JP5980564B2 - 水晶素子及び水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子機器等に用いられる水晶デバイス及びその水晶デバイスに実装されている水晶素子に関するものである。

従来の水晶素子は、圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。現在では、水晶素子は、ベベル加工を施した水晶素板の両主面に励振用電極を有している構造が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。ベベル加工は、水晶素板の外周部を研磨して、水晶素板の外周部の厚みを薄くする加工法のことである。質量の大きい中央部に振動エネルギーが集中することを利用し、中央部の質量を増大させて中央部にエネルギーを閉じ込めやすくすることができる。なお、励振用電極は、マスク治具を水晶素板に配置し、例えばスパッタ法等により設けられている。

特開平５−２５９８００号公報

ベベル加工された水晶素子は、ベベル加工された外周部と中央部の境界が急峻になっているため、ベベル加工された箇所に励振用電極が均一な厚みで形成されない虞がある。その結果、励振用電極が正常に作動せず、水晶素子のクリスタルインピ−ダンスのばらつきを引き起こす虞がある。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、安定したクリスタルインピ−ダンス値を出力することが可能な
水晶素子を提供する
ことを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶素子は、平面視して楕円形状の中央部と、中央部の周囲に中央部よりも上下方向の厚みが薄い外周部を有した水晶素板と、中央部の上面及び下面に設けられ、中央部の形状に合わせた楕円形状の励振用電極と、中央部から外周部に延在された引き出し電極と、引き出し用電極が設けられていない励振用電極の外周に設けられている面取り部と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による水晶素子は、安定したクリスタルインピーダンス値を出力することができる。

本実施形態における水晶素子を示す斜視図である。 図１に示す水晶素子のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、本実施形態における水晶素子を示す平面図であり、（ｂ）は、本実施形態における水晶素板を示す平面図である。 本実施形態における水晶素子の等価回路図である。 本実施形態の変形例における水晶素子を示す平面図である。 本実施形態における水晶素子を用いた水晶デバイスの分解斜視図である。 図６に示す水晶デバイスのＢ−Ｂ断面図である。

（第一実施形態）
第一実施形態における水晶素子１１０は、図１及び図２に示されているように、水晶素板１１１と、水晶素板１１１の両主面に設けられた励振用電極１１４とを含んでいる。

水晶素子１１０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

水晶素子１１０は、図２及び図３（ａ）に示されているように、水晶素板１１１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１１４、接続用電極１１５及び引き出し電極１１６を被着させた構造を有している。水晶素子１１０の振動領域は、水晶素板１１１の中央部１１２の上面に設けられた励振用電極１１４と下面に設けられた励振用電極１１４とが対向する領域となっている。

水晶素板１１１は、図３（ｂ）に示されているように、平面視して楕円形状の中央部１１２と、中央部１１２の周囲に中央部１１２よりも上下方向の厚みが薄い外周部１１３を有している。水晶素板１１１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。

中央部１１２は、楕円形状を有しており、上面及び下面には、励振用電極１１４が設けられている。また、中央部１１２の上面及び下面は、平坦になっており、上下方向の厚みも均一になっている。

外周部１１３は、中央部１１２の周囲に中央部１１２よりも上下方向の厚みが薄くなるように設けられている。また、外周部１１３は、外周部１１３の外周縁に近づくにつれて上下方向の厚みが漸次薄くなって形成されている。このようにすることによって、中央部１１２は、中央部１１２の上下方向の厚みを厚くすることになり、中央部１１２の質量を増大させて、振動エネルギーを集中させ、エネルギーを閉じ込めやすくすることができる。

例えば３８．４ＭＨｚ用の水晶素板１１１を平面視したときの縦寸法が約１．０ｍｍであり、平面視したときの横寸法が約０．７ｍｍである場合を例にして説明すると、中央部１１２の平面視したときの長軸寸法が約０．７ｍｍであり、平面視したときの短軸寸法が約０．５ｍｍである。また、中央部１１２の上下方向の厚みは、約４０μｍである。外周部１１３の外周縁部の上下方向の厚みは、約３５μｍである。

例えば２４．０ＭＨｚ用の水晶素板１１１を平面視したときの縦寸法が約１．１ｍｍであり、平面視したときの横寸法が約０．７５ｍｍである場合を例にして説明すると、中央部１１２の平面視したときの長軸寸法が約０．３ｍｍであり、平面視したときの短軸寸法が約０．２ｍｍである。また、中央部１１２の上下方向の厚みは、約７０μｍである。外周部１１３の外周縁部の上下方向の厚みは、約３０μｍである。

