振動子、発振器、および電子機器
【課題】衝撃力などの外乱が負荷されても、振動片の振動腕がパッケージ内部と接触することなく安定して振動し、なお且つ薄型で小型の振動子および発振器を提供する。
【解決手段】基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片１００を、内部に固定し、密封封止する蓋部３００を備える収納容器２００に収納した振動子１０００であって、前記振動片１００の屈曲振動方向が、前記収納容器２００の回路基板への接合面と略平行の方向となっている振動子１０００。
【解決手段】基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片１００を、内部に固定し、密封封止する蓋部３００を備える収納容器２００に収納した振動子１０００であって、前記振動片１００の屈曲振動方向が、前記収納容器２００の回路基板への接合面と略平行の方向となっている振動子１０００。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子、発振器、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯端末や電子機器に用いられる振動片を利用したタイミングデバイスに対して、より小型で薄型の要求が強くなってきている。この要望に対して、振動片、特に水晶を用いた振動片では、小型化、薄型化を追及することで水晶内部に発生する熱弾性損失などの内部損失の影響が無視できない状況となってきた。この問題に対して、水晶振動片に圧電体層を形成し、内部損失の少ない薄型で小型の水晶振動片が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−５０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、図１の断面図に示すように、上述の特許文献１の振動片１をパッケージ２に固定、封入して振動子１０とした場合、振動片１の振動腕１ａの先端部１ｂでは矢印で示すように、主面１ｃに対して法線方向の、いわゆる面外振動をしていることから、パッケージ２の蓋内面２ａと、内底部２ｂと振動腕１ａの先端部１ｂとの隙間δ１、δ２は振動腕１ａの振動によって、常に増減を繰り返している。
【０００５】
また、上述した通り、パッケージ２の厚みは極限まで薄型にすることが望まれている。そのため、隙間δ１あるいはδ２が小さくなるタイミングで振動子１０に衝撃外乱が負荷されると、振動腕１ａの先端部１ｂと蓋内面２ａあるいはパッケージ２の内底部２ｂとが接触する場合が発生し、安定した振動を得られなくなってしまうことがあった。
【０００６】
そこで、衝撃力などの外乱が負荷されても、振動片の振動腕がパッケージ内部と接触することなく安定して振動し、なお且つ薄型で小型の振動子および発振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例による振動子は、基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片を、内部に固定し、密封封止する蓋部を備える収納容器に収納した振動子であって、前記振動片の屈曲振動方向が、前記収納容器の回路基板への接合面と略平行の方向となっていることを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、主面の法線方向の屈曲振動する振動片、いわゆる面外振動の振動モードの振動片では、振動腕先端部での振れ量が多く、振動子を形成するための収納容器の内壁との接触を回避しなければならない。振動子は、一般的に回路基板に電気的な接続を確保しながら固着される形態であるため、ますます小型化している振動片の大きさからではなく、回路基板に設けられた接続電極の配置によってパッケージのサイズが決定される。従って、本適用例の小型の振動片を、回路基板から決定付けられる収納容器の回路基板への接合面に対して、振動片の屈曲振動方向を略平行にして収納することで、振動片の最も振れ幅の大きい先端部と収納容器内壁とのすき間の余裕度を多くすることが可能となり、特に衝撃力に対する振動安定性を維持、確保することができ、信頼性の高い振動子を得ることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記収納容器の、少なくとも前記振動片のどちらか一方の主面に対向する壁部の一部もしくは全部に透明部を備えることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例によれば、振動片主面に対向する方向から周波数調整のためのレーザーなどのエネルギー線を照射することができ、容易に振動子の周波数調整を可能とする。
【００１２】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記振動片が、前記腕部の前記延出される方向と交差する３以上の奇数個の腕部を備え、隣り合う前記腕部の振動方向が逆であることを特徴とする。
【００１３】
上述の適用例によれば、主面に対して法線方向の振動、いわゆる面外振動の腕部であっても、高いＱ値を得ることができ、より小型化の振動子を得ることができる。
【００１４】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記振動片の前記腕部の前記主面のどちらか一方もしくは両方に、圧電体と電極層を含む圧電素子を備えることを特徴とする。
【００１５】
上述の適用例によれば、高い電気機械結合係数を持つ圧電体により、振動特性の優れた振動片を得ることができ、より小型の振動子を得ることができる。
【００１６】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記振動片が水晶からなる、ことを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、小型化に伴う周波数特性などの温度依存性による温度特性の低下を抑制することができる。
【００１８】
