JP6013069B2 - 圧電デバイス - Google Patents

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。

従来、携帯電話機などの電子機器には、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、圧電デバイスが知られている。圧電デバイスにおいては、従来、外部に設けられていたサーミスタ素子を圧電振動子が搭載されている素子搭載用部材に搭載して、圧電振動子の実際の温度とサーミスタ素子によって測定される温度との差異を低減し、発振周波数の変動を低減させることが考えられている。

サーミスタ素子は、温度変化に応じて抵抗値が変化して、抵抗値が変わることで電流値が変化するものであり、その温度での電流値が、外部接続用電極端子を介して圧電デバイスの外部へ出力される。この出力された電流値の変化から電圧が変化するため、電圧と温度との関係により、出力された電流値を電圧に換算することで、そのときの電圧から温度情報を得ることができる。例えば、電圧から温度情報への換算は、外部の電子機器等の集積回路素子内で得ることができる。また、外部接続用電極端子は、一対の圧電素子用電極端子と一対のサーミスタ素子用電極端子により構成されている。

特開２０１１−２１１３４０号公報

しかしながら、従来、サーミスタ素子が実装された圧電デバイスにおける温度特性を測定するためには、圧電デバイスの温度を上昇させる必要があったため、圧電デバイスの外部に設けられた発熱源（例えば、パワーアンプ等）を置く必要があった。また、従来の圧電デバイスは、外部に発熱源があるために圧電デバイスの内部の温度を上昇させるためには、大きな発熱量が必要となり効率が悪かった。なお、従来の圧電デバイスは、外部に発熱源があるために、圧電デバイスの内部の温度上昇に時間がかかっていた。

本発明の一つの態様による圧電デバイスは、基板部を含む素子搭載用部材と、基板部に搭載されたサーミスタ素子と、基板部に搭載された圧電素子と、素子搭載用部材に設けられた加熱用抵抗とを含んでおり、素子搭載用部材には、圧電素子とのみ電気的に接続した一対の圧電素子用外部端子と、サーミスタ素子と電気的に接続する外部接続用電極端子と、サーミスタ素子及び加熱用抵抗と電気的に接続するグランド接続用外部端子とから構成される外部端子が設けられており、素子搭載用部材には、加熱用抵抗と電気的に接続した電圧印加用端子が設けられており、サーミスタ素子と加熱用抵抗は、基板部に近接して並んで配置されている。

本発明の一つの態様による圧電デバイスは、素子搭載用部材に設けられた加熱用抵抗を含んでいることによって、加熱用抵抗が圧電デバイスの内部で発熱するため、圧電デバイスの外部に発熱源が有る場合に比べて、圧電デバイスの内部の温度上昇に必要な発熱量を低減させることができる。また、圧電デバイスの内部に発熱源があるため、圧電デバイスの温度の上昇を比較的短時間で行うことができる。

本発明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サーミスタ素子および加熱用抵抗を取り外した状態を示す平面図である。 図１に示された圧電デバイスにおけるサーミスタ素子および加熱用抵抗の配置を示す平面図である。 電圧印加用端子に印可される電圧とサーミスタ素子の抵抗値から換算される温度とを示すグラフである。 個々の圧電振動子の加熱用抵抗の抵抗値から換算した温度と周波数変化量の関係を示すグラフである。

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〜図３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に搭載されたサーミスタ素子１２０および圧電素子１３０と、素子搭載用部材１１０に設けられた加熱用抵抗１２２とを含んでいる。なお、図１は、図３に示されている圧電デバイス１００のＡ―Ａにおける断面図を示している。なお、本実施形態において、図２に示されているように、素子搭載基板１１０に、サーミスタ素子１２０と加熱用抵抗１２２が搭載されていない状態を圧電振動子１０１という。

素子搭載用部材１１０は、基板部１１１ａと基板部１１１ａの上面に設けられた第１の枠部１１１ｂと基板部１１１ａの下面に設けられた第２の枠部１１１ｃとからなる絶縁基体１１１とを含んでいる。基板部１１１ａの上面には、一対のサーミスタ素子搭載パッド１１３、一対の加熱用抵抗搭載パッド１１４、一対のサーミスタ素子接続配線１１８および一対の加熱用抵抗接続配線１１９が設けられている。また、基板部１１１ａの下面には、圧電素子搭載パッド１１２が設けられている。

なお、図２において、一対のサーミスタ素子搭載パッド１１３は、符号１１３の後にアルファベットを付して１１３ａ、１１３ｂとして示されている。以下、第１のサーミスタ素子搭載パッド１１３ａおよび第２のサーミスタ素子搭載パッド１１３ｂという場合もある。

