JP2000165189A - 圧電振動子及び圧電発振器とこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部から入力される振動等の外乱に影響する
ことなく、高密度実装に適しており、常に安定した性能
を発揮することができる圧電振動子を提供すること。 【解決手段】 ケース１２内に収容した一方向に長い圧
電振動素子１１の一端側１９を固定端として支持し、他
端側を自由端２１とした圧電振動子であって、前記ケー
ス内に前記圧電振動素子とほぼ平行にこの圧電振動素子
１１と同様の熱膨張係数を有する板材３１を固定配置
し、この板材の先端側に設けた弾性を備える支持部材２
２に対して、前記圧電振動素子１１の自由端側２１を当
接させた構造。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動素子をケ
ース内に収容し、片持ち式に支持した圧電振動子及び圧
電発振器の改良と、このような圧電振動子の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１０は、一般的な圧電振動子の一例を
示す側断面図である。

【０００３】図において、圧電振動子１は、左端側が開
放された金属製のケース２内に水晶等でなる圧電振動素
子７を収容している。金属ケース２の左端開口は、絶縁
材４及び金属キャップ５により塞がれており、この絶縁
材４及び金属キャップ５を貫通してリード端子３が金属
ケース２内に入り込んでいる。このリード端子３の右端
部には、支持手段６を介して、上記圧電振動素子７が固
定されており、圧電振動素子７に形成された図示しない
接続電極が接続されている。これにより、圧電振動素子
７は、左端側が固定された片持ち支持構造により支持さ
れて、金属ケース２内に密封されている。

【０００４】このような圧電振動子１においては、各種
機器に実装されて、発振回路の一部を構成し、上記リー
ド端子３を介して、圧電振動素子７に駆動電圧が印加さ
れることにより、所定の周波数で振動するようになって
おり、この振動周波数に対応した信号を取り出すことに
より、各種機器のクロック信号等として利用されるよう
になっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年，上述
した圧電振動子１は、携帯電子機器，特に携帯電話等に
数多く利用されている。このような携帯電子機器は、小
型，軽量化が急速に進められており、このため、このよ
うな機器内において、圧電振動子１を実装するスペース
はきわめて限られてくる。しかも、高密度実装にともな
って、互いに近接すると好ましくない影響を与える部品
どうしも隣接して実装されることが避けられない場合も
ある。

【０００６】例えば、圧電振動子１の場合、振動源、例
えばブザー等の近傍に実装された場合には、図１１に示
すような影響を受ける場合もある。

【０００７】図１１（ａ）に示すように、ブザーが鳴動
していない状態においては、圧電振動子１は、本来の発
振周波数ｆ０にて発振している。ところが、この圧電振
動子１に隣接もしくは近接して配置されたブザーが鳴動
すると、図１１（ｂ）に示すように、発振回路の本来の
発振周波数ｆ０以外に、ｆ０プラスマイナスｆｖのスプ
リアスピークにて発振する場合がある。

【０００８】そして、このスプリアスピークが大きくな
ると、実装された機器において、その本来の機能として
のデータ復調に不調をきたしたり、通信が途絶したり、
受信の不能や他チャンネルへ悪影響を与えたりするとい
った不都合が生じる。

【０００９】このような不都合は、ブザー等の鳴動動作
に起因して、圧電振動子１に内蔵された圧電振動素子７
が不要な機械的共振を生じているためと考えられる。と
ころが、これまで、上述のような状況において、圧電振
動素子７の不要な共振を抑制する効果的な手段は知られ
ていない。

【００１０】ここで、圧電振動素子７の不要な共振を抑
制するためには、片持ち支持構造の圧電振動素子７に関
して、このような振動を生じないように支持する必要が
あると考えられる。従来の圧電振動子１においては、図
１０に示されているように、この圧電振動子１が例えば
外部から機械的な衝撃を受けた場合に、圧電振動素子７
が湾曲し折れてしまうことを防止するために、緩衝部材
８が設けられている。

