JP2021051050A - 圧電振動デバイスの気密検査装置、気密検査システムおよび気密検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージサイズに関係なく、同じ検査精度で気密検査が行える圧電振動デバイスの気密検査装置、気密検査システムおよび気密検査方法を提供する。【解決手段】気密検査装置２００は、一対の励振電極が形成された振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う。気密検査装置２００は、圧電振動デバイスを収容した状態で、その内部圧力を変化させることのできるチャンバー２２０と、チャンバー２２０の内部圧力が変化している状態で圧電振動デバイスの発振周波数を測定可能な測定部２３０とを備えている。気密検査装置２００を用いた気密検査方法では、チャンバー２２０の内部圧力が変化している状態での測定部２３０の出力の変化に基づいて、圧電振動デバイスにおける気密不良の有無を判定することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電振動デバイスの気密検査装置、気密検査システムおよび気密検査方法に関する。

振動部をパッケージ内に気密封止する圧電振動デバイスにおいては、気密検査が必要となる。従来の気密検査は、エアリークテストやＨｅ（ヘリウム）リークテストと呼ばれるものであり、パッケージを所定の気体（空気やヘリウム）雰囲気中で加圧した後、真空内でパッケージから漏れ出す気体を検出することで検査を行っている。

近年、パッケージを小型化した圧電振動デバイスが製品化されているが、小型パッケージのデバイスでは、漏れ出す気体が微量であるため、エアリークテストやＨｅリークテストでの検査が困難であるといった問題がある。

これに対し、特許文献１には、封止の終了した圧電振動デバイスを加圧測定装置内で加圧ガスによって加圧し、加圧前後で圧電振動デバイスの電気特性（例えば発振周波数）
を測定し、加圧前後の電気特性の変化によって気密検査を行うことが開示されている。

特開２００９−２２２６９３号公報

しかしながら、特許文献１では、加圧測定装置内が所定圧力になるまで加圧する必要があり、気密検査に時間が掛かるといった問題がある。また、加圧前後の電気特性の変化によって気密不良の有無を判定するが、圧電振動デバイスの特性バラつきにより判定閾値の適切な設定が難しく、検査精度が維持しにくいといった問題もある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、パッケージサイズに関係なく、同じ検査精度で気密検査が行える圧電振動デバイスの気密検査装置、気密検査システムおよび気密検査方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の気密検査装置は、一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査装置であって、前記圧電振動デバイスを収容した状態で、その内部圧力を変化させることのできるチャンバーと、前記チャンバーの内部圧力が変化している状態で、前記チャンバー内に収容された前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定可能な測定部とを備えたことを特徴としている。

上記の構成によれば、検査される圧電振動デバイス（被検査デバイス）に気密不良がある場合、チャンバーの内部圧力が変化する過程で被検査デバイスのパッケージ内の圧力も変化し、これに伴って被検査デバイスの発振周波数も変動するため、この発振周波数の変動を検知することで気密検査が行える。この検査は、被検査デバイスのパッケージから漏れ出す気体を検出するものではないため、被検査デバイスのパッケージサイズに関係なく、同じ検査精度で容易に気密検査が行える。また、チャンバーの内部圧力が変化した瞬間における、被検査デバイスの発振周波数の挙動を動的に測定する検査であるため、内部圧力の変化開始から短時間で検査が行え、検査時間の短縮にもつながる。

また、上記気密検査装置では、前記チャンバーは、前記圧電振動デバイスを大気雰囲気で収容した後、内部圧力を減圧方向に変化させる構成とすることができる。

上記の構成によれば、チャンバーの内部圧力を変化させるための機構が簡単に構成できる。

また、上記気密検査装置では、前記チャンバーは、内部圧力の変化率を調整可能である構成とすることができる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の気密検査システムは、一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査システムであって、前記記載の気密検査装置と、前記チャンバーの内部圧力が変化している状態での前記測定部の出力の変化に基づいて、前記圧電振動デバイスにおける気密不良の有無を判定する判定部とを備えたことを特徴としている。

