壓電振動片和壓電器件的製作方法
2023-09-24 13:14:35 6
專利名稱：壓電振動片和壓電器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓電振動片以及在封裝或殼體內收容了壓電振動片的壓電器件的改良。
背景技術：
在HDD(硬碟驅動器)、移動計算機或IC卡等的小型信息設備、或便攜電話、車載電話或尋呼系統等移動通信設備、或壓電陀螺傳感器等中，廣泛地使用了壓電振子或壓電振蕩器等壓電器件。
圖17是示出了以往在壓電器件中使用的壓電振動片的一例的概略平面圖。
在圖中，壓電振動片1通過對石英等壓電材料進行刻蝕而形成圖中所示的外形，具有安裝在封裝(未示出)等上的矩形的基部2、從基部2向圖中上方延長的一對振動臂3、4，在這些振動臂的主面(表裡面)上形成有長槽3a、4a，並且形成了必要的驅動用的電極(參照專利文獻1)。
在這種壓電振動片1中，當通過驅動用電極施加驅動電壓時，各振動臂3、4的末端部接近/離開，進行彎曲振動，從而取出預定頻率的信號。
不過，這種壓電振動片1在基部2的標號5、6所示的部位形成有引出電極，在該部分塗布了粘結劑7、8，從而例如固定支持在封裝等的基體上。
並且，在通過該粘結劑固定支持之後，為了使構成壓電振動片的材料和封裝等的材料的線膨脹係數之間的差別等所引起的殘餘應力不妨礙振動臂的彎曲振動，在基部2上形成切口部9、9。
在這樣的壓電振動片1中，作為小型化的結果，振動臂3、4的臂寬W1、W1分別為100μm左右，它們之間的距離MW1為100μm左右，基部2的寬度BW1為500μm左右。並且，這些部位的尺寸減小，與此對應，基部的長度BL1的尺寸也減小，從而壓電振動片1得以小型化。
專利文獻1日本特開2002-261575但是，在這樣的小型化的壓電振動片1中，在其溫度特性中，存在以下的問題。
圖18和圖19是表示壓電振動片1的溫度特性的曲線圖，圖18表示溫度-頻率特性，圖19表示溫度-CI(晶體阻抗)值特性。
如圖所示，對於圖18的溫度-頻率特性，和以往相比沒有變化，沒有什麼特別的問題，但是在圖19的溫度-CI值特性中，存在變得極不穩定的問題。
該溫度-CI值特性的惡化被認為是因為在壓電振動片1中，由於溫度變化，基部2的用粘結劑7、8粘結的部位的應力狀態發生變化而引起的，在受到跌落衝擊等的情況下，即使基部2的用粘結劑7、8粘結的部位的應力狀態發生變化，也會產生同樣的影響。
發明內容
本發明就是為了解決以上的課題而提出的，其目的在於，在促進小型化的基礎上，提供溫度特性良好的壓電振動片和壓電器件。
通過第一發明的壓電振動片達到了上述目的，該壓電振動片具有由壓電材料形成的預定長度的基部；從所述基部的一端側延伸的多個振動臂；以及支持用臂，其從與所述基部的所述一端側相距預定距離的另一端側向寬度方向延長，並且在所述振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸。
根據第一發明的結構，進行彎曲振動的振動臂從基部的一端伸出，支持用臂從預定長度的所述基部的另一端伸出。
由此，在通過粘合等把支持用臂接合到封裝等的基體側的情況下，由周圍溫度變化、跌落衝擊等原因而在該接合部位產生的應力變化，由於隔開了從支持用臂的接合部位到所述基部的另一端的距離，並且隔開了基部的預定長度的距離，從而不會對振動臂造成影響，因此，特別是溫度特性變得良好。
而且，與此相反，來自彎曲振動的振動臂的振動洩漏在到達與基部隔開的支持用臂之前要經過基部的預定長度，因此幾乎不會到達。即，基部長度極短時，可以想到彎曲振動的洩漏成分全部擴散到支持用臂上，控制變得困難，但是在本發明中，不會出現這種現象。
並且，在得到這種作用的基礎上，支持用臂構成為在寬度方向上從基部的另一端延長，在振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸，從而總體尺寸變得緊湊。
第二發明的特徵在於，在第一發明的結構中，在所述基部上，在比所述支持用臂與所述基部連接成一體的連接部更靠近所述振動臂的位置處，具有在寬度方向上對所述壓電材料進行縮幅而形成的切口部。
根據第二發明的結構，可以抑制由振動臂的彎曲振動產生的振動洩漏通過所述基部到達支持用臂的接合部位，防止CI值上升。
第三發明的特徵在於，在第一或第二發明的結構中，所述支持用臂的長度被設定為，所述支持用臂的末端比所述振動臂的末端更靠近所述基部。
根據第三發明的結構，除了支持用臂是在與振動臂相同的方向上延伸的結構之外，支持用臂的末端比振動臂的末端更靠近基部，從而可以實現總體的小型化。
第四發明的特徵在於，在第一至第二發明中的任意一項的結構中，所述支持用臂在比其與基體側的接合部位更靠近所述基部側的部位具有剛性降低結構。
根據第四發明的結構，即使在振動臂的彎曲振動所產生的振動洩漏稍微到達了支持用臂的情況下，也可以最大限度地避免傳播到接合部位。
