特開 2022-168988 振動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022168988

(43)【公開日】2022-11-09

(54)【発明の名称】振動デバイス

(51)【国際特許分類】

   H03B 5/32 20060101AFI20221101BHJP

   H03H 9/02 20060101ALI20221101BHJP

【ＦＩ】

H03B5/32 A

H03B5/32 H

H03H9/02 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021074722

(22)【出願日】2021-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】野村 記央

【テーマコード（参考）】

5J079

5J108

【Ｆターム（参考）】

5J079AA04

5J079BA02

5J079BA43

5J079CA12

5J079CB01

5J079HA03

5J079HA06

5J079HA30

5J108AA03

5J108BB02

5J108CC04

5J108DD02

5J108EE03

5J108EE07

5J108EE18

5J108GG03

5J108GG14

5J108JJ04

(57)【要約】

【課題】高精度な発振周波数を出力する振動デバイスを提供する。
【解決手段】振動デバイス１は、第１面１１ａ及び第１面１１ａの反対側に位置している第２面１１ｂを備えている基板１１と、基板１１の第１面１１ａ側に設けられているヒーター１４と、基板１１の第１面１１ａ側に設けられている温度センサー１５と、基板１１の第１面１１ａ側に配置され、基板１１に接合されている第１接合部３５を有する振動素子３０と、基板１１とともに振動素子３０を収納するように基板１１に接合されているリッド１２と、第１面１１ａ及び第２面１１ｂのいずれかに設けられ、温度センサー１５の出力に基づいてヒーター１４を制御する温度制御回路１６Ａを備えている回路１６と、を有し、第１接合部３５は、第１面１１ａに直交する方向からの平面視において、ヒーター１４と重なるように配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面及び前記第１面の反対側に位置している第２面を備えている基板と、
前記基板の前記第１面側に設けられているヒーターと、
前記基板の前記第１面側に設けられている温度センサーと、
前記基板の前記第１面側に配置され、前記基板に接合されている第１接合部を有する振動素子と、
前記基板とともに前記振動素子を収納するように前記基板に接合されているリッドと、
前記第１面及び前記第２面のいずれかに設けられ、前記温度センサーの出力に基づいて前記ヒーターを制御する温度制御回路を備えている回路と、を有し、
前記第１接合部は、前記第１面に直交する方向からの平面視において、前記ヒーターと重なるように配置されている、
振動デバイス。

【請求項2】

前記振動素子は、振動部と、前記基板に接合されている第２接合部と、を有し、
前記第２接合部は、前記平面視において、前記振動部を挟んで前記第１接合部と反対側に配置され、且つ前記ヒーターと重なるように配置されている、
請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項3】

前記温度センサーは、前記平面視において、前記ヒーターによって囲まれている、
請求項１又は請求項２に記載の振動デバイス。

【請求項4】

前記回路は、前記第２面に設けられ、
前記基板は、前記第１面と前記第２面とを貫通し、前記ヒーターと前記回路とを電気的に接続している第１貫通電極と、前記第１面と前記第２面とを貫通し、前記温度センサーと前記回路とを電気的に接続している第２貫通電極と、を有する、
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動デバイス。

【請求項5】

前記回路は、発振回路を有し、
前記基板は、前記第１面と前記第２面とを貫通し、前記振動素子と前記回路とを電気的に接続している第３貫通電極を有する、
請求項４に記載の振動デバイス。

【請求項6】

前記基板の前記第２面側に設けられ、前記回路を覆う絶縁層を有する、
請求項４又は請求項５に記載の振動デバイス。

【請求項7】

前記リッドは、前記振動素子を収納する側の面に配置された断熱層を有する、
請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の振動デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、凹部を有するベース基板と、凹部の底面に固定されているＩＣ基板と、ＩＣ基板の上面に導電性接着剤を介して固定されている水晶片と、凹部の開口を塞ぐようにベース基板に接合されているリッドと、を有する水晶振動子が開示されている。また、ＩＣ基板の上面には、水晶片の温度を検出するための温度センサーと、水晶片を加熱するためのヒーター回路と、が配置されており、水晶振動子のパッケージ内の温度を一定に保つよう制御されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５－３３０６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の水晶振動子は、水晶片とＩＣ基板とを接続する接続部と、発熱源であるヒーター回路と、が離れているため、ヒーター回路の熱が効率よく水晶片に伝わらず、速やか且つ正確な温度制御が困難であるという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

