JP2017076912A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】振動腕部とパッケージとの接触を抑制して歩留まりの高い圧電振動子を提供する。
【解決手段】圧電振動片３を収容する凹部２１を有する実装基板２２と、凹部２１を閉塞する封口板２３と、を備えた圧電振動子１において、実装基板２２は、凹部２１の底面を構成する第１基板３１と、第１基板３１上に配置され、凹部２１の内側面を構成する枠状の第２基板３２と、第２基板３２上に配置され、第２基板３２とともに凹部２１の内側面を構成する枠状の第３基板３３と、を有し、第１基板３１、第２基板３２及び第３基板３３は同一材料からなり、第２基板３２は、第３基板３３に対して凹部２１の内側に向けて突出して、圧電振動片３が実装された実装部４２を有し、第３基板３３の厚さは、少なくとも第２基板３２及び圧電振動片３それぞれの厚さよりも厚くなっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電振動子に関する。

例えば、携帯電話や携帯情報端末機器等の電子機器には、時刻源や制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等に用いられるデバイスとして、水晶等を利用した圧電振動子が用いられる。この種の圧電振動子として、キャビティが形成されたパッケージ内に圧電振動片を気密封止したものが知られている。

上述したパッケージは、圧電振動片を収容する凹部を有する実装基板と、凹部を閉塞する蓋体と、を備えている。具体的に、実装基板は、凹部の底面を構成する第１基板と、第１基板上に配置され、凹部の内側面を構成する枠状の第２基板と、第２基板上に配置され、第２基板とともに凹部の内側面を構成する枠状の第３基板と、を有している（例えば、下記特許文献１参照）。この場合、圧電振動片は、第２基板のうち第３基板に対して凹部の内側に向けて突出した部分に実装されている。

特開２０１１−１９９３３１号公報

しかしながら、上述した特許文献１の構成にあっては、実装時や落下衝撃によって振動腕部が厚さ方向に振動した際、振動腕部の先端部がパッケージ（第１基板や蓋体）の内面に接触する虞がある。

本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、振動腕部とパッケージとの接触を抑制して歩留まりの高い圧電振動子を提供することである。

上記課題を解決するために本発明の一態様に係る圧電振動子は、圧電振動片を収容する凹部を有する実装基板と、前記凹部を閉塞する蓋体と、を備えた圧電振動子において、前記実装基板は、前記凹部の底面を構成する第１基板と、前記第１基板上に配置され、前記凹部の内側面を構成する枠状の第２基板と、前記第２基板上に配置され、前記第２基板とともに前記凹部の内側面を構成する枠状の第３基板と、を有し、前記第１基板、前記第２基板及び前記第３基板は同一材料からなり、前記第２基板は、前記第３基板に対して前記凹部の内側に向けて突出して、前記圧電振動片が実装された実装部を有し、前記第３基板の厚さは、少なくとも前記第２基板及び前記圧電振動片それぞれの厚さよりも厚くなっていることを特徴とする。

この構成によれば、第３基板の厚さを少なくとも第２基板及び圧電振動片それぞれの厚さよりも厚くすることで、実装基板と蓋体とによって画成されたキャビティ内において、特に圧電振動片と蓋体との間の隙間を確保することができる。これにより、実装時や落下衝撃によって圧電振動片が厚さ方向に振動した際であっても、圧電振動片の先端部が蓋体の内面に接触するのを抑制できる。その結果、歩留まりの高い圧電振動子を提供できる。
ここで、本態様では、圧電振動片に対して第１基板側の空間及び蓋体側の空間の高さが同一材料からなる第２基板及び第３基板の厚さにより主に規定されることになる。そのため、第１基板側の空間及び蓋体側の空間の高さが、主に異種材料（例えば、第２基板とシールリング）により規定される場合に比べ、熱膨張時等における第１基板側の空間及び蓋体側の空間の相対的な変化が小さい。そのため、圧電振動片の先端部とパッケージの内面との接触を温度に依らず抑制できる。

上記態様において、前記第３基板の厚さは、前記圧電振動片の厚さの２倍以上になっていてもよい。
この構成によれば、圧電振動片と蓋体との間の隙間を確保し易くなり、振動腕部の先端部と封口板の内面とが接触するのを確実に抑制できる。

上記態様において、前記第３基板の厚さは、前記第２基板の厚さ及び前記圧電振動片の厚さの合計以上になっていてもよい。
この構成によれば、圧電振動片と蓋体との間の隙間を確保し易くなり、振動腕部の先端部と封口板の内面とが接触するのを確実に抑制できる。

