JP2019068419A - 小型の圧電共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の圧電共振器において、製造を複雑にせずに共振器のクオリティーファクターＱを改善させる。【解決手段】圧電共振器は、基礎及び基礎から延在している少なくとも２つの振動アーム３を備える。振動アームは、上側面と下側面にて、少なくとも２つの溝４ａ、４ｂを有する。上側面にある溝の深さは、各アームの総厚みの３０％よりも小さく、下側面にある溝の深さは、各アームの総厚みの５０％よりも大きく、又はこの逆である。【選択図】図２ｂ

Description

本発明は、小型の圧電共振器に関する。この圧電共振器は、計時器、コンピューティング、遠隔通信、さらには医療などの分野における少なくとも１つの電子回路と共に用いられるように意図されたクオーツ式音叉共振器であることができる。

伝統的な圧電音叉共振器において、電気的励起場が、一方の面に平行な方向に配置されている電極によって作られ、これらの電極のうちのいくつかがこの面上に配置されている。このような共振器には、基礎と、一般的には互いに平行であり同じ方向に基礎から延在している２つの振動アームがある。

このため、圧電音叉共振器を開示しているフランス特許ＦＲ２４６７４８７を引用する。図１に示しているように、この共振器１は、基礎２と、及びこの基礎２から延在している２つの振動アーム３、３’とを有する。各アーム３、３’の下側面及び上側面に、少なくとも１つの溝４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’が形成される。これらのアームの断面は、Ｈ字形となっており、同じ深さの溝４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’があり、対称的な構成となっている。アームの溝が部分的に対称的に配置された電極配置（図示せず）によって、電場によるより均質な励起のおかげで、電力消費を小さくすることができる。しかし、クオリティーファクターＱは、十分に改善されていない。

このような圧電音叉共振器をさらに小型化するために、米国特許ＵＳ６５８７００９Ｂ２に開示されているように、共振器の基礎にノッチを形成して、共振器をそのケーシング内に固定し、そして、振動アームを基礎の他方の側に固定するゾーンの機械的なデカップリングを可能にすることが考えられる。さらに、共振器の各アームにも溝が形成される。まず、各アームの上側面に溝が形成され、そして、下側面に溝が形成され、これらの２つの溝は互いに反対側となっている。溝の深さは、各アームの総厚みの３０％〜５０％である。また、これらのアームは、Ｈ字形の断面を有し、化学的エッチングに起因する非対称性がありつつも対称的な形状を有する。しかし、共振器の各アームにある溝がこのような構成であるために、異なる深さを有するように２つの面の溝を形成することによって共振器のクオリティーファクターＱを最適化する必要がある。

米国特許出願ＵＳ２０１０／０２７７０４１Ａ１は、基礎から延在している２つの平行なアームを備えた圧電共振器を開示している。各アームには、各アームの長さにわたってサイドバイサイド構成で並置されるように作られた２つの平行な溝がある。第１の溝は、第１の面から形成され、第１の溝の深さは、アームの厚みの５０％よりも大きく、第２の溝は、反対側の第２の面から形成され、第２の溝の深さは、アームの厚みの５０％よりも大きい。これらの溝は、その長さにわたって対称的かつ平行な形態で構成している。これらの第１及び第２の溝をサイドバイサイド構成で並置するために、これらの溝の幅は制限される。このことは、小さなアームにある溝についての幅と深さの間の比率に関して好ましくない。

また、米国特許ＵＳ７６２６３１８Ｂ２と米国特許出願ＵＳ２０１３／０１７５９０３Ａ１も、基礎から延在している少なくとも２つの平行なアームを備えた圧電共振器を開示している。各アームにおいて、頂面にある溝及び底面にある溝が形成されており、これらの溝は同じ深さを有しており、したがって、対称的な形状である。２つの面にある溝の深さを異なるようにすることによって、この共振器のクオリティーファクターＱを最適化しなければならない。

本発明の主要な目的は、音叉共振器のクオリティーファクターＱを、このような小さな共振器の製造を複雑にせずに改善することである。

したがって、本発明の目的は、前記の従来技術の課題を克服して共振器のクオリティーファクターＱをその共振器の製造を複雑にせずに改善させるような小型の圧電共振器を提案することである。

このために、本発明は、独立請求項１に記載の特徴を有する圧電共振器に関する。

従属請求項２〜１７に、圧電共振器のいくつかの実施形態が記載されている。

圧電共振器の利点は、各アームにおいて、下側面に少なくとも１つの溝及び上側面に少なくとも１つの溝があり、これらの溝の深さが各アームの厚みの３０％よりも小さく又は各アームの厚みの５０％よりも大きいということに基づいている。

好ましいことに、各アームの上側面と下側面に、互いに反対側となっている２つの溝が形成される。一方の側にある第１の溝の深さは、各アームの厚みの３０％よりも小さく、他方の側にある第２の溝の深さは、各アームの厚みの５０％よりも大きく、さらには６５％以上である。これによって、２つの非対称的な溝群が形成される。

