JP2013165529A - 振動片、振動子、発振器及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基部と、この基部から突出して形成されている振動腕部と、を有する振動片であって、前記基部には切り込み部が形成され、前記振動腕部の表面部及び裏面部には溝部が形成され、前記振動腕部の短辺である振動腕部幅は、50μm以上150μm以下であり、前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝部の深さは、前記振動腕部の深さ方向の全長である前記振動腕部の厚みに対して30%以上50%未満であり、前記溝部の開口における短辺である溝幅であって、前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝幅は、前記振動腕部幅に対して40%以上100%未満であり、前記振動片のCI値は100KΩ以下である。
【選択図】 図1
Description
すなわち、音叉型水晶振動片10は、基部11と、この基部11から突出して形成されている2本の腕部12,13を有している。そして、この2本の腕部12,13には、溝12a,13aが表面に形成されている。また、この溝は図12の腕部12,13の裏面側にも同様に形成されている。
このため、図12のA−A’断面図である図13に示すように腕部12,13は、その断面形状が略H型の形成されている。
このため、略H型の音叉型水晶振動片10は、例えば特に小型でも高精度な性能が求められる振動子に適用されている。
略H型の音叉型水晶振動片10の大きさとしては、例えば図12に示すように腕部12,13の長さが1.644mm、幅が0.1mmとなっており、この腕部12,13に幅0.07mmの幅で溝12a,13aが形成されている。
さらに、基部11は図において縦方向の長さが0.7mmとなっている。
f∝W/L2・・・・・・・式1
の関係式を満たさなければならない。すなわち、振動片10の腕部12,13の長さLを短くすればするほど、腕部12,13の幅Wも細くなるという関係になっている。
このように振動が基部11へ漏れ、基部11の固定領域からエネルギーが逃げると、振動片の固定バラツキの影響によって、腕部12,13の振動が振動片によっては不安定となるものが生じ、CI値の素子間のバラツキが大きくなっていた。
そして、このような腕部12,13の振動の漏れや基部11の固定領域からのエネルギーの逃げを防ぐには、上述のように腕部12,13の長さLの40%以上の長さを基部11において確保しなければならなかった。したがって、これが振動片10自体の小型化の障害となっていた。
また、前記振動片の前記切り込み部は、この固定領域と前記振動腕部との間の基部に設けられている。したがって、この切り込み部は、前記振動腕部の振動の妨げにならない位置に配置されていると共に、振動漏れが前記固定領域へ伝わり、エネルギーの逃げが生じるのを有効に防止している。
このため、基部を小型化しながら、CI値の振動片素子間のバラツキを安定化させることができる振動片を有する振動子となる。
また、前記振動片が固定・収容される箱状パッケージと、を備えるので、前記パッケージが箱状に形成されている振動子を小型化できる。
したがって、この切り込み部の存在が、振動腕部の振動を阻害等することがない。
また、振動腕部の振動により、溝部から漏れてきた漏れ振動は、切り込み部により、基部の固定領域に伝わり難くなる。このため、漏れ振動が固定領域に伝わって生じるエネルギー逃げが発生し難くなる。
従来は、CI値の振動片素子間のばらつきが、標準偏差で10KΩ以上発生していたが、本発明では、標準偏差が1KΩにまで激減した。
以上のようにCI値の振動片素子間のバラツキの安定化を図ることができるので、従来の振動片のように基部の長さを腕部の長さの40%以上にする必要がない。
これにより、本発明では、基部の長さを短くすることができ、振動片の大きさを小型化することができる。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る振動片である音叉型水晶振動片100を示す図である。
音叉型水晶振動片100は、例えば所謂水晶Z板となるように水晶の単結晶を切り出して形成されている。また、図1に示す音叉型水晶振動片100は例えば32.768KHzで信号を発信する振動片であるため、極めて小型の振動片となっている。
このような音叉型水晶振動片100は、図1に示すように、基部110を有している。そして、この基部110から図において上方向に突出するように振動腕部である音叉腕121,122が2本配置されている。
また、この音叉腕121,122の表面と裏面には、溝部123,124が図1に示すように形成されている。この溝部123,124は、図1に示されていない音叉腕121,122の裏面側にも同様に形成されているため、図2に示すように図1のF−F’断面図では、略H型に形成されている。
一方、この基部110から突出して配置されている前記音叉腕121,122の図において縦方向の長さは例えば1.644mmに形成されている。
