JP6155897B2 - 振動片、振動子、電子デバイス、電子機器及び移動体 - Google Patents
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Description
従来から、振動子や発振器として、パッケージに振動片を収容したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示された振動片は、振動片の全長を短くし小型化を図るために、基部と、基部から互いに平行となるように並んで延出する2つの振動腕と、基部から延出し、2つの振動腕の間に位置する支持腕とを有している。
前記第1の端面と前記第2の端面との最短距離をWbとしたとき、
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2}
/(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]
0.81≦Wb/We≦1.70
の関係を満足することを特徴とする。
但し、Qは前記振動片のQ値、fは前記振動片の振動周波数[Hz]、Weは実効幅[m]、ρは質量密度[kg/m3]、Cpは熱容量[J/(kg・K)]、cは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する弾性定数[N/m2]、αは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する熱膨張係数[1/K]、Θは環境温度[K]、kは前記Wbの方向に関する熱伝導率[W/(m・K)]。
図1は、本発明の実施形態に係る振動子の構造を示した概略図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は図1(a)に示すA−A線断面図である。図2は、本発明の実施形態に係る振動子に用いられている振動片の構造を示した概略図であり、図2(a)は平面図、図2(b)は図2(a)に示すB−B線断面図である。なお、図1(a)において、振動子1の内部の構成を説明する便宜上、蓋部材56を取り外した状態を図示している。また、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸及びZ軸を図示している。更に、説明の便宜上、Z軸方向から見たときの平面視において、+Z軸方向の面を上面、−Z軸方向の面を下面として説明する。
また、振動片を静電駆動させる場合は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、等がある。
以上、振動子1の構成について簡単に説明した。次に、振動片2について図2を参照し詳細に説明する。
振動片2の振動基板10は、図2に示すように、第1の方向であるY軸方向に面した第1の端面6と第2の端面7を有する基部12と、基部12から+Y軸方向へ突出し、且つ第2の方向であるX軸方向に並んで設けられた第1、第2の振動腕21,22と、基部12の第1の端面6から+Y軸方向へ突出するとともに、第1、第2の振動腕21,22の間に位置する支持腕23と、を有している。
次に、課題となっていた振動片2(振動子1)の小型化について、詳細に説明する。
図3は、振動子の等温的領域と断熱的領域について説明する模式図である。
Zカット水晶板を振動基板10とする振動子1は、外部から実装端子45、接続電極47、接合部材42、第1、第2導電パッド37,38、電極30を経由して駆動信号が印加されることにより、振動片2が所定の周波数(例えば、32.768kHz)で発振(共振)する。
振動片2は、機械的な振動周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなるように設定されている(f>f0)。これにより、振動片2は、断熱的領域において屈曲振動することとなる。
一般に、屈曲振動を行う振動体の熱弾性損失(屈曲振動する振動片の圧縮部における温度上昇と伸張部における温度低下との間で発生する熱伝導により生じる振動エネルギーの損失)は、屈曲振動モードの振動片において、振動数周波数fが緩和振動数fm=1/(2・π・τ)(ただし、式中πは円周率であり、eをネイピア数とすれば、τは温度差が熱伝導によりe-1倍になるのに要する緩和時間である)と等しくなったときに最大となる。
f0=(π・k)/(2・ρ・Cp・a2)・・・(1)
ここで、πは円周率、kは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の熱伝導率[W/(m・K)]、ρは振動腕の質量密度[kg/m3]、Cpは振動腕の熱容量[J/(kg・K)]、aは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の幅[m]である。
そして、振動腕が平板構造である場合には、f/f0=1を境にして、振動周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなり、周波数比が1より高い領域(1<f/f0)が断熱的領域であり、周波数比が1より低い領域(1>f/f0)が等温的領域である。
なお、振動腕の表裏主面のうち少なくとも一方に溝が形成されている構造の場合には、振動腕の幅(屈曲振動する方向の長さ)から(1)式によって算出されるf0と振動周波数fとの関係が、f>f0を満たしていれば、自ずとf/f1の関係を満たすことになる。
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(f/f0e)}/(f/f0e)]・・・(2)
f0e=(π・k)/(2・ρ・Cp・We2)・・・(3)
ここで、Weは実効幅(仮想梁の幅)[m]、fは振動子(振動片をパッケージに搭載
した状態)で得られる実際の振動周波数[Hz]、f0は振動子の実効的な熱緩和周波数
(仮想梁の熱緩和周波数)[Hz]、Qは振動子で得られる実際のQ値である。
式(2)、(3)から下記式(4)が求まる。この式(4)から分かるように、Q値は
、Weの関係式となる。
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2}
/(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]・・・(4)
よって、式(2)、(3)において既知ではないものはWeのみであるから、この式(4)からは実効幅Weが算出されることになる。
図4は、振動子の数値解析条件と特性結果を示した図である。また、図5は、数値解析した振動子のWb/Weに対するQ値を示す図である。
なお、振動子の数値解析条件におけるWb以外の寸法は以下の通りである。
L1=573[μm]
L2=Wb
L3=137[μm]
W1=40[μm]
W2=255[μm]
W3=550[μm]
T1=130[μm]
T2=60[μm]
なお、振動基板10はZカット水晶板(カット角0度)であるため、α=α11=α22、c=c11=c22である。
