特許 6795455 水晶デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6795455

(24)【登録日】2020年11月16日

(45)【発行日】2020年12月2日

(54)【発明の名称】水晶デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20201119BHJP

   H03H 9/10 20060101ALN20201119BHJP

【ＦＩ】

   H03B5/32 H

   !H03H9/10

【請求項の数】3

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-107999(P2017-107999)

(22)【出願日】2017年5月31日

(65)【公開番号】特開2018-207213(P2018-207213A)

(43)【公開日】2018年12月27日

【審査請求日】2019年11月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】安永 浩樹

【審査官】 石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２６３２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２５１６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１５１２８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２７４８７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７４９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０８５３８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０３Ｂ ５／３０− ５／４２

Ｈ０３Ｈ ９／１０− ９／６６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、
前記第一枠体の上面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、
前記基板の下面の外周縁に沿って設けられた第三枠体と、
前記基板上の短辺方向に沿って設けられた一対の電極パッドと、
矩形状の水晶基部と、前記水晶基部の側面より延出した水晶振動部と、前記水晶振動部の上面及び下面に設けられた励振電極と、前記励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、を有する音叉型水晶素子と、
前記基板の下面に設けられた接続パッドに実装された集積回路素子と、
前記基板と前記第一枠体とで形成され、電極パッド間に設けられた第一凹部と、
前記基板と前記第一枠体とで形成され、前記水晶振動部の中間と対向する位置に設けられた第二凹部と、
前記基板と前記第一枠体とで形成され、前記水晶振動部の先端と対向する位置に設けられた第三凹部と、を備え、
前記第一凹部と前記第二凹部と前記第三凹部とがつながっており、
前記第一凹部の前記基板上の短辺方向の長さが、前記第二凹部の前記基板上の短辺方向の長さより小さく、前記第二凹部の前記基板上の短辺方向の長さが、前記第三凹部の前記基板上の短辺方向の長さより小さくなっていることを特徴とする水晶デバイス。

【請求項2】

請求項１記載の水晶デバイスであって、
前記基板の下面に前記電極パッドと電気的に接続された測定パッドと、を備え、
前記測定パッドが、前記集積回路素子によって覆われていることを特徴とする水晶デバイス。

【請求項3】

請求項１記載の水晶デバイスであって、
前記電極パッドと前記電極パッドと電気的に接続された測定パッドとを電気的に接続するビア導体を備え、
前記ビア導体が、平面視した際に、一対の前記水晶振動部の間に位置するように設けられていることを特徴とする水晶デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子機器等に用いられる水晶デバイスに関するものである。

【背景技術】

【0002】

水晶デバイスは、音叉型水晶素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。例えば、基板と、凹部を設けるために基板の上面に枠体とを有しているパッケージと、基板の上面に設けられた電極パッドに実装された音叉型水晶素子と、を備えた水晶デバイスが知られている（例えば、下記特許文献１参照）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１１８９２０号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した水晶デバイスは、小型化が顕著であるが、実装された音叉型水晶素子も小型化されている。このような音叉型水晶素子の振動腕が基板に接触することで、屈曲振動が阻害され、発振周波数が変動してしまう虞があった。

【0005】

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、音叉型水晶素子の発振周波数の変動を抑えることができる水晶デバイスを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、第一枠体の上面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、基板の下面の外周縁に沿って設けられた第三枠体と、基板上の短辺方向に沿って設けられた一対の電極パッドと、矩形状の水晶基部と、水晶基部の側面より延出した水晶振動部と、水晶振動部の上面及び下面に設けられた励振電極と、励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、を有する音叉型水晶素子と、基板の下面に設けられた接続パッドに実装された集積回路素子と、基板と第一枠体とで形成され、電極パッド間に設けられた第一凹部と、基板と第一枠体とで形成され、水晶振動部の中間と対向する位置に設けられた第二凹部と、基板と第一枠体とで形成され、水晶振動部の先端と対向する位置に設けられた第三凹部と、を備えている。

【発明の効果】

【0007】

本発明の一つの態様による水晶デバイスは、基板と、基板の上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体と、第一枠体の上面の外周縁に沿って設けられた第二枠体と、基板の下面の外周縁に沿って設けられた第三枠体と、基板上の短辺方向に沿って設けられた一対の電極パッドと、矩形状の水晶基部と、水晶基部の側面より延出した水晶振動部と、水晶振動部の上面及び下面に設けられた励振電極と、励振電極と電気的に接続された引き出し電極と、を有する音叉型水晶素子と、基板の下面に設けられた接続パッドに実装された集積回路素子と、基板と第一枠体とで形成され、電極パッド間に設けられた第一凹部と、基板と第一枠体とで形成され、水晶振動部の中間と対向する位置に設けられた第二凹部と、基板と第一枠体とで形成され、水晶振動部の先端と対向する位置に設けられた第三凹部と、を備えている。このようにすることにより、音叉型水晶素子を電極パッドに実装した際に、仮に音叉型水晶素子が傾いたとしても、水晶振動部が基板の上面に接触することを抑えることができるので、音叉型水晶素子の発振周波数の変動及び停止を抑えることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態に係る水晶デバイスの分解斜視図である。

