JP6829109B2 - 水晶デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶で構成した台座を具える水晶デバイスに関する。

携帯電話やパーソナルコンピュータ等の各種電子機器では、周波数の選択や制御等のために、水晶振動子や水晶発振器等の水晶デバイスが多用されている。

一方、このような水晶デバイスに対し、周波数安定度、耐振動性、耐衝撃性等に対する改善要求が益々高まっている。その対策の１つとして、例えば特許文献１には、水晶振動片と、これを収容する容器と、これらの間に設けられ水晶で構成した台座と、を具える水晶デバイスが開示されている。さらに、台座と容器とを３か所で導電性接着剤によって固定する構造が開示されている。この水晶デバイスの場合、容器から水晶振動片に及ぶ応力を、水晶で構成した台座により緩和できること、台座と容器とを３点で固定していること、かつ、台座と水晶とは同じ材料であること等から、水晶デバイスの特性改善が図り易いという特徴を持つ。

特開２００９−２５３８８３号公報

しかしながら、特許文献１には、水晶で構成した台座を容器に３点で固定する構造は示されているものの、固定箇所に関する具体的な記載も示唆も無い。水晶で構成した台座本来の性能を引き出すためには、台座の容器への固定位置の適正な配置等が必要である。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この発明の目的は、水晶で構成した台座を用いた水晶デバイスであって特性向上が図れる構造を有した水晶デバイスを提供することにある。

この目的の達成を図るため、この出願の第１発明によれば、水晶振動片と、該水晶振動片を収納する容器と、前記水晶振動片を前記容器に接続・固定するため両者間に設けられ水晶で構成した台座と、を具える水晶デバイスにおいて、
前記台座を前記容器に、平面的に見て第１、第２及び第３の３か所で固定してあり、
これら第１固定点、第２固定点及び第３固定点を、
これら３点を結んで形成される三角形の内心、外心又は重心と前記台座の重心とが一致する位置になるように、設定してあることを特徴とする。

また、この出願の第２発明は、第１発明の構成に加え、前記水晶振動片用の発振回路と、前記水晶振動片を収容した容器を加熱するヒータ−を含む温度制御回路と、を具え、前記第１固定点、第２固定点及び第３固定点のうちの水晶振動片に接続していない固定点と前記ヒーターとを接続している熱伝導部材を具えたことを特徴とする恒温機能付きの水晶発振器としての、水晶デバイスである。

この出願の第１発明の水晶デバイスによれば、台座を容器に三角形の内心、外心又は重心に着目した所定位置で固定してあるので、そうしない場合に比べて、台座を容器に安定に固定できる。従って、台座本来の特徴を生かせた水晶デバイスを得ることができるため、台座から水晶振動片への応力の影響が少なく、かつ、耐衝撃性、耐振動性に優れた水晶振動子としての水晶デバイスを実現できる。
また、この出願の第２発明によれば、第１発明の構成に加えて所定の熱伝導部材を具えるので、ヒーターの熱を第１〜第３固定点のいずれかと台座とを介して水晶振動片に伝えることができる。このため、水晶振動片の熱応答が向上するので、第１発明の効果に加えて温度補償特性に優れた水晶発振器としての水晶デバイスを実現できる。

（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、実施形態の水晶デバイス１０を説明するための図である。 （Ａ），（Ｂ）は、台座と第１〜第３固定点との関係を説明するための図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、台座と第１〜第３固定点との好ましい寸法関係のシミュレーション結果を説明するための図である。 他の実施形態の水晶デバイス３０を説明するための図である。 発振器としての実施形態の圧電デバイス４０を説明するための図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． 水晶振動子の実施形態
図１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、実施形態の水晶デバイス１０を説明する図である。特に図１（Ａ）は水晶デバイス１０を示した平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）図のＰ−Ｐ線に沿った断面図、図１（Ｃ）は底面図である。また、図２は、台座１５と容器１３との固定点を説明する図である。特に図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応する平面図、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する断面図であり、いずれの図も水晶振動片１１を外した状態で示した図である。なお、この水晶デバイス１０は、水晶振動子としての実施形態に当たるものである。

