JPH11214950A - 圧電デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ケース体を小型化しても封止不良や配線抵抗
の増大或いは内部の圧電体の動作特性に影響を与えない
新規の圧電デバイスを提供する。 【解決手段】 水晶振動片２５の表面上に形成された表
面電極２６が内部端子部１９ａに接続される接続部２６
ａを備え、水晶振動片２５の裏面上に形成された裏面電
極２７が内部端子部１８ａに接続される接続部２７ａを
備えていることにより、接続配線１８ｂは、接続配線１
８ｂに導電接続されている裏面電極２７に対向して延伸
し、外部端子１８ｆに接続される。したがって、裏面電
極２７と接続配線１８ｂとは相互にほぼ同電位に保たれ
るため、両者間に静電容量が発生せず、両者間の距離が
変動しても発振周波数の変動が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は圧電デバイスに係
り、特に、ケース体の外面上に外部端子を有する表面実
装型の水晶振動子又は水晶発振器に好適な内部構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電振動片をパッケージに内蔵し
た種々の圧電デバイスが市販されているが、このような
圧電デバイスは種々の電子機器に盛んに用いられてい
る。特に通信分野や電算機分野においては圧電デバイス
は必須の構成部品であり、水晶振動子、水晶発振器など
はあらゆる電子機器に内蔵されている。

【０００３】近年、ハードディスクドライブ装置、モバ
イルコンピュータ、ＩＣカードなどの小型の情報機器、
或いは、携帯電話、自動車電話、ページングシステムな
どの移動体通信機器においては、装置の小型化、薄型化
の伸展が目覚ましく、それらに用いられる圧電振動子、
圧電発振器、ＳＡＷ（弾性表面波）デバイスなどの各種
圧電デバイスにも、配線回路基板上に両面実装が可能な
表面実装タイプのデバイスが要求されるようになってき
ている。

【０００４】図８には、上記の圧電デバイスの一例とし
て、水晶振動子又は水晶発振器を構成する水晶デバイス
の概略構造を示す。このデバイスは、図３に示すように
セラミックス製の絶縁ベース１１と、同素材からなる絶
縁枠１２，１３とからなる３層構造のケース本体と、絶
縁枠１３の上部に接合される蓋板１４とを備えたケース
体１０を備えている。図８（ａ）には、このケース本体
部の平面図を、図８（（ｂ）にはケース本体部の内部に
収容される水晶振動片１５の平面図を示す。このケース
本体部は、絶縁ベース１１、絶縁枠１２，１３をそれぞ
れセラミックス粉末に添加剤を加えて練り上げた軟質の
未硬化シート（グリーンシート）の状態でそれぞれ加工
し、それらの表面上にＷ（タングステン）を含む導電性
ペーストを印刷成形してメタライズ層６を所定のパター
ンで形成した後、相互に積層して焼成することにより構
成される。図３に示す形状のケース本体部が成形された
後、ケース本体部の外面部及び内面部に露出した上記メ
タライズ層６の上にＮｉとＡｕのメッキ層７を順次積層
して、接続配線、内部端子部及び外部端子などを所定の
パターンで形成する。

【０００５】絶縁枠１２の内部空間は、絶縁枠１３の内
部空間よりも一回り小さく形成されており、絶縁枠１２
の上面には所定パターンのメタライズ層６が形成され、
この絶縁枠１２を絶縁ベース１１や絶縁枠１３と積層さ
せた後に、露出したメタライズ層の表面上に電解めっき
によりメッキ層７を形成することによって、図示斜線で
示す配線パターン１８，１９を形成する。これらの配線
パターン１８，１９のうち、図示左側には一対の内部端
子部１８ａ，１９ａが肉厚に形成され、これらの内部端
子部１８ａ，１９ａから接続配線１８ｂ，１９ｂが伸び
て、絶縁枠１２の図示右上と左下の二ヶ所の円筒内面状
の角部表面上に形成された露出部１８ｃ，１９ｃを経
て、絶縁ベース１１の底面上に形成された対角位置の二
つの外部端子１８ｄ，１８ｆに導電接続されている。

