JP5862770B2 - 水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子に関する。

従来、発振子などとして、水晶振動子などの圧電振動装置が用いられている。特許文献１には、圧電振動装置の一例として、圧電振動子が搭載された基板と、基板に接合されており、基板と共に圧電振動子を封止している金属キャップとを備える圧電振動装置が記載されている。また、特許文献１では、封止樹脂を介して金属キャップと基板とが接続されている。

特開２０１０−２４５９３３号公報

水晶振動素子では、例えば応力などの外乱によって周波数特性が大きく変化する。このため、水晶振動素子を用いた水晶振動子では、水晶振動素子に外乱が加わり難くして、周波数精度を向上することが重要である。

しかしながら、特許文献１に記載された圧電振動装置では、封止樹脂が吸水性を有するため、封止空間の湿度が変化しやすく、水晶振動子の周波数精度が低下するという問題があった。

本発明は、周波数精度が高い水晶振動子を提供することを主な目的とする。

本発明に係る水晶振動子は、基板と、水晶振動素子と、ドーム型のキャップとを備える。水晶振動素子は、基板の上に搭載されている。キャップは、基板に接合されている。キャップは、基板と共に水晶振動素子を封止する封止空間を区画形成している。キャップは、側壁部と、天井部と、接続部とを有する。側壁部は、水晶振動素子を包囲している。天井部は、水晶振動素子の上方に位置する。接続部は、側壁部と天井部とを接続している。接続部が、側壁部及び天井部よりも薄い。本発明では、キャップと基板とが、無機接合材によって接合されている。

本発明に係る水晶振動子のある特定の局面では、接続部の厚みが、側壁部の厚み及び天井部の厚みのそれぞれの０．８５倍以下である。

本発明に係る水晶振動子の別の特定の局面では、接続部の厚みが、側壁部の厚み及び天井部の厚みのそれぞれの０．５倍以上である。

本発明に係る水晶振動子の他の特定の局面では、側壁部が基板の主面に対して垂直である。天井部が基板の主面と平行である。

本発明に係る水晶振動子のさらに他の特定の局面では、キャップが金属製である。

本発明に係る水晶振動子の他の特定の局面では、前記無機接合材は、前記キャップの前記基板と接合される接合部の端面及び両側面において、前記キャップと接合している。

本発明に係る水晶振動子のさらに他の特定の局面では、前記無機接合材は、フィレット形状を有する。

本発明に係る水晶振動子のさらに別の特定の局面では、前記キャップの高さ方向における、前記無機接合材と前記キャップの前記接合部の側面とが接合している部分の長さは、前記キャップの前記接合部の端面の幅よりも長い。

本発明に係る水晶振動子の他の特定の局面では、前記基板は、その一主面の上に枠状に形成された導体を備え、前記導体上に前記キャップが搭載されている。

本発明に係る水晶振動子の別の特定の局面では、前記導体は、下地層と、前記下地層上に形成されためっき層と、からなり、前記下地層が外部に露出しないように、前記下地層が前記めっき層により被覆されている。

本発明に係る水晶振動子のさらに他の特定の局面では、前記導体の幅が、前記キャップの前記接合部の端面の幅よりも大きい。

本発明に係る水晶振動子のさらに別の特定の局面では、前記導体は外表面にＡｕを含み、前記キャップは外表面にＡｕを含み、前記無機接合材はＡｕを含む。

本発明に係る水晶振動子のさらに他の特定の局面では、前記導体は最外層にＡｕめっき層を有し、前記キャップは最外層にＡｕめっき層を有し、前記無機接合材はＡｕＳｎ合金である。

本発明によれば、周波数精度が高い水晶振動子を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る水晶振動子の略図的斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る水晶振動子の略図的平面図である。 図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける略図的断面図である。 図４は、参考例に係る水晶振動子の略図的断面図である。 図５は、肉厚比と、最大主応力との関係を表すグラフである。 図６は、本発明の他の実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図である。 図７は、図６に示した水晶振動子におけるギャップと基板との接合部分を示す部分切欠断面図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、本実施形態に係る水晶振動子１の略図的斜視図である。図２は、本実施形態に係る水晶振動子１の略図的平面図である。図３は、本実施形態に係る水晶振動子１の略図的断面図である。

