JP4852195B2 - 音叉型水晶振動子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動子、例えば音叉型水晶振動子やジャイロセンサー等のような振動子及び振動子を搭載する電子機器の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、振動子である所謂、音叉型水晶振動子は、例えば第11図に示すように形成されていた。
【0003】
第11図において、音叉型水晶振動片10は、例えば共振周波数が32.768kHであり、これは高精度の振動子であるため、時計やその他の時計付き機器に広く用いられている。
具体的には、第11図に示すように、音叉型水晶振動片10は、基部11を有しており、この基部11から図において上方に向かって振動細棒12が2本設けられている。
この振動細棒12、12の各々の幅は、図示のように通常約0.23mm程度であり、前記基部11の幅は、図示のように通常約0.69mm程度となっている。そして、この基部11と振動細棒12とを合わせた長さは、図示のように通常約3.6mm程度となっている。
【0004】
また、この振動細棒12、12は、振動するため、第12図(第12図は、第11図のA−A’概略断面である。)に示すように振動細棒12の4辺に電極13a及び電極13bが形成されていた。すなわち、電極13aは、図において振動細棒12の上部と下部に配置され、電極13bは、振動細棒12の両側部13b、13bに配置されている。
ここで、電極13aと電極13bに互いに交互に極性の異なった電圧が印加される。例えばある瞬間に、13aにプラスの電圧、13bにマイナスの電圧が印加される。 このように電圧が振動細棒12に印加されることにより、振動細棒12の内部には、第12図の矢印に示すように電界が発生する。
この電界によって、振動細棒12の水晶が伸び縮みし、振動細棒12が振動するようになっている。
【0005】
このように振動をする音叉型水晶振動片10は、図示しない保護器内に収容され、サーフェイスマウントデバイス(SMD)等として、時計等の発振回路の発振源として用いられる。この場合のSMDのパッケージとしては、例えば音叉型水晶振動子10の長手方向に、約5mm程度、短手方向に約2mm程度のものが用いられている。
また、上述の音叉型水晶振動片10の第12図における上下方向である厚みは、約0.1mm程度のものが用いられており、上述のSMDのパッケージもこの音叉型水晶振動片10の厚みに対応した厚みを有するようになっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような音叉型水晶振動片10は、安定した発振周波数(例えば32.768kH)を維持することと、振動細棒12の振動損失を抑えるため、低いCI値(クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗Rr)を保持することが必要となっている。
一方、近年の時計や電子機器は、小型化の傾向にあり、音叉型水晶振動片10も小型化が要請されている。この音叉型水晶振動片10全体を小型化するには、振動細棒12の第11図における上下方向である2.4mmを更に短くする必要がある。このように、振動細棒12を短くすると共振周波数が高くなり、所望の周波数より高い周波数と成ってしまう。
このため、振動細棒12の幅(図11においては、0.23mm)を細くして共振周波数が上昇するのを防ぐ必要があった。
【0007】
しかし、このように振動細棒12の幅を狭くすると、振動細棒12の振動損失であるCI値が上昇してしまうという問題があった。
すなわち、第13図に示すように、振動細棒22の幅(図において横方向)を狭くすると、電極23aの幅が大きくとれないため電界の加わる面積が減少する。すなわち第12図と比較して電界はその中央付近ほど弱まる。(図では電界の強度を矢印の数で示した。すなわち矢印の数が多いほど電界強度は大きくなることを示している。)
従って、電極23aと電極23bとの間に生じた電界(図において矢印)は、図示のように振動細棒22全体に分布しなくなり、第12図の振動細棒12と同じ振動は生ぜず、小さくなってしまう。
【0008】
一方、この振動損失であるCI値の上昇を防ぐには、第12図に示す音叉型水晶振動片10上下方向である厚み、例えば約0.1mm程度を、更に薄くする必要があるが、この場合、加工が著しく困難になり、製品の歩留りが悪化するという問題もあった。
