JP6375622B2 - 振動片、振動子、発振器、電子機器、センサーおよび移動体 - Google Patents

振動片、振動子、発振器、電子機器、センサーおよび移動体 Download PDF

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Description

本発明は、振動片、振動子、発振器、電子機器、センサーおよび移動体に関するものである。
HDD(ハード・ディスク・ドライブ)、モバイルコンピューター、あるいはICカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器等において、振動子や発振器等の電子デバイスが広く使用されている。
このような電子デバイスに用いられている一般的な振動片は、基部と、この基部から延出している1対の振動腕とを備える。このような振動片は、通常、水晶等のウエハーをエッチングすることにより、基部の一部が折り取り部を介して母材に繋がった状態で外形を形成した後に、その折り取り部を折り取ることによって得られる。
例えば、特許文献1に係る振動片では、基部の振動腕とは反対側の端部に折り取り部が配置されている。また、特許文献2に係る振動片では、基部の1対の振動腕が並ぶ方向の両端部に折り取り部が配置されている。
特開2010−278831号公報 特開2008−177723号公報
近年、このような振動片を搭載する各種機器の小型化が進展する中で、振動片自体も極力小型化することが要請されている。特に、振動腕の延出方向に沿った振動片の長さを短くすることが望まれている。
しかし、特許文献1、2に係る振動片では、十分に小型化を図ることができず、また、振動腕の延出方向に沿った基部の長さを単に短くすると、熱弾性損失が増大してしまうという問題があった。
特に、特許文献1に係る振動片では、基部の折り取り部の根元付近に凹部が形成されているため、振動腕の延出方向に沿った基部の長さを短くすると、この凹部があることによって、基部の長さが必要以上に短くなってしまう部分が形成され、その結果、熱弾性損失が増大する。この理由は、振動腕の延出方向に沿った長さが短くなった基部が、1対の振動腕が屈曲振動するときに、それに伴って屈曲振動するためであり、振動腕が接続されている一方の端部の周辺領域と、前記一方の端部とは反対側の他方の端部の周辺領域とにおいて、夫々伸びと縮み、あるいは縮みと伸びの変形が発生すると共に、伸びの発生した領域において温度低下が発生し、縮みの発生した領域においては温度上昇が発生し、これら温度差に起因する熱流によって、機械的に利用可能なエネルギーが減少することによる。さらに、特許文献1に係る振動片では、振動腕の延出方向に沿った基部の長さを短くすると、振動腕を屈曲振動させたときに、この凹部に歪みが集中するため、これに伴って基部の温度変化の増大により熱流が増大し、その結果、この点でも、熱弾性損失が増大する。また、特許文献1に係る振動片では、振動腕の延出方向に沿った基部の長さを短くすると、外部から衝撃が加わった際に、この凹部に応力が集中し、これを起点に破損するおそれがある。
本発明の目的は、振動腕の延出方向における振動片の小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減することができる振動片を提供すること、また、この振動片を備える振動子、発振器、電子機器、センサー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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本発明の振動片は、平面視で、第1端面と、前記第1端面とは反対側に位置する第2端面とを含む基部と、
平面視で前記第1端面から第1方向に沿って延出し、かつ、前記第1方向と交差する第2方向に沿って並んでいる1対の振動腕と、
を備える振動片であって、
平面視で前記基部の前記第2方向における両端部のうちの少なくとも一方の端部に設けられている突出部を備え、
前記第1端面と前記第2端面との最短距離をWb[m]とし、前記Wbの方向と同じ方向の幅を有する仮想梁を想定し、前記仮想梁が屈曲振動したときのQ値が、前記振動腕が屈曲振動したときの前記振動片全体のQ値と等しくなるように設定された前記仮想梁の幅をWe[m]とし、前記振動片のQ値をQとしたとき、下記式(A)および(B)を満足することを特徴とする。
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2
/(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]・・・・(A)
0.81≦Wb/We≦1.70・・・(B)
[但し、前記式(A)において、fは振動片の振動周波数[Hz]、ρは質量密度[kg/m3]、Cpは熱容量[J/(kg・K)]、cは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する弾性定数[N/m2]、αは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する熱膨張係数[1/K]、Θは環境温度[K]、kは前記Wbの方向に関する熱伝導率[W/(m・K)]である。]
このような振動片によれば、Wb/Weが0.81≦Wb/We≦1.70の関係を満足することにより、基部の小型化に起因する熱弾性損失を低減することができる。そのため、振動腕の延出方向における小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減することができる。
[適用例2]
本発明の振動片では、0.91≦Wb/We≦1.30を満足することが好ましい。
これにより、基部の小型化に起因する熱弾性損失を低減することができる。そのため、振動腕の延出方向における小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減することができる。
[適用例3]
本発明の振動片では、1.00≦Wb/We≦1.20を満足することが好ましい。
これにより、基部の小型化に起因する熱弾性損失を低減することができる。そのため、振動腕の延出方向における小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減することができる。
[適用例4]
本発明の振動片では、前記基部から延出している支持腕を備えていることが好ましい。
これにより、振動腕の屈曲振動によって生じた振動漏れを抑制することができる。そのため、高いQ値を有する振動片を得ることができる。
[適用例5]
本発明の振動片では、前記支持腕は、平面視で前記1対の振動腕の間に配置されていることが好ましい。
これにより、振動片を支持・固定する部分が振動片の中央部となるため、振動片の全長を短くすることができ、振動片の小型化が図れる。
[適用例6]
本発明の振動片では、前記振動腕は、平面視で、錘部と、前記錘部と前記基部との間に配置されている腕部と、を含むことが好ましい。
これにより、振動腕の長さを短くすることができ、その結果、振動片の全長を短くすることができる。また、腕部の幅を広くして熱弾性損失を低減することができる。
[適用例7]
本発明の振動片では、前記錘部は、前記腕部よりも前記第2方向に沿った幅が広いことが好ましい。
これにより、錘部の質量を効果的に大きくすることができる。そのため、振動片の小型化および熱弾性損失の低減を効率的に図ることができる。
[適用例8]
本発明の振動片では、平面視で、前記1対の振動腕の間の中心を通り、かつ、前記第1方向に沿った仮想線を設定したとき、
前記仮想線と前記突出部の先端との間の距離は、
平面視で、前記仮想線と前記錘部の前記第2方向の前記仮想線側とは反対側の端部との間の距離よりも短いことが好ましい。
これにより、第2方向における突出部の基部からの突出量を第2方向における錘部の基部からの突出量よりも少なくすることができる。そのため、第2方向の最大サイズを大きくすることなく突出部を設けることができる。
[適用例9]
本発明の振動子は、本発明の振動片と、
前記振動片が取り付けられている容器と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、小型で優れた特性を有する振動子を提供することができる。
[適用例10]
本発明の振動子では、前記振動片は、前記容器に接着剤またはバンプにより取り付けられていることが好ましい。
このように容器に対して取り付けられた振動片は、リード端子を介して接続する場合に比べて小型化に有利である。したがって、このような振動片を備える振動子に本発明を適用することで、小型で優れた特性を発揮することができる。
[適用例11]
