JP2016197774A - 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
【課題】不要振動を低減することのできる振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を提供する。【解決手段】振動素子１は、振動部２１と、振動部２１よりも厚い厚肉部２２と、を有する水晶基板２を備えている。また、振動部２１は、Ｘ軸方向に離間して配置された第１外縁２１１および第２外縁２１２と、Ｚ’軸方向に離間して配置された第３外縁２１３および第４外縁２１４とを有し、第３外縁２１３および第４外縁２１４の少なくとも一方が他方に対して交差する方向に延在する部分を有することで、幅Ｗ１がＸ軸方向において異なっている部分を有している。【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。
ＡＴカット水晶振動素子は、励振する主振動の振動モードが厚みすべり振動であり、小型化、高周波数化に適し、且つ周波数温度特性が優れた三次曲線を呈するので、圧電発振器、電子機器等の多方面で使用されている。
特許文献１には、薄肉の振動部と、振動部の３辺に沿って設けられた「コ」字状の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いる。このようなＡＴカット水晶振動素子は、前述したように厚みすべり振動を主振動とするが、この主振動と共に、幅すべり振動、屈曲振動、輪郭すべり振動等の不要振動が励振される。このような不要振動は、周波数温度特性、周波数安定度等の様々な特性に悪影響を及ぼす。特に、特許文献１のＡＴカット水晶振動素子では、振動部のＺ’軸方向の幅が一定であるため、Ｚ軸方向の不要振動を抑制することが困難である。
本発明の目的は、不要振動を低減することのできる振動素子、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］
本適用例の振動素子は、厚みすべり振動で振動する振動領域を含む第１領域と、
前記第１領域の外縁と一体化され、前記第１領域よりも厚さが厚い第２領域と、を有する基板を備え、
前記第１領域は、
前記厚みすべり振動の振動方向である第１方向に離間して配置されている第１外縁および第２外縁と、
前記振動方向に直交する方向である第２方向に離間して配置されている第３外縁および第４外縁と、を有し、
前記基板の垂線方向からの平面視で、前記第３外縁および前記第４外縁の少なくとも一方が、他方に対して交差する方向に設けられている部分を含むことにより、前記第２方向に沿った長さが前記第１方向において異なっている部分を有し、
前記第２領域は、
前記第１外縁に沿って設けられている第１厚肉部と、
前記第３外縁に沿って設けられている第２厚肉部と、
を含むことを特徴とする。
これにより、不要振動を低減することのできる振動素子が得られる。
本適用例の振動素子は、厚みすべり振動で振動する振動領域を含む第１領域と、
前記第１領域の外縁と一体化され、前記第１領域よりも厚さが厚い第２領域と、を有する基板を備え、
前記第１領域は、
前記厚みすべり振動の振動方向である第１方向に離間して配置されている第１外縁および第２外縁と、
前記振動方向に直交する方向である第２方向に離間して配置されている第３外縁および第４外縁と、を有し、
前記基板の垂線方向からの平面視で、前記第３外縁および前記第４外縁の少なくとも一方が、他方に対して交差する方向に設けられている部分を含むことにより、前記第２方向に沿った長さが前記第１方向において異なっている部分を有し、
前記第２領域は、
前記第１外縁に沿って設けられている第１厚肉部と、
前記第３外縁に沿って設けられている第２厚肉部と、
を含むことを特徴とする。
これにより、不要振動を低減することのできる振動素子が得られる。
［適用例２］
本適用例の振動素子では、前記第２外縁および前記第４外縁のうちの少なくとも前記第４外縁は、前記第２領域が設けられていないことが好ましい。
これにより、振動素子の小型化および軽量化を図ることができる。
本適用例の振動素子では、前記第２外縁および前記第４外縁のうちの少なくとも前記第４外縁は、前記第２領域が設けられていないことが好ましい。
これにより、振動素子の小型化および軽量化を図ることができる。
［適用例３］
本適用例の振動素子では、前記第１領域は、前記第１方向の前記第１外縁から前記第２外縁に向けて前記第２方向に沿った長さが漸減または漸増するテーパー形状部を含むことが好ましい。
これにより、振動部の形状が簡単なものとなり、かつ、不要振動を効果的に低減することができる。
本適用例の振動素子では、前記第１領域は、前記第１方向の前記第１外縁から前記第２外縁に向けて前記第２方向に沿った長さが漸減または漸増するテーパー形状部を含むことが好ましい。
これにより、振動部の形状が簡単なものとなり、かつ、不要振動を効果的に低減することができる。
［適用例４］
本適用例の振動素子では、前記テーパー形状部に前記振動領域が配置されていることが好ましい。
これにより、不要振動を効果的に低減することができる。
本適用例の振動素子では、前記テーパー形状部に前記振動領域が配置されていることが好ましい。
これにより、不要振動を効果的に低減することができる。
［適用例５］
本適用例の振動素子では、前記第１領域は、前記テーパー形状部よりも前記第１厚肉部側に位置し、前記第２方向の長さが前記第１方向に沿って一定な部分を含むことが好ましい。
これにより、振動部を比較的大きく確保することができる。
本適用例の振動素子では、前記第１領域は、前記テーパー形状部よりも前記第１厚肉部側に位置し、前記第２方向の長さが前記第１方向に沿って一定な部分を含むことが好ましい。
これにより、振動部を比較的大きく確保することができる。
［適用例６］
本適用例の振動素子では、前記テーパー形状部は、前記第１領域の前記第１方向の全域にわたって配置されていることが好ましい。
