JP2006203458A - 圧電振動片、及びこれを利用した圧電デバイス - Google Patents

圧電振動片、及びこれを利用した圧電デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 圧電振動片の厚み方向の振れを有効に防止して、優れた振動特性を備えた圧電振動片、及びこれを利用した圧電デバイスを提供すること。
【解決手段】 互いに平行に延びる複数の振動腕34,35を支持する基部51と、この基部51から縮幅したネック部54を介して、振動腕34,35と平行に延びる固定用腕37,38とを備えた圧電振動片20であって、固定用腕37,38は、重心GP2を通る振動腕34,35の幅方向の仮想線GP3上の位置で基体と接合される接合部20,20を有し、この接合部20,20は、振動腕34,35の延びる方向に沿って、圧電振動片32の全長L1に対して25%以上の長さにわたり形成されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、振動腕を支持する基部とは別に、圧電振動片をパッケージに接合するための固定用腕を有する圧電振動片、及びこれを利用した圧電デバイスに関する。
図7および図8は、従来の圧電デバイス1であり、図7は圧電デバイス1の概略平面図、図8は図7のA−A線概略切断断面図である。
これらの図において、圧電デバイス1は圧電振動子の例を示しており、パッケージ2内に圧電振動片3が収容されている。
圧電振動片2は、互いに平行に延びる一対の振動腕5,5と、この振動腕5,5を支持する基部4とを有している。
基部4からは、振動腕5,5と平行に延びる固定用腕6,6が一体的に形成されており、さらに、振動腕5,5と反対の方向にはバランス部7が一体的に形成されている。
そして、固定用腕6,6は、圧電振動片2の重心GPを通る幅方向の仮想線GP1上に、接着剤10,10を適用してパッケージ2側のマウント電極12,12と接合されている。
これにより、圧電振動片2の長手方向について、仮想線GP1を中心にして両端部のバランスをとって、圧電振動片2の厚み方向(図8の矢印方向)の振れを防止している。したがって、圧電振動片2の両端部がパッケージ2の内側底面2aに接触することで生ずる欠けや割れを防止できるようになっている。
特開2004−297198公開特許公報
しかし、圧電デバイス1のように、圧電振動片3を重心GPを通る幅方向の仮想線GP1上に、接着剤10を適用してパッケージ2と接合すると、外部から衝撃を受けた場合に、図8に示すように、仮想線GP1の位置の接着剤10が支点となってしまい、圧電振動片3が厚み方向に振れる恐れがある。
本発明は、圧電振動片の厚み方向の振れを有効に防止して、優れた振動特性を備えた圧電振動片、及びこれ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、互いに平行に延びる複数の振動腕を支持する基部と、この基部から縮幅したネック部を介して、前記振動腕と平行に延びる固定用腕とを備えた圧電振動片であって、前記固定用腕は、重心を通る前記振動腕の幅方向の仮想線上の位置で基体と接合される接合部を有し、この接合部は、前記振動腕の延びる方向に沿って、前記圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている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、固定用腕は、重心を通る振動腕の幅方向の仮想線上の位置で基体と接合される接合部を有しているので、従来と同様に、圧電振動片は、この仮想線上を中心にして、振動腕の長手方向の両端部のバランスをとることができる。
さらに、この固定用腕の接合部は、振動腕の延びる方向に沿って、圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている。このため、固定用腕の基体に固定される領域は、振動腕の延びる方向に長く形成され、振動腕の延びる方向について、圧電振動片の揺動可能な自由部分を少なくすることができ、外部から衝撃を受けた場合であっても、この揺動可能な自由部分の揺動を基体に触れない程度に小さくすることができる。
かくして、圧電振動片の厚み方向の振れを有効に防止して、優れた振動特性を備えた圧電振動片を提供することができる。
