JP5013015B2 - Tuning fork type piezoelectric vibrator, oscillator and electronic equipment - Google Patents

Tuning fork type piezoelectric vibrator, oscillator and electronic equipment Download PDF

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Description

本発明は、音叉型圧電振動子、発振器および電子機器の構造に関する。 The present invention relates to the structure of a tuning fork type piezoelectric vibrator, an oscillator, and an electronic device.

従来、振動子である所謂、音叉型水晶振動子は、例えば図１１に示すように形成されていた。
図１１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。 Conventionally, a so-called tuning fork type crystal resonator, which is a resonator, has been formed as shown in FIG. 11, for example.
In FIG. 11, the tuning-fork type crystal vibrating piece 10 has a resonance frequency of 32.768 kH, for example, and is a high-precision vibrator, and is therefore widely used in watches and other devices with a watch.

具体的には、図１１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。
また、この振動細棒１２，１２は、振動するため、図１２（図１２は、図１１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。 Specifically, as shown in FIG. 11, the tuning fork type crystal vibrating piece 10 has a base portion 11, and two vibrating rods 12 are provided upward from the base portion 11 in the drawing.
The width of each of the vibrating rods 12 and 12 is usually about 0.23 mm as shown, and the width of the base 11 is usually about 0.69 mm as shown. The total length of the base 11 and the vibrating bar 12 is usually about 3.6 mm as shown in the figure.
Further, since the vibration thin rods 12 and 12 vibrate, as shown in FIG. 12 (FIG. 12 is a schematic cross-sectional view along AA ′ in FIG. 11), electrodes 13a and Electrode 13b was formed. That is, the electrode 13a is disposed on the upper and lower portions of the vibrating bar 12 in the drawing, and the electrode 13b is disposed on both side portions 13b and 13b of the vibrating bar 12.

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、図１２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。 Here, voltages having different polarities are alternately applied to the electrodes 13a and 13b. For example, at a certain moment, a positive voltage is applied to 13a and a negative voltage is applied to 13b. When the voltage is applied to the vibrating bar 12 in this way, an electric field is generated inside the vibrating bar 12 as shown by the arrow in FIG.
Due to this electric field, the quartz crystal of the vibrating bar 12 expands and contracts, and the vibrating bar 12 vibrates.

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の図１２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。 The tuning-fork type crystal vibrating piece 10 that vibrates in this way is housed in a protector (not shown), and is used as a surface mount device (SMD) or the like as an oscillation source of an oscillation circuit such as a watch. As the SMD package in this case, for example, a package of about 5 mm in the longitudinal direction of the tuning fork type crystal resonator 10 and about 2 mm in the lateral direction is used.
Further, the above-mentioned tuning fork type quartz vibrating piece 10 has a thickness in the vertical direction in FIG. 12 of about 0.1 mm, and the above-mentioned SMD package also has the thickness of the tuning fork type quartz vibrating piece 10. It has a corresponding thickness.

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の図１１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。 By the way, such a tuning fork type crystal vibrating piece 10 has a low CI value (crystal impedance or equivalent series resistance) in order to maintain a stable oscillation frequency (for example, 32.768 kH) and to suppress vibration loss of the vibrating rod 12. It is necessary to hold Rr).
On the other hand, watches and electronic devices in recent years tend to be downsized, and the tuning fork type quartz vibrating piece 10 is also required to be downsized. In order to reduce the overall size of the tuning-fork type crystal vibrating piece 10, it is necessary to further shorten 2.4 mm, which is the vertical direction in FIG. As described above, when the vibration rod 12 is shortened, the resonance frequency is increased, resulting in a frequency higher than a desired frequency.
For this reason, it is necessary to prevent the resonance frequency from increasing by narrowing the width of the vibrating bar 12 (0.23 mm in FIG. 11).

