(57)【要約】【課題】１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用する高温用圧電デバイスにおいて、外力による振動に対して信頼性を向上し得る技術を提供する。【解決手段】圧電デバイス１１は、対向する外周第一辺４１及び外周第二辺４２を含む圧電素子としての水晶振動素子４０と、接合材としての導電性接着剤２７を介して水晶振動素子４０が固定された素子搭載部材２０とを備え、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用される。水晶振動素子４０は、外周第一辺４１側の二点及び外周第二辺４２側の一点で、素子搭載部材２０に固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する外周第一辺及び外周第二辺を含む圧電素子と、この圧電素子が接合材を介して固定された素子搭載部材とを備え、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用される高温用圧電デバイスにおいて、
前記外周第一辺側の二点及び前記外周第二辺側の一点で、前記圧電素子が前記素子搭載部材に固定された、
ことを特徴とする高温用圧電デバイス。
【請求項２】
前記外周第一辺及び前記外周第二辺に交わる方向に前記圧電素子の中心線を引いたとき、
前記外周第一辺側の前記二点は、前記中心線に対して互いに対称に位置し、
前記外周第二辺側の前記一点は、前記中心線上に位置する、
請求項１記載の高温用圧電デバイス。
【請求項３】
前記素子搭載部材は、対向する内周第一辺及び内周第二辺を含む枠部を有し、
前記内周第一辺側に前記外周第一辺側の前記二点が固定され、前記内周第二辺側に前記内周第一辺側へ向かって突き出た突起が設けられ、この突起に前記外周第二辺側の前記一点が固定された、
請求項１又は２記載の高温用圧電デバイス。
【請求項４】
ＩＣチップを更に備え、
前記素子搭載部材は、前記枠部の内側を塞ぐように前記枠部に設けられた平板部を更に有し、
前記ＩＣチップは、前記突起に接した状態で前記平板部に固定された、
請求項３記載の高温用圧電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用される、水晶発振器などの高温用圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な圧電デバイスとして、水晶振動素子が素子搭載部材の凹部空間内に実装され、凹部空間が蓋部材で密閉されたものが知られている（特許文献１、２参照）。その水晶振動素子は、四角形の板状の水晶片からなり、一辺の二点でのみ導電性接着剤を介して素子搭載部材に固定されている。つまり、水晶振動素子は、一端を固定しておき他端を自由にした片持梁状に、素子搭載部材に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７１１８１号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８７６４１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、従来の圧電デバイスは、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用すると、次のような問題を生じる。
【０００５】
このような環境下の圧電デバイスは、外力によって圧電デバイス自身が振動すると、水晶振動素子が素子搭載部材から外れたり、水晶振動素子の導通が不安定になったりするおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用する高温用圧電デバイスにおいて、外力による振動に対して信頼性を向上し得る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、高温用圧電デバイスにおいて、外力による振動が信頼性を低下させる原因について、実験及び考察を繰り返したところ次の知見を得た。第一に、１５０℃以上かつ３００℃以下の高温環境では、導電性接着剤の軟化が無視できなくなる。第二に、水晶振動素子が片持梁状に導電性接着剤を介して固定される構造ゆえに、導電性接着剤に応力が集中する。その結果、軟化した導電性接着剤に応力が集中することにより、素子搭載部材と水晶振動素子との結合力が低下するのである。本発明はこの知見に基づきなされたものである。
【０００８】
すなわち、本発明に係る高温用圧電デバイスは、
対向する外周第一辺及び外周第二辺を含む圧電素子と、この圧電素子が接合材を介して固定された素子搭載部材とを備え、１５０℃以上かつ３００℃以下の環境で使用される高温用圧電デバイスにおいて、
前記第外周第一辺側の二点及び前記外周第二辺側の一点で、前記圧電素子が前記素子搭載部材に固定された、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、圧電素子が外周第一辺側の二点に加え外周第二辺側の一点でも素子搭載部材に固定されることにより、接合材に加わる応力が緩和されるので、外力による振動に対して信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１の圧電デバイスを示し、図１［Ａ］は平面図、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるIb−Ib線断面図である。
