JP5789914B2 - Tuning fork type piezoelectric vibrating piece and piezoelectric device - Google Patents
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Description
本発明は、音叉型圧電振動片に関し、更に音叉型圧電振動片をパッケージに収容した圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスに関する。 The present invention relates to a tuning fork type piezoelectric vibrating piece, and more particularly to a piezoelectric device such as a piezoelectric vibrator or a piezoelectric oscillator in which a tuning fork type piezoelectric vibrating piece is housed in a package.
従来より、携帯電話等の通信機器、パーソナルコンピュータ等の情報機器、その他様々な電子機器には、圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。特に最近は、電子機器の高性能化、小型化に伴い、より一層の小型化を図ることができると共に、CI値を低く抑制しかつ高いQ値(共振尖鋭度)を発揮する高品質で、高い安定性を有する圧電デバイスが要求されている。 Conventionally, piezoelectric devices such as piezoelectric vibrators and piezoelectric oscillators have been widely used in communication devices such as mobile phones, information devices such as personal computers, and various other electronic devices. Especially recently, with the high performance and miniaturization of electronic equipment, it is possible to achieve further miniaturization, with a high quality that suppresses the CI value low and exhibits a high Q value (resonance sharpness), There is a demand for a piezoelectric device having high stability.
一般に音叉型圧電振動片の共振周波数は、振動腕の長さの二乗に反比例し、かつ腕幅に比例する特性がある。従って、同じ共振周波数で振動腕の長さを短くしようとすると、腕幅も同様に小さくしなければならず、そのためにCI値が大きくなるという問題が発生する。そこで、振動腕の表裏主面に長手方向の溝を形成しかつその内面に励振電極を設けることにより、振動腕の長さを短くしても、腕幅を必要以上小さくすることなく、電界効率を向上させてCI値を低く抑制する方法が広く採用されている。 In general, the resonance frequency of a tuning fork type piezoelectric vibrating piece is inversely proportional to the square of the length of the vibrating arm and proportional to the arm width. Therefore, if it is attempted to shorten the length of the vibrating arm at the same resonance frequency, the arm width must be reduced in the same manner, which causes a problem that the CI value increases. Therefore, by forming grooves in the longitudinal direction on the front and back main surfaces of the vibrating arm and providing excitation electrodes on the inner surface, even if the length of the vibrating arm is shortened, the field efficiency is reduced without unnecessarily reducing the arm width. A method of improving the CI and suppressing the CI value low is widely adopted.
また、音叉型圧電振動片は、目的とする基本波の周波数だけでなく、好ましくない高調波の周波数でも発振する特性がある。かかる高調波の影響を防止するために、高調波のCI値を基本波のCI値より大きくする、即ちCI値比(=高調波CI値/基本波CI値)を1.0より大きく設定することによって、高調波を発生し難くする方法が知られている。例えば、振動腕の腕幅を基部側から先端側に向けて先細のテーパー状に変化させることによって、小型で基本波のCI値が小さく、かつCI値比の良好な音叉型圧電振動片が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。 Further, the tuning fork type piezoelectric vibrating piece oscillates not only at the target fundamental frequency but also at undesired harmonic frequencies. In order to prevent the influence of such harmonics, the CI value of the harmonic is made larger than the CI value of the fundamental wave, that is, the CI value ratio (= harmonic CI value / fundamental CI value) is set to be larger than 1.0. Therefore, a method for making it difficult to generate harmonics is known. For example, a tuning fork type piezoelectric vibrating piece that is small in size, has a small fundamental wave CI value, and has a good CI value ratio by changing the arm width of the vibrating arm from the base side to the tip side taper. (For example, refer to Patent Document 1).
