JP2015128268A - 振動素子、振動子、発振器、電子機器、物理量センサー、移動体および振動素子の周波数調整方法 - Google Patents

振動素子、振動子、発振器、電子機器、物理量センサー、移動体および振動素子の周波数調整方法 Download PDF

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Abstract

【課題】効率よくかつ精度よく周波数調整をする事ができる振動素子を提供する。
【解決手段】振動素子は、基部と、基部から延出され、錘部5が設けられている振動腕32とを含み、錘部5は、振動腕32の先端部の一方の主面に配置されている第1錘部51と、第1錘部51よりも基端側に配置され、第1錘部51よりも厚さが薄い第2錘部52とを含む。振動腕32は、エネルギー線が透過することができ、振動腕の反対側の主面であって第2錘部52と重なる位置には、エネルギー線の振動腕32内への入射を許容するレーザー入射領域SLLが配置されている。
【選択図】図5

Description

本発明は、振動素子、振動子、発振器、電子機器、物理量センサー、移動体および振動素子の周波数調整方法に関するものである。
従来から、水晶を用いた振動素子が知られている。このような振動素子は、周波数温度特性が優れていることから、種々の電子機器の基準周波数源や発信源などとして広く用いられている。そして、このような振動素子の周波数を調整する方法として、例えば、特許文献1のような方法が知られている。
特許文献1に記載の周波数調整方法は、振動素子をパッケージ内に収容した状態で行う方法である。より具体的には、振動素子が備える振動腕の先端部の両面には錘部(金属膜)が設けられている。また、パッケージの蓋は、レーザー光を透過することができるようになっている。そして、蓋を介してレーザー光を錘部に照射し、振動腕の両面に設けられている錘部の少なくとも一部を除去して振動腕の質量を減少させることで、振動素子の周波数の調整を行う方法である。しかしながら、このような周波数調整方法では、次のような問題がある。
特許文献1に記載の周波数調整方法では、振動腕の蓋側の主面に錘部(以下、便宜上「蓋側錘部」と言う。)が設けられている。そのため、レーザー照射によって蒸発した蓋側錘部が飛散して蓋の内面に付着してしまう。さらに、蓋の内面に付着した錘材料は、蓋を介し照射位置をずらして照射されたレーザーの熱によって再度蒸発し、蒸発した錘材料が飛散して再び蓋側錘部に付着する。このように、特許文献1に記載の周波数調整方法では、せっかく除去した錘の一部が再付着してしまうため、調整可能な周波数範囲が狭くなってしまい、効率も悪く、また、周波数調整の精度も悪い。
特開2003−133879号公報
本発明の目的は、効率よくかつ精度よく周波数調整を行うことのできる振動素子、この振動素子を備える信頼性の高い振動子、発振器、電子機器、物理量センサーおよび移動体、並びに、振動素子の周波数調整を効率よくかつ精度よく行うことのできる振動素子の周波数調整方法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]
本適用例の振動素子は、基部と、
平面視で前記基部から延出され、錘部が設けられている振動腕と、を含み、
前記錘部は、
平面視で、前記振動腕の前記基部とは反対側の先端部の一方の主面に配置されている第1錘部と、
前記第1錘部よりも前記基部側に配置され、前記第1錘部よりも厚さが薄い第2錘部と、
を含み、
前記振動腕は、エネルギー線が透過することができ、
前記振動腕の前記一方の主面と表裏の関係にある他方の主面であって、平面視で前記第2錘部と重なる位置に、前記エネルギー線の前記振動腕内への入射を許容する領域が配置されていることを特徴とする。
これにより、他方の主面側からエネルギー線を照射することで、蒸発した錘部が振動腕に再付着することをより効果的に抑制することができる。そのため、さらに、効率よくかつ精度よく周波数調整を行うことのできる振動素子が得られる。
[適用例2]
本適用例の振動素子では、前記領域は、前記他方の主面であって、平面視で前記第1錘部と重なる位置にも配置されていることが好ましい。
これにより、他方の主面側からエネルギー線を照射することで、蒸発した錘部が振動腕に再付着することをより効果的に抑制することができる。そのため、さらに、効率よくから精度よく周波数調整を行うことのできる振動素子が得られる。
[適用例3]
本適用例の振動素子では、前記第1錘部の前記延在方向に沿った長さをL1、
前記第2錘部の前記延在方向に沿った長さをL2としたとき、
Figure 2015128268
なる関係を満足することが好ましい。
第1錘部は、周波数の粗調用に用いることができ、第2錘部は、周波数の微調に用いることができる。第1錘部の長さL1と第2錘部の長さL2の関係を本適用例の関係とすることで、第1、第2錘部をそれぞれ十分に広く確保することができ、周波数の粗調および微調をそれぞれ簡単に行うことができる。
[適用例4]
本適用例の振動素子では、
Figure 2015128268
なる関係を満足することが好ましい。
これにより、第1、第2錘部をそれぞれ十分に広く確保することができ、周波数の粗調および微調をそれぞれ簡単に行うことができる。
[適用例5]
本適用例の振動素子では、前記第1錘部は、前記一方の主面側から少なくとも第1錘層と、前記第1錘層上に第2錘層が順に積層してなり、
前記第2錘部は、前記第1錘層で構成されていることが好ましい。
これにより、第1、第2錘部を簡単に形成することができる。
[適用例6]
本適用例の振動素子では、前記第1錘層は、スパッタ法により形成され、
前記第2錘層は、蒸着法により形成されていることが好ましい。
これにより、錘部を簡単に形成することができる。特に、第2錘層を蒸着法で形成することで、エネルギー線照射によって錘部を除去する際に発生するアウトガス(デガス)を低減することができる。そのため、振動素子をパッケージに収容した状態で周波数調整を行う場合には、パッケージ内の真空度の低下等を低減することができる。
[適用例7]
本適用例の振動素子では、前記錘部は、
前記他方の主面に平面視で前記第1錘部と重なるように配置されている第3錘部を含むことが好ましい。
これにより、周波数の粗調をより効果的に行うことができる。
[適用例8]
本適用例の振動素子では、前記第3錘部の厚さは、前記第2錘部の厚さよりも厚いことが好ましい。
これにより、周波数の粗調をより効果的に行うことができる。
[適用例9]
本適用例の振動素子では、前記第1錘部の前記延在方向に沿った長さをL1、
前記第3錘部の前記延在方向に沿った長さをL3としたとき、
L3<L1
なる関係を満足することが好ましい。
これにより、第3錘部が前記領域を覆ってしまうのを防止することができる。
[適用例10]
本適用例の振動素子では、前記領域では、前記他方の主面の地肌が露出していることが好ましい。
これにより、より効率的に、エネルギー線を振動腕内に入射させることができる。
[適用例11]
本適用例の振動素子では、前記振動腕は、
広幅部と、
前記基部と前記広幅部との間に配置され、前記広幅部よりも幅が狭い腕部と、
を含み、
前記広幅部に前記錘部が配置されていることが好ましい。
これにより、振動素子の小型化を図ることができる。
[適用例12]
本適用例の振動子は、上記適用例の振動素子と、
前記振動素子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。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
[適用例13]
本適用例の発振器は、上記適用例の振動素子と、
回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。
[適用例14]
本適用例の電子機器は、上記適用例の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
[適用例15]
本適用例の物理量センサーは、上記適用例の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い物理量センサーが得られる。
[適用例16]
本適用例の移動体は、上記適用例の振動素子を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。
[適用例17]
本適用例の振動素子の周波数調整方法は、振動素子をパッケージに収容する収容工程と、
前記振動素子の共振周波数を調整する第1調整工程と、
前記振動素子の共振周波数を調整する第2調整工程と、
を有し、
前記振動素子は、
基部と、
平面視で前記基部から延出され、錘部が設けられている振動腕と、
を含み、
前記錘部は、
平面視で前記振動腕の前記基部とは反対側の先端部の一方の主面に配置されている第1錘部と、
前記第1錘部よりも前記基部側に位置し、前記第1錘部よりも厚さが薄い第2錘部と、
を含み、
前記振動腕は、エネルギー線が透過することができ、
前記振動腕の前記一方の主面と表裏の関係にある他方の主面であって、平面視で前記第2錘部と重なる位置に、前記エネルギー線の前記振動腕内への入射を許容する領域が配置され、
前記パッケージは、
前記エネルギー線が透過することのできる透過部を有し、
前記収容工程では、
前記振動素子を前記他方の主面を前記透過部側に位置させ、かつ、前記透過部と前記領域とを対向させて前記パッケージに収容し、
前記第1調整工程では、
