JP6137277B2 - 振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

Description

本発明は、振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器に関する。

特許文献１には、複数の棒状の腕部と、腕部より幅が広く、腕部の一方の端部に形成された錘部とを有する振動腕と、腕部の他方の端部を結合する基部と、を備え、腕部と錘部との結合部に、テーパー部を有する圧電振動片が開示されている。
特許文献１の圧電振動片は、テーパー部を設けることによって、振動腕が振動する際に、腕部と錘部との結合部に応力集中をおこすことがなく、基本振動モードに影響を与えることがないので、安定した振動を得ることができるとされている。

特開２００５−５８９６号公報

上記圧電振動片は、通常、エッチングによって外形形状が形成されている。そして、水晶を基材とした圧電振動片においては、水晶の結晶軸に対する方向によってエッチング速度が異なるエッチング異方性を有する。
このエッチング異方性に起因して、圧電振動片は、テーパー部と腕部との成す角度によっては、エッチング時に、例えば、腕部より薄いヒレ状の異形部が、テーパー部の側面に残ることがある。
これにより、圧電振動片は、振動時や落下衝撃時などに、異形部のクラック、欠けなどの損傷や、異形部上に形成された被膜の剥離などが発生し、振動腕の振動状態が変化することによって、振動周波数（共振周波数）がシフトしたり、ばらついたりする虞がある。
この結果、圧電振動片は、共振周波数が不安定となり、周波数特性が劣化する虞がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる振動片は、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を含む水晶のＺ板を基材とする振動片であって、基部と、前記基部から前記Ｙ軸に沿って延びている第１振動腕と、前記基部から前記Ｙ軸に沿って延びており、前記第１振動腕と前記Ｘ軸に沿って並んで配置されている第２振動腕と、を備え、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記Ｘ軸に沿って屈曲振動し、且つ、平面視で、前記基部とは反対側の先端側に配置されている第１部分と、前記第１部分と前記基部との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第１部分より狭い第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第１部分側から前記第２部分側に向かって徐々に狭くなっている第３部分と、前記第２部分と前記基部との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第２部分側から前記基部側に向かって徐々に広くなっている第４部分と、を有し、前記第１部分の前記Ｘ軸の一方向側の外縁は、前記第２部分の前記Ｘ軸の前記一方向側の外縁よりも前記Ｘ軸の前記一方向側に位置し、前記第１部分の前記Ｘ軸の他方向側の外縁は、前記第２部分の前記Ｘ軸の前記他方向側の外縁よりも前記Ｘ軸の前記他方向側に位置し、平面視で、前記第３部分の前記Ｘ軸の一方向側の外縁と前記Ｙ軸との成す角度は、１４０度以上１７０度以下の範囲であり、前記第３部分は、前記第２部分の前記幅の中心を通り、且つ、前記Ｙ軸に沿った中心線に対して非対称形状であることを特徴とする。

これによれば、振動片は、振動腕が腕部（第２部分）と錘部（第１部分）との結合部に、腕部から錘部に近づくに連れて幅が広がるテーパー部（第３部分）を有し、テーパー部の腕部との成す角度が１４０度以上１７０度以下の範囲内である。
この範囲内であれば、振動片は、エッチングによる外形形成時に、テーパー部の側面に前述の異形部が残ることを回避できる。
この結果、振動片は、異形部に起因した共振周波数のシフトやばらつきが発生しないことから、共振周波数が安定し、周波数特性を向上させることができる。
なお、テーパー部の側面に異形部が残らない上記角度の範囲については、発明者らが現物との整合性を検証した上でのエッチングのシミュレーションによる解析結果から得た知見である。

［適用例２］上記適用例にかかる振動片において、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、第１主面と、前記第１主面の裏側である第２主面と、を備え、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第１主面側に、前記第１主面よりも前記第２主面側に凹んでいる第１溝部を有し、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第２主面側に、前記第２主面よりも前記第１主面側に凹んでいる第２溝部を有していることが好ましい。

［適用例３］上記適用例にかかる振動片において、前記基部は、前記Ｘ軸に沿った切り欠き部を有していることが好ましい。

［適用例４］本適用例にかかる振動子は、上記適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の振動片と、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。

これによれば、振動子は、周波数特性が向上した振動片を備えていることから、周波数特性を向上させることができる。

［適用例５］本適用例にかかる発振器は、上記適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の振動片と、前記振動片を発振させる回路と、を備えていることを特徴とする。

これによれば、発振器は、周波数特性が向上した振動片を備えていることから、周波数特性を向上させることができる。

第１の実施形態の圧電振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 図１（ａ）の要部拡大図。 テーパー部と腕部との成す角度とテーパー部の異形部の有無との関係を示す図。 変形例の圧電振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 第２の実施形態の圧電振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 第３の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の圧電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Ａ−Ａ線での断面図である。図２は、図１（ａ）のＢ部拡大図である。

