JP5756712B2 - 水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動片の中央部を周辺部に比べ厚くして、この厚肉部を振動部とするメサ型水晶振動子の構造に関する。

近年、電子機器の小型化に伴い、水晶振動子等の水晶デバイスはより一層の小型化が要求されている。小型化に伴い、励振電極と水晶振動片を支持固着する領域との間隔が狭くなり、導電性接着剤や支持部が水晶振動片の振動に悪影響を及ぼす可能性が出てきている。

特許文献１に示される水晶振動片は、水晶振動片の全長から導電接着剤が塗布される固着導電領域を除いた圧電振動領域の長さ（Ｘ軸方向）の中心と、励振用電極の面の長さ（Ｘ軸方向）の中心とが一致する構成により、発振に必要なＣＩ値を得て、水晶振動片の振動に悪影響を及ぼさない効果を得ている。

特開２００３−１７９７８号公報

しかしながら、実験等を繰りかえすことにより、励振電極の中心と導電性接着剤との距離に関わらず、励振電極の長さの中心を水晶振動片の長さの中心から所定量だけ偏心させると、ＣＩ値が小さくなることを発見した。

そこで、本発明は、メサ型の水晶振動片においてＣＩ値を小さくする水晶振動片及び水晶デバイスを提供することを目的とする。

第１の観点のメサ型水晶振動片は、一対の励振電極を両主面に有する四角形状の振動部と、振動部の四辺の外側に形成され振動部より厚みが薄い肉薄部と、励振電極から所定方向に引き出された一対の引出電極と、を有するメサ型水晶振動片である。そしてそのメサ型水晶振動片は、励振電極の所定方向の長さの中心は、振動部及び肉薄部を含む所定方向の長さの中心よりも、引出電極の反対側に２５μｍから６５μｍ偏心している。

第２の観点のメサ型水晶振動片は、肉薄部に形成され引出電極と電気的に接続するとともに導電性接着剤が塗布される接続電極を備え、振動部及び肉薄部を含む所定方向の長さは、９００μｍから１４００μｍであり、接続電極の所定方向の長さが１５０μｍから２５０μｍであり、導電性接着剤が所定方向に１００μｍから１５０μｍ形成されている。

第３の観点のメサ型水晶振動片は、肉薄部を囲むように空隙を介して形成された環状枠体と、肉薄部と環状枠体とを連結する連結部とを有する。
第４の観点のメサ型水晶振動片の振動部は３８．４ＭＨｚ又は３２．７３６ＭＨｚで振動する。

第５の観点の水晶デバイスは、メサ型水晶振動片が載置されるベース板と、ベース板とともにメサ型水晶振動片を収納するキャビティを形成するリッド板とを備える。
第６の観点の水晶デバイスは、環状枠体の一方の面に接合されるベース板と、ベース板とともにメサ型水晶振動片を収納するキャビティを形成し環状枠体の他方の面に接合されるリッド板とを備える。

本発明によれば、水晶振動片が小型化しても発振に必要なＣＩ値が得られ、水晶振動片の振動に悪影響を及ぼさない水晶振動片又は水晶デバイスが得られる。

（ａ）は、リッドを取り外した第１実施形態の第１水晶振動子１００の平面図である。 （ｂ）は、第１水晶振動子１００のＡ−Ａ’断面図である。 水晶振動片の長さの中心と励振電極の長さの中心との偏心量とＣＩ値との関係を示す図である。 第２実施形態の第２水晶振動子１１０の分解斜視図である。 （ａ）は、図３のＢ−Ｂ’断面図である。 （ｂ）は、第２水晶振動子１１０の水晶フレーム３０の平面図である。

（第１実施形態）
＜第１水晶振動子１００の全体構成＞
第１水晶振動子１００の全体構成について、図１を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、第１リッド１０を取り外した第１実施形態の第１水晶振動子１００の平面図であり、（ｂ）は、第１リッド１０とセラミックベース板４０とを接合する前の第１水晶振動子１００のＡ−Ａ’断面図である。

ここで、水晶振動片としてＡＴカットの水晶振動片２０が使われている。つまり、ＡＴカットの水晶振動片は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。このため、第１実施形態ではＡＴカットの水晶振動片の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、第１実施形態において第１水晶振動子１００の長手方向をＸ軸方向、第１水晶振動子１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’として説明する。以下、第２実施形態に於いて同様である。

