CN109842390A - 音叉型水晶振动元件以及压电器件 - Google Patents

音叉型水晶振动元件以及压电器件 Download PDF

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CN109842390A CN201811423024.2A CN201811423024A CN109842390A CN 109842390 A CN109842390 A CN 109842390A CN 201811423024 A CN201811423024 A CN 201811423024A CN 109842390 A CN109842390 A CN 109842390A
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Abstract

本发明提供一种音叉型水晶振动元件以及压电器件，在音叉元件中能够减少安装前后的振荡频率的变化。音叉元件(10)具备：基部(11)；一对振动臂部(12a、12b)，从基部11起在相同的长边方向延伸；和锤部(16a、16b)，位于振动臂部(12a、12b)的前端。并且，在俯视下，将长边方向的尺寸设为长度，将与长边方向垂直的方向的尺寸设为宽度，将振动臂部(12a、12b)以及锤部(16a、16b)的长度与基准值x0的差设为x，将锤部(16a、16b)的宽度与基准值y0的差设为y，将单位设为μm时，以下的式(1)成立。‑100≤x≤100、‑30≤y≤3，且‑0.3x‑15≤y≤‑0.3x+15…(1)。

Description

音叉型水晶振动元件以及压电器件
本申请要求2017年11月28日提交的日本专利申请2017-227953的优先权，将其全部内容援引于此。
技术领域
本公开涉及基准信号源或者时钟信号源中使用的音叉型水晶振动元件(以下简称为“音叉元件”。)、以及安装有该音叉型水晶振动元件的压电器件。
背景技术
关联技术的音叉元件具备：基部、从基部起在相同的长边方向延伸的一对振动臂部、和位于振动臂部的前端的锤部(参照JP特开2017-98765号公报)。并且，振动臂部具有槽部，在该槽部的内外具有激励电极。根据该音叉元件，由于通过在振动臂部的前端具有锤部，能够使振动臂部较短的状态下降低弯曲振动的频率，因此，能够使得音叉元件小型化。此外，通过槽部的内外的激励电极，能够向振动臂部施加电压。
发明内容
本公开的一实施方式的目的在于，提供在振动臂部的前端具有锤部的音叉元件中能够减少安装前后的振荡频率的变化的技术。
本公开的一实施方式所涉及的音叉元件具备：
基部；
一对振动臂部，从所述基部起在相同的长边方向延伸；和
锤部，位于所述振动臂部的前端，
在俯视下，将所述长边方向的尺寸设为长度，将与所述长边方向垂直的方向的尺寸设为宽度，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度的基准值设为x0，将所述锤部的所述宽度的基准值设为y0，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度与所述基准值x0的差设为x，将所述锤部的所述宽度与所述基准值y0的差设为y，将单位设为μm时，以下的式(1)成立，
-100≤x≤100，-30≤y≤30，且
-0.3x-15≤y≤-0.3x+15…(1)。
根据本公开的一实施方式，通过改善振动臂部以及锤部的长度与锤部的宽度的关系，能够在音叉元件的安装前后减少振荡频率的变化。
附图说明
图1是表示实施方式1的音叉元件的俯视图。
图2A是图1中的IIa-IIa线剖视图，图2B是表示安装有图1的音叉元件的压电器件的示意剖视图。
图3是表示图1的音叉元件的主要的尺寸的一例的俯视图。
图4A至图4F是表示图1的音叉元件的振动模式的示意俯视图，图4A是同相，图4B是主振动，图4C是海豚式，图4D是单腿式，图4E是扭曲(同相)，图4F是扭曲(反相)。
图5A是表示使臂长度x以及锤宽度y变化的情况下的free-fix的图表。
