JP3843983B2

JP3843983B2 - 圧電振動子

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Publication number: JP3843983B2
Application number: JP2004041469A
Authority: JP
Inventors: 克彦宮崎; 幸浩海野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2024-02-18
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Description

本発明は、圧電振動子に係り、特にパッケージの底部外面に４つの外部電極が設けられた圧電振動子と、これを利用した圧電発振器に関する。

圧電振動子は、通信機や電子計算機などをはじめとして各種の電子機器に広く用いられている。圧電振動子は、一般に水晶などの圧電材料からなる圧電振動片をパッケージ内に収容した構造をなしている。そして、圧電振動子は、電子機器の小型化、薄型化に対応して小型、薄型化が進められ、近年、表面実装型が普及している。この表面実装型の圧電振動子は、セラミックなどからなる絶縁性のパッケージの底部外面に、電子機器の基板に設けたパターンに接合する外部電極を備えている。

従来、表面実装型の圧電振動子（以下、単に圧電振動子という）は、圧電振動片に設ける一対の接続電極を、圧電振動片の長手方向一側に形成し、圧電振動片を片持ち梁状にパッケージ内に実装している。そして、圧電振動子は、基板に実装したときに、実装による電気的な方向性が生じないように、パッケージの長手方向両端部に外部電極を形成し、これらの外部電極に圧電振動片の接続電極を電気的に接続するようにしている（例えば、特許文献１）。また、従来の圧電振動子として、パッケージの底部外面の四隅のそれぞれに外部電極を形成し、底部外面の対角線上に位置する一対の外部電極のそれぞれに、圧電振動片の接続電極を電気的に接続したものもある（特許文献２）。この４つの外部電極は、４つの外部電極を基板に設けたパターンに接合することにより、基板への実装強度を向上させ、またパッケージの蓋体が金属である場合に、圧電振動片を接続していない他の一対の外部電極を基板のグランドに接続するとともに、蓋体に電気的に接続してパッケージ内を電磁的にシールドするようにしている。

図１０は、従来の外部電極を４つ設けた圧電振動子を示す図であって、（１）は蓋体を省略した平面図であり、（２）は（１）のＢ−Ｂ線に沿った蓋体を有する状態の断面図、（３）は底面図である。

図１０（１）に示したように、圧電振動子１０は、パッケージ１２の内部に圧電振動片１４が収容してある。圧電振動片１４は、例えばＡＴカット水晶板などの圧電材料からなり、上下面の中央部に励振電極１６ａ、１６ｂ（励振電極１６ｂは図示せず）が設けてある。また、圧電振動片１４は、長手方向の一側に一対の接続電極１８（１８ａ、１８ｂ）を有する。各接続電極１８は、圧電振動片１４の上下の面に連続させて形成してあって、対応する励振電極１６（１６ａ、１６ｂ）に電気的に接続してあって、上下面の各電極が対称に形成してある。

パッケージ１２の内部には、接続電極１８に対応して一対のマウント電極２０（２０ａ、２０ｂ）が設けてある。これらのマウント電極２０には、図１０（２）に示したように、対応する接続電極１８が導電性接着剤２２によって固着される。圧電振動子１０は、パッケージ１２の底部外面の四隅部のそれぞれに外部電極２４（２４ａ〜２４ｄ）を有する。そして、パッケージ１２内の一方のマウント電極２０ａは、図示しないスルーホールなどを介して外部電極２４ａに電気的に接続してある。また、他方のマウント電極２０ｂは、図１０（１）に示した接続配線部２６を介して外部電極２４ｃに電気的に接続してある（図１０（３）参照）。すなわち、圧電振動片１４の一対の電極は、パッケージ１２の対角線上に位置する一対の外部電極２４ａ、２４ｃに電気的に接続される。そして、他の一対の外部電極２４ｂ、２４ｃは、基板のグランドに接続するとともに、蓋体に電気的に接続してパッケージ内を電磁的にシールドするようにしている。圧電振動子１０は、図１０（２）に示したように、パッケージ１２の上端を蓋体２８によって封止してある。

