JP4995527B2 - 表面実装用の圧電発振器 - Google Patents

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Description

本発明は圧電発振器に関し、特にベースプリント基板とその上に配置した水晶振動子を有するサブプリント基板とからなる表面実装用の圧電発振器に関するものである。
安定した周波数信号を供給する圧電発振器は、通信機器、電子機器等にクロック源として広く用いられている。これらの圧電発振器は、製品の小型化または高周波対応などの視点から、小型の表面実装タイプ(SMD:Surface Mount Device)の圧電発振器が増えてきている。また、この圧電発振器は、周囲温度の変動により数十ppm程度の周波数変動を生じるため、その電気的特性を更に向上させた圧電発振器が使用されることも多い。
高密度の回路構成で実装スペ−スを小さくするために、特許文献1に示す表面実装タイプの圧電発振器は、ベースプリント基板とその上に水晶振動子を有するサブプリント基板との二段重ねの構造を採用している。また、周囲温度の影響を少なく圧電発振器の発振周波数の安定性を更に高めるため、一部の圧電発振器は、水晶振動子を有するサブプリント基板を二段重ねの構造にして、外界の温度変動を直接受けないようにした表面実装タイプの圧電発振器がある。
ベースプリント基板とサブプリント基板とからなる表面実装用の圧電発振器は、外部端子からサブプリント基板に電気的な導通を行う。また、サブプリント基板をベースプリント基板の上に支える必要がある。このため、表面実装用の圧電発振器は、サブプリントへの電気的な導通とサブプリント基板の支えとを同時に行う金属製の支柱を備えている。
特開2000―252748号公報
特許文献1に示す表面実装タイプの圧電発振器は、ハンダ付けによって金属製の支柱をベースプリント基板に固定している。圧電発振器が取り付けられる回路基板に、金属製の支柱を固定したハンダが接触しないように、回路基板側に貫通孔にザグリ孔加工を施している。しかし、圧電発振器を回路基板に実装する際の熱などにより、ザグリ孔の一部の貫通孔を通じて、ハンダが溶け出して回路基板とショートすることがある。
本発明は上述したような問題を解決するためになされたものである。具体的には熱などによってハンダなどが圧電発振器から漏れ出ない、その逆に実装される回路基板に塗られたハンダが圧電発振器に入ってこないようにした信頼性の高い圧電発振器を提供することを目的とする。
第1の観点の表面実装用の圧電発振器は、第一面に形成された外部端子とこの第一面の反対側の第二面に形成された凹部とを備えたベースプリント基板と、凹部に固定された電導体支柱と、この電導体支柱に支持され圧電振動子を搭載したサブプリント基板と、ベースプリント基板、電導体支柱およびサブプリント基板を覆うカバー部材とを備えた。
上記構成によれば、電導体支柱は、ベースプリント基板の凹部に固定されているため、電導体支柱がベースプリント基板から飛び出したりすることがなく、また電導体支柱下に貫通孔が形成されていないため、圧電発振器内のハンダまたは圧電発振器が実装された回路基板のハンダなどが、電導体支柱に接触してショートするなどの問題がなくなる。したがって、信頼性の高い圧電発振器となる。
第2の観点の表面実装用の圧電発振器は、第一面に形成された外部端子とこの第一面の反対側の第二面に形成された凹部とを備えたベースプリント基板と、孔部に固定される外周と中央に形成された凹部とを有する非導電体で形成されたキャップと、凹部に固定された電導体支柱と、電導体支柱に支持され圧電振動子を搭載したサブプリント基板と、ベースプリント基板、電導体支柱およびサブプリント基板を覆うカバー部材とを備えた。
上記構成によれば、電導体支柱は非導電体のキャップの凹部に固定されているため、電導体支柱がベースプリント基板から飛び出したりすることがなく、圧電発振器内のハンダまたは圧電発振器が実装された回路基板のハンダが、電導体支柱に接触してショートするなどの問題がなくなる。
第3の観点の表面実装用の圧電発振器は、第1または第2の観点において、電導体支柱が第一フランジ部を有し、この第一フランジ部とベースプリント基板とが固定される。