【００１１】この緩衝部材８は、図１０にて、金属ケー
ス２の奥側（右端側）に配置され、圧電振動素子７の自
由端側を包囲するような突起部８ａを備えている。この
突起部８ａは、内側が圧電振動素子７の先端に触れない
ように所定の隙間を介して配置されており、圧電振動子
１に衝撃が加えられたりした場合に、圧電振動素子７が
湾曲しようとしたとき、その先端に当たって支持し、圧
電振動素子７が極端に湾曲して破壊されることを防止す
るようになっている。

【００１２】しかしながら、このような緩衝部材８は、
圧電振動素子７が湾曲して破壊されるような変形を生じ
ることを防止する機能を備えてはいても、上述のよう
に、他の部品等の影響により有害なスプリアスピークを
生じる振動を阻止する機能を備えるものでない。

【００１３】すなわち、このような振動は、圧電振動素
子７が破壊されるような変形とは全く異なる振動であ
り、特にその特性に対応した手段を講じなければ、防止
することは不可能であるという問題があった。

【００１４】この発明は上述のような課題を解決するた
めになされたもので、外部から入力される振動等の外乱
に影響されることがなく、このため高密度実装に適して
おり、常に安定した性能を発揮することができる圧電振
動子及び圧電発振器と、これらの製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、請求項１の
発明によれば、ケース内に収容した一方向に長い圧電振
動素子の一端側を固定端として支持し、他端側を自由端
とした圧電振動子であって、前記ケース内に前記圧電振
動素子とほぼ平行にこの圧電振動素子と同様の熱膨張係
数を有する板材を固定配置し、この板材の先端側に設け
た弾性を備える支持部材に対して、前記圧電振動素子の
自由端側を当接させた圧電振動素子により、達成され
る。

【００１６】請求項１の構成によれば、圧電振動素子と
ほぼ平行にこの圧電振動素子と同様の熱膨張係数を有す
る板材を固定配置し、この板材の先端側に設けた弾性を
備える支持部材に対して、前記圧電振動素子の自由端側
を当接させた構成は以下のような作用を発揮する。

【００１７】本発明者等の研究によれば、圧電振動素子
の不要な共振は、圧電振動素子の撓み方向の機械的振動
であることが見いだされた。これに対して、圧電振動素
子の本来の機能に基づく振動は主として、厚みすべり方
向の振動である。そして、圧電振動素子の自由端側を、
ケース内に固定されている板材に固定された上記弾性を
備えた支持部材に常に当接させることによって、この圧
電振動素子の機能に基づく振動を許す状態で固定するこ
とができる。これにより、圧電振動素子の厚み滑り方向
の振動を阻害することなく、撓み方向の機械的振動を抑
制することができる。

【００１８】また、請求項２の発明は、請求項１の構成
において、前記板材の板厚が前記圧電振動素子の板厚よ
りも厚く設定されていることを特徴とする。

【００１９】また、請求項３の発明は、請求項１の構成
において、前記板材は前記圧電振動素子よりも高い剛性
を有するように構成されていることを特徴とする。

【００２０】また、上記目的は、請求項４の発明によれ
ば、プラグのインナーリードの下面に圧電振動素子と同
様の熱膨張係数を有する板材を配置して、この板材の一
端側とインナーリードとに接着剤を適用して、第１の乾
燥により、硬化させる工程と、前記インナーリードの上
面側に圧電振動素子の接続電極が設けられた一端側を配
置して、導電性接着剤を適用して、第２の乾燥により硬
化させることで、前記インナーリードと圧電振動素子の
接続電極を電気的に接続するとともに、圧電振動素子の
一端側を固定する工程と、板材の他端側の表面に弾性を
有する支持部材を適用して、この支持部材に対して前記
圧電振動素子の自由端側を当接させる工程を有する、圧
電振動子の製造方法により、達成される。

【００２１】また、上記目的は、請求項５の発明によれ
ば、一方向に長い圧電振動素子と、前記圧電振動素子を
収納するためのベースと、前記圧電振動素子がベースに
収納された状態で前記ベースを密封するための金属製の
蓋体とでなるケースを備えており、このケース内に収容
した圧電振動素子の一端側を固定端として支持し、他端
側を自由端とした圧電発振器であって、前記ケース内に
前記圧電振動素子とほぼ平行にこの圧電振動素子と同様
の熱膨張係数を有する板材を固定配置し、この板材の先
端側に設けた弾性を備える支持部材に対して、前記圧電
振動素子の自由端側を当接させた圧電発振器により、達
成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
を添付図面を参照して説明する。

