JP2016010095A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも二つの水晶素子のそれぞれの実際の温度と感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との温度差を小さくすることで、水晶素子の発振周波数における温度補正を適切に行うことが可能な水晶振動子を提供する。
【解決手段】水晶振動子は、矩形状の基板１１０ａと、基板１１０ａの上面に設けられた第一枠体１１０ｂと、基板１１０ａの下面に設けられた第二枠体１１０ｃと、第一枠体１１０ｂ内で基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１と、第二枠体１１０ｂ内で基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１３と、電極パッド１１１に実装された第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０と、接続パッド１１５に導電性接合材１７０で実装された感温素子１５０と、第一枠体１１０ｂの上面に接合された蓋体１４０と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる水晶振動子に関するものである。

水晶振動子は、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。このような水晶振動子は、例えば、基板と、凹部を設けるために基板の上面に設けられた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水晶素子と、を備えたものが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。また、このような水晶振動子は、各用途に複数必要であり、電子機器等に用途ごとに実装する必要がある。水晶素子としては、例えば、厚みすべり振動を行うＡＴカット型水晶素子や屈曲振動を行う音叉型水晶素子が用いられている。

特開２０１１−２１１３４０号公報

上述した水晶振動子は、電子機器等の実装基板上に少なくとも二つ別々の位置に実装されている。二つの水晶振動子と感温素子とが、実装基板上で離れて実装されているため、二つの水晶素子の実際の温度と、実装基板上に実装された感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との温度差が大きい場合がある。そのため、その内の一つの水晶素子の発振周波数における温度補正を他の水晶素子の発振周波数の温度補正に適用したとしても適切な補正が行えない可能性があるといった虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、少なくとも二つの水晶素子のそれぞれの実際の温度と、感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との温度差を小さくすることで、水晶素子の発振周波数における温度補正を適切に行うことが可能な水晶振動子を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による水晶振動子は、矩形状の基板と、基板の上面に設けられた第一枠体と、基板の下面に設けられた第二枠体と、第一枠体内で基板の上面に設けられた電極パッドと、第二枠体内で基板の下面に設けられた接続パッドと、電極パッドに実装された第一水晶素子及び第二水晶素子と、接続パッドに導電性接合材で実装された感温素子と、第一枠体の上面に接合された蓋体と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による水晶振動子は、矩形状の基板と、基板の上面に設けられた第一枠体と、基板の下面に設けられた第二枠体と、第一枠体内で基板の上面に設けられた電極パッドと、第二枠体内で基板の下面に設けられた接続パッドと、電極パッドに実装された第一水晶素子及び第二水晶素子と、接続パッドに導電性接合材で実装された感温素子と、第一枠体の上面に接合された蓋体と、を備えている。このようにすることによって、第一凹部内に二つの水晶素子を実装させ、第二凹部内に感温素子を実装させることで、二つの水晶素子の実際の温度と感温素子によって得られる温度情報に基づく温度との差を低減させることができ、二つの水晶素子の発振周波数に関する温度補償の精度を向上させることができる。

本実施形態に係る水晶振動子を示す分解斜視図である。 （ａ）図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面図である。 （ａ）は、本実施形態に係る水晶振動子を構成するパッケージを上面からみた平面透視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水晶振動子を構成するパッケージの基板を上面からみた平面透視図である。 （ａ）は、本実施形態に係る水晶振動子を構成するパッケージの基板を下面からみた平面透視図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る水晶振動子を構成するパッケージを下面からみた平面透視図である。

本実施形態における水晶振動子は、図１〜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の上面に接合された第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０と、パッケージ１１０の下面に接合された感温素子１５０とを含んでいる。パッケージ１１０は、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた第一凹部Ｋ１が形成されている。また、基板１１０ａの下面と第二枠体１１０ｃの内側面によって囲まれた第二凹部Ｋ２が形成されている。このような水晶振動子は、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。

基板１１０ａは、矩形状であり、基板１１０ａの上面に実装された第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０と、基板１１０ａの下面に実装された感温素子１５０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａの上面には、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、基板１１０ａの下面には、感温素子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の上面には、第一水晶素子１２０が実装される第一実装領域Ｘと第二水晶素子１３０が実装される第二実装領域Ｙが設けられている。

