JP5228898B2 - Crystal oscillator - Google Patents
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Description
本発明は水晶振動子に関するものであり、水晶振動板を保持する金属サポートの構造を改善するものである。 The present invention relates to a crystal resonator, and improves the structure of a metal support that holds a crystal diaphragm.
水晶振動子は共振特性に優れることから、周波数、時間の基準源として広く用いられており、水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄膜電極を外気から保護するため、パッケージ体により気密封止されている。 Since quartz resonators have excellent resonance characteristics, they are widely used as a reference source for frequency and time. A metal thin film electrode is formed on the surface of the quartz diaphragm, and this metal thin film electrode is protected from the outside air. Is hermetically sealed.
このうちOCXOと称される恒温槽型水晶発振器に用いられる水晶振動子では、金属性のパッケージ体が用いられているのが現状である。具体的には、金属ベースにはガラスなどの絶縁材を介して一対の金属リード端子が植設されており、当該金属リード端子のインナーリード部分には、一対の金属平板のサポート部材が対向して取り付けられている。水晶振動板は、例えば、厚みすべり振動してなるATカット水晶振動板であり、表裏面には励振電極と、各励振電極からの引出電極が形成されている。そして、前記金属サポートの上に水晶振動板が搭載され、導電性接合材により電気的機械的に接続されるとともに、前記金属ベースに金属製の蓋を被せて気密封止する構成となっている。 Among these, the crystal resonator used in the thermostatic chamber type crystal oscillator called OCXO currently uses a metallic package. Specifically, a pair of metal lead terminals are planted on the metal base via an insulating material such as glass, and a pair of metal flat plate support members are opposed to the inner lead portion of the metal lead terminal. Attached. The quartz diaphragm is, for example, an AT-cut quartz diaphragm that vibrates through a thickness, and an excitation electrode and an extraction electrode from each excitation electrode are formed on the front and back surfaces. A quartz diaphragm is mounted on the metal support and is electrically and mechanically connected by a conductive bonding material. The metal base is covered with a metal lid and hermetically sealed. .
なお、OCXOは外部の温度変化に影響することなく、水晶振動子を恒温槽内で温度制御することにより周波数の高安定化を行ったものであり、周波数安定度として1×10-7〜1×10-10程度の水晶振動子で得られる最高水準の周波数安定度を得ることができるため、無線基地局や伝送ラインなどの基準周波数として利用されている。 In addition, OCXO is one in which the frequency is stabilized by controlling the temperature of the crystal unit in a thermostat without affecting the external temperature change, and the frequency stability is 1 × 10 −7 to 1 Since the highest level of frequency stability that can be obtained with a crystal resonator of about × 10 −10 can be obtained, it is used as a reference frequency for radio base stations and transmission lines.
特許文献1では、このようなOCXOに用いられる良好なエージング特性が得られるAuGe(金―ゲルマニウム)などの金属ろう材が用いられた高安定向け水晶振動子の保持構造に対する改善構成を提案している。
高安定向け水晶振動子の保持構造では、外部環境温度の変化に伴うサポート部材の熱膨張性と熱伝導性の影響を考慮することが重要となっている。熱膨張の大きい金属を使用した場合、外部からの熱が加わるとサポート部材から水晶振動板に対して不要な熱的機械的な応力を与えることとなり、水晶振動子のエージング特性などが悪化する傾向にある。また、熱伝導の悪い金属を使用した場合、外部環境温度の変化に対する水晶振動子の熱追従性も悪化し、OCXOとして水晶振動子を利用する際には、水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱して周波数が安定するまでの時間が長くなり、起動特性も悪くなることがあった。これに対して熱伝導の良すぎる金属を使用した場合、水晶振動板に伝わる温度が急激で熱衝撃を与え、水晶振動子の周波数のハンチング(オーバーシュート)が起きてしまうことがあった。 In the crystal structure holding structure for high stability, it is important to consider the effects of the thermal expansion and thermal conductivity of the support member accompanying changes in the external environment temperature. When a metal with high thermal expansion is used, if external heat is applied, unnecessary thermal mechanical stress is applied from the support member to the quartz diaphragm, and the aging characteristics of the quartz resonator tend to deteriorate. It is in. In addition, when a metal having poor heat conductivity is used, the thermal followability of the crystal unit with respect to changes in the external environment temperature also deteriorates. When using a crystal unit as an OCXO, the crystal unit is set in a constant temperature chamber. In some cases, the time until the frequency is stabilized after heating to the temperature becomes long, and the start-up characteristics are also deteriorated. On the other hand, when a metal having too good thermal conductivity is used, the temperature transmitted to the crystal diaphragm is sudden and gives a thermal shock, which may cause hunting (overshoot) of the frequency of the crystal unit.
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、外部環境温度の変化に伴うサポート部材の熱膨張性と熱伝導性の悪影響が生じないより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and a highly reliable high-stable crystal resonator that does not adversely affect the thermal expansion and thermal conductivity of the support member accompanying changes in the external environment temperature. It is intended to provide.
そこで、本発明の水晶振動子は、少なくとも2本の金属リード端子が絶縁材を介して貫通植設されてなるベースと、前記金属リード端子のインナー側に設けられた金属サポートと、当該金属サポートに搭載されかつ導電性接合材を介して接合される板状の水晶振動板とからなるOCXO用の水晶振動子であって、前記ベースに蓋を被覆し真空雰囲気中で気密封止されるとともに、前記金属サポートがニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなる水晶より低熱膨張性の金属材料からなり、金属サポートの外部表面には当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜が形成されてなり、当該金属膜が前記金属サポートの金属母材の厚みに対して3〜10%の厚みで形成することを特徴とする。 Therefore, a crystal resonator according to the present invention includes a base in which at least two metal lead terminals are embedded through an insulating material, a metal support provided on the inner side of the metal lead terminal, and the metal support. A crystal unit for OCXO which is mounted on a plate and is bonded to each other through a conductive bonding material, wherein the base is covered with a lid and hermetically sealed in a vacuum atmosphere. The metal support is made of a metal material having a lower thermal expansion than quartz made of a nickel iron-based low thermal expansion alloy, and a metal film having a higher thermal conductivity than the metal support is formed on the outer surface of the metal support. Ri, characterized that you formed in 3-10% of the thickness of the thickness of the metal base material of the metal film is the metal support.
