JP2009200706A - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の振動片は、基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が第1及び第2のXカット水晶片が、それぞれのx軸が平行となるように重ね合わされて形成されている。
【選択図】図1
Description
上記音叉型水晶振動子は、振動数すなわち周波数が、主として水晶振動片の腕の長さ及び幅によって決定されている。
上記音叉型振動子は特にクロック源として時計を含む各種電子機器に発振回路とともに内蔵される。
近年では、各種電子機器の小型化に伴い、音叉型振動子も、より小型の寸法のものが求められている。この構成として、一対の振動腕部の両主面に溝を設けて水晶振動片の駆動効率を向上させた音叉型水晶振動子がある。
ここで、音叉型振動子において、結晶軸(xyz)のx軸方向を幅(W)、y軸方向を長さ(L)、z軸方向を厚み(D)とする。そして、一対の振動腕部12、13各々の両主面(z軸方向に垂直な面)にはそれぞれ溝12a、13aを、裏面にはそれぞれ溝12b、13b(図15)を有する。
各振動腕部12及び13において、溝12aに駆動電極14aが設けられ、溝12bに駆動電極14bが設けられ、振動腕部12の対向する両側面(x軸方向)にそれぞれ駆動電極14c、14dが設けられ、溝13aに駆動電極15aが設けられ、溝13bに駆動電極15bが設けられ、振動腕部13の対向する両側面(x軸方向)にそれぞれ駆動電極15c、15dが設けられている。
また、各振動腕部12、13において、駆動電極14a、14b、15c、15dに印加される駆動電圧が同位相となり、駆動電極14c、14d、15a、15bに印加される駆動電圧が先の電極とは逆位相となるよう結線されている。
例えば、振動腕部12において、溝の内周面から両側面に向かうx軸方向の電界が印加されることにより、図15において左側の部分がy軸方向に伸びるとすると、右側部分が収縮することにより、振動腕部13と対向する方向に変位する。一方、振動腕部13において、両側面から溝の内周面に向かうx軸方向の電界が印加されることにより、左側の部分がy軸方向に収縮し、右側の部分がy軸方向に伸びることにより、振動腕部12と対向する方向に変位する。また、電界をそれぞれ上記の場合と逆にする電圧が各電極に印加されることにより、振動腕部12及び13は離間する方向に振動し、一対の振動腕部12及び13は互いに逆向きの水平方向に振動して、音叉振動を生ずることになる。
したがって、上述した構成により、CI値を維持したまま、基部11を小型化し、振動片全体を小型化し、CI値の振動片の素子間におけるバラツキを低減することができる。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのy軸及びz軸が平行となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのx軸の+側及び−側方向が合うように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのx軸の+側及び−側方向が逆となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第1及び第2のXカット水晶片がそれぞれのx軸が合うように重ね合わされて形成された振動腕部(長手方向がy軸、幅方向がz軸、厚さ方向がx軸)を有しているので、x軸方向に振動することとなり、振動の周波数が振動腕部の長さと厚さにより決定されるため、厚さの加工を高精度に行うことが可能であり、水晶部分に印加される電界を、振動片の素子間にて同様とすることができ、I値、Q値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。
本発明の振動片は、前記中間電極が記第1及び第2のXカット水晶片それぞれに形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記中間電極の離間部分に、中間電極と同様の厚さの絶縁膜が形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記第1及び第2の駆動電極とに第1の電圧が印加され、中間電極に印加される第2の電圧が第1の電圧と逆の位相であることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第1及び第2のXカット水晶片それぞれに 独立に電圧を印加することが可能となり、すなわち、従来例において水晶片の厚さ方向全体に印加した電界を第1及び第2のXカット水晶片それぞれに対して独立に与えることとなり、圧電効率を向上させ、印加された電圧を従来例に比較して効率的に振動に変化させることができる。
本発明の振動片は、振動腕部のx軸方向に垂直な上面及び下面それぞれ第1、第2の駆動電極が形成されていることを特徴とする。
本発明の振動片は、前記第1の駆動電極に第1の電圧が印加され、第2の駆動電極に第1の電圧と逆の位相の第2の電圧が印加されることを特徴とする。
