JP2014200026A - 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動素子1は、振動部21と、振動部21よりも厚みが厚い厚肉部22とを含む圧電基板2を有している。また、厚肉部22は、振動部21の第1外縁211に沿って設けられている第1厚肉部23と、第2外縁213に沿って設けられている第2厚肉部24と、第1外縁212に沿って設けられている第3厚肉部25とを有し、圧電基板2の先端部には、X軸およびZ’軸の両軸に対してそれぞれ傾斜している傾斜外縁部26が設けられている。
【選択図】図1
Description
特許文献1には、薄肉の振動部と、振動部の全周に設けられた厚肉部とを有する逆メサ構造のATカット水晶振動素子が開示されており、このATカット水晶振動素子は、前記厚肉部の一端部において接着材を介してパッケージに固定される。ATカット水晶振動素子が片持ち支持された状態では、ATカット水晶振動素子に対して厚み方向の加速度が加わると、先端部(振動部)が変形し、振動特性(周波数特性)が安定しないという問題がある。特に、特許文献1に記載されているATカット水晶振動素子では、振動部の全周囲に厚肉部が形成されていて、先端部の重量が重いため、加速度に対する影響が大きく、その分、周波数のずれ量も大きくなってしまう。なお、上記のような先端部(振動部)の変形を低減するために、厚肉部の厚みを厚くして剛性を高めることが考えられるが、厚肉部の厚みを厚くすると、ウエットエッチングによる振動部の形成精度が低下し、得られた振動素子の振動特性が所定の特性に収まらなくなるという問題が生じる。
[適用例1]
本発明の振動素子は、厚み滑り振動で振動する振動領域を含む第1領域、及び前記第1領域と一体化され、前記第1領域よりも厚さが厚い第2領域を含む基板と、
前記振動領域の表裏面にそれぞれ設けられている励振電極と、
を含み、
前記第1領域は、
前記厚み滑り振動の振動方向に離間し、前記振動方向と交差する一対の第1外縁と、
前記振動方向に直交する方向に離間している一対の第2外縁と、
を含み、
前記第2領域は、
一方の前記第1外縁に沿って設けられ、
対象物に固定される固定部が設けられている第1厚肉部と、
一方の前記第2外縁に沿って設けられ、かつ、前記第1厚肉部と接続されている第2厚肉部と、
を含み、
他方の前記第2外縁は露出しており、
前記基板の前記他方の第1外縁側かつ前記他方の第2外縁側の角部には、前記基板の平面視で、前記振動方向および前記振動方向と直交する方向の両方向に対してそれぞれ傾斜している傾斜外縁部が設けられていることを特徴とする。
これにより、先端側(固定部と反対側)の質量が低減され、加速度(振動)等の外力による振動特性の変化を抑制し、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子が得られる。また、厚肉部の厚みを抑えることができ、振動素子の大型化を低減することができる。
本発明の振動素子では、前記基板の前記振動方向の長さをL、
前記第1領域の前記振動方向の長さをL1としたとき、
L1/L≦0.52
なる関係を満足していることが好ましい。
これにより、加速度(振動)等の外力による第1領域の撓みを低減することができる。
本発明の振動素子では、前記基板の平面視で、
前記基板の前記振動方向と直交する方向の長さをW、
前記第1領域の前記振動方向と直交する方向の長さをW1としたとき、
W1/W≧0.5
なる関係を満足していることが好ましい。
これにより、加速度(振動)等の外力による第1領域の撓みを低減することができる。
本発明の振動素子では、前記傾斜外縁部の前記振動方向に対する傾斜角は、40°以上、50°以下であることが好ましい。
これにより、傾斜外縁部の質量低減効果をより効果的に発揮させることができる。
[適用例5]
本発明の振動素子では、前記第2領域の平均厚さは、50μm以上、70μm以下であることが好ましい。
これにより、振動素子の剛性を高めつつ、第1領域の形成を精度よく行うことができる。
本発明の振動素子では、他方の前記第1外縁は、露出していることが好ましい。
これにより、振動素子の先端側の質量を低減することができる。
[適用例7]
本発明の振動素子では、前記第2領域は、さらに、他方の前記第1外縁に沿って設けられ、かつ、前記第2厚肉部と接続されている第3厚肉部を含むことが好ましい。
これにより、第1領域の剛性を高めることができ、加速度(振動)等の外力による第1領域の撓みをより低減することができる。
本発明の振動素子では、前記基板は、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸、機械軸としてのY軸、および光学軸としてのZ軸のうち、前記X軸を回転軸として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ+Z側が回転するように傾けた軸をZ’軸、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ+Y側が回転するように傾けた軸をY’軸とし、前記X軸及び前記Z’軸を含む面を主面とし、前記Y’軸に沿った方向を厚さとする水晶板であることが好ましい。
これにより、温度特性に優れた振動素子が得られる。
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子が収容されているパッケージと、
を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
本発明の発振器は、本発明の振動素子と、
