JP2016167661A

JP2016167661A - 水晶振動子

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Publication number: JP2016167661A
Application number: JP2015045678A
Authority: JP
Inventors: 佑亮山形; Yusuke Yamagata; 英紀芦沢; Hidenori Ashizawa
Original assignee: River Eletec Corp
Current assignee: River Eletec Corp
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: JP6573462B2

Abstract

【課題】振動体における水晶振動子片の支持を一対の封止体によって補強することで、振動漏れを低減し、安定した振動モードを得ることができる水晶振動子を提供することにある。
【解決手段】水晶振動片１５及びこの水晶振動片１５の少なくとも一端を支持する連結片１７を有し、前記水晶振動片１５の外周を囲う支持枠１６からなる平板状の振動体１２と、前記支持枠１６の上下面にそれぞれ密接する封止枠２１を有して前記振動体１２を密閉する一対の封止体１３，１４とを備えた水晶振動子１１において、前記一対の封止体１３，１４には、前記振動体１２を挟持した際に、前記連結片１７の少なくとも一部にそれぞれ対向して前記連結片１７を支持する一対の補強片２２を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動片が形成される振動体と、この振動体を封止する一対の封止体とからなる水晶振動子に関するものである。

従来の一般的な水晶振動子は、所定の形状及び振動モードからなる水晶振動片と、この水晶振動片を収容するセラミック製のケース及び前記水晶振動片を封止する金属製の蓋体とによって形成されている。前記水晶振動片は、基端部が前記ケース内に設けられている電極部に導電性の接合剤を介して電気的に接続支持される。

一方、前記水晶振動片を水晶ウェハからエッチング等によって形成された振動体と、この振動体を挟持することによって前記水晶振動片を封入する一対の封止体とによって一体形成されるウェハレベルパッケージによって製造された水晶振動子も知られている。

特許文献１，２には上記ウェハレベルパッケージによって形成された水晶振動子が開示されている。このウェハレベルパッケージによる水晶振動子は、各種振動モードの水晶振動片及びこの水晶振動片を囲うようにして一端が支持される支持枠とからなる振動体と、前記水晶振動片を封入する一対の封止体とを水晶ウェハからエッチング等によって打ち抜き形成し、前記振動体を一対の封止体で挟み込んで密閉することによって形成されている。

特開２０１３−５５６３２号公報特開２０１４−１５０３２４号公報

上記ウェハレベルパッケージによって形成される水晶振動子は、一枚の水晶ウェハから一括して大量の水晶振動子を製造できるので、製造工数及び製造コストの低廉化や水晶振動子自体の小型化及び薄型化が図られるといった利点を有したものとなっている。

しかしながら、前記振動体及び封止体が薄い水晶ウェハによって形成されているため、外部からの押圧や衝撃に対する強度が十分でないといった問題があった。このような問題を改善する構造として、特許文献２には、封止体側に補強用の柱部を設けた水晶振動子が開示されている。この構造によれば、封止体自体の強度は増すが、振動体における水晶振動片の支持構造に関しては補強効果が及ばない。

一方、前記水晶振動片が音叉型の振動モードの場合には、この水晶振動片の一端を前記支持枠に繋げるための連結片の幅が狭いほど振動漏れが少ないことが知られているが、エッチングによって加工するため、均一な幅に形成できない。このため、前記連結片の一部に支持強度の不十分な部分が生じ、製造時における歩留りや耐久性の低下の原因となっていた。

そこで、本発明の目的は、振動体における水晶振動子片の支持を一対の封止体によって補強することで、振動漏れを低減し、安定した振動モードを得ることができる水晶振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子は、水晶振動片及びこの水晶振動片の少なくとも一端を支持する連結片を有し、前記水晶振動片の外周を囲う支持枠からなる平板状の振動体と、前記支持枠の上下面にそれぞれ密接する封止枠を有して前記振動体を密閉する一対の封止体とを備えた水晶振動子において、前記一対の封止体には、前記振動体を挟持した際に、前記連結片の少なくとも一部にそれぞれ対向して前記連結片を支持する一対の補強片が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の水晶振動子は、基部とこの基部から延びる一対の振動腕部を有する水晶振動片の前記基部の少なくとも一端を支持する連結片を有し、前記水晶振動片の外周を囲う支持枠からなる平板状の振動体と、前記支持枠の上下面にそれぞれ密接する封止枠を有して前記振動体を挟持する一対の封止体とを備えた水晶振動子において、前記一対の封止体には、前記振動体を挟持した際に、前記連結片の少なくとも一部に対向して前記連結片を支持する一対の補強片が設けられていることを特徴とする。

