JP2007028271A - 圧電振動子の周波数調整方法および圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振周波数の調整を容易、迅速に行なえるようにする。
【解決手段】 圧電振動子２０は、パッケージ２２に収容した圧電振動片を有する。パッケージ２２の下面３４には、コンデンサブロック３８、４０が設けてある。各コンデンサブロック３８、４０は、複数のコンデンサ素子４８（４８ａ〜４８ｄ）、５０（５０ａ〜５０ｄ）からなる。これらのコンデンサ素子４８、５０は、静電容量が公比を２とする等比数列となるように形成してある。各コンデンサ素子４８の一方の電極５２（５２ａ〜５２ｄ）は、配線パターン４２を介して外部電極３６ａに接続してある。各コンデンサ素子５０の一方の電極５２は、配線パターン４６を介して外部電極３６ｄに接続してある。外部電極３６ａ、３６ｄは、圧電振動片の励振電極に電気的に接続してある。配線パターン４２、４６の適宜の箇所を切断することにより、容量値を変えて周波数調整をすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動片をパッケージ内に収容した圧電振動子の周波数調整方法および圧電振動子に関する。

水晶振動子などの圧電振動子は、各種電子機器の基準クロックを発生させる発振回路などに広く用いられている。図８は、圧電振動子を用いた発振回路の一例であって、インバータ発振回路の基本回路を示した図である。図８において、発振回路１０は、水晶振動子などの圧電振動子１２が帰還抵抗Ｒ_ｆとともにインバータ１４に並列に接続してある。そして、圧電振動子１２の入出力端子には、負荷容量Ｃ_Ｇ、Ｃ_Ｄが接続してある。なお、図８に示した符号Ｃ_Ｓは回路の浮遊容量であり、Ｃ_ＩＣはインバータ１４を構成している半導体集積回路（ＩＣ）の内部容量である。

このようになっている発振回路１０は、圧電振動子１２に内蔵してある圧電振動片の製作誤差や浮遊容量Ｃ_Ｓ、ＩＣの内部容量Ｃ_ＩＣなどが圧電振動子１２、ＩＣごとに異なっているため、発振周波数（以下、単に周波数ということがある）が目標周波数からずれる場合がある。このため、一般に負荷容量Ｃ_Ｇ、Ｃ_Ｄを外付けにし、負荷容量Ｃ_Ｇ、Ｃ_Ｄの容量の値を変えることによって発振回路１０の発振周波数を目標周波数となるように調整している。そして、発振回路１０の周波数調整を容易にするために、予め圧電振動子１２のパッケージに負荷容量（コンデンサ）を設けたものがある。例えば、特許文献１には、圧電振動子のパッケージの底面に凹部を形成し、その凹部にチップコンデンサを交換可能に取り付けた圧電振動子が記載してある。また、特許文献２は、パッケージの積層間に誘電体を挟み込み、誘電体をレーザ光によって一部を消失させて容量の値を調節することができるようにした圧電振動子を提案している。
特開平１１−１４５７６８号公報 特開２００４−２８２６２１号公報

しかし、特許文献１に記載の圧電振動子は、振動子の周波数に合わせてチップコンデンサの容量値を選択して取り付ける必要があり、工数が多くなるとともに、予め複数種類のチップコンデンサを用意しておかなければならず部品管理も容易でない。また、予めパッケージにチップコンデンサを実装した場合、圧電振動子の小型化が困難となる欠点がある。

一方、特許文献２に記載の圧電振動子は、積層間に誘電体のパターンを形成し、レーザ光によってパターンを徐々に消失させるようにしているため、パッケージの一部を透光性の材料を用いて形成する必要があり、パッケージの構造が複雑となる。また、レーザ光によってパターンを徐々に消失させて周波数を調節するため、レーザ光を二次元的に走査させてパターンを加工する必要があり、周波数調整に多くの時間を必要とする。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、発振周波数の調整を容易、迅速に行なえるようにすることを目的としている。
また、本発明は、高い精度で発振周波数を調整できるようにすることを目的としている。
さらに、本発明は、小型で正確な周波数を発振できるようにすることなどを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法は、圧電振動片を収容したパッケージを備えた圧電振動子の周波数調整方法であって、前記パッケージに、静電容量が相互に異なる複数のコンデンサ素子からなるコンデンサブロックと、少なくとも一部が前記パッケージから露出し、前記各コンデンサ素子を前記圧電振動片に並列接続する配線部とを設け、圧電振動子の発振周波数を測定し、測定周波数が目標周波数と異なるときに、前記配線部の前記パッケージから露出した部分を切断して、前記圧電振動子の発振周波数を前記目標周波数に調整する、ことを特徴としている。

