JP2006074793A - 小型の水晶共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 ケース内に収納される小型のピエゾ電子共振器を提供する。
【解決手段】 本発明のピエゾ電子共振器は、第１固定領域（１２１）と、中央部分にある機械的に結合されていない第２領域（１２２）と、前記第１固定領域に対向する第３領域（１２３）とを有するベース（１２）と、前記第３領域から延びる少なくとも２本の振動アーム（１３ａ、１３ｂ）とを有し、前記各振動アームの上面と下面の少なくとも一方の面上に、少なくとも１個の溝（１４１ａ−１４４ａ、１４１ｂ−１４４ｂ）が形成され、前記ベースは、第２領域（１２２）を貫通した開口を（１５）を具備することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ピエゾ電子共振器に関し、特に、さまざまな技術分野（例えば、時計の製造、情報技術、通信、医療）の、特に携帯電子機器用の周波数生成器を形成するのに通常用いられる小型のピエゾ電子共振器に関する。

チューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器（tuning fork piezoelectric resonaotr）は公知である。電気励起場が、配置された電極の面に平行な方向に形成される。このようなチューニング・フォーク型共振器１は図１に示されている。同図において、ベース２と、ベース２から延びる２本の振動アーム３ａ、３ｂとを有する。より均一な電界の励起により電力消費を低減する観点から、特許文献１によれば、少なくとも１個の溝４ａ、４ｂが、アーム３ａ、３ｂの上面と下面上に具備される。かくして、アームは、図１の断面Ａ−Ａで見えるような、Ｈ型の断面形状をしている。

フランス特許第２４６７４８７号明細書 米国特許第６，５８７，００９号明細書

現在既に小型化（例えば、ミリメートルのオーダー）しているが、このようなピエゾ電子共振器は、電子機器（例えば、携帯電話あるいは時計）を小型化する需要が大きくなるにつれた、依然として大きすぎるものである。

従来技術により推奨されている１つの解決方法を図２に示すが、さらなる詳細は特許文献２に記載されている。同文献では、ピエゾ電子共振器のベース２の側面にノッチ５ａ、５ｂが形成されている。このノッチ５ａ、５ｂの主な機能／目的は、ベース２の下部領域６（これは、共振器１をケース内に取り付けるのに使用される）を、振動アーム３ａ、３ｂから機械的に切り離すことである。ノッチ５ａ、５ｂは、振動し、べースに結合されていない肩部７ａ、７ｂの領域で動きを発生させる。下部領域６と振動アーム３ａ、３ｂとの間が機械的に結合されていないことにより、ベース２と振動アーム３ａ、３ｂとの間の大きさの比率を減らし、かくして動作モードを変えることなく、共振器１の全体の大きさを減らすことができる。

しかし、このような解決方法には欠点がある。この従来技術による解決法を解析してみると、これらのノッチ５ａ、５ｂは、熱膨張係数を調整していないことにより発生する熱応力からチューニング・フォーク（アーム）を切り離すことができないことが分かった。かくして振動アーム３ａ、３ｂの間のベース２の中間領域８に静的機械的ストレスの伝搬が発生することになる。さらに、ダイナミック（動的）な弾性応力が中間領域８で最大となる。温度によって変動する静的機械ストレスと動的弾性ストレスが組み合わさることにより、共振器１の特性が変わってしまう。

共振器がこの種のストレスに対する耐性を改善する１つの解決方法は、共振器をそのケース内に搭載するためにフレキシブルな接着剤（例えば導電性シリコン接着剤）を用いることである。しかし、このようなフレキシブルな接着剤は、接着性と衝撃に対する耐性の問題を有し、このような解決方法は好ましいものではない。

さらに、ノッチ５ａ、５ｂは共振器１の機械的構造を弱くして、衝撃の際、特に横方向からの衝撃に際しては、問題がある。実際に横方向の衝撃があった場合には、共振器１の全体（ここですなわち振動アーム３ａ、３ｂとベース２）にかかる力は、ノッチ５ａ、５ｂとベース固定領域である下部領域６の間の交点で最大となる。

