TWI424686B - 振動片、振動體、振盪器、及電子機器 - Google Patents

振動片、振動體、振盪器、及電子機器 Download PDF

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TWI424686B
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Takashi Yamazaki
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Description

振動片、振動體、振盪器、及電子機器
本發明係關於一種振動片、振動體、振盪器、及電子機器。
先前，眾所周知的是若使作為振動片之一例之壓電振動片小型化則Q值會變小，振動受到妨礙。
詳細而言，壓電振動片伴隨由彎曲振動所引起之彈性變形而會出現收縮之面之溫度上升，且伸展之面之溫度降低，由此在壓電振動片之內部產生溫度差。藉此，壓電振動片中產生與直至藉由熱傳導(熱傳遞)而消除該溫度差(成為溫度平衡狀態)為止所需之時間(緩和時間)成反比例之被稱為緩和振動之振動。
若壓電振動片趨於小型化，則該緩和振動之頻率與本來之彎曲振動之頻率接近，故而出現Q值變小而妨礙本來之彎曲振動之現象。
該現象被稱為熱彈性損耗或熱彈性效應等，作為該現象之改善對策，專利文獻1中於壓電振動片之矩形狀剖面中形成槽或貫通孔來抑制自收縮之面向伸展之面之熱傳遞，藉此謀求抑制由熱彈性損耗所引起之Q值之降低。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利實開平2-32229號公報
然而，壓電振動片若如專利文獻1般於振動部(以下，稱為振動臂部)形成貫通孔，則存在振動臂部之剛性顯著降低之問題。
又，壓電振動片即便如專利文獻1般於振動臂部設置剖面形狀為H型之槽(以下，稱為槽部)，亦不能充分抑制自收縮之面向伸展之面之熱傳遞，故而在抑制由熱彈性損耗所引起之Q值之降低之方面尚有待改善之餘地。
本發明係為解決上述課題之至少一部分而完成者，其可作為以下形態或適用例來實現。
[適用例1]本適用例之壓電振動片之特徵在於：包括基部、及自上述基部延伸且彎曲振動之振動臂部；上述振動臂部包括一方之主面、及與上述一方之主面對向之另一方之主面，於上述一方之主面具有沿上述振動臂部之延伸方向形成之第1槽部，於上述另一方之主面具有俯視時與上述第1槽部並列形成之第2槽部，進而，於上述另一方之主面具有俯視時與上述第1槽部串聯、且較上述第1槽部更靠上述基部側而形成之第3槽部，於上述一方之主面具有俯視時與上述第2槽部串聯、且較上述第2槽部更靠上述基部側而形成之第4槽部，上述第1槽部之深度與上述第2槽部之深度之和、及上述第3槽部之深度與上述第4槽部之深度之和，大於上述一方之主面與上述另一方之主面之間的距離。
根據該構成，壓電振動片係於一方之主面具有第1槽部，於另一方之主面具有與第1槽部並列形成之第2槽部。進而，壓電振動片係於另一方之主面具有與第1槽部串聯且較第1槽部更靠基部側而形成之第3槽部，於一方之主面具有與第2槽部串聯且較第2槽部更靠基部側而形成之第4槽部。
而且，壓電振動片中，第1槽部之深度與第2槽部之深度之和、及第3槽部之深度與第4槽部之深度之和，大於一方之主面與另一方之主面之間的距離。
藉此，與壓電振動片在例如振動臂部設置有先前之剖面形狀為H型之槽部之情形相比，彎曲振動中之收縮之面即一對伸縮面之一方至伸展之面即一對伸縮面之另一方之熱傳遞的距離變長，故而直至成為溫度平衡狀態為止之緩和時間變長。
其結果為，壓電振動片之緩和振動之頻率遠離本來之彎曲振動之頻率，故而可抑制由熱彈性損耗所引起之Q值降低。因此，壓電振動片可實現進一步小型化。
然而，上述壓電振動片中，沿著與上述振動臂部之一方之主面正交、且與上述振動臂部之延伸方向正交之面切斷之包含第1槽部及第2槽部之剖面形狀，並未成為通過連接一方之主面與另一方之主面之直線之中間點，且以沿著一方之主面(另一方之主面)之直線即一方之主面與另一方之主面之間的中心線為對稱軸之線對稱形狀。
藉此，壓電振動片若保持該狀態則振動臂部之質量產生不均衡，彎曲振動會成為沿著一方之主面之本來之彎曲振動成分與在連接一方之主面與另一方之主面之方向即厚度方向振動之面外振動成分合成所得之振動。
其結果為，壓電振動片之彎曲振動之振動方向不沿著所規定之振動方向，故而產生振動能量之損耗而導致彎曲振動之效率降低。
相對於此，壓電振動片之沿著與上述振動臂部之一方之主面正交、且與上述振動臂部之延伸方向正交之面切斷之包含第3槽部及第4槽部之剖面形狀，成為使包含上述第1槽部及第2槽部之剖面形狀反轉之形狀，與上述相同彎曲振動成為沿著一方之主面之本來之彎曲振動成分與在厚度方向振動之面外振動成分合成而得之振動。
此時，壓電振動片之包含第3槽部及第4槽部之剖面形狀成為使包含第1槽部及第2槽部之剖面形狀反轉之形狀，故而第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分之方向與第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分之方向成為相反方向。
其結果為，壓電振動片中第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分與第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分相抵消，故而作為整體之彎曲振動之振動方向會接近所規定之振動方向即沿著一方之主面之方向。
藉此，壓電振動片之振動能量之損耗得以抑制，故而彎曲振動之效率提高。
