JP3702632B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電デバイスに係り、特に、ケース体の外面上に外部端子を有する表面実装型の水晶振動子又は水晶発振器に好適な内部構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧電振動片をパッケージに内蔵した種々の圧電デバイスが市販されているが、このような圧電デバイスは種々の電子機器に盛んに用いられている。特に通信分野や電算機分野においては圧電デバイスは必須の構成部品であり、水晶振動子、水晶発振器などはあらゆる電子機器に内蔵されている。
【０００３】
近年、ハードディスクドライブ装置、モバイルコンピュータ、ＩＣカードなどの小型の情報機器、或いは、携帯電話、自動車電話、ページングシステムなどの移動体通信機器においては、装置の小型化、薄型化の伸展が目覚ましく、それらに用いられる圧電振動子、圧電発振器、ＳＡＷ（弾性表面波）デバイスなどの各種圧電デバイスにも、配線回路基板上に両面実装が可能な表面実装タイプのデバイスが要求されるようになってきている。
【０００４】
図８には、上記の圧電デバイスの一例として、水晶振動子又は水晶発振器を構成する水晶デバイスの概略構造を示す。このデバイスは、図３に示すようにセラミックス製の絶縁ベース１１と、同素材からなる絶縁枠１２，１３とからなる３層構造のケース本体と、絶縁枠１３の上部に接合される蓋板１４とを備えたケース体１０を備えている。図８（ａ）には、このケース本体部の平面図を、図８（（ｂ）にはケース本体部の内部に収容される水晶振動片１５の平面図を示す。このケース本体部は、絶縁ベース１１、絶縁枠１２，１３をそれぞれセラミックス粉末に添加剤を加えて練り上げた軟質の未硬化シート（グリーンシート）の状態でそれぞれ加工し、それらの表面上にＷ（タングステン）を含む導電性ペーストを印刷成形してメタライズ層６を所定のパターンで形成した後、相互に積層して焼成することにより構成される。図３に示す形状のケース本体部が成形された後、ケース本体部の外面部及び内面部に露出した上記メタライズ層６の上にＮｉとＡｕのメッキ層７を順次積層して、接続配線、内部端子部及び外部端子などを所定のパターンで形成する。
【０００５】
絶縁枠１２の内部空間は、絶縁枠１３の内部空間よりも一回り小さく形成されており、絶縁枠１２の上面には所定パターンのメタライズ層６が形成され、この絶縁枠１２を絶縁ベース１１や絶縁枠１３と積層させた後に、露出したメタライズ層の表面上に電解めっきによりメッキ層７を形成することによって、図示斜線で示す配線パターン１８，１９を形成する。これらの配線パターン１８，１９のうち、図示左側には一対の内部端子部１８ａ，１９ａが肉厚に形成され、これらの内部端子部１８ａ，１９ａから接続配線１８ｂ，１９ｂが伸びて、絶縁枠１２の図示右上と左下の二ヶ所の円筒内面状の角部表面上に形成された露出部１８ｃ，１９ｃを経て、絶縁ベース１１の底面上に形成された対角位置の二つの外部端子１８ｄ，１８ｆに導電接続されている。
【０００６】
図８（ｂ）に示す水晶振動片１５は平面視矩形の板形状に形成され、その表面側（図示手前側）には表面電極１６がＣｒ及びＡｇの蒸着などにより形成され、その裏面上には裏面電極１７（図示点線で示す）が同様に形成されている。表面電極１６は水晶振動片１５の表面上から図示左端部にて裏面側に回り込み、裏面上に形成された接続部１６ａに接続され、裏面電極１７はそのまま図示左端部に伸びて裏面上に形成された接続部１７ａに接続されている。図８（ｂ）に示す水晶振動片１５は、そのままの姿勢で図８（ａ）の一点鎖線で示す位置に配置され、上記接続部１６ａ，１７ａが内部端子部１８ａ，１９ａに接合され、図示左端部において片持ち梁状に固定される。
【０００７】
なお、図３及び図８においてスルーホール１２ｂは絶縁ベース１１の底面上に形成された外部端子１８ｅ及び１８ｇと絶縁枠１３の上面部に形成されたメタライズ層６及びメッキ層７からなる導電層とを導通させるための導通孔であり、内部に導電性ペーストなどからなる導通体５が充填される。導通体５によって外部端子１８ｅ，１８ｇに導電接続された絶縁枠１３上の導電層は蓋板１４に接続される。蓋板１４はＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などにより形成されている。したがって、蓋板１４は絶縁ベース１１の底面上の外部端子１８ｅ，１８ｇに導通される。
