(57)【要約】【課題】  エージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供する。【解決手段】  板状の金属サポート１３，１４が設けられた２本の金属リード端子が貫通植設されてなるベース１と、金属サポートに搭載されかつ導電性樹脂接着剤４を介して電気的機械的に接合される板状の水晶振動板２とからなる水晶振動子であって、前記金属サポートは、ニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなり、前記金属サポートの接合部に貫通孔が形成され、前記導電性樹脂接着剤は、ポリエーテルサルフォン樹脂からなり、前記金属サポートの貫通孔Ｋに埋設した状態で前記金属サポートの接合部と前記水晶振動板の端部を接合してなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の金属リード端子が設けられたベースと、前記金属リード端子に設けられた一対の板状の金属サポートと、前記一対の金属サポートの接合部に導電性樹脂接着剤を介在して接合される板状の水晶振動板を有し、
前記一対の金属リード端子のインナー側に、前記一対の金属サポートの接合部の板面がお互いに対向した状態で配置され、前記一対の金属サポートの接合部の板面に対して前記水晶振動板の板面が直交した状態で、前記一対の金属サポートの接合部の板面の間に前記水晶振動板が配置された水晶振動子であって、
前記金属サポートは、ニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなり、
前記金属サポートの接合部に貫通孔が形成され、
前記導電性樹脂接着剤は、ポリエーテルサルフォン樹脂からなり、前記金属サポートの貫通孔の内部に入り込んだ状態で前記金属サポートの接合部と前記水晶振動板の端部を接合してなることを特徴とする水晶振動子。
【請求項２】
特許請求項１記載の水晶振動子であって、前記金属サポートの外部表面に銅膜が形成されてなることを特徴とする水晶振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水晶振動子に関するものであり、水晶振動板の保持構造を改善するものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は共振特性に優れることから、周波数、時間の基準源として広く用いられており、水晶振動板の表面に金属薄膜電極を形成し、この金属薄膜電極を外気から保護するため、パッケージ体により気密封止されている。
【０００３】
このうちＯＣＸＯと称される恒温槽型水晶発振器に用いられる水晶振動子では、金属性のパッケージ体が用いられているのが現状である。具体的には、特許文献１に示すように、金属ベースにはガラスなどの絶縁材を介して一対の金属リード端子が植設されており、当該金属リード端子のインナーリード部分には、一対の金属平板のサポート部材が対向して取り付けられている。水晶振動板はコンベックス形状で平面円盤形状に構成しており、その表裏面に励振電極と各励振電極からの引出電極が形成されている。そして、前記金属サポートの上に水晶振動板が搭載され、導電接合材により電気的機械的に接続されるとともに、前記金属ベースに金属製の蓋を被せて気密封止する構成となっている。
【０００４】
なお、ＯＣＸＯは外部の温度変化に影響することなく、水晶振動子を恒温槽内で温度制御することにより周波数の高安定化を行ったものであり、周波数安定度として１×１０-7〜１×１０-10程度の水晶振動子で得られる最高水準の周波数安定度を得ることができるため、無線基地局や伝送ラインなどの基準周波数として利用されている。
【０００５】
特許文献１では、このようなＯＣＸＯに用いられる良好なエージング特性が得られるＡｕＧｅ（金―ゲルマニウム）などの金属ろう材が用いられた高安定向け水晶振動子の保持構造に対する改善構成を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８６８３９号公報