図１に示すように、圧電振動片（振動片）としての水晶振動片１は、水晶の原石などから、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィ技術を用いたエッチング（ウエットエッチング）によって形成されている。
ここで、Ｚ板とは、切り出し面（主面１０ａ）がＺ軸に対して略直交したものをいい、このＺ軸に直交した主面１０ａが、Ｘ軸のプラス側から見てＹ軸からＺ軸の方向へ反時計回りまたは時計回りに０度〜数度の範囲で回転した状態で切り出されたものも含まれる。
水晶振動片１は、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸、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。
なお、水晶振動片１は、水晶からの切り出し角度の誤差を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々につき多少の範囲（例えば、０度〜５度程度の範囲）で許容できる。

水晶振動片１は、基部１０と、基部１０からＹ軸方向に延びる互いに略平行な一対の振動腕１１と、基部１０をＸ軸方向に切り欠いた一対の切り欠き部１２，１３と、基部１０からＸ軸方向に突出し、振動腕１１側に略直角に折れ曲がってＹ軸方向に延びる一対の支持部１４とを備えている。

振動腕１１は、基部１０からＹ軸方向に延びる腕部（第２部分）１５と、腕部１５の先端部に形成され腕部１５より幅が広く、Ｙ軸方向に延びる錘部（第１部分）１６と、振動腕１１の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って形成され、一対の振動腕１１の並ぶ方向（Ｘ軸方向）に切断した振動腕１１の断面形状が、Ｈ字状となる溝部１７とを有している。
そして、振動腕１１は、腕部１５と錘部１６との結合部に、平面視において、腕部１５から錘部１６に近づくに連れて幅が広がる一対のテーパー部（第３部分）１８を有している。
図２に示すように、テーパー部１８は、腕部１５との成す角度θが１４０度〜１７０度の範囲内であるように形成されている。

図１に示すように、水晶振動片１は、基部１０と、一対の振動腕１１とを含んで音叉を構成することで、音叉型圧電振動片としての音叉型水晶振動片となっており、支持部１４の所定の位置に形成された図示しないマウント電極を介してパッケージなどの外部部材に固定されるようになっている。
そして、水晶振動片１は、振動腕１１に形成された図示しない励振電極に、マウント電極を経由して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１１が、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で矢印Ｃ方向及び矢印Ｄ方向に交互に屈曲振動（共振）する。

図２に進んで、ここで、テーパー部１８と腕部１５との成す角度θと、エッチングによってテーパー部１８の側面に残り得る腕部１５より薄いヒレ状の異形部１９（２点鎖線で一例を模式的に示す）との関係について、発明者らのシミュレーションによる解析結果に基づいて説明する。
なお、このシミュレーションは、発明者らが現物との整合性を検証した上で実行したものである。

図３は、テーパー部と腕部との成す角度と、テーパー部の異形部の有無との関係を示す図である。
図３では、設定角度毎に異形部１９が有る（残る）場合を×、異形部１９が無い（残らない）場合を○で表している。

図３に示すように、異形部１９は、テーパー部１８と腕部１５との成す角度θが１００度〜１３０度の範囲内であれば残り、テーパー部１８と腕部１５との成す角度θが１４０度〜１７０度の範囲内であれば残らない。
この解析結果によれば、テーパー部１８と腕部１５との成す角度θは、１４０度〜１７０度の範囲内が好ましいことがわかる。
また、テーパー部１８と腕部１５との成す角度θは、錘部１６の機能（慣性質量の増加によるＱ値の向上）の有効性の観点からすれば、１４０度程度がより好ましい。

上述したように、第１の実施形態の水晶振動片１は、振動腕１１が腕部１５と錘部１６との結合部に、腕部１５から錘部１６に近づくに連れて幅が広がるテーパー部１８を有し、テーパー部１８の腕部１５との成す角度θが１４０度〜１７０度の範囲内である。
この範囲内であれば、水晶振動片１は、エッチングによる外形形成時に、テーパー部１８の側面に異形部１９が残ることを回避できる。
この結果、水晶振動片１は、異形部１９に起因した共振周波数のシフトやばらつきが発生しないことから、共振周波数が安定し、周波数特性を向上させることができる。

また、水晶振動片１は、一対（２本）の振動腕１１と基部１０とを含んで音叉を構成することから、周波数特性が向上した音叉型水晶振動片を提供できる。
なお、一対のテーパー部１８は、振動腕１１のＹ軸方向の中心線に対して対称形状であることが好ましいが、角度θが１４０度〜１７０度の範囲内であれば、非対称形状であってもよい。
また、テーパー部１８は、エッチング異方性などを踏まえて、エッチング終了時に所定の角度θになるように、エッチングマスクの角度設定を補正してもよい。具体的には、エッチングマスクの角度を上記範囲外に設定してもよい。

