JP5236445B2 - 小型のパッケージに収納されたピエゾ電子共振器 - Google Patents

Description

本発明は、パッケージされたピエゾ電子共振器（即ち、ピエゾ電子共振器により形成される装置とそれを収納するケース）に関し、特に、携帯用機用器用の周波数成生器を製造するのに用いられる小型のパッケージされたピエゾ電子共振器に関する。この周波数成生器は、例えば時計，情報技術，通信，医療の分野で使用される。

小型のパッケージされた共振器が特許文献１に開示されている。同文献に開示された図１において，共振器１０はパッケージ内に搭載される。共振器１０は２個の平行なアーム１２，１４とそれらを接続する連結部分１６とから構成される同調型のフォーク形状をしている。アーム１２，１４が、電極２０，２２を搭載する。これによりアーム１２，１４を振動させる。これらの電極は、ケースの外部に電気的に接続された接続パッド２８，３０に接続される。

図２は、本発明の分野で使用されるピエゾ電子共振器を収納する従来公知のパッケージ（ふたは外してある）の上面図である。パッケージのサイズは、共振器１０の形状に依存し使用される分野により異なる。平行なパイプ形状のパッケージ７０は、ケースを有する。このケースは、平坦な底部７２と４個の側面７４とふた（図示せず）とにより形成される。２個の導電要素（例、薄い導電層であるバンプ７８，８０）が底部７２の上に配置され，図１の共振器１０の接続パッド２８，３０に接触する。共振器１０が、パッケージ７０に搭載された後，ふたがその端部をケースの側面７４に真空半田付けすることにより固定される。これは、半田フレーム（図示せず）の手段により加熱と加圧により行われる。従来公知のように，図２の底部７２と４個の側面７４はセラミックの層をエッチングすることにより形成することもできる。ケースのふたは、パッケージの他の部分と同様にセラミックで形成されていない場合には，例えば金属製，ガラス製またはシリコン製でもよい。

従来の共振器の問題点の一つは，共振器が支持基板にその端部の１つのみで結合されていることである。このような設計においては，共振器の平面状の同調フォーク形状の部品を適正に配置して支持基板の表面と平行に整合することは、保証できない。整合しない場合には，共振器の振動アームは支持基板の表面と衝突するリスクあるいはパッケージのふたと衝突するリスクがある。このようなリスクを避ける為に、充分なクリアランスを共振器の上下に設けなければならない。このようなクリアランスの要件により、より薄くよりコンパクトなパッケージされたピエゾ電子共振器を設計することが難しくなる。

米国特許第７，０８４，５５６号明細書

特許文献１は、上記の問題を、新型の同調フォーク共振器により一部解決している。この新型の同調フォーク共振器は、中央のアタッチメントアーム１８（図１）を、連結部分１６に接続し，同調フォーク形状部品のアーム１２，１４の間に、両者から等距離に配置している。図１に示すように，ベース部分６２を、連結部分１６の反対側のアタッチメントアームの端部に形成している。この実施例によれば，ベース部分６２は、アーム１２，１４を越えて伸び、共振器の接続パッド２８，３０を搭載する。この共振器１０は、そのケース内に搭載されるが、これは、ベース部分６２と／又はアタッチメントアーム１８を，少なくとも一方の取付点を介して，ケースの底部に結合することにより行われる。このベース部分６２を用いて，共振器１０をパッケージの内側に固定し，電極２０，２２をパッケージの内側の導電要素（図示せず）に電気的に接続している。

特許文献１に開示するように、共振器に少なくとも１個のアタッチメントアームを取り付けることは、かなりの改善効果を示す。しかし、更に薄くコンパクトにパッケージされたピエゾ電子共振器に対するニーズがある。それ故に本発明の目的は、パッケージされたピエゾ電子共振器のスリムさと小型化を更に改善することである。このような目的を達成する１つの方法は、ピエゾ電子共振器のパッケージ用ハウジングのふたを薄くすることである。パッケージの内側は通常真空状態に保持される。それ故に、ふたには、パッケージの外側の大気圧によりかなりの圧力がかかる。多くの場合この大気圧により薄いふたはたわんでしまう。振動アームとふたとの間のクリアランスを最小にすると，ふたのたわみにより、振動アームとふたの下側とがぶつかることになる。