【図2】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図3】本実施形態に係る水晶デバイスを構成する音叉型水晶素子を示す平面図である。

【図4】（ａ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの上面からみた平面透視図であり、（ｂ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの第一枠体側からみた平面透視図である。

【図5】本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの基板の上面からみた平面透視図である。

【図6】（ａ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの基板の下面からみた平面透視図であり、（ｂ）本実施形態に係る水晶デバイスを構成するパッケージの第三枠体の下面からみた平面透視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第一実施形態） 第一実施形態における水晶デバイスは、図１及び図２に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に実装された音叉型水晶素子１２０とを含んでいる。パッケージ１１０は、基板１１０ａと、第一枠体１１０ｂ、第二枠体１１０ｃ及び第三枠体１１０ｄによって構成されている。基板１１０ａと第一枠体１１０ｂとで第一凹部Ｋ１、第二凹部Ｋ２及び第三凹部Ｋ３が形成され、第一枠体１１０ｂと第二枠体１１０ｃとで、第四凹部Ｋ４が形成されている。また、基板１１０ａと第三枠体１１０ｄとで、第五凹部Ｋ５が形成されている。音叉型水晶素子１２０には、水晶基部１２１及び水晶振動部１２３が設けられている。このような水晶デバイスは、電子機器等で使用する基準信号を出力するのに用いられる。

【0010】

基板１１０ａは、矩形状であり、上面に実装された音叉型水晶素子１２０及び下面に実装された集積回路素子１５０を実装するためのものである。
基板１１０ａは、
上面に、音叉型水晶素子１２０を実装するための電極パッド１１１が設けられており、下面に、集積回路素子１５０を実装するための接続パッド１１５が設けられている。また、基板１１０ａの一辺に沿って、音叉型水晶素子１２０を接合するための第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂが設けられている。第三枠体１１０ｄの下面の四隅には、外部端子１１２が設けられている。また、基板１１０ａの下面の中央には、一対の測定パッド１１８が設けられ、その一対の測定パッド１１８を囲むようにして、集積回路素子１５０を実装するための六つの接続パッド１１５が設けられている。また、外部端子１１２は、接続パッド１１５の内の外側にある四つと電気的に接続されている。

【0011】

基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を一層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた測定パッド１１８とを電気的に接続するための配線パターン１１３及びビア導体１１４が設けられている。また、基板１１０ａの表面には、下面に設けられた接続パッド１１５及び測定パッド１１８が設けられている。

【0012】

第一枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に第一凹部Ｋ１、第二凹部Ｋ２及び第三凹部Ｋ３を形成するためのものである。また、第二枠体１１０ｃは、第一枠体１１０ｂの上面に配置され、第一枠体１１０ｂの上面に第四凹部Ｋ４を形成するためのものである。第三枠体１１０ｄは、基板１１０ａの下面に第五凹部Ｋ５を形成するためのものである。第一枠体１１０ｂ、第二枠体１１０ｃ及び第三枠体１１０ｄは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。

【0013】

第一凹部Ｋ１は、一対の電極パッド１１１の間に設けられており、後述する音叉型水晶素子１２０を実装する際に、隣り合う一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０の接触を抑えるためのものである。第一凹部Ｋ１は、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂとによって形成されている。このようにすることにより、仮に隣り合う一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０が、音叉型水晶素子１２０を実装する際に電極パッド１１１から溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に入り込むことで、隣り合う電極パッド１１１が短絡してしまうことをさらに抑えることができる。

【0014】

第二凹部Ｋ２は、後述する音叉型水晶素子１２０の振動腕部１２２と対向する位置に設けられ、振動腕部１２２が基板１１０ａの上面に接触することを抑えるためのものである。第二凹部Ｋ２は、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂとによって形成され、音叉型水晶素子１２０の振動腕部１２２と対向する位置に設けられている。このようにすることにより、音叉型水晶素子１２０を電極パッド１１１上に実装した際に、仮に音叉型水晶素子１２０が傾いたとしても、振動腕部１２２が基板１１０ａの上面に接触することを抑えることができるので、音叉型水晶素子１２０の発振周波数の変動及び停止を抑えることが可能となる。

【0015】

第三凹部Ｋ３は、後述する音叉型水晶素子１２０の錘部１２８と対向する位置に設けられ、錘部１２８が基板１１０ａの上面に接触することを抑えるためのものである。第三凹部Ｋ３は、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂとによって形成されており、音叉型水晶素子１２０の錘部１２８と対向する位置に設けられている。このようにすることで、音叉型水晶素子１２０を電極パッド１１１上に実装した際に、仮に音叉型水晶素子１２０が傾いたとしても、錘部１２８が基板１１０ａの上面に接触することを抑えることができるので、音叉型水晶素子の発振周波数の変動及び停止を低減させることが可能となる。

