JP6356950B2

JP6356950B2 - 水晶デバイス

Info

Publication number: JP6356950B2
Application number: JP2013130075A
Authority: JP
Inventors: 勝哉社本
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2033-06-21
Also published as: JP2015005883A

Description

本発明は、所定の周波数で振動する水晶振動片が載置された水晶デバイスに関する。

所定の周波数で振動する水晶振動片は、温度変化によりその周波数が変化する。このような水晶振動片の温度変化に起因する周波数変化を防ぐために、水晶振動片を所定の温度に制御する恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）が知られている。例えば、特許文献１では、サーミスタ及び加熱抵抗と共に温度制御回路が形成されて水晶振動片の温度制御がなされる恒温型の水晶発振器が示されている。

特開２０１１−７７９６３号公報

しかし、特許文献１の恒温槽付水晶発振器では全体の大きさが大きくなるという問題があり、ヒーター及びディスクリート部品等をＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）として小型化されることが望ましい。また、このときＬＳＩは発熱するが、ＬＳＩの熱履歴によりＬＳＩに電極として使用した金属が絶縁物の上を移動すること（マイグレーション現象）による電極間の抵抗値の低下、アルミニウム（Ａｌ）がシリコン（Ｓｉ）を取り込むことによる接合破壊（アロイスパイク）、アルミニウム（Ａｌ）と金（Ａｕ）とが反応して化合物を生じコンタクト抵抗が大きくなることによる破壊（パープルブレイク）等を原因とした故障が生じる場合があった。

本発明は、小型化され、ヒーターの発熱による熱履歴に起因した故障が防がれた水晶デバイスを提供することを目的とする。

第１観点の水晶デバイスは、所定の振動数で振動する水晶振動片と、温度を測定する温度センサと、発熱するヒーターと、温度センサ、ヒーター、及び水晶振動片を制御する集積回路と、矩形形状に形成された底部及び底部の一方の面を囲むように形成される第１側面から成り、水晶振動片及びヒーターが配置される第１凹部と底部及び底部の他方の面を囲むように形成される第２側面から成り、温度センサ及び集積回路が配置される第２凹部とが形成されるパッケージと、パッケージの上面に配置されて第１凹部を密閉し、金属材料により形成されるリッド板と、を有する。また、パッケージの下面には、リッド板に電気的に接続されるアース端子が形成されており、リッド板はヒーターに熱的に接続され、水晶振動片がリッド板及びヒーターからの放射熱により加温される。

第２観点の水晶デバイスは、所定の振動数で振動する水晶振動片と、温度を測定する温度センサと、発熱するヒーターと、温度センサ、ヒーター、及び水晶振動片を制御する集積回路と、矩形形状に形成された底部及び底部の一方の面を囲むように形成される第１側面から成り、水晶振動片、温度センサ及びヒーターが配置される第１凹部と底部及び底部の他方の面を囲むように形成される第２側面から成り、集積回路が配置される第２凹部とが形成されるパッケージと、パッケージの上面に配置されて第１凹部を密閉し、金属材料により形成されるリッド板と、を有する。また、パッケージの下面には、リッド板に電気的に接続されるアース端子が形成されており、リッド板はヒーターに熱的に接続され、水晶振動片がリッド板及びヒーターからの放射熱により加温される。

第３観点の水晶デバイスは、第１観点及び第２観点において、水晶振動片には一対の励振電極及び一対の励振電極から引き出された引出電極が形成され、第１凹部の一方の側には、水晶振動片を載置し、一対の引出電極が導電性接着剤を介して接合される一対の接続電極が形成される一対の載置部が形成され、第１凹部の他方の側には、アース端子に電気的に接続される金属膜が形成された保持部が形成され、水晶振動片が金属膜上に形成される導電性接着剤に接触して保持される。

本発明の水晶デバイスによれば、小型化されると共に、ヒーターの発熱による熱履歴に起因した故障を防ぐことができる。

水晶デバイス１００の分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。水晶デバイス１００の回路図である。水晶デバイス２００の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜水晶デバイス１００の構成＞
図１は、水晶デバイス１００の分解斜視図である。水晶デバイス１００は、表面実装型の水晶デバイスであり、プリント基板等に実装されて使用される。水晶デバイス１００は主に、水晶振動片１１０と、パッケージ１２０と、リッド板１３０と、により形成されている。水晶振動片１１０には、例えばＡＴカットの水晶振動片が用いられる。ＡＴカットの水晶振動片は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。以下の説明では、ＡＴカットの水晶振動片の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、水晶デバイス１００において水晶デバイス１００の長手方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ軸方向及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’軸方向として説明する。

