JP6086950B2 - 水晶振動素子及び水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に用いられる水晶振動素子及び水晶デバイスに関する。

従来の水晶デバイスは、その例として容器体、水晶振動素子、蓋部材とから主に構成されている。容器体は、基板部と枠部で主に構成されている。この容器体は、基板部の一方の主面に枠部が設けられてキャビティが形成される。そのキャビティ内に露出する基板部の一方の主面には、一対の搭載パッドが設けられている。また、基板部は、積層構造となっており、基板部の内層には、配線パターン等が設けられている。この配線パターンにより搭載パッドは、容器体の基板部の他方の主面に設けられている外部接続用電極端子と接続している。これら搭載パッド上には、導電性接着剤を介して電気的に接続される水晶振動素子が搭載されている。この水晶振動素子を囲繞する容器体の枠部の頂面には金属製の蓋部材が被せられ、枠部と接合されている。これにより、キャビティが気密封止されている。

水晶振動素子は、水晶素板に励振用電極を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極を介して水晶素板に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。水晶素板は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。励振用電極は、水晶素板の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである（例えば、特許文献１を参照）。このような水晶振動素子は、その両主面に被着されている励振用電極から延出する引き出し電極と接続されている接続パッドとキャビティ内底面に形成されている搭載パッドとを、導電性接着剤を介して電気的且つ機械的に接続することによってキャビティに搭載される。

特開２００９−２６７８８８号公報

しかしながら、従来の水晶デバイスを小型化すると、水晶振動素子も小型化されることになり、水晶振動素子の励振用電極の面積が小さくなってしまう。一対の励振用電極の対向面積が小さくなってしまうことにより、水晶振動素子の等価回路定数である等価直列容量が小さくなってしまい水晶振動素子の振動特性が低下するといった課題があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、水晶振動素子が小型化された場合にも水晶振動素子の等価直列容量を十分に確保して水晶振動素子の振動特性を向上させることを課題とする。

本発明の一つの態様による水晶振動素子は、水晶素板と、水晶素板を介し対向するようにして前記水晶素板の表面に設けられ、平面視矩形状である一対の励振用電極と、水晶素板の一端側に離間して設けられ、各々が励振用電極に電気的に接続されている一対の接続パッドと、一対の接続パッドの内の一つと電気的に接続され、励振用電極の一つの角部から引き出された引き出し電極と、を備え、一対の励振用電極の対向部が、一対の接続パッドの離間領域に向かって張り出している張り出し部を有し、張り出し部が、引き出し電極とつながるようにして設けられ、励振用電極又は張り出し部の角部が、平面視して、円弧状に形成されている。

本発明の一つの態様による水晶振動素子は、水晶素板と、水晶素板を介し対向するようにして水晶素板の表面に設けられた一対の励振用電極と、水晶素板の一端側に離間して設けられ、各々が励振用電極に電気的に接続されている一対の接続パッドと、一対の接続パッドの内の一つと電気的に接続され、励振用電極の一つの角部から引き出された引き出し電極とを備えており、一対の励振用電極の対向部が、一対の接続パッドの離間領域に向かって張り出している張り出し部を有し、張り出し部が、引き出し電極とつながるようにして設けられ、励振用電極又は張り出し部の角部が、平面視して、円弧状に形成されていることによって、張り出し部の分だけ励振用電極の対向部を拡張することができ、水晶振動素子が小型化された場合にも等価直列容量を十分に確保して水晶振動素子の振動特性を向上させることができる。

本発明の一つの実施形態に係る水晶振動素子を示す斜視図である。 本発明の一つの実施形態に係る水晶デバイスを示す分解斜視図である。 図２に示された水晶デバイスのＡ−Ａ線における断面図である。 本発明の一つの実施形態に係る水晶デバイスの蓋部材を外した状態の平面図である。 本発明の一つの実施形態に係る水晶振動素子の等価回路図である。 本発明の一つの実施形態に係る水晶振動素子の振動領域を示す平面透視図である。 本発明の他の実施形態に係る水晶デバイスの蓋部材を外した状態の平面図である。 本発明の他の実施形態に係る水晶振動素子を示す斜視図である。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図２及び図３に示すように、本発明の一つの実施形態における水晶デバイス１００は、容器体１１０と水晶振動素子１２０と蓋部材１３０とを含んでいる。この水晶デバイス１００は、容器体１１０の一方の主面にキャビティＫ１が形成され、容器体１１０のキャビティＫ１内に水晶振動素子１２０が搭載され、蓋部材１３０によって水晶振動素子１２０が搭載されたキャビティＫ１を気密封止した構造となっている。

