专利名称：压电振动片和压电器件以及陀螺仪传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及收容于封装内或外壳内的压电振动片和将该压电振动片收容于封装内或外壳内的压电器件以及陀螺仪传感器。
背景技术：
在包括HDD(硬盘驱动器)、便携式计算机或IC卡等小型信息设备，包括移动电话、汽车电话或寻呼系统等移动体通信设备，或陀螺仪传感器等测量设备中，广泛使用将压电振动片收容在封装等的内部的压电振子和压电振荡器等压电器件。
图13是将在这样的压电器件中所使用的压电振动片的熟知结构例(参照专利文献1)进行了简化而示出的概略俯视图。
在图中，压电振动片1由例如石英单晶形成，具有宽度较宽的基部2和从该基部2沿相同方向平行延伸的2条振动臂3、4。图14是图13的沿A—A线切断的端面图，在振动臂3、4上，分别在表面和背面形成在长度方向上延伸的长槽5、6。在该长槽5、6中，形成未图示的作为驱动电极的激励电极。
由此，通过从外部向激励电极施加驱动电压，在振动臂3、4内高效地产生电场，各振动臂3、4进行弯曲振动使得其前端部如图13所示那样相互接近/分离。并且，通过抽取基于这种振动的振动频率，可将其用于控制用的时钟信号等基准信号中。
该压电振动片1的各振动臂3、4以及这些振动臂3、4的长槽5、6是通过对由晶片状压电材料形成的基板进行刻蚀而形成的。即，一般情况下，首先对晶片基板进行刻蚀，形成图13那样的音叉状的外形，然后通过半刻蚀(half etching)形成图14中所说明的长槽5、6。
特开2002-76806
然而，在这样的压电振动片1中，在其外形刻蚀工序中的湿法刻蚀中，刻蚀的进行速度在图12、图13所示的电学轴X、机械轴Y、光学轴Z上出现差异，由于这种刻蚀的各向异性，使得不能在长槽5、6内形成平坦的底面。
其结果是，例如如果观察振动臂3，则发现其夹着长槽5的两侧壁部的厚度在左右两边不同，其结果是，振动臂3的位于图14所示的假想中心线CE的左右的侧壁部的刚性不同。即，左侧壁部的刚性高，右侧壁部的刚性比左侧低。
因此，在如图12所示各振动臂3、4进行弯曲振动的状态下，因为在水平方向上向左右弯曲时的变形度各不相同，所以左右振动臂3、4的弯曲平衡被打破。这样，因各振动壁3、4的变形而传递到基部2的应力F1、F2也不均衡，因而不能消除，成为Z方向位移或Y方向位移的原因，认为会导致CI(晶体阻抗)值的增大。
发明内容
本发明的目的是提供能够改善振动平衡、将CI值抑制得较低的压电振动片和压电器件以及陀螺仪传感器。
按照本发明的第一方面，上述目的通过下述压电振动片来实现，该压电振动片具有由压电材料形成的基部；至少一对振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸；形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽以及在长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
按照本发明第一方面的结构，本发明的压电振动片的振动臂具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡，从而消除或降低了向不需要的方向的位移分量，所以进行弯曲振动时的振动平衡变得稳定，可以将CI值抑制得较低。
本发明的第二方面的特征在于，在本发明的第一方面的结构中，在上述各振动臂的安装根部，上述振动臂的臂宽在上述基部侧较大，并形成朝着前端侧而宽度急剧收缩的宽度收缩部，作为上述调整结构，其相对于上述假想中心线为右侧的宽度收缩部形成得比左侧的宽度收缩部大。
根据本发明的第二部分的结构，在通过湿法刻蚀形成振动臂的长槽时，由于刻蚀各向异性，注目于该长槽的壁部所产生的左右厚度的差异，特别是在振动臂进行弯曲振动时应变最集中的安装根部，通过将右侧的宽度收缩部形成得较大，可以改善因长槽的右侧的壁部较薄而引起的刚性平衡的不良。
