JP4936153B2 - 音叉型圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に使用される表面実装型の圧電振動子に関し、特に音叉型圧電振動片を片持ち式に支持して気密封止するパッケージの構造に関する。

従来より掲帯電話、ＰＨＳ等の情報通信機器やコンピューター等のＯＡ機器、電子時計等の民生機器を含む様々な電子機器には、電子回路のクロック源として圧電振動子が広く採用されている。最近は、特に携帯用機器等の電子機器の小型化・薄型化に伴い、圧電振動子のより一層の小型化・薄型化が図られている。

一般に表面実装型の圧電振動子は、水晶などの圧電振動片をその一端で片持ち式に支持して、セラミック等の絶縁材料からなるパッケージ内に固定し、気密に封止する構造が広く採用されている。図１１に、このような薄い矩形箱型のベース部分１と薄板状の蓋部分２とからなるパッケージ３に音叉型水晶振動片４を収容した表面実装型水晶振動子の構成を例示する。その水晶表面に励振電極を形成した音叉型水晶振動片４は、該励振電極からの引出電極を設けた基端部４ａを、ベース部分１の内側底面に設けた電極パッド５に導電性接着剤６を用いて固着することにより片持ち式にマウントし、ベース部分１の上端に蓋部分２を接合して気密に封止する。

しかしながら、上述した従来の圧電振動子は、その小型化・薄型化に伴い、耐衝撃性が問題となっている。かかる問題を解消するために、例えばパッケージ内部の底面に対向配置した２つの段差の一方に圧電振動片の一端を固定し、かつ自由端を他方の段差から僅かに離隔して片持ち式に固定支持し、該圧電振動片の上面と蓋の内面との間隔を或る値以下に小さくした圧電振動子が知られている（特許文献１を参照）。この圧電振動子は、落下等の衝撃が加わったとき、圧電振動片の自由端が段差の上面又は蓋の内面と接触して、その上下の振れを抑制することにより、衝撃を吸収して耐衝撃性を向上させる。

また、圧電振動片を片持ち式に支持したパッケージ内部の底面を傾斜面とし、かつ傾斜面の上り側と圧電振動片の自由端とを僅かな隙間で離隔した圧電デバイスのパッケージ構造が知られている（例えば、特許文献２を参照）。このパッケージ構造によれば、外部からの衝撃を、圧電振動片の自由端がパッケージ内部底面に接触して吸収することにより、耐衝撃性の向上と同時にパッケージの薄型化を図っている。

特開平９−１８６５４５号公報 特開平１１−２１４９４７号公報

本願発明者は、圧電振動子に外部から落下等による大きな衝撃が加わると周波数が変動する原因を様々に検討した。その結果、例えば図１１において想像線４′で示すように、音叉型水晶振動片４の振動腕の自由端部４ｂが衝撃により上下に大きく変位して、パッケージ３の内面即ちベース部分１の内側底面または蓋部分２の内面に接触し、その角が欠落することにより特に振動腕の先端の質量が変化することが、周波数を変動させる主な原因であることを見い出した。圧電振動片の基端部４ａを電極パッド５上に接着する際に、その自由端部４ｂは、幾分上向き又は下向きに傾く虞があるが、特に下向きに傾いた場合には、落下等の衝撃で容易にベース部分１の底面に衝突して破損する可能性が高い。そして、かかる知見に基づいて、本願発明を案出したものである。

また、振動腕の先端から欠落した材料の破片が音叉型水晶振動片４に付着すると、その周波数が変化し、更に振動子特性を劣化させる虞がある。そのため、従来は、衝撃等により圧電振動片の振動腕の自由端部が上下に大きく変位してもパッケージ内面に接触しない程度の比較的大きな隙間を確保するように、圧電振動片をベース部分の内部底面から高い位置にマウントし、かつ蓋部分をより高い位置に配置して耐衝撃性を確保していた。しかしながら、このような構成では圧電振動子全体の厚みが増し、小型化・薄型化の要求に対応できないという問題があった。

また、音叉型圧電振動子の場合、パッケージ内部に圧電振動片を封止した後に透明なガラスの蓋部分を介して外側からレーザー光を照射し、振動腕の先端に形成した金属重り部を部分的に溶融除去することにより、最終的に周波数調整を行う方法が採用されている。しかしながら、パッケージの小型化・薄型化が進むに連れて、圧電振動片とパッケージとの隙間が少なくなるため、レーザー光で除去した金属が振動腕に再付着して周波数に影響を与え、高精度の周波数調整を困難にする虞がある。

