JP6390104B2 - 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体に関するものである。
ATカット水晶振動素子は、励振する主振動の振動モードが厚みすべり振動であり、小型化、高周波数化に適し、かつ周波数温度特性が優れた三次曲線を呈するので、圧電発振器、電子機器等の多方面で使用されている。
このようなATカット水晶振動素子として、特許文献1には、例えば、一例として矩形状で薄肉の振動部において、三辺に各々厚肉の厚肉部が連設され、前記薄肉の振動部の一辺が厚肉部から開放した構造を有する逆メサ構造のATカット水晶振動素子の実施形態が開示されている。このような構成とすることによって、振動領域を広く確保しつつ、小型化を図ることができる。
しかしながら、前記実施形態のATカット水晶振動素子では、前記開放している幅と前記幅と同一方向に沿った前記振動部の幅とが等しいために、振動(特に、厚さ方向の加速度)が加わると、振動部が変形してしまう。振動部が変形すると振動特性が変化し、所望の発振特性が得られなくなるという問題がある。
特開2009−164824号公報
本発明の目的は、加速度(振動)等の外力による振動特性の変化を低減し、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
本発明は、上述の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]
本適用例の振動素子は、厚み滑り振動で振動する振動領域を含む第1領域、および前記第1領域の外縁のうち一部の外縁を除いた外縁に一体化され、前記第1領域よりも厚さが厚い第2領域を含む基板と、
前記振動領域の互いに表裏の関係にある第1の主面および第2の主面にそれぞれ設けられている一対の励振電極と、
前記一部の外縁を前記主面に沿って、かつ、前記厚み滑り振動の振動方向と直交する方向から見たときに、前記一部の外縁のうち、前記振動領域の前記一対の励振電極に挟まれている部分のうち前記一部の外縁寄りの部分と重ならない外縁に沿って設けられ、前記第1領域よりも厚さが厚い梁部と、を含み、
前記第1領域の輪郭は、
平面視で、前記振動方向と直交する方向に沿った第1の辺および第2の辺と、
前記第1の辺の一方の端と前記第2の辺の一方の端とを接続し、前記振動方向に沿った第3の辺と、
前記第1の辺の他方の端と前記第2の辺の他方の端とを接続し、前記振動方向に沿った第4の辺と、
を含み、
前記第2領域は、
前記第1の辺に沿って設けられている第1の厚肉部と、
前記第2の辺に沿って設けられている第2の厚肉部と、
前記第3の辺に沿って設けられている第3の厚肉部と、
を含み、
前記梁部は、前記第4の辺に沿って設けられ、かつ、前記第1の厚肉部および前記第2の厚肉部の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする。
これにより、加速度(振動)等の外力による振動特性の変化を低減し、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子を提供することができる。
[適用例2]
本適用例の振動素子では、前記梁部の前記振動方向に沿った長さをL1、
前記振動部の厚さをDとしたとき、
10×D≦L1≦15×D
の関係を満たすことが好ましい。
これにより、より効果的に、振動等の外力による振動特性の変化を低減することができる。
[適用例3]
本適用例の振動素子では、前記梁部の前記振動方向と直交する方向に沿った幅をW1、
前記振動部の厚さをD2としたとき、
3×D≦W1≦10×D
の関係を満たすことが好ましい。
これにより、より効果的に、振動等の外力による振動特性の変化を低減することができる。
[適用例
本適用例の振動素子では、前記梁部の縁部は、平面視で、前記厚み滑り振動の振動方向および前記振動方向と直交する方向に対して傾斜している傾斜縁部を含むことが好ましい。
これにより、梁部付近への応力集中を低減することができる。
[適用例
本適用例の振動素子では、平面視で、前記傾斜縁部の前記振動方向に対する傾斜角は、30°以上60°以下であることが好ましい。
これにより、梁部付近への応力集中をより低減することができる。
[適用例
本適用例の振動素子では、前記第1の厚肉部は、対象物に取り付けられる固定部が配置され、
前記第2の厚肉部の前記厚み滑り振動の振動方向に沿った長さは、40μm以上100μm以下であることが好ましい。
これにより、振動素子の機械的強度を確保しつつ、振動素子の先端部の質量を小さくすることができる。
[適用例
本適用例の振動子は、上記適用例の振動素子と、
前記振動素子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。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
[適用例
本適用例の発振器は、上記適用例の振動素子と、
前記振動素子を駆動する回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
[適用例
本適用例の電子機器は、上記適用例の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例10
本適用例の移動体は、上記適用例の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
本発明の第1実施形態にかかる振動素子の平面図である。 図1に示す振動素子の側面図である。 ATカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図である。 本発明の第2実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第3実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第4実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第5実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第6実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第7実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第8実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第9実施形態にかかる振動素子の斜視図である。 図11に示す振動素子の平面図である。 第1の梁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。 第2の厚肉部の幅とG感度との関係を示すグラフである。 第2の厚肉部の幅と撓み量の関係を示すグラフである。 厚肉部の厚さとG感度との関係を示すグラフである。 第3の厚肉部の幅とG感度との関係を示すグラフである。 振動素子の先端部の質量を低減するパターンを示す図である。 図18に示す各パターンの除去部のモーメントとG感度との関係を示すグラフである。 水晶の結晶軸と応力感度との関係を示すグラフである。 本発明の第10実施形態にかかる振動素子の平面図である。 第1の梁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。 本発明の第11実施形態にかかる振動素子の平面図である。 第1傾斜外縁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。 本発明の第12実施形態にかかる振動素子の平面図である。 第2傾斜外縁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。 本発明の第13実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第14実施形態にかかる振動素子の平面図である。 本発明の第15実施形態にかかる振動素子の斜視図である。 本発明の振動子の好適な実施形態を示す平面図である。 図30中のA−A線断面図である。 本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。 本発明の電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)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。 本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。 本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 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。
