JP2008066921A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】封止された状態での周波数調整が可能で、周辺の回路配線との間に生じる寄生容量を低減でき、安定した振動特性を有する圧電振動子を提供する。
【解決手段】圧電振動片２１が内部に接合されたパッケージ容器１０の上面開口を、主面の略全面に透明電極膜１９が形成された透明なリッド１８により封鎖し、圧電振動片２１を気密に封止した。透明電極膜１９は、パッケージ容器１０の金属膜１３およびスルーホール５を介して接地用の外部接続端子９に接続した。この構成によれば、リッド１８の主面の略全面に形成された透明電極膜１９により圧電振動片２１がシールドされ、振動腕２２，２３に形成された励振電極と外部の回路配線との間に生じる寄生容量を低減できる。また、透明なリッド１８の主面上に透明電極膜１９が形成されているので、圧電振動片２１が封止された状態で、レーザ光による励振電極のトリミングによって圧電振動片２１の周波数調整を行なうことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動片を気密に封止した圧電振動子に関する。

従来より、各種情報・通信機器、ＯＡ機器、民生機器等の電子機器には、圧電振動片とＩＣ素子とを同一パッケージ内に封止した圧電発振器、リアルタイムクロックモジュール等の圧電振動子が使用されている。特に最近は、モバイルコンピュータ等の携帯型情報機器や、携帯電話に代表される携帯型通信機器の分野で、装置の高機能化と共に小型化の進展が著しく、これに伴って圧電振動子の小型化が図られ、また、装置の回路基板への実装に適した表面実装型のものが要求されている。

このような小型化のニーズに応える圧電振動子として、セラミックケース（パッケージ容器）の内部に圧電振動片（水晶振動片）を片持ち状態に保持されるように接合し、不活性ガス雰囲気中でセラミックケースの上部開口を透明なリッド（ガラスリッド）により封鎖し、内部を気密に封止した構造が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
また、より小型なパッケージタイプの圧電振動子が特許文献２に紹介されている。ガラスまたは水晶からなるベース基板とリッド基板の間に、ギャップ形成および共晶接合用の金属層を介して圧電振動片を有する圧電振動片基板を挟むように重ねて接合することにより、金属層によって形成されるキャビティ内に水晶振動片を気密に封止した構造の圧電振動子が示されている。

さらに、特許文献１および２に記載の圧電振動子は、ガラスや水晶などからなる透明なリッドにより圧電振動片がキャビティ内に気密に封止されている。これにより、圧電振動子を封止したときの熱や応力などによって生じる圧電振動片の振動周波数の変動を、例えばレーザ光によって透明なリッドを介して圧電振動片の一部をトリミングして質量を変化させる方法などにより、封止された状態で圧電振動片の周波数調整を行なうことができる。

特開平９−３６６９０号公報 特開２００１−２６７８７５号公報

しかしながら、特許文献１および２に記載の圧電振動子では、圧電振動片の主面の少なくとも一方が、ガラスや水晶などの不導体によってカバーされた構造となっている。このため、圧電振動子が配線基板に実装された状態において、または電子部品が実装された他の実装配線基板が圧電振動子近傍に配置された電子機器内において、圧電振動片が不導体であるリッドのみを介して前記配線基板または他の実装配線基板に近接して配置される。このような状態では、圧電振動片の励振電極と、圧電振動子が実装された配線基板や周囲の実装配線基板の回路配線との間に浮遊容量（以下、寄生容量と記す）が生じ、圧電振動片の共振周波数が変化する虞がある。このような状態の圧電振動子、特に、低電圧駆動の圧電振動子においては、発振周波数や位相がシフトし易くなり、振動特性が不安定になるという問題があった。

本発明は、上記問題を解消するためになされたものであって、その目的は、封止された状態での周波数調整が可能で、周辺の回路配線との間に生じる寄生容量を低減でき、安定した振動特性を有する圧電振動子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、圧電振動片と、該圧電振動片を気密に封止する透明なリッドと、複数の外部接続端子とを有する圧電振動子であって、リッドの主面に透明電極膜が形成され、透明電極膜が、接地用の外部接続端子に接続されていることを主旨とする。

