CN102035499B - 振动片、振子、振荡器以及电子设备 - Google Patents

振动片、振子、振荡器以及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供振动片、振子、振荡器以及电子设备,抑制了因热弹性损失引起的Q值的降低,提高了弯曲振动的效率。振动臂部在一方的主面上具有沿着振动臂部的第1方向设置的第1槽部,在另一方的主面上具有第2槽部和第3槽部,该第2槽部在第2方向上与第1槽部并列地设置,该第3槽部在第1方向上与第1槽部并列地设置,且相比于第1槽部,被设置在基部侧,在一方的主面上具有第4槽部,该第4槽部在第1方向上与第2槽部并列地设置,且相比于第2槽部,被设置在基部侧,第1槽部的深度与第2槽部的深度之和、以及第3槽部的深度与第4槽部的深度之和大于一方的主面与另一方的主面之间的距离。

Description

振动片、振子、振荡器以及电子设备
技术领域
[0001 ] 本发明涉及振动片、振子、振荡器以及电子设备。
背景技术
[0002] 以往众所周知,在使作为振动片的一例的压电振动片小型化时,Q值减小,阻碍振动。
[0003] 详细地说,在压电振动片中,伴随由弯曲振动引起的弹性变形,发生收缩的面的温度上升,发生伸展的面的温度下降,因而在内部产生温度差。由此,压电振动片会产生被称为驰豫振动的振动,该驰豫振动与通过热传导(热移动)来消除该温度差(达到温度平衡状态)所需的必要时间(驰豫时间)成反比。
[0004] 压电振动片在向小型化发展时,该驰豫振动的频率接近于原本的弯曲振动的频率,所以,Q值减小,产生了阻碍原本的弯曲振动的现象。[0005] 该现象被称为热弹性损失或热弹性效应等,作为其改善策略,在专利文献I中,在压电振动片的矩形状截面中形成了槽或贯通孔,抑制从发生收缩的面向发生伸展的面的热移动,由此,抑制了由热弹性损失引起的Q值降低。
[0006]【专利文献I】日本实开平2-32229号公报
[0007] 但是,对于压电振动片,在像专利文献I那样在振动部(以下称为振动臂部)形成贯通孔时,存在振动臂部的刚性显著降低的问题。
[0008] 并且,对于压电振动片,即使像专利文献I那样在振动臂部设置截面形状为H形的槽(以下称为槽部),也无法充分抑制从发生收缩的面向发生伸展的面的热移动,所以,在抑制因热弹性损失引起的Q值降低的方面尚存在改善的余地。
发明内容
[0009] 本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的,可作为以下的形式或应用例来实现。
[0010][应用例I]本应用例的压电振动片的特征在于,该压电振动片具有:基部;以及振动臂部,其从所述基部延伸出来,进行弯曲振动,所述振动臂部具有一方的主面和与所述一方的主面相对的另一方的主面,在所述一方的主面上具有沿着所述振动臂部的延伸方向形成的第I槽部,在所述另一方的主面上具有第2槽部,在平面视图中,该第2槽部与所述第I槽部并列地形成,在所述另一方的主面上具有第3槽部,在平面视图中,该第3槽部与所述第I槽部直列地形成,且相比于所述第I槽部,被形成在所述基部侧,在所述一方的主面上具有第4槽部,在平面视图中,该第4槽部与所述第2槽部直列地形成,且相比于所述第2槽部,被形成在所述基部侧,所述第I槽部的深度与所述第2槽部的深度之和、以及所述第3槽部的深度与所述第4槽部的深度之和大于所述一方的主面与所述另一方的主面之间的距离。
[0011] 根据该结构,压电振动片在一方的主面上具有第I槽部,在另一方的主面上具有与第I槽部并列地形成第2槽部。而且,压电振动片在另一方的主面上具有第3槽部,该第3槽部与第I槽部直列地形成,且相比于第I槽部被形成在基部侧,在一方的主面上具有第4槽部,该第4槽部与第2槽部直列地形成,且相比于第2槽部,被形成在基部侧。
[0012] 而且,压电振动片的第I槽部的深度与第2槽部的深度之和、以及第3槽部的深度与第4槽部的深度之和大于一方的主面与另一方的主面之间的距离。
[0013] 由此,在压电振动片中,例如与在振动臂部上设置了现有的截面形状为H形的槽部的情况相比,从弯曲振动中作为发生收缩的面的一对伸缩面中的一方到作为发生伸展的面的一对伸缩面中的另一方的热移动的距离长,所以,达到温度平衡状态的驰豫时间变长。
[0014] 其结果,压电振动片的驰豫振动频率远离于原本的弯曲振动的频率,所以,能够抑制因热弹性损失引起的Q值的降低。因此,压电振动片能够实现进一步的小型化。
[0015] 另外,在上述压电振动片中,沿着与上述振动臂部的一方的主面垂直、且与上述振动臂部的延伸方向垂直的面切断的包含第I槽部和第2槽部的截面形状不是以一方的主面与另一方的主面之间的中心线为对称轴的线对称形状,所述中心线是经过连接一方的主面与另一方的主面的直线的中间点的沿着一方的主面(另一方的主面)的直线。
[0016] 由此,压电振动片在该状态下会产生振动臂部的质量不均衡,弯曲振动成为由沿着一方的主面的原本的弯曲振动分量、以及在连接一方的主面与另一方的主面的方向即厚度方向上振动的面外振动分量合成的振动。
[0017] 其结果,在压电振动片中,弯曲振动的振动方向不再沿着所规定的振动方向,所以将产生振动能量的损失,弯曲振动的效率降低。
[0018] 与此相对,在压电振动片中,沿着与上述振动臂部的一方的主面垂直、且与上述振动臂部的延伸方向垂直的面切断的包含第3槽部和第4槽部的截面形状是使上述包含第I槽部和第2槽部的截面形状反转后的形状,与上述同样,弯曲振动是由沿着一方的主面的原本的弯曲振动分量、以及在厚度方向上振动的面外振动分量合成的振动。
[0019] 此时,在压电振动片中,包含第3槽部和第4槽部的截面形状是使包含第I槽部和第2槽部的截面形状反转后的形状,所以,由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量的方向与由第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量的方向为相反的方向。
[0020] 其结果,在压电振动片中,由第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量与由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量相抵消,所以,整体的弯曲振动的振动方向接近于所规定的振动方向,即沿着一方的主面的方向。
