JP2010011267A

JP2010011267A - 圧電発振器

Info

Publication number: JP2010011267A
Application number: JP2008170063A
Authority: JP
Inventors: Toshio Nakazawa; 利夫中澤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2010-01-14

Abstract

【課題】ヒステリシス特性が良く、発振周波数が変動しない
圧電発振器
を提供することを課題とする。
【解決手段】基板部と、この基板部の一方の主面に設けられるシールリングと、基板部の他方の主面に設けられる枠部とからなる容器体と、基板部と前記シールリングとで形成される第１の凹部空間内に露出した基板部の主面に設けられた圧電振動素子搭載パッドに搭載されている圧電振動素子と、基板部と枠部とで形成される第２の凹部空間内に露出した基板部の主面に設けられた集積回路素子搭載パッドに搭載されている集積回路素子と、第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備え、容器体の厚みをＴとしたとき、前記シールリングの厚みが０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔであることを特徴とするものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電発振器に関するものである。

図５は、従来の圧電発振器を示す断面図である。
図５に示すように、従来の圧電発振器２００は、その例として容器体２０１、圧電振動素子２０７、集積回路素子２０９、蓋体２０８とから主に構成されている。
容器体２０１は、基板部２０１ａとシールリング２０１ｂと枠部２０１ｃで構成されている。
この容器体２０１は、前記基板部２０１ａの一方の主面に前記シールリング２０１ｂが設けられて第１の凹部空間２０２が形成され、前記基板部２０１ａの他方主面に前記枠部２０１ｃが設けられて第２の凹部空間２０４が形成される。
第１の凹部空間２０２内に露出する基板部２０１ａの一方の主面には、一対の圧電振動素子搭載パッド２０３が設けられている。
また、第２の凹部空間２０４内に露出する基板部２０１ａの他方の主面には、集積回路素子搭載パッド２０５が設けられている。
この圧電振動素子搭載パッド２０３上には、導電性接着剤２０６を介して電気的に接続される一対の励振用電極を表裏主面に有した圧電振動素子２０７が搭載されている。この圧電振動素子２０７を囲繞する容器体２０１のシールリング２０１ｂの頂面には金属製の蓋体２０８を被せられ、接合されている。これにより第１の凹部空間２０２が気密封止されている。
また、集積回路素子搭載パッド２０５上には、半田等の導電性接合材を介して接続される集積回路素子２０９が搭載されている。
集積回路素子２０９は、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。このような圧電発振器２００が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許３４０６８４５号公報

しかしながら、従来の圧電発振器２００においては、熱を印加しても、シールリングから熱が発散し、容器体２０１の熱伝導が悪くなることがある。
また、前記容器体２０１の第１の凹部空間２０２の容量が大きいため、集積回路素子２０９に内蔵されている温度センサが感知する温度と、実際の圧電振動素子２０７の周囲の温度が異なることがある。これらにより、従来の圧電発振器２００は、ヒステリシス特性が悪くなるといった課題があった。
また、圧電振動素子２０７が前記容器体２０１の第１の凹部空間２０２内に露出する基板部２０１ａの主面や蓋体２０８に接触しない程度の空間が必要である。しかし、この第１の凹部空間２０２を小さくするように、前記容器体２０１のシールリング２０１ｂの厚みを薄くすると、前記圧電振動素子２０７が前記容器体２０１の前記第１の凹部空間２０２内に露出する前記基板部２０１ａの主面や蓋体２０８に接触することで圧電発振器２００の発振周波数が変動してしまうといった課題もあった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、ヒステリシス特性が良く、発振周波数が変動しない圧電発振器を提供することを課題とする。

本発明の圧電発振器は、基板部と、この基板部の一方の主面に設けられるシールリングと、基板部の他方の主面に設けられる枠部とからなる容器体と、基板部とシールリングとで形成される第１の凹部空間内に露出した基板部の主面に設けられた圧電振動素子搭載パッドに搭載されている圧電振動素子と、基板部と枠部とで形成される第２の凹部空間内に露出した基板部の主面に設けられた集積回路素子搭載パッドに搭載されている集積回路素子と、第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備え、容器体の厚みをＴとしたとき、シールリングの厚みが０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔであることを特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、容器体の厚みをＴとしたとき、シールリングの厚みが０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔであることによって、熱を印加しても、シールリングからの熱が発散を抑え、容器体の熱伝導が良くなる。また、容器体の第１の凹部空間の容量も従来より小さくなるため、集積回路素子に内蔵されている温度センサが感知する温度と、実際の圧電振動素子の周囲の温度が同じ値に近づくことになる。よって、圧電発振器のヒステリシス特性が良くすることが可能となる。
また、シールリングの厚みが０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔであることによって、圧電振動素子が、容器体の第１の凹部空間内に露出する基板部の主面や蓋体に接触することがなくなり、圧電発振器の発振周波数が変動することを防止することが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る圧電発振器１００は、容器体１０と圧電振動素子２０と蓋体３０と集積回路素子５０で主に構成されている。この圧電発振器１００は、前記容器体１０に形成されている第１の凹部空間１１内に圧電振動素子２０が搭載され、第２の凹部空間１４内には、集積回路素子５０が搭載されている。その第１の凹部空間１１が蓋体３０により気密封止された構造となっている。

