JP2012120075A - 圧電振動子、及び圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を小型化すると共に耐衝撃性を改善した圧電振動子を得る。
【解決手段】圧電振動素子１と、これを収容するパッケージ３０と、を備えた圧電振動子２である。圧電振動素子１は、複数の振動腕１０、これらを連接する基部７、各振動腕１０の他方の端部に設けた錘部１４を備えた圧電基板と、各振動腕の表裏面に形成され励振電極と、を備えている。更に、各錘部１４の表裏に形成された電極膜と、各電極膜の少なくとも一部に設けられた無電極部１８と、を有している。パッケージ３０は、素子搭載パッド３７、及び実装端子３５を備えた絶縁基板と、気密封止する蓋体４０と、絶縁基板上面に形成された干渉防止用凹部３８と、を備えている。無電極部１８は、干渉防止用凹部３８の素子搭載パッド３７寄り角部と接する部位を中心とした領域に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動素子の小型化を図ると共に、耐衝撃性を改善した圧電振動子、及びそれを用いた圧電発振器に関する。

圧電振動子の一種としての音叉型水晶振動子は、時計用の基準周波数源や、圧電ジャイロ装置用の角速度センサなどに用いられ、これらを搭載した電子機器等の小型化が進んでいる。これに伴い、圧電振動子の更なる小型化が求められている。
特許文献１には、図８に示すような耐衝撃性を改善した圧電デバイス（圧電振動子）が開示されている。図８（ａ）は平面図であり、同図（ｂ）はＰ−Ｐ断面図である。圧電デバイス１１０は、圧電振動素子１１４と、この圧電振動素子１１４を収容するパッケージ本体１１１と、蓋体１２４と、を備えている。

圧電振動素子１１４は、圧電基板と、該圧電基板上に形成された励振電極とから構成されている。圧電基板は、基部１１６と、基部１１６の一端縁からほぼ並行に突出された一対の振動腕１１５と、各振動腕１１５よりも外側の基部一端縁から各振動腕１１５と夫々離間しつつ並行に延びる一対の支持腕１１７と、各支持腕の先端に一体化された錘層１２１と、を備えている。振動腕１１５の夫々の表裏面には、基部１１６の近傍から中央部付近まで溝部１１８が形成されている。更に、溝部１１８と先端の錘層１２１との間には、各振動腕１１５を励振するための励振電極が形成されている。
パッケージ本体１１１は、上面に圧電振動素子１１４を収容する収容凹部１１３と、収容凹部１１３の内底面に形成された底面凹部１２２と、を備えている。更に、収容凹所の内底面の他の箇所には、各支持腕１１７の底面のリード電極と電気的に接続するための接続パッド１１９が形成されている。接続パッド１１９の上面には、圧電振動素子１１４の支持腕１１７が載置され、導電性接着剤１２０などから成る接合部１２５により接続されている。
圧電デバイス１１０に落下などの衝撃が加わると、圧電振動素子１１４は、接合部１２５を支点として基部１１６側が内底面１１２に向かって変形する一方で、振動腕１１５の先端側が底面１１２に向かって変形する。この時、先端錘層１２１を含む振動腕１１５の先端部が底面凹部１２２内に入り、溝部１１８と錘層１２１との間に位置する振動腕底面が底面凹部１２２の接触縁１２３に接触するように構成されている。

特許文献２には、音叉型圧電振動素子の振動腕の長さをＬとしたとき、振動腕の先端から基部に向かって０．０１×Ｌ離れた位置に、周波数調整用金属膜の端部を設ける例が示されている。落下による衝撃を受けても、周波数調整用金属膜は、パッケージ本体、又は蓋体に接触しないので、周波数の変動が軽減されると開示されている。
また、特許文献３には、振動腕の先端部に対応する位置に、矩形状の凹部が設けられたパッケージ本体に、音叉型圧電振動素子を収容した例が、開示されている。凹部を設けたことにより、外部からの衝撃により音叉型圧電振動素子の振動腕が下向きに振れても、振動腕の中間部が凹部の角に当接する。このため、振動腕の先端が破損して欠落したり、欠落した材料が音叉型圧電振動素子に再付着する虞がなく、周波数の変動に与える影響が少ないと開示されている。

特開２００８−１１８５０１公報 特開２００９−２９０７７８公報 特開２０１０−９３８５９公報

しかしながら、特許文献１に開示の圧電振動素子１１４では、振動腕１１５の先端側がパッケージ本体の内底面に向かって変形し、その結果、底面凹部１２２内に振動腕１１５の錘層１２１が入り、振動腕下面が底面凹部１２２の接触縁１２３と接触する。しかし、振動腕下面とパッケージ本体内底面との接触部の幅は振動腕の幅であり、接触部の近辺には溝部１１８も形成されているので、衝撃により接触縁１２３に激突する際に、振動腕が破損したり、一部が欠落する虞があった。
また、特許文献２、３に開示の音叉型圧電振動素子では振動腕方向の寸法が大きく、小型化に問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、圧電振動素子の小型化を図ると共に、耐衝撃性を改善した圧電振動子、及びそれを用いた発振器を提供することにある。

