JP5868701B2

JP5868701B2 - 水晶振動子

Info

Publication number: JP5868701B2
Application number: JP2011288323A
Authority: JP
Inventors: 吉弘上村
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP2013138341A

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。

従来の水晶デバイスは、その例としてパッケージ内に設けられた水晶素子及び感温素子を含む構造が知られている（例えば、特許文献１を参照）。水晶素子と感温素子は、パッケージの凹部内に空間を挟んで設けられている。感温素子としては、サーミスタ素子があり、サーミスタ素子は、水晶素子の温度情報を得るために用いられる。

特開２００８−２０５９３８号公報

しかしながら、従来の水晶デバイスにおいては、水晶素子と感温素子とがパッケージの凹部内に空間を挟んで設けられているため、水晶素子と感温素子との温度差が大きい場合があり、発振周波数における温度補正を行っ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課題があった。

本発明は、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との差を低減させることができ、発振周波数に関する温度補償を向上させることができる水晶振動子を提供する。

本発明の一つの態様による水晶振動子は、凹部を有するパッケージと、凹部内に配置されている水晶素子と、水晶素子の下方に位置するように凹部内に配置され、前記水晶素子に熱的に結合されている感温素子とを備え、水晶素子は、長方形状をなす水晶素板の両主面に励振用電極、接続用電極および引き出し電極が被着された構造を有しており、水晶素子の長辺方向の一端側を固定端部とし、他端側を先端部とした片保持構造にて前記パッケージの第１の枠部上に固定されており、接続用電極は、水晶素板の固定端部側の短辺の両端部にそれぞれ一つずつ設けられており、感温素子が、平面透視において水晶素子における２つの接続用電極の間の領域のみに重なっている。

本発明の一つの態様の水晶振動子によれば、感温素子と水晶素子とが熱的に結合されていることによって、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との差を低減させることができ、発振周波数に関する温度補償を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態における水晶振動子を示す分解斜視図である。図１に示された水晶振動子のＡ−Ａにおける断面図である。図１に示された水晶振動子の蓋体を外した状態を示す平面透視図である。第１の実施形態の変形例における水晶振動子を示す断面図である。本発明の第２の実施形態における水晶振動子を示す分解斜視図である。図５に示された水晶振動子のＢ−Ｂにおける断面図である。図５に示された水晶振動子の蓋体を外した状態を示す平面透視図である。

以下、本発明におけるいくつかの実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態に係る水晶振動子は、図１及び図２に示すように、パッケージ１１０内に設けられた水晶素子１２０及び感温素子１４０を含んでおり、水晶素子１２０と感温素子１４０とが熱的に結合されている。ここで、“熱的に結合”とは、水晶素子および感温素子が例えば空間を介して配置されている状態に比べて熱伝導性の高い状態で結合されていることをいい、例えば、水晶素子１２０と感温素子１４０とが直接接触している構造または水晶素子１２０と感温素子１４０との間に熱伝導性部材１５０等の伝熱経路が介在している構造等を含むものである。尚、第１の実施形態においては、まず、水晶素子１２０と感温素子１４０とが直接接触している構造について説明し、後述の変形例において、水晶素子１２０と感温素子１４０との間に熱伝導性部材１５０等の伝熱経路が介在している構造について説明する。

パッケージ１１０は、図１及び図２に示されているように、基板部１１０ａと、基板部１１０ａの第１の主面に設けられた第１の枠部１１０ｂと、第１の枠部１１０ｂの主面に設けられた第２の枠部１１０ｃとを含んでいる。基板部１１０ａの第１の主面と第１の枠部１１０ｂと第２の枠部１１０ｃで凹部Ｋ１が形成されている。

基板部１１０ａは、感温素子１４０等を支持するための支持部材として機能するものであり、第１主面には、第１の枠部１１０ｂと、該第１の枠部１１０ｂの内側に感温素子１４０を接合するための感温素子電極パッド１１１とが設けられ、第２主面（下面）には、四隅に一対の水晶素子用電極端子と一対の感温素子用電極端子とによって構成されている外部接続用電極端子Ｇが設けられている。