図１（ｂ）に示されたように、表面実装型の第１水晶振動子１００はコバール等の金属製の第１リッド１０と、ベース凹部４７を有する絶縁性のセラミックベース板４０と、セラミックベース板４０に載置される水晶振動片２０とを備える。

水晶振動片２０は、ＡＴカットされた矩形の水晶片２１により構成される。その水晶片２１の周囲は肉薄であり、その中央領域は周囲よりも厚み寸法が大きい水晶振動部２４になる。水晶振動部２４の中央付近の両主面には、水晶振動部２４よりも面積が小さい矩形の一対の励振電極２２ａ、２２ｂが形成されている。つまり水晶振動片２０は、水晶片２１の周囲よりも中央領域が厚い、いわゆるメサ型水晶振動片である。

また、水晶片２１の上面（＋Ｙ’側）の励振電極２２ａには−Ｘ側の一端まで伸びた引出電極２３ａ及び−Ｘ側の一端において水晶片２１の上面から底面（−Ｙ’側）のまで伸びた接続電極２５ａが形成されている。水晶片２１の底面の励振電極２２ｂには−Ｘ側の他端まで伸びた引出電極２３ｂ及び接続電極２５ｂが形成されている。水晶振動片２０の接続電極２５ａ及び２５ｂは、キャビティＣＴに形成された台座４５に導電性接着剤６１を介してベース接続電極４３に電気的に接合される。

ここで、水晶振動片２０はＸ軸方向の長さＬａが９００μｍから１４００μｍで、Ｚ’軸方向の幅Ｗａが６００μｍから７００μｍである。接続電極２５ａ、２５ｂのＸ軸方向の長さＬｃは１５０μｍから２５０μｍであり、接続電極２５ａ、２５ｂと接合する導電性接着剤６１の接合する長さＬｄは１００μｍから１５０μｍである。導電性接着剤６１のＸ軸方向の長さＬｅは２００μｍから２５０μｍである。

また、励振電極２２ａ、２２ｂ、引出電極２３ａ、２３ｂ及び接続電極２５ａ、２５ｂは例えば下地としてのニッケル層又はクロム層が用いられ、この下地の上面に金層が用いられる。なお、下地の厚さは例えば０．０１μｍ〜０．１μｍで、金層の厚さは例えば０．１μｍ〜２μｍである。

セラミックベース板４０は、アルミナを主原料とするセラミック粉末およびバインダー等を含むグリーンシートよりプレス抜きされた底面用セラミック層４１、壁用セラミック層４９および台座底面用セラミック層４５からなる。これら複数のセラミック層４１，４５及び４９より構成されたセラミックベース板４０は、キャビティＣＴを形成し、このキャビティＣＴ内にＡＴカット水晶振動片２０を実装する。セラミックベース板４０はこれらの複数のセラミック層を積層し、焼結して形成されている。セラミックベース板４０は、外側底面Ｍ１に表面実装型の外部電極５１，５２を有する。

第１リッド１０は、第１リッド１０の外周に封止材４８が均一に形成される。例えば封止材４８が銀ロウやコバールなどの材料である。

ＡＴカットの水晶振動片２０は、セラミックベース板４０の台座４５のベース接続電極４３に搭載され、導電性接着剤６１を介してベース接続電極４３に接合される。次いで、ＡＴカットの水晶振動片２０を収容したセラミックベース板４０に第１リッド１０を搭載し、不活性ガスで満たされたチャンバー（不図示）又は真空のチャンバー（不図示）に配置される。セラミックベース板４０と第１リッド１０とは、真空中又は不活性ガス中で封止されてパッケージ８０を形成する。

図２は、水晶振動片２０の長さ（Ｘ軸方向）の中心と励振電極２２の長さ（Ｘ軸方向）の中心との偏心量ＬｆとＣＩ値との関係を示す図である。使用した水量振動片２０は、水晶振動部２４の厚さ（Ｙ’軸方向）を変え、発振周波数が３８．４ＭＨｚ及び３２．７３６ＭＨｚの二種類である。そしてメサ型の水晶振動部２４を形成する位置の中心位置Ｐを水晶振動片２０の長さの中心点Ｏ（図１を参照。）から偏心させた。また励振電極２２は水晶振動部２４に合わせて中央に形成したため、励振電極２２の中心位置Ｐも水晶振動部２４と同じ量だけ偏心している。３８．４ＭＨｚの水晶振動部２４は、その偏心量Ｌｆ（図１を参照。）を１０μｍから９５μｍまで変えた実験した。また、３２．７３６ＭＨｚの水晶振動部２４は、その偏心量Ｌｆを０μｍから９０μｍまで変えた実験した。