【０００８】
この水晶振動子においては、水晶振動片１５の表面電極１６は内部端子部１８ａに接続され、内部端子部１８ａは接続配線１８ｂを介し、露出部１８ｃを経て絶縁ベース１１の底面上の外部端子１８ｆに導電接続されている。また、水晶振動片１５の裏面電極１７は内部端子部１９ａに接続され、接続配線１９ｂ及び露出部１９ｃを経て絶縁ベース１１の底面上の外部端子１８ｄに導電接続されている。
【０００９】
上記の水晶振動子は絶縁ベース上に２つの絶縁枠１２，１３を積層し、さらに蓋板１４を接合してなるものであるが、絶縁枠１２の代わりに絶縁ベース上に内部端子部や接続配線などをパターン印刷し、この絶縁ベース上に箱型の蓋体を被せるようにして構成されるものもある。さらに、上記のケース体の内部に集積回路チップを収容し、水晶発振器として構成されるものもある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の水晶振動子のような圧電デバイスにおいては、性能を確保しながらさらに小型化を進めようとすると、圧電体の寸法を余り変えずにケース体をさらに小型化する必要がある。しかし、図８に示すように、水晶振動片１５の寸法を変えずにケース体を小さくしようとすると、接続配線１８ｂがケース体を構成する絶縁ベース１１や絶縁枠１２の接合部に重なり、接続配線１８ｂによる凹凸形状によってケース体の封止不良が発生する危険性があるとともに、上記の接合部内に接続配線１８ｂを形成しようとすると、メタライズ層６のみで導電接続することとなるため、接続抵抗が増大してしまうという問題点が考えられる。
【００１１】
また、ケース体を小型化しても長い接続配線１８ｂが接合部に重ならないように形成するには図５（ａ）に示すように接続配線１８ｂを水晶振動片１５の下方に近づけることが考えられるが、この場合には、表面電極１６に接続された接続配線１８ｂが裏面電極１７に対向配置され、図５（ｂ）に示すように接続配線１８ｂと裏面電極１７との間に静電容量Ｃｓが発生する。この静電容量Ｃｓは、水晶振動片１５が外乱などによって機械的に振動すると、接続配線１８ｂと裏面電極１７との距離が変化することによって容量値が変動するため、これが水晶振動片１５の振動周波数に影響するという問題点が考えられる。
【００１２】
さらに、外部端子１８ｆに近い水晶振動片１５の端部に内部端子部を設けることによって接続配線１８ｂを形成せずに外部端子１８ｆに導電接続させることも考えられるが、この場合には水晶振動片１５を片持ちではなく両持ち状態で支持することとなるため、水晶振動片１５を拘束してその振動に影響を与えやすくなり、図６に示すように片持ち状態の水晶振動片Ａに較べて両持ち状態の水晶振動片Ｂは温度に対する周波数変化Δｆが大きいことから、水晶振動子若しくは水晶発振器の温度特性が悪化する。
【００１３】
そして、内部端子部１８ａを最も近接した外部端子１８ｇに接続するという方法も考えられるが、この場合には、短い間隔で形成された外部端子１８ｄと１８ｇとが逆極性の端子となるために短絡する危険性が高く、実装時に問題が生ずる可能性が高くなる。
【００１４】
そこで本発明は上記問題点を解決するものであり、その課題は、ケース体を小型化しても封止不良や配線抵抗の増大或いは内部の圧電体の動作特性に影響を与えない新規の圧電デバイスを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、一表面に表面電極が形成され、前記表面の裏面に、接続部を備えた裏面電極が形成された圧電体と、前記接続部を介して導電接続した接続配線が内面上に形成されたケース体と、を有する圧電デバイスであって、前記接続部を除いた前記裏面電極と少なくとも一部分が対向している電極は、前記接続配線のみである、圧電デバイスである。
【００１６】