以下、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.振動素子
まず、本発明の振動素子について説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態にかかる振動素子の平面図である。図2は、図1に示す振動素子の側面図である。図3は、ATカット水晶基板と結晶軸との関係を説明する図である。
図1および図2に示すように、振動素子1は、圧電基板2と、圧電基板2上に形成された電極3とを有している。
(圧電基板)
圧電基板2は、板状の水晶基板である。ここで、圧電基板2の材料である水晶は、三方晶系に属しており、図3に示すように互いに直交する結晶軸X、Y、Zを有している。X軸、Y軸、Z軸は、それぞれ、電気軸、機械軸、光学軸と呼称される。本実施形態の圧電基板2は、XZ面をX軸を中心に所定の角度θだけ回転させた平面に沿って切り出された「回転Yカット水晶基板」からなる。例えば、ATカット水晶基板の場合は、角度θは略35°15’である。
なお、以下では、角度θに対応してX軸まわりに回転したY軸およびZ軸を、Y’軸およびZ’軸とする。すなわち、板状の圧電基板2は、Y’軸方向に厚さを有し、XZ’面方向に広がりを有する。なお、圧電基板2としては、厚みすべり振動を励振することができれば、ATカットの圧電基板に限定されず、例えば、BTカットの圧電基板を用いてもよい。
圧電基板2は、平面視にて矩形をなしている。より具体的には、圧電基板2は、平面視にて、X軸方向を長辺とし、Z’軸方向を短辺とする略長方形をなしている。ここで、圧電基板2のX軸方向の両端に圧力を加えたときの周波数変化と、Z’軸方向の両端に同じ圧力を加えたときの周波数変化とを比較すると、Z’軸方向の両端に圧力を加えたときの方がX軸方向の両端に圧力を加えたときよりも周波数変化が小さい。そのため、本実施形態のように、圧電基板2の外形をZ’軸方向よりもX軸方向が長い矩形とし、X軸方向の一端部にて圧電基板2を固定することにより、応力による周波数変化を小さくすることができる。
圧電基板2の長さ(X軸方向の長さ)Lと幅(Z’軸方向の長さ)Wの比としては、特に限定されないが、例えば、1.26:1程度とすることが好ましい。なお、圧電基板2の外形形状は、長方形に限定されず、例えば、正方形、五角形以上の多角形、円形(真円、長円、楕円等を含む)であってもよい。また、平面視形状が多角形の場合には、角部が面取り等されていてもよい。
圧電基板2は、薄肉の振動領域219を含む振動部(第1領域)21と、振動部21と一体化され振動領域219よりも厚肉な厚肉部(第2領域)22と、振動部21と一体化された第1、第2の梁部(梁部)23、24を有している。このような圧電基板2は、水晶基板をウエットエッチングによってパターニングすることにより簡単に形成することができる。なお、振動領域219とは、振動素子1の振動エネルギーが閉じ込められる領域である。
振動部21は、平面視にて、矩形状をなしている。また、振動部21は、圧電基板2の中央に対して、−X軸方向側およびZ’軸方向側に片寄って配置されており、その外縁の一部が厚肉部22から露出している。具体的には、振動部21の輪郭は、第1の辺(外縁)211と、第2の辺(外縁)212と、第3の辺(外縁)213と、第4の辺(外縁)214とを有している。第1の辺211および第2の辺212は、X軸方向に対向しており、共に、Z’軸方向に延在している。また、第1の辺211が+X軸側(基端側)に位置し、第2の辺212が−X軸側(先端側)に位置している。一方、第3の辺213および第4の辺214は、Z’軸方向に対向しており、共に、X軸方向に延在している。また、第3の辺213は、+Z’に位置しており、第1の辺211と第2の辺212の+Z’軸側の端同士を連結している。反対に、第4の辺214は、−Z’軸側に位置しており、第1の辺211と第2の辺212の−Z’軸側の端同士を連結している。
このような振動部21の三方を囲むようにして厚肉部22が設けられている。図2に示すように、厚肉部22の表面(+Y’軸方向側の主面)は、振動部21の表面(+Y’軸方向側の主面)よりも+Y’軸方向側へ突出して設けられている。一方、厚肉部22の裏面(−Y’軸方向側の主面)は、振動部21の裏面(−Y’軸方向側の主面)と同一平面上に設けられている。
図1に示すように、厚肉部22は、振動部21の第1の辺211に沿って配置された第1の厚肉部221と、第2の辺212に沿って配置された第2の厚肉部222と、第3の辺213に沿って配置された第3の厚肉部223と、を有している。このような厚肉部22は、振動部21の3辺に沿って一体化された略「コ」字状をなしている。このような形状の厚肉部22とすることで、振動部21は、第4の辺214にて厚肉部22から開放(露出)している。このように、振動部21を第4の辺214にて厚肉部22から開放させることにより、言い換えれば、第4の辺214に沿って厚肉部を設けないことにより、振動素子1の小型化を図ることができる。また、振動部21の3辺を厚肉部22で囲むことによって、振動部21の剛性を高めることができ、振動部21の不要振動(不要振動モードの発生)を低減することができる。
特に、本実施形態のように、第3の厚肉部223を振動部21に対して+Z’軸側に設けることで、第3の厚肉部223を−Z’軸側に設けた場合と比較して、後述する傾斜部223aの幅(Z’軸方向の長さ)を短くすることができる。そのため、このような厚肉部22によれば、振動素子1のさらなる小型化を図ることができる。
第1の厚肉部221は、振動部21の第1の辺211に連設され、+X軸方向に向けて厚さが漸増する傾斜部(残渣部)221aと、傾斜部221aの+X軸方向側の端縁に連接する厚さがほぼ一定の厚肉部本体221bとを備えている。同様に、第2の厚肉部222は、振動部21の第2の辺212に連設され、−X軸方向に向けて厚さが漸増する傾斜部(残渣部)222aと、傾斜部222aの−X軸方向側の端縁に連接する厚さがほぼ一定の厚肉部本体222bとを備えている。同様に、第3の厚肉部223は、振動部21の第3の辺213に連設され、+Z’軸方向に向けて厚さが漸増する傾斜部(残渣部)223aと、傾斜部223aの+Z’軸方向側の端縁に連接する厚さがほぼ一定の厚肉部本体223bとを備えている。
第1の厚肉部221の厚肉部本体221bの表面、すなわち、振動素子1の基端側には、マウント部(固定部)29が設けられている。そして、振動素子1は、このマウント部29にて、接着材等の固定部材を介して対象物(後述するベース41)に固定される。なお、マウント部29の位置としては、特に限定されず、例えば、厚肉部本体221bの裏面に設けられていてもよい。
振動素子1は、第4の辺214(一部の外縁)を主面に沿って、かつ、厚み滑り振動の振動方向と直交する方向から見たときに、第4の辺214のうち、振動領域219の一対の励振電極31、32に挟まれている部分のうち第4の辺214寄りの部分と重ならない外縁に沿って設けられ、振動部21よりも厚さが厚い第1、第2の梁部23、24を有している。
第1の梁部23は、第1の厚肉部221から−X軸方向に突出し、第4の辺214に沿って第4の辺214の途中まで延出している。一方の第2の梁部24は、第2の厚肉部222から+X軸方向に突出し、第4の辺214に沿って第4の辺214の途中まで延在している。これら第1、第2の梁部23、24の先端同士は、対向し離間している。よって、振動部21の第4の辺214において、振動部21の輪郭の側面が露出している部分(露出部)が存在する。このような第1、第2の梁部23、24を設けることで、振動素子1の振動(特に、Y’軸方向の加速度)に対する感度を低下させることができる。そのため、振動が加わっている状態と加わっていない状態との振動特性の乖離(変動)が小さく、振動の影響によらず、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子1となる。特に、本実施形態のように、第4の辺214の両側に第1、第2の梁部23、24を設けることによって、上記効果がより顕著となる。
具体的に説明すると、第1、第2の梁部23、24が無い振動素子1(すなわち従来の振動素子)では、第4の辺214が厚肉部22から開放しているため、振動(特に、Y’軸方向の加速度)が加わったとき、第3の辺213側よりも第4の辺214側の方が変形し易い。言い換えると、Y’軸方向の加速度が加わったとき、第3の辺213側よりも第4の辺214側の方に応力が集中し易い。そのため、振動が加わったときの振動部21の応力分布が不均一なものとなる。このような応力分布の不均一性が振動特性の変化に寄与すると考えられる。また、振動部21の第4の辺214付近が不本意に振動して不要な振動モードを発生させるおそれもある。そこで、第1、第2の梁部23、24を設けて、振動部21の第4の辺214側の剛性を高めること、すなわち、第4の辺214付近の剛性を第3の辺213付近の剛性に近づけることによって、前記応力分布の不均一性が小さくなり(好ましくは応力分布が均一となり)、振動が加わったときの振動特性の変化が効果的に低減される。また、振動部21の第4の辺214付近の不本意な振動が低減され、不要な振動モードの発生を抑えることもできる。そのため、振動の影響によらず、安定した振動特性を発揮することのできる振動素子1となる。