これにより、振動部の形状がより簡単なものとなる。
本適用例の振動素子では、前記テーパー形状部は、前記第１領域の前記第１方向の全域にわたって配置されていることが好ましい。
これにより、振動部の形状がより簡単なものとなる。
［適用例７］
本適用例の振動子は、上記適用例の振動素子と、
前記振動素子が収容されているパッケージと、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
本適用例の振動子は、上記適用例の振動素子と、
前記振動素子が収容されているパッケージと、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
［適用例８］
本適用例の発振器は、上記適用例の振動素子と、
回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
本適用例の発振器は、上記適用例の振動素子と、
回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
［適用例９］
本適用例の電子機器は、上記適用例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。
本適用例の電子機器は、上記適用例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１０］
本適用例の移動体は、上記適用例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。
本適用例の移動体は、上記適用例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。
以下、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．振動素子
まず、本発明の振動素子について説明する。
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、図１に示す振動素子の周波数温度特性を示すグラフである。図７は、従来の構成の振動素子の周波数温度特性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、図１に示す振動素子の周波数温度特性を示すグラフである。図７は、従来の構成の振動素子の周波数温度特性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、水晶基板（基板）２と、水晶基板２上に形成された電極３とを有している。
（水晶基板）
水晶基板２の材料である水晶は、三方晶系に属し、図３に示すように互いに直交する結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する。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。そして水晶基板２は、ＸＺ面をＸ軸の回りに所定の角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された、所謂、「回転Ｙカット水晶基板」であり、例えばθ＝３５°１５’だけ回転させたＸＺ’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２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、水晶基板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カットの水晶基板に限定されず、例えば、ＢＴカットの水晶基板を用いてもよい。なお、以下では、角度θに対応してＸ軸まわりに回転したＹ軸およびＺ軸を、Ｙ’軸およびＺ’軸とする。すなわち、水晶基板２は、Ｙ’軸方向に厚みを有し、ＸＺ’面方向に広がりを有する板状となっている。
水晶基板２の材料である水晶は、三方晶系に属し、図３に示すように互いに直交する結晶軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有する。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。そして水晶基板２は、ＸＺ面をＸ軸の回りに所定の角度θだけ回転させた平面に沿って、水晶から切り出された、所謂、「回転Ｙカット水晶基板」であり、例えばθ＝３５°１５’だけ回転させたＸＺ’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２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、水晶基板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カットの水晶基板に限定されず、例えば、ＢＴカットの水晶基板を用いてもよい。なお、以下では、角度θに対応してＸ軸まわりに回転したＹ軸およびＺ軸を、Ｙ’軸およびＺ’軸とする。すなわち、水晶基板２は、Ｙ’軸方向に厚みを有し、ＸＺ’面方向に広がりを有する板状となっている。
言い換えると、水晶基板２は、図３に示すようにＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系のＸ軸を中心として、Ｚ軸をＹ軸のマイナス側へ傾けた軸をＺ’軸とし、Ｙ軸をＺ軸のプラス側へ傾けた軸をＹ’軸としたときに、Ｙ’軸方向に厚みを有し、ＸＺ’面方向に広がりを有する板状となっている。
水晶基板２は、平面視にて、Ｘ軸（第１方向）に沿った方向を長辺とし、Ｚ’軸（第２方向）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、水晶基板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。
