JP7380067B2 - 音叉型圧電振動片および当該音叉型圧電振動片を用いた音叉型圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、一対の振動腕が屈曲振動モードで振動する音叉型圧電振動片、及びパッケージ内で支持された音叉型圧電振動子に関する。

この音叉型圧電振動片は、時計等の基準信号の周波数発生源として従来から広く使用されている。

音叉型圧電振動片は、基部の一端側に平行に並設された一対の振動腕が屈曲振動するものであり、前記一対の振動腕の機械的な振動エネルギーの伝播漏れ、いわゆる振動漏れは、振動効率の低下や、等価直列抵抗の悪化、振動周波数のずれなど、その振動特性の低下の要因となる。

そのため、従来から、振動漏れを低減する技術は、多数、提案されている(例えば、特許文献１参照。)。

ＷＯ２０１０－０３５７１４号

上述した音叉型圧電振動片の振動漏れなどについては、音叉型圧電振動片の小型化とともにその影響力も大きくなり、かつ音叉型圧電振動片とパッケージ体とを接合する接合材の影響も考慮する必要性が高まっている。

特に、小型化された音叉圧電振動片の接合材としては、近年、金バンプなどの金属バンプを用いた保持構成のものがあるが、樹脂製接着剤に比べて拘束力（一ヶ所にとどめる力）が強くなるため、特性に悪影響を与えにくい音叉型圧電振動片の形状やその接合構成について、ますます考慮する必要性が高まっている。

本発明は、上記に鑑みて為されたものであり、音叉型圧電振動片の振動漏れなどの特性をより確実に低減できる音叉型圧電振動片を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、基部、上記基部の一端面に並んで形成された一対の振動腕、
上記基部の一端面と対向する他端面に形成された接合部、を備えており、上記振動腕の並設する方向を第１方向とし、この第１方向と直交する方向を第２方向とした場合に、上記接合部は、上記基部の他端面に対して上記一対の振動腕の並設間中央線を含む領域から上記第２方向に突出し、上記基部と直接接続される基端部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１方向に延出して第１金属バンプを有する第１延出部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１延出部と背向する方向に延出して第２金属バンプを有する第２延出部と、を備えた平面視Ｔ字状に形成されており、上記第１延出部の平面視面積を上記第２延出部の平面視面積より大きく形成するとともに、上記第１金属バンプの平面視面積を上記第２金属バンプの平面視面積より小さく形成したことを特徴とする。

本発明によれば、接合部は、上記基部の他端面に対して上記一対の振動腕の並設間中央線を含む領域から上記第２方向に突出する基端部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１方向に延出して第１金属バンプを有する第１延出部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１延出部と背向する方向に延出して第２金属バンプを有する第２延出部と、を備えた平面視Ｔ字状に形成されているので、上記基部の一端面側の振動腕の振動に伴い、上記基部の一端面側から上記基部の他端面側に伝播されてくる振動の漏れは、上記接合部の基端部で先ず低減され、次いで、第１延出部、および第２延出部で更に低減されるので、上記基部の他端面側が平坦な音叉型圧電振動片と比較して、振動漏れをより有効に低減できる。また、基部から少なくとも二つの方向に延出し離隔された第１延出部、および第２延出部において金属バンプにより外部と接合する接合領域とされるので、応力や外力に強い構成とすることができる。また、接合部は平面視Ｔ字状に形成されるので、基端部から延出部への振動バランスが高まり振動漏れの低減に貢献できるだけでなく、当該音叉型圧電振動片の全長や平面視幅の寸法を小さくして、当該音叉型圧電振動片の容器の小型化に寄与する。

また、上記第１延出部の平面視面積を上記第２延出部の平面視面積より大きく形成しているので、上記基端部で低減された振動の漏れの伝搬は、平面視面積のより小さな第２延出部に比較して、平面視面積のより大きな第１延出部の方へ集中させることができる。この結果、振動漏れが集中しにくい第２延出部に平面視面積のより大きな第２金属バンプを形成することで、音叉型圧電振動片の外部への接合強度を高めながら、振動漏れが集中しやすい第１延出部に平面視面積のより小さな第１金属バンプを形成することで全体として振動漏れ影響を受けにくくできる。

