JP2012205032A

JP2012205032A - 水晶振動子

Info

Publication number: JP2012205032A
Application number: JP2011067009A
Authority: JP
Inventors: Taro Ito; 太郎伊藤
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】小型化が容易な水晶振動子を提供する。
【解決手段】パッケージ体１と当該パッケージ体に固定される電極が形成された水晶振動板２を有し、前記パッケージ体は前記水晶振動板を保持する保持部１３，１４が形成されており、前記水晶振動板は励振電極２５，２６と当該励振電極の一部が引き出された引出電極２７，２８と当該引出電極の端部電極である接続電極２３，２４が形成されており、前記水晶振動板と前記励振電極とは水晶振動板の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸Ｔ１を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸Ｔ２を有する平面楕円形状で構成され、前記水晶振動板の短軸の両端部に前記接続電極が形成され、前記接続電極と前記パッケージ体の保持部とが電気機械的に接合されてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は水晶振動子に関するものであり、水晶振動板の構造を改善するものである。

水晶振動子は共振特性に優れることから、周波数、時間の基準源として広く用いられており、水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄膜電極を外気から保護するため、パッケージ体により気密封止されている。

このうちＯＣＸＯと称される恒温槽型水晶発振器に用いられる水晶振動子では、金属性のパッケージ体が用いられているのが現状である。具体的には、特許文献１に示すように、金属ベースにはガラスなどの絶縁材を介して一対の金属リード端子が植設されており、当該金属リード端子のインナーリード部分には、一対の金属平板のサポート部材(保持部)が対向して取り付けられている。水晶振動板は、例えば、厚みすべり振動してなるＡＴカット水晶振動板であり、表裏面には励振電極と、各励振電極からの引出電極が形成されている。そして、前記金属サポートの上に水晶振動板が搭載され、導電接合材により電気的機械的に接続されるとともに、前記金属ベースに金属製の蓋を被せて気密封止する構成となっている。

なお、ＯＣＸＯは外部の温度変化に影響することなく、水晶振動子を恒温槽内で温度制御することにより周波数の高安定化を行ったものであり、周波数安定度として１×１０-7〜１×１０-10程度の水晶振動子で得られる最高水準の周波数安定度を得ることができるため、無線基地局や伝送ラインなどの基準周波数として利用されている。

特開２００９−２２５４２７号公報

このように水晶振動板の両端部を保持体により保持する水晶振動子では、電気特性を満足するためにパッケージ体の小型化が難しいのが現状である。特に高安定用水晶振動子を中心として、金属性のパッケージ体が用いられる水晶振動子では、サポート部材により水晶振動板の両端部を保持することで電気特性を満足するため、このような保持機構との関係でパッケージ体の小型化にも限界があり、より有効な小型化のための構成がなかったのが現状であった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、小型化が容易な水晶振動子を提供することを目的としている。

そこで、本発明の水晶振動子は、パッケージ体と当該パッケージ体に固定される電極が形成された水晶振動板を有し、前記パッケージ体は前記水晶振動板を保持する保持部が形成されており、前記水晶振動板は励振電極と当該励振電極の一部が引き出された引出電極と当該引出電極の端部電極である接続電極が形成されており、前記水晶振動板と前記励振電極とは水晶振動板の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸を有する平面楕円形状で構成され、前記水晶振動板の短軸の両端部に前記接続電極が形成され、前記接続電極と前記パッケージ体の保持部とが電気機械的に接合されてなることを特徴とする。

上記構成により、水晶振動板の振動領域のうち振動変位分布のより大きなＸ軸方向に沿って水晶振動板と励振電極の平面形状を楕円形状とすることで、主振動を阻害することなくスプリアス振動（他の不要振動等）を抑制することができる。結果として主振動の特性を他のスプリアス振動に比較してその特性を優位に引き出すことができ、電気的特性の優れた水晶振動子が得られる。また水晶振動板のＺ’軸方向に沿って水晶振動板の外形形状を小さく形成することができ、このように小さくされた水晶振動板のＺ’軸方向に沿った短軸の両端部をベースの保持部と接合することで、パッケージ体の保持領域も拡大することなく有効に確保することができる。振動変位分布のより小さなＺ’軸方向で保持することで主振動の振動を阻害しにくい。結果として水晶振動子のさらなる小型に有利で電気的特性の安定した構成とすることができる。

