WO2014167980A1 - 水晶振動装置 - Google Patents

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山本　裕之
賢 浅井
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a crystal vibration device using a crystal resonator, and more particularly to a crystal vibration device in which a crystal resonator is mounted on a case substrate with a conductive adhesive.
  • Patent Literature 1 discloses a piezoelectric device in which a crystal resonator is supported by a cantilever with respect to a base substrate. This crystal resonator is configured by using an AT-cut crystal resonator element whose main vibration is thickness shear vibration. The crystal resonator is fixed to the base substrate by a support mount.
  • the support mount is made of epoxy resin or silicone resin.
  • Patent Document 2 discloses a piezoelectric device using a crystal resonator.
  • a quartz resonator is sealed in a substrate, a seal ring, a lid made of metal, and a package.
  • This crystal unit is supported by a cantilever on the substrate.
  • the crystal resonator is bonded to the substrate using a conductive adhesive.
  • Patent Document 2 describes that the size of the conductive adhesive in the width direction of the crystal resonator is within a specific range.
  • the support mount is constituted by an epoxy resin or a silicone resin.
  • ESR equivalent series resistance
  • Patent Document 2 although the dimensions of the conductive adhesive in the width direction of the crystal unit are described, the dimensions in the long side direction of the crystal unit are not described. Also in the piezoelectric device described in Patent Document 2, vibration may be damped depending on the application mode of the conductive adhesive bonding the crystal resonator. That is, good vibration characteristics could not be obtained with certainty.
  • An object of the present invention is to provide a crystal vibration device in which deterioration of ESR characteristics hardly occurs.
  • the crystal vibration device includes a case substrate, first and second attachment electrodes, a crystal resonator, and first and second conductive adhesive layers.
  • the first and second attachment electrodes are formed on the upper surface of the case substrate.
  • the crystal unit is mounted on a case substrate and has a length direction and a width direction orthogonal to the length direction.
  • the crystal resonator is configured using an AT-cut rectangular plate-shaped crystal substrate.
  • the first and second conductive adhesive layers electrically connect the crystal unit to the first and second mounting electrodes and support the crystal unit with a cantilever at one end in the length direction. Yes.
  • a distance between a central axis perpendicular to the length direction of the quartz substrate and extending in the width direction, and an end of the first conductive adhesive layer on the central axis side, and the quartz substrate Of the distance between the central axis perpendicular to the length direction and extending in the width direction and the end of the second conductive adhesive layer on the central axis side is A (mm)
  • the thickness of the quartz substrate is t ( ⁇ m)
  • the length direction of the crystal substrate is the X-axis direction of the crystal.
  • the crystal unit When the X-axis direction is the length direction, the crystal unit is supported by a cantilever on the short side. In that case, there is a possibility that the influence of vibration restraint by the support structure may be increased, but the degradation of the ESR characteristic can be effectively suppressed by the mode of the present invention.
  • the first and second conductive adhesive layers include an epoxy resin and a conductive material dispersed in the epoxy resin. Made of adhesive.
  • the crystal unit can be mechanically supported more firmly.
  • the crystal resonator includes a first excitation electrode provided on an upper surface of a crystal substrate, a lower surface, and the first excitation electrode. It has the 2nd excitation electrode which overlaps, and the 1st, 2nd terminal electrode provided in the lower surface of the said quartz substrate electrically connected to the said 1st and 2nd excitation electrode.
  • the distance A is in a specific range, it is possible to effectively suppress the deterioration of the ESR characteristic. Therefore, it is possible to provide a crystal vibration device with good characteristics.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a quartz crystal vibration device according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are a plan view and a schematic plan view showing the electrode structure on the lower surface of the crystal resonator used in the crystal vibration device of one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic plan view for explaining the distance A in the crystal vibration device in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the distance A and the equivalent series resistance (ESR) in a crystal resonator having an oscillation frequency of 24 MHz.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the distance A and the equivalent series resistance (ESR) in the crystal vibration device having the oscillation frequency of 30 MHz.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the thickness t of the quartz substrate and the distance A in which ESR damping is suppressed.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of a quartz crystal vibration device according to an embodiment of the present invention.
