JP2010226608A - Bending vibrator and oscillator using the same - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
【課題】Q値の低下が抑えられた小型の屈曲振動片、および、それを用いた発振器を提供
する。
【解決手段】音叉型水晶振動片50は、基部52と、この基部52の一端側から延出する
一対の振動腕53,54と、からなる音叉型の外形を有し、各振動腕53,54の一方の
主面側において、各振動腕53,54の基部52との付け根近傍を含む領域には、各振動
腕53,54それぞれの長手方向に沿って設けられた一本の直線状の有底の溝56a,5
7aと、各溝56a,57aに埋設された金などの熱伝導率の高い埋め込み部材56b,
57bとからなる熱伝導路56,57が形成されている。同様に、各振動腕53,54の
他方の主面側において、一方の主面側の溝56a,57aと対向する位置に開口部を有し
て設けられた有底の溝66a,67aと、各溝66a,67aに埋設された金からなる埋
め込み部材66b,67bとからなる熱伝導路66,67が形成されている。
【選択図】図1Disclosed are a small flexural vibration piece in which a decrease in Q value is suppressed, and an oscillator using the same.
A tuning fork type crystal vibrating piece 50 has a tuning fork type outer shape including a base portion 52 and a pair of vibrating arms 53 and 54 extending from one end side of the base portion 52. On one main surface side of 54, in a region including the vicinity of the base of each vibrating arm 53, 54 with the base 52, one linear shape provided along the longitudinal direction of each vibrating arm 53, 54. Bottomed grooves 56a, 5
7a and embedded members 56b with high thermal conductivity such as gold embedded in the grooves 56a and 57a,
Heat conduction paths 56 and 57 composed of 57b are formed. Similarly, on the other main surface side of each vibrating arm 53, 54, bottomed grooves 66a, 67a provided with openings at positions opposed to the grooves 56a, 57a on the one main surface side; Thermal conduction paths 66 and 67 are formed of embedded members 66b and 67b made of gold embedded in the grooves 66a and 67a.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、屈曲振動モードで振動する屈曲振動片、および、それを用いた発振器に関す
る。
The present invention relates to a flexural vibration piece that vibrates in a flexural vibration mode and an oscillator using the flexural vibration piece.
従来より、屈曲振動モードで振動する屈曲振動片として、例えば圧電材料などの屈曲振
動体用基材からなる基部から1対の振動腕を平行に延出させて、それらの振動腕を水平方
向に互いに接近または離反する向きに振動させる音叉型の屈曲振動片が広く使用されてい
る。この音叉型屈曲振動片の振動腕を励振させたとき、その振動エネルギーに損失が生じ
ると、CI(Crystal Impedance)値の増大やQ値の低下など、振動片の性能を低下させ
る原因となる。そこで、そのような振動エネルギーの損失を防止または低減するために、
従来から様々な工夫がなされている。
Conventionally, as a flexural vibration piece that vibrates in a flexural vibration mode, for example, a pair of vibrating arms are extended in parallel from a base made of a base material for a flexural vibrator such as a piezoelectric material, and the vibrating arms are horizontally oriented. Tuning-fork type bending vibration pieces that vibrate in directions toward or away from each other are widely used. When the vibration arm of the tuning-fork type bending vibration piece is excited, if the vibration energy is lost, it causes a decrease in the performance of the vibration piece, such as an increase in CI (Crystal Impedance) value and a decrease in Q value. Therefore, in order to prevent or reduce such vibration energy loss,
Various ideas have been made conventionally.
例えば、振動腕が延出する基部の両側部に切込み部または所定の深さの切込み溝を形成
した音叉型水晶振動片が知られている(例えば特許文献1、特許文献2を参照)。この音
叉型水晶振動片は、振動腕の振動が垂直方向の成分をも含む場合に、切込み部または切込
み溝により基部から振動が漏れるのを抑制することによって、振動エネルギーの閉じ込め
効果を高めてCl値を制御し、且つ、振動片間でのCI値のばらつきを防止している。
For example, a tuning-fork type crystal vibrating piece in which cut portions or cut grooves having a predetermined depth are formed on both sides of a base portion from which a vibrating arm extends is known (see, for example,
この機械的な振動エネルギーの損失だけでなく、屈曲振動する振動腕の圧縮応力が作用
する圧縮部と引張応力が作用する伸張部との間で温度差が生じ、この温度差を緩和しよう
として作用する熱伝導によっても振動エネルギーの損失が発生する。この熱伝導によって
発生するQ値の低下は熱弾性損失効果と呼ばれている。
このような熱弾性損失効果によるQ値の低下を防止または抑制するために、矩形断面を
有する振動腕(振動梁)の中心線上に溝、または孔を形成した音叉型の振動片が、例えば
特許文献3に紹介されている。
In addition to this mechanical vibration energy loss, a temperature difference occurs between the compression part where the compressive stress of the vibrating arm that vibrates and the extension part where the tensile stress acts, and acts to alleviate this temperature difference. Loss of vibration energy also occurs due to heat conduction. This decrease in the Q value caused by heat conduction is called a thermoelastic loss effect.
In order to prevent or suppress such a decrease in the Q value due to the thermoelastic loss effect, a tuning-fork type vibrating piece in which a groove or a hole is formed on the center line of a vibrating arm (vibrating beam) having a rectangular cross section is disclosed in, for example, a patent. It is introduced in
特許文献3によれば、一般に温度差を原因として生じる固体の内部摩擦の場合によく知
られた歪と応力との関係式から、熱弾性損失は、屈曲振動モードの振動片において、振動
数が変化したときに、緩和振動数fm=1/(2πτ)(ここで、τは緩和時間)でQ値
が極小となる、と説明されている。このQ値と周波数との関係を一般的に表すと、図8の
曲線Fのようになる(例えば、非特許文献1を参照)。同図において、Q値が極小Q0と
なる周波数が熱緩和周波数f0(=1/(2πτ))であり、すなわち、熱緩和周波数f0
は上記緩和振動数fmと同じものである。
According to
Is the same as the relaxation frequency fm.
