JP5668392B2 - 圧電振動素子、圧電振動子及び圧電発振器 - Google Patents
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Description
水晶振動子は、上面が凹陥した容器本体51の凹陥内部に形成した段部に設けられた水晶端子53に、水晶片52の励振電極55から延出した引出電極56を搭載して導電性接着剤57によって接着することにより、水晶片52の一端部両側を保持して構成される。
水晶片52は、引出電極56を延出した2つの端縁にスリット状の切り欠き58を設けている。そして、両主面の励振電極55から延出した引出電極56は、切欠き58を跨るように両主面上に展開されている。
また、特許文献3には、円形状の振動部と、この振動部と同心のリング状の支持部と、振動部と支持部とを連結する橋梁部と、からなる水晶振動子が開示されている。
特許文献4には、矩形状の振動部と、これを保持する矩形状の支持フレームと、両者間を連結する連結材とからなり、振動部の4節点と支持フレームの夫々の角部と、を連結材で連結して構成したラーメモードの輪郭水晶振動片が開示されている。
また、特許文献5には、矩形状の振動部と、これを保持する逆L字状の支持部と、両者間を連結する連結材とからなり、振動部の対角状の2節点と支持部の両先端部と、を夫々連結材で連結して構成したラーメモードの輪郭水晶振動片が開示されている。
特許文献6には、振動漏れを低減した音叉型圧電振動片が開示されている。図12に示すように、音叉型圧電振動片80は、基部82と基部82の一端から平行して延びる2つの振動腕84、84とを有するコ字状の圧電振動片本体86と、L字状の支持部88と、を備えている。支持部88は、基部82の他端に沿って形成された短辺部90と、この短辺部90の一側端部から圧電振動片本体86の長辺に沿って延びる長辺部92とから構成されている。支持部88は、短辺部90及び長辺部92によりL型の形状を成している。そして、基部82の他端と短辺部90とが接続されている。この接続する箇所の幅は両側に形成した切り込み溝94によって狭めてあり、圧電振動片本体86の振動漏れを低減するようにしてある。
特許文献4、又は5に開示された構成は、振動部が正方形の4つの角部と中心とを節点として、面内で対向する一方の2辺と他方の2辺とが交互に外向き又は内向き伸縮するラーメモードの輪郭振動に関するものであり、この構成をそのまま厚み滑り振動モードの応力低減に適用するには問題がある。
また、特許文献1〜6には、歪の抑圧、振動漏れの低減が可能であると記されているが、水晶基板と実装する絶縁基板との線膨張係数の差に起因する応力(∝歪)が、支持部及び振動部にどのように分布するかのシミュレーション結果が開示されておらず、効果の程度に問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、厚み滑りモード圧電振動子を小型化する際、優れた周波数温度特性、耐侯性(耐リフロー性、エージング特性)を有する圧電振動素子、圧電振動子及び圧電発振器を提供することにある。
圧電振動子1は、水晶基板等の圧電基板の表裏面に励振電極が形成された圧電振動素子4と、圧電振動素子4を収容するパッケージ(絶縁基板)本体20と、パッケージ本体20を気密封止するための蓋部材35と、を備えている。
パッケージ本体20は、例えば、図2(b)に示すように、矩形の箱状に形成されている。具体的には、パッケージ本体(絶縁基板)20は、絶縁材料から成る板状の第1の基板21と、板状の第2の基板22と、環状の第3の基板23とを積層して形成されている。例えば、各基板21、22、23を酸化アルミニウム質のセラミック・グリーンシートから構成し、これらを積層してから焼結することにより製造する。図2(b)に示した例では、第1の基板21の外部底面に複数の実装端子25が形成されている。
第3の基板23は中央部が除去された環状をなしており、第3の基板23の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング24が形成されている。
素子搭載パッド27a、27bは、圧電振動素子4を載置した際に支持腕9a、9bの先端部と対応するように配置されている。また、枕部材28は、圧電基板5の一つの角隅部と、L字状の支持部9の中間部7と対応するように配置されている。
この際、枕部材28に中間部7が接するようになるため、パッケージ本体20の第2の基板22の上面と、圧電振動子1の圧電基板5の主面とがほぼ平行に保たれる。
パッケージ本体20に圧電振動素子4を搭載した状態で導電性接着剤30を硬化させるために、所定温度の高温炉に所定の時間入れる。その後、真空装置の中で圧電振動子1の周波数を微調整し、アニール処理を施した後、蓋部材35、例えばNiメッキのコバール材を用い、パッケージ本体20の上面に形成したシールリング24にシーム溶接してパッケージ内部を気密とし、圧電振動子1を構成する。
パッケージ内は不活性ガス、例えば窒素を封入してよいし、真空にしてもよい。
また、厚み方向の形状は、平板状に限るものではなく、メサ型、逆メサ型でもよい。ただ、逆メサ型の矩形圧電基板を形成する際には、基板の長辺方向が水晶のZ’軸となるように設定するとよい。