第五發明的特徵在於，在第四發明的結構中，所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的縮幅部。
根據第五發明的結構，如果所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的縮幅部，則可以在形成壓電振動片的外形時容易地形成這種結構。
第六發明的特徵在於，在第四發明的結構中，所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的切口部。
根據第六發明的結構，在所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的切口部時，也可以在形成壓電振動片的外形時容易地形成這種結構。
另外，通過第七發明的壓電器件達到了上述目的，該壓電器件是在封裝或殼體內收容了壓電振動片的壓電器件，所述壓電振動片具有由壓電材料形成的預定長度的基部；從所述基部的一端側延伸的多個振動臂；支持用臂，其從與所述基部的所述一端側相距預定距離的另一端側向寬度方向延長，並且在所述振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸。
根據第七發明的結構，出於和第一發明同樣的原理，可以實現溫度特性良好並且小型緊湊的壓電器件。
圖1是示出本發明的壓電器件的第一實施方式的概略平面圖。
圖2是圖1的A-A線剖視圖。
圖3是示出圖1的壓電器件中使用的壓電振動片的溫度-CI值特性的圖。
圖4是示出圖1的壓電器件中使用的壓電振動片的溫度-頻率特性的圖。
圖5是示出圖1的壓電振動片的第二實施方式的概略平面圖。
圖6是示出圖1的壓電振動片的第三實施方式的概略平面圖。
圖7是示出壓電器件的第四實施方式的概略平面圖。
圖8是圖7的B-B線剖視圖。
圖9是第四實施方式的壓電振動片的概略放大平面圖。
圖10是圖7的振動臂部分的C-C線剖視圖。
圖11是示出使用了圖7的壓電振動片的振蕩電路例的電路圖。
圖12是示出本發明的壓電器件的製造方法的一例的流程圖。
圖13是第五實施方式的壓電振動片的概略放大平面圖。
圖14是第六實施方式的壓電振動片的概略放大平面圖。
圖15是第七實施方式的壓電振動片的概略放大平面圖。
圖16是示出石英Z板的坐標軸的圖。
圖17是以往的壓電振動片的概略平面圖。
圖18是示出圖17的壓電器件中使用的壓電振動片的溫度-頻率特性的圖。
圖19是示出圖17的壓電器件中使用的壓電振動片的溫度-CI值特性的圖。
具體實施例方式
圖1和圖2示出了本發明的壓電器件的第一實施方式，圖1是其概略平面圖，圖2是圖1的A-A線剖視圖。
在這些圖中，示出了壓電器件30構成壓電振子的示例，該壓電器件30在作為基體的封裝57內收容了壓電振動片32。
如圖1和圖2所示，封裝57例如形成為矩形的箱狀。具體而言，封裝57由第一基板55和第二基板56層疊而成，例如，作為絕緣材料，在對氧化鋁質的陶瓷生片(green sheet)進行成型而成為圖示的形狀後燒結而成。
如圖2所示，封裝57通過除去第二基板56的內側的材料而形成內部空間S的空間。該內部空間S是用於收容壓電振動片32的收容空間。並且，在第一基板55上形成的電極部31、31上，利用導電性粘結劑43、43，載置並接合壓電振動片32的支持用臂61、62的後述的引出電極形成部位。
因此，在利用導電性粘結劑43固定支持該壓電振動片32之後，由於構成壓電振動片32的材料和構成封裝57的材料的線膨脹係數的差別等原因，在基部51中存在殘餘應力。
另外，電極部31、31與封裝裡面的安裝端子41通過導電通孔等連接。在收容壓電振動片32之後，利用密封材料58接合透明玻璃制的蓋體40，從而封裝57被氣密地密封。由此，可以在封住蓋體40之後，從外部照射雷射而對壓電振動片32的電極等進行修整，從而進行頻率調節。
壓電振動片32例如由石英形成，也可以利用石英之外的鉭酸鋰、鈮酸鋰等壓電材料。該壓電振動片32如圖1所示，具有基部51、從該基部51的一端(圖中的右端)向右方分成兩股平行延伸的一對振動臂35、36。
優選的是，在各振動臂35、36的主面的表裡分別形成有在長度方向上延伸的長槽33、34，如圖1和圖2所示，在該長槽內設置了作為驅動用電極的激勵電極37、38。
另外，在該實施方式中，各振動臂35、36的末端部通過略微呈錐狀地逐漸擴大寬度來增加重量，實現重錘的作用。由此，容易實現振動臂的彎曲振動。
另外，壓電振動片32在圖1中與其基部51的形成振動臂的一端隔開預定距離BL2(基部長度)的另一端(圖中的左端)，具有在基部51的寬度方向上延長，並且在振動臂35、36的兩個外側位置、在各振動臂35、36的延伸方向上(圖1中的右方向)平行於這些振動臂35、36延伸的支持用臂61、62。
可以通過利用氟酸溶液等分別對例如石英等材料進行溼法刻蝕，或者通過幹法刻蝕，來精密地形成這種壓電振動片32的音叉狀外形和各振動臂上設置的長槽。