さらに、二つの第１金属バンプと第２金属バンプとの間で生じる急激な温度変化によって生じる接合間応力は、振動椀の先端にかかる力を変化させ、振動椀の実質的な長さを変化させ周波数変動をもたらすことがあった。これに対して、本発明では、基端部に近い上記第２金属バンプの平面視面積を上記第１金属バンプの平面視面積より大きく形成しているので、結合力の強い大きな第２金属バンプでは音叉型圧電振動片の中央よりの位置で接合されているため振動椀の先端への応力が生じにくくでき、結合力の小さい第１金属バンプでは振動椀の先端への応力影響が少なくできる。また、第１金属バンプと第２金属バンプとの間で生じる急激な温度変化によって生じる接合間応力の一部を結合力の小さい第１金属バンプの方に応力を逃がすことができる（応力の一部を相殺）。結果として、振動椀の先端にかかる力を抑制し、周波数変動を低減できる構成とできる。

本発明において、好ましい実施態様では、上記第１延出部の平面視形状は、上記第２延出部の平面視形状に比べて、上記第１方向に長く、かつ第２方向に幅広に形成するととともに、上記第２延出部は、上記基部の他端面から第２方向に離隔する位置に形成されている。

この実施態様によれば、上記第１延出部の平面視形状は、第２方向に幅広に形成しているので、応力や外力（ 例えば、当該音叉型圧電振動片の落下によって生じる当該音叉型圧電振動片への外力）に対して強化され、第１方向に長く形成しているので、振動の漏れも次第により有効に低減できる構成とすることができる。つまり、上記第１延出部は、音響リークに対する悪影響を低減させるだけでなく、耐衝撃性などの耐久性を向上させることが可能となる。また、平面視面積の小さな第２延出部は、上記基部の他端面から第２方向に離隔することで、振動の漏れの伝搬もより一層抑制された構成とすることができる。

本発明の音叉型圧電振動片を容器の内部に搭載され収容された音叉型圧電振動子に適用することで、上記同様の効果を奏することができる。

以上のように本発明によれば、音叉型圧電振動片の振動漏れなどの特性をより確実に低減できる音叉型圧電振動片を提供することができる。

本発明の実施形態に係る音叉型水晶振動子の模式的な断面図である。 本発明の実施形態に係る音叉型水晶振動片の一主面側の模式的な平面図である。 図２の音叉型水晶振動片の他主面側の平面図である。

以下、本発明の実施形態として、音叉型水晶振動片（音叉型圧電振動片）を用いた音叉型水晶振動子（音叉型圧電振動子）を例に挙げ、図面を参照しながら説明する。本実施形態における音叉型水晶振動子（以下、水晶振動子と略）は略直方体状のパッケージ構造からなる表面実装型の水晶振動子である。本実施形態ではその平面視の外形寸法は例えば縦１．６ｍｍ、横１．０ｍｍとなっている。なお、水晶振動子の平面視の外形寸法は当該寸法に限定されるものではないが、同寸法以下の超小型の水晶振動子に対して好適である。

本発明の実施形態に係る水晶振動子１は、図１に示すように凹部５を有する絶縁材料からなる容器３と、音叉型水晶振動片２（以下、水晶振動片２と略）と、凹部５を封止する平板状の蓋４が主な構成部材となっている。なお、図１では水晶振動片に形成される各種電極の記載は省略している。水晶振動片２は、容器３の凹部５の内部に収容された後、蓋４が凹部５を覆うように容器３の開口端に接合されることによって気密に封止される。ここで容器３と蓋４とは図示しない封止材を介して接合される。

