JP4938321B2 - ラーメモード水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、ラーメモード水晶振動子の振動子形状に関するものであり、特に、小型化、高精度化を実現し本来所望とする出力周波数に対して低い方向に出力周波数を移行させることを実現する素子形状で、素子の電気的特性を維持しながら落下、衝撃に対する実装時の保持強度と簡略化を実現したラーメモード水晶振動子の素子形状に関するものである。

ラーメモード振動子は小型で低周波数を実現する上で最適な振動モードを得ることができる。そのため低周波の振動子でありながら小型化を実現するということは、近年めざましい進化を遂げている携帯電話、携帯型の小型ゲーム機器などに広く利用される大きな市場がある。

ラーメモード振動子は数十μｍの板厚の圧電基板により形成されており、ラーメモード振動子を保持するためには振動の阻害にならないように、回転モーメントはあるが変位の無い振動の節を保持することが一般的である。図７に示すように四隅の接続部を介して支持と保持がなされている。この節からアームを引き出し保持部へ接続し、接続部を介してパッケージと実装して組立ることで振動子を得ている。このときのアーム部はなるべく細くすることにより振動の阻害を少なくし、等価直列抵抗を小さくすることができる。そのため、落下衝撃時に強い構造が必要となる。

要するに、従来は振動子を作製する際には等価抵抗値Ｒ１の上昇を避けるために振動の節となっている正方形の四隅に支持部を設けており、その関係で、振動部と支持部及び接続部は一体で形成されるため振動の節となっている四隅にはモーメント力が生じてしまう。そのために支持部の設計が適切でない場合、振動のエネルギーが支持部に漏れてしまい等価抵抗値Ｒ１が大きくなってしまう。更に等価抵抗値Ｒ１を小さくすること則ち、等価抵抗値Ｒ１の上昇を軽減する目的で四隅からの支持部の幅、及び厚みを小さくすると落下等の衝撃を受けた場合や過大な励振電流により振幅が大きくなった場合に破損するおそれがある。

上述のように、ラーメモード水晶振動子は正方形板の場合、四隅が節（回転ノード）となって面内で等体積的に振動する振動モードであることから、従来のラーメモード水晶振動子は等価抵抗値Ｒ１の良い（低い）振動子を得るために振動の節となっている四隅から支持部を引き出すことが最も有効な支持方法であり、実際の支持方法については、振動子の支持部には接続部を介してセラミックなどの基板に導電性接着剤を用いて固定しているのが現状である。

上述のプロセスの一例を図８に示すが、ウエハー洗浄、ライトエッチング、プロテクト蒸着膜（ＣｒＡｕ）、レジスト塗布、露光、現像、パターニング、エッチング、レジスト剥離、ＣｒＡｕ剥離、洗浄、励振電極蒸着の一連の工程で素子が形成され、セラミック材質などのパッケージに導電性接着剤にて搭載されてラーメモード振動子を得る。

特開２００３−１４２９７９号公報 特開２００１−３１３５３７号公報 特開２００４−２４２２５６号公報 特開２００５−２４４７０２号公報 なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述する従来のラーメモード水晶振動子は振動部の辺比が整数の矩形板となるため、例えば振動部四隅を支持する場合には、振動の節は四隅となり振動変位が小さい部分であることから振動部の保持によるラーメモードの振動を阻害することは無い。

また、ラーメモード振動子はＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカットの水晶基板を上述のように振動の節を四隅にすることで、振動子全体を小型化し約４ＭＨｚ帯という低周波の出力周波数を得ることができる。

しかしながら、振動部と支持部と接続部が一体で形成される構造であるラーメモード水晶振動子用の水晶素子に対して、出力する低周波から低い周波数方向に周波数を可変することが難しいのが現状で、本来得意とする４ＭＨｚの出力周波数から、昨今の要求に挙げられる僅かに高めの出力周波数を得るには、ラーメモード振動子の構造から容器に実装し収納すると、振動部と支持部とを接続する部分にはラーメモード振動の変位から発生する回転モーメント力が生じるために、そのモーメント力の影響を受けて、接続部には屈曲振動が発生するなどの影響を受けてしまう。

