JP2000278079A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶振動素子を表面実装容器内に導電性接着
剤を用いて片持ち状態で支持した構造の圧電デバイスに
おいて、表面実装容器や導電性接着剤と水晶素板の熱膨
張率の差から生じる熱応力の影響を最小に止めて、振動
や衝撃等の外力や、使用環境条件の変動に起因した周波
数安定性の低下を防止した圧電デバイスを提供するこ
と。 【解決手段】 片面に形成した凹陥部３の内底面に超薄
肉の振動部を有すると共に、凹陥部外周に厚肉の環状囲
繞部５を有する圧電素板と、該圧電素板の両面に夫々形
成した電極膜６とを備えた圧電振動素子と、該圧電振動
素子を収容する表面実装容器１０とを備えた圧電デバイ
スにおいて、表面実装容器１０の内底面に固定した圧電
素片上に上記圧電振動素子の一端を導電性接着剤２２、
２５により接続固定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面実装型圧電デバ
イスの高周波化技術に関し、特に、矩形もしくは短冊状
圧電素板の平面の一部を薄く加工してなる圧電振動素子
について、熱的、機械的応力変化に伴い周波数安定性が
低下するという不具合を解消した圧電デバイスに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水晶によって代表される圧電振動素子を
用いた圧電振動子等の圧電デバイスは、圧電発振器や、
共振器、或はフィルタとして、各種電子機器、とりわけ
通信機器においては不可欠の主要パーツとして使用され
ている。近年では、高周波化の要求を満たす為に、圧電
素板を超薄型化する一方で、超薄型化することによって
低下する機械的強度を補う為の配慮がなされた圧電振動
素子が種々提案されている。図５（ａ）及び（ｂ）は従
来の水晶振動子のパッケージ構造を示す平面図、及び縦
断面図であり、この水晶振動子は、ＡＴカット水晶材料
を矩形または短冊状に形成して成る水晶振動素子１の一
端を、セラミック等から成る表面実装容器１０の内底面
に導電性接着剤１１を用いて片持ち状態で固着接続した
構成を備えている。なお、表面実装容器の内底面に突起
状の段差を設けておき、該段差上に導電性接着剤を用い
て水晶振動素子を片持ち状態で支持するタイプも知られ
ている。また、基本波振動での高周波化を実現する為に
は水晶素板２を薄く加工する必要があるが、素板全体を
フィルム状に薄く加工することは機械加工技術から限界
があり、仮にフィルム状の素板を製造したとしても機械
的強度が著しく低下し破損し易くなるため、取り扱いな
どの作業性が極端に悪くなる。このため、図示したよう
に水晶振動素子１を構成する水晶素板２の片面の一部を
化学エッチングなどにより任意の形状に凹陥せしめて、
該凹陥部３の内底面に薄板領域（振動部）４を形成し、
凹陥部３を包囲する外周部を厚肉の補強部（環状囲繞
部）５としている。

