JP5617392B2 - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents
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Description
このような振動片を屈曲振動させたときの振動エネルギーの損失は、CI(クリスタルインピーダンス)値(発振のしやすさの目安となる値で、低いほど発振しやすい)の増加やQ値(振動の状態を現す無次元数であって、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する)の低下を招き、性能を劣化させる原因となっていた。
この振動エネルギーの損失の一因としては、熱伝導が考えられている。
この状態で図示しない電極に所定の電圧を印加すると、振動腕153,154は、互いに離れる方向の振動状態のとき、斜線領域A(振動腕153,154の外側の根元付近)で圧縮応力が作用し、斜線領域B(振動腕153,154の内側の根元付近)で引張り応力が作用する。
一方、振動腕153,154は、互いに近づく振動状態のとき、斜線領域Aで引張り応力が作用し、斜線領域Bで圧縮応力が作用する。
振動片151は、屈曲振動する振動腕153,154の圧縮応力を受ける圧縮部と引張り応力を受ける伸張部との間で、温度の平衡化のために発生する熱の移動(熱伝導)により、振動エネルギーの損失が生じる。
このような熱伝導により生じるQ値の低下は、熱弾性損失と呼ばれている。
このQ値と周波数との関係を一般的に表すと、図4(b)の曲線Fのようになる。同図において、Q値が極小Q0となる周波数が熱緩和周波数f0(=1/2πτ)である。
またf/f0=1を境にして周波数が高い領域(1<f/f0)が断熱的領域となり、周波数が低い領域(f/f0<1)が等温的領域となる。
図5に示すように、振動片100は、音叉腕(以下、振動腕という)102と音叉基部(以下、基部という)104とを備え、振動腕102の上下面に溝106を設け、この溝106の側面に電極110,112を配置している。
また、振動片100は、電極110,112に対向して振動腕102の側面に極性の異なる電極114,116を配置している(例えば、特許文献1参照)。
その結果、振動片100は、圧縮部と伸張部とで温度が平衡状態になるまでの緩和時間τが長くなる。
これにより、振動片100は、図4(b)に示す断熱的領域では、溝106を形成することで、曲線F自体の形状は変化せずに熱緩和周波数f0の低下に伴って、曲線Fが曲線F1の位置まで周波数の低下方向にシフトしたことになる。なお、曲線F1は、溝106に電極が一切形成されていない状態を示している。
この結果、振動片100は、矢印aに示すようにQ値が高くなる。
この原因としては、電極110,112が熱伝導経路を形成することが考えられる。
すなわち、電極材料のように導電性を有する材料は、振動片100の基材としての圧電体である水晶より熱伝導率が大きい。このような導電性を有する材料では、金属のフォノンのほかに電子が熱エネルギーを運搬する。
つまり、振動片100は、図5(b)の矢印で示すように、熱伝導が水晶に加えて、電極110,112を介しても行なわれるため、緩和時間τが短くなり、熱緩和周波数f0の上昇に伴って、曲線Fが曲線F2の位置まで周波数の上昇方向にシフトしたと考えられる。
しかしながら、振動片は、小型化の進展などに伴い、溝の底部の電極の削除だけでは、緩和時間τの改善が不十分となり、Q値の向上が十分に図れない虞がある。
本発明のある形態に係る振動片は、基部と、前記基部から第1方向に沿って延出し、互いに表裏の関係にある2つの主面の少なくとも一方に、前記第1方向に沿って溝部が設けられている振動腕と、を含み、前記溝部が設けられている前記主面は、平面視で、前記溝部の開口を間に挟んで、前記第1方向と交差する第2方向に沿って並んでいる一方の主面部と他方の主面部とを含み、前記溝部は、前記一方の主面部と接続され、第1励振電極部が配置されている第1側面と、前記他方の主面部と接続され、第2励振電極部が配置されている第2側面と、前記第1側面と前記第2側面との間に位置している底部と、
を含み、
前記第1側面の前記底部側の一部から、前記底部を含んで前記第2側面の前記底部側の一部にわたる領域は、無電極領域であることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕は、前記基部側に配置されている腕部と、前記腕部より先端側に配置され、前記腕部より前記第2方向に沿った幅が広い錘部と、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部に接続され、前記第2方向に沿って、前記振動腕に並んで配置されている支持部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部には、前記第2方向に沿って並んでいる一対の切り欠き部が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕を複数本含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片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。
本発明のある別の形態に係る発振器は、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。