〔適用例６〕本適用例による発振器は、前記振動子の前記収納容器の内部に、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部を備えることを特徴とする。
【００１９】
上述の適用例によれば、小型の発振器を得ることができる。
【００２０】
〔適用例７〕上述の振動子もしくは発振器を用いた電子機器。
【００２１】
上述の適用例によれば、小型で信頼性の高い電子機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の振動子の断面図。
【図２】本実施形態に係る振動片の、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図。
【図３】本実施形態に係る振動子の、（ａ）は蓋部を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｄ）は側面図。
【図４】本実施形態の振動子を回路基板へ実装する説明図。
【図５】本実施形態の発振器の断面図。
【図６】実施例を説明する振動片の、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図７】比較例の振動子を示す、（ａ）は蓋部を省略した平面図、（ｂ）は断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図２に本実施形態に用いる振動片を示し、図３に本実施形態の振動子を示す。図２（ａ）は本実施形態の振動片１００の平面図、図２（ｂ）は側面図を示す。図２（ａ）に示すように、振動片１００は、基部１０より延出する３本の腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。腕部２０の一方の主面２０ｄには、圧電素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃが形成されている。
【００２５】
圧電素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、主面２０ｄより図示しない下部電極と、下部電極上に形成される圧電体４０と、圧電体４０上に下部電極と対応する上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃとを含む。下部電極と上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃとに図示しない駆動回路より交番電流を、基部１０の側面１０ａに設けた接続電極５０ｄ、５０ｅを介して負荷することで、腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃが図２（ｂ）に示す矢印方向に屈曲振動、いわゆる面外振動させる。
【００２６】
腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの振動は、外側の腕部２０ａ、２０ｃと、内側の腕部２０ｂとは互いに逆相の面外振動する振動片１００となっている。このような振動片１００は、面外振動のモードでありながら高いＱ値を得ることができ、小型で薄型の振動片１００を実現することができるものである。本実施形態では、３本の腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備える振動片１００を例示したが、３本の腕部に限定されず、奇数本の腕部を外側の腕部を含む外側から奇数番目の腕部と、外側から偶数番目の腕部を逆相の面外振動をさせ、同様に高いＱ値の小型、薄型の振動片を得ることができる。
【００２７】
図３は図２に示す振動片１００を容器内に収納した振動子１０００を示し、図３（ａ）は説明上から封止用の蓋を除き、内部を露出させた状態での平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ’部の断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示すＢ方向からの矢視図、図３（ｄ）は図３（ａ）に示すＣ方向からの矢視図である。
【００２８】
図３（ｃ）に示すように、振動片１００を収納する収納容器２００（以降、パッケージ２００という）は、第１基板２０１と、第２基板２０２と、第３基板２０３とを積層して形成されている。このパッケージ２００の内部に振動片１００を固定し、蓋部３００を封止材４００によりパッケージ２００に固定し、振動子１０００が形成される。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、第２基板２０２の内側には、振動片１００の接続電極５０ｄ、５０ｅとワイヤー５００によって電気的な接続をする、いわゆるワイヤーボンディングされる接続電極６００ａを端面に備える１対の張り出し部２０２ａを備える。また、接続電極６００ａは、図示しないパッケージ２００の内部引き回し配線により、接続電極６００ｂに繋がっている。
【００３０】
振動片１００は、張り出し部２０２ａのどちらか一方の側面２０２ｂに、振動片１００の基部１０の一方の面１０ｂを対向配置し、接着剤７００によって固定されることでパッケージ２００内部に収納固定される。このように振動片１００がパッケージ２００の内部に固定されることで、振動片１００の振動方向、いわゆる図３（ａ）の腕部２０先端部に描いた矢印方向の面外振動方向と、図示しない回路基板面に固着される第１基板２０１の固着面２０１ａ、すなわち回路基板に振動子１０００を実装したときに、回路基板面と略平行となるように振動片１００はパッケージ２００内部に固定される。
【００３１】
次に、振動片１００が固定されたパッケージ２００の開口の端部に蓋部３００が封止材４００によって、減圧チャンバー内でパッケージ２００に固定され、内部が減圧状態に保たれた振動子１０００を得ることができる。
【００３２】
ここで、図４を用いて振動子１０００におけるパッケージ２００の大きさを決定する要素について説明する。図４は、回路基板２０００の回路形成面へ振動子１０００の実装を模式図的に示す斜視図である。
