JP2023080600A

JP2023080600A - 発振器

Info

Publication number: JP2023080600A
Application number: JP2021194027A
Authority: JP
Inventors: 学白木; Manabu Shiraki; 信也青木; Shinya Aoki
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-09

Abstract

【課題】寄生容量の差を低減し、高精度の発振出力信号を出力する発振器を提供する。【解決手段】発振器は、振動素子と、回路素子と、第１面及び第２面を有する基板を含む容器と、を備え、基板は、第１面上に設けられた第１電極、第２電極、及び出力電極と、第２面上に設けられた第１固定電極及び第２固定電極と、第１面を含む第１層を貫通する第１貫通電極を含む第１配線と、第１面を含む前記第１層を貫通する第２貫通電極を含む第２配線と、を有し、第１電極と第２電極とが第１方向に並んで配置され、第１方向に直交する方向である第２方向において、出力電極は、第１電極と隣り合って配置され、出力電極の第１電極側の端部を通り、第１方向に沿った仮想線を仮想線Ａとしたとき、第２方向において、第１貫通電極の中心と仮想線Ａとの間隔は、第２貫通電極の中心と仮想線Ａとの間隔より大きい。【選択図】図４

Description

本発明は、発振器に関する。

従来、発振器は、素子を搭載する基板と、基板に搭載された集積回路素子及び圧電素子とを含んでいる。例えば、特許文献１には、両主面にそれぞれ第１及び第２凹部を有し、第１凹部に水晶片が気密封止され、第２凹部にＩＣチップが収容された所謂Ｈ型構造の容器を備えた表面実装用の水晶発振器が開示されている。第２凹部の底面には、水晶片との接続用に設けられたＩＣチップの一対の水晶端子に対応する実装電極が設けられており、当該実装電極は、他の実装電極よりも大きな面積を有し、水晶片の特性検査に用いられる一対のモニター電極として形成されている。

国際公開第２００８／１３６３４０号

しかしながら、特許文献１に記載された水晶発振器は、２つの水晶電極である第１水晶電極及び第２水晶電極のうちの一方と出力電極とが隣り合うように配置した場合、第１水晶電極と出力電極との間の第１寄生容量が、第２水晶電極と出力電極との間の第２寄生容量より大きくなり、第１寄生容量と第２寄生容量との差が大きくなってしまう。また、同様に第１凹部に設けられた水晶片を実装する第１実装電極と第１水晶電極とを電気的に接続する第１貫通電極と出力電極との間の寄生容量と、第２実装電極と第２水晶電極とを電気的に接続する第２貫通電極と出力電極との間の寄生容量と、の差も大きくなってしまう。これらの寄生容量の差が大きくなると、発振出力信号の周波数精度が劣化してしまうという課題があった。

発振器は、振動素子と、前記振動素子に電気的に接続されてクロック信号を出力する回路素子と、前記回路素子が搭載される第１面及び前記振動素子が搭載される第２面を有する基板を含む容器と、を備え、前記基板は、前記第１面上に設けられ、前記振動素子に電気的に接続される第１電極と、前記第１面上に設けられ、前記振動素子に電気的に接続される第２電極と、前記第１面上に設けられ、前記クロック信号が出力される出力電極と、前記第２面上に設けられ、前記振動素子が固定される第１固定電極と、前記第２面上に設けられ、前記振動素子が固定される第２固定電極と、前記第１面を含む第１層を貫通する第１貫通電極を含み、前記第１電極と前記第１固定電極とを電気的に接続する第１配線と、前記第１面を含む前記第１層を貫通する第２貫通電極を含み、前記第２電極と前記第２固定電極とを電気的に接続する第２配線と、を有し、前記第１電極と前記第２電極とが第１方向に並んで配置されており、前記第１方向に直交する方向である第２方向において、前記出力電極は、前記第１電極と隣り合って配置されており、前記第１固定電極と前記第２固定電極とが前記第１方向に並んで配置されており、前記出力電極の前記第１電極側の端部を通り、前記第１方向に沿った仮想線を仮想線Ａとしたとき、前記第２方向において、前記第１貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔は、前記第２貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔より大きい。

