特開 2024-123882 振動素子及び振動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123882

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】振動素子及び振動デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03H 9/19 20060101AFI20240905BHJP

【ＦＩ】

H03H9/19 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023031670

(22)【出願日】2023-03-02

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】小林 琢郎

(72)【発明者】

【氏名】山田 明法

(72)【発明者】

【氏名】山崎 隆

(72)【発明者】

【氏名】川内 修

【テーマコード（参考）】

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J108AA01

5J108BB02

5J108CC06

5J108CC09

5J108CC11

5J108CC12

5J108DD05

5J108EE03

5J108EE07

5J108EE13

5J108EE18

5J108GG03

5J108GG07

5J108GG09

(57)【要約】

【課題】ＣＩ値の小さい小型の振動素子及び振動デバイスを提供する。
【解決手段】振動素子４は、基部１０と、振動腕１１ａ，１１ｂと、を含み、振動腕１１ａ，１１ｂは、腕部１２と、腕部１２よりも幅が広い幅広部１３と、を含み、腕部１２は、第１面２１側に第１溝１４、第２面２２側に第２溝１５が形成され、腕部１２の幅をＷａとしたとき、３０μｍ≦Ｗａ≦７５μｍを満たし、腕部１２の第１面２１と第２面２２との間の厚さＴが、１１０μｍ≦Ｔ≦１５０μｍを満たし、第１溝１４の深さをｔ１、第２溝１５の深さをｔ２としたとき、０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たし、第１溝１４を挟んで並んでいる第１面２１の幅、及び第２溝１５を挟んで並んでいる第２面２２の幅をＷｂとしたとき、０．００５６≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０３２６を満たし、振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬ１は、Ｌ１≦１０００μｍを満たす。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基部と、前記基部と接続されている振動腕と、を含み、
前記振動腕は、
腕部と、前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し、前記腕部よりも幅が広い幅広部と、を含み、
前記腕部は、
第１面、第２面、第１側面、及び第２側面を含み、
前記第１面側に第１溝、前記第２面側に第２溝が形成され、
前記腕部の幅をＷａとしたとき、３０μｍ≦Ｗａ≦７５μｍを満たし、
前記腕部の前記第１面と前記第２面との間の厚さＴが、１１０μｍ≦Ｔ≦１５０μｍを満たし、
前記第１溝の深さをｔ１、前記第２溝の深さをｔ２としたとき、０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たし、
前記第１溝を挟んで並んでいる前記第１面の幅、及び前記第２溝を挟んで並んでいる前記第２面の幅をＷｂとしたとき、０．００５６≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０３２６を満たし、
前記振動腕の長さＬ１は、Ｌ１≦１０００μｍを満たす、
振動素子。

【請求項2】

０．９０４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９８９を満たす、
請求項１に記載の振動素子。

【請求項3】

０．９３２≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９８８を満たす、
請求項１に記載の振動素子。

【請求項4】

０．００７２≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０２９４を満たす、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子。

【請求項5】

０．００９４≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０２６１を満たす、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子。

【請求項6】

前記幅広部の幅Ｗｈは、１３０μｍ≦Ｗｈ≦１９０μｍを満たす、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子。

【請求項7】

前記幅広部の長さＬｈは、２００μｍ≦Ｌｈ≦４００μｍを満たす、
請求項１に記載の振動素子。

【請求項8】

前記幅広部の長さＬｈは、２００μｍ≦Ｌｈ≦４００μｍを満たす、
請求項６に記載の振動素子。

【請求項9】

前記厚さＴは、１２０μｍ≦Ｔ≦１４０μｍを満たす、
請求項１に記載の振動素子。

【請求項10】

前記厚さＴは、１２０μｍ≦Ｔ≦１４０μｍを満たす、
請求項４に記載の振動素子。

【請求項11】

前記厚さＴは、１２５μｍ≦Ｔ≦１３５μｍを満たす、
請求項１に記載の振動素子。

【請求項12】

前記厚さＴは、１２５μｍ≦Ｔ≦１３５μｍを満たす、
請求項４に記載の振動素子。

【請求項13】

請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子と、
前記振動素子を収容するパッケージと、
を備える、
振動デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動素子及び振動デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、振動腕に有底の溝を有する音叉型振動片において、一方の主面に開放する有底の一方の溝の深さと、他方の主面に開放する有底の他方の溝の深さを振動腕の厚みに対して所定の範囲にすることで、従来よりも熱弾性損失を低減することができるため、高いＱ値が得られ、優れた振動特性を発揮することのできる振動片が得られることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－２２９７３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１の振動片である振動素子は、溝の深さに対するＱ値を大きくさせる又はＣＩ値を小さくさせる最適値が開示されているが、土手幅つまり溝を挟んで並ぶ主面の幅に対するＱ値を大きくさせる又はＣＩ値を小さくさせる最適値が開示されていないという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

