JP6331475B2

JP6331475B2 - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP6331475B2
Application number: JP2014039318A
Authority: JP
Inventors: 壮司簗田; 斎藤　洋; 洋斎藤; 和人竹屋; 克成森合; 尭稲垣; 崇裕伊丹; 健小柳; 一士石田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-02-28
Also published as: US20150249199A1; JP2015164242A; US9762203B2

Description

本発明は、圧電デバイスに関する。

圧電素子を備える圧電振動デバイスの一種として、水晶を利用した水晶発振子が知られている。水晶発振子として、平板状のセラミックス層及びセラミックス製の枠を有するパッケージと、金属製の蓋とによって囲まれる空間内に、圧電素子である水晶振動子が収容されているものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１−１４４２０１号公報

上述の特許文献１では、上記枠におけるセラミックス層側の面と対向する面上に、金属製の封止用導体が設けられている。当該封止用導体と金属製の蓋とを抵抗溶接等により接合することによって、上述の空間が形成される。しかしながら、セラミックス製の枠の熱膨張係数と金属製の封止用導体の熱膨張係数とは大きく異なる。このため、封止用導体と金属製の蓋とが溶接される際に、セラミックス製の枠における封止用導体が形成された付近にクラックが発生するおそれがある。

そこで、本発明は、クラックの発生が抑制された圧電デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係る圧電デバイスは、互いに対向する第１主面及び第２主面を有する、セラミックス基板と、第１主面上に設けられる圧電素子と、互いに対向する第１面及び第２面を有する枠であって、第１面が第１主面に接すると共に圧電素子を囲むように設けられる枠と、枠の第２面上に設けられる金属層と、枠に囲まれた空間を塞ぐように金属層上に設けられる金属蓋と、を備えており、金属層と金属蓋とは、互いに抵抗溶接され、枠は、金属層に接触すると共に、金属及び金属酸化物を含有するコンポジット部を有する。

本発明に係る圧電デバイスでは、枠は金属及び金属酸化物を含有するコンポジット部を有している。このため、コンポジット部は導電性を有し、電気めっきされることが可能になる。コンポジット部は、第２面上に設けられる金属層に接触する。金属層はコンポジット部に含有される金属と結合することにより、当該金属層が枠から剥離するのを抑制することができる。また、コンポジット部の熱膨張係数は、純粋な金属酸化物からなるセラミックスの熱膨張係数よりも、金属の熱膨張係数に近い値になる。このため、金属層と金属蓋とが互いに抵抗溶接される際のコンポジット部に対する熱衝撃が緩和され、コンポジット部内にクラックが発生することが抑制される。したがって、クラックの発生が抑制された圧電デバイスの提供が可能となる。

また、第２面は研磨された面でもよい。この場合、金属層の平坦性が向上するため、コンポジット部と、金属層と、金属蓋との密封性が向上する。

また、枠は、コンポジット部からなっていてもよい。

本発明によれば、クラックの発生が抑制された圧電デバイスを提供することができる。

本実施形態に係る圧電デバイスを示す斜視図である。本実施形態に係る圧電デバイスの断面構成を説明するための図である。本実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。セラミックス基板の平面構成を説明するための図である。圧電素子及び枠の平面構成を説明するための図である。本実施形態の変形例に係る圧電デバイスの断面構成を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１〜図３を参照して、本実施形態に係る圧電デバイスの構成を説明する。図１は、本実施形態に係る圧電デバイスを示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る圧電デバイスの断面構成を説明するための図である。図３は、本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１〜３に示されるように、圧電デバイス１は、交流電圧が印加されて変位することにより、所定の周波数を発振する圧電振動デバイスである。圧電デバイス１は、セラミックス基板２と、圧電素子３と、枠４と、金属蓋５とを備えている。圧電デバイス１の外観は、セラミックス基板２、枠４及び金属蓋５によって構成されている。圧電素子３は、枠４によって囲まれる空間Ｓ内に収容されている。

