JP4724518B2 - 圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に用いられる温度補償型圧電発振器に関する。

従来より、携帯用通信機器等の電子機器に組み込まれるタイミングデバイスとして温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）等の圧電発振器が幅広く用いられている。
かかる従来の圧電発振器は、例えば、上方が開口した凹部内に水晶振動素子（圧電振動素子）を収容した第１の容器体と、当該水晶振動素子の発振出力を制御するための集積回路素子を収容した第２の容器体とから構成され、第二の容器体の上に第１の容器体が接続された状態となっている。このような構造の圧電発振器は、当該集積回路素子に各種データを書き込むための書込制御端子が第一の容器体又は／及び第二の容器体の外側面に形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−９８１５１号公報（段落００２１〜００２９、図５）

しかしながら、前記の圧電発振器は、外側面等に設けられた書込制御端子が設けられているが、これらの書込制御端子を配置させるための広いスペースが容器体の表面に必要となることから、容器体の面積が面方向もしくは厚み方向に大きくなり、全体構造の小型化に供しないという不都合があった。
また、このような圧電発振器をマザーボード等の外部電気回路に搭載する際に、両者の接合に用いられている導電性接合材の一部が書込制御端子に付着して圧電発振器の外部端子との間で短絡を招く恐れがあり、そのため、前記外部端子に対応したマザーボード側の電極形状に自由度がなくなる等の製品の取扱いが煩雑になるという欠点もあった。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、取り扱いが簡便で、生産性に優れ、小型化に対応した圧電発振器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、圧電振動素子と、該圧電振動素子が搭載される基体と、この基体に設けられ、前記圧電振動素子の振動に基づいて発振出力を制御する集積回路素子と、該圧電振動素子を気密封止しつつ前記集積回路素子に所定のデータを書き込むための書込制御端子となる導電性の蓋体と、該蓋体の前記基体と接合される面に設けられる導電性の封止材とを備えて構成される圧電発振器であって、前記基体に設けられる複数の外部端子となる配線導体と、前記集積回路素子に接続する前記蓋体に所定の電圧を印加して前記集積回路素子の所定の配線が切断された場合に、前記蓋体と前記外部端子となる配線導体とに接続される導体部材とをさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明は、圧電振動素子と、圧電振動素子の振動に基づいて発振出力を制御する集積回路素子と、該圧電振動素子が搭載される第一の基部と該集積回路素子が搭載される第二の基部とからなる基体と、該圧電振動素子を気密封止しつつ前記集積回路素子に所定のデータを書き込むための書込制御端子となる導電性の蓋体と、該蓋体の前記第一の基部と接合される面に設けられる導電性の封止材とを備えて構成される圧電発振器であって、前記基体に設けられる複数の外部端子となる配線導体と、前記集積回路素子に接続する前記蓋体に所定の電圧を印加して前記集積回路素子の所定の配線が切断された場合に、前記蓋体と前記外部端子となる配線導体とに接続される導体部材とをさらに備えたことを特徴とする。

このような発振器によれば、取り扱いが簡便で、生産性に優れ、小型化に対応することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。
なお、各実施形態において、圧電振動素子を水晶として説明する。また、蓋体が導電性の材料からなる場合について説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す分解斜視図である。図２（ａ）は圧電振動素子と集積回路素子とを搭載した状態の基体の一例を示す平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、導体部材を設ける前の一例を示す断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器１００は、キャビティＫを有する基体１０と、このキャビティＫに搭載される集積回路素子４０及び圧電振動素子としての水晶振動素子３０と、水晶振動素子３０を気密封止する為の蓋体２０とから主に構成されている。

基体１０は、例えば、ガラス−セラミック、アルミナセラミックス等のセラミック材料や樹脂等の有機材料から成る複数個の絶縁層を積層してなり、その表面や隣接する絶縁層間（設けられたビアホールを含む）には所定の配線導体が形成されている。

例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、本実施形態の基体１０は、奥に行くにつれて２段階に狭くなるキャビティＫが設けられており、基体１０の後述する蓋体２０との接合面には、当該蓋体２０と導通する配線導体Ｄ１，Ｄ２が設けられている。また、基体１０を構成する絶縁層間（設けられたビアホールを含む）に引出パターンである配線導体Ｄ３，Ｄ４が形成されている。

また、図２（ｂ）に示すように、配線導体Ｄ３には、その一方の端部に配線導体Ｄ２と接続され、他方の端部には集積回路素子４０が搭載される電極パッドである配線導体Ｄ５と接続されている。
また、配線導体Ｄ４には、その一方の端部に水晶振動素子３０が搭載される搭載パッドである配線導体Ｄ６と接続され、他方の端部には配線導体Ｄ５と接続されている。

