JP2002111435A

JP2002111435A - 圧電振動子及びそれを搭載した圧電デバイス

Info

Publication number: JP2002111435A
Application number: JP2000301422A
Authority: JP
Inventors: Masao Ishibashi; 昌夫石橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2002-04-12
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: JP3881503B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】温度補償型水晶発振器を作製した場合に、−
３０℃〜８０℃といった使用される全温度範囲で、確実
に温度補償ができる水晶発振子を供給する。【解決手段】水晶振動子３の励振電極３１，３３の形
状を、基本形状を長方形として、その基本形状の面積に
比べて９５％〜９８％となるように、基本形状の四隅を
略均等に切り欠いた形状とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電振動子を容器状
の基板などに導電性ペーストを硬化して得られる導電性
接着材を介して接合した圧電デバイスに関するものであ
る。尚、圧電振動子とは、水晶板、圧電セラミック基
板、単結晶圧電基板を用いた振動子を含み、また、圧電
デバイスとは、圧電振動素子単体のみを有する発振子
や、この圧電振動子とともにＩＣチップ、コンデンサ、
抵抗などの電子部品素子を搭載した発振器である。ま
た、基板とは、全体が平板状の絶縁基板、平板状部位に
電極パッドを有する筐体状のセラミックパッケージなど
である。

【０００２】

【従来の技術】従来の圧電デバイス、例えば発振器５１
は、図５〜図６に示すように、水晶振動素子を、電極パ
ッドや電極パッドが形成された固定段部を有するセラミ
ックパッケージなどの容器５２体に配置していた。

【０００３】図５、図６に示す発振器５１は、容器体５
２、水晶振動子５３、導電性接着材５４とからなり、図
５では蓋体を省略している。

【０００４】また、容器体５２の裏面には外部端子電極
が形成されて、容器体５２の内部には長手方向の片側の
端部に電極パッドが形成されている。

【０００５】また、水晶振動子５３は、矩形状の圧電基
板の両主面に互いに対向する矩形状の励振電極及び該励
振電極から水晶基板の一方短辺側の両主面に延びる引出
し電極が形成されており、前記引き出し電極は導電性接
着部材５４により、前述の容器体の電極パッドと接続さ
れ、同時に導通されていた。

【０００６】さらに、最終的には、図６に示すように、
水晶振動子５３を気密封止にすべく、容器体５２上に蓋
体を被着して、水晶発振子は構成されていた。

【０００７】また、別の例としては、図７に示すように
長手方向において対向する端面を連続して円弧状にした
水晶振動子５３１の両主面に長手方向に対向する端部を
連続して円弧状にした矩形状で、且つ両側の短辺側を半
円状に形成した励振電極５３２を形成して、該水晶振動
子を上述の内容と同様の方法で発振器として作製してい
た（特開平９-２４６９０３号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の発振器
は、高精度品としてはＩＣチップやコンデンサー、サー
ミスタ、抵抗などと組み合わせて温度補償回路を備えて
いるのだが、この場合、水晶振動子固有の発振周波数の
温度変化を温度補償回路で補償することで、発振周波数
の温度変化を、例えば、−３０℃〜８０℃の使用温度範
囲全範囲にて±１．５ｐｐｍ以内に合わせ込んでいる。

【０００９】この場合、温度補償回路に用いられるコン
デンサー、抵抗の値を変えることにより、発振周波数の
温度変化を抑えこんでいたが、励振電極の設計によって
は、上述のように発振周波数の温度による変化を合わせ
込めない場合があった。

【００１０】その理由を以下に説明する。図８に示すよ
うに、水晶振動子の等価回路は等価直列抵抗Ｒ１、励振
電極の実際に振動している個所で形成される等価直列容
量Ｃ１、等価インダクタンスＬ１が直列回路に、励振電
極の面積に依存する等価並列容量Ｃ０が並列に接続され
た構成となっている。その水晶振動子の等価回路に不図
示であるが主に発振回路で構成される負荷容量ＣＬが負
荷された状態で温度補償型の発振器の等価回路が形成さ
れることになる。ここで発振周波数の温度による変化の
調整は周波数感度Ｓを上げることで行われが、その周波
数感度Ｓは以下の式により表される。

