JP6716283B2 - 圧電振動片、及び圧電振動子 - Google Patents
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Description
従来の圧電振動片は、圧電材料により形成された所定長さの基部と、基部から並んで延びる一対の振動腕を備えると共に、基部の両側端側から振動腕の外側において並んで延びる一対の固定用腕を備えている。
この固定用腕で圧電振動片をパッケージに固定することで、振動腕から基部を経由して固定部までの距離が長くなり固定部からの振動漏れを抑制することができる。
しかし、基部と振動腕の長さの合計が圧電振動片の全長となるが、小型化のために基部を短くすると基部を経由した固定部までの距離が短くなり振動漏れの抑制効果が薄れてしまい、逆に基部の長さを長くすると小型化することができない。
特許文献1記載の技術では、基部31と支持腕36、37との連結を、基部31の側面側ではなく、振動腕32、33が形成される側と反対側の面に連結部35を形成し、この連結部35と支持腕36、37とを接続部34で連結する構造となっている。
このため、振動腕32、33からの振動は基部31、連結部35、接続部34を経由することになり、その伝達経路を長くすることは可能であるが、圧電振動片の長手方向に連結部35、接続部34が形成されるため、その長さ分だけ圧電振動片が大きくなってしまうという問題がある。
条件A 0.1≦L2/L1≦0.2
条件B 0.4≦L3/L2≦0.6
(2)請求項2に記載の発明では、前記基部における、前記連結部が連結された部分を除く両側面は、凹部がない平面状に形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片を提供する。
(3)請求項3に記載の発明では、更に、前記支持腕部の長さをL4とした場合、次の条件Cを更に満たすことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の圧電振動片を提供する。
条件C L4/L1≧0.7
(4)請求項4に記載の発明では、前記1対の振動腕部の両主面には、前記基部における前記振動腕部が延設されている側の端部の位置から、一定幅の溝部が長手方向に形成され、前記1対の振動腕部のうちの、一方の振動腕部の前記溝部内と、他方の振動腕部の側面上に第1励振電極が形成され、前記他方の振動腕部の前記溝部内と、前記一方の振動腕部の側面上に、前記第1励振電極と異なる系統の第2励振電極が形成されている、ことを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の圧電振動片を提供する。
(5)請求項5に記載の発明では、実装部を備えたパッケージと、前記実装部に接合材を介して実装された、請求項1から請求項4のうちのいずれか1の請求項に記載の圧電振動片と、を具備したことを特徴とする圧電振動子を提供する。
(1)実施形態の概要
本実施形態の圧電振動片6は、音叉形の圧電振動片であり、基部8から1対の振動腕部7が延設されると共に、基部8から振動腕部7の両外側に並列して延設された支持腕部9を備える。1対の振動腕部7の長手方向には、その主面(裏表面)に一定幅の溝部72が形成されている。
振動腕部7の外周面を構成する側面と主面、溝部72内には、第1励振電極、第2励振電極として機能する、異なる2系統の励振電極91、92が形成されている。
具体的には、図3(a)に示す、圧電振動片6の全長L1、基部の長L2、連結部81の幅L3、支持腕部9の長さL4を、次の条件A〜条件Cの全てを満たすように圧電振動片6を形成する。
条件A 0.1≦L2/L1≦0.2
条件B 0.4≦L3/L2≦0.6
条件C L4/L1≧0.7
条件Aにより基部8を短くすることで小型化を実現する一方で、条件Bにより基部8を経由する距離を長くすることができる。
また条件Cにより、支持腕部9の長さを長くすることで、振動が伝達する経路の全質量を大きくし、振動を吸収させることで振動漏れを更に抑制することができる。
なお、小型化に対応させたうえで振動の抑制が可能であるため、条件A〜Cのうち、条件A以外を満たすようにしてもよいが、さらなる振動抑制の効果を得るためには条件A〜Cを満たすことが好ましい。
また、本実施形態では、振動腕部7の主面(裏表面)に溝部72が形成されるが、振動腕部に溝部が形成されない従来の音叉型の圧電振動片に適用することもできる。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る、圧電振動片を備えた圧電振動子の外観斜視図である。図2は、第1実施形態に係る圧電振動子の分解斜視図である。