この構成によれば、主面に透明電極膜が形成された透明なリッドにより圧電振動片が封止されているので、外側から圧電振動片に対して光が透過する。これにより、封止された状態で、レーザトリミングなどの光学的な方法で圧電振動片の周波数調整ができることに加えて、透明電極膜により圧電振動片がシールドされる。従って、封止された状態で圧電振動片の周波数調整をすることができ、圧電振動片の励振電極と周囲の回路配線との間に生じる寄生容量を低減することが可能な、安定した振動特性を有する圧電振動子が提供できる。

本発明では、透明電極膜がリッドの両主面に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、透明電極膜によるシールド効果がより大きくなり、圧電振動片の振動特性の安定化をより高められるという効果を奏する。

本発明では、圧電振動片に対してリッドが配置されている側に外部接続端子が配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電振動子を配線基板に実装した際に、配線基板の回路配線と近接される側に圧電振動片が配置されるが、リッドに透明電極膜が形成されているので、配線基板に対して圧電振動片がシールドされる。これにより、圧電振動子の構造設計において、配線基板の回路配線と圧電振動片の励振電極との間に生じる寄生容量を軽減されるので、実装される配線基板に対しての圧電振動片のレイアウトの自由度が広くなるという効果を奏する。

本発明では、リッドが、圧電振動片の両主面側に配設されていることを特徴とする。

この構成によれば、圧電振動片を、透明電極膜が形成された二つのリッドで挟むように積層させることにより、圧電振動子の薄型化が図れるとともに、二つのリッドの各透明電極膜により、圧電振動片の両主面側がともにシールドされる。したがって、透明電極膜のシールド効果によって寄生容量の発生が低減され、且つ、二つのリッドの間に圧電振動片を挟んで積層させた薄型で、平面サイズが圧電振動片に近い小型の圧電振動子を提供することができる。

（第１の実施形態）
以下、圧電振動子の第１の実施形態について図面に従って説明する。

図１は、圧電振動子２０を説明する図であり、図１（ａ）は平面図、同図（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線縦断面である。なお、図１（ａ）では、説明の便宜上、圧電振動子２０の上部を封鎖するリッド１８は図示を省略している。

図１に示すように、圧電振動子２０は、パッケージ容器１０内部に圧電振動片２１が接合され、主面に透明電極膜１９が形成された透明なリッド１８がパッケージ容器１０の上面開口を封鎖するように接合され、パッケージ容器１０内部の圧電振動片２１が気密に封止されている。

アルミナ等のセラミック材料で形成されたパッケージ容器１０は、矩形平板状の第一層１と、開口部の大きさが異なる矩形環状の第二層２、第三層３が順次積層されて構成されることにより、段差を有する凹部が形成されている。
パッケージ容器１０の底面となる第一層１下面には、複数の外部接続端子９が形成されている。なお、本実施形態においては、外部接続端子９は接地用の外部接続端子として説明する（図１（ｂ）を参照）。第二層２が形成する段差上の棚部には、マウント電極１２ａ，１２ｂが設けられ、図示しないスルーホールなどにより、複数の外部接続端子のうち接地用の外部接続端子９とは別の外部接続端子に導通されている。また、パッケージ容器１０の最上面となる第三層３の矩形環状を有した上面には、シームリングなどの金属膜１３が形成されている。金属膜１３は、第一層１、第二層２、第三層３を連通させて設けられたスルーホール５により外部接続端子９と導通されている。

圧電振動片２１は、矩形平板状の水晶板からなる基部２５を一端部として、基部２５から他端部に向けて延在され一対の振動腕２２，２３とを有している、所謂音叉片の振動片である。振動腕２２，２３の主面には、基部２５に設けられた接続電極（図示せず）に接続された図示しない励振電極が形成されている。

