JP2020010188A - 振動素子用の台座、振動片、振動子及び発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部からの振動の影響を抑えて耐振性を向上させ、位相雑音特性を良好にでき、エージング特性を向上させることができる振動素子用の台座、振動片、振動子及び発振器を提供する。【解決手段】 本体の長辺に沿ってパッケージ３の基板に接続する接続部１４と、接続部１４の内側に長辺に沿って形成された隙間部１０ｃ，１０ｄと、隙間部１０ｃ，１０ｄで挟まれた、振動素子２の搭載部１１と、搭載部１１と接続部１４を連結するアーム部１３とを有し、搭載部１１の振動素子２に対向する面に、窪み部１５が形成され、その底面に励振電極１６を設けた台座であり、当該台座に振動素子２を搭載した振動片、及び当該振動片を備えた振動子及び発振器としている。【選択図】 図２

Description

本発明は、振動素子を搭載する台座に係り、特に、外部からの振動への耐性を向上させ、位相雑音特性を良好にすると共に、エージング特性を向上させることができる振動素子用の台座、振動片、振動子及び発振器に関する。

［従来の技術］
従来の水晶振動子では、パッケージ及びパッケージ外部からの振動素子に与える影響を抑制する構成として、主に水晶から成る台座（水晶台座）を用いる構成が知られている。
また、パッケージを表裏に凹部が形成されたＨ構造とし、表側に振動素子と水晶台座を搭載し、裏面に発振回路のＩＣ（Integrated Circuit）を搭載した水晶発振器がある。
パッケージの表面又は裏面に温度補償回路を設けた温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）がある。

近年、高い共振周波数を有する振動子が要求されている。
一般に、振動片の厚みが薄いほど共振周波数は高くなるが、振動片の厚みが薄くなると、それに対する励振電極の厚さの比率が大きくなり、励振電極からの応力の影響を強く受けることになり、長期的な安定度が低下してしまう。

［関連技術］
尚、関連する先行技術として、特許第３０１７７５０号公報「水晶振動子」（特許文献１）、特許第４７１５２５２号公報「圧電振動子」（特許文献２）、特開２０１３−０９８６７８号公報「水晶振動子」（特許文献３）、特開２００３−１７４３５２号公報「圧電振動片、圧電振動子及び圧電発振器」（特許文献４）、特開平０３−１４１７１５号公報「圧電共振器」（特許文献５）がある。

特許文献１には、保持用水晶板に振動用水晶片を搭載する位置に凹部を形成し、その凹部によって形成される隙間で振動用水晶片を確実に励振させ、励振用水晶片の長手方向での熱によるストレスを発生させない水晶振動子が示されている。

特許文献２には、基板における熱膨張の影響を小さくするために、隙間を有するスプリング部を備える圧電振動子が示されている。
特許文献３には、温度変化に伴う水晶片の変形を防ぎ、良好な周波数温度特性が得られる構成の水晶振動子が示されている。
特許文献４及び５には、振動片から一定の間隔をおいて励振電極が配置された振動子が記載されている。

特許第３０１７７５０号公報 特許第４７１５２５２号公報 特開２０１３−０９８６７８号公報 特開２００３−１７４３５２号公報 特開平０３−１４１７１５号公報

しかしながら、従来の水晶振動子又は水晶発振器における水晶台座では、外部からの振動が振動素子に影響してしまい、その振動によって位相雑音特性が劣化するという問題点があった。
また、従来の水晶振動子又は水晶発振器では、振動片上に密着して形成された励振電極が振動片に影響を及ぼして、出力周波数の長期的な安定度が劣化するという問題点があった。

尚、特許文献１〜５には、振動素子を搭載する搭載部と、台座の長辺となる接続部との間に隙間部を設け、搭載部と接続部とを台座の四隅でアーム部によって接続した構成で、搭載部上に窪み部を形成して、当該窪み部に振動素子の励振電極を設けた台座については記載がない。