【0016】

第四凹部Ｋ４は、後述する音叉型水晶素子１２０を実装するためのものである。第四凹部Ｋ４は、第一枠体１１０ｂの上面と第二枠体１１０ｃとによって形成されている。また、第五凹部Ｋ５は、後述する集積回路素子を実装するためのものである。第五凹部Ｋ５は、基板１１０ａの下面と第三枠体１１０ｄとによって形成されている。

【0017】

また、第一凹部Ｋ１は、第二凹部Ｋ２及び第三凹部Ｋ３と空間がつながるようにして設けられている。このようにすることにより、仮に隣り合う一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０が、音叉型水晶素子１２０を実装する際に電極パッド１１１から溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に入り込み、第一凹部Ｋ１から第二凹部Ｋ２を通して第三凹部Ｋ３まで流れ出てしまうことで、隣り合う電極パッド１１１が短絡してしまうことをさらに抑えることができる。

【0018】

また、平面視した際に、第一凹部Ｋ１の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さが、第二凹部Ｋ２の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さよりも小さくなるように設けられ、第二凹部Ｋ２の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さが、第三凹部Ｋ３の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さよりも小さくなるように設けられている。このようにすることにより、第一枠体１１０ｂの専有面積が、第一凹部Ｋ１から第三凹部Ｋ３に向かうにつれて小さくなるため、パッケージ１１０にかかる応力において第三凹部Ｋ３の箇所よりも第一凹部Ｋ１の近傍にある第一枠体１１０ｂの上面に設けられた電極パッド１１１における歪の変位量が小さくなるため、音叉型水晶素子１２０が電極パッド１１１から剥がれてしまうことを抑えることができる。

【0019】

電極パッド１１１は、音叉型水晶素子１２０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対で設けられており、基板１１０ａの一辺に沿うように隣接して設けられている。電極パッド１１１は、図１及び図４に示されているように基板１１０ａの上面に設けられた配線パターン１１３とビア導体１１４を介して、第三枠体１１０ｃの下面に設けられた外部端子１１２と電気的に接続されている。

【0020】

電極パッド１１１は、図４に示すように、第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂによって構成されている。ビア導体１１４は、第一ビア導体１１４ａ、第二ビア導体１１４ｂ、第三ビア導体１１４ｃ、第四ビア導体１１４ｄ、第五ビア導体１１４ｅ、第六ビア導体１１４ｆ、第七ビア導体１１４ｇ及び第八ビア導体１１４ｈによって構成されている。また、配線パターン１１３は、第一配線パターン１１３ａ、第二配線パターン１１３ｂ、第三配線パターン１１３ｃ及び第四配線パターン１１３ｄによって構成されている。測定パッド１１８は、第一測定パッド１１８ａ及び第二測定パッド１１８ｂによって構成されている。第一電極パッド１１１ａは、基板１１０ａに設けられた第一配線パターン１１３ａの一端と電気的に接続されている。

【0021】

また、第一配線パターン１１３ａの他端は、第一ビア導体１１４ａを介して、第三配線パターン１１３ｃの一端と電気的に接続されている。第三配線パターン１１３ｃの他端は、第七ビア導体１１４ｇを介して、第一測定パッド１１８ａと電気的に接続されている。よって、第一電極パッド１１１ａは、第一測定パッド１１８ａと電気的に接続されることになる。第二電極パッド１１１ｂは、基板１１０ａに設けられた第二配線パターン１１３ｂの一端と電気的に接続されている。また、第二配線パターン１１３ｂの他端は、第二ビア導体１１４ｂを介して、第四配線パターン１１３ｄの一端と電気的に接続されている。第四配線パターン１１３ｄの他端は、第八ビア導体１１４ｈを介して、第二測定パッド１１８ｂと電気的に接続されている。よって、第二電極パッド１１１ｂは、第二測定パッド１１８ｂと電気的に接続されることになる。

【0022】

また、第一測定パッド１１８ａは、第三接続パッド１１５ｃと電気的に接続されている。よって、第一電極パッド１１１ａは、第三接続パッド１１５ｃと電気的に接続されることになる。また、第二測定パッド１１８ｂは、第六接続パッド１１５ｆと電気的に接続されることになる。よって、第二電極パッド１１１ｂは、第六接続パッド１１５ｆと電気的に接続されることになる。

