JP2007181131A - ラーメモード水晶振動子の保持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化を実現するための素子の実装状態を改善するもので、素子の電気的特性を維持しながら落下、衝撃に対する実装強度を向上した素子形状を得ることを目的とする。
【解決手段】 課題を解決するために本発明は、矩形状の圧電素子に電荷を加えたときに、前記圧電素子の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じる、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板から成るラーメモード水晶振動子の保持構造において、前記圧電素子の振動領域の回転モーメントの無い無変位部に形成する保持部と、前記保持部に合致する形態で前記圧電素子を保持する構造により課題を解決する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化を実現するための素子の実装構造を改善するもので、素子の電気的特性を維持しながら落下、衝撃に対する実装時の保持強度と簡略化を向上したラーメモード水晶振動子の素子形状と容器構造に関するものである。

ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。

ラーメモード振動子は数十μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、回転モーメントはあるが変位の無い振動の節を保持することが一般的である。図７に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続し、接続部を介してパッケージと実装して組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。

要するに、従来は振動子を作製する際には等価抵抗値Ｒ１の上昇を避けるために振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けており、その関係で、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じてしまう。そのために支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値Ｒ１が大きくなってしまう。更に等価抵抗値Ｒ１を小さくすること則ち、等価抵抗値Ｒ１の上昇を軽減する目的で四隅からの支持部の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。

上述のように、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節（回転ノード）となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子は等価抵抗値Ｒ１の良い（低い）振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定しているのが現状である。

上述のプロセスの一例を図８に示すが、ウエハー洗浄、ライトエッチング、プロテクト蒸着膜（ＣｒＡｕ）、レジスト塗布、露光、現像、パターニング、エッチング、レジスト剥離、ＣｒＡｕ剥離、洗浄、励振電極蒸着の一連の工程で素子が形成され、セラミック材質などのパッケージに導電性接着剤にて搭載されてラーメモード振動子を得る。

特開２００３−１４２９７９号公報 特開２００１−３１３５３７号公報 特開２００４−２４２２５６号公報 特開２００５−２４４７０２号公報 なお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。

上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。

しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるために、ラーメモード水晶振動子用の圧電素子を容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の変位から発生する回転モーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生してしまう。

従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがある。

加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的に小型化が難しくなっている現状にある。

また、その一方で小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、従来のラーメモード振動子の構造上、落下や衝撃に対する強度不足などのおそれも考えられる。

前述の実装についてその一例を示すと、従来のラーメモード振動子の製造プロセスでは、図９のＢ−Ｂ断面部を拡大する図９（ａ）に示すように、素子とパッケージとの間に介在する接合部材（導電性接着剤）だけの実装では下電極の接着でしか素子を固着、導通することができない。

また、図９（ｂ）に示すように素子形成を行う製造プロセスに用いるプロテクト膜（ＣｒＡｕ膜）を、励振電極に流用することで工程の簡略化を試みるが、素子の側面に電極を形成できないことから、下電極と上電極が側面で導通できないために、素子の充分な固着と導通が難しい。それは、素子の外形全体をエッチング処理で形成することから、素子の側面である厚み方向、則ち素子の下部から上部にかけて素子外形が直角に切り立っていることと、プロテクト膜に使用しているＣｒＡｕ膜では導電接着剤が有効に接着せず、素子の上部の引き出し電極との接続は十分に行えないという課題がある。

そこで上述の課題を改善するために本発明は、矩形状の圧電素子に電荷を加えたときに、前記圧電素子の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じる、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板から成るラーメモード水晶振動子の保持構造において、前記圧電素子の振動領域の回転モーメントの無い無変位部に形成する保持部と、前記保持部に合致する形態で前記圧電素子を保持されているラーメモード水晶振動子である。

具体的には、前記圧電素子の振動領域内にある回転モーメントの無い無変位部に凸部を形成し、前記凸部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凹部構造を有する容器体に実装し、そして保持部には圧電素子に形成する励振電極からの引き出し電極の一部が形成されており、前記容器体との実装と同時に電気的な接続をされていることを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造である。