又，作為其他態樣，振動片之特徵在於：包括基部、及自上述基部於第1方向延伸且彎曲振動之振動臂部；上述振動臂部包括一方之主面、及與上述一方之主面對向之另一方之主面，於上述一方之主面具有沿上述振動臂部之第1方向設置之第1槽部，於上述另一方之主面具有俯視時在與上述第1方向正交之第2方向與上述第1槽部並列設置之第2槽部，於上述另一方之主面具有俯視時於上述第1方向與上述第1槽部並列設置、且較上述第1槽部更靠上述基部側而設置之第3槽部，於上述一方之主面具有俯視時在上述第1方向與上述第2槽部並列設置、且較上述第2槽部更靠上述基部側而設置之第4槽部，上述第1槽部之深度與上述第2槽部之深度之和、及上述第3槽部之深度與上述第4槽部之深度之和，大於上述一方之主面與上述另一方之主面之間的距離。
根據該構成，振動片於一方之主面具有第1槽部，於另一方之主面具有與第1槽部並列設置於第2方向之第2槽部。進而，振動片於另一方之主面具有與第1槽部並列設置於第1方向且較第1槽部更靠基部側而設置之第3槽部，於一方之主面具有與第2槽部並列設置於第1方向且較第2槽部更靠基部側而設置之第4槽部。
而且，振動片中第1槽部之深度與第2槽部之深度之和、及第3槽部之深度與第4槽部之深度之和，大於一方之主面與另一方之主面之間的距離。
藉此，與振動片在例如振動臂部設置有先前之剖面形狀為H型之槽部之情形相比，彎曲振動中之收縮之面即一對伸縮面之一方至伸展之面即一對伸縮面之另一方的熱傳遞之距離變長，故而直至成為溫度平衡狀態為止之緩和時間變長。
其結果為，振動片之緩和振動之頻率遠離本來之彎曲振動之頻率，故而可抑制由熱彈性損耗所引起之Q值降低。因此，振動片可實現進一步小型化。
然而，上述振動片中，沿著與上述振動臂部之一方之主面正交、且與第1方向正交之面切斷之包含第1槽部及第2槽部之剖面形狀，不會成為通過連接一方之主面與另一方之主面之直線之中間點，且以沿著一方之主面(另一方之主面)之直線即一方之主面與另一方之主面之間之中心線為對稱軸之線對稱形狀。
藉此，振動片若保持該狀態則振動臂部之質量產生不均衡，彎曲振動會成為沿著一方之主面之本來之彎曲振動成分與在連接一方之主面與另一方之主面之方向即厚度方向振動之面外振動成分合成而得之振動。
其結果為，振動片之彎曲振動之振動方向不沿著所規定之振動方向，故而產生振動能量之損耗而導致彎曲振動之效率降低。
相對於此，振動片中沿著與上述振動臂部之一方之主面正交、且與第1方向正交之面切斷之包含第3槽部及第4槽部之剖面形狀，成為使包含上述第1槽部及第2槽部之剖面形狀反轉之形狀，與上述相同彎曲振動成為沿著一方之主面之本來之彎曲振動成分與在厚度方向振動之面外振動成分合成而得之振動。
此時，振動片之包含第3槽部及第4槽部之剖面形狀成為使包含第1槽部及第2槽部之剖面形狀反轉之形狀，故而第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分之方向與第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分之方向成為相反方向。
其結果為，振動片之第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分與第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分相抵消，故而作為整體之彎曲振動之振動方向會接近所規定之振動方向即沿著一方之主面之方向。
藉此，振動片之振動能量之損耗得以抑制，故而彎曲振動之效率提高。
[適用例2]於上述適用例之振動片中，較佳為於將上述第1槽部及上述第2槽部之上述第1方向之長度設為RS，且將上述第3槽部及上述第4槽部之上述第1方向之長度設為S時，S：RS=1：(2.2~2.8)。
根據該構成，振動片為S：RS=1：(2.2~2.8)，故而上述第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分與第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分幾乎相抵消。
其結果為，振動片之振動能量之損耗進一步得以抑制，故而彎曲振動之效率進一步提高。
再者，S：RS=1：(2.2~2.8)係發明者們藉由模擬及實驗而導出之知識見解。
[適用例3]於上述適用例1之振動片中，較佳為於將上述第1槽部及上述第2槽部之上述第1方向之長度設為RS，將上述第3槽部及上述第4槽部之上述第1方向之長度設為S，將上述振動臂部之根部至前端為止之長度設為A，且將上述RS與上述S之和設為L時，8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854。
根據該構成，振動片為8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854，故而上述第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分與第3槽部及第4槽部所弓引起之面外振動成分幾乎相抵消。
其結果為，振動片之振動能量之損耗進一步得以抑制，故而彎曲振動之效率進一步提高。
再者，8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854係發明者們藉由模擬及實驗而導出之知識見解。
[適用例4]於上述適用例3之振動片中，較佳為RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3。
根據該構成，振動片為RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3，故而上述第1槽部及第2槽部所引起之面外振動成分與第3槽部及第4槽部所引起之面外振動成分幾乎全部相抵消。
