(57)【要約】 【課題】  小型・低背で、且つ、衝撃に強く、高い耐衝撃性能を有する圧電デバイスを提供することを課題とする。【解決手段】  圧電振動子４１をセラミックスパッケージ４６内に片持ち梁状に固定されてなる圧電デバイスにおいて、衝撃や振動などの外力を受けたときに圧電振動子４１に生じる変位を、その変位が自由部の最端部４２に生じる変位に比べて小さい部分で拘束する機構を設ける。【選択図】  図４
2007281572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部材に固定される固定部と、自由振動する自由部とを有する圧電振動子が、パッケージの内部に収納されてなる圧電デバイスであって、前記パッケージは、前記ベース部材と前記ベース部材を覆う蓋とからなり、前記圧電振動子の表面と前記圧電振動子表面に対向する前記蓋の内壁面とが成す間隙に、前記間隙が狭くなる狭間隙部を設けてなることを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記狭間隙部は、前記蓋に凹部或いは凸部を設けてなることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記蓋は、前記自由部の最端部の表面に対向する前記蓋の内壁面に前記狭間隙部より広い間隙を有する凸部を設けてなることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記狭間隙部は、前記自由部の最端部から自由部の全長に対して０％以上、１０％以下の距離の範囲以外に配置されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記圧電振動子は、片持ち梁状に固定されてなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子をパッケージ内に収納してなる圧電デバイスに関し、特に表面実装に好適な圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、コンピュータ、カメラなどの携帯性の向上に伴い、これらの電子機器に組み込まれる圧電振動子を使用した水晶発振器や圧電振動ジャイロなどの圧電デバイスには、小型化・低背化はもちろんのこと、落下や衝撃等に対し、高い耐衝撃性能が要求されている。そのため、小型化・低背化、耐衝撃性能を向上させるためのさまざまな検討がなされている。
【０００３】
例えば、圧電振動子の支持にバネ材を使用したり、パッケージの構造を工夫したりすることで、耐衝撃性能の向上が図られている。特に、表面実装型の圧電デバイスでは、水晶などの圧電振動子の一端を支持し、片持ち梁状にしてセラミックスなどの絶縁材料からなるパッケージ内に固定し、気密封止する構造が採用されている。或いは、リチウム酸タンタルなどの圧電振動子の面にバランスよくバンプと呼ばれる金属の個片を形成して、セラミックスパッケージの電極と金属結合させて圧電振動子を電気的に接続すると同時に支持し、気密封止する構造が知られている。
【０００４】
図１は、従来の圧電デバイスの断面図である。従来の圧電デバイスは、圧電振動子１１がセラミックスパッケージ１２の内部の基板１５に接着剤によって片持ち梁状に固定されている。セラミックスパッケージ１２に蓋１３を接合し、接合部に充填材１４を充填して真空封止している。この構造によれば、圧電振動子１１の自由部の最端部１７表面に対向するセラミックスパッケージ１２の部分に凹部１６が形成されているので、落下により大きな衝撃が付与された場合、圧電振動子１１の最端部１７が上下に大きく変位しても基板１５に圧電振動子１１の最端部１７が接触しない構造となっている。そのため、最端部１７が基板１５或いは、蓋１３に接触して圧電振動子１１が欠けて特性が変化することが防止できる。このような圧電デバイスは特許文献１に開示されている。
【０００５】
図２は、従来の圧電デバイスの分解斜視図である。図２に示す従来の圧電デバイスは、圧電振動子２１が導電性接合材にて、バネ部材２２に接着される。通常、接合部分に応力が集中すると、支持状態が変わり、特性が変化してしまう。そこで、バネ部材２２を介して支持することで、圧電振動子２１の導電性接合材による接合部分に応力が集中するのを防ぎ、前記接合部分が剥がれたり、圧電振動子２１が割れたりする事故を防ぐように工夫がなされている。このような圧電デバイスは特許文献２に開示されている。