基板部１１０ａは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミックス等のセラミック材料からなる絶縁層を１層または複数層積層することによって形成されており、基板部１１０ａの表面および内部には、第１主面の感温素子電極パッド１１１と第２主面の外部接続用電極端子Ｇとを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）およびビア導体（図示せず）が設けられている。

第１の枠部１１０ｂは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板部１１０ａと一体的に形成されている。第１の枠部１１０ａの第１の主面には外周縁部に導体膜が設けられ、導体膜の内側には一対の水晶素子電極パッド１１２が設けられている。

なお、基板部１１０ａと第１の枠部１１０ｂは、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および混合して得られたセラミックグリーンシートを準備し、次にセラミックグリーンシートの表面および該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し、これらのグリーンシートを積層してプレス成形した後、高温で焼成し、最後に導体パターンの所定部位、具体的には、感温素子電極パッド１１１と水晶素子電極パッド１１２と導体膜と外部接続用電極端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ、金メッキ等を施すことにより製作される。

一対の水晶素子電極パッド１１２は、基板部１１０ａと第１の枠部１１０ｂの内部に形成された配線パターン及びビア導体により一対の水晶素子用電極端子である外部接続用電極端子Ｇと接続されている。

第２の枠部１１０ｃは、Ａｇ−Ｃｕ等のロウ材を介して第１の枠部１１０ｂの導体膜ＨＢに接合されている。

第２の枠部１１０ｃは、第１の枠部１１０ｂ上に水晶素子１２０を収容するための凹部Ｋ１を形成するためのスペーサとして機能するものであり、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などの金属によって環状をなすように形成され、導体膜および第１の枠部１１０ｂの配線パターン等を介して外部接続用電極端子Ｇの１つであるグランド端子と電気的に接続されている。

なお、第２の枠部１１０ｃは、金属板を従来周知の打ち抜き加工することによって製作され、これをＡｇ−Ｃｕ等のロウ材を介して第１の枠部１１０ｂの導体膜ＨＢ上に載置させ、しかる後、ロウ材を７００℃〜９００℃の温度で加熱・溶融させることにより第１の枠部１１０ｂの第１主面にロウ付けにより接合される。

感温素子１４０は、水晶素子１２０の下方に位置するようにパッケージ１１０の凹部Ｋ１内に配置されている。

感温素子１４０は、例えばサーミスタ素子、ダイオードまたはトランジスタが用いられる。サーミスタ素子１４０は、温度変化によって顕著な変化を示す電気抵抗を有するものであり、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、出力された抵抗値を電圧に換算することで、換算して得られた電圧から温度情報を得ることができる。サーミスタ素子１４０は、抵抗値が、外部接続用電極端子Ｇ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）で出力された抵抗値を電圧に換算することで温度情報を得ることができる。このようなサーミスタ素子１４０を水晶素子１２０の近くに配置して、これによって得られた水晶素子１２０の温度情報に応じて、ＩＣにより水晶素子１２０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。

感温素子１４０は接続電極１４１を有しており、図２に示されているように、感温素子１４０の一対の接続電極１４１が基板部１１０ａに設けられた一対の感温素子電極パッド１１１に銀ペースト等の導電性接着剤ＤＳを介して接続されている。

図３に示されているように、感温素子１４０が、平面透視において水晶素子１２０の先端部に重なるように凹部Ｋ１内に配置されている。ここで、“重なるように”とは、完全に重なっている構造に加えて、図示されているように部分的に重なっている構造も含まれる。感温素子１４０は、水晶素子１２０の先端部と対向するパッケージ１１０の凹部Ｋ１内に配置され、水晶素子１２０の先端部と直接接触されている状態となっている。

なお、凹部Ｋ１は、いわゆる二段キャビティ構造となっている。二段キャビティ構造の上側の凹部は水晶素子１２０が収容され得る大きさを有しており、下側の凹部は感温素子１４０が収容され得る大きさを有している。図示された例においては、下側の凹部は、感温素子１４０の大きさに対して比較的大きめの寸法を有しているが、パッケージ１１０の強度の観点、または水晶素子１２０から感温素子１４０への伝熱の観点においては、凹部Ｋ１における不要な空間をなくすようにした方がよく、二段キャビティ構造の下側の凹部は感温素子１４０に対応した大きさを有する方がよい。

