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JP2009118302A - 音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動子 - Google Patents

音叉型圧電振動片及び音叉型圧電振動子 Download PDF

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JP2009118302A
JP2009118302A JP2007290556A JP2007290556A JP2009118302A JP 2009118302 A JP2009118302 A JP 2009118302A JP 2007290556 A JP2007290556 A JP 2007290556A JP 2007290556 A JP2007290556 A JP 2007290556A JP 2009118302 A JP2009118302 A JP 2009118302A
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祥之 山田
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Abstract

【課題】本発明は、衝撃を吸収することができる音叉型音叉型圧電振動片及び音叉型音叉型圧電振動子を提供することを目的とする。
【解決手段】支持腕18は、第1の方向とは反対の第2の方向に突出するように基部12から延びる第1の部分20と、第1の方向に向けて、基部12よりも第2の方向に突出した位置から先端まで延びる第2の部分22と、第1及び第2の部分20,22を接続する第3の部分24と、を含む。基部12は、一方の支持腕18の第2の部分22と、もう一方の支持腕18の第2の部分22とで挟まれる位置にある。第3の部分24は、第1の方向を向く第1の外縁32と、支持腕18のなかで最も第2の方向に突出する第2の外縁34と、を含む。第2の方向に沿った基部12から第2の外縁34までの距離bは、第2の方向に沿った第1及び第2の外縁34の間隔aよりも大きい。
【選択図】図1

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。
特許文献1には、基部及び基部から延びる一対の振動腕を備え、基部にはさらに支持腕が延びる構造の音叉型圧電振動片が開示されている。支持腕の一部はパッケージに固定されて、基部及び一対の振動腕がパッケージから浮いた状態になる。この構造では、パッケージに加えられた衝撃は、固定部分を介して支持腕に伝えられるので、支持腕に耐衝撃性が要求されている。しかし、支持腕の剛性を高めると他の部分に破損が生じる。例えば、特許文献1には、振動腕の振動がパッケージに伝達されること(振動漏れ)を防止するために、基部に切り込みを形成することが開示されているが、これをウエットエッチングで形成すると材料の結晶方位に起因して切り込みの内面が山形形状になって応力が集中するので破損が生じやすかった。したがって、衝撃を吸収することができる支持腕の構造が望まれている。
特開2007−13391号公報
本発明は、衝撃を吸収することができる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、
基部と、
前記基部から第1の方向に延びる一対の振動腕と、
前記基部に別々に接続する一対の支持腕と、
前記一対の振動腕、前記基部及び前記一対の支持腕に形成された電極と、
を有し、
それぞれの前記支持腕は、前記第1の方向とは反対の第2の方向に突出するように前記基部から延びる第1の部分と、前記第1の方向に向けて、前記基部よりも前記第2の方向に突出した位置から先端まで延びる第2の部分と、前記第1及び第2の部分を接続する第3の部分と、を含み、
前記基部は、一方の前記支持腕の前記第2の部分と、他方の前記支持腕の前記第2の部分とで挟まれる位置にあり、
前記第3の部分は、前記第1の方向を向く第1の外縁と、前記支持腕のなかで最も前記第2の方向に突出する第2の外縁と、を含み、
前記第2の方向に沿った前記基部から前記第2の外縁までの距離は、前記第2の方向に沿った前記第1及び第2の外縁の間隔よりも大きい。本発明によれば、支持腕が、振動腕が延びる第1の方向とは反対の第2の方向に延びる第1の部分を有し、さらに、振動腕の隣の第2の部分が第2の方向に基部の隣を超える位置まで延びるので、基部から横に延びて振動腕と同じ方向に屈曲する構造の支持腕よりも高い衝撃吸収性能を有する。
(2)音叉型圧電振動片において、
前記第1の部分は、前記第2の方向に沿って延びていてもよい。
(3)音叉型圧電振動片において、
前記第1、2及び3の部分は、接続されてコ字状又はU字状をなしてもよい。
(4)音叉型圧電振動片において、
前記第1の部分は、前記第2の方向に対して斜めに延びていてもよい。
(5)音叉型圧電振動片において、
前記第1の部分の延びる方向と前記第2の部分の延びる方向とのなす角度であって、前記第1の外縁を内側に配置する内角は、鋭角であってもよい。
(6)音叉型圧電振動片において、
前記第2の部分は、前記先端から直線状に延びる第1の直線部と、前記第3の部分から直線状に延びる第2の直線部と、前記第1及び第2の直線部の間で前記一対の振動腕の方向に屈曲する屈曲部と、を含んでもよい。
(7)本発明に係る音叉型圧電振動子は、
音叉型圧電振動片であって、前記電極は、前記支持腕に形成された接続電極を含む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であって、前記内部に固定電極を有するパッケージと、
前記支持腕で前記音叉型圧電振動片及び前記パッケージを機械的に接合し、前記接続電極及び前記固定電極を電気的に接続する導電性接着剤と、
を含む。
(8)音叉型圧電振動子において、