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］本発明の圧電振動子は、圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えた圧電振動子であって、前記圧電振動素子は、複数の振動腕、各振動腕の一方の端部間を連接すると共に複数の電極パッドを備えた基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面の少なくとも一方の面に形成された溝部、を備えた圧電基板と、前記各溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面の少なくとも一方の面に夫々形成され、且つ前記複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、前記各錘部の表裏の少なくとも一部に形成された電極膜と、前記各電極膜の少なくとも一部に設けられた無電極部と、を有し、前記パッケージは、前記圧電振動素子の前記各電極パッドと夫々電気的機械的に接続される素子搭載パッド、及び実装端子を備えた絶縁基板と、前記素子搭載パッド上に搭載された前記圧電振動素子を含む前記絶縁基板上面を気密封止する蓋体と、前記絶縁基板上面に形成された干渉防止用凹部と、を備え、前記無電極部は、前記干渉防止用凹部の前記素子搭載パッド寄り角部と接する部位を中心とした領域に形成されていることを特徴とする圧電振動子である。

各振動腕の端部に夫々各振動腕よりも幅広の錘部を連接し、各錘部の一部に無電極部を設けた圧電振動素子を形成する。一方、絶縁基板（パッケージ）は、その上面に素子搭載パッドと干渉防止用凹部と、を有し、圧電振動素子の支持腕を素子搭載パッドに接着・固定し、絶縁基板の主面に直交方向の衝撃が加えられた際に、各錘部に設けた無電極部が干渉防止用凹部の素子搭載パッド寄り角部と接触するように構成する。
錘部の無電極部が干渉防止用凹部の角部（接触縁）に当たるので、錘部に形成した電極膜の剥離等が生じる虞がなく、しかも、角部（接触縁）の先端に当たるのは、溝部が形成された振動腕ではなく、振動腕の幅より幅広の錘部である。そのため、衝撃に対し強く、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例２］また、圧電振動子は、前記基部が、基部本体と、該基部本体の前記振動腕とは反対側の他端縁中間部に設けた連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる左右一対の支持腕と、を備えていることを特徴とする適用例１の圧電振動子である。

圧電振動素子の基部が、基部本体と、連結部と、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕と、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を連結部を介して基部本体の一方の端部中央に連接して構成されている。そのため、振動腕より各支持腕に漏洩する振動エネルギーは極めて小さくできるので、圧電振動子のＱ値を大きく、つまりＣＩ値を小さくすることが可能となると共に、耐衝撃性が改善され、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例３］また、圧電振動子は、前記各錘部が、前記各振動腕の振動中心線に対し左右対称形状であり、前記各振動腕に近い部位よりも該各振動腕から離間した部位の方が幅広に形成されていることを特徴とする適用例１又は２に記載の圧電振動子である。

各振動腕の端部に連接される各錘部が、各振動腕の振動中心線に対し対称であり、且つ振動腕より離れる部位の方が幅広に形成されているので、音叉振動が安定し、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）を小型化できると共に、耐衝撃性が改善され、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例４］また、圧電振動子は、前記無電極部の幅員が、前記振動腕の長手方向と直交する幅方向両端部が最大で、幅方向中央部が最小となるように構成されていることを特徴とする適用例１乃至３の何れか１項に記載の圧電振動子である。

無電極部は、その幅員が、振動腕の長手方向と直交する幅方向両端部が最大で、幅方向中央部が最小となるように構成されている。このような形状であると、振動腕が励振されているときに、圧電振動子の主面と直交する方向の衝撃が加えられても、無電極部が干渉防止用凹部の角部（接触縁）に当たるので、錘部に形成した電極膜が剥離して圧電振動子の周波数が変動する虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例５］また、圧電振動子は、前記絶縁基板は上面にキャビティーを備えると共に、該キャビティー内に前記圧電振動素子を収容し、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線、及び前記各無電極部の中心部間を結ぶ直線に直交する直交線の長さをＬ０とし、前記素子搭載パッド上の固定部の厚さをｔとし、前記錘部の先端部と前記干渉防止用凹部の外寄りの端縁との距離をｗ１とし、前記基部の外寄りの端縁と該外寄りの端縁と対向する前記キャビティーの内壁との距離をｗ２としたときに、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と直交し、前記無電極部の形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線の長さＬが、
（ｔ^２＋（Ｌ０−ｗ１）^２）^１／２＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋ｗ２）^２）^１／２
の範囲となるように、前記無電極部の形成領域が形成されていることを特徴とする適用例１乃至４の何れか１項に記載の圧電振動子である。

