JP4019473B2

JP4019473B2 - 電子デバイス

Info

Publication number: JP4019473B2
Application number: JP32946597A
Authority: JP
Inventors: 亮一安池; 紀之森山
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 1997-11-13
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: JPH11145768A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電デバイスに関し、特にパッケージ内に収納した圧電素子の温度−周波数特性のバラツキを調整する作業を容易化するとともに、無線機等に於いて発振器を構成する場合の配置の自由度を高める上で好適なチップ部品複合圧電デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電デバイス、例えば水晶振動子やＳＡＷ共振子にあっては、外気による素子の経年劣化を防止する為に、圧電素子を密封容器内に封止状態で収納するのが一般である。ところで、これら圧電デバイスを用いた電子回路部品としては、ＡＴカット水晶振動子を用いたコルピッツ型発振回路がよく知られており、温度に対する発振周波数の安定度を求められる場合には更に温度補償回路を付したＴＣＸＯ（温度補償型水晶発振器）が用いられる。温度補償回路による温度補償の方法としては、圧電素子に対して直列にバリキャップ等の可変型リアクタンス素子を接続し、その端子電圧を温度に応じてコントロールする間接型と称される方法、圧電振動子に対して直列にサーミスタ等の感温抵抗素子とコンデンサとの並列回路から成る補償回路を接続する直接型と称される方法、更には前記間接型をデジタル処理する方法等が知られている。このようなＴＣＸＯは主として、携帯無線機をはじめとした無線通信機に多用されている。これらＴＣＸＯ等の圧電デバイスは、小型化の要求を満たすべく、年々超小型化、低背化が進んでおり、現在ではパッケージ容量が０．２ｃｃ，或はそれ以下の容量のものが出現するに至っている。一方、ＴＣＸＯの流通経路としては、水晶等の圧電素子メーカー、或は電子部品メーカーがＴＣＸＯとしてパッケージしたものを、装置メーカーに供給し、装置メーカーが無線機等に組み込むのが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＣＸＯ等の従来の発振器にあっては、次のごとき要求や問題点があった。即ち、小型化が進んだとはいえ、他の電子部品に比れば、ＴＣＸＯは比較的大型であり、これを無線機本体のプリント板上に実装した場合に相当の面積を占有することになり、周辺の部品配置の自由度が制限される。即ち、無線機等の装置メーカーが他の周辺部品との兼ね合いに応じて自由にＴＣＸＯの要素部品の配置を決定できれば、無線機全体としてのサイズを小さくし得る可能性がある。また、ＴＣＸＯ等として完成された部品は、ある所要の要求、例えば無線機の使用温度範囲と周波数安定度との関係や、電源電圧、更にはＴＣＸＯを変調器の一部として利用する場合は変調感度等、決められた仕様のもとに作られているのが一般的である。このため圧電デバイスメーカーサイドで特定の無線機用に作られたＴＣＸＯは、仕様の異なる他機種には適用できない場合があり、汎用性に欠けることがある。一方、ＴＣＸＯに組み込まれる圧電振動子単体について考えると、圧電振動子の温度周波数特性は、個々の水晶等のカット角のばらつきに起因して温度特性等にバラツキが存するのが実情である。ＴＣＸＯにおいては、これらの圧電デバイスの振動子の周辺部品を交換することによりバラツキを個々に調整していた。もし、無線機等のプリント基板上に直接水晶振動子を組み込みＴＣＸＯを構成する場合は、無線機等のプリント基板の所要部位にＴＣＸＯとして完成されたブロックについて温度試験を行い、周波数安定度が規格を満足するか否かを確認し、満足しない場合はコンデンサ値や抵抗値を交換し、更に温度試験を繰り返すと云った極めて繁雑な作業が必要であった。この原因は、上述したようにもっぱら水晶振動子等の圧電デバイスの特性のばらつきに起因すると考えられる。つまり、個々の圧電デバイスの諸特性が均一であれば、上述したような繁雑な作業負担を軽減することができる。
【０００４】
