JP2020096271A - 振動素子用の台座、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動特性を向上させ、位相雑音特性を良好にできる振動素子用の台座、振動子及び発振器を提供する。【解決手段】 長辺に沿って形成され、電極に接続される接続部１２と、接続部１２の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部１４ａ，１４ｂと、２つの隙間部１４ａ，１４ｂで挟まれる搭載部１１と、本体の四隅に形成され、搭載部１１と接続部１２とを接続するアーム部１３とを有する第１台座部１の上に、第１台座部１と同様の構成で、第１台座部１より外形形状が小さい台座部を１つまたは複数積層し、各台座部において、接続部の厚みを搭載部の厚み以上とし、アーム部の厚みを搭載部の厚み以下とした台座であり、それを備えた振動子及び発振器である。【選択図】 図１

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できる振動素子用の台座、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水晶片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、表側に水晶片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。

［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）がある。

特許文献１には、保持用水晶板に振動子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子用水晶片を確実に励振させ、振動子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。

特許第３０１７７５０号公報 特許第４７１５２５２号公報 特開２０１３−０９８６７８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、外部からの振動が水晶片に影響してしまい、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。

尚、特許文献１〜３には、外部からの振動への耐性（耐振動特性）を良好にした台座を複数重ねて、耐振動特性を一層向上させる構成の記載はない。

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特性を一層向上させ、位相雑音特性を良好にできる振動素子用の台座、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、本体の長辺に沿って形成され、電極に接続される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する台座部を複数積層し、各台座部は、接続部の厚みを搭載部の厚み以上とし、アーム部の厚みを搭載部の厚み以下とし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、複数の台座部の内、基板に設置される台座部が最も大きいことを特徴としている。

また、本発明は、上記台座において、台座部として、基板に接続する第１の台座部と、第１の台座部の上に積層され、振動素子が搭載される第２の台座部とを備え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、アーム部及び接続部の厚みを、第１の台座部より第２の台座部において薄くし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、アーム部は、円弧形状に湾曲した形状としたことを特徴としている。

また、本発明は、振動子において、上記いずれか記載の台座に振動素子を搭載し、パッケージ内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、上記いずれか記載の台座に振動素子を搭載し、パッケージの表面凹部に設置し、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、本体の長辺に沿って形成され、電極に接続される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する台座部を複数積層し、各台座部は、接続部の厚みを搭載部の厚み以上とし、アーム部の厚みを搭載部の厚み以下とした台座としているので、外部からの振動が最下層の台座部の接続部に伝達したとしても、アーム部によって吸収でき、更に複数の台座部を積層することで、層毎に振動を吸収して、最上部に搭載された振動素子への伝達を防止でき、位相雑音特性を良好にできる効果がある。

本台座を用いた振動子の上面説明図である。 本台座を用いた振動子の側面説明図である。

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台座（本台座）は、振動素子を搭載する台座であって、本体の長辺に沿って形成され、電極に接続される２つの接続部と、接続部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する台座部を複数積層し、各台座部において、接続部の厚みを搭載部の厚み以上とし、アーム部の厚みを搭載部の厚み以下とした台座としており、個々の台座部において、下の層から振動が伝達されたとしても、アーム部によって吸収されて減衰させることができ、更に、複数の台座部を積層することで一層振動を吸収することができ、振動が最上部の台座部に搭載される振動素子へ伝達されるのを防止して、位相雑音特性を良好にできるものである。

また、本発明の実施の形態に係る振動子は（本振動子）は、本台座に振動素子を搭載し、凹部を有するパッケージに台座を設置したものである。
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。

［本台座を用いた振動子の構成：図１，図２］
本台座を用いた振動子（本振動子）の構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本振動子の上面説明図であり、図２は、本振動子の側面説明図である。尚、図２では、パッケージについては断面を示している。
図１に示すように、本振動子は、パッケージ４の凹部の中に本台座１０を搭載し、その上に水晶片（振動素子）３を搭載した構成である。
尚、実際にはパッケージ４の上部（図１の手前側）の周囲に封止のためのシームリングとパッケージ４の開口部を覆うリッド（蓋）が設けられているが、ここでは省略している。

本振動子の各部について具体的に説明する。
本台座１０は、上述したように、複数の台座部を積層した構成であり、ここでは第１台座部１の上に、第２台座部２を積層した構成としている。尚、本台座１０として、３つ以上の台座部を備えた構成を用いてもよい。
そして、第１台座部１は、第２台座部２に比べて外形形状が大きく形成されている。
また、３つ以上の台座部を積層する場合でも、最下層となる第１台座部１は最も大きい形状に形成される。