図面を参照して具体的に説明すると、図7において、特許文献3の音叉型水晶振動片1
は、基部2から延出する2本の平行な振動腕3,4を備え、各振動腕3,4それぞれの中
心線上に直線状の溝または孔6,7が設けられている。この音叉型水晶振動片1の各振動
腕3,4の両主面(溝または孔6,7形成面と同じ面)に設けられた図示しない励振電極
に所定の駆動電圧を印加すると、振動腕3,4は、図中想像線(二点鎖線)および矢印で
示すように、互いに接近または離反する向きに屈曲振動する。
Specifically, referring to the drawings, in FIG.
Comprises two parallel vibrating
この屈曲振動によって、各振動腕3,4の基部2との付け根部の領域に機械的歪が発生
する。すなわち、振動腕3の基部2との付け根部においては、屈曲振動により圧縮応力ま
たは引張応力が作用する第1の領域10と、この第1の領域10に圧縮応力が作用する場
合は引張応力が作用し、第1の領域10に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する
関係にある第2の領域11と、が存在し、これら第1の領域10および第2の領域11に
おいては、圧縮応力が作用したときには温度が上昇し、引張応力が作用したときには温度
が下降する。
これと同様に、振動腕4の基部2との付け根部においては、屈曲振動により圧縮応力ま
たは引張応力が作用する第1の領域12と、この第1の領域12に圧縮応力が作用する場
合は引張応力が作用し、第1の領域12に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する
関係にある第2の領域13と、が存在し、第1の領域12および第2の領域13において
は、圧縮応力が作用したときに温度が上昇し、引張応力が作用したときには温度が下降す
る。
Due to this bending vibration, mechanical strain is generated in the region of the base portion of the vibrating
Similarly, at the base portion of the vibrating arm 4 with the
このようにして発生した温度勾配によって、各振動腕3,4の基部2との付け根部分の
内部には、第1の領域10,12と第2の領域11,13との間で熱伝導が発生する。温
度勾配は、各振動腕3,4の屈曲振動に対応して逆向きに発生し、それに対応して熱伝導
も逆向きとなる。この熱伝導によって、振動腕3,4の振動エネルギーは、その一部が振
動中常に熱弾性損失として失われ、その結果、音叉型水晶振動片1のQ値が低下して振動
特性が不安定になり、所望の性能を実現することが困難になる。
特許文献3の音叉型水晶振動片1では、各振動腕3,4それぞれの中心線上に設けられ
た溝または孔6,7によって圧縮側から引っ張り側への熱移動が阻止されることにより、
熱弾性損失によるQ値の低下を防止または軽減することを可能としている。具体的には、
各振動腕3,4に設けられた溝または孔6,7に沿って屈曲振動体内を迂回することによ
り、熱伝導経路が長くなって熱緩和時間τが延長されるので、1/(2πτ)で求められ
る熱緩和周波数は、図8に示す曲線F1の熱緩和周波数f10に示すように、溝または孔6
,7を設けない従来の音叉型屈曲振動片の曲線Fおよびその熱緩和周波数f0に比して図
中左側にシフトする。
Due to the temperature gradient generated in this way, heat conduction is performed between the
In the tuning-fork type
It is possible to prevent or reduce a decrease in Q value due to thermoelastic loss. In particular,
By bypassing the flexural vibration body along the grooves or
, 7 is shifted to the left side in the figure as compared with the curve F of the conventional tuning-fork type bending vibration piece and its thermal relaxation frequency f 0 .
しかしながら、特許文献3に記載の音叉型水晶振動片1では、小型化が進むに従って、
溝または孔によって熱緩和時間を延長する効果が少なくなり、Q値の低下の抑制効果が十
分に得られなくなるという課題があった。
However, in the tuning fork type
There is a problem that the effect of extending the thermal relaxation time is reduced by the grooves or holes, and the effect of suppressing the decrease in the Q value cannot be obtained sufficiently.
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
形態または適用例として実現することが可能である。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
〔適用例1〕本適用例にかかる屈曲振動片は、振動により圧縮応力または引張応力が作
用する第1の領域と、前記第1の領域に圧縮応力が作用する場合は引張応力が作用し前記
第1の領域に引張応力が作用する場合は圧縮応力が作用する関係にある第2の領域と、を
有する屈曲振動体からなり、前記第1の領域と前記第2の領域の間に、前記屈曲振動体の
振動方向と平行な両主面のうち少なくともいずれか一方の主面側に開口部を有する溝と、
該溝に埋設された前記屈曲振動体よりも高い熱伝導率を有する埋め込み部材とからなる熱
伝導路を有することを特徴とする。
[Application Example 1] The bending vibration piece according to this application example includes a first region where compressive stress or tensile stress is applied by vibration, and when compressive stress is applied to the first region, the tensile stress is applied. When a tensile stress is applied to the first region, the second region is in a relationship in which a compressive stress is applied, and between the first region and the second region, A groove having an opening on at least one of the principal surfaces parallel to the vibration direction of the flexural vibrator;
It has a heat conduction path comprising an embedded member having a higher thermal conductivity than that of the flexural vibrator embedded in the groove.
上記構成によれば、第1の領域と第2の領域との間の熱伝導が、少なくとも屈曲振動体
よりも高い熱伝導率を有する熱伝導路を介して効率的に行われ、第1の領域と第2の領域
との温度を平衡状態とするのに要する熱緩和時間が短縮されるので、Q値の低下を抑える
ことができる。したがって、Q値の低下が抑えられ振動特性の安定した小型の屈曲振動片
を提供することができる。
According to the above configuration, the heat conduction between the first region and the second region is efficiently performed through the heat conduction path having a thermal conductivity higher than that of at least the flexural vibrator, Since the thermal relaxation time required to bring the temperature of the region and the second region into an equilibrium state is shortened, a decrease in the Q value can be suppressed. Therefore, it is possible to provide a small flexural vibration piece that suppresses a decrease in the Q value and has stable vibration characteristics.
〔適用例2〕上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記溝は有底の溝であって、且
つ、前記屈曲振動体の前記一方の主面側に開口部を有する一方の前記溝と、他方の主面側
の前記一方の前記溝の開口部と対向する位置に開口部を有する他方の前記溝と、を有する
ことを特徴とする。
Application Example 2 In the bending vibration piece according to the application example described above, the groove is a bottomed groove, and one groove having an opening on the one main surface side of the bending vibration member; It has the other said groove | channel which has an opening part in the position facing the opening part of said one said groove | channel on the other main surface side, It is characterized by the above-mentioned.