パッケージ本体（絶縁基板）の素子搭載パッド中心と、基部本体のみを有する圧電振動素子の基部本体の支持点と、を合致するように圧電振動子を構成する。載置位置に多少の誤差が生じても上記の式に基づく範囲に無電極部を形成しておけば、無電極部が干渉防止用凹部の角部（接触縁）に当たるので、錘部に形成した電極膜が剥離して周波数が変動する虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。その上、小型化が可能な圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例６］また、圧電振動子は、前記絶縁基板は上面にキャビティーを備えると共に、該キャビティー内に前記圧電振動素子を収容し、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線、及び前記各無電極部の中心部間を結ぶ直線に直交する直交線の長さをＬ０とし、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と前記基部本体の端縁と並行な前記支持腕の中心線との距離をＬ１とし、前記素子搭載パッド上の固定部の厚さをｔとし、前記錘部の先端部と前記干渉防止用凹部の外寄りの端縁との距離をｗ１とし、前記基部の外寄りの端縁と該外寄りの端縁と対向する前記キャビティーの内壁との距離をｗ２としたときに、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と直交し、前記無電極部の形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線の長さＬが、
（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１−ｗ１）^２）^１／２−Ｌ１＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１＋ｗ２）^２）^１／２−Ｌ１
の範囲となるように、前記無電極部の形成領域が形成されていることを特徴とする適用例１乃至４の何れか１項に記載の圧電振動子である。

パッケージ本体（絶縁基板）の素子搭載パッド中心と、２つのＬ字状支持腕を有する圧電振動素子の支持点と、を合致するように圧電振動子を構成する。載置位置に多少の誤差が生じても上記の式に基づく範囲に無電極部を形成すれば、無電極部が干渉防止用凹部の角部（接触縁）に当たるので、錘部に形成した電極膜が剥離して周波数が変動する虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。その上、小型化が可能であり、ＣＩ値の小さな圧電振動子が得られるという効果がある。

［適用例７］また、圧電発振器は、適用例１乃至６の何れか１項に記載の圧電振動子と、前記圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。

記の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、これらを収容するパッケージと、を備えた圧電発振器を構成すると、小型で、且つ耐衝撃性に強い圧電発振器が得られるという効果がある。

本発明の一実施形態に係る圧電振動素子の構成を示す概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図。 本発明に係る圧電振動子の構成を示す概略縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係る圧電振動子を構成する圧電振動素子の構成を示す平面図。 （ａ）は圧電振動子の平面図であり、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図。 （ａ）は圧電振動子の平面図であり、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図、（ｃ）は各部の位置関係を説明するための断面図。 （ａ）は錘部に形成する無電極部の変形例の平面図であり、（ｂ）は振動腕要部の屈曲振動の説明図。 本発明に係る圧電発振器の構成を示す概略断面図。 従来の圧電振動子の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す平面図であり、同図（ｂ）はＰ−Ｐ断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子２の構成を示す断面図である。
圧電振動子２は、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１と、圧電振動素子１を収容するパッケージ本体３０と、パッケージ本体３０を気密封止する蓋部材４０と、を概略備えている。
圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１は、圧電基板５と、圧電基板５の複数の振動腕１０ａ、１０ｂを励振するための励振電極２０、２２、２４、２６と、を概略備えている。

圧電基板５は、複数の棒状の振動腕１０ａ、１０ｂと、各振動腕１０ａ、１０ｂの一方の端部（基端部）間を連接すると共に複数の電極パッド（図示せず）を備えた基部７と、各振動腕１０ａ、１０ｂの他方の端部（先端部）に夫々形成され、各振動腕１０ａ、１０ｂよりも幅広の錘部１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）と、各振動腕１０ａ、１０ｂの振動中心線Ｂに沿った表面及び裏面の少なくとも一方の面に形成された溝部１２ａ、１２ｂと、を備えている。図１は、各振動腕１０ａ、１０ｂの表裏面に溝部１２ａ、１２ｂ形成した例を示している。なお、圧電基板の外形及び溝部１２ａ、１２ｂは、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で形成されている。
励振電極２０、２２、２４、２６は、蒸着法、又はスパッタリング法を用いて、各溝部１２ａ、１２ｂ内を含めた各振動腕１０ａ、１０ｂの表裏面の少なくとも一方の面に夫々形成され、各励振電極２０、２２、２４、２６と、複数の電極パッド（図示せず）との間を夫々電気的に接続するリード電極と、が形成されている。
錘部１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）は、表裏面の少なくとも一面の一部に形成された周波数調整用の電極膜と、各電極膜の少なくとも一部に設けられた電極が存在しない領域である無電極部１８ａ、１８ｂと、を有している。錘部１４の先端側に周波数調整用の金属膜を形成すると、周波数の粗調が行い易くなるが、蓋部材と対面する錘部の上面側の先端部には金属膜を設けない方がよい。