【００３３】
回路基板２０００の回路形成面２０００ａには、上述の実施形態の振動子１０００、振動子１０００を駆動するための回路を含むＩＣチップ２１００、その他回路を構成するための図示しないデバイスが表面実装されている。各デバイス間は回路形成面２０００ａ表面に形成された接続線２０００ｂによって、各デバイス間を電気的に接続している。各デバイスを実装する位置には、接続電極２０００ｃが形成され、接続線２０００ｂと繋がっている。
【００３４】
接続電極２０００ｃと振動子１０００との固定および電気的な接続は半田２０００ｄにより実現される。半田２０００ｄの形成は表面実装の場合、リフロー半田もしくはフロー半田が一般的に用いられている。
【００３５】
このように実装される振動子１０００であるため、回路基板２０００の接続電極２０００ｃの正負電極間距離δとしては、電気的な短絡（ショート）を起こさない距離を確保しなければならない。また、接続電極２０００ｃにおいても、振動子１０００の半田による固定力を確保するためには、所定の面積すなわち「ｌ×ｍ」が規定される。このように規定された接続電極２０００ｃから、振動子１０００の回路基板２０００に対向する側に設けた接続電極６００ｂが、少なくとも回路基板２０００の接続電極２０００ｃと一致する寸法設定であったとしても、Ｌ＝ｌ、Ｍ＝ｍ、Δ＝δとなる。これらの電極寸法から、振動子１０００の平面視の大きさは、Ｐ≧Ｍ、Ｑ≧Ｎであって、Ｎ＝２Ｌ＋Δである。上述したような回路基板２０００の接続電極２０００ｃと、振動子１０００の接続電極６００ｂとの関係であるなら、Ｐ≧ｍ、Ｑ≧ｎとなり、ｎ＝２ｌ＋δである。
【００３６】
上述の通り、振動子１０００の平面視の大きさは、回路基板２０００の接続電極２０００ｃによって決定付けられる。これに対して、図３（ｃ）に示すように、振動子１０００の厚さＨｐは、内部に収納される振動片１００の主面方向の幅ｒによって決定付けられる。従って、振動片１００の小型化、薄型化を図ることで厚さＨｐを薄くすることが可能となる。
【００３７】
また、パッケージ２００には、図３（ｄ）の矢視図に示すように、振動片１００の上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃが形成された側に対向するように透明部材による周波数調整部２０４を備えている。周波数調整は、振動片１００の表面に備える上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃを部分的にエネルギー線、たとえばレーザー光など、によって電極膜を削除し、腕部２０の重さを変化させることで、腕部２０の振動周波数を所望の周波数に合わせこむことである。
【００３８】
本実施形態では、パッケージ２００の内部側壁に振動片１００の上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃが向かうように振動片１００が収納されているため、従来の振動片のように蓋部３００を透明部材として、蓋部３００側からのエネルギー線照射では、振動片１００の電極５０には斜めに照射されてしまう。そのために、照射されるエネルギー量は極端に不足し、所望の電極膜削除が行われず、十分な周波数調整ができない。しかし、本実施形態では、パッケージ２００の振動片１００の電極５０に対向する位置に透明部材による周波数調整部２０４を備えることで、エネルギー線を電極５０の面に対して略法線方向から照射できるので、高い密度のエネルギー照射が可能となり、周波数調整を確実に行うことができる。
【００３９】
周波数調整部２０４は、パッケージ２００の基板材料との接合性が良く、パッケージ２００の各基板接合と同じ接合方によって基板と接合できる無機ガラスが好適に用いられる。周波数調整部の形状には限定は無く、例えば円形状等としても良い。また、基板、例えば第２基板２０２を無機ガラス、水晶などの透明部材で形成し、パッケージ２００の全周に亘って透明部位を備えるようにしても良い。
【００４０】
上述の通り、薄型、小型の面外振動を有する振動片を、基板実装面と平行方向に振動方向を合わせてパッケージに収納することで、耐衝撃性能に優れた振動子を提供するものである。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態として、上述の実施形態の振動子内部に、振動片回路を備えるＩＣチップを実装した発振器について説明する。図５は、第２実施形態の発振器３０００の概略断面図である。本実施形態は、第１実施形態の振動子１０００に対して、振動片１００を駆動させる駆動回路を含むＩＣチップを備えた点が、第１実施形態と異なるため、第１実施形態と同様の構成の説明は省略し、同じ構成には同一の符号を付与する。
【００４２】
図５に示すように、発振器３０００はパッケージ２００の内部に振動片１００が、第１実施形態と同じく、主面の法線方向が回路基板へ実装された時の回路基板面方向なるように第２基板２０２に固定され、ワイヤー５００によって振動片１００の接続電極５０ｄ、５０ｅと第２基板２０２の接続電極６００ａにワイヤーボンディングされている。更に、第１基板２０１にはＩＣチップ８００が接着剤などにより固定され、ＩＣチップ８００の上面に形成されたＩＣ接続パッド８０１と第１基板２０１上に形成された内部接続端子６００ｃとを金属ワイヤー９００で電気的に接続している。
【００４３】
上述の通り、薄型、小型の面外振動を有する振動片を、基板実装面と平行方向に振動方向を合わせてパッケージに収納することで、耐衝撃性能に優れた発振器を提供するものである。
【実施例】
【００４４】
（実施例）
図６に示す本実施形態の振動片の各寸法が、次のような振動片を製作した。
ｒ＝２１０μｍ
ｓ＝１００μｍ
ｔ＝７００μｍ
ｕ＝３０μｍ
ｖ＝３０μｍ
ｗ＝３０μｍ
ｘ＝５０μｍ
ｙ＝１０μｍ
なお、腕部長さｔ、腕部厚さｙは、所定の共振周波数となるように調整されるが、本実施例では３２．７６８ｋＨｚに調整された。
【００４５】
この振動片を収納するパッケージ２００は、図３に示す寸法Ｌｐ、Ｗｐ、Ｈｐを以下の、
Ｌｐ＝２．０５ｍｍ
