JP2018074370A - 圧電デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明では、温度特性を悪化させることなく不要振動が低減された圧電デバイスを提供する。【解決手段】圧電デバイス(100)は、外形が長方形状に形成され、上面及び下面の両主面に形成される励振電極(141)、一方の短辺の両端に形成される電極パッド(142)、及び励振電極から電極パッドまで引き出され電極パッドに電気的に接続される引出電極(143)を有する圧電振動片と、圧電振動片の下面(140b)と相対するように圧電振動片が載置される載置面(112b)及び載置面に形成される接着パッド(115)を備えるパッケージ(110)と、圧電振動片をパッケージに固定すると共に接着パッドと電極パッドとを電気的に接続する導電性接着剤(151)と、を有する。また、圧電振動片には、導電性接着剤と励振電極との間であり圧電振動片の上面(140a)に接着剤(152)が塗布される。【選択図】図2

Description

本発明は、接着剤が塗布された圧電振動片を有する圧電デバイスに関する。
圧電基板に励振電極が形成された圧電振動片を所定の周波数で振動させる場合、主振動と共に主振動とは異なる周波数の不要振動が生じる。このような不要振動の発生を防ぐために、例えば特許文献1では、圧電基板の主面上の励振電極が形成されていない領域に接着剤を塗布して重み付けを行うことにより圧電基板に生じる不要振動を低減させる旨が示されている。
特開2003−309446号公報
しかし、特許文献1に示されるように圧電基板に接着剤を塗布する場合には、このような接着剤が塗布されていない圧電デバイスに比べてクリスタルインピーダンス(CI)等の温度特性が悪化するおそれがある。また、圧電デバイスを高精度化していく中で、不要振動の中でも特に周波数変化率が0.2ppm以下となるような周波数の微小なうねりが問題となってきている。圧電基板に接着剤を塗布する方法はこの周波数の微小なうねりに対してどのように影響するかが明確ではなく、この周波数の微小なうねりは複数の振動モードの複合系であるためシミュレーションによっても解決が困難であった。
そこで本発明では、温度特性を悪化させることなく不要振動が低減された圧電デバイスを提供することを目的とする。
第1観点の圧電デバイスは、外形が長方形状に形成され、上面及び下面の両主面に形成される励振電極、一方の短辺の両端に形成される電極パッド、及び励振電極から電極パッドまで引き出され電極パッドに電気的に接続される引出電極を有する圧電振動片と、圧電振動片の下面と相対するように圧電振動片が載置される載置面及び載置面に形成される接着パッドを備えるパッケージと、圧電振動片をパッケージに固定すると共に接着パッドと電極パッドとを電気的に接続する導電性接着剤と、を有する。また、圧電振動片には、導電性接着剤と励振電極との間であり圧電振動片の上面に接着剤が塗布される。
第2観点の圧電デバイスは、第1観点において、接着剤と励振電極との間の距離が0.15mm以上0.25mm以下である。
第3観点の圧電デバイスは、第2観点において、接着剤と励振電極との間の距離が0.2mm以上である。
第4観点の圧電デバイスは、第1観点から第3観点において、接着剤が引出電極と高さ方向に重なる位置に塗布される。
第5観点の圧電デバイスは、第1観点から第4観点において、発振回路及び温度補償用機能を内蔵したICチップを含む。
本発明の圧電デバイスによれば、温度特性を悪化させることなく不要振動を低減することができる。
(a)は、圧電デバイス100の斜視図である。 (b)は、リッド120が取り外された圧電デバイス100の斜視図である。 (a)は、圧電振動片140の平面図である。 (b)は、リッド120が取り外された圧電デバイス100の平面図である。 (c)は、図2(b)のA−A断面図である。 (a)は、従来の圧電デバイスでの、各サンプル毎の実測した温度特性とこの実測した温度特性から近似される4次近似特性との差(Δf、以下、「近似特性からの差」ともいう)を、各測定温度毎で求め、これらの差を目的の発振周波数(f)で除してppm値に換算(以下、Δf/f)して、それを温度に対しプロットしたものである。 (b)は、圧電デバイス100の温度とΔf/fとの関係を示したグラフである。 (a)は、従来の圧電デバイスの温度とCIとの関係を示したグラフである。 (b)は、圧電デバイス100の温度とCIとの関係を示したグラフである。 圧電デバイス100の距離XBとΔCIとの関係が示されたグラフである。 (a)は、リッド120が外された圧電デバイス200の平面図である。 (b)は、リッド120が外された圧電デバイス300の平面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