【００１１】Ｓ＝Ｃ１／２＊（Ｃ０＋ＣＬ）² ＝１／２＊Ｃ１＊（Ｃ０／Ｃ１＋ＣＬ／Ｃ１）² 容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１として＝１／２＊Ｃ１＊（γ＋ＣＬ／Ｃ１）² となる。等価直列容量Ｃ１は励振電極の実際の振動部に
おける容量成分であるためほぼ一定と考えてよいので、
容量比γが小さければ、水晶振動子の周波数感度Ｓが大
きく取れることになり、これにより、温度が変化しても
発振周波数を調整することが可能な周波数範囲を広くと
れることになる。即ち、温度補償型の発振器として組ん
だ場合に、温度変化によっても発振周波数の調整の余裕
度が大きくとれることになる。

【００１２】しかしながら、励振電極を概略長方形状と
して最適な励振電極を設計した場合に、一般的に現れる
基本波振動の分布図（図３）に示すように、振動分布の
四隅部である角部が弧状に現れるため、励振電極の四隅
部分（角部）は実際の振動に寄与していないものであ
り、振動に寄与しない励振電極の面積部分が容量比γを
高くして、これにより、温度補償型水晶発振器の設計の
余裕度が少なく、前述のように水晶振動子とＩＣチップ
と組み合わせるコンデンサー、抵抗の値を変えても例え
ば所望の±１．５ｐｐｍ以内に合わせ込むことができな
いことがあった。従って、設計の効率及び生産の効率を
悪くする場合があった。

【００１３】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、励振電極を概略長方形状の励
振電極を水晶振動子に用いた場合、等価回路定数の容量
比γを小さくして、温度補償型の発振器に組み込んだ場
合でも周波数可変感度が大きくとれ、設計や生産をする
際に効率を上げられる圧電振動子及びそれを搭載した圧
電デバイスを提供するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧電基板の両
主面に励振電極を形成した圧電振動子において、前記励
振電極は、長方形状の励振電極を基準形状として、その
基準形状の面積よりも９５％〜９８％となるように前記
基準形状の四隅を略均等に切り欠いた形状であることを
特徴とする圧電振動子である。

【００１５】また、矩形状の圧電基板の両主面に励振電
極を形成し、一方の短辺側の下面に前記励振電極と接続
し、幅方向に分離した一対の引出し電極を形成した圧電
振動子を、基板の表面に一対の電極パッドを形成した容
器に、導電性接着材を介して前記圧電振動子の引出し電
極と前記容器の電極パッドとが接続するように配置して
成る圧電デバイスにおいて、前記励振電極は、長方形状
の励振電極を基準形状として、その基準形状の面積より
も９５％〜９８％となるように前記基準形状の四隅を略
均等に切り欠いた形状であることを特徴とする圧電デバ
イスである。

【作用】本発明の圧電振動子の振動について、図３に示
すように、振動の基本波変位分布を等高線状に示すと、
楕円ではなく、本発明のように長方形状の四隅部を円弧
状に削ったような形状で励振電極外周から中央に向かっ
て徐々に変位が大きくなって振動が発生する。

【００１６】このような振動が発生するので、励振電極
が基準形状となる単なる長方形状である場合と本発明の
ように四隅を略均等に切り欠き、基準形状に比べて面積
を９５％〜９８％となるように本発明の励振電極を形成
すると、実際振動に寄与しない励振電極の不要部分がほ
とんど形成されていないので、励振電極の不要部分で発
生する等価並列容量Ｃ０が基準形状から面積が小さくな
った分だけ抑えられ、しかも、等価直列容量Ｃ１はほと
んど影響がないため、容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１を減少させ
ることができ、水晶振動子の周波数可変感度を大きくす
ることができ、発振周波数の合わせ込みの余裕度を大き
く取れるようになる。

