JP2011124976A - 振動デバイス及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】水晶振動片10は、基部11と振動腕12とを備え、基部11は切り込み部14を有し、振動腕12は、腕部15と錘部16と溝部19とを有し、水晶振動片10は、共振周波数fが熱緩和周波数f0より大きく、切り込み部14の外縁14aと一対の振動腕12間に形成された股部12aの外縁12bとの間の最接近距離を基部屈曲幅Wbとし、振動腕12の長手方向と直交する面における振動腕12の断面形状を、熱弾性損失が等価となる同一厚さの矩形形状に置換したときの振動腕12’の腕幅を実効腕幅Weとし、切り込み部14の外縁14aと一対の振動腕12間に形成された股部12aの外縁12bとの間の温度差をdΘbとし、振動腕12の根元部における腕幅W方向の両端(一端12c、他端12d)間の温度差をdΘとしたときに、Wb>We×dΘb/dΘ(但し、dΘb<dΘ)である。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2には、U字状などをした音叉の先端に付加値量部分(以下、錘部という)を備え、音叉の基部の両外側の横または横上方へ突出した支持部を有する音叉型振動子(以下、振動片という)が開示されている。
しかしながら、特許文献1の振動片は、その構成によってQ値そのものの向上を図ることはできなかった。
特許文献2の振動片は、音叉(以下、振動腕という)の先端に錘部を備えていることから、振動腕を長くすることなくQ値の向上が図られている。
しかしながら、特許文献2の振動片は、支持部を基部の両外側の横または横上方へ突出させる構成であることから、支持部を含めた基部を大型化することなく、Q値の向上を図ることが困難であった。
また、振動デバイスは、後述する適用例2の振動デバイスと比較して、フィードバックさせるパラメーターが少ないことから、振動片の設計の時間短縮を図ることができる。
加えて、振動デバイスは、基部で発生する温度差dΘbと振動腕で発生する温度差dΘとの比を、基部屈曲幅Wbと実効腕幅Weとの関係に反映させていることから、基部屈曲幅Wbと実効腕幅Weとを、適用例1より広い範囲で設定することができる。
この改良振動片は、ある程度のQ値の向上が得られたが、以下の阻害要因により熱弾性損失が発生し、Q値のさらなる向上が阻害されていることが、発明者らの解析によって判明した。
(2)股部や切り込み部に発生した歪みにより、基準温度に対する温度変化が誘起される。この際、股部と切り込み部とで発生する歪みが、正負反対の関係(股部と切り込み部の一方に引っ張り応力が発生した場合に、他方に圧縮応力が発生する関係)にあることから、温度変化も股部と切り込み部とで正負反対の関係になる。
(3)誘起された股部と切り込み部との互いに正負反対の温度変化により、熱流が発生する。
(4)熱流が発生すること、即ち基準温度からの温度変化量が時間と共に減少、あるいは増大することから、歪みに再変換可能であったエネルギーは、力学的に取り出せなくなる。
つまり、上記改良振動片は、屈曲振動において、振動腕間に形成された股部や基部の切り込み部に発生する歪みにより熱弾性損失が発生し、これによりQ値のさらなる向上が阻害されていた。
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、振動デバイスとしての水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図1(a)は、リッド(蓋体)側から俯瞰した平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図である。なお、平面図では、便宜的にリッドを省略している。
水晶振動片10は、基部11と、基部11と一体に形成され、基部11の一端側から互いに略並行に延びる一対の振動腕12と、基部11と一体に形成され、基部11の他端側に接続された支持部13とを備えている。
水晶振動片10の振動腕12は、基部11側に位置する腕部15と、腕部15の基部11側とは反対側に位置し、腕部15よりも幅が広い錘部16と、腕部15の両主面17,18に腕部15の長手方向に沿って形成され、振動腕12の長手方向と直交する面における振動腕12の断面形状が略H字状となる溝部19とを有している。
水晶振動片10の支持部13は、平面視において、基部11の他端側から一対の振動腕12の両側へ回り込むように、振動腕12に沿って略U字状に延在し、その先端近傍部分がパッケージ20の内底面21に固定されている。
より具体的には、支持部13は基部11の他端側から振動腕12の長手方向と略直交する方向に延びる第1の突出部13aと、第1の突出部13aから振動腕12の延びる方向に突出する第2の突出部13bとを有している。
