JP2008278543A - 機器及び機器の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】圧電振動子のパッケージの外部に発振回路等を構成するIC部品を組付け一体化した表面実装型圧電発振器において、従来接地されていた金属リッドを、調整用端子として活用することにより、調整作業の効率化、発振器全体の小型化に対する障害の除去、更にはアッセンブリメーカーサイドで調整を行う場合の作業性をも高めることを可能にした。
【解決手段】圧電振動子1の底部に外付けされ且つ発振回路及び温度補償回路を構成するIC部品を有したIC部品ユニット40と、を備えた圧電発振器において、絶縁容器の上部凹所11内に圧電振動素子3を収容した状態で凹所を金属リッド16により気密封止した構成を備えると共に、絶縁容器底部には圧電振動素子のアースパターン13cと導通したGND電極と、機能電極と、圧電振動素子の励振電極と導通した水晶接続電極Xと、IC部品中の調整回路と導通した調整電極20aが配置され、調整電極を前記金属リッドと導通させることにより金属リッドを調整用端子として利用した。
【選択図】図1

Description

本発明は、パッケージ側面に露出配置していた小面積の調整用端子を用いた調整作業の不便さを解消した発振器用圧電振動子及び表面実装型圧電発振器に関するものである。
移動体通信市場においては、各種電装部品の実装性、保守・取扱性、装置間での部品の共通性等を考慮して、各機能毎に部品群のモジュール化を推進するメーカーが増えている。また、モジュール化に伴って、小型化、低コスト化も強く求められている。
特に、基準発振回路、PLL回路、及びシンセサイザー回路等、機能及びハード構成が確立し、且つ高安定性、高性能化が要求される回路部品に関してモジュール化への傾向が強まっている。更に、これらの部品群をモジュールとしてパッケージ化することによりシールド構造を確立しやすくなるという利点がある。
複数の関連部品をモジュール化、パッケージ化することにより構築される表面実装用の電子部品としては、例えば圧電振動子、圧電発振器、SAWデバイス等を例示することができるが、これらの機能を高く維持しつつ、更なる小型化を図るために、例えば図6に示した如き二階建て構造のモジュールが採用されている。
即ち、まず図6(a)は二階建て構造型モジュールの第1例としての表面実装型圧電デバイス(水晶発振器)の構成を示す縦断面略図であり、セラミック製の容器本体101と金属リッド102からなる容器の内部に水晶振動素子103を収容した水晶振動子100と、水晶振動子100の底面に接合される容器105の空所105a内に発振回路、温度補償回路などを構成するIC部品106をベアチップ実装して密封した構成を備えた底部構造体(IC部品ユニット)107と、を備えている。この水晶発振器をプリント基板上に実装する際には、容器105の底面に設けた外部電極105bを用いた半田付けが行われる(例えば、特開2001−177346公報、特開平11−355047号公報)。
また、図6(b)は二階建て構造型モジュールの第2例としての水晶発振器の構成を示す断面図であり、底部構造体107を構成する空所105aを下向きに開放するとともに、必要に応じて空所105aの開口を底板105cにより閉止した点が(a)の従来例と異なっている(例えば、特開2000−278047公報)。
上記の各従来例にあっては、IC部品中に含まれる調整回路を調整するための調整用端子110が容器本体101の外面に露出配置されている。調整用端子110は、例えばIC部品中の温度補償回路を構成する素子の値(温度補償係数)を書き換える場合に用いられ、図示しないプローブを調整用端子110に当接させてデータを入力することによって書き換えが行われる。発振器メーカーが、図示のように水晶振動子100に対してIC部品106を搭載した容器105を組付け完了した状態でアッセンブリメーカー(例えば、携帯電話機メーカー)に出荷する場合には、発振器メーカーサイドで調整用端子を用いて素子値を調整した状態で顧客に手渡すため、顧客は無調整にて圧電発振器を使用することが可能となる。
しかし、縦横寸法が十数mm程度の小型発振器の側面に形成される調整用端子110の面積は更に微小とならざるを得ないため、プローブを当接させての調整作業は極めて煩雑、且つ効率の悪い作業となる。また、プローブを当接させるのに必要十分な面積を確保する必要から、調整用端子110の小面積化には限界があるため、その分だけ発振器の小型化にも限界が生じている。従って、これらの問題点の改善が強く求められている。