(第1実施形態)
<圧電デバイス100の構成>
図1(a)は、圧電デバイス100の斜視図である。圧電デバイス100は、主に、パッケージ110、リッド120、及び所定の周波数で振動する圧電振動片140(図1(b)参照)を含んで構成されている。圧電デバイス100の外形は、例えば略直方体形状に形成される。また、圧電振動片140は、例えばATカットの水晶振動片である。ATカットの水晶は、主面(XZ面)が結晶軸(XYZ)のY軸に対して、X軸を中心としてZ軸から−Y軸方向に35度15分傾斜されて形成される。以下の説明では、ATカットの水晶の傾斜された新たな軸をY’軸及びZ’軸として示し、圧電デバイス100が、X軸と平行に長辺が伸び、Z’軸と平行に短辺が伸び、Y’軸がX軸及びZ’軸に垂直に伸びるとして説明する。
パッケージ110の−Y’軸側の面であり圧電デバイス100が実装される面である実装面112aには、実装端子111が形成されている。実装端子111は、圧電振動片140と接続される端子であるホット端子111aと、接地用として使用可能な端子(以下、アース端子と仮称する)111bと、により構成されている。パッケージ110では、実装面112aの+X軸側の−Z’軸側の角及び−X軸側の+Z’軸側の角にそれぞれホット端子111aが形成され、実装面112aの+X軸側の+Z’軸側の角及び−X軸側の−Z’軸側の角にそれぞれアース端子111bが形成されている。パッケージ110の+Y’軸側の面には圧電振動片140が載置される空間であるキャビティ113が形成されており(図1(b)参照)、キャビティ113は封止材130を介してリッド120により封止されている。
図1(b)は、リッド120が取り外された圧電デバイス100の斜視図である。パッケージ110の+Y’軸側の面に形成されるキャビティ113は、実装面112aの反対側の面であり圧電振動片140が載置される載置面112bと、載置面112bの周囲に形成される側壁114と、により囲まれている。また、載置面112bには、ホット端子111aと電気的に接続される一対の接着パッド115が形成されている。圧電振動片140は、導電性接着剤151によりパッケージ110の載置面112bに載置されている。また、圧電振動片140の+Y’軸側の面には複数の接着剤152が塗布されている。
図2(a)は、圧電振動片140の平面図である。圧電振動片140は、長辺がX軸方向に伸び、短辺がZ’軸方向に伸びる長方形状に形成されており、+Y’軸側の面及び−Y’軸側の面が主面として形成されている。以下の説明では、圧電振動片140の+Y’軸側の主面を上面140aとし、圧電振動片140の−Y’軸側の主面を下面140bとして説明する。上面140a及び下面140bにはそれぞれ励振電極141が形成されている。また、圧電振動片140の上面140a及び下面140bの−X軸側の短辺の両端には、それぞれ電極パッド142が形成されている。電極パッド142は、上面140a及び下面140bの−Z’軸側に形成されている電極パッド142同士が圧電振動片140の側面を介して電気的に接続され、上面140a及び下面140bの+Z’軸側に形成されている電極パッド142同士が圧電振動片140の側面を介して電気的に接続されている。また、上面140aに形成される励振電極141と上面140aの−Z’軸側に形成される電極パッド142とが引出電極143により電気的に接続され、下面140bに形成される励振電極141と下面140bの+Z’軸側に形成される電極パッド142とが引出電極143(図2(a)では点線で示されている)により電気的に接続されている。圧電振動片140は、長辺の長さがXAであり、短辺の長さがZAに形成されている。長さXAは3.2mmであり、長さZAは1.8mmである。