本発明により、電気的特性を低下させることなく小型化が容易な水晶振動子を提供することができる。

本発明の実施形態を示す正面図。図１のＡ−Ａ線に沿った断面図。本発明の実施形態の製造工程を示す模式図。本発明の他の実施形態を示す平面図。

次に、本発明による実施の形態を、水晶振動子を例にとり、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態を示す正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は本発明の実施形態の製造工程を示す模式図である。

−本発明の実施形態−
ベース１は全体として低背の長円柱形状であり、金属製のシェルを主とするベース本体１０に金属リード端子１１，１２が貫通して植設された構成であり、絶縁ガラスＧがベース本体の一部に充填されることにより、これら金属リード端子１１，１２は電気的に独立して一体形成されている。

金属リード端子１１，１２は細長い円柱形状であり、例えばベース上部のインナー側の先端部１１ａ，１２ａは幅広で上部が平らな釘頭形状に形成されている。このインナーリードの先端部には、後述する金属サポート１３，１４が溶接の手法（レーザー溶接、スポット溶接等）により対向して取り付けられている。このため、前記金属サポートを金属リード端子に搭載する場合に傾く事なく水平に安定し搭載でき、溶接面積も拡大するので、接合強度が向上し、金属サポートを金属リード端子溶接する際の信頼性が飛躍的に向上する。

金属サポート１３，１４は、例えばニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で、水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近いもの、あるいは水晶の熱膨張係数に近似している金属材料を用いている。具体的に三菱マテリアル株式会社製のものであれば、ＭＡ―ＩＮＶ３６<Fe-36Ni>（インバー/アンバー）、ＭＡ−Ｓ−ＩＮＶＥＲ<Fe-32Ni-5Co>（スーパーインバー）、ＭＡ９０２<Fe-42Ni-Cr-Ti>（ＮＩ−ＳＰＡＮ−Ｃ）等があげられる。このような金属サポート１３，１４は、前記金属リード端子と接合されるリード接続部１３１，１４１と、断面略コ字形状で後述する水晶振動板２を挟み込んだ状態で保持する水晶振動板保持部１３２，１４２とを有している。この水晶振動板保持部１３２，１４２には後述する金属ろう材３が溜まる金属ろう材溜まり部１３３，１３４と窓部１３４，１４４が形成されている。窓部１３４，１４４は切欠部や穴部などにより構成することができ、後述する導電性樹脂接着剤４の一部が外部表面に露出されるよう形成されている。

水晶振動板２は例えばＡＴカット水晶振動板からなり、片面プラノ研磨加工され断面形状がプラノコンベック形状で、平面形状が水晶振動板の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸Ｔ１を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸Ｔ２を有する楕円形状に構成されている。例えば曲率半径１５０ｍｍ（Ｒ１５０）の一段階の加工領域が形成されたプラノコンベックス形状で構成している。なお、この曲率半径は他の数値範囲で研磨加工してもよく、一段階のみに限らず複数段の研磨加工を施してもよい。いずれの曲率形状であっても、Ｚ’軸方向への振動変位分布は小さく、曲率形状と楕円形状の組み合わせにより、さらに主振動の減衰領域を小さくすることができる。そのため、楕円形状によりＺ’軸の幅を小さくでき、小型化に優位となる。

また水晶振動板の短軸Ｔ２と当該水晶振動板の端部が交差する領域にはオリエンテーションフラットが形成されている。このオリエンテーションフラットを含む近傍領域は、例えば、ダイヤモンド♯６００の砥石により、表面粗さ５μｍ程度の粗面部２１，２２が形成されている。

この水晶振動板２の表裏主面上には、励振電極２５，２６と引出電極２７，２８、引出電極２７，２８の端部電極である接続電極２３，２４が形成されている。励振電極２５，２６は平面形状が水晶振動板の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸Ｔ１を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸Ｔ２を有する楕円形状に構成されており、水晶振動板２の平面形状とほぼ相似形状の関係に構成している。引出電極２７，２８は水晶振動板の短軸Ｔ２に沿って形成されており、その両端部で接続電極２３，２４を有している。接続電極２３，２４は前記粗面部２１，２２の上面に形成されており、後述する導電性樹脂接着剤４が粗面部２１，２２の上部で接合されることで、さらなる接合強度の向上に貢献している。これら電極は金を主成分とする電極材料により構成されており、例えばＣｒ（クロム）やＮｉ（ニッケル）の下地電極層の上面にＡｕ（金）電極層が形成されている。

