JP2015002549A - 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 Download PDF

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Abstract

【課題】振動漏れを効果的に低減することができる振動素子、この振動素子を備える振動子、発振器、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】振動素子1は、基部12と、基部12の先端側において、基部12から+Y軸方向へ突出し、且つ、X軸方向に並んで設けられた一対の振動腕20、22と、基部12の基端側において、基部12から反対方向に突出する一対の支持腕32、34とを備える振動基板1Sを有している。基部12は、平面視で、中心線Y1に沿って、基部12の基端から離れるに従って、かつ、基部12の先端に至るまで、幅(X軸方向に沿った長さ)が連続的に小さくなっている縮幅部16を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体に関するものである。
従来から、水晶を用いた振動素子が知られている。このような振動素子は、周波数温度特性が優れていることより、種々の電子機器の基準周波数源や発信源などとして広く用いられている。
振動素子は、音叉型をなしており、基部と、基部から延出する一対の振動腕とを有している。このような振動素子では、振動腕が屈曲振動すると、基部が捻じれるように変形し、振動素子を固定している部材(接着剤や金属バンプ等)を介して外部に振動が漏れる振動漏れが生じる。
振動腕の小型化を図る観点から、特許文献1のように、各振動腕の先端部に幅広のハンマーヘッドが設けることがあるが、ハンマーヘッドを設けると、振動腕同士の間の距離を大きくせざるを得なくなる。ところが、振動腕同士の間の距離を大きくすると、基部の変形が増大することで振動漏れが大きくなるという問題がある。特に、ハンマーヘッドのサイズを大きくしていくと、かかる問題がより顕著となる。
特開2009−147765号公報
本発明の目的は、振動漏れを効果的に低減することができる振動素子、この振動素子を備える振動子、発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
本発明は、上述の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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本発明の振動素子は、
一端と、前記一端と反対側の他端とを備える基部と、
前記基部と一体に設けられ、前記基部の前記一端側において、前記基部から第1の方向に沿って延出し、前記第1の方向と直交する第2の方向に並んでいる一対の振動腕と、
前記基部を支持する支持部と、
を含み、
前記基部は、前記一対の振動腕の間に位置し、前記第2の方向に沿った長さが、前記一対の振動腕の間の中心線に沿って、前記他端から離れるに従って連続的または段階的に減少している縮幅部を含むことを特徴とする。
この縮幅部の存在より、前記一対の振動腕が略面内で互いに近接と離間を交互に繰り返して屈曲振動を行う際の基部の剛性を高くして、その変形を抑圧することができる。その結果、振動素子の振動漏れを効果的に低減することができる。
[適用例2]
本発明の振動素子では、前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部の前記基部と反対側に位置し、前記腕部よりも前記第2の方向に沿った長さが大きい広幅部と、
を含むことが好ましい。
これにより、振動素子の小型化を図ったり、振動腕の屈曲振動の周波数を低めたりすることができる。
[適用例3]
本発明の振動素子では、前記支持部は、
前記一対の振動腕のうちの一方の振動腕の、前記一対の振動腕のうちの他方の振動腕とは反対側に配置され、前記一方の振動腕に沿って延びている一方の支持腕と、
前記他方の振動腕の、前記一方の振動腕とは反対側に配置され、前記他方の振動腕に沿って延びている他方の支持腕と、
を含むことが好ましい。
これにより、固定部が基部から離れるので、振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した振動素子を得ることができる。
[適用例4]
本発明の振動素子では、前記一方の支持腕と前記他方の支持腕のうち少なくとも何れかに、先端側に固定部が設けられていることが好ましい。
これにより、固定部が基部からさらに離れるので、前記一対の支持腕を設けることによる効果がより向上する。
[適用例5]
本発明の振動素子では、前記支持部は、少なくとも前記一対の振動腕を囲む枠体を含むことが好ましい。
これにより、振動素子を、枠体を介してパッケージに固定することができるので、振動素子のサイズを大きくすることができ、結果として、その等価直列抵抗R1をより小さくすることができる。
[適用例6]
本発明の振動素子では、前記枠体と前記基部とが連結されていることが好ましい。
これにより、支持腕を省略できるので、振動素子の第2の方向に沿った長さ(幅)を小さくする(小型化する)ことができる。
[適用例7]
本発明の振動素子では、前記支持部は、
前記枠体と前記基部とが、前記支持腕を介して連結されていることが好ましい。
これにより、固定部が基部から離れるので、2つの振動腕が振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した等価直列抵抗R1の小さな振動素子を得ることができる。
[適用例8]