【００２３】図１は、本発明の圧電振動子の実施形態を
示す水平断面図、図２はその正面断面図である。

【００２４】これらの図において、この圧電振動子１０
は、空間部１２ａが形成されたケース１２と、このケー
ス内に密封される一方向に長い板状の圧電振動素子１１
を備えている。

【００２５】圧電振動素子１１は、例えば水晶により短
冊状に形成された板体であり、この圧電振動素子１１上
には、接続電極１３，１４が形成されている。

【００２６】ケース１２は、例えば金属材料により形成
されている。具体的には、ケース１２としては加工性を
考慮して洋白で形成されており、図１において、左端側
が開放され、右端側に底部２３を有する中空の筒体とし
て形成されている。なお、より好ましい材料としてはコ
バール等が用いられる。

【００２７】ケース１２の開放端１８ａから上記内部空
間１２ａ内には、圧電振動素子１１が挿入され、その一
端部１９には、上記接続電極１３，１４上に、ケース外
部から引き込まれるリード端子１７，１７と接続された
各先端，すなわちインナーリード１７ａ，１７ａが、導
電性接着剤１５，１６を用いてそれぞれ接続固定されて
いる。

【００２８】そして、ケース１２の開放端１８ａは、プ
ラグ１８を嵌入されて、密閉されている。このプラグ１
８は、図１及び図２に示すように、ケース１２の開放端
１８ａの内周部に嵌入される金属製のリング１８ｂと、
このリング１８ｂの内側に配置される例えばガラス材料
等でなる絶縁部材１８ｃ及びリード端子１７とを有して
いる。

【００２９】このプラグ１８を介して、圧電振動素子１
１の一端側が固定され、奥側が自由端２１とされてお
り、プラグ１８の絶縁部材１８ｃは、これを貫通するリ
ード端子１７，１７どうしを絶縁している。

【００３０】さらに、図２に示されているように、イン
ナーリードの下側には、ダミー板である板材３１が配置
されている。この板材３１は、圧電振動素子１１とほぼ
同じ熱膨張率を備える材料で形成されており、圧電振動
素子１１が水晶であれば、板材１３も水晶で形成するこ
とが最も望ましく、これ以外であれば、例えばセラミッ
ク等により形成されている。

【００３１】板材３１は、圧電振動素子１１と同様に一
方向に長い形状でなり、この圧電振動子１１よりもやや
長く形成されている。そして、板材３１は、好ましく
は、圧電振動素子１１よりも厚い板厚を有するように構
成されている。あるいは、板材３１は、圧電振動素子１
１よりも高い剛性を有するように構成されており、これ
により、圧電振動素子１１を確実に支持できるようにな
っている。

【００３２】そして、板材３１の一端側３２は、インナ
ーリード１７ａ，１７ａの下側に配置され、固化するこ
とにより硬くなる接着剤，例えば紫外線硬化接着剤が、
インナーリード１７ａの下面と板材３１の一端側３２と
の間に充填固化されている。これにより、板材３１は、
ケース１２内において、圧電振動素子１１とほぼ平行に
なるように固定されている。

【００３３】また、板材３１の他端側３３の図１におい
て、圧電振動素子１１よりも長く延びている箇所の表面
側には、弾性を備えた支持部材２２が適用されている。

【００３４】すなわち、板材３１の自由端３３の表面
に、図２に示すように、支持部材２２が配置され、圧電
振動素子１１の自由端側２１は、これに当接するか、も
しくは図示されているように、支持部材２２の中に入り
込んでいる。これにより、圧電振動素子１１の自由端側
２１は、後述するように、その機能に基づく振動を妨げ
られないように、板材３１に対して固定されている。

【００３５】また、板材３１の自由端３３とケース１２
の間に、さらに、弾性を備えた支持部材を適用してもよ
い（図示せず）。これにより、板材３１の撓みを阻止す
ることができる。

