JP2007124515A - 圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の２波出力機能を有する圧電発振器では、パッケージ内に少なくとも２つ以上の圧電振動板をお互いが接触しないように搭載しなくてはならないので、どうしても圧電発振器自体のサイズが大きくなってしまい、ユーザからの小型化の要求に応えることが難しい。特に、圧電発振器の厚み寸法を薄くすることが非常に困難となる。
【解決手段】１個の圧電振動板から所定の周波数の信号を得る発振回路と、発振回路により出力された信号周波数を分周して、第１の出力信号として外部に出力する分周回路と、発振回路により出力された信号周波数を所望する周波数値にまで可変させ、第２の出力信号として外部に出力するＰＬＬ回路とを内蔵し、２つ以上の異なる周波数の信号を外部出力する圧電発振器。
【選択図】図２

Description

本発明は、本発明は、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に用いられる電子部品の一つである圧電発振器に関するものであり、特に２つ以上の異なる周波数の信号を出力する圧電発振器に関する。

従来、圧電素板の表裏両主面に励振用電極を形成した圧電振動板と発振回路を内蔵した集積賀露素子とを同一のパッケージ内に搭載した圧電発振器が、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に多用されている。又その使用数も、電子機器の多機能化により、その機能別に基準となる信号を供給する圧電発振器を複数個搭載する形態が用いられてきた。

しかし、電子機器の小型化に伴って、それに搭載する圧電発振器についても、圧電発振器を実装する外部回路基板における実装専有面積を小さくする必要に迫られたことから、１つの圧電発振器から２つの異なる周波数の信号を出力するものが各種発明されている。

図３は、従来の圧電発振器の一例として、パッケージ内に異なる周波数で励振する２つの圧電振動板と集積回路素子を搭載した圧電発振器の概略断面図である。即ち、第１の圧電振動板３１を構成する第１の圧電素板の表面上には、対向する励振用電極と、励振用電極から圧電素板の一方の短辺へ延設した引き出し電極と、引き出し電極と電気的に接続し且つパッケージ３０側の電極パッドとの導通を取るための容器接続用電極とが形成されている。又、第２の圧電振動板３２を構成する第２の圧電素板の表面上にも、励振用電極と、励振用電極から圧電素板の一方の短辺へ延設した引き出し電極と、引き出し電極と電気的に接続し且つパッケージ３０側の電極パッドとの導通を取るための容器接続用電極とが形成されている。この圧電振動板はその表面に形成された励振用電極から瞬時的に印加される電圧による圧電効果によって圧電素板が励振振動し、その振動による逆圧電効果によって、その表面に交番的に正負の電荷を発生し励振用電極に振動電圧を誘発する。

尚、この第１の圧電振動板と第２の圧電振動板は異なる周波数で励振するものであり、例えば、第１の圧電振動板は外形形状が矩形平板状の水晶素板を主材に、厚みすべり振動モードで数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚの励振振動を生じさせる。又、第２の圧電振動板は外形形状が音叉型の水晶素板を主材に、屈曲振動モードで３２．７６８ｋＨｚの励振振動を生じさせる。

このように構成された第１の圧電振動板３１及び第２の圧電振動板３２と、これら各圧電振動板に形成された励振用電極と電気的に接続した各々の圧電振動板に対する発振回路を内蔵する集積回路素子３３は、パッケージ３０の概略凹形状の内部空間内の所定位置に配置され、各圧電振動板の容器接続用電極とパッケージ３０側の各振動板接続用電極パッド３４との間を、導電性接着材３５により導通固着を行っている。又、集積回路素子３３に内蔵された各発振回路からの各々の出力（図３では２出力となる）は、ワイヤー線及びパッケージ３０内の導配線を介して、外部接続用電極端子３６のうちの所定の出力端子に電気的に接続されている。

第１の圧電振動板３１、第２の圧電振動板及び集積回路素子３３を上記形態で内部空間に搭載したパッケージ３０の開口部に、金属製の蓋体３７を配置接合し、パッケージ３０の内部空間を気密封止することで、圧電発振器３８が形成される。