前記前記振動素子を駆動する発振回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例12]
本発明の移動体は、本発明の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
1.振動素子
まず、本発明の振動素子について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態にかかる振動素子の斜視図である。図2は、図1に示す振動素子の平面図である。図3は、ATカット水晶基板と水晶の結晶軸との関係を説明する図である。図4は、図1に示す振動素子を対象物に固定した状態を示す側面図である。図5は、傾斜縁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。図6は、厚肉部の厚みとG感度との関係を示すグラフである。図7は、第3厚肉部の幅とG感度との関係を示すグラフである。図8は、第3厚肉部の幅と撓み量の関係を示すグラフである。図9は、振動素子の先端部の質量を低減するパターンを示す図である。図10は、図9に示す各パターンの除去部のモーメントとG感度との関係を示すグラフである。図11は、水晶の結晶軸と応力感度との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図2中の右側を先端、左側を基端とも言う。
図1および図2に示すように、振動素子1は、圧電基板(基板)2と、圧電基板2上に形成された電極3とを有している。
圧電基板2は、板状の水晶基板である。ここで、圧電基板2の材料である水晶は、三方晶系に属しており、図3に示すように互いに直交する結晶軸X、Y、Zを有している。X軸、Y軸、Z軸は、それぞれ、電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。本実施形態の圧電基板2は、XZ面をX軸の回りに所定の角度θ回転させた平面に沿って切り出された「回転Yカット水晶基板」であり、たとえばθ=35°15’だけ回転させた平面に沿って切り出された場合の基板は「ATカット水晶基板」という。このような水晶基板を用いることにより優れた温度特性を有する振動素子1となる。ただし、圧電基板2としては、厚みすべり振動を励振することができれば、ATカットの圧電基板に限定されず、例えば、BTカットの圧電基板を用いてもよい。
圧電基板2は、平面視にて、X軸に沿った方向を長辺とし、Z’軸に沿った方向を短辺とする略長手形状をなしている。また、圧電基板2は、−X軸方向を先端側とし、+X軸方向を基端側としている。
ここで、第2厚肉部24を振動部21に対して+Z’軸側に設けることによって、第2厚肉部24を−Z’軸側に設けた場合と比較して、後述する傾斜部241の幅(Z’軸方向の長さ)を短くすることができる。そのため、このような厚肉部22によれば、振動素子1の小型化を図ることができる。
電極3は、一対の励振電極31、32と、一対のパッド電極33、34と、一対の引出電極35、36とを有している。励振電極31は、振動領域219の表面に形成されている。一方、励振電極32は、振動領域219の裏面に、励振電極31と対向して配置されている。励振電極31、32は、それぞれ、X軸方向を長手とし、Z’軸方向を短手とする略矩形である。また、裏面側の励振電極32の面積は、表面側の励振電極31よりも大きく、振動素子1の平面視にて、励振電極32内に、励振電極31の全域が位置している。
パッド電極33は、厚肉部本体232の表面のマウント部29に形成されている。一方、パッド電極34は、厚肉部本体232の裏面に、パッド電極33と対向して形成されている。
このような電極3の構成としては、特に限定されないが、例えば、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)等の下地層に、Au(金)やAl(アルミ)、およびAu(金)やAl(アルミ)を主成分とする合金を積層した金属被膜で構成することができる。
図1および図2に示すように、圧電基板2の第1外縁212側かつ第2外縁214側に位置する角部には、平面視で、X軸方向およびZ’軸方向の両方向に対してそれぞれ傾斜している傾斜外縁部26が設けられている。傾斜外縁部26は、−X軸側かつ−Z’側に位置する角部を切り欠くように設けられている。このような傾斜外縁部26を有することによって、振動素子1の先端側の質量を低減することができる。そのため、図4に示すように、マウント部29において接着材を介して対象物に固定されている状態で、振動素子1にY’軸方向の角速度が加わった際の振動素子1の先端側(振動部21)の撓み量を低減することができる。その結果、Y’軸方向の加速度に起因する振動特性(周波数)の変化を小さく抑えることができ、振動素子1のY’軸方向の加速度に対する感度を鈍くすることができる。したがって、振動素子1は、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、安定した振動特性を発揮することができる。また、振動素子1によれば、十分に、振動素子1のY’軸方向の加速度に対する感度を鈍くすることができるため、例えば、厚肉部22を過度に厚くして剛性を高める必要がなくなり、振動素子1の大型化が防止される。
ここで、図9(a)に示す振動素子の先端部の質量を小さくするには、図9(b)に示すように、厚肉部本体252の幅を小さくしたり、図9(c)に示すように、厚肉部本体242の幅を小さくしたり、図9(d)に示すように、先端部の+Z’軸側の角部を除去したり、図9(e)に示すように、先端部の−Z’軸側の角部を除去したりする場合が考えられる。なお、以下では、図9(b)をパターンP1とも言い、図9(c)をパターンP2とも言い、図9(d)をパターンP3とも言い、図9(e)をパターンP4とも言う。
