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(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】P2023101879
(43)【公開日】2023-07-24
(54)【発明の名称】水晶デバイス
(51)【国際特許分類】
   H03H 9/02 20060101AFI20230714BHJP
   H03B 5/32 20060101ALI20230714BHJP
【FI】
H03H9/02 A
H03B5/32 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022002080
(22)【出願日】2022-01-11
(71)【出願人】
【識別番号】000232483
【氏名又は名称】日本電波工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100093104
【弁理士】
【氏名又は名称】船津 暢宏
(72)【発明者】
【氏名】阿部 朋仁
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 孝文
【テーマコード(参考)】
5J079
5J108
【Fターム(参考)】
5J079AA04
5J079BA43
5J079HA09
5J108BB02
5J108CC04
5J108DD02
5J108EE03
5J108EE07
5J108GG03
5J108GG16
(57)【要約】      (修正有)
【課題】クリスタルインピーダンス(CI)特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できる水晶デバイス、水晶振動子並びに水晶デバイスを備えた水晶振動子及び水晶発振器を提供する。
【解決手段】水晶デバイスは、パッケージ10と、ブランク20aと、を有する。パッケージ10は、ブランク20aが搭載される台座11を備える。ブランク20aは、台座11の凹部底面の表面に形成された第2のパターン部11a2、11b2、11c2、11d2に4点で接着される。ブランク20aの平面の面積は、パッケージ10の平面の面積に対して10%以上30%以下である。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
パッケージ内に水晶のブランクを搭載する水晶デバイスであって、
前記パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対して前記ブランクの搭載面の平面の面積を10%以上30%以下としたことを特徴とする水晶デバイス。
【請求項2】
パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランクの搭載面の平面の面積を13%以上18%以下としたことを特徴とする請求項1記載の水晶デバイス。
【請求項3】
ブランクを搭載する台座を備え、
パッケージの内側平面には、四隅に設けられた第1のパターン部と、前記第1のパターン部に接続し、前記内側平面の中心に向けて延び、前記台座が搭載される第2のパターン部とを有することを特徴とする請求項1又は2記載の水晶デバイス。
【請求項4】
請求項1乃至3のいずれか記載の水晶デバイスを備えたことを特徴とする水晶振動子。
【請求項5】
発振周波数を増幅する発振回路と、請求項1乃至3のいずれか記載の水晶デバイスとを備えたことを特徴とする水晶発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、水晶デバイスに係り、特にクリスタルインピーダンス(CI:Crystal Impedance)特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減する水晶デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
[先行技術の説明]
セラミックパッケージに水晶片を実装した水晶デバイスには、パッケージに固定された台座の上に水晶片を搭載した台座付き水晶デバイスがある。
台座付き水晶デバイスでは、水晶片と台座とを接着剤を用いて4点で接着固定するものがあった。
【0003】
このような台座付の水晶デバイスでは、低加速度感度仕様となっているため、振動ノイズの低減が重要であるが、水晶特性(定数・CI等)も満足する設計にする必要がある。
【0004】
近年、急速に普及している第5世代(5G)通信の基地局では、内部のデジタル部、集約部の小型化に伴い、設置環境も多様化している。
このような設置環境の変化や小型化により、風や冷却ファンによる振動が水晶振動子に及ぼす影響が課題となっている。
【0005】
また、4K/8K映像通信、車載通信機器及びIoT(Internet of Things)など、情報通信の進歩は目覚ましく、これらの高速通信を支えるためには、環境による特性劣化が少ない高安定、高品質な振動子が要求されている。
【0006】
[ブランクサイズとCI特性:図6
図6は、水晶振動子のブランク(BK)面積(サイズ)とCI特性との関係を示す説明図である。