また、上述の目的は、第2の発明によれば、互いに平行に延びる複数の振動腕を支持する基部を有するとともに、この基部から縮幅したネック部を介して、前記振動腕と平行に延びる固定用腕を有する圧電振動片と、前記固定用腕を接合して前記圧電振動片を収容するようにしたパッケージとを備えた圧電デバイスであって、前記固定用腕は、重心を通る前記振動腕の幅方向の仮想線上の位置で前記パッケージと接合される接合部を有し、この接合部は、前記振動腕の延びる方向に沿って、前記圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている圧電デバイスにより達成される。
第2の発明の構成によれば、固定用腕は、重心を通る振動腕の幅方向の仮想線上の位置でパッケージと接合される接合部を有し、この接合部は、振動腕の延びる方向に沿って、圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている。このため、第1の発明と同様に、振動腕の長手方向の両端部のバランスをとることができるだけでなく、外部からの衝撃を受けた場合、圧電振動片の振動腕の長手方向の両端部の揺動をパッケージに触れない程度に小さくすることができる。したがって、圧電振動片の厚み方向の振れを有効に防止して、優れた振動特性を備えた圧電デバイスを提供することができる。
第3の発明によれば、第2の発明の構成において、前記接合部は、前記圧電振動片の前記ネック部側の端部から所定の距離を有するように離れていることを特徴とする。
第3の発明の構成によれば、接合部はネック部側の端部から所定の距離を有するように離れているため、固定用腕のパッケージと接合される領域を大きく取り過ぎるあまり、接合部とネック部側の端部との距離が近づきすぎて、いわゆる振動漏れが生ずることを有効に防止できる。
第4の発明によれば、第3の発明の構成において前記所定の距離は、前記圧電振動片の全長に対して10%以上であることを特徴とする。
第4の発明の構成によれば、所定の距離は、圧電振動片の全長に対して10%以上である。したがって、第2の発明の作用効果を発揮しつつ、振動漏れの発生を有効に抑制できるだけの距離を確保して、優れた振動特性を発揮する圧電デバイスを提供できる。
第5の発明によれば、第2ないし第4の発明のいずれかの構成において、前記接合部は、少なくともその長手方向の両端が前記パッケージと接合されており、前記接合部の全域は前記パッケージと接合されていないことを特徴とする。
第5の発明の構成によれば、接合部は、少なくともその長手方向の両端がパッケージと接合されているので、接合部はパッケージに固定され、この接合部の両端より外側の揺動可能な自由部分は、第2の発明と同様に小さくなっている。したがって、第1の発明と同様の作用効果を発揮する。しかも、接合部の全域はパッケージと接合されていないので、第1の発明に比べて接着剤等を少量とすることができ、例えば接着剤を硬化させる際に発生するガスを抑制することができる。
第6の発明によれば、第2ないし第5の発明のいずれかの構成において、前記接合部を前記パッケージに接合するための部材は、シリコーン系の導電性接着剤であることを特徴とする。
第6の発明の構成によれば、接合部をパッケージに接合するための部材は、シリコーン系の導電性接着剤であるため、導電性接着剤を用いる場合においては、比較的、広い温度範囲で安定した振動特性が得られ、また、その柔軟性から、外部からの衝撃を吸収することができる。
第7の発明によれば、第2ないし第5の発明のいずれかの構成において、前記接合部を前記パッケージに接合するための部材は、バンプであることを特徴とする。
第7の発明の構成によれば、接合部をパッケージに接合するための部材は、バンプであるので、圧電振動片とパッケージとの導通の安定性を向上することができる。
図1および図2は、本発明の実施形態に係る圧電デバイス30であって、図1は圧電デバイス30の概略平面図、図2は図1のB−B線概略切断断面図である。
尚、圧電デバイスとは、圧電振動子や圧電発振器等の名称にかかわらず、パッケージ内に圧電振動片を収容した全ての製品を意味する。
また、図1および図2の平行斜線で示した部分は、理解の便宜のために示したものであり、断面等を表すものではない。