前記第2の部分は、前記先端から直線状に延びる第1の直線部と、前記第3の部分から直線状に延びる第2の直線部と、前記第1及び第2の直線部の間で前記一対の振動腕の方向に屈曲する屈曲部と、を含み、
前記導電性接着剤は、前記第2の直線部及び前記屈曲部を避けて前記第1の直線部と前記パッケージを接合し、前記第2の直線部及び前記屈曲部を前記パッケージから浮いた状態に保持してもよい。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1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から第1の方向に延びる一対の振動腕14と、を含む。
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。
音叉型圧電振動片10は、一対の支持腕18を含む。一対の支持腕18は基部12に別々に接続している。支持腕18は、振動腕14が延びる第1の方向とは反対の第2の方向に突出するように(第2の方向に沿って)基部12から延びる第1の部分20を有する。支持腕18は、先端を第1の方向に向けて一対の振動腕14の隣で先端から第2の方向に基部12の隣を超える位置まで延びる第2の部分22を有する。第2の部分22は、先端から直線状に延びる第1の直線部26と、第3の部分24から直線状に延びる第2の直線部28と、第1及び第2の直線部26,28の間で一対の振動腕14の方向に屈曲する屈曲部30と、を含む。基部12は、一方の支持腕18の第2の部分22と、もう一方の支持腕18の第2の部分とで挟まれる位置にある。
支持腕18は、基部12から第2の方向にずれた位置で第1及び第2の部分20,22を接続する第3の部分24を有する。第3の部分24は、第1の方向を向く第1の外縁32と、支持腕18のなかで最も第2の方向に突出する第2の外縁34と、を含む。第2の方向に沿った基部12から第2の外縁34までの距離bは、第2の方向に沿った第1及び第2の外縁32,34の間隔aよりも大きい。
第1、2及び3の部分20,22,24は、接続されて、折り返すようにコ字状になっているので、屈曲部30(応力集中しやすい部位)が2箇所ある。変形例として、第1、2及び3の部分20,22,24は、コ字状の代わりにU字状に接続してもよい。また、屈曲部30と振動腕14との間の距離を短くしても良い。そのようにすれば、X軸方向に衝撃が加わった際に、屈曲部30が振動腕14を受け止めて、変位量を抑制することができ、振動腕14の折れを防止することができる。
本実施の形態によれば、支持腕18が、振動腕14が延びる第1の方向とは反対の第2の方向に延びる第1の部分20を有し、さらに、振動腕14の隣の第2の部分22が第2の方向に基部12の隣を超える位置まで延びるので、基部12から横に延びて振動腕14と同じ方向に屈曲する構造の支持腕18よりも高い衝撃吸収性能を有する。
一対の振動腕14、基部12及び一対の支持腕18には電極が形成されている。振動腕14には励振電極36が形成されている。励振電極36は、振動腕14の側面及び溝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つの振動腕の相互に反対を向く側面に形成された励振電極36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36は基部12の側面上及び支持腕18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36と他方の振動腕14の溝16の内面にある励振電極36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36と他方の振動腕14の側面にある励振電極36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。
なお、振動腕14上で側面に形成された励振電極36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38,40が形成されている。第1及び第2の電極膜除去部38,40から振動腕14の表面が露出している。
音叉型圧電振動片10には接続電極42が形成されている。接続電極42は、支持腕18に形成されており、支持腕18の表面に少なくとも形成され、支持腕18の側面にも形成されている。接続電極42は励振電極36と電気的に接続されている。詳しくは、一方の支持腕18に形成された接続電極42は上述した第1のパターンの一部をなす励振電極36と電気的に接続され、他方の支持腕18に形成された接続電極42は上述した第2のパターンの一部をなす励振電極36と電気的に接続されている。
少なくとも接続電極42は、Auからなる表面を有し、例えば、100Å以上300Å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500Å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。
本実施の形態では、溝16の内面に形成された励振電極36と側面に形成された励振電極36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36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。これにより、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。また、基本モードで振動するように、駆動電圧としての交番電圧が調整されている。
