JP2000278080A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶振動素子等の圧電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】 主面の任意の位置に凹陥部３を形成して
凹陥部の底面を薄板領域４とすると共に、該凹陥部の外
周に厚肉の補強部５を設けた厚みすべり振動を有する圧
電素板２と、圧電素板の薄板領域の両面に夫々形成した
励振用電極膜６と、から成る圧電振動素子１と、圧電振
動素子の補強部の一端縁を片持ち支持する表面実装容器
１０と、から成る圧電デバイスにおいて、上記圧電振動
素子の補強部の上記一端縁と薄板領域との間に少なくと
も一つの溝２０を形成した。

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、特に主面の一部に薄板領域
を有した圧電素板を用いた圧電振動素子において、熱
的、機械的応力変化に伴う周波数安定性を改善するため
の技術に関するものである。

【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６(a) 及び(b) は従来の
水晶振動子の構造を示す平面図、及びＡ−Ａ断面図であ
り、この水晶振動子は、ＡＴカット水晶材料を結晶軸で
あるｘｘ’軸とｚｚ’軸に沿って矩形状または短冊状に
形成して成る水晶振動素子１のｚｚ’軸に沿った一端縁
の両角隅部を、セラミック等から成る表面実装容器１０
の内底面に設けた電極１０ａ上に導電性接着剤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。更
に、表面実装容器１０の開口は、金属蓋１２により気密
封止される。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の点
において限界があり、仮にフィルム状の素板を製造した
としても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やイオンエッチング
加工などの手法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を形成すると
共に、各電極膜６から夫々引き出されたリード電極６ａ
を圧電素板の上記両角隅部に延在させ、導電性接着剤１
１により各リード電極６ａと容器側電極１０ａとを接続
する。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
１１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。これらの応力は水
晶素板２の薄板領域４に伝播し易く、その結果周波数変
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
果的に周波数の不安定要因となって出現し、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、図示のように水晶振動素子を片持ち支持す
る場合は、接続する２点間に最大応力が発生し、その
後、これらの応力は水晶素板全面に減衰しながら伝播す
るが、水晶素板の一部に薄板領域４を形成した場合の応
力感度は薄板領域の厚みに反比例して増大し、例えば高
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。な
お、これらの関係は、「薄板領域厚み」＝「周波数定
数」／「周波数」で表される。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、水晶振動素子等の圧電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た
め、請求項１の発明は、主面の任意の位置に凹陥部を形
成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部
の外周に厚肉の補強部を設けた厚みすべり振動を有する
水晶素板と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成
した励振用電極膜と、から成る水晶振動素子と、上記水
晶振動素子の補強部の一端縁を片持ち支持する表面実装
容器と、から成る圧電デバイスにおいて、上記水晶振動
素子の補強部の上記一端縁と薄板領域との間に少なくと
も一つの溝を形成し、片持ち支持される上記一端縁は、
水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿った一端縁であり、上記
溝は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１
０）度の傾斜を有した一辺を有した溝であることを特徴
とする。請求項２の発明は、上記溝の深さを上記凹陥部
の深さと同等に設定したことを特徴とする。請求項３の
発明は、上記水晶振動素子に使用する水晶素板は、ＡＴ
カットであることを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図面に示した実施
の形態により詳細に説明する。図１(a) 及び(b) は本発
明の一実施形態としての圧電デバイスの要部平面図、及
びＢ−Ｂ断面図であり、この圧電デバイスは、表面実装
用にパッケージ化された水晶振動子である。この水晶振
動子は、水晶振動素子１と、この水晶振動素子１を収納
した表面実装容器１０と、表面実装容器１０の開口を気
密封止する金属蓋１２とから構成された表面実装用圧電
デバイスである。水晶振動素子１を構成する水晶素板２
は、ＡＴカット水晶材料を結晶軸であるｘｘ’軸とｚ
ｚ’軸に沿って矩形状または短冊状に形成したものであ
り、その片面の一部を化学エッチングやイオンエッチン
グ加工などの手法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。更に、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
成すると共に、各電極膜６から夫々引き出されたリード
電極６ａを圧電素板の上記両角隅部に延在させている。
上記水晶振動素子１のｚｚ’軸に沿った一端縁の両角隅
部に夫々位置するリード電極６ａを、セラミック等から
成る表面実装容器１０の内底面に設けた電極１０ａ上に
導電性接着剤１１を用いて片持ち状態で固着接続した上
で、容器開口を金属蓋１２により気密封止することによ
り、水晶振動子１は完成される。

