JP2014171263A - 振動片、振動子、発振器、および電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧電振動片20は、基部21と、この基部21の一端側から二股に別れて並列に延出する一対の振動腕22とを備えた所謂音叉型の外形を有している。各振動腕22は、その両側面間の幅が比較的狭い部分である幅狭部23と、基部21に接続される根元部分において、幅狭部23から基部21側に向けて両側面間の幅が徐徐に広げられ基部21との付け根部で幅広となる幅広部24を有している。また、各振動腕22の両主面には、長手方向に沿って有底の長溝26a,26bが設けられている。幅広部24の突堤部25の幅t2と突堤部25’の幅t2’との和が、幅狭部23の突堤部25の幅t1と突堤部25’の幅t1’との和より小さくなるように各長溝26a,26bが形成されている。
【選択図】図1
Description
この音叉型屈曲振動片の振動腕を励振させたとき、その振動エネルギーに損失が生じると、CI(Crystal Impedance)値の増大やQ値の低下など、振動片の性能を低下させる原因となる。そこで、そのような振動エネルギーの損失を防止または低減するために、様々な工夫がなされている。
熱弾性損失効果(以下、単に熱弾性損失ともいう)によるQ値の低下を防止または抑制するために、矩形断面を有する振動腕(振動梁)の中心線上に溝、または孔を形成した音叉型の振動片が、例えば特許文献3に紹介されている。
このQ値と周波数との関係は、一般的に表すと、図11の曲線Fのようになる。同図において、Q値が極小Q0となる周波数が熱緩和周波数f0(=1/(2πτ))であり、すなわち、熱緩和周波数f0は、上記緩和振動数fmと同じものである(例えば、非特許文献1を参照)。
図10は、従来の振動片の典型例としての音叉型水晶振動片を模式的に示す平面図である。
図10において、特許文献3の音叉型水晶振動片1は、基部2から延出する2本の平行な振動腕3,4を備え、各振動腕3,4の中心線上に直線状の有底の長溝6,7が設けられている。この音叉型水晶振動片1の図示しない励振電極に所定の駆動電圧を印加すると、振動腕3,4は、図中想像線(二点鎖線)および矢印で示すように、互いに接近または離反する向きに屈曲振動する。
同様に、振動腕4の基部2との付け根部においては、屈曲振動により圧縮応力または引張応力が作用する第1の領域12と、この第1の領域12に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し、第1の領域12に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第2の領域13と、が存在し、第1の領域12と第2の領域13とにおいて、圧縮応力が作用したときに温度が上昇し、引張応力が作用したときには温度が下降する。
この熱伝導によって、振動腕3,4の振動エネルギーは、その一部が振動中常に熱弾性損失として失われ、その結果、音叉型水晶振動片1のQ値が低下して所望の振動特性を確保することが困難になる。
特許文献3の音叉型水晶振動片1では、各振動腕3,4の中心線上に設けられた長溝6,7によって圧縮側から引っ張り側への熱移動が阻止されることにより、熱弾性損失によるQ値の低下を防止または軽減することが可能としている。
振動片の小型化にあたっては、振動片の各部が小さくあるいは細くなることによる機械的な強度の低下という課題を考慮する必要がある。特に、振動片が振動する際に応力が集中する振動腕の基部との付け根部近傍の剛性が一定レベル以上確保できないと、振動の応力や落下した場合の衝撃などに対する耐衝撃性が十分でなくなり、振動片が破損する虞がある。
このような耐衝撃性を一定レベル以上確保したうえで、上記した機械的および熱的な振動エネルギー損失の軽減を実現し、且つ、小型化を図り得る振動片として、振動腕に形成する長溝の形状を工夫した振動片が、例えば特許文献4に紹介されている。
また、各振動腕には、その振動腕の長手方向に延びる有底の長溝が設けられている。この長溝は、振動腕の基部との付け根部近傍では溝幅が小さく、振動腕の先端側にいくに従って溝幅が徐徐に大きくなるように形成されている。
これにより、上記振動片は、振動腕の基部との付け根部分の長溝形成領域において、長溝の長手方向の両側壁から振動腕の両側面までの間に形成される突堤部の幅が、振動腕の先端側に比して基部側の方が広くなることにより剛性が強化される。
したがって、上記振動片は、振動腕の基部との付け根部の剛性を強化させることによって耐衝撃性を向上させつつ、長溝および切り込みによってCI値を抑え、且つ、Q値の低下を抑えながら、振動特性を悪化させることなく小型化することを可能としている。
