CN101237223A - 音叉型压电振子 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种音叉型压电振子，维持小型化时静止状态下的振动特性的基础上确保固定接合强度，并且抑制落下冲击前后的频率变化。音叉型压电振子包括：断面形成凹陷状的容器主体(1)；在前述容器本体(1)的凹陷部内设置的电极衬垫(4)；前述电极衬垫(4)上形成的金属撞块(6)；将延伸出有一对音叉腕(9)的音叉基部(10)的一个主面利用导电性接合剂(8)固定接合于金属撞块(6)的音叉状压电片(7)；与前述容器主体(1)的开口端面接合以将前述音叉状压电片(7)密封于其中的盖体(2)。该音叉型压电振子中，前述金属撞块(6)的上面平坦部(6a)面积比前述金属撞块(6)的底面积小。

Description

音叉型压电振子
技术领域
本发明涉及表面安装用音叉型压电振子(Tuning-fork typepiezoelectric unit)，特别是涉及音叉型压电振动片(Tuning-fork typepiezoelectric resonator)、以及与将其收容的容器主体连接的金属撞块。
背景技术
音叉型压电振子作为电子机器的时钟频率源而被广泛使用。近些年来，伴随着内置音叉型压电振子的电子机器小型化，音叉型压电振子的尺寸也需要小型化和薄型化。
图5A和图5B是现有例的音叉型压电振子的说明图，图5A是截断容器主体的一部分展示其内部的音叉型压电振子的斜视图，图5B是沿V-V箭头方向观察(图5A)的截面图。图6A和图6B是音叉型压电振动片的说明图，图6A是音叉型压电振动片的正面图，图6B是表示音叉型压电振动片的电性连线概略平面图。
如图5A和图5B所示，音叉型压电振子由容器主体1的内部收容音叉型压电振动片7，并覆盖盖体2而构成。音叉型压电振动片7是由例如水晶构成，如图6A所示，一对振动腕(Tuning-fork arm)9从音叉基部10延伸出来。而且，一对振动腕9的四个面分别具有激振电极9a，通过未图示的配线图案在音叉基部(base)10的一个主面将引出电极10a延伸引出。激振电极9a如图6B所示，各振动腕9的两主面和两侧面间分别以同电位连线。而且，与在音叉基部10一个主面设置的一对引出电极10a连接。
容器主体1是由层压陶瓷构成，层压陶瓷在一端的内壁形成具有例如被分割的台阶部3的凹陷状横截面。在现有实施例中，从开放面依次形成由陶瓷板(1a，1b，1c)构成的三层结构。在容器主体1设置的内壁台阶部3的上面形成电极衬垫4。电极衬垫4是由例如钨(W)构成的接地电极、由例如镍(Ni)膜构成中继部件并由金(Au)膜构成的导电层形成。
接地电极(W)是通过例如印刷或烧制形成，中继部件(Ni)和导电层(Au)通过电镀形成。并且，在电极衬垫4的上面形成以金(Au)构成的金属撞块6。金属撞块6通过例如前述的印刷或烧制、或电镀形成。总之，金属撞块6是由印刷撞块或电镀撞块形成。
并且，从激振电极9a延伸引出引出电极10a的音叉基部10的一个主面的两端，通过导电性接合剂8固定接合于金属撞块6。导电性接合剂8为例如加热硬化型，在金属撞块6上涂布后，确定音叉基部10的位置。并且，从音叉基部10的上方加压(压缩)来加热硬化。由此，从一对音叉腕9的激振电极9a延伸引出的引出电极10a，经由金属撞块6、电极衬垫4及未图示的配线电路，电性连接于容器主体1底面设置的安装端子5。金属盖体2通过缝焊等方式接合于容器主体1的开口端面，将音叉状压电片7密封入其中。(参照专利文件1)