圧電振動片２１は、パッケージ容器１０の第二層２の段差上のマウント電極１２ａ，１２ｂに、対応する接続電極が位置合せされ、Ａｇ（銀）ペーストなどの導電性接着剤９０ａ，９０ｂにより片持ち支持された状態で接合されている。
なお、圧電振動片２１の各接続電極と、それぞれに対応するパッケージ容器１０のマウント電極１２ａ，１２ｂとの接続方法は、導電性接着剤を用いる方法に限らず、半田付けやその他の方法を用いてもよい。

ガラスなどの透明な平板からなるリッド１８の一方の主面の略全面には、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などからなる透明電極膜１９が、スパッタなどにより堆積されて形成されている。なお、透明電極膜１９は、ＩＴＯに限らず、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）やＧａ₂Ｏ₃（酸化ガリウム）などが添加されたＺｎＯ（酸化亜鉛）や、Ｓｂ₂Ｏ₃（酸化アンチモン）やＦ（フッ素）などを添加したＳｎＯ_X（酸化錫）などを用いることができるが、透過率が高く抵抗率が比較的低いＩＴＯが好適である。

リッド１８は、パッケージ容器１０上面に形成された金属膜１３に、透明電極膜１９形成面を向けてシーム溶接などにより接合されている。このとき、真空あるいは窒素等の不活性ガス雰囲気中、または該不活性ガスをパッケージ容器１０内に充填させた状態でリッド１８を接合することにより、圧電振動片２１がパッケージ容器１０内に気密を保って封止される。
また、リッド１８に形成された透明電極膜１９がパッケージ容器１０の金属膜１３により接合されているので、透明電極膜１９と接地用の外部接続端子９とがスルーホール５により接続されている。

上述したように、リッド１８により圧電振動片２１をパッケージ容器１０内に気密に封止したとき、シーム溶接の熱や封止応力などにより、圧電振動片２１が若干の周波数変動を生じる。このため、圧電振動片２１封止後に、圧電振動片２１の一部を除去して質量を変化させ圧電振動片２１の共振周波数を変化させることにより、圧電振動片２１の周波数調整を行なう。周波数調整は、透明電極膜１９が形成された透明なリッド１８を介してレーザ光で圧電振動片２１の励振電極の一部を加熱・溶解させてトリミングすることにより行なうことができる。

次に、上記第１の実施形態の効果を以下に記載する。

上記第１の実施形態の圧電振動子２０の構成によれば、圧電振動片２１が内部に接合されたパッケージ容器１０の上面開口が、主面の略全面に透明電極膜１９が形成された透明なリッド１８により封鎖し、圧電振動片２１を気密に封止した。透明電極膜１９は、パッケージ容器１０の金属膜１３およびスルーホール５を介して接地用の外部接続端子９に接続した。
この構成によれば、圧電振動子２０を配線基板に実装したとき、接地用の外部接続端子９を配線基板の接地用電極に接続すれば、ガラスなどの不導体からなる透明なリッド１８の主面の略全面に形成された透明電極膜１９により、圧電振動片２１がシールドされる。これにより、圧電振動片２１と配線基板、または、電子機器内に圧電振動片２１が配置されたときなどに、周囲の回路配線との間に生じる寄生容量を低減できる。これにより、寄生容量による圧電振動片２１の発振周波数や位相がシフトするなどの不具合を抑制することができる。
また、透明電極膜１９が形成された透明なリッド１８により圧電振動片２１が封止されているので、外側から圧電振動片２１に対して光が透過する。これにより、封止された状態で、レーザトリミングなどの光学的な方法で圧電振動片２１の周波数調整ができる。
従って、封止された状態で圧電振動片２１の周波数調整をすることができ、圧電振動片２１の励振電極と周囲の回路配線との間に生じる寄生容量を低減することが可能な、安定した振動特性を有する圧電振動子２０を提供することができる。

（第２の実施形態）
上記第１の実施形態では、パッケージ容器１０内に圧電振動片２１を封止する構成とした。第２の実施形態では、二つのリッドで圧電振動片を挟むように重ねて構成された圧電振動子を、図面に沿って説明する。
図２は、圧電振動子の第２の実施形態を説明するものであり、（ａ）は、圧電振動子の全体構成を説明する斜視図、（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