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外部端子１１２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と、第二枠体１１０ｂの下面に設けられた外部端子１１２とを電気的に接続するための接続パターン１１６が設けられている。

第一実装領域Ｘは、図３に示すように、基板１１０ａの中心を通る線分Ｌと、線分Ｌと向かい合う辺である第一枠体１１０ｂの一方の短辺と、第一枠体１１０ｂの二つの長辺とで囲まれる領域である。また、第一実装領域Ｘには、第一枠体１１０ｂの内周側の長辺に沿って、第二水晶素子１３０を実装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。

また、第二実装領域Ｙは、図３に示すように、基板１１０ａの中心を通る線分Ｌと、線分Ｌと向かい合う辺である第一枠体１１０ｂの他方の短辺と、第一枠体１１０ｂの二つの長辺とで囲まれる領域である。第二実装領域Ｙには、第一枠体１１０ｂの内周側の長辺で、第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１０ｂが設けられている一辺と向かい合う一辺に沿って、第一水晶素子１２０を実装するための第三電極パッド１１１ｃ及び第四電極パッド１１１ｄ が設けられている。

第一枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面の外周縁に沿って配置され、基板１１０ａの上面に第一凹部Ｋ１を形成するためのものである。また、第二枠体１１０ｃは、基板１１０ａの下面の外周縁に沿って配置され、基板１１０ａの下面に第二凹部Ｋ２を形成するためのものである。第一枠体１１０ｂ及び第二枠体１１０ｃ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。第二枠体１１０ｃの下面には、外部端子１１２が設けられている。また、六つの外部端子１１２の内の二つは、第一水晶素子１２０と電気的に接続され、六つの外部端子１１２の内の他の二つは、第二水晶素子１３０と電気的に接続されている。また、六つの外部端子１１２の内の残りの二つは、感温素子１５０と電気的に接続されている。

電極パッド１１１は、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、基板１１０ａの上面に一対ずつ計四つで設けられており、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３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、基板１１０ａ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。

電極パッド１１１は、図３に示すように、第一電極パッド１１１ａ、第二電極パッド１１１ｂ、第三電極パッド１１１ｃ及び第四電極パッド１１１ｄによって構成されている。また、外部端子１１２は、図４（ｂ）に示すように、第一外部端子１１２ａ、第二外部端子１１２ｂ、第三外部端子１１２ｃ、第四外部端子１１２ｄ、第五外部端子１１２ｅ及び第六外部端子１１２ｆによって構成されている。ビア導体１１４は、第一ビア導体１１４ａ及び第二ビア導体１１４ｂ、第三ビア導体１１４ｃ、第四ビア導体１１４ｄ、第五ビア導体１１４ｅ及び第六ビア導体１１４ｆ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、第四配線パターン１１３ｄ、第五配線パターン１１３ｅ、第六配線パターン１１３ｆ、第七配線パターン１１３ｇ及び第八配線パターン１１３ｈによって構成されている。導体部１１７は、第一導体部１１７ａ、第二導体部１１７ｂ、第三導体部１１７ｃ、第四導体部１１７ｄ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。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、第五配線パターン１１３ｅの一端と接続されている。第五配線パターン１１３ｅの他端は、第一導体部１１７ａを介して、第一外部端子１１２ａと電気的に接続されている。よって、第一電極パッド１１１ａは、第一外部端子１１２ａ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、第六配線パターン１１３ｆの一端と接続されている。第六配線パターン１１３ｆの他端は、第二導体部１１７ｂを介して、第二外部端子１１２ｂと電気的に接続されている。よって、第二電極パッド１１１ｂは、第二外部端子１１２ｂと電気的に接続されることになる。