【特許文献２】特開２００９−２２５４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＡｕＧｅ（金―ゲルマニウム）などの金属ろう材を用いて接合する場合、固形状の金属ろう材ペレットや金属ろう材ボールなどを用いて金属サポートと水晶振動板の間に介在させながら、それぞれを位置決め固定した状態で加熱し前記金属ろう材を溶融して接合する。しかしながら、上記特許文献１の構成では、金属サポートの水晶振動板保持部と水晶振動板の接続電極を金属ろう材を介してお互いに溶融接合する際に、加熱の状態により金属ろう材が励振電極に向かって拡散して金属サポートの水晶振動板保持部と前記水晶振動板の接続電極に介在する金属ろう材が過少状態となることがあった。このため金属サポートと水晶振動板の電気的機械的な接合不良が生じることがあった。また励振電極に金属ろう材が拡散することで水晶振動子の電気的特性の低下を招くという問題点もあった。特に高安定向けの水晶振動子では水晶振動板に形成される電極が金を主成分とする電極材料からなり、ＡｕＧｅ（金―ゲルマニウム）などの金系合金ろう材を用いるため、このような金属ろう材が拡散することによる悪影響が大きい。
【０００８】
これらの問題を解決するための一つの手法としては、耐熱性の高い導電性樹脂接着剤のみを用いることがあるが、特に高安定向けの水晶振動子では一般的なものに比べて熱膨張係数の低い特殊材料を用いる必要がある。この目的を達成するサポート材料と導電性接着剤の組み合せは接着強度が確保できないため、接合後に導電性樹脂接着剤が剥離し、導通性能が低下したり耐衝撃性能が低下したりするといった問題点があった。
【０００９】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、導電性樹脂接着剤が金属サポートから界面剥離することを抑制し、金属サポートと水晶振動板を接合する際の接合性が良好で、エージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本発明の水晶振動子は、一対の金属リード端子が設けられたベースと、前記金属リード端子に設けられた一対の板状の金属サポートと、前記一対の金属サポートの接合部に導電性樹脂接着剤を介在して接合される板状の水晶振動板を有し、前記一対の金属リード端子のインナー側に、前記一対の金属サポートの接合部の板面がお互いに対向した状態で配置され、前記一対の金属サポートの接合部の板面に対して前記水晶振動板の板面が直交した状態で、前記一対の金属サポートの接合部の板面の間に前記水晶振動板が配置された水晶振動子であって、前記金属サポートは、ニッケル鉄系の低熱膨張性の合金からなり、前記金属サポートの接合部に貫通孔が形成され、前記導電性樹脂接着剤は、ポリエーテルサルフォン樹脂からなり、前記金属サポートの貫通孔の内部に入り込んだ状態で前記金属サポートの接合部と前記水晶振動板の端部を接合してなることを特徴とする。
【００１１】
上記構成により、金属サポートをニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で構成し、かつ導電性樹脂接着剤をポリエーテルサルフォン樹脂で構成したものを組み合わせることで、外部環境温度の変化による金属サポートの熱膨張と導電性樹脂接着剤の熱膨張とが水晶振動板に対する熱膨張差を生じることがほとんどなくなるため、金属サポートと導電性樹脂接着剤から水晶振動板に対して環境温度の変化による応力を与えることが抑制され、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。また導電性樹脂接着剤として耐熱性が高く、かつ加熱硬化後のガスの発生が生じにくい材料であるため、水晶振動板に対してガスによる特性変化を与えることも抑制され、経年変化に対する特性変化もより一層抑制できる。さらに金属サポートの接合部に貫通孔が形成され、この貫通孔に導電性樹脂接着剤の一部が内部に入り込んだ状態で金属サポートの接合部と水晶振動板の端部とを接合しているので、アンカー効果が生じて導電性樹脂接着剤が金属サポートから界面剥離することを抑制される。金属サポートと水晶振動板の接着強度が高まり、経年変化に対する導通性能の維持しながら耐衝撃性能を高めることができる。また金属サポートと水晶振動板の接合以外に不要な余剰導電性樹脂接着剤は、前記貫通孔を介して吸収されるため、水晶振動板の振動領域である板面に対する不要な導電性樹脂接着剤の回り込みやはみ出しもなくなり、水晶振動板の特性劣化を招くこともない。