本台座１０（第１台座部１及び第２台座部２）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、本台座１０は、水晶片３と同様の水晶（水晶片３と同じＡＴカットやＺ板）により形成してもよい。その場合、本台座１０と水晶片３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。本台座１０の詳細は後述する。

水晶片３は、本台座１０の第２台座部２の上に搭載され、四隅近傍を導電性接着剤３２で固定されて搭載される。
水晶片３の表面及び裏面には、励振電極３１が形成され、本台座１０の電極パターンに導電性接着剤で接続される。
尚、本台座１０に搭載される振動素子として、ＡＴカットの水晶片３からなる水晶共振子を用いたが、例えば、表面弾性波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）共振子、その他の圧電振動子や微小電子機械システム（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）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４は、セラミック等で形成され、表面に凹部が形成された形状となっており、表面凹部の空間に本台座１０及び水晶片３を収容して、表面凹部の底面に本台座１０を搭載し、その上に水晶片４を搭載している。
尚、パッケージ３の形状を、表面だけでなく裏面にも凹部を設けた断面Ｈ型形状とし、裏面凹部に発振回路を収容して裏面基板に搭載し、発振器を構成してもよい。発振回路以外の温度補償回路をパッケージ４の表面基板又は裏面基板に備えると、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）となる。
パッケージ４への本台座１０と発振回路の搭載は、導電性接着剤又は半田等で固定されるようになっている。

また、図示は省略するが、パッケージ４の上面に形成されるシームリングは、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。
更に、パッケージ４のリッドは、コバールをニッケルメッキしたもの等が用いられ、シームリングに接着するよう形成される。

［本台座１０の構成：図１］
本台座１０の構成について図１を用いて具体的に説明する。
本台座１０は、第１台座部１の上に、第２台座部２が積層された構成である。
［第１台座部１］
第１台座部１は、第２台座部２が搭載される搭載部１１と、第１台座部１の長辺上に形成され、パッケージ３の基板（凹部の底面）の電極に接続する２つの接続部１２と、第１台座部１の四隅に形成されたアーム部１３と、長辺に沿って接続部１２の内側にコの字型に形成された隙間部１４ａ，１４ｂとを備えている。

隙間部１４ａ，１４ｂは、第１台座部１の表裏を貫通して形成されている。
搭載部１１は、コの字型の２つの隙間部１４ａ、１４ｂに挟まれると共に、第１台座部１の一方の短辺から他方の短辺に亘って形成されている。
接続部１２は、第１台座部１の長辺の中央部に設けられ、図２に示すように、搭載されるパッケージ４の基板方向に突出して、基板に形成された電極に導電性接着剤３２を介して接続する。

アーム部１３は、第１台座部１の四隅に設けられ、短辺中央部の搭載部１１と、長辺中央部の接続部１２とを連結する。
そして、アーム部１３は、搭載部１１より細く、且つ薄く形成されている。
つまり、アーム部１３は接続部１２から振動が伝達された場合に、撓んで変形し、振動を吸収する機能を備えている。
尚、アーム部１３の厚みを搭載部１１と同じとしてもよい。

第１台座部１の各部の厚みについて図２を用いて説明する。
図２に示すように、第１台座部１において、接続部１２が最も厚く、次に搭載部１１が厚く、アーム部１３が最も薄く形成されている。
これにより、接続部１２のみが基板に接触し、搭載部１１及びアーム部１３は基板の表面から浮いた状態で保持されるものである。

そして、アーム部１３を薄く形成することにより、撓んで変形しやすくして、外部からの振動が接続部１２を介して伝達された場合でも、アーム部１３で吸収して搭載部１１及び搭載部１１に設置された第２台座部２への影響を抑えることができるものである。

尚、接続部１２の厚みを搭載部１１と同等とすることも可能である。但し、この場合には、搭載部１１が基板に接触しないよう、導電性接着剤３２を厚めに塗布する等の工夫が必要となる。
更に、接続部１２、搭載部１１、アーム部１３の厚みを全て同等とすることも可能であるが、搭載部１１及びアーム部１３が基板に接触しないようにする必要がある。

