JP4219737B2

JP4219737B2 - 圧電振動子

Info

Publication number: JP4219737B2
Application number: JP2003155107A
Authority: JP
Inventors: 英紀芦沢; 義則木下
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004357178A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話や携帯情報端末等の電子機器に組み込まれる小型の圧電振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、屈曲振動モードを備えた圧電振動子は、図７に示すように、一対の振動腕部５と、この振動腕部５を連結する基部４とで音叉型に一体形成された圧電片２を備え、前記基部４の一端に設けられる端子電極９をケーシング１０内に設けられたマウント電極７に接続され、振動腕部５を浮かせた状態で片持ち支持される。このような構造の圧電振動子１は、振動周波数が低く、また、発振器に組み込んだ際の消費電流も低く抑えられるので、腕時計等の時間基準を作り出す振動周波数源として使用されている。
【０００３】
また、前記圧電振動子１と同様の屈曲振動モードを備え、小型化と共に衝撃に対する強度を高めた構造のものとして、図８に示したような圧電振動子１１がある（特許文献１参照）。この圧電振動子１１に備える圧電片１２は、一対の振動腕部１５とその基端部に一体的に接続されて前記振動腕部１５の周囲を囲む額縁状の基部１４とで構成され、この基部１４全体をケーシング１３と蓋体１６の縁部で挟んで固定している。
【０００４】
前述したような屈曲振動モードを備えた音叉型の圧電振動子１，１１は、水晶原石のＺ板から１°Ｘ軸回転させた角度でカットして形成され、以下の関係式（数式１）に基づいて、振動周波数に応じた振動腕部５，１５の長さＬ及び幅Ｗが決定される。なお、前記振動腕部５の表面には機械的振動を電気信号として取り出すための励振電極が形成され、基部４の一端に設けられる端子電極９に向けてパターン形成されている。
【０００５】
【数１】
ここで、Ｆ：振動周波数（Ｈｚ）
Ｌ：振動腕部の長さ（ｍ）
Ｗ：振動腕部の幅（ｍ）
Ｃ´₂₂：弾性スチフネス定数（Ｎ／ｍ^２）
ρ：水晶の密度（ｋｇ／ｍ^３）
である。
【０００６】
前記関係式に基づいて基準の振動周波数を３２．７６８ＫＨｚで設計した場合は、図９に示すように、振動腕部５の幅Ｗ１が１００μｍ、長さＬ１が１６５０μｍとなり、基部４を含めた圧電片２の全長Ｌ２は２４５０μｍとなる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２３９９５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記関係式から明らかなように、振動腕部５の長さＬ１の２乗と振動腕部５の幅Ｗ１が比例関係にあるため、小型化しようとする場合、幅Ｗ１の縮小率に比べて振動腕部５の長さＬ１の縮小率が高くならない。このため、振動モードに直接影響のない基部４を縮小するしかないが、この基部４の縮小化によって端子電極９の形成領域が狭くなることから支持強度が十分確保できなくなるおそれがある。また、基部４の有効領域が狭まることによって、振動腕部５で発生した機械的振動エネルギーが直接基部４を通じて外部に漏れるいわゆる振動漏れが発生する。このような振動漏れは、振動腕部５における振動効率の低下を招き、等価直列抵抗値の悪化や振動周波数ずれを引き起こす原因となっていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、水晶等で形成された圧電片からの機械的な振動の漏れを低減させることで、前記圧電片が備える周期的な屈曲振動を効率よく電気信号に変換することができると共に、小型化も同時に図ることのできる圧電振動子を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る圧電振動子は、一対の振動腕部と、この振動腕部の一端を連結する基部と、この基部から延びる一対の支持腕部とを有する圧電片を備えた圧電振動子であって、前記一対の支持腕部は、前記一対の振動腕部の外側に沿って延び、その先端部が前記振動腕部の中央付近まで延びると共にその腕幅が前記振動腕部と同じかそれ以上に形成され、且つ前記一対の支持腕部の先端部に端子電極を設け、この先端部のみを実装基板上に形成されたマウント電極に接合して前記圧電片を支持することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、圧電片全体を基部から延びる支持腕部によって実装基板上に支持する構造となっているので、振動腕部で発生した機械的振動が所定の腕長及び腕幅に形成された支持腕部によって緩衝され、実装基板側に漏れるのを防ぐことができる。