JP5671821B2

JP5671821B2 - 振動片及びデバイス

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Publication number: JP5671821B2
Application number: JP2010058808A
Authority: JP
Inventors: 棚谷　英雄; 英雄棚谷
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: JP2011193316A

Description

本発明は、一対の振動腕を有する圧電振動片およびこの圧電振動片を備えた圧電デバイスに関する。

従来、屈曲振動をする振動片は、基部と、基部から延出し幅方向に沿って形成された振動腕と、振動腕に形成された長溝および電極と、基部を幅方向に縮幅するように形成された切り込み部と、を有している。この場合、振動腕は、その腕幅寸法が基部側から先端側に向かって徐々に縮幅すると共に、幅変更点より先端側では、腕幅寸法が一定または増加に転じる設定となっている。また、長溝および電極は、振動腕の基部側から幅変更点までの間に形成されている。このような構成の振動片は、切り込み部を有することにより、振動腕が不要な方向へ振動して生じる、いわゆる振動漏れが、振動腕から基部へ伝搬することを抑制でき、さらに、振動腕における腕幅の縮幅および先端側の質量増により、振動腕の振動数を上げることなく腕長さを短縮することが可能である。従って、振動片は、振動特性を維持しつつ小型化することが可能である（例えば特許文献１）。

特開２００６−３１１０９０号公報

しかし、この技術は、切り込み部や幅変更点の設置および腕幅寸法の縮幅等により、従来の振動片を小型化することを可能としたものであるが、近年、振動片の更なる小型化が要望されるようになり、これに対応して振動片の小型化を推進していくと、単に切り込み部や幅変更点等を設けるだけでは、振動特性を確実に維持することが困難な場合がある、という課題が生じていた。

本発明は、上記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、以下の適用例または形態として実現することが可能である。
本発明のある形態に係る振動片は、第１の方向に沿って切り込み部が設けられている基部と、平面視で、前記基部の端部を付け根にして前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って延出されている振動腕と、を含み、前記付け根は、平面視で、前記振動腕の一方の外縁に位置している第１の付け根部と、前記振動腕の前記一方の外縁とは反対側の他方の外縁に位置し、前記第１の付け根部よりも前記切り込み部の開口側に配置されている第２の付け根部と、を含み、前記第１の付け根部から前記第２の付け根部までの長さをＡ、前記第１の付け根部から前記切り込み部の内端部までの長さをＢとしたとき、０．５＜Ｂ／Ａ≦１を満足していることを特徴とする振動片。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記切り込み部が、前記第２の付け根部から前記第１の付け根部に向う方向に沿って切り込まれていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕が、腕部と、前記腕部と前記付け根との間に設けられ、前記第１の方向に沿った幅が、前記付け根側から前記腕部側へ向かうに従って縮幅している第１のテーパー部と、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記腕部が、前記第１の方向に沿った幅が、前記第１のテーパー部から前記付け根とは反対側へ向かうに従って縮幅している第２のテーパー部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕が、平面視で、前記付け根側とは反対側の先端側に錘部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記錘部は、前記付け根へ向かうに従って縮幅している第３のテーパー部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記錘部の前記第１の方向に沿った幅をＣとしたとき、Ａ≧Ｃを満足していることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕は、互いに表裏の関係にある第１の主面と第２の主面の少なくとも何れかに溝が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部に接続されている支持部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係るデバイスは、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係るデバイスは、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。

［適用例１］本適用例に係る圧電振動片は、基部と、前記基部を付け根にして延出し、前記基部の幅方向に沿って配列された一対の腕部と、前記腕部に設けられた溝部と、前記基部を支持するための支持部と、前記基部と前記支持部とを接続するための接続部と、前記基部を前記腕部のそれぞれの側から幅方向に縮幅して形成された切り込み部と、を有し、前記付け根は、前記腕部が互いに対向している側に位置する第１の付け根部および前記腕部が対向していない側に位置する第２の付け根部を有し、前記第１の付け根部から前記第２の付け根部までの長さＡと、前記第１の付け根部から前記切り込み部の内端部までの長さＢと、の関係が、Ａ≧Ｂであることを特徴とする。