また、上記気密検査システムでは、前記測定部は、前記チャンバーの内部圧力が減圧方向に変化している状態で前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定するものであり、前記判定部は、前記チャンバーの内部圧力の減圧に伴って前記圧電振動デバイスの発振周波数が上昇した場合に、気密不良と判定する構成とすることができる。

また、上記気密検査システムでは、前記判定部は、前記測定部から出力される発振周波数を２回微分し、その２回微分の絶対値が所定の閾値を超えた場合に気密不良と判定する構成とすることができる。

上記の構成によれば、判定用の閾値の設定が容易となり、検査精度が向上する。

また、上記の課題を解決するために、本発明の気密検査方法は、一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査方法であって、前記圧電振動デバイスを、内部圧力を変化させることのできるチャンバーに収容し、前記チャンバーの内部圧力を変化させながら、前記チャンバー内に収容された前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定する測定工程と、前記測定工程で測定される前記圧電振動デバイスの発振周波数の変化に基づいて、前記圧電振動デバイスにおける気密不良の有無を判定する判定工程とを有することを特徴としている。

また、上記気密検査方法において、前記測定工程では、前記チャンバーは、前記圧電振動デバイスを大気雰囲気で収容した後、内部圧力を減圧方向に変化させる構成とすることができる。

また、上記気密検査方法において、前記判定工程では、前記チャンバーの内部圧力の減圧に伴って前記圧電振動デバイスの発振周波数が上昇した場合に、気密不良と判定する構成とすることができる。

また、上記気密検査方法において、前記判定工程では、前記測定工程で測定される前記圧電振動デバイスの発振周波数を２回微分し、その２回微分の絶対値が所定の閾値を超えた場合に気密不良と判定する構成とすることができる。

本発明の圧電振動デバイスの気密検査装置、気密検査システムおよび気密検査方法は、検査される圧電振動デバイスのパッケージサイズに関係なく、同じ検査精度で容易に気密検査が行えるといった効果を奏する。

圧電振動デバイスとして例示した圧電発振器の基本構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る気密検査装置の概略構成図であり、（ａ）は被検査デバイスの収容前の状態を示し、（ｂ）は被検査デバイスの検査時の状態を示している。 本発明の実施の形態に係る気密検査装置の外観例を示す斜視図である。 気密不良のない良品の被検査デバイスに対する結果を示すグラフであり、（ａ）は検査中における発振周波数の変動の測定結果、（ｂ）は（ａ）に示す発振周波数における２回微分の絶対値の計算結果を示すグラフである。 気密不良のある不良品の被検査デバイスに対する結果を示すグラフであり、（ａ）は検査中における発振周波数の変動の測定結果、（ｂ）は（ａ）に示す発振周波数における２回微分の絶対値の計算結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、本発明の気密検査方法が適用可能な圧電振動デバイスの構造例を、図１を参照して説明する。

図１は、圧電振動デバイスとして例示した圧電発振器１００の基本構造を示す断面図である。圧電発振器１００は、圧電振動子１１０の上面にＩＣチップ１２０を搭載したものである。電子部品素子としてのＩＣチップ１２０は、圧電振動子１１０とともに発振回路を構成する１チップ集積回路素子である。

圧電振動子１１０には、図１に示すように、圧電振動板１１１、第１封止部材１１２および第２封止部材１１３が設けられている。圧電振動板１１１は、振動部１１１Ａと、振動部１１１Ａの外周を取り囲む外枠部１１１Ｂとを有している。振動部１１１Ａは、外枠部１１１Ｂよりも薄く形成されており、外枠部１１１Ｂに対して少なくとも１カ所で連結されている。第１封止部材１１２および第２封止部材１１３は、圧電振動板１１１の両主面のそれぞれにおいて、封止接合部１１４を介して外枠部１１１Ｂと接合されている。