そこで、従来圧電デバイスの個々の特性を均一にする為に例えばコンデンサや抵抗等の特性補償部品を圧電デバイスと共に密封容器に収納したものが提案されていた。即ち、カット角等の製造誤差に起因する周波数のずれや特性をコンデンサや抵抗、或はコイルの値を変えることによって、圧電デバイス個々の特性を均一にした上で無線機メーカー等に供給すれば、無線機のプリント基板に直接ＴＣＸＯ回路等を組み込む際の上記諸問題は解決し得る。しかしながら、従来密封状態にある圧電デバイスの特性調整を、パッケージ内に装備された温度補償機能を有する素子、即ちコンデンサ、抵抗等の値を調整することにより実施しようとした場合には、パッケージの蓋を外した上で調整作業を行う必要があったが、圧電デバイスの特性は、圧電振動子が密封された状態とは異なることがあるので、せっかく調整を完了した場合に於ても、蓋を封止した後では温度周波数特性に変化が生じ、安定した特性の調整が難しかった。本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、無線機メーカーが自己の希望に合せて発振器やフィルタを構成する上で好適な圧電デバイスを提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、外底面に面実装用の電極端子を有すると共に内部に少なくとも第二の電子部品を収容した実質的に四角形状のパッケージ本体の前記外底面に、中央部から４辺の中央近傍に向って延びる十字型の突部を有し、該突部の各端部底面に面実装用の電極端子が配置されており、前記パッケージ本体の前記外底面の四隅に位置する各凹部のうちの少なくとも一に第一の電子部品を収容したことを特徴とする。
また、本発明は、前記第一の電子部品が少なくとも前記第二の電子部品の電気的特性を温度補償する機能を有することを特徴とする。
また、本発明は、前記第一の電子部品が、容量素子、可変容量素子、リアクタンス素子、又は半導体のうちの何れか一つであることを特徴とする。
また、本発明は、前記第二の電子部品が圧電材料を用いたものであることを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示した形態例により詳細に説明する。図１は本発明の複合圧電振動子の一形態例を示す回路図である。即ち、この回路は、ＡＴカット水晶振動子Ｘに対して直列に、２つのコンデンサＣ1 、Ｃ2 の並列回路を接続したものである。図１に示した複合圧電振動子は従来から知られているコルピッツ発振回路の一部あるいはインバータを用いたクロックＯＳＣの一部として利用可能である。図２は、上記回路部品を収納した本発明に係る一実施例を示す構造図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は底面図、（ｅ）はＡ−Ａ断面図である。この形態例の特徴的な構成は、同図（ｄ）及び（ｅ）に示されている。即ち、（ｄ）に示す如く、パッケ−ジ本体１の外底面には、例えば中心部から前面にかけて延在する凹陥部２が設けられ、且つ、凹陥部２の天井面には所定の間隔を隔てて対向配置された２つの対向電極３、４が形成されており、且つ、夫々外底面に露出したパッケージ電極端子Ｈ２、ＴＣにパッケージ本体を貫通する導電パターンによって接続され、また、対向電極３、４間には２つのチップ型コンデンサＣ1 、Ｃ2（第一の電子部品）が実装されている。更に、図（ｅ）に示す如く、パッケージ本体内部にはＡＴカット水晶振動子Ｘ（第二の電子部品）がその一方の端子が内部支持台５上の電極パッド６上に片持ち状態で導電接着剤７を介して支持固定されている。凹陥部２は、その前側方に開口部２ａを有し、パッケージ本体１の底面側をプリント基板上に実装した場合にも凹陥部２内部と外気とを連通させて、パッケージ実装時の熱やガスの抜け口とし、熱やガスが凹陥部内にこもることによる不具合を解消するようにしている。なお、開口部２ａの形成位置は、図示した前側方のみならず、後側方、或は右又は左側方のいずれか一か所であってもよく、更には前側方、後側方、左右側方の内の２か所、３か所、又は４か所に開口部を設けて、凹陥部内と外部とを連通させるようにしてもよい。
【０００７】