上述のようなメリットは、特に金属サポートの接合部の板面に対して水晶振動板の板面が直交した状態で、一対の金属サポートの接合部の板面の間に水晶振動板が配置された保持構成に有効である。このような保持構造であれば、金属サポートの上部の一部の面に水晶振動板の一部の面が搭載されることがないため、水晶振動板に対する引張り収縮応力が両方の側面から対称に加わり、水晶振動板の内部に曲げ応力が加わることが少ないものの、水晶振動板の重みを導電性樹脂接着剤のみにより支えることになる。そこで、前記水晶振動板の板面が直交配置される保持構造に本発明の特徴点を組み合わせることで、高安定向けとしながらもさらに耐衝撃性能をも高めることが望ましい保持構造とすることができる。つまりエージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子の保持構造を提供することができる。
【００１２】
また、前記金属サポートの外部表面に銅膜が形成されてもよい。この構成により、上述の作用効果に加え、ポリエーテルサルフォン樹脂との接着強度が高まり、導電性樹脂接着剤が金属サポートから界面剥離することを抑制される。さらに比較的熱伝導率が小さい傾向にあるニッケル鉄系の低熱膨張性の合金を使用しても、より熱伝導率の高い銅膜が金属サポートの外部表面に形成されていることで、外部環境温度の変化による水晶振動子のパッケージ体（蓋とベース）外部の温度に対して銅膜が遅れなく水晶振動板に温度を伝え、温度差が生じることがほとんどなくなる。このような構成を組み合わせることで、水晶振動子のエージング特性と熱追従性を同時かつより効果的に高めることができ、より安定した周波数温度特性を得ることができる。ＯＣＸＯとして水晶振動子を利用する場合の起動特性も向上することができる。つまり水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱して周波数が安定するまでの時間もより短時間で起動させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、導電性樹脂接着剤が金属サポートから界面剥離することを抑制し、金属サポートと水晶振動板を接合する際の接合性が良好で、エージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態を示す分解斜視図。
【図２】図１を組み立てた状態を示す正面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図４】図３の接合部分の拡大図。
【図５】本発明の他の実施形態を示す分解斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明による実施の形態を、水晶振動子を例にとり、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態を示す分解斜視図であり、図２は図１を組み立てた状態の正面図、図３は図２の正面図のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図３の一部拡大図である。図５は他の実施形態を示す分解斜視図である。なお、各形態において同様の部分については同番号を付すとともに特に必要がなければ説明の一部を割愛している。
【００１６】
−本発明の実施形態−
ベース１は全体として低背の長円柱形状であり、金属製のシェルを主とするベース本体１０に金属リード端子１１，１２が貫通して植設された構成であり、絶縁ガラスＧがベース本体の一部に充填されることにより、これら金属リード端子１１，１２は電気的に独立して一体形成されている。
【００１７】
金属リード端子１１，１２は細長い円柱形状であり、例えばベース上部のインナー側の先端部１１ａ，１２ａは幅広で上部が平らな釘頭形状に形成されている。このインナーリードの先端部には、後述する金属サポート１３，１４が溶接の手法（レーザー溶接、スポット溶接等）により対向して取り付けられ、後述する金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の板面がお互いに対向した状態で配置されている。このため、前記金属サポートを金属リード端子に搭載する場合に傾く事なく水平に安定し搭載でき、溶接面積も拡大するので、接合強度が向上し、金属サポートを金属リード端子溶接する際の信頼性が飛躍的に向上する。