上記態様において、前記第３基板と前記蓋体との間に、前記第３基板と前記蓋体との間を接合するシールリングを備えていてもよい。
この構成によれば、第３基板と蓋体との間に、第３基板と蓋体との間を接合するシールリングが配設されているため、圧電振動片と蓋体との間の空間をより確保し易くなる。また、例えばシールリングと蓋体とをシーム溶接によって接合する場合には、シールリングによってシーム溶接時に作用する応力の緩和と通電経路の確保が可能になる。また、シールリングと蓋体とを接合することで、実装基板に伝達される熱の影響を低減できる。

上記態様において、前記圧電振動片は、基部と前記基部から片持ち状に延設された一対の振動腕部と、前記基部から片持ち状に延設されるとともに、前記圧電振動片を厚さ方向から見た平面視で前記一対の振動腕部の外側に配置された一対の支持腕部と、を有し、前記支持腕部は前記実装部に実装されていてもよい。
この構成によれば、圧電振動片において振動腕部とマウント部分（支持腕部の先端部）との距離を確保できる。その結果、圧電振動片の全長を増大させることなく、振動漏れを抑制できるので、ＣＩ値の上昇を抑え、出力信号の品質が低下するのを抑えることが可能となる。

本発明の一態様によれば、振動腕部とパッケージとの接触を抑制して歩留まりの高い圧電振動子を提供できる。

本発明の実施形態に係る圧電振動子の外観斜視図である。 封口板を取り外した状態を示す圧電振動子の平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電振動子の分解斜視図である。 圧電振動片の平面図である。

以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。
［圧電振動子］
図１は本発明の実施形態に係る圧電振動子１の外観斜視図である。図２は封口板２３を取り外した状態を示す圧電振動子１の平面図である。図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当する断面図である。図４は実施形態に係る圧電振動子１の分解斜視図である。
図１〜図４に示すように、圧電振動子１は、いわゆるセラミックパッケージタイプの表面実装型振動子である。圧電振動子１は、内部に気密封止されたキャビティＣを有するパッケージ２と、キャビティＣ内に収容された圧電振動片３と、を備えている。なお、圧電振動子１は、直方体状を呈している。したがって、本実施形態では平面視において圧電振動子１の長手方向を長手方向Ｌといい、短手方向を幅方向Ｗといい、これら長手方向Ｌ及び幅方向Ｗに対して直交する方向を厚さ方向Ｔという。

＜圧電振動片＞
図５は、圧電振動片３の平面図である。
図５に示すように、圧電振動片３は、水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料により形成されている。圧電振動片３は、所定の電圧が印加されたときに振動する。なお、圧電振動片３の長手方向、幅方向及び厚さ方向は、上述した圧電振動子１の長手方向Ｌ、幅方向Ｗ及び厚さ方向Ｔにそれぞれ一致している。

圧電振動片３は、いわゆるサイドアーム型の圧電振動片である。具体的に、圧電振動片３は、基部１１と、一対の振動腕部（第１振動腕部１２及び第２振動腕部１３）と、一対の支持腕部（第１支持腕部１４及び第２支持腕部１５）と、を有している。
各振動腕部１２，１３は、基部１１から長手方向Ｌに沿って片持ち状に延設されている。各振動腕部１２，１３は、幅方向Ｗに並んで配置されている。各振動腕部１２，１３は、基端部を固定端とし、先端部を自由端として互いに接近離間する方向（幅方向Ｗ）に振動する。各振動腕部１２，１３は、基端部に位置する本体部１２Ａ，１３Ａと、先端部に位置する錘部１２Ｂ，１３Ｂと、を有している。

本体部１２Ａ，１３Ａにおける厚さ方向Ｔの両面には、厚さ方向Ｔに窪むとともに、長手方向Ｌに延びる溝部２０がそれぞれ形成されている。なお、本体部１２Ａ，１３Ａの外面上には、各振動腕部１２，１３を幅方向Ｗに振動させる２系統の励振電極（不図示）が形成されている。各励振電極は、互いに電気的に絶縁された状態でパターニングされている。各励振電極は、例えばＣｒ−Ａｕの積層膜によって形成されている。

錘部１２Ｂ，１３Ｂは、それぞれ本体部１２Ａ，１３Ａの先端部から長手方向Ｌに延設されている。錘部１２Ｂ，１３Ｂにおける幅方向Ｗの幅は、本体部１２Ａ，１３Ａの幅よりも広くなっている。これにより、各振動腕部１２，１３の先端部の質量及び振動時の慣性モーメントを増大させることができ、錘部１２Ｂ，１３Ｂを有しない圧電振動片と比較して各振動腕部１２，１３の長さを短縮できる。