従って支持部及び接続部の形状を適切な設計値にしないと振動部の振動漏れが生じ、振動部を保持する支持部や接続部にまで不必要な振動が伝達することから、純粋なラーメモードの振動を阻害されるおそれがあり、所望とする４ＭＨｚに対して高めの周波数を得るには難しいのが現状にある。

加えて、振動部分を何らかの手段により容器に実装するために、支持部及び接続部が必要になってくる。そのために振動子という形態で考えると振動部に加えて支持部と接続部などが一体となった構造が必要となってくるために、全体的に小型化が難しくなっている現状にある。

また、その一方で小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることにより、従来のラーメモード振動子の構造上、落下や衝撃に対する強度不足などのおそれも考えられる。

そこで上述の課題を改善するために本発明は、主面の形状が長方形で、主面における長
辺の長さと短辺の長さとの比率が、短辺の長さを１とした場合に、長辺の長さが２以上の
整数となっている、ＬＱ１Ｔカット或いはＬＱ２Ｔカットの水晶素子には、一辺の長さを
前記水晶素子の短辺の長さとする正方形の振動領域が、前記水晶素子の長辺方向に複数並
んで備わっており、前記水晶素子におけるそれぞれの前記振動領域の表裏主面の中心には
、前記水晶素子を保持する保持部が設けられており、前記水晶素子に電荷を加えた場合に
、それぞれの前記振動領域の角部を節部としたラーメモードの振動が生じるラーメモード
水晶振動子において、それぞれの前記振動領域における前記水晶素子の厚みが、それぞれ
の前記振動領域の主面外周から、それぞれの前記振動領域の主面中心に向かって薄くなっ
ており、前記保持部が、前記保持部に対応して前記水晶素子を収納する容器体に設けられた受け部と嵌め合うことができるように、前記振動領域の表裏主面から外側に向かって突起した凸形状、又は凹部を有する形状であることを特徴とするラーメモード水晶振動子である。又、それぞれの前記振動領域における前記水晶素子の少なくとも一主面全体が、凹レンズ状になっていることをも特徴とする。

具体的には、前記水晶素子の振動領域内にある回転モーメントの無い無変位部に向かって厚みを増し、振動領域の外周部に比べて中心部分の厚みを薄くした水晶素子を得て容器体に実装し、振動領域に形成する励振電極からの引き出し電極により周波数を得る構造を持つことを特徴とするラーメモード振動子である。

上述により、従来の課題として挙げられている、素子の小型化を推進する上で振動部以外の支持部などを軽量化し脆弱な形状にすることによる発生する落下や衝撃に対する強度不足を改善し、本来得意とする４ＭＨｚの発振周波数に対してやや低い周波数方向に出力周波数を移行することができ、色々な周波数要求に対して対応できると共に、ラーメモード振動子の設計範囲の幅を拡げることにより課題を解決するものである。

上述のように本発明は、ラーメモード水晶振動子の製造方法でエッチング溶液を用い、ＬＱ１Ｔカットあるいは、ＬＱ２Ｔカット水晶基板はウェットエッチングによる加工方法により、素子外形を形成すると同時に水晶素子の振動領域内の厚みを振動領域の中心部分に向かって薄くする構造にすることで、変位の大きい振動領域の外周部に付加質量を増やしてやることで出力周波数の低下が生じることにより、支持による水晶素子への拘束力を低減しながら、落下や衝撃に対する機械的強度を確保しつつ、４ＭＨｚを中心にやや低めの出力周波数を得ることができる。その結果ラーメモード振動子の出力周波数帯に幅を持たせることができ、また、ラーメモード振動子の品質の向上と製造歩留まりの向上、更には製造プロセスの簡略化を実現できる。

以下、図面に従ってこの発明の実施例を説明する。なお、各図において同一の符号は同様の対象を示すものとする。
圧電素板を基板にした水晶素子１で、その基板の辺比の一方の寸法を１（Ｌ）としたとき、もう一方の寸法が整数比（１（Ｌ）〜ｎ）を満たす板の四隅に無振動部を有することにラーメモード振動子の特徴がある。図１に示すように正方形板の場合は四隅が節となって向かい合う２辺Ａが正方形の中心方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の外方向に変位し、また向かい合う２辺Ａが正方形の外方向に変位したときはもう一方の２辺Ｂが正方形の中心方向に変位する振動形態である。

