(57)【要約】【課題】熱弾性効果に起因するＱ値の低下の防止と同時にＣＩ値を下げることを図る。【解決手段】基部と、前記基部より延伸して形成され、屈曲振動する屈曲振動部を備える振動腕とを備える振動片であって、前記屈曲振動部は、前記振動腕の前記屈曲振動の振動面にほぼ平行な１対の主面を備え、前記主面の両面もしくはどちらか一方の面に前記振動面と交差する方向に形成された溝部を３以上備え、前記振動腕の前記振動面と交差する外平面と、前記外平面に最も近い前記溝部によって形成される１対の外壁と、隣り合う前記溝部により形成される複数の内壁とが形成され、前記複数の内壁の一部もしくは全部を電気的に屈曲振動させる振動片。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部より延伸して形成され、屈曲振動する屈曲振動部を備える振動腕とを備える振動片であって、
前記屈曲振動部は、前記振動腕の前記屈曲振動の振動面にほぼ平行な１対の主面を備え、前記主面の両面もしくはどちらか一方の面に前記振動面と交差する方向に形成された溝部を３以上備え、
前記振動腕の前記振動面と交差する外平面と、前記外平面に最も近い前記溝部によって形成される１対の外壁と、隣り合う前記溝部により形成される複数の内壁とが形成され、前記複数の内壁の一部もしくは全部を電気的に屈曲振動させる、
ことを特徴とする振動片。
【請求項２】
前記内壁を形成する隣り合う前記溝部の一方の前記溝部の開口部が一方の前記主面に形成され、他方の前記溝部の開口部が他方の前記主面に形成され、
一方の前記主面は１以上の前記溝部を備え、他方の前記主面は２以上の前記溝部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動片。
【請求項３】
前記基部より２本の前記振動腕が平行に延出された音叉型振動片である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動片。
【請求項４】
前記振動片が水晶からなる、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動片。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片を収納するパッケージと、を有する、
ことを特徴とする振動子。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有する、
ことを特徴とする発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動片、振動子および発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、屈曲振動片を小型化するとＱ値が小さくなり、屈曲振動を阻害することが知られている。これは、熱の移動により温度平衡させるまでの緩和時間に反比例する緩和振動と、屈曲振動片の振動周波数とが、近づいて起こる熱弾性効果によるものである。つまり、屈曲振動片が屈曲振動することにより弾性変形が生じ、収縮される面の温度は上昇し、伸張される面の温度は下降するため、屈曲振動片の内部に温度差が発生する。この温度差は、熱伝導（熱移動）により温度平衡状態に近づくために、機械的に取り出せるエネルギーが減少してＱ値が劣化する。
【０００３】
このため、屈曲振動片の矩形状断面に溝または貫通孔を形成し、振動子の収縮される面から伸張される面に発生する熱の移動を阻止して、熱弾性効果に起因するＱ値変動の抑制を図っている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
また非特許文献１では、音叉型水晶振動子の一構造例について熱弾性方程式によるＱ値の計算が行われている。その計算結果から、２５℃におけるＣＩ値の約９５％が熱弾性効果によるものであると報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開平２−３２２２９号公報（４頁〜５頁、図１〜図３）
