JP2003188678A - 音叉型圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 音叉型圧電振動子において、振動漏れによる
電気的特性低下を極力抑制し、電気的特性の安定した音
叉型圧電振動子を提供する。 【解決手段】 音叉型水晶振動子は、上部が開口した凹
部を有するセラミックパッケージ１と、当該パッケージ
の中に収納される圧電振動板である音叉型水晶振動振動
板３と、パッケージの開口部に接合される金属製のフタ
２とからなる。完成した当該音叉型水晶振動子の質量Ａ
に対する前記音叉型水晶振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／
Ｂ）は３０以上設定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子機器等のクロッ
ク源等に用いられる音叉型圧電振動子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】音叉型圧電振動子は、一対の脚部とこれ
を一端側で連結する基部を有する構成の音叉型圧電振動
板を素子として用い、当該脚部の一端を自由端とすると
ともに基部の下方を固定端としてパッケージに設けられ
た電極パッドに導電接合材により電気的機械的に接続さ
れる。（例えば特開平１１−３１２９４８号参照）

【０００３】音叉型圧電振動子は脚部の機械的共振によ
って所定の周波数を得るが、よく用いられる振動モード
は一対の脚部が基部を基点として、自由端側が平面的に
接近、離反を繰り返す屈曲振動するモードである。この
ような振動モードを得るには、通常Ｘカット水晶板を用
いるが、水晶ウェハから音叉型水晶振動板個々への加工
法は、ワイヤーソー等を用いた機械的加工法と、フォト
リソグラフィ技術を用いた化学的加工法がある。上記音
叉型水晶振動板を機械的加工方法により得る場合も、化
学的方法により得る場合も前記一対の脚部の振動バラン
スを調整するのは圧電振動子の性能を向上させるのに重
要な要素となっている。すなわち、脚部の振動バランス
がアンバランスである場合、振動エネルギーが基部にお
いて充分には減衰せず、当該基部をパッケージと接合し
た場合、ＣＩ（クリスタリインピーダンス）値の悪化、
周波数変動が顕著に現れ、要求される電気的性能を満足
しないことがあるからである。

【０００４】振動バランスの調整手法は製造方法によっ
ても異なり、機械的加工方法により得られた音叉型圧電
振動板の電気的特性調整の例としては、例えば特開昭５
９−５７１３号に示すように、音叉型水晶振動板に対し
所定の励振電極を形成した後、脚部の一方または両方に
ついて先端部分を回転砥石で研削し、同時にＣＩ（クリ
スタルインピーダンス）値、周波数等の電気的特性をリ
アルタイムにモニタリングすることにより、所定の振動
バランス調整を行い、さらにパッケージに組み込んだ状
態で脚部先端部分に付加質量となる金属膜材料を真空蒸
着法等により付着せしめることにより、さらにバランス
調整を行っていた。

【０００５】化学的加工方法においては上述のような回
転砥石による調整は通常は行われず、脚部先端部分に金
属膜材料を付加したり、あるいは予め形成しておいた調
整用の金属膜を切除することによりレーザービーム等で
除去し、この作業により変化する電気的特性をモニタリ
ングし所定の調整を行っていた。前述の特開平１１−３
１２９４８号もレーザービームあるいは電子ビームにて
周波数調整する旨が開示されている。

【０００６】しかしながら以上のような振動バランス調
整を行った場合でも、完全にバランスがとれていない場
合や、調整装置の検出能を越えたアンバランスが残るこ
とがあった。このようなアンバランス状態の音叉型圧電
振動板においては脚部の振動エネルギーが基部において
意図したようには減衰せず、基部に振動エネルギーが残
ってしまう。このようなものをパッケージの電極パッド
に基部を接合した場合、当該基部からパッケージに振動
エネルギーが漏れ出ることがあった。このような振動漏
れは音響リークとも呼ばれ、完成した音叉型圧電振動子
全体に振動エネルギーが漏れ出ていることから、これが
搭載される実装基板との搭載状態によっては周波数等の
電気的特性が変動してしまうことがあった。特にセラミ
ックパッケージの電極パッドに音叉型圧電振動板の基部
の主面を接合する場合は、その接合面積の広さ等から振
動漏れ量並びにその確率が増加する傾向にあった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記問題点を
解決するためになされたもので、音叉型圧電振動子にお
いて、振動漏れによる電気的特性低下を極力抑制し、電
気的特性の安定した音叉型圧電振動子を提供することを
目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は音叉型圧電振動
板がパッケージに収納され、気密封止された音叉型圧電
振動子と、当該音叉型圧電振動板の質量比が音叉型圧電
振動子の振動漏れに関連していることを見いだしたもの
で、次の各構成により実現することができる。

