JP2013070224A - 容器、振動デバイス及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】容器20Aは、表部に圧電振動素子用の第1の電極パッド28a、28b、及び電子素子用の第2の電極パッド29a、29bを有し、裏部に複数の実装端子22を有した絶縁基板20aと、表部の空間を気密封止する蓋部材38と、を備えた容器である。実装端子22と第1、及び第2の電極パッド28a、28b、29a、29bとは、夫々配線導体23b、23cにより電気的に接続され、絶縁基板20aを主として構成する材質の熱伝導率Tcが、50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]の範囲内である。
【選択図】図1
Description
容器の内部に形成したビア電極の一方の端部を蓋部材(リッド)に接続し、他方の端部を接地用実装端子に接続することにより、電磁気的なシールド効果が得られる。また、容器の層間に焼成した配線パターンとキャスタレーション電極とを接続することにより、実装端子と配線パターンとを電気的に導通することができる。キャスタレーション電極同志を層間に焼成した配線パターンにより導通した例も開示されている。配線パターン等の電極材料にはタングステン等が用いられる。
また、特許文献8には、容器の上部の凹部に圧電振動素子を片持ち支持状態で収容し、下部の凹部にIC部品を収容し、IC部品の温度センサー端子を上部凹部に設けた枕部材と接続することにより、圧電振動素子の温度と、温度センサーの検出温度との温度差を縮小して、周波数温度特性、周波数ドリフト特性を安定化できると開示されている。
特許文献10には、底板及び枠壁からなる凹部を有する矩形状の容器と、容器に収容された水晶振動素子と、容器の開口部に接合された金属カバーと、水晶振動素子の温度検出用で容器の長手方向の一端側に付着させたサーミスタと、を備えた表面実装型水晶振動子が開示されている。サーミスタの長手方向が、容器の高さ方向に直交して容器の外側面に固着した構成とした温度センサー付き水晶振動子である。
特許文献11には、底板層と枠壁層と有した凹状積層セラミックからなる容器と、容器内に収容され一端部両側が固着された水晶振動素子と、水晶振動素子と共に容器内に収容されたサーミスタと、を備えた表面実装型水晶振動子が開示されている。水晶振動素子の主面は底板層の最上位層と対面し、サーミスタは底板層に設けられた凹所内に配置された構成の温度センサー付き水晶振動子である。
また、特許文献11に開示の構造では、サーミスタが圧電振動子の容器の内部に搭載されており、圧電振動素子の温度を検出できることが期待できる。しかし、容器に収容された圧電振動素子に何らかの特性不良が発生したとき、同じ容器内に搭載されているサーミスタも廃棄させざるを得ず、その分コスト高となるという問題があった。
また、特許文献10に開示の構造では、容器の構造は簡素になりコスト低減は図れるものの、外部回路と併用されて携帯電話のGPS機能に要求されるような性能を有する圧電発振器の構成は難しい。つまり、電源が投入された後の短い時間で圧電振動素子の実際の温度と、サーミスタ(感温部品)が検出する温度との間に温度差が生じ、GPS機能が要求する規格を満たせないという問題あった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、圧電振動素子の温度と感温素子との温度差をできるだけ小さくし、主回路基板(マザーボード)上に搭載された補償回路と組合せることにより、周波数ドリフト特性の小さく、温度補償型発振器を可能とする、表面実装型の小型圧電デバイスを提供することを目的としている。
本発明の容器20Aは、絶縁基板20aと、蓋部材38と、を概略備えて構成されている。絶縁基板20aの材料としては、通常のアルミナセラミック(Al2O3)の熱伝導率17[W/(m・K)]より大きい、例えば50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]のセラミック材を用いて構成されている。一例として炭化ケイ素(SiC、60[W/(m・K)]〜200[W/(m・K)])、窒化アルミ(AlN、120[W/(m・K)]〜160[W/(m・K)])等を挙げるとことができる。