【図２】実施形態１の圧電デバイスを一部を切り欠いて示す分解斜視図である。
【図３】実施形態１の圧電デバイスにおいて蓋部材を取り除いた状態を示し、図３［Ａ］は平面図、図３［Ｂ］は図３［Ａ］におけるIIIb−IIIb線断面図、図３［Ｃ］は比較例１の断面図である。
【図４】実施形態２の圧電デバイスを示す平面図であり、図４［Ａ］は蓋部材を取り除いた状態、図４［Ｂ］は更に水晶振動子素子を取り除いた状態、図４［Ｃ］は更にＩＣチップを取り除いた状態である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、見やすさ書きやすさを優先しているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。「高温用圧電デバイス」は「圧電デバイス」と略称する。
【００１２】
図１は、実施形態１の圧電デバイスを示し、図１［Ａ］は平面図、図１［Ｂ］は図１［Ａ］におけるIb−Ib線断面図である。図２は、実施形態１の圧電デバイスを一部を切り欠いて示す分解斜視図である。図３は実施形態１の圧電デバイスにおいて蓋部材を取り除いた状態を示し、図３［Ａ］は平面図、図３［Ｂ］は図３［Ａ］におけるIIIb−IIIb線断面図、図３［Ｃ］は比較例１の断面図である。以下、図１乃至図３に基づき説明する。
【００１３】
まず、本実施形態１の圧電デバイス１１の構成を概略的に説明する。
【００１４】
圧電デバイス１１は、対向する外周第一辺４１及び外周第二辺４２を含む圧電素子としての水晶振動素子４０と、接合材としての導電性接着剤２７１〜２７３を介して水晶振動素子４０が固定された素子搭載部材２０とを備え、１５０℃以上かつ３００℃以下の高温環境で使用される。水晶振動素子４０は、外周第一辺４１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）及び外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）で、素子搭載部材２０に固定されている。
【００１５】
図３［Ａ］に示すように、外周第一辺４１及び外周第二辺４２に交わる方向に水晶振動素子４０の中心線４７を引いたとき、外周第一辺４１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）は中心線４７に対して互いに対称に位置し、外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）は中心線４７上に位置する。なお、図３［Ａ］では、水晶振動素子４０の電極等を省略して簡潔に示している。
【００１６】
素子搭載部材２０は、対向する内周第一辺２２１及び内周第二辺２２２を含む枠部２６を有する。内周第一辺２２１側に外周第一辺４１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）が固定され、内周第二辺２２２側に外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）が固定される。
【００１７】
圧電デバイス１１は、ＩＣチップ５０及び蓋部材３０を更に備えている。素子搭載部材２０は、枠部２６の内側を塞ぐように枠部２６に設けられた平板部２５を更に有する。ＩＣチップ５０は、平板部２５に固定される。蓋部材３０は、素子搭載部材２０上に設けられる。凹部空間２１は、素子搭載部材２０に形成され、水晶振動素子４０及びＩＣチップ５０を収容する。
【００１８】
また、素子搭載部材２０は、ＩＣチップ５０を搭載する第一底面２１１を有する平板部２５と、水晶振動素子４０を搭載する第二底面２１２を有するとともに平板部２５の周縁上に設けられた第一枠部２６１と、第一枠部２６１の周縁上に設けられた第二枠部２６２とからなる。第一枠部２６１と第二枠部２６２とによって枠部２６が構成される。平板部２５と第一枠部２６１及び第二枠部２６２によって囲まれた空間が、凹部空間２１である。
【００１９】
このように、圧電デバイス１１は、水晶振動素子４０を備えた表面実装型の水晶発振器である。水晶発振器は、装置の基準クロック信号源となるため、他の電子部品よりも高い信頼性が要求される。
【００２０】
次に、圧電デバイス１１の構成について更に詳しく説明する。
【００２１】
圧電デバイス１１は、水晶振動素子４０及びＩＣチップ５０が素子搭載部材２０に搭載された状態で、素子搭載部材２０と蓋部材３０とがシーム溶接やガラス封止によって接合されることにより、水晶振動素子４０及びＩＣチップ５０が凹部空間２１内に気密封止された構造となっている。
【００２２】
水晶振動素子４０は、表裏関係にある上面４５及び下面４６を有する水晶片４３と、水晶片４３の上面４５から下面４６まで延設された電極４４１，４４２と、を備えている。水晶片４３は例えばＡＴカット板からなる。電極４４１，４４２は、互いに絶縁されており、それぞれ励振電極、引き出し電極、パッド電極などに分けられ、上面４５から側面を跨いで下面４６まで延びている。このように、水晶振動素子４０は厚みすべり振動素子である。水晶振動素子４０の代わりに、セラミックスなどからなる圧電素子を用いてもよい。
