JP2010147854A - 圧電振動子、圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ特性に優れ、かつうねりを抑制した圧電振動子、圧電デバイスを提供する。
【解決手段】可撓性を有する矩形の基板１４上に圧電振動片２４を搭載し、前記基板１４下面に前記基板１４の長手方向にストライプ状に並べられて設けられた複数の端子を有する圧電振動子１０であって、前記複数の端子は、前記基板１４の長手方向の両端側にそれぞれ設けられた第１端子２８と、第２端子３０と、前記第１端子２８及び前記第２端子３０との間に設けられ、前記基板１４の形成時に生じるうねりを抑制する第３端子３２であり、前記第１端子２８、前記第２端子３０、及び前記第３端子３２のうちいずれかを前記圧電振動片２４に接続してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、パッケージに圧電振動片を収容した圧電振動子及び圧電デバイスに関し、特に低背化に適した技術に関する。

圧電振動子は、雰囲気温度の変化に伴う気圧の変化や空気そのものの抵抗が圧電振動片の発振に与える影響を避けるため、圧電振動片を収容したパッケージの内部を真空にして封止した構造を有している（特許文献１参照）。
特開２００４−３５７１７８号公報

一方、このような圧電振動子をＩＣカードのような薄型の筐体に搭載することが提案され、そのため圧電振動子の低背化が要求されている。圧電振動子を低背化させるためには、基板を薄くして、かつ撓ませることが可能となることが要求される。例えば基板の中央領域に対して両端が下方に撓むように曲がった場合、曲げの応力は基板の中央、または基板下面の実装端子との境界部分に圧縮応力が集中して基板が破損する虞がある。

ところで、基板はセラミック等を焼成することにより得られるが、基板の反りを極力抑える為に、焼成前に例えばプレスなどの手法を用いてその平坦化を行った上で焼成する。このとき、端子形成場所の位置関係から基板の端子が形成されていない領域でうねりを発生させることになる。このうねりは端子が形成された側が凸形状、圧電振動片を搭載する側が凹形状となる。

図５にうねりが発生した基板上に支持腕を有する音叉型の圧電振動片を搭載した場合の模式図を示す。図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は側面図である。音叉型の圧電振動片１０４は、基部１０６と、基部１０６から互いに平行に延出した一対の振動腕１０８（溝部１０８ａあり）と、基部１０６の両側面から延出し、振動腕１０８と同一方向に延びた一対の支持腕１１０から形成される。圧電振動片１０４は、支持腕１１０の先端領域１１０ａを支点として接着剤１１２により、下面に端子１０２を有する基板１００に固定することになる。このように、うねりが発生した基板１００上に上述の圧電振動片１０４を搭載すると、圧電振動片１０４の振動腕１０８、及び基部１０６が基板１００と接触する虞があり、特に低背化を図った圧電振動子においては、圧電振動片と基板との隙間が狭くなるため、上述の虞がより顕著に表れ、場合によっては発振不能に陥るものと考えられる。

特許文献１には圧電振動片を搭載したパッケージの裏面における長さ方向の両端側に少なくとも、前記圧電振動片と電気的に接続した実装端子を有する表面実装用の圧電振動子において、前記長さ方向における中央部であって幅方向の両側に補強端子を設け、前記実装端子と前記補強端子とを電気的に接続した構成が開示されている。このような構成とすることにより、実装端子の境界のみならず補強端子の境界に応力が分散するため、基板の許容曲げ応力が向上する。しかし、上記構成においては、基板形成時に、基板の中央領域にうねりを発生させ圧電振動片と基板とが接触する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に着目し、低背化を実現しつつ、撓ませることが可能でありながら、圧電振動片と基板との接触を回避する圧電振動子及び圧電デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、上述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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］可撓性を有する矩形の基板上に圧電振動片を搭載し、前記基板下面に前記基板の長手方向にストライプ状に並べられて設けられた複数の端子を有する圧電振動子であって、前記複数の端子は、前記基板の長手方向の両端側にそれぞれ設けられた第１端子と、第２端子と、前記第１端子及び前記第２端子との間に設けられた第３端子であることを特徴とする圧電振動子。