【0023】

外部端子１１２は、電子機器等の実装基板に実装するためのものである。外部端子１１２は、第三枠体１１０ｄの下面の四隅に設けられている。外部端子１１２は、基板１１０ａの下面に設けられた六つの接続パッド１１５の四つと電気的に接続されている。また、第一外部端子１１２ａは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランド電位と接続されている実装パッドと接続されている。これにより、封止用導体パターン１１７に接合された蓋体１３０がグランド電位となっている第一外部端子１１２ａに接続される。よって、蓋体１３０による第四凹部Ｋ４内のシールド性が向上する。また、第一外部端子１１２ａは、グランド端子として用いられ、第二外部端子１１２ｂは、出力端子として用いられ、第三外部端子１１２ｃは、機能端子として用いられ、第四外部端子１１２ｄは、電源電圧端子として用いられる。機能端子は、書込読込端子及び周波数制御端子として用いられる。ここで、書込読込端子は、温度補償用制御データを記憶素子部に書き込んだり、記憶素子部に書き込まれた温度補償用制御データを読み込んだりするための端子のことである。周波数制御端子は、電圧を印加すると発振回路部の可変容量ダイオードの負荷容量を変動させることによって、音叉型水晶素子１２０の温度特性を補正させるための端子のことである。

【0024】

配線パターン１１３は、基板１１０ａの上面に設けられ、電極パッド１１１から近傍の基板１１０ａのビア導体１１４に向けて引き出されている。また、配線パターン１１３は、図４に示すように、第一配線パターン１１３ａ、第二配線パターン１１３ｂ、第三配線パターン１１３ｃ及び第四配線パターン１１３ｄによって構成されている。

【0025】

ビア導体１１４は、基板１１０ａの内部に設けられ、その両端は、配線パターン１１３及び測定パッド１１８と電気的に接続されている。ビア導体１１４は、基板１１０ａに設けられた貫通孔の内部に導体を充填することで設けられている。ビア導体１１４は、第一ビア導体１１４ａ、第二ビア導体１１４ｂ、第三ビア導体１１４ｃ、第四ビア導体１１４ｄ、第五ビア導体１１４ｅ、第六ビア導体１１４ｆ、第七ビア導体１１４ｇ及び第八ビア導体１１４ｈによって構成されている。

【0026】

第七ビア導体１１４ｇ及び第八ビア導体１１４ｈは、平面視した際に、一対の水晶振動部１２３の間に位置するように設けられている。このようにすることにより、水晶振動部１２３に設けられた励振電極１２５、１２６と、第七ビア導体１１４ｇ及び第八ビア導体１１４ｈとの間で付加容量が発生することを抑えるため、音叉型水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することができる。

【0027】

接続パッド１１５は、集積回路素子１５０を実装するために用いられている。また、接続パッド１１５は、図６に示すように、第一接続パッド１１５ａ、第二接続パッド１１５ｂ、第三接続パッド１１５ｃ、第四接続パッド１１５ｄ、第五接続パッド１１５ｅ及び第六接続パッド１１５ｆによって構成されている。第一接続パッド１１５ａは、第一外部端子１１２ａと電気的に接続されており、第二接続パッド１１５ｂは、第二外部端子１１２ｂと電気的に接続されている。第三接続パッド１１５ｃは、第一測定パッド１１８ａと電気的に接続されており、第六接続パッド１１５ｆは、第二測定パッド１１８ｂと電気的に接続されている。第四接続パッド１１５ｄは、第三外部端子１１２ｃと電気的に接続されており、第五接続パッド１１５ｅは、第四外部端子１１２ｄと電気的に接続されている。

【0028】

封止用導体パターン１１７は、蓋体１３０と接合部材１３１を介して接合する際に、接合部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。封止用導体パターン１１７は、図４〜図６に示すように、第三ビア導体１１４ｃを介して、第一外部端子１１２ａと電気的に接続されている。封止用導体パターン１１７は、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、第二枠体１１０ｃの上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０〜２５μｍの厚みに形成されている。

【0029】

測定パッド１１８は、コンタクトピン等を接触させることによって、音叉型水晶素子１２０の特性を測定するためのものである。測定パッド１１８は、平面視して、集積回路素子１５０と重なる位置に設けられている。このようにすることで、電子機器等の実装基板上の実装パターンと測定パッド１１８との間で発生する浮遊容量を低減させることで、音叉型水晶素子１２０に浮遊容量が付加されないので、音叉型水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することができる。

【0030】

ここでパッケージ１１０を平面視したときの一辺の寸法が、１．０〜２．０ｍｍである場合を例にして、測定パッド１１８の大きさを説明する。測定パッド１１８の長辺の長さは、０．５〜０．８ｍｍとなり、短辺の長さは、０．４５〜０．７５ｍｍとなる。

【0031】

また、音叉型水晶素子１２０の特性を測定する際に使用される電気特性測定器としては、音叉型水晶素子１２０の共振周波数、クリスタルインピーダンスの他、インダクタンス、容量等の等価パラメータを測定することができるネットワークアナライザ又はインピーダンスアナライザ等が用いられる。そのコンタクトピンは、銅、銀等の合金の表面に金メッキを施した高導電性のピンと、接触時の衝撃を抑制するばね性をもったリセクタブルソケットとで構成され、これを測定パッド１１８に押し付けつつ接触させることで測定が行われる。

