(57)【要約】  【課題】電気的特性の安定性に優れる新規な構造の水晶デバイスを提供する。  【解決手段】水晶デバイス１０は、四角形状の水晶片１３と、水晶片１３を収納する四角形状の容器１１と、これら水晶片および容器の内底面の間に挿入されていて水晶で構成され四角形状の台座１５とを具える。台座１５は、第１方向の寸法が水晶片１３の第１方向の寸法と等しく、第２方向の寸法が水晶片の第２方向の寸法の１／４以上かつ半分以下である。台座は、容器の一方の端側に偏在して設けてある。台座を容器に固定する固定点１７ａ、１７ｂは、台座の半分の領域１５ｅ内で第３の辺１５ｃの近傍に第３の辺に沿って設けてある。水晶片を台座に固定する固定点１９ａ、１９ｂは、台座の第１の辺１５ａの近傍に第１の辺に沿って設けてある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両主面に電極を有し平面形状が四角形状の水晶片と、該水晶片を収納していて平面形状が四角形状の容器と、これら水晶片および容器の内底面の間に挿入されていて水晶で構成され平面形状が四角形状の台座と、を具える水晶デバイスにおいて、
前記台座は、その第１方向の寸法が前記水晶片の第１方向の寸法と等しいか又は略等しく、前記第１方向と直交する第２方向の寸法が前記水晶片の第２方向の寸法の１／４以上かつ半分以下であり、
前記台座は、前記容器の一方の端側に偏在して設けてあると共に、
前記台座の前記容器の一方の端側に近い片を第１の辺、該第１の辺に交わる２つの辺を第２の辺、第３の辺と表した場合、
前記台座を前記容器の内底面に固定する第１固定点および第２固定点は、前記台座の前記第１方向の右半分領域内又は左半分領域内であって前記第２の辺又は第３の辺の近傍に該辺に沿って互いが離間する位置に設けてあり、
前記水晶片を前記台座に固定する第３固定点および第４固定点は、前記台座の前記第１の辺の近傍に該第１の辺に沿って互いが離間する位置に設けてあることを特徴とする水晶デバイス。
【請求項２】
前記第１固定点および第２固定点は、前記右半分調域又は左半分領域のさらに前記第１方向の端側に当たる領域内に設けてあることを特徴とする請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項３】
前記台座は前記第２方向に沿って第１の厚さの第１部分とそれより薄い第２の厚さの第２部分を有し、前記第３固定点及び第４固定点は前記第１部分に設けてあることを特徴とする請求項１又は２に記載の水晶デバイス。
【請求項４】
前記台座は、前記第１部分の前記第１の方向に沿う中央部分に凹部を有するものであることを特徴とする請求項３に記載の水晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パッケージからの応力の影響が少ない構造を持つ水晶デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
水晶デバイスは電子機器に必須のデバイスとして知られている。このような水晶デバイスは、電極を有した水晶片とこれを収納する容器とを具える。水晶デバイスの電気的特性の安定性を図るためには、容器と水晶片との熱膨張係数差に起因する応力への対策が重要である。
【０００３】
例えばこの出願の出願人に係る特許文献１には、容器の内底面と水晶片との間に、水晶で構成された平面形状が長方形状の台座を設け、然も、この台座を容器の内底面に固定する第１固定点および第２固定点と、水晶片を台座に固定する第３固定点および第４固定点とを、所定の位置関係にした水晶デバイスが開示されている。具体的には、第１固定点と第２固定点とを結ぶ直線を垂直に略二等分する垂直線上に、第３固定点と第４固定点が位置するようにした水晶デバイスが開示されている（請求項１〜３）。さらに、第１および第２固定点を、台座の一方の長辺の端部近くに互いに近接させて配置し、かつ、第３および第４固定点を、水晶片の、前記第１および第２固定点から遠い側の短辺に配置した水晶デバイスが開示されている（請求項４）。これらの水晶デバイスによれば、応力に起因する水晶片の変形を生じにくくできるため、安定した振動周波数を維持でき、良好な周波数温度特性を得ることができるという。