【０００３】水晶素板２の薄板領域４の上下面には、夫
々任意の形状で圧電振動励起用の電極膜６を形成してい
る。しかしながら、容器１０の内底面にこの水晶振動素
子１を直接実装する際に、容器１０と、導電性接着剤１
１と、水晶素板２との各物理定数（特に熱膨脹係数）の
違いにより、例えば導電性接着剤をキュア（熱硬化）し
て常温に戻す際に応力が発生する。これらの応力が水晶
素板２に直接伝播することにより周波数変動をもたら
す。またこれらの蓄積された応力は、振動・衝撃・使用
環境条件などの影響により開放され易く、結果的に水晶
素板の周波数変動となって出現し、短期的および長期的
な周波数安定性が劣化する不具合をもたらしていた。特
に、高周波出力を水晶素板の基本波振動により得ようと
する場合、例えば１５６ＭＨｚを得ようとする場合には
水晶素板２の薄板領域４の厚さは約１０μｍとなり、更
に高周波化を図る場合には薄板領域４は更に一層薄くな
る。このように水晶素板の薄板領域４が薄くなるのに伴
って、前記応力は薄板領域４に集中して大きくなり、周
波数変動の幅もこれに比例して極めて大きくなるという
欠点があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題は、水晶振動素子を表面実装容器内に導電性接
着剤を用いて片持ち状態で支持した構造の圧電デバイス
において、表面実装容器や導電性接着剤と水晶素板の熱
膨張率の差から生じる熱応力の影響を最小に止めて、振
動や衝撃等の外力や、使用環境条件の変動に起因した周
波数安定性の低下を防止した圧電デバイスを提供するこ
とにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する為、
請求項１の発明は、片面に形成した凹陥部の内底面に超
薄肉の振動部を有すると共に、凹陥部外周に厚肉の環状
囲繞部を有する圧電素板と、該圧電素板の両面に夫々形
成した電極膜と、を備えた圧電振動素子と、該圧電振動
素子を収容する表面実装容器と、を備えた圧電デバイス
において、表面実装容器の内底面に固定した圧電素片上
に上記圧電振動素子の一端を導電性接着剤により接続固
定したことを特徴とする。請求項２の発明は、上記圧電
素板は水晶素板であり、上記圧電素片は当該水晶素板と
同等の結晶切断方位を有した水晶素片であることを特徴
とする。請求項３の発明は、上記圧電素片の角隅部の上
下面及び側面にかけてメタライズ部を形成し、上記圧電
素板の両電極膜から延びるリード電極を各メタライズ部
上に重ねた状態で導電性接着剤により固定したことを特
徴とする。請求項４の発明は、上記表面実装容器の内底
面に設けたキャビティ内に上記圧電素片を嵌合収納し、
表面実装容器の内底面から突出した圧電素片の上面に圧
電振動素子の一端を導電性接着剤により接続したことを
特徴とする。請求項５の発明は、上記圧電素片の結晶切
断方位と上記圧電素板の結晶切断方位が一致するように
両者を重ね合わせて導電性接着剤により固定することを
特徴とする。請求項６の発明は、上記圧電素板として、
平板状の素板を用いたことを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示した実施
例により詳細に説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本
発明における第一の実施形態に係る圧電デバイスの要部
平面図、及びＡ−Ａ断面図である。なお、図５に示した
圧電デバイスと同一部分には同一符号を付して説明す
る。また、本実施の形態では、圧電振動素子の一例とし
て水晶振動素子を用いて説明する。この圧電デバイス
（水晶振動子）は、セラミックパッケージ等の表面実装
容器１０の内底面に水晶振動素子１を片持ち状態で支持
すると共に、表面実装容器１０の開口を図示しない金属
蓋により気密封止した構成を備えている。この実施の形
態の水晶振動子が従来のものと異なる点は、表面実装容
器１０の内底面に直接水晶振動素子１を接着するのでは
なく、予め内底面に固定した水晶素片２０上に水晶振動
素子１を片持ち状態で接続固定した点にある。以下、本
実施の形態を詳細に説明する。ＡＴカット水晶板から成
る水晶素板２の表面上の任意の位置には、任意の形状で
凹陥部３が形成されており、凹陥部３の内底面は薄板領
域（振動部）４となっている。また、薄板領域４の外周
の厚肉部は、補強部（環状囲繞部）５となっている。こ
の薄板領域４の上下面には、夫々厚みすべり振動励起用
の電極膜６が形成されている。各電極膜６からは夫々リ
ード電極６ａが引き出され、各リード電極６ａは水晶素
板２の２つの角隈部にて終端している。この例では、水
晶素板２の凹陥部３が上向きとなるように水晶振動素子
１を支持した例を示したが、これは一例であり、凹陥部
を下向きにしてもよいし、凹陥部を有しない従来からの
板状素板を用いた水晶振動素子を用いてもよい。