図6に示すように、ブランクサイズが小さい程、CI特性(S1)が悪く、ブランクサイズが大きい程、CI特性(S1)が良くなっている。図6で中央の太線が製品に対して要求されるライン(要求Spec.)であり、その太線より上側はCI特性が要求を満たさず、太線の下側はCI特性を満たすものとなっている。
尚、CIバラつき(S2)もブランクサイズに対して同様の傾向を示している。
【0007】
そして、通常、ブランクサイズが小さい程、振動ノイズに対して良好であり、ブランクサイズが大きい程、振動ノイズによる影響を受けて劣化するものとなっている。
つまり、振動ノイズ特性は、ブランクサイズが小さい程有利であるが、CI特性は劣化するものとなる。振動ノイズとCI特性がトレードオフの関係にあることが分かる。
【0008】
[関連技術]
尚、台座付き水晶デバイスに関する従来技術としては、特開2019-057871号公報「水晶デバイス」(特許文献1)がある。
特許文献1には、台座を用いて、特性向上及びコスト低減を図りやすい構造とした水晶デバイスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特開2019-057871号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
上述したように、ブランクサイズによって振動ノイズとCI特性がトレードオフの関係にあり、CI特性を改善しつつ、振動ノイズの影響を抑える水晶デバイスを設計することは難しいという問題点があった。
【0011】
尚、特許文献1には、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できることについては記載されていない。
【0012】
本発明は上記実状に鑑みて為されたもので、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できる水晶デバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、パッケージ内に水晶のブランクを搭載する水晶デバイスであって、パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランクの搭載面の平面の面積を10%以上30%以下としたことを特徴とする。
【0014】
本発明は、上記水晶デバイスにおいて、パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランクの搭載面の平面の面積を13%以上18%以下としたことを特徴とする。
【0015】
本発明は、上記水晶デバイスにおいて、ブランクを搭載する台座を備え、パッケージの内側平面には、四隅に設けられた第1のパターン部と、第1のパターン部に接続し、内側平面の中心に向けて延び、台座が搭載される第2のパターン部とを有することを特徴とする。
【0016】
本発明は、水晶振動子において、上記水晶デバイスを備えたことを特徴とする。
【0017】
本発明は、水晶発振器において、発振周波数を増幅する発振回路と、上記水晶デバイスとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランクの搭載面の平面の面積を10%以上20%以下とした水晶デバイスとしているので、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0019】
図1】水晶デバイス(1)の構成を示す平面図である。
図2】水晶デバイス(2)の構成を示す平面図である。
図3】水晶デバイス(3)の構成を示す平面図である。
図4】振動ノイズ特性を示す説明図である。
図5】CI特性を示す説明図である。
図6】ブランクサイズとCI特性を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
[実施の形態の概要]
本発明の実施の形態に係る水晶デバイス(本水晶デバイス)は、パッケージ内に水晶片(ブランク)が搭載される台座を備え、ブランクが台座に4点で接着され、パッケージの幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランクの搭載面の平面の面積を10%以上30%以下としたものであり、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できるものである。
【0021】
特に、本水晶デバイスは、パッケージの平面の面積に対してブランクの平面の面積を13%以上18%以下としたものが、より効果的である。
【0022】
[本水晶デバイスの構成:図1~3]
本水晶デバイスについて、図1~3を参照しながら説明する。図1は、水晶デバイス(1)の構成を示す平面図であり、図2は、水晶デバイス(2)の構成を示す平面図であり、図3は、水晶デバイス(3)の構成を示す平面図である。
本水晶デバイスは、パッケージが幅(W)3.2mm、奥行き(D)2.5mm、高さ(H)0.72mmのサイズであり、幅と奥行きで特定されるパッケージの平面(以下、単に「パッケージの平面)とする)の面積(3.8mm×2.5mm)に対してブランクの搭載面の平面(以下。単に「ブランクの平面」とする)の面積の割合を10%以上30%以下としたものである。
【0023】
尚、水晶デバイス(1)ではブランク20a、水晶デバイス(2)ではブランク20b、水晶デバイス(3)ではブランク20cとして説明するが、それらをまとめてブランク20と記載することがある。