本発明の目的は、前述の欠点を解決することである。本発明のピエゾ電子共振器は、小型化と同時にエネルギー消費量を減らし、且つ共振器が受けるさまざまな応力（ストレス）に対する良好な衝撃耐性を有するピエゾ電子共振器を提供することである。

ベースに形成されたノッチを共振器の固定領域に形成された開口で置換し、振動アームにより、静的熱応力をアーム間のベースの中間領域から完全に切り離す。これによりダイナミック弾性応力領域を切り離す。この開口は、アームの有効長さを見かけ上伸ばし、かくして同一共鳴周波数に対しては、共振器の全体サイズを小さくできる。さらに、側面からの衝撃耐性を向上させることがきるが、その理由は、共振器は固定領域近傍にウイークポイントを有さず、共振器の面に直交する方向にノッチを具備した従来解決方法と同程度の耐性を維持できる。

従って、本発明の好ましい実施例によると、共振器は、第１固定領域と、中央部分にある機械的に結合されていない第２領域と、前記第１固定領域に対向する第３領域とを有するベースと、前記第３領域から延びる少なくとも２本の振動アームとを有し、前記各振動アームの上面と下面の少なくとも一方の面上に、少なくとも１個の溝が形成され、前記ベースは、第２領域を貫通した開口を具備し、前記開口は、多角形をしており、前記多角形の少なくとも２つの側が、共振器の結晶面の露出を最小にする角度を構成する。

この種の共振器は通常、ケース内にパッケージ（収納）される。ノッチの代わりに開口を用いることにより得られた利点により、共振器をケースに固定するために剛性搭載材料（例えば導電性エポキシ接着剤）を選択することにより、衝撃耐性をさらに改善できる。

最後に、本発明は、本発明の一実施例によるピエゾ電子生成器が剛性を有しながら固定されるケースを含む振動装置にも関する。

前述したように、本発明はピエゾ電子共振器に関し、より均一な電界による励起により電力消費を低減し、共振器のベースとアームとの間に、適宜の機械的非結合部分を設け、より大きな衝撃に耐えるような（特に横側面からのからの衝撃に耐えるような）ピエゾ電子共振器に関する。

図３Ａ、３Ｂにおいて、共振器１０はベース１２を有し、ベース１２から２本の振動アーム１３ａ、１３ｂが延びる。それぞれのアームは、上面と／または下面の少なくとも一方の上に、少なくとも１個の溝１４ａ、１４ｂを有する。ここに示した実施例においては、断面Ｂ−Ｂに沿って振動アーム１３ａ、１３ｂは、その上面と下面のそれぞれに、２個の溝（１４１ａ−１４４ａ、１４１ｂ−１４４ｂ）を有する。

２個の小さな溝を形成することにより、共振器のダイナミック容量を最大し、且つアームの断面を最小にしながら、ピエゾ電子結合を最適化している。

アームに対し、最高の耐性構造を可能とするために、図３Ａに示した第１変形例においては、同一面に配列した同一アームの溝の間のスペースは、共振器のベース１２に近いアームの領域では、小さくなっている。

図３Ｂに示すように、アームに対し十分な耐性を有するような第２変形例によれば、同一面上のアームの溝の間のスペースは、共振器のベース１２の領域まで、一定である。これはダイナミック容量に対し、所望の影響を最大限にするような効果を有する。

更なる変形例として、各アームの一方の面あるいは両方の面に１個の溝のみを有するようにすることもできる。しかしこのような場合、ベースにある溝の間にあるスペースは、アームの機械的構造をあまり弱くしたくない場合には減らすのが好ましい。

図３Ａ−３Ｂにおいて、ベース１２は３つの領域に分けることができる。第１領域１２１と第２中央領域１２２と第３領域１２３である。固定領域と称する第１領域１２１を用いて共振器１０をケース（図示せず）に固定する。ハッチングした領域１２１ａ、１２１ｂは、接着点あるいははんだスポットの各点が施される場所であるが、これは、共振器１０をそのケースに固定する第１領域１２１の一例である。第２中央領域１２２は、開口１５を有する。この開口１５は、アーム間にあるベースの中間領域１８から静的熱応力を解放し、ダイナミックな弾性応力ゾーンへの結合を阻止している。この開口１５により振動アーム１３ａ、１３ｂの有効長さは、見かけ上長くなり、共振器１０の全長を、同一の共振周波数に対して、減らすことができる。

