JP2014030128A - Piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric device used in electronic equipment and the like.
従来、携帯電話機などの電子機器には、基準信号源またはクロック信号源などの信号源が搭載されており、かかる信号源として、圧電デバイスが知られている。圧電デバイスにおいては、従来、外部に設けられていたサーミスタ素子を圧電振動子が搭載されている素子搭載用部材に搭載して、圧電振動子の実際の温度とサーミスタ素子によって測定される温度との差異を低減し、発振周波数の変動を低減させることが考えられている。 Conventionally, a signal source such as a reference signal source or a clock signal source is mounted on an electronic device such as a cellular phone, and a piezoelectric device is known as such a signal source. In a piezoelectric device, a conventional thermistor element is mounted on an element mounting member on which a piezoelectric vibrator is mounted, and the actual temperature of the piezoelectric vibrator and the temperature measured by the thermistor element are It is considered to reduce the difference and reduce the fluctuation of the oscillation frequency.
サーミスタ素子は、温度変化に応じて抵抗値が変化して、抵抗値が変わることで電流値が変化するものであり、その温度での電流値が、外部接続用電極端子を介して圧電デバイスの外部へ出力される。この出力された電流値の変化から電圧が変化するため、電圧と温度との関係により、出力された電流値を電圧に換算することで、そのときの電圧から温度情報を得ることができる。例えば、電圧から温度情報への換算は、外部の電子機器等の集積回路素子内で得ることができる。また、外部接続用電極端子は、一対の圧電素子用電極端子と一対のサーミスタ素子用電極端子により構成されている。 A thermistor element has a resistance value that changes in response to a temperature change, and a current value that changes as the resistance value changes, and the current value at that temperature passes through an external connection electrode terminal of the piezoelectric device. Output to the outside. Since the voltage changes from the change in the output current value, the temperature information can be obtained from the voltage at that time by converting the output current value into a voltage according to the relationship between the voltage and the temperature. For example, conversion from voltage to temperature information can be obtained in an integrated circuit element such as an external electronic device. In addition, the external connection electrode terminal includes a pair of piezoelectric element electrode terminals and a pair of thermistor element electrode terminals.
しかしながら、従来、サーミスタ素子が実装された圧電デバイスにおける温度特性を測定するためには、圧電デバイスの温度を上昇させる必要があったため、圧電デバイスの外部に設けられた発熱源(例えば、パワーアンプ等)を置く必要があった。また、従来の圧電デバイスは、外部に発熱源があるために圧電デバイスの内部の温度を上昇させるためには、大きな発熱量が必要となり効率が悪かった。なお、従来の圧電デバイスは、外部に発熱源があるために、圧電デバイスの内部の温度上昇に時間がかかっていた。 However, conventionally, in order to measure the temperature characteristics of a piezoelectric device on which a thermistor element is mounted, it has been necessary to raise the temperature of the piezoelectric device, so a heat source (for example, a power amplifier) provided outside the piezoelectric device is required. ) Was necessary. In addition, since the conventional piezoelectric device has a heat source outside, a large amount of heat generation is required to raise the temperature inside the piezoelectric device, and the efficiency is poor. In addition, since the conventional piezoelectric device has a heat source outside, it takes time to increase the temperature inside the piezoelectric device.
本発明の一つの態様による圧電デバイスは、基板部を含む素子搭載用部材と、基板部に搭載されたサーミスタ素子と、基板部に搭載された圧電素子と、素子搭載用部材に設けられた加熱用抵抗とを含んでいる。 A piezoelectric device according to one aspect of the present invention includes an element mounting member including a substrate portion, a thermistor element mounted on the substrate portion, a piezoelectric element mounted on the substrate portion, and a heating provided on the element mounting member. Includes resistance.