これらの図の圧電デバイス30は圧電振動子を構成した例を示しており、圧電デバイス30は、基体であるパッケージ36内に圧電振動片32を収容している。
パッケージ36は、矩形状となっており、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型して形成される第1の基板36aおよび第2の基板36bを積層した後、焼結して形成されている。
第1の基板36aは、その内側に所定の孔を形成することで、第2の基板36bに積層した場合に、パッケージ36の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27を収容するためのキャビティとなる。
また、第1の基板36aの図2において上部に開口した側の開口端面には、低融点ガラス等のロウ材48が適用されて蓋体39により封止されている。蓋体39は、蓋封止した後であっても、圧電振動片32に設けられた励振電極あるいは錘等にレーザ光をあてて、質量削減方式で周波数調整できるように、光を透過する材料、例えばガラスから形成されている。
なお、パッケージ36は、例えば、第2の基板36bを基体として、これに圧電振動片32を接合し、厚みの薄い箱状のリッドないしは蓋体をかぶせて封止する構成としたパッケージ(収容容器)を用いてもよい。
第2の基板36bの内部空間S2に露出する面、すなわちパッケージ36の内側底面には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した一対のマウント電極31,31が設けられている。このマウント電極31,31は、圧電振動片32に駆動電圧を供給する電極であり、導電スルーホール等(図示せず)で実装端子部39,39と接続されて、互いに異極となっている。
具体的には、マウント電極31,31は、後述する圧電振動片32の接合部20,20と対向する位置に設けられており、本実施形態では、内部空間S2における幅方向(X方向)の両端部であって、長手方向(Y方向)の内壁に沿うように形成されている。
そして、マウント電極31,31の上に接着剤43,43として、シリコーン系またはエポキシ系あるいはポリイミド系等の導電性接着剤が塗布され、この接着剤43,43の上に圧電振動片32が載置されて、接着剤43,43が硬化することで、マウント電極31,31と圧電振動片32とが電気的機械的に接続されている。
なお、接着剤43には柔軟性があり、広い温度範囲で安定した振動特性が得られるシリコーン系の導電性接着剤を用いるのが好ましい。
圧電振動片32は、例えば水晶等で形成されており、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、小型に形成して必要な性能を得るために、互いに平行に延びる一対の振動腕34,35と、この一対の振動腕34,35を支持する基部51とを備えている。
振動腕34,35は、基部51から二股に別れており、図1において左方に向けて細長く延びている。また、振動腕34,35は、表裏面のそれぞれに、長手方向(図1のY方向)に沿って延びる長溝が形成されており(図示せず)、断面が略H型となっている。そして、振動腕35の長溝内には励振電極44が形成され、この長溝内の励振電極44と対向するようにして、振動腕35の側面に励振電極45が形成されている。また、振動腕34の長溝内には励振電極45が形成され、この長溝内の励振電極45と対向するようにして、振動腕34の側面に励振電極44が形成されている。
基部51は、一対の振動腕34,35を支持するための部分であり、さらに、本実施形態の基部51は、圧電振動片32をマウント電極31,31に接合するための一対の固定用腕37,38を支持するための部分でもある。
すなわち、基部51からは、振動腕34,35と反対側の端部に、基部51の幅を縮幅あるいは括れるようにして、基部51よりも脆弱となるネック部54が一体的に形成されており、このネック部54を介して、固定用腕37,38が振動腕34,35と平行に延びるように形成されている。
具体的に、固定用腕37は、ネック部54の振動腕34,35と反対側の端部から、幅方向(X方向)にいったん延びるように形成され、幅方向について、ネック部54から所定の長さL4の位置で、振動腕34と平行になるように略直角に曲がって形成されている。また、固定用腕38は、長手方向に延びる仮想の中心線Cを中心にして、固定用腕37と対称になるように形成されている。これにより、固定用腕37,38は振動腕34,35の各外側に一対形成されて、圧電振動片32は、長手方向に延びる仮想の中心線Cに関して、対称の形状とされている。