【0024】
[水晶デバイス(1):図1
本水晶デバイスにおける第1のデバイス(水晶デバイス(1))について図1を参照しながら説明する。
水晶デバイス(1)は、図1に示すように、パッケージ10の内部に凹部を備え、凹部の底面の表面に第1のパターン部11a1,11b1,11c1,11d1と第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2が形成され、第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2の上に台座11が設けられ、台座11上に水晶片(ブランク)20aが設けられ、ブランク20aは接着剤30によって台座11を介して第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2に固定されている。
つまり、ブランク20aは4点で台座11の表面に、台座11の裏面は接着剤30が塗布されて第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2に接着されている。
【0025】
パッケージ10は、セラミック等の絶縁材料が積層された構成であり、ブランク20aを収納する凹部を備える。
台座11は、パッケージ10と同じ材料又は水晶等の絶縁材料で形成され、ブランク20aが第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2を介して搭載される。
【0026】
第1のパターン部11a1,11b1,11c1,11d1は、パッケージ10の内側に凹部(収納部)の平面の四隅に略矩形形状で形成され、11a1が直近の凹部の角部に、11c1が直近の凹部の角部に接続され、当該角部から配線パターンに接続されている。
また、第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2は、第1のパターン部11a1,11b1,11c1,11d1の上記平面の中心に近い角部に接続して略矩形形状で形成されている。つまり、第2のパターン部は、第1のパターン部から平面の中心に向けて延びるように形成されている。
また、第2のパターン部11a2と第2のパターン部11d2は、台座11の長辺に沿って接続されている。第2のパターン部11b2と第2のパターン部11c2は、台座11の長辺に沿って接続されている。
接着剤30は、導電性接着剤又は非導電性接着剤であり、ブランク20aを、台座11を介して第2のパターン部11a2,11b2,11c2,11d2に固定する。
【0027】
ブランク20aは、略矩形形状であり、表面に励振電極21aが形成され、裏面に励振電極21bが形成されている。
表面の励振電極21aの引き出し部22aは、図1の左側の短辺方向に引き出されている。
裏面の励振電極21bは図1では見えていないが、引き出し部22bが左側の短辺方向に引き出されている。
【0028】
ブランク20aは、左側の第2のパターン部11a2,11b2で2か所、右側の第2のパターン部11c2,11d2で2か所が接着剤30によって固定されている。
尚、第1のパターン部11a1 は凹部の角部(図1の左下の角部)の配線パターンに接続し、第2のパターン部11b2は第2のパターン部11c2、第1のパターン部11c1を介して凹部の角部(図1の右上の角部)の配線パターンに接続している。
ブランク20aに形成された励振電極21a,21bの引き出し部22a,22bと導電性接着剤により第2のパターン部11a1,11b1に接続され、最終的に配線パターンに接続する。そして、配線パターンは、発振用のICに接続される。
ブランク20aと第2のパターン部11c2,11d2との接続は、非導電性接着剤でもよい。
【0029】
ここで、パッケージ10の平面は、3.2mm×2.5mmの面積であり、水晶デバイス(1)のブランク20aの平面のサイズは、0.975mm×1.240mmの面積であるので、ブランク20aの平面の面積/パッケージ10の平面の面積の割合は、約15.1%である。
【0030】
[水晶デバイス(2):図2
本水晶デバイスにおける第2のデバイス(水晶デバイス(2))は、図1に示した本水晶デバイス(1)とほぼ同様であるが、搭載するブランク20bを小型化している。
ブランク20bの小型化に伴い、励振電極21a,21b及び引き出し電極22a,22bも小型化している。
【0031】
ここで、パッケージ10の平面は、3.2mm×2.5mmの面積であり、水晶デバイス(2)のブランク20bの平面のサイズは、0.852mm×0.968mmの面積であるので、ブランク20bの平面の面積/パッケージ10の平面の面積の割合は、約10.3%である。
【0032】
[水晶デバイス(3):図3
本水晶デバイスにおける第3のデバイス(水晶デバイス(3))は、図3に示すように、図1の水晶デバイス(1)よりブランク20cを広く(大型化)している。無論、ブランク20cは、パッケージ10の凹部に収納できる大きさである。
ブランク20cの大型化に伴い、第2のパターン部を設けず、凹部底面の表面には第1のパターン部11a1,11b1,11c1,11d1を設けている。