其結果為，振動片之振動能量之損耗進一步得以抑制，故而彎曲振動之效率進一步提高。
再者，RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3係發明者們藉由模擬及實驗而導出之知識見解。
[適用例5]於上述適用例之振動片中，較佳為上述振動片係包含水晶而成。
根據該構成，振動片係包含水晶而成，故而藉由水晶之物性而可提供具有頻率-溫度特性、加工精度等優異之諸多特性之振動片。
[適用例6]本適用例之振動體之特徵在於：其係使用如上述適用例1~5之任一項之振動片之振動體，且包括上述振動片及收納上述振動片之封裝體。
根據該構成，振動體將如上述適用例1~5之任一項之振動片收納於封裝體中，故而可提供發揮上述適用例之任一項所記載之效果之振動體。
[適用例7]本適用例之振盪器之特徵在於：其係使用如上述適用例1~5之任一項之振動片之振盪器，且包括上述振動片及使上述振動片驅動之電路元件。
根據該構成，振盪器包括如上述適用例1~5之任一項之振動片及電路元件，故而可提供發揮上述適用例之任一項所記載之效果之振盪器。
[適用例8]本適用例之電子機器之特徵在於使用如上述適用例1~5之任一項之振動片。
根據該構成，電子機器使用如上述適用例1~5之任一項之振動片，故而可提供發揮上述適用例1~5之任一項所記載之效果之電子機器。
以下，根據圖式來說明將本發明具體化之實施形態。
再者，第1實施形態中，作為振動片，列舉說明有包含作為壓電體之一種之水晶而成之晶體振動片。而且，第2實施形態、第3實施形態、第4實施形態中，作為使用該晶體振動片之振動體、振盪器、及電子機器，列舉說明有晶體振動體、晶體振盪器、及行動電話。
又，以下各實施形態(除第4實施形態以外)中，記載並說明有X軸、Y軸、Z軸，各軸表示作為水晶之結晶軸即電氣軸之結晶X軸，作為機械軸之結晶Y軸，及作為光學軸之結晶Z軸。
又，以下實施形態中，圖示之Z軸亦可相對於結晶Z軸而傾斜1度至5度左右，伴隨該傾斜而由Z軸與X軸所規定之平面亦可傾斜形成。
(第1實施形態)
圖1係表示第1實施形態之晶體振動片之概略構成之模式立體圖。圖2係圖1之模式平面圖。圖3係圖2之模式剖面圖，圖3(a)係圖2之B-B線之剖面圖兼配線圖，圖3(b)係圖2之C-C線之剖面圖兼配線圖。再者，圖1、圖2中為方便起見省略了電極類。
如圖1、圖2所示，晶體振動片1包括：基部10；以及一對振動臂部20、21，其自基部10於第1方向(Y軸方向)延伸，且彎曲振動。
晶體振動片1由基部10與一對振動臂部20、21構成音叉。
一對振動臂部20、21形成為稜柱狀，且自基部10之一端側於Y軸方向(第1方向)互相平行而延伸。
再者，基部10及振動臂部20、21自水晶之原石等切出後，研磨為特定厚度之平板狀，並藉由蝕刻等而形成為個別之音叉形狀。
振動臂部20、21包括：沿著作為彎曲振動之規定之振動方向之X軸方向的一方之主面22、23；與一方之主面22、23對向且沿著X軸方向之另一方之主面26、27；及與X軸方向交叉且藉由彎曲振動而交替伸縮之作為一對伸縮面之一方之面20c、21c及另一方之面20d、21d。
振動臂部20、21於一方之主面22、23具有沿著振動臂部20、21之延伸方向(第1方向)而設置之第1槽部24、25，於另一方之主面26、27具有俯視時沿著與第1方向正交之第2方向(X軸方向)而與第1槽部24、25並列設置之第2槽部28、29。
進而，振動臂部20、21於另一方之主面26、27具有俯視時沿著第1方向與第1槽部24、25並列設置，且較第1槽部24、25更靠基部10側而設置之第3槽部24'、25'，於一方之主面22、23具有俯視時沿著第1方向與第2槽部28、29並列設置，且較第2槽部28、29更靠基部10側而設置之第4槽部28'、29'。
再者，振動臂部20、21之一方之主面22、23與基部10之一方之主面11一體化，另一方之主面26、27與基部10之另一方之主面12一體化。
第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'自振動臂部20、21之根部朝向前端側而設置。
而且，如圖2所示，第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'、與第1槽部24、25及第2槽部28、29之間設置有特定間隔G。
如圖2所示，晶體振動片1於將第1槽部24、25及第2槽部28、29之延伸方向(第1方向)之長度設為RS，且將第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之延伸方向(第1方向)之長度設為S時，較佳為S：RS=1：(2.2~2.8)，更佳為S：RS=1：2.5(詳細情況將於下文敍述)。
又，晶體振動片1於將振動臂部20、21之根部至前端之長度設為A，且將RS與S之和設為L時，較佳為8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854，更佳為RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3(詳細情況將於下文敍述)。
如圖3所示，第1槽部24、25及第2槽部28、29以及第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之剖面形狀為大致矩形，且形成為第1槽部24、25之深度24a、25a與第2槽部28、29之深度28a、29a之和，及第3槽部24'、25'之深度24a'、25a'與第4槽部28'、29'之深度28a'、29a'之和，大於一方之主面22、23與另一方之主面26、27之間的距離20a、21a((24a+28a)>20a，(25a+29a)>21a，(24a'+28a')>20a，(25a'+29a')>21a)。
