JP5120385B2 - 圧電振動子及び圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子などの圧電振動子及び圧電振動子を用いた圧電発振器に関する。

水晶振動子等の圧電振動子は、一般的に、パッケージ内に圧電素子が収容されて構成される。パッケージの外面に外部接続電極が設けられ、外部接続電極はパッケージ内の電極に電気的に接続される。圧電素子の電極がパッケージ内の電極に接続された状態で圧電素子はパッケージ内に収容される。

圧電素子は２つの電極を有しており、導電性接着剤によりパッケージ内の２つの電極に接続される。導電性接着剤で電極を接続するには、まず、パッケージ内の電極に導電性接着剤をディスペンサで一定量塗布し、塗布した導電性接着剤の上に圧電素子の電極を載せてから導電性接着剤を硬化させる。すなわち、圧電素子の電極とパッケージ内の電極との間に導電性接着剤が配置された状態で、圧電素子はパッケージ内に収容される。

このように、導電性接着剤により圧電素子の電極とパッケージ内の電極とを接合する場合、導電性接着剤が他の部分に流れ出したりはみだしたりして短絡が生じたり、振動子の発振周波数が変化してしまうといった問題が生じるおそれがある。

そこで、導電性接着剤を収容する凹部をパッケージ側に設け、凹部の底部に貫通孔を形成して余分な導電性接着剤を貫通孔を通じて凹部の外に逃がすことが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、導電性接着剤で接合する部分と接合しない部分との間に凹部又は貫通孔を設け、はみだした導電性接着剤を凹部又は貫通孔で吸収することが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

さらに、導電性接着剤を介して圧電素子のリード電極をパッケージ側の電極に接続する際に、導電性接着剤の先端側の厚さがその中間部或いは後方部の厚さよりも厚くすることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）。

特開平８−３１６７７１号公報 特開平２００７−２８８６４４号公報 特開平２００４−２２２００６号公報

パッケージ側の電極上に導電性接着剤をディスペンサにより塗布する場合、ディスペンサのノズルの先端から液状の導電性接着剤を電極上に滴下することとなる。このとき、導電性接着剤の滴下量と滴下位置にはばらつきが生じることがある。図１はパッケージ内の２つの電極に導電性接着剤をディスペンサにより滴下した状態を示す平面図である。ディスペンサによる滴下量及び滴下位置のばらつきにより、パッケージ２内の２つの電極４−１，４−２上の導電性接着剤６の大きさ及び位置が大きく異なることがわかる。

図１に示すように導電性接着剤６の位置や量が２つの電極４−１，４−２で異なっていると、圧電素子の発振周波数が不安定となったり、発振しなくなったりする不具合が発生するおそれがある。例えば、導電性接着剤６の硬化に伴い圧電素子に発生する応力分布が一様でなくなり、発振周波数特性が変化してしまうおそれがある。また、導電性接着剤６のエージングに伴い圧電素子に発生する応力分布が変化し、発振周波数特性が変化してしまうおそれがある。

そこで、ディスペンサにより導電性接着剤を塗布した場合に、導電性接着剤の滴下量と滴下位置にばらつきがあっても、圧電素子の電極と導電性接着剤が接触する位置が一定で、接触面積も一定となるような取り付け構造とすることが好ましい。

一実施態様によれば、凹部を有するパッケージと、突起電極を有する圧電素子と、前記凹部内に充填された導電性接着剤とを有し、前記圧電素子の前記突起電極は前記パッケージの前記凹部内の前記導電性接着剤中に埋め込まれて固定され、前記パッケージは透明な材料で形成されている圧電振動子が提供される。

他の実施態様によれば、上述の圧電振動子と、前記圧電振動子のパッケージ内に収容されたＩＣとを有する圧電発振器が提供される。

実施形態によれば、導電性接着剤は凹部内に収容され、かつ圧電素子の突起電極のみが凹部内の導電性接着剤に接触する。これにより、圧電素子の電極と導電性接着剤が接触する位置及び面積は一定となり、導電性接着剤による接続構造が、圧電素子の周波数特性に影響を及ぼすことが無い。