また、一対の加熱用抵抗搭載パッド１１４は、符号１１４の後にアルファベットを付して１１４ａ、１１４ｂとして示されている。以下、第１の加熱用抵抗搭載パッド１１４ａおよび第２の加熱用抵抗搭載パッド１１４ｂという場合もある。

一対のサーミスタ素子接続配線１１８および一対の加熱用抵抗接続配線１１９についても、符号の後にアルファベットを付して示されている。

第１の枠部１１１ｂには、複数のビア導体１１５と、複数の外部端子１１６と、電圧印加用端子１１７が設けられている。ここで、素子搭載用部材１１０の上面の凹部を上側凹部Ｋ１、下面の凹部を下側凹部Ｋ２とする。なお、本実施形態において上方向とは、紙面の上方向のことをいう。

複数のビア導体１１５は、第１の枠部１１１ｂの内部に設けられており、符号１１５の後にアルファベットのａ〜ｅを付して１１５ａ〜１１５ｅとして示されている。複数のビア導体１１５ａ〜１１５ｅは、例えば、圧電素子接続用ビア導体１１５ａおよび１１５ｂ、グランド接続用ビア導体１１５ｃ、サーミスタ素子接続用ビア導体１１５ｄおよび加熱用抵抗接続用ビア導体１１５ｅである。

また、図２において、外部端子１１６は、第１の枠部１１１ｂの上面の四隅部に配置されており、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、圧電素子用外部端子１１６ａおよび１１６ｂ、グランド用外部端子１１６ｃおよび温度センサ用外部端子１１６ｄである。尚、圧電素子用外部端子１１６ａおよび１１６ｂは、第１の枠部１１１ｂの上面の対角の位置するように配置されている。

図２に示されているように、電圧印加用端子１１７は、例えば、第１の枠部１１１ｂの上面の長辺部分おいて、圧電素子用外部端子１１６ａと外部接続用電極端子１１６ｄとの間に配置されている。

また、図２において、１対のサーミスタ素子接続配線１１８は、基板部１１１ａの上面に設けられている。１対のサーミスタ素子接続配線１１８は、例えば、第１のサーミスタ素子接続配線１１８ａおよび第２のサーミスタ素子接続配線１１８ｂである。

同様に、図２において、１対の加熱用抵抗接続配線１１９は、基板部１１１ａの上面すなわちサーミスタ素子１２０が搭載された面に設けられている。１対の加熱用抵抗接続配線１１９は、例えば、第１の加熱用抵抗接続配線１１９ａおよび第２の加熱用抵抗接続配線１１９ｂ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。また、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、平面視において矩形状の平板状である。第１の枠部１１１ｂは、基板部１１１ａの上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の下面の縁部に沿って設けられている。

第１のサーミスタ素子搭載パッド１１３ａは、基板部１１１ａの上面に設けられており、第１のサーミスタ素子接続配線１１８ａを介して、サーミスタ素子接続用ビア導体１１５ｄに接続されている。また、第２のサーミスタ素子搭載パッド１１３ｂは、図２に示されているように、基板部１１１ａの上面に設けられており、第２のサーミスタ素子接続配線１１８ｂを介して、グランド接続用ビア導体１１５ｃに接続されている。

第１の加熱用抵抗搭載パッド１１４ａは、基板部１１１ａの上面に設けられており、第１の加熱用抵抗接続配線１１９ａを介して、加熱用抵抗接続用ビア導体１１５ｅに接続されている。また、第２の加熱用抵抗搭載パッド１１４ｂは、図２に示されているように、基板部１１１ａの上面に設けられており、第２の加熱用抵抗接続配線１１９ｂを介して、グランド接続用ビア導体１１５ｃに接続されている。

圧電素子接続用ビア導体１１５ａは、一端が圧電素子用外部端子１１６ａに接続され、他端が基板部１１１ａの内層配線（図示せず）を介して下側凹部Ｋ２に収容された圧電素子１３０に電気的に接続されている。同様に、圧電素子接続用ビア導体１１５ｂは、一端が圧電素子用外部端子１１６ｂに接続され、他端が基板部１１１ａの内層配線（図示せず）を介して下側凹部Ｋ２に収容された圧電素子１３０に電気的に接続されている。グランド接続用ビア導体１１５ｃは、一端がグランド用外部端子１１６ｃに接続され、他端が第２のサーミスタ素子接続配線１１８ｂと第２の加熱用抵抗接続配線１１９ｂに電気的に接続されている。サーミスタ素子接続用ビア導体１１５ｄは、一端が外部接続用電極端子１１６ｄに接続され、他端が第１のサーミスタ素子接続配線１１８ａに電気的に接続されている。加熱用抵抗接続用ビア導体１１５ｅは、一端が電圧印加用端子１１７に接続され、他端が第１の加熱用抵抗接続配線１１９ａに電気的に接続されている。