上記構成によれば、広い面積を有する第一フランジ部がベースプリント基板に固定されるため、圧電発振器にかかる振動など対しても耐久性を有する。このため、信頼性の高い圧電発振器を実現できる。
第4の観点の表面実装用の圧電発振器は、第3の観点において、導電体支柱は第一フランジ部と異なる位置に第二フランジ部を有し、この第二フランジ部とサブプリント基板とが固定される。
上記構成によれば、広い面積を有する第二フランジ部がサブプリント基板に固定されるため、圧電発振器にかかる振動など対しても耐久性を有する。このため、信頼性の高い圧電発振器を実現できる。
第5の観点の表面実装用の圧電発振器は、第1または第2の観点において、電導体支柱が第一折り曲げ部を有し、この第一折り曲げ部とベースプリント基板とが固定される。
上記構成によれば、折り曲げられた第一折り曲げ部全体がベースプリント基板に固定されるため、圧電発振器にかかる振動など対しても耐久性を有する。このため、信頼性の高い圧電発振器を実現できる。電導体支柱が一本の棒状または線状のものであってもよいのでコストダウンを図ることができる。
第6の観点の表面実装用の圧電発振器によれば、第5の観点において、電導体支柱が第一折り曲げ部と異なる位置に第二折り曲げ部を有し、この第二折り曲げ部とサブプリント基板とが固定される。
上記構成によれば、折り曲げられた第二折り曲げ部全体がサブプリント基板に固定されるため、圧電発振器にかかる振動などに対しても耐久性を有する。このため、信頼性の高い圧電発振器を実現できる。
第7の観点の表面実装用の圧電発振器は、第3の観点において、第一フランジ部が固定されるベースプリント基板の周囲に第一電導体膜が形成され、電導体支柱と第一電導体膜とが導電性部材で固定される。
上記構成によれば、ベースプリント基板から電導体支柱を介してサブプリント基板への導通が確保される。このため、ベースプリント基板とサブプリント基板との信号のやり取り、電力供給などを的確に行うことができる。なお、導電性部材には、ハンダまたは導電性接着剤を含むものである。電導体膜には、銅メッキまたはリード線を含むものである。
また第8の観点の表面実装用の圧電発振器は、第5の観点において、第一折り曲げ部が固定されるベースプリント基板の周囲に第一電導体膜が形成され、電導体支柱と第一電導体膜とが導電性部材で固定される。
上記構成によれば、ベースプリント基板から電導体支柱を介してサブプリント基板への導通が確保される。このため、ベースプリント基板とサブプリント基板との信号のやり取り、電力供給などを的確に行うことができる。
第9の観点の表面実装用の圧電発振器は、第一面に端子を、第一面と反対の第二面に凹部を備えたベースプリント基板と、折り曲げたリード端子を有したリード型発振器とを備え、凹部に折り曲げたリード端子を固定する。
上記構成によれば、リード端子を有する圧電発振器を表面実装タイプの圧電発振器に変更することができる。この際に、ベースプリント基板の凹部に折り曲げたリード端子を固定するので、リード端子がベースプリント基板から飛び出したりすることがなく、圧電発振器が実装された回路基板のハンダなどが、リード端子に接触してショートするなどの問題がなくなる。リフロー炉で回路基板が逆さに搬送される際であっても回路基板のハンダなどが圧電発振器内部に入ってくることがなくなる。
また第10の観点の表面実装用の圧電発振器は、第9の観点において、第一面に端子と凹部とが電気的に接続されている。
このため、圧電発振器が実装される回路基板との導通が確保される。
本発明によれば、表面実装タイプの圧電発振器の端子側からその反対側にハンダなどが入ることがない。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明に係る表面実装タイプの圧電発振器の実施例を示す断面図である。圧電発振器100は、ベースプリント基板10とサブプリント基板40とからなる。ベースプリント基板10には、発振回路用のいくつかの電子部品31がハンダによって固定されている。サブプリント基板40には、発振回路用のいくつかの電子部品31と水晶振動子32とがハンダによって固定されている。ベースプリント基板10には、圧電発振器100を不図示の回路基板に表面実装するため、4または6箇所に設けられた外部端子15が底面側または側面側に設けられる。ベースプリント基板10では、外部端子15と電子部品31とは、メッキ配線またはリード線などにより電気的に接続されている。