図2(b)は、リッド120が取り外された圧電デバイス100の平面図である。圧電振動片140は、導電性接着剤151によりキャビティ113内に固定されている。また、圧電振動片140の上面140aには、導電性接着剤151と励振電極141との間に接着剤152が塗布されている。図2(b)では、圧電振動片140の−Z’軸側に塗布された導電性接着剤151を導電性接着剤151aとし、圧電振動片140の+Z’軸側に塗布された導電性接着剤151を導電性接着剤151bとしている。また、導電性接着剤151aと励振電極141との間に塗布される接着剤152を接着剤152aとし、導電性接着剤151bと励振電極141との間に塗布される接着剤152を接着剤152bとしている。
接着剤152aは、導電性接着剤151aに接触し、導電性接着剤151aから励振電極141側へ伸びるように形成されている。接着剤152aと励振電極141との間の距離はXBとなっている。また、接着剤152bは導電性接着剤151bに接触し、導電性接着剤151bから励振電極141側へ伸びるように形成されており、接着剤152bと励振電極141との間の距離がXBとなっている。接着剤152aは上面140aに形成される引出電極143上に点状に塗布されており、接着剤152bは下面140bに形成される引出電極143とY’軸方向に重なる位置に点状に塗布されている。接着剤152は、例えばシリコン系の接着剤により形成される。また、接着剤152は導電性であっても非導電性であっても良い。
図2(c)は、図2(b)のA−A断面図である。圧電振動片140は、導電性接着剤151が圧電振動片140の上面140a及び下面140bを繋ぐように塗布されて載置面112bに載置され固定されている。圧電振動片140では、このように圧電振動片140の上面140a及び下面140bに塗布されることにより、圧電振動片140が載置面112b上に強く固定され、圧電デバイスとして耐衝撃性が向上されている。また、導電性接着剤151は、圧電振動片140の上面140a及び下面140bに形成される電極パッド142と載置面112bに形成される接着パッド115とを電気的に接続している。
<圧電デバイス100の効果について>
ATカットの水晶振動片の周波数の温度特性は3次の近似曲線又はさらに高次の近似曲線で近似できる。また、ATカットの水晶振動片を用いて構成される温度補償型水晶発振器(TCXO)は、上記の水晶片の温度特性に対して補償した発振出力を出力する。温度補償型水晶発振器は広範な温度範囲で高い周波数安定度を示すが、圧電デバイスの高精度化により、0.2ppm以下の微小な周波数の変動をも抑える必要が生じている。このような微小な周波数の変動は、複数の振動モードの複合により生じるものと推定されるため、シミュレーションでの解決は困難である。また、従来の圧電デバイスの温度特性は設計のロバスト性が低く、圧電振動片上に接着剤を塗布する場合には圧電デバイスの温度特性を壊す可能性が高い。以下に、従来の圧電デバイスと圧電デバイス100とを比較しながら、圧電デバイス100の効果について説明する。
図3(a)は、従来の圧電デバイスでの、各サンプル毎の実測した温度特性とこの実測した温度特性から近似される4次近似特性との差(Δf、以下、「近似特性からの差」ともいう)を、各測定温度毎で求め、これらの差を目的の発振周波数(f)で除してppm値に換算(以下、Δf/f)して、それを温度に対しプロットしたものである。発振周波数(f)は38.4MHzである。サンプル数は97個である。横軸は温度(℃)、縦軸はΔf/f(ppm)である。ここで、従来の圧電デバイスとは、圧電デバイス100において接着剤152が塗布されていないものである。従って、図3(a)は、97個のサンプル毎の実際のΔf/fの温度特性の上記近似特性に対するズレを現している。高精度TCXO用の水晶振動子に要求される上記の差の規格は、例えば、−40℃〜0℃においてΔf/fが±0.28ppm以内であり、0℃〜85℃では±0.09ppm以内である。図3(a)では、−40℃から0℃の範囲にΔf/fが+0.28ppmを示す点線161a及び−0.28ppmを示す点線161bが示されており、0℃より高い温度範囲にはΔf/fが+0.09ppmを示す点線162a及び−0.09ppmを示す点線162bが示されている。なお、4次近似とした理由は、近似精度の確保と近似作業の大変さとを考慮して妥当な次数としたためである。従って、近似の次数は、これに限られない。