【０００６】図８（ｂ）に示す水晶振動片１５は平面視
矩形の板形状に形成され、その表面側（図示手前側）に
は表面電極１６がＣｒ及びＡｇの蒸着などにより形成さ
れ、その裏面上には裏面電極１７（図示点線で示す）が
同様に形成されている。表面電極１６は水晶振動片１５
の表面上から図示左端部にて裏面側に回り込み、裏面上
に形成された接続部１６ａに接続され、裏面電極１７は
そのまま図示左端部に伸びて裏面上に形成された接続部
１７ａに接続されている。図８（ｂ）に示す水晶振動片
１５は、そのままの姿勢で図８（ａ）の一点鎖線で示す
位置に配置され、上記接続部１６ａ，１７ａが内部端子
部１８ａ，１９ａに接合され、図示左端部において片持
ち梁状に固定される。

【０００７】なお、図３及び図８においてスルーホール
１２ｂは絶縁ベース１１の底面上に形成された外部端子
１８ｅ及び１８ｇと絶縁枠１３の上面部に形成されたメ
タライズ層６及びメッキ層７からなる導電層とを導通さ
せるための導通孔であり、内部に導電性ペーストなどか
らなる導通体５が充填される。導通体５によって外部端
子１８ｅ，１８ｇに導電接続された絶縁枠１３上の導電
層は蓋板１４に接続される。蓋板１４はＦｅ−Ｎｉ−Ｃ
ｏ合金（コバール）などにより形成されている。したが
って、蓋板１４は絶縁ベース１１の底面上の外部端子１
８ｅ，１８ｇに導通される。

【０００８】この水晶振動子においては、水晶振動片１
５の表面電極１６は内部端子部１８ａに接続され、内部
端子部１８ａは接続配線１８ｂを介し、露出部１８ｃを
経て絶縁ベース１１の底面上の外部端子１８ｆに導電接
続されている。また、水晶振動片１５の裏面電極１７は
内部端子部１９ａに接続され、接続配線１９ｂ及び露出
部１９ｃを経て絶縁ベース１１の底面上の外部端子１８
ｄに導電接続されている。

【０００９】上記の水晶振動子は絶縁ベース上に２つの
絶縁枠１２，１３を積層し、さらに蓋板１４を接合して
なるものであるが、絶縁枠１２の代わりに絶縁ベース上
に内部端子部や接続配線などをパターン印刷し、この絶
縁ベース上に箱型の蓋体を被せるようにして構成される
ものもある。さらに、上記のケース体の内部に集積回路
チップを収容し、水晶発振器として構成されるものもあ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の水晶
振動子のような圧電デバイスにおいては、性能を確保し
ながらさらに小型化を進めようとすると、圧電体の寸法
を余り変えずにケース体をさらに小型化する必要があ
る。しかし、図８に示すように、水晶振動片１５の寸法
を変えずにケース体を小さくしようとすると、接続配線
１８ｂがケース体を構成する絶縁ベース１１や絶縁枠１
２の接合部に重なり、接続配線１８ｂによる凹凸形状に
よってケース体の封止不良が発生する危険性があるとと
もに、上記の接合部内に接続配線１８ｂを形成しようと
すると、メタライズ層６のみで導電接続することとなる
ため、接続抵抗が増大してしまうという問題点が考えら
れる。

【００１１】また、ケース体を小型化しても長い接続配
線１８ｂが接合部に重ならないように形成するには図５
（ａ）に示すように接続配線１８ｂを水晶振動片１５の
下方に近づけることが考えられるが、この場合には、表
面電極１６に接続された接続配線１８ｂが裏面電極１７
に対向配置され、図５（ｂ）に示すように接続配線１８
ｂと裏面電極１７との間に静電容量Ｃｓが発生する。こ
の静電容量Ｃｓは、水晶振動片１５が外乱などによって
機械的に振動すると、接続配線１８ｂと裏面電極１７と
の距離が変化することによって容量値が変動するため、
これが水晶振動片１５の振動周波数に影響するという問
題点が考えられる。

