KR101148661B1 - 진동편, 진동자, 발진기, 및 전자 기기 - Google Patents

진동편, 진동자, 발진기, 및 전자 기기 Download PDF

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다카시 야마자키
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 열 탄성 손실에 기인하는 Q값 저하의 억제를 도모하고, 굴곡 진동의 효율을 향상시키는 진동편의 제공하는 것이다.
[해결 수단] 진동 완부(20, 21)는 일방의 주면(22, 23)에 진동 완부(20, 21)의 제1 방향을 따라서 마련된 제1 구부(24, 25)를 가지고, 타방의 주면(26, 27)에 제1 구부(24, 25)와 제2 방향으로 나란히 마련된 제2 구부(28, 29)와, 제1 구부(24, 25)와 제1 방향으로 나란히 마련되고, 또한 제1 구부(24, 25)로부터 기부(10)측에 마련된 제3 구부(24', 25')를 가지고, 일방의 주면(22, 23)에 제2 구부(28, 29)와 제1 방향으로 나란히 마련되고, 또한 제2 구부(28, 29)로부터 기부(10)측에 마련된 제4 구부(28', 29')를 가지고, 제1 구부(24, 25)의 깊이와 제2 구부(28, 29)의 깊이의 합, 및 제3 구부(24', 25')의 깊이와 제4 구부(28', 29')의 깊이의 합이 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27) 사이의 거리보다 크다.

Description

진동편, 진동자, 발진기, 및 전자 기기{VIBRATING REED, VIBRATOR, OSCILLATOR, AND ELECTRONIC APPARATUS}
본 발명은 진동편, 진동자, 발진기, 및 전자 기기에 관한 것이다.
종래, 진동편의 일례로서의 압전 진동편(壓電 振動片)을 소형화하면 Q값이 작아지고, 진동이 저해된다는 것이 알려져 있다.
상술하면, 압전 진동편은 굴곡 진동에 의한 탄성 변형에 수반하여, 수축하는 면의 온도가 상승하고, 신장(伸張)하는 면의 온도가 하강하는 것에 의해 내부에 온도차가 생긴다. 이로 인해, 압전 진동편에는 이 온도차를 열 전도(열 이동)에 의해 해소할 때(온도 평형 상태로 되기)까지의 소요 시간(완화 시간)에 반비례하는 완화 진동으로 불리는 진동이 발생한다.
압전 진동편은 소형화해 가면, 이 완화 진동의 주파수와 본래의 굴곡 진동의 주파수가 가까워지기 때문에, Q값이 작아지고 본래의 굴곡 진동이 저해되는 현상이 생긴다.
이 현상은 열 탄성 손실이나 열 탄성 효과 등으로 불리며, 이의 개선책으로서 특허 문헌 1에서는 압전 진동편의 직사각 형상 단면에 구(溝) 또는 관통 구멍을 형성하고, 수축하는 면으로부터 신장하는 면으로의 열 이동을 억제하는 것에 의해, 열 탄성 손실에 기인하는 Q값 저하의 억제를 도모하고 있다.
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
[특허 문헌 1] 일본 실개평 2－32229호 공보
그렇지만 압전 진동편은 특허 문헌 1과 같이 진동부(이하, 진동 완부(腕部)라 함)에 관통 구멍을 형성하면, 진동 완부의 강성(剛性)이 현저하게 저하해 버리는 문제가 있다.
또, 압전 진동편은 특허 문헌 1과 같이 진동 완부에 단면 형상이 H형인 구(이하, 구부(溝部)라 함)를 마련해도, 수축하는 면으로부터 신장하는 면으로의 열 이동의 억제가 불충분하기 때문에, 열 탄성 손실에 기인하는 Q값 저하의 억제에 개선의 여지가 있다.
본 발명은 상기 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 이하의 형태 또는 적용예로서 실현하는 것이 가능하다.
[적용예 1]
본 적용예에 관한 압전 진동편은 기부(基部)와, 상기 기부로부터 연재(延在)하고 굴곡 진동하는 진동 완부를 구비하고, 상기 진동 완부는 일방의 주면과, 상기 일방의 주면과 대향하는 타방의 주면을 구비하고, 상기 일방의 주면에 상기 진동 완부의 연재 방향을 따라서 형성된 제1 구부를 가지고, 상기 타방의 주면에 상기 제1 구부와 평면에서 보아 병렬로 형성된 제2 구부를 가지고, 또한 상기 타방의 주면에 상기 제1 구부와 평면에서 보아 직렬로 또한 상기 제1 구부보다 상기 기부측에 형성된 제3 구부를 가지고, 상기 일방의 주면에 상기 제2 구부와 평면에서 보아 직렬로 또한 상기 제2 구부보다 상기 기부측에 형성된 제4 구부를 가지고, 상기 제1 구부의 깊이와 상기 제2 구부의 깊이의 합, 및 상기 제3 구부의 깊이와 상기 제4 구부의 깊이의 합이, 상기 일방의 주면과 상기 타방의 주면 사이의 거리보다도 큰 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 압전 진동편은 일방의 주면에 제1 구부를 가지고, 타방의 주면에 제1 구부와 병렬로 형성된 제2 구부를 가지고 있다. 또한, 압전 진동편은 타방의 주면에 제1 구부와 직렬로 또한 제1 구부로부터 기부측에 형성된 제3 구부를 가지고, 일방의 주면에 제2 구부와 직렬로 또한 제2 구부로부터 기부측에 형성된 제4 구부를 가지고 있다.
그리고 압전 진동편은 제1 구부의 깊이와 제2 구부의 깊이의 합, 및 제3 구부의 깊이와 제4 구부의 깊이의 합이, 일방의 주면과 타방의 주면 사이의 거리보다도 크다.
이로 인해, 압전 진동편은 예를 들어, 진동 완부에 종래와 같은 단면 형상이 H형인 구부를 마련한 경우와 비교하여, 굴곡 진동에 있어서 수축하는 면인 한 쌍의 신축면(伸縮面)의 일방으로부터 신장하는 면인 한 쌍의 신축면의 타방으로의 열 이동의 거리가 길어지기 때문에, 온도 평형 상태로 될 때까지의 완화 시간이 길어진다.
이 결과, 압전 진동편은 완화 진동의 주파수가 본래의 굴곡 진동의 주파수로부터 멀어지기 때문에, 열 탄성 손실에 기인하는 Q값의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 압전 진동편은 한층 더 소형화를 도모할 수 있다.
그런데, 상기 압전 진동편은 상기 진동 완부의 일방의 주면과 직교하고, 또한 상기 진동 완부의 연재 방향과 직교하는 면을 따라서 절단한 제1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상이, 일방의 주면과 타방의 주면을 연결하는 직선의 중간점을 통과하고, 일방의 주면(타방의 주면)을 따른 직선인 일방의 주면과 타방의 주면 사이의 중심선을 대칭축으로 한 선대칭 형상으로는 되지 않는다.
이로 인해, 압전 진동편은 이대로는 진동 완부에 있어서 질량의 불균형이 생기고, 굴곡 진동이 일방의 주면을 따른 본래의 굴곡 진동 성분과, 일방의 주면과 타방의 주면을 연결하는 방향인 두께 방향으로 진동하는 면외(面外) 진동 성분이 합성된 진동으로 된다.
