JP5477891B2 - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents
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Description
図11は、従来の圧電振動子の構成について説明するための図である。
図11(a)は、従来の圧電振動子の断面構造図を示し、図11(b)は、図11(a)に示す圧電振動子内部における容器側の電極と圧電振動片側の電極との接合部分を平面図により示している。
圧電振動片101には、その表面に表面側励振電極102、裏面に裏面側励振電極103が形成されている。そして、これら表面側励振電極102、裏面側励振電極103には、容器100側に設けられる容器側電極と接合される接合部102A,103Bがそれぞれ形成(連接)されている。
図のように容器100の底面部に対しては、段部100Dが形成されており、上記容器内側表出部104A,105Aは当該段部100D上に形成されている。
なお確認のために述べておくと、容器側電極104において、容器内側表出部104Aと容器外側表出部104Bとは例えば容器内部に形成されたスルーホールなどを介して連接(つまり電気的に接続)される。また、容器側電極105においても、容器内側表出部105Aと容器外側表出部105Bとは同様に例えばスルーホールなどを介して連接される。
なお、容器側と振動片側の電極間の接合を導電性接着剤により行う点については、例えば上記特許文献1にも記載されている。
このとき、導電性接着剤106は経時的にガスを発生するため、これに伴い圧電振動片101の共振周波数特性としても経時的に変化することになる。
特に、圧電振動子を温度センサとして用いる場合には300℃〜500℃程度までといった高温下での使用にも対応できることが望ましく、従ってこの点に鑑みれば、圧電振動子の使用温度範囲の拡大化が図られるのが望ましい。
すなわち、本発明の圧電振動子は、表面、裏面にそれぞれ表面側励振電極、裏面側励振電極が形成された圧電振動片と、内部に上記圧電振動片を収容すると共に、外部からの励振電圧を上記圧電振動片に対して与えるための容器側電極が形成された容器とを備えて構成される圧電振動子であって、上記圧電振動片の表面側励振電極、裏面側励振電極と上記容器側電極との接合がワイヤボンディングにより行われ、上記圧電振動片と上記容器側との機械的な接合が上記ワイヤボンディングによって上記圧電振動片の一端側のみで行われ、上記圧電振動片が上記容器に対して非接触とされているものである。
つまり、表面、裏面にそれぞれ表面側励振電極、裏面側励振電極が形成された圧電振動片と、内部に上記圧電振動片を収容すると共に、外部からの励振電圧を上記圧電振動片に対して与えるための容器側電極が形成された容器とを備えて構成される圧電振動子の製造方法であって、上記容器の内側における底面部と上記圧電振動片との間にスペーサを配置して、上記圧電振動片を上記容器に対して非接触とした状態にて、上記表面側励振電極、裏面側励振電極と上記容器側電極とをワイヤボンディングにより接合することで、上記圧電振動片と上記容器側との機械的な接合を上記圧電振動片の上記一端側のみで行う電極接合工程を少なくとも有するものである。
また、本発明では導電性接着剤を用いないので、圧電振動子の使用温度範囲が導電性接着剤の溶剤の使用温度範囲によって左右されることが無いようにできる。つまりその分、従来よりも高い耐熱性を得ることができ、使用温度範囲の拡大化を図ることができる。
また、圧電振動片が容器に対して非接触とされているため、製品ごとの振動特性のバラツキの防止が確実に図られる。ここで、仮に圧電振動片を容器側に当接させた状態(非接着)で上記各電極間をワイヤボンディングにて接合した場合には、実使用時にて圧電振動片が励振されたときにその当接部分にてガタが生じ(容器側との接触/非接触が繰り返され)ることが考えられなくもない。万が一、このようなガタが発生した場合には、製品ごとに振動特性にバラツキが生じ、その結果製品としての信頼性の低下を招いてしまう。上記のように圧電振動片が容器に対して非接触とされていることでガタの発生を確実に防止でき、製品ごとの振動特性のバラツキの防止が確実に図られるようにできる。
また、圧電振動子の使用温度範囲の拡大化も図ることができ、例えば圧電振動子を温度センサとして用いる場合にはその測定温度範囲の拡大化を図ることができる。
さらに、製品ごとの振動特性のバラツキの防止が確実に図られるようにできる。
<第1の実施の形態>
先ずは図1〜図3により、第1の実施の形態としての圧電振動子1の構成について説明する。
図1は圧電振動子1の断面構造図を、図2は圧電振動子1内に設けられる圧電振動片2の構成を、また図3は圧電振動子1内部における容器側の電極と圧電振動片側の電極との接合部分を平面図により示している。
なお図2において、図2(a)は圧電振動片2の平面図、図2(b)は圧電振動片2の斜視図、図2(c)は圧電振動片2の断面図である。