【００１２】さらに、外部端子１８ｆに近い水晶振動片
１５の端部に内部端子部を設けることによって接続配線
１８ｂを形成せずに外部端子１８ｆに導電接続させるこ
とも考えられるが、この場合には水晶振動片１５を片持
ちではなく両持ち状態で支持することとなるため、水晶
振動片１５を拘束してその振動に影響を与えやすくな
り、図６に示すように片持ち状態の水晶振動片Ａに較べ
て両持ち状態の水晶振動片Ｂは温度に対する周波数変化
Δｆが大きいことから、水晶振動子若しくは水晶発振器
の温度特性が悪化する。

【００１３】そして、内部端子部１８ａを最も近接した
外部端子１８ｇに接続するという方法も考えられるが、
この場合には、短い間隔で形成された外部端子１８ｄと
１８ｇとが逆極性の端子となるために短絡する危険性が
高く、実装時に問題が生ずる可能性が高くなる。

【００１４】そこで本発明は上記問題点を解決するもの
であり、その課題は、ケース体を小型化しても封止不良
や配線抵抗の増大或いは内部の圧電体の動作特性に影響
を与えない新規の圧電デバイスを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明が講じた手段は、ケース体の内部に配置され、
表面電極及び裏面電極を備えた圧電体と、前記ケース体
の外部の一側及び他側に設けられた一対の外部端子と、
前記表面電極及び前記裏面電極と前記外部端子との間を
それぞれ直接若しくは間接的に導電接続する一対の接続
配線とを有する圧電デバイスであって、前記ケース体の
一側において前記圧電体が固定されるとともに、前記一
側において前記表面電極及び前記裏面電極が一対の前記
接続配線に接続され、一方の前記接続配線は、前記表面
電極又は前記裏面電極のうち自身が直接に導電接続され
た電極若しくは自身に間接的に接続されているが自身と
ほぼ同電位に保たれた電極に対向する場所を通過して、
前記他側に設けられた前記外部端子に導電接続されてい
る圧電デバイスである。

【００１６】この手段によれば、圧電体の一側と、他側
の外部端子とを導電接続する接続配線を、圧電体に形成
された表面電極及び裏面電極のうち当該接続配線とほぼ
同電位に保たれる電極に対向する場所を通過するように
構成したので、ケース体を小型化して接続配線と圧電体
との間隔を狭めても、接続配線と電極との間の静電容量
を低減し、その圧電体の作用への影響を低減することが
できるので、圧電体の動作特性の劣化を防止することが
でき、また、ケース体を小型化してもケース体の封止不
良や配線抵抗の増大を回避することもできる。

【００１７】なお、圧電体としては種々の圧電体を用い
ることができるが、圧電デバイスとしては、圧電体の特
性を利用した種々のデバイスがあり、特に、圧電振動子
や圧電発振器などに上記手段を適用することにより、接
続配線と電極との間の静電容量が両者の距離によって変
化することに起因する発振周波数の変動を抑制すること
ができる。また、一側と他側とは相互に反対の側を言
う。例えば、一側が右側であれば他側は左側である。さ
らに、圧電体の表面電極及び裏面電極は、直接に外部端
子に導電接続されない場合もあり、たとえば、圧電発振
器においては、圧電体は発振回路に接続され、発振回路
の一部が上記外部端子に接続されることとなる。この場
合、圧電体に形成された電極から発振回路までの接続配
線と、発振回路から外部端子までの接続配線のうちの少
なくとも一方が、圧電体の当該電極と対向する場所を通
過している場合も本発明に含まれる。

【００１８】ここで、前記ケース体は、外面上に一対の
前記外部端子が形成されているとともに、内面上に、前
記表面電極及び前記裏面電極に導電接続するための一対
の内部端子部、並びに、該内部端子部を直接若しくは間
接的に一対の前記外部端子に導電接続させるための一対
の前記接続配線が形成された絶縁部材と、該絶縁部材の
内面上に片持ち支持された前記圧電体を余裕を持って収
容し封止する封鎖部材とを備えていることが好ましい。