第１実施形態に係る発振器の概略構造を示す平面図。図１中のＷ－Ｗ線における断面図。回路素子に形成された端子パターンを示す平面図。基板の第１面に形成された電極パターンを示す平面図。基板の第３面に形成された電極配線及び電極パターンを示す平面図。基板の第２面に形成された配線及び電極パターンを示す平面図。第２実施形態に係る発振器が備える基板の第３面に形成された電極配線及び電極パターンを示す平面図。第２実施形態に係る発振器の断面図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る発振器１について、音叉型の振動素子５０を備えた発振器を一例として挙げ、図１～図６を参照して説明する。
尚、図１において、発振器１の内部の構成を説明する便宜上、リッド１８を取り外した状態を図示している。また、図２において、容器１０に設けられた実装端子１４と基板１１の第１面１１ａに設けられた各電極３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆとを電気的に接続する配線及び励振電極５５と接続端子５６とを電気的に接続する配線の図示を省略している。

また、説明の便宜上、以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。

また、本実施形態において、第１方向がＸ方向であり、第１方向に直交する方向である第２方向がＹ方向である。

本実施形態に係る発振器１は、図１及び図２に示すように、回路素子４０と、振動素子５０と、回路素子４０及び振動素子５０を収容する容器１０と、振動素子５０を収容した収容空間Ｓ１を気密封止するリッド１８と、を有する。

回路素子４０は、振動素子５０を発振する発振回路を有し、振動素子５０に電気的に接続されて、振動素子５０の発振周波数に基づいて、クロック信号を出力する。
回路素子４０は、図３に示すように、振動素子５０に接続される第１端子４１ａと、振動素子５０に接続され、Ｘ方向において、第１端子４１ａと並んで配置される第２端子４１ｂと、Ｙ方向において、第１端子４１ａと隣接して配置され、クロック信号が出力される出力端子４１ｃと、Ｙ方向において、第２端子４１ｂと隣接して配置されるグランド端子４１ｄと、第１端子４１ａの出力端子４１ｃ側とは反対側に隣接して配置される電源端子４１ｅと、第２端子４１ｂのグランド端子４１ｄ側とは反対側に隣接して配置される制御端子４１ｆと、を有する。

振動素子５０は、２つの支持腕５４ａ，５４ｂを有する音叉型振動素子であり、外形形状や外形寸法に起因する共振周波数で発振し、所望の発振周波数を出力する。
振動素子５０は、水晶等の圧電材料を基材とし、図１に示すように、基部５１と、基部５１からマイナスＹ方向に延伸する２本の振動腕５２と、振動腕５２のマイナスＹ方向の先端部に接続された錘部５３と、基部５１からマイナスＹ方向に延伸し、振動腕５２を挟むように設けられた第１支持腕５４ａ及び第２支持腕５４ｂと、振動腕５２に形成された金等で構成される励振電極５５と、支持腕５４ａ，５４ｂに形成された金等で構成される接続端子５６と、を有する。また、振動素子５０は、振動腕５２及び支持腕５４ａ，５４ｂに形成され、励振電極５５と接続端子５６とを電気的に接続する金等で構成される図示しない配線も有する。

容器１０は、セラミック等からなり、平板状の回路素子４０及び振動素子５０が搭載される基板１１と、振動素子５０を収容する収容空間Ｓ１を構成する中央部が除去された環状の第１枠基板１２と、基板１１を挟み第１枠基板１２とは反対側に配置し、回路素子４０を収容する収容空間Ｓ２を構成する中央部が除去された環状の第２枠基板１３と、を積層することで構成されている。