この水晶デバイス１０は、水晶振動片１１と、容器１３と、台座１５と、熱伝導部材１７と、蓋部材１９と、を具える。
水晶振動片１１は、この実施形態の場合、ＳＣカット水晶片を用いている。然も、水晶のＺ′軸に沿う方向を長辺とする平面形状が長方形状のＳＣカット水晶片である。この水晶振動片１１は、その表裏面各々に励振用電極１１ａと、これら励振用電極１１ａから水晶振動片１１の一つの辺の側に引き出されている引出電極１１ｂとを具える。

容器１３は、水晶振動片１１を収容するもので、この例の場合は、水晶振動片１１を内包する凹部１３ａを有する。この容器１３は、例えばセラミック製容器で構成できる。さらにこの容器１３は、その凹部１３ａの底面に台座１５を接続するための接続パッド１３ｂ１，１３ｂ２，１３ｂ３を、後述する所定の位置関係で具える。さらに、この容器１３は、その外側底面すなわち裏面の４隅に実装端子１３ｃ１、１３ｃ２、１３ｃ３、１３ｃ４を具え、その内部にビア配線１３ｄを具える。これら接続パッドと外部端子とは、所定の関係で、ビア配線１３ｄにより接続してある。なお、４つの外部端子のうち２つは水晶振動片用の端子として用い、１つは熱伝導部材１７の接続用端子として用い、残りの１つは例えばＧＮＤ端子等として用いている。

また、台座１５は、一方の面の所定の位置（詳細は後述する）で容器１３の接続パッド１３ｂ１〜１３ｂ３に固定され、その反対面の所定位置に水晶振動片１１が固定されるものである。この場合の台座１５は、平面形状が長方形状であり、水晶振動片１１よりやや大きな寸法のものとしてある。また、この場合、台座１５はＡＴカット水晶片で構成してある。然も、水晶のＺ′軸に沿う方向を長辺とするＡＴカット水晶片で構成してある。また、この台座１５は、その水晶振動片１１が固定される面の四隅に凸部１５ａを有している。水晶振動片１１は、その１つの辺の両端の位置で、かつ、台座１５の凸部１５ａの位置で、導電性接着剤２１によって台座１５に接続・固定してある。すなわち、この水晶デバイス１０は、片持ち支持の構造の水晶振動子である。なお、水晶振動片１１と台座１５とは、互いの水晶のＺ′軸が同じ方向を向くように配置してある。

また、この台座１５には、水晶振動片１１の引出電極１１ｂと容器１３の接続パッド１３ｂ１や１３ｂ２とを接続するための配線１５ｂ（図１（Ｂ）、図２（Ｂ）参照）や、第３固定点１３ｂ３と外部端子１３ｃ４との間を接続している熱伝導部材１７（後述する発振器の実施形態にて詳細は説明する）を設けてある。

ここで、本発明は、台座１５の容器１３への固定位置を特定の位置とすることを特徴の１つとするものである。すなわち、特に図２（Ａ）に示したように、この発明では、台座１５を容器１３に、平面的に見て第１、第２及び第３固定点１３ｂ１，１３ｂ２，１３ｂ３の３か所で固定してある。然も、これら第１固定点、第２固定点及び第３固定点を結んで形成される三角形の中心Ｘと、台座１５の重心Ｇとが一致する位置になるように、第１〜第３固定点を設定してある。ここで三角形の中心は、周知の通り何種類かあり、代表的なものとして、内心、外心、重心、垂心、傍心の五心が知られている。第１〜第３固定点の台座に対する位置を何の配慮も無く設定する場合に比べ、上記五心に着目する方が、台座の容器への固定点の決め方として好ましい。さらに、本発明の目的からして、第１固定点、第２固定点及び第３固定点１３ｂ１，１３ｂ２，１３ｂ３を結んで形成される三角形の内心、外心又は重心と、台座の重心とが一致する位置になるように、第１〜第３固定点を設定するのが良い。より好ましくは重心同士が一致する位置になるように、第１〜第３固定点を設定するのが良い。
なお、説明の都合上、ここでは、容器１３に設けた３つの接続パッド１３ｂ１、１３ｂ２、１３ｂ３の各々中心を第１〜第３固定点の中心として説明をしている。すなわち、台座１５を容器１３に所定関係で位置合わせして容器１３に置くことで、台座１５は容器１３に対して、上記の中心Ｘ（好適例では。内心、外心又は重心）と、重心Ｇとの関係や寸法関係を満たす配置で固定される。また、第１〜第３の固定点の中心Ｘが台座の重心Ｇと一致するとは、製造精度等の関係での多少のズレは含むものである。例えば、自動組み立て装置の現状の搭載精度等を考慮すると±０．２ｍｍ程度までのズレは許容される。