이 결과, 압전 진동편은 굴곡 진동의 진동 방향이, 규정된 진동 방향을 따르지 않게 되기 때문에, 진동 에너지의 손실이 생겨서 굴곡 진동의 효율이 저하하게 된다.
이에 대해, 압전 진동편은 상기 진동 완부의 타방의 주면과 직교하고, 또한 상기 진동 완부의 연재 방향과 직교하는 면을 따라서 절단한 제3 구부 및 제4 구부를 포함하는 단면 형상이, 상기 제1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되며, 상기와 동일하게 굴곡 진동이 일방의 주면을 따른 본래의 굴곡 진동 성분과, 두께 방향으로 진동하는 면외 진동 성분이 합성된 진동으로 된다.
이 때, 압전 진동편은 제3 구부 및 제4 구부를 포함하는 단면 형상이, 제1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되어 있기 때문에, 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분의 방향과, 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분의 방향이 역방향으로 된다.
이 결과, 압전 진동편은 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분과 제3 구부 및 제 4 구부에 기인하는 면외 진동 성분이 상쇄되기 때문에, 전체로서의 굴곡 진동의 진동 방향이, 규정된 진동 방향인 일방의 주면을 따른 방향에 가까워지게 된다.
이로 인해, 압전 진동편은 진동 에너지의 손실이 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 향상한다.
또, 다른 형태로서 진동편은 기부와, 상기 기부로부터 제1 방향으로 연재하고 굴곡 진동하는 진동 완부를 구비하고, 상기 진동 완부는 일방의 주면과, 상기 일방의 주면에 대향하는 타방의 주면을 구비하고, 상기 일방의 주면에는 상기 진동 완부의 상기 제1 방향을 따라서 마련된 제 1 구부를 가지고, 상기 타방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 상기 제 1 구부와 나란히 마련된 제2 구부를 가지고, 상기 타방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향으로 상기 제1 구부와 나란히 마련되고, 또한 상기 제1 구부보다 상기 기부측에 마련된 제3 구부를 가지고, 상기 일방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향으로 상기 제2 구부와 나란히 마련되고, 또한 상기 제2 구부보다 상기 기부측에 마련된 제4 구부를 가지고, 상기 제1 구부의 깊이와 상기 제2 구부의 깊이의 합, 및 상기 제3 구부의 깊이와 상기 제4 구부의 깊이의 합이, 상기 일방의 주면과 상기 타방의 주면 사이의 거리보다도 큰 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 진동편은 일방의 주면에 제1 구부를 가지고, 타방의 주면에 제1 구부와 제2 방향으로 나란히 마련된 제2 구부를 가지고 있다. 또한, 진동편은 타방의 주면에 제1 구부와 제1 방향으로 나란히 마련되고 또한 제1 구부보다 기부측에 마련된 제3 구부를 가지고, 일방의 주면에 제2 구부와 제1 방향으로 나란히 마련되고, 또한 제2 구부보다 기부측에 마련된 제 4 구부를 가지고 있다.
그리고, 진동편은 제1 구부의 깊이와 제2 구부의 깊이의 합, 및 제3 구부의 깊이와 제4 구부의 깊이의 합이, 일방의 주면과 타방의 주면 사이의 거리보다도 크다.
이로 인해, 진동편은 예를 들어, 진동 완부에 종래와 같은 단면 형상이 H형인 구부를 마련한 경우와 비교하여, 굴곡 진동에 있어서 수축하는 면인 한 쌍의 신축면의 일방으로부터 신장하는 면인 한 쌍의 신축면의 타방으로의 열 이동의 거리가 길어지기 때문에, 온도 평형 상태로 될 때까지의 완화 시간이 길어진다.
이 결과, 진동편은 완화 진동의 주파수가 본래의 굴곡 진동의 주파수로부터 멀어지기 때문에, 열 탄성 손실에 기인하는 Q값의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 진동편은 한층 더 소형화를 도모할 수 있다.
그런데 상기 진동편은 상기 진동 완부의 일방의 주면과 직교하고, 또한 제1 방향과 직교하는 면을 따라서 절단한 제1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상이, 일방의 주면과 타방의 주면을 연결하는 직선의 중간점을 통과하고, 일방의 주면(타방의 주면)을 따른 직선인 일방의 주면과 타방의 주면 사이의 중심선을 대칭축으로 한 선대칭 형상으로는 되지 않는다.
이로 인해, 진동편은 이대로는 진동 완부에 있어서 질량의 불균형이 생기고, 굴곡 진동이 일방의 주면을 따른 본래의 굴곡 진동 성분과, 일방의 주면과 타방의 주면을 연결하는 방향인 두께 방향으로 진동하는 면외 진동 성분이 합성된 진동으로 된다.
이 결과, 진동편은 굴곡 진동의 진동 방향이, 규정된 진동 방향을 따르지 않게 되기 때문에, 진동 에너지의 손실이 발생하여 굴곡 진동의 효율이 저하하게 된다.
이에 대해, 진동편은 상기 진동 완부의 일방의 주면과 직교하고, 또한 제1 방향과 직교하는 면을 따라서 절단한 제3 구부 및 제4 구부를 포함하는 단면 형상이, 상기 제 1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되고, 상기와 동일하게 굴곡 진동이 일방의 주면을 따른 본래의 굴곡 진동 성분과, 두께 방향으로 진동하는 면외 진동 성분이 합성된 진동으로 된다.
이 때, 진동편은 제3 구부 및 제4 구부를 포함하는 단면 형상이, 제1 구부 및 제2 구부를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되어 있기 때문에, 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분의 방향과, 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분의 방향이 역방향으로 된다.
이 결과, 진동편은 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분과 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분이 상쇄되기 때문에, 전체로서의 굴곡 진동의 진동 방향이, 규정된 진동 방향인 일방의 주면을 따른 방향에 가까워지게 된다.
이로 인해, 진동편은 진동 에너지의 손실이 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 향상한다.
[적용예 2] 상기 적용예에 따른 진동편에 있어서, 상기 제1 구부 및 상기 제2 구부의 상기 제 1 방향의 길이를 RS, 상기 제3 구부 및 상기 제4 구부의 상기 제1 방향의 길이를 S로 했을 때에, S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 진동편은 S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)이기 때문에, 상기의 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분과 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분이 대부분 상쇄된다.
이 결과, 진동편은 진동 에너지의 손실이 보다 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 보다 향상한다.
또한, S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)은 발명자 등이 시뮬레이션 및 실험에 의해 도출한 지견이다.
[적용예 3] 상기 적용예 1에 따른 진동편에 있어서, 상기 제1 구부 및 상기 제2 구부의 상기 제1 방향의 길이를 RS, 상기 제3 구부 및 상기 제4 구부의 상기 제1 방향의 길이를 S, 상기 진동 완부의 근원으로부터 선단(先端)까지의 길이를 A, 상기 RS와 상기 S의 합을 L로 했을 때에,
8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
Figure 112010062806164-pat00001
RS/S
Figure 112010062806164-pat00002
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 진동편은 8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
Figure 112010062806164-pat00003
RS/S
Figure 112010062806164-pat00004
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854이기 때문에, 상기의 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분과 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분이 대부분 상쇄된다.