[0021 ] 由此,压电振动片抑制了振动能量的损失,所以,弯曲振动的效率提高。
[0022] 并且,作为其他方式,振动片的特征在于,该振动片具有:基部;以及振动臂部,其从所述基部起在第I方向上延伸,进行弯曲振动,所述振动臂部具有一方的主面和与所述一方的主面相对的另一方的主面,在所述一方的主面上具有沿着所述振动臂部的所述第I方向设置的第I槽部,在所述另一方的主面上具有第2槽部,在平面视图中,该第2槽部在与所述第I方向垂直的第2方向上,与所述第I槽部并列地设置,在所述另一方的主面上具有第3槽部,在平面视图中,该第3槽部在所述第I方向上与所述第I槽部并列地设置,且相比于所述第I槽部,被设置在所述基部侧,在所述一方的主面上具有第4槽部,在平面视图中,该第4槽部在所述第I方向上与所述第2槽部并列地设置,且相比于所述第2槽部,被设置在所述基部侧,所述第I槽部的深度与所述第2槽部的深度之和、以及所述第3槽部的深度与所述第4槽部的深度之和大于所述一方的主面与所述另一方的主面之间的距离。
[0023] 根据该结构,振动片在一方的主面上具有第I槽部,在另一方的主面上具有在第2方向上与第I槽部并列地设置的第2槽部。而且,振动片在另一方的主面上具有第3槽部,该第3槽部在第I方向上与第I槽部并列地设置,且相比于第I槽部,被设置在基部侧,在一方的主面上具有第4槽部,该第4槽部在第I方向上与第2槽部并列地设置,且相比于第2槽部,被设置在基部侧。
[0024] 而且,振动片的第I槽部的深度与第2槽部的深度之和、以及第3槽部的深度与第4槽部的深度之和大于一方的主面与另一方的主面之间的距离。
[0025] 由此,在振动片中,例如与在振动臂部上设置了以往的截面形状为H形的槽部的情况相比,从弯曲振动中作为发生收缩的面的一对伸缩面中的一方到作为发生伸展的面的一对伸缩面中的另一方的热移动的距离长,所以,达到温度平衡状态的驰豫时间变长。
[0026] 其结果,振动片的驰豫振动频率远离于原本的弯曲振动的频率,所以,能够抑制因热弹性损失引起的Q值的降低。因此,振动片能够实现进一步的小型化。
[0027] 另外,在上述振动片中,沿着与上述振动臂部的一方的主面垂直、且与第I方向垂直的面切断的包含第I槽部和第2槽部的截面形状不是以一方的主面与另一方的主面之间的中心线为对称轴的线对称形状,所述中心线是经过连接一方的主面与另一方的主面的直线的中间点的沿着一方的主面(另一方的主面)的直线。
[0028] 由此,振动片在该状态下会产生振动臂部的质量不均衡,弯曲振动成为由沿着一方的主面的原本的弯曲振动分量、以及在连接一方的主面与另一方的主面的方向即厚度方向上振动的面外振动分量合成的振动。
[0029] 其结果,在振动片中,弯曲振动的振动方向不再沿着所规定的振动方向,所以将产生振动能量的损失,弯曲振动的效率降低。
[0030] 与此相对,在振动片中,沿着与上述振动臂部的一方的主面垂直、且与第I方向垂直的面切断的包含第3槽部和第4槽部的截面形状是使上述包含第I槽部和第2槽部的截面形状反转后的形状,与上述同样,弯曲振动是由沿着一方的主面的原本的弯曲振动分量、以及在厚度方向上振动的面外振动分量合成的振动。
[0031] 此时,在振动片中,包含第3槽部和第4槽部的截面形状是使包含第I槽部和第2槽部的截面形状反转后的形状,所以,由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量的方向与由第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量的方向为相反的方向。
[0032] 其结果,在振动片中,由第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量与由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量相抵消,所以,整体的弯曲振动的振动方向接近于所规定的振动方向,即沿着一方的主面的方向。
[0033] 由此,振动片抑制了振动能量的损失,所以,弯曲振动的效率提高。
[0034][应用例2]在上述应用例的振动片中,优选的是:当设所述第I槽部和所述第2槽部在所述第I方向上的长度为RS、所述第3槽部和所述第4槽部在所述第I方向上的长度为S时,下式成立:S: RS = I: (2.2〜2.8)。
[0035] 根据该结构,在振动片中,S: RS = I: (2.2〜2.8)成立,所以,由上述第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量与由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量大致抵消。
[0036] 其结果,振动片进一步抑制了振动能量的损失,所以弯曲振动的效率进一步提高。[0037] 这里,S : RS = I : (2. 2~2.8)是发明人通过仿真和实验导出的结论。
[0038][应用例3]在上述应用例I的振动片中,优选的是:当设所述第I槽部和所述第2槽部在所述第I方向上的长度为RS、所述第3槽部和所述第4槽部在所述第I方向上的长度为S、所述振动臂部的从根部到前端的长度为A、所述RS与所述S之和为L时,下式成立:8. 8992 X (L/A)2-3. 3784 X (L/A)+l. 746 ^ RS/S ^ I. 3102 X (L/A) 2+3. 3784 X (L/A) +0. 854。
[0039] 根据该结构,在振动片中,由于下式成立,即:8. 8992X (L/A)2-3. 3784X (L/A)+l. 746 ≤RS/S ≤I. 3102X (L/A)2+3. 3784X (L/A) +0. 854,所以,由上述第 I 槽部和第 2槽部引起的面外振动分量与由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量大致抵消。
[0040] 其结果,振动片进一步抑制了振动能量的损失,所以弯曲振动的效率进一步提高。
[0041]这里,8· 8992X (L/A) 2-3. 3784X (L/A)+l. 746 ( RS/S ( I. 3102X (L/A)2+3. 3784 X (L/A)+0. 854是发明人通过仿真和实验导出的结论。
