JP2004193965A - Structure of piezoelectric oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器の構造に関し、特に積層型セラミック基板で形成された容器の所定の基板層に発振回路が形成される圧電発振器の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、表面実装用圧電発振器は、携帯電話等の移動無線通信システムの携帯端末や、コンピュータ等のディジタル制御機器等に時間の基準として広く使用されており、機器の高機能化、小型化に伴って圧電発振器も小型化が進められている。部品の小型化に対応して、前記表面実装用圧電発振器は、一般的に、積層型のセラミック基板を焼成して形成した凹所空間内に圧電振動素子を収容した圧電振動子部と、同様に積層型のセラミック基板を焼成して形成した凹所空間内に発振回路用部品を収容した発振回路部とを接合して一体化した構造となっている。
前記セラミック基板の所定の層には、回路パターンが形成されて発振回路用部品が装着され、また、各層のパターン間は接続導体によって接続されて回路構成がなされるものである。
【0003】
図2は、従来の表面実装用水晶発振器の構造を示す図で、(a)は縦断面図、(b)は、水晶振動子部外底面の電極配置図、(c)は、発振回路部12外底面の電極配置図である。
同図(a)に示されるように、本水晶発振器10は、水晶振動子部11と発振回路部12とで構成される。前記水晶振動子部11は、上方に開口した積層型セラミック基板で形成された第1の容器13の凹部14内底面に設けられた図示しない回路パターン電極に、水晶振動素子15の2出力端を導電性接着剤によって片持ち支持で電気的機械的に接続固着し、金属蓋16で密封した構造を有する。
前記第1の容器13の外底面四隅には、図示しないビアホールで前記水晶振動素子15の2出力端に接続された接続用電極パターン17が設けられる。
【0004】
前記発振回路部12は、上方に開口した積層型セラミック基板で形成された第2の容器18の凹部19内底面に設けられた図示しないパターン電極に発振回路用IC20が装着され、前記凹部19側壁21上面四隅に前記第1の容器13の接続用電極パターン17と対応する接続電極22が設けられる。そして、第2の容器18外底面四隅には、発振器の入出力端としての表面実装用のパッド電極23が設けられる。
前記接続電極22及びパッド電極23は、それぞれ図示しない回路パターン及び基板間接続導体によって前記発振回路用IC20のパターン電極に接続される。前記水晶振動子部11と発振回路部12とは、平面形状がほぼ同一の略長方形であり、発振回路部12の上方に水晶振動子部11を積み重ね、接続用電極パターン17と接続電極22とをはんだ付けして一体化される。
本発振器10を使用する場合は、携帯端末等の機器の印刷配線基板の回路パターンに本発振器10の表面実装用パッド電極23をはんだ付けして使用する。
【0005】
図2(b)は、前記水晶振動子部11の外底面に設けられた接続用電極パターン17の電極配置図であり、図2(c)は、前記発振回路部12の外底面に設けられたパッド電極23の電極配置図である。いずれも上方から透視したときのパターン図である。
図2(b)に示されるように、前記接続用電極パターン17a、b、c、dは、通常、下面四隅の一方の対角(図中、右上と左下)に位置する電極(同図の17a(XT1)、17c(XT2))に水晶振動素子15の2つの端子が接続される。他方の対角(図中、左上と右下)に位置する電極パターン17b、d(GND)はいずれも接地端である。
また、図2(c)に示されるように、前記発振回路部12下面四隅の表面実装用のパッド電極23a、b、c、dは、同図の左下の周波数制御等の信号入力用パッド電極23a(Vcon)を基準にして反時計廻りに、接地端23b(GND)、発振器出力端23c(OUT)、直流電源端23d(Vcc)の電極が配置され、それぞれ発振回路用IC20と図示しない積層セラミック層に設けられた電極パターン及び層間を接続するビアホール等によって接続される。
そして、図2(b)の接続用電極パターン17a、b、c、dと、図2(c)の発振回路部12下面に設けられたパッド電極23a、b、c、dの電極配置は、ともに表面実装用水晶振動子及び水晶発振器の電極配置として習慣化され既製規格となっているものである。
【0006】
