JP2013157692A - 振動デバイス及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度が変化しても周波数特性の劣化の少ない振動デバイスを提供する。
【解決手段】本発明の振動デバイス１は、基体３と、基体３に接合しキャビティ５を構成する蓋体４と、キャビティ５に収納される振動片６とを備える。振動片６は、本体部７とこの本体部７の短手方向に延出する延出部８とを備え、振動片６は、基体３に設置される第一接続部１２ａにより延出部８が、第二接続部１２ｂにより本体部７が片持ち状に支持される。これにより、周囲温度が変化して第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂ間に応力が印加されても、この応力は延出部８により緩衝される。
【選択図】図１

Description

本発明は、２つの基板間に構成したキャビティに振動片を実装した振動デバイス及び発振器に関する。

水晶振動子を用いた振動デバイスが普及している。水晶振動子を用いた振動デバイスは小型であり温度変化に対する周波数特性が安定し、携帯電話などの携帯情報端末、その他多くの電子デバイスのタイミング源として広く利用されている。近年は、より一層の小型化、振動周期の安定性が求められている。そのため、水晶振動子をさらに小型化し、表面実装法により基板に実装することが行われている。

図５は、特許文献１に記載される水晶振動子の説明図であり（特許文献１の図１）、図５（ａ）が水晶振動子の断面図であり、（ｂ）が金属カバー５３を除いた水晶振動子の平面図である。水晶振動子は、凹部が形成される容器本体５１と、凹部の底面に実装される水晶片５２と、凹部の上端に設置され、凹部を密閉する金属カバー５３とから構成される。水晶片５２は、導電性接着材５８により容器本体５１に片持ち状に支持される。

水晶片５２は扁平な長方形を有し、その表面に、水晶片５２を励振させるための励振電極５６と、励振電極５６に電気的に接続する第１引出部５７ａと、第１引出部５７ａに電気的に接続し、水晶片５２の角部に設置される第２引出部５７ｂとを備える。励振電極５６は水晶片５２を挟むように水晶片５２の両面に形成される。第２引出部５７ｂは水晶片５２の短辺の両角部に形成され、一方の角部の第２引出部５７ｂは一方の表面に形成される励振電極５６と電気的に接続し、他方の角部の第２引出部５７ｂは他方の表面に形成される励振電極５６と電気的に接続する。第２引出部５７ｂは水晶端子５４と導電性接着材５８を介して電気的に接続され、更に外部端子５５に電気的に接続される。従って、水晶片５２は短辺の両角部が導電性接着剤５８により容器本体５１に固定され、片持ち状に支持される。

特開２００８−１０９５３８号公報

特許文献１の実装方法では、水晶片５２の短辺の２か所が容器本体５１に導電性接着剤５８により固定される。水晶片５２と容器本体５１との間に熱膨張係数の差がある場合は周囲温度が変化するとこの２か所の固定部の間に応力が印加される。そのために、温度変化に対して周波数特性が劣化する。特に、水晶片５２が厚み滑り振動するＡＴカット水晶片の場合は、水晶片５２の短辺の２か所を導電性接着剤５８により固定すると、周囲温度の変化に対して周波数特性の劣化が顕著となる。

また、この種の振動デバイスは空気抵抗を減少させるために容器内を真空に保持する。しかしながら、特許文献１のように導電性接着材５８を用いるとこの導電性接着剤５８からガスが発生し、発生するガスにより水晶片５２の周波数特性が変動する。導電性接着剤５８を加熱溶融して水晶片５２を容器本体５１に実装するが、溶融する際に導電性接着剤５８が広がってしまい、水晶片５２と容器本体５１との間の接合面積を小さく制御することが困難となる。更に、接合面積が広がることにより水晶片５２の振動特性が劣化する。そのため水晶片５２の小型化に限界がある。加えて、導電性接着剤５８は個化するまでに時間を要するので、水晶片５２を容器本体５１に接着する間に水晶片５２が自重で傾いてしまい、パッケージに接触して振動が阻害されることがある。このような理由から、高精度の周波数特性を得るためには導電性接着剤５８を用いて水晶片５２を容器本体５１に実装する方法を採用することができない。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、周囲温度の変化に対する周波数特性の劣化を抑制し、小型で高精度の振動デバイスを提供することを目的とする。