[0042][应用例4]在上述应用例3的振动片中,优选的是RS/S = 5. 1047 X (L/A) 2-9 X IO^14X (L/A)+l. 3。
[0043]根据该结构,在振动片中,RS/S = 5. 1047 X (L/A)2_9X 10-14Χ (L/A)+L 3 成立,所以,由上述第I槽部和第2槽部引起的面外振动分量与由第3槽部和第4槽部引起的面外振动分量大致抵消。
[0044] 其结果,振动片进一步抑制了振动能量的损失,所以弯曲振动的效率进一步提高。
[0045]这里,RS/S = 5. 1047X (L/A)2_9X 10-14Χ (L/A)+l. 3 是发明人通过仿真和实验导出的结论。
[0046][应用例5]在上述应用例的振动片中,优选的是:所述振动片含有石英而构成。
[0047] 根据该结构,由于振动片是含有石英而构成的,所以,基于石英的物性,能够提供具有频率-温度特性、加工精度等优良的诸多特性的振动片。
[0048][应用例6]本应用例的振子使用了上述应用例I~5中的任一项所述的振动片,其特征在于,该振子具有所述振动片和收纳所述振动片的封装。
[0049] 根据该结构,由于振子在封装中收纳有上述应用例I~5中的任一项所述的振动片,所以,能够提供发挥上述应用例中的任一项所述的效果的振子。
[0050][应用例7]本应用例的振荡器使用了上述应用例I~5中的任一项所述的振动片,其特征在于,该振荡器具有所述振动片和驱动所述振动片的电路元件。
[0051] 根据该结构,由于振荡器具有上述应用例I~5中的任一项所述的振动片以及电路元件,所以,能够提供发挥上述应用例中的任一项所述的效果的振荡器。
[0052][应用例8]本应用例的电子设备的特征在于,该电子设备使用了上述应用例I~5中的任一项所述的振动片。
[0053] 根据该结构,由于电子设备使用了上述应用例I~5中的任一项所述的振动片,所以,能够提供发挥上述应用例I~5中的任一项所述的效果的电子设备。
附图说明
[0054] 图I是示出第I实施方式的石英振动片的概略结构的示意立体图。
[0055] 图2是图I的示意平面图。
[0056] 图3 (a)是沿图2的B-B线的截面图兼布线图,(b)是沿图2的C-C线的截面图兼布线图。
[0057] 图4是表示弯曲振动片的Q值的f/fm依赖性的曲线图。
[0058] 图5是示出RS/S与UZ/UX(Z位移/X位移)之间的相关关系的曲线图。
[0059] 图6是示出L/A与RS/S之间的相关关系的曲线图。
[0060] 图7是示出第I实施方式的变形例的石英振动片的示意平面图。
[0061] 图8是示出第2实施方式的石英振子的概略结构的示意平面图。
[0062] 图9是图8的示意截面图。
[0063] 图10是示出第3实施方式的石英振荡器的概略结构的示意截面图。
[0064] 图11是示出第4实施方式的便携电话的示意立体图。
[0065] 标号说明
[0066] I :石央振动片;10 :基部;11 : 一方的王面;12 :另一方的王面;20 :振动臂部;20c :一方的面;20d :另一方的面;21 :振动臂部;21c :伸缩面中的一方的面;21d :伸缩面中的另一方的面;22、23 :一方的主面;24、25 :第I槽部;24’、25’:第3槽部;26、27 :另一方的主面;28、29 :第2槽部;28’、29’ :第4槽部。
具体实施方式
[0067] 下面,根据附图来说明本发明的具体化的实施方式。
[0068] 另外,在第I实施方式中,作为振动片,举例说明含有作为压电体的一种的石英而构成的石英振动片。而且,在第2实施方式、第3实施方式以及第4实施方式中,作为使用该石英振动片的振子、振荡器以及电子设备,举例说明石英振子、石英振荡器以及便携电话。
[0069] 并且,在以下的各实施方式(第4实施方式除外)中,记载并说明了 X轴、Y轴、Z轴,这各个轴表示石英晶轴中的作为电轴的结晶X轴、作为机械轴的结晶Y轴、以及作为光轴的结晶Z轴。
[0070] 并且,在以下的实施方式中,图示的Z轴可相对于结晶Z轴有I度〜5度左右的倾斜,且伴随该倾斜而倾斜地形成由Z轴和X轴规定的平面。
[0071](第I实施方式)
[0072] 图I是示出第I实施方式的石英振动片的概略结构的示意立体图。图2是图I的示意平面图。图3是图2的示意截面图,图3(a)是沿图2的B-B线的截面图兼布线图,(b)是沿图2的C-C线的截面图兼布线图。另外,在图I、图2中,为了便于说明而省略了电极类的部件。
[0073] 如图I、图2所不,石英振动片I具有:基部10 ;以及一对振动臂部20、21,该一对振动臂部20、21从基部10起在第I方向(Y轴方向)上延伸,进行弯曲振动。
[0074] 石英振动片I利用基部10和一对振动臂部20、21构成音叉。
[0075] —对振动臂部20、21形成为棱柱状,且从基部10的一端侧起在Y轴方向(第I方向)上相互平行地延伸。
[0076] 另外,基部10和振动臂部20、21是在从石英的原石等切出之后,研磨成规定厚度的平板状,并通过蚀刻等形成为单独的音叉形状。
[0077] 振动臂部20、21具有:沿着作为弯曲振动的规定的振动方向的X轴方向的一方的主面22、23 ;沿着X轴方向且与一方的主面22、23相对的另一方的主面26、27 ;与乂轴方向交叉且随弯曲振动而交替伸缩的一对伸缩面中的一方的面20c、21c、以及另一方的面20d、21d。
[0078] 振动臂部20、21在一方的主面22、23上具有沿着振动臂部20、21的延伸方向(第I方向)而设置的第I槽部24、25,在另一方的主面26、27上具有第2槽部28、29,在平面视图中,该第2槽部28、29沿着与第I方向垂直的第2方向(X轴方向)与第I槽部24、25并列地设置。
[0079] 而且,振动臂部20、21在另一方的主面26、27上具有第3槽部24’、25’,在平面视图中,该第3槽部24’、25’沿着第I方向与第I槽部24、25并列地设置,且相比于第I槽部24、25,被设置在基部10侧,另外,在一方的主面22、23上具有第4槽部28’、29’,在平面视图中,该第4槽部28’、29’沿着第I方向与第2槽部28、29并列地设置,且相比于第2槽部28、29,被设置在基部1(H则。
