切り込み部の採用などにより、１５ないし２５パーセント程度とすることができ、小型化を実現している。

また、圧電振動片３２の振動腕３５，３６が屈曲振動する際に、その振動漏れが伝えられる範囲について、振動腕の腕幅寸法ｃと相関があることに鑑み、本発明者等は、従来の圧電振動片の切り込み部が、適切な位置に設けられていないという知見を持った。そこで、図３の切り込み部７１が設けられる位置について、前記振動腕の付け根から、前記振動腕の腕幅寸法ｃを超える寸法ｉの箇所としたものである。これによって、切り込み部７１，７１は、振動腕３５，３６からの振動漏れが、基部側に伝搬することを、より確実に抑制することができる構造とすることができる。これにより、振動腕側から基部側への振動の漏れ込みを適切に防止して、ドライブレベル特性が良好な圧電振動片を提供することができる。
特に、切り込み部７１，７１を、振動腕３５，３６の付け根の箇所Ｔから腕幅寸法ｃ×１．２以上の寸法ｉだけ離して形成することで、ドライブレベル特性を正常な圧電振動片３２のレベルに適合させることができることが確認されている。
また、長溝３３，３４の基部５１側端部の位置は、図３において振動腕３５，３６の付け根、すなわちＴの位置と同じか、それより僅かに振動腕先端側であって、第１の縮幅部ＴＬが存在する範囲内であることが好ましく、特にＴの位置よりも基部５１の基端側に入り込まないようにすることが好ましい。

図９は、本実施形態の圧電振動片３２を利用して圧電発振器を構成する場合の発振回路の例を示す回路図である。
発振回路９１は、増幅回路９２と帰還回路９３を含んでいる。
増幅回路９２は、増幅器９５と帰還抵抗９４を含んで構成されている。帰還回路９３は、ドレイン抵抗９６と、コンデンサ９７，９８と、圧電振動片３２とを含んで構成されている。
ここで、図９の帰還抵抗９４は、例えば１０ＭΩ（メガオーム）程度、増幅器９５はＣＭＯＳインバータを用いることができる。ドレイン抵抗９６は、例えば２００ないし９００ｋΩ（キロオーム）、コンデンサ９７（ドレイン容量）と、コンデンサ９８（ゲート容量）は、それぞれ１０ないし２２ｐＦ（ピコファラド）とすることができる。

（圧電デバイスの製造方法）
次に、図１０のフローチャートを参照しながら、上述の圧電デバイスの製造方法の一例を説明する。
圧電デバイス３０の圧電振動片３２と、パッケージ５７と、蓋体４０は、それぞれ別々に製造される。
（蓋体およびパッケージの製造方法）
蓋体４０は、例えば、所定の大きさのガラス板（例えば、硼珪酸ガラス）を切断し、パッケージ５７を封止するのに適合する大きさの蓋体として用意される。
パッケージ５７は、上述したように、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て形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓを形成する。

（圧電振動片の製造方法）
先ず、圧電基板を用意し、ひとつの圧電基板から所定数の圧電振動片について、同時にその外形をエッチングにより形成する（外形エッチング）。
ここで、圧電基板は、圧電材料のうち、例えば、圧電振動片３２を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハが使用される。この圧電基板は工程の進行により図３の圧電振動片３２を形成するので、図３に示すＸ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光軸となるように、圧電材料、例えば水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度（図１１のθ）の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られる。

外形エッチングでは、図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、圧電振動片の外形から外側の部分として露出した圧電基板に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。
ここで、外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図３に示した機械軸Ｘ、電気軸Ｙ、光学軸Ｚに関して、エッチングの進行上、次のようなエッチング異方性を示す。
すなわち、圧電振動片３２に関して、そのＸ−Ｙ平面内におけるエッチングレートについては、プラスＸ方向で、このＸ軸に対して１２０度の方向、およびマイナス１２０度の方向の面内においてエッチングの進行が速く、マイナスＸ方向でＸ軸に対してプラス３０度の方向、およびマイナス３０度の方向の内面のエッチングの進行が遅くなる。
同様に、Ｙ方向のエッチングの進行は、プラス３０度方向およびマイナス３０度方向が速くなり、プラスＹ方向で、Ｙ軸に対してプラス１２０度方向、およびマイナス１２０度方向が遅くなる。