したがって、この音叉腕121,122に対する基部110の長さは、約34%となっている。これに対して従来の音叉型水晶振動片10は、図12に示すように基部11の長さが0.7mmで腕部12,13の長さが1.644mmに形成され、基部11の長さは腕部12,13の長さに対して約42.6%となり、40%を超えている。
このように基部11の長さを腕部12,13の長さに対して40%以上の長さになるようにすることで、上述のように腕部12,13の振動による振動漏れで生じるCI値の振動片素子間のバラツキの増大を防いでいるものである。
しかし、本実施の形態では、図1に示すように基部110の両側に切り込み部125が2箇所設けられている。
この状態を示すのが図3である。図3は図1の基部110の切り込み部125の配置状態を示す概略斜視図である。
図3に示すように切り込み部125が矩形状に形成されている。
このような切り込み部125は、図1に示すように基部110の上端部から0.113mm下側から下方に向かって形成されている。
そして、基部110の底面から切り込み部125の上端部までの長さをA2とする。
また、基部110の底面から音叉腕121,122に形成されている溝部123,124の下端部までの長さをA3としたとき、A3の長さは、A2の長さより長くなるように切り込み部125が形成される。
そして、A3の長さはA1の長さと同じか、若しくはA3の長さがA1の長さより長くなるように形成される。したがって、音叉腕121,122の根元より基部110の底面側に前記溝部123,124が形成されないようになっている。
したがって、この切り込み部125の存在が、音叉腕部121、122の振動を阻害等することがない。
また、図4で斜線で示す部分は、音叉型水晶振動片100をパッケージにおいて固定する際に実際に固定される固定領域111である。この固定領域111の上端部と、基部110の底面との長さを示したのがA4である。
そして、この固定領域111と切り込み部125との位置関係は、A2の長さが、必ずA4の長さより長くなる。
したがって、切り込み部125の上端部は、必ず固定領域111より図4の上方に配置されるので、切り込み部125が固定領域111に影響を及ぼすことがなく、音叉型水晶振動片100のパッケージに対する固定状態に悪影響を与えることがない。
このような位置に設けられている切り込み部125は、音叉腕121,122の溝部123,124の位置より下方の基部110側に設けられている。このため、音叉腕121,122の振動により、溝部123,124から漏れてきた漏れ振動は、切り込み部125により、基部110の固定領域111に伝わり難くなる。
したがって、漏れ振動が固定領域111に伝わり、エネルギー逃げが生じ難くなり、従来のCI値の振動片素子間のばらつきは、標準偏差で10KΩ以上発生していたが、これによって、標準偏差は1KΩに激減した。
本実施の形態では、図1に示すように、音叉型水晶振動片100の基部110の長さは、音叉腕121,122の長さに対して上述のように34%になるように形成されていても、音叉腕121,122の振動による振動漏れが生じ難くCI値の振動片素子間のバラツキが安定化することになる。これにより、基部110の長さを短くすることができ、音叉型水晶振動片100の大きさを小型化することができる。
本実施の形態では、基部110の長さが図1に示すように0.56mmとすることができ、従来の音叉型水晶振動片10の図12に示す基部11の長さである0.7mmより著しく小さくすることが可能となる。
この音叉腕121、122のそれぞれの幅は、図1に示すように0.1mmに形成される。このように音叉腕121,122の腕幅を著しく狭くするのは、上述の式1である「f∝W/L2」の説明で詳述したように、音叉腕121、122の長さ(L)を短くしたためである。
すなわち、音叉腕121,122の長さを図1に示すように1.644mmと短くするには、上記式1から腕幅は、0.1mmにする必要があり、そのため腕幅を0.1mmとしたものである。
しかし、このように音叉腕121,122の腕幅を0.1mmとすると、CI値が大きくなるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、CI値の上昇を抑えるために図1に示すように音叉腕121,122の表面及び裏面に溝部123、124が設けられている。
しかし、本実施の形態の音叉型水晶振動片100は、図1に示すように音叉腕の121,122の表面及び裏面に溝部123、122を設けているので、図5に示すように音叉腕123,124の腕幅が0.1mmでも実用的なCI値である100KΩ以内に収まり、実用的な振動片となる。
また、図5では、溝部の深さを音叉腕121,122の厚み方向に対して45%以内に収めれば、腕幅が0.05mmであっても、振動片のCI値は実用的なCI値である100KΩ以内に収まることになる。
図6は、溝幅が腕幅の70%である場合の溝深さ(片側面)とCI値との関係を示す図である。図6に示すように溝部123,124の深さが音叉腕121,122の厚みの30%以上50%未満であればCI値が実用的な100KΩ以内に収まることになる。
