JP2005278069A - 圧電振動片およびこれを用いた圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電振動片を小型に形成する上で、引出し電極の領域における接合面積を可能な限り増大することができる圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供すること。
【解決手段】 圧電材料でなり、基部５１とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕３３，３４を備えた圧電振動片において、前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極４２，４３と、前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された凹部４５を設けた。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電振動片と圧電デバイスの改良に関するものである。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図１１は、このような圧電デバイスの構成例を示す概略平面図であり、図１２は図１１のＡ−Ａ線概略断面図である（特許文献１参照）。
図１１において、圧電デバイス１は、パッケージ２の内部に、圧電振動片３を収容している。パッケージ２はこの場合、絶縁材料を浅い箱状に形成したもので、内部に圧電振動片３を収容固定した後で、蓋体７により気密に封止されるようになっている。

パッケージ２は、セラミックのグリーンシートでなる複数の基板を成形して積層し、焼結することにより形成されており、パッケージ２の内側には、成形時に材料を除去して形成した孔を設けることにより、圧電振動片３を収容する空間を形成している。

圧電振動片３は、例えば水晶をエッチングすることにより、形成されており、基部４と、この基部４から互いに平行に延びる振動腕５，６を有する音叉型の振動片である。
この圧電振動片３は、パッケージ２の内側の電極部８，８に対して、導電性接着剤９，９を用いて接合されている。
ここで、圧電振動片３の基部４には、下地層の上に貴金属層で引出し電極１１，１１が形成されており、パッケージ２側の電極部８，８の表面に、導電性接着剤９，９を塗布し、その上に圧電振動片３の基部４の引出し電極１１，１１の部分を載置して、導電性接着剤９，９を硬化させることにより、機械的接合と電気的接合を行っている。

圧電デバイス１は以上のように構成されており、外部からの駆動電圧が電極部８と導電性接着剤９、引出し電極１１を介して圧電振動片３に伝えられる。これにより、圧電振動片の図示しない励振電極からの電圧が、振動腕５，６を構成する圧電材料に伝えられ、一対の振動腕５，６はその先端部を接近・離間させるように屈曲振動を生じ、所定の周波数で振動する。この周波数を外部に取り出すことによって所定の周波数の出力を得ることができるものである。

ところで、このような圧電振動片３を導電性接着剤９により接合するに際して、特に、圧電振動片３の大きさが小さく、基部４において、引出し電極１１を設ける面積が小さい場合には、導電性接着剤９との接合面積も小さくなる。
ここで、導電性接着剤９として、シリコーン系の接着剤を用いると、シリコーン系の接着剤は、エポキシ系の接着剤などと比べると衝撃力を吸収する性能が高く、落下衝撃等に対して強い性能を発揮できる利点がある。
しかしながらシリコーン系の接着剤は、金などの貴金属表面に対して、他の面と比較すると硬化反応が遅くなる特質があり、接合工程における乾燥管理が難しく、接合が不十分となって、接合強度が不足する場合があった。

そこで、図１１に示すように、圧電振動片３の基部４に形成した引出し電極１１，１１は、例えば、幾何学模様のように、部分的に貴金属被覆を剥離し、下地層を露出したものである。こうすることにより、導電性接着剤９が貴金属と触れていない箇所では硬化の遅れが生じることがなく、しかも下地層を全面に露出していないので、導電性接着剤９と下地層の濡れ性が良すぎて、かえって、接合作業に際に接着面で滑って位置決めがしにくいという不都合を回避することができるものである。

特開２００３−１８８６７７

ところが、圧電振動片の小型化はますます進展しており、引出し電極という限られた接合用の領域を、より有効に用いて、電気的接続と機械的接合をより確実に行う構造が望まれている。
このためには、特に限られた大きさの引出し電極において、さらに接合面積の増大をはかる必要がある。

そこで、本発明は以上の課題を解決するためになされたもので、圧電振動片を小型に形成する上で、引出し電極の領域における接合面積を可能な限り増大することができる圧電振動片と、このような圧電振動片を利用した圧電デバイスを提供することを目的とする。