さらに、この実施形態の水晶デバイス１０では、図２に詳細に示したように、第１固定点１３ｂ１と第２固定点１３ｂ２とを結ぶ線分（以下、第１線分という）と台座１５の短辺とが平行となり、かつ、第１線分及び第三固定点を結ぶ垂線である第２線分と台座１５の長辺とが平行になるように、第１〜第３固定点を設定してある。然も、第１線分で示される距離Ｌ１が台座１５の短辺Ｌａに対し所定関係となるように、かつ、第２線分で示される距離Ｌ２が台座１５の長辺Ｌｂに対し所定関係となるように、第１〜第３固定点を設定してある。
また、蓋部材１９は、台座１５、水晶振動片１１を実装した容器１３を封止するものである。この蓋部材１９は、封止方式に応じた任意の構成とできる。例えば、金属製、セラミック製の蓋部材である。

２． シミュレーション結果
次に、本発明の効果を確認するために、図１、図２を用いて説明した構造に基づくシミュレーションモデルを作り、有限要素法によるシミュレーションを実施した。具体的には、台座１５として、短辺の長さＬａ＝３．１ｍｍ、長辺の長さＬｂ＝４．９ｍｍのＳＣカット水晶片を想定し、水晶振動片１１として、短辺の長さが３ｍｍ、長辺の長さが４．５ｍｍの所定の発振周波数のＳＣカット水晶片のモデルを想定し、容器１３としていわゆる７０５０サイズのセラミックパッケージを想定したモデルにより、シミュレーションを実施した。

ただし、用いたシミュレーションモデルは、上述した通り、第１固定点１３ｂ１と第２固定点１３ｂ２とを結ぶ線分である第１線分（図２（Ａ）のＬ１に当たる部分）と台座１５の第１辺である短辺（図２（Ａ）のＬａに当たる部分）とが平行になり、かつ、この第１線分と第３固定点１３ｂ３との垂線である第２線分（（図２（Ａ）のＬ２に当たる部分）が台座の第２辺である長辺（図２（Ａ）のＬｂに当たる部分）と平行になるモデルである。然も、第１〜第３固定点を結んで形成される三角形の中心Ｘとして三角形の重心に着目し、この重心と台座の重心Ｇが一致するようにしたモデルである。然も、第１〜第３固定点について見ると、第１線分を底辺とする正三角形を含む２等辺三角形のモデルである。

このようなモデルにおいて、図２に示した第２線分の長さＬ２をある値に固定した状態で第１線分の長さＬ１を何通りかの値に変更した場合と、第１線分の長さＬ１をある値に固定した状態で第２線分の長さＬ２を何通りかの値に変更した場合各々での、水晶振動片１１で生じる応力を求めた。なお、求めた応力は、この場合、水晶振動片１１の励振用電極１１ａに対向する部分での相当応力の平均値（以下、相当応力と略記する）である。これらシミュレーション条件と、それら条件で生じた相当応力とを、以下の表１、表２に示した。また、これら表には、台座の辺の長さと固定点間の距離と比、すなわち、Ｌ１／ＬａとＬ２／Ｌｂも示した。また、Ｌ１／Ｌａと相当応力との関係を図３（Ａ）にも示し、Ｌ２／Ｌｂと相当応力との関係を図３（ｂ）にも示した。いずれの図においても、横軸は、Ｌ１／Ｌａ又はＬ２／Ｌｂをとり、縦軸は相当応力をとって示してある。