また、圧電基板5の振動領域に形成した励振電極15a、15bの形状として、矩形電極の例を示したが、円形、楕円形、長円形であってもよい。
本発明に係る圧電振動素子4の特徴を、図3を用いて説明する。図3(a)は従来一般的に用いられている圧電基板5の形状(矩形)であり、圧電基板5の隣接する2つの角隅部を導電性接着剤30で接着・固定した構造である。この構造は、接着剤30の固定に起因して圧電基板5に応力が生じ、小型化を図る場合に問題がある。
図3(b)は、特許文献1に開示された構造であり、圧電基板5の端部寄りの対向する2つの端縁に夫々対向するように両側から切り込みを入れた構成である。この構造では、長辺(X軸)方向の寸法A、Bに起因する二種類の高次屈曲振動が励起されるため、このスプリアスを抑圧するのに難がある。
また、図3(d)では圧電基板5の角隅部と、L字状の支持部9の中間部7とが、角隅部寄りの短辺(Z’軸方)5bの部位と一体的に連結された構造をしている。この構造ではX軸方向の長さに起因する高次屈曲振動は1種類となる。
次に、圧電振動素子4の支持腕9a、9bの先端部(自由端側)を、絶縁基板上で導電性接着剤30を用いて接着・固定した際に生じる応力(∝歪)を求めるために、有限要素法を用いてシミュレーションした。接着剤30を硬化させるには高温、例えば180℃に所定の時間保持する必要がある。高温状態では圧電基板5も絶縁基板も共に膨張し、接着剤30も軟化するので、圧電基板5には応力は生じていない。圧電基板5と絶縁基板との温度が、常温(25℃)に戻ると、絶縁基板の線膨張係数と、圧電基板5の線膨張係数との差により、接着・固定部より生じる応力が支持部9を経由して圧電基板5にまで広がる。
図4(b)は圧電振動素子4の形状と、それに生じた応力の分布とを示す斜視図である。圧電振動素子4は、長辺方向をX軸、短辺方向をZ’軸とした矩形の圧電基板5と、L字状の支持部9と、圧電基板5の一つの角隅部とL字状の支持部9の中間部(支持腕9a、9bの交差部)7と、を一体的に形成した圧電振動素子4である。
また、図4(b)では、励振電極15a、15bと、リード電極17a、17bを省略しており、厚み方向の応力分布を示すために、厚み寸法を誇張して描いている。支持腕9a、9bの長さは、夫々圧電基板5の長辺、短辺の長さとほぼ等しく設定されている。また、各部材に生じる応力の大きさ(応力レベル)は、図の複雑化を避けるため、最大応力レベルIから最小応力レベルVの五段階(I、II、III、IV、V)で表示してある。
また、L字状の支持部9の中間部7(C2)では先端に向け、応力レベルIから応力レベルVに急激に減少している。中間部7の中央領域Jでは同心円状に応力レベルIからVに急激に変化する小さな領域が存在する。また、中間部7の中央部に応力レベルが最大応力レベルIから最小応力レベルVに急激に変化する小さな円形状の領域がある。
圧電基板5の角隅部と中間部7とが連接する領域C1では、中間部7から圧電基板5にかけて、最大応力レベルIから最小応力レベルVに急激に変化する。そのため、圧電基板5の振動領域では応力レベルが最小応力レベルVとなることがシミュレーションの結果、判明した。つまり、図4に示す形状の圧電振動素子4は、振動領域に発生する応力は極めて小さく、優れた振動素子であることが判明した。
圧電基板5の一つの端縁と連結部8とが連接する領域C1では、連結部8から圧電基板5にかけて、最大応力レベルIからIVに複雑に変化している。連結部8と圧電基板5との境界近辺では応力レベルがIVになり、圧電基板5の振動領域では応力レベルは最小応力レベルVである。図5に示す形状の圧電振動素子4は、振動領域に発生する応力は極めて小さく、優れた振動素子であるが、長辺(X軸)方向の二つの長さに起因する高次屈曲振動を避けるように設計する必要がある。
圧電基板5の一つの端縁と連結部8とが連接する部位では、連結部8のほぼ中央で長辺(X軸)方向に沿って、応力レベルが最大応力レベルIから急激に最小応力レベルVに変化している。圧電基板5の振動領域では応力レベルは最小応力レベルVである。図6に示す形状の圧電振動素子4では、振動領域に生ずる応力レベルは最小レベルのVであり、優れた振動素子であることが判明した。
圧電基板5の角隅部と中間部7とが連接する領域C1では、中間部7から圧電基板5の角隅部にかけて、最大応力レベルIから応力レベルII、III、IVと緩やかに変化している。応力レベルIVの領域は圧電基板5の振動領域の一部まで広がっており、圧電振動素子4の振動変位に影響し、この形状の圧電振動素子を用いて振動子を構成した場合に電気的特性を劣化させる虞がある。
圧電基板5の角隅部と中間部7とが連接する領域C1では、中間部7から圧電基板5の角隅部にかけて、応力レベルが最大応力レベルIからII、IIIと急激に変化している。応力レベルIVは圧電基板5の振動領域の一部まで広がっている。
圧電基板5の角隅部と中間部7とが連接する領域C1では、中間部7と圧電基板5の角隅部とが接続する部位で、最大応力レベルIから応力レベルII、IIIと急激に変化している。応力レベルIVの領域は圧電基板5の一部まで広がっているが、振動領域にかかる応力レベルIVの部分は小さく、圧電振動素子4を振動子とした場合、電気的特性に及ぼす影響は極めて小さいと推定される。
