JP5210106B2 - 圧電デバイス - Google Patents
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Description
図10に示すように、従来の圧電振動子500は、その例として容器体501、圧電振動素子507、蓋体508とから主に構成されている。
容器体501は、基板部501aと枠部501bで構成されている。
この容器体501は、基板部501aの一方の主面に枠部501bが設けられて凹部空間502が形成される。
その凹部空間502内に露出する基板部501aの一方の主面には、一対の圧電振動素子搭載パッド503a、503bが設けられている。
また、基板部501aは、積層構造となっており、基板部501aの内層には、配線パターン(図示せず)等が設けられている。
この圧電振動素子搭載パッド503a、503b上には、導電性接着剤506を介して電気的に接続される一対の励振用電極507aを表裏主面に有した圧電振動素子507が搭載されている。この圧電振動素子507を囲繞する容器体501の枠部501bの頂面には金属製の蓋体508が被せられ、接合されている。これにより、凹部空間502が気密封止されている。
この先端部507bが容器体501の凹部空間502内底面に接触すると、周波数が変動してしまうため、従来の圧電デバイス500では、前記容器体501の凹部空間502内底面の圧電振動素子搭載パッド503a、503bに支持バンプ509が形成されている構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
この支持バンプ509によって、圧電振動素子507を支持すると共に梃子の原理が働き、圧電振動素子507の先端部507bが凹部空間502内底面に接触せずに浮かすことができる。
圧電発振器600は、容器体601、圧電振動素子607、集積回路素子608、蓋体609とから主に構成されている。
容器体601は、基板部601aと2つの枠部601b、601cで構成されている。
この容器体601は、基板部601aの一方の主面に枠部601bが設けられて第1の凹部空間602が形成され、基板部601aの他方主面に枠部601cが設けられて第2の凹部空間604が形成される。
その第1の凹部空間602内に露出する基板部601aの一方の主面には、一対の圧電振動素子搭載パッド603a、603bが設けられている。
また、第2の凹部空間604内に露出する基板部601aの他方の主面には、集積回路素子搭載パッド605が設けられている。
この圧電振動素子搭載パッド603a、603b上には、導電性接着剤606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607が搭載されている。この圧電振動素子607を囲繞する容器体601の枠部601bの頂面には金属製の蓋体609が被せられ、接合されている。これにより第1の凹部空間602が気密封止されている。
また、集積回路素子搭載パッド605上に半田等の導電性接合材を介して集積回路素子608が電気的、機械的に接合されている。この状態を搭載という。
このような圧電発振器が知られている(例えば、特許文献2参照)。
これは、圧電発振器600を−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を測定する。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600の基準発振周波数f0を計算式(1)に代入し、周波数偏差(df/f)を算出する。
df/f=(fs−f0)/f0・・・(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)を算出する。その際の周波数偏差の差をヒステリシス特性という。
また、圧電振動素子と支持バンプとの間には導電性接着剤がなくなるため、支持バンプによって、導電性接着剤の厚みが薄くなる箇所をなくすことができる。その結果、導電性接着剤が厚みを有するため、落下試験を行った際には、その導電性接着剤によって衝撃を吸収できる。よって、圧電振動素子が導電性接着剤から剥がれることを防止することができる。
第1の実施形態は、圧電デバイスの例の1つである圧電振動子について説明する。
図1及び図2に示すように、圧電振動子100は、容器体110と圧電振動素子120と蓋体130で主に構成されている。この圧電振動子100は、前記容器体110に形成されている第1の凹部空間111内に圧電振動素子120が搭載されている。その第1の凹部空間111が蓋体130により気密封止された構造となっている。