そして、その第1のパターン部11a1,11b1,11c1,11d1の上に搭載される台座11の四隅の表裏には矩形上の電極パターン11a3,11b3,11c3,11d3が形成され、その台座11の上にブランク20cが搭載され、引き出し部22a,22bが電極パターン11a3,11b3に接続している。
【0033】
ここで、パッケージ10の平面は、3.2mm×2.5mmの面積であり、水晶デバイス(3)のブランク20cの平面のサイズは、1.252mm×1.800mmの面積であるので、ブランク20cの平面の面積/パッケージ10の平面の面積の割合は、約28.2%である。
【0034】
[振動ノイズ特性:図4
次に、本水晶デバイスにおける振動ノイズ特性について図4を参照しながら説明する。図4は、振動ノイズ特性を示す説明図である。尚、図4(1)は、図1の水晶デバイス(1)の振動ノイズ特性であり、図4(2)は、図2の水晶デバイス(2)の振動ノイズ特性であり、図4(3)は、図3の水晶デバイス(3)の振動ノイズ特性である。
【0035】
図4において、楕円で囲んだ部分がスプリアスであり、ブランクサイズが最も小さい水晶デバイス(2)は、スプリアスが発生しておらず、振動ノイズ特性がよい。
次に、水晶デバイス(1)は、スプリアスが発生しているものの、ブランクサイズが最も大きい水晶デバイス(3)に比べてスプリアスが小さく、振動ノイズ特性がよい。
つまり、振動ノイズ特性は、水晶デバイス(3)、水晶デバイス(1)、水晶デバイス(2)の順に良くなっている。
【0036】
[CI特性:図5
次に、本水晶デバイスにおけるCI特性について図5を参照しながら説明する。図5は、CI特性を示す説明図である。尚、図5(1)は、図1の水晶デバイス(1)のCI特性であり、図5(2)は、図2の水晶デバイス(2)のCI特性であり、図5(3)は、図3の水晶デバイス(3)のCI特性である。図5の各図は、横軸が抵抗値[Ω]であり、縦軸が抵抗値における発生頻度(回数)を示している。
【0037】
図5において、CI特性が良いのは、図5(3)の水晶デバイス(3)であり、次に図5(1)の水晶デバイス(1)であり、最後に図5(2)の水晶デバイス(2)の順となっている。
【0038】
以上のように、振動ノイズ特性が良い順は、水晶デバイス(2)、水晶デバイス(1)、水晶デバイス(3)であり、CI特性が良い順は、水晶デバイス(3)、水晶デバイス(1)、水晶デバイス(2)であある。
よって、振動ノイズ特性が良く、CI特性が良い水晶デバイスは、水晶デバイス(1)ということになる。
水晶デバイス(1)は、ブランクサイズが幅(横)1.240mm×奥行き(縦)0.975mmの面積(1.209mm2 )であり、パッケージの幅(横)3.2mm×奥行(縦)2.5mmの面積(8mm2 )であるので、ブランク20aの平面の面積/パッケージ10の平面の面積の割合は、約15.1%となる。この割合が約13%以上18%以下であれば、水晶デバイス(1)とほぼ同様の効果が得られるものである。
【0039】
尚、ブランク20の平面の面積/パッケージ10の平面の面積の割合は、振動ノイズ特性とCI特性のバランスを考慮して、水晶デバイス(1)~(3)を含むように、約10%以上30%以下の範囲で任意に定めることができる。
【0040】
[製品への応用]
尚、本実施の形態では、水晶振動子を例として説明したが、パッケージ10の凹部内の台座11の下側にICを設けた発振器や、H型パッケージの2つの凹部の一方にブランク20を搭載し、他方にICを設けた発振器にも適用可能である。
例えば、TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator;温度補償水晶発振器)、ICXO(クロック用水晶発振器)、SPXO(Simple Packaged Crystal Oscillator;パッケージ水晶発振器)、VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator;電圧制御水晶発振器)に適用できるものである。
【0041】
[実施の形態の効果]
本水晶デバイスによれば、パッケージ10内にブランク20が搭載される台座11を備え、ブランク20が凹部の底面表面に形成された第2のパターン11a2,11b2,11c2,11d2に4点で台座11を介して接着され、パッケージ10の幅と奥行きで特定される平面の面積に対してブランク20の搭載面の平面の面積を10%以上30%以下としているので、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できるものである。
【0042】
特に、本水晶デバイスによれば、パッケージ10の平面の面積に対してブランク20の平面の面積を13%以上18%以下としているので、更にCI特性を改善し、振動ノイズによる劣化を低減できる効果的がある。
【産業上の利用可能性】
【0043】
本発明は、CI特性を改善すると共に振動ノイズによる劣化を低減できる水晶デバイスに適している。
【符号の説明】
【0044】
10…パッケージ、 11…台座、 11a1,11b1,11c1,11d1…第1のパターン部、 11a2,11b2,11c2,11d2…第2のパターン部、 11a3,11b3,11c3,11d3…電極パターン、 20,20a,20b,20c…水晶片(ブランク)、 21a,21b…励振電極、 22a、22b…引き出し部、 30…接着剤
図1
図2
図3
図4
図5
図6