JP4310838B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面実装型圧電デバイスの高周波化技術に関し、特に主面の一部に薄板領域を有した圧電素板を用いた圧電振動素子において、熱的、機械的応力変化に伴う周波数安定性を改善するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶によって代表される圧電振動素子を用いた圧電振動子等の圧電デバイスは、圧電発振器や、共振器、或はフィルタとして、各種電子機器、とりわけ通信機器においては不可欠の主要パーツとして使用されている。近年では、高周波化の要求を満たす為に、圧電素板を超薄型化する一方で、超薄型化することによって低下する機械的強度を補う為の配慮がなされた圧電振動素子が種々提案されている。
図６(a) 及び(b) は従来の水晶振動子の構造を示す平面図、及びＡ−Ａ断面図であり、この水晶振動子は、ＡＴカット水晶材料を結晶軸であるｘｘ’軸とｚｚ’軸に沿って矩形状または短冊状に形成して成る水晶振動素子１のｚｚ’軸に沿った一端縁の両角隅部を、セラミック等から成る表面実装容器１０の内底面に設けた電極１０ａ上に導電性接着剤１１を用いて片持ち状態で固着接続した構成を備えている。更に、表面実装容器１０の開口は、金属蓋１２により気密封止される。
また、基本波振動での高周波化を実現する為には水晶素板２を薄く加工する必要があるが、素板全体をフィルム状に薄く加工することは機械加工技術の点において限界があり、仮にフィルム状の素板を製造したとしても取り扱いなどの作業性が極端に悪くなる。
このため、図示したように水晶振動素子１を構成する水晶素板２の片面の一部を化学エッチングやイオンエッチング加工などの手法により任意の形状に凹陥せしめて、該凹陥部３の内底面に薄板領域（振動部）４を形成し、凹陥部３を包囲する外周部を厚肉の補強部（環状囲繞部）５としている。
水晶素板２の薄板領域４の上下面には、夫々任意の形状で圧電振動励起用の電極膜６を形成すると共に、各電極膜６から夫々引き出されたリード電極６ａを圧電素板の上記両角隅部に延在させ、導電性接着剤１１により各リード電極６ａと容器側電極１０ａとを接続する。
【０００３】
しかしながら、容器１０の内底面にこの水晶振動素子１を直接実装する際に、容器１０と、導電性接着剤１１と、水晶素板２との各物理定数（特に熱膨脹係数）の違いにより、例えば導電性接着剤をキュア（熱硬化）して常温に戻す際に応力が発生する。これらの応力は水晶素板２の薄板領域４に伝播し易く、その結果周波数変動をもたらす。
またこれらの蓄積された応力は、振動・衝撃・使用環境条件などの影響により開放され易く、結果的に周波数の不安定要因となって出現し、短期的および長期的な周波数安定性が劣化する不具合をもたらしていた。
特に、図示のように水晶振動素子を片持ち支持する場合は、接着剤にて接続する２点間に最大応力が発生し、その後、これらの応力は水晶素板全面に減衰しながら伝播するが、水晶素板の一部に薄板領域４を形成した場合の応力感度は薄板領域の厚みに反比例して増大し、例えば高周波出力を水晶素板の基本波振動により得ようとする場合、例えば１５６ＭＨｚを得ようとする場合には水晶素板２の薄板領域４の厚さは約１０μｍとなり、更に高周波化を図る場合には薄板領域４は更に一層薄くなる。なお、これらの関係は、「薄板領域厚み」＝「周波数定数」／「周波数」で表される。このように水晶素板の薄板領域４が薄くなるのに伴って、前記応力は薄板領域４に集中して大きくなり、周波数変動の幅もこれに比例して極めて大きくなるという欠点があった。
更に、水晶素板２の小面積化を図りながら、より大きな有効面積を有した薄板領域４を形成する為には、薄板領域の平面形状を矩形状に構成することが有効であるが、この場合、表面実装容器内底面との接続部である２点間に発生した応力は、矩形の薄板領域４の端縁のうち最も該２点に近接した端縁ａ−ａ’に到達し、厚肉の補強部５と薄板領域４との間の厚み差に起因した段差の効果によってこの端縁ａ−ａ’に再度応力集中が発生する。この応力は、やがて減衰しながら薄板領域全面に拡散伝播し、周波数変動をもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、水晶振動素子等の圧電振動素子を表面実装容器内に導電性接着剤を用いて片持ち状態で２点支持した構造の圧電デバイスにおいて、表面実装容器や導電性接着剤と水晶素板の熱膨張率の差から生じる熱応力の影響を最小に止めて、振動や衝撃等の外力や、使用環境条件の変動に起因した周波数安定性の低下を防止した圧電デバイスを提供することにある。