図１〜図３に示されるように、水晶振動子１は、基板１０を有する。基板１０は、例えば、アルミナなどのセラミックスなどにより構成することができる。

基板１０の上には、水晶振動素子１１が搭載されている。水晶振動素子１１は、略矩形板状である。水晶振動素子１１は、長手方向の一方側に設けられた支持材１２により基板１０に片持ち梁態様で支持されている。支持材１２は、水晶振動素子１１の長手方向の一方側端部において、短手方向における両角部に設けられている。支持材１２は、例えば、導電性接着剤の硬化物等により構成することができる。

基板１０の上には、キャップ２０が配されている。キャップ２０は、ドーム型である。キャップ２０は、凹部２０ａを有する。キャップ２０は、凹部２０ａが基板１０側に向かって開口するように配されている。このキャップ２０と基板１０とによって、水晶振動素子１１が配された封止空間３０が区画形成されている。キャップ２０は、端面２０ｂにおいて、基板１０と接合されている。キャップ２０と基板１０とは、金属やガラスなどの無機接合材４０により接合されている。従って、封止空間３０内への水分や気体の侵入を抑制することができる。好ましく用いられる無機接合材４０としては、例えば、ＡｕＳｎ合金等が挙げられる。

また、上記キャップ２０と基板１０とは、減圧大で無機接合材４０を介して接合されている。従って、封止空間３０は、減圧状態、すなわちいわゆる真空状態とされている。封止空間３０が、いわゆる真空状態とされているため、水晶振動素子１１の振動が阻害され難い。よって、周波数精度を効果的に高めることができる。

もっとも、封止空間３０が減圧されていると、上記水分や気体の侵入が生じやすくなる。しかしながら、無機接合材４０により接合されているため、上記のとおり、水分や気体の侵入を効果的に抑制することができる。

キャップ２０は、弾性材料により構成されていることが好ましい。キャップ２０は、例えば金属製であることが好ましい。具体的には、キャップ２０は、例えば、ニッケル、鉄ニッケル合金などのニッケル合金、コバール、ステンレス鋼などにより構成することができる。

キャップ２０は、側壁部２１と、天井部２２と、接続部２３とを有する。側壁部２１は、平面視において水晶振動素子１１を包囲するように額縁状に設けられている。側壁部２１は、基板１０の主面から、基板１０の主面に対して垂直な方向に延びている。天井部２２は、水晶振動素子１１の上方に位置している。天井部２２は、基板１０の主面と平行である。側壁部２１と天井部２２とは接続部２３によって接続されている。接続部２３は、湾曲構造を有する。接続部２３は、キャップ２０の稜線部及びコーナー部を構成している。

ところで、一般的に、キャップと基板とでは、熱膨張係数が異なる。このため、水晶振動子の温度が変化すると、キャップと基板との熱膨張係数の差によりキャップと基板の双方に応力が生じる。そして、基板に残留した応力は基板の上に搭載された水晶振動素子に加わるが、基板に残留した応力が変化することにより水晶振動素子に加わる応力の大きさも変化する。従って、水晶振動子の周波数精度が低くなる場合がある。

ここで、水晶振動子１では、接続部２３が、側壁部２１及び天井部２２よりも薄い。このため、例えば、図４に示す参考例に係る水晶振動子１００のように、接続部１２３が側壁部１２１、天井部１２２と同じ厚さとされている場合と比較して、キャップ２０に応力が加わった際にキャップ２０が変形しやすい。よって、キャップ２０に加わる残留する応力が小さくなり、基板１０に残留する応力が小さくなる。従って、基板１０から水晶振動素子１１に加わる応力が小さくなる。その結果、高い周波数精度を実現することができる。

図５は、肉厚比と、最大主応力との関係を表すグラフである。図５において、詳細には、横軸の肉厚比は、天井部２２の厚みに対する接続部２３の厚みの比（（接続部２３の厚み）／（天井部２２の厚み））である。天井部２２の厚みを測定する際には、天井部２２の中心部の厚みを測定し、接続部２３の厚みを測定する際には、接続部２３において最も薄い部分の厚みを測定した。なお、本実施形態では、側壁部２１の厚みと天井部２２の厚みとが同じであるため、側壁部２１に対する接続部２３の厚みの比である肉厚比についても、図５で示した値と同じになる。縦軸の最大主応力は、水晶振動子１の温度を３００℃から−４０℃にまで冷却したときに、図３に示すポイントＡに加わった引張応力の最大値である。

なお、図５に示すデータは、下記の条件のときのデータである。

基板１０：アルミナセラミック基板（熱膨張係数：５．４×１０^−６／℃、ヤング率：２２０×１０^９Ｐａ）
キャップ２０：４２Ｎｉ合金製（熱膨張係数：５．０×１０^−６／℃、ヤング率：２００×１０^９Ｐａ）
支持材１２：シリコーン系導電性接着剤の硬化物製（熱膨張係数：１００×１０^−６／℃、ヤング率：０．１×１０^９Ｐａ）