図２に示すように、圧電振動子６０は、水晶やガラスなどの平板からなる透明な下側リッド３０および上側リッド５０に、水晶などの圧電材料からなる圧電振動片基板４０が挟んで積層させて接合された構造を有している。

圧電振動子６０の底面となる下側リッド３０の下側の主面の両端部近傍には、外部接続端子３７，３８およびその他の図示しない複数の外部接続端子が形成されている。また、反対側（上側）の主面の略全面には、ＩＴＯなどの透明電極膜３９が形成されている。さらに、透明電極膜３９上には、ギャップ形成および共晶接合用の枠状の金属層３３が形成されている。金属層３３は、例えばギャップ形成用のニッケル膜と、このニッケル膜上に共晶接合用の金属膜の積層膜からなるが、これに限らず、ギャップ形成用の金属膜にはニッケル以外の比較的硬い金属を用いることができ、また、共晶接合用の金属膜には金以外の錫や、金と錫の合金などを用いることができる。
外部接続端子３７，３８と金属層３３とは、下側リッド３０の厚み方向を貫通するように形成されたスルーホール３５により導通されている。

上側リッド５０の下側の主面には、略全面にＩＴＯなどの透明電極膜５９が形成されている。また、透明電極膜５９上には、上述した下側リッド３０の金属層３３と同様な構成のギャップ形成および共晶接合用の枠状の金属層５３が形成されている。

圧電振動片基板４０は、図示はしないが枠部と、この枠部と一体で形成された圧電振動片とから構成されている。圧電振動片は、両主面にＣｒ（クロム）膜およびＡｕ膜の積層膜などにより形成された一対の励振電極（図示せず）を有し、各励振電極は、枠部に形成されたＣｒおよびＡｕの積層膜などからなる接続電極（図示せず）にそれぞれ接続されている。

上述した矩形平板状の上側リッド５０の各コーナー部には、切欠部Ｃ５１〜Ｃ５４が形成されている。同様に、下側リッド３０および圧電振動片基板４０の各コーナー部にも切欠部が形成されているが、図２（ａ）の紙面右側奥に隠れる切欠部の図示は省略し、下側リッド３０の紙面左側手前の切欠部Ｃ３１，Ｃ３２および圧電振動片基板４０の紙面左側手前の切欠部Ｃ４１，Ｃ４２のみを図示している。また、圧電振動片基板４０の切欠部Ｃ４１，Ｃ４２およびこの対角のコーナー部に形成された切欠部と、下側リッド３０の切欠部Ｃ３１，Ｃ３２およびこの対角のコーナー部に形成された切欠部のそれぞれの表面にはＣｒ膜とＡｕ膜の積層膜などからなる金属膜が形成されている。

以上のように構成された下側リッド３０、圧電振動片基板４０および上側リッド５０は、図２（ａ），（ｂ）に示されるように積層された状態で真空雰囲気中で共晶接合されている。この状態において、圧電振動片基板４０の圧電振動片は、下側リッド３０および上側リッド５０それぞれの金属層３３および金属層５３により形成されるキャビティ内に気密に封止されている。また、上側リッド５０の透明電極膜５９と、下側リッド３０の透明電極膜３９とが、金属層５３とスルーホール４５、または金属層３３とスルーホール３５とをそれぞれ介して、下側リッド３０の接地用の外部接続端子３７，３８に接続されている。

また、下側リッド３０の切欠部Ｃ３１，Ｃ３２と圧電振動片基板４０の切欠部Ｃ４１，Ｃ４２のそれぞれに接触するように塗布されたＡｇペーストなどの導電性接着剤またはろう材３６により、圧電振動片基板４０の接続電極と下側リッド３０の外部接続端子３７以外の外部接続端子とが電気的に接続されている。同様に、圧電振動片基板４０の切欠部Ｃ４１，Ｃ４２の対角の切欠部と下側リッド３０の切欠部Ｃ３１，Ｃ３２の対角の切欠部も、ろう材３６を用いてそれぞれ接続され、圧電振動片基板４０と下側リッド３０の外部接続端子３８との接続が図られている。
なお、本実施形態では、金属膜を表面に有する切欠部により圧電振動片基板４０と下側リッド３０とを電気的に接続する例を説明したが、これに限らず、スルーホールを形成する方法など、他の接続方法を用いてもよい。