次に、図２に示した構成によって前記図１に示した回路構成が実現されているが、この構成によれば、特性補償用として付加したコンデンサＣ1 、Ｃ2 がパッケージ外底面に設けた凹陥部２内に収納され、且つパッケージ内部の振動子及び外部端子Ｈ2 、ＴＣと接続されているので、振動子を密封した状態に於て必要に応じてコンデンサＣ1 、Ｃ2 の交換が可能となるので、高精度の特性の微調整が容易となる。なお、実際の回路においては、前記コンデンサＣ1 、Ｃ2 のうち少なくとも一つを温度に応じて容量値が変化する温度補償用コンデンサとする方が特性補償の効果は大きい。以下、その理由と効果を説明する。なお、ここでは本発明の圧電デバイスを用いた一例としてＴＣＸＯ（温度補償型発振器）を中心に説明する。即ち、図１に示したような水晶振動子ＸとコンデンサＣ1 、Ｃ2 との複合圧電振動子を用いて図３に示すようなＴＣＸＯ（温度補償型発振器）を構成する場合を考える。なお、図３に示した回路は従来からよく知られたコルピッツ発振器であって、増幅器に本発明の圧電デバイス（ＡＴカット水晶振動子）と上述した直接型又は間接型補償回路と、周波数微調整用コンデンサＣT とを接続したものであり、例えばＡＴカット水晶振動子はカット角の製造誤差によって温度／周波数特性にある範囲のばらつきが生じること上述の通りである。そこで、本発明では、図１に示した回路図の如く、水晶振動子Ｘに対してコンデンサＣ1 、Ｃ2 の並列回路を直列に接続すると共に、コンデンサＣ1 、Ｃ2 の双方、あるいはそのいづれか一方を温度補償用コンデンサとし、その結果として、仮に水晶振動子のカット角にばらつきが存していたとしても、該コンデンサを含めた回路全体の共振周波数が常温値において規格値を満たし、且つ、温度特性も所望値となるように調整可能とする。即ち、コンデンサの温度特性を水晶振動子のカット角のばらつきに応じて適宜選択すれば、個々のデバイスについて総合的な周波数の温度特性を均一のものにすることが可能となる。その際、本発明では、上記コンデンサをパッケージ外面に設けた凹陥部内に配置したので、特性調整が封止状態にあるパッケージの外部から可能となる。その結果、圧電振動子メーカーから圧電デバイスを購入した無線機メーカーが自ら特性調整を行う必要がない。仮に、その必要がある場合も、無線機メーカーにおいてコンデンサの交換が可能となる。なお、温度補償用コンデンサとしては、例えば負の温度特性、即ち、温度上昇に伴って容量値が減少するＵ特性なるものがよく知られている。もし、水晶振動子Ｘのカット角が規格値通りである場合は、Ｃ1 、Ｃ2 のコンデンサには温度補償型は必要なく、そのときは温度特性がフラットなコンデンサ、例えばＣ特性のものを選べばよい。
【０００８】
図４は負の温度特性をもったコンデンサ、例えばＵ特性の容量と温度との関係を図示したもので、これは温度上昇に伴って容量値が減少するコンデンサである。このコンデンサをＣ1 、Ｃ2 に用いれば、例えば図５に破線にて示すＡＴカット水晶振動子の温度特性は、低温側において周波数が低下し、高温側では上昇するように補償することができる。また、コンデンサの温度特性を正特性のものにすれば、逆に低温側では周波数を上昇させ、高温側では低下させるように補償することができる。更に、コンデンサＣ1 、Ｃ2 のいずれか一方のみを温度補償型コンデンサとすれば、両者のコンデンサの容量値の比に応じて補償量を任意に設定することができる。以上のようにして、図１に示す回路構成の複合型圧電振動子を製作し、コンデンサの温度特性を適宜選択することによって水晶振動子のカット角のばらつきを補正するようにすれば、圧電デバイス個々の総合的な周波数−温度特性をほぼ均一にすることができるので、これらを利用してＴＣＸＯあるいはその他の発振器、更にはフィルター等を構成する際に、カット角のばらつきによる影響を気にすることなく周辺回路素子値を決定できることとなり、実装後にＴＣＸＯ回路素子を付け換えると云った面倒な作業を行う必要がなくなる。
【０００９】
図６は本発明の変形例を示す等価回路図である。この形態例では、図１の回路中の並列なコンデンサＣ1 、Ｃ2 に対して並列にトリミング抵抗Ｒを接続した点が特徴的である。トリミング抵抗とは周知のとおり厚膜技術等により基板上に抵抗体を形成し、レーザー等あるいは機械的切削によって部分的に削り取ることによって抵抗値を変更する機能をもった抵抗部品である。具体的には図２に示したパッケージ本体１の外周表面あるいはコンデンサＣ1、Ｃ2 を実装する凹陥部２の一部に上述した抵抗体を形成するか、若しくはトリミング抵抗を形成したプレ−ト状部品を図３に示す回路構成となるように付加結線すればよい。この構成によれば、周知の如くコンデンサと抵抗の並列回路は電気的に等価な直列回路として機能し、しかも等価直列容量は抵抗Ｒの関数となる。従って、前記抵抗値をトリミングによって変化させれば水晶振動子に直列に働く容量値を任意に変更することができる。この構成によれば、もし組み立てた圧電振動子の周波数温度特性あるいは基準温度における共振周波数が希望値と異なる場合は、トリミングによって抵抗値を調整すれば希望値にすることができる。