【０００６】
図３は、従来の圧電デバイスの上面断面図である。図３に示す従来の圧電デバイスは、円柱型の圧電振動子３１の４箇所をワイヤー３２で支持している。ワイヤー３２は枠体３３と一体成形されている。また、圧電デバイスに大きな衝撃が付与された場合に、圧電振動子３１の変位量が一定以上変位しないように、ストッパー３４が設けられており、圧電振動子３１がカケたり折れたりすることを防ぐ設計がなされている。このような圧電デバイスは特許文献３に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３３２９５２号公報
【特許文献２】特開平８−７８９９８号公報
【特許文献３】特開２００３−９７９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した従来の圧電デバイスは、衝撃を受ける方向によっては、圧電振動子の自由部の最端部が蓋の内壁に衝突し、圧電振動子がカケたり折れたりするという問題点がある。また、パッケージ内部に支持部材を実装する構成では、小型化・低背化するのに限界が生じるという問題点がある。さらに、ワイヤーボンディングにて電気的接続を行うデバイスでは、ワイヤーと蓋とが接触しないように、十分な距離を開ける必要があるために、衝撃を受けた時に、圧電振動子に生じる自由部の変位を抑える機構を設けることが困難であり、小型化・低背化に限界があるという問題点がある。
【０００９】
従って、本発明は上記従来技術の問題点を解決することを課題とする。具体的には、小型・低背で、且つ、衝撃に強く、高い耐衝撃性能を有する圧電デバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。即ち、本発明は、圧電振動子がパッケージ内に固定されてなる圧電デバイスにおいて、衝撃や振動などの外力を受けたときに圧電振動子に生じる変位を、その変位が自由部の最端部に生じる変位に比べて小さい自由部で拘束する機構を設けることをその要旨とする。
【００１１】
本発明によれば、ベース部材に固定される固定部と、自由振動する自由部とを有する圧電振動子が、パッケージの内部に収納されてなる圧電デバイスであって、前記パッケージは、前記ベース部材と前記ベース部材を覆う蓋とからなり、前記圧電振動子の表面と前記圧電振動子表面に対向する前記蓋の内壁面とが成す間隙に、前記間隙が狭くなる狭間隙部を設けてなることを特徴とする圧電デバイスが得られる。
【００１２】
本発明による圧電デバイスは、矩形板状や音叉形状等の圧電振動子が、ベース部材に固定される固定部と自由に振動する自由部とを有し、前記ベース部材の上に蓋をかぶせるパッケージ内部に前記圧電振動子が収納され、密封される構造にする。前記圧電振動子の表面と前記蓋の内壁との間には間隙を設けるが、この間隙には少なくとも１以上の狭間隙部を設ける。狭間隙部は、前記圧電振動子の表面とこれに対向する前記蓋の内壁面とがなす間隙を部分的に狭くすることで得られる。また狭間隙部においては、狭間隙部を成す前記蓋の内壁面は、本発明による圧電デバイスが衝撃を受けたときに前記圧電振動子の自由部が自由に変位することを抑制するストッパーの機能を有する。
【００１３】
従って、本発明による圧電デバイスは、振動や落下等の衝撃で圧電振動子の自由部が大きく変位しようとしても、自由部が前記狭間隙部にて前記蓋と接触することにより、大きな変位が生じないような構造になる。そのため、圧電振動子の固定部における、パッケージ内に設けられた回路との電気的な接続部には応力が集中しないので、電気的な接続部の不具合が発生しにくくなると同時に、圧電振動子自体も折れにくくなる。
【００１４】
本発明によれば、前記狭間隙部は、前記蓋に凹部或いは凸部を設けてなることを特徴とする圧電デバイスが得られる。
【００１５】
前記狭間隙部は、前記蓋の内壁面に凸部を設けることにより、凸部以外の部分より、圧電振動子の表面と前記蓋の内壁面との間にある間隙が狭くなる狭間隙部となる。また、蓋の表面に凹部を設けて裏面に凸部を形成する方法で、蓋の内壁面に凸部を設けても良い。
【００１６】
本発明によれば、前記蓋は、前記自由部の最端部の表面に対向する前記蓋の内壁面に前記狭間隙部より広い間隙を有する凸部を設けてなることを特徴とする圧電デバイスが得られる。