【０００７】表面実装容器１０は、例えば外枠上面にシ
ームリング１２を備えたセラミック素材で構成されてい
る。水晶素片２０は、水晶素板２と同等の結晶切断方位
を有した任意の形状を有しており、水晶素片２０の一辺
の両角隅部の各上下面から側面にかけては蒸着やスパッ
タリングによりメタライズ部２１が形成されている。こ
の例では、水晶素片２０は水晶素板２と同等の面積か、
水晶素板よりも大きい面積となっているが、後述するよ
うにこれは一例に過ぎない。なお、表面実装容器１０の
材質は、セラミック以外の材質、例えば、樹脂、ガラス
であってもよい。水晶素片２０は、表面実装容器１０の
内底面に形成した図示しないメタライズパターン上に塗
布した導電性接着剤２２上に、水晶素片２０のメタライ
ズ部２１を位置決め載置して接着させることにより容器
内底面に固定される。図示するように水晶素片２０は、
容器内底面に片持ち状態で固定することが好ましい。な
お、必要に応じて水晶素片のメタライズ部２１の側面及
び上面にかけて導電性接着剤２２を塗布してもよい。次
いで、水晶素片２０の両角隅部上面に露出した各メタラ
イズ部２１上に導電性接着剤１１を塗布してから、水晶
振動素子１の各電極膜６から夫々引き出されたリード電
極６ａの終端部を重ね合わせて接着する。この水晶振動
素子１は水晶素片２０上で片持ち状態で支持される。ま
た、図示のように水晶振動素子１の各角隅部の側面から
上面にかけても導電性接着剤１１を塗布する。なお、水
晶素片２０上に水晶振動素子１を接続する際に、両者の
結晶切断方位が同等となるように、予め水晶素片２０の
結晶切断方向を設定しておく。このようにして水晶振動
素子１の実装が終了した後に、図示しない金属蓋を容器
開口に固定することにより容器内を気密封止する。この
形態例では、水晶振動素子１は熱膨張係数の異なる表面
実装容器１０の内底面と固定されている訳ではなく、水
晶素片２０を介して固定されているので、温度環境の変
動や、振動、衝撃等の外力等に起因して発生する表面実
装容器１０からの応力が水晶素片２０により吸収緩和さ
れ、しかも水晶素片２０は水晶振動素子１と同等の熱膨
張係数を有しているので、水晶素片２０と水晶振動素子
１との間に熱ひずみが発生せずその結果周波数の変動が
防止される。

【０００８】次いで、図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の
他の実施の形態例の要部平面図、及びＢ−Ｂ断面図であ
り、この形態例は、水晶素片２０の長さを水晶素板２よ
りも大幅に短くした構成と、水晶素片にメタライズ部を
形成せずに導電性接着剤２５を用いて水晶素片２０と水
晶振動素子１を容器内底面に一括して固定した構成が上
記形態例の構成と異なっている。即ち、この実施の形態
では、水晶素板２よりも幅が広く、短尺な水晶素片２０
を表面実装容器１０の内底面に設けた図示しないメタラ
イズパターンの上面を隠蔽しないように水晶素片２０を
載置してから、この水晶素片２０の両角隅部上に導電性
接着剤１１を塗布し、更に片持ち状態となるように水晶
振動素子１を水晶素片２０上に接着する。その後、水晶
素片２０及び水晶振動素子１が容器内底面上と接着し、
かつ水晶振動素子のリード電極６ａがメタライズパター
ンと導通するように導電性接着剤１１を更に塗布する。
その後、容器開口に図示しない金属蓋を固定することに
より、容器を気密封止する。以上のように上記各実施の
形態は、水晶振動素子を直接表面実装容器の内底面に固
定するのではなく、水晶素片を介して水晶振動素子を容
器内底面上に接着実装している為に、容器と水晶素板と
の間に熱膨脹率差があったとしても、間に介在する水晶
素片と導電性接着剤との相乗効果により、発生する応力
を吸収し、水晶振動素子への波及が抑制される。このた
め、水晶振動素子の周波数変動が抑制され、信頼性を高
めることができる。特に、容器の熱膨張による伸び縮み
に起因して発生し伝播する応力は、水晶素片と容器との
間に介在する導電性接着剤により吸収され、さらに水晶
素片と水晶素板は結晶切断方位を一致させているために
熱膨張による伸び縮みが同等になり材料の物性差から発
生する応力が押さえられる。更に、水晶素片と水晶素板
の間に介在する導電性接着剤により応力がさらに吸収さ
れて大幅に緩和される。このようにして応力が順次減少
する結果、振動、衝撃、環境変動などに伴う応力開放よ
る周波数変動を少なくする効果を得ることができる。ま
た、上記圧電素片の結晶切断方位と上記圧電素板の結晶
切断方位が一致するように両者を重ね合わせて導電性接
着剤により固定したので、圧電素片が圧電振動素子の振
動を抑制する要因となることがなくなる。本発明では、
表面実装容器の材質としてセラミックを例示したが、そ
の他の材質（例えば、樹脂やガラス）であっても良い。