Ｗｐ＝１．２ｍｍ
Ｈｐ＝０．６ｍｍ
で製作された。
【００４６】
上述のパッケージの大きさは、回路基板側の電極部について、図４に示す電極寸法が下記の条件、
ｌ＝０．７ｍｍ
ｍ＝１．４ｍｍ
δ＝０．８ｍｍ
ｎ＝２×ｌ＋δ＝２．２ｍｍ
に対して、回路基板２０００への位置合わせ精度などを加味し、決定、製作された。すなわち、寸法Ｌｐに対応する回路基板電極の寸法ｎ、寸法Ｗｐに対応する回路基板電極の寸法ｍによって形成される領域内にパッケージ寸法Ｗｐ、Ｌｐが入るように設定されている。
【００４７】
また、図３においてパッケージ２００の第１基板２０１の厚さＴ１、第２基板２０２の壁厚さおよび第３基板２０３の壁厚さＴ２、蓋部３００の厚さＴ３は、それぞれ下記の通り製作された。
Ｔ１＝０．１ｍｍ
Ｔ２＝０．１ｍｍ
Ｔ３＝０．１ｍｍ
【００４８】
従ってパッケージ２００の内部収納部の平面寸法Ｌｐ１、Ｗｐ１は、
Ｌｐ１＝Ｌｐ−２×Ｔ２＝１．８５ｍｍ
Ｗｐ１＝Ｗｐ−２×Ｔ２＝１．０ｍｍ
となる。
【００４９】
また、収納高さＨｐ１は、図３に示すように第１基板２０１に対して振動片１００の主面を略法線方向にして実装するので、振動片１００の幅ｒに加えて、ボンディングされるワイヤー５００の高さｚに対して、蓋部３００との接触を防止する隙間αを確保しなければならず、それぞれは、
ｚ＝０．１ｍｍ
α＝０．０５ｍｍ
と設定された。これにより収納高さＨｐ１は、
Ｈｐ１＝ｒ＋ｚ＋α＝０．３６ｍｍ
が確保される。その結果、パッケージ２００の厚さＨｐは、
Ｈｐ＝Ｈｐ１＋Ｔ１＋Ｔ３＝０．６ｍｍ
として導き出された。
【００５０】
このように製作された振動子１０００は、振動片１００の矢印で示す振動方向に対して、パッケージ２００内部との余裕が多く、耐衝撃性能に優れた振動子を得ることができた。また、振動子１０００のうち容積が０．６６６ｍｍ3と、小型の振動子を実現することができた。
【００５１】
（比較例）
比較例として、上述の実施例の振動片１００を、図７に示す従来の実装方法で振動子１１００を製作した。図７に示すように、振動片１００を、パッケージ２１０の第１基板２１１に対して主面を略平行にパッケージ２１０に実装した。
【００５２】
この振動片を収納するパッケージ２１０は、図７（ａ）に示す平面サイズでは図３に示す実施例と同一寸法で製作された。また、パッケージ２１０の第１基板２１１の厚さ、第２基板２１２の壁厚さおよび第３基板２１３の壁厚さ、蓋部３１０の厚さも、上述の図３に示す実施例と同一寸法で製作された。従って、パッケージ２１０においても、内部収納部の平面サイズは上述の実施例と同一寸法となる。
【００５３】
収納高さＨｐ１’は、図７（ｂ）に示すように第１基板２１１に対して振動片１００の主面を略平行に実装するので、振動片１００の振動先端部１００ａが第１基板２１１および蓋部３１０と、振動子１１００に衝撃が負荷されても接触することなく振動させるための余裕を含め、隙間β、γが確保されなければならない。
【００５４】
特に得たい共振周波数が低く設定された場合には、腕部長さｔは５００μｍ〜７００μｍと、長く設定しなければならず、故に十分な隙間を確保する必要がある。本比較例では腕部長さｔ＝６００μｍに対して、振動や衝撃に対する上方への許容隙間を腕部長さｔの半分である０．３ｍｍとした。更に、ボンディングされるワイヤー５００の高さｚ’に対して、蓋部３１０との接触を防止する隙間α’を確保しなければならず、それぞれは、
β＝０．２ｍｍ
γ＝０．３ｍｍ
ｚ’＝０．１ｍｍ
α’＝０．０５ｍｍ
と設定された。このうちγと（ｚ’＋α’）とのどちらか大きい方を選択すればよく、γが大きいので、これにより収納高さＨｐ１’は、
Ｈｐ１’＝β＋ｙ＋γ＝０．５１ｍｍ
が確保され、その結果、パッケージ２１０の厚さＨｐ’は、
Ｈｐ’＝Ｈｐ１’＋Ｔ１＋Ｔ３＝０．７１ｍｍ
として導き出された。
【００５５】
このように製作された振動子１１００は、平面サイズでは実施例と同一のパッケージを実現できたが、厚みで０．１１ｍｍ大きく、内容積では０．２７７５ｍｍ3多く、容積比で４１．７％も大きいパッケージとなってしまう。
【００５６】
上述の通り、本発明の実施形態による実施例の通り、振動片の薄型化、小型化による耐衝撃性の低下を、パッケージを小型化しつつも振動片とパッケージとの隙間の余裕を多く確保することで、振動子あるいは発振器の耐衝撃性能の向上を実現できる。
【００５７】
上述の実施形態による実施例に限らず、本願発明の振動子および発振器を、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、モバイルＰＣ、およびゲームコントローラーなどの電子機器に適用することで、小型で信頼性の高い電子機器を得ることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…振動片、２００…収納容器、３００…蓋部、４００…封止材、５００…ワイヤー、６００ａ…接続電極、７００…接着剤、１０００…振動子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子、発振器、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯端末や電子機器に用いられる振動片を利用したタイミングデバイスに対して、より小型で薄型の要求が強くなってきている。この要望に対して、振動片、特に水晶を用いた振動片では、小型化、薄型化を追及することで水晶内部に発生する熱弾性損失などの内部損失の影響が無視できない状況となってきた。この問題に対して、水晶振動片に圧電体層を形成し、内部損失の少ない薄型で小型の水晶振動片が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−５０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、図１の断面図に示すように、上述の特許文献１の振動片１をパッケージ２に固定、封入して振動子１０とした場合、振動片１の振動腕１ａの先端部１ｂでは矢印で示すように、主面１ｃに対して法線方向の、いわゆる面外振動をしていることから、パッケージ２の蓋内面２ａと、内底部２ｂと振動腕１ａの先端部１ｂとの隙間δ１、δ２は振動腕１ａの振動によって、常に増減を繰り返している。