このようになっている本発明は、圧電振動子の発振周波数を測定し、目標周波数と比較する。そして、測定した発振周波数が目標周波数からずれている場合に、そのずれ量をなくすのに必要とする静電容量の値を求める。その後、パッケージに作り込んであるコンデンサブロックを構成している適宜のコンデンサ素子の配線部をレーザ光などによって切断し、静電容量の値を変えて発振周波数が目標周波数となるようにする。したがって、本発明の周波数調整方法は、細い配線パターンを切断するだけで発振周波数の調整を行なうことができ、発振周波数の調整を容易、迅速に行なうことができる。しかも、複数のコンデンサ素子は、相互に静電容量の値が異なっているため、これらを組み合わせることによって細かな容量値を求めることができ、少ないコンデンサ素子数によって高精度な周波数調整を行なえ、小型で正確な発振周波数を有する圧電振動子とすることができる。前記コンデンサブロックは、前記圧電振動片の励振電極に対応して設けることにより、周波数調整を容易に行なえるとともに、圧電振動子の入力側と出力側とのインピーダンスをバランスさせることができる。

本発明に係る圧電振動子は、圧電振動片と、前記圧電振動片を収容したパッケージと、前記パッケージに設けられ、静電容量が相互に異なる複数のコンデンサ素子からなるコンデンサブロックと、少なくとも一部が露出して切断可能に形成され、各コンデンサ素子の一方の電極を前記圧電振動片に並列に接続した配線部と、を有することを特徴としている。

このようになっている本発明に係る圧電振動子は、測定した発振周波数が目標周波数からずれている場合に、ずれ量に応じたコンデンサの容量値を求め、コンデンサブロックを構成している適宜のコンデンサ素子の露出している配線部を切断する。したがって上記したように、発振周波数の調整を容易、迅速に行なうことができ、高精度な周波数調整を行なうことができ、小型で正確な発振周波数を有する圧電振動子とすることができる。しかも、発振用のコンデンサを圧電振動子側に配置したことにより、集積回路側にとって付加価値が少なく、比較的大きな面積を占めるコンデンサを、集積回路側において不要にすることができる。

前記コンデンサブロックは、前記圧電振動片の励振電極に対応して設けるとよい。これにより、周波数調整を容易に行なえ、圧電振動子の入力側と出力側とのインピーダンスのバランスをとることができる。

前記コンデンサブロックを構成している前記各コンデンサ素子は、静電容量の値を等比数列的に異ならせるとよい。このように容量値を変えると、少ない素子数で細かな容量値を容易に得ることができ、高精度な周波数調整を行なうことが可能となる。前記等比数列は、公比が１．５から２．５であることが望ましい。公比が１．５より小さいと、各コンデンサ素子間の静電容量の値が近すぎ、２．５より大きいと、各コンデンサ素子間の静電容量の値が離れすぎて、所望の容量値を得ることが困難となり、正確な周波数調整が困難となるおそれがある。

前記コンデンサブロックは、前記パッケージの下面に形成することができる。コンデンサブロックをパッケージの下面に形成すると、配線部となる配線パターンの形成が容易となる。前記コンデンサブロックは、前記パッケージを構成する積層体中に設けることができる。コンデンサブロックを積層体中に形成すると、コンデンサブロックを形成する面積を大きくすることができる。