本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、外部からの振動の影響を抑えて耐振動性を向上させ、位相雑音特性を良好にでき、エージング特性を向上させることができる振動素子用の台座、振動片、振動子及び発振器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、振動素子が搭載され、パッケージの基板に設置される振動素子用の台座であって、本体が、当該本体の長辺に沿って形成され、基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有し、搭載部の基板とは反対側の面において、凹形状に形成された第１の窪み部を備え、第１の窪み部に振動素子に対向する第１の励振電極が形成されたことを特徴としている。

また、本発明は、上記台座において、接続部は、搭載部よりも基板側に突出するよう形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記台座において、アーム部は、搭載部より厚みが薄く、接続部より幅が狭く形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、上記台座において、アーム部は、円弧状に湾曲した形状に形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、搭載部に搭載される振動素子は、搭載部側の面には励振電極が形成されておらず、当該面とは反対側の面には別の励振電極が形成され、当該振動素子が、上記いずれかの台座に搭載され、第１の励振電極と振動素子との間に空間が形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、凹形状に形成された第２の窪み部を備え、第２の窪み部に第２の励振電極が形成された電極板を有し、励振電極が形成されていない振動素子が上記いずれかの台座に搭載され、当該振動素子の上に、第２の励振電極が対向するよう、電極板が搭載され、第１の励振電極と振動素子との間、及び第２の励振電極と振動素子との間に空間が形成されていることを特徴としている。

また、本発明は、振動子において、上記振動片をパッケージ表面凹部の底面の基板に設置したことを特徴としている。

また、本発明は、発振器において、上記振動片をパッケージ表面凹部の底面の基板に設置し、パッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したことを特徴としている。

本発明によれば、振動素子が搭載され、パッケージの基板に設置される振動素子用の台座であって、本体が、当該本体の長辺に沿って形成され、基板と接触する２つの接続部と、接続部より本体の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子が搭載される搭載部と、本体の四隅に形成され、搭載部と接続部とを接続するアーム部とを有し、搭載部の基板とは反対側の面において、凹形状に形成された第１の窪み部を備え、第１の窪み部に振動素子に対向する第１の励振電極が形成された台座としているので、外部からの振動が接続部に伝達されたとしても、アーム部によって吸収して搭載部への伝達を防止でき、位相雑音特性を良好にできると共に、第１の窪み部に第１の励振電極を形成することにより、振動素子の下面と励振電極との間に空間を形成することができ、振動素子の下面に励振電極による応力を加えないようにして、長期的な出力周波数を安定させてエージング特性を向上させることができる効果がある。

また、本発明によれば、振動片において、凹形状に形成された第２の窪み部を備え、第２の窪み部に第２の励振電極が形成された電極板を有し、励振電極が形成されていない振動素子が上記台座に搭載され、当該振動素子の上に、第２の励振電極が対向するよう、電極板が搭載され、第１の励振電極と振動素子との間、及び第２の励振電極と振動素子との間に空間が形成されている振動片としているので、振動素子の下面だけでなく上面に対しても励振電極の応力を加えないようにして、エージング特性を一層向上させることができる効果がある。

本発振器の概略図である。 本台座の表面説明図である。 本台座の長辺側面説明図である。 本台座の短辺側面説明図である。 本台座の裏面説明図である。 本台座の表面斜視図である。 本台座の裏面斜視図である。 本振動片の断面説明図である。 別の振動片の断面説明図である。

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振動素子用の台座（本台座）は、長辺に沿って形成された接続部と、当該接続部の内側に長辺に沿って形成された２つの隙間部と、２つの隙間部で挟まれ、振動素子を搭載する搭載部と、搭載部と接続部とを本体の四隅で連結するアーム部とを有し、搭載部が、基板とは反対側の面に第１の窪み部を備え、第１の窪み部に振動素子に対向する第１の励振電極が形成されたものであり、外部からの振動が接続部に伝達されたとしても、アーム部によって吸収して搭載部への伝達を防止でき、位相雑音特性を良好にできると共に、搭載される振動素子において、基板側の面に対する励振電極からの応力（ストレス）の影響を無くし、周波数の長期的な安定度を向上させることができるものである。

