JP5811216B2 - 振動片、振動子、発振器 - Google Patents
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熱弾性損失効果によるQ値の低下を防止または抑制するために、矩形断面を有する振動腕(振動梁)の中心線上に溝、または孔を形成した音叉型の振動片が、例えば特許文献3に紹介されている。
このような振動片の小型化への要求のなかでは、特に、振動腕の長さを短くすることが寄与率が高く、また、それに伴い、振動腕の断面積を小さくすることが要求される。このため、振動片の低周波数化を図ることが困難になり、また、高次振動モードが発生するなどして振動片の振動特性が不安定になりやすくなることが知られている。このような高次振動モードの発生を抑えたり、低周波数化や振動特性の安定化を図り得る振動片として、振動腕の先端部に、振動腕の一般部(腕部)よりも幅の大きい錘部を形成した振動片が、例えば特許文献4に紹介されている。
本発明のある形態に係る振動片は、基部と、平面視で前記基部の端部に接続され、所定の方向に沿って配置されているとともに、前記所定の方向と交差する方向に並んでおり、且つ、平面視で互いに接近と離反とを交互に繰り返して屈曲振動する一対の振動腕と、を含み、一対の前記振動腕は、それぞれ互いに表裏の関係にある第1の主面及び第2の主面の少なくとも一方の主面に溝が設けられ、且つ、平面視で、錘部と、前記錘部よりも前記基部側に配置され、前記錘部よりも前記所定の方向と交差する方向に沿った幅が小さい一般部と、を含み、前記基部から前記錘部に亘って前記第1の主面及び前記第2の主面は平坦であり、前記振動腕の前記所定の方向における、前記振動腕の長さに対する前記錘部の長さの割合が35%以上41%以下であり、前記溝の内面、及び前記第1の主面と前記第2の主面とを接続している側面に、励振電極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、一対の前記振動腕は、前記所定の方向に沿った長さが同じ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、平面視で前記一般部と前記基部との間に配置され、前記基部に向うにしたがって前記所定の方向と交差する方向に沿った幅が広くなっている幅広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、平面視で、前記基部に接続され前記所定の方向に沿って配置されているとともに、一対の前記振動腕の間に配置されている支持腕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ているとともに、平面視で、前記所定の方向と交差する方向に一対の前記振動腕を挟むように配置されている一対の支持腕を有す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、前記基部は、前記端部を有する第1の部分と、
平面視で、前記第1の部分の前記一対の振動腕側とは反対側に配置されている第2の部分と、平面視で、前記第1の部分と前記第2の部分とを接続し、前記所定の方向と交差する方向における、前記第1の部分の幅及び前記第2の部分の幅よりも狭い接続部分と、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、前記基部と前記振動腕の材料が水晶及びシリコンの何れか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、を含むことを特徴とする。
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、を含むこと特徴とする。
また、基部を支持部としてパッケージなどに支持・固定させた場合に起こる様々な不具合、例えば、振動片の先端が下方に傾いてパッケージなどに接触することを防止できたり、パッケージへの衝撃が基部を介してダイレクトに振動腕に伝わることによって起こり得る動作異常などを回避したりすることが可能になり、振動特性の安定した振動片を提供することができる。
まず、本発明の振動片について説明する。
図1は、本実施形態の振動片を模式的に説明するものであり、(a)は、一方の主面側の平面図、(b)は、(a)のA−A線断面を示す断面拡大図である。
図1(a)において、本実施形態の振動片20は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料からなる屈曲振動モードを呈する振動片である。振動片20を水晶から構成する場合、水晶ウェハは、X軸、Y軸、およびZ軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに0度〜5度の範囲で回転させて切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨加工して得られるものを用いる。本実施形態の振動片20は、その水晶Z板を加工することにより形成された基部21と、この基部21の一端側(図において上端側)から二股に別れて互いに平行に延出する一対の振動腕22とからなる所謂音叉型の外形を有して形成されている。
なお、各切り込み31は、振動片20の落下に対する強度の確保をした上で、最適な幅や長さに調整して振動漏れを最小にするのが望ましい。
各振動腕22は、その中央部に、振動腕22において主要な振動部である一般部23を有している。また、各振動腕22は、基部21に接続される根元部において、一般部23から基部21側に向けて前記両側面間の幅が徐徐に広げられ基部21との付け根部で最も幅広となる幅広部24を有している。このように、各振動腕22が幅広部24を有することにより、広い幅で基部21に接続されるので剛性が高くなり、耐衝撃性などが向上する。
また、振動片20の各振動腕22の長手方向(本例では、基部21の第1の部分21aから各振動腕22が延出される方向)において、基部21との付け根から先端側までの長さLに占める錘部29の長さlの割合が35%〜41%の範囲に調整されて設けられている。このような構成とすることにより、振動片20は、各振動腕22の先端部分の錘部29が錘の機能を果たすことにより、振動腕22の長さを増大させることなく周波数を十分に低く抑えられる効果が得られるとともに、熱弾性損失が小さくなってQ値の低下が十分に抑えられる効果が得られることを発明者は見出した(詳細は後述する)。