【００１７】結局、上述の圧電デバイスを確実に、且つ
簡単に構成することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電デバイスを図
面に基づいて詳説する。なお、説明では、圧電振動子に
水晶振動子を用いた例で説明する。図１は、本発明にか
かる発振器である圧電デバイスの蓋体を省略した状態の
上面図であり、図２はその横断面図である。

【００１９】本発明の圧電デバイス１は、主に、基板２
１を有する容器体２、水晶振動子３、導電性接着部材４
及び蓋体６とから構成されている。

【００２０】容器体２は、矩形状の単板セラミック基板
２１と、セラミック基板２１の周囲にリング状基板２２
を積層して、その表面に載置されたシールリング２５と
から構成されているセラミックパッケージなどである。
そして、全体として、図２に示すように表面側に開口を
有するとともに、水晶振動子３が収容される実質的に矩
形状のキャビティー部２０が形成される。さらにキャビ
ティー部２０の底面、即ち基板２１の上面の一方の電極
パッド２３、２３が形成されている。この電極パッド２
３、２３は、容器体２の短辺の幅方向に並んで夫々形成
されている。その形状は概略矩形状となっている。

【００２１】上述のシールリング２５はＦｅ−Ｎｉ、Ｆ
ｅ−Ｎｉ−Ｃｏなどの金属からなり、基板２１の周囲に
リング状基板２２を積層して、その表面に形成された封
止用導体膜２４上にろう付けなどにより形成され、これ
により、キャビティー部２０の厚みを規定している。

【００２２】また、容器体２の底面には、電極パッド２
３、２３と電気的に接続し、外部プリント配線基板と接
合するための外部端子電極２６が形成されている。この
電極パッド２３、２３と外部端子電極２６とは、容器体
２の一部を貫くビアホール導体（不図示）によって接続
されている。

【００２３】また、電極パッド２３、２３の表面、特
に、キャビティー部２０の中央部寄りには、バンプ５が
形成されている。このバンプ５は、導電性金属ペースト
の焼き付け、導電性樹脂ペースト、絶縁性樹脂ペースト
の印刷、硬化により形成されており、例えば、１つの電
極パッド２３、２３の幅方向の全幅に渡って帯状に形成
されたり、また、ドット状に形成してもよい。

【００２４】水晶振動子３は、水晶基板３０と励振電極
３１、３３と引き出し電極３２、３４とから構成されて
いる。水晶基板３０は所定結晶方位角に従ってカット
（ＡＴカット）されたものが用いられ、略矩形状に形成
されている。励振電極３１、３３は、水晶基板３０の両
主面に形成され、その平面が概略長方形状で、基準形状
を長方形状とすると、基準形状の四隅部である角部が略
均等に切り欠いて形成されている。また、励振電極３
１、３３は基準形状の励振電極に比べて、その面積が９
５〜９８％、好ましくは、９５〜９６％となるように四
隅を切り欠いて形成される。その面積が９５％未満であ
ると、実際に振動に寄与している振動部分の励振電極部
を欠くことになり、等価直列容量Ｃ１が小さくなり、容
量比γを小さくする効果が得られなくなる。一方、９８
％以上であると、励振電極３１、３３の不要部分を除去
する比率が少ないために等価並列容量Ｃ０が減少させる
ことができず容量比γを少なくすることができない。

【００２５】本発明はあくまで、基準形状が長方形状の
励振電極の四隅を切り欠くのであって、従来技術の図７
で示した励振電極５３１の短辺を半円状にしたものとは
区別される。そのような形状の場合は、基本波における
振動分布まで影響して等価直列容量Ｃ１が小さくなると
いう理由により本発明の効果は得られない。

【００２６】切り欠きの形状としては、円弧状に形成す
る場合（図３）や直線的に切り落とす場合（図４）が考
えられるが、好ましくは、円弧状に形成したほうがよ
い。その理由は振動状態により近い電極形状であるた
め、等価直列容量Ｃ１の損失が最も少ないためである。