水晶振動片１１０は、＋Ｙ’軸側の面及び−Ｙ’軸側の面に励振電極１１１が形成されており、各励振電極１１１からは水晶振動片１１０の−Ｘ軸側の辺に引出電極１１２が引き出されている。＋Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１１１から引き出される引出電極１１２は−Ｘ軸側の辺の＋Ｚ’軸側に引き出され、＋Ｚ’軸側の側面を介して−Ｙ’軸側の面に引き出されている。−Ｙ’軸側の面に形成されている励振電極１１１から引き出されている引出電極１１２は、−Ｘ軸側の辺の−Ｚ’軸側に引き出され、−Ｚ’軸側の側面を介して＋Ｙ’軸側の面に引き出されている。

パッケージ１２０は、Ｘ軸方向に伸びる長辺、及びＺ’軸方向に伸びる短辺を有している。パッケージ１２０は、＋Ｙ’軸側の面である上面の周囲にリッド板１３０に接合される接合面１２１ａ及び接合面１２１ａから−Ｙ’軸方向に凹んだ第１凹部１２１が形成されている。接合面１２１ａには第１凹部１２１を囲むように枠状金属膜１２７ａが形成されており、第１凹部１２１には水晶振動片１１０が載置され、引出電極１１２が電気的に接続される一対の接続電極１２４及び発熱するヒーター１４１が配置されている。また、パッケージ１２０の−Ｙ’軸側の面である下面の周囲には水晶デバイス１００が実装される実装面１２２ａ及び実装面１２２ａから＋Ｙ’軸方向に凹んだ第２凹部１２２（図２参照）が形成されている。実装面１２２ａには外部端子１２５が形成されており、第２凹部１２２には温度を測定する温度センサ１４２（図２参照）及び温度センサ１４２、ヒーター１４１、及び水晶振動片１１０を制御する集積回路１４３（図２参照）が配置される。

パッケージ１２０は、例えばセラミックを基材としており、第１層１２０ａ、第２層１２０ｂ、及び第３層１２０ｃの３つの層が重ね合わされることにより形成されている。第１層１２０ａは、パッケージ１２０の＋Ｙ’軸側に配置され、第１層１２０ａの＋Ｙ’軸側の面には接合面１２１ａが形成されている。第２層１２０ｂは、第１層１２０ａの−Ｙ’軸側の面に接合されて配置されている。第３層１２０ｃは、第２層１２０ｂの−Ｙ’軸側の面に配置されている。第３層１２０ｃの−Ｙ’軸側の面には、外部端子１２５が形成されている。さらに、パッケージ１２０の四隅の側面にはパッケージ１２０の内側に凹んだキャスタレーション１２９が形成されている。

リッド板１３０は、平板状に形成されており、パッケージ１２０の接合面１２１ａにシームリング１５１（図２参照）を介して接合されて、パッケージ１２０の第１凹部１２１を密封する。また、リッド板１３０は金属材料により形成されている。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。水晶デバイス１００では、第１凹部１２１が、第２層１２０ｂを底部とし、第２層１２０ｂの＋Ｙ’軸側の面を囲むように第１層１２０ａが側面となるように配置されることで形成される。また、第２凹部１２２は、第２層１２０ｂの−Ｙ’軸側の面を囲む側面となるように第３層１２０ｃが配置されることで形成される。実装面１２２ａに形成される外部端子１２５は接地されるアース端子１２５ａを含み、アース端子１２５ａは第１層１２０ａ、第２層１２０ｂ、及び第３層１２０ｃを貫通する貫通電極１２６ａを介して枠状金属膜１２７ａに熱的、電気的に接続される。また、第１凹部１２１はリッド板１３０がシームリング１５１を介して接合面１２１ａに接合されることにより密封されている。シームリング１５１は接合面１２１ａ上に配置されるように矩形形状に形成された環状のリングであり、電気を伝導する金属材料で形成されている。そのため、シームリング１５１は枠状金属膜１２７ａとリッド板１３０とを熱的、電気的に接続する。

