(57)【要約】【課題】電界効率の低下や等価直列抵抗値の増加を抑えると共に、小型化が容易な屈曲振動子を提供することである。【解決手段】Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からカット形成された第１振動腕部３３及び第２振動腕部３４とを備えた屈曲振動子３１において、前記第１振動腕部３３及び第２振動腕部３４をＹ軸とＺ軸とからなる二次元平面を厚みがＸ軸方向、長さがＹ軸方向に沿って形成すると共にＺ軸方向に並べて一体形成し、Ｘ軸に面した一方の側面から厚みの略中間に位置する振動の中立線より深く、且つＹ軸方向に沿って凹設した溝部３７を設け、この溝部３７の底面に形成される第２励振電極３６ａとこの背面に設けられる第１励振電極３５ａの極性を反転させることによって、前記第１振動腕部３３と第２振動腕部３４をＸ軸方向に対して互いに逆位相で屈曲させた。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からカット形成され、表面に励振電極が形成された一対の振動腕部を備えた屈曲振動子において、
前記一対の振動腕部は、Ｙ軸とＺ軸とからなる二次元平面を厚みがＸ軸方向、長さがＹ軸方向に沿って形成されると共にＺ軸方向に並べて一体形成され、前記それぞれの振動腕部がＸ軸方向に対して互いに逆位相で屈曲運動を生じさせることを特徴とする屈曲振動子。
【請求項２】
前記一対の振動腕部をＹ軸とＺ軸とからなる二次元平面のＺ軸方向に二以上並べて一体形成し、対になっている振動腕部間にそれぞれ逆位相の振動を生じさせる請求項１記載の屈曲振動子。
【請求項３】
前記一対の振動腕部を二以上組み合わせて一体形成すると共に、それぞれの振動腕部をＹ軸とＺ軸とからなる二次元平面内のＺ軸方向に並べて形成し、そのうちの隣接する振動腕部同士を接合若しくは一体化させた請求項２記載の屈曲振動子。
【請求項４】
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からカット形成され、表面に励振電極が形成された３本以上の振動腕部を有する屈曲振動子において、
前記振動腕部は、Ｙ軸とＺ軸とからなる二次元平面を厚みがＸ軸方向、長さがＹ軸方向に沿って形成されると共にＺ軸方向に並べて一体形成され、前記それぞれの振動腕部がＸ軸方向に対して互いに逆位相で屈曲運動を生じさせる屈曲振動子。
【請求項５】
前記振動腕部は、Ｘ軸に面した側面の一方から厚みの略中間に位置する振動の中立線より深く、且つＹ軸方向に沿って凹設した溝部を設け、この溝部内に励振電極面を形成し、この励振電極面のうち、溝部の底面に形成される励振電極と水晶体を挟んで対面して設けられる励振電極とが互いに極性を反転させた請求項１乃至４のいずれかに記載の屈曲振動子。
【請求項６】
前記各振動腕部には、複数の溝部が並列して設けられている請求項１乃至４のいずれかに記載の屈曲振動子。
【請求項７】
前記振動腕部が水晶結晶のＸ軸回転で−２０°〜＋２０°若しくは１６０°〜２００°、Ｙ軸回転で−５０°〜＋５０°、Ｚ軸回転で−９０°〜＋９０°、若しくは前記Ｘ軸回転、Ｙ軸回転及びＺ軸回転を組み合わせた座標の範囲でスライスカット形成された請求項１乃至６のいずれかに記載の屈曲振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型化の容易な屈曲振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子には多種の振動モードがあり、使用目的や用途に応じて使い分けられている。その中で広く一般的に利用されているものとして、特許文献１や特許文献２に記載されているような音叉屈曲振動モードを備えた屈曲振動子がある。この屈曲振動子は、図１７に示すように、水晶原石のＺ板から約＋１°〜＋５°Ｘ軸回転させた角度で薄板状にカットされたもので、パッケージ内に収容する際に片持ち支持される四角形状の基部２と、この基部２から平行に延びる２本の振動腕部３ａ，３ｂとで略Ｕ字状に形成され、全体がいわゆる音叉に似た形状をなしている。このような音叉型の屈曲振動子１は振動周波数が低く、また、発振器に組み込んだ際の消費電流も低く抑えられるので、腕時計用の時間基準として多用されている。