【０００７】図１に示した形態例の水晶素板２の補強部
５は、容器内底面によって片持ち支持されるｚｚ’軸に
沿った一端縁側が広い面積の張出し部５Ａとなってお
り、この張出し部５上に所要形状の溝２０を形成した構
成が特徴的である。この溝２０は、１本又は複数（この
例では２本）のＶ字溝であり、各Ｖ字溝２０を構成する
左右２本の直線溝２０ａ，２０ｂは、水晶素板２のｚ
ｚ’軸に対して夫々３０±１０度（ｚｚ”軸方向）及び
−３０±１０度（ｘｘ”軸方向）へ延びる傾斜角度（以
下、これらの角度を単にθと称する）を有している。上
記溝２０は、水晶素板２上に凹陥部３を化学エッチング
やイオンエッチングにより形成する際に、適当なマスク
を用いて凹陥部３と同時に一括形成することができる。
従って、溝２０の深さは凹陥部３の深さと同等になる。
なお、溝２０の本数、各直線溝２０ａ，２０ｂの幅、長
さ等々の条件は、種々変更可能であり、図示のものに限
定される訳ではない。

【０００８】本実施の形態では、凹陥部３と片持ち支持
端縁との間に位置する張出し部５Ａ上に所要形状の溝２
０を形成したので、表面実装容器１０及び導電性接着剤
１１と、水晶素板の熱膨張係数差に起因して、導電性接
着剤による接着部分に集中して発生した応力が水晶素板
の全面に伝播してゆく過程で、これらの溝２０によって
吸収緩和されて減衰されることとなる。その結果、衝
撃、振動、使用環境変化等の外部環境要因によって応力
が開放されて変化することにより変動する周波数の幅が
小さくなり、周波数安定性を高めることができる。ま
た、この水晶振動素子を備えた水晶振動子をリフロー等
の高温環境にさらしたとしても、応力の発生、伝播を抑
えることができる為に、短期的な周波数変動が小さくな
る。更に、水晶振動素子が実装容器内に片持ち支持され
る際に水晶素板側に発生して伝播する応力が溝２０の減
衰作用により減少する為、長期的な応力開放による周波
数変動をも小さくすることができ、安定して高精度な振
動子を得ることが可能となる。また、溝と凹陥部を同時
に形成できる為、従来と同等のコストにて溝を付加した
水晶素板を製造できるメリットを有する。

【０００９】次に、図２(a) 及び(b) は夫々本発明の第
２の実施の形態に係る水晶素板の平面図であり、まず図
２(a) の水晶素板２はその張出し部５Ａ上に、結晶軸ｚ
ｚ’に対して所定角度θの傾斜を有した直線状の溝２５
を所定間隔で平行に複数本配置した構成を有している。
溝２５の本数は一本であってもよいし、各溝２５の長さ
は種々選定可能である。また、図２(b) の水晶素板２は
結晶軸ｚｚ’に対して角度＋θの傾斜を有した複数の直
線状の溝３０と、結晶軸ｚｚ’に対して角度−θの傾斜
を有した複数の直線状の溝３１を格子状に交差させて配
置した例を示している。各溝３０、３１の本数は夫々一
本であってもよい。図２(a) (b) に夫々示した溝２５、
３０、３１は図１の形態例の場合と同様に所要のマスク
を施した上でエッチングにより凹陥部３と同時に一括し
て形成する。また、このようにして製造した水晶素板２
に対して図１に示した如き電極膜６、リード端子６ａを
施すことにより、水晶振動素子が構成される。この実施
の形態の効果は、図１の実施の形態について述べたこと
と同様に、各溝２５、３０、３１が備えた応力伝播の減
衰効果によって水晶振動子の周波数安定性と、精度を良
好に維持することが可能となる点にある。