本発明の一つの態様による圧電デバイスは、素子搭載用部材に設けられた加熱用抵抗を含んでいることによって、加熱用抵抗が圧電デバイスの内部で発熱するため、圧電デバイスの外部に発熱源が有る場合に比べて、圧電デバイスの内部の温度上昇に必要な発熱量を低減させることができる。また、圧電デバイスの内部に発熱源があるため、圧電デバイスの温度の上昇を比較的短時間で行うことができる。 The piezoelectric device according to one aspect of the present invention includes a heating resistor provided on the element mounting member, so that the heating resistor generates heat inside the piezoelectric device. Compared with the case where it exists, the emitted-heat amount required for the temperature rise inside a piezoelectric device can be reduced. In addition, since there is a heat source inside the piezoelectric device, the temperature of the piezoelectric device can be increased in a relatively short time.
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図3に示されているように、本発明の実施形態における圧電デバイス100は、素子搭載用部材110と、素子搭載用部材110に搭載されたサーミスタ素子120および圧電素子130と、素子搭載用部材110に設けられた加熱用抵抗122とを含んでいる。なお、図1は、図3に示されている圧電デバイス100のA―Aにおける断面図を示している。なお、本実施形態において、図2に示されているように、素子搭載基板110に、サーミスタ素子120と加熱用抵抗122が搭載されていない状態を圧電振動子101という。
1 to 3, a
素子搭載用部材110は、基板部111aと基板部111aの上面に設けられた第1の枠部111bと基板部111aの下面に設けられた第2の枠部111cとからなる絶縁基体111とを含んでいる。基板部111aの上面には、一対のサーミスタ素子搭載パッド113、一対の加熱用抵抗搭載パッド114、一対のサーミスタ素子接続配線118および一対の加熱用抵抗接続配線119が設けられている。また、基板部111aの下面には、圧電素子搭載パッド112が設けられている。
The
なお、図2において、一対のサーミスタ素子搭載パッド113は、符号113の後にアルファベットを付して113a、113bとして示されている。以下、第1のサーミスタ素子搭載パッド113aおよび第2のサーミスタ素子搭載パッド113bという場合もある。
In FIG. 2, the pair of thermistor
また、一対の加熱用抵抗搭載パッド114は、符号114の後にアルファベットを付して114a、114bとして示されている。以下、第1の加熱用抵抗搭載パッド114aおよび第2の加熱用抵抗搭載パッド114bという場合もある。
The pair of heating
一対のサーミスタ素子接続配線118および一対の加熱用抵抗接続配線119についても、符号の後にアルファベットを付して示されている。
The pair of thermistor
第1の枠部111bには、複数のビア導体115と、複数の外部端子116と、電圧印加用端子117が設けられている。ここで、素子搭載用部材110の上面の凹部を上側凹部K1、下面の凹部を下側凹部K2とする。なお、本実施形態において上方向とは、紙面の上方向のことをいう。
The
複数のビア導体115は、第1の枠部111bの内部に設けられており、符号115の後にアルファベットのa〜eを付して115a〜115eとして示されている。複数のビア導体115a〜115eは、例えば、圧電素子接続用ビア導体115aおよび115b、グランド接続用ビア導体115c、サーミスタ素子接続用ビア導体115dおよび加熱用抵抗接続用ビア導体115eである。
The plurality of
また、図2において、外部端子116は、第1の枠部111bの上面の四隅部に配置されており、符号116の後にアルファベットのa〜dを付して116a〜116dとして示されている。複数の外部端子116a〜116dは、例えば、圧電素子用外部端子116aおよび116b、グランド用外部端子116cおよび温度センサ用外部端子116dである。尚、圧電素子用外部端子116aおよび116bは、第1の枠部111bの上面の対角の位置するように配置されている。
In FIG. 2, the
