JP2012028899A - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

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Abstract

【課題】耐衝撃特性に関して更なる向上が可能な振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器の提供。
【解決手段】水晶振動片1は、基部10と、基部10から延びる一対の振動腕11と、を備え、平面視において、振動腕11が、振動腕11の長手方向の単位長さあたりの変化に対する幅の長さの変化の率が、基部10に近づく途中で結合点12a,12bを境に大きくなるように形成された拡幅部12を有し、平面視において、拡幅部12における振動腕11の一方側との結合点12aと、他方側との結合点12bとを結んだ方向(矢印D方向)が、振動腕11の延びる方向(矢印E方向)に対して直交しないことを特徴とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器に関する。
特許文献1には、第1と第2の平行な振動アーム(以下、振動腕という)が延びるベース(以下、基部という)と、各振動腕の自由端を形成するフリッパー形状をした拡大部分(以下、錘部という)と、各振動腕の正面と裏面の少なくとも一方に形成された溝(以下、溝部という)と、を有し、この溝部が振動腕の自由端(先端)の方向に、錘部の開始点を越えて延びているピエゾ電子同調フォーク型共振器(以下、振動片という)が開示されている。
特開2009−27711号公報(図1)
特許文献1によれば、上記振動片は、振動腕に形成された溝部が振動腕の先端の方向に、錘部の開始点を越えて延びていることから、衝撃時の溝部における応力が分散し、耐衝撃特性が向上するとされている。
ところで、上記振動片は、実施例の平面視(特許文献1の図1参照)において、振動腕の根元部と基部とがテーパ部(拡幅部)で結合されている。
そして、上記振動片は、平面視において、テーパ部における各振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とを結んだ方向が、各振動腕の延びる方向に対して直交しているものと考えられる。
換言すれば、上記振動片のテーパ部における振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とは、平面視において、振動腕を最短距離で挟んだ位置関係にあるといえる。
これにより、上記振動片は、外形線が屈曲し応力集中が発生しやすい部分である上記結合点同士が、振動腕を最短距離で挟んだ位置関係にあることから、例えば、落下などの衝撃時において、互いに接近した部分のそれぞれに応力集中が発生する。
この結果、上記振動片は、例えば、落下などの衝撃時において、振動腕の根元部近傍での破損の虞があることから、耐衝撃特性に関して更なる向上が必要である。
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例にかかる振動片は、基部と、前記基部から延びる少なくとも1本の振動腕と、を備え、平面視において、前記振動腕は、前記振動腕の長手方向の単位長さあたりの変化に対する幅の長さの変化の率が前記基部に近づく途中で結合点を境に大きくなるように形成された拡幅部を有し、平面視において、前記拡幅部における前記振動腕の一方側との前記結合点と、他方側との前記結合点とを結んだ方向が、前記振動腕の延びる方向に対して直交しないことを特徴とする。
これによれば、振動片は、振動腕が振動腕の長手方向の単位長さあたりの変化に対する幅の長さの変化の率が、基部に近づく途中で結合点を境に大きくなるように形成された拡幅部を有している。
そして、振動片は、平面視において、拡幅部における振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とを結んだ方向が、振動腕の延びる方向に対して直交しない。
換言すれば、振動片は、平面視において、拡幅部における振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とが、従来のような振動腕を最短距離で挟んだ位置関係にないことから、衝撃時において、従来と比較して応力集中部分が互いに離れて存在することとなる。
この結果、振動片は、応力集中による振動腕の根元部近傍での破損を低減することが可能となり、耐衝撃特性を向上させることができる。
[適用例2]上記適用例にかかる振動片において、前記振動腕は、前記基部側に位置する腕部と、前記腕部より先端側に位置し前記腕部より幅が広い錘部と、を有し、平面視において、前記錘部と前記腕部とが、前記腕部の幅が前記錘部に近づくに連れて広がるように形成された第2拡幅部で結合され、平面視において、前記第2拡幅部における、前記振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とを結んだ方向が、前記振動腕の延びる方向に対して直交しないことが好ましい。
これによれば、振動片は、錘部と腕部とが、腕部の幅が錘部に近づくに連れて広がるように形成された第2拡幅部で結合されている。そして、振動片は、平面視において、第2拡幅部における振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とを結んだ方向が、振動腕の延びる方向に対して直交しない。