  • the crystal vibration device 1 has a case substrate 2.
  • the case substrate 2 is made of an appropriate insulating material. Examples of such an insulating material include insulating ceramics such as alumina and synthetic resins. In the present embodiment, the case substrate 2 is made of alumina.
  • First and second mounting electrodes 3 and 4 are formed on the upper surface of the case substrate 2.
  • the first attachment electrode 3 is drawn out to one corner portion of the case substrate 2 by the wiring electrode 5.
  • a first external electrode 6 is formed at the corner portion.
  • the first external electrode 6 is provided on the inner peripheral surface of a recess provided by cutting out a corner portion.
  • the second attachment electrode 4 is electrically connected to the second external electrode 8 by the wiring electrode 7.
  • the second external electrode 8 is provided at a corner portion that is diagonal to the corner portion where the first external electrode 6 is formed.
  • Dummy electrodes 9 and 10 connected to the ground potential are formed at the remaining two corners.
  • the first and second mounting electrodes 3 and 4, the wiring electrodes 5 and 7, the first and second external electrodes 6 and 8, and the dummy electrodes 9 and 10 are made of an appropriate metal or alloy such as Al or Cu. Is formed.
  • a crystal resonator 11 is joined by first and second conductive adhesive layers 12 and 13.
  • the crystal unit 11 has an AT-cut crystal substrate 14.
  • the AT-cut quartz crystal substrate 14 has a rectangular plate shape having a length direction.
  • the length direction is the X-axis direction of the crystal.
  • a first excitation electrode 15 is formed on the upper surface of the quartz substrate 14.
  • a second excitation electrode 16 is formed on the lower surface of the quartz substrate 14.
  • a feature of the crystal vibrating device 1 is that a distance A (mm) determined as follows is in a range of A> 4.30 t + 0.16 when the thickness of the crystal substrate 14 is t ( ⁇ m). There is. Thereby, ESR damping can be effectively suppressed. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 3 is a schematic plan view for explaining the distance A.
  • the crystal unit 11 is indicated by a broken line.
  • the first and second conductive adhesive layers 12 and 13 described above are bonded to the lower surface of the crystal unit 11.
  • the length direction of the quartz substrate 14 is the X-axis direction described above.
  • the distance between the center axis C passing through the center O of the quartz substrate 14 and extending in the width direction orthogonal to the length direction and the end of the conductive adhesive layers 12 and 13 on the side of the center axis C is represented by A (mm ).
  • the distance between the central axis side end of the first conductive adhesive layer 12 and the central axis C, the central axis side end of the second conductive adhesive layer 13, and the quartz substrate 14 In this embodiment, the distance from the central axis C is equal. However, they are usually different. If the distance between the two is different, the shorter distance may be A.
  • FIG. 4 is a diagram showing a change in ESR when a crystal vibrating device having an oscillation frequency of 24 MHz is manufactured and the distance A is changed variously.
  • the ESR reference ratio (%) on the vertical axis indicates a relative value when the minimum value of ESR is 100 (%). It can be seen that as the distance A increases, the ESR decreases and the variation also decreases. That is, it can be seen that if the distance A is greater than 0.461, the ESR is small and the variation is small. On the other hand, when the distance A is 0.461 or less, it can be seen that the ESR value varies and is large. That is, it can be seen that the ESR damping can be suppressed by making the distance A larger than 0.461 in the crystal vibration device 1 having an oscillation frequency of 24 MHz.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship of ESR when the distance A is changed variously in the same manner for the crystal vibration device 1 having an oscillation frequency of 30 MHz.
  • the ESR reference ratio (%) on the vertical axis represents a relative value when the minimum value of ESR is 100 (%). As is apparent from FIG. 5, it is understood that the distance A should be larger than 0.3965.