特に、本発明では、片持ち状態で２点支持した場合に、該２点にて発生した応力が矩形の薄板領域の近接端縁に集中し、周波数変動をもたらすという不具合を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶素板と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜と、から成る厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、上記水晶振動素子の補強部の一端縁を接着剤を用いて片持ち支持する表面実装容器と、から成る圧電デバイスにおいて、片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿った一端縁であり、上記薄板領域の端縁のうち、少なくとも片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びることを特徴とする。
請求項２の発明は、主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶素板と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜と、から成る厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、上記水晶振動素子の補強部の一端縁を接着剤を用いて片持ち支持する表面実装容器と、から成る圧電デバイスにおいて、片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びる一端縁であり、上記薄板領域の端縁のうち、片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びることを特徴とする。
請求項３の発明では、上記薄板領域の平面形状は、矩形、矩形以外の四角形又は長円形であることを特徴とする。
請求項４の発明では、上記水晶振動素子に使用する水晶素板は、ＡＴカットであることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１(a) 及び(b) は本発明の一実施形態としての圧電デバイスの要部平面図、及びＢ−Ｂ断面図であり、この圧電デバイスは、表面実装用にパッケージ化された水晶振動子である。
この水晶振動子は、水晶振動素子１と、この水晶振動素子１を収納した表面実装容器１０と、表面実装容器１０の開口を気密封止する金属蓋１２とから構成された表面実装用圧電デバイスである。
水晶振動素子１を構成する水晶素板２は、ＡＴカット水晶材料を結晶軸であるｘｘ’軸とｚｚ’軸に沿って矩形状または短冊状に形成したものであり、その片面の一部を化学エッチングやイオンエッチング加工などの手法により任意の形状に凹陥せしめて、該凹陥部３の内底面に矩形の薄板領域（振動部）４を形成し、凹陥部３を包囲する外周部を厚肉の補強部（環状囲繞部）５としている。更に、水晶素板２の薄板領域４の上下面には、夫々任意の形状で圧電振動励起用の電極膜６を形成すると共に、各電極膜６から夫々引き出されたリード電極６ａを圧電素板の上記両角隅部に延在させている。
上記水晶振動素子１のｚｚ’軸に沿った一端縁の両角隅部に夫々位置するリード電極６ａを、セラミック等から成る表面実装容器１０の内底面に設けた電極１０ａ上に導電性接着剤１１を用いて片持ち状態で固着接続した上で、容器開口を金属蓋１２により気密封止することにより、水晶振動子１は完成される。
【０００７】
図１に示した形態例の水晶素板２の薄板領域４の近接端縁ａ−ａ’は、ｚｚ’軸と平行ではなく、ｚｚ’軸に対して３０±１０度（ｚｚ”軸方向）の方向へ延びる傾斜角度（以下、これらの角度を単にθと称する）を有している。
本実施の形態では、ＡＴカット水晶素板を表面実装容器１０内に片持ち支持する際に、導電性接着剤１１による接続部に近接した薄板領域の端縁（近接端縁）ａ−ａ’の延在方向が、予め結晶軸ｚｚ’軸に対して±（３０±１０）度傾斜する方向となるように設定したので、上記各接続部にて発生する応力の影響を最小にすることが可能となる。
図２は一般的な円形水晶素板における横軸、即ち水晶素板のｚｚ’軸を基準とした圧力付加角度θと、縦軸、即ち応力感度比率との相関を示す概略図であり、ｚｚ’からの圧力付加角度θが約±３０度の範囲にある時に、感度Ｋが零に近づいて応力の影響を受けにくくなることを示している。
本発明は図２に示した知見に基づいてなされており、圧電振動素子を片持ち支持した場合に、最も応力が集中し易くなる近接端縁ａ−ａ’の角度を約±（３０±１０）度の範囲に設定することにより、該近接端縁ａ−ａ’に集中する応力に起因した周波数変動を、約１／２〜１／３の範囲に緩和することができる。
【０００８】
図３は本発明の他の実施の形態に係る水晶振動子を構成する水晶振動素子の構成説明図であり、薄板領域４の近接端縁ａ−ａ’及び対向端縁ｂ−ｂ’のｚｚ’軸に対する傾斜角度θを約±（３０±１０）度とすると共に、水晶素板２の２つの端縁イ−イ’，ロ−ロ’を近接端縁ａ−ａ’と平行に設定している。
