JPH10233644A - 振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水晶などの圧電体を用いた振動子において、
パッケージにグランド端子を設けることなく発振周波数
の安定化を行うことにより、より小型化が可能な振動子
を提供することを目的とする。 【解決手段】 シールドケースなどのグランド電位１側
における励振用電極５とパッケージケース間の距離であ
る間隙７の大きさをｔｖとし、上記パッケージの厚みを
ｔｃとした時、ｔｖとｔｃの関係をｔｖ＝（０．１５〜
４）ｔｃとなるように設定し、励振用電極５とパッケー
ジとの間で間隙７を挟み込むことによって生じる寄生容
量は小さくなり、結果として振動子を発振回路に組み込
んだときの回路側の負荷容量の変動幅が、パッケージと
グランド電位との距離のばらつきに対して小さくなる。
よって発振周波数の変動幅も小さくなり、周波数の安定
化が図れるという効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水晶などの圧電体を
用いた振動子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の振動子は、表と裏に励振用電極が
設けられた水晶または圧電セラミックよりなる圧電体を
振動板とし、その振動板の上下を覆う上パッケージと下
パッケージから構成されている。この振動子の断面図
は、振動板の上下とパッケージとの間には間隙があり、
パッケージ内部は励振用電極の酸化などを防止するため
に窒素ガスなどの不活性ガスが充填されたり、あるいは
真空にされている。従来の振動子を下面から見た様子を
図１２に示す。下パッケージ２０には、プリント基板な
どに実装するための入出力端子２１とグランド端子２２
の合計４つの外部電極がある。上パッケージが金属など
の導体からなる時、グランド端子は上パッケージと電気
的に導通がとられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記構成においては、
グランド端子２２を設けることでパッケージの電位をグ
ランド電位と等しくすると、振動板の励振用電極とパッ
ケージ外部に存在するグランド電位との間で間隙や大気
を挟み込むことによって生じる寄生容量の値は変化しな
い。このことは、以下述べることに効果がある。すなわ
ち、振動子を発振回路に組み込んだとき、その発振周波
数は振動子のインダクタンス成分の値と、振動子から発
振回路側を見たときの回路側の容量成分、すなわち負荷
容量の値の２つの値で決定される。この時、先に述べた
寄生容量の値を変化させないことは、負荷容量の値を一
定に保つことに相当し、よって発振周波数を安定にする
ことに効果がある。

【０００４】しかし、振動子を小型化しようとすると、
図１２に示したような下パッケージ２０に外部電極とし
て入出力端子２１とグランド端子２２とを設けることが
困難になり、入出力端子２１以外の端子、つまりグラン
ド端子２２を有したパッケージ構造をとる限り、いくら
振動板を小型化してもパッケージを含む振動子全体の小
型化には限界があった。

【０００５】そこで本発明では、グランド端子を設ける
ことなく発振周波数の安定化を行い、より小型化が可能
な振動子を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、相対向する主面に励振用電極を設けた振動
板をパッケージケース内に収納し、上記励振用電極を上
記パッケージケース外に設けた外部電極に導出するよう
に構成され、かつシールドケース内に収容可能な振動子
であって、上記シールドケース側における励振用電極と
上記パッケージケース間の距離ｔｖと上記パッケージケ
ースの厚みｔｃの関係をｔｖ＝（０．１５〜４）ｔｃと
なるように設定した振動子である。

【０００７】上記構成とすることにより、グランド端子
が設けられないため振動子を小型にできることになる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、相対向する主面に励振用電極を設けた振動板をパッ
ケージケース内に収納し、上記励振用電極を上記パッケ
ージケース外に設けた外部電極に導出するように構成さ
れ、かつシールドケース内に収容可能な振動子であっ
て、上記シールドケース側における励振用電極と上記パ
ッケージケース間の距離ｔｖと上記パッケージケースの
厚みｔｃの関係をｔｖ＝（０．１５〜４）ｔｃとなるよ
うに設定した振動子であり、グランド端子を設けないた
め振動子を小型化できるという作用を有する。

【０００９】請求項２に記載の発明は、パッケージケー
スが誘電体材料で構成される請求項１に記載の振動子と
したものであり、請求項１と同等の作用を有する。

【００１０】請求項３に記載の発明は、外部電極は入出
力用の電極のみで構成される請求項１に記載の振動子と
したものであり、請求項１と同等の作用を有する。

【００１１】請求項４に記載の発明は、グランド電位
に、パッケージケースとの距離が少なくとも１．２ｍｍ
確保されるように配置されることを特徴とする請求項１
に記載の振動子であり、グランド端子のない小型の振動
子が実現でき、かつ発振周波数の安定化が図れるという
作用を有する。