蓋部材38は、金属板をバスタブ状(逆椀状)にプレス加工したものでもよいし、セラミック、ガラス等を凹部状に成形したものでもよい。
絶縁基板20aの絶縁体内部には、ビア電極(ビアホール(貫通孔)にビア電極ペーストを充填し、焼成形成した導体)が形成されている。図1(c)、(d)に示すように、絶縁基板20aの肉厚内部に、第2の主面(裏面)S2に形成された実装端子22a、22bと、第1の主面(表部)S1に形成された圧電振動素子用の一対の第1の電極パッド28a、28bと、を夫々導通接続するビア電極23a、23bが貫通形成されている。また、第2の主面(裏面)S2に形成された実装端子22c、22dと、第1の主面(表部)S1に形成された電子素子用の一対の第2の電極パッド29a、29bと、を夫々導通接続するビア電極24a、24bが貫通形成されている。なお、絶縁基板20aの角隅部の側壁面には、キャスタレーションC1、C2、C3、C4が形成されている。
このシールリング上に金属製の蓋部材38を載置し、抵抗溶接等により第1の主面S1上の空間部を密封することができる。また、第1の主面S1の周縁部にシールリングを設ける場合には、このシールリングと接地用の実装端子22とを導通接続するビア電極を形成し、金属製の蓋部材38を接地してシールド効果を持たすことができる。
容器20Bは、図3(c)に示すように平板状の第1の絶縁基板20a1と、矩形環状の第2の絶縁基板20b1と、平板状の蓋部材38と、を概略備えている。第1の絶縁基板20a1は、第1の主面(表部)S1の長手方向の一方の端部寄りに短手方向に沿って圧電振動素子を搭載する第1の電極パッド28a、28bを備えている。更に、第1の絶縁基板20a1は、他方の端部寄りに短手方向に沿って電子素子を搭載する一対の第2の電極パッド29a、29bを備えており、第1の主面S1とは反対側の第2の主面S2側に複数の実装端子22(22a、22b、22c、22d)を有している。
図3(c)、(d)に示すように、第1の絶縁基板20a1の肉厚内部に、第2の主面(裏面)S2に形成された実装端子22a、22bと、第1の主面(表部)S1に形成された圧電振動素子用の一対の第1の電極パッド28a、28bとを夫々導通接続するビア電極23a、23bが貫通形成されている。また、第2の主面(裏面)S2に形成された実装端子22c、22dと、第1の主面(表部)S1に形成された電子素子用の一対の第2の電極パッド29a、29bと、を夫々導通接続するビア電極24a、24bが貫通形成されている。
なお、容器20Bの第1、及び第2の絶縁基板20a1、20b1は、炭化ケイ素(SiC)、窒化アルミ(AlN)等の高熱伝導率Tc(50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)])の材料を用いて構成されている。
第2の絶縁基板20b2は、環状平板の絶縁基板であり、第1の絶縁基板20a2の第1の主面S1に対して底部を積層固定されて、圧電振動素子用の第1の収容部27aを形成する。第2の絶縁基板20b2の上部周縁には、シールリング42が形成されている。
第3の絶縁基板20c2は、環状平板の絶縁基板であり、第1の絶縁基板20a2の第2の主面S2に対して表部を積層固定されて、電子素子用の第2の収容部27bを形成する。第3の絶縁基板20c2の底部には複数の実装端子22(22a、22b、22c、22d)が形成されている。第1の収容部27aは、蓋部材38により気密封止される。
図1に示す絶縁基板20aの第1の主面の周縁にシールリングを設け、このシールリングに溶接される蓋部材38と接地用の実装端子22cとが導通接続されるため、容器はシールド効果を有するという効果がある。