基板１１は、回路素子４０が搭載される第１面１１ａと、第１面１１ａと表裏関係にあり振動素子５０が搭載される第２面１１ｂと、を有する。また、基板１１は、第１面１１ａと表裏関係にあり第３面１１１ｂを有する第１層１１１と、第１層１１１に積層された第２層１１２と、を有する。
基板１１の第１面１１ａには、図４に示すように、第１端子４１ａと電気的に接続される第１電極３１ａと、第２端子４１ｂと電気的に接続される第２電極３１ｂと、出力端子４１ｃと電気的に接続され、クロック信号が出力される出力電極３１ｃと、が設けられている。また、グランド端子４１ｄと電気的に接続されるグランド電極３１ｄと、電源端子４１ｅと電気的に接続される電源電極３１ｅと、制御端子４１ｆと電気的に接続される制御電極３１ｆと、が設けられている。尚、出力電極３１ｃ、グランド電極３１ｄ、電源電極３１ｅ、及び制御電極３１ｆは、図示しない配線により容器１０の底面に設けられた実装端子１４とそれぞれ電気的に接続されている。

尚、第１電極３１ａと第２電極３１ｂとが、第１方向であるＸ方向に並んで配置されており、出力電極３１ｃは、第２方向であるＹ方向において、第１電極３１ａと隣り合って配置されている。また、グランド電極３１ｄは、出力電極３１ｃとＸ方向に並んで配置されており、電源電極３１ｅは、Ｙ方向において、第１電極３１ａの出力電極３１ｃ側とは反対側に第１電極３１ａと隣り合って配置され、制御電極３１ｆは、Ｙ方向において、第２電極３１ｂのグランド電極３１ｄ側とは反対側に第２電極３１ｂと隣り合って配置されている。

また、基板１１の第１面１１ａには、第１面１１ａを含む第１層１１１を貫通する第１貫通電極３２ａ、第２貫通電極３２ｂ、出力貫通電極３２ｃ、グランド貫通電極３２ｄ、電源貫通電極３２ｅ、及び制御貫通電極３２ｆが設けられており、各貫通電極３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆは、第１面１１ａ上の各電極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆとそれぞれ電気的に接続されている。

また、基板１１の第１面１１ａには、回路素子４０が搭載されており、図２に示すように、第１面１１ａ上の各電極３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，３１ｅ，３１ｆと、回路素子４０に設けられた各端子４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆと、が導電性接着剤や金バンプ等の接合部材１９を介して電気的及び機械的に接続されている。

また、図４に示すように、出力電極３１ｃの第１電極３１ａ側の端部を通り、Ｘ方向に沿った仮想線を仮想線Ａとしたとき、Ｙ方向において、第１貫通電極３２ａの中心Ｃ１と仮想線Ａとの間隔Ｌ１は、第２貫通電極３２ｂの中心Ｃ２と仮想線Ａとの間隔Ｌ２より大きい。また、第２方向における第１電極３１ａの中心線を第１中心線ＣＬ１、第２方向における第２電極３１ｂの中心線を第２中心線ＣＬ２としたとき、第１貫通電極３２ａの中心Ｃ１は、第１中心線ＣＬ１を挟んで出力電極３１ｃと反対側に配置され、第２貫通電極３２ｂの中心Ｃ２は、第２中心線ＣＬ２に対して出力電極３１ｃ側に配置されている。

そのため、第１貫通電極３２ａの中心Ｃ１が第１中心線ＣＬ１上にある場合に比べ、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間隔を広くすることができ、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量を小さくすることができる。また、第２貫通電極３２ｂの中心Ｃ２が第２中心線ＣＬ２上にある場合に比べ、第２貫通電極３２ｂと出力電極３１ｃとの間隔を狭くすることができ、第２貫通電極３２ｂと出力電極３１ｃとの間の寄生容量を大きくすることができる。従って、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、第２貫通電極３２ｂと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、の差を小さくすることができる。