【０００３】
前記屈曲振動子１は、図１８に示すように、基部２に一対の端子電極４ａ，４ｂ、各振動腕部３ａ，３ｂに前記端子電極４ａ，４ｂから延びる励振電極５ａ，５ｂが形成されており、前記端子電極４ａ，４ｂに交流電圧を印加することによって、各振動腕部３ａ，３ｂをＸ軸方向に屈曲振動させている。この屈曲振動子１を用いて、３２．７６８ＫＨｚの振動周波数を発生させる場合は、以下の振動周波数計算式から振動腕部３ａ，３ｂの長さＬ１＝２．３ｍｍに対して、各振動腕部３ａ，３ｂの幅Ｗ１は０．２２ｍｍとなる。
【０００４】
【数１】
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ここで、Ｆ：振動周波数（Ｈｚ）
Ｌ：腕部の長さ（ｍ）
Ｗ：腕部の幅  （ｍ）
Ｃ´２２：弾性スチフネス定数（Ｎ／ｍ２）
ρ：水晶の密度（ｋｇ／ｍ３）
である。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−１０９８８９号公報
【特許文献２】
特開２００２−７６８０６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記振動周波数の計算式から明らかなように、一定の振動周波数の中で振動腕部３ａ，３ｂの長さＬ１を短くして小型化を図る場合は、長さＬ１の２乗に比例して幅Ｗ１方向を狭くしなければならない。このため、振動子を小型化するためには非常に微細な幅加工が必要となり、工数およびコスト面で問題がある。また、小型化により励振電極が小さくなるので、振動腕部３ａ，３ｂにおける電界効率が悪化して等価直列抵抗値の増加を引き起こす原因となっていた。このようなことから、屈曲振動子の小型化が制限されていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、電界効率の低下や等価直列抵抗値の増加を抑えると共に、小型化が容易な屈曲振動子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る屈曲振動子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からカット形成され、表面に励振電極が形成された一対の振動腕部を備えた屈曲振動子において、前記一対の振動腕部は、Ｙ軸とＺ軸とからなる二次元平面を厚みがＸ軸方向、長さがＹ軸方向に沿って形成されると共にＺ軸方向に並べて一体形成され、前記それぞれの振動腕部がＸ軸方向に対して互いに逆位相で屈曲運動を生じさせることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、従来Ｘ−Ｙ平面で形成されていた屈曲振動子をＹ−Ｚ平面上で形成したので、設計基準に基づいて振動腕部の長さを縮小する方向で小型加工を施す際に、従来微細化が必要であった振動腕部の幅方向の加工を厚み方向の加工に転換することができる。このような屈曲振動子の微細加工にあっては、幅方向の加工は振動子形状に合わせて行うため、高い加工精度が要求されるが、厚み方向の薄型化は研磨等によって一括加工できるので比較的容易である。また、振動腕部の幅に関しては周波数に影響しないので、励振電極の形成面積や強度、作りやすさを考慮したサイズに設計することができると共に、電界効率の低下や等価直列抵抗値の増加を抑え、歩留を向上させることができる。したがって、従来加工精度あるいは強度の問題から制限されていた小型化をさらに促進させることが可能となった。
【００１０】
また、前記一対の振動腕部をＺ軸方向に二以上並べて一体化すると共に、対になっている振動腕部間にそれぞれ逆位相の振動を生じさせることで、振動のバランスがとれて安定した振動を得ることができる。さらに、隣接する振動腕部同士を接合若しくは一体化することによって、Ｚ軸方向のサイズを縮小することができる。