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、図１３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。すなわち図１２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、図１２の振動細棒１２と同じ振動は生ぜず、小さくなってしまう。 However, when the width of the vibrating bar 12 is reduced in this way, there is a problem that the CI value that is the vibration loss of the vibrating bar 12 increases.
That is, as shown in FIG. 13, when the width (in the horizontal direction in the figure) of the vibrating bar 22 is reduced, the width of the electrode 23a cannot be increased, and the area to which an electric field is applied is reduced. That is, as compared with FIG. 12, the electric field becomes weaker near the center (in the figure, the electric field strength is indicated by the number of arrows. That is, the larger the number of arrows, the higher the electric field strength is).
Therefore, the electric field (arrow in the figure) generated between the electrode 23a and the electrode 23b is not distributed over the entire vibrating bar 22 as shown in the figure, and the same vibration as that of the vibrating bar 12 in FIG. turn into.

一方、この振動損失であるＣＩ値の上昇を防ぐには、図１２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音叉型圧電振動子、発振器および電子機器を提供することを目的とする。 On the other hand, in order to prevent an increase in the CI value that is the vibration loss, it is necessary to further reduce the thickness in the vertical direction of the tuning-fork type crystal vibrating piece 10 shown in FIG. 12, for example, about 0.1 mm. However, there is a problem that the processing becomes extremely difficult and the yield of the product is deteriorated.
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a small tuning-fork type piezoelectric vibrator, an oscillator, and an electronic device that have a low CI value and are easily processed.

前記目的は、請求の範囲第１項の発明によれば、基部と、前記基部の第１の側面から突出する２本の振動細棒とを有し、水晶材料からなる音叉型圧電振動子であって、前記各振動細棒は、前記第１の側面の幅方向の両端より内側から突出し、幅が０．１ｍｍであり、長さが１．６ｍｍであり、前記各振動細棒の表面と裏面とには、溝が形成されており、前記各溝は、有底で、深さが０．０２ｍｍ以上０．０３５ｍｍ以下であり、幅が０．０７ｍｍであり、長さが１．３ｍｍであり、前記基部と前記振動細棒とを合わせた全長は、２．２ｍｍであることを特徴とする音叉型圧電振動子により、達成される。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a tuning-fork type piezoelectric vibrator having a base portion and two vibrating thin rods protruding from the first side surface of the base portion and made of a quartz material. Each of the vibrating thin rods protrudes from the inner side in the width direction of the first side surface, has a width of 0.1 mm, a length of 1.6 mm, Grooves are formed on the back surface. Each of the grooves has a bottom, a depth of 0.02 mm to 0.035 mm, a width of 0.07 mm, and a length of 1.3 mm. In addition, the tuning fork type piezoelectric vibrator is characterized in that the total length of the base and the vibrating bar is 2.2 mm .

また、好ましくは、請求の範囲第２項の発明によれば、請求の範囲第１項の構成において、前記各振動細棒の各溝には第１の電極が形成され、両側面には第２の電極が形成されており、前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ、１００Åの厚さを有しＣｒで構成された下層と、１０００Åの厚さを有しＡｕで構成された上層との２層で構成されている。 Preferably, according to the invention of claim 2, in the structure of claim 1, the first electrode is formed in each groove of each vibrating rod, and the first electrode is formed on both side surfaces. 2 electrodes are formed, and each of the first electrode and the second electrode is composed of a lower layer made of Cr having a thickness of 100 mm and an Au having a thickness of 1000 mm. The upper layer is composed of two layers.

また、好ましくは、請求の範囲第３項の発明によれば、請求の範囲第１項または請求の範囲第２項の構成において、前記溝は、前記振動細棒と前記基部とに跨って形成されている。Preferably, according to the invention of claim 3, in the structure of claim 1 or claim 2, the groove is formed across the vibrating bar and the base. Has been.

また、請求の範囲第４項の発明によれば、請求の範囲第１項ないし請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を搭載した発振器である。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an oscillator equipped with the tuning fork type piezoelectric vibrator according to any one of the first to third aspects.

また、請求の範囲第５項の発明によれば、請求の範囲第１項ないし請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を搭載した電子機器である。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an electronic apparatus equipped with the tuning fork type piezoelectric vibrator according to any one of the first to third aspects.