基部７の一例は、図１（ａ）に示したように、略矩形状の基部本体７ａと、基部本体７ａの他端縁中心部（連結部７ｄ）を介して基部本体７ａと連結されたＬ字状及び逆Ｌ字状の支持腕７ｂ、７ｃと、連結部７ｄと、を備えている。Ｌ字状支持腕７ｂと、逆Ｌ字状の支持腕７ｃとの各端部とが連接され、この連接部分が連結部７ｄを介して基部本体７ａの一方の端縁７ａ１の中央部に連結され、基部本体７ａの他方の端縁７ａ２には各振動腕１０ａ、１０ｂの各端部が連結されて対称形状を構成している。Ｌ字状支持腕７ｂと、逆Ｌ字状の支持腕７ｃとの各自由端寄りには、例えば十字マークで示した支持中心７ｅ、７ｆが形成されている。支持中心７ｅ、７ｆを後述するパッケージ本体の内底面に配置される素子搭載パッド３７の中心部と対応させた状態で、各支持腕は素子搭載パッド上に接続固定される。
各振動腕１０ａ、１０ｂは、基部本体７ａの他端縁７ａ２上に所定の間隔を隔てて互いに平行に突設され、各振動腕１０ａ、１０ｂの先端部には振動腕１０ａ、１０ｂよりも幅広の各錘部１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）が連接されている。

錘部１４は、各振動腕１０ａ、１０ｂの夫々先端部に連接される錘部１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ、１４ｄを備え、各振動腕１０ａ、１０ｂの振動中心線Ｂに対し左右対称の形状である。錘部１４は、各振動腕１０ａ、１０ｂに近い部位１４ｂ、１４ｄよりも離間した部位１４ａ、１４ｃの方が幅広に形成されている。つまり、錘部１４は、段差状に幅が漸増するように形成されている。なお、錘部１４を設けることにより振動腕の長手方向長を短縮することが可能であり、圧電振動素子の小型化が図られる。
溝部１２ａ、１２ｂは、各振動腕１０ａ、１０ｂの表裏面の少なくとも一方の面に各振動中心線Ｂに対して対称に、各振動腕１０ａ、１０ｂの長手方向に沿って形成されている。つまり、各振動腕１０ａ、１０ｂ、各溝部１２ａ、１２ｂ、及び各錘部１４は、互いに同一形状に形成され、音叉振動が安定的に励振されるよう圧電基板５の重心を通る中心線に対し対称に形成されている。これは振動腕１０ａ、１０ｂが屈曲振動で励振される際に、力学的バランスがよく、振動の安定度が保持されるためである。

図１（ｂ）は、各振動腕１０ａ、１０ｂに夫々形成された励振電極２０、２２、２４、２６の配置を示す断面図である。励振電極２０、２４は、各溝部１２ａ、１２ｂを含めた振動腕１０ａ、１０ｂの表裏面、及び各溝部１２ａ、１２ｂの側面に形成され、励振電極２２、２６は各振動腕１０ａ、１０ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極２０、２６と、励振電極２２、２４とに対しては、互いに異符号の電圧が基部に設けた複数の電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極２０、２６に＋電圧が印加されるとき、励振電極２２、２４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線に対し対称な音叉振動が励振される。
なお、溝部１２ａ、１２ｂを形成することにより電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンスー）を小さくすることができる。

図２は、圧電振動素子１と、これを収容するパッケージと、を備えた圧電振動子２の構成を示す断面図である。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体（絶縁基板）３０と、ガラス等からなる窓部材４０ａを有する蓋部材４０と、を備えている。蓋部材４０はパッケージ本体３０の上面に形成されたキャビティ（凹陥部）を封止する。
パッケージ本体（絶縁基板）３０は、図２に示すように、絶縁基板である第１の基板３１と、第２の基板３２と、環状の第３の基板３３とを順次積層して形成されている。各基板３１、３２、３３は、絶縁材料としての酸化アルミニウム質のセラミック・グリーンシートから成り、これらを箱状に成形した後で、焼結して形成されている。表面実装用の実装端子３５は、第１の基板３１の外部底面に複数形成されている。
第３の基板３３は中央部が除去された環状体であり、第３の基板３３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング３４が焼成されている。

第２の基板３２の上面と第３の基板３３とにより、圧電振動素子１を収容するキャビティー（凹部）が形成されている。第２の基板３２の上面の所定の位置には、導体により各実装端子３５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド３７が設けられている。また、第２の基板３２上面（キャビティー内底面）の一端部寄りには干渉防止用凹部３８が形成されている。干渉防止用凹陥部３８は、圧電振動素子１の先端部と対応する位置に形成されている。
素子搭載パッド３７の中心は、圧電振動素子１を載置した際に、各Ｌ字状の支持腕７ｂ、７ｃに形成したパッド電極（図示せず）の各支持中心７ｅ、７ｆ（例えば十字マーク）に対応するように配置されている。

圧電振動子２を製造する場合は、まず、パッケージ本体３０の素子搭載パッド３７上に導電性接着剤４２、例えばエポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１の各支持腕７ｂ、７ｃの遊端部を載置して荷重をかける。
パッケージ本体３０内の素子搭載パッド３７と圧電振動素子１とを接続する際には、導電性接着剤４２を硬化させるために所定温度の高温炉内に所定時間入れる。アニール処理を施した後、上方から錘部１４に形成した周波数調整用金属膜にレーザー光を照射して、金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部材４０ａを備えた蓋部材４０を、パッケージ本体１２０の上面に形成したシールリング３４に、シーム溶接する。
パッケージ本体底面の貫通孔３９を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージ本体の上下を逆にして、貫通孔３９内の段差部上に金属球の充填材３９ａを載置する。充填材３９ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材３９ａにレーザー光を照射して溶融させ、貫通孔３９を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。
次に、パッケージの外部から窓部材４０ａを介してレーザー光をパッケージ内に照射し、振動腕に形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数微調整を行い、圧電振動子２を完成する。