【０００５】
また、上述した通り、パッケージ２の厚みは極限まで薄型にすることが望まれている。そのため、隙間δ１あるいはδ２が小さくなるタイミングで振動子１０に衝撃外乱が負荷されると、振動腕１ａの先端部１ｂと蓋内面２ａあるいはパッケージ２の内底部２ｂとが接触する場合が発生し、安定した振動を得られなくなってしまうことがあった。
【０００６】
そこで、衝撃力などの外乱が負荷されても、振動片の振動腕がパッケージ内部と接触することなく安定して振動し、なお且つ薄型で小型の振動子および発振器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも上述の課題の一つを解決するように、下記の形態または適用例として実現され得る。
【０００８】
〔適用例１〕本適用例による振動子は、基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片を、内部に固定し、密封封止する蓋部を備える収納容器に収納した振動子であって、前記振動片の屈曲振動方向が、前記収納容器の回路基板への接合面と略平行の方向となっていることを特徴とする。
【０００９】
上述の適用例によれば、主面の法線方向の屈曲振動する振動片、いわゆる面外振動の振動モードの振動片では、振動腕先端部での振れ量が多く、振動子を形成するための収納容器の内壁との接触を回避しなければならない。振動子は、一般的に回路基板に電気的な接続を確保しながら固着される形態であるため、ますます小型化している振動片の大きさからではなく、回路基板に設けられた接続電極の配置によってパッケージのサイズが決定される。従って、本適用例の小型の振動片を、回路基板から決定付けられる収納容器の回路基板への接合面に対して、振動片の屈曲振動方向を略平行にして収納することで、振動片の最も振れ幅の大きい先端部と収納容器内壁とのすき間の余裕度を多くすることが可能となり、特に衝撃力に対する振動安定性を維持、確保することができ、信頼性の高い振動子を得ることができる。
【００１０】
〔適用例２〕上述の適用例において、前記収納容器の、少なくとも前記振動片のどちらか一方の主面に対向する壁部の一部もしくは全部に透明部を備えることを特徴とする。
【００１１】
上述の適用例によれば、振動片主面に対向する方向から周波数調整のためのレーザーなどのエネルギー線を照射することができ、容易に振動子の周波数調整を可能とする。
【００１２】
〔適用例３〕上述の適用例において、前記振動片が、前記腕部の前記延出される方向と交差する３以上の奇数個の腕部を備え、隣り合う前記腕部の振動方向が逆であることを特徴とする。
【００１３】
上述の適用例によれば、主面に対して法線方向の振動、いわゆる面外振動の腕部であっても、高いＱ値を得ることができ、より小型化の振動子を得ることができる。
【００１４】
〔適用例４〕上述の適用例において、前記振動片の前記腕部の前記主面のどちらか一方もしくは両方に、圧電体と電極層を含む圧電素子を備えることを特徴とする。
【００１５】
上述の適用例によれば、高い電気機械結合係数を持つ圧電体により、振動特性の優れた振動片を得ることができ、より小型の振動子を得ることができる。
【００１６】
〔適用例５〕上述の適用例において、前記振動片が水晶からなる、ことを特徴とする。
【００１７】
上述の適用例によれば、小型化に伴う周波数特性などの温度依存性による温度特性の低下を抑制することができる。
【００１８】
〔適用例６〕本適用例による発振器は、前記振動子の前記収納容器の内部に、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部を備えることを特徴とする。
【００１９】
上述の適用例によれば、小型の発振器を得ることができる。
【００２０】
〔適用例７〕上述の振動子もしくは発振器を用いた電子機器。
【００２１】
上述の適用例によれば、小型で信頼性の高い電子機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の振動子の断面図。
【図２】本実施形態に係る振動片の、（ａ）は断面図、（ｂ）は側面図。
【図３】本実施形態に係る振動子の、（ａ）は蓋部を省略した平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｄ）は側面図。
【図４】本実施形態の振動子を回路基板へ実装する説明図。
【図５】本実施形態の発振器の断面図。
【図６】実施例を説明する振動片の、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。
【図７】比較例の振動子を示す、（ａ）は蓋部を省略した平面図、（ｂ）は断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。
【００２４】
（第１実施形態）
図２に本実施形態に用いる振動片を示し、図３に本実施形態の振動子を示す。図２（ａ）は本実施形態の振動片１００の平面図、図２（ｂ）は側面図を示す。図２（ａ）に示すように、振動片１００は、基部１０より延出する３本の腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備えている。腕部２０の一方の主面２０ｄには、圧電素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃが形成されている。
【００２５】
圧電素子３０ａ、３０ｂ、３０ｃは、主面２０ｄより図示しない下部電極と、下部電極上に形成される圧電体４０と、圧電体４０上に下部電極と対応する上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃとを含む。下部電極と上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃとに図示しない駆動回路より交番電流を、基部１０の側面１０ａに設けた接続電極５０ｄ、５０ｅを介して負荷することで、腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃが図２（ｂ）に示す矢印方向に屈曲振動、いわゆる面外振動させる。
