(57)【要約】【課題】小型化及び薄型化が進むにつれ、圧電デバイス全体の剛性が弱くなってしまう課題が生じた。そのため、外部応力により圧電発振器全体が変形してしまい、その変形によって圧電振動素子と蓋体の間隔が狭くなり、その結果生じた容量成分の変動により、圧電振動素子が接続した発振回路からの発振周波数が変動する虞があった。【解決手段】容器体内部に形成された空間部内に少なくとも圧電振動素子が搭載されており、容器体の空間部を囲繞する側壁部の頂面には平板状の金属製の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デバイスにおいて、蓋体の空間部側の露出主面と、圧電振動素子の蓋体に対向する主面との間隔が０．２ｍｍ以上であり、且つ圧電デバイスとしての厚みを１．０ｍｍ以下とした圧電デバイス。【選択図】  図１
2007180700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形状の容器体内部に形成された凹状の空間部内に、少なくとも圧電振動素子が、該空間部の開口面と該圧電振動素子の主面とが平行となるように搭載されており、該容器体の該空間部を囲繞する側壁部の頂面には、該空間部の開口部を覆う形態で矩形平板状の金属製の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、
該蓋体の該空間部側の露出主面と、該圧電振動素子の該蓋体に対向する主面との間隔が０．２ｍｍ以上であり、且つ圧電デバイスとしての厚みを１．０ｍｍ以下としたことを特徴とする圧電デバイス。
【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振動子又は圧電発振器等の圧電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、携帯用通信機器等の電子機器には、内部に搭載する電子部品の一つとして圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが使用されている。例えば、圧電振動子や圧電発振器は、搭載する電子機器のクロック信号発生源や基準信号発生源として用いられている。
【０００３】
かかる従来の圧電デバイスとして、圧電デバイスの一つである圧電発振器の概略を図５に示す。仕切部５６の上下面に第１の空間部５０及び第２の空間部６０を有する容器体５１の第１の空間部５０内に圧電振動素子５２を配置実装し、第１の空間部５０の開口部に金属製の蓋体５４を被せ第１の空間部５０内を気密封止し、且つ第２の空間部６０内に、圧電振動素子５２と電気的に接続し、圧電振動素子５２の周波数温度補償を行なうため温度補償回路及び発振回路を少なくとも内蔵した集積回路素子５３を配置実装してなる温度補償型の圧電発振器であって、第２の空間部６０の内表面には、圧電振動素子５２に電気的に接続したモニター電極パッド（不図示）を形成し、圧電振動素子５２の各種特性を測定する形態である。
【０００４】
上述のような構造において、容器体１の第１の空間部５０内に圧電振動素子５２を実装し、第２の空間部６０に集積回路素子５３を実装している構造のため、比較的実装面積の小さい小型の温度補償型圧電発振器の製造が可能である。また、圧電振動素子５２と集積回路素子５３とを全く異なる空間に収容することができるため、圧電振動素子５２の発振動作を長期にわたり安定化させることができる。また、容器体１の第１の空間部５０内に圧電振動素子５２を実装した後に、圧電振動素子５２の振動周波数安定化のために加熱処理を行い、その後集積回路素子５３を実装する順の工程で製造されるので、加熱処理時の熱が集積回路素子５３に印加されず、集積回路素子５３の動作信頼性や接続信頼性を高めることができる。
【０００５】
上述したような形態の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】特開平１２−１５１２８３号公報
【０００６】
なお、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至らなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したような圧電発振器を含む圧電デバイスにおいて、小型化及び薄型化が進むにつれ、素子類の搭載容積を確保するために、容器体や蓋体の各部厚みを薄くする必要が生じ、そのため圧電デバイス全体の剛性が弱くなってしまう課題が生じた。特に、図５に図示したような圧電振動素子と集積回路素子とを上下全く異なる空間部に収容する構造（所謂Ｈ型構造）の圧電発振器においては、容器体（Ｈ型構造）の構造上の問題点として、外部の実装基板の撓みの影響により圧電発振器全体が容易に変形してしまい、その変形によって圧電振動素子と金属製蓋体の間隔が部分的に狭くなる箇所が生じ、その結果圧電振動素子と金属製の蓋体との間に生じる容量成分の変動により、圧電振動素子が接続した発振回路からの発振周波数が変動する虞があった。