圧電振動子１１０では、圧電振動板１１１の両主面に第１封止部材１１２および第２封止部材１１３が接合されることでサンドイッチ構造のパッケージが構成され、このパッケージの内部空間に振動部１１１Ａが気密封止される。

圧電振動子１１０の上面（第１封止部材１１２の上面）には、ＩＣチップ１２０を搭載する搭載パッドを含む複数の電極パターン１１５が形成され、圧電振動子１１０の下面（第２封止部材１１３の下面）には、複数の外部接続端子１１６が形成されている。さらに、振動部１１１Ａの両主面には励振電極が形成され、圧電振動子１１０の内部には励振電極を電極パターン１１５または外部接続端子１１６と電気的に接続するための内部配線（パターニング配線やスルーホール）が形成されている。但し、図１では、図面の簡略化のため、励振電極や内部配線の図示を省略している。

図１に示すようなサンドイッチ構造の圧電振動デバイスは、小型化および低背化されたパッケージの圧電振動デバイスに多く適用されている。このため、従来のエアリークテストやＨｅリークテストなどの気密検査では、高い検査精度を維持することが困難であり、本発明の気密検査方法の適用が好適であると言える。但し、本発明の気密検査方法は、サンドイッチ構造のデバイスへの適用に限定されるものではなく、他の如何なるパッケージ構造の圧電振動デバイスにも適用可能である。また、本発明の気密検査方法が適用できる圧電振動デバイスは、発振回路を備えた圧電発振器に限定されるものではなく、発振回路を備えない圧電振動子であってもよい。

図２は、本実施の形態に係る気密検査装置の概略構成図であり、（ａ）は被検査デバイスの収容前の状態を示し、（ｂ）は被検査デバイスの検査時の状態を示している。図３は、本実施の形態に係る気密検査装置２００の外観例を示す斜視図である。

気密検査装置２００は、被検査デバイスを載置するための検査用テーブル２１０と、検査用テーブル２１０に対して上から離接可能なチャンバー２２０と、検査用テーブル２１０に対して下から離接可能な測定部２３０とを備えている。尚、以下の説明では、被検査デバイスは圧電発振器１００であるとする。

検査用テーブル２１０には測定用開口２１１が設けられており、圧電発振器１００は測定用開口２１１内で外部接続端子１１６が露出するように検査用テーブル２１０に載置される。検査用テーブル２１０は、チャンバー２２０および測定部２３０の設置箇所に対して順次送られてくる移動式テーブルであることが好ましい。例えば、検査用テーブル２１０は、出荷検査用のインデックステーブルとすることが可能である。

チャンバー２２０は、検査用テーブル２１０の移動時（すなわち、被検査デバイスの入替え時）には検査用テーブル２１０から上方に離間しており、検査時には下降して検査用テーブル２１０の上面と接触する。これにより、チャンバー２２０は、検査時において、その内部空間（チャンバー２２０と検査用テーブル２１０とで形成される空間）に被検査デバイスを収容した状態で密閉できるようになっている。

チャンバー２２０には減圧管２２１および開放管２２２が設けられており、減圧管２２１および開放管２２２には、図示しない開閉弁が設けられている。チャンバー２２０は、減圧管２２１を介して図示しない減圧室と接続されている。減圧室は、例えば、真空引きされて減圧状態となった部屋であり、かつ、チャンバー２２０に対して十分な容量を有している。

検査時には、減圧管２２１に設けられた開閉弁（以下、減圧側開閉弁）を開くことで、チャンバー２２０内の空気を減圧室に引き込むことができ、チャンバー２２０の内部圧力を減圧方向に変化させることができる。このとき、減圧側開閉弁の開度を調整することで、チャンバー２２０の内部圧力の変化率を調整することが可能である。すなわち、減圧側開閉弁の開度を大きくして急速に減圧したり、減圧側開閉弁の開度を小さくして緩やかに減圧したりすることが可能である。このようにチャンバー２２０の内部圧力の変化率を調整することにより、圧電振動デバイスのチャンバー２２０の内部圧力に対する感度の違いに応じて、適切な気密検査を行うことができる。