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、前記中心線を境にして対称形状であることが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。
[適用例9]
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、曲線を含むことが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。
[適用例10]
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、段差部を含むことが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。
[適用例11]
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子が搭載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。
[適用例12]
本発明の発振器では、本発明の振動素子と、
発振回路と、
を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
[適用例13]
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例14]
本発明の移動体は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
本発明の第1実施形態にかかる振動子の平面図である。 図1中のA−A線断面図である。 (a)は、従来の振動素子を模式的に示す平面図、(b)は、(a)に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図である。 図3に示す振動素子の振動漏れの原理を説明する図であって、(a)〜(d)は、基部の各部(第1〜4連結部)の作用を説明する図である。 (a)は、図1に示す振動素子を模式的に示す平面図(振動腕側の縮幅部のみを考慮した図)、(b)は、(a)に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図である。 図5に示す振動素子の動漏れ抑制の原理を説明する平面図であって、(a)〜(d)は、基部の各部(第1〜4連結部)の作用を説明する図である。 シミュレーションに用いた振動素子の各部の寸法を示す図である。 本発明の第2実施形態にかかる振動子の平面図である。 図8中のB−B線断面図である。 本発明の第3実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。 縮幅部の他の構成例を示す平面図である。 本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。 本発明の振動素子を備える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。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 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。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
<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子の平面図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3(a)は、従来の振動素子を模式的に示す平面図、図3(b)は、図3(a)に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図、図4は、図3に示す振動素子の振動漏れの原理を説明する図であって、(a)〜(d)は、基部の各部(第1〜4連結部)の作用を説明する図、図5(a)は、図1に示す振動素子を模式的に示す平面図(振動腕側の縮幅部のみを考慮した図)、図5(b)は、(a)に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図、図6は、図5に示す振動素子の動漏れ抑制の原理を説明する平面図であって、(a)〜(d)は、基部の各部(第1〜4連結部)の作用を説明する図である。
なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下の説明では、X軸に平行な方向を「X軸方向(第2の方向)」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向(第1の方向)」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」といい、また、各図に図示されたX軸、Y軸およびZ軸の矢印の先端側を「+(プラス)」、基端側を「−(マイナス)」という。また、以下の説明では、説明の便宜上、Z軸方向から見たときの平面視を単に「平面視」ともいう。
1.振動子
図1および図2に示す振動子100は、振動素子1(本発明の振動素子)と、振動素子1を収納するパッケージ9とを有している。以下、振動素子1およびパッケージ9について、順次詳細に説明する。
(振動素子1)
図1および図2に示す振動素子1は、振動基板1Sを備えている。なお、振動基板1Sには、振動素子1を駆動させるための励振電極を含む一対の配線が設けられているが、図示を省略する。
振動基板1Sは、例えば、水晶、特に、Zカット水晶板で構成されている。これにより、振動素子1は、優れた振動特性を発揮することができる。Zカット水晶板とは、水晶のZ軸(光軸)を厚さ方向とする水晶基板である。Z軸は、振動基板1Sの厚さ方向と一致しているのが好ましいが、常温近傍における周波数温度変化を小さくする観点からは、厚さ方向に対して若干(例えば、15°未満程度)傾けてもよい。
