JP2007012728A - 圧電振動子パッケージ及びその製造方法ならびに物理量センサー - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子パッケージの駆動特性と起動特性のバランスが良好な圧電振動子パッケージ及びその製造方法を提供する。また、圧電振動子からの検出信号が安定するまでの起動時間を短縮できる高精度の物理量センサーを提供する。
【解決手段】開口を有し内部の収容部に圧電振動子が収納される容器と、開口の周縁に接合して開口を覆う蓋体とを有し、容器と蓋体とが対向する接合部で封止材により接合される圧電振動子用パッケージの製造方法において、電子ビームを照射することで封止材を溶融し、蓋体または容器に収容部とを外部とを連通する未溶接部を残して溶接する一次溶接工程と、一次溶接工程での溶接領域よりも少ない未溶接部をレーザビームを照射することで溶接する二次溶接工程と、二次溶接工程を行う前にチャンバー内の圧力を所定の圧力に調整するチャンバー内圧力調整工程とを有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、セラミックス等の基板からなる容器内に水晶振動子、圧電振動子等の電子部品を収納した後、容器を蓋体で気密封止して構成される圧電振動子パッケージ及びその製造方法ならびに物理量センサーに関するものである。

圧電振動子デバイス等の電子部品は、例えば、セラミックス等の基板からなる容器と、この容器の開口部を封止する金属製蓋体とから構成されたパッケージの内部に、振動子素子が気密封止状態で収納され、圧電振動子デバイスが構成される。これら圧電振動子デバイスは、電子機器製品の小型化および薄型化に伴い、小型、薄型化、及びコストダウンの要求が益々強くなっている。

このため、近年は表面実装型（ＳＭＤ）のものが多数開発されて、圧電振動子デバイスの特性を向上させるために真空度を高めて気密封止することが求められている。また、車両の位置検出や姿勢制御システム、デジタルカメラやビデオカメラの手振れ防止用等の様々な分野で圧電振動子デバイスを用いた圧電振動ジャイロの開発が行われ実用化されている。

圧電振動子デバイスに用いられるパッケージの一般的な気密封止方法としては、従来、電気炉溶接、シーム溶接、電子ビーム加工等が行われている。真空中で容器を加熱して封止材を溶融する電気炉溶接法は、コストおよび生産性が優れている一方、封止材の外周部全周にわたって一度に溶接するため、溶接時に封止材から生じるアウトガスがパッケージ内部に閉じ込められ、真空度が悪化する問題があった。

また、一対のローラ電極を押し付けて電流を流し、その接触部を抵抗発熱させて封止材を溶融するシーム溶接法は、封止歩留まりが優れている一方、封止材として高価なシールリングが必要となり、リング分の厚みのために小型化にも限度があった。さらに、高速に溶接作業ができなかった。このことから、小型化および低背化の市場要求により、電子ビーム加工による封止方法が注目されている。

以下に図１０、１１を用いて従来技術の振動子デバイスの製造方法を説明する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、容器１０２と蓋体１０６で構成された圧電振動子デバイス用パッケージ１００に蓋体１０６を溶接するときに、高真空の状況において電子ビーム１０８を利用して溶接封止を２回に分けて行うことが開示されている。

図１０は、１回目の照射で未溶接部１０７を残して第１溶接を実施した状態を示す。Ｐ１は、第１溶接の始点であり、Ｑ１は第１溶接の終点である。図１１は、２回目の照射で第２溶接を実施し、未溶接部１０７を溶接した状態を示す。Ｑ２は第２溶接の始点であり、Ｐ２は第２溶接の終点である。

パッケージ１００内の真空度が低下すると水晶振動子の等価直列抵抗（以下ＣＩ値と略称する）が大きくなり、その結果、周波数特性が悪くなり安定した発振ができなくなってしまうという問題があるため、第１溶接と第２溶接は、真空度の高い状態で溶接する必要がある。そこで、パッケージ１００内の真空度を高くするために、第１溶接時に封止材１０５から発生したガスを未溶接部１０７より排出し、その状態で第２溶接を行っている。

このようにして、パッケージ１００内の残留ガスを少なくし、真空度を高めるようにし
ている。また、特許文献２にも特許文献１と同様に２回の溶接封止により、真空度の高い状態でパッケージを封止する技術が開示されている。

次に、図１２を用いて従来技術のパッケージの製造方法を説明する（例えば、特許文献３参照）。特許文献３には、チャンバー１３０内の圧力を調整して、シリコンウエハから製作した支持基板１４２（ガラス）と封止基板１４１（シリコン）とを、陽極接合によって接合する製造方法が開示されている。

支持基板１４２と封止基板１４１とが未接合の状態で組み立てた未接合パッケージ１４０をチャンバー１３０内のホットステージ１５０上に乗せた状態で、チャンバー１３０内の圧力を所定の圧力に調整する。所定の圧力に調整されたら、その状態で支持基板１４２と封止基板１４１に電源１６０の電圧を負荷することで陽極接合を実施して支持基板１４２と封止基板１４１とが接合される。