【００１７】
前記圧電振動子の表面と前記圧電振動子の表面に対向する蓋の内壁面とがなす間隙は、圧電振動子の固定部近傍においては、圧電振動子にワイヤーボンディングで電気的接続が出来る程度にギャップを設ける。また、圧電振動子の自由部の最端部近傍においては、衝撃を受けた際に、自由端部が蓋の内壁面に衝突することを避けるための間隙を蓋に凸部を設けることで形成する。衝撃による圧電振動子の変位が大きくなる自由部の最端部においては、蓋に直接衝突しないように前記空間を設けることで自由部の最端部の欠けや折れを防ぎ特性が劣化するのを防ぐ効果が得られる。
【００１８】
本発明によれば、前記狭間隙部は、前記自由部の最端部から自由部の全長に対して０％以上、１０％以下の距離の範囲以外に配置されてなることを特徴とする圧電デバイスが得られる。本発明による、圧電デバイスでは、前記狭間隙部が配置される位置を、前記圧電振動子の自由部の最端部から固定部に向かい、その距離が圧電振動子の自由部の全長に対し０％以上１０％以下の距離の範囲外にし、衝撃を受けた際の圧電振動子の変位が最大となる自由部の最端部近傍ではない位置で、変位を拘束することにより、耐衝撃性が向上する。
【００１９】
本発明によれば、前記圧電振動子は、片持ち梁状に固定されてなることを特徴とする圧電デバイスが得られる。本発明による圧電デバイスは、矩形板状や音叉形状等の圧電振動子の長手方向における一端を固定部とし、他端が自由部の最端部となるような片持ち梁状とすることで、大きな変位が自由部にえられ、高性能な圧電デバイスが得られる。
【発明の効果】
【００２０】
前記の如く、本発明によれば、小型・低背で、且つ、衝撃に強く、高い耐衝撃性能を有する圧電デバイスの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明による圧電デバイスは、矩形板状や音叉形状等の圧電振動子を、その長手方向の一端を固定部として、他端を自由部の最端部とし、パッケージを構成するベース部材の上に、片持ち梁状に固定する。これに蓋をかぶせて、密封構造にする。前記圧電振動子の表面と前記蓋の内壁との間には間隙を設け、この間隙に少なくとも１以上の狭間隙部を設ける。狭間隙部は、前記圧電振動子の表面とこれに対向する前記蓋の内壁面とがなす間隙が部分的に狭くなる部分をいう。
【実施例】
【００２２】
以下、具体的な例を挙げ、本発明による圧電デバイスについて図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
図４は、実施例による圧電デバイスの断面図である。本実施例による圧電デバイスは、ベース部材となるセラミックスパッケージ４６の表面５３に設けた支持部５９に圧電振動子４１の一端の近傍である固定部４３を接着剤で固定し、他端が自由部の最端部４２となるように圧電振動子４１を片持ち梁状に固定した。セラミックスパッケージ４６の表面５３には予め電気配線パターンを設け（図示しない）、圧電振動子４１の表面に設けた電極５５をワイヤーボンディングによりワイヤー５４で接続した。
【００２４】
さらに、セラミックスパッケージ４６の表面５３全体を覆うように蓋４４をかぶせて、圧電振動子４１を配置した表面５３を封止した。蓋４４とセラミックスパッケージ４６の接合部には、封止用電極５６をセラミックスパッケージ４６の表面５３に設けることで、はんだ接合により、蓋４４とセラミックスパッケージ４６を接合した。封止用電極５６はセラミックスパッケージ４６の表面５３に設けたグランド配線（図示しない）と接続することで蓋４４もグランド配線に接続させた。セラミックスパッケージ４６の裏面４７には凹部５２を設けて、駆動検出用回路部品４９、抵抗５０、コンデンサ５１などの電子部品をセラミックスパッケージ４６の裏面４７に予め設けた電気配線パターン（図示しない）に表面実装して接続し、圧電振動ジャイロとして機能するように構成した。
【００２５】
本実施例による圧電振動子４１は、厚さが０．２５ｍｍのＬｉＮｂＯ3の単結晶を加工して、長さ３ｍｍ幅０．５ｍｍの２つのアームを持つ長さ５ｍｍ、幅１．５ｍｍの音叉形状とした。セラミックスパッケージ４６と蓋４４を合わせた本実施例による圧電デバイスの外形寸法は、縦８ｍｍ、横８ｍｍ、高さ４ｍｍとした。
【００２６】