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−９８６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された技術によれば、電気的特性の安定性に優れる水晶デバイスを実現できるが、水晶デバイスに対する小型化やコスト低減等の様々な要求に対応するためには、上記以外の新たな構造が望まれる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、この出願の目的は、電気的特性の安定性に優れる水晶デバイスが得られる、新規な構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的の達成を図るため、この発明によれば、両主面に電極を有し平面形状が四角形状の水晶片と、該水晶片を収納していて平面形状が四角形状の容器と、これら水晶片および容器の内底面の間に挿入されていて水晶で構成され平面形状が四角形状の台座と、を具える水晶デバイスにおいて、
前記台座は、その第１方向の寸法が前記水晶片の第１方向の寸法と等しいか又は略等しく、前記第１方向と直交する第２方向の寸法が前記水晶片の第２方向の寸法の１／４以上かつ半分以下であり、
前記台座は、前記容器の一方の端側に偏在して設けてあると共に、
前記台座の前記容器の一方の端側に近い片を第１の辺、該第１の辺に交わる２つの辺を第２の辺、第３の辺と表した場合、
前記台座を前記容器の内底面に固定する第１固定点および第２固定点は、前記台座の前記第１方向の右半分領域内又は左半分領域内であって前記第２の辺又は第３の辺の近傍に該辺に沿って互いが離間する位置に設けてあり、
前記水晶片を前記台座に固定する第３固定点および第４固定点は、前記台座の前記第１の辺の近傍に該第１の辺に沿って互いが離間する位置に設けてあることを特徴とする。
【０００７】
この発明を実施するに当たり、より好ましくは、前記第１固定点および第２固定点は、前記右半分調域又は左半分領域のさらに前記第１方向の端側に当たる領域内に設けるのが良い。例えば、台座の第1方向の寸法の４分の１に当たる端側の領域内に設けるのが良い。
この発明を実施するに当たり、前記台座は前記第２方向に沿って第１の厚さの第１部分とそれより薄い第２の厚さの第２部分を有し、前記第３固定点及び第４固定点は前記第１部分に設けるのが良い。さらにより好ましくは、前記台座は、前記第１部分の前記第１の方向に沿う中央部分に凹部を有するものとするのが良い。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の水晶デバイスによれば、台座の第１の辺に沿う近傍領域と第１の辺に直交する第２の辺又は第３の辺に沿う近傍領域という台座の特定の領域で水晶片、台座、容器が互いに固定された構造の水晶デバイスが得られる。このように特定領域を固定点としたため、後のシミュレーションからも理解できるように、こうしない場合に比べて、応力の影響が小さい水晶デバイスが実現できる。従って、電気的特性の安定性に優れる水晶デバイスが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施形態の水晶デバイス１０の説明図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、台座及び水晶片の説明図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｅ）は、第１固定点、第２固定点、第３固定点、第４固定点と、シミュレーションモデルの説明図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は、シュレーション結果を説明する図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、シュレーション結果を説明する図４に続く図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、シュレーション結果を説明する図５に続く図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、シュレーション結果を説明する図６に続く図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照してこの発明の水晶デバイスの実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、使用部材等は、寸法等この発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。
