JP2006246449A - Piezoelectric vibrator, piezoelectric vibrator package, and oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は基部から振動腕部が2本伸びだして音叉型に形成されている圧電振動子に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator in which two vibrating arms extend from a base and are formed in a tuning fork shape.
この種の圧電振動子例えば音叉型の水晶振動子は一般に腕時計の歩度を刻む信号源として知られており、近年では携帯型の電子機器に同期信号源として採用されている。この水晶振動子は、電子機器の小型化に対応してさらに小型化が求められている。 This type of piezoelectric vibrator, for example, a tuning-fork type quartz vibrator, is generally known as a signal source for engraving the rate of a wristwatch, and has recently been adopted as a synchronization signal source in portable electronic devices. The quartz resonator is required to be further downsized in response to downsizing of electronic equipment.
音叉型水晶振動子の構成については例えば特許文献1に記載されている。その構成を図11に示すと、音叉型の水晶振動子は基部1に一対の振動腕部である音叉腕2a及び2bが設けられ、各音叉腕2a,2bにおける両主面には溝部3が設けられている。当該溝部3及び各音叉腕2a,2bの両側面には、各音叉腕2a,2bの屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための励振電極5が設けられている。音叉型振動子に電荷を与えた際に一方の音叉腕2aの側面及び他方の音叉腕2bの溝部3内が同電位となり、他方の音叉腕2bの側面及び一方の音叉腕2aの溝部3内が逆電位となるように励振電極5は結線されている。
The configuration of the tuning fork type crystal resonator is described in
このような音叉型水晶振動子によれば、溝部3を形成しない場合に比較して、X軸方向(音叉腕の幅方向)での電界強度が増す。このため各音叉腕2a,2bの両側面間で互いに逆方向に伸縮するY軸方向(音叉腕の長さ方向)での屈曲振動が強励振される。
According to such a tuning fork type crystal resonator, the electric field strength in the X-axis direction (tuning fork arm width direction) is increased as compared with the case where the
このように構成することにより音叉腕2a,2bの振動損失が低くなり、基本的にCI(クリスタルインピーダンス)値が良好な圧電振動子を得ることができる。
With this configuration, the vibration loss of the
しかしながら当該水晶振動子を利用した電子部品における消費電力の省電力化の要請から更なるCI値の低下が求められている。また前記特許文献1記載の音叉型水晶振動子は既述のように音叉腕に溝部が設けられているため当該水晶振動子を小型化した場合に耐衝撃性が小さくなり、落下などの耐衝撃性が低く、電子部品などを製造する際に破損等の不具合が発生するおそれがあった。
However, there is a demand for further reduction of the CI value in response to a request for power saving in electronic components using the crystal resonator. Since the tuning fork type crystal resonator described in
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、2本の振動腕部を備えた音叉型の圧電振動子について、CI値が小さい値でありながら耐衝撃性が大きい圧電振動子を提供することにある。また他の目的は、この圧電振動子を用いた圧電振動子パッケージ及び発振回路を提供することにある。 The present invention has been made to solve such a problem, and the object of the present invention is to provide a tuning fork type piezoelectric vibrator having two vibrating arms with a small CI value. An object is to provide a piezoelectric vibrator having high impact resistance. Another object is to provide a piezoelectric vibrator package and an oscillation circuit using this piezoelectric vibrator.
本発明の圧電振動子は、基部から振動腕部が2本伸びだして音叉型に形成されている圧電振動子において、
前記振動腕部の表面部及び裏面部の少なくとも一方に、当該振動腕部の基端部から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に2つに分割されて形成された溝部と、前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、を備えたことを特徴とする。
The piezoelectric vibrator of the present invention is a piezoelectric vibrator formed in a tuning fork shape with two vibrating arm portions extending from a base portion.
A groove formed on at least one of a front surface portion and a back surface portion of the vibrating arm portion, extending along a length direction from a base end portion of the vibrating arm portion and divided into two in the length direction, and the vibration And a pair of excitation electrodes provided in the side surface of the arm portion and in the groove portion, respectively.
