JP5797978B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動素子を有する圧電デバイスに関するものである。

従来から、圧電デバイスは、例えば、通信機器、計測機器に使用される基準周波数発生源として使用されており、過酷な条件下においても経年変化のない安定した周波数出力が長期に亘って得られるような性能が求められている。ここでは、圧電デバイスの例として圧電振動素子が金属ベース上に縦方向に支持された圧電振動子について説明する。

圧電振動子は、二本の支持部材と、二本の支持部材の保持部によって左右両端部を２点支持された圧電振動素子とを備えている。圧電振動素子は、圧電基板の主面に設けられた励振電極と、圧電基板の主面に設けられており励振電極に電気的に接続されかつ圧電基板の左右両端部にそれぞれ延びる端子電極とを含んでいる。そして、圧電振動子は、端子電極がろう材によって支持部材の保持部に接合されることで、機械的に接合されるとともに電気的に接続され、支持部材に支持される。このときのろう材は約３００度で加熱されて溶融することで支持部材と圧電振動素子とを接合し、冷却されて凝固することで両者は固定保持される。

特開２００６−１８６８３９号公報

しかしながら、従来の圧電振動子においては、一般的に支持部材の幅の方が圧電振動素子の厚みよりも大きいことから、その間のろう材の平面視における幅は、圧電振動素子側の方が支持部材に設けられた保持部側よりも小さいため、ろう材の冷却速度に違いが出てきていた。つまり、圧電振動素子側の方が保持部側よりもろう材の量が少ないため、圧電振動素子側は短時間で冷却され凝固するのも早い。一方、ろう材の量が多い保持部側は、冷却されるのが遅く凝固するのも遅いという現象が起きることとなる。また、支持部材と圧電振動素子の熱膨張係数の違いによりそれぞれの熱収縮などに差がでてくることとあいまって、圧電振動素子に大きな応力を残すこととなる。したがって、圧電振動素子に残った応力が、時間の経過とともに開放されて周波数変動が起きる現象の要因となっている。

本発明の一つの態様によれば、圧電デバイスは、平板形状の圧電振動素子と、ろう材を介して該圧電振動素子の側面を支持する保持部をそれぞれ有しており、圧電振動素子を挟むようにして支持している複数の支持部材とを備えており、ろう材は、平面視において圧電振動素子から支持部材の保持部に向かって挟まっている形状となっており、支持部材の保持部の方が圧電振動素子の側面よりも量が少ない状態で支持部材の前記保持部と圧電振動素子の側面とを固定しており、複数の支持部材のぞれぞれは、保持部の幅よりも大きい幅のリード部を有している。

本発明の一つの態様による圧電デバイスは、ろう材が平面視において圧電振動素子より複数の支持部材の保持部の方が狭くなっており、支持部材の保持部の方が圧電振動素子の側面よりも量が少ない状態で支持部材の前記保持部と圧電振動素子の側面とを固定していること、および、複数の支持部材のそれぞれが保持部の幅よりも大きいリード部を有していることにより、複数の支持部材の保持部の方が圧電振動素子の方より早くろう材が凝固することとなる。そのため、圧電振動素子側のろう材には保持部側のろう材が凝固する際の応力が加わり難くなり、圧電振動素子に応力が残りにくい状態となる。

本発明の第１の実施形態における圧電デバイスを示す透視正面図である。 図１に示された圧電デバイスのＡ−Ａにおける横断面図の一部分を示している。 （ａ）は本発明の第２の実施形態における圧電デバイスの一部分の構成を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された構成のＢ−Ｂにおける横断面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態における圧電デバイスの変形例の一部分の構成を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された構成のＣ−Ｃにおける横断面図である。 （ａ）は本発明の第３の実施形態における圧電デバイスの一部分の構成を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された構成のＤ−Ｄにおける横断面図である。 （ａ）は本発明の第４の実施形態における圧電デバイスの一部分の構成を示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された構成のＥ−Ｅにおける横断面図である。

本発明を実施するためのいくつかの例示的な実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１および図２に示されているように、本発明の第１の実施形態における圧電デバイス１００は、金属ベース１０と、金属ベース１０に固定された複数の金属ピン１１と、複数の金属ピン１１にそれぞれ固定された複数の支持部材２０と、ろう材４０によって複数の支持部材２０に固定された圧電振動素子３０と、圧電振動素子３０を覆って気密封止するように金属ベース１０に固定された蓋部材５０とを含んでいる。

金属ベース１０は、支持部材２０を固定し、蓋部材５０とともに圧電振動素子３０を気密封止する空間を形成するためのものである。例えば鉄−コバルト−ニッケル合金（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ），銅（Ｃｕ），ステンレス，これらの複合材等の金属材料よりなり、貫通孔を有する直方体の形状であり、平面視において短辺部が半円形状に形成されている。

