JP5093355B2 - 水晶発振装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水晶発振装置に関し、詳細には、封止空間内に設けられている水晶発振子を備える水晶発振装置に関する。
従来、水晶基板を有する水晶発振子を用いた水晶発振装置は、非常に高い精度を実現し得る発振装置として、例えば時計などの非常に高い発振精度が要求される用途に多用されている。しかしながら、水晶発振子が大気に曝された状態では、外乱により十分に高精度な発振特性が得られない場合がある。このため、水晶発振子は、通常、封止空間内に配置されている。また、水晶発振子を封止空間内に配置した場合であっても、封止空間内に気体が存在している場合は、その気体の存在に起因して、水晶発振子の周波数特性が変動する場合がある。従って、例えば下記の特許文献１に記載されているように、水晶発振子は、通常、真空封止されている。
しかしながら、水晶発振子を真空封止した場合、励振電力（ドライブレベル）が変動すると、水晶振動子の発振周波数が大きく変動するため、高い発振精度を実現し難いという問題があった。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライブレベルが変動した場合であっても発振周波数が変動しにくく、高い発振精度を有する水晶発振装置を提供することにある。
本発明に係る水晶発振装置は、支持基板と、水晶発振子と、封止部材とを備えている。水晶発振子は、水晶基板と、水晶基板に電圧を印加する一対の電極とを有する。水晶発振子は、支持基板上に搭載されている。封止部材は、支持基板と共に水晶発振子を封止する封止空間を形成するように、支持基板上に設けられている。封止空間内の圧力は、６００００Ｐａ〜８００００Ｐａである。
本発明に係る水晶発振装置の他の特定の局面では、封止空間が、空気雰囲気である。この構成によれば、水晶発振装置の製造がより容易となる。
本発明に係る水晶発振装置の別の特定の局面では、水晶発振子の表面を覆う薄膜が形成されている。この構成によれば、ドライブレベルの変動に起因する発振周波数の変動をより効果的に抑制することができる。
本発明に係る水晶発振装置のさらに他の特定の局面では、薄膜は、有機薄膜または無機薄膜である。
本発明に係る水晶発振装置のさらに別の特定の局面では、封止部材と支持基板とを接着している樹脂接着剤層をさらに備える。この構成によれば、水晶発振装置の製造がより容易になる。また、封止部材を低温で固定できるため、封止部材や支持基板の残留応力を小さくできる。
本発明では、水晶発振子が配置されている封止空間内の圧力が６００００Ｐａ〜８００００Ｐａとされている。このため、ドライブレベルの変動に起因する発振周波数の変動を抑制することができると共に、ある局面では封止空間の温度が上昇することに起因する発振周波数の変動を抑制することができる。従って、高い発振精度を実現し得る。
以下、本発明を実施した好ましい形態について、図１及び図３に示す水晶発振装置を例に挙げて説明する。但し、図１及び図３に示す水晶発振装置は、単なる例示であって、本発明は、これらの水晶発振装置に限定されるものではない。
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る水晶発振装置の略図的分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る水晶発振装置の略図的断面図である。
図１は、本実施形態に係る水晶発振装置の略図的分解斜視図である。図２は、本実施形態に係る水晶発振装置の略図的断面図である。
図１及び図２に示すように、水晶発振装置１は、支持基板１０を備えている。支持基板１０は、後述する水晶発振子２０を支持するための基板である。支持基板１０は、水晶発振子２０を支持できる基板である限りにおいて特に限定されない。支持基板１０は、例えば、金属基板、合金基板、セラミック基板、樹脂基板等により構成することができる。
支持基板１０の上には、水晶発振子２０が搭載されている。詳細には、水晶発振子２０は、水晶基板２２と支持基板１０との間に隙間が形成されるように支持基板１０上に実装されている。
水晶発振子２０は、水晶基板２２と、水晶基板２０に電圧を印加する一対の電極２１，２３とを備えている。本実施形態では、水晶基板２２の上側の主面上に電極２１が設けられており、水晶基板２２の下側の主面上に、水晶基板２２を介して電極２１と対向するように電極２３が設けられている。水晶基板２２の上側の主面上に設けられている電極２１は、下側の主面にまで引き出されており、電極２１，２３は、導電性接着剤層１２を介して、支持基板１０上に形成されている配線電極１０ａに接続されている。
