JP4638263B2

JP4638263B2 - 音叉型屈曲振動子

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Publication number: JP4638263B2
Application number: JP2005083637A
Authority: JP
Inventors: 英紀芦沢; 宏輔高橋; 義則木下
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2005-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: JP2006270335A

Description

本発明は、電界効率を高めるための構造を備えた音叉型屈曲振動子に関するものである。

従来の音叉型屈曲振動子１は、図１１に示すように、薄い水晶板をベースとして、図示しないケーシングの電極端子に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３，４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、時計用の時間基準の信号源として使用されている。

前記音叉型屈曲振動子１は、水晶原石のＺ板から約＋１°Ｘ軸回転させた角度でカットして形成されたものである。この屈曲振動子１は、例えば、３２．７６８ＫＨｚを基準の振動周波数として使用する場合は、振動腕部３，４の長さＬ＝２．５ｍｍに対して、各振動腕部３，４の幅Ｗ＝０．２６ｍｍに設定される。また、前記各振動腕部３，４の基端部から各振動腕部３，４の長手方向の沿ってそれぞれ極性の異なる励振電極５，６が形成されている。

このような音叉型屈曲振動子１にあっては、前記振動腕部３，４の振動に伴う共振運動を励振電極５，６によって電気信号に変換し、これを固有の振動周波数としている。

上述したように、前記音叉型屈曲振動子１は、振動腕部３，４の長さ及び幅のサイズによって固有の振動周波数が設定され、以下の関係式（数１）が成り立つ。

ここで、Ｆ：振動周波数（Ｈｚ）
Ｌ：振動腕部の長さ（ｍ）
Ｗ：振動腕部の幅（ｍ）
Ｃ´₂₂：弾性スチフネス定数（Ｎ／ｍ^２）
ρ：水晶の密度（ｋｇ／ｍ^３）
である。

従って、図１１に示した音叉型屈曲振動子１を要求仕様に基づいて設計変更等する場合は、（数１）の下で各パラメータが決定される。それ故、前記音叉型屈曲振動子１の振動周波数３２．７６８ＫＨｚは固定のままにして小型化した場合には、例えば振動腕部３，４の長さを１．９ｍｍ程度に短縮すると、振動腕部３，４の幅は０.１５ｍｍと極めて幅狭いものとなる。

しかしながら、前記振動腕部３，４の幅は、振動子としての機械的強度や品質を保つためには最低でも２００μｍ以上が必要とされており、２００μｍ以下になってしまうと、励振電極５，６の形成幅も一緒に狭くなることから電界効率が低下する。この電界効率が低下によって、等価直列抵抗値が高くなるため、音叉型屈曲振動子の品質を悪化させる要因ともなっていた。

このような小型の音叉型屈曲振動子において、電界効率の改善を目的とした例が特許文献１及び特許文献２に示されている。例えば、図１２及び図１３に示すように、振動腕部１３，１４の厚み方向ｔ１に対して励振電極を形成するための溝部１７を前記振動腕部１３，１４に設けた構造の音叉型屈曲振動子１１がある。前記溝部１７は、各振動腕部１３，１４の上面及び下面から貫通しないような深さｔ２に設定されている。このような溝部１７を設けることによって、各振動腕部１３，１４の側面に設けられている励振電極と対向する励振電極が形成でき、これによって電界効率を高めようとするものである。

また、前記溝部１７を有する音叉型屈曲振動子の加工を容易にするために、溝部１７の形状を微細化した例が特許文献２及び特許文献３に示されている。これらの特許文献に示されている音叉型屈曲振動子には、一対の振動腕部の長手方向に沿って、厚み方向に貫通しない小溝が複数形成されている。また、この音叉型屈曲振動子の加工方法によれば、前記小溝からなる溝部を微細に設計することで、振動腕部の外形形状と前記溝部の加工とを同一条件のエッチング処理にて行えるようになっている。
特開２００３−６０４８２号特許第３４７７６１８号特開２００４−２６０５９３号

ところで、音叉型屈曲振動子にあっては、振動腕部の厚み方向の側面に設けられる励振電極と略平行に延びる励振電極が振動腕部の内部に多く有するほど電界効率が高まることが知られている。しかしながら、上記特許文献２及び特許文献３に示されているような溝部１７では、振動腕部１３，１４の厚み方向の中心に達しないように溝深さｔ２を制御させるため、振動腕部１３，１４の側面全面に設けられている励振電極１５，１６に対応するような面積を確保することができない。

