JP5931536B2 - 圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電振動子に関するものである。

従来の圧電デバイスは、圧電素子の圧電効果を利用して、特定の周波数を発生させるものである。圧電素子は、温度条件によって発生させる周波数が変動するという性質があり、圧電素子の温度を感知して、圧電素子の周波数を調整する技術の開発が進められている。現在では、パッケージ内に圧電素子と、圧電素子の温度を感知する感温素子を備えた圧電デバイスが提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。パッケージ内は真空状態に設定されている。

特開平９−９８０２３号公報

上述した圧電デバイスは、凹部内が真空状態に維持されているため、感温素子が圧電素子の温度を正確に検知しづらく、圧電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に基づく温度との温度差が大きい場合がある。そのため、上述した圧電デバイスは、圧電素子の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。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、圧電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に基づく温度との温度差を小さくすることで、圧電素子の発振周波数における温度補正を適切に行うことが可能な圧電振動子を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様による圧電振動子は、基板部と基板部上に設けられた枠部とで形成されている凹部を有するパッケージと、凹部内の基板部上に設けられた一対の電極パッドと、一対の電極パッドに実装された圧電素子と、基板部内に設けられ、一対の電極パッドに接続されている一対のビア導体と、基板部内に設けられ、平面視して一対のビア導体間に一対のビア導体と間を空けて設けられた感温用電極と、基板部の下面に設けられた一対の水晶素子用電極端子と、基板部の下面に設けられた一対の温度情報用電極端子と、を備え、一対の電極パッドが一対のビア導体を介して一対の水晶素子用電極端子とのみ電気的に接続しており、感温用電極が一対の温度情報用電極端子と電気的に接続している。

本発明の一つの態様による圧電振動子は、圧電素子の実際の温度と感温用電極によって得られる温度情報に基づく温度との差を低減させることができ、圧電素子の発振周波数に関する温度補償の精度を向上させることができる。

本発明の実施形態における圧電振動子を示す分解斜視図である。 （ａ）は、図１に示された圧電振動子のＡ−Ａにおける縦断面図であり、（ｂ）は、図１に示された圧電振動子のＢ−Ｂにおける縦断面図である。 本発明の実施形態における圧電振動子を構成するパッケージの各層を示す分解斜視図である。 （ａ）は、本発明の実施形態における圧電振動子を構成するパッケージを上面からみた平面透視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態における圧電振動子を構成する基板部を上面からみた平面透視図であり、（ｃ）は、本発明の実施形態における圧電振動子を構成する基板部の内層を上面からみた平面透視図である。 （ａ）は、本発明の実施形態における圧電振動子を構成する基板部を上面からみた平面透視図であり、（ｂ）は、本発明の実施形態における圧電振動子を構成するパッケージを下面からみた平面透視図である。

以下、本実施形態について図面を参照して説明する。なお、圧電素子として水晶素子を用いた場合について説明する。

圧電振動子は、図１及び図２に示されているように、パッケージ１１０と水晶素子１２０と蓋体１３０とを備えている。この圧電振動子は、パッケージ１１０に形成されている凹部Ｋ内に水晶素子１２０が実装され、その凹部Ｋが蓋体１３０により気密封止された構造となっている。また、パッケージ１１０の基板部１１０ａの内部には、感温用電極１４０が設けられている。

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の上面に設けられた枠部１１０ｂとを含んでいる。基板部１１０ａの上面と枠部１１０ｂの内面とで凹部Ｋが形成されている。

基板部１１０ａは、水晶素子１２０を支持するための支持部材として機能するものであり、上面には、水晶素子１２０を接合するための一対の電極パッド１１１が設けられている。また、基板部１１０ａの下面の四隅には、外部接続用電極端子Ｇが設けられている。外部接続用電極端子Ｇは、一対の水晶素子用電極端子Ｇ１と一対の温度情報用電極端子Ｇ２とによって構成されている。