第１層１１１の上面である基板１１の第３面１１１ｂには、図５に示すように、第１貫通電極３２ａを介して第１電極３１ａと電気的に接続される第１電極配線３３ａと、第２貫通電極３２ｂを介して第２電極３１ｂと電気的に接続される第２電極配線３３ｂと、出力貫通電極３２ｃを介して出力電極３１ｃと電気的に接続される出力配線３３ｃと、が設けられている。また、グランド貫通電極３２ｄを介してグランド電極３１ｄと電気的に接続されるグランド配線３３ｄと、電源貫通電極３２ｅを介して電源電極３１ｅと電気的に接続される電源配線３３ｅと、制御貫通電極３２ｆを介して制御電極３１ｆと電気的に接続される制御配線３３ｆと、が設けられている。

基板１１の第２面１１ｂには、図６に示すように、平面視で、第１面１１ａに設けられた第１電極３１ａと重なる位置に振動素子５０が固定される第１固定電極３４ａと、平面視で、第１面１１ａに設けられた第２電極３１ｂと重なる位置に振動素子５０が固定される第２固定電極３４ｂと、第２面１１ｂを含む第２層１１２を貫通する第３貫通電極３６ａ及び第４貫通電極３６ｂと、第１電極３１ａと第１固定電極３４ａとを電気的に接続する第１配線３５ａと、第２電極３１ｂと第２固定電極３４ｂとを電気的に接続する第２配線３５ｂと、が設けられている。尚、第１固定電極３４ａと第２固定電極３４ｂとは、Ｘ方向に並んで配置されている。また、第３貫通電極３６ａは、平面視で、第１層１１１に設けられた第１貫通電極３２ａと重なる位置に配置され、第４貫通電極３６ｂは、平面視で、第１層１１１に設けられた第２貫通電極３２ｂと重なる位置に配置されている。また、第１配線３５ａは、第１貫通電極３２ａ及び第３貫通電極３６ａを含み、第２配線３５ｂは、第２貫通電極３２ｂ及び第４貫通電極３６ｂを含んでいる。そのため、第１固定電極３４ａは、第１貫通電極３２ａ及び第３貫通電極３６ａを含む第１配線３５ａを介して第１電極３１ａと電気的に接続され、第２固定電極３４ｂは、第２貫通電極３２ｂ及び第４貫通電極３６ｂを含む第２配線３５ｂを介して、第２電極３１ｂと電気的に接続されている。

また、図６に示すように、Ｙ方向において、第３貫通電極３６ａの中心Ｃ３と仮想線Ａとの間隔Ｌ３は、第４貫通電極３６ｂの中心Ｃ４と仮想線Ａとの間隔Ｌ４より大きい。また、第２方向における第１固定電極３４ａの中心線を第３中心線ＣＬ３、第２方向における第２固定電極３４ｂの中心線を第４中心線ＣＬ４としたとき、第３貫通電極３６ａの中心Ｃ３は、第３中心線ＣＬ３を挟んで出力電極３１ｃと反対側に配置され、第４貫通電極３６ｂの中心Ｃ４は、第４中心線ＣＬ４に対して出力電極３１ｃ側に配置されている。

そのため、第３貫通電極３６ａの中心Ｃ３が第３中心線ＣＬ３上にある場合に比べ、第３貫通電極３６ａと出力電極３１ｃとの間隔を広くすることができ、第３貫通電極３６ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量を小さくすることができる。また、第４貫通電極３６ｂの中心Ｃ４が第４中心線ＣＬ４上にある場合に比べ、第４貫通電極３６ｂと出力電極３１ｃとの間隔を狭くすることができ、第４貫通電極３６ｂと出力電極３１ｃとの間の寄生容量を大きくすることができる。従って、第３貫通電極３６ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、第４貫通電極３６ｂと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、の差を小さくすることができる。