本发明的第三方面的特征在于，在本发明的第一方面的结构中，上述调整结构形成于上述各振动臂的安装根部，作为上述调整结构，上述长槽被形成为其相对于上述假想中心线为右侧的壁部的厚度比左侧的壁部的厚度大。
按照本发明的第三方面的结构，在通过湿法刻蚀形成振动臂的长槽时，由于刻蚀各向异性，注目于该长槽的壁部所产生的左右厚度的差异，特别是在振动臂进行弯曲振动时应变最集中的安装根部，通过有意地使上述长槽的右侧的壁部比左侧的壁部厚，在整个长槽中，可以改善因右侧的壁部较薄而引起的刚性平衡的不良。
本发明的第四方面的特征在于，在本发明的第一部分的结构中，上述调整结构形成于上述各振动臂的前端部，作为上述调整结构，在上述振动臂的前端部，相对于上述假想中心线为左侧的部分形成得比右侧的部分大。
按照本发明的第四方面的结构，在通过湿法刻蚀形成振动臂的长槽时，由于刻蚀各向异性，注目于该长槽的壁部所产生的左右厚度的差异，在上述振动臂的前端部，通过使其相对于上述假想中心线为左侧的部分形成得比右侧的部分大，在整个长槽中，可以改善因右侧的壁部较薄而引起的刚性平衡的不良。
另外，在本发明的第五部分中，上述目的通过下述压电器件来实现，这是在收容容器内收容有压电振动片的压电器件，上述压电振动片具有由压电材料形成的基部；至少一对振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸；形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽以及在长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
按照本发明的第五方面的结构，利用与本发明的第一方面相同的原理，可以使所装载的压电振动片的振动臂进行弯曲振动时的振动平衡变得稳定，将压电器件的CI值抑制得较低。
另外，在本发明的第六部分中，上述目的通过下述陀螺仪来实现，该陀螺仪具有由压电材料形成的基部；至少一对以上的振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸，上述陀螺仪还具有形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽；以及在该长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
按照本发明的第六方面的结构，利用与在本发明的第一部分中说明过的原理相同的原理，可以提供能改善振动平衡、将CI值抑制得较低的陀螺仪传感器。
图1是本发明的实施方式的压电器件的概略俯视图。
图2是图1的压电器件沿B-B线的概略截面图。
图3是图1的压电器件中所使用的第1实施方式的压电振动片的概略俯视图。
图4是图3的压电振动片沿C-C线切断的端面图。
图5是图3的压电振动片的主要部分放大图。
图6是在本发明中不包括的压电振动片的参考例中，振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。
图7是在第1实施方式的压电振动片中，振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。
图8是第2实施方式的压电振动片的主要部分放大图。
图9是在第2实施方式的压电振动片中，振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。
图10是第3实施方式的压电振动片的主要部分放大图。
图11是在第3实施方式的压电振动片中，振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。
图12是第4实施方式的陀螺仪传感器的概略俯视图。
图13是现有的压电振动片的概略俯视图。
图14是图13的沿A-A线切断的端面图。
其中，30压电器件；36封装；32压电振动片；34、35振动臂；51基部；54、55激励电极；56、57长槽；61通常的宽度收缩部；62大型的宽度收缩部；80陀螺仪传感器。