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、複数層積層することによって形成されている。基板部１１０ａの表面および内部には、基板部１１０ａの上面の一対の電極パッド１１１と下面の外部接続用電極端子Ｇ（水晶素子用電極端子Ｇ１）とを電気的に接続するための一対のビア導体１１３が設けられている。さらに、基板部１１０ａの表面及び内部には、水晶素子用配線パターン１１４及び水晶素子用ビア導体１１５が設けられている。基板部１１０ａを構成する複数の絶縁層の一つには、平面視して一対のビア導体１１３間に、一対のビア導体１１３と間を空けて感温用電極１４０が設けられている。

一対のビア導体１１３と感温用電極１４０との間隔は、約１５〜２０μｍである。この間隔をあけておくことにより、一対のビア導体１１３は、感温用電極１４０と短絡しないようにすることができる。また、水晶素子１２０に加わっている熱は、水晶素子１２０の接続電極１２３と接している一対の導電性接着剤ＤＳ、一対の電極パッド１１１、一対のビア導体１１３の順に伝わり、基板部１１０ａの同一平面上の絶縁層を通じて最短距離にて感温用電極１４０に伝わることになる。水晶素子１２０の温度は、一対の電極パッド１１１の温度と殆ど差がない。その一対の電極パッド１１１の直下に接続された一対のビア導体１１３の間では、熱伝導性に優れた絶縁層の一部を介して感温用電極１４０に水晶素子１２０の温度が間接的に伝わる。よって、水晶素子１２０の実際の温度と感温用電極１４０によって得られる温度情報を近似することができる。

感温用電極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される。感温用電極１４０は、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。感温用電極１４０は、温度情報用電極端子Ｇ２を介して圧電振動子の外へ抵抗値が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。これによって得られた水晶素子１２０の温度情報に応じて、メインＩＣにより水晶素子１２０の発振周波数を補正する電圧を制御し、いわゆる温度補償をすることができる。

また、感温用電極１４０は、図２及び図３に示されているように、複数の絶縁層の内の１つに設けられ、平面視して一対のビア導体１１３間に、一対のビア導体１１３と間隔を空けて設けられている。また、感温用電極１４０は、帯状または線状であり、両端に第１感温用ビア導体１１６と第２感温用導体ビア導体１１８とが設けられている。感温用電極１４０は、例えば、白金、銀、パラジウム、クロム、チタンのうちのいずれかを含む金属材料か、或いはモリブデン、マンガンの金属酸化物からなり、同時焼成体ペーストによって、基板部１１０ａを構成する絶縁層の一つに形成されている。

感温用電極１４０は、例えば基板部１１０ａがガラス−セラミックスから成る場合、焼成によって基板部１１０ａと一体的に形成されている。感温用電極１４０がパッケージ１１０と一体的に形成されていることによって、例えば予め製造された感温素子を導電性接着剤によってパッケージに実装する場合に比べて、導電性接着剤から発生する不要なガスの量が低減されている。そのため、感温用電極１４０を用いることで、水晶素子１２０の電極部分が、不要なガスによって酸化する虞を低減することができ、水晶素子１２０の発振周波数を長期に渡って所望する値に維持しやすくすることができる。

また、基板部１１０ａの内部に形成された感温用電極１４０と基板部１１０ａの下面に形成された温度情報用電極端子Ｇ２は、図３〜図５に示されているように、パッケージ１１０の基板部１１０ａの内部に形成された感温用配線パターン１１７と第１感温用ビア導体１１６と第２感温用ビア導体１１９とにより接続されている。つまり、感温用電極１４０は、図３〜図５に示されているように、第１感温用ビア導体１１６を介して感温用配線パターン１１７の一端と接続されている。また、感温用配線パターン１１７の他端は、図３〜図５に示されているように、第２感温用ビア導体１１９を介して温度情報用電極端子Ｇ２と接続されている。よって、感温用電極１４０は、温度情報用電極端子Ｇ２と電気的に接続されることになる。