【0032】

ここで、基板１１０ａの作製方法について説明する。基板１１０ａがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、電極パッド１１１、外部端子１１２、配線パターン１１３、ビア導体１１４、接続パッド１１５、封止用導体パターン１１７及び測定パッド１１８となる部位にニッケルメッキ又、金メッキ、銀パラジウム等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

【0033】

音叉型水晶素子１２０は、図１〜図３に示すように、水晶基部１２１及び水晶振動部１２３からなる。音叉型水晶素子１２０の表面には、励振電極１２５ａ、１２５ｂ、１２６ａ及び１２６ｂと、引き出し電極１２７ａ及び１２７ｂと、錘部１２８及び周波数調整電極１２９とにより構成されている。

【0034】

水晶基部１２１は、後述する水晶振動部１２３を支持し、音叉型水晶素子１２０をパッケージ１１０上に保持固定するためのものである。水晶基部１２１は、結晶の軸方向として電気軸がＸ軸、機械軸がＹ軸、及び光軸がＺ軸となる直交座標系としたとき、Ｘ軸回りに−５°〜＋５°の範囲内で回転させたＺ′軸の方向が厚み方向となる平面視略四角形の平板である。

【0035】

水晶振動部１２３は、例えば、その表面に所望のパターンの励振電極１２５、１２６を形成し、その励振電極１２５、１２６に電位を印加することにより、所望の周波数の振動を励起するためのものである。水晶振動部１２３は、振動腕部１２２と錘部１２８によって構成されている。振動腕部１２２の先端部、つまり、水晶基部１２１と反対側の振動腕部１２２の端部に、ハンマーヘッド形状の錘部１２８が設けられている。また、水晶振動部１２３は、第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂとからなる。第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂは、水晶基部１２１の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。また、振動腕部１２２は、第一振動腕部１２２ａ及び第二振動腕部１２２ｂによって構成されている。このような音叉型水晶素子１２０は、水晶基部１２１及び各水晶振動部１２３と一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィー技術と化学エッチング技術により製造される。

【0036】

励振電極１２５ａは、図３に示すように、第一水晶振動部１２３ａの第一振動腕部１２２ａの表裏主面に設けられている。また、励振電極１２６ｂは、第一水晶振動部１２３ａの第一振動腕部１２２ａの対向する両側面に設けられている。また、一方の引き出し電極１２７ａは、平面視して、水晶基部１２１に設けられている。他方の引き出し電極１２７ｂは、励振電極１２５ａ、１２６ａと電気的に接続されており、水晶基部１２１の境界付近の表裏主面に設けられている。

【0037】

また、励振電極１２５ｂは、図３に示すように、第二水晶振動部１２３ｂの第二振動腕部１２２ｂの表裏主面に設けられている。また、励振電極１２６ａは、第二水晶振動部１２３ｂの第二振動腕部１２２ｂの対向する両側面に設けられている。他方の引き出し電極１２７ｂは、励振電極１２５ｂ、１２６ｂと電気的に接続されており、水晶基部１２１の表裏主面に設けられている。また、他方の引き出し電極１２７ｂは、水晶基部１２１に設けている。

【0038】

錘部１２８は、水晶基部１２１と反対側の水晶振動部１２３の端部に、ハンマーヘッド形状で設けられている。錘部１２８は、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を調整するためのものである。具体的には、錘部１２８を設けることで、水晶振動部１２３の先端側へ錘を設けた状態に近づけることができるため、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を、錘部１２８がない場合と比較して低くなるようにすることができ、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を所望の周波数となるように調整している。また、錘部１２８は、第一水晶振動部１２３ａの先端部に設けられている第一錘部１２８ａと、第二水晶振動部１２３ｂの先端部に設けられている第二錘部１２８ｂとで構成されている。

【0039】

周波数調整電極１２９は、レーザ等で削ることにより、水晶振動部１２３で生じる屈曲振動の周波数を所望の周波数となるように調整するためのものである。周波数調整電極１２９は、第一周波数調整電極１２９ａ及び第二周波数調整電極１２９ｂによって構成されている。第一周波数調整電極１２９ａは、第一錘部１２８ａの表主面及び側面の先端部に設けられ、第二周波数調整電極１２９ｂは、第二錘部１２８ｂの表主面及び両側面の先端部に設けられている。

【0040】

なお、音叉型水晶素子１２０は、周波数調整電極１２９を構成する金属の量を増減させることにより、その周波数値を所望する値に調整することができる。励振電極１２５ｂ及び１２６ｂと、第一周波数調整電極１２９ａとは、図３に示すように、水晶片の表面に設けられた引き出し電極１２７ｂにより電気的に接続している。また、励振電極１２５ａ及び１２６ａと、第二周波数調整電極１２９ｂとは、水晶基部１２１の表面に設けられた引き出し電極１２７ａにより電気的に接続している。