容器３はアルミナ等のセラミックを主体とした絶縁材料から成る箱状体であり、例えば２枚のセラミックグリーンシートを積層して一体焼成することによって成形されている（図１参照）。容器３は枠状の堤部３０の内側に平面視矩形状の凹部５を有している。堤部３０の上面には図示しない封止材が平面視で枠状に形成されており、前記接合材は蓋４の外周部分と対応している。

凹部５の内底面３０１の一短辺側には、水晶振動片２と導電接合される２つの電極パッド６，７（図１では一方のみ図示）が、互いに隙間を空けた状態で並列して形成されている。２つの電極パッド６，７は、図示しない内部配線およびビアを介して容器３の外底面３０２の４隅に設けられた４つの外部接続端子８（図１では２つのみ図示）のうちの２つの端子と電気的に接続されている。これら２つの電極パッド６，７は互いに異極となっている。

本実施形態では２つの電極パッド６，７は、タングステンメタライズ層の上面に金をメッキ等の手法を用いて積層することによって形成されている。なお前記メタライズ層として、タングステンの代わりにモリブデンを用いてもよい。

電極パッド６，７のタングステン部分はメタライズの最小単位厚みの点から２段に重ね塗りされている。これは、本実施形態では水晶振動子の薄型化を図るために容器３を２層構成としたことによって凹部５の内底面３０１に段部を形成することができないため、水晶振動片２の搭載後の状態で、水晶振動片の下面（内底面３０１に対向する面）と前記内底面３０１との間に或る程度の隙間を確保するためである。

蓋４はコバールを基体とする平面視矩形状の金属性の蓋体であり、当該蓋の表裏面にはニッケルメッキ層が形成されている。また蓋４の容器との接合面側には、前記ニッケルメッキ層の上に金属からなるロウ材が全面に亘って形成されている。本実施形態では前記ロウ材として銀ロウが使用されている。

次に本実施形態における水晶振動片について図２、図３を参照しながら説明する。なお説明の便宜上、水晶振動片２の対向する２つの主面（２ａ，２ｂ）のうち、容器に搭載される際に電極パッド６，７に対面する側の主面を裏面２ｂとし、当該裏面に対向する反対側の主面を表面２ａとして説明する。図２は水晶振動片の表面側（２ａ）から見た平面図を、図３は水晶振動片の裏面側（２ｂ）から見た平面図をそれぞれ表している。

図２、図３に示すように、水晶振動片２は音叉形状であり、基部２０と、基部２０の一端面２０１に並んで同一方向に突出する一対の振動腕２１，２２と、基部の一端面と対向する他端面２０２に形成された接合部２４から成っている。また、振動椀２１と振動椀２２とが並設する第１方向は、水晶結晶軸のＸ軸方向と同一方向としており、振動椀２１と振動椀２２とが延出する方向で、第１方向と直交する第２方向は、水晶結晶軸のＹ軸方向（あるいはＹ軸から数度傾斜したＹ´方向でもよい）と同一方向としている。

一対の振動腕２１，２２の各々の先端側には、振動腕２１，２２の腕幅（第１方向における腕の寸法）よりも幅広となる幅広部２３，２３（錘部）が形成されている。幅広部２３，２３は、振動腕の突出方向（第２方向）に向かって漸次拡幅する拡幅部（符号省略）を介して、振動腕２１，２２の先端部分と一体で成形されている。前記拡幅部と前記幅広部とは、振動腕と一体で成形されている。なお幅広部２３，２３の各々の先端側の各隅部は面取り状（Ｃ面状）に加工されている。振動腕２１，２２と拡幅部と幅広部２３，２３は、対向する一対の主面２ａ，２ｂと対向する一対の側面（符号省略）を有している。