上述の目的は、第１の発明によれば、圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備えた圧電振動片において、前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された凹部を設けた、圧電振動片により、達成される。
第１の発明の構成によれば、圧電振動片の接続電極の一部領域の電極膜を剥離して、圧電材料を露出した凹部を形成している。すなわち、接続電極の一部領域だけその電極膜を剥離し、全ての領域の電極膜を剥離していないから、導通が妨げられることはない。また、電極膜を剥離して、圧電材料をそのまま露出しているのではなく、凹部を形成していることから、この凹部に接着剤が入り込むことで、接合面積が増加し、さらに、ひっかかりを生じて、そのアンカー効果により、接着剤による接合を強固なものとすることができる。特に、凹部は電極膜のうち、貴金属被覆部も下地部も露出しておらず、圧電材料自体が露出されて接着剤と接触するようにされているので、より接合しやすい。
かくして、圧電振動片を小型に形成した場合において、接続電極を設ける面積が狭く制限される上で、特に圧電材料を露出した凹部を形成することで、平面状態と比べて接合面積を増大させ、接着剤との接合を強固にすることができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記凹部が一方向に長い溝であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、前記凹部が一方向に長い溝であることにより、溝の延びる方向にわたって接着剤が入り込み、接合強度が向上される。

第３の発明は、第２の発明の構成において、前記溝が前記基部の表裏面を貫通していることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、前記溝が貫通していることにより、基部の裏面から溝に接着剤が侵入すると、溝内の空気が表面側へ追い出される。これにより、接着剤が適切に溝内に充填される。

第４の発明は第２または第３の発明の構成において、前記溝が前記基部の側面に抜けるように形成されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、前記溝が前記基部の側面に抜けていることにより、溝に接着剤が侵入すると、溝内の空気が側面側へ追い出される。これにより、接着剤が適切に溝内に充填される。

また、上述の目的は、第５の発明にあっては、圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備えた圧電振動片において、前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された孔を設けた圧電振動片により、達成される。
第５の発明の構成によれば、圧電振動片の接続電極の一部領域の電極膜を剥離して、圧電材料を露出した孔を形成している。すなわち、接続電極の一部領域の電極膜を剥離するだけで、電極膜を全て剥離していないから、導通が妨げられることはない。また、電極膜を剥離して、圧電材料をそのまま露出しているのではなく、孔を形成していることから、この孔に接着剤が入り込むことで、接合面積が増加し、さらに、ひっかかりを生じて、そのアンカー効果により、接着剤による接合を強固なものとすることができる。特に、孔は電極膜のうち、貴金属被覆部も下地部も露出しておらず、圧電材料自体が露出されて接着剤と接触するようにされているので、より接合しやすい。
かくして、圧電振動片を小型に形成した場合において、接続電極を設ける面積が狭く制限される上で、特に圧電材料を露出した孔を形成することで、平面状態と比べて接合面積を増大させ、接着剤との接合を強固にすることができる。

第６の発明は、第５の発明の構成において、前記孔が前記基部の表裏面を貫通していることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、前記孔が貫通していることにより、基部の裏面から孔内に接着剤が侵入すると、孔内の空気が表面側へ追い出される。これにより、接着剤が適切に溝内に充填される。

第７の発明は、第６の発明の構成において、前記孔が前記基部の側縁に臨んでスリット状に形成されていることを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、前記孔が前記基部の側縁に臨んでスリット状とされていると、接着剤が前記基部の側面から回り込んで付着しやすい。したがって、孔部に接着剤を確実に付着させることができる。

さらに、上述の目的は、第８の発明にあっては、絶縁基体に圧電振動片を接合し、パッケージに気密に収容した圧電デバイスにおいて、前記圧電振動片が、圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備え、前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された凹部を設けた、圧電デバイスにより、達成される。
第８の発明の構成によれば、第１の発明の構成で説明したのと同様に理由により、パッケージ内に収容した圧電振動片が、強固に接合されているので、外部からの衝撃につよい圧電デバイスを提供することができる。