[0080] 另外,振动臂部20、21的一方的主面22、23与基部10的一方的主面11 一体化,另一方的主面26、27与基部10的另一方的主面12 —体化。
[0081] 第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’是从振动臂部20、21的根部起朝向前端侧
设置的。
[0082] 而且,如图2所示,在第3槽部24’、25’及第4槽部28’、29’与第1槽部24、25及第2槽部28、29之间设有规定间隔G。
[0083] 如图2所示,对于石英振动片1,当设第I槽部24、25和第2槽部28、29在延伸方向(第I方向)上的长度为RS、第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’在延伸方向(第I方向)上的长度为S时,优选S: RS = I: (2.2〜2.8),进一步优选S: RS=I: 2.5 (详情后述)。
[0084] 并且,对于石英振动片1,当设振动臂部20、21的从根部到前端的长度为A、RS与S 之和为 L 时,优选的是:8.8992X (L/A)2-3.3784X (L/A)+l.746 ( RS/S ( 1.3102X (L/A) 2+3.3784 X (L/A) +0.854,进一步优选的是:RS/S = 5.1047 X (L/A) 2_9 X I(T14X (L/A)+1.3(详情后述)。
[0085] 如图3所示,第I槽部24、25和第2槽部28、29、以及第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的截面形状为大致矩形,第I槽部24、25的深度24a、25a与第2槽部28、29的深度28a、29a之和、以及第3槽部24’、25’的深度24a’、25a’与第4槽部28’、29’的深度28a’、29a’之和形成为大于一方的主面22、23与另一方的主面26、27之间的距离20a、21a((24a+28a) > 20a、(25a+29a) > 21a、(24a,+28a,) > 20a、(25a,+29a,) > 21a)。
[0086] 另外,第I槽部24、25和第2槽部28、29、以及第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’是通过蚀刻、喷砂等而形成的。
[0087] 如图3所示,在第I槽部24、25和第2槽部28、29、以及第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的作为外部侧的侧壁上设有激励电极30、31。
[0088] 详细地说,在振动臂部20上,激励电极30被设置在连接一方的主面22与另一方的主面26的一方的面20c、以及连接一方的主面22与另一方的主面26的另一方的面20d上。
[0089] 并且,激励电极31被设置在第I槽部24中的靠一方的面20c侧的面24b、第2槽部28中的靠另一方的面20d侧的面28b、第3槽部24’中的靠一方的面20c侧的面24b’、以及第4槽部28’中的靠另一方的面20d侧的面28b’上。
[0090] 另一方面,在振动臂部21上,激励电极31被设置在连接一方的主面23与另一方的主面27的一方的面21c、以及连接一方的主面23与另一方的主面27的另一方的面21d上。
[0091] 并且,激励电极30被设置在第I槽部25中的靠一方的面21c侧的面25b、第2槽部29中的靠另一方的面21d侧的面29b、第3槽部25’中的靠一方的面21c侧的面25b’、以及第4槽部29’中的靠另一方的面21d侧的面29b’上。
[0092] 激励电极30彼此相互连接,激励电极31彼此相互连接,且分别通过未图示的引出电极而引出到基部10,与未图示的固定电极连接。
[0093] 在激励电极30与激励电极31之间施加交流电荷。
[0094] 另外,激励电极30、31具有Cr、Ni等的基底层和Au、Ag等的电极层。各层是通过蒸镀、溅射等形成的。
[0095] 这里,说明石英振动片I的动作。
[0096] 在对激励电极30、31之间施加了交流电荷作为驱动信号时,如图I所示,石英振动片I的振动臂部20、21进行这样的弯曲振动,S卩:在大致沿着X轴方向的箭头D方向和箭头E方向上交替地发生位移。
[0097] 详细地说,当对激励电极30施加了正电荷、对激励电极31施加了负电荷时,一方的面20c、21c在Y轴方向上收缩,另一方的面20d、21d在Y轴方向上伸展。由此,振动臂部20,21在箭头D方向上发生位移。
[0098] 另一方面,当对激励电极30施加了负电荷、对激励电极31施加了正电荷时,一方的面20c、21c在Y轴方向上伸展,另一方的面20d、21d在Y轴方向上收缩。由此,振动臂部20,21在箭头E方向上发生位移。
[0099] 通过使石英振动片I的振动臂部20、21交替地反复进行箭头D方向和箭头E方向的位移,从而一方的面20c、21c与另一方的面20d、21d交替地进行伸缩。
[0100] 此时,如图3(a)所示,由于振动臂部20、21的形成有第I槽部24、25和第2槽部28,29的截面形状((24a+28a) > 20a、(25a+29a) > 21a)的原因,因此与以往的设置了截面形状为H形的槽部的情况相比,从伴随弯曲振动而交替地反复进行收缩和伸展的一方的面20c、21c到另一方的面20d、21d的热移动的距离变长。
[0101] 关于热移动的距离,详细地说,在振动臂部20中,该距离是从一方的面20c的靠第I槽部24的开口侧的一端沿着截面形状到达另一方的面20d的靠第2槽部28的开口侧的一端的距离,在振动臂部21中,该距离是从一方的面21c的靠第I槽部25的开口侧的一端沿着截面形状到达另一方的面21d的靠第2槽部29的开口侧的一端的距离。
[0102] 同样,如图3(b)所示,由于振动臂部20、21的形成有第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的截面形状((24a,+28a’ ) > 20a、(25a,+29a’ ) > 21a)的原因,与以往的设置了截面形状为H形的槽部的情况相比,从伴随弯曲振动而交替地反复进行收缩和伸展的一方的面20c、21c到另一方的面20d、21d的热移动的距离变长。