これにより、上記振動片は、上述した振動腕の振動時の、圧縮側(高温側)から引っ張り側(低温側)への熱移動の熱伝導経路になる基材の肉厚が増えることから、熱伝導時間が短くなって熱緩和が促進されるので、熱弾性損失が増大してQ値が低下し、振動特性が劣化する虞があるという問題があった。
これにより、振動片は、長溝が幅狭部から基部に向かって同じ幅で設けられた構造である場合や、長溝が無い構造である場合に比して、熱伝導経路になる基材の肉厚が減少しているので、振動時の圧縮側(高温側)から伸張側(低温側)への熱伝導経路が長溝により迂回して長くなり、熱伝導時間が長くなる。
したがって、振動片は、振動腕の幅広部により基部との付け根部近傍の剛性が高められることにより耐衝撃性が向上するとともに、熱弾性損失が抑制されてQ値の低下が抑えられ、優れた振動特性を有することができる。
そして、第2幅部における溝部の幅は、第1幅部における溝部の幅よりも大きく、第2幅部における溝部および第1側面の間の幅と溝部および第2側面の間の幅との和は、第1幅部における溝部および第1側面の間の幅と溝部および第2側面の間の幅との和よりも小さい関係にある。
これにより、振動片は、従来構造と比較して、熱伝導経路になる基材の肉厚が減少しているので、振動時の圧縮側(高温側)から伸張側(低温側)への熱伝導経路が溝部により迂回して長くなり、この結果、熱伝導時間が長くなる。
したがって、振動片は、振動腕の第2幅部により基部との付け根部(根元)近傍の剛性が高められることにより耐衝撃性が向上するとともに、熱弾性損失が抑制されてQ値の低下が抑えられ、優れた振動特性を有することができる。
加えて、振動片は、振動腕の第1面および第2面に各1つの開口部を有する溝部が設けられた場合に比して、第1面および第2面の少なくとも一方の面に複数の溝部が設けられたことにより、その一方の面の中央に形成される突堤部(溝部と溝部との間の壁部分)がリブとして働くことで、振動腕の両側面(第1側面および第2側面)側の突堤部(溝部と各側面との間の壁部分)の幅が細くても、振動腕の十分な剛性を確保することができる。
したがって、振動片は、Q値の顕著な向上が図られ、優れた振動特性を有することができる。
また、振動片は、基部を支持部としてパッケージなどに支持・固定させた場合に起こる様々な不具合、例えば、振動片の先端が下方に傾いてパッケージなどに接触することの防止や、パッケージへの衝撃が基部を介してダイレクトに振動腕に伝わることによって起こり得る動作異常などを回避できるので、安定した振動特性を得ることができる。
加えて、振動片は、支持腕がパッケージなどに支持・固定されることで、振動腕の先端のパッケージとの接触の回避、パッケージからの衝撃の緩和などが可能となり、安定した振動特性を得ることができる。
図1(a)において、圧電振動片20は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料からなる。
本実施形態の圧電振動片20は、その水晶Z板を加工することにより形成された基部21と、この基部21の一端側(図において上端側)から二股に別れて並列に第1方向に延出する一対の振動腕22とからなる音叉型の外形を有して形成されている。
本実施形態の圧電振動片20においては、この切り込み31によって、各振動腕22の振動の伝達が遮断されるので、振動が基部21や支持腕30を介して外部に伝わる振動漏れを抑制し、CI値の上昇を防止することができる。
なお、各切り込み31は、圧電振動片20の落下に対する強度の確保をした上で、最適な幅や長さに調整して振動漏れを最小にするのが好ましい。
各振動腕22は、その中央部に、振動腕22において両側面間の幅が比較的狭い(第1幅)部分である幅狭部(第1幅部)23を有している。また、各振動腕22は、基部21に接続される根元部分において、幅狭部23から基部21側に向けて両側面間の幅が徐徐に広げられ(第2幅)基部21との付け根部で幅広となる幅広部(第2幅部)24を有している(ここで、第2幅>第1幅の関係にある)。さらに、各振動腕22の先端側には、幅狭部23よりも幅が広い錘部29が設けられている。
また、圧電振動片20は、各振動腕22が、先端部に錘部29を有することにより、先端部分が錘の機能を果たすので、振動腕22の長さを増大させることなく周波数を低くすることができる。
なお、本実施形態では、各振動腕22の基部21との付け根部の幅(幅広部24の最も広い部分の幅)が、錘部29の幅よりも広く形成されている。
これにより、圧電振動片20は、振動腕22の基部21との付け根部近傍の剛性が強くなるので、錘部29を設けることによる振動腕22の耐衝撃性などの劣化を抑制しつつ、高調波振動の抑制を図ることができる。
また、本実施形態では、振動腕22の幅狭部23が、振動腕22の中央部に一定の長さで等しい幅を有している構成を図示したが、これに限らず、幅狭部23は、テーパー状に形成されてもよい。