また、前記溝部１７をエッチングによって加工する際、振動腕部１３，１４の材質や厚みに応じて異方性を精密に制御しないと、浅い角度のエッチングになり、振動腕部１３，１４の側面に設けた励振電極１５，１６面に対して傾いた角度の励振電極面が形成されてしまう。このように、前記溝部１７の内側面に形成される励振電極が振動腕部１３，１４の側面に形成されている励振電極から傾くにしたがって電界効率が低下するといった問題がある。

また、前述したように、前記溝部１７を振動腕部１３，１４の厚み方向ｔ１を貫通しないようにエッチングを制御すると共に、溝部１７の形状をエッチング条件に合わせて調整しなければならないといった問題がある。特に、特許文献２に示されている屈曲振動子にあっては、溝部１７と振動腕部１３，１４との加工の深さが異なるため、前記溝部１７と振動腕部１３，１４の加工とを別工程で行わなければならず、工数が余計にかかる。また、溝部１７の深さが制御しにくいため、最終製品における等価直列抵抗値のバラツキが大きくなる。特許文献３に示されている例によれば、溝部１７の深さ加工の制御を溝部１７の形成幅とエッチング時間とで調整するため、前記溝部１７を振動腕部１３，１４の厚み方向ｔ１に貫通させないように所定深さに形成するのが容易でない。また、前記溝部１７の加工と同時に振動腕部１３，１４の外形加工を行うため、エッチング条件を溝部１７に適合させると、振動腕部１３，１４の外形加工に影響を及ぼす場合がある。このように、外形加工の精度が設計条件からずれると、振動周波数も変動することから最終製品の歩留まりが低下するといった問題点もある。

そこで、本発明の目的は、音叉型屈曲振動子を構成する各振動腕部の所定位置に貫通孔を複数形成することによって、電界効率を高めて等価直列抵抗値の低減化を図ると共に、加工形成が容易な音叉型屈曲振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の音叉型屈曲振動子は、所定の振動長及び振動幅を有する一対の振動腕部を備え、この振動腕部の少なくとも側面に励振電極を設けた音叉型屈曲振動子において、前記振動腕部には、表面及び裏面の振動の中心である中立線を挟んだ左右位置で、且つ、外周側面に寄せた位置に、振動腕部の長さ方向に沿って複数の貫通孔が配列された貫通孔列が複数並列形成され、振動腕部の幅方向に隣接する貫通孔列の貫通孔が振動腕部の長さ方向にずれていることを特徴とする。

また、前記隣接する一方の貫通孔列の貫通孔と他方の貫通孔列の貫通孔とが振動腕部の長さ方向に対して半ピッチ分ずらせて配置されていることを特徴とする。

本発明の音叉型屈曲振動子によれば、各振動腕部の振動長方向に一または二以上の貫通孔を設けると共に、この貫通孔の内側面に励振電極を形成したことで、前記振動腕部の側面側に設けられている励振電極との間の電界効率の向上効果が得られる。その結果、振動特性に悪影響を与える等価直列抵抗値の低減化を図ることが可能となった。また、前記貫通孔が振動腕部の振動長方向に沿って所定の間隔ごとに複数形成されているため、振動腕部における振動時の励振電極間の水晶歪みが大きくなる。これによって、等価直列抵抗値の低減化を図ることができた。

また、前記貫通孔が、前記振動腕部の中で振動の振れ幅の大きな側面側に偏した位置に設けることで、この振動腕部の側面に設けられている励振電極による電界効率を最大限に高めることができる。

また、前記貫通孔を振動腕部の振動幅方向に対して二列以上平行して設けると共に、近接する貫通孔の位置を振動長方向にずらせることで、一方の振動長方向に延びる貫通孔と貫通孔の形成間隔の間に他方の貫通孔を重ねた状態で配列させることができる。これによって、前記振動腕部の側面に形成されている励振電極による電界の影響を前記複数の貫通孔の内側面に形成されている励振電極で漏れなく受けることができる。

また、前記貫通孔は、各振動腕部の厚み方向に対する抜き加工によって形成されるため、従来の溝部のような深さ方向の加工制御を必要としない。このため、前記溝部をエッチングによって加工する場合、振動腕部の外形加工条件と略同一の加工条件で行えるため、工数がかからず製造が容易となる。

以下、本発明の音叉型屈曲振動子の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、以下に示す各実施形態の音叉型屈曲振動子は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｚ軸平面から約＋１°Ｘ軸方向に回転させたカット角の水晶板から音叉形に加工されている。また、振動周波数は、いずれも３２．７６８ＫＨｚを基準にして形成されている。

