(57)【要約】【課題】水晶片の表面での汚れやガスの吸着に対して鈍感であって経年変化が小さく、かつ、落下衝撃に対して強い水晶振動子を提供する。【解決手段】ＡＴカットの水晶片と、相互に向かい合うように水晶片の端面に設けられて水晶片を平行電界励振で励振する１対の励振電極と、励振電極が設けられている水晶片を保持する容器と、容器に設けられて励振電極を容器の外部に電気的に引き出す導電路と、を設け、容器内に、電気絶縁性の液体とともに水晶片を封入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＴカットの水晶片と、
相互に向かい合うように前記水晶片の端面に設けられて前記水晶片を平行電界励振で励振する１対の励振電極と、
前記励振電極が設けられている前記水晶片を保持する容器と、
前記容器に設けられて前記励振電極を前記容器の外部に電気的に引き出す導電路と、
を備え、
前記水晶片は、電気絶縁性の液体とともに前記容器内に封入されている水晶振動子。
【請求項２】
前記水晶片は矩形の平面形状を有するとともに、水晶の結晶学的なＸ軸に平行な１対の端面を有して該Ｘ軸に平行な１対の端面に前記１対の励振電極がそれぞれ設けられている、請求項１に記載の水晶振動子。
【請求項３】
前記水晶片の少なくとも一方の主面に補助電極が設けられている、請求項１または２に記載の水晶振動子。
【請求項４】
前記電気絶縁性の液体は純水である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【請求項５】
前記容器本体の内壁に設けられて前記導電路に電気的に接続する１対の接続端子を備え、
前記水晶片は、前記１対の励振電極を導電性接着剤によって前記１対の接続端子に固着させることにより、前記容器内に保持されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の水晶振動子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の水晶振動子と、前記水晶振動子に接続する発振回路と、を有する水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経年変化が少なくて耐衝撃性に優れた水晶振動子と、このような水晶振動子を備えた水晶発振器とに関する。
【背景技術】
【０００２】
容器内に振動板としての水晶片を密閉封入した水晶振動子は、例えば、携帯電話機に代表される携帯型の電子機器において、発振回路と組み合わされて周波数や時間の基準源として用いられている。水晶振動子を構成する水晶片（振動板）は、水晶の単結晶から所定の結晶学的な方位にしたがって切り出されるものであり、どの方位にしたがって切り出されるかによって、何種類かの“カット”に分類される。一般的に用いられている水晶振動子では、厚みすべり振動モードで振動するＡＴカットの水晶片が用いられている。
【０００３】
周知なように水晶片においては、結晶学的に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３本の結晶軸が定められている。Ｙ軸に直交する面に沿って切り出される水晶板をＹ板と呼ぶ。Ｙ軸に直交する面は、Ｘ軸とＺ軸とに平行な面であり、この面がＹ板の主面となる。Ｙ板をＸ軸の周りに＋３１°１５′回転させることによって形成される水晶板がＡＴカットの水晶板である。以下の説明において、水晶における上述のＹ軸及びＺ軸をＸ軸の周りで＋３１°１５′回転させて得られる軸をそれぞれＹ’軸及びＺ’軸とする。したがってＡＴカットの水晶片は、Ｙ’軸に垂直な一対の主面を有することになる。
【０００４】