この構成によれば、屈曲振動体の両主面側に開口部をそれぞれ有する一方の溝および他
方の溝が、双方向からエッチングして形成されることにより、エッチング形状の揃った一
方の溝および他方の溝が得られる。したがって、屈曲振動体の第1の領域と第2の領域と
の熱伝導を安定して行うことができる熱伝導路を有し、Q値の安定した屈曲振動片を提供
することができる。
According to this configuration, one groove and the other groove having openings on both principal surface sides of the flexural vibration body are formed by etching from both directions, so that one groove having the same etching shape and The other groove is obtained. Therefore, it is possible to provide a flexural vibration piece having a heat conduction path capable of stably conducting heat conduction between the first region and the second region of the flexural vibrator and having a stable Q value.
〔適用例3〕上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記溝は有底の溝であって、且
つ、前記溝が前記第1の領域と前記第2の領域との間に複数並設され、隣接する前記溝の
前記開口部が、前記屈曲振動体の前記一方の主面側と他方の主面側とに交互に配置されて
いることを特徴とする。
Application Example 3 In the bending vibration piece according to the application example described above, the groove is a bottomed groove, and a plurality of the grooves are arranged in parallel between the first region and the second region. The openings of the adjacent grooves are alternately arranged on the one main surface side and the other main surface side of the flexural vibrator.
この構成によれば、屈曲振動片の第1の領域と第2の領域との間の熱伝導経路の全域に
渡って、熱伝導が熱伝導路を直線的に通過して行われる構成とすることができるので、第
1の領域と第2の領域との熱緩和時間をさらに短縮して、Q値の低下をより効果的に抑え
ることができる。
According to this configuration, the heat conduction is performed by linearly passing through the heat conduction path over the entire heat conduction path between the first region and the second region of the bending vibration piece. Therefore, the thermal relaxation time between the first region and the second region can be further shortened, and the decrease in the Q value can be suppressed more effectively.
〔適用例4〕上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記埋め込み部材が、金(Au
)の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料からなることを特徴とする。
Application Example 4 In the bending vibration piece according to the application example described above, the embedded member is made of gold (Au
It is characterized by being made of a material having a thermal conductivity higher than the thermal conductivity.
この構成によれば、熱伝導路による熱緩和時間が短縮されることによってQ値の低下が
抑制される効果を十分に得ることができることを本願発明者は見出した。
The inventor of the present application has found that according to this configuration, the effect of suppressing the decrease in the Q value can be sufficiently obtained by shortening the thermal relaxation time by the heat conduction path.
〔適用例5〕本適用例にかかる発振器は、上記適用例のいずれかに記載の屈曲振動片と
、該屈曲振動片を駆動させる発振回路とを少なくとも備えることを特徴とする。
Application Example 5 An oscillator according to this application example includes at least the bending vibration piece according to any of the application examples described above and an oscillation circuit that drives the bending vibration piece.
この構成によれば、上記適用例に示すQ値の低下が抑制された屈曲振動片を備えている
ので、安定した発振特性を有する小型の発振器を提供することができる。
According to this configuration, since the bending vibration piece in which the decrease in the Q value shown in the application example is suppressed is provided, a small oscillator having stable oscillation characteristics can be provided.
以下、本発明の屈曲振動片を音叉型水晶振動片に具体化した一実施形態について図面を
参照しながら説明する。
Hereinafter, an embodiment in which a bending vibration piece of the present invention is embodied as a tuning fork type quartz vibration piece will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の屈曲振動片としての音叉型水晶振動片を模式的に説明したも
のであり、(a)は、音叉型水晶振動片50の一方の主面側の平面図、(b)は、(a)
のA−A線断面図である。
図1(a)において、本実施形態の音叉型水晶振動片50は、屈曲振動体材料を加工す
ることにより形成された基部52と、この基部52の一端側(図において上端側)から二
股に別れて互いに平行に延出する一対の振動腕53,54とからなる所謂音叉型の外形を
有して形成されている。屈曲振動体材料としては、本実施形態では従来の音叉型水晶振動
片と同様に、水晶の単結晶から切り出されたものを使用する。例えば、所謂Zカットの水
晶薄板から、水晶結晶軸のY軸を振動腕53,54の長手方向に、X軸をその幅方向に、
Z軸を振動片の表裏主面の垂直方向にそれぞれ配向して形成される。
(First embodiment)
FIG. 1 schematically illustrates a tuning-fork type quartz vibrating piece as a bending vibrating piece according to the first embodiment. FIG. 1A is a plan view of one main surface side of a tuning-fork type
It is an AA sectional view taken on the line.
In FIG. 1A, a tuning-fork type
The Z axis is formed so as to be oriented in the vertical direction of the front and back main surfaces of the resonator element.
なお、屈曲振動体材料として、上記の水晶以外の圧電基板を用いる構成であってもよい
。例えば、窒化アルミニウム(AlN)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル
酸リチウム(LiTaO3)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、四ほう酸リチウム(L
i2B4O7)などの酸化物基板や、ガラス基板上に窒化アルミニウム、五酸化タンタル(
Ta2O5)などの薄膜圧電材料を積層させて構成された圧電基板を用いることができる。
また、圧電基板以外にも、例えばシリコン半導体材料などにより屈曲振動片を形成するこ
ともできる。
ただし、屈曲振動片の共振周波数は屈曲振動体材料のヤング率を質量密度で除した値の
平方根に比例し、ヤング率を質量密度で除した値が小さい材料ほど、屈曲振動片の小型化
に有利である。よって、本実施形態の音叉型水晶振動片50のように水晶からなる屈曲振
動片は、シリコン半導体材料などに比してヤング率を質量密度で除した値の平方根が小さ
くできるので小型化に有利であるとともに、周波数温度特性に優れているので、本発明の
屈曲振動片としての音叉型水晶振動片50に用いる材料として特に好ましい。
Note that a configuration using a piezoelectric substrate other than the above-described quartz may be used as the bending vibrator material. For example, aluminum nitride (AlN), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), lithium tetraborate (L
i 2 B 4 O 7 ) or other oxide substrates, or glass substrates with aluminum nitride or tantalum pentoxide (
A piezoelectric substrate constructed by laminating thin film piezoelectric materials such as Ta 2 O 5 ) can be used.