特開２００１−２５７２７９号公報（第３頁、図２、図３） 特開２０００−２２３６０４号公報（第３〜４頁、図１） 特開２００５−１６９６５号公報（第６〜７頁、図２）

特許文献１、２に開示されている振動子デバイスの製造方法では、高真空状態で水晶振動子を気密封止してパッケージを封止しているため、水晶振動子のＣＩ値を小さくすることができるので、周波数特性が良くなり安定した発振を行うことができる。

しかしながら、従来の振動子デバイスの製造方法で製造された振動子デバイスでは、ＣＩ値が小さくなることで安定した発振を行える反面、Ｑ値（共振曲線の鋭さを表す量で、この量が大きい程共振曲線は鋭くなる）が高くなり、水晶振動子が安定して駆動するまでの時間が長くなるという問題がある。

また、従来の振動子デバイスの製造方法で製造された振動子デバイスを振動型ジャイロセンサや振動型加速度センサ等の物理量センサに利用する場合、ＣＩ値が小さくなることで安定した発振を行える反面、Ｑ値が高くなり、水晶振動子が安定して駆動するまでの時間が長くなってしまう。その結果、水晶振動子から検出される検出波形が安定するまでの時間（起動時間）を短縮できないという問題がある。

また、特許文献１、２に開示されている振動子デバイスの製造方法では、第１溶接と第２溶接とを電子ビーム溶接やレーザビーム溶接を用いて溶接することが開示されている。電子ビーム溶接の場合には当然目視が不可能なため、精密な治具により溶接位置を正確に位置決めする必要があり、作業に手間がかかる。

レーザビーム溶接の場合には、第１溶接のように溶接領域が多いときは短時間での作業を考えて高速走査で溶接することになるが、レーザビームの特性上高速走査での溶接はできない。したがって、確実に溶接するためには低速走査するしかなく、短時間で作業ができず、部材へのダメージやアウトガス発生等の問題がある。

また、特許文献３に開示されているパッケージの製造方法では、チャンバー内の圧力を調整してシリコンウエハより製作された未接合パッケージを陽極接合によって接合している。これによれば、上記した特許文献１、２のようにパッケージ内を高真空状態にしないので、ＣＩ値が小さくならないためにＱ値が高くならない。

しかしながら、シリコンウエハより製作されたパッケージは、それ自体が圧電体でないため、圧電材料の膜付け作業が必要となる。更に、圧電体に比べて経時安定性や温度特性が悪いため、製品性能が劣るという欠点がある。

本発明は、上記の従来技術における問題点を解決するためになされたものであり、第１の目的は圧電振動子パッケージを溶接封止するときの作業性が良好で、圧電振動子の起動時間が短い圧電振動子パッケージ及びその製造方法を提供すること、第２の目的は圧電振動子パッケージを溶接封止するときの作業性が良好で、圧電振動子から検出される検出信号が安定するまでの起動時間を短縮した高精度の物理量センサーを提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明の圧電振動子パッケージの製造方法は、開口を有し内部の収容部に圧電振動子が収納される容器と、前記開口の周縁に接合して前記開口を覆う蓋体とを有し、前記容器と前記蓋体とが対向する接合部で封止材により接合される圧電振動子用パッケージの製造方法において、前記蓋体と前記容器をチャンバー内に配設し、前記蓋体に電子ビームを照射することで前記封止材を溶融し、前記蓋体または前記容器に前記収容部と外部とを連通する未溶接部を残して溶接する一次溶接工程と、前記一次溶接工程での溶接領域よりも少ない溶接領域である前記未溶接部をレーザビームを照射することで溶接する二次溶接工程と、前記二次溶接工程を行う前に、前記チャンバー内の圧力を所定の圧力に調整するチャンバー内圧力調整工程と、を有することを特徴とする。

係る構成によれば、二次溶接工程において、一次溶接工程での溶接領域よりも少ない溶接領域である未溶接部をレーザビーム照射で行うことで、目視による溶接位置を微調整できるために作業性が良好で且つ精密な治具等が不要になる。レーザビームは、溶接領域が少ない場合には短時間で溶接することができるため、二次溶接工程にのみ使用すれば作業時間は長くならない。

更に、二次溶接工程を行う際にチャンバー内の圧力を所定圧力に調整することで、ＣＩ値を所定の範囲で制御することができ、駆動特性と起動特性のバランスを良好にできる。その結果、作業時間が長くなく作業性が良好で且つ圧電振動子の駆動特性と起動特性の良好な圧電振動子パッケージを製造することができる。

また、前記チャンバー内圧力調整工程は、前記チャンバー内の圧力を目標圧力値よりも低くして高真空状態にする真空引き工程と、この真空引き工程の後に、窒素ガスまたは希ガスを導入して前記目標圧力値まで圧力を高くするガス導入工程とを有することを特徴とする。

係る構成によれば、圧電振動子は窒素ガスまたは希ガス中で封止されることにより、圧電振動子に不純物等が付着することが無く、劣化防止に役立ち、長期保存性が可能となる。

また、前記未溶接部は、前記蓋体と前記容器との間に形成することを特徴とする。係る構成によれば、前記容器に外部とを連通させる貫通孔を設ける必要がなく、貫通孔封止材および貫通孔封止材充填工程が不要になるので、コストダウンと工数削減が可能となる。