図１及び図２は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図である。
図１および図２において、圧電デバイス３０は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス３０は、パッケージ４１内に、たとえば水晶振動片である圧電振動片３２を収容している。パッケージ４１の製法を簡単に説明すると、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成される。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成するようにされている。
この内部空間Ｓ２が圧電振動片３２を収容するための収容空間である。
すなわち、図２に示されているように、この実施形態では、パッケージ４１は、例えば、下から第１の積層基板５２、第２の積層基板５３、第３の積層基板５４を順次重ねて形成されている。
なお、本実施の形態とは異なり、パッケージはセラミックグリーンシート以外の材料で形成されていてもよい。

パッケージ４１の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成するパッケージ基板である第２の積層基板５３には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキおよび金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。
この基板電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものであり、このため基板電極部３１，３１は、パッケージ４１の底面に露出して形成された実装端子４８，４９と電気的に接続されている。

さらに、第２の基板５３の内側の一部を除去することにより、図２に示されているように、凹部６１が形成されている。凹部６１は、圧電振動片３２の各振動腕の先端付近の下方に位置する領域に設けられている。これにより、圧電振動片３２が振動腕先端側を下降させて、傾いて接合されたり、さらには、その状態で、パッケージ４１外部から衝撃などがあった場合に、振動腕が矢印Ｄ方向に振れた場合にも、パッケージ４１の内側底面に触れて破損しないようにされている。
また、パッケージ４１は図示のような浅い箱状のものに限らず、例えば、パッケージ基板である第１の基板５２に、浅い箱状の蓋体（図示せず）を、その開口を下にして、内部に圧電振動片を収容し、伏せるようにして封止する形態のもの等、種々の形態のパッケージを使用することができる。

パッケージ４１の開放された上端には、低融点ガラス４４を用いて蓋体（リッドとも呼ぶ）３９が接合されることにより、封止されている。蓋体３９は、セラミックスやコバール等の金属で形成してもよいが、この実施形態では、好ましくは、パッケージ４１に封止固定した後で、図２に示すように、外部からレーザ光Ｌ２を圧電振動片３２の金属被覆部（図示せず）に照射して、質量削減方式により周波数調整を行うために、光を透過する材料，特に、薄板ガラスにより形成されている。
蓋体３９として適するガラス材料としては、例えば、ダウンドロー法により製造される薄板ガラスとして、例えば、硼珪酸ガラスが使用される。

本実施形態では、圧電振動片３２は、水晶で形成されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。本実施形態の場合、圧電振動片３２は、図１に示すように、パッケージ４１側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３３，３４を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。

ここで、各振動腕３３，３４の主面には、好ましくは、それぞれ長さ方向に延びる有底の長溝３５，３６を形成し、この長溝内に励振電極（図示せず）を形成している。この長溝は、それぞれ振動腕３３と、振動腕３４の主面である表裏面に形成され、長溝３５，３６内には図示しない励振電極３７，３８がそれぞれ形成されており、各振動腕の長溝内に形成される励振電極３７，３８は互いに分離された一対の電極とされている。これにより、励振電極に駆動電圧が印加されることによって、駆動時に、各振動腕３３，３４の内部の電界効率を高めることができるようになっている。また、基部５１の各振動腕３３，３４の付け根付近は幅方向に縮幅されて形成されたくびれ部もしくは切欠き部５５，５５が形成されている。これにより、振動腕側から基部側へ漏れ込む振動を低減するようになっている。
ここで、圧電振動片３２は、特に小型に形成されており、例えば、図１に示すように、その振動腕の全長ＬＬが、ほぼ１．６ｍｍ、基部５１の全長ＢＬがほぼ０．６ｍｍ、基部５１の幅ＢＷがほぼ０．５ｍｍ、程度とされている。