また、例えば１９．２ＭＨｚ用の水晶素板１１１を平面視したときの縦寸法が約１．４ｍｍであり、平面視したときの横寸法が約０．９７ｍｍである場合を例にして説明すると、中央部１１２の平面視したときの長軸寸法が約０．４５ｍｍであり、平面視したときの短軸寸法が約０．３５ｍｍである。また、中央部１１２の上下方向の厚みは、約１００μｍである。外周部１１３の外周縁部の上下方向の厚みは、約６５μｍである。

励振用電極１１４は、図３（ａ）に示されているように、中央部１１２の形状に合わせた楕円形状である。水晶素子１１０の振動は、励振用電極１１４の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。この際に、変位が同じ値を示す箇所を結ぶように等高線を引くと、等高線は、楕円形状になるように分布する。従って、励振用電極１１４が楕円形状に形成されていることによって、水晶素子１１０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。

励振用電極１１４は、水晶素板１１１の中央部１１２の上面及び下面に第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、クロム又はチタンから構成され、第２の金属膜は、例えば、金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を第１の金属膜と第２の金属膜の間に形成してもよい。

引き出し電極１１５は、中央部１１２から外周部１１３に延在されるようにして設けられている。引き出し電極１１５の一端は、励振用電極１１４と接続され、他端は、接続用電極１１６と接続されている。

接続用電極１１６は、引き出し電極１１５と接続されており、水晶素板１１１の長辺又は短辺の一つの辺に沿って、隣接するように一対で設けられている。接続用電極１１６は、外部の電極パッドと接続する役割を果たしている。

ここで、水晶素子１１０の動作について説明する。水晶素子１１０は、外部からの交番電圧が接続用電極１１６から引き出し電極１１５及び励振用電極１１４を介して水晶素板１１１に印加されると、水晶素板１１１が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。

また、水晶素板１１１のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板１１１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１１１とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板１１１とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させることで、水晶素板１１１の外周部１１３に研磨剤が衝突する。外周部１１３は、研磨材が衝突することで研磨されていき、中央部１１２よりも薄くなるように形成される。外周部１１３は、外周部１１３の外周縁部から徐々に研磨されるため、外周部１１３の外周縁部に近づくにつれて上下方向の厚みが漸次薄くなって形成されている。また、平面視した中央部１１２の形状は、楕円状に形成されている。このようにすることで、水晶素板１１１には、中央部１１２と中央部１１２を囲むようにして設けられた外周部１１３とがなされたベベル加工が行われる。

ここで、水晶素子１１０の作製方法について説明する。まず、水晶素子１１０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１１１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１１１の外周部１１３と比べて水晶素板１１１の中央部１１２が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、励振用電極１１４、引き出し電極１１５及び接続電極１１６の形状に開口部が設けられているマスク治具は、水晶素板１１１の中央部１１２と励振用電極の開口が一致するようにして、水晶素板１１１の上面及び下面に配置される。その水晶素板１１１に、例えば蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振用電極１１４、引き出し電極１１５及び接続電極１１６を形成することにより水晶素子１１０は作製される。このように金属膜を被着させることによって、水晶素板１１１の楕円状の中央部１１２の形状に合わせた楕円形状の励振用電極１１４が形成されることになる。

本実施形態における水晶素子１１０は、中央部１１２の上面及び下面に設けられ、中央部１１２の形状に合わせた楕円形状の励振用電極１１４を備えていることによって、励振用電極１１４の外周がぼやけることなく、励振用電極１１４が正常に作動し、安定したクリスタルインピーダンス値を出力することができる。

以下、励振用電極１１４が、中央部１１２と外周部１１３の境界に沿って形成されている構造について説明する。水晶素板１１１は、平面視して楕円形状の中央部１１２と、中央部１１２の周囲に中央部１１２よりも上下方向の厚みが薄い外周部１１３を有している。励振用電極１１４の外周は、楕円状の中央部１１２の外縁部に位置するように設けられている。

水晶素子２１１０の等価回路は、図４に示されているように、励振用電極１１４のうち実際に振動している部分（一対の励振用電極１１４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及び等価直列抵抗Ｒ１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。その水晶素子１１０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。

水晶素子１１０は、励振用電極１１４が中央部１１２と外周部１１３の境界に沿って形成されていることによって、励振用電極１１４の面積を最大限大きくすることができ、等価直列容量Ｃ１を大きくすることができる。等価直列容量Ｃ１が大きければ、水晶素子１１０の周波数感度が大きく取れることになる。水晶素子１１０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。

（変形例）
以下、本実施形態の変形例における水晶素子２１０について説明する。水晶素子２１０は、図５に示されているように、水晶素板２１１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極２１４、接続用電極２１５及び引き出し電極２１６を被着させた構造を有している。励振用電極２１４は、中央部に設けられており、励振用電極２１４には、面取り部２１７が設けられている。