他方、音叉型圧電振動片のQ値は、一般にQ=1/(ω・C1・R1)の式で表される。ここで、ωは角周波数、C1は等価直列容量、R1は等価直列抵抗である。等価直列抵抗R1はCI値にほぼ等しい。Q値を大きくするためには、振動腕の腕幅を大きくする必要があるが、これに伴う高次振動モードの発生を抑えるために振動腕の長さも長くしなければならないので、小型化を図ることができない。そこで、振動腕の先端に幅広の錘部を設けることにより、振動腕を短くしても、高次振動モードの発生を抑制しかつ振動周波数の安定性を得られると共に、Q値を高くする音叉型圧電振動片が知られている(例えば、特許文献2,3を参照)。
On the other hand, the Q value of the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece is generally expressed by an equation of Q = 1 / (ω · C 1 · R 1 ). Here, ω is an angular frequency, C 1 is an equivalent series capacitance, and R 1 is an equivalent series resistance. Equivalent series resistance R 1 is approximately equal to the CI value. In order to increase the Q value, it is necessary to increase the arm width of the vibrating arm, but the length of the vibrating arm must also be increased in order to suppress the occurrence of the higher-order vibration mode associated therewith. I can't plan. Therefore, by providing a wide weight at the tip of the vibrating arm, even if the vibrating arm is shortened, it is possible to suppress the occurrence of higher-order vibration modes and obtain stability of the vibration frequency, and to increase the Q value. A type piezoelectric vibrating piece is known (see, for example,
音叉型圧電振動片の振動腕の表裏主面に形成する長手方向の溝は、CI値をより低く抑制するためには、より長く形成することが好ましい。しかしながら、特許文献3記載のように、溝部を振動腕先端の錘部の領域まで延長させると、周波数を低下させるという錘部の質量効果が損なわれ、振動腕を十分に短くできなくなる虞がある。
The longitudinal grooves formed on the front and back main surfaces of the vibrating arm of the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece are preferably formed longer in order to suppress the CI value lower. However, as described in
また、音叉型圧電振動片の実際の使用時には、その使用条件によって負荷容量の値にばらつきが生じる。そのため、製造時に所定の公称周波数に設定しても、実際の使用時には周波数にばらつきを生じる虞がある。特に音叉型振動片のC1の値が大きいと、音叉型振動片を実際に使用したときに、負荷容量のばらつきによって周波数が大きくばらつく虞がある。上述したQ値の一般式から分かるように、使用条件による負荷容量のばらつきによる影響を解消し又は抑制するためには、音叉型圧電振動片のC1の値を小さく即ちそのQ値を十分に大きくする必要がある。 Further, when the tuning fork type piezoelectric vibrating piece is actually used, the value of the load capacity varies depending on the use condition. Therefore, even if the predetermined nominal frequency is set at the time of manufacture, there is a possibility that the frequency may vary during actual use. In particular, when a large value of C 1 tuning fork type resonator element, when actually using the tuning fork type resonator element, there is a possibility that the frequency varies greatly due to variation of the load capacitance. As can be seen from the above general formula of the Q value, in order to eliminate or suppress the influence due to the variation in load capacity due to the use conditions, the value of C 1 of the tuning fork type piezoelectric vibrating piece is reduced, that is, the Q value is sufficiently reduced It needs to be bigger.
他方、振動腕と錘部との連結部は、溝部の有無や該連結部付近での幅の変化に伴って、その断面積及び断面形状が急激に変化するので、局所的に振動腕の屈曲振動による応力集中が起こり易い。そのため、振動腕の振動が不安定になったり、好ましくない振動を発生する虞があるだけでなく、最悪の場合、振動腕と錘部との連結部が破損することも考えられる。 On the other hand, since the cross-sectional area and the cross-sectional shape of the connecting portion between the vibrating arm and the weight portion change suddenly with the presence or absence of the groove portion or the width near the connecting portion, the bending of the vibrating arm locally Stress concentration due to vibration is likely to occur. For this reason, there is a possibility that the vibration of the vibrating arm becomes unstable or undesirable vibration is generated, and in the worst case, the connecting portion between the vibrating arm and the weight portion may be damaged.
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、音叉型圧電振動片において、振動腕を良好かつ安定に屈曲振動させることができ、Q値及びCI値の双方において振動特性を向上させると共に、小型化を実現することにある。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to allow a vibrating arm to bend and vibrate satisfactorily and stably in a tuning fork type piezoelectric vibrating piece. In both cases, the vibration characteristics are improved and the miniaturization is realized.
更に本発明の目的は、かかる音叉型圧電振動片を備えることにより、高性能で小型化可能な圧電振動子、発振器等の圧電デバイスを提供することにある。 A further object of the present invention is to provide a piezoelectric device such as a piezoelectric vibrator and an oscillator that can be miniaturized with high performance by providing such a tuning-fork type piezoelectric vibrating piece.