第１の実施の形態に係る振動子の斜視図である。3 is a perspective view of a vibrator according to the first embodiment. FIG. 図１の振動子の振動細棒の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a vibrating thin rod of the vibrator of FIG. 1. 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。It is a perspective view of the tuning fork type crystal unit without an electrode concerning a 2nd embodiment. 図３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。FIG. 4 is a perspective view of a tuning fork crystal resonator showing a state in which electrodes are attached to the tuning fork crystal resonator of FIG. 3. 図３の音叉型水晶振動子の寸法等を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing dimensions and the like of the tuning fork type crystal resonator of FIG. 3. （ａ）は、図４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り、（ｂ）は、（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り、（ｃ）は、（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。(A) is sectional drawing which shows arrangement | positioning of the vibration thin rod and electrode of the tuning fork type | mold crystal vibrator of FIG. 4, (b) shows the example of the arrangement state of the other electrode different from (a). It is sectional drawing, (c) is sectional drawing which shows the example of the arrangement state of the other electrode different from (a) and (b). 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。It is a schematic sectional drawing which shows arrangement | positioning of the vibration thin rod which has a through-hole, and an electrode. 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。It is a figure which shows the relationship between the groove | channel and atmospheric | air CI in a tuning fork type crystal resonator. 他の溝形成の例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the example of other groove | channel formation. 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。It is sectional drawing which shows the example which increased the number of the grooves formed in a vibration thin stick. 従来の振動子の寸法等を示す図である。It is a figure which shows the dimension etc. of the conventional vibrator | oscillator. 従来の振動子の振動細棒の断面図である。It is sectional drawing of the vibration thin rod of the conventional vibrator | oscillator. 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。It is sectional drawing which shows the state which narrowed the width | variety of the vibration thin rod of the conventional vibrator | oscillator.

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）
図１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（音叉型圧電振動子）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。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a vibrator according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 shows the appearance of a tuning fork type vibrator (tuning fork type piezoelectric vibrator) 100 made of 32 KHz crystal used as an example for a watch. The vibrator 100 is generally composed of two vibrating rods 120 and a fixed portion 130 as a base.

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。
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。 The fixing portion 130 is provided for fixing to a package and forming a pad portion for taking out an electrode to the outside.
The two vibrating rods 120 vibrate in the direction in which they approach or separate from each other. Grooves 120a are formed on either or both of the front and back surfaces of the vibrating bar 120. As a method for forming the groove 120a, a process using photolithography using an etching solution capable of dissolving the material of the vibrator 100 is used. A quartz crystal resonator can be processed with a hydrofluoric acid-based etchant.

図１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。   In FIG. 1, the groove 120 a is formed up to a part of the fixed portion 130, but this is not limited depending on the characteristics of the vibrator 100 and the machining process. In addition, the length of the groove 120a is as long as possible, but the CI value decreases when the groove 120a is provided over the entire length of the vibrating rod 120. However, since the interelectrode capacitance increases, the length of the groove 120a is adjusted according to the specification of the vibrator. In addition, when it is necessary to adjust the frequency by attaching a weight material to the tip of the vibration thin rod 120, such as the routing of the electrodes, it is not necessary to provide the groove 120a over the vibration thin rod 120. .

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。
図２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。 Here, the reason why the characteristics are improved by providing the groove 120a will be described.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the vibrating bar 120 in the vibrator 100 according to the present embodiment.
In the vibrating bar 120 according to the present embodiment, the electric field 160 is distributed over the entire depth direction of the vibrating bar 120. That is, since the electrode 140a is formed in the groove 120a, the electric field 160 is easily distributed in the depth direction. In this case, the depth of the groove 120a is preferably deep.