また、第1の梁部23の表面(主面)は、第1の厚肉部221の表面と同一面上に位置し、第2の梁部24の表面(主面)は、第2の厚肉部222の表面と同一面上に位置している。これにより、第1、第2の梁部23、24の厚さを、振動部21の剛性を高める観点から十分な厚さとすることができる。そのため、上記の効果をより効果的に発揮することができる。また、第1、第2の梁部23、24と厚肉部22との境界が連続することとなる(段差が形成されない)ため、第1、第2の梁部23、24と厚肉部22との境界部への応力集中を防止することもできる。なお、第1、第2の梁部23、24の厚さ(第1、第2の梁部23、24での圧電基板2の厚さ)Dとしては、特に限定されないが、振動部21の厚さ(平均厚さ)をDとしたとき、2D≦D≦10Dなる関係を満足するのが好ましく、4D≦D≦6Dなる関係を満足するのがより好ましい。このような関係を満足することで、振動素子1の過度な厚肉化(大型化)を防止しつつ、振動部21の第4の辺214側の剛性を十分に高めることができる。
また、第1、第2の梁部23、24は、それぞれ、振動部21の表面に設けられ、かつ、その外側の外縁(第3の厚肉部223と反対側の外縁)が第4の辺214に沿って設けられている。このように、第1、第2の梁部23、24の外側の外縁を第4の辺214に沿って設けることにより、圧電基板2の外形を単純な形状とすることができ、圧電基板2の製造が容易となる。
また、第1、第2の梁部23、24の長さ(表面でのX軸方向の長さ)をL1としたとき、L1は、10D以上であるのが好ましい。L1をこのような長さとすることで、より効果的に、振動部21の第4の辺214側の剛性を高めることができる。なお、L1の上限値としては、特に限定されず、振動部21の長さによっても異なるが、例えば、15D以下であるのが好ましい。第1、第2の梁部23、24の幅W1等によっても異なるが、長さL1をこれ以上としても、さらなる効果の向上が見込めない。なお、第1、第2の梁部23、24の長さL1は、互いに等しくてもよく、いずれか一方が他方に対して長くてもよい。
また、第1、第2の梁部23、24の幅(表面でのZ’軸方向の長さ)をW1としたとき、W1は、3D≦W1≦10Dなる関係を満足するのが好ましく、5D≦W1≦7Dなる関係を満足するのがより好ましい。このような関係を満足することで、振動部21の大型化を図ることなく、振動領域219を十分に広く確保することができるとともに、振動部21の第4の辺214側の剛性を十分に高めることができる。
(電極)
電極3は、一対の励振電極31、32と、一対のパッド電極33、34と、一対のリード電極35、36とを有している。励振電極31、32は、振動領域219の互いに表裏の関係にある表面(第1の主面)および裏面(第2の主面)に形成されている。具体的には、励振電極31は、振動領域219の表面に形成されており、励振電極32は、振動領域219の裏面に形成されている。また、励振電極32は、平面視で、励振電極31と重なるように配置されている。これら励振電極31、32は、それぞれ、略四角形をなしている。また、裏面側の励振電極32の面積は、表面側の励振電極31よりも大きく、振動素子1の平面視にて、励振電極32内に、励振電極31の全域が位置している。これにより、励振電極31、32の質量効果によるエネルギー閉じ込め係数が必要以上に大きくならない。
パッド電極33は、厚肉部本体221bの表面のマウント部29に形成されている。また、パッド電極33は、リード電極35を介して励振電極31に電気的に接続されている。パッド電極33から延出したリード電極35は、振動部21の表面上から傾斜部223aと、厚肉部本体223b、221bとを経由してパッド電極33に接続されている。一方、パッド電極34は、厚肉部本体221bの裏面に形成されている。また、パッド電極34は、リード電極36を介して励振電極32に電気的に接続されている。パッド電極34から延出したリード電極36は、振動部21の裏面と、第1の厚肉部221の裏面と、を経由してパッド電極34に接続されている。
ここで、本実施形態では、パッド電極33、34が圧電基板2を介して対向して配置されている。このような配置とすることで、後述する振動子10で述べるように、ワイヤーボンディングによる電気的な接続をより確実に行うことができる。
また、リード電極35は、+Z’軸側の縁部を通るように配置され、リード電極36は、−Z’軸側の縁部を通るように配置されている。そのため、これらリード電極35、36は、圧電基板2を介して互いに交差(対向)しないように設けられている。このような配置とすることで、リード電極35、36間の静電結合が低減されるため、静電容量の増加を抑えることができる。なお、パッド電極33、34の配置やリード電極35、36の経路は、本実施形態のものに限定されない。
このような励振電極31、32、パッド電極33、34およびリード電極35、36は、それぞれ、例えば、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)等の下地層に、Au(金)を積層した金属被膜で構成することができる。なお、例えば、励振電極31、32と、パッド電極33、34およびリード電極35、36とで構成(各層の材料および厚さ)を異ならせてもよい。例えば、励振電極31、32をNiの下地層にAuの薄膜を積層させた構成とし、パッド電極33、34およびリード電極35、36をCrの下地層にAuの薄膜を積層させた構成としてもよい。なお、励振電極31、32のAu薄膜の厚さは、オーミックロスが大きくならない範囲で、主振動を閉じ込めモードとし、近接したインハーモニック・モードはできるだけ伝搬モード(非閉じ込めモード)となるように設定するのが好ましい。
なお、本実施形態の励振電極31、32の形状が四角形であるが、励振電極31、32の形状は、これに限定されない。例えば、励振電極31が円形であり、励振電極32が励振電極31の面積より十分に大きな四角形であってもよい。また、例えば、励振電極31が楕円形であり、励振電極32が励振電極31の面積より十分に大きな四角形であってもよい。
また、本実施形態では、厚肉部22および第1、第2の梁部23、24が振動部21の片側のみに突出している構造であるが、これに限らず、水晶基板の両面をウエットエッチングによってパターニングすることによって、振動部21の両主面から厚肉部22および第1、第2の梁部23、24が突出する構造でもよい。
<第2実施形態>
次に、本発明の振動素子の第2実施形態について説明する。
図4は、本発明の第2実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第2実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第2実施形態にかかる振動素子は、第2の梁部が省略されている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図4に示す振動素子1Aでは、梁部として、第1の梁部23のみが形成されている。すなわち、振動素子1Aは、前述した第1実施形態の振動素子1から第2の梁部24を省略した構成をなしている。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第3実施形態>
次に、本発明の振動素子の第3実施形態について説明する。
図5は、本発明の第3実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第3実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第3実施形態にかかる振動素子は、第1の梁部が省略されている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図5に示す振動素子1Bでは、梁部として、第2の梁部24のみが形成されている。すなわち、振動素子1Bは、前述した第1実施形態の振動素子1から第1の梁部23を省略した構成をなしている。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第4実施形態>
次に、本発明の振動素子の第4実施形態について説明する。