上記圧電振動片2は、固有の振動周波数で振動する圧電材料で構成されるものであり、例えば水晶、ランガサイト、ランガテイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどで構成することができる。
本例において、圧電振動片2のサイズ(長手方向×短手方向×厚み)は例えば2mm×1.258mm×0.059mm程度とされる。
また上記裏面側励振電極5にも同様に、容器3側の電極と接合するための接合部5Aが連接して形成される。本例の場合、表面側励振電極4に連接される接合部4A、及び裏面側励振電極5に連接される接合部5Aは、共に圧電振動片2の表面側に位置するように形成されている。図2(c)からも明らかなように、接合部5Aは、裏面側励振電極5との連接部分が圧電振動片2の側面を巻いて表面側に折り返されることで、圧電振動片2の表面側に形成されている。
容器3は例えばセラミックなどで構成される。
図のように容器本体3Aの底面部に対しては、段部3A-Dが形成されており、上記容器内側表出部6A,7Aは当該段部3A-D上に形成されている。
確認のために述べておくと、容器側電極6において、容器内側表出部6Aと容器外側表出部6Bとは例えば容器本体3A内部に形成されたスルーホールなどを介して連接(つまり電気的に接続)されるものである。また、容器側電極7においても、容器内側表出部7Aと容器外側表出部7Bとは同様に例えばスルーホールなどを介して連接される。
また本例において、これら[接合部4A・容器内側表出部6A]の組、[接合部5A・容器内側表出部7A]の組の接合は、共に1本のボンディングワイヤBWにより行われている。
確認のために述べておくと、このようなボンディングワイヤBWにより、電極間の電気的な接合のみでなく、圧電振動片2と容器3側との機械的な接合も実現されるものである。
また、ボンディングワイヤBWの材料は金(Au)であり、ワイヤ径はおよそ25μmである。
これに対し、上記のように圧電振動片2が容器3側に対して非接触の状態(ボンディングワイヤBWのみを介して接する状態)となるようにすれば、上記のようなガタの発生がより確実に防止されるようにでき、その結果、製品ごとの振動特性のバラツキの発生がより強固に防止されるようにできる。
すなわち、圧電振動片2を容器3側に当接させた状態でワイヤボンディングする場合でも実用上問題が生じない可能性も十分に有り得るものであり、その意味で本発明としては、圧電振動片2を容器3側に当接させた状態でワイヤボンディングした構成とすることも可能である。
上記の記載は、このような点を踏まえた上で、上述のようなガタの発生が懸念される「当接状態」でのワイヤボンディングを行う場合よりも、ガタの発生をより確実に防止できる「非接触状態」でのワイヤボンディングを行う場合の方が、製品ごとのバラツキを確実に防止できるということを述べたものである。
例えば導電性接着剤を用いる従来例の場合の測定温度範囲はおよそ250℃程度までであったのに対し、ワイヤボンディングによる接合を採用した本実施の形態の場合、測定温度範囲はおよそ500℃以上までの拡大を期待できる。
続いて、第2の実施の形態の圧電振動子8について説明する。
図4は、第2の実施の形態の圧電振動子8の構成について説明するための図であり、図4(a)は圧電振動子8の断面図(主に圧電振動片2側と容器3側との電極間の接合部分のみを抽出)であり、図4(b)は圧電振動片2側と容器3側との電極間の接合部分を拡大した平面図である。
なお、既に第1の実施の形態にて説明した部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
なお確認のために述べておくと、図4(a)においては先の図1と同様に、図示の都合から表面側励振電極4は接合部4Aのみ、裏面側励振電極5は接合部5Aのみを示している。
本例の場合、上記ガラス9による接合は、図4(b)に示されるように段部3A-D上における容器内側表出部6Aと容器内側表出部7Aとの間のスペースにて行っている。
先ずは図5(a)に示すように、容器本体3Aの内側における所定の位置(本例の場合は上記容器内側表出部6Aと容器内側表出部7Aとの間のスペース)において、フリットガラスを載置しこれを高温に熱することで熔解状態のガラス9とする。
これによって圧電振動片2と容器3とをガラス熔着接合させることができる。
なお、ガラス熔着接合は、加熱前のフリットガラス上に圧電振動片2を載置し、その状態で高温に熱することによっても行うことができる。
このように圧電振動片2の一部を容器3側に接合することによっても、圧電振動片2の励振時におけるガタの発生がより確実に防止されるようにできる。つまり第2の実施の形態によっても、製品ごとに振動特性(共振周波数特性)にバラツキが生じてしまうといった事態の発生がより確実に防止されるものであり、結果、製品の信頼性の低下の防止がより強固に図られるようにできる。
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれまでに説明した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでで例示した各部の寸法や構成材料などはあくまで一例を挙げたものに過ぎず、それらに限定されるべきものでないことは言うまでもない。