本発明の振動デバイスは、基体と、前記基体に接合しキャビティを構成する蓋体と、前記キャビティに収納される振動片と、を備え、前記振動片は、扁平な長方形の本体部と、前記本体部の一つの角部において前記長方形の短手方向に延出する延出部とを備え、前記本体部は振動を励起するための２つの励振電極を備え、前記延出部は一方の前記励振電極に電気的に接続する第一端子を備え、前記本体部は、他方の前記励振電極に電気的に接続し、前記延出部が設置される側の短辺近傍に設置される第二端子を備え、前記基体は、前記キャビティ側の表面に前記第一端子と接続する第一接続部と、前記第二端子と接続する第二接続部とを備え、前記第一及び第二接続部により前記振動片を片持ち状に支持することとした。

また、前記第二接続部は前記本体部の短手方向の幅の略中央に接続することとした。

また、前記延出部は、扁平な前記本体部の表面を垂直方向から見る平面視でＬ字型アームからなり、前記Ｌ字型アームの一端が前記本体部に接続し、他端の近傍に前記第一接続部が接続することとした。

また、前記Ｌ字型アームの一辺が前記本体部の短手方向に延出し、前記Ｌ字型アームの他辺が前記本体部の長手方向に平行し、前記延出部が設置される側の短辺の対辺側に向くこととした。

また、前記延出部は、扁平な前記本体部の表面を垂直方向から見る平面視で凹形状又は渦巻き形状を有し、前記凹形状又は渦巻き形状の一端が前記本体部に接続し、他端の近傍に前記第一接続部が接続することとした。

また、前記振動片はＡＴカット水晶振動片であることとした。

また、前記第一及び第二接続部は金属バンプからなることとした。

また、前記金属バンプは金バンプであることとした。

また、前記基体は、前記第一接続部に電気的に接続する第一配線と、前記第二接続部に電気的に接続する第二配線と、前記基体を貫通し前記第一及び第二配線にそれぞれ電気的に接続する第一及び第二貫通電極とを備えることとした。

本発明の発振器は、上記のいずれかに記載の振動デバイスと、前記電子デバイスに駆動信号を供給する駆動回路と、を備えることとした。

本発明の振動デバイスは、基体と、基体に接合しキャビティを構成する蓋体と、キャビティに収納される振動片と、を備え、振動片は、扁平な長方形の本体部と、本体部の一つの角部において長方形の短手方向に延出する延出部とを備え、本体部は振動を励起するための２つの励振電極を備え、延出部は一方の励振電極に電気的に接続する第一端子を備え、本体部は、他方の励振電極に電気的に接続し、延出部が設置される側の短辺近傍に設置される第二端子を備え、基体は、キャビティ側の表面に第一端子に接続する第一接続部と、第二端子に接続する第二接続部と、を備え、第一及び第二接続部により振動片を片持ち状に支持する。これにより、周囲温度が変化しても周波数特性の劣化の少ない振動デバイスを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る振動デバイスの説明図である。 本発明の振動デバイスに使用する振動片の変形例を示す。 本発明の第二実施形態に係る振動デバイスの蓋体を取り除いた基体の平面模式図である。 本発明の第三実施形態に係る発振器の上面模式図である。 従来公知の水晶振動子の説明図である。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る振動デバイス１の説明図である。図１（ａ）が振動デバイス１の縦断面模式図であり、図１（ｂ）が蓋体４を除いた基体３の平面模式図であり、図１（ｃ）が振動片６の上面模式図である。図１（ａ）は図１（ｂ）の部分ＡＡの断面を表す。

図１に示すように、振動デバイス１は、基体３と、基体３に接合しキャビティ５を構成する蓋体４と、キャビティ５に収納される振動片６とを備える。振動片６は、扁平な長方形である本体部７と、本体部７の一つの角部（図１（ｃ）では下辺と左辺が交差する角部）において長方形の短手方向（−ｙ方向）に延出する延出部８とを備える。本体部７は、振動を励起するための２つの励振電極９ａ、９ｂを備える。延出部８は、一方の励振電極９ａに電気的に接続する第一端子１０ａを備え、本体部７は、他方の励振電極９ｂに電気的に接続し、延出部８が設置される側の短辺近傍に設置される第二端子１０ｂを備える。基体３は、キャビティ５側の表面に第一端子１０ａに接続する第一接続部１２ａと第二端子１０ｂに接続する第二接続部１２ｂとを備え、第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂにより振動片６を片持ち状に支持する。

このように、振動片６を本体部７と延出部８の２点により支持するので、本体部７を２点で支持する場合よりも弾力的に支持することができる。つまり、基体３と振動片６との間に熱膨張係数差がある場合に、周囲温度が変化して熱膨張係数差により本体部７と延出部８の２点支持間に応力が印加されても、その応力は延出部８により緩和されて振動特性に与える影響を低減させることができる。