【００１１】
１． 実施形態の水晶デバイス
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、実施形態の水晶デバイス１０としての、水晶振動子の説明図である。特に図１（Ａ）は容器１１の蓋（図示せず）を外して水晶デバイス１０の内部を示した平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＳ−Ｓ線に沿って切った水晶デバイス１０の断面図、図１（Ｃ）は水晶片１３を外して台座１５を説明する図、図１（Ｄ）は水晶片１５を説明する図である。また、図２（Ａ）〜（Ｄ）は、水晶片１３と台座１５の説明図である。特に図２（Ａ）は台座１３の平面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＴ−Ｔ線に沿って切った台座１３の断面図、図２（Ｃ）は図２（Ａ）のＵ−Ｕ線に沿って切った台座１３の断面図、図２（Ｄ）は水晶片１３の平面図である。なお、この発明の理解を図るため、図１（Ｄ）、図２（Ａ）に、この発明の説明で用いる第１方向、第２方向について、図示した。
【００１２】
実施形態の水晶デバイス１０は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、容器１１と、水晶片１３と、台座１５とを具える。容器１１は、平面形状が四角形状、この例の場合は長方形状のもので、例えばセラミックから成る本体１１ａ、水晶片１３を収納する凹部１１ｂ、封止用リング１１ｃ、台座１５が接続されるパッド１１ｄ及び外部接続端子１１ｅを具える。パッド１１ｄは本体１１ａの内底面に、外部接続端子１１ｅは本体１１ａの外部底面にそれぞれ設けてある。これらパッド１１ｄおよび外部接続端子１１ｅは、本体１１ａに設けたビア配線（図示せず）により電気的に接続してある。
【００１３】
水晶片１３は、図１（Ｄ）に示したように、平面形状が四角形状、この実施形態の場合は長方形状のものであって、その表裏面に励振用電極１３ａ及び引出電極１３ｂを具えるものである。この発明で言う第１方向は水晶片１３のＸ軸方向又はＺ軸方向に当たり、第２方向は水晶片１３のＺ軸方向又はＸ軸方向に当たる。なお、ここでいうＸ軸、Ｚ軸とは、用いる水晶片の仕様により、真のＺ軸からずれたＺ′軸、真のＸ軸からずれたＸ′軸の場合も含む。すなわち、例えばＡＴカット水晶片であればＺ′軸と表現され、２回回転の水晶片（たとえばＳＣカット）であれば、Ｘ′軸、Ｚ′軸と表現される場合も含む意味である。また、長方形状とは、四隅がＲ加工されているような略長方形状も含む。
【００１４】
台座１５は、図１（Ｃ）、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、平面形状が四角形状のものとしてある。この台座１５は水晶で構成してある。この台座１５は、用いる水晶片１３と結晶軸の関係が同じとなるように加工されたものとするのが良い。台座１５はその第１方向の寸法Ｗ１が水晶片１３の第１方向の寸法Ｗと等しいか又は略等しい寸法としてある。具体的には、水晶片の第１方向の寸法Ｗに等しいか、Ｗに対し０．８５〜１．１の範囲の寸法としてある。このような寸法であると水晶片１３の固定を支障なく行え、水晶デバイスの小型化に支障が無く、かつ、部材の使用量も必要最低限で抑えることができるからである。さらに台座１５の第１方向と直交する第２方向の寸法Ｌ１は、水晶片１３の第２方向の寸法Ｌの１／４以上かつ半分以下の寸法としてある。このような寸法であると水晶片１３の固定を支障なく行え、水晶デバイスの小型化に支障が無く、かつ、部材の使用量も必要最低限で抑えることができるからである。これら寸法Ｗ１、Ｗ、Ｌ１、Ｌの具体例は後の表１に示してある。さらに、台座を水晶片より上記の通り小さくしたことで、台座の自重による落下衝撃に対してロバスト性を高められるという利点がある。
【００１５】