【０００９】次に、図３は本発明の他の実施の形態に係
る圧電デバイスの要部平面図、及びＣ−Ｃ断面図であ
り、圧電振動素子１の構成は上記各実施の形態と同様で
あるが、表面実装容器１０の構成が異なっている。即
ち、この表面実装容器１０は例えばセラミックス素材か
ら成り、平板状の底板３０と、底板３０上に積層された
中板３１と、中板３１の上面外周に沿って立設されたシ
ームリング３２とから一体構成されている。中板３１の
適所にはキャビティ３１ａが形成されている。キャビテ
ィ３１ａの内底面には通電用の電極を形成し、この通電
用の電極は容器底面に設けた図示しない外部電極と接続
される。次いで、キャビティ３１ａ内には、水晶素板２
と同等の結晶切断方位をもった角棒状の水晶素片３５を
嵌合して収容し導電性接着剤３６をキャビティ３１ａ内
に充填して水晶素片３５を固定する。水晶素片３５はそ
の上面が少し中板３１上面よりも突出するようにその高
さ寸法を予め設定する。なお、この際、キャビティ内底
面に設けた電極と導電性接着剤３６とが十分に導通する
ように配慮する。その後、水晶素片３５の上面に、水晶
素板２の結晶切断方位と合致するように方位を合わせて
水晶素板２を重ねて導電性接着剤３７にて硬化させる。
なお、必要に応じて水晶振動素子１の上面のリード電極
６ａと導通接続するように導電性接着剤３７を上塗りし
ても良い。各リード電極６ａは、導電性接着剤３７及び
導電性接着剤３６を介してキャビティ内底面の電極と接
続される。本発明では、表面実装容器の材質としてセラ
ミックスを例示したが、その他の材質（例えば、樹脂や
ガラス）であっても艮い。なお、容器の中板の肉厚（キ
ャビティの深さ）に対する水晶素片の厚みを任意に選択
することにより、水晶素板２と中板上面（容器内底面）
との間に生じる空隙を自由にコントロールすることが可
能となり、耐落下特性を大幅に改善する効果を得ること
ができる。

【００１０】図４は、図３の変形例であり、水晶振動素
子１を構成する水晶素板２として平板状のものを用いた
点が異なっている。水晶素板が矩形の平板状である点を
除けば、図３の形態例と変わるところがない。なお、本
発明の水晶振動素子に使用する水晶素板は、べベル形状
や、コンベックス（蒲鉾状）形状であっても良い。以上
のように図３、図４の実施の形態は、表面実装容器の内
底面にキャビティを設け、且つ、このキャビティ内に水
晶素片を導電性接着剤で固定し、容器内底面から突出し
た水晶素片上面に水晶振動素子を固定したので、容器と
水晶素板との間の熱膨張率に差があったとしても、間に
介在する水晶素片と導電性接着剤の相乗効果により発生
する応力が吸収され、水晶振動素子への波及が抑制され
る。このため、水晶振動素子の周波数変動が抑制され、
信頼性を高めることができる。特に、容器の熱膨張によ
る伸び縮みに起因して発生し伝播する応力は、水晶素片
と容器との間に介在する導電性接着剤により吸収され、
さらに水晶素片と水晶素板は結晶切断方位を一致させて
いるために熱膨張による伸び縮みが同等になり材料の物
性差から発生する応力が押さえられる。更に、水晶素片
と水晶素板の間に介在する導電性接着剤により応力がさ
らに吸収されて大幅に緩和される。また、上記圧電素片
の結晶切断方位と上記圧電素板の結晶切断方位が一致す
るように両者を重ね合わせて導電性接着剤により固定し
たので、圧電素片が圧電振動素子の振動を抑制する要因
となることがなくなる。なお、本発明は水晶振動子等の
圧電振動子のみならず水晶発振器等の圧電発振器、その
他の圧電デバイス一般に適用することができる。

