JP2014150452A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】基板と圧電振動片との隙間を、確実かつ容易に設定できるように寄生インピーダンスのバラツキを少なくし、集積回路側での補正が簡素化される圧電デバイスを提供する。
【解決手段】基板５の表面５ａに対面状態で隙間ｄを保持するように長辺方向の一方の端部１ａが接着材３で固着されて片持ち支持され、固有の周波数で持続的に振動することを可能にした圧電振動片１を備えた圧電デバイス１００において、接着材３に混入して、隙間ｄを確保するために球状スペーサ６を設けた。隙間ｄは、球状スペーサ６の直径Ｄよって確保される。球状スペーサ６は、無機材料又はプラスチック材料の表面６ａに、良導体の金属が被覆されて構成されている。接着材３は、エポキシ系又はシリコーン系の成分を含む熱硬化型のペースト状であり、球状スペーサ６の直径Ｄに対して１／４以下である外形寸法Ｚの金属粒子９が混在されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電デバイスに関し、より詳細には、安定的かつ固有の共振周波数を得ることが可能な水晶等の圧電振動片が、基板の表面に規定どおりの隙間を保つように、片持ち支持された圧電デバイスに関する。

従来から、基板の表面に圧電振動片を搭載した圧電デバイスの構造において、基板の表面に、品種ごとに異なる規定どおりの隙間を保ちながら圧電振動片を対面状態で平行に片持ち支持する構造が知られている。
図１は、従来の圧電デバイスの構造を説明するための側断面図である。従来技術の圧電デバイス９０は、基板５０の凹部４の底面に対し、圧電振動片１の平坦面を対面状態にして平行に片持ち支持する構造である。その構造において、圧電振動片１の長辺方向の一方の端部１ａが、凹部４の外縁部８に接着材３で固着されている。この外縁部８は、凹部４の深さ分、すなわち底面５０ａからの段差ｄａだけ高く、平行な平面を有しており、この平面に圧電振動片１の一方の端部１ａの片面を沿わせて固着すれば、薄片状の圧電振動片１の大部分は、凹部４の底面５０ａに対して、段差ｄａにほぼ等しい隙間ｄを保ちながら平行な関係が得られる。この段差ｄａ、すなわち凹部４の外縁部８から底面５０ａまでの深さによって隙間ｄが設定される。

また、例えば、特許文献１に記載のものは、平板状配線基板に振動空間を確保して、その振動空間に配置された水晶振動素子に関するもので、その特性が安定して得られるようにしたものである。その水晶振動子は、短冊状の水晶板の両主面に互いに振動電極を形成するとともに、少なくとも下面の一方端部に両振動電極から延びる電極パッドを形成した水晶振動素子を、接続を含む配線が形成された配線基板上に接合して構成されている。さらに、配線基板と水晶振動素子の一方端部と接合部が、水晶振動素子の一方端部の下面を接触支持する支点部材と、該支点部材の外方に配置された導電性樹脂接着剤とから形成されている。

また、例えば、特許文献２に記載のものは、実装基板に対するパッケージの所定位置からのずれを防止し、信頼性をより高くした圧電デバイスおよび圧電デバイスの製造方法に関するものである。その圧電デバイスは、圧電振動片を収容したパッケージと、実装基板と、パッケージと実装基板との間に隙間を形成するスペーサと、電子部品とを有している。その圧電デバイスの製造方法において、あるスペーサは、金属ろうによりパッケージに固定され、他のスペーサは、熱硬化性接着剤によりパッケージに固定される。熱硬化性接着剤によるスペーサとパッケージの固定は、金属ろうによるスペーサとパッケージの固定に先立って行われる。
このような圧電デバイスでは、接続部材に、融点の高い球形部材を核とした周囲に、融点の低い導電性部材（ハンダ）をコーティングしたハンダボールを用いており、これにより、核の周囲にコーティングされたハンダにて電気的接続を行いつつ、核によりパッケージを支持することができるようになっている。