ＡＴカットの水晶振動子、特に表面実装用の水晶振動子では、例えば特許文献１（特開２００１−０９４３８６号公報）に示されるように、略矩形のＡＴカットの水晶片を使用し、水晶片の両方の主面にそれぞれ励振電極を設け、水晶片の一方の短辺の両端部に向けて各励振電極から引出電極をそれぞれ延出し、引出電極が延出された位置において導電性接着剤を用いて水晶片を振動子容器に固着させている。この構造では、水晶片は、導電性接着剤が塗布される位置以外では他の物体と接触しないように、片持ち構造で保持されることとなる。また、水晶片を密閉封止する容器は、不活性ガスなどの気体が充填されるか、あるいは減圧状態とされる。この水晶振動子では、水晶片の両方の主面に励振電極が設けられているので、水晶片は、垂直電界によって励振されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−０９４３８６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２４９６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
不活性ガスが充填されるか減圧状態とされた容器内に導電性接着剤を用いた従来の水晶振動子では、水晶片の表面の汚れや導電性接着剤から発生するガスの影響により発振周波数や振動特性の経年変化が大きくなるおそれがあり、また、落下衝撃などの機械的衝撃に弱い、という課題がある。
【０００７】
本発明の目的は、水晶片の表面での汚れやガスの吸着に対して鈍感であって経年変化が小さく、かつ、落下衝撃に対して強い水晶振動子と、このような水晶振動子を用いた水晶発振器とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水晶振動子は、ＡＴカットの水晶片と、相互に向かい合うように水晶片の端面に設けられて水晶片を平行電界励振で励振する１対の励振電極と、励振電極が設けられている水晶片を保持する容器と、容器に設けられて励振電極を容器の外部に電気的に引き出す導電路と、を備え、水晶片は、電気絶縁性の液体とともに容器内に封入されている。
【０００９】
本発明の水晶発振器は、上述した本発明の水晶振動子と、水晶振動子に電気的に接続する発振回路と、を有する。
【００１０】
従来、液体のような密度の大きな媒体中に水晶片を浸した場合には振動特性が悪化するので水晶振動子としての用途には適さないと考えられていたが、後述の「発明を実施する形態」において説明するように、厚みすべり振動モードであるＡＴカットの水晶片を平行電界励振で励振した場合には、液中に水晶片があっても十分なＱ値が得られ、水晶振動子としての利用が可能である。そこで本発明では、水晶片としてＡＴカットの水晶片を用いるとともに、平行電界励振によってこの水晶片が励振されるようにし、さらに、水晶片を電気絶縁性の液体とともに容器内に封入して水晶振動子を構成している。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電気絶縁性の液体とともに水晶片を容器内に封入するので、水晶片の表面への汚れやガスの吸着が防止され、経年変化の少ない水晶振動子が得られる。また、水晶片が液体に浸されているので、水晶振動子に落下衝撃等が加わった場合においても水晶片の自由端の機械的な振動が抑えられ、水晶片と容器とが固着している部分に過度の応力が加わることが防がれる。その結果、落下衝撃等に強い水晶振動子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の一形態の水晶振動子の構造を示す模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す水晶振動子の底面図である。
【図２】（ａ）は、水晶片の構造の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す水晶片の断面図である。
【図３】（ａ）は、水晶片の構造の別の例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す水晶片の断面図である。
【図４】水晶片の構造のさらに別の例を示す断面図である。
【図５】水晶発振器の回路構成を示すブロック図である。
【図６】（ａ）は、水晶発振器の構成を示す模式断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す水晶発振器の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の一形態の水晶振動子を示している。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ’線での断面図である。