図3は、本発明の第1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4は、図3に示す音叉型圧電振動子の平面図であり、図5は、図3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44を有する。パッケージ44は、音叉型圧電振動片10が固定される底部46と、底部46を囲む枠壁部48と、を含む。底部46には、真空引きを行うための通気孔49が形成され、通気孔49は、ロウ材(AuGe等)からなるシール部50で塞がれている。
パッケージ44(底部46)の内面には固定電極52が形成されている。固定電極52は、Auからなる表面を有する。パッケージ44(底部46)の外面には外部端子54が形成されている。固定電極52と外部端子54は図示しない配線で電気的に接続されている。なお、音叉型圧電振動片10は2つの支持腕18を有し、パッケージ44には2つの外部端子54が形成され、一方の支持腕18上の接続電極42が一方の外部端子54に電気的に接続され、他方の支持腕18上の接続電極42が他方の外部端子54に電気的に接続されている。外部端子54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44(底部46)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48に向かって延びるように固定されている。支持腕18が底部46に固定されて、振動腕14がパッケージ44から浮いた状態になっている。底部46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46に接触し難いようになっている。
パッケージ44と音叉型圧電振動片10の固定は導電性接着剤56によって図られる。導電性接着剤56は、第2の直線部28及び屈曲部30を避けて、第1の直線部26とパッケージ44を接合し、第2の直線部28及び屈曲部30をパッケージ44から浮いた状態に保持している。導電性接着剤56は、接続電極42と固定電極52を電気的及び機械的に接合する。本実施の形態では、導電性接着剤56によって接続電極42と固定電極52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44の材料(セラミックス)は接合しないが、変形例としてはこれらを接合してもよい。
パッケージ44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48の上端面はメタライズされている。枠壁部48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46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58が固定されている。リング58は、上端面とオーバーラップして、底部46の上方を切れ目なく囲む。リング58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58には、蓋60が固定されている。
蓋60は、音叉型圧電振動片10が固定されるパッケージ44とオーバーラップしてパッケージ44の開口を塞ぐ。蓋60は、表面及び裏面を貫通する貫通穴62を有する。貫通穴62は、円形の開口形状をなしている。蓋60は、ガラス又は樹脂などの材料からなる光透過性部材64を含む。光透過性部材64は、貫通穴62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36及び接続電極42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38を形成する工程は、音叉型圧電振動片10をパッケージ44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38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38は、第2の電極膜除去部40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38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44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40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44を用意する。なお、パッケージ44の枠壁部48には、ロウ接合によってリング58を固定しておく。そして、音叉型圧電振動片10を底部46に固定する。その固定には導電性接着剤56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64の下面が電極膜と対向するように蓋60を配置し、枠壁部48及び蓋60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44の開口を蓋60によって塞ぐ。シーム接合によって蓋60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40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64の歪みを抑えるため、光透過性部材64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44の開口を蓋60によって塞いだ後に、パッケージ44に形成された通気孔49を介して、蓋60によって塞がれたパッケージ44内を真空にし、その後、ロウ材で通気孔49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40を形成する工程をさらに含む。この工程は、パッケージ44の開口を蓋60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64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40は、第1の電極膜除去部38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。