図6は、本発明の第4実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第4実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第4実施形態にかかる振動素子は、第1、第2の梁部の配置が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図6に示す振動素子1Cでは、第1、第2の梁部23、24は、それぞれ、振動部21の周囲に設けられ、かつ、その内側の外縁(第3の厚肉部223側の外縁)が第4の辺214に沿って設けられている。言い換えると、第1、第2の梁部23、24の内側の外縁が第4の辺214と連接している。このように、第1、第2の梁部23、24の内側の外縁を第4の辺214に沿って設けることにより、例えば、第1実施形態と比較して振動部21を広く確保することができる。
このような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第5実施形態>
次に、本発明の振動素子の第5実施形態について説明する。
図7は、本発明の第5実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第5実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第5実施形態にかかる振動素子は、第1、第2の梁部の配置が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図7に示す振動素子1Dでは、第1、第2の梁部23、24は、それぞれ、平面視にて、その内側の外縁と外側の外縁の間に第4の辺214が位置するように、第4の辺214に沿って設けられている。
このような第5実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第6実施形態>
次に、本発明の振動素子の第6実施形態について説明する。
図8は、本発明の第6実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第6実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第6実施形態にかかる振動素子は、第1、第2の梁部の形状が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図8に示す振動素子1Eでは、第1、第2の梁部23、24が先端に向けて幅が漸減するテーパー状をなしている。第1、第2の梁部23、24の外側の外縁(第3の厚肉部223と反対側の外縁)は、平面視で、X軸方向に延びる直線で構成されている。一方、第1の梁部23の内側の外縁(第3の厚肉部223側の外縁)は、平面視で、X軸方向およびZ’軸方向の両方向に対してそれぞれ傾斜した方向に延びる直線で構成された傾斜縁部23a、24aとなっている。このように、第1、第2の梁部23、24をテーパー状とすることで、例えば、前述した第1実施形態の振動素子1と比べて、第1、第2の梁部23、24を厚肉部22からより連続的に延出させることができる。そのため、振動部21の第1、第2の梁部23、24と厚肉部22との境界部付近での応力集中を低減することができる。その結果、振動部21の応力分布の不均一性をより効果的に抑えることができる。
このような第6実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第7実施形態>
次に、本発明の振動素子の第7実施形態について説明する。
図9は、本発明の第7実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第7実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第7実施形態にかかる振動素子は、第1、第2の梁部の形状が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図9に示す振動素子1Fでは、第1、第2の梁部23、24が先端に向けて幅が漸減するテーパー状をなしている。また、第1、第2の梁部23、24の外側の外縁(第3の厚肉部223と反対側の外縁)は、平面視で、X軸方向に延びる直線で構成され、傾斜縁部23a、24a(内側の外縁)が振動部21の中央に向けて凹の湾曲線で構成されている。このように、第1、第2の梁部23、24をテーパー状とすることで、例えば、前述した第1実施形態の振動素子1と比べて、第1、第2の梁部23、24を厚肉部22からより連続的に延出させることができる。そのため、振動部21の第1、第2の梁部23、24と厚肉部22との境界部付近での応力集中を低減することができる。その結果、振動部21の応力分布の不均一性をより効果的に抑えることができる。
このような第7実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第8実施形態>
次に、本発明の振動素子の第8実施形態について説明する。
図10は、本発明の第8実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第8実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第8実施形態にかかる振動素子は、第3の辺の形状が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図10に示す振動素子1Gでは、振動部21の第3の辺213が、その両端部にて−Z’方向側に屈曲している。そのため、第3の辺213と第1、第2の辺211、212との接続部の角度は、90°以下となっている。これにより、例えば、前述した第1実施形態の振動素子1と比べて、第3の辺213と第1の辺211および第3の辺213と第2の辺212とを連続的に接続することができる。そのため、振動部21の第3の辺213と第1、第2の辺211、212との境界部付近での応力集中を効果的に低減することができる。その結果、振動部21の応力分布の不均一性をより効果的に抑えることができる。
このような第8実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第9実施形態>
次に、本発明の振動素子の第9実施形態について説明する。
図11は、本発明の第9実施形態にかかる振動素子の斜視図である。図12は、図11に示す振動素子の平面図である。図13は、第1の梁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。図14は、第2の厚肉部の幅とG感度との関係を示すグラフである。図15は、第2の厚肉部の幅と撓み量の関係を示すグラフである。図16は、厚肉部の厚さとG感度との関係を示すグラフである。図17は、第3の厚肉部の幅とG感度との関係を示すグラフである。図18は、振動素子の先端部の質量を低減するパターンを示す図である。図19は、図18に示す各パターンの除去部のモーメントとG感度との関係を示すグラフである。図20は、水晶の結晶軸と応力感度との関係を示すグラフである。
以下、第9実施形態の振動素子について、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第9実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の形状が異なっている以外は、前述した第1実施形態と同様である。なお、前述した第1実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
以下、本実施形態の振動素子1Hについて説明するが、以下に記載する各部の大きさは、振動素子1Hの外形(長さL、幅W)が所定範囲内にある場合に特に有効な値となる。この所定範囲は、L≦5mmなる関係を満足し、かつ、W≦3mmなる関係を満足する範囲を言う。
図11に示す振動素子1Hでは、第1の梁部23が先端に向けて幅が漸減するテーパー状をなしている。また、第1の梁部23は、平面視で、X軸方向およびZ’軸方向の両方向に対してそれぞれ傾斜し、かつ、先端側(第2の辺212側)に向いて延びる傾斜縁部23aを有している。傾斜縁部23aは、直線で構成されており、第4の辺214まで延びている。したがって、第1の梁部23は、略三角形の平面視形状を有している。第1の梁部23の長さLの上限としては、特に限定されないが、例えば、振動部21の全長Lの半分程度とすることができる。また、傾斜縁部23aのX軸に対する傾斜角θ1としては、第1の梁部23の長さL1等によっても異なるが、例えば、30°以上、60°以下であるのが好ましく、ほぼ45°であるのがより好ましい。これにより、上記効果を十分に発揮することができるとともに、傾斜縁部23a付近への応力集中を低減することができる。なお、本実施形態では、傾斜角θ1がほぼ45°となっている。