图5B是表示臂长度x以及锤宽度y与free-fix的关系的曲线。
图6A是表示设为锤宽度y＝0恒定而使臂长度x变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图6B是表示图6A中的臂长度x与各振动模式的频率的关系的曲线，图6C是表示图6A中的臂长度x与free-fix以及同相差的关系的曲线。
图7A是表示设为臂长度x＝0恒定而使锤宽度y变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图7B是表示图7A中的锤宽度y与各振动模式的频率的关系的曲线，图7C是表示图7A中的锤宽度y与free-fix以及同相差的关系的曲线。
图8A是表示设为锤宽度y＝-30恒定而使臂长度x变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图8B是表示图8A中的臂长度x与各振动模式的频率的关系的曲线，图8C是表示图8A中的臂长度x与free-fix以及同相差的关系的曲线。
图9A是表示设为锤宽度y＝-15恒定而使臂长度x变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图9B是表示图9A中的臂长度x与各振动模式的频率的关系的曲线，图9C是表示图9A中的臂长度x与free-fix以及同相差的关系的曲线。
图10A是表示设为锤宽度y＝+15恒定而使臂长度x变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图10B是表示图10A中的臂长度x与各振动模式的频率的关系的曲线，图10C是表示图10A中的臂长度x与free-fix以及同相差的关系的曲线。
图11A表示设为锤宽度y＝+30恒定而使臂长度x变化的情况下的各振动模式等的频率的图表，图11B是表示图11A中的臂长度x与各振动模式的频率的关系的曲线，图11C是表示图11A中的臂长度x与free-fix以及同相差的关系的曲线。
具体实施方式
在关联技术的音叉元件中，由于在振动臂部的自由端(前端)具有锤部，因此若对激励电极施加交变电压，则除了反相模式的主振动以外，还容易产生副振动。该副振动中包含同相模式的振动、扭曲模式的振动、后述的称为“海豚式”的振动、以及后述的称为“单腿式”的振动的至少一个。特别在全长为1200μm以下的小型的音叉元件中，这种趋势较为明显。因此，在将音叉元件安装于元件搭载部件(封装体)时，因来自元件搭载部件的应力变化而对基部施加形变，副振动由于该形变而变大。其结果，在关联技术的音叉元件中存在如下问题：在其安装前后振荡频率发生变化，难以获得基于设计的振荡频率。
本发明人在振动臂部的前端具有锤部的关联技术的音叉元件中反复进行用于减少安装前后的振荡频率的变化的研究以及实验，其结果获得如下的见解。
在音叉元件的模拟实验中，获得了在振动臂部以及锤部的长度与锤部的宽度中当特别的关系成立时安装前后的振荡频率的变化被减少的这种结果。
以下，参照附图，对用于实施本公开的方式(以下称为“实施方式”。)进行说明。另外，在本说明书以及附图中，对于实质上相同的结构要素使用同一符号。此外，附图中描绘的形状是为了本领域技术人员容易理解而描绘出的，因此与实际的尺寸以及比例未必一致。
图1是表示实施方式的音叉元件的俯视图。图2A是图1中的IIa-IIa线剖视图。图2B是表示安装有图1的音叉元件的压电器件的示意剖视图。以下，基于这些附图进行说明。
如图1以及图2A所示，本实施方式的音叉元件10具备：基部11、从基部11起在相同的长边方向(Y’轴方向)延伸的一对振动臂部12a、12b、以及位于振动臂部12a、12b的前端的锤部16a、16b。并且，在俯视下，将长边方向(Y’轴方向)的尺寸设为长度，将与长边方向(Y’轴方向)垂直的方向(X轴方向)的尺寸设为宽度，将振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度的基准值设为x0，将锤部16a、16b的宽度的基准值设为y0，将振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度与基准值x0之差设为x，将锤部16a、16b的宽度与基准值y0之差设为y，将单位设为μm时，以下的式(1)成立。