在長槽33、34內和各振動臂的側面上形成激勵電極37、38，對於各振動臂，長槽內的電極和側面上設置的電極37a、38a成對。並且，各激勵電極37、38分別作為引出電極37a、38a延伸到支持用臂61、62上。由此，在把壓電器件30安裝到安裝基板等上時，來自外部的驅動電壓從安裝端子41通過電極部31、31傳送到壓電振動片32的各支持用臂61、62的引出電極37a、38a，再傳送到各激勵電極37、38。
從而，通過向長槽33、34內的激勵電極施加驅動電壓，在驅動時可以提高各振動臂的形成長槽的區域內部的電場效率。
另外，優選的是，在基部51中，在與基部51的振動臂側的端部充分隔開的位置處，設置了在兩側緣對基部51的寬度方向的尺寸進行部分縮減而形成的凹部或切口部71、72。切口部71、72的深度最好例如為縮減到與各自接近的振動臂35、36的外側的側緣一致的程度。
由此，可以抑制振動臂35、36進行彎曲振動時振動洩漏向基部51側洩漏並傳播到支持用臂61、62，把CI值抑制得較低。
這裡，在本實施方式中，上述支持用臂61、62延伸的部位，即基部51的另一端部53與振動臂35、36的連接根部52之間有充分隔開的距離BL2。
優選的是，該距離BL2超過振動臂35、36的臂寬尺寸W2。
即，音叉型振動片的振動臂35、36在彎曲振動時，其振動洩漏向著基部51傳播的範圍與振動臂35、36的臂寬尺寸相關。本發明的發明人關注於這一點，認為作為支持用臂61、62的基端的部位必須設置在適當的位置。
因此，在本實施方式中，對於作為支持用臂61、62的基端的部位53，以振動臂的連接根部52為起點，選擇超過了與振動臂的臂寬尺寸W2的大小相對應的尺寸的位置，從而可以實現更加可靠地抑制來自振動臂35、36的振動洩漏傳播到支持用臂61、62側的結構。因此，為了抑制CI值，並且得到後述的支持用臂的作用效果，53的位置最好與振動臂35、36的連接根部(即基部51的一個端部)52的位置相距上述BL2的距離。
出於同樣的理由，形成切口部71、72的部位與振動臂35、36的連接根部52的部位之間的距離最好也超過振動臂35、36的臂寬尺寸W2的大小。因此，在包含支持用臂61、62與基部51連接成一體的部位、並且更靠近振動臂的位置形成切口部71、72。
另外，因為支持用臂61、62不參與振動，因此對於其臂寬SW沒有特別的條件，但為了使支持結構可靠，最好是比振動臂更大的寬度。
這樣，在該實施方式中，振動臂的臂寬W2為50μm左右，振動臂之間的間隔MW2為80μm左右，支持用臂61、62的寬度SW為100μm左右，從而基部51的寬度BW2可以為500μm，這與圖17的壓電振動片1的寬度大致相同，長度更短，可以完全地收容在與以往相同大小的封裝內。本實施方式可以在實現這樣的小型化的同時，得到以下的作用效果。
在圖1的壓電振動片32中，因為支持用臂61、62通過導電性粘結劑43接合在封裝57側，所以由於周圍溫度變化或跌落衝擊等原因而在該接合部位產生的應力變化基本上不會隔著從支持用臂61、62的接合部位到基部51的另一端部53的曲折距離、以及超過距離BL2的基部51的長度那樣的距離而影響到振動臂35、36，因此，特別是溫度特性變得良好。
並且，與此相反，來自彎曲振動的振動臂35、36的振動洩漏在到達與基部51隔開的支持用臂61、62之前要經過超過距離BL2的基部51的預定長度，因此基本上不會到達。
這裡，可以想到，如果基部51的長度極短，則彎曲振動的洩漏成分擴散到支持用臂61、62的全體，控制變得困難，但是在本實施方式中，完全避免了這種情況。
從而，在可以得到這樣的作用的基礎上，如圖所示，由於支持用臂61、62構成為從基部51的另一端部53向寬度方向延長，並且在振動臂35、36的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸，所以總體尺寸可以變得緊湊。
另外，在該實施方式中，如圖1所示，支持用臂61、62的末端形成為比振動臂35、36的末端更靠近基部51。在這一點中，也可以使壓電振動片32的尺寸變得緊湊。
另外，與圖17的結構相比容易理解，在圖17中，因為是在相互接近的引出電極5和引出電極6上塗布導電性粘結劑7、8來進行接合的結構，所以為了使它們不接觸，避免短路而在極其狹小的範圍內塗布粘結劑(封裝側)，或者在進行接合工序的同時，使即使在接合後，在粘結劑硬化前也不因該粘結劑的流動而導致短路，而這不是一個簡單的工序。
與此相對，在圖1的壓電振動片32中，因為僅在封裝57的寬度方向上相互充分離開的支持用臂61、62各自的中間附近所對應的電極部31、31上塗布導電性粘結劑43、43即可，所以不存在上述的困難，另外，無需擔心短路。
圖3和圖4是示出了本實施方式的壓電振動片32的溫度特性的曲線圖，圖3示出了溫度-CI值特性，圖4示出了溫度-頻率特性。
如圖所示，對於圖4的溫度-頻率特性，與以往一樣，沒有什麼特殊的問題，關於圖3的溫度-CI值特性，與圖19相比容易理解，極為良好。