本願発明者らは、振動腕に溝部を設ける範囲が圧電振動片のQ値に及ぼす影響を様々に検討した。その結果、基部から先端側に縮幅する振動腕の先端に錘部を有する場合に、振動腕の長手方向に沿って錘部長さと溝部先端位置との間に、Q値に影響を与える一定の関係があることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて上記目的を達成するためになされたものである。 The inventors of the present application have studied various effects of the range in which the groove portion is provided on the vibrating arm on the Q value of the piezoelectric vibrating piece. As a result, when having a weight portion at the tip of the vibrating arm that is reduced in width from the base portion to the tip side, the Q value is affected between the length of the weight portion and the groove tip position along the longitudinal direction of the vibrating arm. I found that there is a relationship. The present invention has been made to achieve the above object based on such findings.
本発明の音叉型圧電振動片は、水晶の結晶軸を、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸とし、
前記X軸を回転軸として、前記Y軸を前記Z軸側へ0°乃至5°の範囲で傾けたY’軸と前記X軸とを含む面を主面とする水晶Z板を基材とし、
基部と、
前記基部から前記Y’軸に沿った第1の方向に延出し、かつ、前記第1の方向と直交するとともに前記X軸に沿った第2の方向の幅が、前記基部から前記第1の方向に向けて全長に亘って徐々に縮幅し、かつ、前記第2の方向に並んでおり、前記第1の方向及び前記第2の方向を含む平面内で互いに接近と離反とを交互に繰り返して屈曲振動する1対の振動腕と、
前記1対の振動腕の互いに表裏の関係にある表裏の主面のうち少なくとも一方の主面側に設けられている溝部と、
前記1対の振動腕の前記溝部の内面を含む前記表裏の主面及び前記表裏の主面に接続されている側面に設けられている励振電極と、
前記振動腕の前記第1の方向の先端に一体的に設けられ、かつ、前記振動腕の先端よりも前記第2の方向に沿った幅が広い部分を有している錘部と、
を備え、
前記振動腕の前記第1の方向に沿って、前記振動腕と前記錘部との境である連結位置Pを基準に前記錘部側を正の方向、前記基端側を負の方向とし、
前記錘部の第1の方向に沿った長さをLw、
前記連結位置Pから前記溝部の前記第1の方向の先端位置Gまでの前記第1の方向に沿った長さをLgとしたとき、
−0.1≦Lg/Lw≦0.1
を満足し、
前記錘部が、前記振動腕の前記第1の方向に沿って前記連結位置Pから先端側に向うにしたがって前記第2の方向に沿った幅が徐々に拡幅するテーパー部分を有し、
前記テーパー部分の外縁と前記第2の方向とのなす傾斜角度が50°以上80°以下であり、
前記溝部の前記錘部側の部分の前記第2の方向に沿った幅が、前記基部側から前記錘部側に向けて徐々に縮幅しており、
前記溝部の前記錘部側の部分の深さが、前記基部側から前記錘部側に向けて徐々に浅くなっていることを特徴とする。
The tuning fork type piezoelectric vibrating piece of the present invention has a crystal axis of quartz as an X axis as an electric axis, a Y axis as a mechanical axis, and a Z axis as an optical axis,
The base material is a quartz crystal Z plate whose principal surface is a plane including the Y ′ axis and the X axis, in which the X axis is the rotation axis and the Y axis is tilted in the range of 0 ° to 5 ° toward the Z axis. ,
The base,
A width extending in the first direction along the Y ′ axis from the base and orthogonal to the first direction and in the second direction along the X axis is from the base to the first direction. The width gradually decreases over the entire length in the direction and is aligned with the second direction, and alternately approaches and separates from each other within a plane including the first direction and the second direction. A pair of vibrating arms that bend and vibrate repeatedly;
A groove provided on at least one main surface side of the front and back main surfaces of the pair of vibrating arms in a front-back relationship;
Excitation electrodes provided on the front and back main surfaces including the inner surfaces of the groove portions of the pair of vibrating arms and side surfaces connected to the front and back main surfaces;
A weight part integrally provided at the tip of the vibrating arm in the first direction and having a portion that is wider in the second direction than the tip of the vibrating arm;
With
Along the first direction of the vibrating arm, the weight side is a positive direction and the base end side is a negative direction with reference to a connection position P that is a boundary between the vibrating arm and the weight portion,
The length of the weight portion along the first direction is Lw,
When the length along the first direction from the connecting position P to the tip position G in the first direction of the groove is Lg,
−0.1 ≦ Lg / Lw ≦ 0.1
Satisfied,
The weight portion has a tapered portion in which the width along the second direction gradually widens from the connecting position P toward the tip side along the first direction of the vibrating arm;
An inclination angle formed between an outer edge of the tapered portion and the second direction is 50 ° or more and 80 ° or less,
The width along the second direction of the portion on the weight portion side of the groove portion is gradually reduced from the base side toward the weight portion side,
The depth of the portion on the weight portion side of the groove portion is gradually shallower from the base side toward the weight portion side.