一般的に、発振器においては、圧電振動子と発振器出力回路間の不要な電磁界的結合は、例えば、発振器の負荷変動特性やC/N特性等の回路特性に悪影響を与えることは周知のとおりである。このため、回路の入出力端間の結合や近傍の回路との結合を防止するための各種の手段がとられている。
図2に示す既製規格化された電極配置を持つ水晶振動子部11と発振回路部12とを発振器として積み重ねて接合した場合、発振回路部12の発振出力端である表面実装用パット電極23c(OUT)は、水晶振動子部11の一方の接続端である接続用電極パターン17a(XT1)、17c(XT2)のいずれかと対向することになる。そのため、両電極間の浮遊容量が大きくなり、この発振器を機器等に搭載して使用した際に、発振器の周波数変動が増大するという問題がある。
例えば、特開第2000−341043号公報においては、この問題を解決するため、水晶振動子部11の接続用電極パターン17a、b、c、dの配置を、習慣化された既製規格を無視し、互換性を放棄して変更することによって表面実装用パット電極の発振出力端23cと対向させない構成とする技術が開示されている。
しかし、この方法によると、前述の既製規格化された電極配置と異なるため、汎用性がなく水晶振動子部を製造する場合にコストアップとなるという問題がある。
【0007】
セラミック積層基板で構成される圧電発振器において回路間の不要な結合を防止する他の手段として、発振回路を構成する基板層と出力端を構成する基板層間に接地シールド層を設ける方法が考えられる。
図3は、図2(a)に示す従来のセラミック積層型水晶発振器10の発振回路部12を形成する積層基板の配線パターン例を示した図である。
前記発振回路部12を構成するパターンは、図3(a)に示されるa面、同図(b)に示されるb面、同図(c)に示されるc面、同図(d)に示されるd面の4面からなる。
なお、図3(e)は、前記発振回路部12の断面図であり、符号a、b、c、dは、a面〜d面にそれぞれ対応している。
図中、斜線の施されたパターンはアースパターンであり、各層間のパターンは、図示しないビアホールよって、図の●点において接続される。
【0008】
図3(a)に示すa面は、発振回路部12の最上層の前記接続電極22を有する面であり、同電極22a、cが水晶振動子部11の2つの端子の接続用電極パターン17a、cと接合される。同電極22b、dはそれぞれ接地電極である。
b面(同図(b))は、発振回路部12の発振回路用IC20(図中点線で示す)を装着するためのパターン電極であり、主としてIC20用の電極とその接続リードパターンを有する。
c面(同図c)は、前記b面と後述のd面の中間に位置し、主として基板層のほぼ全面に施されたアースパターンPgnd3(ベタアース)を有する。
d面(同図d)は、発振回路部12の最下面のパターンであり、前記表面実装用パッド電極23a(Vcon)、b(GND)、c(OUT)、d(Vcc)を有する。
【0009】
図3(b)に示されるように、b面のパターンには、a面の接続電極22cとビアホールでつながるIC20の振動子接続リードパターンPx1と、IC20の発振出力リードパターンPout1間にアースパターンPgnd1が設けられる。また、同図(c)に示されるように、c面は、ほぼ全面にアースパターンPgnd3(ベタアース)をもち、基板端部にb面の発振出力リードパターンPout1及びd面のパッド電極23c(OUT)とビアホールでそれぞれつながる第2の発振出力リードパターンPout2が配置される。
上述のアースパターンPgnd1、Pgnd3のシールド効果によって、発振回路部12の振動子接続端である接続電極22cと表面実装用のパッド電極23c(OUT)間との浮遊容量は、例えば、0.05〜0.07pFの低い値に低減される。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、振動子出力回路と発振器出力回路間に接地パターンあるいはベタアースの層を設けて回路間のシールドを行う方法は、回路の浮遊容量を低減する一方で、
▲1▼ 発振器の周波数可変範囲が狭くなる
▲2▼ 発振器の起動特性が悪くなる