(第二和第三實施方式)圖5和圖6分別表示壓電振動片的第二實施方式和第三實施方式，這些實施方式是在支持用臂的一部分上採用了剛性降低結構的示例。在這些圖中，對於與圖1和圖2中說明的壓電振動片32相同的部位賦予相同的標號，省略重複的說明，以下，以不同點為中心進行說明。
在這些實施方式中，上述剛性降低結構設置在基部51和作為接合部位的導電性粘結劑43之間的任意位置上。由此，即使在由振動臂的彎曲振動引起的振動洩漏達到支持用臂的情況下，也可以最大限度地避免傳播到接合部位。
在圖5中，在壓電振動片32-1中，剛性降低結構是在各支持用臂61-1、62-1的中間形成的縮幅部77、77。
即，在各支持用臂61-1、62-1中，向著其長度方向的中間附近臂寬逐漸縮小，其中間附近成為寬度最小的縮幅部。因此，該縮幅部77、77成為支持用臂的剛性最低的部位，因為傳播的變形易於在此集中，所以可以實現振動洩漏很難傳播到導電性粘結劑43、43的部位的結構。並且，可以通過刻蝕等方法在形成壓電振動片32-1的外形時容易地形成這種縮幅部77、77。
在圖6中，在壓電振動片32-2中，剛性降低結構是在各支持用臂61-2、62-2的中間形成的切口部75、75和76、76。由於支持用臂61-2和62-2是相同的結構，所以僅對支持用臂61-2進行說明，從支持用臂61-2的外側向寬度方向切入的切口部是切口部75，從內側向寬度方向切入的切口部是切口部76。
設置了切口部75和76兩方時，可以更加可靠地防止振動臂35、36的彎曲振動的洩漏，但是設置一個也可以取得降低振動洩漏的效果。另外，形成了切口部75、76兩者時，相應地會降低支持用臂61-2的剛性，但是如果形成其中的一個，則強度不會降低很多。
即，在重視振動洩漏防止功能的情況下，優選形成切口部75、76兩方，在重視支持用臂61-2本身的強度的情況下，優選形成其中的一個。另外，可以通過刻蝕等方法在形成壓電振動片32-2的外形時容易地形成這種切口部75、76。
(第四實施方式)圖7和圖8示出了本發明的壓電器件的第四實施方式，圖7是其概略平面圖，圖8是圖7的B-B線剖視圖。另外，圖9是用於說明圖7的壓電振動片32的細節情況的放大平面圖，圖10是與圖7的振動臂部分相關的C-C線剖視圖。
在這些圖中所示的壓電器件30-1及其部分結構中，賦予了與圖1中說明的壓電器件30相同的標號的部位是相同的結構，所以省略重複的說明，以下，以不同點為中心進行說明。
封裝57-1如圖7和圖8所示，例如形成為矩形的箱狀，與圖1的封裝57之間的不同點在於，是由第一基板54、第二基板55和第三基板56這3個基板層疊而成。
在封裝57-1的底部，具有用於在製造工序中進行排氣的貫通孔27。貫通孔27由第一基板54上形成的第一孔25和第二基板55上形成的外徑小於上述第一孔25並與第一孔25連通的第二孔26構成。
並且，通過在貫通孔27中填充密封材料28進行封孔，使得封裝57-1內成為氣密狀態。
在封裝57-1的第二基板55上形成各電極部31-1、31-2、31-1、31-2上，利用導電性粘結劑43、43、43、43，載置並接合壓電振動片32-3的支持用臂61、62的後述的引出電極形成部位。因此，與圖1的壓電器件30相比，接合壓電振動片32-3的接合強度更好。
在此，因為支持用臂61和支持用臂62是相同的形狀，所以參照圖9對支持用臂61進行說明，為了得到穩定的支持結構，需要使其長度尺寸u相對於壓電振動片32-3的全長a為60～80％。
另外，雖然沒有圖示，但可以在支持用臂61的接合部位和基部51之間部位的一部分上設置剛性降低的部位或結構，例如圖6中標號75、76所說明的結構那樣，設置切口部或縮幅部。由此，可以降低CI值。
另外，支持用臂61、62的外側角部61a、62a分別倒角成向內凸出或向外凸出的R狀，從而防止碰撞造成的損傷。
支持用臂的接合部位，例如，關於一個支持用臂61，如圖7所示，可以僅選擇一個相當於壓電振動片32-3的長度尺寸的重心位置G的部位。但是，最好如本實施方式那樣，夾著上述重心位置選擇距該重心位置相等距離的2點，設定電極部31-1、31-2，並接合，進一步強化接合結構。
在對於一個支持用臂進行一點接合的情況下，粘結劑塗布區域的長度最好確保在壓電振動片32-3的全長a的25％以上，以得到充分的接合強度。
在本實施方式中，在設置了兩點的接合部位的情況下，接合部位之間的間隔最好在壓電振動片32-3的全長a的25％以上，以得到充分的接合強度。
另外，各電極部31-1、31-2、31-2、31-2中的至少一組電極部31-1、31-2通過導電通孔等與封裝裡面的安裝端子41、41連接。在收容壓電振動片32-3之後，利用密封材料58接合透明玻璃制的蓋體40，從而氣密地密封了封裝57。
另外，蓋體40也可以不是透明的材料，例如是通過縫焊等接合柯伐合金(Covar)等的金屬板體的結構。
如圖10所示，壓電振動片32-3的各激勵電極37、38通過交叉配線與交流電源連接，從電源向各振動臂35、36施加作為驅動電壓的交變電壓。