このようなエッチング進行上の異方性により、圧電振動片３２では、図４の符号８１で示されているように、各振動腕の外側側面に、ヒレ状に突出した異形部が形成される。
しかしながら、この実施形態では、エッチング液として、フッ酸および、フッ化アンモニウムを用いて、十分な時間、すなわち、９時間ないし１１時間という十分な時間をかけて、エッチングを行うことにより、図４で説明した異形部８１をきわめて小さくすることができる（ＳＴ１１）。
この工程において、圧電振動片３２の切り込み部７１，７１を含む外形が形成され、終了時には、水晶ウエハに対して、それぞれ細い連結部で基部５１付近を接続された多数の圧電振動片３２の外形完成状態のものが得られる。

（溝形成のためのハーフエッチング工程）
次に、図示しない溝形成用レジストにより、図４で示した形態となるように、各長溝を挟む両側の壁部を残す様にして、溝を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、各振動腕３５，３６の表面と裏面を、それぞれウエットエッチングすることにより長溝に対応した底部を形成する（ＳＴ１２）。
ここで、図４を参照すると、符号ｔで示す溝深さは、全体厚みｘに対して、３０ないし４５パーセント程度とされる。ｔに関して、全体厚みｘの３０パーセント以下だと、電界効率を十分向上させることができない場合がある。４５パーセント以上だと、剛性が不足して、屈曲振動に悪影響を与えたり、強度が不足する場合がある。

なお、上記外形エッチングおよび溝エッチングは、その一方もしくは両方を同時にドライエッチングにより形成してもよい。その場合には、例えば、圧電基板（水晶ウエハ）上に、圧電振動片３２の外形や、外形形成後には、長溝に相当する領域を、その都度メタルマスクを配置して覆う。この状態で、例えば、図示しないチャンバー内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングすることができる。つまり、真空チャンバー（図示せず）には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバーには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
真空チャンバー内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスクから露出した圧電材料に当たる。この衝撃により、物理的に削り取られて飛散し、エッチングが進行する。

（電極形成工程）
次に、蒸着もしくはスパッタリングなどによって、電極となる金属、例えば、金を全面に被覆し、次いで、電極を形成しない箇所を露出したレジストを用いて、フォトリソグラフィの手法により、図１および図４で説明した駆動用の電極を形成する（ＳＴ１３）。
その後、各振動腕３５，３６の先端部には、スパッタリングや蒸着により、錘付け電極（金属被膜）２１，２１が形成される（図３参照）（ＳＴ１４）。錘付け電極２１，２１は通電されて圧電振動片３２の駆動に用いられるのではなく、後述する周波数調整に利用される。

次いで、ウエハ上で、周波数の粗調整が行われる（ＳＴ１５）。粗調整は、錘付け電極２１，２１の一部をレーザ光などのエネルギービームを照射することにより、部分的に蒸散させて、質量削減方式による周波数調整である。
続いて、上記したウエハに対する細い連結部を折り取り、圧電振動片３２を個々に形成する個片にする（ＳＴ１６）。
次に、図１で説明したように、パッケージ５７の各電極部３１，３１に導電性接着剤４３，４３を塗布し、その上に圧電振動片３２の基部５１の引出し電極３７ａ，３８ａの部分を載置して、接着剤を加熱・硬化させることにより、パッケージ５７に対して、圧電振動片３２を接合する（ＳＴ１７）。
なお、この導電性接着剤４３としては、例えば、合成樹脂などを利用したバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接続とを同時に行うことができるものである。

続いて、蓋体４０が金属製などの不透明な材料で形成されている場合には、図２で説明した貫通孔２７は設けられていない。このため、蓋体４０を接合する前に、圧電振動片３２に対して、駆動電圧を印加して、周波数を見ながら、例えば、レーザ光を圧電振動片３２の振動腕３５および／または振動腕３６の錘付け電極２１の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う（ＳＴ１８−１）。
次いで、シーム溶接などにより蓋体４０をパッケージ５７に接合し（ＳＴ１９−１）、必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。