この実施の形態の水晶振動素子を表面実装容器内に片持ち支持した場合に、２つの接続部にて発生し、薄板領域に伝播する応力は、上記角度θ方向へ延びる近接端縁ａ−ａ’にて大きく減衰し、周波数変動が大幅に低減される。
次に、図４は本発明の他の実施の形態に係る水晶振動素子の平面図であり、この実施の形態では、水晶素板２の対向し合う２つの端縁イ−イ’，ロ−ロ’をｚｚ’軸と平行に設定する一方で、導電性接着剤１１により表面実装容器内に接続される接続部に最も近い薄板領域４の近接端縁ａ−ａ’だけをｚｚ’軸に対して±（３０±１０）度傾斜した方向へ延在させている。即ち、この実施の形態の薄板領域４は、その斜辺ａ−ａ’のｚｚ’軸に対する傾斜角度θを±（３０±１０）度としている。
このため、この実施の形態の水晶振動素子を表面実装容器内に片持ち支持した場合に、２つの接続部にて発生し、薄板領域に伝播する応力は、上記角度θ方向へ延びる近接端縁ａ−ａ’にて大きく減衰し、周波数変動が大幅に低減される。
【０００９】
次に、図５の実施の形態に係る水晶振動素子は、薄板領域の平面形状を長円形としたものであり、長円形の薄板領域４の近接端縁ａ−ａ’と、対向端縁ｂ−ｂ’のｚｚ’軸に対する傾斜角度θを±（３０±１０）度とした構成が特徴的である。
この実施の形態の水晶振動素子を表面実装容器内に片持ち支持した場合に、２つの接続部にて発生し、薄板領域に伝播する応力は、上記角度θ方向へ延びる近接端縁ａ−ａ’にて大きく減衰し、周波数変動が大幅に低減される。
なお、上記各実施の形態では、近接端縁ａ−ａ’を直線状としたが、これは一例に過ぎず、波形、湾曲線等々、仮想平均で角度θが±（３０±１０）度となるように傾斜させれば、どのような形状であっても直線状の場合と同等の効果を発揮することができる。従って、特許請求の範囲において、薄板領域の一端縁の傾斜角度をｚｚ’軸に対して±（３０±１０）度傾斜させる、といった場合の、該一端縁は、直線に限らず、波形、湾曲線等々、仮想平均で角度θが±（３０±１０）度となる形状を全て含むものである。
以上のように本発明の水晶振動子においては、表面実装容器１０及び導電性接着剤１１と、水晶素板２の熱膨張係数差に起因して、導電性接着剤による接着部分に集中して発生した応力が水晶素板の全面に伝播してゆく過程で、結晶軸ｚｚ’軸との間に±（３０±１０）度の傾斜角度を有して延在する近接端縁ａ−ａ’により大幅に減衰される。その結果、衝撃、振動、使用環境変化等の外部環境要因によって応力が開放されて変化することにより変動する周波数の幅が小さくなり、周波数安定性を高めることができる。また、この水晶振動素子を備えた水晶振動子をリフロー等の高温環境にさらしたとしても、応力の発生、伝播を抑えることができる為に、短期的な周波数変動が小さくなる。更に、水晶振動素子が実装容器内に片持ち支持される際に水晶素板側に発生して伝播する応力が近接端縁の減衰作用により減少する為、長期的な応力開放による周波数変動をも小さくすることができ、安定して高精度な振動子を得ることが可能となる。
なお、上記した各実施の形態では、水晶素板の片面にのみ凹陥部を形成した例を示したが、一枚の水晶素板の両面側に凹陥部を形成して対向配置させたタイプの圧電素板に対して、上記各実施形態を適用してもよく、同様の効果を得ることができる。
【００１０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、水晶素板等の圧電素板の少なくとも片面に凹陥部を形成すると共に、凹陥部内底面の薄板領域に励振用の電極膜を形成して成る圧電振動素子を、片持ち状態で表面実装容器内に接着支持したときに、振動、衝撃等の外力や、リフロー時の熱等が加わった時における短期的な安定性や、長期的なエージング安定性を維持して、高精度、高安定な圧電デバイスを安価に提供することが可能となる。
即ち、請求項１の発明では、凹陥部及び薄板領域を有したＡＴカット水晶素板を用いた水晶振動素子の片持ち支持される一端縁を、水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿った一端縁とすると共に、薄板領域の端縁のうち、少なくとも片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁を、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延在させたので、表面実装容器や導電性接着剤と水晶素板の熱膨張率の差から生じる熱応力の影響を最小に止めて、振動や衝撃等の外力や、使用環境条件の変動に起因した周波数安定性の低下を防止することができる。特に、圧電素板として水晶素板を用い、片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿った一端縁であるため、上記薄板領域を構成する端縁の内の近接端縁を結晶軸ｚｚ’に対して所定の範囲｛±（３０±１０）度｝内で傾斜させることにより、応力緩衝効果を発揮できる。つまり、薄板領域の近接端縁は、素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜を有した一辺であるため、傾斜した近接端縁に伝播してきた応力を集中させることにより見かけ上の応力に対する感度を限りなく零に近づけ、水晶振動素子の周波数の安定性を向上させることができる。
