JP3873902B2 - 圧電デバイスとその製造方法ならびに圧電デバイスを利用した携帯電話装置および圧電デバイスを利用した電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片を気密に収容した圧電デバイスとその製造方法、ならびに、圧電デバイスを利用した携帯電話装置と電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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において、パッケージ内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１２は、このような圧電デバイスの構成例を示す分解斜視図、図１３はその概略断面図である。
図において、圧電デバイス１は、枠部の内側に圧電振動片を形成した振動片基板２を、リッド基板３とベース基板４で上下から挟んで固定することにより構成されている（特許文献１参照）。これにより、圧電振動片２ｂは、リッド基板３とベース基板４で形成する内部空間Ｓ１内に収容される。
【０００３】
図１３に示されているように、振動片基板２には、リッド基板３とベース基板４との各接合面に接合用電極２ｃ，２ｄがそれぞれ設けられており、この接合用電極２ｃ，２ｄを利用して、振動片基板２は、リッド基板３及びベース基板４とそれぞれ陽極接合されている。
【０００４】
図１４は、圧電デバイス１の製造工程を示すフローチャートである。
図において、リッド基板３とベース基板４の製造工程がＳＴ１−１からＳＴ１−３までに示されており、圧電振動片２ｂの製造工程がＳＴ２−１からＳＴ２−４までに示されている。
リッド基板３とベース基板４はともにガラス基板から形成される。リッド基板３とベース基板４は、それぞれガラス材料から、各外形をエッチングして形成する。
【０００５】
そのため、各外形に適合して、材料となるガラス材料（ガラス基板）に、リッド基板３とベース基板４の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ１−１）。次いで、それぞれエッチングにより外形を形成し（ＳＴ１−２）、耐蝕膜を剥離して（ＳＴ１−３）、図１２に示すような外形のリッド基板３及びベース基板４を形成する。
また、圧電振動片２ｂは、例えば、水晶ウエハを用いて、振動片基板２の外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ２−１）。次に、エッチングにより振動片基板２の外形を形成し（ＳＴ２−２）、耐蝕膜を剥離する（ＳＴ２−３）。次いで、圧電振動片として動作に必要とされる図示しない電極を形成する（ＳＴ２−４）。
【０００６】
以上の前工程に続いて、図１３で説明したように、振動片基板２を、リッド基板３及びベース基板４に対して陽極接合する（ＳＴ５）。次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ（ＳＴ６）、必要な検査等を行って圧電デバイス１が完成する（ＳＴ７）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２３９９６
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、陽極接合は真空雰囲気中で行う必要があった。すなわち、圧電振動片２ｂは、リッド基板３及びベース基板４により形成される内部空間内に水蒸気その他のガスが残存しないように密閉される。密閉後に水蒸気その他のガスが残存すると、圧電振動片２ｂに付着し、電極部が錆びたり、ガス成分が付着することで振動性能に悪影響を与えるからである。
具体的には、従来の陽極接合は、図１５に示すような温度プロファイルに従って行われていた。
すなわち、図１５に示すように、例えば、図示しない真空チャンバ内において、開始からｔ１までが、脱ガスに必要な昇温時間であり、真空中で行うため、空気による熱伝導ができないことから、長時間を必要とする。続いて、ｔ１からｔ２まで加熱を継続して、上記内部空間Ｓ１内のガス成分を気化させて真空中に追い出す。次に、加熱を止めてｔ２からｔ３まで、長時間をかけて陽極接合に適する温度まで温度を下降させ、ｔ３からｔ４までの時間で真空中において陽極接合を行う（ＳＴ５）。
【０００９】
すなわち、従来の方法における真空中での陽極接合は、図１５に示すように、摂氏１５０度程度の比較的低い温度で行うために、ｔ２からｔ３までの間で、真空中において長い時間をかけてワークの温度を下げてから陽極接合を行い、その後、時間は約ｔ５までの時間で、常温に近い温度付近まで冷却して、真空チャンバーから取り出すようにしている。このため、図１５のｔ３からｔ５までで、約１時間の作業時間が必要であり、図１５の開始からｔ４までの陽極接合の終了まででも約２時間３０分程度の長時間の作業を必要としている。
したがって、従来の陽極接合にあっては、開始から取り出しまでの図１５の全工程で約３時間程度の長い時間を要し、製造効率が悪いという問題があった。
ここで、真空中での陽極接合を、図１５の場合より高い温度で行うことすれば、ｔ２からｔ３に対応した陽極接合に適する温度までの温度下降時間を短縮することができる。しかし、陽極接合を高い温度で行うと、圧電材料、例えば水晶で形成した圧電振動片２ｂと、リッド基板３及びベース基板４を構成するガラスとの熱膨張率の相違により、撓んだり、接合後にひずみが残り、破損する原因となるという別の問題を生じる。
【００１０】
本発明は、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスとその製造方法、ならびに、このような圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスであって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている、圧電デバイスにより達成される。
