JP7501577B2 - 振動デバイス、電子機器及び移動体 - Google Patents
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Description
この結果、上記圧電デバイスは、周波数温度特性が悪化する虞がある。
この結果、振動デバイスは、例えば、電子素子が感温素子(感温部品)の場合には、振動片の温度と感温素子の検知する温度との温度差を縮小することができる。
これにより、振動デバイスは、良好な周波数温度特性を得ることができる。
これにより、振動デバイスは、薄型化を図りつつ良好な周波数温度特性を得ることができる。
これにより、振動デバイスは、良好な周波数温度特性を得ることができる。
最初に、振動デバイスの一例としての水晶振動子について説明する。
図1は、第1実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図1(a)は、リッド(蓋体)側から見た平面図であり、図1(b)は、図1(a)のA-A線での断面図であり、図1(c)は、底面側から見た平面図である。なお、図1(a)を含む以下のリッド側から見た平面図では、リッドを省略してある。また、分かり易くするために、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
図2は、第1実施形態の水晶振動子に収容された電子素子としての感温素子を含む水晶振動子の駆動に関わる回路図である。
水晶振動片10は、振動部11の一方の主面13及び他方の主面14に形成された略矩形の励振電極15,16から引き出された引き出し電極15a,16aが、基部12に形成されている。
引き出し電極16aは、他方の主面14の励振電極16から、水晶振動片10の長手方向に沿って基部12に引き出され、基部12の側面に沿って一方の主面13に回り込み、基部12の一方の主面13まで延在している。
励振電極15,16及び引き出し電極15a,16aは、例えば、Cr(クロム)を下地層とし、その上にAu(金)またはAuを主成分とする金属が積層された構成の金属被膜となっている。
サーミスター20には、例えば、温度の上昇に対して抵抗が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスターと呼ばれるサーミスターが用いられている。NTCサーミスターは、温度と抵抗値の変化の関係が直線的なため、温度センサーとして多用されている。
サーミスター20は、パッケージ30に収容され、水晶振動片10近傍の温度を検知することにより、温度センサーとして水晶振動片10の温度変化に伴う周波数変動の補正に資する機能を果たしている。
パッケージベース31は、一方の面が第1主面33となる平板状の第1層31aと、中央部に開口部を有し、第1層31aの第1主面33とは反対側に積層され、この積層面とは反対側の面が第2主面34となる第2層31bと、第1層31aの第1主面33側に積層された枠状の第3層31cと、を備えている。
パッケージベース31の第1層31a及び第2層31bには、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体、ガラスセラミックス焼結体などのセラミックス系の絶縁性材料、または、水晶、ガラス、シリコン(高抵抗シリコン)などが用いられている。
パッケージベース31の第3層31c及びリッド32には、パッケージベース31と同材料、または、コバール、42アロイなどの金属が用いられている。
水晶振動片10は、引き出し電極15a,16aが、金属フィラーなどの導電性物質が混合された、エポキシ系、シリコーン系、ポリイミド系などの導電性接着剤40を介して内部端子33a,33bに接合されている。これにより、水晶振動片10は、第1主面33側に搭載されたことになる。
図1では、一例として、金属製の第3層31cと金属製のリッド32とがシーム溶接により接合されている形態を示している。なお、この場合、第3層31cは、第1層31aのメタライズ層(図示せず)に、ろう付けされている。
パッケージ30の気密に封止された内部空間S内は、減圧された真空状態(真空度の高い状態)または窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填された状態となっている。
凹部35の底面36(第1層31aの積層面)には、サーミスター20の電極21,22に対向する位置に電極パッド36a,36bが設けられている。
サーミスター20は、電極21,22が導電性接着剤またはハンダなどの接合部材41を介して電極パッド36a,36bに接合されている。これにより、サーミスター20は、凹部35内に収容されたことになる。
なお、サーミスター20は、長手方向(電極21と電極22とを結ぶ方向)がパッケージベース31の長手方向(紙面左右方向)に沿うようにして、凹部35の略中央部に配置されている。
4つの電極端子37a~37dの内、例えば、一方の対角に位置する2つの電極端子37b,37dは、水晶振動片10の引き出し電極15a,16aに繋がる内部端子33a,33bと接続され、他方の対角に位置する残りの2つの電極端子37a,37cは、サーミスター20の電極21,22に繋がる電極パッド36a,36bと接続されている。