第１凹部１２１には、接続電極１２４に水晶振動片１１０の引出電極１１２が導電性接着剤１５２を介して電気的に接続されることで水晶振動片１１０が載置されている。また、第２層１２０ｂの＋Ｙ’軸側の面にはヒーター１４１が配置されている。ヒーター１４１は貫通電極１２６ａに熱的に接続されており、ヒーター１４１で発生した熱が貫通電極１２６ａを介してリッド板１３０に伝わる。

第２凹部１２２には、温度センサ１４２及び集積回路１４３が配置されている。温度センサ１４２は、例えばサーミスタ等により構成され、第１凹部１２１内の温度を測定する。また、集積回路１４３は接続電極１２４、ヒーター１４１、及び温度センサ１４２に電気的に接続され、水晶振動片１１０、ヒーター１４１、及び温度センサ１４２を制御している。また、集積回路１４３は実装面１２２ａに形成される各外部端子１２５に電気的に接続されている。

図３は、水晶デバイス１００の回路図である。図３では、水晶振動片１１０が示されており、これ以外の部分がヒーター１４１、温度センサ１４２、及び集積回路１４３に相当する部分となる。水晶デバイス１００では、接地されるアース端子１２５ａ、電源に接続され集積回路１４３に電力を供給する電源端子１２５ｃ、周波数信号が出力される出力端子１２５ｄ、及び水晶振動片１１０に制御電圧を入力する入力端子１２５ｅの４つの外部端子１２５が形成されている。これらの端子は、例えば、アース端子１２５ａが実装面１２２ａの＋Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側、出力端子１２５ｄが実装面１２２ａの＋Ｘ軸側の−Ｚ’軸側、入力端子１２５ｅが実装面１２２ａの−Ｘ軸側の＋Ｚ’軸側、及び電源端子１２５ｃが実装面１２２ａの−Ｘ軸側の−Ｚ’軸側に形成される。入力端子１２５ｅから入力された制御電圧は、周波数制御回路及び周波数調整回路を経て水晶振動片１１０に加えられる。また、水晶振動片１１０で発生した周波数信号は、発振回路、増幅回路、及び出力回路を経て出力端子１２５ｄから出力される。また、水晶デバイス１００は、ヒーター１４１及び温度センサ１４２を有している。図３では、温度センサ１４２は温度制御回路に含まれている。ヒーター１４１は発熱することにより水晶振動片１１０を加温する。また、ヒーター１４１で発生した熱はリッド板１３０に伝わり、リッド板１３０からの放射熱により水晶振動片１１０が加温される。ヒーター１４１が発する熱は、温度センサ１４２により測定された温度を基に温度制御回路で制御される。

水晶デバイス１００では、ヒーター１４１の放射熱及びヒーター１４１から貫通電極１２６ａを介して伝熱される熱により加温されるリッド板１３０からの放射熱により、水晶振動片１１０が加温される。このように、水晶デバイス１００では水晶振動片１１０が＋Ｙ’軸方向及び−Ｙ’軸方向から挟まれるように放射熱を受けるため、水晶振動片１１０への単位時間当たりの伝熱量が多くなり、水晶振動片１１０の温度上昇速度が上げられている。そのため、水晶振動片１１０を目的の温度にまで早く上げることができ、これによって水晶振動片１１０を早く安定な温度状態に置くことができ、水晶振動片１１０を早く安定な周波数を発振する状態に置くことができる。

水晶デバイス１００では、ディスクリート部品が集積回路１４３として集積化されることにより小型化されている。また、ヒーター１４１と集積回路１４３とが分離して配置されることで集積回路１４３にかかる熱を抑え、これにより集積回路１４３におけるマイグレーション現象、アロイスパイク、及びパープルブレイクの発生を抑えることができ、水晶デバイス１００の寿命を向上させることができる。

（第２実施形態）
水晶デバイスでは、第１凹部に温度センサが配置されていても良い。以下に、第１凹部に温度センサが配置された水晶デバイス２００について説明する。また、以下の説明では第１実施形態と同じ部分に関しては第１実施形態と同じ番号を付してその説明を省略する。

＜水晶デバイス２００の構成＞
図４は、水晶デバイス２００の断面図である。水晶デバイス２００は主に、水晶振動片１１０と、パッケージ２２０と、リッド板１３０と、温度センサ１４２と、ヒーター１４１と、集積回路１４３と、により構成され、水晶発振器として使用される。

