(57)【要約】【課題】  薄肉の振動板を厚肉の環状部により一体的に支持した構成の圧電基板の主面に励振電極を形成した圧電振動素子において、小面積化によって環状部の壁幅を小さくした場合であっても、接着剤塗布個所だけを幅広に構成して十分な接着面積を確保することにより、接着剤が振動板側に付着して共振周波数の変動をもたらす不具合を解消する。【解決手段】  薄肉の振動板４と、該振動板の外周縁を一体的に包囲する厚肉且つ外形が矩形の環状部５と、を備え、少なくとも一方の主面側を凹陥部３とした構成の圧電基板２において、環状部の４つの角部のうちの少なくとも２つの角部内側に拡大領域５ａを設けて幅広の接着領域とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄肉の振動板と、該振動板の外周縁を一体的に包囲する厚肉且つ外形が矩形の環状部と、を備え、少なくとも一方の主面側を凹陥部とした構成の圧電基板において、
前記環状部の４つの角部のうちの少なくとも２つの角部内側に拡大領域を設けて幅広の接着領域としたことを特徴とする圧電基板。
【請求項２】
前記拡大領域を、少なくとも前記４つの角部の内の隣接し合う２つの角部、或いは対角線方向にある２つの角部に設けたことを特徴とする請求項１に記載の圧電基板。
【請求項３】
前記圧電基板はＡＴカット水晶板であり、ＡＴカット水晶板のｚ軸方向長をｘ軸方向長よりも長くし、
前記拡大領域を形成する角部の内の一つは、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に属していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電基板。
【請求項４】
請求項１、２又は３に記載の圧電基板の少なくとも一方の主面に励振電極を形成したことを特徴とする圧電振動素子。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を内部に気密封止した表面実装用パッケージと、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項６】
請求項４に記載の圧電振動素子、或いは請求項５に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超薄肉の振動板を厚肉の環状部で一体的に包囲した構造の圧電基板、圧電基板に励振電極等の導電パターンを形成した圧電振動素子、圧電振動素子をパッケージ内に気密封止した圧電振動子、更にはこの圧電振動子を用いた圧電発振器の改良に関し、圧電基板を大型化することなく環状部の形状を種々工夫することによって必要十分な接着面積を確保することを可能とした技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子の如く、圧電振動素子をパッケージ内に導電性接着剤にて固定した状態で気密封止した構造の表面実装型の圧電デバイスは、携帯電話機、ページャ等の通信機器や、コンピュータ等の電子機器等において、基準周波数発生源、フィルタ等として利用されているが、これらの各種機器の小型化に対応して圧電デバイスに対しても小型化が求められている。
また、表面実装用の圧電デバイスとしての圧電発振器は、例えばセラミック等から成るパッケージ本体の上面に形成された凹所内に、圧電振動素子と、発振回路を構成する回路部品を収納した状態で凹所開口を金属蓋により封止した構成を備えている。
従来から、上記の如き圧電デバイスに使用される圧電振動素子として、基本波周波数が５０ＭＨｚ以上の高周波化に対応できるように圧電基板の片側表面を一部掘削することにより凹陥部を形成してその底面を数μｍ程度の超薄肉の振動板とすると共に、この振動板周縁を厚肉の環状部により一体的に包囲した構造の圧電基板と、この振動板の表裏両面に夫々形成した入出力用の電極と接地電極と、から成る圧電振動素子が知られている（特開平９−５５６３５号公報）。
このような圧電振動素子において圧電基板の小型化が更に進行すると、薄肉の振動板の面積も小さくならざるを得ないが、限られた全体面積の中で、振動板の面積を可能な限り大きくして十分な自由振動領域を確保するためには、環状部の壁幅を小さくしてゆく必要がある。ただ、圧電基板の小型化が進めばその分だけ耐衝撃性が高まるため、環状部の壁幅を小さくしたとしても振動板を補強する機能をある程度までは維持することが可能である。
【０００３】
特開平３−２３５４０８号公報には、圧電基板の凹陥部の平面形状が矩形である場合には、圧電振動素子の一主面をパッケージ内に支持した際に、外部からの振動、衝撃によって圧電振動素子が破損する虞があるため、凹陥部、及び環状部の平面形状を種々工夫して環状部の壁幅を広くすることにより強度を高めるようにした発明が開示されているが、小型化が更に進行した場合には必然的に耐衝撃性が高まるため、強度を確保するだけの目的から環状部の壁幅を広くする必要はなくなる。従って、環状部の壁幅を小さくすることにより、小型化に対応して振動板の面積を可能な限り確保することは可能である。