この結果、振動片は、例えば、溝部における底部の電極だけが削除されている場合と比較して、より広い範囲で屈曲振動時の圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなることから、緩和時間τをより長くし、熱緩和周波数f0をより低下させることが可能となる。
この熱緩和周波数f0の低下によって、振動片は、図4(b)において、曲線Fが曲線F1の近傍まで周波数の低下方向にシフトし、断熱的領域においてQ値を向上させることができる。
したがって、振動片は、Q値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。
一方、振動片は、錘部を有すると、例えば、屈曲振動における歪みが、錘部がない場合と比較して大きくなる(発生する圧縮応力、引張り応力が大きくなる)。
しかしながら、振動片は、溝部の無電極領域において、電極による熱伝導を回避することができることから、圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなり、錘部を有している場合に、より効果的に熱弾性損失を抑制することができる。
図1は、第1実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(a)のD−D線での断面図である。
なお、図1(a)では、便宜的に電極部分にハッチング、アミがけを施してあると共に、煩雑にならないように電極部分を簡略化及び一部省略してある。
そして、一対の振動腕12,13は、互いに対向する主面10a,10bに、振動腕12,13の長手方向に沿って形成されると共に、一対の振動腕12,13の並ぶ方向(紙面左右方向)に沿って切断した振動腕12,13の断面形状が、略H字状となる溝部18を有している。
第1側面部18a及び第2側面部18bは、水晶のエッチング異方性によって、主面10a,10bから底部18cに近づくに連れて、急峻な傾斜からなだらかな傾斜になるように複数の面によって構成されている。
また、底部18cは、図1(b)において、第1側面部18a側及び第2側面部18b側のいずれの側にも傾斜していないように示されているが、これに限定するものではなく、第1側面部18a側または第2側面部18b側に傾斜していてもよい。
図1(b)に示すように、溝部18は、第1側面部18aの底部18c側の一部から、底部18cを含んで第2側面部18bの底部18c側の一部までの範囲に亘って、励振電極20,21が設けられていない無電極領域を有している。
換言すれば、溝部18の励振電極20,21は、第1側面部18a及び第2側面部18bの主面10a,10b側の一部(主面10a,10bから底部18cに向かう途中までの範囲L)に形成されている。
なお、励振電極20,21が形成される範囲Lは、第1側面部18aと第2側面部18bとで長さが異なっていてもよい。
なお、励振電極20,21の溝部18の長手方向の形成範囲は、所望の負荷容量感度(周波数−負荷容量特性)などの要求仕様に基づいて適宜設定される。
そして、水晶振動片1は、一対の振動腕12,13に形成された励振電極20,21に、外部から駆動信号が印加されることにより、一対の振動腕12,13が、所定の共振周波数(例えば、32kHz)で矢印E方向及び矢印F方向に交互に屈曲振動(共振)する。
これにより、水晶振動片1は、断熱的領域(図4(b)参照)において屈曲振動することとなる。
一対の振動腕12,13などには、外部から印加される駆動信号の印加電位の極性が互いに異なる励振電極20と励振電極21とが形成されている。
このことから、励振電極20と励振電極21とは、短絡しないように互いに間隔を空けて形成されている。
なお、振動腕12の両側面12a,12bの励振電極21は、錘部17に形成された接続電極22(図1(a)参照)を介して互いに接続されている。
一方、振動腕13の溝部18には、励振電極21が形成され、振動腕13の両側面13a,13bには、励振電極20が形成されている。
なお、振動腕13の両側面13a,13bの励振電極20は、錘部17に形成された接続電極23(図1(a)参照)を介して互いに接続されている。
一方、振動腕13の溝部18の主面10a側の励振電極21と主面10b側の励振電極21とは、振動腕12の両側面12a,12bに形成された励振電極21を介して接続されている。
励振電極20,21は、Ni、Cr、Au、Ag、Al、Cuなどの電極材料が、蒸着、スパッタなどの方法で水晶振動片1の略全面に成膜され、成膜された電極材料を覆うように感光性のレジストが塗布され、レジストがフォトリソグラフィー技術などを用いて所望の電極パターン形状に応じて露光、パターニングされた後、電極材料の露出した不要部分がエッチング(ウエットエッチング)で除去されることにより、所望の電極パターン形状に形成される。
したがって、上述した溝部18の無電極領域は、不要部分の電極材料がエッチングによって除去されることにより形成される。
このことから、水晶振動片1は、これらの部分(無電極領域)における励振電極20,21による熱伝導を回避することができる。
この熱緩和周波数f0の低下によって、水晶振動片1は、図4(b)において、曲線Fが曲線F1の近傍まで周波数の低下方向にシフトすることから、断熱的領域においてQ値を向上させることができる。
したがって、水晶振動片1は、Q値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。
しかしながら、水晶振動片1は、溝部18の無電極領域において、励振電極20,21による熱伝導を回避することができることから、圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなり、錘部17を有する構成において、より効果的に熱弾性損失を抑制することができる。