【０００８】
本発明は上記欠点に鑑み考え出されたものであり、従ってその目的は、圧電デバイスの小型化薄型化に対応した上で、圧電デバイス本体に変形応力が加わった場合においても周波数変動を最小限に抑えることが可能な圧電デバイス構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における圧電デバイスは上記課題を解決するために成されたものであり、矩形状の容器体内部に形成された凹状の空間部内に、少なくとも圧電振動素子が、この空間部の開口面と圧電振動素子の主面とが平行となるように搭載されており、容器体の空間部を囲繞する側壁部の頂面には、空間部の開口部を覆う形態で矩形平板状の金属製の蓋体が配置されており、この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デバイスにおいて、上記蓋体の空間部側の露出主面と、圧電振動素子の蓋体に対向する主面との間隔が０．２ｍｍ以上であり、且つ圧電デバイスとしての厚みを１．０ｍｍ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の圧電デバイスによれば、金属製の蓋体の空間部側の露出主面と、圧電振動素子の蓋体に対向する主面との間隔が０．２ｍｍ以上であり、且つ圧電デバイスとしての厚みを１．０ｍｍ以下の寸法にすることにより、小型化薄型化によって圧電デバイスとしての剛性が低下し圧電デバイスに変形が生じた場合でも、圧電振動素子と蓋体間の間隔を上記数値にすることで、圧電デバイス本体の変形により圧電振動素子と蓋体間の間隔に変化が生じても、圧電振動素子と蓋体間に生じる容量成分の変動を著しく小さくすることが可能となり、その結果、圧電振動素子を搭載した圧電デバイス又はその圧電デバイスが接続した発振回路等からの発振周波数が変動することを抑えることが可能となる。
【００１１】
因って、上記作用により、小型化薄型化に対応しつつ周波数特性が良好な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】
【００１２】
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、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。又、各図では、説明を明りょうにするため部品或いは構造体の一部を図示せず、更に図示した寸法も一部誇張している。特に各図面の厚み寸法は著しく誇張して図示している。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態にかかる圧電デバイスを圧電デバイスの一つである圧電発振器を用いて例示した概略断面図である。図１において圧電発振器は、一方の主面側に凹部状の第１の空間部１０が、他方の主面側に第２の空間部２０が形成された外形が概略直方体状の容器体１、矩形平板状の圧電振動素子２、発振回路及び制御回路等を構成内蔵する集積回路素子３、金属製蓋体４及び充填用の樹脂材料５とから主に構成されている。
【００１４】
容器体１は、複数の略矩形状のセラミック絶縁層１ｂ、１ｃ、略矩形状の開口を有する概略枠状セラミック絶縁層１ａ、１ｄが一体的に積層されて構成されている。そして、セラミック絶縁層１ｂ、１ｃは、圧電振動素子２が収容される第１の空間部１０と集積回路素子３が収容される第２の空間部２０を仕切る積層構造の仕切部６とからなり、また、セラミック絶縁層１ａは搭載する圧電振動素子２を囲繞する第１の側壁部となり、これにより、仕切部６の一方の主面と第１の側壁部とに囲まれた凹部状の第１の空間部１０が構成される。更に、セラミック絶縁層１ｄは搭載する集積回路素子３を囲繞する第２の側壁部及び圧電発振器本体の脚部となり、仕切部６の他方の主面と第２の側壁部とに囲まれた凹部状の第２の空間部２０が構成される。そして、第２の側壁部の第２の空間部開口側端面の４つの角部には、各々外部接続用電極端子１１〜１４が形成されている。また、容器体１の外周側面には、必要に応じて、集積回路素子３の動作制御信号の入出力を行うための制御信号入出力用電極端子１５〜１８が形成されている。