図２（ｂ）に示すように、配線導体Ｄ５は、複数設けられるうちの１つが配線導体Ｄ３と接続され、残りの配線導体Ｄ５のうち、１つ又は２つが配線導体Ｄ６と接続される。
また、基体１０の蓋体２０と接合する面とは反対側の面、つまり、裏面には、複数個の外部端子（電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）となる配線導体Ｄ８が設けられている。

この配線導体Ｄ８の少なくとも１つが、途中で断線している配線導体Ｄ７（図３参照）と接続されている。配線導体Ｄ７は、基体１０側面に設けられた溝内に設けられており、途中で断線した部分を、後述する蓋体２０に所定の電圧を印加した後に導体部材Ｄ７´を設けて、蓋体２０と配線導体Ｄ７と導体部材Ｄ７´と外部端子となる配線導体Ｄ８とでグランドした状態にする。導体部材Ｄ７´は、半田やロウ材等の導電性部材により形成されている。
また配線導体Ｄ８（電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子）は、マザーボード（図示せず）等の外部電気回路に搭載する際、半田付け等によって外部電気回路の回路配線と電気的に接続されることとなる。

なお、図２（ｂ）に示すように、配線導体Ｄ５は、後述する集積回路素子４０が搭載される際に用いられるものであって、集積回路素子４０の電極と電気的に接続されるものである。
また、配線導体Ｄ６は、後述する水晶振動素子３０が搭載される際に用いられるものであって、水晶振動素子３０の電極３１と電気的に接続されるものである。

また、図２（ｂ）に示すように、配線導体Ｄ１は、基体１０の蓋体２０と接合する面につまり、環状に設けられる。配線導体Ｄ２は、配線導体Ｄ１と接続することなく、蓋体２０と接合する面に所定の面積を有して点状に設けられる。

尚、この基体１０は、アルミナセラミックスから成る場合、例えば、アルミナセラミックスの原料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合した上、これを従来周知のドクターブレード法等で所定形状に成形することによりセラミックグリーンシートを得、その表面等に配線導体となる導体ペーストを所定パターンに塗布し、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することによって製作される。
また、前記キャビティＫは、基体１０の製作に使用されるセラミックグリーンシートのうち上部領域に配されるセラミックグリーンシートの中央域に矩形状の開口を設けておくことにより形成される。

キャビティＫは、その内部に水晶振動素子３０と集積回路素子４０とを収納することができるようになっている。まず、キャビティＫの底面に集積回路素子４０を搭載するための複数の配線導体Ｄ５が設けられている。

また、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、集積回路素子４０を搭載した際に、この集積回路素子４０を取り囲むように壁部が設けられる。また、この集積回路素子４０の上に水晶振動素子３０を搭載するために、当該水晶振動素子３０を取り囲むようにさらに壁部が設けられており、集積回路素子４０を取り囲む壁部よりも大きく設けられている。

したがって、集積回路素子４０を取り囲む壁部と水晶振動素子３０を取り囲む壁部との間は、階段状に段差となっており、その段差には、水晶振動素子３０を搭載するための配線導体Ｄ６が設けられている。

蓋体２０は、導電性を有する４２アロイやコバール，リン青銅等が用いられ、前記蓋体２０の表面には、Ｎｉ、Ａｕの金属層が形成されている。この蓋体２０の基体１０と接合する面、つまり裏面には、環状に金錫（Ａｕ−Ｓｎ）等の封止材２１が被着されている。

図１及び図２に示すように、蓋体２０は、基体１０のキャビティＫの内部に水晶振動素子３０と集積回路素子４０とを搭載した後に、キャビティＫを塞ぐように封止材２１をキャビティＫ側に向けて載置し、レーザ光やハロゲンランプ等を用いた既存周知の方法により封止材２１を溶融することによって基体１０に取着される。この際、封止材２１は、配線導体Ｄ１，Ｄ２と電気的に接続された状態となる。

水晶振動素子３０は、所定の結晶軸でカットした水晶片の両主面に一対の振動電極３１を被着・形成してなり、外部からの変動電圧が一対の振動電極３１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ようになっている。
また、図１及び図２に示すように、前記水晶振動素子３０は、一対の振動電極３１に対応して基体１０の上面に設けた一対の配線導体（搭載パッド）Ｄ６に導電性接着材を介して電気的に接続させることにより、基体１０に搭載される。
なお、導電性接着材は、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等から成る導電性粒子を所定量、添加・混合してなるものである。