上述の構成により、前記金属サポートが水晶より低熱膨張性の金属材料からなり、金属サポートの外部表面には当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜が形成されているので、外部環境温度の変化により金属サポートの熱膨張が水晶振動板に比べて生じることがほとんどなくなり、金属サポートから水晶振動板に対して環境温度の変化による応力を与えることがなくなることで、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。このような低熱膨張性の金属材料では従来で使用されている金属サポートに比べて熱伝導率が小さい傾向にあるため、より熱伝導率の高い金属膜が金属サポートの外部表面に形成されていることで、外部環境温度の変化による水晶振動子のパッケージ体(蓋とベース)外部の温度に対して金属膜が遅れなく水晶振動板に対して温度を伝え、温度差が生じることがほとんどなくなる。このような構成を組み合わせることで、水晶振動子のエージング特性と熱追従性を同時かつより効果的に高めることができ、より安定した周波数温度特性を得ることができる。OCXOとして水晶振動子を利用する場合の起動特性も向上することができる。つまり水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱して周波数が安定するまでの時間もより短時間で起動させることができる。 With the above-described configuration, the metal support is made of a metal material having a lower thermal expansion than quartz, and a metal film having higher thermal conductivity than the metal support is formed on the outer surface of the metal support. As a result, thermal expansion of the metal support hardly occurs compared to the quartz diaphragm, and stress due to changes in environmental temperature is not applied from the metal support to the quartz diaphragm. it can. In such a low thermal expansion metal material, since the thermal conductivity tends to be smaller than that of a metal support used in the past, a metal film having a higher thermal conductivity is formed on the outer surface of the metal support. As a result, the metal film transmits the temperature to the crystal diaphragm without delay with respect to the temperature outside the package body (lid and base) of the crystal unit due to the change in the external environment temperature, and the temperature difference hardly occurs. By combining such configurations, the aging characteristics and thermal followability of the crystal resonator can be improved simultaneously and more effectively, and more stable frequency-temperature characteristics can be obtained. The starting characteristics when a crystal resonator is used as the OCXO can also be improved. That is, it is possible to start up the crystal resonator in a shorter time after the crystal resonator is heated to a predetermined temperature in the thermostat and the frequency is stabilized.
また前記金属膜を形成する場合、金属サポートの表裏主面に形成することがより望ましい。これは金属膜を金属サポートの表裏主面に形成することで金属サポート全体としての熱変形に偏りが生じることがなくなり、水晶振動板に対して余分な応力をかけることがない。なお、上述の金属膜を形成することによる効果は、真空雰囲気で気密封止された高安定向け水晶振動子に特に有効である。真空雰囲気で気密封止されると、外部環境に対する温度差はパッケージ体外部からの輻射熱による影響はなく、金属リード端子と金属サポートを介した伝熱のみの影響が強まるため、熱伝導性を高める金属膜による恩恵が特に生じやすい。 Moreover, when forming the said metal film, forming on the front and back main surface of a metal support is more desirable. By forming the metal film on the front and back main surfaces of the metal support, there is no bias in the thermal deformation of the entire metal support, and no extra stress is applied to the crystal diaphragm. The effect of forming the metal film described above is particularly effective for a highly stable crystal resonator that is hermetically sealed in a vacuum atmosphere. When hermetically sealed in a vacuum atmosphere, the temperature difference with respect to the external environment is not affected by radiant heat from the outside of the package body, but the effect of only heat transfer via the metal lead terminals and metal support is enhanced, thus increasing thermal conductivity The benefits of metal films are particularly likely.
また、上述の金属サポート構成において、低熱膨張性の金属材料として、ニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなり、例えば水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近いインバー、スーパーインバーを用いてもよい。これらの金属サポートを用いることで、上述の作用効果が得られる高安定向けの水晶振動子に望ましい最適材料が選択できる。具体的には、インバーとして、三菱マテリアル株式会社製:MA―INV36<Fe-36Ni>(インバー/アンバー)、スーパーインバーとして、MA−S−INVER<Fe-32Ni-5Co>(スーパーインバー)等があげられる。インバー、スーパーインバーは低熱膨張性の高い材料であるが、熱伝導率が悪く外部からの熱が加わった時の熱追従性が悪いために水晶振動板へ伝わる熱が遅れて、起動特性が悪化する傾向にある。本発明ではこのインバー、スーパーインバーより熱伝導率の高い金属膜を施すことにより、低熱膨張でありながら、熱伝導率も同時に高めることができ、高安定向けの水晶振動子に望ましい保持構造が得られる。 Further, in the above-described metal support configuration, the low thermal expansion metal material is made of a nickel iron-based low thermal expansion alloy. For example, invar and super invar whose thermal expansion coefficient is close to zero from about half the thermal expansion coefficient of quartz. May be used. By using these metal supports, it is possible to select an optimum material desirable for a highly stable crystal resonator capable of obtaining the above-described effects. Specifically, Mitsubishi Materials Co., Ltd .: MA-INV36 <Fe-36Ni> (invar / amber) as an invar, MA-S-INVER <Fe-32Ni-5Co> (superinver) as a super invar, etc. can give. Invar and Super Invar are materials with low thermal expansion, but the thermal conductivity is poor and the thermal followability when external heat is applied is poor, so the heat transmitted to the quartz diaphragm is delayed, and the startup characteristics deteriorate. Tend to. In the present invention, by applying a metal film having higher thermal conductivity than Invar and Super Invar, the thermal conductivity can be increased at the same time while having low thermal expansion, and a desirable holding structure for a highly stable crystal unit is obtained. It is done.