さらに、側面方向からの衝撃に対する耐性は強化される。その理由は、共振器１０はベース１２の側面上に如何なるウイークポイントも有さず、且つ共振器１０の面に直交する方向に同じ耐性を維持できるからである。最後に、第３領域１２３により第２中央領域１２２の開口１５と振動アーム１３ａ、１３ｂとの間の領域を最小にできる。開口は、ここに示した実施例では長方形であが、矩形あるいは他の形状、例えば図５Ａ−５Ｄに示すような形状を採ることができる。

このような共振器は非常に小型である。ある好ましい寸法の一例を以下に示す。これは単なる一例である。
ベースの長さ Ｌ１ ： ６１０μｍ
ベースの幅 Ｉ１ ： ５５２μｍ
開口の長さ Ｌ２ ： ２２０μｍ
開口の幅 Ｉ２ ： １０２μｍ
第３領域の幅 Ｉ３ ： １５６μｍ
アームの幅 Ｉ４ ： １４４μｍ

かくして共振器は以下の寸法比率を有する。
開口幅Ｉ２／ベース長さＬ１の値は、１０−５０％で、好ましくは１５−２５％であり、
開口長さＬ２／ベース幅Ｉ１の値は、３３−７５％で、好ましくは３９−５０％であり、
第３領域の幅Ｉ３／アームの幅Ｉ４の値は、５０−２００％で、好ましくは８０−１３０％である。

前述したように、溝の間のスペースが一定な２本の溝（図３Ｂ）を用いる効果は、ダイナミック・キャパシティに対し好ましい影響を最大にすることである。例えば、以下の寸法を溝に対し用いることができる。
アーム間の距離 ｄ１ ： ９２μｍ
溝の幅 Ｉ５ ： ２０μｍ
溝間のスペース ｄ２ ： ３４μｍ

好ましくは、溝の幅Ｉ５／アームの幅Ｉ４の値は、１０−３０％である。溝間のスペースｄ２／アームの幅Ｉ４の値は、２０−３０％である。

図４Ａ、４Ｂと、図３Ａ、３Ｂとでは、共通の部品は同一の参照番号で示す。

共振器１０の耐衝撃力をさらに改善するために、ベース１２の第３領域１２３は、振動アーム１３ａ、１３ｂが固定される（伸びる）切り取り部分を有し、ピエゾ電子共振器の結晶面が見えるのを最小にしている。水晶共振器の場合には、この切り取り部分は、約６０°（図４Ａ）あるいは１２０°（図４Ｂ）の角度を形成する。この６０°または１２０°の面は、水晶の等価結晶方向（equivalent crystalline direction）に対応し、水晶の異方性エッチングから生じるエッチング残量（etch residuces）を最小にしている。これらのエッチング残留部分は、水晶面の交差部分を剥ぎ取り、衝撃の際に弱点となることは公知である。

溝１４ａ、１４ｂが一定のスペース（間隔）を有する２つの変形例が示されている。しかし、図３Ａ、３Ｂで説明され、用いられた異なる溝構造のあらゆる変形例もこれに適用できる。

図５Ａ−５Ｄは、ピエゾ電子共振器のベース１２のみを示し、特に共振器１０に形成されたさまざまな形状の開口１５を示す。アームが共振器のベースに固定される領域に、多角形の開口を、少なくともその２つの側が、エッチング中に結晶面の露出を最小にするような角度をなす側面を有する開口を形成するのが好ましい。水晶結晶の場合には、多角形は、６０°または１２０°の角度をなす少なくとも２個の側面を有する。

