JP4946329B2 - 圧電デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動片を収容したパッケージを蓋体で封止するようにした圧電デバイスに関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器やジャイロセンサなどの計測機器において、パッケージなどの内部に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。

図４は従来の圧電デバイスの概略縦断面図である（例えば、特許文献１参照）。
この図の圧電デバイス１は、パッケージ２の内側に圧電振動片３を収容し、蓋体４でパッケージ２を密封するようにしている。
そして、蓋体４は、金属体５の一部に、周波数調整用のガラス６が嵌め込まれている。すなわち、蓋体４をパッケージ２に接合する際の加熱により、圧電振動片３をパッケージ２に接合するための接着剤８からガスが発生するなどして、圧電振動片３の振動特性に影響を及ぼす。そこで、蓋体４をパッケージ２に接合した後であっても、レーザー光Ｌを、蓋体４の一部に設けたガラス６を透過させて、圧電振動片３に照射し、質量削減方式により周波数調整をするようにしている。

実開昭５７―４３６２８号の公開公報

ところが、図４に示されるような蓋体４であると、パッケージ２内の気密性を保持するように圧電デバイス１を製造することは困難である
すなわち、パッケージ２と蓋体４の金属体５とを接合する際に、接着剤となる金属材料７を加熱すると、金属材料７は金属体５に濡れ拡がって、その高さＨが低くなってしまう。このため、パッケージ２と蓋体４との接合性が悪化して、パッケージ２内の気密性が保てなくなるという問題がある。
さらに、近年、情報機器や計測機器等の小型化に伴って、圧電デバイス１も小型化されてきている。このため、蓋体４についても小型化せざるを得ず、図４に示されるような蓋体４では、金属体５とガラス６との接合面積が小さくなって、金属体５とガラス６との接合性が悪化することでも、パッケージ２内の気密性が保てなくなる。

本発明は、蓋体の一部に周波数調整するための光を透過する材料を設けても、パッケージの気密性を高めて、優れた振動特性を発揮する圧電デバイスを提供することを目的とする。

上記の目的は、第１の発明によれば、開口部を有するパッケージ内に圧電振動片を収容して、蓋体により前記開口部を封止した圧電デバイスであって、前記蓋体は、枠状の金属体の内面に、光を透過する材料により形成された光透過部が接合されて形成されており、前記金属体は、前記パッケージに接合される底面を有する底部と、前記底面と反対側の上面を有する壁部と、を備え、前記壁部の幅寸法が前記底部の幅寸法より狭く形成されるように前記金属体に切欠きが形成され、前記金属体の前記内面は、前記切欠きの底面であって、前記底部の前記底面の反対側の上面である底部上面と、前記切欠きの側面であって、前記壁部の内面である壁部内面と、を含み、前記光透過部の一部は、前記切欠き内に配置され、前記光透過部の前記切欠き内に配置された部分の表面が、前記底部上面と前記壁部内面とに接合され、前記金属体の前記底面の前記幅寸法は、前記パッケージの前記開口部側の端面の幅寸法以下である圧電デバイスにより達成される。
また、第２の発明は、第１の発明の構成において、 前記金属体の前記内面は、前記切欠きの底面であって、前記底部の前記底面の反対側の上面である底部上面と、前記切欠きの側面であって、前記壁部の内面である壁部内面と、を含み、前記光透過部の前記切欠き内に配置された部分の表面が、前記底部上面と前記壁部内面とに接合されていることを特徴とする。

第１および第２の発明の構成によれば、蓋体は、周縁の上方に壁部を有するように枠状とされた金属体の内面に、光を透過する材料が接合されて形成されており、その金属体の底面は、幅寸法がパッケージの開口部側の端面の幅寸法以下となって、パッケージと接合されている。
このため、蓋体は、少なくともパッケージの開口部側の端面と対向する領域以外に、光を透過する材料が配置されることになる。したがって、蓋封止後であっても、外側から圧電振動片にレーザー光を照射することによって周波数調整ができる。
また、蓋体とパッケージとを接合するための金属材料が、少なくともパッケージの開口部側の端面の幅寸法より大きな寸法をもって濡れ拡がることがなくなるため、金属材料の高さ方向の寸法を確保して、パッケージと蓋体との接合強度を向上させることができる。 さらに、蓋体は、従来に比べて、光を透過する材料と金属体との接触面積も拡がって、その接合強度も向上させることができる。
かくして、本発明によれば、蓋体の一部に周波数調整するための光を透過する材料を設けても、パッケージの気密性を高めて、優れた振動特性を発揮する圧電デバイスを提供することができる。