また、上述の構成において、前記金属サポートより熱伝導率の高い金属膜としてCuメッキを形成してもよい。Cuメッキを用いることで、上述の作用効果が得られる高安定向けの水晶振動子に望ましい最適材料が選択できる。つまり、Cuは金属ろう材(導電性接合材)が溶融する際に濡れ性がよく、金属ろう材による接合力を向上させることができる。金や銀などの熱伝導率の高い他の貴金属に比べて安価で安定供給できる熱伝導性能の極めて高い金属材料であり、Cuメッキも汎用されるメッキ浴を用いて比較的安価かつ容易にメッキ形成することができるものである。また、Cuはインバーなどと同じエッチング液により加工することができるため、Cuとインバー、あるいはスーパーインバーとの組み合わせることで、加工性が高いサポート材料が得られる。なお、Cuメッキにより金属膜を構成する場合には、その膜厚を3〜10μm程度に形成することがより望ましい。このようにCuの膜厚を設定することで、コストを抑えながら安定した伝熱性を維持し、サポート全体としての低熱膨張性能の維持や不要な熱応力の悪影響をなくすことができる。銅メッキとして3μmより薄く形成すると伝熱性が低下する。銅メッキとして10μmより厚く形成すると金属サポートの曲げ加工等によりメッキの割れの危険性が増したり、サポート全体としての熱膨張性能にも悪影響が生じ水晶振動板に対して不要な熱的な応力を加わりやすくなる危険性が高まる。 In the above-described configuration, Cu plating may be formed as a metal film having higher thermal conductivity than the metal support. By using Cu plating, it is possible to select an optimum material desirable for a highly stable crystal resonator capable of obtaining the above-described effects. That is, Cu has good wettability when the metal brazing material (conductive bonding material) is melted, and can improve the bonding force by the metal brazing material. Compared to other precious metals with high thermal conductivity such as gold and silver, it is a metal material with extremely high thermal conductivity that can be stably supplied at a low cost. Cu plating is also relatively inexpensive and easy to plate using a general-purpose plating bath. It can be formed. Further, since Cu can be processed with the same etching solution as Invar and the like, a support material with high processability can be obtained by combining Cu and Invar or Super Invar. In addition, when forming a metal film by Cu plating, it is more desirable to form the film thickness in about 3-10 micrometers. By setting the Cu film thickness in this way, it is possible to maintain stable heat transfer while suppressing costs, and to maintain the low thermal expansion performance of the entire support and to eliminate the adverse effects of unnecessary thermal stress. When the copper plating is formed thinner than 3 μm, the heat conductivity is lowered. If the copper plating is formed thicker than 10 μm, the risk of plating cracking increases due to bending of the metal support, etc., and the thermal expansion performance of the support as a whole is adversely affected, and unnecessary thermal stress is applied to the crystal diaphragm. The risk of becoming more likely to join increases.
また、上述の構成において、前記水晶振動板が導電性接合材を介して保持される金属サポートの主面領域には、前記金属膜が形成されない中央部と、当該中央部の周囲に前記金属膜が形成された第1の環状部と、当該第1の環状部の周囲に前記金属膜が形成されない第2の環状部とが形成されている。このように構成することで、前記中央部を金属ろう材(導電性接合材)の位置決め接合用の目印として利用することができ、当該中央部付近で位置決め接合された金属ろう材が第1の環状部と第2の環状部の境界部分にかけてフィレット形成されることでより強固な接合が行える。これは前記第1の環状部では金属膜が形成されていることで、接合前に溶融した金属ろう材が拡散しやすくなり、第2の環状部では金属膜が形成されていないので、接合前に溶融した金属ろう材が拡散しにくくなることに起因している。 Further, in the above-described configuration, in the main surface region of the metal support where the crystal diaphragm is held via the conductive bonding material, a central portion where the metal film is not formed, and the metal film around the central portion A first annular portion in which is formed, and a second annular portion in which the metal film is not formed around the first annular portion. By comprising in this way, the said center part can be utilized as a mark for positioning joining of a metal brazing material (electroconductive joining material) , and the metal brazing material positioned and joined in the vicinity of the center part is the first. By performing fillet formation over the boundary portion between the annular portion and the second annular portion, stronger bonding can be performed. This is because the metal film is formed in the first annular part, so that the molten metal brazing material is easily diffused before joining, and the metal film is not formed in the second annular part. This is because the molten metal brazing material is difficult to diffuse.
また、上述の中央部と第2の環状部について凹部を形成することで、前記金属膜を除去してもよい。中央部に凹部を有することで金属ろう材(導電性接合材)の位置決め性能がより高まるだけでなく、金属ろう材の溜まり部としても機能する。第2の環状部に凹部を有することで金属ろう材の不要な流れ出しをなくして水晶振動板に対する接合強度を安定させることができる。特にこの金属サポートの凹部はお互いに同形状同体積で形成することがより好ましい。これらにより金属サポートと導電性接合材により接合される保持部分の応力も均一なものとなり、金属サポートなどの外部から水晶振動板に対して受ける応力もより均一に安定した状態で分散し、結果として経年変化に対する応力抑制がより一層実現できる。 Moreover, you may remove the said metal film by forming a recessed part about the above-mentioned center part and 2nd cyclic | annular part. By having the concave portion in the central portion, not only the positioning performance of the metal brazing material (conductive bonding material) is further enhanced, but also functions as a reservoir for the metal brazing material. By having the concave portion in the second annular portion, unnecessary flow out of the metal brazing material can be eliminated, and the bonding strength to the crystal diaphragm can be stabilized. In particular, the recesses of the metal support are more preferably formed with the same shape and volume. As a result, the stress of the holding part joined by the metal support and the conductive bonding material is also uniform, and the stress applied to the quartz diaphragm from the outside such as the metal support is distributed more uniformly and stably, and as a result Stress suppression against aging can be realized even more.