第三電極パッド１１１ｃは、基板１１０ａに設けられた第三配線パターン１１３ｃの一端と電気的に接続されている。また、第三配線パターン１１３ｃの他端は、第三ビア導体１１４ｃを介して、第七配線パターン１１３ｇの一端と接続されている。第七配線パターン１１３ｇの他端は、第三導体部１１７ｃを介して、第三外部端子１１２ｃと電気的に接続されている。よって、第三電極パッド１１１ｃは、第三外部端子１１２ｃと電気的に接続されることになる。

第四電極パッド１１１ｄは、基板１１０ａに設けられた第四配線パターン１１３ｄの一端と電気的に接続されている。また、第四配線パターン１１３ｄの他端は、第四ビア導体１１４ｄを介して、第八配線パターン１１３ｈの一端と接続されている。第八配線パターン１１３ｈの他端は、第四導体部１１７ｄを介して、第四外部端子１１２ｄと電気的に接続されている。よって、第四電極パッド１１１ｄは、第四外部端子１１２ｄと電気的に接続されることになる。

また、第一水晶素子１２０が実装された第三電極パッド１１１ｃ及び第四電極パッド１１１ｄと、第二水晶素子１３０が実装された第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１２ｂとが、第一枠体内の内周側の対向する辺に沿ってそれぞれ設けられている。このようにすることによって、後述する感温素子１５０が実装される接続パッド１１５に対して、基板１１０ａの両側から挟みこむようにして熱が伝わるようになるため、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子の温度と感温素子との温度との差をさらに低減することができる。

外部端子１１２は、電子機器等の実装基板（図示せず）と電気的に接合するために用いられる。外部端子１１２は、第二枠体１１０ｃの下面に六つで設けられている。六つの外部端子１１２の内の四つの端子は、基板１１０ａの上面に設けられた四つの電極パッド１１１とそれぞれ電気的に接続されている。また、外部端子１１２の内の残りの２つの端子は、接続パッド１１５と電気的に接続されている。また、第六外部端子１１２ｆは、第五ビア導体１１４ｅを介して、封止用導体パターン１１８と電気的に接続されている。

配線パターン１１３は、基板１１０ａの表面に設けられ、電極パッド１１１から近傍のビア導体１１４又は導体部１１７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、第四配線パターン１１３ｄ、第五配線パターン１１３ｅ、第六配線パターン１１３ｆ、第七配線パターン１１３ｇ及び第八配線パターン１１３ｈによって構成されている。

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、接続パターン１１６又は、封止用導体パターン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。また、ビア導体１１４は、図３及び図４に示すように、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及び第六ビア導体１１４ｆによって構成されている。

接続パッド１１５は、矩形状であり、後述する感温素子１５０を実装するために用いられている。接続パッド１１５は、基板１１０ａの下面の中心付近に隣接するようにして、一対で設けられている。また、接続パッド１１５は、図４に示すように、第一接続パッド１１５ａ及び第二接続パッド１１５ｂによって構成されている。導電性接合材１７０は、接続パッド１１５の下面と感温素子１５０の接続端子１５１との間に設けられている。また、導電性接合材１７０は、接続パッド１１５から感温素子１５０の接続端子１５１に向かって徐々に厚みが増すように傾斜が形成されている。つまり、接続パッド１１５には、導電性接合材１７０のフィレットが形成されることになる。このようにフィレットが形成されることにより、感温素子１５０は、接続パッド１１５との接合強度を向上させることができる。

第一接続パッド１１５ａは、平面視して、第二水晶素子１３０と重なる位置に設けられている。このようにすることによって、第二水晶素子１３０から伝わる熱が、直下にある基板１１０ａを介して第一接続パッド１１５ａに伝わることになる。よって、このような水晶振動子は、熱伝導経路をさらに短くすることができるので、第二水晶素子１３０の温度と感温素子１５０の温度とが近似することになり、感温素子１５０から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の第二水晶素子１３０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

また、第二接続パッド１１５ｂは、平面視して、第一水晶素子１２０と重なる位置に設けられている。このようにすることによって、第一水晶素子１２０から伝わる熱が、直下にある基板１１０ａを介して第二接続パッド１１５ｂに伝わることになる。よって、このような水晶振動子は、熱伝導経路をさらに短くすることができるので、第一水晶素子１２０の温度と感温素子１５０の温度とが近似することになり、感温素子１５０から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の第一水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