しかし、圧電振動素子の小型化に対応するために環状部の壁幅を小さくした場合には、ケース内に接着剤によって支持する際の接着剤塗布面積が十分に確保できなくなる、という欠点をもたらす。つまり、圧電振動素子の小型化に対応して環状部の壁幅を小さくすることには限界があり、最小限必要とされる接着剤の塗布径よりも壁幅を小さくすると、壁幅からはみ出した接着剤が振動板側に展開したり、凹陥部内壁を這い上がることにより、振動板に接着剤が付着し、接着剤の硬化収縮等によって振動板に大きな歪みが形成され、共振周波数が変動する虞がある。これを図面により説明する。
図７及び図８は夫々圧電振動素子をケース内のパッド上に導電性接着剤により支持した状態を示す図である。まず、図７（ａ）及び（ｂ）は圧電振動素子の接着状態を示す平面図、及び正面断面図である。この圧電振動素子１００は、薄肉の振動板１０２の外周を厚肉の環状部１０３により一体的に包囲した構造の圧電基板１０１の両主面上に励振電極１０４を形成した構成を備えている。環状部１０３の各辺の壁幅ｗは何れも均一幅に設定されている。この圧電振動素子１００を、凹陥部側を下向きにした状態で、ケースの内底面１１０に設けたパッド１１１上に導電性接着剤１１２を用いて接着固定する場合には、圧電基板の平坦面側の２つの角部に接着剤１１２を塗布することになるが、圧電基板の小型化によって環状部の壁幅ｗが接着剤塗布径よりも小さくなると、接着剤が壁幅ｗを越えて振動板１０２に塗布されて歪みを発生させることとなる。
次に、図８（ａ）及び（ｂ）は圧電振動素子の凹陥部側の平面図、及び凹陥部を上向きにしてケース内底面に接着固定した状態を示す正面断面図を示しており、この場合は環状部１０３の下面に塗布した導電性接着剤１１２が凹陥部の内壁を這い上がって薄肉部に付着し歪みを発生させる。
【特許文献１】特開平９−５５６３５号公報
【特許文献２】特開平３−２３５４０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、薄肉の振動板を厚肉の環状部により一体的に支持した構成の圧電基板の主面に励振電極を形成した圧電振動素子において、小面積化によって環状部の壁幅を小さくした場合であっても、接着剤塗布個所だけを幅広に構成して十分な接着面積を確保することにより、接着剤が振動板側に付着して共振周波数の変動をもたらす不具合を解消することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、薄肉の振動板と、該振動板の外周縁を一体的に包囲する厚肉且つ外形が矩形の環状部と、を備え、少なくとも一方の主面側を凹陥部とした構成の圧電基板において、前記環状部の４つの角部のうちの少なくとも２つの角部内側に拡大領域を設けて幅広の接着領域としたことを特徴とする。
平面形状が矩形の環状部は、その４つの角部の内側が直角に構成されているが、本発明では、角部内側に面取り状（斜め直線状、或いは円弧状）に拡大領域を形成することにより、角部に幅広の接着領域を設けたので、環状部の壁幅が狭くなったとしても、角部に設けた幅広の接着領域を利用してパッケージ内に対して接着する際の十分な接着面積を確保することができる。圧電基板を構成する圧電材料としては、水晶、その他種々の圧電材料を選定できる。
請求項２の発明は、請求項１において、前記拡大領域を、少なくとも前記４つの角部の内の隣接し合う２つの角部、或いは対角線方向にある２つの角部に設けたことを特徴とする。４つの角部のうちの少なくとも２個所のみならず、３個所、４個所に拡大領域を設けることも可能である。
請求項３の発明は、請求項１、又は２において、前記圧電基板はＡＴカット水晶板であり、ＡＴカット水晶板のｚ軸方向長をｘ軸方向長よりも長くし、前記拡大領域を形成する角部の内の一つは、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に属していることを特徴とする。
エッチングによりＡＴカット水晶基板の主面に凹陥部（振動板）を形成する際に、所定のマスクを用いて環状部の４つの角部内側に拡大領域を形成した場合、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部の底面に位置する振動板の角部はほぼ直角となる。つまり、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部に拡大領域を形成したとしてもこの角部に対応する振動板の角部は狭くなることがない。従って、４つの角部に拡大領域を形成する場合は勿論、２つの角部、３つの角部に拡大領域を形成する場合にも、必ず一つの角部として＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部を含めるように構成することにより、振動板の面積の狭小化を低減することができる。
請求項４の発明に係る圧電振動素子は、請求項１、２又は３に記載の圧電基板の少なくとも一方の主面に励振電極を形成したことを特徴とする。
請求項５の発明に係る圧電振動子は、請求項４に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を内部に気密封止した表面実装用パッケージと、を備えたことを特徴とする。
請求項６の発明に係る圧電発振器は、請求項４に記載の圧電振動素子、或いは請求項５に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、薄肉の振動板を厚肉の環状部により一体的に支持した構成の圧電基板の主面に励振電極を形成した圧電振動素子において、小面積化によって矩形環状部の４辺を構成する壁の幅を小さくした場合であっても、少なくとも２個所の角部の内側に拡大領域を形成して幅広の接着剤塗布領域を確保するようにしたので、当該幅広の角部を利用してパッケージ内に接着することにより、接着剤が振動板側に付着して共振周波数の変動をもたらす不具合を解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を図面に示した実施の形態により詳細に説明する。