振動素子は、基部と、前記基部と接続されている振動腕と、を含み、前記振動腕は、腕部と、前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し、前記腕部よりも幅が広い幅広部と、を含み、前記腕部は、第１面、第２面、第１側面、及び第２側面を含み、前記第１面側に第１溝、前記第２面側に第２溝が形成され、前記腕部の幅をＷａとしたとき、３０μｍ≦Ｗａ≦７５μｍを満たし、前記腕部の前記第１面と前記第２面との間の厚さＴが、１１０μｍ≦Ｔ≦１５０μｍを満たし、前記第１溝の深さをｔ１、前記第２溝の深さをｔ２としたとき、０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たし、前記第１溝を挟んで並んでいる前記第１面の幅、及び前記第２溝を挟んで並んでいる前記第２面の幅をＷｂとしたとき、０．００５６≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０３２６を満たし、前記振動腕の長さＬ１は、Ｌ１≦１０００μｍを満たす。

【0006】

振動デバイスは、上記に記載の振動素子と、前記振動素子を収容するパッケージと、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施形態に係る振動デバイスの構成を示す平面図。

【図2】図１中のＡ１－Ａ１線断面図。

【図3】本実施形態に係る振動素子の構成を示す平面図。

【図4】図３中のＡ２－Ａ２線断面図。

【図5】溝深さとＣＩ値との関係を示す図。

【図6】溝を挟み並ぶ第１面及び第２面の幅とＣＩ値との関係を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

１．実施形態
本実施形態に係る振動素子４及び振動素子４を備えた振動デバイス１について、図１～図６を参照して説明する。

【0009】

尚、説明の便宜上、図１～図４の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ方向のプラス側を「上」、Ｚ方向のマイナス側を「下」とも言う。また、説明の便宜上、図１～図４では、振動素子４に設けられた電極の図示を省略しており、図１及び図２では、パッケージ２の内底面７に設けられた配線の図示を省略している。

【0010】

１．１．振動デバイス
本実施形態の振動デバイス１は、図１及び図２に示すように、音叉形状の振動素子４と、振動素子４を収容するパッケージ２と、パッケージ２に接合され振動素子４を収容する収容空間を気密封止するリッド３と、振動素子４をパッケージ２に固定する接着剤５と、を備える。

【0011】

パッケージ２は、上面６に開口する凹部９を有し、凹部９内に振動素子４が収容されている。パッケージ２の内底面７には、振動素子４を導電性の接着剤５を介して固定し、振動素子４に設けられた図示しない電極と電気的に接続する内部端子４０ａ，４０ｂが配置され、パッケージ２の下面８には、図示しない配線により内部端子４０ａ，４０ｂと電気的に接続する外部端子が配置されている。

【0012】

振動素子４は、基部１０及び一対の振動腕１１ａ，１１ｂを挟みＸ方向両側に配置された支持腕３３ａ，３３ｂのＹ方向の略中央部が内部端子４０ａ，４０ｂと重なるように、より具体的には、支持腕３３ａが内部端子４０ａに重なり、支持腕３３ａが内部端子４０ｂに重なるように配置され、導電性の接着剤５を介して、パッケージ２の内底面７に固定されている。

【0013】

そのため、振動素子４に設けられた電極と外部端子とが電気的に接続され、外部端子に駆動信号を印加することで、振動腕１１ａ及び振動腕１１ｂの先端が互いに接近離反を繰り返すようにしてＸ方向に屈曲振動させることができる。

【0014】

リッド３は、平板状であり、パッケージ２の上面６に半田や低融点ガラス等の接合部材を介して、振動素子４を収容する凹部９内が気密になるように接合されている。

【0015】

１．２．振動素子
本実施形態の振動デバイス１が備える振動素子４は、図３及び図４に示すように、基部１０及び一対の振動腕１１ａ，１１ｂを挟み、基部１０に連結した一対の支持腕３３ａ，３３ｂを有する音叉形状をしている。

【0016】

振動素子４は、Ｚカットの水晶基板を所望形状にパターニングすることにより形成され、水晶の結晶軸であるＸ軸及びＹ軸で規定されるＸ－Ｙ平面に広がりを有し、Ｚ方向に沿った厚みを有する。