この発明において、長さ方向に2つに分割されて形成された溝部のうち基端側の溝部を第1の溝部、先端側の溝部を第2の溝部とすると、振動腕部の基端部から第2の溝部の先端までの距離L1に対する第1の溝部の長さL2の比L2/L1が0.35〜0.65であることが好ましい。また振動腕部の基端部から第2の溝部の先端までの距離L1に対する第1の溝部及び第2の溝部の間隔dの比d/L1が0.010〜0.016であることが好ましい。 In this invention, if the groove portion on the base end side is the first groove portion and the groove portion on the tip end side is the second groove portion among the groove portions divided into two in the length direction, the base end portion of the vibrating arm portion The ratio L2 / L1 of the length L2 of the first groove portion to the distance L1 from the tip of the second groove portion to the second groove portion is preferably 0.35 to 0.65. The ratio d / L1 of the distance d between the first groove and the second groove with respect to the distance L1 from the base end of the vibrating arm to the tip of the second groove is preferably 0.010 to 0.016. .
本発明の圧電振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた本発明の圧電振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記圧電振動子の引き出し電極に電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。更にまた本発明の発振器は、本発明の圧電振動子と、この圧電振動子の第3次高調波の周波数のパルスを発振出力とする発振回路と、を備えたことを特徴とする。 The piezoelectric vibrator package of the present invention is provided with a package, the piezoelectric vibrator of the present invention provided in the package, and provided outside the package and electrically connected to the lead electrode of the piezoelectric vibrator. And an electrode. Furthermore, an oscillator according to the present invention includes the piezoelectric vibrator according to the present invention and an oscillation circuit that outputs a pulse having a third harmonic frequency of the piezoelectric vibrator as an oscillation output.
本発明は、振動腕部における溝部を長さ方向に2つに分割しているため、後述の実験結果から明らかなように圧電振動子のクリスタルインピーダンス(CI値)を小さくしながら、大きな耐衝撃性が得られる。 In the present invention, since the groove portion in the vibrating arm portion is divided into two in the length direction, a large impact resistance is obtained while reducing the crystal impedance (CI value) of the piezoelectric vibrator as will be apparent from the experimental results described later. Sex is obtained.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明に係る音叉型の水晶振動子の実施の形態を示す図である。この水晶振動子における水晶振動子本体(水晶片)は、両側部の上部側が矩形に切り欠かれた切り欠き部11を備えた概ね角型の基部1と、この基部1の上端側から各々互いに間隔をおいて平行に伸びだした2本の(一対の)振動腕部2(2a、2b)とを備えていて全体の形状が音叉型の水晶片として構成されている。更に振動腕部2(2a、2b)の表面部及び裏面部には、各々当該振動腕部2(2a、2b)の基端部から先端側に向けて、長さ方向に2分割されてなる第1の溝部3及び第2の溝部4が形成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a tuning-fork type crystal resonator according to the present invention. A crystal resonator body (crystal piece) in this crystal resonator includes a substantially
第1の溝部3の基端のY方向位置は、音叉又部の最下部(振動腕部2の先端側を上方としている)20と同じ位置にあるが、この最下部20よりも低い位置(基部1側に寄った位置)にあってもよい。なお音叉又部は、一対の振動腕部2a、2bの間における基部1の部分を指しており、図面では平面形状を湾曲して描いているが、実際には折れ線形状になっている。
The position in the Y direction of the base end of the