具体实施例方式
图1和图2表示本发明的压电器件的第1实施方式，图1是其概略俯视图，图2是图1沿B-B线的概略截面图。
在图中，示出了压电器件30构成石英振子的示例，该压电器件30在作为收容容器的封装36内收容有压电振动片32。例如将使作为绝缘材料的氧化铝材质的陶瓷生片(crematic green sheet)成形而形成的多个基板进行层叠，之后进行烧结而形成封装36。各多个基板通过在其内侧形成规定的孔，在层叠的情况下在内侧形成规定的内部空间S2。该内部可空间S2是用于收容压电振动片32的收容空间。
在该封装36的内部装配压电振动片32，利用盖体39气密性地进行密封。这里，选择陶瓷、金属、玻璃等材质来形成盖体39。
在盖体39例如为金属的情况下，一般具有强度比其它的材料高的优点。与封装36的热膨胀率近似的材料均适合，例如，可以使用科瓦铁镍钴合金等。
另外，为了在盖密封后能进行频率调整，盖体39例如由玻璃等透光性材料形成。例如，可以使用硼硅酸玻璃等板材。
在封装36的内部空间S2内的图中的左端部附近，在内部空间S2中露出以构成内侧底部的层叠基板上，设置了通过例如在钨金属化上镀镍和镀金而形成的电极部31、31。该电极部31、31与外部连接，用于供给驱动电压。在该各电极部31、31上涂敷导电性粘结剂43、43，在该导电性粘结剂43、43上安置压电振动片32的基部51，使导电性粘结剂43、43固化。并且，作为导电性粘结剂43、43，可以使用在作为发挥结合力的粘结剂成分的合成树脂剂中含有银制的微粒等导电性颗粒的物质，可以利用硅酮系、环氧系或聚酰亚胺系导电性粘结剂等。
压电振动片32通过对作为压电材料的例如石英进行刻蚀而形成，在本实施方式的情况下，为了使压电振动片32形成为小型且获得必要的性能，特别使其具有图3的概略俯视图和图4所示的沿图3的C-C线切断的端面图所示的结构。
即，压电振动片32利用所谓的音叉型压电振动片，该音叉型压电振动片整体为音叉那样的形状，具有基部51和一对振动臂34、35，上述基部51与封装36侧固定，上述一对振动臂34、35以该基部51为基端，分成2股向着图中的上方平行地延伸。
在压电振动片32的各振动臂34、35上，如参照图3和图4所理解的那样，分别形成在长度方向上延伸的长的有底的长槽56、57。该各长槽56、57如作为图3的沿C-C线切断的端面图的图4所示那样，形成于各振动臂34、35的表面和背面两面。
并且，在图3中，在压电振动片32的基部51的端部(在图3中为下端部)的宽度方向两端附近，形成有引出电极52、53。在压电振动片32的基部51的未图示的背面也同样地形成有各引出电极52、53。
这些各引出电极52、53是通过如上所述图1所示的封装侧的电极部31、31与导电性粘结剂而被连接的部分。并且，各引出电极52、53如图3和图4所示，分别与设置在各振动臂34、35的长槽56、57内的激励电极54、55连接成一体。另外，各激励电极54、55也如图4所示那样在各振动臂34、35的两侧面上形成，例如，关于振动臂34，使长槽56内的激励电极54和其侧面部的激励电极55为互不相同的电极。另外，关于振动臂35，使长槽57内的激励电极55和其侧面部的激励电极54为互不相同的电极。
在压电振动片32的基部51与振动臂34、35之间，可以设置在基部51的宽度方向收缩而设置的缺口部或缩颈部(未图示)。
由此，可以防止压电振动片32的振动泄漏到基部51侧，以降低CI(晶体阻抗)值。
并且，压电振动片32整体形成得非常小型，在图3中，是例如全长为1300μm左右、振动臂的长度为1040μm左右、臂宽为40μm～55μm左右的极其小型的压电振动片。