パッケージベース22には、セラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。また、リッド23には、コバールなどの金属、ガラスなどが用いられている。
なお、内部電極24、外部端子26は、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属被膜からなる。
なお、パッケージは、平板状のパッケージベースと凹部を有するリッドなどから構成されていてもよい。また、パッケージは、パッケージベース及びリッドの両方に凹部を有していてもよい。
これにより、水晶振動片10は、図示しない励振電極が内部電極24を介して外部端子26と電気的に接続されている。
なお、水晶振動片10と内部電極24との接合部材としては、導電性接着剤の他に、金バンプや半田バンプなどの導体バンプを用いることが可能である。
なお、リッド23とパッケージベース22との接合は、低融点ガラス、シームリングを用いたシーム溶接などで行われる。
水晶振動片10は、機械的な共振周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなるように設定されている(f>f0)。これにより、水晶振動片10は、断熱的領域において屈曲振動することとなる。
一般に、温度差を原因として生じる固体の内部摩擦の場合によく知られた歪みと応力との関係式から、熱弾性損失(屈曲振動する振動片の圧縮部と伸張部との間で発生する熱伝導により生じる振動エネルギーの損失)は、屈曲振動モードの振動片において、振動数(周波数)が変化したときに、緩和振動数fm=1/2πτ(ここでτは緩和時間であり、熱の流れがほぼ生じなくなるまでの時間、即ち熱が平衡状態になるまでの時間である)でQ値が極小となると考えられている。
一般に、緩和振動数fmは、下式で求まることが知られている。
fm=πk/(2ρCpa2)
ここで、πは円周率、kは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の熱伝導率、ρは振動腕の質量密度、Cpは振動腕の熱容量、aは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の幅である。
そして、f/f0=1を境にして、共振周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなる、周波数が高い領域(1<f/f0)が断熱的領域となり、周波数が低い領域(1>f/f0)が等温的領域となる。
の関係を満たしていることが好ましい。ここで、f0は、振動腕12が平板構造を基準とした場合の熱緩和周波数を表し、f1は、振動腕12に溝部19が形成された構造を基準とした場合の熱緩和周波数を表す。
この関係を満たすことにより、水晶振動片10の振動腕12などの形状設定範囲は、f>f0の関係よりも広くなる。
図3は、振動腕の実効腕幅について説明する模式図であり、図4は、振動腕の実効腕幅を算出する手順を示したフローチャートである。
なお、置換に際して振動腕12’の長さLeは、振動腕12の共振周波数fと振動腕12’の共振周波数feとが等しくなるように調整される。
同じ場合には、ステップS40に移行し、異なる場合には、ステップS70に移行する。
同じ場合には、ステップS60に移行し、異なる場合には、ステップS100に移行する。
大きい場合には、ステップS80に移行し、大きくない(低い)場合には、ステップS90に移行する。
大きい場合には、ステップS110に移行し、大きくない場合には、ステップS120に移行する。
温度差dΘb,dΘは、水晶振動片10の屈曲振動に伴う歪みの測定、及び歪みが発生している部分の絶対温度と基準絶対温度との差を求めることにより算出される。
歪みSklは変位の空間微分であることから、下記式で表される。
dΘb=|Θ’b1−Θ’b2|
=|(Θ+θ1)−(Θ+θ2)|
=|θ1−θ2|
によって、温度差dΘbを求めることができる。
dΘ=|Θ’c−Θ’d|
=|(Θ+θ3)−(Θ+θ4)|
=|θ3−θ4|
によって、温度差dΘを求めることができる。
なお、dΘb=dΘの関係では、股部12aで発生する歪みと振動腕12で発生する歪みとが同等ということになるので、この場合には、基部11への振動漏れが大きくなる虞がある。
なお、温度差dΘb,dΘは、例えば、放射温度計などの温度計により直接測定してもよいし、振動片の形状を精密に計測して有限要素法により計算してもよい。
なお、一例として、水晶振動子1は、上記関係を満たさない場合と比較して、熱弾性損失のみを考慮したQ値が約20%向上したことが確認されている。