セラミックス基板２は、互いに対向する長方形状の第１主面２ａ及び第２主面２ｂを有する、セラミックス製の基板である。セラミックス基板２は、金属酸化物（例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）又はチタニア（ＴｉＯ_２）等）の焼結体である。以下の説明においては、第１主面２ａ及び第２主面２ｂの長辺方向をセラミックス基板２（圧電デバイス１）の「長手方向」、短辺方向をセラミックス基板２（圧電デバイス１）の「幅方向」、第１主面２ａ及び第２主面２ｂが対向する方向をセラミックス基板２（圧電デバイス１）の「厚み方向」と称する。第１主面２ａ及び第２主面２ｂの長手方向の長さは、例えば１．５ｍｍ〜４ｍｍである。第１主面２ａ及び第２主面２ｂの幅方向の長さは、例えば１ｍｍ〜３ｍｍである。厚み方向における第１主面２ａと第２主面２ｂとの距離（セラミックス基板２の厚さ）は、例えば０．１ｍｍ〜０．４ｍｍである。

セラミックス基板２は、厚み方向に重なる長方形状のセラミックス製の第１基板１１と、長方形状のセラミックス製の第２基板１２とを備えている。第１基板１１は、互いに対向する長方形状の第１主面１１ａ及び第２主面１１ｂを有する。第１主面１１ａは、セラミックス基板２の第１主面２ａに相当する。第２基板１２は、互いに対向する長方形状の第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂを有する。第２主面１２ｂは、セラミックス基板２の第２主面２ｂに相当する。第１基板１１の第２主面１１ｂと、第２基板１２の第１主面１１ａとは、互いに接触している。第１基板１１及び第２基板１２は、互いに一体化するように焼結されている。

セラミックス基板２の第１主面２ａ上には、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）又はニッケル（Ｎｉ）等の金属製の圧電素子搭載パッド１３，１４が設けられている。圧電素子搭載パッド１３は、後述する導体２１と、中継電極２２と、導体２３とを介して第２主面２ｂ上に設けられた外部接続用端子１８に電気的に接続されている。圧電素子搭載パッド１４は、後述する導体３１と、中継電極３２と、導体３３とを介して第２主面２ｂ上に設けられた外部接続用端子１９に電気的に接続されている。外部接続用端子１８，１９は、圧電素子搭載パッド１３，１４と同一の金属から構成されている。

圧電素子３は、交流電圧が印加されることにより所定の周波数にて振動する機能を有する。圧電素子３は、互いに対向する長方形状の第１主面１５ａ及び第２主面１５ｂを有する水晶基板１５と、第１主面１５ａ上に主に設けられる金属製の電極１６と、第２主面１５ｂ上に主に設けられる金属製の電極１７とを備えている。電極１６は導電性ペーストＰを介して圧電素子搭載パッド１３に接続されている。同様に、電極１７も導電性ペーストを介して圧電素子搭載パッド１４に接続されている。導電性ペーストＰは、金属（例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）又はニッケル（Ｎｉ））等の導電性粒子が分散されている樹脂である。

枠４は、第１主面２ａを構成する各辺に沿って設けられる焼結体である。この焼結体は、単層の枠状のグリーン体、又は複数の積層された枠状のグリーン体を焼成することによって形成される。枠４は、セラミックス基板２の第１主面２ａ上に、厚み方向から見て長方形状の空間Ｓを形成するように構成される。枠４は、互いに対向する第１面４ａ及び第２面４ｂを有しており、第１面４ａはセラミックス基板２の第１主面２ａに接している。枠４の厚み方向における長さは、例えば０．３ｍｍ〜０．６ｍｍであり、枠４の幅Ｗは、例えば０．２ｍｍ〜０．４ｍｍである。枠４における第２面４ｂは、研磨機等により研磨されている。圧電素子３は、空間Ｓに収容されるようにセラミックス基板２の第１主面２ａ上に設けられている。

枠４は、金属及び金属酸化物を含有するコンポジット部から構成される。コンポジット部とは、少なくとも金属（例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）等）及び金属酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）又はチタニア（ＴｉＯ_２）等）を含有する複合材料（コンポジット材料）の焼結体である。したがって、複合材料の熱膨張係数は、純粋な金属酸化物からなるセラミックスの熱膨張係数よりも、金属の熱膨張係数に近い値となる。枠４の金属は導通路を形成するように、枠４の金属酸化物中に分散されている。このため、枠４は導電性を有する。複合材料は、金属又は金属酸化物の脱離を抑制する結合剤として、ガラス（例えば、酸化ケイ素等）を含有してもよい。複合材料に含有される金属酸化物は、セラミックス基板２の金属酸化物と同一でもよい。