再者，第1槽部24、25及第2槽部28、29以及第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'係藉由蝕刻、噴砂等而形成。
如圖3所示，於成為第1槽部24、25及第2槽部28、29以及第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之外部側之側壁設置有激振電極30、31。
詳細而言，於振動臂部20中，激振電極30係設置於連接一方之主面22與另一方之主面26之一方之面20c，及連接一方之主面22與另一方之主面26之另一方之面20d。
又，激振電極31設置於第1槽部24之一方之面20c側之面24b、第2槽部28之另一方之面20d側之面28b、第3槽部24'之一方之面20c側之面24b'、及第4槽部28'之另一方之面20d側之面28b'。
另一方面，於振動臂部21中，激振電極31係設置於連接一方之主面23與另一方之主面27的一方之面21c、及連接一方之主面23與另一方之主面27之另一方之面21d。
又，激振電極30設置於第1槽部25之一方之面21c側之面25b、第2槽部29之另一方之面21d側之面29b、第3槽部25'之一方之面21c側之面25b'、及第4槽部29'之另一方之面21d側之面29b'。
激振電極30彼此、激振電極31彼此互相連接，分別藉由未圖示之汲取電極而抽出至基部10，與未圖示之固定電極連接。
構成為對激振電極30與激振電極31之間施加交流電荷。
再者，激振電極30、31包括Cr、Ni等之基礎層與Au、Ag等之電極層。各層藉由蒸鍍、濺鍍等而形成。
此處，對晶體振動片1之動作進行說明。
若對激振電極30、31間施加交流電荷作為驅動信號，則晶體振動片1之振動臂部20、21如圖1所示，進行於大致沿著X軸方向之箭頭D方向及箭頭E方向交替移位之彎曲振動。
詳細而言，當對激振電極30施加正電荷，對激振電極31施加負電荷時，一方之面20c、21c於Y軸方向收縮，另一方之面20d、21d於Y軸方向伸展。藉此，振動臂部20、21於箭頭D方向移位。
另一方面，當對激振電極30施加負電荷，對激振電極31施加正電荷時，一方之面20c、21c於Y軸方向伸展，另一方之面20d、21d於Y軸方向收縮。藉此，振動臂部20、21於箭頭E方向移位。
晶體振動片1之振動臂部20、21交替重複箭頭D方向與箭頭E方向之移位，藉此一方之面20c、21c與另一方之面20d、21d交替伸縮。
此時，如圖3(a)所示，藉由振動臂部20、21之形成有第1槽部24、25及第2槽部28、29之剖面形狀((24a+28a)>20a，(25a+29a)>21a)，伴隨彎曲振動而交替重複收縮與伸展之一方之面20c、21c至另一方之面20d、21d之熱傳遞之距離，與設置有先前之剖面形狀為H型之槽部之情形相比變長。
若對熱傳遞之距離進行詳細敍述，則於振動臂部20中，係自一方之面20c之第1槽部24之開口側的一端起沿著剖面形狀至另一方之面20d之第2槽部28之開口側的一端之距離，於振動臂部21中，係自一方之面21c之第1槽部25之開口側的一端起沿著剖面形狀至另一方之面21d之第2槽部29之開口側的一端之距離。
同樣地，如圖3(b)所示，藉由振動臂部20、21之形成有第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之剖面形狀((24a'+28a')>20a，(25a'+29a')>21a)，伴隨彎曲振動而交替重複收縮與伸展之一方之面20c、21c至另一方之面20d、21d之熱傳遞之距離，與設置有先前之剖面形狀為H型之槽部之情形相比變長。
此處，上述緩和振動之頻率f0 與緩和時間τ由f0 =1/(2πτ)表示。
晶體振動片1之熱傳遞之距離比先前(H型之槽部)長，因此直至成為溫度平衡狀態為止之緩和時間τ比先前(H型之槽部)長。其結果為，晶體振動片1之緩和振動之頻率(緩和振動頻率)f0 遠離本來之彎曲振動之頻率f。
一般而言，眾所周知緩和振動頻率(熱緩和頻率)f0 以下式求出。
f0 =πk/(2ρCpa2 )...(1)
此處，π為圓周率，k為振動臂部之振動方向(彎曲振動方向)之熱傳導率，ρ為振動臂部之質量密度，Cp為振動臂部之熱容量，a為振動臂部之振動方向(彎曲振動方向)之寬度。
於對式(1)之熱傳導率k、質量密度ρ、熱容量Cp輸入振動臂部之材料本身之常數之情形時，所求出之緩和振動頻率f0 成為未設置槽部之情形時之振動臂部之緩和振動頻率。
圖4係表示彎曲振動片(晶體振動片)之Q值之f/fm依存性之圖表。此處，fm為振動臂部未設置槽部之情形時(振動臂部之剖面形狀為大致矩形之情形時)之緩和振動頻率。圖4之圖表之右側所記載之圖形係模式性地表示振動臂部之剖面形狀者。
於圖4中，三角形之標記係為圖3所示之振動臂部之剖面形狀之情形時之圖形，實心之四邊形標記係藉由在振動臂部之兩個主面設置槽部而使振動臂部之剖面形狀為「H」的H型之情形時之圖形，中空之菱形標記係振動臂部之任一主面均未設置槽部之平板之情形時之圖形。又，粗實線係三角形標記之值之近似直線，虛線係四邊形標記間之內插直線，一點鎖線係菱形標記間之內插直線。
如圖4所示，於彎曲振動片中，使振動臂部之剖面形狀為圖3所示之形狀，使f/fm為大於0.09之值，藉此明顯可獲得比H型之情形更高之Q值。
進而，上述彎曲振動片(相當於晶體振動片1)使f/fm為大於0.25之值，由此可獲得比H型及平板之任一情形更高之Q值，若使f/fm大於1，則可獲得比H型及平板之任一情形顯著高之Q值。
