JP2016127467A - 振動デバイス、電子機器及び移動体 - Google Patents
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Abstract
Description
このことから、上記圧電デバイスには、優れた周波数温度特性を得るべく、圧電振動素子の温度と感温部品の検知する温度との温度差を更に縮小する上で改善の余地がある。
この結果、振動デバイスは、例えば、電子素子が感温素子の場合、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可能となり、優れた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、周波数の変動幅が小さくなることから、高精度化を図ることができる。
これにより、振動デバイスは、基板の第1層が平板状であることから、厚みを0.04mm以上、0.10mm未満の間で管理することが容易であり、且つ、第1層以上の厚みの第2層を第1層に積層することによって、基板の強度を確保することができる。
また、振動デバイスは、電子素子が第2層の開口部に収容されていることから、基板の強度を確保しつつ、全体として薄型化を図ることができる。
この結果、振動デバイスは、基板を介しての振動片と電子素子との間の熱伝導が更に促進されることから、例えば、電子素子が感温素子の場合、振動片の温度と感温素子の検知する温度との温度差を更に縮小することが可能となり、更に優れた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状の励振電極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、第1主面33側の面が第1実装面J1、第2主面34側の面が第2実装面J2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2実装面J2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実装面J1上に積層され、リッド32側の面が第1主面33となる枠状の第3層31cと、を備えた積層構造となっている。
なお、パッケージベース31の第1層31a及び第2層31bには、セラミックス系の絶縁性材料の中でも比較的熱伝導率が高い、窒化アルミニウム(熱伝導率:約150〜280W/(m・K))または炭化ケイ素(熱伝導率:約100〜350W/(m・K))を主成分とする窒化アルミニウム質焼結体または炭化ケイ素質焼結体を用いることが、パッケージベース31の熱伝導を促進する観点から好ましい。
第2層31bは、開口部を有する平板状に形成され、第1層31a以上の厚みであることが好ましく、且つ、0.30mm未満の厚みであることがより好ましい。また、第2層31bの開口部は、平面視でサーミスター20よりも大きく形成されている。
第3層31c及びリッド32には、第1層31a及び第2層31b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。なお、第3層31cは、水晶振動片10を囲む枠状であって、水晶振動片10の厚みを超える厚みであることが好ましい。
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J1a,J1bに接合されている。
これにより、水晶振動片10は、パッケージベース31の第1主面33側の第1実装面J1に、パッケージベース31の第3層31cに囲まれた状態で搭載されたことになる。
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。なお、内部空間Sは、リッド32から水晶振動片10への熱伝導を促進するために、真空状態よりも窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが充填された状態の方が好ましい。
凹部35の底面である第2実装面J2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J2a,J2b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J2a,J2bに接合されている。これにより、サーミスター20は、パッケージベース31の第2主面34側の第2実装面J2に搭載され、凹部35(換言すれば第2層31bの開口部)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、パッケージベース31の第1層31a、第2層31bをそれぞれ貫通する導通ビア(スルーホールに金属または導電性を有する材料が充填された導通電極)V1〜V4及び内部配線P1,P2を経由して水晶振動片10の引き出し電極15a,16aに繋がる内部端子J1a,J1bと接続されている。
他方の対角に位置する残りの2つの電極端子37a,37cは、導通ビアV5,V6及び内部配線P3,P4を経由してサーミスター20の電極21,22に繋がる電極パッドJ2a,J2bと接続されている。
4つの電極端子37a〜37dは、平面形状が矩形から凹部35側の一部が切り欠かれた形状に形成されている。
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。
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。
この結果、水晶振動子1は、優れた周波数温度特性を得ることができ、高精度化を図ることが可能となる。
この結果、水晶振動子1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を縮小することが可能となり、優れた周波数温度特性を得ることができる。
これにより、水晶振動子1は、周波数の変動幅が小さくなることから、高精度化を図ることができる。
電子機器である、例えば、携帯電話などの無線通信機器の主回路基板(マザーボード)に実装された際の、水晶振動子1における水晶振動片10とサーミスター20との熱的平衡状態(両者が同じ温度になる状態)をより短時間で達成するためには、1つの方策として、特許文献1に開示されているような、導通ビアV1〜V6、内部配線P1〜P4などの導通部材の熱容量を、電極端子37b,37d〜水晶振動片10の経路と、電極端子37a,37c〜サーミスター20の経路とで略等しくすることが挙げられる。