パッケージ内の２つの電極に導電性接着剤をディスペンサにより滴下した状態を示す平面図である。 第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図（その１）である。 第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図（その２）である。 第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図（その３）である。 第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図（その４）である。 第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図（その５）である。 凹部を有するセラミックパッケージの製造方法の一例を示す分解斜視図である。 突起電極を有する水晶振動子の製造方法の一例を示す斜視図である。 内部配線を有するセラミックパッケージを示す断面図である。 レーザ光を用いて導電性接着剤の量を管理する方法を示す図である。 第２実施形態による圧電発振器の一例である水晶発振器を示す図であり、（ａ）はパッケージの内部の平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。 水晶発振器のセラミックパッケージを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。 図１１に示す水晶発振器の変形例を示す図であり、（ａ）はパッケージの内部の平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。 水晶発振器の用途を説明するための図である。

次に、実施形態について図面を参照しながら説明する。

図２乃至図６は、本発明の第１実施形態による圧電振動子の製造工程を示す図である。図２〜図６までの工程を順次行なうことで圧電振動子を製造する。図２〜図６の各図において、（ａ）は平面図を示し、（ｂ）は（ａ）における一点鎖線に沿った断面図を示す。

本実施形態では、セラミックパッケージ１２内に電極は形成されず、電極が形成されるべき位置に電極の代わりに凹部１４−１，１４−２が形成される。凹部１４−１，１４−２内には導電性接着剤１６が収容される。セラミックパッケージ１２の下面に外部電極１８−１，１８−２が設けられる。外部電極１８−１，１８−２はセラミックパッケージ１２を貫通して延在するスルーホール２０−１，２０−２により凹部１４−１，１４−２に収容された導電性接着剤１６にそれぞれ電気的に接続される。

まず、図２に示すように、圧電素子である水晶振動子３０の取り付け部１２ａに凹部１４−１，１４−２が形成されたセラミックパッケージ１２を準備する。取り付け部１２ａはセラミックパッケージ１２の内部の底面１２ｂより隆起した部分である。水晶振動子３０の一端側が取り付け部１２ａに取り付けられた状態で、水晶振動子３０はセラミックパッケージ１２の内部の底面１２ｂから所定の距離をおいて延在する（図４〜図６参照。）。

次に、図３に示すように、セラミックパッケージ１２の凹部１４−１，１４−２に導電性接着剤１６を注入する。導電性接着剤１６の注入は、従来のようにディスペンサにより導電性接着剤１６を凹部１４−１，１４−２に滴下することで行なうことができる。

続いて、図４に示すように、水晶振動子３０をセラミックパッケージ１２内に配置する。水晶振動子３０には突起電極３２−１，３２−２が形成されている。水晶振動子３０は、突起電極３２−１，３２−２がセラミックパッケージ１２の凹部１４−１，１４−２にそれぞれ入り込むようにセラミックパッケージ１２内に配置される。したがって、水晶振動子３０の突起電極３２−１，３２−２は、凹部１４−１，１４−２内に収容されている導電性接着剤１６の中に埋め込まれる。これにより、水晶振動子３０の突起電極３２−１，３２−２は導電性接着剤１６及びスルーホール２０−１，２０−２を介して、外部接続電極１８−１，１８−２に電気的に接続された状態となる。突起電極３２−１，３２−２を有する水晶振動子３０の製造方法については後述する。

続いて、図５に示すように、導電性接着剤１６を加熱・硬化させて、水晶振動子３０を固定する。その後、図６に示すように、セラミックパッケージ１２にリッド２２を取り付けて圧電振動子が完成する。

