JP2006080711A

JP2006080711A - 圧電発振器

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Publication number: JP2006080711A
Application number: JP2004260424A
Authority: JP
Inventors: Riyouma Sasagawa; 亮磨笹川; Hiroyuki Miura; 浩之三浦
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2004-09-08
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: JP4471787B2

Abstract

【課題】ＩＣ素子に影響を与える外部からのノイズを遮蔽して圧電発振器の動作を安定化させることができ、且つ全体構造を小型するのに適した圧電発振器を提供する。
【解決手段】内部に圧電振動素子５を収容している矩形状の容器体１を支持基体上に固定させるとともに、支持基体６の、下面中央部に圧電振動素子５の発振周波数に対応した発振信号を出力する矩形状のＩＣ素子７を、下面四隅部に金属製の実装脚部１０を、下面外周部で隣接する実装脚部間にＩＣ素子７の側面と対向する金属製のシールド部材９を取着させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信機器や電子機器等のタイミングデバイスとして用いられる圧電発振器に関するものである。

従来より、携帯用通信機器等のタイミングデバイスとして温度補償型水晶発振器等の圧電発振器が用いられている。

かかる従来の温度補償型水晶発振器は、例えば図５に示す如く、内部に水晶振動素子が収容されている容器体２１を、上面の中央域に凹部２２を、下面に複数個の外部端子を有した実装用基体２０上に取着させるとともに、前記容器体２１の下面と前記凹部２２の内面とで囲まれる領域内に、前記水晶振動素子の振動に基づいて発振出力を制御するＩＣ素子２３を収容させた構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

尚、上述した容器体２１や実装用基体２０は、通常、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成り、その内部及び表面には所定の配線パターンが形成され、従来周知のグリーンシート積層法等を採用することによって製作されている。そして、このような容器体２１の下面や実装用基体２０の上面には、それぞれ対応する箇所に接合電極２４が複数個設けられており、これらの接合電極同士を導電性接合材を介して接合することにより容器体２１が実装用基体２０の上面に固定されていた。
特開平１０−９８１５１号公報

しかしながら、上述した従来の圧電発振器においては、実装用基体上面にＩＣ素子２３を囲繞する枠体２５が載置されていることから、実装用基体２０の面積を縦方向、横方向のいずれの方向にもＩＣ素子２３よりも一回り大きくしなければならず、圧電発振器の小型化を妨げる要因となっていた。

また上述した従来の圧電発振器においては、ＩＣ素子２３の側方に配置されているのは実装用基体２０の側壁部（凹部２２を取り囲んでいる部分）のみであることから、ＩＣ素子２３に印加される外部からの不要な電気的作用を良好に排除することができず、例えば、外部からのノイズがＩＣ素子内の電子回路に侵入した場合、発振信号の発振周波数が変動するなど、圧電発振器の動作が不安定になる欠点を有していた。

本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、圧電発振器の動作を安定化させることができ、且つ全体構造を小型するのに適した圧電発振器を提供する。

本発明の圧電発振器は、内部に圧電振動素子を収容している矩形状の容器体を支持基体上に固定させるとともに、該支持基体の、下面中央部に前記圧電振動素子の発振周波数に対応した発振信号を出力する矩形状のＩＣ素子を、下面四隅部に金属製の実装脚部を、下面外周部で隣接する実装脚部間に前記ＩＣ素子の側面と対向する金属製のシールド部材をそれぞれ取着させるようにしたものである。

また本発明の圧電発振器は、前記実装脚部の少なくとも１個をグランド端子となすとともに、該グランド端子用の実装脚部と前記シールド部材とを電気的に接続したことを特徴とするものである。

更に本発明の圧電発振器は、前記ＩＣ素子の側面と前記シールド部材の側面との間に樹脂材が充填されていることを特徴とするものである。

また更に本発明の圧電発振器は、前記シールド部材の下端が前記実装脚部の下端よりも上方に位置していることを特徴とするものである。

更にまた本発明の圧電発振器は、前記シールド部材の下端が絶縁材により被覆されていることを特徴とするものである。

本発明の圧電発振器によれば、圧電振動素子を収容している容器体を支持基体上に固定させるとともに、該支持基体の下面に、その四隅部に配される実装脚部と、ＩＣ素子とを取着するようにしたことから、支持基体の下面のうち実装脚部が存在しない領域をＩＣ素子や他の電子部品素子の搭載に使用することができ、例えば、隣接するスペーサ部材間にＩＣ素子の両端部が配置されるように設計することにより、実装用基体の長さを短くして圧電発振器の全体構造を小型化することが可能となる。