また、前記未溶接部は、前記容器の前記蓋体と反対側の底部に形成することを特徴とする。係る構成によれば、未溶接部の位置を精度良く形成できるので貫通孔封止材により確実に溶接することができる。その結果、封止不良すなわちリーク不良がなくなる。

また、前記チャンバー内圧力調整工程において、前記チャンバー内の目標圧力値を１６
〜２６６Ｐａとすることを特徴とする。係る構成によれば、圧電振動子のＣＩ値を適正値に制御することが可能となり、圧電振動子の駆動特性と起動特性のバランスを最適にすることができる。

また、前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする。係る構成によれば、圧電材料の膜付け作業が不要となり、更に、経時安定性や温度特性が良好なため製品性能に優れる。

また、上述した目的を達成するために、本発明の物理量センサーは、圧電振動子パッケージを用いて外部から印加された物理量を検出することを特徴とする。係る構成によれば、ＣＩ値を所定の範囲に制御することができ、検出特性と起動特性のバランスを良好にできる。その結果、起動時間を短縮した高精度の物理量センサーを提供することができる。

また、前記物理量センサーが、振動型ジャイロセンサーであることを特徴とする。係る構成によれば、ＣＩ値を所定の範囲に制御することができ、検出特性と起動特性のバランスを良好にできる。その結果、起動時間を短縮した高精度の振動型ジャイロセンサーを提供することができる。

本発明によれば、圧電振動子パッケージを溶接封止するときの作業性が良好で、圧電振動子の駆動特性と起動特性が良好な圧電振動子パッケージ及びその製造方法を提供することができる。また、圧電振動子パッケージを溶接封止するときの作業性が良好で圧電振動子からの検出信号が安定するまでの起動時間を短縮した高精度の物理量センサーを提供することができる。

（第１の実施の形態）
以下に図１〜５に基づいて、この発明に係る圧電振動子パッケージの製造方法及びこの製造方法により製造された圧電振動子パッケージの好適な第１の実施の形態を詳細に説明する。ここでは、圧電振動子パッケージとして、容器内に水晶振動子が収納されて気密封止された水晶振動子パッケージについて例示し、特に、水晶振動子が表面実装されたものについて説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水晶振動子パッケージの製造方法における各工程を示すフローチャートである。また、図２は、図１の製造方法により製造された水晶振動子パッケージの模式的な断面図である。

また、図３〜図４は、図１の製造方法における各工程を説明するための模式的な平面図である。具体的には、図３〜図４は、一次溶接工程及び二次溶接工程におけるビームの照射方法を示しており、溶接工程における電子ビーム１８と半導体レーザビーム１９の軌跡を示している。

図２に示す水晶振動子パッケージの構成について説明する。水晶振動子パッケージ１０は、開口を備えた箱形形状の収容部に水晶振動子１１を収容した容器１２と、容器１２の開口を封止材１５を介して封止するための蓋体１６とで構成されている。容器１２は、底壁と、底壁の外周に沿って配置された側壁とから構成され、上部が開口した箱形形状であり、その上面中央部に水晶振動子１１を収容する収容部としてのキャビティ１３を有している。

容器１２の構成材料としては、セラミックス、樹脂等が挙げられるが、ここでは、容器
１２が例えば酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等のセラミックスから構成されている。容器１２の底面には水晶振動子１１を搭載するための支持台１４が形成されており、封止材１５を介して、支持台１４に、水晶振動子１１を容器１２の底面と平行に搭載されている。それにより、容器１２内に水晶振動子１１が収納された構成が実現される。

上記のようにして容器１２内に水晶振動子１１を配置して収納した後、容器１２の開口を封止するように、蓋体１６を、封止材１５を介して容器１２の側壁上面１２ａに配置する。封止材１５を均一に溶融させるために、容器１２と蓋体１６とを位置決めし、密着させることが必要になる（加工治具は図示せず）。

なお、蓋体１６側から蓋体１６の二つの短辺中央部に抵抗溶接機のローラ電極を押圧し、それにより、短辺中央部二箇所において、蓋体１６を容器１２に抵抗溶接して仮付け（仮溶接）してもよい。

図２に示すように、蓋体１６は、平面視において外周が容器１２の外周とほぼ一致する形状（若干容器１２と比較する小さい寸法）を有する。蓋体１６は金属から構成され、ここでは、例えばＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金やＦｅ−Ｎｉ合金等が用いられている。

容器１２と蓋体１６との間に介在する封止材１５には、共晶組成のろう材料や半田材料、あるいは低融点ガラス等が用いられる。ここでは、融点によってろう材料と半田材料とを区別しており、ろう材料は４５０℃以上で溶融する材料であり、半田材料は４５０℃未満で溶融する材料である。

ろう材料としては、例えばＡｇ−Ｃｕ合金で構成される銀ろう、Ａｌ−Ｓｉ合金で構成されるアルミニウムろう、Ｎｉ−Ｃｒ合金で構成されるニッケルろう、Ａｕ−Ｃｕ合金やＡｕ−Ｎｉ合金で構成される金ろう、Ｐｄ−Ａｇ合金やＰｄ−Ｎｉ合金で構成されるパラジウムろう等の金属ろうが用いられる。