本発明の目的は、表面実装型圧電振動子の小型化・薄型化への要求に対応してパッケージの厚みを増すことなく、優れた耐衝撃性を実現し得るパッケージ構造を提供することにある。

更に本発明の目的は、特に音叉型圧電振動子において、高精度の周波数調整を可能にすることにある。

本発明は、上記目的を達成するべく、音叉型圧電振動片をパッケージの内部に片持ち式に実装しかつ気密に封止する音叉型圧電振動子において、
該パッケージが、その実装面上の接続電極に導電性接着剤により音叉型圧電振動片をその一方の端部において片持ち式にマウントするベース部分と、該ベース部分の上部に接合される透明な蓋部分とを有し、
音叉型圧電振動片の振動腕の自由端部が、蓋部分を透過するレーザー光の照射により除去し得る金属の重り部を有し、
ベース部分の実装面が、振動腕の自由端部に隣接する部分に形成された凹部を有し、音叉型圧電振動片の振動腕が実装面に向けて振れて振動腕の中間部が凹部の接続電極側の端部の角に接触したときに、振動腕の自由端部が凹部内に該凹部の底面に接触しないように突入し得るように、実装面の平面視において、凹部が、該凹部の接続電極側の端部が振動腕の中間部に位置するように設けられていることを特徴とする。

このようにパッケージを構成することによって、パッケージの封止後に音叉型圧電振動片の周波数を調整するために、蓋部分の外側からレーザー光を照射して、振動腕の金属重り部を溶融除去したときに、該レーザー光によって飛散した金属は、その多くがベース部分実装面の凹部内に付着するので、振動腕に再付着する可能性が大幅に低減する。そのため、音叉型圧電振動子の周波数をより高精度に調整することができる。また、凹部の底面は、従来よりもレーザ光の焦点位置から遠くなっているので、音叉の腕を通過したレーザー光で損傷する虞がない。

更に、落下等の衝撃で音叉型圧電振動片の振動腕が上下に大きく振れた場合に、振動腕の自由端部が、ベース部分の実装面の凹部内に突入しても、該凹部の底面には接触せず、自由端部の先端が欠落したり、欠落した材料が圧電振動片に付着するなどして、周波数を所定の設定範囲から変動させる虞がないことを、本願発明者は確認した。しかも、圧電振動片とベース部分の実装面との隙間を狭くして、パッケージ全体の厚さを薄くし、その小型化・薄型化を実現することができる。

或る実施例では、凹部の接続電極側の角部が鈍角である。これにより、圧電振動片の振動腕が上下に変位したときにその中間部が凹部の角部に接触しても、その衝撃を緩和し、かつ許容される変位量を大きくすることができる。

前記凹部の平面形状は、圧電振動片の自由端部に対応して矩形や楕円形、トラック形状（陸上競技のトラックの形状）等の様々な形状にすることができる。矩形の場合には、凹部の平面面積を大きくとることができる。更に、矩形の各隅部が丸み付けされていると、凹部の加工時、振動子の組立時及び使用時において、隅部への応力集中を緩和し、割れ等の発生が防止され、パッケージ強度を向上させることができると共に、凹部の加工が容易になるので好ましい。また、楕円形の場合には、パッケージ自体にかかる応力が凹部付近に集中するのを緩和して、パッケージ強度を向上させることができる。特にトラック形状は、これら双方の利点を備え、パッケージにかかる応力の集中を緩和しつつ、大きな平面面積を確保することができる。

また、ベース部分の実装面に形成された凹部に、圧電振動子の最終製造工程でパッケージ内部を減圧するための通孔が形成されていると、ベース部分の構成を簡単にしかつその製造工数を減らすことができるので好ましい。

本発明による音叉型圧電振動子は、音叉型圧電振動片をその端部で導電性接着剤により片持ち式にマウントするパッケージにおいて、そのベース部分の実装面に、圧電振動片の振動腕の自由端部に隣接する部分に凹部を形成することによって、透明な蓋部分の外側から照射するレーザー光で振動腕の金属重り部を溶融除去して、パッケージ封止後の音叉型圧電振動子の周波数を調整する際に、レーザー光により飛散した金属の多くが、振動腕に再付着せず、実装面の凹部内に付着するので、より高精度な周波数調整が可能になる。これに加えて、外部からの衝撃で圧電振動片が上下に大きく変位しても、振動腕の自由端部がベース部分の実装面に接触しないので、その先端や角の材料が欠落したり再付着して振動子特性を劣化させる虞が無く、しかも圧電振動片とベース部分の実装面との隙間を狭くできるので、小型化・薄型化と同時に優れた耐衝撃性を実現することができる。