例えば、圧電振動片20は、振動腕22の幅広部24から延びる幅狭部23が、振動腕22の先端に向かって徐徐に細くなるテーパー状に形成されることにより、振動腕22を振動しやすくすることができる。
圧電振動片20は、このような、各振動腕22に設けられた長溝26a,26bによって、剛性が小さくなることで小型化に伴う周波数アップを抑制し、低周波数を維持しつつ小型化を実現することが可能となっている。
加えて、圧電振動片20は、振動腕22の両側面にある突堤部(長溝26a,26bと長溝26a,26bに近接する側面との間の壁部分)25で発生する温度上昇と温度低下に起因する熱の流れを抑制する働きが増すことにより、熱弾性損失を低減でき、Q値を改善することができる。
このようにすることにより、圧電振動片20は、振動腕22が振動する際に生じる応力の集中する領域が振動腕22の延在方向に分散されるので、振動腕22の錘部29の付け根部(幅狭部23と錘部29との境界)に応力が集中して破損するなどの不具合を回避できる。
すなわち、圧電振動片20は、振動腕22が振動する際に生じる応力の集中する領域が、振動腕22の延在方向に分散されることにより、振動腕22の錘部29の付け根部に応力が集中して破損するなどの不具合を回避できる。
加えて、圧電振動片20は、各振動腕22における錘部29の質量付加効果が増すので、サイズを増大させることなく低周波数化を図ることができる。
また、圧電振動片20は、振動腕22の錘部29の付け根部への応力集中により破損などが起こらないように、例えば、幅狭部23から錘部29に向かって広がるテーパー状に振動腕22の一部を形成した場合であれば、長溝26a,26bの一端側(振動腕22の先端側)を、幅狭部23と錘部29との境界に位置させてもよい。
これにより、各振動腕22の長溝26a,26bの内壁から両側面までの突堤部25の幅が、幅広部24の基部21との付け根部近傍で広くなるのを抑えている。
本実施形態では、図1(c)に示す振動腕22の幅広部24の突堤部25の幅t2と突堤部25’の幅t2’との和が、幅狭部23の突堤部25の幅t1と突堤部25’の幅t1’との和より小さくなるように、各長溝26a,26bが形成されている。
支持腕30は、このように屈曲されることにより、支持長さを確保しつつ小型化されている。支持腕30は、圧電振動片20において、パッケージ(図示せず)などに取り付けられる部分である。
圧電振動片20は、支持腕30がパッケージなどに取り付けられることによって、振動腕22および基部21をパッケージなどの支持面から浮いた状態にすることができる。
圧電振動片20は、一方の振動腕22において、励振電極33,34間に電圧を印加して、振動腕22の両側面を伸縮させることで振動腕22を振動させる。
励振電極33,34は、水晶をエッチングして圧電振動片20の長溝26a,26bを含む外形を形成した後で、例えば、ニッケル(Ni)またはクロム(Cr)を下地層として、その上に、蒸着またはスパッタリングにより例えば金(Au)による電極層を成膜し、その後フォトリソグラフィを用いてパターニングすることにより形成することができる。なお、クロムは水晶との密着性が高く、金は、電気抵抗が低く酸化し難いことで知られている。
図1(a)において、圧電振動片20に、外部に接続された励振手段としての発振回路(図示せず)から励振電極33,34(図1(b)を参照)に駆動電圧を印加すると、各振動腕22は、水平方向に、図中矢印で示すように互いに接近または離反する向きに振動する。なお、本実施形態の圧電振動片20は屈曲振動モードにて振動する。
この屈曲振動によって、各振動腕22の基部21との付け根部分の領域には、圧縮応力と引張応力とが発生する。具体的には、各振動腕22の図中の第1の領域110および第2の領域111に、圧縮応力と引張応力とが発生する。
詳述すると、図中左側の振動腕22の先端側が、図中右側の振動腕22に接近する向きに屈曲振動すると、図中左側の振動腕22の第1の領域110には、引張応力が作用して温度が下降し、第2の領域111には、圧縮応力が作用して温度が上昇する。
逆に、図中左側の振動腕22の先端側が図中右側の振動腕22から離反する向きに屈曲振動すると、図中左側の振動腕22の第1の領域110には、圧縮応力が作用して温度が上昇し、第2の領域111には、引張応力が作用して温度が下降する。
逆に、図中右側の振動腕22の先端側が図中左側の振動腕22から離反する向きに屈曲振動すると、図中右側の振動腕22の第1の領域110には、引張応力が作用して温度が下降し、第2の領域111には、圧縮応力が作用して温度が上昇する。
このように、各振動腕22の基部21との付け根部の内部には、圧縮応力が作用する部分と引張応力が作用する部分との間で温度勾配が生じ、その傾斜は、各振動腕22の振動の向きに対して逆向きになる。
