JP2011124735A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】封止孔を有する表面実装型のパッケージを備える圧電デバイスの小型化及び低背化を同時に実現する。
【解決手段】振動部１０，１１の基端部９からその両側を平行に延出する第１及び第２支持腕１４，１５を有する圧電振動片２を気密に封止するパッケージ３を備える圧電デバイスにおいて、パッケージが、その内部に圧電振動片を収容するためのキャビティの内部に突出する凸部７ａと、該凸部を貫通してキャビティの内部及びパッケージの外面に開口する封止孔２２とを有する。第１支持腕はその長さが第２支持腕より短く、凸部は、平面的に見て圧電振動片と重ならないように、第１支持腕の延長方向にその先端よりも先に位置し、かつ圧電振動片の長さ方向において第２支持腕と少なくとも部分的に重なる範囲に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、様々な電子機器に使用される圧電振動子、圧電発振器等の圧電デバイスに関し、特に圧電振動片を収容したパッケージを気密に封止する表面実装型の圧電デバイスに関する。

従来、圧電デバイスは、回路基板等への実装に適した表面実装型のものが多く使用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミック等の絶縁材料からなる薄い箱型のベースとこれに接合される平板状のリッドとからなり、内部に圧電振動片を実装して気密に封止するパッケージ構造を採用する。また、圧電デバイスは、最近の電子機器の小型化、薄型化に伴い、より一層の小型化・薄型化が要求されている。

圧電デバイスを小型化するために、基端部から平行に延出する１対の振動腕と、該基端部から振動腕と平行に延出しかつ励振電極からの引出電極を設けた支持腕とを有する音叉型の圧電振動片が知られている（例えば、特許文献１を参照）。矩形薄板の振動部を有する厚み滑り振動モードの圧電振動片も、同様に振動部の基端からそれと平行に延出しかつ励振電極からの引出電極を設けた支持腕を備えた構造が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

これらの圧電振動片は、支持腕において導電性接着剤でパッケージのマウント電極に固着することにより、電気的に接続すると同時に機械的に固定支持される。従って、圧電振動片をその基端部で導電性接着剤により片持ちに固定支持する従前の構造に比して、長手方向に基端部の寸法が小さくなるので、その分圧電振動片及び圧電デバイスを小型化することができる。

通常圧電振動片の支持腕は、圧電振動片をバランスよく固定するという点において、振動腕または振動部の両側に１つずつ設けられる。また支持腕は、振動腕または振動部の片側に１つだけ設け、該支持腕と基端部とにおいてパッケージに固定することも可能である（例えば、特許文献３を参照）。

更に音叉型の圧電振動片は、振動腕の先端にその幅を拡大した錘部を形成することにより、振動腕を短くして振動片全体を長手方向に小型化することができる（例えば、特許文献４を参照）。この幅広の錘部によって、高次振動モードの発生を抑制し、振動周波数の安定性を得ることができる。

また、表面実装型の圧電デバイスには、リッドとベースとの接合時に封止材から発生するガスや水分を排出しかつ／又は内部を所望の真空状態又は雰囲気に封止するために、予め外部と連通する封止孔を設け、これをリッドとベースとの接合後に閉塞するパッケージ構造が使用されている。パッケージの封止孔は、多くの場合、セラミック材料の薄板を積層した構造のベースに設けられる（例えば、特許文献２，３，５を参照）が、平板状のリッドに設けることもできる（例えば、特許文献６を参照）。

特開２００４−２９７１９８号公報 特開２００９−２１７９４号公報 特開２００４−３４３５４１号公報 特開２００５−５８９６号公報 特開２００６−３３２７２７号公報 特開２００２−１７１１５２号公報