由此，對振動臂35、36進行激勵，以相互反相地振動，在基本模式，即基本波中，各振動臂35、36的末端側相互接近/離開地彎曲振動。
在此，例如，壓電振動片32-3的基本波為，Q值12000，電容比(C0/C1)260，CI值57KΩ，頻率32.768kHz(千赫，以下相同)。
另外，二次諧波例如為，Q值28000，電容比(C0/C1)5100，CI值77KΩ，頻率207kHz。
接下來，參照圖9和圖10對本實施方式的壓電振動片32-3的優選詳細結構進行說明。
因為圖9所示的壓電振動片32-3的各振動臂35、36是相同的形狀，所以對振動臂36進行說明，在各振動臂從基部51延伸出去的基端部T處，振動臂的寬度最大。然後，在從作為振動臂36的連接根部的該T位置到向著振動臂36的末端側稍微隔開一點距離的U部位之間，形成有寬度急劇縮小的第一縮幅部TL。並且，從作為第一縮幅部TL的終端的U位置到振動臂36的更接近末端側的P位置，即，關于振動臂，在CL的距離上，形成有寬度緩慢連續地減小的第二縮幅部。
因此，振動臂36由於在接近基部的連接根部附近設有第一縮幅部TL而具有高的剛性。另外，從第一縮幅部的終端U向著末端形成有第二縮幅部CL，從而剛性連續地降低。因為P的部位是臂寬的變更點P，是振動臂36的形態上的縮頸位置，因此可以表現為縮頸位置P。在振動臂36中，從該臂寬變更點P再向著末端側，臂寬以相同的尺寸延長，但是最好如圖所示緩慢地稍微擴大。
在此，圖9的長槽33、34越長，對於形成振動臂35、36的材料就越能提高電場效率。這裡，從長槽33、34的基部51算起的長度j相對于振動臂的全長b在至少為j/b＝0.7左右之前，越長則音叉型振動片的CI值越低。因此，最好是j/b＝0.5～0.7。在本實施方式中，在圖9中，振動臂36的全長b例如為1250μm左右。
另外，在長槽的長度適當變長，可以充分抑制CI值的情況下，接下來壓電振動片32-3的CI值比(諧波CI值/基本波CI值)成為問題。即，在降低基本波的CI值的同時，也抑制了諧波的CI值，如果該諧波的CI值小於基本波的CI值，則容易產生由諧波引起的振蕩。
因此，不僅加長長槽以降低CI值，還靠近振動臂的末端設置臂寬變更點P，由此可以降低CI值，並且增大CI值比(諧波CI值/基本波CI值)。
即，振動臂36在其根本部分，即連接根部附近，通過第一縮幅部TL而強化了剛性。由此，可以進一步穩定振動臂的彎曲振動，可以抑制CI值。
另外，通過設置第二縮幅部CL，振動臂36從其連接根部附近開始向著末端側，到作為臂寬變更點的縮頸位置P，剛性緩慢降低，從縮頸位置P開始再向著末端側，沒有長槽34，臂寬逐漸增大，從而剛性隨著靠近末端側而提高。
因此，可以想到，二次諧波的振動時振動的「節」位于振動臂36的更靠近末端側的位置，由此，即使增長長槽34的長度從而提高壓電材料的電場效率，提高CI值，也可以抑制基本波的CI值，同時不會導致二次諧波的CI值的降低。因此，如圖9所示，最好把臂寬變更點P設置在比長槽的末端部更靠近振動臂的末端側的位置，從而可以相當可靠地增大CI值，防止基於諧振波的振蕩。
另外，根據本發明人的研究，從長槽33、34的基部51開始算起的長度j與振動臂全長b之比j/b、作為振動臂36的最大寬度/最小寬度的值的臂寬縮幅率M、以及與它們對應的CI值比(二次諧波的CI值/基本波的CI值)之間是相關的。
另外，可以確認，在上述j/b＝61.5％的情況下，由於作為振動臂36的最大寬度/最小寬度的值的臂寬縮幅率M大於1.06，所以CI值比可以大於1，可以防止基於諧波的振蕩。
結果，即使總體上實現小型化，也可以把基本波的CI值抑制得較低，可以提供驅動特性不會惡化的壓電振動片。
接下來，說明壓電振動片32-3的更加優選的結構。
圖10的尺寸x所示的晶片厚度，即形成壓電振動片的石英晶片的厚度最好是70μm～130μm。
圖9的尺寸a所示的壓電振動片32-3的全長為1300μm～1600μm左右。為了實現壓電器件的小型化，優選作為振動臂全長的尺寸b為1100μm～1400μm，壓電振動片32-3的全寬d為400μm～600μm。因此，為了實現音叉部分的小型化，為了保證支持效果需要使基部51的寬度尺寸e為200μm～400μm，支持臂的寬度f為30μm～100μm。
另外，圖9的振動臂35和36之間的尺寸k最好為50μm～100μm。如果尺寸k小於50μm，則在如後所述通過溼法刻蝕貫通石英晶片形成壓電振動片32-3的外形時，很難充分地減小由刻蝕各向異性產生的異形部，即圖10的標號81所示的振動臂側面上的正X軸方向上的鰭狀凸部。如果尺寸k大於等於100μm，則振動臂的彎曲振動會變得部穩定。
另外，圖10的振動臂35(振動臂36也一樣)中的長槽33的外緣和振動臂的外緣之間的尺寸m1、m2均可為3μm～15μm。尺寸m1、m2為15μm或以下時，可以提高電場效率，為3μm或以上時，可以可靠地進行電極的極化。