ここで、セラミックパッケージ１２の製造方法の一例について、図７を参照しながら説明する。

セラミックパッケージ１２は、所定の形状に形成したセラミックシートを積層して焼結することで形成することができる。図７に示す例では、底板となるセラミックシート１２−１の上に配線層となるセラミックシート１２−２を積層する。そして、セラミックシート１２−２の上に、凹部１４−１，１４−２の形状の開口１５−１，１５−２が形成されたセラミックシート１２−３を積層する。図７に示す例では開口１５−１，１５−２は四辺形であるが、図２〜図６に示すような円形の凹部１４−１，１４−２を形成する際には、開口１５−１，１５−２を円形にすればよい。そして、セラミックシート１２−３の上に、取り付け部１２ａとなる部分に凹部１４−１，１４−２の形状の開口１５−１，１５−２が形成され、且つ取り付け部１２ａとなる部分以外の部分に開口１５−３が形成されたセラミックシート１２−４を積層する。そして、セラミックシート１２−４の上に、セラミックパッケージ１２の外周を形成するセラミックシート１２−５を積層する。このようにして形成したセラミックシートの積層体を焼結することで、凹部１４−１，１４−２を有するセラミックパッケージ１２を容易に製造することができる。

なお、セラミックシート１２−１〜１２−５として、透明な材質のセラミックシートを用いることにより、後述のように、凹部１４−１，１４−２内の導電性接着剤１６の量をセラミックパッケージ１２の外部から確認することができる。

次に、突起電極３２−１，３２−２を有する水晶振動子３０の製造方法の一例について、図８を参照しながら説明する。

まず、図８（ａ）に示す振動子となる水晶板３１を準備する。そして、水晶板３１の一面３１ａを研磨して、図８（ｂ）に示すように突起電極３２−１，３２−２に相当する突起３３−１，３３−２を形成する。すなわち、突起電極３２−１，３２−２に相当する突起３３−１，３３−２を残して水晶板３１を研磨する。その後、水晶板３１の研磨した面３１ｂ上及びその裏面に金属蒸着により電極３４を形成する（裏面の電極３４は図に現れない。）。また、突起３３−１，３３−２の頂面にも金属蒸着により電極３５を形成する。さらに、突起３３−２に形成した電極３５と研磨面３１ｂに形成した電極３４とを接続する導電パターン３６を金属蒸着により形成する。なお、研磨面３１ｂの裏面に形成した電極と突起３３−１上に形成した電極３５を接続する導電パターンも金属蒸着により形成するが、図８（ｃ）には現れていない。突起３３−１とその上の電極３５とで突起電極３２−１が形成され、突起３３−２とその上の電極３５で突起電極３２−２が形成される。

以上のように製造した圧電振動子によれば、導電性接着剤１６は凹部１４−１，１４−２内に収容された状態でセラミックパッケージ１２に供給される。これにより、導電性接着剤１６の位置及び平面上の大きさは凹部１４−１，１４−２の位置及び大きさにより決定され、導電性接着剤１６の位置及び大きさを一定とすることができる。凹部１４−１，１４−２の大きさ（深さ）は、凹部１４−１，１４−２内の導電性接着剤１６があふれ出さないように十分大きく設定してある。このため導電性接着剤１６がはみだして短絡を生じるようなことは無い。

なお、セラミックパッケージ１２内に配線を施すことで、外部接続電極１８−１，１８−２を任意の位置に設けることができる。セラミックパッケージ１２内の配線は、図７に示すセラミックシート１２−２に形成することができる。図９は、配線３８により、外部接続電極１８−１を凹部１４−１の真下以外の位置に形成したセラミックパッケージ１２の断面図である。

ここで、セラミックパッケージ１２を透明な材料で形成して、導電性接着剤１６の量の管理を行なう方法について、図１０を参照しながら説明する。

図７に示すセラミックシート１２−１〜１２−５として、透明なセラミックシートを用いることにより、透明なセラミックパッケージ１２を形成することができる。セラミックパッケージ１２が透明であれば、凹部１４−１，１４−２内に注入された導電性接着剤１６の量を目視で確認することができるが、レーザを用いることにより、精度よく導電性接着剤１６の量を管理することができる。