水晶素板121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122は、前記水晶素板121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120は、その両主面に被着されている励振用電極122から延出する引き出し電極と第1の凹部空間111内底面に形成されている圧電振動素子搭載パッド113a、113bとを、導電性接着剤150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111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120の先端部123とする。
この容器体110は、基板部110aの一方の主面に枠部110bが設けられて、第1の凹部空間111が形成されている。
尚、この容器体110を構成する基板部110a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。また、基板部110aは、セラミック材が積層した構造となっている。
枠部110bは、例えば、シールリングが用いられる。この場合、枠部110b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、枠部110bは、基板部110a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112上にロウ付けなどにより接続される。
第1の凹部空間111内で露出した基板部110aの一方の主面には、2個一対の圧電振動素子搭載パッド113a、113bが設けられている。
第1の凹部空間111内で露出した基板部110aの一方の主面には、前記圧電振動素子搭載パッド113a、113bから引き出された支持バンプ用パッドP1a、P1bが設けられている。
前記支持バンプ用パッドP1a、P1bの主面には、支持バンプP2a、P2bが設けられている。
容器体110の基板部110aの他方の主面の4隅には、外部接続用電極端子119が設けられている。
基板部110aの内層には、配線パターン(図示せず)等が設けられている。
また、支持バンプ用パッドP1a、P1bは、前記圧電振動素子搭載パッド113a、113bの間から向かい合う辺にそれぞれ設けられている。つまり、支持バンプ用パッドP1aは、一方の圧電振動素子搭載パッド113aの他方の圧電振動素子搭載パッド113bと向かい合う辺より、他方の圧電振動素子搭載パッド113bに向かって延出して設けられている。同様に、支持バンプ用パッドP1bは、他方の圧電振動素子搭載パッド113bの一方の圧電振動素子搭載パッド113aと向かい合う辺より、一方の圧電振動素子搭載パッド113aに向かって延出して設けられている。
支持バンプP2a、P2bは、前記圧電振動素子搭載パッド113a、113bから引き出された支持バンプ用パッドP1a、P1bの主面の所定の範囲で設けられている。
支持バンプ用パッドP1a、P1b及び支持バンプP2a、P2bは、圧電振動素子搭載パッド113a、113bと同様に、例えば、タングステン(W)等のメタライズに金(Au)メッキ等を施すことにより設けられている。
前記容器体110の短辺方向になる支持バンプ用パッドP1a、P1bの長さYは、80〜200μmであり、前記容器体110の長辺方向になる支持バンプ用パッドP1a、P1bの長さWは、80〜200μmである。
支持バンプP2a、P2bの長さは、支持バンプ用パッドP1a、P1bと同等の長さである。また、支持バンプP2a、P2bの厚み方向の長さは、15〜30μmである。
前記容器体110の短辺方向になる支持バンプ用パッドP1a、P1bの長さYが、80μmより小さい場合は、支持バンプ用パッドP1a、P1bの主面に支持バンプP2a、P2bを形成しても、圧電振動素子120の先端部123を持ち上げられなくなる。
一方の支持バンプ用パッドP1aと他方の支持バンプ用パッドP1bとの間隔Zは、100μm以上必要である。
一方の支持バンプ用パッドP1aと他方の支持バンプ用パッドP1bとの間隔Zが100μmより小さい場合には、一方の支持バンプ用パッドP1aに印刷ずれが起こると、支持バンプP2aと他方の支持バンプ用パッドP1bが接触してしまう。よって、隣り合う圧電振動素子搭載パッド113a、113b同士が短絡してしまう。
このように圧電振動素子搭載パッド113a、113bのみに、導電性接着剤150が塗布されるので、圧電振動素子120を導電性接着剤150上に搭載しても、導電性接着剤150の厚みを確保することができる。
導電性接着剤150の厚みは、支持バンプP2a、P2bの厚みと同じ厚みとなる。つまり、この際の導電性接着剤150の厚みは、圧電振動素子120を搭載した状態で15μm〜30μmである。
また、圧電振動素子120と支持バンプP2a、P2bとの間には導電性接着剤150がなくなるため、導電性接着剤150の厚みが薄くなる箇所はなくすことができる。その結果、導電性接着剤150によって衝撃を吸収できるため、落下試験を行った際には、圧電振動素子120が導電性接着剤150から剥がれることを防止することができる。
第2の実施形態は、圧電デバイスの一例である圧電発振器で説明する。