【0041】

この音叉型水晶素子１２０を振動させる場合、引き出し電極１２７ａ及び１２７ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的にとらえると、第二水晶振動部１２３ｂの励振電極１２６ｂは＋（プラス）電位となり、励振電極１２６ａは−（マイナス）電位となり、＋から−に電界が生じる。一方、このときの第一水晶振動部１２３ａの励振電極１２６は、第二水晶振動部１２３ｂの励振電極１２６に生じた極性とは反対の極性となる。これらの印加された電界により、第一水晶振動部１２３ａ及び第二水晶振動部１２３ｂに伸縮現象が生じ、各水晶振動部１２３に設定した共振周波数の屈曲振動を得る。

【0042】

水晶片を平面視したときの長辺寸法が０．８〜１．２ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．２〜０．７ｍｍである場合を例にして、水晶基部１２１、水晶振動部１２３を説明する。水晶基部１２１を平面視したときの長辺寸法が０．２〜０.４ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．２〜０．４ｍｍである。水晶振動部１２３を平面視したときの長辺寸法が０．６〜０．９ｍｍであり、平面視したときの短辺寸法が０．０３〜０．２ｍｍである。

【0043】

ここで、音叉型水晶素子１２０の動作について説明する。音叉型水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が引き出し電極１２７から励振電極１２５、１２６を介して水晶振動部１２３に印加されると、水晶振動部１２３が所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。

【0044】

ここで、音叉型水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、音叉型水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶片の両主面にフォトリソグラフィー技術によって、水晶基部１２１、水晶振動部１２３及び水晶支持部１２４を形成する。その後、フォトリソグラフィー技術、蒸着技術又はスパッタリング技術によって、金属膜を被着させることにより、励振電極１２５、１２６及び引き出し電極１２７を形成することにより作製される。

【0045】

また、平面視した際に、第一凹部Ｋ１の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さが、第二凹部Ｋ２の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さよりも小さくなるように設けられ、第二凹部Ｋ２の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さが、第三凹部Ｋ３の結晶軸方向であるＸ軸と平行な長さよりも小さくなるように設けられている。このようにすることにより、第一枠体１１０ｂの専有面積が、第一凹部Ｋ１から第三凹部Ｋ３に向かうにつれて小さくなるため、パッケージ１１０にかかる応力において第三凹部Ｋ３の箇所よりも第一凹部Ｋ１の近傍にある第一枠体１１０ｂの上面に設けられた電極パッド１１１における歪の変位量が小さくなるため、音叉型水晶素子１２０が電極パッド１１１から剥がれてしまうことを抑えることができる。

【0046】

音叉型水晶素子１２０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接着剤１４０は、例えばディスペンサによって第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂ上に塗布される。音叉型水晶素子１２０は、導電性接着剤１４０上に搬送され、導電性接着剤１４０上に載置される。そして導電性接着剤１４０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。水晶素子１２０は、電極パッド１１１に実装される。

【0047】

導電性接着剤１４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

【0048】

集積回路素子１５０は、例えば、複数個の接続端子１５１を有した矩形状のフリップチップ型集積回路素子が用いられ、その回路形成面（上面）には、周囲の温度状態を検知する温度センサー、音叉型水晶素子１２０の温度特性を補償する温度補償データを格納するための記憶素子部、温度補償データに基づいて音叉型水晶素子１２０の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路部、その温度補償回路部に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路部が設けられている。この発振回路部で生成された出力信号は、第二外部端子１１２ｂを介して圧電発振器の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。

【0049】

記憶素子部は、ＰＲＯＭやＥＥＰＲＯＭにより構成されている。温度補償関数である下記に示す三次関数のもととなるパラメータ、例えば三次成分調整値α、一次成分調整値β、０次成分調整値γの各値の温度補償用制御データが第三外部端子１１２ｃである書込読込端子から入力され保存される。記憶素子部には、レジスタマップが記憶されている。レジスタマップとは、各アドレスデータに制御データを入力した場合、制御部がそのデータを読み取り、信号を出力し、どのような動作を行なうかを示したものである。

【0050】

温度補償回路部は、三次関数発生回路や五次関数発生回路等によって構成されている。例えば、三次関数発生回路の場合は、その記憶素子部に入力された温度補償用制御データを読出して、温度補償用制御データから各温度に対して三次関数で導き出された電圧を発生させる。尚、この時の外部の周囲温度は、集積回路素子１５０内の温度センサーより得られる。温度補償回路部は、可変容量ダイオードのカソードと接続されており、温度補償回路部からの電圧が印加される。このように、可変容量ダイオードに温度補償回路部からの電圧を印加することよって、音叉型水晶素子１２０の周波数温度特性を補正することにより、周波数温度特性が平坦化される。

