(57)【要約】【課題】温度等の外部環境の変化に対する振動周波数のずれを低減させることができると共に、小型化が可能な圧電デバイスを提供することである。【解決手段】圧電振動子２２と、その駆動用の半導体回路素子２３と、これらを搭載するパッケージ２４とを備えた圧電デバイス２１において、前記圧電振動子２２が１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚのラーメ振動による固有振動周波数を有し、振動の節点から長く延びる支持腕部を介してパッケージに支持される圧電振動部２５を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動子と、その駆動用半導体回路素子と、これらを搭載するパッケージとを備えた圧電デバイスにおいて、
前記圧電振動子が１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚのラーメ振動による固有振動周波数を有する圧電振動部を備えたことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記圧電振動部が振動の節点を端部に有し、この節点から外方向に長く延びる支持腕部を介してパッケージに支持される請求項１記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記圧電振動子から得られる振動周波数を分周して３２．７６８ｋＨｚの基準クロック周波数を出力する請求項１又は２記載の圧電デバイス。
【請求項４】
Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶結晶から所定のカット角で切り出された水晶振動子と、その駆動用半導体回路素子と、これらを搭載するパッケージとを備えた圧電デバイスにおいて、
前記水晶振動子がＸＺ面からなるＹ板を−４０°〜−６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、さらに、この回転で得られるＸＺ’面からなるＹ’板を４０°〜５０°の範囲で平面回転させて得られるラーメ振動モードの圧電振動部を備えた圧電デバイス。
【請求項５】
前記水晶振動子がＸＺ面からなるＹ板を４０°〜６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、さらに、この回転で得られるＸＺ’面からなるＹ’板を４０°〜５０°の範囲で平面回転させて得られる幅・長さ縦結合振動モードの圧電振動部を備えた請求項４記載の圧電デバイス。
【請求項６】
前記圧電振動部が１．０４８５７６ＭＨｚ，２．０９７１５２ＭＨｚまたは４．１９４３０４ＭＨｚのいずれかの固有振動周波数を有する請求項４又は５記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記固有振動周波数と、この固有振動周波数を分周して得られる３２．７６８ｋＨｚのクロック周波数とを出力する請求項６記載の圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動子とこの圧電振動子を駆動制御する半導体回路素子とでパッケージされ、各種電子機器のクロック源として組み込まれる圧電デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータやＯＡ機器あるいは通信機器等の様々な電子機器の時計機能やカレンダー機能を実現するデバイスとして、特許文献１に示されているようなリアルタイムクロックモジュール（圧電デバイス）がある。この圧電デバイス１は、図９に示すように、圧電振動子２とこの圧電振動子２を駆動制御する半導体回路素子３とを同一のパッケージ４に収納したものである。前記圧電振動子２には基準振動周波数を発する音叉型の水晶振動片が用いられ、前記パッケージ４内に設けたマウント電極部７に端子電極部６を接合して片持ち支持される。半導体回路素子３は、発振回路、分周回路及び日付時刻を管理制御する制御回路が内蔵されており、前記圧電振動子２で発生した振動を電気信号に変換して、時計やカレンダー機能を実現させている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−５１７１９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の情報化の進展に伴い、各電子機器の時刻管理や機器間の同期を高精度に行う必要が生じている。しかしながら、このような電子機器を動作させるためのクロック源である圧電振動子２は、温度等の外部環境の変化によって振動周波数にずれが生ずるため、半導体回路素子３に内蔵されている時計やカレンダー機能に誤差を生じさせてしまう場合がある。このような誤差は、ある基準温度において振動周波数にずれを生じさせる常温偏差と、温度変化に応じて振動周波数が変化する周波数温度特性が関係している。前記常温偏差に関しては、圧電振動子２の製造工程において、電極の重さを調整することで略ゼロに抑え込むことができるが、周波数温度特性は、圧電振動子２の固有の特性が左右するため、後から調整することは困難である。
