JP2013098678A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、安定した振動特性を維持し、良好な周波数温度特性を得ることができる水晶振動子を提供する。
【解決手段】 水晶とは異なる材質から成る基板３と、基板に搭載され、第１の固定点（Ａ）及び第２の固定点（Ｂ）で基板に固定される台座水晶板２と、台座水晶板２に搭載され、第３の固定点（Ｃ）及び第４の固定点（Ｄ）で台座水晶板２に固定され、第３の固定点が第１の固定点に電気的に接続され、第４の固定点が前記第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、第３の固定点及び前記第４の固定点が、第１の固定点と第２の固定点とを結ぶ直線を垂直に略二等分する垂直中心線上に形成されている水晶振動子としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶振動子に係り、特に温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、安定した振動特性を維持し、良好な周波数温度特性を得ることができる水晶振動子に関する。

［先行技術の説明：図４］
水晶振動子の水晶片を２点以上でベースに固定する場合、ベースと水晶片との異なる熱膨張係数の影響で、環境温度変化によって、応力が発生、変化することなる。水晶片に応力がかかると歪み（変形）を生じ、周波数の温度特性と等価抵抗が悪化する。
従来、ベースの上にサポート台座を備えて、振動片に係る応力を軽減したものがある。
従来の水晶振動子の構成を図４を用いて説明する。図４は、従来の水晶振動子の構成を示す概略構成図である。
図４に示すように、従来の水晶振動子は、主として、水晶片１と、台座水晶板２と、基板３とから構成されている。

水晶片１は、２つの励振電極１１，１２を備え、２枚の励振電極１１，１２に挟まれて、電圧が印加されると特定の周波数を発振する。水晶片１は、励振電極１１，１２の固定端子において、導電性接着剤１３，１４により台座水晶板２に固定されている。そして、励振電極１１，１２の固定端子は、台座水晶板２に形成された配線及び支持端子を介して、基板３の底面部の外部電極に接続される。

台座水晶板２は、水晶から成り、水晶片１を搭載する。
台座水晶板２の上面には、水晶片１と電気的に接続するための配線が形成されている。
そして、台座水晶板２は、水晶片１が導電性接着材１３，１４により固定され、導電性接着剤２１，２２によって基板３の接続部に接着固定されている。

基板３は、セラミック等から構成され、上面に台座水晶板２と水晶片１とを搭載するものである。尚、基板３は、台座水晶板２と水晶片１を格納する凹部を備えた形状としてもよい。また、基板３の上面には、台座水晶板２と電気的に接続する接続部及び配線が形成され、底面には、外部に接続する外部接続端子が形成されている。外部接続端子は、スルーホール又は側面配線によって上面の接続部と接続されている。

上記構成の従来の水晶振動子において、水晶片１及び台座水晶板２は、同じ水晶で形成されているため、熱膨張係数は等しく、温度変化に伴う応力は発生しない。
一方、基板３はセラミック等で形成され、台座水晶板２は水晶で形成されているため温度膨張係数が異なり、温度変化によって基板３及び台座水晶板２はそれぞれの温度膨張係数で膨張又は収縮する。
そのため、台座水晶板２が基板３に固定されている固定点Ａ及び固定点Ｂにおいて、異なる材質の伸縮に伴う応力が発生する。台座水晶板２に搭載された水晶片１は、この応力の影響を受ける。

図４の水晶振動子では、固定点Ａ，Ｂ間に応力があるため、台座水晶板２の水晶片１が固定されている固定点Ｃ及び固定点Ｄ間に歪み（変形）を生じ、水晶片１の固定点Ｃ，Ｄ間に応力・変形を発生することになる。

［関連技術］
尚、応力の影響を軽減する水晶振動子に関する技術としては、特開２００１−１０２８９１号公報「圧電デバイス」（京セラ株式会社、特許文献１）、特開２００９−２５３８８３号公報「圧電振動デバイス」（日本電波工業株式会社、特許文献２）、特開２００６−０１３６５０号公報「表面実装用の水晶発振器」（日本電波工業株式会社、特許文献３）がある。

特許文献１には、バンプを力点として水晶片を２点で固定する圧電デバイスが記載されている。
特許文献２、３には、台座水晶を３点で固定し、台座水晶上に水晶片を２点で固定した圧電振動デバイスが記載されている。

特開２００１−１０２８９１号公報 特開２００９−２５３８８３号公報 特開２００６−０１３６５０号公報

しかしながら、従来の水晶振動子では、基板と台座水晶板との温度膨張係数の違いが考慮されておらず、温度変化に伴い応力が発生し、それが水晶片に伝わって水晶片が変形し、周波数温度特性が劣化してしまうという問題点があった。
特に、エージング特性の良好な固い接着剤を用いた場合に、温度変化に伴う水晶片の変形防止が重要になる。

