JP2010178113A

JP2010178113A - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP2010178113A
Application number: JP2009019190A
Authority: JP
Inventors: Manabu Matsumoto; 学松本
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】小型化が進んでも、蓋体を接合する際に、容器体の割れや欠けを防止することができる圧電デバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた２個一対の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、凹部空間を気密封止する蓋体と、を備え、蓋体の凹部空間側に面している主面に、外側縁から内側に向かって傾斜部が設けられていることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスに関するものである。

図８（ａ）は、従来の圧電デバイスを示し、ローラ電極の傾斜角度が大きい場合を示す概念図である。図８（ｂ）は、ローラ電極の傾斜角度が小さい場合を示す概念図である。
以下、圧電デバイスの一例として圧電振動子について説明する。
図８に示すように、従来の圧電振動子４００は、その例として容器体４１０、圧電振動素子４２０、蓋体４３０とから主に構成されている。
容器体４１０は、基板部４１０ａと枠部４１０ｂで構成されている。
この容器体４１０は、基板部４１０ａの一方の主面に枠部４１０ｂが設けられて凹部空間４１１が形成される。
また、枠部４１０ｂは、基板部４１０ａの一方の主面の外周縁部を囲繞するように設けられた封止用導体膜４１２上にロウ付けなどにより接続される。
その凹部空間４１１内に露出する基板部４１０ａの一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド４１３が設けられている。
また、基板部４１０ａは、積層構造となっており、基板部４１０ａの内層には、配線パターン（図示せず）等が設けられている。この配線パターンにより圧電振動素子搭載パッド４１３は、容器体４１０の基板部４１０ａの他方の主面に設けられている外部接続用電極端子４１４と接続している。
これら圧電振動素子搭載パッド４１３上には、導電性接着剤４４０を介して電気的に接続される一対の励振用電極を表裏主面に有した圧電振動素子４２０が搭載されている。この圧電振動素子４２０を囲繞する容器体４１０の枠部４１０ｂの頂面には金属製の蓋体４３０が被せられ、接合されている。これにより、凹部空間４１１が気密封止されている（特許文献１参照）。

前記蓋体４３０を容器体４１０の枠部４１１ｂに接合する方法としては、従来周知のシーム溶接法がある。
具体的には、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、収容空間を有する搬送治具ＨＪ内に収容された前記容器体４１０に蓋体４３０を配置し、シーム溶接機（図示せず）のローラ電極ＲＡ、ＲＢを蓋体４３０に接触させ、前記ローラ電極ＲＡ、ＲＢに電源を供給しながら、蓋体４３０の外側縁部に沿って動かすことで、前記蓋体４３０と前記枠部４１０ｂ間の金属を溶融させて接合する。
ローラ電極ＲＡ、ＲＢは円錐台形状であり、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、円錐台の円の中心点を通るように断面にした際に、大きい円の面の直径と斜辺との成す角が傾斜角度Ｄ２、Ｄ３である。
図８（ａ）に示すように、このローラ電極ＲＡの傾斜角度Ｄ２が大きい場合は、蓋体４３０と容器体４１０の枠部４１０ｂとを接合する接合幅が大きくなってしまう。また、図８（ｂ）に示すように、このローラ電極ＲＢの傾斜角度Ｄ３が小さい場合は、ローラ電極ＲＢは搬送治具ＨＪに接触して短絡してしまう。

特開２００１−１０２８９１号公報

しかしながら、従来の圧電デバイス２００においては、小型化が進むと、容器体４１０が薄くなり、蓋体４３０と容器体４１０の枠部４１０ｂとを接合する際に、シーム溶接機（図示せず）のローラ電極ＲＢの傾斜角度Ｒ３が小さくした場合には、搬送治具に接触してしまうことで短絡してしまい、蓋体４３０と容器体４１０の枠部４１０ｂとを接合することができないといった恐れがあった。
また、ローラ電極と搬送治具の接触を防止するために、ローラ電極ＲＡの傾斜角Ｄ２を大きくした場合には、蓋体４３０と容器体４１０の枠部４１０ｂとを接合する接合幅が大きくなってしまう。よって、蓋体４３０と容器体４１０との接合幅を大きくした分だけ熱応力がかかってしまうため、容器体４１０に割れやカケ等が生じてしまうといった課題があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、小型化が進んでも、蓋体を接合する際に、容器体の割れや欠けを防止することができる圧電デバイスを提供することを課題とする。