이 결과, 진동편은 진동 에너지의 손실이 보다 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 보다 향상한다.
또한, 8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
Figure 112010062806164-pat00005
RS/S
Figure 112010062806164-pat00006
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854는 발명자 등이 시뮬레이션 및 실험에 의해 도출한 지견이다.
[적용예 4] 상기 적용예 3에 따른 진동편에 있어서, RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3인 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 진동편은 RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3이기 때문에, 상기의 제1 구부 및 제2 구부에 기인하는 면외 진동 성분과 제3 구부 및 제4 구부에 기인하는 면외 진동 성분이 대부분 모두 상쇄된다.
이 결과, 진동편은 진동 에너지의 손실이 더욱 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 더욱 향상한다.
또한, RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3은
발명자 등이 시뮬레이션 및 실험에 의해 도출한 지견이다.
[적용예 5] 상기 적용예에 따른 진동편에 있어서, 상기 진동편은 수정을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이 구성에 의하면, 진동편은 수정을 포함하여 이루어지기 때문에, 수정의 물성에 의해 주파수－온도 특성, 가공 정밀도 등 뛰어난 제특성(諸特性)을 가지는 진동편을 제공할 수 있다.
[적용예 6] 본 적용예에 따른 진동자는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편을 이용한 진동자로서, 상기 진동편과, 상기 진동편을 수납한 패키지를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 진동자는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편이 패키지에 수납되어 있기 때문에, 상기 적용예 중 어느 하나에 기재된 효과를 달성하는 진동자를 제공할 수 있다.
[적용예 7] 본 적용예에 따른 발진기는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편을 이용한 발진기로서, 상기 진동편과, 상기 진동편을 구동시키는 회로 소자를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 발진기는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편과 회로 소자를 구비하기 때문에, 상기 적용예 중 어느 하나에 기재된 효과를 달성하는 발진기를 제공할 수 있다.
[적용예 8] 본 적용예에 따른 전자 기기는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편을 이용한 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 전자 기기는 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 진동편을 이용했기 때문에, 상기 적용예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재된 효과를 달성하는 전자 기기를 제공할 수 있다
도 1은 제1 실시 형태의 수정 진동편의 개략 구성을 나타내는 모식 사시도.
도 2는 도 1의 모식 평면도.
도 3에서 (a)는 도 2의 B－B선에서의 단면도 겸 배선도, (b)는 도 2의 C－C선에서의 단면도 겸 배선도.
도 4는 굴곡 진동편의 Q값의 f/fm 의존성을 나타내는 그래프.
도 5는 RS/S와 UZ/UX(Z 변위/X 변위)의 상관 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 L/A와 RS/S의 상관 관계를 나타내는 그래프.
도 7은 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편을 나타내는 모식 평면도.
도 8은 제2 실시 형태의 수정 진동자의 개략 구성을 나타내는 모식 평면도.
도 9는 도 8의 모식 단면도.
도 10은 제3 실시 형태의 수정 발진기의 개략 구성을 나타내는 모식 단면도.
도 11은 제4 실시 형태의 휴대 전화를 나타내는 모식 사시도.
이하, 본 발명을 구체화한 실시 형태에 대해 도면을 따라서 설명한다.
또한, 제1 실시 형태에서는 진동편으로서 압전체의 일종인 수정을 함유하여 이루어지는 수정 진동편을 일례로 들어 설명한다. 그리고 제2 실시 형태, 제3 실시 형태, 제4 실시 형태에서는 이 수정 진동편을 이용한 진동자, 발진기 및 전자 기기로서 수정 진동자, 수정 발진기 및 휴대 전화를 예로 들어 설명한다.
또, 이하의 각 실시 형태(제4 실시 형태를 제외)에서는 X축, Y축, Z축을 기재하여 설명하고, 각각의 축은 수정의 결정축인 전기 축으로서의 결정 X축, 기계 축으로서의 결정 Y축, 및 광학 축으로서의 결정 Z축을 나타내는 것으로 한다.
또, 이하 실시 형태에서는 도시한 Z축이 결정 Z축에 대하여 1도 내지 5도 정도 경사하고, 그 경사에 수반하여 Z축과 X축에서 규정되는 평면이 경사하여 형성되어도 좋은 것으로 한다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태의 수정 진동편의 개략 구성을 나타내는 모식 사시도이다. 도 2는 도 1의 모식 평면도이다. 도 3은 도 2의 모식 단면도로서, 도 3(a)는 도 2의 B－B선에서의 단면도 겸 배선도이며, 도 3(b)는 도 2의 C－C선에서의 단면도 겸 배선도이다. 또한, 도 1, 도 2에서는 편의적으로 전극류(電極類)를 생략하고 있다.
도 1, 도 2에 나타내는 바와 같이, 수정 진동편(1)은 기부(10)와, 기부(10)로부터 제1 방향(Y축 방향)으로 연재하고, 굴곡 진동하는 한 쌍의 진동 완부(20, 21)를 구비하고 있다.
수정 진동편(1)은 기부(10)와 한 쌍의 진동 완부(20, 21)에서 음차(音叉)를 구성하고 있다.
한 쌍의 진동 완부(20, 21)는 각주(角柱) 형상으로 형성되고, 기부(10)의 일단측으로부터 Y축 방향(제1 방향)으로 서로 평행하게 연재되어 있다.
또한, 기부(10) 및 진동 완부(20, 21)는 수정의 원석 등으로부터 잘려진 후, 소정 두께의 평판 형상으로 연마되고, 에칭 등에 의해 개별의 음차 형상으로 형성된다.
또한, 기부(10) 및 진동 완부(20, 21)는 수정의 원석 등에서 잘려진 후, 소정 두께의 평판 형상으로 연마되고, 에칭 등에 의해 개별의 음차 형상으로 형성된다.
진동 완부(20, 21)는 굴곡 진동의 규정된 진동 방향으로서의 X축 방향을 따른 일방의 주면(22, 23)과, 일방의 주면(22, 23)에 대향하여 X축 방향을 따른 타방의 주면(26, 27)과, X축 방향과 교차하여 굴곡 진동에 의해 교대로 신축하는 한 쌍의 신축면으로서의 일방의 면(20c, 21c)과, 타방의 면(20d, 21d)을 구비하고 있다.
진동 완부(20, 21)는 일방의 주면(22, 23)에 진동 완부(20, 21)의 연재 방향(제1 방향)을 따라서 마련된 제1 구부(24, 25)를 가지고, 타방의 주면(26, 27)에 평면에서 보아 제1 방향과 직교하는 제2 방향(X축 방향)을 따라서 제1 구부(24, 25)와 나란히 마련된 제2 구부(28, 29)를 가지고 있다.
또한, 진동 완부(20, 21)는 타방의 주면(26, 27)에 평면에서 보아 제1 방향을 따라서 제1 구부(24, 25)와 나란히 마련되고, 또한 제1 구부(24, 25)보다 기부(10)측에 마련된 제 3 구부(24', 25')를 가지고, 일방의 주면(22, 23)에 평면에서 보아 제1 방향을 따라서 제2 구부(28, 29)와 나란히 마련되고, 또한 제2 구부(28, 29)보다 기부(10)측에 마련된 제4 구부(28', 29')를 가지고 있다.