上記構成により、本発明の振動片は、第1及び第2のXカット水晶片を直接接合などで接合することにより振動腕部が形成されているため、x軸方向に垂直な上面及び下面それぞれに形成した第1の駆動電極と、第2の駆動電極に位相の異なる電圧を印加することにより上下振動を行わせる構成を容易に実現できる。
上記構成により、本発明の振動片は、隣接する振動腕部がx軸に沿って各々逆方向に振動するため、基部に伝達する振動エネルギを打ち消し合うことにより抑制するため、振動片の固定バラツキの影響により、振動腕部の振動が不安定となることを抑制することができる。
上記構成により、本発明の振動子は、上述した振動片を用いるため、I値、Q値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。
上記構成により、本発明の発振器は、上述した振動片を用いるため、I値、Q値及び容量比等の特性値を維持させつつ小型化できる。
以下、本発明の第1の実施形態による水晶振動片を図面を参照して説明する。図1は、本願発明の第1の実施形態による音叉型振動片の外観図である。図2は、本願発明の第1の実施形態による音叉型振動片の線A−Aの線視断面(正面図)である。
この音叉型振動片は主面が結晶軸(xyz)のx軸に直交したX板(Xカット)のXカット水晶片1及びXカット水晶片2から形成されている。Xカット水晶片1とXカット水晶片2とは、結晶軸(xyz)において、互いの結晶のx軸が平行となるように(ある若干の角度ずれが存在しても良い)重ね合わされて接合されている。ここで、Xカット水晶片1とXカット水晶片2を切り出す水晶としては、同一結晶系であれば、右手系水晶あるいは左手系水晶の何れを用いても良い。
また、上記Xカット水晶片1は、基部1wと、この基部1wと同一の厚さにて、基部2wの側面から、基部下部面1wdに平行に延出した振動腕部片1a、1b、1cとから構成されている。すなわち、基部1wと振動腕部片1a、1b、1cとは一体に形成されている。
ここで、本実施形態の音叉型振動子の振動腕部片1a、1b、1c、2a、2b、2cにおいて、結晶軸(xyz)のx軸方向(振動方向)を厚み、y軸方向を長手方向の長さ、z軸方向を幅とする。Xカット水晶片1及び2は、x軸のみでなく、互いの結晶のy軸及びz軸が平行となるように(ある若干の角度ずれが存在しても良い)重ね合わされて接合されている。また、x軸は電気軸であり、z軸は光学軸であり、y軸は機械軸である
また、振動腕部片1aと振動腕部片2aとの間に中間電極4acが設けられ、振動腕部片1bと振動腕部片2bとの間に中間電極4bcが設けられ、振動腕部片1cと振動腕部片2cとの間に中間電極4ccが設けられている。
ここで、中間電極4ac、4bc及び4ccは、それぞれ酸化膜などの絶縁膜5により、凹凸を緩和されて、それぞれ振動腕部片間に挟まれて配置されている。
また、本実施形態においては、振動腕部3a、3b及び3cの3本の振動腕子から構成する例を示したが、2本以上の複数本で構成することが可能であり、本数を限定しない。
また、上述したように、隣接する振動腕部間にて駆動電圧と中間電極とが、交番電圧の位相が互いに逆となるように接続されているため、隣接する振動腕部はx軸に沿って、互いに逆方向、すなわち一方が上部に振動すると他方が下部に移動して振動を行う。
隣接する振動腕部が互いに逆方向に振動することにより、基部1w及び基部2wが振動片を固定部に固定した際、振動腕部の振動が固定部に伝達され難くし、振動片の固定バラツキの影響により、各振動腕部の振動が不安定となることを抑制し、CI値の素子間のバラツキを低減することができる。
基板であるXカット水晶2の基部上面部2wu上に、中間電極4ac、4bc及び4ccを、振動腕部3a、3b及び3cが形成される位置にそれぞれ対応して形成する。
ここで、電極として形成する金属膜としては、例えば10nmの厚さのクロム(Cr)及び50nmの厚さの金(Au)の積層構造の薄膜をエッチングすることにより形成する(図3(a))。
そして、中間電極4ac、4bc及び4cc上及び露出された基部上面部2wu上に絶縁膜5、例えば、ポリシラザンを塗布し、酸化膜(SiO2)に転化させても良く、またCVD(Chemical Vapor Deposition)、スパッタリング及び蒸着などで、絶縁膜5を形成してもよい(図3(b))。
次に、基部2の基部上面部2wuと、基部下面部1wuが中間電極4ac、4bc及び4ccを介挿して接合するように、Xカット水晶片2に基板Xカット水晶片1を重ね合わせる(図3(d))。
そして、重ねたXカット水晶片1を基部上面部1wuから研磨して、Xカット水晶片1を所定の厚さ、例えば6.3μmの厚さの板とする(図3(e))。このように、振動腕部の長尺方向の長さとともに、発信周波数を決定する膜厚を、高い加工精度にて薄く形成することが可能であるため、振動片の素子間におけるばらつきを抑制し、小型化を容易に行うことができる。
これにより、振動部分として、中間電極4ac、4bc及び4ccそれぞれを有した振動腕部3a、3b、3cが形成される。
また、図3(g)において、振動腕部3a、3b及び3cを形成する前に駆動電極の金属膜を形成し、エッチングを行うことにより、この駆動電極を水晶とともに一括してエッチングして、駆動電極を形成するようにしても良い。
そして、図3(d)において、中間電極がXカット水晶1及び2間に配置されるように、Xカット水晶1及び2を重ね合わせる。
