(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面が矩形状の容器体と、
金属から成り平板で主面が矩形状の蓋体と、
圧電振動素子と、
集積回路素子と、
電子部品素子とを備え、
該容器体には、該容器体の一方の主面に開口部を有する凹状の２つの空間部が形成されており、
一方の該空間部内には、該集積回路素子と該圧電振動素子が、該空間部の底側から該集積回路素子、該圧電振動素子の順で搭載されており、
他方の該空間部内には、該電子部品素子が搭載されており、
該蓋体の主面の大きさは、２つの該空間部の開口部を覆う大きさであり、
該容器体の２つの該空間部を囲繞する側壁部の頂面には該蓋体が配置されており、該蓋体と該側壁部の頂面に設けた導体層とを接合固着し、該空間部内の該圧電振動素子を気密封止している圧電発振器において、
該蓋体の該空間部側の主面と、該圧電振動素子の蓋体側主面に形成されている励振用電極との間隔が４００μｍ以上であり、且つ圧電発振器としての厚みが２ｍｍ以下であることを特徴とする圧電発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯用通信機器等の電子機器に電子部品として用いられる、圧電発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以前より圧電素板の両主面に電極膜を形成した圧電振動素子を容器体内部に搭載した圧電振動子や、圧電振動子と発振回路とを同一の容器体内に搭載した圧電発振器や、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電子部品として多用されている。そして近年、表面実装に対応した形態の圧電デバイスが開発され、更に、搭載される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薄型化が進められている。
【０００３】
従来の圧電デバイスとして、例えば圧電デバイスの一つである圧電発振器を図５に示す。即ち、圧電材料である水晶の矩形平板形状の素板の両主面に励振用電極が形成された圧電振動素子２２と、この圧電振動素子２２の励振用電極と電気的に接続して発振回路等の電子回路網を構成する電子部品２３と、圧電振動素子２２及び電子部品２３を収容する容器体２１とから成る圧電発振器において、容器体２１は、圧電振動素子２２のみを内部に収納する凹状の第１の空間部２４と、電子部品２３を内部に収納する凹状の第２の空間部２５とを夫々独立して有しているものが知られている。
【０００４】
容器体２１の外底面には、それぞれ電源電圧端子、グランド端子、発振出力端子、発振制御端子として機能する外部接続用電極端子２６が形成されている。この容器体２１の各空間部を囲繞する側壁部頂面に、すべての空間部の開口部を一体で覆う形態の蓋体２７を配置し、蓋体２７と側壁部頂面に形成された導体層とを接合固着し、少なくとも圧電振動素子２２が内部に搭載されている第１の空間部２４を気密封止してある。この蓋体２７を容器体２１の配線パターン等を介して外部接続用電極端子２６のうちのグランド端子に接続させておけば、その使用時には蓋体２７がアースされ、これにより電磁シールド機能が付与されることとなり、内部に搭載された圧電振動素子２２等を外部からの不要な電気的作用（ノイズ等）から良好に保護するＥＭＣ効果を奏するものである。
【０００５】
尚、上述したような圧電デバイスの一つである圧電発振器については、下記の先行技術文献に開示がある。
【特許文献１】特開１９９８−７５１２０号公報
【０００６】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、圧電デバイスの小型化薄型化が進むにつれ、蓋体の薄型化及び蓋体と内部に搭載した圧電振動素子との距離が著しく接近してしまう場合がある。このような形態では、蓋体によるＥＭＣ効果が十分ではなくなり、容器体内に搭載された圧電振動素子又は電子素子に外来ノイズの影響による浮遊容量の不安定化が生じる。
【０００８】
例えば、圧電発振器の一つである電圧制御型圧電発振器（ＶＣＸＯ）では、制御回路後段に接続するＰＬＬ回路のジッタ特性を劣化させてしまうといった欠点があった。ジッタ特性が劣化すると、圧電デバイスは外部のＰＬＬ回路に接続、又は圧電デバイス内部にＰＬＬ回路を組み込んで、データ転送の際の基準信号源や、あるいは出力信号源として使用されるため、その発振周波数が乱れるとデータ転送がうまくいかず、ビットエラーが発生してしまうという欠点が生じる可能性があった。