-100≤x≤100，
-30≤y≤30，且
-0.3x-15≤y≤-0.3x+15…(1)
根据本实施方式的音叉元件10，通过改善振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度与锤部16a、16b的宽度的关系，能够减少安装前后的振荡频率的变化(详细内容后述。)。
此外，也可以替代式(1)，而以下的式(2)成立。
-100≤x≤100，-30≤y≤30，且
y＝-0.3x…(2)
该情况下，能够更为减少安装前后的振荡频率的变化。
进而，在式(1)或者式(2)中，也可以x、y满足以下的式(3)。
-50≤x≤50，且-15≤y≤15…(3)
该情况下，能够更进一步减少安装前后的振荡频率的变化。
再有，在式(1)至式(3)中，在基准值x0为780μm且基准值y0为102μm的情况下，能够减少安装前后的振荡频率的变化的效果变得显著。
所谓振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度，是振动臂部12a的长度与锤部16a的长度之和、或者振动臂部12b的长度与锤部16b的长度之和，两者均相等。所谓锤部16a、16b的宽度，是锤部16a的宽度、或者锤部16b的宽度，两者均相等。
在上述“长度”为变量时，如果“宽度”为常量，则“长度”与面积(长度×宽度)成比例，如果“宽度”以及“厚度”为常量，则“长度”与体积(长度×宽度×厚度)成比例。同样，在上述“宽度”为变量时，如果“长度”为常量，则“宽度”与面积(宽度×长度)成比例，如果“长度”以及“厚度”为常量，则“宽度”与体积(宽度×长度×厚度)成比例。该情况下，式(1)以及式(2)中能够将x、y改写为面积或者体积。
此外，优选振动臂部12a、12b的长边方向(Y’轴方向)的中心线17a、17b与锤部16a、16b的长边方向(Y’轴方向)的中心线17a、17b一致。也就是说，优选振动臂部12a的中心线17a与锤部16a的中心线17a一致，振动臂部12b的中心线17b与锤部16b的中心线17b一致。之所以如此，是因为在从振动臂部12a、12b向锤部16a、16b传播主振动时难以产生副振动。
如图2B所示，本实施方式的压电器件30是安装有本实施方式的音叉元件10的器件。根据压电器件30，通过安装音叉元件10，可实现与音叉元件10同样的效果。
接下来，对音叉元件10的结构进一步详细说明。
音叉元件10除了上述的结构要素以外，还具备：从振动臂部12a、12b之间的基部11向长边方向(Y’轴方向)突出的突起部13、从突起部13的基端侧向前端侧在长边方向(Y’轴方向)延伸的狭缝14、以及在振动臂部12a、12b从基部11侧至锤部16a、16b侧直线状延伸的槽部15a、15b。
振动臂部12a、12b分别从基部11向相同的方向延伸，槽部15a、15b沿着该延伸方向而延伸设置。在振动臂部12a、12b的前端，分别具备频率调整用的锤部16a、16b。通过对水晶进行湿法蚀刻而形成的水晶振动片19被分为基部11、振动臂部12a、12b、突起部13、狭缝14以及锤部16a、16b。音叉元件10除了水晶振动片19以外，还具备连接盘电极21a、21b(图1)、激励电极22a、22b(图2A)、以及未图示的频率调整用金属膜、布线图案等。
基部11在俯视下呈大致四边形的平板。水晶振动片19是基部11、振动臂部12a、12b、突起部13以及锤部16a、16b成为一体而形成音叉形状，通过成膜技术、光刻技术、湿法蚀刻技术进行制造。