또한, 진동 완부(20, 21)의 일방의 주면(22, 23)은 기부(10)의 일방의 주면(11)과 일체화되고, 타방의 주면(26, 27)은 기부(10)의 타방의 주면(12)과 일체화되고 있다.
제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')는 진동 완부(20, 21)의 근원으로부터 선단측을 향하여 마련되어 있다.
그리고 도 2에 나타내는 바와 같이, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')와 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29) 사이에는 소정의 간격 G가 마련되어 있다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 수정 진동편(1)은 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)의 연재 방향(제1 방향)의 길이를 RS, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')의 연재 방향(제1 방향)의 길이를 S로 했을 때에, S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)인 것이 바람직하고, S：RS=1：2.5인 것이 보다 바람직하다(상세 후술).
또, 수정 진동편(1)은 진동 완부(20, 21)의 근원으로부터 선단까지의 길이를 A, RS와 S의 합을 L로 했을 때에, 8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
Figure 112010062806164-pat00007
RS/S
Figure 112010062806164-pat00008
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854인 것이 바람직하고, RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3인 것이 보다 바람직하다(상세 후술).
도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29) 및 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')는 단면 형상이 거의 직사각형이며, 제1 구부(24, 25)의 깊이(24a, 25a)와 제2 구부(28, 29)의 깊이(28a, 29a)의 합, 및 제3 구부(24', 25')의 깊이(24a', 25a')와 제4 구부(28', 29')의 깊이(28a', 29a')의 합이, 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27) 사이의 거리(20a, 21a)보다 커지도록 형성되어 있다((24a＋28a)＞20a, (25a＋29a)＞21a, (24a'＋28a')＞20a, (25a'＋29a')＞21a).
또한, 제1 구부(24, 25)와 제2 구부(28, 29), 및 제3 구부(24', 25')와 제4 구부(28', 29')는 에칭, 샌드 블라스트 등에 의해 형성된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 구부(24, 25)와 제2 구부(28, 29), 및 제3 구부(24', 25')와 제4 구부(28', 29')의 외부측이 되는 측벽에는 여진(勵振) 전극(30, 31)이 마련되어 있다.
상술하면, 진동 완부(20)에 있어서, 여진 전극(30)은 일방의 주면(22)과 타방의 주면(26)을 연결하는 일방의 면(20c)과, 일방의 주면(22)과 타방의 주면(26)을 연결하는 타방의 면(20d)에 마련되어 있다.
또, 여진 전극(31)은 제1 구부(24)에 있어서 일방의 면(20c)측의 면(24b)과, 제2 구부(28)에 있어서 타방의 면(20d)측의 면(28b)과, 제3 구부(24')에 있어서 일방의 면(20c)측의 면(24b')과, 제4 구부(28')에 있어서 타방의 면(20d)측의 면(28b')에 마련되어 있다.
한편, 진동 완부(21)에 있어서, 여진 전극(31)은 일방의 주면(23)과 타방의 주면(27)을 연결하는 일방의 면(21c)과, 일방의 주면(23)과 타방의 주면(27)을 연결하는 타방의 면(21d)에 마련되어 있다.
또, 여진 전극(30)은 제1 구부(25)에 있어서 일방의 면(21c)측의 면(25b)과, 제2 구부(29)에 있어서 타방의 면(21d)측의 면(29b)과, 제3 구부(25')에 있어서 일방의 면(21c)측의 면(25b')과, 제4 구부(29')에 있어서 타방의 면(21d)측의 면(29b')에 마련되어 있다.
여진 전극(30)끼리, 여진 전극(31)끼리는 서로 접속되고, 각각 도시하지 않은 인출 전극에 의해 기부(10)까지 인출되어, 도시하지 않은 고정 전극과 접속되어 있다.
여진 전극(30)과 여진 전극(31) 사이에는 교류 전하가 인가되는 구성으로 되어 있다.
또한, 여진 전극(30, 31)은 Cr, Ni 등의 하지층(下地層)과 Au, Ag 등의 전극층을 구비하고 있다. 각 층은 증착, 스퍼터 등에 의해 형성되어 있다.
여기서, 수정 진동편(1)의 동작에 대해 설명한다.
수정 진동편(1)의 진동 완부(20, 21)는 여진 전극(30, 31) 사이에 구동 신호로서 교류 전하가 인가되면, 도 1에 나타내는 바와 같이, X축 방향을 거의 따른 화살표 D 방향 및 화살표 E 방향으로 교대로 변위하는 굴곡 진동을 행한다.
상술하면, 여진 전극(30)에 플러스 전하를 인가하고, 여진 전극(31)에 마이너스 전하를 인가하면, 일방의 면(20c, 21c)이 Y축 방향으로 수축하고, 타방의 면(20d, 21d)이 Y축 방향으로 신장한다. 이로 인해, 진동 완부(20, 21)는 화살표 D 방향으로 변위한다.
한편, 여진 전극(30)에 마이너스 전하를 인가하고, 여진 전극(31)에 플러스 전하를 인가하면, 일방의 면(20c, 21c)이 Y축 방향으로 신장하고, 타방의 면(20d, 21d)이 Y축 방향으로 수축한다. 이로 인해, 진동 완부(20, 21)는 화살표 E 방향으로 변위한다.
수정 진동편(1)의 진동 완부(20, 21)는 화살표 D 방향과 화살표 E 방향의 변위를 교대로 반복하는 것에 의해, 일방의 면(20c, 21c)과 타방의 면(20d, 21d)이 교대로 신축한다.
이 때, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 진동 완부(20, 21)의 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)가 형성된 단면 형상((24a＋28a)＞20a, (25a＋29a)＞21a)에 의해, 굴곡 진동에 수반하여 수축과 신장을 교대로 반복하는 일방의 면(20c, 21c)으로부터 타방의 면(20d, 21d)까지의 열 이동의 거리가, 종래와 같은 단면 형상이 H형인 구부를 마련한 경우와 비교하여 길어진다.
열 이동의 거리에 대해 상술하면, 진동 완부(20)에 있어서는 일방의 면(20c)의 제1 구부(24)의 개구측의 일단으로부터, 단면 형상을 따라서 타방의 면(20d)의 제2 구부(28)의 개구측의 일단까지의 거리이고, 진동 완부(21)에 있어서는 일방의 면(21c)의 제1 구부(25)의 개구측의 일단으로부터, 단면 형상을 따라서 타방의 면(21d)의 제2 구부(29)의 개구측의 일단까지의 거리이다.
마찬가지로, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 진동 완부(20, 21)의 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')가 형성된 단면 형상((24a'＋28a')＞20a, (25a'＋29a')＞21a)에 의해, 굴곡 진동에 수반하여 수축과 신장을 교대로 반복하는 일방의 면(20c, 21c)으로부터 타방의 면(20d, 21d)까지의 열 이동의 거리가, 종래와 같은 단면 형상이 H형인 구부를 마련한 경우와 비교하여 길어진다.