枠部１１０ｂは、基板部１１０ａ上に凹部Ｋを形成するためのものである。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。枠部１１０ｂの上面には、封止用導体パターン１１２が設けられている。

封止用導体パターン１１２は、蓋体１３０と封止部材１３１を介して接合する際に、封止部材１３１の濡れ性をよくする役割を果たしている。また、封止用導体パターン１１２は、図２（ｂ）に示されているように、蓋体用ビア導体１１８及び第２感温用ビア導体１１９を介して温度情報用電極端子Ｇ２に接続されている。少なくとも一つの温度情報用電極端子Ｇ２は、外部の実装基板上のグランドと接続されている実装パッドと接続されることにより、グランド端子の役割を果たす。そのため、封止用導体パターン１１２に接合される蓋体１３０がグランドに接続されることとなり、蓋体１３０による凹部Ｋ内のシールド性が向上する。

ここで、パッケージ１１０の作製方法について説明する。基板部１１０ａと枠部１１０ｂが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・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。次に、セラミックグリーンシートの表面或いは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する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、一対の電極パッド１１１及び外部接続用電極端子Ｇとなる部位にニッケルメッキ又は金メッキ等を施すことにより製作される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

水晶素子１２０は、安定した機械振動と圧電効果により、電子装置等の基準信号を発振する役割を果たしている。水晶素子１２０は、図２に示されているように、長方形状をなす水晶素板１２１の上面及び下面のそれぞれに励振用電極１２２、接続用電極１２３及び引き出し電極１２４を被着させた構造を有している。水晶素子１２０は、パッケージ１１０の基板部１１０ａの一対の電極パッド１１１に導電性接着剤ＤＳを介して接合されている。本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、長辺方向の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の基板部１１０ａ上に固定されている。

一対の電極パッド１１１は、パッケージ１１０の基板部１１０ａの内部に形成された一対のビア導体１１３、水晶素子用配線パターン１１４及び水晶素子用ビア導体１１５を介して一対の水晶素子用電極端子Ｇ１と電気的に接続されている。つまり、一対の電極パッド１１１は、一対のビア導体１１３を介して水晶素子用配線パターン１１４の一端と接続されている。また、水晶素子用配線パターン１１４の他端は、水晶素子用ビア導体１１５を介して水晶素子用電極端子Ｇ１と接続されている。よって、一対の電極パッド１１１は、一対の水晶素子用電極端子Ｇ１と電気的に接続されることになる。

ここで、水晶素子１２０の動作について説明する。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及び励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、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ようになっている。

ここで、水晶素子１２０の作製方法について説明する。まず、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を得る。そして、水晶素子１２０は、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。

水晶素子１２０のパッケージ１１０への接合方法について説明する。まず、導電性接着剤ＤＳが、一対の電極パッド１１１上に例えばディスペンサによって塗布される。そして、水晶素子１２０が、治具で固定されたパッケージ１１０の凹部Ｋ内における導電性接着剤ＤＳ上に搬送される。さらに、水晶素子１２０が、導電性接着剤ＤＳ上に載置される。そして、水晶素子１２０は、導電性接着剤ＤＳを加熱硬化させることによってパッケージ１１０に接合される。

導電性接着剤ＤＳは、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る。導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂等が用いられる。

蓋体１３０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体１３０は、真空状態にある凹部Ｋ又は窒素ガスなどが充填された凹部Ｋを気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１３０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の枠部１１０ｂ上に載置され、枠部１１０ｂの封止用導体パターン１１２と蓋体１３０の封止部材１３１とが溶接されるように、蓋体１３０に所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、封止部材１３１が枠部１１０ｂに接合される。

封止部材１３１は、パッケージ１１０の枠部１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１２に相対する蓋体１３０の箇所に設けられている。封止部材１３１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。