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】第３６回ＥＭシンポジウム、５頁〜８頁、「熱弾性方程式による音叉型水晶振動子のＱ値の解析」、伊藤秀明、玉木悠也。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の従来技術を用いても、屈曲振動部に貫通孔を設けると、非貫通部分各々に収縮される面と伸張される面が発生して結果としてＱ値を劣化させてしまう。また、屈曲振動部の溝を特許文献１のように設けても、熱弾性効果に起因する振動片のＱ値低下の防止効果は不十分であった。このため、熱弾性効果に起因するＱ値の低下の防止を図るには、さらに改良する余地があり、課題とされている。また、熱弾性効果によるＱ値劣化に伴ってＣＩ値が高くなるので、同時にＣＩ値を下げるための改良も課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００９】
〔適用例１〕本適用例による振動片は、基部と、前記基部より延伸して形成され、屈曲振動する屈曲振動部を備える振動腕とを備える振動片であって、前記屈曲振動部は、前記振動腕の前記屈曲振動の振動面にほぼ平行な１対の主面を備え、前記主面の両面もしくはどちらか一方の面に前記振動面と交差する方向に形成された溝部を３以上備え、前記振動腕の前記振動面と交差する外平面と、前記外平面に最も近い前記溝部によって形成される１対の外壁と、隣り合う前記溝部により形成される複数の内壁とが形成され、前記複数の内壁の一部もしくは全部を電気的に屈曲振動させることを特徴とする。
【００１０】
上述の適用例によれば、振動腕における屈曲振動部を溝により構成される複数の壁（隔壁）を備えて屈曲振動させることにより、屈曲変形により生じる内部の熱の移動経路を長くすることにより、屈曲振動を阻害する緩和振動を抑制し、熱弾性効果によるＱ値の低下を押させることができる。また、実質的な励振電極の面積を増加させることができるため、機械系と電気系の変換効率を高め、ＣＩ値の上昇も抑制することができる。
【００１１】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記内壁を形成する隣り合う前記溝部の一方の前記溝部の開口部が一方の前記主面に形成され、他方の前記溝部の開口部が他方の前記主面に形成され、一方の前記主面は１以上の前記溝部を備え、他方の前記主面は２以上の前記溝部を備えることを特徴とする。
【００１２】
上述の適用例によれば、熱の移動経路をより長くできるため、熱平衡時間がさらに長くなり、緩和振動の抑制を強くすることができる。
【００１３】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記基部より２本の前記振動腕が平行に延出された音叉型振動片であることを特徴とする。
【００１４】
上述の適用例によれば、Ｑ値が高くＣＩ値の低い、優れた特性の薄型の振動片を実現することができる。
【００１５】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記振動片が水晶からなることを特徴とする。
【００１６】
上述の適用例によれば、振動特性に優れた薄型の振動片を容易に得ることができる。
【００１７】
〔適用例５〕上述の振動片と、前記振動片を収納するパッケージと、を有する振動子。
【００１８】
〔適用例６〕上述の振動片と、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部と、を有する発振器。
【００１９】
上述の適用例によれば、発振特性の優れた薄型の振動子、発振器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態に係る振動片の斜視図。
【図２】第１実施形態に係る振動片の、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’部の断面図。
【図３】第１実施形態に係る振動片に形成された電極を示す、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の裏平面図。
【図４】図３（ａ）における、（ａ）はＰ−Ｐ’部の断面図、（ｂ）はＱ−Ｑ’部の断面図。
【図５】本発明における振動片の等価回路図。
【図６】第１実施形態に係る、溝部のその他の形態を示す断面図。
【図７】第１実施形態に係る、溝部のその他の形態を示す断面図。
【図８】第２実施形態に係る振動子の、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’部の断面図。