なお、この所定の長さL4は、固定用腕37,38が振動腕34,35に接触せず、かつ、圧電振動片32の外形が最小となるように設定されている。すなわち、所定の長さL4は、振動腕34,35が水平方向(図1の矢印Fの方向)に振れる大きさと、固定用腕37,38の長さとの兼ね合いにおいて決定され、本実施形態では、固定用腕37,38の長さは、後述するようにパッケージ36と接合する領域を加味されて設定されているので、長さL4は、このパッケージ36との接合領域を加味されている。
そして、固定用腕37には、励振電極44が基部51を通って引き回されており、固定用腕38には、励振電極45が基部51を通って引き回され、少なくとも、マウント電極31,31側に電極部が形成されるようになっている。
ここで、固定用腕37,38のそれぞれは、マウント電極31と接合される接合部20を有している。すなわち、接合部20は、パッケージ36に対して動きを共にし、固定された揺動しない部分であり、具体的には、圧電振動片32の重心GP2を通る振動腕の幅方向(図1のX方向)の仮想線GP3上の位置に設けられている。これにより、圧電振動片32は、例えば基部51の端部をパッケージに接合し、片持ち式に支持される構造と異なり、仮想線GP3を中心にして、長手方向(Y方向)の両端32a,32bについて厚み方向(Z方向)のバランスをとっている。
なお、図1および図2では、接合部20,20は、固定用腕37,38の先端部(基部と反対側の端部であって、図1の左側)を残すように配置されており、固定用腕37,38の先端部はパッケージ36と接合されていないようになっている。これにより、固定用腕37,38の先端部を接合部20に含めた場合の、接着剤塗布位置または圧電振動片32の搭載位置のズレによって生じる接合面積の減少の恐れを防止している。
そして、この接合部20,20は、仮想線GP3上の位置から所定の長さL2にわたって、振動腕34,35の延びる方向(長手方向であって、図1のY方向)に沿って延びるように形成されている。これにより、パッケージ36に固定されていない揺動可能な自由部分(図2の平行斜線で示す部分)が従来に比べて少なくなっており、本実施形態では、この接合部20,20の振動腕34,35の延びる方向における長さL2が、圧電振動片32の全長L1に対して25%以上となるように設定されている。なお、この25%以上という長さL2は、圧電振動片32の全長L1に対する割合であるため、圧電振動片32の全長L1の100%を超えることがないのは勿論である。
また、本実施形態の接合部20,20は、仮想線GP3上の位置から長手方向の両端側に向かって均等に延びており、図1における仮想線GP3上の位置から、先端側(左側)の長さL4とネック側(右側)の長さL5とが略同じになっている。
さらに、本実施形態の場合、接合部20,20は、圧電振動片32のネック部54側の端部(圧電振動片32の振動腕34,35と反対側の端部)32bから所定の距離L3を有するように離れている。すなわち、接合部20,20は、振動腕34,35の振動が基部51およびネック部54を介して、固定用腕34,35に伝達された場合であっても、その振動が十分に減衰する位置に設けられており、具体的には、所定の距離L3が、圧電振動片32の全長L1に対して10%以上となるように設定されている。なお、この10%という距離L3は、圧電振動片32の全長L1に対する割合であるため、圧電振動片32の全長L1の100%を超えることがないのは勿論である。
このように、固定用腕37,38は、接合部20の位置(仮想線GP3の位置と端部32bからの距離L3)、接合部20の長さL2、ネック部54からの距離L4を総合的に考慮して、その位置や長さを決めるようにされている。
本発明の第1の実施形態は以上のように構成されており、固定用腕37,38の接合部20,20は、重心GP2を通る仮想線GP3上の位置から所定の長さL2にわたって振動腕の長手方向(Y方向)に延びている。このため、圧電振動片32の長手方向における揺動可能な自由部分は少なくなって、圧電振動片20の長手方向の両端部(図2の32a,32b)の揺動を小さくすることができる。したがって、外部から衝撃を受けた場合であっても、圧電振動片32の厚み方向(Zの方向)の振れを有効に防止でき、本実施形態の場合、この長さL2を圧電振動片32の全長L1の25%以上に設定したことで、図3に示すように、優れた耐衝撃性を備えた圧電デバイスを得ることができた。