図３（Ａ）から、Ｌ１／Ｌａが、０．５≦Ｌ１／Ｌａ≦１であると相当応力を３０ｋＰａ以下にできることが分かる。より好ましくは、０．６≦Ｌ１／Ｌａ≦０．９が良く、その場合、相当応力を２５ｋＰａ以下にできる。また、図３（Ｂ）から、Ｌ２／Ｌｂが、０．３≦Ｌ２／Ｌｂ≦０．６であると、相当応力を１５０ｋＰａ以下にできることが分かる。より好ましくは、０．３≦Ｌ２／Ｌｂ≦０．５５が良く、その場合、相当応力を７５ｋＰａ以下にできる。これらの不等式を満たす相当応力は、水晶デバイスの特性向上に好ましいことから、台座の固定点は、０．５≦Ｌ１／Ｌａ≦１かつ０．３≦Ｌ２／Ｌｂ≦０．６を満たすように選ぶのが良く、より好ましくは０．６≦Ｌ１／Ｌａ≦０．９かつ０．３≦Ｌ２／Ｌｂ≦０．５５を満たすように選ぶのが良いことが分かる。

なお、この発明では、第１固定点、第２固定点及び第３固定点を、それらの中心点Ｘが台座の重心Ｇと一致する位置になるように、かつ、第１線分や第２線分が台座寸法と措定関係を満たすように設けてあることを主張するから、発明の範囲としては、図４に示したように、第１固定点１３ｂ１〜第３固定点１３ｂ３が、図１の状態に対し、中止点Ｘを回転中心として面内回転した配置であって、上記の関係を満たす場合も本発明に含まれる。しかし、図１を用いて説明した台座の長辺や短辺に対し第１線分や第２線分が所定関係になる配置の方が、容器の設計や固定点の設計が容易等の利点が得られるので、好ましい。

３． 発振器の実施形態
次に、本発明を発振器としての水晶デバイスに適用した例であって、然も台座を容器に固定する固定点を他の用途に有効に利用した例について説明する。図５はその説明図であり、図１（Ｂ）に対応する断面図に発振器としての構成成分を追記したものである。なお、図５では，各構成成分を指す符号のうち、本実施形態の説明に不要な符号は省略してある。

この実施形態の水晶デバイス４０は、第１の実施形態の圧電デバイス１０の構成に加えて、水晶振動片１１用の発振回路４１と、水晶振動片１１を収容した容器１３を加熱するヒーター４３を含む温度制御回路４５と、を具える。然も、上述した第１固定点１３ｂ１、第２固定点１３ｂ２、第３固定点１３ｂ３のうちの水晶振動片に接続していない固定点、この例の場合であれば第３固定点１３ｂ３とヒーター４３とを接続している熱伝導部材１７を具える。この熱伝導部材１７は、例えば、容器１３としてのセラミックパッケージを製造する際にこのパッケージに埋設されるメタライズ材と、容器１３の外部端子に接続される基板上の配線とで構成できる。
発振器としてのこの水晶デバイス４０の場合、ヒーターの熱は熱伝導部材１７及び第３固定点１３ｂ３を介して台座１５に伝わり、台座１５からの輻射熱が水晶振動片１１に及ぶ。従って、例えば温度補償型の水晶発振器であって、水晶振動片への熱応答に優れる水晶発振器を実現できる。そのため、台座の固定点を所定条件としたことによる第１発明の効果と熱伝導に優れるという第２発明の効果の双方を得ることができる。