また、半田材料としては、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ合金で構成される錫−鉛半田、Ａｌ−Ｓｉ合金で構成されるアルミニウム半田、Ａｕ−Ｓｉ合金やＡｕ−Ｓｎ合金で構成される金半田、Ｃｄ−Ｚｎ合金で構成されるカドミウム半田等の金属半田が用いられる。

また、低融点ガラスは、具体的には３００〜７００℃で溶融・軟化するガラスであって、例えば、ＰｂＯとＢ２Ｏ３とを主成分として含む無機低融点ガラスや、無機物と有機物とを含むハイブリッド低融点ガラス等が用いられる。ここでは、図２の水晶振動子パッケージ１０では、Ａｎ−Ｓｎ合金で構成された金半田封止材が用いられており、封止材１５は、予め蓋体１６の周縁部に配設されている。

また、容器１２の側壁上面１２ａには、タングステンからなるメタライズ層が設けられており、そのメタライズ層上（その露出する表面）には、ニッケルメッキと金メッキを施して層状に形成している。

蓋体１６と容器１２とを位置決めし密着させた状態で、電子ビーム加工装置内の封止加工室チャンバー（図示せず）内において、図３に示す通り、蓋体１６側から蓋体１６の周縁に沿って所定方向に電子ビーム１８を走査させ、未溶接部１７を残してビーム照射を行い、照射部分の封止材１５を溶融させる（一次溶接工程）。

そして、その後図４に示すように、溶接していない未溶接部１７にレーザビーム１９を照射して完全に水晶振動子パッケージ１０を封止する（二次溶接工程）。

図１に示す通り、水晶振動子パッケージ１０の封止工程は、所定領域には電子ビーム１８を照射せず未溶接部１７として残し、それ以外の領域を封止する一次溶接工程（ステップＳ１０１）と、未溶接部１７にレーザビーム１９を照射して完全に水晶振動子パッケージ１０を封止する二次溶接工程（ステップＳ１０６）とを含む。

未溶接部１７は、容器１２の収容部であるキャビティ１３と外部とを連通するために設けられている。本実施の形態における電子ビーム１８の照射は、通常の電子ビーム加工装置を用い、レーザビーム１９の照射は、通常の半導体レーザ半田付け装置を用いて行う。

次に、図１を用いて水晶振動子パッケージ１０の封止工程について詳細に説明する。まず、容器１２内に水晶振動子１１を収納し（ステップＳ１０１）、その後、容器１２の開口を封止するように蓋体１６を容器１２の側壁上面１２ａに位置決めしながら配置する（ステップＳ１０２）。

［一次溶接工程：ステップＳ１０３］
水晶振動子パッケージの封止時には、まず、図３に示すように、未溶接部１７を形成するための一次溶接工程（ステップＳ１０３）が行われる。二次溶接工程で未溶接部１７を溶接する際に、封止材１５中から発生するガスを微量化するために、点Ｒと点Ｓとの領域が０．８ｍｍ以下になるように設定する。

具体的には、図３に示す通り、まず、電子ビーム１８が、未溶接部１７の一端である点Ｓを始点として蓋体１６側から水晶振動子パッケージ１０に照射され、蓋体１６の周縁の沿って点Ｒまで時計と順方向に順次走査される。このとき、一次溶接工程用のチャンバー内の圧力は高真空の状態となっている。

［アニール処理工程：ステップＳ１０４］
次いで、アニール処理工程ステップＳ１０４について説明する。一次溶接工程で未溶接部１７を形成した水晶振動子パッケージ１０は、一次溶接工程用の封止加工室チャンバー（図示せず）から取り出して図５に示す封止加工室チャンバー３０内に搬送される。

封止加工室チャンバー３０内を高真空で排気させた後、水晶振動子パッケージ１０を２００℃以上加熱処理することで、封止加工室チャンバー３０内が真空状態で保持されていることから、水晶振動子パッケージ１０内部に存在する揮発成分を、効率良く排気を行うことが可能となる。

加熱手段としては、ヒータを用いた熱板上で加熱する方法や、ハロゲンランプ等を設けて水晶振動子パッケージ１０を直接ランプ照射する方法でもよいが、水晶振動子パッケージ１０を冷却させる効率を考慮すると、容器１２および蓋体１６の少なくとも一方にレーザビームを照射して、水晶振動子パッケージ１０を個々に加熱処理してもよい。

具体的には、半導体レーザの出力値を下げて、複数回間欠的にレーザビームを照射してもよく、また、位置の異なる複数の領域の各々に、一回または複数回間欠的にレーザビーム照射してもよい。レーザの出力値を下げることにより、未溶接部１７の封止材１５はほとんど溶融しない。

この未溶接部１７（すなわち外部との連通部）を介して、アニール処理により除去された揮発成分由来のガスを水晶振動子パッケージ１０の外部（すなわち加工室内）に排気することが可能となる。

容器１２の底壁外面にレーザビームを照射してアニール処理を行ってもよい。この場合、レーザビームは、容器１２の底壁外面の所定領域にスポット状に照射してもよく、また、底壁外面の所定領域において、レーザビームを走査してビーム照射を行ってもよい。このようなレーザビームの照射は、一回でもよく、あるいは、複数回間欠的に行ってもよい。