本発明の発振器は、本発明の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、小型で優れた特性を有する発振器を提供することができる。
[適用例12]
本発明の電子機器は、本発明の振動片を備えていることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
[適用例13]
本発明のセンサーは、本発明の振動片を備えていることを特徴とする。
これにより、小型で優れた特性を有するセンサーを提供することができる。
[適用例14]
本発明の移動体は、本発明の振動片を備えていることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る振動片を示す平面図(上面図)である。 図1中のA−A線断面図である。 振動腕の屈曲振動時の熱伝導について説明するための図である。 Q値とf/fmとの関係を示すグラフである。 基部の第1方向に沿った実効幅Weを説明するための図である。 シミュレーション解析に用いた振動片を示す平面図である。 シミュレーション解析の条件と結果を示す表である。 図7に示す結果に基づくWb/WeとQ値との関係を示すグラフである。 従来の振動片を示す平面図である。 図1に示す振動片の電極構成および折り取り部を説明するための図であって、(a)は、上面図、(b)は、下面図(透視図)である。 (a)は、図10中のB−B線断面図、(b)は、(a)に示す折り取り部における折り取りを説明するための図である。 本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例1を示す平面図(上面図)である。 本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例2を示す平面図(上面図)である。 本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例3を示す平面図(上面図)である。 本発明の第2実施形態に係る振動片を示す平面図(上面図)である。 図15に示す振動片の折り取り部を説明するための図である。 図15に示す振動片の電極構成および折り取り部を説明するための図であって、(a)は、上面図、(b)は、下面図(透視図)である。 図15に示す振動片の折り取り部の変形例を説明するための図である。 図15に示す振動片の電極構成および折り取り部の変形例を説明するための図であって、(a)は、上面図、(b)は、下面図(透視図)である。 本発明の第2実施形態に係る振動片の変形例1を示す平面図(上面図)である。 本発明の第2実施形態に係る振動片の変形例2を示す平面図(上面図)である。 本発明の振動子の一例の概略構成を示す図であって、(a)は、平面図、(b)は、断面図である。 本発明の発振器の一例の概略構成を示す図であって、(a)は、平面図、(b)は、断面図である。 本発明の電子機器の第1例であるモバイル型(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。 本発明の電子機器の第2例である携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。 本発明の電子機器の第3例であるデジタ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である自動車の構成を示す斜視図である。
以下、本発明の振動片、振動子、発振器、電子機器、センサーおよび移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.振動片
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る振動片を示す平面図(上面図)、図2は、図1中のA−A線断面図である。
なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を適宜図示しており、X軸、Y軸およびZ軸が水晶の結晶軸であるX軸(電気軸)、Y軸(機械軸)およびZ軸(光学軸)にそれぞれ対応している。また、以下の説明では、X軸に平行な方向(第2方向)を「X軸方向」、Y軸に平行な方向(第1方向)を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向(第3方向)を「Z軸方向」といい、また、各図に図示されたX軸、Y軸およびZ軸の矢印の先端側を「+(プラス)」、基端側を「−(マイナス)」という。また、−Z軸方向側を「上」、+Z軸方向側を「下」という。また、以下の説明では、説明の便宜上、Z軸方向から見たときの平面視を単に「平面視」ともいう。
図1に示す振動片2は、基部4および1対の振動腕5、6を有する水晶基板3を備えている。また、図1では図示を省略しているが、振動片2は、水晶基板3上に形成された第1駆動用電極84および第2駆動用電極85を備えている(図2参照)。
水晶基板3は、Zカット水晶板で構成されている。これにより、振動片2は、優れた振動特性を発揮することができる。Zカット水晶板とは、水晶のZ軸(光学軸)を厚さ方向とする水晶基板である。なお、水晶のZ軸は、水晶基板3の厚さ方向と一致しているのが好ましいが、常温近傍における周波数温度変化を小さくする観点からは、厚さ方向に対して若干(例えば、15°未満程度)傾けることになる。
図1に示すように、水晶基板3は、基部4と、基部4から延出する1対の振動腕5、6と、を有している。
基部4は、X軸およびY軸に平行な平面であるXY平面に沿って広がり、Z軸方向を厚さ方向とする板状をなしている。この基部4は、+Z軸方向側の面が1対の接合材11を介して、図示しないパッケージに固定・支持される。
また、基部4は、−Y軸方向側の端部に設けられた縮幅部41と、+Y軸方向側の端部に設けられた縮幅部42と、を有している。1対の振動腕5、6間の中心を通り、かつ、Y軸方向に沿った仮想線Y1を設定したとき、縮幅部41、42のX軸方向に沿った幅は、基部4の中央部から離れるに従って、仮想線Y1に向かって漸減している。本実施形態では、縮幅部41、42の外縁(すなわち−Y軸方向に面する第1端面41a、+Y軸方向に面する第2端面42a)は、曲線状に形成されている。具体的には、縮幅部41、43の外縁は、仮想線Y1上に中心が設定された曲率が一定の円弧状に形成されている。
なお、水晶のエッチング加工時には、微視的に上記外縁が短い直線の連続した形状に見えるが、このような場合も曲線状に形成されているものとする。なお、この縮幅部41、42は、必要に応じて設ければよく、少なくとも一方を省略してもよい。
また本発明に係る振動片の縮幅部の輪郭は、平面視にて、曲線状や直線状の傾斜部に限定されず、複数の段差を有する階段状のステップで構成しても良い。
振動腕5、6は、X軸方向に並び、かつ、互いに平行となるように、それぞれ、基部4の第1端面41aから−Y軸方向に延出している。これら振動腕5、6は、それぞれ、長手形状をなし、基部4側の基端が固定端となり、基端から−Y軸方向にある先端が自由端となる。また、振動腕5、6の先端部には、錘部としてのハンマーヘッド59、69(錘部)が設けられている。なお、ハンマーヘッド59、69には、周波数調整用の金属層が設けられていてもよい。
図2に示すように、振動腕5は、XY平面で構成された互いに表裏の関係にある一対の主面51、52と、YZ平面で構成され、一対の主面51、52を接続する一対の側面53、54とを有している。また、振動腕5は、主面51に開口する有底の溝55と、主面52に開口する有底の溝56とを有している。溝55、56は、それぞれ、Y軸方向に延在している。このような振動腕5は、溝55、56が形成されている部分では、略H型の横断面形状をなしている。
振動腕5と同様に、振動腕6は、XY平面で構成された互いに表裏の関係にある一対の主面61、62と、YZ平面で構成され、一対の主面61、62を接続する一対の側面63、64とを有している。また、振動腕6は、主面61に開口する有底の溝65と、主面62に開口する有底の溝66とを有している。溝65、66は、それぞれ、Y軸方向に延在している。このような振動腕6は、溝65、66が形成されている部分では、略H型の横断面形状をなしている。
振動腕5には、1対の第1駆動用電極84と1対の第2駆動用電極85とが形成されている。具体的には、一方の第1駆動用電極84は、溝55の内面に形成されており、他方の第1駆動用電極84は、溝56の内面に形成されている。また、一方の第2駆動用電極85は、側面53に形成されており、他方の第2駆動用電極85は、側面54に形成されている。なお、図2は模式図であり、ウェットエッチングにより溝55、56、65、66を形成した場合では、水晶基板3など、基板の材料によってはエッチング速度の異方性により、図3の形状とは異なった略H型の横断面形状になる。