【００１１】
また、本発明の屈曲振動子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶体からカット形成され、表面に励振電極が形成された３本以上の振動腕部を有する屈曲振動子において、前記振動腕部は、Ｙ軸とＺ軸とからなる二次元平面を厚みがＸ軸方向、長さがＹ軸方向に沿って形成されると共にＺ軸方向に並べて一体形成され、前記それぞれの振動腕部がＸ軸方向に対して互いに逆位相で屈曲運動を生じさせることを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、励振電極の有効面積が大きくなるので、電界効率が改善されると共に、対ドライブ特性の向上効果が得られる。
【００１３】
また、前記振動腕部の屈曲方向である厚み方向から振動の中立線より深く凹設した溝部を設け、この溝部内に励振電極を形成することで電界効率が向上し、等価直列抵抗値の増加を格段に抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明における屈曲振動子の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の各実施形態の屈曲振動子は、図１に示すように、水晶原石のＸ軸（電気軸），Ｙ軸（機械軸），Ｚ軸（光軸）の各結晶軸のうち、Ｙ−Ｚ平面上でスライスカットされた水晶基板を基に所定形状に打ち抜いて形成されたもので、屈曲運動を発生させる一対の振動腕部２３，２４と、この振動腕部２３，２４の一端を支持する基部２２とで一体形成された構造になっている。ここで、前記屈曲振動子２１の厚みはＸ軸方向、長さはＹ軸方向、幅はＺ軸方向に向けて形成されている。
【００１５】
図２に示す第１実施形態の屈曲振動子２１は、この屈曲振動子２１を図示しないパッケージ内に片持ち支持するための基部２２と、この基部２２からＹ軸方向に沿って延びると共にＺ軸方向に沿って平行に配設される第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４とで構成される。前記基部２２には一対の端子電極（図示せず）が形成され、外部からの電圧を前記第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４に配設される励振電極に供給される。前記第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４は、厚みが均一な四角柱状に形成されており、その側面に前記基部２２に形成されている端子電極からＹ軸方向に沿って励振電極が形成される。この励振電極は、第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４の四方向の側面に形成され、図２及び図３に示すように、第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４内の対向する側面は同位相に、隣接する側面は互いが逆位相になるようにして形成される。また、Ｚ軸上に並べた第１振動腕部２３と第２振動腕部２４との間では、振動方向が互いに逆向きになるように、第１励振電極２５と第２励振電極２６の配設位置を９０度ずらせて配設される。
【００１６】
前記屈曲振動子２１の振動形態を図３に基づいて説明する。この図３は、前記屈曲振動子２１の第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４をＸ−Ｚ平面で切断したときの断面構造を示したものである。前記第１振動腕部２３は、その左右両側面に第１励振電極２５を形成し、上下両側面に第２励振電極２６を形成している。ここで、前記第１励振電極２５にプラス電荷、第２励振電極にマイナス電荷を印加すると、第１励振電極２５から隣接する第２励振電極２６に向かって電界が発生する。このとき、水晶振動子はその性質上Ｚ軸方向への歪みは発生せず、Ｙ軸方向に伸縮歪みを生じる。したがって、図３の中立線Ｏを境に図中右側ではＹ軸方向への伸び歪み，左側ではＹ軸方向への縮み歪みを生じ，結果として第１振動腕部２３はプラスＸ軸方向に屈曲変形が生じる。一方、第２振動腕部２４は、前記第１振動腕部２３と逆方向の電界により逆方向の歪みが生じるので、マイナスＸ軸方向に屈曲変形が生じる。