図3の実施形態に示すように、容器20Bは高熱伝導率(50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)])を有する第1、及び第2の絶縁基板20a1、20b1を積層焼成して構成されるため、実装端子22から伝導する熱は配線導体23a〜23dを伝わると同時に、第1及び第2の絶縁基板内を立体的に伝わり、第1、及び第2の電極パッド28a、28b、29a、29bの夫々の時間に対する温度上昇カーブはほぼ同様な曲線になるという効果がある。
図1〜図4において容器を構成する絶縁基板の熱伝導率Tcを望ましくは、120[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]とすることにより、第1、及び第2の電極パッド28a、28b、29a、29b夫々の時間に対する温度上昇カーブが更に近接した曲線になるという効果がある。
また図1〜図4において容器を構成する絶縁基板の熱伝導率Tcと、配線導体の熱伝導率とを同程度にすると、第1の電極パッド28a、28bと第2の電極パッド29a、29とを夫々実装端子から等距離になるように配置することにより、配線導体の配置、長さ等に関わらず、時間に対する温度上昇カーブはほぼ同様な曲線になるという効果がある。
図5(b)に示した実施形態例は、絶縁基板20a1の第1の主面S1の周縁部にシールリング42を設けた容器を用いた例であり、金属製の凹部状の蓋部材38を、シールリング42に溶接すると、接地用の実装端子22cと蓋部材38とはビア電極25により導通接続され、シールド効果を持たせることができる。
なお、感温素子30の固定は脱ガスを考慮すると金属バンプを用いる方が望ましい。
図5(c)は、図5(b)に示す圧電デバイス1の逆椀状の金属製蓋部材38に代わりに、セラミック、ガラス等の材質を用いて成形した非金属製の蓋部材38を用いて構成した圧電デバイス1’の例である。蓋部材38の内側壁面は、シールド効果を考慮してメタライズ加工が施されてある。
この切断角度を用いれば、客先仕様が要求する温度特性を適切に実現できるという効果がある。
ATカット水晶基板の外形形状は、一般的にX軸方向を長手方向とする矩形状であり、共振周波数はY’軸方向の厚さに依存する。周波数が高く、X辺比(X/t、XはX軸方向の長さ、tは厚さ)、又はZ辺比(Z/t、ZはZ’軸方向の長さ、tは厚さ)が大きい場合には、図5、図6に示すように、平板形状の水晶基板12が用いられる。また、周波数が低く、X辺比(X/t)、又はZ辺比(Z/t)が小さい場合には、メサ型水晶基板(周辺部に比べ中央部を厚くした水晶基板)12が用いられる。図8はメサ型水晶振動素子の一例であり、同図(a)は平面図であり、同図(b)はQ−Q断面図である。
メサ型水晶基板12は、その中央に位置し主たる振動領域となる励振部13と、励振部13より薄肉で励振部13の周縁に沿って形成された従たる振動領域となる周辺部15と、を有している。つまり、振動領域は、励振部13と、周辺部15の一部に跨っている。図8に示す例では、圧電基板12の長手方向(図中横方向)には2段の段差があり、短手方向(図中縦方向)には図8(b)に示すように1段の段差が形成されたメサ型圧電基板を用いた圧電振動素子10の例である。
励振電極14a、14bに交番電圧を印加すると、水晶振動素子10は固有の振動モード、例えばATカット水晶の場合は厚みすべりモードが励振される。
また、図5、図6に示す圧電デバイス1、1’に用いる感温素子30は、温度変化に応じて物理量、例えば電気抵抗が変わるサーミスタ等を用いる。サーミスタ30の電気抵抗の変化を外部回路で検出し、サーミスタ30の温度が測定される。サーミスタ30の温度を検知することにより、圧電振動素子10の温度を推定することができる。
容器20A〜20C等の実装端子22(22a、22b、22c、22d)と、ビア電極23a、23b、23c、23d、25と、第1、及び第2の配線パターン26a、26b)とに用いる金属材料としては、例えばタングステン材を例示することができる。第2の絶縁基板20b1、20b2の上部の周縁に形成されるシールリング(メタライズ部)42としてもタングステン材を用いることができる。