図2に示されているように、電圧印加用端子117は、例えば、第1の枠部111bの上面の長辺部分おいて、圧電素子用外部端子116aと外部接続用電極端子116dとの間に配置されている。
As shown in FIG. 2, the
また、図2において、1対のサーミスタ素子接続配線118は、基板部111aの上面に設けられている。1対のサーミスタ素子接続配線118は、例えば、第1のサーミスタ素子接続配線118aおよび第2のサーミスタ素子接続配線118bである。
In FIG. 2, the pair of thermistor
同様に、図2において、1対の加熱用抵抗接続配線119は、基板部111aの上面すなわちサーミスタ素子120が搭載された面に設けられている。1対の加熱用抵抗接続配線119は、例えば、第1の加熱用抵抗接続配線119aおよび第2の加熱用抵抗接続配線119bである。
Similarly, in FIG. 2, a pair of heating
基板部111aと第1の枠部111bと第2の枠部111cとは、例えば、アルミナセラミックスまたはガラス−セラミックス等のセラミック材料からなる。また、基板部111aは、例えば、図1および図2に示されているように、平面視において矩形状の平板状である。第1の枠部111bは、基板部111aの上面の縁部に沿って設けられている。また、第2の枠部111cは、基板部111aの下面の縁部に沿って設けられている。
The substrate portion 111a, the
第1のサーミスタ素子搭載パッド113aは、基板部111aの上面に設けられており、第1のサーミスタ素子接続配線118aを介して、サーミスタ素子接続用ビア導体115dに接続されている。また、第2のサーミスタ素子搭載パッド113bは、図2に示されているように、基板部111aの上面に設けられており、第2のサーミスタ素子接続配線118bを介して、グランド接続用ビア導体115cに接続されている。
The first thermistor element mounting pad 113a is provided on the upper surface of the substrate portion 111a, and is connected to the thermistor element connection via
第1の加熱用抵抗搭載パッド114aは、基板部111aの上面に設けられており、第1の加熱用抵抗接続配線119aを介して、加熱用抵抗接続用ビア導体115eに接続されている。また、第2の加熱用抵抗搭載パッド114bは、図2に示されているように、基板部111aの上面に設けられており、第2の加熱用抵抗接続配線119bを介して、グランド接続用ビア導体115cに接続されている。 The first heating resistance mounting pad 114a is provided on the upper surface of the substrate portion 111a, and is connected to the heating resistance connection via conductor 115e via the first heating resistance connection wiring 119a. Further, as shown in FIG. 2, the second heating resistance mounting pad 114b is provided on the upper surface of the substrate portion 111a, and is connected to the ground via the second heating resistance connection wiring 119b. The via conductor 115c is connected.
圧電素子接続用ビア導体115aは、一端が圧電素子用外部端子116aに接続され、他端が基板部111aの内層配線(図示せず)を介して下側凹部K2に収容された圧電素子130に電気的に接続されている。同様に、圧電素子接続用ビア導体115bは、一端が圧電素子用外部端子116bに接続され、他端が基板部111aの内層配線(図示せず)を介して下側凹部K2に収容された圧電素子130に電気的に接続されている。グランド接続用ビア導体115cは、一端がグランド用外部端子116cに接続され、他端が第2のサーミスタ素子接続配線118bと第2の加熱用抵抗接続配線119bに電気的に接続されている。サーミスタ素子接続用ビア導体115dは、一端が外部接続用電極端子116dに接続され、他端が第1のサーミスタ素子接続配線118aに電気的に接続されている。加熱用抵抗接続用ビア導体115eは、一端が電圧印加用端子117に接続され、他端が第1の加熱用抵抗接続配線119aに電気的に接続されている。
One end of the piezoelectric element connecting via conductor 115a is connected to the piezoelectric element external terminal 116a, and the other end is connected to the
