TWI419387B - 音叉型壓電振動子 - Google Patents

Description

音叉型壓電振動子

本發明關於一種表面安裝用音叉型壓電振動子(Tuning－fork type piezoelectric unit)，特別關於連接音叉型壓電振動片(Tuning－fork type piezoelectric element)和收容該音叉型壓電振動片之容器本體的金屬突起。

(發明背景)

音叉型壓電振動子一般廣泛使用作為電子機器之時鐘頻率源。近年來，伴隨內藏該等之電子機器之小型化，對於音叉型壓電振動子之大小，亦要求小型化及薄型化。

圖5A及圖5B說明習知例之音叉型壓電振動子，圖5A係剖切容器本體之一部分而開放表示內部的音叉型壓電振動子之立體圖，圖5B係其V－V箭視(圖5A)橫剖視圖。圖6A及圖6B說明音叉型壓電振動片，圖6A為音叉型壓電振動片之前視圖，圖6B為表示音叉型壓電振動片之電接線之俯視示意圖。

如圖5A及圖5B所示，音叉型壓電振動子構成為容器本體1，於其內部收容音叉型壓電振動片7，並覆以外蓋2。音叉型壓電振動片7例如由水晶構成，如圖6A所示，由音叉基部10延伸出一對振動臂(Tuning－fork arm)9。並且，於一對振動臂9各自之4面具有激振電極9a，由未圖示之佈線圖案將引出電極10a延伸出於音叉基部 (base)10之一主面。激振電極9a如圖6B所示，將各音叉臂9之兩主面及兩側面間接線為同電位。然後，連接於設在音叉基部10之一主面的一對引出電極10a。

容器本體1由在一端側之內壁例如形成為具有經分割之段部3的橫剖面凹狀之疊層陶瓷所構成。此習知例中，由開放面依序形成由陶瓷板(1a、1b、1c)所構成之3層構造。在置於容器本體1的內壁段部3之上面形成電極墊4。電極墊4中以例如鎢(W)作為基礎電極，以例如鎳(Ni)膜為中間材料而形成由金(Au)膜所構成的導電層。

基礎電極(W)例如由印刷及燒結形成，中間材料(Ni)及導電層(Au)例如由電鍍形成。然後，於電極墊4之上面形成由金(Au)構成的金屬突起6。金屬突起6由上述印刷及燒結或電鍍等所形成。總言之，金屬突起6由印刷突起或電鍍突起所形成。

然後，由激振電極9a延伸出有引出電極10a的音叉基部10之一主面，其兩側端由導電性黏著劑8固定於金屬突起6。導電性黏著劑8例如為加熱硬化型，在塗佈於金屬突起6上後定位音叉基部10。然後，從音叉基部10之上方加壓(壓縮)而加熱硬化。藉此，從一對音叉臂9之激振電極9a延伸出的引出電極10a，經由金屬突起6、電極墊4及未圖示佈線路徑，而電連接於設於容器本體1之底面的安裝端子5。金屬外蓋2由縫熔接等接合於容器本體1之開口端面，將音叉狀壓電片7密閉封入。(參照日本專利特開2004－312057號公報)

(習知技術之問題點)

然而，在如上構成之音叉型壓電振動子中，由於金屬突起6為平坦狀，所以在由引出電極10a延伸出的音叉基部10之一主面，其兩端側全面性地相面對並密接而固定。因此，音叉狀壓電片7之固定強度依存於密接在金屬突起6之接觸面積。另一方面，為提高音叉狀壓電片7相對於外部衝擊的導電性黏著劑8固定強度及電導通度，而要求增大與金屬突起6之接觸面積(對向面積)。此情況下，一對音叉臂9所產生的音叉振動，其振動經由音叉基部10之洩漏，和其與金屬突起6之接觸面積成比例而增大。而且，當振動之洩漏愈大，音叉振動之振動效率愈降低，進而難以提高晶體阻抗(CI)等靜狀態(不受外部衝擊之狀態)下的振動特性。更進一步，即使能夠維持靜狀態下的振動特性，當接觸面積愈大，音叉基部10與金屬突起6之間的導電性黏著劑8之量亦增加，落下衝擊試驗前後的振動頻率變化會變大。亦即，導電性黏著劑8之狀態因落下衝擊而變化，使其保持音叉基部10之狀態發生變化。此情況下，固定強度因衝擊而降低，對音叉基部10之拘束力亦減弱，使振動頻率降低。而且，由於導電性黏著劑8之量愈多，保持狀態之變化幅度亦愈大，所以落下衝擊前後的頻率變化量亦大幅增大。基於此等實情，平坦狀之金屬突起6和導電性黏著劑8間所密接的接觸面積必須嚴格限制在一定值以內。然而，當音叉狀壓電片7之尺寸變小時，例如音叉狀壓電片7之厚度為0.12mm，全長為 2.3mm，寬度為0.5mm，音叉基部10之長度為0.5mm程度以下時，音叉基部10對於金屬突起6之定位趨於困難。因此，在其金屬突起6為平坦狀之音叉型壓電振動子中，存在有確保固定強度及電導通度而維持靜狀態下的振動特性之下，難以同時大幅抑制落下衝擊前後之頻率變化的問題。