振動デバイスは、第１面及び前記第１面の反対側に位置している第２面を備えている基板と、前記基板の前記第１面側に設けられているヒーターと、前記基板の前記第１面側に設けられている温度センサーと、前記基板の前記第１面側に配置され、前記基板に接合されている第１接合部を有する振動素子と、前記基板とともに前記振動素子を収納するように前記基板に接合されているリッドと、前記第１面及び前記第２面のいずれかに設けられ、前記温度センサーの出力に基づいて前記ヒーターを制御する温度制御回路を備えている回路と、を有し、前記第１接合部は、前記第１面に直交する方向からの平面視において、前記ヒーターと重なるように配置されている。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図2】図１中のＡ－Ａ線断面図。

【図3】振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図4】第２実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図5】図４中のＢ－Ｂ線断面図。

【図6】第３実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図7】図６中のＣ－Ｃ線断面図。

【図8】振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図9】第４実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図10】図９中のＤ－Ｄ線断面図。

【図11】第５実施形態に係る振動デバイスの概略構造を示す平面図。

【図12】図１１中のＥ－Ｅ線断面図。

【発明を実施するための形態】

【0007】

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る振動デバイス１について、恒温槽型発振器（ＯＣＸＯ）を一例として挙げ、図１、図２、及び図３を参照して説明する。
尚、図１において、振動デバイス１の内部構成を説明する便宜上、リッド１２を取り外した状態を図示している。また、図３において、振動デバイス１の内部構成を説明する便宜上、リッド１２と振動素子３０とを取り外した状態を図示している。また、説明の便宜上、以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。

【0008】

振動デバイス１は、図１及び図２に示すように、ベースとなる基板１１とリッド１２とで構成されるパッケージ１０と、パッケージ１０の内部空間２９に収納されている振動素子３０と、基板１１の第１面１１ａ側に設けられているヒーター１４、温度センサー１５、及び回路１６と、を有する。

【0009】

振動素子３０は、基板１１の第１面１１ａ側に位置し、振動基板３１と、振動基板３１を振動させる励振電極３２と、発振信号を外部に出力し、振動基板３１の基板１１側の面に配置されている電極端子３４と、励振電極３２からＸ方向マイナス側に延在し、励振電極３２と電極端子３４とを電気的に接続するリード電極３３と、を備えている。また、振動基板３１は、励振電極３２が配置され振動する振動部３６と、振動部３６のＸ方向マイナス側に位置し、基板１１に接合されている第１接合部３５と、を有する。
振動素子３０は、金属バンプや導電性接着剤等の導電性接合部材２５を介して基板１１の第１面１１ａの上に接合されている。尚、振動基板３１としては、ＡＴカット水晶基板、ＳＣカット水晶基板、ＢＴカット水晶基板等が用いられる。

【0010】

パッケージ１０は、基板１１と、基板１１に接合されているリッド１２と、を有し、基板１１とリッド１２との間に形成されている内部空間２９に振動素子３０を収納している。
基板１１は、単結晶シリコンを含む半導体基板であり、特に、本実施形態ではシリコン基板である。尚、基板１１としては、特に限定されず、シリコン以外の半導体基板、例えば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ガリウム、炭化珪素等の半導体基板を用いてもよいし、セラミック基板のような半導体基板以外の基板を用いてもよい。

【0011】

基板１１は、板状であり、振動素子３０が配置されている第１面１１ａと、第１面１１ａの反対側に位置している第２面１１ｂと、を有する。また、基板１１のリッド１２との接合領域を除く表面には、絶縁膜１７が形成されている。尚、絶縁膜１７は、基板１１を熱酸化することにより形成することができる。