パッケージ２２０は、Ｘ軸方向に長辺、Ｚ’軸方向に短辺が形成されている。また、パッケージ２２０の＋Ｙ’軸側の面にはリッド板１３０がシームリング１５１を介して接合される接合面２２１ａ及び接合面２２１ａから−Ｙ’軸方向に凹んだ第１凹部２２１が形成されている。第１凹部２２１には載置部２２３及び保持部２２８が形成されており、水晶振動片１１０が載置部２２３に形成される一対の接続電極１２４に導電性接着剤１５２ａを介して載置される。また、水晶デバイス２００では、保持部２２８の＋Ｙ’軸側の面に形成される金属膜２２７ｂに形成される導電性接着剤１５２ｂに水晶振動片１１０の＋Ｘ軸側の端が接している。導電性接着剤１５２ｂは励振電極１１１には電気的に接続されていない。また、第１凹部２２１内には温度センサ１４２及びヒーター１４１が配置されている。ヒーター１４１はパッケージ２２０をアース端子１２５ａから枠状金属膜１２７ａまで貫通する貫通電極２２６ａを介してリッド板１３０及び金属膜２２７ｂを加温する。他方、パッケージ２２０の−Ｙ’軸側の面には水晶デバイス２００が実装される実装面２２２ａ及び実装面２２２ａから＋Ｙ’軸側に凹んだ第２凹部２２２が形成されている。第２凹部２２２内の＋Ｙ’軸側の面には、水晶振動片１１０と、温度センサ１４２と、ヒーター１４１とに接続されてこれらを制御する集積回路１４３が配置されている。また、実装面２２２ａには、複数の外部端子１２５が形成されており、外部端子１２５は接地されるアース端子１２５ａ等を含んで構成される。

パッケージ２２０は、セラミックを基材としており、第１層２２０ａ、第２層２２０ｂ、第３層２２０ｃ、及び第４層２２０ｄの４つの層が重ね合わされることにより形成されている。第１層２２０ａはパッケージ２２０の＋Ｙ’軸側に配置されており、第１層２２０ａの＋Ｙ’軸側の面には接合面２２１ａが形成されている。第２層２２０ｂは、第１層２２０ａの−Ｙ’軸側の面に接合されており、第１凹部２２１内に形成される載置部２２３及び保持部２２８を構成する。第１層２２０ａ及び第２層２２０ｂは、第１凹部２２１の側面を形成している。また、貫通電極２２６ａは第１層２２０ａ及び第２層２２０ｂを貫通して形成されている。第３層２２０ｃは、第２層２２０ｂの−Ｙ’軸側に配置される。第３層２２０ｃは第１凹部２２１の底部を形成し、また第１凹部２２１と第２凹部２２２との間を仕切っている。第４層２２０ｄは第３層２２０ｃの−Ｙ’軸側の面に配置されており、第２凹部２２２の側面を形成する層である。第４層２２０ｄの−Ｙ’軸側の面は外部端子１２５が形成される実装面２２２ａとなる。

水晶デバイス２００では、水晶振動片１１０が載置される第１凹部２２１内に温度センサ１４２が配置されている。そのため、水晶振動片１１０の温度をより直接的に測定することができるため、水晶振動片１１０のより正確な温度を測定することができ好ましい。また、水晶振動片１１０がヒーター１４１及びリッド板１３０からの放射熱、及び金属膜２２７ｂ及び導電性接着剤１５２ｂを介して水晶振動片１１０を直接加温することができるため、水晶振動片１１０の温度上昇速度が上げられている。そのため、水晶振動片１１０を目的の温度にまで早く上げることができ、これによって水晶振動片１１０を早く安定な温度状態に置くことができ、水晶振動片１１０を早く安定な周波数を発振する状態に置くことができる。

また、水晶デバイス２００では、水晶デバイス１００と同様に、ヒーター１４１と集積回路１４３とが分離して配置されることで集積回路１４３にかかる熱が抑えられており、これにより集積回路１４３におけるマイグレーション現象、アロイスパイク、及びパープルブレイクの発生を抑えることができ、水晶デバイス１００の寿命を向上させることができる。