この圧電振動片によれば、腕部は、基部と一体にそれぞれ形成されていて、それらの配列は、基部の幅方向に沿った構成である。また、基部との接点である付け根における腕部の幅は、第１の付け根部と第２の付け根部との間の長さＡである。この場合、第１の付け根部および第２の付け根部は、基部の幅方向に沿って位置しており、さらに、各腕部の第１の付け根部は、腕部が互いに対向するような配置、つまり腕部が互いに向き合っている側に配置されている。そして、基部には、切り込み部が設けられていて、切り込み部は、腕部が設けられているそれぞれの側の基部端部から幅方向に切り込んで形成されており、基部内部側の端が内端部である。これら腕部と切り込み部とは、対をなすような形態で基部に形成されていて、腕部の第１の付け根部と切り込み部の内端部との最短距離が長さＢである。このような構成の圧電振動片は、腕部の第１の付け根部から第２の付け根部までの長さＡと、当該第１の付け根部から当該第１の付け根部と対をなす内端部までの長さＢと、の関係がＡ≧Ｂとなるように設定したことに特徴を有する。長さＡと長さＢとがＡ≧Ｂの関係であれば、長さＡより短い長さＢに該当する、第１の付け根部と内端部との間を軸として、腕部が振動することになる。即ち、腕部の振動による応力は、切り込み部に集中するため、いわゆる振動漏れの基部への伝搬を抑制することができ、圧電振動片を小型化しても安定して振動することが可能である。一方、長さＡと長さＢとがＡ≦Ｂの関係であれば、長さＢより短い長さＡに該当する、第１の付け根部と第２付け根部とを含む間を軸として、腕部が振動することになり、切り込み部を設けた効果が薄れ、振動漏れの基部への伝搬を抑制することが困難である。以上により、第１の付け根部から第２の付け根部までの長さＡと、第１の付け根部から切り込み部の内端部までの長さＢと、の関係をＡ≧Ｂに設定した圧電振動片は、振動特性を維持しつつより小型化が可能である。

［適用例２］上記適用例に係る圧電振動片において、前記腕部の腕幅は、前記基部の側から先端の側へ向かって徐々に縮幅していることが好ましい。

この構成によれば、腕部は、基部との接点である付け根部の長さＡを最大の腕幅とし、基部から先端の側へ延出するに伴って縮幅し、腕幅が徐々に細くなっている。つまり、この形態の腕部は、付け根における剛性が最も高くなっている。そのため、圧電振動片の小型化等のために、腕幅をより小さくしても、腕部の振動を安定して支えることが可能である。

［適用例３］上記適用例に係る圧電振動片は、前記腕部の先端にハンマーヘッドをさらに有し、前記ハンマーヘッドの幅の長さＣと前記腕部の付け根の長さＡと、の関係が、Ａ≧Ｃであることが好ましい。

この構成によれば、腕部は、ハンマーヘッドを有していて、ハンマーヘッドを含む腕部は、その先端部分の質量が増え、腕部のみの場合に比べ質量バランスが異なっている。これにより、腕部の長さとハンマーヘッドの質量とのバランスを調整して、腕部を所定の周波数で振動させることが容易に行える。例えば、腕部の長さを短くすると、高い周波数で屈曲することになる。そこで、腕部の先端にハンマーヘッドを設ければ、周波数を抑制する等の調整が可能となり、腕部の長さを短くしても、周波数が高くなることを抑制でき、腕部は同一の振動を維持すること等が可能である。しかし、ハンマーヘッドの幅を広くして行くと、腕部の付け根への応力集中が過大な傾向になると共に、腕部の振動が不安定になってしまう。そのため、ハンマーヘッドの幅の長さＣと腕部の付け根の長さＡと、の関係をＡ≧Ｃとすることにより、腕部の付け根の剛性を確保して、腕部の振動を安定させることが可能である。

［適用例４］上記適用例に係る圧電振動片において、前記腕部と前記ハンマーヘッドとの連結位置には、ヘッドテーパー部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、腕部からハンマーヘッドにかけての極端な幅変化をなくしており、連結位置における応力の集中を避けることが可能な構成である。つまり、腕部とハンマーヘッドとは、連結位置において、剛性が著しく劣る箇所のないように、ヘッドテーパー部によってスムーズに連結されている。従って、腕部とハンマーヘッドとは、一体となって確実に屈曲することができ、圧電振動片は、安定して振動することが可能である。

［適用例５］本適用例に係る圧電デバイスは、上記適用例に記載の圧電振動片を少なくとも備えていることを特徴とする。

この圧電デバイスによれば、圧電振動片を備えていて、この圧電振動片の有する腕部は、その付け根において、第１の付け根部から第２の付け根部までの長さＡと、第１の付け根部から切り込み部の内端部までの長さＢと、の関係が、Ａ≧Ｂであること等を特徴としている。これにより、腕部の振動による応力は、切り込み部に集中することになり、いわゆる振動漏れの基部への伝搬を抑制でき、圧電振動片は、小型化しても安定した振動を確保することが可能である。このような圧電振動片をパッケージ化した圧電デバイスは、振動特性を維持しつつ小型化を図ることが可能である。なお、圧電デバイスは、圧電振動片に加え、圧電振動片を発振させるための発振回路等をさらに備える構成も考えられる。