金属ろう材３は例えばＡｕＧｅ(金―ゲルマニウム、融点３６０℃前後)、ＡｕＳｎ(金―錫、融点２８０〜３００℃前後)などの金系合金ろう材を用いている。このため電極材料や金属ろう材が酸化等の電気的特性の劣化が生じにくい安定した材料となるので、エージング特性もさらに高めることができる。

導電性樹脂接着剤４は例えば銀などの金属粉が含有されたポリエーテルサルフォン樹脂からなり、熱分解温度の測定方法による耐熱温度が４６０℃以上のものを用いている。このため金属ろう材３の融点より耐熱温度の高く、かつ加熱硬化によるガスの発生が少ない最適な導電性樹脂接着剤４が得られる。

以下、上述の構成物を使用した水晶振動子の構成とその製造方法について図３とともに説明する。図３（ａ）に示すように、水晶振動板２の表裏主面上には、励振電極２５，２６（裏面の２６については図示せず）と引出電極２７，２８、引出電極２７，２８の端部電極である接続電極２３，２４が真空蒸着法やスパッタリング等の手段にて一体的に形成されている。また接続電極２３，２４の下面には、あらかじめエッチングなどの手法によって粗面部２１，２２が形成されている。

次に、図３（ｂ）に示すように、水晶振動板２の粗面部２１，２２の上部でかつ接続電極２３，２４の上部には、ポリエーテルサルフォン樹脂からなる導電性樹脂接着剤４が塗布される。その後、図３（ｃ）に示すように、この導電性樹脂接着剤４の上部に固形状の金属ろう材３が取り付けられ、固形状の金属ろう材３と接続電極２３，２４とが直接接触しない状態で固形状の金属ろう材３と導電性樹脂接着剤４が接合される。

次に、図３（ｄ）に示すように、金属サポート１３，１４に上述のように固形状の金属ろう材３と導電性樹脂接着剤４が接合された水晶振動板２が搭載される。この際、金属サポート１３，１４の金属ろう材溜まり部に、水晶振動板２の固形状の金属ろう材３が取り付けられた部分が近接した状態で配置搭載する。

次に、図３（ｅ）に示すように、上記金属ろう材溜まり部と固形状の金属ろう材３とが近接した状態で金属サポートの水晶振動板保持部１３２，１４２に対して金属ろう材３と水晶振動板２が取り付けられた気密封止前のベース１（封止前水晶振動子）を加熱炉に搬入する。加熱炉は例えば高真空アニール炉が用いられており、真空雰囲気中で前記封止前水晶振動子全体（ベース）を加熱する。そして例えば金属ろう材３の融点以上の温度に加熱することで、金属サポート１３，１４の水晶振動板保持部１３２，１４２と、水晶振動板２に導電性樹脂接着剤４を介して接合された金属ろう材３とが接合される。結果として、図２の断面図に示すように、金属サポート１３，１４と金属ろう材３とが接合され、水晶振動板２の接続電極２３，２４と導電性樹脂接着剤４とが接合することで、金属サポート１３，１４に水晶振動板２が電気機械的に接合されてなる。

以上のように構成された封止前水晶振動子は、ベースに図示しない蓋を被覆し例えば真空雰囲気中で気密封止することで実施形態の水晶振動子が完了する。本形態ではベースと蓋により気密端子型のパッケージ体を構成している。

上記実施形態により、外部環境温度の変化により金属サポート１３，１４の熱膨張が水晶振動板２に比べて生じることがほとんどなくなり、金属サポート１３，１４から水晶振動板２に対して環境温度の変化による応力を与えることがなくなることで、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。また接続電極２３，２４が導電性樹脂接着剤４により被覆され、当該導電性樹脂接着剤４が金属ろう材３の流れ止め用の防壁として機能し、金属ろう材３が水晶振動板２の接続電極２３，２４から引出電極２７，２８を経由して励振電極２５，２６に向かって流れ出して拡散することがなくなる。金属ろう材３が過少状態となるのを回避し、金属サポート１３，１４と水晶振動板２の電気的機械的な接合不良が生じることがなくなる。つまり、金属サポート１３，１４と水晶振動板２との全体としての電気的な接続性と機械的な接合強度も向上させることができ、エージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することができる。

