JP2015076670A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高精度な温度補償を行なうことができる圧電デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】 水晶発振器１は、上方に開口した凹部９を有する容器２に、水晶振動片３とＩＣ４とを収容し、容器に蓋５を接合することによって凹部９を気密に封止した圧電発振器である。前記凹部９の内底面２１０にはＩＣ４が搭載され、段部８の上面の振動片搭載電極１０には水晶振動片３が接合される。これにより、ＩＣ４の上方に水晶振動片３の一対の振動腕３０，３０が位置する。そして、一対の振動腕３０，３０と、ＩＣ４の内部の温度センサ部４１とが平面視で近接した状態となっている。【選択図】 図１

Description

本発明は各種電子機器に用いられる圧電発振器に関する。

計時や時刻管理用の圧電発振器として、ＲＴＣ（リアルタイムクロックモジュール）が広く用いられている。ＲＴＣの一形態として、ＲＴＣ回路のＩＣと音叉型水晶振動片とをワンパッケージ化したモジュールタイプのものが普及している。このようなモジュールタイプのＲＴＣは、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００３−０３２０４２号

しかしながら特許文献１に示すＲＴＣにおいては、ＩＣと音叉型水晶振動片とは１つのパッケージ内で独立した別々の空間に気密封止されている。このため音叉型水晶振動片の温度変化にＩＣ内の温度センサが追従し難くなるため、高精度な周波数補償が困難になってくる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、より高精度な温度補償を行なうことができる圧電発振器を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、上方に開口した凹部を有する容器に、音叉型圧電振動片と集積回路素子とを収容し、容器に蓋を接合することによって前記凹部を気密に封止した圧電発振器であって、前記音叉型圧電振動片は、基部と、基部の一端側から同方向に伸長する一対の振動腕とを少なくとも有し、前記凹部には凹部の内底面から上方に突出した段部が設けられてなり、前記凹部の内底面に集積回路素子が搭載され、前記段部の上面に音叉型圧電振動片が接合されることにより、集積回路素子の上方に前記一対の振動腕が位置し、当該一対の振動腕と集積回路素子の内部の温度センサ部とが平面視で近接している。

上記発明によれば、集積回路素子の上方に音叉型圧電振動片の一対の振動腕が位置し、前記一対の振動腕と集積回路素子の内部の温度センサ部とが近接しているので、音叉型圧電振動片の温度変化に温度センサ部が追従し易くなる。これによって、より高精度な温度補償を行なうことができる。

また上記目的を達成するために、前記一対の振動腕の各先端側には当該振動腕の幅よりも幅広の領域である幅広部が設けられてなり、前記幅広部に対して振動腕の根元側には音叉型圧電振動片を屈曲振動させるための励振電極が形成された振動部が設けられ、前記振動部が、集積回路素子の内部の温度センサ部と平面視で近接していてもよい。

上記発明によれば、前記一対の振動腕の各先端側には、当該振動腕の幅よりも幅広の領域である幅広部が形成されることによって振動腕の先端部分の質量が増大するため、音叉型圧電振動片がより小型になった場合であっても低い発振周波数を得ることができる。前記振動部は音叉型圧電振動片を構成する部位のうち、熱による周波数変化の影響を受けやすい領域である。音叉型圧電振動片は小型化が進むにつれ、その熱容量が減少するため温度が変化しやすくなる。この温度変化によって周波数が変化しやすくなる。したがって本発明のように振動部が、集積回路素子の内部の温度センサ部と平面視で近接していることによって、熱による周波数変化の影響が抑制され、音叉型圧電振動片の温度変化に温度センサ部が追従し易くなる。これによって、より高精度な温度補償を行なうことができる。

以上のように、本発明によれば、より高精度な温度補償を行なうことができる圧電発振器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る水晶発振器の上面模式図 図１のＡ−Ａ線における断面模式図 図１のＢ部の拡大模式図 図３のＣ−Ｃ線における断面模式図 図３のＤ−Ｄ線における断面模式図

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。本実施形態では圧電発振器として、音叉型水晶振動片とＲＴＣ用ＩＣを用いたＲＴＣ（音叉型水晶発振器）を例に挙げて説明する。図１は本発明の実施形態に係る水晶発振器の上面模式図であり、説明の便宜上、凹部９を覆うための蓋が接合されていない状態を表している。図２は図１のＡ−Ａ線における断面模式図であり、蓋５が容器に接合された状態を表している。