また、例えば、特許文献３に記載のものは、導電性接着剤で圧電振動片を片持ち支持する圧電デバイスのパッケージ構造に関するものであり、小型化に対しても十分な接着強度を維持し、導電性接着剤の広がりを抑制して振動特性の劣化を防止するという効果が得られるものである。その圧電デバイスの圧電振動子は、圧電振動片を気密に封止するパッケージのベースが、実装面に穴及びその底面に形成した接続電極を有し、該穴に充填した導電性接着剤で圧電振動片基端部の引出電極を、接続電極と電気的に接続しかつ該基端部を機械的に固定して、圧電振動片を片持ち支持する。ベースの穴の内には実装面から突出する高さの支持スペーサが配置され、圧電振動片を一定の高さに常に維持し、かつ導電性接着剤の広がりによる振動特性の劣化及び引出電極間の短絡を防止している。
この圧電デバイスにおいて、支持スペーサが球体からなるパッケージ構造も知られている。さらに、支持スペーサが導電性金属材料で形成され、又は導電性金属材料で被覆されているパッケージ構造も知られている。

特開平１１−２７０８４号公報 特開２０１０−２１３０１５号公報 特開２００８−１３１１６７号公報

しかしながら、図１に示した従来の圧電デバイスの構造において、基板５０は一般にはセラミックを用いるが、セラミックは焼結体であるため、凹部４の深さを精度よく作製することが困難であった。また、基板５０がＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）である場合、凹部４を形成することはできないので、規定どおりの隙間を確実かつ容易に設定することが容易でない。その隙間のバラツキが、量産された製品間で大きく発生するため、隙間の影響を受けて発生する寄生インピーダンスも一定しない。その一定しない寄生インピーダンスの影響を除去する必要があり、ＡＳＩＣ側で補正する負担が大きいという問題があった。なお、ＡＳＩＣとは、電子部品の種別の１つで、特定の用途向けに複数な機能の回路を１つにまとめた集積回路の総称である。

また、上述した特許文献１に記載の圧電デバイスでは、水晶振動素子の一方端部と配線基板との接合部が、水晶振動素子の一方端部の下面を接触支持する支点部材と、該支点部材の外方に配置された導電性樹脂接着剤とから形成されることによって、平板状配線基板の表面に、圧電振動片を片持ち支持する構造である。しかしながら、その圧電振動片を片持ち支持する構造において、基板と圧電振動片との隙間を、品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようしたものではない。

また、上述した特許文献２に記載の圧電デバイスでは、基板と圧電振動片との接続部材として、融点の高い球形部材を核の周囲に、融点の低い導電性部材（ハンダ）をコーティングしたハンダボールを用いており、これにより、核の周囲にコーティングされたハンダにて電気的接続を行いつつ、核によりパッケージを支持することができるようになっている。しかしながら、基板と圧電振動片との隙間を、品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようしたものではない。

また、上述した特許文献３に記載の圧電デバイスのパッケージ構造では、圧電振動片が片持ち支持されている基端部に対応する基板の実装面に穿設された穴の底部に、その実装面から突出する高さの支持スペーサが配置されている。その支持スペーサとして、球体からなるものも採用されている。その球体からなる支持スペーサは、導電性金属材料で形成され、又は導電性金属材料で被覆されている。しかしながら、基板と圧電振動片との隙間を品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようしたものではない。特に、基板の実装面に穴を穿設する工程が必要であり、また、支持スペーサがベースとは別個の独立した部材で形成されるため、基板と圧電振動片との隙間を品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定することは困難であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、基板と圧電振動片との隙間を、品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようにすることで、寄生インピーダンスのバラツキを少なくし、集積回路側での補正が簡素化される圧電デバイスを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、基板の表面に対面状態で隙間を保持するように一方の端部が接着材で固着されて片持ち支持された圧電振動片を備えた圧電デバイスにおいて、前記接着材には、前記隙間と等しいか又は前記隙間よりも小さい直径の球状スペーサが混入されていることを特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記隙間と前記直径とが等しいことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記隙間は、前記球状スペーサの直径よって確保されることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の発明において、前記球状スペーサは、無機材料又はプラスチック材料の表面に、良導体の金属が被覆されて構成されていることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記接着材は、エポキシ系又はシリコーン系の成分を含む熱硬化型のペースト状であり、前記球状スペーサの前記直径に対して１／４以下である外形寸法の金属粒子が混在されていることを特徴とする。