【００１２】
第１の発明の構成によれば、前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板に貫通孔を備えている。このため、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とをそれぞれ陽極接合した後で、内部のガスを抜くための孔として前記貫通孔を利用することができる。つまり、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮でき、製造コストを低減できる。そして、接合後において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、圧電振動片の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、前記貫通孔は封止材で塞がれているので、圧電振動片は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
このように、本発明によれば、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスを提供することができるという効果を発揮できる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記振動片基板が、上端と下端とが開放された枠体と、この枠体に対して、枠体の内側に一体に設けられた圧電振動片とを備えることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電振動片は枠体を利用してリッド基板及びベース基板と接合できるので、パッケージ内部で小さな圧電振動片を接合する手間が不要である。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明の構成において、前記圧電振動片が、前記枠体の内面に一体に形成される基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕とを備えた音叉型振動片であり、前記各振動腕には、長さ方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片として構成し、さらに、その各振動腕に長さ方向に延びる溝を形成することにより、電界効率を向上させることができる。
【００１５】
第４の発明は、第３の発明の構成において、前記基部には、前記枠体の内面と一体に形成された領域と、前記振動腕との間に、切欠き部を備えることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片とした場合に、その基部に前記切欠き部を形成することで、振動腕からの振動が基部に漏れ込むことを有効に防止でき、クリスタルインピーダンス値を抑制することができる。
【００１６】
また、上述の目的は、第５の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスの製造方法であって、少なくともいずれか一方に貫通孔を形成した前記ベース基板及び前記リッド基板を用意し、前記振動片基板に駆動用の電極と、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設け、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気中で陽極接合し、さらに、真空中で前記貫通孔を孔封止する、圧電デバイスの製造方法により、達成される。
【００１７】
第５の発明の構成によれば、ガラス製のベース基板及びリッド基板を製造する際に、どちらかに貫通孔を設けておく。そして、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設けて前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気圧で陽極接合する。すなわち、陽極接合が大気圧で行われるので、接合に必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮できる。その後、真空中において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、この貫通孔を封止材で塞いだ後は、内部でガスが発生して、圧電振動片に付着し、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明の構成において、前記陽極接合の後、前記孔封止の前に前記圧電振動片を真空中において、実装のリフロー温度より高い温度で熱処理することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、前記陽極接合の後で、真空雰囲気に移し、圧電振動片を圧電デバイスの実装の際のリフロー温度より高い温度で加熱すると、当該加熱温度に対応して排出される水蒸気等のガスが生成される。このガス成分を真空中に排出してから、貫通孔を孔封止すれば、圧電デバイスを実装する際にリフロー炉で加熱されても、実装工程で内部にガスが発生して、圧電振動片に付着し、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
【００１９】
また、上述の目的は、第７の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした電子機器により、達成される。
【００２０】