面取り部２１７は、図５に示されているように、励振用電極２１４の引き出し用電極２１６が設けられていない励振用電極２１４の外周に設けられている。このようにすることにより、励振用電極２１４の外周がぼやけることなく、励振用電極２１４が正常に作動し、さらに安定したクリスタルインピーダンス値を出力することができる。

また、一つの面取り部２１７ｂは、図５に示されているように、接続用電極２１５に近傍している励振用電極２１４に設けられており、他の面取り部と２１７ａと比べて大きく切れ込むようにして設けられている。このようにすることにより、水晶素子２１０をパッケージに実装する際に、接続用電極２１５に付着された導電性接着剤ＤＳが濡れ拡がったとしても、励振用電極２１４に導電性接着剤ＤＳが付着し、励振用電極２１４と接続用電極２１５が短絡してしまうことを低減することができる。

面取り部２１７は、面取り部２１７がなされた状態の励振用電極２１４の形状と同じ開口部が設けられているマスク治具を水晶素板２１１の上面及び下面に配置し、例えば蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることで形成される。このように面取り部がなされた開口部を設けられているマスク治具を使用することによって、励振用電極２１４に面取り部２１７が形成される。

（水晶デバイス）
上述した水晶素子１１０をパッケージ１２０に実装した水晶デバイスについて以下に説明する。水晶デバイスは、パッケージ１２０と、パッケージ１２０の基板１２０ａに接合された水晶素子１１０とを含んでいる。

パッケージ１２０は、図６及び図７に示されているように、基板１２０ａと、基板１２０ａ上に設けられた枠体１２０ｂとを含んでいる。パッケージ１２０は、基板１２０ａの上面と枠体１２０ｂの内側面によって囲まれた凹部Ｋが形成されている。

基板１２０ａは、長方形状であり、上面で実装された水晶素子１１０を支持するための支持部材として機能するものである。基板１２０ａの上面には、水晶素子１１０を接合するための一対の電極パッド１２１が設けられている。また、基板１２０ａの下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板１２０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１２０ａは、絶縁層を１層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１２０ａの表面及び内部には、基板１２０ａの上面の一対の電極パッド１２１と下面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

枠体１２０ｂは、基板１２０ａ上に凹部Ｋを形成するためのものである。枠体１２０ｂは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１２０ａと一体的に形成されている。

ここで、パッケージ１２０の作製方法について説明する。基板１２０ａがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートの表面或いは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、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１２１又は外部接続用電極端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

導電性接着剤ＤＳは、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末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、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ又は窒素ガスなどが充填された凹部Ｋを気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、パッケージ１２０の枠体１２０ｂ上に載置され、枠体１２０ｂの封止用導体パターン１２２と蓋体１３０の封止部材１３１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、枠体１２０ｂに接合される。

封止部材１３１は、パッケージ１２０の枠体１２０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１２２に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。封止部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。

また、本実施形態における水晶デバイスは、電子機器等を構成するマザーボードに搭載する際に、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素子１１０に付与しても、水晶素子１１０の等価直列容量Ｃ１が大きければ、水晶素子１１０の周波数感度Ｓが十分に大きいため、水晶デバイス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。

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。上記の実施形態では、枠部１２０ｂが基板部１２０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠部１２０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠部は、銀ロウ等のロウ材を介して基板部の導体膜に接合されている。

１１０、２１０・・・水晶素子
１１１、２１１・・・水晶素板
１１２、２１２・・・中央部
１１３、２１３・・・外周部
１１４、２１４・・・励振用電極
１１５、２１５・・・接続用電極
１１６、２１６・・・引き出し電極
１２０・・・パッケージ
１２１・・・電極パッド・
１３０・・・蓋体
１３１・・・封止部材
Ｋ・・・凹部
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｇ・・・外部接続用端子

Claims (4)

1. 平面視して楕円形状の中央部と、前記中央部の周囲に前記中央部よりも上下方向の厚みが薄い外周部を有した水晶素板と、
   前記中央部の上面及び下面に設けられ、前記中央部の形状に合わせた楕円形状の励振用電極と、
   前記中央部から前記外周部に延在された引き出し電極と、
   前記引き出し用電極が設けられていない前記励振用電極の外周に設けられている面取り部と、を備えた水晶素子。
2. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記励振用電極は、前記中央部と前記外周部の境界に沿って形成されていることを特徴とする水晶素子。
3. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記水晶素子は、前記外周部が前記外周部の縁部に近づくにつれて上下方向の厚みが漸次薄くなって形成されていることを特徴とする水晶素子。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の水晶素子と、前記水晶素子が実装される凹部を有するパッケージと、とを備えたことを特徴とする水晶デバイス。

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