【００２７】円弧状に切り欠く場合は、図１に示すよう
に両主面の励振電極３１、３３夫々の四隅に略均等に円
弧状の切り欠き３１ａ、３３ａを形成する。また、切り
欠きを直線的に切り落とすように形成する場合は、図４
に示すように両主面の励振電極３１、３３夫々の四隅に
略均等に直線的な切り落とし３１ｂ、３３ｂを同様に形
成する。

【００２８】引き出し電極３２、３４は一対の励振電極
３１、３３から夫々水晶基板３０の短辺方向（図では左
側）に延出され、構成されている。より具体的には、水
晶基板３０の上面の短辺近傍に延出され、その短辺近傍
の一方の長辺端面（図面では下側の端面）を介して下面
側に延出されている。逆に、下面側の励振電極３３から
延出する引き出し電極３４は、下面の短辺近傍に延出さ
れ、そして、短辺近傍の他方の長辺端面（図面では上側
の端面）を介して上面側に延出されている。即ち、引出
し電極３２、３４は、図には示さないが水晶基板３０の
一方短辺側の端面に形成されることがなく、この一方の
短辺に接する長辺側の端面３面に形成され、このように
引き出し電極は長辺側の端面３面にて導通されている。
そして、この引出し電極３２、３４は、水晶基板３０の
両主面に夫々対向しあう位置に形成され、その形状は、
所定位置に配置した時に、電極パッド２３、２３に導通
し得る形状である。

【００２９】このような励振電極３１、３３及び引出し
電極３２、３４は、水晶基板３０の上面及び下面に、所
定形状のマスクを配置して、蒸着やスパッタ等の手段を
用いてＡｕ、Ａｇ、Ｃｒなどの蒸着などにより形成され
ている。

【００３０】上述の容器体２と水晶振動子３との電気的
な接続及び機械的な接合は、シリコン系、エポキシ系、
ポリイミド系などの樹脂にＡｇ粉末などを添加して導電
性樹脂ペーストを硬化した導電性接着部材４によって達
成される。具体的には、基板２１表面の電極パッド２
３、２３上に、上述の導電性樹脂ペーストをディスペン
サー等により供給し、電極パッド２３、２３上に盛り上
がった半球状の導電性樹脂ペースト上に、水晶振動子３
の一方短辺側の下面に延出された引出し電極が当接する
ように、水晶振動子３を載置し、導電性樹脂ペーストを
硬化する。

【００３１】これにより、水晶振動子３の一対の励振電
極３１、３３は、電極パッド２３、２３を介して容器体
２の外面の外部端子電極２６に導通することになる。

【００３２】尚、実際には、水晶振動子３を電極パッド
２３、２３に電気的接続及び機械的接合を行った後、外
部端子電極２６などを用いて水晶振動子３の発振周波数
を測定し、必要に応じて、水晶振動子３の上面側励振電
極３１の表面に、Ａｇなどを蒸着して周波数の調整をお
こなう。

【００３３】金属製蓋体６は、実質的に平板状の金属、
例えばＦｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金（コバール）などからなる。このような金属製蓋
体６は、水晶振動子３の収容領域（キャビティー部）２
０を、窒素ガスや真空などでシーム溶接などの手法によ
り、気密的に封止する。

【００３４】上述の構造によれば、容器体２の一部であ
る基板２１の表面に、電極パッド２３、２３が形成され
ており、水晶振動子３の引出し電極３２、３４が、導電
性樹脂ペーストを硬化して成る導電性接着部材４を介し
て電気的且つ機械的に接合されている。

【００３５】上述の水晶発振子は以下のようにして製造
される。まず、水晶基板３０の両主面に励振電極３１、
３３、一方の短辺側の両主面に延出された引出し電極３
２、３４を有する水晶振動子３を用意する。また、同時
に、容器体２の底面、即ち、基板２１の表面に一対の電
極パッド２３、２３が形成され、また、キャビティー部
２０の開口周囲の表面に封止用導体膜２４、シールリン
グ２５が形成された容器体２、及び金属製蓋体６を用意
する。次に、電極パッド２３、２３に導電性接着部材４
となる導電性樹脂ペーストをディスペンサーなどで供給
・塗布する。この時、供給された導電性樹脂ペースト
は、概略半球状に全体盛り上がった形状となる。次に、
水晶振動子３を概略半球状に盛り上がった形状に供給さ
れた導電性樹脂ペーストに載置する。具体的には、導電
性樹脂ペーストの供給した部分に、一対の引出し電極３
２、３４が当接するように水晶振動子３を載置する。次
に、導電性樹脂ペーストを硬化して、容器体２と水晶振
動子３とを接合固定する。具体的には、熱による印加に
より硬化する。その後、所定雰囲気中で、シールリング
２５に金属製蓋体６を載置し、両者をシーム溶接にて封
止する。