【００３６】この支持部材２２は、硬化する前に流動性
を有していたり、硬化後もある程度可塑性をそなえて、
形状を整えることができ、硬化後において、ある程度弾
性を備えた材料が好適に用いられる。このような材料と
しては、シリコン系接着剤や、発泡材料，もしくは複数
液体材料を混合してゼリー状とした弾性体が用いられ
る。例えば、この混合液の例としては、次のものが用い
られる。１．グリシジル基を少なくとも１つ有する炭化
水素、２．エポキシ系サランカップリング剤、３．アミ
ノ系シランカップリング剤、そして、硬度を増加させた
い場合には、添加剤として４．クロイダルシリカを加え
る。

【００３７】ここで、圧電振動素子１１と支持部材２２
の作用について説明する。

【００３８】この発明では、図３に示すように、圧電振
動素子１１が、外部からの外乱として、瞬間的及び／ま
たは継続的な振動ないしは衝撃を受けることにより、機
械的な共振を生じて、矢印で示すような撓み方向の振動
ｆｖを生じることを防止しようとするものである。

【００３９】ここで、図４は、圧電振動素子１１の厚み
方向を理解の便宜のために、実際よりも極端に厚く示し
て、ある瞬間の厚み滑り振動の大きさを場所毎に表した
ものである。圧電振動素子１１においては、振動の大き
さは、厚みの中心部よりも表面側の方が大きく、また、
周縁部よりも中央部の方が大きい。さらに、圧電振動素
子１１の端部にいく程、厚み滑り振動は、実用上無いに
等しいレベルで小さくなる。

【００４０】これに対して、圧電振動子１０に隣接して
他部品の振動や、例えば圧電振動子１０を車積した場合
の移動体としての自動車の振動等の外乱に基づく機械共
振による振動ｆｖにおいては、圧電振動素子１１の固定
されていない自由端２１が図示するように揺動し、圧電
振動素子１１の端部である自由端２１の動きが一番大き
い。

【００４１】しかも、圧電振動素子１１の厚み滑り方向
の振動ｆ０は、メガヘルツオーダーの高い周波数の振動
であり、機械的共振に基づく振動ｆｖは、キロヘルツオ
ーダーであり、厚み滑り方向の振動ｆ０よりもはるかに
低い周波数の振動である。

【００４２】このため、圧電振動素子１１の自由端２１
を図１及び図２に示すように弾性を備えた支持部材２２
によって当接させ、もしくは固定させることにより、圧
電振動素子１１の本来の機能に基づくすべり方向の振動
ｆ０は、支持部材２２の弾性に基づいて吸収されない。
つまり、振動ｆ０はきわめて高い周波数の動きで、しか
も自由端２１ではそのストロークないしは振幅は図４に
て説明したようにきわめて小さくなることから、この圧
電振動素子１１の本来の機能に基づくすべり方向の振動
ｆ０が実質的に阻害されることはない。

【００４３】これに対して、機械的共振に基づく有害な
振動ｆｖは自由端２１にて最も大きく、低い周波数の動
きであるから、ここを支持部材２２に当接させるか、支
持部材２２により自由端２１を弾性的に固定して、その
動きを物理的に止めるようにすることで、効果的にダン
ピングすることができる。

【００４４】そのため、本実施形態の圧電振動子１０に
あっては、外部から入力される振動等の外乱に影響する
ことないことから、高密度実装に適しており、常に安定
した性能を発揮することができる。

【００４５】図５ないし図８は、図１及び図２の圧電振
動子１０の製造工程を示す図である。

【００４６】先ず、図５の正面図及び図６の平面図に示
すように、所定の治具（図示せず）にダミー板である板
材３１をセットし、これに図示の位置関係となるように
プラグ１８をセットする。この時、プラグ１８のインナ
ーリード１７ａの下面と板材３１の一端部３２の間に
は、絶縁性接着剤３５を適用する。

【００４７】この状態にて、第１の乾燥を行なって、上
記絶縁性接着剤３５を固化させることにより、板材３１
が図において水平に延びるように、その一端部３２をイ
ンナーリード１７ａに対して固定させる。