好ましいことに、共振器の結晶配向に対して深い溝と浅い溝を形成するために適切な面を選択することによって、共振器のクオリティーファクターＱが、特に、対称的な溝群の場合と比較して、改善されることがわかった。この改善のおかげで、従来技術の共振器と比較して、クオリティーファクターＱがほぼ１５％増加することが可能になる。

図面を参照しながら下記の説明全体を読むことによって、このような圧電共振器の目的、利点及び特徴が一層と明確になるであろう。

既に上で言及しており、アームに対称的な溝群がある従来技術に係る圧電音叉共振器の平面図を示している。 図２ａ及び２ｂは、本発明の２つの実施形態に係る圧電音叉共振器の一方のアームの断面を各アームにある溝の深さとともに示している。 図２ａ及び２ｂは、本発明の２つの実施形態に係る圧電音叉共振器の一方のアームの断面を各アームにある溝の深さとともに示している。 正規化されたクオリティーファクターＱを、中央のスケールを基準とする「実線曲線」として示しているグラフであり、さらに、各アームの下側面と上側面の間の溝の深さの差に応じたねじれ成分を、右にあるスケールを基準とする「破線曲線」として示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 図４ａ〜４ｇは、図２ａ及び２ｂにおいて示すように、各アームに深さが異なる溝がある圧電共振器の様々な形の平面図を示している。 本発明に係る非対称的な溝群が形成された圧電共振器の動作を説明するために、電極構成を有する圧電共振器のアームの断面を概略的に示している。 図６ａ〜６ｃは、図４ｇに示した各アームに溝がある本発明に係る圧電共振器に示している実施形態と類似している別の実施形態におけるアーム部分の平面図及び２つの長手方向の断面Ａ−Ａ及びＢ−Ｂの断面図を示している。

以下の説明の全体にわたって、当業者にとって周知である圧電共振器の部品についてはいずれも詳細には説明しない。また、以下においては、基本曲げモードで主として振動することができるクオーツ式圧電音叉共振器について説明する。結晶軸及び弾性定数の符号の定義は、標準ＩＥＣ ６０７５８に定められている通りである。したがって、以下の説明は、右ねじれクオーツにも左ねじれクオーツにも等しく当てはまる。

従来技術の図１に示しているように、本発明の圧電共振器１は、基礎２と、及び結晶軸Ｘの方向にて基礎２に接続しており結晶軸Ｙ又は―Ｙの方向にて基礎から延在している２つの振動アーム３、３’とを有する。共振器の主軸の向きは、前記効果を損なわずに、数度の分、結晶軸から逸れることができる。区画のこのような回転は、例えば、共振器の熱的特性を調整するように行われる。圧電共振器１は、好ましくは、振動して発振することができる２つのアーム３、３’を備えた音叉共振器である。

これらの２つのアーム３、３’は、一般的には、互いに部分的に平行であるように基礎２から延在しており、例えば、同様の形及び大きさを有する。各アーム３、３’にて、各アームの下側面及び／又は上側面から結晶軸Ｚの方向に、少なくとも１つの溝４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’が形成されている。好ましくは、２つのアーム３、３’の上側面に溝４ａ、４ａ’が形成され、２つのアーム３、３’の下側面に溝４ｂ、４ｂ’が形成される。各アームに形成される前記の２つの溝は、互いに反対側に配置され、深さが異なり、非対称的な溝群を形成する。

各アーム３、３’の上側面は、基礎２の上側面の延長部分にあることができ、各アーム３、３’の下側面は、基礎２の下側面の延長部分にあることができる。アームの面に配置された電極に接続される接続端子（図示せず）は、基礎２の下側面に配置されている。共振器が電子部品のケーシング内にてアセンブルされる場合、前記接続端子は、伝統的には、接続支持段上にて固定される。しかし、基礎２の厚みが、基礎２に接続された各アーム３、３’の厚みよりも小さく又はその厚みよりも大きくすることができる。

アームにおける電極の配置は、欧州特許ＥＰ１６３３０４２Ｂ１の段落３２と図６Ａに記載された構成と同一であることができる。

図２ａ及び２ｂに示しているように、各アーム３の上側面にある溝４ａの深さｄ_+zは、各アーム３の下側面にある溝４ｂの深さｄ_-zとは異なることができる。深さの差ｒ＝ｄ_-z−ｄ_+zは、決めることができる。２つの非対称的な溝群がある状況で、第１の溝４ａの深さは、各アーム３の厚みｗの３０％よりも小さく、第２の溝４ｂの深さは、５０％よりも大きく、又は逆に、第１の溝４ａの深さは、各アーム３の厚みｗの５０％よりも大きく、第２の溝４ｂの深さは、３０％よりも小さい。