【００１５】
容器体１の圧電振動素子２を収容する第１の空間部１０内底面には、圧電振動素子接続用電極パッド２１が形成されており、容器体１の第２の空間部２０内底面には、集積回路素子接続用電極パッド３２及び配線パターンが形成されている。又、容器体１の仕切部６を構成するセラミック層１ａ〜１ｄの層間又はセラミック層１ａ〜１ｄの厚み方向の層内には、上述の集積回路素子接続用電極パッド３２と外部接続用電極端子１１〜１４、制御信号入出力用電極端子１５〜１８とを接続する配線パターン等が形成されている。
【００１６】
尚、容器体１を構成するセラミック絶縁層１ａ〜１ｄは、セラミックグリーンシートを用いて形成する。具体的には、絶縁層１ａ〜１ｄとなるセラミックグリーンシートを所定形状に成型し、また、配線パターンに応じて貫通孔を形成し、モリブデンやタングステンなどの高融点金属ペーストで貫通孔を充填すると同時に、表面に各種電極パッドや端子電極、配線パターンとなる導体膜を高融点金属ペーストの印刷により形成する。次に、このようなグリーンシートを積層・圧着した後、焼成処理を行う。次に、容器体１の表面に露出する各外部接続用電極端子１１〜１４、制御信号入出力用電極端子１５〜１８、圧電振動素子接続用電極パッド２１、集積回路素子接続用電極パッド３２、及び各配線パターンにＮｉメッキ、フラッシュ金メッキなどを施して容器体１が完成する。即ち、容器体１の表面に露出する各電極パッド、配線パターン及び電極端子は、Ａｕメッキが皮膜されていることになる。
【００１７】
上述のような容器体１の第１の空間部１０内には、圧電振動素子２が導電性接着材２２を介して圧電振動素子接続用電極パッド２１に導通固着されている。圧電振動素子２は、例えば圧電振動素子２を構成する圧電材として水晶を用いた場合、人工水晶体より所謂ＡＴカットアングルで切り出され外形加工された矩形状の水晶素板の両主面に形成された励振用電極とその励振用電極から水晶素板の一短辺端部に延出された引出電極とから構成されている。尚、圧電振動素子の主材料としては水晶の他に、圧電効果を奏するものであれば、タンタル酸リチウム、ニオウブ酸リチウムや圧電セラミック等の他の圧電材を使用しても良い。
【００１８】
容器体１の第１の空間部１０内に搭載された圧電振動素子２は、第１の空間部１０の開口部を覆う形態で第１の側壁部の頂面に配置された金属製で矩形平板状の蓋体４によって気密に封止されている。蓋体４は、コバールや４２アロイなどの金属材料からなり、約０．１ｍｍの厚みである。集積回路素子３は、圧電発振器としての各種信号制御を行うものであり、例えば、発振増幅手段、温度補償手段、感応手段等を電子回路として内部に具備している。増幅手段としては増幅用インバータなどが例示でき、温度補償手段は、演算手段、温度補償データの記憶手段、バリキャップダイオード、負荷容量、抵抗手段などを具備している。このような集積回路素子３は、集積回路素子３の表面または底面の電極に導電性接合部材３３を形成し、この導電性接合部材３３と容器体１に形成された集積回路素子接続用電極パッド３２とを、超音波ボンディングや導電性接着剤を介したフェースダウンボンディングによって接合することにより搭載される。また、集積回路素子３をダイ接続して、ワイヤでボンディングしても構わない。
【００１９】
図２は図１記載の圧電発振器における仕切部６のセラミック層１ｂ上に形成された第１の空間部１０を側面方向から見た場合の概略断面図であり、尚、図２においてはセラミック層１ｂ上に形成した圧電振動素子接続用電極パッド２１上に圧電振動素子２を配置し、バンプ部材２４で圧電振動素子接続用電極パッド２１と圧電振動素子２に形成された引出電極とを導通固着した形態を例示している。
【００２０】
図２に図示するように本発明の特徴部分は、矩形状の容器体１内部に形成された凹状の第１の空間部１０内に、少なくとも圧電振動素子２が、第１の空間部１０の開口面と圧電振動素子２の主面とが平行となるように搭載されており、容器体１の第１の空間部１０を囲繞する第１の側壁部の頂面には、第１の空間部１０の開口部を覆う形態で矩形平板状の金属製の蓋体４が配置されており、蓋体４と第１の側壁部の頂面に設けた導体層２５とを接合固着し、第１の空間部１０内の圧電振動素子２を気密封止している圧電デバイスにおいて、蓋体４の第１の空間部１０側の露出主面と、圧電振動素子２の蓋体４に対向する主面との間隔が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする。これにより、圧電振動素子２の蓋体４との間隔を広くとることにより、圧電振動素子２の蓋体４間の容量成分の変動を軽減可能となり、圧電発振器の発振周波数が変動することを抑えることが可能となる。