【０００５】
上記問題点を改善するために、周波数温度特性の良好な厚みすべり振動モードの圧電振動子２を備えた圧電デバイスがあるが、２ＭＨｚ程度の振動周波数を得るためには振動片のサイズが大きくなり、パッケージの小型化が図られない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、温度等の外部環境の変化に対する振動周波数のずれを低減させることができると共に、小型化が可能な圧電デバイスを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る圧電デバイスは、圧電振動子と、その駆動用半導体回路素子と、これらを搭載するパッケージとを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電振動子が１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚのラーメ振動による固有振動周波数を有する圧電振動部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、圧電振動子が周波数温度特性の優れたラーメ振動モードの圧電振動部によって形成されているため、周囲の温度変化による影響を受けにくくなり、振動周波数のずれ幅を小さく抑えることができる。これによって、駆動用半導体回路素子での信号処理が高精度となり、時計やカレンダー機能をより正確に実行させることができる。また、前記ラーメ振動モードの圧電振動部によれば、その設計サイズに応じて１ＭＨｚ以上の振動周波数を得ることができ、さらに小型化も容易となる。
【０００９】
また、前記圧電振動部がその節点から外方向に長く延ばした支持腕部を介してパッケージに支持することができるため、前記圧電振動部で発生する輪郭振動に対する抵抗力を小さく抑えることができる。このため、等価直列抵抗値を低減させると共に、パッケージとの熱膨張差で生じる圧電振動部の歪みを緩和させることができ、広い温度範囲に亘って安定した振動周波数を得ることができる。
【００１０】
また、前記圧電振動部が１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚの固有振動周波数を備えることで、３２．７６８ｋＨｚの基準クロック周波数を分周によって容易に生成させることができる。
【００１１】
前記圧電振動子は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる三次元の結晶方位を有する水晶結晶のＸＺ面からなるＹ板を−４０°〜−６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、この回転によるＸＺ’面からなるＹ’板を４０°〜５０°の範囲で平面回転させて得られるラーメ振動モード、あるいは、Ｙ板を前記回転方向と逆の４０°〜６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させて得られる幅・長さ縦結合振動モードのうちのいずれか適した振動モードを選択して使用することができる。
【００１２】
前記圧電振動子をラーメ振動モードや幅・長さ縦結合振動モードによって形成することで、温度変化に対する振動周波数ずれの少ない圧電デバイスとなる。また、前記振動モードの圧電振動子は、１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚといった比較的高い固有振動周波数を得ることが可能であるため、３２．７６８ｋＨｚのクロック周波数をはじめとする種々の振動周波数を生成させることができる。
【００１３】