後述するように、このように溝部の先端位置を錘部長さとの関係から規定することによって、音叉型圧電振動片の小型化を図りつつ、良好かつ安定な屈曲振動を確保し、その振動特性をQ値及びCI値の双方において最適に設定することができる。
また、錘部は、テーパー部分において振動腕との連結部分から幅の拡大と共にその剛性が徐々に高くなるので、振動腕の屈曲振動時に振動腕との連結部分への応力集中が緩和され、振動腕の屈曲振動をより良好に安定させて、高調波などの好ましくない振動の発生を抑制することができる。
As described later, by defining the position of the tip of the groove from the relationship with the weight length in this way, the tuning fork-type piezoelectric vibrating piece can be reduced in size while ensuring good and stable bending vibration, and its vibration characteristics can be reduced. It is possible to optimally set both the Q value and the CI value.
In addition, since the rigidity of the weight portion gradually increases as the width increases from the connecting portion with the vibrating arm in the tapered portion, the stress concentration on the connecting portion with the vibrating arm is alleviated during flexural vibration of the vibrating arm, and vibration occurs. It is possible to better stabilize the flexural vibration of the arm and suppress the generation of undesirable vibrations such as harmonics.
或る実施例では、溝部をその先端位置Gが錘部との連結位置Pよりも基端側に位置するように設けることによって、錘部の質量を維持できるので、振動腕の長さを短くしても高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られるという、錘部の作用効果を低減することなく、Q値の向上及び小型化を図ることができる。 In one embodiment, the mass of the weight portion can be maintained by providing the groove portion so that the distal end position G thereof is located on the proximal end side with respect to the connection position P with the weight portion, so that the length of the vibrating arm is shortened. Even in this case, the Q value can be improved and the size can be reduced without reducing the effect of the weight part, in which the generation of the higher-order vibration mode is suppressed and the stability of the vibration frequency can be obtained.
別の実施例では、前記錘部が、前記テーパー部分より前記第1の方向の先端側の前記第2の方向に沿った幅が一定の部分を有している。 In another embodiment, the weight portion, along said second direction of said more tapered section first direction of the distal end side wide you are have a constant part.
或る実施例では、各振動腕の溝部が、基部側から先端側に向けて徐々に縮幅する部分を有するように形成されることによって、CI値比即ち、二次高調波モードのCI値/基本波モードのCI値を1より大きくすることができ、高調波モードでの発振を抑制することができる。 In one embodiment, the groove portion of each vibrating arm is formed to have a portion that gradually decreases in width from the base side toward the tip side, whereby the CI value ratio, that is, the CI value of the second harmonic mode. / The CI value of the fundamental wave mode can be made larger than 1, and oscillation in the harmonic mode can be suppressed.
別の実施例では、平面視で、前記励振電極の前記第1の方向の先端は、前記溝部の前記第1の方向の先端よりも前記基部側に位置している。
別の実施例では、前記振動腕が、前記第1の方向に沿って、前記基部との連結部付近の第1テーパー部と、前記第1テーパー部よりも前記錘部側にある第2テーパー部と、を含み、前記第1テーパー部は、前記第2テーパー部よりも前記第2の方向に沿った幅が前記基部側から前記錘部側へ向かうに従って急峻に縮幅しており、前記振動腕の前記第1テーパー部に位置している前記溝部の幅が一定である。これにより、振動腕と基部との連結部付近の剛性を向上させ、それにより振動腕の屈曲振動時に起こり得る応力集中を緩和して、振動腕の屈曲振動をより良好に安定させ、振動漏れを抑制してCI値の低下を図ることができる。
In another embodiment, the top end of the excitation electrode in the first direction is located closer to the base side than the top end of the groove portion in the first direction in plan view .
