JP2006339692A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子に望まれる振動周波数が超高周波になると、圧電振動素子の厚みは非常に薄くする必要があり、このような薄片化した圧電振動素子を従来の構造の圧電振動子に使用した場合、ベンディング等の外部応力が圧電振動素子に加わることで、圧電振動素子自体が大きく歪み、圧電振動特性が悪化する可能性がある。
【解決手段】圧電振動素子と、この圧電振動素子が素子保持基板上に配置されており、この素子保持基板は、周囲の枠体と複数の橋梁部で接続保持されており、且つこれらが一体で形成されている絶縁基板と、この絶縁基板の一方の主面に第１の凹部を形成した第１の容器体と、絶縁基板の他方の主面に、第２の凹部を形成した第２の容器体とが配置されており、第１の容器体及び第２の容器体と絶縁基板とを気密接合し、且つ圧電振動素子の励振用電極と第２の容器体の外部接続用電極端子とが、電気的に接続している圧電振動子。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子における圧電振動素子の搭載形態に関し、特に小型化高周波化に対応した圧電振動子に関する。

近年では、移動体通信機器等の機器類の著しい小型化に伴い、これら機器に用いられる圧電振動子等の電子部品についても更なる小型化が求められている。現在では、２．５ｍｍ×２．０ｍｍの外形サイズの圧電振動子が主流になりつつあり、それ以下のサイズの圧電振動子も開発されている。電子部品の一つである圧電振動子に使用される圧電振動素子は、圧電素板の表裏主面上に、圧電素板を励振させる励振電極と、圧電振動素子を収納する絶縁性容器に形成される電極パッドとの接続をとるための引出電極とを形成して構成されている。圧電振動素子形状として小型化に有利な短冊形状が主流となってきた。

図４は、従来技術の一例として、各種電極を形成した圧電振動素子の外周部を絶縁性容器体で挟む形態で圧電振動素子の振動領域を気密封止した圧電振動子の幅方向の断面図である。即ち、圧電振動子４０は、圧電振動素子４１の上下にそれぞれ容器体４２及び４３が貼り合わされており、貼り合わされた容器体４２及び４３、及び圧電振動素子４１の厚み方向の側面には、２つ容器体主面上にまで至る外部接続用電極端子４４が形成されている。圧電振動素子４１の表裏両主面には励振用電極４５が形成されており、容器体４２及び４３には圧電振動素子４１の共振振動を妨げないように、圧電振動素子に対向する面に凹部４６及び４７が形成されている。

前述のような圧電振動子については、以下のような文献が開示されている。

特開２００３−１４２７４８号公報 特開２００１−２４４７７５号公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述したような構造の圧電振動子においては、圧電振動素子自体も圧電振動子の構造体の一部として用いられているので、このような構造の圧電振動子では、圧電振動子外部より加えられるベンディング等の応力が直接圧電振動素子に加わってしまう。特に、圧電振動子に望まれる振動周波数が厚みすべり振動モードで数百ＭＨｚ以上の超高周波になると、圧電振動素子の厚みは数百ｎｍ〜数μｍと非常に薄くする必要があり、このような薄片化した圧電振動素子を前述したような圧電振動子に使用した場合、外部基板への実装時などで生じるベンディング等の外部応力が圧電振動素子に加わることで、圧電振動素子自体が大きく歪み、圧電振動特性が悪化する可能性がある。

又、構造上の問題として、圧電振動素子自体が圧電振動子の構造体の一部を兼ねる構造なので、圧電振動素子が外部から応力の影響を非常に受けやすく、安定した周波数振動特性を得ることが難しい。更に、このように圧電振動素子が外部応力の影響を非常に受けやすい形態であることから、振動子製造時の条件や環境要因に圧電振動素子の周波数振動特性が敏感に反応してしまうため、製造時の製品歩留まりが大きく変動してしまう恐れがある。

