JP5533213B2 - 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、第１と第２の平行な振動アーム（以下、振動腕という）が延びるベース（以下、基部という）と、各振動腕の自由端を形成するフリッパー形状をした拡大部分（以下、錘部という）と、各振動腕の正面と裏面の少なくとも一方に形成された溝（以下、溝部という）と、を有し、この溝部が振動腕の自由端（先端）の方向に、錘部の開始点を越えて延びているピエゾ電子同調フォーク型共振器（以下、振動片という）が開示されている。

特開２００９−２７７１１号公報（図１）

特許文献１によれば、上記振動片は、振動腕に形成された溝部が振動腕の先端の方向に、錘部の開始点を越えて延びていることから、衝撃時の溝部における応力が分散し、耐衝撃特性が向上するとされている。
しかしながら、上記振動片は、実施例の平面視（特許文献１の図１参照）において、錘部の開始点である錘部と腕部（振動腕の本体部分）との結合部が鋭角に形成されていると共に、溝部における錘部側の端部が角張って形成されている。
これらにより、上記振動片は、衝撃時において、錘部と腕部との結合部及び溝部における錘部側の端部に応力集中が発生し、上記各部分から破損する虞がある。

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、基部と、前記基部から延出している少なくとも１本の振動腕と、含み、前記振動腕は、平面視で、腕部と、前記腕部の前記基部側とは反対側の先端側に位置し、前記腕部より前記延出方向と交差する方向に沿った幅が広い錘部と、互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくとも一方に、前記延出方向に沿って設けられている溝部と、を含み、平面視において、前記腕部の前記錘部との結合部の外縁が、前記腕部の前記交差する方向に沿った幅が前記錘部に近づくに連れて広がるように曲線であり、且つ、平面視において、前記溝部における前記錘部側の端部の、前記延出方向に沿った長辺と前記交差する方向に沿った短辺との接続部が、曲線であり、前記錘部は、平面視で、先端側の先端領域と、前記先端領域と前記腕部との間に配置され、前記先端領域よりも前記交差する方向に沿った幅が狭い狭幅部と、を含み、前記先端領域の前記交差する方向に沿った幅をＷ０、前記狭幅部の前記交差する方向に沿った幅をＷ１、前記腕部の前記交差する方向に沿った幅をＷ２としたとき、Ｗ２＜Ｗ１＜Ｗ０を満足していることを特徴とする。

これによれば、振動片は、平面視において、錘部と腕部との結合部が、腕部の幅が錘部に近づくに連れて広がるように曲線で形成されていると共に、溝部における錘部側の端部の長辺と短辺との接続部が、曲線で形成されている。
この結果、振動片は、衝撃時に錘部と腕部との結合部及び溝部における錘部側の端部に応力集中が発生し難い（応力集中が緩和される）ことから、応力集中による上記部分の破損を低減することが可能となる。
したがって、振動片は、耐衝撃特性を向上させることができる。
また、振動片は、錘部が先端側から基部側へ向かうに連れて、側面の段差により幅が狭くなる狭幅部を有しているため、狭幅部がない場合と比較して、錘部（狭幅部）と腕部との幅の差を小さくできることから、結合部の曲線の曲率を大きくすることが容易となる。 したがって、振動片は、結合部に、より応力集中を発生し難くさせる（より応力集中を緩和させる）ことができる。

［適用例２］上記適用例にかかる振動片において、前記溝部の前記錘部側の端部は、平面視で、前記結合部と重なっていることが好ましい。

これによれば、振動片は、溝部における錘部側の端部が、結合部にかかるように形成されている。
この結果、振動片は、結合部の曲線形状と溝部の端部の曲線形状との相乗効果によって、結合部周辺の応力集中がさらに発生し難い（応力集中が緩和される）ことから、応力集中に伴う上記部分の破損をさらに低減することが可能となる。
加えて、振動片は、上記溝部の端部が結合部にかかるように形成されていることから、上記溝部の端部が結合部を越えて錘部にかかる場合の錘部の慣性質量の減少によるＱ値（振動の状態を現す無次元数であって、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する）の低下と、上記溝部の端部が結合部に至らない場合（溝部の長さが短い場合）の熱弾性損失（屈曲振動する振動片の圧縮部と伸張部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）の増加と、を最も効率的に回避できる。