圧電素子用外部端子１１６ａおよび１１６ｂは、圧電振動子１０１の発振周波数が出力される端子である。グランド用外部端子１１６ｃは、外部の接地電位に接続される端子である。外部接続用電極端子１１６ｄは、外部の電子機器等の集積回路素子等に接続される端子である。外部の電子機器等の集積回路素子は、サーミスタ素子１２０の抵抗値が変わることによる電流値の変化を電圧に換算することで、温度情報を得ることができる。また、電圧印加用端子１１７は、加熱用抵抗１２２を加熱するための電圧が印加される端子である。

図３に示されているように、サーミスタ素子１２０は、基板部１１１ａの上面に導電性接合材１２５を介して、一端が第１のサーミスタ素子搭載パッド１１３ａに接続され、他端が第２のサーミスタ素子搭載パッド１１３ｂに接続されている。

加熱用抵抗１２２は、基板部１１１ａの上面に導電性接合材１２５を介して、一端が第１の加熱用抵抗搭載パッド１１４ａに接続され、他端が第２の加熱用抵抗搭載パッド１１４ｂに接続されている。なお、図３に示されているように、サーミスタ素子１２０と加熱用抵抗１２２は、基板部１１１ａの上面に近接して並んで配置されている。

圧電素子１３０は、下側凹部Ｋ２内に設けられており、基板部１１１ａの下面に設けられた圧電素子搭載パッド１１２と接続されている。圧電素子１３０は、圧電素子搭載パッド１１２、基板部１１１ａの内層配線（図示せず）、第１の枠部１１１ｂの圧電素子接続用ビア導体１１５ａおよび１１５ｂを介して、第１の枠部１１１ｂの上面の圧電素子用外部端子１１６ａおよび１１６ｂ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の下側凹部Ｋ２は、蓋部材１４０によって気密封止されている。

ここで、図４、図５に示されている電圧印加用端子１１７に印可される電圧（Ｖ）と、個々の圧電振動子１０１の周波数変化量（ｐｐｍ）の関係から、個々の圧電振動子１０１を温度補償する方法について説明する。

図４は、縦軸が加熱用抵抗１２２の温度（℃）、横軸が電圧印加用端子１１７に印可される電圧（Ｖ）である。また、図５は、縦軸が圧電振動子１０１の周波数変化量（ｐｐｍ）、横軸が加熱用抵抗１２２の抵抗値から換算した温度（℃）である。

図４は、圧電デバイス１００の電圧印可用端子１１７に電圧（Ｖ）を印加して、加熱用抵抗１２２を加熱した際の、サーミスタ素子１２０の抵抗値の変化を温度（℃）に換算したグラフである。即ち、図４のグラフは、電圧印可用端子１１７に電圧を印加することで、加熱用抵抗１２２を加熱し、その時のサーミスタ素子１２０の抵抗値が変わることによる電流値の変化を外部接続用電極端子１１６ｄから、外部の電子機器等の集積回路素子に入力し、外部の集積回路素子で温度情報に換算された値を読みとって求めたものである。

また、図５は、個々の圧電振動子１０１の周波数温度特性をプロットしたものである。図５のグラフは、２５℃を基準として高温側と低温側で周波数変化量の異なる３個の圧電振動子１０１の周波数温度特性を示している。尚、図５のグラフは、実線が高温側（４５℃）で周波数変化量が大きい圧電振動子１０１であり、一点鎖線が高温側（４５℃）で周波数変化量が小さい圧電振動子１０１であり、点線が両者の中間的な周波数変化量の圧電振動子１０１である。

このようにして、本実施形態における圧電デバイス１００は、図４のグラフにおいて、例えば、加熱用抵抗１２２に印加される電圧を２Ｖとすると、サーミスタ素子１２０の抵抗値から換算される温度が４５℃となる。この関係を図５のグラフから、３個の圧電振動子１０１の４５℃の周波数変化量を読みとることで、個々の圧電振動子１０１の温度補償量を決定できる。尚、図４のグラフにおいては、加熱用抵抗１２２に印可される電圧を２Ｖの１ポイントのみとしているが、例えば１Ｖ、２Ｖ、３Ｖの複数のポイントの温度を読みとってもよい。これにより、個々の圧電振動子１０１の温度補償精度を向上させることができる。

例えば、図４のグラフより、電圧印加用端子１１７に印可される電圧（Ｖ）が２Ｖの場合は、サーミスタ素子１２０の抵抗値を、温度（℃）に換算した値が４５℃となる。これを図５のグラフの横軸の４５℃のライン（図５の点線）から、個々の圧電振動子１０１の周波数変化量を求めると、実線が−８．０ｐｐｍ、点線が−５．５ｐｐｍ、一点鎖線が−２．０ｐｐｍである。