圧電振動素子２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板２１に励振用電極２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極２２を介して水晶素板２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極２２は、前記水晶素板２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
このような圧電振動素子２０は、その両主面に被着されている励振用電極２２から延出する引き出し電極と第１の凹部空間１１内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド１３とを、導電性接着剤４０を介して電気的且つ機械的に接続することによって第１の凹部空間１１に搭載される。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の自由端となる端辺を圧電振動素子２０の先端部２３とする。

集積回路素子５０は、図１及び図２に示すように、回路形成面に前記圧電振動素子２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子１９を介して圧電発振器１００の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
また、集積回路素子５０には、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。
この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。
集積回路素子５０は、容器体１０の第２の凹部空間１４内に露出した基板部１０ａに形成された集積回路素子搭載パッド１５に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。

図１及び図２に示すように、容器体１０は、基板部１０ａと、シールリング１０ｂ、枠部１０ｃとで主に構成されている。
この容器体１０は、基板部１０ａの一方の主面にシールリング１０ｂが設けられて、第１の凹部空間１１が形成されている。また、容器体１０の他方の主面に枠部１０ｃが設けられて、第２の凹部空間１４が形成されている。
尚、この容器体１０を構成する基板部１０ａ及び枠部１０ｃは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。
シールリング１０ｂは、４２アロイやコバール等の金属から成り、中心が打ち抜かれた枠状になっている。
また、シールリング１０ｂは、基板部１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜１２上にロウ付けなどにより接続される。
第１の凹部空間１１内で露出した基板部１０ａの一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド１３ａ、１３ｂが設けられている。
また、図１及び図２に示すように容器体１０は、基板部１０ａの他方の主面と枠部１０ｃによって第２の凹部空間１４が形成されている。
第２の凹部空間１４内で露出した基板部１０ａの他方の主面には、集積回路素子搭載パッド１５が設けられている。

前記容器体１０の枠部１０ｃの圧電振動素子搭載パッド１３が設けられている面とは反対側の主面の４隅には、外部接続用電極端子１９が設けられている。
集積回路素子搭載パッド１５と外部接続用電極端子１９は、前記容器体１０の第２の凹部空間１４内の基板部１０ａに形成された部分を有する配線パターン（図示せず）と枠部１０ｃの内部に形成されたビア導体（図示せず）により接続されている。

２個一対の圧電振動素子測定用パッド１６ａ、１６ｂは、容器体１０の第２の凹部空間１４内の露出した基板部１０ａに設けられており、基板部１０ａのほぼ中心に設けられている。
前記圧電振動素子測定用パッド１６ａ、１６ｂは、容器体１０の第１の凹部空間１１に搭載されている圧電振動素子２０の発振周波数やクリスタルインピーダンス等の特性を測定するために用いられる。

蓋体３０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなる。このような蓋体３０は、第１の凹部空間１１を、窒素ガスや真空などで気密的に封止される。具体的には、蓋体３０は、所定雰囲気で、容器体１０のシールリング１０ｂ上に載置され、シールリング１０ｂの表面の金属と蓋体３０の金属の一部とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、シールリング１０ｂに接合される。

前記導電性接着剤４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、封止用導体膜１２、圧電振動素子搭載パッド１３、外部接続用電極端子１４等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

図２に示すように、容器体１０の厚みＴは、容器体１０を構成する基板部１０ａとシールリング１０ｂと枠部１０ｃを合わせた高さ方向の長さのことである。
また、前記容器体１０の厚みをＴとした場合の前記容器体１０のシールリング１０ｂの厚みＳが、０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔとなっている。
前記シールリング１０ｂの厚みＳが０．２１Ｔより大きい場合は、シールリングからの熱発散のため、前記容器体１０の熱伝導が悪くなり、また、容器体１０の第１の凹部空間１１の容量も大きくなるため、前記集積回路素子５０に内蔵されている温度センサが感知する温度と、前記圧電振動素子２０の周囲の温度が異なることになる。これらにより、圧電発振器のヒステリシス特性が悪くなってしまう。
前記シールリング１０ｂの厚みＳが０．１２５Ｔ未満の場合は、容器体１０の第１の凹部空間１１内の間隔が狭くなり、圧電振動素子２０の先端部２３が前記容器体１０の第１の凹部空間１１内の露出した主面や蓋体３０に接触してしまうことで、圧電発振器１００の発振周波数が変動してしまう。
つまり、容器体１０のシールリング１０ｂの厚みＳが、０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔとすることで、圧電振動素子２０の先端部２３が前記容器体１０の第１の凹部空間１１内の露出した主面や蓋体３０に接触しない程度に容器体１０の第１の凹部空間の容量を小さくでき、容器体の熱伝導を良くすることができるので、ヒステリシス特性が良く、圧電発振器１００の発振周波数の変動を防止することが可能となる。