金属ピン１１は、金属ベース１０の貫通孔にガラス等の絶縁性接合部材によって固定されており、支持部材２０が接合され圧電デバイスの外部と圧電振動素子３０とを電気的に接続するためのものである。金属ピン１１は、例えば、鉄−コバルト−ニッケル合金（Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ）等の金属製のものである。

支持部材２０は、一端が金属ピン１１に接合され、他端が圧電振動素子３０に接合されて、圧電振動素子３０を支持するとともに、圧電振動素子３０と金属ピン１１とを電気的に接続するためのものである。支持部材２０は、例えば、リン青銅、ニッケル（Ｎｉ）、 等の金属材料よりなり、支持部材２０の上部は、圧電振動素子３０にろう材４０を介して接続される保持部２０ａとリード部２０ｂとで形成されている。また、支持部材２０は、横断面視において、四角形状に形成されている。

保持部２０ａは、圧電振動素子３０が金属ベース１０から離間して固定される高さ位置に設けられている。また、保持部２０ａの圧電振動素子３０を接続する位置の幅（以下、保持部幅２０ｃという）は、圧電振動素子３０の側面の幅（以下、圧電振動素子側面幅３０ａという）よりも小さく形成されている。

リード部２０ｂは、保持部２０ａの圧電振動素子３０を接続する面と相対する面に設けられており、保持部幅２０ｃと同一の幅で形成されている。

支持部材２０の保持部２０ａと圧電振動素子３０とがろう材４０により接合されることで、圧電振動素子３０は、支持部材２０によって金属ベース１０上に固定されるとともに、金属ピン１１と電気的に接続される。

ろう材４０は、例えばＡｕ−Ｇｅ合金よりなり、支持部材２０と圧電振動素子３０とのろう付に用いられる接合材である。

圧電振動素子３０は、例えば水晶のような圧電材料よりなり、平面視で円形状を有する平板状の圧電基板３１と、圧電基板３１を挟んで対向するように圧電基板３１の両主面の中央部にそれぞれ設けられた円形状の励振電極３２ａおよび３２ｂと、圧電基板３１の両主面にそれぞれ設けられ、励振電極３２ａおよび３２ｂに電気的に接続されて圧電基板３１の左右両端部にそれぞれ延びる端子電極３３ａおよび３３ｂとを含んでいる。

圧電基板３１の一方の主面に形成された励振電極３２ａに接続された端子電極３３ａと、圧電基板３１の他方の主面に形成された励振電極３２ｂに接続された端子電極３３ｂとは、圧電基板３１の互いに反対側の端部へ延びており、さらにそれぞれ圧電基板３１の相対する主面まで引き回されている。

圧電振動素子３０が固定された金属ベース１０に蓋部材５０を接合して気密封止することで圧電デバイス１００となる。蓋部材５０は、例えば、金属ベース１０と同様の金属材料よりなり、一方が塞がれた筒形状を有している。蓋部材５０と金属ベース１０との接合は、例えば、蓋部材５０の開口部周囲に設けた鍔部と金属ベース１０の上面外周部とを冷間圧接等の接合方法によって接合することで行なわれる。

本発明の第１の実施形態における圧電デバイス１００は、圧電振動素子側面幅３０ａよりも支持部材２０に設けられた保持部幅２０ｃの方が小さく形成されていることにより、
ろう材４０が平面視において圧電振動素子３０の側面から支持部材２０に設けられた保持部２０ａに向かって狭まるように形成される。また、支持部材２０に設けられた保持部２０ａと圧電振動素子３０の側面がろう材４０によって固定される場合に、平面視において支持部材２０に設けられた保持部２０ａの方が圧電振動素子３０の側面よりもろう材４０の量が少ないこととなり、圧電振動素子３０の側面のろう材４０より支持部材２０に設けられた保持部２０ａのろう材４０の方が放熱により凝固する時間が早くなる。そのため、圧電振動素子３０側のろう材４０には保持部２０ａ側のろう材４０が凝固する際の応力が加わり難くなり、圧電振動素子３０に応力が残りにくくなる。したがって、本発明の第１の実施形態における圧電デバイス１００は、時間の経過とともに応力が開放されて周波数変動が起きる現象に関して向上されている。