【００４８】さらに、インナーリード１７ａ，１７ａ上
面に、例えば銀ペースト等でなる導電性接着剤１６，１
６を適用して、これらインナーリード１７ａ，１７ａ
を、それぞれ圧電振動素子１１の各接続電極１３，１４
と電気的に接続させる。

【００４９】また、板材３１の自由端３３の表面側に支
持部材２２を適用し、圧電振動素子１１の自由端２１を
支持部材２２に当接させるようにする。ここで、自由端
２１は常時支持部材２２に当接しているのであるが、機
械的な振動であるｆｖをダンピングするに足る範囲での
僅かな当接であれば十分であって、強固に当接あるいは
固着させる必要はない。

【００５０】次いで、第２の乾燥を行い、その後で、乾
燥固化させた上述の構造のものを図１及び図２で説明し
たケース１２の開放端１８ａから差し入れ、キャップ１
８を嵌入して封止し、圧電振動子１０を完成する。

【００５１】図９は、本発明を適用した圧電発振器の実
施形態を示す概略断面図である。

【００５２】この圧電発振器４０において、図１及び図
２と同じ符号を付した箇所は共通する構成であるから重
複する説明は省略する。

【００５３】図において、圧電発振器４０は、一方向に
長い板状の圧電振動素子１１や板材３１及び集積回路４
９を収容する空間部Ｓ１，Ｓ２が形成された箱状のベー
ス４１と、空間部を密封するようにベース４１に接合さ
れた板状の蓋体４４とを備えており、ベース４１と蓋体
４４とでケース４２を構成している。

【００５４】上記ベース４１は、板状の第１ベース４１
ａと、リング状に構成した第２ベース４１ｂと、さらに
リングの大きさを大きくした第３ベース４１ｃとを順次
重ねて接合して、図示されているように段階状の内部空
間Ｓ１，Ｓ２を形成している。

【００５５】第２ベース４１ｂの上面には、電極４５が
設けられており、圧電振動素子１１の一端部が導電性接
着剤１５，１６により固定されている。これにより、電
極部４５へ圧電振動素子１１の接続電極１３，１４が電
気的に接続されるとともに、圧電振動素子１１はベース
４１に固定される。

【００５６】第１ベース４１ａに対応した内部空間Ｓ２
には、この第１ベース４１ａ上に集積回路４９を固定し
て収容している。この集積回路４９は、第１ベース４１
ａ上の導電パターン４６及び４７とそれぞれワイヤボン
ディングにより接続されている。これにより、圧電振動
素子１１に所定の駆動電圧を与えて、振動させ、その出
力を上記集積回路４９に入力することにより、所定の周
波数の信号を取り出すようになっている。

【００５７】ここで、圧電振動素子１１の材料として
は、例えば水晶が用いられ、ベース４１の材料として
は、アルミナ等のセラミックが用いられ、蓋体４４の材
料としては、アルミナ等のセラミックの線膨張係数に近
いコバール等の金属あるいはアルミナ等のセラミックが
用いられる。

【００５８】さらに、第２ベース４１ｂの内縁の一部に
は、段部４８が設けられており、この段部４８には、板
材３１の一端側３２が配置され、例えば紫外線硬化樹脂
等でなる接着剤３４により固定されている。これによ
り、板材３１は、ケース４２内において、空間Ｓ１内
で、圧電振動素子１１とほぼ平行に配置されている。

【００５９】さらに、板材３１の他端部３３の表面側に
は、支持部材２２が適用されており、この支持部材２２
には、圧電振動素子１１の自由端２１が埋め込まれるよ
うにして、当接されている。

【００６０】本実施形態の圧電発振器４０は以上のよう
に構成されており、したがって、この圧電発振器４０に
おいても、図１及び図２の圧電振動子１０と全く同様の
作用効果を発揮する。

【００６１】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１の発明によ
れば、外部から入力される振動等の外乱に影響されるこ
とがなく、高密度実装に適しており、常に安定した性能
を発揮することができる圧電振動子を提供することがで
きる。