本発明は前述した問題点を解決するために成されたものであり、表裏両主面にそれぞれ励振用電極、及びこの励振用電極より主面上に引き出され、且つ引き出され主面とは反対側の主面上まで延設された引出電極とを有する圧電振動素子と、
この圧電振動素子が、励振用電極より面積が大きい開口部を有する貫通孔が主面に形成された素子保持基板の、この貫通孔部分に一方の励振用電極が位置するように素子保持基板の一方の主面上に配置されており、更にこの素子保持基板は、素子保持基板の周囲の枠体と複数の橋梁部で接続保持されており、且つ素子保持基板，枠体及び橋梁部が一体で形成されている絶縁基板と、
この絶縁基板の圧電振動素子配置側主面に、圧電振動素子と対向する主面に第１の凹部を形成した第１の容器体と、絶縁基板の圧電振動素子配置側とは反対側の主面に、素子保持基板と対向する一方の主面に第２の凹部を形成し、且つ他方の主面側に外部接続用電極端子を形成した第２の容器体とがそれぞれ組み合い配置されており、
この第１の容器体及び第２の容器体の側壁部頂面と、絶縁基板の枠体の表裏主面とを気密接合し、且つ圧電振動素子の励振用電極と、第２容器体の外部接続用電極端子とが電気的に接続してあることを特徴とする圧電振動子である。

又、絶縁基板の材質が、ガラス又は圧電振動素子を形成する材料と同じ材質であることを特徴とする上記記載の圧電振動子でもある。

従って、本発明の圧電振動子により、小型化高周波化が進み、薄片化が著しく進んだ圧電振動素子を用いた圧電振動子でも、外部基板への実装時などで生じるベンディング等の外部応力が圧電振動素子に直接加わることがなく、圧電振動素子自体が大きく歪み、圧電振動特性が悪化する可能性が著しく低下する。

又、本発明における圧電振動子の構造上、圧電振動素子自体が圧電振動子の構造体を兼ねる構造ではないので、圧電振動素子が外部から応力の影響を受けにくく、安定した周波数振動特性を得ることができる。更に、このように圧電振動素子が外部応力の影響を受けにくい形態であることから、振動子製造時の条件や環境要因に圧電振動素子の周波数振動特性が反応することが少なく、製造時の製品歩留まりが変動することが極めて小さい。

更に、本発明における圧電振動子を構成する絶縁基板の材質が、ガラス又はその上部に搭載する圧電振動素子を形成する材料と同じ材質であることにより、熱膨張率の違いによる加熱時の熱ストレスの発生が抑制でき、ストレスによる圧電振動子の諸特性の悪化を防止できる。

上記作用により本発明は、小型化高周波化の進行に対応しつつ、特性の悪化がなく且つ製造歩留まりが良好な圧電振動子を提供する効果を奏する。

以下に、本発明における圧電振動子の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明における圧電振動子を、圧電振動子の一形態である水晶振動子で例示した概略分解斜視図である。図２は、図１記載の水晶振動子を組み立てた後、仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の概略断面図である。図３は、図１に図示した水晶振動子を製造する際の一工程における形態を示した概略斜面図である。尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示せず、また寸法も一部誇張して図示している。特に各部分における厚み寸法は著しく誇張して図示している場合がある。

即ち、図１及び図２において、短冊薄型状の外形形状の水晶素板の表裏主面上は、水晶素板のほぼ中央に略円形の励振用電極１１が表裏主面で対向するように蒸着法或いはスパッタリング法により形成されており、この励振用電極１１から水晶素板の一方の短辺方向へ延設した引出電極１２が形成された水晶振動素子１０を用意する。尚、この水晶振動素子１０を構成する水晶素板は、人工水晶体よりＡＴカットアングルで切り出し外形加工されたものであり、例えば、厚みすべり基本波振動モードで３００ＭＨｚ近辺の振動を得る場合では、水晶振動素子１０を構成する水晶素板の厚み寸法は約５．５μｍにまで加工される。