同様に、振動腕6にも、1対の第1駆動用電極84と1対の第2駆動用電極85とが形成されている。具体的には、一方の第1駆動用電極84は、側面63に形成されており、他方の第1駆動用電極84は、側面64に形成されている。また、一方の第2駆動用電極85は、溝65の内面に形成されており、他方の第2駆動用電極85は、溝66の内面に形成されている。
このような第1駆動用電極84と第2駆動用電極85との間に交番電圧を印加すると、振動腕5、6が互いに接近、離間を繰り返すように面内方向(XY平面方向)に所定の周波数で振動する。
第1駆動用電極84および第2駆動用電極85の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電材料により形成することができる。
以上、振動片2について簡単にその構成を説明した。
(熱弾性損失および小型化)
次に、振動片2の熱弾性損失および小型化について説明する。
図3は、振動腕の屈曲振動時の熱伝導について説明するための図、図4は、Q値とf/fmとの関係を示すグラフである。
振動片2は、機械的な振動周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなるように設定されている(f>f0)。これにより、振動片2は、断熱的領域において屈曲振動することとなる。
ここで、断熱的領域について概略を説明する。
振動片2は、前述したように、第1駆動用電極84と第2駆動用電極85との間に交番電圧を印加することにより振動腕5、6を面内方向に屈曲振動させる。その際、振動片2には、熱弾性損失が生じ得る。例えば、図3に示すように、振動腕5の屈曲振動の際、振動腕5の側面53が収縮すると側面54が伸張し、反対に、側面53が伸張すると側面54が収縮する。振動腕5がGough−Joule効果を発生しない(エネルギー弾性がエントロピー弾性に対して支配的な)場合、側面53、54のうち、収縮する面側の温度は上昇し、伸張する面側の温度は下降するため、側面53と側面54との間、つまり振動腕5の内部に温度差が発生する。このような温度差に起因して側面53と側面54との間に熱伝導が生じると、振動エネルギーの損失が発生し、これにより振動片2のQ値が低下する。このようなエネルギーの損失を熱弾性損失とも言う。
一般に、屈曲振動を行う振動体の熱弾性損失(屈曲振動する振動片の圧縮部における温度上昇と伸張部における温度低下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)は、屈曲振動モードの振動片において、振動数周波数fが緩和振動数fm=1/(2・π・τ)(ただし、式中πは円周率であり、eをネイピア数とすれば、τは温度差が熱伝導によりe-1倍になるのに要する緩和時間である)と等しくなったときに最大となる。
一般に、振動腕が平板構造である場合の緩和周波数f0は、下記式(1)で求まることが知られている。
f0=(π・k)/(2・ρ・Cp・a2)・・・(1)
ここで、πは円周率、kは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の熱伝導率[W/(m・K]、ρは振動腕の質量密度[kg/m3]、Cpは振動腕の熱容量[J/(kg・K)]、aは振動腕の振動方向(屈曲振動方向)の幅[m]である。
このQ値と周波数との関係を一般的に表すと、図4に示す線Cのようになる。図4において、Q値が極小になる周波数が熱緩和周波数f0である。
そして、振動腕が平板構造である場合には、f/f0=1を境にして、振動周波数fが熱緩和周波数f0よりも大きくなり、周波数比が1より高い領域(1<f/f0)が断熱的領域であり、周波数比が1より低い領域(1>f/f0)が等温的領域である。
また、振動腕の表裏の関係にある両主面(屈曲振動する方向と垂直な方向に面する2つの主面)のうち少なくとも一方に溝が形成されている構造の場合の熱緩和周波数をf1とすれば、f/f1=1を境にして、振動周波数fが熱緩和周波数f1よりも大きくなり、周波数比が1より高い領域(1<f/f1)が断熱的領域であり、周波数比が1より低い領域(1>f/f1)が等温的領域である。
なお、振動腕の表裏の関係にある両主面のうち少なくとも一方に溝が形成されている構造の場合には、屈曲振動する振動片の圧縮部における温度上昇と伸張部における温度低下との間で発生する熱の流れる経路は、平板構造の場合に比べて長くなるから、上述の緩和時間も長くなる。すなわち、熱緩和周波数f1は平板構造の熱緩和周波数f0に比べて小さくなる(f1<f0)。従って、f1<(f0×f1)1/2<f0の関係が成立つ。故に、振動腕が平板構造をしている場合には、f/f0の関係(断熱的領域)を満足することが好ましく、振動腕の表裏主面のうち少なくとも一方に溝が形成されている構造の場合には、f/f1の関係(断熱的領域)を満足することが好ましく、さらにはf>(f0×f1)1/2の関係を満たしていることが好ましく、f/f0の関係を満たしていることが最も好ましい。
この関係を満たすことにより、振動片2の振動腕5、6で発生する熱弾性損失が小さくなる。
なお、振動腕の表裏主面のうち少なくとも一方に溝が形成されている構造の場合には、振動腕の幅(屈曲振動する方向の長さ)から前記(1)式によって算出されるf0と振動周波数fとの関係が、f>f0を満たしていれば、自ずとf/f1の関係を満たすことになる。
また、基部4を小型化した場合、振動腕5、6が互いに離間と近接を交互に繰り返す屈曲振動をするのに伴い、基部4がY軸方向に変位する屈曲振動を生じる。そのため、基部4においても、熱弾性損失が生じ、その結果、振動片2のQ値の劣化の原因となる。
そこで、本発明者らは、振動片2の基部4における寸法と熱弾性損失との関係に着目し、振動腕5、6の屈曲振動に起因して生じる基部4の屈曲振動による熱弾性損失と、振動片2のQ値を基部4の屈曲振動に換算した熱弾性損失との関係を比較することに思い至った。
基部4において、Y軸方向に沿った基部4の長さ(以下、「基部4の幅」ともいう)が最も狭い部分は、最も剛性が低いために最も屈曲変形する。したがって、この部分の幅方向の両端部に圧縮の変形や伸長の変形が交互に加わることによって熱が発生してこれが拡散することで発生する熱弾性損失によるQ値の劣化が最も大きい部分である。
図5は、基部の第1方向に沿った実効幅Weを説明するための図である。
図5に示すように、最も幅の狭い部分の基部4の幅(基部4の第1端面41aと第2端面42aとの最短距離Wb)の方向と同じ方向の幅を有する仮想梁40を想定し、この仮想梁40の屈曲振動によるQ値が振動片2全体のQ値と等しくなるように設定された仮想梁40の幅を実効幅Weとして定義し、これと仮想梁40の屈曲振動における熱緩和周波数f0eについての関係式を建て、最短距離Wbと、実効幅Weとの比(Wb/We)の最適化を図ることによって、振動片2の小型化に伴うQ値の劣化の低減を図った。
下記式(2)は振動片2全体のQ値を表す式であり、下記式(3)は前記式(1)よりQ値が極小になる周波数である熱緩和周波数f0eを表す式である。
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(f/f0e) }/(f/f0e)]・・・(2)
f0e=(π・k)/(2・ρ・Cp・We2)・・・(3)
ここで、Weは実効幅(仮想梁の幅)[m]、fは振動片の振動周波数(振動片をパッケージに搭載した状態で得られる実際の振動周波数)[Hz]、f0eは振動片の実効的な熱緩和周波数(仮想梁の熱緩和周波数)[Hz]、Qは振動片のQ値(振動片をパッケージに搭載した状態で得られる実際のQ値)である。
この式(2)、(3)から下記式(A)が求まる。この式(A)から分かるように、Q値は、Weの関係式となる。
Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2
/(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]・・・(A)
また、以下の定数は、材料が決まれば(水晶のカット角が決まれば結晶軸との関係から)一義的に決定される定数であり、ρは質量密度[kg/m3]、Cpは熱容量[J/(kg・K)]、cはWbの方向と面内で直交する方向に関する弾性定数[N/m2]、αはWbの方向と面内で直交する方向に関する熱膨張係数[1/K]、Θは環境温度[K]、kはWbの方向に関する熱伝導率[W/(m・K)]である。
よって、式(2)、(3)において既知ではないものはWeのみであるから、この式(A)からは実効幅Weが算出されることになる。
次に、振動片2の基部4のWb寸法を変化させて振動片2のQ値とWeとの相関をシミュレーション(有限要素法)による数値解析を用いて調査し、Wb/Weの最適化を検討した。