電極２１，２３の形成材料は、導電性を有するものである限りにおいて特に限定されない。電極２１，２３は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属や、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｎｉ，Ｃｒなどの金属の少なくとも一種を含む合金などにより形成することができる。
また、支持基板１０の上には、封止部材１５が設けられている。詳細には、封止部材１５の周縁部が、接着剤層１３と絶縁層１４とを介して支持基板１０に接着されている。これにより、支持基板１０と封止部材１５とによって、水晶発振子２０を封止する封止空間１５ａが形成されている。
封止部材１５は、封止空間を形成できるものである限りにおいて特に限定されず、例えば、金属、合金または樹脂製のキャップにより構成することができる。
接着剤層１３は、封止部材１５と支持基板１０とを接着できるものである限りにおいて特に限定されず、例えば、樹脂接着剤により形成することができる。樹脂接着剤の具体例としては、例えば、エポキシ系、シリコン系、ウレタン系、イミド系の接着剤などが挙げられる。また、接着剤層１３は、ガラスや金属酸化物（不導体）のペーストが焼き付けられたものであってもよい。
絶縁層１４は、例えば、封止部材１５が導電性を有する場合に特に有効であるが、必須の構成部材ではなく、設けずともよい。絶縁層１４は、例えば、エポキシ系、シリコン系、ウレタン系、イミド系の樹脂、ガラスまたは金属酸化物（不導体）のペーストが焼き付けられたものなどにより形成することができる。
本実施形態では、封止空間１５ａ内の圧力が、大気圧（１０００００Ｐａ）未満であって、１５０００Ｐａ以上とされている。例えば、封止空間１５ａ内の圧力が大気圧以上である場合は、封止空間１５ａの温度が少しでも上昇すると、封止空間１５ａ内の圧力が正圧となるため、発振周波数が大きく変動してしまう。それに対して、本実施形態では、上述のように、封止空間１５ａ内の圧力が大気圧未満とされている。すなわち、封止空間１５ａ内の圧力が１０００００Ｐａ未満とされている。このため、封止空間１５ａの温度が上昇した場合であっても、封止空間１５ａ内の圧力が正圧となりにくい。従って、封止空間１５ａの温度上昇に伴う発振周波数の変動を抑制することができる。
また、例えば、封止空間１５ａ内の圧力が真空である場合は、ドライブレベルが変動すると、発振周波数が大きく変動することとなる。それに対して、本実施形態では、封止空間１５ａ内の圧力が１５０００Ｐａ以上とされている。これにより、下記の実験例においても裏付けられるように、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数の変動を抑制することができる。
以上より、本実施形態のように、封止空間１５ａ内の圧力を大気圧（１０００００Ｐａ）未満であって、１５０００Ｐａ以上とすることにより、ドライブレベルの変動や封止空間１５ａの温度の変動に伴う発振周波数変動を抑制できる。その結果、高い発振精度を実現することができる。
なお、封止空間１５ａ内の圧力を１５０００Ｐａ以上としたときにドライブレベルの変動に起因する発振周波数変動を抑制できる理由は、水晶発振子２０の周囲に存在する気体により、水晶発振子２０の振動が抑制（ダンピング）されるためであると考えられる。
封止空間１５ａの温度上昇に伴う発振周波数の変動をより効果的に抑制する観点からは、封止空間１５ａ内の圧力は、８００００Ｐａ以下であることが好ましい。また、封止空間１５ａ内の圧力を８００００Ｐａ以下とすることにより、共振抵抗値を小さくすることができる。
なお、本実施形態において、封止空間１５ａ内の雰囲気は特に限定されず、例えば、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、二酸化炭素雰囲気、空気雰囲気等であってもよいが、中でも、空気雰囲気であることが好ましい。この場合、水晶発振装置の製造が容易となる。
以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。なお、以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る水晶発振装置の略図的分解斜視図である。図４は、第２の実施形態に係る水晶発振装置の略図的断面図である。
図３は、第２の実施形態に係る水晶発振装置の略図的分解斜視図である。図４は、第２の実施形態に係る水晶発振装置の略図的断面図である。
図３及び図４に示すように、本実施形態では、水晶発振子２０の表面を覆う薄膜２４ａ、２４ｂが設けられている。具体的には、薄膜２４ａは、水晶発振子２０の電極２１側の表面を覆っている。一方、薄膜２４ｂは、水晶発振子２０の電極２３側の表面を覆っている。
このように、薄膜２４ａ、２４ｂを設けることによって、下記の実験例においても裏付けられるように、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数の変動をより効果的に抑制することができる。