【０００９】請求項１による音叉型圧電振動子は、一対
の脚部と当該脚部を連結するとともに、励振電極が形成
された音叉型圧電振動板と、当該音叉型圧電振動板を収
納するパッケージと、当該パッケージと前記音叉型圧電
振動板を導電接合する導電接合材と、前記パッケージを
気密封止するフタとからなる音叉型圧電振動子であっ
て、当該音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型
圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）を３０以上にし
たことを特徴としている。なお、音叉型圧電振動板の質
量Ｂは音叉型水晶板とその表面に形成される励振電極を
含む質量であり、当該音叉型圧電振動子の質量Ａは、パ
ッケージに前記音叉型圧電振動板を搭載し、導電接合材
で接合し、フタで気密封止した質量を示している。

【００１０】表面実装型の音叉型圧電振動子は、通常基
部の主面の一部を比較的広い面積で接合することが多
い。請求項２に示すようにこのような構成についても本
発明は有効に機能し、振動漏れにより電気的特性の劣化
を抑制することができる。

【００１１】次に音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前
記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比を（Ａ／Ｂ）を３
０以上にした根拠を説明する。図４は質量比を（Ａ／
Ｂ）を変化させた場合の、音響リーク（振動漏れ）の発
生割合について示したグラフである。使用したサンプル
の基本構成は第１の実施の形態に示した構成であり、音
叉型圧電振動板は励振電極が形成された音叉型水晶振動
板、音叉型圧電振動子は当該振動板をパッケージに収納
し導電接合材で接合した後金属フタにて気密封止したも
のである。サンプル１〜３は同じ外形サイズのパッケー
ジを用いており、サンプル１は振動子の質量Ａがサンプ
ル１は質量比が約１７（振動子の質量Ａは０.０２６５
２６ｇ、振動板の質量Ｂは０.００１５９０ｇ）であ
り、サンプル２は質量比が約２７（振動子の質量Ａは
０.０２５８９ｇ、振動板の質量Ｂは０.０００９５４
ｇ）、サンプル３は質量比（振動子の質量Ａは０.０５
２４７ｇ、振動板の質量Ｂは０.００１５９０ｇ）が約
３３である。なお、サンプル１〜３の振動子重量の相違
は振動板の重量の相違、および導電接合材の量、重量の
相違による。サンプル４〜６は同じ外形サイズのパッケ
ージを用い、かつサンプル１〜３で用いたパッケージよ
り外形サイズが大きいものを用いている。サンプル４は
質量比が約３２（振動子Ａは０.０５０８８ｇ、振動板
Ｂは０.００１５９０ｇ）であり、サンプル５は質量比
が約３７（振動子Ａは０.０５８８３ｇ、振動板Ｂは０.
００１５９０ｇ）であり、サンプル６は質量比が約６６
（振動子Ａは０.０５３６２ｇ、振動板Ｂは０.０００８
１３ｇ）である。なお、振動子および振動板の計測はそ
れぞれ１千個の質量を計測し、この値から１個あたりの
重量を算出している。

【００１２】以上の各サンプルから１００個任意に選択
されたものにつき検証実験を行い、音響リークの発生割
合を確認するため、その周波数変動率確認した。気密封
止されたパッケージを所定圧力で押圧し、周波数が５ｐ
ｐｍ以上変化するものを音響リーク発生品とした。な
お、いずれのサンプルに用いた音叉型圧電振動板もワイ
ヤーソーを用いた機械加工によるもので、脚部先端を研
削することにより調整を行った、特性調整済みのもので
ある。図４からパッケージサイズにかかわらず、質量比
を３０以上にすることにより、音響リークすなわち振動
漏れが大きく減少していることが理解できる。

【００１３】さらに請求項３に示すように、請求項１ま
たは請求項２記載の音叉型圧電振動子において、音叉型
圧電振動板の脚部の厚さｔに対する脚部幅ｗの寸法比
（ｔ／ｗ）が０．８以下でかつ脚部の厚さｔが０．１mm
以上であることを特徴としている。音叉型振動子の周波
数は振動板の脚部長（ｌ）と脚部幅（ｗ）に依存するた
め、脚部幅（ｗ）は実質的にあまり変動しない。このた
め寸法比（ｔ／ｗ）を小さくすることにより振動板が薄
型化し、これを０．８以下にすると振動板の軽量化の効
果が顕在化する。しかしながら音叉型圧電振動板の側面
形成する電極領域を確保するには、脚部の厚さｔは０．
１ｍｍ以上必要となるため、上記限定範囲が好ましい数
値範囲となる。