図11は、水晶振動子に加わる力Fによる共振周波数の変位との関係を表すグラフである。力Fと水晶のX軸との交差角度をψとしたとき、ψ=0°のとき、力Fは、X軸の方向に沿って作用し、ψ=90°のとき、力Fは、Z’軸の方向に沿って作用することになる。
次に、本発明の振動素子の第2実施形態について説明する。
図12は、本発明の第2実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第2実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第2実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、本発明の振動素子の第3実施形態について説明する。
図13は、本発明の第3実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
以下、第3実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第3実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
次に、前述した振動素子1を適用した振動子(本発明の振動子)について説明する。
図14は、本発明の振動子の好適な実施形態を示す断面図である。
図14に示す振動子10は、前述した振動素子1と、振動素子1を収容するパッケージ4とを有している。
パッケージ4は、上面に開放する凹部411を有する箱状のベース41と、凹部411の開口を塞いでベース41に接合された板状のリッド42とを有している。そして、凹部411がリッド42によって塞がれることにより形成された収容空間Sに振動素子1が収納されている。収容空間Sは、減圧(真空)状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
接続電極451、461、外部実装端子452、462の構成としては、それぞれ、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、Cr(クロム)、W(タングステン)などのメタライズ層(下地層)に、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。
振動素子1のパッド電極34は、ボンディングワイヤー52を介して接続電極461に電気的に接続されている。前述したように、パッド電極34は、パッド電極33と対向して配置されているため、振動素子1がベース41に固定されている状態では、導電性接着材51の直上に位置している。そのため、ワイヤーボンディング時にパッド電極34に与える振動(超音波振動)の漏れを抑制することができ、パッド電極34へのボンディングワイヤー52の接続をより確実に行うことができる。
次に、本発明の振動素子を適用した発振器(本発明の発振器)について説明する。
図15は、本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。
図15に示す発振器100は、振動子10と、振動素子1を駆動するためのICチップ110とを有している。以下、発振器100について、前述した振動子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の振動素子を適用した電子機器(本発明の電子機器)について説明する。
図16は、本発明の電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部2000を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子10(振動素子1)が内蔵されている。
次に、本発明の振動素子を適用した移動体(本発明の移動体)について説明する。
図19は、本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車1500には、振動子10(振動素子1)が搭載されている。振動子10は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
また、前述した実施形態では、圧電基板として水晶基板を用いているが、これに替えて、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の各種圧電基板を用いてもよい。
特許文献1には、薄肉の振動部と、振動部の全周に設けられた厚肉部とを有する逆メサ構造のATカット水晶振動素子が開示されており、このATカット水晶振動素子は、前記厚肉部の一端部において接着材を介してパッケージに固定される。ATカット水晶振動素子が片持ち支持された状態では、ATカット水晶振動素子に対して厚み方向の加速度が加わると、先端部(振動部)が変形し、振動特性(周波数特性)が安定しないという問題がある。特に、特許文献1に記載されているATカット水晶振動素子では、振動部の全周囲に厚肉部が形成されていて、先端部の重量が重いため、加速度に対する影響が大きく、その分、周波数のずれ量も大きくなってしまう。
[適用例1]
本発明の振動素子は、厚み滑り振動で振動する振動領域を含む第1領域、及び前記第1領域と一体化され、前記第1領域よりも厚さが厚い第2領域を含む基板と、
前記振動領域の表裏面にそれぞれ設けられている励振電極と、
を含み、
前記第1領域は、
前記厚み滑り振動の振動方向に対して一方および他方に設けられている第1外縁と、
前記振動方向に交差する方向に対して一方および他方に設けられている第2外縁と、
