JP5607765B2 - 小型圧電音叉共振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電音叉共振器に関し、より詳細には寸法が小さい音叉共振器に関し、この共振器は、時計学、情報技術、電気通信および医療分野など多くの分野において、携帯式の電子機器用の周波数生成器を作成するのに最もよく使用されている。

このようなタイプの寸法が小さい圧電共振器は、従来技術としての米国特許第７，６２６，３１８号にすでに開示されている。本願添付の図１は、この従来技術として挙げた米国特許の図１を複写したものである。この図を参照すると、描かれている音叉共振器１は、基部４と、基部から延びる２つの振動アーム２、３で形成されていることを見ることができる。各々のアームは既知のやり方で、金属被覆された部分５、６を担持しており、これらの部分は、主要な対向する面にある中央電極と、各々のアームの側部に沿った側面電極を形成している。一方のアームにある中央電極は、他方のアームにある側面電極並びに発振回路の一方の端子に接続される。他方の中央電極と側面電極は、全く同じやり方で、発振回路の他方の端子に接続される。発振回路は、これらの電極を発振電流に曝すように構成された電気回路であり、この発振回路によってアームが所望の基本周波数で振動する。

各々のアームに溝７、８が設けられている。アームの厚みの中で溝の中に中央電極を配置することによって、圧電結合が増大する。同一の寸法を有する共振器の場合、結合作用が増大することによって、所与の共振器の品質係数に関する等価抵抗が減少し、その結果その電力消費が減少する。逆に等価抵抗が同一である場合、溝があることによって、共振器の寸法を削減することができる。事実上、溝を利用することで、同一の所与の共振器周波数を有する極度に小型化された共振器を製造することが可能になる。

しかしながら小型化には制限がある。当然のことながら、理論は、振動アームの長さがＬであり、アームの幅がＷである場合、基本の共振器周波数は、Ｗ／Ｌ²のように挙動する傾向にあることを示している。当然の結果として、所与の共振器周波数に関して、アームの長さが短くなるほど、その幅は狭くならなければならない。その結果、特定の寸法以下では、振動アームを相当狭くする必要があるため、弾性式に作用する圧電材料の体積の削減は、品質係数の許容不可能な低下と関連付けられる。それにも関わらず、より高度な小型化を達成するために、上記に言及した従来技術文献はさらに、振動アームが、フリッパー９、１０と呼ばれる拡大した部分で終わることを教示している。このフリッパーには、所与の長さに関して周波数を下げる効果があるため、同一の所与の周波数に関してより短いアームを有することが可能になる。

米国特許第７，６２６，３１８号

本発明の目的は、過度に品質係数を下げたり、等価抵抗を上げたりすることなく、従来技術の共振器より高度に小型化に準拠した圧電共振器を提供することである。

本発明は、添付の請求項１による圧電音叉共振器を提供することによって、上記に引用した目的を達成する。

本発明によると、圧電共振器は、連結部を介して特定の支持体に設置されるように意図されている。このような配置は、音叉形状部分が両方とも、その振動アームの一方の先端によって保持されることを示唆している。これは標準的なケースとは対照的であり、このケースによると、１つの音叉が中央で交差部を介して通常は保持されている。さらに各々の音叉形状部分の２つの振動アームが逆相で振動するため、同一の音叉形状部分の２つの振動アームが曲げられたとき、この全体の変位に対する２つのアームの個々の寄与率が足される。実際にはこれは、一方が振動する間、保持されていない振動アームの先端は、音叉が通常のやり方で、すなわち交差部によって保持されている場合よりもおおよそ２倍の先まで移動することを意味している。換言すると、音叉形状部分が一方のアームの先端によって保持されている場合、各々の音叉形状部分は、振動アームが１つの場合と同じ様式でおおよそ２倍の長さにわたって動作する。このような特徴は、音叉が中央で保持されるよく知られたケースと対照的であり、このケースでは２つのアームの個々の寄与率は互いに打ち消し合っている。

したがって本発明の利点は、同一の共振器周波数に関して、音叉形状部分のアームをおおよそ２倍短く作成することができることである。これは、共振器の長さの実質的な削減と解釈することができる。

本発明の他の特徴および利点は、以下の記載を読むことで明らかになると思われるが、このような記載は、単に非制限的な例という目的で提示されており、添付の図面を参照して作成されている。

