JP5589517B2

JP5589517B2 - 振動片、振動子及び発振器

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Publication number: JP5589517B2
Application number: JP2010089258A
Authority: JP
Inventors: 明法山田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: JP2011223229A

Description

本発明は、振動片、この振動片を備えた振動子及びこの振動片を備えた発振器に関する。

特許文献１には、基部と、基部から突出して形成されている振動腕部（以下、振動腕という）と、を有する振動片であって、振動腕の表面部及び裏面部の少なくとも一方に溝部が形成されていると共に、基部に切り込み部が形成されている振動片が開示されている。
また、特許文献２には、表裏面に括れた形状が表れるように１つの直線に沿って対向方向に一対の切り込み（以下、切り込み部という）が形成され、一対の切り込み部を挟んで両側に位置する第１及び第２の部分と、一対の切り込み部の間で第１及び第２の部分を接続する接続部と、を含む基部と、第１の部分から表裏面に平行に延びる一対の振動腕と、第２の部分から一対の振動腕の両外側に延びる一対の支持腕（以下、保持部という）と、を備えた圧電振動片（以下、振動片という）が開示されている。

特開２００２−２６１５７５号公報特開２００８−２１９０６６号公報

特許文献１のような振動片は、基部の切り込み部によって、振動腕の屈曲振動が基部側へ漏れるのを緩和することができるとされているが、振動片の小型化の進展に伴って、基部の切り込み部だけでは振動漏れに対する効果が不十分となり、所望のＱ値が得られないという問題がある。

これに対して、特許文献２のような振動片は、一対の振動腕の両外側に延びる一対の保持部を備え、基部ではなく保持部が外部部材に保持されることで、振動片が小型化されても振動漏れを抑制することができるとされている。
しかしながら、上記振動片は、一対の振動腕の両外側に一対の保持部を備えていることから、振動片の小型化に際して、特許文献１のような振動片よりも、振動腕の腕部の幅を必然的に細くしなければならないという制約がある。
これにより、上記振動片は、振動腕の腕部の幅を太くして熱弾性損失（屈曲振動する振動片の圧縮部と伸張部との間で発生する熱伝導により生じる振動エネルギーの損失）を低減し、Ｑ値を向上させることが極めて難しいという問題がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる振動片は、基部と、前記基部から、互いに沿って延びている一対の振動腕と、平面視で、前記基部から、前記一対の振動腕に対して反対側に延びている引き出し部と、平面視で、前記引き出し部の前記基部側とは反対の側を境にして前記引き出し部の延びている方向に対して交わる方向に沿った両方向に向かって、前記反対の側から延びている吸収部と、平面視で、前記吸収部の延びている方向における両端部から、前記引き出し部の延びている方向に沿って前記振動腕側へ延びていると共に、外部部材により保持される一対の保持部と、を備え、平面視で、前記一対の振動腕の延びている方向に対して直交する方向における、前記基部の全幅及び前記一対の保持部を含めた前記吸収部の全幅が、共に、前記一対の振動腕の全幅以下であることを特徴とする。

これによれば、振動片は、基部から振動腕に対して反対側に延びる引き出し部と、引き出し部の先端部から引き出し部の両側へ延びる吸収部と、吸収部の両端部から延びると共に、外部部材に保持される一対の保持部と、を備えている。
このことから、振動片は、振動腕からの振動が引き出し部、吸収部及び保持部によって吸収（緩和）され、外部部材に保持される保持部における振動漏れ（振動エネルギーの損失）を抑制することができる。

加えて、振動片は、基部及び一対の保持部を含めた吸収部の全幅が、一対の振動腕の全幅以下であることから、特許文献２の振動片のような振動腕の腕部の幅に対する制約が解消されることになる。
この結果、振動片は、振動腕の腕部の幅を最大限まで太くすることにより熱弾性損失を低減し、Ｑ値を向上させることが可能となる。
これらのことから、振動片は、振動漏れの抑制及び振動腕の腕部の幅の拡大によって、所望のＱ値を確保しつつ、小型化を図ることができる。

［適用例２］上記適用例にかかる振動片において、前記一対の振動腕は、錘部および前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部を備え、前記錘部は、前記直交する方向に沿った幅が、前記腕部より広いことが好ましい。

これによれば、振動片は、振動腕の先端部に振動腕の腕部より幅が広い錘部が設けられていることから、錘部の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果により、Ｑ値を維持しながら振動腕を短くすることができる。
この結果、振動片は、Ｑ値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。