在圖9的振動臂36中，第一縮幅部TL的寬度尺寸n為11μm或以上時，可以得到確實抑制CI值的效果。
在圖9的振動臂36中，末端側與臂寬變更點P相比的寬度擴展程度最好是，相對於作為振動臂36的臂寬最小的部位的該臂寬變更點P處的寬度增加0～20μm。如果寬度的增加超過了這個範圍，則振動臂36的末端部變得太重，會破壞彎曲振動的穩定性。
另外，在圖10中的振動臂35(振動臂36也一樣)的外側的一個側面上形成了在正X軸方向上呈鰭狀突出的異形部81。這是在進行刻蝕形成壓電振動片的外形時，由於石英的刻蝕各向異性，作為刻蝕殘留而形成的，但是為了得到振動臂35的穩定的彎曲振動，最好在由氟酸和氟化銨形成的刻蝕液中進行9～11個小時的刻蝕，將該異形部81的突出量v減小到5μm以內。
圖9的尺寸g所示的長槽的寬度尺寸最好是在振動臂的形成該長槽的區域中，相對于振動臂的臂寬C為60％～90％左右。因為在振動臂35、36上形成了第一和第二縮幅部，所以臂寬C根據在振動臂的長度方向上的位置而不同，但是長槽的寬度g相對于振動臂的最大寬度為60％～90％左右。如果長槽的寬度小於這個範圍，則電場效率降低，CI值會上升。
另外，以往，圖10的基部51的全長h相對於壓電振動片32-3的全長a為30％左右，但是在本實施方式中，通過採用切口部等，可以為15％～25％左右，實現小型化。
另外，優選的是，在基部51上，和圖1的實施方式同樣，在基部51的兩個側緣上設置凹部或切口部71、72，其深度(圖9的尺寸q)例如可以為60μm左右。
另外，在本實施方式中，為了減小封裝的尺寸，基部51的側面和支持用臂61、62之間的間隔(尺寸p)為30μm～100μm。
圖11是示出利用本實施方式的壓電振動片32構成壓電振蕩器時的振蕩電路的示例的電路圖。
振蕩電路91包括放大電路92和反饋電路93。
放大電路92包括放大器95和反饋電阻94而構成。反饋電路93包括漏電阻96、電容器97、98、壓電振動片32而構成。
這裡，圖11的反饋電阻94例如為10MΩ(兆歐)左右，放大器95可以採用CMOS反相器。漏電阻96例如為200～900kΩ(千歐)，電容器97(漏電容)和電容器98(柵電容)可以分別為10～22pF(皮法)。
(第五～第七實施方式)圖13是示出本發明的壓電振動片的第五實施方式的概略平面圖。
關於第五實施方式的壓電振動片32-4，對於與第四實施方式的壓電振動片32-3相同的結構賦予相同的標號，省略重複的說明，以下，對不同之處進行說明。
在圖13的壓電振動片的支持用臂61、62中，設置了標號43、43所示的作為導電性粘結劑塗布區域的接合部位、以及與基部51之間作為剛性降低結構的切口部75-1和切口部76。該切口部75-1和切口部76分別在支持用臂的基端附近由外側的側緣和內側的側緣形成，這一點與圖6的第三實施方式是相同的，同樣，實現了可以更加可靠地防止振動臂35、36的彎曲振動的洩漏的效果。
然而，在該實施方式中，切口部75-1和切口部76對於各個支持用臂61、62形成在其長度方向上的相同位置，這一點與第三實施方式不同。
另外，不用說，可以和圖1的實施方式一樣地對於各個支持用臂61、62分別設置一個接合部位。
圖14是示出本發明的壓電振動片的第六實施方式的概略平面圖。
關於第六實施方式的壓電振動片32-5，對於與第四實施方式的壓電振動片32-3相同的結構賦予相同的標號，省略重複的說明，以下，對不同之處進行說明。
在圖14的壓電振動片的支持用臂61、62中，在標號43、43所示的作為導電性粘結劑塗布區域的接合部位和基部51之間，作為剛性降低結構，具有貫通孔86。
即，支持用臂上設置的貫通孔86在可以減少振動臂35、36的彎曲振動的洩漏這一點上發揮與切口部相同的作用，但是在考慮到設置切口部會對支持用臂部分地產生過量的剛性降低的情況下，設置貫通孔86使剛性的降低變小，對於強度是有利的。
另外，可以與圖1的實施方式一樣，對於各個支持用臂61、62分別設置一個接合部位，這與第五實施方式的情況相同。
圖15是示出本發明的壓電振動片的第七實施方式的概略平面圖。
關於第七實施方式的壓電振動片32-6，對於與第四實施方式的壓電振動片32-3相同的結構賦予相同的標號，省略重複的說明，以下，對不同之處進行說明。
在圖15的壓電振動片的支持用臂61、62中，在標號43、43所示的作為導電性粘結劑塗布區域的接合部位和基部51之間，作為剛性降低結構，具有細幅部82、83。
因為各支持用臂61、62是相同的結構，因此僅對支持用臂61進行說明。具體地，例如，關於壓電振動片32-6的重心位置G，在與支持用臂61的該重心位置G等距離的相互對稱的位置上，形成寬度尺寸加大的接合部84、85。
各接合部84、85如圖所示，塗布導電性粘結劑43、43，進行與封裝側的接合。
除了支持用臂61的基端部，在接合部84、85以外的區域中，通過減小寬度尺寸，形成上述細幅部82、83。
在以上的結構中，細幅部82、83在減少振動臂35、36的彎曲振動的洩漏這一點上發揮與切口部相同的作用。