槽部15a、15b在振动臂部12a的表面背面各设有两条，以及在振动臂部12b的表面背面各设有两条，从与基部11的边界部分向振动臂部12a、12b的前端，与振动臂部12a、12b的长边方向平行地以规定的长度延伸。另外，在本实施方式1中，槽部15a、15b在振动臂部12a的表面背面各设有两条，以及在振动臂部12b的表面背面各设有两条，但是并不限制于这些条数，例如也可以在振动臂部12a的表面背面各设有一条，以及在振动臂部12b的表面背面各设有一条，此外，还可以仅位于表面背面的任意一面。电可以在槽部15a、15b内具有蚀刻抑制图案，以使得在湿法蚀刻时不贯通。所谓蚀刻抑制图案，是具有抑制蚀刻的进行的形状的槽部内的构造物。
在振动臂部12a，激励电极22a位于两侧面，激励电极22b位于表面背面的槽部15a的内侧，以使得夹着水晶而对置的平面彼此成为相同极性。同样，在振动臂部12b，激励电极22b位于两侧面，激励电极22a位于表面背面的槽部15b的内侧，以使得夹着水晶而对置的平面彼此成为相同极性。因此，在振动臂部12a中位于两侧面的激励电极22a与位于槽部15a内的激励电极22b彼此成为不同极性，在振动臂部12b中位于两侧面的激励电极22b与位于槽部15b内的激励电极22a彼此成为不同极性。
连接盘电极21a、21b以及未图示的布线图案位于基部11，未图示的频率调整用金属膜位于锤部16a、16b。布线图案分别将连接盘电极21a与激励电极22a之间、以及连接盘电极21b与激励电极22b之间电连接。也就是说，连接盘电极21a与激励电极22a被电导通，连接盘电极21b与激励电极22b被电导通，连接盘电极21a以及激励电极22a与连接盘电极21b以及激励电极22b被电绝缘。
如图2B所示，音叉元件10经由连接盘电极21a、21b(图1)以及导电性粘接剂31，悬臂梁状地被固定于元件搭载部件32侧的连接盘电极33，同时与其电连接。安装有音叉元件10的元件搭载部件32被盖部件34密封，成为压电器件30。其密封方法采用例如金锡密封、电焊、或者熔融玻璃。
水晶的结晶是三方晶系。将穿过水晶的顶点的结晶轴设为Z轴，将连结与Z轴垂直的平面内的棱线的三个结晶轴设为X轴，将与X轴以及Z轴正交的坐标轴设为Y轴。在此，将使这些X轴、Y轴以及Z轴所构成的坐标系以X轴为中心例如在±5度的范围内旋转时的旋转之后的Y轴以及Z轴分别设为Y’轴以及Z’轴。该情况下，在本实施方式1中，两条振动臂部12a、12b的长边方向为Y’轴的方向，两条振动臂部12a、12b的短边方向为X轴方向。
接下来，对音叉元件10的动作进行说明。
在使音叉元件10弯曲振动的情况下，向连接盘电极21a、21b施加交变电压。若瞬间地捕捉施加后的某电气状态，则在振动臂部12a的表面背面的槽部15a所设置的激励电极22b成为正电位，在振动臂部12a的两侧面所设置的激励电极22a成为负电位，从正电位向负电位产生电场。此时，在振动臂部12b的表面背面的槽部15b所设置的激励电极22a成为负电位，在振动臂部12b的两侧面所设置的激励电极22b成为正电位，成为与振动臂部12a中产生的极性相反的极性，从正电位向负电位产生电场。通过由该交变电压产生的电场，在振动臂部12a、12b出现伸缩现象，得到规定的共振频率的弯曲振动模式。
接下来，基于图1以及图3来说明音叉元件10的主要的尺寸(单位为μm)的一例。
音叉元件10的全长10L＝1052
音叉元件10的全宽度10W＝362
基部11的长度11L＝272
基部11的宽度11W＝232
振动臂部12a、12b的长度(基准值x0)＝780
振动臂部12a、12b的宽度12W＝40
槽部15a、15b的长度15L＝420
锤部16a、16b的长度16L＝239
锤部16a、16b的宽度(基准值y0)＝102
中心线17a、17b间的宽度17W＝144.5
连接盘电极21a、21b的长度21L＝160
连接盘电极21a、21b的宽度21W＝100
水晶振动片19的厚度19t(图2A)＝100
接下来，说明音叉元件10的模拟实验。
首先，对音叉元件10的振动模式进行说明。在图4的各图中，锤部省略图示，实线的箭头表示一周期的前半部分的动作，虚线的箭头表示一周期的后半部分的动作。