［適用例３］上記適用例にかかる振動片において、前記一対の振動腕と、前記基部とを含んで音叉を構成していることが好ましい。

これによれば、振動片は、一対の振動腕と、基部とを含んで音叉を構成することから、所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた音叉型振動片を提供できる。

［適用例４］本適用例にかかる振動子は、上記適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。

これによれば、振動子は、所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた振動片を備えていることから、振動特性の維持向上と小型化とを両立させることができる。

［適用例５］本適用例にかかる発振器は、上記適用例１ないし適用例３のいずれか一例に記載の振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。

これによれば、発振器は、所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた振動片を備えていることから、振動特性の維持向上と小型化とを両立させることができる。

第１の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。変形例１の振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。変形例２の振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。第２の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。第３の実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。第４の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。

図１に示すように、振動片としての水晶振動片１は、一例として、水晶の原石などから、水晶の結晶軸としての互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して所定の角度で切り出されたＺ板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィ技術を用いたウエットエッチングによって形成されている。

ここで、Ｚ板とは、切り出し面（主面１０）がＺ軸に対して略直交したものをいい、このＺ軸に直交した主面１０が、Ｘ軸のプラス側から見てＹ軸からＺ軸の方向へ反時計回りまたは時計回りに０度〜数度の範囲で回転した状態で切り出されたものも含まれる。
水晶振動片１は、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸、Ｚ軸が光軸となるように、水晶の単結晶から切り出される。
なお、水晶振動片１は、水晶からの切り出し角度の誤差を、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各々につき多少の範囲（例えば、０度〜５度程度の範囲）で許容できる。

水晶振動片１は、基部１１と、基部１１から、互いに沿ってＹ軸方向のＹプラス側へ延びる一対の振動腕１２と、基部１１から、一対の振動腕１２に対して反対側（Ｙマイナス側）に延びる腕状の引き出し部１３と、引き出し部１３の先端部から、引き出し部１３の延びる方向（Ｙ軸方向）に対して略直交する方向（Ｘ軸方向）に沿って引き出し部１３の両側（Ｘプラス側及びＸマイナス側）へ延びる腕状の吸収部１４と、吸収部１４の両端部から、引き出し部１３の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿ってＹマイナス側へ延びると共に、外部部材に保持される一対の腕状の保持部１５と、を備えている。

一対の振動腕１２は、基部１１からＹプラス側に延びる腕部（振動腕の本体部分）１６と、腕部１６の先端部に形成され、腕部１６より幅が広く、腕部１６からＹプラス側に延びる錘部１７と、一対の振動腕１２の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って形成され、一対の振動腕１２の並ぶ方向（Ｘ軸方向）に沿って切断した振動腕１２の断面形状が、略Ｈ字状となる溝部１８と、を有している。

そして、水晶振動片１は、一対の振動腕１２の延びる方向（Ｙ軸方向）に対して直交する方向（Ｘ軸方向）における、基部１１及び一対の保持部１５を含めた吸収部１４の全幅Ｗ１が、一対の振動腕１２の全幅Ｗ２以下となるように形成されている。

図１（ａ）に示すように、水晶振動片１は、基部１１と、一対の振動腕１２とを含んで音叉を構成することで、音叉型振動片としての音叉型水晶振動片となっており、一対の保持部１５の２点鎖線で示した所定の位置で、パッケージなどの外部部材に、導電性接着剤などを用いて固定されるようになっている。
そして、水晶振動片１は、一対の振動腕１２に形成された図示しない励振電極に、外部から駆動信号が印加されることにより、一対の振動腕１２が、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に交互に屈曲振動（共振）する。

この際、水晶振動片１は、基部１１、引き出し部１３、吸収部１４、保持部１５にも振動が伝播される。
このとき、基部１１におけるＹ軸方向以外の振動は、基部１１の内部で互いに相殺され吸収されるが、Ｙ軸方向の振動は、吸収されずに引き出し部１３に伝播される。

詳述すれば、基部１１における振動を、Ｘ軸方向の振動成分とＹ軸方向の振動成分とに分けて解析してみると、Ｘ軸方向の振動成分は、Ｘプラス方向の振動成分とＸマイナス方向の振動成分とが、振動腕１２の屈曲振動時の、一対の振動腕１２の先端部の間隔が広がる矢印Ｂ方向のときと、狭まる矢印Ｃ方向のときとで、互いに圧縮状態または引張り状態となり相殺し合うことから、基部１１の内部で殆どが吸収される。
一方、Ｙ軸方向の振動成分は、Ｙプラス方向の振動成分とＹマイナス方向の振動成分とが、振動腕１２の屈曲振動時の、一対の振動腕１２の先端部の間隔が広がる矢印Ｂ方向のときと、狭まる矢印Ｃ方向のときとで、交互に発生することから、互いに相殺し合うことがなく、基部１１の内部で殆どが吸収されずに引き出し部１３に伝播される。