但是，上述结构的音叉型压电振子中，由于金属撞块6形成平坦形状，引出电极10a露出的音叉基部10的一个主面的两端全面对向的同时，紧密接触并固定。从而，音叉状压电片7的固定接合强度依据相对于金属撞块6紧密接触的接触面积而决定。另一方面，为了提高音叉状压电片7相对于外部冲击的导电性接合剂8的固定接合强度和电性导通程度，需要增大金属撞块6的接触面积(对向面积)。这种情况下，一对音叉腕9产生的来自音叉振动的音叉基部10的振动泄漏(振動漏れ)，与金属撞块6的接触面积成比例变大。并且，随着振动泄漏变大，静止状态(没有来自外部冲击的状态)的振动特性恶化：音叉振动的振动效率降低，晶体阻抗值(CI)上升等。而且，即使维持静止状态的振动特性，随着接触面积的增大，音叉基部10和金属撞块6之间的导电性接合剂8的剂量也增加，落下冲击试验中的前后振动频率变化加大。即，导电性接合剂8由于落下冲击而状态发生变化，从而使对于音叉基部10的保持状态发生变化。这种情况下，由于冲击固定接合强度下降，音叉基部10的拘束能力减弱，而使振动频率降低。并且，由于导电性接合剂8的剂量越多保持状态也大幅变化，落下冲击前后的频率变化量也变大。因此，形成平坦形状的金属撞块6与导电性接合剂8紧密接触的接触面积应严格限制在一定值以内。但是，如果音叉状压电片7的尺寸减小，例如音叉状压电片7的厚度为0.12mm、全长为2.3mm、宽为0.5mm，音叉基部10的长变为小于0.5mm，则相对于金属撞块6确定音叉基部10的位置变得困难。从而，在金属撞块6形成平坦形状的音叉型压电振子中，为了确保固定接合强度和电性导通程度来维持静止状态的振动特性，抑制落下冲击前后的频率变化存在限度成为问题。
专利文件1：日本特开2004-312057号公报
发明内容
本发明目的是提供音叉型压电振子，在小型化时维持静止状态的振动特性并确保固定接合强度，又可抑制落下冲击前后的频率变化。
本发明的音叉型压电振子由以下构成：形成截面为凹陷形状的容器主体；前述容器主体的凹陷部内设置的电极衬垫；前述电极衬垫上形成的金属撞块；音叉状压电片，延伸引出一对音叉腕的音叉基部的一个主面通过导电性接合剂固定接合于前述金属撞块；盖体，与前述容器主体的开口端面接合来将前述音叉状压电片密封于容器中；该音叉型压电振子中，前述金属撞块的上面平坦部面积小于前述金属撞块的底面积。
本发明的音叉型压电振子中，前述金属撞块至少一端侧具有斜面或台阶形状。由此，形成与金属撞块的底面相比，上面平坦部面积较小。
本发明的音叉型压电振子中，前述金属撞块在前述音叉状压电片的宽度方向的两端侧具有斜面或台阶形状。
本发明的音叉型压电振子中，从前述音叉型压电振动片的宽方向来看，前述金属撞块的上面平坦部的长度是在前述金属撞块底面长度的20％至90％范围内。
本发明的音叉型压电振子中，音叉基部的一个主面通过导电性接合剂从上方加压固定接合时，由于金属撞块的上面平坦部面积小于底面，与现有例相比也可以减少与音叉基部一个主面之间通过导电性接合剂紧密接触的接触面积。从而，即使由于外部冲击而使接合状态发生变化也可以减小其影响。这样，落下冲击前后的频率变化特性良好。
再有，在金属撞块的上面平坦部的外侧区域，由于音叉基部与金属撞块之间能够产生间隙，导电性接合剂在加压时不压缩而使音叉基部与金属撞块的形成固定接合。从而，在外侧区域的导电性接合剂弹性地保持音叉基部，如实施方式所述，补充了上面平坦部变小部分的固定接合强度，同时可以确保与上面平坦部固定接合强度。
此外，本发明中，紧密结合的上面平坦部为沿音叉腕的延伸引出方向设置，与沿宽度方向设置的情况相比，可以防止一对音叉腕前端侧下垂。