この手段によれば、圧電体の一側と、他側の外部端子とを導電接続する接続配線を、圧電体に形成された表面電極及び裏面電極のうち当該接続配線とほぼ同電位に保たれる電極に対向する場所を通過するように構成したので、ケース体を小型化して接続配線と圧電体との間隔を狭めても、接続配線と電極との間の静電容量を低減し、その圧電体の作用への影響を低減することができるので、圧電体の動作特性の劣化を防止することができ、また、ケース体を小型化してもケース体の封止不良や配線抵抗の増大を回避することもできる。
【００１７】
なお、圧電体としては種々の圧電体を用いることができるが、圧電デバイスとしては、圧電体の特性を利用した種々のデバイスがあり、特に、圧電振動子や圧電発振器などに上記手段を適用することにより、接続配線と電極との間の静電容量が両者の距離によって変化することに起因する発振周波数の変動を抑制することができる。また、一側と他側とは相互に反対の側を言う。例えば、一側が右側であれば他側は左側である。さらに、圧電体の表面電極及び裏面電極は、直接に外部端子に導電接続されない場合もあり、たとえば、圧電発振器においては、圧電体は発振回路に接続され、発振回路の一部が上記外部端子に接続されることとなる。この場合、圧電体に形成された電極から発振回路までの接続配線と、発振回路から外部端子までの接続配線のうちの少なくとも一方が、圧電体の当該電極と対向する場所を通過している場合も本発明に含まれる。
【００１８】
ここで、前記ケース体は、外面上に一対の外部端子が形成されているとともに、内面上に、前記表面電極及び前記裏面電極に導電接続するための一対の内部端子部、並びに、該内部端子部を直接若しくは間接的に一対の前記外部端子に導電接続させるための一対の前記接続配線が形成された絶縁部材と、該絶縁部材の内面上に片持ち支持された前記圧電体を収容し封止する封鎖部材とを備えていることが好ましい。
【００１９】
この手段によれば、絶縁部材の表面上に内部端子部及び接続配線が形成されていることにより、構造が簡単になり小型化も容易であるとともに、製造コストも低減できる。
【００２０】
この場合にはさらに、前記絶縁部材は絶縁ベース若しくは該絶縁ベース上に接合された絶縁枠であり、前記封鎖部材は、前記絶縁部材上に順次接合された絶縁枠及び該絶縁枠を封鎖する蓋板、又は、前記絶縁部材上に接合された絶縁蓋体である場合がある。
【００２１】
上記手段においては、前記圧電体は水晶振動片であり、水晶振動子若しくは水晶発振器を構成する圧電デバイスであることが望ましく、この場合には、封止不良、配線抵抗の増大を回避しながら小型化が可能であり、しかも水晶振動片に起因する振動周波数の変動を低減することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。図１は本実施形態の圧電デバイスである水晶振動子の長手方向の断面を示す縦断面図、図２は本実施形態のケース本体部の平面図、図３は本実施形態のケース体の構造を示す概略斜視図である。なお、図１及び図３は上記従来例とほぼ共通の構造部分を図面化しており、その説明は省略する。
【００２３】
この実施形態では、図２（ｂ）に示すように、水晶振動片２５の表面上に形成された表面電極２６が図２（ａ）に示す内部端子部１９ａに接続される接続部２６ａを備え、水晶振動片２５の裏面上に形成された裏面電極２７が図２（ａ）に示す内部端子部１８ａに接続される接続部２７ａを備えている点で従来例と異なる。したがって、表面電極２６は内部端子部１９ａ、接続配線１９ｂ、露出部１９ｃを経て外部端子１８ｄに導電接続され、裏面電極２７は内部端子部１８ａ、接続配線１８ｂ、露出部１８ｃを経て外部端子１８ｆに導電接続されている。
【００２４】
この実施形態では、全体を小型化するために、図８（ａ）に示すケース本体部よりも図示上下幅の小さいケース本体部を採用しているため、接続配線１８ｂが水晶振動片２５に極めて近い場所を通過し、図５（ａ）に示すように、裏面電極２７と接続配線１８ｂとが斜めではあるが対向している。しかしながら、本実施形態では、裏面電極２７は内部端子部１８ａを介して接続配線１８ｂに導電接続されているので、裏面電極２７と接続配線１８ｂとは殆ど同電位となっているから、図５（ｂ）に点線で示す静電容量Ｃｓを持たず、外部から受ける振動や加速度によって水晶振動片２５とケース本体部（絶縁枠１２）との距離が変動しても、周波数変化は殆ど生じない。