また、基板１１の第２面１１ｂには、振動素子５０が搭載されており、振動素子５０の第１支持腕５４ａが第１固定電極３４ａに接合され、振動素子５０の第２支持腕５４ｂが第２固定電極３４ｂに接合されている。より具体的には、図２に示すように、第２面１１ｂ上の固定電極３４ａ，３４ｂと、振動素子５０の支持腕５４ａ，５４ｂに設けられた接続端子５６と、が金バンプ等の接合部材６０を介して電気的及び機械的に接続されている。そのため、第１電極３１ａと第２電極３１ｂとは、振動素子５０の励振電極５５と電気的に接続される。

リッド１８は、金属、セラミック、ガラス等からなり、シールリングや低融点ガラス等の接合部材１７を介して容器１０と接合することで、振動素子５０を収容し気密封止された収容空間Ｓ１を構成することができる。また、収容空間Ｓ１は、気密空間であり、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態となっている。

尚、本実施形態では、振動素子５０として支持腕５４ａ，５４ｂを有する音叉型振動素子を一例として挙げ説明したが、これに限定することはなく、支持腕５４ａ，５４ｂの無い音叉型振動素子や厚み滑り振動型振動素子であっても構わない。

本実施形態の発振器１は、第１貫通電極３２ａと仮想線Ａとの間隔Ｌ１が第２貫通電極３２ｂと仮想線Ａとの間隔Ｌ２より大きいので、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間隔を広くすることができ、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量を、第１貫通電極３２ａと仮想線Ａとの間隔Ｌ１と第２貫通電極３２ｂと仮想線Ａとの間隔Ｌ２とが等しい場合に比べ小さくすることができる。そのため、第１貫通電極３２ａと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、第２貫通電極３２ｂと出力電極３１ｃとの間の寄生容量と、の差を小さくすることができ、高精度の発振出力信号を出力することができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る発振器１ａについて、図７及び図８を参照して説明する。尚、図８は、図１中のＷ－Ｗ線における断面図に相当する。

本実施形態の発振器１ａは、第１実施形態の発振器１に比べ、基板１１ｃの第３面１１１ｂにシールド電極３３ｇが設けられていること以外は、第１実施形態の発振器１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

発振器１ａは、図７に示すように、第１層１１１ａの上面である基板１１ｃの第３面１１１ｂにグランド貫通電極３２ｄからプラスＸ方向に延在し、平面視で、第１面１１ａに設けられた出力電極３１ｃと重なるシールド電極３３ｇが設けられている。また、シールド電極３３ｇは、図８に示すように、断面視で、振動素子５０と出力電極３１ｃとの間に配置されている。

このような構成とすることで、第１実施形態の発振器１と同様な効果を得ることができる。また、振動素子５０と出力電極３１ｃとの間にシールド電極３３ｇが配置されているので、振動素子５０に設けられた電極と出力電極３１ｃとの間で生じる寄生容量を低減することができる。

１，１ａ…発振器、１０…容器、１１…基板、１１ａ…第１面、１１ｂ…第２面、１１１ｂ…第３面、１１１…第１層、１１２…第２層、１２…第１枠基板、１３…第２枠基板、１４…実装端子、１７…接合部材、１８…リッド、１９…接合部材、３１ａ…第１電極、３１ｂ…第２電極、３１ｃ…出力電極、３１ｄ…グランド電極、３１ｅ…電源電極、３１ｆ…制御電極、３２ａ…第１貫通電極、３２ｂ…第２貫通電極、３２ｃ…出力貫通電極、３２ｄ…グランド貫通電極、３２ｅ…電源貫通電極、３２ｆ…制御貫通電極、３３ａ…第１電極配線、３３ｂ…第２電極配線、３３ｃ…出力配線、３３ｄ…グランド配線、３３ｅ…電源配線、３３ｆ…制御配線、３４ａ…第１固定電極、３４ｂ…第２固定電極、３５ａ…第１配線、３５ｂ…第２配線、３６ａ…第３貫通電極、３６ｂ…第４貫通電極、４０…回路素子、４１ａ…第１端子、４１ｂ…第２端子、４１ｃ…出力端子、４１ｄ…グランド端子、４１ｅ…電源端子、４１ｆ…制御端子、５０…振動素子、５１…基部、５２…振動腕、５３…錘部、５４ａ…第１支持腕、５４ｂ…第２支持腕、５５…励振電極、５６…接続端子、６０…接合部材、Ａ…仮想線、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…中心、ＣＬ１…第１中心線、ＣＬ２…第２中心線、ＣＬ３…第３中心線、ＣＬ４…第４中心線、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…間隔、Ｓ１，Ｓ２…収容空間。