図１および図２に示すように、圧電振動片３２の基部５１には、幅方向の両端部には、パッケージ４１側と接続するための接続電極４２，４３がそれぞれ設けられている。各接続電極４２，４３は、圧電振動片３２の表面から周縁部を回り込んで裏面に同じ形態で形成されている。これら各接続電極４２，４３は各振動腕３３，３４の励振電極３７，３８とそれぞれ一体に接続されている。図２の拡大図に示されているように、接続電極４３は励振電極と同じ構造で、クロム（Ｃｒ）等の下地層４３ａの上に金（Ａｕ）等の貴金属層４３ｂを成膜して形成されている。
図２および図３に示すように、圧電振動片３２の基部の接続電極４２，４３は、導電性接着剤を用いて、電極部３１，３１に接合される。すなわち、パッケージ４１側の電極部３１，３１には、導電性接着剤４６，４６が塗布され、その上に圧電振動片３２の接続電極４２，４３を載置して、この導電性接着剤４６，４６を硬化させることで、接合されている。この導電性接着剤４６，４６としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀(Ａｇ)製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができ、さらに、エポキシ樹脂をシリコンで変性した導電性接着剤も使用することができる。
また、凹部である溝４５は、基部５１の表裏面に貫通するように構成してもよい。これにより、基部５１の裏面から溝４５に導電性接着剤が侵入すると、溝内の空気が表面側へ追い出される。これにより、導電性接着剤が適切に溝内に充填される。

ここで、図２および図３から明らかなように、接続電極４２，４３の裏面側、すなわち、パッケージ側の電極部３１，３１との対向面には、その一部の領域に凹部４５が設けられている。この凹部４５は、最小の深さとしては接続電極の電極膜を剥離した深さであり、さらに図３に示されているように圧電材料を深さ方向に一部除去してさらに深くしていもよい。そして、凹部４５の表面は電極膜が完全に剥離して、水晶材料が露出されている。凹部４５を設ける領域が大きい程、そして、深さが深くなる程、導電性接着剤４６との接合面積が拡大する。凹部４５は以上の条件を満たす限り、どのような大きさでどのような形状でもかまわない。
この実施形態では、図４に示されているように、圧電振動片の基部５１の幅方向に延びる溝状に形成されており、この溝が各接続電極４２，４３のそれぞれにおいて、並列的に並ぶように複数形成されている。

本実施形態は以上のように構成されており、圧電振動片３２の接続電極４２，４３の一部領域の電極膜を剥離して、水晶材料を露出した凹部４５を形成している。すなわち、接続電極４２，４３の一部領域だけその電極膜を剥離し、全ての領域の電極膜を剥離していないから、導電性接着剤４６との導通が妨げられることはない。また、電極膜を剥離して、水晶材料をそのまま露出しているのではなく、凹部を形成していることから、この凹部に導電性接着剤４６が入り込むことで、接合面積が増加し、さらに、ひっかかりを生じて、そのアンカー効果により、接着剤による接合を強固なものとすることができる。特に、凹部４５は電極膜のうち、貴金属層も下地層も露出しておらず、水晶材料自体が露出されて接着剤と接触するようにされている。このため、特に小型に形成することで、基部５１の導電性接着剤との接合面積が制限される条件において、シリコンは酸素と反応する特性があり、水晶（ＳｉＯ_２）と相性が良いが、金には酸素が含まれていないので相性が悪いという理由により、接合が強固となる。

図５は、圧電振動片の実施形態に関する変形例１の要部を示す図である。
図示されているように、凹部４５−１は、上述の凹部と異なり基部５１の幅方向と直交する方向に延びており、その他の点では凹部４５と同じ構造である。
このため、基部５１の幅方向に働く応力に対して、導電性接着剤がひっかりを生じやすく、このような応力に有効に対抗できる接合構造を得ることができる。尚、凹部４５−１は、ひとつの接続電極に図示のように２つに限らず、より多くの数を設けるようにしてもよい。

図６は、圧電振動片に関する変形例２の要部を示す図である。
変形例２では、圧電振動片の基部５１の厚み方向に深さを有する複数の孔４５−３が形成されている。つまり、孔４５−３は、上述の凹部４５の一形態であり、形状以外は同じ構造で、水晶材料が露出されている。これにより、上述の凹部４５と同じ作用効果を発揮する。また、孔４５−３は基部５１の表裏面に貫通していてもよい。これにより、基部５１の裏面から孔４５−３に導電性接着剤が侵入すると、孔内の空気が表面側へ追い出される。これにより、導電性接着剤が適切に孔内に充填される。

図７は、圧電振動片に関する変形例３の要部を示す図である。
変形例３では、孔として形成された凹部４５―２、４５−２は、圧電振動片の基部５１の長さ方向の側縁５１ａ，５１ａに臨んでスリット状とされている。これにより、導電性接着剤が基部５１の側面から回り込んで凹部４５―２に付着しやすい。したがって、孔部もしくは凹部４５―２に導電性接着剤を確実に付着させることができる。