  • the frequency constant is 1670 MHz ⁇ ⁇ m.
  • the relationship of the above-mentioned formula A> 4.30t + 0.16 is based on the frequency constant of the AT cut crystal.
  • the quartz substrate 14 is made of an AT-cut quartz substrate as described above, and its length direction is the X-axis direction of the quartz.
  • the crystal unit 11 is supported by a cantilever on one end in the length direction, that is, supported on the short side. Therefore, the influence of restraint by mechanical support is great.
  • the distance A is in a specific range, the influence of vibration restraint can be effectively suppressed. That is, ESR damping can be effectively suppressed.
  • a cap 21 opened downward is fixed to the upper surface of the case substrate 2 so as to surround the crystal resonator 11.
  • This fixing can be performed using an appropriate adhesive such as an epoxy resin adhesive.
  • the cap 21 is made of metal and has a shape opened downward. Therefore, in the crystal vibrating device 1, since the package is configured using the cap 21, the size can be reduced.
  • the cap 21 may be formed of a material other than metal.
  • the crystal unit 11 may be sealed using another package material instead of the cap 21.

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Abstract

　ＥＳＲ特性の劣化が生じ難い、水晶振動装置を提供する。　ケース基板２上に、第１及び第２の導電性接着剤層１２，１３により水晶振動子１１が片持ち梁で支持されており、かつ水晶振動子１１が長さ方向を有し、矩形板状の水晶基板１４を用いて構成されており、水晶基板１４の中心軸と、第１及び第２の導電性接着剤層１２，１３の該中心軸側の端部との間の距離のうち短い方の距離をＡ（ｍｍ）とし、水晶基板１４の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６とされている、水晶振動装置１。

Description

水晶振動装置
　本発明は、水晶振動子を用いた水晶振動装置に関し、特にケース基板に導電性接着剤により水晶振動子が搭載されている水晶振動装置に関する。
　従来、発振子等に、水晶振動子を用いた水晶振動装置が広く用いられている。例えば、下記の特許文献１には、ベース基板に対して水晶振動子が片持ち梁で支持されている圧電デバイスが開示されている。この水晶振動子は、厚み滑り振動を主振動とするＡＴカット水晶振動片を用いて構成されている。また、水晶振動子は、ベース基板に対し、支持マウントにより固定されている。支持マウントは、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂などからなる。
　他方、下記の特許文献２には、水晶振動子を用いた圧電デバイスが開示されている。この圧電デバイスでは、基板と、シールリングと、金属からなる蓋材と、パッケージ内に水晶振動子が封止されている。この水晶振動子は、基板に片持ち梁で支持されている。水晶振動子の基板への接合は、導電性接着剤を用いて行われている。特許文献２では、導電性接着剤の水晶振動子幅方向寸法を特定の範囲とすることが記載されている。
特開２０１１－１８２１５５号公報 特開２００１－７７６５１号公報
　特許文献１に記載の圧電デバイスでは、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂により支持マウントが構成される旨が記載されている。しかしながら、この支持マウントの位置によっては、等価直列抵抗（ＥＳＲ）特性が劣化することがあった。すなわち、ＥＳＲが高くなることがあった。
　他方、特許文献２では、導電性接着剤の水晶振動子幅方向寸法については記載されているものの、水晶振動子の長辺方向についての寸法については記載されていない。特許文献２に記載の圧電デバイスにおいても、水晶振動子を接合している導電性接着剤の塗布の態様によっては、振動がダンピングされるおそれがあった。すなわち、良好な振動特性を確実に得ることができなかった。
　本発明の目的は、ＥＳＲ特性の劣化が生じ難い、水晶振動装置を提供することにある。
　本発明に係る水晶振動装置は、ケース基板と、第１及び第２の取付電極と、水晶振動子と、第１及び第２の導電性接着剤層とを備える。第１及び第２の取付電極は、ケース基板の上面に形成されている。上記水晶振動子は、ケース基板上に搭載されており、長さ方向及び長さ方向に直交する幅方向を有する。水晶振動子は、ＡＴカットの矩形板状の水晶基板を用いて構成されている。第１及び第２の導電性接着剤層は、水晶振動子を第１及び第２の取付電極に電気的に接続するとともに、水晶振動子を長さ方向一端側で片持ち梁で支持している。
　本発明では、前記水晶基板の前記長さ方向に直交しかつ幅方向に延びる中心軸と、第１の導電性接着剤層の前記中心軸側の端部との間の距離と、前記水晶基板の前記長さ方向に直交しかつ幅方向に延びる中心軸と、第２の導電性接着剤層の前記中心軸側の端部との間の距離のうち短い方の距離をＡ（ｍｍ）とし、水晶基板の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６の範囲とされている。
　本発明に係る水晶振動装置のある特定の局面では、水晶基板において、長さ方向が水晶のＸ軸方向とされている。
　Ｘ軸方向が長さ方向である場合、水晶振動子は、短辺側において片持ち梁で支持されることになる。その場合、支持構造による振動拘束の影響が大きくなるおそれがあるが、本発明の様式によって、ＥＳＲ特性の劣化を効果的に抑制することができる。
　本発明に係る水晶振動装置の他の特定の局面では、前記第１及び第２の導電性接着剤層が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されている導電性材料とを有するエポキシ樹脂系接着剤からなる。この場合には、水晶振動子をより強固に機械的に支持することができる。
　本発明に係る水晶振動装置のさらに他の特定の局面では、前記水晶振動子が、水晶基板の上面に設けられた第１の励振電極と、下面に設けられており、第１の励振電極と重なり合っている第２の励振電極と、前記第１及び第２の励振電極に電気的に接続されており、前記水晶基板の下面に設けられた第１，第２の端子電極とを有する。
　本発明に係る水晶振動装置によれば、上記距離Ａが特定の範囲とされているため、ＥＳＲ特性の劣化を効果的に抑制することができる。従って、特性の良好な水晶振動装置を提供することが可能となる。
図１は、本発明の一実施形態に係る水晶振動装置の分解斜視図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の一実施形態の水晶振動装置に用いられる水晶振動子の平面図及び下面の電極構造を示す模式的平面図である。 図３は、本発明の一実施形態において、水晶振動装置における距離Ａを説明するための模式的平面図である。 図４は、発振周波数２４ＭＨｚ帯の水晶振動装置における距離Ａと、等価直列抵抗（ＥＳＲ）との関係を示す図である。 図５は、発振周波数３０ＭＨｚ帯の水晶振動装置における距離Ａと、等価直列抵抗（ＥＳＲ）との関係を示す図である。 図６は、ＥＳＲダンピングが抑制される、水晶基板の厚みｔと距離Ａとの関係を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　図１は、本発明の一実施形態に係る水晶振動装置の分解斜視図である。水晶振動装置１は、ケース基板２を有する。ケース基板２は、適宜の絶縁性材料からなる。このような絶縁性材料としては、アルミナなどの絶縁性セラミックスや合成樹脂などを挙げることができる。本実施形態では、ケース基板２は、アルミナからなる。