基部１１は、各振動腕部１２，１３の基端部を一体に連結している。なお、基部１１における幅方向Ｗの両端面は、振動腕部１２，１３（本体部１２Ａ，１３Ａ）よりも外側に位置している。

各支持腕部１４，１５は、平面視でＬ字状に形成されている。各支持腕部１４，１５は、基部１１及び振動腕部１２，１３（本体部１２，１３Ａ）を幅方向Ｗの外側から取り囲んでいる。具体的に、各支持腕部１４，１５は、基部１１における幅方向Ｗの両端面から幅方向Ｗの外側に向けて突設された後、長手方向Ｌに沿って各振動腕部１２，１３と平行に延在している。各支持腕部１４，１５のうち、少なくとも裏面には、圧電振動片３をパッケージ２に実装するための図示しないマウント電極がそれぞれ設けられている。各マウント電極は、各支持腕部１４，１５の先端部（各支持腕部１４，１５のうち重心よりも先端寄りに位置する部分）に形成されている。

各マウント電極は、上述した各励振電極のうち対応する励振電極に図示しない引き回し電極を介してそれぞれ接続されている。引き回し電極は、各支持腕部１４，１５それぞれから基部１１を経由して各振動腕部１２，１３に至る経路に形成されている。

＜パッケージ＞
図１〜図４に示すように、パッケージ２は、圧電振動片３を収容する凹部２１を有する実装基板２２と、実装基板２２の凹部２１を閉塞する封口板（蓋体）２３と、実装基板２２と封口板２３とを接合するシールリング２４と、を有している。

実装基板２２は、上方（厚さ方向Ｔの一方）に向けて開口する箱型に形成されている。実装基板２２は、セラミックス材料からなる第１基板３１、第２基板３２及び第３基板３３が厚さ方向Ｔに積層されて構成されている。なお、各基板３１〜３３に用いられるセラミックス材料としては、例えばアルミナ製のＨＴＣＣ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）や、ガラスセラミックス製のＬＴＣＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−Ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃ）等を用いることが可能である。

図２〜図４に示すように、第１基板３１は、厚さ方向Ｔから見た平面視で長方形状に形成されている。第１基板３１の上面は、凹部２１の底面を構成している。第１基板３１の下面には、一対の外部電極３５，３６（図１，４参照）が長手方向Ｌに間隔をあけて形成されている。外部電極３５，３６は、例えば蒸着やスパッタリング等で形成された単一金属による単層膜、又は異なる金属が積層された積層膜により構成されている。

第２基板３２は、焼結等によって第１基板３１の上面に一体的に接合されている。第２基板３２は、枠部４１と、実装部４２と、を備えている。
枠部４１は、厚さ方向Ｔから見た平面視外形が第１基板３１と同等の大きさを有する矩形の枠状に形成されている。

実装部４２は、枠部４１のうち一対の長辺部分（長手方向Ｌに延びる部分）から、それぞれ幅方向Ｗの内側に向けて突設されている。実装部４２上には、電極パッド４３が形成されている。電極パッド４３は、上述した外部電極３５，３６と同様に、例えば蒸着やスパッタリング等で形成された単一金属による単層膜、又は異なる金属が積層された積層膜等により構成されている。電極パッド４３及び外部電極３５，３６は、第１基板３１及び第２基板３２を厚さ方向Ｔで貫通する図示しない貫通配線を介して互いにそれぞれ導通している。

第２基板３２（枠部４１及び実装部４２）の内側面は、凹部２１の内側面を構成している。なお、本実施形態において、第２基板３２の厚さは、第１基板３１の厚さと同等、若しくは第１基板３１の厚さ以上になっている。

第３基板３３は、焼結等によって第２基板３２の上面に一体的に結合されている。第３基板３３は、厚さ方向Ｔから見た平面視で第２基板３２と同等の大きさを有する矩形の枠状に形成されている。すなわち、第３基板３３の外側面は、第１基板３１及び第２基板３２の外側面と面一に配置されている。一方、第３基板３３の内側面は、第２基板３２の枠部４１の内側面と面一に配置されている。第３基板３３の内側面は、第２基板３２とともに凹部２１の内側面を構成している。また、厚さ方向Ｔから見た平面視において、上述した実装部４２は第３基板３３の内側面に対して幅方向Ｗの内側に突出している。

ここで、本実施形態の第３基板３３は、少なくとも第２基板３２及び圧電振動片３それぞれの厚さよりも厚くなっている。特に、第３基板３３の厚さは、圧電振動片３の厚さの２倍以上、若しくは第２基板３２及び圧電振動片３の厚さの合計以上になっていることが好ましい。