本発明の第１実施例を示す圧電振動子の縦断面図である。 図１の圧電振動子の平面図である。 第１実施例の変形例を示す圧電振動子の平面図である。 本発明の第２実施例を示す圧電振動子の縦断面図である。 図４の圧電振動子の平面図である。 本発明の第３実施例を示す圧電振動子の平面図である。 本発明の第４実施例を示す圧電振動子の平面図である。 本発明の第５実施例を示す圧電振動子の縦断面図である。 Ａ図は、圧電振動子の落下衝撃試験に使用する治具及びサンプルの圧電振動子の取付状態を示す概略斜視図、Ｂ図は、サンプルの水晶振動片に作用する衝撃力の方向を示す図である。 落下衝撃試験に使用するサンプルのパッケージ構造の内部寸法を示す部分拡大断面図である。 従来の圧電振動子の構造を示す縦断面図である。

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及び図２には、本発明による圧電振動子の基本的構成を備えた第１実施例が示されている。この圧電振動子は、薄い矩形箱形のベース部分１０と蓋部分１１とからなるパッケージ内に音叉型水晶振動片１２が片持ち式に実装されている。ベース部分１０は、セラミックスなどの絶縁材料からなる概ね長方形の２枚の薄板部材１３ａ、１３ｂを張り合わせた底板部１３の上面に矩形枠状の側壁部材１４を接合させて形成される。蓋部分１１は透明なガラス薄板やセラミック薄板で形成され、側壁部材１４の上端に例えば封止ガラスやはんだ等の金属ろう材で接合されて、パッケージ内部に音叉型水晶振動片１２を気密に封止している。

音叉型水晶振動片１２の実装面を構成する底板部１３の上面には、外部回路に接続するための２本の導通電極１５が配線され、ベース部分１０内部の一方の端部側に露出する前記各導通電極の端部上に、音叉型水晶振動片１２の接続電極として１対の電極パッド１６が形成されている。電極パッド１６には、音叉型水晶振動片１２の引出電極を形成した基端部１２ａが導電性接着剤１７を用いて接着され、それにより音叉型水晶振動片が前記実装面と所定の僅かな間隔をもって略平行に延在するように、片持ち式にマウントされている。導電性接着剤１７としては、落下などによる外部からの衝撃を吸収可能な軟らかいシリコーン系の接着剤を使用すると良い。

ベース部分１０内部の前記実装面には、音叉型水晶振動片１２の自由端部１２ｂ即ち振動腕の先端に隣接する部分に、平面矩形の凹部１８が設けられている。凹部１８は、底板部１３を構成する上側の薄板部材１３ａに矩形穴を貫設し、これに下側の薄板部材１３ｂを張り合わせることにより、容易に形成することができる。また、底板部１３の略中央には、周波数調整を終えた水晶振動子の最終製造工程においてパッケージ内を減圧するための通孔１９が穿設され、充填材２０で閉塞されている。

凹部１８を設けたことにより、外部からの衝撃により音叉型水晶振動片１２の振動腕が、図１に想像線１２′で示すように、下向きに即ち実装面に向けて大きく振れても、前記振動腕の中間部が凹部の電極パッド１６側の角１８ａに当接して又は当接せずに、自由端部１２ｂは凹部１８内にその底面に接触することなく突入する。このため、周波数に最も大きな影響を与える自由端部１２ｂの先端が破損して欠落したり、欠落した材料が音叉型水晶振動片に再付着する虞がない。また、音叉型水晶振動片の振動腕の中間部は、その平面で凹部の角１８ａに接触するので、破損したり材料が欠落する虞が少なく、またその場合にも周波数の変動に与える影響が少ない。

本実施例において、水晶振動子の周波数調整は、ベース部分１０に接合した蓋部分１１を通過させて外側からレーザー光を照射し、音叉型水晶振動片１２の自由端部１２ｂ即ち振動腕の先端に形成されたＣｒ、Ａｕ、Ａｇ等の金属の重り部を除去することにより行われる。このとき、重り部から飛散した金属は、凹部１８により振動腕先端の下側に大きい隙間があるので、その大部分が凹部の底面や側面に付着する。そのため、振動腕に再付着する金属は大幅に少なく、高精度に周波数調整を行うことができる。また、底板部１３上面は、自由端部１２ｂとの離隔距離が接近していると、レーザー光の照射により破損する虞があるが、本実施例では凹部１８の深さだけレーザー光の焦点位置がずれるので、そのような虞が無い。