一方、溝部123,124の深さを50%以上にすると、溝部123,124が音叉腕121,122の表面及び裏面に設けられるため、貫通孔となり、周波数が所望の周波数と異なるところで発振することになってしまう。
ところで、図6に示すように溝部123,124の深さを40%以上50%未満とすれば、CI値は実用的な100KΩ内に収まるだけでなく、CI値は安定することになる。
本実施の形態の溝部123,124は、音叉腕121,122の厚み方向の45%である0.045mmとしている。
この腕幅に対する溝幅の割合と、CI値との関係を示したのが図7である。図7に示すように、溝幅が腕幅の40%以上であれば、実用的なCI値である100KΩ内に収まることになる。
そして、溝幅が腕幅の70%以上に形成されれば、図7に示すように、CI値の振動片素子間のバラツキは安定化することになる。
したがって、図13(b)に示すように垂直成分の振動が加わり、音叉腕121,122が振動するが、この振動が基部110の切り込み部125で緩和され、エネルギーが基部110の固定領域111から逃げ、振動漏れが生じ、CI値の振動片素子間のバラツキが増大するのを未然に防止することができる。
また、この切れ込み部125は音叉腕121,122の振動を阻害せず、且つ基部110の固定領域111の固定に影響を与えない基部110の部分に配置されているため、音叉腕121、122の振動や音叉型水晶振動片100のパッケージに対する固定に悪影響を与えることがない。
そして、小型化された音叉型水晶振動片100は、実用的なCI値である100KΩ以内に収まっているだけでなく、CI値の振動片素子間のバラツキが安定化するように溝部123,124の深さや溝幅を調整しているので、より精度の高い超小型振動片となる。
図8は、本発明の第2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、上述の第1の実施の形態の音叉型水晶振動片100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8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8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。
このように形成されているパッケージ210のベース部211上にはパッケージ側電極214が設けられている。このパッケージ側電極214の上には導電性接着剤等を介して音叉型水晶振動片100の基部110の固定領域111が固定されている。
この音叉型水晶振動片100は、図1に示すように構成されているため、小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したセラミックパッケージ音叉型振動子200も小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な振動子となる。
図9は、本発明の第3の実施の形態に係る電子機器である携帯電話装置であるデジタル携帯電話300を示す概略図である。
このデジタル携帯電話300は、上述の第2の実施の形態のセラミックパッケージ音叉型振動子200と音叉型水晶振動片100とを使用している。
したがって、セラミックパッケージ音叉型振動子200と音叉型水晶振動片100の構成、作用当については、同一符号を用いる等して、その説明を省略する。
図9はデジタル携帯電話300の回路ブロックを示しているが、図9に示すように、デジタル携帯電話300で送信する場合は、使用者が、自己の声をマイクロフォンに入力すると、信号はパルス幅変調・符号化のブロックと変調器/復調器のブロックを経てトランスミッター、アンテナスイッチを開始アンテナから送信されることになる。
このうち、アンテナスイッチや変調器/復調器ブロック等を制御するためのコントローラが設けられている。
このコントローラは、上述の他に表示部であるLCDや数字等の入力部であるキー、更にはRAMやROM等も制御するため、高精度であることが求められる。また、デジタル携帯電話300の小型化の要請もある。
このような要請に合致するものとして上述のセラミックパッケージ音叉振動子200が用いられている。
図10は、本発明の第4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。
すなわち、音叉水晶発振器400では、その内部に配置された音叉型水晶振動片100が振動すると、その振動は、集積回路410に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。
すなわち、音叉水晶発振器400に収容されている音叉型水晶振動片100は、図1に示すように構成されているため、小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したデジタル音叉水晶発振器400も小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な発振器となる。