【０００９】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、外来ノイズの影響を低減及び遮蔽することにより、ジッタ特性を改善した圧電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の圧電発振器の形態として、主面が矩形状の容器体と、金属から成り平板で主面が矩形状の蓋体と、圧電振動素子と、集積回路素子と、電子部品素子とを備え、この容器体には、容器体の一方の主面に開口部を有する凹状の２つの空間部が形成されており、一方の空間部内には、集積回路素子と圧電振動素子が、空間部の底側から集積回路素子、圧電振動素子の順で搭載されており、他方の空間部内には、電子部品素子が搭載されており、蓋体の主面の大きさは、２つの空間部の開口部を覆う大きさであり、容器体の２つの空間部を囲繞する側壁部の頂面には蓋体が配置されており、蓋体と側壁部の頂面に設けた導体層とを接合固着し、空間部内の圧電振動素子を気密封止している圧電発振器において、蓋体の空間部側の主面と、圧電振動素子の蓋体側主面に形成されている励振用電極との間隔が４００μｍ以上であり、且つ圧電発振器としての厚みが２ｍｍ以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の圧電デバイスによれば、圧電振動素子が搭載された容器体に形成された空間部の開口部の導体層と固着することによって容器体内の圧電振動素子を気密封止する蓋体の厚みが１５０μｍ以上であり、且つデバイスとして厚みを２ｍｍ以下にすることにより、デバイスの薄型化を維持した上で、グランド端子に接続される蓋体の電磁ノイズ遮断機能が電気的に安定して機能することで、蓋体と圧電振動素子の励振用電極との間隔にて発生する浮遊容量が変動することなく安定させることができるので、ジッタ特性が劣化することがなく、データ転送を確実に行うことが可能となる。
【００１４】
また、本発明の圧電デバイスによれば、前記蓋体と前記圧電振動素子の励振用電極との間隔が４００μｍ以上であり、且つデバイスとして厚みを２ｍｍ以下にすることにより、デバイスの薄型化を維持した上で、電磁ノイズを受けた蓋体からの電気的影響を圧電振動素子が受けることを最低限度にすることができ、因ってジッタ特性が劣化することがなく、データ転送を確実に行うことが可能となる。
【００１５】
このような作用により、本発明により、小型化薄型化に対応でき、且つＥＭＣ効果が高い圧電デバイスを提供できる効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る圧電デバイスの一実施形態を、圧電デバイスの一つである水晶発振器を例に示した上方斜視図である。又、図２は図１に開示の水晶発振器の断面図である。尚、これらの図に示す水晶発振器は、大略的に、容器体１と、圧電振動素子としての水晶振動素子５と、発振回路や周波数調整用回路等を内蔵又は構成する集積回路素子６と電子部品素子７とにより形成されており、その厚み寸法は２ｍｍとなっている。
【００１７】
水晶発振器の外形は、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から成り、その内部に容器体１の一方の主面に開口部を有する２つの空間部が形成されている容器体１と、４２アロイやコバール，リン青銅等の金属から成る蓋体４とにより構成されており、容器体１の外周壁の上面には、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等のメタライズ層（図示せず）が形成され、このメタライズ層の上面には、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）をメッキした導体層３が設けられ、導体層３の上面に蓋体４を各空間部の開口部を覆う形態で載置し、導体層３と蓋体４とを固着することにより水晶発振器の外形が構成されている。この容器体１に形成された２つの空間部のうち、第１の空間部８には水晶振動素子５及び集積回路素子６が実装され、第２の空間部９には電子部品素子７が実装されている。
【００１８】