In another embodiment, the vibrating arm, the first in the direction of the first tapered portion in the vicinity of connecting portion between the base portion, a second tapered than the first tapered portion in the weight portion The first taper portion has a width that is steeperly reduced as the width along the second direction extends from the base side toward the weight side than the second taper portion , The width of the groove located in the first taper portion of the vibrating arm is constant . This improves the rigidity in the vicinity of the connecting portion between the vibrating arm and the base, thereby reducing the stress concentration that can occur during bending vibration of the vibrating arm, making the bending vibration of the vibrating arm more stable, and preventing vibration leakage. It is possible to suppress the CI value.
この場合に、別の実施例では、更に前記溝部の前記第1テーパー部に位置する領域が一定幅であり、前記溝部の前記第2テーパー部に位置する領域が前記基部側から先端側に向けて縮幅していることによって、CI値比を大きくできるだけでなく、振動腕の励振電極から基部側に引き出される配線を引き回すために、より大きなスペースを確保できるので、振動片の設計及び電極膜の成膜工程において有利である。 In this case, in another embodiment, the region of the groove portion located in the first tapered portion has a constant width, and the region of the groove portion located in the second tapered portion is directed from the base side toward the distal end side. By reducing the width , the CI value ratio can be increased , and a larger space can be secured for routing the wiring drawn from the excitation electrode of the vibrating arm to the base side. This is advantageous in the film forming process.
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の音叉型圧電振動片と、前記音叉型圧電振動片が収容されているパッケージとを備えることにより、優れたQ値を発揮しかつ小型可能な圧電デバイスが提供される。 According to another aspect of the present invention, the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece of the present invention described above, by providing a package in which the tuning fork type piezoelectric resonator element is housed, and excellent Q value and a small possibility A piezoelectric device is provided.
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明を適用した音叉型圧電振動片の好適な実施例を示している。本実施例の音叉型圧電振動片1は、基部2と、該基部から平行に延出する1対の振動腕3,4とを備える。振動腕3,4の表裏主面には、それぞれ長手方向に延長する溝部5,6が形成されている。前記各振動腕の先端には、それぞれ幅広の錘部7,8が一体に設けられている。前記錘部によって、前記振動腕はその長さを短くしても、高次振動モードの発生を抑制して振動周波数を安定させることができるので、圧電振動片1全体を長手方向に小型化することができる。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a preferred embodiment of a tuning-fork type piezoelectric vibrating piece to which the present invention is applied. The tuning fork type
圧電振動片1は更に、基部2の幅方向両端から振動腕3,4と平行に延出する1対の支持腕9,10を有する。基部2の両側部には、支持腕9,10との連結部付近に切欠き11,12が形設されている。この切欠きによって、前記振動腕から前記基部を介して前記支持腕側に振動漏れが生じるのを抑制することができる。
The piezoelectric vibrating
圧電振動片1は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料により、公知のフォトエッチング技術を用いて所望の形状に形成することができる。特に、水晶を用いる場合には、水晶結晶軸のX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)及びZ軸(光軸)からなる直交座標系において、X軸を中心に、X軸とY軸とを含むXY平面を反時計回りに0°乃至5°の範囲で回転させて切り出した水晶Z板を用いる。この場合、水晶Z板は、図1に示すように、Y軸を前記振動腕の長手方向に配向するのが通例である。
The piezoelectric vibrating
振動腕3,4は、溝部5,6の内面を含めて表裏主面に第1励振電極13,14が形成され、かつその側面に第2励振電極15,16が形成されている。本実施例では、第1励振電極13,14を設ける範囲が溝部5,6の先端よりも少し手前の位置までである。別の実施例では、前記第1励振電極を前記溝部の全長に亘って設けることもできる。一方の前記振動腕の第1励振電極13及び第2励振電極15は、それぞれ他方の振動腕の第2励振電極16及び第1励振電極14と互いに接続されている。支持腕9,10の表面にはそれぞれ引出電極17,18が形成され、その一方17が第1励振電極15及び第2励振電極14と、他方18が第1励振電極13及び第2励振電極16と、それぞれ基部2上に設けた配線を介して接続されている。