［適用例３］上記適用例にかかる振動片において、前記振動腕は、前記交差する方向に沿って並んでいる複数本の振動腕からなり、音叉を構成していることが好ましい。

これによれば、振動片は、振動腕を複数本備え、複数本の振動腕と、基部とを含んで音叉を構成することから、応力集中による破損を低減することが可能な音叉型振動片を提供できる。

［適用例４］本適用例にかかる振動子は、適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片と、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、適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片を備えたことから、耐衝撃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、適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。

これによれば、発振器は、適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片を備えたことから、耐衝撃特性を向上させることができる。

第１の実施形態の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Ｂ部拡大図。 変形例の振動片の概略構成を示す模式平面図。 第２の実施形態の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。そして、図２は、図１（ａ）のＢ部拡大図である。

図１、図２に示すように、振動片としての水晶振動片１は、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたウエハー状の水晶基板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィ技術を用いたウエットエッチングなどによって形成されている。

水晶振動片１は、略矩形状の基部１０と、基部１０から、互いに沿って延びる一対の振動腕１１と、基部１０を、振動腕１１の延びる方向に対して交差する方向（ここでは、略直交する方向）に切り欠いた一対の切り欠き部１２と、を備えている。
振動腕１１は、基部１０側に位置する腕部１３と、腕部１３より先端側に位置し腕部１３より幅が広い錘部１４と、互いに対向する両方の主面１５，１６に、振動腕１１の長手方向（振動腕１１の延びる方向）に沿って形成され、一対の振動腕１１の並ぶ方向に沿って切断した振動腕１１の断面形状（Ａ−Ａ線での断面形状）が、略Ｈ字状となる溝部１７と、を有している。

錘部１４は、先端側から基部１０側へ向かうに連れて、両側面に設けられた段差１４ａにより、先端側よりも幅が狭くなる狭幅部１４ｂを有している。
なお、側面の段差１４ａは、平面視において、幅の広い先端側と狭幅部１４ｂとを傾斜した直線で繋ぐように形成されているが、この直線に代えて曲線（例えば、円弧状の曲線）で形成されていてもよい。

水晶振動片１は、平面視において、錘部１４と腕部１３との結合部１８が、腕部１３の幅が錘部１４に近づくに連れて広がるように曲線（例えば、円弧状の曲線）で形成されている。
それと共に、水晶振動片１は、平面視において、溝部１７における錘部１４側の端部１７ａの、溝部１７の長手方向に延びる長辺１７ｂと長辺１７ｂに対して交差する方向（ここでは、略直交する方向）に延びる短辺１７ｃとの接続部１７ｄが、角張らないように曲線（例えば、円弧状の曲線）で形成されている。
なお、短辺１７ｃは、ここでは直線で表されているが、短辺１７ｃより基部１０側に中心が位置する円弧状の曲線でもよく、両方の接続部１７ｄの曲線の曲率によっては、長さが略０となってもよい。
また、上記各曲線は、異なる曲率の複数の円弧や、スプライン曲線から構成されていてもよい。

図２に示すように、水晶振動片１は、溝部１７における錘部１４側の端部１７ａが、結合部１８にかかるように形成されている。
換言すれば、錘部１４側の端部１７ａは、短辺１７ｃが結合部１８の範囲Ｌ（振動腕１１の延びる方向における、結合部１８を形成する曲線の始点から終点までの範囲）内に位置するように形成されている。

また、水晶振動片１は、錘部１４が狭幅部１４ｂを有しているので、狭幅部１４ｂの幅Ｗ１と腕部１３の幅Ｗ２との差が、狭幅部１４ｂが形成されない場合よりも小さくなっている。
これにより、結合部１８を形成する曲線の曲率は、狭幅部１４ｂの幅Ｗ１と腕部１３の幅Ｗ２との差が大きい場合、つまり狭幅部１４ｂが形成されない場合と比較して、結合部１８の範囲Ｌが同じであれば大きくなる。

図１（ａ）に戻って、水晶振動片１は、基部１０と、一対（２本）の振動腕１１とを含んで音叉を構成することで、音叉型振動片としての音叉型水晶振動片となっており、基部１０の一対の切り欠き部１２を挟んで振動腕１１側に対して反対側となる部分（切り欠き部１２より紙面下方の部分）が、パッケージなどの外部部材に、導電性接着剤などを用いて固定されるようになっている。