第一接続パッド１１５ａと第六外部端子１１２ｆとは、基板１１０ａの下面に設けられた第一接続パターン１１６ａ及び第五ビア導体１１４ｅにより接続されている。この第六外部端子１１２ｆ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（図示せず）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、感温素子１５０の第一接続端子１５１ａは、基準電位であるグランドに接続されることになる。また、第二接続パッド１１５ｂと第五外部端子１１２ｅとは、基板１１０ａの下面に設けられた第二接続パターン１１６ｂ及び第六ビア導体１１４ｆにより接続されている。

接続パターン１１６は、基板１１０ａの下面に設けられ、接続パッド１１５から近傍のビア導体１１４に向けて引き出されている。また、接続パターン１１６は、図４（ａ）に示すように、第一接続パターン１１６ａ及び第二接続パターン１１６ｂによって構成されている。第一接続パターン１１６ａの長さと第二接続パターン１１６ｂの長さは、略等しい長さとなる。ここで、略等しい長さとは、基板１１０ａの下面に設けられた第一接続パターン１１６ａの長さと基板１１０ａの下面に設けられた第二接続パターン１１６ｂの長さとの差が０〜２００μｍ異なるものを含むものとする。接続パターン１１６の長さは、各接続パターン１１６の中心を通る直線の長さを測定したものとする。つまり、第一接続パターン１１６ａの配線長と、第二接続パターン１１６ｂの配線長とが略等しい長さとなることによって、発生する抵抗値が等しくなり、感温素子１５０に付与される負荷抵抗も均一になるため、安定して電圧を出力することが可能となる。

導体部１１７は、基板１１０ａの下面に設けられた配線パターン１１３と第二枠部１１０ｃの下面に設けられた外部端子１１２とを電気的に接続するためのものである。基板１１０の角部に設けられた切れ込みの内部に設けられている。導体部１１７の両端は、外部端子１１２及び配線パターン１１３と接続されている。導体部１１７は、第一導体部１１７ａ、第二導体部１１７ｂ、第三導体部１１７ｃ及び第四導体部１１７ｄによって構成されている。

封止用導体パターン１１８は、蓋体１４０と封止部材１４１を介して接合する際に、封止部材１４１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１１８は、第一枠体１１０ｂの上面を囲むようにして設けられている。封止用導体パターン１１８は、図３及び図４に示すように、第五ビア導体１１４ｅを介して、第六外部端子１１２ｆと電気的に接続されている。封止用導体パターン１１８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、第一枠体１１０ｂ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。

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、接続パターン１１６、導体部１１７及び封止用導体パターン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。

第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０は、図１及び図２に示されているように、導電性接着剤１４０を介して電極パッド１１１上に接合されている。第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。

また、第一水晶素子１２０は、図１及び図２に示されているように、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２及び引き出し電極１２３を被着させた構造を有している。水晶素板１２１は、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸とからなり互いに直交する結晶軸を有しており、例えば、略矩形形状の平板状となっている。水晶素板１２１の主面は、Ｘ軸およびＺ軸に平行となっている面を、Ｘ軸を中心に、Ｘ軸の負の方向を見て反時計回りに回転させた面と平行となっており、例えば、約３７°回転させた面と平行となっている。水晶素板１２１の側面の一部には、Ｚ軸と垂直なｍ面が形成されている。ｍ面は、主面との角度が９０°と回転角度とを合わせた角度をなしており、例えば、約１２３°となっている。つまり、第一水晶素子１２０が、ＡＴカットした水晶素板１２１を用いたＡＴカット型水晶素子である。

