JP5013015B2 - 音叉型圧電振動子、発振器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、音叉型圧電振動子、発振器および電子機器の構造に関する。

従来、振動子である所謂、音叉型水晶振動子は、例えば図１１に示すように形成されていた。
図１１において、音叉型水晶振動片１０は、例えば共振周波数が３２．７６８ｋＨであり、これは高精度の振動子であるため、時計やその他の時計付き機器に広く用いられている。

具体的には、図１１に示すように、音叉型水晶振動片１０は、基部１１を有しており、この基部１１から図において上方に向かって振動細棒１２が２本設けられている。
この振動細棒１２，１２の各々の幅は、図示のように通常約０．２３ｍｍ程度であり、前記基部１１の幅は、図示のように通常約０．６９ｍｍ程度となっている。そして、この基部１１と振動細棒１２とを合わせた長さは、図示のように通常約３．６ｍｍ程度となっている。
また、この振動細棒１２，１２は、振動するため、図１２（図１２は、図１１のＡ−Ａ’概略断面である。）に示すように振動細棒１２の４辺に電極１３ａ及び電極１３ｂが形成されていた。すなわち、電極１３ａは、図において振動細棒１２の上部と下部に配置され、電極１３ｂは、振動細棒１２の両側部１３ｂ，１３ｂに配置されている。

ここで、電極１３ａと電極１３ｂに互いに交互に極性の異なった電圧が印加される。例えばある瞬間に、１３ａにプラスの電圧、１３ｂにマイナスの電圧が印加される。このように電圧が振動細棒１２に印加されることにより、振動細棒１２の内部には、図１２の矢印に示すように電界が発生する。
この電界によって、振動細棒１２の水晶が伸び縮みし、振動細棒１２が振動するようになっている。

このように振動をする音叉型水晶振動片１０は、図示しない保護器内に収容され、サーフェイスマウントデバイス（ＳＭＤ）等として、時計等の発振回路の発振源として用いられる。この場合のＳＭＤのパッケージとしては、例えば音叉型水晶振動子１０の長手方向に、約５ｍｍ程度、短手方向に約２ｍｍ程度のものが用いられている。
また、上述の音叉型水晶振動片１０の図１２における上下方向である厚みは、約０．１ｍｍ程度のものが用いられており、上述のＳＭＤのパッケージもこの音叉型水晶振動片１０の厚みに対応した厚みを有するようになっている。

ところで、このような音叉型水晶振動片１０は、安定した発振周波数（例えば３２．７６８ｋＨ）を維持することと、振動細棒１２の振動損失を抑えるため、低いＣＩ値（クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗Ｒｒ）を保持することが必要となっている。
一方、近年の時計や電子機器は、小型化の傾向にあり、音叉型水晶振動片１０も小型化が要請されている。この音叉型水晶振動片１０全体を小型化するには、振動細棒１２の図１１における上下方向である２．４ｍｍを更に短くする必要がある。このように、振動細棒１２を短くすると共振周波数が高くなり、所望の周波数より高い周波数と成ってしまう。
このため、振動細棒１２の幅（図１１においては、０．２３ｍｍ）を細くして共振周波数が上昇するのを防ぐ必要があった。

しかし、このように振動細棒１２の幅を狭くすると、振動細棒１２の振動損失であるＣＩ値が上昇してしまうという問題があった。
すなわち、図１３に示すように、振動細棒２２の幅（図において横方向）を狭くすると、電極２３ａの幅が大きくとれないため電界の加わる面積が減少する。すなわち図１２と比較して電界はその中央付近ほど弱まる（図では電界の強度を矢印の数で示した。すなわち矢印の数が多いほど電界強度は大きくなることを示している。）。
従って、電極２３ａと電極２３ｂとの間に生じた電界（図において矢印）は、図示のように振動細棒２２全体に分布しなくなり、図１２の振動細棒１２と同じ振動は生ぜず、小さくなってしまう。