【００２６】
腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃの振動は、外側の腕部２０ａ、２０ｃと、内側の腕部２０ｂとは互いに逆相の面外振動する振動片１００となっている。このような振動片１００は、面外振動のモードでありながら高いＱ値を得ることができ、小型で薄型の振動片１００を実現することができるものである。本実施形態では、３本の腕部２０ａ、２０ｂ、２０ｃを備える振動片１００を例示したが、３本の腕部に限定されず、奇数本の腕部を外側の腕部を含む外側から奇数番目の腕部と、外側から偶数番目の腕部を逆相の面外振動をさせ、同様に高いＱ値の小型、薄型の振動片を得ることができる。
【００２７】
図３は図２に示す振動片１００を容器内に収納した振動子１０００を示し、図３（ａ）は説明上から封止用の蓋を除き、内部を露出させた状態での平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）に示すＡ−Ａ’部の断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）に示すＢ方向からの矢視図、図３（ｄ）は図３（ａ）に示すＣ方向からの矢視図である。
【００２８】
図３（ｃ）に示すように、振動片１００を収納する収納容器２００（以降、パッケージ２００という）は、第１基板２０１と、第２基板２０２と、第３基板２０３とを積層して形成されている。このパッケージ２００の内部に振動片１００を固定し、蓋部３００を封止材４００によりパッケージ２００に固定し、振動子１０００が形成される。
【００２９】
図３（ｂ）に示すように、第２基板２０２の内側には、振動片１００の接続電極５０ｄ、５０ｅとワイヤー５００によって電気的な接続をする、いわゆるワイヤーボンディングされる接続電極６００ａを端面に備える１対の張り出し部２０２ａを備える。また、接続電極６００ａは、図示しないパッケージ２００の内部引き回し配線により、接続電極６００ｂに繋がっている。
【００３０】
振動片１００は、張り出し部２０２ａのどちらか一方の側面２０２ｂに、振動片１００の基部１０の一方の面１０ｂを対向配置し、接着剤７００によって固定されることでパッケージ２００内部に収納固定される。このように振動片１００がパッケージ２００の内部に固定されることで、振動片１００の振動方向、いわゆる図３（ａ）の腕部２０先端部に描いた矢印方向の面外振動方向と、図示しない回路基板面に固着される第１基板２０１の固着面２０１ａ、すなわち回路基板に振動子１０００を実装したときに、回路基板面と略平行となるように振動片１００はパッケージ２００内部に固定される。
【００３１】
次に、振動片１００が固定されたパッケージ２００の開口の端部に蓋部３００が封止材４００によって、減圧チャンバー内でパッケージ２００に固定され、内部が減圧状態に保たれた振動子１０００を得ることができる。
【００３２】
ここで、図４を用いて振動子１０００におけるパッケージ２００の大きさを決定する要素について説明する。図４は、回路基板２０００の回路形成面へ振動子１０００の実装を模式図的に示す斜視図である。
【００３３】
回路基板２０００の回路形成面２０００ａには、上述の実施形態の振動子１０００、振動子１０００を駆動するための回路を含むＩＣチップ２１００、その他回路を構成するための図示しないデバイスが表面実装されている。各デバイス間は回路形成面２０００ａ表面に形成された接続線２０００ｂによって、各デバイス間を電気的に接続している。各デバイスを実装する位置には、接続電極２０００ｃが形成され、接続線２０００ｂと繋がっている。
【００３４】
接続電極２０００ｃと振動子１０００との固定および電気的な接続は半田２０００ｄにより実現される。半田２０００ｄの形成は表面実装の場合、リフロー半田もしくはフロー半田が一般的に用いられている。
【００３５】
このように実装される振動子１０００であるため、回路基板２０００の接続電極２０００ｃの正負電極間距離δとしては、電気的な短絡（ショート）を起こさない距離を確保しなければならない。また、接続電極２０００ｃにおいても、振動子１０００の半田による固定力を確保するためには、所定の面積すなわち「ｌ×ｍ」が規定される。このように規定された接続電極２０００ｃから、振動子１０００の回路基板２０００に対向する側に設けた接続電極６００ｂが、少なくとも回路基板２０００の接続電極２０００ｃと一致する寸法設定であったとしても、Ｌ＝ｌ、Ｍ＝ｍ、Δ＝δとなる。これらの電極寸法から、振動子１０００の平面視の大きさは、Ｐ≧Ｍ、Ｑ≧Ｎであって、Ｎ＝２Ｌ＋Δである。上述したような回路基板２０００の接続電極２０００ｃと、振動子１０００の接続電極６００ｂとの関係であるなら、Ｐ≧ｍ、Ｑ≧ｎとなり、ｎ＝２ｌ＋δである。
【００３６】
上述の通り、振動子１０００の平面視の大きさは、回路基板２０００の接続電極２０００ｃによって決定付けられる。これに対して、図３（ｃ）に示すように、振動子１０００の厚さＨｐは、内部に収納される振動片１００の主面方向の幅ｒによって決定付けられる。従って、振動片１００の小型化、薄型化を図ることで厚さＨｐを薄くすることが可能となる。
【００３７】
また、パッケージ２００には、図３（ｄ）の矢視図に示すように、振動片１００の上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃが形成された側に対向するように透明部材による周波数調整部２０４を備えている。周波数調整は、振動片１００の表面に備える上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃを部分的にエネルギー線、たとえばレーザー光など、によって電極膜を削除し、腕部２０の重さを変化させることで、腕部２０の振動周波数を所望の周波数に合わせこむことである。
【００３８】