特開平７−７４５８１号公報特開平１１−２１４９５０号公報

上記の圧電振動子１０は、各外部電極２４が図１１に模式的に示したように、基板に設けたパターン（２つは図示せず）３２に接合される。そして、圧電振動子１０は、パッケ―ジ１２の内部に実装した圧電振動片１４の一対の接続電極１８が、外部電極２４、パタ―ン３２を介して基板に設けた発振回路を構成しているＩＣ３０に電気的に接続される。

上記したように、従来の４つの外部電極２４を有する圧電振動子１０は、対角線上にある一対の外部電極２４ａ、２４ｃに、圧電振動片１４の各接続電極１８を接続するようになっている。このため、圧電振動子１０をＩＣ３０に接続する場合、一方の接続電極１８ａを接続した外部電極２４ａはＩＣ３０の近くに配設することが可能である。しかし、他方の接続電極１８ｂを接続した外部電極２４ｃは、ＩＣ３０から遠い位置に配置せざるを得ない。したがって、ＩＣ３０と他方の外部電極２４ｃを電気的に接続するための配線パターン３４を圧電振動子１０に沿って形成する必要がある。このため、圧電振動子１０の小型化を行なったとしても、配線パターン３４の存在によって実質的な実装面積を小さくすることが困難で、電子機器の小型化の障害となる。また、圧電振動子１０の近くに配線パターン３４を引き回すことによって、圧電振動子１０の寄生容量が増大する。

また、近年は、実装技術が向上するとともに、電子機器の高性能化に伴って、圧電振動子を基板に実装する場合、圧電振動子の向きを一定にして実装するようになっている。そして、圧電振動子を出荷する場合、圧電振動子の向きを揃えて出荷している。このため、近年は、圧電振動子を実装したときの電気的な方向性に対する配慮が緩和されている。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたもので、実質的な実装面積を小さくすることを目的としている。

上記の目的は、第１の発明によれば、圧電振動片を収容したパッケージの底部外面に、基板側のパターンに接合する４つ以上の外部電極が設けられた圧電振動子において、前記各外部電極のうちの隣接する一対を前記圧電振動片の電極に電気的に接続し、他方の一対の外部電極の少なくともひとつの外部電極を異形に形成するとともに前記パッケージの外縁に沿った位置にのみ形成し、前記他方の一対の外部電極の前記少なくともひとつの外部電極の近傍に、電気的には接続されないダミー端子である外部電極が設けてある圧電振動子により、達成される。

第１の発明の構成によれば、圧電振動片の一対の接続電極を接続する外部電極を、４つ以上設けられた外部電極のうちの隣接する外部電極としたことにより、これらの一対の外部電極を基板に設けたＩＣの近くに配置することができる。したがって、基板のＩＣと圧電振動子の外部電極とを電気的に接続するために、圧電振動片に沿って配線パターンを形成する必要がなく、圧電振動子の実質的な実装面積を小さくすることができ、電子機器の小型化に対応することができる。また、圧電振動子に沿って配線パターンを設ける必要がないため、圧電振動子の寄生容量を小さくすることができ、発振特性を改善することができる。また、前記一対の外部電極と、前記他方の外部電極とが外形により区別されるので、実装の際の方向性に関して、明確な手がかりを与えることができる。また、前記外部電極が前記パッケージの外縁に沿った位置にのみ形成されていると、パッケージの底面に発振回路素子などを実装しようとする場合などにおいて、不要な短絡などを生じることなく、実装のためのスペースもより広く確保できる利点がある。更にまた、前記他方の一対の外部電極の少なくともひとつの外部電極の近傍に、電気的には接続されないダミー端子である外部電極が設けてあると、不要な短絡などを生じることなく、圧電振動子を実装する際の実装強度を確保することができる。

本発明に係る圧電振動子の好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明に係る圧電振動子の説明図であって、（１）は蓋体を省略した平面図であり、（２）は（１）のＡ−Ａ線に沿った蓋体を有する状態の断面図であり、（３）は底面図である。図１において、圧電振動子４０は、パッケージ４２の内部に圧電振動片４４を収容した構造をなしている。パッケージ４２は、図１（２）に示したように、パッケージ本体４６と蓋体４８とを有する。パッケージ本体４６は、底部を形成する平板状のベースシート５０と、このベースシート５０の上に積層した枠状シート５２とから構成した２層構造となっている。ベースシート５０と枠状シート５２とは、絶縁体からなり、実施形態の場合、セラミックによって形成してある。そして、パッケージ４２は、パッケージ本体４６の上面に、金属封止リング５４などを介して蓋体４８が接合され、内部が気密に封止される。蓋体４８は、セラミックやガラス板などの絶縁体、または金属板によって形成してある。