ρ=2649[kg/m3]
CP=735.3718[J/(kg・K)]
α=α11=α22=1.37×10-5[/K]
c=c11=c22=8.67×1010[N/m2]
Θ=298.15[K]
k=8.47[W/(m・K)]
また、振動腕21、22の溝28a、28b、29a、29bの形状は、ウェットエッチング時の異方性を考慮した形状で解析した。
ここで、f0bは、式(1)におけるaの代わりにWbを代入して得られる熱緩和周波数であり、下記式(5)で示すことができる。
f0b=(π・k)/(2・ρ・Cp・Wb2)・・・(5)
以上、振動片2(振動子1)の小型化について説明した。次に、振動片2の振動基板10上に設けられた電極30について説明する。
図6は、本発明の実施形態に係る振動子に用いられている振動片の電極構成を示した平面図であり、図6(a)は上面図であり、図6(b)は図6(a)の下面図(透視図)である。また、図7は、図6(a)に示すC−C線断面図である。
図6及び図7に示すように、電極30は、複数の第1駆動用電極31と、第1導電パッド37と、これら複数の第1駆動用電極31と第1導電パッド37とを接続する配線35a,35b,35c,35d,35e,35fと、複数の第2駆動用電極32と、第2導電パッド38と、これら複数の第2駆動用電極32と第2導電パッド38とを接続する配線36a,36b,36c,36d,36e,36fと、を有している。
以上、振動片2の電極構成について説明した。このような振動片2は、次のようにして製造することができる。なお、以下に説明する製造方法は、1つの例であって、他の製造方法によって振動片2を製造してもよい。
図8は、本発明の実施形態に係る振動子1に用いられている振動片2の製造方法を説明するための溝28a,28b,29a,29bが設けられた第1、第2の振動腕21,22と支持腕23の断面図である。
次に、図8(b)に示すように、例えば、蒸着やスパッタリング等によって、振動基板10の全面に電極膜30aを成膜する。
次に、レジストパターンから露出している部分の電極膜30aをウェットエッチングし除去した後、レジストパターンを除去することで、電極30が形成される。以上によって、図8(d)に示すように、電極30が形成された振動片2が得られる。
次に、本発明の実施形態に係る振動子1に用いられている振動片2の変形例について説明する。
図9は、本発明の実施形態に係る振動子に用いられている振動片の変形例を示す平面図であり、図9(a)は変形例1、図9(b)は変形例2、図9(c)は変形例3、図9(d)は変形例4である。
図10は、本発明の実施形態に係る振動子に用いられている振動片の変形例を示す平面図であり、図10(a)は変形例5、図10(b)は変形例6、図10(c)は変形例7、図10(d)は変形例8である。
以下、変形例について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一符号を付してあり、同様の事項については、その説明を省略する。
次に、本発明の振動子1を適用した電子デバイス3について説明する。
図11は、本発明の電子デバイスの構造を示した概略図であり、図11(a)は平面図、図11(b)は図11(a)に示すD−D線断面図である。
電子デバイス3は、振動子1と、振動子1を駆動するための発振回路を有するICチップ(チップ部品)62と、振動子1やICチップ62を収納するパッケージ本体60と、ガラス、セラミック、金属等からなる蓋部材56と、で構成されている。
次いで、本発明の振動子1を適用した電子機器について、図12〜図14に基づき、詳細に説明する。
図12は、本発明の振動子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、振動子1が内蔵されている。
次に、本発明の振動子1を適用した移動体について説明する。
図15は、本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車1500には、振動子1が搭載されている。振動子1は、キーレスエントリー、イモビライザー、ナビゲーションシステム、エアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)1510に広く適用できる。
Claims (11)
- 第1の端面及び前記第1の端面の裏側の第2の端面を有する基部と、
前記基部の前記第1の端面側から第1方向に延出し、前記第1方向と直交する第2方向に離間して配置されている一対の振動腕と、
を含む振動片であって、
前記第1の端面と前記第2の端面との最短距離をWbとしたとき、
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2}
/(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]
0.81≦Wb/We≦1.70
の関係を満足することを特徴とする振動片。
但し、Qは前記振動片のQ値、fは前記振動片の振動周波数[Hz]、Weは実効幅[m]、ρは質量密度[kg/m3]、Cpは熱容量[J/(kg・K)]、cは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する弾性定数[N/m2]、αは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する熱膨張係数[1/K]、Θは環境温度[K]、kは前記Wbの方向に関する熱伝導率[W/(m・K)] - 請求項1において、
0.91≦Wb/We≦1.30、
の関係を満足することを特徴とする振動片。 - 請求項1又は2において、
1.00≦Wb/We≦1.20、
の関係を満足する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、
前記基部から支持腕が延出していることを特徴とする振動片。 - 請求項4において、
前記支持腕は、
前記一対の振動腕の間に配置されていることを特徴とする振動片。 - 請求項4において、
2つの前記支持腕を有し、
平面視で、前記2つの支持腕の間に前記一対の振動腕が配置されていることを特徴とする振動片。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片と、
内部に前記振動片が収納されている容器と、
を備えていることを特徴とする振動子。 - 請求項7において、
前記容器の前記内部が真空であることを特徴とする振動子。 - 請求項1乃至6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電子デバイス。 - 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とする移動体。
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