上述により、従来の課題として挙げられている、素子の小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることによる発生する落下や衝撃に対する強度不足を改善し、更に保持部には軟質接合用金属を処理して電気的な接続構造を形成することで、圧電素子を容器体に実装すると同時に電気的な接続をも実現することによりラーメモード振動子全体を小型化する上で耐衝撃性の向上と圧電素子の容器体への実装時の簡略化を実現することができる。

上述のように本発明は、ラーメモード水晶振動子の製造方法でエッチング溶液を用い、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法により、素子外形を形成すると同時に圧電素子の振動領域内の回転モーメントの無い無変位部に保持部を形成し支持し導通をとることで、各振動領域の重心箇所である変位も回転モーメントも無い保持部を支持することにより、支持が点接触となり圧電素子への拘束力を低減することで、落下や衝撃に対する機械的強度を高める素子の実装強度を確保し、落下衝撃時の電気的特性の変動を低減する。その結果、耐衝撃性を強化することにより、ラーメモード振動子の品質の向上と製造歩留まりの向上、更には製造プロセスの簡略化を実現できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板を基板にした圧電素子１で、その基板の辺比の一方の寸法を１（Ｌ）としたとき、もう一方の寸法が整数比（１（Ｌ）〜ｎ）を満たす板に無数に存在する振動モードをラーメモード振動子と呼んでいる。図１に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う２辺Ａが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の外方向に変位し、また向かい合う２辺Ａが正方形の外方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の中心方向に変位する振動形態である。

従って、図１（ａ）と図１（ｂ）の動作を繰り返す形態で振動する。この図１は正方形板の最低次の振動モードと呼ぶ。また図１（ｃ）には振動板の寸法概念を示す。そして図２にはその振動モードの模式図を示している。また、図３については、基本形を元にして高次の振動モードを例にしたものである。考え方は図１の基本形と同様であり、図３（ａ）は二次の場合を示し、図３（ｂ）は三次の場合を示したものである。なお、図１と図３に示す△マークはラーメモード振動子の無振動部を表すものである。

さて本発明の特徴として、図４に示す斜視図を一例として説明する。高次の振動形態を持つ素子の回転モーメントの無い無変位部２（以下、無変位部）に形成する保持部３と、保持部３に合致する形態で圧電素子１を保持する構造を特徴とするラーメモード水晶振動子である。このとき、ラーメモード振動子の１次の形態の振動領域の重心箇所を保持するもので、高次の場合であっても、各振動領域の重心箇所を保持する構造となる。

保持部３については、圧電素子１の振動領域内にある無変位部２に凸部を素子と一体的に形成し、凸部と嵌合する形態で圧電素子１を保持する凹部（受け４）構造を有する容器体７に実装する形態となっている。

図５は図４の断面Ａ−Ａを描画したもので、図５（ａ）にはその断面を示したものである。また図５（ａ）丸部に示す要部を拡大した図（（ａ）、（ｂ））で説明すると、ラーメモード水晶振動子の振動領域内にある無変位部２に形成する保持部３の表面には、圧電素子１に形成する励振電極５からの引き出し電極６の一部が形成されており、保持部３に嵌合する容器体７の受け４部分からは圧電素子１の引き出し電極６と導通が取れるように形成されることで、保持部３により圧電素子１の固着と導通を実現するものである。なお、図５（ｂ）は圧電素子１と容器体７の受け４部分がかみ合う形態であり、図５（ｃ）は容器体７にへこみを設けて、構造を簡略化したものである。

要するに、圧電素子１側の保持部３を円柱あるいは円錐形状にし例えば励振電極５を含めＣｒ−Ａｕ、Ｔｉ−Ａｕのような電極金属で導通を図り、受け４から導通金属膜をパターンニングし、導通金属膜の一部からガラスの埋め込み貫通導電体１０を経由して容器体７の外に引き回して容器体７の電極端子に接続する。従って、容器体７は圧電素子１の上下（表裏）に配置し保持部３が容器体の受け４部と嵌合する形態で封止を行う構造となる。