【0051】

集積回路素子１５０は、図２に示すように、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１５に半田等の導電性接合材１７０を介して実装されている。また、集積回路素子１５０の接続端子１５１は、接続パッド１１５に接続されている。接続パッド１１５は、外部端子１１２と電気的に接続されている。この第一外部端子１１２ａは、電子機器等の実装基板上の基準電位であるグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の役割を果たす。よって、集積回路素子１５０の接続端子１５１の内の一つは、基準電位であるグランドに接続されることになる。

【0052】

集積回路素子１５０の基板１１０ａへの接合方法について説明する。まず、導電性接合材１７０は、例えばディスペンサによって接続パッド１１５に塗布される。集積回路素子１５０は、導電性接合材１７０上に載置される。そして導電性接合材１７０は、加熱させることによって溶融接合される。よって、集積回路素子１５０は、接続パッド１１５に接合される。

【0053】

また、集積回路素子１５０は、図１に示すように、矩形状であり、その下面に六つの接続端子１５１が設けられている。接続端子１５１は、一辺に沿って三つ設けられており、その一辺と向かい合う一辺に沿って三つ設けられている。集積回路素子１５０の長辺の長さは、０．５〜１．２ｍｍであり、短辺の長さは、０．３〜１．０ｍｍとなっている。集積回路素子１５０の厚み方向の長さは、０．１〜０．３ｍｍとなっている。

【0054】

導電性接合材１７０は、例えば、銀ペースト又は鉛フリー半田により構成されている。また、導電性接合材１７０には、塗布し易い粘度に調整するための添加した溶剤が含有されている。鉛フリー半田の成分比率は、錫が９５〜９７．５％、銀が２〜４％、銅が０．５〜１．０％のものが使用されている。

【0055】

絶縁性樹脂１８０は、図２に示されているように、集積回路素子１５０の接続端子１５１が設けられている面と接続パッド１１５との間に設けられている。このようにすることにより、絶縁性樹脂１８０は、集積回路素子１５０と基板１１０ａの下面との接着強度を高めることができる。また、仮に、水晶デバイスを電子機器等の実装基板の実装パッド上に実装させた際に、半田等の異物が第五凹部Ｋ５内に入り込んだとしても、絶縁性樹脂１８０によって、その異物が集積回路素子１５０の接続端子１５１間に付着することを抑えることになるので、集積回路素子１５０の接続端子１５１間の短絡を低減することができる。また、絶縁性樹脂１８０は、エポキシ樹脂またはエポキシ樹脂を主成分とするコンポジットレジン等の樹脂材料からなる。

【0056】

また、絶縁性樹脂１８０は、測定パッド１１８を覆うように設けられている。このようにすることによって、測定パッド１１８に異物が付着することを抑えることになるので、音叉型水晶素子１２０にその異物の付加抵抗が加わることを抑制することができる。従って、音叉型水晶素子１２０の発振周波数が変動することを低減することが可能となる。

【0057】

絶縁性樹脂１８０の基板１１０ａへの形成方法について説明する。コンタクトピンを測定パッド１１８に接触させ、基板２１０ａに接合された音叉型水晶素子１２０の特性を測定した後、その樹脂ディスペンサの先端を、第三枠体１１０ｄ内に挿入し、絶縁性樹脂１８０の注入を行なう。次に絶縁性樹脂１８０を加熱し、硬化させる。よって、絶縁性樹脂１８０は、集積回路素子１５０と接続パッド１１５との間に設けられる。

【0058】

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体１３０は、真空状態にある第一凹部Ｋ１、第二凹部Ｋ２、第三凹部Ｋ３及び第四凹部Ｋ４又は窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１、第二凹部Ｋ２、第三凹部Ｋ３及び第四凹部Ｋ４を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の第二枠体１１０ｃ上に載置され、第二枠体１１０ｃの封止用導体パターン１１７と蓋体１３０の接合部材１３１とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、第二枠体１１０ｃに接合される。また、蓋体１３０は、封止用導体パターン１１７及び第三ビア導体１１４ｃを介して第三枠体１１０ｄの下面の第一外部端子１１２ａに電気的に接続されている。

【0059】

接合部材１３１は、パッケージ１１０の第二枠体１１０ｃ上面に設けられた封止用導体パターン１１７に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。接合部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。金錫の場合は、その厚みは、１０〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。

【0060】

ここで、基板１１０ａの作製方法について説明する。基板１１０ａがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、電極パッド１１１、外部端子１１２、配線パターン１１３、ビア導体１１４、封止用導体パターン１１７及び測定パッド１１８となる部位にニッケルメッキ又、金メッキ、銀パラジウム等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