枠４の表面には、金属層６が設けられている。金属層６は、例えばニッケル（Ｎｉ）又は金（Ａｕ）等の金属から構成されている。金属層６は、例えば電気めっきによって、枠４の表面に形成される。この場合、金属層６の金属は、枠４表面上の金属と結合している。金属層６は、少なくとも枠４の第２面４ｂ上に形成されればよい。金属層６は、フラッシュめっきによって形成されてもよい。

金属蓋５は、枠４に囲まれた空間Ｓを塞ぐように金属層６上に設けられる、直方体状の蓋である。金属蓋５は、例えばニッケル（Ｎｉ）等の金属製の蓋又はコバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金）等の合金製の蓋である。金属蓋５は、枠４の第２面４ｂ上の金属層６と抵抗溶接によって接合している。当該接合は、例えば金属蓋５と金属層６（又は枠４）に電流を流すシーム溶接によって行われる。厚み方向から見た金属蓋５の面積は、セラミックス基板２の第１主面２ａの面積よりも小さいが、これらの面積は同一でもよい。

次に、図２、図４の（ａ）〜（ｃ）及び図５を参照して、本実施形態に係る圧電デバイスの構成要素の一部を詳細に説明する。図４は、セラミックス基板の平面構成を説明するための図である。具体的には、図４の（ａ）は、第１基板の平面図である。図４の（ｂ）は、第２基板の平面図である。図４の（ｃ）は、第２基板の底面図である。図５は、圧電素子及び枠の平面構成を説明するための図である。

図２及び図４の（ａ）に示されるように、セラミックス基板２の第１主面２ａ（第１基板１１の第１主面１１ａ）上には、金属製の圧電素子搭載パッド１３，１４が設けられている。第１基板１１における圧電素子搭載パッド１３と重なる部分には、厚み方向へ貫通するスルーホールが設けられており、当該スルーホール内に導体２１が配置されている。同様に、第１基板１１における圧電素子搭載パッド１４と重なる部分には、厚み方向へ貫通するスルーホールが設けられており、当該スルーホール内に導体３１が配置されている。導体２１，３１は、圧電素子搭載パッド１３，１４と同一の金属から構成される。

図２及び図４の（ｂ）に示されるように、第２基板１２の第１主面１２ａ上には、金属製の中継電極２２，３２が設けられている。中継電極２２，３２は、互いに電気的に絶縁している。中継電極２２は、第１基板１１に配置された導体２１に接続されている。中継電極３２は、第１基板１１に配置された導体３１に接続されている。第２基板１２における中継電極２２と重なる部分には、厚み方向へ貫通するスルーホールが設けられており、当該スルーホール内に導体２３が配置されている。同様に、第２基板１２における中継電極３２と重なる部分には、厚み方向へ貫通するスルーホールが設けられており、当該スルーホール内に導体３３が配置されている。導体２３，３３は、中継電極２２，３２と同一の金属から構成される。

図２及び図４の（ｃ）に示されるように、セラミックス基板２の第２主面２ｂ（第２基板１２の第２主面１２ｂ）上には、圧電デバイス１が外部装置に接続及び搭載されるための金属製の端子４１〜４４が設けられている。端子４１〜４４は、厚み方向から見て長方形状であり、第２主面１２ｂの各頂点に対応して設けられている。端子４１は導体２３と接触している。すなわち、端子４１は、導体２１と、中継電極２２と、導体２３とを介して圧電素子搭載パッド１３に電気的に接続される外部接続用端子１８に相当する。端子４３は導体３３と接触している。すなわち、端子４３は、導体３１と、中継電極３２と、導体３３とを介して圧電素子搭載パッド１４に電気的に接続される外部接続用端子１９に相当する。

図２及び図５に示されるように、枠４は、厚み方向から見て圧電素子３を囲むようにセラミックス基板２の第１主面２ａ上に設けられている。圧電素子３は、枠４に接しないように、空間Ｓ内に収容されている。