In addition to the piezoelectric substrate, the bending vibration piece can be formed of, for example, a silicon semiconductor material.
However, the resonance frequency of the bending vibration piece is proportional to the square root of the value obtained by dividing the Young's modulus of the bending vibration material by the mass density, and the smaller the value obtained by dividing the Young's modulus by the mass density, the smaller the bending vibration piece. It is advantageous. Therefore, a flexural vibration piece made of crystal like the tuning fork type
各振動腕53,54の一方の主面には、励振電極36A,37Aが形成されている。ま
た、基部52の振動腕53,54が延出された一端側と異なる他端側近傍には、外部との
接続に供する外部接続電極76,77が設けられている。これらの外部接続電極76,7
7は、それぞれ励振電極36A,37Aと対応しており、それぞれ対応する電極同士が、
音叉型水晶振動片50の主面や側面に引き回されて設けられた図示しない引き回し配線に
より接続されている。
7 correspond to the
The tuning fork-type
同様に、各振動腕53,54の他方の主面には、各振動腕53,54において各励振電
極36A,37Aの対向電極としての励振電極36B,37B(図1(b)を参照)がそ
れぞれ設けられている。ここで、振動腕53の励振電極36A,36Bは同電位であり、
振動腕54の励振電極37A,37Bは同電位である。また、各振動腕53,54の励振
電極36A,36Bと励振電極37A,37Bとは電位が異なる。励振電極36B.37
Bは、それぞれ対応する励振電極36A,37Aや外部接続電極76,77などの電極と
、音叉型水晶振動片50の主面や側面に引き回されて設けられた図示しない引き回し配線
により接続されている。
なお、本実施形態の音叉型水晶振動片50の特徴をわかりやすく説明する便宜上図示を
省略したが、各振動腕53,54の励振電極36A,36B,37A,37Bが形成され
た両主面と直交する両側面には、それぞれの振動腕53,54の励振電極36A,36B
または励振電極37A,37Bとそれぞれ同電位の励振電極が形成されている。
Similarly,
The
B is connected to the corresponding
In addition, although illustration was abbreviate | omitted for convenience in explaining the characteristics of the tuning fork type
Alternatively, excitation electrodes having the same potential as the
上記した電極や配線は、従来、水晶をエッチングして音叉型水晶振動片50の外形を形
成した後で、例えば、ニッケル(Ni)またはクロム(Cr)を下地層として、その上に
、蒸着またはスパッタリングにより例えば金(Au)による電極層を成膜し、その後フォ
トリソグラフィを用いてパターニングすることにより形成することができる。
Conventionally, the above-described electrodes and wirings are formed by etching a quartz crystal to form the outer shape of the tuning-fork type
また、各振動腕53,54の一方の主面側において、各振動腕53,54の基部52と
の付け根近傍を含む領域には、各振動腕53,54それぞれの長手方向に沿って設けられ
た一本の直線状の有底の溝56a,57aと、各溝56a,57aに埋設された少なくと
も屈曲振動体としての水晶よりも熱伝導率の高い埋め込み部材56b,57bとからなる
熱伝導路56,57が形成されている。本実施形態では、埋め込み部材56b,57bに
金(Au)を用いている。
同様に、図1(b)に示すように、各振動腕53,54の他方の主面側において、一方
の主面側の溝56a,57aと対向する位置に開口部を有して設けられた有底の溝66a
,67aと、各溝66a,67aに埋設された金からなる埋め込み部材66b,67bと
からなる熱伝導路66,67が形成されている。
Further, on one main surface side of each vibrating
Similarly, as shown in FIG. 1B, on the other main surface side of each vibrating
, 67a and
なお、音叉型水晶振動片50の音叉型の外形、および、各振動腕53,54の一方の主
面側に開口部を有する熱伝導路56,57の溝56a,57aと、他方の主面側に開口部
を有する熱伝導路66,67の溝66a,67aとは、例えば水晶ウエハなどの水晶基材
をフッ酸溶液などでウェットエッチングしたり、ドライエッチングすることにより精密に
形成することができる。なお、本実施形態では、各振動腕53,54の両主面側に開口部
を有する各振動腕ごとに一対ずつの熱伝導路56,66または熱伝導路57,67の溝5
6a,66aまたは溝57a,67aは、それぞれ双方向からエッチングして形成される
ので、エッチング形状の揃った溝56a,66aおよび溝57a,67aが得られる。こ
れにより、各振動腕53,54ごとの熱伝導路56,66および熱伝導路57,67によ
る後述する熱伝導を安定して行うことができるので、音叉型水晶振動片50のQ値の安定
化に効果を奏する。
It should be noted that the tuning-fork type
Since the
音叉型水晶振動片50の構成において特に重要な熱伝導路56,57,66,67の埋
め込み部材56b,57b,66b,67bには、少なくとも屈曲振動体材料としての水
晶よりも高い熱伝導率を有する材料が用いられ、例えば、図3に示す材料を用いることが
好ましい。特に、図3に示す材料のなかでも、埋め込み部材56b,57b,66b,6
7bとして、金の熱伝導率以上の熱伝導率を有する材料を用いた熱伝導路56,57,6
6,67を設けたときに、後述する熱弾性損失が抑えられ、Q値の低下を効果的に抑制で
きることを本願発明者は見出した。すなわち、図3において、熱伝導路56,57,66
,67の埋め込み部材56b,57b,66b,67bに用いる材料としては、金、銅(
Cu)、銀(Ag)、あるいは、非金属ではダイヤモンド(C)が、Q値の改善に特に顕
著に寄与することから望ましい。
The embedded
7b,
The inventors of the present application have found that when 6,67 is provided, thermoelastic loss, which will be described later, is suppressed, and a decrease in Q value can be effectively suppressed. That is, in FIG. 3, the
, 67 embedded
In the case of Cu), silver (Ag), or non-metal, diamond (C) is desirable because it contributes significantly to improving the Q value.