これにより、振動腕部片それぞれが駆動電極及び中間電極を独立して有することとなる。
この場合も、各振動腕部において、駆動電極が同一位相の電圧、中間電極が同一位相の電圧となるよう交番電圧が印加されるようになっている。
また、水晶を圧電材料として用いることにより、2次の温度特性を持たせることが可能となり、かつこの温度特性の頂点温度(温度の極大値)を、Xカット水晶片のカット角をx軸及びy軸のいずれかあるいは双方をずらすことにより、調整することができる。
以下、本発明の第2の実施形態による水晶振動片を図面を参照して説明する。図1は、本願発明の第2の実施形態による音叉型振動片の外観図である。図7は、本願発明の第2の実施形態による音叉型振動片の正面図である。
第1の実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
本実施形態による音叉型振動片は主面が結晶軸(xyz)のx軸に直交したX板(Xカット)のXカット水晶片1及びXカット水晶片2から形成されている。Xカット水晶片1とXカット水晶片2とは、結晶軸(xyz)において、互いの結晶のx軸が平行となるように(ある若干の角度ずれが存在しても良い)かつ、x軸の+方向と−方向とが逆となるように重ね合わされて接合されている。ここで、Xカット水晶片1とXカット水晶片2を切り出す水晶としては、同一結晶系であれば、右手系水晶あるいは左手系水晶の何れを用いても良い。
ここで、本実施形態の音叉型振動子の振動腕部片1a、1b、1c、2a、2b、2cにおいて、結晶軸(xyz)のx軸方向(振動方向)を厚み、y軸方向を長手方向の長さ、z軸方向を幅とする。Xカット水晶片1及び2は、第1の実施形態と同様に、x軸のみでなく、互いの結晶のy軸及びz軸が平行となるように(ある若干の角度ずれが存在しても良い)重ね合わされて接合されている。また、x軸は電気軸であり、z軸は光学軸であり、y軸は機械軸である
本実施形態においては、振動腕部3a、3b及び3cの3本の振動腕子から構成する例を示したが、2本以上の複数本で構成することが可能であり、本数を限定しない。
また、上述したように、隣接する振動腕部間にて駆動電圧として、交番電圧の位相が互いに逆となるように接続されているため、隣接する振動腕部はx軸に沿って、互いに逆方向、すなわち一方が上部に振動すると他方が下部に移動して振動を行う。
隣接する振動腕部が互いに逆方向に振動することにより、第1の実施形態と同様に、基部1w及び基部2wが振動片を固定部に固定した際、振動腕部の振動が固定部に伝達され難くし、振動片の固定バラツキの影響により、各振動腕部の振動が不安定となることを抑制し、CI値の素子間のバラツキを低減することができる。
基板Xカット水晶片1の基部下面部1wdと、基板Xカット結晶片2の基部上面部2wuとの表面を活性化させ、Xカット水晶片1の基部下面部1wdと基板Xカット水晶片2の基部上面部2wuとが接触するように重ね合わせ、圧力及び温度を印加することにより、基板Xカット水晶片1及び2を直接接合する(図8(a))。
ここで、上記基部下面部1wdと基部上面部2wuとの表面を活性化させる際、HF溶液、プラズマを用いたドライエッチングなどを用いても良い。
また、上記基部下面部1wdと基部上面部2wuとを、プラズマ重合により接合させても良い。
これにより、振動腕部片1a、2aからなる振動腕部3a、振動腕部片1b、2bからなる振動腕部3b、及び振動腕部片1c、2cとからなる振動腕部3cが形成される。
また、図8(d)において、振動腕部3a、3b及び3cを形成する前に、第1の実施形態と同様に、駆動電極の金属膜を形成し、エッチングを行うことにより、この駆動電極を水晶とともに一括してエッチングして、駆動電極を形成するようにしても良い。
第3の実施形態は、図9に示すように、Xカット水晶片1及び2が、例えば、第1及び第2の実施形態の各振動腕部片の厚さと同様に、例えば6.3μmの厚さにエッチングまたは研磨され、基部7に配設された構造をしている。したがって、第3の実施形態は、基部7、基部1w及び基部2wにて、振動片の基部が構成されている。
上記基部7にはZカット水晶が用いられる。また、この基部7は、z軸の方向を厚さ方向とする以外、x軸、y軸の方向については考慮する必要はない。
また、振動腕部3a、3b及び3cの構造については、第1及び第2の実施形態のいずれかの構造を用いる。
基部7の上部に、この基部7の水晶片の端部から振動腕部片2a、2b及び2cを形成する領域が、すなわち長さLの領域が突出するように、Xカット水晶片2を重ね合うように配設し、基部7とXカット水晶片2の基部2wとを接合させる(図10(a))。
そして、第1の実施形態と同様に、基部7に重ねたXカット水晶片2を基部上面部2wuから研磨して、Xカット水晶片2を所定の厚さ、例えば6.3μmの厚さの板とする(図10(b))。
図11は、本発明の第4の実施の形態に係る振動子であるセラミックパッケージ音叉型振動子200を示す図である。このセラミックパッケージ音叉型振動子200は、音叉型水晶振動片100として上述の第1、第2及び第3の実施形態のいずれかの振動片を用いている。したがって、音叉型水晶振動片100の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。図11は、セラミックパッケージ音叉型振動子200の構成を示す概略断面図である。図11に示すようにセラミックパッケージ音叉型振動子200は、その内側に空間を有する箱状のパッケージ210を有している。このパッケージ210には、その底部にベース部211を備えている。このベース部211は、例えばアルミナ等のセラミックス等で形成されている。