図6は、シミュレーション解析に用いた振動片を示す平面図である。また、図7は、シミュレーション解析の条件と結果を示す表、図8は、図7に示す結果に基づくWb/WeとQ値との関係を示すグラフである。
本シミュレーションには、図6に示す振動片2Aを用いている。この振動片2Aが備える水晶基板3Aは、前述した基部4に代えて、基部4Aを備えている。この基部4Aは、縮幅部41、42を省略した以外は、基部4と同様である。
本シミュレーションにおける振動片2Aの各部の寸法は、以下のとおりである。
振動腕5、6の腕部50、60の長さ(Y軸方向に沿った長さ)L1=573[μm]
基部4Aの長さ(Y軸方向に沿った長さ)L2=Wb
ハンマーヘッド59、69の長さ(Y軸方向に沿った長さ)L3=137[μm]
腕部50、60の幅(X軸方向に沿った長さ)W1=40[μm]
ハンマーヘッド59、69の幅(X軸方向に沿った長さ)W2=255[μm]
振動片2A全体の幅(X軸方向に沿った長さ)W3=550[μm]
基部4および振動腕5、6の厚さ(Z軸方向に沿った長さ)T=130[μm]
溝55、56、65、66の深さt=60[μm]
また、本シミュレーションに用いた前記式(2)と前記式(3)における各パラメーターは、以下のとおりである。
ρ=2649[kg/m3
Cp=735.3718[J/(kg・K)]
α=α11=α22=1.37×10-5[1/K]
c=c11=c22=8.67×1010[N/m2
Θ=298.15[K]
k=8.47[W/(m・K)]
なお、水晶基板3AはZカット水晶板(カット角0度)であるため、α=α11=α22、c=c11=c22である。また、振動腕5、6の溝55、56、65、66の形状は、ウェットエッチング時の異方性を考慮した形状で解析した。
このようなシミュレーションにより図7および図8に示す結果を得た。図7および図8に示すように、基部4の最短距離Wbの寸法を25μm〜200μmまで変化させた場合、Q値は1,484〜9,018と大きく変化し、Wb/Weが約1以上でQ値が約8,500以上となり、Wb/Weが約1.3以上ではQ値が約9,000とほぼ一定になることが明らかとなった。
このような結果より、Wb/Weを0.81以上1.70以下の範囲とすること(すなわち、下記式(B)を満足すること)で、Wbを50μm〜116μmの範囲、Q値を6,672〜8,971の範囲、振動片の全長を760μm〜826μmの範囲とすることができる。これにより、発振回路でより安定な発振が可能なQ値(6,600以上)が得られ、かつ、Wb(=L2)が200μmであった全長(L1+L2+L3)910μmの従来設計の振動片に比べ、全長の9.2%〜16.5%の小型化が図れる。なお、このような結果は、縮幅部41、42を有する振動片2においても、同様である。
0.81≦Wb/We≦1.70・・・(B)
このように、前記式(A)および(B)を満足することにより、基部4の小型化に起因する熱弾性損失を低減することができる。そのため、振動腕5、6の延出方向における小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減することができる。また、0.91≦Wb/We≦1.30を満足することが好ましく、1.00≦Wb/We≦1.20を満足することがより好ましい。
Wb/Weを0.91以上1.30以下の範囲とすることで、Wbを60μm〜89μmの範囲、Q値を7,867〜8,882の範囲、振動片の全長を770μm〜799μmの範囲とすることができる。これにより、より優れたQ値(7,800以上)が得られ、かつ、従来設計の振動子に比べ、全長の12.2%〜15.4%の小型化が図れる。
Wb/Weを1.00以上1.20以下の範囲とすることで、Wbを約70μm〜80μmの範囲、Q値を約8,500〜8,800の範囲、振動片の全長を約780μm〜790μmの範囲とすることができる。これにより、さらに優れたQ値(8,500以上)が得られ、かつ、従来設計の振動子に比べ、全長の約13.2%〜14.3%の小型化が図れる。
なお、振動片2の振動周波数fが基部4を屈曲振動体と見做したときの熱緩和周波数f0bよりも高い断熱的領域において、Wb/Weは上記範囲にあることが好ましい。
ここで、f0bは、前記式(1)におけるaの代わりにWbを代入して得られる熱緩和周波数であり、下記式(5)で示すことができる。
f0b=(π・k)/(2・ρ・Cp・Wb2)・・・(5)
また、振動片2の振動周波数fがこの熱緩和周波数f0bよりも低い等温的領域においては、図4においてf0の代わりにf0bに置き換えて考えれば分るように、振動周波数fを固定して考えれば、熱緩和周波数f0bが大きい程、熱弾性損失が小さくなってQ値が大きくなる。つまり、熱緩和周波数f0bとは逆数の関係にある熱緩和時間が小さい程、即ち、熱の伝搬する経路として最短距離Wbが小さい程、熱弾性損失が小さくなってQ値が大きくなるので、Wb/Weが1.00以下の範囲にあることが好ましい。
以上のように、Wb/Weを最適化することによって、振動片2の小型化を図りつつ、熱弾性損失を低減し、優れたQ値を実現することができるという効果を得る。この効果は、基部4のX軸方向に沿った長さが基部4のY軸方向に沿った長さよりも長いと、基部4が屈曲しやすくなるため、顕著となる。
また、前述したようなWb/Weの最適化を図ることに加えて、図1に示すように、基部4のX軸方向における両端部のうちの一方の端部(+X軸方向側の端部)には、折り取り痕として突出部43が設けられている。これにより、前述したようなWb/Weの最適化を図ることによる効果が好適に発揮される。また、突出部43によって振動片2のY軸方向のサイズを大きくなることがない。
以下、突出部43について詳述する。
図9は、従来の振動片を示す平面図である。また、図10は、図1に示す振動片の電極構成および折り取り部を説明するための図であって、図10(a)は、上面図、図10(b)は、下面図(透視図)である。また、図11(a)は、図10中のB−B線断面図、図11(b)は、図11(a)に示す折り取り部における折り取りを説明するための図である。
図9に示す振動片2Xが備える基部4Xの振動腕5、6とは反対側の端部には、折り取り痕として突出部43Xが設けられている。また、基部4Xの突出部43Xの根元付近には、凹部44Xが形成されている。
このような振動片2Xでは、この凹部44Xがあることによって、基部4Xの最短距離Wbが必要以上に短くなってしまい、その結果、熱弾性損失が増大する。さらに、振動片2Xでは、振動腕5、6を屈曲振動させたときに、この凹部44Xに歪みが集中するため、これに伴って基部4Xの温度変化の増大により熱流が増大し、その結果、この点でも、熱弾性損失が増大する。また、振動片2Xでは、外部から衝撃が加わった際に、この凹部44Xに応力が集中し、これを起点に破損するおそれがある。
そこで、振動片2では、これらの問題を解決し、前述したようなWb/Weの最適化を図ることによる効果を好適に発揮させるべく、前述したように、基部4の+X軸方向側の端部に突出部43が設けられている。
また、仮想線Y1と突出部43のX軸方向の先端との間の距離Laは、平面視で、仮想線Y1とハンマーヘッド59、69のX軸方向の仮想線Y1側とは反対側の端部との間の距離Lbよりも短い。
これにより、X軸方向における突出部43の基部4からの突出量をX軸方向におけるハンマーヘッド59、69の基部4からの突出量よりも少なくすることができる。そのため、振動片2のX軸方向の最大サイズを大きくすることなく突出部43を設けることができる。また、所定の振動周波数、所定の長さの振動片2を得る場合、ハンマーヘッド59、69の幅を大きくすることによって低下する振動周波数を元に戻すように腕部50、60の幅(X軸方向長さ)を広くすることができるので、屈曲振動時に発生する熱が流れる経路を長くすることになり、結果としてハンマーヘッド59、69の幅を大きくすることによって、断熱的領域においては熱弾性損失を低減することができる。
このような突出部43を有する振動片2は、図10に示すように、水晶のウエハーをエッチングすることにより、基部4の一部が折り取り部300を介してウエハーの母材30に繋がった状態で外形を形成した後に、その折り取り部300を折り取ることによって得られる。突出部43は、この折り取り部300を折り取ることによって形成された折り取り痕である。