という欠点をもち、本発振器を用いたシステムの動作に悪影響が生じるという問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、既製規格の電極配置をもつ圧電振動子部及び発振回路部で構成される発振器において、振動子出力端と発振器出力端の電極間の浮遊容量を最小限に抑えながら、発振器の周波数可変範囲等の特性が良好な圧電発振器を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の発明においては、外部底面に接続用電極パターンを有し内部に圧電振動素子を収容した第1の容器を、上方を開口とする凹部内に発振回路用部品を収容すると共に前記凹部側壁の上面に前記第1の容器の接続用電極パターンと対応する接続電極及び外部底面には表面実装用パッド電極とを有する第2の容器の前記凹部開口を覆うように積み重ねて一体化した圧電発振器であって、前記第2の容器は、前記接続電極を有する第1の基板層と、上面に前記発振回路用部品を装着する電極パターンを有する第2の基板層と、下面に前記表面実装用パッド電極を有する第3の基板層を積層した容器であり、前記第3の基板層の上面には、前記発振器出力用の表面実装用パッド電極から前記発振回路用部品の発振出力端につながる第2の基板層上の出力回路パターンと重複するようにアースパターンが設けられ、振動子接続用の他方の接続電極から発振回路用部品の他方の振動子接続電極につながる接続回路パターンに対応する位置には、アースパターンは設けないことを特徴とする。
請求項2の発明においては、請求項1に記載する圧電発振器の構造において、前記第1乃至第3の基板層がセラミック基板層であることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図1は、本発明
に係わる圧電発振器としての水晶発振器の発振回路部を形成するセラミック積層基板のうち、回路パターンをもつ基板層の実施の一形態例を示す回路パターン図である。
本発明に係わる発振回路部は、同図(a)に示されるa面、同図(b)に示されるb面、同図(c)に示されるc面、同図(d)に示されるd面の4つの回路パターンからなる。
これらa、b、c、dの4面は、図2の水晶発振器の発振回路部12における図3(e)で示されたa、b、c、dに対応した位置関係を有し、a面は発振回路部12の接続電極22a〜dをもつ最上層に、b面は発振回路用IC20のパターン電極をもつ層に、c面は前記bとc面との中間の層に、d面は表面実装用パッド電極23a〜dをもつ最下層に、それぞれ形成されている。
【0013】
さらに、図1(a)、(b)、(d)に示される回路パターンは、図3(a)、(b)、(d)に示される回路パターンと全く同一のパターンである。
本発明の特徴は、図1(c)に示したように、図3(c)に示されるc面のほとんど全面に施されたアースパターンPgnd3(ベタアース)の面積を必要最小限度に縮小したアースパターンPgnd2とした点である。
なお、図1において、斜線の施されたパターンはアースパターンであり、また、相対する各層間のパターンは、図3のパターン上の同一点である●点において、図示しないビアホールよって接続される。
上記構成のセラミック基板層をもつ発振回路部と水晶振動子部とを一体化することによって本発明に係わる水晶発振器が構成される。
したがって、本発明に係わる水晶発振器の構成は、c面の回路パターンを除いてすべて図2及び図3と同一であるので共通部分の詳細な説明は省略する。
【0014】
前記発振回路部12のc面を主に形成するアースパターンPgnd2は、図1(c)に示されるように、図1(a)の一方の振動子との接続電極22c(この電極は表面実装用パッド電極の23cと対向する)と接続された図1(b)の振動子接続パターンPx1に対応する部分にのみアースパターンPgnd2が設けられる。該アースパターンPgnd2は、図示しないビアホールによって●点において図1(a)、(b)、(d)のアースパターンと接続される。
そして、振動子と接続する他端の接続電極22aと該接続電極22aとつながる図1(b)の振動子接続パターンPx2に対応する部分には、アースパターンを設けないパターン構成となっている。
【0015】
上述のように、一方の振動子接続電極22c及び該電極22cにつながる接続パターンPx1と、発振出力端の表面実装用パッド電極23c(OUT)につながる発振出力リードパターンPout1、Pout2との間にのみアースパターンPgnd1、Pgnd2を設け、他方の振動子接続電極22aに対応する部分のc面(図1(c))にはアースパターンを設けない必要最小限のアースパターン構成としたことによって、振動子接続用の接続電極22cと発振器出力端の表面実装用パッド電極23c間の浮遊容量の値は、およそ0.06pFと従来パターンの場合と同等で、且つ水晶発振器の発振周波数の可変範囲の上限が10〜数十ppm拡大されることが確認された。