パッケージの封止孔は、その中に置いた低融点金属からなる球状、ペレット状の封止材にレーザビーム又はハロゲンランプ等を照射し、瞬間的に加熱溶融させて閉塞する。このとき、封止材がパッケージ内に落下しないように、封止孔は内側の開口径を外側の開口径よりも小さくすることが好ましい。このような封止孔は、ベースがセラミック薄板の積層構造からなる場合、その底板を構成するセラミック薄板に設けた大径孔と、その上に積層されるセラミック薄板に設けた小径孔とを同心に配置することにより、段差付きの２層構造に形成される。また、金属平板からなるリッドには、ポンチ等の治具を用いて下向きの凸部を形成しかつその中心に貫通孔を開設することによって、封止孔を形成することができる。

上述した従来技術の封止孔は、パッケージのベースまたはリッドのいずれに設ける場合も、パッケージの平面寸法を小型化するように、これらを平面視したときに圧電振動片と重なるように配置される。特に封止孔を圧電振動片の励振電極と重なる位置に設けた場合には、リッドをベースに接合した後に、外部から封止孔を介してレーザ光等を照射して励振電極を部分的に除去することによって、圧電振動片の振動周波数を微調整することができる。

しかしながら、上述したように封止孔をベースに設けかつ圧電振動片と重なるように配置したパッケージは、ベースの底板部分を少なくとも少なくとも２層の積層構造にする必要がある。更に、封止孔の内側開口と圧電振動片との間に隙間を設けなければならない。そのため、パッケージをそれ以上薄型化・低背化することが困難である。同様に、封止孔をリッドに設けた場合も、リッド内面の凸部と圧電振動片との間に隙間を設けなければならず、パッケージの薄型化・低背化が制限される。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ベースまたはリッドに封止孔を有する表面実装型のパッケージを備える圧電デバイスにおいて、その小型化及び低背化を同時に実現することにある。

本発明の圧電デバイスは、上記目的を達成するために、圧電振動片と、該圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、
圧電振動片が、振動部と、該振動部の基端部から延出しかつ振動部の両側に沿って配置された第１及び第２支持腕とを有し、
パッケージが、絶縁材料からなる箱型のベースと、該ベースの上部に接合される平板状のリッドと、ベースとリッドとにより画定されてその内部に圧電振動片を収容するためのキャビティと、ベース又はリッドからキャビティの内部に突出する凸部と、該凸部を貫通してキャビティの内部及びパッケージの外面に開口する封止孔とを有し、
圧電振動片が、第１及び第２支持腕においてキャビティの底面に固定支持され、
封止孔が封止材により気密に閉塞され、
第１支持腕の長さが第２支持腕の長さより短く、
凸部が、平面的に見て圧電振動片と重ならないように、第１支持腕の延長方向に該第１支持腕の先端寄りも先に位置しかつ圧電振動片の長さ方向において第２支持腕と少なくとも部分的に重なる範囲に設けられていることを特徴とする。

このように振動部の両側に設けられる支持腕の一方を他方より短くすることによって、キャビティ内部に圧電振動片と重ならない平面スペースを確保し、この平面スペースに凸部を設けて封止孔を開設することによって、パッケージを低背化しかつ平面的に小型化することができる。

或る実施例では、圧電振動片の幅方向において、振動部が短い第１支持腕よりも長い第２支持腕に近くなるように配置されている。これにより、圧電振動片の重心位置が第１支持腕よりも第２支持腕に近くなるので、圧電振動片をよりバランス良く支持することができ、圧電振動片の振動漏れを防止して、より一層振動の安定性を図ることができる。

また、或る実施例では、ベースが複数の絶縁材料板の積層構造により箱型に形成され、キャビティの底面が第１の絶縁材料板により画定され、かつ凸部が第１の絶縁材料板に積層される第２の絶縁材料板によりそれぞれ画定され、第１の絶縁材料板に形成された大孔部と該大孔部に連続するように第２の絶縁材料板に形成された小孔部とによって、封止孔がその内側に段差を有するように形成される。このように、その中に球状、ペレット状の封止材を置くために段差付きの封止孔を有するベースを、最少２枚の絶縁材料板からなる積層構造とすることができるので、パッケージの低背化に有利である。