また、図５のプロットされている点の数値を下記の表１に示す。

図５に示す結果から、接続部２３の厚みを、側壁部２１の厚み及び天井部２２の厚みのそれぞれの０．８５倍以下とすることにより、最大主応力を小さくできることが分かる。従って、接続部２３の厚みを、側壁部２１の厚み及び天井部２２の厚みのそれぞれの０．８５倍以下とすることにより、周波数精度をさらに改善できることが分かる。但し、接続部２３が薄すぎると、接続部２３の剛性が低くなりすぎる場合がある。従って、接続部２３の厚みを、側壁部２１の厚み及び天井部２２の厚みのそれぞれの０．５倍以上とすることが好ましい。

また、キャップ２０と基板１０とを接合している接合材４０が無機接合材であるため、封止樹脂に比べて吸水性が低く封止空間のシール性を向上させることができる。なお、シール性という観点では、無機接合材の中でも、緻密性の高い金属を用いることが望ましい。また、封止樹脂に比べて、無機接合材はキャップ２０や基板１０との固着力が高いため、キャップ２０と基板１０との接合強度が高くなる。一方、封止樹脂に比べて、無機接合材はそれ自体が硬く、かつ、キャップ２０と基板１０との間を強固に接合するため、キャップ２０と基板１０との間に応力が生じやすく、基板１０に残留する応力ひいては水晶振動素子１１に加わる応力が大きくなる。だからこそ、接続部２３を、側壁部２１及び天井部２２よりも薄くして残留応力を緩和することに意義がある。

なお、側壁部２１と天井部２２との厚み比は、特に限定されない。例えば、側壁部２１の厚みと天井部２２との厚みは同じであってもよい。側壁部２１の厚みが天井部２２の厚みよりも大きくてもよいし、小さくてもよい。

図６及び図７は、本発明の他の実施形態に係る水晶振動子の構成をより具体的に説明するための図であり、図６は水晶振動子１の概略分解斜視図であり、図７は水晶振動子における基板１０とキャップ２０との接合部分を示す部分切欠断面図である。

図６に示すように、水晶振動素子１１においては、水晶片の表面および裏面に電極１１ａが形成され（裏面の電極は図示せず）ている。これらの電極１１ａが水晶片の厚み方向において対向している。水晶振動素子１１に形成された電極は、導電性接着剤４２，４２を介して基板１０の一方主面の上に形成された導体４３ａ，４３ａに電気的に接続されている。導体４３ａは、基板１０内部に形成されたビア導体（図示せず）を介して、基板１０の他方主面の上に形成された外部電極に電気的に接続されている。

導体４３ａは、基板１０の一主面の上において、キャップ２０の接合部２０ｃに対応する輪郭を有している。具体的には、導体４３は枠状に形成されている。

図７に示すように、導体４３は、半長円形状の断面を有する。ここでは、導体４３は、下から、Ｍｏを含む下地層４４、Ｎｉめっき層４５、Ｐｄめっき層４６、Ａｕめっき層４７の順に形成されている。下地層は、上層のめっき層により被覆され、外部に露出していない。なお、導体４３ａおよび外部電極についても、導体４３と同じ層構造とすることができる。

図７に示すように、キャップ２０の接合部２０ｃは、先端が丸みを帯びた形状を有する。この形状は、後述する無機接合材４０の濡れ上がりをスムーズにさせる効果を有する。また、キャップ２０は表面に金属層２０ｄを有し、金属層２０ｄはＡｕまたはＡｕ合金のめっき層により構成されている。

図６及び図７に示すように、基板１０とキャップ２０とは、無機接合材４０を介して接合されている。接合材は、ＡｕＳｎ合金により形成されている。前述のように、無機接合材４０は、キャップ２０の接合時に一旦溶融した後に固化したものである。キャップ２０の金属層２０ｄ、導体４３の最外層のめっき層、および無機接合材４０がいずれもＡｕを含むため、相互に濡れやすい。従って、固化後の無機接合材４０はフィレット形状をなす。無機接合材４０は、キャップ２０の端面だけでなく側面上まで濡れ上がる。また、無機接合材４０は、導体４３のめっき層を被覆するように濡れ広がる。