また、ベースプリント基板10には、黄銅などを材料とする第一の金属支柱50の一方の端部が凹部11に差し込まれ、ハンダ21によって固定されている。第一の金属支柱50の他方の端部はハンダ21によってサブプリント基板40に固定されている。二段重ねとなったベースプリント基板10とサブプリント基板40とを封止するように、全体を金属ケース48で覆っている。このような構成の圧電発振器100は、3mm角から50mm角ほどの大きさになる。
図2は、第一の金属支柱50によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。図2Aは第一の金属支柱50の斜視図であり、図2Bは、ベースプリント基板10と第一の金属支柱50との固定状態、サブプリント基板40と第一の金属支柱50との固定状態を示した図である。
図2Aに示すように、第一の金属支柱50は、黄銅の軸54の両側に第一フランジ51と第二フランジ53とを形成している。黄銅の軸54は、第一フランジ51と第二フランジ53とを突き抜けるように、第一軸部52と第二軸部56とを有している。黄銅の軸54の直径は、0.03mmほどから1mm程度であり、第一フランジ51と第二フランジ53の直径は、0.04mmほどから3mm程度である。黄銅の軸54の直径より二倍程度あればよい。
図2Bに示すように、ベースプリント基板10には、第一軸部52が挿入されるように、凹部11が形成されている。ベースプリント基板10はガラスエポキシ材料で構成されている。ベースプリント基板10の厚さは、0.6mmから3mm程度であり、凹部11の深さは、ベースプリント基板10の厚さの9割から3割ほどに形成されている。凹部11の径は、第一フランジ51の径より小さくなっており、且つ第一軸部52と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。凹部11は先端がフラットなミルを使ってベースプリント基板10に形成する。凹部11の周りには銅メッキ12が施されている。外部端子15と銅メッキ12と電気的に接続されている。そして、第一の金属支柱50の第一フランジ51と銅メッキ12とがハンダ固定されている。ここで、ハンダ21の代わりに導電性の接着剤で固定してもよい。凹部11はベースプリント基板10の外部端子15側まで貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。なお、第一フランジ51と銅メッキ12とがしっかり接触するようであれば、ハンダ21ではなく、非導電性の接着剤で固定してもよい。
サブプリント基板40は、第二軸部56が挿入されるように、貫通している孔部41が形成されている。貫通孔でなく凹部であってもよい。孔部41の径は、第二フランジ53の径より小さくなっており、且つ第二軸部56と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。サブプリント基板40はガラスエポキシ材料で、サブプリント基板40の厚さは、0.6mmから3mm程度である。孔部41の周りには銅メッキ43が施されている。そして、第一の金属支柱50の第二軸部56とサブプリント基板40の表面に形成された銅メッキ43とがハンダ固定され電気的に接続される。こうして、外部端子15の電力がサブプリント基板40にも届く。このような構成で、サブプリント基板40がベースプリント基板10上に二段重ねで支持される。
図3は、第二の金属支柱60によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。図3Aは、ベースプリント基板10とサブプリント基板40とを第二の金属支柱60で固定した図である。図3Bは、第二の金属支柱60を使い別の方法でベースプリント基板10とサブプリント基板40とを固定した図である。