以上述べた第２の実施形態の圧電振動子６０の構成によれば、上側リッド５０の透明電極膜５９と、下側リッド３０の透明電極膜３９により、圧電振動片基板４０の圧電振動片がシールドされることにより、周辺の電極との間に発生する寄生容量を低減できる。また、透明な上側リッド５０および下側リッド３０のシールド膜となる透明電極膜５９および３９もそれぞれ透明であるため、圧電振動片を封止した状態で、レーザ光により圧電振動片の励振電極をトリミングして振動周波数を調整することができる。さらに、上側リッド５０と下側リッド３０の間に圧電振動片を有する圧電振動片基板４０を挟んで積層させた構造により、薄型で、且つ平面サイズが圧電振動片に近いサイズに小型化された圧電振動子６０を提供することができる。

（第３の実施形態）
上記第１の実施形態では、パッケージ容器１０の上面側を、透明電極膜１９が形成されたリッド１８で封鎖して内部に圧電振動片２１を封止し、パッケージ容器１０の下面（底面）側に外部接続端子９を配設する構成とした。第３の実施形態では、外部接続端子をリッド側に設けるように構成された圧電振動子の一実施形態としての圧電デバイスについて図面に沿って説明する。
図３は、圧電振動子を備えた圧電デバイスの構成を説明する縦断面図である。

図３に示すように、圧電デバイス８０は、パッケージ容器７０内部に接合された圧電振動片２１が透明なリッド７８により気密に封止された圧電振動子と、パッケージ容器７０のリッド７８が設置された側の反対側に接合されたＩＣ１００とを有している。また、パッケージ容器７０のＩＣ１００が接合された側には外部接続端子としての複数の外部接続リード１０１が形成されている。そして、パッケージ容器７０とＩＣ１００とが、リッド７８の略全面と外部接続リード１０１の一部を露出するように、封止樹脂９５により封止されている。

パッケージ容器７０は、矩形平板状の第一層６１と、開口部の大きさが異なる矩形環状の第二層６２、第三層６３が順次積層して構成され、段差を有する凹部が形成されている。パッケージ容器７０の凹部内の第二層６２が形成する段差上の棚部には、マウント電極７２ａが設けられている。また第三層６３の矩形環状を有した上面には、シームリングなどの金属膜７３が形成されている。金属膜７３は、第一層６１、第二層６２、第三層６３を連通させて設けられたスルーホール６５により導通されている。
パッケージ容器７０の第一層６１の凹部の反対側の面となる面には、ダイパッド１０３と、複数の外部接続リード１０１が形成されている。なお、図３に図示する本実施形態においては、外部接続リード１０１は接地用の外部接続リードとして説明する。また、マウント電極７２ａは、図示しないスルーホールなどにより、複数の外部接続リードのうち接地用の外部接続リード１０１とは別の外部接続リードに導通されている。

圧電振動片２１は、パッケージ容器７０の第二層６２の段差上のマウント電極７２ａに、対応する接続電極を位置合せされ、Ａｇペーストなどの導電性接着剤９１ａにより片持ち支持された状態で接合されている。そして、パッケージ容器７０の第三層６３の開口面に有する金属膜７３に、主面の略全面にＩＴＯなどからなる透明電極膜７９が形成された透明なリッド７８が接合され、圧電振動片２１がパッケージ容器７０内に気密を保って封止されている。

パッケージ容器７０のダイパッド１０３上には、Ａｇペーストなどの導電性接着剤９１ａによりＩＣ１００が接着固定され、ＩＣ１００の上面に設置された図示しない複数の電極パッドと、対応する外部接続リード（１０１、その他）とが、ボンディングワイヤ１１０により接続されている。

