JP4844659B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に使用される圧電デバイスに係り、特に圧電振動片を収容したパッケージの底部に気密封止用の封止孔を有する圧電デバイスに関する。

圧電振動子などの圧電デバイスは、電子機器の小型化および薄型化に伴い、小型、薄型化が要求されている。このため、近年は、表面実装型の圧電デバイスが開発されている。また、圧電デバイスは、圧電振動片の空気による振動の影響を避けるため、圧電振動片を収納したパッケージの内部を真空にして封止したものがある。従来、パッケージを真空封止する場合、パッケージの底部中央部に封止孔を設け、この封止孔に配置した金属ボールを溶融して封止するようにしている（例えば、特許文献１）。図５は、パッケージが真空封止される従来の圧電デバイスの一例である圧電振動子を示したものである。

この圧電振動子１０は、図５（１）に示したように、圧電振動片１２と、この圧電振動片１２を収容したパッケージ１４とから構成してある。圧電振動片１２は、水晶などの圧電材料によって平板状に形成してある。そして、圧電振動片１２は、上下面の中央部に、例えば金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）との金属薄膜からなる励振電極１２ａ、１２ｂを有している。一方、パッケージ１４は、ベース部１６とリッド１８とを有している。ベース部１６は、絶縁材であるセラミックシートからなる第１ベースシート２０と第２ベースシート２２およびフレーム材２４を、この順に積層して箱状に形成してある。そして、圧電振動片１２は、ベース部１６の形成するキャビティ（収容空間）２６内に収容してある。

すなわち、第２ベースシート２２の上面には、マウント電極２８が設けてあって、このマウント電極２８に圧電振動片１２が導電性接着剤３０により片持ち梁状に固着される。そして、ベース部１６の上端面には、リッド１８が低融点ガラスなどの封止材３２により気密に接合してある。リッド１８は、ガラスやセラミックまたは金属板などから形成してある。

第１ベースシート２０と第２ベースシート２２とには、封止孔３４、３６が同心に形成してある。これらの封止孔３４、３６は、同図（２）に示したように、ベース部１６の底部、すなわち第１ベースシート２０と第２ベースシート２２との中央部に形成してある。また、第２ベースシート２２に設けた封止孔３６は、第１ベースシート２０に設けた封止孔３４より小径に形成してある。これは、小径の封止孔３６が大径の封止孔３４の内部に配置された封止用金属ボール（図示せず）の受部の役割をなし、金属ボールがパッケージ１４の内部へ落下するのを防止するためである。そして、封止孔３４内に配置された金属ボールは、レーザによって溶融され、図５（１）に示したように、封止孔３４、３６を気密に封止する封止材３８となる。なお、第１ベースシート２０には、外面である下面の四隅のそれぞれに外部電極４０が設けてある。これらの外部電極４０は、圧電振動子１０を図示しない基板に実装するためのものである。

このようになっている圧電振動子１０は、パッケージ１４の内部を次のようにして真空封止する。まず、ベース部１６に設けたマウント電極２８に、圧電振動片１２を片持ち梁状に導電性接着剤３０によって固着する。その後、圧電振動片１２の周波数の微調整を行なったのち、ベース部１６の上端に封止材３２によりリッド１８を気密に接合する。次に、圧電振動片１２を収容したパッケージ１４を、第１ベースシート２０が上となるように真空チャンバ内に配置し、封止孔３４内に配置した金属ボール（封止材３８）を溶融し、封止材３８を封止孔３４、３６の壁面に溶着させて封止孔３４、３６を気密に封止する。

特開２００２−７６８１５号公報

上記したように、従来の真空封止する圧電振動子１０は、封止孔３４がパッケージ１４の底部中央部に設けられ、封止孔３４に配置した金属ボール（封止材３８）を溶融してパッケージ１４を封止するようにしている。このため、封止孔３４に配置した封止用金属ボールがパッケージ１４のキャビティ２６内に落下するのを防止する必要がある。そして、従来のパッケージ１４は、底部を第１ベースシート２０と第２ベースシート２２とによって構成するとともに、第２ベースシート２２に第１ベースシート２０の封止孔３４より小径の封止孔３６を設け、この小径の封止孔３６を金属ボールの受部としている。したがって、従来のパッケージ１４は、底部を２枚のベースシート２０、２２によって構成する必要があり、パッケージ１４、すなわち圧電振動子１０の薄型化を困難にしている。