図3Aに描かれた第二の金属支柱60と図2Bに描かれた第一の金属支柱50とは、第一フランジ51の有無に違いがある。その他の構成はほぼ同じである。ベースプリント基板10には、黄銅の軸64が挿入されるように、凹部11が形成されている。ベースプリント基板10の厚さは、0.6mmから3mm程度であり、凹部11の深さは、ベースプリント基板10の厚さの9割から3割ほどに形成されている。凹部11の径は、黄銅の軸64と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。凹部11の周りには銅メッキ12が施されている。外部端子15と銅メッキ12と電気的に接続されている。そして、第二の金属支柱60の黄銅の軸64と銅メッキ12とがハンダ21で固定されている。凹部11はベースプリント基板10の外部端子15側まで貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。なお、図2Bと比べて、第二の金属支柱60には第一フランジ51がないため、振動などに対して強度が弱いがコストが安くて済む。サブプリント基板40の貫通している孔部41に、金属支柱60の第二軸部66が挿入されハンダ21で固定される構成は、図2Bで説明した構成と同様である。
図3Bでは、ベースプリント基板10の構造が異なっている。ベースプリント基板10には凹部11が形成されておらず、貫通孔19が形成されている。貫通孔19にはフランジ付のキャップ68が挿入される。フランジ付のキャップ68は熱硬化性プラスチックなど耐熱性の非導電体で形成される。このフランジ径は、銅メッキ12が形成された範囲より小さくなっている。また、フランジ付のキャップ68には、第二の金属支柱60の黄銅の軸64が挿入される挿入穴(凹部)69が形成されている。挿入穴69は、フランジ付のキャップ68を貫通していない。貫通孔19の周りには銅メッキ12が施されている。外部端子15と銅メッキ12と電気的に接続されている。そして、第二の金属支柱60の黄銅の軸64と銅メッキ12とがハンダ21で固定されている。貫通孔19はキャップ68で封止されており、またキャップ68に形成された挿入穴69が貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。図3Aの外部端子15と図3Bの外部端子15とを比べてみると、貫通孔19が形成されている方が、外部端子15が短くなっている。外部端子15が大きいほうが、圧電発振器が回路基板に実装される際には、接触不良を防ぐ観点から好ましい。
なお、サブプリント基板40の貫通している孔部41に、金属支柱60の第二軸部66が挿入されハンダ21で固定される構成は、図2Bで説明した構成と同様である。
図4は、第三の金属支柱70によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。図4Aは第三の金属支柱70の斜視図であり、図4Bは、ベースプリント基板10と第三の金属支柱70との固定状態、サブプリント基板40と第三の金属支柱70との固定状態を示した図である。
図4Aに示すように、第三の金属支柱70は、黄銅の軸74の途中でほぼ90度に折り曲げて、第一折り曲げ部71と第二折り曲げ部73とを形成している。黄銅の軸74の径は、0.03mmほどから1mm程度である。第一折り曲げ部71および第二折り曲げ部73の長さは、1mmから3mm程度である。
図4Bに示すように、ベースプリント基板10には、第一折り曲げ部71が挿入されるように、凹部18が形成されている。ベースプリント基板10の厚さは、0.6mmから3mm程度であり、凹部18の深さは、ベースプリント基板10の厚さの9割から3割ほどに形成されている。凹部18の幅は、第一折り曲げ部71の径と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。凹部18は、図2に描かれた凹部11と比べて細長くなっていっている。このため、凹部18の周りだけでなく凹部18自体にも銅メッキ19が施されている。外部端子15と銅メッキ19とは電気的に接続されている。そして、第三の金属支柱70の第一折り曲げ部71と銅メッキ19とがハンダ21で固定されている。凹部18はベースプリント基板10の外部端子15側まで貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。
