JPH11284485A

JPH11284485A - 圧電振動子

Info

Publication number: JPH11284485A
Application number: JP10348698A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Komatsu; 聡小松; Tomonori Kuratomi; 智規倉富; Masahiro Matsui; 昌弘松井; Toshiya Hayashi; 俊哉林
Original assignee: Miyota KK; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Miyota KK; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 1999-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的高温の環境において、水晶振動体の支
持に用いたハンダ材の励振電極への拡散を極めて減少さ
せ、実用上なくすことのできる電極構造および支持構造
を提供すること。【解決手段】矩形板状振動子１の各主面に設けた２つ
の励振電極膜２、３のそれぞれより引出電極２１、２３
を導出し、該引出電極２１、２３はいずれも矩形板の側
面および／または端面を迂回させてその先端部に接続用
パターン２４、３４を設け、該接続用パターン２４、３
４を当該引出電極が引出された励振電極がある主面と反
対側の主面における、矩形板のほぼ隅部に位置させ、前
記接続用パターン２４、３４において端子導体５１、５
２とハンダ付けした圧電振動子。あるいは引出電極の少
なくとも一方をハンダバリヤ材で覆った圧電振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水晶振動子の構造に
関する。更に詳しくは、ハンダで支持される水晶振動子
において、ハンダの拡散を防止するための、振動子の支
持構造を含めた電極の形状・構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電振動子、殊に水晶振動子、その中で
もＡＴカット厚みすべり水晶振動子は周波数の安定性が
高く比較的安価な発振源として広範な用途を有する。例
えばビデオカメラ、カーチューナー、携帯電話、パソコ
ンその他電子機器の基準信号源として使用される。それ
らの水晶振動子は普通は常温で使用されるが、中には長
時間にわたって高い温度環境の中で用いられる場合があ
る。

【０００３】従来広く用いられている水晶振動子の容器
内部の構造の例を図４（ａ）に示す。１は水晶片で、例
えば矩形状のＡＴカット水晶板である。その正面（表
面）に当る主面の中央部には表側の励振電極２があり、
それから引出電極２１が導出され、その先端部は膨大形
状の接続用パターン２４となっている。これらの電極は
膜状で例えばＡｇをマスク蒸着して一時に形成される。
５は気密端子であり、内部の絶縁ガラス部を貫通する２
本のリード線のうちリード線５１と接続用パターン２４
の表面とがハンダ付けされる。即ち、水晶片１の支持と
外部への電気的接続を兼ねる手段がハンダ４である。ハ
ンダ材が盛られる部分を斜線でハッチングして示す。
（他の各図でも同様とする。）

【０００４】水晶振動子は水晶片１の中心を通る鉛直軸
（図示せず）に関して全く軸対称な構造をしていて電極
形状も全く同形である。従って該鉛直軸に関して１８０
°回転して得られる背面図は（ａ）と全く同一となる。
改めて図示しないが、背面（裏面）に当たる主面に設け
られた裏側の励振電極３より引き出される裏側の引出電
極３１の先端の接続用パターン３４は他方のリード線５
２とハンダ付けされている。なお引出電極２１や接続用
パターン２４が矩形板状水晶片１の上下に設けてあるの
は水晶片１のマウントの際、上下の判別を不要化するた
めの周知技術である。

【０００５】また図４において引出電極２１が屈曲し、
かつ長くされているのは、（ｂ）に示すように、接続用
パターン２４に盛られたハンダ材４が水晶片１のマウン
ト時に溶融し、引出電極２１上を流れて励振電極２まで
到達するのを、道のりを長くして防止するためである。
〔なお（ｂ）は後述のようにハンダ材の拡散過程を示す
図であるが、溶融ハンダの場合も量が多すぎると同様な
経路でＡ付近まで流れてしまうことがある。〕励振電極
のある部分は水晶片１の振幅が大きいので、内部摩擦の
大きい材料であるハンダがその部分または近くにあると
共振周波数あるいはＱ値に悪影響を及ぼすからである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】マウント時のハンダ流
れは上記従来構造でほぼ防止できるが、他の問題点があ
る。それは高温環境下で使用した場合のハンダ材の拡散
現象である。高温環境テストとして例えば１２５°Ｃ、
１０００時間の耐熱試験を行う。ハンダ材４を構成する
ＰｂとＳｎのうち、まずＰｂが電極膜であるＡｇの表面
を拡散する速度が速く、図４（ｂ）の矢印のように引出
電極２１上を進んで励振電極２に達し、拡散前線は時間
と共にＡ→Ｂ→Ｃのように移行して、上記温度・時間条
件では励振電極上をほぼ１００％覆ってしまう。