本発明は、以上の点に鑑み、CI値を低く抑え、且つ加工が容易な小型の振動子を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的は、請求の範囲第1項の発明によれば、基部と、前記基部から延びる2本の圧電材料からなる振動細棒とを有する共振周波数が32.768kHzの音叉型水晶振動子において、
前記振動細棒の表面及び裏面の両方に有底の溝が形成されており、
前記溝の少なくとも一部に第1の電極が形成されており、
前記振動細棒のうち前記溝が形成された前記表面及び前記裏面以外の面の少なくとも一部に第2の電極が形成されており、
前記基部は、前記振動細棒が突出している第1の側面と、前記第1の側面に隣接する第2および第3の側面とを備え、
前記第2の側面は、一方の前記振動細棒の外側側面より外側に位置しており、
前記第3の側面は、他方の前記振動細棒の外側側面より外側に位置しており、
前記溝は、深さが0.02mm以上の有底の溝であり、
前記振動子の厚みは0.1mmであり、
前記振動細棒の幅は0.1mmであり、
前記溝の幅は0.07mmであり、
前記基部の幅が0.56mmであり、
前記基部から前記振動細棒の先端までの長さが2.2mmであり、
前記振動細棒自体の長さが1.6mmであり、
前記溝の長さを1.3mmであり、
前記第1の電極と前記第2の電極は下層が膜厚100ÅのCrで上層が膜厚1000ÅのAuである
ことを特徴とする音叉型水晶振動子により、達成される。
【0010】
前記構成によれば、該振動細棒の表面及び裏面のいずれか又はその両方に溝が形成されており、かつ、この溝の中に電極が形成されているので、加工が容易であると共に、前記振動細棒の深さ方向に一定で強く分布し、CI値の上昇を抑えることができる。
【0013】
前記構成によれば、前記音叉型の水晶振動子において、前記振動細棒に配置された前記電極から生じる電界が、前記振動細棒に広く分布し、CI値の上昇を抑えることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
(第1の実施の形態)
第1図は本発明の第1の実施の形態に係る振動子を示す図である。図1は、例として時計用に用いられる32KHzの水晶で構成された音叉型の振動子100の外観を示している。この振動子100は、通常二本の振動細棒120と基部である固定部130とから構成されている。
固定部130は、パッケージとの固定や、電極を外部に取り出すためのパッド部分を形成するために設けられている。
【0015】
二本の振動細棒120は、これらが互いに近づいたり離れたりする方向に振動する。この振動細棒120の表面と裏面のいずれかあるいは両方に溝120aを形成する。溝120aの形成方法は、振動子100の材料を溶解することが可能なエッチング液を用いてフォトリソグラフィーを応用した加工等が用いられる。水晶製の振動子ならば、弗酸系のエッチング液で加工が可能である。
【0016】
第1図では溝120aは固定部130の一部分まで形成されているが、振動子100の特性と加工プロセスによってはこの限りではない。また溝120aの長さであるが、できるだけ長く振動細棒120の長さすべてにわたって溝120aを設けた方がCI値は減少する。しかし、電極間容量は増加するため振動子の仕様に合わせて溝120aの長さは調節される。また、電極の引き回し等の関係や、振動細棒120の先端に重りとなる材料を付着させ、周波数調整を行う必要がある場合には振動細棒120上のすべてにわたって溝120aを設ける必要はない。
【0017】
ここで溝120aを設けることによって何故、特性が向上するかを説明する。
第2図は、本実施の形態に係る振動子100における振動細棒120の断面図である。
本実施の形態に係る振動細棒120では電界160は振動細棒120の深さ方向全体にわたって分布する。すなわち、電極140aが溝120aの中まで形成されているため電界160は深さ方向まで分布しやすくなる。この場合の溝120aの深さは深い方が良い。
振動細棒が100マイクロメートルの音叉型振動子で、基板(固定部及び振動細棒)の厚みが100マイクロメートルの場合、等価直列抵抗(CI値)は大気圧中で測定したところ1ギガオームであった。振動細棒120の縁を15マイクロメートル残し深さ20マイクロメートルの溝120aを振動細棒120の両面に形成した本実施の形態に係る音叉型振動子100では、大気中の等価直列抵抗(CI値)は600キロオームとなり通常の音叉型振動子と変わらない特性を有する事がわかった。
【0018】
電極140aを深さ方向すべてにわたって形成できるならば、溝120aは表面、裏面で繋がってしまっても良い。すなわち、振動細棒120にスリッドを入れたような構造であっても良い。
【0019】