図1、2に示すように、本実施形態の圧電振動子1は、内部に気密封止されたキャビティCを有するパッケージ2と、キャビティC内に収容された圧電振動片6と、を備えたセラミックパッケージタイプの表面実装型振動子とされている。
なお、本実施形態の圧電振動子1は左右対称な構造となっているため、振動腕部7aと振動腕部7bというように、対称配置された両部分を同一の数字で表すと共に、両部分を区別するため、一方に区別符合a、A、他方に区別符合b、Bを付して説明する。ただし、区別符号を適宜省略して説明するが、この場合にはおのおのの部分を指しているものとする。
圧電振動片6は、基部8から平行に延びる振動腕部7a、7bと、この振動腕部7a、7bの外側に同方向に基部8から延びる支持腕部9a、9bを備え、この支持腕部9a、9bによりキャビティC内に保持される。圧電振動片6の詳細については後述する。
パッケージ本体3は、互いに重ね合わされた状態で接合された第1ベース基板10および第2ベース基板11と、第2ベース基板11上に接合されたシールリング12と、を備えている。
第2ベース基板11は、第1ベース基板10に重ねられており、第1ベース基板10に対して焼結などにより結合されている。すなわち、第2ベース基板11は、第1ベース基板10と一体化されている。
なお、後述するように第1ベース基板10と第2ベース基板11の間には、両ベース基板10、11に挟まれた状態で接続電極24A、24B(図示せず)が形成されている。
電極パッド20A、20Bと外部電極21A、21Bとは、第2ベース基板11の実装部14A、14Bに形成された第2貫通電極22A、22B、第1ベース基板10と第2ベース基板11の間に形成された接続電極24A、24B(図示せず)、及び、第1ベース基板10に形成された第1貫通電極23A、23B(図示せず)を介して互いにそれぞれ導通している。
一方、詳細は後述するが、電極パッド20A、20B上には、第1方向D1に互いに隔離して第1接合材51a、51bと、第2接合材52a、52bが配設され、支持腕部9a、9bのそれぞれを長さ方向の隔離した2点で接合している。
以下、図3に示すように、第1ベース基板10と平行な面上で圧電振動子1の長手方向を第1方向D1、同面上で第1方向D1に直交する方向(圧電振動子1の短手方向)を第2方向D2、第1方向D1と第2方向D2に直交する方向(圧電振動子1の厚さ方向)を第3方向D3として説明する(図1も参照)。
図3(a)に示すように、圧電振動片6は、一対の振動腕部7a、7bと、基部8と、一対の支持腕部9a、9bを備えている。
基部8は、一対の振動腕部7a、7bのうち第1方向D1における一方の端部同士を連結している。
基部8には、第2方向D2を向く両端面から第2方向D2に沿って外側に延びる連結部81a、81bが連結され、この連結部81a、81bには、第1方向D1に沿ってそれぞれ延びる支持腕部9a、9bが連結されている。一対の支持腕部9a、9bは、第2方向D2において、振動腕部7a、7bの両外側に配置されている。
支持腕部9a、9bにおいて、基部8側の端部から先端部までの長さが、圧電振動片6の全長a0(後述)の2/3以上に形成されている。この長さは、後述するように、第1接合材51a、51bと第2接合材52a、52bとの間隔を確保するためである。
一対の振動腕部7a、7bは、その全長のほぼ中央部分の幅を基準幅とした場合、この基準幅よりも両側に広くなるように形成された幅広部71a、71bを備えている。この幅広部71a、71bは、振動腕部7a、7bの重量及び振動時の慣性モーメントを増大する機能を有している。これにより、振動腕部7a、7bは振動し易くなり、振動腕部7a、7bの長さを短くすることができ、小型化が図られている。
なお、本実施形態の圧電振動片6は、振動腕部7a、7bに拡幅部71a、71bが形成されているが、拡幅部のない圧電振動片を使用してもよい。
また、本実施形態の圧電振動子1では、図示しないが、振動腕部7a、7bの先端部(拡幅部71a、71b)に、振動状態を所定の周波数の範囲内で振動するように調整(周波数調整)を行うための重り金属膜(粗調膜及び微調膜からなる)が形成されている。この重り金属膜を、例えばレーザ光を照射して適量だけ取り除くことで、周波数調整を行い、一対の振動腕部7a、7bの周波数をデバイスの公称周波数の範囲内に収めることができるようになっている。この重り金属膜についても、拡幅部と同様に形成しないことも可能である。