そして、水晶振動片１は、一対の振動腕１１に形成された図示しない励振電極に、基部１０に形成された図示しない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（一対の振動腕１１が互いに離れる方向）及び矢印Ｄ方向（一対の振動腕１１が互いに近づく方向）に交互に屈曲振動（共振）する。

この際、水晶振動片１は、振動腕１１に溝部１７が形成されていることで、屈曲振動によって発生する熱が、溝部１７によって拡散（熱伝導）し難くなるように構成されていることから、熱弾性損失を抑制できる。このとき、水晶振動片１は、溝部１７が長いほど熱弾性損失をより抑制できる。
また、水晶振動片１は、振動腕１１に錘部１４が形成されていることで、錘部１４の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果により、例えば、Ｑ値を維持しながら振動腕を短くすることができる。つまり、水晶振動片１は、錘部１４によってＱ値を維持しつつ、小型化を図ることができる。
加えて、水晶振動片１は、基部１０に一対の切り欠き部１２を有することで、振動腕１１の屈曲振動に伴う基部１０の振動を吸収し、外部への振動漏れを低減することができる。

上述したように、第１の実施形態の水晶振動片１は、平面視において、錘部１４と腕部１３との結合部１８が、腕部１３の幅が錘部１４（狭幅部１４ｂ）に近づくに連れて広がるように曲線で形成されている。
それと共に、水晶振動片１は、平面視において、溝部１７における錘部１４側の端部１７ａの、溝部１７の長手方向に延びる長辺１７ｂと、長辺１７ｂに対して交差する方向に延びる短辺１７ｃとの接続部１７ｄが、角張らないように曲線で形成されている。

これによって、水晶振動片１は、落下、衝突などによる衝撃が加わった時に、錘部１４と腕部１３との結合部１８及び溝部１７における錘部１４側の端部１７ａに応力集中が発生し難い（応力集中が緩和される）ことから、応力集中による上記部分の破損を低減することが可能となる。
したがって、水晶振動片１は、耐衝撃特性を向上させることができる。

また、水晶振動片１は、溝部１７における錘部１４側の端部１７ａが、結合部１８にかかるように形成されている。換言すれば、錘部１４側の端部１７ａは、短辺１７ｃが結合部１８の範囲Ｌ内に位置するように形成されている。

これにより、水晶振動片１は、結合部１８の曲線形状と溝部１７の端部１７ａの接続部１７ｄの曲線形状との相乗効果によって、結合部１８周辺の応力集中がさらに発生し難い（応力集中が緩和される）ことから、応力集中に伴う上記部分の破損をさらに低減することが可能となる。

加えて、水晶振動片１は、溝部１７における錘部１４側の端部１７ａが、結合部１８にかかるように形成されていることから、溝部１７の錘部１４側の端部１７ａが、結合部１８を越えて錘部１４（狭幅部１４ｂ）にかかる場合の錘部１４の慣性質量の減少によるＱ値の低下と、溝部１７の錘部１４側の端部１７ａが、結合部１８に至らない場合（溝部１７の長さが短い場合）の熱弾性損失の増加と、を最も効率的に回避できる。

また、水晶振動片１は、錘部１４が狭幅部１４ｂを有しているので、狭幅部１４ｂの幅Ｗ１と腕部１３の幅Ｗ２との差が、狭幅部１４ｂが形成されない場合よりも小さくなっている。
これにより、結合部１８を形成する曲線の曲率は、狭幅部１４ｂの幅Ｗ１と腕部１３の幅Ｗ２との差が大きい場合、つまり狭幅部１４ｂが形成されない場合と比較して、結合部１８の範囲Ｌが同じであれば大きくなる。
この結果、水晶振動片１は、結合部１８に、より応力集中を発生し難くさせる（より応力集中を緩和させる）ことができる。

また、水晶振動片１は、基部１０と、一対（２本）の振動腕１１とを含んで音叉を構成することから、応力集中による破損を低減することが可能な音叉型振動片としての音叉型水晶振動片を提供できる。