以上述べたように、本実施の形態によれば、振動子100の厚さを薄くすることなく特性の良い振動子を供給することが可能となる。さらに厚さが従来のものと変わらないため取り扱いが容易で、歩留まりが落ちないという効果を有する。そして、小型で安価な振動子100を供給することができる。
【0020】
(第2の実施の形態)
第3図は、第2の実施の形態に係る電極が設けられていない音叉型水晶振動子200を示す概略斜視図である。
この音叉型水晶振動子200は、例えば水晶の単結晶から切り出され音叉型に加工されて形成されている。このとき、第3図に示すX軸が電気軸、Y軸が機械軸及びZ軸が光軸となるように水晶の単結晶から切り出されることになる。このように電気軸が第3図のX軸方向に配置されることにより、高精度が要求される時計及び時計付き機器全般に好適な音叉型水晶振動子200となる。
【0021】
また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系において、X軸回りに、X軸とY軸とからなるXY平面を反時計方向に約1度乃至5度傾けた、所謂水晶Z板として、音叉型水晶振動子200が形成されることになる。
この音叉型水晶振動子200は、上述の第1の実施の形態に係る音叉型の振動子100と同様に、基部である固定部230と、この固定部230から図においてY軸方向に突出するように形成された例えば2本の振動細棒220とを有している。また、この2本の振動細棒220の第1及び第2の表面には、第3図に示すように溝220aがそれぞれ形成されている。
【0022】
このように形成されている第3図に示す音叉型水晶振動子200には、第4図に示すように第1の電極である電極240a,第2の電極である電極240b,第3の電極である電極240cが配置されることになる。すなわち、電極を固定部230から振動細棒220にかけて配置するに際し、電極は振動細棒220の側面及び前記第1及び第2の表面には、それぞれ電極240b、240aが設けられている。また、電極240aは、振動細棒220の溝220aの内部にも設けられている。
【0023】
このような電極240a、240bは、電極240a、240b間に電界を発生させ、圧電体である振動細棒220を振動させるために設けられている。さらに、電極240cは、振動細棒220の二つの側面に形成された第2の電極、すなわち電極240b同士を接続するために設けられたものである。
これらの電極240a、240b、240cは、具体的には、複数層、例えば2層から成り、下地としてCr、上層がAuから形成されている。この場合、Crの代わりにNiやTi等を使用してもよい。
【0024】
また、電極240a,240b,240cとして、1層からなる場合もあり、このとき例えばAl層が用いられる。この他にも、Al電極で表面を陽極酸化した電極やCr電極1層で、このCr層の上に保護膜としてSiO2等を形成する電極も用いることができる。
本実施の形態では、電極240aは、第4図に示すように、溝220aの内部に設けられているが、これに限らず溝220aの複数箇所に分けて配置してもよく、また、溝220aの側面又は底面にのみ形成されてもよい。
【0025】
また、電極240bは、第4図に示すように振動細棒220の側面に配置されているが、これに限らず、後述する第6図(a)のように、この電極240bが振動細棒220の複数の面に形成されても良い。
【0026】
以上のように形成されている音叉型水晶振動子200は、例えば共振周波数が32.768kHであるにもかかわらず、従来の32.768kHの音叉型水晶振動子と比べ、小型となっている。例えば第5図に示すように構成されている。
すなわち、第5図に示す音叉型水晶振動子200のY軸方向の長さは、例えば約2.2mm程度となっており、音叉型水晶振動子200のX軸方向の幅は、約0.56mm程度となっている。この寸法は、第10図の従来の音叉型水晶振動片10の寸法である、3.6mm(Y軸方向)、0.69mm(X軸方向)と比べ著しく小さくなっている。
【0027】
また、第5図に示す振動細棒220のX軸方向の長さは、例えば約1.6mm程度であり、各振動細棒220のX軸方向の幅は、例えば0.1mm程度となっている。このような振動細棒220の大きさは、第10図に示す振動細棒12の寸法である2.4mm(Y軸方向)、0.23mm(X軸方向)と比べ、著しく小さくなっている。
【0028】
一方、この音叉型水晶振動子200のZ軸方向である音叉型水晶振動子の厚みは、例えば約0.1mm程度となっており、これは、従来の音叉型水晶振動子200の厚みと略同様となっている。しかし、本実施の形態に係る音叉型水晶振動子200の振動細棒220には、上述のように溝220aが形成されており、この溝220aは、振動細棒220上においてY軸方向に例えば約1.3mm程度の長さに形成されている。この溝220aのX軸方向の幅は、第5図に示すように例えば約0.07mm程度であり、そのZ軸方向の深さは、例えば約0.02mm程度となっている。
