JP5210077B2

JP5210077B2 - 圧電発振器

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Publication number: JP5210077B2
Application number: JP2008197259A
Authority: JP
Inventors: 浩之三浦
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2010035079A

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電発振器に関するものである。

図７は、従来の圧電発振器を示す断面図である。図８（ａ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の一方の主面を示す透視平面図であり、図８（ｂ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の内層面を示す透視平面図であり、図８（ｃ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の他方の主面を示す透視平面図である。
図７〜図８に示すように、従来の圧電発振器２００は、その例として容器体２０１、圧電振動素子２０７、集積回路素子２０９、蓋体２０８とから主に構成されている。
容器体２０１は、基板部２０１ａと２つの枠部２０１ｂ、２０１ｃで構成されている。
この容器体２０１は、基板部２０１ａの一方の主面に枠部２０１ｂが設けられて第１の凹部空間２０２が形成され、基板部２０１ａの他方主面に枠部２０１ｃが設けられて第２の凹部空間２０４が形成される。
その第１の凹部空間２０２内に露出する基板部２０１ａの一方の主面には、図８（ａ）に示すように、一対の圧電振動素子搭載パッド２０３ａ、２０３ｂが設けられている。
また、第２の凹部空間２０４内に露出する基板部２０１ａの他方の主面には、図８（ｃ）に示すように、集積回路素子搭載パッド２０５が設けられている。
また、基板部２０１ａは、積層構造となっており、図８（ｂ）に示すように、基板部２０１ａの内層には、第１の配線パターン２１２ａや第２の配線パターン２１２ｂ等が設けられている。
この圧電振動素子搭載パッド２０３ａ、２０３ｂ上には、導電性接着剤２０６を介して電気的に接続される一対の励振用電極を表裏主面に有した圧電振動素子２０７が搭載されている。この圧電振動素子２０７を囲繞する容器体２０１の枠部２０１ｂの頂面には金属製の蓋体２０８を被せられ、接合されている。これにより第１の凹部空間２０２が気密封止されている。
また、集積回路素子搭載パッド２０５上に半田等の導電性接合材を介して集積回路素子２０９が電気的、機械的に接合されている。この状態を搭載という。

また、集積回路素子２０９は、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。このような圧電発振器２００が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３４０６８４５号公報

しかしながら、従来の圧電発振器２００においては、集積回路素子で発生した熱により、集積回路素子２０９に内蔵されている温度センサが感知する温度と、実際の圧電振動素子２０７の周囲の温度が異なることがある。これらにより、従来の圧電発振器２００は、誤った温度データ信号（電圧値）により補正されるため、圧電発振器に電圧を印加した時点での発振周波数と、電圧を印加してから一定時間が経過した時点での発振周波数との周波数変動差を示している周波数ドリフト特性が悪くなるといった課題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、周波数ドリフト特性が良い圧電発振器を提供することを課題とする。

本発明の圧電発振器は、基板部と第１の枠部によって基板部の一方の主面に形成された第１の凹部空間と、基板部と第２の枠部によって基板部の他方の主面に形成された第２の凹部空間が設けられた容器体と、第１の凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた２個一対の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、第２の凹部空間内に露出した基板部の他方の主面に設けられた集積回路素子搭載パッドに搭載されている集積回路素子と、第１の凹部空間を気密封止する蓋体と、第２の凹部空間内の第２の枠部に露出するように設けられる集積回路素子搭載パッドと接続されているビア導体と、第２の枠部の主面に露出するビア導体を覆う保護膜を備えている
ことを
特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、第２の凹部空間内の第２の枠部に露出するように設けられる集積回路素子搭載パッドと接続されているビア導体とを備えて構成されることによって、集積回路素子で発生した熱をビア導体を介して空気中に放熱することができる。
放熱することで集積回路素子の温度が下がり、その下がった温度で、集積回路素子と圧電振動素子の温度が近い値になる。これにより、集積回路素子に内蔵されている温度センサが感知する温度と、実際の圧電振動素子の周囲の温度が同じ値に近づくことになる。よって、正しい温度データ信号（電圧値）により補正されるため圧電発振器の周波数ドリフト特性を良くすることが可能となる。

第２の枠部の主面に露出するビア導体を覆う保護膜を備えていることによって、ビア導体の間に導電性の異物が付着することがなくなるため、短絡を防止することが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す集積回路素子搭載側から見た斜視図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の一方の主面を示す透視平面図であり、図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の内層面を示す透視平面図であり、図４（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の他方の主面を示す透視平面図であり、（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の他方主面を示す平面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器１００は、容器体１０と圧電振動素子２０と蓋体３０と集積回路素子５０で主に構成されている。この圧電発振器１００は、前記容器体１０に形成されている第１の凹部空間１１内に圧電振動素子２０が搭載され、第２の凹部空間１４内には、集積回路素子５０が搭載されている。その第１の凹部空間１１が蓋体３０により気密封止された構造となっている。