このように、各振動腕22に設けられた長溝26a,26bによって、剛性が小さくなって振動しやすくなり、振動腕22が効率よく振動して良好な振動特性を示すことが可能になる。また、長溝26a,26bは、各振動腕22の基部21との付け根部近傍において、振動に伴なう歪により振動腕22の両側面の突堤部25で発生する温度上昇および温度低下に起因する熱の流路を狭めているので、熱の移動を抑制して熱弾性損失を低減する効果を奏し、この結果、CI値の増大やQ値の低下などの熱弾性損失による悪影響を抑制できる。
発明者は、まず、振動腕22の基部21との付け根から先端部までの長さLに対する錘部29の長さlの占有率を変化させた時に、低周波数化が効率よく図れる占有率と、周波数一定に換算したQ値の低下を効率よく軽減できる占有率とをシミュレーションにより個別に求めた。その結果、低周波数化が効率よく図れる占有率と、Q値の低下を効率よく軽減できる占有率とは、一致しなかった。
次に、そのような、振動腕22の基部21との付け根から先端までの長さに対する錘部29の長さの占有率により、振動片20の低周波数化の効率が良くなる要素と、熱弾性損失がより小さくなる要素とを掛け合わせ、さらに、等価モデルでシミュレーションすることによって求めた最適値と合うように補正した結果、図2のグラフに示すような結果を得た。
図2において、横軸は、振動腕22の基部21との付け根から先端までの長手方向の長さLに対して錘部29の長さlが占める錘部占有率(%)であり、縦軸は、低周波数化指数と高Q値化指数とを掛けた値として定義する(補正後)高性能化指数である。
図2のグラフに示すように、補正後の高性能化指数は、錘部占有率38%を中心として錘部占有率35%〜41%のときに最も高いことを発明者は見出した。
次に、上記の振動片20を用いた振動子について説明する。
図3は、上記の振動片20を搭載する振動子の一実施形態を説明するものであり、(a)は上側からみた概略平面図、(b)は(a)のB−B線断面図である。なお、図3(a)では、振動子の内部の構造を説明する便宜上、振動子200の上方に設けられるリッド119(図3(b)を参照)を取り外した状態を図示している。
このようにパッケージ110に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により接続されている。
次に、上記の振動片20を用いた発振器について説明する。
図4は、上記の振動片20を搭載する発振器の一実施形態を説明するものであり、(a)は上側からみた概略平面図、(b)は(a)のC−C線断面図である。なお、図4(a)では、発振器の内部の構造を説明する便宜上、発振器300の上方に設けられるリッド219を取り外した状態を図示している。
また、パッケージ210の凹部において、第2層基板212により形成される段差上には、ICチップ150との電気的な接続に供する複数のIC接続端子216が設けられている。
さらに、パッケージ210の凹部において、第3層基板213により形成される段差上には、振動片20が接合される複数の振動片接続端子217が設けられている。
このようにパッケージ210に設けられた上記の各種端子は、対応する端子どうしが、図示しない引き回し配線やスルーホールなどの層内配線により接続されている。
Claims (9)
- 基部と、
平面視で前記基部の端部に接続され、所定の方向に沿って配置されているとともに、前記所定の方向と交差する方向に並んでおり、且つ、平面視で互いに接近と離反とを交互に繰り返して屈曲振動する一対の振動腕と、
を含み、
一対の前記振動腕は、
それぞれ互いに表裏の関係にある第1の主面及び第2の主面の少なくとも一方の主面に溝が設けられ、
且つ、平面視で、
錘部と、
前記錘部よりも前記基部側に配置され、前記錘部よりも前記所定の方向と交差する方向に沿った幅が小さい一般部と、
を含み、
前記基部から前記錘部に亘って前記第1の主面及び前記第2の主面は平坦であり、
前記振動腕の前記所定の方向における、前記振動腕の長さに対する前記錘部の長さの割合が35%以上41%以下であり、
前記溝の内面、及び前記第1の主面と前記第2の主面とを接続している側面に、励振電極が設けられていることを特徴とする振動片。 - 請求項1において、
一対の前記振動腕は、前記所定の方向に沿った長さが同じであることを特徴とする振動片。 - 請求項1又は2において、
前記振動腕は、平面視で前記一般部と前記基部との間に配置され、前記基部に向うにしたがって前記所定の方向と交差する方向に沿った幅が広くなっている幅広部を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至3の何れか一項において、
平面視で、前記基部に接続され前記所定の方向に沿って配置されているとともに、一対の前記振動腕の間に配置されている支持腕を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至3の何れか一項において、
前記基部に接続されているとともに、
平面視で、前記所定の方向と交差する方向に一対の前記振動腕を挟むように配置されている一対の支持腕を有することを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至5の何れか一項において、
前記基部は、
前記端部を有する第1の部分と、
平面視で、前記第1の部分の前記一対の振動腕側とは反対側に配置されている第2の部分と、
平面視で、前記第1の部分と前記第2の部分とを接続し、前記所定の方向と交差する方向における、前記第1の部分の幅及び前記第2の部分の幅よりも狭い接続部分と、
を含むことを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至6の何れか一項において、
前記基部と前記振動腕の材料が水晶及びシリコンの何れかであることを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至7の何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、
を含むことを特徴とする振動子。 - 請求項1乃至7の何れか一項に記載の振動片と、
回路と、
を含むこと特徴とする発振器。
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