【００２５】
なお、図５（ｂ）は水晶振動片２５、表面電極２６、裏面電極２７、接続配線１８ｂ，１９ｂ、外部端子１８ｄ，１８ｆを含む水晶振動子を、抵抗Ｒ１，Ｒ２、反転回路Ｉ及び静電容量Ｃｇ，Ｃｄを含む等価回路に接続して発振器を構成する発振回路を示すものである。この場合、上記実施形態のケース体の内部に当該発振回路を構成するようにケース体内部に集積回路を内蔵してもよい。この場合には、水晶振動片２５の裏面電極２７に対向する接続配線としては、水晶振動子から集積回路までの接続配線であっても、或いは、集積回路に接続された後、集積回路の端子Ｓ，Ｐのうち端子Ｐから引き出された接続配線、その他の裏面電極とほぼ導電位が保たれる他の配線であってもよく、要は、裏面電極２７とほぼ同電位に保たれる接続配線であれば、静電容量が低減されるため、上記の効果が得られる。
【００２６】
図７（ａ）は、水晶振動子を電子機器内に取り付けた状態で図８に示す従来構造にて本実施形態と同様のケース寸法に設計した場合（以下、単に従来構造という。）における周波数変化率の頻度を経時的に２００サンプル測定したデータ、図７（ｂ）は、図２に示す本実施形態の構造における周波数変化率の頻度を経時的に２００サンプル測定したデータを示す。
【００２７】
これらのデータに示すように、従来構造においては、特に外部から振動や加速度を加えなくても身体に感じない程度の外乱により水晶振動片１５が振動し、図８（ａ）に示すように周波数変化率が−１５〜＋３５ｐｐｍの範囲において周波数の変化が観測され、特に周波数変化率が−１０〜＋１０ｐｐｍの範囲内で発生頻度が高くなっている。これに対して、本実施形態においては、周波数変化率が−２〜＋２ｐｐｍの範囲内に全て収まっており、きわめて良好な周波数の安定性が得られている。
【００２８】
なお、上記実施形態では、絶縁ベース１１の上に２つの絶縁枠１２，１３を積層しているが、絶縁ベース上に単一の絶縁枠のみを接合し、その上部開口を直ちに蓋板で封止した構造のケース体であってもよい。また、上記実施形態では、水晶振動片のみを備えた水晶振動子としているが、図１に一点鎖線で示すように、水晶振動片に接続された集積回路チップ２０を内蔵させ、水晶発振器を構成してもよい。ただし、この場合には、４つの外部端子１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ，１８ｇは、制御端子、供給電位端子、接地電位端子（供給電位端子）及び出力端子となる。
【００２９】
図４には、セラミックスなどからなる絶縁ベース３１上に、セラミックスなどからなる皿状の絶縁蓋体３２（図示二点鎖線で絶縁ベース３１に対する接合面を示す。）を被せるようにして接合し、絶縁ベース３１と絶縁蓋体３２によって水晶振動片３５を収容した別の水晶振動子の実施形態を示す。この実施形態においては、絶縁ベース３１の底面上の長手方向の両端部にメッキ層などにより一対の外部端子３１ａ，３１ｂが形成されている。そして、絶縁ベース３１の内面上には、外部端子３１ａに対して接続配線３４ｂ及び露出部３４ｃを介して導電接続された内部端子部３４ａと、外部端子３１ｂに対して接続配線３３ｂ及び露出部３３ｃを介して導電接続された内部端子部３３ａとが形成されている。
【００３０】
内部に収容される水晶振動片３５の表面上には表面電極３６が形成され、表面電極３６は水晶振動片３５の一端部の裏面上に接続部３６ａを備え、水晶振動片３５の裏面上には裏面電極３７が形成され、裏面電極３７は水晶振動片３５の一端部の裏面上に接続部３７ａを備えている。そして、接続部３６ａは上記内部端子部３４ａに接合され、接続部３７ａは上記内部端子３３ａに接合される。
【００３１】
この実施形態においても、水晶振動片３５の裏面電極３７と接続配線３３ｂとが対向するが、両者は相互に導電接続されていてほぼ同電位であるため、両者間に静電容量は発生せず、水晶振動片３５の変位や変形による周波数変動が低減される。
【００３２】