（実施例）
本発明の圧電発振器と従来の圧電発振器について実施例を以下に示す。
図３は、本発明の圧電発振器と従来の圧電発振器のヒステリシス値を示す確率分布図である。図４は、本発明の圧電発振器のヒステリシス特性を示す図である。図６は、従来の圧電発振器のヒステリシス特性を示す図である。
実施例として、図１及び図２に示す本発明の圧電発振器１００の構造に従って、圧電発振器１００の容器体１０の厚みＴを０．７ｍｍ、シールリング１０ｂの厚みＳを、０．１２５ｍｍとした。つまり、圧電発振器１００の容器体１０の厚みをＴとした場合に、シールリング１０ｂの厚みＳが、０．１７８Ｔとなっている。

また、比較例として、図５に示す従来の圧電発振器２００の構造に従って、圧電発振器２００の容器体２０１の厚みＴを０．７ｍｍ、シールリング２０１ｂの厚みＳを、０．１５５ｍｍとした。つまり、容器体２０１の厚みをＴとした場合に、シールリング２０１ｂの厚みＳが、０．２２１Ｔとなっている。

尚、今回作製した本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の基準発振周波数は、１９．２ＭＨｚとした。

まず、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００をセラミックヒータ上に置き、赤外線サーモヒータにて測定をした。
この結果として、従来の圧電発振器２００は約１０９℃を示し、本発明の圧電発振器１００は、約１１２℃を示した。よって、本発明の圧電発振器１００は、約３℃ほど熱伝導が良いことが確認できた。

次に、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の発振周波数を測定した。
測定方法は、まず、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００の−２５℃から８５℃までの間隔において、１℃ステップで発振周波数ｆｓを測定し、次に８５℃から−２５℃まで間隔において、１℃ステップで発振周波数ｆｓを測定する。測定した発振周波数ｆｓと圧電発振器の基準発振周波数ｆ_０を計算式（１）に代入し、周波数偏差（ｄｆ／ｆ）を算出した。
ｄｆ／ｆ＝（ｆｓ−ｆ_０）／ｆ_０・・・（１）
その後、−２５℃から上昇させた時の２５℃の周波数偏差と、高温である８５℃から下降させた時の２５℃の周波数偏差（ｄｆ／ｆ）を算出し、それぞれの周波数偏差の差をヒステリシス値として算出した。
次に、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００を３０個ずつ作製し、２５℃のヒステリシス値を算出した。

この結果として、図４に示すように、本発明の圧電発振器１００では、ヒステリシス値は、−０．１ｐｐｍであった。
また、図６に示すように、従来の圧電発振器２００では、ヒステリシス値は、−０．８ｐｐｍであった。
また、図３に示すように、本発明の圧電発振器１００と従来の圧電発振器２００のヒステリシス値の確率分布図をみても本発明の圧電発振器１００のヒステリシス値が良くなっていることがわかる。
つまり、本発明の圧電発振器１００の前記容器体１０のシールリング１０ｂの厚みＳが、０．２１Ｔより小さくなると、ヒステリシス特性が良くなることがわかる。よって、本発明の圧電発振器１００では、容器体１０のシールリング１０ｂの厚みＳが、０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔとすることで、ヒステリシス特性が良く、発振周波数の変動を防止することが可能となる。

尚、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、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、前記した本実施形態では、圧電振動素子２０を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。

本発明の実施形態に係る圧電発振器を示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施形態に係る圧電発振器と従来に係る圧電発振器のヒステリシス値を示す確率分布図である。本発明の実施形態に係る圧電発振器のヒステリシス特性を示す図である。従来の圧電発振器の断面図である。従来の圧電発振器のヒステリシス特性を示す図である。

符号の説明

１０・・・容器体
１０ａ、・・・基板部
１０ｂ・・・シールリング
１０ｃ・・・枠部
１１・・・第１の凹部空間
１２・・・封止用導体膜
１３ａ、１３ｂ・・・圧電振動素子搭載パッド
１４・・・第２の凹部空間
１５・・・集積回路素子搭載パッド
１６ａ、１６ｂ・・・圧電振動素子測定用パッド
１９・・・外部接続用電極端子
２０・・・圧電振動素子
２１・・・水晶素板
２２・・・励振用電極
３０・・・蓋体
３１・・・封止部材
４０・・・導電性接着剤
５０・・・集積回路素子
１００・・・圧電発振器

Claims

基板部と、この基板部の一方の主面に設けられるシールリングと、前記基板部の他方の主面に設けられる枠部とからなる容器体と、
前記基板部と前記シールリングとで形成される第１の凹部空間内に露出した前記基板部の主面に設けられた圧電振動素子搭載パッドに搭載されている圧電振動素子と、
前記基板部と前記枠部とで形成される第２の凹部空間内に露出した前記基板部の主面に設けられた集積回路素子搭載パッドに搭載されている集積回路素子と、
前記第１の凹部空間を気密封止する蓋体とを備え、
前記容器体の厚みをＴとしたとき、前記シールリングの厚みが０．１２５Ｔ〜０．２１Ｔであることを特徴とする圧電発振器。