ここで、図示しないが、折り取り部300で折り取られる前の状態において、複数の振動片2がX軸方向に並んでいる。また、基部4の両面には、第1駆動用電極84同士を電気的に接続する配線86と、第2駆動用電極85同士を電気的に接続する配線87とが設けられている。また、母材30の一方の面上には、振動片2ごとに、検査用の1対の電極88、89が設けられている。折り取り部300で折り取られる前の状態において、電極88は、第1駆動用電極84に電気的に接続され、電極89は、第2駆動用電極85に電気的に接続されている。これにより、折り取り部300を折り取る前に、電極88、89を用いて、複数の振動片2をまとめて周波数調整等の検査・調整を行うことができる。この配線86、87および電極88、89は、第1駆動用電極84および第2駆動用電極85と一括して形成することができる。また、母材30に複数の振動片2が接続された状態で行う周波数調整は、所望の振動周波数に対して10%以内の範囲となるように調整するのが好ましく、さらに5%以内の範囲となるように調整するのが好ましい。このようにすることによって、小型化したときに特に顕著に発生する、エッチングによる形状のばらつきに起因した振動周波数のばらつきが大きくても、歩留まりが減少してしまうことを低減することができ、小型で周波数精度の高い振動片2を得ることができる。
折り取り部300は、母材30から突出する幅広部301と、幅広部301の先端部から突出する幅狭部302と、を有している。そして、幅狭部302の先端部に基部4が接続されている。このように、幅広部301よりも幅が狭い幅狭部302を設けることによって、折り取り部300を折り取る際に、幅狭部302に応力が集中しやすくなり、破断する箇所の製品ごとのバラツキを少なくするとともに、所望位置で局所的に折り取り部300を破断させて折り取ることができる。また、幅広部301は母材30から幅狭部302に向かって徐々に幅が狭くなっていることによって、母材30と幅広部301との境界近傍で破断されてしまう虞が増大することを低減し、且つ、X軸方向に隣り合って並んでいる図示しない振動片との間隔を狭くすることができるので、母材30から取得することのできる振動片2の数を増やすことが可能となる。
特に、本実施形態では、図10(a)および図11に示すように、幅狭部302の一方(電極88、89とは反対側)の面には、その幅方向にそって延びる溝303が形成されている。これにより、幅狭部302には、脆弱部となる薄肉部が形成されている。そのため、図11(b)に示すように、折り取り部300の上面側から外力を加えて折り取り部300を折り取る際に、幅狭部302の薄肉部で局所的に折り取り部300を破断させて折り取ることができる。また、折り取り痕である突出部43が大きくなるのを低減することができる。また、幅狭部302の電極88、89とは反対側の面に溝303を設けることによって、電極88、89と第1、2駆動用電極84、85との電気的接続を容易に行うことができる。
また、溝303は、幅狭部302の幅(Y軸方向の長さ)に対する溝303の幅(Y軸方向の長さ)と位置は特に限定されるものではないが、溝303は幅狭部302の幅方向での全域にわたって設けられていることが好ましい。こうすることにより、折り取り痕である突出部43の端面の形状が荒れるのを低減することができる。また、突出部43に起因して振動片2がX軸方向に大きくなるのを低減することができる。
また、溝303の基部4側の側面がウエハーの厚さ方向に対して傾斜角θをもって傾斜した傾斜面303aとなっている。これにより、溝303の基部4側の側面に形成された電極を垂直露光を用いて容易に断線させることができる。そのため、基部4の側面に形成された第1駆動用電極84と第2駆動用電極85との短絡を防止することができる。なお、溝303を形成しない場合、折り取り部300の表裏面のパターンニングにより第1駆動用電極84と第2駆動用電極85との短絡を防止することができる。
また、溝303の幅(X軸方向に沿った長さ)は、1μm以上100μm以下であることが好ましく、5μm以上50μm以下であることがより好ましい。これにより、溝303の形成を容易なものとしつつ、ウエハーにおける振動片2の取り個数を多く確保することができる。
また、幅狭部302の溝303によって形成される薄肉部の厚さは、幅狭部302全体の厚さに対して、10%以上70%以下であることが好ましく、30%以上60%以下であることがより好ましい。言い換えると、溝303の深さは、幅狭部302全体の厚さに対して、30%以上90%以下であることが好ましく、40%以上70%以下であることがより好ましい。これにより、折り取り痕となる突出部43が大きくなってしまうのを防止しつつ、幅狭部302の必要な強度を確保し、ウエハーをエッチングしている際に、振動片2が脱落してしまうのを防止することができる。
このような溝303は、ウェットエッチングを用いたハーフエッチングすることにより比較的簡単に形成することができる。また、振動腕5、6の溝55、56、65、66をエッチングにより形成する際に一括して溝303を形成することができる。そのため、溝303を形成することによる製造工程の増加が生じることもない。
また、溝303が基部4に対して+X軸方向側に配置されている。そのため、ウェットエッチングを用いたハーフエッチングすることにより、異方性を利用して、傾斜面303aを容易に形成することができる。
また、幅広部301が母材30からY軸方向に突出し、幅狭部302が幅広部301からX軸方向に突出している。これにより、ウエハーに複数の振動片2をX軸方向に効率的に並べることができる。
また、基部4には、前述したように、基部4の中央部から離れるに従って仮想線Y1に向かって幅が漸減している縮幅部41、42が設けられている。これにより、振動腕5、6の屈曲振動に起因して基部4に生じる変形が縮幅部41、42につっかえるようにして抑えられる。そのため、基部4を接着剤またはバンプによりパッケージに固定して振動片2をパッケージに取り付けた状態において、基部4から接着剤またはバンプを介したパッケージへの振動漏れを低減し、Q値を高めることができる。なお、縮幅部41、42による基部4の振動漏れ低減効果については、発明者らのシミュレーションを用いた解析により確認されている。
また、前述したように、振動腕5、6の先端部には、ハンマーヘッド59、69が設けられている。すなわち、振動腕5、6は、ハンマーヘッド59、69と、ハンマーヘッド59、69と基部4との間に配置されている腕部50、60と、を含んでいる。これにより、所定の振動周波数で振動する振動片2を得るには、ハンマーヘッド59、69が設けられていない場合にくらべて振動腕5、6の長さを短くすることができ、その結果、振動片2の全長を短くすることができる。また、所定の振動周波数、所定の長さの振動片2を得る場合、ハンマーヘッド59、69を設けることによって低下する振動周波数を元に戻すように腕部50、60の幅を広くすることができるので、屈曲振動時に発生する熱が流れる経路を長くすることになり、結果として、断熱的領域においては熱弾性損失を低減することができる。
また、ハンマーヘッド59、69は、腕部50、60よりも幅が広いため、ハンマーヘッド59、69の錘部としての質量を効果的に大きくすることができる。そのため、振動片2の小型化および熱弾性損失の低減を効率的に図ることができる。
また、ハンマーヘッド59、69の幅W2および腕部50、60の幅W1の比W2/W1は、4以上10以下であることが好ましく、5以上7以下であることがより好ましい。これにより、ハンマーヘッド59、69の不要振動の増大に伴う振動漏れの増加を低減しつつ、ハンマーヘッド59、69による熱弾性損失低減効果を高めることができる。これは、音叉型振動子における振動腕5、6の屈曲振動は、純粋な面内振動にするのは困難で基本的に捩れの運動が伴うので、ハンマーヘッド59、69の幅を大きくし過ぎると、捩れの運動が増大して基部4が±Z軸方向に振動してしまい、結果として基部4に設けられる接合材11を介して振動エネルギーが漏れることによる。
(第1実施形態の振動片の変形例)
以下、前述した第1実施形態に係る振動片の変形例を説明する。
図12は、本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例1を示す平面図(上面図)、図13は、本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例2を示す平面図(上面図)、図14は、本発明の第1実施形態に係る振動片の変形例3を示す平面図(上面図)である。
なお、以下では、第1実施形態の変形例について、前述した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。また、図12〜14では、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図12に示す変形例1の振動片2Bが備える水晶基板3Bは、前述した基部4に代えて、基部4Bを備えている。この基部4Bは、縮幅部41を省略した以外は、前述した基部4と同様である。このような振動片2Bにおいても、基部4Bの第1端面41bと第2端面42aとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Bの小型化を図りつつ、振動片2Bの熱弾性損失を低減することができる。