容器体１の内部に収容される水晶振動素子５は、人工水晶体より所謂ＡＴカットアングルでした切り出し外形加工を施した水晶片の両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。この水晶振動素子５は、その両主面に形成した一対の励振用電極１１を、導電性接着剤を介して第１の空間部内に設けられた支持台に形成した振動素子接続用電極パッド１２に電気的及び機械的に接続させることによって、水晶振動素子５を容器体１に搭載する。尚、本実施例における水晶振動素子５は、水晶片の励振振動領域のみをエッチング等により周囲より薄化することで、水晶振動素子５自身の強度を維持しつつ、高周波化に対応している所謂逆メサ型の水晶振動素子５が使用されている。
【００１９】
蓋体４は、４２アロイやコバール，リン青銅等の平板矩形状の金属板を主体として成り、この金属板の主面表面にはＡｕ、Ｓｎのろう材層２が施されている。尚、ろう材層２の生成にはＡｕ−Ｓｎのクラッド材を使用しても構わない。このように形成したＡｕ−Ｓｎ等のろう材層２と容器体１側の導体層３とをオーブンなどの加熱手段内で溶融接合して各空間部を気密封止する。この方法では、従来のシーム溶接では出来なかった本実施例のような形態の第１の空間部８と第２の空間部９との仕切り壁部分の接合も可能となる。
【００２０】
ここで蓋体４を容器体１内に形成されている配線導体を介して容器体１外底面に形成されている外部接続用電極端子１０のうちのグランド電極端子に接続させておけば、水晶発振器の使用時には蓋体４がアースされることにより電磁シールド機能によるＥＭＣ効果が付与される。従って、蓋体４は外部接続用電極端子１０のグランド電極端子に電気的に接続させておくことが好ましい。
【００２１】
水晶振動素子５と同空間部内に搭載される集積回路素子６は、第１の空間部内の底面に形成されているＩＣ接続用電極パッドと、集積回路素子６表面に形成された容器体接続用電極パッドとを、ワイヤーボンディング法または金バンプ等で接続されるフリップチップ法により電気的導通が図られ、集積回路素子６の回路形成面には水晶振動素子５よりの出力信号に基づき水晶発振器としての出力信号を生成する発振回路等が形成されており、この発振回路で生成された発振出力信号は、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
【００２２】
又、第２の空間部９に搭載されている電子部品素子７は、可変容量ダイオード及びチップ部品等であり、集積回路素子６からの出力信号の周波数を更に調整するために使用する。可変容量ダイオードは、外部制御電圧を印加することによって発振周波数を調整する役割を担うほか、インダクタ素子は水晶振動素子５と直列に接続すると周波数の調整範囲を広げる役割があり、他にコンデンサ素子、抵抗素子等も付加することが考えられる。
【００２３】
ここで、蓋体４と水晶振動素子５に形成された励振用電極１１との間隔により発生する浮遊容量が、発振周波数を調整する可変容量ダイオードに対して並列に存在するため、外来ノイズにより浮遊容量が乱れると発振周波数にも影響を及ぼしジッタ特性が悪化する。圧電デバイスはデータ転送の際の基準信号源として使用されるため、その発振周波数が乱れるとデータ転送がうまくいかずビットエラーの発生要因となる。
【００２４】
次に、本発明の作用効果を図３に基づいて説明する。まず、図１及び図２に示す水晶発振器の構造に従って、容器体１の第１の空間部８内に水晶振動素子５及び集積回路素子６を搭載し、第２の空間部９には、バリキャップダイオード、チップインダクタ等の電子部品素子７が搭載されており、容器体１の外底面の４隅には電源電圧端子電極、出力端子電極及びグランド電極である外部接続用電極端子１０をそれぞれ形成し、更に容器体１の各空間部を覆い、且つ外部接続用端子電極１０のうちのグランド端子と接続しアースされている蓋体４の厚みｂを８０μｍ、１５０μｍ、２００μｍ及び３５０μｍと可変したものでそれぞれ水晶発振器を作製し、この水晶発振器を外部のＰＬＬ回路に搭載し、ＰＬＬ出力のジッタ値を測定した。尚、ジッタ値の測定にはオシロスコープを用いた。
【００２５】
その結果を図３のグラフに示す。水晶振動素子５の励振用電極１１−蓋体４間に発生する浮遊容量が６８ｆＦ程度として蓋体の厚みｂが８０μｍの場合には、外部電磁ノイズが数値上昇要因の一つとして考えられるジッタ特性は約２０００ｐｓが確認され、蓋体の厚みｂが１５０μｍ以上の場合には、ジッタ特性は約１０００ｐｓの許容値を下回ることができる。
【００２６】
以上のようなことから、蓋体４の厚みｂが１５０μｍ以上では、それ以下のときと比較してジッタ特性が約１０００ｐｓ程度改善されている。ただし、浮遊容量が小さくなる（水晶振動素子５の励振用電極１１−蓋体４間の距離が広がる）につれて、この差は小さくなる。
【００２７】