従って、図１（ａ）と図１（ｂ）の動作を繰り返す形態で振動する。この図１は正方形板の最低次数の振動モードと呼ぶ。また図１（ｃ）には振動板の寸法概念を示す。そして図２にはその振動モードの模式図を示している。また、図３については、基本形を元にして高次の振動モードを例にしたものである。考え方は図１の基本形と同様であり、図３（ａ）は二次（モード）の場合を示し、図３（ｂ）は三次（モード）の場合を示したものである。なお、図１と図３に示す△マークはラーメモード振動子の無振動部を表すものである。

さて本発明の特徴として、図４に示す斜視図を一例として説明する。ただし、図４に示すのは振動領域８に厚み差は付けていない。高次の振動形態を持つ素子の回転モーメントの無い無変位部２（以下、無変位部）に形成する保持部３と、保持部３に合致する形態で水晶素子１を保持する構造で示す。このとき、ラーメモード振動子の１次（モード）の形態の振動領域８の重心箇所を保持するもので、高次の場合であっても、各振動領域８の重心箇所を保持する構造となる。なお、本実施例では図４に示す支持形態で示すが、支持部については振動領域８の４角の無振動部から保持するものであっても構わない。なお、振動領域８に接続する引き出し電極６のイメージを点線で表現している。

保持部３については、水晶素子１の振動領域８内にある無変位部２に凸部を素子と一体的に形成し、凸部と嵌合する形態で水晶素子１を保持する凹部（受け４）構造を有する容器体７に実装する形態となっている。

図５は図４の断面Ａ−Ａを描画したもので、図５（ａ）にはその断面を示したものである。また図５（ａ）丸部に示す要部を拡大した図（（ａ）、（ｂ））で説明すると、ラーメモード水晶振動子の振動領域８内にある無変位部２に形成する保持部３の表面には、水晶素子１に形成する励振電極５からの引き出し電極６の一部が形成されており、保持部３に嵌合する容器体７の受け４部分からは水晶素子１の引き出し電極６と導通が取れるように形成されることで、保持部３により水晶素子１の固着と導通を実現するものである。なお、図５（ｂ）は水晶素子１と容器体７の受け４部分がかみ合う形態であり、図５（ｃ）は容器体７にへこみを設けて、構造を簡略化したものである。

要するに、水晶素子１側の保持部３を円柱あるいは円錐形状にし例えば励振電極５を含めＣｒ−Ａｕ、Ｔｉ−Ａｕのような電極金属で導通を図り、受け４から導通金属膜をパターンニングし、導通金属膜の一部からガラスの埋め込み貫通導電体１０を経由して容器体７の外に引き回して容器体７の電極端子に接続する。従って、容器体７は水晶素子１の上下（表裏）に配置し保持部３が容器体の受け４部と嵌合する形態で封止を行う構造となる。

以上保持部３については、前述する水晶素子１の無変位部２に形成する保持部３は、いわゆるラーメモード振動子から伝搬する振動（変位と回転モーメントの無い）がゼロの場所に適宜配置ができ、大きさや形状に拘るものでは無い。従って、他の実施例として示すように、水晶素子１に形成する保持部３は凸状で、容器体７の受け４は凹部となっているが、凹凸の嵌合関係が逆になっても、また水晶素子１の片面ごとに保持部３の形状の凹凸が入れ替わった形態でも同様の効果を奏することは言うまでも無い。なお、保持部３と受け部４の形状は問わない。また、保持部には軟質接合用金属９としてアルミ、金、銅、ハンダ材料を施すことで、容器体７と水晶素子１の保持部での接触を緩和することができる。

そしてまた、前述する水晶素子１の実装に関しては、容器体１の構造や材質を問うものでは無い。しかしながら、小型化容器を実現するにはウエハレベルの封止技術が必要であることから、例えばガラス材料を使った陽極接合、直接接合などを用いることが考えられる。また、当然ながらセラミック材料や有機材料などの利用でも充分に適用できる。