励振用電極１２２は、水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに金属を所定のパターンで被着・形成したものである。励振用電極１２２は、上面に第一励振用電極１２２ａと、下面に第二励振用電極１２２ｂを備えている。引き出し電極１２３は、励振用電極１２２から水晶素板１２１の一辺に向かってそれぞれ延出されている。引き出し電極１２３は、上面に第一引き出し電極１２３ａと、下面に第二引き出し電極１２３ｂとを備えている。第一引き出し電極１２３ａは、第一励振用電極１２２ａから引き出されており、水晶素板１２１の一辺に向かって延出するように設けられている。第二引き出し電極１２３ｂは、第二励振用電極１２２ｂから引き出されており、水晶素板１２１の一辺に向かって延出するように設けられている。つまり、引き出し電極１２３は、水晶素板１２１の長辺又は短辺に沿った形状で設けられている。また、本実施形態においては、第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１１ｂと接続されている第一水晶素子１２０の一端を基板１１０ａの上面と接続した固定端とし、他端を基板１１０ａの上面と間を空けた自由端とした片持ち支持構造にて第一水晶素子１２０が基板１１０ａ上に固定されている。

ここで、第一水晶素子１２０の動作について説明する。第一水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が引き出し電極１２３から励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、水晶素板１２１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。

ここで、第一水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、第一水晶素子１２０は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し、水晶素板１２１の外周の厚みを薄くし、水晶素板１２１の外周部と比べて水晶素板１２１の中央部が厚くなるように設けるベベル加工を行う。そして、第一水晶素子１２０は、水晶素板１２１の両主面に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、励振用電極１２２、引き出し電極１２３を形成することにより作製される。

第二水晶素子１３０は、音叉型水晶素子であり、水晶片１３１と、その水晶片１３１の表面に設けられた励振電極１３４ａ、１３４ｂ、１３５ａ及び１３５ｂと、引出用電極１３６ａ及び１３６ｂと、周波数調整用金属膜１３７ａ及び１３７ｂとにより構成されている。水晶片１３１は、図１に示すように、水晶基部１３３と水晶振動部１３２とからなり、水晶振動部１３２が第一水晶振動部１３２ａ及び第二水晶振動部１３２ｂとから成る。水晶基部１３３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。第一水晶振動部１３２ａ及び第二水晶振動部１３２ｂは、水晶基部１３３の一辺からＹ′軸の方向に平行に延設されている。このような水晶片１３１は、水晶基部１３３と各水晶振動部１３２とが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。

励振電極１３４ａは、図１に示すように、第一水晶振動部１３２ａの表裏主面に設けられている。また、励振電極１３４ｂは、第一水晶振動部１３２ａの対向する両側面に設けられている。周波数調整用金属膜１３７ａは、第一水晶振動部１３２ａの表主面及び側面の先端部に設けられている。また、引出電極１３６ａは、水晶基部１３３の第一水晶振動部１３２ａ側であって、水晶基部１３３の表裏主面に設けられている。

また、励振電極１３５ａは、図１に示すように、第二水晶振動部１３２ｂの表裏主面に設けられている。また、励振電極１３５ｂは、第二水晶振動部１３２ｂの対向する両側面に設けられている。周波数調整用金属膜１３７ｂは、第二水晶振動部１３２ｂの表主面及び両側面の先端部に設けられている。引出電極１３６ｂは、水晶基部１３３の第二水晶振動部１３２ｂ側であって、水晶基部１３３の表裏主面に設けられている。

なお、第二水晶素子１３０は、周波数調整用金属膜１３７ａ、１３７ｂ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１３４ａ及び１３５ｂと、周波数調整用金属膜１３７ａとは、図１に示すように、水晶片３２１表面に設けられた引出電極１３６ａにより電気的に接続している。また、励振電極１３４ｂ及び１３５ａと、周波数調整用金属膜１３７ｂとは、水晶片１３１表面に設けられた引出電極１３６ｂにより電気的に接続している。

第二水晶素子１３０の動作について説明する。この第二水晶素子１３０を振動させる場合、引出電極１３６ａ及び１３６ｂ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１３２ｂの励振電極１３５ｂは＋（プラス）電位となり、励振電極１３５ａ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１３２ａの励振電極は、第二水晶振動部１３２ｂの励振電極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１３２ａ及び第二水晶振動部１３２ｂに伸縮現象が生じ、各水晶振動部１３２に設定した共振周波数の屈曲振動を得る。このような第二水晶素子１３０が音叉型水晶素子である水晶振動子が、ＧＰＳ機能を有する電子機器に実装された場合には、感温素子１５０から得られた温度と、音叉型水晶素子１３０の温度との差異が小さくなり、ＧＰＳスリープクロックの精度が向上し、起動時の初期位置産出時間を向上させることができる。