図３は、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１の変形例（第２の実施例）である。圧電振動素子３は、圧電基板５と、圧電基板５の複数の振動腕１０ａ、１０ｂを励振するための励振電極２０、２２、２４、２６と、を概略備えている。
圧電基板５は、複数の棒状の振動腕１０ａ、１０ｂと、各振動腕１０ａ、１０ｂの一方の端部（基端部）間を連接すると共に複数の電極パッド（図示せず）を備えた基部本体７ａと、各振動腕１０ａ、１０ｂの他方の端部（先端部）に夫々形成され、各振動腕１０ａ、１０ｂよりも幅広の錘部１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ）と、各振動腕１０ａ、１０ｂの振動中心線Ｂに沿った表裏面の少なくとも一方の面に形成された溝部１２ａ、１２ｂを備えている。
本実施形態では、図１の実施形態とは異なり、基部本体７ａが支持腕を備えておらず、基部本体７ａに設けたパッド電極の支持中心７ｅ、７ｆが素子搭載パッドと接続される。
励振電極２０、２２、２４、２６については、図１で説明したものと同様であるので、重複した説明は省略する。

図４（ａ）は、図３に示した圧電振動素子３が、パッケージ本体３０上面のキャビティーＣに収容された圧電振動子２の平面図であり、同図（ｂ）はＰ−Ｐ断面図である。図４（ｂ）の破線は、パッケージ主面に対し直交方向の衝撃が加えられる前の圧電振動素子を示し、実線は衝撃が加えられ湾曲した圧電振動素子３を示す。
図４（ａ）に示すように、基部本体７ａのパッド電極（図示せず）に設けた支持中心７ｅ、７ｆ（例えば十字マーク）は、パッケージ本体３０のキャビティーＣ内に配設した素子搭載パッド３７の中心に合致するように載置され、導電性接着剤で接着・固定される。パッケージ本体３０の内底面に形成された干渉防止用凹部３８は、圧電振動子２に衝撃が加えられ、振動腕１０ａ、１０ｂ及び錘部１４が支持中心７ｅ、７ｆを支点として湾曲した際に、錘部１４の先端が干渉防止用凹部３８内に入り込み、錘部１４先端とパッケージ本体３０の底面との激突を防止するための凹部である。

本発明に係る圧電振動子（音叉型圧電振動子）２の動作について説明する。各素子搭載パッド３７の中心部間を結ぶ直線Ａと、各無電極部１８ａ、１８ｂの中心部間を結ぶ直線Ｄとの間の距離（直線Ａと直線Ｄと直交する直線の長さ）をＬ０とし、素子搭載パッド３７の厚さと、導電性接着剤４２の厚さとの和である固定部の厚さをｔとする。錘部１４の先端部と干渉防止用凹部の外寄りの端縁３８ｂとの距離をｗ１とし、基部本体７ａの外寄りの端縁７ａ１と該外寄りの端縁７ａ１と対向するキャビティーＣの内壁Ｃａとの距離をｗ２とする。
衝撃等が印加されると振動腕１０ａ（１０ｂ）及び錘部１４は、固定部４２を支点として湾曲するが、湾曲が微小なので、振動腕１０ａ（１０ｂ）及び錘部１４を直線で近似することができる。各素子搭載パッド３７の中心部間を結ぶ直線Ａと、接触部３８ｐ、つまり干渉防止用凹部３８の中央寄りの接触縁３８ａに対応する部位と、の距離Ｌ２は、
Ｌ２＝（ｔ^２＋Ｌ０^２）^１／２
で表わされる。圧電振動素子３をパッケージ本体３０のキャビティーＣ内に収容する際に、載置誤差や導電性接着剤４２が硬化するときにズレが生じる虞がある。これらの誤差の最大は、図４（ｂ）の図中右方へｗ１、左方へｗ２である。これらの誤差を考慮に入れ、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線Ａと直交し、無電極部１８ａ、１８ｂの形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線（図示を省略した）の長さＬが、
（ｔ^２＋（Ｌ０−ｗ１）^２）^１／２＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋ｗ２）^２）^１／２ ・・・（１）
の範囲になるように、無電極部１８ａ、１８ｂの形成領域が配設されていれば、衝撃が加えられた際に、錘部１４に形成した電極膜が干渉防止用凹部３８の接触縁３８ａに当たる虞はない。

無電極部１８ａ、１８ｂが式（１）の範囲に形成されていると、圧電振動子２に衝撃が加えられた際に、錘部１４の無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の接触縁３８ａの先端に当たるので電極膜の剥離等が生じる虞がない。しかも、接触縁３８ａの先端に当たるのは、溝部１２ａ、１２ｂが形成された振動腕１０ａ、１０ｂではなく、振動腕１０ａ、１０ｂの幅より幅広の錘部１４であるので、衝撃に対し強く、衝撃による破損の虞もない。