然而，晶體振動片1如圖3(a)所示，沿著與振動臂部20、21之一方之主面22、23正交、且與振動臂部20、21之延伸方向(第1方向)正交之面切斷之包含第1槽部24、25及第2槽部28、29之剖面形狀，不會成為通過連接一方之主面22、23與另一方之主面26、27之直線之中間點，且以沿著一方之主面22、23(另一方之主面26、27)之直線即一方之主面22、23與另一方之主面26、27之間之中心線F、F1為對稱軸之線對稱形狀。
藉此，晶體振動片1若保持該狀態則振動臂部20、21之質量產生不均衡，如圖3(a)所示，振動臂部20之彎曲振動之移位U成為於沿著一方之主面22、23(另一方之主面26、27)之X軸方向振動之本來之彎曲振動之移位成分Ux、與藉由Z軸方向之力矩而於連接一方之主面22、23與另一方之主面26、27之方向即Z軸方向振動之面外振動之移位成分Uz合成而得之移位。
另一方面，振動臂部21之彎曲振動之移位U1成為於X軸方向振動之本來之彎曲振動之移位成分U1x、與藉由Z軸方向之力矩而於Z軸方向振動之面外振動之移位成分U1z合成而得之移位。
此時，移位成分Uz與移位成分U1z為相同方向之移位成分。
其結果為，晶體振動片1之彎曲振動之移位U、U1之方向不沿著一方之主面22、23(不沿著X軸方向)，因而存在產生振動能量之損耗而導致彎曲振動之效率降低之虞。
再者，圖3(a)中，為方便起見對彎曲振動之一方之方向(相當於圖1之箭頭D方向)之移位U、U1進行了表示，但關於相反方向(相當於圖1之箭頭E方向)之移位亦相同。
相對於此，晶體振動片1如圖3(b)所示，沿著與振動臂部20、21之一方之主面22、23正交、且與振動臂部20、21之延伸方向(第1方向)正交之面切斷之包含第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之剖面形狀，成為使包含第1槽部24、25及第2槽部28、29之剖面形狀反轉之形狀。
藉此，晶體振動片1於第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'中，彎曲振動之移位U'、U1'與上述相同成為沿著一方之主面22、23之本來之彎曲振動之移位成分Ux'、U1x'與在Z軸方向振動之面外振動之移位成分Uz'、U1z'合成而得之移位。
此時，晶體振動片1之包含第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之剖面形狀成為使包含第1槽部24、25及第2槽部28、29之剖面形狀反轉之形狀，因此第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'中之面外振動之移位成分Uz'、U1z'之方向與第1槽部24、25及第2槽部28、29中之面外振動之移位成分Uz、U1z之方向成為相反方向。
其結果為，晶體振動片1之第1槽部24、25及第2槽部28、29中之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'中之面外振動之移位成分Uz'、U1z'相抵消，因此作為整體之彎曲振動之移位之方向會接近作為所規定之振動方向之X軸方向(沿著一方之主面之方向)。
藉此，晶體振動片1藉由降低Z軸方向之力矩而抑制振動能量之損耗，故而彎曲振動之效率提高。
關於上述情況，根據具體之資料進一步進行說明。
圖5係表示第1槽部24、25及第2槽部28、29之延伸方向之長度RS與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之延伸方向之長度S的比(以下，亦簡稱為RS/S)，與作為晶體振動片1整體之彎曲振動中之面外振動(Z軸方向之振動)之移位成分UZ與作為本來所規定之振動方向之X軸方向之移位成分UX的比(以下，亦簡稱為UZ/UX)之相關關係的圖表。
圖6係表示振動臂部20、21之前端側及基部側之各槽部之長度的和L(RS+S)與振動臂部20、21之根部至前端之長度A的比(以下，亦簡稱為L/A)，與此時之振動能量之損耗為容許範圍內之RS/S之相關關係的圖表。
再者，圖5、圖6係基於發明者們藉由模擬及實驗而導出之資料。
如圖5所示，晶體振動片1於RS/S=2.2~2.8，即S：RS=1：(2.2~2.8)時，UZ/UX變小，故而作為彎曲振動中之振動能量之損耗之一個尺度之振動洩漏Δf(將基部10以金屬絲懸掛或者以柔軟之導電性接著劑固定之情形時之頻率，與將基部10以焊錫或較硬之導電性接著劑固定之情形時之頻率之偏移量)之值變小。具體而言，振動洩漏Δf為約500 ppm以下之適合量產之水準。
進而，晶體振動片1於RS/S=2.5，即S：RS=1：2.5時，UZ/UX大致為0，故而振動洩漏Δf之值變得最小(大致為0 ppm)。
再者，UZ/UX之負符號表示面外振動之移位方向成為相反方向(自Z軸之正方向變為Z軸之負方向)。
又，如圖6所示，晶體振動片1於8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746(紙面最下方之線)≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854(紙面最上方之線)時，UZ/UX變小，故而振動洩漏Δf之值變小。具體而言，成為約500 ppm以下之適合量產之水準。
進而，晶體振動片1於RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3(紙面中央之線)時，UZ/UX大致為0，故而振動洩漏Δf之值變得最小(大致為0 ppm)。