第1の電極パッド28a、28bと第2の電極パッド29a、29bとは、実装端子22に対してほぼ対称な位置に配置されているため、実装端子22からの熱により、圧電振動素子10の温度上昇カーブと感温素子30の温度上昇カーブとはほぼ同様な曲線となる。つまり、外部の発振回路、補償回路を併用して温度補償型発振器を構成する場合、感温素子30は、圧電振動子10の温度を正確に検知することが可能になり、周波数ドリフト特性と周波数温度特性に優れた発振器を構成することが可能となる。
一方、図10(b)は、アルミナセラミックス(Al2O3)を主構成部材とした従来の容器を用いて構成した圧電デバイスにおける圧電振動素子10と、感温素子30との電源投入後の温度変化を示した曲線の一例である。圧電振動素子10の温度と、感温素子30との温度とには温度差があり、時間が経過しないと温度差は縮小しない。
図10(c)は、電源投入後の所定の時間で測定した時の、容器20を構成する材質の熱伝導率Tcと、圧電振動素子10の温度と感温素子30の温度との温度差ΔTと、の関係を示す曲線である。材質の熱伝導率が高くなるに応じて、所定の時間での温度差ΔTは小さくなる。
以上のように本発明の圧電デバイスをマザーボードに搭載し、発振回路と温度補償回路とを用いて基準発振器を構成すると周波数ドリフト特性の優れた発振器を構成できる。
なお、図6に示す圧電デバイス2と同様に、接地用の実装端子22cと蓋部材とをビア電極25に導通接続することによりシールド効果を持たせることができる。なお、第1、及び第2の絶縁基板20a2、20b2は、炭化ケイ素(SiC)、窒化アルミ(AlN)等の高熱伝導率の材料を用いて構成されている。
図15に示すデジタル携帯電話100で音声を送信する場合、使用者が自分の音声をマイクロフォンに入力すると、信号はパルス幅変調・符号化の回路と変調器/復調器の回路を経てトランスミッター、アンテナスイッチを介しアンテナから送信される。一方、他者から送信された信号は、アンテナで受信され、アンテナスイッチ、受信フィルター+アンプ回路等を経て、レシーバー回路に入り、このレシーバー回路から変調器/復調器回路に入力される。そして、復調器回路で復調された信号がパルス幅変調・符号化回路を経てスピーカーから音声として出力されるように構成されている。アンテナスイッチや変調器/復調器ブ回路等を制御するためにコントローラーが設けられている。
つまり、第7の実施形態例の圧電デバイス7と、図6に示す圧電デバイス2との異なる点は、圧電デバイス2では、圧電振動素子10は厚みすべり振動素子を用いているが、圧電デバイス7では屈曲振動をする音叉型水晶振動素子10bを用いている点が異なる。高周波の基準周波数が必要とされる場合は、圧電デバイス2が適し、低周波の基準周波数が要求される場合は圧電デバイス7が適している。
圧電振動素子10に音叉型水晶振動素子10bを用いているため、高周波を分周する回路を必要とせず、所望の低周波の基準発振器が得られるという利点がある。また、上記の圧電デバイスを用いて電子機器を製作すると、高安定で周波数ドリフト特性の優れた基準周波数源が容易に構成できるという効果がある。
なお、溝部57a(57b)、58a(58b)を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のCI(クリスタルインピーダンス)を小さくすることができる。
圧電デバイス8は、低周波と高周波の2つの基準周波数を必要とする電子機器には有用であり、1つの感温部品30で2つの高精度の周波数を得ることができる。
圧電デバイス8と、発振回路部品、及び補償回路部品を有する外部回路と併用することにより、高周波と低周波の2つの圧電発振器が構成され、温度補償された、高安定、且つ周波数ドリフト特性の優れた2つの基準周波数が得られるという効果がある。
Claims (12)
- 第1の主面側に振動素子を搭載する第1の電極パッドと、
電子素子を搭載する第2の電極パッドと、
を有し、
前記第1の主面とは反対側の第2の主面側に複数の実装端子を有した絶縁基板と、
前記振動素子、及び前記電子素子を含む前記第1の主面側の空間を気密封止する蓋部材と、
を備えた容器であって、
前記実装端子と前記第1、及び第2の電極パッドとは、
夫々配線導体により電気的に接続され、
前記絶縁基板を主として構成する材質の熱伝導率Tcが、