本実施例による圧電デバイスは、圧電振動子４１の固定部４３から自由部の最端部４２に至る途中で、圧電振動子４１の表面と対向する蓋４４の内壁面に、凹部８１を設けることで、圧電振動子４１の表面と蓋４４の内壁面がなす間隙８２に狭間隙部８３を設けた。狭間隙部８３は圧電振動子４１の表面と蓋４４の内壁面とがなす間隙８２よりも間隙を狭くしてある。また、圧電振動子４１の自由部の最端部４２の表面と対向する蓋４４の内壁面には凸部４５を設けることにより、間隙８４を設けた。この間隙８４は狭間隙部８３よりも広い間隙とした。蓋４４は金属板を絞り加工により凹部８１、凸部４５を形成した。間隙８２はワイヤー５４が蓋４４に接触しない空間を確保した。
【００２７】
圧電振動子４１の電極５５とセラミックスパッケージ４６の表面５３に設けた前記電気配線パターンとは金バンプを用いたフリップチップ実装、ハンダボール、導電性接着剤等を使用して電気的に接続し、またそれを固定部４３の固定に利用しても良い。圧電振動子４１の固定形態は、片持ち梁状に限定されるものではなく、圧電振動子の重心部分を固定する形態や、外周部分を固定する形態等、圧電振動子が自由部を有する形態であれば良い。
【００２８】
図５は、実施例による圧電デバイスの部分断面図である。図５には、図４に示す自由部の最端部４２の周辺部４８を拡大して図示している。矢印５８は、本実施例による圧電デバイスのセラミックスパッケージ４６の裏面４７から蓋４４に向かう方向に外部からの衝撃が付与されたときの圧電振動子４１の変位を示している。
【００２９】
図５に示すように、衝撃による変位が最も大きい場所は、最端部４２である。従って、凸部４５を設けることにより、前記変位が生じても蓋４４に最端部４２がぶつからないような間隙８４を設けるのが良い。また、蓋４４の凸部４５を形成する内壁面には、圧電振動子４１の最端部４２以外の自由部が蓋４４とぶつかっても、面でぶつかるように、なだらかな斜面を設けることが好ましい。本実施例では、圧電振動子４１の最端部４２から固定部に向かい、距離が圧電振動子４１の自由部の長さに対して０％以上、１０％以下の距離の範囲以外に蓋４４の凹部８１がなす狭間隙部８３を配置した。狭間隙部８３は衝撃による圧電振動子４１の自由部に生じる変位を抑制し、自由部の最端部４２が蓋４４に接触することを防ぎ、圧電振動子４１が欠けたり割れたりするのを防ぐ効果を有する。実際に本実施例による圧電デバイスを１ｍの高さから、コンクリートの床の上に自由落下させる落下試験を実施した。その結果、特性の劣化は無かった。また、比較するために、圧電振動子４１の最端部４２から固定部に向かい、距離が圧電振動子４１の自由部の長さに対して０％、５％、９％の距離に蓋４４の凹部８１がなす狭間隙部８３を配置したものに、同様の落下試験を実施した。その結果、０％、５％、９％の全ての試料に特性の劣化が確認された。
【００３０】
（実施例２）
図６は、実施例による圧電デバイスの内部上面図である。図６は本実施例による圧電デバイスの蓋を取り除いた内部の状態を図示している。本実施例による圧電デバイスでは、ベース部材となるセラミックスパッケージ６３に音叉形状をした圧電振動子６１と駆動検出用回路部品６９を配置した。圧電振動子６１は、固定部６０を接着剤でセラミックスパッケージ６３に固定され、自由部の最端部６２を有する片持ち梁状をなす。セラミックスパッケージ６３には前記接着剤のはみ出しを逃がすための凹部７１と、自由部の最端部６２がセラミックスパッケージ６３に接触しないようにするための凹部７２が設けてある。
【００３１】
また、セラミックスパッケージ６３には電気配線パターン（図示しない）が設けてあり、前記電気配線パターンと圧電振動子６１の表面に設けた電極（図示しない）とをワイヤーボンディングによりワイヤー７４で接続した。駆動検出用回路部品６９はセラミックスパッケージ６３に表面実装され、前記電気配線パターンと接続している。
【００３２】
図７は、実施例による圧電デバイスの断面図である。図７は、図６に図示した破線Ａ−Ａ’での断面を図示し、本実施例による圧電デバイスの蓋も含めて図示している。本実施例によるセラミックスパッケージ６３は、外周部に枠体６５を備えており、圧電振動子６１と駆動検出用回路部品６９は枠体６５の内側に配置した。枠体６５の表面には、封止用電極７０を設け、蓋６４の端部とはんだ接合により接合し、セラミックスパッケージ６３の内部を密封した。ワイヤーボンディングによるワイヤー７４は蓋６４と接触しないように十分な間隙７６を設けた。
【００３３】