本発明の水晶振動片の外観を示す平面図。振動腕の詳細な形状を示す平面図。振動腕における励振電極の構成を示す模式図。切り込み部の設定とＣＩ値との関係を示すグラフ。（ａ）圧電デバイスを示す平面図、（ｂ）圧電デバイスを示す断面図。圧電デバイスの製造工程を示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明の圧電振動片および圧電デバイスについて説明する。実施形態では、圧電振動片として、音叉型の振動腕を備えた水晶振動片を一例とし、圧電振動片は、腕部と腕部の先端に設けられたハンマーヘッドとを有する振動腕、および腕部が延出する基部に形成された切込み部等を有する形態のものである。
（実施形態）

図１は、本発明の水晶振動片の外観を示す平面図である。また、図２は、振動腕の詳細な形状を示す平面図であって、音叉型をなす一対の振動腕３，３の片方のみを表している。まず、図１に示すように、水晶振動片（圧電振動片）１は、Ｘ軸方向を幅方向とする基部２と、基部２からＹ’軸方向へ延出、即ち突起している２本の振動腕３，３と、それぞれの振動腕３に形成され平面視で略矩形状をなしている溝部４と、を有している。そして、振動腕３および溝部４の表面には、図示していない励振電極が形成されており、励振電極に駆動電流を印加することにより、振動腕３が幅方向へ屈曲して振動するようになっている。この励振電極については、図３を参照して後述する。また、水晶振動片１は、基部２の振動腕３が延出する側と反対側の位置から各振動腕３に沿う方向へ曲がって伸びるＵ字状の形状に形成されている支持部５と、基部２と支持部５とを接続するための接続部６と、振動腕３が延出している基部２のそれぞれの端部側からＸ軸に沿って切り込むことによって、基部２を幅方向に縮幅して形成された一対の切り込み部７，７と、を有している。この場合、基部２を縮幅して形成された切り込み部７は、基部２と支持部５との間に存している。

さらに、各振動腕３は、基部２から延出する腕部３ａと、腕部３ａの延出した先端に設けられたハンマーヘッド３ｂと、を有する構成である。腕部３ａは、基部２との接点である付け根において、振動腕３が互いに対向している側に第１の付け根部３１が位置し、腕部３ａが対向していない側、即ち基部２の端部側に第２の付け根部３２が位置している。これら第１の付け根部３１と第２の付け根部３２とは、基部２の幅方向に沿っており、腕部３ａおよびハンマーヘッド３ｂを基部２に連結させて支持している。また、支持部５は、水晶振動片１をパッケージ等に固定するためのマウント部５ａ，５ｂを有し、マウント部５ａ，５ｂは、Ｕ字状をなす支持部５における各振動腕３に沿う側に一箇所ずつ設けられている。

ここで、水晶振動片１を形成する水晶について、簡単に説明する。水晶振動片１は、六角柱の水晶柱から切り出され、水晶柱は、柱の長手方向に光軸であるＺ軸と、Ｚ軸に垂直な六角形面のＸ−Ｙ平面において六角形の辺に平行な電気軸であるＸ軸と、Ｘ軸に垂直な機械軸であるＹ軸とを有している。また、六角形の辺に平行なＸ軸は、それぞれ１２０度の等角度で３本あって、これらのＸ軸によりＸ−Ｙ平面に形成される３つの面は、エッチング方向によるエッチング進行速度の違い等がそれぞれの面で同一である、という三方晶の性質を有している。このような水晶柱において、水晶振動片１は、Ｘ−Ｙ平面を、Ｘ軸とＹ軸との交点（座標原点）からみてＸ軸回りに角度５度傾けた平面に沿う水晶Ｚ板から切り出されたものであり、図１に示すように、基部２の幅方向がＸ軸、振動腕３の長手方向がＹ’軸方向、水晶振動片１の厚さ方向がＺ’軸方向である。