また、本発明の実施の形態に係る振動片（本振動片）は、本台座に搭載される振動素子が、本台座に対向する側に励振電極が形成されておらず、反対側の面にのみ励振電極が形成されており、当該振動素子が本台座に搭載され、第１の励振電極と振動素子との間に空間が形成されたものである。

また、本発明の実施の形態に係る振動子（本振動子）は、本振動片をパッケージ表面凹部に搭載したものである。
また、本発明の実施の形態に係る発振器（本発振器）は、本振動子のパッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したものである。

尚、以下の説明では、振動素子として水晶片を用いることとし、振動素子（水晶片）に励振電極を備えた構成を振動片と称し、更に当該振動片を用いた水晶振動子及び水晶発振器について説明するが、水晶に限らず、別の圧電材料を用いて振動素子として、振動片、振動子及び発振器を構成してもよい。

［本発振器：図１］
本発振器について図１を参照しながら説明する。図１は、本発振器の概略図である。
本発振器は、図１に示すように、振動素子（ここでは水晶片）２と、振動素子２を搭載する台座１と、台座１を表面凹部に収容して当該凹部の内部に搭載するパッケージ３と、パッケージ３の裏面凹部に搭載される発振回路（ＩＣ）４と、パッケージ３の表面周囲に形成されるシームリング５と、蓋となるリッド６とを基本的に備えている。

［本発振器の各部］
本発振器の各部について具体的に説明する。
台座１は、例えば、耐熱プラスチック等の樹脂、ガラス、絶縁膜が表面にコーティングされた金属等の絶縁材料で形成される。
また、台座１は、振動素子２と同様の水晶（振動素子２と同じＡＴカットやＺ板）により形成してもよい。その場合、台座１と振動素子２の熱膨張係数は略等しく、温度変化に伴う応力は発生しないものである。

また、台座１の中央付近には、凹形状に形成された窪み部１５が設けられている。更に、窪み部１５には、後述するように励振電極が形成されているが、ここでは図示を省略する。
台座１の詳細は後述する。

振動素子２は、台座１の上（表面側）に導電性接着剤で固定されて搭載される。
ここで、本発振器の特徴として、振動素子２には、表面（上面）のみに励振電極が形成されている。そして、台座１の表面に形成された電極パターンに導電性接着剤で接続される。振動素子２に形成された励振電極は、請求項に記載した別の励振電極である。
尚、ここでは、台座１に搭載される振動素子として、ＡＴカットの水晶片からなる水晶共振子を用いたが、その他の圧電振動子等の発振素子（振動素子）を用いてもよい。

パッケージ３は、セラミック等で形成され、表面及び裏面の両面に凹部が形成された断面Ｈ型の形状となっており、表面凹部に振動素子２を搭載した台座１を収納し、当該凹部の底面（基板）に台座１を設置し、裏面凹部に発振回路４を収容して搭載している。
パッケージ３に台座１及び発振回路４を搭載する際には、半田等で固定するようになっている。

発振回路（ＩＣ）４は、パッケージ３の裏面凹部に収納され、その凹部の底面（基板）に搭載される。尚、当該ＩＣ４以外の温度補償回路をパッケージ３の表面基板又は裏面基板に設けてもよい。温度補償回路を備えると、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）となる。

シームリング５は、シーム封止を行うためにパッケージ３の表面周囲に銀（Ａｇ）ロウ等で形成される。
リッド６は、蓋となるもので、コバールをニッケルメッキしたもの等が用いられ、シームリング５に接着するよう形成される。
尚、本台座１に振動素子２を搭載した構成が本振動片であり、本振動片をパッケージ３の表面凹部に搭載した構成が本振動子である。

［本台座：図２〜７］
次に、本台座について図２〜７を参照しながら説明する。図２は、本台座の表面説明図であり、図３は、本台座の長辺側面説明図であり、図４は、本台座の短辺側面説明図であり、図５は、本台座の裏面説明図であり、図６は、本台座の表面斜視図であり、図７は、本台座の裏面斜視図である。
本台座１は、図２に示すように、本体の２本の長辺上に形成され、パッケージ３の基板（底面）に形成された電極に接続する接続部１４と、各接続部１４に沿ってその内側に形成された隙間部１０ｃ，１０ｄと、隙間部１０ｃ，１０ｄによって挟まれ、表面に振動素子２が搭載される搭載部１１と、本体の４つの角部に設けられ円弧状に湾曲するアーム部１３とを備えている。
アーム部１３は、湾曲して腕のような構造となっており、接続部１４と搭載部１１とを連結している。