シールリング２４は、実装基板２２の外形よりも一回り小さい導電性の枠状部材である。シールリング２４は、第３基板３３の上面に接合されている。具体的に、シールリング２４は、銀ロウ等のロウ材やはんだ材等による焼付けによって第３基板３３上に接合、又は第３基板３３上に形成された金属接合層に対する溶着等によって接合されている。図示の例において、シールリング２４の内側面は、第２基板３２及び第３基板３３の内側面（実装基板２２における凹部２１の内側面）と面一に配置されている。なお、シールリング２４の材料としては、例えばＫｏｖ／Ｎｉ／Ａｕ等の積層体が好適に用いられている。また、シールリング２４の厚さは、第３基板３３の厚さ以下になっている。

封口板２３は、厚さ方向Ｔから見た平面視で板状に形成されている。封口板２３は、シールリング２４上に接合（例えば、シーム溶接等）されて凹部２１を気密に封止している。そして、実装基板２２、封口板２３及びシールリング２４により画成された空間は、気密封止されたキャビティＣを構成する。なお、封口板２３は、例えばＫｏｖ／Ｎｉ等の積層体により構成されている。

図２、図３に示すように、上述した圧電振動片３は、気密封止されたパッケージ２のキャビティＣ内に収容されている。具体的に、圧電振動片３は、キャビティＣ内において、支持腕部１４，１５の各マウント電極が第２基板３２の実装部４２に形成された各電極パッド４３上にそれぞれ導電性接合材４５を介して実装されている。これにより、キャビティＣ内において、圧電振動片３は、第３基板３３及びシールリング２４に取り囲まれるとともに、凹部２１の底面に対して浮いた状態で支持されている。この場合、キャビティＣ内において、圧電振動片３に対して下側（第１基板３１側）に位置する部分は、第２基板３２の厚さ分の下側空間が形成されている。一方、キャビティＣ内において、圧電振動片３に対して上側（封口板２３側）に位置する部分は、第３基板３３及びシールリング２４の厚さ分の上側空間が形成されている。

また、本実施形態において、圧電振動片３は、支持腕部１４，１５の重心よりも先端寄りに位置する部分で導電性接合材４５に実装されている。なお、上述した導電性接合材４５としては、導電性接着剤や金属バンプ等を使用することが可能である。導電性接着剤と金属バンプの共通点は、接合初期の段階において流動性を持ち、接合後期の段階において固化して接合強度を発現する性質を有することである。

このように構成された圧電振動子１を作動させるには、外部電極３５，３６（図３参照）に所定の電圧を印加する。すると、各励振電極に電流が流れ、各励振電極間に電界が発生する。各振動腕部１２，１３は、各励振電極間に発生する電界による逆圧電効果によって例えば互いに接近・離間する方向（幅方向Ｗ）に所定の共振周波数で振動する。そして、各振動腕部１２，１３の振動は、時刻源や制御信号のタイミング源、リファレンス信号源等に用いられる。

本実施形態によれば、第３基板３３の厚さを第２基板３２及び圧電振動片３それぞれの厚さよりも厚くすることで、キャビティＣ内において、特に圧電振動片３と封口板２３との間の隙間（上側空間）を確保することができる。これにより、実装時や落下衝撃によって振動腕部１２，１３が厚さ方向に振動した際であっても、振動腕部１２，１３の先端部が封口板２３の内面に接触するのを抑制できる。その結果、歩留まりの高い圧電振動子１を提供できる。
ここで、本実施形態では、圧電振動片３に対して下側空間及び上側空間の厚さ方向Ｔにおける高さが同一材料からなる第２基板３２及び第３基板３３の厚さにより主に規定されることになる。そのため、下側空間及び上側空間における厚さ方向Ｔの高さが、主に異種材料（例えば、第２基板３２とシールリング２４）により規定される場合に比べて熱膨張時等における上側空間と下側空間との相対的な変化が小さい。そのため、振動腕部１２，１３の先端部とパッケージ２の内面との接触を温度に依らず抑制できる。

また、第３基板３３の厚さを、圧電振動片３の厚さの２倍以上、若しくは第２基板３２及び圧電振動片３の厚さの合計以上にすることで、上側空間を確保し易くなる。これにより、振動腕部１２，１３の先端部と封口板２３の内面とが接触するのを確実に抑制できる。