検査終了後は、開放管２２２に設けられた開閉弁（以下、開放側開閉弁）を開くことで、チャンバー２２０の内部を大気に開放することができる。チャンバー２２０を検査用テーブル２１０から離間するときは、チャンバー２２０の内部を大気に開放してから行うことが好ましい。無論、開放側開閉弁は、検査時においては閉じられている。

測定部２３０は、検査用プローブ２３１および封止枠部２３２を有している。測定部２３０は、検査用テーブル２１０の移動時（すなわち、被検査デバイスの入替え時）には検査用テーブル２１０から下方に離間しており、検査時には上昇して、測定用開口２１１内で圧電発振器１００の外部接続端子１１６に検査用プローブ２３１を接触させる。また、検査時には、測定用開口２１１の周囲で封止枠部２３２を検査用テーブル２１０の下面に接触させ、測定用開口２１１を介してチャンバー２２０内の気密が破れることを防止できるようになっている。

尚、図２に示す概略図では、検査用テーブル２１０における測定用開口２１１および測定部２３０の数が共に１つであるが、図３に示す外観図では、測定用開口２１１および測定部２３０の数が共に４つである。このように、気密検査装置２００における測定用開口２１１および測定部２３０の数は複数であってもよい。測定用開口２１１および測定部２３０の数を複数とすることで、気密検査装置２００は、複数の被検査デバイスに対して同時に気密検査を行うことが可能となる。尚、測定部２３０の数が複数である場合、これら複数の測定部２３０を同一の保持部材にて一体的に保持してもよい。

続いて、本実施の形態に係る気密検査方法の手順について説明する。最初、気密検査装置２００において、検査用テーブル２１０には被検査デバイスが載置されており、チャンバー２２０と測定部２３０とは検査用テーブル２１０から離間した状態にある。この状態から、チャンバー２２０を下降、測定部２３０を上昇させて検査用テーブル２１０に接触させ、減圧側開閉弁および開放側開閉弁を共に閉じてチャンバー２２０の内部を密閉状態とする。この状態で、チャンバー２２０の内部、すなわち被検査デバイスの周囲は大気雰囲気となっている。尚、チャンバー２２０は、減圧側開閉弁および開放側開閉弁が閉じられている状態で下降し、検査用テーブル２１０に接触するものであってもよい。

チャンバー２２０の密閉状態から、被検査デバイスに検査用プローブ２３１を介して検査用の入力信号を入力して被検査デバイスを起動させ、同時に出力信号に基づいて被検査デバイスの発振周波数の測定を開始する。このとき、被検査デバイスが圧電発振器１００であれば、被検査デバイスの出力信号をそのまま発振周波数として測定できる。一方、被検査デバイスが圧電振動子の場合には、気密検査装置２００に発振回路を備えていてもよい。すなわち、圧電振動子である被検査デバイスが検査用プローブ２３１を介して気密検査装置２００内の発振回路に接続されるようにすれば、発振周波数の測定が可能である。

被検査デバイスの起動後、被検査デバイスの発振周波数が安定すると、減圧側開閉弁を開いて、チャンバー２２０の内部圧力を減圧方向に変化させながら、内部圧力の変化に伴う発振周波数の変動を測定する。そして、チャンバーの内部圧力が変化している状態での発振周波数の変動に基づいて、被検査デバイスにおける気密不良の有無を判定する。

尚、発振周波数の変動に基づいて気密不良の有無を判定する判定部は、気密検査装置２００自身に備えられていてもよく、気密検査装置２００に外部接続されたパソコンなどを判定部として用いてもよい。気密検査装置２００自身が判定部を備える場合は、気密検査装置２００が特許請求の範囲に記載の気密検査システムに相当する。気密検査装置２００に外部接続されたパソコンを判定部として用いる場合は、気密検査装置２００とパソコンとが特許請求の範囲に記載の気密検査システムに相当する。