図１及び図２に示すように、集積回路素子４０は、その下面外周域に集積回路素子４０に設けられた電子回路と電気的に接続された複数個の配線導体（電極パッド）Ｄ５を有したフリップチップ型のＩＣチップが用いられる。かかる集積回路素子４０は、単結晶シリコン等から成る基体の下面に、周囲の温度状態を検知する感温素子（サーミスタ）、水晶振動素子３０の温度特性を補償する温度補償データを格納するとともに該温度補償データに基づいて水晶振動素子３０の振動特性を温度変化に応じて補正する温度補償回路、該温度補償回路に接続されて所定の発振出力を生成する発振回路等の電子回路が設けられている。前記した発振回路で生成された発振出力は、外部に出力された後、例えば、クロック信号等の基準信号として利用されることとなる。

このように構成される本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器１００は、その温度状態に応じて集積回路素子４０の温度補償回路で発振出力を補正しながら、水晶振動素子３０の共振周波数に応じた所定の発振信号を出力することによって水晶発振器として機能し、蓋体２０と集積回路素子４０とが、封止材２１と配線導体Ｄ２と配線導体Ｄ３と配線導体Ｄ５とにより電気的に接続された状態となっており、前記蓋体２０を集積回路素子４０へのデータの書き込みを行うための書込制御端子として使用することができる。

また、集積回路素子４０へのデータの書き込みが完了した後に、蓋体２０へ所定の電圧を印加すると、集積回路素子４０の所定の配線（図示せず）が切断される。この場合、前記のとおり、配線導体Ｄ７の途中で断線した部分（図３参照）に導体部材Ｄ７´を設ける。これにより、蓋体２０と封止材２１と配線導体Ｄ１と配線導体Ｄ７と導体部材Ｄ７´と外部端子となる配線導体Ｄ８とでグランドに接続された状態にする。これにより、集積回路素子４０へのデータの書き込みができなくなり、蓋体２０を書込制御端子として使用した後に、シールド性を維持し、不要な電気的作用、例えばノイズ等から良好に保護することが可能となる。

これにより、従来のように基体１０に形成する書込制御端子が蓋体２０となることで、書込制御端子の面積を拡大することが可能となる。また、書込制御端子の面積を確保することができるので、小型化をすることが可能となる。
また、本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器によれば、該圧電振動素子３０と該集積回路素子４０の配線を最短にすることができるので、浮遊容量を抑えることが可能となる。したがって、取り扱いが簡便で、生産性に優れ、小型化に対応することができる。

（第二の実施形態）
図４は、本発明の第二の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す断面図である。
図４に示すように、本発明の第二の実施形態に係る圧電発振機１０１は、基体１１の上面及び下面にキャビティを有する、いわゆるＨ型構造となっており、上面側のキャビティＫに水晶振動素子３０が搭載され、下面側のキャビティＫＳに集積回路素子４０が搭載される点で第一の実施形態と主に異なっている。

ここで、図４に示すように、上面側のキャビティＫの底面には、配線導体（搭載パッド）Ｄ６が設けられており、水晶振動素子３０を搭載できるようになっている。
この配線導体Ｄ６は、引出パターンである配線導体Ｄ１０を介して集積回路素子４０と接続する複数の配線導体Ｄ５のうちの１つと接続している。
また、下面側のキャビティＫＳの底面（奥面）には、配線導体Ｄ５が設けられており、集積回路素子４０を搭載できるようになっている。

この配線導体Ｄ５の１つは、引出パターンである途中で断線している配線導体Ｄ７と接続している。配線導体Ｄ７は、基体１１側面に設けられた溝内に設けられており、途中で断線した部分を、蓋体２０に所定の電圧を印加した後に導体部材Ｄ７´を設けて、蓋体２０と配線導体Ｄ７と導体部材Ｄ７´と外部端子となる配線導体Ｄ８とでグランドに接続された状態にする。導体部材Ｄ７´は、半田やロウ材等の導電性部材により形成されている。

このように構成される本発明の第二の実施形態に係る圧電発振器１０１は、蓋体２０と集積回路素子４０とが、封止材２１と配線導体Ｄ２と配線導体Ｄ９と配線導体Ｄ５とにより電気的に接続された状態となっており、前記蓋体２０を集積回路素子４０へのデータの書き込みを行うための書込制御端子として使用することができる。

