JP4235207B2 - 圧電振動子、圧電振動子パッケージ及び発振回路 - Google Patents

Description

本発明は基部から振動腕部が２本伸びだして音叉型に形成されている圧電振動子に関する。

この種の圧電振動子例えば音叉型の水晶振動子は一般に腕時計の歩度を刻む信号源として知られており、近年では携帯型の電子機器に同期信号源として採用されている。この水晶振動子は、電子機器の小型化に対応してさらに小型化が求められている。

音叉型水晶振動子の構成については例えば特許文献１に記載されている。その構成を図１１に示すと、音叉型の水晶振動子は基部１に一対の振動腕部である音叉腕２ａ及び２ｂが設けられ、各音叉腕２ａ，２ｂにおける両主面には溝部３が設けられている。当該溝部３及び各音叉腕２ａ，２ｂの両側面には、各音叉腕２ａ，２ｂの屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための励振電極５が設けられている。音叉型振動子に電荷を与えた際に一方の音叉腕２ａの側面及び他方の音叉腕２ｂの溝部３内が同電位となり、他方の音叉腕２ｂの側面及び一方の音叉腕２ａの溝部３内が逆電位となるように励振電極５は結線されている。

このような音叉型水晶振動子によれば、溝部３を形成しない場合に比較して、Ｘ軸方向（音叉腕の幅方向）での電界強度が増す。このため各音叉腕２ａ，２ｂの両側面間で互いに逆方向に伸縮するＹ軸方向（音叉腕の長さ方向）での屈曲振動が強励振される。

このように構成することにより音叉腕２ａ，２ｂの振動損失が低くなり、基本的にＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が良好な圧電振動子を得ることができる。

しかしながら当該水晶振動子を利用した電子部品における消費電力の省電力化の要請から更なるＣＩ値の低下が求められている。また前記特許文献１記載の音叉型水晶振動子は既述のように音叉腕に溝部が設けられているため当該水晶振動子を小型化した場合に耐衝撃性が小さくなり、落下などの耐衝撃性が低く、電子部品などを製造する際に破損等の不具合が発生するおそれがあった。

特開２００２−２６１５７５

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、２本の振動腕部を備えた音叉型の圧電振動子について、ＣＩ値が小さい値でありながら耐衝撃性が大きい圧電振動子を提供することにある。また他の目的は、この圧電振動子を用いた圧電振動子パッケージ及び発振回路を提供することにある。

本発明の圧電振動子は、基部から振動腕部が２本伸びだして音叉型に形成されている圧電振動子において、
前記振動腕部の表面部及び裏面部に、当該振動腕部の基端部から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に２つに分割されて形成された溝部と、
前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、
前記振動腕部の表面部に形成された溝部と前記振動腕部の裏面部に形成された溝部は底部を有していることと、
長さ方向に２つに分割されて形成された溝部のうち基端側の溝部を第１の溝部、先端側の溝部を第２の溝部とすると、振動腕部の基端部から第２の溝部の先端までの長さＬ１に対する第１の溝部及び第２の溝部の間隔ｄの比ｄ／Ｌ１が０．０１０〜０．０１６であることと、を備えたことを特徴としている。

この発明において、長さ方向に２つに分割されて形成された溝部のうち基端側の溝部を第１の溝部、先端側の溝部を第２の溝部とすると、振動腕部の基端部から第２の溝部の先端までの距離Ｌ１に対する第１の溝部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３５〜０．６５であることが好ましい。

本発明の圧電振動子パッケージは、パッケージと、このパッケージの中に設けられた本発明の圧電振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記圧電振動子の引き出し電極に電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする。更にまた本発明の発振器は、本発明の圧電振動子と、この圧電振動子を発振させる発振回路と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、振動腕部における溝部を長さ方向に２つに分割しているため、後述の実験結果から明らかなように圧電振動子のクリスタルインピーダンス（ＣＩ値）を小さくしながら、大きな耐衝撃性が得られる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る音叉型の水晶振動子の実施の形態を示す図である。この水晶振動子における水晶振動子本体（水晶片）は、両側部の上部側が矩形に切り欠かれた切り欠き部１１を備えた概ね角型の基部１と、この基部１の上端側から各々互いに間隔をおいて平行に伸びだした２本の（一対の）振動腕部２（２ａ、２ｂ）とを備えていて全体の形状が音叉型の水晶片として構成されている。更に振動腕部２（２ａ、２ｂ）の表面部及び裏面部には、各々当該振動腕部２（２ａ、２ｂ）の基端部から先端側に向けて、長さ方向に２分割されてなる第１の溝部３及び第２の溝部４が形成されている。