ここで図2を参照しながら励振電極及び引き出し電極に関して述べると、この水晶振動子には、一対をなす一方の電極と他方の電極とが存在する。先ず振動腕部2aに着目すると、振動腕部2aの2つの溝部3、4の内面全体とこれら溝部3、4の間に一方の励振電極51が形成されている。即ち2つの溝部3、4の間のいわば橋部に形成された励振電極51により、振動腕部2aの溝部3内の励振電極51と振動腕部2aの溝部4内の励振電極51とが接続されている。そしてこの振動腕部2aの両側面21、21と、主面22、22(表面部及び裏面部)における先端側の第2の溝部4よりも上方部位には他方の励振電極61が形成されている。なお図2において励振電極51は、図面を見やすくするために斜線と黒の点在領域とを使い分けて表しており、図2の斜線は断面を示すものではない。
Here, the excitation electrode and the extraction electrode will be described with reference to FIG. 2. In this crystal resonator, there is a pair of one electrode and the other electrode. First, paying attention to the vibrating
また振動腕部2bに着目すると、振動腕部2bの2つの溝部3、4の内面全体とこれら溝部3、4の間に他方の励振電極61が形成されている。そしてこの振動腕部2bの両側面21、21と、主面22、22(表面部及び裏面部)における先端側の第2の溝部4よりも上方部位には一方の励振電極51が形成されている。振動腕部2a、2bに設けられた電極の配置は、励振電極51、61が互いに逆の関係であることを除くと互いに同一である。そしてこれら一方の励振電極51同士が電気的に接続されるように基部1の表面に引き出し電極52からなるパターンが形成されていると共に、他方の励振電極61同士が電気的に接続されるように基部1の表面に引き出し電極62からなるパターンが形成されている。
When attention is paid to the vibrating
この水晶振動子の各部位の寸法の一例を図3を参照しながら示すと、振動腕部2(2a、2b)の長さL0は例えば1650μmであり、第1の溝部3の基端部から第2の溝部4の先端部までの長さL1は847μmであり、第1の溝部3の長さL2は例えば418μmであり、第1の溝部3及び第2の溝部4の間隔dは10μmである。また基部1の底面から音叉又部の最下部20までの長さL3は例えば600μmである。更に振動腕部2(2a、2b)の幅W1は100μmであり、溝部3、4の各々の幅W2は65μmであり、基部1の底面の幅W3は500μmである。
ここでL1に対するL2の比L2/L1が0.35〜0.65であり、かつL1に対するdの比d/L1が0.010であれば、大きな耐衝撃性が得られる。また比d/L1が0.016であればCI値を小さな値にすることができる。
When an example of the dimensions of each part of the crystal resonator is shown with reference to FIG. 3, the length L0 of the vibrating arm portion 2 (2a, 2b) is, for example, 1650 μm. The length L1 to the tip of the
Here, if the ratio L2 / L1 of L2 to L1 is 0.35 to 0.65 and the ratio d / L1 of d to L1 is 0.010, a large impact resistance can be obtained. If the ratio d / L1 is 0.016, the CI value can be made small.
そして水晶振動子は、例えば図4に示すようにSMD構造(基板実装型構造)のパッケージ型デバイス(水晶振動子パッケージ)として利用される。図4において7は例えばアルミナなどのセラミックスあるいはガラスなどの絶縁体からなるパッケージである。このパッケージ7は、上面が開口しているケース体7aとこのケース体7aの上にシール材7cを介して設けられた蓋体7bとからなる。既述の音叉型の水晶振動子70は、このパッケージ7内の台座部分71に基部1の引き出し電極52、62が導電性接着剤7dにより固定されて横向きに配置され、振動腕部2が空間に伸びだしている。前記引き出し電極52、62は、台座部分71の表面に配線された導電路72、73(73は紙面奥側の導電路である)により、パッケージ7の外に設けられた電極74、75に接続されている。このパッケージ型デバイスは、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に搭載され、これにより水晶発振器が構成される。なお水晶振動子パッケージは、SMD構造に限られず、一端が絶縁材で封止された金属製のシリンダ内に水晶振動子を設け、前記絶縁材を貫通する一対の電極ピンの内端に夫々引き出し電極52、62が接続された構造であってもよい。
図5は、水晶発振器が発振回路に組み込まれた回路の一例を略解的に示し、101はCMOSインバータからなる増幅器、102は帰還抵抗、103はドレイン抵抗、104、105はコンデンサでであり、増幅器101の出力側から前記3次高調波の発振出力が取り出される。
For example, as shown in FIG. 4, the crystal resonator is used as a package device (crystal resonator package) having an SMD structure (substrate mounting structure). In FIG. 4, 7 is a package made of an insulator such as ceramics such as alumina or glass. The
FIG. 5 schematically shows an example of a circuit in which a crystal oscillator is incorporated in an oscillation circuit, where 101 is an amplifier composed of a CMOS inverter, 102 is a feedback resistor, 103 is a drain resistor, and 104 and 105 are capacitors. The oscillation output of the third harmonic is taken out from the output side of 101.