更に、最近では、アッセンブリメーカーがコスト削減のために、従来のように水晶振動子とIC部品を組み付けた完成品としての発振器を購入するのを差し控え、発振器を構成する水晶振動子部分だけを単独で購入し、IC部品との組立作業は自社にて行う傾向がある。この場合、機器本体、例えば携帯電話機に完成した発振器を組み込んでから側面に設けた調整用端子にプローブを当接して調整作業を行おうとすると、側方に隣接配置された周辺部品が障害となる等、レイアウト上の理由から調整作業が極めて困難化する虞がある。逆に、発振器と隣接する他の部品との間にはプローブを差し入れるための十分なスペースを確保しておく必要があり、機器の小型化に対する障害をもたらすこととなる。
特開2001−177346公報 特開平11−355047号公報 持開2000−278047公報
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、圧電振動子のパッケージの外部に発振回路等を構成するIC部品を組付け一体化した表面実装型圧電発振器において、従来接地されていた金属リッドを、調整用端子として活用することにより、調整作業の効率化、発振器全体の小型化に対する障害の除去、更にはアッセンブリメーカーサイドで調整を行う場合の作業性をも高めることを可能にした発振器用圧電振動子、及び表面実装型圧電発振器を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、絶縁容器の上部凹所内に圧電振動素子を収容した状態で該上部凹所を金属リッドにより気密封止した構造の圧電振動子であって、前記絶縁容器の外底部には、圧電振動子のアースパターンと導通したGND電極と、圧電振動素子の励振電極と導通した圧電接続電極と、前記金属リッドと導通した調整電極が備えられ、前記絶縁容器の外底部に発振回路を構成するIC部品を外付けした時に、IC部品内の調整回路が前記調整電極と導通するように前記調整電極を配置することにより、前記金属リッドを調整用端子として利用可能としたことを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1において、前記調整電極が単一である場合に、前記金属リッドの上面全体を調整用端子として利用したことを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1において、前記調整電極が複数ある場合に、前記金属リッドの上面を調整電極数と同数に区画して各区画領域を独立した調整用端子として利用したことを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項1、2又は3に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする。
請求項1の発明によれば、圧電振動子のパッケージの底部に発振回路等を構成するIC部品(IC部品ユニット)を組付け一体化した表面実装型圧電発振器において、従来接地することによりシールド用に利用されていた金属リッドを、調整用端子として活用することが可能となり、調整作業の効率化、発振器全体の小型化に対する障害の除去、更には圧電振動子を単体で購入し発振器に組み立てる作業をアッセンブリメーカーサイドで実施する際における調整作業を容易化することができる
請求項2の発明によれば、調整端子が単一である場合に、金属リッドの全面を調整用端子として利用できるので、更に調整作業が容易化する。
請求項3の発明によれば、調整電極が複数(例えば、4個)ある場合には、絶縁基材からなる蓋部材の表面を導体からなる複数の(4つの)区画領域に区画し、各区画領域を調整用端子とすることができる。
請求項4の発明によれば、上記の如き優れた利点を備えた圧電発振器を提供することができる。
以下、本発明を図面に示した実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る水晶発振器の回路図であり、図4は図1に示した水晶発振器の回路を構成する部品を組み立てた状態の水晶発振器の断面構成を示す図である。