図２ａに示している第１の変形例によると、深さｄ_-zは、深さｄ_+zよりも小さく、このことによって、非対称的な溝群の溝どうしの深さの差ｒ（＜０）が発生する。図２ｂに示している第２の変形例によると、深さｄ_-zは、深さｄ_+zよりも大きく、このことによって、非対称的な溝群の溝どうしの深さの差ｒ（＞０）が発生する。図２ａ及び２ｂにおける最も大きな深さは、アームの総厚みの５０％よりも大きくなければならず、好ましくは、約６５％であり、最も小さな深さは、アームの総厚みの３０％よりも小さくなければならず、好ましくは、約２５％である。また、一方の側にてアームの厚みの７０％であり、他方の側にてアームの厚みの２８％である最大の溝の深さを有するようにすることも考えられる。

これらの条件の下で、図５に示しているように、底壁１３が薄いことが特に有利である。この底壁１３は、深い溝と浅い溝を接続して、一方の側における圧縮及び他方の側における伸長の間の応力の移行を減衰させる。このことによって、これらの２つの側の間の伝熱が減衰し、したがって、低い熱弾性減衰を得ることができる。

各アーム３、３’の上側面と下側面にて形成された幅ｅの溝４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’は、好ましくは、幅が同じ又は異なる各アームの２つのエッジ又は側壁ｂ、ｂ’の間にてセンタリングされるように配置されている。例として（これに制限されない）、各アームの幅ｌは、約５２μｍであることができ、厚みｗは、約１０８μｍであることができる。各エッジ又は側壁ｂ、ｂ’は、約５μｍであることができる。このことは、各溝の幅ｅが約４２μｍであることができることを意味している。基礎２のエッジから測定した各溝の長さは、約７００μｍであることができる。基礎２の幅は、約１７０μｍであることができ、アームの方向の基礎の長さは、約７７０μｍであることができる。各アームの長さは、約１１６０μｍであることができ、２つのアームの間の空間の長さは、約３３０μｍであることができる。

一般的には、例えば、各アームに沿った各溝の長さは、各アームの長さの５％〜１００％であることができ、各溝の幅は、各アームの幅の４０％〜９０％であることができる。

圧電共振器を作るためにクオーツ以外の材料を用いることができる。ＡｌＰＯ₄、ＧａＰＯ₄、ＧａＡｓＯ₄のような材料を用いることができる。しかし、結晶軸に対する第１及び第２の溝の幾何学的な寸法及び向きは、クオーツに対する状況とは異なることができる、なぜなら、それらは、材料の弾性定数、特に、係数ｃ１４に依存するからである。これは、このような共振器の向きに対して記載された標準ＩＥＣ ６０７５８に記載のように符号が負でなければならない。

このような状況で、図２ａ及び２ｂの一方のアームの断面の深さの差を、方向＋Ｙ（以下、向き（Ｘ，＋Ｙ）と記載する）に延在しているアームに対して示した。図１に示しているアームの向きが結晶配向に応じて方向−Ｙ（以下、向き（Ｘ，−Ｙ）と記載する）に変わると、図２ａ及び２ｂにおける深い溝が元の側から別の側へと変わる。

結晶クオーツの異方性によって、共振器のアームが対称的な輪郭を有する場合、このことは、方向Ｘにおける曲げモードに重なり合う、軸Ｙのまわりの空間ねじれ成分を発生させる。このねじれ成分は、ビーム（アーム）の輪郭の対称性を壊すことによって抑えたり促進したりすることができる。このことは、上に示しているように、また、図２ａ及び２ｂに示しているように、ｒ＝ｄ_-z―ｄ_+zを０とは異なる値に変えることによって行うことができる。ここで、ｄ_-zは、各アームの厚みに対する各アーム３、３’の下側面（−Ｚ側）にある溝４ｂ、４ｂ’の深さであり、ｄ_+zは、各アームの厚みに対する上側面（＋Ｚ側）にある溝４ａ、４ａ’の深さである。

図２ａ及び２ｂに示すように、デジタル的な検討によって、共振器の結晶配向（Ｘ，＋Ｙ）において、クオリティーファクターＱがｒ＜０にて減少し、ｒ＞０にて増加することがわかった。このｒ＞０の値にて、クオリティーファクターＱは最大に達し、再び減少する。ｒがより大きくても同様である。図３に、正規化されたクオリティーファクターＱをｒに応じた実線として示した。このクオリティーファクターＱは、ｒ＝０．４のあたりでピークを有するように示されており、この値は、約６５％のｄ_-z及び約２５％のｄ_+zに対応する。クオリティーファクターＱが最大に達するこのｒの値は、アームの輪郭の正確な幾何学的構成に、特に、幅ｅの溝とアームの側壁の間の各エッジｂ、ｂ’の幅に、依存する。