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のセラミック基板層で構成された発振回路部を用いた圧電発振器によれば、シールド用アースパターンを振動子接続回路と発振出力回路間の必要最小限度の面積としたので、既製規格の振動子部と発振回路部の電極配置をもつ発振器であっても、振動子接続端と発振器出力端間の浮遊容量が増加することなく周波数可変範囲等の回路特性の優れた圧電発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる圧電発振器としての水晶発振器の発振回路部を形成するセラミック積層基板のうちの回路パターンをもつ基板層の実施の一形態例を示す回路パターン図で、(a)は、a面のパターン図、(b)は、b面のパターン図、(c)は、c面のパターン図、(d)は、d面のパターン図。
【図2】従来の水晶発振器の構造を示す図で、(a)は縦断面図、(b)は、水晶振動子部外底面の電極配置図(上方からの透視図)、(c)は、発振回路部外底面の電極配置図(上方からの透視図)。
【図3】図2(a)に示す従来のセラミック積層型水晶発振器の発振回路部を形成する積層基板の配線パターン例を示した図で、(a)は、a面のパターン図、(b)は、b面のパターン図、(c)は、c面のパターン図、(d)は、d面のパターン図、並びに(e)は、発振回路部のa、b、c、d面の位置関係を示す断面図。
【符号の説明】
10・・水晶発振器、 11・・水晶振動子部、 12・・発振回路部、
13・・第1の容器、14・・凹部、15・・水晶振動素子、16・・金属蓋、
17a、b、c、d・・接続用電極パターン、18・・第2の容器、
19・・凹部、20・・IC、21・・側壁、22a、b、c、d・・接続電極、23a、b、c、d・・パッド電極、
a・・発振回路部a面に対応する基板層、
b・・発振回路部a面に対応する基板層、
c・・発振回路部a面に対応する基板層、
d・・発振回路部a面に対応する基板層、
Pgnd1、Pgnd2、Pgnd3・・アースパターン、
Pout1、Pout2・・発振出力リードパターン
Px1、Px2・・振動子接続パターン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a piezoelectric oscillator, and more particularly to a structure of a piezoelectric oscillator in which an oscillation circuit is formed on a predetermined substrate layer of a container formed of a laminated ceramic substrate.
[0002]
[Prior art]
In recent years, surface mount piezoelectric oscillators have been widely used as a time reference for mobile terminals of mobile radio communication systems such as mobile phones, digital control devices such as computers, etc. Therefore, the size of the piezoelectric oscillator has been reduced. In response to miniaturization of components, the surface-mounting piezoelectric oscillator is generally the same as a piezoelectric vibrator unit in which a piezoelectric vibrating element is accommodated in a concave space formed by firing a laminated ceramic substrate. In this structure, an oscillation circuit portion accommodating oscillation circuit components is joined and integrated into a recessed space formed by firing a laminated ceramic substrate.