前述のような圧電発振器については、以下のような先行技術文献が開示されている。
特開２０００−３４９１８１号公報 特開２００３−４６３６０号公報

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述したような圧電発振器において、パッケージ内に少なくとも２つ以上の圧電振動板をお互いが接触しないように搭載しなくてはならないので、どうしても圧電発振器自体のサイズが大きくなってしまい、ユーザからの小型化の要求に応えることが難しい。特に、圧電発振器の厚み寸法を薄くすることが非常に困難となる。

又、図３のような形態の圧電発振器において、圧電振動板表面に形成した励振用電極の形成材料を加減する周波数調整を行う場合、最上段（図３では第１の圧電振動板３１）の圧電振動板のみ行うことが可能で、それ以外の圧電振動板には周波数調整を施すことがほぼ不可能である。但し、圧電振動板間の重なり合いを大きくずらして、各圧電振動板の励振用電極が重ならないように配置したり、下段側から配置した圧電振動板順に周波数調整を行いながら各圧電振動板を搭載していく工程を設ける方法があるが、前段では圧電振動板の配置のために圧電発振器のパッケーッジ内に大きな搭載空間が必要となり、圧電発振器自体の小型化ができず、後段では、周波数調整工程を搭載する圧電振動板分行わなければならず、製造工程が多くなってしまったり、他の圧電振動板の周波数調整工程の際の環境影響（例えば熱など）が、すでに周波数調整が終わった圧電振動板の電極の酸化反応やガス吸着あるいは固定部位に変形を来し、このため、最適に調整したはずの周波数が狂う不具合の発生する虞がある。

本発明は前述した問題点を解決するために成されたものであり、矩形状の容器体の主面に形成されている凹部内に、１個の圧電振動板や、この圧電振動板に電気的に接続した集積回路素子をし、圧電振動板が搭載された凹部の開口部に蓋体が、開口部を覆う形態で配置し、この凹部を囲繞する側壁部の凹部開口側端面に設けた導体層と蓋体とを固着することで、圧電振動素子を内包した該凹部内空間が気密封止されている圧電発振器において、
上記集積回路素子に少なくとも、圧電振動板から所定の周波数の信号を得る発振回路と、発振回路により出力された信号周波数を分周して、第１の出力信号として外部に出力する分周回路と、発振回路により出力された信号周波数を所望する周波数値にまで可変させ、第２の出力信号として外部に出力するＰＬＬ回路とを内蔵し、２つ以上の異なる周波数の信号を外部出力することを特徴とする圧電発振器である。

又、上記圧電振動板が、厚みすべり振動モードにより１６．７７７２１６ＭＨｚの基本波振動で励振し、上記第１の出力信号周波数が３２．７６８ｋＨｚであることを特徴とする前段落記載の圧電発振器でもある。

従って、本発明の複数波の出力を有する圧電発振器により、パッケージ内に搭載する圧電振動板が１個しかないので圧電発振器自体のサイズを従来に比べ小さくすることができ、ユーザからの小型化の要求に応えることができる。特に、圧電発振器の厚み寸法を薄くすることが容易となる。

又、圧電振動板表面に形成した励振用電極の形成材料を加減する周波数調整を行う場合、搭載する圧電振動板が１個であるため、圧電振動板には周波数調整を施すことが非常に容易であり、出力されるすべての信号の周波数を精確に所定の周波数値に合わせることが可能となる。

このような作用により、サイズの小型化（特に薄型化）が可能であり、且つ製造が容易な複数の出力を有する圧電発振器を提供できる効果を奏する。

以下に、本発明における圧電発振器の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明における圧電発振器を、圧電発振器の一形態である水晶発振器で例示した概略断面図である。図２は、図１記載の集積回路素子内に内蔵される電子回路網の一部を示したブロック図である。尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示せず、また寸法も一部誇張して図示している。