本発明によれば、基板と圧電振動片との隙間を、品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようにすることで、寄生インピーダンスのバラツキを少なくし、集積回路側での補正が簡素化される圧電デバイスを実現できる。

従来の圧電デバイスの構造を説明するための側断面図である。 本発明に係る圧電デバイスの一実施形態を説明するための側断面図である。 図２に示した圧電デバイスに付随する寄生容量を説明するための等価回路図である。 図２に示した圧電デバイスに用いる球状スペーサを説明するための側断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図２は、本発明に係る圧電デバイスの一実施形態を説明するための側断面図である。本発明の圧電デバイス１００は、薄片状の圧電振動片１が、基板５の表面５ａに対面する状態で、規定の隙間ｄを保ちながら長辺方向の一方の端部１ａを、片持ち支持されている。圧電振動片１の両面には、一方の端部１ａから他方の端部１ｂまでの半分以上に亘って金の薄膜による励振電極２ａ，２ｂが形成されている。この励振電極２ａ，２ｂは、導電性の接着材３により、基板５の表面５ａに配置された配線パタン８０を介して不図示の発振回路に電気的接続されている。なお、圧電振動片１の上面にある励振電極２ｂから、接着材３及び配線パタン８０への接続態様は、図２では省略しているが、図２の紙面の奥行側において、励振電極２ｂは、圧電振動片１の端部１ａから、圧電振動片１の下面側に回り込んで形成されており、接着材３を介して配線パタン８０に接続されている。また、圧電振動片１が、基板５の表面５ａに片持ち支持される固着部分には、接着材３に混入して、隙間ｄを確保するために球状スペーサ６が設けられている。なお、隙間ｄは圧電振動片１の励振電極２ａと、基板５の表面５ａとの間の最小距離を指す。規定の隙間ｄは、球状スペーサ６の直径Ｄよって規定される。球状スペーサ６は、規定の隙間ｄと概ね同等の直径Ｄを有する。

上述したように、圧電デバイス１００は、圧電振動片１の励振電極２ａと、基板５の表面５ａとの間は、概ね規定の隙間ｄを保って片持ち支持される。この隙間ｄの寸法は、片持ち支持された圧電振動片１が、製造工程における応力荷重等による搖動のほか、完成品の使用中に生じる落下等の衝撃にも、ある程度まで耐えるように配慮された規定である。つまり、何らかの衝撃等によって他方の端部１ｂが、大きく搖動しようとした場合に、搖動することが可能な範囲は、規定の隙間ｄの範囲に収められる構造である。この隙間ｄは、圧電デバイス１００に求められる周波数などで異なる品種別に規定が設けられており、その規定どおりの寸法を確保して製造することが、品質管理上重要である
完成した圧電振動片１は、不図示の発振回路から適切な電気信号を、励振電極２ａ，２ｂに与えられることにより、固有の周波数で持続的に振動することが可能である。なお、圧電デバイス１００における圧電振動片１として、薄片状の水晶振動素子が用いられている。また、本実施形態に係る圧電デバイス１００を構成する基板５に、発振回路又はその他の電子回路が含まれているか否かについては、どちらでも構わない。