基板、第１端子、第２端子、及び第３端子をプレス焼成により同時に形成する場合、基板の中央領域に形成された第３端子が基板のうねりを抑制するため、基板と圧電振動片との接触を回避して、圧電振動片の基板への実装時の歩留まりの低下を抑制でき、特に支持腕を有する音叉型の圧電振動片を搭載する場合は、うねりの発生を最も抑制する領域を支点とすることができるためその効果が顕著となる。また、基板の中央領域が第３端子により補強されるので、前記中央領域に曲げ応力が集中することを回避し、中央領域から破損することを防止できる。そして上記構成の場合、応力が集中する部分は各端子の基板の短辺に平行な６つの境界となるので、各境界当たりに掛かる応力を緩和して、基板の許容曲げ応力を高めることができる。

［適用例２］前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子のうちいずれかを前記圧電振動片に接続したことを特徴とする適用例１に記載の圧電振動子。
低背化した圧電振動子の場合、圧電振動片とパッケージ若しくはリッドとの間で寄生容量が発生し、共振周波数等の特性が変動することが懸念される。一方、上記構成の場合、第１端子、第２端子、及び第３端子のうち圧電振動片に接続しない端子はダミー端子となっている。そこで、前記ダミー端子を接地することにより、パッケージ及びリッドが接地され寄生容量の発生を防ぐことができ、低背化しつつ周波数特性等を安定させた圧電振動子となる。

［適用例３］前記第１端子の前記第３端子に対向する境界は、前記第１端子にめり込む弓形の形状を有し、前記第２端子の前記第３端子に対向する境界は、前記第２端子にめり込む弓形の形状を有することを特徴とする適用例１または２に記載の圧電振動子。

圧電振動子の長手方向に曲げ応力を与えた場合、第１端子及び第２端子の基板の長辺方向の単位長さ当たりの微小応力は、各端子の短辺方向の中央領域が最も強くなり、前記中央領域から離れるほど減少するように分布する。そして、第１端子及び第２端子の基板の短辺と対向する境界には前記単位長さ当たりの微小応力を基板の長辺方向に積分した応力が集中するため、各端子の短辺と対向する境界の中央部分は最も強い応力を受けることになる。よって上記構成とすることにより、前記中央部分に係る各端子の幅を狭くすることで、前記中央部分がうける応力を減少させ、その減少分を前記中央部分から離れた領域にそれぞれ拡散させることができるため、前記中央部分に対する応力の集中を抑制し、許容曲げ応力を高めた圧電振動子となる。

［適用例４］前記第３端子は、矩形に形成されたことを特徴とする適用例１乃至３のいずれか１例に記載の圧電振動子。
基板の長手方向に線対称となる曲げ応力を与えた場合、基板の第３端子が形成された領域の応力分布の等高線は基板の短辺に平行なものとなる。よって第３端子を矩形に形成することにより前記等高線と第３端子の境界が平行となるため、前記境界全域に均一に応力がかかることになり、前記境界の特定の箇所に応力が集中することを防止して、基板の許容曲げ応力を高めることができる。

［適用例５］前記第３端子は、前記第３端子の前記基板の短辺に対向する一対の境界を曲線とする樽型の形状となっていることを特徴とする適用例１乃至４のいずれか１例に記載の圧電振動子。

基板の第３端子の中央領域を中心とする点状の応力を与えた場合、基板の第３端子の形成された領域において、その応力分布の等高線は同心円状、または基板の長手方向を短軸とする同心の楕円形状、若しくはこれらと類似した形状となる。よって第３端子を樽型として所定の曲率を与えることにより、第３端子の境界が前記等高線に倣った形状となるため、前記境界全域に均一に応力がかかることになり、前記境界の特定の箇所に応力が集中することを防止して、基板の許容曲げ応力を高めることができる。

［適用例６］前記基板の前記第３端子が形成される領域には封止孔が形成されたことを特徴とする適用例１乃至５のいずれか１例に記載の圧電振動子。
圧電振動子において、圧電振動片をパッケージ中に真空封止するための封止孔を基板に形成する場合がある。しかし封止孔を基板に形成した状態で基板に曲げ応力を与えると、封止孔に応力が集中して基板が破損し、真空封止が破られる虞がある。そこで上記構成とすることで、封止孔及びその周辺が第３基板により補強されるため封止孔に対する応力の集中を防止して、基板の許容曲げ応力を高めるとともに、真空封止を維持することができる。

［適用例７］適用例１乃至６のいずれか１例に記載の圧電振動子に、前記圧電振動子を発振させる発振回路を接続して構成されたことを特徴とする圧電デバイス。
これにより、低背化しつつ、許容曲げ応力を高め、圧電振動片の基板への実装時の歩留まりの低下を抑制した圧電デバイスを構築できる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