よって、相対的にポーラスである導体４３の下地層４４はめっき層により覆われている。従って、下地層４４が外部に露出していないため、下地層を介した水分の浸入が生じにくい。無機接合材４０は、それ自体が金属で構成されているため、樹脂を含む接着剤に比べて、緻密であり吸水性も低い。無機接合材４０が濡れ広がることにより、無機接合材４０とキャップ２０との界面、および無機接合材４０と導体４３との界面が広く封止される。従って、水分浸入経路が長くなり、水分が浸入しにくい。

よって、基板１０、導体４３、無機接合材４０、およびキャップ２０により形成される封止空間がより確実に封止される。これにより、水晶振動子１の周波数精度が安定する。

１…水晶振動子
１０…基板
１１…水晶振動素子
１２…支持材
２０…キャップ
２０ａ…凹部
２０ｂ…端面
２１…側壁部
２２…天井部
２３…接続部
３０…封止空間
４０…無機接合材

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板の上に搭載された水晶振動素子と、
   前記基板に接合されており、前記基板と共に前記水晶振動素子を封止する封止空間を区
   画形成しているドーム型のキャップと、
   を備え、
   前記キャップは、前記水晶振動素子を包囲する側壁部と、前記水晶振動素子の上方に位
   置する天井部と、前記側壁部と前記天井部とを接続している接続部とを有し、
   前記基板と前記キャップとが、無機接合材によって接合され、
   前記接続部が、前記側壁部及び前記天井部よりも薄く、
   前記接続部の厚みが、前記側壁部の厚み及び前記天井部の厚みのそれぞれの０．８５倍
   以下である、水晶振動子。
2. 基板と、
   前記基板の上に搭載された水晶振動素子と、
   前記基板に接合されており、前記基板と共に前記水晶振動素子を封止する封止空間を区
   画形成しているドーム型のキャップと、
   を備え、
   前記キャップは、前記水晶振動素子を包囲する側壁部と、前記水晶振動素子の上方に位
   置する天井部と、前記側壁部と前記天井部とを接続している接続部とを有し、
   前記基板と前記キャップとが、無機接合材によって接合され、
   前記接続部が、前記側壁部及び前記天井部よりも薄く、
   前記接続部の厚みが、前記側壁部の厚み及び前記天井部の厚みのそれぞれの０．５倍以
   上である、水晶振動子。
3. 基板と、
   前記基板の上に搭載された水晶振動素子と、
   前記基板に接合されており、前記基板と共に前記水晶振動素子を封止する封止空間を区
   画形成しているドーム型のキャップと、
   を備え、
   前記キャップは、前記水晶振動素子を包囲する側壁部と、前記水晶振動素子の上方に位
   置する天井部と、前記側壁部と前記天井部とを接続している接続部とを有し、
   前記基板と前記キャップとが、無機接合材によって接合され、
   前記接続部が、前記側壁部及び前記天井部よりも薄く、
   前記基板は、その一主面の上に枠状に形成された導体を備え、前記導体上に前記キャッ
   プが搭載されており、前記導体は、下地層と、前記下地層上に形成されためっき層と、からなり、前記下地層が外部に露出しないように、前記下地層が前記めっき層により被覆されている、水晶振動子。
4. 前記側壁部が前記基板の主面に対して垂直であり、前記天井部が基板の主面と平行であ
   る、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水晶振動子。
5. 前記キャップが金属製である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の水晶振動子。
6. 前記無機接合材は、前記キャップの前記基板と接合される接合部の端面及び両側面にお
   いて、前記キャップと接合していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記
   載の水晶振動子。
7. 前記無機接合材は、フィレット形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の水晶
   振動子。
8. 前記キャップの高さ方向における、前記無機接合材と前記キャップの前記接合部の側面
   とが接合している部分の長さは、前記キャップの前記接合部の端面の幅よりも長いことを
   特徴とする、請求項６に記載の水晶振動子。
9. 前記基板は、その一主面の上に枠状に形成された導体を備え、前記導体上に前記キャップが搭載されており、
   前記導体の幅が、前記キャップの前記接合部の端面の幅よりも大きいことを特徴とする
   、請求項６〜８のいずれか一項に記載の水晶振動子。
10. 前記導体は外表面にＡｕを含み、
    前記キャップは外表面にＡｕを含み、
    前記無機接合材はＡｕを含むことを特徴とする、請求項９に記載の水晶振動子。
11. 前記導体は最外層にＡｕめっき層を有し、
    前記キャップは最外層にＡｕめっき層を有し、
    前記無機接合材はＡｕＳｎ合金であることを特徴とする、請求項１０に記載の水晶振動
    子。
    

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