【００１０】
次に、図７(a) 及び(b) は夫々本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す斜視図であり、(a) はパッケージ本体１の一側面に直接、少なくとも一つのチップ型電子部品を実装すると共に、この電子部品とパッケージ本体内の圧電振動子、及びパッケージの電極端子の間を導電パターンにて接続するようにした構成が特徴的である。図７(a) の形態例では、パッケージ本体１の側面適所、例えば図示のごとき中央部にチップ型電子部品１０を実装する為の電極３、４を所定の間隔を隔てて対向配置し、この両電極３、４上をまたいだ状態で電子部品１０をハンダ接続させている。この電子部品１０とパッケージ本体内の圧電振動子、及びパッケージの電極端子の間を導電パターンにて接続するようにした構成は上記形態例と同様である。次に、図７(b) の形態例では、図７(a) の形態例と同様にパッケージ本体１の一側面の中央部にチップ型電子部品１０を搭載するに際して、該側面に凹陥部１１を形成すると共に、凹陥部１１の内底面に電極３、４を配置し、この両電極上にチップ型電子部品１０をハンダ接続する。この電子部品１０とパッケージ本体内の圧電振動子、及びパッケージの電極端子の間を導電パターンにて接続するようにした構成は上記形態例と同様である。この形態例では、チップ部品の実装箇所が外面に位置しているので、実装し易く、またチップ部品周辺に熱やガスがこもることがなくなる。また、低背化を実現できる。
【００１１】
次に、図８は本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す上部斜視図であり、パッケージ本体１の上面（キャップ）適所、この例では対向し合う２つの縁部側に夫々凹陥部１５を形成し、各凹陥部１５の内底面に電極３、４を所定の間隔を隔てて配置し、この両電極上にまたがってチップ型電子部品１０をハンダ接続する。この電子部品１０とパッケージ本体内の圧電振動子、及びパッケージの電極端子の間を導電パターンにて接続するようにした構成は上記形態例と同様である。この形態例では、チップ部品の実装箇所が上側外面に位置しているので、チップ部品を実装し易く、実装した部品が落下することがなくなり、チップ部品周辺に熱やガスがこもることがなくなる。また、部品の低背化を実現できる。
【００１２】
次に、図９(a) 乃至(d) は本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す平面図、側面図、正面図及び底面図である。この形態例では、パッケージ本体１の底面に十字型の突部２０（底面は平坦面）を設けると共に、突部２０の４つの端部底面に電極パッドＨ１、Ｈ２、ＴＣ及びＧＮＤを設け、更に、底面の四隅に位置する各凹部２１の天井面にチップ型電子部品２２をハンダ接続する為の電極３、４を夫々形成した構成が特徴的である。このチップ型電子部品２２とパッケージ本体内の圧電振動子、及びパッケージの各電極端子の間を導電パターンにて接続するようにした構成は上記形態例と同様である。
【００１３】
図１０は図９の形態例のパッケージ構造の等価回路図であり、この形態例のパッケージ本体にはチップ型電子部品を収容する凹部２１が４か所存在する為、例えば各凹部２１内に夫々一つづつのチップ部品を配置できる。この場合、図１０に示すようにサーミスタＴＨ１、固定抵抗Ｒ１、固定コンデンサＣ１、Ｃ２を図示のように接続する。この場合、サーミスタＴＨ１とコンデンサＣ１との並列回路により圧電振動子の温度補償を行う。なお、以上の各形態例の説明では、圧電素子として水晶振動子を例示したが、本発明はこれに限らず、いかなる圧電素子或はその他の素子であってもよい。例えば、ＳＡＷ共振子或は圧電材料を用いた遅延素子等、温度特性の補償が必要である素子に広く適用可能である。また、これら圧電素子に接続する部品としても、コンデンサに限らずコイルや可変容量素子或は半導体により構成する可変リアクタンス素子等であってもよい。
【００１４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、圧電デバイス自体の個々の特性を均一にしたので、無線機メーカーが自己の希望に合せて発振器等を構成する上で好適な圧電デバイスを提供することができ、その際、複雑な温度−周波数特性調整作業を簡便にし、且つ小型化に適したチップ部品複合圧電振動子を提供することができる。即ち、圧電デバイスの特性調整を密封状態にある圧電デバイスのパッケージ外部から容易に行うことができる。その結果、無線機に圧電デバイスを組み込んだ後での調整作業、基板上に一旦実装した圧電デバイスの交換等を不要とすることができる。