ここで、搭載部１１は、本台座１の中央部分の矩形の領域から、本体の両短辺に亘って形成されている。
つまり、本台座１は、略長方形の搭載部１１の長辺に並行して接続部１４が形成され、搭載部１１と接続部１４とが、本体の角部においてアーム部１３によって接続された構成である。
そして、搭載部１１の長辺に沿って２つのコの字状の隙間部１０ｃ，１０ｄが形成されている。当該隙間部１０ｃ，１０ｄは本台座１の表裏を貫通している。

ここで、搭載部１１の短辺（本体の短辺に重なる部分）の長さ（図２の縦方向の長さ）は、搭載部１１の中央部分に比べて短くなっている。それによって、隙間部１０ｃ，１０ｄが上下に向けて開く、コの字状となっている。このような構成にすることで、より大きな柔軟性（弾性）を備えるものである。

ここで、図３，４，６，７に示すように、接続部１４は、本台座１の下側、つまりパッケージ３の基板に接続する側に突出するよう、厚く形成されている。
搭載部１１の厚みをａ、アーム部１３の厚みをｂ、接続部１４の厚みをｃとすると、図３，４に示すように、厚みの関係は、ｃ＞ａ＞ｂとなる。つまり、パッケージ３の基板に接触する接続部１４が最も厚く、アーム部１３が最も薄くなっている。

また、接続部１４は、アーム部１３に比べて幅が広く、太く形成されており、アーム部１３は、接続部１４に比べて幅が狭く、細く形成されている。
そのため、隙間部１０ｃ，１０ｄの形状は、接続部１４に接する長手方向では幅が狭く、アーム部１３に接する角部分では幅が広く形成されている。

接続部１４の幅を広く、厚く形成することで、本台座１の構造的な強度を増大させ、また、基板との接合面積を大きくして接続を確実にすることができるものである。
また、アーム部１３を細く薄く形成することで、変形しやすくして、外部から振動が加わった場合に、アーム部１３が撓んで変形して、外部からの力を吸収することができ、搭載部１１への影響を抑えて特性の変動を防ぐことができるものである。

そして、図２，６に示すように、本台座１の特徴として、搭載部１１の中央部分に窪み部（凹部、ザグリ部）１５が形成されている。
窪み部１５は、形状は略矩形又は略楕円形で、搭載される振動素子の励振電極とほぼ同等の形状で、深さは１０μｍ以下に形成されている。
更に、窪み部１５の底面には、励振電極１６が形成されている。

そして、本台座１の搭載部１１の表面に振動素子２を搭載した場合には、振動素子２の下面と、窪み部１５に形成された励振電極１６との間には、空間（エアギャップ）が形成されることになる。空間の高さ（振動素子２と励振電極１６との間隔）は、ほぼ一定となっている。

振動素子２が交流電界中にあれば振動部が励振され得るので、励振面から励振電極１６が離れていても、振動素子２を駆動することができるものである。このように、空間を介して振動素子を励振する励振電極を空間電極と称することがある。
尚、励振電極１６は、請求項に記載した第１の励振電極である。

これにより、振動素子２の下面は、励振電極１６からの応力を受けることが無く、長期に亘って動作させる場合でも周波数を安定させて、エージング特性を向上させることができるものである。

そして、本台座１の表面には、図５に示すように、電極パターン１０ａ，１０ｂが形成されている。電極パターン１０ａ，１０ｂは、金等の金属の薄膜で形成される。
具体的には、振動素子２と重なる部分に導電性接着剤が塗布される方形のパターンがあり、そこから近い短辺側に引き出されて、アーム部１３を介して接続部１４までパターンが形成され、更に当該接続部１４に接続する他方のアーム部を介して、反対側の短辺寄りの方形のパターンに接続して形成される。
更に、方形のパターンの一つは、窪み部１５に形成された励振電極１６に接続している。