圧電振動片20は、この温度勾配によって、熱が、圧縮側の部分から引張(伸張)側の部分へ、すなわち、高温側の部分から低温側の部分へと伝導される。
ここで、圧縮側から伸張側への熱伝導時間は、圧縮側の部分と伸張側の部分とを一定距離とした場合に、熱の伝導経路となる有底の長溝が形成されて残った圧電基材が肉厚であるほど、熱伝導経路が十分に確保されるので短くなる。
本実施形態の圧電振動片20は、各振動腕22の幅狭部23から基部21側に向けて上記両側面間の幅が徐徐に広げられた幅広部24を有しているとともに、それら幅狭部23から幅広部24の両側面に沿った形状の長溝26a,26bが設けられている。
すなわち、圧電振動片20は、各振動腕22が屈曲振動したときの圧縮側と伸張側との間で温度が平衡状態になるまでの緩和時間τ1が、長溝が幅狭部23から基部21に向かって直線的に設けられた構造である場合や、長溝が無い構造である場合、t1(t1’)とt2(t2’)とが等しい場合の緩和時間τ0よりも長くなる。
つまり、本実施形態の圧電振動片20の熱緩和周波数f10=1/(2πτ1)は、τ1>τ0であることから、長溝が幅狭部23から基部21に向かって直線的に設けられた構造である場合や、長溝が無い構造である場合、t1(t1’)とt2(t2’)とが等しい場合の圧電振動片の熱緩和周波数f0=1/2πτ0よりも低くなる。
f0=πk/(2ρCpa2) …(1)
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。
式(1)の熱伝導率k、質量密度ρ、熱容量Cpに振動部の材料そのものの定数を入力した場合、求まる緩和振動周波数f0は振動腕に長溝を設けていない場合の屈曲振動部の緩和振動周波数となる。
したがって、振動腕22の機械的な振動周波数(共振周波数)をfrとした場合にfrが熱緩和周波数f0以上となる範囲(1≦fr/f0)では、曲線F1におけるQ値は、曲線FにおけるQ値よりも常に高くなる。
加えて、曲線Fと曲線F1との交点の周波数より高い周波数帯(1<fr/(f0+(f0f10)1/2))においても、圧電振動片20の曲線F1におけるQ値は、曲線FにおけるQ値より高くなる。
上記実施形態では、各振動腕22の第1面22aおよび第2面22bに、同一形状の有底の長溝26a,26bを平面視で重なる位置関係で配置して形成した構成の圧電振動片20を説明した。
これに限らず、圧電振動片は、振動腕の第1面22aに開口部を有する有底の長溝と、第2面22bに開口部を有する有底の長溝とを平面視で並べて配設する構成としてもよい。
図2は、開口面が異なる有底の長溝を振動腕に並設させた圧電振動片の変形例を模式的に説明するものであり、(a)は一方の主面(第1面)側の平面図、(b)は、(a)のA2−A2線断面を示す断面拡大図、(c)は、(a)のB2−B2線断面を示す断面拡大図である。なお、本変形例では、図2において、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
各振動腕22は、その中央部に幅狭部(第1幅部)23を有し、幅狭部23から基部21側に向けて振動腕の両側面の幅が徐徐に広げられた幅広部(第2幅部)24を有し、各振動腕22の先端側には、幅狭部23よりも幅が広い錘部29を有している。
すなわち、各振動腕22には、第1面22aに開口部を有する第1溝部46aと、第2面22bに開口部を有する第2溝部46bとが、平面視で並設されている。
例えば、図2において、第1溝部46aの第1深さd1および第2溝部46bの第2深さd2は、共に0.9tとする。ここで、第1深さd1および第2深さd2は、距離tよりも小さく、第1深さd1と第2深さd2との和が距離tを超えていれば、共に0.9tであることに限らず、たとえばd1=0.9t、d2=0.4tの組合せであってもよく、d1=0.6t、d2=0.8tなどの組合せであってもよい。
第1深さd1および第2深さd2が距離tよりも小さいことにより、第1溝部46aおよび第2溝部46bが非貫通孔となるので、各溝部46a,46bを貫通孔とした場合に比して、各振動腕22の剛性を高めることができる。
また、第2溝部46bは、幅狭部23では、他方の側面(図中右側の側面)と平行な一本の直線状を呈して形成され、幅広部24では、その幅広部24の他方の側面(図中右側の側面)に沿って、基部21に接続される根元部に向かって徐徐に両側面方向に広がる形状を呈して形成されている。
これにより、各振動腕22の第1溝部46a、第2溝部46bのそれぞれの内壁のうち各振動腕22の両側面に近い方の内壁から近接する側面までの突堤部45の幅が、幅広部24の基部21との付け根部近傍で広くなるのを抑えている。
本変形例では、図2(c)に示す振動腕22の幅広部24の突堤部45の幅t2と突堤部45’の幅t2’との和が、幅狭部23の突堤部45の幅t1と突堤部45’の幅t1’との和より小さくなるように、第1溝部46aおよび第2溝部46bが形成されている。