여기서, 상술한 완화 진동의 주파수(f0)와 완화 시간 τ는 f0=1/(2πτ)로 표현된다. 수정 진동편(1)은 열 이동의 거리가 종래(H형의 구부)보다 길어지기 때문에, 온도 평형 상태가 될 때까지의 완화 시간 τ가 종래(H형의 구부)보다 길어진다. 이 결과, 수정 진동편(1)은 완화 진동의 주파수(완화 진동 주파수; f0)가 본래의 굴곡 진동의 주파수(f)로부터 멀어지게 된다.
일반적으로, 완화 진동 주파수(열 완화 주파수; f0)는 아래 식에서 구해진다는 것이 알려져 있다.
f0=πk/(2ρCpa2)　ㆍㆍㆍ(1)
여기서, π는 원주율, k는 진동 완부의 진동 방향(굴곡 진동 방향)의 열 전도율, ρ은 진동 완부의 질량 밀도, Cp는 진동 완부의 열용량, a는 진동 완부의 진동 방향(굴곡 진동 방향)의 폭이다.
식 (1)의 열 전도율 k, 질량 밀도 ρ, 열 용량 Cp에 진동 완부의 재료 그 자체의 정수를 입력한 경우, 구해지는 완화 진동 주파수(f0)는 구부를 마련하지 않은 경우 진동 완부의 완화 진동 주파수가 된다.
도 4는 굴곡 진동편(수정 진동편)의 Q값의 f/fm 의존성을 나타내는 그래프이다. 여기서, fm은 진동 완부에 구부를 마련하지 않은 경우(진동 완부의 단면 형상이 거의 직사각형인 경우)의 완화 진동 주파수이다. 도 4의 그래프의 우측에 기재되어 있는 도형은 진동 완부의 단면 형상를 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4에 있어서, 삼각의 마커는 도 3에 나타낸 진동 완부의 단면 형상의 경우의 플롯, 흑색의 사각 마커는 진동 완부의 양 주면에 구부를 마련하는 것에 의해 진동 완부의 단면 형상을 「H」로 한 H형인 경우의 플롯, 백색의 능형(菱形) 의 마커는 진동 완부의 어느 주면에도 구부를 마련하지 않은 평판인 경우의 플롯이다. 또, 굵은 실선은 삼각 마카의 값의 근사 직선, 파선은 사각 마커 사이의 보간 직선, 1점 쇄선은 능형 마커 사이의 보간 직선이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 굴곡 진동편에 있어서는 진동 완부의 단면 형상을 도 3에 나타낸 형상으로 하고, f/fm을 0.09보다 큰 값으로 하는 것에 의해 H형의 경우보다 높은 Q값이 얻어진다는 것이 분명하게 되었다.
또한, 상기 굴곡 진동편(수정 진동편(1)에 상당)은 f/fm을 0.25보다 큰 값으로 하는 것에 의해 H형 및 평판 중 어느 경우보다도 높은 Q값을 얻을 수 있고, f/fm을 1보다 크게 하면, H형 및 평판 중 어느 경우보다도 현격히 높은 Q값을 얻는 것이 가능하다.
그런데 수정 진동편(1)은 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 진동 완부(20, 21)의 일방의 주면(22, 23)과 직교하고, 또한 진동 완부(20, 21)의 연재 방향(제1 방향)과 직교하는 면을 따라 절단한 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)를 포함하는 단면 형상이, 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27)을 연결하는 직선의 중간점을 통과하여, 일방의 주면(22, 23; 타방의 주면(26, 27))을 따른 직선인 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27) 사이의 중심선(F, F1)을 대칭축으로 한 선대칭 형상으로는 되지 않는다.
이로 인해, 수정 진동편(1)은, 이대로는 진동 완부(20, 21)에 있어서 질량의 불균형이 생겨, 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 진동 완부(20)의 굴곡 진동의 변위(U)가, 일방의 주면(22, 23; 타방의 주면(26, 27))을 따른 X축 방향으로 진동하는 본래의 굴곡 진동의 변위 성분(Ux)와, Z축 방향의 모멘트에 의해, 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27)을 연결하는 방향인 Z축 방향으로 진동하는 면외 진동의 변위 성분(Uz)가 합성된 변위로 된다.
한편, 진동 완부(21)의 굴곡 진동의 변위(U1)는 X축 방향으로 진동하는 본래의 굴곡 진동의 변위 성분(U1x)과, Z축 방향의 모멘트에 의해, Z축 방향으로 진동하는 면외 진동의 변위 성분(U1z)이 합성된 변위로 된다.
이 때, 변위 성분(Uz)과 변위 성분(U1z)은 동일 방향의 변위 성분이 된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 굴곡 진동의 변위(U, U1)의 방향이 일방의 주면(22, 23)을 따르지 않게 되기(X축 방향을 따르지 않게 되기) 때문에, 진동 에너지의 손실이 생겨 굴곡 진동의 효율이 저하할 우려가 있다.
또한, 도 3(a)에서는 편의적으로 굴곡 진동의 일방의 방향(도 1의 화살표 D 방향 상당)의 변위(U, U1)에 대해 나타내고 있지만, 반대 방향(도 1의 화살표 E 방향 상당)의 변위에 대해서도 동일하다.
이에 대해, 수정 진동편(1)은, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 진동 완부(20, 21)의 일방의 주면(22, 23)과 직교하고, 또한 진동 완부(20, 21)의 연재 방향(제1 방향)과 직교하는 면을 따라서 절단한 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')를 포함하는 단면 형상이 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되어 있다.
이로 인해, 수정 진동편(1)은 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 있어서, 굴곡 진동의 변위(U', U1')가 상기와 동일하게 일방의 주면(22, 23)을 따른 본래의 굴곡 진동의 변위 성분(Ux', U1x')과, Z축 방향으로 진동하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 합성된 변위로 된다.
이 때, 수정 진동편(1)은 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')를 포함하는 단면 형상이 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되어 있기 때문에, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 있어서 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')의 방향과, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 있어서 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)의 방향이 역방향으로 된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 있어서 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 있어서 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 상쇄되기 때문에, 전체로서의 굴곡 진동의 변위의 방향이, 규정된 진동 방향으로서의 X축 방향(일방의 주면을 따른 방향)에 가까워지게 된다.
이로 인해, 수정 진동편(1)은 Z축 방향의 모멘트가 저감함으로써, 진동 에너지의 손실이 억제되기 때문에, 굴곡 진동의 효율이 향상한다.
상기에 대해, 구체적인 데이터에 기초하여 추가로 설명한다.
도 5는 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)의 연재 방향의 길이 RS와 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')의 연재 방향의 길이 S의 비(이하, 단지 RS/S라고도 함)와, 수정 진동편(1) 전체로서의 굴곡 진동에 있어서 면외 진동(Z축 방향의 진동)의 변위 성분(Uz)과, 본래의 규정된 진동 방향으로서의 X축 방향의 변위 성분(Ux)의 비(이하, 단지 UZ/UX라고도 함)의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 진동 완부(20, 21)의 선단측 및 기부측의 각 구부의 길이의 합 L(RS＋S)과 진동 완부(20, 21)의 근원으로부터 선단까지의 길이 A의 비(이하, 단지 L/A라고도 함)와, 그 때의 진동 에너지의 손실이 허용 범위 내로 되는 RS/S의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
또한, 도 5, 도 6은 발명자 등이 시뮬레이션 및 실험에 의해 도출한 데이터에 기초하고 있다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 수정 진동편(1)은 RS/S=2.2 ~ 2.8, 즉 S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)일 때, UZ/UX가 작아지기 때문에, 굴곡 진동에 있어서 진동 에너지의 손실의 한 척도로서의 진동 누설 Δf(기부(10)를 와이어로 매달거나, 또는 부드러운 도전성 접착제로 고정한 경우의 주파수와, 기부(10)를 땜납(solder)이나 딱딱한 도전성 접착제로 고정한 경우 주파수의 시프트량)의 값이 작아진다. 구체적으로, 진동 누설 Δf가 약 500 ppm 이하의 양산 적합 레벨이 된다.