また、実装基板に設けたマウント電極に前記支持腕部の先端部に形成した端子電極を載置して圧電片を支持するため、安定した状態で支持することができると共に、振動腕部における機械的振動を阻害することなく効率よく電気信号に変換することができる。
【００１２】
また、圧電片の実装形態に応じて支持腕部を基部から様々な方向に延ばして形成することができる。このような形態の中で、前記支持腕部を振動腕部が延びる方向に沿うように基部から引き出して形成することによって、圧電片の全長を抑えた小型の圧電振動子が形成可能である。
【００１３】
また、前記支持腕部の先端部を振動腕部の中央付近まで延ばすことによって、圧電片をバランスよく実装基板上に支持することができるので、衝撃等が加わった場合でも位置ずれを起こすことなく、安定した振動周波数を取り出すことができる。
【００１４】
さらに、前記圧電片を実装基板に実装する際に、実装基板上のマウント電極と支持腕部の端子電極とを金属バンプを介して接合することで、接合部の電気的特性が向上すると共に、接合形状が安定化するので振動漏れの影響を低減化させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る圧電振動子の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明文中で使用される「振動漏れ」とは、後述する圧電片をパッケージにマウントし、このパッケージに様々な外力を加えた際に生じる振動周波数の最大値と最小値の差を表したものである。
【００１６】
図１は、本発明の圧電振動子２１の第１実施形態を示したものである。この圧電振動子２１は、マウント電極２７が形成された基板２３上に音叉型の振動部を有する圧電片２２を平面実装したものである。
【００１７】
前記圧電片２２は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｚ軸平面から１°Ｘ軸方向に回転させたカット角で板状に薄くスライスされ、一対の振動腕部２５と、これら振動腕部２５を繋ぐ基部２４と、この基部２４から所定方向に延びる支持腕部２６とで一体に形成される。
【００１８】
前記振動腕部２５は、共通の基部２４の一端から平行に延びる同一形状の細長い水晶片で形成され、表裏面及び側面には極性の異なる励振電極（図示せず）が形成されている。この振動腕部２５は、厚みが５０〜２００μｍで、振動周波数に応じて長さ及び幅が設定される。例えば、従来例と同様に振動周波数を３２．７６８ＫＨｚで設計した場合であれば、図２に示すように、振動腕部の幅Ｗ２が１００μｍ、長さＬ３が１６５０μｍとなる。
【００１９】
前記支持腕部２６は、図２に示したように、基部２４の下端から左右方向に突出したＬ字状の屈曲部２６ａを有し、この屈曲部２６ａで折り返すようにして前記振動腕部２５の外側面に沿って平行に形成される。この支持腕部２６のサイズは、長さが振動腕部２５の略半分で、幅を振動腕部２５と同じかそれ以上にすることで、支持強度を十分維持することができると共に、振動腕部２５に発生する屈曲振動が直接基板２３を通して外部に漏れ出す振動漏れを低減させる効果がある。また、前記振動腕部２５の表面には図示しない励振電極が形成され、この励振電極から延びる電極パターンが基部２４から支持腕部２６に掛けて形成され、この支持腕部２６の先端部に形成されている端子電極２９に向けてパターン形成されている。
【００２０】
前記構成からなる圧電片２２は、図１に示したように、支持腕部２６の端子電極２９を基板２３上に形成された段差のあるマウント電極２７に位置合わせをして載置した後、導電性接着剤２８を介して電気的に接合される。この実施形態では、前記支持腕部２６が基部２４から振動腕部２５の外側の沿って左右対称となっていることと、端子電極２９の位置が振動腕部２５の中央付近に形成されているため、圧電片２２をバランスよく基板２３に支持することができる。
【００２１】