本発明の水晶振動子によれば、水晶振動片の一端を支持枠に支持する連結片が幅狭に形成された場合であっても、一対の封止体に設けられている補強片が前記連結片と対向する位置で支持されるため、前記水晶振動片の支持枠に対する支持強度が増し、安定した振動を得ることができる。

また、前記水晶振動片が基部から延びる一対の振動腕部を有した形状の場合であっても同様に、前記基部の一端を支持する連結片が一対の封止体に設けられている補強片と対向する位置で支持されるため、前記一対の振動腕部における振動を安定させることができる。

第１実施形態の水晶振動子の分解斜視図である。上記水晶振動子の展開平面図である。上記水晶振動子の分解断面図（ａ）及び完成断面図（ｂ）である。上記水晶振動子の拡大断面図である。第２実施形態の水晶振動子の展開平面図である。上記水晶振動子の断面図である。第３実施形態の水晶振動子の展開平面図である。第４実施形態の水晶振動子の展開平面図である。音叉型の水晶振動片の各種支持構造における振動体の平面図である。第５実施形態の振動体の平面図である。

以下、本発明の水晶振動子の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１に示す第１実施形態の水晶振動子１１は、振動体１２と、この振動体１２の上下面を密閉する一対の封止体１３，１４とからなっており、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４は、水晶ウェハをエッチング及びダイシングすることによって形成されている。

前記水晶ウェハは、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系において、Ｚ軸平面から約１°Ｘ軸回転させたカット角で板状に薄くスライスすることによって形成される。そして、この水晶ウェハに対してフォトリソ工程によってマスクパターンを形成し、水晶エッチングを施すことによって、図２に示すように、基部１８と、この基部１８から平行に延びる一対の振動腕部１９とからなる音叉型の水晶振動片１５と、この水晶振動片１５の外周を取り囲む四角形状の支持枠１６と、この支持枠１６の一端と前記基部１８の一端とを連結する連結片１７とからなる振動体１２が形成される。また、一対の封止体１３，１４も同様に、エッチングによって、四角形状の封止枠２１と、この封止枠２１の一端から平面方向に突出する補強片２２と、前記封止枠２１及び補強片２２を残して凹設される凹部２３が形成される。なお、前記振動体１２及び一対の封止体１３，１４の形状は、微細加工に適したレーザやパウダービームを用いた切断や打ち抜きによって形成することもできる。

前記水晶振動片１５の振動腕部１９は、基部１８の一端から所定の間隔を有して平行に延び、表裏面及び側面には極性の異なる励振電極（図示せず）が形成されている。この振動腕部１９は、厚みが５０〜２００μｍに形成され、振動周波数に応じて長さ及び幅が設定される。なお、前記励振電極は水晶振動片１５の上下面に一様に金属膜を加熱蒸着あるいはスパッタリング法等によって形成し、その上にフォトレジスト膜を塗布したフォトマスクを介してフォトレジスト膜を露光、現像して電極パターンを形成し、金属膜をエッチングすることで形成される。

図３に示すように、前記振動体１２の支持枠１６の上面及び下面に前記一対の封止体１３，１４の封止枠２１を減圧環境下において密着固定することによって、前記水晶振動片１５が凹部２３内に気密封止される。前記一対の封止体１３，１４を振動体１２に密着する際に、それぞれの封止体１３，１４の内側に設けられている補強片２２が振動体１２に設けられている連結片１７の上面及び下面に対向した状態で当接されることになる。これによって、一対の振動腕部１９が接続される基部１８を安定した状態で支持することができる。

前記水晶振動片１５を支持枠１６に支持する連結片１７は、幅が狭いほど振動漏れを防止する効果が大きくなるが、振動体１２自体が薄い水晶ウェハで形成されているため、この振動体１２に形成される連結片１７の幅を狭くするには強度的に限界がある。本実施形態では、一対の封止体１３，１４で密閉する際に、前記連結片１７が一対の補強片２２によって厚み方向の強度が増すので、その分、幅を狭く形成することが可能となる。また、前記連結片１７の上下面には前記水晶振動片１５に延びる一対の励振電極パターン（図示せず）が形成されているので、前記補強片２２の密着による電気的接続面が増え、電界効率の低下を防止する効果も得られる。