本発明に係るＲＴＣ（以下、水晶発振器１と略記）は、容器２と、水晶振動片３と、集積回路素子（以下、ＩＣと略）４と、蓋５が主な構成部材となっている（図２参照）。本実施形態では水晶発振器１の出力周波数は３２．７６８ｋＨｚ、１０２４Ｈｚ、３２Ｈｚ、１Ｈｚとなっており、レジスタへの書き込みにより選択できるようになっている。

図１において容器２は上方に開口した凹部９を有する略直方体状の容器であり、絶縁性材料を基材として構成されている。具体的には容器２は４枚のセラミックグリーンシート（下層側から順に第１層２０、第２層２１、第３層２２、第４層２３）の積層体であり、焼成によって一体成形されている。そして図２に示すように、容器２の第４層２３の上面には枠状の金属製リング６が取り付けられている。この金属製リング６の上面には封止材７が周状に形成されており、容器２は封止材７を介して金属製の蓋５とシーム溶接法によって接合される。なお本実施形態では容器２と蓋５との接合は真空下で行われる。このように真空下で凹部９を気密封止することによって、凹部９内に不活性化ガス等の気体が充填された場合に比べて等価直列抵抗値を低下させることができる。

図１に示すように容器２は平面視では略矩形であり、その外形寸法は３．２ｍｍ×２．５ｍｍとなっている。凹部９も平面視略矩形となっており、凹部９の内部には内底面２１０から上方に突出した段部８が形成されている。この段部８は第３層２２の一部が凹部９内に露出したものであり、周状に形成されている。段部８の一端側８０（水晶振動片３の固定端側）は平面視矩形状の凹部９の一方の短辺に沿って形成され、当該短辺の中央部分が抉られた形状となっている。段部８の他端側８１（水晶振動片の自由端に近い側）は平面視矩形状の凹部９の他方の短辺に沿って形成されている。

段部８の一端側の上面８００には、音叉型水晶振動片と導電接合される２つの振動片搭載電極１０ａ，１０ｂが容器短辺方向に並列して形成されている。振動片搭載電極１０ａ，１０ｂは異なる面積で形成されており、振動片搭載電極１０ａの平面視の面積の方が、振動片搭載電極１０ｂの平面視の面積よりも大きくなっている。

振動片搭載電極１０ａ，１０ｂの互いに対向する辺の一部からは、互いに近接するように（２つの振動片搭載電極の間の隙間が狭くなるように）容器短辺方向に突出した突出部１０１ａ，１０１ｂが形成されている。このように２つの振動片搭載電極１０ａ，１０ｂの対向辺の容器長辺の中央に近い側を局所的に幅狭にすることによって、突出部と幅広の領域（振動片搭載電極の対向辺のうち突出部が形成されていない領域）との境界が略直角となる。当該直角部分を画像認識のポイントとして活用することにより、水晶振動片を容器へ位置決め搭載する際の画像認識の精度を向上させることができる。これにより、水晶発振器がより小型化になったとしても、容器への水晶振動片の位置決め搭載を高精度に行なうことができる。

振動片搭載電極１０ａ，１０ｂは、容器内部に設けられた内部配線（図示省略）とビア（図示省略）を介して、内底面２１０の複数の電極パッド（図示省略）の一部と、容器外底面２０１に設けられた外部接続端子（図示省略）の一部とに電気的に接続されている。本実施形態において外部接続端子は、平面視矩形状の容器外底面２０１の一組の２つの長辺に沿って互いに対向する位置に形成されている。具体的には１つの長辺につき４つの外部接続端子が整列して形成されており、全体では計８個の外部接続端子が形成されている。これらの外部接続端子は、ＯＥ（Ｏｕｔｐｕｔ Ｅｎａｂｌｅ）端子、入出力用端子、グランド端子、電源端子等となっている。

容器２の内底面２１０には、図示しない複数の電極パッドが露出した状態で形成されている。これら複数の電極パッドは、ＩＣ４の複数の機能端子とそれぞれ対応しており、当該電極パッドには所定形状の配線パターンが接続されている。前記複数の電極パッドと配線パターンとは容器の第２層２１の上面に形成されており、第３層２２が第２層２１上に積層されることにより、複数の電極パッドと配線パターンの一部とが凹部９内に露出するようになっている。なお本実施形態の説明において、以下、前記電極パッドおよび前記配線パターンとを含めて電極パターンと呼ぶ。前記電極パターンは容器内底面側から、タングステン、ニッケルメッキ、金メッキの順で積層された構成となっている。電極パターンは振動片搭載電極１０（１０ａ，１０ｂ）と一括同時に形成される。

