JP2006180148A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】圧電デバイスである水晶振動子等では、内部に搭載する水晶振動素子のクリスタルインピーダンス値がデバイス本体の小型化により急激に大きくなる。その影響により可変感度等の振動素子の発振特性が劣化してしまうという課題があった。
【解決手段】容器体の凹部に圧電振動素子が搭載されており、この容器体の側壁頂部には容器体の開口部を覆う矩形状の蓋体が配置されており、この蓋体と側壁頂部に設けた導体層とを固着し、容器体内の圧電振動素子を気密封止している圧電デバイスにおいて、容器体の外側底面に第１の外部接続用端子を有し、且つ容器体の少なくとも一つの外側側面に第２の外部接続用端子が形成されていること。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電振動子，圧電発振器又は圧電フィルタ等の圧電デバイスの構造に関し、特に圧電デバイスを外部回路基板などに固着するためにデバイスに形成する端子の構造に関する。

従来より圧電素板の両主面に電極を形成した圧電振動素子をパッケージ内部に搭載した、例えば、圧電振動子や、圧電振動子と発振回路とを同一のパッケージ内に搭載した圧電発振器、あるいは、特定の周波数帯を分離する圧電フィルタ等の圧電デバイスが、携帯用通信機器や電子計算機等の電子機器に多用されている。そして、近年、表面実装に対応した形状の圧電デバイスが開発され、電子機器の小型化に伴って、これらの圧電デバイスも小型化が進められている。

かかる従来の圧電デバイスの一例として図５に圧電材として水晶を使用した水晶振動子を示す。容器体２１の凹部空間内底面には一対の素子接続用電極パッドが設けられている。この素子接続用電極パッド上には、導電性接着材を介して電気的に接続される一対の励振用電極を表裏主面に有した水晶振動素子２２が搭載されており、この水晶振動素子２２を囲繞する容器体２１の側壁頂部にはシールリング２３が取着されている。このシールリング２３の上に金属製の蓋体２４を被せシーム溶接等でシールリング２３と蓋体２４とを接合することにより、水晶振動素子２２の搭載空間（凹部空間）を気密封止した構造の水晶振動子ある。（例えば、下記特許文献１を参照。）

このような水晶振動子は、容器体２１の外側底面に設けられ前記素子接続用電極パッドと電気的に接続している入出力端子並びにグランド端子等の外部接続用端子２５を介して、水晶振動素子２５の励振用電極間に外部からの変動電圧が印加されると、水晶振動素子２２がその特性に応じた所定の周波数で厚みすべり振動を起こすようになっており、その共振周波数に基づいて外部の発振回路で所定周波数の基準信号が発振・出力される。このような基準信号は携帯用通信機器等の電子機器におけるクロツク信号として利用されることとなる。

前述のような水晶振動子等を含む圧電デバイスについては、以下のような文献が開示されている。
特開２００１−２７４６４９号公報 特開２００４−２３６１８３号公報

尚、出願人は、前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には本発明に関連する先行技術文献を本件出願時までに発見するに到らなかった。

しかしながら、携帯用通信機器等の多機能化に伴い機器の回路母基板上に搭載する電子素子の数が多くなっており、圧電デバイスに与えられる回路母基板の搭載面積も従来より更に縮小する傾向にある。このことから更なる圧電デバイスの小型化が要求されているが、圧電デバイスを小型化すると、圧電デバイス内部に搭載する圧電振動素子も小型化する為、例えば水晶振動子や水晶発振器の場合は、内部に搭載する圧電振動素子の一つである水晶振動素子のクリスタルインピーダンス（ＣＩ）値が小型化により急激に大きくなる。その影響により、起動や可変感度等の振動素子の振動或いは発振特性が劣化してしまうという欠点があった。

また、回路母基板の搭載面積縮小に伴う小型化のため、新たにパッケージを設計しなければ成らず、更にそのパッケージを使用した圧電デバイスに対応した製造設備等も設けなくてはならないので、新たな設備投資等コストが係ってしまう場合がある。

本発明は上記欠点に鑑みて考案されたものであり、その目的は、起動や可変感度等の振動或いは発振特性を良好に維持したまま、回路母基板の圧電デバイス搭載面積の縮小に臨機に対応することができる圧電デバイスを提供することにある。

