JP7028579B2 - 水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶片を容器に接着剤で固定する構造を有する水晶デバイス、例えば水晶振動子、水晶振動子を含む水晶発振器、サーミスタやＰＮダイオード等の温度センサ付の水晶振動子等の水晶デバイスに関する。

水晶振動子の一種として、励振用電極を有した水晶片を、所定容器に導電性の接着剤により固定する構造を有するものがある。この種の水晶振動子では、水晶片が容器から剥がれることは致命的なため、その対策が従来から行われている。
例えば特許文献１には、セラミック製の保持台を有したセラミック製容器の前記保持台に、水晶片を、シリコーン系の導電性接着剤で固定する際の工夫が開示されている。すなわち、前記保持台の天面に、水晶片の励振用電極に接続される配線パターンと、セラミックを露出させた無電極部とを設けておき、シリコーン系の導電性接着剤を、これら配線パターンと無電極部とに跨った状態で設ける構造が開示されている（特許請求の範囲、図４等）。この構造の場合、シリコーン系の導電性接着剤がセラミック自体にも接着される。シリコーン系の導電性接着剤は、配線パターン表面よりセラミック表面への食いつきが良いので、水晶片の保持台からの剥がれを生じにくくできるという。

特開２００７-２７４３３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された水晶振動子の場合、配線パターンとセラミック表面とに跨ってシリコーン系の導電性接着剤を塗布する必要がある。従って、剥がれを防止するため無電極部の面積をある程度広く確保する必要があり、かつ、電気的な導通を確保するため配線パターンの面積もある程度広く確保する必要があるから、導電性接着剤を塗布する平面積は、自ずと広くなる。一方、水晶振動子の特性を良好にするためには、水晶片の保持台への固定箇所は、水晶片の振動中心からなるべく遠い領域でかつ狭い方が良いが、上記の従来構造の場合は、導電性接着剤を塗布する平面積を広くする必要があるため、それらの実現は難しい。上述した課題は、水晶振動子の小型化が進むほど、深刻になる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的は、導電性接着剤の塗布面積を大きくすることなく、水晶片の剥がれが生じにくい新規な構造の水晶振動子を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この出願に係る発明者は、柔軟性を有する導電性接着剤の厚みや被接着物に対する塗布位置が、被接着物の剥がれにどう影響するかを種々検討した。図１（Ａ）、（Ｂ）はその説明図であり、いずれも実験に用いた試料の断面図である。
具体的には、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、容器底面を模擬した第１のガラス板１１に、水晶片を模擬した第２のガラス板１３を、柔軟性を有した導電性接着剤としてのシリコーン系の導電性接着剤１５によって接着した試料を作製した。そして、第２のガラス板１３の接着側とは反対側の端部を、デジタルフォースゲージ１７により引張り、第２のガラス板１３の引き剥がし力を調査した。

なお、引き剥がし力の測定に当たっては、第１のガラス板１１を実験台（図示を省略）に強固に固定した。また、実験試料は２種類用意した。すなわち、図１（Ａ）に示した試料１の場合は、接着剤１３の厚みは、デジタルフォースゲージ側で一番厚く、そこから徐々に薄くなる構造とした。一方、図１（Ｂ）に示した試料２の場合は、接着剤１３の厚みは、デジタルフォースゲージ側で一番薄く、そこから徐々に厚くなる構造とした。
これら試料１、試料２に対し、上記のようにデジタルフォースゲージ１７で引き剥がし試験を実施し、第２のガラス板１３が剥がれたときのフォースゲージの値を記録した。なお、サンプル数は、試料１、試料２それぞれ１０個とした。この実験結果を下記の表１に示した。
なお、表１では、引き剥がし力の実際の値を示していない。試料１の１０個の試料における引き剥がし力の平均値を１と示し、これを基準にして、試料１の１０個の結果での最大値、最小値、及び、試料２の１０個の結果での平均値、最大値、最小値それぞれを、比率で示してある。

この表１から、試料２は試料１に対し、平均値で見ると０．５５の比率の強度しかなく、最大値で見ると０．６４の比率の強度しかなく、最小値で見ると０．３９の比率の強度しかない。すなわち、引き剥がし試験に対し、試料１の構造の方が、試料２に比べて２倍近い強度があることが分かった。そして、このような事実は、水晶片の剥がれ防止に利用できると考えた。