【００２３】
素子搭載部材２０を構成する平板部２５、第一枠部２６１及び第二枠部２６２は、例えば複数のグリーンシートが積層及び焼成された積層セラミックス板からなる。第一枠部２６１は平板部２５の周縁上に、第二枠部２６２は第一枠部２６１の周縁上に、それぞれ環状に設けられている。内部配線（図示せず）は、例えばグリーンシートに印刷された導体パターンやビアホール導体からなる。凹部空間２１の第一底面２１１にはＩＣ用パッド２４が設けられ、第二底面２１２には素子用パッド２３１，２３２が設けられている。
【００２４】
素子用パッド２３１，２３２は、水晶振動素子４０の電極４４１，４４２に対向する位置に設けられ、導電性接着剤２７１，２７２によって電極４４１，４４２に電気的に接続される。導電性接着剤２７１，２７２は、例えば銀入りエポキシ樹脂などであり、硬化前は流動性を有する。平板部２５の四隅の突端面には、それぞれ表面実装用の外部接続端子２９が設けられている。外部接続端子２９には、例えば、周波数制御端子、接地端子、出力端子、電源電圧端子などがある。なお、素子用パッド２３１，２３２、ＩＣ用パッド２４及び外部接続端子２９は、内部配線（図示せず）によって相互にかつ電気的に接続されている。
【００２５】
水晶振動素子４０の外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）は、導電性を必要としないので他の接合材を用いてもよいが、製造工程を簡素化するために、外周第一辺４１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）と同じものを用いている。導電性接着剤２７１〜２７３の代わりに、はんだなどの接合材を用いてもよい。
【００２６】
導電性接着剤２７１〜２７３の塗布量は、それぞれ異なっていてもよいが、製造工程の簡素化などの観点から等しくすることが望ましい。ただし、図１［Ｂ］では、素子用パッド２３１及び電極４４１に厚みを持たせて描いているため、導電性接着剤２７３が多く導電性接着剤２７１が少なく見えるが、実際のこれらはほぼ等量である。
【００２７】
ＩＣチップ５０は、水晶振動素子４０の発振回路等の機能を有し、接続端子がバンプ５１になっているフリップチップ（以下「ＦＣ（Flip Chip）」という。）である。バンプ５１は、例えば金やはんだからなり、ＩＣ用パッド２４に電気的に接続される。バンプ５１とＩＣ用パッド２４とは、同じ数だけ設けられている。つまり、ＩＣチップ５０のバンプ５１を含む回路形成面を第一底面２１１のＩＣ用パッド２４に向けて、すなわちフェイスダウンで、ＩＣチップ５０をバンプ５１を介して素子搭載部材２０に実装する。なお、ＩＣチップ５０は、ＦＣに限らず、ワイヤボンディングで実装するチップにしてもよい。
【００２８】
蓋部材３０は、例えばコバール（Kovar）などの金属又はセラミックスなどからなり、矩形形状の平板となっている。また、蓋部材３０は、素子搭載部材２０に電気溶接又はガラス封止などにより接合され、凹部空間２１を気密封止する。
【００２９】
次に、圧電デバイス１１の組み立て方法について説明する。
【００３０】
まず、凹部空間２１の第一底面２１１にＩＣチップ５０のバンプ５１の形成面を向け、ＩＣ用パッド２４とバンプ５１との位置を合わせ、ＩＣ用パッド２４にバンプ５１を押し付けるとともに熱又は超音波を加えることによって、ＩＣ用パッド２４にバンプ５１を接合する。
【００３１】
続いて、第二底面２１２において、内周第一辺２２１側の二点（素子用パッド２３１，２３２）と内周第二辺２２２側の一点との合計三点に、導電性接着剤２７１〜２７３を塗布する。そして、内周第一辺２２１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）及び内周第二辺２２２側の一点（導電性接着剤２７３）に、水晶振動素子４０の外周第一辺４１側の二点（電極４４１，４４２）及び外周第二辺４２側の一点を載置し、室温中又は高温中で導電性接着剤２７１〜２７３を硬化させる。
【００３２】
最後に、素子搭載部材２０の凹部空間２１を、蓋部材３０によって封止する。これにより、圧電デバイス１１が完成する。
【００３３】
次に、圧電デバイス１１の作用及び効果について説明する。
【００３４】
１５０℃以上かつ３００℃以下の高温環境では、導電性接着剤の軟化が無視できなくなる。なぜなら、導電性接着剤の主成分は樹脂であるため、温度が高いほど軟化するからである。導電性接着剤の代わりにはんだを用いた場合も、はんだは金属であるので同様である。このとき、従来のように水晶振動素子４０が外周第一辺４１側の二点のみで片持梁状に素子搭載部材２０に固定されていると、軟化した導電性接着剤２７１，２７２に応力が集中して、素子搭載部材２０と水晶振動素子４０との結合力が低下する。
【００３５】
そこで、本実施形態１では、水晶振動素子４０が外周第一辺４１側の二点に加え外周第二辺４２側の一点でも素子搭載部材２０に固定されることにより、導電性接着剤２７１〜２７３に加わる応力が緩和されるので、外力による振動に対して信頼性を向上できる。
【００３６】
