JP5796661B2 - 圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片とベースとを備えた圧電振動子に関する。

従来、短冊状の圧電素板（以下、圧電振動片という）をベースに固着する支持構造を有する圧電振動子において、圧電振動片の固着部分（以下、固着部という）が圧電振動片の片側に集中していることを特徴とする圧電振動子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この圧電振動子は、圧電振動片の長辺または短辺に隣接する少なくとも２箇所で圧電振動片とベースとを固着することにより、両者の熱膨張係数が異なることに起因する圧電振動片に加わるベースとの固着部の歪量を大幅に改善することを目的としている。

特開２００５−２１７７６５号公報

上記圧電振動子は、実施の形態において、圧電振動片に形成された励振電極からの引き出し電極が、ベースとの固着部へ略最短距離で一直線状に伸びている。このことから、上記支持構造は、例えば、一方の引き出し電極をバンプで固着し、他方の引き出し電極をワイヤーボンディングで固着した場合に、圧電振動片の固着部に加わる歪が、引き出し電極を介して振動部の励振電極に殆ど減衰することなく伝達される。
これにより、上記圧電振動子は、励振電極による安定した振動が阻害され（以下、振動阻害ともいう）、安定した周波数特性が得られない虞がある。
また、上記圧電振動子は、圧電振動片の固着部が圧電振動片の片側に集中していることから、ベースへの固着時に圧電振動片の傾きが生じやすく、作業性が悪いという問題がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる圧電振動子は、基部と、前記基部に連接している振動部とを有し、第１の主面と、前記第１の主面の裏側にある第２の主面とを有するＡＴカット水晶板と、前記第１の主面および前記第２の主面のそれぞれに配置されている励振電極と、前記励振電極から引き出され前記基部まで延びて配置されている引き出し電極と、を有している圧電振動片と、
前記圧電振動片が取り付けられているベースと、を備え、
前記圧電振動片は、前記振動部の厚さが前記基部の厚さよりも厚く、かつ、前記振動部と前記基部との間に段差を有し、
前記第１の主面に設けられた前記引き出し電極および前記第２の主面に設けられた前記引き出し電極は、それぞれ、対応する前記励振電極から、水晶結晶軸のＸ軸に沿って前記段差を跨ぐように引き出された第一の部分と、前記第一の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する方向に沿って延在する第二の部分と、前記第二の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸に沿って延在する第三の部分と、前記第三の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する方向に沿って延在し、かつ、少なくとも一部が前記基部の前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する直線に沿っている幅の中心に設けられた固着部を含む領域に配置されている第四の部分とを有しており、
前記固着部で、前記第１の主面に設けられている前記引き出し電極が、固着部材を介して前記ベースに取り付けられ、前記第２の主面に設けられている前記引き出し電極が、ワイヤーを介して前記ベースに接続されており、
前記基部には、前記固着部と前記振動部との間に凹部または貫通孔が設けられていない
ことを特徴とする。

これによれば、圧電振動子は、圧電振動片の引き出し電極が圧電振動片の外周に沿って形成され、基部の外周辺部の略中心で、一方の引き出し電極が、固着部材を介してベースに固着され、他方の引き出し電極が、ワイヤーを介してベースに固着されている。 このことから、圧電振動子は、引き出し電極の励振電極までの距離が、上記の従来構成と比較して長くなる。これにより、圧電振動子は、圧電振動片の固着部に加わる歪が、引き出し電極を介して振動部の励振電極に伝達される際に、上記の従来構成と比較して、大幅に減衰して伝達される。
これにより、圧電振動子は、励振電極による安定した振動が維持されることから、安定した周波数特性が得られる。

また、圧電振動子は、圧電振動片が基部の外周辺部の略中心で、ベースに固着されていることから、固着部が圧電振動片の片側に集中している上記の従来構成と比較して、ベースへの固着時に圧電振動片の傾きが生じ難く、作業性が向上する。