実験では、３８．４ＭＨｚ及び３２．７３６ＭＨｚの水晶振動片２０のＣＩ値は図２に示される結果になった。すなわち、水晶振動片２０の長さの中心点Ｏから励振電極の長さの中心点Ｐとの偏心量Ｌｆが引出電極２３の反対側（＋Ｘ側）に、２５μｍから６５μｍ偏心している場合にＣＩ値が５００Ω以下の値を示した。接続電極２５ａ、２５ｂに接着する導電性接着剤６１の長さＬｄに関わらず、水晶振動片２０の長さの中心点Ｏから励振電極の長さの中心点Ｐへ引出電極とは反対側に２５μｍから６５μｍ偏心させるとＣＩ値が５００Ω以下の値になった。

このため、図１に示された励振電極２２ａ、２２ｂのＸ軸方向の長さＬｂの中心点Ｐは、水晶振動片２０のＸ軸方向の長さＬａの中心点Ｏよりも、引出電極側の反対側に（＋Ｘ軸側）に２５μｍから６５μｍ偏心している。偏心量Ｌｆが、＋Ｘ軸側に２５μｍから６５μｍの範囲においてＣＩ値が最小になるからである。

さらにＣＩ値を下げる場合には偏心量Ｌｆを以下の範囲にすることもできる。偏心量Ｌｆが３５〜５５μｍだとＣＩ値が３００Ω以下の値を示しているので、さらに良い。さらに、偏心量Ｌｆが４０〜５０μｍだとＣＩ値がほぼ最小値を示しているので、さらに良い。

（第２実施形態）
＜第２水晶振動子１１０の全体構成＞
第２水晶振動子１１０の全体構成について、図３、図４を参照しながら説明する。
図３は、第２水晶振動子１１０の第２リッド１２側から見た分割した状態の斜視図である。図４（ａ）は水晶フレーム３０と第２ベース板１１と第２リッド１２とが接合された後の図３のＢ−Ｂ’断面図であり、（ｂ）は水晶フレーム３０に励振電極３０４ａが形成された状態を示す平面図である。

第２水晶振動子１１０と第１水晶振動子１００との異なる点は、第１水晶振動子１００の水晶振動片２０に代わり、第２水晶振動子１１０は水晶フレーム３０を装着している点である。また、異なる点は、セラミックベース板４０に代わり第２ベース板１１を備えている点である。第１実施形態と同じ構成要件には同じ符号を付し説明を省略し相違点について説明する。

図３に示されたように、第２水晶振動子１１０は、リッド凹部１７を有する第２リッド１２と、ベース凹部４７を有する第２ベース板１１と、第２ベース板１１に載置されるＡＴカットの水晶フレーム３０とを備える。第２ベース板１１と第２リッド１２とは、水晶材料又はガラスから成る。

水晶フレーム３０は、ＡＴカットされた矩形の水晶片３０１により構成され、その水晶片３０１と水晶片３０１を囲む外枠３０２とで構成されている。また、水晶片３０１と外枠３０２との間には、上下を貫通する間隙部３０８ａと間隙部３０８ｂとが形成され、間隙部３０８ａと間隙部３０８ｂとが形成されていない部分が水晶片３０１と外枠３０２との連結部３０９となっている。

水晶片３０１は、その周囲が肉薄でありその中央領域は周囲よりも厚み寸法が大きい水晶振動部３０３になる。その矩形の水晶振動部３０３の中央付近の両主面には、水晶振動部３０３よりも面積が小さい矩形の一対の励振電極３０４ａ、３０４ｂが形成されている。つまり水晶フレーム３０は、水晶片３０１の周囲よりも中央領域が厚い、いわゆるメサ型水晶振動片である。