尚、特許文献１、２及び３には、水晶片を台座水晶板に固定する２つの固定点を、台座水晶板を基板に固定する２つの固定点の垂直中心線上に設けることは記載されていない。

本発明は、上記実状に鑑みて為されたもので、温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、安定した振動周波数を維持すると共に、良好な周波数温度特性を得ることができる水晶振動子を提供することを目的とする。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、水晶振動子であって、水晶とは異なる材質の基板と、基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で基板に固定される台座水晶板と、台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で台座水晶板に固定され、第３の固定点が第１の固定点に電気的に接続され、第４の固定点が第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、第３の固定点及び第４の固定点が、第１の固定点と第２の固定点とを結ぶ直線を垂直に略二等分する垂直中心線上に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、第１の固定点及び第２の固定点が、台座水晶板の一方の短辺上に形成されており、第３の固定点が、水晶片の一方の短辺上に形成され、第４の固定点が、水晶片の他方の短辺上に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記水晶振動子において、第１の固定点が、台座水晶板の一方の長辺上に形成され、第２の固定点が、台座水晶板の他方の長辺上に形成されており、第３の固定点が、水晶片の一方の短辺上に形成され、第４の固定点が、水晶片の他方の短辺上に形成されていることを特徴としている。

上記従来例の問題点を解決するための本発明は、水晶振動子であって、水晶とは異なる材質の基板と、基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で基板に固定される台座水晶板と、台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で台座水晶板に固定され、第３の固定点が第１の固定点に電気的に接続され、第４の固定点が第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、第１の固定点及び第２の固定点が、台座水晶板の一方の長辺上の端部近くに互いに近接して形成されており、第３の固定点及び第４の固定点が、水晶片の、第１の固定点及び第２の固定点から遠い方の短辺上に形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、水晶とは異なる材質の基板と、基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で基板に固定される台座水晶板と、台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で台座水晶板に固定され、第３の固定点が第１の固定点に電気的に接続され、第４の固定点が第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、第３の固定点及び前記第４の固定点が、第１の固定点と第２の固定点とを結ぶ直線を垂直に略二等分する垂直中心線上に形成されている水晶振動子としているので、第１の固定点及び第２の固定点からの応力の影響を均等にして、応力による水晶片の変形を生じにくくし、温度変化に伴う水晶片の変形を防止して、安定した振動周波数を維持し、良好な周波数温度特性を得ることができる効果がある。

また、本発明によれば、水晶とは異なる材質の基板と、基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で基板に固定される台座水晶板と、台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で台座水晶板に固定され、第３の固定点が第１の固定点に電気的に接続され、第４の固定点が第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、第１の固定点及び第２の固定点が、台座水晶板の一方の長辺上の端部近くに互いに近接して形成されており、第３の固定点及び第４の固定点が、水晶片の、第１の固定点及び第２の固定点から遠い方の短辺上に形成されている水晶振動子としているので、第１の固定点及び第２の固定点からの応力の影響を低減して、応力による水晶片の変形を生じにくくし、温度変化に伴う水晶片の変形を防止して、安定した振動周波数を維持し、良好な周波数温度特性を得ることができる効果がある。

本発明の第１の実施の形態に係る水晶振動子の概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子の概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動子の概略構成図である。 従来の水晶振動子の概略構成図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
［実施の形態の概要］
本発明の実施の形態に係る水晶振動子は、セラミック等の水晶とは異なる材質から成る基板上に台座水晶板を２点で固定し、その上に水晶片を２点で固定しており、水晶片の２つの固定点が、台座水晶板の２つの固定点同士を結ぶ直線の垂直中心線上に形成されているものであり、当該垂直中心線上では台座水晶板の２つの固定点からの応力の影響が等しいため、台座水晶板の変形が生じにくく、また、水晶片と台座水晶との温度膨張係数は等しいので、水晶片の固定点において熱膨張による歪が発生せず、長期に亘る安定した振動特性を維持しつつ、良好な周波数温度特性を得ることができるものである。

［第１の実施の形態：図１］
本発明の第１の実施の形態に係る水晶振動子について図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の水晶振動子の概略構成図である。
本発明の第１の実施の形態に係る水晶振動子（第１の水晶振動子）は、図１に示すように、基本的な構成は、図５に示した従来の水晶振動子とほぼ同様であり、水晶片１と、台座水晶板２と、セラミックやアルミナ等の水晶とは異なる材質の基板３とを備えている。基板３は、底面部に外部に電気的に接続する外部接続端子を備えている。