図1において、音叉型水晶振動片50に、外部に接続された励振手段としての発振回路
(図示せず)から励振電極36A,36Bおよび励振電極37A,37Bに駆動電圧を印
加すると、振動腕53,54は水平方向に、図中矢印Gで示すように互いに接近または離
反する向きに屈曲振動する。この屈曲振動によって、基部52と各振動腕53,54との
連結部において、各振動腕53,54の振動方向の付け根部分の領域には、圧縮応力と引
張応力とが発生する。音叉型水晶振動片50動作中の基部52と各振動腕53,54の連
結部における熱的な挙動について、図面を参照して詳細に説明する。図2は、音叉型水晶
振動片50動作中の基部52と各振動腕との連結部を模式的に説明するものであり、(a
)は部分拡大平面図、(b)は(a)のb−b線における断面図である。
In FIG. 1, when a driving voltage is applied to the tuning fork type
) Is a partially enlarged plan view, and (b) is a cross-sectional view taken along line bb of (a).
図2(a)に示すように、音叉型水晶振動片動作中の各振動腕53,54の基部52と
の付け根近傍では、振動腕53の図中の第1の領域110および第2の領域111に圧縮
応力と引張応力とが発生し、これと同様に、振動腕54の基部52との連結部分の領域に
も圧縮応力と引張応力とが発生する。すなわち、振動腕53の自由端側が振動腕54に接
近する向きに屈曲振動すると、振動腕53の第1の領域110には引張応力が作用して温
度が下降し、第2の領域111には圧縮応力が作用して温度が上昇する。逆に、振動腕5
3の自由端側が振動腕54から離反する向きに屈曲すると、第1の領域110には圧縮応
力が作用して温度が上昇し、第2の領域111には引張応力が作用して温度が下降する。
As shown in FIG. 2A, in the vicinity of the base of the vibrating
3 is bent in a direction away from the vibrating
同様に、振動腕54の自由端側が振動腕53に接近する向きに屈曲振動すると、振動腕
54の第1の領域112には圧縮応力が作用して温度が上昇し、第2の領域113には引
張応力が作用して温度が下降する。逆に、振動腕54の自由端側が振動腕53から離反す
る向きに屈曲すると、第1の領域112には引張応力が作用して温度が下降し、第2の領
域113には圧縮応力が作用して温度が上昇する。
このように、振動腕53,54それぞれの基部52との連結部の内部には、圧縮応力が
作用する部分と引張応力が作用する部分との間で温度勾配が生じ、その傾斜は、各振動腕
53,54の振動の向きによって逆向きになる。
Similarly, when the free end of the vibrating
As described above, a temperature gradient is generated between the portion where the compressive stress is applied and the portion where the tensile stress is applied inside the connecting portion of each of the vibrating
この温度勾配によって、熱が、圧縮側の部分から引張(伸張)側の部分へ、すなわち、
高温側からから低温側へと伝達される。本実施形態の音叉型水晶振動片50では、この圧
縮側の部分から伸張側の部分への熱の伝達が、各振動腕53,54の励振電極36A,3
6Bおよび励振電極37A,37Bの一部を熱伝導路として行われる。
Due to this temperature gradient, heat is transferred from the compression part to the tension (elongation) part, that is,
It is transmitted from the high temperature side to the low temperature side. In the tuning fork type
6B and a part of the
図2(b)に示す振動腕53側を例として詳細に説明する。図2(b)は、図2(a)
の振動腕53が振動腕54と離反する向きに屈曲したときのb−b線断面をしめしたもの
であり、図2(a)における第1の領域110が圧縮側となり且つ反対側の第2の領域1
11が伸張側となる場合を例示している。図中、温度上昇は+の符号で、温度下降は−の
符号でそれぞれ示す。圧縮側の部分は温度が上昇し、伸張側の部分は温度が下降する。こ
の温度勾配によって、熱が圧縮側(+)の部分から振動腕53の熱伝導路56,66の部
分を通って伸張側(−)へと伝達される。
The
2 is a cross-sectional view taken along line bb when the vibrating
The case where 11 becomes an expansion | extension side is illustrated. In the figure, the temperature rise is indicated by + and the temperature drop is indicated by-. The temperature on the compression side increases and the temperature on the expansion side decreases. Due to this temperature gradient, heat is transferred from the compression side (+) portion to the expansion side (−) through the
本実施形態では、圧縮側(+)の部分と伸張側(−)間の熱伝達経路に、水晶51より
も格段に高い熱伝導率を有する金を埋め込み部材56b,66bとして用いた熱伝導路5
6,66が設けられている。これにより、圧縮側(+)の部分と伸張側(−)間の熱伝達
が熱伝導路56,66を介して効率的に行われ、圧縮側(+)と伸張側(−)との間で温
度が平衡状態となるまでの緩和時間τ1が、熱伝導路56,66が設けられていない従来
の音叉型水晶振動片の緩和時間τ0よりも短縮される。すなわち、本実施形態の音叉型水
晶振動片50の熱緩和周波数f20=1/(2πτ1)において、τ1<τ0であるから、従
来構造の音叉型水晶振動片の熱緩和周波数f0=1/(2πτ0)よりも本実施形態の熱緩
和周波数f20の方が熱緩和周波数が高くなる。
In the present embodiment, a heat conduction path using gold having a much higher thermal conductivity than the
6,66 are provided. As a result, heat transfer between the compression side (+) portion and the expansion side (−) is efficiently performed via the
これを、図8の振動腕の機械的な振動周波数(共振周波数)とQ値との関係でみると、
曲線F自体の形状は変わらないことから、熱緩和周波数の上昇に伴って、曲線Fが曲線F
2の位置まで周波数の上昇方向(紙面上右方向)にシフトしたことになる。したがって、
振動腕の機械的な振動周波数(共振周波数)をfrとしたときにfrが熱緩和周波数f0
以下となる範囲、即ち1≧fr/f0を満たす範囲では、曲線F2におけるQ値は常に従来
構造の音叉型水晶振動片の曲線Fよりも高くなる。加えて、曲線F2における、曲線Fと
曲線F2の交点の周波数より低い周波数帯、即ち1>fr/(f0+(f20−f0)/3)
を満たす範囲においても、従来構造の音叉型水晶振動片の曲線FにおけるQ値より高くな
る。このように、本実施形態の音叉型水晶振動片50は、各振動腕53,54それぞれの
第1の領域110,112と第2の領域111,113との間に熱伝導路56,66を設
けていることにより、Q値を改善して高性能化を実現することができる。
Looking at the relationship between the mechanical vibration frequency (resonance frequency) and the Q value of the vibrating arm in FIG.