また、集積回路素子４０へのデータの書き込みが完了した後に、蓋体２０へ所定の電圧を印加すると、集積回路素子４０の所定の配線（図示せず）が切断される。この場合、前記のとおり、配線導体Ｄ７の途中で断線した部分に導体部材Ｄ７´を設ける。これにより、蓋体２０と封止材２１と配線導体Ｄ１と配線導体Ｄ７と導体部材Ｄ７´と外部端子となる配線導体Ｄ８とでグランドに接続された状態にする。これにより、集積回路素子４０へのデータの書き込みができなくなり、蓋体２０を書込制御端子として使用した後に、シールド性を維持し、不要な電気的作用、例えばノイズ等から良好に保護することが可能となる。

このように本発明の第二の実施形態に係る圧電発振器１０１を構成しても第一の実施形態と同様の効果を奏する。

（第三の実施形態）
図５は、本発明の第三の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す断面図である。
図５に示すように、本発明の第三の実施形態に係る圧電発振機１０２は、水晶振動素子３０が搭載されるキャビティＫを有する第一の基部１２と、集積回路素子４０が搭載されるキャビティＫＳを有する第二の基部１３と、から構成され、第二の基部１３の上に第一の基部１２が積層して電気的に接続されている点で第一の実施形態と異なる。

図５に示すように、基体は、第一の基部１２と第二の基部１３とか構成されており、第一の基部に水晶振動素子３０を搭載し、第二の基部１３に集積回路素子４０を搭載するようになっている。

第一の基部１２のキャビティＫの底面には、配線導体（搭載パッド）Ｄ６が設けられており、水晶振動素子３０を搭載できるようになっている。
この第一の基部１２の裏面には、第二の基部１３と接続するための入出力端子（入力端子、出力端子）となる配線導体Ｄ１１が設けられ、また、第一の基部１２の後述する蓋体２０との接合面には、当該蓋体２０と導通する配線導体Ｄ１，Ｄ２が設けられている。配線導体（搭載パッド）Ｄ６は、複数の配線導体Ｄ１１のうちの１つと第一の基部１２内に設けられる配線導体Ｄ１４を介して接続されている。また、配線導体Ｄ２は、配線導体Ｄ１１と隣接して設けられる配線導体Ｄ１３へ、第一の基部１２内に設けられる配線導体Ｄ１２を介して接続されている。

また、第一の基部１２の側面には途中で断線している配線導体Ｄ７が設けられており、配線導体Ｄ１と配線導体Ｄ１１とに電気的に接続している。
配線導体Ｄ７は、第一の基部１２側面に設けられた溝内に設けられており、途中で断線した部分を、後述する蓋体２０に所定の電圧を印加した後に導体部材Ｄ７´を設けて、蓋体２０と配線導体Ｄ７と導体部材Ｄ７´と外部端子となる配線導体Ｄ８とでグランドに接続された状態にする。

第二の基部１３のキャビティＫＳの底面には、配線導体Ｄ５が設けられており、集積回路素子４０を搭載できるようになっている。
この第一の基部１３の裏面には、複数個の配線導体Ｄ８が設けられている。
第二の基部１３の第一の基部１２と接続する面には、配線導体Ｄ１５，Ｄ１６が設けられている。

配線導体Ｄ１６は、第二の基部１３内に設けられる配線導体Ｄ１７を介して配線導体Ｄ５と接続され、第一の基部１２の配線導体Ｄ１３と導電性接着材Ｓにより接続されている。また、配線導体Ｄ１５は、第一の基部１２の配線導体Ｄ１１と導電性接着材Ｓにより接続されている。

このように構成される本発明の第三の実施形態に係る圧電発振器１０２は、蓋体２０と集積回路素子４０とが、封止材２１と配線導体Ｄ２と配線導体Ｄ１２と配線導体Ｄ１３と導電性接着材Ｓと配線導体Ｄ１６と配線導体Ｄ１７と、配線導体Ｄ５とにより電気的に接続された状態となっており、前記蓋体２０を集積回路素子４０へのデータの書き込みを行うための書込制御端子として使用することができる。

また、集積回路素子４０へのデータの書き込みが完了した後に、蓋体２０へ所定の電圧を印加すると、集積回路素子４０の所定の配線（図示せず）が切断される。この場合、前記のとおり、配線導体Ｄ７の途中で断線した部分に導体部材Ｄ７´を設ける。これにより、蓋体２０と封止材２１と導体部材Ｄ７´と導電性接着剤Ｓと配線導体Ｄ１，Ｄ７，Ｄ１１，Ｄ１５，Ｄ８と、配線導体Ｄ１５，Ｄ８を接続する導通体（図示せず）とでグランドに接続された状態にする。これにより、集積回路素子４０へのデータの書き込みができなくなり、蓋体２０を書込制御端子として使用した後に、シールド性を維持し、不要な電気的作用、例えばノイズ等から良好に保護することが可能となる。