使用した水晶振動部３０３の発振周波数は３８．４ＭＨｚ及び３２．７３６ＭＨｚの二種類で、それぞれの厚さ（Ｙ’軸方向）が異なる。また、励振電極３０４ａには水晶片３０１の底面（−Ｙ’側）の−Ｘ側の一端まで伸びた引出電極３１３ａ及び接続電極３０５ａが形成され、励振電極３０４ｂには水晶片３０１の底面（−Ｙ’側）の＋Ｘ側の他端まで伸びた引出電極３１３ｂが形成され、接続電極３０５ｂが水晶片３０１の底面（−Ｙ’側）の＋Ｘ側の他端に形成されている。水晶フレーム３０は、第２ベース板１１と封止材ＳＬで接合する際に、接続電極３０５ａ、３０５ｂと導電性接着剤６１を介してベース接続電極１１８ａ、１１８ｂに電気的に接合される。

第２ベース板１１は、接合面Ｍ２に接続電極１１８ａおよび接続電極１１８ｂを有する。接続電極１１８ａは外部電極１１５ａと側面電極１１７ａとに電気的に接続している。接続電極１１８ｂは外部電極１１５ｂと側面電極１１７ｂとに電気的に接続している。また接続電極１１８ａ、１１８ｂに導電性接着剤６１が形成されている。

さらに、水晶フレーム３０の四隅には、水晶キャスタレーション３０６ａ、３０６ｂが形成されている。また、水晶キャスタレーション３０６ａには水晶側面電極３０７ａが形成される。水晶側面電極３０７ａは引出電極３１３ａ及び接続電極３０５ａに接続される。同様に、水晶キャスタレーション３０６ｂには水晶側面電極３０７ｂが形成される。水晶側面電極３０７ｂは引出電極３０３ｂ及び接続電極３０５ｂに接続されている。

第２ベース板１１は、実装面Ｍ１及び接合面Ｍ２を有している。また、第２ベース板１１の実装面Ｍ１には一対の外部電極１１５ａ、１１５ｂが形成され、第２ベース板１１の四隅には側面キャスタレーション１１６ａ、１１６ｂが形成されている。また、側面キャスタレーション１１６ａには外部電極１１５ａと接続された側面電極１１７ａが形成され、側面キャスタレーション１１６ｂには外部電極１１５ｂと接続された側面電極１１７ｂが形成されている。接合面Ｍ２には側面電極１１７ａと接続された接続電極１１８ａが形成され、側面電極１１７ｂには接続電極１１８ｂが形成されている。

第２リッド１２は接合面Ｍ５を有している。第２リッド１２の四隅には、側面キャスタレーション１２６ａ、１２６ｂが形成されている。

図４（ａ）に示されるように、封止材ＳＬ及び導電性接着剤６１は、第２ベース板１１と水晶フレーム３０とが窒素ガス中又は真空中で３００〜４００°Ｃに加熱され押圧されることで水晶フレーム３０と第２ベース板１１とを接合すると同時に、水晶フレーム３０の接続電極３０５ａ、３０５ｂとベース接続電極１１８ａ、１１８ｂとを電気的に接続させる。

水晶フレーム３０と第２リッド１２とは封止材ＳＬで接合される。水晶フレーム３０に第２ベース板１１と第２リッド１２とが接合されキャビティＣＴが形成され、キャビティＣＴ内は真空状態か又は不活性ガスで満たされた状態となる。

封止材ＳＬは、バナジウムなどを有する低融点ガラスである。低融点ガラスは、耐水性・耐湿性に優れるので、空気中の水分がキャビティ内に進入したりキャビティ内の真空度を悪化させたりすることが防止できる。バナジウム系の低融点ガラスはバインダーと溶剤とが加えられたペースト状であり、焼成され冷却されることで他の部材と接着する。また、このバナジウム系低融点ガラスは接着時の気密性と耐水性・耐湿性などの信頼性が高い。

図４（ｂ）に示されたように、水晶フレーム３０の励振電極３０４ａのＸ軸方向の長さＬｂの中心点Ｐは、水晶片３０１のＸ軸方向の長さＬａの中心点Ｏよりも、引出電極の反対側（＋Ｘ側）に２５μｍから６５μｍ偏心している。そしてメサ型の水晶振動部３０３を形成する位置の中心位置Ｐを水晶片３０１の中心点Ｏ（図４（ｂ）を参照。）から偏心させた。また励振電極３０４は水晶振動部３０３に合わせて中央に形成したため、励振電極３０４の中心位置Ｐも水晶振動部３０３と同じ量だけ偏心している。つまり、水晶片３０１の中心点Ｏから励振電極の長さの中心点Ｐへの偏心量Ｌｆは、＋Ｘ側に２５μｍから６５μｍである。これは図２で説明したようにその範囲においてＣＩ値が最小になるからである。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。たとえば、水晶デバイスとして、発振回路を組み込んだＩＣなどをパッケージ内に配置させた発振器にも本発明は適用できる。