パッケージ４２の内部に収容した圧電振動片４４は、水晶のＡＴカット板などの圧電材料によって形成してある。この圧電振動片４４は、図１（１）に示したように、上下両面の中央部に励振電極５６ａ、５６ｂ（下面側の励振電極５６ｂは、図示せず）が形成してある。また、圧電振動片４４は、長手方向の一側に一対の接続電極５８（５８ａ、５８ｂ）を有する。これらの接続電極５８は、圧電振動片４４の上下面に連続させて形成してある。そして、圧電振動片４４は、上下面の各電極が対称に形成してあって、上面側の励振電極５６ａが一方の接続電極５８ａに接続してあり、下面側の励振電極５６ｂが他方の接続電極５８ｂに接続してある。

パッケージ４２は、内部となるベースシート５０の上面に一対のマウント電極６０（６０ａ、６０ｂ）が設けてある。これらのマウント電極６０は、圧電振動片４４の接続電極５８に対応していて、パッケージ４２の長手方向一側に設けてある。そして、圧電振動片４４は、図１（２）に示したように、各接続電極５８が導電性接着剤６２により対応するマウント電極６０に接合されることにより、パッケージ４２の内部に実装される。

一方、パッケージ４２の底部外面となるベースシート５０の下面には、パッケージ４２の四隅部のそれぞれに、基板に形成したパターンに接合させる外部電極６４（６４ａ〜６４ｄ）が設けてある。そして、実施形態の場合、４つの外部電極６４のうち、隣接する一対の外部電極６４が圧電振動片４４に設けた一対の接続電極５８に電気的に接続するようになっていて、パッケージの蓋体が金属である場合には、圧電振動片を接続していない他の一対の外部電極のうち少なくとも一方を基板のグランドに接続するとともに、蓋体に電気的に接続してパッケージ内を電磁的にシールドするようにしている。

すなわち、実施形態の場合、パッケージ４２の長手方向一側の短片に沿って設けた一対の外部電極６４ａ、６４ｂが接続電極５８に電気的に接続される。これらの外部電極６４ａ、６４ｂは、マウント電極６０ａ、６０ｂと対応した位置に形成され、図示しないスル―ホールなどを介して対応するマウント電極６０に電気的に接続してある。

このようになっている実施形態の圧電振動子４０は、図２に模式的に示したように、各外部電極６４のそれぞれが、図示しない基板に設けたパターン３２（３２ａ〜３２ｄ）に接合される。そして、実施形態の圧電振動子４０は、パッケージ４２の短辺に沿って設けた隣接する一対の外部電極６４ａ、６４ｂに、マウント電極６０を介して圧電振動片４４に設けた一対の接続電極５８が電気的に接続してある。したがって、圧電振動子４０の圧電振動片４４を基板に設けた発振回路用のＩＣ３０に接続する場合、接続電極５８に電気的に接続してある外部電極６４ａ、６４ｂを、ＩＣ３０に近接して設けたパターン３２ａ、３２ｂに接合すればよい。このため、実施形態の圧電振動子４０は、圧電振動子４０に沿った配線パターンを設ける必要がなく、圧電振動子４０とＩＣ３０とを接続する配線パターン６６（６６ａ、６６ｂ）を短くすることができ、圧電振動子４０の実質的な実装面積を小さくすることができる。また、圧電振動子４０は、圧電振動子４０に沿った配線パターンを必要としないため、圧電振動子４０を基板に実装した際の寄生容量を小さくすることが可能で、振動特性を向上することができる。

また、実施形態の圧電振動子４０は、パッケージ４２の底部外面に４つの外部電極６４を有するため、これらの外部電極６４を基板に設けたパターン３２に接合することにより、実装強度を向上することができる。そして、圧電振動子４０の蓋体４８を金属によって形成した場合、外部電極６４ｃ、６４ｄのうち少なくとも一方を蓋体に電気的に接続するとともに、基板のグランドに接続することが望ましい。これにより、蓋体が電磁シールドとして作用し、圧電振動子４０の外部のノイズに起因する発振周波数の変動を抑制することができる。