また、変形例として、パッケージ内を減圧するための通孔１９′を、図１に想像線で示すように、凹部１８の位置に設けることができる。これにより、上側の薄板部材１３ａに貫通孔を穿設する工程を１つ省略して加工工数を削減することができる。

図３には、第１実施例の音叉型水晶振動子の変形例が示されている。この変形例は、矩形をなす凹部１８の各隅部１８ｂがそれぞれ丸みを付けられている点において第１実施例と異なる。これにより、比較的硬質のセラミックからなる上側薄板部材１３ａに凹部を加工する際、及び水晶振動子の組立時・使用時に、隅部への応力集中が緩和されて割れ等の破損が防止されるので、凹部１８の加工が容易になり、かつバッケージ構造の強度が向上する。

図４及び図５には、本発明による圧電振動子の第２実施例が示されている。この圧電振動子は第１実施例と概ね同様な構造となっており、同様な部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施例においても、セラミックスなどの絶縁材料からなるベース部分２１内部の底面部２２上面には、音叉型水晶振動片１２の振動腕の自由端部１２ｂに対応する位置に凹部２３が形成されている。本実施例の凹部２３は、その電極パッド１６側の壁面２３ａが、凹部の底に向けて下向きに傾斜する傾斜面となっている点で、図１の第１実施例と異なる。

これにより、音叉型水晶振動片１２の振動腕が下向きに振れたとき、その中間部が、図１のような直角ではなく鈍角の角部に又は傾斜面に接触するので、その衝撃を幾分緩和することができる。また、凹部２３の電極パッド１６側の角に接触する音叉型水晶振動片１２の前記振動腕の中間部の位置が、第１実施例の場合よりも基端部側にシフトするので、音叉型水晶振動片１２は、第１実施例の場合より大きく変位可能で、その場合にも前記振動腕の自由端部１２ｂがパッケージ内面に接触する虞が無く、より耐衝撃性が向上する。

上記第１及び第２実施例では、ベース部分１０、２１の凹部１８、２３を、大きな平面面積を確保できるように平面矩形に形成したが、それ以外の様々な形状にすることができる。図６に示す本発明の第３実施例では、ベース部分２４の凹部２５が平面楕円形になっている。第１及び第２実施例の場合には、パッケージ自体にかかる応力が凹部の各隅部付近に集中し易いが、第３実施例では、凹部への応力の集中が緩和され、パッケージ強度が向上する。更に、図７に示す本発明の第４実施例では、ベース部分２６の凹部２７が平面トラック形状、即ち陸上競技のトラックのように、対向する２つの半円部分を直線部分で結合した形状に形成されている。これにより、第１及び第２実施例と第３実施例双方の利点を組み合わせて、パッケージにかかる応力の凹部への集中を緩和しつつ、凹部の平面面積を大きくとることができる。

図８には、本発明による圧電振動子の第５実施例が示されている。本実施例においては、パッケージのベース部分２８ではなく、蓋部分２９の内面に凹部３０が形成されている点で、上記各実施例と異なる。これにより、音叉型水晶振動片１２の前記振動腕の自由端部１２ｂが衝撃により上向きに変位しても、蓋部分２９の内面に接触しないので、その先端が破損して欠落したり、欠落した材料が水晶振動片に再付着する虞がない。

また、別の実施例では、水晶振動片のパッケージを構成するベース部分及び蓋部分の両方に、それぞれ図１及び図８に示すような凹部を設けることができる。これにより、水晶振動片が上下いずれに大きく変位しても、その自由端部がパッケージ内面に接触する虞が無く、より一層耐衝撃性が向上する。

図９に示す治具３１を用いて、図３の音叉型水晶振動子について落下衝撃試験を行った。治具３１は、所定の重量を有するステンレス製の直方体からなり、その上面及び一方の側面に３個のサンプルの音叉型水晶振動子３２を貼り付けて、一定の高さ例えば約１５０cmから床面に落下させる。図９Ａに示すように、１個の水晶振動子３２は治具３１の上面に、残りの２個は側面に、一方がその長手方向を水平方向に向けて、かつ他方を垂直方向に向けて配置する。これにより、各水晶振動子３２内の水晶振動片３３には、それぞれ図９Ｂに示すように互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ方向に衝撃力が作用する。前記治具を数回落下させた後、各水晶振動子３２を取り外してその周波数を測定し、所定の周波数範囲外となったものを不良品としてその発生率を算出する。