本発明の圧電デバイスは、基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた２個一対の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、凹部空間を気密封止する蓋体と、を備えた圧電デバイスであって、蓋体の凹部空間側に面している主面に、外側縁から内側に向かって傾斜部が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の圧電デバイスによれば、蓋体の凹部空間側に面している主面に、外側縁から内側に向かって傾斜部が設けられていることによって、ローラ電極と搬送治具の接触を防止するために、ローラ電極の傾斜角を大きくしても、蓋体と容器体の接触している幅が小さくなっているため、蓋体と容器体の枠部とを接合する接合幅を従来よりも小さくすることができる。よって、容器体にかかる熱応力を低減することができるため、容器体に生じる割れやカケ等を防止することができる。
また、本発明の圧電デバイスによれば、ローラ電極の傾斜角を大きくして用いることができるので、ローラ電極が搬送治具に接触してしまうことを防止し、蓋体と容器体の枠部とを確実に接合することができる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを構成する蓋体と枠部を示す概念図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を示す外観斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を接合する際の工程を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。（ａ）は、従来の圧電デバイスを示し、ローラ電極の傾斜角度が大きい場合を示す概念図であり、（ｂ）は、従来の圧電デバイスを示し、ローラ電極の傾斜角度が小さい場合を示す概念図である。

第１の実施形態は、圧電デバイスの例の１つである圧電振動子について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスを構成する蓋体と枠部を示す概念図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を示す外観斜視図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイスの蓋体を接合する際の工程を示す断面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子１００は、容器体１１０と圧電振動素子１２０と蓋体１３０で主に構成されている。この圧電振動子１００は、前記容器体１１０に形成されている第１の凹部空間１１１内に圧電振動素子１２０が搭載されている。その第１の凹部空間１１１が蓋体１３０により気密封止された構造となっている。

圧電振動素子１２０は、図１及び図２に示すように、水晶素板１２１に励振用電極１２２を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極１２２を介して水晶素板１２１に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板１２１は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極１２２は、前記水晶素板１２１の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
このような圧電振動素子１２０は、その両主面に被着されている励振用電極１２２から延出する引き出し電極と凹部空間１１１内底面に形成されている後述する圧電振動素子搭載パッド１１３とを、導電性接着剤１５０（図２参照）を介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間１１１に搭載される。このときの引き出し電極が設けられた一辺とは反対側の端辺を圧電振動素子１２０の自由端である先端部１２３とする。

図１〜図２に示すように、容器体１１０は、基板部１１０ａと、枠部１１０ｂとで主に構成されている。
この容器体１１０は、基板部１１０ａの一方の主面に枠部１１０ｂが設けられて、第１の凹部空間１１１が形成されている。
尚、この容器体１１０を構成する基板部１１０ａは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。また、基板部１１０ａは、セラミック材が積層した構造となっている。
枠部１１０ｂは、例えば、シールリングが用いられる。この場合、枠部１１０ｂは、４２アロイやコバール等の金属から成り、中心が打ち抜かれた枠状になっている。
また、枠部１１０ｂは、基板部１１０ａの一方の主面の外周を囲繞するように設けられた封止用導体膜１１２上にロウ付けなどにより接続される。
凹部空間１１１内で露出した基板部１１０ａの一方の主面には、２個一対の圧電振動素子搭載パッド１１３が設けられている。
容器体１１０の基板部１１０ａの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子１１４が設けられている。

図４に示す蓋体１３０は、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ合金（４２アロイ）やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金（コバール）などからなり、凹部空間１１１側に面している主面に、外側縁部から内側に向かって厚みが増すように傾斜部ＫＢが設けられている。
このような蓋体１３０は、凹部空間１１１を、窒素ガス雰囲気中や真空雰囲気中などで気密封止する際に用いられる。
具体的には、図５に示すように、蓋体１３０は、所定雰囲気で、収容空間Ｋを有する搬送治具ＨＪ内に収容された前記容器体１１０の枠部１１０ｂ上に載置され、枠部１１０ｂの表面の金属と蓋体１３０の金属の一部とが溶接されるように、シーム溶接機（図示せず）のローラ電極Ｒを蓋体１３０に接触させ、前記ローラ電極Ｒに電源を供給しながら、蓋体１３０の外側縁部に沿って動かすことで、枠部１１０ｂに接合される。
ローラ電極Ｒは円錐台形状であり、大きい円の面の直径と斜辺との成す角が傾斜角度Ｄ１である。つまり、傾斜角度Ｄ１が大きいとは、円錐台の円の中心点を通るように断面にした際に、大きい円の面の直径と斜辺との成す角が大きい方向に変更した場合を示すものである。
この傾斜角度Ｄ１が、例えば蓋体１３０の主面に対して８０°〜８６°になるローラ電極Ｒが用いられる。