本発明の目的は，振動アームとふたの下側との間の充分なクリアランスを維持するよう、ふたのたわみを制限することである。

本発明は、請求項１に記載したパッケージされたピエゾ電子共振器である。即ち、ふたを有するケースと、前記ケース内に収納されるピエゾ共振器とを有するパッケージされたピエゾ電子共振器は、連結部分により互いに結合した２本の平行な振動アームを有する平面状同調フォーク形状部品と，前記連結部分から、前記平面状同調フォーク形状部品の面に沿って伸びる取り付けアームとを有する。前記取り付けアームは、ケースの底部に少なくとも一本のスタッドを介して、固定される。前記中央取り付けアームの少なくともメイン部分は、前記振動アームと並んで平行に配置される。前記ふたの内側表面は，第１の厚さの第１部分と第２の厚さの第２部分が形成されるように階段状になっており，第２の厚さは、前記第１の厚さよりも厚い。前記第１部分は 振動アームの少なくとも先端部分の上方を伸び，前記第２部は、取り付けアームの上方を部分的に伸びる。

本発明によれば，ふたの内側を階段状にして、アタッチメントアームの上に伸びる厚い部分を含むようにする。それ故に、ふたの大きな垂下により，ふたの肉厚部分がアタッチメントアームの上に静止するようになる。かくしてふたの更なる垂下が防止できる。更に振動アームの先端部分の上に伸びたふたの一部の厚さを薄くする。これによりクリアランスが充分取れ、振動アームがふたの下側に当たるのを回避できる。

従来のピエゾ電子共振器の平面図。 図１のピエゾ電子共振器を収納するパッケージの上面図。 本発明の一実施例のパッケージに収納されたピエゾ電子共振器の上面図。 図３Ａのパッケージされた共振器の側面断面図。 本発明の他の実施例のパッケージされた共振器の側面断面図。

図３Ａ，３Ｂに示す一実施例において，本発明の共振器１１０は，連結部分１１６により結合された振動アーム１１２と振動アーム１１４とからなる同調フォーク形状の部品を有する。この連結部分１１６に中央取り付けアーム１１８が連結／接続される。中央取り付けアーム１１８は、振動アーム１１２と振動アーム１１４との間で、それらに平行に配置される。この組立品全体は、水晶製の単品から形成される。

図３Ａから分かるように，中央取り付けアーム１１８は、振動アーム１１２，１１４よりも若干長い。中央取り付けアーム１１８の先端部は、拡張して、ベース部分１６２となり，振動アーム１１２，１１４を越えて伸びる。ベース部分１６２を用いて、共振器１１０をパッケージの底部に固定し，共振器の駆動電極（図示せず）をパッケージの内側に形成された導電性のスタッド即ちバンプ１７８，１８０に電気的に接続する。

振動アーム１１２，１１４の各先端は、拡張しフリッパー１６６，１６８となる。このフリッパー１６６，１６８の幅は、振動アーム１１２，１１４の残りの部分の幅の２倍以下である。共振器の全体の幅を減らす為に、四角形の形状のフリッパ−は、振動アーム１１２，１１４の縦軸に対し対称に配置していない。図３Ａに示すように，フリッパー１６６，１６８は、中央取り付けアーム１１８の方向にふくらんでいる。この場合、フリッパー１６６，１６８と中央取り付けアーム１１８の間に充分な横方向のクリアランスを得るために，中央取り付けアーム１１８は、狭小部分１７６を有する。図３ａに示すように，狭小部分１７６はフリッパー１６６とフリッパー１６８の間を伸びる。従来技術から明らかなように，振動アームにフリッパーを具備する利点は，共振器の特性を変えることなく、フリッパーの長さを振動アームの全長から減らすことができ，共振器の長さをそれに応じて減らすことができる点である。

図３Ａ，３Ｂに示すように，中央取り付けアーム１１８は、パッケージ１７０の平坦な底部上に形成された固定用のバンプ１８２の上方に配置される。前述したように，共振器１１０はバンプ１７８とバンプ１８０に固定される。この実施例においては，スタッド１７８，１８０，１８２は，三点搭載部を形成する。これにより、パッケージ１７０内で共振器１１０を固定する。この三点搭載部が、振動アームと平坦な底部１７２の間に充分なクリアランスを提供する。中央取り付けアーム１１８とベース部分１６２は、３本のスタッド（三点搭載部）に接着あるいは溶接される。図３Ａから判るように，バンプ１８２と連結部分１１６の間にある中央取り付けアーム１１８の一部は、１本の振動アームの幅の１．５倍以上である。この実施例においては，切り離し手段１５０が，連結部分１１６近傍の中央アーム１１８上に配置される。切り離し手段１５０は，中央取り付けアーム１１８を振動アーム１１２，１１４から機械的に切り離す。同図に示すように，切り離し手段は，中央取り付けアーム１１８の両側のノッチ（切り欠き）１５０の形態で実現される。この切り離し手段１５０は、バンプ１８２と連結部分１１６の間に、配置され、連結部分１１６に近い方に配置されるのが好ましい。