次に、第2実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた振動子について説明する。
図2は、第2実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は、図2(a)のG−G線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極は省略してある。
パッケージ80は、パッケージベース81、シームリング82、蓋体85などから構成されている。
パッケージベース81は、水晶振動片1を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片1の図示しないマウント電極20a,21a(図1参照)と接続される接続パッド88が設けられている。
接続パッド88は、パッケージベース81内の配線に接続され、パッケージベース81の外周部に設けられた外部接続端子83と導通可能に構成されている。
水晶振動片1は、パッケージベース81の接続パッド88に導電性接着剤84を介して接着固定されている。そして、パッケージ80は、パッケージベース81の凹部を覆う蓋体85とシームリング82とがシーム溶接されている。
パッケージベース81の貫通穴86には、金属材料などからなる封止材87が充填されている。この封止材87は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース81内が減圧状態を保持できるように、貫通穴86を気密に封止している。
水晶振動子5は、外部接続端子83を介した外部からの駆動信号により水晶振動片1が励振され、所定の共振周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
次に、第3実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた発振器について説明する。
図3は、第3実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図3(a)は平面図、図3(b)は、図3(a)のH−H線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極類は省略してある。
図3に示すように、水晶発振器6は、第1実施形態の水晶振動片1と、水晶振動片1を発振させる発振回路を有する回路素子としてのICチップ91と、水晶振動片1及びICチップ91を収容するパッケージ80と、を備えている。
ICチップ91は、パッケージベース81の底部に固着され、Au、Alなどの金属ワイヤー92により他の配線と接続されている。
水晶発振器6は、ICチップ91の発振回路からの駆動信号により水晶振動片1が励振され、所定の共振周波数(例えば、32kHz)で発振(共振)する。
また、支持部15は、一対に限定するものではなく、一方だけでもよい。
なお、上記各実施形態では、溝部18を振動腕12,13の両方の主面10a,10bに設けたが、これに限定するものではなく、いずれか一方の主面(10aまたは10b)のみでもよい。
また、上記各実施形態では、振動腕12,13の数を一対(2本)としたが、これに限定するものではなく、1本、または3本以上でもよい。
Claims (7)
- 基部と、
前記基部から第1方向に沿って延出し、互いに表裏の関係にある2つの主面の少なくとも一方に、前記第1方向に沿って溝部が設けられている振動腕と、
を含み、
前記溝部が設けられている前記主面は、平面視で、前記溝部の開口を間に挟んで、前記第1方向と交差する第2方向に沿って並んでいる一方の主面部と他方の主面部とを含み、
前記溝部は、
前記一方の主面部と接続され、第1励振電極部が配置されている第1側面と、
前記他方の主面部と接続され、第2励振電極部が配置されている第2側面と、
前記第1側面と前記第2側面との間に位置している底部と、
を含み、
前記第1側面の前記底部側の一部から、前記底部を含んで前記第2側面の前記底部側の一部にわたる領域は、無電極領域であることを特徴とする振動片。 - 請求項1において、
前記振動腕は、
前記基部側に配置されている腕部と、
前記腕部より先端側に配置され、前記腕部より前記第2方向に沿った幅が広い錘部と、
を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1または2において、
前記基部に接続され、前記第2方向に沿って、前記振動腕に並んで配置されている支持部を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記基部には、前記第2方向に沿って並んでいる一対の切り欠き部が設けられていることを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至4のいずれか一項において、
前記振動腕を複数本含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片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乃至5のいずれか一項に記載の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。
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