【００１９】この手段によれば、絶縁部材の表面上に内
部端子部及び接続配線が形成されていることにより、構
造が簡単になり小型化も容易であるとともに、製造コス
トも低減できる。

【００２０】この場合にはさらに、前記絶縁部材は絶縁
ベース若しくは該絶縁ベース上に接合された絶縁枠であ
り、前記封鎖部材は、前記絶縁部材上に順次接合された
絶縁枠及び該絶縁枠を封鎖する蓋板、又は、前記絶縁部
材上に接合された絶縁蓋体である場合がある。

【００２１】上記手段においては、前記圧電体は水晶振
動片であり、水晶振動子若しくは水晶発振器を構成する
圧電デバイスであることが望ましく、この場合には、封
止不良、配線抵抗の増大を回避しながら小型化が可能で
あり、しかも水晶振動片に起因する振動周波数の変動を
低減することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
に係る実施形態について説明する。図１は本実施形態の
圧電デバイスである水晶振動子の長手方向の断面を示す
縦断面図、図２は本実施形態のケース本体部の平面図、
図３は本実施形態のケース体の構造を示す概略斜視図で
ある。なお、図１及び図３は上記従来例とほぼ共通の構
造部分を図面化しており、その説明は省略する。

【００２３】この実施形態では、図２（ｂ）に示すよう
に、水晶振動片２５の表面上に形成された表面電極２６
が図２（ａ）に示す内部端子部１９ａに接続される接続
部２６ａを備え、水晶振動片２５の裏面上に形成された
裏面電極２７が図２（ａ）に示す内部端子部１８ａに接
続される接続部２７ａを備えている点で従来例と異な
る。したがって、表面電極２６は内部端子部１９ａ、接
続配線１９ｂ、露出部１９ｃを経て外部端子１８ｄに導
電接続され、裏面電極２７は内部端子部１８ａ、接続配
線１８ｂ、露出部１８ｃを経て外部端子１８ｆに導電接
続されている。

【００２４】この実施形態では、全体を小型化するため
に、図８（ａ）に示すケース本体部よりも図示上下幅の
小さいケース本体部を採用しているため、接続配線１８
ｂが水晶振動片２５に極めて近い場所を通過し、図５
（ａ）に示すように、裏面電極２７と接続配線１８ｂと
が斜めではあるが対向している。しかしながら、本実施
形態では、裏面電極２７は内部端子部１８ａを介して接
続配線１８ｂに導電接続されているので、裏面電極２７
と接続配線１８ｂとは殆ど同電位となっているから、図
５（ｂ）に点線で示す静電容量Ｃｓを持たず、外部から
受ける振動や加速度によって水晶振動片２５とケース本
体部（絶縁枠１２）との距離が変動しても、周波数変化
は殆ど生じない。

【００２５】なお、図５（ｂ）は水晶振動片２５、表面
電極２６、裏面電極２７、接続配線１８ｂ，１９ｂ、外
部端子１８ｄ，１８ｆを含む水晶振動子を、抵抗Ｒ１，
Ｒ２、反転回路Ｉ及び静電容量Ｃｇ，Ｃｄを含む等価回
路に接続して発振器を構成する発振回路を示すものであ
る。この場合、上記実施形態のケース体の内部に当該発
振回路を構成するようにケース体内部に集積回路を内蔵
してもよい。この場合には、水晶振動片２５の裏面電極
２７に対向する接続配線としては、水晶振動子から集積
回路までの接続配線であっても、或いは、集積回路に接
続された後、集積回路の端子Ｓ，Ｐのうち端子Ｐから引
き出された接続配線、その他の裏面電極とほぼ導電位が
保たれる他の配線であってもよく、要は、裏面電極２７
とほぼ同電位に保たれる接続配線であれば、静電容量が
低減されるため、上記の効果が得られる。