また、図３［Ａ］及び図３［Ｂ］に示す本実施形態１では、外周第一辺４１側の二点（導電性接着剤２７１，２７２）が中心線４７に対して互いに対称に位置し、外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）が中心線４７上に位置する。一方、図３［Ｃ］に示す比較例１では、外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）が中心線４７上に位置しない。比較例１のその他の構成は、本実施形態１と同様である。このとき、本実施形態１において導電性接着剤２７３に加わる応力３ｂは、比較例１において導電性接着剤２７３に加わる応力３ｃに比べて、てこの原理によって小さくなる。したがって、この場合は、導電性接着剤２７３に加わる応力が更に緩和されるので、外力による振動に対して信頼性を更に向上できる。
【００３７】
換言すると、圧電デバイス１１の作用及び効果は次のとおりである。
【００３８】
例えば温泉掘削機や石油掘削ドリルに使われる圧電デバイスは、１５０℃以上かつ３００℃以下の高温及び激しい振動に耐えられる信頼性が要求される。このような環境下で使用する圧電デバイスとして、水晶振動素子を片持梁状に二点のみで導電性接着剤によって保持した構造では、水晶振動素子と導電性接着剤との接着面に応力が集中することにより、水晶振動素子が導電性接着剤から剥がれたり水晶振動素子の導通が不安定になったりするおそれがある。そこで、本実施形態１の圧電デバイス１１では、水晶振動素子４０を三点で保持する。これにより、導電性接着剤２７１〜２７３に加わる応力が低減するので、水晶振動素子４０が導電性接着剤２７１〜２７３から剥がれてしまったり、水晶振動素子４０の導通が不安定となったりすることを抑制できる。
【００３９】
次に、実施形態２の圧電デバイスについて、図４に基づき説明する。図４は実施形態２の圧電デバイスを示す平面図であり、図４［Ａ］は蓋部材を取り除いた状態、図４［Ｂ］は更に水晶振動子素子を取り除いた状態、図４［Ｃ］は更にＩＣチップを取り除いた状態である。
【００４０】
本実施形態２の圧電デバイス１２は、第一枠部２６１の内周第二辺２２２側に内周第一辺２２１側へ向かって突き出た突起２８が設けられ、水晶振動素子４０の外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）が突起２８に固定されている。また、ＩＣチップ５０は、突起２８に接した状態で平板部２５に固定されている。
【００４１】
圧電デバイス１２の作用及び効果は次のとおりである。
【００４２】
図４［Ａ］に示すように、水晶振動素子４０の外周第二辺４２側の一点（導電性接着剤２７３）が突起２８に固定されている。そのため、導電性接着剤２７３の塗布量が多すぎたとしても、外周第二辺４２側において導電性接着剤２７３が突起２８の幅ｗ以上に広がらない。したがって、外周第二辺４２側における導電性接着剤２７３の接着面積を調整できるので、導電性接着剤２７３が水晶振動素子４０の周波数特性に与える影響を均一化できる。
【００４３】
換言すると、本実施形態２では、水晶振動素子４０を三点で保持するように、導電性接着剤２７３が塗布される突起２８を、第一枠部２６１の内周第二辺２２２側に設ける。これにより、三点目における導電性接着剤２７３の接着面積を調整できるので、導電性接着剤２７３による水晶振動素子４０の周波数特性への影響が均一になる。
【００４４】
また、図４［Ｂ］に示すように、ＩＣチップ５０が突起２８に接した状態で平板部２５に固定されているので、ＩＣチップ５０の位置決めを容易化できる。つまり、第一底面２１１にＩＣチップ５０のバンプ形成面を向け、ＩＣチップ５０の側面を突起２８の先端面に沿わせながら、ＩＣ用パッド２４（図４［Ｃ］）とバンプとの位置を合わせることができる。例えば、図４［Ｂ］に示すように、ＩＣチップ５０のｘ方向の位置合わせはＩＣチップ５０の側面を突起２８の先端面に合わせることによって不要になり、ＩＣチップ５０のｙ方向の位置合わせだけをすればよい。
【００４５】
本実施形態２のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。
【００４６】
以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、水晶やセラミックスからなる圧電素子を備えた圧電デバイスに利用可能であり、特に温泉掘削機や石油掘削ドリル等で使われる水晶発振器に好適である。
【符号の説明】
【００４８】
１１，１２  圧電デバイス（高温用圧電デバイス）
２０  素子搭載部材
２１  凹部空間
２１１  第一底面
２１２  第二底面
２２１  内周第一辺
２２２  内周第二辺
２３１，２３２  素子用パッド
２４  ＩＣ用パッド
２５  平板部
２６  枠部
２６１  第一枠部
２６２  第二枠部
２７１，２７２，２７３  導電性接着剤（接合材）
２８  突起
２９  外部接続端子
３０  蓋部材
４０  水晶振動素子（圧電素子）
４１  外周第一辺
４２  外周第二辺
４３  水晶片
４４１，４４２  電極
４５  上面
４６  下面
４７  中心線
５０  ＩＣチップ
５１  バンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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