前述の電極パターンは、容器の堤部（第３層２２と第４層２３とで構成される環状の土手部）の長辺部分の下には潜り込まない構成となっている。すなわち、電極パターンは容器長辺側の堤部と平面視で交差しない状態となっている。凹部９に露出している電極パターンのうち一部の電極パターンは、その一端側が前記電極パッドであり、他端側がビア（図示省略）に接続されている。具体的には前記一端側の電極パッドは容器の長辺側の堤部に向くように配されており、ビアに接続された前記他端側は平面視矩形の容器の２短辺の中央同士を結ぶ仮想ライン（図示省略）に近接するように配されている。すなわち、前記仮想ラインを基準として遠方側に複数の電極パッドが配され、仮想ラインを基準として近方側に複数のビアが配された状態となっている。そして複数の前記ビアは直線上に整列して配されていない。
なお前記ビアは容器の第１層と第２層とを厚さ方向に貫く貫通孔に導体が充填されたものであり、当該ビアを介して第１層の下面（容器外底面２０１）に導出されている。

前記複数の電極パッドは、当該電極パッド上に金属製のバンプＢ２を介してＩＣ４が導電接合されることにより、ＩＣの下に隠れた状態となる。このようにＩＣによって電極パッドと配線パターンの一部が覆われるため、安定した周波数調整を行うことができる。これは次の理由による。

電極パターンがＩＣからはみ出ている従来の構成の場合、ＩＣの上方に搭載された音叉型水晶振動片へのビーム照射による周波数調整の際に、ビーム照射によって電極パターンから飛散した金属が音叉型水晶振動片や容器の内底面に付着することがある。音叉型水晶振動片の振動腕のうち、振動腕の先端部分は質量が付加されることによる周波数変化の感度が特に高い領域となっている。したがって、振動腕の先端部分に前記金属が付着した場合、周波数調整中に発振周波数が不安定になる等の不具合が生じやすくなる。また、電極パターンから飛散した金属が電極パターン間に付着することによって絶縁不良が発生するおそれがある。

これに対して本実施形態における電極パターンの構成によれば、ＩＣによって電極パッドおよび配線パターンの一部が覆われているため、周波数調整時のビームが電極パターンに照射されない。これにより、安定した周波数調整を行うことができる。また、電極パターンがＩＣからはみ出していないため、金属屑が電極パターン間に付着することによる絶縁不良も防止することができる。

本実施形態においてＩＣ４は、発振回路や温度補償回路やメモリ、温度センサ等を集積化した平面視矩形状のベアチップＩＣである。ＩＣの機能端子面側には温度センサ部Ｓが内蔵されている。温度センサ部ＳがＩＣ４内に配置されている位置は、ＩＣの断面視では段部８に近い側となっており、平面視ではＩＣ４の段部８に近い側の一短辺の中央寄りの位置となっている。ＩＣ４は、その機能端子面が容器内底面２１０に対面するように、ＩＣの各機能端子が容器内底面の複数の電極パッド上に一対一で金属製のバンプＢ２を介して超音波接合される（いわゆるＦＣＢ接合（Ｆｌｉｐ Ｃｈｉｐ Ｂｏｎｄｉｎｇ））。

図１において水晶振動片３は、屈曲振動を行なう音叉型の水晶振動片である。水晶振動片３は図３に示すように、基部３１と、基部３１の一端側３１０から一方向に伸長する一対の振動腕３０，３０と、基部３１の他端側３１１から基部の幅方向（振動腕の伸長方向と略直交する方向）に突出する突出部３２とを備えている。振動腕３０はさらに、腕部３０１（３０１ａ、３０１ｂ）とテーパー部３０３と幅広部３０２（３０２ａ、３０２ｂ）とから構成されている。テーパー部３０３は腕部３０１の終端側から離間する方向に連続的に拡幅する部位である。幅広部３０２はテーパー部３０３の終端側につながっており、腕部３０１の幅よりも幅広に形成されている。

水晶振動片３は１枚の水晶ウエハから多数個の音叉型水晶振動片が一括で成形されている。具体的に水晶振動片の外形は、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストまたは金属膜をマスクとしてウエットエッチング法によって一括的に成形されている。なお水晶振動片３の最大長さ寸法は、幅広部３０２の先端部から基部の他端側３１１までの寸法であり、本実施形態では１．２ｍｍとなっている。一方、水晶振動片３の最大幅寸法は、基部の幅方向に最も幅広となる領域の端縁から、突出部３２の先端までの寸法までの寸法であり、本実施形態では０．３８ｍｍとなっている。

