JP2010136243A - 振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの衝撃に対して強度の優れた圧電振動子を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明の圧電振動子１０は、圧電振動片２０をパッケージ４０に収容して、前記パッケージ４０と蓋体６０を接合させた圧電振動子１０である。前記蓋体６０は、前記パッケージ４０を平面視して前記圧電振動片２０を避けたスペースに前記パッケージ４０の第１の基板４４上まで先端が延びる厚肉部６２を前記パッケージ４０側に形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる振動子に関する。

電子機器の小型化および薄型化に伴い、表面実装型の振動子の小型化、薄型化が要求されている。特許文献１に示すような圧電デバイスを構成する圧電振動片は、パッケージ内において長手方向の固定端側をマウント電極で固定し、自由端側をフリーにした片持ち支持構造を採用している。これによりマウント電極からの通電を確保しつつマウント電極からの応力を緩和し圧電振動片の実装面積を減らしてデバイス全体の小型化を図っている。

しかし、薄型化を図った圧電デバイスは、パッケージのキャビティを封止する蓋体も薄肉に設計されている。蓋体は、パッケージとのシール領域から離れた長手方向における中央付近の強度が比較的弱くなる。このような圧電振動子に外部から何らかの衝撃（外圧）が作用すると、強度の弱い蓋体の中央付近が歪み易くなり、蓋体の割れなどパッケージが破損あるいは蓋体と圧電振動片が接触するおそれがある。

外圧による蓋体と圧電振動片との接触を回避するため蓋体に凸部等を設けた先行技術として、特許文献２〜５が開示されている。これらはいずれもパッケージを平面視して圧電振動片と対向する蓋体のパッケージ内側に凸部又は緩衝部を形成している。凸部又は緩衝部は、外部からの衝撃時にキャビティ内で圧電振動片と接触して蓋体と圧電振動片の破損を防止するものである。
特許第３９８２４４１号 特開２００２−１１１４２７号公報 特開２００３−６０４７５号公報 特開２００２−１７１１５２号公報 特開２００７−２２８４３１号公報

しかしながら、特許文献２〜５は、いずれも圧電振動子を平面視して圧電振動片と重なる位置に凸部又は緩衝部を設けて、外部からの衝撃時において凸部又は緩衝部と圧電振動片を接触させている。このため接触の際に圧電振動片を破損するおそれがある。また特許文献２〜５に示す構成では、凸部又は緩衝部を圧電振動片の自由端側又は固定端側のいずれか一方に設けているため、蓋体の長手方向に対する応力による歪みを防止することができない。さらに特許文献２〜５は、いずれも圧電振動子を側面視して圧電振動片と対向する上下面に凸部又は緩衝部を設けているため、パッケージの枠体が厚くなり圧電振動子の薄型化が図れない。
そこで本発明は従来技術の問題点を解決するため、外部からの衝撃に対して強度の優れた振動子を提供することを目的としている。

本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
〔適用例１〕振動片をパッケージに収容して、前記パッケージと蓋体を接合させて真空封止した振動子であって、前記蓋体は、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
これにより蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して厚肉部により応力が吸収されて蓋体が歪みにくくなる。

〔適用例２〕第１の封止孔を備えた第１の基板と、キャビティを構成する開口部と前記キャビティの枠部であって平面視した際に前記第１の封止孔の一部を塞いで重なる位置に設けられた第２の封止孔とを備え、前記第１の基板に積層される第２の基板と、前記第２の基板における開口部に収容される振動片と、前記第２の基板に積層される蓋体と、前記第１の封止孔の内壁面及び前記第１の封止孔と前記第２の封止孔との段差部に固着した封止材と、を備え、前記蓋体は、前記枠部の上面に枠状配設され、かつ、前記開口部及び前記第２の封止孔を囲う箇所に配設されたロウ材を介して、前記第２の基板に積層され、さらに、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。

これにより蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して厚肉部により応力が吸収されて蓋体が歪みにくくなる。また圧電振動片を収容するキャビティ内に封止材の蒸散粒子が混入・飛散することが無く、当該蒸散粒子が圧電振動片の励振電極等に付着することによる悪影響も無い。

〔適用例３〕前記厚肉部は、前記パッケージの長手方向に沿って形成したことを特徴とする適用例１又は適用例２に記載の振動子。
これにより、応力の影響を受けやすい蓋体の長手方向の中心部に対して効果的に応力を吸収することができる。また蓋体の薄型化を図りながら強度が得られるため、パッケージ全体の強度も得られ、外部からの衝撃に対して応力を吸収して蓋体が歪みにくくなる。