【０００７】ただし拡散するＰｂの総質量は比較的少な
く、例えば共振周波数２０ＭＨｚの水晶片１の場合数ｐ
ｐｍの変化しかもたらさない。故に一般品仕様のたとえ
ば±５０ｐｐｍではほとんど差し支えないとしても、中
程度（例えば±２０ｐｐｍ）や更に高精度を要求される
製品では不良になる可能性が大きい。

【０００８】次にＳｎがＡｇ膜中を粒界拡散する現象が
ある。これは拡散速度が遅いので、上記条件では拡散前
線が励振電極にまで達する場合は少ない。しかしＡｇ膜
の状態によっては励振電極面積の数％にまで拡散が進む
ことがある。しかし拡散の総質量は大きく、励振電極に
達した場合の周波数シフトは２０ＭＨｚの水晶振動子で
数１０〜数１００ｐｐｍにも達することがある。

【０００９】また水晶片１のハンダマウント時のハンダ
流れの防止も従来例で１００％万全ではなく、ハンダ流
れが励振電極にまでは達しないとしても、総量は大きい
ので、ハンダ材の供給量や加熱条件のバラツキによって
は影響が出る。例えばスプリアス振動の周波数が移動し
主振動とのカップリングが生じて、製品の周波数温度特
性のジャンプ、ＣＩ値の増大、低ドライブレベルにおけ
る動作不良等の不都合な現象を誘発することがある。

【００１０】水晶片のマウントにハンダを用いず、導電
性接着剤で接続することも従来技術の一つであり、これ
を採用すれば高温でのハンダ拡散の問題はなくなるが、
組立工数がハンダマウントよりも増えること、また接着
面積を一定に抑えて歩留りや特性を安定させることが難
しいので、接着マウントよりは、拡散問題を解決した上
でハンダマウントを採用する方がコスト上望ましい。

【００１１】なお本発明に類似していると思われる他の
従来構造の例を紹介しておく。図５において（ａ）は特
開平４−３６１１号公報に開示されている第２の従来例
の水晶振動子（封止管取付け前）の正面図、（ｂ）はそ
の背面図、（ｃ）は実開平４−３６３２９号公報に開示
されている第３の従来例の水晶振動子（封止管取付け
前）の正面図、（ｄ）はその背面図である。

【００１２】第２の従来例を示す図５（ａ）、（ｂ）に
おいては、水晶片１の各板面（主面）の励振電極２、３
からの引出電極２１、３１は水晶片１の上下の端面を迂
回し、励振電極のある主面の反対側（裏側）の面に達し
て終わっている。端面迂回部２３、３３を明示するため
電極膜厚は誇張して描いてある。これらに対してリード
線５１、５２が接続される。

【００１３】本従来例は両リード線が水晶片１の同じ側
の主面に位置している構造であるため、リード線５２の
接続用パターン３４と励振電極３との間の引出電極３１
の距離は端面迂回部３３を経由するので遠いが、リード
線５１の接続用パターン２４は端面迂回部２４の手前に
あり励振電極２との間の引出電極２１の長さは極めて短
いので、この振動子構造においてハンダ付けを行った場
合にはハンダ材の移動あるいは拡散の問題を免れること
はできない。なお本従来例を開示した上記文献には「導
電性ペーストを塗布して導通をとる」と記載されてい
る。

【００１４】第３の従来例を示す図５（ｃ）、（ｄ）に
おいては、水晶片１の各板面の励振電極２、３からの引
出電極２１、３１は水晶片１の側面を迂回し、励振電極
のある主面の反対側（裏側）の面に達して終わってい
る。迂回部を明示するため、電極膜厚は誇張して描いて
ある。これらに対してリード線５１、５２が接続され
る。

【００１５】本例も両リード線が水晶片１の同じ側の主
面に位置している構造であるため、リード線５２の接合
部３４と励振電極３との間の引出電極３１の経路は側面
迂回部３２を経由するので遠いが、リード線５１の接続
用パターン２４は側面迂回部２２の手前になるので励振
電極２との間の引出電極２１の距離は極めて短く、ハン
ダ付け接続を行った場合にはやはりハンダ材の流れや拡
散の問題を免れることはできない。