第３の発明は、第１または第２の発明の構成において、前記金属体の前記底面の形状は、前記パッケージの前記開口部側の前記端面の形状と同様になっていることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、金属体の底面の形状は、パッケージの開口部側の端面の形状と同様になっている。したがって、蓋体とパッケージとを接合するための金属材料について、第１または第２の発明により高さ方向の寸法を確保しつつ、幅方向の寸法も確保できるため、最もパッケージと蓋体との接合強度を高めることができる。

第４の発明は、第１ないし第３のいずれかの発明の構成において、前記光透過部は、酸化物を含有するガラス材料から形成されており、前記金属体は、その内面に酸化膜が形成され、前記酸化膜を介して前記ガラス材料と接合されていることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、光を透過する材料は酸化物を含有するガラス材料から形成されており、金属体はその内面に酸化膜を形成してから、ガラス材料と接合されている。したがって、金属体の内面の酸化膜と、ガラスに含まれる酸化物との間で拡散接合を促して、金属体とガラスとの接合強度を向上させることができる。

第５の発明は、第１ないし第４の発明のいずれかの構成において、前記金属体は、低融点金属であることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、金属体は、低融点金属を用いて、パッケージに接合されている。なお、ここにいう低融点とは、圧電振動片をパッケージに接合するための接着剤が溶融しない程度の温度をいう。したがって、蓋封止の加熱の際に、圧電振動片を接合するための接着剤に与える悪影響を抑制できる。

第６の発明は、第５の発明の構成において、前記低融点金属にはＡｕ−Ｇｅ合金であることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、低融点金属にはＡｕ−Ｇｅ合金が用いられているので、鉛フリー化が可能となる。

第７の発明は、第５または第６の発明の構成において、前記低融点金属の熱膨張係数は、前記金属体の熱膨張係数に比べて大きいことを特徴とする。
第７の発明の構成によれば、低融点金属の熱膨張係数は、金属体の熱膨張係数に比べて大きい。そうすると、蓋封止の際、低融点金属を加熱した後の冷却で、枠状の金属体に付着した枠状の低融点金属は、金属体を中心部に向かわせる方向に収縮する。したがって、蓋封止の冷却工程の際、金属体は、その枠状の内面に接合されたガラスを締め付けることになり、金属体とガラスとの接合強度を向上させることができる。

図１ないし図３は、本発明の実施形態に係る圧電デバイス２０であって、図１は圧電デバイス２０の概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線概略断面図、図３は圧電デバイス２０の概略平面図である。なお、図面が煩雑にならないよう、励振電極は省略して作図している。また、図１では、後述するように蓋体３９が透明体であるため、その内側が透かして見えている状態を示している。
これらの図において、圧電デバイス２０は、その例示として圧電振動子が図示されており、この圧電デバイス２０は、収容容器としてのパッケージ３６の内側に圧電振動片３２を収容している。

パッケージ３６は、上側に開口部３３を有し、全体的に矩形状に形成され箱状であって、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板３６ａ，３６ｂを順次積層した後、焼結して形成されている。
本実施形態の場合、上から第１の基板３６ａ、第２の基板３６ｂの順に積層されており、第１の基板３６ａは、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ１を形成するようにされている。この内部空間Ｓ１が圧電振動片３２を収容するための収容空間である。

また、第１の基板３６ａは、パッケージ３６の内部に圧電振動片３２をマウントした後、開口部３３側の端面６８に蓋体３９が接合されており、これにより、開口部３３は気密に封止され、内部空間Ｓ１は窒素雰囲気あるいは真空雰囲気となっている。
なお、蓋体３９は、開口部３３を封止した後であって、レーザー光Ｌで圧電振動片３２の質量を変更する方法により周波数調整を可能にするために、レーザー光Ｌを透過する材料を有することが好ましい。
この蓋体３９の構成、及びパッケージ３６と蓋体３９との接合構造については、後で詳しく説明する。