なお、図１および図２に示した例では、支持部材２０はその長さ方向の全体にわたって幅が小さいものであるが、圧電振動素子３０と接合される、保持部２０ａが設けられた部分だけ幅が小さい形状であってもよい。このようにすると、保持部２０ａが設けられた部分以外の支持部材２０の部分の幅を大きくすることができるので、支持部材２０のばね性を大きくして、圧電振動素子３０を挟むようにして支持する力を大きくして、製造時の圧電振動素子３０のズレを少なくすることができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における圧電デバイス１００について、図３（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。本発明の第２の実施形態における圧電デバイス１００において、第１の実施形態における圧電デバイス１００と異なる構成は支持部材２１の形状である。その他の構成については、第１の実施形態における圧電デバイス１００と同様である。支持部材２１は、平面視において四角形のリード部２１ｂと四角形のリード部２１ｂに凸部形状の保持部２１ａが圧電振動素子３０側に設けられた形状を有しており、保持部幅２１ｃは圧電振動素子側面幅３０ａよりも小さく形成されている。すなわち、第１の実施形態における支持部材２０は保持部２０ａの幅とリード部２０ｂの幅が同じで、支持部材２０の上部の全体の幅が圧電振動素子側面幅３０ａよりも小さいのに対して、保持部幅２０ｃのみが圧電振動素子側面幅３０ａよりも小さくなっている。

本発明の第２の実施形態における支持部材２１は、平面視において四角形のリード部２１ｂと四角形のリード部２１ｂに凸部形状の保持部２１ａが設けられた形状を有しており、圧電振動素子側面幅３０ａよりも保持部幅２１ｃの方が小さく形成されていることによって、平面視において保持部２１ａに付着するろう材４０の量が圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０の量よりも少ない量となり、圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０より支持部材２１に設けられた保持部２１ａに付着するろう材４０の方が放熱により凝固する時間が早くなる。また、圧電デバイス１００は、支持部材２１に設けられたリード部２１ｂを有していることにより、支持部材２１に設けられたリード部２１ｂが外気に触れる表面積が増えることとなる。そのため、支持部材２１に設けられたリード部２１ｂの放熱効果が向上し、支持部材２１に設けられた保持部２１ａの方が圧電振動素子３０の側面の方よりもろう材４０がさらに早く固まることとなる。したがって、圧電振動素子３０に応力が残りにくくなり、時間の経過とともに応力が開放されて周波数変動が起きる現象に関してもさらに向上されている。

なお、図３に示した例では、凸部を支持部材２１の長さ方向の全体にわたって設けているが、圧電振動素子３０と接合される、保持部２１ａのみに凸部を設けてもよい。このようにすると、支持部材２１のばね性が大きくなりすぎることがないので、圧電振動素子３０に加わる応力を低減することができる。

(変形例)
以下、本発明の第２の実施形態における圧電デバイス１００の変形例として図４（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。

図４（ａ）および（ｂ）に示されているように、図３（ａ）および（ｂ）の形状の支持部材２１であれば、ろう材４０は保持部２１ａの圧電振動素子３０側の端面だけでなく、リード部２１ｂから圧電振動素子３０側へ延びる側面まで回り込んで接合されていてもよい。この場合でもろう材４０の形状は圧電振動素子３０から支持部材２１の保持部２１ａに向かって狭まる形状となるので、圧電振動素子３０に応力が残り難くなる。さらに、ろう材４０と支持部材２１との接合面が３次元かつ大面積になるので、圧電振動素子３０より幅を小さくしても接合強度を大きいものとすることができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における圧電デバイス１００について、図５（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。本発明の第３の実施形態における圧電デバイス１００において、第１の実施形態における圧電デバイス１００と異なる構成は支持部材２２の形状である。その他の構成については、第１の実施形態における圧電デバイス１００と同様である。支持部材２２は、平面視において四角形のリード部２２ｂと四角形のリード部２２ｂの一辺に半円形状の保持部２２ａが設けられた形状を有している。すなわち、第２の実施形態における保持部２１ａの平面視の形状が四角形であるのに対して、第３の実施形態における保持部２２ａの平面視の形状が半円形状となり、保持部２２ａのリード部２２ｂ側の幅がリード部２２ｂの幅と同じになっている。

本発明の第３の実施形態における支持部材２２は、平面視において保持部２２ａが半円形状に形成されていることにより、保持部２２ａと圧電振動素子３０の側面とに付着するろう材４０の幅は、圧電振動素子側面幅３０ａより保持部幅２２ｃの方が小さい幅となる。そのため、平面視において保持部２２ａに付着するろう材４０の量が圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０の量よりも少ない量となり、圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０より支持部材２２に設けられた保持部２２ａに付着するろう材４０の方が放熱により凝固する時間が早くなる。また、圧電デバイス１００は、支持部材２２に設けられたリード部２２ｂを有していることにより、支持部材２２に設けられたリード部２２ｂが外気に触れる表面積が増えることとなる。そのため、支持部材２２に設けられたリード部２２ｂの放熱効果とあいまって支持部材２２に設けられた保持部２２ａの方が圧電振動素子３０の側面よりもろう材４０が早く固まることとなる。したがって、圧電振動素子３０に応力がさらに残りにくくなり、時間の経過とともに応力が開放されて周波数変動が起きる現象に関して向上されている。