これによれば、圧電振動子は、圧電振動片の固着部の振動部側に、第２の方向（Ｙ軸方向）に沿って凹部または貫通孔が形成されている。このことから、圧電振動子は、圧電振動片の固着部に加わる歪が、凹部または貫通孔によって吸収されることにより、励振電極による安定した振動が維持される。これにより、圧電振動子は、安定した周波数特性が得られる。
［適用例２］上記適用例にかかる圧電振動子は、それぞれの前記励振電極の前記水晶結晶軸のＸ軸に沿っている幅の中心が、前記圧電振動片の前記水晶結晶軸のＸ軸に沿っている幅の中心より、前記基部に対して離れていることが好ましい。

これによれば、圧電振動子は、第１の方向における励振電極の中心が、第１の方向（Ｘ軸方向）における圧電振動片の中心より、基部に対して離れている。このことから、圧電振動子は、励振電極が振動部における基部側の反対側に偏って形成されていることにより、引き出し電極の励振電極までの距離を、より長くすることができる。
したがって、圧電振動子は、圧電振動片の固着部に加わる歪が、引き出し電極を介して振動部の励振電極に伝達される際に、上記の従来構成と比較して、より大幅に減衰して伝達される。これにより、圧電振動子は、励振電極による安定した振動が維持されることから、安定した周波数特性が得られる。

［適用例３］上記適用例にかかる圧電振動子は、それぞれの前記引き出し電極は、互いに前記固着部において平面視で重なっていることが好ましい。

本実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図。 変形例１の水晶振動子の概略構成を示す模式図。 変形例２の水晶振動子の概略構成を示す模式図。

以下、圧電振動子の実施形態について図面を参照して説明する。
（実施形態）
図１は、本実施形態の圧電振動子の一例としての水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。なお、平面図では、理解を容易にするためにリッド（蓋）を省略し、リッドの外形を２点鎖線で表している。また、断面図では、理解を容易にするために本来見えない方向にある引き出し電極を２点鎖線で表している。

図１に示すように、本実施形態の水晶振動子１は、圧電振動片としてのメサ型の水晶振動片１０、この水晶振動片１０が内部に収容され、ベースに固着されているパッケージ２０などから構成されている。

パッケージ２０は、ベース２１、リッド２２、接合部２３などから構成されている。 ベース２１には、セラミックグリーンシートを成形して積層し、焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
ベース２１の底面２１ａには、マウント電極２１ｂ，２１ｃが形成されている。マウント電極２１ｂは、後述する水晶振動片１０の固着部１１に対向する位置に形成され、マウント電極２１ｃは、マウント電極２１ｂ近傍の底面２１ａコーナー部に形成されている。 なお、マウント電極２１ｂ，２１ｃは、タングステンなどのメタライズ層にニッケル、金などの各被膜をメッキなどにより積層した金属被膜からなる。

ベース２１の外面には、上記金属被膜からなる外部電極２１ｄ，２１ｅが形成されている。この外部電極２１ｄ，２１ｅは、図示しない内部配線によりそれぞれマウント電極２１ｂ，２１ｃに接続されている。水晶振動子１は、外部電極２１ｄ，２１ｅを介して外部の機器に実装される。

リッド２２は、コバールなどの金属からなり、パッケージ２０内部に水晶振動片１０が収容、固着された状態で、コバールなどの金属からなる接合部２３にシーム溶接されている。なお、接合部２３は、ろう付けなどによりベース２１に接合されている。
これらにより、水晶振動子１のパッケージ２０内は、気密封止されている。なお、パッケージ２０の内部は、真空状態または窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが封入されている。なお、ベース２１は、二層構成で図示されているが、接合部２３を厚く形成することにより、平坦な一層構成としてもよい。

パッケージ２０のベース２１には、水晶振動片１０が搭載され、水晶振動片１０は、固着部１１の一方の主面１７ａ側（裏側）が、導電性接着剤、バンプなどからなる固着部材３０を介してマウント電極２１ｂに固着されている。
そして、水晶振動片１０は、固着部１１の他方の主面１５ａ側（表側）が、ワイヤーボンディングにより、ワイヤー４０を介してマウント電極２１ｃに固着されている。これにより、水晶振動片１０は、固着部１１を介してベース２１に片持ち支持されている。

