JP5128262B2 - 圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計並びに圧電振動片の製造方法 - Google Patents
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Description
圧電振動片201は、図30及び図31に示すように、各種の圧電材料から形成された音叉型の振動片であり、平行に配置され、基端側が基部210に一体的に固定された一対の振動腕部211と、該一対の振動腕部211の外表面上に形成されて一対の振動腕部211を振動させる一対の励振電極212、213と、引き出し電極214を介して一対の励振電極212、213に電気的に接続された一対のマウント電極215、216とを有している。
なお、図30は圧電振動片210を上面から見た図であり、図31は圧電振動片210を下面から見た図である。
2本のリード端子221は、ケース202内に突出して一対のマウント電極215、216に接続される部分がインナーリード221aとなり、ケース202外に突出している部分がアウターリード221bとなっている。そして、このアウターリード221bが、外部接続端子として機能するようになっている。
また、ケース202は、ステム220の外周に対して圧入されて嵌合固定されている。このケース202の圧入は、真空雰囲気下で行われているため、ケース202内の圧電振動片201を囲む空間は、真空に保たれた状態で密閉されている。
始めに、近年、携帯電話機等に代表されるように、圧電振動子を内蔵する各種の電子機器の小型化が進んでいる。そのため、圧電振動子に関しても、さらなる小型化が求められている。現状、ケースの直径Dが1.2mmのものが存在するが、上述した小型化のニーズを受けて、1.0mmのもの、さらには1.0mmよりも小さい超小型化のものが検討され始めている。そこで、この小型化に対応するためリード端子の数が2本ではなく、1本のものが考えられている。
リード端子を1本にした場合には、該リード端子上に圧電振動片の基部を載置すると共に、一対のマウント電極のうち一方のマウント電極とリード端子とを電気的に接続させる。また、ワイヤ等の線材を利用して、他方のマウント電極と気密端子のステムとを直接接続する。これにより、他方のマウント電極とステムとを電気的に接続することが可能となる。つまり、リード端子を1本にした場合には、リード端子及びステムに所定の駆動電圧を印加することで、圧電振動片を振動させることができるようになっている。
詳細に説明すると、図30及び図31に示すように、圧電振動片201の両面には、それぞれ励振電極212、213、引き出し電極214、マウント電極215、216が形成されている。特に、基部210の両面には、極性の異なるマウント電極215、216がそれぞれ形成されている。つまり、基部210は、マウント電極215、216によって上下面側から挟まれたサンドイッチ構造となっている。これにより、マウント電極215、216は、基部210を間にして対向配置された状態となってしまうので、コンデンサの如く機能してマウント電極215、216間に静電容量が溜まってしまう問題があった。その結果、圧電振動片201自体のR1特性が高くなってしまう不都合が生じていた。従って、圧電振動片201の振動性能が劣ってしまい高性能な圧電振動子200にすることが困難であった。また、R1特性が高くなることで圧電振動片201の実効抵抗値Reが高くなってしまうので、低電力で作動させることが難しかった。
なお、実効抵抗値Reは、下記式で表されるものである。
Re=[R1(1+(C0/CL)2]
(式中におけるC0は圧電振動片201が元々持っている静電容量値であり、CLは定数である)
更に上記圧電振動片を有する圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計を提供することである。
本発明に係る圧電振動片は、圧電材料からなる圧電板と、前記圧電板の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに圧電板を振動させる一対の励振電極と、該一対の励振電極にそれぞれ電気的に接続された一対のマウント電極と、を備え、前記一対のマウント電極のうち一方のマウント電極が、前記圧電板の一方の面上に形成され、他方のマウント電極が圧電板を間にして一方のマウント電極に対して非対向状態となるように圧電板の他方の面上に形成されていることを特徴とするものである。
つまり、CI値(Crystal Impedance)をさらに低くすることができ、圧電振動片のさらなる高性能化を図ることができる。
特に、圧電振動片をケース内に密閉したシリンダパッケージタイプの圧電振動子とすることができるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片を振動させることができ、圧電振動片をさらに高精度に振動させることができる。しかも、リード端子が1本であるので、超小型な圧電振動子とすることも可能である。