第２の基板３６ｂの内部空間Ｓ１に露出した面（図２のパッケージ３６の内部空間Ｓ１内の図において左端部付近の内側底部）には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３１が設けられている。電極部３１は、実装端子３３と電気的に接続されて、駆動電圧を供給するものである。そして、この電極部３１の上に導電性接着剤４３が塗布され、この導電性接着剤４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３が加熱・硬化されることにより、圧電振動片３２がパッケージ３６に接合されるようになっている。
尚、導電性接着剤４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、柔軟性のあるシリコーン系の導電性接着剤等を利用することが好ましい。

圧電振動片３２は、圧電材料として、例えば水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図示される構造とされている。すなわち、圧電振動片３２は、パッケージ３６側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図１ないし図３において右方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。

圧電振動片３２の各振動腕３４，３５には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝（図示せず）が形成されており、この長溝内と側面のそれぞれに、互いに異極となる励振電極（図示せず）が設けられ、これにより、振動腕３４，３５は、電界効率を高めるようにして励振される。
また、圧電振動片３２は、図１および図３に示されるように、基部５１の端部（図では左側端部）の幅方向両端付近に、互いに異極となる引出し電極５２，５２が形成されている。引出し電極５２，５２は、パッケージ３６側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分であり、図示しない励振電極と一体に形成されている。

また、固定部である基部５１から離れた自由端部、すなわち、この実施形態では各振動腕３４，３５の先端部には、周波数調整用の金属膜３８，３８が形成されている。この金属膜３８，３８は、図２に示されるように、蓋封止後の周波数調整工程において、レーザー光Ｌを照射されることによって、その質量を減少させることで、周波数が高くなる方へ変化させるものである。この周波数調整用の金属膜３８，３８は励振電極などの駆動用電極を形成する際に、これら駆動用電極と同じ構造にして同時に形成することができる。

ここで、蓋体３９は、全体が枠状とされた金属体５５を有し、この金属体５５の底面５５ｃがパッケージ３６と接合されている。
このように、圧電デバイス２０は、蓋体３９に金属体５５を用いることで、蓋体３９とパッケージ３６との接合強度を確保している。すなわち、従来の蓋体は、蓋封止後であっても周波数調整ができるように、全体が光を透過するガラス材料から形成されていたため、蓋体は低融点ガラスを用いてパッケージに接合されていた。そして、低融点ガラスでは、パッケージの開口部側の端面である封止代が小さくなったことに伴って、蓋体とパッケージとの接合強度を確保することが困難となってきた。そこで、図１ないし図３に示すように、蓋体３９のパッケージ３６の開口部３３側の端面６８と対向する領域を金属体５５にして、この金属体５５を、金属材料４６を用いてパッケージ３６に接合することで、蓋体３９とパッケージ３６との接合強度を確保することができた。

そして、金属体５５は、周縁の上方に壁部５５ａを有するように枠状となっており、その内面に光を透過する材料５６が接合されて形成されている。光を透過する材料５６は、蓋封止後に周波数調整用のレーザー光Ｌを透過される材料であって、本実施形態の場合、酸化物を含有する硼珪酸ガラスなどが用いられている（以下、この「光を透過する材料」を単に「ガラス」という。）。

具体的には、金属体５５は、その周縁の上方に壁部５５ａを有することで、幅方向の断面が、図２に示されるように略Ｌ字状に形成されており、これにより、金属体５５とガラス５６との接合強度を向上させている。すなわち、ガラス５６は、略Ｌ字状の内側底部５５ｂに、垂直方向に支持されている。また、図２に示すように、ガラス５６は、両側の壁部５５ａ，５５ａに挟まれて、水平方向に動かないように規制されている。また、金属体５５の幅方向の断面が略Ｌ字状になることで、金属体５５とガラス５６との接合面積が増加されている。

さらに、本実施形態の場合、蓋体３９は、コバールまたは４２アロイ等のＦｅ系金属などからなる金属体５５の内面に酸化膜を形成してから、酸化物を含有する硼珪酸ガラス等のガラス５６と接合されるようになっている。
したがって、ガラス５６を加熱・溶融させて金属体５５に接合する際、金属体５５の内面の酸化膜と、ガラスに含まれる酸化物との間で拡散接合が促されて、金属体５５とガラス５６との接合強度を向上させることができる。

