JP5969248B2

JP5969248B2 - 温度制御型デバイス

Info

Publication number: JP5969248B2
Application number: JP2012081503A
Authority: JP
Inventors: 倫大齊藤; 伸郎竹野; 浩嗣福士
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211752A

Description

本発明は、温度補償型圧電デバイスを有する温度制御型デバイスに関するものである。

例えば温度制御型水晶発振器（ＯＣＸＯ）等の温度制御型圧電デバイスは、基体と、基体の下面に設けられたヒータと、基体の上面に設けられた温度補償型圧電デバイスとを含んでいる。温度補償型圧電デバイスは、凹部を有する素子搭載用部材と、凹部内に搭載された圧電振動素子と、素子搭載用部材に搭載されたＩＣ素子と、凹部を封止する金属板とを含んでいる。温度補償型圧電デバイスは、ヒータによって所望の温度に保たれるように熱制御することによって、出力周波数の安定化が図られている。

特開２０１０−１２４３４８号公報

従来の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイスにおいて、圧電振動素子が収容された凹部の熱が凹部を封止する金属板を介して放散されることによって、圧電振動素子が収容された凹部内の温度を制御することが不十分であった。よって、温度補償型圧電デバイスの出力信号の周波数特性に変動が生じる可能性があった。

本発明の一つの態様によれば、温度制御型圧電デバイスは、基体と、基体の下面に設けられたヒータと、基体の上面に設けられた温度補償型圧電デバイスとを含んでいる。温度補償型圧電デバイスは、凹部を有する素子搭載用部材と、凹部内に搭載された圧電振動素子と、素子搭載用部材に搭載されたＩＣ素子と、凹部を封止する第１の金属板とを含んでいる。温度補償型圧電デバイスの第１の金属板上に樹脂部材が設けられており、この樹脂部材の上に第２の金属板が設けられている。

本発明の一つの態様による温度制御型圧電デバイスは、基体と、基体の下面に設けられたヒータと、基体の上面に設けられた温度補償型圧電デバイスとを含んでいる。温度補償型圧電デバイスは、凹部を有する素子搭載用部材と、凹部内に搭載された圧電振動素子と、素子搭載用部材に搭載されたＩＣ素子と、凹部を封止する第１の金属板とを含んでいる。温度補償型圧電デバイスは、第１の金属板上に設けられた樹脂部材をさらに含んでいる。樹脂部材が断熱部材として働くことによって、凹部内の熱のうち第１の金属板を介して放散される量が低減されている。したがって、本発明の一つの態様による温度制御型圧電デバイスは、圧電振動素子が収容された凹部内の温度を十分に制御することができ、温度補償型圧電デバイスの出力信号における周波数特性の変動量が低減されている。

本発明の実施形態における温度制御型圧電デバイスを示す斜視図である。図１に示された温度制御型圧電デバイスのＡ−Ａにおける縦断面図である。図２に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分の拡大図である。本発明の実施形態に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイスの変形例を示す拡大図である。本発明の実施形態に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイスの変形例を示す拡大図である。（ａ）は、本発明の実施形態に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分の変形例を示す平面透視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分のＢ−Ｂにおける縦断面図である。（ａ）は、本発明の実施形態に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分の変形例を示す平面透視図であり、（ｂ）は、（ａ）に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分のＣ−Ｃにおける縦断面図である。本発明の実施形態に示された温度制御型圧電デバイスに搭載された温度補償型デバイス部分の樹脂部材の変形例を示す拡大図である。

以下、本発明のいくつかの例示的な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）

本発明の第１の実施形態における温度制御型圧電デバイスは、図１〜図３に示されているように、基体１と、基体１の下面に設けられたヒータ２と、基体１の上面に設けられた温度補償型圧電デバイス３と、基体１、ヒータ２および温度補償型圧電デバイス３を囲んでいるケース４と、基体１に固定されておりケース４の外部に位置する下端を有する複数の外部端子５とを含んでいる。

基体１は、例えばガラスエポキシ材よりなり、複数の外部端子５に電気的に接続されている複数の配線導体１１を有している。また、基体１は、その上面に設けられた温度補償型圧電デバイス３の搭載用導体パターンを有しており、搭載用導体パターンは、複数の配線導体１１に電気的に接続されている。