また、水晶振動子1は、電極端子37cをアース端子(GND端子)として接地することによりシールド性を更に向上させることができる。
また、水晶振動子1は、電極端子37a~37dの実装面から凹部35の底面36までの第1方向における距離L2が、0.3mm未満と規定されている。
これにより、水晶振動子1は、距離L1が0.12mm±0.05mm(0.07mm以上0.17mm以下)となり、最小でも0.07mmであることから、0.05mm以上の規定を十分に満たすことになる。
また、水晶振動子1は、距離L2が0.27mm±0.02mm(0.25mm以上0.29mm以下)となり、最大でも0.29mmであることから、0.3mm未満の規定を十分に満たすことになる。
これらのことから、水晶振動子1は、公差(ばらつき)を考慮しても距離L1、距離L2の規定をクリアし、充分に量産製造可能といえる。
これにより、水晶振動子1は、距離L3が0.187mm~0.309mmの範囲となることから、0.18mm以上0.32mm以下の規定を十分に満たし、公差を考慮しても距離L3の規定をクリアし、充分に量産製造可能といえる。
なお、水晶振動片10が傾斜している(基部12から反対側の先端部に行くほど第1主面33に近づいている)場合には、距離L3は、紙面左右方向の位置が図1(b)の内部端子33a(33b)の範囲内における第1仮想中心線O1と第2仮想中心線O2との距離とする。
この際、水晶振動子1は、サーミスター20が温度センサーとして水晶振動片10近傍の温度を検知し、それを電源62から供給される電圧値の変化に変換し、電極端子37aから検出信号として出力する。
発振回路61は、入力された補正信号に基づいて補正された駆動信号を水晶振動片10に印加し、温度変化に伴い変動する水晶振動片10の共振周波数を、所定の周波数になるように補正する。発振回路61は、この補正された周波数の発振信号を増幅し外部へ出力する。
このように、水晶振動子1は、薄型のサーミスター20を用いるなどして電極端子37a~37dの実装面からサーミスター20までの距離L1を0.05mm以上とすることによって、電子機器などの外部部材に実装された際に、凹部35内の大気の流動が促され、凹部35内の大気の滞留に起因するサーミスター20の温度降下の遅延を低減することができる。
図3は、距離L1と水晶振動片の温度変化時におけるサーミスターの温度変化の追随性との関係について説明するグラフであり、図4は、距離L1と水晶振動子の温度ヒステリシスの歩留まりとの関係について説明するグラフである。なお、図3のグラフは、本願発明者のシミュレーション及び実験による解析結果に基づいている。
図3の横軸は経過時間を表し、縦軸は温度を表す。図4の横軸は距離L1を表し、縦軸は水晶振動子の温度ヒステリシスの歩留まりを表す。
これに対して、距離L1が0.05mm未満の場合には、距離L1が0.04mm、0.03mmと小さくなるにしたがって、水晶振動片10の温度下降時におけるサーミスター20の検知する温度変化(温度下降)に遅延が生じ、水晶振動片10の温度とサーミスター20の検知する温度との温度差が大きくなっている。
これは、距離L1が小さくなることによる凹部35内の大気の滞留に起因し、温度上昇時に暖められた大気の断熱効果によって、サーミスター20の温度下降が阻害されたためと考えられる。
一方、距離L1が0.05mm未満の場合には、水晶振動子1の温度ヒステリシスの歩留まりが100%に達せず、距離L1が0.04mm、0.03mmと小さくなるほど歩留まりが悪くなっている。
このような結果から、水晶振動子1は、距離L1を0.05mm以上とすることにより、水晶振動片10の温度とサーミスター20の検知する温度との温度差を縮小することができる。
これにより、水晶振動子1は、良好な周波数温度特性を得ることができる。
前述の図3及び図4の解析結果により、水晶振動片10の温度とサーミスター20の検知する温度との温度差が殆どなかった距離L1=0.05mmにおいて、水晶振動片10の温度に対するサーミスター20で検出される温度の追随性について、実験を行った。
まず、外部基板を29.0℃から32.0℃まで昇温させていった。そのとき、サーミスター20が0.1℃ステップで検出していった29.5℃から31.5℃までの各検出温度での、水晶振動片10の周波数を各々測定し、サーミスター20が検出した29.5℃の時の水晶振動片10の周波数を基準として、周波数偏差を求めた。
次に、外部基板を32.0℃から29.0℃まで降温させていった。そのとき、サーミスター20が0.1℃ステップで検出していった31.5℃から29.5℃までの各検出温度での、水晶振動片10の周波数を各々測定し、サーミスター20が昇温時に検出した29.5℃の時の水晶振動片10の周波数を基準として、周波数偏差を求めた。
それらが以下の表1である。
それらが以下の表2である。
それらが以下の表3である。