本発明の振動子の実施形態を添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。本実施形態では振動子に圧電振動子を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る圧電振動子の構成概略を示す図である。同図（１）は平面図の部分透過図を示し、（２）は（１）のＡ−Ａ断面図を示し、（３）は底面図を示している。図２は第１実施形態の蓋体の斜視図である。図示のように圧電振動子１０は、圧電振動片２０と、それを収容するためのキャビティを有するパッケージ４０と、キャビティの上部開口を封止する蓋体６０を主な構成要件としている。

圧電振動片２０としては、圧電効果を奏する部材、例えば水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、及び圧電セラミックス等に電極パターンを形成して励振可能としたものであれば、その形態も種々選択可能である。また、圧電振動片２０は、シリコンなど圧電効果を奏さない部材に、圧電膜を付けた振動片に代えることもできる。ここで本実施形態では、部材を周波数−温度特性に優れた水晶とし、以下のような形態の圧電振動片を採用している。すなわち、一対の振動腕２１と、この振動腕２１を支える基部２２、及び振動腕２１と基部２２とを支持する一対の固定用腕２３とを有する。ここで固定用腕２３は、支持状態の安定性を確保するために、基部２２から振動腕２１と反対方向へ延設されたくびれ部２４を介し、基部２２の側方両側へ延設される。基部２２の側方へ延設された固定用腕２３はさらに、振動腕２１の延設方向へと延設され、その端部を圧電振動片の長手方向中心付近に位置させている。このような形態とすることで、支持部を圧電振動片の長手方向中心付近に置くことができるため、その実装状態を安定させることができ、圧電振動片の実装状態での水平位置を確保しやすくなる。また、励振部である振動腕２１から固定部である固定用腕２３の先端までの距離を長くすることで、振動漏れを防止することができる。さらに、基部２２と固定用腕２３との間にくびれ部２４を介在させたことにより、振動漏れ防止の効果を高めることができる。

振動腕２１には、その断面において対向する面に同電位の電圧が印加されるように励振電極２５，２６が形成されている。なお励振電極２５，２６は、図１中逆向きの斜線で示すように、対を成す２つの振動腕２１において互いに対応する面には、異なる極性の電位の電圧が印加されるように配線されている。固定用腕２３には、励振電極２５，２６に対する電力の供給を行うための入出力電極２７，２８が形成されており、基部等に形成された引出し電極２９ａ，２９ｂを介して励振電極２５，２６と電気的に接続されている。

本実施形態に係るパッケージ４０は、２つの基板（第１の基板４２と第２の基板４４）から構成される。第１の基板４２、第２の基板４４共に、構成部材としてアルミナや窒化アルミ等を原材料としたセラミックス基板とすれば良く、パッケージはこれらの基板を積層させて焼結することで形成される。

第１の基板４２は、パッケージの底板を構成し、一方の主面にはマウント電極４６、他方の主面には外部実装用電極４８が形成されている。図１（３）に４つ示す外部実装用電極は、２つが能動電極（ＨＯＴ電極）４８ａであり、残る２つが接地電極（ＧＮＤ電極）４８ｂとして設定されている。そしてマウント電極４６はそれぞれ、第２の基板４４との接合部に引き回された金属パターン５０、及び図示しないスルーホールを介して、ＨＯＴ電極として設定された外部実装用電極４８と電気的に接続されている。また外部実装用電極４８は、図示しない実装機器側の電極と接続されてパッケージ内の圧電振動片２０を発振させる発振回路と接続するものである。

第２の基板４４には、キャビティを構成するための開口部５２が形成されている。開口部５２は、圧電振動片２０の形状に合わせて形成されている。
蓋体６０は、平板状の部材であれば良く、パッケージ４０を構成する部材と熱膨張率の近い金属（例えばコバール等）や、ガラス（例えばソーダガラス）等により構成すれば良い。蓋体６０に金属を用いた場合には、耐久性が高く、パッケージ４０内部の配線によっては、蓋体６０を外部電極として利用することも可能となる。また、蓋体６０にガラスを用いた場合には、透光性を有する主面からレーザによる電極のトリミングが可能となり、パッケージ４０に蓋体６０を接合した後に周波数調整を行うことが可能となる。そして蓋体６０は、図２に示すようにパッケージ４０側に厚肉部６２を形成している。厚肉部６２は、パッケージ４０を平面視して圧電振動片２０を避けたスペースに、パッケージ４０の第１の基板４２上まで先端が延びるように形成している。そして厚肉部６２は、外力に対して歪みやすい蓋体６０の長手方向の中心部に設けている。