図５Ａは、共振器のベース１２の横方向の側面の側に１２０°の角（ａ１−ａ４）を４個有する８角形の開口を示す。これは、側面からの衝撃耐性を強化している。図５Ｂは、８角形の開口の変形例を示す。

図５Ｃは、共振器のベース１２の側面の側に６０°の角（ｃ１−ｃ２）を２個有する６角形の開口を示す。図５Ｄは、１２０°の角（ｄ１−ｄ６）を６個有する６角形の開口の変形例を示す。

図６Ａは、共振器１０を電気的に励起するのに用いられる電極１９、２０の配列の一例の上面図である。これらの電極１９、２０は、前掲の特許文献２に記載した従来方法により形成される。

図６Ｂは、図６Ａの断面Ｃ−Ｃに沿った拡大図である。この図では、溝を使用することにより得られる利点を示す。溝（１４１ａ−１４４ａ、１４１ｂ−１４４ｂ）の存在により結晶の軸Ｘに沿った均一な電界の形成が容易になる。この役目は、動作中に形成される力線（共振アームの断面上に現れる）により示される。この実施例においては、共振器アームは、上面と下面のそれぞれに２個の溝を有する。溝には、電極の側部部分１９１、２０１が、主に共振器のエッジ上と、上部面と底部面の上の細い線上に形成される。電極の中央部分１９２、２０２は、金の堆積により形成され、例えば同一面の２個の溝をカバーするように、且つ２つの溝の間の全部の領域をカバーするよう形成される。電源の同一極性の電極は、導電性パス（図示せず）を介して互いに接続される。

図７は、本発明の一実施例によるピエゾ電子共振器を含む振動装置１００を示す。この振動装置１００は、ケース１０１を有し、その中に共振器１０２が取り付けられる。このケース１０１は、円筒状あるいは平行なパイプ形状をしているが、携帯電子機器（携帯電話）内を占める占有体積を最小にするよう、組み込み可能な他の小型の形状のものでもよい。

図７に示した実施例によれば、平行なパイプ形状をしたケース１０１は、底部１０４と側面とを有する主部分１０３と、カバー１０５とを有する。カバー１０５の端部は、主部分１０３に、共振器１０２がケース１０１内に搭載された後、例えば共融金／錫合金製の溶接ジョイントを用いて、加熱と圧縮による真空溶接される。

共振器１０２は、溶接あるいは硬い導電性接着剤のボンディグで、ケースのメイン部分の側に配置された底部１０４のステップ１０７上に具備された対応する導電性パッド１０６上に搭載される。接続パッドは、電極１９，２０（図６Ａ）の裏面に対応する。これらの導電性パッド１０６は、図示しない方法で、底部の裏面に配列された外部接点パッド１０８、１０９に接続される。ノッチの代わりに開口を用いることにより得られる利点が有るために、剛性のある固定方法を選択することにより、例えば導電性エポキシ接着剤により共振器をケースに固定することにより、衝撃強さをさらに改善できる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

従来技術による、アーム上に溝を有するチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 従来技術による、アーム上に溝とベースにノッチと有するチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 Ａ：本発明の第１実施例の第１変形例による、アーム上に溝とベースに開口とを有するチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 Ｂ：本発明の第１実施例の第２変形例による、アーム上に溝とベースに開口とを有するチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第１実施例の第３変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第１実施例の第４変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第２実施例の第１変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第２実施例の第２変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第２実施例の第３変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 本発明の第２実施例の第４変形例によるチューニング・フォーク型ピエゾ電子共振器を表す図。 電極配列の一例を表す共振器の上面図。 図６Ａの線Ｃ−Ｃに沿った共振器の断面図。 本発明の実施例による共振器を組み込んだ共振装置を表す図。

