JP3896585B2

JP3896585B2 - 音叉型圧電振動子

Info

Publication number: JP3896585B2
Application number: JP2001385323A
Authority: JP
Inventors: 忠孝古賀; 通義金谷
Original assignee: Daishinku Corp
Current assignee: Daishinku Corp
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2021-12-18
Also published as: JP2003188678A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子機器等のクロック源等に用いられる音叉型圧電振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
音叉型圧電振動子は、一対の脚部とこれを一端側で連結する基部を有する構成の音叉型圧電振動板を素子として用い、当該脚部の一端を自由端とするとともに基部の下方を固定端としてパッケージに設けられた電極パッドに導電接合材により電気的機械的に接続される。（例えば特開平１１−３１２９４８号参照）
【０００３】
音叉型圧電振動子は脚部の機械的共振によって所定の周波数を得るが、よく用いられる振動モードは一対の脚部が基部を基点として、自由端側が平面的に接近、離反を繰り返す屈曲振動するモードである。このような振動モードを得るには、通常Ｘカット水晶板を用いるが、水晶ウェハから音叉型水晶振動板個々への加工法は、ワイヤーソー等を用いた機械的加工法と、フォトリソグラフィ技術を用いた化学的加工法がある。上記音叉型水晶振動板を機械的加工方法により得る場合も、化学的方法により得る場合も前記一対の脚部の振動バランスを調整するのは圧電振動子の性能を向上させるのに重要な要素となっている。すなわち、脚部の振動バランスがアンバランスである場合、振動エネルギーが基部において充分には減衰せず、当該基部をパッケージと接合した場合、ＣＩ（クリスタリインピーダンス）値の悪化、周波数変動が顕著に現れ、要求される電気的性能を満足しないことがあるからである。
【０００４】
振動バランスの調整手法は製造方法によっても異なり、機械的加工方法により得られた音叉型圧電振動板の電気的特性調整の例としては、例えば特開昭５９−５７１３号に示すように、音叉型水晶振動板に対し所定の励振電極を形成した後、脚部の一方または両方について先端部分を回転砥石で研削し、同時にＣＩ（クリスタルインピーダンス）値、周波数等の電気的特性をリアルタイムにモニタリングすることにより、所定の振動バランス調整を行い、さらにパッケージに組み込んだ状態で脚部先端部分に付加質量となる金属膜材料を真空蒸着法等により付着せしめることにより、さらにバランス調整を行っていた。
【０００５】
化学的加工方法においては上述のような回転砥石による調整は通常は行われず、脚部先端部分に金属膜材料を付加したり、あるいは予め形成しておいた調整用の金属膜を切除することによりレーザービーム等で除去し、この作業により変化する電気的特性をモニタリングし所定の調整を行っていた。前述の特開平１１−３１２９４８号もレーザービームあるいは電子ビームにて周波数調整する旨が開示されている。
【０００６】
しかしながら以上のような振動バランス調整を行った場合でも、完全にバランスがとれていない場合や、調整装置の検出能を越えたアンバランスが残ることがあった。このようなアンバランス状態の音叉型圧電振動板においては脚部の振動エネルギーが基部において意図したようには減衰せず、基部に振動エネルギーが残ってしまう。このようなものをパッケージの電極パッドに基部を接合した場合、当該基部からパッケージに振動エネルギーが漏れ出ることがあった。このような振動漏れは音響リークとも呼ばれ、完成した音叉型圧電振動子全体に振動エネルギーが漏れ出ていることから、これが搭載される実装基板との搭載状態によっては周波数等の電気的特性が変動してしまうことがあった。特にセラミックパッケージの電極パッドに音叉型圧電振動板の基部の主面を接合する場合は、その接合面積の広さ等から振動漏れ量並びにその確率が増加する傾向にあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、音叉型圧電振動子において、振動漏れによる電気的特性低下を極力抑制し、電気的特性の安定した音叉型圧電振動子を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は音叉型圧電振動板がパッケージに収納され、気密封止された音叉型圧電振動子と、当該音叉型圧電振動板の質量比が音叉型圧電振動子の振動漏れに関連していることを見いだしたもので、次の各構成により実現することができる。