水晶片１の両主面には、励振電極１１及び１２が形成され、水晶片１の対向する短辺上にそれぞれ設けられた接続部が導電性接着剤１３，１４によって台座水晶板２の接続端子に接着固定されている。つまり、水晶片１は、対向する短辺上の接続部の位置に相当する固定点Ｃ及び固定点Ｄの２点で台座水晶板２に固定されている。
固定点Ｃ、固定点Ｄは、それぞれ、請求項に記載した第３の固定点、第４の固定点に相当する。

また、台座水晶板２は、従来と同様に、水晶片１と電気的に接続する固定端子及び配線と、基板３に接続する支持端子を備え、一方の短辺上の固定点Ａ及び固定点Ｂにおいて導電性接着剤２２，２３によって基板３の支持端子に接続されている。つまり、台座水晶板２は、一方の短辺上の支持端子の位置に相当する固定点Ａ及び固定点Ｂの２点で基板３に固定されている。
固定点Ａ、固定点Ｂは、それぞれ、請求項に記載した第１の固定点、第２の固定点に相当する。
台座水晶板２と基板３とは材質が異なるため、温度変化に伴い、台座水晶板２の固定点Ａ及び固定点Ｂには応力がかかる。固定点Ａ及び固定点Ｂは力点となる。

そして、第１の水晶振動子の特徴として、水晶片１を固定する固定点Ｃ及び固定点Ｄは、台座水晶板２を基板３に固定する固定点Ａと固定点Ｂとを結ぶ直線（線分）を垂直に略二等分する垂直中心線上に設けられている。
水晶片１の固定点Ｃ，Ｄを、台座水晶板２の２つの固定点Ａ，Ｂの垂直中心線上に設けた場合、固定点Ｃ，Ｄは、それぞれ、固定点Ａ，Ｂから等距離になり、力点である固定点Ａ，Ｂからの応力を同じように受けるため歪が生じにくく、水晶片１は変形しにくくなる。

温度変化による水晶片１の変形について説明する。
水晶片１の温度変化による変形量をΔσとすると、
Δσ＝Δσ１（外力による変形分）＋Δσ２（熱膨張による変形分） となる。

ここで、水晶片１の固定点が、台座水晶板の２つの固定点の垂直中心線上にある場合、外力による変形は無視できるため、
Δσ＝Δσ２（熱膨張による変形分） となる。
つまり、水晶片１の固定点Ｃ，Ｄを台座水晶板２の固定点Ａ，Ｂの垂直中心線上に設けた場合には、水晶片１の変形としては熱膨張による変形のみを考慮すればよい。

水晶片１と台座水晶板２とは同一の素材であるから、温度膨張係数は等しく、温度変化に対して同じように膨張／収縮するため、固定点Ｃ，Ｄでは温度変化による応力は発生しない。
従って、水晶片１は、温度変化に伴って固定点Ｃ，Ｄからの力を受けないことになり、変形を生じない。
これにより、第１の水晶振動子では、固い接着剤を用いてエージング特性を良好にすることを図りつつ、水晶片１の変形を抑え、安定した温度周波数特性を得ることができるものである。

また、第１の水晶振動子では、温度変化に伴う水晶片１の変形を防ぐことができるため、導電性接着剤に対するストレスを緩和でき、ヒートサイクル耐性を向上させることができるものである。

［第２の実施の形態：図２］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子について図２を用いて説明する。図２は、本発明の第２の水晶振動子の概略構成図である。
本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子（第２の水晶振動子）は、第１の水晶振動子と同様に、セラミック等から成る基板３の上に台座水晶板２が固定されると共に電気的に接続され、その上に水晶片１が搭載されて固定されると共に電気的に接続されているものであるが、台座水晶板２の固定位置が第１の水晶振動子とは異なっている。

図２に示すように、第２の水晶振動子では、台座水晶板２の固定点Ａ，Ｂを、台座水晶板２の各長辺の中央部とし、水晶片１の固定点Ｃ，Ｄを、水晶片１の短辺の中央部としている。
この場合でも、水晶片の固定点Ｃ，Ｄは、台座水晶板の固定点Ａ，Ｂの垂直中心線上に位置している。

そのため、第１の水晶振動子と同様に、外力による変形は無視することができ、また、台座水晶板２と水晶片１とは同一の材質であるから、水晶片１の固定点Ｃ，Ｄには熱膨張／収縮による応力はかからない。

よって、第２の水晶振動子においても、温度変化による水晶片１の変形を防ぎ、安定した出力周波数を得ることができるものである。
また、第２の水晶振動子では、固定点Ｃと固定点Ａ、固定点Ｄと固定点Ｂとを接続する各電極配線の長さを最短にすることができるものである。
尚、固定点Ａ，Ｂは、台座水晶板２の長辺上で対向する位置であれば、中央部に限らず、右より又は左よりとしても変形は生じない。