また、上述の構成において、前記導電性接合材がAuGe、AuSn、Auなどの金系合金ろう材からなり、かつ前記水晶振動板の表裏主面に形成される励振電極が金を主成分とする電極材料を用いてもよい。この構成により、上述の作用効果に加えて、励振電極材料や金属ろう材が酸化等の電気的特性の劣化が生じにくい安定した材料となるので、エージング特性もさらに高めることができる。 Further, in the above-described configuration, the conductive bonding material is made of a gold alloy brazing material such as AuGe, AuSn, or Au, and the excitation electrode formed on the front and back main surfaces of the crystal diaphragm has gold as a main component. An electrode material may be used. With this configuration, in addition to the above-described effects, the aging characteristics can be further enhanced because the excitation electrode material and the metal brazing material are stable materials that are less susceptible to deterioration of electrical characteristics such as oxidation.
本発明により、外部環境温度の変化に伴うサポート部材の熱膨張性と熱伝導性の悪影響が生じないより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly stable and highly stable crystal resonator that does not adversely affect the thermal expansion and thermal conductivity of the support member due to changes in the external environment temperature.
次に、本発明による実施の形態を、水晶振動子を例にとり、図面を参照して説明する。図1は本発明の実施形態を示す分解斜視図であり、図2は図1の金属サポートの水晶振動板保持部の主面領域の拡大正面図であり(図1の点線楕円部分)、図3は図1を組み立てた状態の第1形態を示す正面図であり、図4は第1形態における製造工程を示す模式図である。図5は図1を組み立てた状態の第2形態を示す正面図であり、図6は第2形態における製造工程を示す模式図である。図7は本発明の実施形態の水晶振動板を示す正面図であり、図8と図9は本発明の他の実施形態の水晶振動板を示す正面図である。なお、各形態において同様の部分については同番号を付すとともに特に必要がなければ説明の一部を割愛している。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, taking a crystal resonator as an example. FIG. 1 is an exploded perspective view showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged front view of a main surface area of a crystal diaphragm holding portion of a metal support in FIG. 1 (dotted oval portion in FIG. 1). 3 is a front view showing a first embodiment in a state where FIG. 1 is assembled, and FIG. 4 is a schematic view showing a manufacturing process in the first embodiment. FIG. 5 is a front view showing a second embodiment in a state where FIG. 1 is assembled, and FIG. 6 is a schematic view showing a manufacturing process in the second embodiment. FIG. 7 is a front view showing a crystal diaphragm according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 8 and 9 are front views showing a crystal diaphragm according to another embodiment of the present invention. In addition, in each form, the same number is attached | subjected about the same part, and if there is no need in particular, the description is omitted.
ベース1は全体として低背の長円柱形状であり、金属製のシェルを主とするベース本体10に金属リード端子11,12が貫通して植設された構成であり、絶縁ガラスGがベース本体の一部に充填されることにより、これら金属リード端子11,12は電気的に独立して一体形成されている。
The
金属リード端子11,12は細長い円柱形状であり、例えばベース上部のインナー側の先端部11a,12aは幅広で上部が平らな釘頭形状に形成されている。このインナーリードの先端部には、後述する金属サポート13,14が溶接の手法(レーザー溶接、スポット溶接等)により対向して取り付けられている。このため、前記金属サポートを金属リード端子に搭載する場合に傾く事なく水平に安定し搭載でき、溶接面積も拡大するので、接合強度が向上し、金属サポートを金属リード端子溶接する際の信頼性が飛躍的に向上する。
The
金属サポート13,14は、例えばニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で、水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近い金属材料を用いている、具体的に三菱マテリアル株式会社製のものであれば、MA―INV36<Fe-36Ni>(インバー/アンバー)、MA−S−INVER<Fe-32Ni-5Co>(スーパーインバー)等があげられる。 The metal supports 13 and 14 are, for example, nickel iron-based low thermal expansion alloys, which use a metal material whose thermal expansion coefficient is close to zero from about half the thermal expansion coefficient of quartz, specifically manufactured by Mitsubishi Materials Corporation. MA-INV36 <Fe-36Ni> (invar / amber), MA-S-INVER <Fe-32Ni-5Co> (super invar) and the like.