図13に示す変形例2の振動片2Cが備える水晶基板3Cは、前述した基部4に代えて、基部4Cを備えている。この基部4Cは、縮幅部42を省略した以外は、前述した基部4と同様である。このような振動片2Cにおいても、基部4Cの第1端面41aと第2端面42bとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Cの小型化を図りつつ、振動片2Cの熱弾性損失を低減することができる。
図14に示す変形例3の振動片2Dが備える水晶基板3Dは、前述した基部4に代えて、基部4Dを備えている。この基部4Dは、縮幅部41、42を省略するとともに、突出部43がX軸方向での両端部にそれぞれ設けられている以外は、前述した基部4と同様である。このような振動片2Dにおいても、基部4Dの第1端面41bと第2端面42bとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Dの小型化を図りつつ、振動片2Dの熱弾性損失を低減することができる。
<第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図15は、本発明の第2実施形態に係る振動片を示す平面図(上面図)である。また、図16は、図15に示す振動片の折り取り部を説明するための図である。また、図17は、図15に示す振動片の電極構成および折り取り部を説明するための図であって、図17(a)は、上面図、図17(b)は、下面図(透視図)である。
以下、第2実施形態について、前述した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。
第2実施形態は、支持腕を設けた以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図15〜17では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
図15に示す振動片2Eは、水晶基板3Eと、この水晶基板3E上に形成された第1駆動用電極84および第2駆動用電極85(図17参照)と、を備えている。
水晶基板3Eは、基部4Eと、基部4Eから延出している1対の振動腕5、6と、基部4Eから1対の振動腕5、6の間に延出している支持腕7と、を有している。
基部4Eは、+Y軸方向側の端部に設けられた縮幅部42Eを有している。
この基部4Eの+X軸方向側の端部には、折り取り痕として突出部43が設けられている。また、基部4Eの振動腕5、6とは反対側の端部には、振動漏れを抑制する縮幅部42Eが設けられている。一方、基部4Eの振動腕5、6側の端部には、支持腕7が延出している。
支持腕7は、基部4Eから−Y軸方向に延出しており、かつ、振動腕5、6の間に位置している。この支持腕7は、本体部71と、本体部71と基部4Eとを接続する接続部72とを有する。この支持腕7は、本体部71の+Z軸方向側の面が1対の接合材11を介して、図示しないパッケージに固定・支持される。
本実施形態では、接続部72のX軸方向に沿った幅は、本体部71のX軸方向に沿った幅よりも小さくなっている。これにより、基部4Eから本体部71への振動の伝達を抑制し、その結果、振動漏れをより小さくすることができる。なお、接続部72のX軸方向に沿った幅は、本体部71のX軸方向に沿った幅と同じであってもよいし、本体部71のX軸方向に沿った幅よりも大きい部分を有していてもよい。
また、本体部71は、平面視で、振動片2Eの重心Gを包含している。これにより、振動片2Eの重心Gに近い位置に固定部を設定することができるので、固定時の姿勢制御が容易になる。また、1対の振動腕5、6の間の空間を支持腕7の配置スペースとして有効利用することができ、その結果、振動片2Eの大型化を防止することができる。
また、支持腕7の先端は、振動腕5、6のハンマーヘッド59、69よりも+Y軸方向側(基部4E側)に位置している。そのため、振動腕5、60間の空間を支持腕7の配置スペースとして効果的に有効利用することができる。なお、支持腕7のY軸方向に沿った長さは、振動腕5、6のY軸方向に沿った長さと等しくてもよいし、振動腕5、6のY軸方向に沿った長さよりも長くてもよい。
このような振動片2Eにおいても、基部4Eの第1端面41cと第2端面42cとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Eの小型化を図りつつ、振動片2Eの熱弾性損失を低減することができる。
特に、振動片2Eでは、支持腕7が設けられていることによって、振動腕5、6の屈曲振動によって生じた振動漏れを抑制することができる。そのため、高いQ値を有する振動片2Eを得ることができる。
また、支持腕7が1対の振動腕5、6間に配置されていることにより、振動片2Eを支持・固定する部分が振動片2Eの中央部となるため、振動片2Eの全長を短くすることができ、振動片2Eの小型化が図れる。
また、振動片2Eは、図16および図17に示すように、水晶のウエハーをエッチングすることにより、基部4Eの一部が折り取り部300Eを介してウエハーの母材30Eに繋がった状態で外形を形成した後に、その折り取り部300Eを折り取ることによって得られる。突出部43は、この折り取り部300Eを折り取ることによって形成された折り取り痕である。
ここで、折り取り部300Eで折り取られる前の状態において、複数の振動片2EがX軸方向に並んでいる。また、基部4Eの両面には、第1駆動用電極84同士を電気的に接続する配線86Eと、第2駆動用電極85同士を電気的に接続する配線87Eとが設けられている。また、母材30Eの一方の面上には、振動片2Eごとに、検査用の1対の電極88E、89Eが設けられている。折り取り部300Eで折り取られる前の状態において、電極88Eは、第1駆動用電極84に電気的に接続され、電極89Eは、第2駆動用電極85に電気的に接続されている。
この折り取り部300Eは、前述した第1実施形態の折り取り部300と同様に構成することができる。
(折り取り部の変形例)
以下、第2実施形態の振動片2Eに用いる折り取り部の変形例を説明する。
図18は、図15に示す振動片の折り取り部の変形例を説明するための図である。また、図19は、図15に示す振動片の電極構成および折り取り部の変形例を説明するための図であって、図19(a)は、上面図、図19(b)は、下面図(透視図)である。
図18および図19では、振動片2Eが、水晶のウエハーをエッチングすることにより、基部4Eの一部が折り取り部300E1を介してウエハーの母材30E1に繋がった状態で外形を形成した後に、その折り取り部300E1を折り取ることによって得られる。 ここで、折り取り部300E1で折り取られる前の状態において、複数の振動片2EがY軸方向に並んでいる。また、基部4Eの両面には、第1駆動用電極84同士を電気的に接続する配線86Eと、第2駆動用電極85同士を電気的に接続する配線87Eとが設けられている。また、母材30E1の一方の面上には、振動片2Eごとに、検査用の1対の電極88E1、89E1が設けられている。折り取り部300E1で折り取られる前の状態において、電極88E1は、第1駆動用電極84に電気的に接続され、電極89E1は、第2駆動用電極85に電気的に接続されている。
この変形例に係る折り取り部300E1は、母材30からX軸方向に突出している。これにより、ウエハーに複数の振動片2EをY軸方向に効率的に並べることができる。
(第2実施形態の振動片の変形例)
以下、前述した第2実施形態に係る振動片の変形例を説明する。
図20は、本発明の第2実施形態に係る振動片の変形例1を示す平面図(上面図)、図21は、本発明の第2実施形態に係る振動片の変形例2を示す平面図(上面図)である。
なお、以下では、第2実施形態の変形例について、前述した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。また、図20、21では、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図20に示す変形例1の振動片2Fが備える水晶基板3Fは、前述した基部4Eに代えて、基部4Fを備えている。この基部4Fは、縮幅部42を省略するとともに、基部4Eの−Y軸方向側の端部に縮幅部41Fを設けた以外は、前述した基部4Eと同様である。このような振動片2Fにおいても、基部4Fの第1端面41dと第2端面42dとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Fの小型化を図りつつ、振動片2Fの熱弾性損失を低減することができる。