圧電素子用外部端子116aおよび116bは、圧電振動子101の発振周波数が出力される端子である。グランド用外部端子116cは、外部の接地電位に接続される端子である。外部接続用電極端子116dは、外部の電子機器等の集積回路素子等に接続される端子である。外部の電子機器等の集積回路素子は、サーミスタ素子120の抵抗値が変わることによる電流値の変化を電圧に換算することで、温度情報を得ることができる。また、電圧印加用端子117は、加熱用抵抗122を加熱するための電圧が印加される端子である。
The piezoelectric element external terminals 116 a and 116 b are terminals to which the oscillation frequency of the
図3に示されているように、サーミスタ素子120は、基板部111aの上面に導電性接合材125を介して、一端が第1のサーミスタ素子搭載パッド113aに接続され、他端が第2のサーミスタ素子搭載パッド113bに接続されている。
As shown in FIG. 3, the
加熱用抵抗122は、基板部111aの上面に導電性接合材125を介して、一端が第1の加熱用抵抗搭載パッド114aに接続され、他端が第2の加熱用抵抗搭載パッド114bに接続されている。なお、図3に示されているように、サーミスタ素子120と加熱用抵抗122は、基板部111aの上面に近接して並んで配置されている。
The
圧電素子130は、下側凹部K2内に設けられており、基板部111aの下面に設けられた圧電素子搭載パッド112と接続されている。圧電素子130は、圧電素子搭載パッド112、基板部111aの内層配線(図示せず)、第1の枠部111bの圧電素子接続用ビア導体115aおよび115bを介して、第1の枠部111bの上面の圧電素子用外部端子116aおよび116bに電気的に接続されている。圧電素子130は、所定の結晶軸でカットされた圧電素板と、圧電素板に形成された接続用電極および励振用電極とを含んでいる。圧電素子130は、接続用電極および励振用電極を介して外部からの変動電圧が圧電素板に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。なお、圧電素板としては、例えばATカットの水晶が用いられる。また、圧電素子130が収容されている素子搭載用部材110の下側凹部K2は、蓋部材140によって気密封止されている。
The
ここで、図4、図5に示されている電圧印加用端子117に印可される電圧(V)と、個々の圧電振動子101の周波数変化量(ppm)の関係から、個々の圧電振動子101を温度補償する方法について説明する。
Here, from the relationship between the voltage (V) applied to the
図4は、縦軸が加熱用抵抗122の温度(℃)、横軸が電圧印加用端子117に印可される電圧(V)である。また、図5は、縦軸が圧電振動子101の周波数変化量(ppm)、横軸が加熱用抵抗122の抵抗値から換算した温度(℃)である。
In FIG. 4, the vertical axis represents the temperature (° C.) of the
図4は、圧電デバイス100の電圧印可用端子117に電圧(V)を印加して、加熱用抵抗122を加熱した際の、サーミスタ素子120の抵抗値の変化を温度(℃)に換算したグラフである。即ち、図4のグラフは、電圧印可用端子117に電圧を印加することで、加熱用抵抗122を加熱し、その時のサーミスタ素子120の抵抗値が変わることによる電流値の変化を外部接続用電極端子116dから、外部の電子機器等の集積回路素子に入力し、外部の集積回路素子で温度情報に換算された値を読みとって求めたものである。
FIG. 4 is a graph in which a change in resistance value of the
また、図5は、個々の圧電振動子101の周波数温度特性をプロットしたものである。図5のグラフは、25℃を基準として高温側と低温側で周波数変化量の異なる3個の圧電振動子101の周波数温度特性を示している。尚、図5のグラフは、実線が高温側(45℃)で周波数変化量が大きい圧電振動子101であり、一点鎖線が高温側(45℃)で周波数変化量が小さい圧電振動子101であり、点線が両者の中間的な周波数変化量の圧電振動子101である。
FIG. 5 is a plot of frequency temperature characteristics of each