【0012】

基板１１の第１面１１ａには、絶縁膜１８に形成されたヒーター１４及び温度センサー１５と、温度制御回路１６Ａを備える回路１６と、を電気的に接続し、絶縁膜１８の上に接合された振動素子３０と、発振回路１６Ｂを備える回路１６と、を電気的に接続する複数の配線１９が配置されている。また、絶縁膜１７及び配線１９の上にヒーター１４、温度センサー１５、及び回路１６を形成する絶縁膜１８が配置されている。更に、図２及び図３に示すように、ヒーター１４と重なる位置の絶縁膜１８の上に導電性接合部材２５を介して振動素子３０を接合する接合端子２３が配置されている。振動素子３０の基板１１への接合とは、具体的には、基板１１上に設けられた接合端子２３と、振動素子３０の第１接合部３５において基板１１と対向する面に設けられた電極端子３４と、を導電性接合部材２５により接合することである。

【0013】

本実施形態では、第１面１１ａに直交する方向であるＺ方向からの平面視において、振動素子３０を接合する接合端子２３がヒーター１４と重なる位置に配置されているため、電極端子３４が設けられている振動素子３０の第１接合部３５をヒーター１４と重なるように配置することができる。そのため、ヒーター１４の熱が効率良く振動素子３０に伝わるので、高精度な温度制御が可能となり、発振周波数精度を向上させることができる。

【0014】

回路１６は、温度センサー１５の出力に基づいてヒーター１４を制御する温度制御回路１６Ａと、振動素子３０の出力信号を増幅し、増幅した信号を振動素子３０にフィードバックすることにより振動素子３０を発振させる発振回路１６Ｂと、を備えている。
温度制御回路１６Ａは、温度センサー１５から出力される温度情報に基づいてヒーター１４を流れる電流量を制御することにより、振動素子３０を一定温度に保つための回路である。例えば、温度制御回路１６Ａは、温度センサー１５の出力信号から判定される現在の温度が設定された基準温度よりも低い場合には、ヒーター１４に所望の電流を流し、現在の温度が基準温度よりも高い場合にはヒーター１４に電流が流れないように制御する。

【0015】

尚、本実施形態では、回路１６を第１面１１ａ側に配置しているが、第２面１１ｂ側に配置しても構わない。また、回路１６に温度センサー１５から出力される温度情報に基づいて、発振回路１６Ｂの発振信号の周波数変動が振動素子３０自身の周波数温度特性よりも小さくなるように温度補償する温度補償回路を備えていても構わない。

【0016】

基板１１の第２面１１ｂには、第１面１１ａ側に設けられた回路１６と配線１９等を介して電気的に接続されている複数の外部端子２２が形成されている。

【0017】

また、基板１１には、基板１１を厚さ方向に貫通する一対の貫通孔２０が形成されている。貫通孔２０内には導電性材料が充填され、貫通電極２１が形成されている。そのため、外部端子２２は、貫通電極２１及び配線１９を介して回路１６と電気的に接続され、外部端子２２から通電することで、発振回路１６Ｂから振動素子３０の励振電極３２に電圧が印加され、振動素子３０を発振させることができる。また、発振回路１６Ｂから出力される発振信号を外部端子２２から外部へ出力することができる。

【0018】

リッド１２は、基板１１と同様、シリコン基板である。これにより、基板１１とリッド１２との線膨張係数が等しくなり、熱膨張に起因する熱応力の発生が抑えられ、優れた振動特性を有する振動デバイス１となる。また、振動デバイス１を半導体プロセスによって形成することができるため、振動デバイス１を精度よく製造することができるとともに、その小型化を図ることができる。ただし、リッド１２としては、特に限定されず、シリコン以外の半導体基板、例えば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化ガリウム、窒化ガリウム、炭化珪素等の半導体基板を用いてもよい。また、例えば、コバール等の金属基板、ガラス基板等の半導体基板以外の基板を用いることもできる。

【0019】

リッド１２は、基板１１側に開口し、内部に振動素子３０を収納する有底の凹部２７を有する。そして、リッド１２は、その下面において接合部材１３を介して基板１１に接合されている。これにより、リッド１２は、基板１１とともに振動素子３０を収納する内部空間２９を形成する。尚、基板１１とリッド１２との接合方法としては、接合部材１３を介さず、基板１１やリッド１２に含む金属同士の拡散を利用した拡散接合等の接合方法でも構わない。