再者，模擬及實驗係使用圖2所示之振動臂部20、21之根部至前端之長度A=約1650 μm，振動臂部20、21之X軸方向之寬度W=約100 μm之樣品，以間隔G=約20 μm進行固定，使RS、S、L之值為RS=約200 μm~約1100 μm、S=約100 μm~約600 μm、L=約400 μm~約1200 μm之範圍而適當設定並進行評估。
如上所述，第1實施形態之晶體振動片1中，第1槽部24、25之深度24a、25a與第2槽部28、29之深度28a、29a之和，及第3槽部24'、25'之深度24a'、25a'與第4槽部28'、29'之深度28a'、29a'之和，大於一方之主面22、23與另一方之主面26、27之間的距離20a、21a((24a+28a)>20a，(25a+29a)>21a，(24a'+28a')>20a，(25a'+29a')>21a)。
藉此，與晶體振動片1在例如振動臂部20、21設置有先前之剖面形狀為H型之槽部之情形相比，自彎曲振動之收縮之面向伸展之面之熱傳遞之距離(一方之面20c、21c至另一方之面20d、21d之熱傳遞之距離)變長，故而直至成為溫度平衡狀態為止之緩和時間τ變長。
其結果為，晶體振動片1之緩和振動頻率f0 遠離本來之彎曲振動之頻率f，故而可抑制由熱彈性損耗所引起之Q值降低。因此，晶體振動片1可實現進一步小型化。
又，晶體振動片1中，沿著與振動臂部20、21之一方之主面22、23正交、且與振動臂部20、21之延伸方向(第1方向)正交之面切斷之包含第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'之剖面形狀成為使以同樣方式切斷之包含第1槽部24、25及第2槽部28、29之剖面形狀反轉的形狀。
由於上述情況，晶體振動片1中，彎曲振動中之第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z的方向與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'之方向成為相反方向。
其結果為，晶體振動片1之第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'相抵消，因此作為整體之彎曲振動之振動方向會接近所規定之振動方向即X軸方向(沿著一方之主面22、23之方向)。
藉此，晶體振動片1抑制彎曲振動中之振動能量之損耗，故而CI(Crystal Impedance，晶體阻抗)值等降低，彎曲振動之效率提高。
又，晶體振動片1中，若S：RS=1：(2.2~2.8)，則第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'幾乎相抵消。
其結果為，晶體振動片1之UZ/UX變小，故而作為振動能量之損耗之振動洩漏Δf之值變得更小(約為500 ppm以下)，彎曲振動之效率更加提高。
進而，晶體振動片1中，若S：RS=1：2.5，則第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'幾乎全部相抵消。
其結果為，晶體振動片1之UZ/UX大致為0，故而振動洩漏Δf之值變得極小(大致為0 ppm)，彎曲振動之效率進一步提高。
又，晶體振動片1中，若8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854，則第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'幾乎相抵消。
其結果為，晶體振動片1由於UZ/UX變小，故而振動洩漏Δf之值變得更小(約500 ppm以下)，彎曲振動之效率進一步提高。
進而，晶體振動片1中，若RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3，則第1槽部24、25及第2槽部28、29所引起之面外振動之移位成分Uz、U1z與第3槽部24'、25'及第4槽部28'、29'所引起之面外振動之移位成分Uz'、U1z'進而相抵消。
其結果為，晶體振動片1由於UZ/UX大致為0，故而振動洩漏Δf之值變得極小(大致0 ppm)，彎曲振動之效率進而提高。
又，晶體振動片1係包含水晶而成，故而可藉由水晶之物性而提供具有頻率-溫度特性、頻率之老化特性、加工精度等優異之諸多特性的振動片。
(變形例)
以下，對第1實施形態之晶體振動片之變形例進行說明。
圖7係表示第1實施形態之變形例之晶體振動片之模式平面圖。再者，關於與第1實施形態共用之部分，附加相同符號並省略說明，而以與第1實施形態不同之部分為中心進行說明。
如圖7所示，晶體振動片101之振動臂部121之第1槽部25及第2槽部29以及第3槽部25'及第4槽部29'之排列，與上述實施形態之晶體振動片1之振動臂部21相比而相反。換言之，晶體振動片101之各槽部之排列於振動臂部20與振動臂部121中相同。
晶體振動片101於該排列中，可藉由與第1實施形態相同之作用而發揮與第1實施形態相同之效果。
再者，上述實施形態及變形例中，列舉說明了具有一對振動臂部之音叉型之晶體振動片，但並非限定於此，例如，既可為具有1根振動臂部之棒狀之晶體振動片，亦可為具有3根以上之振動臂部之音叉型之晶體振動片。
(第2實施形態)
以下，列舉作為第2實施形態之振動體之晶體振動體作為一例進行說明。
圖8係表示第2實施形態之晶體振動體之概略構成之模式平面圖。圖9係圖8之J-J線之模式剖面圖。再者，圖8中為方便起見而省略了蓋體。
又，對與第1實施形態共用之部分附加相同符號並省略說明。
第2實施形態之晶體振動體80係使用有第1實施形態或第1實施形態之變形例之晶體振動片之晶體振動體。此處，使用第1實施形態之晶體振動片1進行說明。