次に、図２に基づいて、振動腕３および切り込み部７の詳細な形状等について説明する。図２に示す振動腕３は、一対の振動腕３，３の片方のみである。振動腕３は、振動腕３の幅方向であるＸ軸方向において、基部２と連結する腕部３ａの付け根である第１の付け根部３１と第２の付け根部３２とから延出しており、第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの幅は、長さＡである。この腕部３ａは、長さＡの付け根から先端へかけて徐々に腕幅が小さくなっていて、幅方向に縮幅している形状である。そして、腕部３ａでは、その縮幅が２段階になっていて、第１段階が、長さＡの付け根から縮幅しつつ先端方向へ延びている第１のテーパー部３３であり、第２段階が、第１のテーパー部３３から連続し第１のテーパー部３３と異なる縮幅の第２のテーパー部３４である。第１のテーパー部３３は、第２のテーパー部３４より縮幅の割合が大きく、つまり傾斜が第２のテーパー部３４より大きく設定されている。さらに、第１のテーパー部３３は、先端方向へ延在する長さも第２のテーパー部３４に比べてかなり短く設定されていて、腕部３ａの長さの大半が第２のテーパー部３４となっている。

また、基部２に設けられている切り込み部７は、基部２の端部から内部側へ切り込まれて形成され、基部２の内部側終端の平端面が内端部７ａである。この内端部７ａの位置によって、切り込み部７の基部２内への切り込み長さが設定されている。切り込み部７における内端部７ａの位置は、第１の付け根部３１から内端部７ａまでの最短の長さＢが第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの幅の長さＡより短く、Ａ≧Ｂの関係となるように設定されている。なお、他の振動腕３および切り込み部７についても、同様な設定の構成となっている。

このような構成の水晶振動片１は、腕部３ａと基部２との接点における第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの幅の長さＡが腕部３ａの最大幅であり、付け根の部分の剛性が最も高くなっている。そのため、水晶振動片１は、腕部３ａの振動を安定して支えることができる構成となっている。また、水晶振動片１では、振動腕３が振動する場合、付け根の長さＡと、第１の付け根部３１から内端部７ａまでの最短の長さＢと、の内、長さの短い部位間を軸にして、振動腕３が振動する。従って、長さＡと長さＢとがＡ≧Ｂの関係に設定されている水晶振動片１は、長さの短い第１の付け根部３１と内端部７ａとの間である長さＢの部位を軸として、振動腕３が振動することになる。これにより、振動腕３が振動することによる応力は、切り込み部７に集中することになり、振動漏れが基部２へ伝搬することを抑制できる。そのため、振動腕３は、振動漏れによる損失を排除して、安定した振動を維持することができ、小型化にも対応可能となる。

これに対して、長さＡと長さＢとがＡ≦Ｂの関係であれば、長さの短い第１の付け根部３１と第２の付け根部３２との間である長さＡの部位を軸として、振動腕３が幅方向（Ｘ軸方向）に振動することになる。この場合、振動腕３が小型になるほど幅方向以外の例えばＺ’軸方向への振動が大きくなり、切り込みによる振動抑制効果が薄れ、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が増大し、振動エネルギーの損失の大きい振動になってしまうことが知見されている。つまり、Ａ≦Ｂの関係の場合、切り込み部７を設けて振動漏れを抑制しようとした効果も結果として薄れてしまい、振動腕３が長さＢの部位を軸として振動する場合に比べ、振動漏れの基部２への伝搬を抑制することが難しくなってしまう。以上により、切り込み部７を有し（第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡ）≧（第１の付け根部３１から切り込み部７の内端部７ａまでの長さＢ）と設定した水晶振動片１は、振動特性を維持しつつより小型化が可能であり、小型化しても安定して振動することができる。

そして、水晶振動片１の振動腕３は、腕部３ａの先端にハンマーヘッド３ｂを有していて、このハンマーヘッド３ｂは、腕部３ａの先端幅より広い幅を有していて、その幅は、長さＣである。また、ハンマーヘッド３ｂと腕部３ａとを連結する位置には、腕部３ａからハンマーヘッド３ｂにかけての極端な幅変化をなくすために、ヘッドテーパー部３５が設けられている。ヘッドテーパー部３５は、第１のテーパー部３３および第２のテーパー部３４とは異なり、いわゆる逆テーパーとなっていて、その幅が腕部３ａの先端からハンマーヘッド３ｂの方向へ行くに従い徐々に広がって、腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとをスムーズに連結している。このヘッドテーパー部３５の部分は、ハンマーヘッド３ｂに属しており、ハンマーヘッド３ｂの幅の長さＣは、第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの幅の長さＡより短く、Ａ≧Ｃの関係に設定されている。