【００１１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、水晶振動
素子を表面実装容器内に導電性接着剤を用いて片持ち状
態で支持した構造の圧電デバイスにおいて、表面実装容
器や導電性接着剤と水晶素板の熱膨張率の差から生じる
熱応力の影響を最小に止めて、振動や衝撃等の外力や、
使用環境条件の変動に起因した周波数安定性の低下を防
止することができる。即ち、請求項１の発明は、表面実
装容器の内底面に固定した圧電素片上に上記圧電振動素
子の一端を導電性接着剤により接続固定したので、圧電
振動素子は圧電素片と導電性接着剤を介して異材質の容
器と接することとなり、外力、温度環境の変化等に起因
して容器から伝播する応力を未然に解消して、圧電振動
素子の周波数変動を抑制することができる。本発明は、
特に凹陥部と、凹陥部の内底面に設けた超薄肉振動部と
を有したタイプの圧電素板を用いた圧電振動素子に適用
した場合に、外部応力、熱応力に起因した周波数の変動
を有効に防止することが可能となる。なお、本発明は圧
電振動子、圧電発振器等の圧電デバイス一般に適用する
ことができる。請求項２の発明は、上記圧電素板として
水晶素板を用い、上記圧電素片として当該水晶素板と同
等の結晶切断方位を有した水晶素片を用いたので、請求
項１に記載の効果を水晶振動子において発揮させること
ができる。請求項３の発明は、上記圧電素片の角隅部の
上下面及び側面にかけてメタライズ部を形成し、上記圧
電素板の両電極膜から延びるリード電極を各メタライズ
部上に重ねた状態で導電性接着剤により固定したので、
表面実装容器の内底面に形成した電極と電極膜との導通
を容易に確保することができる。請求項４の発明は、上
記表面実装容器の内底面に設けたキャビティ内に上記圧
電素片を嵌合収納し、表面実装容器の内底面から突出し
た圧電素片の上面に圧電振動素子の一端を導電性接着剤
により接続したので、請求項１、２と同等の周波数変動
防止効果を発揮できるのみならず、容器の中板の肉厚
（キャビティの深さ）に対する水晶素片の厚みを任意に
選択することにより、水晶素板と中板上面（容器内底
面）との間に生じる空隙を自由にコントロールすること
が可能となり、耐落下特性を大幅に改善する効果を得る
ことができる。請求項５の発明は、上記圧電素片の結晶
切断方位と上記圧電素板の結晶切断方位が一致するよう
に両者を重ね合わせて導電性接着剤により固定したの
で、圧電素片が圧電振動素子の振動を抑制する要因とな
ることがなくなる。請求項６の発明は、上記圧電素板と
して、平板状の素板を用いた。つまり、本発明において
使用する圧電振動素子を構成する圧電素板の形状、種類
はどのようなタイプであってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明における第一の実施
形態に係る圧電デバイスの要部平面図、及びＡ‐Ａ断面
図。

【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施の形態例
の要部平面図、及びＢ−Ｂ断面図。

【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施の形態に
係る圧電デバイスの要部平面図、及びＣ−Ｃ断面図。

【図４】（ａ）及び（ｂ）は図３の変形例を示す図。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は従来の水晶振動子のパッケ
ージ構造を示す平面図、及び縦断面図。

【符号の説明】

１ 水晶振動素子、２ 水晶素板、３ 凹陥部、４ 薄
板領域（振動部）、５補強部（環状囲繞部）、６ 電極
膜、６ａ リード電極、１０ 表面実装容器、１１ 導
電性接着剤、１２ シームリング、２０ 水晶素片、２
１ メタライズ部、２２ 導電性接着剤、２５ 導電性
接着剤、３０ 底板、３１ 中板、３１ａ キャビテ
ィ、３５ 水晶素片、３６ 導電性接着剤、３７ 導電
性接着剤。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 片面に形成した凹陥部の内底面に超薄肉
   の振動部を有すると共に、凹陥部外周に厚肉の環状囲繞
   部を有する圧電素板と、該圧電素板の両面に夫々形成し
   た電極膜と、を備えた圧電振動素子と、 該圧電振動素子を収容する表面実装容器と、 を備えた圧電デバイスにおいて、 表面実装容器の内底面に固定した圧電素片上に上記圧電
   振動素子の一端を導電性接着剤により接続固定したこと
   を特徴とする圧電デバイス。
2. 【請求項２】 上記圧電素板は水晶素板であり、上記圧
   電素片は当該水晶素板と同等の結晶切断方位を有した水
   晶素片であることを特徴とする請求項１記載の圧電デバ
   イス。
3. 【請求項３】 上記圧電素片の角隅部の上下面及び側面
   にかけてメタライズ部を形成し、上記圧電素板の両電極
   膜から延びるリード電極を各メタライズ部上に重ねた状
   態で導電性接着剤により固定したことを特徴とする請求
   項１又は２記載の圧電デバイス。
4. 【請求項４】 上記表面実装容器の内底面に設けたキャ
   ビティ内に上記圧電素片を嵌合収納し、表面実装容器の
   内底面から突出した圧電素片の上面に圧電振動素子の一
   端を導電性接着剤により接続したことを特徴とする請求
   項１、又は２記載の圧電デバイス。
5. 【請求項５】 上記圧電素片の結晶切断方位と上記圧電
   素板の結晶切断方位が一致するように両者を重ね合わせ
   て導電性接着剤により固定することを特徴とする請求項
   １、２、３又は４記載の圧電デバイス。
6. 【請求項６】 上記圧電素板として、平板状の素板を用
   いたことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載
   の圧電デバイス。