また本発明の圧電発振器によれば、支持基体との下面に、ＩＣ素子の側面と対向する金属製のシールド部材が配置されているため、前記ＩＣ素子はその側方に配置されるシールド部材によって外部からの不要な電気的作用より良好に遮蔽されるようになっており、発振信号の周波数変動等を有効に防止することで圧電発振器の動作を安定化することが可能となる。

また、前記実装脚部の少なくとも１個をグランド端子となすとともに、該グランド端子用の実装脚部と前記シールド部材とを電気的に接続するようにしておけば、圧電発振器の使用時、シールド部材がグランド電位に保持されることとなり、上述したシールド効果をより確実なものとなすことができる。

また本発明の圧電発振器によれば、前記ＩＣ素子の側面と前記シールド部材の側面との間に樹脂材を充填しておくことにより、シールド部材が樹脂材によっても保持されることとなるため、圧電発振器の小型化のためにシールド部材の幅を極めて薄く設定する場合であっても、シールド部材をＩＣ素子の側方に良好に立設させておくことができる。

また本発明の圧電発振器によれば、前記シールド部材の下端が前記実装脚部の下端よりも上方に位置していることにより、圧電発振器の実装脚部をマザーボード等の外部配線基板上の電極パッドに半田等を用いて接続する際、溶融した半田等がシールド部材に付着し、シールド部材と実装脚部との間で不要な短絡が発生するといった不具合や外部配線基板上の配線とシールド部材との間で大きな浮遊容量を発生するといった不具合を防止することができる。更に、シールド部材の下端を絶縁材により被覆しておけば、前述した短絡や浮遊容量等の不具合をより有効に防止することができる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明の圧電発振器を温度補償型水晶発振器に適用した一実施形態を示す斜視図、図２は図１の温度補償型水晶発振器を下面側から見たときの斜視図、図３は図１に示す温度補償型水晶発振器のＡ−Ａ’線断面図である。これらの図に示す温度補償型水晶発振器は、内部に圧電振動素子としての水晶振動素子５を収容している矩形状の容器体１を、下面に複数個の実装脚部１０と、ＩＣ素子７とが取着されている矩形状の支持基体６上に載置・固定した構造を有している。

前記容器体１は、例えば、ガラス−セラミック、アルミナセラミックス等のセラミック材料から成る基板２と、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成るシールリング３と、該シールリング３と同様の金属から成る蓋体４とから成り、前記基板２の上面にシールリング３を取着させ、その上面に蓋体４を載置・固定させることによって容器体１が構成され、シールリング３の内側に位置する基板２の上面に水晶振動素子５が実装される。

前記容器体１は、その内部、具体的には、基板２の上面とシールリング３の内面と蓋体４の下面とで囲まれる空間内に水晶振動素子５を収容して気密封止するためのものであり、基板２の上面には水晶振動素子５の振動電極に接続される一対の搭載パッド等が、基板２の下面には後述するＩＣ素子７や実装脚部１０と電気的に接続される複数個の接合電極が設けられ、これらのパッド等は基板表面の配線導体や基板内部に埋設されているビアホール導体等を介して、対応するもの同士、相互に電気的に接続されている。

尚、前記容器体１の基板２は、ガラス−セラミック等のセラミック材料から成る場合、例えば、セラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面等に配線導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷等によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。

また前記容器体１のシールリング３及び蓋体４は従来周知の金属加工法を採用し、４２アロイ等の金属を所定形状に成形することによって製作され、得られたシールリング３を基板２の上面に予め被着させておいた導体層にロウ付けし、続いて水晶振動素子５を導電性接着剤を用いて基板２の上面に実装・固定した後、上述の蓋体４を従来周知の抵抗溶接等によってシールリング３の上面に接合することによって容器体１が組み立てられる。このようにシールリング３と蓋体４とを抵抗溶接によって接合する場合、シールリング３や蓋体４の表面には予めＮｉメッキ層やＡｕメッキ層等が被着される。

一方、前記容器体１の内部に収容される水晶振動素子５は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の振動電極を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こす。

前記水晶振動素子５は、一対の振動電極を導電性接着剤を介して基板上面の対応する搭載パッドに電気的に接続させることによって基板２の上面に搭載され、これによって水晶振動素子５と容器体１との電気的接続及び機械的接続が同時になされる。