図3(a)に示される従来の圧電デバイスでは、−30℃から0℃の温度範囲で、Δf/fが±0.28ppm以内に収まっており、規格範囲内である。一方、0℃以上の温度範囲においては、複数個の従来の圧電デバイスについて、約0℃から約40℃及び約50℃から約85℃の温度範囲でΔf/fが+0.09ppmを超えて大きくなっており、また、約0℃から約20℃及び約30℃から約70℃の温度範囲で−0.09ppmを超えて小さくなっている。そのため従来の圧電デバイスでは、周波数の温度に対する全体的な傾向が4次の近似曲線に近い傾向を示していたとしても、Δf/fに0.2ppm以下の微小なうねりが生じているため、0℃以上の温度範囲において、Δf/fが規格内に収まっていない。
図3(b)は、圧電デバイス100の温度とΔf/fとの関係を示したグラフである。図3(b)では、90個の圧電デバイス100について、−30℃から90℃までの温度範囲のΔf/fが示されている。図3(b)の横軸には温度[℃]が示され、縦軸にはΔf/f[ppm]が示されている。図3(b)においても図3(a)と同様に、−40℃から0℃の範囲にΔf/fが+0.28ppmを示す点線161a及び−0.28ppmを示す点線161bが示されており、0℃より高い温度範囲にはΔf/fが+0.09ppmを示す点線162a及び−0.09ppmを示す点線162bが示されている。
圧電デバイス100では、−30℃から0℃の温度範囲において、Δf/fが±0.10ppmの範囲内に収まっており、Δf/fが±0.28ppm以内という規格は十分に満たしている。また、0℃から85℃の温度範囲においても、Δf/fが±0.09ppm以内という規格の範囲内にある。そのため、圧電デバイス100では、高精度のTCXOの規格に対する要求を満たすことができる。
図4(a)は、従来の圧電デバイスの温度とCIとの関係を示したグラフである。図4(a)では、図3(a)に示された97個の従来の圧電デバイスについての−30℃から90℃までの温度範囲のクリスタルインピーダンス(CI)が示されている。図4(a)の横軸には温度[℃]が示され、縦軸にはクリスタルインピーダンス(CI)[Ω]が示されている。従来の圧電デバイスでは、−30℃においてCIが約12Ωから約18Ωであり、温度を上昇させるに従ってCIが上昇し、90℃では約15Ωから約21Ωの範囲となっている。従来の圧電デバイスでは、この−30℃から90℃までの温度範囲において、CIの最高値からCIの最低値を引いた値であるΔCIが約3Ωとなっている。
図4(b)は、圧電デバイス100の温度とCIとの関係を示したグラフである。図4(b)では、図3(b)に示された90個の圧電デバイス100についての−30℃から90℃までの温度範囲のクリスタルインピーダンス(CI)が示されている。図4(b)の横軸には温度[℃]が示され、縦軸にはクリスタルインピーダンス(CI)[Ω]が示されている。図4(b)に示される圧電デバイス100では、−30℃においてCIが約13Ωから約50Ωの範囲にあり、90℃においてCIが約13Ωから約30Ωの範囲にある。
図4(b)に示される圧電デバイス100では、距離XBが様々な値を取っている。例えば、図4(b)に示される実施例164a及び実施例164bで示される圧電デバイス100はいずれも距離XBが0mmであり、実施例164cで示される圧電デバイス100は距離XBが約0.1mmであった。そのため、図4(b)においてCIが高い範囲164で示される実施例は距離XBが短くなっていると考えられる。この範囲164の実施例を除いた範囲では、−30℃においてCIが約30Ωより小さい範囲にあり、90℃においてはCIが約22Ωより小さい範囲にある。圧電デバイス100では範囲164の実施例を除いても従来の圧電デバイスよりもCIが若干高くなる傾向があるが、このCIの上昇範囲は許容範囲内であって実用面では問題がなく、図3(b)に示されるように近似特性からの差(Δf)を微小に(すなわち、Δf/fを微小に)抑えることができる効果の利点が大きいため、総合的には接着剤152を用いる利点が大きい。
図5は、圧電デバイス100の距離XBとΔCIとの関係が示されたグラフである。図5では、横軸に距離XB[mm]が示され、縦軸にΔCI[Ω]が示されている。図5に示される実施例164a、実施例164b、及び実施例164cは、図4(b)に示される実施例164a、実施例164b、及び実施例164cを示している。また、図5には、従来の圧電デバイスのΔCIに近い値である3Ωを示す点線163が引かれている。