The vibrating
図2には、一方の振動腕3が前記励振電極を省略して示されている。尚、他方の振動腕4は、振動腕3と実質的に同一に構成されるので、説明を省略する。
In FIG. 2, one vibrating
振動腕3は、その幅が基部2側から先端に向けて徐々に狭くなるように縮幅させて形成されている。本実施例の振動腕3は、その長手方向に沿って基部2との連結部付近に設けた第1テーパー部3aと、それより先端側に連続する第2テーパー部3bとを有する。第2テーパー部3bは、その先端まで概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅し、第1テーパー部3aは、第2テーパー部3bよりも急峻に縮幅するように形成される。これにより、前記振動腕は、基部2との連結部の剛性が高くなるので、その屈曲振動による応力集中を緩和し、屈曲振動をより良好に安定させ、かつ前記連結部からの振動漏れを抑制してCI値の低下を図ることができる。
The vibrating
溝部5は、基部2側から先端側に向けてその断面積が徐々に小さくなるように、徐々に縮幅する部分を有する。本実施例の溝部5は、その長手方向に沿って振動腕3の第1テーパー部3aに対応する領域5aが幅一定に形成され、かつ第2テーパー部3bに対応する領域5bが、その先端まで概ね一定の割合で比較的緩やかに縮幅している。溝部5に前記縮幅部分を設けることによって、圧電振動片1は、そのCI値比=二次高調波モードのCI値/基本波モードのCI値を1より大きくすることができ、高調波モードでの発振を抑制することができる。更に、幅一定の領域5aを有することによって、前記励振電極から基部2側に配線を引き回すために、より大きなスペースを確保できるので、圧電振動片1の設計上及び前記励振電極並びに配線の成膜工程において有利である。
The
溝部5の断面積は、振動腕3の先端に向けて該溝部の深さを徐々に浅くすることによっても、徐々に小さく構成することができる。但し、前記溝部のウエットエッチングは、深さ方向に加工するよりも、上述したように縮幅する方が、高精度な加工を容易に行うことができる。それによって、圧電振動片1の個体間における形状のばらつき、それに伴う振動特性や耐衝撃性のばらつきを防止又は抑制することができる。
The cross-sectional area of the
錘部7は、振動腕3の長手方向に沿って該振動腕との連結位置Pから先端側に徐々に拡幅するテーパー部分7aを有する。テーパー部分7aより先端側に連続する錘部7の大部分は、幅が一定の矩形部分7bである。テーパー部分7aは、振動腕3との連結位置Pから幅が拡大すると共に、その剛性が徐々に高くなる。従って、前記振動腕の屈曲振動は、該振動腕と錘部7との連結部分への応力集中が緩和されるので、良好に安定させることができ、高調波などの好ましくない振動の発生が抑制される。
The
このとき、テーパー部分7aは、振動腕3の長手方向に直交する幅方向を基準として、その傾斜角度θが約50〜80°となるように設定するのが好ましい。上述したように水晶Z板を用いて圧電振動片1を形成した場合には、このように傾斜角度θに設定することによって、ウエットエッチングで前記圧電振動片を外形加工する際に、前記テーパー部分と振動腕3の側面との隅にヒレと呼ばれる突起が形成されることを防止し又は抑制できるので、好都合である。
At this time, the tapered
溝部5は、その長手方向に沿って全長が振動腕3の全長よりも短く、先端位置Gが錘部7と振動腕3との連結位置Pによりも少し基部2側に配置されている。図示するように、振動腕3の長手方向に連結位置Pを基準即ち0としてそれより先端側を正方向、基端側を負方向としたとき、錘部7の長さLwと、連結位置Pから溝部先端位置Gまでの長さLgとが、−0.1≦Lg/Lw<0を満足するように、溝部5が設けられている。
The
本願発明者らは、溝部5の先端位置Gが錘部長さLwとの関係において圧電振動片1のQ値に及ぼす影響を検討した。図3は、錘部長さLwに関する連結位置Pから溝部先端位置Gまでの長さLgの比率を溝先端位置として、それに対するQ値の変化を実験により確認した結果を示している。同図において、実線はQ値の変化を、破線はそれに対応するCI値の変化をそれぞれ示している。
The inventors of the present application studied the influence of the tip position G of the
図3の実験結果から、−0.1≦Lg/Lw≦0.1の範囲が、Q値及びCI値双方において最適範囲であることが分かる。但し、0<Lg/Lw≦0.1の範囲では、溝部5が錘部7に入り込むので、それだけ錘部の質量が少なくなる。従って、振動腕3の長さを短くしても高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られるという、錘部7の作用効果を幾分損なう虞がある。しかしながら、溝部5が錘部に入り込む長さは上記範囲に制限されているので、通常の使用において実質的な影響は無いと考えられる。また、Lg/Lw=0のとき、即ち溝部先端位置Gが錘部7と振動腕3との連結位置P上に来るときは、その境界における剛性が非常に低下するので、テーパー部分7aの傾斜角度θをできる限り大きくして、前記振動腕の振動時に応力集中を緩和することが好ましい。
From the experimental results in FIG. 3, it can be seen that the range of −0.1 ≦ Lg / Lw ≦ 0.1 is the optimum range for both the Q value and the CI value. However, in the range of 0 <Lg / Lw ≦ 0.1, since the
図4は、図1の音叉型圧電振動片1を搭載した圧電振動子の実施例を示している。本実施例の圧電振動子21は、圧電振動片1を収容するために表面実装型のパッケージ22を備える。パッケージ22は、例えばセラミック材料からなる矩形箱状のベース23と、ガラス等からなる矩形平板状のリッド24とを有する。
FIG. 4 shows an embodiment of a piezoelectric vibrator on which the tuning fork type
ベース23は、その内部に画定される空所の底面に、圧電振動片1の支持腕9,10に対応する位置に形成したマウント電極25を有する。圧電振動片1は、前記各支持腕を対応するマウント電極25に整合させかつ導電性接着剤26で接着することにより、ベース23の内部に電気的に接続されかつ機械的に固定支持される。リッド24は、ベース23の上端に気密に接合されて、前記圧電振動片をパッケージ22内に気密に封止する。この状態で、外部からマウント電極25を介して圧電振動片1に所定の電流を印加すると、振動腕3,4が所定の周波数で互いに接近離反する向きに屈曲振動する。
The