ここで容器体１の蓋体４を、容器体１や支持基体６の配線導体を介して支持基体下面に配されるグランド端子用の実装脚部１０に接続させておけば、その使用時、蓋体４がアースされることによりシールド機能が付与されることとなるため、水晶振動素子５を外部からの不要な電気的作用より良好に保護することができる。従って、容器体１の蓋体４は容器体１や支持基体６の配線導体等を介してグランド端子用の実装脚部１０に接続させておくことが好ましい。

上述した容器体１が載置・固定される支持基体６は矩形状を成しており、図２に示すように、その下面に、ＩＣ素子７、実装脚部１０、シールド部材９、書込制御端子１１を取着している。

前記支持基体６は、その上面で上述した容器体１を支持するとともに、下面でＩＣ素子７や実装脚部１０等を取着するためのものであり、ガラス布基材エポキシ樹脂やポリカーボネイト，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂等の樹脂材料やガラス−セラミック，アルミナセラミックス等のセラミック材料等によって平板状をなすように形成されている。

支持基体６に取着されている実装脚部１０は、前記支持基体６の下面四隅部に配され、各々が銅等の金属材料を四角柱状に成形してなる金属ポストによって形成されている。

従って、支持基体６の下面のうち実装脚部１０が存在しない領域をＩＣ素子７や他の電子部品素子の搭載に有効に使用することで、温度補償型水晶発振器の小型化を図ることができる。例えば、隣接する実装脚部間１０−１０にＩＣ素子７の両端部が配置されるようにレイアウトすることにより、支持基体６の長さを短くして、支持基体６を面方向に小型化することができる。

このような実装脚部１０は、温度補償型水晶発振器をマザーボード（図示せず）等の外部配線基板に実装する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されるようになっている。また、これら４個の実装脚部１０は、例えば、グランド端子、電源電圧端子、発振出力端子、発振制御端子として使用され、これら実装脚部１０の下面には、外部配線基板との接合に用いられる半田等の接合状態を良好となすために、例えば、ニッケルめっきや金めっき等が所定厚みに被着される。

ここで、４個の実装脚部１０のうち、グランド端子用の実装脚部１０と発振出力端子用の実装用脚部１０とを近接させて配置するようにすれば、発振出力端子より出力される発振信号にノイズが干渉するのを有効に防止することができる。従って、グランド端子用の実装脚部と発振出力端子用の実装脚部とを近接配置させておくことが好ましい。

更に、上述した支持基体６の下面には、図３に示す如く、その中央域に複数個のＩＣ素子用電極パッド８が被着・形成されており、これらＩＣ素子用電極パッド８の形成領域にＩＣ素子７が搭載される。ＩＣ素子７としては、例えば、下面に支持基体６のＩＣ素子用電極パッド８と１対１に対応する複数個のＩＣ素子用接続パッド１３を有した矩形状のフリップチップ型ＩＣ等が用いられる。ＩＣ素子７には、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子５の温度特性を補償する温度補償データを格納するためのメモリ、温度補償データに基づいて水晶振動素子５の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等が組み込まれ、該発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、例えば、クロック信号等の基準信号として利用されることとなる。

尚、前記ＩＣ素子７は、その一主面に設けたＩＣ素子用接続パッド１３を支持基体下面の対応するＩＣ素子用電極パッド８に半田や金バンプ等の導電性接合材１４を介して個々に接合させることによって支持基体６に取着され、これによってＩＣ素子内の電子回路が容器体１の配線導体や支持基体６の配線導体等を介して水晶振動素子５や実装脚部１０等に電気的に接続される。

そして、上述したＩＣ素子７の側方、具体的には、支持基体下面の外周部で隣接する実装脚部間には、金属製のシールド部材９がＩＣ素子７の各側面と対向するようにして配置されている。

前記シールド部材９は、銅等の金属によって板状をなすようにして形成されており、支持基体６の配線導体（内部配線パターンやビアホール導体等）を介して支持基体６の下面に設けられているグランド端子用の実装脚部１０と電気的に接続され、温度補償型水晶発振器の使用時、グランド電位に保持されるようになっている。

このように、支持基体６の下面外周部で隣接する実装脚部間に、ＩＣ素子７の側面と対向する金属製のシールド部材９を配置させておくことにより、ＩＣ素子７はその側方に配置されるシールド部材９によって外部からの不要な電気的作用より良好に遮蔽されるようになり、発振信号の周波数変動等が有効に防止されることによって温度補償型水晶発振器の動作を安定化させることができるようになる。

またこの場合、シールド部材９は、支持基体下面のグランド端子用の実装脚部１０と電気的に接続されており、温度補償型水晶発振器の使用時、シールド部材９はグランド電位に保持されるようになっているため、上述したシールド効果をより確実なものとなすことができる。