以下、具体的に説明する。図１（ａ）及び（ｃ）に示すように、振動片６は、扁平な長方形の本体部７と、本体部７の下辺と左辺が交差する角部に長方形の短手方向（−ｙ方向）に延出する延出部８とを備える。本体部７は、表面Ｈと反対側の裏面Ｒに振動片６を挟むように励振電極９ａ、９ｂを備える。

延出部８は、扁平な本体部７の表面Ｈを垂直方向から見る平面視でＬ字型アームの形状を有し、その一端が本体部７に接続し、他端が第一接続部１２ａにより支持される。延出部８は、その表面Ｈ及び裏面Ｒに第一端子１０ａを備え、第一端子１０ａは配線１１ａを介して表面Ｈの励振電極９ａに電気的に接続するとともに第一接続部１２ａと電気的に接続する。従って、第一接続部１２ａは本体部７の表面Ｈに設置した励振電極９ａに電気的に接続される。

本体部７は、延出部８が設置される側の左辺の中央から上辺にかけて表面Ｈ及び裏面Ｒに第二端子１０ｂを備え、第二端子１０ｂは配線１１ｂを介して裏面Ｒの励振電極９ｂに電気的に接続する。本体部７は、本体部７の短手方向（ｙ方向）の幅の略中央に接続する第二接続部１２ｂにより支持され、第二接続部１２ｂは第二端子１０ｂに電気的に接続する。従って、第二接続部１２ｂは本体部７の裏面Ｒに設置した励振電極９ｂに電気的に接続される。

延出部８は、Ｌ字型アームの短いほうの一辺が本体部７の短手方向（−ｙ方向）から延出するように接続し、Ｌ字型アームの長いほうの他辺が本体部７の長手方向（ｘ方向）に向いている。振動片６は、Ｌ字型アームの本体部７との接続部とは反対側の端部を第一接続部１２ａにより支持され、本体部７の左辺近傍であり本体部７の短手方向の幅の略中央が第二接続部１２ｂにより支持される。周囲温度が変化して振動片６と基体３との間が熱膨張率差によって伸縮しても、その伸縮は延出部８のＬ字型アームにより吸収される。従って、本体部７に印加される応力が緩和されて、温度変化による周波数特性の劣化が低減する。さらに、第二接続部１２ｂは本体部７の短手方向の幅の略中央を支持するので、本体部７の振動に与える影響が少ない。

基体３は、第一接続部１２ａに電気的に接続する第一配線１４ａと、第二接続部１２ｂに電気的に接続する第二配線１４ｂと、基体３を貫通し第一及び第二配線１４ａ、１４ｂにそれぞれ電気的に接続する第一及び第二貫通電極１５ａ、１５ｂとを備える。基体３のキャビティ５とは反対側の表面に、第一貫通電極１５ａに電気的に接続する外部端子１６ａと、第二貫通電極１５ｂに電気的に接続する外部端子１６ｂを備える。外部端子１６ａ、１６ｂは制御回路等から駆動信号を入力する。なお、図１においては第一及び第二貫通電極１５ａ、１５ｂはキャビティ５の四角形の対角位置、即ち平面視で長方形のキャビティ５の左辺と下辺の角部近傍に第一貫通電極１５ａが設置され、上辺と右辺の角部近傍に第二貫通電極１５ｂが設置されている。そして、第一配線１４ａは、下辺の左辺側に設置され、第一接続部１２ａと第一貫通電極１５ａを電気的に接続する。第二配線１４ｂは、左辺の中央部から左辺と上辺の角部にかけて、更に上辺に沿って上辺と右辺の角部にかけて設置され、第二接続部１２ｂと第二貫通電極１５ｂを電気的に接続する。

ここで、振動片６はＡＴカット水晶片を使用することができる。ＡＴカット水晶片を使用することにより、振動デバイスを小型化することができる。ＡＴカット水晶片はＡＴカット水晶板からフォトリソグラフィ−及びエッチング法により個々に切り出すことができる。従って、この切り出しの際にフォトリソグラフィ−及びエッチング法により本体部７の一つの角部から延出する延出部８を容易に形成することができる。また、基体３や蓋体４としてセラミックス材、例えばアルミナセラミックスを使用することができる。また、セラミックス材に代えてガラス材料を使用することができる。ガラス材料を使用すれば、熱膨張係数を振動片６と同程度とすることができ、温度変化による周波数特性の劣化を一層低減させることができる。