50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]
を満足することを特徴とする容器。 - 前記絶縁基板の第1の主面の周縁にシールリングを設けたことを特徴とする請求項1に記載の容器。
- 第1の主面側に振動素子を搭載する第1の電極パッドと、
電子素子を搭載する第2の電極パッドと、
を有し、
前記第1の主面とは反対側の第2の主面側に複数の実装端子を有した第1の絶縁基板と、
前記第1の絶縁基板の第1の主面に対して底部を積層固定される環状の第2の絶縁基板と、
前記第2の絶縁基板の中空部内に位置する前記振動素子、及び前記電子素子を含む空間を気密封止する蓋部材と、
を備えた容器であって、
前記実装端子と前記第1、及び第2の電極パッドとは、
夫々配線導体により電気的に接続され、
前記絶縁基板を主として構成する材質の熱伝導率Tcが、
50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]
を満足することを特徴とする容器。 - 第1の主面側に振動素子を搭載する第1の電極パッドを有し、
前記第1の主面とは反対側の第2の主面側に電子素子を搭載する第2の電極パッドと、
を有する第1の絶縁基板と、
前記第1の絶縁基板の第1の主面に対して底部を積層固定されることにより第1の収容部を形成する環状の第2の絶縁基板と、
前記第2の主面側に対して表部を積層固定されることにより第2の収容部を形成し、底部に複数の実装端子を有する環状の第3の絶縁基板と、
前記第2の絶縁基板の中空部内に位置する前記振動素子を含む空間を気密封止する蓋部材と
を備え、
前記実装端子と前記第1、及び第2の電極パッドとは、夫々配線導体により電気的に接続され、
前記第1、第2、及び第3の絶縁基板を主として構成する材質の熱伝導率Tcが、
50[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]
の満足することを特徴とする容器。 - 前記熱伝導率Tcが、
120[W/(m・K)]≦Tc≦200[W/(m・K)]
を満足することを特徴とする請求項1乃至4のうち何れか一項に記載の容器。 - 前記熱伝導率Tcが、前記配線導体の熱伝導率と同等であることを特徴とする請求項1乃至4ののうち何れか一項に記載の容器。
- 振動素子と、電子素子とを、請求項1乃至6のうち何れか一項に記載の容器に搭載したことを特徴とする振動デバイス。
- 前記蓋部材は、前記容器の内部を貫通する導体、又は前記容器の外側面に設けられたキャスタレーション電極により前記実装端子と電気的に接続されていることを特徴とする請求項7に記載の振動デバイス。
- 前記振動素子は、音叉型水晶振動素子であることを特徴とする請求項7又は8に記載の振動デバイス。
- 前記振動素子の基板は、水晶の結晶軸である電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、
前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ所定の角度だけ傾けた軸をZ’軸とし、
前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ前記所定の角度だけ傾けた軸をY’軸とし、
前記X軸と前記Z’軸に平行な面で構成され、
前記Y’軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であり、
前記X軸に平行な辺を長辺とし、
前記Z’軸に平行な辺を短辺とした水晶基板を用いたことを特徴とする請求項7又は8に記載の振動デバイス。 - 前記収容部には、前記振動素子として、ATカット水晶振動素子と音叉型水晶振動素子とが併置されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の振動デバイス。
- 請求項7乃至11のうち何れか一項に記載の振動デバイスを内蔵したことを特徴とする電子機器。
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