水晶素子１２０は、長方形状をなす水晶素板１２１の両主面に励振用電極１２２、接続用電極１２３および引き出し電極１２４が被着された構造を有しており、パッケージ１１０の第１の枠部１１０ｂに設けられている水晶素子電極パッド１１２に導電性接着剤ＤＳを介して接続されている。第１の実施形態においては、水晶素子１２０の長辺方向の一端側を固定端部とし、他端側を先端部とした片保持構造にて水晶素子１２０がパッケージ１１０の第１の枠部１１０ｂ上に固定されている。

水晶素子１２０は、外部からの交番電圧が接続用電極１２３から引き出し電極１２４および励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、励振用電極１２２間に位置する水晶素板１２１が所定の振動モード及び周波数で励振を起こす。

なお、水晶素子１２０は、例えば、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すことによって水晶素板１２１を得、その水晶素板１２１の両主面に従来周知のスパッタリング技術等によって金属膜を被着させることにより、励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を形成することにより製作される。

導電性接着剤ＤＳ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。

蓋体１３０は、例えば、矩形状のＦｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金などからなる平板状のものである。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ１または窒素ガスなどが充填された凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。例えば、蓋体１３０は、所定雰囲気中でパッケージ１１０の第２の枠部１１０ｃ上に載置され、シーム溶接を行うことにより第２の枠部１１０ｃに接合される。

第１の実施形態における水晶振動子は、感温素子１４０と水晶素子１２０と熱的に結合されていることによって、水晶素子１２０と感温素子１４０の熱伝導性が向上されたものとなるので、水晶素子１２０の温度と感温素子１４０の温度とが近似した値になり、正確な温度補償が可能になる。

（変形例）
第１の実施形態の変形例におけるに水晶振動子は、図４に示されているように、水晶素子１２０と感温素子１４０とが熱伝導性部材１５０を介して熱的に接合してものである。なお、第１の実施形態の変形例においては、水晶素子１２０の先端部と感温素子１４０とが熱伝導性部材１５０を介して熱的に結合されていること以外は第１の実施形態と同様であるため、この同様の部分についての説明は省略する。

熱伝導性部材１５０は、感温素子１４０が実装された後に、平面透視において水晶素子１２０と対向する感温素子１４０の上面に設けられる。熱伝導性部材１５０が熱硬化性エポキシ樹脂とフィラーとからなる場合であれば、エポキシ樹脂が液状の状態で熱伝導性部材１５０を感温素子１４０主面に塗布した後に、加熱して硬化させる。

熱伝導性部材１５０は、例えばエポキシ系樹脂、シリコーン樹脂、ポリアルファオレフィンをベースとしたグリースなどの樹脂にアルミニウム、銅等の金属フィラー、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ホウ素等の無機フィラーを混合させたもの等が用いられる。熱伝導性部材１５０が絶縁性であると、熱伝導性部材１５０によって感温素子１４０の一対の接続電極１４１間で短絡することがないので好ましい。

第１の実施形態の変形例における水晶振動子は、水晶素子１２０の先端部と感温素子１４０とが熱伝導性部材１５０を介して熱的に結合されていることによって、水晶素子１２０の先端部と感温素子１４０との熱伝導を効率的にすることができる。

また、第１の実施形態の変形例における水晶振動子は、水晶素子１２０の先端部が感温素子１４０に設けられた熱伝導性部材１５０に接触していることによって、例えば衝撃が加えられた場合に水晶素子１２０の先端部が熱伝導性部材１５０に打ちつけられたとしても、例えば樹脂から成る熱伝導性部材１５０によって衝撃が緩和されて、水晶素子１２０の先端部の欠け等を低減することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態における水晶振動子は、感温素子１４０が、平面透視において水晶素子１２０の固定端部側に形成されている複数の接続用電極１２３の間の領域に重なっている点で第１の実施形態とは異なる。なお、第２の実施形態においては、感温素子１４０が、平面透視において水晶素子１２０の固定端部側に形成されている複数の接続用電極１２３の間の領域に接触重なっている以外は第１の実施形態と同様であるため、この同様の部分についての説明は省略する。