このような金属サポート13,14は、例えば厚みが0.1mmのインバーなどの金属母材に対してその表裏主面に対して3〜10μmの銅メッキからなる当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜Mが形成されており、前記金属リード端子と接合されるリード接続部131,141と、断面略コ字形状で後述する水晶振動板を挟み込んだ状態で保持する水晶振動板保持部132,142とを有している。また本形態では図2に示すように、金属サポートの水晶振動板保持部132,142の主面領域には、前記金属膜Mが形成されない中央部1321,1421と、当該中央部の周囲に前記金属膜Mが形成された第1の環状部1322,1422と、当該第1の環状部の周囲に前記金属膜が形成されない第2の環状部1323,1423とが形成されている。なお、図1でも示しているように、リード端子11,12との溶接に影響が生じる場合には、金属サポートのリード接続部131,141に金属膜Mを形成しなくてもよい。
Such metal supports 13 and 14 have higher thermal conductivity than the metal support made of copper plating of 3 to 10 μm with respect to the front and back main surfaces of a metal base material such as Invar having a thickness of 0.1 mm, for example. A metal film M is formed, and lead
前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142には後述する固形状の金属ろう材3が溶接などにより予め取り付けられ、かつ溶融後の金属ろう材が溜まる金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143が形成されている。本形態では図2に示すように、金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143の形状を例えば中央に凹部(中央部1321,1421)、その周囲に凸部(第1の環状部1322,1422)、さらにその周囲に凹部(第2の環状部1323,1423)を有した凹凸形状により構成した。なお金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143はこのような凹凸形状に限定されるものではなく、金属ろう材ペレットや金属ろう材ボールなど各固形状の金属ろう材3の形状に応じてお互いに係止でき、かつ溶融後の金属ろう材3が溜まるような形状であればよく、凹部のみや凸部のみ、穴部、あるいはこれらの組み合わせ形状であってもよい。
A solid
また金属サポートの水晶振動板保持部132,142の一部には窓部134,144(水晶振動板保持部の目印)が形成されている。この窓部134,144は切欠部や穴部などにより構成することができ、後述する水晶振動板の接続電極23,24の一部が外部表面に露出されるよう形成されている。
In addition,
水晶振動板2は例えばATカット水晶振動板からなり、片面プラノ研磨加工された円盤形状に構成されている。前記水晶振動板の主面の中心点Oを通過するZ’軸に対して当該中心点から板面が+30°回転させた回転軸と当該水晶振動板の端部が交差し、対向する2点の交差点A,Bにはそれぞれ側端部に凹部21,22(金属サポート接合部の目印であり、水晶振動板の金属ろう材溜まり部)がハーフエッチングなどの手法により形成されている。この凹部21,22は後述する溶融後の金属ろう材3が溜まる金属ろう材溜まり部として構成されており、お互いの凹部21,22が同形状同体積で形成することがより好ましい。この凹部21,22の上面には後述する金属ろう材3が接続される接続電極23,24(金属サポート接合部の目印)も形成されている。この接続電極23,24は金を主成分とする電極材料により構成されており、例えばクロムやニッケルの下地電極層の上面に金電極層が形成されている。なお金属ろう材3が溜まる金属ろう材溜まり部は凹部21,22に限定されるものではなく、溶融した後の金属ろう材が溜まることができるような形状であればよく、穴部、溝部、凸部、あるいはこれらの組み合わせ形状であってもよい。
The
金属ろう材3(導電性接合材)は例えばAuGe、AuSn、Auなどの金系合金ろう材ペレットからなり、前記金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143に対して予め溶接などで取り付けられている。
The metal brazing material 3 (conductive bonding material) is made of, for example, a gold-based alloy brazing material pellet such as AuGe, AuSn, or Au, and is previously attached to the metal brazing
−第1形態−
以下、第1形態の水晶振動子の構成とその製造方法について、図3、図4とともに説明する。図4(a)に示すように、金属ろう材3が取り付けられた金属サポート13,14に対して前記凹部21,22と接続電極23,24のみが形成された水晶振動板2が搭載される。この際前記金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143に対して前記水晶振動板の凹部21,22が近接した状態で配置搭載する。
-First form-
Hereinafter, the configuration of the crystal resonator of the first embodiment and the manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 4 (a), the
次に、図4(b)に示すように、上記金属ろう材溜まり部と凹部が近接した状態で金属サポートの水晶振動板保持部132,142に対して金属ろう材3と水晶振動板2が取り付けられた気密封止前のベース1(封止前水晶振動子)を加熱炉に搬入する。加熱炉は例えば高真空アニール炉が用いられており、真空雰囲気中で前記封止前水晶振動子全体(ベース)を加熱する。そして例えば金属ろう材3の融点以上の温度に加熱することで、前記水晶振動板の凹部21,22に溶融した金属ろう材3が留まった状態で前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24とが溶融した金属ろう材3により接合される。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に、図4(c)に示すように、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24とが接合された気密封止前のベース1(封止前水晶振動子)であって水晶振動板2の表裏主面上に、図示しないマスク部材を配置しながら励振電極25,26(裏面の26については図示せず)と引出電極27,28が真空蒸着法やスパッタリング等の手段にて設けられている。これら励振電極25,26と引出電極27,28は一体で同時に形成され、金を主成分とする電極材料により構成されており、例えばクロムやニッケルの下地電極層の上面に金電極層が形成されている。
Next, as shown in FIG. 4 (c), the base before airtight sealing in which the crystal
なお、図3に示すように、引出電極27,28が前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142の外部表面と前記水晶振動板の励振電極25,26とを接続するように形成しているので、金属サポート13,14と励振電極25,26との電気的接続性が確実になる。特に本発明の実施形態では、金属サポートの水晶振動板保持部132,142の一部には窓部134,144が形成され、水晶振動板の接続電極23,24との一部が外部表面に露出されるよう形成されているので、金属サポートと水晶振動板との隙間部分で引出電極27,28が断線したとしても、金属ろう材3が存在する上面領域に確実に引出電極27,28が形成することができ、電気的接続性がより確実なものとなる。
As shown in FIG. 3, the
以上のように構成された封止前水晶振動子は、ベースに図示しない蓋を被覆し真空雰囲気中で気密封止することで第1形態の水晶振動子が完了する。 In the pre-sealing crystal resonator configured as described above, the base of the first embodiment is completed by covering the base with a lid (not shown) and hermetically sealing in a vacuum atmosphere.