なお厚肉部６２の厚さ（キャビティの高さ方向）は、蓋体６０の厚みよりも厚く、最大で蓋体６０の表面からパッケージ４０の第１の基板４２と接する厚みの範囲で設定することができる。そして、蓋体６０が、外面から押された場合に厚肉部６２が第１の基板４２に接して蓋体６０を支持する。また、厚肉部６２は、パッケージの長手方向の内壁面に沿って形成される。

ロウ材９８は、蓋体６０とパッケージ４０とを接合するために用いられる接合材である。ロウ材９８としては、低融点の合金や低融点のガラス等が用いられる。ロウ材９８は開口部５２の周囲に略矩形状に施されている。ロウ材９８として、低融点の合金を用いた場合、パッケージ４０の開口部５２の周囲にロウ材９８の濡れ性が良いメタライズ７９を施せば、パッケージ４０と蓋体６０との機密信頼性を向上させることができる。また、封止は、蓋体６０をパッケージ４０に載せてから炉に搬送して加熱することで行なわれるが、この搬送の際、厚肉部６２がパッケージ４０の内壁面に接触することで、蓋体６０とパッケージ４０との位置ずれが防止される。

上記構成による第１実施形態の圧電振動子によれば、パッケージ４０のキャビティ５２に収容した圧電振動片２０を平面視して避けるスペースであって、蓋体６０が最も歪み易い長手方向の中心部に、先端がパッケージ４０の第１の基板４２上に延びるように厚肉部６２を形成している。これにより蓋体全体の厚みを薄く維持しながら、厚肉部６２のみ厚肉にして蓋体の強度化を図ることができる。また厚肉部６２はパッケージ４０を平面視して圧電振動片と重ならない位置に設けているため、パッケージ全体の薄型化を図ることができる。さらに外力がパッケージに作用しても、蓋体６０が歪むことがなく、厚肉部６２が圧電振動片２０に接触することもない。

次に第２実施形態に係る圧電振動子について説明する。図３は第２実施形態に係る圧電振動子の構成を示す図であり、（１）は平面、（２）は（１）におけるＢ−Ｂ断面をそれぞれ示す図である。なお、図３は蓋体を省略している。また、図４は第２実施形態の圧電振動子の構成を示す図であり、（１）は平面図の部分透視図、（２）は（１）におけるＣ−Ｃ断面、（３）は（１）におけるＤ−Ｄ断面、（４）は底面をそれぞれ示す図である。なお、図４から圧電振動片は省略されている。図５は第１の封止孔に金属ボールを載置したときの拡大図である。図６は図４（２）のＥ部の部分拡大図である。

第２実施形態に係る圧電振動子１０Ａの圧電振動片は第１実施形態と同様の圧電振動片２０であり詳細な説明を省略する。
パッケージは、第１実施形態のパッケージ４０と基本構成は同一であり、以下異なる構成について説明する。

第１の基板４２ｂには、ＧＮＤ電極として設定された外部実装用電極４８の１つに、第１の封止孔８０が形成されている。第１の封止孔８０は第１の基板４２ｂを貫通する孔であり、その口径は、封止に用いる金属ボール９６（ハンダボール）の直径よりも大きく設定されている。第１の封止孔８０の内壁面には、金属皮膜（メタライズ）８２が形成されている。第１の封止孔８０の内壁面にメタライズ８２を施すことにより、封止材（例えばハンダ）に対する濡れ性を向上させることができ、密着性、すなわちパッケージの気密信頼性を向上させることができる。なお、第１の封止孔８０における内壁面のメタライズ８２は、第１の基板４２ｂを製造する際、外部実装用電極４８の形成と同時にスクリーン印刷し、一方の主面側からの吸引により内壁面への引込みを行うことで形成することができる。

第２の基板４４ｂには、キャビティを構成するための開口部５２ｂが形成され、側壁となる枠部の上端面には、ロウ材９８との濡れ性が良いメタライズ７９が形成されている。さらに、メタライズ７９を施した枠部の長辺部分と短辺部分に浮島状のメタライズ８１が積層されている。そして、メタライズ７９，８１にロウ材が設けられている。開口部５２ｂは、圧電振動片２０の形状に合わせて形成されており、基板の長手方向に沿って、幅の広い幅広部９０と、幅の狭い幅狭部９２とを連接させて形成され、幅広部９０に基部２２と固定用腕２３及び振動腕２１の基端側を収容し、幅狭部９２に振動腕２１の先端側を収容可能とされている。このように、開口部５２ｂの幅に差を持たせたために、側壁を構成する枠部には張り出し部９４が形成されることとなる。