第１の溝部３の基端のＹ方向位置は、音叉又部の最下部（振動腕部２の先端側を上方としている）２０と同じ位置にあるが、この最下部２０よりも低い位置（基部１側に寄った位置）にあってもよい。なお音叉又部は、一対の振動腕部２ａ、２ｂの間における基部１の部分を指しており、図面では平面形状を湾曲して描いているが、実際には折れ線形状になっている。

ここで図２を参照しながら励振電極及び引き出し電極に関して述べると、この水晶振動子には、一対をなす一方の電極と他方の電極とが存在する。先ず振動腕部２ａに着目すると、振動腕部２ａの２つの溝部３、４の内面全体とこれら溝部３、４の間に一方の励振電極５１が形成されている。即ち２つの溝部３、４の間のいわば橋部に形成された励振電極５１により、振動腕部２ａの溝部３内の励振電極５１と振動腕部２ａの溝部４内の励振電極５１とが接続されている。そしてこの振動腕部２ａの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表面部及び裏面部）における先端側の第２の溝部４よりも上方部位には他方の励振電極６１が形成されている。なお図２において励振電極５１は、図面を見やすくするために斜線と黒の点在領域とを使い分けて表しており、図２の斜線は断面を示すものではない。

また振動腕部２ｂに着目すると、振動腕部２ｂの２つの溝部３、４の内面全体とこれら溝部３、４の間に他方の励振電極６１が形成されている。そしてこの振動腕部２ｂの両側面２１、２１と、主面２２、２２（表面部及び裏面部）における先端側の第２の溝部４よりも上方部位には一方の励振電極５１が形成されている。振動腕部２ａ、２ｂに設けられた電極の配置は、励振電極５１、６１が互いに逆の関係であることを除くと互いに同一である。そしてこれら一方の励振電極５１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極５２からなるパターンが形成されていると共に、他方の励振電極６１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極６２からなるパターンが形成されている。

この水晶振動子の各部位の寸法の一例を図３を参照しながら示すと、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の長さＬ０は例えば１６５０μｍであり、第１の溝部３の基端部から第２の溝部４の先端部までの長さＬ１は８４７μｍであり、第１の溝部３の長さＬ２は例えば４１８μｍであり、第１の溝部３及び第２の溝部４の間隔ｄは１０μｍである。また基部１の底面から音叉又部の最下部２０までの長さＬ３は例えば６００μｍである。更に振動腕部２（２ａ、２ｂ）の幅Ｗ１は１００μｍであり、溝部３、４の各々の幅Ｗ２は６５μｍであり、基部１の底面の幅Ｗ３は５００μｍである。
ここでＬ１に対するＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３５〜０．６５であり、かつＬ１に対するｄの比ｄ／Ｌ１が０．０１０であれば、大きな耐衝撃性が得られる。また比ｄ／Ｌ１が０．０１６であればＣＩ値を小さな値にすることができる。

そして水晶振動子は、例えば図４に示すようにＳＭＤ構造（基板実装型構造）のパッケージ型デバイス（水晶振動子パッケージ）として利用される。図４において７は例えばアルミナなどのセラミックスあるいはガラスなどの絶縁体からなるパッケージである。このパッケージ７は、上面が開口しているケース体７ａとこのケース体７ａの上にシール材７ｃを介して設けられた蓋体７ｂとからなる。既述の音叉型の水晶振動子７０は、このパッケージ７内の台座部分７１に基部１の引き出し電極５２、６２が導電性接着剤７ｄにより固定されて横向きに配置され、振動腕部２が空間に伸びだしている。前記引き出し電極５２、６２は、台座部分７１の表面に配線された導電路７２、７３（７３は紙面奥側の導電路である）により、パッケージ７の外に設けられた電極７４、７５に接続されている。このパッケージ型デバイスは、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に搭載され、これにより水晶発振器が構成される。なお水晶振動子パッケージは、ＳＭＤ構造に限られず、一端が絶縁材で封止された金属製のシリンダ内に水晶振動子を設け、前記絶縁材を貫通する一対の電極ピンの内端に夫々引き出し電極５２、６２が接続された構造であってもよい。
図５は、水晶発振器が発振回路に組み込まれた回路の一例を略解的に示し、１０１はＣＭＯＳインバータからなる増幅器、１０２は帰還抵抗、１０３はドレイン抵抗、１０４、１０５はコンデンサでであり、増幅器１０１の出力側から発振出力が取り出される。