図１乃至図３は、第１実施形態の音叉型屈曲振動子（以下、屈曲振動子という）２１を示したものである。この屈曲振動子２１は、基本的には従来例と同様、図示しないケーシング内に固定される矩形状の基部２２と、この基部２２から平行に延びる一対の振動腕部２３，２４とを備えている。また、前記振動腕部２３，２４には、前記基部２２から延びる極性の異なる励振電極３１，３２がそれぞれパターン形成されている。前記振動腕部２３の表面及び裏面と振動腕部２４の両側面には一方の励振電極３２が形成され、振動腕部２４の表面及び裏面と振動腕部２３の両側面には他方の励振電極３１が形成される。前記励振電極３１，３２は、前記振動腕部２３，２４上に独立した領域を保持して形成されている。

前記振動腕部２３，２４は、基部２２の一端から同一方向に向けて平行に延びる細長い四角柱体であり、所定の振動周波数を得るための振動長（Ｌ）、振動幅（Ｗ）及び厚み（Ｔ）を有して形成される。この振動腕部２３，２４には、厚み（Ｔ）方向に貫通孔２５〜２８が設けられている。この貫通孔２５〜２８は、振動時における前記振動腕部２３，２４の歪みから発生する電荷を吸収させてより高い電界効率を得るために設けられるものであり、従来の貫通しない溝構造よりも高い電界効率を得ることができる。この貫通孔２５〜２８は、前記振動腕部２３，２４の振動長（Ｌ）方向に沿って設けられるが、後述する振動シミュレーションで示されるように、連続した長い貫通孔よりも微小な貫通孔を所定間隔で破線状に複数形成する方が、振動による励振電極間の歪みが強く均一となり、振動周波数が安定することが実証されている。

前記貫通孔２５〜２８は、電界を発生させるための歪み強度の大きな側面近傍に設けるのが効果的である。このため、図３に示したように、貫通孔加工が可能な範囲で、振動腕部２３，２４の側面からの距離（壁厚）ｈが小さくなるような位置に形成するのが望ましい。図４は、前記壁厚ｈに対する等価直列抵抗値Ｒ１の変化をシミュレーションによって検証したものである。このグラフからわかるように、前記壁厚ｈを薄くするにしたがって、Ｒ１の値が減少していることが確認できる。ただし、前記壁厚ｈをあまり薄く設定しすぎると、貫通孔の形成が困難となるので、最低５μｍ以上を確保し、Ｒ１の値が６０ＫΩを下回る２０μｍまでの範囲で形成するのが好ましい。また、前記貫通孔２５〜２８の振動長（Ｌ）方向に延びる配列長（Ｌ１）は、図２に示したように、基部２２から各振動腕部２３，２４の約１／２の長さに設定される。本実施形態では、前記貫通孔２５〜２８を各振動腕部２３，２４の振動長（Ｌ）方向に対する振動の中立線Ｘ１，Ｘ２を挟んだ左右位置に均等に設けた。前記貫通孔２５〜２８は、その開口長が前記振動長（Ｌ）に対して１／５以下、また、開口幅が前記振動幅（Ｗ）に対して１／５以下の寸法にすると電界効率の向上効果が得られる。特に、前記貫通孔２５〜２８の一つ一つの開口長（Ｌ２）を１００〜４００μｍ、開口幅（Ｗ２）を５〜３０μｍ程度の長方形状とし、５〜１００μｍの間隔（Ｓ２）で前記振動長（Ｌ）方向に配列形成するのが好ましい。

前記各貫通孔２５〜２８の内側面には、前記振動腕部２３，２４の表面及び裏面に形成されている励振電極３１，３２が回り込んで形成される。図３に示したように、振動腕部２３，２４の幅方向の断面で見ると、振動腕部２３の側面に設けられている励振電極３１に対して、貫通孔２５，２６の内側面には、励振電極３２がそれぞれ対向して設けられている。また、振動腕部２４の側面に設けられている励振電極３２に対して、貫通孔２７，２８には、励振電極３１が対向して設けられている。このように、前記貫通孔２５〜２８の内側面に設けられる励振電極面は、前記振動腕部２３，２４の側面に設けられている電極面と厚み（Ｔ）方向で同一且つ平行に配置されていることとになる。また、図２に示したように、前記貫通孔２５〜２８が短い間隔（Ｓ２）で複数個振動長（Ｌ）方向に沿って設けられているので、振動長（Ｌ）方向に対しても、前記貫通孔２５〜２８に形成されている励振電極面と振動腕部２３，２４の側面に設けられる励振電極面とが略同じ面積で対向させることができる。このように、前記貫通孔２５〜２８を設けたことによって、この貫通孔２５〜２８の内側面と、振動腕部２３，２４との外周面との間の電界効率が高まり、等価直列抵抗値を小さく抑えることができる。

