JP4822139B2 - 機器及び機器の製造方法 - Google Patents

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、圧電振動子及びＩＣ部品が搭載されたプリント基板を備えた機器であって、前記圧電振動子は、圧電振動素子と、前記圧電振動素子を収容する容器本体と、前記容器本体を封止する蓋部材とを備え、前記ＩＣ部品は、少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備え、前記蓋部材は、表面の少なくとも一部に金属面を有し、前記ＩＣ部品の前記調整端子が前記蓋部材の前記金属面と導通していることを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１において、前記蓋部材が金属性であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は２において、前記ＩＣ部品を収容したＩＣ部品ユニットが前記プリント基板上に固定され、前記圧電振動子が前記ＩＣ部品ユニット上に固定されていることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１〜３において、前記圧電振動子の前記蓋部材に相対して配置され、調整用開口が形成された仕切り板を有し、平面視において、前記圧電振動子の前記蓋部材の少なくとも一部が前記調整用開口から露出していることを特徴とする。
請求項５の発明は、プリント基板に圧電振動子及びＩＣ部品を備えた機器の製造方法であって、前記圧電振動子は、容器本体に圧電振動素子を収容し、表面の少なくとも一部に金属面を有した蓋部材により前記容器本体を封止した構成であり、少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備えた前記ＩＣ部品と、前記圧電振動子とを前記調整端子と前記蓋部材の前記金属面とが導通するように前記プリント基板に搭載する工程と、調整装置の調整用プローブを前記蓋部材の金属面に当接させ、前記金属面を介して前記調整装置から前記ＩＣ部品へ調整用データを入力する工程とを備えることを特徴とする。
請求項６の発明は、プリント基板に圧電振動子及びＩＣ部品を備えた機器の製造方法であって、前記圧電振動子は、容器本体に圧電振動素子を収容し、表面の少なくとも一部に金属面と前記圧電振動素子の特性の記録情報とを有した蓋部材により前記容器本体を封止した構成であり、少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備えた前記ＩＣ部品と、前記圧電振動子とを前記調整端子と前記蓋部材の前記金属面とが導通するように前記プリント基板に搭載する工程と、前記蓋部材の前記記録情報を読み取る工程と、調整装置の調整用プローブを前記蓋部材の金属面に当接させ、読み取った前記蓋部材の前記記録情報に基づく調整用データを、前記金属面を介して前記調整装置から前記ＩＣ部品へ入力する工程とを備えることを特徴とする。

請求項１、５、及び６の発明によれば、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。

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 (6)

1. 圧電振動子及びＩＣ部品が搭載されたプリント基板を備えた機器であって、
   前記圧電振動子は、圧電振動素子と、前記圧電振動素子を収容する容器本体と、前記容器本体を封止する蓋部材とを備え、
   前記ＩＣ部品は、少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備え、
   前記蓋部材は、表面の少なくとも一部に金属面を有し、
   前記ＩＣ部品の前記調整端子が前記蓋部材の前記金属面と導通していることを特徴とする機器。
2. 前記蓋部材が金属性であることを特徴とする請求項１に記載の機器。
3. 前記ＩＣ部品を収容したＩＣ部品ユニットが前記プリント基板上に固定され、
   前記圧電振動子が前記ＩＣ部品ユニット上に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の機器。
4. 前記圧電振動子の前記蓋部材に相対して配置され、調整用開口が形成された仕切り板を有し、
   平面視において、前記圧電振動子の前記蓋部材の少なくとも一部が前記調整用開口から露出していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の機器。
5. プリント基板に圧電振動子及びＩＣ部品を備えた機器の製造方法であって、
   前記圧電振動子は、容器本体に圧電振動素子を収容し、表面の少なくとも一部に金属面を有した蓋部材により前記容器本体を封止した構成であり、
   少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備えた前記ＩＣ部品と、前記圧電振動子とを前記調整端子と前記蓋部材の前記金属面とが導通するように前記プリント基板に搭載する工程と、
   調整装置の調整用プローブを前記蓋部材の前記金属面に当接させ、前記金属面を介して前記調整装置から前記ＩＣ部品へ調整用データを入力する工程と
   を備えることを特徴とする機器の製造方法。
6. プリント基板に圧電振動子及びＩＣ部品を備えた機器の製造方法であって、
   前記圧電振動子は、容器本体に圧電振動素子を収容し、表面の少なくとも一部に金属面と前記圧電振動素子の特性の記録情報とを有した蓋部材により前記容器本体を封止した構成であり、
   少なくとも制御信号入力端子である調整端子を備えた前記ＩＣ部品と、前記圧電振動子とを前記調整端子と前記蓋部材の前記金属面とが導通するように前記プリント基板に搭載する工程と、
   前記蓋部材の前記記録情報を読み取る工程と、
   調整装置の調整用プローブを前記蓋部材の前記金属面に当接させ、読み取った前記蓋部材の前記記録情報に基づく調整用データを、前記金属面を介して前記調整装置から前記ＩＣ部品へ入力する工程と、
   を備えることを特徴とする機器の製造方法。

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