（変形例）
ここで、第１の実施形態の変形例について説明する。
図３は、変形例の振動片の概略構成を示す模式平面図である。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３に示すように、変形例の振動片としての水晶振動片２は、錘部１１４が、各腕部１３に対して腕部１３同士が対向する側の反対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、腕部１３同士が対向する側の、腕部１３の側面と錘部１１４の側面とが、狭幅部１１４ｂの側面を含めて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、結合部１８は、腕部１３と錘部１１４との、腕部１３同士が対向する側の反対側のみに形成されることになる。

上述したように、水晶振動片２は、錘部１１４が、各腕部１３に対して腕部１３同士が対向する側の反対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することができる。

（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振動子について説明する。
図４は、第２の実施形態の振動子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。

図４に示すように、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、耐衝撃特性が向上した水晶振動片１を備えていることから、耐衝撃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、同様の効果を奏することができる。

（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５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。

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５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、Ａｕ、Ａｌ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、耐衝撃特性が向上した水晶振動片１を備えていることから、耐衝撃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、同様の効果を奏することができる。

なお、上記各実施形態及び変形例において、水晶振動片１，２の溝部１７は、両主面１５，１６に形成されているが、両主面１５，１６の少なくとも一方に形成されていればよい。
また、水晶振動片１，２の振動腕１１の数は、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、一対の切り欠き部１２は、なくてもよい。
また、水晶振動片１，２は、基部１０から延びる外部接続用の保持腕を備えていてもよい。

なお、狭幅部１４ｂ，１１４ｂは、側面の段差１４ａが１段であることにより、各振動腕１１に１つとなっているが、側面の段差１４ａを複数段にして、各振動腕１１に複数設けてもよく、なくてもよい。
また、溝部１７における錘部１４，１１４側の端部１７ａは、結合部１８に至らなくてもよい（短辺１７ｃが結合部１８の範囲Ｌより基部１０側に位置していてもよい）。

なお、溝部１７における基部１０側の端部は、上記の錘部１４，１１４側の端部１７ａと同様の形状で形成されていることが好ましいが、この形状に限定するものではない。
また、腕部１３と基部１０との結合部は、錘部１４，１１４と腕部１３との結合部１８と同様に、腕部１３の幅が基部１０に近づくに連れて広がるように曲線で形成されていることが好ましいが、この形状に限定するものではなく、直線でテーパー状に形成されていてもよい。

なお、上記各実施形態及び変形例では、振動片を水晶としたが、これに限定するものではなく、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体を被膜として備えたシリコンなどであってもよい。

１，２…振動片としての水晶振動片、５…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、１１…振動腕、１２…切り欠き部、１３…腕部、１４…錘部、１４ａ…段差、１４ｂ…狭幅部、１５，１６…主面、１７…溝部、１７ａ…端部、１７ｂ…長辺、１７ｃ…短辺、１７ｄ…接続部、１８…結合部、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、１１４…錘部、１１４ｂ…狭幅部。

Claims (5)

1. 基部と、
   前記基部から延出している少なくとも１本の振動腕と、
   を含み、
   前記振動腕は、平面視で、
   腕部と、
   前記腕部の前記基部側とは反対側の先端側に位置し、前記腕部より前記延出方向と交差する方向に沿った幅が広い錘部と、
   互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくとも一方に、前記延出方向に沿って設けられている溝部と、
   を含み、
   平面視において、前記腕部の前記錘部との結合部の外縁が、前記腕部の前記交差する方向に沿った幅が前記錘部に近づくに連れて広がるように曲線であり、
   且つ、平面視において、前記溝部における前記錘部側の端部の、前記延出方向に沿った長辺と前記交差する方向に沿った短辺との接続部が、曲線であり、
   前記錘部は、平面視で、
   先端側の先端領域と、
   前記先端領域と前記腕部との間に配置され、前記先端領域よりも前記交差する方向に沿った幅が狭い狭幅部と、
   を含み、
   前記先端領域の前記交差する方向に沿った幅をＷ０、
   前記狭幅部の前記交差する方向に沿った幅をＷ１、
   前記腕部の前記交差する方向に沿った幅をＷ２としたとき、
   Ｗ２＜Ｗ１＜Ｗ０
   を満足していることを特徴とする振動片。
2. 請求項１において、
   前記溝部の前記錘部側の端部は、平面視で、前記結合部と重なっ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、
   前記振動腕は、前記交差する方向に沿って並んでいる複数本の振動腕からなり、音叉を構成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のいずれか一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発振器。

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