【００１７】
図４及び図５は第２実施形態の屈曲振動子３１を示したものである。この屈曲振動子３１は、前記第１実施形態の屈曲振動子２１と同様に基部３２から延びる第１振動腕部３３及び第２振動腕部３４とで構成されるが、電界効率を高めるため、励振電極を形成する側面のうちＸ軸方向の一方が断面コ字状に凹設した溝部３７を形成している。図５は前記屈曲振動子３１の断面形状を示したものである。図に示されるように、第１振動腕部３３には、前記溝部３７の反対側の側面と溝部３７の外周部に第１励振電極３５ａ，３５ｂが形成され、上下両側面及び溝部３７の内面に第２励振電極３６ａ，３６ｂが形成される。なお、第２振動腕部３４の励振電極は、前記第１振動腕部３３の第１励振電極３５ａ，３５ｂと第２励振電極３６ａ，３６ｂとを反転して形成される。この実施形態において最も歪に大きな影響を与える箇所は、第１振動腕部３３の場合は、溝部３７の底面に位置する第２励振電極３６ａとこの背面に位置する第１励振電極３５ａとなる。
【００１８】
図５に示したように、第１振動腕部３３にあっては、第１励振電極３５ａ，３５ｂにプラス電荷、第２励振電極３６ａ，３６ｂにマイナス電荷を与えると、中立線Ｏを境に右側では＋Ｘ軸方向の電界がかかるのでＹ軸方向への伸び歪みが生じ、左側では−Ｘ軸方向の電界がかかるのでＹ軸方向への縮み歪みが生じ、全体としてプラスＸ軸方向に屈曲する。一方、第２振動腕部３４の場合は、中立線Ｏを境に右側では−Ｘ軸方向の電界がかかるのでＹ軸方向への縮み歪みが生じ，左側では＋Ｘ軸方向の電界がかかるのでＹ軸方向への伸び歪みが生じ、全体としてマイナスＸ軸方向に屈曲する。本実施形態のように、振動腕部の一側面を凹設することによって、ここに形成する一方の励振電極とこの励振電極と対向する他方の励振電極が逆電位の狭い電極間ギャップを形成することになる。このような電極間ギャップを形成することで、電界効率の向上効果と共に、等価直列抵抗値の低減効果が得られる。
【００１９】
図６（ａ）〜（ｃ）は、前記屈曲振動子３１における励振電極の形成例を示したものである。本実施形態の屈曲振動子３１は、前述したように、溝部３７の底面及びこの底面の背面側に位置する励振電極が歪に大きな影響を及ぼすことから、それ以外の面に形成されている励振電極を必要に応じて省略することが可能である。（ａ）は第１振動腕部３３及び第２振動腕部３４の上下両側面の励振電極、（ｂ）は前記（ａ）から溝部３７内の上下の励振電極、（ｃ）は前記（ｂ）からさらに溝部３７の外周部の励振電極を削減したものである。また、前記溝部３７の形状はこのような断面コ字状に限らず、図７に示すように、振動腕部３８，３９をＴ形状（ａ）やＬ形状（ｂ）に形成した場合にあっても、Ｘ軸方向あるいはＺ軸方向に対向する励振電極間のギャップが狭まるため、電界効率の向上及び等価直列抵抗値の低減効果が得られる。
【００２０】
図８に示す屈曲振動子４１は、基部４２からＺ軸方向に沿って４本の振動腕部４３，４４，４５，４６を平行に配設形成したものである。前記各振動腕部の構成は前述した第１実施形態の第１振動腕部２３及び第２振動腕部２４と同様である。本実施形態の屈曲振動子４１は、図９に示すように、第１励振電極４７にプラス電荷、第２励振電極４８にマイナス電荷を印加すると、外側の２本の振動腕部４３，４６がプラスＸ軸方向に、内側の２本の振動腕部４４，４５がマイナスＸ軸方向に屈曲するように励振電極が配設形成されている。このような構成の屈曲振動子４１にあっては、前記第１実施形態の屈曲振動子２１や第２実施形態の屈曲振動子３１に比べて、基部４２へのエネルギー伝播による損失が非常に少なくなる。これは主に前記基部４２に伝搬する回転モーメントの影響が相殺できるからである。また、２つの振動が同時に得られるため、対ドライブ性能が向上すると共に、電界効率及び等価直列抵抗値のさらなる改善効果も得られる。