図１０に示すように、セラミックパッケージ１２の片側から２本のレーザ光を照射して、反対側でセラミックパッケージ１２を透過してきたレーザ光を受光して検出することで、凹部１４−１内の導電性接着剤１６の上面の位置を検出することができる。２本のレーザ光のうち、下側のレーザ光の高さ方向の位置は、導電性接着剤１６が最低限必要な量だけ凹部１４−１内に入ったときの導電性接着剤１６の上面の位置に設定されている。そして、もう一本の上側のレーザ光の高さ方向の位置は、凹部１４−１内に入っている導電性接着剤１６の量が許容できる最大量となったときの導電性接着剤１６の上面の位置に設定されている。

したがって、図１０に示すように、レーザ照射装置４０から上述の２本のレーザ光をセラミックパッケージ１２の凹部１４−１に向けて照射し、レーザ受光装置４２でレーザ光を受光するように構成する。そして、下側のレーザ光が導電性接着剤１６により遮光されてレーザ受光装置４２で検出されず、上側のレーザ光のみがレーザ受光装置４２で検出された場合には、導電性接着剤１６の上面は下限より高く上限より低いということであり、導電性接着剤１６の量は適量であると判断する。もし、上側及び下側のレーザ光の両方ともレーザ受光装置４２で検出したときは、導電性接着剤１６の上面は下限より低く導電性接着剤１６の量は少なすぎると判断する。反対に、下側及び上側のレーザ光のどちらも検出できない場合は、導電性接着剤１６の上面は上限より高く導電性接着剤１６の量が多すぎると判断する。このように透明なセラミックパッケージ１２を用いて２本のレーザ光を照射することにより、導電性接着剤１６の量を精度よく管理することができる。なお、２本のレーザ光を照射して導電性接着剤１６の上面の位置を判断することで導電性接着剤１６の量を判断する方法は一例であり、導電性接着剤１６の量を判定する方法はこの方法に限定されるものではない。

次に、第２実施形態による圧電発振器について説明する。

図１１は第２実施形態による圧電発振器の一例である水晶発振器を示す図であり、（ａ）はパッケージの内部の平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。図１１において、図６に示す構成部品と同等な部品には同じ符号を付し、その説明は省略する。

水晶発振器は、上述の水晶振動子と同じ構成を有しており、セラミックパッケージ１２の中に発振回路を含むＩＣ５０が収容されている点が異なる。ＩＣ５０は、水晶振動子３０の下側のセラミックパッケージ１２の底面１２ｂ上に搭載される。

図１２は水晶発振器のセラミックパッケージ１２を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。セラミックパッケージ１２の底面１２ｂには配線５２が形成されている。配線５２はＩＣ５０の電極に接続される。また、配線５２はセラミックパッケージ内の配線５４を介して、外部接続端子１８−３に接続される。また、ＩＣ５０の電極は配線５４を介して導電性接着剤１６に電気的に接続される。

以上のように、本実施形態による圧電発振器は、圧電振動子のパッケージ内にＩＣを設け、ＩＣへの配線をパッケージ内に形成したものである。

図１３は図１１に示す水晶発振器の変形例を示す図であり、（ａ）はパッケージの内部の平面図、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線に沿った断面図である。図１１に示す水晶発振器では、水晶振動子３０が片持ち状態でセラミックパッケージ１２の取り付け部１２ａに取り付けられている。一方、図１３に示す水晶発振器では、水晶振動子３０の突起電極３２−２は、突起電極３２−１が形成された側とは反対側に形成されている。したがって、水晶振動子３０は、その両側でセラミックパッケージ１２の取り付け部１２ａに取り付けられており、両持ち支持となっている。なお、図１３に示す両持ち構造は、水晶振動子にも適用することができる。

以上のような構成の水晶発振器６０は、図１４に示すように、電子回路を構成する素子の一つとしてプリント板に搭載され、パーソナルコンピュータ、ハードディスク装置、携帯電話機等の電子機器に組み込まれる。