図11は、本発明に第5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11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11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。
このようなシリンダータイプ音叉振動子500に外部より電流等を印加すると音叉型水晶振動片100の音叉腕121,122が振動し、振動子として機能することになる。
このとき、音叉型水晶振動片100は、図1に示すように構成されているため、小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定しているので、この振動片を搭載したシリンダータイプ音叉振動子500も小型でCI値の振動片素子間のバラツキが安定した高性能な振動子となる。
なお、上述の実施の形態に係る音叉型水晶振動片100は、上述の例のみならず、他の電子機器、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いられることは明らかである。
先ず、水晶基板をエッチング等することで、図14の電極が形成されていない状態の音叉型水晶振動片が形成される。その後、この音叉型水晶振動片に電極を形成する。
以下、電極の形成工程を音叉腕120,130を中心に説明する。また、音叉腕130は音叉腕120と同様のため、以下の説明は、音叉腕120の説明のみとする。図16は電極形成工程を示す概略フローチャートである。図17は、音叉腕120に電極が形成される工程を示す概略図である。
このフォトレジストは紫外光に感光感度を持つ樹脂をベースとした化合物であり、流動性を有するため、例えばスプレーにより霧状に噴霧して塗布される。
また、フォトレジスト膜151の厚みは、例えば1μm乃至6μmとなっている。
これにより、図14の電極形成部分(斜線部分)に対応する形状のフォトレジストパターン152が形成される。
ところで、フォトレジストは、上述のように電極膜150上に塗布されるが、図17(a)の音叉腕120の角部であるエッジ部分(図における矢印E)をカバーするように塗布する必要がある。このとき、塗布するフォトレジストが粒子状になっていた方がエッジ部分Eのカバーが良い。
しかしながらフォトレジストをこのように粒子状のものを含んだ状態で塗布すると、フォトレジスト現像後のフォトレジストパターン152の外形は正確な略直線ではなく、粒子の外形に沿った略波線に形成されてしまう。
このようにフォトレジストパターン152の外形線が、不均一であると前記短絡防止用間隔W1が15μmという微細な間隔を形成する場合、部分的に間隔が保持されないおそれがある。
間隔が保持されていない部分は、エッチングされない部分となってしまうため、電極同士の短絡等のおそれがある。
すなわち、図18(a)に示すように、フォトレジストパターン152の外形線が不均一となり、このフォトレジストパターンをマスクとしてエッチングした場合、形成される溝電極120bと側面電極120dとが短絡等を生じないように、短絡防止用間隔W1が例えば15μm確保できるようにフォトレジストパターン152の外形がレーザによって調整される。
1とを別々に行う。
この場合、生産工程を減らすことができるので生産コストも下げることができる。
具体的には、上述のフォトレジストパターン152をマスクとして電極膜150をエッチングにより除去する。
図19(a)は、エッチングにより電極膜150が除去された状態を示す図である。図19(a)に示すように本実施の形態の製造方法によれば、短絡防止用間隔W1を正確に確保することができる。
このとき、上述のレーザ照射工程(ST3)の図17に示すレーザ照射で電極膜150の一部が溶解し、この溶解した電極膜150の一部がレジストパターン152と共に除去されるので、より正確に短絡防止用間隔W1を形成することができる。
そして、このとき、音叉型水晶振動片100全体については、図14に示すように基部電極140a等が所定の形状で形成され、音叉型水晶振動片100の電極配置が終了する。
このようにして製造された音叉型水晶振動片100は、音叉腕120、130の腕表面120e、130e及び腕裏面120f、130fの短絡防止用間隔W1が例えば15μmに正確保持され、溝電極120b、130bと側面電極120d、130dとが短絡等することを有効に防止することができ、不良が生じにくい音叉型水晶振動片となる。
110・・・基部
111・・・固定領域
121、122・・・音叉腕
123,124・・・溝部
125・・・切り込み部
200・・・セラミックパッケージ音叉振動子
210・・・パッケージ
211・・・ベース部
212・・・側面部
213・・・蓋体
214・・・パッケージ側電極
300・・・デジタル携帯電話
400・・・音叉水晶発振器
410・・・集積回路
500・・・シリンダータイプ音叉振動子
510・・・リード
520・・・ステム
530・・・キャップ
A 2 <A 3
且つ
A 1 −A 2 <A 2
且つ
A 1 −A 5 <A 5
を満たし、前記振動腕部の長さをLとしたとき、
A 1 /L<40%