本実施の形態においても、圧電振動素子３０と接合される保持部２２ａのみに凸部を設けてもよい。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における圧電デバイス１００について、図６（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。本発明の第４の実施形態における圧電デバイス１００において、第１の実施形態における圧電デバイス１００と異なる構成は支持部材２３の形状および表面処理方法である。その他の構成については、第１の実施形態における圧電デバイス１００と同様である。

支持部材２３の幅は平面視において圧電振動素子側面幅３０ａより大きいが、保持部２３ａは、圧電振動素子側面幅３０ａより小さい幅で、ろう材４０に対し濡れ性の良い表面処理された領域となっている。表面処理としては、例えば、ろう材４０がＡｕ−Ｇｅ合金の場合であれば、支持部材２３をＡｕ−Ｇｅ合金のろう材４０に対して濡れ性の悪いＮｉ合金で作製し、保持部２３ａとなる領域にＡｕ−Ｇｅ合金のろう材４０に対し濡れ性のよいＡｕ、Ａｇ等の金属からなる膜を形成すればよい。膜の形成は、めっきや蒸着等で行えばよい。

本発明の第４の実施形態における支持部材２３は、平面視において圧電振動素子３０の側面より大きい四角形状を有しており、圧電振動素子側面幅３０ａより狭く、かつろう材４０に対し濡れ性の良い表面処理が保持部２３ａにされていることによって、平面視において保持部２３ａに付着するろう材４０の量が圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０の量よりも少ない量となり、圧電振動素子３０の側面に付着するろう材４０より保持部２３ａに付着したろう材４０の方が放熱により凝固する時間が早くなる。また、支持部材２３は、圧電振動素子３０の側面より大きい形状であり、かつろう材４０が付着していない部分の表面積が大きいため放熱効果が向上し、支持部材２３に設けられた保持部２３ａの方が圧電振動素子３０の側面よりもろう材４０がさらに早く固まることとなる。したがって、本発明の第４の実施形態における支持部材２３は、従来までの機械的特性を大きく変えることなくさらに圧電振動素子３０に応力が残り難い状態にすることができており、時間の経過とともに応力が開放されて周波数変動が起きる現象に関してもさらに向上されている。

(変形例)
支持部材２３の形状および表面処理については、支持部材２３をろう材４０に対して濡れ性のよい金属で作製し、保持部２３ａの周囲に、ろう材４０に対し濡れ性の悪い材料からなる表面処理してもよい。例えば、ろう材４０がＡｕ−Ｇｅ合金の場合であれば、支持部材２３をＡｕ−Ｇｅ合金のろう材４０に対して濡れ性のよいリン青銅等の合金で作製し、保持部２３ａの周囲に、Ｎｉ等の金属、酸化アルミニウム等の無機絶縁物等のＡｕ−Ｇｅ合金のろう材４０に対して濡れ性の悪い材料からなる膜を形成すればよい。この膜の幅を、圧電振動素子３０の側面に位置する端子電極３３ａおよび３３ｂの幅、即ち圧電振動素子側面幅３０ａと同等か一回り大きいものとすれば、圧電振動素子３０と支持部材２３とをろう材４０で接合する際に、これらの間に挟まれたろう材４０が溶融したときに、膜の外側に濡れ拡がらずに幅の小さい保持部２３ａ内に留まりやすくなり、ろう材４０が平面視において圧電振動素子３０の側面から支持部材２３に設けられた保持部２３ａに向かって狭まるように形成される。したがって、本発明の第４の実施形態の変形例における支持部材２３は、従来までの機械的特性を大きく変えることなくさらに圧電振動素子３０に応力が残り難い状態にすることができており、時間の経過とともに応力が開放されて周波数変動が起きる現象に関してもさらに向上されている。

１００ 圧電デバイス
１０ 金属ベース
１１ 金属ピン
２０，２１，２２，２３ 支持部材
２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａ 保持部
２０ｂ，２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ リード部
２０ｃ，２１ｃ，２２ｃ，２３ｃ 保持部幅
３０ 圧電振動素子
３０ａ 圧電振動素子側面幅
３１ 圧電基板
３２ａ，３２ｂ 励振電極
３３ａ，３３ｂ 端子電極
４０ ろう材
５０ 蓋部材

Claims (1)

1. 平板形状の圧電振動素子と、
   ろう材を介して該圧電振動素子の側面を支持する保持部をそれぞれ有しており、前記圧電振動素子を挟むようにして支持している支持部材と、
   を備えており、
   前記ろう材は、平面視において前記圧電振動素子から前記支持部材の前記保持部に向かって挟まっている形状となっており、前記支持部材の前記保持部の方が前記圧電振動素子の側面よりも量が少ない状態で前記支持部材の前記保持部と前記圧電振動素子の側面とを固定しており、
   前記複数の支持部材のぞれぞれは、前記保持部の幅よりも大きい幅のリード部を有している
   ことを特徴とする圧電デバイス。

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