サーミスター20の検出温度と水晶振動片10の温度との温度差dTは、-0.07℃以上0.00℃以下であることが分かった。つまり、この検証実験から水晶振動片10の温度に対するサーミスター20で検出される温度の追随性としては、
|dT|≦0.1(℃)を満たしていれば、良好な周波数温度特性を備えた振動デバイス(水晶振動子1)を得ることができることが分かった。
また、サーミスター20で検出される温度の追随性としての|dT|≦0.1(℃)は、図1のような第1実施形態の水晶振動子1の概略構成に限定されるものではなく、振動片と感温素子とが一つの収容部の中に一緒に収納された、所謂シングルシールタイプのパッケージを備えた振動デバイスにも適用できる。
これにより、水晶振動子1は、薄型化を図りつつ、良好な周波数温度特性を得ることができる。
なお、上記距離L3が、0.18mm未満の場合には、(サーミスター20の更なる薄型化が当面困難であるという前提で)パッケージベース31の第1層31aの厚さが0.09mmよりも薄くなることになり、パッケージベース31の強度が問題となる。
また、上記距離L3が、0.32mmを超える場合には、水晶振動片10の温度とサーミスター20の検知する温度との温度差が拡大し、周波数温度特性が悪化することから、水晶振動子1の高精度化に対する対応が困難となる虞がある。
このことから、水晶振動子1は、突出部38が電極端子37cの識別マークとして機能するとともに、面積が大きいこの電極端子37cが基点となり、水晶振動子1のセルフアライメント効果(水晶振動子1の外部基板へのハンダを介して取り付ける際の、リフロー実装時における自律的位置修復現象)を容易に引き出すことができる。
詳述すると、ダイオードの場合には、ダイオードの順方向特性を利用し、ダイオードのアノード端子からカソード端子に一定電流を流しておいて、温度によって変化する順方向電圧を測定することによって温度を検知することができる。また、トランジスターの場合には、ベースとコレクター間を短絡し、コレクターとエミッター間をダイオードとして機能させることにより、上記と同様に温度を検知することができる。
水晶振動子1は、感温素子にダイオードまたはトランジスターを用いることにより、ノイズの重畳を低減することができる。
次に、第1実施形態の変形例について説明する。
図6は、第1実施形態の変形例の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図6(a)は、リッド側から見た平面図であり、図6(b)は、図6(a)のA-A線での断面図であり、図6(c)は、底面側から見た平面図である。
なお、第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
水晶振動子2は、サーミスター20の長手方向(電極21と電極22とを結ぶ方向)が、パッケージベース31の長手方向(紙面左右方向)と交差する(ここでは直交する)方向になるようにサーミスター20が配置されている。
なお、上記変形例の構成は、以下の実施形態にも適用可能である。
次に、振動デバイスとしての水晶振動子の他の構成について説明する。
図7は、第2実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図7(a)は、リッド側から見た平面図であり、図7(b)は、図7(a)のA-A線での断面図であり、図7(c)は、底面側から見た平面図である。
なお、第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
水晶振動子3は、パッケージベース31の第3層31cが除去され、代わりにリッド32との接合部材39が配置されている。
リッド32は、コバール、42アロイなどの金属を用いて、全周につば部32aが設けられたキャップ状に形成されている。
水晶振動子3は、リッド32のキャップ部分の膨らみにより、水晶振動片10を収容する内部空間Sが確保されている。
これにより、リッド32は、パッケージベース31内の導通ビア、内部配線などを介して電極端子37cと電気的に接続され、シールド効果が発揮されている。
なお、リッド32は、接合部材39及びパッケージベース31の外側の角部に設けられた図示しないキャスタレーションに形成された導電膜を介して電極端子37cと電気的に接続されてもよい。
なお、水晶振動子3は、シールドに支障がなければ、リッド32が電極端子37cと電気的に接続されていなくてもよい。これにより、接合部材39は、絶縁性のものでもよい。
次に、上述した振動デバイスを備えている電子機器として、携帯電話を一例に挙げて説明する。
図8は、電子機器としての携帯電話を示す模式斜視図である。
携帯電話700は、上記各実施形態及び変形例で述べた振動デバイスとしての水晶振動子を備えている。
図8に示す携帯電話700は、上述した水晶振動子(1~3のいずれか)を、例えば、基準クロック発振源などのタイミングデバイスとして用い、更に液晶表示装置701、複数の操作ボタン702、受話口703、及び送話口704を備えて構成されている。なお、携帯電話の形態は、図示のタイプに限定されるものではなく、いわゆるスマートフォンタイプの形態でもよい。
次に、上述した振動デバイスを備えている移動体として、自動車を一例に挙げて説明する。