検査終了後は、減圧側開閉弁を閉じ、さらに開放側開閉弁を開いて、チャンバー２２０の内部を大気に開放してから、チャンバー２２０および測定部２３０を検査用テーブルから離間させる。

続いて、上記気密検査方法における気密不良の有無の判定方法について説明する。図４は、気密不良のない良品の被検査デバイスに対する結果を示すグラフであり、（ａ）は検査中における発振周波数ｆ［ｐｐｂ］の変動の測定結果、（ｂ）は（ａ）に示す発振周波数ｆにおける２回微分の絶対値｜ｄ^２ｆ／ｄｔ^２｜［ｐｐｂ］の計算結果を示すグラフである。図５は、気密不良のある不良品（リーク品）の被検査デバイスに対する結果を示すグラフであり、（ａ）は検査中における発振周波数ｆ［ｐｐｂ］の変動の測定結果、（ｂ）は（ａ）に示す発振周波数ｆにおける２回微分の絶対値｜ｄ^２ｆ／ｄｔ^２｜の計算結果を示すグラフである。尚、図４および図５のグラフとも、被検査デバイスに対する起動開始時刻を０［ｓｅｃ］としており、減圧開始時刻は１．８［ｓｅｃ］である。

図４（ａ）に示すように、気密不良のない良品に対しては、減圧を開始しても発振周波数ｆにおける変動は特に生じない。一方、図５（ａ）に示すように、気密不良のあるリーク品に対しては、減圧を開始するのとほぼ同時に発振周波数ｆに変動（上昇）が生じている。このように、上記気密検査方法では、チャンバー２２０内の減圧開始とほぼ同時に発生する発振周波数ｆの変動を検知することでリーク品を判定することができる。

本実施の形態に係る気密検査方法では、従来のエアリークテストやＨｅリークテストのように、被検査デバイスのパッケージから漏れ出す気体を検出するものではないため、小型パッケージの被検査デバイスに対しても（言い換えれば、パッケージサイズに関係なく）、同じ検査精度で容易に気密検査が行える。また、チャンバー２２０の内部圧力が変化した瞬間における、被検査デバイスの発振周波数の挙動を動的に測定する検査であるため、内部圧力の変化開始から短時間で検査が行え、検査時間の短縮にもつながる。

尚、リーク品の判定のために発振周波数の変動を検知するに当たっては、図４（ａ）や図５（ａ）に示す発振周波数を用いて判定するのではなく、図４（ｂ）や図５（ｂ）に示す発振周波数の２回微分の絶対値（以下、単に２回微分値と称する）を用いることが好ましい。

発振周波数を用いて発振周波数の変動を検知しようとすれば、発振周波数を所定の閾値と比較し、発振周波数が閾値を超えた場合に変動ありと判定することが考えられる。しかしながら、圧電振動デバイスの発振周波数は個々のデバイスによってばらつきがあり、また、発振周波数の変化量もリークの程度によって異なる。このため、発振周波数を用いての判定では、適切な閾値を設定することが容易ではなく、閾値の設定が適切でなければ検査精度が低下する。

これに対して、発振周波数の２回微分値は、被検査デバイスがリーク品である場合、図５（ｂ）に示すように、減圧開始直後に大きなピークが発生し、それ以外は低いレベルの（０に近い）値を示している。これは、被検査デバイスがリーク品である場合、減圧開始直後に発振周波数が上昇に転じる変曲点が存在し、２回微分値にはこの変曲点に対応するピークが現れるためである。また、被検査デバイスが良品である場合、発振周波数の２回微分値にこのようなピークは現れず、検査中を通して低いレベルの（０に近い）値を示している。このため、発振周波数の２回微分値に対しては、判定のための閾値設定が容易であり、高精度の検査が容易に行える。