また前記シールド部材９の下端を実装脚部１０の下端よりも上方に位置するように設定しておけば、実装脚部１０をマザーボード等の外部配線基板上の電極パッドに半田等を用いて接続する際、溶融した半田等がシールド部材９に付着するのを防止して、シールド部材９と実装脚部１０との間で不要な短絡が発生するのを防止することができる。同時に、外部配線基板上の配線との間で大きな浮遊容量が発生するのを防止することもできる。従って、シールド部材９の下端を実装脚部１０の下端よりも上方に位置するようにすることが望ましい。更に、シールド部材９の下端を例えばエポキシ樹脂等の絶縁材により被覆しておけば、シールド部材９と実装脚部１０との間で不要な短絡が発生するのをより有効に抑えることができる。

また、支持基体６の下面には、ＩＣ素子７に温度補償データを書き込むための金属ポストから成る書込制御端子１１が取着・立設されている。この書込制御端子１１は、上述した実装脚部１０と同じ金属材料を用いて四角柱状に成形されており、その上端部で支持基体６の配線導体に電気的・機械的に接続しＩＣ素子７と電気的に接続されるようになっている。かかる書込制御端子１１は、その側面が支持基体側面より露出するように、支持基体６の下面外周部のエッジに沿って配置されている。なお、この書込制御端子１１は、例えば２個設けられ、温度補償型水晶発振器を組み立てた後、これら２個の書込制御端子１１の露出部に温度補償データ書込装置の２本のプローブ針を当て、水晶振動素子５の温度特性に応じた温度補償データを書き込むことによってＩＣ素子７のメモリ内に温度補償データが格納されるようになっている。

このように、温度補償データをＩＣ素子７に書き込むための書込制御端子１１を金属ポストにて形成するとともに、該書込制御端子１１の一部を露出させておくことにより、温度補償型水晶発振器を組み立てる際、金属ポストから成る書込制御端子１１を実装用基体上面の所定位置に取着させておくだけで温度補償型水晶発振器を製作することができ、温度補償型水晶発振器の生産性を向上させることができる利点もある。

尚、この書込制御端子１１も先に述べたシールド部材９と同様に、その下端を実装脚部１０の下端よりも上方に位置させておけば、温度補償型水晶発振器をマザーボード上に搭載した際、マザーボードの配線等と書込制御端子１１との間で大きな浮遊容量を発生したり、温度補償型水晶発振器を半田付け等によってマザーボード上に搭載する際に、溶融した半田の一部が書込制御端子１１に接触して短絡を起こすといった不都合を有効に防止することができ、温度補償型水晶発振器の取り扱いが簡便なものとなる利点がある。

一方、上述の実装脚部１０やＩＣ素子７などを取着している支持基体６は、ガラス布基材エポキシ樹脂から成る場合、ガラス糸を編み込んで形成したガラス布基材にエポキシ樹脂の液状前駆体を含浸させるとともに、該前駆体を高温で重合させることによってベースが形成される。そして支持基体６の表面に銅箔等の金属箔を貼着させた後、従来周知のフォトエッチング等を採用し、前記金属箔を所定パターンに加工することによって金属ポストから成る実装脚部１０やシールド部材９、書込制御端子１１等が形成される。

また上述したＩＣ素子７は、例えばエポキシ樹脂等から成る樹脂材１２によって被覆されており、該樹脂材１２は支持基体６の外周部まで延在され、ＩＣ素子６の側面とシールド部材９の側面との間の領域や隣接する実装脚部１０の側面間の領域に充填されている。

かかる樹脂材１２はＩＣ素子７を保護するためのものであり、このような樹脂材１２の一部をＩＣ素子７の側面とシールド部材９の側面との間に充填しておけば、シールド部材８が樹脂材１２によっても保持されることとなるため、温度補償型水晶発振器の小型化のためにシールド部材９の幅を極めて薄く設定する場合であっても、シールド部材９をＩＣ素子７の側方に良好に立設させておくことができる。