従来技術の圧電音叉共振器を示す図である。 本発明の特定の一実施形態による圧電音叉共振器の平面図である。 図２の圧電音叉共振器の頂面図であり、２つのグループの電極を形成する金属被覆された部分を示す図である。 図２の圧電音叉共振器の底面図であり、２つのグループの電極を形成する金属被覆された部分を示す図である。 図２の共振器を二等分する面の長手方向断面の斜視図であり、共振器が特定のケースに設置されている図である。

本発明の例示の実施形態を、図２、３ａ、３ｂおよび４を参照して以下に記載する。この特定の実施形態において、圧電音叉共振器は、一般的な参照番号２１によって示されており、第１および第２の平坦な音叉形状部分を含んでいる。各々の音叉形状部分は、交差部からほぼ同一方向に延びる２つの振動アームを備えている。特に図２を参照すると、一方の音叉形状部分の振動アームは、２３ａおよび２５ａとして参照されており、他方の音叉形状部分の振動アームは、２３ｂおよび２５ｂとして参照されており、２つの音叉形状部分の交差部は２７ａおよび２７ｂとしてそれぞれ参照されていることを確認することができる。さらに図２に示されるように、２つの音叉形状部分は、同一面内に横並びに配置されている。本明細書での実施例の音叉形状部分は、対称的かつ互いに対して平行になるように配置されている。しかしながらこれは必ずしも本発明を限定するものではないことを理解されたい。さらに本例の共振器は、１つの部品の圧電材料、好ましくは水晶から作製されている。しかしながら他の実施形態によると、この組立体は代替として、例えばシリコンなどの非圧電材料から作製される場合もあり、圧電薄膜で被覆することができることも理解されたい。

本発明によると、第１および第２音叉形状部分は、連結部２９によって一緒に連結される。再び図２を参照すると描かれている例において、音叉形状部分は、この図面の対称軸の両側に配置されており、その連結部は、その中心に位置しており、対照軸にまたがっていることを見ることができる。連結部は、対称軸の片側にある振動アーム２５ａの先端と、他方側にある振動アーム２５ｂの先端の間に延在している。振動アーム２５ａと２５ｂは、以後内側の振動アームと呼ぶことにし、他方の振動アーム（２３ａおよび２３ｂとして参照される）は外側の振動アームと呼ぶことにする。現行の例では共振器２１はさらに、内側の振動アームの間に位置する中央アーム３１を備えている。この中央アームは、振動アームの面内にある連結部２９から、内側の振動アームからほぼ等距離に延在している。描かれる実施形態によると、中央アームの長さは、中央アームの遠位端が、２つの交差部２７ａと２７ｂと一直線になるように選択される。しかしながら共振器の代替の実施形態は、これより長い、あるいは好ましくはこれより短い中央アームを有する場合もあることを理解されたい。図面に示される中央アームは、振動アームよりも幅広であることが確認されるであろう。当然のことながら、中央アームの幅は好ましくは、振動アームの幅の少なくとも２倍である。また、外側の振動アーム（２３ａ、２３ｂ）は、連結部を超えて延在するフリッパー（３７、３９）で終わっており、このフリッパーの幅は、外側の振動アームの幅よりも大きく、さらに、フリッパーの横方向の端部は、外側の振動アームの端部と一直線になっている。

各々の振動アームの少なくとも１つの上方および下方の主要な面に、溝３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂが形成される。図２は、各々の溝が、交差部分２７ａおよび２７ｂの一方の内側から始まって、１つのアームの全長に沿って延びていることを示している。図３ａおよび３ｂに示されるように、音叉形状部分と連結部２９はさらに、金属被覆された部分、すなわち導電性の堆積物を担持しており、この部分は、図１の共振器のものと同様の２つのグループの電極を形成する。このような２つのグループの電極によって、アーム２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂの圧電材料を電場に曝すことで、アームを基本周波数と呼ばれる所望の周波数で振動させることが可能になる。両方のグループの電極は、アームの頂部および底部の主要な面の溝の中に形成される中央電極と、アームの側部に沿った側面電極を備えている。さらに図３ａおよび３ｂを参照すると、交差部分２７ａ、２７ｂおよび連結部２９に形成された金属被覆された堆積物は、一方のアームに位置する中央電極を別のアームに位置する側面電極に接続するように機能する、あるいはその逆も同様であることを理解するであろう。より具体的には、特定の音叉形状部分（音叉形状部分「ａ」と呼ばれる）の交差部分２７ａに形成された導電経路４２ａ、４４ａが、音叉形状部分の外側の振動アーム２３ａに配置された中央電極を音叉形状部分の内側の振動アーム２５ａに配置された側面電極に接続する。逆に交差部分２７ａにある導電経路４６ａ、４８ａは、外側の振動アーム２３ａに配置された側面電極を、内側の振動アーム２５ａに配置された中央電極に接続する。全く同じやり方で、他方の音叉形状部分の交差部分２７ｂに形成された導電経路４２ｂ、４４ｂ、４６ｂ、４８ｂは、音叉形状部分「ｂ」の振動アームに配置された中央電極と側面電極を接続する。