ヒータ２は、基体１の下面に接合されており、ヒータ２の発熱量は、例えば基体１の下面に設けられた温度センサによって測定された温度に基づいて制御されている。

温度補償型圧電デバイス３は、素子搭載用部材３１と、素子搭載用部材３１の第１の凹部３１ａ内に搭載された圧電振動素子３２と、素子搭載用部材３１の第２の凹部３１ｂ内に搭載されており、圧電振動素子３２に電気的に接続されたＩＣ素子３３とを含んでいる。また、素子搭載用部材３１の第１の凹部３１ａは、第１の金属板３４によって気密封止されており、さらに第１の金属板３４上に樹脂部材３５が設けられている。また、温度補償型圧電デバイス３は、基体１の上面に実装されており、基体１に設けられた複数の配線導体１１に電気的に接続されている。

素子搭載用部材３１は、基板部３１ｃと、基板部３１ｃの第１の主面に設けられた第１枠部３１ｄと、基板部３１ｃの第２の主面に設けられた第２枠部３１ｅとを含んでいる。

基板部３１ｃは、例えばアルミナ等のセラミック材料を複数枚重ねて形成されており、基板部３１ｃ内に内部配線が設けられている。

第１枠部３１ｄは、基板部３１ｃと同様にアルミナ等のセラミック材料からなり、基板部３１ｃの第１の主面に設けられており、基板部３１ｃとともに第１の凹部３１ａを形成している。

第２枠部３１ｅは、基板部３１ｃと同様にアルミナ等のセラミック材料からなり、基板部３１ｃの第２の主面に設けられており、基板部３１ｃとともに第２の凹部３１ｂを形成している。

圧電振動素子３２は、例えば平板状の圧電基板３２ａと、圧電基板３２ａの上面および下面に設けられた励振電極３２ｂおよび３２ｃとを備えている。また、圧電振動素子３２は、外部より励振電極３２ｂおよび３２ｃに電圧が加わることにより、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。

圧電基板３２ａは、例えば結晶軸に対し所定の角度で切断された水晶のような石英材料よりなり、平面視で長方形状を有している。

励振電極３２ｂおよび３２ｃは、平面透視において、圧電基板３２ａの中央部にそれぞれ配置されている。

ＩＣ素子３３は、圧電振動素子３２より得られる周波数を制御することにより安定した周波数を出力する発信回路を実現している１チップ型ＩＣである。

第１の金属板３４は、例えば鉄−ニッケル−コバルトなどの合金よりなり、平面視において第１枠部３１ｄの外周より小さい四角形の板形状を有している。また、第１の金属板３４は、圧電振動素子３２が収容されている素子搭載用部材３１の第１の凹部３１ａを気密封止している。

樹脂部材３５は、例えばエポキシ系またはシリコーン系の材料からなり、第１の金属板３４の上面を覆うように設けられている。

ケース４は、例えば金属材料よりなり、ケース４の内側の空間は、ヒータ２によって所望の温度になるように制御されている。

複数の外部端子５は、基体１に固定されており、基体１の複数の配線導体１１に電気的に接続されている。よって、温度補償型圧電デバイス３は、基体１の複数の配線導体１１を介して、複数の外部端子５に電気的に接続されている。

本実施形態における温度制御型圧電デバイスにおいて、温度補償型圧電デバイス３が、第１の金属板３４上に設けられた樹脂部材３５を含んでいることによって、樹脂部材３５が断熱部材として働き、凹部内の熱が第１の金属板３４を介して放散される熱量を低減されている。したがって、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における出力信号の周波数特性の向上を図ることができる。

また、温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３における第１の金属板３４上に設けられた樹脂部材３５を含んでいる構造であれば、図４に示されているように、圧電振動素子３２とＩＣ素子３３とが同じ凹部内に搭載された温度補償型圧電デバイス３であってもよい。このような構造であっても、樹脂部材３５が断熱部材として働き、凹部内の熱が第１の金属板３４を介して放散される熱量を低減されており、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における出力信号の周波数特性の向上を図ることができる。