別の実施例では、リッドが凸部を有し、該凸部の封止孔がリッドの外面からキャビティに向けてテーパを付した傾斜面を有することにより、同様にレーザビーム又はハロゲンランプ等の照射により加熱溶融させる球状、ペレット状の封止材を、封止孔の傾斜面にキャビティ内に落下しないように置くことができる。

或る実施例では、振動部がその基端部から平行に延出して屈曲振動する少なくとも１対の振動腕を有する音叉型の圧電振動片を備える。この場合、振動腕がその先端に幅広の錘部を有することにより、振動腕を短くしても、高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られるので、圧電振動片全体を長手方向に小型化することができる。

別の実施例によれば、本発明は、振動部が矩形平板からなる厚み滑り振動の圧電振動片を有する圧電デバイスに適用することができる。

また、或る実施例では、圧電振動片が、第１及び第２支持腕に加えて、更にその基端部においてキャビティの底面に固定されることにより、より安定して確実に支持することができる。

（Ａ）図は本発明による圧電デバイスの第１実施例をリッドを省略して示す平面図、（Ｂ）図はそのＩB−ＩB線における縦断面図、（Ｃ）図はそのＩC−ＩC線における縦断面図。 （Ａ）図は本発明による圧電デバイスの第２実施例の平面図、（Ｂ）図はそのIIB−IIB線における縦断面図、（Ｃ）図はそのIIC−IIC線における縦断面図。 （Ａ）図は本発明による圧電デバイスの第３実施例をリッドを省略して示す平面図、（Ｂ）図はそのIII−III線における縦断面図。 （Ａ）図は本発明による圧電デバイスの第１実施例をリッドを省略して示す平面図、（Ｂ）図はそのIV−IV線における縦断面図。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

図１（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による圧電デバイスの第１実施例を示している。第１実施例の圧電振動子１は、音叉型圧電振動片２を内部に気密に封止するパッケージ３を備える。パッケージ３は、セラミック材料からなる箱型のベース４と平坦な矩形薄板のリッド５とを有する。ベース４は、矩形平板状をなす下側のセラミックス薄板６と矩形枠状をなす上側のセラミックス薄板７とを積層することにより、その内部に圧電振動片２を収容するためのキャビティが画定される。リッド５は、封止材８によりベース４の上端面に気密に接合される。

リッド５は、コバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料、ガラス、シリコン、水晶、セラミック等の絶縁材料で形成される。リッド５が金属材料の場合、封止材８としてコバール等からなるシームリングや、銀ろう、はんだ等のろう材を用いることができる。リッド５がガラス、シリコン、水晶、セラミック等の場合には、低融点ガラスや接着剤を封止材８に用いることができる。

圧電振動片２は、基端部９と、該基端部から長さ方向に互いに平行に延出する１対の振動腕１０，１１とを有する。各振動腕は、その先端にそれぞれ幅広の錘部１０ａ，１１ａを有する。前記錘部によって、前記振動腕はその長さを短くしても、高次振動モードの発生を抑制して振動周波数の安定性を得られ、圧電振動片２全体を長手方向に小型化することができる。本実施例の振動腕１０，１１は、その幅が全長に亘って一定である。別の実施例では、前記振動腕の幅が基端側から先端に向けて先細に狭くなるように形成することができる。

更に圧電振動片２は、その幅方向の両側に配置されかつ基端部９の両側の連結部分１２，１３に結合された第１支持腕１４と第２支持腕１５とを有する。第１及び第２支持腕１４，１５は、それぞれ前記連結部分から前記振動腕の両側に沿って該振動腕と略平行に延出する。第２支持腕１５が振動腕１１の錘部１１ａ付近まで延長する長さを有するのに対し、第１支持腕１４は第２支持腕１５の半分位の長さに短く形成されている。