さらに図３ａおよび３ｂを参照すると、連結部２９は、導電経路５０と４９を担持しており、これらはその頂部および底部側にそれぞれ見ることができることに気付くであろう。これらの２つの導電経路の一方は、一方の音叉形状部分の内側の振動アームにある中央電極を他方の音叉形状部分の内側の振動アームにある側面電極に接続する働きをしていることを理解するであろう。全く同じやり方で、他方の導電経路は、内側の振動アームに位置する他方の中央電極と側面電極を接続するように機能する。図３ｂはさらに、中央アームが、その底部側に２つの導電接続パッド５１、５２を担持するのを示している。導電接続パッド５１、５２は、導電経路（５４および５６としてそれぞれ参照される）によって１つのグループの電極にそれぞれ接続される。より具体的には導電経路５４は、接続パッド５１を導電経路４９に接続し、導電経路５６は、接続パッド５２を導電経路５０に接続する。

ちょうど記載されている電極と導電経路は、アーム２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂをたわみモードで振動させるように配置されている。しかしながらそれらは代替として、アームを同一モードで、あるいは別のモード（捩り、剪断など）で振動させるように適合された異なる構成で配置される場合もある。

図４は、図２の共振器を二等分する面の長手方向断面の斜視図である。図４は、特定のケースに共振器を設置する方法を示している。このケース（５８として参照される）は矩形形状であり、その半分のみが示されている。それは、平坦な底部６０と４つの側面６２よって形成された主要部と、カバー（図示せず）を含んでいる。カバーは、共振器２１がこのケース（５８）の中に設置された後、主要部分の上に真空半田付けされるように設計されている。ケース内への共振器の設置は、その接続パッド５１、５２を、ケースの底部６０に形成された各々の導電スタッド６４、６６に対して半田付けまた接着することによって実現される。さらに図４を参照すると、このスタッド６４、６６は、平坦な底部６０に形成された内部経路６８、７０を利用して、ケースの外側の接触パッド７２、７４に電気的に接続されることを確認することができる。上記の記載から、本実施例のケースの平坦な底部が、共振器を設置する特定の支持体として機能することを理解するであろう。

記載される例によると、スタッド６４、６６は金バンプである。しかしながらスタッドは、これと異なるように作製される場合もあることを理解されたい。例えばこのようなスタッドは、平坦な底部６０に接着された小さなセラミック部品によって形成される場合もある。この場合共振器の接続パッド５１、５２をその後、導電性の接着剤を使用してこのようなセラミック部品に接着させることができ、これはセラミック部品の少なくとも一部を内部に封入するため、セラミック部品の頂部に位置するスタッド５１、５２と、セラミック部品の基部に位置する内部経路６８、７０の間を確実に電気接続することになる。

また共振器２１のような共振器の長さは単に、図１に示されるもののような共振器の長さと比べてかなり短くなるだけではないことにも留意されたい。この共振器の長さと幅の比率もまた、共振器をＳＭＤタイプのケースに設置するのにより適している。このような比率はさらに、共振器を正方形のケースに設置し、スタッド６４、６６およびパッド５１、５２の好適な配置、例えばＬ字構造を選択することによって、かつそれらを例えばこのＬ字が正方形を形成するように適切に配置することによって、そのケースを製造し易くすることができるように計算することができ、共振器を４つの異なる配置でケース内に配置することが可能になる。このような特徴によって、共振器を自動的に設置し易くすることができる。

Claims (10)