本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイスは、容器体の基板部と第2の枠部によって設けられた第2の凹部空間内に搭載されている集積回路素子とを備えている点で第1の実施形態と異なる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図6は、図5のC−C断面図である。図7は、本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイスを構成する容器体の他方の主面を示す平面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
また、集積回路素子240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240は、容器体210の第2の凹部空間214内に露出した基板部210aに形成された集積回路素子搭載パッド215に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。
この容器体210は、基板部210aの一方の主面に枠部210bが設けられて、第1の凹部空間211が形成されている。また、容器体210の他方の主面に枠部210cが設けられて、第2の凹部空間214が形成されている。
尚、この容器体210を構成する基板部210a及び枠部210c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。また、基板部210aは、セラミック材が積層した構造となっている。
枠部210bは、例えば、シールリングを用いる。この場合、枠部210b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、枠部210bは、基板部210a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212上にロウ付けなどにより接続される。
第1の凹部空間211内で露出した基板部210aの一方の主面には、2個一対の圧電振動素子搭載パッド213a、213bが設けられている。
第1の凹部空間211内で露出した基板部210aの一方の主面には、前記圧電振動素子搭載パッド213a、213bから引き出された支持バンプ用パッドP1a、P1bが設けられている。
また、図5及び図6に示すように容器体210は、基板部210aの他方の主面と枠部210cによって第2の凹部空間214が形成されている。
基板部210aの内層には、配線パターン(図示せず)等が設けられている。
図7に示すように、第2の凹部空間214内で露出した基板部210aの他方の主面には、複数の集積回路素子搭載パッド215と2個一対の圧電振動素子測定用パッド216a、216bが形成されている。
また、蓋体230、導電性接着剤250も第1の実施形態と同様である。
前記圧電振動素子測定用パッド216a、216bは、容器体210の第1の凹部空間211に搭載されている圧電振動素子220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。
また、圧電振動素子220と支持バンプP2a、P2bとの間には導電性接着剤250がなくなるため、導電性接着剤250の厚みが薄くなる箇所をなくすことができる。その結果、導電性接着剤250が厚みを有するため、落下試験を行った際には、その間の導電性接着剤250によって衝撃を吸収できる。よって、圧電振動素子220が導電性接着剤250から剥がれることを防止することができる。
また、圧電振動素子220と支持バンプP2a、P2bとの間の導電性接着剤250がなく、導電性接着剤250の厚みを確保することができることから、固くなってしまう箇所をなくすことができる。よって、この圧電デバイス200を低温から高温または、高温から低温に温度を変化させた場合には、圧電振動素子220にかかる熱応力が緩和でき、周波数偏差が小さくなる為、ヒステリシス特性を良好にすることが可能となる。
図8は、本発明の第3の実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。
第2の実施形態と異なるのは、容器体の第2の凹部空間は、第1の凹部空間内に設けられている圧電発振器である点である。
例えば、容器体310は、基板部310aと前記基板部310aの一方の主面に設けられた枠部310b、310cによって構成されている。
前記容器体は、基板部310aの一方の主面と枠部310b、310cによって第1の凹部空間311が形成され、基板部310aの一方の主面と枠部310bによって第2の凹部空間314が形成されている。
第1の凹部空間内311の枠部310bの主面には、圧電振動素子搭載パッド313が設けられ、圧電振動素子310が搭載されている。
容器体310の第2の凹部空間314内底面には、集積回路素子搭載パッド315が設けられ、集積回路素子340が搭載されている。