水晶振動片１０は、発振周波数などに応じた所定の厚みに研磨された水晶ウエハから、フォトリソグラフィ技術、エッチング技術などを用いて略矩形に形成され、振動部１２と、振動部１２の両端部に連接し振動部１２より厚みが薄い、基部１３と先端部１４とを有する。
これにより、水晶振動片１０は、平面形状が略矩形のメサ型に形成されている。 なお、本実施形態では、水晶振動片１０に振動モードが厚みすべり振動であるＡＴカット水晶振動片を用いている。また、水晶振動片１０の厚みは、数μｍ〜１００μｍ程度の範囲で適宜設定される。

水晶振動片１０は、振動部１２の他方の主面１５に略矩形の励振電極１６が形成され、一方の主面１７に略矩形の励振電極１８が形成されている。なお、振動部１２は、平面視において他方の主面１５側の輪郭と一方の主面１７側の輪郭とが略重なるように形成されている。また、励振電極１６と励振電極１８とは、平面視において輪郭が略重なるように形成されている。
なお、水晶振動片１０の基部１３と先端部１４とを結ぶ長辺は、水晶結晶軸のＸ軸に沿うように形成されている。また、水晶振動片１０は、振動部１２及び励振電極１６，１８の上記長辺側の辺も、同様にＸ軸に沿うように形成されている。
なお、振動部１２と基部１３とを結んだ第１の方向としてのＸ軸方向における励振電極１６，１８の中心Ｃ１は、Ｘ軸方向における水晶振動片１０の中心Ｃ２より、基部１３に対して離れている。

水晶振動片１０の基部１３の他方の主面１５ａには、励振電極１６から引き出された他方の引き出し電極としての引き出し電極１６ａが形成され、一方の主面１７ａには、励振電極１８から引き出された一方の引き出し電極としての引き出し電極１８ａが形成されている。
引き出し電極１６ａ，１８ａは、平面視において水晶振動片１０の基部１３の外周に沿って形成されている。そして、引き出し電極１６ａ，１８ａは、基部１３における、Ｘ軸方向と交差する第２の方向としてのＺ軸方向に沿った外周辺部１９の略中心（Ｚ軸方向における中心）を跨ぐように形成されている。
なお、引き出し電極１６ａは、水晶振動片１０の一方の長辺に沿って外周辺部１９に至り、引き出し電極１８ａは、水晶振動片１０の他方の長辺に沿って外周辺部１９に至るように形成されている。

引き出し電極１８ａの先端部１８ｂは、他の部分より幅広く形成されている。これにより、引き出し電極１８ａは、固着面積が十分に確保されることから、固着部材３０を介してマウント電極２１ｂに確実に固着される。
なお、励振電極１６，１８、引き出し電極１６ａ，１８ａは、クロム、ニッケル、金、銀などの各被膜がスパッタ、蒸着などの方法により積層された金属被膜からなる。

水晶振動片１０は、基部１３の外周辺部１９の略中心部分である固着部１１で、引き出し電極１８ａが上記固着部材３０を介してベース２１のマウント電極２１ｂに固着され、引き出し電極１６が、ワイヤー４０を介してベース２１のマウント電極２１ｃに固着されている。
これにより、水晶振動片１０は、励振電極１６，１８が引き出し電極１６ａ，１８ａ、マウント電極２１ｂ，２１ｃを経由して外部電極２１ｄ，２１ｅと電気的に接続されている。
水晶振動子１は、外部電極２１ｄ，２１ｅから入力される駆動信号により、水晶振動片１０が厚みすべり振動を発振する。

上述したように、本実施形態の水晶振動子１は、水晶振動片１０の引き出し電極１６ａ，１８ａが水晶振動片１０の外周に沿って形成され、基部１３の外周辺部１９の略中心で、引き出し電極１８ａが固着部材３０を介してベース２１に固着され、引き出し電極１６ａがワイヤー４０を介してベース２１に固着されている。

