(57)【要約】【課題】小型化、薄型化、および低コスト化に対応し、更に高信頼性および安定した特性が得られる圧電発振器およびその構造を提供する。【解決手段】平板配線基板１上に発振回路部と圧電振動素子２と金属リング７とを実装し、圧電振動素子２を金属リング７内側に実装する。また、金属リング７外側に発振回路部を実装する。金属リング７と平板状上の金属蓋８は乾燥窒素ガス等の不活性雰囲気中、または高真空中にて、気密封止される。【効果】平板配線基板１に実装された金属リング７内に直接圧電振動素子２を実装することで、低背化が可能となり、また、部品点数を削減することが可能となることから、低コスト化が可能となる。更に、圧電振動素子２の気密封止を乾燥窒素ガス等の不活性雰囲気中、または高真空中にて気密封止することで、経時変化による特性劣化することもない。しかも金属リング７および金属蓋８との金属密閉容器となることから熱伝導性もよく、強固な容器となる。【選択図】　　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板配線基板上に発振回路部と圧電振動素子と金属リングとを実装した構造の圧電発振器であって、
前記圧電振動素子は前記金属リング内側に実装され、平板状の金属蓋にて前記金属リング上面より気密封止され、
前記発振回路部は前記金属リング外側に実装した構造を有することを特徴とする圧電発振器。
【請求項２】
前記圧電振動素子は前記金属リング内側に配置された圧電振動素子搭載用電極に実装され、
前記圧電振動素子搭載用電極は、前記金属リング内側において、前記平板配線基板に設けられたスルーホールを介して、前記発振回路部と電気的に接続されることを特徴とする請求項１に記載の圧電発振器。
【請求項３】
前記金属蓋に前記金属リングと勘合する段差を設けた形状とすることを特徴とする請求項１、２に記載の圧電発振器。
【請求項４】
前記金属蓋は前記金属リングにシーム溶接にて接合されることを特徴とする請求項１、２、３に記載の圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電発振器の構造、例えば温度補償型水晶発振器として用いられる圧電発振器の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電振動子を用いた圧電部品は、圧電発振器や、圧電共振器、或いは圧電フィルターとして、各種電子機器、通信機器において不可欠な主要部品として使用されている。近年では、携帯機器に見られるように小型化、薄型化が進む電子機器に対応し、圧電部品においても小型化、低背化が求められている。
【０００３】
従来の圧電発振器としては、配線基板上に圧電振動素子（例えば水晶片）がセラミックス容器等でパッケージ化された圧電振動子と発振回路や温度補償回路を構成する回路部品を実装し、金属キャップ等の導電性ケースにより、圧電振動子および回路部品を保護するように、全体を覆った構成を備えている。配線基板上の部品全体を覆う導電性ケースを用いる目的は、周波数の安定化およびＥＭＩ特性の向上を図ることである。また、導電性ケースは、圧電振動子および回路部品を含む配線基板上に形成したメタライズ部とキャップ形状した導電性ケースの裾部を半田等により、気密封止する方式が取られる。
【０００４】
一方、圧電振動子と、回路部品からなる圧電発振器において、圧電振動素子を配線基板上に直接実装し、配線基板を金属蓋等で覆い、気密封止する圧電発振器の構造が提案されており、これは、配線基板をパッケージとして利用して圧電振動子を構成する構造となる。
【０００５】
例えば、特開２０００−２２３９４９号公報には、配線基板上に直接実装した圧電振動素子の外周を包囲するように絶縁性材料から成る凹陥状容器を一体化し、凹陥状容器の開口部を金属蓋にて気密封止する方式が提案されている。
【０００６】
また、特開平９−２８４０５０号公報には、回路部品を実装する多層セラミックス基板に厚肉部を設け、厚肉部にキャビティを設け、キャビティ内に圧電振動素子を実装し、気密封止する方式が提案されている。これらは、低背化や部品点数の削減を考慮した構造である。
【０００７】
また、特開平１１−１４５７２８号公報には、電子部品の小型化に伴い、圧電発振器の実装面積を縮小することを目的とした密閉容器として、セラミックス枠体を有するセラミックス基体と金属のリングと金属蓋からなり、発振回路本体を密閉容器に収納し、ＩＣパッケージ上に圧電振動子のパッケージを搭載した構造が提案されている。
【０００８】