一方、この振動損失であるＣＩ値の上昇を防ぐには、図１２に示す音叉型水晶振動片１０上下方向である厚み、例えば約０．１ｍｍ程度を、更に薄くする必要があるが、この場合、加工が著しく困難になり、製品の歩留りが悪化するという問題もあった。
本発明は、以上の点に鑑み、ＣＩ値を低く抑え、且つ加工が容易な小型の音叉型圧電振動子、発振器および電子機器を提供することを目的とする。

前記目的は、請求の範囲第１項の発明によれば、基部と、前記基部の第１の側面から突出する２本の振動細棒とを有し、水晶材料からなる音叉型圧電振動子であって、前記各振動細棒は、前記第１の側面の幅方向の両端より内側から突出し、幅が０．１ｍｍであり、長さが１．６ｍｍであり、前記各振動細棒の表面と裏面とには、溝が形成されており、前記各溝は、有底で、深さが０．０２ｍｍ以上０．０３５ｍｍ以下であり、幅が０．０７ｍｍであり、長さが１．３ｍｍであり、前記基部と前記振動細棒とを合わせた全長は、２．２ｍｍであることを特徴とする音叉型圧電振動子により、達成される。

また、好ましくは、請求の範囲第２項の発明によれば、請求の範囲第１項の構成において、前記各振動細棒の各溝には第１の電極が形成され、両側面には第２の電極が形成されており、前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ、１００Åの厚さを有しＣｒで構成された下層と、１０００Åの厚さを有しＡｕで構成された上層との２層で構成されている。

また、好ましくは、請求の範囲第３項の発明によれば、請求の範囲第１項または請求の範囲第２項の構成において、前記溝は、前記振動細棒と前記基部とに跨って形成されている。

また、請求の範囲第４項の発明によれば、請求の範囲第１項ないし請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を搭載した発振器である。

また、請求の範囲第５項の発明によれば、請求の範囲第１項ないし請求の範囲第３項のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を搭載した電子機器である。

第１の実施の形態に係る振動子の斜視図である。 図１の振動子の振動細棒の断面図である。 第２の実施の形態に係る電極なしの音叉型水晶振動子の斜視図である。 図３の音叉型水晶振動子に電極を付けた状態を示す音叉型水晶振動子の斜視図である。 図３の音叉型水晶振動子の寸法等を示す図である。 （ａ）は、図４の音叉型水晶振動子の振動細棒と電極の配置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）とは異なる、他の電極の配置状態の例を示す断面図であり、（ｃ）は、（ａ）及び（ｂ）とは異なる、他の電極の配置状態の例を示す断面図である。 貫通孔を有する振動細棒と電極の配置を示す概略断面図である。 音叉型水晶振動子における溝と大気中ＣＩとの関係を示す図である。 他の溝形成の例を示す斜視図である。 振動細棒に形成される溝の数を増加した例を示す断面図である。 従来の振動子の寸法等を示す図である。 従来の振動子の振動細棒の断面図である。 従来の振動子の振動細棒の幅を狭くした状態を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る振動子を示す図である。図１は、例として時計用に用いられる３２ＫＨｚの水晶で構成された音叉型の振動子（音叉型圧電振動子）１００の外観を示している。この振動子１００は、通常二本の振動細棒１２０と基部である固定部１３０とから構成されている。

固定部１３０は、パッケージとの固定や、電極を外部に取り出すためのパッド部分を形成するために設けられている。
二本の振動細棒１２０は、これらが互いに近づいたり離れたりする方向に振動する。この振動細棒１２０の表面と裏面のいずれかあるいは両方に溝１２０ａを形成する。溝１２０ａの形成方法は、振動子１００の材料を溶解することが可能なエッチング液を用いてフォトリソグラフィーを応用した加工等が用いられる。水晶製の振動子ならば、弗酸系のエッチング液で加工が可能である。