以上保持部３については、前述する圧電素子１の無変位部２に形成する保持部３は、いわゆるラーメモード振動子から伝搬する振動（変位と回転モーメントの無い）がゼロの場所に適宜配置ができ、大きさや形状に拘るものでは無い。従って、他の実施例として示すように、圧電素子１に形成する保持部３は凸状で、容器体７の受け４は凹部となっているが、凹凸の嵌合関係が逆になっても、また圧電素子１の片面ごとに保持部３の形状の凹凸が入れ替わった形態でも同様の効果を奏することは言うまでも無い。その一例として、図５の拡大図と同様の描画にて図６に要部の拡大図を示すが、保持部３については、圧電素子１の無変位部２に凹部を素子と一体的に形成し、凹部と嵌合する形態で圧電素子１を保持する凸部（受け４）構造を有する容器体７に実装する形態となっている。また、高次の場合の圧電素子１においては、保持部３は圧電素子１の振動領域内にある全ての無変位部２で保持する必要は無く、無変位部２を適当に選択しても良い。なお、保持部３と受け部４の形状は問わない。また、保持部には軟質接合用金属９としてアルミ、金、銅、ハンダ材料を施すことで、容器体７と圧電素子１の保持部での接触を緩和することができる。

以上、前述する圧電素子１の実装に関する技術であるが、容器体１の構造や材質を問うものでは無い。しかしながら、小型化容器を実現するにはウエハレベルの封止技術が必要であることから、例えばガラス材料を使った陽極接合、直接接合などを用いることが将来的には考えられる。また、当然ながらセラミック材料や有機材料などの利用でも充分に適用できる。

ラーメモード水晶振動子の１次の形態を示す平面図である。 図１に示す振動形態を解析するモードである。 図１の基本形を基に、高次の場合の振動形態を示す平面図である。 本発明のラーメモード振動子の形態を示す斜視図である。 本発明の要部の状態を示した部分断面図である。 本発明の他の要部形状を示した部分断面図である。 従来例として示すラーメモード水晶振動子形態の概念図である。 ラーメモード振動子の素子を形成する製造プロセスを示すフロー図である。 従来例の実装状態を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 圧電素子
２ 無変位部（回転モーメントの無い無変位部）
３ 保持部
４ 受け部
５ 励振電極
６ 引き出し電極
７ 容器体
８ 振動領域
９ 軟質接合用金属

Claims (5)

1. 矩形状の圧電素子に電荷を加えたときに、前記圧電素子の角部４点を節として、前記矩形状の長手方向に伸びたときには短手方向に伸縮し、かつ、前記矩形状の短手方向に伸びたときには長手方向に伸縮する輪郭振動の振動形態を生じる、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板から成るラーメモード水晶振動子の保持構造において、
   前記圧電素子の振動領域の回転モーメントの無い無変位部に形成する保持部と、前記保持部に合致する形態で前記圧電素子を保持されたことを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。
2. 請求項１に記載の保持部形状とは、前記圧電素子の振動領域内にある回転モーメントの無い無変位部に凸部を形成し、前記凸部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凹部構造を有する容器体に実装する形態を特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。
3. 請求項１に記載の保持部形状とは、前記圧電素子の振動領域内にある回転モーメントの無い無変位部に凹部を形成し、前記凹部と嵌合する形態で前記圧電素子を保持する凸部構造を有する容器体に実装されたことを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。
4. 請求項１に記載の保持部には圧電素子に形成する励振電極からの引き出し電極の一部が形成されており、前記容器体との実装と同時に電気的な接続をされていることを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。
5. 請求項１記載の前記保持部には軟質接合用金属を処理してなることを特徴とするラーメモード水晶振動子の保持構造。

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