図２，６に示すように、電極パターン１０ａ，１０ｂは、隙間部１０ｃ，１０ｄを囲むように、搭載部１１の長辺の中央部分を除いて形成されている。このように、電極パターン１０ａ，１０ｂを形成することで、アーム部１３の強度を高めることができる。尚、電極パターン１０ａ，１０ｂを構成する金属膜は薄いため、アーム部１３による振動吸収を妨げるものではない。

更に、電極パターン１０ａ，１０ｂは、図３，４，６，７に示すように、アーム部１３の側面と接続部１４の側面にも形成されている。
また、図５，７に示すように、本台座１の裏面において、アーム部１３と接続部１４の裏側にも電極パターン１０ａ，１０ｂが形成されている。

また、図１に示した導電性接着剤は、振動素子２の四隅近傍に形成されて、振動素子２を固定するものである。
具体的には、図２に示した搭載部１１に形成された電極パターン１０ａ，１０ｂの４つの方形パターンに導電性接着剤で振動素子２が固定されることになるが、振動素子２の表側の励振電極は、励振電極１６が接続された方形パターンと短辺側で隣接するパターン、若しくは対角線上にあるパターンに接続している。

［本振動片の構成：図８］
次に、本台座１に振動素子２を搭載した本振動片の構成について図８を用いて説明する。図８は、本振動片の断面説明図である。尚、図８は、図２に示した本台座１に振動素子２を搭載した状態での搭載部１１部分の断面を示している。
図８に示すように、本台座１の搭載部１１には窪み部１５が形成され、その底面に励振電極１６が形成されている。励振電極１６は、窪み部の側面及び搭載部１１の表面を介して、金属パターン１０ｂの方形パターンに接続されている。

更に、搭載部１１の表面に振動素子２が搭載されている。上述したように、振動素子２は、上面のみに励振電極２１が形成されている。ここで、励振電極２１は、請求項における別の励振電極に相当している。
そして、本振動片において、振動素子２の下面と励振電極１６との間には、空間が形成されており、振動素子２の下面への励振電極１６による拘束はないものである。
これにより、振動素子２に対する応力を低減して、エージング特性を良好にすることができるものである。

［実施の形態の効果］
本台座１によれば、本体の長辺に沿って形成された接続部１４と、当該接続部１４の内側に長辺に沿って形成された２つの隙間部１０ａ，１０ｂと、２つの隙間部で挟まれ、振動素子２を搭載する搭載部１１と、搭載部１１と接続部１４とを本体の四隅で連結するアーム部１３とを有し、搭載部１１の振動素子２に対向する面に、窪み部１５が形成され、その底面に励振電極１６を設けた台座としているので、外部からの振動が接続部１４に伝達されたとしても、アーム部１３によって吸収して搭載部１１への伝達を防止でき、位相雑音特性を良好にできると共に、本台座１の表面に搭載する振動素子２の下面にかかるストレスを無くし、自由な運動（振動）を可能として、エージング特性を向上させることができる効果がある。
また、本台座１を用いた本振動片、本振動子及び本発振器も、本台座１と同様の効果がある。

また、本台座１によれば、製造工程の簡易な変更で実現することができ、容易且つ低コストで振動片、振動子及び発振器のエージング特性を向上させることができる効果がある。

［別の振動片の構成：図９］
次に、本台座１を用いた別の振動片（別の振動片）の構成について図９を用いて説明する。図９は、別の振動片の断面説明図である。図９も、図８と同様に、本台座１に振動素子２を搭載した状態での搭載部１１部分の断面を示している。
上述した本振動片では、振動素子の下面に励振電極を形成せず、台座に空間電極を設けたが、別の振動片は、下面だけでなく上面にも空間電極を設けたものである。
図９に示すように、別の振動片では、本台座１に搭載された振動素子２′の上面及び下面に励振電極が形成されていない。