【0020】

また、内部空間２９は、気密であり、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態となっている。これにより、粘性抵抗が減り、振動素子３０の発振特性が向上する。ただし、内部空間２９の雰囲気は、特に限定されず、例えば、窒素又はアルゴン等の不活性ガスを封入した雰囲気であってもよく、減圧状態でなく大気圧状態又は加圧状態となっていてもよい。

【0021】

以上述べたように本実施形態の振動デバイス１は、振動素子３０の第１接合部３５が、Ｚ方向からの平面視において、ヒーター１４と重なるように配置されているため、ヒーター１４の熱が効率良く振動素子３０に伝わる。そのため、振動素子３０を高精度に温度制御することができ、振動デバイス１から出力する発振周波数精度を向上させることができる。

【0022】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る振動デバイス１ａについて、図４及び図５を参照して説明する。尚、図４において、振動デバイス１ａの内部構成を説明する便宜上、リッド１２と振動素子３０とを取り外した状態を図示している。

【0023】

本実施形態の振動デバイス１ａは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、温度センサー１５ａの配置位置及びヒーター１４ａの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。

【0024】

振動デバイス１ａは、図４及び図５に示すように、基板１１の第１面１１ａ側に、振動素子３０、ヒーター１４ａ、温度センサー１５ａ、及び回路１６を有する。

【0025】

ヒーター１４ａは、図４に示すように、Ｚ方向からの平面視において、温度センサー１５ａを取り囲むパターン形状をしている。
温度センサー１５ａは、Ｚ方向からの平面視において、基板１１の略中央に位置し、ヒーター１４ａによって囲まれて配置されている。

【0026】

このような構成とすることで、振動素子３０とヒーター１４ａと温度センサー１５ａとの温度差をより抑えることができ、第１実施形態の振動デバイス１と同様の効果を得ることができる。

【0027】

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る振動デバイス１ｂについて、図６、図７、及び図８を参照して説明する。尚、図６において、振動デバイス１ｂの内部構成を説明する便宜上、リッド１２を取り外した状態を図示している。また、図８において、振動デバイス１ｂの内部構成を説明する便宜上、リッド１２と振動素子３０ｂとを取り外した状態を図示している。

【0028】

本実施形態の振動デバイス１ｂは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、基板１１の振動素子３０ｂとの接合位置が３ヶ所であり、振動素子３０ｂ及びヒーター１４ｂの形状と、温度センサー１５ｂの配置位置と、が異なること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。

【0029】

振動デバイス１ｂは、図６及び図７に示すように、基板１１の第１面１１ａ側に、振動素子３０ｂ、ヒーター１４ｂ、温度センサー１５ｂ、及び回路１６を有する。

【0030】

振動素子３０ｂは、Ｚ方向からの平面視において、振動部３６を挟んで第１接合部３５と反対側に配置され、ヒーター１４ｂと重なるように配置された第２接合部３７を有する。第２接合部３７の基板１１と対向する面に設けられた電極端子３８と、基板１１上に設けられた接合端子２４と、が導電性接合部材２５を介して接合されている。従って、振動素子３０ｂは、第１接合部３５の２ヶ所と第２接合部３７の１ヶ所の計３ヶ所で基板１１に接合されている。

【0031】

ヒーター１４ｂは、図８に示すように、Ｚ方向からの平面視において、振動素子３０ｂを接合するための３つの接合端子２３，２４を取り囲むパターン形状をしている。
温度センサー１５ｂは、ヒーター１４ｂのＸ方向マイナス側に配置されている。

【0032】

このような構成とすることで、基板１１に接合する第１接合部３５の２ヶ所と、振動部３６を挟んで第１接合部３５と反対側に配置された第２接合部３７の１ヶ所と、からヒーター１４ｂの熱が伝わるので、振動素子３０ｂ内の温度ムラを抑制することができる。また、振動素子３０ｂを３ヶ所で保持するので、落下衝撃等に対する耐衝撃性を向上させることができ、第１実施形態の振動デバイス１と同様の効果を得ることができる。

【0033】

４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る振動デバイス１ｃについて、図９及び図１０を参照して説明する。尚、図９において、振動デバイス１ｃの内部構成を説明する便宜上、リッド１２を取り外した状態を図示している。