このようなハンマーヘッド３ｂを有する振動腕３は、腕部３ａの先端部分の質量が増えることにより、小型化目的のため、基部２から延出する長さを短くしても、高い周波数で屈曲することを抑制でき、例えば振動腕３の長さに関わらず同一振動を維持すること等が可能である。即ち、腕部３ａにハンマーヘッド３ｂを設ければ、振動腕３の振動数を調整して、所望の振動をさせることが容易に行える。しかし、ハンマーヘッド３ｂの幅を広げて、長さＣを大きくすると、腕部３ａの付け根へ振動の応力が集中して、付け根の損傷や振動腕３の振動が不安定な傾向となる。そこで、（第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡ）≧（ハンマーヘッド３ｂの幅の長さＣ）と設定することにより、振動腕３の付け根の剛性を確保して、振動腕３の振動を安定させることができる。さらに、振動腕３がヘッドテーパー部３５を有することにより、腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとの間で、極端に幅が変化せず、腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとがスムーズに連結されている。つまり、振動腕３は、幅の異なる腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとの連結位置においても、剛性が著しく劣る箇所がなく、応力が集中し難い構成となっている。そのため、振動腕３は、腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとが一体の腕となって屈曲し、より安定して振動することができる。

続いて、振動腕３に設けられている溝部４について、図２と、図３に示されている振動腕における励振電極の構成を示す模式図と、を参照して説明する。図３は、図１におけるＳ−Ｓ’の断面を示している。溝部４は、各振動腕３のＺ’軸方向である厚さを規定する表裏両面に形成され、振動腕３の幅中央位置に長手方向（Ｙ’軸方向）に沿って延在している。溝部４の延在する長さは、振動腕３の付け根を始点にして、腕部３ａとハンマーヘッド３ｂとの連結位置を越えた、ハンマーヘッド３ｂの内部位置を終点としている。また、溝部４は、腕部３ａの第２のテーパー部３４に沿って、腕部３ａの幅の７０％から９８％の幅で延在し、そのまま延長してハンマーヘッド３ｂに至っており、一方、腕部３ａの第１のテーパー部３３における溝部４は、第１のテーパー部３３に沿って延長せず、第１のテーパー部３３と第２のテーパー部３４との接点における幅と同一のまま、付け根に至る構成である。さらに、溝部４の深さは、振動腕３の厚さの４０％から４８％となっていて、Ｘ−Ｚ’断面が略台形状（図３）をなしている。

また、溝部４を有する振動腕３には、図３に示すような励振電極が設けられている。励振電極には、溝部４に設けられている溝励振電極１０と、腕部３ａの溝部４が形成されていない面に設けられている腕励振電極１１と、の２つがあり、これら溝励振電極１０および腕励振電極１１は、振動腕３の付け根からヘッドテーパー部３５の手前位置までの間に設けられている。そして、溝励振電極１０および腕励振電極１１は、基部２、接続部６および支持部５に形成されている配線によって、マウント部５ａまたはマウント部５ｂに接続されている。なお、励振電極および配線は、図２には示されていない。

次に、励振電極への駆動電圧印加による、振動腕３の屈曲について説明する。図３に示すように、一方の振動腕３の溝励振電極１０と他方の振動腕３の腕励振電極１１とが同じマウント部５ａに接続されており、一方の振動腕３の腕励振電極１１と他方の振動腕３の溝励振電極１０とが同じマウント部５ｂに接続されている。この場合、マウント部５ａおよびマウント部５ｂには、交流電源が供給され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。即ち、振動腕３の溝励振電極１０および腕励振電極１１にそれぞれ駆動電圧が印加されると、振動腕３の内部に、矢印で示す方向の電界が発生する。図３における電界は、マウント部５ａがプラス（＋）電位、マウント部５ｂがマイナス（−）電位の場合を表している。これにより、振動腕３の腕励振電極１１の一方側がＹ’軸方向に伸び、他方側がＹ’軸方向に縮むため、振動腕３は、互いに離反する方向または近接する方向へ屈曲する。そして、交番電圧により、マウント部５ａおよびマウント部５ｂに印加される電位が変わると、振動腕３は、互いに離反した状態から近接する状態、あるいは互いに近接した状態から離反する状態へ屈曲する。このように、マウント部５ａ，５ｂに交番電圧が印加されて、振動腕３は、振動を持続する。なお、電界の発生において、振動腕３は、発生する電界を強める構成となっていて、具体的には、振動腕３が溝部４を有し、この溝部４に溝励振電極１０を設けて電極面積を増やしていることである。電極面積を増やすことにより、電界強度の増加が図れ、振動腕３をより確実に屈曲させることができる。