このことから、水晶振動子１は、引き出し電極１６ａ，１８ａの固着部１１から励振電極１６，１８までの長さが、前述したような、引き出し電極が固着部から励振電極まで一直線状に形成された従来構成と比較して、大幅に長くなる。
これにより、水晶振動子１は、水晶振動片１０の固着の際の固着部１１に加わる歪が、引き出し電極１６ａ，１８ａを介して振動部１２の励振電極１６，１８に伝達される際に、上記の従来構成と比較して、大幅に減衰して伝達される。
これにより、水晶振動子１は、歪に起因する振動部１２の振動阻害が抑制され、励振電極１６，１８による安定した振動が維持されることから、安定した周波数特性が得られる。

また、水晶振動子１は、水晶振動片１０が基部１３の外周辺部１９の略中心部分である固着部１１で、ベース２１に固着されていることから、固着部１１が水晶振動片１０の片側に偏っている上記の従来構成と比較して、ベース２１への固着時に水晶振動片１０の傾きが生じ難く、作業性が向上する。

また、水晶振動子１は、Ｘ軸方向における励振電極１６，１８の中心Ｃ１が、Ｘ軸方向における水晶振動片１０の中心Ｃ２より、基部１３に対して離れている。このことから、水晶振動子１は、励振電極１６，１８が振動部１２において先端部１４側に偏って形成されていることにより、引き出し電極１６ａ，１８ａの励振電極１６，１８までの距離を、上記中心Ｃ１，Ｃ２が一致している場合より、長くすることができる。

したがって、水晶振動子１は、水晶振動片１０の固着部１１に加わる歪が、引き出し電極１６ａ，１８ａを介して振動部１２の励振電極１６，１８に伝達される際に、上記中心Ｃ１，Ｃ２が一致している場合と比較して、より大幅に減衰して伝達される。これにより、水晶振動子１は、歪に起因する振動部１２の振動阻害が抑制され、励振電極１６，１８による更に安定した振動が維持されることから、より安定した周波数特性が得られる。

また、水晶振動子１は、水晶振動片１０の引き出し電極１６ａ，１８ａが水晶振動片１０の外周に沿って形成されていることから、引き出し電極１６ａ，１８ａの形成位置に起因する屈曲振動などの不要振動モードによる厚みすべり振動に対する振動阻害を抑制できる。これにより、水晶振動子１は、ＣＩ値、周波数温度特性などを向上させることができる。

ここで、上記実施形態の変形例について説明する。
（変形例１）
図２は、変形例１の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。なお、上記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図２に示すように、変形例１の水晶振動子１０１は、水晶振動片１１０の固着部１１の振動部１２側に、Ｚ軸方向に沿って凹部１１３が形成されている。
なお、凹部１１３は、図２に示すような、水晶振動片１１０のＺ軸方向の全幅に亘って連続した１つの溝状に形成されていてもよいし、間欠的な複数の溝状に形成されていてもよい。また、水晶振動子１０１は、凹部１１３に代えて、図示しない貫通孔が形成されていてもよい。

これによれば、水晶振動子１０１は、水晶振動片１１０の固着部１１の振動部１２側に、Ｚ軸方向に沿って凹部１１３または貫通孔が形成されている。このことから、水晶振動子１０１は、水晶振動片１１０の固着部１１に加わる歪が、凹部１１３または貫通孔によって吸収されることにより、大幅に減衰した状態で振動部１２に伝達される。
これにより、水晶振動子１０１は、歪に起因する振動部１２の振動阻害が抑制され、更に安定した振動が維持されることから、より安定した周波数特性が得られる。

（変形例２）
図３は、変形例２の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線での断面図である。なお、上記実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、変形例２の水晶振動子２０１は、水晶振動片２１０の固着部２１１が、水晶振動片２１０の厚み方向（Ｙ軸方向）に沿って、基部１３の両主面１５ａ，１７ａから突出した島状に形成されている。
したがって、固着部２１１の厚みＴ１は、周囲の部分の厚みＴ２より厚く形成されている。