従って、この出願の水晶振動子の発明によれば、平面形状が四角形状の水晶片と、この水晶片を収納する容器と、前記水晶片の第１の辺の近傍であってこの第１の辺の両端付近の２箇所で前記水晶片を前記容器に固定している柔軟性を有した導電性接着剤と、を具える水晶振動子において、
前記水晶片を前記２箇所付近で、前記容器の内底面から浮かしている第１の枕部と、
前記水晶片の前記第１の辺と対向する第２の辺付近で、前記水晶片に対向する第２の枕部とを具え、
前記導電性接着剤を、主として、前記第１の枕部より前記水晶片の中心側に向かった所定領域の、前記水晶片と前記容器の底面との間に設けてあること
を特徴とする。
この発明を実施するに当たり、前記第１の枕の最高点が前記水晶片の前記第１の辺近傍の下方に位置し、前記接着剤の塗布中心は前記第１の枕の最高点より前記水晶片の中心側にずれているのが良い。

この発明の水晶振動子では、柔軟性を有した導電性接着剤が、第１の枕部より水晶片の中心側に向かった所定領域の、水晶片と容器底面との間に存在するため、柔軟性を有した導電性接着剤は、第１の枕の高さに応じて、厚みの厚い状態で存在することになる。これは、水晶片が第１の枕部付近を支点として上方に持ち上がるような外力に対し抗力として機能する。また、第２の枕部を設けているので、水晶片が第１の枕部付近を支点として下方に振れる際に振れ幅を第２の枕部が規制する。これらのことから、水晶片の剥がれを従来に比べ生じにくくできる。
また、第１の枕部で水晶片を浮かし、容器の底面と水晶片との空隙を確保し、この空隙を利用して前記導電性接着剤の厚みを確保するので、導電性接着剤の平面的な塗布面積を増やすことなく、水晶片の剥がれ防止が図れる。

（Ａ）、（Ｂ）は、発明者の実験で用いた試料の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態の水晶振動子２０の説明図である。 （Ａ）は第２の実施形態の水晶振動子４０の説明図、（Ｂ）は第３の実施形態の水晶振動子５０の説明図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明が以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． 第１の実施形態
図２（Ａ）、（Ｂ）は、第１の実施形態の水晶振動子２０を説明する図である。特に（Ａ）図は、水晶振動子２０の平面図、（Ｂ）図は（Ａ）図のＰ－Ｐ線に沿って切った水晶振動子２０の断面図である。

水晶振動子２０は、水晶片２１と、容器２３と、柔軟性を有した導電性接着剤２５と、第１の枕部２７と、第２の枕部２９と、蓋部材３１（図１（Ｂ）のみ図示）と、を具える。
水晶片２１は、励振用電極２１ａと、引出電極２１ｂとを含むものである。水晶片２１の水晶部材自体は、平面形状が四角形状、この例の場合は長方形状のもので、例えば、ＡＴカット水晶板、ＳＣカットに代表されるいわゆる２回回転の水晶板である。また、この例の場合の水晶片２１はその中央に比べて縁部分で厚さが薄くなったいわゆるベベル構造の水晶片としてある。

また、励振用電極２１ａは、水晶片２１の表裏の主面に設けてある。引出電極２１ｂは、励振用電極２１ａ各々から、水晶板２１の短辺のうちの一方の辺である第１の辺２１ｃの近傍でかつこの辺２１ｃに沿った両端にそれぞれ引き出してある。

容器２３は、容器本体２３ａと、凹部２３ｂと、配線パターン２３ｃと、外部接続端子２３ｄと、ビア配線２３ｅと、を具える。凹部２３ｂは、水晶片２１を収納できる平面視四角形状のものである。配線パターン２３ｃは、柔軟性を有した導電性接着剤２５を介して、水晶片２１の引出電極２１ｂと接続されるものである。この配線パターン２３ｃは、金属の薄膜パターンで構成してあり、凹部２３ｂの底面の一端側の２箇所に設けてある。すなわち、凹部２３ｂの底面の容器２３の１つの短辺近傍であって、この短辺の両端に当たる領域各々に設けてある。また、外部接続端子２３ｄは、容器本体２３ａの外部底面に設けてあり、水晶振動子２０を任意の電子機器に接続するものである。これら配線パターン２３ｃと外部接続端子２３ｄとは、容器本体２３ａに設けたビア配線２１ｅによって接続してある。なお、この容器２３は、例えばセラミックパッケージにより構成できる。

また、柔軟性を有した導電性接着剤２５は、典型的には、シリコーン系の導電性接着剤である。ただし、これに限られず、これと同様な物性を持つ任意のものとできる。この導電性接着剤２５は、主として、第１の枕部２７より水晶片２１の中心側に向かった所定領域の、水晶片２１と容器の底面との間に設けてある（詳細は後述する）。