まず、図1の回路図に示す水晶発振器は、例えばコルピッツ型発振回路の入力端と温度補償回路の一端とを容量を介して接続し、更に温度補償回路の他の一端を水晶振動子の一端Aに接続し、水晶振動子の他の一端BをGNDに接続したものである。
そして、図1に示すコルピッツ型発振回路及び温度補償回路は、集積回路としてICチップ化されたものであり、またその回路設定条件を調整する場合には外部からICチップ内部に供給する制御信号によってICチップ内のメモリ(図示しない)のデータが書き換えられる。
従って、発振回路及び温度補償回路を構成するIC部品には、少なくとも制御信号の入力端子となる調整端子と水晶振動子の端子Aに接続する接続端子A’とGND端子及び発振回路の出力端子を設ける。
一方、図4(a)に示す水晶発振器の構成は、同図(b)に示すような構造の水晶振動子の裏面側に上述したIC部品を配置したものである。
即ち、水晶振動子1は同図(b)に示すようにセラミック等の絶縁材料からなる容器本体10の上部凹所11内の内部電極12上に水晶振動素子(圧電振動素子)13を導電性接着剤(導電性ペースト)を用いて電気的・機械的に接続し、容器本体10の外璧上面の導体リング15には金属リッド(蓋部材)16を溶接等によって電気的・機械的に接続して凹所11内を気密封止したものである。
更に、容器本体10の外底面には複数の底部電極20が配置されている。
そして、水晶振動素子13の下面(容器本体の内底面側)には、励振電極及び励振電極から引き出されたリード電極として導体パターン13cを備え、更に、導体パターン13bを底部電極20に導通接続すると共に、導体パターン13cを他の底部電極20(導電パターン13bを接続した底部電極以外のもの)に導通接続することにより、導体パターン13bと接続した底部電極20は上記接続端子Aとして、また導体パターン13cと導通接続した底部電極20は接続端子Bとして、夫々機能するように構成する。
そして更に、金属リッド16は、容器本体10の表面又は内部に設けた配線パターンを介して少なくとも一つの底部電極20(導体パターン13a及び13bを接続した底部電極以外のもの)に導通接続したものである。
そして、図4(a)に示す水晶発振器は、IC部品42の温度補償回路との接続端子A’と水晶振動子1の接続端子Aとを導通接続すると共に、IC部品42のGND電極と水晶振動子1の接続電極Bとを導通接続し、更に、IC部品42の調整端子を水晶振動子1の金属リッド16と導通した底部電極20に導通接続し、IC部品42の出力電極とGND電極及び電源電極(水晶発振器機能電極)を容器41の内部又は表面に設けた導体路を介して発振器の実装端子44に導出するように構成したものである。
なお、図4(a)に示す水晶発振器では、容器41の実装端子側の面が閉じられた状態であるが、IC部品42の上面を開口した構造(容器41の下側面を開放した構造)であっても構わない。
また、上記実施形態では、水晶振動子1とIC部品42とを容器41を介して接続する構造を例示したが、水晶振動子1の容器本体10の底面に直接にIC部品41をフェイスダウン接続した構造としてもよく、この場合、容器41の構造は凹部状、枠状となり、一方、容器41の代わりに例えば金属製のボールを容器本体10の裏面に搭載し、IC部品42の水晶発振器機能電極とボールとを容器本体10の内部配線を介して導通接続した構造であっても構わない。
更に、IC部品42の接続面が水晶振動子1の容器本体10と対面した配置構造を例示したが、IC部品42を容器41のキャビティー内の底面基板面にフェイスダウン接続すると共に、容器44に設けた導体路を介してIC部品42と水晶振動子1とを導通接続した構造であっても構わない。
また更に、水晶振動子1としては、水晶振動素子の一主面に複数の励振電極を設け、他の主面に前記複数の励振電極と対面した共通電極を備えたものであっても良く、この場合、金属リッド16側に共通電極が対面するよう水晶振動素子を容器本体10に搭載し、且つ、共通電極を接地すると共に、少なくとも2つの励振電極からなる2端子回路を発振ループ内に直列接続するよう構成する。
更にまた、水晶振動子1の一端をGNDに接続する構造を例示したが、交流的のみのシールド効果で足りる場合には、水晶振動素子の上面電極とGNDとの問に例えば100pF以上の容量値が大きい容量素子を介在させた構造であってもよい。