次に、容器１１、水晶片１３および台座１５各々を固定する固定点の位置関係について説明する。この発明の水晶デバイスでは、図１（Ｃ）に示すように、台座１５を、容器１１の内底面の一方の端側に偏在して設けてある。具体的には、図１（Ｃ）に示したように、容器１１の内底面の下半分側に偏在して設けてある。ここで、台座１５の、台座１５を偏在させた際の容器１１の端側に近い辺を第１の辺１５ａ、この第１の辺１５ａに交わる２つの辺を第２の辺１５ｂ、第３の辺１５ｃと表す。そして、台座１５を容器１１の内底面に固定する第１固定点１７ａおよび第２固定点１７ｂは、台座１５の第１方向の右半分領域１５ｄ内又は左半分領域１５ｅ内であって、第２の辺１５ｂ又は第３の辺１５ｃの近傍にこの辺に沿って互いが離間する位置に設けてある。図１（Ｃ）の例の場合は、第１固定点１７ａおよび第２固定点１７ｂは、台座１５の第１方向の左半分領域１５ｅ内であって、第３の辺１５ｃの近傍にこの第３の辺１５ｃに沿って互いが離間する位置に設けてある。より詳細には、第１固定点１７ａおよび第２固定点１７ｂは、左半分領域１５ｅのさらに前記第１方向の端側に当たる領域１５ｅａ内に設けてある。一方、図１（Ａ）に示すように、水晶片１３を台座１５に固定する第３固定点１９ａおよび第４固定点１９ｂは、台座１５の第１の辺１５ａ(図１（Ｃ）参照)の近傍に第１の辺１５ａに沿って互いが離間する位置に設けてある。なお、この実施形態の場合、第１固定点１７ａ、第２固定点１７ｂ、第３固定点１９ａ、第４固定点１９ｂ各々は、導電性接着剤により構成してある。また、この実施形態の場合、第３固定点１９ａ、第４固定点１９ｂは、いずれも、水晶片１３の上側の面に塗布された導電性接着剤（上塗り部分１９ｘ）と、水晶片の下側の面（台座側の面）に塗布された導電性接着剤（下塗り部分１９ｙ）と、により構成してある（図１（Ｂ）参照）。
【００１６】
上述のように第１〜第４固定点１７ａ、１７ｂ，１９ａ、１９ｂを配置すると、第１、第２固定点１７ａ、１７ｂと第３、第４固定点１９ａ、１９ｂとは略直交した配置となり、しかも、これら固定点は台座の互いは交差する２つの辺（この例では２つの辺１５ａ、１５ｃ）に沿う領域のみに配置される。このようにすると、こうしない場合に比べ、後のシミュレーション結果からも理解できるように、水晶片１３への応力の影響が軽減できる。従って、水晶デバイスの特性改善が期待できる。
【００１７】
ここで、台座１５は１枚の平板上のものでも良い。平板状のものでも上記のように固定点を配置すればこの発明の効果が得られるからである。しかし、台座１５を次のような構造にするとより好ましい。
すなわち、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示したように、台座１５は第２方向に沿って第１の厚さＴ１の第１部分１５ｆと、それより薄い第２の厚さＴ２の第２部分１５ｇとを有したものとするのが良い。そして、第３固定点１９ａ及び第４固定点１９ｂはこの第１部分１５ｆに設けるのが良い。こうすれば、水晶片１３への応力の影響をより低減できる。さらにより好ましくは、台座１５は、第１部分１５ｆの第１の方向に沿う中央部分に凹部１５ｈ(図２（Ｃ）参照を有するものとするのが良い。凹部１５設けると第３及び第４固定点用の導電性接着剤のショートを防止し易いこと、応力の影響を緩和できる等の効果が期待できる。なお、第１部分１５ｆの第２方向の寸法Ｌ２は水晶デバイスに要求される特性や、導電性接着剤の塗布径等を考慮してきめるのが良い。
【００１８】
２． シミュレーション
次に、この発明の効果についてシミュレーション結果を用いて説明する。シミュレーションモデルは、図１及び図２を参照して説明した水晶デバイス１０とした。具体的には、容器１１はセラミック製の容器、水晶片１３は長方形状のＳＣカット水晶片、台座１５は第１部分１５ｆ、第２部分１５ｇ及び凹部１５ｈを有し水晶から成る台座、第１〜第４固定点１７ａ、１７ｂ、１９ａ、１９ｂは導電性接着剤である。なお、第３固定点１９ａ、第４固定点１９ｂ各々は、上塗り部分１９ｘと下塗り部分１９ｙとで構成される構造とした(図１（Ｂ）、図３（Ａ）参照)。これら部材の詳細な寸法は下記の表１の通りとした。なお、容器や導電性接着剤のシミュレーションに必要な物性値は下記の３つの評価モデルに対し共通なのでその記載を省略する。なお、ＳＣカット水晶片とは、水晶の結晶軸であるＺ軸を中心にして水晶の結晶軸であるＸ軸を１５度から２５度の範囲で回転したＸ’軸及び前記Ｘ’軸を中心にして前記Ｚ軸を３３度から３５度の範囲で回転したＺ’軸に平行な主面を有する水晶片である。
【００１９】
