JP4553157B2

JP4553157B2 - 音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動子

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Publication number: JP4553157B2
Application number: JP2007300823A
Authority: JP
Inventors: 憲也平沢
Original assignee: Epson Toyocom Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: US7759848B2; JP2009130456A; US20090127983A1

Description

本発明は、音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動子に関する。

図９に示すように、振動腕９０２が延びる基部９０４に切り込み９０６を形成することで振動腕９０２の振動の漏れを緩和することが知られている（特許文献１参照）。しかしながら、切り込み９０６だけでは特性の安定性には不十分であった。例えば、図９に示すように、左右の振動腕９０２の振れが不均一になることがある。特に動作時の見かけ上の弾性率、動的貯蔵弾性率やヤング率が１００ＭＰａ以上であるような接合部材によって音叉型圧電振動片を接合するような場合には、周波数特性が著しく悪化し、実用に耐えなかった。その原因を、本願の発明者は、Ｘ同相モードの振動によるものと分析している。Ｘ同相モードとは、図１０に示すように、左右の振動腕９０２が同じ方向（水晶の結晶方位を定義するときのＸ軸の方向）に振れる振動である。従来の音叉型振動片におけるＸ同相モードの振動は、振動腕９０２と基部９０４との接合部分周辺を節とするため、必要とされる基本波モードと固有共振周波数が近い。その結果、Ｘ同相モードの振動と基本波モードの振動が結合することで特性の劣化を招いている。基本波モードを発生させる固有振動周波数は、Ｘ同相モードを発生させる固有振動周波数よりも高いが、両者が近いと、基本波モードで駆動するときにもＸ同相モードの振動が発生してしまうことが発明者の分析により明らかになった。なお、基本波モードとは、前記一対の振動腕が互いに接近離間を繰り返す振動モードであり、音叉型圧電振動子の多くは、この基本波モードの固有共振周波数を出力している。
特開２００２−２６１５７５号公報

本発明は、特性の安定した音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動子を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る音叉型圧電振動片は、
対向する一対の切り込みが形成されて前記一対の切り込みの間に位置する括れ部を有する基部と、
前記基部から延びる一対の振動腕と、
前記一対の振動腕にそれぞれ形成された励振電極と、
を有し、
同じ方向に前記一対の振動腕が揺れる同相モードの固有振動周波数ｆ_comで前記一対の振動腕が振動したときに、前記括れ部に前記同相モードの振動の節が位置する。本発明によれば、同相モードで括れ部に振動の節が位置するので、振動する部位が振動腕よりも長くなる。これにより、同相モードの固有振動周波数が小さくなって基本波モードの固有振動周波数から離れる。その結果、基本波モードで駆動したときに同相モードの振動が発生しにくくなって特性を安定させることができる。
（２）音叉型圧電振動片において、
前記同相モードの前記固有振動周波数ｆ_comと、前記一対の振動腕が互いに接近離間を繰り返す基本波モードの固有振動周波数ｆ_funとの間に、
ｆ_com／ｆ_fun＜０．９５
が成立してもよい。
（３）本発明に係る音叉型圧電振動子は、
音叉型圧電振動片と、
前記音叉型圧電振動片を内部に収容するパッケージと、
前記音叉型圧電振動片及び前記パッケージを接合する接合部材と、
を含む。
（４）音叉型圧電振動子において、
前記接合部材の動的貯蔵弾性率又はヤング率は、１００ＭＰａ以上であってもよい。

図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電振動片を示す平面図である。図２は、図１に示す音叉型圧電振動片のII−II線断面拡大図である。なお、図１に示す音叉型圧電振動片の底面図は平面図と対称に表れる。音叉型圧電振動片１０は、相互に反対を向いて厚みを定義する表裏面を有しており、水晶からなる。音叉型圧電振動片１０は、基部１２と、基部１２から別々に延びる一対の振動腕１４と、を含む。なお、基部１２には振動腕１４の他に図示しない支持腕を設けてもよい。

振動腕１４は、相互に反対を向いて厚みを定義する表裏面と、表裏面を両側で接続する側面を有する。一対の振動腕１４は、側面同士が対向するように並列している。図２に示すように、一方の側面（Ｘ軸の＋方向を向く面）は、表裏面の間隔によって定義される振動腕１４の厚みの中央方向に高くなる山型となるように形成されている。振動腕１４には、表裏面に、それぞれ、長手方向に延びる溝１６が形成されている。溝１６によって振動腕１４が動きやすくなって効率的に振動するのでＣＩ値を下げることができる。