【００１６】上記所見に鑑み本発明においては、ハンダ
マウント時の流れ防止はもとより、高温環境におけるハ
ンダ材の拡散を実用上問題にならない程度に遅くした圧
電振動子の構造を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】その目的のため、本発明
の圧電振動子は次の特徴を有する。（１）矩形板状振動子の各主面に設けた２つの励振電極
膜のそれぞれより引出電極を導出し、該引出電極はいず
れも矩形板の側面および／または端面を迂回させて前記
引出電極の先端部に接続用パターンを設け、該接続用パ
ターンを当該引出電極が引出された励振電極がある主面
と反対側の主面における、矩形板のほぼ隅部に位置さ
せ、前記各接続用パターンにおいて端子導体とハンダ付
けしたこと。

【００１８】（２）あるいは更に前記各引出電極の一部
はハンダに濡れ難い材料の膜で覆われていること。

【００１９】（３）矩形板状振動子の各主面に設けた２
つの励振電極膜のそれぞれより引出電極を導出し、前記
水晶振動子の端面側に、前記引出電極の先端に形成した
接続用パターンを設けると共に、前記引出電極はハンダ
に濡れ難い材料の膜で覆われていること。

【００２０】（４）前記引出電極は分断されており、該
分断した部分は導電性がありかつハンダに濡れ難い材料
の膜で接続されていること。

【００２１】（５）前記ハンダに濡れ難い材料の膜は２
つの引出電極の双方に設け、かつ前記圧電振動子の一つ
の主面のみに集中させて設けたこと。

【００２２】（６）前記引出電極は主としてＡｇより成
り、前記ハンダに濡れ難い導電性材料の膜はＣｒまたは
Ｔｉより成ること。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１、図２に本発明の実施の形態
の一例を示す。本発明の実施例と従来例とにおいて対応
する部分は共通の記号を当て、特に新たな説明はしな
い。図１（ａ）〜（ｄ）は本実施の形態に使用する電極
付き水晶片を示し、（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図
および上・下面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は背面図
である。また図２（ａ）は本実施の形態の水晶振動子の
部分正面図（封止管を取り除いた状態）、（ｂ）はその
Ｘ−Ｘ断面図である。各電極の膜厚は誇張して描いてあ
る。なお図１（ｅ）は本実施の形態の変形例の正面図の
部分拡大図である。

【００２４】図１（ａ）〜（ｄ）および図２（ａ）、
（ｂ）において、表励振電極２の引出電極２１は側面迂
回部２２および端面迂回部２３の双方を経由して、反対
側（励振電極２を設けた主面の裏側）の主面の隅部に設
けた接続用パターン２４に接続されている。励振電極３
についても同様で、反対側の主面の隅部の接続用パター
ン３４に接続されている。接続用パターン２４、３４は
図２のように水晶振動子の端子導体であるリード線５
１、５２とハンダ材４によって、水晶片１の互いに反対
側の面で接続支持されている。６は水晶片１を気密に保
つ封止管で、想像線で描かれている。

【００２５】この構成におけるＡｇ膜に沿ったＰｂの表
面拡散、Ｓｎの粒界拡散を考えてみると、いずれも３つ
の直交平面を経由しての拡散になるので、図４に示す従
来例における同一平面内での拡散よりは格段に速度が遅
くなる。また引出電極の形状も、図１（ｂ）、（ｄ）の
ように水晶片１の端面に極力近づけてから側面迂回部、
端面迂回部につなげる形状とし、経路を長くする工夫を
して拡散を更に遅くさせるようにしている。勿論溶融ハ
ンダの流れ防止の効果も高い。また拡散の経路・条件は
他の従来例のように２つの接続部で異なることがなく、
同一となる。

【００２６】なお電極膜の迂回部を水晶片１の側面と端
面との双方に設けたのは、側面や端面の電極膜は、励振
電極を形成するのと同じ蒸着マスクを用いた同時形成法
では、斜め方向からの蒸着で形成されることになり膜厚
が比較的薄くなるので、側面や端面あるいは面が交わる
陵の部分での接続をより確実にするためである。

【００２７】この本発明の実施の形態による実験の結
果、前述の１２５°Ｃ、１０００時間程度の耐熱試験に
ついては実用的に全く問題がないことが確認された。し
かしもしその１０倍もの時間をかけねばならぬような環
境条件を考えるとまだ不足がある。その対策として図１
（ｅ）に示す変形例について述べる。