振動素子２′の下面は、図８に示した本振動片と同様に、搭載部１１の窪み部１５に形成された励振電極１６に対向している。
また、振動素子２′の上には、別の振動片の特徴部分である電極板１７が搭載されている。
電極板１７の下面には、窪み部１８が形成され、窪み部１８の底面には励振電極１９が形成されている。
電極板１７は、本台座１と同じ材料で形成され、窪み部１８は、水晶板２′を挟んで、本台座１の窪み部１５と対向するように、同様の形状に形成されている。
また、励振電極１９も、本台座１の励振電極１６と同様の形状に形成され、電極板１７の裏面及び振動素子２′の側面を介して、本台座１の電極パターンに接続している。
窪み部１８は、請求項における第２の窪み部に相当し、励振電極１９は第２の励振電極に相当している。

つまり、振動素子２′の上面は、空間を介して対向する励振電極１９に励振されることになり、下面だけでなく上面にも励振電極による応力はかからない。
これにより、別の振動子では、上述した本振動片よりも振動素子２′にかかる応力を低減でき、エージング特性を一層良好にすることができるものである。

［別の振動片の効果］
別の振動片によれば、振動素子２′に励振電極を形成せず、本台座１上に振動素子２′を搭載し、更に振動素子２′の上に、下面に窪み部１８及び励振電極１９が形成された電極板１７を搭載しているので、振動素子２′は下面だけでなく上面も励振電極からのストレスを受けることが無いため、長期的に周波数を安定させてエージング特性を一層良好にすることができる効果がある。

本発明は、外部からの振動の影響を抑えて耐振性を向上させ、位相雑音特性を良好にでき、エージング特性を向上させることができる振動素子用の台座、振動片、振動子及び発振器に好適である。

１…台座、 ２，２′…振動素子、 ３…パッケージ、 ４…発振回路（ＩＣ）、 ５…シームリング、 ６…リッド、 １０ａ，１０ｂ…電極パターン、 １０ｃ，１０ｄ…隙間部、 １１…搭載部、 １３…アーム部、 １４…接続部、 １５，１８…窪み部、 １６，１９，２１，…励振電極、 １７…電極板

Claims (8)

1. 振動素子が搭載され、パッケージの基板に設置される振動素子用の台座であって、
   本体が、
   当該本体の長辺に沿って形成され、前記基板と接触する２つの接続部と、
   前記接続部より前記本体の内側で前記長辺に沿って形成される２つの隙間部と、
   前記２つの隙間部で挟まれ、前記振動素子が搭載される搭載部と、
   前記本体の四隅に形成され、前記搭載部と前記接続部とを接続するアーム部とを有し、
   前記搭載部の前記基板とは反対側の面において、凹形状に形成された第１の窪み部を備え、前記第１の窪み部に前記振動素子に対向する第１の励振電極が形成されたことを特徴とする台座。
2. 接続部は、搭載部よりも基板側に突出するよう形成されていることを特徴とする請求項１記載の台座。
3. アーム部は、搭載部より厚みが薄く、接続部より幅が狭く形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の台座。
4. アーム部は、円弧状に湾曲した形状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の台座。
5. 搭載部に搭載される振動素子は、前記搭載部側の面には励振電極が形成されておらず、当該面とは反対側の面には別の励振電極が形成され、
   当該振動素子が、請求項１乃至４のいずれか記載の台座に搭載され、前記第１の励振電極と前記振動素子との間に空間が形成されていることを特徴とする振動片。
6. 凹形状に形成された第２の窪み部を備え、前記第２の窪み部に第２の励振電極が形成された電極板を有し、
   励振電極が形成されていない振動素子が請求項１乃至４のいずれか記載の台座に搭載され、
   前記振動素子の上に、前記第２の励振電極が対向するよう、前記電極板が搭載され、
   前記第１の励振電極と前記振動素子との間、及び前記第２の励振電極と前記振動素子との間に空間が形成されていることを特徴とする振動片。
7. 請求項５又は６記載の振動片をパッケージ表面凹部の底面の基板に設置したことを特徴とする振動子。
8. 請求項５又は６記載の振動片をパッケージ表面凹部の底面の基板に設置し、前記パッケージの裏面凹部に発振回路を搭載したことを特徴とする発振器。