【００１４】
図１に示す水晶振動子は、例えば積層セラミックからなり略直方体の形状であって図示上面に凹部２０ａを有する容器本体２０と、例えば金属製であって容器本体２０の凹部２０ａを閉鎖する蓋部材２５と、によって構成される容器内に、ＡＴカットの水晶片１１を電気絶縁性の液体２１とともに封入したものである。凹部２０ａの内底面には、水晶片１１を保持するための１対の保持端子２２が設けられており、水晶片１１は、保持端子２２上に盛り上がるように塗布され硬化した導電性接着剤２４によって、容器本体２０に固着されている。水晶片１１の詳細については後述する。容器の底面すなわち容器本体２０の外底面の４隅部には、それぞれ、この水晶振動子を配線基板あるいは回路基板上に表面実装するために用いられる実装端子２９が設けられている。４個の実装端子２９のうち、図示“ＸＴＡＬ”と記載された１対の端子は、容器本体２０を貫通するビアホール２３などの導電路を介して、それぞれ１対の保持端子２２に電気的に接続している。また、“ＧＮＤ”と記載された端子は、シールドのためなどに蓋部材２５を接地するためのものであり、ビアホール２３を介して蓋部材２５に電気的に接続する。“ＮＣ”と記載された端子は、回路接続のためには用いられず、表面実装の際に基板との機械的な接続のためのみに用いられる端子である。
【００１５】
図２は、水晶片１１の構成の一例を示している。水晶片１１は、略矩形の平面形状を有する板状のものである。ＡＴカットであるので、水晶片１１の主面は水晶の上述したＹ’軸に垂直である。略矩形の平面形状であるので、水晶片２は、相互に平行な端面の対を２対有するが、一方の対の端面は水晶のＸ軸に平行であって、他方の対の端面は水晶のＺ’軸に平行である。水晶のＸ軸に平行な１対の端面の各々には、この水晶片１１を平行電界励振で励振するための励振電極１２が形成されている。１対の励振電極１２は、導電性接着剤２４を介して容器本体２０に１対の接続端子２２に固着しており、これによって、水晶片１１が容器本体に固着するとともに、１対の励振電極１２が容器本体２０の外底面に設けられている１対の実装端子２９（図示、“ＸＴＡＬ”と示された実装端子２９）に電気的に接続することになる。
【００１６】
さらに水晶片１１の一方の主面の中央部には補助電極１３が設けられている。補助電極１３は、励振電極１２とは接続していない。補助電極１３を設けることによって、平行電界励振によって水晶片１１を励振する際に垂直電界励振による寄与も発生させて励振効率を高め、水晶振動子のクリスタルインピーダンス（ＣＩ；等価直列抵抗）を小さくすることができる。また、水晶片１１の主面に補助電極１３を設けたのち、スパッタリングにより補助電極１３の質量を減少させることにより、質量付加効果を介した水晶振動子としての共振周波数の微調整を行うこともできる。水晶片１１の両方の主面の各々に補助電極１３を設けるようにしてもよい。
【００１７】
次に、容器内に水晶片１１とともに封入される液体２１について説明する。液体２１が電気伝導性を有すると、水晶振動子に対して等価的に並列抵抗が接続されることとなって、水晶振動子を含む共振回路と見たときの特性が悪化する。したがって、液体２１は電気絶縁性である必要がある。また、液体２１の粘性が大きいと、水晶片１１の圧電振動に対する機械的な摩擦が大きくなって振動特性が悪化する。したがって、液体２１としては粘性の小さい液体が好ましい。当然のことながら液体２１は、水晶片１１や各電極１２，１３、容器本体２０、導電性接着剤２４及び蓋部材２５を侵すものであってはならない。以上の点を踏まえると、本実施形態において液体２１として好適に用いることができるものは、例えば、純水、不活性な有機溶媒などが挙げられる。不活性な有機溶媒としては、パーフルオロ化合物である有機溶媒、一例として住友スリーエム社のフロリナートなどが挙げられる。また、アルコール類なども使用可能である。
【００１８】