ここで、Y’軸方向に加速度を加えたときの第1の梁部23(傾斜縁部23a)の大きさの違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図13のグラフに示す。なお、図13では、図12に示す長さL1を第1の梁部23の大きさとしている。また、規格化G感度とは、次のような式で表すことができ、規格化G感度が小さいほど、比較例に対してY’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることを意味する(以下同様である。)。また、前記比較例として、図18(a)に示すような、梁部を有しない構造(L1=0)を用いている。
Figure 0006390104
Figure 0006390104
図13から、第1の梁部23が大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図13は、一例を挙げて振動素子1Hの傾向を示すグラフであり、振動素子1Hは、図13中の数値に限定されるものではない。
次に、振動素子1Hの厚肉部22の厚さ(Y’軸方向に沿った平均長さ)Tと、第2の厚肉部222の幅(X軸方向に沿った平均長さ)W222と、第3の厚肉部223の幅(Z’軸方向に沿った平均長さ)W223と、についてそれぞれ詳細に説明する。なお、厚さTは、厚肉部22の厚肉部本体221b、222b、223bの平均厚さを言い、幅W222は、厚肉部本体222bの平均幅を言い、幅W223は、厚肉部本体223bの平均幅を言う。
まず、厚肉部本体222bの幅W222について説明する。幅W222は、特に限定されないが、100μm以下であることが好ましい。これにより、第2の厚肉部222の質量を十分に低減することができ、振動素子1Hの先端側の質量を小さくすることができる。そのため、Y’軸方向の加速度に起因する振動特性の変化を小さく抑えることができ、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、安定した振動特性を発揮する振動素子1Hとなる。
Y’軸方向の加速度を加えたときの幅W222の違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図14のグラフに示す。図14から、幅W222が小さくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。また、幅W222が異なる2つの振動素子の、−Y’軸方向の加速度負荷が加わった時の撓み量の違いを図15に示す。図15では、実線で示す振動素子の幅W222が、鎖線で示す振動素子の幅W222よりも小さく設定されている。そして、実線で示す振動素子の方が撓み量が小さい。そのため、幅W222が小さい方が振動素子1HのY’軸方向の加速度に対する感度が鈍いことが分かる。なお、図14および図15は、それぞれ、一例を挙げて振動素子1Hの傾向を示すグラフであり、振動素子1Hは、図14および図15中の数値に限定されるものではない。
ここで、振動素子1Hの先端部の質量低減効果の観点からすれば、幅W222は、小さい程好ましいが、幅W222が小さすぎると、厚肉部22の厚さTによっては、振動素子1Hの強度が過度に低下してしまい、振動素子1Hが破損してしまうおそれがある。そのため、振動素子1Hの機械的強度を確保する観点で、幅W222は、40μm以上であることが好ましい。すなわち、40μm≦W222≦100μmなる関係を満足することにで、振動素子1Hの機械的強度を確保しつつ、振動素子1Hの先端部の質量を小さくすることができる。これにより、振動素子1HにY’軸方向の角速度が加わった際の振動素子1Hの先端側の撓み量をより小さくすることができる。そのため、振動素子1Hは、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、より安定した振動特性を発揮することができる。なお、さらに、45μm≦W222≦55μmなる関係を満足することで、上述の効果をより顕著に発揮することができる。
次に、厚肉部22の厚さTについて説明する。厚さTは、特に限定されないが、50μm≦T≦70μmなる関係を満足していることが好ましい。これにより、振動素子1Hの剛性を確保しつつ、振動部21の形成を精度よく行うことができる。そのため、振動素子1Hは、所望の振動特性を安定して発揮することができる。これに対して、厚さTが上記下限値未満であると、振動素子1Hの質量(長さLおよび幅W等)によっては、振動素子1Hの剛性が不足し、振動素子1HにY’軸方向の角速度が加わった際の振動素子1Hの先端部(振動部21)の撓み量を十分に小さくすることができない場合がある。反対に、厚さTが上記上限値を超えると、振動素子1Hの過度な大型化を招いたり、振動素子1Hの歩留まりの低下を招いたりするおそれがある。具体的には、前述したように、振動部21は、ウエットエッチングによって+Y’側の主面に凹陥部を形成することによって得られるが、厚さTが大きくなると、その分、凹陥部が深くなり、それに伴って、傾斜部222a、223a、224aの幅も広くなる。そのため、振動素子1Hの大型化を招いてしまう。また、厚さTが大きくなるほど凹陥部の深さ(エッチング深さ)が深くなり、エッチング精度が低下する。そのため、振動部21を所望の厚さに整えることが困難となり、その結果、振動素子1Hの歩留まりが低下する。
Y’軸方向の加速度を加えたときの厚さTの違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図16のグラフに示す。図16から、厚さTが大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図16では、4つのサンプルの結果を表示している。また、図16は、一例を挙げて振動素子1Hの傾向を示すグラフであり、振動素子1Hは、図16中の数値に限定されるものではない。
次に、厚肉部本体223bの幅W223について説明する。幅W223は、特に限定されないが、例えば、200μm以上であるのが好ましい。これにより、振動素子1Hの剛性を十分に確保することができ、振動素子1HにY’軸方向の加速度が加わった際の振動素子1の先端側(振動部21)の撓み量を小さくすることができる。したがって、振動素子1Hは、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、安定した振動特性を発揮することができる。なお、幅W223の上限値としては、特に限定されず、振動部21を所望のサイズで形成することができる限り、大きいのが好ましい。これにより、上述の効果をより顕著に発揮することができる。
Y’軸方向の加速度を加えたときの幅W223の違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図17のグラフに示す。図17から、幅W223が大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図17は、一例を挙げて振動素子1Hの傾向を示すグラフであり、振動素子1Hは、図17中の数値に限定されるものではない。
以上、本実施形態の振動素子1Hについて詳細に説明した。
ここで、図18(a)に示す前記比較例としての振動素子の先端部の質量を小さくするには、図18(b)に示すように、厚肉部本体222bの幅を小さくしたり、図18(c)に示すように、厚肉部本体223bの幅を小さくしたり、図18(d)に示すように、先端部の+Z’軸側の角部を除去したり、図18(e)に示すように、先端部の−Z’軸側の角部を除去したりする場合が考えられる。なお、以下では、図18(b)をパターンP1とも言い、図18(c)をパターンP2とも言い、図18(d)をパターンP3とも言い、図18(e)をパターンP4とも言う。
これら各パターンP1〜P4がG感度特性に与える影響を図19に示す。図19のグラフの横軸は、[除去部(鎖線囲まれた部分)の質量]×[除去部の重心と始点(マウント部29)との離間距離]の値であり、以下では「モーメント」と呼ぶ。図19のグラフの縦軸は、規格化G感度であり、図18(a)に示す前記比較例としての振動素子のG感度を1として各パターンP1〜P4のG感度を規格化した値である。
図19から、パターンP1〜P4でそれぞれG感度特性の変化が異なっていることが分かる。例えば、パターンP1、P3、P4では、除去部が大きくなるに連れてG感度が低下するのに対して、パターンP2では、反対に、除去部が大きくなるに連れてG感度が高くなる。また、パターンP1、P3、P4において、パターンP1、P3では、除去部の大きさに比例してG感度が飽和することなく線形的に低下しているのに対して、パターンP4では、除去部の大きさが一定以上となるとG感度の低下がほぼ飽和してしまう。このような各パターンP1〜P4のG感度特性変化の異なりは、水晶の結晶軸と、振動素子の形状とに起因するものと考えられる。
図20は、水晶振動子に加わる力Fによる共振周波数の変位との関係を表すグラフである。力Fと水晶のX軸との交差角度をψとしたとき、ψ=0°のとき、力Fは、X軸の方向に沿って作用し、ψ=90°のとき、力Fは、Z’軸の方向に沿って作用することになる。