而且，本发明中，可以使伴随落下试验的频率变化达到最小限度。
附图说明
图1是本发明音叉型压电振子的一个实施例的说明图；图1A是截断音叉型压电振子的一部分展示其内部的斜视图(除去音叉状压电片、盖体)；图1B是截断固定接合有音叉状压电片的音叉型压电振子的一部分展示其内部的斜视图(除去盖体)。图1C是沿I-I箭头方向(图1B)的截面图。
图2是说明本发明的音叉型压电振子一个实施例作用的落下冲击前后的频率变化特性图。
图3是本发明的音叉型压电振子一个实施例的说明图；图3A是具有端面为斜面的金属撞块的音叉型压电振子的截面图；图3B是具有端面为台阶形状的金属撞块的音叉型压电振子的截面图。
图4是说明本发明的音叉型压电振子一个实施例，显示金属撞块形状的、音叉型压电振子长度方向的截面图。
图5是现有例音叉型压电振子的说明图；图5A是固定接合有音叉型压电振动片的音叉型压电振子的一部分展示其内部的斜视图(除去盖体)；图5B是音叉型压电振子的截面图。
图6是现有例的音叉型压电片的说明图；图6A是正面图；图6B是表示电性连线的概略平面图。
具体实施方式
第一实施例
图1A、图1B和图1C是本发明音叉型压电振子的一个实施例的说明图；图1A是截断音叉型压电振子的一部分展示其内部的斜视图(除去音叉状压电振动片、盖体)；图1B是截断固定接合有音叉状压电片的音叉型压电振子的一部分展示其内部的斜视图(除去盖体)。图1C是沿I-I箭头方向(图1B)的截面图。与前述的现有例相同的部分，附加相同的符号并省略其说明。
本发明的音叉型压电振子与前述相同，是将音叉型压电振动片7收容于容器主体1中并被盖体2覆盖，将音叉型压电振动片7密封于其中而构成。音叉型压电振动片7在该例子中以水晶作为压电材料。并且，延伸出引出电极10a的音叉基部10的一个主面的两端通过导电性接合剂8固定接合于电极衬垫4上的金属撞块6，电极衬垫4设置于容器主体1一端的内部台阶部3上。
电极衬垫4是由印刷烧制而形成的接地电极(W)、电镀形成的中继部件(Ni)及导电膜(Au)构成，金属撞块(Au)6由印刷撞块或电镀撞块形成。该实施方式的金属撞块6沿宽方向朝向两侧端形成圆弧状曲面，在中央区域的上面为平坦部分。并且，音叉状压电片7是例如频率为32.768kHz，音叉状压电片7的厚度为0.12mm、全长2.3mm、宽为0.5mm，音叉基部10的长度为0.5mm。
该第一实施方式的电极衬垫4的厚度大约为20μm，金属撞块6沿音叉腕长度方向的长尺寸为370μm、宽度尺寸为215μm、厚度(高)尺寸为30μm。并且，与音叉基部10的一个主面连接的金属撞块6的整体宽度尺寸为220μm、上面平坦部分的宽度尺寸为100μm、两端侧的曲面宽度尺寸分别为60μm。
这样的结构中，音叉状压电片7(音叉基部10)通过导电性接合剂8固定接合于金属撞块6时，由于金属撞块6的上面平坦部分的宽度尺寸变短，与金属撞块6紧密接触的接合面积减少。从而，即使外部冲击(落下冲击)引起接合状态变化，也可以减小对振动特性的影响而抑制振动频率的变化。并且，由于上面平坦部的两端部分设置曲面部分来保持音叉基部10，可以维持音叉状压电片7的固定接合强度。
总之，由金属撞块6的上面平坦部分6a和两端侧6b的曲面维持音叉状压电片7的固定接合强度，而且由于与音叉基部10紧密接合的上面平坦部分6a变短，防止与落下冲击前后振动特性变化伴随而来的频率变化。换句话说，可以说是上面平坦部分6a支配着固定接合强度和振动特性，两端侧6b的曲面补充了固定强度。从而，能够同时做到确实保持音叉状压电片7并减小落下冲击时的频率变化。