或いは、特開平７−４６０４０号公報には、多層セラミックス基板に設けられた封止室を一つのパッケージとし、圧電振動素子と発振回路本体とを収納する構造が提案されている。そして一つのパッケージ内に圧電振動素子と発振回路本体を収納する場合には、パッケージ内でそれらを横に並べて配置するよりも、上下に重ねて配置した方が小型化に対しては有効であることから、多層セラミックス基板で形成したこの封止室に圧電振動素子と複数の回路部品を重ねて配設することを特徴とした圧電発振器が提案されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記説明した従来の圧電発振器およびその構造には、以下の問題が存在する。
【００１０】
パッケージ化した圧電振動子を配線基板に実装する構造においては、圧電振動子は、パッケージ底板と配線基板に圧電振動素子を搭載した構成となることから、パッケージ底板、配線基板の厚みが、圧電発振器の高さを増大させることになり、更にパッケージ化するための金属蓋を搭載した構造をとることとなる。
【００１１】
これは、圧電発振器の低背化を妨げる大きな原因となり、更に、配線基板とパッケージ底板の２種類の基板を必要とするために、構成部品の削減が困難であり、また、小型化、低背化およびコストの削減が図れないとの課題を有する。
【００１２】
一方、配線基板に圧電振動素子を直接実装し、気密封止する構造を有する圧電発振器においては、配線基板の構造は平板構造ではなく、複雑な構造となることから、結果とし、配線基板の製造コストが上昇するという問題がある。
【００１３】
次に一つのパッケージ内に圧電振動素子および回路部品を搭載する構造の圧電発振器においては、同一の封止室に各部品を導電ペースト等で固定する形を取ることから、経年変化等により、導電性ペーストからの揮発性ガス等の発生が考えられ、このパッケージ内で発生した揮発性ガス等が圧電振動素子表面に付着し、圧電発振器の信頼性、電気的特性を低下させるという問題がある。
【００１４】
本発明は、上記した従来の諸問題を解決するためになされたものであって、より一層の薄型化、高信頼性化、および低製造コスト化を実現することができる圧電発振器および構造を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく本発明は、圧電振動素子と発振回路部とからなる圧電発振器において、平板配線基板上に発振回路部と圧電振動素子と金属リングとを実装した構造の圧電発振器であって、圧電振動素子は金属リング内側に実装され、平板状の金属蓋にて金属リング上面より気密封止され、発振回路部を金属リング外側に実装した構造を有するものである。
【００１６】
また、圧電振動素子は金属リング内側に配置された圧電振動素子搭載用電極に実装され、圧電振動素子搭載用電極は、金属リング内側において、平板配線基板に設けられたスルーホールを介して、発振回路部と電気的に接続される。
【００１７】
また、平板状の金属蓋に金属リングと嵌合する段差を設けた形状とする。
【００１８】
以上のような本発明の圧電発振器の構造によれば、圧電振動素子用のセラミックス容器を必要とせず、配線基板上に直接圧電振動素子を実装する形態をとることから、大幅な低背化が可能となり、部品点数の削減から低コスト化が可能となる。
【００１９】
また、圧電振動素子を気密封止する容器は、金属容器により形成されていることから、頑丈で、熱伝導性が良好となる。
【００２０】
また、平板状の金属蓋に設けた段差部により、気密封止等に金属蓋のずれ防止ができ、作業性の向上が図れる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面にもとづいて詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は本発明による圧電発振器の斜視図、側面図を、図２（ａ）、（ｂ）は図１の圧電発振器の平面図、図２（ａ）におけるＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。図１（ａ）、（ｂ）および図２（ａ）、（ｂ）に示した圧電発振器２０は、上面に配線パターンを備えた平板配線基板１と、平板配線基板１に実装された金属リング７と、金属リング７内側に実装された圧電振動素子２と、圧電振動素子２を気密封止する平板状の金属蓋８と、平板配線基板１上の金属リング７の外側に搭載された発振回路、温度補償回路を構成する電子部品群９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃを有する。
【００２２】