（変形例）
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。
図４は、変形例の圧電振動片の概略構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＥ−Ｅ線での断面図である。なお、第１の実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４に示すように、変形例の圧電振動片としての水晶振動片２は、錘部１１６が、各腕部１５に対して各腕部１５の近傍の支持部１４側に偏って形成されている。
そして、水晶振動片２は、一対の振動腕１１において、互いに対向する側の腕部１５の側面と錘部１１６の側面とが、段差の無い一体化された平面状に形成されている。
これにより、テーパー部１８は、腕部１５と錘部１１６との結合部において支持部１４側のみに形成されることになる。

これによれば、水晶振動片２は、錘部１１６が各腕部１５に対して支持部１４側に偏って形成され、一対の振動腕１１の間隔が広がることから、振動腕１１同士の振動時の干渉を容易に回避できる。
また、水晶振動片２は、テーパー部１８が各振動腕１１につき２箇所から１箇所になるので、第１の実施形態と比較して、異形部１９が残る可能性を半減できる。
なお、第１の実施形態及び変形例では、振動腕１１の数を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。
また、切り欠き部１２，１３、支持部１４、溝部１７は、なくてもよい。
また、振動腕１１の屈曲振動の方向は、振動腕１１の厚み方向（Ｚ軸方向）であってもよい。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた圧電振動子について説明する。
図５は、第２の実施形態の圧電振動子の概略構成を示す模式図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＦ−Ｆ線での断面図である。

図５に示すように、圧電振動子（振動子）としての水晶振動子５は、第１の実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
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。

パッケージベース８１の凹部の周囲には、シームリング８２が設けられている。さらに、パッケージベース８１の底部には、貫通穴８６が設けられている。
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、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶振動子５は、周波数特性が向上した水晶振動片１を備えていることから、周波数特性を向上させることができる。
なお、水晶振動子５は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２を用いても、同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、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６は、第３の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＧ−Ｇ線での断面図である。

発振器としての水晶発振器６は、上記水晶振動子５の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。なお、水晶振動子５との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示すように、水晶発振器６は、第１の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、金線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、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶発振器６は、周波数特性が向上した水晶振動片１を備えていることから、周波数特性を向上させることができる。
なお、水晶発振器６は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２を用いても、同様の効果を得ることができる。

１，２…圧電振動片としての水晶振動片、５…圧電振動子としての水晶振動子、６…発振器としての水晶発振器、１０…基部、１０ａ…主面（切り出し面）、１１…振動腕、１２，１３…切り欠き部、１４…支持部、１５…腕部、１６…錘部、１７…溝部、１８…テーパー部、１９…異形部、８０…パッケージ、８１…パッケージベース、８２…シームリング、８３…外部接続端子、８４…導電性接着剤、８５…蓋体、８６…貫通穴、８７…封止材、８８…接続パッド、９１…回路素子としてのＩＣチップ、９２…金属ワイヤー、１１６…錘部。

Claims (5)

1. 水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を含む水晶のＺ板を基材とする振動片であって、
   基部と、
   前記基部から前記Ｙ軸に沿って延びている第１振動腕と、
   前記基部から前記Ｙ軸に沿って延びており、前記第１振動腕と前記Ｘ軸に沿って並んで配置されている第２振動腕と、
   を備え、
   前記第１振動腕および前記第２振動腕は、
   前記Ｘ軸に沿って屈曲振動し、
   且つ、平面視で、
   前記基部とは反対側の先端側に配置されている第１部分と、
   前記第１部分と前記基部との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第１部分より狭い第２部分と、
   前記第１部分と前記第２部分との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第１部分側から前記第２部分側に向かって徐々に狭くなっている第３部分と、
   前記第２部分と前記基部との間に配置され、前記Ｘ軸に沿った幅が前記第２部分側から前記基部側に向かって徐々に広くなっている第４部分と、
   を有し、
   前記第１部分の前記Ｘ軸の一方向側の外縁は、前記第２部分の前記Ｘ軸の前記一方向側の外縁よりも前記Ｘ軸の前記一方向側に位置し、
   前記第１部分の前記Ｘ軸の他方向側の外縁は、前記第２部分の前記Ｘ軸の前記他方向側の外縁よりも前記Ｘ軸の前記他方向側に位置し、
   平面視で、前記第３部分の前記Ｘ軸の一方向側の外縁と前記Ｙ軸との成す角度は、１４０度以上１７０度以下の範囲であり、
   前記第３部分は、前記第２部分の前記幅の中心を通り、且つ、前記Ｙ軸に沿った中心線に対して非対称形状であることを特徴とする振動片。
2. 請求項１において、
   前記第１振動腕および前記第２振動腕は、
   第１主面と、
   前記第１主面の裏側である第２主面と、
   を備え、
   前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第１主面側に、前記第１主面よりも前記第２主面側に凹んでいる第１溝部を有し、
   前記第１振動腕および前記第２振動腕は、前記第２主面側に、前記第２主面よりも前記第１主面側に凹んでいる第２溝部を有していることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記基部は、前記Ｘ軸に沿った切り欠き部を有していることを特徴とする振動片。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１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。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の振動片と、
   前記振動片を発振させる回路と、
   を備えていることを特徴とする発振器。

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