このような形態の水晶振動素子１０を、励振用電極１１より面積が大きい開口部を有する貫通孔１３が主面に形成された素子保持基板１４の、この貫通孔１３部分に一方の励振用電極１１が位置するように素子保持基板１４の一方の主面上に配置する。この素子保持基板１４は、素子保持基板１４の周囲に位置する枠体１５との間を、素子保持基板１４の４つの角部と枠体１５の４つの内周角部とを接続した橋梁部１６で接続保持されている。又、これら素子保持基板１４，枠体１５及び橋梁部１６は、水晶素板と同じカットアングルで人工水晶より切り出され平板加工された水晶板よりエッチング法又はブラスト法により一体成形で形成され、絶縁基板１７を構成する。尚、貫通孔１３は水晶振動素子１０の励振用電極１１が形成された領域及びその周囲近傍に生じる励振振動を、素子保持基板１４の表面が接触することにより阻害しないために設けられたものであり、同作用を有するものであれば単なる凹状の窪み等別の形態でも構わない。

絶縁基板１７を構成する素子保持基板１４の水晶振動素子１０配置側の主面には、水晶振動素子１０の表面に形成されている引出電極１２に対向する位置に引出電極１２と概略同形状の電極配線１８が形成されており、この引出電極１２と電極配線１８とを固着導通させることにより水晶振動素子１０を素子保持基板１４に固定している。尚、引出電極１２と電極配線１８との固着導通方法としては、導電性接着剤やバンプ等の接合部材を用いた方法のほかに、直接接合法による固着導通を行っても良い。尚、電極配線１８は素子保持基板１４から橋梁部１６を介して枠体１５に形成したビアホール１９にまで引き出され導通している。

水晶振動素子１０を素子保持基板１４に固着接続した形態の絶縁基板１７において、水晶振動素子１０の配置側主面に、水晶振動素子１０と対向する主面に第１の凹部２０を形成した、ガラスを形成材料とする第１の容器体２１と、絶縁基板１７の水晶振動素子１０配置側とは反対側の主面に、素子保持基板１４と対向する一方の主面に第２の凹部２２を形成し、且つ他方の主面側に複数個の外部接続用電極端子２３を形成したガラスを形成材料とする第２の容器体２４とが、絶縁基板１７を間に挟むような形態でそれぞれ組み合い配置されている。

このとき、第１の容器体２１における第１の凹部２０を囲う側壁部頂面、及び第２の容器体２４における第２の凹部２２を囲う側壁部頂面と、絶縁基板１７を構成する枠体１５の表裏主面とは直接接合されており、第１の凹部２０及び第２の凹部２４により形成された、内部に枠体１５の一部，橋梁部１６，水晶振動素子１０を載せた素子保持基板１４を内包した空間が気密形成される。尚、第２の容器体２４を絶縁基板１７に接合したとき、水晶振動素子１０の励振用電極１１と、第２の容器体２４の外部接続用電極端子２３とが、引出電極１２，電極配線１８，ビアホール１９，及びビアホール１９に導通し且つ外部接続用電極端子２３とも接続している第２の容器体２４内に形成したビアホール又は導配線により電気的に接続している。

このような形態の水晶振動子を形成することにより、小型化高周波化が進み、薄片化が著しく進んだ水晶振動素子を用いた水晶振動子でも、外部基板への実装時などで生じるベンディング等の外部応力が、絶縁基板１７を構成する枠体１５及び橋梁部１６により、素子保持基板１４に配置した水晶振動素子１０に直接加わることがなく、水晶振動素子自体が外部応力により大きく歪み、水晶振動特性が悪化する可能性が著しく低下する。

又、本実施例における水晶振動子の構造上、水晶振動素子１０自体が水晶振動子の構造体を兼ねる構造ではないので、水晶振動素子１０が外部から応力の影響を受けにくく、安定した周波数振動特性を得ることができる。更に、このように水晶振動素子１０が外部応力の影響を受けにくい形態であることから、振動子製造時の条件や環境要因に圧電振動素子の周波数振動特性が反応することが少なく、製造時の製品歩留まりが変動することが極めて小さい。