観察されたふるまいは、図３の破線に沿って示したねじれ成分の発生によって説明することができる。このねじれ成分は、曲げモードに重なっている。これは、共振器のアームにおける応力の分布を変える。このことによって、ｒ＞０において熱弾性減衰が減少し、したがって、クオリティーファクターＱを少なくとも値ｒ＝４０％まで増加させる。

図４ａ〜４ｇに、圧電共振器１の様々な形を示した。この図４ａ〜４ｇにおいては、アームや溝の形を変更しているが、一方の溝４ａ、４ａ’の深さを反対側の他方の溝（図示せず）の深さよりも小さく保っている。結晶配向（Ｘ，＋Ｙ）によると、上側面における溝４ａ及び４ａ’の深さは、アームの厚みの約２５％であり、これに対し、下側面にある溝の深さは、アームの厚みの約６５％である。図４ａ〜４ｇに示している共振器の各実施形態において、図２ａ及び２ｂに示しているような深さを有するこのような溝がある。

図４ａは、接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。基礎２は、２つの振動アーム３、３’の間にてこれらの２つの振動アーム３、３’と平行であるように位置している。各アーム３、３’には、上側面に溝４ａ、４ａ’、そして、下側面上であって上側面にある溝とは反対側に溝（図示せず）がある。これらの溝は、各アームの長さの一部上にて形成され、接続部分から基礎２まで延在している。

図４ｂは、接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。この圧電共振器は、図４ａに示したものと溝４ａ、４ａ’の構成が同じであって同様であるが、基礎２には、さらに、この基礎２にアーム３、３’を接続する部分とは反対側を固定する端部部分があることは例外である。この場合、基礎２は、アーム３、３’よりも長い。

図４ｃは、接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。この圧電共振器は、溝４ａ、４ａ’の構成については同じ構成であり、図４ａ又は図４ｂに示しているものと類似している。しかし、図４ａ及び４ｂに示している実施形態と異なり、基礎２の長さは、振動アーム３、３’の長さよりも短い。各アーム３、３’の端は、長方形のフィンを備える基礎２にアーム３、３’を接続する部分とは反対側にある。

図４ｄは、接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。共振器全体の形は、図４ａに示している共振器の形に対応している。接続部分には、さらに、方向Ｙのスロット溝５がある。これは、共振器が小さいまま、基礎２に接続された２つのアーム３、３’を広げる効果がある。各アームの上側面にある溝４ａ、４ａ’と下側面にある溝は、基礎２への接続部分にも延在するように設けられる。上から見ると、各溝はＵ字形である。

図４ｅは、接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。この実施形態は、基礎２にアーム３、３’を接続する部分の反対側にある各アーム３、３’の端にフィンがある点を除いて、図４ｄに示しているものと同様である。各フィンは、例えば、対称的な長方形又は他の形（図示せず）を有することができるが、この言及した形には特に限定されない。

図４ｆは、図１に示している形態と類似する形態で基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。しかし、２つのアーム３、３’のそれぞれの幅は、基礎２からその自由端まで連続的に線形的に減少し、これも長方形の対称的な形のフィンを端としている。各アーム３、３’の上側面と下側面に形成された各溝４ａ、４ａ’の幅も、基礎２から、各フィンの前のアームの部分まで、連続的に線形的に減少する。もちろん、上側面にある溝４ａ、４ａ’の深さは、下側面にある溝の深さとは異なる。さらに、一方の溝をアームの厚みの３０％よりも小さい深さに維持し、他方の溝をアームの厚みの５０％よりも大きい深さに維持しつつ、溝４ａ、４ａ’の深さは、基礎２から各アーム３、３’の自由端まで減少する。また、基礎２にスロット溝を形成して、振動アーム３、３’と、基礎２の固定部分の間の機械的なデカップリングを改善させることができる。

図４ｇは、図４ａに部分的に示しているように接続部分によって基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。各アーム３、３’には、接続部分によって基礎に接続された第１の延出部分がある。第１の延出部分は、基礎２と平行であり基礎２の全長にわたって延在している。各アーム３、３’には、さらに、第１の延出部分と平行であり横断部分によって第１の延出部分に接続された第２の延出部分がある。各アーム３、３’の第２の延出部分は、長方形のフィンを端としており、このフィンは、前記接続部分と平行に、基礎２の方に対称的に延在している。第１の溝４ａ、４ａ’は、各アーム３、３’の第１の延出部分の上側面に形成され、第３の溝６ａ、６ａ’は、各アーム３、３’の第２の延出部分の上側面に形成される。また、各アーム３、３’の第１及び第２の延出部分の下側面には、第２及び第４の溝も形成され、これらはそれぞれ、上側面に形成された第１及び第３の溝の反対側に形成される。第１及び第３の溝４ａ、４ａ’、６ａ、６ａ’の深さは、同じであることができ、また、異なっていることができる。このことは、第２及び第４の溝についても同様である。