このようなモデルにおいて、着目した点は、台座１５を容器１１の内底面に固定する第１固定点１７ａ、第２固定点１７ｂの位置である。具体的には、図３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、第１固定点１７ａ、第２固定点１７ｂの位置を変えた３つの評価用モデルを用意した。先ず、モデル１は、図３（Ｃ）のように、台座１５の４つの角部のうちの容器の中央側に位置する２つの角部のうちの一方の角を中心にして第１固定点１７ａを配置し、他方の角を中心にして第２固定点１７ｂを配置したものである。モデル２は、図３（Ｄ）のように、台座１５の４つの辺のうちの第３の辺１５ｃの近傍であって第３の辺１５ｃに沿う領域に互いは離間させて第１固定点１７ａ、第２固定点１７ｂを配置したものである。モデル３は、図３（Ｅ）のように、台座１５を第１の方向にて２等分した線分Ｑ上であって第２の方向に沿って互いは離間させて第１固定点１７ａ、第２固定点１７ｂを配置したものである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
このような３つのモデルについて有限要素法による応力シミュレーションを実施した。そのシミュレーションは、水晶片１３の第１の方向の中心点を通り第２の方向に沿った線（以下、評価線Ｒ(図３（Ａ）参照ともいう）上での応力の変動を求めることで行った。図４〜図７はその結果を示したものである。これらの図において、横軸は水晶片の第２方向に沿う座標（具体的には、評価線Ｒに沿う座標）である。長辺が３ｍｍの水晶片を用いたモデルであるから、座標は０〜３ｍｍで示される。座標０の側が固定点側になる。また、これら図において縦軸は応力である。また、各図においてモデル１の結果は破線で示し、モデル２の結果は実線で示し、モデル３の結果は一点破線で示してある。
【００２２】
そして、図４（Ａ）は、水晶片上面の評価線上(図中Ｚ軸上)の相当応力分布を示す。図４（Ｂ）は、水晶片下面の評価線上(図中Ｚ軸上)の相当応力分布を示す。図５（Ａ）は、水晶片上面の評価線上(図中Ｚ軸上)の第２方向（図中Ｘ軸方向）の応力分布を示す。図５（Ｂ）は、水晶片下面の評価線上(図中Ｚ軸上)の第２方向（図中Ｘ軸方向）の応力分布を示す。図６（Ａ）は、水晶片上面の評価線上(図中Ｚ軸上)の水晶片の厚み方向（図中Ｙ軸方向）の応力分布を示す。図６（Ｂ）は、水晶片下面の評価線上(図中Ｚ軸上)の水晶片の厚み方向（図中Ｙ軸方向）の応力分布を示す。図７（Ａ）は、水晶片上面の評価線上(図中Ｚ軸上)の第１方向（図中Ｚ軸方向）の応力分布を示す。図７（Ｂ）は、水晶片下面の評価線上(図中Ｚ軸上)の第２方向（図中Ｚ軸方向）の応力分布を示す。
【００２３】
図４（Ａ）、（Ｂ）に示した相当応力分布に着目した場合、水晶片上面の結果では、相当応力はモデル２が一番小さく、次にモデル３、次にモデル１の順となっている。水晶片の下面の結果では、座標０．７〜３までの間において相当応力は、モデル２が一番小さく、次にモデル３、次にモデル１の順となっている。また、図５〜図７の結果からも、モデル２はモデル１，３に比べ、応力が小さくなる傾向がある。よって、モデル２では、励振電極の配置位置を座標０．７〜３の間にすることによって、応力変化に起因する周波数変動を最も小さくできる。これらから、第１固定点から第４固定点までの配置をこの発明の配置にするのが、水晶片への応力低減に有効なことが分かる。
【００２４】
上述においては、この発明の水晶デバイスの実施形態について説明したが、この発明は上述の例に限られない。例えば、上述においては水晶デバイスとして水晶振動子を例に挙げたが、この発明は、水晶片を容器に固定する際の応力が問題になる水晶デバイス全般に適用でき、たとえば、水晶発振器、水晶共振器にも適用できる。
【符号の説明】
【００２５】
１０: 実施形態の水晶デバイス、１１：容器、１３：水晶片、１３ａ：励振電極、
１３ｂ：引出電極、１５：台座、１５ａ：台座の第１の辺、１５ｂ：台座の第２の辺、
１５ｄ：台座の右半分の領域、１５ｅ：台座の左半分の領域、１５ｆ：台座の第１部分、１５ｇ：台座の第２部分、１５ｈ：凹部、１７ａ：第１固定点、１７ｂ：第２固定点、１９ａ：第３固定点、１９ｂ：第４固定点
【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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