このようにして、ガラス５６との接合強度が向上された金属体５５は、その底面５５ｃの幅寸法Ｗ１が、パッケージ３６の開口部３３側の端面６８の幅寸法Ｗ２以下となっている。つまり、蓋体３９の、少なくともパッケージ３６の開口部３３側の端面６８と対向する領域以外は、ガラス５６となっている。
これにより、蓋封止後であっても、ガラス５６の外側から圧電振動片３２の金属膜３８にレーザー光Ｌを照射することによって周波数調整ができる。
また、従来のように圧電振動片３２の金属膜３８に対応した部分のみにガラスを設けた場合と比べて、ガラス５６と金属体５５との接触面積が増えて、その接合強度を向上させることができる。
さらに、封止用の金属材料４６が、少なくともパッケージ３６の開口部３３側の端面６８の幅寸法Ｗ２より大きな寸法をもって濡れ拡がることがなくなるため、金属材料４６の高さ方向（図２の上下方向）の寸法を確保して、パッケージ３６と蓋体３９との接合強度を向上させることができる。

本実施形態の場合、金属体５５の底面５５ｃの形状は、パッケージ３６の開口部３３側の端面６８の形状と同様になっており、接着剤となる金属材料４６が、パッケージ３６の開口部３３側の端面６８と同じ幅だけ、金属体５５及び端面６８に付着するようになっている。これにより、高さ方向（図２の上下方向）だけではなく、幅方向（図２の左右方向）についても、金属材料４６の量が不足する事態を防止して、パッケージ３６と蓋体３９との接合強度を高めることができる。

なお、金属体５５とパッケージ３６とを接合するための金属材料４６には、低融点金属が用いてられている。ここにいう低融点金属とは、上述した圧電振動片をマウントするための導電性接着剤４３の溶融温度未満の温度をいい、概ね２００℃〜４００℃の融点である金属をさす。したがって、蓋封止の際に金属材料４６を加熱しても、導電性接着剤４３に与える悪影響を抑制できる。

この金属材料４６を構成する低融点金属には、Ａｕ−Ｓｕ合金、Ａｕ−Ｓｉ合金等を用いることができるが、本実施形態の場合、Ａｕ−Ｇｅ合金が用いられている。
具体的には、Ａｕ−Ｇｅ合金のＡｕとＧｅの配合比は、Ａｕを８９〜８７ｗｔ％、Ｇｅを１１〜１３ｗｔ％として、融点が約３５６℃となるように形成されている。
また、このＡｕ−Ｇｅ合金を用いるため、図２の一点鎖線で囲った図に示されるように、Ｆｅ系の金属体５５の表面に、下地層６１として、金属体５５側から順に、Ｎｉ（膜厚は１〜５μｍ）及びＡｕ（膜厚は０．０１〜０．５μｍ）が蒸着またはスパッタリングもしくはメッキ等により施されている。
また、パッケージ３６にも下地層６３として、パッケージ３６側から順に、Ｗがメタライズされ、Ｎｉ及びＡｕが蒸着またはスパッタリングされている。

そして、このＡｕ−Ｇｅ合金は、本実施形態にとって種々の良い効果を発揮するようになっている。
すなわち、Ａｕ−Ｇｅ合金は、鉛を含まない合金であるため、廃棄しても有害な鉛が生成されず、また、パッケージ３６の開口側の端面６８の幅が例えば２００μｍと極めて小さい場合であっても、接合力を発揮できる。
なお、鉛フリー化が可能で、パッケージ３６の開口側端面６８の幅が小さくても接合力を発揮できるものにＡｕ−Ｓｎ合金等があるが、Ａｕ−Ｓｎ合金等では修理のためのリペア工程を行なった場合の保証ができない。すなわち、電子部品実装の鉛フリー化によってこれまでよりも融点の高いハンダが使用されてきている背景から、通常、リペア工程では圧電デバイス２０に３２０℃程度の温度が加えられる。このため、融点が約２８０℃であるＡｕ−Ｓｎ合金では、リペア工程に耐えられない恐れがある。また、パッケージ３６の内部空間Ｓ１が真空雰囲気であっても、Ａｕ−Ｇｅ合金であれば、外圧によりリークし難い。