また、前記貫通孔２５〜２８は、内側面に励振電極が形成されたスルーホールであるため、基部２２から延びる一対の励振電極３１，３２を振動腕部２３，２４の上面または下面を介して容易に導通させることができる。これによって、前記振動腕部２３，２４上を引き回す電極パターンが少なくなるので、電極形成不良が減少し、製品歩留まりの向上が図られる。

なお、上記実施形態では、前記振動腕部２３に対して２列の貫通孔２５，２６、振動腕部２４に対して２列の貫通孔２７，２８をそれぞれ設けたが、それぞれの振動腕部２３，２４に対して少なくとも１列の貫通孔を設けることで、電界効率の向上効果が得られる。ただし、左右の振動のバランスをとる上で、前記貫通孔の位置は、前記振動腕部２３，２４で対称となるように設けるのが好ましい。

次に、図５乃至図７に基づいて、上記第１実施形態で示した貫通孔が複数形成された屈曲振動子２１の振動モデルと、規定外のサイズの長孔が形成された屈曲振動子５１の振動モデルとを比較して説明する。なお、この比較は、有限要素法（ＡＮＳＹＳ８．０）によるシミュレーションによって行った。図５（ａ）は一本の貫通長孔５２が形成された屈曲振動子５１の振動モデルの全体を示したものであり、図５（ｂ）は複数の貫通孔２５が破線状に形成された屈曲振動子２１の振動モデルの全体を示したものである。前記屈曲振動子２１，５１は、いずれも振動腕部の振動幅Ｗ＝１２５μｍ、振動長Ｌ＝１８００μｍ、基部の長さＤ＝４００μｍに設定されている。また、前記貫通長孔５２は、図６（ａ）に示すように、上記規定した範囲から外れた開口幅Ｗ２＝５０μｍ、開口長Ｌ２＝８００μｍに設定されている。一方、図６（ｂ）に示す屈曲振動子２１は、開口幅Ｗ２＝２０μｍ、開口長Ｌ２＝２００μｍに設定されている。なお、前記振動腕部から貫通長孔５２または貫通孔２５までの壁厚ｈ＝２０μｍで共通になっている。また、図７（ａ），図７（ｂ）は、振動腕部の基端部における部分拡大図であり、グレースケールによって電界を発生するための歪み強度を表している。このグレースケールによって表される白黒濃度は、白または黒が明確に表れるほど歪み強度が大きいことを示す。なお、白と黒とでは電界の極性が異なる。

図５（ｂ）に示す振動モデルでは、それぞれの振動腕部が中間部で撓むことなく、振動長（Ｌ）方向全体で内方向に撓む様子が見られる。また、図７（ｂ）に示されているように、歪み強度を表す濃淡が振動長（Ｌ）方向に延びる貫通孔２５の配列に対して均一となっているので、安定した振動周波数を発生させることができる。一方、図７（ａ）に示す振動モデルでは、歪みを表す濃淡が貫通長孔５２の延びる方向に対して不規則に表れている。このような濃淡が不規則に表れる場合は、振動が不安定となる場合が多い。また、図６（ａ）に示されるように、それぞれの振動腕部に形成された一対の貫通長孔５２の開口幅Ｗ２が大きく、それぞれの振動腕部の内側寄りに形成されているため、振動腕部の有効幅Ｅが狭くなっている。このように、振動腕部の有効幅Ｅが狭まると、図７（ａ）に示した振動モデルのように、歪み強度が不規則になるため、安定した振動周波数を得ることが困難になる場合が多い。以上のシミュレーション結果から、同じ貫通孔であっても、連続して長く形成せずに、短小な貫通孔を複数破線状に配列させると共に、振動腕部の側面に近い位置に設けるほど振動形態が良好であることが実証された。