この拡幅部74a、74bにおける、振動腕部7a、7bの内側(対向する側)は、拡幅始点73a、73bから基部8の先端側の端部83にかけて、漸次広がるように形成されている。
一方、拡幅部74a、74bにおける、振動腕部7a、7bの外側は、拡幅始点73a、73bから、端部83よりも拡幅始点73a、73bよりに位置する途中点75a、75bにかけて、内側と同様に(対称となるように)、漸次広がるように形成されている。
拡幅部74a、74bの外側の側面は、途中点75a、75bから基部8まで第1方向D1と平行に形成され、基部8の端面と連続する平面を形成している。
このように設定することで、CI値80kΩ以下を実現し、発振周波数40kΩ以下が実現される。
また、振動腕部7a、7bの外側の拡幅を途中点75a、75bまでとすることで、基部8の幅を狭くすることが可能になり、強度を向上させると共に、圧電振動片6の小型化を実現している。
更に、後述する溝部72bの内壁面から、振動腕部7a、7bの外側側面までの幅が、途中点75a、75b以降も拡幅する場合に比べて狭くなるので、途中点75a、75b近傍における電界効率が向上する。
図3(a)に示すように、圧電振動片6の全長をL1、基部の長さをL2、基部8と支持腕部9を連結する連結部の幅をL3、支持腕部9の長さをL4とした場合、本実施形態の圧電振動片6は、次の条件A〜Cの全てを満たすように形成される。なお、L1、L2、L3、L4はいずれも、圧電振動片6の長手方向(振動腕部7の長さ方向)の長さである。
条件A 0.1≦L2/L1≦0.2
条件B 0.4≦L3/L2≦0.6
条件C L4/L1≧0.7
すなわち、条件Aに従い、基部8の長さL2を、圧電振動片6の全長をL1の10%〜20%とし、長さL2短くすることで圧電振動子1の小型化の要請に対応することができる。
基部8の長さL2を短くしたことにより振動の伝達経路が短くなることを防止するために、支持腕部9を基部8の側面から直接接続するのではなく、基部8の長さL2の40%〜60%の幅を持つ連結部81で基部80と支持腕部9とを連結する。この連結箇所は基部8の振動腕部7が延設されていない側の端部側である。すなわち、基部8の端面と連結部81の1の面を同一の面となるように形成する。これにより、連結部81が接続されていない非連結分が基部8に形成され、この非連結部の幅(L2−L3)だけ、振動の伝達経路を長くすることができる。
このように、本実施形態では、条件AとBを満たすことにより、圧電振動片6を小型化すると共に、振動の伝達経路をより長く確保することで振動の抑制効果をうることができる。
本実施形態では後述するが、更に、第1接合材51と第2接合剤52の間隔を全長L1の約1/3としている。これにより、振動腕部7の振動に対し、両接合箇所間の支持腕部9の僅かな撓みによって吸収、分散させることができ、外部への振動漏れを抑制することができる。
図3(a)、(b)に示すように、一対の振動腕部7a、7bには、全長に渡って一定幅の溝部72a、72bが形成されている。溝部72a、72bは、一対の振動腕部7a、7bの両主面(表裏面)上において、第3方向D3に凹むとともに、基部8側から第1方向D1に沿って延在している。溝部72a、72bは、振動腕部7a、7bの基端(基部8の先端側の端部83)から、幅広部71a、71bの手前までに形成されている。
溝部72a、72bにより、一対の振動腕部7a、7bは、それぞれ図3(b)に示すように断面H型となっている。
具体的には、一方の励振電極91が、主に一方の振動腕部7aの溝部72a内と、他方の振動腕部7bの側面上とに互いに電気的に接続された状態で形成されている。
また、他方の励振電極92が、主に他方の振動腕部7bの溝部72b内と、一方の振動腕部7aの側面上とに互いに電気的に接続された状態で形成されている。
そして、支持腕部9aに形成された第1系統のマウント電極が引回し電極を介して励振電極92(図3(b)参照)と接続され、支持腕部9bに形成された第2系統のマウント電極が引回し電極を介して励振電極91と接続されている。
2系統の励振電極91、92は、一対のマウント電極を介して電圧が印加されるようになっている。
そして、励振電極91、92、マウント電極、引回し電極を形成する部分を残し、それ以外の部分をフォトリソグラフにより取り除くことで、2系統の電極ラインが形成される。