【００２８】図１（ｅ）に示す変形例は、引出電極２１
の一部を、ハンダに濡れ性の良くないＣｒやＴｉのよう
な金属材料を部分的に蒸着し、ハンダバリヤー膜２５
（ハンダ４と異なる方向の斜線のハッチングと枠とで示
す。他の各図でも同様とする）で覆った構造である。バ
リヤー材料は蒸着後加熱してＡｇ内部に拡散させる。図
示しない反対側の主面における引出電極３１についても
同様な構造とする。

【００２９】ハンダバリヤー膜２５は単に引出電極上に
付加するだけでも効果があり、Ｃｒの場合膜厚１００Ａ
（オングストローム）以上なら拡散ストッパー効果があ
り、１０００Ａ以上になればその効果はほぼ飽和して変
化がなくなることがわかった。なお電極の主材料である
Ａｇはその下地に薄いＣｒ層を有するが、これはＡｇと
同じマスクのまま同時蒸着されるものなので本発明のハ
ンダバリヤー膜ではない。

【００３０】なおこの追加の膜付けは、治具に多数整列
済みの水晶片に対して、励振電極の多数個同時蒸着用の
マスクを、ハンダバリヤー膜部に穴をあけたマスクに交
換する（あるいは後者のマスクを単に重ねる）だけでよ
いので、作業工数の増加は少なくてすむ。なお、図示の
位置にスリット２６を設けて引出電極を分断し、それを
跨ぐハンダバリヤー膜の導電性を利用して電気的接続を
果たすようにすれば拡散防止については更に完璧とな
る。

【００３１】次に本発明の他の実施の形態について、図
３の各図を用いて説明する。（ａ）は第２の実施の形態
の正面図、（ｂ）はその背面図、（ｃ）は第２の実施の
形態の変形例の正面図、（ｄ）はその背面図である。第
２の実施の形態は、Ｃｒ等のハンダバリヤー膜の形成方
法の合理化を図るもので、図１（ｅ）の例ではハンダバ
リヤー膜を水晶片の両面に蒸着形成せねばならなかった
が、それを片側の主面のみに行うことによって、一層の
工数低減を目指す構成である。

【００３２】そのための構成は、背面側の引出電極３１
の一部を正面側の主面にも引回し、水晶片１の正面側に
おいて、正面側の引出電極２１と前記引回し部とのそれ
ぞれの上に別個に穴をあけた蒸着マスク１枚を置いて、
同時に２か所（図示のような上下対称パターンの引出線
の場合は４か所）のハンダバリヤー膜を形成させるもの
である。背面にはバリヤー膜は設けない。

【００３３】図３（ａ）、（ｂ）の形状では接続用パタ
ーンからハンダバリヤー膜までの距離がほぼ等しく、ハ
ンダの拡散の均等性については望ましいが、（ｃ）、
（ｄ）の形状ではその距離が不等になる。しかしその一
方で（ａ）、（ｂ）の電極パターンでは正面図と背面図
が異なるので製造工程上水晶片１の表裏判別を必要とす
るが、（ｃ）、（ｄ）の電極パターンであると正面図と
背面図が同一であるためその判別の必要がないという利
点がある。

【００３４】次に本発明の更に他の、第３の実施の形態
について説明する。それは図４や図５のような従来型の
電極にハンダバリヤー膜を適用することである。すなわ
ち例えば図５の従来例に適用する場合を同図により説明
すると、（ａ）、（ｂ）または（ｃ）、（ｄ）の各例に
おいては、ハンダ材４の盛られる接続用パターン２４、
３４が双方とも水晶片１の一方の主面側にあるので、結
果として一方の引出極は長く、他方の引出電極は短くな
る。

【００３５】そこで少なくともその短い方の（好ましく
は長い方も）引出電極の一部または全部をハンダバリヤ
ー膜で覆うことにより、ハンダ材の拡散を効果的に防止
することができる。もちろんハンダバリヤー膜で覆われ
た部分の引出電極を図１（ｅ）のように分断してもよ
い。

