JP5926578B2

JP5926578B2 - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP5926578B2
Application number: JP2012044254A
Authority: JP
Inventors: 宗高副島
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP2013183212A

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスに関するものである。

携帯電話機等の電子機器には、基準信号源またはクロック信号源などの信号源が搭載されており、かかる信号源として、圧電素子およびＩＣ素子を有する圧電デバイスが知られている。

圧電デバイスは、圧電素子の温度による周波数変動を抑えるために、ＩＣ素子内に温度センサを備えている。温度センサは、圧電素子の温度変化を検知し、ＩＣ素子で圧電素子温度変化による周波数変動を抑えるように温度補償が行われている。

特開２００６−１９１５１７号公報

従来の圧電デバイスは、温度センサがＩＣ素子内に設けられているために、温度センサは、圧電素子の周辺の温度変化ではなくＩＣ素子の温度変化を測定することになり、温度センサにおいて測定される温度は、ＩＣ素子自身の発熱によって上昇して圧電素子の周辺の温度とずれてしまうことがあり、温度補償の精度が低下することがあった。

本発明の一つの態様による圧電デバイスは、素子搭載用部材と、前記素子搭載用部材に搭載された圧電素子と、前記素子搭載用部材に搭載されており、前記圧電素子に電気的に接続されており、互いに異なる位置に設けられた第一温度センサ及び第二温度センサと、発熱素子とを有する平面視矩形状のＩＣ素子と、を備え、前記ＩＣ素子には、出力電極、前記ＩＣ素子の一つの角部に設けられた接地電極、制御電極、前記接地電極が設けられた一つの前記角部と対角となる位置の角部に設けられた電源電極、第１の入力電極及び第２の入力電極を構成する複数の電極を有し、前記第１の温度センサ及び前記発熱素子が前記電源電極の近傍に配置され、前記第２の温度センサが前記接地電極の近傍に配置され、前記発熱素子と前記第２の温度センサとの距離が長い位置になるように設けられている。

本発明の一つの態様による圧電デバイスにおいて、ＩＣ素子が、互いに異なる位置に設けられた複数の温度センサを有していることによって、圧電デバイスは、ＩＣ素子内の温度分布を基に、ＩＣ素子内の発熱素子によるＩＣ素子の温度上昇分を考慮した温度補償を行うことができ、周波数変動の温度補償の精度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圧電デバイスを示す縦断面図である。図１に示された圧電デバイスにおいてＩＣ素子を取り外した状態を示す下面図である。図１に示された圧電デバイスにおけるＩＣ素子を示す下面図である。図２に示された圧電デバイスにおけるＩＣ素子の電気的な接続の一つの例を示す下面図である。図４に示された圧電デバイスにおける第１の温度センサと第２の温度センサによって測定された温度変化を示すグラフである。図４に示された圧電デバイスにおける第１の温度センサと第２の温度センサによって測定された温度変化を示すグラフである。図５、図６に示された温度変化から第１の温度センサと第２の温度センサの温度より求めた周波数変動の補正量である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図１に示されているように、本発明の実施形態における圧電デバイス１００は、素子搭載用部材１１０と、素子搭載用部材１１０に搭載されたＩＣ素子１２０と、素子搭載用部材１１０に搭載されておりＩＣ素子１２０に電気的に接続された圧電素子１３０とを含んでいる。なお、図１は、図４に示されている圧電デバイス１００のＡ―Ａにおける縦断面図を示している。

素子搭載用部材１１０は、基板部１１１ａと基板部１１１ａの下面に設けられた第１の枠部１１１ｂと基板部１１１ａの上面に設けられた第２の枠部１１１ｃとからなる絶縁基体１１１と、基板部１１１ａの下面に設けられた複数のＩＣ素子搭載パッド１１３と、第１の枠部１１１ｂの下面に設けられた複数の外部端子１１６とを含んでいる。ここで、素子搭載用部材１１０の下面の凹部を第１の凹部Ｋ１、上面の凹部を第２の凹部Ｋ２とする。なお、外部端子１１６は、符号１１６の後にアルファベットのａ〜ｄを付して１１６ａ〜１１６ｄとして示されている。複数の外部端子１１６ａ〜１１６ｄは、例えば、出力外部端子１１６ａ、接地外部端子１１６ｂ、制御外部端子１１６ｃおよび電源外部端子１１６ｄである。

基板部１１１ａと第１の枠部１１１ｂと第２の枠部１１１ｃとは、例えば、アルミナセラミックスまたはガラス−セラミックス等のセラミック材料からなる。なお、基板部１１１ａは、例えば、図１および図２に示されているように、矩形の平板状である。第１の枠部１１１ｂは、基板部１１１ａの下面の縁部に沿って設けられている。また、第２の枠部１１１ｃは、基板部１１１ａの上面の縁部に沿って設けられている。