前記コンデンサブロックは、前記パッケージの下面に形成した凹部内に設けてもよい。コンデンサブロックを凹部に配置することにより、圧電振動子を基板に実装したときに、基板に他の配線パターンが存在している場合であっても、短絡を防ぐことができる。なお、この場合、周波数を調整したのち、凹部に樹脂をポッティングし、コンデンサブロックを樹脂によって覆ってもよい。

本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法および圧電振動子の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。なお、背景技術において説明した部分に対応する部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。
図２は、本発明の実施の形態に係る圧電振動子の説明図であって、（１）は断面図、（２）は底面図である。図２において、圧電振動子２０は、パッケージ２２の内部に圧電振動片２４が収容してある。パッケージ２２は、パッケージ本体２６と蓋体２８とからなっている。パッケージ本体２６は、例えばセラミックシートを積層して圧電振動片２４の収容空間３０を有する箱型に形成してある。そして、パッケージ本体２６は、収容空間３０内に圧電振動片２４を実装する段部３２が形成してある。この段部３２には、一対のマウント電極（図示せず）が設けてある。また、蓋体２８は、金属やセラミック、ガラスなどによって板状に形成してある。この蓋体２８は、パッケージ本体２６の上端面に、金属ロウ材や低融点ガラスなどによって接合され、パッケージ本体２６の収容空間３０を気密に封止している。

一方、圧電振動片２４は、例えばＡＴカット水晶板などの圧電体から形成してあって、上下の両面に図示しない励振電極が設けてある。また、圧電振動片２４は、実施の形態の場合、図の左右方向となる長手方向の一側に、励振電極と一体に形成した接続電極が設けてある。この接続電極は、導電性接着剤を介してパッケージ本体２６の段部３２に形成したマウント電極に接合される。なお、圧電振動片２４は、ＡＴ振動片であっても、音叉型振動片などであってもよい。また、圧電体は、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムなど、水晶以外のものであってもよい。

パッケージ２２は、平面視矩形状に形成してあって、パッケージ本体２６の下面３４の四隅に外部電極３６（３６ａ〜３６ｄ）が設けてある。外部電極３６は、図示しない基板に圧電振動子２０を接合し、圧電振動子２０を基板に設けた電気回路に接続するためのものである。そして、実施形態の場合、下面３４の外部電極３６ａ、３６ｄが図示しないスルーホール、配線パターンなどを介してパッケージ本体２６内のマウント電極に接続され、圧電振動片２４の励振電極に電気的に接続してある。他の外部電極３６ｂ、３６ｃは、実施形態の場合、基板に形成したグランドパターンに接続される。

パッケージ本体２６の下面３４の中央部には、負荷容量となる一対のコンデンサブロック３８、４０が設けてある。各コンデンサブロック３８、４０は、詳細を後述するように、複数のコンデンサ素子から構成してある。そして、一方のコンデンサブロック３８は、各コンデンサ素子の一方の電極が配線部である配線パターン４２を介して外部電極３６ａに接続してあり、他方の電極が配線パターン４４を介して外部電極３６ｂ、３６ｃに接続してある。他方のコンデンサブロック４０は、コンデンサブロック３８と同様に、各コンデンサ素子の一方の電極が配線パターン４６を介して外部電極３６ｄに接続してあり、他方の電極が配線パターン４４を介して外部電極３６ｂ、３６ｃに接続してある。なお、実施形態の場合、コンデンサブロック３８がゲートコンデンサＣ_Ｇを構成し、コンデンサブロック４０がドレインコンデンサＣ_Ｄを構成している。