【００２１】
図１０及び図１１は、前記屈曲振動子４１の電界効率をさらに改善した第３実施形態の屈曲振動子５１を示したものである。この屈曲振動子５１は、各振動腕部５３，５４，５５，５６に溝部５９を設け、この溝部５９の内面に励振電極を形成してある。励振電極の配置構成は前述した第２実施形態の屈曲振動子３１と同様であり、図１１に示すように、第１励振電極５７にプラス電荷、第２励振電極５８にマイナス電荷を印加すると、外側の２本の振動腕部５３，５６がプラスＸ軸方向に、内側の２本の振動腕部５４，５５がマイナスＸ軸方向に屈曲するように励振電極が配設形成されている。このような構成からなる屈曲振動子５１によれば、ドライブ能力の向上効果と共に電界効率の向上及び等価直列抵抗値の低減効果が顕著に現れる。
【００２２】
図１２は本発明の第５実施形態の屈曲振動子６１を示したものである。この屈曲振動子６１は、前記４本の振動腕部を備えた屈曲振動子５１と同様の機能を有するが、振動腕部を３本にしてＺ軸方向のサイズの小型化を図ったものである。図に示したように、外側の２本の振動腕部６３，６５は独立した構成となっているが、その中間にある振動腕部６４は前記図１０及び図１１で示した屈曲振動子５１の振動腕部５４，５５を合体した構造になっている。図１３（ａ）はプラスＸ軸方向、（ｂ）はマイナスＸ軸方向から見たとききの端子電極及び励振電極のパターン形状を示したものであり、図１４はその断面形状を示したものである。前記外側の２本の振動腕部６３，６５は、プラスＸ軸方向にコ字状の溝部６９を形成し、この溝部６９の内面とＺ軸に面した上下両側面に第２励振電極６８を形成し、Ｘ軸に面した前記溝部６９の外周部とこの溝部６９の底面の背面に位置する側面に第１励振電極６７を形成している。中間の振動腕部６４は、Ｚ軸方向を二分する中心線Ｏを対称に２組の溝部６９ａ，６９ｂをプラスＸ軸方向から形成し、この溝部６９ａ，６９ｂ内とＺ軸に面した上下両側面に第１励振電極６７を形成し、前記溝部６９ａ，６９ｂの外周部とこの溝部６９ａ，６９ｂの底面の背面に位置する側面に共通の第２励振電極６８を形成した。したがって、前記第１励振電極６７にプラス電荷、第２励振電極６８にマイナス電荷を印加することによって、外側の２本の振動腕部６３，６５はプラスＸ軸方向に、中間の振動腕部６４はマイナスＸ軸方向に屈曲することになる。
【００２３】
前記図８及び図１０で示したような４本の振動腕部で構成された屈曲振動子４１，５１にあっては、図１５（ａ）に示すようなスプリアス振動が発生する場合があるが、前記３本の振動腕部を有する屈曲振動子６１では図１５（ｂ）に示すように、メイン振動のみとなり、余分なスプリアス振動の発生を抑えることができる。
【００２４】
次に、同じ振動条件及び設計ルールにしたがって製造した場合の本発明の屈曲振動子と従来の屈曲振動子の形状を比較する。図１６（ａ）は、前記振動腕部を３本備えた屈曲振動子６１のＹ−Ｚ平面上で見た平面形状である。この設計例における屈曲振動子６１の振動腕部６３，６４，６５の長さＬ２は１．５５ｍｍで、図１６（ｂ）の従来の音叉型屈曲振動子１の振動腕部３ａ，３ｂの長さＬ３＝２．２０ｍｍに比べて約３０％程度縮小させることが可能となった。従来のＸ−Ｙ平面で加工されていた音叉型の屈曲振動子１では、このような振動腕部３ａ，３ｂの短縮化を行おうとする場合、前記振動腕部３ａ，３ｂの幅を極端に狭くしなければならなかったが、本案の屈曲振動子６１では、Ｙ−Ｚ平面上で加工形成された水晶基板をベースとしているので、幅寸法は変更することなく厚みを薄くする方向に置き換えればよい。この厚み方向の加工は、幅方向の微細加工に比べて比較的容易であると共に、高い加工精度を維持することができるため、小型化したときの形状が一定になって周波数特性が安定し、製品の歩留が向上する。
【００２５】