本実施形態における圧電振動子は、基板部１１０ａ内に設けられ、一対の電極パッド１１１に接続されている一対のビア導体１１３と、基板部１１０ａ内に設けられ、平面視して一対のビア導体１１３間に一対のビア導体１１３と間を空けて設けられた感温用電極１４０とを備えている。水晶素子１２０の熱が一対の電極パッド１１１から一対のビア導体１１３を介し、基板部１１０ａを構成する同一平面上の絶縁層から感温用電極１４０に伝わる。従って、水晶素子１２０の実際の温度と感温用電極１４０によって得られる温度情報に基づく温度との差を低減させることができ、水晶素子１２０の発振周波数に関する温度補償の精度を向上させることができる。

本実施形態における圧電振動子は、凹部Ｋを気密封止するための蓋体１３０とを備え、感温用電極１４０の一端が蓋体１３０と電気的に接続されていることによって、少なくとも一つの温度情報用電極端子Ｇ２と実装基板上のグランドが接続されている実装パッドとが接続されることにより、グランド端子の役割を果たしている。そのため、感温用電極１４０の一端もグランドに接続されることになり、抵抗値を安定して出力することができるため、水晶素子１２０の実際の温度と感温用電極１４０によって得られる温度情報に基づく温度との差を低減させることができる。

仮に、蓋体１３０及び一つの温度情報用電極端子Ｇ２がグランドと電気的に接続されていないとすると、蓋体１３０に外部から筐体（図示せず）などのグランドが近づくことにより、水晶素子１２０の励振用電極１２２と筐体（図示せず）との間で浮遊容量が生じる。よって、水晶素子１２０の発振周波数は、安定して出力することができない。そこで、蓋体１３０及び一つの温度情報用電極端子Ｇ２がグランドと電気的に接続されていることにより、蓋体１３０に外部から筐体（図示せず）などのグランドが近づいても、水晶素子１２０の励振用電極１２２と筐体（図示せず）との間で浮遊容量が生じないため、水晶素子の発振周波数を安定して出力することができる。

尚、本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。上記の実施形態では、枠部１１０ｂが基板部１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、枠部１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠部は、銀ロウ等のロウ材を介して基板部の導体膜に接合されている。

上記の実施形態では、水晶素子は、ＡＴ用水晶素子を用いた場合を説明したが、基部と、基部の側面より同一の方向に延びる２本の平板形状の振動腕部とを有する音叉型屈曲水晶素子を用いても構わない。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・枠部
１１１・・・圧電振動素子搭載パッド
１１３・・・一対のビア導体
１２０・・・圧電素子
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・・・感温用電極
Ｋ・・・凹部
ＤＳ・・・導電性接着剤
Ｇ・・・外部接続用電極端子
Ｇ１・・・水晶素子用電極端子
Ｇ２・・・温度情報用電極端子

Claims (2)

1. 基板部と前記基板部上に設けられた枠部とで形成されている凹部を有するパッケージと、
   前記凹部内の前記基板部上に設けられた一対の電極パッドと、
   前記一対の電極パッドに実装された圧電素子と、
   前記基板部内に設けられ、前記一対の電極パッドに接続されている一対のビア導体と、
   前記基板部内に設けられ、平面視して前記一対のビア導体間に前記一対のビア導体と間を空けて設けられた感温用電極と、
   前記基板部の下面に設けられた一対の水晶素子用電極端子と、
   前記基板部の下面に設けられた一対の温度情報用電極端子と、
   を備え、
   前記一対の電極パッドが前記一対のビア導体を介して前記一対の水晶素子用電極端子とのみ電気的に接続しており、
   前記感温用電極が前記一対の温度情報用電極端子と電気的に接続している
   ことを特徴とする圧電振動子。
2. 請求項１記載の圧電振動子であって、
   前記枠部上に前記凹部を気密封止するようにして設けられた蓋体とを備え、
   前記感温用電極の一端が前記蓋体と電気的に接続されていることを特徴とする圧電振動子。

Images