图4A所示的振动模式是振动臂部12a与振动臂部12b相互为同相在±X轴方向进行振动的模式，假定称为“同相”。图4B所示的振动模式是振动臂部12a与振动臂部12b相互为反相在±X轴方向进行振动的模式，假定称为“主振动”。
图4C所示的振动模式是振动臂部12a与振动臂部12b相互为同相在±Z’轴方向进行振动的模式，若以游泳为例，由于与蝶泳的海豚式打腿相似，因此假定称为“海豚式”。图4D所示的振动模式是振动臂部12a与振动臂部12b相互为反相在±Z’轴方向进行振动的模式，若以游泳为例，由于与自由泳的单腿式打腿(Flutter kick)相似，因此假定称为“单腿式”。
图4E所示的振动模式是振动臂部12a的主面与振动臂部12b的主面相互为同相朝向±X轴方向地扭曲而进行振动的模式，假定称为“扭曲(同相)”。图4F所示的振动模式是振动臂部12a的主面与振动臂部12b的主面相互为反相朝向±X轴方向地扭曲而进行振动的模式，假定称为“扭曲(反相)”。另外，所谓“主面”是将Z’轴方向作为法线的面。
此外，将相对于基波的高次谐波统称为“2nd”。按照安装前(free)与安装后(fix)之差的意思，将安装前后的振荡频率的变化称为“free-fix”。将“主振动”与“同相”的频率差定义为“同相差”，也就是“主振动”-“同相”＝“同相差”。
图5A至图11C是采用了图3中的各尺寸的音叉元件10的模拟实验的结果。以下，将与振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度的基准值x0的差x称为“臂长度”，将与锤部16a、16b的宽度的基准值y0的差y称为“锤宽度”。
在模拟中，使臂长度x按-100、-50、0、+50、+100进行变化，并且使锤宽度y按-30、-15、0、+15、+30进行变化，针对这些的全部组合，计算“同相”、“主振动”、“海豚式”、“单腿式”、“扭曲(反相)”、“扭曲(同相)”、“2nd”、“free”、“free-fix”以及“同相差”。另外，“free”是安装前的主振动的频率。各振动模式中的频率是安装后(fix)的值。振荡频率为33.5～34kHz。该振荡频率是在锤部16a、16b形成频率调整用金属膜之前的值。实际上，在锤部16a、16b形成频率调整用金属膜，将音叉元件10安装于元件搭载部件32之后，除去该频率调整用金属膜而将振荡频率调整为32.768kHz。另外，所谓“free-fix”的增减，是其绝对值的增减。
图5A是表示使臂长度x以及锤宽度y变化的情况下的free-fix的图表，图5B是表示臂长度x以及锤宽度y与free-fix的关系的曲线。图5A中，“标准化值”通过以下的式(4)来得到。
标准化值＝(free-fix)×(-1000)-140…(4)
图5B所示的圆的直径对应于图5A所示的标准化值的大小。
根据图5B可知，在臂长度x以及锤宽度y满足以下的式(1)时，free-ffix减少。
-100≤x≤100，
-30≤y≤30，且
-0.3x-15≤y≤-0.3x+15…(1)
此外，可知在臂长度x以及锤宽度y满足以下的式(2)时，free-fix更为减少。
-100≤x≤100，
-30≤y≤30，且
y＝-0.3x…(2)
也就是说，图5B中，在由实线所示的直线y＝-0.3x+15与点划线所示的直线y＝-0.3x-15夹着的区域、更为优选虚线所示的直线y＝-0.3x上的区域，圆的直径较小。因此，根据音叉元件10，通过改善振动臂部12a、12b以及锤部16a、16b的长度与锤部16a、16b的宽度的关系，能够减少安装前后的振荡频率的变化。
进一步可知，在式(1)或者式(2)中，通过将臂长度x以及锤宽度y收缩在以下的式(3)的区域，free-fix更进一步减少。
-50≤x≤50，且-15≤v≤15…(3)