を満たしていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、A 1 /L=34%であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部の前記一方の基部端部側の幅は、前記基部の前記他方の基部端部側の幅よりも小さいことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、A 1 ≦A 3 を満たしていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕部の幅が、50μm以上150μm以下であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記溝部の深さが、前記振動腕部の厚さに対して30%以上50%未満であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記溝部の深さが、前記振動腕部の厚さに対して40%以上50%未満であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記溝部の幅が、前記振動腕部の幅に対して40%以上であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記溝部の幅が、前記振動腕部の幅に対して70%以上100%未満であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、共振周波数が、略30KHz乃至略40KHzの範囲であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片の前記固定領域が固定されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る発振器は、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る電子機器は、前記振動片を備えていることを特徴とする。
[適用例1] 適用例1に係る振動片は、基部と、この基部から突出して形成されている振動腕部と、を有する振動片であって、前記基部には切り込み部が形成され、前記振動腕部の表面部及び裏面部には溝部が形成され、前記振動腕部の短辺である振動腕部幅は、50μm以上150μm以下であり、前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝部の深さは、前記振動腕部の深さ方向の全長である前記振動腕部の厚みに対して30%以上50%未満であり、前記溝部の開口における短辺である溝幅であって、前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝幅は、前記振動腕部幅に対して40%以上100%未満であり、前記振動片のCI値は100KΩ以下であることを特徴とする。
Claims (7)
- 基部と、この基部から突出して形成されている振動腕部と、を有する振動片であって、
前記基部には切り込み部が形成され、
前記振動腕部の表面部及び裏面部には溝部が形成され、
前記振動腕部の短辺である振動腕部幅は、50μm以上150μm以下であり、
前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝部の深さは、前記振動腕部の深さ方向の全長である前記振動腕部の厚みに対して30%以上50%未満であり、
前記溝部の開口における短辺である溝幅であって、前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝幅は、前記振動腕部幅に対して40%以上100%未満であり、
前記振動片のCI値は100KΩ以下であることを特徴とする振動片。 - 前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝部の深さは、前記振動腕部の厚みに対して40%以上50%未満の深さであることを特徴とする請求項1に記載の振動片。
- 前記表面部及び裏面部の少なくともいずれか一方の溝幅は、前記腕部幅の70%以上100%未満であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の振動片。
- 前記振動片が略30KHz乃至略40KHzで発振する水晶で形成されている音叉振動片であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の振動片。
- 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の振動片が、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。
- 請求項1乃至請求項4いずれかに記載の振動片と、集積回路とが、パッケージ内に収容されることを特徴とする発振器。
- 請求項1乃至請求項4いずれかに記載の振動片がパッケージ内に収容されている振動子を有し、前記振動子を制御部に接続して用いることを特徴とする電子機器。
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