图2是表示改变金属撞块6的上面平坦部分6a的长度时的落下冲击前后的频率变化的曲线图。这里的落下冲击试验中，从1.8m的上方将音叉型振子落下到混凝土板时的、落下前与落下后的振动频率的频率偏差是Δf/f。Δf是落下前的振动频率f与落下后的振动频率f的频率差(f-f)。并且，音叉型压电振子搭载于重150g的配套衬底一起落下。
该曲线图表明，对应于金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸改变时的落下冲击前后频率变化的特性，上面平坦部分6a的宽度尺寸约为100μm时频率变化(偏差)为抛物线的最小值8ppm。并且，上面平坦部分6a的宽度尺寸约为200μm以下时频率变化为实用标准为小于20ppm。但是，当上面平坦部分6a的宽度尺寸约为50μm以下时，会引起由于落下冲击导致的音叉状压电片7从金属撞块6脱离或破损的问题。此外，在任何一种情况下，Δf/f都为正，因此落下冲击后的振动频率较低。由此可以推算出依据金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸的频率变化、特别是具有最小值的根据。即，金属撞块6的上面平坦部分6a与音叉基部10的一个主面紧密接触的接合面积(以下称为密接面积)较小时，因落下冲击而损失刚性。从而，由于落下冲击后的刚性小于落下冲击前的固定接合时，振动泄漏与刚性(固定接合强度)成比例减少。这样，落下冲击前后的振动频率降低程度变大，频率变化量也变大。
接着，伴随着上面平坦部分6a的密接面积增加刚性的降低程度减小，落下冲击后的刚性增大而接近落下冲击前固定接合时的程度。因此，来自音叉基部10的振动泄漏也变多，接近冲击前固定接合时的程度。因此，落下冲击前后的振动频率的降低程度变小，频率变化量也减小。
并且，密接面积进一步增大时刚性降低程度同样会变小。但是，密接面积增大到维持一定刚性(固定接合强度)的面积以上时，成为多余的密接面积增加部分、落下冲击产生的刚性降低也变大而整体振动泄漏比落下冲击前的固定接合时变少。因此，落下冲击前后的振动频率降低程度变大，频率变化量变大。因此，落下冲击前后的频率变化特性，推测为形成抛物线形状，并具有与依据上面平坦部分6a的导电性接合剂8的密接面积和刚性相关的最小值。
在上述实验的结果中，首先，金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸为50μm左右时与音叉基部10的密接面积较小。因此，由于落下冲击试验时冲击集中在较小的接合面积，导电性接合剂产生的刚性降低。因此，落下冲击前后的频率变化相对的较大(大约16ppm)。
其次，上面平坦部分6a的宽度尺寸大于50μm而密接面积增大，由于落下冲击时的冲击被分散，导电性接合剂产生的刚性降低程度减小。因此，落下冲击前后的频率变化渐渐变小。而且，上面平坦部分6a的宽度尺寸为100μm左右时密接面积所产生的刚性变为一定值，落下冲击前后的频率变化变为最小(8ppm)。
再次，上面平坦部分6a的宽度尺寸超过约100μm之后，密接面积形成大于维持一定值刚性的面积。因此推测出，如前所述，多余面积的刚性降低会增加，落下冲击导致的整体振动泄漏会比落下冲击前固定接合时还少，落下冲击前后的频率变化量变大。
由此可知，金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸是，以频率变化最小的50ppm为中心，在不产生脱离和破损程度的值即50ppm以上，在形成频率变化达到实用标准的20ppm以下即200μm以下时，可以维持落下冲击前后的频率变化特性良好。当然，其他振动特性例如CI等也维持良好。