【００３６】また更にこの第３の実施の形態の変形例と
して、長くなる方の引出電極の引回し部を図３（ａ）、
（ｃ）の引出電極３１のように接続用パターン３４と同
じ主面に設けてその部分にハンダバリヤー膜３５を施す
ようにすれば、それは短い方の引出電極に施すハンダバ
リヤー膜（図示せず）と同じ主面に設けることができて
２つ（上下対称パターンなら４つ）のハンダバリヤー膜
を水晶片１の片面のみに集中させることができる。しか
もこの場合は接続用パターンからハンダバリヤー膜まで
の距離をほぼ等しくすることも容易である。

【００３７】

【発明の効果】本発明においては、励振電極の引出電極
を迂回させて他の主面において接続導体とハンダ付けす
る構成としたので、溶融ハンダの流れ防止はもとより、
ハンダを構成する材料の拡散速度を十分に遅らせること
ができるので、水晶振動子（より一般的には圧電性結晶
よりなる圧電振動子）の耐高温環境性を高める（長時間
高温下での特性変化を防止する）効果がある。

【００３８】またハンダの拡散経路上の電極膜をハンダ
バリヤー膜で覆うことにより、あるいはハンダバリヤー
膜で覆われた電極膜を更に分断することにより、一層そ
の効果が高まる。またハンダバリヤー膜を適用すれば、
ハンダの拡散の恐れなく水晶片１の片側でのハンダ付け
支持構造を採用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施の形態に
おける水晶片の電極構造を示し、（ａ）は左側面図、
（ｂ）は正面図および上下面図、（ｃ）は右側面図、
（ｄ）は背面図である。（ｅ）は第１の実施の形態の変
形例の水晶片の電極構造の要部拡大図である。

【図２】（ａ）は本発明の第１の実施の形態における水
晶振動子の内部構造を示す部分正面図、（ｂ）はそのＸ
−Ｘ断面図である。

【図３】（ａ）は本発明の第２の実施の形態における水
晶片の正面図、（ｂ）はその背面図、（ｃ）は第２の実
施の形態の変形例における水晶片の正面図、（ｄ）はそ
の背面図である。

【図４】第１の従来例の水晶振動子の内部構造を示す図
で、（ａ）は正面図、（ｂ）はハンダ材の拡散過程の説
明図である。

【図５】他の従来例の水晶振動子の内部構造を示す図
で、（ａ）は第２の従来例の水晶振動子の正面図、
（ｂ）はその背面図、（ｃ）は第３の従来例の水晶振動
子の正面図、（ｄ）はその背面図である。

【符号の説明】

１水晶片２励振電極２１引出電極２２側面迂回部２３端面迂回部２４接続用パターン２５ハンダバリヤー膜２６スリット３励振電極３１引出電極３２側面迂回部３３端面迂回部３４接続用パターン３５ハンダバリヤー膜４ハンダ材５気密端子５１リード線５２リード線６封止管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井昌弘長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内 (72)発明者林俊哉長野県北佐久郡御代田町大字御代田4107番地５ミヨタ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】矩形板状振動子の各主面に設けた２つの
励振電極膜のそれぞれより引出電極を導出し、該引出電
極はいずれも矩形板の側面および／または端面を迂回さ
せて前記引出電極の先端部に接続用パターンを設け、該
接続用パターンを当該引出電極が引出された励振電極が
ある主面と反対側の主面における、矩形板のほぼ隅部に
位置させ、前記各接続用パターンにおいて端子導体とハ
ンダ付けしたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】前記各引出電極の一部はハンダに濡れ難
い材料の膜で覆われていることを特徴とする請求項１の
圧電振動子。
【請求項３】矩形板状振動子の各主面に設けた２つの
励振電極膜のそれぞれより引出電極を導出し、前記水晶
振動子の端面側に、前記引出電極の先端に形成した接続
用パターンを設けると共に、前記引出電極はハンダに濡
れ難い材料の膜で覆われていることを特徴とする圧電振
動子。
【請求項４】前記引出電極は分断されており、該分断
した部分は導電性がありかつハンダに濡れ難い材料の膜
で接続されていることを特徴とする請求項２あるいは３
の圧電振動子。
【請求項５】前記ハンダに濡れ難い材料の膜は２つの
引出電極の双方に設け、かつ前記圧電振動子の一つの主
面のみに集中させて設けたことを特徴とする請求項２な
いし４のいずれかの圧電振動子。
【請求項６】前記引出電極は主としてＡｇより成り、
前記ハンダに濡れ難い材料の膜はＣｒまたはＴｉより成
ることを特徴とする請求項２ないし５のいずれかの圧電
振動子。