図12は、本発明の第5の実施の形態に係る発振器である音叉水晶発振器400を示す図である。このデジタル音叉水晶発振器400は、上述の第2の実施の形態のセラミックパケージ音叉型振動子200と多くの部分で構成が共通している。したがって、セラミックパケージ音叉型振動子200と音叉型水晶振動片100の構成、作用等については、同一符号を用いて、その説明を省略する。
図13は、本発明に第6の実施の形態に係る振動子であるシリンダータイプ音叉振動子500を示す図である。このシリンダータイプ音叉振動子500は、上述の第1の実施の形態の音叉型水晶振動片100を使用している。したがって、音叉型水晶振動片100の構成、作用等については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。図13は、シリンダータイプ音叉振動子500の構成を示す概略図である。図13に示すようにシリンダータイプ音叉振動子500は、その内部に音叉型水晶振動片100を収容するための金属製のキャップ530を有している。このキャップ530は、ステム520に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。
Claims (14)
- 基部と、
該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部と
から構成される振動片であり、
前記基部及び前記振動腕部が
第1及び第2のXカット水晶片が、それぞれのx軸が平行となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする振動片。 - 前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのy軸及びz軸が平行となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の振動片。
- 前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのx軸の+側及び−側方向が合うように重ね合わされて形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の振動片。
- 前記基部及び前記振動腕部が、前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれのx軸の+側及び−側方向が逆となるように重ね合わされて形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の振動片。
- 前記振動腕部のx軸方向の面が前記基部の上面とが平行となるよう、該振動腕部が該基部に配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の振動片。
- 振動腕部のx軸方向に垂直な上面及び下面それぞれ第1、第2の駆動電極が形成されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の振動片。
- 第1及び第2の駆動電極各々が、それぞれ前記振動腕部のx軸方向に垂直な表面及び裏面に形成され、中間電極が前記第1及び第2のXカット水晶片に挟まれて配置されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の振動片。
- 前記中間電極が前記第1及び第2のXカット水晶片それぞれに形成されていることを特徴とする請求項7に記載の振動片。
- 前記中間電極の離間部分に、中間電極と同様の厚さの絶縁膜が形成されていることを特徴とする請求項7及び請求項8に記載の振動片。
- 前記第1及び第2の駆動電極とに第1の電圧が印加され、中間電極に印加される第2の電圧が第1の電圧と逆の位相であることを特徴とする請求項7から請求項9のいずれかに記載の振動片。
- 前記第1の駆動電極に第1の電圧が印加され、第2の駆動電極に第1の電圧と逆の位相の第2の電圧が印加されることを特徴とする請求項6に記載の振動片。
- 前記振動腕部が2つ以上の複数個設けられ、隣接する振動腕部間において、第1及び第2の電圧の逆の位相であることを特徴とする請求項10または請求項11に記載の振動片。
- 基部と、該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が、第1及び第2のXカット水晶片が、それぞれのx軸が平行となるように重ね合わされて形成されている振動片がパッケージ内に収容されていることを特徴とする振動子。
- 該基部から突出して一体的に形成されている振動腕部とから構成される振動片であり、前記基部及び前記振動腕部が、第1及び第2のXカット水晶片が、それぞれのx軸が平行となるように重ね合わされて形成されている振動片と、
集積回路と
がパッケージ内に収容されていることを特徴とする発振器。
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