そして、図20から分かるように、X軸とZ’軸の応力感度(Kf)が正負逆となっている。このことが一因となり、パターンP1とパターンP2の違いが生じていると考えられる。また、パターンP3、P4は、それぞれ、パターンP1、P2の複合であると考えられるため、パターンP1、P2とは異なった特性を示していると考えられる。また、パターンP3、P4の違いは、前記応力感度の他、振動素子の形状の違いにも起因していると考えられる。すなわち、パターンP3では、除去部の大きさに関わらず、除去部の全体を厚肉部22が占めているため、除去部の大きさに対して線形的にG感度が鈍くなる。一方、パターンP4では、除去部が大きくなるに連れて、除去部に占める振動部21の割合が大きくなり、質量低減効果が減って、G感度の低下が飽和してしまう。
このように、振動素子の先端部の質量をどのようにして低減するかによって、G感度の変化のさせ方を選択することができることを発明者らは発見した。振動素子1Hでは、パターンP1〜P4のうちから、パターンP1を選択することで、先端部の質量を低減し、G感度特性の向上を図っている。パターンP1は、G感度の低下が飽和することなく発揮される点で好ましい。また、パターンP1は、他のパターンP2〜P4と比較して、振動素子1HのX軸方向の長さを短くすることができ、小型化を図ることができる点でも有効である。また、前述したように、幅W223を大きくすることによって、パターンP2の効果の発現を阻止することができ、G感度の上昇を抑えることができる。
このような第9実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第10実施形態>
次に、本発明の振動素子の第10実施形態について説明する。
図21は、本発明の第10実施形態にかかる振動素子の平面図である。図22は、第1の梁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。
以下、第10実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第10実施形態にかかる振動素子は、第1の梁部の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図21に示すように、本実施形態の振動素子1Iでは、第1の梁部23が、第1の厚肉部221(厚肉部本体221b)の振動部21側の縁部221cの全域から延出して設けられている。このような第1の梁部23によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。また、第9実施形態と比較して、第1の梁部23の傾斜縁部23a付近への応力集中を低減することができる。
Y’軸方向に加速度を加えたときの第1の梁部23の大きさの違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図22のグラフに示す。図22では、第1の梁部23の長さL1を、第1の梁部23の大きさとしている。図22から、第1の梁部23が大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図22は、一例を挙げて振動素子1Iの傾向を示すグラフであり、振動素子1Iは、図22中の数値に限定されるものではない。
このような第10実施形態によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第11実施形態>
次に、本発明の振動素子の第11実施形態について説明する。
図23は、本発明の第11実施形態にかかる振動素子の平面図である。図24は、第1傾斜外縁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。
以下、第11実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第11実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図23に示すように、本実施形態の振動素子1Jでは、第2の厚肉部222と第3の厚肉部223とが接続されている角部に、平面視で、X軸方向およびZ’軸方向の両方向に対してそれぞれ傾斜している第1傾斜外縁部26が設けられている。第1傾斜外縁部26は、−X軸側かつ+Z’側に位置する角部を切り欠くように設けられている。このような第1傾斜外縁部26を有することによって、振動素子1Jの先端側の質量を低減することができる。そのため、振動素子1JのY’軸方向の加速度に対する感度をさらに鈍くすることができ、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、より安定した振動特性を発揮することができる振動素子1Jとなる。
ここで、第1傾斜外縁部26のX軸に対する傾斜角θ2としては、特に限定されないが、30°以上、60°以下であるのが好ましく、ほぼ45°であるのがより好ましい。これにより、より質量低減効果をより効果的に発揮することができる。なお、本実施形態では、ほぼ45°となっている。
また、第1傾斜外縁部26は、第2の厚肉部222と第3の厚肉部223を分断しないように設けられている。これにより、振動素子1Jの剛性の不本意な低下が防止される。第1傾斜外縁部26によって、第2、第3の厚肉部222、223が分断されてしまうと、第2の厚肉部222が主に先端部の錘として機能することになり、振動素子1Jの剛性の低下と合わせて、振動部21のY’軸方向の撓み量が大きくなる。
Y’軸方向の加速度を加えたときの第1傾斜外縁部26の大きさの違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図24のグラフに示す。図24では、図23に示す長さL2を第1傾斜外縁部26の大きさとしている。図24から、第1傾斜外縁部26が大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図24は、一例を挙げて振動素子1Jの傾向を示すグラフであり、振動素子1Jは、図24中の数値に限定されるものではない。
本実施形態の振動素子1Jでは、前述したパターンP1〜P4のうちから、パターンP3を選択することで、先端部の質量を低減し、G感度特性の向上を図っている。図19から分かるように、パターンP3は、G感度が飽和することなく線形に低下する点で好ましい。また、例えば、G感度が飽和することなく線形に低下する点で共通しているパターンP1と比較して、G感度の低下率が大きいことも有利な点と言える。また、幅W222を小さくすることによって、パターンP3に加えてパターンP1の効果を合わせて発揮させることができる。
このような第11実施形態によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第12実施形態>
次に、本発明の振動素子の第12実施形態について説明する。
図25は、本発明の第12実施形態にかかる振動素子の平面図である。図26は、第2傾斜外縁部の大きさとG感度との関係を示すグラフである。
以下、第12実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第12実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図25に示すように、本実施形態の振動素子1Kでは、第2の厚肉部222の−Z’軸側の端部に、平面視で、X軸方向およびZ’軸方向の両方向に対してそれぞれ交差している第2傾斜外縁部27が設けられている。この第2傾斜外縁部27は、−X軸側かつZ’側に位置する角部を切り欠くように設けられている。このような第2傾斜外縁部27を有することによって、振動素子1Kの先端側の質量を低減することができる。そのため、振動素子1KのY’軸方向の加速度に対する感度をさらに鈍くすることができ、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、より安定した振動特性を発揮することができる振動素子1Kとなる。
ここで、第2傾斜外縁部27のX軸に対する傾斜角θ3としては、特に限定されないが、30°以上、60°以下であるのが好ましく、ほぼ45°であるのがより好ましい。これにより、より質量低減効果をより効果的に発揮することができる。なお、本実施形態では、ほぼ45°となっている。
また、第2傾斜外縁部27は、振動部21に跨って設けられているのが好ましい。これにより、第2傾斜外縁部27を大きく設けることができ、前述した効果がより顕著に発揮される。
Y’軸方向の加速度を加えたときの傾斜外縁部および第2傾斜外縁部27の大きさの違いによるG感度特性(規格化G感度)の変化を図26のグラフに示す。図26では、図25に示す長さL1を第1の梁部23の大きさとし、長さL3を第2傾斜外縁部27の大きさとしている。図26から、第1の梁部23および第2傾斜外縁部27が大きくなる程、周波数変化が小さくなり、Y’軸方向の加速度に対する感度が鈍くなっていることが分かる。なお、図26は、一例を挙げて振動素子1Kの傾向を示すグラフであり、振動素子1Kは、図26中の数値に限定されるものではない。