図１（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る圧電振動素子の一例としてのＡＴカット水晶から成る水晶振動素子の凹陥部側平面図、及びＡ−Ａ断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は比較例としての従来の水晶振動素子の凹陥部側平面図、及びＢ−Ｂ断面図である。
図１の水晶振動素子１は、異方性を有した圧電結晶材料としてのＡＴカット水晶から成る水晶基板２と、水晶基板２の両主面に夫々形成した励振電極１０ａ、１０ｂ、及び各励振電極１０ａ、１０ｂから夫々延びるリード電極１１ａ、１１ｂと、各リード電極端部の接続パッド１２ａ、１２ｂと、を備えている。なお、一方の主面に励振電極を形成する一方で、他方の主面を全面アース膜としてもよい。
この実施形態に係る水晶基板２は、平面２軸方向ｘ、ｚのうちの一方の結晶軸方向（励起された波の伝搬方向）、例えばｚ軸方向に長尺な矩形平板状の基板本体の一方の主面上に凹陥部３をエッチングにより形成することにより、凹陥部３の内底面に超薄肉の振動板４を位置させると共に、振動板４の外周縁を厚肉の環状部５にて一体的に保持した構成を備えている。ｚ軸方向を長くすることにより、振動板４の有効領域が広くなる。
図２（ａ）及び（ｂ）に示すように従来の水晶振動素子の凹陥部内壁はエッチングレートの違いによって斜めにエッチングされているが、環状部５の内側の四隅はほぼ直角である。
【０００８】
図１に示した本発明の実施形態の特徴的な構成は、ｚ軸方向右側（＋ｚ軸方向）に位置する２つの角部（角隅部）に相当する環状部端面に夫々接着剤塗布領域となる拡大領域５ａを追加形成して角部に幅広部を形成した点にある（片側２点支持タイプ）。即ち、従来直角であった環状部５の内側の角部を斜めに面取りすることにより、角部内側に三角形状の拡大領域５ａを形成して接着剤塗布領域を幅広とした点が特徴的である。このような拡大領域５ａを形成するには、従来の環状部の端面のみならず、拡大領域５ａに相当する領域にもマスクを施した上でエッチングを実施すればよい。
この実施形態に示す如き２つの拡大領域５ａを形成する場合には、図６（ａ）に示した如き開口形状を有したマスクＭを用いてエッチングを行う。
また、この実施形態では、水晶基板２のｚ軸方向右側の２つの角部内側に拡大領域を形成したが、左側の２つの角部内側に拡大領域を形成した片側２点支持タイプにも適用することができる。
ただ、所定のマスクを用いたエッチングによりＡＴカット水晶基板２の主面に凹陥部３（振動板４）を形成する際に、水晶基板の中心を基準点として結晶軸を描いた時に、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部（右上の角部）の底面に位置する振動板の角部だけはほぼ直角となる（拡大領域を形成したことによる面積の狭小化が回避される）現象が生じる。つまり、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部に拡大領域を形成したとしてもこの角部に対応する振動板の角部の面積は拡大領域５ａの影響によって狭められることがない。従って、４つの角部に拡大領域を形成する場合は勿論、２つの角部、３つの角部に拡大領域を形成する場合にも、必ず一つの角部として＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部を含めるように構成することにより、振動板４の面積の狭小化を低減することができる。
なお、図１（ｃ）のように１／４円の円弧状の拡大領域５ａを角部内側に形成して幅広部としてもよいし、その他任意の形状に構成してもよいが、以下の他の実施形態では三角形状の拡大領域５ａを形成した例を中心として説明する。
以上のように、本発明では、従来直角であった矩形環状の環状部５の角部内側に、面取り状に拡大領域５ａを形成して接着剤塗布用の幅広部（幅広の接着領域）を形成したことにより、環状部５の壁幅ｗを極限まで小さくしたとしても、拡大領域５ａを利用して十分な接着剤塗布領域を確保できるので、接着剤が振動板４に付着することを防止しつつ、パッケージ内に安定して水晶振動素子を支持することが可能となる。特に、拡大領域５ａを形成したことによって振動板４の有効面積が大幅に減縮されることがないように、拡大領域５ａの形成位置、形状を選定することにより、振動板４の特性としては拡大領域５ａを形成しない場合と大きな差異が生じないようにすることができる。
【０００９】
次に、図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る水晶振動素子の平面図、及びＣ−Ｃ断面図である。
この実施形態に係る水晶振動素子１は、斜め２点支持タイプであり、外形が矩形環状の環状部５の４つの角部のうち一つの対角線上に位置する２つの角部内側に面取り状に拡大領域５ａを形成することにより当該２つの角部を幅広の接着剤塗布領域としている。