図３と図４は、上述の実施形態に関する変形例をそれぞれ示しており、図３は変形例１，図４は変形例２について、それぞれ図１（３）に対応する箇所を示している。

図３の変形例１では、外部電極６４ｄ−１と外部電極６４ｃ−１がともにグランド端子（Ｇ）とされており、圧電振動子４０の蓋体４８を金属によって形成して、これら外部電極６４ｄ−１と外部電極６４ｃ−１を蓋体４８に電気的に接続するとともに、実装基板のグランドに接続するようにしたものである。

図４の変形例２では、外部電極６４ｃ−１がグランド端子とされており、圧電振動子４０の蓋体４８を金属によって形成して、この外部電極６４ｃ−１を蓋体４８に電気的に接続しているが、外部電極６４ｄ−２は、蓋体４８には電気的に接続されていない構成とされたダミー端子（ＮＣ）となっている。

図５は、図１０（３）で説明した従来の圧電振動子１０を実装するための実装基板Ｋ１を模式的に示しており、従来の実装基板Ｋ１では、圧電振動片と接続される給電用の端子が、基板表面において、図示するように対角線上に位置して設けられている。これに対して、図６は本発明の実施形態の圧電振動子４０を実装するために用意される実装基板Ｋ２を示しており、図示するように左側に並んだ一対の端子が圧電振動片への給電用の端子とされている。このような実装基板Ｋ２上に、本発明の実施形態の圧電振動子４０が実装される様子が図２の模式図に対応している。

以上のような圧電振動子と実装基板の構造上の対応を前提として、図４の変形例２は、変形例３に対して、次のような点で、より有利な場合がある。

変形例１の圧電振動子４０−１は、これを誤って従来の実装基板Ｋ１に実装してしまうと、実装基板Ｋ１の給電用の端子（Ｘ）のひとつと、圧電振動子４０−１の外部電極６４ｄ−１が接続されてしまう。この外部電極６４ｄ−１は、本来グランド端子であるが、金属製の蓋体４８と接続されている。このため、図１（２）のパッケージ４２の内部では、金属製の蓋体４８と圧電振動片４４とは近接して位置していることから、電気的に短絡が生じ、誤動作が生じることがある。

これに対して、図４の変形例２の圧電振動子４０−２を従来の実装基板Ｋ１に誤って実装された場合においても、実装基板Ｋ１の一方の給電用の端子に接続される外部電極６４ｄ−２は、ダミー端子であるから、上述のような短絡を生じるおそれがない。

図７は、変形例３を示している。図７の圧電振動子４０−３では、ひとつの外部電極６４ｃ−３が、他の外部電極の形状と外観的に異なる形状として、異形に形成されている。すなわち、外部電極６４ｃ−３は、例えば、この場合、パッケージ４２の外縁に沿って、細いパターンがほぼ英文字のＬ字形状、もしくはカギ形になるような形状とされている。また、外部電極６４ｄ−１は、実線であらわされているように、他の外部電極と同じ形状としてもよいし、点線で６４ｄ−２として示されているように、外部電極６４ｃ−３と同じ異形に形成されていてもよい。

この変形例３においては、ひとつの外部電極６４ｃ−３が異形に形成されていることから、圧電振動子４０−３はその方向性に関して、外観的に区別できる手がかりを備えている。このため、図６で説明した実装基板Ｋ２に圧電振動子４０−３を実装しようとする場合に、外部電極６４ｃ−３を外観的に容易に認識することができるから、この外部電極を誤って実装基板Ｋ２のＸで示す給電端子側に接続することを有効に防止することができる。

図８は、変形例４を示している。図８の圧電振動子４０−３では、ひとつの外部電極６４ｃ−３が、他の外部電極の形状と外観的に異なる形状として、異形に形成されている。と同時に、ダミー端子である外部電極６４ｃ−４も設けられている。また、外部電極６４ｄ−１は、実線であらわされているように、他の外部電極と同じ形状としてもよいし、点線で６４ｄ−２として示されているように、外部電極６４ｃ−３と同じ異形に形成されていてもよい。さらに、点線で６４ｄ−３として示されているように、外部端子６４ｃ−４と同様な形状に形成されていても良い。