本發明之目的在於提供一種音叉型壓電振動子，其在小型化之際，可維持靜狀態下的振動特性，並可確保固定強度，且抑制落下衝擊前後之頻率變化。

(發明目的)

本發明為一種音叉型壓電振動子，其由下列所構成：凹狀之容器本體；設於上述容器本體之凹部內的電極墊；形成於上述電極墊上之金屬突起；延伸出有一對音叉臂，且其音叉基部之一主面藉由導電性黏著劑固定於上述金屬突起的音叉狀壓電片；以及接合於上述容器本體之開口端面而將上述音叉狀壓電片密閉封入的外蓋；如上構成之音叉型壓電振動子中，上述金屬突起之上面平坦部之面積比上述金屬突起之底面積小。

本發明之音叉型壓電振動子中，上述金屬突起於至少一端側具有斜面或台階形狀。藉此構成，使上面平坦部之面積小於金屬突起之底面。

本發明之音叉型壓電振動子中，構成為上述金屬突起在上述音叉狀壓電片之寬度方向上之兩端側具有斜面或台 階形狀。

本發明之音叉型壓電振動子中，構成由上述音叉型壓電振動片寬度方向所觀看到的上述金屬突起之上面平坦部之長度，在上述金屬突起底面之長度的20~90%範圍內。

(發明效果)

根據本發明之音叉型壓電振動子，當音叉基部之一主面透過導電性黏著劑從上面加壓並固定時，金屬突起之上面平坦部小於底面積，因此較習知例可減少與音叉基部之一主面間的導電性黏著劑之密接接觸面積。因此，即使黏著狀態因外部衝擊而變化，亦可縮小其影響。藉此，可使落下衝擊前後之頻率變化特性良好。

更進一步，在金屬突起之上面平坦部外側之區域中，由於在音叉基部與金屬突起間存在間隙，因此導電性黏著劑在加壓時不被壓縮而可固定音叉基部與金屬突起。因此，外側區域之導電性黏著劑可彈性保持音叉基部，如實施形態所述，可補足縮小上面平坦部所損失的固定強度，可與上面平坦部一起確保固定強度。

又，根據本發明，因為密接黏著的上面平坦部設於音叉臂延伸出之方向，所以與設於寬度方向之情況比較，可防止一對音叉臂之前端側下垂。

更進一步，根據本發明，可使伴隨落下試驗之頻率變動達到最小限度。

(第1實施例)

圖1A、圖1B及圖1C為音叉型壓電振動子之圖，用以說明本發明音叉型壓電振動子之實施例，圖1A為開放音叉型壓電振動子之一部分而表示其內部的立體圖(除去音叉狀壓電振動片、外蓋)，圖1B為將音叉狀壓電片經固定於金屬突起後，開放音叉型壓電振動子之一部分而表示其內部的立體圖(除去外蓋)，又圖1C為音叉型壓電振動子之I－I線箭視(圖1B)橫剖視圖。其中，對於與上述習知例相同之部分，賦予相同元件符號而簡略或省略其說明。

本發明之音叉型壓電振動子與上述同樣地，其構成為將音叉狀壓電片7收容於容器本體1並覆以外蓋2，而將音叉狀壓電片7密閉封入。在此例中音叉狀壓電片7之壓電材料亦為水晶。而且，引出電極10a所延伸出的音叉基部10之一主面之兩端側，由導電性黏著劑8固定於設在容器本體1一端側之內壁段部3的電極墊4上之金屬突起6。