図１乃至図３に示すように、各振動腕１０ａ、１０ｂの端部に夫々各振動腕よりも幅広の錘部１４を連接し、各錘部の一部に無電極部１８ａ、１８ｂを設けた圧電振動素子２を形成する。一方、絶縁基板（パッケージ）３０は、その上面に素子搭載パッド３７と干渉防止用凹部３８と、を有する。圧電振動素子１の支持腕７ｂ、７ｃ、或いは基部本体７ａを素子搭載パッド３７に接着、固定し、絶縁基板３０の主面と直交する方向の衝撃が加えられた際に、各錘部１４に設けた無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の素子搭載パッド３７寄りの角部（接触縁）３８ａと接触するように構成する。
錘部１４の無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の角部（接触縁）に当たるので、錘部１４に形成した電極膜の剥離等が生じる虞がなく、しかも、角部（接触縁）に当たるのは、溝部が形成された振動腕１０ａ、１０ｂではなく、振動腕の幅より幅広の錘部１４である。そのため、衝撃に対し強く、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子２が得られるという効果がある。

図１の例では、各振動腕１０ａ、１０ｂの端部に連接される各錘部１４が、各振動腕の振動中心線Ｂに対し対称であり、且つ振動腕より離れる部位の方が幅広に形成されているので、音叉振動が安定し、圧電振動素子（音叉型圧電振動素子）１を小型化できると共に、耐衝撃性が改善され、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子１が得られるという効果がある。
図４の例では、パッケージ本体（絶縁基板）３０の素子搭載パッド３７中心と、基部本体の支持点７ｅ、７ｆとを合致するように圧電振動子２を構成する。載置位置に多少の誤差が生じても式（１）に基づく範囲内に無電極部１８ａ、１８ｂを形成すれば、無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の角部（接触縁）３８ａに当たるので、錘部１４に形成した電極膜が剥離して周波数が変動する虞のない圧電振動子２が得られるという効果がある。その上、小型化が可能な圧電振動子が得られるという効果がある。

図５（ａ）は、図１に示す圧電振動素子１をパッケージ本体３０のキャビティーＣ内に収容した圧電振動子２の構成を示す要部平面図である。圧電振動素子１の支持腕７ｂ、７ｃのパッド電極（図示せず）に設けた支持中心７ｅ、７ｆ（例えば十字マーク）は、パッケージ本体３０のキャビティーＣ内に配設した素子搭載パッド３７の中心に合致するように載置され、導電性接着で接着・固定（固定部）されている。パッケージ本体３０のキャビティーＣ上面に形成された干渉防止用凹部３８は、錘部１４先端とパッケージ本体３０の底面との激突を防止するための凹部である。
次に、図５（ａ）の構成の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形状態について説明する。
圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、固定部３７を支点として変形し易い支持腕７ｂ、７ｃ側がパッケージの底面に向かって変形する。次に、この変形が基部の外側端縁で反射し、変形が基部７の中央部に伝搬し、振動腕１０ａ、１０ｂはその先端側がパッケージ底面に向かって変形する。そして、錘部１４の先端が干渉防止用凹部３８に入り、錘部１４に形成した無電極部１８ａ、１８ｂの接触部の位置で干渉防止用凹部３８の中央寄りの角部（接触縁）３８ａに接触する。

図５（ｂ）は、同図（ａ）と構造力学的に等価な平面図であり、同図（ｃ）は構造力学的に等価な断面図である。つまり、基部本体７ａの外寄りの端縁７ａ１と並行な支持腕７ｂ、７ｃの一部（７ｂ１、７ｃ１）の中心線をＥとすると、中心線Ｅに対し支持腕７ｂ、７ｃ自由端部７ｂ２、７ｃ２を、外側に折り曲げた形状は、図１（ａ）に示す圧電素子１と構造力学的に等価である。
従って、支持中心７ｅ、７ｆ（例えば十字マーク）は、図５（ａ）に示した元の位置から中心線Ｅに対し対称に外側に離れることになる。図５（ａ）に示した圧電振動素子の振動時の動作は、同図（ｂ）、（ｃ）に示した構成の圧電振動素子と同様となる。