Claims

振動素子と、
前記振動素子に電気的に接続されてクロック信号を出力する回路素子と、
前記回路素子が搭載される第１面及び前記振動素子が搭載される第２面を有する基板を含む容器と、を備え、
前記基板は、
前記第１面上に設けられ、前記振動素子に電気的に接続される第１電極と、
前記第１面上に設けられ、前記振動素子に電気的に接続される第２電極と、
前記第１面上に設けられ、前記クロック信号が出力される出力電極と、
前記第２面上に設けられ、前記振動素子が固定される第１固定電極と、
前記第２面上に設けられ、前記振動素子が固定される第２固定電極と、
前記第１面を含む第１層を貫通する第１貫通電極を含み、前記第１電極と前記第１固定電極とを電気的に接続する第１配線と、
前記第１面を含む前記第１層を貫通する第２貫通電極を含み、前記第２電極と前記第２固定電極とを電気的に接続する第２配線と、を有し、
前記第１電極と前記第２電極とが第１方向に並んで配置されており、
前記第１方向に直交する方向である第２方向において、前記出力電極は、前記第１電極と隣り合って配置されており、
前記第１固定電極と前記第２固定電極とが前記第１方向に並んで配置されており、
前記出力電極の前記第１電極側の端部を通り、前記第１方向に沿った仮想線を仮想線Ａとしたとき、
前記第２方向において、前記第１貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔は、前記第２貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔より大きい、
発振器。
前記第２方向における前記第１電極の中心線を第１中心線、前記第２方向における前記第２電極の中心線を第２中心線としたとき、
前記第１貫通電極の中心は、前記第１中心線を挟んで前記出力電極と反対側に配置され、
前記第２貫通電極の中心は、前記第２中心線に対して前記出力電極側に配置される、
請求項１に記載の発振器。
前記第１配線は、前記第２面を含む第２層を貫通する第３貫通電極を含み、
前記第２配線は、前記第２面を含む前記第２層を貫通する第４貫通電極を含み、
前記第２方向において、前記第３貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔は、前記第４貫通電極の中心と前記仮想線Ａとの間隔より大きい、
請求項１又は請求項２に記載の発振器。
前記第２方向における前記第１固定電極の中心線を第３中心線、前記第２方向における前記第２固定電極の中心線を第４中心線としたとき、
前記第３貫通電極の中心は、前記第３中心線を挟んで前記出力電極と反対側に配置され、
前記第４貫通電極の中心は、前記第４中心線に対して前記出力電極側に配置される、
請求項３に記載の発振器。
前記基板は、平面視で前記出力電極と重なり、且つ断面視で前記振動素子と前記出力電極との間に配置されたシールド電極を含む、
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の発振器。
前記振動素子は、２本の振動腕と、平面視で前記振動腕を挟むように設けられた第１支持腕及び第２支持腕と、を有し、
前記第１支持腕は、前記第１固定電極に接合され、
前記第２支持腕は、前記第２固定電極に接合され、
前記第１固定電極は、平面視で前記第１電極と重なり、
前記第２固定電極は、前記平面視で前記第２電極と重なる、
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の発振器。