これによれば、水晶振動子２０１は、水晶振動片２１０の固着部２１１が周囲の部分より厚く形成されていることから、固着部２１１の剛性が上記実施形態の固着部１１より向上する。このことから、水晶振動子２０１は、固着部２１１に加わる歪が上記実施形態より低減することにより、歪に起因する振動部１２の振動阻害が抑制される。
これにより、水晶振動子２０１は、励振電極１６，１８による更に安定した振動が維持されることから、より安定した周波数特性が得られる。

また、水晶振動子２０１は、固着部２１１の剛性が向上することにより、引き出し電極１６ａへのワイヤー４０のワイヤーボンディング時に水晶振動片２１０が破損し難くなることから、ワイヤーボンディングの作業性が向上する。

なお、水晶振動子２０１は、固着部２１１が主面１５ａ，１７ａのいずれか一方から突出して形成されていてもよい。また、水晶振動子２０１は、固着部２１１のＺ軸方向に連接する基部１３の部分が、水晶振動片２１０のＺ軸方向の全幅に亘って、固着部２１１と同様に突出していてもよい。

なお、上記実施形態及び各変形例では、水晶振動片としてメサ型を例示したが、これに限定するものではなく、フラット型、ベベル型、逆メサ型などでもよい。また、圧電振動片の材質としては、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどを用いてもよい。 また、上記実施形態及び各変形例では、圧電振動子として説明したが、圧電振動子に発振回路を内蔵した圧電発振器にも適用できる。

１…圧電振動子としての水晶振動子、１０…圧電振動片としての水晶振動片、１１…固着部、１２…振動部、１３…基部、１４…先端部、１５…振動部の他方の主面、１５ａ…基部の他方の主面、１６，１８…励振電極、１６ａ…他方の引き出し電極としての引き出し電極、１７…振動部の一方の主面、１７ａ…基部の一方の主面、１８ａ…一方の引き出し電極としての引き出し電極、１９…外周辺部、２０…パッケージ、２１…ベース、２１ａ…底面、２１ｂ，２１ｃ…マウント電極、２１ｄ，２１ｅ…外部電極、２２…リッド、２３…接合部、３０…固着部材、４０…ワイヤー。

Claims (3)

1. 基部と、前記基部に連接している振動部とを有し、第１の主面と、前記第１の主面の裏側にある第２の主面とを有するＡＴカット水晶板と、前記第１の主面および前記第２の主面のそれぞれに配置されている励振電極と、前記励振電極から引き出され前記基部まで延びて配置されている引き出し電極と、を有している圧電振動片と、
   前記圧電振動片が取り付けられているベースと、を備え、
   前記圧電振動片は、前記振動部の厚さが前記基部の厚さよりも厚く、かつ、前記振動部と前記基部との間に段差を有し、
   前記第１の主面に設けられた前記引き出し電極および前記第２の主面に設けられた前記引き出し電極は、それぞれ、対応する前記励振電極から、水晶結晶軸のＸ軸に沿って前記段差を跨ぐように引き出された第一の部分と、前記第一の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する方向に沿って延在する第二の部分と、前記第二の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸に沿って延在する第三の部分と、前記第三の部分の先端部から、前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する方向に沿って延在し、かつ、少なくとも一部が前記基部の前記水晶結晶軸のＸ軸と交差する直線に沿っている幅の中心に設けられた固着部を含む領域に配置されている第四の部分とを有しており、
   前記固着部で、前記第１の主面に設けられている前記引き出し電極が、固着部材を介して前記ベースに取り付けられ、前記第２の主面に設けられている前記引き出し電極が、ワイヤーを介して前記ベースに接続されており、
   前記基部には、前記固着部と前記振動部との間に凹部または貫通孔が設けられていない
   ことを特徴とする圧電振動子。
2. 請求項１に記載の圧電振動子において、それぞれの前記励振電極の前記水晶結晶軸のＸ軸に沿っている幅の中心が、前記圧電振動片の前記水晶結晶軸のＸ軸に沿っている幅の中心より、前記基部に対して離れていることを特徴とする圧電振動子。
3. 請求項１または２に記載の圧電振動子において、それぞれの前記引き出し電極は、互いに前記固着部において平面視で重なっていることを特徴とする圧電振動子。

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