另外，對於塗布導電性粘結劑43、43的區域，如接合部84、85那樣，在外形上，具有與其它區域不同的外形，從而在後述的製造工序中的把壓電振動片接合到封裝上的工序中，對於實現基於圖像處理等的工序是有利的。
另外，長槽33、34的基部51側端部的位置在圖9中與振動臂35、36的連接根部、即T的位置相同，或者最好是比這個位置稍微再靠近振動臂末端側、存在第一縮幅部TL的範圍內，特別地，與T的位置相比，最好不進入基部51的基端側。
(壓電器件的製造方法)接下來，參照圖12的流程圖對上述壓電器件的製造方法的一個示例進行說明。在以下的工序中，僅涉及到製造一部分實施方式的壓電振動片和壓電器件的情況，但是該製造工序對於上述所有的實施方式是共同的。
(蓋體和封裝的製造方法)分別單獨地製造壓電器件30的壓電振動片32、封裝57、蓋體40。
例如切斷預定大小的玻璃板，例如硼矽酸玻璃的板玻璃來準備蓋體40，作為適合於密封封裝57的大小的蓋體。
封裝57如上所述是在層疊通過對氧化鋁質的陶瓷生片進行成型而形成的多個基板後進行燒結而形成的，在成型時，多個各基板通過在其內側形成預定的孔，在層疊的時候在內側形成預定的內部空間。
(壓電振動片的製造方法)首先，準備壓電基板，在一個壓電基板上，通過刻蝕而同時形成預定數目的壓電振動片的外形(外形刻蝕)。
在此，壓電基板使用壓電材料中的例如可以分離為多個或許多壓電振動片32的大小的石英晶片。因為該壓電基板要隨著工序的進行而形成圖9的壓電振動片32-3(圖1的壓電振動片32等也同樣地製造)，因此從壓電材料、例如石英的單晶中切出壓電基板，使得圖7或圖10所示的X軸是電軸，Y軸是機械軸，Z軸是光軸。另外，在從石英的單晶中切出時，在由上述X軸、Y軸和Z軸形成的直角坐標系中，將以Z軸為中心順時針旋轉0度～5度(圖16的θ)的範圍而切出的Z板切斷研磨至預定的厚度而得到。
在外形刻蝕中，使用未圖示的耐蝕膜等的掩膜，對於從壓電振動片的外形作為外側部分露出的壓電基板，例如，以氟酸作為刻蝕液，進行壓電振動片的外形刻蝕。作為耐蝕膜，例如，可以使用以鉻為基底蒸鍍了金的金屬膜等。這個刻蝕工序在溼法刻蝕中隨著氟酸溶液的濃度和種類、溫度等而變化。
這裡，在外形刻蝕工序中的溼法刻蝕中，關於圖9所示的機械軸X、電軸Y和光軸Z，在進行刻蝕時，表現出下述的刻蝕各向異性。
即，關於壓電振動片32-3，對於其X-Y平面內的刻蝕速率，在正X方向上，在與該X軸成120度的方向、以及負120度的方向的面內，刻蝕進行得較快，在負X方向上，與該X軸成正30度的方向、以及負30度的方向的面內的刻蝕進行得較慢。
同樣，Y方向的刻蝕在正30度方向和負30度方向上進行得較快，在正Y方向上，在與Y軸成正120度的方向以及負120度的方向上進行得較慢。
由於這樣的刻蝕進行中的各向異性，在壓電振動片32-3中，如圖10的標號81所示那樣，在各振動臂的外側側面，形成了鰭狀突出的異形部。
但是，在本實施方式中，作為刻蝕液，使用氟酸和氟化銨，以足夠的時間，即9個小時至11個小時那樣的足夠的時間，進行刻蝕，由此可以把圖10所說明的異形部81的突出量v控制在5μm以內的極小的範圍內(ST11)。
在該工序中，同時形成壓電振動片32-3的包括切口部71、72在內的外形，在結束時，得到了基部51附近分別通過很細的連接部連接在石英晶片上的多個壓電振動片32-3的外形完成狀態。
(用於形成槽的半蝕工序)接下來，利用未圖示的槽形成用抗蝕劑，如圖10所示的狀態那樣，在不形成槽的部分殘留耐蝕膜，留下夾著各長槽的兩側的壁部，在與外形刻蝕相同的刻蝕條件下，分別對各振動臂35、36的表面和背面進行溼法刻蝕，從而形成與長槽對應的底部(ST12)。
這裡，參照圖10，符號t所示的槽深相對於全體厚度為30％～45％左右。關於t，如果為全體厚度的30％以下，則可能無法充分地提高電場效率。如果為45％以上，則可能會剛性不足而對彎曲振動產生不良影響，或者強度不足。
另外，也可以通過幹法刻蝕進行上述外形刻蝕和槽刻蝕中的一方或兩方。在這種情況下，例如，在壓電基板(石英晶片)上每次都配置金屬掩模以覆蓋壓電振動片32-3的外形，或者在外形形成之後覆蓋相當於長槽的區域。在這種狀態下，例如，可以收容在未圖示的腔室內，在預定的真空度下供給刻蝕氣體，生成刻蝕等離子體而進行幹法刻蝕。即，在真空室(未圖示)上例如連接氟利昂氣箱和氧氣箱，並在真空室上設置排氣管，進行抽真空，達到預定的真空度。
真空室內進行真空排氣而達到預定的真空度，送入氟利昂氣體和氧氣，在填充該混合氣體達到預定的氣壓的狀態下，施加直流電壓時產生等離子體。然後，包含離子化粒子的混合氣體轟擊從金屬掩模露出的壓電材料。通過該轟擊，物理地切削而飛散，從而進行刻蝕。
(電極形成工序)接下來，通過蒸鍍或濺射等，全面地覆蓋成為電極的金屬，例如金，接著利用露出了不形成電極的部位的抗蝕劑，通過光刻法，形成圖7所示的驅動用電極(ST13)。