特に、圧電振動片をケース内に密閉したシリンダパッケージタイプの圧電振動子とすることができるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片を振動させることができ、圧電振動片をさらに高精度に振動させることができる。
また、本発明に係る電子機器は、上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電波時計は、上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動片を備えているので、同様に低電力化及び高性能化を図ることができる。
以下、本発明に係る第1実施形態を、図1から図12を参照して説明する。なお、本実施形態では、シリンダパッケージタイプであって、リード端子が1本の圧電振動子を例に挙げて説明する。
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図12に示すように、圧電振動片2と、該圧電振動片2を内部に収納するケース3と、圧電振動子1をケース3内に密閉させる気密端子4と、ケース3内にて後述するステム20と他方のマウント電極14とを電気的に接続させるワイヤ(線材)5と、を備えている。
一対のマウント電極13、14のうち一方のマウント電極13は、圧電板10の下面(一方の面)上に形成され、他方のマウント電極14が圧電板10を間にして一方のマウント電極13に対して非対向状態となるように圧電板10の上面(他方の面)上に形成されている。
そして、一対の励振電極11、12は、一対の振動腕部10aの外表面上に形成されており、所定の電圧が印加されたときに、一対の振動腕部10aを互いに接近又は離間する方向に振動させる電極である。また、一対のマウント電極13、14は、引き出し電極15を介して一対の励振電極11、12に電気的に接続されている。
この際、一方のマウント電極13が、基部10bの下面上に形成され、他方のマウント電極14が、一方のマウント電極13に対して非対向状態となるように基部10bの上面上に形成されている。
これにより、図6に示すように、圧電振動片2を上面側から平面視したときに、一方のマウント電極13と他方のマウント電極14とが重なり合わないようになっている。
ケース3は、導電性材料により有底円筒状に形成されており、気密端子4の後述するステム20の外周に対して圧入されて、嵌合固定されている。この際、ケース3とステム20とは、電気的に接続された状態になっている。なお、このケース3の圧入は、真空中で行われており、ケース3内の圧電振動片2を囲む空間が真空に保たれた状態となっている。また、本実施形態のケース3は、絞り成形されており、端面から外方に向けて突出した突起部3aを有している。この突起部3aは、例えば、断面円形状に形成されている。
上記ステム20は、金属材料(例えば、低炭素鋼(Fe)、鉄ニッケル合金(Fe−Ni)、鉄ニッケルコバルト合金(Fe−Ni−Co))によって環状に形成されたものである。また、充填材22の材料としては、例えば、ホウ珪酸ガラスである。なお、このステム20の外周には、リード端子21と同じ材料のメッキ(金属膜)が被膜されている。
一方、基部10bの上面上に形成された他方のマウント電極14とステム20との間には、上述したワイヤ5が接続されている。これにより、他方のマウント電極14と、ステム20と、ケース3とが、それぞれ電気的に接続された状態となっている。
始めに、圧電材料からなるウエハSを利用して、圧電振動片2を一度に複数製造する工程を行う。この工程を行うにあたって、まず所定のポリッシングが終了し、所定の厚みに高精度に仕上げられたウエハSを準備する(S10)。次いで、ウエハSをフォトリソ技術によってエッチングして、該ウエハSに複数の圧電板10の外形形状をパターニングする外形形成工程を行う(S20)。この工程について、具体的に説明する。
特に電極形成工程を行う際に、一対の振動腕部10aの外表面上に一対の励振電極11、12が形成されるようにパターニングすると共に、一方のマウント電極13が基部10bの下面上に形成され、他方のマウント電極14が基部10bの上面に形成されるようにパターニングする。つまり、基部10bの片面に極性の異なる一対のマウント電極13、14を両方同時に形成するのではなく、片面(下面)に一方のマウント電極13だけを形成し、もう一方の片面(上面)に極性の異なる他方のマウント電極14だけを形成する。しかも、他方のマウント電極14が、基部10bを間にして一方のマウント電極13に対して非対向状態となるように形成する。つまり、平面視したときに、一方のマウント電極13と他方のマウント電極14とが、重なり合わないように形成する。
次いで、ステム20内に、リード端子21及び充填材22をそれぞれセットするセット工程を行う(S72)。まず、作製したステム20を、図示しない専用の治具にセットした後、予めリング状に焼結された充填材22をステム20の内部にセットすると共に、充填材22を貫通するようにリード端子21をセットする。