(第2の実施の形態)
図6は、本発明の第2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。本実施の形態では、支持腕118の第1の部分120は、第2の方向に対して斜めに延びているが、第2の方向に突出している点では第1の実施の形態と同じである。また、支持腕118の第2の部分122は先端から第2の方向に延びる。支持腕118は、基部112から第2の方向にずれた位置で第1及び第2の部分120,122を接続する第3の部分124を有する。第1の部分120の延びる方向と第2の部分122の延びる方向とのなす角度α(第1の外縁132を内側に配置する内角)は鋭角である。支持腕118の第2の部分122は、屈曲部130を有し、屈曲部130の第1又は第2の直線部126,128とのなす角度は、第1の実施の形態よりも大きくなっている。本実施の形態のその他の内容は、第1の実施の形態の内容が該当する。
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、本発明の第1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、本発明の第1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4は、図3に示す音叉型圧電振動子の平面図である。 図5は、図3に示す音叉型圧電振動子の底面図である。 図6は、本発明の第2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。
符号の説明
10…音叉型圧電振動片、 12…基部、 14…振動腕、 16…溝、 18…支持腕、 20…第1の部分、 22…第2の部分、 24…第3の部分、 26…第1の直線部、 28…第2の直線部、 30…屈曲部、 32…第1の外縁、 34…第2の外縁、 36…励振電極、 38…第1の電極膜除去部、 40…第2の電極膜除去部、 42…接続電極、 44…パッケージ、 46…底部、 48…枠壁部、 49…通気孔、 50…シール部、 52…固定電極、 54…外部端子、 56…導電性接着剤、 58…リング、 60…蓋、 62…貫通穴、 64…光透過性部材、 112…基部、 118…支持腕、 120…第1の部分、 122…第2の部分、 124…第3の部分、 126…第1の直線部、 128…第2の直線部、 130…屈曲部、132…第1の外縁

Claims (8)

  1. 基部と、
    前記基部から第1の方向に延びる一対の振動腕と、
    前記基部に別々に接続する一対の支持腕と、
    前記一対の振動腕、前記基部及び前記一対の支持腕に形成された電極と、
    を有し、
    それぞれの前記支持腕は、前記第1の方向とは反対の第2の方向に突出するように前記基部から延びる第1の部分と、前記第1の方向に向けて、前記基部よりも前記第2の方向に突出した位置から先端まで延びる第2の部分と、前記第1及び第2の部分を接続する第3の部分と、を含み、
    前記基部は、一方の前記支持腕の前記第2の部分と、他方の前記支持腕の前記第2の部分とで挟まれる位置にあり、
    前記第3の部分は、前記第1の方向を向く第1の外縁と、前記支持腕のなかで最も前記第2の方向に突出する第2の外縁と、を含み、
    前記第2の方向に沿った前記基部から前記第2の外縁までの距離は、前記第2の方向に沿った前記第1及び第2の外縁の間隔よりも大きい音叉型圧電振動片。
  2. 請求項1に記載された音叉型圧電振動片において、
    前記第1の部分は、前記第2の方向に沿って延びている音叉型圧電振動片。
  3. 請求項2に記載された音叉型圧電振動片において、
    前記第1、2及び3の部分は、接続されてコ字状又はU字状をなす音叉型圧電振動片。
  4. 請求項1に記載された音叉型圧電振動片において、
    前記第1の部分は、前記第2の方向に対して斜めに延びている音叉型圧電振動片。
  5. 請求項1から4のいずれか1項に記載された音叉型圧電振動片において、
    前記第1の部分の延びる方向と前記第2の部分の延びる方向とのなす角度であって、前記第1の外縁を内側に配置する内角は、鋭角である音叉型圧電振動片。
  6. 請求項1から5のいずれか1項に記載された音叉型圧電振動片において、
    前記第2の部分は、前記先端から直線状に延びる第1の直線部と、前記第3の部分から直線状に延びる第2の直線部と、前記第1及び第2の直線部の間で前記一対の振動腕の方向に屈曲する屈曲部と、を含む音叉型圧電振動片。
  7. 請求項1から5のいずれか1項に記載された音叉型圧電振動片であって、前記電極は、前記支持腕に形成された接続電極を含む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であって、前記内部に固定電極を有するパッケージと、
    前記支持腕で前記音叉型圧電振動片及び前記パッケージを機械的に接合し、前記接続電極及び前記固定電極を電気的に接続する導電性接着剤と、
    を含む音叉型圧電振動子。
  8. 請求項7に記載された音叉型圧電振動子において、
    前記第2の部分は、前記先端から直線状に延びる第1の直線部と、前記第3の部分から直線状に延びる第2の直線部と、前記第1及び第2の直線部の間で前記一対の振動腕の方向に屈曲する屈曲部と、を含み、
    前記導電性接着剤は、前記第2の直線部及び前記屈曲部を避けて前記第1の直線部と前記パッケージを接合し、前記第2の直線部及び前記屈曲部を前記パッケージから浮いた状態に保持する音叉型圧電振動子。
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