具体的に、容器１２の底壁外面の同一領域に複数回間欠的にレーザビームを照射してもよく、また、位置の異なる複数の領域の各々に、一回または複数回間欠的にレーザビームを照射してもよい。

また、レーザビームの出力値は、後述する図１の二次溶接工程（ステップＳ１０６）におけるレーザビームの出力値と同じであってもよく、あるいは、これより低くてもよい。ここでは、レーザビームの出力値を、二次溶接工程（ステップＳ１０６）におけるレーザビームの出力値よりも低く設定している。具体的に、二次溶接工程（ステップＳ１０６）におけるレーザビームの出力より低い出力値とは、封止材１５がほとんど溶融しないビーム出力値である。

さらに、レーザビームを用いたアニール処理では、レーザビーム照射部分およびその近傍領域の温度が局所的に急激に上昇し、その後、レーザビーム照射を停止すると、これらの部分の温度が急激に下がる。

従って、加熱板や加熱ランプを用いて水晶振動子パッケージ１０全体を加熱してアニール処理する場合に比べて、水晶振動子パッケージ１０を各々に効率良く２００℃以上の高温に加熱することが可能になるとともに、効率良く冷却することも可能になったことから、冷却工程を別途設ける必要がない。

［チャンバー内圧力調整工程：ステップＳ１０５］
次いで、図５を用いてチャンバー内圧力調整ステップＳ１０５について説明する。半導体レーザ半田付け装置内の封止加工室チャンバー３０内を、高真空用ポンプであるクライオポンプ３１で充分に排気させた後、窒素ガス導入口３２から封止加工室チャンバー内に大気圧程度まで窒素ガスを導入する。

その後、あらびき用ポンプであるロータリーポンプ３３で真空引きし所望の目標圧力値に到達した時点でロータリーポンプ用バルブ３３ａを閉じて、封止加工室チャンバー３０内の圧力を目標圧力値に一定に保持させる。

封止加工室チャンバー３０内に導入するガスとしては、窒素以外に、ヘリウム、ネオン、アルゴンといった希ガスを用いることができる。希ガスは化合力のない安定な原子であるために、これらのガス雰囲気で水晶振動子１１を容器１２内に気密封止すると長期保存性を向上させることができる。

また、封止加工室チャンバー３０内圧力は、ロータリポンプ用バルブ３３ａを閉じるタイミングにより１６Ｐａ〜２６６Ｐａの範囲で容易に調整することができる。理論的には、水晶振動子パッケージ１０内部の真空度は封止加工室チャンバー３０内圧力と一致する。

［二次溶接工程：ステップＳ１０６］
次いで、二次溶接工程（ステップＳ１０６）について説明する。封止加工室チャンバー３０内の圧力を調整保持させた状態で、水晶振動子パッケージ１０の未溶接部１７に照準を合わせて、半導体レーザ１９を照射し、未溶接部１７の封止材１５を溶融させて水晶振
動子パッケージ１０を完全に気密封止する。

図４に示すように、具体的には点Ｒと点Ｓとの距離が０．８ｍｍ以下の微小な範囲で安定して形成されており、半導体レーザを走査する必要がなく、スポット状に照射することで未溶接部１７の封止材１５を溶融させて水晶振動子パッケージ１０を完全に気密封止することができる。

ここで、この二次溶接工程では、未溶接部１７が微小な範囲で制御されていることから、溶接する際に未溶接部１７が溶融し封止材１５から発生するガス量（すなわち水晶振動子パッケージ１０内部に封入されるガス量）は極めて微量である。したがって、水晶振動子パッケージ１０は、前述した封止加工室チャンバー３０内と同じ圧力である１６Ｐａ〜２６６Ｐａ範囲の雰囲気で気密封止することができる。

封止加工室チャンバー３０内の圧力を１６Ｐａ〜２６６Ｐａとして水晶振動子パッケージ１０を製造すると、水晶振動子１１の駆動特性と起動特性のバランスが良好にできる効果がある。圧力が１６Ｐａ〜２６６Ｐａ範囲以外の場合には、この特有の効果が出ない。

以上のように、本実施の形態の水晶振動子パッケージの製造方法によれば、電子ビーム１８により溶接する領域が極めて少ない未溶接部１７を残して一次溶接し、その後、封止加工室チャンバー３０内の圧力を高真空でない所定圧力に調整してレーザビーム１９によって未溶接部１７を二次溶接するので、目視での位置合わせの微調整ができ作業性が良好であり、且つ、ＣＩ値を所定の範囲で制御可能なため、水晶振動子１１の駆動特性と起動特性のバランスの良好な水晶振動子パッケージを製造することができる。

また、未溶接部１７の領域が極めて少ないため、二次溶接工程における溶接でのガス発生量が極微量化できる。さらに、二次溶接工程前にはワークの充分なアニール処理が行われ、未溶接部１７から水晶振動子パッケージ１０内部の不純物や揮発成分が完全に排気される。