前記構造の圧電振動子２１にあっては、圧電片２２が基部２４から大きく突出した支持腕部２６によって支持されるため、振動腕部２５が備える屈曲振動が前記支持腕部２６で緩衝されて基板２３側に直接漏れるのを防ぐことができる。また、基板２３に設けたマウント電極２７との接合を支持腕部２６の先端部に設けた一対の端子電極２９で行うため、圧電片２２全体を基板２３から浮かせた状態に安定して支持することができる。このことから、振動腕部２５から発せられる周期的な屈曲振動を雑音のない電気信号に変換して取り込むことができる。
【００２２】
図３は、振動周波数が３３ＫＨｚ共通で、振動腕部２５の幅が１００μｍ，７０μｍ，４０μｍの圧電片において、それぞれ支持腕部２６の長さの異なる数種のサンプルを用意し、このサンプルに対して振動周波数のずれ（振動漏れ）を測定してプロットしたものである。この振動漏れの測定は、前記サンプルを組み込んだパッケージに対して伸縮、せん断、捻りの３種類の応力をパッケージの長さ、幅、高さの三方向からそれぞれ加えて実験した。この実験結果から、基部２４から延びる支持腕部２６を長くしたサンプルのものほど振動漏れが少なく、振動腕部２５の幅の１．５倍以上に設定した場合に実用上問題がないレベルまで振動漏れを抑え込むことが可能であることが確認できた。このように、前記支持腕部２６は長いほど振動漏れを低減させる効果が現れるが、パッケージする際の小型化を考慮した場合、振動腕部２５の幅の１．５倍が適正である。
【００２３】
また、前述したように、基板２３上に設けたマウント電極２７に載置する部分が振動腕部２６の側面に延びた支持腕部２６の先端部であるため、図２に示したように、前記基部２４の長さＬ４は、振動腕部２５を連結するだけの最小限の長さに設定することができる。このことから、図９に示した従来の圧電片２に比べて基部２４を含めた全長Ｌ５が１９００μｍ程度にまで短縮化することができた。
【００２４】
なお、本実施形態では支持腕部２６の端子電極２９とマウント電極２７とを導電性接着剤２８を介して接合させたが、この導電性接着剤２８の代わりに金属バンプを介して行うようにすることで、接合作業を容易且つ確実に行うことができる。特に、金（Ａｕ）を原料とした金属バンプを用いることによって、接合部の電気抵抗を低減するなどの電気的特性の改善効果が得られる。
【００２５】
図４は本発明の圧電振動子を構成する圧電片の第２実施形態を示したものである。この圧電片３２は、一対の振動腕部３５と、この振動腕部３５の基端部を繋ぐ基部３４と、この基部３４から前記一対の振動腕部３５の間を通る一本の支持腕部３６とで一体的に形成されている。前記支持腕部３６の先端には極性の異なる二極の端子電極３９が形成され、図示しない基板に形成されるマウント電極と電気的に接合されると共に、この端子電極３９によって圧電片３２全体を浮かせた状態で実装される。また、上記第１実施形態と同様に、端子電極３９が圧電片３２の中央付近に位置するように支持腕部３６を形成することによって、より安定した状態で圧電片３２を実装することができ、耐衝撃性が向上する。また、前記第１実施形態の圧電振動子よりも幅方向の広がりを抑えた小型化が可能となる。
【００２６】
図５は、本発明の圧電振動子を構成する圧電片の第３実施形態を示したものである。この圧電片４２は、一対の振動腕部４５と、この振動腕部４５の基端部を繋ぐ基部４４と、この基部４４から前記一対の振動腕部４５に対して直交する方向に開いて延びる一対の支持腕部４６とで一体に形成されている。この実施形態の圧電片４２は、従来の音叉型の圧電片と同様に実装基板に対して片持ち支持する構造となっているが、振動腕部４５が延びる方向に対して直交する方向に支持腕部４６が延び、その先端部が端子電極４９となっている。このため、振動腕部４５の機械的振動が直接実装基板に漏れるのを低減させる効果が得られると共に、前記第１及び第２実施形態の基部２４，３４のように面積を削減して小型化も図ることができる。
【００２７】
図６は、本発明の圧電振動子を構成する圧電片の第４実施形態を示したものである。この圧電片５２は、一対の振動腕部５５と、この振動腕部５５の基端部を繋ぐ基部５４と、この基部５４から前記一対の振動腕部５５と反対方向に延びる一対の支持腕部５６とで一体に形成されている。そして、前記一対の支持腕部５６の先端に設けられる端子電極５９を介して図示しない基板に設けられるマウント電極に接続される。このような構造の圧電片５２にあっては、支持腕部５６が振動腕部５５と略同じ幅で形成されて延びている分、振動腕部５５から発する機械的振動の漏れを低減する効果が得られる。なお、この実施形態における圧電振動子は、振動腕部５５の腕長及び腕幅の縮小率を調整することによって、特に振動腕部５５の幅方向を中心とした小型化を図ることができる。