引き出し部１３に伝播されたＹ軸方向の振動は、吸収部１４に伝播され、吸収部１４が矢印Ｄ方向及び矢印Ｅ方向に交互に屈曲振動することにより、殆どが吸収される。
これらにより、保持部１５に伝播される振動は、僅かなものとなる。さらに、保持部１５に伝播された振動は、吸収部１４との接続部分から外部部材への固定部分までの間で、僅かながら吸収され得る。

上述したように、第１の実施形態の水晶振動片１は、一対の振動腕１２の屈曲振動に伴う基部１１で吸収できなかったＹ軸方向の振動が、引き出し部１３、吸収部１４及び保持部１５によって吸収（緩和）されることから、パッケージなどの外部部材に保持される保持部１５の固定部分における振動漏れを抑制することができる。

加えて、水晶振動片１は、基部１１及び一対の保持部１５を含めた吸収部１４の全幅Ｗ１が、一対の振動腕１２の全幅Ｗ２以下であることから、特許文献２の振動片のような、振動腕１２の腕部１６の幅に対する制約が解消されることになる。
この結果、水晶振動片１は、振動腕１２の腕部１６の幅を最大限まで太くすることにより熱弾性損失を低減し、Ｑ値を向上させることが可能となる。
これらのことから、水晶振動片１は、振動漏れの抑制及び振動腕１２の腕部１６の幅の拡大によって、所望のＱ値を確保しつつ、小型化を図ることができる。

また、水晶振動片１は、振動腕１２の先端部に振動腕１２の腕部１６より幅が広い錘部１７が設けられていることから、錘部１７の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果により、Ｑ値を維持しながら振動腕１２を短くすることができる。
この結果、水晶振動片１は、Ｑ値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。

また、水晶振動片１は、一対の振動腕１２と、基部１１とを含んで音叉を構成することから、所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた音叉型振動片としての音叉型水晶振動片を提供できる。

また、水晶振動片１は、一対の保持部１５の外部部材に保持される固定部分から、引き出し部１３までの距離が、後述する各変形例と比較して長くできる構成であることから、外部部材に保持される際に、例えば、保持部１５の固定部分を接着する導電性接着剤が、引き出し部１３まで流出して付着する虞が殆どない。
これにより、水晶振動片１は、引き出し部１３への導電性接着剤の付着に起因する振動漏れの増加を回避することができる。

（変形例１）
次に、第１の実施形態の変形例１について説明する。
図２は、変形例１の振動片の概略構成を示す模式図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＦ−Ｆ線での断面図である。なお、第１の実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図２に示すように、変形例１の振動片としての水晶振動片２は、一対の保持部１１５が、吸収部１４の両端部から、引き出し部１３の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って、吸収部１４の両側（Ｙプラス側及びＹマイナス側）へ延びている。
なお、引き出し部１３のＹ軸方向の長さ及び一対の保持部１１５のＹ軸方向の長さは、第１の実施形態と同じものとする。

これによれば、変形例１の水晶振動片２は、第１の実施形態と比較して、Ｙ軸方向の全長を短くできることから、さらなる小型化が可能となる。

（変形例２）
次に、第１の実施形態の変形例２について説明する。
図３は、変形例２の振動片の概略構成を示す模式図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＧ−Ｇ線での断面図である。なお、第１の実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、変形例２の振動片としての水晶振動片３は、一対の保持部２１５が、吸収部１４の両端部から、引き出し部１３の延びる方向（Ｙ軸方向）に沿って、吸収部１４のＹプラス側へ延びている。
なお、引き出し部１３のＹ軸方向の長さ及び一対の保持部２１５のＹ軸方向の長さは、第１の実施形態と同じものとする。

これによれば、変形例２の水晶振動片３は、第１の実施形態及び変形例１と比較して、Ｙ軸方向の全長をより短くできることから、さらなる小型化が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態の振動片の概略構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＨ−Ｈ線での断面図である。なお、第１の実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４に示すように、第２の実施形態の振動片としての水晶振動片４は、一対の保持部１５の先端部同士を繋ぐ梁状の連結部３１９を、さらに備えている。
これによれば、水晶振動片４は、一対の保持部１５の先端部同士を繋ぐ連結部３１９を備えたことから、一対の振動腕１２の屈曲振動に伴う各保持部１５のＸ軸方向に沿った僅かな振動を、連結部３１９によって互いに圧縮状態または引張り状態とすることで相殺し、吸収することができる。
この結果、水晶振動片４は、第１の実施形態と比較して、保持部１５における振動漏れを、さらに抑制することができる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた振動子について説明する。
図５は、第３の実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＪ−Ｊ線での断面図である。