本実施形態では、パッケージ２００の内部側壁に振動片１００の上部電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃが向かうように振動片１００が収納されているため、従来の振動片のように蓋部３００を透明部材として、蓋部３００側からのエネルギー線照射では、振動片１００の電極５０には斜めに照射されてしまう。そのために、照射されるエネルギー量は極端に不足し、所望の電極膜削除が行われず、十分な周波数調整ができない。しかし、本実施形態では、パッケージ２００の振動片１００の電極５０に対向する位置に透明部材による周波数調整部２０４を備えることで、エネルギー線を電極５０の面に対して略法線方向から照射できるので、高い密度のエネルギー照射が可能となり、周波数調整を確実に行うことができる。
【００３９】
周波数調整部２０４は、パッケージ２００の基板材料との接合性が良く、パッケージ２００の各基板接合と同じ接合方によって基板と接合できる無機ガラスが好適に用いられる。周波数調整部の形状には限定は無く、例えば円形状等としても良い。また、基板、例えば第２基板２０２を無機ガラス、水晶などの透明部材で形成し、パッケージ２００の全周に亘って透明部位を備えるようにしても良い。
【００４０】
上述の通り、薄型、小型の面外振動を有する振動片を、基板実装面と平行方向に振動方向を合わせてパッケージに収納することで、耐衝撃性能に優れた振動子を提供するものである。
【００４１】
（第２実施形態）
第２実施形態として、上述の実施形態の振動子内部に、振動片回路を備えるＩＣチップを実装した発振器について説明する。図５は、第２実施形態の発振器３０００の概略断面図である。本実施形態は、第１実施形態の振動子１０００に対して、振動片１００を駆動させる駆動回路を含むＩＣチップを備えた点が、第１実施形態と異なるため、第１実施形態と同様の構成の説明は省略し、同じ構成には同一の符号を付与する。
【００４２】
図５に示すように、発振器３０００はパッケージ２００の内部に振動片１００が、第１実施形態と同じく、主面の法線方向が回路基板へ実装された時の回路基板面方向なるように第２基板２０２に固定され、ワイヤー５００によって振動片１００の接続電極５０ｄ、５０ｅと第２基板２０２の接続電極６００ａにワイヤーボンディングされている。更に、第１基板２０１にはＩＣチップ８００が接着剤などにより固定され、ＩＣチップ８００の上面に形成されたＩＣ接続パッド８０１と第１基板２０１上に形成された内部接続端子６００ｃとを金属ワイヤー９００で電気的に接続している。
【００４３】
上述の通り、薄型、小型の面外振動を有する振動片を、基板実装面と平行方向に振動方向を合わせてパッケージに収納することで、耐衝撃性能に優れた発振器を提供するものである。
【実施例】
【００４４】
（実施例）
図６に示す本実施形態の振動片の各寸法が、次のような振動片を製作した。
ｒ＝２１０μｍ
ｓ＝１００μｍ
ｔ＝７００μｍ
ｕ＝３０μｍ
ｖ＝３０μｍ
ｗ＝３０μｍ
ｘ＝５０μｍ
ｙ＝１０μｍ
なお、腕部長さｔ、腕部厚さｙは、所定の共振周波数となるように調整されるが、本実施例では３２．７６８ｋＨｚに調整された。
【００４５】
この振動片を収納するパッケージ２００は、図３に示す寸法Ｌｐ、Ｗｐ、Ｈｐを以下の、
Ｌｐ＝２．０５ｍｍ
Ｗｐ＝１．２ｍｍ
Ｈｐ＝０．６ｍｍ
で製作された。
【００４６】
上述のパッケージの大きさは、回路基板側の電極部について、図４に示す電極寸法が下記の条件、
ｌ＝０．７ｍｍ
ｍ＝１．４ｍｍ
δ＝０．８ｍｍ
ｎ＝２×ｌ＋δ＝２．２ｍｍ
に対して、回路基板２０００への位置合わせ精度などを加味し、決定、製作された。すなわち、寸法Ｌｐに対応する回路基板電極の寸法ｎ、寸法Ｗｐに対応する回路基板電極の寸法ｍによって形成される領域内にパッケージ寸法Ｗｐ、Ｌｐが入るように設定されている。
【００４７】
また、図３においてパッケージ２００の第１基板２０１の厚さＴ１、第２基板２０２の壁厚さおよび第３基板２０３の壁厚さＴ２、蓋部３００の厚さＴ３は、それぞれ下記の通り製作された。
Ｔ１＝０．１ｍｍ
Ｔ２＝０．１ｍｍ
Ｔ３＝０．１ｍｍ
【００４８】
従ってパッケージ２００の内部収納部の平面寸法Ｌｐ１、Ｗｐ１は、
Ｌｐ１＝Ｌｐ−２×Ｔ２＝１．８５ｍｍ
Ｗｐ１＝Ｗｐ−２×Ｔ２＝１．０ｍｍ
となる。
【００４９】
また、収納高さＨｐ１は、図３に示すように第１基板２０１に対して振動片１００の主面を略法線方向にして実装するので、振動片１００の幅ｒに加えて、ボンディングされるワイヤー５００の高さｚに対して、蓋部３００との接触を防止する隙間αを確保しなければならず、それぞれは、
ｚ＝０．１ｍｍ
α＝０．０５ｍｍ
と設定された。これにより収納高さＨｐ１は、
Ｈｐ１＝ｒ＋ｚ＋α＝０．３６ｍｍ
が確保される。その結果、パッケージ２００の厚さＨｐは、
Ｈｐ＝Ｈｐ１＋Ｔ１＋Ｔ３＝０．６ｍｍ
として導き出された。
【００５０】
このように製作された振動子１０００は、振動片１００の矢印で示す振動方向に対して、パッケージ２００内部との余裕が多く、耐衝撃性能に優れた振動子を得ることができた。また、振動子１０００のうち容積が０．６６６ｍｍ3と、小型の振動子を実現することができた。
【００５１】
（比較例）
比較例として、上述の実施例の振動片１００を、図７に示す従来の実装方法で振動子１１００を製作した。図７に示すように、振動片１００を、パッケージ２１０の第１基板２１１に対して主面を略平行にパッケージ２１０に実装した。
【００５２】
この振動片を収納するパッケージ２１０は、図７（ａ）に示す平面サイズでは図３に示す実施例と同一寸法で製作された。また、パッケージ２１０の第１基板２１１の厚さ、第２基板２１２の壁厚さおよび第３基板２１３の壁厚さ、蓋部３１０の厚さも、上述の図３に示す実施例と同一寸法で製作された。従って、パッケージ２１０においても、内部収納部の平面サイズは上述の実施例と同一寸法となる。
【００５３】
収納高さＨｐ１’は、図７（ｂ）に示すように第１基板２１１に対して振動片１００の主面を略平行に実装するので、振動片１００の振動先端部１００ａが第１基板２１１および蓋部３１０と、振動子１１００に衝撃が負荷されても接触することなく振動させるための余裕を含め、隙間β、γが確保されなければならない。