また、図４ａ〜４ｇに示している実施形態において、下側面にある溝の深さとは異なる深さを有する溝４ａ、４ａ’を上側面に形成しつつ、各アームの上側面と下側面のそれぞれに２つの小さな平行な溝を形成することを考え出すことができる。

図５は、圧電共振器のアーム３の断面を概略的に示しており、このアーム３には、アーム３の上側面に形成された溝４ａと、アーム３の下側面に形成された溝４ｂとがある。上側面にある溝４ａは、クオーツの場合、好ましくは、結晶軸に沿った共振器の向き（Ｘ，＋Ｙ）にて、下側面にある溝４ｂの深さよりも浅い。アーム３の溝の底に、アーム３の側壁どうしを接続する薄い底壁１３が形成される。

各アームの面には、電極ｍ１及びｍ２が作られる。これらの電極は、一般的には、金属電極である。第１の電極ｍ１は、例えば、アームの側面に作られ、第２の電極ｍ２は、例えば、溝４ａ及び４ｂ内にて作られる。電極ｍ１、ｍ２の構成及び溝４ａ、４ｂがあるアーム３の形によると、これは一種の平型キャパシターを形成する。

発振器回路において、第１の電極ｍ１は、第１の電気接続端子Ｅ１に接続され、第２の電極ｍ２は、第２の電気接続端子Ｅ２に接続される。電圧の差は、時間にわたって変動し、これは、共振器の動作時に、端子Ｅ１及びＥ２に与えられる。これは、所定の共振振動数で電極ｍ１及びｍ２の間の可変電場を発生させる。

したがって、図５に示すように、クオーツ共振器の結晶配向に応じて、応力が発生する。なぜなら、電場と機械的応力の間にカップリングが発生するからである。したがって、一方の面又は側壁が圧縮され、他方の面又は側壁が伸長され、これによって、熱が発生する。アーム３の２つの側壁を接続する底壁１３が薄いと、熱緩和を減衰させることができ、したがって、一方の側の圧縮及び他方の側の伸長の間の熱力学的な損失を減衰させることができる。したがって、適応された溝４ａ、４ｂの深さで、クオリティーファクターＱを増加させることができる。

また、クオーツ共振器は、第１のキャパシターとインダクターと直列に接続された抵抗によって２つの電気接続端子Ｅ１及びＥ２の間で定められる。抵抗、第１のキャパシター及びインダクターによって形成されるアセンブリーと並列に、第２の寄生キャパシターが配置される。抵抗には損失があり、これは、制限されていなければならない。これに対して、電気的結合を改善させるために、第１のキャパシターは高い値を有していなければならない。

図６ａは、図４ｇに示したものの変形例として、基礎２に接続された２つの振動アーム３、３’を備えた圧電共振器１の平面図を示している。また、図６ｂ及び６ｃは、図６ａに示している共振器の一方のアームの第１及び第２の延出部分の２つの長手方向の断面Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂを示している。

図４ｇを参照しながら上で説明したように、各アーム３、３’には、接続部分によって基礎に接続される第１の延出部分がある。第１の延出部分は、基礎２と平行である。各アーム３、３’には、さらに、横断部分によって第１の延出部分に接続される第１の延出部分と平行な第２の延出部分がある。各アーム３、３’の第２の延出部分は、長方形のフィンを端としており、このフィンは、接続部分と平行に、基礎２の方に対称的に延在している。

図６ａにおいて、各アーム３、３’の第１の延出部分の上側面に、第１の深さを有する第１の溝４ａ、４ａ’及び第１の深さとは異なる第２の深さを有する第１の相補的な溝１４ａ、１４ａ’が形成されている。各アーム３、３’の第２の延出部分の上側面に、第２の深さを有する第３の溝６ａ、６ａ’及び第２の深さとは異なる第１の深さを有する第３の相補的な溝１６ａ、１６ａ’が形成される。また、各アーム３、３’の第１及び第２の延出部分の下側面に、第２及び第４の溝、及び第２及び第４の相補的な溝が形成される。これらはそれぞれ、上側面に形成された第１及び第３の溝４ａ、４ａ’、６ａ、６ａ’、及び第１及び第３の相補的な溝１４ａ、１４ａ’、１６ａ、１６ａ’の反対側にある。

第１の溝の深さは、各アームの総厚みの５０％よりも大きいように選択することができ、第２の溝の深さは、各アームの総厚みの３０％よりも小さいように選択することができる。もちろん、第１の溝の深さを各アームの総厚みの３０％よりも小さくし、第２の溝の深さを各アームの総厚みの５０％よりも大きくすることを考え出すことができる。