ここで、個々の圧電振動子１０１の温度補償量は、例えば、図５に示されているように、４５℃の周波数変化量から、個々の圧電振動子１０１の周波数温度特性を予測することで決定できる。即ち、個々の圧電振動子１０１の温度補償量は、個々の圧電振動子１０１の４５℃の周波数変化量を、事前に求めておいた温度補償曲線で温度補償することで求められる。尚、温度補償曲線は、外部の電子機器等の集積回路素子のメモリ内に格納されている。

以上のように、本実施形態の圧電デバイス１００においては、素子搭載用部材１１０に設けられた加熱用抵抗１２２を備えていることから、加熱用抵抗１２２が圧電振動子１０１の内部で発熱するため、圧電振動子１０１の温度上昇に掛る発熱量を外部に発熱源が有る場合に比べ小さくできる。また、圧電デバイス１００の内部に発熱源があるため、圧電振動子１０１の温度上昇が短時間で行え、温度補償に掛る時間を短縮できる。

また、本実施形態の圧電デバイス１００においては、加熱用抵抗１２２が、基板部１１１ａの内部に設けられていても構わない。これにより、上側凹部Ｋ１に収容されたサーミスタ素子１２０と下側凹部Ｋ２に収容された圧電素子１３０との温度上昇を近づけることができるので、温度補償精度を向上させることができる。

また、本実施形態の圧電デバイス１００においては、加熱用抵抗１２２が、基板部１１１ａのサーミスタ素子１２０が搭載された面に設けられていることで、サーミスタ素子１２０と近接して並んで配置されることになり、加熱用抵抗１２２の温度上昇をサーミスタ素子１２０で検知しやすくなり、サーミスタ素子１２０の温度上昇が短時間で行え、温度補償に掛る時間を短縮できる。

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の下側凹部Ｋ２に搭載される圧電素板として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
１０１・・・圧電振動子
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
１１２・・・圧電素子搭載パッド
１１３・・・サーミスタ素子搭載パッド
１１３ａ・・・第１のサーミスタ素子搭載パッド
１１３ｂ・・・第２のサーミスタ素子搭載パッド
１１４・・・加熱用抵抗搭載パッド
１１４ａ・・・第１の加熱用抵抗搭載パッド
１１４ｂ・・・第２の加熱用抵抗搭載パッド
１１５・・・ビア導体
１１５ａ・・・圧電素子接続用ビア導体
１１５ｂ・・・圧電素子接続用ビア導体
１１５ｃ・・・グランド接続用ビア導体
１１５ｄ・・・サーミスタ素子接続用ビア導体
１１５ｅ・・・加熱用抵抗接続用ビア導体
１１６・・・外部端子
１１６ａ・・・圧電素子用外部端子
１１６ｂ・・・圧電素子用外部端子
１１６ｃ・・・グランド用外部端子
１１６ｄ・・・外部接続用電極端子
１１７・・・電圧印加用端子
１１８・・・サーミスタ素子接続配線
１１８ａ・・・第１のサーミスタ素子接続配線
１１８ｂ・・・第２のサーミスタ素子接続配線
１１９・・・加熱用抵抗接続配線
１１９ａ・・・第１の加熱用抵抗接続配線
１１９ｂ・・・第２の加熱用抵抗接続配線
１２０・・・サーミスタ素子
１２２・・・加熱用抵抗
１２５・・・導電性接合材
１３０・・・圧電素子
１４０・・・蓋部材
Ｋ１・・・上側凹部
Ｋ２・・・下側凹部

Claims (3)

1. 基板部を含む素子搭載用部材と、前記基板部に搭載されたサーミスタ素子と、前記基板部に搭載された圧電素子と、前記素子搭載用部材に設けられた加熱用抵抗とを備えており、
   前記素子搭載用部材には、前記圧電素子とのみ電気的に接続した一対の圧電素子用外部端子と、前記サーミスタ素子と電気的に接続する外部接続用電極端子と、前記サーミスタ素子及び前記加熱用抵抗と電気的に接続するグランド接続用外部端子とから構成される外部端子が設けられており、
   前記素子搭載用部材には、前記加熱用抵抗と電気的に接続した電圧印加用端子が設けられており、
   前記サーミスタ素子と前記加熱用抵抗は、前記基板部に近接して並んで配置されている
   ことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記加熱用抵抗は、前記基板部の内部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記加熱用抵抗は、前記基板部の前記サーミスタ素子が搭載された面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。

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