第１実施形態に係る圧電振動子を図１に示す。図１（ａ）は真上から見た模式図、図１（ｂ）は側面から見た模式図、図１（ｃ）は底面から見た模式図である。図１に示すように圧電振動子１０は、可撓性を有する矩形のパッケージ１２を構成する基板１４上に圧電振動片２４を搭載し、前記基板１４下面に前記基板１４の長手方向にストライプ状に並べられて設けられた複数の端子を有する圧電振動子１０であって、前記複数の端子は、前記基板１４の長手方向の両端側にそれぞれ設けられた第１端子２８と、第２端子３０と、前記第１端子２８及び前記第２端子３０との間に設けられ、前記基板１４の形成時に生じる前記基板１４のうねりを抑制する第３端子３２であり、前記第１端子２８、前記第２端子３０、及び前記第３端子３２のうちいずれかを前記圧電振動片２４に接続した構成である。

パッケージ１２は、下から順に基板１４（第１基板１６、第２基板１８）、パッケージ枠２０、リッド２２を積層して形成され、パッケージ１２より形成される内部空間に圧電振動片２４を収容して真空封止している。

第１基板１６及び第２基板１８は平面視して、その外形を同一とする矩形の基板である。そして第１基板１６及び第２基板１８の側面には半田付け用のキャスタレーションとなる切欠き部１６ａ、１８ａが平面視して互いに重なる位置に形成されている。本実施形態においては、第１基板１６及び第２基板１８の４つの角及び２つの長辺の中央に形成されている。また第１基板１６及び第２基板１８の中央領域には、平面視して互いに重なり連通する封止孔１６ｂ、１８ｂが形成されている。第１基板１６の封止孔１６ｂは、第２基板１８の封止孔１８ｂより内径が大きく設計されている。そして第１基板１６の封止孔１６ｂには封止材２６が充填される。封止材２６は、例えば半田ボールやＡｕ−Ｇｅ合金ボール等の金属ボールが用いられ、金属ボールを第１基板１６の封止孔１６ｂに挿入し、加熱して溶融させたのち冷却させて固めて第１基板１６の封止孔１６ｂを封止することによりパッケージ１２内部の真空封止が可能となる。

第１基板１６の下面の長手方向の両側には、第１端子２８、及び第２端子３０が形成され、第１基板１６の下面の中央領域に第３端子３２が形成されている。また第１基板１６には貫通電極２８ａ、貫通電極３０ａが形成されている。貫通電２８ａの下端は第１端子２８に接続され、その上端は第１基板１６の上端に露出している。貫通電極３０ａの下端は第２端子３０に接続され、その上端は第１基板１６の上端に露出している。なお第３端子３２は封止孔１６ｂ、１８ｂを覆うように形成されている。よって基板１４にはその一面（下面）に第１端子２８、第２端子３０、第３端子３２が設けられ、その反対面に圧電振動片２４が導電性接着剤４０により固定されることになる。

図１には図示されてはいないが、封止孔１６ｂの内壁にまで伸びて形成されている。このように前記内壁をメタライズすることにより、金属である封止材２６との濡れ性を向上させることができ、密着性の向上、即ち、パッケージ１２の気密信頼性を向上させることができる。そして基板１４に曲げ応力を与えた場合、基板上の封止孔１６ａの周りに応力が集中しやすくなるが、このように第３端子３２を封止孔１６ａ内部にまで形成することにより、応力が第３端子３２に分散され、許容曲げ応力の低下を防止できる。

さらに第１端子２８及び第２端子３０は、図１において図示されてはいないが、それぞれ切欠き部１６ａ、１８ａの内壁にまで延びて形成される。これにより半田付けの作業効率を高め、機械的強度を高めるとともに、圧電振動子１０を実装する実装機器側の電極（不図示）との電気的接続を確実にして半田付けの信頼性を高めることができる。