【0034】

本実施形態の振動デバイス１ｃは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、回路１６ｃが第２面１１ｂ側に配置され、ヒーター１４と電気的に接続する第１貫通電極２１ａ、温度センサー１５と電気的に接続する第２貫通電極２１ｂ、及び振動素子３０と電気的に接続する第３貫通電極２１ｃが基板１１ｃに設けられ、回路１６ｃを覆う絶縁層４０が設けられていること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。

【0035】

振動デバイス１ｃは、図９及び図１０に示すように、パッケージ１０ｃを構成する基板１１ｃの第２面１１ｂ側に温度制御回路１６Ａと発振回路１６Ｂとを備える回路１６ｃが設けられている。回路１６ｃの上には、回路１６ｃを覆う絶縁層４０が設けられている。尚、絶縁層４０は、パッシベーション膜として作用し、窒化シリコン、酸化シリコン、及びポリイミドのような有機物材料等が用いられる。

【0036】

基板１１ｃは、第１面１１ａと第２面１１ｂとを貫通する貫通孔２０ａに設けられたヒーター１４と回路１６ｃとを電気的に接続している第１貫通電極２１ａと、第１面１１ａと第２面１１ｂとを貫通する貫通孔２０ｂに設けられた温度センサー１５と回路１６ｃとを電気的に接続している第２貫通電極２１ｂと、第１面１１ａと第２面１１ｂとを貫通する貫通孔２０ｃに設けられた振動素子３０と回路１６ｃとを電気的に接続している第３貫通電極２１ｃと、を有する。

【0037】

このような構成とすることで、ヒーター１４、温度センサー１５、及び振動素子３０と回路１６ｃとの電気的な接続が容易となる。また、ヒーター１４、温度センサー１５、及び振動素子３０と回路１６ｃとを電気的に接続するために、内部空間２９内から基板１１ｃ外に配線を引き回す必要がない。そのため、内部空間２９の気密性をより確実に確保することができる。また、絶縁層４０で回路１６ｃを覆うことで、振動素子３０の熱が基板１１ｃを介して外部に放出されるのを効果的に抑制することができる。そのため、振動素子３０の温度をより一定に保ち易くなるとともに、ヒーター１４の消費電力を低減することができ、第１実施形態の振動デバイス１と同様の効果を得ることができる。

【0038】

５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る振動デバイス１ｄについて、図１１及び図１２を参照して説明する。尚、図１１において、振動デバイス１ｄの内部構成を説明する便宜上、リッド１２ｄを取り外した状態を図示している。

【0039】

本実施形態の振動デバイス１ｄは、第１実施形態の振動デバイス１に比べ、リッド１２ｄの振動素子３０を収納する側の面２８に断熱層２６が設けられていること以外は、第１実施形態の振動デバイス１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。

【0040】

振動デバイス１ｄは、図１１及び図１２に示すように、パッケージ１０ｄを構成するリッド１２ｄの振動素子３０を収納する側の面２８に断熱層２６が設けられている。尚、断熱層２６は、基板１１やリッド１２ｄより熱伝導率が低い材料から構成されている。このような断熱層２６としては、酸化シリコン、多孔質ポリイミド等の多孔質樹脂材料、及び各種ガラス材料、シリカエアロゲル等の無機多孔質材料等が用いられる。

【0041】

このような構成とすることで、断熱層２６によって、振動素子３０の温度をより一定に保ち易くなるとともに、ヒーター１４の消費電力を低減することができ、第１実施形態の振動デバイス１と同様の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0042】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…振動デバイス、１０…パッケージ、１１…基板、１１ａ…第１面、１１ｂ…第２面、１２…リッド、１３…接合部材、１４…ヒーター、１５…温度センサー、１６…回路、１６Ａ…温度制御回路、１６Ｂ…発振回路、１７…絶縁膜、１８…絶縁膜、１９…配線、２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…貫通孔、２１…貫通電極、２１ａ…第１貫通電極、２１ｂ…第２貫通電極、２１ｃ…第３貫通電極、２２…外部端子、２３，２４…接合端子、２５…導電性接合部材、２６…断熱層、２７…凹部、２８…面、２９…内部空間、３０…振動素子、３１…振動基板、３２…励振電極、３３…リード電極、３４…電極端子、３５…第１接合部、３６…振動部、３７…第２接合部、３８…電極端子、４０…絶縁層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】