JP2010141387A - 圧電振動子、圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を実現しつつ、耐衝撃性に優れた圧電振動子を提供する。
【解決手段】パッケージ１２と、基部３０と、前記基部３０から延出された振動腕２６と、前記基部２６から延出され、前記振動腕２６の長手方向に延びて形成された支持腕２８とを有し、前記パッケージ１２に収容され、前記支持腕２８を前記パッケージ１２の底面に固定して支持される圧電振動片２４と、を有する圧電振動子１０であって、前記パッケージ１２の底面の前記基部３０の先端３０ａと対向する領域に第１の凹部１４ａが形成されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージに圧電振動片を収容した圧電振動子及び圧電デバイスに関し、特に耐衝撃性の向上を図る技術に関する。

携帯電話、ＩＣカードなどの携帯機器などには、圧電振動片の一例とし圧電振動片を用いた圧電振動子などの圧電デバイスが広く知られている（特許文献１，２参照）。従来の圧電デバイスを構成する圧電振動子を図４に示し説明する。図４は従来の圧電振動子の構成を示す斜視図である。図４に示すように、従来の圧電デバイスの一例としての圧電振動子１００は、ベース基板１０４上に形成された固定電極１１２に圧電振動片１０２が導電性接着剤１１４により接続されている。圧電振動片１０２は、一対の振動腕１１６と、一対の支持腕１１０と、振動腕１１６と支持腕１１０とを繋ぐ基部１０６とで一体に形成されている。振動腕１１６は、基部１０６の一端からほぼ同一形状、且つ略平行に延びている。振動腕１１６の上面及び下面には、振動特性向上のための溝部１１８が形成されている（特許文献３参照）。さらに、振動腕１１６の先端部の上面及び下面には、周波数調整用の先端錘層１０８が形成されている。固定電極１１２は、ベース基板１０４上面と段差となるように、ベース基板１０４上面に形成されており、この固定電極１１２上に支持腕１１０の先端領域１１０ａが載置され、導電性接着剤１１４によって接続されている。この接続によって、ベース基板１０４の上面と圧電振動片１０２との間に空隙が有することになる。

また圧電振動片１０２は、固定電極１１２に接着剤が塗布され、粘性のある状態の接着剤に支持腕１１０の先端領域１１０ａが載置され、接着剤が硬化されることで固定電極１１２に接合される。ここで従来サイズの圧電振動片（例えば、長さ２４００μｍ、幅５００μｍ、厚み１００μｍ）を接合する場合、振動腕１１６の長手方向に関して、導電性接着剤１１４の圧電振動片１０２の重心位置側に沈む。その結果、圧電振動片１０２の先端または先端がベース基板に接近する。その対策として、例えば、支持腕１１０の接合位置を振動腕１１６の長手方向に関して、圧電振動片１０２の重心近傍に設けている（特許文献２参照）。
特開２００４−３５７１７８号公報 特開２００４−２９７１９８号公報 特開２００２−２６１５７５号公報 特開２００８−１１８５０１号公報

しかしながら、前述の圧電振動子１００では、落下などにより圧電振動片１０２の垂直方向に過度の衝撃力が加わると、圧電振動片１０２は、支持腕１１０の接合位置を支点として変形し、支点から最も遠い先端錘層１０８の端部がベース基板１０４の上面に衝突する。この衝突により、特に強度的に弱い先端錘層１０８を含む、振動腕１１６の破損或いは変形などが起こり、ＣＩ値、或いは共振周波数シフトなどの振動特性の劣化を生じることがあるという問題があった。

上記問題を解決するため、特許文献４においては、上述同様の圧電振動片を収納するパッケージのベース基板の振動腕と対向する領域に凹部を設ける構成とし、振動腕とベース基板との衝突を回避している。

しかし、昨今要求される、小型化・低背化をさらに進めた場合、圧電振動片の剛性が低下する。その結果、振動腕のみならず支持腕も曲がりやすくなるとともに、低背化により圧電振動片とベース基板とがさらに接近することになる。よって、圧電振動片は、落下などにより振動腕の先端領域のみならず、支持腕も変形して、振動腕が延出される側と反対側の先端がベース基板と衝突する虞がある。この場合、先端には励振電極と接続する接続電極が形成されているが、衝突により接続電極にキズ等が生じることにより、ＣＩ値、共振周波数が変化する虞もある。
そこで、本発明は上記問題点に着目し、小型化をしつつ、耐衝撃性に優れた圧電振動子、圧電振動デバイスを提供することを目的とする。