第２基板１８の所定位置には貫通電極２８ｂ、貫通電極３０ｂがそれぞれ形成されている。貫通電極２８ｂの下端は第２基板１８の下端に露出して貫通電極２８ａと接続されている。貫通電極３０ｂの下端は第２基板１８の下端に露出して貫通電極３０ａと接続されている。また第２基板１８の圧電振動片２４の支持腕３７の先端領域３７ａと接続する位置に接続電極２８ｃ、接続電極３０ｃが形成されている。さらに第２基板１８の上面には第２接続電極２８ｄ及び第２接続電極３０ｄが形成されている。第２接続電極２８ｄは、一端が貫通電極２８ｂに接続され、他端が接続電極２８ｃに接続されている。そして第２接続電極３０ｄは、一端が貫通電極３０ｂに接続され、他端が接続電極３０ｃと接続されている。これにより接続電極２８ｃは貫通電極２８ａ、貫通電極２８ｂ、及び第２接続電極２８ｄを介して第１端子２８に電気的に接続され、接続電極３０ｃは、貫通電極３０ａ、貫通電極３０ｂ、及び第２接続電極３０ｄを介して第２端子３０と電気的に接続される。本実施形態においては、貫通電極２８ａ、貫通電極２８ｂが第１端子２８側に形成され、貫通電極３０ａ、貫通電極３０ｂが第２端子３０側に形成されているが、各端子に接続する貫通電極を互いに入れ替えて形成してもよい。さらに本実施形態では第１端子２８及び第２端子３０を接続電極と接続する能動端子としているが、第３端子３２を能動端子とする他の組み合わせでもよい。

ここで第１基板１６、第２基板１８及びパッケージ枠２０は、例えば、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを用いて形成した焼結体であり、リッド２２は前記焼結体、金属、ガラス等が用いられる。また第１端子２８、第２端子３０、第３端子３２、貫通電極２８ａ、貫通電極２８ｂ、貫通電極３０ａ、貫通電極３０ｂ、接続電極２８ｃ、接続電極３０ｃ、第２接続電極２８ｄ、及び第２接続電極３０ｄはタングステン等のペースト材料を焼結させて形成させたものであり、さらに第１端子２８、第２端子３０、第３端子３２、接続電極２８ｃ、第２接続電極２８ｄ、接続電極３０ｃ、第２接続電極３０ｄはＡｕ等のメッキが施されている。なお、第１基板１６、第２基板１８、第１端子２８、第２端子３０、第３端子３２、貫通電極２８ａ、貫通電極２８ｂ、貫通電極３０ａ、貫通電極３０ｂ、接続電極２８ｃ、第２接続電極２８ｄ、接続電極３０ｃ、及び第２接続電極３０ｄは同時に焼結させることができ、第１基板１６、第２基板１８、パッケージ枠２０を積層した状態で焼結させて一体構造とすることができる。なお、第１基板１６、第２基板１８、及びパッケージ枠２０を形成するセラミックグリーンシートの厚みを薄くすることにより、基板１４の厚みを薄くするとともに基板１４全体が可撓性を有することになる。なお第１端子２８、第２端子３０、及び第３端子３２は、基板１４の下面でストライプ状に配置されていれば良く、第１端子２８、第２端子３０は基板１４の長手方向の端部まで覆うように形成しなくても良い。

図２に基板を焼結して形成する際の模式図を示す。従来技術でも述べたように、基板１４及び各端子は図２に示すように上下からプレス器１５で圧縮した状態で焼結させる。そして図２（ａ）のように、第１端子２８及び第２端子３０を形成し、第３端子３２を形成しない場合は、圧縮時または焼結時に基板１４が大きく湾曲し、うねりが発生した状態で基板１４や各端子が焼結されることになる。このような基板１４上に圧電振動片２４を搭載すると、基板１４のうねりによって形成された凹部１４ａに後述の圧電振動片２４の支持腕３７の先端領域３７ａを導電性接着剤４０により接着して圧電振動片２４を固定することになるので、圧電振動片２４の基部３４、及び振動腕３６が基板１４に接触する虞がある（図５参照）。一方、図２（ｂ）に示す本実施形態のように、第１端子２８と第２端子３０との間に第３端子３２を設けることにより、第３端子３２の両端に凹部１４ｂが形成される可能性があるが、その深さは凹部１４ａよりも小さくなるため、基板１４に現れるうねりが抑制されるため、圧電振動片２４の基部３４及び振動腕３６の基板１４との接触を回避して、圧電振動片２４の実装時の歩留まりの低下を抑制できる。なお、このうねりが発生するか否かは、基板１４の厚み、基板材料（セラミック）の強度、基板１４の下面に形成される第１端子２８と第２端子３０との距離等に依存する。