また、第１の枕部２７と第２の枕部２９とは、各々、容器２３の凹部２３ｂの底面の所定位置に設けてある。具体的には、第１の枕部２７は、凹部２３ｂの底面であって、この例の場合は、配線パターン２３ｃの一部領域上であって、水晶片２１の第１の辺２１ｃの両端付近と対応する領域に設けてある。然も、第１の枕部２７の高さは、導電性接着剤２５の厚さが所望の厚さとなるように、すなわち水晶片２１の剥がれを防止できる柔軟性を顕在化できる厚さになるように選択する。具体的には、第１の枕部２７の高さは、例えば、２０～６０μｍ、より好ましくは、３０～５０μｍが良い。一方、第２の枕部２９は、凹部２３ｂの底面であって、水晶片２１の、第１の辺２１ｃと対向している第２の辺２１ｄ付近と対向する領域に、設けてある。この第２の枕部２９の高さは、第１の枕部２７の高さに対し、例えば０．５～１．５の範囲から選ばれた値とするのが良い。また、第１の枕部２７の水晶片の長辺方向に沿う寸法は、水晶片２１を上方に浮かす効果が得られるなら、なるべく小さい方が良い。この寸法が大きすぎる導電性接着剤２５を塗布する領域を狭くしてしまうからである。

なお、第１の枕部２７及び第２の枕部２９各々は、容器２３を製造する際に形成できる。具体的には、セラミックパッケージ形成時にアルミナペースト又は導電性ペーストをスクリ－ン印刷により印刷し、それを焼成することで形成できる。又は、近年はセラミックパッケージを成形法で形成する試みも行われているので、これら枕部２７，２９は成形で形成しても良い。好ましくは、第１の枕部２７は導電性を有したものが良い。シリコーン系の導電性接着剤２５と配線パターン２３ｃとの電気的接続に有利だからである。
また、蓋部材３１は、容器２３の凹部２３ａを囲う土手部分の天面で容器と接し、容器２３を封止するものである。この蓋部材３１は、封止方式に応じた任意のもので構成する。

この発明では、水晶片２１、第１の枕部２７、第２の枕部２９を上述したように配置してあるため、水晶片２１は、第１の辺２１ｃの両端付近で、２つの第１の枕部２７によって、容器２３の内底面から浮いた状態になっている。また、この水晶片２１は、その第２の辺２１ｄ付近で第２の枕部２９と対向した状態になり、然も、容器２３の内底面から浮いた状態になっている。
然も、この発明では、柔軟性を有した導電性接着剤２５を、主として、第１の枕部２７より水晶片２１の中心側に向かった所定領域の、水晶片２１と容器の底面との間に設けてある。ここで、主としてとは、第１の枕部２７上に導電性接着剤２５が存在しても良いが、導電性接着剤２５の７割以上、好ましくは８割以上が、第１の枕部２７より水晶片２１の中心側に在る意味である。また、所定領域とは図１の例では図中にＸで規定した領域である。この領域Ｘは、導電性接着剤２５が水晶片の振動に悪影響を及ぼすことが無い範囲、かつ、水晶片２１が容器２３から剥がれることが無い範囲で選択する。なお、上述においては、第１の枕部２７の水晶片の長辺方向に沿う寸法は、なるべく小さい方が良いと述べた。第１の枕部２７の水晶片の長辺方向に沿う寸法は、この寸法Ｘに対し、０．０５～０．４の比率、より好ましくは０．０５～０．３の比率、さらに好ましくは０．１～０．３の比率とするのが良い。

この第１の実施形態の水晶振動子２０によれば、柔軟性を有した導電性接着剤２５は、第１の枕部２７より水晶片２１の中心側に向かった所定領域に、厚みの厚い状態で存在する構造が得られる。そのため、この導電性接着剤２５の柔軟性がより強く機能するので、、水晶片２１が第１の枕部２７付近を支点として第２の枕部２９側が上方に持ち上がるような外力を受けても、水晶片２１の剥がれは従来に比べ生じにくい。一方、水晶片２１が第１の枕部２７付近を支点として第２の枕部１９側が下方に振れるような外力を受けても、水晶片２１の振れ幅は第２の枕部２９によって規制されるため、当該下方の外力による水晶片の剥がれも従来に比べ生じにくい。また、導電性接着剤の塗布面積を増やすことなく、導電性接着剤の厚みを確保することで,剥がれを防止できるので、導電性接着剤の塗布面積が増えることも防止できる。