【００１８】
金属サポート１３，１４は、例えば断面略Ｌ字形の板状のものであり、ニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で、水晶のＺ’軸と平行の熱膨張係数（0.8*10-5/Ｋ）未満の低熱膨張性の金属材料を用いている。具体的に三菱マテリアル株式会社製のものであれば、ＭＡ―ＩＮＶ３６<Fe-36Ni>（インバー/アンバー、熱膨張係数（0.5〜2*10-6/Ｋ））、ＭＡ−Ｓ−ＩＮＶＥＲ<Fe-32Ni-5Co>（スーパーインバー、熱膨張係数（0〜1.5*10-6/Ｋ））、ＭＡ９０２<Fe-42Ni-Cr-Ti>（ＮＩ−ＳＰＡＮ−Ｃ、熱膨張係数（6.8*10-6/Ｋ））等があげられる。このような金属サポート１３，１４は、金属リード端子のインナー側の先端部１１ａ，１２ａと接合されるリード接続部１３１，１４１と、水晶振動板２を保持する水晶振動板接合部１３２，１４２とを有している。この水晶振動板接合部１３２，１４２には複数の貫通孔Ｋが形成されている。本実施形態では例えば直径０．１５ｍｍ程度の円形状のものを３０個程度形成している。
【００１９】
水晶振動板２は例えばＳＣカット水晶振動板からなり、プラノコンベックス研磨加工された平面円盤形状に構成されている。この水晶振動板２の表裏主面上には、励振電極２５，２６と引出電極２７，２８、引出電極２７，２８の端部電極である接続電極２３，２４が形成されている。これら電極は金を主成分とする電極材料により構成されており、例えばＣｒ（クロム）やＮｉ（ニッケル）の下地電極層の上面にＡｕ（金）電極層が形成されている。また水晶振動板の主面の中心点Ｏを通過するＺ’軸と当該水晶振動板の端部が交差し、対向する２点の交差点の端部にはそれぞれ弧状の切り欠き部（オリエンテーションフラット）Ｆ１，Ｆ２が形成されている。この切り欠き部Ｆ１，Ｆ２を含む近傍領域には、例えば、ダイヤモンド♯６００の砥石により、表面粗さ５μｍ程度の図示しない粗面領域が形成されている。この粗面領域の上面には接続電極２３，２４が位置するように形成されており、後述する導電性樹脂接着剤４がこの粗面領域の上部で接合されることで、さらなる接合強度の向上に貢献している。なお粗面領域は砥石に限らず、エッチングなどの他の手法で構成してもよい。また粗面領域はオリエンテーションフラットを含む近傍領域に形成したものに限らず、オリエンテーションフラットの端面領域のみに形成したものであってもよい。
【００２０】
導電性樹脂接着剤４は例えば銀などの金属粉が含有されたポリエーテルサルフォン樹脂からなり、熱分解温度の測定方法による耐熱温度が４６０℃以上のものを用いている。このため耐熱温度の高く水晶振動板２に対して熱膨膨張差が生じにくく、かつ加熱硬化後のガスの発生が少ない最適な導電性樹脂接着剤４が得られる。
【００２１】
そして水晶振動板２の切り欠き部Ｆ１，Ｆ２を含む近接領域に形成された粗面領域の上部でかつ接続電極２３，２４の上部には、ポリエーテルサルフォン樹脂からなる導電性樹脂接着剤４が塗布され、金属サポート１３，１４に導電性樹脂接着剤４が接合された水晶振動板２が搭載される。この時、金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の板面に対して水晶振動板２の板面が直交した状態で、金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の板面の間に水晶振動板２が配置されている。金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２に対して導電性樹脂接着剤４と水晶振動板２が取り付けられた気密封止前のベース１（封止前水晶振動子）を加熱炉に搬入する。加熱炉は例えば高真空アニール炉が用いられており、真空雰囲気中で前記封止前水晶振動子全体（ベース）を加熱し導電性樹脂接着剤４を硬化させる。以上により、図３、図４の断面図に示すように、導電性樹脂接着剤４を介して金属サポート１３，１４と水晶振動板の接続電極２３，２４とが電気的機械的に接合される。また導電性樹脂接着剤４の一部は金属サポートの複数の貫通孔Ｋの内部に入り込んでいるので、アンカー効果が生じて導電性樹脂接着剤４が金属サポートから界面剥離することを抑制される。