本実施形態では、第２の基板４４ｂの枠部における張り出し部９４に、第２の封止孔８４を形成している。第２の封止孔８４は第２の基板４４ｂを貫通する孔であり、その口径は、上述した第１の封止孔８０および金属ボール９６の直径よりも小さく設定されており、その形成位置は中心が、第１の基板４２ｂに形成した第１の封止孔８０の中心と一致する位置とすることが望ましく、少なくともその一部を重複させる位置とする。第１の封止孔８０と第２の封止孔８４とをこのような位置関係で形成することで、第１の封止孔８０と第２の封止孔８４を介してキャビティの真空引きを行うことが可能となるからである。

図５に示すように第２の封止孔８４の口径を金属ボール９６の直径よりも小さくすることで、第１の封止孔８０に収容した金属ボール９６を支持することができるようになる。このため、第２の基板４４ｂの厚み分だけ、金属ボール９６とキャビティとの距離を離すことが可能となる。よって、金属ボール９６を溶融させた際に生ずる蒸散粒子がキャビティ内へ浸入することを抑制することができる。また、第２の封止孔８４を第１の封止孔８０に比べて小径とすることで、枠状部材となる第２の基板４４ｂの強度を高めることも可能となる。なお、第１の基板４２ｂと対向する側の面であって、第２の封止孔８４の周囲には、スクリーン印刷等によって形成されたメタライズ８３が形成されている。当該部分にメタライズ８３を形成することで、第１の封止孔８０と第２の封止孔８４との段差部分にメタライズが現れることとなる。よって、当該部分の封止材に対する濡れ性を高めることができる。このため、封止孔による封止面積（距離）を増やすことができ、圧電振動子の気密信頼性を向上させることができる。
なお、第１の封止孔８０と第２の封止孔８４とをずらして配置して、第１の封止孔８０に収容した金属ボール９６を第１の封止孔８０と第２の封止孔８４との段差部で支持する構成にすれば、第２の封止孔８４に口径を金属ボール９６の直径や第１の封止孔９０の口径より大きくしても良い。ただし、封止の信頼性、すなわち、気密信頼性は、第２の封止孔８４の口径を金属ボール９６の直径よりも小さくすることで、第１の封止孔８０に収容した金属ボール９６を支持する構成にしたほうが優れる。

ロウ材９８は、前述のように開口部５２ｂの周囲に略矩形状に施されるため、張り出し部９４はロウ材９８による囲繞領域の内側に位置することとなる。また、メタライズ８１は、ロウ材９８を施した接合領域の長辺部分と短辺部分にそれぞれ形成されている。ロウ材９８はそれ自体に微小な厚みを有することとなるため、ロウ材９８が施されていない張り出し部９４と蓋体６０との間には、微小な隙間が形成されることとなるが、ロウ材９８の溶融度合い等によってはその隙間のあき具合に誤差が生ずる場合がある。張り出し部９４と蓋体６０との隙間は、第２の封止孔８４を介した真空引きの気道として用いられるため、当該隙間が狭まった場合には真空引きに要する時間が長時間化することとなる。

このため本実施形態では、図６に示すように蓋体接合時の熱によっては溶融しないメタライズ８１の厚みによって張り出し部９４と蓋体６０との隙間１００を所定範囲に確保した上でロウ材９８によって第２の基板４４ｂと蓋体６０とを接合する構成とした。

上記構成による第２実施形態の圧電振動子１０Ａは、第１実施形態と同様に蓋体６０の厚肉部６２を設けているため、外部からの衝撃による蓋体６０の歪みを防止できる。またパッケージ４０ｂに蓋体６０を接合した後、キャビティの真空引きをして第１の封止孔８０を封止材で封止すると、封止材８０を溶融させた際に生ずる蒸散粒子が、蓋体６０やパッケージ４０ｂにおける枠部（張り出し部）の上端面や厚肉部６２の蒸散粒子付着領域（図６の斜線部分）に付着することとなる。換言すると、本実施形態の圧電振動子１０Ｂは、蓋体６０と第２の基板４４ｂ上端面と厚肉部６２に設けた蒸散粒子付着領域に封止材８０の蒸散粒子を付着させているのである。このため、本実施形態に係る圧電振動子１０Ｂでは、圧電振動片２０を収容するキャビティ内に封止材８０の蒸散粒子が混入・飛散することが無く、当該蒸散粒子が圧電振動片１０の励振電極等に付着することによる悪影響も無い。