[0103] 这里,上述驰豫振动的频率&和驰豫时间τ由f(| = i/ (2 Ji τ )来表示。
[0104] 由于石英振动片I的热移动距离比以往(H形的槽部)长,所以,达到温度平衡状态的驰豫时间τ比以往(H形的槽部)长。其结果,对于石英振动片1,驰豫振动的频率(驰豫振动频率)f0远离于原本的弯曲振动的频率f。
[0105] 通常公知的是通过下式来求出驰豫振动频率(热驰豫频率)
[0106] f0 = Ji k/ (2 P Cpa2)...(I)
[0107] 这里,Ji是圆周率,k是振动臂部的振动方向(弯曲振动方向)的热传导率,P是振动臂部的质量密度,Cp是振动臂部的热容量,a是振动臂部在振动方向(弯曲振动方向)上的宽度。
[0108] 在针对式(I)的热传导率k、质量密度P和热容量Cp输入了振动臂部的材料本身的常数的情况下,所求取的驰豫振动频率&是未设置槽部时振动臂部的驰豫振动频率。
[0109] 图4是表示弯曲振动片(石英振动片)的Q值的f/fm依赖性的曲线图。这里,fm是在振动臂部上未设置槽部时(振动臂部的截面形状为大致矩形时)的驰豫振动频率。图4的曲线图右侧所描绘的图形示意性地示出了振动臂部的截面形状。
[0110] 在图4中,三角形的标记是在图3所示的振动臂部的截面形状的情况下的图示,黑色四边形的标记是在振动臂部的两个主面上设置槽部从而将振动臂部的截面形状形成为“H”的H形的情况下的图示,空心菱形的标记是在振动臂部的任何主面上均未设置槽部的平板的情况下的图示。并且,粗实线是三角标记的值的近似直线,虚线是四边形标记间的内插直线,单点划线是菱形标记间的内插直线。
[0111] 如图4所示可清楚地看出,对于弯曲振动片,通过将振动臂部的截面形状形成为图3所示的形状并将f/fm设为大于0.09的值,由此,能够得到比H形的情况高的Q值。
[0112] 而且,对于上述弯曲振动片(相当于石英振动片I),通过将f/fm设为大于0.25的值,由此,能够得到比H形和平板中的任意一种情况都高的Q值,而如果f/fm大于1,则能够得到远远高于H形和平板中的任意一种情况的Q值。
[0113] 另外,关于石英振动片1,如图3(a)所示,沿着与振动臂部20、21的一方的主面22,23垂直、且与振动臂部20、21的延伸方向(第I方向)垂直的面切断的包含第I槽部24,25和第2槽部28、29的截面形状不是以一方的主面22、23与另一方的主面26、27之间的中心线F、Fl为对称轴的线对称形状,该中心线F、Fl是经过连接一方的主面22、23与另一方的主面26、27的直线的中间点的、沿着一方的主面22、23(另一方的主面26、27)的直线。
[0114] 由此,石英振动片I在该状态下将产生振动臂部20、21的质量不均衡,如图3(a)所示,振动臂部20的弯曲振动的位移U是由位移分量Ux与位移分量Uz合成的位移,所述位移分量Ux是在沿着一方的主面22、23 (另一方的主面26、27)的X轴方向上振动的原本的弯曲振动的位移分量,所述位移分量Uz是因Z轴方向的力矩而在连接一方的主面22、23与另一方的主面26、27的方向即Z轴方向上振动的面外振动的位移分量。
[0115] 另一方面,振动臂部21的弯曲振动的位移Ul是由位移分量Ulx与位移分量Ulz合成的位移,所述位移分量Ulx在X轴方向上振动的原本的弯曲振动的位移分量,所述位移分量Ulz是因Z轴方向的力矩而在Z轴方向上振动的面外振动的位移分量。
[0116] 此时,位移分量Uz与位移分量Ulz为同一方向上的位移分量。
[0117] 其结果,在石英振动片I中,弯曲振动的位移U、U1的方向不再沿着一方的主面22、23 (不再沿着X轴方向),所以,可能产生振动能量的损失而导致弯曲振动的效率降低。
[0118] 另外,在图3(a)中,为了便于说明而示出了弯曲振动的一个方向(相当于图1的箭头D方向)上的位移U、Ul,不过,相反方向(相当于图I的箭头E方向)上的位移也是同样的。
[0119]与此相对,如图3(b)所示,在石英振动片I中,沿着与振动臂部20、21的一方的主面22、23垂直、且与振动臂部20、21的延伸方向(第I方向)垂直的面切断的包含第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的截面形状是使包含第I槽部24、25和第2槽部28、29的截面形状反转后的形状。
[0120] 由此,石英振动片I在第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’中,与上述同样,弯曲振动的位移U’、U1’是由沿着一方的主面22、23的原本的弯曲振动的位移分量Ux’、Ulx’以及在Z轴方向上振动的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’合成的位移。
[0121] 此时,在石英振动片I中,由于包含第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的截面形状是使包含第I槽部24、25和第2槽部28、29的截面形状反转后的形状,所以,第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’中的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’的方向与第I槽部24、25和第2槽部28、29中的面外振动的位移分量Uz、Ulz的方向为相反方向。
[0122] 其结果,在石英振动片I中,第I槽部24、25和第2槽部28、29中的面外振动的位移分量Uz、Ulz与第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’中的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’相抵消,所以,整体的弯曲振动的位移方向接近于作为所规定的振动方向的X轴方向(沿着一方的主面的方向)。
[0123] 由此,石英振动片I通过降低Z轴方向的力矩而抑制了振动能量的损失,所以,弯曲振动的效率提闻。
[0124] 根据具体的数据来对上述内容进行进一步的说明。