また、従来の圧電振動子１０は、封止孔３４、３６がパッケージ１４の底部中央に設けてある。したがって、封止孔３６は、圧電振動片１２の励振電極１２ｂの中央部に対面して形成されることになる。このため、封止孔３４、３６を封止する際に、封止用金属ボールを溶融したときに発生したガスなどのスプラッシュが、封止孔３６を介してパッケージ１４内に侵入し、励振電極１２ｂに付着する。この結果、圧電振動子１０は、周波数調整した圧電振動片１２の発振周波数が変化し、発振周波数のばらつきの原因となり、高性能な圧電振動子とすることが困難となる。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、圧電デバイスの薄型化を図ることを目的としている。
また、本発明は、真空封止の際に生ずる周波数変動をなくすことを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明に係る圧電デバイスは、圧電振動片を収容したパッケージの底部に設けられた封止孔を、金属ボールを溶融して封止した圧電デバイスであって、前記パッケージは、ベース部が底部を形成する平板状のベースシートと、前記ベースシートに積層されて前記圧電振動片の収容空間を形成するフレーム材とからなり、前記封止孔は、前記フレーム材の内縁部と対応した位置において前記ベースシートを貫通して形成され、開口部の一部が前記フレーム材によって塞がれている、ことを特徴としている。

このようになっている本発明は、フレーム材がベースシートに貫通して形成した封止孔の開口部の一部を塞いでいるため、この部分を封止用金属ボールの受部として使用することができる。したがって、本発明においては、パッケージの底部に大径の封止孔と、金属ボールを受けるための小径の封止孔との２つの封止孔を形成する必要がない。このため、パッケージの底部を１枚のベースシートによって構成することができ、パッケージの薄型化、すなわち圧電デバイスの薄型化を図ることができる。また、本発明の圧電デバイスは、封止孔が枠部の内縁部と対応した位置に形成される。すなわち、封止孔は、圧電振動片の励振電極から離れた位置に形成されるため、金属ボールを溶融した際に生ずるスプラッシュの影響を大幅に低減することができる。したがって、本発明は、圧電振動片の振動特性に影響を与えることを避けることができ、周波数調整した発振周波数の変化を防ぐことができ、高性能な圧電デバイスが得られる。

ベースシートは、圧電振動片を固着するマウント部が一側に形成され、封止孔を他側に形成するとよい。これにより、マウント部の形成に支障がなく、また封止孔を封止した封止材とマウント部とがショートするおそれがない。封止孔は、フレーム材の隅部と対応した位置に形成することができる。このように、封止孔をフレーム材の隅部に形成すると、励振電極と封止孔との距離を一層大きくすることができ、スプラッシュの影響をより低減することができる。また、封止孔は、ベースシートの外面に形成されたグランド用の外部電極と対応した位置に形成することができる。これにより、圧電デバイスを基板に実装したときに、位置ずれが生じたとしても基板に設けた回路と封止孔内に存在する金属封止材との間でショートするのを避けることができる。

また、前記ベースシートは、外面の四隅部のそれぞれに基板実装用の外部電極が設けられ、前記圧電振動片は、隣接する一対の前記外部電極に電気的に接続され、前記封止孔は、他の一対の前記外部電極側に設けることができる。これにより、グランド用の外部電極またはダミー電極となる側に封止孔が形成されるため、基板に設けた回路と金属封止材との間のショートを防止することができる。しかも、圧電振動片を電気的に接続した一対の外部電極が隣接しているため、これらの外部電極を基板に設けた発振回路用ＩＣの近くに配置でき、基板に形成する配線パターンの引き回しを避けることができて実質的な実装面積を小さくすることができる。