一対の振動腕２１，２２の各々の表裏主面には、等価直列抵抗値（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ。以下、ＣＩ値と略）をより低下させる目的で、長溝が形成されている。より詳しくは、振動椀２１の表裏主面には、長溝Ｇ１と長溝Ｇ３とが互いに対向するように形成され、振動椀２２の表裏主面には、長溝Ｇ２と長溝Ｇ４とが互いに対向するように形成されている。長溝Ｇ１～Ｇ４は、一対の振動腕２１，２２の各々の表裏主面に所定の深さで形成されており、その一端側が基部２０の一端側２０１の領域まで延長され、その他端側が振動腕と拡幅部との境界に対して振動腕の付け根側に位置して形成されている。長溝Ｇ１～Ｇ４は、振動腕２１，２２の突出する方向（第２方向）に沿った長手方向と、振動腕２１，２２が並設する第１方向に沿った幅方向とを有している。なお、長溝Ｇ１～Ｇ４が存在する振動椀の領域が振動部を構成している。

接合部２４は、基部の他端面２０２に対して振動椀２１と振動椀２２とが並設する中央線ＣＬを含む領域から第２方向で振動椀が延出する方向（図２，３では＋Ｙ軸方向）と反対側の方向（図２，３では－Ｙ軸方向）に突出する基端部２４１と、基端部２４１から第１方向（図２，３では＋Ｘ軸方向）に延出する矩形状の第１延出部２４２と、基端部２４１から第１延出部２４２と背向する方向（図２，３では－Ｘ軸方向）に延出する矩形状の第２延出部２４３とを備えた平面視でアルファベットの「Ｔ」字状の部位が形成されている。

また、第１延出部２４２の平面視面積を第２延出部２４３の平面視面積より大きく形成しており、第１延出部２４２は第２延出部２４３に比べて、第１方向に長く、かつ第２方向に幅広に形成している。また、第２延出部２４３は、基部の他端面２０２から第２方向（図２，３では－Ｙ軸方向）に離隔する位置に形成しており、－Ｙ軸方向の端面位置が第１延出部２４２と第２延出部２４３とでほぼ同一端面位置に形成している。

なお、第１延出部２４２と第２延出部２４３の平面視形状は、本形態に示すような矩形状に限られるものではないが、矩形状とすることで不要に平面積を拡大させることなく、かつ強度も低下させることもない望ましい形態とできる。

前述した水晶振動片の外形は、１枚の水晶ウエハからフォトリソグラフィ技術とウェットエッチングを用いて一括同時に多数個が成形される。

水晶振動片２には、異電位で構成された第１の励振電極２５および第２の励振電極２６と、第１の励振電極２５と第２の励振電極２６の各々から引回し電極（後述）を経由して引き出された引出電極２７，２８とが形成されている。

また、一対の振動腕２１，２２の表裏主面に形成される第１および第２の励振電極２５，２６の一部は、一対の振動腕２１，２２の長溝Ｇ１～Ｇ４の内部の全体に及んで形成されている。前記長溝を形成することにより、水晶振動片を小型化しても一対の振動腕２１，２２の電界効率が高まり、良好なＣＩ値を得ることができる。なお、一対の振動腕の長溝Ｇ１～Ｇ４の内部の一部の領域だけに、第１および第２の励振電極だけが形成されていてもよい。

第１の励振電極２５は、一方の振動腕２１の表裏主面と、引回し電極（符号省略）を介して他方の振動腕２２の外側面と内側面とに形成されている。同様に第２の励振電極２６は、他方の振動腕２２の表裏主面と、引回し電極（符号省略）を介して一方の振動腕２１の外側面と内側面とに形成されている。

引出電極２７，２８は基部２０および接合部２４（裏面２ｂのみ）に形成されている。基部２０に形成された引出電極２７により、他方の振動腕２２の外側面と内側面の各々に形成された第１の励振電極２５と，引回し電極（符号省略）を経由して、一方の振動腕２１の表裏主面に形成された第１の励振電極２５と接続されている。同様に、基部２０に形成された引出電極２８により、一方の振動腕２１の外側面と内側面の各々に形成された第２の励振電極２６と，引回し電極（符号省略）を経由して、他方の振動腕２２の表裏主面に形成された第２の励振電極２６と接続されている。