[0125] 图5是这样的曲线图:其示出了第I槽部24、25和第2槽部28、29在延伸方向上的长度RS与第3槽部24’、25’和第4槽部28’在延伸方向上的长度S之比(以下简称为RS/S)、和石英振动片I整体的弯曲振动中的面外振动(Z轴方向的振动)的位移分量UZ与原本规定的振动方向即X轴方向的位移分量UX之比(以下简称为UZ/UX)之间的相关关系。
[0126] 图6是这样的曲线图:其示出了振动臂部20、21的前端侧和基部侧的各槽部的长度之和L(RS+S)与振动臂部20、21的从根部到前端的长度A之比(以下简称为L/A)、和使得此时的振动能量的损失为允许范围内的RS/S之间的相关关系。
[0127] 这里,图5、图6是基于发明人通过仿真和实验导出的数据而得到的。
[0128] 如图5所示,在石英振动片I中,当RS/S = 2. 2~2. 8、即S : RS=I : (2. 2~
2. 8)时,UZ/UX减小,所以,弯曲振动中的振动能量损失的作为一个尺度的漏振Af (利用线来悬吊着基部10或利用柔软的导电性粘接剂来固定基部10时的频率与利用焊锡或硬导电性粘接剂来固定基部10时的频率之间的偏移量)的值减小。具体而言,漏振Af为大约为500ppm以下的适合于量产的水平。
[0129] 进一步,在石英振动片I中,当RS/S = 2. 5、即S : RS = I : 2. 5时,UZ/UX大致为0,所以,漏振Λ f的值达到最小(大致为Oppm)。
[0130] 另外,UZ/UX的负号表示面外振动的位移方向为反(从Z轴的正向变到Z轴的负向)。
[0131] 并且,如图6所示,在石英振动片I中,当8. 8992X (L/A)2_3. 3784X (L/A)+l. 746(纸面最下方的线)≤ RS/S ≤ I. 3102X (L/A) 2+3. 3784 X (L/A) +0. 854(纸面最上方的线)时,UZ/UX减小,所以,漏振Af的值减小。具体而言,大约为500ppm以下的适合
于量产的水平。
[0132]进一步,在石英振动片 I 中,当 RS/S = 5. 1047X (L/A)2_9X 10-14Χ (L/A)+L 3(纸面中央的线)时,UZ/UX大致为0,所以,漏振Λ f的值达到最小(大致为Oppm)。
[0133] 另外,在仿真和实验中,是这样地进行了评价:使用图2所示的振动臂部20、21的从根部到前端的长度A =大约1650 μ m、振动臂部20、21在X轴方向上的宽度W =大约100 μ m的样本,以间隔G =大约20 μ m进行固定,并在RS =大约200 μ m~大约1100 μ m、S =大约100 μ m~大约600 μ m、L=大约400 μ m~大约1200 μ m的范围内,对RS、S、L的值进行了适当设定。
[0134] 如上所述,在第I实施方式的石英振动片I中,第I槽部24、25的深度24a、25a与第2槽部28、29的深度28a、29a之和、以及第3槽部24’、25’的深度24a’、25a’与第4槽部28’、29’的深度28a’、29a’之和大于一方的主面22、23与另一方的主面26、27之间的距离 20a、21a((24a+28a) > 20a、(25a+29a) > 21a、(24a,+28a,) > 20a、(25a,+29a,) >21a)。
[0135] 由此,在石英振动片I中,例如与在振动臂部20、21上设置以往的截面形状为H形的槽部的情况相比,从弯曲振动中发生收缩的面到发生伸展的面的热移动的距离(从一方的面20c、21c到另一方的面20d、21d的热移动的距离)变长,所以,达到温度平衡状态的驰豫时间τ变长。
[0136] 其结果,在石英振动片I中,驰豫振动频率&远离于原本的弯曲振动的频率f,所以,能够抑制因热弹性损失引起的Q值的降低。因此,石英振动片I能够实现进一步的小型化。
[0137] 并且,在石英振动片I中,沿着与振动臂部20、21的一方的主面22、23垂直、且与振动臂部20、21的延伸方向(第I方向)垂直的面切断的包含第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’的截面形状是使同样地切断的包含第I槽部24、25和第2槽部28、29的截面形状反转后的形状。
[0138] 因此,在石英振动片I中,弯曲振动中由第I槽部24、25和第2槽部28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz的方向与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz ’、Ulz ’的方向为相反方向。
[0139] 其结果,在石英振动片I中,由第I槽部24、25和第2槽部28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’相抵消,所以,整体的弯曲振动的振动方向接近于所规定的振动方向即X轴方向(沿着一方的主面22、23的方向)。
[0140] 由此,石英振动片I抑制了弯曲振动中振动能量的损失,所以,Cl (晶体阻抗)值等降低,弯曲振动的效率提闻。
[0141] 并且,在石英振动片I中,只要S : RS = I : (2. 2~2. 8),即可使由第I槽部24、25和第2槽部28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’大致抵消。
[0142] 其结果,在石英振动片I中,UZ/UX减小,所以,作为振动能量损失的漏振Af的值进一步减小(大约为500ppm以下),弯曲振动的效率进一步提闻。[0143] 进一步,在石英振动片I中,如果S : RS = I : 2.5,即可使由第I槽部24、25和第2槽部28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’几乎完全抵消。
[0144] 其结果,在石英振动片I中,UZ/UX大致为0,所以,漏振Af的值极小(大致为Oppm),弯曲振动的效率进一步提闻。
[0145]并且,在石英振动片 I 中,只要 8. 8992X (L/A)2~3. 3784X (L/A)+L 746 ( RS/S ≤ I. 3102 X (L/A) 2+3. 3784X (L/A) +0. 854 成立,即可使由第 I 槽部 24、25 和第 2 槽部 28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’大致抵消。