また、複数のＩＣ素子搭載パッド１１３は、パッド１１３ａ〜１１３ｆも含んでいる。ここで、複数のＩＣ素子搭載パッド１１３ａ〜１１３ｆの例について説明する。複数のＩＣ素子搭載パッド１１３ａ〜１１３ｆは、例えば、出力パッド１１３ａ、接地パッド１１３ｂ、制御パッド１１３ｃ、電源パッド１１３ｄ、第１の入力パッド１１３ｅおよび第２の入力パッド１１３ｆである。接地パッド１１３ｂは、接地外部端子１１６ｂに電気的に接続されており、接地電圧が印加される。制御パッド１１３ｃは、制御外部端子１１６ｃに電気的に接続されており、ＩＣ素子１２０の出力状態を制御するための信号（すなわち、制御信号）が印加される。電源パッド１１３ｄは、電源外部端子１１６ｄに電気的に接続されており、電源電圧が印加される。第１および第２の入力パッド１１３ｅおよび１１３ｆは、圧電素子１３０に電気的に接続されている。

ＩＣ素子１２０は、第１の凹部空間Ｋ１内に設けられており、半田等のバンプ１２２によって素子搭載用部材１１０の複数のＩＣ素子搭載パッド１１３に電気的に接続されている。図３に示されているように、ＩＣ素子１２０は、複数の電極１２１と発熱素子１２４と複数の温度センサ１２５を有している。図３において、複数の電極１２１は、ＩＣ素子１２０の一部を透過した状態で破線によって示されている。図３において、複数の電極１２１は、符号１２１の後にアルファベットのａ〜ｆを付して１２１ａ〜１２１ｆとして示されている。また、複数の温度センサ１２５は、図３において、第１の温度センサ１２５ａ、第２の温度センサ１２５ｂとして示されている。

ここで、複数の電極１２１ａ〜１２１ｆの例について説明する。複数の電極１２１は、例えば、出力電極１２１ａ、接地電極１２１ｂ、制御電極１２１ｃ、電源電極１２１ｄ、第１の入力電極１２１ｅおよび第２の入力電極１２１ｆである。

また、第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂは、ＩＣ素子１２０内の温度分布を把握して、ＩＣ素子１２０内の発熱素子１２４によるＩＣ素子１２０の温度上昇分を測定するためのものである。

圧電素子１３０は、第２の凹部空間Ｋ２内に設けられており、第１および第２の入力パッド１１３ｅおよび１１３ｆを介してＩＣ素子１２０の第１の入力電極１２１ｅおよび第２の入力電極１２１ｆに電気的に接続されている。圧電素子１３０は、所定の結晶軸でカットされた圧電素板と、圧電素板に形成された接続用電極および励振用電極とを含んでいる。圧電素子１３０は、接続用電極および励振用電極を介して外部からの変動電圧が圧電素板に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっている。なお、圧電素板としては、例えばＡＴカットの水晶が用いられる。また、圧電素子１３０が収容されている素子搭載用部材１１０の第２の凹部空間Ｋ２は、蓋部材１４０によって気密封止されている。

ここで、本実施形態の圧電デバイス１００におけるＩＣ素子１２０の発熱素子１２４と複数の温度センサ１２５の配置例について図３および図４を参照して説明する。尚、発熱素子１２４としては、例えば、ＩＣ素子１２０内の発振回路部の増幅回路などの能動素子などがある。

まず、図３に示されているように、ＩＣ素子１２０の発熱素子１２４と第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂの配置例について説明する。発熱素子１２４は、例えば、ＩＣ素子１２０の電源電極１２１ｄの近傍に設けられている。第１の温度センサ１２５ａは、例えば、発熱素子１２４の近傍に配置にされており、ＩＣ素子１２０の短辺の一方側に設けられている。また、第２の温度センサ１２５ｂは、例えば、発熱素子１２４の発熱による温度変化の影響を受けにくい発熱素子１２４からの距離が長い位置に設けられており、ＩＣ素子１２０内で第１の温度センサ１２５ａと反対側となる接地電極１２１ｂの近傍に設けられている。

また、図３のＩＣ素子１２０の発熱素子１２４と複数の温度センサの配置例は、発熱素子１２４をＩＣ素子１２０の電源電極１２１ｄの近傍に配置した例について示したが、発熱素子１２４がＩＣ素子１２０内のどのような位置に配置されても構わない。本実施形態においては、ＩＣ素子１２０内の発熱素子１２４の近傍に第１の温度センサ１２５ａを配置し、ＩＣ素子１２０の内部で第２の温度センサ１２５ｂが発熱素子１２４からの距離が長い位置に配置されれば良い。例えば、発熱素子１２４がＩＣ素子１２０の第１の入力電極１２１ｅの近傍に設けられた場合は、第１の温度センサ１２５ａがＩＣ素子１２０の第１の入力電極１２１ｅの近傍に設けられており、第２の温度センサ１２５ｂが、ＩＣ素子１２０の接地電極１２１ｂまたは制御電極１２１ｃの近傍に設けられることになる。

次に、本実施形態の圧電デバイス１００における第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂでの検知した温度と、実際の温度との補正について説明する。