第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂは金属バンプ、例えば金バンプを使用することができる。また、本体部７と延出部８に金（Ａｕ）とＣｒの積層構造の電極を形成し、これをパターニングして励振電極９ａ、９ｂ、配線１１ａ、１１ｂ、第一及び第二端子１０ａ、１０ｂを形成する。そして、振動片６を基体３の第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂにフリップチップボンディングにより実装する。第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂに金属バンプを使用すれば接着剤を使用する場合よりも振動片６を保持する保持部の面積を小さく形成することができる。

第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂを金属バンプとすれば、導電性接着材のようにガスの発生がないので発生ガスにより周波数特性が変動することがない。また、金属バンプにより実装すれば、導電性接着材を用いる場合と比較して第一及び第二接続部１２ａ、１２ｂが短時間で固化し、振動片６が自重によって傾き、基体３に接触して振動を阻害することがない。蓋体４と基体３とは接合材１３、例えばアルミニウム膜を介して陽極接合により接合することができる。陽極接合を真空中で行い、接合後もキャビティ５内は真空を維持することができる。

本実施形態においては、振動片６を基体３にフリップチップボンディングにより実装するので振動デバイス１の外形を小さく形成することができる。基体３の短手方向（ｙ方向）の幅を２．５ｍｍ〜１．２ｍｍ、長手方向（ｘ方向）の幅を３．２ｍｍ〜１．６ｍｍの大きさに形成することができる。

（変形例）
図２は本発明の振動デバイス１に使用する振動片６の変形例を示す。振動片６は、扁平な長方形の本体部７と、本体部７の一つの角部から長方形の短手方向に延出する延出部８とを備える。図２（ａ）は延出部８が棒状の形状を有し、本体部７の短辺が延長するように本体部７に接続する。図２（ｂ）は延出部８が凹形状を有し、凹形状の一方の上端部が本体部７の一つの角部に接続する。図２（ｃ）は延出部８が渦巻き形状を有し、渦巻き形状の外側端部が本体部７の一つの角部に接続する。第一接続部１２ａは、延出部８の本体部７との接続端とは反対側の端部を支持する。第二接続部１２ｂは、延出部８が設置される側の短辺近傍であり、本体部７の短手方向の幅の略中央に接続する。

図２（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合にも、本体部７と延出部８の２点で支持するほうが本体部７を２点で支持するよりも弾力的に支持することができる。特に、図２（ｂ）及び（ｃ）は、本体部７の短手方向に対する応力と本体部７の長手方向に対する応力のいずれをも緩衝させるように本体部７を支持する。そのため、周囲の温度変化に対して基体３と振動片６の間の熱膨張係数差による応力が緩和され、振動特性に与える影響を低減させることができる。

なお、第二接続部１２ｂは、本体部７の短手方向の幅の略中央を支持することに代えて、略中央よりも上辺側を支持する位置であってもよいし、略中央よりも下辺側を支持する位置であってもよい。しかし、本体部７の短手方向の幅の略中央を支持するほうが、下辺側又は上辺側を支持する場合よりも振動が安定する。

（第二実施形態）
図３は、本発明の第二実施形態に係る振動デバイス１の蓋体４を取り除いた基体３の平面模式図である。本第二実施形態では、延出部８が振動片６の上辺側に接続される点と、これに伴い基体３に設置される第一及び第二配線１４ａ、１４ｂや振動片６に設置される第一及び第二端子電極１０ａ、１０ｂの形状や接続が変更される点が第一実施形態と異なり、その他は第一実施形態と同様である。従って、以下、主に異なる部分について説明し、同一の部分については説明を省略する。

図３に示すように、Ｌ字型アームの形状を有する延出部８は、その一端が本体部７の左辺と上辺の角部に接続し、他端が第二接続部１２ｂにより支持される。延出部８はその表面及び裏面に第二端子電極１０ｂを備え、本体部７の裏面に形成した配線１１ｂを介して図示しない励振電極９ｂに電気的に接続する。本体部７は左辺の略中央から下辺側にかけて表面及び裏面に第一端子電極１０ａを備え、本体部７の表面に形成した配線１１ａを介して励振電極９ａに電気的に接続する。第一及び第二貫通電極１５ａ、１５ｂはキャビティ５の左辺の略中央の近傍と上辺と右辺の角部近傍にそれぞれ設置される。第一配線１４ａは左辺の略中央から左辺に沿って下辺近傍まで設置され、第一接続部１２ａと第一貫通電極１５ａとを電気的に接続する。第二配線１４ｂは上辺に沿って左辺側から右辺近傍まで設置され、第二接続部１２ｂと第二貫通電極１５ｂとを電気的に接続する。このため、第一実施形態と比較して第一及び第二配線１４ａ、１４ｂの総配線長を短く形成することができる。