また、水晶基板２は、励振電極３１、３２で挟まれた振動領域（振動エネルギーが閉じ込められる領域）２１９を含む薄肉の振動部（第１領域）２１と、振動部２１の外縁と一体化され、振動部２１の周囲に位置し、振動領域２１９よりも厚みが厚い厚肉部（第２領域）２２と、を有している。
振動部２１は、例えば、水晶基板の＋Ｙ’軸側の主面にウエットエッチングによって凹陥部を形成することにより形成される。また、振動部２１は、水晶基板２の中央に対して、−Ｘ軸側および−Ｚ’軸側に片寄っており、外縁の一部が厚肉部２２から露出している。具体的には、振動部２１は、振動素子１の垂線方向からの平面視（以下、単に「平面視」ともいう）で、Ｘ軸方向（厚みすべり振動の振動方向）に離間して配置された第１外縁２１１および第２外縁２１２と、Ｚ’軸方向（Ｘ軸方向と交差する方向）に離間して配置された第３外縁２１３および第４外縁２１４とを有している。
そして、第１外縁２１１および第２外縁２１２のうち、第１外縁２１１が＋Ｘ軸側に位置し、第２外縁２１２が−Ｘ軸側に位置している。また、第１外縁２１１および第２外縁２１２は、それぞれ、Ｚ’軸方向に延在している。なお、第１外縁２１１および第２外縁２１２は、それぞれ、Ｚ’軸に対して傾斜した方向に延在していてもよい。
一方、第３外縁２１３および第４外縁２１４のうち、第３外縁２１３が＋Ｚ’軸側に位置し、第４外縁２１４が−Ｚ’軸側に位置している。また、第３外縁２１３は、Ｘ軸方向に延在しており、第４外縁２１４は、平面視で、第３外縁２１３（すなわちＸ軸）に対して交差する方向に沿って延在している（設けられている）。より具体的には、第４外縁２１４は、振動部２１の幅（Ｚ’軸方向に沿った長さ）Ｗ１が基端側から先端側へ向けて漸減するように、第３外縁２１３に対して傾斜しており、かつ、直線的に延在している。
これにより、振動部２１は、幅Ｗ１が連続的に変化するテーパー状となり、よって、Ｘ軸方向において、幅Ｗ１が異なる部分を有することとなる。振動部２１をこのようなテーパー状とすることで、主振動である厚みすべり振動以外の不要振動を低減することができ、優れた振動特性を有する振動素子１となる。具体的には、振動部２１をテーパー状とすることで、振動部２１の幅Ｗ１にバラつきが生じるため、Ｚ’軸方向の不要振動（特に屈曲振動）の共鳴が抑えられ、その結果、不要振動が低減される。よって、不要振動に起因したスプリアスが低減され、優れた振動特性を有する振動素子１となる。なお、振動素子１によれば、Ｚ’軸方向の屈曲振動以外にも、例えば、幅すべり振動、幅縦振動、輪郭振動等の共鳴も低減することができ、これらも合わせて抑制することができる。
特に、本実施形態のように、幅Ｗ１が先端側へ向けて漸減するテーパー状の部分（テーパー形状部）を振動部２１のＸ軸方向の全域に配置することで、振動部２１の全域で不要振動を効果的に低減することができる。これに加えて、振動部２１の形状がより単純なものとなり、製造が容易となると共に、振動部２１への局所的な応力集中を低減することができる。
ここで、第３外縁２１３に対する第４外縁２１４の傾斜角θ１としては、特に限定されないが、１°≦θ１≦２０°なる関係を満足することが好ましい。このような関係を満足することで、上述した機能を十分に発揮することができると共に、第４外縁２１４の過度な傾斜が抑えられることで、振動素子１の先端部の剛性の過度な低下や、振動素子１の大型化を低減することができる。
厚肉部２２は、図１および図２に示すように、振動部２１よりも厚く、厚肉部２２の表面（＋Ｙ’軸側の主面）が振動部２１の表面（＋Ｙ’軸側の主面）よりも＋Ｙ’軸側へ突出して設けられており、厚肉部２２の裏面（−Ｙ’軸側の主面）が振動部２１の裏面（−Ｙ’軸側の主面）と同一平面上に設けられている。
このような厚肉部２２は、振動部２１の三方を囲むようにして配置されている。具体的には、厚肉部２２は、第１外縁２１１に沿って配置された第１厚肉部２３と、第３外縁２１３に沿って配置された第２厚肉部２４と、第２外縁２１２に沿って配置された第３厚肉部２５とを有している。そのため、厚肉部２２は、平面視で、振動部２１に沿って曲がった構造を備え、略「コ」字状をなしている。一方、振動部２１の第４外縁２１４には厚肉部２２が設けられておらず、第４外縁２１４は、厚肉部２２から露出している。このように、厚肉部２２を振動部２１の外縁に部分的に設けることで、振動素子１（振動部２１）の剛性を保ちつつ、振動素子１の先端側の質量を低減することができ、周波数安定度を高めることができる。また、振動素子１の小型化を図ることができる。
ここで、第２厚肉部２４を振動部２１に対して＋Ｚ’軸側に設けることで、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。
第１厚肉部２３は、第１外縁２１１に連設され、＋Ｘ軸方向に向けて厚みが漸増する傾斜部２３１と、傾斜部２３１の＋Ｘ軸側の端縁に連接する厚みがほぼ一定の厚肉部本体２３２とを備えている。また、第２厚肉部２４は、第３外縁２１３に連設され、＋Ｚ’軸方向に向けて厚みが漸増する傾斜部２４１と、傾斜部２４１の＋Ｚ’軸側の端縁に連接する厚みがほぼ一定の厚肉部本体２４２とを備えている。また、第３厚肉部２５は、第２外縁２１２に連設され、−Ｘ軸方向に向けて厚みが漸増する傾斜部２５１と、傾斜部２５１の−Ｘ軸側の端縁に連接する厚みがほぼ一定の厚肉部本体２５２とを備えている。なお、これら傾斜部２３１、２４１、２５１は、振動部２１を形成する際のエッチング残渣で構成されている。
また、第１厚肉部２３の厚肉部本体２３２の表面、すなわち、振動素子１の基端側には、マウント部（固定部）２９が設けられている。図４に示すように、振動素子１は、このマウント部２９にて、接着材９１を用いて対象物９２に固定される。なお、マウント部２９の位置としては、特に限定されず、例えば、厚肉部本体２３２の裏面に設けられていてもよい。