圧電デバイス100では、距離XBが0mmの場合に、ΔCIが20Ω前後の高い値を取っている。距離XBが約0.1mmの場合には、ΔCIが13.4Ωとなって距離XBが0mmの場合に比べて低下する(すなわち改善される)。また、距離XBが0.14mmと大きくなる場合にはΔCIが3.5Ωとなり、さらに距離XBがこれよりも大きくなる場合には、ΔCIがさらに低下する。図5では距離XBが最も大きい場合として距離XBが0.23mmとなる実施例が示されているが、距離XBをこれ以上大きくすると従来の圧電デバイスの状態に近づくことになるため、距離XBを広げてもΔCIは低い状態が保たれると考えられる。
圧電デバイス100においても従来の圧電デバイスと同じ程度のΔCIを維持したい場合には、点線163が示すΔCIと同じ又はこれよりも小さい値を取ることが望ましい。図5では、距離XBが0.14mmのときにΔCIが3.5Ωであり、さらに距離XBが大きくなる場合にはΔCIがさらに小さくなると考えられることから、距離XBが0.15mmより大きくなる場合には、少なくとも従来の圧電デバイスと同等のΔCIが得られると考えられる。また、距離XBが0.2mmとなる付近ではΔCIが点線163よりも小さくなっている場合が多く、さらに好ましいと考えられる。
一方、距離XBが大きくなるということは従来の圧電デバイスの状態に近くなるということでもあるため、あまり距離XBを大きくすると図3(a)でΔf/fの微小なうねりが生じていることから近似特性からの差(Δf)の微小なうねりが増加すると考えられる。図3(b)では、主に距離XBが0mmから0.23mmまでの圧電デバイス100の実施例が示されているが、図3(b)ではまだ高精度TCXOにおいて要求される規格に対して余裕があるため、距離XBが概ね0.25mm程度までであれば確実にΔf/fが規格値の範囲内に収まることが予想される。すなわち、距離XBは、ΔCI及びΔf/fを考えた場合に、0.15mm〜0.25mmであることが望ましく、更には0.2mm〜0.25mmであることが好ましい。
また、最適な距離XBは、圧電振動片の大きさにも多少は関係すると考えられる。そのため、距離XBについて圧電振動片140の長辺の長さXAとの比をとると、XB/XA=(0.15mm〜0.25mm)/3.2mm=4.7%〜7.8%となる。圧電振動片の外形の寸法が圧電振動片140の外形の寸法と多少異なっていたとしても、長辺の長さXAと距離XBとの比が4.7%〜7.8%であれば、CI及びΔCIを悪化させずに近似特性からの差(Δf)を減少させることができると考えられる。
圧電振動片140に接着剤152を塗布する場合、図4(b)及び図5に示されるように、接着剤152の塗布位置によってはCI及びΔCI等の温度特性が悪化する可能性がある。圧電デバイス100では、接着剤152の塗布の影響が最も弱いと考えられる励振電極141から見て圧電振動片140の固定端である導電性接着剤151側に接着剤152を塗布し、励振電極141と接着剤152との間の距離XBの適正化を図ることにより、接着剤152の塗布による温度特性の悪化の影響が小さくされている。また、圧電デバイス100では、圧電振動片140に新たな固定端を形成している訳ではないため、ヒステリシスの悪化もないと推定される。上記の測定は発振周波数(f)が38.4MHzで行われたが、20MHz、25.2MHz、25MHz等の他の発振周波数に適用されても良い。
(第2実施形態)
接着剤152の塗布位置及び塗布状態は、第1実施形態の場合と多少変わっていても良い。以下に、接着剤が様々な位置又は状態に塗布された場合の変形例について説明する。
<圧電デバイス200の構成>
図6(a)は、リッド120が外された圧電デバイス200の平面図である。圧電デバイス200は、リッド120、パッケージ110、及び圧電振動片140を含んで構成されており、圧電デバイス100とは接着剤152の塗布位置が異なっている。圧電デバイス200では、圧電振動片140の上面140a上に塗布される接着剤152が導電性接着剤151と接触しておらず、塗布される接着剤152は励振電極141と導電性接着剤151aとの間のみに塗布されており、励振電極141と導電性接着剤151bとの間には塗布されていない。また、励振電極141と接着剤152との間の距離がXBに形成されている。