上記課題を解決するための手段として、本発明は、矩形状の容器体の内部空間に圧電振動素子が搭載され、この圧電振動素子に形成した電極と該容器体に形成した外部接続用端子とを電気的に接続してあり、容器体の側壁頂部にはこの容器体の開口部を覆う矩形状の蓋体が配置されており、蓋体と側壁頂部に設けた導体層とを固着し、容器体内の圧電振動素子を気密封止している圧電デバイスにおいて、
容器体の外側底面に第１の外部接続用端子を有し、且つ容器体の少なくとも一つの外側側面に第２の外部接続用端子が形成されていることを特徴とする圧電デバイスである。

又、前記第１の外部接続用端子と前記第２の外部接続用端子間で、容器体の内部の導体パターンにより、電気的機能を同じくする端子同士がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする前記記載の圧電デバイスでもある。

更に、前記第１の外部接続用端子と前記第２の外部接続用端子間で、容器体の外表面に形成した導体パターンにより、電気的機能を同じくする端子同士がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする前記記載の圧電デバイスでもある。

更に又、前記第２の外部接続用端子のうち接地端子と蓋体とが、容器体の外表面に形成した導体パターンにより接続されていることを特徴とする前記記載の圧電デバイスでもある。

本発明の圧電デバイスによれば、前記容器体の外側底面に第１の外部接続用端子を有し、更に容器体の少なくとも一つの外側側面に第２の外部接続用端子が形成されていることにより、底面又は側面に形成した外部接続用端子のどちらかを使用し、外部の回路母基板に圧電デバイスを搭載する際に、ユーザ側で圧電デバイスの搭載面積の縮小が必要な場合は第２の外部接続用端子を、または、低背化が必要な場合は第１の外部接続用端子を使用と、一つのパッケージによる圧電デバイスにおいて適宜選択することが可能となる。

また、本発明の圧電デバイスは、第１の外部接続用端子と第２の外部接続用端子が、容器体の内部の導体パターンにより、入力端子間同士や接地端子間同士など電気的機能を同じくする端子間同士がそれぞれ接続されていることによって、浮遊容量が発生することなく、安定した発振周波数を出力することが可能となる。又、外部の回路母基板の搭載面積が小さい場合は、第２の外部接続用端子により対応できるため、圧電デバイス自体のパッケージを更に小型化する必要が無く、因って圧電デバイス内に搭載する圧電振動素子の小型化による振動或いは発振特性の悪化（例えば圧電振動素子の材料が水晶の場合、ＣＩ値の増大による起動性の悪化等がある）を防止できる。

更に本発明の圧電デバイスは、第１の外部接続用端子と第２の外部接続用端子が、容器体の外表層に形成した導体パターンにより、入力端子間同士や接地端子間同士など電気的機能を同じくする端子間同士がそれぞれ接続されていることによって、第１の外部接続用端子と第２の外部接続用端子のどちらか一方を使用して回路母基板と固着導通をとっても、回路母基板でフィレットを形成することができる為、第１の外部接続用端子を使用した場合と第２の外部接続用端子を使用した場合とで同様の接続強度を得ることが可能となる。

また更に本発明の圧電デバイスは、第２の外部接続用端子のうち接地端子が蓋体と外表面に形成された導体パターンにより接続されていることによって、蓋体と接地端子が最短で接続することができるので、容器体内へ不要な電磁波が侵入するのを有効に防止することが可能となる。

以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明における圧電デバイスの一実施形態構造を圧電デバイスの一つである水晶振動子で例示し、（ａ）には水晶振動子の構造を示した分解斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示した形態の水晶振動子を組み立てた場合の形態を示した斜視図である。図２は、図１（ｂ）に記載の切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合の断面図である。図３は、本発明における圧電デバイス（水晶振動子）の他の実施形態構造を示した斜視図である。図４は、本発明における圧電デバイス（水晶振動子）の他の実施形態構造を示した斜視図である。図５は、本発明における圧電デバイス（水晶振動子）の他の実施形態構造を圧電デバイス裏側から示した斜視図である。図６は、本発明における圧電デバイスのうち、図１に開示の形態の圧電デバイス（水晶振動子）を外部の回路母基板に搭載する際の二形態を、回路母基板表面と平行の視線で示した形態図である。

尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示していない。又、各寸法も一部誇張して図示しており、各図においての同一の符号は同じ対象を示すものとする。

図１乃至６に示す水晶振動子１０は、大略的に、容器体１と、水晶振動素子２と、蓋体３とで構成されている。容器体１は、例えば、アルミナセラミックス、ガラスーセラミック等のセラミック材料から成る絶縁層を複数層、積層することによって形成されており、その上面には、中央域に矩形状に開口する凹部空間４が、その凹部空間４の開口部を囲繞する容器体１の側壁頂部に環状の導体層５が形成されている。又、容器体１の外側底面には入力端子、出力端子及びグランド端子を含む複数個の第１の外部接続用端子６が、更に容器体１の長さ方向の一側面にも、入力端子、出力端子及び接地端子を含む複数個の第２の外部接続用端子７がそれぞれ設けられている。

かかる容器体１の凹部空間４内の底面に設けられている一対の素子接続用電極パッド８は、その上面側で後述する水晶振動素子２の励振用電極１１に導電性接着剤９を介して電気的に接続し固着され、その下面側では容器体１内部のビア導体等を介して、容器体１外側底面及び側面の入出力端子（入力端子、出力端子）に電気的に接続されている。

一方、導体層５は、その上面側で後述する蓋体３に接合材を介して電気的に接続され、下面側で容器体１内部のビア導体等を介して容器体１外側底面及び側面の接地端子に電気的に接続される。尚、上述した第１の外部接続用端子６及び第２の外部接続用端子７は、それぞれ水晶振動子１０をマザーボード等の外部の回路母基板１２に搭載する際、図６のように、外部の回路母基板１２の回路配線１３と半田等の導電性接合材１４を介して電気的に接続されるようになっている。

このように容器体１の外側底面には第１の外部接続用端子６を有し、容器体１の側面には第２の外部接続用端子７が形成されていることにより、水晶振動子１０を回路母基板１２に搭載する際に、使用者側で水晶振動子１０の搭載面積の縮小化が必要な場合は、図６の右側に示した形態のように第２の外部接続用端子７を、または、低背化が必要な場合は、図６の左側に示した形態のように第１の外部接続用端子６を回路母基板１０との導通固着に使用するよう適宜選択する。また、図５のように第１の外部接続用端子６と第２の外部接続用端子７が容器体１の外表面の導体パターンにより、電気的機能を同じくする端子同士がそれぞれ接続されていることによって、第１の外部接続用端子６又は第２の外部接続用端子７のどちらを使用しても回路母基板１２でフィレットを形成することができる為、同様の接続強度を得ることが可能となる。

水晶振動素子２は、所定の結晶軸でカットした水晶片の表裏主面に一対の励振用電極１１を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が第１の外部接続用端子６又は第２の外部接続用端子７を通し一対の励振用電極１１を介して水晶片に印加されると、所定の周波数で厚みすべり振動を起こす。このような水晶振動素子２は、その両主面に被着されている励振用電極１１と容器体１の凹部空間４内底面に形成した素子接続用電極パッド８とを導電性接着材９を介して電気的・機械的に接続固着することによって容器体１の凹部空間４内に搭載される。

尚、導電性接着材９は、シリコン樹脂やポリイミド樹脂等から成る樹脂材料中にＡｇ等から形成される導電性粒子を所定量、添加・混合してなるものである。

そして更に、この容器体１の凹部空間４の開口部周縁（容器体１の側壁頂部）には、蓋体３が取着されている。蓋体３の主構造材としては、４２アロイやコバール，リン青銅等を用いれば良く、その容器体側の面をＡｕ−Ｓｎ等の接合材１０を介して導体層５にロウ付けし、蓋体３の外周部に沿って容器体１の上面に環状にシーム溶接やレーザ溶接等により接合することによって、容器体１に取着されている。