図21に示す変形例2の振動片2Gが備える水晶基板3Gは、前述した基部4Eに代えて、基部4Gを備えている。この基部4Gは、基部4Eの−Y軸方向側の端部に縮幅部41Fを設けた以外は、前述した基部4Eと同様である。このような振動片2Gにおいても、基部4Gの第1端面41dと第2端面42eとの最短距離Wbと実効幅Weとの関係が前述したような関係を満たすことにより、振動腕5、6の延出方向における振動片2Gの小型化を図りつつ、振動片2Gの熱弾性損失を低減することができる。
2.振動子
次に、本発明の振動片を適用した振動子について説明する。
図22は、本発明の振動子の一例の概略構成を示す図であって、図22(a)は、平面図、図22(b)は、断面図である。なお、図22(a)では、説明の便宜上、蓋部材の図示を省略している。
図22に示すように、振動子1は、前述した第1実施形態の振動片2と、振動片2を収容する容器としてのパッケージ9と、を備えている。
パッケージ9は、平面形状が略矩形で凹部911が設けられたパッケージベース91と、パッケージベース91の凹部911を覆う平板状のリッド(蓋体)92と、を備え、略直方体形状に形成されている。
パッケージベース91の構成材料としては、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体などのセラミックス系の絶縁性材料、水晶、ガラス、シリコン(高抵抗シリコン)等を用いることができる。
リッド92の構成材料としては、パッケージベース91と同材料、または、コバール、42アロイ等を用いることができる。
パッケージベース91の凹部911の内底面(内側の底面)には、振動片2の図示しない励振電極から基部4に引き出された端子電極としてのマウント電極(前述した基部4の+Z軸方向側の面に設けられた配線86、86)に対向する位置に、内部端子951、961が設けられている。
振動片2は、マウント電極が、金属フィラー等の導電性物質が混合された、エポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系、アクリル系、ビスマレイミド系等の導電性接着剤や、Au(金)、Al(アルミニウム)、半田バンプなどの金属バンプや、金属層や、樹脂製のコア上に金属配線を形成した樹脂バンプ等を用いた導電性の接合材11を介して内部端子951、961に接合されている。
このようにパッケージ9に対して接着剤またはバンプにより取り付けられた振動片は、リード端子を介して接続する場合に比べて小型化に有利である。したがって、このような振動片を備える振動子1に本発明の振動片2を用いることで、小型で優れた特性を発揮することができる。
パッケージベース91の凹部911とは反対側の外底面(外側の底面)には、電極端子952、962が設けられている。
電極端子952、962は、図示しない内部配線により内部端子951、961と電気的に接続されている。詳述すると、電極端子952は、内部端子951と電気的に接続さ、電極端子962は、内部端子961と電気的に接続されている。
このような内部端子951、961および電極端子952、962は、例えば、W(タングステン)、Mo(モリブデン)などのメタライズ層にNi(ニッケル)、Au(金)などの各被膜がメッキなどにより積層された構成の金属被膜からなる。
このようなパッケージベース91には、シームリング、低融点ガラス、接着剤等の接合部材93を介してリッド92が接合されている。これにより、パッケージベース91の凹部911が気密封止されている。この気密封止された空間は、振動片2の屈曲振動を阻害しないように、減圧された真空状態(真空度の高い状態)であることが好ましい。
なお、パッケージ9は、平板状のパッケージベースと凹部を有するリッド等から構成されていてもよいし、パッケージベースおよびリッドの両方に凹部を有していてもよい。
以上説明したような振動子1によれば、小型で優れた特性を有する。また、このような振動子1は、センサーとして用いることもでき、その場合、小型で優れた特性を有するセンサーを提供することができる。
3.発振器
次に、本発明の振動片を適用した発振器について説明する。
図23は、本発明の発振器の一例の概略構成を示す図であって、図23(a)は、平面図、図23(b)は、断面図である。
なお、以下、発振器について、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。また、図23では、前述した振動子と同様の構成については、同一符号を付している。
図23に示す発振器10は、前述した第1実施形態に係る振動片2と、振動片2を発振させる(駆動する)発振回路としてのICチップ80と、振動片2およびICチップ80を収容するパッケージ9と、を備えている。
パッケージベース91の凹部911の内底面には、凹状に形成されたICチップ80の収容部が設けられている。発振回路を内蔵するICチップ80は、パッケージベース91の収容部の底面に、図示しない接着剤などを用いて固定されている。
ICチップ80は、図示しない接続パッドが、Au(金)、Al(アルミニウム)などの金属ワイヤーにより収容部内の内部接続端子97と電気的に接続されている。
内部接続端子97は、W(タングステン)、Mo(モリブデン)などのメタライズ層に、Ni(ニッケル)、Au(金)などの各被膜がメッキなどにより積層された金属被膜からなり、図示しない内部配線を経由して、パッケージ9の外底面の四隅に設けられた電極端子94、内部端子951、961などと電気的に接続されている。
なお、ICチップ80の接続パッドと内部接続端子97との接続には、金属ワイヤーを用いたワイヤーボンディングによる接続方法以外に、ICチップ80を表裏反転させてフリップチップ実装による接続方法などを用いてもよい。
また、ICチップ80は、パッケージ9の外底面に設けられた凹部内に実装され、モールド材により封止されている構成としてもよい。
以上説明したような発振器10によれば、小型で優れた特性を有する。
4.電子機器
次いで、本発明の振動片を適用した電子機器について、図24〜図26に基づき説明する。
図24は、本発明の電子機器の第1例であるモバイル型(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100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、発振器10(振動片2)が内蔵されている。
図25は、本発明の電子機器の第2例である携帯電話機(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100が配置されている。このような携帯電話機1200には、発振器10(振動片2)が内蔵されている。
図26は、本発明の電子機器の第3例であるデジタ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、デジタルカメラ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。
デジタルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100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100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100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、このデジタルカメラ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、デー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(PC)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。このようなデジタルカメラ1300には、発振器10(振動片2)が内蔵されている。
以上説明したような電子機器によれば、優れた信頼性を有する。
なお、本発明の振動片を備える電子機器は、図24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25の携帯電話機、図26のデジタルカメラの他にも、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)、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、ページャー、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)、フライトシミュレーターなどに適用することができる。
5.移動体
図27は、本発明の移動体の一例である自動車の構成を示す斜視図である。
この図において、タイヤ2109を制御する電子制御ユニット2108に発振器10(振動片2)が内蔵され、車体2107に搭載されている。