薄膜２４ａ、２４ｂの種類は特に限定されず、薄膜２４ａ、２４ｂは、例えば、有機薄膜や無機薄膜であってもよい。薄膜２４ａ、２４ｂが有機薄膜である場合も、無機薄膜である場合も、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数の変動をより効果的に抑制することができる。薄膜２４ａ、２４ｂが有機薄膜である場合は、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数の変動をさらに効果的に抑制することができるため、薄膜２４ａ、２４ｂは、有機薄膜であることがより好ましい。
なお、有機薄膜の具体例としては、シラン化合物等が挙げられる。
無機薄膜の具体例としては、Ａｇ、Ａｕ等が挙げられる。
また、薄膜２４ａ、２４ｂの厚さは、特に限定されないが、例えば、数ｎｍ〜数１００ｎｍ程度であることが好ましく、５ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることがより好ましい。
（実験例）
図１または図３に示す構成の水晶発振子を作成し、封止空間内の圧力を種々変動させてドライブレベルと発振周波数変動量との関係を調べた。結果を、図５に示す。
図１または図３に示す構成の水晶発振子を作成し、封止空間内の圧力を種々変動させてドライブレベルと発振周波数変動量との関係を調べた。結果を、図５に示す。
図５に示す結果から、封止空間内の圧力が、５０Ｐａ，１０００Ｐａ，２０００Ｐａである場合は、いずれの場合も、ドライブレベルの変動によって発振周波数が大きく変動した。それに対して、封止空間の圧力を１５０００Ｐａ以上とした場合は、ドライブレベルの変動による発振周波数の変動量が小さくなることが分かった。この結果から、封止空間の圧力を１５０００Ｐａ以上とすることにより、ドライブレベルの変動による発振周波数の変動を抑制できることが分かる。
また、封止空間の圧力が８００００Ｐａの場合と、封止空間の圧力が１０００００Ｐａ（大気圧）の場合とでは、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数変動量がほぼ同じであった。このことから、封止空間が正圧とならないようにすることも考慮して、封止空間の圧力を、８００００Ｐａ以下とすることがより好ましいことが分かる。
また、図５に示す結果から、薄膜２４ａ、２４ｂを設けることにより、ドライブレベルの変動に伴う発振周波数変動量をより小さくできることが分かる。なかでも、有機薄膜を設けた場合は、無機薄膜を設けた場合よりもドライブレベルの変動に伴う発振周波数変動量をさらに小さくできることが分かる。この結果から、薄膜２４ａ、２４ｂを設けることが好ましく、有機薄膜からなる薄膜２４ａ、２４ｂを設けることがさらに好ましいことが分かる。
次に、図１に示す水晶発振子２０を、封止空間内の圧力を種々変化させて複数作成し、封止空間内の圧力と、共振抵抗値との関係を調べた。結果を、図６に示す。
図６に示す結果から、封止空間内の圧力を大気圧未満とすることにより、共振抵抗値を小さくできることが分かる。また、封止空間内の圧力を８００００Ｐａ以下とすることにより共振抵抗値をさらに小さくできることが分かる。
１…水晶発振装置
１０…支持基板
１０ａ…配線電極
１２…導電性接着剤層
１３…接着剤層
１４…絶縁層
１５…封止部材
１５ａ…封止空間
２０…水晶発振子
２１，２３…電極
２２…水晶基板
２４ａ、２４ｂ…薄膜
１０…支持基板
１０ａ…配線電極
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１３…接着剤層
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１５ａ…封止空間
２０…水晶発振子
２１，２３…電極
２２…水晶基板
２４ａ、２４ｂ…薄膜
Claims (4)
- 支持基板と、
水晶基板と、前記水晶基板に電圧を印加する一対の電極とを有し、前記支持基板上に搭載されている水晶発振子と、
前記支持基板と共に前記水晶発振子を封止する封止空間を形成するように、前記支持基板上に設けられている封止部材とを備え、
前記封止空間内の圧力は、６００００Ｐａ〜８００００Ｐａであり、
前記封止空間が、空気雰囲気である、水晶発振装置。 - 前記水晶発振子の表面を覆う薄膜が形成されている、請求項１に記載の水晶発振装置。
- 前記薄膜は、有機薄膜または無機薄膜である、請求項２に記載の水晶発振装置。
- 前記封止部材と前記支持基板とを接着している樹脂接着剤層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水晶発振装置。
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