[0146] 其结果,在石英振动片I中,UZ/UX减小,所以,漏振Af的值进一步减小(大约为500ppm以下),弯曲振动的效率进一步提高。
[0147]进一步,在石英振动片 I 中,只要 RS/S = 5. 1047 X (L/A) 2_9 X 10-14Χ (L/A)+l. 3 成立,即可使由第I槽部24、25和第2槽部28、29引起的面外振动的位移分量Uz、Ulz与由第3槽部24’、25’和第4槽部28’、29’引起的面外振动的位移分量Uz’、Ulz’进一步抵消。
[0148] 其结果,在石英振动片I中,UZ/UX大致为0,所以,漏振Af的值极小(大致为Oppm),弯曲振动的效率进一步提闻。
[0149] 并且,石英振动片I是含有石英而构成的,所以,基于石英的物性而能够提供具有频率-温度特性、频率的老化特性、加工精度等优良的诸多特性的振动片。
[0150](变形例)
[0151] 下面,说明第I实施 方 式的石英振动片的变形例。
[0152] 图7是示出第I实施方式的变形例的石英振动片的示意平面图。另外,对与第I实施方式相同的部分标注同一标号并省略说明,以与第I实施方式不同的部分为中心进行说明。
[0153] 如图7所示,在石英振动片101中,振动臂部121中的第I槽部25和第2槽部29、以及第3槽部25’和第4槽部29’的排列是与上述实施方式的石英振动片I的振动臂部21相反的。换言之,在石英振动片101中,在振动臂部20与振动臂部121上各槽部的排列是相同的。
[0154] 在该排列中,石英振动片101能够通过与第I实施方式相同的作用,而发挥与第I实施方式相同的效果。
[0155] 另外,在上述实施方式和变形例中,举例说明了具有一对振动臂部的音叉型的石英振动片,但不限于此,例如,也可以是具有一个振动臂部的柱状的石英振动片,还可以是具有3个以上的振动臂部的音叉型的石英振动片。
[0156](第2实施方式)
[0157] 下面,举一个例子来说明作为第2实施方式的振子的石英振子。
[0158] 图8是示出第2实施方式的石英振子的概略结构的示意平面图。图9是沿图8的J-J线的示意截面图。另外,在图8中,为了便于说明而省略了盖体。
[0159] 此外,对与第I实施方式相同的部分标注同一标号并省略说明。
[0160] 第2实施方式的石英振子80是使用了第I实施方式或第I实施方式的变形例的石英振动片的石英振子。这里,使用第I实施方式的石英振动片I来进行说明。[0161] 如图8、图9所75,石英振子80在封装51内收纳有石英振动片I。具体而言,如图9所示,石英振子80在包含第I基板54、以及层叠在该第I基板54上的第2基板55和第3基板56的封装51的内部空间S中收纳有石英振动片I。
[0162] 封装51具有第I基板54、第2基板55和第3基板56,还具有盖体57。封装51具有将第2基板55在封装51内延长的延长部55a,在延长部55a上形成有2个电极部52。
[0163] 石英振子80使用导电性粘接剂53等在电极部52上固定石英振动片I的未图不的固定电极,经由固定电极将激励电极30、31(参照图3)与电极部52电连接。另外,作为导电性粘接剂53,可使用在由规定的合成树脂构成的粘合剂中添加了银粒子等导电粒子的粘接剂。
[0164] 第I基板54、第2基板55和第3基板56由陶瓷等绝缘材料形成。特别地,作为优选材料,可选择具有与石英振动片I或盖体57相同或近似的线膨胀系数的材料。
[0165] 在本实施方式中,例如使用陶瓷的生片(green sheet)。生片例如是通过如下方式而得到的:使陶瓷粉末分散在规定溶液中并添加粘合剂,使由此生成的混合物成形为长条的片状,将其切割成规定长度,从而得到所述生片。
[0166] 可通过对成形为图示的形状的生片进行层叠及烧结,来形成第I基板54、第2基板55和第3基板56。第I基板54构成封装51的底部,与其相叠的第2基板55和第3基板56形成为框状,它们与第I基板54、盖体57等一同形成内部空间S。
[0167] 通过可伐环(kovar ring)、低熔点玻璃等接合材料58而将由陶瓷、玻璃或可伐合金(kovar)等金属形成的盖体57接合在第3基板56上。由此,封装51的内部空间S被气密地密封。
[0168] 在第I基板54上,例如在使用Ag、Pd等的导电膏或鹤金属化(tungstenmetalize)等的导电膏等形成未图示的导电图案后,进行第I基板54、第2基板55和第3基板56的烧结,然后,依次镀上N1、Au或Ag等,形成上述电极部52。
[0169] 电极部52通过未图示的导电图案,与形成于封装51的外侧底面的安装端子59电连接。
[0170] 在石英振子80中,通过对安装端子59施加驱动信号,由此,经由未图示的固定电极对石英振动片I的激励电极30、31之间施加交流电荷(参照图3)。
[0171] 由此,石英振动片I进行图1所示的弯曲振动。
[0172] 如上所述,石英振子80在封装51的内部空间S中收纳有石英振动片1,封装51的内部空间S被气密地密封,所以,能够提供发挥与第I实施方式相同的效果的振子。
[0173] 另外,石英振子80也可以不使用石英振动片1,而是使用第I实施方式的变形例的石英振动片101,即便如此,也能够提供发挥与第I实施方式相同的效果的振子。
[0174] 另外,在石英振子80中,通过将盖体57形成为带凸缘的盖状等,从而也可以省略第2基板55和第3基板56。由此,石英振子80的结构要素减少,所以封装51的制造变得容易。
[0175](第3实施方式)
[0176] 下面,举一个例子来说明作为第3实施方式的振荡器的石英振荡器。
[0177] 图10是示出第3实施方式的石英振荡器的概略结构的示意截面图。
[0178] 第3实施方式的石英振荡器90是使用了第I实施方式或第I实施方式的变形例的石英振动片的石英振荡器。这里,使用第I实施方式的石英振动片I来进行说明。另外,第3实施方式的石英振荡器90是在第2实施方式的石英振子80中设置了作为驱动石英振动片I的电路元件的IC芯片87。
[0179] 另外,对与第I实施方式和第2实施方式相同的部分标注同一标号并省略说明。
[0180] 如图10所示,石英振荡器90在封装51的第I基板54的上表面上形成有由Au等构成的内部连接端子89。