図9は、移動体としての自動車を示す模式斜視図である。
自動車800は、上記各実施形態及び変形例で述べた振動デバイスとしての水晶振動子を備えている。
自動車800は、上述した水晶振動子(1~3のいずれか)を、例えば、搭載されている各種電子制御式装置(例えば、電子制御式燃料噴射装置、電子制御式ABS装置、電子制御式一定速度走行装置など)の基準クロック発振源などのタイミングデバイスとして用いている。
これによれば、自動車800は、上記水晶振動子を備えていることから、上記各実施形態及び変形例で説明した効果が奏され、優れた性能を発揮することができる。
また、厚みすべり振動の駆動方法は、圧電体の圧電効果によるものの他に、クーロン力による静電駆動でもよい。
Claims (9)
- 平面視における中央部の厚さが、平面視で前記中央部を囲んでいる周辺部の厚さよりも小さい振動片と、
両端部に電極を備えたサーミスタと、
セラミック系の絶縁性材料からなり、互いに表裏の関係にある第1主面と第2主面、および、前記第2主面側に開口を有し前記第1主面側に向かって凹んでいる凹部を備え、平面視で略矩形である絶縁基板と、を備え、
前記振動片は、前記絶縁基板の前記第1主面側に搭載され、
前記凹部は、底面、および、前記開口と前記底面とを繋いでいる側面を備え、
前記底面には、一対の電極パッドが設けられており、
前記サーミスタは、前記凹部内において、前記側面と離間し、且つ、平面視で、前記両端部の電極の一方と前記一対の電極パッドの一方とが重なり、前記両端部の電極の他方と前記一対の電極パッドの他方とが重なるように配置されており、
前記両端部の電極と前記一対の電極パッドは、接合部材を介して接合されており、
前記絶縁基板には、前記第2主面側からの平面視で前記略矩形の隅部に電極端子が設けられており、
前記電極端子の実装面から前記サーミスタまでの、前記第1主面と直交する第1方向における距離が0.05mm以上であり、且つ、
前記電極端子の前記実装面から前記凹部の前記底面までの前記第1方向における距離が、0.3mm未満であり、
前記電極端子は、第1電極端子、第2電極端子、第3電極端子、および、第4電極端子を含み、前記第1電極端子と前記第3電極端子とが前記略矩形の一方の対角に位置し、前記第2電極端子と前記第4電極端子とが前記略矩形の他方の対角に位置しており、
前記第1電極端子および前記第3電極端子が前記振動片に接続され、前記第2電極端子および前記第4電極端子が前記サーミスタに接続されていることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1において、
前記サーミスタの前記第1方向における中心を通り、前記第1主面に沿って延びる第1仮想中心線と、前記振動片の前記第1方向における中心を通り、前記第1主面に沿って延びる第2仮想中心線との、前記第1方向における距離が、0.18mm以上0.32mm以下の範囲内であることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1または請求項2において、
前記絶縁基板は、前記第1主面と前記第2主面を有する第1基板部、前記第1主面側に配置され、前記第1主面を底面とする凹所を構成している枠状の第2基板部、および、前記第2主面側に配置され、前記第2主面を底面とする前記凹部を構成している孔部を有する第3基板部を備え、
前記第1基板部、前記第2基板部、および前記第3基板部が前記セラミック系の絶縁性材料からなり、
前記振動片は、前記凹所内に搭載されていることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記凹部の前記開口は、前記略矩形の長辺に沿った第2方向における寸法が、前記略矩形の短辺に沿った第3方向における寸法よりも大きいことを特徴とする特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記凹部の前記開口は、前記略矩形の長辺に沿った第2方向における寸法が、前記略矩形の短辺に沿った第3方向における寸法よりも小さいことを特徴とする特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか一項において、
前記第1電極端子および前記第2電極端子は、前記略矩形の一方の長辺側に位置し、前記第3電極端子および前記第4電極端子は、前記略矩形の他方の長辺側に位置しており、
前記第1電極端子は、平面視において、前記第2電極端子側に突出した突出部を備え、
前記第1電極端子と前記第2電極端子との間の距離は、前記第3電極端子と前記第4電極端子との間の距離よりも短いことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項6において、
前記突出部の輪郭に曲線が含まれていることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えていることを特徴とする移動体。
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