ベース４の前記キャビティ底面には、実装した圧電振動片２の第１支持腕１４の先端部分に概ね対応する位置、及び第２支持腕１５の先端部分と中間部分とにそれぞれ概ね対応する位置にマウント電極１６〜１８が設けられている。圧電振動片２は、第１支持腕１４の先端部分、第２支持腕１５の先端部分及び中間部分をそれぞれ対応するマウント電極１６〜１８に導電性接着剤１９〜２１で固着する。これにより、前記圧電振動片は、振動腕１０，１１の励振電極（図示せず）から基端部９を介して第１、第２支持腕１４，１５に配線された引出電極（図示せず）を電気的に接続すると同時に、機械的に固定支持されている。

更にベース４には、前記キャビティ底面から上向きに突出する凸部７ａが設けられている。凸部７ａには、前記キャビティの内部をパッケージ３の外部に連通する封止孔２２が形成されている。封止孔２２は、Ａｕ−Ｓｎ、はんだ等の適当な封止材２３で気密に閉塞されている。

図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、凸部７ａは、ベース４を構成する矩形枠状の上側セラミックス薄板７から前記キャビティの内側に延出する部分によって形成されている。封止孔２２は、前記キャビティの底面を画定する下側セラミックス薄板６を貫通する大孔部２２ａと、上側セラミックス薄板７の前記延出部分を貫通する小孔部２２ｂとを同心に連続して配置することにより、その内部に段差を有するように形成される。この段差によって、封止孔２２を封止する際に、該封止孔の中に球状、ペレット状の封止材をキャビティ内に落下しないように置き、真空雰囲気中でレーザビーム又はハロゲンランプ等の照射により加熱溶融させることができる。

凸部７ａは、短い第１支持腕１４の先端と隣接する振動腕１０の錘部１０ａとの間に画定される平面スペースに配置される。このように凸部７ａは、平面的に見て圧電振動片２と重ならないように、更に前記第１支持腕の延長方向に該第１振動腕の先端よりも先に位置し、かつ圧電振動片２の長さ方向において前記第２支持腕と少なくとも部分的に重なる範囲に設ける。これによって、パッケージ３を低背化しかつ平面的に小型化することができる。特に、ベース４を最少２枚のセラミック薄板からなる積層構造とすることができるので、パッケージ３を低背化するのに有利である。

また、本実施例において、圧電振動片２は、その幅方向に基端部９の第２支持腕１５との連結部分１３を第１支持腕１４との連結部分１２よりも短くして、振動腕１０，１１からなる振動部が前記第１支持腕よりも前記第２支持腕に近く位置するように配置されている。これにより、圧電振動片２の重心位置が第１支持腕１４よりも第２支持腕１５に近くなるので、圧電振動片をよりバランス良く支持することができる。従って、圧電振動片２の振動漏れを有効に防止して、より一層振動の安定性を図ることができる。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明による圧電デバイスの第２実施例を示している。第２実施例の圧電振動子３１は、音叉型圧電振動片３２を内部に気密に封止するパッケージ３３を備える。パッケージ３３は、セラミック材料からなる箱型のベース３４と平坦な矩形薄板のリッド３５とを有する。ベース３４は、第１実施例のベース４と同様に、矩形平板状の下側セラミックス薄板３６と矩形枠状の上側セラミックス薄板３７とを積層することにより、その内部に圧電振動片３２を収容するためのキャビティが画定される。

圧電振動片３２は、第１実施例の圧電振動片２と全く同一の構成を有しかつ同様にしてベース３４に固定支持されるので、それ以上の説明を省略する。

リッド３５は、封止材３８によりベース３４の上端面に気密に接合される。本実施例のリッド３５は、コバール、４２アロイ、ＳＵＳ等の金属材料で形成されている。封止材３８には、コバール等からなるシームリングや、銀ろう、はんだ等のろう材を用いることができる。

リッド３５には、その内面から前記キャビティ内に下向きに突出する凸部３９が設けられている。凸部３９の中心には、前記キャビティの内部をパッケージ３３の外部に連通する封止孔４０が形成されている。封止孔４０は、Ａｕ−Ｓｎ、はんだ等の適当な封止材４１で気密に閉塞されている。