本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、支持腕を備えていない、基部で片持ちに接着固定する構造の音叉型圧電振動片や、同様に基部から延出する振動腕を有する圧電ジャイロ素子についても適用することができる。また、上記実施例では、振動腕の表裏両主面に溝部を設けたが、表側又は裏側いずれか一方の主面にのみ溝部を設けることもできる。更に、本発明は、圧電振動子以外に、圧電発振器等の様々な圧電デバイスに適用することができる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented with various modifications or changes within the technical scope thereof. For example, the present invention can be applied to a tuning-fork type piezoelectric vibrating piece having a structure in which a supporting arm is not fixed and cantilevered and fixed at a base, and a piezoelectric gyro element having a vibrating arm extending from the base. it can. Moreover, in the said Example, although the groove part was provided in the front and back both main surfaces of a vibrating arm, a groove part can also be provided only in either the front side or the back side main surface. Furthermore, the present invention can be applied to various piezoelectric devices such as a piezoelectric oscillator in addition to the piezoelectric vibrator.
1…圧電振動片、2…基部、3,4…振動腕、3a…第1テーパー部、3b…第2テーパー部、5,6…溝部、5a,5b…領域、7,8…錘部、7a…テーパー部分、9,10…支持腕、11,12…切欠き、13,14…第1励振電極、15,16…第2励振電極、17,18…引出電極、21…圧電振動子、22…パッケージ、23…ベース、24…リッド、25…マウント電極、26…導電性接着剤。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記X軸を回転軸として、前記Y軸を前記Z軸側へ0°乃至5°の範囲で傾けたY’軸と前記X軸とを含む面を主面とする水晶Z板を基材とし、
基部と、
前記基部から前記Y’軸に沿った第1の方向に延出し、かつ、前記第1の方向と直交するとともに前記X軸に沿った第2の方向の幅が、前記基部から前記第1の方向に向けて全長に亘って徐々に縮幅し、かつ、前記第2の方向に並んでおり、前記第1の方向及び前記第2の方向を含む平面内で互いに接近と離反とを交互に繰り返して屈曲振動する1対の振動腕と、
前記1対の振動腕の互いに表裏の関係にある表裏の主面のうち少なくとも一方の主面側に設けられている溝部と、
前記1対の振動腕の前記溝部の内面を含む前記表裏の主面及び前記表裏の主面に接続されている側面に設けられている励振電極と、
前記振動腕の前記第1の方向の先端に一体的に設けられ、かつ、前記振動腕の先端よりも前記第2の方向に沿った幅が広い部分を有している錘部と、
を備え、
前記振動腕の前記第1の方向に沿って、前記振動腕と前記錘部との境である連結位置Pを基準に前記錘部側を正の方向、前記基端側を負の方向とし、
前記錘部の第1の方向に沿った長さをLw、
前記連結位置Pから前記溝部の前記第1の方向の先端位置Gまでの前記第1の方向に沿った長さをLgとしたとき、
−0.1≦Lg/Lw≦0.1
を満足し、
前記錘部が、前記振動腕の前記第1の方向に沿って前記連結位置Pから先端側に向うにしたがって前記第2の方向に沿った幅が徐々に拡幅するテーパー部分を有し、
前記テーパー部分の外縁と前記第2の方向とのなす傾斜角度が50°以上80°以下であり、
前記溝部の前記錘部側の部分の前記第2の方向に沿った幅が、前記基部側から前記錘部側に向けて徐々に縮幅しており、
前記溝部の前記錘部側の部分の深さが、前記基部側から前記錘部側に向けて徐々に浅くなっていることを特徴とする音叉型圧電振動片。 The crystal axis of the crystal is the X axis as the electrical axis, the Y axis as the mechanical axis, and the Z axis as the optical axis,
The base material is a quartz crystal Z plate whose principal surface is a plane including the Y ′ axis and the X axis, in which the X axis is the rotation axis and the Y axis is tilted in the range of 0 ° to 5 ° toward the Z axis. ,
The base,
A width extending in the first direction along the Y ′ axis from the base and orthogonal to the first direction and in the second direction along the X axis is from the base to the first direction. The width gradually decreases over the entire length in the direction and is aligned with the second direction, and alternately approaches and separates from each other within a plane including the first direction and the second direction. A pair of vibrating arms that bend and vibrate repeatedly;
A groove provided on at least one main surface side of the front and back main surfaces of the pair of vibrating arms in a front-back relationship;
Excitation electrodes provided on the front and back main surfaces including the inner surfaces of the groove portions of the pair of vibrating arms and side surfaces connected to the front and back main surfaces;