換言すれば、振動片は、平面視において、第2拡幅部における振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とが、振動腕を最短距離で挟んだ位置関係にないことから、衝撃時において、応力集中部分が互いに離れて存在することとなる。
この結果、振動片は、応力集中による振動腕の第2拡幅部近傍での破損を低減することが可能となり、耐衝撃特性を向上させることができる。
[適用例3]上記適用例にかかる振動片において、前記振動腕を複数本備え、前記複数本の振動腕と、前記拡幅部と、前記基部とを含んで音叉を構成し、前記音叉の両端に配置された前記振動腕と結合されている前記拡幅部における、前記音叉の外側の前記結合点は、前記音叉の内側の前記結合点より、前記振動腕の先端寄りに位置していることが好ましい。
これによれば、振動片は、音叉の両端に配置された振動腕と結合されている拡幅部における、音叉の外側の結合点は、音叉の内側の結合点より、振動腕の先端寄りに位置している。
この結果、振動片は、音叉の両端に配置された振動腕の、音叉の外側の根元部の剛性を高められることから、耐衝撃特性を向上させることができる。
[適用例4]上記適用例1または適用例2にかかる振動片において、前記基部から前記振動腕の延びる方向に対して交差する方向に突出し、前記振動腕側に折れ曲がり、前記振動腕に沿って延びる支持部を、さらに備え、前記支持部側の前記結合点は、前記支持部側とは反対側の前記結合点より、前記振動腕の前記基部寄りに位置していることが好ましい。
これによれば、振動片は、振動腕に沿って延びる支持部を、さらに備え、支持部側の結合点が、支持部側とは反対側の結合点より、振動腕の基部寄りに位置している。
このことから、振動片は、平面サイズを拡大することなく、支持部の先端部分(外部部材に支持される部分)と拡幅部との距離を長くすることが可能となる。
この結果、振動片は、例えば、支持部を接着剤で外部部材に固定する際に、流出による拡幅部への接着剤の付着を低減できる。
[適用例5]本適用例にかかる振動子は、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする。
これによれば、振動子は、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載の振動片と、振動片を収容するパッケージと、を備えたことから、耐衝撃特性の向上など、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載された効果を奏する振動子を提供することができる。
[適用例6]本適用例にかかる発振器は、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片を発振させる発振回路を有する回路素子と、前記振動片及び前記回路素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする。
これによれば、発振器は、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載の振動片を備えたことから、耐衝撃特性の向上など、適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載された効果を奏する発振器を提供することができる。
第1実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、(a)は平面図、(b)は(a)の断面図。 変形例の振動片の要部の概略構成を示す模式要部平面図。 第2実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、(a)は平面図、(b)は(a)の断面図。 第3実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、(a)は平面図、(b)は(a)の断面図。
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。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図である。
図1に示すように、振動片としての水晶振動片1は、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたウエハー状の水晶基板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィ技術を用いたウエットエッチングなどによって形成されている。
水晶振動片1は、基部10と、基部10から互いに沿って延びる一対の振動腕11と、を備えている。
そして、水晶振動片1は、平面視において、振動腕11が、振動腕11の長手方向の単位長さあたりの変化に対する幅の長さの変化の率が、基部10に近づく途中で結合点12a,12bを境に大きくなるように形成された拡幅部12を有している。
そして、水晶振動片1は、平面視において、拡幅部12における振動腕11の一方側との結合点12aと、他方側との結合点12bとを結んだ方向(矢印D方向)が、振動腕11の延びる方向(矢印E方向)に対して直交しない構成となっている。