前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記他方の主面から前記振動腕内を透過させて前記第1錘部に照射することで前記第1錘部の少なくとも一部を除去し、
前記第2調整工程では、
前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記領域から前記振動腕内を透過させて前記第2錘部に照射することで前記第2錘部の少なくとも一部を除去することを特徴とする。
このような方法によれば、錘部が透過部と反対側に位置しているため、エネルギー線によって蒸発した錘部が透過部に付着し難くなる。そのため、前述の背景技術で挙げた問題が生じ難く、効率よくかつ精度よく振動素子の周波数調整を行うことができる。
[適用例18]
本適用例の振動素子の周波数調整方法では、前記領域は、
前記振動腕の先端部の他方の主面であって、平面視で前記第1錘部と重なる位置にも配置されており、
前記第1調整工程では、
前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記領域から前記振動腕内を透過させて前記第1錘部に照射することで前記第1錘部の少なくとも一部を除去することが好ましい。
これにより、さらに、効率よくかつ精度よく振動素子の周波数調整を行うことができる。
本発明の第1実施形態にかかる振動子の平面図である。 図1中のA−A線断面図である。 図1中のB−B線断面図である。 ウエットエッチングにより形成された振動腕を示す断面図である。 錘部を示す平面図および断面図である。 図5に示す錘部の具体的な構成を例示する断面図である。 屈曲振動時の熱伝導について説明する振動腕の断面図である。 Q値とf/fmの関係を示すグラフである。 周波数調整方法を説明する断面図である。 周波数調整方法を説明する断面図である。 周波数調整方法を説明する断面図である。 周波数調整方法を説明する断面図である。 本発明の第2実施形態にかかる振動子が備える振動素子の断面図である。 周波数調整方法を説明する断面図である。 周波数調整方法を説明する断面図である。 本発明の第3実施形態にかかる振動子が備える振動素子の断面図である。 本発明の第4実施形態にかかる振動子が備える振動素子の平面図である。 本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。 本発明の物理量センサーの好適な実施形態を示す断面図である。 本発明の電子機器を適用したモバイル型(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。 本発明の電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。 本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 本発明の移動体を適用した自動車を示す斜視図である。
以下、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
1.振動子(振動素子)および振動素子の周波数調整方法
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態にかかる振動子の平面図である。図2は、図1中のA−A線断面図である。図3は、図1中のB−B線断面図である。図4は、ウエットエッチングにより形成された振動腕を示す断面図である。図5は、錘部を示す平面図および断面図である。図6は、図5に示す錘部の具体的な構成を例示する断面図である。図7は、屈曲振動時の熱伝導について説明する振動腕の断面図である。図8は、Q値とf/fmの関係を示すグラフである。図9ないし図12は、それぞれ、周波数調整方法を説明する断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図2中の上側を「上」とし、下側を「下」とする。また、図1中の上側を「先端」とし、下側を「基端」とする。
≪振動子(振動素子)≫
図1に示すように、振動子1は、振動素子2と、振動素子2を収納するパッケージ9とを有している。
−パッケージ−
図1および図2に示すように、パッケージ9は、上面に開放する凹部911を有する箱状のベース91と、凹部911の開口を塞いでベース91に接合されている板状のリッド92とを有している。パッケージ9は、凹部911がリッド92で塞がれることで形成された収容空間Sを有し、この収容空間Sに振動素子2を気密的に収容している。収容空間S内の雰囲気としては、特に限定されないが、減圧状態(真空状態)となっていることが好ましい。これにより、振動素子2の駆動に対する空気抵抗が低減されるため、優れた振動特性を発揮することができる。なお、収容空間S内の真空度としては、特に限定されないが、100Pa以下程度であることが好ましく、10Pa以下程度であることがより好ましい。また、収容空間S内には、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。ベース91とリッド92は、例えば、低融点ガラス、各種接着剤、メタライズ層等を介して接合することができる。
ベース91に形成されている凹部911の底面には、さらに凹部912が形成されており、この凹部912は、振動素子2の後述するハンマーヘッド322、332(振動腕32、33の先端部)と対向する位置に設けられている。この凹部912は、例えば、振動子1にその厚さ方向(Z軸方向)の加速度(衝撃)が加わったときに、撓んだ振動腕32、33がベース91に接触しないようにするための逃げ部を構成している。ベース91の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。
また、リッド92は、レーザー光LL(エネルギー線)を透過可能となっており、よって、リッド92がレーザー光LLを透過する透過部を構成している。このようなリッド92の構成材料としては、レーザー光LLを透過することができれば、特に限定されないが、例えば、硼珪酸ガラス、石英ガラス、無アルカリガラス等の各種ガラス材料や、水晶等の透明な単結晶材料を用いることができる。これにより、実質的に無色透明で高いレーザー透過率を有するリッド92を得ることができる。
また、本実施形態では、リッド92がレーザー光LL(エネルギー線)を透過する透過部を有しているが、ベース91に硼珪酸ガラス、石英ガラス、無アルアリガラス等の各種ガラス材料や、水晶等の透明な単結晶を用いた場合には、ベース91がレーザー光LL(エネルギー線)を透過する透過部を有することもできる。
また、ベース91の凹部911の底面には、接続端子951、961が形成されている。また、接続端子951上には導電性接着材11が設けられ、接続端子961上には導電性接着材12が設けられている。これら導電性接着材11、12によって振動素子2がベース91に固定されているとともに、接続端子951が後述する第1駆動用電極84と電気的に接続され、接続端子961が後述する第2駆動用電極85と電気的に接続されている。
なお、導電性接着材11、12としては、それぞれ、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコン系、ポリイミド系、ビスマレイミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系の樹脂に銀粒子等の導電性フィラーを混合した導電性接着材を用いることができる。このように、比較的柔らかい接着材を用いることで、例えば、ベース91と振動素子2の熱膨張係数の違いから発生する熱応力を導電性接着材11、12で吸収・緩和することができ、振動素子2の振動特性の低下や変化を低減することができる。なお、振動素子2をベース91に固定することができれば、各導電性接着材11、12に替えて、金バンプや、半田等を用いてもよい。
また、接続端子951は、ベース91の底部を貫通する貫通電極952を介してベース91の下面に設けられた外部端子953に電気的に接続され、同様に、接続端子961は、ベース91の底部を貫通する貫通電極962を介してベース91の下面に設けられた外部端子963に電気的に接続されている。接続端子951、961、貫通電極952、963および外部端子953、963の構成としては、それぞれ、導電性を有していれば、特に限定されず、例えば、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、W(タングステン)、モリブテン(Mo)などの下地層に、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)などのめっき層を形成した構成することができる。
−振動素子−
図1ないし図3に示すように、振動素子2は、水晶振動片(振動片)3と、水晶振動片3上に設けられた第1、第2駆動用電極84、85と、水晶振動片3上に設けられた錘部5と、を有している。なお、図1および図2では、説明の便宜上、第1、第2駆動用電極84、85および錘部5の図示を省略している。
水晶振動片3は、Zカット水晶板で構成されている。Zカット水晶板とは、Z軸をほぼ厚さ方向とする水晶基板である。なお、水晶振動片3は、その厚さ方向とZ軸とが一致していてもよいが、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、厚さ方向に対してZ軸が若干傾していてもよい。傾ける角度をθ度(−5°≦θ≦15°)とした場合、前記水晶の電気軸としてのX軸、機械軸としてのY軸、光学軸としてのZ軸からなる直交座標系の前記X軸を回転軸として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ+Z側が回転するようにθ度傾けた軸をZ’軸、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ+Y側が回転するようにθ度傾けた軸をY’軸としたとき、Z’軸に沿った方向を厚さとし、X軸とY’軸を含む面を主面とする水晶振動片3となる。なお、各図では、上述のθ=0°である場合として、これらX軸、Y軸およびZ軸を図示している。