電極墊4由印刷燒結形成之基礎電極(W)、及電鍍形成之中間材料(Ni)及導電膜(Au)所構成，金屬突起(Au)6由印刷突起或電鍍突起所構成。本實施形態中，在金屬突起6寬度方向之兩端側形成圓弧狀之曲面，以中央區域為上面平坦部。而且，音叉狀壓電片7例如以32.768kHz為振動頻率，音叉狀壓電片7之厚度為0.12mm，全長為2.3mm，寬度為0.5mm，音叉基部10之長度為0.5mm。

本第1實施例中，電極墊4之厚度為大約20 μm，金屬突起6在音叉臂長度方向之長度尺寸為370 μm，寬度尺 寸為215 μm，厚度(高度)尺寸為30 μm。而且，與音叉基部10之一主面相連接的金屬突起6，其整體寬度尺吋為220 μm，上面平坦部之寬度尺寸為100 μm，兩端側之曲面的寬度尺寸分別為60 μm。

如此構成下，當音叉狀壓電片7(音叉基部10)由導電性黏著劑8固定於金屬突起6時，因金屬突起6之上面平坦部之寬度尺吋較短，所以與金屬突起6密接接觸的黏著面積減少。因此，即使黏著狀態因外部衝擊(落下衝擊)而發生變化，亦可縮小對振動特性之影響，抑制振動頻率之變化。而且，由於在上面平坦部之兩端部設置曲面部以保持音叉基部10，因此可維持音叉狀壓電片7之固定強度。

總之，利用金屬突起6之上面平坦部6a與兩端側6b之曲面而維持音叉狀壓電片7之固定強度，進而因縮短與音叉基部10密接黏著的上面平坦部6a，因此可防止隨落下衝擊前後之振動特性變化而引起的頻率變化。換言之，亦可謂以上面平坦部6a支配固定強度及振動特性，而以兩端側6b之曲面補足固定強度。藉此，可兼顧確實保持音叉狀壓電片7與縮小落下衝擊時之頻率變化。

圖2表示金屬突起6之上面平坦部6a在不同長度下，其落下衝擊試驗前後之頻率變化。此外，此處在落下衝擊試驗中，測定從1.8m上方將音叉型振動子落於混凝土板時，落下前與落下後之振動頻率的頻率偏差△f/f。然而，△f為落下前之振動頻率f與落下後之振動頻率f’的頻 率差(f－f’)。又，音叉型壓電振動子搭載於載重150g之固定基板而落下。

由此圖表可看出，相對於金屬突起6之上面平坦部6a之寬度尺吋，落下衝擊前後之振動頻率變化特性呈拋物線狀，在上面平坦部6a之寬度尺吋為100 μm時頻率變化(偏差)為8ppm最小值。而且，上面平坦部6a之寬度尺寸在約200 μm以內時，頻率變化為實用標準之20ppm以下。然而，在上面平坦部6a之寬度尺吋大約未滿50 μm時，會因落下衝擊而引起音叉狀壓電片7自金屬突起6剝離或破壞。又，由於△f/f在任何情況下皆為正，所以落下衝擊後之振動頻率皆降低。依存於該等金屬突起6上端平坦部6a之寬度尺寸的頻率變化、尤其具有最小值之理由可推測如下。亦即，當金屬突起6之上面平坦部6a與音叉基部10之一主面間密接接觸的黏著面積(以下，稱密接面積)減小，則其剛性隨落下衝擊而受損。因此，落下衝擊後之剛性較落下衝擊前固定時為小，故與剛性(固定強度)成比例的振動之洩漏會變少。因此，在落下衝擊前後振動頻率降低之程度變大，頻率變化量變大。

其次，伴隨上面平坦部6a之密接面積之增加，剛性之下降程度減少，落下衝擊後之剛性較大，而接近落下衝擊前固定之時。因此，來自音叉基部10的振動之洩漏亦較多，而接近落下衝擊前固定之時。因此，落下衝擊前後之振動頻率之下降程度變小，頻率變化量亦變小。