本実施形態では、第３基板３３と封口板２３との間に、第３基板３３と封口板２３との間を接合するシールリング２４が配設されているため、上側空間をより確保し易くなる。また、例えばシールリング２４と封口板２３とをシーム溶接によって接合する場合には、シールリング２４によってシーム溶接時に作用する応力の緩和と通電経路の確保が可能になる。また、シールリング２４と封口板２３とを接合することで、実装基板２２に伝達される熱の影響を低減できる。
この場合、シールリング２４の厚さを第３基板３３の厚さよりも薄くすることで、圧電振動片３に対する上側空間の厚さ方向Ｔにおける高さが第３基板３３の厚さにより主に規定されることになる。これにより、熱膨張時等において、圧電振動片３に対する上側空間と下側空間との相対的な変化を確実に小さくできる。

本実施形態では、サイドアーム型の圧電振動片３を用いることで、圧電振動片３において振動腕部１２，１３とマウント部分（支持腕部１４，１５の先端部）との距離を確保できる。その結果、圧電振動片３の全長を増大させることなく、振動漏れを抑制できるので、ＣＩ値の上昇を抑え、出力信号の品質が低下するのを抑えることが可能となる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述した実施形態では、シールリング２４を介して第３基板３３と封口板２３とを接続する構成について説明したが、これに限られない。すなわち、第３基板３３と封口板２３とをシーム溶接等によって直接接合する構成であっても構わない。この場合、封口板２３にはＫｏｖ／Ｎｉ／ＡｇＣｕの積層体を用い、第３基板３３にはメタライズ／Ｎｉ／Ａｕの積層体を用いることが好ましい。

上述した実施形態では、実装基板２２が３枚の積層基板である構成について説明したが、これに限らず、４枚以上の積層基板であっても構わない。４枚以上の積層基板の場合、実装部４２を有する第２基板と第１基板との間に別の基板が配置されていても構わない。

上述した実施形態では、各支持腕部１４，１５が各振動腕部１２，１３に対して幅方向Ｗの外側に配置された、いわゆるサイドアーム型の圧電振動片３に本発明を採用した場合について説明したが、これに限られない。すなわち、圧電振動片３は、一対の振動腕部１２，１３を有していればよく、例えば１つの支持腕部が一対の振動腕部の間に配置された、いわゆるセンターアーム型の圧電振動片や、支持腕部を備えていない、いわゆる音叉型の振動片であってもよい。
さらに、圧電振動片として、厚みすべり振動するＡＴ振動片を用いても構わない。
また、上述した実施形態においては、圧電振動片３を用いた圧電振動子１として、セラミックパッケージタイプの表面実装型振動子について説明したが、これに限られない。例えば、ガラスからなる複数の基板が陽極接合によって接合されるガラスパッケージタイプの圧電振動子１に本発明を適用することも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各変形例を適宜組み合わせても構わない。

１…圧電振動子
２…パッケージ
３…圧電振動片
１１…基部
１２…第１振動腕部（振動腕部）
１３…第２振動腕部（振動腕部）
１４…第１支持腕部
１５…第２支持腕部
２１…凹部
２２…実装基板
２３…封口板（蓋体）
２４…シールリング
３１…第１基板
３２…第２基板
３３…第３基板
４２…実装部

Claims (5)

1. 圧電振動片を収容する凹部を有する実装基板と、
   前記凹部を閉塞する蓋体と、を備えた圧電振動子において、
   前記実装基板は、
   前記凹部の底面を構成する第１基板と、
   前記第１基板上に配置され、前記凹部の内側面を構成する枠状の第２基板と、
   前記第２基板上に配置され、前記第２基板とともに前記凹部の内側面を構成する枠状の第３基板と、を有し、
   前記第１基板、前記第２基板及び前記第３基板は同一材料からなり、
   前記第２基板は、前記第３基板に対して前記凹部の内側に向けて突出して、前記圧電振動片が実装された実装部を有し、
   前記第３基板の厚さは、少なくとも前記第２基板及び前記圧電振動片それぞれの厚さよりも厚くなっていることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記第３基板の厚さは、前記圧電振動片の厚さの２倍以上になっ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. 前記第３基板の厚さは、前記第２基板の厚さ及び前記圧電振動片の厚さの合計以上になっていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電振動子。
4. 前記第３基板と前記蓋体との間に、前記第３基板と前記蓋体との間を接合するシールリングを備えていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の圧電振動子。
5. 前記圧電振動片は、
   基部と
   前記基部から片持ち状に延設された一対の振動腕部と、
   前記基部から片持ち状に延設されるとともに、前記圧電振動片を厚さ方向から見た平面視で前記一対の振動腕部の外側に配置された一対の支持腕部と、を有し、
   前記支持腕部は前記実装部に実装されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の圧電振動子。

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