その結果、二次溶接工程において、封止加工室チャンバー３０内圧力とほほ同じ圧力の窒素ガスまたは希ガス等の雰囲気で水晶振動子パッケージを気密封止することが可能となる。それゆえ、良好な特性と安定した信頼性を有する水晶振動子パッケージの製造方法を提供することができる。

（第２の実施の形態）
図６〜図８を用いて、この発明に係る圧電振動子パッケージの製造方法及びこの製造方法により製造された圧電振動子パッケージの第２の実施の形態を詳細に説明する。圧電振動子パッケージとして、第１の実施の形態と同様に容器内に水晶振動子が収納されて気密封止された水晶振動子パッケージについて説明する。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係る水晶振動子パッケージの製造方法における各工程を示すフローチャートである。また、図７は、図６の製造方法により製造された水晶振動子パッケージ４０の模式的な断面図である。また、図８は、図６の一次溶接工程（ステップＳ２０３）における電子ビーム照射の軌跡を示している。図９は、二次溶接工程（ステップＳ２０７）で未溶接部である貫通孔４７をレーザビームを照射して完全に封止した状態を示している。

本実施の形態にかかる水晶振動子パッケージ４０の製造方法は、第１の実施の形態の場合と同様、図６のフローチャートで示す各処理工程ステップＳ２０１〜Ｓ２０７を含み、図７の水晶振動子パッケージ４０を製造するものであるが、以下の点が第１の実施の形態
とは異なっている。

図７に示すように、本実施の形態の水晶振動子パッケージ４０では、容器４２の蓋体４６と反対側に位置する底部４２ｂに、水晶振動子パッケージ４０のキャビティ４３（水晶振動子４１を収容した収容部）と水晶振動子パッケージ４０の外部とを連通させる貫通孔４７が設けられている。

したがって、ここでは、貫通孔４７が未溶接部に相当する。さらに、完全封止する際に、貫通孔４７に貫通孔封止材４８が挿入充填される。この貫通孔４７以外は第１の実施の形態と同じなので説明は省略する。

次に、本実施の形態の水晶振動子パッケージ４０の製造方法を説明する。まず、本実施の形態では、第１の実施の形態の場合と同様に、図６のステップＳ２０１及びステップＳ２０２の処理が行われる。その後、図６の一次溶接工程（ステップＳ２０３）において、真空状態に保持された電子ビーム加工装置の加工室内で、水晶振動子パッケージ４０の蓋体４６側から図８に示すように電子ビーム４９を照射する。

すなわち、始点および終点を点Ｐとして蓋体４６の周縁全周にわたって電子ビーム４９を走査する。それにより、蓋体４６の周縁全周において封止材４５が溶融し、蓋体４６と容器４２とが完全に溶接される。

なお、ここでは電子ビーム４９により蓋体４６と容器４２との溶接を行っているが、溶接方法として電子ビーム照射以外でも良く、例えば、レーザビーム照射、または真空加熱炉あるいはハロゲンランプ等で蓋体４６と容器４２とを加熱して溶接を行ってもよい。ただし、高速作業を考慮すると電子ビームで溶接するのが最適である。

このような容器４２と蓋体４６との一次溶接工程（図６のステップＳ２０３）においては、例えば、封止材４５の揮発成分や、図７の水晶振動子パッケージ４０に付着した揮発成分に由来のガス等が生じるが、ここでは、このガスが、容器４２の底部４２ｂに配設された貫通孔４７を介して水晶振動子パッケージ４０のキャビティ４３から外部（ここでは、真空状態の加工室内）に排出される。

上記のようにして容器４２と蓋体４６との一次溶接を行った後、図７に示すように、容器４２の底部４２ｂの貫通孔４７を塞ぐべく、貫通孔封止材４８を貫通孔４７に装填する。ここでは、ほぼ球状の金属ボール（貫通孔封止材４８）を使用する。材質としては、例えば金−錫または金−ゲルマニウム等の合金から形成される。このような貫通孔封止材４８の配置を行う工程を、貫通孔封止材充填工程と呼ぶ（図１のステップＳ２０４）。

次に、封止加工室チャンバー３０内に搬送し、図６のアニール処理工程（ステップＳ２０５）において第１の実施の形態と同様な方法により、アニール処理を行う。それにより、前述のように水晶振動子パッケージ４０に付着した揮発成分が揮発してガスを生じる。

ここでは、水晶振動子パッケージ４０を所定時間加工室内に放置することにより、加工室内において、この揮発成分由来のガスが、貫通孔４７と貫通孔封止材４８との間に形成された隙間を通じて水晶振動子パッケージ４０のキャビティ４３から外部（すなわち、加工室内）に排出される。

なお、上記においては、図６の貫通孔封止材充填工程（ステップＳ２０４）の後にアニール処理工程（ステップＳ２０５）が実施される場合を例示したが、アニール処理工程（ステップＳ２０５）は、貫通孔封止材充填工程（ステップＳ２０４）の前でもよい。

次に、上記のアニール処理工程（ステップＳ２０５）の後、レーザビーム溶接装置内の封止加工室チャンバー内の圧力を第１の実施の形態と同様に処理し、封止加工室チャンバー内圧力調整工程（ステップＳ２０６）を行う。