圧電発振器２０においては、まず平板配線基板１に回路電極（図示せず）と電子部品搭載用電極（図示せず）と圧電振動素子搭載用電極６と金属リング搭載用電極（図示せず）を形成し、併せて印刷抵抗１１を配する。回路電極と印刷抵抗１１は平板配線基板１両面に設けられ、電子部品搭載用電極と圧電素子体搭載用電極６と金属リング搭載用電極は上面に設けられる。また、金属リング搭載用電極の内側に形成した二つの圧電振動素子搭載用電極６は、金属リング搭載用電極に接触することなくスルーホール１３と平板配線基板１の下面に形成された配線（図示せず）を介し、回路電極に電気的に接続される。
【００２３】
また、トランジスタ９ａ、バリキャップダイオード９ｂ、コンデンサ１０ａ、抵抗１０ｂ、ＮＴＣサーミスタ１０ｃ等の電子部品は、平板配線基板１の上面の電子部品搭載用電極に実装することにより、温度補償回路および発振回路を形成し、回路電極により、圧電振動素子２と電気的に接続することで、圧電発振器２０を構成する。
【００２４】
一方、金属リング７は、平板配線基板１と線熱膨張係数がほぼ同等なコバール（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金）からなる長方形の枠で構成され、ニッケルめっき等の金属めっき層を施し、平板配線基板１の上面に配した金属リング搭載用電極にろう材１２等により気密接合される。圧電振動素子２は、矩形であり、ほぼ中央部付近の振動領域を覆うように、振動電極３が両面に形成され、振動電極３の領域外に片側短辺部にそれぞれの振動電極３から二つの接続用電極４を引き出し、接続用電極４をシリコン系やエポキシ系等の導電性接着剤５を介し、圧電振動素子搭載用電極６と電気的に接続するように実装する。
【００２５】
また、金属蓋８は、金属リング７と同じであるコバール（Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金）平板からなり、ニッケルめっき等の金属めっきを施す。図５（ａ）、（ｂ）に本発明による金属蓋８の平面図、側面図を示す。図５（ａ）、（ｂ）に示すように金属蓋８には、金属リング７と嵌合するように段差部１５が設けられてもよい。これによって金属リング７と金属蓋８の位置が決定される。これは、気密封止等の接着時に金属蓋８が所定の位置からずれること等を防止する効果がある。
【００２６】
金属リング７の板厚については、金属リング７内側に搭載される圧電振動素子２を気密封止する金属蓋８に接する事無く、また、圧電振動素子２の励振を妨げることの無きようその厚みが設定される。
【００２７】
また、圧電振動素子２は、金属リング７とその上面に配された金属蓋８とを、シーム溶接することにて気密封止され、信頼性が高い、圧電振動子を形成する。この気密封止は乾燥窒素ガス等の不活性雰囲気中、または、高真空中にて気密封止され、エージング等の影響に対しても、安定した諸特性を長時間保つことが可能となる。
【００２８】
シーム溶接は、例えば、パラレルシーム法により、ローラー電極でキャップの両端を押さえた状態で移動テーブルが回転し、パルス電流を連続的に流して溶接する方式がとられる。その結果、本発明における気密容器は、金属リング７と金属蓋８との金属容器により構成され、頑丈で熱伝導性が高い構造となる。
【００２９】
このように、上面に配線パターンを備えた平板配線基板１と、平板配線基板１に実装された金属リング７と、金属リング７内側に実装された圧電振動素子２と、圧電振動素子２を気密封止する平板状の金属蓋８と、平板配線基板１上の金属リング７の外側に搭載された電子部品郡を有する圧電発振器の構造とすることにより、圧電発振器の大幅な低背化、低製造コスト化および高信頼性化が可能となる。
【００３０】
また、圧電振動子を気密封止するための容器を金属リング７にて構成することにより、低背化、低コスト化が可能となる。また、気密封止容器を金属（コバール）により構成することにより、気密封止時に生じる熱衝撃および熱応力を緩和し、高い気密封止、高信頼性化を可能とする。
【００３１】
また、図３（ａ）、（ｂ）に別の実施例である圧電発振器２１の平面図、図３（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）に示した圧電発振器２１のように圧電振動素子２は、金属リング７の内側に圧電振動素子搭載台１４を厚膜電極により形成し、振動領域外の短辺片側部に形成された接続用電極４をシリコン系やエポキシ系等の導電性接着剤５にて固定され、一方の短辺片側部の振動領域外を圧電振動素子搭載台１４で支えられた構造を有してもよい。これは、圧電振動素子２が衝撃等により、実装した平板配線基板１に直接接し、破壊されることを防止することを考慮した構造である。