ここで、水晶基板をウェットエッチングすることにより振動基板1Sの外形を形成する場合、振動基板1Sの輪郭には水晶の結晶面が出現し、振動素子1の形状対称性を劣化させてしまうが、結晶面の出現を低減した形状を形成するためには、振動基板1Sの厚さを70μm以下とすることが好ましい。また、CI値を小さくするためには、駆動領域を大きくする観点から、振動基板1Sの厚さを70μmより厚く、300μmよりも薄くすることが好ましい。さらに、結晶面の出現し易い厚さであっても、これを小さくするために、外形エッチングの際には、ウェットエッチングにより厚さ方向へ貫通するエッチング量(エッチング時間)に対して2倍から30倍のエッチング量(エッチング時間)にするのが好ましい。
このようなエッチング量(時間)を2〜30倍とするオーバーエッチングにより、水晶の結晶面に起因して振動素子1の外形に現れるヒレの発生を抑制することができる。
振動基板1Sは、基部12と、基部12の先端側(一端側)において、基部12から+Y軸方向へ突出し、且つ、X軸方向に並んで設けられた一対の振動腕20、22と、基部12の基端側(他端側)において、基部12から互いに反対方向に突出し、+Y軸方向に延びている一対の支持腕32、34とを有している。すなわち、基部12、振動腕20、22および支持腕32、34は、一体に形成されている。このような振動基板1Sは、振動腕20、22間のY軸と平行な中心線(仮想中心線)Y1に対して対称となるように形成されている。
基部12は、X軸およびY軸を含む平面であるXY平面に沿って広がり、Z軸方向を厚さ方向とする略板状をなしている。このような基部12は、振動腕20、22を支持、連結する本体部14と、振動漏れを抑制する縮幅部16とを有している。
本体部14は、その幅(X軸方向での長さ)がY軸方向に沿ってほぼ一定である。すなわち、本体部14は、略矩形の平面視形状を有している。そして、本体部14の+Y軸方向側の外縁には、縮幅部16が接続されている。すなわち、縮幅部16は、本体部14に対して振動腕20、22と同一側であって、これらの間に設けられている。
縮幅部16は、平面視で、中心線Y1に沿って、基部12の基端から離れるに従って、かつ、基部12の先端(一端)に至るまで、幅(X軸方向に沿った長さ)が連続的に小さくなっている。このように、先端に至るまで幅が連続的に小さくなることで、より確実に振動漏れの発生を抑圧することができる。
本実施形態では、縮幅部16の輪郭(外縁)は、中心線Y1を境にして対称な曲線状(アーチ状)、すなわち、曲線を含む形状の曲線部17aで構成されており、曲線部17aの曲率半径は、その全域にわたって一定となっている。また、平面視で曲線部17aの両端を延長した延長線(仮想延長線)は、本体部14の+Y軸方向側の各角上を通る。
なお、水晶基板をウェットエッチングすることにより振動基板1Sの外形を形成する場合、振動基板1Sの輪郭には水晶の結晶面が出現するため、微視的に見ると、曲線部17aは、短い直線状の部分の集合体となっているとも言えるが、このような場合も上記「曲線状」に含まれるものとする。また、この場合には、短い直線状の部分の集合体となった曲線部17aよりも内側(本体部14側)に、結晶面が現れない程度に追加でウェットエッチングを施して曲線を形成してもよい。あるいは、水晶の結晶面とは無関係に、縮幅部16の輪郭が複数の直線によって略円弧状に形成されている場合もこれに含まれるものとする。これはドライエッチングにより容易に実現できる。
振動腕20、22は、X軸方向に並んで設けられており、それぞれ、基部12から+Y軸方向に延出している。また、振動腕20、22は、それぞれ、その先端部に、振動腕20、22の基部12側の部分(腕部)よりも幅(X軸方向での長さ)が広い錘部(広幅部)24、26を有している。錘部(ハンマーヘッド)24、26を設けることによって、振動素子1の小型化を図ったり、振動腕20、22の屈曲振動の周波数を低めたりすることができる。なお、錘部24、26は、必要に応じてX軸方向に複数の幅を有していてもよく、また省略してもよい。
また、振動腕20には、一方の主面20aに開放する有底の溝28aと、他方の主面20bに開放する有底の溝28bとが形成されている。同様に、振動腕22には、一方の主面22aに開放する有底の溝30aと、他方の主面22bに開放する有底の溝30bとが形成されている。
これらの溝28a、28b、30a、30bは、Y軸方向に沿って延びており、互いに同じ形状をなしている。このような溝28a、28b、30a、30bを形成することによって、屈曲振動によって発生する熱が拡散(熱伝導)し難くなり、屈曲振動周波数(機械的屈曲振動周波数)fが熱緩和周波数f0より大きな領域(f>f0)である断熱的領域では、熱弾性損失を抑制することができる。なお、溝28a、28b、30a、30bは、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。
また、溝28a、28b、30a、30bの深さは、振動素子1の厚さに対して30%以上50%未満の深さであることが好ましい。これにより、前述した熱弾性損失が小さくなり、かつ、励振電極で挟まれる領域が大きくなることによってCI値を小さくすることができる。
さらに、振動腕20、22の溝28a、28b、30a、30bに対して幅方向での外側の部分である各側壁(土手部)の幅、すなわち、振動腕20、22の幅から溝28a、28b、30a、30bの幅を差引いたものの半分は、20μm以下にすることが好ましい。これにより、励振電極の間に挟まれる領域に発生する電界が強くなるので、CI値を小さくすることができる。さらに、かかる側壁の幅は、熱弾性損失が最も低下する、5μm以上9μm以下の範囲であることがより好ましい。