第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０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１５０は、例えばディスペンサによって第一電極パッド１１１ａ、第二電極パッド１１１ｂ、第三電極パッド１１１ｃ及び第四電極パッド１１１ｄ上に塗布される。第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０は、導電性接着剤１６０上に搬送され、導電性接着剤１６０上に載置される。そして導電性接着剤１６０は、加熱硬化させることによって、硬化収縮される。第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０は、電極パッド１１１に接合される。第二水晶素子１３０の第一引出電極１３６ａは、第一電極パッド１１１ａと接合され、第二引出電極１３６ｂは、第二電極パッド１１１ｂと接合される。これによって、第一外部端子１１２ａと第二外部端子１１２ｂが第二水晶素子１３０と電気的に接続されることになる。また、第一水晶素子１２０の第一引き出し電極１２３ａは、第三電極パッド１１１ｃと接合され、第二引き出し電極１２３ｂは、第四電極パッド１１１ｄと接合される。これによって、第三外部端子１１２ｃと第四外部端子１１２ｄが第一水晶素子１２０と電気的に接続されることになる。

導電性接着剤１６０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。

感温素子１５０は、サーミスタ、白金測温抵抗体又はダイオード等が用いられている。サーミスタ素子の場合、感温素子１５０には、直方体形状であり、両端に接続端子１５１が設けられている。感温素子１５０は、温度変化によって電気抵抗が顕著な変化を示すものであり、この抵抗値の変化から電圧が変化するため、抵抗値と電圧との関係及び電圧と温度との関係により、出力された電圧から温度情報を得ることができる。感温素子１５０は、後述する接続端子１５１間の電圧が、第五外部端子１１２ｅ及び第六外部端子１１２ｆを介して水晶振動子の外へ出力されることにより、例えば、電子機器等のメインＩＣ（図示せず）で出力された電圧を温度に換算することで温度情報を得ることができる。このような感温素子１５０を水晶振動子の近くに配置して、これによって得られた水晶振動子の温度情報に応じて、メインＩＣにより水晶振動子を駆動する電圧を制御し、いわゆる温度補償をすることができる。

また、白金測温抵抗体が用いられている場合、感温素子１５０は、直方体形状のセラミック板上の中央に白金を蒸着し、白金電極が設けられている。また、セラミック板の両端には接続端子１５１が設けられている。白金電極と接続端子とは、セラミック板上面に設けられた引き出し電極により接続されている。白金電極の上面を被覆するようにして絶縁性樹脂が設けられている。

また、ダイオードが用いられている場合、感温素子１５０は、半導体素子を半導体素子用基板の上面に実装し、その半導体素子及び半導体素子用基板の上面を絶縁性樹脂で被覆された構造である。半導体素子用基板の下面から側面には、アノード端子及びカソード端子となる接続端子１５１が設けられている。感温素子１５０は、アノード端子からカソード端子へは電流を流すが、カソード端子からアノード端子へはほとんど電流を流さない順方向特性を有している。感温素子の順方向特性は、温度によって大きく変化する。感温素子に一定電流を流しておいて順方向電圧を測定することによって、電圧情報を得ることができる。その電圧情報から換算することで水晶素子の温度情報を得ることができる。ダイオードは、電圧と温度との関係が直線を示している。接続端子１５１のカソード端子及びアノード端子間の電圧が、第五外部端子１１２ｅ及び第六外部端子１１２ｆを介して水晶振動子の外へ出力される。

感温素子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、感温素子１５０の第一接続端子１５１ａは、第一接続パッド１１５ａに接続され、第二接続端子１５１ｂは、第二接続パッド１１５ｂに接続されている。第一接続パッド１１５ａは、基板１１０ａの下面に設けられた第一接続パターン１１６ａ及び第五ビア導体１１４ｅを介して第六外部端子１１２ｆと接続されている。また、第六外部端子１１２ｆ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電極（図示せず）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、感温素子１５０の第一接続端子１５１ａは、基準電位であるグランドに接続されることになる。