【００２６】図７（ａ）は、水晶振動子を電子機器内に
取り付けた状態で図８に示す従来構造にて本実施形態と
同様のケース寸法に設計した場合（以下、単に従来構造
という。）における周波数変化率の頻度を経時的に２０
０サンプル測定したデータ、図７（ｂ）は、図２に示す
本実施形態の構造における周波数変化率の頻度を経時的
に２００サンプル測定したデータを示す。

【００２７】これらのデータに示すように、従来構造に
おいては、特に外部から振動や加速度を加えなくても身
体に感じない程度の外乱により水晶振動片１５が振動
し、図８（ａ）に示すように周波数変化率が−１５〜＋
３５ｐｐｍの範囲において周波数の変化が観測され、特
に周波数変化率が−１０〜＋１０ｐｐｍの範囲内で発生
頻度が高くなっている。これに対して、本実施形態にお
いては、周波数変化率が−２〜＋２ｐｐｍの範囲内に全
て収まっており、きわめて良好な周波数の安定性が得ら
れている。

【００２８】なお、上記実施形態では、絶縁ベース１１
の上に２つの絶縁枠１２，１３を積層しているが、絶縁
ベース上に単一の絶縁枠のみを接合し、その上部開口を
直ちに蓋板で封止した構造のケース体であってもよい。
また、上記実施形態では、水晶振動片のみを備えた水晶
振動子としているが、図１に一点鎖線で示すように、水
晶振動片に接続された集積回路チップ２０を内蔵させ、
水晶発振器を構成してもよい。ただし、この場合には、
４つの外部端子１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ，１８ｇは、制
御端子、供給電位端子、接地電位端子（供給電位端子）
及び出力端子となる。

【００２９】図４には、セラミックスなどからなる絶縁
ベース３１上に、セラミックスなどからなる皿状の絶縁
蓋体３２（図示二点鎖線で絶縁ベース３１に対する接合
面を示す。）を被せるようにして接合し、絶縁ベース３
１と絶縁蓋体３２によって水晶振動片３５を収容した別
の水晶振動子の実施形態を示す。この実施形態において
は、絶縁ベース３１の底面上の長手方向の両端部にメッ
キ層などにより一対の外部端子３１ａ，３１ｂが形成さ
れている。そして、絶縁ベース３１の内面上には、外部
端子３１ａに対して接続配線３４ｂ及び露出部３４ｃを
介して導電接続された内部端子部３４ａと、外部端子３
１ｂに対して接続配線３３ｂ及び露出部３３ｃを介して
導電接続された内部端子部３３ａとが形成されている。

【００３０】内部に収容される水晶振動片３５の表面上
には表面電極３６が形成され、表面電極３６は水晶振動
片３５の一端部の裏面上に接続部３６ａを備え、水晶振
動片３５の裏面上には裏面電極３７が形成され、裏面電
極３７は水晶振動片３５の一端部の裏面上に接続部３７
ａを備えている。そして、接続部３６ａは上記内部端子
部３４ａに接合され、接続部３７ａは上記内部端子３３
ａに接合される。

【００３１】この実施形態においても、水晶振動片３５
の裏面電極３７と接続配線３３ｂとが対向するが、両者
は相互に導電接続されていてほぼ同電位であるため、両
者間に静電容量は発生せず、水晶振動片３５の変位や変
形による周波数変動が低減される。

【００３２】以上説明した各実施形態では、水晶振動片
を用いた水晶振動子或いは水晶発振器として構成した例
を示したが、同様の構成により、他の素材を用いた圧電
デバイスに適用させることができる。このような圧電デ
バイスの例としては、水晶以外の圧電体を用いた圧電振
動子、圧電発振器の他に、圧電センサ、圧電アクチュエ
ータ、ＳＡＷデバイスなどが考えられる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電体の一側と、他側の外部端子とを導電接続する接続配
線を、圧電体に形成された表面電極及び裏面電極のうち
当該接続配線とほぼ同電位に保たれる電極に対向する場
所を通過するように構成したので、ケース体を小型化し
て接続配線と圧電体との間隔を狭めても、接続配線と電
極との間の静電容量を低減してその圧電体の作用への影
響を低減することができるので、圧電体の動作特性の劣
化を防止することができ、また、ケース体を小型化して
もケース体の封止不良や配線抵抗の増大を回避すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電デバイスの実施形態としての
水晶振動子の長手方向の断面を示す縦断面図である。