すなわち、本実施形態の振動腕部7a、7bの主面における、励振電極91と励振電極92との間隔(電極分割幅W1:図3(b)参照)は、従来よりも狭く形成されている。
いま、振動腕部7の側面と溝部72の側面とで形成される一方の土手部の幅(両側面に形成された励振電極91、92の厚さを含む)をW0とする。
本実施形態では、土手部上(振動腕部7の主面上)に形成される励振電極91と励振電極92との電極分割幅W1を、1μm<W1<3μmの範囲、W0<W1に形成している。
土手部79の幅W0を共に10μmとした場合、従来の電極分割幅は6〜7μmであるのに対し、本実施形態の電極分割幅W1は3μmである。そのため本実施形態では、土手部(主面上)に形成される励振電極91、92の幅を従来よりも大きくすることができる。
その結果、土手部上に形成した励振電極91、92の面積も大きく確保することで、一方から他方に向かう電界の密度を高くすることができ、残渣部77p、77gに形成した励振電極91、92の面積を大きく確保することに加えて、更にCI値の上昇を回避することができる。
第2ベース基板11の実装部14A、14Bの実装面(封口板4に対向する側の面)には、ほぼ全面にわたって電極パッド20A、20Bが形成されている。
一方、第1ベース基板10の外側底面には、長手方向(第1方向D1)の両端側に、短手方向(第2方向D2)に延びる外部電極21A、21Bが形成されている。
これら電極パッド20A、20B、及び外部電極21A、21Bは、例えば蒸着やスパッタ等で形成された単一金属による単層膜、または異なる金属が積層された積層膜であり、電極パッド20Aと外部電極21Aが互いに導通し、電極パッド20Bと外部電極21Bが互いに導通している。
このように、電極パッド20Bと外部電極21Bとは、第2貫通電極22B、接続電極24B、及び第1貫通電極23Bを介して互いに導通している。
このように、電極パッド20Aと外部電極21Aとは、第2貫通電極22A、接続電極24A、及び第1貫通電極23Aを介して互いに導通している。
すなわち、図3(a)、図4に示すように、圧電振動片6は、支持腕部9a、9bに設けられた各マウント電極が、実装部14A、14B上の電極パッド20A、20B(上面にメタライズ層が形成されている場合は該メタライズ層)にそれぞれ第1接合材51a、51b、第2接合材52a、52bを介して電気的および機械的に接合されている。
このように、本実施形態の圧電振動片6は、支持腕部9a、9bのそれぞれが、その長さ方向(第1方向D1)の2箇所で実装部14A、14B上に接合保持(2点支持)される。
第1接合材51a、51b、第2接合材52a、52bが導電性接着剤により構成されている場合、塗布装置の移動ヘッドに支持されたディスペンサノズルにより塗布される。
本実施形態では、各接合材のサイズは圧電振動子1のサイズによるが、例えば、1.2mm×1.0mmサイズの圧電振動子1の場合、半径0.1mm程度に塗布される。
なお、以下の説明では、支持腕部9を接合している、第1接合材51と第2接合材52の中心をそれぞれ接合箇所51、52として説明する。
両支持腕部9は、上述したように圧電振動片6の全長の2/3以上に形成され、その長手方向の2箇所以上、好ましくは2箇所、すなわち、基部8側の接合箇所51と、先端側の接合箇所52で接続されている。
そして、支持腕部9に対し、その長手方向の先端部に第2接合材52が配設される。一方、第1接合材51は、その接合箇所51が圧電振動片6の重心Gよりも基部8側となるように配設される。これにより、重心Gが両接合箇所51、52の間に存在することになる。
このように、基部8側の接合箇所51を重心Gよりも基部8側とすることで、当該接合箇所51から基部8を通り振動腕部7の先端に至るまでの全長を短くすることができ、その結果、外部からの衝撃に対して振動腕部7先端での変位量を少なくすることができる。
その一方で振動腕部7からの振動漏れを抑制するために、その長手方向において、基部8側の接合箇所51を、基部8と支持腕部9の連結部81よりも重心G側にしている。
なお、圧電振動片6を載置した際のバランスを向上させると共に、ガスの発生をより少なくするため、接合箇所は2箇所であることが好ましい。
また、接合箇所は必ずしも2箇所である必要はなく、1箇所であっても、3箇所以上であってもよい。例えば、少なくとも一方の支持腕部9は、短手方向の重心Gを通る線上の接合箇所で接続されてもよい。また、支持腕部9が重心Gに対して基部側より先端側が長い場合、例えば、支持腕部9は重心Gよりも先端側に2箇所以上の接合箇所で接合されてもよい。