次に上述実施の形態の作用、効果について説明する。振動腕部2aの両側面21、21及び主面22、22と振動腕部2bの溝部3、4とは同電位E1となり、振動腕部2bの両側面21、21及び主面22、22と振動腕部2aの溝部3、4とは同電位E2となり、E1及びE2は互いに逆電位の関係にある。図4は、各振動腕部2a、2bに発生する電気力線を模式的に示した図であり、第1の溝部3及び第2の溝部4を形成することでX軸方向(振動腕部2の幅方向)での電界強度が増し、各振動腕部2a、2b間で逆方向に伸縮し、これによりY軸方向における屈曲振動が強められる。このため振動効率が高まり、CI値が低減することとなる。なお図6では、溝部3、4の断面形状は便宜上矩形として記載してあるが、実際には、加工時に行われる異方性エッチングの影響により底面に近い部位においては、底面に向かうほど溝幅が狭くなる形状となっている。
Next, the operation and effect of the above embodiment will be described. Both side surfaces 21 and 21 and
このように各振動腕部2a、2bに溝部を設けているので、CI値が低減する。溝部を設けると強度が小さくなるが、この実施の形態では、1本の溝部を設けるのではなく、溝部を長さ方向に2つに分割しているので、言い換えれば第1の溝部3及び第2の溝部4を設けているので、強度不足を避けることができる。なお溝部を3つ以上に分割したのでは、後述の実験例からも分かるようにCI値が大きくなってしまうので製品に適用することが難しい。つまり本発明の構造は、各振動腕部2a、2bに溝部を設けるにあたり、強度とCI値とを考慮して、2分割が最適であるという結論に達したことに基づいている。
As described above, since the groove portions are provided in the respective vibrating
(実験1)
既述の実施の形態に記載した音叉型の水晶振動子において、第1の溝部3の基端部から第2の溝部4の先端部までの長さL1に対する第1の溝部3の長さL2の比L2/L1を種々変えて、各水晶振動子の強度を調べた。L2/L1を%表示((L2/L1)×100)で表すことにすると、0%、12.5%、35%、50%及び65%の5通りに設定した。0%とは、溝を分割せずに1本の溝を形成したものである。
その他の条件については、振動腕部2(2a、2b)の長さL0が1650μm、第1の溝部3の基端部から第2の溝部4の先端部までの長さL1が847μmであり、第1の溝部3及び第2の溝部4の間隔dが10μm、基部1の底面から音叉又部の最下部20までの長さL3が600μm、振動腕部2(2a、2b)の幅W1が100μmであり、溝部3の幅W2が65μmであり、基部1の底面の幅W1が500μmである。
(Experiment 1)
In the tuning-fork type crystal resonator described in the above-described embodiment, the length L2 of the
Regarding other conditions, the length L0 of the vibrating arm 2 (2a, 2b) is 1650 μm, the length L1 from the base end of the
強度試験は、図7に示すように水晶振動子10を台座7の上に垂直に立てて接着剤71により固定し、振動腕部2(2a、2b)の主面22に対して応力を加え、振動腕部2(2a、2b)が破壊するときの荷重の大きさを記録した。この試験を3つの水晶振動子に対して行い、破壊するときの荷重の大きさの平均を求め、この値で水晶振動子の強度を評価した。結果は表1及び図8に示す通りである。
In the strength test, as shown in FIG. 7, the
L2/L1が12.5%のときの強度は8.0gであり、0%のときの7.4gと比較して強度が大きくなっている。1回目から3回目の試験における強度の値にばらつきはあるが、上記の傾向は明確に伺える。そしてL2/L1が35%〜65%までは、強度が9.5gとかなり大きくなっている。一方、各条件の水晶振動子について、CIメーターを用いて各サンプルのCI値を測定し、その平均値を求めたところ、いずれの水晶振動子についてもCI値は53kΩであった。即ち、この試験条件においては、CI値は1本の溝部の場合と変わらず、溝部を2本に分割したことによるCI値の上昇は見られなかった。以上の結果から溝部を2分割することにより強度が大きくなり、特にL2/L1を35%から65%(0.35〜0.65)にすることが好ましいといえる。
(実験2)
次ぎに第1の溝部3及び第2の溝部4の間隔dの適切な値を見つけるための実験を行った。この実験ではL2/L1を35%(0.35)に設定し、第2の溝部4の基端部側の位置を変更することにより、第1の溝部3及び第2の溝部4の間隔dを種々変更して、d/L1を0%、0.6%、1.0%。1.2%及び2.5%の5通りに設定した。その他の条件は、実験1と同じである。各水晶振動子の強度を実験1と同様にして調べた。結果は表2及び図9に示す通りである。なおd/L1が1.2%のときは、先の実験1におけるdが10μmのときに相当する。
The strength when L2 / L1 is 12.5% is 8.0 g, and the strength is larger than 7.4 g when L2 / L1 is 0%. Although the strength values in the first to third tests vary, the above tendency can be clearly seen. And when L2 / L1 is 35% to 65%, the strength is as large as 9.5 g. On the other hand, for each crystal resonator, the CI value of each sample was measured using a CI meter and the average value was obtained. As a result, the CI value was 53 kΩ for all crystal resonators. That is, under this test condition, the CI value was not different from that in the case of one groove portion, and no increase in the CI value was observed due to the division of the groove portion into two. From the above results, it can be said that the strength is increased by dividing the groove into two parts, and it is particularly preferable to set L2 / L1 from 35% to 65% (0.35 to 0.65).