以上説明したように、本実施形態に係る圧電デバイス１では、枠４は金属及び金属酸化物を含有するコンポジット部から構成される。このため、枠４（コンポジット部）は導電性を有し、電気めっきされることが可能になる。枠４（コンポジット部）は、その第２面４ｂ上に設けられる金属層６に接触する。金属層６は枠４（コンポジット部）に含有される金属と結合することにより、金属層６が枠４から剥離するのを抑制することができる。また、枠４（コンポジット部）の熱膨張係数は、純粋な金属酸化物からなるセラミックスの熱膨張係数よりも、金属の熱膨張係数に近い値になる。このため、金属蓋５と金属層６とが互いに抵抗溶接される際の枠４（コンポジット部）に対する熱衝撃が緩和され、枠４（コンポジット部）内にクラックが発生することが抑制される。したがって、クラックの発生が抑制された圧電デバイス１の提供が可能となる。

また、枠４の第２面４ｂは研磨された面でもよい。この場合、金属層６の平坦性が向上するため、枠４（コンポジット部）と、金属層６と、金属蓋５との密封性が向上する。

次に、図６を参照して、本実施形態の変形例に係る圧電デバイス１Ａについて説明する。図６は、本実施形態の変形例に係る圧電デバイスの断面構成を説明するための図である。変形例に係る圧電デバイス１Ａは、上記実施形態の圧電デバイス１と同一の構造を数多く有する。このため、上記実施形態と相違する点のみを詳細に説明し、同一の部分は省略する。

図６に示されるように、枠４Ａは、互いに積層されるセラミックス部５１及びコンポジット部５２を備える。セラミックス部５１は、金属酸化物（例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）又はチタニア（ＴｉＯ_２）等）の焼結体である。セラミックス部５１は、セラミックス基板２の第１主面２ａに接している。セラミックス部５１は、単数又は複数の積層された焼結体から構成されてもよい。コンポジット部５２は、金属及び金属酸化物を含有する複合材料の焼結体である。コンポジット部５２は、厚み方向においてセラミックス部５１よりも金属蓋５側に設けられる。枠４Ａ全体におけるコンポジット部５２が占める体積の割合は、例えば５％〜９５％である。セラミックス部５１の金属酸化物と、コンポジット部５２の金属酸化物とは、同一であってもよい。この場合、セラミックス部５１とコンポジット部５２との結合性が向上する。

金属層６Ａは、枠４Ａにおけるコンポジット部５２のみを覆うように設けられている。これは、金属層６Ａは、電気めっきにてコンポジット部５２内の金属と結合することによって形成されるからである。したがって、コンポジット部５２のみを覆うように金属層６Ａが選択的に形成される。

以上説明した変形例に係る圧電デバイス１Ａにおいても、本実施形態と同様の作用効果を奏することができる。また、枠４Ａにおけるコンポジット部５２の割合を少なくできる為、圧電デバイス１Ａにおける金属の消費量を低減できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

例えば、セラミックス基板２の平面形状は、図２に示される長方形状に限定されず、圧電デバイス１を適用する箇所にあわせて、円形又は六角形など、適宜変更することができる。この場合、枠４によって形成される空間Ｓは、円形又は六角形等適宜変更してもよい。

１，１Ａ…圧電デバイス、２…セラミックス基板、２ａ…セラミックス基板の第１主面、２ｂ…セラミックス基板の第２主面、３…圧電素子、４，４Ａ…枠、４ａ…枠の第１面、４ｂ…枠の第２面、５…金属蓋、６，６Ａ…金属層、１１…第１基板、１２…第２基板、１３，１４…圧電素子搭載パッド、２１，２３，３１，３３…導体、２２，３２…中継電極、４１〜４４…端子、５１…セラミックス部、５２…コンポジット部、Ｐ…導電性ペースト、Ｓ…空間、Ｗ…幅。

Claims

互いに対向する第１主面及び第２主面を有する、セラミックス基板と、
前記第１主面上に設けられる圧電素子と、
互いに対向する第１面及び第２面を有する枠であって、前記第１面が前記第１主面に接すると共に前記圧電素子を囲むように設けられる前記枠と、
前記枠の前記第２面に形成されている金属電気めっき層と、
前記枠に囲まれた空間を塞ぐように前記金属電気めっき層上に設けられる金属蓋と、を備えており、
前記金属電気めっき層と前記金属蓋とは、互いに抵抗溶接され、
前記枠は、前記金属電気めっき層に接触すると共に、金属及び金属酸化物を含有するコンポジット部を有する、圧電デバイス。
前記枠の前記第２面は、研磨された面である、請求項１に記載の圧電デバイス。
前記枠は、前記コンポジット部からなる、請求項１又は２に記載の圧電デバイス。