図６ｂ、６ｃはそれぞれ、アーム３’の第１の延出部分及び第２の延出部分の長手方向の断面Ａ−Ａ及びＢ−Ｂを示している。第１の延出部分には、第１の溝４ａ’と第１の相補的な溝１４ａ’がある。これらは、上側面に連続的又は区分された溝であって異なる深さを有する溝を形成する。第１の延出部分には、さらに、下側面に、第２の溝４ｂ’と第２の相補的な溝１４ｂ’がある。これは、下側面に、連続的又は区分された溝であって異なる深さの溝も形成している。第１の溝４ａ’が第１の深さを有する場合に、第２の溝４ｂ’は第２の深さを有するように作られる。これに対して、第１の相補的な溝１４ａ’が第２の深さを有するように作られる場合、第２の相補的な溝１４ｂ’は第１の深さを有するように作られる。この場合、第１の深さは、アーム３’の総厚みの５０％よりも大きく、第２の深さは、アーム３’の総厚みの３０％よりも小さい。したがって、第１の溝４ａ’の長さは、第２の溝４ｂ’の長さよりも小さくなければならず、第１の相補的な溝１４ａ’の長さは、第２の相補的な溝１４ｂ’の長さよりも大きくなければならない。

第２の延出部分には、第３の溝６ａ’と第３の相補的な溝１６ａ’がある。これらは、上側面に、連続的又は区分された溝であって深さが異なる溝を形成する。第２の延出部分には、さらに、下側面に、第４の溝６ｂ’と第４の相補的な溝１６ｂ’がある。これらも、下側面に、連続的又は区分された溝を形成する。第３の溝６ａ’が第２の深さを有する場合、第４の溝６ｂ’は、第１の深さを有するように作られる。これに対して、第３の相補的な溝１６ａ’が第１の深さを有する場合、第４の相補的な溝１６ａ’は、第２の深さを有する。この場合、第１の深さは、アーム３’の総厚みの５０％よりも大きく、第２の深さは、アーム３’の総厚みの３０％よりも小さい。したがって、第３の溝６ａ’の長さは、第４の溝６ｂ’の長さよりも大きくなければならず、第３の相補的な溝１６ａ’の長さは、第４の相補的な溝１６ｂ’の長さよりも小さくなければならない。

共振器のアーム３、３’にこの種の溝を形成することの１つの利点は、各アームのいくつかの部分の異なる溝の長さの比率を調整することによって、アームの断面の幾何学的関係とは独立してクオリティーファクターＱを最大化するために、基本の曲げモードのねじれ成分を変えることができることである。このことは、静的なキャパシタンスＣ０とは対照的な共振ブランチのキャパシタンスであるモーショナルキャパシタンスＣ１に影響を与えることがある、図２ａ及び２ｂに示している境界の幅ｂ、ｂ’、及びそれらの溝の幅ｅ、アーム幅ｌ及びアーム厚みｗとの関係に関して特に関係がある。この技術は、図４ｇに示した共振器に対して特に効率的であることがわかった。しかし、図４ａ〜４ｇに示している共振器のアームに対して同じタイプの溝とすることを考え出すことができる。

図６ａを見ると、特に、各アーム３、３’の２つの部分にある上側面から作られる、異なる溝の長さを示している。第１の溝４ａ、４ａ’と第１の相補的な溝１４ａ、１４ａ’、及び第３の溝６ａ、６ａ’と第３の相補的な溝１６ａ、１６ａ’は、長さ基準ｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２によって定められる。長さ基準ｒ１１は、第１の溝４ａ、４ａ’に対応しており、長さ基準ｒ１２は、第１の相補的な溝１４ａ、１４ａ’に対応している。長さ基準ｒ２１は、第３の溝６ａ、６ａ’に対応しており、長さ基準ｒ２２は、第３の相補的な溝１６ａ、１６ａ’に対応している。長さ比ｒ１２／ｒ１１及びｒ２２／ｒ２１は、等しくないことができ、図３のグラフ及び上の説明に示しているように、最大のクオリティーファクターＱとなるようにねじれ成分を最適化するように選択される。

図６ａに示しているように、第２及び第４の溝、及び第２及び第４の相補的な溝（図６ａにて示していない）の上側面にて、さらに、下側面にて、長さｒ１１、ｒ１２、ｒ２１、ｒ２２がわずかに異なるようにすることができる。このことは、図６ｂ及び６ｃを参照しながら上で説明したように、各アーム３、３’の上側面、そして、下側面から形成される溝どうしの接近箇所において薄い底壁１３の貫通を回避するために必要である。また、第１の相補的な溝１４ａ、１４ａ’の第１の溝４ａ、４ａ’、第２の相補的な溝の第２の溝、第３の相補的な溝１６ａ、１６ａ’の第３の溝６ａ、６ａ’、及び第４の相補的な溝の第４の溝を小さくなった深さの区画（図示せず）によって分離することを考え出すことができる。図６ａに示しているこの例において、溝は、Ｙ−Ｚ対称面Ｓ−Ｓに対して対称的に構成している。もちろん、図６ａに示している状況と比較して、Ｚ軸とＹ軸に対して、また、アームの第１及び第２の延出部分に対して、溝の深さを逆にすることを考え出すことができる。また、アームの上側面と下側面の各溝において連続して、各アームの厚みの３０％よりも小さく又は５０％よりも大きい深さとすることによって異なる深さの他の相補的な溝を加えることを考え出すことができる。