【０００９】
請求項１による音叉型圧電振動子は、一対の脚部と当該脚部を連結する基部を有するとともに、主面と側面に励振電極が形成された音叉型圧電振動板と、当該音叉型圧電振動板を収納するとともに内部底面に電極パッドを有するセラミックパッケージと、当該セラミックパッケージと前記音叉型圧電振動板を導電接合する導電接合材と、前記パッケージを気密封止するフタとからなる音叉型圧電振動子であって、前記音叉型圧電振動板の脚部は脚部の厚さｔに対する脚部幅ｗの寸法比（ｔ／ｗ）が０．７以下でかつ脚部の厚さｔが０．１mm以上であるとともに、当該音叉型圧電振動板基部の一方の主面の一部は前記導電接合材によりセラミックパッケージに形成された電極パッドと接合され、かつ、当該音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）を３０以上にしたことを特徴とする音叉型圧電振動子である。なお、音叉型圧電振動板の質量Ｂは音叉型水晶板とその表面に形成される励振電極を含む質量であり、当該音叉型圧電振動子の質量Ａは、パッケージに前記音叉型圧電振動板を搭載し、導電接合材で接合し、フタで気密封止した質量を示している。
【００１０】
表面実装型の音叉型圧電振動子は、通常基部の主面の一部を比較的広い面積で接合することが多い。上述のようにこのような構成についても本発明は有効に機能し、振動漏れにより電気的特性の劣化を抑制することができる。
【００１１】
次に音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比を（Ａ／Ｂ）を３０以上にした根拠を説明する。図４は質量比を（Ａ／Ｂ）を変化させた場合の、音響リーク（振動漏れ）の発生割合について示したグラフである。使用したサンプルの基本構成は第１の実施の形態に示した構成であり、音叉型圧電振動板は励振電極が形成された音叉型水晶振動板、音叉型圧電振動子は当該振動板をパッケージに収納し導電接合材で接合した後金属フタにて気密封止したものである。サンプル１〜３は同じ外形サイズのパッケージを用いており、サンプル１は振動子の質量Ａがサンプル１は質量比が約１７（振動子の質量Ａは０.０２６５２６ｇ、振動板の質量Ｂは０.００１５９０ｇ）であり、サンプル２は質量比が約２７（振動子の質量Ａは０.０２５８９ｇ、振動板の質量Ｂは０.０００９５４ｇ）、サンプル３は質量比（振動子の質量Ａは０.０５２４７ｇ、振動板の質量Ｂは０.００１５９０ｇ）が約３３である。なお、サンプル１〜３の振動子重量の相違は振動板の重量の相違、および導電接合材の量、重量の相違による。サンプル４〜６は同じ外形サイズのパッケージを用い、かつサンプル１〜３で用いたパッケージより外形サイズが大きいものを用いている。サンプル４は質量比が約３２（振動子Ａは０.０５０８８ｇ、振動板Ｂは０.００１５９０ｇ）であり、サンプル５は質量比が約３７（振動子Ａは０.０５８８３ｇ、振動板Ｂは０.００１５９０ｇ）であり、サンプル６は質量比が約６６（振動子Ａは０.０５３６２ｇ、振動板Ｂは０.０００８１３ｇ）である。なお、振動子および振動板の計測はそれぞれ１千個の質量を計測し、この値から１個あたりの重量を算出している。
【００１２】
以上の各サンプルから１００個任意に選択されたものにつき検証実験を行い、音響リークの発生割合を確認するため、その周波数変動率確認した。気密封止されたパッケージを所定圧力で押圧し、周波数が５ｐｐｍ以上変化するものを音響リーク発生品とした。なお、いずれのサンプルに用いた音叉型圧電振動板もワイヤーソーを用いた機械加工によるもので、脚部先端を研削することにより調整を行った、特性調整済みのものである。図４からパッケージサイズにかかわらず、質量比を３０以上にすることにより、音響リークすなわち振動漏れが大きく減少していることが理解できる。
【００１３】
なお、音叉型振動子の周波数は振動板の脚部長（ｌ）と脚部幅（ｗ）に依存するため、脚部幅（ｗ）は実質的にあまり変動しない。このため寸法比（ｔ／ｗ）を小さくすることにより振動板が薄型化し、これを０．７以下にすると振動板の軽量化の効果が顕在化する。しかしながら音叉型圧電振動板の側面形成する電極領域を確保するには、脚部の厚さｔは０．１ｍｍ以上必要となるため、上記限定範囲が好ましい数値範囲となる。