然後，在各振動臂35、36的末端部，通過濺射或蒸鍍，形成加重電極(金屬覆膜)21、21(ST14)。加重電極21、21不是用於通過通電來進行壓電振動片32-3的驅動，而是用於後述的頻率調節。
接下來，在晶片上進行頻率的粗調(ST15)。粗調是通過對加重電極21、21的一部分照射雷射等的能量光束，使其部分地蒸發，通過質量削減方式進行的頻率調節。
接著，折斷上述的與晶片的細連接部，成為單獨地形成壓電振動片32-3的個體(ST16)。
然後，如圖7所示那樣，在封裝57的各電極部31-1、31-2、31-1、31-2上塗布導電性粘結劑43、43、43、43，在其上載置支持用臂61、62，對粘結劑進行加熱/硬化，從而將壓電振動片32-3接合到封裝57上(ST17)。
另外，作為該導電性粘結劑43，例如，可以是在利用了合成樹脂等的粘合劑成分中混入銀粒子等導電粒子，可以同時進行機械接合和電連接。
接著，在蓋體40由金屬等不透明材料形成的情況下，不設置圖8所說明的貫通孔27。並且，對壓電振動片32-3施加驅動電壓，一邊觀察頻率，一邊例如向壓電振動片32-3的振動臂35和/或振動臂36的加重電極21的末端側照射雷射，通過質量削減方式進行作為微調的頻率調節(ST18-1)。
接下來，在真空中通過縫焊等把蓋體40接合到封裝57上(ST19-1)，通過必要的檢查，完成壓電器件30。
或者，在用透明蓋體40密封封裝57的情況下，在壓電振動片32-3的ST17的接合之後，把該蓋體40接合到封裝57上(ST18-2)。
在這種情況下，例如，進行加熱低熔點玻璃等而將蓋體40接合到封裝57上的加熱工序，不過此時會從低熔點玻璃或導電性粘結劑等中產生氣體。因此，通過加熱，這種氣體從圖8所說明的貫通孔27排出(排氣)，此後，在真空中，在臺階部29上放置由金錫，最好是金鍺等構成的金屬球體或片，通過照射雷射等使其熔融。由此，圖8的金屬填充材料28氣密地封住了貫通孔27(ST19-2)。
接下來，如圖8所示，透過玻璃等構成的透明蓋體40，從外部向壓電振動片32-3的振動臂35和/或振動臂36的加重電極21的末端部照射雷射，通過質量削減方式進行作為微調的頻率調節(ST20-2)。接著，經過必要的檢查，完成壓電器件30。
本發明不限於上述的實施方式。可以對各實施方式的各結構進行適當的組合、省略，以及組合未圖示的其它結構。
另外，本發明不限於把壓電振動片收容在箱狀的封裝中，可以把壓電振動片收容在筒狀的容器中，壓電振動片可以作為陀螺傳感器，並且，與壓電振子、壓電振蕩器等的名稱無關，可以應用於利用了壓電振動片32的一切壓電器件。並且，雖然在壓電振動片32上形成了一對振動臂，但不限於此，振動臂可以是3個、4個或以上。
權利要求
1.一種壓電振動片，其特徵在於，具有由壓電材料形成的預定長度的基部；從所述基部的一端側延伸的多個振動臂；支持用臂，其從與所述基部的所述一端側相距預定距離的另一端側向寬度方向延長，並且在所述振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸。
2.根據權利要求1所述的壓電振動片，其特徵在於，在所述基部上，在比所述支持用臂與所述基部連接成一體的連接部更靠近所述振動臂的位置處，具有在寬度方向上對所述壓電材料進行縮幅而形成的切口部。
3.根據權利要求1或2所述的壓電振動片，其特徵在於，所述支持用臂的長度被設定為，所述支持用臂的末端比所述振動臂的末端更靠近所述基部。
4.根據權利要求1至3中的任意一項所述的壓電振動片，其特徵在於，所述支持用臂在比其與基體側的接合部位更靠近所述基部側的部位具有剛性降低結構。
5.根據權利要求4所述的壓電振動片，其特徵在於，所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的縮幅部。
6.根據權利要求4所述的壓電振動片，其特徵在於，所述剛性降低結構是在所述支持用臂的中間形成的切口部。
7.一種在封裝或殼體內收容了壓電振動片的壓電器件，其特徵在於，所述壓電振動片具有由壓電材料形成的預定長度的基部；從所述基部的一端側延伸的多個振動臂；支持用臂，其從與所述基部的所述一端側相距預定距離的另一端側向寬度方向延長，並且在所述振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸。
全文摘要
本發明的課題是提供一種在促進小型化的基礎上，針對周圍溫度變化的特性良好的壓電振動片和壓電器件。作為解決手段，本發明的壓電振動片具有由壓電材料形成的預定長度的基部(51)，以及從所述基部的一端側延伸的多個振動臂(35、36)，並且具有支持用臂(61、62)，其從與所述基部的所述一端側相距預定距離的另一端側向寬度方向延長，並且在所述振動臂的外側，在與該振動臂相同的方向上延伸。
文檔編號H03H9/19GK1764067SQ200510109468
公開日2006年4月26日 申請日期2005年10月20日 優先權日2004年10月20日
發明者棚谷英雄 申請人:精工愛普生株式會社