また、第１厚肉部２３の厚肉部本体２３２には、マウント部２９と振動部２１との間に位置し、Ｚ’軸方向に延在するスリット２３３が設けられている。前述したように、振動素子１をマウント部２９にて接着材９１を用いて対象物９２に固定すると、接着材９１の収縮等によってマウント部２９付近に応力が発生し、この応力が振動部２１まで広がってしまう場合があるが、本実施形態のようなスリット２３３を設けることで、前記応力の振動部２１までの広がりを抑えることができる。なお、このようなスリット２３３は、省略してもよい。また、スリット２３３は、底面を有する溝状になっていてもよい。
以上、水晶基板２の構成について詳細に説明した。なお、水晶基板２の長さＬとしては、特に限定されないが、Ｌ≦５ｍｍなる関係を満足することが好ましい。また、水晶基板２の幅Ｗとしては、特に限定されないが、Ｗ≦３ｍｍなる関係を満足することが好ましい。
また、水晶基板２の厚みＴとしては、特に限定されないが、５０μｍ≦Ｔ≦７０μｍなる関係を満足していることが好ましい。これにより、振動素子１の剛性を確保することができる。さらに、振動部２１を形成する際のエッチング深さが過度に深くならないため、振動部２１の形成を精度よく行うことができる。そのため、振動素子１は、所望の振動特性を安定して発揮することができる。これに対して、厚みＴが上記下限値未満であると、振動素子１の質量（長さＬおよび幅Ｗ等）によっては、振動素子１の剛性が不足し、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の先端部（振動部２１）の撓み量を十分に小さくすることができない場合がある。反対に、厚みＴが上記上限値を超えると、振動素子１の過度な大型化を招いたり、振動素子１の歩留まりの低下を招いたりするおそれがある。具体的には、前述したように、振動部２１は、ウエットエッチングによって＋Ｙ’側の主面に凹陥部を形成することによって得られるが、厚みＴが大きくなると、その分、凹陥部が深くなり、それに伴って、傾斜部２３１、２４１の幅も広くなる。そのため、振動素子１の大型化を招いてしまう。また、厚みＴが大きくなるほど凹陥部の深さ（エッチング深さ）が深くなり、エッチング精度が低下する。そのため、振動部２１を所望の厚みに整えることが困難となり、その結果、振動素子の歩留まりが低下する。
（電極）
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。
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。そして、振動部２１の、励振電極３１、３２に挟まれた領域が、厚みすべり振動が励振される振動領域２１９となる。
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。
励振電極３１からは、引出電極３５が延出しており、この引出電極３５を介して励振電極３１とパッド電極３３とが電気的に接続されている。また、励振電極３２からは、引出電極３６が延出しており、この引出電極３６を介して励振電極３１とパッド電極３４とが電気的に接続されている。引出電極３６は、平面視で、水晶基板２を介して引出電極３５と重ならないように設けられている。これにより、引出電極３５、３６間の静電容量を抑えることができる。
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。
以上、本実施形態の振動素子１について説明した。
以上、本実施形態の振動素子１について説明した。
図５に、本実施形態の振動素子１の周波数温度特性を示し、図６に、従来の振動素子の周波数温度特性を示す。なお、従来の構成とは、振動部２１の幅Ｗ１がＸ軸方向に一定となっている振動素子を言う。また、図５および図６では、それぞれ、複数のサンプルの周波数温度特性を示している。図５および図６を比較すれば明らかなように、振動素子１の方が従来の振動素子よりも、周波数温度特性の波形の乱れ（揺らぎ）が少なく、かつ、周波数温度特性の個体差も小さい。したがって、振動素子１は、より安定した振動特性を発揮することができる。
＜第２実施形態＞
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。
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７は、本発明の第２実施形態にかかる振動素子の斜視図である。図８は、図７に示す振動素子の平面図である。図９は、図７に示す振動素子の変形例を示す平面図である。図１０は、図７に示す振動素子の周波数温度特性を示すグラフである。
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、水晶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。
図７および図８に示すように、本実施形態の振動素子１では、振動部２１の第４外縁２１４がＸ軸方向に沿って延在しており、振動部２１の第３外縁２１３が第４外縁２１４（すなわちＸ軸）に対して交差する方向に沿って延在している。より具体的には、第３外縁２１３は、振動部２１の幅Ｗ１が基端側から先端側へ向けて漸増するように、第４外縁２１４に対して傾斜し、かつ、直線的に延在している。これにより、振動部２１は、Ｘ軸方向に沿って、幅Ｗ１が異なる部分を有することとなる。そのため、Ｚ’軸方向の不要振動を低減することができ、優れた振動特性を有する振動素子１となる。
図１０に、本実施形態の振動素子１の周波数温度特性を示す。図１０と前述した図７を比較すれば明らかなように、振動素子１の方が従来の振動素子よりも、周波数温度特性の波形の乱れ（揺らぎ）が少なく、かつ、周波数温度特性の個体差も小さい。したがって、振動素子１は、より安定した振動特性を発揮することができる。
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。