A circuit pattern is formed on a predetermined layer of the ceramic substrate, and an oscillation circuit component is mounted on the ceramic substrate. The patterns of the respective layers are connected by connecting conductors to form a circuit.
[0003]
2A and 2B are diagrams showing the structure of a conventional crystal oscillator for surface mounting, wherein FIG. 2A is a longitudinal sectional view, FIG. 2B is an electrode arrangement diagram on the outer bottom surface of the crystal unit, and FIG. It is an electrode arrangement figure of 12 outer bottom surfaces.
As shown in FIG. 1A, the
At four corners of the outer bottom surface of the
[0004]
The
The
When the
[0005]
FIG. 2B is an electrode arrangement diagram of a
As shown in FIG. 2 (b), the
As shown in FIG. 2C, the surface
The electrode arrangement of the
[0006]
In general, in an oscillator, it is well known that unnecessary electromagnetic coupling between a piezoelectric vibrator and an oscillator output circuit has an adverse effect on, for example, circuit characteristics such as load fluctuation characteristics and C / N characteristics of the oscillator. It is. For this reason, various measures are taken to prevent the coupling between the input / output terminals of the circuit and the coupling with the neighboring circuits.
When the
For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-341043, in order to solve this problem, the arrangement of the
However, according to this method, since the electrode arrangement is different from the above-mentioned standardized electrode arrangement, there is a problem that the method is not versatile and the cost is increased when manufacturing a crystal unit.
[0007]
As another means for preventing unnecessary coupling between circuits in a piezoelectric oscillator composed of a ceramic laminated substrate, a method of providing a ground shield layer between a substrate layer constituting an oscillation circuit and a substrate layer constituting an output terminal is considered.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a wiring pattern of a laminated substrate forming the
The pattern forming the
FIG. 3E is a cross-sectional view of the
In the figure, the hatched patterns are ground patterns, and the patterns between the respective layers are connected to each other at via points (not shown) at the points indicated by black circles.
[0008]
The surface a shown in FIG. 3A is a surface having the
The surface b (FIG. 2B) is a pattern electrode for mounting the oscillation circuit IC 20 (shown by a dotted line in the figure) of the
The c-plane (FIG. 3c) is located between the b-plane and a d-plane described later, and has an earth pattern Pgnd3 (solid earth) mainly applied to almost the entire surface of the substrate layer.
The d surface (d in the figure) is a pattern of the lowermost surface of the
[0009]
As shown in FIG. 3 (b), the pattern on the b-side has a ground pattern Pgnd1 between the transducer connection lead pattern Px1 of the
Due to the above-described shield effect of the ground patterns Pgnd1 and Pgnd3, the stray capacitance between the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the method of providing a ground pattern or a solid earth layer between the oscillator output circuit and the oscillator output circuit to shield between the circuits reduces the stray capacitance of the circuit,
(1) The variable frequency range of the oscillator is narrowed (2) The starting characteristic of the oscillator is deteriorated, and there is a problem that the operation of a system using the oscillator is adversely affected.
The present invention has been made to solve the above problems, and in an oscillator including a piezoelectric vibrator unit and an oscillation circuit unit having an electrode arrangement of a ready-made standard, an electrode at a vibrator output terminal and an electrode at an oscillator output terminal are provided. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric oscillator having good characteristics such as a variable frequency range of the oscillator while minimizing the stray capacitance between them.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, in the invention of
According to a second aspect of the present invention, in the structure of the piezoelectric oscillator according to the first aspect, the first to third substrate layers are ceramic substrate layers.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on an embodiment shown in the drawings. FIG. 1 is a circuit pattern diagram showing one embodiment of a substrate layer having a circuit pattern in a ceramic laminated substrate forming an oscillation circuit portion of a crystal oscillator as a piezoelectric oscillator according to the present invention.