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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］パッケージと、基部と、前記基部から延出された振動腕と、前記基部から延出され、前記振動腕の長手方向に延びて形成された支持腕とを有し、前記パッケージに収容され、前記支持腕を前記パッケージの底面に固定して支持される圧電振動片と、を有する圧電振動子であって、前記パッケージの底面の前記基部の先端と対向する領域に凹部が形成されたことを特徴とする圧電振動子。

上記構成により、圧電振動片の基部側は、落下等の衝撃により支持腕のパッケージとの接着部位を支点として変形することになるが、パッケージの底面の先端と対向する領域に凹部を形成したことにより、圧電振動片の基部側が変形しても基部の先端がパッケージ部材に衝突することを回避して、ＣＩ値や共振周波数の変化を抑制することができる。したがて、小型化を図りつつ、耐衝撃性に優れた圧電振動子を構築できる。

［適用例２］前記パッケージは、第１実装基板と、前記先端と対向する領域に孔を有し、前記第１実装基板に積層される第２実装基板と、前記第２実装基板に積層されるフレームと、を備え、前記孔と、前記孔によって露出した第１実装基板とが、前記第２実装基板の上面を開口端とする前記凹部を形成していることを特徴とする適用例１に記載の圧電振動子。

これにより、パッケージは第１実装基板、第２実装基板、フレームの順に下から積層することにより形成されるため、積層後のパッケージに直接凹部を形成する作業が不要となり、パッケージを容易に形成することができる。そしてパッケージを構成する第１実装基板、第２実装基板、及びフレームを、各構成物品の板材にパターニングした状態で積層して、積層後ダイシングしてパッケージを固片化することが可能となるので、パッケージの大量生産及びコストダウンを図ることができる。

［適用例３］前記凹部をダンパーで埋めたことを特徴とする適用例１または２に記載の圧電振動子。
これにより、基部の先端がダンパーと当接して、ダンパーに基部の先端の運動エネルギーを吸収させ、圧電振動片の基部側が大きく変形することを抑制することになる。よって、支持腕とパッケージ側との接着部位に対する圧電振動片の基部側からの衝撃と、基部側の変形による前記接着部位に対する曲げ応力とを緩和し、前記接着部位のマウント状態の変化を抑制してＣＩ値、共振周波数の変化を抑制することができる。

［適用例４］適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧電振動子において、前記圧電振動片の励振電極に接続され前記圧電振動片を駆動する発振回路を接続して構成されたことを特徴とする圧電デバイス。
これにより、小型化を図りつつ、耐衝撃性に優れた圧電デバイスを構築できる。

以下、本発明に係る圧電振動子を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

本実施形態に係る圧電振動子を図１に示す。図１（ａ）は側面から見た模式図、図１（ｂ）は上から見た模式図である。圧電振動子１０はパッケージ１２、圧電振動片２４とからなる。パッケージ１２は、下から順に実装基板１４（第１実装基板１６、第２実装基板１８）、フレーム材２０、リッド２２を積層して形成され、パッケージ１２より形成される内部空間に圧電振動片２４を収容して真空封止している。第１実装基板１６の下面の所定位置（２箇所）には外部電極１６ａが形成され、外部電極１６ａは貫通電極１６ｂを介して第１実装基板１６の上面側と電気的に導通される。また第２実装基板１８の上面の所定位置（２箇所）には圧電振動片２４と接続する固定電極１８ａが形成され、固定電極１８ａは貫通電極１８ｂを介して第２実装基板１８の下面側と電気的に導通される。そして第１実装基板１６の貫通電極１６ｂと、第２実装基板１８の貫通電極１８ｂとが互いに接続することにより、固定電極１８ａと外部電極１６ａとが電気的に接続される。