【図９】第３実施形態に係る発振器の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態を示す概略斜視図である。振動片１００は圧電材料として水晶が好適であるが、例えばタンタル酸リチウム（ＴｉＴａＯ3）、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、シリコンなどの半導体であっても適用できる。本実施形態では、水晶を用いた実施形態を説明する。
【００２３】
振動片１００は水晶基板から形成され、主面１００ａと他方の主面１００ｂを持つ板状基板を、基部１０と基部１０から延伸される振動腕２０および３０を備え、いわゆる音叉型振動片の形態である。基部１０には、さらに延伸した支持アーム１０ａ、１０ｂが振動腕２０、３０とは離間して設けられている。
【００２４】
振動片１００の平面図を図２（ａ）に、図２（ａ）のＡ−Ａ’断面図を図２（ｂ）に示す。振動腕２０、３０には、図２（ｂ）に示すように、主面１００ａ側に溝２０ａ、２０ｂ、３０ａ、３０ｂが形成され、他方の主面１００ｂ側に溝２０ｃ、３０ｃが形成されている。本実施形態では主面１００ａ側には溝２０ａ、２０ｂおよび３０ａ、３０ｂの２本の溝が、他方の主面１００ｂ側には溝２０ｃ、３０ｃの１本の溝が、各振動腕２０、３０に形成されている。
【００２５】
振動腕２０の側面２０ｄと溝２０ａとによって外壁２０ｆが形成される。同様に、側面２０ｅと溝２０ｂによって外壁２０ｇが形成される。また溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって、内壁２０ｈ、２０ｉが形成される。振動腕３０も振動腕２０と同様に外壁３０ｆ、３０ｇと内壁３０ｈ、３０ｉが形成される。
【００２６】
振動腕２０の内壁２０ｈ、２０ｉ、および振動腕３０の内壁３０ｈ、３０ｉには、図２（ｂ）には図示しないが、後述する振動腕２０、３０を屈曲振動させるための励振電極が形成されている。形成されている励振電極に電流を流し、内壁２０ｈ、２０ｉ、３０ｈ、３０ｉを交互に伸縮させることで、振動腕２０、３０を屈曲振動させる励振部を構成している。
【００２７】
図３は振動片１００の形成される電極配線を模式的に示したもので、（ａ）の平面図に対して裏面から見た平面図を（ｂ）に示す。なお以降の説明の中で、便宜的に図３（ａ）で示す面を表面、（ｂ）で示す面を裏面と呼ぶ。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、振動片１００の表裏面には励振用に電極４０と電極５０が形成され、電極４０と電極５０には交番電流が図示しない発振回路から流され、振動腕２０と３０が屈曲振動をする。
【００２８】
電極４０および５０は、表面では振動片１００を実装するときに、図示しない外部接続端子と電気的に接続し、固定される支持アーム１０ａおよび１０ｂを含む基部１０に引き回され、基部電極４０ａ、５０ａを形成する。さらに、基部１０に形成された基部電極４０ａは基部１０の側面部を経由し裏面の基部電極４０ａを形成する。基部電極４０ａ、５０ａから、励振部となる振動腕２０、３０の溝へ延伸されている。
【００２９】
次に、図３（ａ）における溝を含むＱ−Ｑ’断面を示す図４（ｂ）を参照しながら電極膜について説明する。先ず、振動腕２０について説明する。振動腕２０の表面には溝２０ａ、２０ｂが、裏面には溝２０ｃが形成されている。この溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃと振動腕２０の側面２０ｄ、２０ｅとによって、外壁２０ｆ、２０ｇ、内壁２０ｈ、２０ｉが形成されている。この内壁２０ｈ、２０ｉの壁面に沿って電極４０、５０が配線されている。内壁２０ｈでは、溝２０ａ部分に励振電極４０ｂが、溝２０ｃ部分に励振電極５０ｂが形成される。内壁２０ｉでは、溝２０ｃ部分に励振電極５０ｃが、溝２０ｂ部分に励振電極４０ｃが形成される。
【００３０】
なお電極５０は図３（ａ）のＰ−Ｐ’部断面である図４（ａ）に示す通り、表面の基部電極５０ａから振動腕２０の表面を引き回し、裏面へ繋がる引き回し配線５０ｆによって、励振電極５０ｃ、５０ｄに繋がっている。
【００３１】
ここで、電極４０、５０に交番電流を流すと、励振電極４０ｂと５０ｂが形成された内壁２０ｈに電界が発生し、励振電極４０ｃと５０ｃが形成された内壁２０ｉには内壁２０ｈとは逆方向の電界が発生する。従って、例えば、内壁２０ｈを伸ばす方向の電界を内壁２０ｈの中に発生させた場合には、内壁２０ｉには逆の縮める方向の電界を発生させ、内壁２０ｈを縮める方向に電界を内壁２０ｈの中に発生させた場合には、内壁２０ｉには逆の伸ばす方向の電界を発生させる。これを交互に繰り返すことで振動腕２０は図３（ａ）の振動腕２０の先端部に描いた矢印方向に示す屈曲振動を繰り返す。