次に、本発明の第２実施形態の屈曲振動子４１を図８乃至図１０に示す。ここで、図８は屈曲振動子４１の平面図、図９は前記屈曲振動子４１のＢ−Ｂ断面図、図１０は前記屈曲振動子４１のＣ−Ｃ断面図である。図８に示したように、前記屈曲振動子４１は、貫通孔が振動長（Ｌ）方向に沿って複数配列させた貫通孔列を振動腕部４３，４４の両側面から近い位置にそれぞれ二列平行に隣接するように設けて構成されている。前記貫通孔列４５ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａを構成する各貫通孔と、貫通孔列４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ，４８ｂを構成する各貫通孔の大きさや形状、配列間隔は同じであるが、前記貫通孔列４５ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａと貫通孔列４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ，４８ｂは、振動長（Ｌ）方向に対して半ピッチ分ずらせて設けられている。このように、近接して設けられている貫通孔列の各貫通孔が振動長（Ｌ）方向に重ならないようにずらして形成することで、前記振動腕部４３，４４の側面に形成されている励振電極と、近接する一対の貫通孔列の内側面に形成されている励振電極とが隙間なく対向させることができる。これによって、電界効率をさらに向上させることができる。なお、本実施形態では、前記貫通孔列４５ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａと貫通孔列４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ，４８ｂとを半ピッチ分ずらせたが、前記貫通孔側の励振電極が振動腕部４３，４４の側面からみて振動長方向に切れ目なく励振電極が形成できるようにずれていればよい。

上記実施形態で示した屈曲振動子２１，４１は、水晶原石から所定のカット角の水晶基板を切り出す水晶基板からエッチング加工あるいは打ち抜き加工によって基部２２、振動腕部２３，２４からなる外形部と、貫通孔とが形成される。前記エッチング加工は、化学的なウェットエッチング法が用いられるが、物理的なドライエッチングやパウダービームを用いて行うこともできる。この形状加工の後に、前記振動腕部２３，２４の外周面及び貫通孔の内側面に励振電極が形成される。この励振電極は、加熱蒸着法やスパッタ法等によって、所定の形状にパターン形成される。

本発明に係る第１実施形態の音叉型屈曲振動子の斜視図である。上記第１実施形態の音叉型屈曲振動子の平面図である。図１に示した音叉型屈曲振動子のＡ−Ａ断面図である。振動腕部の壁厚と等価直列抵抗値との関係を示すグラフである。規定内と規定外の貫通孔を備えたそれぞれの音叉型屈曲振動子の振動モデルを示す図である。上記図５に示した貫通孔の拡大図である。上記図５に示したそれぞれの音叉型屈曲振動子の歪み強度を示す図である。本発明に係る第２実施形態の屈曲振動子の平面図である。上記第２実施形態の屈曲振動子のＢ−Ｂ断面図である。上記第２実施形態の屈曲振動子のＣ−Ｃ断面図である。従来の一般的な音叉型屈曲振動子の斜視図である。溝部が設けられた従来の音叉型屈曲振動子の斜視図である。上記溝部が設けられた従来の音叉型屈曲振動子の断面図である。

符号の説明

２１，４１音叉型屈曲振動子
２２，４２基部
２３，２４振動腕部
２５，２６，２７，２８貫通孔
３１，３２励振電極
４３，４４振動腕部
４５ａ，４６ａ，４７ａ，４８ａ貫通孔列
４５ｂ，４６ｂ，４７ｂ，４８ｂ貫通孔列

Claims

所定の振動長及び振動幅を有する一対の振動腕部を備え、この振動腕部の少なくとも側面に励振電極を設けた音叉型屈曲振動子において、
前記振動腕部には、表面及び裏面の振動の中心である中立線を挟んだ左右位置で、且つ、外周側面に寄せた位置に、
振動腕部の長さ方向に沿って複数の貫通孔が配列された貫通孔列が複数並列形成され、振動腕部の幅方向に隣接する貫通孔列の貫通孔が振動腕部の長さ方向にずれていることを特徴とする音叉型屈曲振動子。
前記隣接する一方の貫通孔列の貫通孔と他方の貫通孔列の貫通孔とが振動腕部の長さ方向に対して半ピッチ分ずらせて配置されている請求項１に記載の音叉型屈曲振動子。
前記貫通孔は、その開口長が前記振動腕部の長さに対して１／５以下の寸法であり、開口幅が前記振動腕部の幅に対して１／５以下の寸法である請求項１又は２に記載の音叉型屈曲振動子。
前記貫通孔の内側面に一対の励振電極が設けられ、前記振動腕部の側面に近い方の励振電極が、前記振動腕部の側面から５〜２０μｍの距離内に形成される請求項１又は２に記載の音叉型屈曲振動子。
前記貫通孔は、開口長が１００〜４００μｍ、開口幅が５〜３０μｍに形成され、５〜１００μｍの間隔で配列形成される請求項１又は２に記載の音叉型屈曲振動子。