水晶振動片3は、Y軸方向を長さ方向に持ち、X軸方向を幅方向に持ち、Z軸方向を厚さ方向に持っている。また、水晶振動片3は、そのほぼ全域(後述する溝323、324、333、334が形成されている領域を除く)にわたって、ほぼ同じ厚さを有している。水晶振動片3の厚さTとしては、特に限定されないが、60μm以上、300μm以下程度であるのが好ましい。これにより、後述するように、振動腕32、33の側面に配置される第1、第2駆動用電極84、85の面積を十分に広くすることができるので、CI値を十分に低減することができる。また、後述する熱の伝達経路(図6参照)を十分に長く確保することができるので、後述する断熱的領域において熱弾性損失を十分に低減することができる。なお、上記下限値未満であると、振動子1にその厚さ方向(Z軸方向)の加速度(衝撃)が加わったときに水晶振動片3が大きく撓むため、撓んだ振動腕32、33がベース91やリッド92に接触し易い上に、接触する際の速度が速いために衝撃が大きく、振動腕32、33が破損するおそれがあり、上記上限値を超えると、ウエットエッチングによって微細形状が作成し難くなり、振動素子2の過度な大型化に繋がってしまう。
このような水晶振動片3は、基部31と、基部31の+Y軸側の端(一端)から+Y軸方向に延びている一対の振動腕32、33と、基部31の−Y軸側に配置されている接続部34と、基部31と接続部34との間に位置し、基部31と接続部34とを連結している連結部35と、を有している。これら基部31、振動腕32、33、接続部34および連結部35は、水晶基板から一体に形成されている。
基部31は、XY平面に広がりを有し、Z軸方向に厚さを有する板状をなしている。このような基部31の−Y軸側(他端側)の端からは、連結部35が−Y軸方向に延出している。連結部35の−Y軸側の端には、接続部34が接続されており、接続部34は、連結部35からX軸方向両側に延びている。
そして、このような振動素子2は、接続部34が導電性接着材11、12によりベース91に取り付けられている。このように、2つの導電性接着材11、12を用いることで、振動素子2を安定した状態でベース91に取り付けることができる。
ここで、連結部35は、基部31よりも幅が小さい。言い換えれば、連結部35は、基部31に対して縮幅している。また、連結部35は、基部31の振動腕32、33側(+Y軸側)の端部から十分離れた位置において、両側縁に、基部31の幅方向の寸法を部分的に縮幅して形成した切り込み部31a、31bを形成することによって形成されているとも言える。このような連結部35を設けることで、振動腕32、33が屈曲振動する際に振動漏れが接続部34に伝搬することを抑制し、振動素子2のCI値を低く抑えることができる。すなわち、連結部35を設けることによって、優れた振動特性を有する振動素子2となる。
特に、本実施形態では、基部31の−Y軸側の端部には、縮幅部311が設けられている。この縮幅部311は、その幅(X軸方向の長さ)が、振動腕32、33の間の中心線Ly(Y軸)に沿って、−Y軸側に向けて(基部31の+Y軸側の端から離れるに従って)連続的に減少している。また、縮幅部311は、中心線Lyに対して対称的に設けられている。このような縮幅部311を設けることで、振動腕32、33の屈曲振動に伴う基部31のY軸方向の変位(振動)を抑制することができる。その結果、振動漏れの小さい振動素子2を得ることができる。
さらに、縮幅部311を設けることで、縮幅部311を設けない場合と比較して、振動腕32、33に挟まれた基部31の+Y軸側の端と、切り込み部31a(あるいは切り込み部31b)と連結部35とに近接した、縮幅部311の−Y軸側の端の離間距離を長くすることができる。そのため、振動素子3が屈曲振動を行う際にこれらの間で発生する熱移動の移動経路が長くなり、それに伴って、熱弾性損失を低減することができる。例えば、2本の振動腕32、33が互いに離間するように平面内(XY平面内)で屈曲変形した場合、それに伴って振動腕32、33に挟まれた基部31の+Y軸側の端は伸張されるために温度が低下し、切り込み部31a(あるいは切り込み部31b)と連結部35とに近接した、縮幅部311の−Y軸側の端は圧縮されるために温度が上昇するが、これら温度上昇した領域から温度低下した領域に向かって熱が移動する。また、振動腕32、33が互いに接近するように平面内で屈曲変形した場合には、上述の温度上昇する領域と温度低下する領域とは入れ替わり、熱は逆方向に移動する。屈曲振動によって所定の周期で交互に熱が移動することによって熱弾性損失が発生し、後述する断熱的領域においては、その熱の移動経路が長い程、損失が小さいことから、上述の効果は説明される。
なお、本実施形態では、縮幅部311の輪郭がアーチ状をしているが、上述のような作用を呈するものであればこれに限るものではない。例えば、縮幅部311の輪郭が複数の直線によって、段差状に形成されている、すなわち、その幅(X軸方向の長さ)が中心線Lyに沿って、−Y軸側に向けて段階的に減少していてもよいし、縮幅部311の輪郭が、複数の直線によって階段状のステップから構成されていてもよい。
振動腕32、33は、X軸方向に並び、かつ、互いに平行となるように基部31の+Y軸側の端から+Y軸方向に延出している。これら振動腕32、33は、それぞれ、長手形状をなし、その基端(−Y軸側の端)が固定端となり、先端(+Y軸側の端)が自由端となる。
また、振動腕32、33は、それぞれ、基部31から延びている腕部321、331と、腕部321、331の先端側に位置し、腕部321、331よりも幅が広い錘部としてのハンマーヘッド(広幅部)322、332と、を有している。このように、振動腕32、33の先端部にハンマーヘッド322、332を設けることで、振動腕32、33を短くすることができ、振動素子2の小型化を図ることができる。また、振動腕32、33を短くすることができる分、同じ周波数で振動腕32、33を振動させたときの振動腕32、33の振動速度を従来よりも低くすることができるため、振動腕32、33が振動する際の空気抵抗を低減することができ、その分、Q値が高まり、振動特性を向上させることができる。また、所定の長さ(Y軸方向長さ)、所定の振動周波数を固定して考えた場合には、ハンマーヘッド322、332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321、331の幅(X軸方向長さ)を広くすることができるから、屈曲振動によって発生する熱の移動経路を長くすることができるので、後述する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、その分、Q値が高まり、振動特性を向上させることができる。
ここで、ハンマーヘッド322、333の離間距離W7としては、特に限定されないが、例えば、水晶振動片3の厚さT(μm)に対して、0.033T(μm)≦W7≦0.33T(μm)の関係を満足することが好ましい。これにより、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術を用いて、水晶振動片3を形成する際に、ハンマーヘッド322、332同士の離間距離W7と、振動腕32、33(ハンマーヘッド322、332)の厚さTとの関係が最適化され、その結果、超小型が実現された水晶振動片3が形成されることとなる。
以下、振動腕32、33について詳述するが、振動腕32、33は、互いに同様の構成であるため、以下では、振動腕32について代表して説明し、振動腕33については、その説明を省略する。
図3に示すように、腕部321は、XY平面で構成され、互いに表裏の関係にある一対の主面32a、32bと、YZ平面で構成され、一対の主面32a、32bを接続する1対の側面32c、32dと、を有している。また、腕部321には、主面32aに開口する有底の溝323と、主面32bに開口する有底の溝324とを有している。このように、振動腕32に溝323、324を形成することによって、熱弾性損失の低減を図ることができ、優れた振動特性を発揮することができる。溝323、324の長さは、特に限定されず、先端がハンマーヘッド322まで延びていてもよいし、基端が基部31まで延びていてもよい。このような構成とすることで、腕部321とハンマーヘッド322の境界部および腕部321と基部31の境界部への応力集中が緩和され、衝撃が加わった際に発生する折れや欠けの虞が減少する。なお、溝は、主面32a、32bのいずれか一方にだけ設けられていてもよいし、省略してもよい。
溝323、324の深さtは、0.292≦t/T≦0.483なる関係を満足するのが好ましい。このような関係を満足することで、熱移動経路が長くなるから、後述する断熱的領域において、より効果的に、熱弾性損失の低減を図ることができる。また、深さtは、0.455≦t/T≦0.483なる関係を満足するのがさらに好ましい。このような関係を満足することで、さらに熱移動経路が長くなることで熱弾性損失の低減を図ることができるので、Q値の向上とそれに伴うCI値の低減、さらには、屈曲変形する領域に電界をかけるための電極面積をより広くすることができることによるCI値の低減が実現される。