［第３の実施の形態：図３］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動子について図３を用いて説明する。図３は、本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動子の概略構成図である。
図３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動子（第３の水晶振動子）は、第３の水晶振動子と同様に、力点からの応力の影響を小さくするため、力点から離れた領域に水晶片１の固定点Ａ，Ｂを設けるものである。

第３の水晶振動子では、台座水晶板２を一方の長辺上の角部（長辺の端部）に近い位置に、当該長辺に沿って固定点Ａ，Ｂの２点で固定している。
そして、水晶片１は、第３の水晶振動子と同様に、台座水晶板２の固定点Ａ，Ｂから遠いほうの短辺上において固定点Ｃ，Ｄの２点で固定している。

第３の水晶振動子においても、力点である固定点Ａ，Ｂからの応力が、水晶片１の固定点Ｃ，Ｄに及びにくく、水晶片１が外力によって変形することはほとんど無いと考えられ、良好な温度周波数特性が得られるものである。

［実施の形態の効果］
本発明の第１及び第２の実施の形態に係る水晶振動子によれば、セラミックから成る基板３上に台座水晶板２を固定点Ａ，固定点Ｂの２点で固定し、台座水晶板２の上に水晶片１を搭載して固定点Ｃ，固定点Ｄの２点で固定しており、水晶片１を固定する固定点Ｃ，Ｄを、台座水晶板２を固定する固定点Ａ，Ｂの垂直中心線上に設けているので、固定点Ｃ，Ｄに対する固定点Ａ，Ｂからの応力による変形を無くして、温度変化に伴う水晶片１の変形を防ぎ、長期に亘る安定した振動特性を得るために固い接着剤を用いた場合にも、良好な周波数温度特性を得ることができる効果がある。

また、本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子によれば、台座水晶板２を固定する固定点Ａ，Ｂを、各長辺の中央部の点とし、水晶片１を固定する固定点Ｃ，Ｄを、各短辺の中央部の点としているので、水晶片１の変形を防ぐと共に、電極配線の長さを最短とすることができる効果がある。

本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動子によれば、水晶片１を固定する固定点Ｃ，Ｄを、台座水晶板２を固定する固定点Ａ，Ｂから遠い位置に設けているので、固定点Ｃ，Ｄに対する固定点Ａ，Ｂからの応力の影響を低減して、温度変化に伴う水晶片１の変形を防ぎ、良好な周波数温度特性を得ることができる効果がある。

本発明は、温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、安定した振動周波数を維持し、良好な周波数温度特性を得ることができる水晶振動子に適している。

１...水晶片、 ２...台座水晶板、 ３...基板、 １１，１２...励振電極、 １３，１４，２１，２２...導電性接着剤、 Ａ，Ｂ...台座水晶板２の固定点、 Ｃ，Ｄ...水晶片１の固定点

Claims (4)

1. 水晶振動子であって、
   水晶とは異なる材質の基板と、
   前記基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で前記基板に固定される台座水晶板と、
   前記台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で前記台座水晶板に固定され、前記第３の固定点が前記第１の固定点に電気的に接続され、前記第４の固定点が前記第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、
   前記第３の固定点及び前記第４の固定点が、前記第１の固定点と前記第２の固定点とを結ぶ直線を垂直に略二等分する垂直中心線上に形成されていることを特徴とする水晶振動子。
2. 第１の固定点及び第２の固定点が、台座水晶板の一方の短辺上に形成されており、
   第３の固定点が、水晶片の一方の短辺上に形成され、第４の固定点が、前記水晶片の他方の短辺上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
3. 第１の固定点が、台座水晶板の一方の長辺上に形成され、第２の固定点が、前記台座水晶板の他方の長辺上に形成されており、
   第３の固定点が、水晶片の一方の短辺上に形成され、第４の固定点が、前記水晶片の他方の短辺上に形成されていることを特徴とする請求項１記載の水晶振動子。
4. 水晶振動子であって、
   水晶とは異なる材質の基板と、
   前記基板に搭載され、第１の固定点及び第２の固定点で前記基板に固定される台座水晶板と、
   前記台座水晶板に搭載され、第３の固定点及び第４の固定点で前記台座水晶板に固定され、前記第３の固定点が前記第１の固定点に電気的に接続され、前記第４の固定点が前記第２の固定点に電気的に接続された水晶片とを備え、
   前記第１の固定点及び前記第２の固定点が、前記台座水晶板の一方の長辺上の端部近くに互いに近接して形成されており、
   前記第３の固定点及び前記第４の固定点が、前記水晶片の、前記第１の固定点及び前記第２の固定点から遠い方の短辺上に形成されていることを特徴とする水晶振動子。

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