Since the shape of the curve F itself does not change, the curve F changes to the curve F as the thermal relaxation frequency increases.
This means that the frequency has been shifted to the position 2 in the direction of increasing frequency (rightward on the page). Therefore,
When the mechanical vibration frequency (resonance frequency) of the vibrating arm is fr, fr is the thermal relaxation frequency f 0.
In the following range, that is, in the range satisfying 1 ≧ fr / f 0 , the Q value in the curve F 2 is always higher than the curve F of the tuning-fork type crystal vibrating piece having the conventional structure. In addition, in the curve F 2 , a frequency band lower than the frequency of the intersection of the curve F and the curve F 2 , that is, 1> fr / (f 0 + (f 20 −f 0 ) / 3).
Even within the range satisfying the above, the Q value in the curve F of the tuning-fork type crystal vibrating piece having the conventional structure is higher. As described above, the tuning fork type
また、本実施形態では、各振動腕53,54の基部52との付け根部近傍において、各
振動腕53,54の屈曲振動方向と平行な両主面側に開口した溝56a,57a,66a
,67aを設け、その溝56a,57a,66a,67aに埋め込み部材56b,57b
,66b,67bを埋設することにより熱伝導路56,57,66,67を形成した。こ
のような各振動腕53,54の基部52との付け根近傍に設けられた溝56a,57a,
66a,67aは、振動腕53,54の振動が垂直方向の成分をも含む場合に、振動が基
部52から漏れるのを緩和することによって、上記熱伝導路56,57,66,67によ
るQ値の改善効果とともに、熱伝導路振動エネルギーの閉込効果を高めてCI値を抑制し
、且つ音叉型水晶振動片間でのCI値のばらつきを防止する効果を奏する。
また、各振動腕53,54の両主面の溝56a,57a,66a,67aの開口部はそ
れぞれ一つずつなので開口部を大きくすることができるため、音叉型水晶振動片50の小
型化が進んでも比較的加工しやすい。
また、本実施形態の熱伝導路56,57,66,67の溝56a,57a,66a,6
7aは有底の溝であるので、例えば、溝56a,57a,66a,67aの金などの埋め
込み部材を溶融させて流し込んでから固化させる方法などにより、熱伝導路56,57,
66,67を比較的容易に形成することができる。
Further, in the present embodiment,
, 67a, and embedded
, 66b, 67b are embedded to form
66a and 67a reduce the leakage of vibration from the base 52 when the vibration of the vibrating
In addition, since each of the
Further, the
Since the groove 7a has a bottom, the
66 and 67 can be formed relatively easily.
(第2の実施形態)
上記第1の実施形態では、各振動腕53,54の両主面にそれぞれ開口した溝56a,
57a,66a,67aと、その溝56a,57a,66a,67aに埋め込み部材56
b,57b,66b,67bとからなる熱伝導路56,57,66,67を形成した。す
なわち、振動腕53の第1の領域110と第2の領域111との間の熱伝導経路には、一
対の熱伝導路56,66、振動腕54の第1の領域112と第2の領域113との間の熱
伝導経路には一対の熱伝導路57,67が介在する構成とした。これに限らず、各振動腕
(屈曲振動体)ごとの第1の領域と第2の領域との間に、複数の熱伝導路を介在させた構
成としてもよい。
図4は、屈曲振動体の第1の領域と第2の領域との間に二つの熱伝導路を設けた音叉型
水晶振動片を模式的に説明するものであり、(a)は一主面側の平面図、(b)は(a)
のc−c線断面図である。なお、図4において、上記第1の実施形態と同じ構成について
は同一符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the
57a, 66a, 67a and the embedded
The
FIG. 4 schematically illustrates a tuning-fork type crystal vibrating piece in which two heat conduction paths are provided between the first region and the second region of the flexural vibration body. Plan view of surface side, (b) is (a)
FIG. In FIG. 4, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
図4(a)に示す本第2の実施形態の音叉型水晶振動片150において、振動腕53の
基部52との付け根近傍を含む領域には、振動腕53の一方の主面側に開口部を有し長手
方向に沿って設けられた直線状の有底の溝156a、および振動腕53の他方の主面側に
開口部を有し前記溝156aと平行に並設された直線状の有底の溝166aと、それら各
溝156a,166aに埋設された金などの熱伝導率の高い材料からなる埋め込み部材1
56b,166bとからなる熱伝導路156,166が形成されている(図4(b)を併
せて参照)。
In the tuning fork type
同様に、振動腕54の基部52との付け根近傍を含む領域には、振動腕54の一方の主
面側に開口部を有し長手方向に沿って設けられた直線状の有底の溝157a、および振動
腕54の他方の主面側に開口部を有し前記溝157aと平行に並設された直線状の有底の
溝167aと、それら各溝157a,167aに埋設された埋め込み部材157b,16
7bとからなる熱伝導路157,167が形成されている。
Similarly, in a region including the vicinity of the base with the
この構成によれば、上記第1の実施形態の音叉型水晶振動片50の各振動腕53,54
の第1の領域110,112と第2の領域111,113(図2(a)を参照)との間の
熱伝導経路が、熱伝導路56,66,57,67の他に屈曲振動体材料としての水晶51
(例えば振動腕53について説明する図2(b)を参照)部分を含んでいるのに対して、
各振動腕53,54それぞれの第1の領域と第2の領域との間の熱伝導経路の全域に渡っ
て、熱伝導が熱伝導路156,166,157,167を直線的に通過して行われる構成
とすることができる。したがって、各振動腕の第1の領域と第2の領域との熱緩和に際し
ての熱伝導効率をさらに向上させることができるので、Q値の低下をより効果的に抑える
ことができる。
According to this configuration, the vibrating
In addition to the
(For example, refer to FIG. 2B for explaining the vibrating arm 53)
The heat conduction linearly passes through the
上記実施形態で説明した屈曲振動片としての音叉型水晶振動片は、以下の変形例として
実施することも可能である。
The tuning-fork type crystal vibrating piece as the bending vibrating piece described in the above embodiment can also be implemented as the following modifications.