　ケース基板２の上面には、第１，第２の取付電極３，４が形成されている。第１の取付電極３は、配線電極５によりケース基板２の一つのコーナー部に引き出されている。このコーナー部分には、第１の外部電極６が形成されている。第１の外部電極６は、コーナー部分を切欠いて設けられた凹部の内周面に付与されている。
　他方、第２の取付電極４は、配線電極７により、第２の外部電極８に電気的に接続されている。第２の外部電極８は、第１の外部電極６が形成されているコーナー部とは対角の位置にあるコーナー部に設けられている。
　残りの２つのコーナー部には、グラウンド電位に接続されるダミー電極９，１０が形成されている。
　上記第１，第２の取付電極３，４、配線電極５，７、第１，第２の外部電極６，８、及びダミー電極９，１０は、Ａｌ、Ｃｕ等の適宜の金属もしくは合金により形成されている。
　上記ケース基板２上に、水晶振動子１１が第１及び第２の導電性接着剤層１２，１３により接合されている。
　図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、水晶振動子１１は、ＡＴカットの水晶基板１４を有する。ＡＴカットの水晶基板１４は、長さ方向を有する矩形板状の形状を有する。本実施形態では、長さ方向が水晶のＸ軸方向とされている。
　水晶基板１４の上面には、第１の励振電極１５が形成されている。水晶基板１４の下面には、第２の励振電極１６が形成されている。
　水晶振動装置１の特徴は、下記のように決定される距離Ａ（ｍｍ）が、水晶基板１４の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６の範囲とされていることにある。それによって、ＥＳＲダンピングを効果的に抑制することができる。これを、図３～図５を参照して説明する。
　図３は、上記距離Ａを説明するための模式的平面図である。ここでは、水晶振動子１１が破線で示されている。水晶振動子１１の下面に前述した第１，第２の導電性接着剤層１２，１３が接合される。水晶基板１４の長さ方向は、前述したＸ軸方向である。この水晶基板１４の中心Ｏを通り、長さ方向に直交する幅方向に延びる中心軸Ｃと、導電性接着剤層１２，１３の中心軸Ｃ側の端部との間の距離をＡ（ｍｍ）とする。第１の導電性接着剤層１２の中心軸側の端部と、中心軸Ｃとの間の距離と、第２の導電性接着剤層１３の中心軸側の端部と、水晶基板１４の中心軸Ｃとの間の距離とは、本実施形態では等しくされている。もっとも、両者は異なるのが普通である。両者の距離が異なる場合、短い方の距離をＡとすればよい。
　本願発明者らは、上記水晶振動装置１について鋭意検討した結果、上記距離Ａが、特定の範囲により大きくなれば、ＥＳＲダンピングを効果的に抑制し得ることを見いだした。本発明は、このような本願発明者らの新たな知見に基づきなされたものである。
　図４は、発振周波数が２４ＭＨｚの水晶振動装置を作製し、上記距離Ａを種々変化させた場合のＥＳＲの変化を示す図である。
　なお、縦軸のＥＳＲ基準比（％）とは、ＥＳＲの最小値を１００（％）としたときの相対的な値を示す。距離Ａが大きくなると、ＥＳＲが小さくなりかつそのばらつきも小さくなっていくことがわかる。すなわち、距離Ａが０．４６１よりも大きければ、ＥＳＲが小さく、そのばらつきが小さいことがわかる。これに対して、距離Ａが０．４６１以下の場合には、ＥＳＲの値がばらつき、かつ大きいことがわかる。すなわち、発振周波数が２４ＭＨｚの水晶振動装置１では、距離Ａを０．４６１よりも大きくすることにより、ＥＳＲダンピングを抑制し得ることがわかる。
　図５は、発振周波数が３０ＭＨｚの水晶振動装置１について、同様に距離Ａを種々変化させた場合のＥＳＲの関係を示す図である。なお、縦軸のＥＳＲ基準比（％）とは、ＥＳＲの最小値を１００（％）としたときの相対的な値を示す。図５から明らかなように、距離Ａが０．３９６５より大きければよいことがわかる。
　本願発明者らは、図４及び図５に示した結果に加えて、さらに発振周波数を種々変更し、距離ＡとＥＳＲダンピングとの関係を調べた。結果を図６に示す。図６の直線Ｂは、Ａ＝４．３０ｔ＋０．１６で表される。