これにより、圧電振動片40は、熱伝導による温度平衡させるまでの緩和時間τが長くなり、緩和時間τに反比例する緩和振動周波数f0が屈曲振動周波数fから遠ざけられ、熱弾性損失によるQ値の低下がより抑制される。
図3において、三角のマーカーは、図2(b)、(c)に示した振動腕の断面形状の場合のプロット、黒塗りの四角のマーカーは、図1(b)、(c)に示した振動腕の断面形状を「H」にしたH型の場合のプロット、白抜きの菱形のマーカーは、振動腕22のいずれの主面にも溝部を設けていない平板の場合のプロットである。また、太い実線は三角マーカーの値の近似直線、破線は四角マーカー間の補間直線、一点鎖線は菱形マーカー間の補間直線である。
図3に示すように、屈曲振動片においては、振動腕22の断面形状を図2に示した形状にして、f/fmを0.09より大きい値とすることで、H型の場合よりも高いQ値を得られることが明らかとなった。
さらに、上記屈曲振動片(圧電振動片40に相当)は、f/fmを0.25より大きい値とすることで、H型および平板のいずれの場合よりも高いQ値を得ることができ、f/fmを1より大きくすれば、H型および平板のいずれの場合よりも格段に高いQ値を得ることができる。
上記実施形態では、各振動腕22の第1面22aおよび第2面22b(両主面)に、同一形状の有底の長溝26a,26bを、1つずつ形成した構成の圧電振動片20を説明した。これに限らず、圧電振動片は、振動腕の両主面の少なくとも一方に、複数の長溝を形成する構成としてもよい。
図4および図5は、振動腕の両主面(第1面および第2面)の少なくとも一方に複数の長溝を形成する構成の圧電振動片の変形例を模式的に説明するものであり、図4および図5ともに、(a)は、一方の主面(第1面)側の平面図、(b)は、(a)のA3−A3線断面またはA4−A4線断面を示す断面拡大図、(c)は、(a)のB3−B3線断面またはB4−B4線断面を示す断面拡大図である。なお、本変形例では、図4および図5において、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
図4(a)に示す圧電振動片80は、一対の切り込み31が形成された基部21と、基部21の第1の部分21aの一端側から互いに平行に第1方向に延出する一対の振動腕22と、基部21の第2の部分21bから延びる一対の支持腕30と、を有している。
各振動腕22は、その中央部に幅狭部(第1幅部)23を有し、幅狭部23から基部21側に向けて振動腕の両側面の幅が徐徐に広げられた幅広部(第2幅部)24を有し、各振動腕22の先端側には、幅狭部23よりも幅が広い錘部29を有している。
これらの長溝86a,86cは、各振動腕22において、それぞれの近傍の側面に沿った形状を有して形成されている。
すなわち、一方の長溝86aは、幅狭部23では、一方の側面(図中左側の側面)と平行な一本の直線状を呈して形成され、幅広部24では、その幅広部24の一方の側面(図中左側の側面)に沿って、基部21に接続される根元部に向かって徐徐に両側面方向に広がる形状を呈して形成されている。
他方の長溝86cは、幅狭部23では、他方の側面(図中右側の側面)と平行な一本の直線状を呈して形成され、幅広部24では、その幅広部24の他方の側面(図中右側の側面)に沿って、基部21に接続される根元部に向かって徐徐に両側面方向に広がる形状を呈して形成されている。
また、長溝86aと長溝86cとが隣接する各振動腕22の中央側の側壁は、振動腕22の長手方向に平行な直線状の突出部を間に挟んで形成されている。つまり、並設された長溝86a,86cは、振動腕22の第1面22aの長手方向の仮想の中心線に対して線対称となる形状にて設けられている。
これらの第2面22bに設けられた長溝86b,86dと、第1面22aに設けられた長溝86a,86cとは、平面視で、同一の外形を有して、且つ、重なるように配置されている。
圧電振動片80は、図4(c)に示す振動腕22の幅広部24の突堤部85の幅t2と突堤部85’の幅t2’との和が、幅狭部23の突堤部85の幅t1と突堤部85’の幅t1’との和より小さくなるように、各長溝86a,86cおよび長溝86b,86dが形成されている。
図5に示す圧電振動片60は、各振動腕22の第1面22aに設けられた2つの長溝(第1溝部)66a,66cと、各振動腕22の第2面22bの、平面視で長溝66aと長溝66cとの間の領域で、且つ、長溝66a,66cと重ならない領域に設けられた長溝(第2溝部)66bと、を有している。
また、長溝66a,66cは、各振動腕22において、それぞれの近傍の側面に沿った形状を有して形成されている。
すなわち、一方の長溝66aは、幅狭部(第1幅部)23では、一方の側面(図中左側の側面)と平行な一本の直線状を呈して形成され、幅広部24では、その幅広部(第2幅部)24の一方の側面(図中左側の側面)に沿って、基部21に接続される根元部に向かって徐徐に両側面方向に広がる形状を呈して形成されている。