此外，维持落下冲击前后的频率变化特性良好的金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸50μm至200μm为相对于金属撞块6的宽度尺寸(220μm)为20％至90％。因此，相对于金属撞块6的宽度尺寸，上面平坦部分6a为20％至90％时，可以维持落下冲击前后频率变化特性良好。
第二实施例
图3A和图3B是本发明音叉型压电振子的第二实施例的说明图。图3A是具有端面6b为斜面的金属撞块6的音叉型压电振子截面图。图3B是具有端面6b为台阶形状的金属撞块6的音叉型压电振子截面图。与前述的实施方式相同的部分省略或简略。即，第一实施方式中金属撞块6(上面平坦部分)的两端侧6b形成圆弧状曲面，而第二实施方式中例如图3A中两端侧形成直线状倾斜面，或如图3B中设置台阶状的高度差。
这样的金属撞块6形状，也有上面平坦部分6a形成密接面积而支配振动特性和固定接合强度，两端侧6b的倾斜面和台阶状的下台阶补充固定接合强度。因此，与第一实施方式相同，维持固定接合强度，抑制落下冲击前后的频率变化。
第三实施例
图4是本发明音叉型压电振子的第三实施例的说明图，表示沿音叉腕9长度方向的音叉型压电振子的截面图。第一实施例和第二实施例中是沿金属撞块6的宽度方向设置倾斜面或台阶，而第三实施例中是沿金属撞块6的长度方向设置倾斜面或台阶。这种情况下，与前述同样，维持固定接合强度，抑制落下冲击前后的频率变化。
其它实施例
上述实施例中是沿金属撞块的宽度或长度方向的两端侧6b设置倾斜面或台阶，而在金属撞块6的例如全周设置也是可以的。只要倾斜面或台阶设置于与音叉基部10面对的金属撞块的至少一端侧即可。并且，金属撞块6形成矩形形状，但是不仅限于此，也可以形成圆形或椭圆形，只要上面平坦部分6a比底面小就可以产生同样效果。另外，音叉状压电片7最典型的是如同例子中的说明，但是其它情况也同样适用，例如在一对音叉腕9的两个主面设置可以提高电场效率的沟道、在音叉腕9的前端设置频率调整用的金属膜。本发明是涉及抑制落下冲击前后的特别是频率变化、维持固定接合强度的金属撞块6的形状，特别是限定了确定与音叉基部10密接面积的金属撞块6的上面平坦部分6a的宽度尺寸，所以，相对于对于金属撞块6与电极衬垫4连接的底面积(金属撞块6的整体尺寸)，使金属撞块6的上面平坦部分6a面积变小，以此为宗旨的变化也包含在本发明的技术范围内。

Claims (4)

1、一种音叉型压电振子，具有以下结构：形成凹陷形状的容器主体；前述容器主体的凹陷部内设置的电极衬垫；前述电极衬垫上形成的金属撞块；延伸出有一对音叉腕的音叉基部的一个主面通过导电性接合剂固定接合于前述金属撞块的音叉状压电片；以及，与前述容器主体的开口端面接合以将前述音叉状压电片密封于其中的盖体；其特征在于，
前述金属撞块的上面平坦部面积小于前述金属撞块的底面积。
2、如权利要求1所述的音叉型压电振子，其特征在于，
前述金属撞块至少一端侧具有斜面或台阶形状。
3、如权利要求1所述的音叉型压电振子，其特征在于，
前述金属撞块在前述音叉状压电片宽度方向的两端侧具有斜面或台阶形状。
4、如权利要求1所述的音叉型压电振子，其特征在于，
沿前述音叉状压电片的宽度方向的前述金属撞块的上面平坦部的长度，为前述金属撞块底面长度的20％至90％。
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