【００５４】
特に得たい共振周波数が低く設定された場合には、腕部長さｔは５００μｍ〜７００μｍと、長く設定しなければならず、故に十分な隙間を確保する必要がある。本比較例では腕部長さｔ＝６００μｍに対して、振動や衝撃に対する上方への許容隙間を腕部長さｔの半分である０．３ｍｍとした。更に、ボンディングされるワイヤー５００の高さｚ’に対して、蓋部３１０との接触を防止する隙間α’を確保しなければならず、それぞれは、
β＝０．２ｍｍ
γ＝０．３ｍｍ
ｚ’＝０．１ｍｍ
α’＝０．０５ｍｍ
と設定された。このうちγと（ｚ’＋α’）とのどちらか大きい方を選択すればよく、γが大きいので、これにより収納高さＨｐ１’は、
Ｈｐ１’＝β＋ｙ＋γ＝０．５１ｍｍ
が確保され、その結果、パッケージ２１０の厚さＨｐ’は、
Ｈｐ’＝Ｈｐ１’＋Ｔ１＋Ｔ３＝０．７１ｍｍ
として導き出された。
【００５５】
このように製作された振動子１１００は、平面サイズでは実施例と同一のパッケージを実現できたが、厚みで０．１１ｍｍ大きく、内容積では０．２７７５ｍｍ3多く、容積比で４１．７％も大きいパッケージとなってしまう。
【００５６】
上述の通り、本発明の実施形態による実施例の通り、振動片の薄型化、小型化による耐衝撃性の低下を、パッケージを小型化しつつも振動片とパッケージとの隙間の余裕を多く確保することで、振動子あるいは発振器の耐衝撃性能の向上を実現できる。
【００５７】
上述の実施形態による実施例に限らず、本願発明の振動子および発振器を、デジタルカメラ、カーナビゲーションシステム、携帯電話、モバイルＰＣ、およびゲームコントローラーなどの電子機器に適用することで、小型で信頼性の高い電子機器を得ることができる。
【符号の説明】
【００５８】
１００…振動片、２００…収納容器、３００…蓋部、４００…封止材、５００…ワイヤー、６００ａ…接続電極、７００…接着剤、１０００…振動子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片を、内部に固定し、密封封止する蓋部を備える収納容器に収納した振動子であって、
前記振動片の屈曲振動方向が、前記収納容器の回路基板への接合面と略平行の方向となっている、
ことを特徴とする振動子。
【請求項２】
前記収納容器の、少なくとも前記振動片のどちらか一方の主面に対向する壁部の一部もしくは全部に透明部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記振動片が、前記腕部の前記延出される方向と交差する３以上の奇数個の腕部を備え、
隣り合う前記腕部の振動方向が逆である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動子。
【請求項４】
前記振動片の前記腕部の前記主面のどちらか一方もしくは両方に、圧電体と電極層を含む圧電素子を備える、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項５】
前記振動片が水晶からなる、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の前記振動子の前記収納容器の内部に、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部を備える、
ことを特徴とする発振器。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項に記載の前記振動子もしくは請求項６に記載の前記発振器を用いた電子機器。
【請求項１】
基部と、前記基部から延出される腕部と、を備え、前記腕部は前記腕部の１対の主面の法線方向の屈曲振動する振動片を、内部に固定し、密封封止する蓋部を備える収納容器に収納した振動子であって、
前記振動片の屈曲振動方向が、前記収納容器の回路基板への接合面と略平行の方向となっている、
ことを特徴とする振動子。
【請求項２】
前記収納容器の、少なくとも前記振動片のどちらか一方の主面に対向する壁部の一部もしくは全部に透明部を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記振動片が、前記腕部の前記延出される方向と交差する３以上の奇数個の腕部を備え、
隣り合う前記腕部の振動方向が逆である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動子。
【請求項４】
前記振動片の前記腕部の前記主面のどちらか一方もしくは両方に、圧電体と電極層を含む圧電素子を備える、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項５】
前記振動片が水晶からなる、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の振動子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の前記振動子の前記収納容器の内部に、前記振動片を駆動させる機能を有する回路部を備える、
ことを特徴とする発振器。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項に記載の前記振動子もしくは請求項６に記載の前記発振器を用いた電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１０２１９（Ｐ２０１２−１０２１９Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４５９１７（Ｐ２０１０−１４５９１７）
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２８日（２０１０．６．２８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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