上述した各実施形態の屈曲振動子は、最初に図１に示した結晶方位からＸ軸回転で−２０°〜＋２０°若しくは１６０°〜２００°、さらに新しい座標系ＸＹ’Ｚ’においてＹ’軸回転で−５０°〜＋５０°、さらに新しい座標系Ｘ’Ｙ’’Ｚ’’においてＺ軸回転で−９０°〜＋９０°の範囲でカットして水晶基板を形成する。前記カット角を決定する際は、水晶結晶を２０℃〜２５℃の常温下に置いて、周波数温度特性の傾きがゼロになるように調整して行われる。次に、設計ルールに基づいて予め計算された厚みになるように、水晶基板の表面を薄くラッピング研削加工する。次に前記水晶基板にパウダービームを噴射させて基部及びこの基部から延びる振動腕部とに打ち抜く加工と溝加工とを施し、最後に基部及び振動腕部に端子電極及び励振電極をパターン形成するといった製造方法が取られる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る屈曲振動子によれば、従来Ｘ−Ｙ平面で形成されていた屈曲振動子をＹ−Ｚ平面上で形成したので、振動腕部の長さを縮小する方向で小型加工を施す際に、従来微細化が必要であった振動腕部の幅方向の加工を厚み方向の加工に転換することができるようになった。このため、薄型加工が容易になった。また、振動腕部の幅方向の面積を広く設定することができるので、強度を十分確保することができると共に、電界効率の低下や等価直列抵抗値の増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る屈曲振動子の結晶方位を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態における屈曲振動子の斜視図である。
【図３】上記第１実施形態の屈曲振動子の振動形態を示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態における屈曲振動子の斜視図である。
【図５】上記第２実施形態の屈曲振動子の振動形態を示す説明図である。
【図６】上記第２実施形態の屈曲振動子の励振電極配置例を示す断面図である。
【図７】振動腕部の他の形態を示す断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態における屈曲振動子の斜視図である。
【図９】上記第３実施形態の屈曲振動子の振動形態を示す説明図である。
【図１０】本発明の第４実施形態における屈曲振動子の斜視図である。
【図１１】上記第４実施形態の屈曲振動子の振動形態を示す説明図である。
【図１２】本発明の第５実施形態における屈曲振動子の斜視図である。
【図１３】上記第５実施形態の屈曲振動子の平面図である。
【図１４】上記第５実施形態の屈曲振動子の振動形態を示す説明図である。
【図１５】スプリアス振動とメイン振動の形態を示す説明図である。
【図１６】上記第５実施形態の屈曲振動子と従来の音叉型の屈曲振動子を比較した平面図である。
【図１７】従来の音叉型の屈曲振動子の結晶方位を示す斜視図である。
【図１８】上記従来の音叉型の屈曲振動子の平面図である。
【符号の説明】
２１，３１，４１，５１，６１  屈曲振動子
２２  基部
２３，３３  第１振動腕部
２４，３４  第２振動腕部
２５，３５ａ，３５ｂ  第１励振電極
２６，３６ａ，３６ｂ  第２励振電極
３７  溝部
【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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【図１０】
2004274589.tif 000013
【図１１】
2004274589.tif 000014
【図１２】
2004274589.tif 000015
【図１３】
2004274589.tif 000016
【図１４】
2004274589.tif 000017
【図１５】
2004274589.tif 000018
【図１６】
2004274589.tif 000019
【図１７】
2004274589.tif 000020
【図１８】
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