前述したように、前記一対の補強片２２は、連結片１７の上下面あるいはいずれか一方の面に当接することによって、水晶振動片１５を安定的に支持することができるが、図４（ａ）に示したように、一対の補強片２２と連結片１７の上下面あるいはいずれか一方の面との間に０．１μｍ〜数μｍ程度の僅かな隙間３１を有して近接した状態で対向させてもよい。この隙間３１は、振動体１２の支持枠１６と一対の封止体１３，１４の封止枠２１とを接合させるための接合層２０の厚みに相当するものである。なお、前記接合層２０は、水晶振動片１５に形成される励振電極（図示せず）と外部電極（図示せず）との電気的接続に使用される金属膜によって形成されている。このような僅かな隙間３１を有して近接させた場合であっても、前記連結片１７の動きを規制することができるので、当接した場合と同様の支持効果が得られる。

また、図４（ｂ）に示したように、前記隙間３１に前記接合層２０を設け、補強片２２を連結片１７に接合させることもできる。なお、一方の隙間３１に接合層２０を設け、他方の隙間３１はそのままの状態であってもよい。このように、前記補強片２２と連結片１７とを接合させて一体化することで、さらに支持強度が高められるので、外部からの衝撃に対しても振動体１２内の水晶振動片１５を安定して支持することができる。

図５及び図６は第２実施形態の水晶振動子における補強片の形成例を示したものである。この実施形態では、基部１８と連結片１７との接続部分に限定させるように一対の補強片２４を設けている。この補強片２４は、一対の封止体１３，１４の凹部２３から封止枠２１側に突出して形成されている。これによって、一対の振動腕部１９による振動の影響を最も受けやすい前記基部１８と連結片１７との接続部分を補強することができる。なお、図４に示したように、前記一対の補強片２４は、連結片１７と当接あるいは近接するように対向する位置であればよく、また、接合層を介して固定してもよい。

上記実施形態では、一例として音叉型の水晶振動片について示したが、音叉型以外の厚みすべり振動モードや輪郭振動モード等の水晶振動片であっても、それぞれの水晶振動片に対応した連結片に対応するように、前記補強片を封止体側に設けることで、上記同様の効果を得ることができる。図７は輪郭振動モードの水晶振動片４５によって形成される第３実施形態の水晶振動子４１の振動体４２及び一対の封止体４３，４４の構成例を示したものである。前記振動体４２における水晶振動片４５は、四隅に振動の節点を有し、この各節点から支持枠４６の内側角部に向けて延びる連結片４７によって支持されている。一方、前記振動体４２を挟持する一対の封止体４３，４４には、それぞれ封止枠４８の内側角部から前記連結片４７が延びる方向に対応する補強片４９が設けられる。このため、前記振動体４２を一対の封止体４３，４４によって挟み込むようにして密着することで、前記各連結片４７と対応する各補強片４９とが厚み方向に当接あるいは近接した状態で重なり合って、振動する水晶振動片４５を安定した状態で支持することができる。

また、従来のウェハレベルパッケージで形成された水晶振動子は、上記の水晶振動片１５，４５の支持強度の問題に加えて、押圧変形や落下等における機械的な強度がセラミックや金属材からなるケース等によって保持されている水晶振動子に比べて弱いといった問題があった。図８はこの機械的な強度を補強するための構造を備えた第４実施形態の水晶振動子５１を示したものである。この水晶振動子５１は、第１実施形態の水晶振動片１５と同様に、基部１８から平行に延びる一対の振動腕部１９からなる水晶振動片１５及びこの水晶振動片１５を支持する支持枠１６を有する平板状の振動体２５と、前記支持枠１６の上面及び下面にそれぞれ密接する封止枠２１を有して前記水晶振動片１５を密閉する一対の封止体２６，２７とを備えている。この構成において、前記基部１８の一端が前記支持枠２１から延びる第１の連結片２８を介して支持されると共に、他端が前記支持枠１６から前記一対の振動腕部１９の間に延びる第２の連結片２９を介して支持されたものとなっている。そして、前記一対の封止体２６，２７には、該水晶振動片１５を挟持した際に、前記第１及び第２の連結片２８，２９の上下面を挟むようにして当接あるいは近接するように対向する一対の補強片３０が設けられている。