なお、本実施形態の振動素子１とは反対に、図９に示すように、第３外縁２１３は、振動部２１の幅Ｗ１が基端側から先端側へ向けて漸減するように、第４外縁２１４に対して傾斜していてもよい。このような構成によっても、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
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。
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１１は、本発明の第３実施形態にかかる振動素子の平面図である。図１２は、図１１に示す振動素子の変形例を示す平面図である。
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、水晶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。
図１１に示すように、本実施形態の振動素子１では、振動部２１の第４外縁２１４が途中の複数個所で屈曲した形状となっている。具体的には、第４外縁２１４は、平面視で、＋Ｘ軸（基端）側から、Ｘ軸方向に延在する（第３外縁２１３に平行な）第１部分２１４ａと、Ｘ軸（第３外縁）に対して傾斜した方向に延在する第２部分２１４ｂと、Ｘ軸方向に延在する（第３外縁２１３に平行な）第３部分２１４ｃと、を有している。そのため、振動部２１は、第１部分２１４ａにおいて幅Ｗ１がほぼ一定となっており、第２部分２１４ｂにおいて幅Ｗ１が先端へ向けて漸減するテーパー状となっており、第３部分２１４ｃにおいて再び幅Ｗ１が一定となっている。すなわち、振動部２１は、幅Ｗ１が先端へ向けて漸減するテーパー形状部と、このテーパー形状部の基端側および先端側に設けられ、幅Ｗ１がＸ軸方向に沿って一定な幅一定部と、を有している。
また、平面視で、振動領域２１９の−Ｘ軸側の端と交差し、Ｚ’軸方向に延びる仮想直線を仮想直線Ｌｚ１とし、振動領域２１９の＋Ｘ軸側の端と交差し、Ｚ’軸方向に延びる仮想直線を仮想直線Ｌｚ２としたとき、第２部分２１４ｂの基端（＋Ｘ軸側の端）２１４ｂ’は、仮想直線Ｌｚ１上に位置し、第２部分２１４ｂの先端（−Ｘ軸側の端）２１４ｂ”は、仮想直線Ｌｚ２上に位置している。
このような構成とすることで、振動部２１のテーパー状の部分（テーパー形状部）に振動領域２１９を配置することができるため、前述した第１実施形態と同様に、Ｚ’軸方向の不要振動の共鳴を低減することができ、優れた振動特性を有する振動素子１となる。また、第４外縁２１４が第１部分２１４ａを有しているため、第１部分２１４ａが無い場合（図１１中の一点鎖線で示す場合）と比較して、振動領域２１９を広く確保することができる。また、第４外縁２１４が第３部分２１４ｃを有しているため、先端側において振動部２１の幅Ｗ１が細くなり過ぎてしまう（軽くなり過ぎてしまう）ことが低減され、マウント部２９で固定した状態での左右（Ｚ’軸方向）のバランスの崩れを低減することができる。
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。
なお、本実施形態の振動素子１では、第２部分２１４ｂの基端２１４ｂ’が仮想直線Ｌｚ１上に位置し、第２部分２１４ｂの先端２１４ｂ”が仮想直線Ｌｚ２上に位置しているが、例えば、基端２１４ｂ’は、仮想直線Ｌｚ１よりも＋Ｘ軸側に位置していてもよいし、先端２１４ｂ”は、仮想直線Ｌｚ２よりも−Ｘ軸側に位置していてもよい。
また、本実施形態の振動素子１とは反対に、図１２に示すように、第４外縁２１４の第２部分２１４ｂは、振動部２１の幅Ｗ１が基端側から先端側へ向けて漸増するように、第３外縁２１３に対して傾斜していてもよい。このような構成によっても、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第４実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第４実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
次に、本発明の振動素子の第４実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第４実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
以下、第４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４実施形態にかかる振動素子は、水晶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。
図１３に示すように、本実施形態の振動素子１では、水晶基板２の両主面に凹陥部を形成することで振動部２１が形成されている。言い換えると、厚肉部２２の表面（−Ｙ’軸側の主面）は、振動部２１の表面（＋Ｙ’軸側の主面）よりも＋Ｙ’軸側へ突出して設けられており、厚肉部２２の裏面（−Ｙ’軸側の主面）は、振動部２１の裏面（−Ｙ’軸側の主面）よりも−Ｙ’軸側へ突出して設けられている。このように、水晶基板２の両主面に凹陥部を形成して振動部２１を形成することで、例えば、前述した第１実施形態と比較して、凹陥部のエッチング深さを浅くすることができる。そのため、エッチングをより精度よく行うことができ、水晶基板２の外形形状をより高精度に得ることができる。また、傾斜部２３１、２４１、２５１の幅を小さくすることができるため、振動素子１の小型化を図ることもできる。
このような第４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。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第５実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第５実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