ここで容器体１１０の縦寸法が２．０ｍｍで、横寸法が１．６ｍｍであり、図３に示す蓋体１３０と枠部１１０ｂが接触している箇所の幅Ｗ１、蓋体１３０と枠部１１０ｂの未接合幅Ｗ２、蓋体１３０と枠部１１０ｂの接合幅Ｗ３、蓋体１３０の傾斜部ＫＢの幅Ｗ４とした場合を例にして説明する。
例えば、蓋体１３０と枠部１１０ｂが接触している箇所の幅Ｗ１が、１００μｍの場合で、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されていない未接合幅Ｗ２が５０μｍの場合には、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されている接合幅Ｗ３は、５０μｍとなる。
また、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されていない未接合幅Ｗ２が２５μｍの場合には、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されている接合幅Ｗ３は、７５μｍとなる。
また例えば、蓋体１３０と枠部１１０ｂが接触している箇所の幅Ｗ１が２００μｍの場合で、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されていない未接合幅Ｗ２が１５０μｍの場合には、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されている接合幅Ｗ３は、５０μｍとなる。また、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されていない未接合幅Ｗ２が１２５μｍの場合には、前記蓋体１３０と枠部１１０ｂが接合されている接合幅Ｗ３は、７５μｍとなる。
しかしながら、接合幅Ｗ３が、５０μｍ未満の場合は、前記容器体１１０の凹部空間１１１内の気密封止が保たれなくなる。また、接合幅Ｗ３が７５μｍ以上の場合には、前記容器体１１０にかかる熱応力が大きくなり、容器体１１０に割れやカケ等を生じることになる。
また、蓋体１３０の傾斜部ＫＢの幅Ｗ４は、例えば、３０μｍ〜５０μｍである。この傾斜部ＫＢの幅Ｗ４だけ、蓋体１３０と容器体１１０の枠部１１０ｂが接触していない箇所を設けることができる。
このように、蓋体１３０と容器体１１０の枠部１１０ｂが接触していない箇所があることにより、シーム溶接機（図示せず）のローラ電極Ｒの傾斜角度Ｄ１を大きくしても、その接触していない箇所は溶接されないため、接合幅Ｗ３を小さくすることができる。
また、シーム溶接後でも傾斜部ＫＢの幅Ｗ４は、維持されることになる。

前記導電性接着剤１４０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、例えばアルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。

尚、前記容器体１１０は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、封止用導体膜１１２、圧電振動素子搭載パッド１１３、外部接続用電極端子１１４等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。

このように本発明の第１の実施形態に係る圧電デバイス１００によれば、蓋体１３０の凹部空間１１１側に面している主面に、外側縁部から内側に向かって傾斜部ＫＢが設けられていることによって、ローラ電極Ｒと搬送治具ＨＪの接触を防止するために、ローラ電極Ｒの傾斜角Ｄ１を大きくしても、蓋体１３０と容器体１１０の枠部１１０ｂとが接触している幅Ｗ１が小さくなっているため、蓋体１３０と容器体１１０の枠部１１０ｂとを接合する接合幅Ｗ３を従来よりも小さくすることができる。よって、容器体１１０にかかる熱応力を低減することができるため、容器体１１０に生じる割れやカケ等を防止することができる。
また、ローラ電極Ｒの傾斜角Ｄ１を大きくして用いることができるので、ローラ電極Ｒが搬送治具ＨＪに接触するのを防止し、蓋体１３０と容器体１１０の枠部１１０ｂとを確実に接合することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、圧電デバイスの一例である圧電発振器で説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイス２００は、容器体２１０の基板部２１０ａと第２の枠部２１０ｂによって設けられた第２の凹部空間２１５内に搭載されている集積回路素子２５０とを備えている点で第１の実施形態と異なる。

図６に示すように、本発明の第２の実施形態に係る圧電発振器２００は、容器体２１０と圧電振動素子１２０と蓋体１３０と集積回路素子２５０で主に構成されている。この圧電発振器２００は、前記容器体２１０に形成されている第１の凹部空間２１１内に圧電振動素子１２０が搭載され、第２の凹部空間２１５内には、集積回路素子２５０が搭載されており、その第１の凹部空間２１１が蓋体１３０により気密封止された構造となっている。