蓋体３は、容器体１とで囲まれる凹部空間４に水晶振動素子２を収容して気密封止するためのものであり、また先に述べた導体層５を介して容器体１外側底面及び外側側面に形成した第１の外部接続用端子６又は第２の外部接続用端子７のうちの接地端子に電気的に接続される。よって、水晶振動子１０の使用時、蓋体３は接地電位に保持されることとなり、水晶振動素子２が蓋体３のシールド効果によって外部からの不要な電気的作用、例えばノイズ等から良好に保護される。また、第２の外部接続用端子７のうち接地端子が蓋体３と表層の導体パターンにより接続されていることによって、蓋体３と接地端子が最短で接続することができるので、容器体内へ不要な電磁波が侵入するのを有効に防止することが可能となる。

尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。例えば、上記実施例では圧電デバイスを構成する要素のうち圧電振動素子の材料として水晶を用いたものを例示したが、圧電効果を奏するものであれば、水晶の他にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムや圧電セラミックなどを使用しても構わない。

又、上述した実施形態においては、圧電デバイスの一形態として水晶振動子を例示して説明を行ったが、他に圧電振動素子と発振回路を形成した集積回路素子とを同一のパッケージに搭載した圧電発振器や、圧電材により形成された弾性表面波（ＳＡＷ）素子を用いたフィルタ等の他の圧電振動素子を用いた電子部品の場合にも本発明は適用可能である。更に、本実施例では第２の外部接続用端子７を容器体１の長さ方向の一外側側面に形成した形態を開示したが、この第２の外部接続用端子７の形成位置は長さ方向の一外側側面に限定するものではなく、容器体１の幅方向の外側側面でも、又、容器体１の複数の外側側面に、それぞれ回路母基板との電気的且つ機械的に接続が必要な個数の端子を形成する形態でも構わない。

図１（ａ）は、本発明における圧電デバイスの一例である水晶振動子の一実施形態を示す分解斜視図であり、図１（ｂ）は（ａ）を組み立てた場合の水晶振動子の形態を示した斜視図である。 図２は、図１に示した水晶振動子を図１記載の切断線Ａ１−Ａ２で切断した場合を示した断面図である。 図３は、本発明の圧電デバイスの一例である水晶振動子のその他の実施形態を示す外観斜視図である。 図４は、本発明の圧電デバイスの一例である水晶振動子のその他の実施形態を示す外観斜視図である。 図５は、本発明の圧電デバイスの一例である水晶振動子のその他の実施形態を示す外観斜視図である。 図６は、本発明における圧電デバイスのうち図１に開示した形態の圧電デバイス（水晶振動子）を外部の回路母基板に搭載する際の二形態を、回路母基板表面と平行の視線で示した形態図である。 図７は、従来における圧電デバイスの一例である水晶振動子の断面図である。

符号の説明

１・・・容器体
２・・・水晶振動素子（圧電振動素子）
３・・・蓋体
４・・・凹部空間
５・・・導体層
６・・・第１の外部接続用端子
７・・・第２の外部端子
８・・・素子接続用電極パッド
９・・・導電性接着材
１０・・・水晶振動子（圧電デバイス）

Claims (4)

1. 矩形状の容器体の凹部空間に圧電振動素子が搭載され、該圧電振動素子に形成した電極と該容器体に形成した外部接続用端子とを電気的に接続してあり、該容器体の側壁頂部には該容器体の開口部を覆う矩形状の蓋体が配置されており、該蓋体と該側壁頂部に設けた導体層とを固着し、該容器体内の圧電振動素子を気密封止している圧電デバイスにおいて、
   該容器体の外側底面に第１の外部接続用端子を有し、且つ該容器体の少なくとも一つの外側側面に第２の外部接続用端子が形成されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 該第１の外部接続用端子と該第２の外部接続用端子間で、容器体の内部の導体パターンにより、電気的機能を同じくする端子同士がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
3. 該第１の外部接続用端子と該第２の外部接続用端子間で、該容器体の外表面に形成した導体パターンにより、電気的機能を同じくする端子同士がそれぞれ電気的に接続されていることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
4. 該第２の外部接続用端子のうち接地端子と該蓋体とが、該容器体の外表面に形成した導体パターンにより接続されていることを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項３記載の圧電デバイス。

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