上記構造の水晶振動子５１によれば、一対の封止体２６，２７の中央部を長手方向に沿って延びる補強片３０と、前記第１の連結片２８及び第２の連結片２９とが重なり、厚みを有した状態で水晶振動片１５の基部１８を対向する二か所を支持することができる。これによって、振動漏れのない安定した振動モードを得ることができる。また、前記振動体２５の第１の連結片２８及び第２の連結片２９と、一対の封止体２６，２７に設けられている補強片３０とによって、水晶振動片１５が振動する空間を保持しているので、落下や外部からの衝撃を受けた場合であっても、水晶振動片１５が接触することなく、振動不良を防止することができる。

次に、図２（ｂ）に示した第１実施形態と同様の振動体１２ａを基にした連結片１７の最適な配置例について説明する。前記振動体１２ａは、水晶ウェハからウェットエッチングによって形成されるが、このエッチングによって基部１８及び一対の振動腕部１９をマスクパターンに沿って打ち抜き加工する際に、図９（ａ）に示すように、基部１８と振動腕部１９との接続部分の内側や連結片１７の周囲に異方性の結晶面Ｅが発生しやすくなる。このような異方性の結晶面Ｅは、エッチング液の濃度や速度によって不規則に発生するため、一対の振動腕部１９との間で形状の不均衡が生じる場合がある。

そこで、本実施形態では、図９（ｂ），（ｃ）に示すように、エッチングに伴う結晶面Ｅを想定し、この結晶面Ｅの程度が一対の振動腕部１９に対して不均衡とならないように、基部１８と支持枠１６とを繋ぐ連結片１７を前記振動腕部１９と直交する方向（Ｘ軸方向）に設けた。図９（ｂ）は基部１８を支持枠１６の一端から延びる１本に連結片１７ａによって片持ち支持したものである。このような片持ち支持する場合は、支持強度が必要となるため、連結片１７ａの幅を広く設定している。図９（ｃ）は（ａ）の連結片１７に加えて、基部１８のＸ軸方向の両端からそれぞれ外側に向けて延びる一対の連結片１７ｂを設けることによって、基部１８を三方向で支持したものである。これによって、異方性の結晶面Ｅが複数発生する場合があるが、基部１８と一対の振動腕部１９の接続部における結晶面による形状は略均等になり、左右の振動腕部の振動の不均衡による周波数ずれを防止することができる。

図１０は第５実施形態の水晶振動子であって、形状の異なる支持枠６２，７２を有する振動体６１，７１の平面形状を示したものである。この振動体６１，７１は、支持枠６２，７２がそれぞれ四角形状の外周部６３，７３と、水晶振動片１５を囲う内周部６４，７４とを有し、前記内周部６４，７４を曲面形成することによって、前記水晶振動片１５を封入するスペース６５，７５を規制するものである。図１０（ａ）は水晶振動片１５の上端側及び下端側のスペースに余裕を持たせる一方、水晶振動片１５の中央側のスペース６５をすぼめたひょうたん形に形成したものであり、図１０（ｂ）は水晶振動片１５の中央部との間隔に余裕を持たせ、水晶振動片１５の上端側及び下端側に向けて間隔を狭くした卵形に形成したものである。なお、前記振動体６１，７１を挟持する一対の封止体の封止枠に対しても、同様な対応する曲面形状に形成される。

上記図１０（ａ），（ｂ）に示した実施形態では、いずれも支持枠６２，７２の内周部６４，７４によって、水晶振動片１５を囲うスペース６５，７５を第１実施形態の振動体１２に比べて狭くすることができる。これによって、特に、支持枠６２，７２の四隅の面積が広く確保することができるので、水晶振動子が受ける外部からの衝撃に対する変形や破壊を有効に防止することができ、安定した振動モードを維持することができる。また、前記支持枠と重なる一対の封止枠との密接面が広がることで、接合強度が増し、気密封止をより確実に行うことができる。

上記図１０では、一例として音叉型の水晶振動片について示したが、音叉型以外に厚みすべり振動モードや輪郭振動モード等の水晶振動片であっても、その水晶振動片の収容スペースに合わせて、支持枠及び一対の封止枠を形成することによって、水晶振動子全体の強度補強を行うことができる。

また、上記各実施形態における一対の封止体自体に補強処理を行うこともできる。例えば、図１に示した第１実施形態の水晶振動子１１の場合、それぞれの封止体１３，１４の凹部２３の底面に金属めっき層や樹脂塗膜層を形成することで、さらなる補強効果を得ることができる。