【００２１】
上述のような構造とした圧電発振器について、図３のように実装基板に実装した状態でたわみ試験（図３の矢印の方向に実装基板４０のたわみ量５ｍｍとした。）した場合の実験データを図４に示す。図４のグラフは蓋体４の第１の空間部１０側の露出主面と、圧電振動素子２（図４ではブランクと表示）の蓋体４（図４ではリッドと表示）に対向する主面との間隔（図２の間隔Ｂ）と発振周波数の変化率（Δｆ／ｆ  ：横軸）とその変化率内に入る確率（％  ：縦軸）を示している。グラフの○印はそれぞれｎ＝５個の場合の圧電振動素子２の蓋体４に対向する主面との間隔Ｂが０．１ｍｍの場合、同様に□印は０．１５ｍｍ、◇印は０．２ｍｍの場合である。図４のグラフよりわかることは、従来例では○印（Ｂ＝０．１ｍｍ）において、９０％の確率で発振周波数の変化率（Δｆ／ｆ）が１．２ｐｐｍ以内となるのに対し、◇印（Ｂ＝０．２ｍｍ）の場合においては、９０％の確率で発振周波数の変化率（Δｆ／ｆ）が０．５５ｐｐｍ以内となり、実装基板４０の撓みによる周波数変化率のバラツキが小さくなっているのがわかる。ここで実験に使用した圧電発振器は外形サイズ３．２ｍｍ×２．５ｍｍ、圧電発振器の厚み（高さ）Ａ＝１．０ｍｍの圧電発振器を用いている。
【００２２】
以上の実験結果より、高さ１．０ｍｍ以下の圧電発振器において、圧電発振器の金属製蓋体４の第１の空間部１０側の露出主面と、圧電振動素子２の蓋体４に対向する主面との間隔を広くすればするほど、実装基板４０の撓みによる影響が小さくすることが可能となり、特に間隔Ｂを０．２ｍｍ（図４の◇印）以上とした方が、実装基板４０の撓みによる影響がより小さくすることが可能となることがわかる。これは間隔Ｂを大きくしたほうが、実装基板の撓みに起因する圧電振動素子２と蓋体４との間隔Ｂの変動による容量成分の変動値が小さいためである。
【００２３】
なお、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、上記実施例では発振回路等を内蔵した集積回路素子を同一パッケージ内に搭載した圧電発振器を例に説明を行ったが、他に発振回路等を外部に形成し、その発振回路等に電気的に接続する形態で使用される圧電振動子や、圧電フィルタなどにおいても、本発明は有効である。又、図１に例示した圧電発振器おいては、集積回路素子３と圧電振動素子２とを仕切部６の両主面に形成した独立した２つの空間部に各々配置した構造としていたが、集積回路素子３と圧電振動素子２とを別々の容器体内に収納し、その容器体同士を上下に積み重ねた構造の場合も、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでも無い。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明に係る圧電デバイスの実施形態を、圧電デバイスの一つである圧電発振器により例示した概略断面図である。
【図２】図２は、図１に図示した圧電発振器において、圧電振動素子搭載部分を抜き出して図示した概略部分断面図である。
【図３】図３は、図１に図示した圧電発振器をたわみ試験にかけるために、実装基板に実装した形態を示す側面図である。
【図４】図４は、図３に示した形態で実施したたわみ試験における、周波数変化量と確率との相関を示した実験データグラフである。
【図５】図５は、従来の圧電発振器の概略断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１・・・容器体
１ａ〜１ｄ・・・セラミック層
２・・・圧電振動素子
３・・・集積回路素子
４・・・蓋体
５・・・樹脂材料
６・・・仕切部
１０・・・第１の空間部
１１〜１４・・・外部接続用電極端子
１５〜１８・・・制御信号入出力用電極端子
２０・・・第２の空間部
２１・・・圧電振動素子接続用電極パッド
２２・・・導電性接着材
２５・・・導体層
３２・・・集積回路素子接続用電極パッド
４０・・・実装基板
Ａ・・・圧電発振器の厚み
Ｂ・・・蓋体の第１の空間部側の露出主面と圧電振動素子の蓋体に対向する主面との間隔
【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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