また、上記のような構成の圧電振動子１０Ａでは、封止孔を第１の封止孔８０と第２の封止孔８４から成る段孔とし、第１の封止孔８０の内壁面と第２の封止孔８４の開口部の周囲とにメタライズ８２，８３を形成したことより、封止材の密着性と封止材の付着距離（面積）を増やすことができた。よって、パッケージの気密信頼性を向上させることができた。

さらに、上記のような構成の圧電振動子１０Ａでは、第２の封止孔８４の口径を第１の封止孔８０よりも小さくしたため、第２の基板４４ｂの強度を向上させることができ、パッケージ全体としてもその強度を高めることができる。

図７は第３実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。同図（１）は平面図の部分透視図を示し、（２）はＦ−Ｆ断面図を示し、（３）は蓋体の斜視図を示す。図示のように第３実施形態の圧電振動子１０Ｂは、蓋体６０の厚肉部６２Ａをパッケージ４０の長手方向に沿って形成している。具体的に厚肉部６２Ａは、矩形状であってパッケージ４０の長手方向に形成している。また厚肉部６２Ａは、パッケージ４０を平面視して圧電振動子を避けるスペースに取り付けている。なお、厚肉部の形状は、矩形に限らず、半円形、山形など、蓋体６０の両端から中心に向かって次第に厚肉とし、応力による曲げが生じ易い中心部分が最も厚肉となるような形状とすることもできる。また厚肉部６２Ａの厚さ（キャビティの高さ方向）は、蓋体６０の厚みよりも厚く、最大で蓋体６０の表面からパッケージ４０の第１の基板４２と接する厚みの範囲で設定することができ、少なくとも蓋体６０に作用する応力を吸収する厚みであると良い。

このような第３実施形態の圧電振動子１０Ｂによれば、厚肉部６２Ａをパッケージの長手方向に沿って形成しているため、パッケージ４０に蓋体６０を接合する際の位置決めが容易に行える。また厚肉部６２Aにより蓋体６０の強度が得られるため、外圧によるパッケージ全体の強度化を図ることができる。

第１実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。 第１実施形態の蓋体の斜視図である。 蓋体を除いた第２実施形態に係る圧電振動子の構成を示す図である。 第２実施形態のパッケージの構成を示す図である。 第１の封止孔に金属ボールを載置したときの拡大図である。 図４（２）のＦ部の部分拡大図である。 第３実施形態の圧電振動子の構成概略を示す図である。

符号の説明

１０………圧電振動子、２０………圧電振動片、２１………振動腕、２２………基部、２３………固定用腕、２４………くびれ部、２５，２６………励振電極、２７，２８………入出力電極、２９………引出し電極、４０………パッケージ、４２………第１の基板、４４………第２の基板、４６………マウント電極、４８………外部実装用電極、５０………金属パターン、５２………開口部、６０………蓋体、６２………厚肉部、９６………金属ボール、９８………ロウ材。

Claims (3)

1. 振動片をパッケージに収容し、前記パッケージと蓋体を接合させて真空封止した振動子であって、
   前記蓋体は、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
2. 第１の封止孔を備えた第１の基板と、
   キャビティを構成する開口部と前記キャビティの枠部であって平面視した際に前記第１の封止孔の一部を塞いで重なる位置に設けられた第２の封止孔とを備え、前記第１の基板に積層される第２の基板と、
   前記第２の基板における開口部に収容される振動片と、
   前記第２の基板に積層される蓋体と、
   前記第１の封止孔の内壁面及び前記第１の封止孔と前記第２の封止孔との段差部に固着した封止材と、を備え、
   前記蓋体は、前記枠部の上面に枠状配設され、かつ、前記開口部及び前記第２の封止孔を囲う箇所に配設されたロウ材を介して、前記第２の基板に積層され、さらに、前記パッケージを平面視して前記振動片を避けたスペースに前記パッケージのベース基板上まで先端が延びる厚肉部を前記パッケージ側に形成したことを特徴とする振動子。
3. 前記厚肉部は、前記パッケージの長手方向に沿って形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動子。

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