−第2形態−
以下、第2形態の水晶振動子の構成とその製造方法について、図5、図6とともに説明する。図6(a)に示すように、金属ろう材3が取り付けられた金属サポート13,14に対して前記凹部21,22と接続電極23,24と励振電極25,26(裏面の26については図示せず)が形成された水晶振動板2が搭載される。この際前記金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143に対して前記水晶振動板の凹部21,22が近接した状態配置搭載する。なおこの時の水晶振動板の励振電極25,26と接続電極23,24とはお互いに断線状態となっている。
-Second form-
Hereinafter, the configuration of the crystal resonator of the second embodiment and the manufacturing method thereof will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 6A, the
次に、図6(b)に示すように、上記金属ろう材溜まり部と凹部が近接した状態で金属サポートの水晶振動板保持部132,142に対して金属ろう材3と水晶振動板2が取り付けられた気密封止前のベース1(封止前水晶振動子)を加熱炉に搬入する。加熱炉は例えば高真空アニール炉が用いられており、真空雰囲気中で前記封止前水晶振動子全体(ベース)を加熱する。そして例えば金属ろう材3の融点以上の温度に加熱することで、前記水晶振動板の凹部21,22に溶融した金属ろう材3が留まった状態で前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24とが溶融した金属ろう材3により接合される。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図6(c)に示すように、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24とが接合された気密封止前のベース1(封止前水晶振動子)であって水晶振動板2の表裏主面上に、図示しないマスク部材を配置しながら引出電極27,28が真空蒸着法やスパッタリング等の手段にて設けられている。これら励振電極25,26と引出電極27,28は別々に形成されるが、金を主成分とする電極材料により構成されており、例えばクロムやニッケルの下地電極層の上面に金電極層が形成されている。
Next, as shown in FIG. 6 (c), the base before airtight sealing in which the crystal
なお、図5に示すように、引出電極27,28が前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142の外部表面と前記水晶振動板の励振電極25,26の一部上面とを接続するように形成しているので、金属サポート13,14と励振電極25,26との電気的接続性が確実になる。特に本発明の実施形態では、金属サポートの水晶振動板保持部132,142の一部には窓部134,144が形成され、水晶振動板の接続電極23,24との一部が外部表面に露出されるよう形成されているので、金属サポートと水晶振動板との隙間部分で引出電極27,28が断線したとしても、金属ろう材3が存在する上面領域に確実に引出電極27,28が形成することができ、電気的接続性がより確実なものとなる。
As shown in FIG. 5, the
以上のように構成された封止前水晶振動子は、ベースに図示しない蓋を被覆し真空雰囲気中で気密封止することで第2形態の水晶振動子が完了する。 In the pre-sealing crystal resonator configured as described above, the base of the second embodiment is completed by covering the base with a lid (not shown) and hermetically sealing in a vacuum atmosphere.
上記実施形態により、金属サポート13,14がニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなり、水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近い「インバー」、「スーパーインバー」等を用いて構成しているので、外部環境温度の変化により金属サポート13,14の熱膨張が生じることがほとんどなくなり、金属サポート13,14から水晶振動板2に対して外部環境温度の変化による応力を与えることがなくなり、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。上述のような金属材料では従来で使用されている金属サポート13,14に比べて熱伝導率が小さい傾向にあるため、より熱伝導率の高い金属膜Mが金属サポート13,14の外部表面に形成されていることで、外部環境温度の変化による水晶振動子のパッケージ体(蓋とベース1)外部の温度に対して金属膜が遅れなく水晶振動板2に対して温度を伝え、温度差が生じることがほとんどなくなる。このような構成を組み合わせることで、水晶振動子のエージング特性と熱追従性を同時かつより効果的に高めることができ、より安定した周波数温度特性を得ることができる。OCXOとして水晶振動子を利用する場合の起動特性も向上することができる。つまり水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱して周波数が安定するまでの時間もより短時間で起動させることができる。
According to the above embodiment, the metal supports 13 and 14 are made of a nickel iron-based low thermal expansion alloy, and “Invar”, “Super Invar”, etc. whose thermal expansion coefficient is close to zero from about half the thermal expansion coefficient of quartz are used. Therefore, the thermal expansion of the metal supports 13 and 14 hardly occurs due to the change of the external environment temperature, and stress due to the change of the external environment temperature is given from the metal supports 13 and 14 to the
また、金属膜Mを金属サポート13,14の表裏主面に形成することで金属サポート全体としての熱変形に偏りが生じることがなくなり、水晶振動板2に対して余分な応力をかけることがない上で好ましい。金属膜MとしてCuメッキを用いることで、金属ろう材が溶融する際に濡れ性がよく、金属ろう材による接合力を向上させることができる。汎用されるメッキ浴を用いて比較的安価かつ容易にメッキ形成することができ、伝熱性に優れた金属膜を形成することができる。特に前記低熱膨張性の金属母材の厚みに対して3〜10%程度の厚みの金属膜Mを形成することで、より具体的にはインバーやスーパーインバーなどニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなる厚さ0.1mmの金属母材に対してCuメッキとして3〜10μmの厚みで形成することで、コストを抑えながら安定した伝熱性を維持し、サポート全体としての低熱膨張性能の維持や不要な熱応力の悪影響をなくすことができる。Cuメッキとして3μmより薄く形成すると伝熱性が低下する。Cuメッキとして10μmより厚く形成すると金属サポートの曲げ加工等によりメッキの割れの危険性が増したり、サポート全体としての熱膨張性能にも悪影響が生じ水晶振動板に対して不要な熱的な応力を加わりやすくなる危険性が高まる。インバー、スーパーインバーは低熱膨張性の高い材料であるが、熱伝導率が悪く外部からの熱が加わった時の熱追従性が悪いために水晶振動板へ伝わる熱が遅れて、起動特性が悪化する傾向にある。本発明ではこのインバー、スーパーインバーより熱伝導率の高いCuメッキを施すことにより、低熱膨張でありながら、熱伝導率も同時に高めることができ、高安定向けの水晶振動子に望ましい保持構造が得られる。特にCuメッキの厚みにより適正に熱伝導率を調整することができ、上述のように3〜10μmの厚みでCuメッキを形成することで、水晶振動子の周波数のハンチング(オーバーシュート)を起すことなく、水晶振動板へ伝わる熱遅延することもない条件で保持部材を作成することができる。