そして、水晶振動片1は、基部10を、振動腕11の延びる方向に対して交差する方向(ここでは、略直交する方向)に、両側から切り欠いた一対の切り欠き部13を備えている。
そして、水晶振動片1は、基部10から、振動腕11の延びる方向に対して交差する方向(ここでは、略直交する方向)に突出し、振動腕11側に折れ曲がり、振動腕11に沿って延びる一対の支持部14をさらに備えている。
振動腕11は、基部10側に位置する腕部15(腕部15は拡幅部12よりも長い形状)と、腕部15より先端側に位置し腕部15より幅が広い錘部16と、振動腕11の延びる方向に沿って形成され、一対の振動腕11の並ぶ方向(A−A線に沿った方向)に沿って切断した振動腕11の断面形状が、略H字状となる溝部17と、を有している。
水晶振動片1は、平面視において、振動腕11の錘部16と腕部15とが、腕部15の幅が錘部16に近づくに連れて広がるように形成された第2拡幅部18で結合されている。
そして、水晶振動片1は、平面視において、第2拡幅部18における振動腕11の一方側との結合点18aと、他方側との結合点18bとを結んだ方向(矢印F方向)が、振動腕11の延びる方向(矢印E方向)に対して直交しない構成となっている。
水晶振動片1は、一対の振動腕11と、拡幅部12と、基部10とを含んで音叉を構成している。
そして、水晶振動片1は、一対の振動腕11、換言すれば音叉の両端に配置された振動腕11と結合されている拡幅部12における、音叉の外側(支持部14側)の結合点12aが、音叉の内側(一対の振動腕11が互いに対向する側)の結合点12bより、振動腕11の先端寄りに位置している。
ここで、溝部17の端部17a,17bの長手方向の位置について説明する。
溝部17の、振動腕11の根元側の端部17aは、振動腕11の強度を向上させる観点から、拡幅部12の結合点12bより振動腕11の先端側に位置することが好ましく、拡幅部12の結合点12bと結合点12aとの間に位置することがより好ましく、結合点12aより振動腕11の先端側に位置することが特に好ましい。
一方、溝部17の、振動腕11の先端側の端部17bは、振動腕11の強度を向上させる観点から、第2拡幅部18の結合点18aより振動腕11の根元側に位置することが好ましく、第2拡幅部18の結合点18aと結合点18bとの間に位置することがより好ましく、結合点18bより振動腕11の根元側に位置することが特に好ましい。
図1(a)に示すように、水晶振動片1は、一対(2本)の振動腕11と、拡幅部12と、基部10とを含んで音叉を構成することで、音叉型水晶振動片となっており、一対の支持部14が、パッケージなどの外部部材に、導電性接着剤などを用いて固定されるようになっている。
そして、水晶振動片1は、一対の振動腕11に形成された図示しない励振電極に、支持部14に形成された図示しないマウント電極及び基部10に形成された図示しない引き出し電極を経由して外部から駆動信号が印加されることにより、一対の振動腕11が、所定の周波数(例えば、32kHz)で矢印B方向(一対の振動腕11が互いに離れる方向)及び矢印C方向(一対の振動腕11が互いに近づく方向)に交互に屈曲振動(共振)する。
この際、水晶振動片1は、振動腕11に溝部17が形成されていることで、屈曲振動によって発生する熱が、溝部17によって拡散(熱伝導)し難くなるように構成されていることから、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)を抑制できる。
また、水晶振動片1は、振動腕11に錘部16が形成されていることで、錘部16の慣性質量の増加によるQ値の向上効果により、例えば、Q値を維持しながら振動腕を短くすることができる。
加えて、水晶振動片1は、基部10に切り欠き部13及び基部10から延びる支持部14を有することで、振動腕11の屈曲振動に伴う外部への振動漏れを低減することができる。
上述したように、第1実施形態の水晶振動片1は、基部10と振動腕11とが、振動腕11の幅が基部10に近づくに連れて広がるように形成された拡幅部12で結合されている。
そして、水晶振動片1は、平面視において、拡幅部12における振動腕11の一方側との結合点12aと、他方側との結合点12bとを結んだ方向(矢印D方向)が、振動腕11の延びる方向(矢印E方向)に対して直交しない構成となっている。
換言すれば、水晶振動片1は、平面視において、拡幅部12における振動腕11の一方側との結合点12aと、他方側との結合点12bとが、従来のような振動腕11を最短距離で挟んだ位置関係(結合点12bが結合点12aと振動腕11の幅方向に沿って横並びになるように図1の構成よりも結合点12bを錘部16側に移動させた構成)にない。
このことから、水晶振動片1は、衝撃時において、従来は、腕部15の両脇にある2つの結合点の距離が、腕部15の幅の大きさ分しかなかったが、これと比較して本願実施形態の場合では腕部15の幅よりも大きい距離をもって2つの結合点12a,12bが離れているので結合点12a,12b近傍に発生する応力集中部分が互いに離れて存在することとなる。
この結果、水晶振動片1は、応力集中による振動腕11の根元部近傍(拡幅部12近傍)での破損を低減することが可能となり、耐衝撃特性を向上させることができる。
また、水晶振動片1は、振動腕11の錘部16と腕部15とが、腕部15の幅が錘部16に近づくに連れて広がるように形成された第2拡幅部18で結合されていてもよい。