このように、下地金属膜及び仕上金属膜からなる金属膜を被膜させることで、インナーリード21aと圧電振動片2との接続を可能にすることができる。また、圧電振動片2の接続だけでなく、ステム20の外周に被膜された金属膜が柔らかく弾性変形する特性を有しているので、ステム20とケース3との冷間圧接を可能にすることができ、気密接合を行うことができる。
なお、バンプ接続する際に、加熱・加圧を行ってマウントしたが、超音波を利用してバンプ接続を行っても構わない。
なお、この工程を行う前に、圧電振動片2、ケース3及び気密端子4を十分に加熱して、表面吸着水分等を脱離させておくことが好ましい。
また、R1特性を低く抑えることができるので、圧電振動片2の実効抵抗値Reに関しても低く抑えることができる。従って、効率良く圧電振動子1を作動させることができ、低電力化を図ることができる。
即ち、この場合の圧電振動子1は、さらに樹脂モールド部35及び外部接続端子36を備えている。また、この場合のアウターリード21bは、略直角に2回折り曲げられており、一部が樹脂モールド部35の底面に露出すると共に、外方に突出した状態となっている。
外部接続端子36は、平板状の導電性部材が略直角に折り曲げられて断面L型に形成されたものであり、ケース3を間に挟んでアウターリード21bの反対側に位置している。この際、外部接続端子36は、アウターリード21bと同様に一部が樹脂モールド部35の底面に露出すると共に、外方に突出した状態となっている。また、外部接続端子36の残りの一部は、ケース3の端面に対して対向するように配置されている。そして、この対向した部分には、ケース3の突起部3aが押し込み可能とされ、押し込まれたときに弾性力により突起部3aを保持する嵌合溝36aが形成されている。これにより、突起部3aと外部接続端子36とは、機械的に強固に接続されたうえ、電気的にも接続された状態となっている。
この場合の圧電振動片2は、一対の振動腕部10aの両面に該振動腕部10aの長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部37を備えている。この際、溝部37は、振動腕部10aの基端側から略中間付近まで形成されている。また、一方の励振電極11が、一方の振動腕部10aの溝部37上と他方の振動腕部10aの両側面上とに主に形成され、他方の励振電極12が、一方の振動腕部10aの両側面上と他方の振動腕部10aの溝部37上とに主に形成されている。
なお、溝部37を形成するには、外形形成工程において圧電板10の外形形状をパターニングした後に、引き続きフォトリソ技術によって一対の振動腕部10aの両面に溝部37を形成すれば良い。
次に、本発明に係る第2実施形態を、図19から図23を参照して説明する。なお、この第2実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、リード端子21が1本であったが、第2実施形態の圧電振動子40はリード端子21を2本備えている点である。また、第2実施形態では、圧電振動片41がハンマーヘッドタイプとなっている点が異なっている。
また、他方のインナーリード21aは、基部10bの側面に当接している。そして、他方のインナーリード21aと他方のマウント電極14とは、例えば、導電性接着材42によって電気的及び機械的に接続されている。なお、導電性接着材42としては、例えば、合成樹脂等を利用したバインダー成分に、銀粒子等の荷電粒子を混入したもので、機械的接合と電気的接合とを同時に達成することができるものである。
次に、本発明に係る第3実施形態を、図24を参照して説明する。なお、この第3実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については、同一の符号を付しその説明を省略する。
第3実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、リード端子21が1本であったが、第3実施形態ではリード端子21が2本とされている点である。
本実施形態の発振器100は、図26に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1の圧電振動片2が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
この携帯情報機器110は、図27に示すように、圧電振動子1と、電力を供給するための電源部111とを備えている。電源部111は、例えば、リチウム二次電池からなっている。この電源部111には、各種制御を行う制御部112と、時刻等のカウントを行う計時部113と、外部との通信を行う通信部114と、各種情報を表示する表示部115と、それぞれの機能部の電圧を検出する電圧検出部116とが並列に接続されている。そして、電源部111によって、各機能部に電力が供給されるようになっている。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
本実施形態の電波時計130は、図28に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
1、40、50…圧電振動子
2、41、51、60…圧電振動片
3…ケース
4…気密端子
5…ワイヤ(線材)
10…圧電板