(変形例1)
上記第2の実施形態の音叉型水晶振動片150では、各振動腕53,54ごとに二つず
つの熱伝導路156,166および熱伝導路157,167を設ける構成とした。これに
限らず、熱伝導路は三つ以上を並設する構成としてもよい。
図5は、変形例1の音叉型水晶振動片を模式的に説明するものであり、図5(a)は一
主面側の平面図、(b)は(a)のd−d線断面図である。
(Modification 1)
In the tuning fork type
FIGS. 5A and 5B schematically illustrate a tuning-fork type crystal vibrating piece according to the first modification. FIG. 5A is a plan view of one main surface side, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line dd in FIG. FIG.
図5(a)に示す本変形例の音叉型水晶振動片250において、振動腕53の基部52
との付け根近傍を含む領域には、振動腕53の一方の主面側に開口部を有し長手方向に沿
って平行に設けられた二つの直線状の有底の溝256a,276aと、それらの溝256
a,276aに埋設された金などの熱伝導率の高い材料からなる埋め込み部材256b,
276bとからなる熱伝導路256,276が形成されている、また、二つの熱伝導路2
56および257の間には、振動腕53の他方の主面側に開口部を有し前記溝256a,
276aと平行に設けられた直線状の有底の溝266aと、その溝266aに埋設された
埋め込み部材266bとからなる熱伝導路266が形成されている(図5(b)を併せて
参照)。
In the tuning-fork type
In the region including the vicinity of the root of the groove, there are two linear bottomed
a, embedded
276b are formed, and two
56 and 257 have an opening on the other main surface side of the vibrating
A
同様に、振動腕54の基部52との付け根近傍を含む領域には、振動腕54の一方の主
面側に開口部を有し長手方向に沿って平行に設けられた二つの直線状の有底の溝257a
,277aと、それらの溝257a,277aに埋設された埋め込み部材257b,27
7bとからなる熱伝導路257,277が形成されている、また、二つの熱伝導路257
および277の間には、振動腕54の他方の主面側に開口部を有し前記溝257a,27
7aと平行に設けられた直線状の有底の溝267aと、その溝267aに埋設された埋め
込み部材267bとからなる熱伝導路267が形成されている。
Similarly, in a region including the vicinity of the base of the vibrating
, 277a and embedded
7b is formed, and two
And 277 have an opening on the other main surface side of the vibrating
A
この構成によれば、各振動腕53,54それぞれの第1の領域と第2の領域との間の熱
伝導経路の全域において、熱伝導が熱伝導路256,266,276または熱伝導路25
7,267,277を直線的通過して行われ、各振動腕の第1の領域と第2の領域との熱
緩和に際しての熱伝導効率がさらに向上するので、Q値の低下をより効果的に抑えること
ができる。
According to this configuration, heat conduction is performed in the
7, 267, and 277 are linearly passed, and the heat conduction efficiency at the time of thermal relaxation between the first region and the second region of each vibrating arm is further improved, so that the Q value can be reduced more effectively. Can be suppressed.
(変形例2)
上記実施形態および変形例1では、振動腕53,54の基部52との付け根近傍に設け
る熱伝導路を、有底の溝に埋め込み部材を埋設することにより形成した。これに限らず、
熱伝導路を、貫通孔に埋め込み部材を埋設することにより形成してもよい。
図6は、変形例2の音叉型水晶振動片を模式的に説明するものであり、図6(a)は一
主面側の平面図、(b)は(a)のe−e線断面図である。
(Modification 2)
In the said embodiment and the
The heat conduction path may be formed by embedding an embedded member in the through hole.
6A and 6B schematically illustrate a tuning-fork type crystal vibrating piece according to
図6(a)に示す本変形例の音叉型水晶振動片350において、振動腕53の基部52
との付け根近傍を含む領域には、振動腕53の一方の主面から他方の主面に向けて長手方
向に沿って貫設された直線状の貫通孔356aと、その貫通孔356aに埋設された金な
どの熱伝導率の高い材料からなる埋め込み部材356bとからなる熱伝導路356が形成
されている(図6(b)を併せて参照)。
In the tuning-fork type
In the region including the vicinity of the base of the
同様に、振動腕54の基部52との付け根近傍を含む領域には、振動腕54の一方の主
面から他方の主面に向けて長手方向に沿って貫設された直線状の貫通孔357aと、その
貫通孔357aに埋設された金などの熱伝導率の高い材料からなる埋め込み部材357b
とからなる熱伝導路357が形成されている。
Similarly, in a region including the vicinity of the base with the
A
この構成では、各熱伝導路356,357の貫通孔356a,357aを形成する際に
、両主面側の双方向からウェットエッチングを施す方法や、貫通孔356a,357aの
深さ方向に直線的にエッチングを進める反応性イオンエッチング法などの異方性エッチン
グを行うことなどにより、貫通孔356a,357aの断面形状を対称形状に加工するこ
とができる。この構成によれば、各振動腕53,54の第1の領域と第2の領域との間に
、金などの熱伝導性の高い材料からなる埋め込み部材356b,357bを備えた熱伝導
路356,357を大きく設けることができる。したがって、屈曲振動に伴って生じる各
振動腕53,54の第1の領域と第2の領域との温度差を緩和する熱緩和に際して、熱伝
導効率を向上させることによって、Q値の低下をより効果的に抑えることができる。
In this configuration, when forming the through
〔発振器〕
上記第1の実施形態および変形例で説明した屈曲振動片としての音叉型水晶振動片50
,150,250,350は、圧電デバイスや、圧電デバイス以外の様々な電子部品に適
用することができる。特に、上記パッケージ内に上記の音叉型水晶振動片50,150,
250,350のうちいずれかの屈曲振動片とともに、その屈曲振動片を発振させる発振
回路素子が少なくとも組み込まれて構成された発振器は、Q値が改善されて高性能化が実
現されるとともに小型化を図ることができる。
[Oscillator]
The tuning-fork type
, 150, 250, 350 can be applied to various electronic components other than piezoelectric devices and piezoelectric devices. In particular, the tuning fork type
An oscillator configured by incorporating at least an oscillation circuit element that oscillates one of the flexural vibration pieces of 250 and 350 with the flexural vibration piece improved in Q value, improved performance, and reduced in size. Can be achieved.