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の振動子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。
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。
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。 When the vibrating bar is a tuning fork vibrator of 100 micrometers and the thickness of the substrate (fixed part and vibrating bar) is 100 micrometers, the equivalent series resistance (CI value) measured at atmospheric pressure is 1 gigaohm. there were. In the tuning fork type vibrator 100 according to the present embodiment in which the groove 120a having a depth of 20 micrometers is formed on both surfaces of the vibration thin bar 120 while leaving the edge of the vibration thin bar 120 at 15 micrometers, the equivalent series resistance ( (CI value) was 600 kilohms, and it was found that the characteristics were not different from those of a normal tuning fork type vibrator.
If the electrode 140a can be formed in the entire depth direction, the groove 120a may be connected on the front surface and the back surface. That is, a structure in which a slit is inserted in the vibration thin rod 120 may be used.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to supply a vibrator having good characteristics without reducing the thickness of the vibrator 100. Furthermore, since the thickness is not different from the conventional one, it is easy to handle and the yield is not lowered. A small and inexpensive vibrator 100 can be supplied.

（第２の実施の形態）
図３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、図３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図３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。
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。 (Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a tuning fork type crystal resonator 200 in which an electrode according to the second embodiment is not provided.
The tuning fork type crystal resonator 200 is formed by cutting a crystal single crystal and processing it into a tuning fork type, for example. At this time, it is cut out from a single crystal of crystal so that the X axis shown in FIG. 3 is an electric axis, the Y axis is a mechanical axis, and the Z axis is an optical axis. By arranging the electric shaft in the X-axis direction in FIG. 3 in this way, the tuning-fork type crystal resonator 200 suitable for a timepiece and a device with a timepiece requiring high accuracy is obtained.
Further, when cutting from a single crystal of quartz, in the orthogonal coordinate system composed of the X-axis, Y-axis, and Z-axis described above, the XY plane composed of the X-axis and the Y-axis is about 1 degree counterclockwise around the X-axis. The tuning-fork type crystal resonator 200 is formed as a so-called crystal Z plate tilted by 5 degrees.

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、図３に示すように溝２２０ａがそれぞれ形成されている。   Similar to the tuning fork type resonator 100 according to the first embodiment, the tuning fork type crystal resonator 200 protrudes in the Y-axis direction in the figure from the fixed portion 230 that is a base portion. For example, two vibration thin rods 220 are formed. Further, grooves 220a are formed on the first and second surfaces of the two vibrating thin rods 220 as shown in FIG.

このように形成されている図３に示す音叉型水晶振動子２００には、図４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。   The thus formed tuning fork type crystal resonator 200 shown in FIG. 3 includes the electrode 240a as the first electrode, the electrode 240b as the second electrode, and the third electrode as shown in FIG. The electrode 240c is disposed. That is, when the electrodes are arranged from the fixing portion 230 to the vibrating bar 220, the electrodes are provided with electrodes 240b and 240a on the side surface of the vibrating bar 220 and the first and second surfaces, respectively. The electrode 240 a is also provided inside the groove 220 a of the vibrating bar 220.

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。
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。 Such electrodes 240a and 240b are provided in order to generate an electric field between the electrodes 240a and 240b and to vibrate the vibrating rod 220 that is a piezoelectric body. Furthermore, the electrode 240c is provided to connect the second electrode formed on the two side surfaces of the vibrating bar 220, that is, the electrodes 240b.
Specifically, these electrodes 240a, 240b, and 240c are formed of a plurality of layers, for example, two layers, and are formed of Cr as an underlayer and Au as an upper layer. In this case, Ni or Ti may be used instead of Cr.
In some cases, the electrodes 240a, 240b, and 240c may be composed of a single layer. At this time, for example, an Al layer is used. In addition to this, an electrode whose surface is anodized with an Al electrode or a single layer of Cr electrode, and an electrode on which SiO 2 or the like is formed as a protective film on the Cr layer can be used.

本実施の形態では、電極２４０ａは、図４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。
また、電極２４０ｂは、図４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、後述する図６（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。 In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the electrode 240a is provided inside the groove 220a. However, the present invention is not limited to this, and the electrode 240a may be divided into a plurality of locations of the groove 220a. It may be formed only on the side surface or the bottom surface.
In addition, the electrode 240b is disposed on the side surface of the vibration thin rod 220 as shown in FIG. 4, but the electrode 240b is not limited to this, and as shown in FIG. It may be formed on a plurality of surfaces.