サブプリント基板40は、第二折り曲げ部73が挿入されるように、凹部42が形成されている。凹部42の径の幅は、第二折り曲げ部73の径と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。サブプリント基板40はガラスエポキシ材料で、サブプリント基板40の厚さは、0.6mmから3mm程度である。凹部42の径の深さは、サブプリント基板40の厚さの9割から3割ほどに形成されている。凹部42自体およびその周りには銅メッキ44が施されている。そして、第二折り曲げ部73と銅メッキ44とがハンダ固定され電気的に接続される。こうして、外部端子15の電力がサブプリント基板40にも届く。このような構成で、サブプリント基板40がベースプリント基板10上に二段重ねで支持される。第一折り曲げ部71または第二折り曲げ部73は、曲げられたことで凹部18または凹部42と接する面積が大きくなり、振動に対して強くなる。また、単に折り曲げるだけで済むので費用がかからない。
図5は、二本、四本などの複数のリード端子を有するリード端子付き圧電発振器80を表面実装タイプの圧電発振器80にするための説明図である。図5Aは、リード端子付き圧電発振器80を示した図である。図5Bは、表面実装タイプの圧電発振器80に加工した際の断面図である。従来、リード端子付き圧電発振器80は、ベースプリント基板に貫通穴を開けて、短く切ったリード端子を貫通穴に通すことで表面実装タイプに転用したりしていた。しかし、この構造ではリード端子がベースプリント基板から飛び出して露出したり、表面実装した回路基板上でショートしたりする可能性がある。
図5Aに描かれたリード端子付き圧電発振器80は、水晶発振子などを有する筐体88と、その筐体を封止する封止台86と、その封止台86から出た四本のリード端子84とを備えている。ここで、四本のリード端子84は図4で示したような黄銅の軸74と同等なものである。図5Bに描かれたベースプリント基板10も、図4で示したベースプリント基板10と同等である。図5Bにおいて、リード端子付き圧電発振器80の四本のリード端子84は、途中でほぼ90度に折り曲げている。
ベースプリント基板10には、折り曲げたリード端子84が挿入されるように、凹部18が形成されている。ベースプリント基板10の厚さは、0.6mmから3mm程度であり、凹部18の深さは、ベースプリント基板10の厚さの9割から3割ほどに形成されている。凹部18の幅は、リード端子84の径と同等またはそれ以上の径より大きくなっている。凹部18の周りだけでなく凹部18自体にも銅メッキ19が施されている。外部端子15と銅メッキ19とは電気的に接続されている。そして、リード端子84と銅メッキ19とがハンダ21で固定されている。凹部18はベースプリント基板10の外部端子15側まで貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。また、リード端子84がベースプリント基板10の外部端子15側に飛び出ることもない。
図6は、金属支柱の変形例を示した図である。これまで説明してきた金属支柱は、円柱または針金のような形状であったが、板状の金属支柱であってもよい。圧電発振器は高い信頼性が要求され、数十年に亘る長期の性能保証が求められる場合が多い。金属支柱は、特に横方向への支持剛性は低くなっており、圧電発振器が想定外の強い衝撃を受けた時に、金属支柱が変形した状態になれば電気的性能や信頼性に多大な影響を与える。衝撃により金属支柱の弾性または金属支柱の変形によって、金属支柱がケースに接触すれば、電気的短絡やケースへの熱の放散が発生し、性能の変化や回路部品の破壊を引き起こすことも想定される。このような場合に備えて、板状の金属支柱を用意してもよい。
図6Aは、ベースプリント基板10側にフランジ部を有し、サブプリント基板40側が板を折り曲げた部分を有する金属支柱91である。なお、板突起部91−2は、短い幅の突起が複数設けられている。図6Bは、ベースプリント基板10側およびサブプリント基板40側にフランジ部を有している。板突起部93−1が板幅すべてに設けられると、サブプリント基板40の凹部で折れて切れてしまう可能性があるため、図6Bにあるように板突起部93−1は短い幅のものが複数形成されている。ベースプリント基板10側の板突起部93−2も同様である。