［第２台座部２］
第２台座部２は、第１台座部１とほぼ同様の構成部分を備えており、第１台座部１より小型に形成されている。
つまり、第２台座部２は、搭載部２１と、接続部２２と、アーム部２３と、隙間部２４ａ，２４ｂとを備えている。

接続部２２は、第２台座部２の長辺の中央部に形成され、第１台座部１の電極に導電性接着剤３２を介して接続する。具体的には、第２台座部２の接続部２２は、第１台座部１の搭載部１１の長辺の内側部分に接続する。
隙間部２４ａ，２４ｂは、長辺に沿って接続部２２の内側にコの字型に形成され、第２台座部２の表裏を貫通する。
搭載部２１は、隙間部２４ａ，２４ｂで挟まれ、第２台座部２の一方の短辺から他方の短辺に亘って形成されており、表面に水晶片３が搭載され、導電性接着剤によって接続されている。
そして、図２に示すように、第２台座部２においても、厚みは、接続部２２＞搭載部２１＞アーム部２３の順となっている。

尚、第２台座部２においても、接続部２２と搭載部２１の厚みを同等としてもよく、搭載部２１とアーム部２３の厚みを同等としてもよい。更に、接続部２２、搭載部２１、アーム部２３の厚みを全て同じとしてもよい。
このような場合には、搭載部２１、アーム部２３が第１台座部１の搭載部１１に接触しないように工夫する必要がある。

更に、図２では明示されていないが、第２台座部２の搭載部２１及びアーム部２３の厚みは、第１台座部１の搭載部１１、アーム部１３と比べてそれぞれ薄く形成されている。
第２台座部２は第１台座部１より全体形状が小さいため、各構成部分を薄くして変形しやすくし、より振動を吸収しやすくしているものである。
これにより、第１台座部１で十分吸収できなかった振動が第２台座部２に伝達された場合でも、薄いアーム部２３が撓んで変形し、振動を吸収して、第２台座部２の搭載部１１に搭載された水晶片３への影響を抑えることができるものである。

［本台座１０の電極パターン］
本台座１０の電極パターンについて図１，２を用いて説明する。
本台座１０の電極パターンは、金等の金属薄膜で形成される。
まず、第２台座部２の表面には、水晶片３の表裏の励振電極３１に接続する電極パターン２５ａ，２５ｂが形成されている。
具体的には、電極パターン２５ａは、水晶片３の裏面の励振電極３１に接続し、第２台座部２の一方の短辺に引き出されて、アーム部２３及び一方の接続部２２の表面、側面、裏面に亘って形成されている。
電極パターン２５ｂは、水晶片３の表面の励振電極に接続し、電極パターン２５ａと同じ短辺に引き出されて、アーム部２３及び他方の接続部２２の表面、側面、裏面に亘って形成されている。

また、第１台座部１の表面には、第２台座部２の接続部２２の電極パターン２２ａ，２２ｂに接続する電極パターン１５ａ，１５ｂが形成され、第２台座部と同じ側の短辺に引き出されて、アーム部１３及び接続部１２の表面、側面、裏面に亘って形成されている。

そして、水晶片３の励振電極３１は、導電性接着剤３２によって第２台座部２の電極パターン２５ａ，２５ｂの表面に接続し、第２台座部２の電極パターン２５ａ，２５ｂは、接続部２２の裏面で、それぞれ第１台座部１の電極パターン１５ａ，１５ｂの表面に導電性接着剤３２によって接続する。

更に、第１台座部１の電極パターン１５ａ，１５ｂは、接続部１２の裏面で基板に形成された電極に導電性接着剤３２によって接続し、更にパッケージ４の表面凹部の電極パターンや基板に設けられたスルーホール等を介して基板の裏面に形成された電極、若しくはパッケージの裏面凹部に設けられた発振回路に接続する。

尚、ここでは、金属パターン１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂを各台座部の一方の短辺の両端を含むように形成しているが、水晶片３の励振電極３１の形状や配置に応じて、一方の長辺の両端を含むように形成してもよいし、対角線の両端を含むように形成してもよい。

本台座１０を製造する際には、第１台座部１と第２台座部２とを別々に形成しておき、パッケージ４の表面凹部に、まず第１台座部１を搭載し、その上に第２台座部２を搭載して導電性接着剤３２で接続し、本台座１０を形成する。
そして、その上に、水晶片３を搭載して接続し、本振動子とするものである。
台座部が３つ以上の場合にも、各台座部を独立して形成してから、パッケージ内で組み立てて形成する。