【００３６】かくして、本発明の構成によれば、励振電
極３１、３３の四隅部を長方形状の基準形状から略均等
に切り欠き、励振電極３１、３３の面積を９５％〜９８
％にした概略長方形状に形成してある。これにより、等
価並列容量Ｃ０は励振電極３１、３３の面積に比例して
決まるため、基準形状の励振電極を使用した場合と比較
して、励振電極３１、３３の振動に寄与しない不要面積
が小さくなった分、等価並列容量Ｃ０は小さくなり、し
かも、等価直列容量Ｃ１については、振動に寄与してい
ない部分をカットしているので一定とみなされるため、
容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１を小さくすることができ、この水
晶振動子３を使用して温度補償型水晶発振器を作製した
場合、周波数可変感度を大きくできるため、発振周波数
の合わせ込みの余裕度を大きく取れるようになる。結
局、温度特性を満足する温度補償型水晶発振器を効率良
く生産できるようになる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明では、圧電振動子
の励振電極の形状を、長方形状を基本形状として、その
四隅を略均等に切り落としたために、容量比γをさらに
小さな値にすることができ、その結果、例えば、水晶振
動子を用いて温度補償型の発振器を作製した場合に、−
３０℃〜８０℃といった使用される温度範囲の全範囲に
て問題なく温度補償させることができ、効率良く生産す
ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる圧電デバイスである発振器の蓋
体を省略した状態の上面図である。

【図２】本発明にかかる圧電デバイスの断面図である。

【図３】本発明に用いる水晶振動子の振動部を示す上面
図である。

【図４】本発明に用いる圧電デバイスの別の例である蓋
体を省略した状態の上面図である。

【図５】従来の圧電デバイスの蓋体を省略した状態の上
面図である。

【図６】従来の圧電デバイスの断面図である。

【図７】従来の圧電デバイスの別の実施形態を示す上面
図である。

【図８】水晶振動子の等価回路を示す説明図である。

【符号の説明】

１・・・圧電デバイス（発振器）２・・・容器体２０・・・キャビティー部２１・・・基板２２・・・リング状基板２３・・・電極パッド２４・・・封止用導体膜２５・・・シールリング２６・・・外部端子電極３・・水晶振動子３１、３３・・・励振電極３２、３４・・・引出し電極４・・・導電性接着部材５・・・バンプ５１・・・発振器５２・・・容器体５３・・・水晶振動子５４・・・電極パターン５７・・・導電性接着部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電基板の両主面に励振電極を形成した
圧電振動子において、前記励振電極は、長方形状の励振
電極を基準形状として、その基準形状の面積よりも９５
％〜９８％となるように前記基準形状の四隅を略均等に
切り欠いた形状であることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】前記励振電極は、基準形状の四隅を円弧
状に切り欠いた形状であることを特徴とする請求項１記
載の圧電振動子。
【請求項３】矩形状の圧電基板の両主面に励振電極を
形成し、一方の短辺側の下面に前記励振電極と接続し、
幅方向に分離した一対の引出し電極を形成した圧電振動
子を、基板の表面に一対の電極パッドを形成した容器
に、導電性接着材を介して前記圧電振動子の引出し電極
と前記容器の電極パッドとが接続するように配置して成
る圧電デバイスにおいて、前記励振電極は、長方形状の
励振電極を基準形状として、その基準形状の面積よりも
９５％〜９８％となるように前記基準形状の四隅を略均
等に切り欠いた形状であることを特徴とする圧電デバイ
ス。