圧電振動片２４は、水晶や、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の圧電材料を用い、音叉型で支持腕を有する外形の圧電振動片を用いている。圧電振動片２４は、基部３４と、基部３４から互いに平行に延出した一対の振動腕３６、基部３４の両側面から延出し、振動腕３６と同一方向に延びた一対の支持腕３７から形成される。振動腕３６の基板１４側及びリッド２２側には、振動特性向上のための溝部３８が形成されている。さらに振動腕３６の先端部の基板１４側及びリッド２２側には、周波数調整用の先端錘層（不図示）が形成されている。また圧電振動片２４において、溝部３８の内面及び振動腕３６の側面には励振電極（不図示）が形成され、励振電極（不図示）と接続され、支持腕３７の先端領域３７ａにまで延びる引出電極（不図示）が形成されている。引出電極（不図示）が導電性接着剤４０を介して基板１４上の接続電極２８ｃ、接続電極３０ｃと接続されることにより、圧電振動片２４は、支持腕３７の先端領域３７ａを支点とした状態で基板１４上に固着されるとともに、圧電振動片２４の励振電極（不図示）は基板１４下面にある第１端子２８及び第２端子３０と電気的に接続される。この先端領域３７ａが平面視して第３端子３２と重なる位置にある場合は、上述のうねりの影響を受けることはなく、また先端領域３７ａが平面視して凹部１４ｂに重なる位置にある場合も凹部１４ｂの深さは小さいため、いずれの場合においても圧電振動片２４が基板１４に当接することを回避することができる。導電性接着剤４０は、例えば、シリコーン系導電性接着剤（ヤング率１×１０^１〜５×１^２ＭＰａ）、或いはポリイミド系接着剤（ヤング率１×１０^３〜１×１０^４ＭＰａ）などの、硬化後に柔軟性を有するものが望ましい。これは、この柔軟性が外部からの衝撃力を吸収する効果を有しているからであり、この衝撃力の吸収により圧電振動子１０の破損を防止することが可能となる。

圧電振動片２４を上述の態様でパッケージ１２に収容し、パッケージ１２上面とリッド２２をシーム溶接等により、接合し、封止孔１６ｂ、１８ｂからパッケージ１２内部を真空引きしながら封止材２６となる金属ボールを封止孔１６ｂに挿入して加熱溶融したのち冷却して固めることにより、圧電振動片２４を真空封止した圧電振動子１０が形成される。

圧電振動子１０に基板１４の長手方向の中心で短辺方向に平行な線状の荷重分布を持つ荷重を与えた場合、基板１４の下面において、長手方向（長辺方向）に線対称となる応力がかかることになり、理想的には、応力の等高線は基板１４の短辺に平行な線となる。このような曲げ応力は、例えば圧電振動子１０を搭載したＩＣカードを曲げた場合に発生すると考えられる。一般に基板１４を形成するセラミック材料と第１端子２８等を形成する金属材料とではヤング率が異なるため、応力に対する歪みに差が生じる。よって、特に各端子の基板１４の短辺に平行な境界、すなわち、基板１４の長手方向の両端側にある第１端子２８の境界２８ｅ及び第２端子３０の境界３０ｅ、基板１４の長手方向の中央側にある第１端子２８の境界２８ｆ及び第２端子３０の境界３０ｆ、そして第３端子の基板１４の短辺に平行な一対の境界３２ａで示される、６つの境界に応力が集中するものと考えられる。しかし６つの境界に応力が集中するため、個々の境界に対する最大応力を抑制することができる。さらに、第１端子２８、第２端子３０、及び第３端子３２は基板１４の短辺方向にストライプ状に形成されているため各境界全域で均等に応力を受けることになり応力の集中を抑制できる。

第２実施形態に係る圧電振動子５０を図３に示す。図３は圧電振動子５０を底面からみた模式図である。第２実施形態に係る圧電振動子５０は、基本的形態は第１実施形態と共通するが、第３端子５６は、第３端子５６の基板１４の短辺に対向する一対の境界５６ａを曲線とする樽型の形状となっており、第１端子５２の第３端子５６に対向する境界、すなわち内側の境界５２ａは、第１端子５２にめり込む弓形の形状を有し、第２端子５４の第３端子５６に対向する境界、即ち内側の境界５４ａは、第２端子５４にめり込む弓形の形状を有している。第１実施形態において各端子は、応力の変化が基板１４の長辺方向のみで、その等高線が基板１４の短辺に平行な線となっている場合を前提としたが、第２実施形態においては、第３端子５６は、応力の等高線が基板の中央を中心として、同心円状、または基板の長辺方向（長手方向）を短軸とする同心の楕円状、またはこれらに類似した形状の応力分布となる場合に最適の形状となっている。このような応力分布を与えるためには、基板の中心にて１点で基板１４の厚み方向に曲げ応力を与える必要がある。このような曲げ応力は、例えば、圧電振動子５０を搭載したＩＣカードを指やペン先等で強く押した場合等に発生するものと考えられる。このように、第３端子５６の境界を応力の等高線に倣った形状とすることにより、応力が境界全域で均等に応力を受けることになるので、応力の集中を抑制することができる。さらに各境界の長さは基板１４の短辺の長さよりも長くなるので、第１実施形態の場合よりも単位長さ当たりの応力も小さくなるので、許容曲げ応力を高めることができる。