如圖8、圖9所示，晶體振動體80將晶體振動片1收納於封裝體51內。具體而言，如圖9所示，晶體振動體80將晶體振動片1收納於包括第1基板54、積層於該第1基板54上之第2基板55及第3基板56之封裝體51之內部空間S。
封裝體51包括第1基板54、第2基板55及第3基板56，進而包括蓋體57。封裝體51具有使第2基板55於封裝體51內延長之延長部55a，於延長部55a形成有2個電極部52。
晶體振動體80係使用導電性接著劑53等將晶體振動片1之未圖示之固定電極固定於電極部52上，經由固定電極而使激振電極30、31(參照圖3)與電極部52電性連接。再者，作為導電性接著劑53，可使用在包含特定合成樹脂之黏合劑成分中添加銀粒子等導電粒子而成者。
第1基板54、第2基板55與第3基板56係由陶瓷等絕緣材料所形成。尤其，作為較佳之材料，選擇具有與晶體振動片1或蓋體57相同或近似之線膨脹係數者。
本實施形態中，使用例如陶瓷之生片。生片例如係以如下方式獲得：使陶瓷粉分.散於特定溶液中並添加黏合劑而生成之混練物成形為長條之薄片狀，並將其切割為特定長度。
第1基板54、第2基板55與第3基板56係可將成形為圖示之形狀之生片加以積層並燒結而形成。第1基板54構成封裝體51之底部，與其重疊之第2基板55及第3基板56係形成為框狀，且與第1基板54、蓋體57等一起形成內部空間S。
由陶瓷或玻璃或者科伐合金等金屬所形成之蓋體57經由科伐合金環、低融點玻璃等接合材58而接合於第3基板56。藉此，封裝體51之內部空間S被氣密地密封。
於第1基板54上使用例如Ag、Pd等導電膏或鎢金屬化等導電膏等形成未圖示之導電圖案之後，對第1基板54、第2基板55與第3基板56進行燒結，然後依序鍍敷Ni、Au或Ag等而形成上述電極部52。
電極部52藉由未圖示之導電圖案，而與封裝體51之外底面上所形成之安裝端子59電性連接。
晶體振動體80藉由對安裝端子59施加驅動信號，而經由未圖示之固定電極對晶體振動片1之激振電極30、31間施加交流電荷(參照圖3)。
藉此，晶體振動片1進行如圖1所示之彎曲振動。
如上所述，晶體振動體80將晶體振動片1收納於封裝體51之內部空間S，且封裝體51之內部空間S被氣密地密封，故而可提供發揮與第1實施形態相同之效果之振動體。
再者，晶體振動體80即便使用第1實施形態之變形例之晶體振動片101代替晶體振動片1，亦可提供發揮與第1實施形態相同之效果之振動體。
再者，晶體振動體80亦可藉由將蓋體57形成為帶帽檐之帽狀等，而省略第2基板55及第3基板56。藉此，晶體振動體80之構成要素變少，故而封裝體51之製造變得容易。
(第3實施形態)
以下，列舉作為第3實施形態之振盪器之晶體振盪器作為一例進行說明。
圖10係表示第3實施形態之晶體振盪器之概略構成之模式剖面圖。
第3實施形態之晶體振盪器90係使用有第1實施形態或第1實施形態之變形例之晶體振動片之晶體振盪器。此處，使用第1實施形態之晶體振動片1進行說明。再者，第3實施形態之晶體振盪器90係於第2實施形態之晶體振動體80中具備作為驅動晶體振動片1之電路元件之IC(Integrated Circuit，積體電路)晶片87者。
再者，對與第1實施形態及第2實施形態共用之部分附加相同符號並省略說明。
如圖10所示，晶體振盪器90於封裝體51之第1基板54上表面形成有包含Au等之內部連接端子89。
內置著振盪電路之IC晶片87收納於封裝體51之內部空間S，並使用接著劑等固定於第1基板54上表面。而且，於IC晶片87之上表面形成有包含Au等之IC連接墊82。
IC連接墊82藉由金屬導線88而與內部連接端子89連接。
內部連接端子89經由未圖示之導電圖案而連接於封裝體51之外底面上所形成之安裝端子59或電極部52。再者，IC晶片87與內部連接端子89之連接除了使用金屬導線88之連接方法以外，亦可使用覆晶安裝之連接方法等。
再者，封裝體51之內部空間S被氣密地密封。
晶體振盪器90根據來自外部之輸入，而自IC晶片87經由電極部52、未圖示之固定電極對晶體振動片1之激振電極30、31間施加交流電荷(參照圖3)。
藉此，晶體振動片1進行如圖1所示之彎曲振動。晶體振盪器90將藉由該彎曲振動而獲得之振盪信號經由IC晶片87、安裝端子59輸出至外部。
如上所述，由於第3實施形態之晶體振盪器90將晶體振動片1與IC晶片87收納於封裝體51之內部空間S，且封裝體51之內部空間S被氣密地密封，故而可提供發揮與第1實施形態相同之效果之振盪器。
再者，晶體振盪器90即便使用第1實施形態之變形例之晶體振動片101代替晶體振動片1，亦可提供發揮與第1實施形態相同之效果之振盪器。
再者，晶體振盪器90亦可為IC晶片87安裝於封裝體51之外部之構成(模組構造)。
再者，第3實施形態中，列舉晶體振盪器作為一例進行說明，但並非限定於此，例如，亦可為IC晶片87進而包括檢測電路等之壓力感測器、陀螺感測器等。
(第4實施形態)
以下，列舉作為第4實施形態之電子機器之行動電話作為一例進行說明。
圖11係表示第4實施形態之行動電話之模式立體圖。
第4實施形態之行動電話700係使用有第1實施形態或第1實施形態之變形例之晶體振動片之行動電話。
圖11所示之行動電話700係使用上述晶體振動片1(101)作為例如參考時鐘振盪源，還包括液晶顯示裝置701、複數個操作按鈕702、聽筒703、及話筒704而構成。
上述晶體振動片1(101)不限定用於上述行動電話，還可較佳地用於包括電子書、個人電腦、電視、數位相機、攝影機、錄影機、汽車導航裝置、尋呼機、電子記事簿、計算器、文字處理器、工作站、電視電話、POS(Point of Sale，銷售點)終端、觸控面板之機器等之參考時鐘振盪源等，任一情形均可提供發揮上述實施形態及變形例中所說明之效果之電子機器。