また、上述した樹脂材１２の延在部で各実装脚部１０の側面を被覆しておくようにすれば、温度補償型水晶発振器を半田付け等によってマザーボード等の外部配線基板上に実装する際、温度補償型水晶発振器と外部配線基板とを接合する半田が金属ポストから成る実装脚部１０に付着して短絡を発生するといった不都合が有効に防止されるようになり、温度補償型水晶発振器の取扱いが簡便なものとなる利点がある。更にこの場合、実装脚部１０の側面が樹脂材１２で被覆されていることにより、実装脚部１０を形成する金属ポストの酸化腐食が有効に防止されて、温度補償型水晶発振器の信頼性を高く維持することができるとともに、支持基体６に対する実装脚部１０の取着強度を前記樹脂材１２でもって補強することができる利点もある。従って、樹脂材１２の延在部で各実装脚部１０の側面を被覆しておくことが好ましい。尚、樹脂材１２が絶縁性を有している場合、この樹脂材１２を、先に述べたシールド部材９の下端を被覆する絶縁材として用いれば、シールド部材９の下端を被覆する絶縁材を別途用意する必要がなく、樹脂材１２の形成と同時にシールド部材９の下端を絶縁材（樹脂材）で被覆させることができる。

かくして上述した温度補償型水晶発振器は、マザーボード等の外部配線基板上に半田付け等によって搭載され、ＩＣ素子７の温度補償回路によって発振出力を補正しながら、水晶振動素子５の共振周波数に応じた所定の発振信号を出力することによって温度補償型水晶発振器として機能する。

以上のような本実施形態の温度補償型水晶発振器によれば、温度補償データをＩＣ素子７に書き込むための書込制御端子１１を金属ポストにて形成するとともに、該書込制御端子１１の一部を容器体側面と支持基体側面との間より露出させるようにしたことから、温度補償型水晶発振器を組み立てる際、金属ポストから成る書込制御端子１１を支持基体上面の所定位置に取着させておくだけで温度補償型水晶発振器を製作することができ、従来の温度補償型水晶発振器において膜状の書込制御端子を支持基体の外側面に形成する場合のような煩雑な加工プロセスは一切不要となることから、温度補償型水晶発振器の生産性を向上させることが可能となる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述した実施形態においては、圧電振動素子として水晶振動素子を用いた水晶発振器を例にとって説明したが、これに代えて、水晶振動素子以外の圧電振動子、具体的には弾性表面波素子等の圧電振動素子を用いて圧電発振器を構成する場合にも本発明は適用可能である。

また上述した実施形態においては、シールド部材９として金属から成る長尺状の板体を用いるようにしたが、これに代えて、シールド部材９を１列状に配置された複数個の金属ポストにより構成しても構わない。

また更に上述した実施形態においては、容器体１の蓋体４をシールリング３を介して基板２に接合させるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に接合用のメタライズパターンを形成しておき、このメタライズパターンに対して蓋体４をダイレクトに溶接するようにしても構わない。

更にまた上述した実施形態においては、容器体１の基板上面に直接シールリング３を取着させるようにしたが、これに代えて、基板２の上面に基板２と同材質のセラミック材料等から成る枠体を一体的に取着させた上、該枠体の上面にシールリング３を取着させるようにしても構わない。

また更に上述した実施形態において、例えば図４に示す如く、隣接する実装脚部１０、１０の側面間で、シールド部材９とＩＣ素子７との対向領域に、ＩＣ素子以外の電子部品素子、例えば、ノイズ除去用のチップ状コンデンサ１５等を配置させるようにしても良い。

本発明の圧電発振器を温度補償型水晶発振器に適用した一実施形態を示す斜視図である。図１の温度補償型水晶発振器を下面側から見た斜視図である。図１の温度補償型水晶発振器のＡ−Ａ’線断面図である。本発明の他の実施形態にかかる温度補償型水晶発振器を下面側から見た斜視図である。従来の温度補償型水晶発振器の分解斜視図である。

符号の説明

１・・・容器体
２・・・基板
３・・・シールリング
４・・・蓋体
５・・・水晶振動素子
６・・・支持基体
７・・・ＩＣ素子
９・・・シールド部材
１０・・・実装脚部
１１・・・書込制御端子
１２・・・樹脂材

Claims

内部に圧電振動素子を収容している矩形状の容器体を支持基体上に固定させるとともに、該支持基体の、下面中央部に前記圧電振動素子の発振周波数に対応した発振信号を出力する矩形状のＩＣ素子を、下面四隅部に金属製の実装脚部を、下面外周部で隣接する実装脚部間に前記ＩＣ素子の側面と対向する金属製のシールド部材をそれぞれ取着させてなる圧電発振器。
前記実装脚部の少なくとも１個をグランド端子となすとともに、該グランド端子用の実装脚部と前記シールド部材とを電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
前記ＩＣ素子の側面と前記シールド部材の側面との間に樹脂材が充填されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電発振器。
前記シールド部材の下端が前記実装脚部の下端よりも上方に位置していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電発振器。
前記シールド部材の下端が絶縁材により被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の圧電発振器。