【００１４】
音叉型圧電振動子、特に上述した機械的加工方法により得られた音叉型圧電振動子は加工精度のバラツキが生じやすく、脚部の幅ｗ対し脚部の厚さｔが大きくなるほど振動のアンバランスが発生しやすくなることが知られている。図５はｔ／ｗを異ならせた場合の周波数変化率を示すグラフであり、質量比を異ならせた３種類のサンプルについて検証実験を行った。サンプルＡは質量比が２７のものであり、図５中×印でプロットしている。またサンプルＢは質量比が３０のものであり、図５中○印でプロットしている。さらにサンプルＣは質量比が３５のものであり、図５中◎印でプロットしている。これら各サンプルのうち、サンプルＢ，Ｃすなわち質量比３０，３５のものについては、ｔ／ｗが０．７以下の場合において周波数変化率が良好な範囲に収まっている。なお、各振動板の厚さは０．１５ｍｍのものを用いている。
【００１５】
以上、図５のグラフから明らかなように相対的に脚部厚さｔが大きくなるほど周波数変化率が高くなっており、特にｔ／ｗが０.７以上になった場合、実用上問題になる値となっている。従って、音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）が３０以上のものにおいてｔ／ｗは０.７以下が好ましく、また上述したように側面電極形成領域を確保するために、脚部の厚さｔは０．１ｍｍ以上必要となるため、上記限定範囲が好ましい数値範囲となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態を表面実装型の音叉型水晶振動子を例にとり図および図２とともに説明する。図１は本実施の形態を示す分解斜視図、図２は図１を組み立てた場合の内部断面図を模式的に示す図であり、図３は音叉型水晶板脚部の電極構成を示す断面図である。なお、図１，２においては音叉型水晶振動板に形成された電極膜は明示していない。音叉型水晶振動子は、上部が開口した凹部を有するセラミックパッケージ１と、当該パッケージの中に収納される圧電振動板である音叉型水晶振動振動板３と、パッケージの開口部に接合される金属製のフタ２とからなる。
【００１７】
断面でみて凹形のセラミックパッケージ１には、凹形周囲の堤部１０ａ上に周状の金属層１１が形成されている。金属層１１は、詳細には図示していないが、例えばタングステンあるいはモリブデン等からなるメタライズ層と、当該メタライズ層の上部に形成されるニッケル、金等からなるメッキ層とからなる。セラミックパッケージ外周の４角には上下にキャスタレーションＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４が形成されている。このうちキャスタレーションＣ１，Ｃ２の下方には金属導体１４，１５が形成され、当該金属導体１４，１５は後述の電極パッドと電気的につながっている。またキャスタレーションＣ３，Ｃ４には上端から下端にわたり金属導体１６，１７が形成されており、前記金属層１１とセラミックパッケージ底面に形成されたアース端子Ｅ３，Ｅ４（Ｅ３は図示せず）と電気的につながっている。
【００１８】
図２に示すように、本セラミックパッケージ１は矩形平板形状のパッケージ基板１ａと、中央部分が大きく穿設され、外形サイズが前記パッケージ基体とほぼ等しい第１のセラミック枠体１ｂと、当該第１のセラミック枠体１ｂとほぼ同形状の第２のセラミック枠体１ｃとからなり、これら各層が積層されて一体的に焼成されている。なお、第２のセラミック枠体１ｃの上面には前述の金属層１１が形成されている。
【００１９】
また、セラミックパッケージ１の内部底面には電極パッド１２、１３が形成されており、これら電極パッドは連結電極１２ａ，１３ａ（１３ａは図示せず）を介して、パッケージ外部の底面にデバイス端子Ｅ１，Ｅ２（Ｅ２は図示せず）として電気的に引き出されている。
【００２０】
前記電極パッド１２，１３間には圧電振動板である音叉型水晶振動板３が搭載されている。音叉型水晶振動板３は一対の脚部３１，３２とこれを一方端側で連結する基部３３を有する形状を有している。このような音叉型の加工は水晶ウェハからワイヤーソー等の機械的切断手段により得ることができるし、またフォトリオグラフィ技術による化学的加工手段により形成してもよい。
【００２１】