【００６２】また、請求項２及び３の発明によれば、請
求項１の発明の効果に加えて、特に、支持部材を介し
て、板材が圧電振動素子を十分に支持することができ
る。

【００６３】請求項４の発明にれば、外部から入力され
る振動等の外乱に影響することないことから、高密度実
装に適しており、常に安定した性能を発揮することがで
きる圧電発振器を提供することができる。

【００６４】請求項５の発明によれば、請求項１の作用
効果を発揮する圧電振動子の好適な製造方法を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動子の実施形態を示す水平断面
図。

【図２】図１の圧電振動子の正面断面図。

【図３】圧電振動素子の有害な振動を説明するための説
明図。

【図４】圧電振動素子の振動姿態を説明するための説明
図。

【図５】図１の圧電振動子の製造工程の第１の乾燥まで
を示す正面図。

【図６】図１の圧電振動子の製造工程の第１の乾燥まで
を示す平面図。

【図７】図１の圧電振動子の製造工程の第２の乾燥まで
を示す正面図。

【図８】図１の圧電振動子の製造工程の第２の乾燥まで
を示す平面図。

【図９】本発明の圧電発振器の実施形態を示す概略断面
図。

【図１０】従来の圧電振動子の構成を示す概略断面図。

【図１１】従来の圧電振動子の共振の状態を示す図。

【符号の説明】

１０ 圧電振動子 １１ 圧電振動素子 １２ ケース １３，１４ 接続電極 １５，１６ 導電性接着剤 １７，１７ リード端子 １８ プラグ １９ 固定端 ２１ 自由端 ２２ 支持部材 ３１ 板材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J079 AA04 BA23 HA04 HA07 HA13 KA05 5J108 AA01 BB02 CC04 DD02 EE02 EE07 EE11 EE13 EE18 GG04 GG06 GG15 JJ04 KK03 MM04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケース内に収容した一方向に長い圧電振
   動素子の一端側を固定端として支持し、他端側を自由端
   とした圧電振動子であって、 前記ケース内に前記圧電振動素子とほぼ平行にこの圧電
   振動素子と同様の熱膨張係数を有する板材を固定配置
   し、この板材の先端側に設けた弾性を備える支持部材に
   対して、前記圧電振動素子の自由端側を当接させたこと
   を特徴とする圧電振動素子。
2. 【請求項２】 前記板材の板厚が前記圧電振動素子の板
   厚よりも厚く設定されている請求項１の圧電振動子。
3. 【請求項３】 前記板材は前記圧電振動素子よりも高い
   剛性を有するように構成されている請求項１に記載の圧
   電振動子。
4. 【請求項４】 プラグのインナーリードの下面に圧電振
   動素子と同様の熱膨張係数を有する板材を配置して、こ
   の板材の一端側とインナーリードとに接着剤を適用し
   て、第１の乾燥により、硬化させる工程と、 前記インナーリードの上面側に圧電振動素子の接続電極
   が設けられた一端側を配置して、導電性接着剤を適用し
   て、第２の乾燥により硬化させることで、前記インナー
   リードと圧電振動素子の接続電極を電気的に接続すると
   ともに、圧電振動素子の一端側を固定する工程と、 板材の他端側の表面に弾性を有する支持部材を適用し
   て、この支持部材に対して前記圧電振動素子の自由端側
   を当接させる工程を有することを特徴とする圧電振動子
   の製造方法。
5. 【請求項５】 一方向に長い圧電振動素子と、前記圧電
   振動素子を収納するためのベースと、前記圧電振動素子
   がベースに収納された状態で前記ベースを密封するため
   の金属製の蓋体とでなるケースを備えており、 このケース内に収容した圧電振動素子の一端側を固定端
   として支持し、他端側を自由端とした圧電発振器であっ
   て、前記ケース内に前記圧電振動素子とほぼ平行にこの
   圧電振動素子と同様の熱膨張係数を有する板材を固定配
   置し、この板材の先端側に設けた弾性を備える支持部材
   に対して、前記圧電振動素子の自由端側を当接させたこ
   とを特徴とする圧電発振器。