この種の共振器で使用されるように，振動アーム１１２，１１４は、２つの電極群（図示せず）を有する。これらの電極は、図１の電極２０，２２に示すように、互いに連結して配置される。この２つの電極群は、さらにベース部分１６２の裏面に形成された２つの導電性接続パッド（図示せず）に接続される。これらの接続パッドは、それぞれバンプ１７８，１８０と接触するよう配置される。

従来公知のように，共振器が消費するエネルギー量を減らす為に，少なくとも１本の溝（図示せず）が、各振動アームの前面と裏面の少なくとも一方に形成される。この溝が存在すると、励起電界が、より均一に且つ局部的により強く生成される。それに対するアームの振動損失は、振動部品のサイズが小さい場合でさえ、低い。

前述したように，図３Ａ，３Ｂに示す共振器１１０は、パッケージ１７０に固定して搭載される。パッケージ１７０の実際の大きさは，共振器の大きさと形状によって決まる。平行なパイプ形状のパッケージ１７０は，平坦な底部１７２と４個の側面１７４とふた１４０から形成されるケースを有する。ふた１４０はエッジを有する。このエッジを介して、ふたは、メイン部分の側面１７４上に真空溶接される。これは，半田フレーム（図示せず）の手段により，加熱と加圧により行われる。これは、共振器がパッケージ１７０内に搭載された後に行われる。共振器１１０を支持する３本のスタッド１７８，１８０，１８２の高さは，共振器の振動アームがパッケージ１７０内で自由に振動できるよう、選択される。

図３Ｂに示すように、図３Ａのパッケージされた共振器は、ふた１４０で封止される。ふた１４０は一様な厚さではない。ふた１４０の第１部分は第１厚さを、残りは第２厚さを有する。第２厚さは第１厚さよりも厚い。第１厚さの部分はふたの内側で大きな凹み部分１４２を形成する。複数の厚さの部分を有するふたを使用する目的は、振動アーム上方に十分なクリアランスを提供しながら、パッケージ１７０の全厚を減らすことである。ふたがガラス製、シリコン製、金属製の場合は、リセス領域１４２は、材料に一部を、エッチング、化学エッチング、深反応性イオンエッチング、ドロップ鍛造（ふたが金属製の場合）で除去することにより、形成される。

図３Ｂに示すように，この実施例によれば，凹み部分１４２は、底部１７２に向かい合う全体領域に，突起部１４４を除いて、広がる。他の実施例では、底部１７２に向かい合う全体領域に広がる代わりに，凹み部分１４２は、振動アーム１１２，１１４に直接向かい合う領域にのみ限定することも、更に、振動アームの先端部分に直接向かい合う領域のみに限定することもできる。

図３Ａに示すように，突起部１４４は、中央アーム１１８に向かい合う領域のふた１４０の内側に伸びる。好ましくは、突起部１４４は、アーム１１８が固定スタッド１８２に固定される取り付けポイントから直接配置されるよう、配置することもできる。

図３Ａ，３Ｂのパッケージの内側は真空状態に保持される。スリムなパッケージを形成するために、ふた１４０が薄い場合には，ふた１４０の外側の大気圧により、ふた１４０が垂下する（たわむ）。本発明により、この問題は，突起部１４４が、ふた１４０の内側表面から下側に伸びることにより解決される。ふた１４０が垂下すると，突起部１４４は中央取り付けアーム１１８の上の部分に当たる。かくして、ふた１４０は、中央アームにより支持され、更にふた１４０が垂下する（たわむ）ことはない。振動アームの先端部分が、凹み部分１４２から配置されると，振動アームとふたとの間のクリアランスは、両者が接触しないよう、十分確保できる。

図４は本発明のパッケージされた共振器の他の実施例を示す。この実施例によれば，ふた２４０は、凹み領域を有さない。ふた２４０全体は、突起部１４４の部分を除いて薄くなっている。この実施例によれば、振動アームに対し十分なクリアランスを提供するために，パッケージの側面２７４は、このパッケージの側面１７４（図３）よりも若干高くなっている。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

１０ 共振器
１２，１４ アーム
１６ 連結部分
２０，２２ 電極
２８，３０ 接続パッド
７０ パッケージ
７２ 底部
７４ 側面
７８．８０ バンプ
１１０ 共振器
１１２，１１４ 振動アーム
１１６ 連結部分
１１８ 中央取り付けアーム
１６２ ベース部分
１７８，１８０ バンプ
１６６，１６８ フリッパー
１７６ 狭小部分
１８２ バンプ
１７０ パッケージ
１７２ 底部
１５０ 切り離し手段
１４０ ふた
１７４ 側面
１７８，１８０，１８２ スタッド
１４２ 凹み部分
１４４ 突起部
２７４ 側面