４． 他の実施形態
上述した実施形態では、台座は凸部を持つ構造としたが、台座の構造はこれに限られない。また、水晶振動片を片持ち支持する構造を示したが、水晶振動片をその対向する２辺で支持する両持ち構造の場合でも本発明は適用できる。また、容器として凹部を有する容器を用い、蓋部材として平板状の蓋部材を用いた例を説明したが、平板状の容器を用い、蓋部材としてキャップ状の蓋部材を用いたものにも適用できる。また、水晶振動片としてＳＣカットの振動片を用い、台座としてＡＴカットの水晶片を用いた例を説明したが、台座と水晶振動片のカットの組み合わせはこれに限られない。また、台座は水晶振動片よりやや大きい例を説明したが、台座と水晶振動片の大小関係は設計に応じて変更できる。

１０：実施形態の水晶デバイス、 １１：水晶振動片、
１１ａ：励振用電極、 １１ｂ：引出電極、
１３：容器、 １３ａ：凹部、
１３ｂ１、１３ｂ２、１３ｂ３：接続パッド、
１３ｃ１、１３ｃ２、１３ｃ３、１３ｃ４：外部端子、
１３ｄ：ビア配線、 １５：台座、
１５ａ：凸部、 １５ｂ：配線、
１７：熱伝導部材、 １９：蓋部材
２１：導電性接着剤、
Ｌ１：第１固定点と第２固定点との距離（第１線分の長さ）、
Ｌａ：台座の第１辺の長さ
Ｌ２：第２線分で示される距離（第２線分の長さ）、
Ｌｂ：台座の第２辺の長さ
Ｘ：第１〜第３固定点を結んで形成される三角形の内心、外心又は重心
Ｇ：台座の重心
３０：他の実施形態の水晶デバイス、
４０：発振器としての実施形態の水晶デバイス
４１：発振回路、 ４３：ヒーター
４５：温度制御回路

Claims (6)

1. 水晶振動片と、該水晶振動片を収納する容器と、前記水晶振動片を前記容器に接続・固定するため両者間に設けられ水晶で構成した台座と、を具える水晶デバイスにおいて、
   前記台座を前記容器に、平面的に見て第１、第２及び第３の３か所で固定してあり、
   これら第１固定点、第２固定点及び第３固定点が、
   これら３点を結んで形成される三角形の内心、外心又は重心と前記台座の重心とが一致する位置になるように、設定してあることを特徴とする水晶デバイス。
2. 前記台座は平面形状が四角形状であり、該台座に対し、前記第１固定点、第２固定点及び第３固定点を、以下の条件で設けてあることを特徴とする請求項１に記載の水晶デバイス。
   前記第１固定点と前記第２固定点とを結ぶ線分である第１線分が、前記台座の第１辺と平行であり、
   前記第１線分と前記第３固定点との垂線である第２線分が、前記台座の前記第１辺と直交する第２辺と平行であること。
3. 前記台座はＡＴカット水晶片であり、
   前記水晶振動片はＳＣカット水晶片であり、
   これら台座及び水晶振動片はそれぞれの水晶の結晶軸の同じ軸が同方向を向くよう配置してあり、
   前記第１線分の長さをＬ１、前記第１辺の長さをＬａと表したとき、前記Ｌ１と前記Ｌａとの比であるＬ１／Ｌａが０．５≦Ｌ１／Ｌａ≦１であり、
   前記第２線分の長さをＬ２、前記第２辺の長さをＬｂと表したとき、前記Ｌ２と前記Ｌｂとの比であるＬ２／Ｌｂが０．３≦Ｌ２／Ｌｂ≦０．６であることを特徴とする請求項２に記載の水晶デバイス。
4. 前記水晶振動片は平面形状が四角形状であり、該水晶振動片はその一辺の両端の２点で前記台座に保持されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の水晶デバイス。
5. 前記台座は長方形状であり、
   前記三角形は前記第１線分を底辺とする二等辺三角形であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の水晶デバイス。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の水晶デバイスと、前記水晶振動片用の発振回路と、前記水晶振動片を収容した前記容器を加熱するヒーターを含む温度制御回路と、を具える恒温機能を有した発振器としての水晶デバイスであって、
   前記第１固定点、第２固定点及び第３固定点のうちの前記水晶振動片に接続していない固定点と前記ヒータとを接続している熱伝導部材を具えたことを特徴とする水晶デバイス。

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