一対の腕部３０１ａ，３０１ｂの表裏主面には、平面視略長方形の一条の溝Ｇが形成されている。この溝Ｇ（Ｇ１〜Ｇ４）は、図４に示すように腕部３０１の表裏で互いに対向するように形成されている。このような溝を形成することによって水晶振動片の直列抵抗値を低下させることができる。なお本実施形態では、平面視略長方形の溝Ｇ（Ｇ１〜Ｇ４）は、基部の一端側３１０まで及ばない長さで、かつテーパー部３０３との接続点まで及ばない長さで腕部３０１の表裏主面に形成されている。

図１乃至３では記載を省略しているが、基部３１と一対の振動腕３０，３０と突出部３２には所定形状の各種電極（金属膜）が、真空蒸着法とフォトリソグラフィ技術を用いてパターン形成されている。これを具体的に図４乃至５を用いて説明する。前記各種電極のうち、一対の腕部３０１ａ，３０１ｂの各々の外周面に形成されている電極は水晶振動片を駆動させるための励振電極となっている（図４参照）。つまり、腕部３０１ａ（３０２ｂ）の対向する２つの主面に設けられた一対の主面電極Ｅ１，Ｅ２（Ｅ５，Ｅ６）と、腕部３０１ａ（３０２ｂ）の対向する２つの側面に設けられた一対の側面電極Ｅ７，Ｅ８（Ｅ３，Ｅ４）とが励振電極となっている。そして第１の励振電極は、腕部３０１ａの主面電極Ｅ１，Ｅ２と、腕部３０１ｂの側面電極Ｅ３，Ｅ４とで構成され、それぞれが接続されている。同様に、第２の励振電極は、腕部３０１ｂの主面電極Ｅ５，Ｅ６と、腕部３０１ａの側面電極Ｅ７，Ｅ８とで構成され、それぞれが接続されている。第１の励振電極と第２の励振電極とは異極となっておりこのような構成の電極に電界を与えることにより一対の振動腕が屈曲振動する。なお主面電極Ｅ１，Ｅ２（Ｅ５，Ｅ６）は、溝Ｇ１〜Ｇ４の内周面にも及んで形成されている。

前記第１の励振電極と第２の励振電極は、クロムを下地層とし、当該下地層の上層の金層が積層された構成となっており、フォトリソグラフィ技術によって形成されている。前記第１の励振電極と第２の励振電極は、基部の側面および基部に設けられた図示しないスルーホールを介して基部３１および突出部３２の表裏面に導出されている。

図５に示すように、幅広部３０２ａ，３０２ｂを構成する外周面（表裏で対向する２つの主面と、内側面と外側面で対向する２つの側面）の全周には、腕部３０１ａ，３０１ｂの側面電極Ｅ３とＥ４、側面電極Ｅ７とＥ８とを相互に共通接続する金属膜３１２が形成されている（図５では幅広部３０２ａのみを表示し、幅広部３０２ｂの表示は省略）。つまり、幅広部３０２には異極の電極が形成されていない。なお本実施形態では、金属膜３１２はクロムからなる下地層、その上に金層が積層された膜構成となっている。

幅広部３０２の外周に形成された金属膜３１２のうち、幅広部の表裏主面上に対応する領域には、周波数調整用の銀等からなる錘（金属膜）Ｗが蒸着法によって形成されている（図５）。音叉型水晶振動片の周波数の微調整は、この錘の質量をイオンビーム等の照射によって削減することによって行なわれる。なお図３では説明の便宜上、溝Ｇ１，Ｇ３に形成された励振電極（主面電極Ｅ１，Ｅ５）と周波数調整用錘Ｗのみを表示している。

音叉型の水晶振動片は、前記第１の励振電極と前記第２の励振電極振動に電界を与えることによって振動腕が屈曲振動する。したがって、音叉型の水晶振動片において屈曲振動の振動源となる部位は、一対の振動腕のうち励振電極Ｅ１〜Ｅ８が形成された領域となる。以下、屈曲振動の振動源となる当該領域のことを振動部と称する。なお本実施形態では振動部は平面視では振動腕の伸長方向を長手方向とする略長方形となっており、前記長手方向の範囲を図３において符号Ｌで表記している。