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。例えば図５に示すように構成されている。
すなわち、図５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、図１０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。
また、図５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、図１０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。 The tuning fork crystal resonator 200 formed as described above is smaller than the conventional tuning fork crystal resonator having a resonance frequency of 32.768 kH, for example. For example, it is configured as shown in FIG.
That is, the length in the Y-axis direction of the tuning fork type crystal resonator 200 shown in FIG. 5 is about 2.2 mm, for example, and the width in the X axis direction of the tuning fork type crystal resonator 200 is about 0.56 mm. It is about. This dimension is significantly smaller than the dimensions of the conventional tuning-fork type crystal vibrating piece 10 of FIG. 10, which is 3.6 mm (Y-axis direction) and 0.69 mm (X-axis direction).
Further, the length of the vibrating rod 220 shown in FIG. 5 in the X-axis direction is, for example, about 1.6 mm, and the width of each vibrating rod 220 in the X-axis direction is, for example, about 0.1 mm. . The size of such a vibrating bar 220 is significantly smaller than the dimensions of the vibrating bar 12 shown in FIG. 10 which are 2.4 mm (Y-axis direction) and 0.23 mm (X-axis direction).

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、図５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。
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。 On the other hand, the thickness of the tuning fork crystal resonator in the Z-axis direction of the tuning fork crystal resonator 200 is, for example, about 0.1 mm, which is substantially the same as the thickness of the conventional tuning fork crystal resonator 200. It is the same. However, as described above, the groove 220a is formed in the vibration thin rod 220 of the tuning fork crystal resonator 200 according to the present embodiment, and the groove 220a is, for example, in the Y-axis direction on the vibration thin rod 220. The length is about 1.3 mm. As shown in FIG. 5, the width of the groove 220a in the X-axis direction is about 0.07 mm, for example, and the depth in the Z-axis direction is about 0.02 mm, for example.
Furthermore, the thickness of the electrodes 240a, 240b, 240c arranged in such a small tuning fork type crystal resonator 200 is, for example, that the lower layer Cr is 100 mm and the upper layer Au is 1000 mm.

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図６（ａ）である。図６（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。   Next, FIG. 6A shows a cross section of the vibrating bar 220 of the small tuning fork type crystal resonator 200 as described above. As shown in FIG. 6 (a), the vibration thin rod 220 is provided with grooves 220a in the vertical direction in the figure, so that its cross-sectional shape is formed in a substantially H shape. The two grooves 220a are respectively provided with electrodes 240a. Electrodes 240b are also provided on both side surfaces of the vibrating bar 220, respectively.

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の実施の形態の図２の矢印のように電界が発生することになる。   The electrodes 240a and 240b are connected to a power source (not shown), and voltages having different polarities are alternately applied to the electrodes 240a and 240b. For example, when a positive voltage is applied to the electrode 240a and a negative voltage is applied to the electrode 240b, an electric field is generated as indicated by the arrow in FIG. 2 of the first embodiment.

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２００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。
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、図６（ａ）のような態様だけでなく、図６（ｂ）や図６（ｃ）のように構成してもよい。 When this electric field is generated, the vibrating bar 220 vibrates and is used as a component of an oscillation source of a mobile phone or an IC card, for example, in which the tuning fork type crystal resonator 200 is used.
The arrangement of the electrodes 240a and 240b with respect to the vibrating rod 220 as described above is not limited to that shown in FIG. 6 (a), but is configured as shown in FIG. 6 (b) and FIG. 6 (c). May be.

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、図７に示すように例えば電極２４０ａと電極２４０ｂが対向して配置される構成となる。図７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。
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。 Moreover, in this Embodiment, although the groove | channel 220a was provided in the vibration thin rod 220, not only this but this groove | channel 220a is good also as a through-hole. In this case, the vibrating rod 220 ′ having a through-hole has a configuration in which, for example, the electrode 240a and the electrode 240b are arranged to face each other as shown in FIG. FIG. 7 is a schematic view showing a cross section of a vibrating bar 220 ′ having a through hole.
Further, in this case, the electrode 240a may be disposed in all of the through holes, but unlike this, the electrode 240a may be disposed in a plurality of locations of the through holes.