【００１１】
請求項２の発明では、片持ちされる水晶素板の端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びる一端縁であり、上記薄板領域の端縁のうち、片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁も該補強部の一端縁と平行な方向に延びる。このため、請求項１と同等の効果を発揮することができる。
請求項３では、上記薄板領域の平面形状は矩形に限らず、矩形以外の四角形又は長円形であってもよく、近接端縁のｚｚ’軸に対する傾斜角度θが±（３０±１０）度という条件を満たす限りは、請求項１と同等の効果を発揮することができる。
請求項４では、水晶素板をＡＴカットとしたので、水晶振動子等に適用した場合に信頼性を高めて製品としての価値を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a) 及び(b) は本発明の一実施形態としての圧電デバイスの要部平面図、及びＢ−Ｂ断面図。
【図２】圧力付加角度θと応力感度比率との相関図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動素子の平面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る水晶振動素子の平面図。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る水晶振動素子の平面図。
【図６】 (a) 及び(b) は従来の水晶振動子のパッケージ構造を示す平面図、及びＡ−Ａ断面図。
【符号の説明】
１ 水晶振動素子、２ 水晶素板、３ 凹陥部、４ 薄板領域（振動部）、５ 補強部（環状囲繞部）、５Ａ 張出し部、６ 電極膜、６ａ リード電極、
１０ 表面実装容器、１１ 導電性接着剤、１２ 金属蓋。

Claims (4)

1. 主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶素板と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜と、から成る厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、
   上記水晶振動素子の補強部の一端縁を接着剤を用いて片持ち支持する表面実装容器と、
   から成る圧電デバイスにおいて、
   片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’上に沿った一端縁であり、
   上記薄板領域の端縁のうち、少なくとも片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びることを特徴とする圧電デバイス。
2. 主面の任意の位置に凹陥部を形成して凹陥部の底面を薄板領域とすると共に、該凹陥部の外周に厚肉の補強部を設けた水晶素板と、上記水晶素板の薄板領域の両面に夫々形成した励振用電極膜と、から成る厚みすべり振動を励起可能な水晶振動素子と、
   上記水晶振動素子の補強部の一端縁を接着剤を用いて片持ち支持する表面実装容器と、
   から成る圧電デバイスにおいて、
   片持ち支持される上記一端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びる一端縁であり、
   上記薄板領域の端縁のうち、片持ち支持される補強部の一端縁と近接する端縁は、水晶素板の結晶軸ｚｚ’に対して±（３０±１０）度の傾斜方向に延びることを特徴とする圧電デバイス。
3. 上記薄板領域の平面形状は、矩形、矩形以外の四角形又は長円形であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電デバイス。
4. 上記水晶振動素子に使用する水晶素板は、ＡＴカットであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の圧電デバイス。

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