【0029】
さらに、このような小型の音叉型水晶振動子200に配置される電極240a,240b,240cの厚みは、例えば下層Crが100Åで上層Auが1000Åと成っている。
次に、以上のような小型の音叉型水晶振動子200の振動細棒220の断面を示したのが第6図(a)である。第6図(a)に示すように振動細棒220には溝220aが図において上下方向にそれぞれ設けられているため、その断面形状が略H形に形成されている。そして、この2カ所の溝220aには、それぞれ電極240aが設けられている。また、振動細棒220の両側面にも電極240bがそれぞれ設けられている。
【0030】
このような電極240a、240bは、図示しない電源に接続されているとともに、これらの電極240aと電極240bには、それぞれ極性の異なる電圧が交互に印加されるようになっている。そして、例えば電極240aにプラスの電圧を印加し、電極240bにマイナスの電圧を印加した場合、第1の実施の形態の第2図の矢印のように電界が発生することになる。
【0031】
この電界が生じることによって、振動細棒220は、振動し、この音叉型水晶振動子220が用いられる例えば携帯電話やICカードの発振源の部品として使用されることになる。
【0032】
なお、上述のような振動細棒220に対する電極240a、240bの配置の態様は、第6図(a)のような態様だけでなく、第6図(b)や第6図(c)のように構成してもよい。
【0033】
また、本実施の形態では、振動細棒220に溝220aを設けたが、これに限らず、この溝220aを貫通孔としてもよい。この場合、貫通孔を有する振動細棒220’は、第7図に示すように例えば電極240aと240bが対向して配置される構成となる。第7図は貫通孔を有する振動細棒220’の断面を示した概略図である。
【0034】
さらに、この場合において、電極240aをこの貫通孔のすべてに配置してよいが、これと異なり、電極240aを、この貫通孔の複数箇所に分けて配置してもよい。
【0035】
ところで、音叉型水晶振動子200の小型化に伴って、上述のように、振動細棒220のY軸方向の長さを短くすると、共振周波数が高くなり、安定した共振周波数を維持できないという問題があるため、これを防ぐため、振動細棒220のX軸方向の幅を狭くする必要がある。しかし、この振動細棒220のX軸方向の幅を狭くすると、第12図に示すように電極23bを大きくとれないため、電極23aと電極23bとの間に生じる電界が振動細棒22に深さ方向に一定で強く分布せず、電界の強度が小さくなり、これによって振動細棒22の振動が弱くなり、振動損失が大きくなってしまっていた。
【0036】
この振動損失は、CI値(クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗Rr)で示される。通常の音叉型水晶振動子のCI値は、真空中で30KΩ乃至60KΩが好ましく、また、大気中でのCI値を参考値として示せば400KΩ程度となる。
【0037】
本実施の形態に係る音叉型水晶振動子200の振動細棒220に溝220aを設けない場合のCI値は、第8図に示すように大気中で、1000KΩとなり、上述の参考値である400KΩを大きく上回っている。
このため、単に小型化された音叉型水晶振動子では、CI値が高くなり過ぎ、携帯電話やICカード等の発振器に使用するには不適切であった。
しかし、本実施の形態では、第8図に示すように溝220aの深さを0.02mm(20μm)としたので、CI値が425KΩとなり、上述の好適値400KΩに近似した値となるため、CI値は適正範囲に止まり、携帯電話やICカード等の発振器に使用するのに好適になった。 また、このように溝220aを振動細棒220に形成するのは、振動細棒220自体の厚さを薄くする場合に比べ、格段に加工性に優れているため、製造される音叉型水晶振動子200の歩留りが向上することになる。
【0038】
なお、本実施の形態においては、加工の容易さ等に鑑み、溝220aの深さを0.02mmとしたが、第8図の表からも明らかなように溝220aの深さが深い程、CI値は下がり、少なくとも0.035mmの深さの場合は、333KΩとなった。この場合、少なくとも真空でのCI値は40KΩとなった。
このように本実施の形態では、振動細棒220に2カ所の溝220a、220aを設け、電極240aをそれぞれに配置したため、第13図に示す従来の振動細棒220の電極23aと異なり、電極240aを大きく配置することができるため、第1の実施の形態の第2図に示すように電界が振動細棒220の深さ方向に一定で強く分布し、振動損失を低く抑えることができることになる。この振動損失の低下は、第8図に示すCI値からも明らかである。