一対の振動腕１４及び基部１２には電極が形成されている。振動腕１４には励振電極１８が形成されている。励振電極１８は、振動腕１４の側面及び溝１６の内面にそれぞれ分離されて形成されている（図２参照）。１つの振動腕１４の相互に反対を向く側面に形成された励振電極１８は、振動腕１４の先端部上で電気的に接続され、溝１６の内面に形成された励振電極１８は基部１２の側面上で電気的に接続されている。一方の振動腕１４の側面にある励振電極１８と他方の振動腕１４の溝１６の内面にある励振電極１８とは基部１２上で電気的に接続されて第１のパターンを構成し、一方の振動腕１４の溝１６の内面にある励振電極１８と他方の振動腕１４の側面にある励振電極１８とは基部１２上で電気的に接続されて第２のパターンを構成している。

音叉型圧電振動片１０には接続電極２０が形成されている。接続電極２０は、基部１２に形成されており、基部１２の表裏面に少なくとも形成され、基部１２の側面にも形成されている。接続電極２０は励振電極１８と電気的に接続されている。詳しくは、基部１２に形成された接続電極２０は、上述した第１のパターンの一部をなす励振電極１８と電気的に接続される第１の接続電極２１と、上述した第２のパターンの一部をなす励振電極１８と電気的に接続される第２の接続電極２２と、を含む。

振動腕１４の溝１６よりも先端部上で側面に形成された励振電極１８を電気的に接続する電極膜は、振動腕１４の錘の役割を果たしており、その一部を除去することで錘の重さを調整することができる。振動腕１４の先端部の重さが重いほど振動腕１４の振動周波数が低くなり、軽いほど振動腕１４の振動周波数が高くなる。これを利用して周波数調整を行うことができる。そこで、電極膜には、第１及び第２の電極膜除去部２３，２４が形成されている。第１及び第２の電極膜除去部２３，２４から振動腕１４の表面が露出している。

少なくとも接続電極２０は、Ａｕからなる表面を有し、例えば、１００Å以上１０００Å以下の厚みを有する下地のＣｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成された２００Å以上１０００Å以下の厚みを有するＡｕ膜と、を含む多層構造であってもよい。Ｃｒ膜は水晶との密着性が高く、Ａｕ膜は電気抵抗が低く酸化し難い。また、Ｃｒ膜に代えてＮｉ膜を用いることもある。

本実施の形態では、溝１６の内面に形成された励振電極１８と側面に形成された励振電極１８との間に電圧を印加する。印加電圧によって、図２に矢印で示すように電界が発生する。励振電極１８は、クロス配線によって交流電源に接続され、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。基本波モードの固有振動周波数ｆ_funで駆動すると、振動腕１４は、互いに逆相振動となるように（振動腕１４の先端側が互いに接近・離間するように）励振されて屈曲振動する。

基部１２には、振動腕１４の表裏面と連続した面に括れた形状が表れるように、相互に対向方向（一対の振動腕１４が並列する方向）に一対の切り込み２６が形成されている。基部１２は、一対の切り込み２６の間に括れ部２８を有する。括れ部２８の幅は、一対の切り込み２６の間の長さであって、一対の振動腕１４が並列する方向と平行な方向の長さである。括れ部２８の幅は、基部１２の幅の５０％以下であってもよく、振動腕１４の幅の２倍以下であってもよい。なお、切り込み２６によって、振動腕１４の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部１２を介して外部に伝わること（振動漏れ）を抑制し、ＣＩ値の上昇を防止することができる。

図３は、同相モードの固有振動周波数ｆ_comで振動する一対の振動腕１４を示す図であ
る。本実施の形態では、同じ方向（例えばＸ軸の＋方向）に一対の振動腕１４が揺れる同相モードの固有振動周波数ｆ_comで一対の振動腕１４が振動したときに、基部１２の括れ部２８に同相モードの振動の節が位置するように、括れ部２８の剛性（又は柔軟性）が設定されている。言い換えると、括れ部２８がこの剛性（又は柔軟性）を有するように、切り込み２６の深さｄ及び幅ｗが設定されている。切り込み２６の深さｄ及び幅ｗは、振動腕１４及び基部１２の厚み、振動腕１４の長さ、基部１２の幅及び長さによって異なる。