図１では溝１２０ａは固定部１３０の一部分まで形成されているが、振動子１００の特性と加工プロセスによってはこの限りではない。また溝１２０ａの長さであるが、できるだけ長く振動細棒１２０の長さすべてにわたって溝１２０ａを設けた方がＣＩ値は減少する。しかし、電極間容量は増加するため振動子の仕様に合わせて溝１２０ａの長さは調節される。また、電極の引き回し等の関係や、振動細棒１２０の先端に重りとなる材料を付着させ、周波数調整を行う必要がある場合には振動細棒１２０上のすべてにわたって溝１２０ａを設ける必要はない。

ここで溝１２０ａを設けることによって何故、特性が向上するかを説明する。
図２は、本実施の形態に係る振動子１００における振動細棒１２０の断面図である。
本実施の形態に係る振動細棒１２０では電界１６０は振動細棒１２０の深さ方向全体にわたって分布する。すなわち、電極１４０ａが溝１２０ａの中まで形成されているため電界１６０は深さ方向まで分布しやすくなる。この場合の溝１２０ａの深さは深い方が良い。

振動細棒が１００マイクロメートルの音叉型振動子で、基板（固定部及び振動細棒）の厚みが１００マイクロメートルの場合、等価直列抵抗（ＣＩ値）は大気圧中で測定したところ１ギガオームであった。振動細棒１２０の縁を１５マイクロメートル残し深さ２０マイクロメートルの溝１２０ａを振動細棒１２０の両面に形成した本実施の形態に係る音叉型の振動子１００では、大気中の等価直列抵抗（ＣＩ値）は６００キロオームとなり通常の音叉型振動子と変わらない特性を有する事がわかった。
電極１４０ａを深さ方向すべてにわたって形成できるならば、溝１２０ａは表面、裏面で繋がってしまっても良い。すなわち、振動細棒１２０にスリッドを入れたような構造であっても良い。
以上述べたように、本実施の形態によれば、振動子１００の厚さを薄くすることなく特性の良い振動子を供給することが可能となる。さらに厚さが従来のものと変わらないため取り扱いが容易で、歩留まりが落ちないという効果を有する。そして、小型で安価な振動子１００を供給することができる。

（第２の実施の形態）
図３は、第２の実施の形態に係る電極が設けられていない音叉型水晶振動子２００を示す概略斜視図である。
この音叉型水晶振動子２００は、例えば水晶の単結晶から切り出され音叉型に加工されて形成されている。このとき、図３に示すＸ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及び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ことになる。このように電気軸が図３のＸ軸方向に配置されることにより、高精度が要求される時計及び時計付き機器全般に好適な音叉型水晶振動子２００となる。
また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｘ軸回りに、Ｘ軸とＹ軸とからなるＸＹ平面を反時計方向に約１度乃至５度傾けた、所謂水晶Ｚ板として、音叉型水晶振動子２００が形成されることになる。

この音叉型水晶振動子２００は、上述の第１の実施の形態に係る音叉型の振動子１００と同様に、基部である固定部２３０と、この固定部２３０から図においてＹ軸方向に突出するように形成された例えば２本の振動細棒２２０とを有している。また、この２本の振動細棒２２０の第１及び第２の表面には、図３に示すように溝２２０ａがそれぞれ形成されている。

このように形成されている図３に示す音叉型水晶振動子２００には、図４に示すように第１の電極である電極２４０ａ、第２の電極である電極２４０ｂ、第３の電極である電極２４０ｃが配置されることになる。すなわち、電極を固定部２３０から振動細棒２２０にかけて配置するに際し、電極は振動細棒２２０の側面及び前記第１及び第２の表面には、それぞれ電極２４０ｂ，２４０ａが設けられている。また、電極２４０ａは、振動細棒２２０の溝２２０ａの内部にも設けられている。