1. 特定の支持体（６０）に設置される、共通の面内に配置された第１および第２の平坦な音叉形状部分を含む圧電音叉共振器（２１）であって、前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分はそれぞれ、内側の振動アーム（２５ａ、２５ｂ）と、外側の振動アーム（２３ａ、２３ｂ）と、交差部（２７ａ、２７ｂ）を含んでおり、前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分それぞれの前記内側および前記外側の振動アームは、前記交差部から互いに対してほぼ平行に延び、前記内側および前記外側の振動アームを逆相に振動させるように構成された電極を担持しており、前記電極が接続パッド（５１、５２）に接続された前記圧電音叉共振器（２１）において、
   連結部（２９）を介して前記支持体に設置されるように意図されており、前記連結部は、前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分の前記内側の振動アーム（２５ａ、２５ｂ）の先端を接続するように配置されることで、前記第１の平坦な音叉形状部分と前記第２の平坦な音叉形状部分を併せて連結し、
   前記外側の振動アーム（２３ａ、２３ｂ）は、前記連結部を超えて延在するフリッパー（３７、３９）で終わっており、前記フリッパーの幅は、前記外側の振動アームの幅よりも大きく、前記フリッパーの横方向の端部が、前記外側の振動アームの端部と一直線になっており、
   前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分が担持する前記電極は、前記連結部を介して相互に接続されることで、前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分の前記外側の振動アームを逆相に振動させることを特徴とする圧電音叉共振器。
2. 前記内側および前記外側の振動アームはそれぞれ、上方の主要な面と、下方の主要な面と、前記上方の主要な面と前記下方の主要な面の間に延在する２つの側面を有しており、前記電極は、前記内側および前記外側の振動アームの前記上方および前記下方の主要な面に配置された中央電極と、前記内側および前記外側の振動アームの側部に配置された側面電極であり、前記第１の平坦な音叉形状部分の前記外側の振動アーム（２３ａ）に配置された前記中央電極は、前記第１の平坦な音叉形状部分の前記内側の振動アーム（２５ａ）に配置された前記側面電極と、前記第２の平坦な音叉形状部分の前記内側の振動アーム（２５ｂ）に配置された前記中央電極と、前記第２の平坦な音叉形状部分の前記外側の振動アーム（２３ｂ）に配置された前記側面電極に接続され、前記第２の平坦な音叉形状部分の前記外側の振動アーム（２３ｂ）に配置された中央電極は、前記第２の平坦な音叉形状部分の前記内側の振動アーム（２５ｂ）に配置された前記側面電極と、前記第１の平坦な音叉形状部分の前記内側の振動アーム（２５ａ）に配置された前記中央電極と、前記第１の平坦な音叉形状部分の前記外側の振動アーム（２３ａ）に配置された前記側面電極に接続される請求項１に記載の圧電音叉共振器。
3. 前記第１および前記第２の平坦な音叉形状部分は、対称的かつ互いに対して平行に配置される、請求項１に記載の圧電音叉共振器。
4. 単一の水晶結晶板から作製される、請求項１に記載の圧電音叉共振器。
5. 少なくとも１つの溝 (３３ａ， ３３ｂ， ３５ａ， ３５ｂ)は、各々の振動アームの前記上方および前記下方の主要な面の少なくとも１つに形成される、請求項２に記載の圧電音叉共振器。
6. 前記溝の深さは、深さ方向で前記振動アームの厚みの１５％から５０％である、請求項５に記載の圧電音叉共振器。
7. 前記連結部（２９）に装着される中央アーム（３１）は、前記内側の振動アーム（２５ａ、２５ｂ）の間にこれらのアームから等距離に位置する、請求項１から６のいずれか一項に記載の圧電音叉共振器。
8. 前記接続パッド（５１、５２）は前記中央アーム（３１）に担持される、請求項７に記載の圧電音叉共振器。
9. 前記中央アーム（３１）は、前記内側および前記外側の振動アームの少なくとも２倍の幅である、請求項８に記載の圧電音叉共振器。
10. 前記圧電音叉共振器を前記支持体（６０）へ設置することは、前記接続パッド（５１、５２）を前記支持体の頂部面に形成された各々の導電スタッド（６４、６６）に対して半田付けまたは接着することによって実現される、請求項９に記載の圧電音叉共振器。

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