图6A至图6C是设为锤宽度y＝0恒定而使臂长度x变化的情况，图7A至图7C是设为臂长度x＝0恒定而使锤宽度y变化的情况，图8A至图8C是设为锤宽度y＝-30恒定而使臂长度x变化的情况，图9A至图9C是设为锤宽度y＝-15恒定而使臂长度x变化的情况，图10A至图10C是设为锤宽度y＝+15恒定而使臂长度x变化的情况，图11A至图11C是设为锤宽度y＝+30恒定而使臂长度x变化的情况。对于同相，由于在图6B、图7B、图8B、图9B、图10B以及图11B中重叠于主振动进行表示，因此分别在图6C、图7C、图8C、图9C、图10C以及图11C中放大纵轴来表示为同相差。
如以下所说明那样，图6A至图11C中，确认出特定的副振动的频率越接近于主振动的频率则free-fix越增加的趋势。
图6A至图6C是锤宽度y＝0恒定的情况。在臂长度x＝-100时主要是扭曲(反相)以及扭曲(同相)接近于主振动，在臂长度x＝+100时主要是海豚式以及单腿式接近于主振动，由此free-fix分别增加。
图7A至图7C是臂长度x＝0恒定的情况。在锤宽度y＝+30时主要是扭曲(反相)以及扭曲(同相)接近于主振动，由此free-fix增加。
图8A至图8C是锤宽度y＝-30恒定的情况。在臂长度x＝-100、-50时，主要是扭曲(反相)以及扭曲(同相)接近于主振动，由此free-fix分别增加。
图9A至图9C是锤宽度y＝-15恒定的情况。与臂长度x无关地基本上free-fix得以减少。
图10A至图10C是锤宽度y＝+15恒定的情况。在臂长度x＝+100、+50时，主要是海豚式以及单腿式接近于主振动，由此free-fix分别增加。
图11A至图11C是锤宽度y＝+30恒定的情况。在臂长度x＝+100、+50、0时，主要是海豚式以及单腿式接近于主振动，由此free-fix分别增加。
以上，参照上述实施方式说明了本公开，但是本公开并不限定于上述实施方式。对于本公开的结构以及详细内容，能够实施本领域技术人员可理解的各种变更。此外，这种实施了变更的情况也包含在本公开中。
本公开只要是具备基部、振动臂部以及锤部的音叉元件即可，能够利用于任意的器件。

Claims (6)

1.一种音叉型水晶振动元件，具备：
基部；
一对振动臂部，从所述基部起在相同的长边方向延伸；和
锤部，位于所述振动臂部的前端，
在俯视下，将所述长边方向的尺寸设为长度，将与所述长边方向垂直的方向的尺寸设为宽度，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度的基准值设为x0，将所述锤部的所述宽度的基准值设为y0，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度与所述基准值x0的差设为x，将所述锤部的所述宽度与所述基准值y0的差设为y，将单位设为μm时，以下的式(1)成立，
-100≤x≤100，-30≤y≤30，且
-0.3x-15≤y≤-0.3x+15…(1)。
2.一种音叉型水晶振动元件，具备
基部；
一对振动臂部，从所述基部起在相同的长边方向延伸；和
锤部，位于所述振动臂部的前端，
在俯视下，将所述长边方向的尺寸设为长度，将与所述长边方向垂直的方向的尺寸设为宽度，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度的基准值设为x0，将所述锤部的所述宽度的基准值设为y0，
将所述振动臂部以及所述锤部的所述长度与所述基准值x0的差设为x，将所述锤部的所述宽度与所述基准值y0的差设为y，将单位设为μm时，以下的式(2)成立，
-100≤x≤100，-30≤y≤30，且
y＝-0.3x…(2)。
3.根据权利要求1或2所述的音叉型水晶振动元件，其中，
所述x、y满足以下的式(3)，
-50≤x≤50，且-15≤y≤15…(3)。
4.根据权利要求1或2所述的音叉型水晶振动元件，其中，
所述基准值x0为780μm，并且所述基准值y0为102μm。
5.根据权利要求1或2所述的音叉型水晶振动元件，其中，
所述振动臂部的所述长边方向的中心线与所述锤部的所述长边方向的中心线一致。
6.一种压电器件，安装有权利要求1或2所述的音叉型水晶振动元件。
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