ここで実装基板１４及びフレーム材２０はセラミックの焼結体等が用いられ、リッド２２はセラミックの焼結体、金属、ガラス等が用いられる。また外部電極１６ａ、貫通電極１６ｂ、１８ｂ、固定電極１８ａは、タングステン等のペースト材料を焼結させて形成させたものであり、さらに外部電極１６ａ及び固定電極１８ａはＡｕ等のメッキが施されている。なお、実装基板１４、外部電極１６ａ、貫通電極１６ｂ、１８ｂ、固定電極１８ａは同時に焼結させることができ、第１実装基板１６、第２実装基板１８、フレーム材２０を積層した状態で焼結させて一体構造とすることができる。なお、第２実装基板１８には第１の孔１８ｃ、及び第２の孔１８ｄが形成され、第１の孔１８ｃ、及び第２の孔１８ｄと、第１の孔１８ｃ、及び第２の孔１８ｄによって露出した第１実装基板１６とが、上述の焼結により実装基板１４の上面を開口端とする凹部（第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂ）となる。このように、パッケージ１２は第１実装基板１６、第２実装基板１８、フレームとなるフレーム材２０の順に下から積層することにより形成されるため、パッケージ１２に凹部（第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂ）を形成する作業が不要となるためパッケージ１２を容易に形成することができる。そしてパッケージ１２を構成する第１実装基板１６、第２実装基板１８、及びフレーム材２０を、各構成物品の板材にパターニングした状態で積層して、積層後ダイシングしてパッケージ１２を固片化することが可能となるので、パッケージ１２の大量生産及びコストダウンを図ることができる。

圧電振動片２４は、水晶や、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料が用いられ、一対の振動腕２６と、一対の支持腕２８と、振動腕２６及び支持腕２８とを繋ぐ基部３０とで一体に形成され、音叉型の形状を有している。

振動腕２６は基部３０の一端からほぼ同一形状、且つ平行に延びている。振動腕２６の実装基板１４側及びリッド２２側には、振動特性向上のための溝部２６ａが形成されている。さらに振動腕２６の先端部の実装基板１４側及びリッド２２側には、周波数調整用の先端錘層（不図示）が形成されている。また圧電振動片２４において、溝部２６ａの内面及び振動腕２６の側面には励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と接続され支持腕２８の先端領域２８ａの実装基板１４側にまで延びる接続電極（不図示）が形成されている。接続電極（不図示）が導電性接着剤３２を介して実装基板１４上の固定電極１８ａと接続されることにより、圧電振動片２４は実装基板１４上に支持されるとともに、圧電振動片２４の励振電極（不図示）は実装基板１４の外部電極１６ａと電気的に接続
される。ここで、固定電極１８ａと支持腕２８の先端領域２８ａとは導電性接着剤３２を介して２箇所で接着されるが、その２つの接着箇所を結ぶ線分が、圧電振動片２４の重心もしくはその近傍を通過するように両者を接着することが望ましい。導電性接着剤３２は、例えば、シリコーン系導電性接着剤（ヤング率１×１０^１〜５×１^２ＭＰａ）、或いはポリイミド系接着剤（ヤング率１×１０^３〜１×１０^４ＭＰａ）などの、硬化後に柔軟性を有するものが望ましい。これは、この柔軟性が外部からの衝撃力を吸収する効果を有しているからであり、この衝撃力の吸収により圧電振動片２４の破損を防止することが可能となる。

一方、圧電振動片２４と対向する実装基板１４の上面にある第１の凹部１４ａは基部３０の先端３０ａと対向する位置に、第２の凹部１４ｂは振動腕２６の先端領域２６ａと対向する位置に配置されるように設計する。またそれぞれの外形は平面視して基部３０（及び支持腕２８の基部３０側）、振動腕２６の先端領域２６ａの外形をそれぞれ覆うような寸法を有する。

圧電振動片２４を上述の態様でパッケージ１２に収容し、パッケージ１２上面とリッド２２をシーム溶接等により接合し、パッケージ１２内部を真空封止することにより圧電振動子１０が形成される。

このように形成された圧電振動子１０に衝撃が加わった場合には、支持腕２８の先端領域２８ａと導電性接着剤３２との２つの接着部位を支点として変形し、基部３０の先端３０ａ及び振動腕２６の先端領域２６ａが実装基板１４側に変位することになる。しかし実装基板１４の上面において、基部３０の先端３０ａ（及び支持腕２８の先端３０ａ側）及び振動腕２６の先端領域２６ａに対向する位置に、それぞれ第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂが形成されており、基部３０の先端３０ａ及び振動腕２６の先端領域２６ａは、実装基板１４の上面には衝突せず、それぞれ第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂに入り込むことになるため、基部３０の先端３０ａ及び振動腕２６の先端領域２６ａが実装基板１４に衝突することを回避することができる。第１の凹部１４ａ及び第２の凹部１４ｂの深さは第２実装基板１８の厚みにより決定されるため、第２実装基板１８の厚みは、想定される衝撃に伴う基部３０の先端３０ａ及び振動腕２６の先端領域２６ａの曲げによる変位、及び導電性接着剤３２の厚みを考慮して設計する必要がある。