なお、水晶基板をウエットエッチングによるパターニングで水晶振動片3を製造する場合は、腕部321の断面形状は、図4に示すように、水晶の結晶面が露出したような形状となる。具体的には、−X軸方向のエッチングレートが+X軸方向のエッチングレートよりも低いため、−X軸方向の側面が比較的なだらかな傾斜となり、+X軸方向の側面が垂直に近い傾斜となる。この場合の溝323、324の深さtは、図4に示すように、最も深い位置における深さを言う。ここで、図4に示すように、溝323、324は、XY平面で構成される底面323a、324aを有していることが好ましい。これにより、熱移動経路をより長くすることができ、断熱的領域において、効果的に熱弾性損失の低減を図ることができる。
溝323、324は、振動腕32の断面重心が振動腕32の断面形状の中心と一致するように、振動腕32に対してX軸方向の位置を調整して形成されているのが好ましい。こうすることで、振動腕32の不要な振動(具体的には、面外方向成分を有する振動)を低減するので、振動漏れを低減することができる。また、この場合、余計な振動をも駆動してしまうことを低減することになるので、相対的に駆動領域が増大してCI値を小さくすることができる。
このような腕部321の幅(X軸方向の長さ)W4としては、特に限定されないが、13μm以上300μm以下程度であるのが好ましく、30μm以上、150μm以下程度であるのがより好ましい。幅W4が上記下限値未満であると、製造技術によっては腕部321に溝323、324を形成することが困難となること、また、振動周波数が32.768kHz±1kHzの範囲においては、振動腕32を断熱的領域とすることができなくなる場合があり、溝323や溝324の形成によって寧ろ熱弾性損失が増大してしまう虞がある。一方、幅W4が上記上限値を超えると、水晶振動片3の厚さTによっては、腕部321の剛性が高くなり過ぎてしまい、低消費電力化による励振パワーの減少に伴って、腕部321の屈曲振動をスムーズに行うことができない場合がある。また、振動腕32が重くなることによって、導電性接着剤11、12による固定強度が不足して、衝撃が加わった際に振動素子2がベース91から脱落してしまう虞がある。なお、ここで言う幅W4は、腕部321の中央部に位置し、ほぼ一定の幅で延在している部分での幅を言い、両端部に位置しているテーパー部の幅ではない。
また、振動腕32の全長(Y軸方向の長さ)をLとし、ハンマーヘッド322の全長(Y軸方向の長さ)をHとしたとき、0.183≦H/L≦0.597なる関係を満足することが好ましく、0.238≦H/L≦0.531なる関係を満足することがより好ましい。これにより、小型化と振動特性の向上を両立させた振動素子2が得られる。さらには、ハンマーヘッド322の面積を十分に確保することができるため、ハンマーヘッド322上に十分な質量の錘部5を配置することができる。
また、ハンマーヘッド322の幅(X軸方向の長さ)W5としては、特に限定されないが、腕部321の幅W4の1.5倍以上、10倍以下程度であることが好ましい。すなわち、1.5W4≦W5≦10W4なる関係を満足することが好ましい。これにより、ハンマーヘッド322の幅を十分に広く確保することができる。そのため、ハンマーヘッド322の長さHが比較的短くても、ハンマーヘッド322による質量効果を十分に発揮することができる。したがって、振動腕32の全長Lが抑えされ、振動素子32の小型化を図ることができる。さらには、ハンマーヘッド322の面積を十分に確保することができるため、ハンマーヘッド322上に十分な質量の錘部5を配置することができる。また、屈曲振動は純粋な面内振動ではないため、W5が広すぎることによって、振動腕32が屈曲振動する際にハンマーヘッド322が大きく捩れて振動漏れが増大する虞があるが、これを抑圧することができる。
≪第1、第2駆動用電極≫
図3に示すように、このような水晶振動片3が有する振動腕32には、一対の第1駆動用電極84と一対の第2駆動用電極85とが形成されている。第1駆動用電極84の一方は、溝323の内面に形成されており、他方は、溝324の内面に形成されている。また、第2駆動用電極85の一方は、側面32cに形成されており、他方は、側面32dに形成されている。同様に、振動腕33にも、一対の第1駆動用電極84と一対の第2駆動用電極85とが形成されている。第1駆動用電極84の一方は、側面33cに形成されており、他方は、側面33dに形成されている。また、第2駆動用電極85の一方は、溝333の内面に形成されており、他方は、溝334の内面に形成されている。
各第1駆動用電極84は、図示しない配線により接続部34の下面に設けられている接続電極86まで引き出され、接続電極86にて、導電性接着材11を介して接続端子951と電気的に接続されている。同様に、各第2駆動用電極85は、図示しない配線により接続部34の下面に設けられている接続電極87まで引き出され、接続電極87にて、導電性接着材12を介して接続端子961と電気的に接続されている。そして、これら第1、第2駆動用電極84、85間に交番電圧を印加すると、振動腕32、33が互いに接近、離間を繰り返すようにX軸方向を主たる変位とする屈曲振動モードであるX逆相モードで振動する。
第1、第2駆動用電極84、85の構成材料としては、導電性を有していれば、特に限定されず、例えば、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、W(タングステン)、モリブテン(Mo)などの下地層に、Au(金)、Ag(銀)、Cu(銅)などの被覆層を形成した構成することができる。
また、第1、第2駆動用電極84、85の具体的な構成としては、例えば、700Å以下のCr層上に700Å以下のAu層を形成した構成とすることができる。特に、CrやAuは、熱弾性損失が大きいので、Cr層、Au層は、好ましくは200Å以下とされる。また、絶縁破壊耐性を高くする場合には、Cr層、Au層は、好ましくは1000Å以上とされる。さらに、Niは、水晶の熱膨張係数に近いので、Cr層に替えてNi層を下地にすることで、電極に起因する熱応力を減少させ、長期信頼性(エージング特性)の良い振動素子を得ることができる。
−錘部−
振動腕32、33のハンマーヘッド322、332には、それぞれ、錘部5が設けられている。錘部5は、振動素子2の共振周波数の調整を行うのに用いられる。このような錘部5の構成は、振動腕32、33で同様であるため、以下では、振動腕32に設けられている錘部5について代表して説明し、振動腕33に設けられている錘部5については、その説明を省略する。
図5(a)、(b)に示すように、錘部5は、ハンマーヘッド322に設けられている。このように、錘部5をハンマーヘッド322に設けることで、共振周波数の調整効率(錘部5の除去量に対する周波数変化の割合)を高めることができる。また、錘部5をハンマーヘッド322に設けることで、第1、第2駆動用電極84、85の形成領域を広く確保することができるので、振動素子2の駆動効率(例えばCI値)の低下を防止することができる。
このような錘部5は、主面32b、すなわち、リッド92と反対側に位置する主面に設けられている。また、錘部5は、第1錘部51と、第1錘部51よりも基端側(基部31側)に設けられている第2錘部52と、を有している。また、第2錘部52は、第1錘部51よりも厚さが薄くなっている。後述するように、第1錘部51は、振動素子2の共振周波数の粗調を行うための錘部であり、第2錘部は、振動素子2の共振周波数を微調するための錘部である。このように、錘部5が粗調用の第1錘部51と微調用の第2錘部52とを有することで、振動素子2の共振周波数を効率的にかつ精度よく調整することができる。
また、錘部5は、ハンマーヘッド322の下面側から第1錘層5Aと第2錘層5Bとの積層体で構成されている。第1錘層5Aは、ハンマーヘッド322の下面のほぼ全面に配置されており、第2錘層5Bは、第1錘層5Aよりも短く、ハンマーヘッド322の基端部を除くように、先端側に片寄って配置されている。すなわち、錘部5は、その長さ方向の先端側に位置し、第1錘層5Aと第2錘層5Bとが重なっている第1部分と、基端側に位置し、第1錘層5Aが単層で存在している第2部分と、を有している。そして、第1部分が第1錘部51を構成し、第2部分が第2錘部52を構成している。このような構成とすることで、第1、第2錘部51、52の構成が簡単となる。
また、第1錘層5Aの厚さをt1とし、第2錘層5Bの厚さをt2としたとき、2×t1≦t2≦70×t1なる関係を満足することが好ましく、5×t1≦t2≦50×t1なる関係を満足することが好ましい。これにより、第1錘部51を十分に厚く形成し、一方、第2錘部52を十分に薄く形成することができる。そのため、第1錘部51が共振周波数の粗調により適した厚さとなり、第2錘部52が共振周波数の微調により適した厚さとなる。よって、振動素子2の共振周波数をより効果的にかつ精度よく行うことができる。なお、第1錘層5Aの厚さt1としては、特に限定されないが、10Å以上、3000Å以下であるのが好ましく、10Å以上、1000Å以下であるのがより好ましい。これにより、第1錘層5Aを十分に薄くすることができ、第2錘部52が共振周波数の微調に用いるのに適した厚さとなる。また、第1、第2錘層5A、5Bの厚さt1、t2の合計(=t1+t2)としては、特に限定されないが、錘部5の過度な厚み増を防止する観点から、例えば、5μm以下であることが好ましい。