当業者は、提供された説明に基づいて、請求の範囲にて定められる本発明の範囲から逸脱せずに、圧電共振器の多くの変形例を設計することができる。アームの長さは、それぞれ異なることができる。各アームの長さにわたって漸次的に又は漸増的に変わるような深さ及び／又は幅を有するように、各アームに異なる形の溝を形成することができる。

１ 圧電共振器
２ 基礎
３、３’ 振動アーム
４ａ、４ａ’ 第１の溝
４ｂ、４ｂ’ 第２の溝
６ａ、６ａ’ 第３の溝
６ｂ、６ｂ’ 第４の溝
１４ａ、１４ａ’ 第１の相補的な溝
１４ｂ、１４ｂ’ 第２の相補的な溝
１６ａ、１６ａ’ 第３の相補的な溝
１６ｂ、１６ｂ’ 第４の相補的な溝

Claims (17)

1. 基礎（２）と、及び結晶軸Ｘの方向にて前記基礎（２）に接続された少なくとも２つの振動アーム（３、３’）とを有する圧電共振器（１）であって、
   前記振動アーム（３、３’）は、結晶軸＋Ｙ又は−Ｙの方向に前記基礎から延在しており、
   各振動アーム（３、３’）の＋Ｚ側にある上側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸＋Ｙ又は−Ｙに沿って、少なくとも第１の溝（４ａ、４ａ’）が形成され、
   各振動アーム（３、３’）の−Ｚ側にある下側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸＋Ｙ又は−Ｙに沿って非対称的な構成で前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の反対側に、少なくとも第２の溝（４ｂ、４ｂ’）が形成され、
   前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さく又は各振動アーム（３、３’）の総厚みの５０％よりも大きく、
   前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）の深さは、前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さが各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さいときには各振動アーム（３、３’）の総厚みの５０％よりも大きく、また、前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さが各振動アーム（３、３’）の総厚みの５０％よりも大きいときには各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さい
   ことを特徴とする圧電共振器（１）。
2. 前記２つの振動アーム（３、３’）は、結晶軸Ｘの方向にて前記基礎（２）に接続され、
   前記振動アーム（３、３’）は、結晶軸＋Ｙの方向に前記基礎から延在しており、
   各振動アーム（３、３’）の＋Ｚ側にある上側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸＋Ｙに沿って、少なくとも第１の溝（４ａ、４ａ’）が形成され、
   各振動アーム（３、３’）の−Ｚ側にある下側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸＋Ｙに沿って非対称的な構成で前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の反対側に、少なくとも第２の溝（４ｂ、４ｂ’）が形成され、
   前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さく、
   前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの５０％よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
3. 前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの約２５％であり、
   前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの約６５％である
   ことを特徴とする請求項２に記載の圧電共振器（１）。
4. 前記２つの振動アーム（３、３’）は、結晶軸Ｘの方向にて前記基礎（２）に接続され、
   前記振動アーム（３、３’）は、結晶軸−Ｙの方向に前記基礎から延在しており、
   各振動アーム（３、３’）の＋Ｚ側にある上側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸−Ｙに沿って、少なくとも第１の溝（４ａ、４ａ’）が形成され、
   各振動アーム（３、３’）の−Ｚ側にある下側面に、前記振動アーム（３、３’）の長さの一部において結晶軸−Ｙに沿って非対称的な構成で前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の反対側に、少なくとも第２の溝（４ｂ、４ｂ’）が形成され、
   前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの５０％よりも大きく、
   前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
5. 前記第１の溝（４ａ、４ａ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの約６５％であり、
   前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの約２５％である
   ことを特徴とする請求項４に記載の圧電共振器（１）。
6. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）の幅は、各振動アーム（３、３’）の幅の４０％〜９０％である
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電共振器（１）。
7. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）の幅は、約４２μｍであり、
   各振動アーム（３、３’）の幅は、約５２μｍである
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧電共振器（１）。
8. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）は、各振動アーム（３、３’）の長さにおいてセンタリングされるように配置されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧電共振器（１）。
9. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）の長さは、各振動アーム（３、３’）の長さの５％〜１００％である