他方の長溝66cは、幅狭部23では、他方の側面(図中右側の側面)と平行な一本の直線状を呈して形成され、幅広部24では、その幅広部24の他方の側面(図中右側の側面)に沿って、基部21に接続される根元部分に向かって徐徐に両側面方向に広がる形状を呈して形成されている。
また、長溝66aと長溝66cとが隣接する各振動腕22の中央側の側壁は、振動腕22の長手方向に平行な直線状の突出部を間に挟んで形成されている。つまり、並設された長溝66a,66cは、振動腕22の第1面22aの長手方向の仮想の中心線に対して線対称となる形状にて設けられている。
圧電振動片60は、図5(c)に示す振動腕22の幅広部24の突堤部65の幅t2と突堤部65’の幅t2’との和が、幅狭部23の突堤部65の幅t1と突堤部65’の幅t1’との和より小さくなるように、各長溝66a,66cが形成されている。
これにより、圧電振動片80,60は、緩和時間τが長くなるので、熱弾性損失によるQ値の低下がより抑制される。
上記実施形態および変形例では、基部21から一対の振動腕22および支持腕30が延出された構成の圧電振動片20,40,60,80を代表例として説明した。
これらに限らず、本発明の特徴である振動片の振動腕と基部との付け根部近傍の構成、すなわち、振動腕が有する幅広部における長溝の形状の特徴は、上記実施形態および変形例で説明した構成と異なる振動片においても効果を奏することができる。
図6は、上記実施形態および変形例とは異なる構成の振動片において、本発明の特徴を適用した変形例を模式的に説明する一方の主面(第1面)側の平面図である。なお、本変形例では、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
また、基部121における一対の振動腕122の間からは、各振動腕122と平行に配置された支持腕としての中央支持腕130が延出して設けられている。
振動腕122は、その中央部に、振動腕122において上記両側面間の幅が比較的狭い部分である幅狭部(第1幅部)123を有している。また、各振動腕122は、基部121に接続される根元部分において、幅狭部123から基部121側に向けて上記両側面間の幅が徐徐に広げられ基部121との付け根部で幅広となる幅広部(第2幅部)124を有している。さらに、各振動腕122の先端側には、幅狭部123よりも幅が広い錘部129を有している。
なお、長溝126aは、各振動腕122の第1面122a側または第2面122b側のみに設けられている構成としてもよい。
これにより、圧電振動片100は、各振動腕122の長溝126aの両側の内壁から両側面までの突堤部125の幅が、幅広部124の基部121との付け根部近傍で広くなるのを抑えている。
また、中央支持腕130は、振動する一対の振動腕122のそれぞれよりも大きな質量を有するように形成されている。ここで、中央支持腕130の質量は、各振動腕122の質量よりも、若干大きいことが好ましい。
また、中央支持腕130の第1面122aおよび第2面122bの少なくとも一方には、対応する上記各励振電極と図示しない接続配線とにより接続されたマウント電極が設けられている。
中央支持腕130は、図示しないパッケージなどに取り付けられる部分であり、例えば、パッケージの底部に設けられた接続パッドと、対応する上記マウント電極とを位置合わせして導電性接着剤などを介して接着・固定されることにより、パッケージと圧電振動片100との電気的な接続を図ることができる。
また、圧電振動片100は、中央支持腕130がパッケージの接続パッドに固定されることによって、振動腕122および基部121をパッケージの底部から浮いた状態にすることができる。
すなわち、圧電振動片100は、中央支持腕130が一対の振動腕122間に設けられていることにより、各振動腕122が振動した際に、特に、各振動腕122が互いに接近する向きに振動したときに、各振動腕122間の空気が攪乱されることによって起こる圧電振動片100の動作パラメーターの変化を抑制することができる。
また、圧電振動片100は、基部121を支持部としてパッケージなどに支持・固定された場合に起こる様々な不具合を回避することができる。例えば、圧電振動片100は、振動腕122の先端が下方に傾いてパッケージなどへ接触することの防止や、パッケージへの衝撃がダイレクトに各振動腕122に伝わって起こる動作異常などを、中央支持腕130によって回避できる。
したがって、圧電振動片100は、より安定した振動特性を得ることができる。
これに限らず、圧電振動片は、例えば、振動腕先端側の幅狭部から基部側に向かって徐徐に幅が広がる連続したテーパー形状が、基部との付け根部の手前まで形成され、そこから、基部との付け根部に向かって振動腕の延出方向に沿ったストレート部分が設けられた振動腕としてもよい。