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、図１２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。   By the way, with the downsizing of the tuning fork type crystal resonator 200, as described above, if the length of the vibrating rod 220 in the Y-axis direction is shortened, the resonance frequency increases, and a stable resonance frequency cannot be maintained. Therefore, in order to prevent this, it is necessary to narrow the width of the vibrating rod 220 in the X-axis direction. However, if the width of the vibrating rod 220 in the X-axis direction is reduced, the electrode 23b cannot be made large as shown in FIG. 12, and the electric field generated between the electrode 23a and the electrode 23b has a depth in the vibrating rod 22. The direction is constant and not strongly distributed, and the strength of the electric field is reduced. As a result, the vibration of the vibrating bar 22 is weakened and the vibration loss is increased.

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。
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、図８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。 This vibration loss is indicated by the CI value (crystal impedance or equivalent series resistance Rr). The CI value of a normal tuning fork type crystal resonator is preferably 30 KΩ to 60 KΩ in a vacuum, and is about 400 KΩ if the CI value in the atmosphere is shown as a reference value.
The CI value when the groove 220a is not provided in the vibrating bar 220 of the tuning fork type crystal resonator 200 according to the present embodiment is 1000 KΩ in the atmosphere as shown in FIG. 8, and the above-mentioned reference value of 400 KΩ is obtained. It is much higher.
For this reason, a tuning fork type crystal resonator simply reduced in size has an excessively high CI value and is inappropriate for use in an oscillator such as a mobile phone or an IC card.

しかし、本実施の形態では、図８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。
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、図８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。 However, in this embodiment, since the depth of the groove 220a is 0.02 mm (20 μm) as shown in FIG. 8, the CI value is 425 KΩ, which is close to the above-mentioned preferable value 400 KΩ. The value stayed in the proper range and became suitable for use in oscillators such as mobile phones and IC cards. In addition, the groove 220a is formed in the vibration thin rod 220 in this way because the workability is remarkably excellent compared to the case where the thickness of the vibration thin rod 220 itself is reduced. The yield of the child 200 is improved.
In the present embodiment, the depth of the groove 220a is set to 0.02 mm in view of ease of processing and the like. However, as is clear from the table of FIG. The value decreased and became 333 KΩ for a depth of at least 0.035 mm. In this case, at least the CI value in vacuum was 40 KΩ.

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、図１３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の実施の形態の図２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、図８に示すＣＩ値からも明らかである。
なお、本実施の形態では図６（ａ）に示すように振動細棒２２０にのみ溝２２０ａを設けたが、図９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。 As described above, in this embodiment, since the vibration thin rod 220 is provided with the two grooves 220a and 220a and the electrodes 240a are disposed respectively, the electrode 240a is different from the electrode 23a of the conventional vibration thin rod 220 shown in FIG. Therefore, as shown in FIG. 2 of the first embodiment, the electric field is uniformly and strongly distributed in the depth direction of the vibration thin rod 220, and vibration loss can be suppressed low. This reduction in vibration loss is apparent from the CI value shown in FIG.
In this embodiment, the groove 220a is provided only on the vibrating bar 220 as shown in FIG. 6A. However, as shown in FIG. 9, the groove 320a is formed between the vibrating bar 320 and the fixing portion 330. May be. In this case, since the stress due to vibration can be confined in the groove 320a, fluctuations in frequency can be suppressed when the vibrator is fixed.

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。
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。 As described above, the 32.768 kHz tuning fork type crystal resonators 200 and 300 having a small CI value in the appropriate range are mounted in a small package, for example, 3.2 mm (Y-axis direction), 1.6 mm (X-axis direction) 0.9 mm. By inserting it in the (Z-axis direction), it can be used for small mobile phones, IC cards and the like.
Further, in the present embodiment, the 32.738 kHz tuning fork type crystal resonator 200 has been described as an example, but it is obvious that the tuning fork type crystal resonator of 15 kHz to 155 kHz can be applied.