并且，如图5的局部放大图所进一步详细地示出那样，在振动臂34、35的安装根部，即基部51的前端51a附近，各振动臂34、35的臂宽在基部51侧较大，形成向着各振动臂34、35的前端侧宽度急剧收缩的宽度收缩部61、62。宽度收缩部61、62是在振动臂的安装根部扩大的鳍状部分。具体来说，宽度收缩部61是使一片在基部51的前端，相邻的另一片在振动臂的安装根部的位置(基端部)的左侧边缘，且分别形成为一体的呈大致直角三角形的鳍状部。宽度收缩部62是使一片在基部51的前端，相邻的另一片在振动臂的安装根部的位置(基端部)的右侧边缘，且分别形为一体的呈大致直角三角形状的鳍状部。
这些结构对于振动臂34、35均相同，所以仅对振动臂34进行说明。
这里，从图4可知，在振动臂34上形成长槽56的结果是，夹着长槽56的左侧的壁部34a与右侧的壁部34b各自的厚度D1、D2很不相同，右侧的壁部34a比左侧的壁部34b厚。
这样的壁部厚度的不同是在形成长槽56时，因对石英材料进行湿法刻蚀而形成的，这是因为根据在该工序中显现的刻蚀各向异性，刻蚀的进行速度因石英的晶体结构的方位而不同的缘故。
在本实施方式中，作为调整这样的刻蚀各向异性引起的振动臂34的左右的刚性平衡的结构，注目于宽度收缩部61、62，把夹着长槽56在宽度方向的一侧的宽度收缩部作为大型的宽度收缩部62，把夹着长槽56在宽度方向的另一侧的宽度收缩部作为通常大小的宽度收缩部61。即，如图3所示，将基部51配置在图的下方，将各振动臂34、35配置成从该基部向着上方延伸，在这种情况下，如图3和图4所示，将右侧的宽度收缩部作为大型的宽度收缩部62，将左侧的宽度收缩部作为比右侧的宽度收缩部小的通常大小的宽度收缩部61。
这样，作为使宽度收缩部的大小在左右侧不相同的方法，可以在进行上述湿法刻蚀时，通过使掩膜形状在左右侧不同来实现。
由此，各振动臂34、35在进行弯曲振动时，在应变为最大的振动臂的安装根部，通过在振动臂34、35的右侧形成大型的宽度收缩部62，可以提高该部位的振动臂34、35的右侧的刚性。
这里，根据图4所示的左壁部厚度尺寸D1与右壁部厚度尺寸D2的不同，可以决定大型的宽度收缩部62相对于通常大小的宽度收缩部61的大小。
图6是对于具有图5所说明的结构的压电振动片32，各振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。在本实施方式的压电振动片32中，从图中所示可知，通过调整各振动臂的左右的应力平衡使其均衡，在与基部的下部附近，即图3的引出电极52、53附近对应的部位上的应变较小。
与此相对照，图7是在下述的情况下振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图，即对于在压电振动片的振动臂上形成的宽度收缩部，使其左右为相同大小的情况，即，例如当以图5的振动臂34为例来说明时，使通常大小的左侧的宽度收缩部61和右侧的大型的宽度收缩部62与图中的示例不同，使其为相同大小的情况。与图6的情况相比，在图7的情况下，在基部的下部附近的变形比图6的情况大。
图8是表示压电振动片的第2实施方式的主要部分放大图，示出了与图5相同的部位。该实施方式所图示的部位以外的部位与图1～图5所说明的第1实施方式相同，并且赋予了同一符号的部位结构相同，所以省略了重复说明，以不同点为中心来进行说明。
另外，振动臂34与振动臂35的结构相同，所以仅针对振动臂34进行说明。
在该实施方式中，用于调整左右的刚性的调整结构接近于振动臂34的安装根部51a而形成。
具体来说，在沿振动臂34的长度方向延伸的长槽56中，关于其左右的壁部65、66，针对右侧的壁部66的一部分设置其厚度比左侧的壁部65厚的厚度增加部66a。
这样，在整个长槽56中，可以改善因右侧的壁部较薄而引起的振动臂34的左右的刚性平衡的不良。
图9是第2实施方式中各振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。在图9的情况下，可知在基部的下部附近的应变比图7的情况小。
图10是表示压电振动片的第3实施方式的主要部分放大图，示出了压电振动片的各振动臂34、35的前端附近。该实施方式所图示的部位以外的部位与图1～图5所说明的第1实施方式相同，并且赋予了同一符号的部位结构相同，所以省略了重复说明，以不同点为中心来进行说明。