そして、圧電振動片は、その振動腕の外形(両側面)に沿った形状の長溝を設けることにより、振動腕の基部との付け根部近傍において長溝に鋭角な部分がなくなる。
これにより、圧電振動片は、例えば、エッチングにより長溝を形成する際に、エッチング残りが減少し、所望の形状の長溝を形成することができる。
これに限らず、圧電振動片は、固定端となる基部を有する1本の振動腕のみにより構成されるビーム型タイプであっても、あるいは、3本以上の振動腕を有するタイプであっても、上記実施形態および変形例と同様な効果を得ることができる。
図7は、上記実施形態および変形例などで説明した振動片を備えた振動子の概略構成を示す模式図であり、図7(a)は平面図、図7(b)は、図7(a)のC−C線での断面図である。
図7に示すように、振動子500は、振動片としての圧電振動片20,40,60,80,100のいずれかと(ここでは、一例として圧電振動片20)、圧電振動片20が収納されたパッケージ280と、を含んで構成されている。
パッケージベース281は、圧電振動片20を収納できるように凹部が形成され、その凹部に圧電振動片20の図示しないマウント電極と接続される接続パッド288が設けられている。
接続パッド288は、パッケージベース281内の配線に接続され、パッケージベース281の外周部に設けられた外部接続端子283と導通可能に構成されている。
圧電振動片20は、パッケージベース281の接続パッド288に導電性接着剤284を介して接着固定されている。そして、パッケージ280は、パッケージベース281の凹部を覆う蓋体285とシームリング282とがシーム溶接されている。
パッケージベース281の貫通孔286には、金属材料などからなる封止材287が充填されている。この封止材287は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース281内が減圧状態を保持できるように、貫通孔286を気密に封止している。
振動子500は、外部接続端子283を介した外部からの駆動信号により圧電振動片20が励振され、所定の周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
図8は、上記実施形態および変形例などで説明した振動片を備えた発振器の概略構成を示す模式図であり、図8(a)は平面図、図8(b)は、図8(a)のD−D線での断面図である。
発振器600は、上記振動子500の構成に発振回路をさらに備えた構成となっている。なお、振動子500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8に示すように、発振器600は、振動片としての圧電振動片20,40,60,80,100のいずれかと(ここでは一例として圧電振動片20)、圧電振動片20に接続された発振回路としてのICチップ291と、圧電振動片20及びICチップ291が収納されたパッケージ280と、を含んで構成されている。
ICチップ291は、パッケージベース281の底部に固着され、金(Au)、アルミニウム(Al)などの金属ワイヤー292により他の配線と接続されている。
発振器600は、ICチップ291からの駆動信号により圧電振動片20が励振され、所定の周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
なお、発振器600は、ICチップ291がパッケージ280の外部に取り付けられている構成(モジュール構造)としてもよい。
図9は、上記実施形態および変形例などで説明した振動片を備えた電子機器の一例を示す模式斜視図である。
図9に示す電子機器としての携帯電話700は、上述した振動片(圧電振動片20,40,60,80,100のいずれかなど)を、例えば、基準クロック発振源として用い、更に液晶表示装置701、複数の操作ボタン702、受話口703、及び送話口704を備えて構成されている。
本発明のある形態に係る振動片は、基部と、前記基部から第1方向に延出し、第1面、前記第1面と表裏の関係にある第2面、前記第1面と前記第2面とに接続されている第1側面、及び前記第1側面と表裏の関係にある第2側面を含む振動腕と、を含み、前記振動腕は、平面視で、錘部と、前記錘部よりも前記基部側に配置されている腕部と、を含み、前記振動腕は、前記錘部側に設けられている第1幅部と、前記第1幅部よりも前記基部側に設けられ、且つ、前記第1幅部よりも前記第1方向と直交する第2方向に沿った幅が大きい第2幅部と、前記第1面及び前記第2面の少なくとも何れかに、前記第1方向に沿って設けられ、且つ、前記第2幅部における前記第2方向に沿った幅が、前記第1幅部における前記第2方向に沿った幅よりも大きい溝部と、を含み、前記溝部の