例えば、同相モードの固有振動周波数ｆ_comは次のように定義する。すなわち、一対の振動腕１４の溝１６の内面に形成された励振電極１８（この段落では「溝電極」という。）同士を接続し、一対の振動腕１４の側面に形成された励振電極（この段落では「側面電極」と言う。）同士を接続するように基部１２上の電極の引き回しを変える。そして、溝電極と側面電極とを交流電源に接続し、振動腕１４を同相モードで振動させ、効率良く振動する時の周波数を固有振動周波数ｆ_comとして定義する。

図８は、本発明の実施の形態の変形例に係る音叉型圧電振動片を示す平面図である。図８に示す切り込み１２６は、図１に示す切り込み２６と比較して、深さｄ_１が深さｄより小さく、幅ｗ_１が幅ｗよりも大きい。このように、切り込み２６，１２６の深さ及び幅は、相対的に決定されるので、一方を大きくすれば、他方を小さくすることが可能である。

本実施の形態によれば、同相モードの固有振動周波数ｆ_comで一対の振動腕１４を振動させたときに、図１０に示す従来技術とは異なり、基部１２の括れ部２８に振動の節が位置して振動するので、振動部位が長くなるため、同相モードの固有振動周波数ｆ_comが低くなり、基本波モードの固有振動周波数ｆ_funとの差が大きくなる。同相モードの固有振動周波数ｆ_comと、基本波モードの固有振動周波数ｆ_funとの間には、
ｆ_com／ｆ_fun＜０．９５
が成立する。

図４は、基本波モードの固有振動周波数ｆ_funで振動する一対の振動腕を示す図である。図９に示す従来技術と異なり、本実施の形態によれば、基本波モードの固有振動周波数ｆ_funとの差が大きく、基本波モードで駆動したときに同相モードの振動が発生しにくくなっているので、特性を安定させることができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電振動子の断面図であり、図６は、図５に示す音叉型圧電振動子の平面図であり、図７は、図５に示す音叉型圧電振動子の底面図である。

音叉型圧電振動子は、音叉型圧電振動片１０を内部に収容するパッケージ３０を有する。パッケージ３０は、音叉型圧電振動片１０が固定される底部３２と、底部３２を囲む枠壁部３４と、を含む。底部３２には、真空引きを行うための通気孔３６が形成され、通気孔３６は、ロウ材（ＡｕＧｅ等）からなるシール部３８で塞がれている。

パッケージ３０（底部３２）の内面には固定電極４０が形成されている。固定電極４０は、Ａｕからなる表面を有する。パッケージ３０（底部３２）の外面には外部端子４２が形成されている。固定電極４０と外部端子４２は図示しない配線で電気的に接続されている。外部端子４２は、ハンダなどによって回路基板の配線パターン（図示せず）に実装される。

パッケージ３０（底部３２）に音叉型圧電振動片１０が固定されている。音叉型圧電振動片１０は、振動腕１４が基部１２から枠壁部３４に向かって延びるように固定されている。基部１２が底部３２に固定されて、振動腕１４がパッケージ３０から浮いた状態になっている。底部３２は、振動腕１４の先端部と対向する領域が低くなっており、振動腕１４が曲がっても底部３２に接触し難いようになっている。

パッケージ３０と音叉型圧電振動片１０の固定は接合部材４４によって図られる。接合部材４４は、導電性樹脂材料やハンダ等の金属材料であってもよい。金属材料は加熱してもガスが出ないので好ましい。接合部材４４の動的貯蔵弾性率又はヤング率は、１００ＭＰａ以上であってもよい。接合部材４４は、基部１２とパッケージ３０を接合し、振動腕１４をパッケージ３０から浮いた状態に保持している。接合部材４４は、接続電極２０と固定電極４０を電気的及び機械的に接合する。本実施の形態では、接合部材４４によって接続電極２０と固定電極４０のみを接合し、音叉型圧電振動片１０の材料（水晶）とパッケージ３０の材料（セラミックス）は接合しないが、これらを接合してもよい。また、変形例として、接続電極が形成された支持腕を有する音叉型圧電振動片を使用して、支持腕をパッケージに固定した場合、支持腕で電気的接続も図られる。