次に上述実施の形態の作用、効果について説明する。振動腕部２ａの両側面２１、２１及び主面２２、２２と振動腕部２ｂの溝部３、４とは同電位Ｅ１となり、振動腕部２ｂの両側面２１、２１及び主面２２、２２と振動腕部２ａの溝部３、４とは同電位Ｅ２となり、Ｅ１及びＥ２は互いに逆電位の関係にある。図４は、各振動腕部２ａ、２ｂに発生する電気力線を模式的に示した図であり、第１の溝部３及び第２の溝部４を形成することでＸ軸方向（振動腕部２の幅方向）での電界強度が増し、各振動腕部２ａ、２ｂ間で逆方向に伸縮し、これによりＹ軸方向における屈曲振動が強められる。このため振動効率が高まり、ＣＩ値が低減することとなる。なお図６では、溝部３、４の断面形状は便宜上矩形として記載してあるが、実際には、加工時に行われる異方性エッチングの影響により底面に近い部位においては、底面に向かうほど溝幅が狭くなる形状となっている。

このように各振動腕部２ａ、２ｂに溝部を設けているので、ＣＩ値が低減する。溝部を設けると強度が小さくなるが、この実施の形態では、１本の溝部を設けるのではなく、溝部を長さ方向に２つに分割しているので、言い換えれば第１の溝部３及び第２の溝部４を設けているので、強度不足を避けることができる。なお溝部を３つ以上に分割したのでは、後述の実験例からも分かるようにＣＩ値が大きくなってしまうので製品に適用することが難しい。つまり本発明の構造は、各振動腕部２ａ、２ｂに溝部を設けるにあたり、強度とＣＩ値とを考慮して、２分割が最適であるという結論に達したことに基づいている。

（実験１）
既述の実施の形態に記載した音叉型の水晶振動子において、第１の溝部３の基端部から第２の溝部４の先端部までの長さＬ１に対する第１の溝部３の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１を種々変えて、各水晶振動子の強度を調べた。Ｌ２／Ｌ１を％表示（（Ｌ２／Ｌ１）×１００）で表すことにすると、０％、１２．５％、３５％、５０％及び６５％の５通りに設定した。０％とは、溝を分割せずに１本の溝を形成したものである。
その他の条件については、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の長さＬ０が１６５０μｍ、第１の溝部３の基端部から第２の溝部４の先端部までの長さＬ１が８４７μｍであり、第１の溝部３及び第２の溝部４の間隔ｄが１０μｍ、基部１の底面から音叉又部の最下部２０までの長さＬ３が６００μｍ、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の幅Ｗ１が１００μｍであり、溝部３の幅Ｗ２が６５μｍであり、基部１の底面の幅Ｗ１が５００μｍである。

強度試験は、図７に示すように水晶振動子１０を台座７の上に垂直に立てて接着剤７１により固定し、振動腕部２（２ａ、２ｂ）の主面２２に対して応力を加え、振動腕部２（２ａ、２ｂ）が破壊するときの荷重の大きさを記録した。この試験を３つの水晶振動子に対して行い、破壊するときの荷重の大きさの平均を求め、この値で水晶振動子の強度を評価した。結果は表１及び図８に示す通りである。

Ｌ２／Ｌ１が１２．５％のときの強度は８．０ｇであり、０％のときの７．４ｇと比較して強度が大きくなっている。１回目から３回目の試験における強度の値にばらつきはあるが、上記の傾向は明確に伺える。そしてＬ２／Ｌ１が３５％〜６５％までは、強度が９．５ｇとかなり大きくなっている。一方、各条件の水晶振動子について、ＣＩメーターを用いて各サンプルのＣＩ値を測定し、その平均値を求めたところ、いずれの水晶振動子についてもＣＩ値は５３ｋΩであった。即ち、この試験条件においては、ＣＩ値は１本の溝部の場合と変わらず、溝部を２本に分割したことによるＣＩ値の上昇は見られなかった。以上の結果から溝部を２分割することにより強度が大きくなり、特にＬ２／Ｌ１を３５％から６５％（０．３５〜０．６５）にすることが好ましいといえる。
（実験２）
次ぎに第１の溝部３及び第２の溝部４の間隔ｄの適切な値を見つけるための実験を行った。この実験ではＬ２／Ｌ１を３５％（０．３５）に設定し、第２の溝部４の基端部側の位置を変更することにより、第１の溝部３及び第２の溝部４の間隔ｄを種々変更して、ｄ／Ｌ１を０％、０．６％、１．０％。１．２％及び２．５％の５通りに設定した。その他の条件は、実験１と同じである。各水晶振動子の強度を実験１と同様にして調べた。結果は表２及び図９に示す通りである。なおｄ／Ｌ１が１．２％のときは、先の実験１におけるｄが１０μｍのときに相当する。