【００２２】
以上のように構成された封止前水晶振動子は、ベースに図示しない蓋を被覆し例えば真空雰囲気中で気密封止することで本発明の実施形態の水晶振動子が完了する。
【００２３】
上記実施形態により、外部環境温度の変化により金属サポート１３，１４の熱膨張と導電性樹脂接着剤４の熱膨張とが水晶振動板２に対する熱膨張差を生じることがほとんどなくなり、金属サポート１３，１４から水晶振動板２に対して環境温度の変化による応力を与えることがなくなるため、金属サポート１３，１４と導電性樹脂接着剤４から水晶振動板２に対して環境温度の変化による応力を与えることが抑制され、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。また導電性樹脂接着剤４としてポリエーテルサルフォンを用いているので、耐熱性が高く、かつ加熱硬化後のガスの発生が生じにくい材料であるため、水晶振動板２に対してガスによる特性変化を与えることも抑制され、経年変化に対する特性変化もより一層抑制できる。さらに金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２に貫通孔Ｋが形成され、この貫通孔Ｋに導電性樹脂接着剤４の一部が内部に入り込んだ状態で金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２と水晶振動板２の切り欠き部Ｆ１，Ｆ２を含む近接領域に形成された粗面領域の上部でかつ接続電極２３，２４の上部とを接合しているので、アンカー効果が生じて導電性樹脂接着剤４が金属サポート１３，１４から界面剥離することを抑制される。金属サポート１３，１４と水晶振動板４の接着強度が高まり、経年変化に対する導通性能の維持しながら耐衝撃性能を高めることができる。また金属サポート１３，１４と水晶振動板４の接合以外に不要な余剰導電性樹脂接着剤４は、前記貫通孔Ｋを介して吸収されるため、水晶振動板４の振動領域である板面（励振電極２５，２６等）に対する不要な導電性樹脂接着剤４の回り込みやはみ出しもなくなり、水晶振動板２の特性劣化を招くこともない。上述のようなメリットは、特に、金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の板面に対して水晶振動板２の板面が直交した状態で、金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の板面の間に水晶振動板２が配置された保持構成、つまり金属サポートの水晶振動板接合部１３２，１４２の面に水晶振動板２の一部が面接触しない保持構成に有効である。つまりエージング特性が良好なより信頼性の高い高安定向け水晶振動子の保持構造を提供することができる。
【００２４】
−本発明の他の実施形態−
次に、本発明の他の実施形態の水晶振動子の構成について、図５とともに説明する。図５の実施形態では、上記実施形態に対して金属サポート１３，１４の構成の一部が異なっているだけであり、基本的な構成は同様である。そこで同様の部分については同番号を付して説明の一部を省略するとともに相違点のみを説明する。金属サポート１３，１４は、例えばニッケル鉄系の低熱膨張性の合金で、水晶の熱膨張係数の半分ぐらいから熱膨張係数がゼロに近いもの、あるいは水晶の熱膨張係数に近似している金属材料を用いている。このような金属サポート１３，１４の外部表面には当該金属サポートより熱伝導率の高い金属膜Ｍが形成されている。より具体的には厚みが０．１ｍｍのインバーなどの金属母材の表裏主面に３〜１０μｍのＣｕメッキ（銅膜）からなる金属サポート１３，１４より熱伝導率の高い金属膜Ｍを形成した。
【００２５】