次に、本発明の振動素子の第５実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第５実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
以下、第５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５実施形態にかかる振動素子は、水晶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。
図１４に示すように、本実施形態の振動素子１では、厚肉部２２から第３厚肉部２５が省略されている。すなわち、振動部２１の第２外縁２１２および第４外縁２１４が厚肉部２２から露出している。このような構成によれば、振動素子１の先端側の質量を小さくすることができるため、例えば、Ｙ’軸方向の加速度が加わったときなどの振動部２１の撓みが低減され、周波数安定度を高めることができる。また、振動素子１の小型化を図ることができる。
このような第５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。
＜第６実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第６実施形態について説明する。
次に、本発明の振動素子の第６実施形態について説明する。
図１５は、本発明の第６実施形態にかかる振動素子の平面図である。図１６は、図１５に示す振動素子が有する振動部の形成方法を説明する断面図である。
以下、第６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６実施形態にかかる振動素子は、水晶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。
図１５に示すように、本実施形態の振動素子１では、振動部２１の第３外縁２１３および第４外縁２１４のうち、第３外縁２１３が−Ｚ’軸側に位置し、第４外縁２１４が＋Ｚ’軸側に位置している。このような配置とすることで、次のような効果を発揮することができる。
前述したように、振動部２１は、＋Ｙ’軸側に凹陥部２１０をウエットエッチングで形成することで形成される。このように、凹陥部２１０をウエットエッチングで形成すると、図１６に示すように、凹陥部の＋Ｚ’軸側の壁面Ｚ１は、急な傾斜面となり、−Ｚ’軸側の壁面Ｚ２（Ｚ２１、Ｚ２２、Ｚ２３の集合面）は、壁面Ｚ１に対して緩やかに傾斜した傾斜面となる。そして、図１６中の、壁面Ｚ１よりも−Ｚ’側にある仮想線Ｌで水晶基板２を切断すれば、第４外縁２１４が得られる。このような製法によれば、第４外縁２１４にエッチングの残渣が残り難くなる。そのため、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子１となる。
このような第６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。
２．振動子
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。
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１７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１７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。
図１７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）
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。
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。
ベース４１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４２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース４１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４１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４１とリッド４２の接合は、特に限定されず、例えば、接着材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。
ベース４１の凹部４１１の底面には、接続電極４５１、４６１が形成されている。また、ベース４１の下面には、外部実装端子４５２、４６２が形成されている。接続電極４５１は、ベース４１に形成された図示しない内部配線を介して外部実装端子４５２と電気的に接続されており、接続電極４６１は、ベース４１に形成された図示しない内部配線を介して外部実装端子４６２と電気的に接続されている。
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。
収容空間Ｓ内に収容されている振動素子１は、表面をベース４１側に向けて、マウント部２９において、導電性接着材５１によってベース４１に固定されている。導電性接着材５１は、接続電極４５１とパッド電極３３とに接触して設けられている。これにより、導電性接着材５１を介して接続電極４５１とパッド電極３３とが電気的に接続される。導電性接着材５１を用いて振動素子１を一カ所（一点）で支持することによって、例えば、ベース４１と水晶基板２の熱膨張率の差によって振動素子１に発生する応力を抑えることができる。