次に、水晶振動片１の特徴である（第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡ）≧（第１の付け根部３１から切り込み部７の内端部７ａまでの長さＢ）の関係について、その根拠を説明する。図４は、切り込み部の設定とＣＩ値との関係を示すグラフである。図４のグラフでは、Ｂ／Ａが１または１以下の場合において、Ｂ／Ａが１ではＣＩ値が５５ｋΩ、Ｂ／Ａが０．８ではＣＩ値が５３ｋΩ、Ｂ／Ａが０．５ではＣＩ値が５４ｋΩであり、ＣＩ値が低く安定していることが導き出される。即ち、振動エネルギーの損失の小さいことを示している。ここで、Ｂ／Ａが１または１以下であることは、Ａ≧Ｂであることに該当する。これに対し、Ｂ／Ａが１以上、即ちＡ＜Ｂの場合においては、Ｂ／Ａが１．２ではＣＩ値が６０ｋΩ、Ｂ／Ａが１．６ではＣＩ値が７２ｋΩであり、ＣＩ値が高く、振動漏れ等による振動エネルギーの損失が大きくなっていることを表している。このグラフの示す結果により、水晶振動片１が（第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡ）≧（第１の付け根部３１から切り込み部７の内端部７ａまでの長さＢ）の関係を満たした構成であれば、水晶振動片１は、振動損失を排除した振動を維持でき、小型化にも対応することができる。なお、Ｂ／Ａが０．５以下の場合において、長さＢである第１の付け根部３１から切り込み部７の内端部７ａまでが、第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡに比べて、半分以下で短いため、衝撃に対して弱めの傾向となる。そのため、この設定の水晶振動片１を用いる場合には、衝撃の少ない使用環境で用いられるか否か等の吟味をすることが好ましい。

なお、参考に、図４の関係を求めた水晶振動片１の大きさについて述べる。水晶振動片１の厚さ（Ｚ’軸方向）は、１００μｍ程度、全長（Ｙ’軸方向）は、１５００μｍ程度、全幅（Ｘ軸方向）は、５００μｍ程度である。また、振動腕３の全長は、１３００μｍ程度であり、その内訳は、腕部３ａが８００μｍ程度、ハンマーヘッド３ｂの全長が連結位置を含めて５００μｍ程度である。また、基部２、接続部６および接続部６につながる支持部５を含むＹ’軸方向の長さは、２００μｍ程度であり、従来水晶振動片１の全長の３０％以上であった長さを、切り込み部７を設けて、１３％程度に少なくすることが可能となっている。さらに、腕部３ａの溝部４は、深さ（Ｚ’軸方向）が４０μｍから４８μｍ、幅（Ｘ軸方向）が第２のテーパー部３４に沿って腕部３ａの幅の７０％から９８％である。そして、第１の付け根部３１から第２の付け根部３２までの長さＡは、１００μｍから１８０μｍ、第１の付け根部３１から切り込み部７の内端部７ａまでの長さＢは、１００μｍから１８０μｍ、ハンマーヘッド３ｂの幅の長さＣは、１００μｍから１８０μｍである。水晶振動片１は、この一例のように小型化しても、切り込み部７の内端部７ａの位置を管理することにより、振動漏れの基部２への伝搬を抑制して、振動特性を維持することができる。

次に、上記で説明した水晶振動片１を備えた圧電デバイスについて説明する。図５（ａ）は、圧電デバイスを示す平面図である。また、図５（ｂ）は、圧電デバイスを示す断面図であり、図５（ａ）のＴ−Ｔ’での断面である。図５に示すように、圧電デバイス２０は、水晶振動片１と、水晶振動片１を収容するパッケージ４０と、を備えている。パッケージ４０は、パッケージベース４１と、シームリング４２と、蓋体４３等から構成されている。

パッケージベース４１は、水晶振動片１を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片１のマウント部５ａ，５ｂと接続される接続パッド４８が設けられている。接続パッド４８は、パッケージベース４１内の配線に接続され、パッケージベース４１の外周部に設けられた外部接続端子４５と導通が可能な構成となっている。そして、パッケージベース４１の凹部の周囲には、シームリング４２が設けられ、さらに、パッケージベース４１の底部には、貫通穴４６が設けられている。