即ち、図１において、矩形平板状の外形形状の水晶素板の表裏主面上は、水晶素板のほぼ中央に略長方形の励振用電極が表裏主面で対向するように蒸着法により形成されており、この励振用電極から水晶素板の一方の短辺方向へ延設した引き出し電極と、引き出し電極と電気的に接続し、且つパッケージ１２に形成された圧電振動板接続用電極パッド１３との導通を取るための容器接続用電極とが形成されることにより、水晶振動板１１が形成される。尚、水晶振動板１１はＡＴカットアングルで形成されており、厚みすべり振動モードで１６．７７７２１６ＭＨｚ又は３３．５４４３２ＭＨｚの基本波振動を生じるように外形加工が施されている（以降は１６．７７７２１６ＭＨｚを例に記述する。）。

このような形状の水晶振動板１１を搭載するパッケージ１２は、表面或いは内部に導体パターンやビアホールを形成したセラミックス層を積層して形成されており、パッケージ１２には上方に開口した、水晶振動板１１及び後述する集積回路素子１４挿入可能な概略凹形状の空間部１５が形成されている。この空間１５の対向する２つの側面には、一方の側面に２段の、他方の側面には１段の段差部が形成されており、空間部１５内底面側最下段の第１の段差部１６は対向する側面間で同じ高さの段差部となっている。

この空間部１５内底面には、集積回路素子１４が配置固定されている。この集積回路素子１４は各第１の段差部１６に形成された複数の素子接続用電極パッド（図示せず）とワイヤーボンディングにより電気的接続をしている。又、第２の段差部１７には圧電振動板接続用電極パッド１３が形成されており、水晶振動板１１が導電性接着材により導通固定されている。更にパッケージ１２の外底面には、外部回路基板に圧電発振器を実装するための複数個の外部接続用電極端子１８が形成されている。これら水晶振動板１１、集積回路素子１４及び外部接続用電極端子１８は、所定の電極間で電気的に接続されている。

水晶振動板１１及び集積回路素子１４を空間部１５に搭載し導通させた後に、空間部１５の開口部に、金属製の蓋体１９を配置し、パッケージ１２の空間部１５内を気密封止することで、水晶発振器１０が概略形成される。

この水晶発振器１０に搭載される集積回路素子１４内には、図２に開示のブロック図で示されたような回路が組み込まれている。即ち、水晶振動板１１に接続された発振回路２１により出力された１６．７７７２１６ＭＨｚの信号は分岐路で２分岐され、一方の分岐側の分周回路２２に入力される。この分周回路２２内の１／５１２分周により、入力信号は３２．７６８ｋＨｚにまで分周され第１の出力信号として集積回路素子１４より出力される。又、他方の分岐側にはＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路２３が接続され、分岐された発振回路２１からの出力信号が入力される。

ＰＬＬ回路２３は、第１の分周器２４と、位相比較器（ＰＣ）２５と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）２６と、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２７と及び第２の分周器２８から概略構成されている。第１の分周器２４は、発振回路２１からの出力周波数ｆｒを１／Ｍに分周する。ここでの分周周波数を入力分周周波数ｆｑとする。位相比較器２５は入力分周周波数ｆｑと後述する帰還分周周波数ｆｐとの位相を比較し、位相差に基づく差電圧を発生する。但し、帰還分周周波数ｆｐは、電圧制御発振器２７の発振周波数（制御周波数とする）ｆｖを第２の分周器２８によって、１／Ｎに分周された周波数である。ローパスフィルタ２６は位相差電圧から高周波成分を除去して平滑し、制御電圧を生成する。

電圧制御発振器２７は例えば図示しないＣＲやＬＣ発振回路からなり、電圧によって端子聞の容量が変化する電圧可変容量素子を発振閉ルーブ内に挿入してなる。そして、電圧可変容量素子に印加される制御電圧によって制御周波数ｆｖを変化させて、ＰＬＬ回路２３から出力周波数ｆ０の第２の出力信号として集積回路素子１４より出力される。

このようなＰＬＬ回路では、例えば発振回路２１からの出力信号周波数ｆｒを１６．７７７２１６ＭＨｚとし、所望のＰＬＬ回路出力信号周波数ｆ０を２０ＭＨｚとする場合、第１の分周器２４と第２の分周器２８との関係（Ｎ／Ｍ）を、１２８／１０７．３７４１８２４にすることにより得られる。尚、この第１の分周器２４と第２の分周器２８の分周比を任意に可変することで、所望の周波数値の第２の出力信号を得ることが可能である。