一端側は、平面視で、前記錘部と前記腕部との境よりも前記錘部側に配置され、前記第2幅部における前記溝部と前記第1側面との間の前記第2方向に沿った幅と、前記溝部と前記第2側面との間の前記第2方向に沿った幅と、の和は、前記第1幅部における前記溝部と前記第1側面との間の前記第2方向に沿った幅と、前記溝部と前記第2側面との間の前記第2方向に沿った幅と、の和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、前記溝部が複数の溝から構成され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、前記振動腕は一対の振動腕からなり、前記基部から前記第1方向に延出し、平面視で、前記一対の振動腕の間に配置されている支持腕を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収納されているパッケージと、を含むことを特徴とする。
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、を含むことを特徴とする。
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。
Claims (8)
- 基部と、
前記基部から第1方向に延出された振動腕と、を備え、
前記振動腕は、第1面と、該第1面に対向する第2面と、前記第1面および前記第2面を接続し前記第1方向に延びる第1側面と、該第1側面に対向する第2側面と、を有し、
前記振動腕は、第1幅を有した第1幅部と、前記振動腕の根元に設けられ且つ前記第1幅よりも大きい第2幅を有した第2幅部と、を有し、
前記振動腕は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方に設けられ且つ前記第1方向に延びる溝部を有し、前記第2幅部における前記溝部の幅は、前記第1幅部における前記溝部の幅よりも大きく、
前記第2幅部における前記溝部と前記第1側面との間の幅および前記溝部と前記第2側面との間の幅の和は、前記第1幅部における前記溝部と前記第1側面との間の幅および前記溝部と前記第2側面との間の幅の和よりも小さいことを特徴とする振動片。 - 請求項1に記載の振動片において、
前記第1面および前記第2面の少なくとも一方に前記溝部が複数設けられたことを特徴とする振動片。 - 基部と、
前記基部から第1方向に延出された振動腕と、を備え、
前記振動腕は、第1面と、該第1面に対向する第2面と、前記第1面および前記第2面を接続し前記第1方向に延びる第1側面と、該第1側面に対向する第2側面と、を有し、
前記振動腕は、第1幅を有した第1幅部と、前記振動腕の根元に設けられ且つ前記第1幅よりも大きい第2幅を有した第2幅部と、を有し、
前記振動腕は、前記第1面に設けられた第1溝部と、前記第2面に設けられた第2溝部と、を有し、前記第1溝部および前記第2溝部は前記第1方向に延び、
前記第1面の法線方向からの平面視において、前記第1溝部と前記第2溝部とが前記第1方向に直交する方向に配列されており、
前記第1溝部の第1深さおよび前記第2溝部の第2深さの各々は、前記第1面と前記第2面との間の前記法線方向の距離よりも小さく、且つ、前記第1深さと前記第2深さとの和は、前記距離よりも大きく、
前記第2幅部における前記第1溝部の幅が前記第1幅部における前記第1溝部の幅よりも大きいか、または、前記第2幅部における前記第2溝部の幅が前記第1幅部における前記第2溝部の幅よりも大きいことを特徴とする振動片。 - 請求項3に記載の振動片において、
前記第1側面は前記第1溝部側にあり、前記第2側面は前記第2溝部側にあり、
前記第2幅部における前記第1溝部と前記第1側面との間の幅および前記第2溝部と前記第2側面との間の幅の和は、前記第1幅部における前記第1溝部と前記第1側面との間の幅および前記第2溝部と前記第2側面との間の幅の和よりも小さいことを特徴とする振動片。 - 請求項3または4に記載の振動片において、
前記第1面および前記第2面の少なくとも一方に複数の前記第1溝部または前記第2溝部が設けられたことを特徴とする振動片。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片が収納されたパッケージと、
を含むことを特徴とする振動子。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片に接続された発振回路と、
を含むことを特徴とする発振器。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の振動片を用いたことを特徴とする電子機器。
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