【００１２】以下、本発明の実施の形態について図面図
１〜図９を用いて説明する。図において、１はグランド
電位、２は平板状の上パッケージ、３は容器状で内部の
一端部に段部１０を設けた下パッケージ、４は水晶また
は圧電セラミックよりなる圧電体の振動板、５はこの振
動板４の表面と裏面に設けられた励振用電極、６は振動
板４を下パッケージ３の段部１０に設けた励振用電極取
り出し部９に電気的かつ機械的に結合する導電性樹脂ペ
ースト、７は振動板４と上パッケージ２との間に形成さ
れる間隙、８は下パッケージ３の下面に設けられた外部
電極である。

【００１３】図１のような面実装型の振動子の場合、上
パッケージ２がセラミックや水晶などの絶縁体すなわち
誘電体からなる場合と、金属などの導体からなる場合と
がある。グランド端子が無くパッケージにおける電位が
グランド電位１と等しくない場合、振動板４の表側の励
振用電極５と外部グランド電位との間で寄生容量が発生
する。パッケージがセラミックや水晶などの誘電体で構
成される場合、励振用電極５とパッケージ間でパッケー
ジ内間隙７を挟み込むことによって生じる容量をＣｖ、
誘電体であるパッケージ自身が持つ容量をＣｃ、パッケ
ージと外部グランド電位１との間で大気を挟み込むこと
によって生じる容量をＣａとすると、寄生容量Ｃｋの値
はＣｖ，Ｃｃ，Ｃａの直列接続となり（数１）のように
表される。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここで、セラミックや水晶などの誘電体の
比誘電率に比べ、真空の誘電率、窒素ガスや大気の比誘
電率は非常に小さいので、寄生容量Ｃｋの値は（数２）
のように近似でき、この値を小さくするためにはＣｖあ
るいはＣａを小さくすればよいことがわかる。また当然
ではあるが、パッケージが金属などの導体の場合、パッ
ケージ自身の容量Ｃｃの値は０であり、寄生容量Ｃｋの
値はＣａとＣｖの直列接続となり（数２）に等しくな
る。

【００１６】

【数２】

【００１７】しかし、Ｃａの値は振動子のパッケージと
外部グランド電位などとの距離により変化するため、振
動子側のみでは制御できない。そこで、Ｃｖを小さくす
ることを考える。Ｃｖの値は、パッケージ内部の気体の
比誘電率をεｒ、真空の誘電率をε０、励振用電極面積
をＳｅ、間隔の大きさ、言い換えれば励振用電極５とパ
ッケージとの距離をｔｖとすると（数３）で求められ
る。励振用電極面積Ｓｅは振動子に求められる電気的仕
様でほぼ決定されるので、Ｃｖを小さくするためには
（数３）よりｔｖを大きくすればよいことがわかる。

【００１８】

【数３】

【００１９】しかし、振動子のさらなる低背化が望まれ
ていることや、振動子をプリント基板などに実装する際
のマウント時に必要な機械的強度などからおのずとｔｃ
とｔｖの値、言い換えれば励振用電極５と振動子のパッ
ケージ間の距離ｔｖとパッケージの厚みｔｃとの比ｔｖ
／ｔｃの値は制約を受ける。よって、周波数の安定化の
ために必要なｔｖとｔｃの関係の前に、先の理由から生
じるｔｖ／ｔｃの最大値、最小値を求めておく必要があ
る。まずｔｖ／ｔｃの最小値であるが、パッケージが水
晶からなる場合、必要な機械的強度によるパッケージ厚
みｔｃの最小値は１００μｍであることと、振動板４の
振動を阻害しないようにパッケージ内側の面が励振用電
極５に確実に触れないようにするための励振用電極５と
パッケージとの間隙ｔｖの最小値は１５μｍであること
の２点を考慮すると、ｔｖ／ｔｃの最小値を１５／１０
０＝０．１５と設定する。先述したように、負荷容量の
変化量を小さくするためにはｔｖを大きくしなければな
らないわけであるから、ｔｖ／ｔｃの最小値を０．１５
よりも小さくすることは意味がないものとする。