尚、ここでは、第２台座部２は、第１台座部１の搭載部１１の長辺内側に搭載しているが、第２台座部２の短辺の長さを第１台座部１と同程度とした場合には、第１台座部１の接続部１２上に搭載することも可能である。

［実施の形態の効果］
本台座１０によれば、長辺に沿って形成され、電極に接続される接続部１２と、接続部１２の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部１４ａ，１４ｂと、２つの隙間部１４ａ，１４ｂで挟まれる搭載部１１と、本体の四隅に形成され、搭載部１１と接続部１２とを接続するアーム部１３とを有する第１台座部１の上に、第１台座部１と同様の構成で、第１台座部１より外形形状が小さい台座部を１つまたは複数積層し、各台座部において、接続部の厚みを搭載部の厚み以上とし、アーム部の厚みを搭載部の厚み以下とした台座としているので、外部から最下層の第１台座部１に振動が伝達されても、第１台座部１のアーム部１３及びその上の台座部のアーム部によって振動を吸収でき、複数の台座部を積層することで段ごとに振動を吸収して、耐振動特性を大幅に向上させ、振動が最上部の台座部に搭載される振動素子へ伝達されるのを防止して、位相雑音特性を良好にできる効果がある。

また、本台座１０によれば、長辺に沿って形成され、電極に接続される接続部１２と、接続部１２の内側で長辺に沿って形成される２つの隙間部１４ａ，１４ｂと、２つの隙間部１４ａ，１４ｂで挟まれる搭載部１１と、本体の四隅に形成され、搭載部１１と接続部１２とを接続するアーム部１３とを有する第１台座部１の上に、第１台座部１と同様の接続部２２と、隙間部２４ａ，２４ｂと、搭載部２１と、アーム部２３とを有し、第１台座部１より外形が小さく形成された第２台座部２を積層し、各台座部１，２において、接続部１２（２２）の厚みを搭載部１１（２１）の厚み以上とし、アーム部１３（２３）の厚みを搭載部１１（２１）の厚み以下とした台座としているので、外部から第１台座部１に振動が伝達されても、第１台座部１のアーム部１３及びその上の第２台座部２のアーム部２３によって振動を吸収でき、段ごとに振動を吸収して、耐振動特性を向上させ、振動が第２台座部２に搭載された振動素子に伝達されるのを防止して、位相雑音特性を良好にできる効果がある。

また、上述した例では、本台座１０の第１台座部１及び第２台座部２の外形形状を矩形としたが、アーム部１３，２３を円弧状に湾曲した形状に形成して、各台座部の角を丸くしてもよい。その場合、隙間部１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂもアーム部１３，２３に沿って湾曲した形状とする。
第１台座部１、第２台座部２の角を丸く形成することにより、応力が角部に集中するのを防ぎ、破損しにくくすると共に、振動をアーム部１３，２３全体に分散させて吸収しやすくする効果がある。

本発明は、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できる振動素子用の台座、振動子及び発振器に適している。

１…第１台座部、 ２…第２台座部、 ３…水晶片（振動素子）、 ４…パッケージ、 １０…台座、 １１，２１…搭載部、 １２，２２…接続部、 １３，２３…アーム部、 １４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ…隙間部、 １５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ…電極パターン、 ３１…励振電極、 ３２…導電性接着剤

Claims (7)

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、
   本体の長辺に沿って形成され、電極に接続される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する台座部を複数積層し、
   前記各台座部は、前記接続部の厚みを前記搭載部の厚み以上とし、前記アーム部の厚みを前記搭載部の厚み以下としたことを特徴とする台座。
2. 複数の台座部の内、基板に設置される台座部が最も大きいことを特徴とする請求項１記載の台座。
3. 台座部として、基板に接続する第１の台座部と、前記第１の台座部の上に積層され、振動素子が搭載される第２の台座部とを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の台座。
4. アーム部及び接続部の厚みを、第１の台座部より第２の台座部において薄くしたことを特徴とする請求項３記載の台座。
5. アーム部は、円弧形状に湾曲した形状としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか記載の台座。
6. 請求項１乃至４のいずれか記載の台座に振動素子を搭載し、パッケージ内に設置したことを特徴とする振動子。
7. 請求項１乃至４のいずれか記載の台座に振動素子を搭載し、パッケージの表面凹部に設置し、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。