【００３２】
同様に振動腕３０について説明する。振動腕３０では内壁３０ｈに電界を発生させるように励振電極４０ｄ、５０ｄが引き回され、内壁３０ｉには内壁３０ｈとは逆方向の電界を発生させるように電極４０ｅと５０ｅが引き回されている。従って、例えば、内壁３０ｈを伸ばす方向に電界を内壁３０ｈの中に発生させた場合には、内壁３０ｉには逆の縮める方向の電界を発生させる。内壁３０ｈを縮める方向に、電界を内壁３０ｈの中に発生させた場合には、内壁３０ｉとは逆の伸ばす方向の電界を発生させる。これを交互に繰り返すことで振動腕３０は図３（ａ）の振動腕３０の先端部に描いた矢印方向に示す屈曲振動を繰り返す。
【００３３】
さらに振動腕２０の内壁２０ｈと、振動腕３０の内壁３０ｈとは同方向の電界を発生させる電極配線がされている。また、振動腕２０の内壁２０ｉと、振動腕３０の内壁３０ｉとは同方向で、なお且つ、振動腕２０の内壁２０ｈと、振動腕３０の内壁３０ｈとは逆方向の電界を発生させる電極配線がされている。これにより、振動腕２０と振動腕３０とは、先端部が接近と離間を繰り返す音叉型振動片としての屈曲振動をする。
【００３４】
上述の通り、振動腕２０および３０に備える屈曲振動部の各々の壁が伸縮をすることで、振動腕２０と３０は屈曲振動している。このとき、各壁の壁面は、壁が収縮すると壁面の温度は上昇し、壁が伸張すると壁面の温度は下降する。振動腕２０の場合、例えば内壁２０ｈが伸張し、内壁２０ｉが収縮すると、励振電極が配置されていない外壁２０ｆ、２０ｇも内壁２０ｈ、２０ｉの伸縮によって、同時に外壁２０ｆは伸張し、外壁２０ｇは収縮するので、外壁２０ｆと内壁２０ｈの温度は上昇し、外壁２０ｇと内壁２０ｉの温度は下降する。従って、外壁２０ｆ、内壁２０ｈと、外壁２０ｇ、内壁２０ｉとの間には温度差が生じる。この温度差は熱伝導（熱移動）により温度平衡状態に近づくために機械的に取り出せるエネルギーが減少してＱ値が劣化する。そして屈曲振動の周波数と、ほぼ温度平衡状態に到達するまでの緩和時間τｏに反比例する緩和周波数ｆｏが近いほどＱ値の劣化は大きい。ここで、緩和振動数ｆｏと緩和時間τｏとは、ｆｏ＝１／（２πτｏ）で示される。
【００３５】
振動腕２０および３０の屈曲振動部を複数の壁によって形成し、振動部の熱伝達経路を長くすることにより、緩和時間τを長くし、更に外壁２０ｆ、２０ｇに熱伝導率の高い金属電極を配置させないことで、特に外壁２０ｆ、２０ｇに発生する熱の温度平衡状態までの緩和時間を長くすることが可能となる。従って、緩和振動数ｆｏを屈曲振動周波数から遠ざけることとなり、熱弾性効果によるＱ値の低下を抑制することができる。
【００３６】
また、本発明による振動片は、励振電極の面積を実質的に増加させることができるため、振動に対する機械系と電気系との変換効率を向上させることができる。すなわち、図５の等価回路に示すように、図５における左側からの電気系への入力インピーダンスＺとしての機械系の抵抗値、すなわちＣＩ値は、Ｒm／Φ2（Φは機械系と電気系との変換効率）で表され、変換効率Φを向上させることができることから、ＣＩ値を小さくすることができる。
【００３７】
なお、上述では屈曲振動モードの振動片として説明したが、屈曲振動モードを主体として他の振動モード、例えば捻り振動モードを含む振動片であっても上述と同様の効果、Ｑ値の低下防止と低いＣＩ値を有する振動片を得ることができる。
【００３８】
なお、溝の配置について、振動片１００の振動腕２０の主面１００ａ側には溝２０ａ、２０ｂ、振動腕３０には溝３０ａ、３０ｂの２本が形成され、各振動腕の他方の主面１００ｂ側には溝２０ｃ、３０ｃの各１本が形成された形態を説明したが、振動腕２０もしくは３０のどちらかの振動腕の表面に溝１本、裏面側に溝２本が形成された形態でも良い。
【００３９】
また、各振動腕２０、３０の中央溝である溝２０ｃおよび溝３０ｃに形成される励振電極５０ｂ、ｃおよび４０ｄ、ｅは溝底部で離間しているが、この励振電極５０ｂ、ｃおよび４０ｄ、ｅは同相の電流が流れる励振電極であるので、溝底部で繋がっていても良い。このように、溝底部で繋げることで電極作成を容易にすることができる。
【００４０】