この結果から、両溝部３、４の間隔ｄを大きくする程、つまりｄ／Ｌ１を大きくするほど水晶振動子の強度は大きくなっている。従って水晶振動子の強度からだけ言えば、間隔ｄはできるだけ大きい方がよいといえる。一方、各条件の水晶振動子について、ＣＩメーターを用いて各サンプルのＣＩ値を測定し、その平均値を求めたところ、表３及び図１０に示す結果が得られた。

この結果から、間隔ｄをあまり大きくするとＣＩ値が大きくなって好ましくない。このため間隔ｄは、ＣＩ値が大きすぎない程度の大きさに設定することが必要であり、例えばｄ／Ｌ１が１％〜１．８％（０．０１０〜０．０１８）とすることが好ましい。
（実験３）
溝を２分割する代わりに３分割し、各溝の間隔ｄを１０μｍとした。この間隔ｄが小さすぎると加工が困難になることから、実際に製品を生産するときのことを考慮して、１０μｍの寸法を選択した。その他の条件は実験１と同じである。このように溝部を３分割した水晶振動子についてＣＩ値を測定したところ、ＣＩ値は５８ｋΩであった。従って３分割した水晶振動子は２分割した水晶振動子に比べてＣＩ値が大きいことがわかる。

本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子を示す概略平面図である。 本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子を示す斜視図である。 上記音叉型水晶振動子の寸法を示す説明図である。 本発明の水晶振動子をパッケージ内に装着した水晶振動子パッケージを示す断面図である。 本発明の水晶振動子を用いた発振器の一例を示す図である。 図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。 音叉型水晶振動子の破壊試験を示す側面図である。 音叉型水晶振動子の破壊試験の結果を示す特性図である。 音叉型水晶振動子の破壊試験の結果を示す特性図である。 音叉型水晶振動子における溝部の間隔とＣＩ値の測定値との関係を示す特性図である。 従来の音叉型水晶振動子を示す概略平面図である。

符号の説明

１ 基部
１１ 切り欠き部
２ 振動腕部
２０ 最下部
３ 第１の溝部
４ 第２の溝部
５１ 一方の励振電極
６１ 他方の励振電極

Claims (4)

1. 基部から振動腕部が２本伸びだして音叉型に形成されている圧電振動子において、
   前記振動腕部の表面部及び裏面部に、当該振動腕部の基端部から長さ方向に沿って伸びると共に長さ方向に２つに分割されて形成された溝部と、
   前記振動腕部の側面及び溝部内に夫々設けられた、対をなす励振電極と、
   前記振動腕部の表面部に形成された溝部と前記振動腕部の裏面部に形成された溝部は底部を有していることと、
   長さ方向に２つに分割されて形成された溝部のうち基端側の溝部を第１の溝部、先端側の溝部を第２の溝部とすると、振動腕部の基端部から第２の溝部の先端までの長さＬ１に対する第１の溝部及び第２の溝部の間隔ｄの比ｄ／Ｌ１が０．０１０〜０．０１６であることと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
2. 長さ方向に２つに分割されて形成された溝部のうち基端側の溝部を第１の溝部、先端側の溝部を第２の溝部とすると、振動腕部の基端部から第２の溝部の先端までの長さＬ１に対する第１の溝部の長さＬ２の比Ｌ２／Ｌ１が０．３５〜０．６５であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. パッケージと、このパッケージの中に設けられた請求項１または２に記載の圧電振動子と、前記パッケージの外に設けられ、前記圧電振動子の引き出し電極に電気的に接続された電極と、を備えたことを特徴とする圧電振動子パッケージ。
4. 請求項１または２に記載の圧電振動子と、この圧電振動子を発振させる発振回路と、を備えたことを特徴とする発振器。

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