또한, 수정 진동편(1)은 RS/S=2.5, 즉 S：RS=1：2.5일 때에, UZ/UX가 거의 0으로 되기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 가장 작아진다(거의 0 ppm).
또한, UZ/UX의 마이너스 부호는 면외 진동의 변위 방향이 반대로 되는(Z축의 플러스 방향으로부터 Z축의 마이너스 방향으로 되는) 것을 나타내고 있다.
또, 도 6에 나타내는 바와 같이, 수정 진동편(1)은 8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746(지면 맨 밑의 라인)
Figure 112010062806164-pat00009
RS/S
Figure 112010062806164-pat00010
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854(지면 맨 위의 라인)일 때, UZ/UX가 작아지기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 작아진다. 구체적으로, 약 500 ppm 이하의 양산 적합 레벨이 된다.
또한, 수정 진동편(1)은 RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3(지면 중앙의 라인)일 때, UZ/UX가 거의 0으로 되기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 가장 작아진다(거의 0 ppm).
또한, 시뮬레이션 및 실험에는 도 2에 나타내는 진동 완부(20, 21)의 근원으로부터 선단까지의 길이 A=약 1650㎛, 진동 완부(20, 21)의 X축 방향의 폭 W=약 100㎛의 샘플을 이용하여, 간격 G=약 20㎛로 고정하고, RS, S, L의 값을 RS=약 200㎛ ~ 약 1100㎛, S=약 100㎛ ~ 약 600㎛, L=약 400㎛ ~ 약 1200㎛의 범위에서 적절히 설정하여 평가했다.
상술한 바와 같이, 제1 실시 형태의 수정 진동편(1)은 제1 구부(24, 25)의 깊이(24a, 25a)와 제2 구부(28, 29)의 깊이(28a, 29a)의 합, 및 제3 구부(24', 25')의 깊이(24a', 25a')와 제4 구부(28', 29')의 깊이(28a', 29a')의 합이 일방의 주면(22, 23)과 타방의 주면(26, 27) 사이의 거리(20a, 21a)보다 크다((24a＋28a)＞20a, (25a＋29a)＞21a, (24a'＋28a')＞20a, (25a'＋29a')＞21a).
이로 인해, 수정 진동편(1)은 예를 들어, 진동 완부(20, 21)에 종래와 같은 단면 형상이 H형인 구부를 마련한 경우와 비교하여, 굴곡 진동에 있어서 수축하는 면으로부터 신장하는 면으로의 열 이동의 거리(일방의 면(20c, 21c)으로부터 타방의 면(20d, 21d)까지의 열 이동의 거리)가 길어지기 때문에, 온도 평형 상태가 될 때까지의 완화 시간 τ이 길어진다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 완화 진동 주파수(f0)가 본래의 굴곡 진동의 주파수(f)로부터 멀어지기 때문에, 열 탄성 손실에 기인하는 Q값의 저하를 억제할 수 있다. 따라서, 수정 진동편(1)은 더욱 소형화를 도모할 수 있다.
또, 수정 진동편(1)은 진동 완부(20, 21)의 일방의 주면(22, 23)과 직교하고, 또한 진동 완부(20, 21)의 연재 방향(제1 방향)과 직교하는 면을 따라서 절단한 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')를 포함하는 단면 형상이, 동일하게 절단한 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)를 포함하는 단면 형상을 반전시킨 형상으로 되어 있다.
이 때문에, 수정 진동편(1)은 굴곡 진동에 있어서 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)의 방향과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')의 방향이 역방향으로 된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 상쇄되기 때문에, 전체로서의 굴곡 진동의 진동 방향이, 규정된 진동 방향인 X축 방향(일방의 주면(22, 23)을 따른 방향)에 가까워지게 된다.
이로 인해, 수정 진동편(1)은 굴곡 진동에 있어서 진동 에너지의 손실이 억제되기 때문에, CI(Crystal Impedance)값 등이 저하하여, 굴곡 진동의 효율이 향상한다.
또, 수정 진동편(1)은 S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)이면, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 대부분 상쇄된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 UZ/UX가 작아지기 때문에, 진동 에너지의 손실로서의 진동 누설 Δf의 값이 보다 작아져서(약 500 ppm 이하), 굴곡 진동의 효율이 보다 향상한다.
또한, 수정 진동편(1)은 S：RS=1：2.5이면, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 대부분 모두 상쇄된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 UZ/UX가 거의 0으로 되기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 극소(거의 0 ppm)로 되어, 굴곡 진동의 효율이 더욱 향상한다.
또, 수정 진동편(1)은 8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
Figure 112010062806164-pat00011
RS/S
Figure 112010062806164-pat00012
1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854이면, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 대부분 상쇄된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 UZ/UX가 작아지기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 작아져서(약 500 ppm 이하), 굴곡 진동의 효율이 보다 향상한다.
또한, 수정 진동편(1)은 RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3이면, 제1 구부(24, 25) 및 제2 구부(28, 29)에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz, U1z)과, 제3 구부(24', 25') 및 제4 구부(28', 29')에 기인하는 면외 진동의 변위 성분(Uz', U1z')이 더욱 상쇄된다.
이 결과, 수정 진동편(1)은 UZ/UX가 거의 0으로 되기 때문에, 진동 누설 Δf의 값이 극소(거의 0 ppm)로 되어, 굴곡 진동의 효율이 더욱 향상한다.
또, 수정 진동편(1)은 수정을 포함하여 이루어지기 때문에, 수정의 물성에 의해 주파수-온도 특성, 주파수의 에이징 특성, 가공 정밀도 등 뛰어난 제특성을 가지는 진동편으로서 제공될 수 있다.
(변형예)
이하, 제1 실시 형태의 수정 진동편의 변형예에 대해 설명한다.
도 7은 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편을 나타내는 모식 평면도이다. 또한, 제1 실시 형태와의 공통 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략해, 제1 실시 형태와 다른 부분을 중심으로 설명한다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 수정 진동편(101)은 진동 완부(121)에 있어서 제1 구부(25), 제2 구부(29), 제3 구부(25') 및 제4 구부(29')의 배열이, 상기 실시 형태의 수정 진동편(1)의 진동 완부(21)와 비교하여 반대로 되어 있다. 환언하면, 수정 진동편(101)은 각 구부의 배열이 진동 완부(20)와 진동 완부(121)에서 동일하게 되어 있다.