コンデンサブロック３８、４０は、図１に示したように、実施形態の場合、それぞれが４つのコンデンサ素子４８（４８ａ〜４８ｄ）、５０（５０ａ〜５０ｄ）によって構成してある。これらのコンデンサ素子４８、５０は、一方の電極５２（５２ａ〜５２ｄ）と他方の電極５４（５４ａ〜５４ｄ）とが、両者の間に設けた誘電体層５６を介して重なるように形成してある。そして、コンデンサブロック３８を構成している各コンデンサ素子４８は、静電容量が相互に異なっている。すなわち、コンデンサ素子４８ａ〜４８ｄは、一方の電極５２の面積がそれぞれ異なっていて、図の下方の電極５２ａから上方の電極５２ｄに向けて電極面積を大きくしてある。実施形態の場合、電極５２ｂの面積は、電極５２ａの面積の２倍となっている。同様に、電極５２ｃの面積は電極５２ｂの面積の２倍であり、電極５２ｄの面積は電極５２ｃの面積の２倍となっている。したがって、コンデンサ素子４８ａ〜４８ｄは、静電容量が公比を２とした等比数列的に変えてある。そして、各コンデンサ素子４８の一方の電極５２は、配線パターン４２を介して外部電極３６ａに並列に接続してある。各コンデンサ素子４８の他方の電極５４は、配線パターン４４に接続してあって、配線パターン４４を介して外部電極３６ｂ、３６ｃに接続してある。

また、他方のコンデンサブロック４０を構成している各コンデンサ素子５０も同様に形成してあって、静電容量が公比を２とする等比数列的に変えてある。そして、各コンデンサ素子５０の一方の電極５２は、配線パターン４６を介して外部電極３６ｄに並列に接続してある。コンデンサ素子５０の他方の電極は、配線パターン４４を介して外部電極３６ｂ、３６ｄに接続してある。したがって、圧電振動子２０は、回路的には図３のように表すことができる。そして、圧電振動子２０を用いて発振回路を形成すると、図４のようになる。なお、インバータ１４と帰還抵抗Ｒ_ｆは、集積回路（ＩＣ）５８として形成されている。

なお、コンデンサブロック３８、４０は、実施形態の場合、対応するコンデンサ素子４８、５０の静電容量の値が同じになるように形成してあるが、異なっていてもよい。そして、コンデンサブロック３８、４０は、コンデンサ素子４８、５０の電極パターンと誘電体層のパターンとを順次印刷することにより、容易に形成することができる。また、コンデンサブロック３８、４０を構成しているコンデンサ素子４８、５０は、任意の個数設けることができる。また、コンデンサ素子４８、５０の一方の電極５２を下側にし、他方の電極５４を上側にして露出させてもよい。

このようになっている圧電振動子２０の発振周波数の調整は、次のようにして行なう。まず、圧電振動子２０を形成する。その後、すべてのコンデンサ素子４８、５０が接続された状態で圧電振動子２０の発振周波数を測定し、測定した周波数（測定周波数）を目標周波数と比較し、両者の偏差を求める。次に、測定周波数を目標周波数とするための負荷容量であるコンデンサブロック３８、４０の静電容量、すなわちゲートコンデンサの容量Ｃ_ＧとドレインコンデンサＣ_Ｄとの静電容量の値を求める。そして、この求めた容量値に基づいて、配線パターン４２、４６を切断して外部電極３６ａ、３６ｄから切り離すべきコンデンサ素子４８、５０を選択する。次に、選択したコンデンサ素子４８、５０と外部電極３６ａ、３６ｄとを接続している配線パターン４２、４６の適宜の箇所、例えば図１の破線６０で示した位置においてレーザ光を用いて切断する。そして、圧電振動子２０の周波数を測定して発振周波数の目標周波数に対するずれ量を求め、ずれ量が許容範囲に入っていることを確認する。

このように、実施の形態においては、外部電極３６ａ、３６ｂに接続してあるコンデンサ素子４８、５０の配線パターン４２、４６をレーザ光で切断するだけで周波数調整を行なうことができる。したがって、圧電振動子の周波数調整を容易、迅速に行なうことができる。しかも、コンデンサブロック３８、４０を構成している複数のコンデンサ素子４８、５０の静電容量の値を公比が２である等比数列的に異ならせているため、少ないコンデンサ素子数で細かな容量値を設定することができ、高精度な周波数調整を行なうことができる。また、実施形態の圧電振動子２０は、複数のコンデンサ素子４８、５０からなるコンデンサブロック３８、４０をパッケージ２２に設けたことにより、小型で高い精度の発振周波数を有する圧電振動子とすることができる。そして、実施形態においては、発振用のコンデンサを圧電振動子側に設けたことにより、ＩＣ側にとって付加価値が少なく、比較的大きな面積を必要とするコンデンサをＩＣ側に設ける必要がない。

