JP6075441B2 - 水晶振動装置 - Google Patents

Description

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面積によっては、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が劣化することがあった。

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、導電性接着剤による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。水晶振動子は、ケース基板上に搭載されており、ＡＴカット水晶基板を用いて形成される。前記第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、該水晶振動子を片持ち梁で支持している。第１及び第２の導電性接着剤層により水晶振動子をケース基板に接合している接合部分の接合面積の合計Ｓ（ｍｍ^２）は、水晶基板の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ｓ≦−０．００１ｔ＋０．２２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、前記水晶振動子を構成している前記水晶基板が、長さ方向一端側で片持ち梁で支持されており、該長さ方向が水晶のＸ軸方向とされている。Ｘ軸方向が長さ方向である場合、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いが、本発明に従って、効果的にＥＳＲ特性の劣化を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、水晶振動子をケース基板に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、接合面積Ｓが上記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ける接合面積Ｓ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接合面積Ｓ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接合面積Ｓ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と接合面積Ｓ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。

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及び第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。第１の励振電極１５と第２の励振電極１６とは、水晶基板１４を介して重なり合うように配置されている。第１，第２の励振電極１５，１６は、水晶基板１４の上面及び下面の中央に形成されている。従って、エネルギー閉じ込め型の振動部が第１，第２の励振電極１５，１６を用いて構成されている。

水晶基板１４の平面形状は、一対の対向し合う長辺１４ａ，１４ｂと、一対の対向し合う短辺１４ｃ，１４ｄとを有する。

第１の励振電極１５は、引き出し電極１７に連ねられている。引き出し電極１７は、短辺１４ｃと長辺１４ｂとが成すコーナー部に引き出されている。そして、引き出し電極１７は、図２（ｂ）に示した第１の端子電極１８に電気的に接続されている。すなわち、引き出し電極１７は、水晶基板１４のコーナー部において、短辺１４ｃ側の側面を得て下面に至り、下面に設けられている第１の端子電極１８に電気的に接続されている。

第２の励振電極１６は、水晶基板１４の下面に設けられている引き出し電極１９に連ねられている。引き出し電極１９は、上記短辺１４ｃと長辺１４ａとが成すコーナー部に設けられた第２の端子電極２０に電気的に接続されている。第１，第２の端子電極１８，２０は、水晶基板１４の下面において上記短辺１４ｃの両側に位置している。

上記第１，第２の励振電極１５，１６、引き出し電極１７，１９及び第１，第２の端子電極１８，２０もまた、ＡｌやＣｕなどの適宜の金属もしくは合金により形成されている。

図１に戻り、水晶振動子１１は、図２に示した第１，第２の端子電極１８，２０が、第１，第２の導電性接着剤層１２，１３を介して、第１，第２の取付電極３，４に電気的に接続されているとともに、機械的に接合されている。従って、水晶振動子１１は、長さ方向一端側において片持ち梁で支持されている。

導電性接着剤層１２，１３は、本実施形態では、エポキシ樹脂と、エポキシ樹脂に分散されている金属粉末などの導電性材料とを有するエポキシ樹脂系接着剤により形成されている。エポキシ樹脂系接着剤では、硬化物の硬度が高い。従って、水晶振動子１１を、片持ち梁でより強固に支持することができる。

もっとも、本発明において、導電性接着剤層を構成する材料は、エポキシ樹脂系接着剤に限らず、エポキシ樹脂以外のシリコーン樹脂、ポリイシド樹脂などの他の合成樹脂を用いたものであってもよい。さらに、合成樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましいが、熱硬化性樹脂以外の樹脂を用いてもよい。また、分散されている導電性材料についても、金属粉末の他、カーボン粉末などの適宜の導電性材料を用いることができる。

水晶振動装置１の特徴は、第１及び第２の導電性接着剤層１２，１３による接合面積Ｓが、水晶基板１４の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ｓ（ｍｍ^２）≦−０．００１ｔ＋０．２２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６を参照して説明する。

図３は、接合面積Ｓ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。この水晶振動子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。導電性接着剤層１２，１３による水晶基板１４とケース基板２との接合部分の接合面積の合計をＳ（ｍｍ^２）とする。すなわち、導電性接着剤層１２による接合面積をＳ１、導電性接着剤層１３による接合面積をＳ２とした場合、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２である。

なお、第１及び第２の導電性接着剤層１２，１３以外に、片持ち梁で支持を果たす限り、１以上の第３の導電性接着剤層がさらに設けられてもよい。その場合には、第３の導電性接着剤層の接合面積をＳ３とした場合、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３となる。このように、１以上の第３の導電性接着剤層が片持ち梁を維持し得る限りさらに設けられていてもよい。

本願発明者らは、上記水晶振動装置１について種々検討した結果、上記接合面積Ｓが、特定の範囲未満とされれば、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成されたものである。

図４は発振周波数が２４ＭＨｚの水晶振動装置１を作製し、接合面積Ｓを種々変化させた場合のＥＳＲの変化を示す図である。

図４から明らかなように、接合面積Ｓが、大きくなると、ＥＳＲダンピングが大きくなることがわる。また、接合面積Ｓが同等であっても、ＥＳＲの値がかなりばらつくことがわかる。これに対して、Ｓが０．１５０ｍｍ^２未満の場合には、ＥＳＲの値がばらつかず、かつＥＳＲが低く、安定であることがわかる。すなわち、発振周波数が２４ＭＨｚの水晶振動装置１では、接合面積Ｓを０．１５０ｍｍ^２未満とすることにより、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、同様に接合面積Ｓを種々変化させた場合のＥＳＲの変化を示す図である。図５から明らかなように、発振周波数３０ＭＨｚの場合には、接合面積Ｓが０．１６ｍｍ^２未満であ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、接合面積Ｓ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Ａは、Ｓ＝−０．００１ｔ＋０．２２で表される。そして、この直線Ａよりも接合面積Ｓが小さい場合に、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出した。従って、本発明では、Ｓ（ｍｍ^２）≦−０．００１ｔ＋０．２２の範囲とすることが必要である。水晶基板の厚みｔは、発振周波数によって定まり、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の水晶振動子では、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。

なお、ＡＴカット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Ｓ≦−０．００１ｔ＋０．２２の関係は、ＡＴカット水晶の周波数定数を前提としている。

上記のように、接合面積Ｓが、−０．００１ｔ＋０．２２よりも小さいため、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が大きい。しかしながら、本発明に従って、上記接合面積Ｓ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、水晶同装置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。もっとも、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
１４ａ…長辺
１４ｂ…長辺
１４ｃ…短辺
１４ｄ…短辺
１５…第１の励振電極
１６…第２の励振電極
１７…引き出し電極
１８…第１の端子電極
１９…引き出し電極
２０…第２の端子電極
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（上面に導電性接着剤が付与されるくぼみ面を有するものを除く）と、
   前記ケース基板上に搭載されており、かつＡＴカット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、
   前記第１及び第２の導電性接着剤層により前記水晶振動子を前記ケース基板に接合している接合部分の接合面積の合計Ｓ（ｍｍ２）が、水晶基板の厚みをｔ（μｍ）としたときに、Ｓ≦−０．００１ｔ＋０．２２の範囲とされており、前記水晶基板の厚みｔが、５５μｍ≦ｔ≦７０μｍの範囲である、水晶振動装置。
2. 前記水晶振動子を構成している前記水晶基板が、長さ方向一端側で片持ち梁で支持されており、該長さ方向が水晶の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または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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