本実施形態の圧電デバイス１００においては、上述の発熱素子１２４の近傍の第１の温度センサ１２５ａで測定した温度Ｔ１（℃）と、発熱素子１２４からの距離が長い位置に配置された第２の温度センサ１２５ｂで測定した温度Ｔ２（℃）とから、発熱素子１２４の発熱による周波数変動の補正量を決定している。この補正量は、実験により事前に決定しておき、Ｔ１およびＴ２と関連づけた補正量データとして、例えば、個々の圧電デバイス１００の温度補償データが格納されているメモリ内に格納されている。

本実施形態の圧電デバイス１００を動作させると、発熱素子１２４の近傍の第１の温度センサ１２５ａで測定した温度Ｔ１（℃）と、発熱素子１２４からの距離が長い位置に配置された第２の温度センサ１２５ｂで測定した温度Ｔ２（℃）とに基づいて補正量データをメモリから呼び出して第１の温度センサ１２５ａおよび第２の温度センサ１２５ｂでの検知した温度と実際の温度との補正をするとともに、補正した温度に対応する温度補償データを呼び出して温度補償が行われる。

以下、図５〜図７を参照して、本実施形態の圧電デバイス１００における第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂでの検知した温度と、実際の温度との補正の具体例を説明する。図５と図６は、第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂの温度変化を示したグラフであり、縦軸が温度（℃）、横軸が時間（秒）を示している。図５のグラフは、第１の温度センサ１２５ａの温度変化が大きく、第２の温度センサ１２５ｂの温度変化が小さい場合である。これは、発熱素子１２４の発熱があり、発熱素子１２４による温度上昇がある場合である。即ち、図５のグラフは、第１の温度センサ１２５ａの近傍の温度が高く、第２の温度センサ１２５ｂの近傍の温度が低い温度分布となっている場合を示している。

また、図６のグラフは、第１の温度センサ１２５ａの温度変化が大きく、第２の温度センサ１２５ｂの温度変化も大きい場合である。これは、外部の温度上昇により第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂが温度上昇した場合である。即ち、図６のグラフは、第１の温度センサ１２５ａの近傍の温度分布と第２の温度センサ１２５ｂの近傍の温度分布が均一の場合を示している。

図７は、図５、図６に示された温度変化から第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂの温度より求めた周波数変動の補正量について示したグラフである。図７のグラフは、縦軸が周波数変化量（ｐｐｂ）であり、横軸が時間（秒）を示している。例えば、図７のグラフで点線は、図５に示されているように発熱素子１２４の発熱があり、第１の温度センサ１２５ａ近傍の温度が高く、第２の温度センサ１２５ｂ近傍の温度が低い温度分布となっている場合の温度変化による周波数変動の補正量を示した例である。

また、図７のグラフで実線は、図６に示されているように外部の温度上昇により第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂが温度上昇した場合の温度変化による周波数変動の補正量を示した例である。図７の点線と実線の温度変化による周波数変動の補正量については、例えば、第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂの検出した温度より、事前に求めておいた補正量において、第１の温度センサ１２５ａと第２の温度センサ１２５ｂの温度による周波数変動が最小となるように補正を掛けることで行われる。

よって、本実施形態においては、ＩＣ素子１２０内に複数の温度センサのうち、第１の温度センサ１２５ａを発熱素子１２４の近傍に設け、第２の温度センサ１２５ｂを発熱素子１２４の発熱の影響を受けにくい位置に設けることで、ＩＣ素子１２０内の温度分布を把握でき、ＩＣ素子１２０内の発熱素子１２４による温度上昇分を考慮して温度補償を行うことができ、周波数変動による温度補償の精度を向上させることができる。

なお、上述の実施形態において、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、上述の実施形態において圧電デバイス１００の第２の凹部空間Ｋ２に搭載される素子としてＡＴカットの圧電素子１３０を示したが、これに限定することなく、例えば音叉型振動素子または弾性表面波素子を用いても構わない。

１００・・・圧電デバイス
１１０・・・素子搭載用部材
１１１・・・絶縁基体
１１１ａ・・・基板部
１１１ｂ・・・第１の枠部
１１１ｃ・・・第２の枠部
１１３・・・ＩＣ素子搭載パッド
１１６・・・外部端子
１２０・・・ＩＣ素子
１２１・・・電極
１２２・・・バンプ
１２４・・・発熱素子
１２５ａ・・・第１の温度センサ
１２５ｂ・・・第２の温度センサ
１３０・・・圧電素子
１４０・・・蓋部材

Claims

素子搭載用部材と、
前記素子搭載用部材に搭載された圧電素子と、
前記素子搭載用部材に搭載されており、前記圧電素子に電気的に接続されており、互いに異なる位置に設けられた第一温度センサ及び第二温度センサと、発熱素子とを有する平面視矩形状のＩＣ素子と、
を備え、
前記ＩＣ素子には、出力電極、前記ＩＣ素子の一つの角部に設けられた接地電極、制御電極、前記接地電極が設けられた一つの前記角部と対角となる位置の角部に設けられた電源電極、第１の入力電極及び第２の入力電極を構成する複数の電極を有し、
前記第１の温度センサ及び前記発熱素子が前記電源電極の近傍に配置され、前記第２の温度センサが前記接地電極の近傍に配置され、前記発熱素子と前記第２の温度センサとの距離が長い位置になるように設けられていることを特徴とする圧電デバイス。