次に、本発明の別の作用効果について説明する。水晶振動素子５の第１の空間部開口側に向いた励振用電極１１表面と、蓋体４の第１の空間部側に向いた主面表面との間隔ａを可変させることで、水晶振動素子５の第１の空間部開口側に向いた励振用電極１１表面と、蓋体４の第１の空間部側に向いた主面表面との間に発生する浮遊容量を変動させて実験を行った。使用する水晶振動素子５の形状は、逆メサ型のものを使用し、水晶振動素子５の第１の空間部開口側に向いた励振用電極１１表面と蓋体表面との浮遊容量をＣ１、水晶振動素子５の第１の空間部内底面に対向する電極うちの励振振動部分に形成された電極と蓋体との浮遊容量をＣ２、水晶振動素子５の第１の空間部内底面に対向する電極うちの励振振動部分に形成された電極以外の電極と蓋体との浮遊容量をＣ３とする。このＣ１及びＣ２、Ｃ３の合成容量をＣｓとすると、
Ｃ＝εＳ／ｄ・・・（Ａ）
の式より、各浮遊容量Ｃ１、Ｃ２及びＣ３を算出し、
Ｃｓ＝Ｃ１（Ｃ２＋Ｃ３）／Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３・・・（Ｂ）
の式より総浮遊容量Ｃｓを算出する。
【００２８】
この時の蓋体の厚みを一定とし、水晶振動素子５の第１の空間部開口側の励振用電極１１表面と蓋体４の第１の空間部側主面表面との距離ａを２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ及び６００μｍにして、浮遊容量Ｃｓを可変したものでそれぞれ水晶発振器を作製し、各サンプルのジッタ特性をオシロスコープで測定する。
【００２９】
この結果を図４に示す。水晶振動素子５の第１の空間部開口側の励振用電極１１表面と蓋体４の第１の空間部側主面表面との距離ａが２００μｍ（総浮遊容量Ｃｓ＝６８ｆＦ）の場合には、外部電磁ノイズが数値上昇要因の一つとして考えられるジッタ値は約２０００ｐｓが確認され、距離ａが３００μｍ（総浮遊容量Ｃｓ＝４５ｆＦ）の場合には、ジッタ値は約１３００ｐｓである。また、距離ａが４００μｍ（総浮遊容量Ｃｓ＝２７ｆＦ）の場合には、ジッタ値は約９００ｐｓを示し、更に距離ａが５００μｍ（総浮遊容量Ｃｓ＝２０ｆＦ）の場合には、ジッタ値は約７５０ｐｓである。また更に距離ａが６００μｍ（総浮遊容量Ｃｓ＝１５ｆＦ）の場合には、ジッタ値は６００ｐｓである。
【００３０】
以上のような結果から、水晶振動素子５の第１の空間部開口側の励振用電極１１表面と蓋体４の第１の空間部側主面表面との距離ａが４００μｍ以上（総浮遊容量Ｃｓが約３０ｆＦ以下）では、外部電磁ノイズが数値上昇要因の一つとして考えられるジッタ値が許容値の１０００ｐｓを下回ることができる。よって、水晶振動素子５の励振用電極１１と前記蓋体４との間隔ａを広げ、ＥＭＣ効果を最大限奏することによって、総浮遊容量を低減しジッタ値を良好な数値にすることが可能となる。
【００３１】
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、上述した実施形態においては、圧電振動素子の圧電材として水晶を用いた水晶振動素子を例に示したが、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ス等の他の圧電材を使用した場合にも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明における圧電デバイスについて、圧電デバイスの一つである水晶発振器を例に示した分解斜視図である。
【図２】図２は、図１に示した水晶発振器を組み立て後切断した場合の断面図である。
【図３】図３は、蓋体の厚みを変化させた場合の、水晶発振器内に搭載された水晶振動素子の励振用電極表面と蓋体表面の距離と、ジッタ値との関係を示すグラフである。
【図４】図４は、水晶発振器内に搭載された水晶振動素子の励振用電極と蓋体の間の浮遊容量値と、ジッタ値との関係を示すグラフである。
【図５】図５は、従来における圧電発振器の断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・容器体
２・・・ろう材層
３・・・導体層
４・・・蓋体
５・・・水晶振動素子（圧電振動素子）
６・・・集積回路素子
７・・・電子部品素子
８・・・第１の空間部
９・・・第２の空間部
１０・・・外部接続用電極端子
【図１】
0004758210.tif 000002
【図２】
0004758210.tif 000003
【図３】
0004758210.tif 000004
【図４】
0004758210.tif 000005
【図５】
0004758210.tif 000006