【００１０】次に、図３は他の実施の形態に係る水晶素
板であり、この形態例の水晶素板の張出し部５Ａ上には
直角三角形状の溝４０、４１が左右対称となる関係で配
置されている。一方の三角形状の溝４０は、ｚｚ’軸に
対して−θの傾斜角度を有した斜辺４０ａを有し、他方
の三角形状の溝４１は、ｚｚ’軸に対して＋θの傾斜角
度を有した斜辺４１ａを有する。また、底辺４０ｂ，４
１ｂはｚｚ’と平行である。この実施の形態の効果は、
図１、図２の実施の形態について述べたことと同様に、
溝４０、４１が備えた応力伝播の減衰効果によって水晶
振動子の周波数安定性と、精度を良好に維持することが
可能となる点にある。

【００１１】次に、図４(a) (b) 及び(c) は夫々張出し
部上に任意の形状の溝を形成した水晶素板の例を示して
おり、(a) は２つの矩形の溝４５を所定の間隔を隔てて
左右に配置した例であり、(b) は略円弧状（Ｕ字状）の
溝４６を配置した例であり、(c) は円形、長円形、或は
楕円形の溝４７を３個配置した例である。図４(a) にお
いては、矩形の溝４５の個数、形状、サイズ、配置など
は図示のものに限定されない。図４(b) においては、円
弧状の溝４６の形状、本数、配置角度等の条件は種々変
更可能である。また、図４(c) においては、溝４７の個
数、配置等は種々変更可能である。この実施の形態の効
果は、図１、図２の実施の形態について述べたことと同
様に、溝４０、４１が備えた応力伝播の減衰効果によっ
て水晶振動子の周波数安定性と、精度を良好に維持する
ことが可能となる点にある。なお、上記した各実施の形
態では、水晶素板の片面にのみ凹陥部を形成した例を示
したが、一枚の水晶素板の両面側に凹陥部を形成して対
向配置させたタイプの圧電素板の張出し部上に各形態例
の溝を形成してもよく、同様の効果を得ることができ
る。更に、溝の深さは凹陥部３の深さと同様にしておけ
ば、所望の応力吸収効果を十分に発揮することができる
が、溝だけを貫通させて穴状に構成してもよい。従っ
て、請求の範囲において溝とは、穴をも含む概念であ
る。

【００１２】次に、上記各実施の形態において、各溝を
構成する辺の内の少なくとも一辺の傾斜角度θとして、
ｚｚ’軸に対して夫々３０±１０度（ｚｚ”軸方向）、
或は−３０±１０度（ｘｘ”軸方向）という値を選定し
た理由を図５に基づいて説明する。即ち、図５は、水晶
素板の結晶軸のうちのＹ軸上でｚｚ’軸を回転させた場
合の応力感度Ｋを表した図であり、傾斜角度θが＋３０
度、及び−３０度近辺にある時に、感度Ｋが零に近づい
て応力の影響を受けにくくなることを示している。そこ
で、本発明では、各実施の形態の溝、或は溝の一辺の傾
斜方向が、Ｙ軸上でｚｚ’軸を±（３０±１０）度の範
囲で回転させた角度方向となるように構成して、傾斜し
た溝の辺に伝播してきた応力を集中させることにより見
かけ上の応力に対する感度を限りなく零に近づけるよう
にしている。この結果として、水晶振動素子の周波数の
安定性を向上させることができる。なお、本発明の各実
施の形態において水晶素板の張出し部５Ａ上に形成せん
とする全ての溝は、その形状、配置等の諸条件が、接着
剤１１を塗布した領域から十分に離間していて相互に干
渉しないことが必要である。即ち、接着剤が溝内に流入
したり、接着領域に溝が完了することにより、溝の応力
緩衝機能や、接着剤の接着能力が低下することがないよ
うに両者の位置関係等の諸条件を予め配慮することが肝
要である。