　そして、直線Ｂよりも距離Ａが大きい場合に、図４及び図５の安定な領域と同様にＥＳＲダンピングを効果的に抑制し得ることを見いだした。従って、本発明では、Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６の範囲とすることが必要である。
　なお、水晶基板の厚みｔは、発振周波数によって定まる。２４ＭＨｚの水晶振動子の場合には、ｔ＝７０μｍである。他方、発振周波数が３０ＭＨｚの水晶振動子の場合には、ｔ＝５５μｍである。従って、水晶基板の厚みｔは、水晶振動子１１の発振周波数に応じて定まる値である。
　また、ＡＴカットの水晶からなる水晶基板では、周波数定数は１６７０ＭＨｚ・μｍである。上述した式Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６の関係は、ＡＴカット水晶の周波数定数を前提としている。
　本発明では、上記のように、距離Ａが４．３０ｔ＋０．１６よりも大きいため、ＥＳＲダンピングを効果的に抑制することができる。
　水晶基板１４は、上記のようにＡＴカット水晶基板からなり、その長さ方向が水晶のＸ軸方向とされている。本実施形態では、長さ方向一端側で水晶振動子１１が片持ち梁で支持されており、すなわち、短辺側において支持されている。そのため、機械的支持による拘束の影響は大きい。しかしながら、本発明に従って、上記距離Ａが特定の範囲とされているため、振動拘束の影響を効果的に抑制できる。すなわち、ＥＳＲダンピングを効果的に抑制することができる。
　なお、図１に示すように、水晶振動装置１では、水晶振動子１１を囲繞するように、下方に開いたキャップ２１がケース基板２の上面に固定される。この固定は、エポキシ樹脂系接着剤などの適宜の接着剤を用いて行い得る。また、キャップ２１は、金属からなり、下方に開いた形状を有する。従って、水晶振動装置１では、キャップ２１を用いてパッケージが構成されているので、小型化を図ることができる。
　なお、キャップ２１は、金属以外の材料により形成されてもよい。
　また、本発明においては、キャップ２１に代えて、他のパッケージ材を用いて水晶振動子１１を封止してもよい。
１…水晶振動装置
２…ケース基板
３…第１の取付電極
４…第２の取付電極
５…配線電極
６…第１の外部電極
７…配線電極
８…第２の外部電極
９…ダミー電極
１０…ダミー電極
１１…水晶振動子
１２…第１の導電性接着剤層
１３…第２の導電性接着剤層
１４…水晶基板
１５…第１の励振電極
１６…第２の励振電極
２１…キャップ

Claims (4)

  1. 　ケース基板と、
    　前記ケース基板の上面に形成された第１及び第２の取付電極と、
    　前記ケース基板上に搭載されており、長さ方向及び長さ方向に直交する幅方向を有し、ＡＴカットの矩形板状の水晶基板を用いた水晶振動子と、
    　前記水晶振動子を前記第１及び第２の取付電極に電気的に接続するとともに、該水晶振動子を前記長さ方向一端側において片持ち梁で支持している第１及び第２の導電性接着剤層とを備え、
    　前記水晶基板の前記長さ方向に直交しかつ幅方向に延びる中心軸と、第１の導電性接着剤層の前記中心軸側の端部との間の距離と、前記水晶基板の前記長さ方向に直交しかつ幅方向に延びる中心軸と、第２の導電性接着剤層の前記中心軸側の端部との間の距離のうち短い方の距離をＡ（ｍｍ）、水晶基板の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ａ＞４．３０ｔ＋０．１６とされている水晶振動装置。
  2. 　前記水晶基板の長さ方向が水晶のＸ軸方向とされている、請求項１に記載の水晶振動装置。
  3. 　前記第１及び第２の導電性接着剤層が、エポキシ樹脂と、前記エポキシ樹脂に分散されている導電性材料とを有するエポキシ樹脂系接着剤からなる、請求項１又は２に記載の水晶振動装置。
  4. 　前記水晶振動子が、水晶基板の上面に設けられた第１の励振電極と、下面に設けられており、第１の励振電極と重なり合っている第２の励振電極と、前記第１及び第２の励振電極に電気的に接続されており、前記水晶基板の下面に設けられた第１，第２の端子電極とを有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の水晶振動装置。
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