なお、振動腕２０および３０に形成される溝の配置は、図６に示す振動腕２０および３０の溝部分の断面形状のように、溝２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、および溝３０ａ、３０ｂ、３０ｃの開口が一方の主面側だけ、図６では主面１００ａ側だけに開口していても良い。また、図示しないが、例えば一方の振動腕、例えば振動腕３０の溝開口が主面１００ａ側に開口し、一方の振動腕２０の溝開口が他方の主面１００ｂ側に開口していても良い。
【００４１】
図７は、屈曲振動部に形成される溝、壁の形成形態のその他の形態を示す断面図である。図７（ａ）および（ｂ）は、その他の形態の振動片であり、図３（ａ）におけるＱ−Ｑ’断面位置での断面形状を示す。図７（ａ）に示す振動片は、振動腕２０、３０の主面１００ａ側に溝６０ａ、６０ｂの２本の溝と、他方の主面１００ｂ側に溝６０ｃ、６０ｄの２本の溝が形成され、壁が５つ構成される。このとき電極４０と５０は内壁６０ｆ、６０ｈに形成される。中央部の内壁６０ｇは、振動腕２０、３０の中央部に形成されているため、振動腕２０、３０の屈曲振動には寄与しない壁であるため電極４０あるいは５０は形成されない。
【００４２】
図７（ｂ）に示す振動片は、振動腕２０、３０の主面１００ａ側に溝７０ａ、７０ｂ、７０ｃの３本の溝と、他方の主面１００ｂ側に溝７０ｄ、７０ｅの２本の溝が形成され、壁が６つ構成される。このとき電極４０と５０は内壁７０ｇ、７０ｈ、７０ｉに形成される。
【００４３】
上述の図７で説明した形態から、本願発明の溝は、振動腕の一方の面には２本以上の溝を形成し、他の一方の面には１本以上の溝を形成することで、Ｑ値の低下防止と、低いＣＩ値の振動片を実現できる。
【００４４】
（第２実施形態）
上述の第１実施形態による振動片１００を用いた振動子について説明する。図８（ａ）は、蓋体を除いて内部を露出させた状態での振動子１０００の平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面を示す断面図である。振動片１００は、第１基板２０１、第２基板２０２、第３基板２０３を積層し形成したパッケージ２００の内部に、第２基板２０２上に備えた電極部５００に、振動片１００の支持アーム１０ａ、１０ｂの電極３０、４０を対向させて導電性接着剤６００により電気的に接続し、パッケージ２００に固定される。電極部５００は図示しないパッケージ２００内の経路を経て、パッケージ２００の外部に形成された実装端子５０１と繋がっている。
【００４５】
振動片１００が固定されたパッケージ２００の開口の端部に蓋体３００を封止剤４００によって、減圧チャンバー内でパッケージ２００に固定され、振動片１００の内部が減圧状態に保たれる。こうして得られた振動子１０００は、実装端子５０１を介して図示しない発振回路からの交番電流により振動片１００を屈曲振動させる。
【００４６】
第１実施形態の振動片１００を振動子１０００に用いたことにより、Ｑ値の低下防止と、低いＣＩ値を有する振動子を得ることができる。
【００４７】
（第３実施形態）
第３実施形態として、上述の第１実施形態による振動片１００を用いた発振器について説明する。図９は、第３実施形態の発振器２０００を示す断面図である。本実施形態は、第２実施形態の振動子１０００に対して、振動片１００を駆動させる駆動回路を含むＩＣチップを備えた点で、第２実施形態と異なるため、第２実施形態と同様の構成の説明は省略し、同じ構成には同一の符号を付与する。
【００４８】
図９に示すように、発振器２０００はパッケージ２００の内部に振動片１００を第２基板２０２上の電極部５００に固定されている。さらに、第１基板２０１にはＩＣチップ７００が接着剤などにより固定され、ＩＣチップ７００の上面に形成されたＩＣ接続パッド７０１と第１基板２０１上に形成された内部接続端子５０２とを金属ワイヤー８００で電気的に接続している。
【００４９】
第１実施形態の振動片１００を発振器に用いたことにより、Ｑ値の低下防止と、低いＣＩ値を有する発振器を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０…基部、２０，３０…振動腕、４０，５０…電極、１００…振動片。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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