A weight part integrally provided at the tip of the vibrating arm in the first direction and having a portion that is wider in the second direction than the tip of the vibrating arm;
With
Along the first direction of the vibrating arm, the weight side is a positive direction and the base end side is a negative direction with reference to a connection position P that is a boundary between the vibrating arm and the weight portion,
The length of the weight portion along the first direction is Lw,
When the length along the first direction from the connecting position P to the tip position G in the first direction of the groove is Lg,
−0.1 ≦ Lg / Lw ≦ 0.1
Satisfied,
The weight portion has a tapered portion in which the width along the second direction gradually widens from the connecting position P toward the tip side along the first direction of the vibrating arm;
An inclination angle formed between an outer edge of the tapered portion and the second direction is 50 ° or more and 80 ° or less,
The width along the second direction of the portion on the weight portion side of the groove portion is gradually reduced from the base side toward the weight portion side,
The tuning-fork type piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein a depth of the groove portion on the weight portion side gradually decreases from the base portion side toward the weight portion side.
前記錘部が、前記テーパー部分より前記第1の方向の先端側の前記第2の方向に沿った幅が一定の部分を有していることを特徴とする音叉型圧電振動片。 In claim 1,
The tuning fork-type piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein the weight portion has a portion having a constant width along the second direction on the tip side in the first direction from the tapered portion.
平面視で、前記励振電極の前記第1の方向の先端は、前記溝部の前記第1の方向の先端よりも前記基部側に位置していることを特徴とする音叉型圧電振動片。 In claim 1 or 2,
The tuning-fork type piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein a tip end of the excitation electrode in the first direction is located closer to the base side than a tip end of the groove portion in the first direction.
前記振動腕が、
前記第1の方向に沿って、
前記基部との連結部付近の第1テーパー部と、
前記第1テーパー部よりも前記錘部側にある第2テーパー部と、
を含み、
前記第1テーパー部は、前記第2テーパー部よりも前記第2の方向に沿った幅が前記基部側から前記錘部側へ向かうに従って急峻に縮幅しており、
前記振動腕の前記第1テーパー部に位置している前記溝部の幅が一定である、
ことを特徴とする音叉型圧電振動片。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The vibrating arm is
Along the first direction,
A first tapered portion in the vicinity of the connecting portion with the base portion;
A second taper portion that is closer to the weight portion than the first taper portion;
Including
The first taper portion has a width that is steeperly reduced as the width along the second direction is closer to the weight portion side than the second taper portion,
A width of the groove located in the first tapered portion of the vibrating arm is constant;
A tuning-fork type piezoelectric vibrating piece characterized by the above.
前記音叉型圧電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圧電デバイス。 A tuning fork type piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 4,
A package containing the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece;
A piezoelectric device comprising:
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