この実施形態に係る水晶基板に凹陥部を形成する場合には、図６（ｂ）に示した如きマスクＭを用いたエッチングを行う。
この実施形態に於いても、環状部５の壁幅ｗが必要最小限まで小さく設定された場合に、拡大領域５ａを利用して十分な幅の接着領域を確保して、接着剤が振動板に付着する等の不具合を防止できる。
次に、図４（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る水晶振動素子の平面図、及びＤ−Ｄ断面図である。
この実施形態に係る水晶振動素子１は、４点支持タイプであり、外形が矩形環状の環状部５の４つの角部全ての内側に面取り状に拡大領域５ａを形成することにより４つの角部を全て幅広の接着剤塗布領域としている。このタイプの水晶振動素子１は、振動板の両面上に夫々２個ずつの電極１０を備え、各電極から延びたリード電極１１、パッド１２が各角部に延長形成されている。
この実施形態に係る水晶基板に凹陥部を形成する場合には、図６（ｃ）に示した如きマスクＭを用いたエッチングを行う。
この実施形態に於いても、環状部５の壁幅ｗが必要最小限まで小さく設定された場合に、拡大領域５ａを利用して十分な幅の接着領域を確保して、接着剤が振動板に付着する等の不具合を防止できる。
なお、上記の如き構成を備えた水晶基板２上に励振電極、リード電極を夫々形成した水晶振動素子１を図示しないパッケージ内に気密封止することにより水晶振動子を構築することができ、更にこの水晶振動素子と、発振回路とを組み合わせることによって発振器を構築することができる。
なお、図６（ｄ）に示すマスクＭは、図面上側の２つの角部に拡大領域を形成するためのマスクであり、この例に於いても、＋ｘ方向と＋ｚ方向に囲まれた領域に位置する角部（右上の角部）に拡大領域５ａを形成するように構成されている。
【００１０】
次に、図５は本発明の水晶振動素子を使用した表面実装型水晶振動子の構成を示す断面図である。この水晶振動子２０は、パッケージ２１内に水晶振動素子１を収容した構成を備えており、パッケージ２１は、セラミック容器２２を金属蓋３０により気密封止した構成を有している。セラミック容器２２は、底部に実装電極２３を備えると共に収容凹所２４の内底面には、実装電極２３と導通した接続パッド２５を有している。接続パッド２５上には導電性接着剤２６を用いて水晶振動素子１が電気的機械的に接続される。
この実施形態では、凹陥部３を下向きにした状態で水晶振動素子１の環状部端面をパッケージ２１の内底面に接着したが、これとは逆に凹陥部３を上向きにして平坦面側をパッケージ２１の内底面に接着固定してもよい。この場合も環状部の端面側に位置する拡大領域５ａの影響により、平坦面側の接着領域も実質的に拡大しているので、振動板側への接着剤の浸入、干渉を防止する効果を得ることができる。
なお、上記実施形態では、圧電結晶材料として水晶を例示したが、これは一例に過ぎず、本発明はあらゆる圧電結晶材料から成る圧電基板に対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係る圧電振動素子の一例としてのＡＴカット水晶から成る水晶振動素子の凹陥部側平面図、及びＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ａ）の要部拡大図。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は比較例としての従来の水晶振動素子の凹陥部側平面図、及びＢ−Ｂ断面図。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る水晶振動素子の平面図、及びＣ−Ｃ断面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は本発明の他の実施形態に係る水晶振動素子の平面図、及びＤ−Ｄ断面図。
【図５】本発明の水晶振動素子を使用した表面実装型水晶振動子の構成を示す断面図。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）及び（ｄ）はマスクの構成説明図。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は従来の圧電振動素子の凹陥部側平面図、及び凹陥部側を下向きにしてパッケージ内底面に接着固定した状態を示す正面断面図。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は従来の圧電振動素子の平坦面側平面図、及び凹陥部側を上向きにしてパッケージ内底面に接着固定した状態を示す正面断面図。
【符号の説明】
【００１２】
１  水晶振動素子（圧電振動素子）、２  水晶基板（圧電基板）、３  凹陥部、４  振動板、５  環状部、５ａ  拡大領域、１０ａ、１０ｂ  励振電極、１１ａ、１１ｂ  リード電極、１２ａ、１２ｂ  接続パッド、２０  水晶振動子（圧電振動子）、２１  パッケージ、２２  セラミック容器、２３  実装電極、２４  収容凹所、２５  接続パッド、２６  導電性接着剤、３０  金属蓋
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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