The oscillation circuit section according to the present invention is shown in the a-plane shown in FIG. 1A, the b-plane shown in FIG. 2B, the c-plane shown in FIG. It consists of four circuit patterns on the d-plane.
The four surfaces a, b, c, and d have a positional relationship corresponding to a, b, c, and d shown in FIG. 3E in the
[0013]
Further, the circuit patterns shown in FIGS. 1A, 1B, and 1D are exactly the same as the circuit patterns shown in FIGS. 3A, 3B, and 3D.
As shown in FIG. 1 (c), the feature of the present invention is that the ground pattern Pgnd3 (solid ground) provided on almost the entire c-plane shown in FIG. The point is that the pattern is Pgnd2.
In FIG. 1, the hatched pattern is an earth pattern, and the patterns between the opposing layers are connected by via holes (not shown) at the same point on the pattern shown in FIG.
The crystal oscillator according to the present invention is configured by integrating the oscillation circuit section having the ceramic substrate layer having the above-described configuration and the crystal resonator section.
Therefore, the configuration of the crystal oscillator according to the present invention is the same as that of FIGS. 2 and 3 except for the circuit pattern on the c-plane, and a detailed description of common parts will be omitted.
[0014]
As shown in FIG. 1C, a ground pattern Pgnd2 mainly formed on the c-plane of the
Then, a portion corresponding to the vibrator connection pattern Px2 of FIG. 1B connected to the
[0015]
As described above, only between the
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the piezoelectric oscillator using the oscillation circuit portion constituted by the ceramic substrate layer of the present invention, the shield ground pattern is set to the necessary minimum area between the oscillator connection circuit and the oscillation output circuit. Therefore, even with an oscillator having an electrode arrangement of a vibrator part and an oscillation circuit part of a ready-made standard, the circuit characteristics such as the frequency variable range are excellent without increasing the stray capacitance between the vibrator connection terminal and the oscillator output terminal. A piezoelectric oscillator can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit pattern diagram showing one embodiment of a substrate layer having a circuit pattern of a ceramic laminated substrate forming an oscillation circuit portion of a crystal oscillator as a piezoelectric oscillator according to the present invention, wherein FIG. , A-plane pattern diagram, (b) is a b-plane pattern diagram, (c) is a c-plane pattern diagram, and (d) is a d-plane pattern diagram.
FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the structure of a conventional crystal oscillator, in which FIG. 2A is a longitudinal sectional view, FIG. 2B is an electrode arrangement diagram on the outer bottom surface of the crystal unit (a perspective view from above), and FIG. FIG. 4 is an electrode arrangement diagram on the outer bottom surface of the oscillation circuit unit (a perspective view from above).
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing an example of a wiring pattern of a laminated substrate forming an oscillation circuit section of the conventional ceramic laminated crystal oscillator shown in FIG. 2A, wherein FIG. ) Is a pattern diagram of the b surface, (c) is a pattern diagram of the c surface, (d) is a pattern diagram of the d surface, and (e) is a pattern diagram of the a, b, c, and d surfaces of the oscillation circuit unit. Sectional drawing which shows a positional relationship.
[Explanation of symbols]
10. Crystal oscillator, 11 Crystal oscillator part, 12 Oscillator circuit part
13. first container, 14 recess, 15 crystal oscillator, 16 metal lid,
17a, b, c, d ··· Connection electrode pattern, 18 ··· Second container,
19 recess, 20 IC, 21 sidewall, 22a, b, c, d connection electrode, 23a, b, c, d pad electrode
a, a substrate layer corresponding to the oscillation circuit part a surface,
b: a substrate layer corresponding to the oscillation circuit portion a surface,
c: a substrate layer corresponding to the oscillation circuit part a surface,
d. a substrate layer corresponding to the oscillation circuit part a surface,
Pgnd1, Pgnd2, Pgnd3 ... ground pattern,
Pout1, Pout2 ... Oscillation output lead pattern Px1, Px2 ... Transducer connection pattern
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