このような電極２４０ａ，２４０ｂは、電極２４０ａ，２４０ｂ間に電界を発生させ、圧電体である振動細棒２２０を振動させるために設けられている。さらに、電極２４０ｃは、振動細棒２２０の二つの側面に形成された第２の電極、すなわち電極２４０ｂ同士を接続するために設けられたものである。
これらの電極２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃは、具体的には、複数層、例えば２層から成り、下地としてＣｒ、上層がＡｕから形成されている。この場合、Ｃｒの代わりにＮｉやＴｉ等を使用してもよい。
また、電極２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃとして、１層からなる場合もあり、このとき例えばＡｌ層が用いられる。この他にも、Ａｌ電極で表面を陽極酸化した電極やＣｒ電極１層で、このＣｒ層の上に保護膜としてＳｉＯ_２等を形成する電極も用いることができる。

本実施の形態では、電極２４０ａは、図４に示すように、溝２２０ａの内部に設けられているが、これに限らず溝２２０ａの複数箇所に分けて配置してもよく、また、溝２２０ａの側面又は底面にのみ形成されてもよい。
また、電極２４０ｂは、図４に示すように振動細棒２２０の側面に配置されているが、これに限らず、後述する図６（ａ）のように、この電極２４０ｂが振動細棒２２０の複数の面に形成されても良い。

以上のように形成されている音叉型水晶振動子２００は、例えば共振周波数が３２．７６８ｋＨであるにもかかわらず、従来の３２．７６８ｋＨの音叉型水晶振動子と比べ、小型となっている。例えば図５に示すように構成されている。
すなわち、図５に示す音叉型水晶振動子２００のＹ軸方向の長さは、例えば約２．２ｍｍ程度となっており、音叉型水晶振動子２００のＸ軸方向の幅は、約０．５６ｍｍ程度となっている。この寸法は、図１０の従来の音叉型水晶振動片１０の寸法である、３．６ｍｍ（Ｙ軸方向）、０．６９ｍｍ（Ｘ軸方向）と比べ著しく小さくなっている。
また、図５に示す振動細棒２２０のＸ軸方向の長さは、例えば約１．６ｍｍ程度であり、各振動細棒２２０のＸ軸方向の幅は、例えば０．１ｍｍ程度となっている。このような振動細棒２２０の大きさは、図１０に示す振動細棒１２の寸法である２．４ｍｍ（Ｙ軸方向）、０．２３ｍｍ（Ｘ軸方向）と比べ、著しく小さくなっている。

一方、この音叉型水晶振動子２００のＺ軸方向である音叉型水晶振動子の厚みは、例えば約０．１ｍｍ程度となっており、これは、従来の音叉型水晶振動子２００の厚みと略同様となっている。しかし、本実施の形態に係る音叉型水晶振動子２００の振動細棒２２０には、上述のように溝２２０ａが形成されており、この溝２２０ａは、振動細棒２２０上においてＹ軸方向に例えば約１．３ｍｍ程度の長さに形成されている。この溝２２０ａのＸ軸方向の幅は、図５に示すように例えば約０．０７ｍｍ程度であり、そのＺ軸方向の深さは、例えば約０．０２ｍｍ程度となっている。
さらに、このような小型の音叉型水晶振動子２００に配置される電極２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃの厚みは、例えば下層Ｃｒが１００Åで上層Ａｕが１０００Åと成っている。

次に、以上のような小型の音叉型水晶振動子２００の振動細棒２２０の断面を示したのが図６（ａ）である。図６（ａ）に示すように振動細棒２２０には溝２２０ａが図において上下方向にそれぞれ設けられているため、その断面形状が略Ｈ形に形成されている。そして、この２カ所の溝２２０ａには、それぞれ電極２４０ａが設けられている。また、振動細棒２２０の両側面にも電極２４０ｂがそれぞれ設けられている。