然後，當密接面積更進一步增加時，剛性之下降程度同 樣變小。然而，當密接面積變大至可維持一定剛性(固定強度)之面積以上時，由於多餘密接面積之增加，落下衝擊所引起的剛性下降亦變大，故整體振動之洩漏較落下衝擊前固定之時為少。因此，落下衝擊前後之振動頻率下降程度變大，頻率變化量變大。由於此等實情，落下衝擊前後之頻率變化特性可推測成為具有最小值之拋物線狀，而依存於上面平坦部6a之導電性黏著劑8密接面積與剛性。

根據上述實驗結果，首先，金屬突起6之上面平坦部6a之寬度尺寸在50 μm左右時，與音叉基部10之密接面積較小。因此，在落下衝擊試驗時衝擊集中於較小之黏著面積，造成導電性黏著劑之剛性下降。因此，落下衝擊前後之頻率變化比較大(約16ppm)。

其次，上面平坦部6a之寬度尺寸在50 μm以上時，密接面積增加，落下衝擊時，衝擊被分散，故導電性黏著劑之剛性下降程度變小。因此，落下衝擊前後之頻率變化逐漸變小。而且，上面平坦部6a之寬度尺寸在100 μm附近，依存於密接面積之剛性成為某一定值，落下衝擊前後之頻率變化頻率變化成為最小(8ppm)。

其次，當上面平坦部6a之寬度尺寸超過100 μm左右時，密接面積變大至可維持在某一定值之剛性的面積以上。因此，如上述可推測，因多餘面積部分之剛性下降，因落下衝擊而導致整體振動之洩振較落下衝擊前固定之時為少，故落下衝擊前後之頻率變化量變大。

由上所述，若金屬突起6上面平坦部6a之寬度尺寸以 頻率變化最小的100 μm為中心，而為不產生剝離或破壞程度的50 μm之值以上，且為頻率變化在實用標準值20ppm以下的200 μm以下，則可良好地維持落下衝擊前後之頻率變化特性。當然，亦良好地維持其他例子例如CI等之振動特性。

更進一步，可良好地維持落下衝擊前後之頻率變化特性的金屬突起6上面平坦部6a之寬度尺寸為50 μm~200 μm，其相對於金屬突起6之寬度尺寸(220 μm)則為20%~90%。因此，若上面平坦部6a相對於金屬突起6寬度尺寸為20~90%，則其落下衝擊前後之振動特性，特別是頻率變化特性可良好維持。

(第2實施例)

圖3A與圖3B說明本發明音叉型壓電振動子之第2實施例，圖3A為音叉型壓電振動子之剖視圖，具有端面6b由斜面構成的金屬突起6，圖3B為音叉型壓電振動子之剖視圖，具有端面6b由台階形狀構成的金屬突起6。此外，省略或簡略與前實施形態相同部分之說明。亦即，第1實施形態中，金屬突起6(上面平坦部)之兩端側6b為圓弧狀之曲面，但在第2實施形態中，例如圖3A中兩端側為直線狀之傾斜面，而圖3B中則設置有台階狀之段差。

即使在此種金屬突起6之形狀下，上面平坦部6a亦成為密接面積，而支配振動特性及固定強度，兩端側6b之傾斜面及台階狀之下段則用以補足固定強度。因此，與第1實施形態同樣地，可維持固定強度而抑制落下衝擊前後 之頻率變化。

(第3實施例)

圖4說明本發明音叉型壓電振動子之第3實施例，其為音叉型壓電振動子在振動臂9之長度方向上的縱剖視圖。在第1及第2實施例中，於金屬突起6之寬度方向設置傾斜面或段差，在第3實施例中，於長度方向設置傾斜面或台階狀之段差。此情況亦與上述同樣地，可維持固定強度而抑制落下衝擊前後之頻率變化。

(其他實施例)