図３は、図２に示した圧電デバイスに付随する寄生容量を説明するための等価回路図である。上述したように本発明の圧電デバイス１００における圧電振動片１は、薄片状の水晶振動素子である。この薄片状の水晶でなる圧電振動片１の等価回路は、その圧電振動片１を挟む励振電極２ａ，２ｂによる並列容量Ｃと、直列インダクタンスＬＭと、直列容量ＣＭと、直列抵抗ＲＭとより表示されるとおりである。これらは、圧電デバイス１００の共振周波数を公式どおりに決定する要素となる。これら容量Ｃ，ＣＭや直列インダクタンスＬＭ等は圧電振動片１の形状によって決定される。したがって、所望の発振周波数は得るためには、圧電振動片１の形状を一定に作製すれば、ＡＳＩＣの周波数調整範囲は狭くできるため回路の負担が大幅に減少する。

しかしながら、圧電デバイス１００の発振周波数は圧電振動片１の共振周波数だけでは決定せず、圧電振動片１を保持している基板５や蓋７との間の寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２の影響を大きく受けており、圧電振動片１の形状を安定に作製しただけでは、圧電デバイス１００の発振周波数は一定にならない。つまり、圧電振動片１の形状を一定に作製しても、圧電振動片１を安定に同じ場所に片持ち支持できなければ、ＡＳＩＣの周波数調整範囲は狭くし、回路の負担を減少させることはできない。具体的には、圧電振動片１を挟む励振電極２ａ，２ｂと、基準電位ＧＮＤとの間には、寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２が存在する。この寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２は、圧電振動片１と、その周囲の構造物とのカップリング（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｓｔａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｏｕｐｌｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｂｏｎｄ；以下、静電結合という）により発生する。この静電結合とは、絶縁された２つの電極（導電部）間で容量（コンデンサ）を形成する相互関係である。このような２つの電極間の相互関係について、圧電デバイス１００の場合は、励振電極２ａ，２ｂと、それらに対面する導電部との関係を意味する。励振電極２ａに対面する導電部は、基板５の表面５ａの配線パタン８０で、主に基準電位ＧＮＤである。また、励振電極２ｂに対面する導電部は、シリコンパッケージの蓋（以下、単に蓋という）７で、これも基準電位ＧＮＤである。

励振電極２ａは、基板５の表面５ａの配線パタン８０に対して概ね規定の隙間ｄを保って片持ち支持されているので、その隙間ｄが一定であれば、寄生容量ＣＰ１も一定である。また、励振電極２ｂは、蓋７の内面７ａに対して概ね隙間ｄ２を保っているので、その隙間ｄ２が一定であれば、寄生容量ＣＰ２も一定である。なお、基板５の表面５ａと蓋７の内面７ａとは平行と見なせるので、圧電振動片１の下側の隙間ｄが一定なら、上側の隙間ｄ２も一定と考えられる。したがって、圧電振動片１の下側の隙間ｄに基づく寄生容量ＣＰ１が一定なら、上側の隙間ｄ２に基づく寄生容量ＣＰ２も一定である。ただし、圧電振動片１の上側と下側とで、周辺構造が異なることから、それぞれの静電結合に差があるため、下側の寄生容量ＣＰ１と、上側の寄生容量ＣＰ２との容量差が生じるが、そのことに問題はない。

圧電デバイス１００は、寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２の大きさによって発振周波数が、大きく変化してしまうため、公式で規定される共振周波数から外れるので、ＡＳＩＣ等での調整が必要になる。特に圧電振動体の共振周波数が高ければ高いほど、寄生容量が発振周波数に与える影響は大きくなる。寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２は、圧電振動片１の周囲の構造物との静電結合によって発生する。したがって、一律に算出されるような性質ではないが、球状スペーサ６によって片持ち支持部の構造を一定にすることにより、寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２のバラツキを少なくし、期待どおりに管理できる。その結果、バラツキを補正するために必要なＡＳＩＣ等の調整レンジの範囲を、少なく済ませられるので、その回路を小型化できる。つまり、圧電デバイス１００の品種ごとに規定された、圧電振動片１の下側の隙間ｄを一定にするように製造管理されていれば、静電結合の影響がいつも同程度になるように管理される。その結果、寄生容量ＣＰ１，ＣＰ２が一定となり、ＡＳＩＳ側での補正が簡素化される。つまり、本発明では、球状のスペーサの直径Ｄを適切に選択するだけで、隙間ｄを調整できるため、基板５と圧電振動片１との隙間ｄを品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定することが可能である。