このような電極２４０ａ，２４０ｂは、図示しない電源に接続されているとともに、これらの電極２４０ａと電極２４０ｂには、それぞれ極性の異なる電圧が交互に印加されるようになっている。そして、例えば電極２４０ａにプラスの電圧を印加し、電極２４０ｂにマイナスの電圧を印加した場合、第１の実施の形態の図２の矢印のように電界が発生することになる。

この電界が生じることによって、振動細棒２２０は、振動し、この音叉型水晶振動子２００が用いられる例えば携帯電話やＩＣカードの発振源の部品として使用されることになる。
なお、上述のような振動細棒２２０に対する電極２４０ａ，２４０ｂの配置の態様は、図６（ａ）のような態様だけでなく、図６（ｂ）や図６（ｃ）のように構成してもよい。

また、本実施の形態では、振動細棒２２０に溝２２０ａを設けたが、これに限らず、この溝２２０ａを貫通孔としてもよい。この場合、貫通孔を有する振動細棒２２０’は、図７に示すように例えば電極２４０ａと電極２４０ｂが対向して配置される構成となる。図７は貫通孔を有する振動細棒２２０’の断面を示した概略図である。
さらに、この場合において、電極２４０ａをこの貫通孔のすべてに配置してよいが、これと異なり、電極２４０ａを、この貫通孔の複数箇所に分けて配置してもよい。

ところで、音叉型水晶振動子２００の小型化に伴って、上述のように、振動細棒２２０のＹ軸方向の長さを短くすると、共振周波数が高くなり、安定した共振周波数を維持できないという問題があるため、これを防ぐため、振動細棒２２０のＸ軸方向の幅を狭くする必要がある。しかし、この振動細棒２２０のＸ軸方向の幅を狭くすると、図１２に示すように電極２３ｂを大きくとれないため、電極２３ａと電極２３ｂとの間に生じる電界が振動細棒２２に深さ方向に一定で強く分布せず、電界の強度が小さくなり、これによって振動細棒２２の振動が弱くなり、振動損失が大きくなってしまっていた。

この振動損失は、ＣＩ値（クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗Ｒｒ）で示される。通常の音叉型水晶振動子のＣＩ値は、真空中で３０ＫΩ乃至６０ＫΩが好ましく、また、大気中でのＣＩ値を参考値として示せば４００ＫΩ程度となる。
本実施の形態に係る音叉型水晶振動子２００の振動細棒２２０に溝２２０ａを設けない場合のＣＩ値は、図８に示すように大気中で、１０００ＫΩとなり、上述の参考値である４００ＫΩを大きく上回っている。
このため、単に小型化された音叉型水晶振動子では、ＣＩ値が高くなり過ぎ、携帯電話やＩＣカード等の発振器に使用するには不適切であった。

しかし、本実施の形態では、図８に示すように溝２２０ａの深さを０．０２ｍｍ（２０μｍ）としたので、ＣＩ値が４２５ＫΩとなり、上述の好適値４００ＫΩに近似した値となるため、ＣＩ値は適正範囲に止まり、携帯電話やＩＣカード等の発振器に使用するのに好適になった。また、このように溝２２０ａを振動細棒２２０に形成するのは、振動細棒２２０自体の厚さを薄くする場合に比べ、格段に加工性に優れているため、製造される音叉型水晶振動子２００の歩留りが向上することになる。
なお、本実施の形態においては、加工の容易さ等に鑑み、溝２２０ａの深さを０．０２ｍｍとしたが、図８の表からも明らかなように溝２２０ａの深さが深い程、ＣＩ値は下がり、少なくとも０．０３５ｍｍの深さの場合は、３３３ＫΩとなった。この場合、少なくとも真空でのＣＩ値は４０ＫΩとなった。