図6Cは、サブプリント基板40側の板が折り曲げられた金属支柱95である。なお、ベースプリント基板10側は、短い幅の板突起部95−2が複数設けられている。板突起部95−2が板幅すべてに設けられると、ベースプリント基板10の凹部で折れて切れてしまう可能性があるためである。図6Dは、ベースプリント基板10側とサブプリント基板40側との両方の板が折り曲げた金属支柱95である。
図6に示したそれぞれの金属支柱に対して、ベースプリント基板10は凹部が形成されている。また、凹部およびその周囲に銅メッキが施されている。凹部はベースプリント基板10の外部端子15側まで貫通していないので、ハンダ21が熱で溶けたりして漏れ出すことがない。このため、圧電発振器の耐衝撃性を向上させた信頼性の高い圧電発振器を実現できる。
以上、本実施例の圧電発振器は温度補償圧電発振器(TCXO)、電圧制御圧電発振器(VCXO)、もしくは恒温槽付圧電発振器(OCXO)、またはリード端子付圧電発振器を想定しているが、圧電発振器に限らずLC発振器やSAW発振器あるいは、他の電子部品の端子形状を表面実装化することについても応用できる。また、圧電材料としては水晶振動子、セラミック材料が用いられる。また、金属支柱で説明してきたが、導電体であればどのような材料でもよく、例えば導電性プラスチックで形成されていてもよい。
本発明に係る表面実装タイプの圧電発振器の実施例を示す断面図である。 第一の金属支柱50によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。 第二の金属支柱60によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。 第三の金属支柱70によるベースプリント基板10とサブプリント基板40との固定を説明する図である。 二本、四本などの複数のリード端子を有するリード端子付き圧電発振器80を表面実装タイプの圧電発振器80にするための説明図である。 上記金属支柱の変形例で、板状の金属支柱を示した図である。
符号の説明
10 … ベースプリント基板
11、18、42 … 凹部
12、19、43 … 銅メッキ
15 … 外部端子
19、41 … 貫通孔
21 … ハンダ
31 … 電子部品
32 … 水晶振動子、
40 … サブプリント基板、
50、60、70、91、93、95,97 … 金属支柱
48 … 金属ケース
68 … キャップ
84 … リード端子
100 … 圧電発振器

Claims (7)

  1. 第一面に形成された外部端子と、前記第一面と反対側の第二面との間を貫通する孔部とを備えたベースプリント基板と、
    前記孔部に固定される外周と中央に形成された凹部とを有する非導電体で形成されたキャップと、
    前記凹部に固定された電導体支柱と、
    前記電導体支柱に支持され、圧電振動子を搭載したサブプリント基板と、
    前記電導体支柱および前記サブプリント基板を覆うカバー部材と、
    を備えたことを特徴とする表面実装用の圧電発振器。
  2. 前記電導体支柱は第一フランジ部を有し、この第一フランジ部と前記ベースプリント基板とが固定されることを特徴とする請求項1に記載の表面実装用の圧電発振器。
  3. 前記電導体支柱は前記第一フランジ部と異なる位置に第二フランジ部を有し、この第二フランジ部と前記サブプリント基板とが固定されることを特徴とする請求項2に記載の表面実装用の圧電発振器。
  4. 前記電導体支柱は第一折り曲げ部を有し、この第一折り曲げ部と前記ベースプリント基板とが固定されることを特徴とする請求項1に記載の表面実装用の圧電発振器。
  5. 前記電導体支柱は前記第一折り曲げ部と異なる位置に第二折り曲げ部を有し、この第二折り曲げ部と前記サブプリント基板とが固定されることを特徴とする請求項4に記載の表面実装用の圧電発振器。
  6. 前記第一フランジ部が固定される前記ベースプリント基板の周囲に第一電導体膜が形成され、前記電導体支柱と前記第一電導体膜とが導電性部材で固定されることを特徴とする請求項2に記載の表面実装用の圧電発振器。
  7. 前記第一折り曲げ部が固定される前記ベースプリント基板の周囲に第一電導体膜が形成され、前記電導体支柱と前記第一電導体膜とが導電性部材で固定されることを特徴とする請求項4に記載の表面実装用の圧電発振器。
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