２． 他の実施形態
２－１．第２の実施形態
図３（Ａ）は第２の実施形態の水晶振動子４０を説明する図であり、図２（Ｂ）同様な断面図を用いてそれを示した図である。
この第２の実施形態の水晶振動子４０は、第１の枕部２７の隣であって、水晶片２１の中心部側に、第１の枕部２７より高さが低い第３の枕部４１をさらに具えたものである。この第３の枕部４１の高さは、第１の枕部２５の高さに対し０．２～０．７、より好ましくは０．２～０．５とするのが良い。
この第２の実施形態の水晶振動子４０の場合は、第３の枕部４１を設けたことにより、第１の枕部２７及び第３の枕部４１による複数の段差部が生じる。このため、柔軟性を有した導電性接着剤２５Ｘは、第１の枕部２７から水晶片２１の中心に向かってその厚さが段階的に厚くなる構造が得られる。そのため、水晶片２１が第１の枕部２７付近を支点として第２の枕部２９側が上方に持ち上がるような外力に対する接着剤２５ｘの抗力が徐々に生じると考えることができ、水晶片の剥がれ防止に有効と考えられる。

２－２．第３の実施形態
図３（Ｂ）は第３の実施形態の水晶振動子５０を説明する図であり、図２（Ｂ）同様な断面図を用いてそれを示した図である。
この第３の実施形態の水晶振動子５０は、柔軟性を有した導電性接着剤２５ｙを容器本体２３ａの底面のセラミック面まで及んで設けたものである。この場合、配線パターン２３ｃの無い部分で導電性接着剤２５ｙの厚さが配線パターン２３ｃの厚さ分だけ厚くなるため、その分、剥がれに対する抗力が増すと考えられる。ただし、配線パターン２３ｃの厚さは第１の枕部２７の厚さや第３の枕部４１の厚さに比べて小さいので、その効果は大きくないかもしれない。
上述においては、いくつかの実施形態を説明したが、この発明は以下のような変更も可能である。水晶片２１としてベベル形状を持つ水晶片を用いたが、ベベル形状が無く厚さが一様な水晶片に対しても本発明は適用できる。また、容器２３として凹部２３ｂを持つ容器を用いた例を説明したが、平板状の容器本体と、キャップ状の蓋部材とによる封止構造の水晶振動子に対しても本発明は適用できる。

２０：第１の実施形態の水晶振動子、 ２１：水晶片
２１ａ：励振用電極、 ２１ｂ：引出電極
２３：容器、 ２３ａ：容器本体
２３ｂ：凹部、 ２３ｃ：配線パターン
２３ｄ：外部実装端子、
２５、２５ｘ、２５ｙ：柔軟性を有する導電性接着剤
２７：第１の枕部、 ２９：第２の枕部
３１：蓋部材、 ４０：第２の実施形態の水晶振動子
４１：第３の枕部 ５０：第３の実施形態の水晶振動子

Claims (3)

1. 平面形状が四角形状の水晶片と、前記水晶片を収納する容器と、前記水晶片の第１の辺の近傍であって前記第１の辺の両端付近の２箇所で前記水晶片を前記容器に固定している柔軟性を有した導電性接着剤と、を具える水晶振動子において、
   前記水晶片を前記２箇所付近で、前記容器の内底面から浮かしていて、高さが２０～６０μｍの第１の枕部と、
   前記水晶片の前記第１の辺と対向する第２の辺付近で、前記水晶片に対向し、高さが前記第１の枕部の高さに対し０．５～１．５倍の範囲から選ばれた高さの第２の枕部と、
   前記第１の枕部に前記水晶片の中心側で接していて、前記第１の枕部の高さに対し０．２～０．７倍の高さの第３の枕部と、を具え、
   前記第１の枕部の最高点が前記水晶片の前記第１の辺近傍の下方に位置し、
   前記導電性接着剤の少なくとも７割は、前記第１の枕部より前記水晶片の中心側であって、前記第３の枕部上も含む前記水晶片と前記容器の底面との間に設けてあること
   を特徴とする水晶振動子。
2. 前記導電性接着剤の少なくとも８割は、前記第１の枕部より前記水晶片の中心側で、かつ、前記水晶片と前記容器の底面との間に設けてあること
   を特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記水晶片は、中央に比べて縁部分で厚さが薄くなったベベル構造の水晶片であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶振動子。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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