導電性接着材５１としては、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等の接着材に導電性フィラーを分散させたものを用いることができる。
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。
３．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。
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１８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１８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。
図１８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。
図１８に示すように、発振器１００では、ベース４１の凹部４１１にＩＣチップ１１０が固定されている。ＩＣチップ１１０は、凹部４１１の底面に形成された複数の内部端子１２０と電気的に接続されている。複数の内部端子１２０には、接続電極４５１、４６１と接続されているものと、外部実装端子４５２、４６２と接続されているものがある。ＩＣチップ１１０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１１０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。
４．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。
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１９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１１０８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、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。
図２０は、本発明の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１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００には、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。
図２１は、本発明の電子機器を適用したデジタルスチールカメラの構成を示す斜視図である。この図において、デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１３１０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１３１０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１３１０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。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、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。
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図１９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２０の携帯電話機、図２１のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、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）、フライトシミュレーター等に適用することができる。
５．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。
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２２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。
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、前述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、振動部の第３外縁および第４外縁のうちの一方がＸ軸に沿って延在し、他方がＸ軸に対して傾斜して延在している構成について説明したが、第３外縁と第４外縁とが交差する方向に延在していれば、第３外縁および第４外縁の両方がＸ軸に対して傾斜していてもよい。
また、前述した実施形態では、基板が水晶で構成された形態について説明したが、基板の構成材料としては、水晶に限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等の各種圧電体材料を用いることができる。
１、１Ａ……振動素子
２……水晶基板
３……電極
４……パッケージ
１０……振動子
２１……振動部
２１０……凹陥部
２１１……第１外縁
２１２……第２外縁
２１３……第３外縁
２１４……第４外縁
２１４ａ……第１部分
２１４ｂ”……先端
２１４ｂ’……基端
２１４ｂ……第２部分
２１４ｃ……第３部分
２１９……振動領域
２２……厚肉部
２３……第１厚肉部
２３１……傾斜部
２３２……厚肉部本体
２３３……スリット
２４……第２厚肉部
２４１……傾斜部
２４２……厚肉部本体
２５……第３厚肉部