【００２８】
以上説明した第１実施形態乃至第４実施形態の圧電片２２，３２，４２，５２は、一対の振動腕部２５，３５，４５，５５を繋ぐ基部２４，３４，４４，５４から延びる支持腕部２６，３６，４６，５６によって圧電片全体を支持する構造となっているため、振動腕部で発生した機械的振動が実装する側の基板へ漏れるのを最小限に抑えることができる。これによって、振動腕部から得られる振動を安定して電気信号に変換することができる。また、第１実施形態乃至第３実施形態の圧電片２２，３２，４２のように、基部２４，３４，４４の長さを短くし、支持腕部を前記基部の側面から振動腕部と平行あるいは直角方向に延ばすことによって、振動腕部の長手方向のサイズを短くした小型の圧電振動子が得られる。特に、前記第１実施形態及び第２実施形態の圧電片２２，３２のように、支持腕部２６，３６を振動腕部２５，３５の中心部に向かって平行に延ばし、端子電極２９，３９となる先端部がこの圧電片２２，３２の中央付近に位置するように設定することによって、前記圧電片を安定して実装用の基板上に実装することができる。
【００２９】
なお、前記支持腕部は、その長さを振動腕部の約半分、幅を振動腕部と同じか、それより太く形成した場合に振動腕部から発せられる機械的な振動漏れを抑えることができると共に、等価直列抵抗値も最小限に抑えることが可能である。
【００３０】
上記第１実施形態乃至第４実施形態における圧電片は、水晶原石から切り出された水晶板をパウダービーム加工やエッチングによる抜き加工等の微細加工技術を利用して振動腕部や様々な形状の支持腕部に抜き加工することで、設計どおりの寸法に精密加工することができる。また、前記振動腕部や支持腕部には加熱蒸着法やスパッタ法等によって金属電極膜が形成される。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電振動子によれば、圧電片を構成する一対の振動腕部の基部から支持腕部が所定方向に延びているので、振動腕部で発生する機械的な屈曲振動を前記支持腕部によって緩衝させることができる。このため、振動腕部における屈曲振動を実装基板側に漏らすことなく、効率よく電気信号に変換して取り出すことができる。
【００３２】
また、基部の一端に実装基板に接続するための端子電極を設け、この端子電極を介して実装基板に片持ち支持していた従来構造の圧電振動子に対して、本案構成の圧電振動子は、基部から延びた支持腕部の先端に設けた端子電極を介して実装基板に接続させるため、前記基部が一対の振動腕部の基端部を連結するだけのスペースで済む。このため、前記振動腕部が延びる方向の長さを短縮した小型の圧電振動子を得ることができる。
【００３３】
さらに、前記支持腕部を圧電片全体の中心付近にまで延ばすことによって、より安定した状態で圧電振動子全体を支持することができるため、衝撃等による振動周波数のずれを最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電振動子の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】上記圧電振動子の平面図である。
【図３】上記圧電振動子の振動漏れを測定したグラフである。
【図４】本発明に係る圧電振動子を構成する圧電片の第２実施形態を示す平面図である。
【図５】本発明に係る圧電振動子を構成する圧電片の第３実施形態を示す平面図である。
【図６】本発明に係る圧電振動子を構成する圧電片の第４実施形態を示す平面図である。
【図７】従来の音叉型の圧電振動子の分解斜視図である。
【図８】従来の枠状の基部構造を備えた音叉型の圧電振動子の分解斜視図である。
【図９】上記図７の圧電振動子の平面図である。
【符号の説明】
２１圧電振動子
２２圧電片
２３基板
２４基部
２５振動腕部
２６支持腕部
２７マウント電極
２９端子電極

Claims

一対の振動腕部と、この振動腕部の一端を連結する基部と、この基部から延びる一対の支持腕部とを有する圧電片を備えた圧電振動子であって、
前記一対の支持腕部は、前記一対の振動腕部の外側に沿って延び、その先端部が前記振動腕部の中央付近まで延びると共にその腕幅が前記振動腕部と同じかそれ以上に形成され、且つ前記一対の支持腕部の先端部に端子電極を設け、この先端部のみを実装基板上に形成されたマウント電極に接合して前記圧電片を支持することを特徴とする圧電振動子。
前記一対の振動腕部は、前記一対の支持腕部の基部からの立上り位置より高い位置で基部から立上る請求項１記載の圧電振動子。