さらに、この金属材料４６であるＡｕ−Ｇｅ合金の熱膨張係数は、Ｆｅ系の金属体５５の熱膨張係数に比べて大きくなっている。
そうすると、蓋封止の際、金属材料４６であるＡｕ−Ｇｅ合金を加熱した後の冷却工程で、Ａｕ−Ｇｅ合金は、その温度変化により金属体５５よりも大きく縮むため、枠状の金属体５５に付着した枠状のＡｕ−Ｇｅ合金は、金属体５５を中心部に向かわせる方向（図３の矢印の方向）に収縮する。したがって、蓋封止の冷却の際、金属体５５は、枠状の壁部５５ａで、囲まれたガラス５６を締め付けることになり、金属体５５とガラス５６との接合強度を向上させることができる。
なお、この締め付け効果を効果的に発揮するためには、壁部５６の内面が、水平方向（図２の左右方向）について、パッケージ３６の開口部３３側の端面６８の範囲内にあることが好ましい。また、締め付け効果を発揮し過ぎると、ガラス５６を破損させる恐れもあるので、Ａｕ−Ｇｅ合金の厚みには注意を要する。

本発明の実施形態に係る圧電デバイス２０は以上のように構成されており、蓋体３９は、周縁の上方に壁部５５ａを有するように枠状とされた金属体５５の内面にガラス５６が接合され、その金属体５５の底面５５ｃは、幅寸法Ｗ１がパッケージ３６の開口部側の端面６８の幅寸法Ｗ２以下となって、パッケージ３６と接合されている。
このため、蓋体５５とパッケージ３６とを接合するための金属材料４６が、少なくともパッケージ３６の開口部側の端面６８の幅寸法Ｗ２より大きな寸法をもって濡れ拡がることがなくなるため、金属材料４６の高さ方向の寸法を確保して、パッケージ３６と蓋体３９との接合強度を向上させることができる。
さらに、蓋体３９は、少なくともパッケージ３６の開口部側の端面６８と対向する領域以外がガラス５６となるため、従来に比べて、ガラス５６と金属体５５との接触面積も拡がって、その接合強度も向上させることができる。
かくして、蓋体３９の一部に周波数調整するためのガラス５６を設けても、パッケージ３６の気密性を高めて、優れた振動特性を発揮する圧電デバイス２０を提供することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、圧電振動子、圧電発振器、水晶フィルタ、ＳＡＷデバイス、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略斜視図。 図１のＡ−Ａ線概略断面図。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 従来の圧電デバイスの概略縦断面図。

符号の説明

２０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片、３３・・・開口部、３６・・・パッケージ、３９・・・蓋体、５５・・・金属体、５５ａ・・・壁部、５６・・・光を透過する材料（ガラス）

Claims (5)

1. 開口部を有しているパッケージ、前記パッケージに収容されている圧電振動片、前記開口部を封止している蓋体を備え、
   前記蓋体は、酸化物を含有しているガラス製の光透過部、前記光透過部を囲んで支えており前記パッケージに接合されている枠状の金属体を備え、
   前記金属体は、前記パッケージと接合されている側に底面、前記底面に対して裏面であって前記金属体の内周辺から前記金属体の外周辺に向かって延在している底部上面、前記底面に対して裏側にあって前記底部上面と前記外周辺との間にあって前記底部上面よりも厚み方向に延在している内壁面を有している壁部、を備え、
   前記金属体の前記底面の幅寸法は、前記パッケージの前記開口部側の端面の幅寸法以下であり、
   前記光透過部は、前記内壁面と前記底部上面に酸化膜を介して接合されていることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記金属体の前記底面の形状は、前記パッケージの前記開口部側の前記端面の形状と同様になっていることを特徴とする請求項１の圧電デバイス。
3. 前記圧電振動片は、前記パッケージ内に導電性接着剤により接合されており、
   前記金属体の前記底面と、前記パッケージの前記開口部側の前記端面と、の間に金属材料を備え、
   前記金属材料は、その融点が前記導電性接着剤の溶融温度未満である、低融点金属であることを特徴とする請求項１または２の圧電デバイス。
4. 前記低融点金属は、Ａｕ−Ｇｅ合金であることを特徴とする請求項３の圧電デバイス。
5. 前記低融点金属の熱膨張係数は、前記金属体の熱膨張係数に比べて大きいことを特徴とする請求項３または４の圧電デバイス。

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