図２（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、凸部３９は下向きの円錘形状に形成され、封止孔４０は、リッド３５の外面から前記キャビティに向けてテーパを付した傾斜面を有する。この傾斜面によって、封止孔４０を封止する際に、該封止孔の中に球状、ペレット状の封止材をキャビティ内に落下しないように置き、真空雰囲気中でレーザビーム又はハロゲンランプ等の照射により加熱溶融させることができる。このような凸部３９及び封止孔４０は、例えばポンチ等の治具を用いて形成することができる。

凸部３９は、短い第１支持腕１４の先端と隣接する振動腕１０の錘部１０ａとの間に画定される平面スペースに配置される。このように凸部３９は、平面的に見て圧電振動片３２と重ならないように、更に前記第１支持腕の延長方向に該第１振動腕の先端よりも先に位置し、かつ圧電振動片３２の長さ方向において前記第２支持腕と少なくとも部分的に重なる範囲に設ける。これによって、パッケージ３３を低背化しかつ平面的に小型化することができる。

図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明による圧電デバイスの第３実施例を示している。第３実施例の圧電振動子５１は、厚み滑り振動モードの圧電振動片５２を内部に気密に封止するパッケージ３を備える。パッケージ３は、第１実施例のパッケージと全く同一の構成を有するので、それ以上の説明を省略する。

圧電振動片５２は、基端部５３と、該基端部から長さ方向に延出する矩形平板状の振動部５４とを有する。更に圧電振動片５２は、その幅方向の両側に配置されかつ基端部５３の両側の連結部分５５，５６に結合された第１支持腕５７と第２支持腕５８とを有する。第１及び第２支持腕５７，５８は、それぞれ前記連結部分から前記振動部の両側に沿ってそれと略平行に延出する。第１支持腕５７は、第２支持腕５８の半分位の長さに短く形成されている。

パッケージ３は第１実施例のパッケージと同一の構成を有する。本実施例では、ベース４に設けられる凸部７ａが、平面的に圧電振動片５２と重ならないように、短い第１支持腕５７の延長方向に該第１振動腕の先端よりも先に位置し、かつ前記圧電振動片の長さ方向において第２支持腕５８と少なくとも部分的に重なる範囲に設けられる。これによって、第１実施例と同様に、パッケージ３を低背化しかつ平面的に小型化することができる。また、ベース４を最少２枚のセラミック薄板からなる積層構造とすることができ、パッケージ３を有効に低背化することができる。

本実施例においても、圧電振動片５２は、その幅方向に基端部５３の第２支持腕５８との連結部分５６を第１支持腕５７との連結部分５５よりも短くして、振動部５２が前記第１支持腕よりも前記第２支持腕に近く位置するように配置されている。これにより、圧電振動片５２の重心位置が第１支持腕５７よりも第２支持腕５８に近くなるので、圧電振動片をよりバランス良く支持することができる。従って、圧電振動片５２の振動漏れを有効に防止して、より一層振動の安定性を図ることができる。

図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明による圧電デバイスの第４実施例を示している。第４実施例の圧電振動子６１は、厚み滑り振動モードの圧電振動片６２を内部に気密に封止するパッケージ３３を備える。パッケージ３３は、第２実施例のパッケージと全く同一の構成を有するので、それ以上の説明を省略する。

圧電振動片６２は、第３実施例の圧電振動片５２と同様に、基端部６３と、該基端部から長さ方向に延出する矩形平板状の振動部６４と、その幅方向の両側に配置されかつ基端部６３の両側の連結部分６５，６６に結合された第１支持腕６７と第２支持腕６８とを有する。第１及び第２支持腕６７，６８は、それぞれ前記連結部分から前記振動部の両側に沿ってそれと略平行に延出する。第１支持腕６７は、第２支持腕６８の半分位の長さに短く形成されている。