基部12の基端側には、中心線Y1を介して本体部14(基部12)の反対方向に、一対の支持腕(支持部)32、34が突出している。支持腕32、34は、それぞれ、X軸方向に沿って基部12から突出した後、途中で+Y軸方向に屈曲した形状(平面視で略L字状)をなしている。振動素子1は、図1および2に示すように、支持腕32、34の先端部(基部12と反対側の端部)にて導電性接着剤50、50を介してパッケージ9に固定されている。
このように、支持腕32、34の先端部と、支持腕32、34のY軸方向長さの半分の部分とに囲まれた、支持腕32、34の先端側に導電性接着剤50、50を形成し、これを介してパッケージ9に固定することによって、略XY平面内で互いに近接と離間とを交互に繰り返して屈曲振動する際の振動が、パッケージ9に伝わり難くなるので、振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した振動素子1を得ることができる。
以上、振動素子1の構成について簡単に説明した。
次に、縮幅部16を設けることにより、振動素子1における振動漏れが低減する理由について説明する。
<参考技術に係る基部の作用>
図3(a)に示すような基部に縮幅部が無い参考技術に係る振動素子は、図3(b)に示すように、弾性棒151が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体154と、弾性棒152が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体156とが簡略化した基部153を介して連結されているモデルとみなすことができる。
このモデルにおいて、回転体154は、回転軸155を中心として回転する所定の半径Rを有する。同様に、回転体156は、回転軸157を中心として回転する所定の半径Rを有する。
このようなモデルの基部153の回転体154、156間を連結する代表的な部分(連結部)として、図4に示すように、回転軸155、157よりも弾性棒151、152側に設けられた第1連結部158と、回転軸155、157間に設けられた第2連結部159と、回転軸155、157よりも弾性棒151、152とは反対側に設けられた第3連結部160と、第3連結部160よりもさらに弾性棒151、152とは反対側に設けられた第4連結部161と、を考える。
2本の振動腕20、22が互いに離間するように屈曲変形した場合、弾性棒151、152が互いに離間するように屈曲変形したとみなす。この場合、振動腕20、22の根元周辺から振動腕20、22の先端方向とは反対方向の所定の場所に、変位ベクトルの渦が形成される。この渦の中心は、基部12Xを含む振動腕20、22の根元付近である場合が多いが、振動腕20、22や基部12Xの領域には属さない、仮想的な空間上に形成される場合もある。
ここでは、説明の都合上、この渦の中心は基部12Xの領域に属するとし、かつ、弾性棒151、152からの距離は等しいとするとともに、この渦の中心を図3(b)における回転軸155、157としている。
なお、この回転軸155、157を回転の中心とし、半径Rを有する擬似的な剛体の回転体154、156の外周の接線方向における変位は、弾性棒151、152の先端方向側で最も大きく、弾性棒151、152の先端方向とは反対側で最も小さい。このため、上記において、「擬似的」な剛体と表現している。
図4(a)に示すように、弾性棒151、152が互いに離間するように屈曲変形した場合、第1連結部158は、回転体154、156の回転運動によって強く伸ばされながら弾性棒151、152の先端方向に小さく移動する。
この場合、図4(b)に示すように、第2連結部159も同様に、回転体154、156の回転運動によって伸ばされながら弾性棒151、152の先端方向に移動する。
また、この場合、図4(c)に示すように、第3連結部160は、回転体154、156の回転運動によって圧縮されながら弾性棒151、152の先端方向に移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第3連結部160の長さ方向(弾性棒151、152の並ぶ方向)の中央周辺は、弾性棒151、152の先端方向、または弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。
また、この場合、図4(d)に示すように、第4連結部161は、半径Rよりも大きい半径R’を有し、回転軸155、157を回転の中心とする擬似的な剛体の回転体162、163を新たに考えれば、前述した第3連結部160と同様に、回転体162、163の回転運動によって小さく圧縮されながら弾性棒151、152の先端方向に小さく移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第4連結部161の長さ方向の中央周辺は、弾性棒151、152の先端方向、または弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。
ここで、前述したように第1〜4連結部158、159、160、161のすべてが弾性棒151、152の先端方向に移動するため、この移動と前述した潜在力とが相まって、第3、4の連結部160、161は、弾性棒151、152の先端側に変位するように変形することとなる。
このようなことから、弾性棒151、152が互いに離間するように屈曲変形した場合、回転軸155と回転軸157とを結ぶ方向における基部153の変位については、第1連結部158および第2連結部159の伸張による変位と第3連結部160および第4連結部161の圧縮による変位とが互いに相殺するように作用する。