【0061】

本実施形態に係る水晶デバイスは、基板１１０ａと、基板１１０ａの上面の外周縁に沿って設けられた第一枠体１１０ｂと、第一枠体１１０ｂの上面の外周縁に沿って設けられた第二枠体１１０ｃと、基板１１０ａの下面の外周縁に沿って設けられた第三枠体１１０ｄと、基板１１０ａ上の短辺方向に沿って設けられた一対の電極パッド１１１と、矩形状の水晶基部１２１と、水晶基部１２１の側面より延出した水晶振動部１２３と、水晶振動部１２３の上面及び下面に設けられた励振電極１２５、１２６と、励振電極１２５、１２６と電気的に接続された引き出し電極１２７と、を有する音叉型水晶素子１２０と、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１５に実装された集積回路素子１５０と、基板１１０ａと第一枠体１１０ｂとで形成され、電極パッド１１１間に設けられた第一凹部Ｋ１と、基板１１０ａと第一枠体１１０ｂとで形成され、水晶振動部１２３の中間と対向する位置に設けられた第二凹部Ｋ２と、基板１１０ａと第一枠体１１０ｂとで形成され、水晶振動部１２３の先端と対向する位置に設けられた第三凹部Ｋ３と、を備えている。

【0062】

このようにすることで、音叉型水晶素子１２０を電極パッド１１１上に実装した際に、仮に音叉型水晶素子１２０が傾いたとしても、第二凹部Ｋ２及び第三凹部Ｋ３によって、振動腕部１２２が基板１１０ａの上面に接触することを抑えることができるので、水晶デバイスは、音叉型水晶素子１２０の発振周波数の変動及び停止を抑えることが可能となる。また、水晶デバイスは、第一凹部Ｋ１によって、仮に隣り合う一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０が、音叉型水晶素子１２０を実装する際に電極パッド１１１から溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に入り込むことで、隣り合う電極パッド１１１が短絡してしまうことをさらに抑えることができる。

【0063】

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、第一凹部Ｋ１と第二凹部Ｋ２と第三凹部Ｋ３とがつながるようにして設けられている。このようにすることで、仮に隣り合う一対の電極パッド１１１に設けられた導電性接着剤１４０が、音叉型水晶素子１２０を実装する際に電極パッド１１１から溢れ出たとしても、第一凹部Ｋ１内に入り込み、第一凹部Ｋ１から第二凹部Ｋ２を通して第三凹部Ｋ３まで流れ出てしまうことで、隣り合う電極パッド１１１が短絡してしまうことをさらに抑えることができる。

【0064】

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、基板１１０ａの下面に電極パッド１１１と電気的に接続された測定パッド１１８と、を備え、測定パッド１１８が、集積回路素子１５０によって覆われている。このようにすることで、電子機器等の実装基板の上面に設けられた実装パターンと測定パッド１１８との間に浮遊容量が発生することを低減することができるため、音叉型水晶素子１２０の発振周波数が変動してしまうことを低減することができる。

【0065】

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、電極パッド１１１と測定パッド１１８とを電気的に接続するビア導体１１４ｇ、１１４ｈを備え、ビア導体１１４ｇ、１１４ｈが、平面視した際に、一対の水晶振動部１２３の間に位置するように設けられている。このようにすることにより、水晶振動部１２３に設けられた励振電極１２５、１２６とビア導体１１４ｇ、１１４ｈとの間で浮遊容量が発生することを抑えることができるので、音叉型水晶素子１２０の発振周波数の変動を低減することが可能となる。

【0066】

また、本実施形態に係る水晶デバイスは、集積回路素子１５０と基板１１０ａとの間に設けられた絶縁性樹脂１８０とを備えている。このようにすることにより、絶縁性樹脂１８０は、集積回路素子１５０と基板１１０ａの下面との接着強度を高めることができる。また、仮に、水晶デバイスを電子機器等の実装基板の実装パッド上に実装させた際に、半田等の異物が第五凹部Ｋ５内に入り込んだとしても、絶縁性樹脂１８０によって、その異物が集積回路素子１５０の接続端子１５１間に付着することを抑えることになるので、集積回路素子１５０の接続端子１５１間の短絡を低減することができる。

【0067】

尚、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。上記実施形態では、第二枠体１１０ｃが基板１１０ａ及び第一枠体１１０ｂと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、第二枠体１１０ｃが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

【符号の説明】

【0068】

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・第一枠体
１１０ｃ・・・第二枠体
１１０ｄ・・・第三枠体
１１１・・・電極パッド
１１２・・・外部端子
１１３・・・配線パターン
１１４・・・ビア導体
１１５・・・接続パッド
１１７・・・封止用導体パターン
１１８・・・測定パッド
１２０・・・音叉型水晶素子
１２１・・・水晶基部
１２２・・・振動腕部
１２３・・・水晶振動部
１２５、１２６・・・励振電極
１２７・・・引き出し電極
１２８・・・錘部
１２９・・・周波数調整電極
１３０・・・蓋体
１３１・・・接合部材
１４０・・・導電性接着剤
１５０・・・集積回路素子
１５１・・・接続端子
１７０・・・絶縁性接合材
１８０・・・絶縁性樹脂
Ｋ１・・・第一凹部
Ｋ２・・・第二凹部
Ｋ３・・・第三凹部
Ｋ４・・・第四凹部
Ｋ５・・・第五凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】