【００１４】音叉型圧電振動子、特に上述した機械的加
工方法により得られた音叉型圧電振動子は加工精度のバ
ラツキが生じやすく、脚部の幅ｗ対し脚部の厚さｔが大
きくなるほど振動のアンバランスが発生しやすくなるこ
とが知られている。図５はｔ／ｗを異ならせた場合の周
波数変化率を示すグラフであり、質量比を異ならせた３
種類のサンプルについて検証実験を行った。サンプルＡ
は質量比が２７のものであり、図５中×印でプロットし
ている。またサンプルＢは質量比が３０のものであり、
図５中○印でプロットしている。さらにサンプルＣは質
量比が３５のものであり、図５中◎印でプロットしてい
る。これら各サンプルのうち、サンプルＢ，Ｃすなわち
質量比３０，３５のものについては、ｔ／ｗが０．８以
下の場合において周波数変化率が良好な範囲に収まって
いる。なお、各振動板の厚さは０．１５ｍｍのものを用
いている。

【００１５】以上、図５のグラフから明らかなように相
対的に脚部厚さｔが大きくなるほど周波数変化率が高く
なっており、特にｔ／ｗが０.８以上になった場合、実
用上問題になる値となっている。従って、音叉型圧電振
動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの
質量比（Ａ／Ｂ）が３０以上のものにおいてｔ／ｗは
０.８以下が好ましく、また上述したように側面電極形
成領域を確保するために、脚部の厚さｔは０．１ｍｍ以
上必要となるため、上記限定範囲が好ましい数値範囲と
なる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明による第１の実施の形態を
表面実装型の音叉型水晶振動子を例にとり図および図２
とともに説明する。図１は本実施の形態を示す分解斜視
図、図２は図１を組み立てた場合の内部断面図を模式的
に示す図であり、図３は音叉型水晶板脚部の電極構成を
示す断面図である。なお、図１，２においては音叉型水
晶振動板に形成された電極膜は明示していない。音叉型
水晶振動子は、上部が開口した凹部を有するセラミック
パッケージ１と、当該パッケージの中に収納される圧電
振動板である音叉型水晶振動振動板３と、パッケージの
開口部に接合される金属製のフタ２とからなる。

【００１７】断面でみて凹形のセラミックパッケージ１
には、凹形周囲の堤部１０ａ上に周状の金属層１１が形
成されている。金属層１１は、詳細には図示していない
が、例えばタングステンあるいはモリブデン等からなる
メタライズ層と、当該メタライズ層の上部に形成される
ニッケル、金等からなるメッキ層とからなる。セラミッ
クパッケージ外周の４角には上下にキャスタレーション
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。このうちキ
ャスタレーションＣ１，Ｃ２の下方には金属導体１４，
１５が形成され、当該金属導体１４，１５は後述の電極
パッドと電気的につながっている。またキャスタレーシ
ョンＣ３，Ｃ４には上端から下端にわたり金属導体１
６，１７が形成されており、前記金属層１１とセラミッ
クパッケージ底面に形成されたアース端子Ｅ３，Ｅ４
（Ｅ３は図示せず）と電気的につながっている。

【００１８】図２に示すように、本セラミックパッケー
ジ１は矩形平板形状のパッケージ基板１ａと、中央部分
が大きく穿設され、外形サイズが前記パッケージ基体と
ほぼ等しい第１のセラミック枠体１ｂと、当該第１のセ
ラミック枠体１ｂとほぼ同形状の第２のセラミック枠体
１ｃとからなり、これら各層が積層されて一体的に焼成
されている。なお、第２のセラミック枠体１ｃの上面に
は前述の金属層１１が形成されている。

【００１９】また、セラミックパッケージ１の内部底面
には電極パッド１２、１３が形成されており、これら電
極パッドは連結電極１２ａ，１３ａ（１３ａは図示せ
ず）を介して、パッケージ外部の底面にデバイス端子Ｅ
１，Ｅ２（Ｅ２は図示せず）として電気的に引き出され
ている。

【００２０】前記電極パッド１２，１３間には圧電振動
板である音叉型水晶振動板３が搭載されている。音叉型
水晶振動板３は一対の脚部３１，３２とこれを一方端側
で連結する基部３３を有する形状を有している。このよ
うな音叉型の加工は水晶ウェハからワイヤーソー等の機
械的切断手段により得ることができるし、またフォトリ
オグラフィ技術による化学的加工手段により形成しても
よい。