圧電振動素子２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板２１に励振用電極２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極２２を介して水晶素板２１に印加されると、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。
水晶素板２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極２２は、前記水晶素板２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
このような圧電振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２２から延出する引き出し電極と第１の凹部空間１１内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３とを、導電性接着剤４０を介して電気的且つ機械的に接続することによって第１の凹部空間１１に搭載される。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を圧電振動素子２０の先端部２３とする。

集積回路素子５０は、図１〜図３に示すように、回路形成面に前記圧電振動素子２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子１９を介して圧電発振器１００の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
また、集積回路素子５０には、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。
この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。
集積回路素子５０は、容器体１０の第２の凹部空間１４内に露出した基板部１０ａに形成された集積回路素子搭載パッド１５に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。

図１〜図３に示すように、容器体１０は、基板部１０ａと、第１の枠部１０ｂ、第２の枠部１０ｃとで主に構成されている。
この容器体１０は、基板部１０ａの一方の主面に第１の枠部１０ｂが設けられて、第１の凹部空間１１が形成されている。また、容器体１０の他方の主面に第２の枠部１０ｃが設けられて、第２の凹部空間１４が形成されている。
尚、この容器体１０を構成する基板部１０ａ及び第２の枠部１０ｃは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。また、基板部１０ａは、セラミック材が積層した構造となっている。
第１の枠部１０ｂは、例えば、シールリングである。この場合、第１の枠部１０ｂは、４２アロイやコバール等の金属から成り、中心が打ち抜かれた枠状になっている。
また、第１の枠部１０ｂは、基板部１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜１２上にロウ付けなどにより接続される。
第１の凹部空間１１内で露出した基板部１０ａの一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド１３ａ、１３ｂが設けられている。
また、図１〜図３に示すように容器体１０は、基板部１０ａの他方の主面と第２の枠部１０ｃによって第２の凹部空間１４が形成されている。
図４（ｂ）に示すように、基板部１０ａの内層には、配線パターン１７ａ、１７ｂ等が設けられている。
図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、第２の凹部空間１４内で露出した基板部１０ａの他方の主面には、複数の集積回路素子搭載パッド１５と２個一対の圧電振動素子測定用パッド１６ａ、１６ｂが形成されている。
図３及び図４（ｄ）に示すように、第２の枠部１０ｃの主面には、外部接続用電極端子１９とビア導体１８ｃが設けられている。つまり、基板部１０ａの集積回路素子搭載パッド１５が設けられている主面と平行となる第２の枠部１０ｃの主面の４隅には、外部接続用電極端子１９が設けられ、外部接続用電極端子１９の間にはビア導体１８ｃの端部が露出するように設けられている。

図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、一方の圧電振動素子搭載パッド１３ａは、１つの基板部側ビア導体１８ａで、容器体１０の基板部１０ａの内層に形成されている配線パターン１７ａと接続されている。また、図４（ａ）〜図４（ｄ）に示すように、前記配線パターン１７ａは、基板部側ビア導体１８ｂで他方の圧電振動素子測定用パッド１６ｂと接続されている。これにより、前記一方の圧電振動素子搭載パッド１３ａは、前記他方の圧電振動素子測定用パッド１６ｂと接続されることになる。
他方の圧電振動素子搭載パッド１３ｂは、１つの基板部側ビア導体１８ａで、前記容器体１０の基板部１０ａの内層に設けられている配線パターン１７ｂと接続されている。
また、前記配線パターン１７ｂは、基板部側ビア導体１８ｂで、一方の圧電振動素子測定用パッド１６ａと接続されている。これにより、前記他方の圧電振動素子搭載パッド１３ｂは、前記一方の圧電振動素子測定用パッド１６ａと接続されることになる。
集積回路素子搭載パッド１５と外部接続用電極端子１９は、前記容器体１０の第２の凹部空間１４内の基板部１０ａに形成された部分を有する配線パターン（図示せず）と第２の枠部１０ｃの内部に形成されたビア導体（図示せず）により接続されている。

図３及び図４（ｄ）に示すように、ビア導体１８ｃは、第２の枠部１０ｃに露出するように設けられている。具体的には、第２の枠部１０ｃの厚さ方向に、例えば、Ｕ字型の溝を設けておき、この溝の中に、例えば、タングステン等の導体を形成することでビア導体１８ｃを設ける。第２の枠部１０ｃの主面から、基板部１０ａの主面までの長さで設けられている。基板部１０ａの主面とは、集積回路素子搭載パッド１５が設けられている基板部１０ａの他方の主面のことである。つまり、ビア導体１８ｃは、外部接続用電極端子１９が設けられている面と同一平面上に露出するように設けられ、第２の枠部１０ｃの集積回路素子５０と対向する面に露出するように設けられている。また、このビア導体１８ｃは、集積回路素子搭載パッド１５と接続されている。