音叉型水晶振動子３２のパッケージ内部の寸法を、図１０に示すように、水平方向には、その上に水晶振動片１２を片持ち式に固着した電極パッド１６の前端即ち水晶振動片の固定支持点１６ａから水晶振動片の振動腕の自由端部先端１２ｂまでの距離をＬ0 、固定支持点１６ａから凹部１８の電極パッド側の端縁までの距離をＬ1 とし、垂直方向には、水平に支持された水晶振動片１２と蓋部分１１との隙間、即ち水晶振動片上面から蓋部分までの高さをｔ1 、水晶振動片１２と凹部１８底面との隙間、即ち凹部底面から水晶振動片下面までの高さをｔ2 とする。電極パッドの高さを５０μｍ、水晶振動片の板厚を１００μｍ、Ｌ0 ＝３mm、Ｌ1 ＝１．５mm、ｔ1 ＝１００μｍとし、ｔ2 を５０〜１５０μｍの範囲で変化させた多数のサンプルについて前記落下衝撃試験を行った。その結果、ｔ2 が７５μｍを超えると不良品の発生率が大幅に減少して、ｔ2 ≧８０μｍで略０になり、優れた耐衝撃性を発揮することが確認された。

次に、電極パッドの高さ及び水晶振動片の板厚を同様にそれぞれ５０μｍ、１００μｍ、Ｌ0 ＝３mm、ｔ1 ＝ｔ2 ＝１００μｍとし、Ｌ1 を０．６〜２．４mmの範囲で変化させた多数のサンプルについて前記落下衝撃試験を行った。その結果、Ｌ1 が１．２mmを超えると不良品の発生率が大幅に減少して、Ｌ1 ≧１．５mmで略０にななり、優れた耐衝撃性を発揮することが確認された。

水晶振動片の剛性はその寸法Ｌ0 に拘わらず一定であるから、その撓み率も一定であると解すれば、上記試験結果から、本発明のパッケージ構造は、その内部寸法が０．５≦Ｌ1 ／Ｌ0 ＜１、及びｔ2 ／ｔ1 ≧０．８の範囲内において、優れた耐衝撃性を発揮すると言うことができる。

また、本発明は上記実施例の音叉型水晶振動片に限定されず、水晶以外のタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの様々な圧電材料を用いることができ、また矩形状のＡＴカット水晶振動子等、圧電振動片を片持ち式にマウントする表面実装型のものであれば、同様に適用できることは云うまでもない。

１，１０，２１，２４，２６，２８…ベース部分、２，１１，２９…蓋部分、３…パッケージ、４，４′，１２…音叉型水晶振動片、４ａ，１２ａ…基端部、４ｂ，１２ｂ…自由端部、５，１６…電極パッド、６，１７…導電性接着剤、１３…底板部、１３ａ、１３ｂ…薄板部材、１４…側壁部材、１５…導通電極、１６ａ…固定支持点、１８，２３，２５，２７，３０…凹部、１８ａ…角、１９、１９′…通孔、２０…充填材、２２…底面部、２３ａ…壁面、３１…治具、３２…水晶振動子。

Claims (4)

1. 音叉型圧電振動片をパッケージの内部に片持ち式に実装しかつ気密に封止する音叉型圧電振動子において、
   前記パッケージが、その実装面上の接続電極に導電性接着剤により前記音叉型圧電振動片をその一方の端部において片持ち式にマウントするベース部分と、前記ベース部分の上部に接合される透明な蓋部分とを有し、
   前記音叉型圧電振動片の振動腕の自由端部が、前記蓋部分を透過するレーザー光の照射により除去し得る金属の重り部を有し、
   前記ベース部分の実装面が、前記振動腕の前記自由端部に隣接する部分に形成された凹部を有し、
   前記音叉型圧電振動片の前記振動腕が前記実装面に向けて振れて前記振動腕の中間部が前記凹部の前記接続電極側の端部の角に接触したときに、前記振動腕の前記自由端部が前記凹部内に該凹部の底面に接触しないように突入し得るように、前記実装面の平面視において、前記凹部が、該凹部の前記接続電極側の端部が前記振動腕の中間部に位置するように設けられていることを特徴とする音叉型圧電振動子。
2. 前記蓋部分がガラスからなることを特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動子。
3. 前記凹部の前記接続電極側の角部が鈍角であることを特徴とする請求項１又は２記載の音叉型圧電振動子。
4. 前記ベース部分の実装面に形成された前記凹部に、前記パッケージ内部を減圧するための通孔が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の音叉型圧電振動子。

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