また、第1錘部51の振動腕32の延在方向(Y軸方向)に沿った長さをL1、第2錘部52の振動腕32の延在方向(Y軸方向)に沿った長さをL2としたとき、下記式(1)を満足することが好ましく、下記式(2)を満足することがより好ましい。これにより、第1錘部51と第2錘部52とをバランスよく配置することができる。第1錘部51は、振動素子2の共振周波数の粗調に用い、第2錘部52は、振動素子2の共振周波数の微調に用いるので、第1、第2錘部51、52をバランスよく配置することで、粗調および微調をともに十分に行うことができ、振動素子2の周波数調整を効率的かつ精度よく行うことができる。
Figure 2015128268
Figure 2015128268
第1、第2錘層5A、5Bの形成方法としては、特に限定されず、例えば、スパッタ法、蒸着法等を用いることができる。本実施形態では、第1錘層5Aをスパッタ法で形成し、第2錘層5Bを蒸着法で形成している。蒸着法で膜を形成する際は高真空状態で成膜するため、蒸着法で形成した膜の方が、スパッタ法で形成した膜よりも、レーザー光LLの照射によって除去する際に発生するアウトガス(デガス)の量が少ない。そのため、後述するように、パッケージ9に収容した状態で振動素子2の共振周波数を調整する場合には、アウトガスによるパッケージの収容空間Sの真空度の低下を低減することができる。なお、第2錘層5Bと同様に、第1錘層5Aも蒸着法で形成すれば上記効果がより向上するが、水晶振動片3の表面に蒸着法で第1錘層5Aを形成する場合、スパッタ法に比べてプロセス処理に時間がかかる上に、一般的に膜厚精度が低いため、形成の容易性を鑑みて、本実施形態では第1錘層5Aをスパッタ法で形成している。前述したように、第1錘層5Aは、第2錘層5Bと比較して十分に薄く形成されているため、アウトガスの発生量が抑えられている。
第1、第2錘層5A、5Bの具体的な構成としては、図6(a)に示すように、例えば、Cr(クロム)で構成され、スパッタ法で形成された第1錘層5Aと、これを下地層として、Au(金)で構成され、蒸着法で形成された第2錘層5Bと、が積層した構成とすることができる。また、図6(b)に示すように、第1錘層5Aは、2層で構成されていてもよい。具体的には、第1錘層5Aは、Crで構成され、スパッタ法で形成された下地層5A1と、Auで構成され、蒸着法で形成された被覆層5A2とが積層した構成となっていてもよい。図6(a)の構成では、第1錘層5Aが単層で構成されているため、図6(b)の構成と比較して第1錘層5Aを薄くすることができるメリットがあるが、第1錘層5Aの表面に酸化膜が形成されてしまうというデメリットがある。これに対して、図6(b)の構成によれば、図6(a)の構成よりも第1錘層5Aが厚くなってしまうデメリットがあるものの、第1錘層5Aの表面に酸化層が形成されてしまうことを防止することができる。なお、図6(a)、(b)のいずれの場合にも、第1錘層5Aは、前述した第1、第2駆動用電極84、85と同じ工程で形成することができる。そのため、振動素子2の製造の煩雑化を防止することができる。
以上、錘部5について詳細に説明した。ここで、水晶振動片3は、実質的に無色透明であるため、振動腕32(ハンマーヘッド322)は、レーザー光LLを透過することができる。また、図5(b)に示すように、ハンマーヘッド322の主面32a(リッド92側の主面)には第1、第2駆動用電極84、85や錘部5が形成されてない。したがって、ハンマーヘッド322の主面32aでは、その地肌が露出している。このようなハンマーヘッド322の主面32aは、レーザー光LLのハンマーヘッド322内への入射を許容するレーザー入射領域(領域)SLLとなっている。
レーザー入射領域(領域)SLLは、平面視(Z軸方向からみた平面視)で、第1錘部51と重なる位置に設けられている第1レーザー入射領域SLL1と、第2錘部52と重なる位置に設けられている第2レーザー入射領域SLL2と、を有している。これにより、レーザー光LLを、第1レーザー入射領域SLL1からハンマーヘッド322内を透過させて第1錘部51に照射することができ、同様に、第2レーザー入射領域SLL2からハンマーヘッド322内を透過させて第2錘部52に照射することができる。このように、ハンマーヘッド322の主面32a側からレーザー光LLを照射して第1、第2錘部51、52を除去することで、除去された錘材料の振動素子2への再付着を低減することができる。このことは、後述する周波数調整方法にて詳細に説明する。
特に、前述したように、レーザー入射領域SLLでは、ハンマーヘッド322の地肌(水晶振動片3の表面)が露出しているため、ハンマーヘッド322内へのレーザー光LLの入射効率を高めることができる。なお、仮に、ハンマーヘッド322の主面32aに何らかの層が形成されていると、レーザー光LLによって当該層が蒸発し、これが原因となってパッケージ9内の真空度が低下するおそれがある。
以上、振動素子2の構成を説明した。上述したように、振動素子2の各振動腕32、33に溝323、324、333、334を形成することによって、熱弾性損失の低減を図ることができ、優れた振動特性を発揮することができる。以下、このことについて、振動腕32を例にして具体的に説明する。
振動腕32は、前述したように、第1、第2駆動用電極84、85間に交番電圧を印加することにより面内方向に屈曲振動する。図7に示すように、この屈曲振動の際、腕部321の側面32cが収縮すると側面32dが伸張し、反対に、側面32cが伸張すると側面32dが収縮する。振動腕32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32c、32d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。そのため、側面32cと側面32dとの間、つまり腕部321の内部に温度差が発生する。この温度差から生じる熱伝導によって振動エネルギーの損失が発生し、これにより振動素子2のQ値が低下する。このようなQ値の低下に伴うエネルギーの損失を熱弾性損失とも言う。
振動素子2のような構成の屈曲振動モードで振動する振動素子において、振動腕32の屈曲振動周波数(機械的屈曲振動周波数)fが変化したとき、振動腕32の屈曲振動周波数が熱緩和周波数fmと一致するときにQ値が最小となる。この熱緩和周波数fmは、下記式(3)で求めることができる。ただし、ただし、式(3)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)。
Figure 2015128268
また、平板構造(断面形状が矩形の構造)の熱緩和周波数をfm0とすれば、fm0は下記式(4)で求めることができる。なお、式(4)中、πは円周率、kは振動腕32の振動方向の熱伝導率、ρは振動腕32の質量密度、Cpは振動腕32の熱容量、aは振動腕32の振動方向の幅である。式(4)の熱伝導率k、質量密度ρ、熱容量Cpに振動腕32の材料そのもの(すなわち水晶)の定数を入力した場合、求まる熱緩和周波数fm0は、振動腕32に溝323、324を設けていない場合の値となる。
Figure 2015128268
振動腕32では、側面32c、32dの間に位置するように溝323、324が形成されている。そのため、振動腕32の屈曲振動時に生じる側面32c、32dの温度差を熱伝導により温度平衡させるための熱移動経路が溝323、324を迂回するように形成され、熱移動経路が側面32c、32d間の直線距離(最短距離)よりも長くなる。そのため、振動腕32に溝323、324を設けていない場合と比較して緩和時間τが長くなり、熱緩和周波数fmが低くなる。
図8は、屈曲振動モードの振動素子のQ値のf/fm依存性を表すグラフである。同図において、点線で示されている曲線F1は、振動素子2のように振動腕に溝が形成されている場合を示し、実線で示されている曲線F2は、振動腕に溝が形成されていない場合を示している。同図に示すように、曲線F1、F2の形状は変わらないが、前述のような熱緩和周波数fmの低下に伴って、曲線F1が曲線F2に対して周波数低下方向へシフトする。したがって、振動素子2のように振動腕に溝が形成されている場合の熱緩和周波数をfm1とすれば、下記式(5)を満たすことにより、常に、振動腕に溝が形成されている振動素子のQ値が振動腕に溝が形成されていない振動素子のQ値に対して高くなる。
Figure 2015128268
更に、下記式(6)の関係に限定すれば、より高いQ値を得ることができる。
Figure 2015128268
なお、図8において、f/fm<1の領域を等温的領域とも言い、この等温的領域ではf/fmが小さくなるにつれてQ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が低くなる(振動腕の振動が遅くなる)につれて前述のような振動腕内の温度差が生じ難くなるためである。したがって、f/fmを0に限りなく近づけた際の極限では、等温準静操作となって、熱弾性損失は限りなく0に接近する。一方、f/fm>1の領域を断熱的領域とも言い、この断熱的領域ではf/fmが大きくなるにつれてQ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が高くなるにつれて、各側面の温度上昇・温度低下の切り替わりが高速となり、前述のような熱伝導が生じる時間がなくなるためである。したがって、f/fmを限りなく大きくした際の極限では、断熱操作となって、熱弾性損失は限りなく0に接近する。このことから、f/fm>1の関係を満たすとは、f/fmが断熱的領域にあるとも言い換えることができる。
≪振動素子の周波数調整方法≫