図８は、圧電振動片に関する変形例４の要部を示す図であり、図９は周辺のパッケージの構造を加えた図８のＤ−Ｄ線切断端面である。前記孔が前記基部の側縁に臨んでスリット状に形成されていることを特徴とする。
これらの図に示されているように、凹部もしくは孔は溝状で、これらの溝４５−４は基部５１の各接続電極４２，４３の一部の領域において、基部５１の幅方向に延びるように形成されている。そして、溝４５−４は基部５１の各側縁５１ａ，５１ａにそれぞれ臨んでスリット状とされている。すなわち、これら各側縁５１ａ，５１ａに開口している。このため、これらの溝４５−４には、導電性接着剤が基部５１の側面から回り込んで付着しやすい。したがって、溝４５−４に導電性接着剤を確実に付着させることができる。

図１０は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン３０８および受信内容を音声出力とするためのスピーカ３０９を備えており、さらに、送受信信号の変調および復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるコントローラ（ＣＰＵ）３０１を備えている。
コントローラ３０１は、送受信信号の変調および復調の他に画像表示部としてのＬＣＤや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部３０２や、ＲＡＭ，ＲＯＭ等でなる情報記憶手段であるメモリ３０３の制御を行うようになっている。このため、コントローラ３０１には、圧電デバイス３０が取り付けられて、その出力周波数をコントローラ３０１に内蔵された所定の分周回路（図示せず）等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このコントローラ３０１に取付けられる圧電デバイス３０は、圧電デバイス３０単体でなくても、圧電デバイス３０と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。

コントローラ３０１は、さらに、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）３０５と接続され、温度補償水晶発振器３０５は、送信部３０７と受信部３０６に接続されている。これにより、コントローラ３０１からの基本クロックが、環境温度が変化した場合に変動しても、温度補償水晶発振器３０５により修正されて、送信部３０７および受信部３０６に与えられるようになっている。
このように、デジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス３０を利用することにより、パッケージ内に圧電振動片が強固に接合されていることにより、信頼性の高いデジタル式携帯電話装置３００を得ることができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。

本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略平面図。 図１のＢ−Ｂ線概略断面図。 図１のＣ−Ｃ線切断端面図。 図１の圧電デバイスの圧電振動片の要部を示す図。 変形例１の要部を示す図。 変形例２の要部を示す図。 変形例３の要部を示す図。 変形例４の要部を示す図。 図８のＤ−Ｄ線切断端面図。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。 従来の圧電デバイスの概略図。 図１１のＡ−Ａ線概略断面図。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３１，３１・・・電極部、３２・・・圧電振動片、３３，３４・・・振動腕、４１・・・パッケージ、４２，４３・・・接続電極。

Claims (8)

1. 圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備えた圧電振動片において、
   前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、
   前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された凹部を設けた
   ことを特徴とする、圧電振動片。
2. 前記凹部が一方向に長い溝であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動片。
3. 前記溝が前記基部の表裏面を貫通していることを特徴とする、請求項２に記載の圧電振動片。
4. 前記溝が前記基部の側面に抜けるように形成されていることを特徴とする、請求項２または３のいずれかに記載の圧電振動片。
5. 圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備えた圧電振動片において、
   前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、
   前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された孔を設けた
   ことを特徴とする、圧電振動片。
6. 前記孔が前記基部の表裏面を貫通していることを特徴とする、請求項５に記載の圧電振動片。
7. 前記孔が前記基部の側縁に臨んでスリット状に形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の圧電振動片。
8. 絶縁基体に圧電振動片を接合し、パッケージに気密に収容した圧電デバイスにおいて、
   前記圧電振動片が、
   圧電材料でなり、基部とこの基部から一方向に延びる互いに平行な複数の振動腕を備え、
   前記基部の幅方向両端部に形成した接続電極と、
   前記接続電極の一部の領域の電極膜を剥離して、さらに、この剥離箇所に前記圧電材料が露出された凹部を設けた
   ことを特徴とする、圧電デバイス。

Images