このように本発明の第三の実施形態に係る圧電発振器１０２を構成しても第一の実施形態と同様の効果を奏する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、本実施形態では、圧電振動素子に水晶を用いたがこれに限定されず、圧電セラミックや弾性表面波（ＳＡＷ）フィルタ等の他の圧電振動素子を用いても良い。

また、蓋体２０から集積回路素子４０までの通電経路は、各実施形態で説明した経路に限定されず、適宜変更が可能である。
さらに、圧電振動素子を封止する蓋体をフラットな平板として説明としたが、これに限定されず、接合代を残して凹部が形成された、いわゆるハット形状を用いることもできる。こうすれば、圧電振動素子を搭載する基体を平板状で用いることができる。

また、蓋体２０と外部端子である配線導体Ｄ８とをつなぐ、途中が切断された配線導体Ｄ７を端部が基体１０（１１）又は第一の基部１２の側面に出るように、基体１０（１１）又は第一の基部１２の内部に設け、導体部材Ｄ７´により切断された配線導体Ｄ７を基体１０（１１）又は第一の基部１２の側面で接続するように構成しても良い。
このようにすることで、配線導体Ｄ８と当該マザーボードとに半田を用いて実装する際に、半田が導体部材Ｄ７´につかないようにすることができる。

また、蓋体を絶縁性の材料を用いても良い。この場合、封止材を設けた面の反対側の面に書込制御端子を設ける。この書込制御端子は、蓋体を貫通するビアホールに設けられた導電部材を用いて封止材（導電性を有する）と接続するように構成する。このようにすることにより、蓋体の主面側から集積回路素子４０へ所定のデータを書き込むことができる。

また、集積回路素子によっては、一度書き込みを行ったら、再度の書込みができないものもあるので、書込制御端子である蓋体２０への所定の電圧を印加する必要は必ずしも無い。しかしながら、再度書込みが行える集積回路素子の場合は、集積回路素子と繋がる書込制御端子に所定の電圧を印加して当該書込制御端子の所定の配線を切断しても良いし、後に書き込みを行うために、所定の電圧を印加しないでおいても良い。

本発明の第一の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す分解斜視図である。 （ａ）は圧電振動素子と集積回路素子とを搭載した状態の基体の一例を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。実施形態に係る・・・・の平面図である。 導体部材を設ける前の一例を示す断面図である。 本発明の第二の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す断面図である。 本発明の第三の実施形態に係る圧電発振器の一例を示す断面図である。

符号の説明

１００、１０１、１０２ 圧電発振器
１０、１１ 基体
１２ 第一の基部
１３ 第二の基部
２０ 蓋体
２１ 封止材
３０ 水晶振動素子（圧電振動素子）
３１ 振動電極
４０ 集積回路素子
Ｋ、ＫＳ キャビティ
Ｄ１〜Ｄ１７ 配線導体
Ｄ７´ 導体部材
Ｓ 導電性接着材

Claims (2)

1. 圧電振動素子と、
   該圧電振動素子が搭載される基体と、
   この基体に設けられ、前記圧電振動素子の振動に基づいて発振出力を制御する集積回路素子と、
   該圧電振動素子を気密封止しつつ前記集積回路素子に所定のデータを書き込むための書込制御端子となる導電性の蓋体と、
   該蓋体の前記基体と接合される面に設けられる導電性の封止材と、
   を備えて構成される圧電発振器であって、
   前記基体に設けられる複数の外部端子となる配線導体と、
   前記集積回路素子に接続する前記蓋体に所定の電圧を印加して前記集積回路素子の所定の配線が切断された場合に、前記蓋体と前記外部端子となる配線導体とに接続される導体部材とをさらに備えたことを特徴とする圧電発振器。
2. 圧電振動素子と、
   圧電振動素子の振動に基づいて発振出力を制御する集積回路素子と、
   該圧電振動素子が搭載される第一の基部と該集積回路素子が搭載される第二の基部とからなる基体と、
   該圧電振動素子を気密封止しつつ前記集積回路素子に所定のデータを書き込むための書込制御端子となる導電性の蓋体と、
   該蓋体の前記第一の基部と接合される面に設けられる導電性の封止材と、
   を備えて構成される圧電発振器であって、
   前記基体に設けられる複数の外部端子となる配線導体と、
   前記集積回路素子に接続する前記蓋体に所定の電圧を印加して前記集積回路素子の所定の配線が切断された場合に、前記蓋体と前記外部端子となる配線導体とに接続される導体部材とをさらに備えたことを特徴とする圧電発振器。

Images