すなわち、図3は、接合部20を仮想線GP3上の位置に設けた場合において、2×10G程度(150cmの高さから100グラムの物体を自由落下させた衝撃と同等)の衝撃を与えた場合の周波数の変化量を示す図であり、図3(a)は、長さL2が25%未満の場合の周波数変化量、図3(b)は長さL2が25%の場合の周波数変化量である。この図に示すように、接合部20の長さL2を25%に設定したことで、衝撃を与える前(試験前)と与えた後(試験後)との周波数変化量は少なくなり、これにより耐衝撃性に有利となったことがわかる。
さらに、接合部20,20はネック部54側の端部32bから所定の距離L3を有するように離れている。したがって、接合部20,20の領域を大きく取り過ぎるあまり、所謂振動漏れが生じてしまうことを有効に防止でき、本実施形態のように、接合部20の端部32bからの距離L3を圧電振動片32の全長L1に対して10%以上とすることで、図4に示すように、振動漏れを有効に抑制できた。
すなわち、図4は、接合部20を仮想線GP3上の位置に設けた場合において、温度変化に伴うクリスタルインピーダンス値(CI値)を示した図であり、図4(a)は所定の距離L3が圧電振動片32の全長L1の10%未満、図4(b)は所定の距離L3が圧電振動片32の全長L1の10%である場合の図である。この図に示されるように、接合部20の端部32bからの距離L3を圧電振動片32の全長L1に対して10%以上とすることで、CI値の変化を抑えることができ、これにより、振動漏れによるCI値の上昇を抑制できたことがわかる。
また、接合部20が圧電振動片32の端部32b、すなわちネック部54から所定の長さL4の位置で、振動腕34と平行になるように略直角に曲がった位置に近いと、端部32bには比較的応力が集中しているので、外部から衝撃が加わった場合に、その衝撃が接合部20に付着した接着剤43,43にも加わる場合がある。そうすると、接着剤43の表面が破壊されてしまい、圧電デバイス30の発振周波数が変化してしまう恐れがある。しかし、本実施形態の場合は、上述のように、接合部20と端部32bとの距離L3は圧電振動片32の全長L1の10%以上となっているので、このような接着剤43の破壊を有効に回避することができ、安定した発振周波数を得ることができる。
図5および図6は、本発明の実施形態の変形例に係る圧電デバイス60であって、図5は圧電デバイス60の概略平面図、図6は図5のC−C線概略切断断面図である。
なお、これらの図では、理解の便宜のために、圧電振動片の表面に設けられた励振電極等の電極を省略しており、また、平行斜線で示した部分は断面等を表すものではない。
これらの図において、図1および図2の説明で用いた符号と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
圧電デバイス60が図1および図2の圧電デバイス30と異なるは、接合部20とパッケージ36とを接合する構造についてである。
すなわち、図5および図6の接合部20,20(平行斜線で示す部分)は、その両端20a,20bをマウント電極31,31に接合することにより、接合部20,20はパッケージ36に対して固定された揺動しない部分となっている。しかし、接合部20,20の全域は接合されておらず、接合部20の先端側の端部20aと、ネック部54側の端部20bとの間は、直接、パッケージ36と接合されていない状態となっている。
そして、本変形例の場合、接合部20,20をマウント電極31,31に接合するための部材は、例えば半田により形成されたバンプ46,46,46,46を用いるようにして、圧電振動片32とパッケージ36との導通の安定性を向上するようにしている。
なお、本変形例の場合、接合部20,20は、それぞれ、両端20a,20bの2箇所でパッケージ36と接合されているが、パッケージ36との接合力を向上するために、端部20aと端部20bとの間に、さらに一つ或いは複数のバンプ46を用いて接合するようにしてもよい。また、半田バンプの代わりに合金等を用いても勿論よい。