【００１３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、水晶素板
等の圧電素板の少なくとも片面に凹陥部を形成すると共
に、凹陥部内底面の薄板領域に励振用の電極膜を形成し
て成る圧電振動素子を、片持ち状態で表面実装容器内に
接着支持したときに、振動、衝撃等の外力や、リフロー
時の熱等が加わった時における短期的な安定性や、長期
的なエージング安定性を維持して、高精度、高安定な圧
電デバイスを安価に提供することが可能となる。即ち、
請求項１の発明は、主面の任意の位置に形成した凹陥部
の外周に形成した厚肉の補強部の面上に、少なくとも一
つの溝を形成したので、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。特に、圧電素板として水晶素板を用い、片持ち支持
される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿っ
た一端縁であるため、上記溝を構成する一辺を結晶軸ｚ
ｚ’に対して所定の範囲内で傾斜させることにより、応
力緩衝効果を発揮できる。また、更に溝は、水晶素板の
結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜を有し
た一辺を有した溝であるため、傾斜した溝の辺に伝播し
てきた応力を集中させることにより見かけ上の応力に対
する感度を限りなく零に近づけ、水晶振動素子の周波数
の安定性を向上させることができる。請求項２の発明で
は、上記溝の深さを上記凹陥部の深さと同等に設定し
た。この溝は凹陥部をエッチング等により製造すること
に同時に一括して製造できるので、製造コスト等の点で
メリットを提供する。請求項３では、水晶素板をＡＴカ
ットとしたので、水晶振動子等に適用した場合に信頼性
を高めて製品としての価値を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) 及び(b) は本発明の一実施形態としての圧
電デバイスの要部平面図、及びＢ−Ｂ断面図。

【図２】(a) 及び(b) は夫々本発明の第２の実施の形態
に係る水晶素板の平面図。

【図３】他の実施の形態に係る水晶素板の説明図。

【図４】(a) (b) 及び(c) は夫々張出し部上に任意の形
状の溝を形成した水晶素板の例を示す図。

【図５】水晶素板の結晶軸のうちのＹ軸上でｚｚ’軸を
回転させた場合の応力感度Ｋを表した図。

【図６】(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Ａ−Ａ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）、５Ａ 張
出し部、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 金属蓋、２０
溝、２０ａ，２０ｂ 直線溝，２５ 溝、３０、３１
溝、４０、４１ 溝、４５、４６、４７ 溝。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古川 弘明 神奈川県高座郡寒川町小谷二丁目１番１号 東洋通信機株式会社内 (72)発明者 斎田 裕康 神奈川県高座郡寒川町小谷二丁目１番１号 東洋通信機株式会社内 Ｆターム(参考） 5J108 AA04 BB02 CC04 CC09 DD02 EE03 EE07 EE18 GG03 GG14 GG16 KK01

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹
   陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に
   厚肉の補強部を設けた厚みすべり振動を有する水晶素板
   と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成した励振
   用電極膜と、から成る水晶振動素子と、 上記水晶振動素子の補強部の一端縁を片持ち支持する表
   面実装容器と、 から成る圧電デバイスにおいて、 上記水晶振動素子の補強部の上記一端縁と薄板領域との
   間に少なくとも一つの溝を形成し、 片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚ
   ｚ’上に沿った一端縁であり、 上記溝は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±
   １０）度の傾斜を有した一辺を有した溝であることを特
   徴とする圧電デバイス。
2. 【請求項２】 上記溝の深さを上記凹陥部の深さと同等
   に設定した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】 上記水晶振動素子に使用する水晶素板
   は、ＡＴカットであることを特徴とする請求項１又は２
   記載の圧電デバイス。