なお、実施形態においては、コンデンサブロック３８、４０を構成しているコンデンサ素子４８、５０の静電容量を公比が２である等比数列的に変えた場合について説明したが、公比は２でなくともよい。しかし、公比は１．５ないし２．５とすることが望ましい。公比が１．５より小さいと、コンデンサ素子間の静電容量値が近く、公比が２より大きいとコンデンサ素子間の静電容量値が離れすぎるため、適切な容量値を得ることが困難となり、正確な周波数調整をすることが難しくなるおそれがある。

図５は、第２実施形態の要部の説明図である。この実施形態に係る圧電振動子６２は、パッケージ２２の下面３４にコンデンサブロック３８、４０が形成してある。これらのコンデンサブロック３８、４０は、それぞれが複数のコンデンサ素子４８、５０から形成してある。そして、コンデンサブロック３８を構成している各コンデンサ素子４８の一方の電極５２は、配線パターン４２を介して外部電極３６ａに接続してある。また、他方のコンデンサブロック４０を構成している各コンデンサ素子５０の一方の電極５２は、配線パターン４６を介して外部電極３６ｄに接続してある。

一方、これらのコンデンサ素子４８、５０の他方の電極６４は、一体に形成してあって配線パターン４４を介して外部電極３６ｂ、３６ｃに接続してある。また、各コンデンサ素子４８、５０の一方の電極５２と他方の電極６４との間に設けた誘電体層５６は、他方の電極６４と同様に一体に形成してある。他の構成は、第１実施形態と同様に形成してある。
このようになっている第２実施形態の圧電振動子６２は、前記と同様の作用効果が得られるとともに、コンデンサブロック３０、４０の形成が容易となる。

図６は、第３実施形態の説明図である。この実施形態に係る圧電振動子７０は、パッケージ本体２６が複数のセラミックシートを積層して形成した積層体となっている。また、パッケージ本体２６のベース部が第１ベースシート７２と第２ベースシート７４とからなっている。そして、第１ベースシート７２と第２ベースシート７４との間には、それぞれが複数のコンデンサ素子からなるコンデンサブロック３８、４０が設けてある。各コンデンサ素子の一方の電極と他方の電極とは、パッケージ本体２６の下面に設けた配線パターン４２、４４、４６に電気的に接続してある。

すなわち、コンデンサブロック３８を構成している各コンデンサ素子の一方の電極は、配線パターン７６と第１ベースシート７２に設けたスルーホール７８とを介して配線パターン４２に電気的に接続してある。また、コンデンサブロック４０を構成している各コンデンサ素子の一方の電極は、配線パターン８０、スルーホール７８を介して配線パターン４６に電気的に接続してある。さらに、各コンデンサブロック３８、４０の他方の電極は、配線パターン８２、スルーホール７８を介して配線パターン４４に電気的に接続してある。

このようになっている圧電振動子７０は、パッケージ本体２６の下面に露出している配線パターン４２、４６の適宜の箇所を、レーザ光を用いて切断することにより、前記したように静電容量の値を変えることができ、発振周波数の調整を行なうことができる。なお、第１ベースシート７２は、コンデンサブロック３８、４０を印刷により形成したのち、第２ベースシート７４が積層される。

図７は、第４実施形態の説明図である。この実施形態に係る圧電振動子９０は、パッケージ９２が蓋体２８とパッケージ本体９４とからなっている。パッケージ本体９４は、図７（１）に示したように、断面が略Ｈ状に形成してある。すなわち、パッケージ本体９４は、下面の中央部に凹部９６が形成してある。そして、この凹部９６の底面にコンデンサブロック３８、４０が設けてある。また、パッケージ本体９４は、下端面となる額縁状の縁部９８下面の四隅に外部電極３６が設けてある。外部電極３６ａには、配線パターン４２を介してコンデンサブロック３８を構成している各コンデンサ素子の一方の電極が並列に接続してある。外部電極３６ｄには、配線パターン４６を介してコンデンサブロック４０を構成している各コンデンサ素子の一方の電極が並列に接続してある。これらのコンデンサ素子の他方の電極は、配線パターン４４を介して外部端子３６ｂ、３６ｃに接続してある。