尚、上記説明の気密検査方法では、被検査デバイスの発振周波数の測定を、チャンバー２２０の内部圧力を減圧方向に変化させる中で行う場合を例示した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、被検査デバイスの発振周波数の測定を、チャンバー２２０の内部圧力を昇圧方向に変化させる中で行うことも可能である。これを気密検査装置２００で行うとすれば、チャンバー２２０の内部が減圧状態で開放側開閉弁を開き、チャンバー２２０内に外気（大気）を引き込んで昇圧する過程で測定を行えばよい。

今回開示した実施形態は全ての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれる。

１００ 圧電発振器（圧電振動デバイス）
１１０ 圧電振動子
１１１ 圧電振動板
１１１Ａ 振動部
１１１Ｂ 外枠部
１１２ 第１封止部材
１１３ 第２封止部材
１１６ 外部接続端子
１２０ ＩＣチップ
２００ 気密検査装置
２１０ 検査用テーブル
２１１ 測定用開口
２２０ チャンバー
２２１ 減圧管
２２２ 開放管
２３０ 測定部
２３１ 検査用プローブ

Claims (10)

1. 一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査装置であって、
   前記圧電振動デバイスを収容した状態で、その内部圧力を変化させることのできるチャンバーと、
   前記チャンバーの内部圧力が変化している状態で、前記チャンバー内に収容された前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定可能な測定部とを備えたことを特徴とする気密検査装置。
2. 請求項１に記載の気密検査装置であって、
   前記チャンバーは、前記圧電振動デバイスを大気雰囲気で収容した後、内部圧力を減圧方向に変化させることを特徴とする気密検査装置。
3. 請求項１または２に記載の気密検査装置であって、
   前記チャンバーは、内部圧力の変化率を調整可能であることを特徴とする気密検査装置。
4. 一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査システムであって、
   前記請求項１から３の何れか１項に記載の気密検査装置と、
   前記チャンバーの内部圧力が変化している状態での前記測定部の出力の変化に基づいて、前記圧電振動デバイスにおける気密不良の有無を判定する判定部とを備えたことを特徴とする気密検査システム。
5. 請求項４に記載の気密検査システムであって、
   前記測定部は、前記チャンバーの内部圧力が減圧方向に変化している状態で前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定するものであり、
   前記判定部は、前記チャンバーの内部圧力の減圧に伴って前記圧電振動デバイスの発振周波数が上昇した場合に、気密不良と判定することを特徴とする気密検査システム。
6. 請求項５に記載の気密検査システムであって、
   前記判定部は、前記測定部から出力される発振周波数を２回微分し、その２回微分の絶対値が所定の閾値を超えた場合に気密不良と判定することを特徴とする気密検査システム。
7. 一対の励振電極が形成された振動部を有し、該振動部をパッケージ内に封止してなる圧電振動デバイスに対して気密検査を行う気密検査方法であって、
   前記圧電振動デバイスを、内部圧力を変化させることのできるチャンバーに収容し、
   前記チャンバーの内部圧力を変化させながら、前記チャンバー内に収容された前記圧電振動デバイスの発振周波数を測定する測定工程と、
   前記測定工程で測定される前記圧電振動デバイスの発振周波数の変化に基づいて、前記圧電振動デバイスにおける気密不良の有無を判定する判定工程とを有することを特徴とする気密検査方法。
8. 請求項７に記載の気密検査方法であって、
   前記測定工程では、前記チャンバーは、前記圧電振動デバイスを大気雰囲気で収容した後、内部圧力を減圧方向に変化させることを特徴とする気密検査方法。
9. 請求項８に記載の気密検査方法であって、
   前記判定工程では、前記チャンバーの内部圧力の減圧に伴って前記圧電振動デバイスの発振周波数が上昇した場合に、気密不良と判定することを特徴とする気密検査方法。
10. 請求項９に記載の気密検査方法であって、
    前記判定工程では、前記測定工程で測定される前記圧電振動デバイスの発振周波数を２回微分し、その２回微分の絶対値が所定の閾値を超えた場合に気密不良と判定することを特徴とする気密検査方法。

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