本明細書は以下の事項を開示する。
（付記１）
凹部を有するパッケージと、
突起電極を有する圧電素子と
前記凹部内に収容された導電性接着剤と
を有し、
前記圧電素子の前記突起電極は前記パッケージの前記凹部内の前記導電性接着剤中に埋め込まれて固定されている圧電振動子。
（付記２）
付記１記載の圧電振動子であって、
前記パッケージの外面に外部接続端子が設けられ、
前記外部接続端子は、前記凹部の内面から延在するスルーホールにより前記導電性接着剤に電気的に接続されている圧電振動子。
（付記３）
付記１又は２記載の圧電振動子であって、
前記圧電素子の前記突起電極は二つであり、
該二つの突起電極は、前記圧電素子の一端側に設けられ、
前記圧電素子は前記突起電極が設けられた一端側が固定された片持ち状態で前記パッケージに固定されている圧電振動子。
（付記４）
付記１又は２記載の圧電振動子であって、
前記圧電素子の前記突起電極は二つであり、
該二つの突起電極は、前記圧電素子の一端側と反対側に一つずつ設けられ、
前記圧電素子は前記突起電極が設けられた両端側が固定された両持ち状態で前記パッケージに固定されている圧電振動子。
（付記５）
付記１乃至４のうちいずれか一項記載の圧電振動子であって、
前記パッケージは透明な材料で形成されている圧電振動子。
（付記６）
付記１乃至５のうちいずれか一項記載の圧電振動子と、
前記パッケージ内に収容されたＩＣと
を有する圧電発振器。
（付記７）
付記５記載の圧電振動子の製造方法であって、
前記凹部に前記導電性接着剤を注入し、
前記パッケージの片側からレーザ光を前記凹部に照射し、
前記パッケージの反対側で前記パッケージを透過してきたレーザ光を検出し、
前記レーザ光の検出結果に基づいて前記凹部内の前記導電性接着剤の量を判断する
圧電素子の製造方法。

１２ セラミックパッケージ
１２−１〜１２−５ セラミックシート
１４−１，１４−２ 凹部
１６ 導電性接着剤
１８−１，１８−２，１８−３ 外部接続電極
２０−１，２０−２ スルーホール
３０ 水晶振動子
３２−１，３２−２ 突起電極
３８ 配線
４０ レーザ照射装置
４２ レーザ受光装置
５０ ＩＣ
５２ 配線
６０ 水晶発振器
６２ プリント板

Claims (5)

1. 凹部を有するパッケージと、
   突起電極を有する圧電素子と、
   前記凹部内に充填された導電性接着剤と
   を有し、
   前記圧電素子の前記突起電極は前記パッケージの前記凹部内の前記導電性接着剤中に埋め込まれて固定され、前記パッケージは透明な材料で形成されている圧電振動子。
2. 請求項１記載の圧電振動子であって、
   前記パッケージの外面に外部接続端子が設けられ、
   前記外部接続端子は、前記凹部の内面から延在するスルーホールにより前記導電性接着剤に電気的に接続されている圧電振動子。
3. 請求項１又は２記載の圧電振動子であって、
   前記圧電素子の前記突起電極は二つであり、
   該二つの突起電極は、前記圧電素子の一端側に設けられ、
   前記圧電素子は前記突起電極が設けられた一端側が固定された片持ち状態で前記パッケージに固定されている圧電振動子。
4. 請求項１又は２記載の圧電振動子であって、
   前記圧電素子の前記突起電極は二つであり、
   該二つの突起電極は、前記圧電素子の一端側と反対側に一つずつ設けられ、
   前記圧電素子は前記突起電極が設けられた両端側が固定された両持ち状態で前記パッケージに固定されている圧電振動子。
5. 請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の圧電振動子と、
   前記パッケージ内に収容されたＩＣと
   を有する圧電発振器。

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