図４は、図２に示した圧電デバイスに用いる球状スペーサを説明するための側断面図である。球状スペーサ６は、アルミナ又はシリカに類する無機材料あるいはポリスチレンに類するプラスチック材料の表面６ａに、金又は銅に類する良導体の金属が被覆されて構成される。接着材３は、エポキシ系又はシリコーン系の成分を含む熱硬化型のペースト状である。この接着材３の導電率を向上させるために、球状スペーサ６の直径Ｄに対して１／４以下である外形寸法Ｚの金属フレーク、又は図４に示すように直径Ｚの金属粒子を混在させることが好ましい。

圧電デバイス１００において、規定の隙間ｄを確保する手段として、接着材３に球状スペーサ６が混入されている。この球状スペーサ６は、規定の隙間ｄと概ね同等の直径Ｄを有する。したがって、規定の隙間ｄは、球状スペーサ６の直径Ｄだけによって、正確かつ容易に設定される。このように、適切な直径Ｄの球状スペーサ６を各種用意し、圧電デバイス１００の品種ごとに適宜規定された隙間ｄを設定することができる。

また、圧電デバイス１００は、隙間ｄを正確かつ容易に設定できるため、その隙間ｄを必要最小限に設定することが可能である。その結果、圧電デバイス１００は、低背（薄型）化できるばかりでなく、製造途中又は完成後使用中の圧電デバイス１００に大きな衝撃が加わった時、狭い隙間ｄによって、圧電振動片１が基板５の厚み方向へ搖動することを制限できるので、圧電振動片１が基板５に固着された片持ち支持部に大きな変形が発生しない。その結果、圧電デバイス１００は耐衝撃性も向上する。

なお、上記では、球状スペーサ６の直径Ｄが隙間ｄと略等しい場合を中心に説明を行ったが、球状スペーサ６の直径Ｄは隙間ｄより小さくてもよい。球状スペーサ６の直径Ｄが隙間ｄよりも小さい場合は、接着材３に球状スペーサ６を多量に混入させることで、基板５と圧電振動片１との隙間を一定にすることが可能となる。また、球状スペーサ６の直径Ｄに適切な直径を選択すれば、品種ごとに異なる規定どおりに設定することができる。

以上のように、本発明によれば、基板と圧電振動片との隙間を、品種ごとに異なる規定どおりに確実かつ容易に設定できるようにすることで、寄生インピーダンスのバラツキを少なくし、集積回路側での補正が簡素化される圧電デバイスを実現できる。また、別の効果として、低背（薄型）化できるほか、耐衝撃性を向上した圧電デバイスを実現できる。

１ 圧電振動片
１ａ 圧電振動片の一方の端部
１ｂ 圧電振動片の他方の端部
２ａ，２ｂ 励振電極
３ （導電性の）接着材
４ 凹部
５，５０ 基板
６ 球状スペーサ
７ 蓋
７ａ 蓋の内面
８ 外縁部
９ 金属粒子
５０ａ 凹部の底面
８０ 配線パタン

Claims (5)

1. 基板の表面に対面状態で隙間を保持するように一方の端部が接着材で固着されて片持ち支持された圧電振動片を備えた圧電デバイスにおいて、
   前記接着材には、前記隙間と等しいか又は前記隙間よりも小さい直径の球状スペーサが混入されていることを特徴とする特徴とする圧電デバイス。
2. 前記隙間と前記直径とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記隙間は、前記球状スペーサの直径よって確保されることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記球状スペーサは、無機材料又はプラスチック材料の表面に、良導体の金属が被覆されて構成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の圧電デバイス。
5. 前記接着材は、エポキシ系又はシリコーン系の成分を含む熱硬化型のペースト状であり、前記球状スペーサの前記直径に対して１／４以下である外形寸法の金属粒子が混在されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電デバイス。

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