フレーム材の封止孔の一部を塞いでいる部分と封止孔の壁面とには、金属膜を設けることが望ましい。これにより、封止孔に配置した封止用金属ボール（封止材）を溶融したときに、封止材を封止孔の壁面やフレーム材の封止孔を塞いでいる部分に良好に溶着させることができ、また溶融された封止材がパッケージ内に垂れ込むのを防止することができる。

第１実施形態に係る圧電デバイスの説明図である。 封止孔の壁面に金属膜を形成する方法の説明図である。 第２実施形態に係るベース部の説明図である。 第３実施形態に係る圧電デバイスの底面図である。 従来の圧電デバイスの説明図である。

本発明に係る圧電デバイスの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電デバイスである圧電振動子の説明図であって、（１）はリッドを除いた平面図、（２）は（１）のＡ−Ａ線に沿った断面図、（３）は底面図である。

第１実施形態に係る圧電振動子５０は、図１（２）に示したように、圧電振動片５２と、この圧電振動片５２を収容したパッケージ６０とから構成してある。圧電振動片５２は、水晶などの圧電材料から形成してあり、実施形態の場合、ＡＴカット水晶板からなっている。そして、圧電振動片５２は、上下面の中央部に励振電極５４（５４ａ、５４ｂ）が形成してある。また、圧電振動片５２は、水晶のＸ軸方向となる長手方向の一側に接続電極５６（５６ａ、５６ｂ）が形成してある。接続電極５６ａ、５６ｂは、それぞれが圧電振動片５２の上下面に連続するように形成してある。さらに、接続電極５６は、対応する励振電極５４と一体に形成してある。これらの電極は、例えばＡｕとＣｒとの２層の金属薄膜によって形成してある。

パッケージ６０は、ベース部６２とリッド６４とを主な構成要素としている。ベース部６２は、パッケージ６０の底部を形成する一枚の平板状のベースシート６６と、圧電振動片５２を収容するキャビティ（収容空間）７０を形成するフレーム材６８とからなっている。このベース部６２は、絶縁材料であるセラミックシートからなるベースシート６６とフレーム材６８とを積層したのち、焼結することにより箱状に形成してある。そして、ベースシート６６は、長手方向一側の上面に、圧電振動片５２を固着するためのマウント部である一対のマウント電極７２（７２ａ、７２ｂ）が設けてあり、他側に封止孔７４が形成してある。マウント電極７２には、導電性接着剤７６により圧電振動片５２が固着され、圧電振動片５２の接続電極５６が電気的に接続される。

封止孔７４は、フレーム材６８の内縁部と対応した位置においてベースシート６６を貫通して形成してあって、開口部の一部がフレーム材６８によって塞がれている（図１（２）参照）。また、封止孔７４は、この実施形態の場合、パッケージ６０の短辺の中央部に形成してある。このため、封止孔７４は、図１（３）に示したように、ベースシート６６の下面（外面）の四隅に設けられた外部電極８０（８０ａ〜８０ｄ）の、一対の外部電極８０ｃ、８０ｄの中間に位置している。

フレーム材６８の封止孔７４の開口部を塞いでいる部分は、封止孔７４内に配置した封止用金属ボール８２の受部となっていて、金属ボール８２がキャビティ７０内に落下するのを防止する。そして、封止孔７４は、実施形態の場合、開口の約半分がフレーム材６８によって塞がれる位置に形成してあり、金属ボール８２がフレーム材６８によって確実に止められるようにしてある。そして、封止孔７４の壁面と、フレーム材６８の封止孔７４に露出した部分（開口部を塞いでいる部分）とには、金属ボール８２の溶着を容易、確実に行なえるように金属膜８４（８４ａ、８４ｂ）が設けてある。この金属膜８４は、実施形態の場合、タングステン（Ｗ）上にニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）がメッキしてある。また、金属ボール８２は、例えばＡｕ−ＳｎまたはＡｕ−Ｇｅなどの合金から形成してある。