次に、圧電振動素子１を用いた圧電振動子（音叉型圧電振動子）２の動作について説明する。各素子搭載パッド３７の中心部間を結ぶ直線Ａと、各無電極部１８ａ、１８ｂの中心部間を結ぶ直線Ｄと夫々直交する直線の長さ（直線Ａ、Ｄ間の距離）をＬ０とし、素子搭載パッド３７の厚さと、導電性接着剤４２の厚さとの和である固定部の厚さをｔとする。錘部１４の先端部と干渉防止用凹部の外寄りの端縁３８ｂとの距離をｗ１とし、基部の外寄りの端縁７ａ１と該外寄りの端縁７ａ１と対向するキャビティーＣの内壁Ｃａとの距離をｗ２とする。
衝撃等が印加されると振動腕１０ａ（１０ｂ）及び錘部１４は、固定部４２を支点として湾曲するが、湾曲が微小なので、振動腕１０ａ（１０ｂ）及び錘部１４を直線として近似することができる。支持中心７ｅ、７ｆと、接触部３８ｐ、つまり干渉防止用凹部３８の中央寄りの端縁である接触縁３８ａに対応する部位との距離Ｌ２は、
Ｌ２＝（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１）^２）^１／２−Ｌ１
で表わされる。圧電振動素子１をパッケージ本体３０のキャビティーＣ内に載置するに際して、載置誤差や導電性接着剤４２が硬化するときにズレが生じる虞がある。これらの誤差の最大は、図５（ａ）の図中右方へｗ１、左方へｗ２である。これらの誤差を考慮に入れ、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線Ａと直交し、無電極部１８ａ、１８ｂの形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線（図示を省略した）の長さＬが、
（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１−ｗ１）^２）^１／２−Ｌ１＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１＋ｗ２）^２）^１／２−Ｌ１ ・・・（２）
の範囲になるように、無電極部１８ａ、１８ｂの形成領域が配設されていれば、落下等の衝撃が加えられた際に、錘部１４に形成した電極膜が干渉防止用凹部３８の端縁３８ａ上部に当たる虞はない。

無電極部１８ａ、１８ｂが、式（２）の範囲に形成されていると、圧電振動子２に衝撃が加えられて際に、錘部１４の無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の接触縁３８ａの先端に当たるので、電極膜の剥離等が生じる虞がない。しかも、接触縁３８ａの先端に当たるのは、溝部１２ａ、１２ｂが形成された振動腕１０ａ、１０ｂではなく、振動腕１０ａ、１０ｂの幅より幅広の錘部１４であるので、衝撃に対し強く、衝撃による破損の虞もない。
以上の説明の中の圧電基板としては、水晶基板、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板、ランガサイト基板等がある。また、セラミック圧電基板を用いてもよい。

図１、図５に示した実施形態では、圧電振動素子１の基部７は、基部本体７ａと、連結部７ｄと、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各支持腕７ｂ、７ｃと、を有し、Ｌ字状及び逆Ｌ字状の各端部同志を連接し、この連接部を、連結部７ｄを介して基部本体７ａの一方の端部中央に連接して構成されている。そのため、振動腕１０ａ、１０ｂから各支持腕７ｂ、７ｃに漏洩する振動エネルギーを極めて小さくできるので、圧電振動子のＱ値を大きく、つまりＣＩ値を小さくすることが可能となると共に、耐衝撃性が改善され、衝撃による欠損、破損等による周波数変動の虞のない圧電振動子が得られるという効果がある。
パッケージ本体（絶縁基板）３０の素子搭載パッド３７中心と、２つのＬ字状支持腕７ｂ、７ｃを有する圧電振動素子１の支持点７ｅ、７ｆと、を合致するように圧電振動子２を構成する。載置位置に多少の誤差が生じても、無電極部１８ａ、１８ｂの形成領域を上記の式（２）に基づいて決めれば、無電極部１８ａ、１８ｂが干渉防止用凹部３８の角部（接触縁）３８ａに当たるので、錘部１４に形成した電極膜が剥離して周波数が変動する虞のない圧電振動子２が得られるという効果がある。その上、小型化が可能であり、ＣＩ値の小さな圧電振動子が得られるという効果がある。

次に、図６（ａ）は、錘部１４に形成する無電極部１８ａ（１８ｂ）の変形例である。無電極部１８ａ（１８ｂ）の幅員は、振動腕１０ａ（１０ｂ）の長手方向と直交する幅方向両端部が最大で、幅方向中央部が最小となるように構成する。この理由は、振動腕１０ａ（１０ｂ）が絶縁基板３０の面内で、図６（ｂ）に示すように、屈曲振動をしているときに、絶縁基板３０底面に対し直交方向の衝撃等が印加された際に、無電極部１８ａ（１８ｂ）が干渉防止用凹部３８の接触縁（角部）３８ａに当たるようにするためである。
無電極部１８ａ（１８ｂ）が上記の形状に形成されていると、錘部１４に形成した電極膜が剥離して周波数が変動する虞のない圧電振動子２が得られるという効果がある。
図１、図５では、各支持腕７ｂ、７ｃの支持中心７ｅ、７ｆを夫々１カ所で説明したが、各支持腕７ｂ、７ｃに複数の支持点を設けてもよい。複数の支持点がある場合は、夫々を支点として無電極領域を設定する。

図７は、圧電発振器４の構成を示す断面図である。
圧電発振器４は、圧電振動素子１（３）と、圧電振動素子１（３）を励振するＩＣ部品６８と、圧電振動素子１（３）を真空封止すると共にＩＣ部品６８を収容するパッケージ本体５０及び窓部材６５ａ有する蓋部材６５と、を備えている。圧電振動素子にレーザー光を照射して粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔２８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品６８はパッケージ５０のＩＣ部品搭載パッド５９に、金属バンプ６６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図７に示した圧電発振器４の断面図では、ＩＣ部品６８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品６８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
図１、図３に示す圧電振動素子１、３と、圧電振動素子１、３を励振するＩＣ部品６８と、これらを収容するパッケージ５０と、を備えた圧電発振器４を構成すると、小型で、且つ耐衝撃性に強い圧電発振器が得られるという効果がある。