以上のような手段により得られた第１の出力信号及び第２の出力信号は、集積回路素子１４からワイヤー線やパッケージ１２内の導配線を介して外部接続用電極端子１８のうちの各々の専用出力端子に電気的に接続し、水晶発振器１０が実装された外部回路基板に接続された他の電子部品や電子機器のクロック基準信号や動作基準信号として使用される。

このような形態の水晶発振器により、２波出力機能を有する水晶発振器１０のパッケージ１２内に搭載する水晶振動板１１を１個とできるので、水晶発振器１０自体のサイズを従来に比べ小さくすることができ、ユーザからの小型化の要求に応えることができる。特に、水晶発振器２０の厚み寸法を薄くすることが容易となる。

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、上記実施例では、圧電発振器内に搭載する圧電振動板の材料に圧電材の一つである水晶を用いた水晶発振器１０を例に示したが、圧電効果を奏するものであれば、水晶の他に、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムや圧電セラミック等の他の圧電材を使用しても構わない。

又、図２に示したＰＬＬ回路２３は基本的な方式を示しているのであって、他にプリスケラー方式やパルススワロー形式を用いても良く、第１の分周器及び第２の分周器のＮ／Ｍは、ＥＥＰＲＯＭやＰＲＯＭを用いてプログラマブルにして、任意に出力信号周波数値を可変できるようにしても良い。更に、集積回路素子とパッケージとの間の電気的接続方法はワイヤーボンディングでもフリップでも良い。

更に又、圧電発振器における圧電振動板と集積回路素子の搭載形態として、上記実施例ではパッケージに形成された一空間内に圧電振動板を集積回路素子とを搭載した形態を例示したが、他に、パッケージに形成された２つの区分された空間部にそれぞれ圧電振動板と集積回路素子を別個の搭載した形態でも、圧電振動板を搭載したパッケージと集積回路素子を搭載したパッケージとを接続した形態の圧電発振器でも、本発明は有効である。

図１は、本発明における圧電発振器を、圧電発振器の一形態である水晶発振器で例示した概略断面図である。 図２は、図１記載の集積回路素子内に内蔵される電子回路網の一部を示したブロック図である。 図３は、従来の複数波出力機能を有する圧電発振器の一形態示す断面図である。

符号の説明

１０・・・水晶発振器（圧電発振器）
１１・・・水晶振動板（圧電振動板）
１２・・・パッケージ
１３・・・圧電振動板接続用電極パッド
１４・・・集積回路素子
１５・・・空間部
１６・・・第１の段差部
１７・・・第２の段差部
１８・・・外部接続用電極端子
１９・・・蓋体
２１・・・発振回路
２２・・・分周回路
２３・・・ＰＬＬ回路

Claims (2)

1. 矩形状の容器体の主面に形成されている凹部内に、１個の圧電振動板及び該圧電振動板に電気的に接続した集積回路素子をし、該圧電振動板が搭載された該凹部の開口部に蓋体が該開口部を覆う形態で配置し、該凹部を囲繞する側壁部の凹部開口側端面に設けた導体層と該蓋体とを固着することで、該圧電振動素子を内包した該凹部内空間が気密封止されている圧電発振器において、
   該集積回路素子に少なくとも、該圧電振動板から所定の周波数の信号を得る発振回路と、該発振回路により出力された信号周波数を分周して、第１の出力信号として外部に出力する分周回路と、該発振回路により出力された信号周波数を、所望する周波数値にまで可変させ、第２の出力信号として外部に出力するＰＬＬ回路とを内蔵し、２つ以上の異なる周波数の信号を出力することを特徴とする圧電発振器。
2. 該圧電振動板が、厚みすべり振動モードにより１６．７７７２１６ＭＨｚ又は３３．５５４３２ＭＨｚの振動で励振し、該第１の出力信号周波数が３２．７６８ｋＨｚであることを特徴とする請求項１記載の圧電発振器。

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