Claims (11)

1. ふた（１４０；２４０）を有するケース（１７０；２７０）と、真空引きされた状態で前記ケース内に収納されるピエゾ共振器（１１０）とを有するパッケージされたピエゾ電子共振器において，
   （Ａ）連結部分（１１６）で結合した２本の平行な振動アーム（１１２，１１４）を有する平面状同調フォーク形状部品と，
   （Ｂ）前記連結部分（１１６）から、前記平面状同調フォーク形状部品の面に沿って伸びる取り付けアーム（１１８）と
   を有し，
   前記取り付けアーム（１１８）は、前記ケース（１７０）の底部（１７２）に少なくとも一カ所の取り付けポイント（１７８，１８０，１８２）で、固定され，
   前記取り付けアーム（１１８）の少なくともメイン部分（１１８）は、前記振動アーム（１１２，１１４）と並んで平行に配置され，
   前記ふた（１４０，２４０）の内側表面は，第１厚さの第１部分（１４２）と第２厚さの第２部分（１４４）が形成されるように階段状になっており，
   第２厚さは、前記第１厚さよりも厚く，
   前記第１部分（１４２）は 前記振動アーム（１１２，１１４）の少なくとも先端部分（１６６，１６８）上方を伸び，
   前記第２部（１４４）は、前記取り付けアーム（１１８）の上方を部分的に伸び、
   前記第２部（１４４）は、前記ケース（１７０；２７０）に衝撃が加わった時に、前記取り付けアーム（１１８）に当たり、前記ケースのふた（１４０；２４０）が更に変形するのを阻止する
   ことを特徴とするパッケージされたピエゾ電子共振器。
2. 前記取り付けアーム（１１８）は，前記振動アーム（１１２、１１４）の間に配置される
   ことを特徴とする請求項１記載のパッケージされたピエゾ電子共振器。
3. 前記取り付けアーム（１１８）は、前記ケース（１７０）の底部（１７２）に、前記振動アーム（１１２、１１４）の間に配置された中央取り付けポイント（１８２）で、固定され，
   ことを特徴とする請求項２記載のケースされたピエゾ電子共振器。
4. 前記取り付けアーム（１１８）の先端部は、前記連結部分部分（１１６）の反対側で拡張してベース部分（１６２）となり，前記振動アーム（１１２，１１４）を越えて伸び，
   前記ベース部分（１６２）は、前記ケース（１７０）の底部（１７２）に取り付けられる
   ことを特徴とする請求項２記載のケースされたピエゾ電子共振器。
5. 前記ベース部分（１６２）は、前記ケース（１７０）の底部（１７２）を有する２個の先端取り付けポイント（１７８，１８０）を有し，
   前記２個の先端取り付けポイント（１７８，１８０）は，前記振動アーム（１１２，１１４）の間に配置される取り付けポイント（１８２）と共に，前記共振器（１１０）の三点搭載部を形成する
   ことを特徴とする請求項４記載のケースされたピエゾ電子共振器。
6. 前記第１部分（１４２）は、前記底部（１７２）に向かい合う全体表面に，取り付けアーム（１１８）の一部に向かい合う突起部（１４４）を除いて、広がる
   ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載のケースされたピエゾ電子共振器。
7. 前記突起部（１４４）は、前記取り付けポイント（１８２）に、向かい合う
   ことを特徴とする請求項６記載のケースされたピエゾ電子共振器。
8. 前記第１部分（１４２）は，前記ふたの内側部分内に２つの凹み部分を形成し，
   前記凹み部分は、それぞれ前記振動アーム（１１２，１１４）の一方に向いていることを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載のケースされたピエゾ電子共振器。
9. 前記凹み部分（１４２）は、前記振動アーム（１１２，１１４）の一方の先端部に向いている
   ことを特徴とする請求項８記載のケースされたピエゾ電子共振器。
10. 前記取り付けアーム（１１８）は、切り離し手段（１５０）を有し，
    前記切り離し手段（１５０）は、前記取り付けポイント（１８２）と連結部分（１１６）の間に配置される
    ことを特徴とする請求項３記載のケースされたピエゾ電子共振器。
11. 前記切り離し手段（１５０）は，前記取り付けアーム（１１８）の両側に形成されたノッチ（１５０）により形成される
    ことを特徴とする請求項１０記載のケースされたピエゾ電子共振器。
    

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