【0017】

振動素子４は、基部１０と、基部１０からＹ方向のプラス側に延出し、Ｘ方向に並ぶ一対の振動腕１１ａ，１１ｂと、基部１０のＹ方向のマイナス側に連結し、Ｙ方向のプラス側に延出し、Ｘ方向に並ぶ一対の支持腕３３ａ，３３ｂと、を有する。振動腕１１ａ及び支持腕３３ａは、Ｘ方向のプラス側に位置し、振動腕１１ｂ及び支持腕３３ｂは、Ｘ方向のマイナス側に位置する。

【0018】

振動腕１１ａ，１１ｂは、腕部１２と、腕部１２の基部１０側とは反対側に位置し、腕部１２よりもＸ方向の長さである幅が広い幅広部１３と、を含む。
腕部１２は、第１面２１、第２面２２、第１側面２３、及び第２側面２４を含み、第１面２１側に第１面２１に開口する有底の第１溝１４と、第２面２２側に第２面２２に開口する有底の第２溝１５と、が形成されている。

【0019】

第１溝１４及び第２溝１５は、それぞれＹ方向に延在している。また、第１溝１４及び第２溝１５の断面は、図４に示すように、水晶の結晶面が現れた形状となっている。これは、振動素子４がウエットエッチングにより形成されているためで、水晶のエッチング異方性によって、マイナスＸ方向のエッチングレートがプラスＸ方向のエッチングレートよりも低いため、マイナスＸ方向の側面が比較的なだらかな傾斜となり、プラスＸ方向の側面が垂直に近い傾斜となっている。

【0020】

支持腕３３ａ，３３ｂは、基部１０のＹ方向のマイナス側に連結した連結部３１からＸ方向プラス側とＸ方向マイナス側に延出する支持部３２の先端部と連結し、Ｙ方向のプラス側に延出している。尚、支持腕３３ａは、支持部３２のＸ方向プラス側の先端部に連結し、支持腕３３ｂは、支持部３２のＸ方向マイナス側の先端部に連結している。従って、支持腕３３ａ，３３ｂのＹ方向の略中央部を固定することで、従来の基部１０を接着剤５で固定する場合に比べ、振動腕１１ａ，１１ｂから固定部までの距離を十分離すことができ、振動腕１１ａ，１１ｂの振動もれや接着剤５からの歪の影響を低減することができる。

【0021】

次に、振動素子４のＣＩ値を低減させる各寸法の最適値について、図５及び図６を参照して説明する。
尚、図５及び図６は、シミュレーション結果であり、以下では、Ｚカット水晶基板をパターニングしてなり、屈曲振動周波数（機械的屈曲振動周波数）ｆ＝３２．７６８ｋＨｚの振動素子４を用いたシミュレーションを代表して用いるが、発見者らによって、屈曲振動周波数ｆが３２．７６８ｋＨｚ±１ｋＨｚの範囲では、下記に示すシミュレーション結果とほとんど差がないことが確認されている。

【0022】

また、本シミュレーションでは、ウエットエッチングによって水晶基板をパターニングした振動素子４を用いている。従って、上述したように、第１溝１４及び第２溝１５の断面は、図４のように水晶の結晶面が現れた形状となっている。

【0023】

また、本シミュレーションで用いた振動素子４の振動腕１１ａ，１１ｂのサイズは、それぞれ、長さＬ１が９９３μｍ、厚さＴが１３０μｍ、幅Ｗａが７０μｍである。尚、発見者らによって、長さＬ１がＬ１≦１０００μｍで５００～１０００μｍ、厚さＴが１１０～１５０μｍ、幅Ｗａが３０～７５μｍの範囲内に収まっていれば、下記に示すシミュレーション結果とほとんど差がないことが確認されている。また、本シミュレーションには、電極が形成されていない振動素子４を用いている。

【0024】

図５は、第１溝１４の最大の深さｔ１と第２溝１５の最大の深さｔ２とを加算し、厚みＴで基準化した（ｔ１＋ｔ２）／ＴとＣＩ値との関係を示すシミュレーション結果である。図５より、０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を５０ｋΩ以下と小さくすることができる。これは、（ｔ１＋ｔ２）／Ｔを０．８８４以上とすることで、腕部１２の第１側面２３及び第２側面２４に設けられる側面電極と第１溝１４及び第２溝１５に設けられる溝電極との対向面積が十分確保され、側面電極と溝電極とに挟まれた部分における電界効率が向上し、ＣＩ値を小さくしたものと考えられる。また、（ｔ１＋ｔ２）／Ｔを０．９９０以下とすることで、第１溝１４と第２溝１５とに挟まれた部分がある程度残り、振動腕１１ａ，１１ｂの剛性が確保され、斜め振動等の不要振動を低減することができ、主振動である屈曲振動の振動効率が向上し、ＣＩ値を小さくしたものと考えられる。