再者，作為振動片之材料並非限定於水晶，亦可為包括鉭酸鋰(LiTaO3 )、四硼酸鋰(Li2 B4 O7 )、鈮酸鋰(LiNbO3 )、鈦酸鋯酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)等之壓電體，或氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)等之壓電體作為覆膜之矽等半導體。
1、101．．．晶體振動片
10．．．基部
11．．．一方之主面
12．．．另一方之主面
20、21、121．．．振動臂部
20a、21a．．．一方之主面22、23與另一方之主面26、27之間的距離
20c．．．一方之面
20d．．．另一方之面
21c．．．作為伸縮面之一方之面
21d．．．作為伸縮面之另一方之面
22、23．．．一方之主面
24、25．．．第1槽部
24'、25'．．．第3槽部
24a、25a．．．第1槽部24、25之深度
24a'、25a'．．．第3槽部24'、25'之深度
24b．．．第1槽部24之一方之面20c側之面
24b'．．．第3槽部24'之一方之面20c側之面
25b．．．第1槽部25之一方之面21c側之面
25b'．．．第3槽部25'之一方之面21c側之面
26、27．．．另一方之主面
28、29．．．第2槽部
28'、29'．．．第4槽部
28a、29a．．．第2槽部28、29之深度
28a'、29a'．．．第4槽部28'、29'之深度
28b．．．第2槽部28之另一方之面20d側之面
28b'．．．第4槽部28'之另一方之面20d側之面
29b．．．第2槽部29之另一方之面21d側之面
29b'．．．第4槽部29'之另一方之面21d側之面
30、31．．．激振電極
51．．．封裝體
52．．．電極部
53．．．導電性接著劑
54．．．第1基板
55．．．第2基板
55a．．．延長部
56．．．第3基板
57．．．蓋體
58．．．接合材
59．．．安裝端子
80．．．晶體振動體
82．．．IC連接墊
87．．．IC晶片
88．．．金屬導線
89．．．內部連接端子
90．．．晶體振盪器
700．．．行動電話
701．．．液晶顯示裝置
702．．．操作按鈕
703．．．聽筒
704．．．話筒
D、E．．．箭頭
F、F1．．．中心線
G．．．間隔
S．．．內部空間
圖1係表示第1實施形態之晶體振動片之概略構成之模式立體圖。
圖2係圖1之模式平面圖。
圖3(a)係圖2之B-B線之剖面圖兼配線圖，圖3(b)係圖2之C-C線之剖面圖兼配線圖。
圖4係表示彎曲振動片之Q值之f/fm依存性之圖表。
圖5係表示RS/S與UZ/UX(Z移位/X移位)之相關關係之圖表。
圖6係表示L/A與RS/S之相關關係之圖表。
圖7係表示第1實施形態之變形例之晶體振動片之模式平面圖。
圖8係表示第2實施形態之晶體振動體之概略構成之模式平面圖。
圖9係圖8之模式剖面圖。
圖10係表示第3實施形態之晶體振盪器之概略構成之模式剖面圖。
圖11係表示第4實施形態之行動電話之模式立體圖。
1．．．晶體振動片
10．．．基部
11．．．一方之主面
12．．．另一方之主面
20、21．．．振動臂部
20c．．．一方之面
20d．．．另一方之面
21c．．．作為伸縮面之一方之面
21d．．．作為伸縮面之另一方之面
22、23．．．一方之主面
24、25．．．第1槽部
24'、25'．．．第3槽部
26、27．．．另一方之主面
28、29．．．第2槽部
28'、29'．．．第4槽部
D、E．．．箭頭

Claims (8)

  1. 一種振動片，其特徵在於包括基部、及自上述基部於第1方向延伸且彎曲振動之振動臂部；上述振動臂部包括一方之主面、及與上述一方之主面對向之另一方之主面，於上述一方之主面具有沿上述振動臂部之上述第1方向設置之第1槽部，於上述另一方之主面具有俯視時在與上述第1方向正交之第2方向上與上述第1槽部並列設置之第2槽部，於上述另一方之主面具有俯視時在上述第1方向上與上述第1槽部並列設置、且較上述第1槽部更靠上述基部側而設置之第3槽部，於上述一方之主面具有俯視時在上述第1方向與上述第2槽部並列設置、且較上述第2槽部更靠上述基部側而設置之第4槽部，上述第1槽部之深度與上述第2槽部之深度之和、及上述第3槽部之深度與上述第4槽部之深度之和，大於上述一方之主面與上述另一方之主面之間的距離。
  2. 如請求項1之振動片，其中於將上述第1槽部及上述第2槽部之上述第1方向之長度設為RS，且將上述第3槽部及上述第4槽部之上述第1方向之長度設為S時，S：RS=1：(2.2~2.8)。
  3. 如請求項1之振動片，其中於將上述第1槽部及上述第2槽部之上述第1方向之長度設為RS，將上述第3槽部及上述第4槽部之上述第1方向之長度設為S，將上述振動臂部之自根部至前端之長度設為A，且將上述RS與上述S之和設為L時，8.8992×(L/A)2 -3.3784×(L/A)+1.746≦RS/S≦1.3102×(L/A)2 +3.3784×(L/A)+0.854。
  4. 如請求項3之振動片，其中RS/S=5.1047×(L/A)2 -9×10-14 ×(L/A)+1.3。
  5. 如請求項1至4中任一項之振動片，其中上述振動片係包含水晶而成。
  6. 一種振動體，其特徵在於：其係使用有如請求項1至5中任一項之振動片者，且包括：上述振動片；及收納上述振動片之封裝體。
  7. 一種振盪器，其特徵在於：其係使用有如請求項1至5中任一項之振動片者，且包括：上述振動片；及使上述振動片驅動之電路元件。
  8. 一種電子機器，其特徵在於使用有如請求項1至5中任一項之振動片。
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