수정 진동편(101)은 이 배열에 있어서, 제1 실시 형태와 동일한 작용에 의해 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태 및 변형예에서는 한 쌍의 진동 완부를 가지는 음차형의 수정 진동편을 예로 들어 설명했지만, 이것으로 한정하는 것이 아니며, 예를 들어, 1개의 진동 완부를 가지는 봉 형상의 수정 진동편이어도 좋고, 3개 이상의 진동 완부를 가지는 음차형의 수정 진동편이어도 좋다.
(제2 실시 형태)
이하, 제2 실시 형태의 진동자로서의 수정 진동자를 일례로 들어 설명한다.
도 8은 제2 실시 형태의 수정 진동자의 개략 구성을 나타내는 모식 평면도이다. 도 9는 도 8의 J－J선에서의 모식 단면도이다. 또한, 도 8에서는 편의적으로 덮개를 생략하고 있다.
또, 제1 실시 형태와의 공통 부분에는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
제2 실시 형태의 수정 진동자(80)는 제1 실시 형태 또는 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편을 이용한 수정 진동자이다. 여기서는 제1 실시 형태의 수정 진동편(1)을 이용하여 설명한다.
도 8, 도 9에 나타내는 바와 같이, 수정 진동자(80)는 패키지(51) 내에 수정 진동편(1)을 수납하고 있다. 구체적으로, 수정 진동자(80)는 도 9에 나타내는 바와 같이, 제1 기판(54)과 이 제1 기판(54)에 적층된 제2 기판(55)과 제3 기판(56)을 포함하는 패키지(51)의 내부 공간(S)에 수정 진동편(1)을 수납하고 있다.
패키지(51)는 제1 기판(54)과 제2 기판(55)과 제3 기판(56)을 구비하고, 추가로 덮개(57)를 구비하고 있다. 패키지(51)는 제2 기판(55)이 패키지(51) 내로 연장된 연장부(55a)를 가지고 있고, 연장부(55a)에 전극부(52)가 2개 형성되어 있다.
수정 진동자(80)는 도전성 접착제(53) 등을 이용하여 수정 진동편(1)의 도시하지 않은 고정 전극이 전극부(52)에 고정되고, 고정 전극을 통하여 여진 전극(30, 31; 도 3 참조)과 전극부(52)가 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 도전성 접착제(53)로서는 소정의 합성 수지로 이루어지는 바인더 성분에, 은 입자 등의 도전 입자를 첨가한 것을 이용할 수 있다.
제1 기판(54)과 제2 기판(55)과 제3 기판(56)은 세라믹 등의 절연 재료로 형성되어 있다. 특히, 바람직한 재료로서는 수정 진동편(1)이나 덮개(57)와 동일 또는 근사한 선팽창 계수를 가지는 것이 선택된다.
본 실시 형태에서는 예를 들어, 세라믹의 그린 시트가 이용되고 있다. 그린 시트는 예를 들어, 소정의 용액 중에 세라믹 파우더를 분산시키고, 바인더를 첨가하여 생성되는 혼련물(混練物)을 길이가 긴 시트 형상으로 성형하고, 이것을 소정의 길이로 컷하여 얻어지는 것이다.
제1 기판(54)과 제2 기판(55)과 제3 기판(56)은 도시하는 형상으로 성형한 그린 시트를 적층하고, 소결하여 형성할 수 있다. 제1 기판(54)은 패키지(51)의 저부(底部)를 구성하고, 이것에 겹쳐지는 제2 기판(55)과 제3 기판(56)은 프레임 형상으로 형성되고, 내부 공간(S)을 제1 기판(54), 덮개(57) 등과 함께 형성하고 있다.
제3 기판(56)에는 세라믹이나 유리 또는 코바르(kovar) 등의 금속으로 형성된 덮개(57)가 코바르링, 저융점 유리 등의 접합재(58)를 통하여 접합되어 있다. 이로 인해, 패키지(51)의 내부 공간(S)은 기밀하게 봉지되어 있다.
제1 기판(54) 상에는, 예를 들어, Ag, Pd 등의 도전 페이스트 또는 텅스텐 메탈라이즈(tungsten metalize) 등의 도전 페이스트 등을 이용하여, 도시하지 않은 도전 패턴을 형성한 후에, 제1 기판(54)과 제2 기판(55)과 제3 기판(56)의 소결을 한 다음에, Ni, Au 또는 Ag 등을 순차 도금하여, 상술한 전극부(52)가 형성되어 있다.
전극부(52)는 도시하지 않은 도전 패턴에 의해, 패키지(51)의 외저면(外底面)에 형성된 실장 단자(59)와 전기적으로 접속되어 있다.
수정 진동자(80)에서 실장 단자(59)에 구동 신호를 인가하는 것에 의해, 도시하지 않은 고정 전극을 통하여 수정 진동편(1)의 여진 전극(30, 31) 사이에 교류 전하가 인가된다(도 3 참조).
이로 인해, 수정 진동편(1)은 도 1에 나타내는 굴곡 진동을 행한다.
상술한 바와 같이, 수정 진동자(80)는 수정 진동편(1)이 패키지(51)의 내부 공간(S)에 수납되고, 패키지(51)의 내부 공간(S)이 기밀하게 봉지되어 있기 때문에, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성하는 진동자를 제공할 수 있다.
또한, 수정 진동자(80)는 수정 진동편(1) 대신에, 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편(101)을 이용해도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성하는 진동자를 제공할 수 있다.
또한, 수정 진동자(80)는 덮개(57)을 플랜지 부착의 캡 형상으로 형성하는 것 등에 의해, 제2 기판(55) 및 제3 기판(56)을 생략해도 좋다. 이것에 의하면, 수정 진동자(80)는 구성 요소가 적어지기 때문에, 패키지(51)의 제조가 용이하게 된다.
(제3 실시 형태)
이하, 제3 실시 형태의 발진기로서의 수정 발진기를 일례로 들어 설명한다.
도 10은 제3 실시 형태의 수정 발진기의 개략 구성을 나타내는 모식 단면도이다.
제3 실시 형태의 수정 발진기(90)는 제1 실시 형태 또는 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편을 이용한 수정 발진기이다. 여기서는 제1 실시 형태의 수정 진동편(1)을 이용하여 설명한다. 또한, 제3 실시 형태의 수정 발진기(90)는 제2 실시 형태의 수정 진동자(80)에, 수정 진동편(1)을 구동시키는 회로 소자로서의 IC 칩(87)을 구비한 것이다.
또한, 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태의 공통 부분에는 동일 부호를 부여하여 설명을 생략한다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 수정 발진기(90)는 패키지(51)의 제1 기판(54)상면에, Au 등으로 이루어지는 내부 접속 단자(89)가 형성되어 있다.
발진 회로를 내장하는 IC 칩(87)은 패키지(51)의 내부 공간(S)에 수납되고, 제1 기판(54) 상면에 접착제 등을 이용하여 고정되어 있다. 그리고 IC 칩(87)의 상면에는 Au 등으로 이루어지는 IC 접속 패드(82)가 형성되어 있다.
IC 접속 패드(82)는 금속 와이어(88)에 의해 내부 접속 단자(89)와 접속되어 있다.
내부 접속 단자(89)는 도시하지 않은 도전 패턴을 경유하여, 패키지(51)의 외저면에 형성된 실장 단자(59)나 전극부(52)에 접속되어 있다. 또한, IC 칩(87)과 내부 접속 단자(89)의 접속에는 금속 와이어(88)에 의한 접속 방법 이외에, 플립 칩 실장에 의한 접속 방법 등을 이용해도 좋다.