次に、図9〜図12に基づいて、上述した振動素子2の共振周波数を調整する方法について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、振動腕32に設けられた錘部5を除去する場合を代表して説明するが、振動腕33に設けられた錘部5も同様にして除去するものである。
この共振周波数調整方法は、パッケージ9に収容する前に振動素子2の共振周波数を粗調する粗調工程と、粗調済みの振動素子2をパッケージ9に収容する収容工程と、第1錘部51を利用してパッケージ9内の振動素子2の共振周波数を調整(粗調)する第1調整工程と、第2錘部52を利用してパッケージ9内の振動素子2の共振周波数を調整(微調)する第2調整工程と、を有している。
−粗調工程−
まず、振動素子2を駆動させた状態で、図9に示すように、第1錘部51の先端側にレーザー光LLを照射し、第1錘部51の一部を除去する。これにより、振動素子2の共振周波数を目的値に対して大まかに合わせ込む。すなわち粗調する。第1錘部51の先端側は、レーザー光LLの照射時間(錘部の除去量)に対する周波数変化の割合が大きいため、より効率的に共振周波数の粗調を行うことができる。なお、図9(a)では、ハンマーヘッド322の主面32b側(第1錘部51の表面側)からレーザー光LLを照射しているが、反対に、ハンマーヘッド322の主面32a側(第1錘部51の裏面側)からレーザー光LLを照射してもよい。すなわち、レーザー光LLを、第1レーザー入射領域SLL1からハンマーヘッド322内を透過させて第1錘部51へ照射してもよい。また、本工程は、振動素子2がウエハ上に保持されている状態で行うことができる。すなわち、ウエハから振動素子2を折り取る前に行うことができる。また、本工程は、大気に曝された状態で行ってもよいし、減圧された状態で行ってもよい。特に前者の場合には、空気抵抗による共振周波数のずれが発生してしまうが、より簡単に共振周波数を調整することができる。
−収容工程−
次に、図10に示すように、粗調済みの振動素子2をパッケージ9に収容し(すなわち、導電性接着材11、12を介してベース91に固定し)、パッケージ9内を真空状態とする。振動素子2を収容した状態では、振動素子2の第1、第2錘部51、52が配置されている側の主面32bがベース91側に位置し、レーザー入射領域SLLが設けられている側の主面32aがリッド92側に位置している。さらに、リッド92とレーザー入射領域SLLとが対向している。このような配置とすることで、後述するように、リッド92およびハンマーヘッド322を介して、レーザー光LLを第1、第2錘部51、52に照射することができる。
−第1調整工程−
次に、振動素子2を駆動させた状態で、図11に示すように、レーザー光LLをリッド92側から第1錘部51に向けて照射し、第1錘部51の少なくとも一部を除去する。具体的には、レーザー光LLを、リッド92を介してパッケージ9内に導き、さらに、第1レーザー入射領域SLL1からハンマーヘッド322内を透過させて第1錘部51にその裏側から照射することで、第1錘部51の一部を除去する。この時、レーザー光LLを照射する領域は、前述した粗調工程でレーザー光LLを照射した領域よりも基端側に位置していることが好ましい。これにより、粗調工程よりも、レーザー光LLの照射時間(錘部の除去量)に対する周波数変化の割合が小さくなる。このような第1調整工程によって、振動素子2の共振周波数を目的値に対してさらに合わせ込む。なお、本工程は、前記粗調工程よりも微小ではあるが、共振周波数を比較的粗く調整する粗調工程であるとも言える。
本工程にて、第1錘部51から除去された錘材料Bは、パッケージ9内を飛散し、その大半が、第1錘部51と対向配置されている凹部911の底面や凹部912の内面に付着する。そのため、飛散した錘材料Bが、振動素子2を回り込んでリッド92の内面に付着することが抑制される。その結果、前述した背景技術でも説明したように、リッド92の内面に付着した錘材料Bがレーザー光LLによって飛散して再び振動腕32に付着してしまうことを効果的に抑制することができる。したがって、本工程によれば、周波数調整を効率的にかつ精度よく行うことができる。特に、凹部911の底面や凹部912の内面は、振動素子2を介してリッド92と反対側に位置しているため、レーザー光LLが照射され難い。したがって、一旦、凹部911の底面や凹部912の内面に付着した錘材料Bは、再び飛散することが少なく、前述したような振動腕32への再付着が低減される。特に、レーザー光LLの指向する方向と重力加速度の方向が同一であれば、さらに再付着するおそれが低減される。
−第2調整工程−
次に、振動素子2を駆動させた状態で、図12に示すように、レーザー光LLをリッド92側から第2錘部52に向けて照射し、第2錘部52の少なくとも一部を除去する。具体的には、レーザー光LLを、リッド92を介してパッケージ9内に導き、さらに、第2レーザー入射領域SLL2からハンマーヘッド322内を透過させて第2錘部52にその裏側から照射することで、第2錘部52の一部を除去する。第2錘部52は、第1錘部51よりも薄く、かつ、第1錘部51よりも基端側に位置しているため、レーザー光LLの照射時間(錘部の除去量)に対する周波数変化の割合が小さい。このことから、本工程は、共振周波数を微小に調整する微調工程であるとも言える。このような第2調整工程によって、振動素子2の共振周波数を目的値に対してさらに合わせ込み、好ましくは一致させる。
本工程にて、第2錘部52から除去された錘材料B’は、パッケージ9内を飛散し、その大半が、錘材料Bと同様にして凹部911の底面や凹部912の内面に付着する。そのため、飛散した錘材料B’が、振動素子2を回り込んでリッド92の内面に付着することが抑制される。その結果、前述の錘材料Bと同様の理由により、錘材料B’がレーザー光LLによって蒸発して再び振動腕32に付着してしまうことを効果的に抑制することができる。したがって、本工程によれば、周波数調整を効率的にかつ精度よく行うことができる。特に、レーザー光LLの指向する方向と重力加速度の方向が同一であれば、さらに再付着するおそれが低減される。
以上のような周波数調整方法によれば、一旦除去した錘材料B、B’の振動腕32への再付着を防止することができるので、調整可能な周波数範囲が広く、効率的にかつ精度よく振動素子2の共振周波数を調整することができる。また、パッケージ9に搭載した状態で周波数調整を行うことができるので、より正確に共振周波数を調整することができる。また、パッケージ9内での錘部の除去量が比較的少なく済むので、パッケージ9内でのアウトガスの発生を低減することができる。前述したように、この効果は、第2錘層5Bを蒸着法で形成することでより顕著となる。
なお、本実施形態では、エネルギー線としてレーザー光LLを用いているが、エネルギー線としては、錘部5を除去することができれば特に限定されず、例えば、電子ビーム等を用いてもよい。
<第2実施形態>
図13は、本発明の第2実施形態にかかる振動子が備える振動素子の断面図である。図14および図15は、それぞれ、周波数調整方法を説明する断面図である。
以下、第2実施形態の振動子について、前述した実施形態の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。
本実施形態の振動子は、振動素子が有する錘部の構成が異なること以外は、前述した第1実施形態の振動子と同様である。
≪振動子(振動素子)≫
図13に示すように、本実施形態の振動素子2では、錘部5が、ハンマーヘッド322の主面32aに配置された第3錘部53を有している。この第3錘部53は、前述した粗調工程での周波数調整に利用されるものである。
第3錘部53は、平面視(Z軸方向から見た平面視)で第1錘部51の一部と重なるように配置されている。より具体的には、第3錘部53の振動腕32の延在方向(Y軸方向)に沿った長さをL3としたとき、L3<L1なる関係を満足しており、平面視で、第1錘部51の先端部と重なるように配置されている。そのため、ハンマーヘッド322の主面32aであって第1錘部51の基端部と重なる位置に、第1レーザー入射領域SLL1が配置されている。また、第3錘部53の厚さt3は、第2錘部52の厚さ(第1錘層5Aの厚さt1)よりも厚く、本実施形態では、第1錘部51とほぼ等しい厚さとなっている。これにより、後述するように、粗調工程での周波数調整をより効率的に行うことができる。
このような第3錘部53の構成としては、特に限定されず、例えば、第1錘部51と同様の構成とすることができる。すなわち、第3錘部53は、第1錘層5Aと第2錘層5Bとの積層体で構成することができる。
≪周波数調整工程≫
次に、図14、図15に基づいて、上述した振動素子2の共振周波数を調整する方法について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、振動腕32に設けられた錘部5を除去する場合を代表して説明するが、振動腕33に設けられた錘部5も同様にして除去するものである。
この共振周波数調整方法は、パッケージ9に収容する前に振動素子2の共振周波数を粗調する粗調工程と、粗調済みの振動素子2をパッケージ9に収容する収容工程と、第1錘部51を利用してパッケージ9内の振動素子2の共振周波数を調整(粗調)する第1調整工程と、第2錘部52を利用してパッケージ9内の振動素子2の共振周波数を調整(微調)する第2調整工程と、を有している。
−粗調工程−
まず、振動素子2を駆動させた状態で、図14に示すように、第1錘部51と第3錘部53とが重なっている領域にレーザー光LLを照射し、第1、第3錘部51、53の一部を除去する。これにより、振動素子2の共振周波数を目的値に対して大まかに合わせ込む。この領域は、振動腕32の先端部に位置し、さらに、第1、第3錘部51、53が重なっている領域であるため、レーザー光LLの照射時間(錘部の除去量)に対する周波数変化の割合が大きい。そのため、より効率的に共振周波数の粗調を行うことができる。特に、前述したように、第3錘部53の厚さが第2錘部52の厚さよりも厚いため、上記効果がより顕著となる。