本実施例では、圧電振動子６１の表面に対向する蓋６４の内壁面に凹部６７を設けて、圧電振動子６１の表面と蓋６４の内壁面とが成す間隙７６が一部分狭くなる狭間隙部７５を設けた。本実施例では、実施例１と同様に、圧電振動子６１の最端部６２から固定部６０に向かい、距離が圧電振動子６１の自由部の長さに対して０％以上、１０％以下の距離の範囲以外に蓋６４の凹部６７がなす狭間隙部７５を配置した。狭間隙部７５は衝撃による圧電振動子６１に生じる変位を抑制し、自由部の最端部６２が蓋６４に接触することを防ぎ、圧電振動子６１が欠けたり割れたりするのを防ぐ効果を有する。実際に本実施例による圧電デバイスを１ｍの高さから、コンクリートの床の上に自由落下させる落下試験を実施した。その結果、特性の劣化は無かった。
【００３４】
図８は、実施例による圧電デバイスの断面図である。図８は、図６に図示した破線Ｂ−Ｂ’での断面を図示し、本実施例による圧電デバイスの蓋も含めて図示している。本実施例による圧電デバイスでは、蓋６４に設けた凹部６７は、圧電振動子６１の表面と対向する位置に設けてある。本実施例による圧電振動子６１は、実施例１と同様に、厚さが０．２５ｍｍのＬｉＮｂＯ3の単結晶を加工して、長さ３ｍｍ幅０．５ｍｍの２つのアームを持つ長さ５ｍｍ、幅１．５ｍｍの音叉形状とした。また、セラミックパッケージ６３と蓋６４を合わせた本実施例による圧電デバイスの外形寸法は、縦８ｍｍ、横８ｍｍ、高さ３ｍｍとした。
【００３５】
図６に示すように、封止用電極７０は、セラミックスパッケージ６３の全周囲を囲むよう設けた。さらに、封止用電極７０には、はんだをあらかじめ融着しておき、駆動検出用回路部品６９を表面実装すると同時に蓋を被せて、リフロー炉を通し、セラミックスパッケージ６３と蓋、駆動検出用回路部品６９と電気配線パターンを溶着することができる。封止用電極７０は回路構成上のグランド配線に接続することで、蓋もグランド配線に接続されるので、外部ノイズの影響を受けにくい構造になっている。封止用電極７０には、はんだ以外にも金スズなどのろう材が使用でき、予め封止用電極７０融着せずに使用しても良い。
【００３６】
前述した如く、本発明によれば、小型・低背で、且つ、衝撃に強く、高い耐衝撃性能を有する圧電デバイスが得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明による圧電デバイスは、圧電振動子をパッケージ内に収納してなる圧電デバイスに利用でき、水晶発振器や圧電振動ジャイロなどの表面実装用の圧電デバイスに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来の圧電デバイスの断面図。
【図２】従来の圧電デバイスの分解斜視図。
【図３】従来の圧電デバイスの上面断面図。
【図４】実施例による圧電デバイスの断面図。
【図５】実施例による圧電デバイスの部分拡大断面図。
【図６】実施例による圧電デバイスの内部上面図。
【図７】実施例による圧電デバイスの断面図。
【図８】実施例による圧電デバイスの断面図。
【符号の説明】
【００３９】
１１、２１、３１、４１、６１    圧電振動子
１２、４６、６３    セラミックスパッケージ
１３、４４、６４    蓋
１４    充填材  
１５    基板
１６、５２、６７、７１、７２、８１    凹部
１７、４２、６２    最端部
２２    バネ部材
３２    ワイヤー
３３、６５    枠体
３４    ストッパー
４３、６０    固定部
４５    凸部
４７    裏面  
４８    周辺部
４９、６９    駆動検出用回路部品
５０    抵抗  
５１    コンデンサ
５３    表面
５４、７４    ワイヤー
５５、５７    電極
５６、７０    封止用電極
５８    矢印
５９    支持部
７５、８３    狭間隙部
７６、８２、８４    間隙
【図１】
2007281572.tif 000003
【図２】
2007281572.tif 000004
【図３】
2007281572.tif 000005
【図４】
2007281572.tif 000006
【図５】
2007281572.tif 000007
【図６】
2007281572.tif 000008
【図７】
2007281572.tif 000009
【図８】
2007281572.tif 000010