【図２】同実施形態のケース本体部の平面図（ａ）及び
水晶振動片の平面図（ｂ）である。

【図３】同実施形態のケース体の構造を示す概略斜視図
である。

【図４】本発明に係る圧電デバイスの別の実施形態とし
ての水晶振動子における絶縁ベースの平面図（ａ）及び
水晶振動片の平面図（ｂ）である。

【図５】同実施形態における長手方向と直交する方向の
断面を示す縦断面図（ａ）及び同実施形態の水晶振動子
を用いた発振回路の回路図（ｂ）である。

【図６】水晶振動子において水晶振動片を片持ちに支持
したときの温度に対する周波数変化（ａ）及び水晶振動
片を両持ちに支持したときの温度に対する周波数変化
（（ｂ）を示すグラフである。

【図７】従来構造の水晶振動子における周波数変化率の
頻度を示すグラフ（ａ）及び実施形態の水晶振動子にお
ける周波数変化率の頻度を示すグラフ（ｂ）である。

【図８】従来構造の水晶振動子のケース本体部の平面図
（ａ）及び水晶振動片の平面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１０ ケース体 １１，３１ 絶縁ベース １２，１３ 絶縁枠 １４ 蓋板 １５，２５，３５ 水晶振動片 １６，２６，３６ 表面電極 １７，２７，３７ 裏面電極 １８ａ，１９ａ，３３ａ，３４ａ 内部端子部 １８ｄ，１８ｅ，１８ｆ，１８ｇ 外部端子 １８ｂ，１９ｂ，３３ｂ，３４ｂ 接続配線 ２０ 集積回路チップ ３２ 絶縁蓋体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケース体の内部に配置され、表面電極及
   び裏面電極を備えた圧電体と、前記ケース体の外部の一
   側及び他側に設けられた一対の外部端子と、前記表面電
   極及び前記裏面電極と前記外部端子との間をそれぞれ直
   接若しくは間接的に導電接続する一対の接続配線とを有
   する圧電デバイスであって、 前記ケース体の一側において前記圧電体が固定されると
   ともに、前記一側において前記表面電極及び前記裏面電
   極が一対の前記接続配線に接続され、一方の前記接続配
   線は、前記表面電極又は前記裏面電極のうち自身が直接
   に導電接続された電極若しくは自身に間接的に接続され
   ているが自身とほぼ同電位に保たれた電極に対向する場
   所を通過して、前記他側に設けられた前記外部端子に導
   電接続されている圧電デバイス。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記ケース体は、外
   面上に一対の前記外部端子が形成されているとともに、
   内面上に、前記表面電極及び前記裏面電極に導電接続す
   るための一対の内部端子部、並びに、該内部端子部を直
   接若しくは間接的に一対の前記外部端子に導電接続させ
   るための一対の前記接続配線が形成された絶縁部材と、
   該絶縁部材の内面上に片持ち支持された前記圧電体を余
   裕を持って収容し封止する封鎖部材とを備えている圧電
   デバイス。
3. 【請求項３】 請求項２において、前記絶縁部材は絶縁
   ベース若しくは該絶縁ベース上に接合された絶縁枠であ
   り、前記封鎖部材は、前記絶縁部材上に順次接合された
   絶縁枠及び蓋板、又は、前記絶縁部材上に接合された絶
   縁蓋体である圧電デバイス。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１
   項において、前記圧電体は水晶振動片であり、水晶振動
   子若しくは水晶発振器を構成する圧電デバイス。