符号の説明

１ 共振器
２ ベース
３ａ、３ｂ 振動アーム
５ａ、５ｂ ノッチ
６ 下部領域
７ａ、７ｂ 肩部
８ 中間領域
１０ 共振器
１２ ベース
１３ａ、１３ｂ 振動アーム
１４ａ、１４ｂ 溝
１５ 開口
１８ 中間領域
１９，２０ 電極
１００ 振動装置
１０１ ケース
１０２ 共振器
１０３ 主部分
１０４ 底部
１０５ カバー
１０６ パッド
１０７ ステップ
１０８、１０９ 外部接点パッド
１２１ 第１領域
１２１ａ、１２１ｂ 領域
１２２ 第２中央領域
１２３ 第３領域
１９１、２０１ 側部部分
１９２、２０２ 中央部分

Claims (18)

1. ケース内に収納されるピエゾ電子共振器（１０）において、
   （Ａ） 第１固定領域（１２１）と、中央部分にある機械的に結合されていない第２領域（１２２）と、前記第１固定領域に対向する第３領域（１２３）とを有するベース（１２）と、
   （Ｂ） 前記第３領域から延びる少なくとも２本の振動アーム（１３ａ、１３ｂ）と
   を有し、
   前記各振動アームの上面と下面の少なくとも一方の面上に、少なくとも１個の溝（１４１ａ−１４４ａ、１４１ｂ−１４４ｂ）が形成され、
   前記ベースは、第２領域（１２２）を貫通した開口を（１５）を具備し、
   前記開口は、多角形をしており、
   前記多角形の少なくとも２つの側が、共振器の結晶面の露出を最小にする角度を構成する
   ことを特徴とするピエゾ電子共振器。
2. 前記ベースの第１固定領域は、剛性導電性剤によりケースに固定される
   ことを特徴とする請求項１記載のピエゾ電子共振器。
3. 前記剛性導電性剤は、接着剤あるいは溶接である
   ことを特徴とする請求項２記載のピエゾ電子共振器。
4. 前記開口の長さ（Ｌ２）は、前記ベースの幅（Ｉ１）の３３−７５％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
5. 前記開口の長さ（Ｌ２）は、前記ベースの幅（Ｉ１）の３９−５０％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
6. 前記開口の幅（Ｉ２）は、前記ベースの長さ（Ｌ１）の１０−５０％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
7. 前記開口の幅（Ｉ２）は、前記ベースの長さ（Ｌ１）の１５−２５％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
8. 前記ベースの第３領域の幅（Ｉ３）は、アームの幅（Ｉ４）の５０−２００％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−７のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
9. 前記ベースの第３領域の幅（Ｉ３）は、アームの幅（Ｉ４）の８０−１３０％の間にある
   ことを特徴とする請求項１−８のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
10. 前記開口は、多角形をしており、
    前記開口の側は、ピエゾ電子共振器の結晶面の露出を最小にするよう、切り取られている
    ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
11. 前記共振器は、水晶製であり、
    前記開口は、多角形であり、その少なくとも１つの角は、６０°または１２０°である
    ことを特徴とする請求項１０記載のピエゾ電子共振器。
12. 各アームは、底面と上面のそれぞれに２本の真っ直ぐな溝を有する
    ことを特徴とする請求項１−１１のいずれかに記載のピエゾ電子共振器。
13. アームが取り付けられる第３領域（１２３）は、ピエゾ電子共振器の結晶面の露出を最小にするような切り取り部分を有する
    ことを特徴とする請求項２または３記載のピエゾ電子共振器。
14. 前記共振器は、水晶製であり、
    前記切り取り部分は、６０°または１２０°の角を有する
    ことを特徴とする請求項１３記載のピエゾ電子共振器。
15. 前記開口は、共振器のベースの側面の側に、１２０°の４つの角を有する８角形である
    ことを特徴とする請求項１記載のピエゾ電子共振器。
16. 前記開口は、共振器のベースの側面の側に、６０°の２つの角を有する６角形である
    ことを特徴とする請求項１記載のピエゾ電子共振器。
17. 前記開口は、１２０°の６つの角を有する６角形である
    ことを特徴とする請求項１記載のピエゾ電子共振器。
18. 請求項１に記載のピエゾ電子共振器が固定されるケース（１０１）を有する振動装置（１００）において、
    剛性導電性剤を、共振器をケースに固定する手段として用いる
    ことを特徴とする振動装置。

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