この場合、水晶振動片1は、平面視において、第2拡幅部18における振動腕11の一方側との結合点18aと、他方側との結合点18bとを結んだ方向(矢印F方向)が、振動腕11の延びる方向(矢印E方向)に対して直交しない構成となっている。
換言すれば、水晶振動片1は、平面視において、第2拡幅部18における振動腕11の一方側との結合点18aと、他方側との結合点18bとが、振動腕11を最短距離で挟んだ位置関係(結合点18bが結合点18aと振動腕11の幅方向に沿って横並びになるように図1の構成よりも結合点18aを拡幅部12側に移動させた構成)にないことから、結合点12a,12bの場合と同様に衝撃時において、応力集中部分が互いに離れて存在することとなる。
この結果、水晶振動片1は、応力集中による振動腕11の第2拡幅部18近傍での破損を低減することが可能となり、耐衝撃特性を向上させることができる。
また、水晶振動片1は、音叉の両端に配置された振動腕11(一対の振動腕11)と結合されている拡幅部12における、音叉の外側の結合点12aは、音叉の内側の結合点12bより、振動腕11の先端寄りに位置している。
この結果、水晶振動片1は、音叉の両端に配置された振動腕11の、切り欠き部13から音叉の外側の結合点12aまでの距離が、切り欠き部13から音叉の内側の結合点12bまでの距離より長くなる。
これにより、基部10の結合点12a側の側面を長く形成することができるため水晶振動片1は、音叉の外側の根元部の剛性を高められ、耐衝撃特性を向上させることができる。
(変形例)
ここで、第1実施形態の変形例について説明する。
図2は、変形例の振動片の要部の概略構成を示す模式要部平面図である。なお、第1実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
図2に示すように、変形例の振動片としての水晶振動片2は、基部10と振動腕11とを結合する拡幅部112の支持部14側の結合点112aが、支持部14側とは反対側(一対の振動腕11が互いに対向する側)の結合点112bより、振動腕11の基部10寄り(切り欠き部13寄り)に位置している。
これによれば、水晶振動片2は、平面サイズを拡大することなく、支持部14の先端部14a(外部部材に支持される部分)と拡幅部112との距離Lを長くすることが可能となる。
この結果、水晶振動片2は、例えば、支持部14の先端部14aを接着剤20で外部部材に固定する際に、流出による拡幅部112への接着剤20の付着を低減できる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた振動子について説明する。
図3は、第2実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は、図3(a)のG−G線での断面図である。
図3に示すように、振動子としての水晶振動子5は、第1実施形態の水晶振動片1と、水晶振動片1を収容するパッケージ80と、を備えている。
パッケージ80は、パッケージベース81、シームリング82、蓋体85などから構成されている。
パッケージベース81は、水晶振動片1を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片1の図示しないマウント電極と接続される接続パッド88が設けられている。
接続パッド88は、パッケージベース81内の配線に接続され、パッケージベース81の外周部に設けられた外部接続端子83と導通可能に構成されている。
パッケージベース81の凹部の周囲には、シームリング82が設けられている。さらに、パッケージベース81の底部には、貫通穴86が設けられている。
水晶振動片1は、パッケージベース81の接続パッド88に導電性接着剤84を介して接着固定されている。そして、パッケージ80は、パッケージベース81の凹部を覆う蓋体85とシームリング82とがシーム溶接されている。
パッケージベース81の貫通穴86には、金属材料などからなる封止材87が充填されている。この封止材87は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース81内が減圧状態を保持できるように、貫通穴86を気密に封止している。
水晶振動子5は、外部接続端子83を介した外部からの駆動信号により水晶振動片1が励振され、所定の周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
上述したように、水晶振動子5は、耐衝撃特性が向上した水晶振動片1を備えていることから、耐衝撃特性を向上させることができる。
なお、水晶振動子5は、水晶振動片1に代えて水晶振動片2を用いても、同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた発振器について説明する。
図4は、第3実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図4(a)は平面図、図4(b)は図4(a)のH−H線での断面図である。
発振器としての水晶発振器6は、上記水晶振動子5の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。なお、水晶振動子5との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図4に示すように、水晶発振器6は、第1実施形態の水晶振動片1と、水晶振動片1を発振させる発振回路を有する回路素子としてのICチップ91と、水晶振動片1及びICチップ91を収容するパッケージ80と、を備えている。