雖上述實施例中於金屬突起在寬度或長度方向上之兩端側6b設置傾斜面或段差面，但亦可設置在金屬突起6之例如整個外周，總之，將傾斜面或段差面設於與音叉基部10相對向的金屬突起之至少一端側即可。而且，雖上述金屬突起6為矩形狀，但不限於此，亦可為圓或橢圓等，只要上面平坦部6a比底面小，即可達到同樣之效果。又，雖音叉狀壓電片7以具代表性之例子說明，但在一對音叉臂9之兩主面設置提高電場效率的溝、或在音叉臂9之前端側設置頻率調整用之金屬膜等情況，亦同樣可適用。本發明關於金屬突起6之形狀，以抑制落下衝擊前後之尤其頻率變化而維持固定強度，尤其對於決定與音叉基部10之密接面積的金屬突起6，限定其上面平坦部6a之寬度尺寸，因此，只要以相對於金屬突起6與電極墊4相接觸的底面積(金屬突起6之全寬尺寸)而縮小金屬突起6上面平坦部6a之面積為其旨趣，無論內容如何變更， 皆包含在本發明之技術範圍內。

1‧‧‧容器本體

1a‧‧‧陶瓷板

1b‧‧‧陶瓷板

1c‧‧‧陶瓷板

2‧‧‧外蓋

3‧‧‧段部

4‧‧‧電極墊

5‧‧‧安裝端子

6‧‧‧金屬突起

6a‧‧‧上面平坦部

6b‧‧‧兩端側

7‧‧‧音叉狀壓電片

8‧‧‧導電性黏著劑

9‧‧‧振動臂(音叉臂)

9a‧‧‧激振電極

10‧‧‧音叉基部

10a‧‧‧引出電極

圖1說明本發明音叉型壓電振動子之一實施例，圖1A為開放音叉型壓電振動子之一部分而表示其內部的立體圖(音叉狀壓電片、外蓋除外)，圖1B為固定有音叉狀壓電片而開放音叉型壓電振動子之一部分以表示其內部的立體圖(外蓋除外)，又圖1C為音叉型壓電振動子之I－I線箭視(圖1B)橫剖視圖。

圖2為落下衝擊前後之頻率變化特性圖，用以說明本發明音叉型壓電振動子之一實施例的作用。

圖3說明本發明音叉型壓電振動子之一實施例，圖3A為音叉型壓電振動子之剖視圖，具有端面由斜面構成的金屬突起，圖3B為音叉型壓電振動子之剖視圖，具有端面由台階形狀構成的金屬突起。

圖4說明本發明音叉型壓電振動子之一實施例，為音叉型壓電振動子在長度方向上之剖視圖，用以表示金屬突起之形狀。

圖5說明習知例之音叉型壓電振動子，圖5A為將固定有音叉型壓電振動片之音叉型壓電振動子，開放其之一部分以表示其內部的立體圖(外蓋除外)，圖5B為音叉型壓電振動子之剖視圖。

圖6說明習知例之音叉狀壓電片，圖6A為前視圖，圖6B為表示電接線之俯視示意圖。

1‧‧‧容器本體

1a‧‧‧陶瓷板

1b‧‧‧陶瓷板

1c‧‧‧陶瓷板

2‧‧‧外蓋

3‧‧‧段部

4‧‧‧電極墊

5‧‧‧安裝端子

6‧‧‧金屬突起

6a‧‧‧上面平坦部

6b‧‧‧兩端側

7‧‧‧音叉狀壓電片

8‧‧‧導電性黏著劑

9‧‧‧振動臂(音叉臂)

Claims (2)

1. 一種音叉型壓電振動子，其由下列所構成：凹狀之容器本體；設於上述容器本體之凹部內的電極墊；形成於上述電極墊上之金屬突起；延伸出有一對音叉臂，且其音叉基部之一主面藉由導電性黏著劑固定於上述金屬突起的音叉狀壓電片；以及接合於上述容器本體之開口端面，而將上述音叉狀壓電片密閉封入的外蓋；如上構成之音叉型壓電振動子，其特徵在於，上述金屬突起在上述音叉狀壓電片寬度方向上之兩端側具有圓弧狀之曲面、直線狀之斜面或台階形狀中之任一者，與上述音叉狀壓電片的音叉基部密接而黏著之上述金屬突起之上面平坦部之上述音叉狀壓電片，其寬度方向的尺寸比長度方向的尺寸短，該上面平坦部之面積比上述電極墊上之上述金屬突起之底面積小。
2. 如申請專利範圍第1項之音叉型壓電振動子，其中，在上述音叉狀壓電片的寬度方向上，上述金屬突起之上面平坦部之寬度尺寸，為上述金屬突起底面之長度之20~90%。