しかし、弾性棒151、152の長さ方向における基部153の変位については、第1〜4連結部158、159、160、161のすべてが弾性棒151、152の先端方向に移動(変位)するとともに、第3、4連結部160、161が弾性棒151、512の先端方向に変位するよう変形する。そのため、これらの移動および変形に起因する振動が基部153に生じることとなる。
そのため、基部153に固定部を設定すると、弾性棒151、152の先端方向への変位・変形に起因する振動が固定部を介して外部へ漏洩することとなる。これが振動漏れであり、この漏洩した振動のエネルギーに相当する分だけQ値を劣化させることとなる。
なお、2本の振動腕20、22が互いに接近するように屈曲変形した場合には、上述と逆の現象が生じる。
<本実施形態に係る基部(振動腕側に縮幅部が設けれられた基部)の作用>
これに対して、図5(a)に示すような振動腕20、22側に縮幅部が設けられた基部12を有する本実施形態に係る振動素子は、前述した参考技術の振動素子と同様、図5(b)に示すように、弾性棒151が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体154と、弾性棒152が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体156とが簡略化した基部165を介して連結されているモデルとみなすことができる。
このモデルにおいて、回転体154は、回転軸155を中心として回転する所定の半径Rを有する。同様に、回転体156は、回転軸157を中心として回転する所定の半径Rを有する。
このようなモデルの基部165における回転体154、156間を連結する代表的な部分(連結部)として、図6に示すように、回転軸155、157よりも弾性棒151、152側に設けられた第1連結部158と、回転軸155、157間に設けられた第2連結部159と、回転軸155、157よりも弾性棒151、152とは反対側に設けられた第3連結部160と、第1連結部158よりも弾性棒151、152の先端側に設けられた第4連結部166と、を考える。
2本の振動腕20、22が互いに接近するように屈曲変形した場合、弾性棒151、152が互いに接近するように屈曲変形したとみなす。この場合、振動腕20、22の根元周辺から振動腕20、22の先端方向とは反対方向の所定の場所に、変位ベクトルの渦が形成される。この渦の中心は、基部12を含む振動腕20、22の根元付近である場合が多いが、振動腕20、22や基部12の領域には属さない、仮想的な空間上に形成される場合もある。
ここでは、説明の都合上、この渦の中心は基部12の領域に属するとし、かつ、弾性棒151、152からの距離は等しいとするとともに、この渦の中心を図5(b)における回転軸155、157としている。
なお、この回転軸155、157を回転の中心とし、半径Rを有する擬似的な剛体の回転体154、156の外周の接線方向における変位は、弾性棒151、152の先端方向側で最も大きく、弾性棒151、152の先端方向とは反対側で最も小さい。また、この場合は、2本の振動腕20、22が互いに離間した場合とは変位の方向は反対向きになる。
図6(a)に示すように、弾性棒151、152が互いに接近するように屈曲変形した場合、第1連結部158は、回転体154、156の回転運動によって強く圧縮されながら弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向に小さく移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第1連結部158の長さ方向の中央周辺は、弾性棒151、152の先端方向、または弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。
この場合、図6(b)に示すように、第2連結部159も同様に、回転体154、156の回転運動によって伸ばされながら弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向に移動する。
また、この場合、図6(c)に示すように、第3連結部160は、回転体154、156の回転運動によって伸ばされながら弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向に移動する。
また、この場合、図6(d)に示すように、第4連結部166は、回転体154、156の回転運動によって圧縮されるが、アーチ形状をなしているために変形し難く、仮に変形したとしても、第4連結部166の長さ方向の中央周辺が弾性棒151、152の先端方向に変位するように変形する。
このようなことから、弾性棒151、152が互いに接近するように屈曲変形した場合、回転軸155と回転軸157とを結ぶ方向における基部165の変位については、第1連結部158および第4連結部166の圧縮による変位と第2連結部159および第3連結部160の伸張による変位とが互いに相殺するように作用する。
そして、弾性棒151、152の長さ方向における基部165の変位については、第1〜3連結部158、159、160が弾性棒151、152の先端方向とは反対側の方向に変位するのを、第4連結部166の変形し難さが妨げるとともに、第4連結部166の長さ方向の中央付近が弾性棒151、152の先端方向に変位するように変形することで相殺することができる。
このようなことから、固定部を介して外部へ洩れる振動、すなわち振動漏れを低減することができ、その結果、外部へ漏洩する振動のエネルギーが少なくなるため、Q値を高めることができる。