−収容工程−
前述した第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
−第1調整工程−
次に、振動素子2を駆動させた状態で、図15に示すように、レーザー光LLをリッド92側から第1錘部51に向けて照射し、第1錘部51の少なくとも一部を除去する。具体的には、レーザー光LLを、リッド92を介してパッケージ9内に導き、さらに、第1レーザー入射領域SLL1からハンマーヘッド322内を透過させて第1錘部51にその裏側から照射することで、第1錘部51の一部を除去する。これにより、振動素子2の共振周波数を目的値に対してさらに合わせ込む。
−第2調整工程−
前述した第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
このような第2実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第3実施形態>
図16は、本発明の第3実施形態にかかる振動子が備える振動素子の断面図である。
以下、第3実施形態の振動子について、前述した実施形態の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。
本実施形態の振動子は、振動素子が有する錘部(第3錘部)の構成が異なること以外は、前述した第2実施形態の振動子と同様である。
≪振動子(振動素子)≫
図16に示すように、本実施形態の振動素子2では、第3錘部53が、平面視(Z軸方向から見た平面視)で第1錘部51の全域と重なるように配置されている。より具体的には、第3錘部53の長さL3が、L3=L1なる関係を満足しており、平面視で、第1錘部51と重なるように配置されている。そのため、ハンマーヘッド322の主面32aであって第1錘部51と重なる位置にはレーザー入射領域SLLが配置されていない。
このような第3実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
<第4実施形態>
図17は、本発明の第4実施形態にかかる振動子が備える振動素子の平面図である。
以下、第4実施形態の振動子について、前述した実施形態の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。
本実施形態の振動子は、振動素子が有するハンマーヘッドの形状が異なること以外は、前述した第1実施形態の振動子と同様である。
≪振動子(振動素子)≫
図17に示すように、本実施形態の振動素子2では、ハンマーヘッド322が、先端側に位置する先端部3221と、先端部3221の基端側に位置し、先端部3221よりも幅の狭い基端部3222と、を有している。そして、先端部3221の主面32b上に第1錘部51が配置されており、基端部3222の主面32b上に第2錘部52が配置されている。錘部5をリッド92側から見たときには、第1錘層5Aの裏面が視認されるだけで、第1錘部51と第2錘部52の境界を視認することができない。しかしながら、本実施形態のように、ハンマーヘッド322を二段形状とすることで、第1錘部51と第2錘部52の位置(これらの境界部)を視覚的に確認し易くなり、レーザー光LLの照射をより正確に行うことができる。
このような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
2.発振器
次に、本発明の振動素子を備えた発振器について説明する。
図18は、本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。なお、図18では、説明の便宜上、振動素子2の第1、第2駆動用電極および錘部の図示を省略している。
図18に示す発振器100は、振動子1と、振動素子2を駆動するためのICチップ110とを有している。以下、発振器100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。
図18に示すように、発振器100では、ベース91の凹部911にICチップ110が固定されている。ICチップ110は、凹部911の底面に形成された複数の内部端子120と電気的に接続されている。複数の内部端子120には、接続端子951、961と接続されているものと、外部端子953、963と接続されているものがある。ICチップ110は、振動素子2の駆動を制御するための発振回路(回路)を有している。ICチップ110によって振動素子2を駆動すると、所定の周波数の信号を取り出すことができる。
3.物理量センサー
次に、本発明の振動素子を備えた物理量センサーについて説明する。
図19は、本発明の物理量センサーの好適な実施形態を示す断面図である。なお、図19では、説明の便宜上、振動素子2の第1、第2駆動用電極および錘部の図示を省略している。
図19に示す物理量センサー200は、Y軸まわりの角速度を検出することのできる角速度センサー(ジャイロセンサー)であり、振動子1と、振動素子2を駆動するためのICチップ110とを有している。以下、物理量センサー200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。
図19に示すように、物理量センサー200では、ベース91の凹部911にICチップ210が固定されている。ICチップ210は、凹部911の底面に形成された複数の内部端子220と電気的に接続されている。複数の内部端子220には、接続端子951、961と接続されているものと、外部端子953、963と接続されているものがある。ICチップ210は、振動素子2の駆動を制御するための発振回路(回路)と、角速度を検出するための検出回路とを有している。
このような物理量センサーでは、振動腕32、33をX逆相モードである駆動振動モードで励振振動させているときに、Y軸まわりの角速度が加わると、振動腕32、33にZ軸逆相モードである検出振動モードが発生する。この検出振動モードによって電極電圧(第1、第2駆動用電極84、85間の電圧)が変化し、この変化に基づいて角速度を検出することができる。
なお、物理量センサーとしては、角速度センサーに限定されず、加速度センサーや圧力センサーにも用いることができる。
4.電子機器
次に、本発明の振動素子を備えた電子機器について説明する。
図20は、本発明の電子機器を適用したモバイル型(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1108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にはフィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子1(振動素子2)が内蔵されている。
図21は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機(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1208が配置されている。このような携帯電話機1200にはフィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子1(振動素子2)が内蔵されている。
図22は、本発明の電子機器を適用したディジタルスチ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、ディジタルスチルカメラ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。
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部1310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、このディジタルスチルカメラ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−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。このようなディジタルスチルカメラ1300には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動子1(振動素子2)が内蔵されている。
なお、本発明の振動子を備える電子機器は、図20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21の携帯電話機、図22のディジタルスチルカメラの他にも、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)、ラップトップ型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、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等に適用することができる。
5.移動体
次に、本発明の振動素子を備えた移動体について説明する。