另外，振动臂34与振动臂35的结构相同，所以仅针对振动臂34进行说明。
在该实施方式中，对在振动臂进行弯曲振动时起锤的作用的各振动臂的前端部，改变其左右的重量，从而对于因长槽的左右的壁部的厚度不同而引起的刚性平衡的不同，提供校正用的重量变化。
即，如图10所示，在振动臂34的前端部，左侧的部分形成得比右侧的部分大。
具体来说，例如如图10(a)所示，在振动臂34的前端部的右侧侧面形成倾斜的缺口部71，通过除去材料，使得假想中心线C1的右侧的重量与左侧相比被减轻。
另外，例如如图10(b)所示，在振动臂34的前端部的在假想中心线C1的左侧的部分上一体地形成凸部72，通过增加材料，使得左侧的重量比右侧的重量增大。
在该实施方式中，在整个长槽56中，可以改善因右侧的壁部66较薄引起的振动臂34的左右的刚性平衡的不良。
图11是第3实施方式中各振动臂进行弯曲振动时的振动位移的模拟的矢量图。在图11的情况下，可知在基部的下部附近的应变比图7的情况小。
图12是表示作为本发明的第4实施方式的石英振动片的陀螺仪传感器的概略结构的俯视图。
在图12中，X方向表示石英的电轴，Y’方向表示石英的机械轴，Z’方向表示石英的光轴(生长轴)。
在图12中，陀螺仪传感器80的传感器主体81被收容于封装98内，该封装98内与第1实施方式中所说明的封装36大致相同，形成为能够收容传感器主体81的形态的箱状，具有激励传感器主体81的激励电路等驱动单元和检测来自传感器主体81的振动的电路等(未图示)。
对石英进行刻蚀，通过与第1实施方式的压电振动片相同的工序形成传感器主体81。即，传感器主体81虽然其形状与第1实施方式的压电振动片32不同，但可以通过相同的制造工序形成后述的外形和槽部。
在图12中，在传感器主体81的左右的方向上长的基部82相对于封装98被固定。
激励用振动臂84、84以基部82的左右的端部附近为起点，在与基部82的延伸方向正交的方向上，并且向着图12的上方平行地延伸。另外，检测用振动臂85、85以基部82的左右的端部附近为起点，在与基部82的延伸方向正交的方向上，并且向着图12的下方平行地延伸。
并且，在各激励用振动臂84、84的表面侧，分别设置沿长度方向排列的长槽部56、56，在这些各槽部中，与第1实施方式同样地形成激励电极(未图示)。通过与之相同的结构，在各检测用振动臂85、85的表面侧和背面侧也分别形成槽部，在各槽部中，形成检测用电极(未图示)。
在图12中，陀螺仪传感器80的激励用振动臂84、84由作为驱动单元的未图示的激励电路施加驱动用电压，从而如箭头E、E所示，使其前端部之间相接近或相分离来进行振动。此时，如图12所示，当绕Y’轴的旋转角速度ω起作用时，激励用振动臂84、84受到在X轴方向的振动方向与旋转角速度ω的矢量积的方向上起作用的科里奥利力(Coriolis force)Fc作用，按照下式，沿着Y’轴(在正Y’方向和负Y’方向交替地)振动(行走式振动)。该振动通过基部82被传递到检测用振动臂85、85。
Fc＝2mV·ω(m是激励用振动臂84、84的振动部分的质量，V是激励用振动臂84、84的速度)……(1)式基于检测用振动臂85的振动的电场被未图示的检测用电极作为信号取出，从而能够进行旋转角速度ω的检测。
并且，在本实施方式中，作为在形成长槽时调整因刻蚀各向异性而引起的振动臂84的左右的刚性平衡的结构，注目于振动臂84的安装根部的宽度收缩部61、62，把夹着长槽56的宽度方向的一侧的宽度收缩部作为大型的宽度收缩部62，把夹着长槽的宽度方向的另一侧的宽度收缩部作为通常大小的宽度收缩部61。即，如图13所示，在将各振动臂84、84配置成从基部51向着上方延伸的情况下，如放大图所示，把右侧的宽度收缩部作为大型的宽度收缩部62，把左侧的宽度收缩部作为比大型的宽度收缩部62小的通常大小的宽度收缩部61。并且，虽然省略了详细的说明，但在图13中，在从基部82向下方平行地延伸的振动臂85、85上，也形成长槽，形成与上述宽度收缩部相同的宽度收缩部。