この実施形態に係る圧電振動子９０においても、配線パターン４２、４６の適宜の箇所を切断することにより、発振周波数の調整を行なうことができる。また、圧電振動子９０は、パッケージ本体９４の凹部９６にコンデンサブロック３８、４０を配置しているため、圧電振動子９０を基板に実装したときに、コンデンサブロック３８、４０が基板に接触することがない。したがって、圧電振動子９０を基板に実装したときに、圧電振動子の下に他の配線パターンなどが存在したとしても、短絡するおそれがない。なお、周波数調整をしたのち、図７（１）の２点鎖線に示したように、凹部９６に樹脂１００をポッティングしてコンデンサブロック３８、４０を樹脂１００によって覆ってもよい。

第１実施形態に係るコンデンサブロックの詳細説明図である。 第１実施形態に係る圧電振動子の説明図である。 第１実施形態に係る圧電振動子を回路的に表した図である。 第１実施形態に係る圧電振動子を用いた発振回路の図である。 第２実施形態に係る圧電振動子の要部の説明図である。 第３実施形態に係る圧電振動子の説明図である。 第４実施形態に係る圧電振動子の説明図である。 インバータ発振回路の基本回路の説明図である。

符号の説明

２０………圧電振動子、２２………パッケージ、２４………圧電振動片、３８、４０………コンデンサブロック、３６ａ〜３６ｄ………外部電極、４２、４４、４６………配線部（配線パターン）、４８ａ〜４８ｅ………コンデンサ素子、５０ａ〜５０ｅ………コンデンサ素子、６２、７０、９０………圧電振動子、９２………パッケージ、９４………パッケージ本体、９６………凹部。

Claims (9)

1. 圧電振動片を収容したパッケージを備えた圧電振動子の周波数調整方法であって、
   前記パッケージに、静電容量が相互に異なる複数のコンデンサ素子からなるコンデンサブロックと、少なくとも一部が前記パッケージから露出し、前記各コンデンサ素子を前記圧電振動片に並列接続する配線部とを設け、
   圧電振動子の発振周波数を測定し、測定周波数が目標周波数と異なるときに、前記配線部の前記パッケージから露出した部分を切断して、前記圧電振動子の発振周波数を前記目標周波数に調整する、
   ことを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
2. 請求項１に記載の圧電振動子の周波数調整方法において、
   前記コンデンサブロックは、前記圧電振動片の励振電極に対応して設けてあることを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
3. 圧電振動片と、
   前記圧電振動片を収容したパッケージと、
   前記パッケージに設けられ、静電容量が相互に異なる複数のコンデンサ素子からなるコンデンサブロックと、
   少なくとも一部が露出して切断可能に形成され、各コンデンサ素子の一方の電極を前記圧電振動片に並列に接続した配線部と、
   を有することを特徴とする圧電振動子。
4. 請求項３に記載の圧電振動子において、
   前記コンデンサブロックは、前記圧電振動片の励振電極に対応して設けてあることを特徴とする圧電振動子。
5. 請求項３または４に記載の圧電振動子において、
   前記コンデンサブロックを構成している前記各コンデンサ素子は、静電容量の値が等比数列的に異なっていることを特徴とする圧電振動子。
6. 請求項５に記載の圧電振動子において、
   前記等比数列は、公比が１．５から２．５であることを特徴とする圧電振動子。
7. 請求項３ないし６のいずれかに記載の圧電振動子において、
   前記コンデンサブロックは、前記パッケージの下面に形成してあることを特徴とする圧電振動子。
8. 請求項３ないし６のいずれかに記載の圧電振動子において、
   前記コンデンサブロックは、前記パッケージを構成する積層体中に設けてあることを特徴とする圧電振動子。
9. 請求項３ないし６に記載の圧電振動子において、
   前記コンデンサブロックは、前記パッケージの下面に形成した凹部内に設けてあることを特徴とする圧電振動子。