以上説明したように、上記各実施形態の水晶振動子によれば、水晶ウェハから形成された振動体及び一対の封止体との三層構造において、振動体の水晶振動片の連結片と対向して支持することができる補強片を一対の封止体に設けたことで、水晶振動片の支持をより確実にすることができる。また、前記振動体の支持枠及び一対の封止体の封止枠の形状を設定することで、外部からの押圧や衝撃等に対する耐性を高めることができる。さらに、前記水晶振動片の連結片を一対の振動腕部と直交する方向で設けたことによって、エッチングする際の加工形状を均一にすることができ、水晶振動片による安定した振動モードを得ることが可能となる。

Ｅ結晶面
１１水晶振動子
１２振動体
１３，１４封止体
１５水晶振動片
１６支持枠
１７連結片
１８基部
１９振動腕部
２０接合層
２１封止枠
２２補強片
２３凹部
２４補強片
２５振動体
２６，２７封止体
２８第１の連結片
２９第２の連結片
３０補強片
３１隙間
４１水晶振動子
４２振動体
４３，４４封止体
４５水晶振動片
４６支持枠
４７連結片
４８封止枠
４９補強片
５１水晶振動子
６１，７１振動体
６２，７２支持枠
６３，７３外周部
６４，７４内周部
６５，７５スペース

Claims

水晶振動片及びこの水晶振動片の少なくとも一端を支持する連結片を有し、前記水晶振動片の外周を囲う支持枠からなる平板状の振動体と、
前記支持枠の上下面にそれぞれ密接する封止枠を有して前記振動体を密閉する一対の封止体とを備えた水晶振動子において、
前記一対の封止体には、前記振動体を挟持した際に、前記連結片の少なくとも一部にそれぞれ対向して前記連結片を支持する一対の補強片が設けられていることを特徴とする水晶振動子。
基部とこの基部から延びる一対の振動腕部を有する水晶振動片の前記基部の少なくとも一端を支持する連結片を有し、前記水晶振動片の外周を囲う支持枠からなる平板状の振動体と、
前記支持枠の上下面にそれぞれ密接する封止枠を有して前記振動体を挟持する一対の封止体とを備えた水晶振動子において、
前記一対の封止体には、前記振動体を挟持した際に、前記連結片の少なくとも一部に対向して前記連結片を支持する一対の補強片が設けられていることを特徴とする水晶振動子。
前記連結片は、前記支持枠の一辺から延びて前記基部の一端に連結する第１の連結片と、前記支持枠の一辺と対向する他辺から前記一対の振動腕部の間を延びて前記基部の他端に連結する第２の連結片とを有し、
前記一対の封止体には、前記振動体を挟持した際に、前記第１及び第２の連結片の少なくとも一部に対向して前記第１及び第２の連結片を支持する一対の補強片が設けられている請求項２に記載の水晶振動子。
前記補強片は、前記連結片に対応した長さと幅を有し、前記一対の封止体が前記振動体を挟持した際には、前記連結片の全体に対向して前記連結片を支持する請求項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子。
前記補強片は、前記水晶振動片と前記連結片との接続部分を含んで、前記連結片に対向する請求項１乃至４のいずれかに記載の水晶振動子。
前記一対の補強片の少なくとも一方が、前記連結片の対向する側に当接して支持する請求項１乃至５のいずれかに記載の水晶振動子。
前記一対の補強片の少なくとも一方が、前記連結片の対向する側に僅かな隙間を有して近接して配置される請求項１乃至５のいずれかに記載の水晶振動子。
前記一対の補強片の少なくとも一方が、前記連結片の対向する側に接合されて支持する請求項１乃至５のいずれかに記載の水晶振動子。
前記連結片は、前記一対の振動腕部が延びる方向と直交する方向で前記振動腕部の基部に連結する請求項２乃至５のいずれかに記載の水晶振動子。
前記支持枠及び一対の封止枠は、四角形状の外周部と、前記水晶振動片を囲う内周部とを有し、前記内周部が曲面形状に形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子。
前記内周部の曲面形状が、ひょうたん形又は卵形である請求項１０に記載の水晶振動子。
前記一対の封止体は、前記水晶振動片の表面及び裏面に対向する面に、金属めっき層又は樹脂塗膜層が形成される請求項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子。