さらに第１の凹部１４ａ及び第２の凹部１４ｂには図１に示すように柔軟性があり圧電振動片２４に対して緩衝材となるダンパー３４を埋め込むと好適である。ダンパー３４の材料として、上述の導電性接着剤３２を用いると作業工程に負担が掛からず好適である。これ以外の材料として樹脂やシリカゲル等も好適である。特にシリカゲルは水分を吸収するのでパッケージ１２内部におけるゲッターとしても機能する。またダンパー３４の高さは各凹部の深さよりも低くてもよく、同程度でもよく、さらに実装基板１４から盛り上がって形成されても良い。このようにダンパー３４を設けることで基部３０の先端３０ａ及び振動腕２６の先端領域２６ａの変位を抑制して支持腕２８と導電性接着剤３２との接着部位に応力が掛かることを抑制できるため、接着状態が変化して共振周波数が変化することを防止できる。さらにダンパー３４は柔軟性を有するものを用いるので圧電振動片２４に衝撃を与えることはなく、この衝撃により励振電極（不図示）、接続電極（不図示）、先端錘層（不図示）の一部が剥がれて共振周波数が変化することを防止できる。さらにダンパー３４が各凹部を埋めることになるので実装基板１４の強度が向上する。

このような圧電振動子１０を使用して、圧電デバイス（発振器、センサ）を構成することができる。圧電振動子１０をＩＣ等で形成された発振回路（不図示）と接続して発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。また、圧電振動子１０を使用したセンサ（不図示）は、物理量に応じて圧電振動片２４の周波数が変動することを
利用してその物理量を検出するセンサである。例えば、温度、加速度によって発生する応力、角速度によって発生するコリオリ力など検出するセンサが例に挙げられる。

図２に本実施形態に係る圧電振動子１０に対して外部から所定の強度の衝撃を与えた場合の共振周波数の変化を示す。図２（ａ）は、第１の凹部１４ａが無い場合、図２（ｂ）は第１の凹部１４ａを形成した場合を示す。いずれの場合においても、複数の圧電振動子を用意して、それぞれの共振周波数を測定し、所定の高さから床に落下させたのち共振周波数を測定し、落下前後の共振周波数の差を無次元化して表示している。ここで、共振周波数の差が負の値となっているときは、落下後に共振周波数が小さくなったことを意味する。なお、いずれの場合においても圧電振動子には第２の凹部１４ｂが形成されているものとする。

図２（ａ）に示すように、第１の凹部１４ａがない場合は、落下前後における共振周波数の変動が大きい。これは、圧電振動片２４の基部３０の先端３０ａ（及び支持腕２８の基部３０の先端３０ａ側）が実装基板１４に衝突し、その衝撃により、接続電極（不図示）の一部、場合によっては励振電極、及び先端錘層の一部が剥がれることにより、共振周波数が変化したものと考えられる。

そして図２（ｂ）に示すように、第１の凹部１４ａを設けた場合は、基部３０の先端３０ａが実装基板１４に衝突することが回避されたと考えられ、共振周波数の変化は図２（ａ）の場合よりかなり改善されていることが分かる。

なお、第１の凹部１４ａにダンパー３４を埋め込んだ場合は、柔軟性のあるダンパー３４が基部３０の先端３０ａを受け止めるため、ダンパー３４と基部３０の先端３０ａが当接しても基部３０の先端３０ａがダンパー３４側から衝撃を受けないものと期待され、圧電振動片２４の励振電極（不図示）及び接続電極（不図示）等に対して剥離等の悪影響を及ぼすことはないと考えられる。また基部３０の先端３０ａが第１の凹部１４ａに形成されたダンパー３４に受け止められるため、基部３０の先端３０ａが大きく変形することを防ぐことが期待され、前記接着部位に対する応力が緩和し、支持腕２８の先端領域２８ａと導電性接着剤３２との接着部位にも衝撃が伝わることもなく、前記接着部位の接着状態が変化することはないと考えられる。以上のことから第１の凹部１４ａにダンパー３４を埋め込んだ場合は共振周波数の変化が大きく抑制されると考えられる。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電振動子１０及び圧電デバイスによれば、圧電振動片２４の基部３０側は、落下等の衝撃により支持腕２８のパッケージ１２（実装基板１４）との接着部位を支点として変形することになるが、パッケージ１２の底面の基部３０の先端３０ａと対向する領域に凹部（第１の凹部１４ａ）を形成したことにより、圧電振動片２４の基部３０側が変形しても基部３０の先端３０ａがパッケージ１２部材に衝突することを回避して、ＣＩ値や共振周波数の変化を抑制することができる。また基部３０の先端３０ａがダンパー３４と当接して、ダンパー３４に先端３０ａの運動エネルギーを吸収させ、圧電振動片２４の基部３０側が大きく変形することを抑制することになる。よって、支持腕２８とパッケージ１２側との接着部位に対する圧電振動片２４の基部３０側からの衝撃と、基部３０側の変形による前記接着部位に対する曲げ応力とを緩和し、前記接着部位のマウント状態の変化を抑制してＣＩ値、共振周波数の変化を抑制することができ、小型化を図りつつ、耐衝撃性に優れた圧電振動子１０、圧電デバイスとなる。