すなわち、圧電振動片6の基部8側の端部から接合箇所51までの距離をa1、接合箇所51と接合箇所52間の距離をa2、接合箇所52から振動腕部7の先端までの距離をa3とし、圧電振動片6の全長をa0(=a1+a2+a3)とした場合、a2がa0の45%〜35%の範囲とすることが好ましい。更に、a1<a3<a2とすることが好ましい。
このように、両接合箇所51、52の間隔a2を全長a0の1/3よりも広く(45%〜35%)することにより、外部からの衝撃や、振動腕部7の振動に対して、両接合箇所間の支持腕部9が僅かに撓むことで吸収、分散することで、外部からの影響や、外部への影響を抑えることが可能になる。またa1<a2とすることで、接合箇所51から基部8を通り振動腕部7の先端に至るまでの全長をより短くし、外力に対する先端の変位量を小さくすることができる。
ここで、用語「付近」「約」は、第1接合材51、第2接合剤52の接合対象である、支持腕部9の幅zにより規定される範囲をいうものとする。
すなわち、「1/3付近」は、(1/3)−(z/2)≦1/3付近≦(1/3)−(z/2)の範囲をいう。また、「2/3付近」は、(2/3)−(z/2)≦2/3付近≦(2/3)−(z/2)の範囲をいう。
例えば、接合箇所51(第1接合材51の中心)が、(1/3)−(z/2)〜(1/3)−(z/2)の範囲にあればよい。
従って、「両接合箇所51、52の間隔」である、全長の約1/3は、(1/3)−z≦約1/3≦(1/3)+zの範囲である。
例えば、上記実施形態においては、圧電振動片を用いた圧電振動子として、セラミックパッケージタイプの表面実装型振動子について説明したが、圧電振動片を、ガラス材によって形成されるベース基板およびリッド基板が陽極接合によって接合されるガラスパッケージタイプの圧電振動子に適用することも可能である。
また、説明した実施形態の電極パッド20は、実装部14のほぼ全面に形成されているが、第1接合材51、第2接合材52の少なくとも一方に対応する領域に形成されていればよい。この場合、第2貫通電極23(図4参照)は、実装部14の、電極パッド20に対応した個所に形成される。
Claims (5)
- 基部と、
前記基部から並んで延設された1対の振動腕部と、
前記1対の振動腕部の外側に並んで配設された実装用の1対の支持腕部と、
前記基部の側面と前記1対の支持腕部とを、それぞれ前記基部の前記振動腕部が延設された側と反対側において連結する1対の連結部と、を備えた圧電振動片であって、
前記振動腕部のそれぞれは、前記振動腕部の先端側の途中から前記基部側にむけて前記振動腕部の主面の幅が漸次拡幅するように、前記振動腕部の両側面が傾斜して形成され、
前記1対の振動腕部のそれぞれの両側面に形成された前記傾斜した側面のうち、互いに対向する2つの内側側面は前記基部まで漸次拡幅し、
前記2つの内側側面の反対側に位置する2つの外側側面は、前記基部に至る途中まで漸次拡幅し、前記途中から前記基部までは前記基部の側面と直接連結して同一平面に形成され、
前記振動腕部の長さ方向の長さであって、当該圧電振動片の全長をL1、前記基部の長さをL2、連結部の幅をL3とした場合、次の条件A、条件Bを満たすことを特徴とする圧電振動片。
条件A 0.1≦L2/L1≦0.2
条件B 0.4≦L3/L2≦0.6 - 前記基部における、前記連結部が連結された部分を除く両側面は、凹部がない平面状に形成されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。 - 更に、前記支持腕部の長さをL4とした場合、次の条件Cを更に満たすことを特徴とする請求項1、又は請求項2に記載の圧電振動片。
条件C L4/L1≧0.7 - 前記1対の振動腕部の両主面には、前記基部における前記振動腕部が延設されている側の端部の位置から、一定幅の溝部が長手方向に形成され、
前記1対の振動腕部のうちの、一方の振動腕部の前記溝部内と、他方の振動腕部の側面上に第1励振電極が形成され、
前記他方の振動腕部の前記溝部内と、前記一方の振動腕部の側面上に、前記第1励振電極と異なる系統の第2励振電極が形成されている、
ことを特徴とする請求項1、請求項2、又は請求項3に記載の圧電振動片。 - 実装部を備えたパッケージと、
前記実装部に接合材を介して実装された、請求項1から請求項4のうちのいずれか1の請求項に記載の圧電振動片と、
を具備したことを特徴とする圧電振動子。
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