つまり、水晶振動子1は、水晶振動片10の共振周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなるように設定され、振動腕12に錘部16と溝部19とを有し、切り込み部14の外縁14aと、一対の振動腕12間に形成された股部12aの外縁12bとの間の最接近距離を基部屈曲幅Wbとし、振動腕12の長手方向と直交する面における振動腕12の断面形状を、熱弾性損失が等価となる同一厚さの矩形形状に置換したときの振動腕12’の腕幅を実効腕幅Weとしたときに、Wb>Weの関係を満たしている、としてもよい。
ここで、上記実施形態の水晶振動子の変形例について説明する。
図5、図6は、変形例の水晶振動子における水晶振動片のバリエーションを示す模式図である。なお、上記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図5(a)に示すように、水晶振動片110は、支持部13の一方が短く形成されている。これによれば、水晶振動片110は、上記実施形態と比較して、平面サイズを小さくできる。
図5(b)に示すように、水晶振動片210は、支持部13の両方が短く形成されている。これによれば、水晶振動片210は、上記実施形態と比較して、平面サイズをさらに小さくできる。
なお、振動腕12の数は、用途などにより2本、3本、4本…n(nは整数)本など適宜設定される。
そして、水晶振動片410は、この枠状の支持部13の一方の主面17側に凹部を有する図示しないリッドの外周枠部が接合され、他方の主面18側に凹部を有する図示しないパッケージベースの外周枠部が接合される。
これによれば、水晶振動片410は、支持部13がリッドとパッケージベースとで挟持され、支持部13が図示しないパッケージの一部を兼ねた、平面サイズが水晶振動片410と略等しい水晶振動子を提供できる。
これによれば、水晶振動片510は、振動腕12に対する支持部13に起因する振動阻害を、延長支持部13’によって平面サイズを大きくすることなく抑制できる。
また、屈曲振動の駆動方法は、圧電体の圧電効果によるものの他に、クーロン力による静電駆動であってもよい。
Claims (5)
- 一端と他端との間に切り込み部を有した基部と、
腕部、前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し前記腕部よりも幅が広い錘部、及び前記腕部の両主面の少なくとも一方の主面に前記腕部の長手方向に沿って設けられた溝部、を有し、前記基部の前記一端から延びた複数の振動腕と、
前記基部の前記他端に接続された支持部と、
を備えた振動片を有し、
前記振動片の機械的な共振周波数fが、前記振動片の熱緩和周波数f0よりも大きく、 前記切り込み部の外縁と前記振動腕間に形成された股部の外縁との間の最接近距離を基部屈曲幅Wbとし、前記振動腕の前記長手方向と直交する面における前記振動腕の断面形状を、該断面形状と熱弾性損失が等価となり且つ前記断面形状と同一の厚さである矩形形状に置換したときの前記振動腕の腕幅を実効腕幅Weとしたときに、
Wb>Weの関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。 - 一端と他端との間に切り込み部を有した基部と、
腕部、前記腕部の前記基部側とは反対側に位置し前記腕部よりも幅が広い錘部、及び前記腕部の両主面の少なくとも一方の主面に前記腕部の長手方向に沿って設けられた溝部、を有し、前記基部の前記一端から延びた複数の振動腕と、
前記基部の前記他端に接続された支持部と、
を備えた振動片を有し、
前記振動片の機械的な共振周波数fが、前記振動片の熱緩和周波数f0よりも大きく、
前記切り込み部の外縁と前記振動腕間に形成された股部の外縁との間の最接近距離を基部屈曲幅Wbとし、前記振動腕の前記長手方向と直交する面における前記振動腕の断面形状を、該断面形状と熱弾性損失が等価となり且つ前記断面形状と同一の厚さである矩形形状に置換したときの前記振動腕の腕幅を実効腕幅Weとし、
前記切り込み部の前記外縁と前記股部の前記外縁との間の屈曲振動に伴い発生する温度差をdΘbとし、前記振動腕の根元部における腕幅方向の両端間の屈曲振動に伴い発生する温度差をdΘとしたときに、
Wb>We×dΘb/dΘ(但し、dΘb<dΘ)の関係を満たすことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1または2に記載の振動デバイスであって、
前記支持部は、前記基部の前記他端側から前記振動腕の前記長手方向と略直交する方向に延びる第1の突出部と、該第1の突出部から前記振動腕の延びる方向に突出する第2の突出部とを有していることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の振動デバイスが、前記振動片を駆動するICチップを備えた発振器であることを特徴とする振動デバイス。
- 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
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