また、水晶振動片１は、パッケージベース４１の接続パッド４８に導電性接着剤４４を介して接着固定されている。そして、水晶振動片１を収容したパッケージ４０は、パッケージベース４１の凹部と、パッケージベース４１の凹部を覆う蓋体４３と、がシームリング４２により溶接されている。パッケージベース４１の貫通穴４６には、金属材料等からなる封止材４７が充填されていて、この封止材４７は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース４１内が減圧状態を保持できるように、貫通穴４６を気密に封止している。

このような構成の圧電デバイス２０は、外部接続端子４５を介した外部からの駆動信号により、水晶振動片１が励振され、所定の周波数で振動して発振する。圧電デバイス２０は、振動漏れの基部２への伝搬を抑制し、振動特性を維持しつつ、より小型化が可能な水晶振動片１を備えていることから、小型で安定した振動特性を有することができる。

次に、水晶振動片１および圧電デバイス２０の製造工程について説明する。図６は、圧電デバイスの製造工程を示すフローチャートである。本製造工程では、ウエハー状の基材をベースにして水晶振動片１が製造されるため、ウエハー状の基材としての水晶ウエハーを用意する。水晶ウエハーは、既述した水晶Ｚ板の表面を研磨して平坦な平板形状としたものである。

そして、ステップＳ１において、外形エッチングを行う。まず、水晶ウエハーの表面に、Ｃｒ膜とＡｕ膜とを積層した膜等の保護膜を形成し、保護膜の表面にレジスト膜を塗布してから、フォトリソグラフィーにより、レジスト膜を水晶振動片１の外形形状にパターニングする。次いで、パターニングしたレジスト膜をマスクとして保護膜をエッチングして除去する。レジスト膜剥離後、再度レジスト膜を塗布し、外形形状と溝形状をパターニングする。この状態で、水晶ウエハーの露出した部分をフッ酸でエッチングして、水晶振動片１の外形を形成する。これにより、水晶ウエハーに対し、それぞれ細い連結部で接続された水晶振動片１となる多数の外形完成状態のものが得られる。

ステップＳ２において、溝部エッチングを行う。まず、溝部に形成されている保護膜をエッチングする。こうしてエッチングし露出した水晶面は、振動腕３に形成する溝部４の平面形状に対応している。次いで、水晶ウエハーの露出した部分をフッ酸で所定時間だけハーフエッチングし、振動腕３に溝部４を形成する。ハーフエッチングは、この場合、溝部４の深さを振動腕３の厚さの４０％〜４８％にする加工を指す。溝部４のエッチング後、レジスト膜および保護膜を剥離してステップＳ３へ進む。

ステップＳ３において、電極形成を行う。まず、水晶ウエハーの表面全体に、この場合Ｃｒ膜とＡｕ膜とからなる電極膜を形成し、電極膜に溝励振電極１０および腕励振電極１１のパターンに対応したレジスト膜を形成する。そして、電極膜をエッチングして溝励振電極１０および腕励振電極１１を形成する。電極のエッチング後、レジスト膜を剥離してステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、振動腕の先端に錘付けをする。これは、スパッタリングや蒸着等により、ハンマーヘッド３ｂへＡｕ等の金属皮膜を錘付け膜として形成する。なお、この錘付け膜は、これまでの説明の中では省略している。錘付け膜を形成してステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、周波数の粗調整を行う。粗調整は、錘付け膜の一部をレーザー光等を照射して、部分的に蒸散させ、ハンマーヘッド３ｂの質量を調整する。これにより、それぞれの振動腕３が振動する周波数を、ほぼ均一に粗調整することができる。粗調整後、ステップＳ６へ進む。

ステップＳ６において、水晶振動片の個片化を行う。即ち、水晶ウエハーにおける細い連結部を折り取り、連結状態であった水晶振動片１を個片にする。ここまでが、水晶振動片１の製造工程である。個片化の後、圧電デバイス２０を製造するために、ステップＳ７へ進む。

ステップＳ７において、パッケージに装着を行い、水晶振動片１を固定する。つまり、図５（ａ）に示すような、水晶振動片１のパッケージ４０への装着である。水晶振動片１の装着後、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８において、周波数の微調整を行う。この微調整は、水晶振動片１に駆動電圧を印加して、その周波数を見ながら、イオンビーム、レーザー光等を振動腕３またはハンマーヘッド３ｂの錘付け膜へ照射し、錘付け膜等の質量を調整する。これにより、水晶振動片１の振動腕３は、所定の周波数で正確に振動するように調整される。微調整の後、ステップＳ９へ進む。