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電共振器（１）。
10. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）の長さは、約７００μｍであり、
    前記基礎（２）からの各振動アーム（３、３’）の長さは、約１１６０μｍである
    ことを特徴とする請求項９に記載の圧電共振器（１）。
11. 各振動アーム（３、３’）間の空間の長さは、３３０μｍである
    ことを特徴とする請求項１０に記載の圧電共振器（１）。
12. 当該共振器は、前記基礎（２）からの長さが同じである２つの振動アーム（３、３’）を備えたクオーツ式音叉共振器であり、
    前記振動アーム（３、３’）の少なくとも２つの部分が互いに平行に配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
13. 前記基礎（２）と前記２つの振動アーム（３、３’）の厚みは同じである
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
14. 各溝（４ａ、４ａ’、４ｂ、４ｂ’）の深さ及び／又は幅は、各振動アーム（３、３’）の長さにて変化している
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
15. 当該共振器には、各振動アーム（３、３’）に、接続部分によって前記基礎（２）に接続され前記基礎（２）と平行な第１の延出部分があり、そして、各振動アーム（３、３’）に、横断部分によって前記第１の延出部分に接続され前記第１の延出部分と平行な第２の延出部分があり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の上側面に、第１の深さを有する第１の溝（４ａ、４ａ’）と、及び前記第１の深さとは異なる第２の深さを有する第１の相補的な溝（１４ａ、１４ａ’）とがあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の上側面に、第２の深さを有する第３の溝（６ａ、６ａ’）と、及び前記第２の深さとは異なる第１の深さを有する第３の相補的な溝（１６ａ、１６ａ’）とがあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の下側面に、第２の深さを有する第２の溝（４ｂ、４ｂ’）と、及び前記第２の深さとは異なる第１の深さを有する第２の相補的な溝（１４ｂ、１４ｂ’）とがあり、
    前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）と前記第２の相補的な溝（１４ｂ、１４ｂ’）はそれぞれ、各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の前記上側面にある前記第１の溝（４ａ、４ａ’）及び前記第１の相補的な溝（１４ａ、１４ａ’）の反対側にあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の下側面に、第１の深さを有する第４の溝（６ｂ、６ｂ’）と、及び前記第１の深さとは異なる第２の深さを有する第４の相補的な溝（１６ｂ、１６ｂ’）とがあり、
    前記第４の溝（６ｂ、６ｂ’）と前記第４の相補的な溝（１６ｂ、１６ｂ’）はそれぞれ、各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の上側面にある前記第３の溝（６ａ、６ａ’）と前記第３の相補的な溝（１６ａ、１６ａ’）の反対側にあり、
    前記第１の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さいか５０％よりも大きいかの一方であり、
    前記第２の深さは、逆に、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さいか５０％よりも大きいかの他方である
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
16. 当該共振器には、各振動アーム（３、３’）に、接続部分によって前記基礎（２）に接続され前記基礎（２）と平行な第１の延出部分があり、そして、各振動アーム（３、３’）に、横断部分によって前記第１の延出部分に接続され前記第１の延出部分と平行な第２の延出部分があり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の上側面に、第１の深さを有する第１の溝（４ａ、４ａ’）と、及び前記第１の深さとは異なる第２の深さを有する第１の相補的な溝（１４ａ、１４ａ’）とがあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の上側面に、第１の深さを有する第３の溝（６ａ、６ａ’）と、及び前記第１の深さとは異なる第２の深さを有する第３の相補的な溝（１６ａ、１６ａ’）とがあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の下側面に、第２の深さを有する第２の溝（４ｂ、４ｂ’）と、及び前記第２の深さとは異なる第１の深さを有する第２の相補的な溝（１４ｂ、１４ｂ’）とがあり、
    前記第２の溝（４ｂ、４ｂ’）と前記第２の相補的な溝（１４ｂ、１４ｂ’）はそれぞれ、各振動アーム（３、３’）の前記第１の延出部分の前記上側面にある前記第１の溝（４ａ、４ａ’）及び前記第１の相補的な溝（１４ａ、１４ａ’）の反対側にあり、
    各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の下側面に、第２の深さを有する第４の溝（６ｂ、６ｂ’）と、及び前記第２の深さとは異なる第１の深さを有する第４の相補的な溝（１６ｂ、１６ｂ’）とがあり、
    前記第４の溝（６ｂ、６ｂ’）と前記第４の相補的な溝（１６ｂ、１６ｂ’）はそれぞれ、各振動アーム（３、３’）の前記第２の延出部分の上側面にある前記第３の溝（６ａ、６ａ’）と前記第３の相補的な溝（１６ａ、１６ａ’）の反対側にあり、
    前記第１の深さは、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さいか５０％よりも大きいかの一方であり、
    前記第２の深さは、逆に、各振動アーム（３、３’）の総厚みの３０％よりも小さいか５０％よりも大きいかの他方である
    ことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振器（１）。
17. 各振動アームの前記部分に形成された連続的又は区分された溝のそれぞれにおいて、各振動アーム（３、３’）の厚みに対して第１又は第２の深さを有する他の第１、第２、第３及び第４の相補的な溝が形成される
    ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載の圧電共振器（１）。