[0181] 内置有振荡电路的IC芯片87被收纳在封装51的内部空间S中,并利用粘接剂等固定在第I基板54的上表面上。而且,在IC芯片87的上表面上形成有由Au等构成的IC连接焊盘82。
[0182] IC连接焊盘82通过金属线88与内部连接端子89连接。
[0183] 内部连接端子89经由未图示的导电图案,与形成于封装51的外侧底面的安装端子59及电极部52连接。另外,在IC芯片87与内部连接端子89的连接中,除了基于金属线88的连接方法以外,还可以采用基于倒装芯片(flip chip)安装的连接方法等。
[0184] 另外,封装51的内部空间S被气密地密封。
[0185] 在石英振荡器90中,响应于来自外部的输入,从IC芯片87经由电极部52和未图示的固定电极对石英振动片I的激励电极30、31之间施加交流电荷(参照图3)。
[0186] 由此,石英振动片I进行图1所示的弯曲振动。石英振荡器90经由IC芯片87和安装端子59向外部输出通过该弯曲振动而得到的振荡信号。
[0187] 如上所述,第3实施方式的石英振荡器90在封装51的内部空间S中收纳有石英振动片I和IC芯片87,且封装51的内部空间S被气密地密封,所以,能够提供发挥与第I实施方式相同的效果的振荡器。
[0188] 另外,石英振荡器90也可以不使用石英振动片1,而是使用第I实施方式的变形例的石英振动片101,即便如此,也能够提供发挥与第I实施方式相同的效果的振荡器。
[0189] 另外,石英振荡器90也可以采用将IC芯片87安装在封装51的外部的结构(模块构造)。
[0190] 另外,在第3实施方式中,举了一个例子对石英振荡器进行了说明,但不限于此,例如,也可以是在IC芯片87中还具有检测电路等的压力传感器、陀螺传感器等。
[0191](第4实施方式)
[0192] 下面,举一个例子来说明作为第4实施方式的电子设备的便携电话。
[0193] 图11是示出第4实施方式的便携电话的示意立体图。
[0194] 第4实施方式的便携电话700是使用了第I实施方式或第I实施方式的变形例的石英振动片的便携电话。
[0195] 图11所示的便携电话700构成为:例如使用上述石英振动片I (101)作为基准时钟振荡源,而且还具有液晶显示装置701、多个操作按钮702、接听口 703、以及通话口 704。
[0196] 上述石英振动片1(101)不限于上述便携电话,还特别适用于电子书、个人计算机、电视、数字静态照相机、摄像机、录像机、车载导航装置、呼叫器、电子记事本、计算器、文字处理器、工作站、可视电话、POS终端、具有触摸面板的设备等的基准时钟振荡源等,在任意一种情况下,均能够提供发挥在上述实施方式和变形例中说明的效果的电子设备。
[0197] 另外,作为振动片的材料,不限于石英,也可以是钽酸锂(LiTaO3)、四硼酸锂(Li2B4O7)、铌酸锂(LiNbO3)、锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等的压电体、或者具有氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)等的压电体作为覆膜的硅等的半导体。

Claims (11)

1. 一种振动片,其特征在于, 该振动片具有:基部;以及振动臂部,其从所述基部起在第I方向上延伸,进行弯曲振动, 所述振动臂部具有沿着作为弯曲振动的规定的振动方向的X轴方向的一方的主面和沿着所述X轴方向且与所述一方的主面相对的另一方的主面, 在沿着作为弯曲振动的规定的振动方向的X轴方向的一方的主面上具有沿着所述振动臂部的所述第I方向设置的第I槽部,在沿着所述X轴方向且与所述一方的主面相对的另一方的主面上具有第2槽部,在平面视图中,该第2槽部在与所述第I方向垂直的第2方向上,与所述第I槽部并列地设置,在沿着所述X轴方向且与所述一方的主面相对的另一方的主面上具有第3槽部,在平面视图中,该第3槽部在所述第I方向上与所述第I槽部并列地设置,且被设置成比所述第I槽部更靠近所述基部侧, 在沿着作为弯曲振动的规定的振动方向的X轴方向的一方的主面上具有第4槽部,在平面视图中,该第4槽部在所述第I方向上与所述第2槽部并列地设置,且被设置成比所述第2槽部更靠近所述基部侧, 所述第I槽部的深度与所述第2槽部的深度之和、以及所述第3槽部的深度与所述第4槽部的深度之和皆大于沿着作为弯曲振动的规定的振动方向的X轴方向的一方的主面与沿着所述X轴方向且与所述一方的主面相对的另一方的主面之间的距离。
2.根据权利要求1所述的振动片,其特征在于, 所述振动片含有石英而构成。
3.根据权利要求1所述的振动片,其特征在于, 当设所述第I槽部和所述第2槽部在所述第I方向上的长度为RS、所述第3槽部和所述第4槽部在所述第I方向上的长度为S时,下式成立: S:RS=I: (2. 2 ~2. 8)。
4.根据权利要求3所述的振动片,其特征在于, 所述振动片含有石英而构成。
5.根据权利要求1所述的振动片,其特征在于, 当设所述第I槽部和所述第2槽部在所述第I方向上的长度为RS、所述第3槽部和所述第4槽部在所述第I方向上的长度为S、所述振动臂部的从根部到前端的长度为A、所述RS与所述S之和为L时,下式成立: .8. 8992X (L/A)2-3. 3784X (L/A)+l. 746 ( RS/S ( I. 3102X (L/A)2+3. 3784X (L/A)+0. 854。
6.根据权利要求5所述的振动片,其特征在于, 所述振动片含有石英而构成。
7.根据权利要求5所述的振动片,其特征在于,下式成立: RS/S=5. 1047 X (L/A)2-9X1(T14X (L/A)+l. 3。
8.根据权利要求7所述的振动片,其特征在于, 所述振动片含有石英而构成。
9. 一种振子,该振子使用了权利要求1~8中的任一项所述的振动片,其特征在于,该振子具有所述振动片和收纳所述振动片的封装。
10. 一种振荡器,该振荡器使用了权利要求1~8中的任一项所述的振动片,其特征在于, 该振荡器具有所述振动片和驱动所述振动片的电路元件。
11. 一种电子设备,其 特征在于,该电子设备使用了权利要求1~8中的任一项所述的振动片。
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