図５に示すように、振動子としての水晶振動子５は、第１の実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
パッケージ８０は、パッケージベース８１、シームリング８２、蓋体８５などから構成されている。
パッケージベース８１は、水晶振動片１を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片１の図示しないマウント電極と接続される接続パッド８８が設けられている。
接続パッド８８は、パッケージベース８１内の配線に接続され、パッケージベース８１の外周部に設けられた外部接続端子８３と導通可能に構成されている。

パッケージベース８１の凹部の周囲には、シームリング８２が設けられている。さらに、パッケージベース８１の底部には、貫通穴８６が設けられている。
水晶振動片１は、パッケージベース８１の接続パッド８８に導電性接着剤８４を介して接着固定されている。そして、パッケージ８０は、パッケージベース８１の凹部を覆う蓋体８５とシームリング８２とがシーム溶接されている。
パッケージベース８１の貫通穴８６には、金属材料などからなる封止材８７が充填されている。この封止材８７は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース８１内が減圧状態を保持できるように、貫通穴８６を気密に封止している。
水晶振動子５は、外部接続端子８３を介した外部からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶振動子５は、振動漏れを抑制し所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた水晶振動片１を備えていることから、振動特性の維持向上と小型化とを両立させることができる。
なお、水晶振動子５は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２，３，４のいずれかを用いても、同様の効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた発振器について説明する。
図６は、第４の実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＫ−Ｋ線での断面図である。

発振器としての水晶発振器６は、上記水晶振動子５の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。なお、水晶振動子５との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図６に示すように、水晶発振器６は、第１の実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を発振させる発振回路を有する回路素子としてのＩＣチップ９１と、水晶振動片１及びＩＣチップ９１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
ＩＣチップ９１は、パッケージベース８１の底部に固着され、Ａｕ、Ａｌなどの金属ワイヤー９２により他の配線と接続されている。
水晶発振器６は、ＩＣチップ９１の発振回路からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶発振器６は、振動漏れを抑制し所望のＱ値を確保しつつ、小型化が図られた水晶振動片１を備えていることから、振動特性の維持向上と小型化とを両立させることができる。
なお、水晶発振器６は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２，３，４のいずれかを用いても、同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態及び変形例において、水晶振動片（１など）の錘部１７、溝部１８は、なくてもよい。
また、上記各実施形態及び変形例では、振動片を水晶としたが、これに限定するものではなく、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体を被膜として備えたシリコンなどであってもよい。

１，２，３，４…振動片としての水晶振動片、５…振動子としての水晶振動子、６…発振器としての水晶発振器、１０…主面（切り出し面）、１１…基部、１２…振動腕、１３…引き出し部、１４…吸収部、１５…保持部、１６…腕部、１７…錘部、１８…溝部、８０…パッケージ、８１…パッケージベース、８２…シームリング、８３…外部接続端子、８４…導電性接着剤、８５…蓋体、８６…貫通穴、８７…封止材、８８…接続パッド、９１…回路素子としてのＩＣチップ、９２…金属ワイヤー、１１５，２１５…保持部、３１９…連結部。

Claims

基部と、
前記基部から、互いに沿って延びている一対の振動腕と、
平面視で、前記基部から、前記一対の振動腕に対して反対側に延びている引き出し部と、
平面視で、前記引き出し部の前記基部側とは反対の側を境にして前記引き出し部の延びている方向に対して交わる方向に沿った両方向に向かって、前記反対の側から延びている吸収部と、
平面視で、前記吸収部の延びている方向における両端部から、前記引き出し部の延びている方向に沿って前記振動腕側へ延びていると共に、外部部材により保持される一対の保持部と、を備え、
平面視で、前記一対の振動腕の延びている方向に対して直交する方向における、前記基部の全幅及び前記一対の保持部を含めた前記吸収部の全幅が、共に、前記一対の振動腕の全幅以下であることを特徴とする振動片。
請求項１に記載の振動片において、前記一対の振動腕は、錘部および前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部を備え、
前記錘部は、前記直交する方向に沿った幅が、前記腕部より広いことを特徴とする振動片。
請求項１または請求項２に記載の振動片において、前記一対の振動腕と、前記基部とを含んで音叉を構成していることを特徴とする振動片。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片が収容されているパッケージと、を備えていることを特徴とする振動子。
請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。