集積回路素子２５０は、図６に示すように、回路形成面に前記圧電振動素子１２０からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子２１４を介して圧電発振器２００の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
また、集積回路素子２５０には、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、３次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、３次関数発生回路には、温度センサが接続されている。
この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号（電圧値）が３次関数発生回路に出力される構成となっている。
集積回路素子２５０は、容器体２１０の第２の凹部空間２１５内に露出した基板部２１０ａに形成された集積回路素子搭載パッド２１６に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。

図６に示すように、容器体２１０は、基板部２１０ａと、枠部２１０ｂ、２１０ｃとで主に構成されている。
この容器体２１０は、基板部２１０ａの一方の主面に枠部２１０ｂが設けられて、第１の凹部空間２１１が形成されている。また、容器体２１０の他方の主面に枠部２１０ｃが設けられて、第２の凹部空間２１５が形成されている。
図６に示すように、第２の凹部空間２１５内に露出した基板部２１０ａの他方の主面には、複数の集積回路素子搭載パッド２１６と２個一対の圧電振動素子測定用パッド（図示せず）が形成されている。
容器体２１０の枠部２１０ｃの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子２１４が設けられている。

このように本発明の第２の実施形態に係る圧電デバイスを構成しても、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る圧電デバイスの断面図である。
第３の実施形態に係る圧電デバイスは、容器体の第２の凹部空間が、第１の凹部空間内に設けられている圧電発振器である点で第２の実施形態と異なる。

図７に示すように、第３の実施形態の圧電発振器３００は、容器体３１０と、圧電振動素子１２０と、蓋体１３０と、集積回路素子２５０とで主に構成されている。
例えば、容器体３１０は、基板部３１０ａと前記基板部３１０ａの一方の主面に設けられた枠部３１０ｂ、３１０ｃによって構成されている。
前記容器体３１０は、基板部３１０ａの一方の主面と枠部３１０ｂ、３１０ｃによって第１の凹部空間３１１が形成され、基板部１１０ａの一方の主面と枠部３１０ｂによって第２の凹部空間３１５が形成されている。
第１の凹部空間内３１１の枠部３１０ｂの主面には、圧電振動素子搭載パッド３１３が設けられ、圧電振動素子１２０が搭載されている。この凹部空間３１１を蓋体１３０で気密封止する。
容器体の第２の凹部空間３１５内底面には、集積回路素子搭載パッド３１６が設けられ、集積回路素子２５０が搭載されている。
容器体３１０の基板部３１０ａの他方の主面の４隅には、外部接続用電極端子３１４が設けられている。

このように本発明の第３の実施形態に係る圧電デバイスを構成しても、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

尚、本発明は前記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、前記した本実施形態では、圧電振動素子を構成する圧電材料として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電材料として用いた圧電振動素子でも構わない。

また、前記した本実施形態では、枠部にシールリングを用いた場合を説明したが、基板部１００ａと同様にセラミック材で形成しても構わない。
この場合、枠部の開口側頂面の全周には、環状の封止用導体パターンが形成され、蓋体は、この封止用導体パターン上に配置接合される。
この際の蓋体は、前記容器体の凹部空間を囲繞するように設けられた封止用導体パターンに相対する箇所に封止部材が設けられている。

１１０、２１０、３１０・・・容器体
１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ・・・基板部
１１０ｂ、２１０ｂ、３１０ｂ・・・枠部
２１０ｃ、３１０ｃ・・・枠部
１１１、２１１、３１１・・・凹部空間（第１の凹部空間）
１１２、２１２、３１２・・・封止用導体膜
１１３、２１３、３１３・・・圧電振動素子搭載パッド
１１４、２１４、３１４・・・外部接続用電極端子
２１５、３１５・・・第２の凹部空間
２１６、３１６・・・集積回路素子搭載パッド
１２０・・・圧電振動素子
１２１・・・水晶素板
１２２・・・励振用電極
１２３・・・先端部
１３０・・・蓋体
１４０・・・導電性接着剤
２５０・・・集積回路素子
１００、２００、３００・・・圧電デバイス
ＫＢ・・・傾斜部

Claims

基板部とこの基板部の一方の主面に枠部が設けられて凹部空間が形成された容器体と、
前記凹部空間内に露出した基板部の一方の主面に設けられた２個一対の圧電振動素子搭載パッドに搭載され、励振用電極が設けられている圧電振動素子と、
前記凹部空間を気密封止する蓋体と、を備え、
前記蓋体の凹部空間側に面している主面に、外側縁から内側に向かって傾斜部が設けられていることを特徴とする圧電デバイス。