パッケージ３０は、その全体を金属で形成してもよいが、主としてセラミックス等の非金属で形成する場合には、枠壁部３４の上端面はメタライズされている。枠壁部３４の非金属部上に、Ｍｏ（又はＷ）膜、Ｎｉ膜及びＡｕ膜が順に積層されて、上端面はＡｕからなる。上端面は、底部３２の上方を囲む形状をなしている。上端面には、例えばＡｇを含む合金からなるロウ材層を介して、リング４６が固定されている。リング４６は、上端面とオーバーラップして、底部３２の上方を切れ目なく囲む。リング４６は、シーム溶接用のものであり、例えばコバールから構成される層を有する。リング４６には、蓋４８が固定されている。

蓋４８は、音叉型圧電振動片１０が固定されるパッケージ３０とオーバーラップしてパッケージ３０の開口を塞ぐ。蓋４８は、表面及び裏面を貫通する貫通穴５０を有する。貫通穴５０は、円形の開口形状をなしている。蓋４８は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材５２を含む。光透過性部材５２は、貫通穴５０の内面に密着してなる。

上述した音叉型圧電振動子を使用して、発振器又はセンサを構成することができる。音叉型圧電振動子を含む発振回路で発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。また、音叉型圧電振動子を使用したセンサは、物理量に応じて音叉型圧電振動片１０の周波数が変動することを利用してその物理量を検出するセンサである。例えば、温度、加速度によって発生する応力、角速度によって発生するコリオリ力などを検出するセンサが例に挙げられる。

次に、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電振動子の製造方法を説明する。音叉型圧電振動子の製造方法は、音叉型圧電振動片１０の形成を含む。音叉型圧電振動片１０を水晶から構成する場合、水晶ウエハは、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度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板であって所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いる。１つの水晶ウエハから複数の音叉型圧電振動片１０を連結された状態で切り出し、最終的に個々の音叉型圧電振動片１０に切断する。音叉型圧電振動片１０には、励振電極１８及び接続電極２０を含む電極膜を形成する。

電極膜の一部を除去して第１の電極膜除去部２３を形成する工程は、音叉型圧電振動片１０をパッケージ３０に固定する工程前に行う。つまり、音叉型圧電振動子に組み込む前（水晶ウエハから連結された状態で切り出された複数の音叉型圧電振動片１０を個々に切断する前であっても後でもよい。）に、第１の電極膜除去部２３を形成することで周波数調整を行う。電極膜の一部の除去は、レーザービームによって行う。第１の電極膜除去部２３は、第２の電極膜除去部２４よりも振動腕１４の先端に近いので、振動腕１４を振動しやすくする（周波数を上げる）効果が大きい。第１の電極膜除去部２３の形成による周波数調整プロセスは、おおまかな調整を目的としたもので粗調整ということができる。音叉型圧電振動片１０をパッケージ３０に取り付ける前に既に周波数調整を行っているため、次に行う第２の電極膜除去部２４の形成による電極膜の除去量を少なくすることができる。

音叉型圧電振動子の製造方法では、パッケージ３０を用意する。なお、パッケージ３０の枠壁部３４には、ロウ接合によってリング４６を固定しておく。そして、音叉型圧電振動片１０を底部３２に固定する。その固定には接合部材４４を使用する。その他の詳細は、上述した音叉型圧電振動子の構造の説明から自明な内容が該当する。

音叉型圧電振動子の製造方法は、光透過性部材５２の下面が電極膜と対向するように蓋４８を配置し、枠壁部３４及び蓋４８を接合することを含む。接合は、シーム溶接によって行う。こうして、パッケージ３０の開口を蓋４８によって塞ぐ。シーム接合によって蓋４８を接合するので、局所的な加熱を行うが全体的な加熱はしない。そのため、熱によって音叉型圧電振動片１０に生じる歪みが少ないので、周波数調整のための第２の電極膜除去部２４の形成による電極膜の除去は少ない量の除去で足り、ガスの発生が少ない。なお、シーム接合を行うときに光透過性部材５２の歪みを抑えるため、光透過性部材５２の位置を、シーム接合を行う部分から離してある。