(Experiment 2)
Next, an experiment for finding an appropriate value of the distance d between the
この結果から、両溝部3、4の間隔dを大きくする程、つまりd/L1を大きくするほど水晶振動子の強度は大きくなっている。従って水晶振動子の強度からだけ言えば、間隔dはできるだけ大きい方がよいといえる。一方、各条件の水晶振動子について、CIメーターを用いて各サンプルのCI値を測定し、その平均値を求めたところ、表3及び図10に示す結果が得られた。
From this result, the strength of the crystal resonator increases as the distance d between the
この結果から、間隔dをあまり大きくするとCI値が大きくなって好ましくない。このため間隔dは、CI値が大きすぎない程度の大きさに設定することが必要であり、例えばd/L1が1%〜1.8%(0.010〜0.018)とすることが好ましい。
(実験3)
溝を2分割する代わりに3分割し、各溝の間隔dを10μmとした。この間隔dが小さすぎると加工が困難になることから、実際に製品を生産するときのことを考慮して、10μmの寸法を選択した。その他の条件は実験1と同じである。このように溝部を3分割した水晶振動子についてCI値を測定したところ、CI値は58kΩであった。従って3分割した水晶振動子は2分割した水晶振動子に比べてCI値が大きいことがわかる。
From this result, it is not preferable to increase the interval d too much because the CI value increases. For this reason, the interval d needs to be set to such a size that the CI value is not too large. For example, d / L1 is set to 1% to 1.8% (0.010 to 0.018). preferable.
(Experiment 3)
Instead of dividing the groove into two, the groove was divided into three, and the distance d between the grooves was set to 10 μm. If the distance d is too small, the processing becomes difficult. Therefore, the size of 10 μm is selected in consideration of the actual production. Other conditions are the same as those in
1 基部
11 切り欠き部
2 振動腕部
20 最下部
3 第1の溝部
4 第2の溝部
51 一方の励振電極
61 他方の励振電極
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記振動腕部の表面部及び裏面部の少なくとも一方に、当該振動腕部の基端部から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に2つに分割されて形成された溝部と、
前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。 In the piezoelectric vibrator formed in a tuning fork shape with two vibrating arms extending from the base,
A groove portion formed on at least one of the front surface portion and the back surface portion of the vibrating arm portion and extending in the length direction from the base end portion of the vibrating arm portion and divided into two in the length direction;
A piezoelectric vibrator comprising a pair of excitation electrodes provided in a side surface and a groove portion of the vibrating arm portion, respectively.
4. The crystal resonator according to claim 1, and an oscillation circuit that outputs a pulse having a third harmonic frequency of the crystal resonator as an oscillation output. The oscillator according to one.
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