このような構成により、金属サポート１３，１４が環境温度の変化により熱膨張が生じることがほとんどなくなるか、水晶振動板２と金属サポート１３，１４の熱膨張差が生じることがほとんどなくなるため、金属サポート１３，１４から水晶振動板２に対して環境温度の変化による応力を与えることがなくなり、経年変化に対する応力もより一層抑制できる。つまりエージング特性もさらに高めることができる。またＣｕメッキ（銅膜）の金属膜Ｍがポリエーテルサルフォン樹脂との接着強度が高まり、導電性樹脂接着剤４が金属サポート１３，１４から界面剥離することを抑制される。さらに比較的熱伝導率が小さい傾向にあるニッケル鉄系の低熱膨張性の合金を使用しても、Ｃｕメッキ（銅膜）の金属膜Ｍが金属サポート１３，１４の外部表面に形成されていることで、環境温度の変化による水晶振動子のパッケージ体（蓋とベース）外部の温度に対してＣｕメッキ（銅膜）の金属膜Ｍが遅れなく水晶振動板２に温度を伝え、温度差が生じることがほとんどなくなる。結果として、より安定した周波数温度特性を得ることができる。またＯＣＸＯとして水晶振動子を利用する場合、水晶振動子を恒温槽内で所定温度まで加熱し周波数が安定するまでの時間もより短時間で起動させることができる（起動特性の向上）。
【００２６】
このような金属膜Ｍを形成する場合、金属サポート１３，１４の表裏主面に形成することがより望ましい。これは金属膜Ｍを金属サポート１３，１４の表裏主面に形成することで金属サポート全体としての熱変形に偏りが生じることがなくなり、水晶振動板２に対して余分な応力をかけることがない。なお、上述の金属膜Ｍを形成することによる効果は、真空雰囲気で気密封止された高安定向け水晶振動子に特に有効である。真空雰囲気で気密封止されると、外部環境に対する温度差はパッケージ体外部からの輻射熱による影響はなく、金属リード端子１１，１２と金属サポート１３，１４を介した伝熱のみの影響が強まるため、熱伝導性を高める金属膜Ｍによる恩恵が特に生じやすい。
【００２７】
また、熱伝導率の高い金属膜ＭとしてＣｕメッキが好ましい。Ｃｕメッキを用いることで、上述の作用効果が得られる高安定向けの水晶振動子に望ましい最適材料が選択できる。つまり、Ａｕ（金）やＡｇ（銀）などの熱伝導率の高い他の貴金属に比べて安価で安定供給できる熱伝導性能の極めて高い金属材料であり、Ｃｕメッキも汎用されるメッキ浴を用いて比較的安価かつ容易にメッキ形成することができるものである。また、Ｃｕはインバーなどと同じエッチング液により加工することができるため、Ｃｕとインバー、あるいはスーパーインバーとの組み合わせることで、加工性が高いサポート材料が得られる。なお、Ｃｕメッキにより金属膜Ｍを構成する場合には、その膜厚を３〜１０μｍ程度に形成することがより望ましい。このようにＣｕメッキの膜厚を設定することで、コストを抑えながら安定した伝熱性を維持し、サポート全体としての低熱膨張性能の維持や不要な熱応力の悪影響をなくすことができる。Ｃｕメッキとして３μｍより薄く形成すると伝熱性が低下する。Ｃｕメッキとして１０μｍより厚く形成すると金属サポートの曲げ加工等によりメッキの割れの危険性が増したり、サポート全体としての熱膨張性能にも悪影響が生じ水晶振動板２に対して不要な熱的な応力を加わりやすくなる危険性が高まる。
【００２８】
なお、上述の実施形態の構成に限らず、前記リード端子のインナーリード先端部が、釘頭形状のもののみを例にしているが、通常のインナーリード形状のものにでも適用できる。ＳＣカット水晶振動板に限らずＡＴカットなど他の水晶振動板であってもよい。金属膜Ｍを金属サポートの表裏のうち一主面に形成したり、部分的に形成してもよい。またＣｕ（銅）メッキに限らずＡｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミ）などの金属膜で形成してもよい。
【００２９】
本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施できるので、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求範囲によって示すものであって、明細書本文に拘束されるものではない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、水晶振動子等の圧電振動デバイスに適用できる。
【符号の説明】
【００３１】
１  ベース
１０  ベース本体
１１，１２  リード端子
１３，１４  金属サポート
２  水晶振動板
４  導電性樹脂接着剤
Ｍ  金属膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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