引出電極２７，２８は、水晶振動片の表面２ａにおいては基部２０の一端側２０１から縮幅部まで引き出されている。一方、水晶振動片の裏面２ｂにおいては他端側２０２および接合部２４の先端側まで引き出されている。そして図３に示すように、水晶振動片の裏面２ｂにおける接合部２４の基端部２４１と第２延出部２４３の領域、および接合部２４の第１延出部２４２の各領域とは、容器３の電極パッド６，７と各々電気機械的に接続される接続電極２７１，２８１となっている。

図３に示すように、第１延出部のある接続電極２７１の上面には長円状の第１金属バンプＳ１が形成され、第２延出部のある接続電極２８１の上面には長円状の第２金属バンプＳ２が形成されている。また、第１金属バンプＳ１の平面視面積を第２金属バンプＳ２の平面視面積より小さく形成している。具体的には、第１金属バンプＳ１の平面視面積を第２金属バンプＳ２の平面視面積の１／３から１／２程度に形成している。本実施形態では接合材Ｓ１，Ｓ２は、電解めっき法によって形成されためっきバンプとなっている。そして水晶振動片２と電極パッド６，７との導電接合は、ＦＣＢ法（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって行われている。

幅広部２３，２３を構成する一対の主面と一対の側面の全ての面には、前述した引回し電極が各々形成されている。本実施形態において引回し電極は、幅広部２３の全周と、振動腕２１，２２の拡幅部寄りの部位の全周（一対の主面と一対の側面）とに形成されている。

前述した第１および第２の励振電極２５，２６や引出電極２７，２８、引回し電極（符号省略）は、水晶基材上にクロム（Ｃｒ）層が形成され、このクロム層の上に金（Ａｕ）層が積層された層構成となっている。なお前記各種電極の層構成は、クロム層の上に金層が形成された層構成に限らず、他の層構成であってもよい。

第１および第２の励振電極と引出電極や引回し電極は、真空蒸着法やスパッタリング等によって水晶ウエハの主面全体に成膜された後、フォトリソグラフィ技術とメタルエッチングによって所望のパターンに一括同時に成形されている。

図２に示すように本発明の実施形態では、幅広部２３を構成する面のうち一主面のみ（表面２ａ）に周波数調整用金属膜Ｗ（周波数調整用錘）が形成されている。この周波数調整用金属膜Ｗの質量を、レーザービームやイオンビーム等のビーム照射によって削減することによって水晶振動片２の周波数が微調整される。なお周波数調整用金属膜Ｗは幅広部２３，２３の主面における引回し電極よりも、平面視における面積が一回り小さく形成されている。

本発明の実施形態によれば、水晶振動片２の振動腕の振動に伴い、基部２０の一端面２０１側から基部２０の他端面２０２側に伝播されてくる振動の漏れは、接合部２４の基端部２４１で先ず低減され、次いで、第１延出部２４２、および第２延出部２４３で更に低減されるので、基部の他端面側が平坦な音叉型圧電振動片と比較して、振動漏れをより有効に低減できる。また、基部２０から少なくとも二つの方向に延出し離隔された第１延出部２４２、および第２延出部２４３において金属バンプＳ１，Ｓ２により外部と接合する接合領域とされるので、応力や外力に強い構成とすることができる。また、接合部２４は平面視Ｔ字状に形成されるので、基端部２４１から延出部への振動バランスが高まり振動漏れの低減に貢献できるだけでなく、当該音叉型圧電振動片の全長や平面視幅の寸法を小さくして、当該音叉型圧電振動片の容器の小型化に寄与する。

また、第１延出部２４２の平面視面積を第２延出部２４３の平面視面積より大きく形成しているので、基端部２４１で低減された振動の漏れの伝搬は、平面視面積のより小さな第２延出部２４３に比較して、平面視面積のより大きな第１延出部２４２の方へ集中させることができる。この結果、振動漏れが集中しにくい第２延出部２４３に平面視面積のより大きな第２金属バンプＳ２を形成することで、音叉型圧電振動片の外部への接合強度を高めながら、振動漏れが集中しやすい第１延出部２４２に平面視面積のより小さな第１金属バンプＳ１を形成することで全体として振動漏れ影響を受けにくくできる。