【００２０】次に、ｔｖ／ｔｃの最大値を考える。振動
子の低背化を考慮すれば、上パッケージ２の厚みと励振
用電極５−パッケージ間の距離の和を５００μｍ以上と
することは意味がないものと考え、必要な機械的強度に
よるパッケージ厚みｔｃの最小値は１００μｍとしたか
ら、ｔｖ／ｔｃの最大値は４００／１００＝４である。
以上より、ｔｖ／ｔｃ＝０．１５〜４の範囲で発振周波
数の安定化が図れるｔｖ／ｔｃの値を設定する。

【００２１】振動子の励振用電極５の電極面積をＳｅ、
パッケージ内は真空、上パッケージ２は水晶からなると
する。また、励振用電極５と上パッケージ２との間隙７
の大きさをｔｖ、上パッケージ２の厚みをｔｃ、上パッ
ケージ２とグランド電位１との距離をｔａとする。今仮
に、発振回路を図３のように振動子１２、帰還容量１
３，１４、ＣＭＯＳインバータ１５、帰還抵抗１６で構
成し、帰還容量１３の値をＣｘ、帰還容量１４の値をＣ
ｙ，ＩＣによる容量をＣｉｃとした場合の、寄生容量を
考慮しない時の負荷容量ＣＬはＣｘとＣｙの直列接続の
値とＣｉｃとの和と見なせる。また、トランジスタを使
用した発振回路においても同様に負荷容量は計算でき
る。

【００２２】図３における点Ａが振動子表側の励振用電
極５と導通がとられている時、振動場４の表側の励振用
電極５とグランド電位１との間で生じる寄生容量１７
（Ｃｋ）は図４のように帰還容量１４に並列接続される
ため、負荷容量ＣＬはＣｙとＣｋの並列接続に対してＣ
ｘが直列接続された値とＣｉｃとの和となる。今、Ｃｘ
＝Ｃｙ＝１５ｐＦ、Ｃｉｃ＝５ｐＦ、励振用電極面積Ｓ
ｅ＝５．０ｍｍ²とし、ｔｃ＝１００μｍ、ｔｖ＝１
５，１００，２００，４００μｍとした時、横軸に上パ
ッケージ２と外部グランド電位１との距離ｔａ、縦軸に
負荷容量ＣＬの大きさをとったときのグラフを図５に示
す。また、（表１）にｔａが０．１ｍｍから０．６ｍｍ
まで変化した時のＣＬの変化量ΔＣＬを各ｔｖ／ｔｃに
ついて示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】図５や（表１）よりｔｖ／ｔｃが大きいほ
ど、上パッケージ２とグランド電位１との距離ｔａが変
化した時の負荷容量の変化幅が小さいことがわかる。す
なわち負荷容量の変化幅が小さいことは、発振周波数の
変化が小さく安定していることになる。

【００２５】振動子の発振状態において等価回路を表現
した時の、振動子の等価直列容量をＣ１、等価並列容量
をＣ０とし、振動子の共振周波数をｆｒとすると、負荷
容量ＣＬを持つ発振回路に組み込んだ時の発振周波数ｆ
Ｌは（数４）で求められることが知られている。

【００２６】

【数４】

【００２７】ｆｒ＝１２．５９８ＭＨｚ，Ｃ１＝１０ｆ
Ｆ，Ｃ０＝２．５ｐＦとすると、図５のように負荷容量
が変化した時の発振周波数の変化の度合い、つまり周波
数偏差は図６のようになる。ただし、周波数偏差はパッ
ケージとグランド電位が充分に近い時、具体的にはｔａ
＝１０^-10ｍｍの時の発振周波数を起点に計算してい
る。図６より、励振用電極とパッケージとの間隙ｔｖと
パッケージの厚みｔｃとの比が大きいほど周波数偏差の
変化量が小さく、ｔａの変化、すなわち振動子を基板に
実装したときの周囲のシールドケースなどグランド電位
の変化に対して発振周波数が安定していることがわか
る。すなわち、振動子上のパッケージとシールドケース
などのグランド電位との距離ｔａが、図６より４ｍｍ以
上ともなるとｔａ＝４ｍｍを中心にグランド電位が±
０．５ｍｍばらついたとしても、発振周波数ｆＬの周波
数偏差がほぼフラットになり、発振周波数はほとんど変
化しないことがわかる。しかし、振動子や他の電子部品
をシールドケースなどでシールドする場合、上パッケー
ジからシールドケースまで４ｍｍ離し、周波数偏差の変
化量をほぼ０にすることは、実用上許容できる周波数偏
差の変化量を考慮するとオーバースペックと言える。