最後に、二次溶接工程（ステップＳ２０７）により貫通孔４７のレーザビーム照射を行って図７の水晶振動子パッケージ４０を完全封止する。具体的に、図７に示した貫通孔４７に装填された球状の金属ボール（貫通孔封止材４８）に向けてレーザビームを照射し金属ボール（貫通孔封止材４８）を溶融させる。

それにより、図９に示すように、溶融した球状の金属ボール（貫通孔封止材４８）が貫通孔４７内に充填されて貫通孔４７が塞がれ、水晶振動子パッケージ４０の完全封止が実現される。

本実施の形態の水晶振動子パッケージの製造方法では、二次溶接工程（ステップＳ２０７）において、外形が微小な球状の金属ボール（貫通孔封止材４８）を使用することにより、二次溶接工程における溶接でのガス発生量が極微量化できる。

さらに、二次溶接工程（ステップＳ２０７）前にはワークの充分なアニール処理工程（ステップＳ２０５）が行われ、貫通孔４７と貫通孔封止材４８との間に形成された隙間から水晶振動子パッケージ４０内部の不純物や揮発成分が完全に排気される。

その結果、前述した第１の実施の形態と同様、二次溶接工程（ステップＳ２０７）において、封止加工室チャンバー内圧力とほほ同じ圧力の窒素ガスまたは希ガスの雰囲気で圧電振動子４１を気密封止することが可能となる。したがって、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態として、第１及び第２の実施の形態の水晶振動子パッケージを物理量センサに用いる場合を説明する。この水晶振動子パッケージを物理量センサーに用いた場合、水晶振動子のＣＩ値を所定の範囲に制御することができるので、Ｑ値を良好な所定範囲に設定できる。

また、Ｑ値を所定範囲に設定できるので起動時間を短縮できる。その結果、外部から印加された物理量を検出するときの検出特性と起動特性のバランスの良好な物理量センサを提供できる。なお、本実施の形態の物理量センサーは、具体的には、振動型ジャイロセンサーや振動型加速度センサーに適している。

上記の第１及び第２の実施の形態は、本発明に係る圧電振動子パッケージの製造方法の例示であり、本発明は、第１及び第２の実施の形態に限定されるものではない。

例えば、上記の第１及び第２の実施の形態においては、図１および図６に示すように、一次溶接工程（ステップＳ１０３、ステップＳ２０３）を行った後にアニール処理工程（ステップＳ１０４、ステップＳ２０５）を行っているが、アニール処理工程（ステップＳ１０４、ステップＳ２０５）を、一次溶接工程（ステップＳ１０３、ステップＳ２０３）の前に行ってもよい。

また、上記の第１の実施の形態において、図１に示す一次溶接工程（ステップＳ１０３）では、電子ビームを照射する際に、高出力の電子ビームを前述の軌跡を描くように一度に照射して蓋体１６と容器１２との溶接を行ってもよい。

あるいは、まず低出力の電子ビームを前述の軌跡を描くように一回または複数回照射して蓋体１６と容器１２と封止材１５とを所定温度まで加熱し封止材１５を変形させ、その後、高出力の電子ビームを照射して封止材１５を溶融させ、蓋体１６と容器１２との溶接を行ってもよい。

上記の第１及び第２の実施の形態においては、本発明にかかる圧電振動子パッケージが、容器１２内に音叉型の水晶振動子１１を収納する場合について説明したが、音叉型以外の水晶振動子が収納されてもよい。

さらに、水晶振動子１１に限らず、その他の圧電振動子を収納する構成の圧電振動子パッケージについても、本発明は適用可能である。例えば、セラミック素子、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）クリスタル素子を容器内に収納する圧電振動子パッケージに本発明を適用してもよい。

実施例においては、上記の第１の実施の形態に示す製造方法により図２の水晶振動子パッケージを製造した。また、比較例１では、封止加工室チャンバー内の圧力調整を行わないで電気炉溶接法による製造方法により水晶振動子パッケージを製造した。さらにまた、比較例２では、封止加工室チャンバー内の圧力調整を行わないで電子ビーム加工法による製造方法により水晶振動子パッケージを製造した。

そして、実施例および比較例１、２の水晶振動子パッケージについて、制御回路を組み合わせて振動型ジャイロセンサーを完成させて、検出感度特性（主にＳ／Ｎ特性）と起動特性（水晶振動子の発振振幅が一定になるまでに要する時間）について試験した。以下、詳細に説明する。

（実施例）
実施例においては、第１の実施の形態で前述した方法に従い、図１に示す一次溶接工程（ステップＳ１０３）、アニール処理工程（ステップＳ１０４）およびチャンバー内圧力調整工程（ステップＳ１０５）、さらに、二次溶接工程（ステップＳ１０６）を行って水晶振動子パッケージを製造した。

（比較例１）
比較例１においては、電気炉溶接法により、高真空状態で蓋体と容器を３００℃以上に加熱して、蓋体の周縁部に設置された封止材の全体を一度に溶融させて水晶振動子パッケージを製造した。ここでは、第１の実施の形態のチャンバー内圧力調整工程（ステップＳ１０５）は実施していない。