１０、１２ … リッド
２０ … 水晶振動片
３０ … 水晶フレーム
１１ … ベース板
１７ … リッド凹部、４７ … ベース凹部
２１，３０１ … 水晶片
２２ａ，２２ｂ、３０４ａ、３０４ｂ … 励振電極
２３ａ，２３ｂ、３１３ａ，３１３ｂ … 引出電極
２４，３０３ … 水晶振動部
２５ａ，２５ｂ、３０５ａ，３０５ｂ … 接続電極
４０ … セラミックベース板
４１ … 底面用セラミック層
４３、１１８ａ、１１８ｂ … ベース接続電極
４５ … 台座底面用セラミック層
４８ … 封止材
４９ … 壁用セラミック層
５１、５２、１１５ａ，１１５ｂ … 外部電極
６１ … 導電性接着剤
８０ … パッケージ
１００、１１０ … 水晶振動子
１１６ａ，１１６ｂ，１２６ａ，１２６ｂ … キャスタレーション
２１６ａ，２１６ｂ、３０６ａ，３０６ｂ … キャスタレーション
１１７ａ、１１７ｂ、３０７ａ、３０７ｂ … 側面電極
３０２ … 外枠
３０８ａ，３０８ｂ … 間隙部
３０９ … 連結部
ＢＨ … 貫通孔
ＣＴ … キャビティ
Ｌａ … 水晶振動片のＸ軸方向の長さ
Ｌｂ … 励振電極のＸ軸方向の長さ
Ｌｃ … 接続電極のＸ軸方向の長さ
Ｌｄ … 導電性接着剤の接合する長さ
Ｌｅ … 導電性接着剤のＸ軸方向の長さ
Ｌｆ … 偏心量
Ｍ１ … 実装面、 Ｍ２ … ベース接合面、 Ｍ３、Ｍ４ … 水晶接合面
Ｍ５ … リッド接合面
Ｏ … 水晶振動片のＸ軸方向の長さの中心点
Ｐ … 励振電極のＸ軸方向の長さの中心点
ＳＬ … 封止材、Ｗａ … 水晶振動片の幅

Claims (4)

1. 一対の励振電極を両主面に有する四角形状の振動部と、前記振動部の四辺の外側に形成され前記振動部より厚みが薄い肉薄部と、前記励振電極から所定方向に引き出された一対の引出電極と、前記肉薄部に形成され前記引出電極と電気的に接続するとともに導電性接着剤が塗布される接続電極と、を有するメサ型水晶振動片であって、
   前記励振電極は前記振動部の中央に合わせて形成され、
   前記振動部は３８．４ＭＨｚ又は３２．７３６ＭＨｚで振動し、
   前記振動部及び前記肉薄部を含む前記所定方向の長さは、９００μｍから１４００μｍであり、前記接続電極の前記所定方向の長さが１５０μｍから２５０μｍであり、前記導電性接着剤が前記所定方向に１００μｍから１５０μｍに形成されており、
   前記振動部の前記所定方向の長さは、前記振動部及び前記肉薄部を含む前記所定方向の長さから、前記接続電極の前記所定方向の長さの２倍を引いた長さ以下であり、
   前記励振電極の前記所定方向の長さの中心は、前記振動部及び前記肉薄部を含む前記所定方向の長さの中心よりも、前記引出電極とは反対側に２５μｍから６５μｍ偏心しているメサ型水晶振動片。
2. 前記肉薄部を囲むように空隙を介して形成された環状枠体と、前記肉薄部と前記環状枠体とを連結する連結部とを有する請求項１に記載のメサ型水晶振動片。
3. 請求項１に記載のメサ型水晶振動片と、
   前記メサ型水晶振動片が載置されるベース板と、
   前記ベース板とともに前記メサ型水晶振動片を収納するキャビティを形成するリッド板と
   を備える水晶デバイス。
4. 請求項２に記載のメサ型水晶振動片と、
   前記環状枠体の一方の面に接合されるベース板と、
   前記ベース板とともに前記メサ型水晶振動片を収納するキャビティを形成し前記環状枠体の他方の面に接合されるリッド板と
   を備える水晶デバイス。