一方、第１端子５２及び第２端子５４においては、上述のように点状の荷重を与えた場合のみならず、第１実施形態で述べたような基板の短辺に平行な線状の荷重分布をもつ荷重を与えた場合であっても、第１端子５２及び第２端子５４の基板１４の短辺に対向する境界、即ち外側の境界５２ｂ、５４ｂの中央部分５２ｃ、５４ｃに最も応力が集中する分布が発生することが発明者によって見出されている。これは、圧電振動子５０の長手方向に曲げ応力を与えた場合、第１端子５２及び第２端子５４の基板１４の長辺方向の単位長さ当たりの微小応力は、各端子の短辺方向の中央領域が最も強くなり、前記中央領域から離れるほど減少するように分布するものと考えられるからである。よって、第１端子５２及び第２端子５４の基板１４の短辺と対向する境界、すなわち内側の境界５２ｂ、５４ｂには前記単位長さ当たりの微小応力を基板１４の長辺方向に積分した応力が集中するため、中央部分５２ｃ、５４ｃは最も強い応力を受けることになる。したがって、本実施形態のように前記中央部分５２ｃ、５４ｃにおける各端子の基板１４の長辺方向の幅を狭くすることで、前記中央部分５２ｃが受ける応力を減少させ、その減少分を前記中央部分５２ｃ、５４ｃから離れた領域（境界５２ｂ、５４ｂ）に拡散させることができるため、前記中央部分５２ｃ、５４ｃに対する応力の集中を抑制し、許容曲げ応力を高めることができる。

第１実施形態の圧電振動子１０、及び第２実施形態の圧電振動子５０を使用して、圧電デバイス（発振器、センサ）を構成することができる。圧電振動子１０、５０をＩＣ等で形成された発振回路（不図示）と接続して発振器を構成すると、周波数精度の高い交流信号を得ることができる。また、圧電振動子１０、５０を使用したセンサ（不図示）は、物理量に応じて圧電振動片の周波数が変動することを利用してその物理量を検出するセンサである。例えば、温度、加速度によって発生する応力、角速度によって発生するコリオリ力など検出するセンサが例に挙げられる。

図４に示すように、本願発明者は、圧電振動子を構成する基板に荷重を与えた場合の、基板下部にある端子の応力分布を、端子形状を変えた場合について調査した。図４（ａ）は基板６０に第３端子を形成せずに、第１端子６２、第２端子６４を形成した場合、図４（ｂ）第１端子６２、第２端子６４、及び第３端子６６を形成した場合、図４（ｃ）は第１端子６８、第２端子７０、及び第３端子６６を形成するとともに、第１端子６８の第３端子６６と対向する境界（内側の境界６８ａ）を第１端子６８側にめり込ませて弓形の形状とし、第２端子７０の第３端子６６と対向する境界（内側の境界７０ａ）を第２端子７０側にめり込ませて弓形の形状とした場合である。

いずれの場合においても、基板１４を可撓性のある矩形の実装基板（不図示）に接着している。その際、基板１４下面の第１端子６２，６８及び第２端子６４，７０を半田の接着面とし、基板６０と実装基板（不図示）の長手方向は平行であり、かつ両者の中心は平面視して重なった状態となっている。そして基板６０を実装基板（不図示）に対して下向きにし、実装基板（不図示）の長手方向の両端を保持し、実装基板（不図示）の上面の中央にて、実装基板（不図示）の短辺に平行な線状の荷重分布をもつ荷重を与える。すると基板６０は実装基板（不図示）と共に変形し基板６０の各端子が設けられた面を凹部とする曲げ応力を受けることになる。なお、図４においては、基板１４を平面視して縦２等分、横２等分で４等分したうちの１つを示しており、対称性から第１端子６２、６８と第２端子６４、７０では応力分布が線対称の関係となる。