本実施形態の振動素子1Kでは、前述したパターンP1〜P4のうちのパターンP4を選択することで先端部の質量を低減し、G感度特性の向上を図っている。図19から分かるように、パターンP4は、パターンP1〜P4のうちで、初期のG感度低減効果が最も高い。そのため、パターンP4を選択することによって、振動素子1KのY’軸方向の加速度に対する感度をより効果的に鈍くすることができる。したがって、Y’軸方向の加速度が加わっているか否かにかかわらず、より安定した振動特性を発揮することができる振動素子1Kとなる。
このような第12実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第13実施形態>
次に、本発明の振動素子の第13実施形態について説明する。
図27は、本発明の第13実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第13実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第13実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図27に示すように、本実施形態の振動素子1Lでは、第1の梁部23の傾斜縁部23aが振動部21側から凹むように湾曲している。これにより、前述した第9実施形態と比較して、傾斜縁部23a付近での応力集中をより効果的に低減することができる。
このような第13実施形態によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第14実施形態>
次に、本発明の振動素子の第14実施形態について説明する。
図28は、本発明の第14実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第14実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第14実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図28に示すように、本実施形態の振動素子1Mでは、第2の厚肉部222が省略されており、振動部21の第2の辺212および第4の辺214がそれぞれ厚肉部22から露出している。これにより、前述した第9実施形態と比較して、振動素子1Mの先端側の質量を低減することができる。
このような第14実施形態によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第15実施形態>
次に、本発明の振動素子の第15実施形態について説明する。
図29は、本発明の第15実施形態にかかる振動素子の斜視図である。
以下、第15実施形態の振動素子について、前述した第9実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第15実施形態にかかる振動素子は、圧電基板の構成が異なる以外は、前述した第9実施形態と同様である。なお、前述した第9実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図29に示すように、本実施形態の振動素子1Nでは、圧電基板2の両主面に凹陥部を形成することによって振動部21が形成されている。言い換えると、厚肉部22の表面(−Y’軸方向側の主面)は、振動部21の表面(+Y’軸方向側の主面)よりも+Y’軸方向側へ突出して設けられており、厚肉部22の裏面(−Y’軸方向側の主面)は、振動部21の裏面(−Y’軸方向側の主面)よりも−Y’軸方向側へ突出して設けられている。このように、圧電基板2の両主面に凹陥部を形成して振動部21を形成することによって、例えば、前述した第9実施形態と比較して、凹陥部のエッチング深さを浅くすることができる。そのため、エッチングをより精度よく行うことができ、圧電基板2の外形形状をより高精度に得ることができる。
このような第15実施形態によっても、前述した第9実施形態と同様の効果を発揮することができる。
2.振動子
次に、前述した振動素子1を適用した振動子(本発明の振動子)について説明する。
図30は、本発明の振動子の好適な実施形態を示す平面図である。図31は、図30中のA−A線断面図である。
図30および図31に示す振動子10は、前述した振動素子1と、振動素子1を収容するパッケージ4とを有している。
(パッケージ)
パッケージ4は、上面に開放する凹部411を有する箱状のベース41と、凹部411の開口を塞いでベース41に接合された板状のリッド42とを有している。そして、凹部411がリッド42によって塞がれることにより形成された収納空間Sに振動素子1が収納されている。収納空間Sは、減圧(真空)状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。
ベース41の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、リッド42の構成材料としては、特に限定されないが、ベース41の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース41の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。なお、ベース41とリッド42の接合は、特に限定されず、例えば、接着剤を介して接合してもよいし、シーム溶接等により接合してもよい。
ベース41の凹部411の底面には、接続電極451、461が形成されている。また、ベース41の下面には、外部実装端子452、462が形成されている。接続電極451は、ベース41に形成された図示しない貫通電極を介して外部実装端子452と電気的に接続されており、接続電極461は、ベース41に形成された図示しない貫通電極を介して外部実装端子462と電気的に接続されている。
接続電極451、461、外部実装端子452、462の構成としては、それぞれ、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、Cr(クロム)、W(タングステン)などのメタライズ層(下地層)に、Ni(ニッケル)、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。
収納空間S内に収容されている振動素子1は、振動領域219の表面(第1の主面)をベース41側に向けて、導電性接着剤51によってベース41に取り付けられている。導電性接着剤51は、接続電極451とパッド電極33とに接触して設けられている。これにより、導電性接着剤51を介して接続電極451とパッド電極33とが電気的に接続される。導電性接着剤51を用いて振動素子1を一カ所(一点)で支持することによって、例えば、ベース41と圧電基板2の熱膨張率の差によって振動素子1に発生する応力を抑えることができる。また、導電性接着剤51と振動素子1の接触部は、平面視(XZ’平面視)にて、振動素子1の重心を通るX軸上に位置しているのが好ましい。これにより、振動素子1に振動(特に、Y’軸方向の加速度)が加わったときに、導電性接着剤51を軸とする回転モーメントが振動素子1に発生してしまうのを低減することができる。そのため、振動が加わったときの振動部21の変形を効果的に低減することができる。
導電性接着剤51としては、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、ポリイミド系、ビスマレイミド系等の接着剤に導電性フィラーを分散させたものを用いることができる。
なお、実施例では導電性接着剤51を用いて説明したが、本発明はこれに限らず、金バンプや半田バンプ、或いはメッキにより形成されたメッキバンプ等のバンプによりフリップチップ実装技術を用いて、振動素子1をベース41に取り付けてもよい。
振動素子1のパッド電極34は、ボンディングワイヤー52を介して接続電極461に電気的に接続されている。前述したように、パッド電極34は、パッド電極33と対向して配置されているため、振動素子1がベース41に固定されている状態では、導電性接着剤51の直上に位置している。そのため、ワイヤーボンディング時にパッド電極34に与える振動(超音波振動)の漏れを低減することができ、パッド電極34へのボンディングワイヤー52の接続をより確実に行うことができる。
3.発振器
次に、本発明の振動子を適用した発振器(本発明の発振器)について説明する。
図32は、本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。