さらに、前記固有振動周波数を直接あるいは分周して出力させることができるので、クロック周波数の供給用途以外に、様々な周波数で動作する外部回路のクロック源も供給可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明に係る圧電デバイスの実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１及び図２は、本発明に係る圧電デバイス２１の基本構成を示したものである。この圧電デバイス２１は、輪郭系の振動モードを備えた圧電振動子２２と、この圧電振動子２２を駆動制御する半導体回路素子２３が同一パッケージ２４の上下に分けて組み込み形成されたものである。前記パッケージ２４は、セラミックで形成され、中央部に半導体回路素子２３を実装する四角形状の凹部２４ａと、この凹部２４ａの外周部に圧電振動子２２を載置する段部２４ｂとを備えている。前記半導体回路素子２３は、圧電振動子２２の機械的振動を電気信号に変換し、所定の周期に分周する分周回路部と、時計やカレンダー機能を実現するためのプログラムを格納したメモリ部と、全体の制御を行うＣＰＵ部とで構成されている。
【００１６】
前記圧電振動子２２は、ラーメ振動モードを伴う四角形状の圧電振動部２５と、この圧電振動部２５を四隅の節点（２５ａ〜２５ｄ）から延びる支持腕部２８を介して繋がる一対の基部２６ａ，２６ｂとで平板状に形成されている。この圧電振動子２２は、図３に示すように、Ｘ軸（電気軸），Ｙ軸（機械軸），Ｚ軸（光軸）からなる三次元の結晶方位を有する水晶結晶にあって、ＸＺ面からなるＹ板を−４０°〜−６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、さらに、この回転で得られたＸＺ’面（Ｙ’板）を４０°〜５０°の範囲で平面回転させて形成されたカット基板が使用される。このようなカット基板の代表的なものにＬＱ２Ｔカット基板がある。
【００１７】
また、前記圧電振動子２２は、幅・長さ縦結合振動モードとして形成することもできる。このような幅・長さ縦結合振動モードにする場合は、図４に示されるように、ＸＺ面からなるＹ板を４０°〜６０°の範囲でＸ軸を中心に回転させ、さらに、この回転で得られたＸＺ’面（Ｙ’板）を４０°〜５０°の範囲で平面回転させて形成されたカット基板が使用される。このカット基板の代表的なものにＮＳ−ＧＴカット基板がある。
【００１８】
また、前記圧電振動部２５の表面及び裏面の略全面には独立した励振電極パターンが形成され、この電極パターンが各支持腕部２８を通って基部２６ａ，２６ｂに延びている。この基部２６ａ，２６ｂは、前記圧電振動部２５をパッケージ２４に支持すると共に、半導体回路素子２３と導通する端子電極を兼ねている。圧電振動子２２は、半導体回路素子２３を実装したパッケージ２４の段部２４ｂに設けたマウント電極部２７に前記基部２６ａ，２６ｂを載置し、導電性接着剤を介して接続される。このようにして、半導体回路素子２３及び圧電振動子２２の実装を終えた後、パッケージ２４の上部に蓋体３０を装着して密封封止される。
【００１９】
本実施形態の圧電デバイス２１では、３２．７６８ｋＨｚの基準クロック周波数あるいはその整数倍のクロック周波数を容易に得るために、１ＭＨｚ〜４．２ＭＨｚの中の１．０４８５７６ＭＨｚ，２．０９７１５２ＭＨｚ又は４．１９４３０４ＭＨｚの固有振動周波数の圧電振動子２２が使用される。なお、この圧電振動子のサイズは、ラーメ振動を例にとると、１ＭＨｚで約２３００μｍ、４．２ＭＨｚでは約５５０μｍとなる。このため、圧電デバイス全体の小型化を図る場合は、固有振動周波数が高い圧電振動子を選択すると共に、分周比率を細かく設定できるように回路設計するとよい。
【００２０】
図５は、従来の音叉型の圧電振動子と、本発明の輪郭系振動モードを有する圧電振動子の周波数温度特性を比較したグラフである。このグラフからわかるように、２０℃〜３０℃の常温から外れるにしたがって、最大−７０ｐｐｍの周波数偏差があった従来の圧電振動子に比べて、本発明の圧電振動子では周波数偏差が最大−２０ｐｐｍ程度に低減させることができた。
【００２１】
次に、本発明の圧電デバイス２１の機能構成を図６に示す。この圧電デバイス２１に備える半導体回路素子２３は、主に、発振回路３１、分周回路３２及び時計やカレンダー機能を司る制御回路３３とを備えている。前記発振回路３１では圧電振動子２２を駆動させると共に、振動を電気信号に変換する。分周回路３２では、前記発振回路３１から送出される振動周波数を分周して基準クロック信号となる３２．７６８ｋＨｚの周波数を生成する。制御回路３３では、前記基準クロック信号によって時計機能やカレンダー機能を起動させ、その情報をデータ入出力部３４から外部の図示しない表示回路部等に出力したり、時刻設定やカレンダーの表示設定用のデータを入力して記憶できるようになっている。
【００２２】
また、本発明の圧電デバイス２１には、上記機能に加えて、圧電振動子２２の振動周波数を直接外部に出力する第１の出力端子３５と、分周した３２．７６８ｋＨｚの周波数を出力する第２の出力端子３６からなる２系統の出力端子が設けられ、複数の電子機器のクロック供給源として使用することができる。特に、ＭＨｚ帯の第１の出力端子３５は、起動時のクロック源として、また、ｋＨｚ帯の第２の出力端子３６はスリープ時のクロック源としての応用が可能である。