ここで本発明の特徴であるラーメモード振動子の振動領域８の形状について示すが、図６はひとつの振動領域８に着目した斜視図である。なお、描画上振動領域の厚み差を表現するために放射線を描いている。図６に示すように１次の場合であれば１つの振動領域８が、高次であればその次数分の振動領域８の形状が、水晶素子の振動領域８の中心部分に向かって厚みを薄くした形状（凹レンズ状）を有することを特徴とするラーメモード水晶振動子である。

本発明の主眼では、周波数は振動領域の平板の外形寸法で決まるため、外形寸法の小型化要求を実現しそれに対応するためには、素子の外周部の無振動部を支持したり、あるいは振動領域内の無振動部を支持するなど支持部を工夫することにより外形の小型化を実現してきているのが現状である。一方、ラーメモード振動子は正方形の各頂点が回転モーメントの中心になり各辺が振動領域内で板面平行方向に波打つ振動子であることから、所望とする出力周波数に対して、周波数を低い方向に移行することは非常に難しいが、振動変位の大きな各辺周辺の厚さを各振動子の中心部より厚くすることにより、振動領域内の伝搬波動を振動領域の板厚みを振動領域内の中心部に対して外周部の板厚みを厚くすることにより、振動領域の外形寸法を大きくすること無く、周波数を低下させることが可能となる。

また、振動領域の中央部が薄くなり重量が減じれるため落下衝撃に対し強化できることにより、ラーメモード振動子の外形寸法を振動領域の形状が平板の形態を有した、他の同じ周波数の振動子を作る際場合のラーメモード振動子を流用し、小さな外形寸法でも例えば４ＭＨｚ周辺の出力周波数に比べて、更に低い出力周波数を得ることが可能となるのでより小型な振動子ができる。なお、本発明の振動領域８の形態を実現するにあたっては、ラーメモード振動子の外形形成を行う製造プロセスであるエッチング工程により行うものである。また、本実施例では振動領域８の両面の板厚を変えて描画しているが、少なくとも一面の処理でも機能することができる。なお、本実施例では振動領域８に形成する保持部３については、水晶素子１と一体的に形成しても、金属材料を別付けして保持部３を形成しても構わない。

ラーメモード水晶振動子の１次の形態を示す平面図である。 図１に示す振動形態を解析するモードである。 図１の基本形を基に、高次の場合の振動形態を示す平面図である。 本発明のラーメモード振動子の形態を示す斜視図である。 本発明の要部の状態を示した部分断面図である。 本発明の振動領域に着目した部分拡大図である。 従来例として示すラーメモード水晶振動子形態の概念図である。 ラーメモード振動子の素子を形成する製造プロセスを示すフロー図である。

符号の説明

１ 水晶素子
２ 無変位部（回転モーメントの無い無変位部）
３ 保持部
４ 受け部
５ 励振電極
６ 引き出し電極
７ 容器体
８ 振動領域
９ 軟質接合用金属

Claims (2)

1. 主面の形状が長方形で、主面における長辺の長さと短辺の長さとの比率が、短辺の長さを１とした場合に、長辺の長さが２以上の整数となっている、ＬＱ１Ｔカット或いはＬＱ２Ｔカットの水晶素子には、一辺の長さを前記水晶素子の短辺の長さとする正方形の振動領域が、前記水晶素子の長辺方向に複数並んで備わっており、
   前記水晶素子におけるそれぞれの前記振動領域の表裏主面の中心には、前記水晶素子を保持する保持部が設けられており、
   前記水晶素子に電荷を加えた場合に、それぞれの前記振動領域の角部を節部としたラーメモードの振動が生じるラーメモード水晶振動子において、
   それぞれの前記振動領域における前記水晶素子の厚みが、それぞれの前記振動領域の主面外周から、それぞれの前記振動領域の主面中心に向かって薄くなっており、
   前記保持部が、前記保持部に対応して前記水晶素子を収納する容器体に設けられた受け部と嵌め合うことができるように、前記振動領域の表裏主面から外側に向かって突起した凸形状、又は凹部を有する形状である
   ことを特徴とするラーメモード水晶振動子。
2. それぞれの前記振動領域における前記水晶素子の少なくとも一主面全体が、凹レンズ状になっていることを特徴とする請求項１記載のラーメモード水晶振動子。

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