パッケージ３０の開口を蓋４８によって塞いだ後に、パッケージ３０に形成された通気孔３６を介して、蓋４８によって塞がれたパッケージ３０内を真空にし、その後、ロウ材で通気孔３６を塞ぐ。

音叉型圧電振動子の製造方法は、第２の電極膜除去部２４を形成する工程をさらに含む。この工程は、パッケージ３０の開口を蓋４８によって塞いだ後（例えばさらに真空引き工程後）に行う。この工程は、光透過性部材５２を通して、電極膜に対してレーザービームを照射して行う。第２の電極膜除去部２４は、第１の電極膜除去部２３よりも振動腕１４の先端から離れているので、振動腕１４を振動しやすくする（周波数を上げる）効果は小さいが、このことから逆に微調整が可能であると言える。

本実施の形態に係る音叉型圧電振動子の製造方法は、上記プロセスを含み、上述した音叉型圧電振動子の構成から自明の製造プロセスをさらに含む。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電振動片を示す平面図である。図２は、図１に示す音叉型圧電振動片のII−II線断面拡大図である。図３は、同相モードの固有振動周波数ｆ_{co m}で振動する一対の振動腕を示す図である。図４は、基本波モードの固有振動周波数ｆ_funで振動する一対の振動腕を示す図である。図５は、本発明の実施の形態に係る音叉型圧電振動子の断面図である。図６は、図５に示す音叉型圧電振動子の平面図である。図７は、図５に示す音叉型圧電振動子の底面図である。図８は、本発明の実施の形態の変形例に係る音叉型圧電振動片を示す平面図である。図９は、従来技術に係る音叉型圧電振動片の基本波モードの固有振動周波数ｆ_funで振動する一対の振動腕を示す図である。図６は、従来技術に係る音叉型圧電振動片の同相モードの固有振動周波数ｆ_comで振動する一対の振動腕を示す図である。

符号の説明

１０…音叉型圧電振動片、１２…基部、１４…振動腕、１６…溝、１８…励振電極、２０…接続電極、２１…第１の接続電極、２２…第２の接続電極、２３…第１の電極膜除去部、２４…第２の電極膜除去部、２６…切り込み、２８…括れ部、３０…パッケージ、３２…底部、３４…枠壁部、３６…通気孔、３８…シール部、４０…固定電極、４２…外部端子、４４…接合部材、４６…リング、４８…蓋、５０…貫通穴、５２…光透過性部材、１２６…切り込み

Claims

Ｘ方向に沿って対向する一対の切り込みが形成され、前記一対の切り込みの間に位置する括れ部を有し、厚み方向を前記Ｘ方向に垂直なＺ方向とする基部と、
前記基部から前記Ｘ方向および前記Ｚ方向に垂直なＹ方向に延びる一対の振動腕と、
前記一対の振動腕にそれぞれ形成された励振電極と、
を有し、
前記括れ部は、前記一対の振動腕が、前記Ｘ方向において同じ方向に揺れる同相モードの固有振動周波数ｆcomで振動したときに、当該同相モードの振動の節が当該括れ部に位
置するように形成され、
前記一対の振動腕が前記Ｘ方向において互いに異なる方向に揺れる基本波モードの固有振動周波数ｆfunで振動したときに、当該基本波モードで振動する当該振
動腕のそれぞれの振動の節が、前記基部と前記振動腕との接合部分に位置することを特徴とする音叉型圧電振動片。
請求項１に記載された音叉型圧電振動片において、
前記括れ部の前記Ｘ方向の幅は、前記振動腕の前記Ｘ方向の幅の２倍以下である、音叉型圧電振動片。
請求項１又は２に記載された音叉型圧電振動片において、
前記固有振動周波数ｆcomと、前記固有振動周波数ｆfunとの間に、
ｆcom／ｆfun＜０．９５
の関係が成立する音叉型圧電振動片。
請求項１乃至３のいずれかに記載された音叉型圧電振動片と、
前記音叉型圧電振動片を内部に収容するパッケージと、
前記音叉型圧電振動片の前記基部のうち、前記振動腕が接合されている部位および前記括れ部以外の部位を、前記パッケージに接合して、前記音叉型圧電振動片の括れ部、前記振動腕が接合されている前記基部の部位、および前記一対の振動腕を片持ち梁状に支持する接合部材と、
を含む音叉型圧電振動子。