１…圧電振動素子、２…圧電振動子、５…圧電基板、７…基部、７ａ…基部本体、７ｂ、７ｃ…支持腕、７ｄ…連結部、７ｅ、７ｆ…支持中心、８…基部端縁、１０ａ、１０ｂ…振動腕、１２ａ、１２ｂ…溝部、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ…錘部、１８ａ、１８ｂ…無電極部、２０、２２、２４、２６…励振電極、３０、５０…パッケージ本体、３１、３２、３３…セラミック基板、３４…シールリング、３５、５５…実装端子、３６、５６導体、３７、５７…素子搭載パッド、３８…干渉防止用凹部、３８ａ…接触縁、３９ｂ…端縁、３９、５８…貫通孔、３９ａ、５８ａ…充填材、４０、６５…蓋部材、６５ａ…窓部材、４２、６０…導電性接着剤、５９…ＩＣ部品搭載パッド、６６…金属バンプ、６８…ＩＣ部品、Ａ、Ｄ、Ｅ…中心線、Ｂ…振動中心線、Ｃａ…端縁、ｗ１、ｗ２…水平距離

Claims (7)

1. 圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容するパッケージと、を備えた圧電振動子であって、
   前記圧電振動素子は、複数の振動腕、各振動腕の一方の端部間を連接すると共に複数の電極パッドを備えた基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面の少なくとも一方の面に形成された溝部、を備えた圧電基板と、前記各溝部内を含めた前記各振動腕の表裏面の少なくとも一方の面に夫々形成され、且つ前記複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、前記各錘部の表裏の少なくとも一部に形成された電極膜と、前記各電極膜の少なくとも一部に設けられた無電極部と、を有し、
   前記パッケージは、前記圧電振動素子の前記各電極パッドと夫々電気的機械的に接続される素子搭載パッド、及び実装端子を備えた絶縁基板と、前記素子搭載パッド上に搭載された前記圧電振動素子を含む前記絶縁基板上面を気密封止する蓋体と、前記絶縁基板上面に形成された干渉防止用凹部と、を備え、
   前記無電極部は、前記干渉防止用凹部の前記素子搭載パッド寄り角部と接する部位を中心とした領域に形成されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記基部は、基部本体と、該基部本体の前記振動腕とは反対側の他端縁中間部に設けた連結部と、該連結部を介して連接され且つ前記基部本体とは離間して延びる左右一対の支持腕と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
3. 前記各錘部は、前記各振動腕の振動中心線に対し左右対称形状であり、前記各振動腕に近い部位よりも該各振動腕から離間した部位の方が幅広に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
4. 前記無電極部の幅員は、前記振動腕の長手方向と直交する幅方向両端部が最大で、幅方向中央部が最小となるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の圧電振動子。
5. 前記絶縁基板は上面にキャビティーを備えると共に、該キャビティー内に前記圧電振動素子を収容し、
   前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線、及び前記各無電極部の中心部間を結ぶ直線に直交する直交線の長さをＬ０とし、前記素子搭載パッド上の固定部の厚さをｔとし、前記錘部の先端部と前記干渉防止用凹部の外寄りの端縁との距離をｗ１とし、前記基部の外寄りの端縁と該外寄りの端縁と対向する前記キャビティーの内壁との距離をｗ２としたときに、
   前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と直交し、前記無電極部の形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線の長さＬが、
   （ｔ^２＋（Ｌ０−ｗ１）^２）^１／２＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋ｗ２）^２）^１／２
   の範囲となるように、前記無電極部の形成領域が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧電振動子。
6. 前記絶縁基板は上面にキャビティーを備えると共に、該キャビティー内に前記圧電振動素子を収容し、
   前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線、及び前記各無電極部の中心部間を結ぶ直線に直交する直交線の長さをＬ０とし、前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と前記基部本体の端縁と並行な前記支持腕の中心線との距離をＬ１とし、前記素子搭載パッド上の固定部の厚さをｔとし、前記錘部の先端部と前記干渉防止用凹部の外寄りの端縁との距離をｗ１とし、前記基部の外寄りの端縁と該外寄りの端縁と対向する前記キャビティーの内壁との距離をｗ２としたときに、
   前記各素子搭載パッドの中心部間を結ぶ直線と直交し、前記無電極部の形成領域内のいずれかの点を始点とする直交線の長さＬが、
   （ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１−ｗ１）^２）^１／２−Ｌ１＜Ｌ＜（ｔ^２＋（Ｌ０＋２×Ｌ１＋ｗ２）^２）^１／２−Ｌ１
   の範囲となるように、前記無電極部の形成領域が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の圧電振動子。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の圧電振動子と、前記圧電振動素子を励振するＩＣ部品と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。

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