−本発明の他の実施形態−
次に、本発明の他の実施形態の水晶振動子の構成について、図４とともに説明する。図４は本発明の他の実施形態を示す平面図である。なお上記実施形態と同様の部分については同番号を付して説明の一部を省略する。本形態では上記実施形態に対してパッケージ体の変形例を示している。ベース６は、全体として直方体で、例えばアルミナ等のセラミック絶縁材料とタングステンやモリブデン等の導電材料とを適宜積層したセラミック積層基板からなる。具体的に、このベース６は、図４に示すように、収納部６０と、一部内底面の浅い保持段部６１,６２(保持部)と、これら収納部６０を囲むようにその周囲に設けられた堤部６３を有している。保持段部６１,６２には図示しない外部端子と接続された電極パッドが形成されており、堤部６３の上面には図示しない封止部材が一体的に形成されている。

本形態では、このようなベース６の保持段部上の電極パッド(図示せず)には、水晶振動板２が搭載され、前記電極パッドに対して水晶振動板２の接続電極２３，２４が例えばポリエーテルサルフォン樹脂からなる導電性樹脂接着剤４により導電接合され、ベース６に水晶振動板２が保持されている。このように水晶振動板２が保持されたベース６に図示しない蓋を被覆し例えば真空雰囲気中で気密封止することで本発明の他の実施形態の水晶振動子が完了する。本形態ではベースと蓋により表面実装型のパッケージ体を構成している。

本発明の実施形態により、水晶振動板２と励振電極２５，２６の平面形状が振動領域のうちより大きな水晶振動板２の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸Ｔ１を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸Ｔ２を有する楕円形状とすることで、主振動の振動を阻害することなくスプリアス振動を抑制することができる。結果として主振動の特性を他のスプリアス振動に比較してその特性を優位に引き出すことができ、電気的特性の優れた水晶振動子が得られる。また水晶振動板２のＺ’軸方向に沿って水晶振動板２の外形形状を小さく形成することができ、このように小さくされた水晶振動板２のＺ’軸方向に沿った短軸Ｔ２の両端部を金属サポート１３，１４あるいは保持段部６１，６２と接合することで、ベース１あるいはベース６の保持領域も拡大することなく有効に確保することができる。結果として水晶振動子のさらなる小型に有利な構成とすることができる。特に本形態では、水晶振動板２の断面形状がプラノコンベック形状の面取り加工が施されており、このような断面の面取り形状と平面の楕円形状を組み合わせることで、主振動をより効率的に閉じ込めることができ、主振動を優位に引き出すうえで好ましい形態となる。面取り加工の曲率が同一である場合水晶振動板の短軸Ｔ２の端部の方が長軸Ｔ１の端部より厚く形成されるため、保持部との接合強度を高めることができる。また水晶振動板２と励振電極２５，２６の平面形状を相似形状の関係に構成していることで、不均一な状態で主振動の振動を阻害されることがなくなり、主振動を優位に引き出すうえで望ましい。

なお、上述の実施形態の構成に限らず、前記リード端子のインナーリード先端部が、釘頭形状のもののみを例にしているが、通常のインナーリード形状のものにでも適用できる。ＡＴカット水晶振動板に限らずＳＣカットなど他の水晶振動板であってもよい。面取り加工としてプラノコンベック形状に限らず、バイコンベックス形状、ベベル形状などであってもよい。導電性樹脂接着剤と金属ろう材の組み合わせによる接合構造に限らず、各々のいずれかを単独で用いる接合構造でもよい。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、水晶振動子等の圧電振動デバイスに適用できる。

１,６ベース
１０ベース本体
１１，１２リード端子
１３，１４金属サポート
２水晶振動板
３金属ろう材
４導電性樹脂接着剤

Claims

水晶振動子であって、
前記水晶振動子はパッケージ体と当該パッケージ体に固定される電極が形成された水晶振動板を有し、
前記パッケージ体は前記水晶振動板を保持する保持部が形成されており、
前記水晶振動板は励振電極と当該励振電極の一部が引き出された引出電極と当該引出電極の端部電極である接続電極が形成されており、
前記水晶振動板と前記励振電極とは水晶振動板の結晶軸のＸ軸方向に沿って長軸を有し、Ｚ’軸方向に沿って短軸を有する平面楕円形状で構成され、
前記水晶振動板の短軸の両端部に前記接続電極が形成され、前記接続電極と前記パッケージ体の保持部とが電気機械的に接合されてなることを特徴とする水晶振動子。