【００２８】そこで、シールドケースの高さのばらつ
き、言い換えればパッケージからグランド電位までの距
離ｔａのばらつきを±０．５ｍｍとし、許容できる発振
周波数の変化量を０．２ｐｐｍとする。図６で示した方
法と同じ方法で、各ｔｖ／ｔｃの値について、ｔａ＝
１．１，１．２，１．３ｍｍを中心に±０．５ｍｍばら
つくとした時の周波数偏差の変化量ΔｆＬを計算した結
果を（表２）に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】（表２）より、ｔｖ／ｔｃが０．１５以上
であれば、パッケージとグランド電位との距離を少なく
とも１．２ｍｍ離せばｔａ＝１．２ｍｍを中心に±０．
５ｍｍグランド電位までの距離がばらついたとしても、
発振周波数の変化幅は０．２ｐｐｍ以内におさまり、発
振周波数の安定化が図れることがわかる。なお、先述し
たように、ｔｖ／ｔｃ＝０．１０などｔｖ／ｔｃの値を
小さくすることは、パッケージ厚みｔｃを必要な機械的
強度より決定される最小の厚みとした場合の間隙７の大
きさを小さくすることになり、振動板４の振動を阻害す
る恐れがあるので好ましくない。

【００３１】次に、振動子の低背化の方向とは逆行する
が、参考までにパッケージの厚みが１００μｍより厚い
場合の、上パッケージ２と外部グランド電位１との距離
ｔａと周波数偏差の関係を示す。上パッケージ２の厚み
と励振用電極−パッケージ間の距離の和を５００μｍ以
上とならないようにし、上パッケージ２の厚みｔｃ＝２
００，３００μｍの場合についてｔａと周波数偏差の関
係をそれぞれ図７、図８に示す。また、（表２）と同様
に各ｔｃの値の時の周波数偏差の変化量の計算結果を
（表３）、（表４）に示す。

【００３２】

【表３】

【００３３】

【表４】

【００３４】図７、図８、（表３）、（表４）より、同
じｔｖ／ｔｃの値であればパッケージ厚みが厚いほど周
波数偏差の変化量は小さいが、いずれにせよｔｖ／ｔｃ
が０．１５以上であれば、ｔａ＝１．２ｍｍを中心に±
０．５ｍｍグランド電位までの距離がばらついたとして
も、発振周波数の変化幅は０．２ｐｐｍ以内におさまる
ことがわかる。

【００３５】また、パッケージが金属などの導体からな
る場合は、先述したようにパッケージ自身の容量Ｃｃは
０となる。Ｃｃ＝０の時、励振用電極とパッケージとの
間隙の大きさｔｖとパッケージの厚みｔｃとの比ｔｖ／
ｔｃをパラメータとし、横軸に上パッケージと外部グラ
ンド電位との距離ｔａ、縦軸に発振周波数の変化の大き
さを表す周波数偏差をとったときのグラフを図９に示
す。また、各ｔｖ／ｔｃの値におけるｔａ＝１．２±
０．５ｍｍの時の周波数偏差の変化量を計算した結果を
（表５）に示す。

【００３６】

【表５】

【００３７】図９、（表５）より、パッケージが誘電体
からなる時と同様、ｔｖ／ｔｃが０．１５以上の時、
１．２ｍｍ離せば発振周波数は発振周波数の変化幅は
０．２ｐｐｍ以内におさまり充分安定していることがわ
かる。

【００３８】以上のように、負荷容量の変化を小さくす
る目的でＣｖを小さくするためには、（表２）から（表
５）よりｔｖ／ｔｃを０．１５以上４以下とすれば、寄
生容量の変化幅が抑制され負荷容量の値も大きく変化し
ないため、結果として発振周波数が安定するといった効
果が得られる。

【００３９】また、上記振動子を使用する場合は、パッ
ケージから振動子や他の電子部品などを覆うシールドケ
ースなどのグランド電位までの距離を少なくとも１．２
ｍｍ離してさえおけば、発振回路における発振周波数の
変化量は０．２ｐｐｍ以下に抑えられ、発振周波数の安
定化が図れる。