また、封止孔７４の壁面に設けた金属膜８４ａは、図２のようにして形成することできる。まず、図２（１）に示したように、封止孔７４を形成したベースシート６６に、封止孔７４を覆ってペースト状のタングステン８６をスクリーン印刷する。次に、同図（２）の矢印８７に示したように、タングステン８６を設けた側と反対側（図２の下側）から封止孔７４を吸引する。これにより、タングステン８６の膜は、封止孔７４を覆っていた部分が破れて封止孔７４の壁面に密着する。その後、タングステン８６を焼成し、さらにＮｉとＡｕとをタングステン８６の上に順次メッキする。

一方、リッド６４は、平板状のガラスやセラミック、金属などから形成してある。このリッド６４は、圧電振動片５２をパッケージ６０のキャビティ７０内のマウント電極７２に固着したのち、低融点ガラスなどの封止材８９によって、ベース部６２の上端面に気密に接合される。

なお、圧電振動片５２は、図１（３）に示したように、一対の励振電極５４が接続電極５６、マウント電極７２を介して、ベースシート６６の対角位置にある外部電極８０ａ、８０ｃに電気的に接続される。また、リッド６４が金属によって形成されている場合、外部電極８０ｂ、８０ｄのいずれか一方または両方が基板のグランド電位に接続されるとともに、リッド６４がグランド電位に接続される外部電極に電気的に接続される。これにより、リッド６４が電磁シールドの役割をなし、外部からのノイズによる周波数変動を避けることができる。なお、図１（２）においては、外部電極８０が省略してある。

このようになっている圧電振動子５０は、封止孔７４の開口部の一部を塞いでいるフレーム材６８が金属ボール８２の受部の役割をするため、従来のように２枚のベースシートによってパッケージ６０の底部を形成する必要がない。すなわち、圧電振動子５０は、パッケージ６０の底部が１枚のベースシート６６によって形成されているため、薄型化を図ることができる。また、圧電振動子５０は、封止孔７４が励振電極５４ｂから遠い位置に設けられているため、パッケージ６０を真空封止するために、金属ボール８２を溶融した際に発生するガスなどのスプラッシュの影響を小さくすることができる。このため、圧電振動子５０は、周波数調整された圧電振動片５２の発振周波数が、真空封止によってほとんど変化することがない。したがって、発振周波数のばらつきを小さくすることができ、高性能な圧電振動子とすることができる。さらに、圧電振動子５０は、封止孔７４がマウント電極７２を設けた側と反対側に形成してあるため、マウント電極７２の形成に影響を与えることがなく、またマウント電極７２と封止孔７４内の存在する金属封止材とがショートするおそれがない。

図３は、第２実施形態の説明図であって、（１）はベース部の平面図、（２）はベース部の底面図である。この実施形態に係るベース部６２ａは、ベースシート６６とフレーム材６８とを積層して形成してある。そして、ベースシート６６には、封止孔９０が設けてある。この封止孔９０は、図３（１）に示したように、フレーム材６８の隅部と対応した位置に形成してあって、開口部の一部がフレーム材６８によって塞がれている。また、封止孔９０は、ベースシート６６の長手方向において、マウント電極７２を設けた側と反対側に形成してあり、同図（２）に示したように、グランド用の外部電極８０ｄと対応した位置に形成してある。そして、封止孔９０の壁面と、フレーム材６８の封止孔９０の開口部を塞いでいる部分とには、本図に図示しない金属膜が設けてある。

このようになっているベース部６２ａにおいても、前記第１実施形態と同様に、フレーム材６８の封止孔９０の開口部を塞いでいる部分が封止用金属ボールの受部の役割をする。このため、底部を１枚のベースシート６６によって構成することができ、パッケージの薄型化が図れ、圧電振動子を薄型化することができる。また、封止孔９０をグランド用の外部電極８０ｄと対応した位置に設けたことにより、封止孔９０の壁面に設ける金属膜を外部電極８０と同時に形成することができる。さらに、封止孔９０をグランド用の外部電極８０ｄと対応した位置に設けたことにより、基板に実装したときに、圧電振動子を駆動する基板の電源回路などと封止孔９０内の封止材とがショートするおそれがない。