以上のような効果を、本発明者が行ったシミュレーション結果に基づいて具体的に示す。なお、本シミュレーションでは、ウェットエッチングによってZカット水晶板(回転角0°)をパターニングした振動素子を用いている。本シミュレーションで用いた振動素子の各部の寸法は、振動基板の厚さが130μm、溝の深さが60μm、その他は図7に示す通りである。なお、図7(b)の振動素子は、縮幅部を省略したこと以外は、図7(a)に示す振動素子と同様である。
また、本シミュレーションは、これらの振動素子を支持腕の先端部において、シリコーン系接着剤(ヤング率:0.2GPa、ポアソン比:0.33、質量密度:1,050kg/m)を用いてベース(ヤング率:320GPa、ポアソン比:0.23、質量密度:3,800kg/m)に接着した場合について振動漏れの計算を行った。この振動漏れの計算では、接着剤とベースとの界面に到達した弾性波が、ベース側へ透過したものに関しては接着剤や振動素子には戻って来ずにそのままベース側へ漏洩し、これが振動漏れによる損失であるとして、この場合のQ値を計算している。また、本シミュレーションには、励振電極を含む一対の配線が形成されていない振動素子を用いたが、縮幅部の効果に影響はない。
その結果、図7(a)に示す振動素子では、屈曲振動周波数fが39.132kHz、Q値が174,697であり、図7(b)に示す振動素子では、屈曲振動周波数fが38.634kHz、Q値が69,092であった。このように、いずれの振動素子もほぼ等しい屈曲振動周波数fで振動するが、Q値については、図7(a)で示す振動素子の方が図7(b)に示す振動素子より明らかに高い値を示した。これは、図7(a)に示す振動素子では、縮幅部の存在により基部の変形が好適に防止され、振動漏れが効果的に低減されたことによるものであると考えられる。
(パッケージ)
パッケージ9は、上面に開放する凹部911を有する箱状のベース91と、凹部911の開口を塞ぐようにベース91に接合されている板状のリッド92とを有している。このようなパッケージ9は、凹部911がリッド92にて塞がれることにより形成された収納空間を有しており、この収納空間に振動素子1が気密的に収納されている。振動素子1は、一対の支持腕32、34にて、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系の樹脂に導電性フィラーを混合した導電性接着剤50を介して凹部911の底面に固定されている。
なお、収納空間内は、減圧(好ましくは真空)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。これにより、振動素子1の振動特性が向上する。
ベース91の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、リッド92の構成材料としては、特に限定されないが、ベース91の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース91の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。なお、ベース91とリッド92の接合は、特に限定されず、例えば、接着剤を介して接合してもよいし、シーム溶接等により接合してもよい。
また、ベース91の凹部911の底面には、接続端子951、961が形成されている。図示しないが、振動素子1の一方の励振電極用の配線は、支持腕32の先端まで引き出されており、当該部分にて、導電性接着剤50を接続端子951と電気的に接続されている。同様に、図示しないが、振動素子1の他方の励振電極用の配線は、支持腕34の先端まで引き出されており、当該部分にて、導電性接着剤50を介して接続端子961と電気的に接続されている。
また、接続端子951は、ベース91を貫通する貫通電極952を介してベース91の底面に形成された外部端子953に電気的に接続されており、接続端子961は、ベース91を貫通する貫通電極962を介してベース91の底面に形成された外部端子963に電気的に接続されている。
接続端子951、961、貫通電極952、962および外部端子953、963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。
<第2実施形態>
次に、本発明の振動子の第2実施形態について説明する。
図8は、本発明の第2実施形態に係る振動子の平面図、図9は、図8中のB−B線断面図である。
以下、第2実施形態について、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。
第2実施形態は、支持部の構成およびパッケージ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。
図8に示すように、振動素子1Aの支持部は、基部12および振動腕20、22を取り囲む、外形が略正方形の枠体36で構成され、この枠体36に基部12の基端が直接連結されている。枠体36は、パッケージ9Aに接合される部分である。
パッケージ9Aは、図9に示すように、上面に開放する凹部911Aを有する箱状のベース91Aと、下面に開放する凹部921Aを有する箱状のリッド92Aとを有し、ベース91Aの外周部およびリッド92Aの外周部に、枠体36が挟持および接合されることにより、振動素子1Aがパッケージ9Aに固定されている。また、ベース91Aの凹部911Aの底面に設けられた接続端子961(951)と、振動素子1Aとの所定に部位とが、例えば、金等で構成されるワイヤーにより接続されている。