水晶振動素子１２０は、図１に示すように、水晶素板１２１に励振用電極１２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。水晶素板１２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。

水晶素板１２１は、例えば、電気軸をＸ軸とし、機械軸であるＹ軸から３５．１５°変更した新たなＹ’軸とし、さらに光学軸であるＺ軸から３５．１５°変更した新たなＺ’軸として各結晶軸に沿って形成されている。つまり、水晶素板１２１は、長辺方向がＺ’軸方向になり、短辺方向がＸ軸方向になり、厚み方向がＹ’軸方向になるように形成されている。

励振用電極１２２は、水晶素板１２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。引き出し電極１２３は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の短辺に向かって延出されている。接続パッド１２４は、引き出し電極１２３と接続されており、水晶素板１２１の角部に水晶素板１２１の長辺および短辺に沿った形状で設けられている。水晶振動素子１２０において、励振用電極１２２は、水晶素板１２１の両主面に形成され、対向している部分が振動領域となって厚みすべり振動を行う。また、水晶振動素子１２０において、一対の励振用電極１２２の対向部の面積に応じて水晶振動素子１２０の等価直列容量の値が規定される。張り出し部１２５は、一対の励振用電極１２２の対向部が、一対の接続パッド１２４の離間領域に向かって張り出しているものである。また、離間領域は、一対の接続パッド１２４が設けられている間にある領域を示すものである。

張り出し部１２５の少なくとも一部が、平面視して、一対の接続パッド１２４間まで延在するようにして設けられている。よって、水晶素板１２１の両主面に設けられた一対の励振用電極１２２の対向部の面積をさらに大きくすることができる。

このような水晶振動素子１２０は、その両主面に被着されている励振用電極１２２から延出する引き出し電極１２３に接続されている接続パッド１２４とキャビティＫ１内底面に形成されている水晶振動素子搭載パッド１１１とを、導電性接着剤ＤＳを介して電気的且つ機械的に接続することによってキャビティＫ１に搭載される。このときの接続パッド１２４が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を水晶振動素子１２０の先端部とする。

また、図４に示すように、励振用電極１２２の先端部側の角部は、前記一方短辺および他方短辺と一方長辺および他方長辺とを残した状態で円弧状に形成されている。また、張り出し部１２５の角部は、円弧状に形成されている。水晶振動素子１２０の振動は、長方形状の四隅部を円弧状に削ったような形状で、励振用電極外周から中央に向かって徐々に変位が大きくなるようにして振動が発生する。励振用電極１２２及び張り出し部１２５の角部が円弧状に形成されていることによって、水晶振動素子１２０の振動の基本波変位と近づけることになるので、振動が阻害されることを低減することができる。

水晶振動素子１２０の等価回路は、図５に示すように、等価直列抵抗Ｒと、励振用電極１２２のうち実際に振動している部分（一対の励振用電極１２２の対向部）で形成される等価直列容量Ｃ１と、等価インダクタンスＬとが直列に接続されており、等価並列容量Ｃ０が等価直列抵抗Ｒ、等価直列容量Ｃ１及び等価インダクタンスＬに並列に接続された構成となっている。その水晶振動素子１２０の等価回路に不図示であるが主に発振回路で構成される負荷容量ＣＬが負荷された状態で水晶デバイス１００の等価回路が形成されることになる。ここで発振周波数の温度による変化の調整は周波数感度Ｓを上げることで行われるが、その周波数感度Ｓは以下の式により表される。

Ｓ＝Ｃ１／｛２＊（Ｃ０＋ＣＬ）²｝ ＝１／｛２＊Ｃ１＊（Ｃ０／Ｃ１＋ＣＬ／Ｃ１）²｝ 容量比γ＝Ｃ０／Ｃ１として Ｓ＝１／｛２＊Ｃ１＊（γ＋ＣＬ／Ｃ１）²｝となる。