第1の凹部空間311内で露出した枠部310bの一方の主面には、前記圧電振動素子搭載パッド313a、313bから引き出された支持バンプ用パッドP1a、P1bが設けられている。
前記支持バンプ用パッドP1a、P1bの主面には、支持バンプP2a、P2bが設けられている。
容器体310の基板部310aの他方の主面の4隅には、外部接続用電極端子319が設けられている。
図9は、本発明の第4の実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。
第2の実施形態と異なるのは、圧電振動素子が搭載されている第1の容器体と修正回路素子が搭載されている第2の容器体によって構成されている圧電発振器である点である。
この圧電発振器400は、第1の容器体410の一方の主面に形成されている第1の凹部空間414内に、圧電振動素子420が搭載され、第2の容器体460の一方の主面に形成される第2の凹部空間464内に集積回路素子440が搭載されている。
前記第1の容器体410の基板部410aの他方の主面に形成されている第2の容器体接続用端子419と前記第2の容器体460の枠部460bの主面に形成された第1の容器体接続用電極端子466が接合されている。
また、第1の容器体410の第1の凹部空間411内で露出した基板部410aの一方の主面には、前記圧電振動素子搭載パッド413a、413bから引き出された支持バンプ用パッドP1a、P1bが設けられている。
前記支持バンプ用パッドP1a、P1bの主面には、支持バンプP2a、P2bが設けられている。
例えば、前記した本実施形態では、圧電振動素子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。
この場合、枠部の開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターンが形成され、蓋体は、この封止用導体パターン上に配置接合される。
この際の蓋体は、前記容器体の第1の凹部空間を囲繞するように設けられた封止用導体パターンに相対する箇所に封止部材が設けられている。
110a、210a、310a、410a・・・基板部
110b、210b、210c、310b、310c、410b・・・枠部
111、211、311、411・・・第1の凹部空間
112、212、312、412・・・封止用導体膜
113a、113b、213a、213b、313a、313b、413a、413b・・・圧電振動素子搭載パッド
214、314、464・・・第2の凹部空間
215、315、465・・・集積回路素子搭載パッド
216a、216b・・・圧電振動素子測定用パッド
119、219、319、469・・・外部接続用電極端子
P1a、P1b・・・支持バンプ用パッド
P2a、P2b・・・支持バンプ
120、220、320、420・・・圧電振動素子
121、221、321、421・・・水晶素板
122、222、322、422・・・励振用電極
123、223、323、423・・・先端部
130、230、330、430・・・蓋体
240、340、440・・・集積回路素子
150、250、350、450・・・導電性接着剤
100、200、300、400・・・圧電デバイス
460・・・第2の容器体
Claims (2)
- 基板部と、この基板部の一方の主面に第1の枠部が設けられて、第1の凹部空間が形成された容器体と、
前記第1の凹部空間内に露出した基板部の平面視長方形の一方の主面における一方の短辺に沿って設けられた2個一対の平面視矩形の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、
前記第1の凹部空間を気密封止する蓋体と、を備え、
それぞれの前記圧電振動素子搭載パッドは、前記容器体の短辺方向になる辺の長さが200μm〜500μmであり、
それぞれの前記圧電振動素子搭載パッドは、前記容器体の長辺方向になる辺の長さが200μm〜500μmであり、
それぞれの前記圧電振動素子搭載パッドには、隣り合う前記圧電振動素子搭載パッドに向かい合う辺における前記基板部の一方の主面の中央側の端部に、隣り合う前記圧電振動子搭載パッドに向かって延設した支持バンプ用パッドが設けられており、
それぞれの前記支持バンプ用パッドは、前記容器体の短辺方向になる長さが80〜200μmであり、
それぞれの前記支持バンプ用パッドの主面には、支持バンプが設けられている
ことを特徴とする圧電デバイス。 - 前記容器体の前記基板部と、この基板部の他方の主面に設けられる第2の枠部とによって第2の凹部空間が設けられ、
前記第2の凹部空間内に露出した基板部の他方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を備えていることを特徴とする請求項1記載の圧電デバイス。
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