또한, 패키지(51)의 내부 공간(S)은 기밀하게 봉지되어 있다.
수정 발진기(90)에서 외부로부터의 입력에 의해, IC 칩(87)으로부터 전극부(52), 도시하지 않은 고정 전극을 통하여 수정 진동편(1)의 여진 전극(30, 31) 사이에 교류 전하가 인가된다(도 3 참조).
이로 인해, 수정 진동편(1)은 도 1에 나타내는 굴곡 진동을 행한다. 수정 발진기(90)는 이 굴곡 진동에 의해 얻어지는 발진 신호를 IC 칩(87), 실장 단자(59)를 통하여 외부에 출력한다.
상술한 바와 같이, 제3 실시 형태의 수정 발진기(90)는 수정 진동편(1)과, IC 칩(87)이 패키지(51)의 내부 공간(S)에 수납되고, 패키지(51)의 내부 공간(S)이 기밀하게 봉지되어 있기 때문에, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성하는 발진기를 제공할 수 있다.
또한, 수정 발진기(90)는 수정 진동편(1) 대신에, 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편(101)을 이용해도, 제1 실시 형태와 동일한 효과를 달성하는 발진기를 제공할 수 있다.
또한, 수정 발진기(90)는 IC 칩(87)이 패키지(51)의 외부에 장착되어 있는 구성(모듈 구조)이어도 좋다.
또한, 제3 실시 형태에서는 수정 발진기를 일례로 들어 설명했지만, 이것으로 한정하는 것도 것은 아니며, 예를 들어, IC 칩(87)에 검출 회로 등을 추가로 구비한 압력 센서, 자이로 센서 등이어도 좋다.
(제4 실시 형태)
이하, 제4 실시 형태의 전자 기기로서의 휴대 전화를 일례로 들어 설명한다.
도 11은 제4 실시 형태의 휴대 전화를 나타내는 모식 사시도이다.
제4 실시 형태의 휴대 전화(700)는 제1 실시 형태 또는 제1 실시 형태의 변형예의 수정 진동편을 이용한 휴대 전화이다.
도 11에 나타내는 휴대 전화(700)는 상술한 수정 진동편(1, 101)을, 예를 들어, 기준 클록 발진원으로서 이용하고, 추가로 액정 표시 장치(701), 복수의 조작 버튼(702), 수화구(703), 및 송화구(704)를 구비하여 구성되어 있다.
상술한 수정 진동편(1, 101)은 상기 휴대 전화로 한정하지 않으며, 전자 북, 퍼스널 컴퓨터, 텔레비젼, 디지털 사진기, 비디오 카메라, 비디오 레코더, 카 내비게이션 장치, 페이저, 전자 수첩, 계산기, 워드프로세서, 워크스테이션, 화상 전화, POS 단말, 터치 패널을 구비한 기기 등의 기준 클록 발진원 등으로서 적합하게 이용할 수 있고, 어느 경우에도 상기 실시 형태 및 변형예로 설명한 효과를 달성하는 전자 기기를 제공할 수 있다.
또한, 진동편의 재료로서는 수정으로 한정하는 것이 아니며, 탄탈산 리튬(LiTaO3), 4붕산 리튬(Li2B4O7), 니오브산 리튬(LiNbO3), 티탄산 지르콘산연(PZT), 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN) 등의 압전체, 또는 산화 아연(ZnO), 질화 알루미늄(AlN) 등의 압전체를 피막으로서 구비한 실리콘 등의 반도체이어도 좋다.
1ㆍㆍㆍ수정 진동편,
10ㆍㆍㆍ기부,
11ㆍㆍㆍ일방의 주면,
12ㆍㆍㆍ타방의 주면,
20ㆍㆍㆍ진동 완부,
20cㆍㆍㆍ일방의 면,
20dㆍㆍㆍㆍ타방의 면,
21ㆍㆍㆍ진동 완부,
21cㆍㆍㆍ신축면으로서의 일방의 면,
21dㆍㆍㆍ신축면으로서의 타방의 면,
22, 23ㆍㆍㆍ일방의 주면,
24, 25ㆍㆍㆍ제1 구부,
24', 25'ㆍㆍㆍ제3 구부,
26, 27ㆍㆍㆍ타방의 주면,
28, 29ㆍㆍㆍ제2 구부,
28', 29'ㆍㆍㆍ제4 구부.

Claims (8)

  1. 기부(基部)와, 상기 기부로부터 제1 방향으로 연재(延在)하고 굴곡 진동하는 진동 완부(腕部)를 구비하고,
    상기 진동 완부는,
    일방의 주면과, 상기 일방의 주면에 대향하는 타방의 주면을 구비하고,
    상기 일방의 주면에는 상기 진동 완부의 상기 제1 방향을 따라서 마련된 제1 구부(溝部)를 가지고,
    상기 타방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 상기 제1 구부와 나란히 마련된 제2 구부를 가지고,
    상기 타방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향으로 상기 제1 구부와 나란히 마련되고, 또한 상기 제1 구부보다 상기 기부측에 마련된 제3 구부를 가지고,
    상기 일방의 주면에는 평면에서 보아 상기 제1 방향으로 상기 제2 구부와 나란히 마련되고, 또한 상기 제2 구부보다 상기 기부측에 마련된 제4 구부를 가지고,
    상기 제1 구부의 깊이와 상기 제2 구부의 깊이의 합, 및 상기 제3 구부의 깊이와 상기 제4 구부의 깊이의 합이, 상기 일방의 주면과 상기 타방의 주면 사이의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 진동편.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구부 및 상기 제2 구부의 상기 제1 방향의 길이를 RS, 상기 제3 구부 및 상기 제4 구부의 상기 제1 방향의 길이를 S로 했을 때에,
    S：RS=1：(2.2 ~ 2.8)인 것을 특징으로 하는 진동편.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구부 및 상기 제2 구부의 상기 제1 방향의 길이를 RS, 상기 제3 구부 및 상기 제4 구부의 상기 제1 방향의 길이를 S, 상기 진동 완부의 근원으로부터 선단(先端)까지의 길이를 A, 상기 RS와 상기 S의 합을 L로 했을 때에,
    8.8992×(L/A)2－3.3784×(L/A)＋1.746
    Figure 112010062806164-pat00013
    RS/S
    Figure 112010062806164-pat00014
    1.3102×(L/A)2＋3.3784×(L/A)＋0.854
    인 것을 특징으로 하는 진동편.
  4. 청구항 3에 있어서,
    RS/S=5.1047×(L/A)2－9×10-14×(L/A)＋1.3
    인 것을 특징으로 하는 진동편.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동편은 수정을 포함하여 이루어지는 특징으로 하는 진동편.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 진동편을 이용한 진동자로서,
    상기 진동편과,
    상기 진동편을 수납한 패키지를 구비한 것을 특징으로 하는 진동자.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 진동편을 이용한 발진기로서,
    상기 진동편과,
    상기 진동편을 구동시키는 회로 소자를 구비한 것을 특징으로 하는 발진기.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 진동편을 이용한 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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