等価直列容量Ｃ１が大きければ、水晶振動素子１２０の周波数感度が大きく取れることになる。水晶振動素子１２０の周波数感度が大きい場合には、温度が変化しても発振周波数を調整することが可能な周波数範囲を広くとれることになる。つまり、周波数感度が大きい場合は、温度変化によって水晶デバイス１００の発振周波数の調整の余裕度が大きくとれることになる。

水晶振動素子１２０の振動領域は、図６に示すように、水晶素板１２１の第１の主面に設けられた励振用電極１２２と第２の主面に設けられた励振用電極１２２とが対向する領域となっている。一対の励振用電極１２２の対向部は、張り出し部１２５の分だけ拡張されている。

尚、励振用電極１２２は、水晶素板１２１の両主面に第１の金属膜が形成され、第１の金属膜の上面に第２の金属膜が積層するように形成されている。第１の金属膜は、例えば、クロム（Ｃｒ）又はチタン（Ｔｉ）から構成され、第２の金属膜は、例えば、金（Ａｕ）により構成されている。また、第１の金属膜と第２の金属膜の接合力を上げるために例えばニッケル（Ｎｉ）を第１の金属膜と第２の金属膜の間に形成する場合もある。

このような水晶振動素子１２０は、引き出し電極１２３と後述する容器体１１０のキャビティＫ１内に設けられた水晶振動素子搭載パッド１１１とを、導電性接着剤ＤＳを介して電気的且つ機械的に接続されることによって搭載される。

容器体１１０は、図２及び図３に示すように、基板部１１０ａと、枠部１１０ｂと、水晶振動素子搭載パッド１１１と、外部接続用電極端子Ｇとで主に構成されている。この容器体１１０は、基板部１１０ａの一方の主面に枠部１１０ｂが設けられて、キャビティＫ１が形成されている。

尚、この容器体１１０を構成する基板部１１０ａは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミックス等のセラミック材料からなる複数の層を積層することよって形成されている。

枠部１１０ｂは、例えば、シールリングを用いている。この場合、枠部１１０ｂは、４２アロイやコバール等の金属から成り、中心が打ち抜かれた枠状になっている。また、枠部１１０ｂは、基板部１１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜ＨＢの主面にロウ付けなどにより接合される。キャビティＫ１内で露出した基板部１１０ａの一方の主面には、一対の搭載パッド１１１が設けられている。更に、容器体１１０の他方の主面には外部接続用電極端子Ｇである例えば水晶端子やグランド端子が設けられている。

また、蓋部材１３０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなる。このような蓋部材１３０は、キャビティＫ１を、窒素ガス雰囲気中または真空中などで気密封止される。具体的には、蓋部材１３０は、窒素雰囲気中または真空中で、容器体１１０の枠部１１０ｂ上に載置され、枠部１１０ｂの表面の金属と蓋部材１３０の金属の一部とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、枠部１１０ｂに接合される。尚、蓋部材１３０の一方の主面に、凹部を形成したものを用いても良い。

導電性接着剤ＤＳは、シリコーン樹脂の中に導電性フィラーが含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、またはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、容器体１１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に外部接続用電極端子Ｇ、水晶振動素子搭載パッド１１１等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

本発明の一つの実施形態の水晶振動素子１２０において、一対の励振用電極１２２の対向部が一対の接続パッド１２４の離間領域に向かって張り出している張り出し部１２５を有していることによって、張り出し部１２５の分だけ一対の励振用電極１２２の対向部を拡張することができ、水晶振動素子１２０が小型化された場合にも等価直列容量Ｃ１を十分に確保して水晶振動素子１２０の振動特性を向上させることができる。