また、感温素子１５０は、平面視して、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０に重なるように配置されていることにより、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０から伝わる熱が、基板１１０ａを介して、感温素子１５０に伝わることになる。よって、このような水晶振動子は、熱伝導経路をさらに短くすることにより、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０の温度と感温素子１５０の温度とが近似することになり、感温素子１５０から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

感温素子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。感温素子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、接続端子１５１の下面と接続パッド１１５が接合され、実装パッド１１６から感温素子１５０の接続端子１５１の側面とが接合される。この際に、導電性接合材１７０は、接続パッド１１５から感温素子１５０の接続端子１５１の側面に向かって徐々に厚みが増すような傾斜であるフィレットを持って形成されている。よって、感温素子１５０は、一対の接続パッド１１５に接合される。

また、感温素子１５０がサーミスタ素子の場合には、図１に示すように、直方体形状の両端にそれぞれ一つずつ接続端子１５１が設けられている。第一接続端子１５１ａは、感温素子１５０の一端面とその一端面を囲むように左右側面及び上下面に設けられている。第二接続端子１５１ｂは、感温素子１５０の他端面とその他端面を囲むように左右側面及び上下面に設けられている。感温素子１５０の長辺の長さは、０．４〜０．６ｍｍであり、短辺の長さは、０．２〜０．３ｍｍとなっている。感温素子１５０の厚み方向の長さは、０．１〜０．３ｍｍとなっている。

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。

蓋体１４０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１４０は、真空状態にある第一凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１４０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の第一枠体１１０ｂ上に載置され、第一枠体１１０ｂの封止用導体パターン１１８と蓋体１４０の封止部材１４１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、第一枠体１１０ｂに接合される。また、蓋体１４０は、封止用導体パターン１１８及び第五ビア導体１１４ｅを介して基板１１０ａの下面の第六外部端子１１２ｆに電気的に接続されている。また、第六外部端子１１２ｆは、導電性接合材１７０を介して第一接続パッド１１５ａと電気的に接続されている。よって、蓋体１４０は、感温素子１５０の接続端子１５１ａ及び基板１１０ａの第六外部端子１１２ｆと電気的に接続されている。

封止部材１４１は、パッケージ１１０の第一枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１８に相対する蓋体１４０の箇所に設けられている。封止部材１４１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。

本発明の実施形態における水晶振動子は、矩形状の基板１１０ａと、基板１１０ａの上面に設けられた第一枠体１１０ｂと、基板１１０ａの下面に設けられた第二枠体１１０ｃと、第一枠体１１０ｂ内で基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１と、第二枠体１１０ｂ内で基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１５と、電極パッド１１１に実装された二つの水晶素子１２０、１３０と、接続パッド１１１に導電性接合材１７０で実装された感温素子１５０と、第一枠体１１０ｂの上面に接合された蓋体１４０と、を備えている。このようにすることによって、第一凹部Ｋ１内に二つの水晶素子１２０、１３０を実装させ、第二凹部Ｋ２内に感温素子１５０を実装させることで、二つの水晶素子１２０、１３０の実際の温度と感温素子１５０によって得られる温度情報に基づく温度との差を低減させることができ、二つの水晶素子１２０、１３０の発振周波数に関する温度補償の精度を向上させることができる。

また、本発明の実施形態における水晶振動子は、第一水晶素子１２０が、ＡＴカットした水晶素板１２１を用いたＡＴカット型水晶素子であり、第二水晶素子１３０が、水晶基部と、水晶基部１３３から延出するように設けられた水晶振動部１３２とを有している音叉型水晶素子である。このような第二水晶素子１３０が音叉型水晶素子である水晶振動子が、ＧＰＳ機能を有する電子機器に実装された場合には、感温素子１５０から得られた温度と、音叉型水晶素子１３０の温度との差異が小さくなり、ＧＰＳスリープクロックの精度が向上し、起動時の初期位置産出時間を向上させることができる。