ICチップ91は、パッケージベース81の底部に固着され、Au、Alなどの金属ワイヤー92により他の配線と接続されている。
水晶発振器6は、ICチップ91の発振回路からの駆動信号により水晶振動片1が励振され、所定の周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
上述したように、水晶発振器6は、耐衝撃特性が向上した水晶振動片1を備えていることから、耐衝撃特性を向上させることができる。
なお、水晶発振器6は、水晶振動片1に代えて水晶振動片2を用いても、同様の効果を得ることができる。
なお、上記各実施形態及び変形例において、水晶振動片1,2の切り欠き部13、支持部14、錘部16、溝部17、第2拡幅部18は、なくてもよい。
また、水晶振動片1,2の振動腕11の数は、2本としたが、これに限定するものではなく、1本、または3本以上でもよい。
また、支持部14は、一対の振動腕11の間から、振動腕11に沿って延びる1本の腕状に形成されていてもよい。
また、上記各実施形態及び変形例において、水晶振動片1,2の拡幅部12,112及び第2拡幅部18の外形形状(振動腕11と基部10とを繋ぐ線及び腕部15と錘部16とを繋ぐ線)は、曲線で形成されているが、これに限定するものではなく、直線で形成されていてもよい。
なお、上記各実施形態及び変形例では、振動片を水晶としたが、これに限定するものではなく、例えば、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、四ホウ酸リチウム(Li247)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電体、または酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)などの圧電体を被膜として備えたシリコンなどであってもよい。
1,2…振動片としての水晶振動片、5…振動子としての水晶振動子、6…発振器としての水晶発振器、10…基部、11…振動腕、12…拡幅部、12a,12b…結合点、13…切り欠き部、14…支持部、14a…先端部、15…腕部、16…錘部、17…溝部、17a,17b…端部、18…第2拡幅部、18a,18b…結合点、80…パッケージ、81…パッケージベース、82…シームリング、83…外部接続端子、84…導電性接着剤、85…蓋体、86…貫通穴、87…封止材、88…接続パッド、91…回路素子としてのICチップ、92…金属ワイヤー、112…拡幅部、112a,112b…結合点。

Claims (6)

  1. 基部と、
    前記基部から延びる少なくとも1本の振動腕と、を備え、
    平面視において、前記振動腕は、前記振動腕の長手方向の単位長さあたりの変化に対する幅の長さの変化の率が前記基部に近づく途中で結合点を境に大きくなるように形成された拡幅部を有し、
    平面視において、前記拡幅部における前記振動腕の一方側との前記結合点と、他方側との前記結合点とを結んだ方向が、前記振動腕の延びる方向に対して直交しないことを特徴とする振動片。
  2. 請求項1に記載の振動片において、前記振動腕は、前記基部側に位置する腕部と、前記腕部より先端側に位置し前記腕部より幅が広い錘部と、を有し、
    平面視において、前記錘部と前記腕部とが、前記腕部の幅が前記錘部に近づくに連れて広がるように形成された第2拡幅部で結合され、
    平面視において、前記第2拡幅部における、前記振動腕の一方側との結合点と、他方側との結合点とを結んだ方向が、前記振動腕の延びる方向に対して直交しないことを特徴とする振動片。
  3. 請求項1または請求項2に記載の振動片において、前記振動腕を複数本備え、前記複数本の振動腕と、前記拡幅部と、前記基部とを含んで音叉を構成し、
    前記音叉の両端に配置された前記振動腕と結合されている前記拡幅部における、前記音叉の外側の前記結合点は、前記音叉の内側の前記結合点より、前記振動腕の先端寄りに位置していることを特徴とする振動片。
  4. 請求項1または請求項2に記載の振動片において、前記基部から前記振動腕の延びる方向に対して交差する方向に突出し、前記振動腕側に折れ曲がり、前記振動腕に沿って延びる支持部を、さらに備え、
    前記支持部側の前記結合点は、前記支持部側とは反対側の前記結合点より、前記振動腕の前記基部寄りに位置していることを特徴とする振動片。
  5. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動片と、
    前記振動片を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする振動子。
  6. 請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の振動片と、
    前記振動片を発振させる発振回路を有する回路素子と、
    前記振動片及び前記回路素子を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする発振器。
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