またパッケージ１２は、第１実装基板１６と、前記先端３０ａと対向する領域に孔（第１の孔１８ｃ、第２の孔１８ｄ）を有し、前記第１実装基板１６に積層される第２実装基板１８と、前記第２実装基板１８に積層されるフレームとなるフレーム材２０と、を備え、前記孔と、前記孔によって露出した第１実装基板１６とが、前記第２実装基板１８の上
面を開口端とする凹部（第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂ）を有している。これにより、パッケージ１２は第１実装基板１６、第２実装基板１８、フレーム材２０の順に下から積層することにより形成されるため、積層後のパッケージ１２に直接凹部（第１の凹部１４ａ、第２の凹部１４ｂ）を形成する作業が不要となり、パッケージ１２を容易に形成することができる。そしてパッケージ１２を構成する第１実装基板１６、第２実装基板１８、及びフレーム材２０を、各構成物品の板材にパターニングした状態で積層して、積層後ダイシングしてパッケージ１２を固片化することが可能となるので、パッケージ１２の大量生産及びコストダウンを図ることができる。

なお、圧電振動片２４は図１に示すように２つの振動腕２６を挟むように２つの支持腕２８を設けた構造となっているが、これに限定されず、図３に示すように基部４２と、基部４２から延出した一つの支持腕４４と、基部４２から延出し支持腕４４の側面方向から挟むように形成され、溝部４８を有する振動腕４６からなる音叉型の圧電振動片４０を用いてもよい。このとき、振動腕４６には上述同様に励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と接続する接続電極（不図示）が支持腕４４の先端領域４４ａにまで延びて形成されており、前記先端領域４４ａにおいて導電性接着剤（不図示）を介して接続電極（不図示）と、上述同様の実装基板上の固定電極（不図示）とを接着することにより、圧電振動子（不図示）を形成することができる。

本実施形態に係る圧電振動子の模式図である。 衝撃による圧電振動子の共振周波数の変化を示す図である。 圧電振動片の変形例を示す模式図である。 従来技術に係る圧電振動子の模式図である。

符号の説明

１０………圧電振動子、１２………パッケージ、１４………実装基板、１６………第１実装基板、１８………第２実装基板、２０………フレーム材、２２………リッド、２４………圧電振動片、２６………振動腕、２８………支持腕、３０………基部、３２………導電性接着剤、３４………ダンパー、４０………圧電振動片、４２………基部、４４………支持腕、４６………振動腕、４８………溝部、１００………圧電振動子、１０２………圧電振動片、１０４………ベース基板、１０６………基部、１０８………先端錘層、１１０………支持腕、１１２………固定電極、１１４………導電性接着剤、１１６………振動腕、１１８………溝部。

Claims (4)

1. パッケージと、
   基部と、前記基部から延出された振動腕と、前記基部から延出され、前記振動腕の長手方向に延びて形成された支持腕とを有し、前記パッケージに収容され、前記支持腕を前記パッケージの底面に固定して支持される圧電振動片と、を有する圧電振動子であって、
   前記パッケージの底面の前記基部の先端と対向する領域に凹部が形成されたことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記パッケージは、第１実装基板と、前記先端と対向する領域に孔を有し、前記第１実装基板に積層される第２実装基板と、前記第２実装基板に積層されるフレームと、を備え、
   前記孔と、前記孔によって露出した第１実装基板とが、前記第２実装基板の上面を開口端とする前記凹部を形成していることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記凹部をダンパーで埋めたことを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電振動子において、前記圧電振動片の励振電極に接続され前記圧電振動片を駆動する発振回路を接続して構成されたことを特徴とする圧電デバイス。