また、温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３における第１の金属板３４上に設けられた樹脂部材３５を含んでいる構造であれば、図５に示されているように、圧電振動素子３２とＩＣ素子３３が別々の容器に気密封止されており、ＩＣ素子３３が搭載された容器の上に圧電振動素子３２が搭載された容器を載せた状態すなわち、ＩＣ素子３３が搭載された容器と圧電振動素子３２が搭載された容器が２階建てのように形成されている温度補償型圧電デバイス３であってもよい。このような構造であっても、樹脂部材３５が断熱部材として働き、凹部内の熱が第１の金属板３４を介して放散される熱量を低減されており、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における出力信号の周波数特性の向上を図ることができる。
（第２の実施形態）

本発明の第２の実施形態における温度制御型圧電デバイスにおいて、第１の実施形態における温度制御型圧電デバイスと異なる構成は、温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３における樹脂部材３５上に設けられた第２の金属板３６をさらに含んでいることである。その他の構成については、第１の実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３と同様である。

本実施形態における第２の金属板３６は、例えば鉄−ニッケル−コバルトなどの合金よりなり、平面視において第１の金属板３４の外周と同一の四角形の板形状を有している。また、第２の金属板３６は、樹脂部材３５上に設けられており、素子搭載用部材３１の第１の凹部３１ａを気密封止している第１の金属板３４と、樹脂部材３５と、第２の金属板３６との順番に３層構造を形成している。

本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、樹脂部材３５上に設けられた第２の金属板３６をさらに含んでいることによって、樹脂部材３５からの熱放射すなわち電磁波が第２の金属板３６によって樹脂部材３５内へ反射されることとなり、樹脂部材３５を介して放散される熱量をさらに低減されている。したがって、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、樹脂部材３５上に設けられた第２の金属板３６をさらに含んでいる構造、すなわち樹脂部材３５が、第１の金属板３４と第２の金属板３６とに挟まれている構造であれば、図４に示されているように、圧電振動素子３２とＩＣ素子３３とが同じ凹部内に搭載された温度補償型圧電デバイス３であってもよい。このような構造であっても、樹脂部材３５からの熱放射すなわち電磁波が第２の金属板３６によって樹脂部材３５内へ反射されることとなり、樹脂部材３５を介して放散される熱量をさらに低減されている。したがって、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性をさらに向上させることができる。

また、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、樹脂部材３５上に設けられた第２の金属板３６をさらに含んでいる構造、すなわち樹脂部材３５が、第１の金属板３４と第２の金属板３６とに挟まれている構造であれば、図５に示されているように、圧電振動素子３２が搭載された基板部３１ｃとＩＣ素子３３が搭載された基板部３１ｃが別々に形成されており、ＩＣ素子３３が搭載された基板部３１ｃの上に圧電振動子が搭載された基板部３１ｃが２階建てのように搭載されている温度補償型圧電デバイス３であってもよい。このような構造であっても、樹脂部材３５からの熱放射すなわち電磁波が第２の金属板３６によって樹脂部材３５内へ反射されることとなり、樹脂部材３５を介して放散される熱量をさらに低減されている。したがって、本実施形態における温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性をさらに向上させることができる。

ここから、温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３における第１の金属板３４と第２の金属板３６とに挟まれた樹脂部材３５に関する変形例について図６〜図８を参照して説明する。

図６（ａ）および（ｂ）に示された変形例において、図１〜図３に示された温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３における樹脂部材３５と異なる点は、図１〜図３に示された樹脂部材３５において、樹脂部材３５が、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間を埋めるように隙間なく塗布されているのに対して、図６（ａ）および（ｂ）に示された変形例においては、樹脂部材３５が、第１の金属板３４上に枠を形成するように塗布されることにより、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間に空間が設けられていることである。

図６（ａ）および（ｂ）に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３において、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間に空間が設けられていることによって、温度補償型圧電デバイス３の第１の凹部３１ａの空間と温度補償型圧電デバイス３を囲んでいるケース４内の空間との熱伝導を低減することとなる。よって、第２の金属板３６から放散される熱量が低減されており、図６（ａ）および（ｂ）に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性を向上させることができる。

また、図７（ａ）および（ｂ）に示された変形例において、図６（ａ）および（ｂ）に示された樹脂部材３５と異なる点は、図６（ａ）および（ｂ）に示された樹脂部材３５において、樹脂部材３５が、第１の金属板３４上に枠を形成するように塗布されることにより、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間に空間が設けられているのに対して、図７（ａ）および（ｂ）に示された変形例においては、樹脂部材３５が、図６（ａ）および（ｂ）に示された第１の金属板３４と第２の金属板３６との間の空間をさらに小さい複数の空間に区切るように形成されていることである。