自動車2106には、本発明に係る振動片を備える振動子や発振器が搭載されており、例えば、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:Antilock Brake System)、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などの電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)2108に広く適用できる。
以上説明したような移動体によれば、優れた信頼性を有する。
以上、本発明の振動片、振動子、発振器、電子機器、センサー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、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、例えば、上記実施形態および変形例では、振動片の振動基板の構成材料として水晶を用いた場合を例に説明したが、水晶以外の圧電体材料を振動片の振動基板の構成材料として用いることができる。振動片の振動基板としては、例えば、窒化アルミニウム(AlN)や、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、四ホウ酸リチウム(Li247)、ランガサイト(La3Ga5SiO14)などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウムや五酸化タンタル(Ta25)などの圧電体材料を積層させて構成された積層圧電基板、あるいは圧電セラミックスなどを用いることができる。
また、圧電体材料以外の材料を用いて振動片を形成することができる。例えば、シリコン半導体材料などを用いて振動片を形成することもできる。また、振動片の振動(駆動)方式は圧電駆動に限らない。例えば、本発明は、振動片の駆動方式として、圧電基板を用いた圧電駆動型のもの以外に、静電気力を用いた静電駆動型や、磁力を利用したローレンツ駆動型などを用いてもよい。
また、本発明に係る振動片は、ジャイロセンサー、圧力センサー、加速度センサー、傾斜センサー等の各種のセンサーに適用できることは言うまでもない。
また、基部に設けられた縮幅部は、基部の中央部から離れるに従って漸減していれば、前述した実施形態の形状、大きさ等に限定されない。例えば、縮幅部の幅が段階的(例えば階段状)に変化していてもよい。
1‥‥振動子
2‥‥振動片
2A‥‥振動片
2B‥‥振動片
2C‥‥振動片
2D‥‥振動片
2E‥‥振動片
2F‥‥振動片
2G‥‥振動片
2X‥‥振動片
3‥‥水晶基板
3A‥‥水晶基板
3B‥‥水晶基板
3B‥‥水晶基板
3C‥‥水晶基板
3D‥‥水晶基板
3E‥‥水晶基板
3F‥‥水晶基板
3G‥‥水晶基板
4‥‥基部
4A‥‥基部
4B‥‥基部
4C‥‥基部
4D‥‥基部
4E‥‥基部
4F‥‥基部
4G‥‥基部
4X‥‥基部
5‥‥振動腕
6‥‥振動腕
7‥‥支持腕
9‥‥パッケージ
10‥‥発振器
11‥‥接合材
23‥‥リッド
30‥‥母材
30E‥‥母材
30E1‥‥母材
40‥‥仮想梁
41‥‥縮幅部
41F‥‥縮幅部
41a‥‥第1端面
41b‥‥第1端面
41c‥‥第1端面
41d‥‥第1端面
42‥‥縮幅部
42E‥‥縮幅部
42a‥‥第2端面
42b‥‥第2端面
42c‥‥第2端面
42d‥‥第2端面
42e‥‥第2端面
43‥‥突出部
43X‥‥突出部
44X‥‥凹部
50‥‥腕部
51‥‥主面
52‥‥主面
53‥‥側面
54‥‥側面
55‥‥溝
56‥‥溝
59‥‥ハンマーヘッド
60‥‥腕部
61‥‥主面
62‥‥主面
63‥‥側面
64‥‥側面
65‥‥溝
66‥‥溝
69‥‥ハンマーヘッド
71‥‥本体部
72‥‥接続部
80‥‥ICチップ
84‥‥第1駆動用電極
85‥‥第2駆動用電極
86‥‥配線
86E‥‥配線
87‥‥配線
87E‥‥配線
88‥‥電極
88E‥‥電極
88E1‥‥電極
89‥‥電極
89E‥‥電極
89E1‥‥電極
91‥‥パッケージベース
92‥‥リッド
93‥‥接合部材
94‥‥電極端子
97‥‥内部接続端子
100‥‥表示部
300‥‥折り取り部
300E‥‥折り取り部
300E1‥‥折り取り部
301‥‥幅広部
302‥‥幅狭部
303‥‥溝
303a‥‥傾斜面
911‥‥凹部
951‥‥内部端子
952‥‥電極端子
961‥‥内部端子
962‥‥電極端子
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‥‥デジタルカメラ
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
2106‥‥自動車
2107‥‥車体
2108‥‥電子制御ユニット
2109‥‥タイヤ
La‥‥距離
Lb‥‥距離
W1‥‥幅
W2‥‥幅
W3‥‥幅
Wb‥‥最短距離
We‥‥実効幅
Y1‥‥仮想線
θ‥‥傾斜角

Claims (14)

  1. 平面視で、第1端面と、前記第1端面とは反対側に位置する第2端面とを含む基部と、
    平面視で前記第1端面から第1方向に沿って延出し、かつ、前記第1方向と交差する第2方向に沿って並んでいる1対の振動腕と、
    を備える振動片であって、
    平面視で前記基部の前記第2方向における両端部のうちの少なくとも一方の端部に設けられている突出部を備え、
    前記第1端面と前記第2端面との最短距離をWb[m]とし、前記Wbの方向と同じ方向の幅を有する仮想梁を想定し、前記仮想梁が屈曲振動したときのQ値が、前記振動腕が屈曲振動したときの前記振動片全体のQ値と等しくなるように設定された前記仮想梁の幅をWe[m]とし、前記振動片のQ値をQとしたとき、下記式(A)および(B)を満足することを特徴とする振動片。
    Q={(ρ・Cp)/(c・α2・Θ)}
    ×[{1+(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))2
    /(2・ρ・Cp・We2・f/(π・k))]・・・・(A)
    0.81≦Wb/We≦1.70・・・(B)
    [但し、前記式(A)において、fは振動片の振動周波数[Hz]、ρは質量密度[kg/m3]、Cpは熱容量[J/(kg・K)]、cは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する弾性定数[N/m2]、αは前記Wbの方向と面内で直交する方向に関する熱膨張係数[1/K]、Θは環境温度[K]、kは前記Wbの方向に関する熱伝導率[W/(m・K)]である。]
  2. 0.91≦Wb/We≦1.30を満足する請求項1に記載の振動片。
  3. 1.00≦Wb/We≦1.20を満足する請求項2に記載の振動片。
  4. 前記基部から延出している支持腕を備えている請求項1ないし3のいずれか1項に記載の振動片。
  5. 前記支持腕は、平面視で前記1対の振動腕の間に配置されている請求項4に記載の振動片。
  6. 前記振動腕は、平面視で、錘部と、前記錘部と前記基部との間に配置されている腕部と、を含む請求項1ないし5のいずれか1項に記載の振動片。
  7. 前記錘部は、前記腕部よりも前記第2方向に沿った幅が広い請求項6に記載の振動片。
  8. 平面視で、前記1対の振動腕の間の中心を通り、かつ、前記第1方向に沿った仮想線を設定したとき、
    前記仮想線と前記突出部の先端との間の距離は、
    平面視で、前記仮想線と前記錘部の前記第2方向の前記仮想線側とは反対側の端部との間の距離よりも短い請求項7に記載の振動片。
  9. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動片と、
    前記振動片が取り付けられている容器と、
    を備えていることを特徴とする振動子。
  10. 前記振動片は、前記容器に接着剤またはバンプにより取り付けられている請求項9に記載の振動子。
  11. 請求項1ないし8のいずれか1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。
  12. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動片を備えていることを特徴とする電子機器。
  13. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動片を備えていることを特徴とするセンサー。
  14. 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動片を備えていることを特徴とする移動体。
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