２個一対の圧電振動素子測定用パッド１６ａ、１６ｂは、容器体１０の第２の凹部空間１４内の露出した基板部１０ａに設けられており、その基板部１０ａのほぼ中心に設けられている。
前記圧電振動素子測定用パッド１６ａ、１６ｂは、容器体１０の第１の凹部空間１１に搭載されている圧電振動素子２０の発振周波数やクリスタルインピーダンス等の特性を測定するために用いられる。

図４（ｂ）に示すように、配線パターン１７ａは、容器体１０の第１の凹部空間１１の開口側から見て、容器体１０の中央付近に引き出され、基板部側ビア導体１８ｂを介して、他方の圧電振動素子測定用パッド１６ｂと接続されている。
また、図４（ｂ）に示すように、配線パターン１７ｂは、容器体１０の第１の凹部空間１１の開口側から見て、容器体１０の中央付近に向かって引き出され、基板部側ビア導体１８ｂを介して、一方の圧電振動素子測定用パッド１６ａと接続されている。

蓋体３０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなる。このような蓋体３０は、第１の凹部空間１１を、窒素ガスや真空などで気密的に封止される。具体的には、蓋体３０は、所定雰囲気で、容器体１０のシールリング１０ｂ上に載置され、シールリング１０ｂの表面の金属と蓋体３０の金属の一部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、シールリング１０ｂに接合される。

前記導電性接着剤４０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（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、封止用導体膜１２、圧電振動素子搭載パッド１３、外部接続用電極端子１９等となる導体ペーストを、また、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ビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器によれば、容器体１０の第２の枠部１０ｃの主面と、第２の凹部空間１４内の第２の枠部１０ｃの側面に前記集積回路素子搭載パッド１５と接続されているビア導体１８ｃが露出して設けられていることによって、集積回路素子５０で発生した熱をビア導体１８ｃを介して空気中に放熱する。放熱することで集積回路素子５０の温度が下がり、その下がった温度で、集積回路素子５０と圧電振動素子２０の温度が近い値になる。そのため、集積回路素子５０に内蔵されている温度センサが感知する温度と、実際の圧電振動素子２０の周囲の温度が同じ値に近づくことになる。よって、正しい温度データ信号（電圧値）により補正されるため圧電発振器の周波数ドリフト特性を良くすることが可能となる。
周波数ドリフト特性が良いとは、圧電発振器１００に電圧を印加した時点の発振周波数と電圧を印加してから一定時間が経過した時点の発振周波数の変動差が少ないということである。例えば、横軸を経過時間、縦軸を周波数変動差とした場合に、周波数変動差が０に近付くほど、周波数ドリフト特性が良好ということである。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器は、前記ビア導体を覆うように、前記第２の枠部の主面に保護膜が形成されている点で第１の実施形態と異なる。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器を示す集積回路素子搭載側から見た斜視図である。

図５に示すように、容器体１０は、基板部１０ａと、第１の枠部１０ｂ、第２の枠部１０ｃとで主に構成されている。
この容器体１０は、基板部１０ａの一方の主面に第１の枠部１０ｂが設けられて、第１の凹部空間１１が形成されている。また、容器体１０の他方の主面に第２の枠部１０ｃが設けられて、第２の凹部空間１４が形成されている。
図５に示すように、第２の枠部１０ｃの主面には、外部接続用電極端子１９とビア導体１８ｃが設けられている。つまり、基板部１０ａの集積回路素子搭載パッド１５が設けられている主面と平行となる第２の枠部１０ｃの主面の４隅には、外部接続用電極端子１９が設けられ、外部接続用電極端子１９の間にはビア導体１８ｃの端部が露出するように設けられている。
図５に示すように、ビア導体１８ｃは、第２の枠部１０ｃに露出するように設けられている。具体的には、第２の枠部１０ｃの厚さ方向に、例えば、Ｕ字型の溝を設けておき、この溝の中に、例えば、タングステン等の導体を形成することでビア導体１８ｃを設ける。第２の枠部１０ｃの主面から、基板部１０ａの主面までの長さで設けられている。
このビア導体１８ｃを被覆するように、保護膜Ｍが第２の枠部１０ｃの主面に形成されている。この保護膜Ｍは、例えば、アルミナセラミックス等を従来周知のスクリーン印刷を用いて形成される。