すなわち、圧電振動子を実装する基板（図示せず）には、図３（２）に２点鎖線で示したように、外部電極８０に対応した電極パターン９２（９２ａ〜９２ｄ）が形成される。これらの電極パターン９２は、実装時における圧電振動子の位置ずれに対応できるように、外部電極８０より大きく形成してある。このため、第１実施形態の圧電振動子５０においては、封止孔７４が外部電極８０ｃ、８０ｄの中間に形成してあるため、実装時に位置ずれが生ずると、封止孔７４が圧電振動片５２の電極を電気的に接続する電極パターン９２ｃと接触してショートするおそれがある。したがって、第１実施形態の圧電振動子５０は、基板への実装の際に、高精度の位置決めが要求され、実装上の制約を受けることになる。これに対して第２実施形態に係るベース部６２ａを用いた圧電振動子は、封止材が電極パターン９２ｃとショートするおそれがない。

図４は、第３実施形態の説明図であって、圧電振動子の底面図である。この実施形態の圧電振動子１００は、パッケージのベース部６２が前記と同様にベースシート６６とフレーム材６８との積層体として形成してある。また、ベースシート６６は、下面の四隅のそれぞれに外部電極８０が設けてある。そして、パッケージに収容した圧電振動片５２は、ベースシート６６の長手方向一側に設けられている一対の外部電極８０ａ、８０ｂに電気的に接続してある。一方、封止穴７４は、他方側の一対の外部電極８０ｃ、８０ｄの中間に形成してある。このようになっている第３実施形態の圧電振動子１００は、封止孔７４を形成した側の外部端子８０ｃ、８０ｄがグランド用、またはダミー電極となるため、封止孔７４内の封止材が電源回路などとショートするおそれがない。

なお、封止孔７４は、外部端子８０ｃまたは外部端子８０ｄと対応した位置に形成してもよい。また、封止孔７４は、図４の２点鎖線で示したように、フレーム材６８の長辺側の内縁部と対応した位置に形成してもよい。また、前記実施形態においては、圧電振動片５２がＡＴカット圧電振動片である場合について説明したが、圧電振動片は音叉型圧電振動片などであってもよい。

５０、１００………圧電デバイス（圧電振動子）、５２………圧電振動片、５４ａ、５４ｂ………励振電極、５６ａ、５６ｂ………接続電極、６０………パッケージ、６２………ベース部、６４………リッド、６６………ベースシート、６８………フレーム材、７０………収容空間（キャビティ）、７２ａ、７２ｂ………マウント部（マウント電極）、７４、９０………封止孔、８０ａ〜８０ｄ………外部電極、８４ａ、８４ｂ………金属膜。

Claims (5)

1. 電極が形成された圧電振動片を収容したパッケージの底部に設けられた封止孔を、封止材を溶融して封止した圧電デバイスであって、
   前記パッケージは、前記底部を形成する平板状のベースシートと、前記ベースシートに積層されて前記圧電振動片の収容空間を形成する矩形のフレーム材とを備え、
   前記封止孔の開口部の一部が前記フレーム材の長辺側の内縁部によって塞がれ、
   前記封止孔の前記開口部と前記電極とが、平面視において互いに重ならない位置に離間して配置されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、
   前記封止孔の前記開口部の一部を塞いでいる前記内縁部は、前記封止孔内に配置した前記封止材の受部となっていることを特徴とする圧電デバイス。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の圧電デバイスにおいて、
   前記封止孔の前記開口の約半分がフレーム材によって塞がれていることを特徴とする圧電デバイス。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電デバイスにおいて、
   前記封止材が金属ボールであることを特徴とする圧電デバイス。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電デバイスにおいて、
   前記封止孔の壁面には、金属膜が設けてあることを特徴とする圧電デバイス。

Images