また、本発明の一つの実施形態の水晶振動素子１２０において、張り出し部１２５の少なくとも一部が、平面視して、一対の接続パッド１２４間まで延在していることによって、一対の励振用電極１２２の対向部をさらに拡張することができるので、水晶振動素子１２０が小型化された場合にも等価直列容量Ｃ１を十分に確保して水晶振動素子１２０の振動特性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態の水晶デバイス１００によれば、水晶振動素子１２０が収容されるキャビティＫ１を有し、一対の接続パッド１２４に電気的に接続される搭載パッド１１１が設けられた容器体１１０と、等価直列容量を増大した水晶振動素子１２０とを備えたことによって、電子機器等を構成するマザーボードに水晶デバイス１００を搭載する際に、マザーボードと水晶デバイスの間で発生した浮遊容量が水晶振動素子１２０に付与しても、水晶振動素子１２０の等価直列容量が大きければ、水晶振動素子１２０の周波数感度が十分に大きいため、水晶デバイス１００の発振周波数が変動することを低減することができる。よって、水晶デバイス１００の周波数変動に対するマザーボードと水晶デバイスの間で発生した浮遊容量の影響を低減することができる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。前記実施形態においては、水晶振動素子１２０の励振用電極１２２から張り出し部１２５の少なくとも一部が、平面視して、一対の接続パッド１２４間まで延在していることを説明したが、図７に示すように、張り出し部１２５が一対の接続パッド１２４の離間領域に向かって張り出しており、一対の接続パッド１２４間に張り出し部１２５がなくても構わない。

また、図８に示すように、水晶振動素子１２０の第２の主面にのみ接続パッド１２４を設け、張り出し部１２５が、上述した水晶素板１２１の第１の主面の接続パッドが設けられていた位置の一部を含むようにして水晶素板１２１の短辺方向に向かって張り出すように設けられていても構わない。このようにすることにより、励振用電極１２２の面積をさらに大きくすることができるので、水晶振動素子１２０の小型化を図りつつ等価直列容量をさらに増大させることができる。

前記実施形態においては、水晶デバイスの一例である水晶振動子として説明したが、水晶発振器でも構わない。水晶発振器は、第１のパッケージと第２のパッケージと水晶振動素子と蓋部材と、集積回路素子とで主に構成されている。その水晶発振器の第１のパッケージの第１の主面に形成されている第１の凹部空間内に水晶振動素子が搭載され、第１の凹部空間は蓋部材により気密封止されている。また、第２のパッケージの第１の主面に形成される第２の凹部空間内に集積回路素子が搭載されており、第１のパッケージの他方の主面に形成されている第２のパッケージ接続用端子と第２のパッケージの主面に形成された第１のパッケージ接続用電極端子が接合された構造となっている。

前記実施形態においては、水晶デバイスの一例である水晶振動子として説明したが、水晶発振器でも構わない。水晶発振器は、１つのパッケージに第１の凹部空間と第２の凹部空間を設けられている点が前述した水晶発振器と相違する。この水晶発振器は、パッケージの第１の主面に形成される第１の凹部空間内に、圧電振動素子が搭載され、パッケージの他方の主面に形成される第２の凹部空間内に集積回路素子が搭載されており、第１の凹部空間が蓋部材により気密封止されている構造となっている。

１１０・・・容器体
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・枠部
１１１・・・搭載パッド
１２０・・・水晶振動素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・引き出し電極
１２４・・・接続パッド
１２５・・・張り出し部
１３０・・・蓋部材
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｋ１・・・キャビティ
Ｇ・・・外部接続用電極端子
１００・・・水晶デバイス

Claims (3)

1. 水晶素板と、
   前記水晶素板を介し対向するようにして前記水晶素板の表面に設けられ、平面視矩形状である一対の励振用電極と、
   前記水晶素板の一端側に離間して設けられ、各々が前記励振用電極に電気的に接続されている一対の接続パッドと、
   前記一対の接続パッドの内の一つと電気的に接続され、前記励振用電極の一つの角部から引き出された引き出し電極と、を備え、
   前記一対の励振用電極の対向部が、前記一対の接続パッドの離間領域に向かって張り出している張り出し部を有し、
   前記張り出し部が、前記引き出し電極とつながるようにして設けられ、
   前記励振用電極又は前記張り出し部の角部が、平面視して、円弧状に形成されていることを特徴とする水晶振動素子。
2. 前記張り出し部の少なくとも一部が、平面視して、前記一対の接続パッド間まで延在していることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動素子。
3. 請求項１乃至請求項２に記載の水晶振動素子と、
   前記水晶振動素子が収容されるキャビティを有し、前記一対の接続パッドに電気的に接続される搭載パッドが設けられた容器体と、前記キャビティを気密封止するように容器体に接合された蓋部材と、を備えた水晶デバイス。

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