また、本発明の実施形態における水晶振動子は、第一水晶素子１２０が実装された第三電極パッド１１１ｃ及び第四電極パッド１１１ｄと、第二水晶素子１３０が実装された第一電極パッド１１１ａ及び第二電極パッド１１２ｂとが、第一枠体１１０ｂ内の内周側の対向する辺に沿ってそれぞれが一対となるように設けられている。このようにすることによって、後述する感温素子１５０が実装される接続パッド１１５に対して、基板１１０ａの両側から挟みこむようにして熱が伝わるようになるため、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０の温度と感温素子１５０との温度とがさらに近似することになり、感温素子１０から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の水晶素子１２０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

また、本発明の実施形態における水晶振動子は、感温素子１５０が、基板１１０ａに第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０と感温素子１５０とを実装した状態で、平面視して、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０と重なる位置に配置されている。このようにすることによって、水晶素子１２０から伝わる熱が、電極パッド１１１からだけではなく、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０から直接基板１１０ａを介しても感温素子１５０に熱が伝わることになる。よって、水晶振動子は、熱伝導経路をさらに短くすると共に熱伝導経路の数をさらに増やすことで、第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０の温度と感温素子１５０の温度とがさらに近似することになり、感温素子１５０から出力された電圧を換算することで得られた温度と、実際の第一水晶素子１２０及び第二水晶素子１３０の周囲の温度との差異をさらに低減することが可能となる。

また、第一水晶素子１２０のベベル加工方法について説明する。所定の粒度のメディアと砥粒とを備えた研磨材と、所定の大きさに形成された水晶素板１２１とを用意する。円筒体に用意した研磨材と水晶素板１２１とを入れ、円筒体の開口した端部をカバーで塞ぐ。研磨材と水晶素板１２１とを入れた円筒体を、円筒体の中心軸線を回転軸として回転させる水晶素板１２１が研磨材で研磨されてベベル加工が行われる。

上記実施形態では、第一枠体１１０ｂが基板１１０ａ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、第一枠体１１０ｂ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。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・第一枠体
１１０ｃ・・・第二枠体
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
１１６・・・接続パターン
１１７・・・導体部
１１８・・・封止用導体パターン
１２０・・・第一水晶素子
１３０・・・第二水晶素子
１４０・・・蓋体
１４１・・・封止部材
１５０・・・感温素子
１５１・・・接続端子
１６０・・・導電性接着剤
１７０・・・導電性接合材
Ｋ１・・・第一凹部
Ｋ２・・・第二凹部

Claims (4)

1. 矩形状の基板と、
   前記基板の上面に設けられた第一枠体と、
   前記基板の下面に設けられた第二枠体と、
   前記第一枠体内で前記基板の上面に設けられた電極パッドと、
   前記第二枠体内で前記基板の下面に設けられた接続パッドと、
   前記電極パッドに実装された第一水晶素子及び第二水晶素子と、
   前記接続パッドに導電性接合材で実装された感温素子と、
   前記第一枠体の上面に接合された蓋体と、を備えていることを特徴とする水晶振動子。
2. 請求項１記載の水晶振動子であって、
   前記第一水晶素子が、ＡＴカットした水晶素板を用いたＡＴカット型水晶素子であり、
   前記第二水晶素子が、水晶基部と、前記水晶基部から延出するように設けられた水晶振動部とを有している音叉型水晶素子であることを特徴とする水晶振動子。
3. 請求項１記載の水晶振動子であって、
   前記第一水晶素子が実装された電極パッドと、前記第二水晶素子が実装された電極パッドとが、それぞれ対向する辺に沿って設けられていることを特徴とする水晶振動子。
4. 請求項１記載の水晶振動子であって、
   前記感温素子が、前記基板に前記第一水晶素子及び前記第二水晶素子と前記感温素子とを実装した状態で、平面視して、前記第一水晶素子及び前記第二水晶素子と重なる位置に配置されていることを特徴とする水晶振動子。

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