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。特に、第2実施形態によれば、振動素子1Aを、枠体36を介してパッケージ9Aに固定するので、固定する際に、パッケージ9Aと錘部24、26とが接触するおそれが極めて小さくなる。したがって、同一基板から一体で形成される枠体36と錘部24、26との距離は精度よく形成することができるから、振動腕20、22のサイズを大きくすることができることになる。これによって、振動腕20、22のY軸方向長さを長くすることができる分だけ、X軸方向の幅を太くすることができるから、略XY平面内で屈曲振動する際に発生する熱の流れる経路が長くなり、断熱的領域においては熱弾性損失が減少する。その結果、等価直列抵抗R1をより小さくすることができる。また、第2実施形態によれば、支持腕32、34を省略できるので、振動素子1AのX軸方向に沿った長さ(幅)を小さくする(小型化する)ことができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の振動子の第3実施形態について説明する。
図10は、本発明の第3実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。
以下、第3実施形態の振動子について、前述した第1および第2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。
第3実施形態の振動子は、支持部の構成が異なる以外は、前述した第2実施形態と同様である。なお、前述した第1および2実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図10に示すように、振動素子1Bの支持部は、中心線Y1を介して基部12の反対方向に突出する一対の支持腕32B、34Bと、基部12、振動腕20、22および支持腕32B、34Bを取り囲む枠体36とを有している。支持腕32B、34Bは、それぞれ、X軸方向に沿って基部12から突出した後、途中で+Y軸方向に屈曲し、再度、X軸方向に屈曲した形状(平面視で略S字状)をなし、先端が枠体36に連結されている。
このような第3実施形態によっても、前述した第1および第2実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上説明した第1〜第3実施形態において、基部12は、縮幅部16に代えて、平面視で幅が中心線Y1に沿って直線的(連続的)に小さくなり、輪郭が2本の直線によって山状(中心線Y1に対して対称な三角形状)に形成されている縮幅部16a(図11(a)参照)を有してもよく、平面視で幅が中心線Y1に沿って段階的に小さくなり、輪郭が複数の直線によって段差状(中心線Y1に対して対称な階段状)、すなわち、段差部を含む形状に形成されている縮幅部16b(図11(b)参照)を有していてもよい。これらの縮幅部16a、16bによっても、縮幅部16と同様の効果が得られる。
2.発振器
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12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12に示す発振器10は、振動子100と、振動素子1を駆動するためのICチップ8とを有している。以下、発振器10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。
図12に示すように、パッケージ9は、凹部911を有する箱状のベース91と、凹部911の開口を塞ぐ板状のリッド92とを有している。また、ベース91の凹部911は、ベース91の上面に開放する第1凹部911aと、第1凹部911aの底面の中央部に開放する第2凹部911bと、第2凹部911bの底面の中央部に開放する第3凹部911cとを有している。
第1凹部911aの底面には、接続端子95、96が形成されている。また、第3凹部911cの底面には、ICチップ8が配置されている。ICチップ8は、振動素子1の駆動を制御するための発振回路を有している。ICチップ8によって振動素子1を駆動すると所定の周波数の信号を取り出すことができる。
また、第2凹部911bの底面には、ワイヤーを介してICチップ8と電気的に接続された複数の内部端子93が形成されている。これら複数の内部端子93には、ベース91に形成された図示しないビアを介してパッケージ9の底面に形成された外部端子94に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子95に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子96に電気的に接続された端子とが含まれている。
なお、図12の構成では、ICチップ8が収納空間内に配置されている構成について説明したが、ICチップ8の配置は、特に限定されず、例えば、パッケージ9の外側(ベースの底面)に配置されていてもよい。
3.電子機器
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13は、本発明の振動素子を備える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素子1(1A、1B)が内蔵されている。
図14は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部2000が配置されている。このような携帯電話機1200には、フィルター、共振器等として機能する振動素子1(1A、1B)が内蔵されている。
図15は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部2000が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部2000は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部2000に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなディジタルスチルカメラ1300には、フィルター、共振器等として機能する振動素子1(1A、1B)が内蔵されている。