圧電デバイス200では、接着剤152が励振電極141と導電性接着剤151aとの間に形成されており、距離XBが第1実施形態で示されるような適正な範囲となるように形成される場合には、CI及びΔCIを悪化させずにΔf/fを減少(すなわち、近似特性からの差(Δf)を減少)させることができる。
<圧電デバイス300の構成>
図6(b)は、リッド120が外された圧電デバイス300の平面図である。圧電デバイス300は、リッド120、パッケージ110、及び圧電振動片140を含んで構成されており、圧電デバイス100とは、接着剤152の塗布位置が異なっている。圧電デバイス300では、接着剤152が圧電振動片140の−X軸側の短辺と励振電極141との間に塗布されている。
圧電振動片140は−X軸側の短辺の両端が導電性接着剤151で固定されているため、−X軸側の短辺自体が固定端となっていると考えることができる。この固定端となる−X軸側の短辺と励振電極141との間に接着剤152が塗布される場合には、圧電デバイス100と同様に、CI及びΔCIを悪化させることなく近似特性からの差(Δf)を低減させることができる。
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。また、上記の実施形態は様々に組み合わせて実施されても良い。
また、以上の説明では、圧電デバイスとして水晶振動子単体の例を示したが、パッケージ110の圧電振動片を収納している領域に、圧電振動片を発振させる発振回路と圧電振動片の周波数温度特性を補償する機能とを有したICチップを含む、圧電デバイス(発振器としての圧電デバイス)に対しても本発明は適用できる。また、パッケージ110の外側の底面に凹部を有したいわゆるH型構造のパッケージを用いていて、当該凹部に上記のICチップを搭載しているH型の発振器としての圧電デバイスに対しても、本発明は適用できる。
100、200、300 … 圧電デバイス
110 … パッケージ
111 … 実装端子
111a … ホット端子
111b … アース端子
112a … 実装面
112b … 載置面
113 … キャビティ
114 … 側壁
115 … 接着パッド
120 … リッド
130 … 封止材
140 … 圧電振動片
140a … 上面
140b … 下面
142 … 電極パッド
151、151a、151b … 導電性接着剤
152、152a、152b … 接着剤
161a … Δf/fについて+0.28ppmを示す点線
161b … Δf/fについて−0.28ppmを示す点線
162a … Δf/fについて+0.09ppmを示す点線
162b … Δf/fについて−0.09ppmを示す点線
163 … CIが3Ωである点線
164 … CIが高くなる実施例の範囲
164a、164b、164c … 圧電デバイス100の実施例
XA … 圧電振動片140の長辺の長さ
XB … 接着剤と励振電極との間の距離
ZA … 圧電振動片140の短辺の長さ

Claims (5)

  1. 外形が長方形状に形成され、上面及び下面の両主面に形成される励振電極、一方の短辺の両端に形成される電極パッド、及び前記励振電極から前記電極パッドまで引き出され前記電極パッドに電気的に接続される引出電極を有する圧電振動片と、
    前記圧電振動片の前記下面と相対するように前記圧電振動片が載置される載置面及び前記載置面に形成される接着パッドを備えるパッケージと、
    前記圧電振動片を前記パッケージに固定すると共に前記接着パッドと前記電極パッドとを電気的に接続する導電性接着剤と、を有し、
    前記圧電振動片には、前記導電性接着剤と前記励振電極との間であり前記圧電振動片の前記上面に接着剤が塗布される圧電デバイス。
  2. 前記接着剤と前記励振電極との間の距離は、0.15mm以上0.25mm以下である請求項1に記載の圧電デバイス。
  3. 前記接着剤と前記励振電極との間の距離は、0.2mm以上である請求項2に記載の圧電デバイス。
  4. 前記接着剤は、前記引出電極と高さ方向に重なる位置に塗布される請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
  5. 発振回路及び温度補償用機能を内蔵したICチップを含む請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の圧電デバイス。


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