即ち、本発明は、少なくとも圧電振動子を収納したパッケージの外底面に非密閉構造を有する凹陥部を設け、該凹陥部内に少なくとも一つのチップ型電子部品を実装すると共に、該電子部品と前記圧電振動子、及びパッケージの電極端子の所要部間を導電パターンにて接続したので、従来パッケージ内に組み込まれていた特性調整用の電子部品がパッケージの外面の凹陥部内に位置することとなり、その結果としてパッケージ外部から特性調整が容易に行えることとなった。このようにして特性を均一化した圧電デバイスを無線機等に組み付ければ、実装後にデバイスを基板から外して交換する等の必要がなくなる。また、凹陥部は非密閉構造である為、プリント基板上に実装した場合にも、凹陥部を外気と連通させることができ、ガスや熱がこもることを防止できる。即ち、凹陥部廻りの最低一辺をなくして開口部としたので、実装が容易となる一方で、振動子をプリント基板上に実装する際の熱やガスのこもりを解消できる。
【００１５】
また、本発明に於ては、チップ型電子部品がパッケージ本体の側面、或は上面の端縁に配置されるので、熱やガスのこもりを防止し、また底部にキャビティ部を設けた場合に比して、実装したチップ部品が落下する虞れが皆無となる。更に、低背化が可能になる。
本発明に於ては、パッケージ本体底面に十字型の突部を設け、底面の四隅にチップ部品を配置する凹部を設けたので、実装するチップ部品数を増やすことができ、例えば４個のチップ部品を必要とする場合における実装作業性を向上し、実装時の熱やガスのこもりを防止できる。
本発明では、前記チップ型電子部品が周辺の温度に応じて容量値が変化する特性を有するので、圧電デバイス中の圧電振動子のカット角のばらつきを補正することが容易となる。即ち、コンデンサの温度特性を適宜選択することによって圧電振動子のカット角のばらつきを補正する上で都合がよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態例の複合圧電振動子の回路図。
【図２】図１の回路を実現する本発明の一形態例を示す構造図であって、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図、（ｄ）は底面図、（ｅ）はＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明の圧電デバイスを用いたＴＣＸＯの一形態例を示す回路図。
【図４】本発明に於て利用し得る温度補償型コンデンサの一特性を示す図。
【図５】本発明の一形態例における作用効果を説明する図。
【図６】本発明の変形例を示す等価回路図である。
【図７】(a) 及び(b) は夫々本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す図。
【図８】本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す図。
【図９】(a) 乃至(d) は本発明の他の形態例のパッケージ構造を示す平面図、側面図、正面図及び底面図。
【図１０】図９のパッケージ構造における等価回路図。
【符号の説明】
１パッケ−ジ本体、２凹陥部、３、４対向電極、５内部支持台、６電極パッド、１０チップ型電子部品、１１凹陥部、１５凹陥部、２０突部、２１凹部、２２チップ型電子部品。

Claims

外底面に面実装用の電極端子を有すると共に内部に少なくとも第二の電子部品を収容した実質的に四角形状のパッケージ本体の前記外底面に、中央部から４辺の中央近傍に向って延びる十字型の突部を有し、該突部の各端部底面に面実装用の電極端子が配置されており、前記パッケージ本体の前記外底面の四隅に位置する各凹部のうちの少なくとも一に第一の電子部品を収容したことを特徴とする電子デバイス。
前記第一の電子部品が少なくとも前記第二の電子部品の電気的特性を温度補償する機能を有することを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
前記第一の電子部品が、容量素子、可変容量素子、リアクタンス素子、又は半導体のうちの何れか一つであることを特徴とする請求項１に記載の電子デバイス。
前記第二の電子部品が圧電材料を用いたものであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電子デバイス。