例えば図6では、各電極間の接合をそれぞれ3本のボンディングワイヤBWにより行う場合を例示している。
ここで、圧電振動子を温度センサとして用いる場合、その利用例としては、例えば図8に示されるようなシリコンウエハ10の加工時における多点温度測定を挙げることができる。
このようなシリコンウエハ10の加工工程時における温度制御について、近年においては、高密度のICチップを大量に製造するにあたってシリコンウエハ10が大型化されており、温度測定をウエハ上の一箇所にて行っていたのでは温度を均一化することが困難とされている。加熱温度が不均一とされた場合は、集積回路製品の品質にムラが生じてしまうことになるため、その対策として近年では、シリコンウエハ10の複数箇所にて温度測定を行う場合がある(多点温度測定)。
なおこの図では第1の実施の形態の場合と同様に圧電振動片2が容器3側に対して非接触とされる例を挙げているが、第2の実施の形態のようにガラス9による接合を行う場合にも下記で説明するものと同様の構成が採られればよい。
この場合、容器側電極6,7における容器外側表出部6B,7Bは省略され、アンテナ12が設けられる。このアンテナ12は例えば容器3の蓋部3Bの上面側に設けられる。図示は省略しているが、アンテナ12の一端は例えば容器3に形成されたスルーホールなどを介して容器内側表出部6Aと接続され、またアンテナ12の他端は同様にスルーホールなどを介して容器内側表出部7Aと接続される。
これにより上述した温度測定装置からの電磁波による励振、及び上述した残響振動成分のアンテナ12を介した送出を行うことができる。
なお、この図9に示す変形例では、アンテナ12は、容器側電極6,7を介して圧電振動片2の励振電極4,5と接合されている。この点より、当該変形例は、アンテナ12側と圧電振動片2側の励振電極4,5との間の接合が、ワイヤボンディングにより行われたものであると捉えることができる。
これに対し、上記により説明した無線による測定手法とする場合には、はんだの使用は不要であり、従って図9に示したような変形例としての圧電振動子11によれば、より高温の測定を行うことができる。
この図10の例では、容器外側表出部6B,7Bをそれぞれ2つずつ設ける場合を例示している。この場合、容器外側表出部6B,6B、容器外側表出部7B,7Bの計4つの外部電極は、図のように容器3の底面部の四隅に配置するなど、それぞれを離間して配置し、且つ、容器外側表出部6B同士、容器外側表出部7B同士がそれぞれ容器3内部のスルーホールなどを介して接続されるようにしておく。
このようにすることで、励振電圧の印加のための配線接続は、容器外側表出部6B,6Bの何れか一方、及び容器外側表出部7B,7Bの何れか一方に対して行えばよいものとでき、結果、配線の自由度を高めることができる。
Claims (4)
- 表面、裏面にそれぞれ表面側励振電極、裏面側励振電極が形成された圧電振動片と、
内部に上記圧電振動片を収容すると共に、外部からの励振電圧を上記圧電振動片に対して与えるための容器側電極が形成された容器と
を備えて構成される圧電振動子であって、
上記圧電振動片の表面側励振電極、裏面側励振電極と上記容器側電極との接合がワイヤボンディングにより行われ、
上記圧電振動片と上記容器側との機械的な接合が上記ワイヤボンディングによって上記圧電振動片の一端側のみで行われ、
上記圧電振動片が上記容器に対して非接触とされている
ことを特徴とする圧電振動子。 - 上記圧電振動片は水晶、ランガサイト、ランガテイト、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムの何れかで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動子。
- 上記容器には、上記容器側電極と接続され、外部から照射される電磁波に応じて上記圧電振動片を励振するための励振用アンテナが形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動子。 - 表面、裏面にそれぞれ表面側励振電極、裏面側励振電極が形成された圧電振動片と、内部に上記圧電振動片を収容すると共に、外部からの励振電圧を上記圧電振動片に対して与えるための容器側電極が形成された容器とを備えて構成される圧電振動子の製造方法であって、
上記容器の内側における底面部と上記圧電振動片との間にスペーサを配置して、上記圧電振動片を上記容器に対して非接触とした状態にて、上記表面側励振電極、裏面側励振電極と上記容器側電極とをワイヤボンディングにより接合することで、上記圧電振動片と上記容器側との機械的な接合を上記圧電振動片の上記一端側のみで行う電極接合工程を少なくとも有する
ことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
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