【００４０】以下、本発明の具体的な実施の形態につい
て、図１０、図１１を用いて説明する。

【００４１】（実施の形態１）パッケージはアルミナの
ようなセラミックからなるものとし、その比誘電率を１
０．０とする。また、振動子の電気的特性はｆｒ＝１
９．１９８ＭＨｚ，Ｃ１＝１０．０ｆＦ，Ｃ０＝１．０
ｐＦ、励振用電極面積はＳｅ＝２．５ｍｍ²、パッケー
ジ厚みはｔｃ＝１００μｍ、発振回路においてはＣｘ＝
Ｃｙ＝１０ｐＦ，Ｃｉｃ＝５ｐＦとした時の上パッケー
ジと外部グランド電位との距離ｔａと周波数偏差の関係
を図１０に示す。図１０においてｔａが１．２ｍｍを中
心に±０．５ｍｍばらついた時の周波数偏差の変化量Δ
ｆＬはｔｖ／ｔｃ＝０．１５の時で０．１８２ｐｐｍで
あり、パッケージと外部グランド電位との距離ｔａを
１．２ｍｍ確保すればΔｆＬは０．２ｐｐｍ以内とな
り、発振周波数は充分安定していると言える。

【００４２】（実施の形態２）パッケージは導体である
金属からなるものとする。また、振動子の電気的特性は
ｆｒ＝２５．９９８ＭＨｚ，Ｃ１＝１０．０ｆＦ，Ｃ０
＝４．０ｐＦ、励振用電極面積はＳｅ＝２．０ｍｍ²、
パッケージ厚みはｔｃ＝１２０μｍ、発振回路において
はＣｘ＝Ｃｙ＝１０ｐＦ，Ｃｉｃ＝５ｐＦとした時の上
パッケージと外部グランド電位との距離ｔａと周波数偏
差の関係を図１１に示す。図１１においてｔａが１．２
ｍｍを中心に±０．５ｍｍばらついた時の周波数偏差の
変化量ΔｆＬはｔｖ／ｔｃ＝０．１５の時で０．１４８
ｐｐｍであり、パッケージと外部グランド電位との距離
ｔａを１．２ｍｍ確保すればΔｆＬは０．２ｐｐｍ以内
となり、発振周波数は充分安定していると言える。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動子の
外部電極にグランド端子を設けずに発振周波数を安定化
できるため、振動子の小型化ができるという有利な効果
が得られる。

【００４４】なお、以上の説明では、主として表面実装
型振動子を例にとって説明したが、その他の振動子、例
えば楕円筒型の振動子にも応用できるのはもちろんであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の振動子の一実施の形態を示す断面図

【図２】同振動子の分解斜視図

【図３】ＣＭＯＳインバータを用いた発振回路図

【図４】寄生容量を考慮した場合のＣＭＯＳインバータ
を用いた発振回路図

【図５】パッケージ−グランド電位間の距離と負荷容量
の関係を表す特性曲線図（パッケージが厚み１００μｍ
の水晶の場合）

【図６】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数偏
差の関係を表す特性曲線図（パッケージが厚み１００μ
ｍの水晶の場合）

【図７】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数偏
差の関係を表す特性曲線図（パッケージが厚み２００μ
ｍの水晶の場合）

【図８】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数偏
差の関係を表す特性曲線図（パッケージが厚み３００μ
ｍの水晶の場合）

【図９】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数偏
差の関係を表す特性曲線図（パッケージが導体の場合）

【図１０】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数
偏差の関係を表す特性曲線図（パッケージがセラミック
の場合）

【図１１】パッケージ−グランド電位間の距離と周波数
偏差の関係を表す特性曲線図（パッケージが導体の場
合）

【図１２】従来の振動子の下面図

【符号の説明】

１ グランド電位 ２ 上パッケージ ３ 下パッケージ ４ 振動板 ５ 励振用電極 ６ 導電性樹脂ペースト ７ 間隙 ８ 外部電極 ９ 励振用電極取り出し部 １０ 段部 １２ 振動子 １３ 帰還容量 １４ 帰還容量 １５ ＣＭＯＳインバータ １６ 帰還抵抗 １７ 寄生容量

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対向する主面に励振用電極を設けた振
   動板をパッケージケース内に収納し、上記励振用電極を
   上記パッケージケース外に設けた外部電極に導出するよ
   うに構成され、かつシールドケース内に収容可能な振動
   子であって、上記シールドケース側における励振用電極
   と上記パッケージケース間の距離ｔｖと上記パッケージ
   ケースの厚みｔｃの関係をｔｖ＝（０．１５〜４）ｔｃ
   となるように設定した振動子。
2. 【請求項２】 パッケージケースが誘電体材料で構成さ
   れた請求項１に記載の振動子。
3. 【請求項３】 外部電極は入出力用の電極のみで構成さ
   れる請求項１に記載の振動子。
4. 【請求項４】 グランド電位にパッケージケースとの距
   離が少なくとも１．２ｍｍ確保されるように配置される
   請求項１記載の振動子。