水晶振動片３の基部３１の他端側３１１と突出部３２の各々には、外部と導電接合される接続電極（図示省略）が形成されている。これらの接続電極はクロムの下地層の上層に金が積層された構成であり、振動腕の励振電極Ｅ１〜Ｅ８の形成と同時に形成される。そして前記接続電極の上には、電解めっき法によって金属製のバンプＢ１（Ｂ１ａ，Ｂ１ｂ）が形成され、容器２の段部８の振動片搭載電極１０ａ，１０ｂとＦＣＢ接合される（図２乃至３参照）。

以上のように、凹部９の内底面２１０にはＩＣ４が搭載される。そして段部８の上面８００に設けられた振動片搭載電極１０ａ，１０ｂには水晶振動片３の接続電極がバンプを介して導電接合される。これにより、ＩＣ４の上方に一対の振動腕３０，３０が位置し、一対の振動腕３０，３０とＩＣの内部の温度センサ部Ｓとが平面視で近接した状態となっている。具体的には、水晶振動片３の前述の「振動部」が、温度センサ部Ｓと平面視で近接する位置関係となっている。このような位置関係により、水晶振動片３の温度変化に温度センサ部Ｓが追従し易くなる。これによって、より高精度な温度補償を行なうことができる。

上記構成によれば、一対の振動腕３０，３０の各先端側に振動腕３０の幅よりも幅広の領域である幅広部３０２，３０２が形成されることによって振動腕の先端部分の質量が増大するため、音叉型圧電振動片がより小型になった場合であっても低い発振周波数を得ることができる。前記振動部は音叉型圧電振動片を構成する部位のうち、熱による周波数変化の影響を受けやすい領域である。音叉型圧電振動片は小型化が進むにつれ、その熱容量が減少するため温度が変化しやすくなる。この温度変化によって周波数が変化しやすくなる。したがって本実施形態のように振動部が、ＩＣの内部の温度センサ部Ｓと平面視で近接していることによって、熱による周波数変化の影響が抑制され、音叉型圧電振動片の温度変化に温度センサ部Ｓが追従し易くなる。これによって、より高精度な温度補償を行なうことができる。なお本実施形態において「近接」とは、平面視で温度センサ部が一対の振動腕の近傍に位置している状態をいい、平面視で温度センサ部が振動部の近傍に位置している状態が音叉型圧電振動片の温度変化検出の点で好ましい。

本実施形態ではセラミックシートの積層体である容器の例として４層構成を例に挙げたが、容器は４層以下、あるいは４層以上で構成されていてもよい。また、本実施形態では水晶振動片と容器の振動片搭載電極との電気機械的な接合を、導電性のバンプを介して行なっているが、導電性のバンプの代わりに導電性接着剤を用いてもよい。また本実施形態では水晶振動片３は、基部と一対の振動腕と突出部とを有する形状の音叉型水晶振動片となっているが、基部と一対の振動腕のみを有し突出部を有さない形状であってもよい。また本実施形態では突出部は基部から一方向のみに突出した形状となっているが、基部の他端側から互いに遠ざかる方向に突出した形状であってもよい。あるいは、基部の他端側から互いに遠ざかる方向に突出した後、振動腕の伸長方向に平行に伸長するように屈曲した形状であってもよい。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

圧電デバイスの量産に適用できる。

１ 水晶発振器
２ 容器
３ 水晶振動片
４ 集積回路素子
５ 蓋
６ 金属製リング
７ 封止材
８ 段部
９ 凹部
１０ 振動片搭載電極
Ｓ 温度センサ部

Claims (2)

1. 上方に開口した凹部を有する容器に、音叉型圧電振動片と集積回路素子とを収容し、容器に蓋を接合することによって前記凹部を気密に封止した圧電発振器であって、
   前記音叉型圧電振動片は、基部と、基部の一端側から同方向に伸長する一対の振動腕とを少なくとも有し、
   前記凹部には凹部の内底面から上方に突出した段部が設けられてなり、
   前記凹部の内底面に集積回路素子が搭載され、前記段部の上面に音叉型圧電振動片が接合されることにより、集積回路素子の上方に前記一対の振動腕が位置し、当該一対の振動腕と集積回路素子の内部の温度センサ部とが平面視で近接していることを特徴とする圧電発振器。
   
2. 前記一対の振動腕の各先端側には当該振動腕の幅よりも幅広の領域である幅広部が設けられてなり、前記幅広部に対して振動腕の根元側には音叉型圧電振動片を屈曲振動させるための励振電極が形成された振動部が設けられ、
   前記振動部が、集積回路素子の内部の温度センサ部と平面視で近接していることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。

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