由此，在各振动臂进行弯曲振动时，在应变最大的振动臂的安装根部中，通过在振动臂的右侧形成大型的宽度收缩部62，可以提高该部位的振动臂的右侧的刚性。
并且，在陀螺仪传感器80的振动臂上，也可以采用图8或图10所说明的结构来代替图13所示的平衡的调整结构，或者除该调整结构之外再采用图8或图10所说明的结构。
本发明不限于上述实施方式。可以使各实施方式的各结构适当组合，或省略某些结构，或与未图示的其它结构组合。
另外，只要是在封装内收容压电振动片的装置，就与石英振子、石英振荡器、陀螺仪、角度传感器等名称无关地，均可将本发明应用于所有的压电振动片以及利用了上述压电振动片的压电器件。
另外，在上述实施方式中，对于封装利用使用了陶瓷的箱状的封装，然而不限于这样的方式，只要是在金属制的圆柱状的外壳等与封装同等的收容容器中收容压电振动片，也可将本发明应用于伴有任何封装或外壳的装置。
权利要求
1.一种压电振动片，其特征在于，具有由压电材料形成的基部；至少一对振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸；和形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽，以及在长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
2.根据权利要求1所述的压电振动片，其特征在于，在上述各振动臂的安装根部，上述振动臂的臂宽在上述基部侧较大，并形成朝着前端侧而宽度急剧收缩的宽度收缩部，作为上述调整结构，其相对于上述假想中心线为右侧的宽度收缩部形成得比左侧的宽度收缩部大。
3.根据权利要求1所述的压电振动片，其特征在于，上述调整结构形成于上述各振动臂的安装根部，作为上述调整结构，上述长槽被形成为其相对于上述假想中心线为右侧的壁部的厚度比左侧的壁部的厚度大。
4.根据权利要求1所述的压电振动片，其特征在于，上述调整结构形成于上述各振动臂的前端部，作为上述调整结构，在上述振动臂的前端部，相对于上述假想中心线为左侧的部分形成得比右侧的部分大。
5.一种压电器件，在收容容器内收容有压电振动片，其特征在于，上述压电振动片具有由压电材料形成的基部；至少一对振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸；和形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽，以及在长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
6.一种陀螺仪传感器，该陀螺仪传感器具有由压电材料形成的基部；至少一对以上的振动臂，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸，其特征在于，上述陀螺仪传感器还具有形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽；以及在该长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线而言为左右的结构的刚性平衡。
全文摘要
本发明提供能改善振动平衡、将CI值抑制得较低的压电振动片和压电器件。具有由压电材料形成的基部(51)；至少一对振动臂(34、35)，其与该基部一体地形成，并且从上述基部平行地延伸；和形成于上述各振动臂上并且在长度方向上延伸的长槽，以及在长槽中形成的驱动用电极，在上述各振动臂上具有调整结构(61、62)，用于调整各振动臂的相对于沿其长度方向延伸的假想中心线(C1)而言为左右的结构的刚性平衡。
文档编号H03H9/19GK1764068SQ200510114238
公开日2006年4月26日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者菊岛正幸 申请人:精工爱普生株式会社