図４（ａ）において、第１端子６２及び第２端子６４は内側の境界６２ａ、６４ａに圧縮応力がかかり（図４（ａ）の領域Ａ）、基板６０の長手方向の端部に対向する境界（外側の境界６２ｂ、６４ｂ）には引張り応力が掛かっており（図４（ａ）の領域Ｂ）、その中央部分６２ｃ、６４ｃに最も強い引張り応力（相対値：１）が掛かっている。そして、図４（ｂ）に示すように、第１端子６２と第２端子６４との間に第３端子６６を設けることによって、第３端子６６が全体的に圧縮応力を受け、これに伴い、第１端子６２及び第２端子６４の内側の境界６２ａ、６４ａに対する圧縮応力がかなり緩和されていることがわかる。そして、外側の境界６２ｂ、６４ｂに対する引張り応力も、その中央部分６２ｃ、６４ｃに最も強い引張り応力（相対値：０．９５）が掛かっていることは図４（ａ）と同様であるが、ある程度緩和されていることがわかる（図４（ｂ）の領域Ｃ）。

さらに、図４（ｃ）に示すように、第１端子６８及び第２端子７０の内側の境界６８ａ、７０ａを弓状とした場合、内側の境界６８ａ、７０ａの応力の分布は図４（ｂ）の場合と変化はないが、外側の境界６８ｂ、７０ｂの中央部分６８ｃ、７０ｃにおける引張り応力の集中は緩和されて中央部分６８ｃ、７０ｃのみならずその外側の境界６８ｂ、７０ｂの基板６０の長辺に接する側に引張り応力の分布が拡散されるととともに（図４（ｃ）の領域Ｄ）、中央部分６８ｃ、７０ｃにおける最も強い引張り応力（相対値：０．８４）もかなり緩和されることを見出した。これは上述のように、第１端子６８、第２端子７０の前記中央部分の幅を狭めることにより、中央部分６８ｃ、７０ｃに掛かる、各端子の基板の長辺方向の微小応力を積分して得られる応力が小さくなり、その分の応力が中央部分６８ｃ、７０ｃから離れた外側の境界６８ｂ、７０ｂに拡散したものと考えられる。

以上説明したように、本発明に係る圧電振動子１０、５０、圧電デバイスによれば、基板１４、第１端子２８、第２端子３０、及び第３端子３２をプレス焼成により同時に形成する場合、基板１４の中央領域に形成された第３端子３２が基板１４のうねりを抑制するため、基板１４と圧電振動片２４との接触を回避し、圧電振動片２４の基板１４への実装時の歩留まりの低下を抑制できる。特に支持腕３６を有する音叉型の圧電振動片２４を搭載する場合は、うねりの発生を最も抑制する領域、すなわち基板１４の平面視して第３端子３２と重なる領域を支点とすることができるためその効果が顕著となる。また、基板１４の中央領域が第３端子３２により補強されるので、前記中央領域に曲げ応力が集中することを回避し、中央領域から破損することを防止できる。そして、応力が集中する部分は各端子の基板１４の短辺に平行な６つの境界となるので、各境界当たりに掛かる応力を緩和して、基板の許容曲げ応力を高めることができる。

ところで、低背化した圧電振動子１０の場合、圧電振動片２４とパッケージ１２若しくはリッド２２との間で寄生容量が発生し、共振周波数等の特性が変動することが懸念される。一方、上記構成の場合、第１端子２８、第２端子３０、及び第３端子３２のうち圧電振動片２４に接続しない端子（第３端子３２）はダミー端子となっている。そこで、前記ダミー端子を接地することにより、パッケージ１２及びリッド２２が接地され寄生容量の発生を防ぐことができ、低背化しつつ周波数特性等を安定させた圧電振動子１０となる。

第２実施形態で述べたように、圧電振動子５０の長手方向に曲げ応力を与えた場合、第１端子５２及び第２端子５４の基板１４の長辺方向の単位長さ当たりの微小応力は、各端子の短辺方向の中央領域が最も強くなり、前記中央領域から離れるほど減少するように分布する。そして、第１端子５２及び第２端子５４の基板１４の短辺と対向する境界（外側の境界５２ｂ、５４ｂ）には、前記単位長さ当たりの微小応力を基板１４の長辺方向に積分した応力が集中するため、各端子の短辺と対向する境界（外側の境界５２ｂ、５４ｂ）の中央部分５２ｃ、５４ｃは最も強い応力を受けることになる。よって第２実施形態の構成とすることにより、前記中央部分５２ｃ、５４ｃに係る各端子の基板１４の長辺方向の幅を狭くすることで、前記中央部分５２ｃ、５４ｃがうける応力を減少させ、その減少分を前記中央部分５２ｃ、５４ｃから離れた領域（外側の境界５２ｂ、５４ｂ）にそれぞれ拡散させることができるため、前記中央部分５２ｃ、５４ｃに対する応力の集中を抑制し、許容曲げ応力を高めることができる。