【0039】
なお、本実施の形態では第6図(a)に示すように振動細棒220にのみ溝220aを設けたが、第9図に示すように、振動細棒320と固定部330にかけて溝320aを形成してもよい。この場合、溝320aの中に振動による応力を閉じ込めることができるため振動子を固定した場合、周波数の変動を押さえることができる。
【0040】
以上のように小型でCI値が適正範囲にある32.768kHの音叉型水晶振動子200、300を小さなパッケージ、例えば3.2mm(Y軸方向)、1.6mm(X軸方向)0.9mm(Z軸方向)に入れることで、小型の携帯電話やICカード等に用いることができるようになる。
【0041】
また、本実施の形態では、32.738kHの音叉型水晶振動子200を例に説明したが、15kH乃至155kHの音叉型水晶振動子に適用し得ることは明らかである。
さらに、本実施の形態では、第6図に示すように、振動細棒220に溝220aを2つ形成した場合について説明したが、第10図に示すように振動細棒420の上下に2つずつ溝を設け、それぞれに電極440aを配置してもよい。
【0042】
なお、上述の各実施の形態に係る音叉型の振動子100及び音叉型水晶振動子200は、小型の携帯電話やICカードのみならず、他の電子機器であるジャイロ、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いられることは明らかである。
【0043】
以上説明したように本発明によれば、CI値を低く抑え、且つ加工が容易な小型の振動子とすることができる。
【0044】
産業上の利用可能性 このように、本発明は、振動子、例えば音叉型水晶振動子やジャイロセンサー等のような振動子及び振動子を搭載する電子機器として用いるのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る振動子の斜視図である。
【図2】第1図の振動子の振動細棒の断面図である。
【図3】第2の実施の形態に係る電極なしの音叉型水晶振動子の斜視図である。
【図4】第3図の音叉型水晶振動子に電極を付けた状態を示す音叉型水晶振動子の斜視図である。
【図5】第3図の音叉型水晶振動子の寸法等を示す図である。
【図6】(a)は、第4図の音叉型水晶振動子の振動細棒と電極の配置を示す断面図である。(b)は、第6図(a)とは異なる、他の電極の配置状態の例を示す断面図である。(c)は、第6図(a)及び(b)とは異なる、他の電極の配置状態の例を示す断面図である。
【図7】貫通孔を有する振動細棒と電極の配置を示す概略断面図である。
【図8】音叉型水晶振動子における溝と大気中CIとの関係を示す図である。
【図9】他の溝形成の例を示す斜視図である。
【図10】振動細棒に形成される溝の数を増加した例を示す断面図である。
【図11】従来の振動子の寸法等を示す図である。
【図12】従来の振動子の振動細棒の断面図である。
【図13】従来の振動子の振動細棒の幅を狭くした状態を示す断面図である。
【符号の説明】
120・・・振動細棒、120a・・・溝、140a・・・電極、160・・・電界。
Claims (1)
- 基部と、前記基部から延びる2本の圧電材料からなる振動細棒とを有する共振周波数が32.768kHzの音叉型水晶振動子において、
前記振動細棒の表面及び裏面の両方に有底の溝が形成されており、
前記溝の少なくとも一部に第1の電極が形成されており、
前記振動細棒のうち前記溝が形成された前記表面及び前記裏面以外の面の少なくとも一部に第2の電極が形成されており、
前記基部は、前記振動細棒が突出している第1の側面と、前記第1の側面に隣接する第2および第3の側面とを備え、
前記第2の側面は、一方の前記振動細棒の外側側面より外側に位置しており、
前記第3の側面は、他方の前記振動細棒の外側側面より外側に位置しており、
前記溝は、深さが0.02mm以上の有底の溝であり、
前記振動子の厚みは0.1mmであり、
前記振動細棒の幅は0.1mmであり、
前記溝の幅は0.07mmであり、
前記基部の幅が0.56mmであり、
前記基部から前記振動細棒の先端までの長さが2.2mmであり、
前記振動細棒自体の長さが1.6mmであり、
前記溝の長さを1.3mmであり、
前記第1の電極と前記第2の電極は下層が膜厚100ÅのCrで上層が膜厚1000ÅのAuである
ことを特徴とする音叉型水晶振動子。
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