パッケージ３３は第２実施例のパッケージと同一の構成を有する。本実施例では、リッド３５に設けられる凸部３９が、平面的に見て圧電振動片６２と重ならないように、短い第１支持腕６７の延長方向に該第１振動腕の先端よりも先に位置し、かつ前記圧電振動片の長さ方向において第２支持腕６８と少なくとも部分的に重なる範囲に設けられる。これによって、第２実施例と同様に、パッケージ３３を低背化しかつ平面的に小型化することができる。

本発明は、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的範囲内で様々な変形又は変更を加えて実施することができる。例えば、圧電振動片は、第１及び第２支持腕と基端部とにおいてベースのキャビティ底面に固定することができ、それによってより安定して確実に支持することができる。また、本発明は、上記各実施例の圧電振動子以外に、例えば基端部から２対の振動腕が延出する圧電ジャイロ素子のような、様々な圧電デバイスに適用することができる。

１，３１，５１，６１…圧電振動子、２，３２，５２，６２…圧電振動片、３，３３…パッケージ、４，３４…ベース、５，３５…リッド、６，７，３６，３７…セラミックス薄板、７ａ，３９…凸部、８，３８…封止材、９５３，６３…基端部、１０，１１…振動腕、１０ａ，１１ａ…錘部、１２，１３，５３，６３…連結部分、１４，５７，６７…第１支持腕、１５５８，６８…第２支持腕、１６〜１８…マウント電極、１９〜２１…導電性接着剤、２２，４０…封止孔、２３，４１…封止材、５４，６４…振動部。

Claims (8)

1. 圧電振動片と、前記圧電振動片を気密に封止するパッケージとを備え、
   前記圧電振動片が、振動部と、前記振動部の基端部から延出しかつ該振動部の両側に沿って配置された第１及び第２支持腕とを有し、
   前記パッケージが、絶縁材料からなる箱型のベースと、前記ベースの上部に接合される平板状のリッドと、前記ベースと前記リッドとにより画定されてその内部に前記圧電振動片を収容するためのキャビティと、前記ベース又は前記リッドから前記キャビティの内部に突出する凸部と、前記凸部を貫通して前記キャビティの内部及び前記パッケージの外面に開口する封止孔とを有し、
   前記圧電振動片が、前記第１及び第２支持腕において前記キャビティの底面に固定支持され、
   前記封止孔が封止材により気密に閉塞され、
   前記第１支持腕の長さが前記第２支持腕の長さより短く、
   前記凸部が、平面的に見て前記圧電振動片と重ならないように、前記第１支持腕の延長方向に該第１支持腕の先端よりも先に位置し、かつ前記圧電振動片の長さ方向において前記第２支持腕と少なくとも部分的に重なる範囲に設けられていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記圧電振動片の幅方向において、前記振動部が前記第１支持腕よりも前記第２支持腕に近くなるように配置されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 前記ベースが複数の絶縁材料板の積層構造からなり、前記キャビティの底面が第１の前記絶縁材料板により画定され、かつ前記凸部が前記第１の絶縁材料板に積層される第２の前記絶縁材料板により画定され、前記封止孔が、前記第１の絶縁材料板に形成された大孔部と前記大孔部に連続するように前記第２の絶縁材料板に形成された小孔部とからなることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
4. 前記リッドが前記凸部を有し、前記封止孔が、前記リッドの外面から前記キャビティに向けてテーパを付した傾斜面を有することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
5. 前記振動部が、前記基端部から平行に延出して屈曲振動する少なくとも１対の振動腕を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧電デバイス。
6. 前記振動腕が、その先端に幅広の錘部を有することを特徴とする請求項５記載の圧電デバイス。
7. 前記振動部が、厚み滑り振動をする矩形平板からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の圧電デバイス。
8. 前記圧電振動片が、更に前記基端部において前記キャビティの底面に固定支持されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか記載の圧電デバイス。

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