加えて、第１延出部２４２と第２延出部２４３の形状を矩形状とし、平面視面積の大きな第１延出部２４２の平面視形状は、第２方向（Ｙ軸方向）に幅広に形成しているので、応力や外力（ 例えば、当該音叉型圧電振動片の落下によって生じる当該音叉型水晶振動片２への外力）に対して強化され、第１方向（Ｘ軸方向）に長く形成しているので、振動の漏れも次第により有効に低減できる構成とすることができる。つまり、上記第１延出部は、音響リークに対する悪影響を低減させるだけでなく、耐衝撃性などの耐久性を向上させることが可能となる。また、平面視面積の小さな第２延出部２４３は、基部２０の他端面２０２から第２方向（－Ｙ軸方向）に離隔することで、振動の漏れの伝搬もより一層抑制された構成とすることができる。

さらに、第１金属バンプＳ１と第２金属バンプＳ２との間で生じる急激な温度変化によって生じる接合間応力は、振動椀２１と振動椀２２の先端にかかる力を変化させ、振動椀の実質的な長さを変化させ周波数変動をもたらすことがあった。これに対して、本発明では、基端部２４１に近い第２金属バンプＳ２の平面視面積を第１金属バンプＳ１の平面視面積より大きく形成しているので、結合力の強い大きな第２金属バンプＳ２では音叉型圧電振動片の中央よりの位置で接合されているため振動椀の先端への応力が生じにくくでき、結合力の小さい第１金属バンプＳ１では振動椀の先端への応力影響が少なくできる。また、第１金属バンプＳ１と第２金属バンプＳ２との間で生じる急激な温度変化によって生じる接合間応力の一部を結合力の小さい第１金属バンプＳ１の方に応力を逃がすことができる（応力の一部を相殺）。結果として、振動椀２１と振動椀２２の先端にかかる力を抑制し、周波数変動を低減できる構成とできる。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

音叉型圧電振動片および音叉型圧電振動子の量産に適用できる。

１ 音叉型水晶振動子
２ 音叉型水晶振動片
２０ 基部
２１，２２ 振動腕
２３ 幅広部
２４ 接合部
２４１ 基端部
２４２ 第１延出部
２４３ 第２延出部
２５，２６ 励振電極
２７，２８ 引出電極
３ 容器
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４ 長溝

Claims (3)

1. 基部、
   上記基部の一端面に並んで形成された一対の振動腕、
   上記基部の一端面と対向する他端面に形成された接合部、
   を備えており、
   上記振動腕の並設する方向を第１方向とし、この第１方向と直交する方向を第２方向とした場合に、
   上記接合部は、上記基部の他端面に対して上記一対の振動腕の並設間中央線を含む領域から上記第２方向に突出し、上記基部と直接接続される基端部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１方向に延出して第１金属バンプを有する第１延出部と、上記基部と直接接続されず上記基端部から上記第１延出部と背向する方向に延出して第２金属バンプを有する第２延出部と、を備えた平面視Ｔ字状に形成されており、
   上記第１延出部の平面視面積を上記第２延出部の平面視面積より大きく形成するとともに、上記第１金属バンプの平面視面積を上記第２金属バンプの平面視面積より小さく形成した
   ことを特徴とする音叉型圧電振動片。
2. 上記第１延出部の平面視形状は、上記第２延出部の平面視形状に比べて、上記第１方向に長く、かつ第２方向に幅広に形成するととともに、
   上記第２延出部は、上記基部の他端面から第２方向に離隔する位置に形成した
   ことを特徴とする請求項１に記載の音叉型圧電振動片。
3. 請求項１、または請求項２に記載の音叉型圧電振動片が、容器の内部に搭載され収容されるとともに気密封止された音叉型圧電振動子。

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