第１実施形態のように、基板１４の長手方向に線対称となる曲げ応力を与えた場合、基板１４の第３端子３２が形成された領域の応力分布の等高線は基板１４の短辺に平行なものとなる。よって第３端子３２を矩形に形成することにより前記等高線と第３端子３２の境界３２ａが平行となるため、前記境界３２ａ全域に均一に応力がかかることになり、前記境界３２ａの特定の箇所に応力が集中することを防止して、基板１４の許容曲げ応力を高めることができる。

第２実施形態のように、基板１４の第３端子５６の中央領域を中心とする点状の応力を与えた場合、基板１４の第３端子５６の形成された領域において、その応力分布の等高線は同心円状、または基板１４の長手方向を短軸とする同心の楕円形状、若しくはこれらと類似した形状となる。よって第３端子５６を樽型として所定の曲率を与えることにより、第３端子５６の境界５６ａが前記等高線に倣った形状となるため、前記境界５６ａ全域に均一に応力がかかることになり、前記境界５６ａの特定の箇所に応力が集中することを防止して、基板１４の許容曲げ応力を高めることができる。

圧電振動子１０、５０において、圧電振動片２４をパッケージ１２中に真空封止するための封止孔１６ａ、１８ａを基板１４に形成する場合がある。しかし封止孔１６ａ、１８ａを基板１４に形成した状態で基板１４に曲げ応力を与えると、封止孔１６ａ、１８ａに応力が集中して基板１４が破損し、真空封止が破られる虞がある。しかし本発明によれば、封止孔１６ａ、１８ａ及びその周辺が第３基板３２、５６により補強されるため封止孔１６ａ、１８ａに対する応力の集中を防止して、基板１４の許容曲げ応力を高めるとともに、真空封止を維持することができる。そして、圧電振動子１０、５０に、前記圧電振動子１０、５０を発振させる発振回路を接続して構成することにより、低背化しつつ、許容曲げ応力を高め、圧電振動片２４の基板への実装時の歩留まりの低下を抑制した圧電デバイスを構築できる。

第１実施形態に係る圧電振動子の模式図である。 圧電振動子を構成する基板を焼結して形成する際の模式図である。 第２実施形態に係る圧電振動子の模式図である。 圧電振動子に荷重を与えた場合の、基板下部にある端子の応力分布を示す図である。 うねりが発生した基板上に支持腕を有する音叉型の圧電振動片を搭載した場合の模式図である。

符号の説明

１０………圧電振動子、１２………パッケージ、１４………基板、１５………プレス器、１６………第１基板、１８………第２基板、２０………パッケージ枠、２２………リッド、２４………圧電振動片、２６………封止材、２８………第１端子、３０………第２端子、３２………第３端子、３４………基部、３６………振動腕、３７………支持腕、３８………溝部、４０………導電性接着剤、５０………圧電振動子、５２………第１端子、５４………第２端子、５６………第３端子、６０………基板、６２………第１端子、６４………第２端子、６６………第３端子、６８………第１端子、７０………第２端子、１００………基板、１０２………端子、１０４………圧電振動片、１０６………基部、１０８………振動腕、１１０………支持腕、１１２………接着剤。

Claims (7)

1. 可撓性を有する矩形の基板上に圧電振動片を搭載し、前記基板下面に前記基板の長手方向にストライプ状に並べられて設けられた複数の端子を有する圧電振動子であって、
   前記複数の端子は、前記基板の長手方向の両端側にそれぞれ設けられた第１端子と、第２端子と、前記第１端子及び前記第２端子との間に設けられた第３端子であることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記第１端子、前記第２端子、及び前記第３端子のうちいずれかを前記圧電振動片に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記第１端子の前記第３端子に対向する境界は、前記第１端子にめり込む弓形の形状を有し、前記第２端子の前記第３端子に対向する境界は、前記第２端子にめり込む弓形の形状を有することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子。
4. 前記第３端子は、矩形に形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電振動子。
5. 前記第３端子は、前記第３端子の前記基板の短辺に対向する一対の境界を曲線とする樽型の形状となっていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電振動子。
6. 前記基板の前記第３端子が形成される領域には封止孔が形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の圧電振動子。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電振動子に、前記圧電振動子を発振させる発振回路を接続して構成されたことを特徴とする圧電デバイス。