図3に示すように、パッケージベース31の厚みtは、薄くなるに従い第1実装面J1側と第2実装面J2側との温度差が小さくなることが分かる。
ここでは、「JIS R 1601 ファインセラミックスの室温曲げ強さ試験方法」に基づいて、抗折強度試験(3点曲げ試験)を行った。試験結果の評価は、パッケージベース31が折れたときの最大曲げ応力の大きさに基づき、A(良)、B(可)、C(不可)の3段階評価で行った。
一方、試料4(t=0.04mm)、試料5(t=0.05mm)は、A評価であり実使用に十分耐えられることが分かる。
この結果、機械的強度を保持しつつ、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更に縮小する上でのパッケージベース31の厚みtの下限は、0.04mmということになる。
図5に示すように、パッケージベース31の厚みtが0.09mmを超え、0.10mm、0.11mmと厚くなるにしたがい、周波数温度特性の歩留りが悪化することが分かる。
これは、パッケージベース31の厚みtが0.09mmを超え、0.10mm、0.11mmと厚くなるにしたがい、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り、温度補償回路64(図2参照)による水晶振動片10の共振周波数の補正が不正確になることに起因する。
この結果、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し、良好な周波数温度特性を高い歩留りで得る上でのパッケージベース31の厚みtの上限は、0.10mm未満ということになる。
これにより、水晶振動子1は、パッケージベース31の第1層31aが平板状であることから、厚みtを0.04mm以上、0.10mm未満の間で管理することが容易であり、且つ、第1層31a以上の厚みの第2層31bを第1層31aに積層することによって、パッケージベース31の強度を確保することができる。
また、水晶振動子1は、サーミスター20が第2層31bの開口部(凹部35)に収容されていることから、パッケージベース31の強度を確保しつつ、全体として薄型化を図ることができる。
この結果、水晶振動子1は、パッケージベース31を介しての水晶振動片10とサーミスター20との間の熱伝導が更に促進されることから、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更に縮小する(熱的平衡状態に近づく)ことが可能となり、更に優れた周波数温度特性を得ることができる。
これにより、水晶振動子1は、更なる高精度化を図ることができる。
なお、感温素子には、サーミスター20に代えて、測温用半導体を用いてもよく、測温用半導体の特性により周囲の温度を正確に検知することができる。測温用半導体としては、ダイオードまたはトランジスターが挙げられる。
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、ノイズの重畳を抑制することができる。
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。これにより、水晶振動子3は、パッケージベース31の第1主面33と第1実装面J1とが同一面となる。
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V6,V7、内部配線P4を介して電極端子37cと電気的に接続され、シールド効果及び熱伝導の促進が図られている。
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キャスタレーション(図示せず)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、シールド及び熱伝導の促進に支障がなければ、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 (10)
- 振動片と、
電子素子と、
互いに表裏の関係にある第1主面と第2主面とを有する基板と、を備え、
前記振動片は、前記基板の前記第1主面側の第1実装面に搭載され、
前記電子素子は、前記基板の前記第2主面側の第2実装面に搭載され、
前記基板は、平面視で前記第1実装面及び前記第2実装面の少なくとも一部が互いに重なる重なり部を有し、
前記重なり部の厚みが、0.04mm以上、0.10mm未満であることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1において、
前記重なり部の厚みが、0.04mm以上、0.08mm以下であることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1において、
前記重なり部の厚みが、0.04mm以上、0.06mm以下であ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、
前記基板は、前記第1主面側に厚みが0.04mm以上、0.10mm未満の第1層を有し、前記第2主面側に前記第1層以上の厚みの第2層を有する積層構造であり、
前記第1実装面及び前記第2実装面は、互いに前記第1層の表裏の関係にあり、
前記第2層は、平面視で前記電子素子よりも大きい開口部を備え、
前記電子素子は、前記開口部に収容されていることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項4において、
前記基板は、前記第1層上に積層され、前記振動片を囲む枠状の第3層を更に有す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5のいずれか一項において、
前記基板の少なくとも前記重なり部は、窒化アルミニウムまたは炭化ケイ素を主成分とす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6のいずれか一項において、
前記電子素子は、感温素子であることを特徴とする振動デバイス。 - 請求項7において、
前記感温素子は、サーミスターまたは測温用半導体であ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8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8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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