以上説明した各実施形態では、水晶振動片を用いた水晶振動子或いは水晶発振器として構成した例を示したが、同様の構成により、他の素材を用いた圧電デバイスに適用させることができる。このような圧電デバイスの例としては、水晶以外の圧電体を用いた圧電振動子、圧電発振器の他に、圧電センサ、圧電アクチュエータ、ＳＡＷデバイスなどが考えられる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧電体の一側と、他側の外部端子とを導電接続する接続配線を、圧電体に形成された表面電極及び裏面電極のうち当該接続配線とほぼ同電位に保たれる電極に対向する場所を通過するように構成したので、ケース体を小型化して接続配線と圧電体との間隔を狭めても、接続配線と電極との間の静電容量を低減してその圧電体の作用への影響を低減することができるので、圧電体の動作特性の劣化を防止することができ、また、ケース体を小型化してもケース体の封止不良や配線抵抗の増大を回避することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電デバイスの実施形態としての水晶振動子の長手方向の断面を示す縦断面図である。
【図２】同実施形態のケース本体部の平面図（ａ）及び水晶振動片の平面図（ｂ）である。
【図３】同実施形態のケース体の構造を示す概略斜視図である。
【図４】本発明に係る圧電デバイスの別の実施形態としての水晶振動子における絶縁ベースの平面図（ａ）及び水晶振動片の平面図（ｂ）である。
【図５】同実施形態における長手方向と直交する方向の断面を示す縦断面図（ａ）及び同実施形態の水晶振動子を用いた発振回路の回路図（ｂ）である。
【図６】水晶振動子において水晶振動片を片持ちに支持したときの温度に対する周波数変化（ａ）及び水晶振動片を両持ちに支持したときの温度に対する周波数変化（（ｂ）を示すグラフである。
【図７】従来構造の水晶振動子における周波数変化率の頻度を示すグラフ（ａ）及び実施形態の水晶振動子における周波数変化率の頻度を示すグラフ（ｂ）である。
【図８】従来構造の水晶振動子のケース本体部の平面図（ａ）及び水晶振動片の平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１０ ケース体
１１，３１ 絶縁ベース
１２，１３ 絶縁枠
１４ 蓋板
１５，２５，３５ 水晶振動片
１６，２６，３６ 表面電極
１７，２７，３７ 裏面電極
１８ａ，１９ａ，３３ａ，３４ａ 内部端子部
１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ，１８ｇ 外部端子
１８ｂ，１９ｂ，３３ｂ，３４ｂ 接続配線
２０ 集積回路チップ
３２ 絶縁蓋体

Claims (4)

1. 一表面に表面電極が形成され、前記表面の裏面に、接続部を備えた裏面電極が形成された圧電体と、
   前記接続部を介して導電接続した接続配線が内面上に形成されたケース体と、
   を有する圧電デバイスであって、
   前記接続部を除いた前記裏面電極と少なくとも一部分が対向している電極は、前記接続配線のみである、圧電デバイス。
2. 請求項１において、前記ケース体は、外面上に一対の外部端子が形成されているとともに、内面上に、前記表面電極及び前記裏面電極に導電接続するための一対の内部端子部、並びに、該内部端子部を直接若しくは間接的に一対の前記外部端子に導電接続させるための一対の前記接続配線が形成された絶縁部材と、該絶縁部材の内面上に片持ち支持された前記圧電体を収容し封止する封鎖部材とを備えている圧電デバイス。
3. 請求項２において、前記絶縁部材は絶縁ベース若しくは該絶縁ベース上に接合された絶縁枠であり、前記封鎖部材は、前記絶縁部材上に順次接合された絶縁枠及び蓋板、又は、前記絶縁部材上に接合された絶縁蓋体である圧電デバイス。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記圧電体は水晶振動片であり、水晶振動子若しくは水晶発振器を構成する圧電デバイス

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