このように本実施の形態では、振動細棒２２０に２カ所の溝２２０ａ，２２０ａを設け、電極２４０ａをそれぞれに配置したため、図１３に示す従来の振動細棒２２０の電極２３ａと異なり、電極２４０ａを大きく配置することができるため、第１の実施の形態の図２に示すように電界が振動細棒２２０の深さ方向に一定で強く分布し、振動損失を低く抑えることができることになる。この振動損失の低下は、図８に示すＣＩ値からも明らかである。
なお、本実施の形態では図６（ａ）に示すように振動細棒２２０にのみ溝２２０ａを設けたが、図９に示すように、振動細棒３２０と固定部３３０にかけて溝３２０ａを形成してもよい。この場合、溝３２０ａの中に振動による応力を閉じ込めることができるため振動子を固定した場合、周波数の変動を押さえることができる。

以上のように小型でＣＩ値が適正範囲にある３２．７６８ｋＨの音叉型水晶振動子２００，３００を小さなパッケージ、例えば３．２ｍｍ（Ｙ軸方向）、１．６ｍｍ（Ｘ軸方向）０．９ｍｍ（Ｚ軸方向）に入れることで、小型の携帯電話やＩＣカード等に用いることができるようになる。
また、本実施の形態では、３２．７３８ｋＨの音叉型水晶振動子２００を例に説明したが、１５ｋＨ乃至１５５ｋＨの音叉型水晶振動子に適用し得ることは明らかである。

さらに、本実施の形態では、図６に示すように、振動細棒２２０に溝２２０ａを２つ形成した場合について説明したが、図１０に示すように振動細棒４２０の上下に２つずつ溝を設け、それぞれに電極４４０ａを配置してもよい。
なお、上述の各実施の形態に係る音叉型の振動子１００及び音叉型水晶振動子２００は、小型の携帯電話やＩＣカードのみならず、他の電子機器であるジャイロ、携帯情報端末、さらに、テレビジョン、ビデオ機器、所謂ラジカセ、パーソナルコンピュータ等の時計内蔵機器及び時計にも用いられることは明らかである。
以上説明したように本発明によれば、ＣＩ値を低く抑え、且つ加工が容易な小型の振動子とすることができる。

このように、本発明は、音叉型圧電振動子、音叉型圧電振動子を搭載する発振器、音叉型圧電振動子を搭載する電子機器として用いるのに適している。

１００…振動子、１２０，２２０，２２０’，３２０，４２０…振動細棒、１２０ａ，２２０ａ，３２０ａ…溝、１３０，２３０，３３０…固定部、１４０ａ，２４０ａ，２４０ｂ，２４０ｃ，４４０ａ…電極、１６０…電界、２００，３００…音叉型水晶振動子、Ｒｒ…クリスタルインピーダンス又は等価直列抵抗。

Claims (5)

1. 基部と、前記基部の第１の側面から突出する２本の振動細棒とを有し、水晶材料からなる音叉型圧電振動子であって、
   前記各振動細棒は、前記第１の側面の幅方向の両端より内側から突出し、幅が０．１ｍｍであり、長さが１．６ｍｍであり、
   前記各振動細棒の表面と裏面とには、溝が形成されており、
   前記各溝は、有底で、深さが０．０２ｍｍ以上０．０３５ｍｍ以下であり、幅が０．０７ｍｍであり、長さが１．３ｍｍであり、
   前記基部と前記振動細棒とを合わせた全長は、２．２ｍｍであることを特徴とする音叉型圧電振動子。
2. 前記各振動細棒の各溝には第１の電極が形成され、両側面には第２の電極が形成されており、
   前記第１の電極および前記第２の電極は、それぞれ、１００Åの厚さを有しＣｒで構成された下層と、１０００Åの厚さを有しＡｕで構成された上層との２層で構成されている請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
3. 前記溝は、前記振動細棒と前記基部とに跨って形成されている請求項１または２に記載の音叉型圧電振動子。
4. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を備えることを特徴とする発振器。
5. 請求項１ないし３のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動子を備えることを特徴とする電子機器。

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