（比較例２）
比較例２においては、電子ビーム加工法により、高真空状態で図１に示す一次溶接工程（ステップＳ１０３）及び二次溶接工程（ステップＳ１０６）を行って水晶振動子パッケージを製造した。ここでは、第１の実施の形態のチャンバー内圧力調整工程（ステップＳ１０５）は実施していない。

上記のようにして製造した各水晶振動子パッケージを制御回路と組み合わせて、振動型ジャイロセンサーとしての特性試験を行った（試験数は各々５０個ずつ）。実施例の方法により製造した水晶振動子パッケージは、駆動側のＣＩ値が適正範囲であり（パッケージ内部の圧力値が１６〜２６６Ｐａの範囲に制御されている）、特性試験した結果、全数が検出感度良好で起動時間も１秒未満であった。

一方、比較例１の方法により製造した水晶振動子パッケージは、駆動側のＣＩ値が大きすぎるために（パッケージ内部の圧力値が２６６Ｐａを越えている）、約半数が検出感度不良であった。また、比較例２の方法により製造した水晶振動子パッケージは、駆動側のＣＩ値が小さすぎるために（パッケージ内部の圧力値が１６Ｐａ未満である）、全数が検出感度良好であったが、起動安定するまでに１秒以上の時間がかかってしまい起動特性不良であった。

以上のように、本発明に係る圧電振動子パッケージの製造方法及びこの製造方法により製造された圧電振動子パッケージは、パッケージ内の圧力調整が容易に行え、かつ生産性が高い。特に、収納された圧電振動子の真空特性が内部圧力に大きく影響する振動型ジャイロセンサーや振動型加速度センサーの製造に適している。

本発明の第１の実施の形態に係る圧電振動子パッケージの製造方法の各工程を示すフローチャートである。 図１の製造方法により製造された圧電振動子パッケージの模式的な断面図である。 図１の製造方法の一次溶接工程における電子ビームの照射方法を説明する模式的な平面図である。 図１の製造方法の二次溶接工程におけるレーザビームの照射方法を説明する模式的な平面図である。 図１の製造方法の封止加工室チャンバー内の圧力調整方法を説明する模式的な断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る圧電振動子パッケージの製造方法の各工程を示すフローチャートである。 図６の製造方法により製造された圧電振動子パッケージの模式的な断面図である。 図６の製造方法の一次溶接工程における電子ビームの照射方法を説明する模式的な平面図である。 図６の製造方法により製造された圧電振動子パッケージの模式的な断面図である。 従来の圧電振動子デバイスの製造方法を示す説明図である。 従来の圧電振動子デバイスの製造方法を示す説明図である。 従来のシリコンパッケージの製造方法を示す説明図である。

符号の説明

１０、４０：水晶振動子パッケージ
１１、４１：水晶振動子
１２、４２：容器
１２ａ：側壁上面
１３、４３：キャビティ
１４：支持台
１５、４５：封止材
１６、４６：蓋体
１７：未溶接部
１８、４９：電子ビーム
１９：レーザビーム（半導体レーザ）
３０：封止加工室チャンバー
３１：クライオポンプ
３２：窒素ガス導入口
３３：ロータリーポンプ
３３ａ：ロータリポンプ用バルブ
４２ｂ：底部
４７：貫通孔
４８：貫通孔封止材

Claims (10)

1. 開口を有し内部の収容部に圧電振動子が収納される容器と、前記開口の周縁に接合して前記開口を覆う蓋体とを有し、前記容器と前記蓋体とが対向する接合部で封止材により接合される圧電振動子用パッケージの製造方法において、
   前記蓋体と前記容器をチャンバー内に配設し、前記蓋体に電子ビームを照射することで前記封止材を溶融し、前記蓋体または前記容器に前記収容部と外部とを連通する未溶接部を残して溶接する一次溶接工程と、
   前記一次溶接工程での溶接領域よりも少ない溶接領域である前記未溶接部をレーザビームを照射することで溶接する二次溶接工程と、
   前記二次溶接工程を行う前に、前記チャンバー内の圧力を所定の圧力に調整するチャンバー内圧力調整工程と、を有することを特徴とする圧電振動子パッケージの製造方法。
2. 前記チャンバー内圧力調整工程は、前記チャンバー内の圧力を目標圧力値よりも低くして高真空状態にする真空引き工程と、この真空引き工程の後に、窒素ガスまたは希ガスを導入して前記目標圧力値まで圧力を高くするガス導入工程とを有することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
3. 前記未溶接部は、前記蓋体と前記容器との間に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
4. 前記未溶接部は、前記容器の前記蓋体と反対側の底部に形成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
5. 前記チャンバー内圧力調整工程において、前記チャンバー内の目標圧力値を１６〜２６６Ｐａとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
6. 前記一次溶接工程の後に、前記容器と前記蓋体とを加熱するアニール処理工程を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
7. 前記圧電振動子は、水晶振動子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の圧電振動子パッケージの製造方法。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧電振動子パッケージの製造方法を用いて製造したことを特徴とする圧電振動子パッケージ。
9. 請求項８に記載の圧電振動子パッケージを用いて外部から印加された物理量を検出することを特徴とする物理量センサー。
10. 前記物理量センサは、振動型ジャイロセンサーであることを特徴とする請求項９に記載の物理量センサー。

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