図５及び図７に示されているように、一対の感温素子電極パッド１１１は、基板部１１０ａの主面に設けられ、一対の感温素子電極パッド１１１が、第１の枠部１１０ｂの主面に設けられた複数の水晶素子電極パッド１１２の間の領域に位置するように設けられている。

図７に示されているように、感温素子１４０は、平面透視において水晶素子１２０の固定端部側に形成されている複数の接続用電極１２３の間の領域に重なっている。ここで、“重なるように”とは、完全に重なっている構造に加えて、図示されているように部分的に重なっている構造も含まれる。感温素子１４０は、水晶素子１２０の固定端部側である複数の接続用電極１２３の間の領域と対向するパッケージ１１０の凹部内に配置され、水晶素子１２０の固定端部側である複数の接続用電極１２３の間の領域において水晶素子１２０に直接接触している。

図７に示されているように、感温素子１４０の長辺方向がパッケージ１１０の第２の枠部１１０ｂの長辺方向と平行になるように、感温素子１４０の一対の接続電極１４１は、一対の感温素子電極パッド１１１に接続されている。

第２の実施形態における水晶振動子は、水晶素子１２０の固定端部側と感温素子１４０が接触していることにより、図６に示されているように、固定端側が感温素子１４０の厚みよりも低い位置まで下がることがないので、水晶素子１２０が所望の高さ位置よりも低い位置に配置されることがなく、仮に水晶素子１２０が所望の高さ位置よりも低い位置に配置された場合に生じる問題（例えば衝撃が加わった際に水晶素子１２０が基板部１１０ａの上面に接する等の問題）を低減できる。

また、水晶素子１２０が感温素子１４０に押し当てられるように実装されていることによって、片持ち支持構造の水晶振動子において、水晶素子１２０を基板部１１０ａの上面に対して平行になるように実装しやすくなっている。

尚、本発明は上記のような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、上記の実施形態では、水晶素子１２０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水晶素子でも構わない。

また、上記の実施形態では、第２の枠部１１０ｃが金属製である場合を説明したが、基板部１１０ａ及び第１の枠部１１０ｂと同様にセラミック材で一体的に形成しても構わない。この場合、第２の枠部１１０ｃの開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターンが形成され、蓋体は、この封止用導体パターン上に配置接合される。この際の蓋体は、パッケージの凹部を囲むように設けられた封止用導体パターンに相対する箇所に封止部材が設けられている。封止部材は、例えばＡｕ−ＳｎやＡｇ−Ｃｕ等のろう材が用いられる。

第１の実施形態の変形例では、熱伝導性部材１５０と水晶素子１２０が接触している状態の場合を説明したが、熱伝導性部材１５０によって水晶素子１２０が固定されていても構わない。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・第１の枠部
１１０ｃ・・・第２の枠部
１１１・・・感温素子電極パッド
１１２・・・水晶素子電極パッド
１２０・・・水晶素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・接続用電極
１２４・・・引き出し電極
１３０・・・蓋体
１４０・・・感温素子（サーミスタ素子）
１４１・・・接続電極
１５０・・・熱伝導性部材
Ｋ１・・・凹部
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｇ・・・外部接続用電極端子

Claims

凹部を有するパッケージと、
前記凹部内に配置されている水晶素子と、
前記水晶素子の下方に位置するように前記凹部内に配置され、前記水晶素子に熱的に結合されている感温素子とを備え、
前記水晶素子は、長方形状をなす水晶素板の両主面に励振用電極、接続用電極および引き出し電極が被着された構造を有しており、前記水晶素子の長辺方向の一端側を固定端部とし、他端側を先端部とした片保持構造にて前記パッケージの第１の枠部上に固定されており、
前記接続用電極は、前記水晶素板の前記固定端部側短辺の両端部にそれぞれ一つずつ設けられており、
前記感温素子が、平面透視において前記水晶素子における２つの前記接続用電極の間の領域のみに重なっていることを特徴とする水晶振動子。