以上の説明では、水晶基板を用いて説明したが、圧電基板としては、タンタル酸リチウム基板、ニオブ酸リチウム基板、ランガサイト基板等を用いてもよい。
上記の圧電振動素子4の中間部7に対応する絶縁基板上に、中間部7と接する枕部材28を設けることにより、圧電振動素子4と絶縁基板との平行度が容易に保たれ、圧電振動素子4の先端部が絶縁基板に触れる虞がなくなり、圧電振動子の歩留まりが改善されるという効果がある。
上記の圧電振動素子4の2つの支持腕の先端部と、絶縁基板に設けた素子搭載パッドとを接着・固定することにより、圧電振動素子4の振動領域における応力レベルは極めて小さくなり、周波数温度特性、CI(クリスタルインピーダンス)、周波数再現性、エージング等の優れた電気的特性を有する圧電振動子が得られるという効果がある。
パッケージ本体(絶縁基板)20aは、圧電振動素子4の各リード電極17a、17bと電気的に接続される素子搭載パッド27a、27b、及び何れの実装端子とも非導通の枕材28を上面に備えると共に、他の部位にIC部品搭載パッド29と、外部に実装端子を備えている。IC部品38は、発振回路、増幅回路、温度補償回路等を有している。
IC部品38は、IC部品搭載パッド29に金属バンプ等を用いて電気的に接続され、素子搭載パッド27a、27b、と、IC部品搭載パッド29と、実装端子25と、は導体26により導通が図られている。
上記の圧電振動素子4と、発振回路及び補償回路等を有するIC部品38と、圧電振動素子4及びIC部品38を収容するパッケージ20aと、を備えた表面実装型圧電発振器を構成することにより、周波数温度補償された出力が得られると共に、エージング特性も良好であり、且つ小型化、低背化に適した表面実装型圧電発振器が得られるという効果がある。
Claims (9)
- 厚み滑り振動を主振動とする振動領域を備え、平面視で四つの辺を有している圧電基板と、
前記四つの辺の第1の辺に沿っており、前記圧電基板から離間して配置されている第1の支持腕、および、前記第1の辺に交わる方向に沿っており前記第1の辺の一方の端側にある第2の辺に沿っており、前記圧電基板から離間して配置されている第2の支持腕を有している支持部と、
前記第1の辺の前記一方の端と前記第2の辺の前記第1の辺側の端との間から突出しており、前記圧電基板と前記支持部とを接続している中間部と、
を備えていることを特徴とする圧電振動素子。 - 請求項1に記載の圧電振動素子において、
前記第1の辺は前記第2の辺よりも長いことを特徴とする圧電振動素子。 - 請求項2に記載の圧電振動素子において、
前記第1の支持腕は、前記第1の辺の長さの1/2以上であることを特徴とする圧電振動素子。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電振動素子において、
前記振動領域に設けられた励振電極と、
前記励振電極から前記支持部に延びているリード電極を備えていることを特徴とする圧電振動素子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電振動素子と、
第一の面および第二の面を有し、前記第一の面に設けられており前記圧電振動素子が搭載されている素子搭載パッド、および前記第二の面に設けられている実装端子を備えている絶縁基板と、
前記絶縁基板との間で、前記圧電振動素子を封止している蓋部材と、
前記実装端子と前記素子搭載パッドとを導通している導体と、
を備えたことを特徴とする圧電振動子。 - 請求項5に記載の圧電振動子において、
前記第一の面に、前記実装端子と非導通の枕部材を備え、
平面視で、前記中間部と前記枕部材とが重なるように、前記圧電振動素子が配置されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項5または6に記載の圧電振動子において、
前記第1の支持腕の前記第1の辺に沿った方向における前記中間部側とは反対側の端部、および前記第2の支持腕の前記第2の辺に沿った方向における前記中間部側とは反対側の端部が、前記素子搭載パッドに取り付けられていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電振動素子と、
第一の面および第二の面を有し、前記第一の面に設けられており前記圧電振動素子が搭載されている素子搭載パッド、前記第二の面に設けられている実装端子、およびIC部品搭載パッドを備えている絶縁基板と、
前記IC部品搭載パッドに搭載されているIC部品と、
前記絶縁基板との間で、前記圧電振動素子を封止している蓋部材と、
前記実装端子、前記素子搭載パッド、および前記IC部品を導通している導体と、
を備えたことを特徴とする圧電発振器。 - 請求項8に記載の圧電発振器において、
前記第一の面に、前記実装端子と非導通の枕部材を備え、
平面視で、前記中間部と前記枕部材とが重なるように、前記圧電振動素子が配置されていることを特徴とする圧電発振器。
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