【００３２】
更に、図４（ａ）、（ｂ）に別の実施例である圧電発振器２２の平面図、図４（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図をそれぞれ示す。図４（ａ）、（ｂ）に示した圧電発振器２２のように圧電振動素子２は、中央部付近の振動領域を覆うように、振動電極３は両主面に形成され、圧電振動素子２の振動領域両側短辺部の振動電極３から接続用電極４を引き出し、各々の振動電極３とつながる接続用電極４をシリコン系やエポキシ系等の導電性接着剤５を介し、圧電振動素子搭載用電極６と電気的機械的に接続するように実装してもよい。これは、圧電振動素子２の両端が固定されることにより、固着強度が強くなり、耐衝撃性を向上させる構造である。
【００３３】
また、図６に他の気密封止法を示す。Ａｇ−Ｓｎ等の銀系ろう材やＡｕ−Ｓｎ等の金系ろう材、またはＰｂ−Ｓｎ等の半田ろう材１６を金属リング上面にクラッド化し形成する。この時、金属蓋８の最終めっきは、クラッド化するろう材１６に対し、最適な材料が選定される。例えば、Ａｕ−Ｓｎろう材に対しては、ニッケルめっき後に金めっきを施し、ろう接し易い構成が選定される。圧電振動素子２は、金属蓋８のクラッド化された面を接合する金属リング７内の平面配線基板上面に配置され、電子ビームによるろう接、または高温炉によるろう接を乾燥窒素ガス等の不活性雰囲気中、または高真空中にて、気密封止することもある。これは、比較的高価な気密封止法となるシーム溶接に比較し、安価な気密封止法が可能となる。
【００３４】
更に図７に示すように、平面配線基板１に搭載する電子部品は、面実装電子部品に代わり、温度補償回路および発振回路を形成する半導体集積回路チップ１７を用い、圧電振動素子２と電気的に接続した構造をとることも可能である。これは、半導体集積回路チップ１７を用いることにより、更なる製造での簡略化が可能となる。
【００３５】
また図８に示すように、温度補償回路および発振回路を形成する電子部品１０と半導体集積回路チップ１７を用い、圧電振動素子２と電気的に接続した構造をとることもある。これにより、半導体集積回路チップ１７に内蔵できない機能を面実装タイプの電子部品１０を用いることにより補うことが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように本発明の圧電発振器の構造によれば、圧電振動素子用のセラミックス容器を必要とせず、配線基板上に直接圧電振動素子を実装する形態をとることから、大幅な低背化が可能となり、更に部品点数の削減から大幅な低コスト化が可能となる。
【００３７】
圧電振動素子を気密封止する容器は、金属リングと金属蓋の金属容器により形成されていることから、頑丈で、熱伝導性が良好となる。
【００３８】
また、気密封止に関しては、信頼性の高いシーム溶接法を用いることから、エージング等でのアウトガスの影響による特性の劣化がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電発振器の一実施例を示す斜視図および側面図である。
【図２】図１の圧電発振器の平面図および断面図である。
【図３】本発明の圧電発振器の別の実施例を示す平面図および断面図である。
【図４】本発明の圧電発振器の更に別の実施例を示す平面図および断面図である。
【図５】本発明の圧電発振器の金属蓋の平面図および側面図である。
【図６】本発明の圧電発振器の別の気密封止実施例を示す斜視図である。
【図７】本発明の圧電発振器の別の構造の実施例を示す斜視図である。
【図８】本発明の圧電発振器の更に別の構造の実施例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…平板配線基板
２…圧電振動素子
３…振動電極
４…接続用電極
５…導電性接着剤
６…圧電振動素子搭載用電極
７…金属リング
８…金属蓋
９ａ…トランジスタ
９ｂ…バリキャップダイオード
１０…電子部品
１０ａ…コンデンサー
１０ｂ…抵抗
１０ｃ…ＮＴＣサーミスタ
１１…印刷抵抗
１２…ろう材
１３…スルーホール
１４…圧電振動素子搭載台
１５…段差部
１６…気密封止用ろう材
１７…半導体集積回路チップ
２０、２１、２２、２３、２４、２５…圧電発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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