そして、以上のような構造の水晶発振器であれば、水晶振動素子13の上面の接地された励振電極13cがシールド導体として機能すると共に、金属リッド16を調整端子として利用することができると共に、金属リッド16を調整端子として利用することにより、容器本体10又は容器41に設ける必要があった調整用端子の数を少なくすることができる。
一方、上記実施形態では、シールド機能を必要とする水晶発振器を用いて本発明を説明したが、例えば水晶発振器が装置のシールド内に組み込まれる為に水晶発振器そのものにシールド機能を必要としない場合は、図4(b)に示す水晶振動子を用いた場合であっても、水晶振動子1の金属リッド16を調整端子に導通接続した構成であれば、図1に示す水晶振動子の端子BとGNDとの間に温度補償回路又はその他の電子回路を接続しても差し支えなく、または、図2に示すようなインバータ発振回路に接続しても構わない。
即ち、図2(a)は従来の温度補償回路及び調整回路の構成を示す回路図であり、従来はIC部品(TCXO・IC)内の調整回路を調整するために、調整用端子としてチップセレクト(CS)、データ・イン・アウト(DIO)、アナログ電圧イン・アウト(UTIL)、クロック入力(SCLK)の4端子が必要であった。CSは調整装置側から調整するTCXO・ICを選択するための信号用端子であり、DIOは通信ハンドシェイクのための信号用端子であり、UTILは温度変化によるセンサからのアナログ電圧等の信号用端子であり、SCLKはTCXO・ICを動作させるために外部から供給するクロック信号用の端子である。このように従来のIC部品では4つの調整用端子が必要で、且つ外部からクロック信号を供給しなければならないために、TCXO・ICの発振出力と調整装置との同期がとれなかった。
図2(b)は本出願人の提案に係る新規回路の説明図であり、この回路では、SCLKを自身の水晶発振回路の出力を分周してTCXO・ICに供給する(SCLK端子の削除)。また、DIOとUTILを共通端子に接続して(2本の信号線を1本に削減)、TCXO・ICは常時選択されるようにしてCS端子を削除する。これにより、4端子を1端子にすることができ、且つTCXO・ICと調整装置の同期をとることができる。
本発明に係る水晶振動子1は、このようなIC部品側の端子構成に対応させて調整用電極20aの数を単一化するとともに、この調整用電極20aを金属リッド16と導通させることにより、金属リッドを調整用端子として利用できるように構成したものである。
即ち、本実施形態の特徴的な構成は、調整電極20aを容器本体内の内部導体10aを介して金属リッド16と導通させることにより、金属リッド16の上面全体を調整用端子として利用できるようにした点にある。これによれば、容器本体側面に設けられた従来の調整用端子に比べて格段に広い面積の金属リッド16に、調整用のプローブを当接することができるため、調整作業が容易化、効率化すると共に、容器本体側面に調整用端子を設けないことにより、この水晶振動子を用いた発振器を機器本体のプリント基板上に搭載する際に周辺部品を近接して配置することが可能となる。従来、シールド効果を発揮させるために、水晶振動素子13上のアースパターン13cを接地しつつ、金属リッドを同時に接地するのが一般であったが、本来シールド効果を図るために金属リッドまで接地する必要性は乏しい。そこで、本発明では金属リッドを調整用端子として利用することを発案したものである。
なお、調整用端子を4端子備えた従来タイプのIC部品に適合するように4つの調整用電極を備えた水晶振動子を使用する場合には、図3に示すように金属リッドに代えてセラミック等の絶縁材料を基材とするリッド(蓋部材)30を用い、絶縁基材の上面に、メタライズによって調整用電極数と同数の区画領域(調整領域)31を形成し、各区画領域31を各調整用電極と個別に接続して夫々独立した調整用端子として利用する。各区画領域31間は、絶縁基材の露出部32により仕切られている。なお、各区画領域31と各調整用電極との導通を確保し易くするために、各区画領域31から絶縁基材の側面、底面にかけて延長電極を形成しておくのが好ましい。
次に、図4は本発明の一実施形態に係る水晶振動子を用いた水晶発振器の構成例を示す断面図であり、水晶振動子1の底部には、IC部品を収容したIC部品ユニット40が固定されている。IC部品ユニット40は、セラミック等の絶縁材料からなる容器41内にIC部品42を収容した構成を備えており、容器41の上面にはIC部品の各電極と一対一で導通する上部電極43が形成され、底面には実装電極44が形成されている。