以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

例えば、載置部及び保持部が形成されていない水晶デバイス１００において載置部及び保持部が形成されても良い。また、保持部が形成されている水晶デバイス２００において保持部が形成されていなくても良い。さらに、水晶デバイス２００において、保持部２２８には導電性接着剤１５２ｂが形成されなくても良く、金属膜２２７ｂの熱を放射熱として水晶振動片１１０に伝えるのみとしても良い。

１００、２００ … 水晶デバイス
１１０ … 水晶振動片
１１１ … 励振電極
１１２ … 引出電極
１２０、２２０ … パッケージ
１２０ａ、２２０ａ … 第１層
１２０ｂ、２２０ｂ … 第２層
１２０ｃ、２２０ｃ … 第３層
１２１、２２１ … 第１凹部
１２１ａ、２２１ａ … 接合面
１２２、２２２ … 第２凹部
１２２ａ、２２２ａ … 実装面
１２４ … 接続電極
１２５ … 外部端子
１２５ａ … アース端子
１２５ｃ … 電源端子
１２５ｄ … 出力端子
１２５ｅ … 入力端子
１２６ａ、２２６ａ … 貫通電極
１２７ａ … 枠状金属膜
１２９ … キャスタレーション
１３０ … リッド板
１４１ … ヒーター
１４２ … 温度センサ
１４３ … 集積回路
１５１ … シームリング
１５２、１５２ａ、１５２ｂ … 導電性接着剤
２２０ｄ … 第４層
２２３ … 載置部
２２７ｂ … 金属膜
２２８ … 保持部

Claims

一対の励振電極及び前記一対の励振電極から引き出された引出電極が形成され、所定の振動数で振動する水晶振動片と、
温度を測定する温度センサと、
発熱するヒーターと、
前記温度センサ、前記ヒーター、及び前記水晶振動片を制御する集積回路と、
矩形形状に形成された底部及び前記底部の一方の面を囲むように形成される第１側面から成り、前記水晶振動片及び前記ヒーターが配置される第１凹部と、前記底部及び前記底部の他方の面を囲むように形成される第２側面から成り、前記温度センサ及び前記集積回路が配置される第２凹部と、が形成されるパッケージと、
前記パッケージの上面に配置されて前記第１凹部を密閉し、金属材料により形成されるリッド板と、を有し、
前記第１凹部の一方の側には、前記水晶振動片を載置し、前記一対の引出電極が導電性接着剤を介して接合される一対の接続電極が形成される一対の載置部が形成され、
前記第１凹部の他方の側には、アース端子に電気的に接続される金属膜が形成された保持部が形成され、
前記水晶振動片が前記載置部上及び前記金属膜上に形成される導電性接着剤に接触して保持され、
前記パッケージの下面には、前記リッド板に電気的に接続される前記アース端子が形成されており、前記リッド板は前記ヒーターに熱的に接続され、前記水晶振動片が前記リッド板、前記保持部に形成された金属膜及び前記ヒーターからの放射熱により加温される水晶デバイス。
一対の励振電極及び前記一対の励振電極から引き出された引出電極が形成され、所定の振動数で振動する水晶振動片と、
温度を測定する温度センサと、
発熱するヒーターと、
前記温度センサ、前記ヒーター、及び前記水晶振動片を制御する集積回路と、
矩形形状に形成された底部及び前記底部の一方の面を囲むように形成される第１側面から成り、前記水晶振動片、前記温度センサ及び前記ヒーターが配置される第１凹部と、前記底部及び前記底部の他方の面を囲むように形成される第２側面から成り、前記集積回路が配置される第２凹部と、が形成されるパッケージと、
前記パッケージの上面に配置されて前記第１凹部を密閉し、金属材料により形成されるリッド板と、を有し、
前記第１凹部の一方の側には、前記水晶振動片を載置し、前記一対の引出電極が導電性接着剤を介して接合される一対の接続電極が形成される一対の載置部が形成され、
前記第１凹部の他方の側には、アース端子に電気的に接続される金属膜が形成された保持部が形成され、
前記水晶振動片が前記載置部上及び前記金属膜上に形成される導電性接着剤に接触して保持され、
前記パッケージの下面には、前記リッド板に電気的に接続される前記アース端子が形成されており、前記リッド板は前記ヒーターに熱的に接続され、前記水晶振動片が前記リッド板、前記保持部に形成された金属膜及び前記ヒーターからの放射熱により加温される水晶デバイス。