あるいは、パッケージ５７を透明な蓋体４０で封止する場合には、圧電振動片３２のＳＴ１７における接合後において、該蓋体４０をパッケージ５７に接合する（ＳＴ１８−２）。
この場合、例えば、低融点ガラスなどを加熱して、蓋体４０をパッケージ５７に接合する加熱工程が行われるが、この際に、低融点ガラスや導電性接着剤などからガスが生成される。そこで、加熱により、このようなガスを図２で説明した貫通孔２７から排出し（脱ガス）、その後、段部２９に金錫、より好ましくは、金ゲルマニウムなどでなる金属球体やペレットを配置し、レーザ光などを照射することにより、溶融する。これにより図２の金属充填材２８が貫通孔２７を気密に封止する（ＳＴ１９−２）。
次いで、図２で示すように、硼珪酸ガラスなどでなる透明な蓋体４０を透過させるように外部からレーザ光を圧電振動片３２の振動腕３５および／または振動腕３６の錘付け電極２１の先端側に照射し、質量削減方式により微調整としての周波数調整を行う（ＳＴ２０−２）。次いで、必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。

本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、箱状のパッケージに圧電振動片を収容したものに限らず、シリンダー状の容器に圧電振動片を収容したもの、圧電振動片をジャイロセンサとして機能するようにしたもの、さらには、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、圧電振動片を利用したあらゆる圧電デバイスに適用することができる。

本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。 図１の圧電デバイスに使用される圧電振動片の概略平面図。 図３のＣ−Ｃ線切断端面図。 図３の圧電振動片の振動腕のくびれ位置とＣＩ値の関係を示すグラフ。 図３の圧電振動片の振動腕のくびれ位置とＣＩ値比の関係を示すグラフ。 図３の圧電振動片の振動腕の腕幅の幅縮幅率とＣＩ値比の関係を示すグラフ。 図３の圧電振動片の第１の縮幅部の幅寸法とＣＩ値の関係を示すグラフ。 図１の圧電振動片を用いた発振回路例を示す回路図。 図１の圧電デバイスの製造方法の一例を示すフローチャート。 水晶Ｚ板の座標軸を示す図。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図１２のＡ−Ａ線切断端面図。 図１２の圧電振動片のドライブレベル特性を示すグラフ。 図１２の圧電振動片におけるＣＩ値比のばらつきを示すグラフ。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片、３３，３４・・・長溝、３５，３６・・・振動腕、ＴＬ・・・第１の縮幅部、ＣＬ・・・第２の縮幅部

Claims (5)

1. 圧電材料により形成された基部と、
   前記基部と一体に形成され、前記基部の一端から延びる複数の振動腕と、
   前記各振動腕の長手方向に沿って形成された長溝と、
   前記長溝に形成した駆動用の電極とを備えており、
   前記各振動腕は、該振動腕の前記基部に対する付け根の箇所から先端側に向かって縮幅する縮幅部を備え、
   前記各縮幅部の先端に、前記振動腕の幅寸法が一定または増加に転じる幅変化の変更点Ｐがあり、前記変更点Ｐは、前記長溝の先端部よりもさらに振動腕の先端側に位置し、
   前記各縮幅部は、第１の縮幅部と、前記第１の縮幅部の終端からさらに腕先端側に向かって縮幅する第２の縮幅部と、を備え、前記第１の縮幅部は前記第２の縮幅部より急激に縮幅する圧電振動片と、
   前記圧電振動片の第１の端子が入力に接続され、前記圧電振動片の第２の端子が出力に接続されるＣＭＯＳインバータを用いた増幅器と、
   を有することを特徴とする圧電発振器。
2. 前記基部には、その圧電材料を幅方向に縮幅して形成した切り込み部を有しており、該切り込み部が、前記各振動腕の付け根から前記腕幅の寸法の１．２倍以上の距離を離して前記基部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
3. 前記各振動腕の側面に、プラスＸ軸（機械軸）方向に突出する異形部が５μｍ以内となるように形成されていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電発振器。
4. 前記振動腕の幅縮幅率としての最大幅／最小幅＝Ｍの値が、前記振動腕の腕長さに対する前記長溝の長さの割合＝Ｎとの関係で決定され、前記Ｎを６１．５パーセントとした場合に、前記Ｍを１．０６以上としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電発振器。
5. 前記第１の縮幅部の幅が１１μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電発振器。

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