このようにして、本実施形態における圧電デバイス100は、図4のグラフにおいて、例えば、加熱用抵抗122に印加される電圧を2Vとすると、サーミスタ素子120の抵抗値から換算される温度が45℃となる。この関係を図5のグラフから、3個の圧電振動子101の45℃の周波数変化量を読みとることで、個々の圧電振動子101の温度補償量を決定できる。尚、図4のグラフにおいては、加熱用抵抗122に印可される電圧を2Vの1ポイントのみとしているが、例えば1V、2V、3Vの複数のポイントの温度を読みとってもよい。これにより、個々の圧電振動子101の温度補償精度を向上させることができる。
Thus, in the
例えば、図4のグラフより、電圧印加用端子117に印可される電圧(V)が2Vの場合は、サーミスタ素子120の抵抗値を、温度(℃)に換算した値が45℃となる。これを図5のグラフの横軸の45℃のライン(図5の点線)から、個々の圧電振動子101の周波数変化量を求めると、実線が−8.0ppm、点線が−5.5ppm、一点鎖線が−2.0ppmである。
For example, from the graph of FIG. 4, when the voltage (V) applied to the
ここで、個々の圧電振動子101の温度補償量は、例えば、図5に示されているように、45℃の周波数変化量から、個々の圧電振動子101の周波数温度特性を予測することで決定できる。即ち、個々の圧電振動子101の温度補償量は、個々の圧電振動子101の45℃の周波数変化量を、事前に求めておいた温度補償曲線で温度補償することで求められる。尚、温度補償曲線は、外部の電子機器等の集積回路素子のメモリ内に格納されている。
Here, the temperature compensation amount of each
以上のように、本実施形態の圧電デバイス100においては、素子搭載用部材110に設けられた加熱用抵抗122を備えていることから、加熱用抵抗122が圧電振動子101の内部で発熱するため、圧電振動子101の温度上昇に掛る発熱量を外部に発熱源が有る場合に比べ小さくできる。また、圧電デバイス100の内部に発熱源があるため、圧電振動子101の温度上昇が短時間で行え、温度補償に掛る時間を短縮できる。
As described above, since the
また、本実施形態の圧電デバイス100においては、加熱用抵抗122が、基板部111aの内部に設けられていても構わない。これにより、上側凹部K1に収容されたサーミスタ素子120と下側凹部K2に収容された圧電素子130との温度上昇を近づけることができるので、温度補償精度を向上させることができる。
In the
また、本実施形態の圧電デバイス100においては、加熱用抵抗122が、基板部111aのサーミスタ素子120が搭載された面に設けられていることで、サーミスタ素子120と近接して並んで配置されることになり、加熱用抵抗122の温度上昇をサーミスタ素子120で検知しやすくなり、サーミスタ素子120の温度上昇が短時間で行え、温度補償に掛る時間を短縮できる。
Further, in the
なお、上述の実施形態において、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。例えば、上述の実施形態において圧電デバイス100の下側凹部K2に搭載される圧電素板としてATカットの圧電素子130を示したが、これに限定することなく、例えば音叉型振動素子または弾性表面波素子を用いても構わない。
In the above-described embodiment, various changes and improvements can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the AT-cut
100・・・圧電デバイス
101・・・圧電振動子
110・・・素子搭載用部材
111・・・絶縁基体
111a・・・基板部
111b・・・第1の枠部
111c・・・第2の枠部
112・・・圧電素子搭載パッド
113・・・サーミスタ素子搭載パッド
113a・・・第1のサーミスタ素子搭載パッド
113b・・・第2のサーミスタ素子搭載パッド
114・・・加熱用抵抗搭載パッド
114a・・・第1の加熱用抵抗搭載パッド
114b・・・第2の加熱用抵抗搭載パッド
115・・・ビア導体
115a・・・圧電素子接続用ビア導体
115b・・・圧電素子接続用ビア導体
115c・・・グランド接続用ビア導体
115d・・・サーミスタ素子接続用ビア導体
115e・・・加熱用抵抗接続用ビア導体
116・・・外部端子
116a・・・圧電素子用外部端子
116b・・・圧電素子用外部端子
116c・・・グランド用外部端子
116d・・・外部接続用電極端子
117・・・電圧印加用端子
118・・・サーミスタ素子接続配線
118a・・・第1のサーミスタ素子接続配線
118b・・・第2のサーミスタ素子接続配線
119・・・加熱用抵抗接続配線
119a・・・第1の加熱用抵抗接続配線
119b・・・第2の加熱用抵抗接続配線
120・・・サーミスタ素子
122・・・加熱用抵抗
125・・・導電性接合材
130・・・圧電素子
140・・・蓋部材
K1・・・上側凹部
K2・・・下側凹部
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