図７（ａ）および（ｂ）に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３において、樹脂部材３５が、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間の空間をさらに小さい複数の空間に分けていることによって、温度補償型圧電デバイス３の第１の凹部３１ａの空間と温度補償型圧電デバイス３を囲んでいるケース４内の空間との熱伝導を低減するとともに、第１の金属板３４と第２の金属板３６との接着強度が増すこととなる。よって、第２の金属板３６から放散される熱量がさらに低減されており、図７（ａ）および（ｂ）に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性をさらに向上させるとともに、周波数特性を向上させる構造の信頼性を増すことができる。

また、図８に示された変形例において、図１〜図７（ａ）および（ｂ）に示された樹脂部材３５と異なる点は、図１〜図７（ａ）および（ｂ）に示された樹脂部材３５において、樹脂部材３５は、樹脂部材３５中に気泡が含まれていないのに対して、図８に示された変形例においては、樹脂部材３５は、樹脂部材３５中に気泡が含まれていることである。樹脂部材３５中に気泡を含ませる方法は、例えば泡立て器のように先端が曲がった形状の器具を使い、樹脂部材３５を攪拌することにより、より多くの空気を樹脂部材３５に混ぜ込ませることができる。

気泡と同様に樹脂部材３５中に熱伝導率の小さい空気相を設ける方法として、例えば樹脂性の中空ビーズ状を樹脂部材３５に分散させる方法を用いてもよい。この方法の場合は、樹脂部材３５に気泡を含ませる場合と比較して、樹脂部材３５中の空気相の割合や分散状態を制御しやすく、樹脂部材３５の断熱性（熱伝導性）を安定したものにすることが容易となる。

図８に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３において、第１の金属板３４と第２の金属板３６とに挟まれた樹脂部材３５中に気泡が含まれていることによって、上述の樹脂部材３５が、第１の金属板３４と第２の金属板３６との間の空間をさらに小さい複数の空間に分けていることと同等の効果があり、温度補償型圧電デバイス３の第１の凹部３１ａの空間と温度補償型圧電デバイス３を囲んでいるケース４内の空間との熱伝導を低減するとともに、第１の金属板３４と第２の金属板３６との接着強度がさらに増すこととなる。よって、第２の金属板３６から放散される熱量が低減されており、図８に示された変形例の温度制御型圧電デバイスの温度補償型圧電デバイス３は、温度補償型圧電デバイス３における周波数特性を向上させるとともに、周波数特性を向上させる構造の信頼性をさらに増すことができる。

また、第１の金属板３４および第２の金属板３６による熱反射を高めるために、これらの少なくとも一方の下面に熱反射を高めるような表面処理を施してもよい。表面処理としては、第１の金属板３４および第２の金属板３６の下面の表面粗さを小さくする方法、例えば研磨加工によって鏡面仕上げとする方法、あるいは、熱反射性の高い膜を形成する方法がある。このような膜としては、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｗ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどの金属から成る金属膜、またはＩＴＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などを成分とする金属酸化膜等が挙げられる。膜の形成方法としては、めっき法、および気相法、スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法や、プラズマＣＶＤなどのＣＶＤ法等の膜形成方法を用いればよい。

１基体
１１配線導体
２ヒータ
３温度補償型圧電デバイス
３１素子搭載用部材
３１ａ第１の凹部
３１ｂ第２の凹部
３１ｃ基板部
３１ｄ第１枠部
３１ｅ第２枠部
３２圧電振動素子
３２ａ圧電基板
３２ｂ，３２ｃ励振電極
３３ＩＣ素子
３４第１の金属板
３５樹脂部材
３６第２の金属板
４ケース
５外部端子

Claims

基体と、
前記基体の下面に設けられたヒータと、
凹部を有する素子搭載用部材と、前記凹部内に搭載された圧電振動素子と、前記素子搭載部材に搭載されたＩＣ素子と、前記凹部を封止する第１の金属板とを含んでおり、前記基体の上面に設けられた温度補償型圧電デバイスと、
前記温度補償型圧電デバイスの前記第１の金属板上に設けられている樹脂部材と、
前記樹脂部材上に設けられている第２の金属板と、
を備えていることを特徴とする温度制御型圧電デバイス。