本発明の実施形態の変形例は以上のように構成されており、接合部20,20は、少なくともその両端20a,20bがパッケージ36と接合されている。このため、接合部20,20はパッケージ36に対して固定された揺動しない部分であると共に、その両端20a,20bより外側(図6において、固定用腕38の平行斜線の部分を除いた部分)の揺動可能な自由部分は、図1および図2の実施形態に係る圧電デバイス30と同様に小さくなっている。したがって、圧電デバイス30と同様の作用効果を発揮する。しかも、接合部20,20は全域が接合されていないので、圧電デバイス30に比べて接着剤等を少量とすることができ、例えば接着剤を硬化させる際に発生するガスを抑制することができる。
本発明は上述の実施形態に限定されない。実施形態や各変形例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。
本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 図1のB−B線概略切断断面図。 衝撃試験による周波数変化量を示す図であり、図3(a)は、接合部の長さが圧電振動片全長の25%未満の場合における周波数変化量、図3(b)は接合部の長さが圧電振動片全長の25%の場合における周波数変化量。 温度変化に伴うCI値を示した図であり、図4(a)は圧電振動片の端部から接合部までの距離が圧電振動片全長の10%未満の場合における温度特性、図4(b)は圧電振動片の端部から接合部までの距離が圧電振動片全長の10%の場合における温度特性。 本発明の実施形態の変形例に係る圧電デバイスの概略平面図。 図5のC−C線概略切断断面図。 従来の圧電デバイスの概略平面図。 図7のA−A線概略切断断面図。
符号の説明
20・・・接合部、30,60・・・圧電デバイス、32・・・圧電振動片、34,35・・・振動腕、36・・・基体(パッケージ)、37,38・・・固定用腕、51・・・基部、54・・・ネック部、GP2・・・重心、GP3・・・仮想線

Claims (7)

  1. 互いに平行に延びる複数の振動腕を支持する基部と、この基部から縮幅したネック部を介して、前記振動腕と平行に延びる固定用腕とを備えた圧電振動片であって、
    前記固定用腕は、重心を通る前記振動腕の幅方向の仮想線上の位置で基体と接合される接合部を有し、
    この接合部は、前記振動腕の延びる方向に沿って、前記圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている
    ことを特徴とする圧電振動片。
  2. 互いに平行に延びる複数の振動腕を支持する基部を有するとともに、この基部から縮幅したネック部を介して、前記振動腕と平行に延びる固定用腕を有する圧電振動片と、前記固定用腕を接合して前記圧電振動片を収容するようにしたパッケージとを備えた圧電デバイスであって、
    前記固定用腕は、重心を通る前記振動腕の幅方向の仮想線上の位置で前記パッケージと接合される接合部を有し、
    この接合部は、前記振動腕の延びる方向に沿って、前記圧電振動片の全長に対して25%以上の長さにわたり形成されている
    ことを特徴とする圧電デバイス。
  3. 前記接合部は、前記圧電振動片の前記ネック部側の端部から所定の距離を有するように離れていることを特徴とする請求項2に記載の圧電デバイス。
  4. 前記所定の距離は、前記圧電振動片の全長に対して10%以上であることを特徴とする請求項3に記載の圧電デバイス。
  5. 前記接合部は、少なくともその長手方向の両端が前記パッケージと接合されており、前記接合部の全域は前記パッケージと接合されていないことを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記載の圧電デバイス。
  6. 前記接合部を前記パッケージに接合するための部材は、シリコーン系の導電性接着剤であることを特徴とする請求項2ないし5のいずれかに記載の圧電デバイス。
  7. 前記接合部を前記パッケージに接合するための部材は、バンプであることを特徴とする請求項2ないし5のいずれかに記載の圧電デバイス。
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