更に、本実施例における水晶振動子を構成する絶縁基板１７の材質が、水晶振動素子１０を形成する材料と同じ水晶材（更に同じカットアングルで形成されている）であることにより、水晶振動素子１０と素子保持基板１４の熱膨張率の違いによる加熱時に固着接合部分に生じる熱ストレスの発生が抑制でき、そのストレスによる水晶振動子の諸特性の悪化を防止できる。

尚、本実施例における水晶振動子は、上記記載の各構成部品を個々に組み合い配置し接合させて形成する工程により製造しても構わないが、更に効率よく製造するために、図３のように複数個の絶縁基板１７形成領域を有する絶縁母基板３１（水晶振動素板１０はそれぞれの素子保持基板に搭載済み）を、複数個の第１の容器体２１形成領域を有する第１の容器母体３２と、複数個の第２の容器体２４形成領域を有する第２の容器母体３３とで挟み、母基板及び各母体の形成領域を合わせて配置し、絶縁母基板３１と第１の容器母体３２及び第２の容器母体３３とを直接接合法により気密接合した後、形成領域外周に沿ってダイシングブレードなどにより切断し個々の水晶振動子を形成する方法を用いても良い。

上記実施例では、圧電振動素子及び絶縁基板の材質として水晶を用いた場合を開示したが、本発明は実施例開示の材質に限定されるものではなく、他にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム又は圧電セラミックスなどを使用しても良い。更に、絶縁基板の材料としては、用いる圧電振動素子の材料と同じ材料であることが望ましいが、所望する振動特性等に許容範囲がある程度広くある等の場合では、絶縁基板の材料としてガラスを使用しても構わない。

図１は、本発明における圧電振動子を、圧電振動子の一形態である水晶振動子で例示した概略分解斜視図である。 図２は、図１記載の水晶振動子を組み立てた後、仮想切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の概略断面図である。 図３は、図１に図示した水晶振動子を製造する際の工程における一形態を示した概略斜面図である。 図４は、従来の水晶振動子の一形態を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・水晶振動素子（圧電振動素子）
１１・・・励振用電極
１２・・・引出電極
１３・・・貫通孔
１４・・・素子保持基板
１５・・・枠体
１６・・・橋梁部
１７・・・絶縁基板
２０・・・第１の凹部
２１・・・第１の容器体
２２・・・第２の凹部
２３・・・外部接続用電極端子
２４・・・第２の容器体

Claims (2)

1. 表裏両主面にそれぞれ励振用電極、及び該励振用電極より主面上に引き出され、且つ引き出され主面とは反対側の主面上まで延設された引出電極とを有する圧電振動素子と、
   該圧電振動素子が、該励振用電極より面積が大きい開口部を有する貫通孔が主面に形成された素子保持基板の、該貫通孔部分に一方の該励振用電極が位置するように該素子保持基板の一方の主面上に配置されており、更に該素子保持基板は、該素子保持基板の周囲の枠体と複数の橋梁部で接続保持されており、且つ該素子保持基板，該枠体及び該橋梁部が一体で形成されている絶縁基板と、
   該絶縁基板の圧電振動素子配置側主面に、該圧電振動素子と対向する主面に第１の凹部を形成した第１の容器体と、
   該絶縁基板の圧電振動素子配置側とは反対側の主面に、該素子保持基板と対向する一方の主面に第２の凹部を形成し、且つ他方の主面側に外部接続用電極端子を形成した第２の容器体とが、
   それぞれ組み合い配置されており、
   該第１の容器体及び該第２の容器体の側壁部頂面と、該絶縁基板の該枠体の表裏主面とを気密接合し、且つ該圧電振動素子の励振用電極と、該第２容器体の外部接続用電極端子とを電気的に接続してあることを特徴とする圧電振動子。
2. 該絶縁基板の材質が、ガラス又は圧電振動素子を形成する材料と同じ材質であることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。

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