Further, since the metal film M is formed on the front and back main surfaces of the metal supports 13 and 14, there is no bias in thermal deformation as the whole metal support, and no excessive stress is applied to the
また、金属サポートの水晶振動板保持部132,142には、金属ろう材溜まり部133,143を構成し、中央に金属膜Mが形成されない凹部(中央部1321,1421)、その周囲に金属膜Mが形成された凸部(第1の環状部1322,1422)、さらにその周囲に金属膜Mが形成されない凹部(第2の環状部1323,1423)を有した凹凸形状により構成している。このように構成することで、中央部1321,1421に対して金属ろう材3のペレットを嵌めこみ位置決め接合用の目印として利用することができ、溶融した金属ろう材3の溜まり部としても機能する。当該中央部付近で位置決め接合された金属ろう材が第1の環状部1322,1422と第2の環状部1323,1423の境界部分にかけてフィレット形成されることでより強固な接合が行える。
In addition, the metal support crystal
また、前記金属ろう材3がAuGe、AuSn、Auなどの金系合金ろう材からなり、かつ前記水晶振動板2の表裏主面に形成される励振電極25,26および引出電極27,28が金を主成分とするクロムやニッケルの下地電極層の上面に金電極層が形成されている。このため、励振電極25,26や金属ろう材3が酸化等の電気的特性の劣化が生じにくい安定した材料となるので、エージング特性もさらに高めることができる。
The
また前記金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143(水晶振動板保持部の目印)、あるいは金属サポートの窓部134,144(水晶振動板保持部の目印)に対して前記水晶振動板の凹部21,22が近接した状態で高真空アニール炉にて加熱し、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24とが前記溶融した金属ろう材3により接合することで、金属サポート13,14のうち固形状の金属ろう材3が取り付けられた部位に対して水晶振動板2の凹部21,22と金属ろう材接続電極形成23,24された部位をお互いに正確に位置決め固定することができ、水晶振動板の端部のうち応力感度がない少なくとも2つのポイントに対する正確な位置決めがなされた状態でお互いを接合することができる。また金属ろう材3の溶融中に応力感度がないポイントからずれてお互いに接合されることもない。特に前記金属サポートの金属ろう材溜まり部133,143に予め取り付けられた固形状の金属ろう材3に対して水晶振動板の凹部21,22(金属サポート接合部の目印であり、水晶振動板の金属ろう材溜まり部)を係止させて正確な位置合わせが確実に行え、金属ろう材3が完全に溶融するまで位置ずれすることもない。
Further, the concave portion of the crystal diaphragm relative to the metal
つまり金属サポート13,14などの外部から水晶振動板2に対して受ける応力も安定したものとすることでき、経年変化に対する応力も抑制できる。特に前記水晶振動板の端部に形成される各凹部21,22はお互いに同形状同体積で形成することがより好ましく、金属サポート13,14と金属ろう材3により接合される保持部分の応力も均一なものとなり、金属サポート13,14などの外部から水晶振動板2に対して受ける応力もより均一に安定した状態で分散し、結果として経年変化に対する応力抑制がより一層実現できる。
That is, the stress applied to the
結果として金属ろう材3を用いて金属サポート13,14と水晶振動板2を接合する際の位置決めと接合性が良好で、エージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することができる。
As a result, a highly reliable crystal resonator for high stability with higher positioning and bonding properties when bonding the metal supports 13 and 14 and the
また、真空アニール炉を用いた雰囲気加熱により前記水晶振動子全体を加熱することで前記金属ろう材3を溶融して前記金属サポート13,14と水晶振動板2を電気的機械的に接合しているので、前記金属ろう材3の溶融のための加熱のみならず、金属サポート13,14が取り付けられた2本の金属リード端子11,12を有するベース1と水晶振動板2を含み同時に加熱することができるので、各部材の歪み除去や脱ガスするためのアニーリングも同時に実施できるので、金属ろう材3を用いて金属サポート13,14と水晶振動板2を接合する際の接合性をより一層高めることができ、エージング特性もさらに高めることができる。特に雰囲気加熱として高真空アニール炉で行うと、各部材の酸化や劣化をなくした全体加熱を実施することができる。
Further, by heating the whole crystal resonator by atmospheric heating using a vacuum annealing furnace, the
また、本発明の第1形態、第2形態では、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142の外部表面と前記水晶振動板2の励振電極25,26とを接続する引出電極27,28が後工程で形成されている。つまり第1形態では、水晶振動板2には金属ろう材接続電極23,24のみが形成されており、前記金属サポート13,14と水晶振動板2を金属ろう材3で加熱炉により溶融接合した後に、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142の外部表面を含み前記水晶振動板の励振電極25,26と引出電極27,28を一体で形成している。また第2形態では、水晶振動板2の励振電極25,26と金属ろう材接続電極23,24とが予め断線した状態で形成されており、前記金属サポート13,14と水晶振動板2を金属ろう材3で加熱炉により溶融接合した後に、前記金属サポートの水晶振動板保持部132,142の外部表面と前記水晶振動板の励振電極25,26とを接続する引出電極27,28を形成している。
In the first and second embodiments of the present invention, the
このように引出電極27,28等を後工程で形成することで、金属ろう材3が励振電極25,26に向かって拡散して金属サポートの水晶振動板保持部132,142と前記水晶振動板の金属ろう材接続電極23,24に介在する金属ろう材3が過少状態となり、金属サポート13,14と水晶振動板2の電気的機械的な接合不良が生じることがない。さらに金属サポート13,14と励振電極25,26との電気的接続性が確実になる。特にAuGeなどのエージング特性が非常に高安定であるものの融点が高く溶融時間が長くなる金属ろう材3を用い、金を主成分とする励振電極25,26を有する水晶振動板2に対して加熱炉を用いて雰囲気加熱により接合する場合には、金が拡散しやすいという問題があるが、金属ろう材3は接続電極23,24の範囲内のみでしか拡散しないので、接合性を高めながら励振電極には金属ろう材3が拡散することが一切なくなる。以上のように本発明の実施形態による製造方法では雰囲気加熱による金属ろう材3の接合が容易に行え、アニーリングによる特性向上も同時に行えるものである。
Thus, by forming the
−その他の実施形態−
上記第1および第2の実施形態では、図7に示すように、前記水晶振動板の主面の中心点Oを通過するZ’軸に対して当該中心点から板面が+30°回転させた回転軸と当該水晶振動板の端部が交差し、対向する2点の交差点A,Bに対して金属サポート接合部の目印であり、水晶振動板の金属ろう材溜まり部である凹部21,22と金属ろう材3が接続される接続電極23,24を構成したものを説明している。しかしながらこれらの2点の交差点のみに特定されるものではない。
-Other embodiments-
In the first and second embodiments, as shown in FIG. 7, the plate surface is rotated + 30 ° from the center point with respect to the Z ′ axis passing through the center point O of the main surface of the crystal diaphragm. The rotation shaft and the end of the crystal diaphragm intersect, and the