さらに、本実施の形態では、図６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、図１０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。
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。
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。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the case where two grooves 220a are formed in the vibration thin rod 220 has been described. However, two grooves are formed above and below the vibration thin rod 420 as shown in FIG. May be provided, and the electrode 440a may be disposed on each of them.
Note that the tuning fork type vibrator 100 and the tuning fork type crystal vibrator 200 according to each of the above-described embodiments are not limited to small mobile phones and IC cards, but other electronic devices such as gyros, portable information terminals, It is obvious that the present invention can also be used for televisions, video devices, so-called radio cassettes, personal computers and other devices with built-in clocks.
As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the CI value and make a small vibrator that can be easily processed.

このように、本発明は、音叉型圧電振動子、音叉型圧電振動子を搭載する発振器、音叉型圧電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。 Thus, the present invention is suitable for use as a tuning fork type piezoelectric vibrator, an oscillator equipped with a tuning fork type piezoelectric vibrator, and an electronic device equipped with a tuning fork type piezoelectric vibrator .

１００…振動子、１２０，２２０，２２０’，３２０，４２０…振動細棒、１２０ａ，２２０ａ，３２０ａ…溝、１３０，２３０，３３０…固定部、１４０ａ，２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，４４０ａ…電極、１６０…電界、２００，３００…音叉型水晶振動子、Ｒｒ…クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗。   100 ... vibrator 120, 220, 220 ', 320, 420 ... vibrating rod, 120a, 220a, 320a ... groove, 130, 230, 330 ... fixing part, 140a, 240a, 240b, 240c, 440a ... electrode, 160 ... Electric field, 200, 300 ... Tuning fork type crystal resonator, Rr ... Crystal impedance or equivalent series resistance.

Claims (5)

基部と、前記基部の第１の側面から突出する２本の振動細棒とを有し、水晶材料からなる音叉型圧電振動子であって、  A tuning fork-type piezoelectric vibrator having a base and two vibrating rods protruding from the first side surface of the base, and made of a quartz material,
前記各振動細棒は、前記第１の側面の幅方向の両端より内側から突出し、幅が０．１ｍｍであり、長さが１．６ｍｍであり、  Each of the vibrating bars protrudes from the inside in the width direction of the first side surface, has a width of 0.1 mm, and a length of 1.6 mm.
前記各振動細棒の表面と裏面とには、溝が形成されており、  Grooves are formed on the front and back surfaces of each vibrating bar,
前記各溝は、有底で、深さが０．０２ｍｍ以上０．０３５ｍｍ以下であり、幅が０．０７ｍｍであり、長さが１．３ｍｍであり、  Each groove has a bottom, a depth of 0.02 mm to 0.035 mm, a width of 0.07 mm, and a length of 1.3 mm.
前記基部と前記振動細棒とを合わせた全長は、２．２ｍｍであることを特徴とする音叉型圧電振動子。  The tuning fork type piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the total length of the base and the vibrating bar is 2.2 mm. 前記各振動細棒の各溝には第１の電極が形成され、両側面には第２の電極が形成されており、  A first electrode is formed in each groove of each vibration thin rod, and a second electrode is formed on both side surfaces,
前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ、１００Åの厚さを有しＣｒで構成された下層と、１０００Åの厚さを有しＡｕで構成された上層との２層で構成されている請求項１に記載の音叉型圧電振動子。  Each of the first electrode and the second electrode is composed of two layers, a lower layer made of Cr having a thickness of 100 mm and an upper layer made of Au having a thickness of 1000 mm. The tuning fork type piezoelectric vibrator according to claim 1. 前記溝は、前記振動細棒と前記基部とに跨って形成されている請求項１または２に記載の音叉型圧電振動子。  The tuning fork-type piezoelectric vibrator according to claim 1, wherein the groove is formed across the vibrating bar and the base. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を備えることを特徴とする発振器。  An oscillator comprising the tuning-fork type piezoelectric vibrator according to any one of claims 1 to 3. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を備えることを特徴とする電子機器。  An electronic apparatus comprising the tuning fork type piezoelectric vibrator according to claim 1.
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