２５１……傾斜部
２５２……厚肉部本体
２９……マウント部
３１、３２……励振電極
３３、３４……パッド電極
３５、３６……引出電極
４１……ベース
４１１……凹部
４２……リッド
４５１……接続電極
４５２……外部実装端子
４６１……接続電極
４６２……外部実装端子
５１……導電性接着材
５２……ボンディングワイヤー
９１……接着材
９２……対象物
１００……発振器
１１０……ＩＣチップ
１２０……内部端子
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
１１０８……表示部
１２００……携帯電話機
１２０２……操作ボタン
１２０４……受話口
１２０６……送話口
１２０８……表示部
１３００……デジタルスチールカメラ
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
１３１０……表示部
１５００……自動車
Ｌ……仮想線
Ｌｚ１……仮想直線
Ｌｚ２……仮想直線
Ｓ……収容空間
Ｔ……厚み
Ｗ、Ｗ１……幅
Ｚ１……壁面
Ｚ２、Ｚ２１、Ｚ２２、Ｚ２３……壁面
θ……角度
θ１……傾斜角
２……水晶基板
３……電極
４……パッケージ
１０……振動子
２１……振動部
２１０……凹陥部
２１１……第１外縁
２１２……第２外縁
２１３……第３外縁
２１４……第４外縁
２１４ａ……第１部分
２１４ｂ”……先端
２１４ｂ’……基端
２１４ｂ……第２部分
２１４ｃ……第３部分
２１９……振動領域
２２……厚肉部
２３……第１厚肉部
２３１……傾斜部
２３２……厚肉部本体
２３３……スリット
２４……第２厚肉部
２４１……傾斜部
２４２……厚肉部本体
２５……第３厚肉部
２５１……傾斜部
２５２……厚肉部本体
２９……マウント部
３１、３２……励振電極
３３、３４……パッド電極
３５、３６……引出電極
４１……ベース
４１１……凹部
４２……リッド
４５１……接続電極
４５２……外部実装端子
４６１……接続電極
４６２……外部実装端子
５１……導電性接着材
５２……ボンディングワイヤー
９１……接着材
９２……対象物
１００……発振器
１１０……ＩＣチップ
１２０……内部端子
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
１１０８……表示部
１２００……携帯電話機
１２０２……操作ボタン
１２０４……受話口
１２０６……送話口
１２０８……表示部
１３００……デジタルスチールカメラ
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
１３１０……表示部
１５００……自動車
Ｌ……仮想線
Ｌｚ１……仮想直線
Ｌｚ２……仮想直線
Ｓ……収容空間
Ｔ……厚み
Ｗ、Ｗ１……幅
Ｚ１……壁面
Ｚ２、Ｚ２１、Ｚ２２、Ｚ２３……壁面
θ……角度
θ１……傾斜角
Claims (10)
- 厚みすべり振動で振動する振動領域を含む第１領域と、
前記第１領域の外縁と一体化され、前記第１領域よりも厚さが厚い第２領域と、を有する基板を備え、
前記第１領域は、
前記厚みすべり振動の振動方向である第１方向に離間して配置されている第１外縁および第２外縁と、
前記振動方向に直交する方向である第２方向に離間して配置されている第３外縁および第４外縁と、を有し、
前記基板の垂線方向からの平面視で、前記第３外縁および前記第４外縁の少なくとも一方が、他方に対して交差する方向に設けられている部分を含むことにより、前記第２方向に沿った長さが前記第１方向において異なっている部分を有し、
前記第２領域は、
前記第１外縁に沿って設けられている第１厚肉部と、
前記第３外縁に沿って設けられている第２厚肉部と、
を含むことを特徴とする振動素子。 - 請求項１において、
前記第２外縁および前記第４外縁のうちの少なくとも前記第４外縁は、前記第２領域が設けられていないことを特徴とする振動素子。 - 請求項１または２において、
前記第１領域は、前記第１方向の前記第１外縁から前記第２外縁に向けて前記第２方向に沿った長さが漸減または漸増するテーパー形状部を含むことを特徴とする振動素子。 - 請求項３において、
前記テーパー形状部に前記振動領域が配置されていることを特徴とする振動素子。 - 請求項３または４において、
前記第１領域は、前記テーパー形状部よりも前記第１厚肉部側に位置し、前記第２方向の長さが前記第１方向に沿って一定な部分を含むことを特徴とする振動素子。 - 請求項３または４において、
前記テーパー形状部は、前記第１領域の前記第１方向の全域にわたって配置されていることを特徴とする振動素子。 - 請求項１ないし６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、
を備えていることを特徴とする振動子。 - 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動素子と、
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６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６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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-
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| JP2014209719A (ja) * | 2013-03-29 | 2014-11-06 | セイコーエプソン株式会社 | 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 |
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