図8に示すように、前記水晶振動板の主面の中心点Oを通過するZ’軸に対して当該中心点から板面がー30°回転させた回転軸と当該水晶振動板の端部が交差し、対向する2点の交差点C,Dに対して金属サポート接合部の目印であり、水晶振動板の金属ろう材溜まり部である金属ろう材溜まり部穴部211,221と金属ろう材3が接続される接続電極231,241を構成したものでもよい。
As shown in FIG. 8, with respect to the Z ′ axis passing through the center point O of the main surface of the crystal diaphragm, the rotation axis obtained by rotating the plate surface by −30 ° from the center point and the end of the crystal diaphragm Is a mark of the metal support joint with respect to the two intersections C and D facing each other, and the metal brazing material
また図9に示すように、前記水晶振動板の主面の中心点Oを通過するZ’軸に対して当該中心点から板面が+30°とー30°回転させた回転軸と当該水晶振動板の端部が交差し、それぞれ対向する4点の交差点A,B,C,Dに対して金属サポート接合部の目印であり、水晶振動板の金属ろう材溜まり部である凹部213,223、および溝部212,222と金属ろう材3が接続される接続電極23,24,231,241を構成したものでもよい。
Further, as shown in FIG. 9, the rotation axis obtained by rotating the plate surface by + 30 ° and −30 ° from the center point with respect to the Z ′ axis passing through the center point O of the main surface of the crystal plate and the crystal vibration.
なお、上述の実施形態の構成に限らず、前記水晶振動板の金属サポート接合部の目印として、水晶振動板の金属ろう材溜まり部や接続電極以外ものを形成してもよい。前記金属サポートの水晶振動板保持部の目印として、金属サポートの金属ろう材溜まり部以外のものを形成してもよい。前記リード端子のインナーリード先端部が、釘頭形状のもののみを例にしているが、通常のインナーリード形状のものにでも適用できる。ATカット水晶振動板に限らずSCカットなど他の水晶振動板であってもよい。金属膜Mを金属サポートの表裏のうち一主面に形成したり、部分的に形成してもよい。また銅メッキに限らず金、銀、アルミなどの金属膜で形成してもよい。金系合金ろう材に限らずはんだでもよい。 In addition to the configuration of the above-described embodiment, as a mark for the metal support joint portion of the crystal diaphragm, a material other than the metal brazing material reservoir and the connection electrode of the crystal diaphragm may be formed. A mark other than the metal brazing material reservoir portion of the metal support may be formed as a mark of the crystal support plate holding portion of the metal support. The tip of the inner lead of the lead terminal has only a nail head shape as an example, but it can also be applied to a normal inner lead shape. It is not limited to the AT-cut crystal diaphragm, but may be another crystal diaphragm such as an SC cut. The metal film M may be formed on one main surface of the front and back surfaces of the metal support or may be partially formed. Further, not only copper plating but also a metal film such as gold, silver, or aluminum may be used. Not only the gold alloy brazing material but also solder.
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。 The present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof, and should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is indicated by the claims, and is not limited by the text of the specification. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.
1 ベース
10 ベース本体
11,12 リード端子
13,14 金属サポート
2 水晶振動板
3 金属ろう材
M 金属膜
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ベースに蓋を被覆し真空雰囲気中で気密封止されるとともに、
前記金属サポートがニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなる水晶より低熱膨張性の金属材料からなり、金属サポートの外部表面には当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜が形成されてなり、
当該金属膜が前記金属サポートの金属母材の厚みに対して3〜10%の厚みで形成することを特徴とする水晶振動子。 A base formed by penetrating at least two metal lead terminals through an insulating material; a metal support provided on the inner side of the metal lead terminal; and a metal support mounted on the metal support via a conductive bonding material A crystal unit for OCXO comprising a plate-shaped crystal diaphragm to be joined together,
The base is covered with a lid and hermetically sealed in a vacuum atmosphere,
Wherein the metal support is made of a low thermal expansion of the thermal expansion of the metal material from quartz made of an alloy of nickel-iron-based, Ri Na and metal film having a high thermal conductivity than the metal support is formed on the outer surface of the metal support ,
Crystal oscillator characterized that you formed in 3-10% of the thickness with respect to the metal film thickness of the base metal of the metal support.
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