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発
明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の
変更を加えることが可能である。
The embodiment of the present invention made by the inventor has been specifically described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are made without departing from the scope of the present invention. Is possible.
例えば、上記実施形態および変形例では、屈曲振動片としての音叉型水晶振動片50,
150,250,350について説明した。これに限らず、本発明の屈曲振動片は、短冊
状の所謂ビーム型の屈曲振動片でもよく、また、三つ以上の振動腕を有する屈曲振動片で
あっても、上記した実施形態および変形例と同様な効果を得ることができる。
For example, in the embodiment and the modification, the tuning-fork type
150, 250, and 350 have been described. The present invention is not limited to this, and the bending vibration piece of the present invention may be a strip-shaped so-called beam-type bending vibration piece, or may be a bending vibration piece having three or more vibrating arms. The same effect as the example can be obtained.
また、上記実施形態および変形例では、屈曲振動片の一例として、水晶からなる音叉型
水晶振動片50,150,250,350について説明したが、水晶以外の圧電基板から
なる屈曲振動片であってもよい。
また、屈曲振動片の基材は圧電材料からなる圧電基板に限らない。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、磁気を用いた磁気駆動型の屈曲
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。
In the embodiment and the modification, the tuning fork type
The base material of the bending vibration piece is not limited to a piezoelectric substrate made of a piezoelectric material. In addition to the piezoelectric drive type using a piezoelectric substrate, the electrostatic drive type using electrostatic force and the magnetic drive type bending vibration piece using magnetism can also exert the configuration and effects of the present invention. it can.
1,50,150,250,350…屈曲振動片としての音叉型水晶振動片、2,52
…基部、3,4,53,54…振動腕、6,7…孔、10,12,110,112…第1
の領域、11,13,111,113…第2の領域、36A,36B,37A,37B…
励振電極、51…屈曲振動体材料としての水晶、56,57,66,67,156,15
7,166,167,256,257,266,267,276,277,356,35
7…熱伝導路、56a,57a,66a,67a,156a,157a,166a,16
7a,256a,257a,266a,267a,276a,277a…溝、56b,5
7b,66b,67b,156b,157b,166b,167b,256b,257b
,266b,267b,276b,277b,356b,357b…埋め込み部材、35
6a,357a…貫通孔。
1, 50, 150, 250, 350... Tuning fork type crystal vibrating piece as a bending vibrating piece, 2, 52
... Base, 3, 4, 53, 54 ... Vibrating arm, 6, 7 ... Hole, 10, 12, 110, 112 ... First
Excitation electrode, 51... Crystal as bending vibration material, 56, 57, 66, 67, 156, 15
7,166,167,256,257,266,267,276,277,356,35
7 ... heat conduction path, 56a, 57a, 66a, 67a, 156a, 157a, 166a, 16
7a, 256a, 257a, 266a, 267a, 276a, 277a... Groove, 56b, 5
7b, 66b, 67b, 156b, 157b, 166b, 167b, 256b, 257b
, 266b, 267b, 276b, 277b, 356b, 357b ... embedded member, 35
6a, 357a ... through holes.
Claims (5)
力が作用する場合は引張応力が作用し前記第1の領域に引張応力が作用する場合は圧縮応
力が作用する関係にある第2の領域と、を有する屈曲振動体からなり、
前記第1の領域と前記第2の領域の間に、前記屈曲振動体の振動方向と平行な両主面の
うち少なくともいずれか一方の主面側に開口部を有する溝と、該溝に埋設された前記屈曲
振動体よりも高い熱伝導率を有する埋め込み部材とからなる熱伝導路を有することを特徴
とする屈曲振動片。 A first region where compressive stress or tensile stress is applied by vibration, and a compressive stress is applied when compressive stress is applied to the first region, and a compressive stress is applied when tensile stress is applied to the first region. A second region in an acting relationship, and a flexural vibrator having
Between the first region and the second region, a groove having an opening on at least one of the principal surfaces parallel to the vibration direction of the flexural vibrator, and embedded in the groove A bending vibration piece having a heat conduction path comprising an embedded member having a higher thermal conductivity than the bent vibration body.
前記溝は有底の溝であって、且つ、前記屈曲振動体の前記一方の主面側に開口部を有す
る一方の前記溝と、他方の主面側の前記一方の前記溝の開口部と対向する位置に開口部を
有する他方の前記溝と、を有することを特徴とする屈曲振動片。 The bending vibration piece according to claim 1,
The groove is a bottomed groove, and the one groove having an opening on the one main surface side of the flexural vibrator, and the opening of the one groove on the other main surface side, A flexural vibration piece comprising: the other groove having an opening at an opposing position.
前記溝は有底の溝であって、且つ、前記溝が前記第1の領域と前記第2の領域との間に
複数並設され、隣接する前記溝の前記開口部が、前記屈曲振動体の前記一方の主面側と他
方の主面側とに交互に配置されていることを特徴とする屈曲振動片。 The bending vibration piece according to claim 1,
The groove is a bottomed groove, and a plurality of the grooves are arranged in parallel between the first region and the second region, and the opening of the adjacent groove is the bending vibrator. The bending vibration piece is arranged alternately on the one main surface side and the other main surface side.
前記埋め込み部材が、金(Au)の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する材料からなる
ことを特徴とする屈曲振動片。 In the bending vibration piece according to any one of claims 1 to 3,
The bending vibration piece, wherein the embedded member is made of a material having a thermal conductivity higher than that of gold (Au).
路とを少なくとも備えることを特徴とする発振器。 An oscillator comprising at least the bending vibration piece according to any one of claims 1 to 4 and an oscillation circuit for driving the bending vibration piece.
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