ステップＳ９において、パッケージを封止する。図５（ｂ）に示すように、パッケージベース４１へ蓋体４３を溶接し、貫通穴４６を封止材４７で充填して、水晶振動片１をパッケージ４０内へ封止する。以上で、水晶振動片１を備えた圧電デバイス２０が完成する。

また、水晶振動片１および圧電デバイス２０は、上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、実施形態と同様な効果が得られる。

（変形例１）水晶振動片１において、切り込み部７の内端部７ａは、平端面であることに限定されず、円弧状面や半球面等であっても良い。これらの形状であれば、切り込み部７への応力が、角部等へ極端に集中することを避けることができる。

（変形例２）切り込み部７は、基部２を切り込んで、基部２と支持部５との間に位置しているが、支持部５から離反して基部２にのみ囲まれた位置に形成する設定であっても良い。

（変形例３）水晶振動片１は、水晶を用いたものに限定されることなく、水晶以外のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン鉛（ＰＺＴ）等の圧電体であっても良い。

（変形例４）圧電デバイス２０は、パッケージ４０内に、水晶振動片１に加え、発振回路等を備えたものであっても良い

（変形例５）支持部５のマウント部５ａおよびマウント部５ｂは、それぞれの側に一つ設けられているが、複数設けることにより、より安定して水晶振動片１をパッケージ４０等へ支持する構成であっても良い。

圧電振動片としての水晶振動片１は、小型化しても、振動腕３の振動による応力を切り込み部７に集中させ、振動漏れの基部２への伝搬を抑制することにより、安定した振動を維持することができる。従って、この水晶振動片１をパッケージ化した圧電デバイス２０は、タイミングデバイスなどとして、デジタル携帯電話、パーソナルコンピューター、電子時計、ビデオレコーダー、テレビなどの電子機器に広く用いられ、これら電子機器の小型化等に貢献することができる。

１…圧電振動片としての水晶振動片、２…基部、３…振動腕、３ａ…腕部、３ｂ…ハンマーヘッド、４…溝部、５…支持部、６…接続部、７…切り込み部、７ａ…内端部、１０…溝励振電極、１１…腕励振電極、２０…圧電デバイス、３１…第１の付け根部、３２…第２の付け根部、３３…第１のテーパー部、３４…第２のテーパー部、３５…ヘッドテーパー部。

Claims

第１の方向に沿って切り込み部が設けられている基部と、
平面視で、前記基部の端部を付け根にして前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って延出されている振動腕と、
を含み、
前記付け根は、平面視で、
前記振動腕の一方の外縁に位置している第１の付け根部と、
前記振動腕の前記一方の外縁とは反対側の他方の外縁に位置し、前記第１の付け根部よりも前記切り込み部の開口側に配置されている第２の付け根部と、
を含み、
前記第１の付け根部から前記第２の付け根部までの長さをＡ、
前記第１の付け根部から前記切り込み部の内端部までの長さをＢとしたとき、
０．５＜Ｂ／Ａ≦１
を満足していることを特徴とする振動片。
請求項１において、
前記切り込み部は、前記第２の付け根部から前記第１の付け根部に向う方向に沿って切り込まれていることを特徴とする振動片。
請求項１または２において、
前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部と前記付け根との間に設けられ、前記第１の方向に沿った幅が、前記付け根側から前記腕部側へ向かうに従って縮幅している第１のテーパー部と、
を含むことを特徴とする振動片。
請求項３において、
前記腕部は、
前記第１の方向に沿った幅が、前記第１のテーパー部から前記付け根とは反対側へ向かうに従って縮幅している第２のテーパー部を含むことを特徴とする振動片。
請求項１乃至４の何れか一項において、
前記振動腕は、
平面視で、前記付け根側とは反対側の先端側に錘部を含むことを特徴とする振動片。
請求項５において、
前記錘部は、前記付け根へ向かうに従って縮幅している第３のテーパー部を含むことを特徴とする振動片。
請求項５または６において、
前記錘部の前記第１の方向に沿った幅をＣとしたとき、
Ａ≧Ｃ
を満足していることを特徴とする振動片。
請求項１乃至７の何れか一項において、
前記振動腕は、互いに表裏の関係にある第１の主面と第２の主面の少なくとも何れかに溝が設けられていることを特徴とする振動片。
請求項１乃至８の何れか一項において、
前記基部に接続されている支持部を含むことを特徴とする振動片。
請求項１乃至９の何れか一項に記載の振動片と、
前記振動片が収容されているパッケージと、
を備えていることを特徴とするデバイス。
請求項１乃至９の何れか一項に記載の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とするデバイス。