【００２１】図３に示すように音叉型水晶振動板の各脚
部の主面及び側面の合計四面にはそれぞれ独立した励振
電極が形成される。一方の脚部３１の主面に対向して形
成された主面励振電極３１ａ，３１ｂと他方の脚部３２
の側面に対向して形成された側面励振電極３２ｃ、３２
ｄとを基部３３に形成された配線電極により共通接続
し、また一方の脚部３１の側面に対向して形成された側
面励振電極３１ｃ，３１ｄと他方の脚部３２の主面に対
向して形成された側面励振電極３２ａ、３２ｂとを基部
３３に形成された配線電極により共通接続されている。
なお、当該水晶板上に形成された電極は、例えば下層が
クロム層、その上層にクロム＋銀層、さらにその上層に
銀層を形成した構成である。これら共通接続された２端
子を各々電極パッド１２，１３に対応する位置に引き出
しており、導電性接合材（図示せず）により導電接合さ
れている。これにより音叉型水晶振動板３は主面基部の
一部を支持部分とした、片持ち支持された状態でセラミ
ックパッケージに収納されている。

【００２２】セラミックパッケージを気密封止する金属
製のフタ２はコバール等の金属母材２０の上下面に金属
膜層を形成した構成である。金属製のフタの上面すなわ
ちパッケージとの非接合面にはニッケル層２１がメッキ
等の手段により形成され、当該金属フタの下面すなわち
前記セラミックパッケージ側には銅層２２、銀ろう層２
３の順に形成されている。当該銅層２２、銀ろう層２３
の形成は、例えば圧延の手法を用いて形成されて、クラ
ッド化されている。クラッド化することにより溶融時の
ガスの放出が少なく、ガスによるパッケージ内部への悪
影響を回避することができるという利点を有している。

【００２３】金属製のフタ２と前記セラミックパッケー
ジ１の各金属膜層の接合は、真空雰囲気中でビーム溶接
あるいはシーム溶接を行い、これにより主に金属製のフ
タの銀ろうが溶融し、気密接合が行われる。完成した当
該音叉型水晶振動子の質量Ａに対する前記音叉型水晶振
動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）は３０以上設定してい
る。なお、音叉型水晶振動板の質量はその表面に形成さ
れた電極材料も含まれている。

【００２４】なお、質量比を調整する方法として、上記
検証実験において説明したように、音叉型圧電振動板の
サイズを変更したり、パッケージサイズを変更する以外
に、例えばパッケージの肉厚を厚くしたり、パッケージ
材料に比重の大きい材料を用いたり、あるいは音叉型圧
電振動板に形成する電極材料の比重を小さくしたり、す
る等の調整をすればよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、当該音叉型圧電振動子
の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量
比（Ａ／Ｂ）を３０以上にしたことを特徴としているの
で、圧電振動板からの振動漏れがある場合でも、電気的
特性の変動を抑制することができる。よって、電気的特
性の安定した音叉型圧電振動子を得ることができる。

【００２６】また請求項２によれば、パッケージに形成
された電極パッドと前記音叉型圧電振動板の主面基部の
一部を接合する構成においても、振動漏れによる周波数
変動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【００２７】また請求項３によれば、振動漏れによる周
波数変動をより良好に抑制することができる音叉型圧電
振動子を得ることができる。

【図１】第１の実施の形態による分解斜視図。

【図２】図１の各構成要素を組み立てた場合の内部断面
図。

【図３】音叉型圧電振動子の電極配線を示す図。

【図４】検証実験データを示すグラフ。

【図５】検証実験データを示すグラフ。

【符号の説明】

１ セラミックパッケージ ２ 金属フタ ２３ 金属ろう層（銀ろう層） ３ 音叉型水晶振動板（音叉型圧電振動板） ３１，３２ 脚部 ３３ 基部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一対の脚部と当該脚部を連結するととも
   に、励振電極が形成された音叉型圧電振動板と、当該音
   叉型圧電振動板を収納するパッケージと、当該パッケー
   ジと前記音叉型圧電振動板を導電接合する導電接合材
   と、前記パッケージを気密封止するフタとからなる音叉
   型圧電振動子であって、 当該音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電
   振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）を３０以上にしたこ
   とを特徴とする音叉型圧電振動子。
2. 【請求項２】 パッケージに形成された電極パッドと前
   記音叉型圧電振動板の主面基部の一部を接合したことを
   特徴とする請求項１記載の音叉型圧電振動子。
3. 【請求項３】 前記音叉型圧電振動板の脚部において、
   脚部の厚さｔに対する脚部幅ｗの寸法比（ｔ／ｗ）が
   ０．８以下でかつ脚部の厚さｔが０．１mm以上であるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２記載の音叉型圧
   電振動子。