図23は、本発明の移動体を適用した自動車を示す斜視図である。自動車1500には、振動子1(振動素子2)が搭載されている。振動子1は、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)、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、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)に広く適用できる。
以上、本発明の振動子、発振器、電子機器、物理量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、前述した実施形態では、各振動腕の各主面には1つの溝が設けられているが、溝の数としては、特に限定されず、2本以上であってもよい。例えば、各主面に、X軸方向に並ぶ2つの溝が設けられていてもよい。
また、前述した実施形態では、振動片の構成材料として水晶を用いているが、振動片の構成材料としては、これに限定されず、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(LiTaO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、四ホウ酸リチウム(Li)、ランガサイト(LaGaSiO14)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(Ta)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。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の振動片においても、本発明の構成およびその効果を発揮させることができる。また、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。
1……振動子 11、12……導電性接着材 2……振動素子 3……水晶振動片 31……基部 31a、31b……切り込み部 311……縮幅部 32……振動腕 32a、32b……主面 32c、32d……側面 321、331……腕部 322、332……ハンマーヘッド 323、324……溝 323a、324a……底面 33……振動腕 33c、33d……側面 333、334……溝 34……接続部 35……連結部 5……錘部 5A……第1錘層 5A1……下地層 5A2……被覆層 5B……第2錘層 51……第1錘部 52……第2錘部 53……第3錘部 84……第1駆動用電極 85……第2駆動用電極 86、87……接続電極 9……パッケージ 91……ベース 92……リッド 911……凹部 912……凹部 951、961……接続端子 952、962……貫通電極 953、963……外部端子 100……発振器 110……ICチップ 120……内部端子 200……物理量センサー 210……ICチップ 220……内部端子 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 1108……表示部 1200……携帯電話機 1202……操作ボタン 1204……受話口 1206……送話口 1208……表示部 1300……ディジタルスチルカメラ 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 1310……表示部 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 1500……自動車 B、B’……錘材料 L……全長 L1、L2……長さ LL……レーザー光 Ly……中心線 S……収容空間 SLL……レーザー入射領域 SLL1……第1レーザー入射領域 SLL2……第2レーザー入射領域 T、t、t1、t2……厚さ W4、W5……幅、L3、W7……離間距離

Claims (18)

  1. 基部と、
    平面視で前記基部から延出され、錘部が設けられている振動腕と、を含み、
    前記錘部は、
    平面視で、前記振動腕の前記基部とは反対側の先端部の一方の主面に配置されている第1錘部と、
    前記第1錘部よりも前記基部側に配置され、前記第1錘部よりも厚さが薄い第2錘部と、
    を含み、
    前記振動腕は、エネルギー線が透過することができ、
    前記振動腕の前記一方の主面と表裏の関係にある他方の主面であって、平面視で前記第2錘部と重なる位置に、前記エネルギー線の前記振動腕内への入射を許容する領域が配置されていることを特徴とする振動素子。
  2. 前記領域は、前記他方の主面であって、平面視で前記第1錘部と重なる位置にも配置されている請求項1に記載の振動素子。
  3. 前記第1錘部の前記延在方向に沿った長さをL1、
    前記第2錘部の前記延在方向に沿った長さをL2としたとき、
    Figure 2015128268
    なる関係を満足する請求項1または2に記載の振動素子。
  4. Figure 2015128268
    なる関係を満足する請求項3に記載の振動素子。
  5. 前記第1錘部は、前記一方の主面側から少なくとも第1錘層と、前記第1錘層上に第2錘層が順に積層してなり、
    前記第2錘部は、前記第1錘層で構成されている請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子。
  6. 前記第1錘層は、スパッタ法により形成され、
    前記第2錘層は、蒸着法により形成されている請求項5に記載の振動素子。
  7. 前記錘部は、
    前記他方の主面に平面視で前記第1錘部と重なるように配置されている第3錘部を含む請求項1ないし6のいずれか1項に記載の振動素子。
  8. 前記第3錘部の厚さは、前記第2錘部の厚さよりも厚い請求項6に記載の振動素子。
  9. 前記第1錘部の前記延在方向に沿った長さをL1、
    前記第3錘部の前記延在方向に沿った長さをL3としたとき、
    L3<L1
    なる関係を満足する請求項7または8に記載の振動素子。
  10. 前記領域では、前記他方の主面の地肌が露出している請求項1ないし9のいずれか1項に記載の振動素子。
  11. 前記振動腕は、
    広幅部と、
    前記基部と前記広幅部との間に配置され、前記広幅部よりも幅が狭い腕部と、
    を含み、
    前記広幅部に前記錘部が配置されている請求項1ないし10のいずれか1項に記載の振動素子。
  12. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の振動素子と、
    前記振動素子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。
  13. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の振動素子と、
    回路と、
    を備えていることを特徴とする発振器。
  14. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
  15. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする物理量センサー。
  16. 請求項1ないし11のいずれか1項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
  17. 振動素子をパッケージに収容する収容工程と、
    前記振動素子の共振周波数を調整する第1調整工程と、
    前記振動素子の共振周波数を調整する第2調整工程と、
    を有し、
    前記振動素子は、
    基部と、
    平面視で前記基部から延出され、錘部が設けられている振動腕と、
    を含み、
    前記錘部は、
    平面視で前記振動腕の前記基部とは反対側の先端部の一方の主面に配置されている第1錘部と、
    前記第1錘部よりも前記基部側に位置し、前記第1錘部よりも厚さが薄い第2錘部と、
    を含み、
    前記振動腕は、エネルギー線が透過することができ、
    前記振動腕の前記一方の主面と表裏の関係にある他方の主面であって、平面視で前記第2錘部と重なる位置に、前記エネルギー線の前記振動腕内への入射を許容する領域が配置され、
    前記パッケージは、
    前記エネルギー線が透過することのできる透過部を有し、
    前記収容工程では、
    前記振動素子を前記他方の主面を前記透過部側に位置させ、かつ、前記透過部と前記領域とを対向させて前記パッケージに収容し、
    前記第1調整工程では、
    前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記他方の主面から前記振動腕内を透過させて前記第1錘部に照射することで前記第1錘部の少なくとも一部を除去し、
    前記第2調整工程では、
    前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記領域から前記振動腕内を透過させて前記第2錘部に照射することで前記第2錘部の少なくとも一部を除去することを特徴とする振動素子の周波数調整方法。
  18. 前記領域は、
    前記振動腕の先端部の他方の主面であって、平面視で前記第1錘部と重なる位置にも配置されており、
    前記第1調整工程では、
    前記エネルギー線を前記透過部から前記パッケージ内へ導き、さらに、前記領域から前記振動腕内を透過させて前記第1錘部に照射することで前記第1錘部の少なくとも一部を除去する請求項17に記載の振動素子の周波数調整方法。
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