【００２３】
また、上記輪郭振動モードの圧電振動子は、音叉型の圧電振動子に比べて真空状態に置かなくとも実用上問題のない振動特性を得ることができる。このため、封止工程における作業の管理を厳密に規定する必要がなくなり、また、半導体回路素子２３から発生するガスの影響を直接受けにくくするというメリットがある。
【００２４】
次に、上記圧電デバイスに搭載可能な圧電振動子の各種形態について説明する。図７はラーメ振動モードを備えたＬＱ２Ｔカットの水晶振動子４２の形状を示したものである。この水晶振動子４２は、四隅に振動の節点（４５ａ〜４５ｄ）を有する圧電振動部４５と、この圧電振動部４５を支持すると共に、導通の接点となる基部４６とを備え、この基部４６から屈曲して延びる支持腕部４８を介して前記節点４５ａ〜４５ｄに接続され、圧電振動部４５を支持する構造になっている。この実施形態の水晶振動子４２のように、振動の節点（４５ａ〜４５ｄ）から延びる支持腕部４８を長くするほど抵抗力が減少して等価直列抵抗値を抑える効果が得られる。また、前記水晶振動子４２は、圧電デバイス全体の小型化を考慮して、圧電振動部４５の表裏面に一対の励振電極を備えた（１，１）次のラーメ振動モードに形成される。このため、前記励振電極は正方形状となり、２．０ＭＨｚの振動周波数が得られるように設計する場合は、前記圧電振動部４５の一辺の長さは約１１５０μｍに設定される。
【００２５】
また、図８に示す圧電振動子５２は、幅・長さ縦結合振動モードを有するＮＳ−ＧＴカットにおける水晶振動子５２の代表的な平面形状を示したものである。この水晶振動子５２は、励振電極が形成される圧電振動部５５と、この圧電振動部５５を挟む両側面の一端から大きく屈曲して延びる支持腕部５８と、この支持腕部５８から外側に突出させた一対の基部５６とで一体形成される。この実施形態の圧電振動子５２においても、前記水晶振動子４２と同じように、圧電振動部５５を基部５６から長く延びた支持腕部５８によって支持されているため、抵抗力の減少と共に、等価直列抵抗値を抑えることができる。
【００２６】
上記示したようなラーメ振動モードの圧電振動子にあっては、圧電振動部を四隅の節点で支持した構造となっているので、等価直列抵抗値の上昇やＱ値の低下を抑えることができる。このため、安定した振動周波数が得られると共に、温度変化等による振動周波数の変動を最小限に抑えた基準振動周波数が得られる。
【００２７】
なお、上記実施形態で示した各圧電振動子は、形状が複雑であるため、微細加工が可能なパウダービーム法によって、水晶基板から圧電振動部と支持腕部を打ち抜き加工して形成される。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の圧電デバイスによれば、リアルタイムクロックモジュール機能を有する圧電デバイスの圧電振動子が輪郭系の振動モードを備えた振動片で構成されているため、温度変化に対する振動周波数の変動を低減化させることができる。このように、基準となる振動周波数を発生させる圧電振動子の周波数変動が少ないことから、半導体回路素子に内蔵されている時計やカレンダー機能を誤差なく正確に起動させることができる。
【００２９】
また、前記輪郭系の振動モードを備えた圧電振動子は小型化が可能で比較的高い振動周波数が得られるため、圧電デバイス全体の小型化が図られると共に、様々な周波数で動作する電子機器のクロック源として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電デバイスの構成を示す組立斜視図である。
【図２】上記圧電デバイスの断面図である。
【図３】圧電振動子を輪郭すべり振動モードで形成する場合のカット角を示す図である。
【図４】圧電振動子を幅・長さ縦結合振動モードで形成する場合のカット角を示す図である。
【図５】上記圧電デバイスと従来の圧電デバイスの周波数温度特性を比較したグラフである。
【図６】上記圧電デバイスの機能ブロック図である。
【図７】ＬＱ２Ｔカットによる水晶振動子の平面図である。
【図８】ＮＳ−ＧＴカットによる水晶振動子の平面図である。
【図９】従来の圧電デバイスの構成を示す組立斜視図である。
【符号の説明】
２１  圧電デバイス
２２  圧電振動子
２３  半導体回路素子
２４  パッケージ
２４ａ  凹部
２４ｂ  段部
２５  圧電振動部
２６ａ，２６ｂ  基部
２７  マウント電極
２８  支持腕部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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