本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器によれば、第２の枠部１０ｃの主面に露出するビア導体１８ｃを覆う保護膜Ｍを備えていることによって、ビア導体１８ｃの間に導電性の異物が付着することがなくなるため、短絡を防止することが可能となる。

（実施例）
本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器と従来の圧電発振器についての実施例を以下に示す。
図６は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器と従来の圧電発振器の周波数ドリフト特性を示す図である。
実施例として、図１及び図２に示す本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器１００の構造に従って、前記第２の枠部１０ｃの主面と、第２の凹部空間１４内の第２の枠部１０ｃの側面に前記集積回路素子搭載パッド１５と接続されているビア導体１８ｃを露出して設けた。

また、比較例として、図７及び図８に示す従来の圧電発振器２００の構造に従って設けた。

尚、今回作製した本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の基準発振周波数ｆ_０は、２７．４５６ＭＨｚとした。

まず、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の発振周波数を測定した。
測定方法は、まず、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の電源を印加してから０．１５秒後に測定し、０．１５秒後から０．１秒ステップで発振周波数ｆｓを測定する。この時、０．１５秒後に測定した発振周波数ｆ_１、０．１５秒後以降の発振周波数ｆｓを計算式（１）に代入し、周波数変動差（ｄｆ／ｆ）を算出した。
ｄｆ／ｆ＝（ｆｓ−ｆ_１）／ｆ_１・・・（１）
このときの周波数変動差（ｄｆ／ｆ）を周波数ドリフト値として算出した。

この結果として、図６示すように、本発明の圧電発振器１００では、算出した周波数ドリフト値の最大値が１１．９３ｐｐｂであった。また、図６に示すように、従来の圧電発振器２００では、算出した周波数ドリフト値の最大値は、２１．１９ｐｐｂであった。
これにより、本発明の圧電発振器１００の方が、周波数変動差が０に近いため、周波数ドリフト特性が良くなることがわかる。つまり、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器１００の第２の凹部空間１４内の第２の枠部１０ｃに露出するように設けられる集積回路素子搭載パッド１５と接続されているビア導体１８ｃとを備えて構成されることによって、周波数ドリフト特性が良くなることがわかる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
例えば、前記した本実施形態では、圧電振動素子２０を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。
また、保護膜Ｍは、例えば、エポキシ樹脂等の絶縁性樹脂によって形成しても構わない。
また、ビア導体１８ｃの溝の形状をＵ字状としたが、Ｖ字状で形成しても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を示す集積回路素子搭載側から見た斜視図である。（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の一方の主面を示す透視平面図であり、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の内層面を示す透視平面図であり、（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の基板部の他方の主面を示す透視平面図であり、（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器を構成する容器体の他方主面を示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器を示す集積回路素子搭載側から見た斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電発振器と従来の圧電発振器の周波数ドリフト特性を示す図である。従来における圧電発振器を示す断面図である。（ａ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の一方の主面を示す透視平面図であり、（ｂ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の内層面を示す透視平面図であり、（ｃ）は、従来の圧電発振器を構成する容器体の基板部の他方の主面を示す透視平面図である。

符号の説明

１０・・・容器体
１０ａ・・・基板部
１０ｂ・・・第１の枠部（シールリング）
１０ｃ・・・第２の枠部
１１・・・第１の凹部空間
１２・・・封止用導体膜
１３ａ、１３ｂ・・・圧電振動素子搭載パッド
１４・・・第２の凹部空間
１５・・・集積回路素子搭載パッド
１６ａ、１６ｂ・・・圧電振動素子測定用パッド
１７ａ、１７ｂ・・・配線パターン
１８ａ、１８ｂ・・・基板部側ビア導体
１８ｃ・・・ビア導体
１９・・・外部接続用電極端子
Ｍ・・・保護膜
２０・・・圧電振動素子
２１・・・水晶素板
２２・・・励振用電極
２３・・・先端部
３０・・・蓋体
４０・・・導電性接着剤
５０・・・集積回路素子
１００・・・圧電発振器

Claims

基板部と第１の枠部によって前記基板部の一方の主面に形成された第１の凹部空間と、前記基板部と第２の枠部によって前記基板部の他方の主面に形成された第２の凹部空間が設けられた容器体と、
前記第１の凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた２個一対の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、
前記第２の凹部空間内に露出した基板部の他方の主面に設けられた集積回路素子搭載パッドに搭載されている集積回路素子と、
前記第１の凹部空間を気密封止する蓋体と、
前記第２の凹部空間内の第２の枠部に露出するように設けられる前記集積回路素子搭載パッドと接続されているビア導体と、
前記第２の枠部の主面に露出する前記ビア導体を覆う保護膜を備えていることを特徴とする圧電発振器。