以上述べたように、パッケージ容器７０内部に接合された圧電振動片２１が透明なリッド７８により気密に封止された圧電振動子と、外部接続リード１０１に接続されたＩＣ１００とは、封止樹脂９５により成型されて樹脂封止されている。この樹脂封止された状態において、リッド７８の略全面と、外部接続リード１０１の一部が、封止樹脂９５から露出されている。封止樹脂９５から外側に水平に露出された外部接続リード１０１は、所定の長さの水平部分を有してリッド７８側に折り曲げられ、さらに、リッド７８の外側の主面近傍で内側に折り曲げられている。

この構成の圧電デバイス８０は、外部接続リード１０１を配線基板の接続電極と位置合せして接合した際に、圧電振動片２１がリッド７８を介して配線基板側に配置される。このとき、リッド７８の主面に形成された透明電極膜７９のシールド効果により、配線基板の回路配線と圧電振動片２１の励振電極との間に生じる寄生容量を軽減することができる。また、配線基板に接合する前に、圧電振動片２１が封止された状態で、透明電極膜７９が形成された透明なリッド７８を介して、レーザ光により励振電極をトリミングすることによって、圧電振動片２１の振動周波数調整を実施することができる。このように、本実施形態の構成によれば、圧電振動子の構造設計において、実装される配線基板に対しての圧電振動片のレイアウトの自由度が広くなるという効果を奏する。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、以下の変形例を実施することもできる。

（変形例）
上記第１〜第３の実施形態では、リッドのいずれか一方の主面に透明電極膜が形成された構成を説明したが、リッドの両主面に透明電極膜を形成する構成としてもよい。
図４は、リッドの両主面に透明電極膜を形成した圧電振動子１５０を説明する縦断面図である。なお、この変形例に示す圧電振動子１５０のリッド１１８部分以外の構成は、上記第１の実施形態（図１）と同様であるため、同一構成については同じ符号を付して説明を省略する。

図４に示す圧電振動子１５０は、パッケージ容器１０内部に圧電振動片２１が接合され、上面開口を封鎖するように透明なリッド１１８が接合されることにより、パッケージ容器１０内部の圧電振動片２１が気密に封止されている。

透明な平板からなるリッド１１８の両主面の略全面と側面の一部には、ＩＴＯなどからなる透明電極膜１１９がスパッタなどにより堆積されて形成され、リッド１１８の両主面の透明電極膜１１９は電気的に導通されている。

この構成によれば、透明電極膜１１９によるシールド効果がより大きくなり、圧電振動片２１と外部の回路配線の間に生ずる寄生容量の抑制効果が大きくなることによって、圧電振動子１５０の振動特性の安定化をより高められるという顕著な効果を奏する。

（ａ）は、圧電振動子の第１の実施形態を説明する平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線縦断面図。 （ａ）は、圧電振動子の第２の実施形態の全体構成を説明する斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。 圧電振動子の第３の実施形態の構成を説明する縦断面図。 圧電振動子の変形例を説明する縦断面図。

符号の説明

９，３７，３８…外部接続端子、１０…パッケージ容器、１３…金属膜、１２ａ，１２ｂ…マウント電極、１８，７８，１１８…リッド、１９，７９，１１９…透明電極膜、２１…圧電振動片、３０…下側リッド、３３，５３…金属層、４０…圧電振動片を有する圧電振動片基板、５０…上側リッド、２０，６０，１５０…圧電振動子、８０…圧電振動子を備えた圧電デバイス、９５…封止樹脂、１００…ＩＣ、１０１…外部接続端子としての外部接続リード。

Claims (4)

1. 圧電振動片と、前記圧電振動片を気密に封止する透明なリッドと、複数の外部接続端子とを有する圧電振動子であって、
   前記リッドの主面に透明電極膜が形成され、前記透明電極膜が、接地用の前記外部接続端子に接続されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 請求項１に記載の圧電振動子において、
   前記透明電極膜が前記リッドの両主面に形成されていることを特徴とする圧電振動子。
3. 請求項１または２に記載の圧電振動子において、
   前記圧電振動片に対して前記リッドが配置されている側に前記外部接続端子が配設されていることを特徴とする圧電振動子。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電振動子において、
   前記リッドが、前記圧電振動片の両主面側に配設されていることを特徴とする圧電振動子。

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