を含み、
前記第2領域は、
一方の前記第1外縁に沿って設けられ、対象物に固定される固定部が設けられている第1厚肉部と、
一方の前記第2外縁に沿って設けられ、かつ、前記第1厚肉部と接続されている第2厚肉部と、
を含み、
他方の前記第2外縁は、前記基板の断面視にて露出しており、
前記基板の前記他方の第1外縁側かつ前記他方の第2外縁側の角部には、前記基板の平面視で、前記振動方向および前記振動方向と直交する方向の両方向に対してそれぞれ傾斜している傾斜外縁部が設けられていることを特徴とする。
これにより、先端側(固定部と反対側)の質量が低減され、加速度(振動)等の外力による振動特性の変化を抑制し、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子が得られる。また、厚肉部の厚みを抑えることができ、振動素子の大型化を低減することができる。
本発明の振動素子では、前記傾斜外縁部の前記振動方向に対する傾斜角は、40°以上、50°以下であることが好ましい。
これにより、傾斜外縁部の質量低減効果をより効果的に発揮させることができる。
[適用例5]
本発明の振動素子では、前記第2領域の最大厚さをTmax、最小厚さをTminとしたとき、 (Tmax + Tmin)/2とする平均厚さは、50μm以上、70μm以下であることが好ましい。
これにより、振動素子の剛性を高めつつ、第1領域の形成を精度よく行うことができる。
本発明の振動素子では、他方の前記第1外縁は、前記基板の断面視にて露出していることが好ましい。
これにより、振動素子の先端側の質量を低減することができる。
[適用例7]
本発明の振動素子では、前記第2領域は、さらに、他方の前記第1外縁に沿って設けられ、かつ、前記第2厚肉部と接続されている第3厚肉部を含むことが好ましい。
これにより、第1領域の剛性を高めることができ、加速度(振動)等の外力による第1領域の撓みをより低減することができる。
本発明の発振器は、本発明の振動素子と、
前記振動素子を駆動する発振回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
Claims (12)
- 厚み滑り振動で振動する振動領域を含む第1領域、及び前記第1領域と一体化され、前記第1領域よりも厚さが厚い第2領域を含む基板と、
前記振動領域の表裏面にそれぞれ設けられている励振電極と、
を含み、
前記第1領域は、
前記厚み滑り振動の振動方向に離間し、前記振動方向と交差する一対の第1外縁と、
前記振動方向に直交する方向に離間している一対の第2外縁と、
を含み、
前記第2領域は、
一方の前記第1外縁に沿って設けられ、
対象物に固定される固定部が設けられている第1厚肉部と、
一方の前記第2外縁に沿って設けられ、かつ、前記第1厚肉部と接続されている第2厚肉部と、
を含み、
他方の前記第2外縁は露出しており、
前記基板の前記他方の第1外縁側かつ前記他方の第2外縁側の角部には、前記基板の平面視で、前記振動方向および前記振動方向と直交する方向の両方向に対してそれぞれ傾斜している傾斜外縁部が設けられていることを特徴とする振動素子。 - 前記基板の前記振動方向の長さをL、
前記第1領域の前記振動方向の長さをL1としたとき、
L1/L≦0.52
なる関係を満足している請求項1に記載の振動素子。 - 前記基板の平面視で、
前記基板の前記振動方向と直交する方向の長さをW、
前記第1領域の前記振動方向と直交する方向の長さをW1としたとき、
W1/W≧0.5
なる関係を満足している請求項1または2に記載の振動素子。 - 前記傾斜外縁部の前記振動方向に対する傾斜角は、40°以上、50°以下である請求項1ないし3のいずれか1項に記載の振動素子。
- 前記第2領域の平均厚さは、50μm以上、70μm以下である請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子。
- 他方の前記第1外縁は、露出している請求項1ないし5のいずれか1項に記載の振動素子。
- 前記第2領域は、さらに、他方の前記第1外縁に沿って設けられ、かつ、前記第2厚肉部と接続されている第3厚肉部を含む請求項1ないし5のいずれか1項に記載の振動素子。
- 前記基板は、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸、機械軸としてのY軸、および光学軸としてのZ軸のうち、前記X軸を回転軸として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ+Z側が回転するように傾けた軸をZ’軸、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ+Y側が回転するように傾けた軸をY’軸とし、前記X軸及び前記Z’軸を含む面を主面とし、前記Y’軸に沿った方向を厚さとする水晶板である請求項1ないし7のいずれか1項に記載の振動素子。
- 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動素子と、
前記振動素子が収容されているパッケージと、
を含むことを特徴とする振動子。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動素子と、
前記前記振動素子を駆動する発振回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。 - 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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