この変形例４においては、外部端子６４ｃ−４が設けられているから、圧電振動子を実装する際の実装強度を確保することができる。また、外部端子６４ｃ−４はダミー端子であることから、不要な短絡などを生じることがない。

図９は、本発明の実施形態としての圧電発振器を示す概略断面図である。図において、圧電発振器７０は、上述の実施形態の圧電振動子４０またはその各変形例を利用して構成されている。つまり、圧電発振器７０は、圧電振動子４０―３の第１のパッケージ４２の下に第２のパッケージ７１を半田７６により接合して構成されている。

圧電発振器７０の第２のパッケージ７１は、例えば、第１のパッケージ４２と同様にセラミックなどの絶縁性材料を成形して形成されており、内側に内部空間Ｓ２を有している。

第２のパッケージ７１の内側底部には、発振回路素子７２をダイボンディングにより取り付けるようにされている。この発振回路素子７２は、例えば、集積回路（ＩＣ）により、形成されており、第２のパッケージ７１の底面に設けられた実装端子７３，７４に対して、接続されているとともに、圧電振動子４０―３の外部電極６４ａ等を介して、圧電振動片４４と電気的に接続されている。そして、発振回路素子７２は、ボンディングワイヤ７５により、第２のパッケージ７１内の導電パターンとワイヤボンディングにより接続されている。すなわち、第２のパッケージ７１内に導電スルーホール等を形成して点線で示すように、導電パターンを引き回したり、あるいは、図１（１）のパッケージ４２の四隅に１／４円として表れているキャスタレーション部の外面に導電ペーストを塗布して形成した導電パターンなどにより、このような電気的接続がなされている。

ここで、圧電振動子４０−３の底面に外部電極は、図７で説明したように、少なくともひとつの外部電極６４ｃ−３が、第２のパッケージ７１の外縁に沿った形状とされている。

このため、ボンディングワイヤが、圧電振動子４０−３の底面に形成された外部電極と接触しにくくなっている。

このため、外部電極の少なくとも一部、好ましくは、複数の外部電極を、第２のパッケ―ジ７１の外縁に沿った形状とすることで、ボンディングワイヤが外部電極と触れることを極力回避することができる。

なお、前記実施形態においては、圧電振動子４０がＡＴカット振動片である場合について説明したが、圧電振動片は逆メサ型ＡＴカット圧電振動片や音叉型振動片などであってもよい。そして、前記実施形態においては、パッケージ４２が２層構造である場合について説明したが、３層以上の層構造としてもよい。

実施の形態に係る圧電振動子の説明図である。実施の形態に係る圧電振動子の実装状態を説明する模式図である。実施の形態に係る圧電振動子の変形例１の概略底面図である。実施の形態に係る圧電振動子の変形例２の概略底面図である。従来の実装電極の表面部の模式図である。実装電極の表面部の模式図である。実施の形態に係る圧電振動子の変形例３の概略底面図である。実施の形態に係る圧電振動子の変形例４の概略底面図である。実施の形態に係る圧電発振器の概略断面図である。従来の圧電振動子の説明図である。従来の圧電振動子の実装状態を説明する模式図である。

符号の説明

３０・・・ＩＣ、３２ａ〜３２ｄ・・・パターン、４０・・・圧電振動子、４２・・・パッケージ、４４・・・圧電振動片、４６・・・パッケージ本体、４８・・・蓋体、５６ａ、５６ｂ・・・励振電極、５８ａ、５８ｂ・・・接続電極、６０ａ、６０ｂ・・・マウント電極、６４ａ〜６４ｄ・・・外部電極。

Claims

圧電振動片を収容したパッケージの底部外面に、基板側のパターンに接合する４つ以上の外部電極が設けられた圧電振動子において、
前記各外部電極のうちの隣接する一対を前記圧電振動片の電極に電気的に接続し、
他方の一対の外部電極の少なくともひとつの外部電極を異形に形成するとともに前記パッケージの外縁に沿った位置にのみ形成し、
前記他方の一対の外部電極の前記少なくともひとつの外部電極の近傍に、電気的には接続されないダミー端子である外部電極が設けてあることを特徴とする圧電振動子。