次に、この水晶振動子の製造方法について説明する。保持端子２２、ビアホール２３及び実装端子２９が形成されている容器本体２０を用意し、１対の保持端子２２に対し、その上に盛り上がるように導電性接着剤２４を塗布する。次に、導電性接着剤２４と励振電極１２とが接触し、１対の導電性接着剤２４によって水晶片１１のＺ’軸方向の両端が保持されるように水晶片１１を載置し、導電性接着剤２４を硬化させる。これにより、水晶片１１が両持ち構造で容器本体２０に固着され、励振電極１２と実装端子２９とが電気的に接続されたことになる。励振電極１２と導電性接着剤２４との接合を確実なものとするためには、励振電極１２を水晶片１１の端面だけでなく、水晶片１１の端面からわずかに底面側に張り出すように形成することが好ましい。その後、容器本体２０の凹部２０ａ内に液体２１を充填し、液体２１が充填されたままの状態で蓋部材２５によって凹部２０ａを閉鎖することによって、水晶振動子が完成する。
【００１９】
次に、容器内に水晶片１１とともに液体２１を封入しても水晶振動子として良好な特性が得られることを説明する。特許文献２（特開２０１０−２４９６５４号公報）は、水晶片における質量付加効果による共振周波数の変化に基づいて微量物質を感知するセンサを開示するものである。特許文献２に記載されるように、ＡＴカットの水晶片の両方の主面に励振電極を配置して垂直電界励振とした場合には、振動子としての水晶片のＱ値は大気中では６００００程度であるのに対し、水中では２０００程度までに低下する。これに対し、特許文献２の段落００２９〜００３１には、平行電界励振としたＡＴカットの水晶片では、大気中と生理食塩水中とではほとんどＱ値が変わらないことが記載されている。したがって、ＡＴカットの水晶片を平行電界励振で励振するものとしてこの水晶片と液体とを容器内に封入して構成した水晶振動子は、従来の垂直電界励振のものに比べてクリスタルインピーダンスは大きいものの同様のＱ値を有し、水晶振動子として十分な振動特性を有することになる。
【００２０】
以上説明した本実施形態の水晶振動子は、電気絶縁性の液体２１とともに水晶片１１を容器内に封入しているので、水晶片の表面への汚れやガスの吸着が防止されて経年劣化が小さく、また、水晶振動子に落下衝撃等が加わった場合においても水晶片１１の機械的な振動が液体２１の存在によって抑えられるので、落下衝撃等に強い。
【００２１】
本実施形態の水晶振動子で餅られる水晶片１１は、ＡＴカットの水晶片であって、相互に向かい合うように水晶片の端面に設けられて水晶片を平行電界励振で励振する１対の励振電極を備えるものであれば、図２に示したものに限定されるものではない。例えば、図３に示す水晶片は、図２に示した水晶片と同様のものであるが、補助電極が設けられていない点で図２に示したものと異なっている。図３に示したような補助電極を有しない水晶片も本実施形態において使用することができる。
【００２２】
ＡＴカットの水晶片の共振周波数は、その振動部分における厚さｔに反比例する。所望の共振周波数の水晶片を得ようとする場合に、水晶板の厚さが小さくて端面に十分な大きさの励振電極が形成できない場合が生ずる。そこで図４に示したものでは、水晶片１１の中央の振動部分の厚さｔを所望の共振周波数に対応するものとした上で、水晶片１１のＺ’軸方向の両端部においては水晶片１１の厚みを大きくして枠部１４とし、この枠部１４に励振電極１２を形成している。枠部１４では、共振周波数に対応した厚さｔとは関係なく水晶片１１の厚みを大きくできるので、十分な面積の励振電極１２を形成でき、この結果、クリスタルインピーダンスを小さくして良好な振動特性が得られるようになる。
【００２３】
さらに、水晶片１１の平面形状は略矩形に限られるものではない。平行電界励振を行うことができるように端面に励振電極１２を形成できるのであれば、例えば、楕円形の水晶片を用いることも可能である。
【００２４】
次に、上述した水晶振動子を用いる本実施形態における水晶発振器について説明する。
【００２５】
図５に示すように水晶発振器は、回路構成の面では、水晶片１１が液体ともに気密封止された上述した水晶振動子１０と、水晶振動子１０を用いる水晶発振回路３３などを集積したチップ上の集積回路（ＩＣ；Integrated Circuit）であるＩＣチップ３１と、から構成されている。ＩＣチップ３１は、直流電源電圧Ｖｃｃが供給されてＩＣチップ３１内の各回路に安定化された内部電源電圧を供給する定電圧回路３２と、水晶振動子１０が電気的に接続される水晶発振回路３３と、水晶発振回路３３からの発振出力を増幅して外部回路に供給する出力バッファ３４と、を備えている。ＩＣチップ３１内にこのように回路が配置されることに伴って、ＩＣチップ３１には、電源電圧が供給される電源端子（Ｖｃｃ）、接地端子（ＧＮＤ）、水晶振動子１０が電気的に接続する１対の水晶接続端子（Ｘ１，Ｘ２）、及び出力バッファ３４からの発振出力信号が現れる出力端子（ＯＵＴ）が設けられている。ＩＣチップ３１に設けられるこれらの端子のことを総称してＩＣ端子と呼ぶ。