次に、図5は温度補償係数等の各種調整値の調整がなされていない水晶振動子を単体で購入したアッセンブリメーカー(例えば、携帯電話機のメーカー)が、発振回路、温度補償回路等を備えたIC部品と水晶振動子との組付けを行う場合における調整作業例を示している。
符号50は、取り付け対象機器の一例としての携帯電話機であり、筐体51上にはバッテリーパック52、プリント基板53等が配置されている。プリント基板53上には表面実装水晶発振器54、他の部品群55が搭載され、プリント基板53の上方に配置された仕切板60には水晶発振器54の上面を露出させるための調整用開口61が形成されている。
水晶発振器54は、IC部品ユニット40上に本発明の水晶振動子1を組付け一体化した構成を備えている。水晶振動子1の蓋部材16、或いは30の上面には当該水晶振動子固有の温度特性等の情報を記録した二次元バーコードが配置されている。仕切板60に設けた調整用開口61からは二次元バーコードと蓋部材16、30の上面が露出されているため、調整装置65に設けたバーコードリーダと調整ピン(プローブ)66を調整用開口61内に差し入れてバーコード記録情報の読取りと、読み取った情報に基づいた調整用データの入力を一括して行う。水晶発振器54以外にも要調整部品(例えば、55a)が隣接配置されている場合には、他の開口61aから要調整部品55aを露出させておき、調整装置65に設けた他の調整ピン67を用いて調整用データの入力を行う。
なお、上記実施形態では、圧電発振器の代表例として水晶発振器を例示したが、本発明は圧電材料から成る圧電振動素子を使用した発振器に適用できる。
本発明の一実施形態に係る圧電振動子の構成を示す断面図。 (a)及び(b)は従来の回路構成図、及び本発明の前提となる新規回路構成の説明図。 本発明の変形実施形態に係る水晶発振器における蓋部材の構成図。 (a)及び(b)は本発明の一実施形態に係る水晶発振器の構成説明図。 本発明の発振器を機器本体に組み付けた状態で調整を行う手順の説明図。 (a)及び(b)は従来例の説明図。
符号の説明
1 水晶振動子(圧電振動子)、10 容器本体、11 上面凹所、12 内部電極、13 水晶振動素子(圧電振動素子)、13a 水晶基板(圧電基板)、13b、13c 導体パターン、15 導体リング、16 金属リッド(蓋部材)、20 底部電極、20a 調整用電極、X1、X2 水晶接続電極(圧電振動素子接続電極)、30 リッド(蓋部材)、31 区画領域(調整領域)、32 露出部、40 IC部品ユニット、41 容器、42 IC部品、43 上部電極、44 実装電極、50 携帯電話機、51 筐体、52 バッテリーパック、53 プリント基板、54 表面実装水晶発振器、55 他の部品群、60 仕切板、61 調整用開口、65 調整装置、66 バーコードリーダ及び調整ピン(プローブ)

Claims (4)

  1. 絶縁容器の上部凹所内に圧電振動素子を収容した状態で該上部凹所を金属リッドにより気密封止した構造の圧電振動子であって、
    前記絶縁容器の外底部には、圧電振動素子のアースパターンと導通したGND電極と、圧電振動素子の励振電極と導通した圧電接続電極と、前記金属リッドと導通した調整電極が備えられ、
    前記絶縁容器の外底部に発振回路を構成するIC部品を外付けした時に、IC部品内の調整回路が前記調整電極と導通するように前記調整電極を配置することにより、前記金属リッドを調整用端子として利用可能としたことを特徴とする発振器用圧電振動子。
  2. 前記調整電極が単一である場合に、前記金属リッドの上面全体を調整用端子として利用したことを特徴とする請求項1に記載の発振器用圧電振動子。
  3. 前記調整電極が複数ある場合に、前記金属リッドの上面を調整電極数と同数に区画して各区画領域を独立した調整用端子として利用したことを特徴とする請求項1に記載の発振器用圧電振動子。
  4. 請求項1、2又は3に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする表面実装型圧電発振器。
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