10a…振動腕部
10b…基部
11、12…励振電極
13…一方のマウント電極
14…他方のマウント電極
20…ステム
21…リード端子
21a…インナーリード
21b…アウターリード
37…溝部
22…充填材
100…発振器
101…発振器の集積回路
110…携帯情報機器(電子機器)
113…携帯情報機器の計時部
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部
Claims (10)
- 圧電材料からなり、平行に配置された一対の振動腕部と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部とを有する圧電板と、
前記一対の振動腕部の外表面上に形成され、所定の電圧が印加されたときに前記振動腕部を振動させる一対の励振電極と、
該一対の励振電極にそれぞれ電気的に接続され、前記基部の面上に形成された一対のマウント電極と、を備え、
前記一対のマウント電極のうちの一方のマウント電極が前記基部の一方の面上に形成され、他方のマウント電極が前記基部の他方の面上に形成されていると共に、これらのマウント電極が前記振動腕部の長手方向にずれて互いに非対向状態となるように前記基部の面上に形成されていることを特徴とする圧電振動片。 - 請求項1に記載の圧電振動片において、
前記一対の振動腕部には、両面にそれぞれ溝部が形成されていることを特徴とする圧電振動片。 - 圧電材料からなるウエハを利用して圧電振動片を一度に複数製造する方法であって、
前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、平行に配置された一対の振動腕部と、該一対の振動腕部の基端側を一体的に固定する基部とを有するように該ウエハに複数の圧電板の外形形状をパターニングする外形形成工程と、
前記一対の振動腕部の外表面上に電極膜をパターニングして、所定の電圧が印加されたときに前記振動腕部を振動させる一対の励振電極と、前記基部の面上において該一対の励振電極に電気的に接続される一対のマウント電極とを形成する電極形成工程と、
複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、
前記電極形成工程の際、前記一対のマウント電極のうち一方のマウント電極を前記基部の一方の面上に形成すると共に、他方のマウント電極を前記基部の他方の面上であってさらに前記一方のマウント電極に対して前記振動腕部の長手方向にずらすことによって、これらのマウント電極が互いに非対向状態となるように前記基部の面上に形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項3に記載の圧電振動片の製造方法において、
前記外形形成工程の際、前記一対の振動腕部の両面にそれぞれ溝部を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 請求項1または2に記載の圧電振動片を有することを特徴とする圧電振動子。
- 請求項5に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片を内部に収納する導電性のケースと、
環状に形成されて前記ケース内に圧入固定される導電性のステムと、該ステムを貫通した状態で配置され、ステムを間に挟んで一端側が前記一方のマウント電極に電気的に接続されるインナーリードとされ、他端側が外部に電気的に接続されるアウターリードとされた1本のリード端子と、該リード端子と前記ステムとを固定させる充填材とを有し、前記ケース内を密閉させる気密端子と、
前記ケース内にて前記ステムと前記他方のマウント電極とを電気的に接続させる線材と、を備えていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項5に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片を内部に収納するケースと、
環状に形成されて前記ケース内に圧入固定されるステムと、該ステムを貫通した状態で配置され、ステムを間に挟んで一端側が前記一対のマウント電極にそれぞれ電気的に接続されるインナーリードとされ、他端側が外部にそれぞれ電気的に接続されるアウターリードとされた2本のリード端子と、該リード端子と前記ステムとを固定させる充填材とを有し、前記ケース内を密閉させる気密端子と、を備えていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項5から7のいずれか1項に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
- 請求項5から7のいずれか1項に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項5から7のいずれか1項に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
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