【００２６】
図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態における水晶発振器の構造の一例を示しており、図６（ａ）は、図６（ｂ）のＡ−Ａ’線に対応した断面図である。この水晶発振器は、ＡＴカットの水晶片１１と電気絶縁性の液体４１とを封入する容器に、さらに、ＩＣチップ３１が取り付けられるようにしたものであって、配線基板または回路基板上への表面実装に適した表面実装型として構成されたものである。
【００２７】
例えば積層セラミックからなる容器本体４０は、扁平な略直方体の形状を有して、両方の主面にそれぞれ凹部４０ａ，４０ｂが形成されている。一方の凹部４０ａの内底面には一対の保持端子４２が設けられ、各保持端子４２には導電性接着剤４４を介して水晶片１１が固着されている。凹部４０ａは蓋部材４５によって閉鎖されており、これによって凹部４０ａ内に水晶片１１と液体４１が凹部４０ａに密閉封入され、図１及び図２に示したものと同様の平行電界励振によるＡＴカットの水晶振動子１０が形成されている。
【００２８】
容器本体４０において他方の凹部４０ｂを取り囲む端面には、この水晶発振器を回路基板や配線基板などに表面実装する際に用いられる実装端子４９が設けられている。この例では、図６（ｂ）に示すように、端面の４隅部に、電源（ＶＣＣ）、接地（ＧＮＤ）、発振出力（ＯＵＴ）、及び無接続（ＮＣ）の接続端子４９が形成されている。
【００２９】
他方の凹部４０ｂには、上述したＩＣチップ３１が収容されている。ＩＣチップ３１において、水晶発振回路３３を含む電子回路は半導体基板の一方の主面に形成されているので、この主面のことを回路形成面と呼ぶ。回路形成面には、上述した各ＩＣ端子が設けられている。ＩＣ端子に対応して、凹部４０ｂの底面には、接続パッド４６が設けられている。ＩＣチップ３１は、バンプ４７を用いたフリップチップボンディングによって凹部４０ｂの底面に固着される。このとき、バンプ４７によって、対応するＩＣ端子と接続パッド４６とが電気的かつ機械的に接続する。ＩＣ端子のうちの水晶接続端子Ｘ１，Ｘ２に対応する接続パッド４６は、凹部４０ａの底面の保持端子４２に対し、容器本体４０に形成されたビアホール４３などの導電路によって電気的に接続する。これによって、水晶片１１は、ＩＣチップ３１内の水晶発振回路３３などに電気的に接続することになる。また、ＩＣ端子のうちの電源端子ＶＣＣ、接地端子ＧＮＤ及び出力端子ＯＵＴに対応する接続パッド４６は、容器本体４０に設けられた導電路を介して、対応する実装端子４９に電気的に接続する。特に、接地端子ＧＮＤである実装端子４９は、容器本体４０に設けられたビアホール４３を介して、蓋部材４５とも電気的に接続している。ＩＣチップ３１が固着された凹部４０ｂには、ＩＣチップ３１を完全に覆うように保護樹脂４８が充填されており、ＩＣチップ３１を外気から保護している。
【００３０】
この水晶発振器は、本発明に基づく水晶振動子を用いているので、経年劣化が小さく、また、落下衝撃等に強い。
【符号の説明】
【００３１】
１０…水晶振動子；１１…水晶片；１２…励振電極；１３…補助電極；１４…枠部；２０，４０…容器本体；２０ａ，４０ａ，４０ｂ…凹部；２１，４１…液体；２２，４２…保持端子；２３，４３…ビアホール；２４，４４…導電性接着剤；２５，４５…蓋部材；２９，４９…実装端子；３１…ＩＣチップ；３２…定電圧回路；３３…水晶発振回路；３４…出力バッファ回路；４６…接続パッド；４７…バンプ；４８…保護樹脂。
【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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