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図13のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図14の携帯電話機、図15のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター等に適用することができる。
4.移動体
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16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、振動素子1(1A、1B)が搭載されている。振動素子1(1A、1B)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。
以上、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
100…振動子 10…発振器 1、1A、1B…振動素子 1S…振動基板 12、12X…基部 14…本体部 16、16a、16b…縮幅部 17a…曲線部 20、22…振動腕 20a、20b、22a、22b…主面 24、26…錘部 28a、28b、30a、30b…溝 32、32B、34、34B…支持腕 36…枠体 50…導電性接着剤 8…ICチップ 9、9A…パッケージ 91、91A…ベース 911、911A、921A…凹部 911a…第1凹部 911b…第2凹部 911c…第3凹部 92、92A…リッド 93…内部端子 94…外部端子 95、96…接続端子 951、961…接続端子 952、962…貫通電極 953、963…外部端子 151、152…弾性棒 153、165…基部 154、156、162、163…回転体 155、157…回転軸 158…第1連結部 159…第2連結部 160…第3連結部 161、166…第4連結部 1100…パーソナルコンピューター 1102…キーボード 1104…本体部 1106…表示ユニット 1200…携帯電話機 1202…操作ボタン 1204…受話口 1206…送話口 1300…ディジタルスチルカメラ 1302…ケース 1304…受光ユニット 1306…シャッターボタン 1308…メモリー 1312…ビデオ信号出力端子 1314…入出力端子 1430…テレビモニター 1440…パーソナルコンピューター 1500…自動車 2000…表示部 Y1…中心線

Claims (14)

  1. 一端と、前記一端と反対側の他端とを備える基部と、
    前記基部と一体に設けられ、前記基部の前記一端側において、前記基部から第1の方向に沿って延出し、前記第1の方向と直交する第2の方向に並んでいる一対の振動腕と、
    前記基部を支持する支持部と、
    を含み、
    前記基部は、前記一対の振動腕の間に位置し、前記第2の方向に沿った長さが、前記一対の振動腕の間の中心線に沿って、前記他端から離れるに従って連続的または段階的に減少している縮幅部を含むことを特徴とする振動素子。
  2. 請求項1において、
    前記振動腕は、
    腕部と、
    前記腕部の前記基部と反対側に位置し、前記腕部よりも前記第2の方向に沿った長さが大きい広幅部と、
    を含む振動素子。
  3. 請求項1または2において、
    前記支持部は、
    前記一対の振動腕のうちの一方の振動腕の、前記一対の振動腕のうちの他方の振動腕とは反対側に配置され、前記一方の振動腕に沿って延びている一方の支持腕と、
    前記他方の振動腕の、前記一方の振動腕とは反対側に配置され、前記他方の振動腕に沿って延びている他方の支持腕と、
    を含む振動素子。
  4. 請求項3において、
    前記一方の支持腕と前記他方の支持腕のうち少なくとも何れかに、先端側に固定部が設けられている振動素子。
  5. 請求項1ないし4のいずれか一項において、
    前記支持部は、少なくとも前記一対の振動腕を囲む枠体を含む振動素子。
  6. 請求項5において、
    前記枠体と前記基部とが連結されている振動素子。
  7. 請求項5または6において、
    前記支持部は、
    前記枠体と前記基部とが、前記支持腕を介して連結されている振動素子。
  8. 請求項1ないし7のいずれか一項において、
    前記縮幅部の外縁は、前記中心線を境にして対称形状である振動素子。
  9. 請求項8において、
    前記縮幅部の外縁は、曲線を含む振動素子。
  10. 請求項8において、
    前記縮幅部の外縁は、段差部を含む振動素子。
  11. 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動素子と、
    前記振動素子が搭載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。
  12. 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動素子と、
    発振回路と、
    を含むことを特徴とする発振器。
  13. 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動素子を含むことを特徴とする電子機器。
  14. 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動素子を含むことを特徴とする移動体。
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