【0025】

また、０．９０４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９８９を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を４７ｋΩ以下とより小さくすることができる。更に、０．９３２≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９８８を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を４３ｋΩ以下と更に小さくすることができる。

【0026】

図６は、第１溝１４を挟んで並んでいる第１面２１の幅Ｗｂ及び第２溝１５を挟んで並んでいる第２面２２の幅Ｗｂを厚みＴで基準化したＷｂ／ＴとＣＩ値との関係を示すシミュレーション結果である。図６より、０．００５６≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０３２６を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を４２ｋΩ以下と小さくすることができる。Ｗｂ／Ｔを０．００５６以上とすることで、振動腕１１ａ，１１ｂの剛性が確保され、斜め振動等の不要振動を低減することができ、主振動である屈曲振動の振動効率が向上し、ＣＩ値を小さくしたものと考えられる。また、Ｗｂ／Ｔを０．０３２６以下とすることで、側面電極と溝電極との間隔がある程度確保され、側面電極と溝電極とに挟まれた部分における電界効率が向上し、ＣＩ値を小さくしたものと考えられる。

【0027】

また、０．００７２≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０２９４を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を４１．５ｋΩ以下とより小さくすることができる。更に、０．００９４≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０２６１を満たすことで、振動素子４のＣＩ値を４１ｋΩ以下と更に小さくすることができる。

【0028】

腕部１２の第１面２１と第２面２２との間の厚さＴは、１１０μｍより小さいと第１溝１４及び第２溝１５の深さｔ１，ｔ２が小さくなり、側面電極と溝電極との対向面積を十分確保できなくなるため、ＣＩ値を小さくし難くなる。また、厚さＴは、１５０μｍより大きいと０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たすには、腕部１２の幅Ｗａを広くする必要が生じ、振動素子４の小型化が難しくなる。尚、厚さＴは、１２０μｍ≦Ｔ≦１４０μｍを満たすことが好ましい。また、厚さＴは、１２５μｍ≦Ｔ≦１３５μｍを満たすことがより好ましい。

【0029】

幅広部１３の幅Ｗｈは、１３０μｍ≦Ｗｈ≦１９０μｍを満たすことが好ましい。幅Ｗｈが１３０μｍより小さいと質量効果を十分に発揮できなくなり、幅Ｗｈが１９０μｍより大きいと２つの幅広部１３の間隔が狭くなり、幅広部１３同士が接触することで振動腕１１ａ，１１ｂが破損し易くなる。そのため、幅Ｗｈが１３０μｍ≦Ｗｈ≦１９０μｍを満たすことで、質量効果を十分に発揮でき、且つ、小型化を図ることができる。

【0030】

また、幅広部１３の長さＬｈは、２００μｍ≦Ｌｈ≦４００μｍを満たすことが、好ましい。長さＬｈが２００μｍより小さいと質量効果を十分に発揮できなくなり、長さＬｈが４００μｍより大きいと振動腕１１ａ，１１ｂの長さＬ１が長くなり小型化し難くなる。そのため、長さＬｈが２００μｍ≦Ｌｈ≦４００μｍを満たすことで、質量効果を十分に発揮でき、且つ、小型化を図ることができる。

【0031】

以上で述べたように本実施形態の振動素子４及び振動素子４を備えた振動デバイス１は、第１溝１４及び第２溝１５の深さｔ１，ｔ２と厚みＴとの関係が０．８８４≦（ｔ１＋ｔ２）／Ｔ≦０．９９０を満たし、また、第１面２１及び第２面２２の幅Ｗｂと厚みＴとの関係が０．００５６≦Ｗｂ／Ｔ≦０．０３２６を満たしている。そのため、側面電極と溝電極とに挟まれた部分における電界効率が向上し、且つ、振動腕１１ａ，１１ｂの剛性が確保され、斜め振動等の不要振動を低減することができ、主振動である屈曲振動の振動効率が向上し、ＣＩ値を小さくすることができる。従って、ＣＩ値の小さい小型の振動素子４及び振動デバイス１を得ることができる。

【符号の説明】

【0032】

１…振動デバイス、２…パッケージ、３…リッド、４…振動素子、５…接着剤、６…上面、７…内底面、８…下面、９…凹部、１０…基部、１１ａ，１１ｂ…振動腕、１２…腕部、１３…幅広部、１４…第１溝、１５…第２溝、２１…第１面、２２…第２面、２３…第１側面、２４…第２側面、３１…連結部、３２…支持部、３３ａ，３３ｂ…支持腕、４０ａ，４０ｂ…内部端子、Ｌ１，Ｌｈ…長さ、Ｗａ，Ｗｂ，Ｗｈ…幅、Ｔ…厚み、ｔ１，ｔ２…深さ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】