なお、本発明は上記第二実施形態のレイアウトに限定されず、例えば第一及び第二貫通電極１５ａ、１５ｂをキャビティ５の左辺と上辺の角部近傍及び右辺と下辺の角部近傍にそれぞれ設置してもよい。この場合は、図３に示す振動片６、第二接続部１２ｂ、第一及び第二配線１４ａ、１４ｂの上下を反転させたレイアウトとすればよい。

（第三実施形態）
図４は、本発明の第三実施形態に係る発振器２の上面模式図である。本第三実施形態においては、上記第一実施形態の振動デバイス１を組み込んで発振器２を構成した。図４に示すように、発振器２は、基板４３と、この基板上に設置した振動デバイス１と、集積回路４１及び電子部品４２とを備えている。振動デバイス１は、外部端子１６ａ、１６ｂに与えられる駆動信号に基づいて一定周波数の信号を生成し、集積回路４１及び電子部品４２は、振動デバイス１から供給される一定周波数の信号を処理して、クロック信号等の基準信号を生成する。本発明による振動デバイス１は、高信頼性でかつ小型に形成することができるので、発振器２の全体を一層コンパクトに構成することができる。

１ 振動デバイス
２ 発振器
３ 基体
４ 蓋体
５ キャビティ
６ 振動片
７ 本体部
８ 延出部
９ａ、９ｂ 励振電極
１０ａ 第一端子、１０ｂ 第二端子
１１ａ、１１ｂ 配線
１２ａ 第一接続部、１２ｂ 第二接続部
１３ 接合材
１４ａ 第一配線、１４ｂ 第二配線
１５ａ 第一貫通電極、１５ｂ 第二貫通電極
１６ａ、１６ｂ 外部端子

Claims (10)

1. 基体と、前記基体に接合しキャビティを構成する蓋体と、前記キャビティに収納される振動片と、を備え、
   前記振動片は、扁平な長方形の本体部と、前記本体部の一つの角部において前記長方形の短手方向に延出する延出部とを備え、
   前記本体部は振動を励起するための２つの励振電極を備え、
   前記延出部は一方の前記励振電極に電気的に接続する第一端子を備え、
   前記本体部は、他方の前記励振電極に電気的に接続し、前記延出部が設置される側の短辺近傍に設置される第二端子を備え、
   前記基体は、前記キャビティ側の表面に前記第一端子と接続する第一接続部と、前記第二端子と接続する第二接続部とを備え、前記第一及び第二接続部により前記振動片を片持ち状に支持する振動デバイス。
2. 前記第二接続部は前記本体部の短手方向の幅の略中央に接続する請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記延出部は、扁平な前記本体部の表面を垂直方向から見る平面視でＬ字型アームからなり、前記Ｌ字型アームの一端が前記本体部に接続し、他端の近傍に前記第一接続部が接続する請求項１又は２に記載の振動デバイス。
4. 前記Ｌ字型アームの一辺が前記本体部の短手方向に延出し、前記Ｌ字型アームの他辺が前記本体部の長手方向に平行し、前記延出部が設置される側の短辺の対辺側に向く請求項３に記載の振動デバイス。
5. 前記延出部は、扁平な前記本体部の表面を垂直方向から見る平面視で凹形状又は渦巻き形状を有し、前記凹形状又は渦巻き形状の一端が前記本体部に接続し、他端の近傍に前記第一接続部が接続する請求項１又は２に記載の振動デバイス。
6. 前記振動片はＡＴカット水晶振動片である請求項１〜５のいずれか一項に記載の振動デバイス。
7. 前記第一及び第二接続部は金属バンプからなる請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動デバイス。
8. 前記金属バンプは金バンプである請求項７に記載の振動デバイス。
9. 前記基体は、前記第一接続部に電気的に接続する第一配線と、前記第二接続部に電気的に接続する第二配線と、前記基体を貫通し前記第一及び第二配線にそれぞれ電気的に接続する第一及び第二貫通電極とを備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の振動デバイス。
10. 請求項１に記載の振動デバイスと、
    前記電子デバイスに駆動信号を供給する駆動回路と、を備える発振器。

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