図３に示すように音叉型水晶振動板の各脚部の主面及び側面の合計四面にはそれぞれ独立した励振電極が形成される。一方の脚部３１の主面に対向して形成された主面励振電極３１ａ，３１ｂと他方の脚部３２の側面に対向して形成された側面励振電極３２ｃ、３２ｄとを基部３３に形成された配線電極により共通接続し、また一方の脚部３１の側面に対向して形成された側面励振電極３１ｃ，３１ｄと他方の脚部３２の主面に対向して形成された側面励振電極３２ａ、３２ｂとを基部３３に形成された配線電極により共通接続されている。なお、当該水晶板上に形成された電極は、例えば下層がクロム層、その上層にクロム＋銀層、さらにその上層に銀層を形成した構成である。これら共通接続された２端子を各々電極パッド１２，１３に対応する位置に引き出しており、導電性接合材（図示せず）により導電接合されている。これにより音叉型水晶振動板３は主面基部の一部を支持部分とした、片持ち支持された状態でセラミックパッケージに収納されている。
【００２２】
セラミックパッケージを気密封止する金属製のフタ２はコバール等の金属母材２０の上下面に金属膜層を形成した構成である。金属製のフタの上面すなわちパッケージとの非接合面にはニッケル層２１がメッキ等の手段により形成され、当該金属フタの下面すなわち前記セラミックパッケージ側には銅層２２、銀ろう層２３の順に形成されている。当該銅層２２、銀ろう層２３の形成は、例えば圧延の手法を用いて形成されて、クラッド化されている。クラッド化することにより溶融時のガスの放出が少なく、ガスによるパッケージ内部への悪影響を回避することができるという利点を有している。
【００２３】
金属製のフタ２と前記セラミックパッケージ１の各金属膜層の接合は、真空雰囲気中でビーム溶接あるいはシーム溶接を行い、これにより主に金属製のフタの銀ろうが溶融し、気密接合が行われる。完成した当該音叉型水晶振動子の質量Ａに対する前記音叉型水晶振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）は３０以上設定している。なお、音叉型水晶振動板の質量はその表面に形成された電極材料も含まれている。
【００２４】
なお、質量比を調整する方法として、上記検証実験において説明したように、音叉型圧電振動板のサイズを変更したり、パッケージサイズを変更する以外に、例えばパッケージの肉厚を厚くしたり、パッケージ材料に比重の大きい材料を用いたり、あるいは音叉型圧電振動板に形成する電極材料の比重を小さくしたり、する等の調整をすればよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、当該音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）を３０以上にしたことを特徴としているので、圧電振動板からの振動漏れがある場合でも、電気的特性の変動を抑制することができる。よって、電気的特性の安定した音叉型圧電振動子を得ることができる。
【００２６】
またパッケージに形成された電極パッドと前記音叉型圧電振動板の主面基部の一部を接合する構成においても、振動漏れによる周波数変動を抑制することができる。
【００２７】
また、音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）が３０以上のものにおいてｔ／ｗは０.７以下にすることにより、振動漏れによる周波数変動をより良好に抑制することができる音叉型圧電振動子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による分解斜視図。
【図２】図１の各構成要素を組み立てた場合の内部断面図。
【図３】音叉型圧電振動子の電極配線を示す図。
【図４】検証実験データを示すグラフ。
【図５】検証実験データを示すグラフ。
【符号の説明】
１セラミックパッケージ
２金属フタ
２３金属ろう層（銀ろう層）
３音叉型水晶振動板（音叉型圧電振動板）
３１，３２脚部
３３基部

Claims

一対の脚部と当該脚部を連結する基部を有するとともに、主面と側面に励振電極が形成された音叉型圧電振動板と、当該音叉型圧電振動板を収納するとともに内部底面に電極パッドを有するセラミックパッケージと、当該セラミックパッケージと前記音叉型圧電振動板を導電接合する導電接合材と、前記パッケージを気密封止するフタとからなる音叉型圧電振動子であって、
前記音叉型圧電振動板の脚部は脚部の厚さｔに対する脚部幅ｗの寸法比（ｔ／ｗ）が０．７以下でかつ脚部の厚さｔが０．１ mm 以上であるとともに、当該音叉型圧電振動板基部の一方の主面の一部は前記導電接合材によりセラミックパッケージに形成された電極パッドと接合され、かつ、当該音叉型圧電振動子の質量Ａに対する前記音叉型圧電振動板の質量Ｂの質量比（Ａ／Ｂ）を３０以上にしたことを特徴とする音叉型圧電振動子。