図32に示す発振器100は、振動子10と、振動素子1を駆動するためのICチップ110とを有している。以下、発振器100について、前述した振動子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図32に示すように、発振器100では、ベース41の凹部411にICチップ110が固定されている。ICチップ110は、凹部411の底面に形成された複数の内部端子120と電気的に接続されている。複数の内部端子120には、接続電極451、461と接続されているものと、外部実装端子452、462と接続されているものがある。ICチップ110は、振動素子1の駆動を制御するための発振回路を有している。ICチップ110によって振動素子1を駆動すると、所定の周波数の信号を取り出すことができる。
4.電子機器
次に、本発明の振動子を適用した電子機器(本発明の電子機器)について説明する。
図33は、本発明の電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)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2000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、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子10が内蔵されている。
図34は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部2000が配置されている。このような携帯電話機1200には、フィルター、共振器等として機能する振動子10が内蔵されている。
図35は、本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなディジタルスチルカメラ1300には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子10が内蔵されている。
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図33のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図34の携帯電話機、図35のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター等に適用することができる。
5.移動体
次に、本発明の振動子を適用した移動体(本発明の移動体)について説明する。
図36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10が搭載されている。振動子10は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS)、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)に広く適用できる。
以上、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態(第1〜第7実施形態)では、平面視にて、振動部が矩形をなしているが、振動部の形状は、これに限定されない。言い換えると、前述した実施形態では、振動部の輪郭が有する第1、第2、第3、第4の辺がそれぞれ直線で構成されているものについて説明したが、各辺は、全体的に湾曲していてもよいし、途中で屈曲していてもよい。また、辺同士が連続して接続されていてもよい。
また、前述した実施形態では、圧電基板として水晶基板を用いているが、これに替えて、例えば、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、四ホウ酸リチウム(Li)、ランガサイト(LaGaSiO14)等の各種圧電基板を用いてもよい。
1、1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1I、1J、1K、1L、1M、1N…振動素子 10…振動子 100…発振器 110…ICチップ 120…内部端子 2…圧電基板 21…振動部 211…第1の辺 212…第2の辺 213…第3の辺 214…第4の辺 219…振動領域 22…厚肉部 221…第1の厚肉部 221a…傾斜部 221b…厚肉部本体 221c……縁部 222…第2の厚肉部 222a…傾斜部 222b…厚肉部本体 223…第3の厚肉部 223a…傾斜部 223b…厚肉部本体 23…第1の梁部 24…第2の梁部 23a、24a……傾斜縁部 26……第1傾斜外縁部 27……第2傾斜外縁部 29……マウント部 3…電極 31、32…励振電極 33、34…パッド電極 35、36…リード電極 4…パッケージ 41…ベース 411…凹部 42…リッド 451、461…接続電極 452、462…外部実装端子 51…導電性接着剤 52…ボンディングワイヤー 1100…パーソナルコンピューター 1102…キーボード 1104…本体部 1106…表示ユニット 1200…携帯電話機 1202…操作ボタン 1204…受話口 1206…送話口 1300…ディジタルスチルカメラ 1302…ケース 1304…受光ユニット 1306…シャッターボタン 1308…メモリー 1312…ビデオ信号出力端子 1314…入出力端子 1430…テレビモニター 1440…パーソナルコンピューター 1500…自動車 2000…表示部 L、L1、L2、L3…長さ S…収納空間 W、W1、W222、W223…幅、T……厚さ

Claims (10)

  1. 厚み滑り振動で振動する振動領域を含む第1領域、および前記第1領域の外縁のうち一部の外縁を除いた外縁に一体化され、前記第1領域よりも厚さが厚い第2領域を含む基板と、
    前記振動領域の互いに表裏の関係にある第1の主面および第2の主面にそれぞれ設けられている一対の励振電極と、
    前記一部の外縁を前記主面に沿って、かつ、前記厚み滑り振動の振動方向と直交する方向から見たときに、前記一部の外縁のうち、前記振動領域の前記一対の励振電極に挟まれている部分のうち前記一部の外縁寄りの部分と重ならない外縁に沿って設けられ、前記第1領域よりも厚さが厚い梁部と、を含み、
    前記第1領域の輪郭は、
    平面視で、前記振動方向と直交する方向に沿った第1の辺および第2の辺と、
    前記第1の辺の一方の端と前記第2の辺の一方の端とを接続し、前記振動方向に沿った第3の辺と、
    前記第1の辺の他方の端と前記第2の辺の他方の端とを接続し、前記振動方向に沿った第4の辺と、
    を含み、
    前記第2領域は、
    前記第1の辺に沿って設けられている第1の厚肉部と、
    前記第2の辺に沿って設けられている第2の厚肉部と、
    前記第3の辺に沿って設けられている第3の厚肉部と、
    を含み、
    前記梁部は、前記第4の辺に沿って設けられ、かつ、前記第1の厚肉部および前記第2の厚肉部の少なくとも一方に接続されていることを特徴とする振動素子。
  2. 請求項1において、
    前記梁部の前記振動方向に沿った長さをL1、
    前記振動部の厚さをDとしたとき、
    10×D≦L1≦15×D
    の関係を満たすことを特徴とする振動素子。
  3. 請求項1または2において、
    前記梁部の前記振動方向と直交する方向に沿った幅をW1、
    前記振動部の厚さをDとしたとき、
    3×D≦W1≦10×D
    の関係を満たすことを特徴とする振動素子。
  4. 請求項1または2において、
    前記梁部の縁部は、平面視で、前記厚み滑り振動の振動方向および前記振動方向と直交する方向に対して傾斜している傾斜縁部を含むことを特徴とする振動素子。
  5. 請求項において、
    平面視で、前記傾斜縁部の前記振動方向に対する傾斜角は、30°以上60°以下であることを特徴とする振動素子。
  6. 請求項1ないし5のいずれか1項において、
    前記第1の厚肉部は、対象物に取り付けられる固定部が配置され、
    前記第2の厚肉部の前記厚み滑り振動の振動方向に沿った長さは、40μm以上100μm以下であることを特徴とする振動素子。
  7. 請求項1または2に記載の振動素子と、
    前記振動素子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。
  8. 請求項1または2に記載の振動素子と、
    前記振動素子を駆動する回路と、
    を備えていることを特徴とする発振器。
  9. 請求項1または2に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
  10. 請求項1または2に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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