また、上述の目的は、第８の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした携帯電話装置により、達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１ないし図７は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略分解斜視図、図２は図１の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図、図３は図２のＡ−Ａ線概略断面図、図４は図１の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図、図５は図１のＢ−Ｂ線切断端面図、図６は図１の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線切断端面図である。
【００２２】
図１において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示している。この圧電デバイス３０は、振動片基板３６の上下の開口（後述）を、それぞれリッド基板３７とベース基板３８とで塞ぐように固定して形成されている。
リッド基板３７とベース基板３８は、それぞれガラス製の同じ材料で形成されている。
リッド基板３７は、少なくとも図１で示す振動片基板３６の上側開口３６ａを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板３６の外形が矩形であることから、リッド基板３７も矩形の形状とされている。ベース基板３８は、少なくとも図１で示す振動片基板３６の下側開口３６ｂを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板３６の外形が矩形であることから、ベース基板３８も矩形の形状とされている。
【００２３】
リッド基板３７とベース基板３８は、同じ外形状のものが使用されており、振動片基板３６の外形と同じ外形を備えている。そして、リッド基板３７は図１に示されているように、凹部３７ａを備えており、ベース基板３８は凹部３８ａを備えている。
リッド基板３７とベース基板３８は、各凹部３７ａと３８ａを互いに向かい合わせにして、間に振動片基板３６を挟んで固定されるようになっており、これにより、各凹部３７ａと３８ａは後述する振動片基板３６の内側の空間と一体になって圧電振動片３２を収容する内部空間Ｓ２を形成するようにされている。
【００２４】
図１に示されているように、振動片基板３６は、上端と下端とが開放され、内側に隙間ないし空間を有する矩形の枠である。振動片基板３６は、開放された上端と下端とに、図１に示されているようにリッド基板３７とベース基板３８とが固定されることで、上記内部空間Ｓ２を密閉するようにされている。
振動片基板３６は、必ずしも図１のように、４角形である必要はなく、角の丸い楕円や長円形等でもよい。本実施形態の場合は、振動片基板３６は、図１に示されているように一方向に長い長方形で、厚みの薄い枠体として形成されている。
【００２５】
この振動片基板３６は、特に、内部に圧電振動片３２を形成するために、圧電材料が使用されている。使用される圧電材料としては、本実施形態のように水晶が適しており、水晶以外にも、例えば、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。振動片基板３６は、本実施形態の場合、水晶の薄板をエッチングすることにより、内側の空間と圧電振動片３２の外形を形成している。
【００２６】
圧電振動片３２は、振動片基板３６と同じ材料で一体に形成されており、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、特に図示する形状とされている。
すなわち、圧電振動片３２は、図２において、振動片基板３６の一端部の内側と一体とされている基部５１と、この基部５１を基端として、図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、音叉型圧電振動片とされている。
また、好ましくは、圧電振動片３２の一対の振動腕３４，３５には、図１に示すように、それぞれ、長手方向に延びる長溝３４ａ，３５ａを形成されている。この場合、各長溝３４ａ，３５ａは、図５に示されているように、各振動腕３４，３５の上面と下面に同様の態様でそれぞれ形成される。
【００２７】
このように、一対の振動腕３４，３５に、それぞれ長手方向に延びる長溝３４ａ，３５ａを形成し、この長溝３４ａ，３５ａにそれぞれ第１の励振電極４１ｂ，第２の励振電極４２ｂを形成することによって、振動腕３４，３５における電界効率が向上する利点がある。尚、図示の複雑さを避けるため図１では励振電極４１ｂ，４２ｂ等の電極の図示を省略している。
圧電振動片３２の振動片基板３６の内面と一体に固定された領域である基部５１と一対の振動腕３４，３５との間には、基部５１の幅方向に縮幅して設けた切欠き部もしくはくびれ部５２，５２を設けるようにしている。
これにより、基部５１側への圧電振動片３２の振動の漏れを防止して、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低減することができる。
【００２８】
図２に示されているように、振動片基板３６の上端面３６ｃには、第１の電極４１が形成されている。この第１の電極４１は、図２に符号４１ａで示すように、振動片基板３６の上端面３６ｃに引き回された第１の接合用電極４１ａと、この第１の接合用電極４１ａと接続されて、圧電振動片３２の基部５１の表面を通り、振動腕３４の両側面及び振動腕３５の上面と下面とに引き回された第１の励振電極４１ｂとを有している。
また、図４に示されているように、振動片基板３６の下端面３６ｄには、第２の電極４２が形成されている。この第２の電極４２は、図４に符号４２ａで示すように、振動片基板３６の下端面３６ｄに引き回された第２の接合用電極４２ａと、この第２の接合用電極４２ａから延長されて、圧電振動片３２の基部５１の裏面を通り、振動腕３５の両側面及び振動腕３４の上面と下面とに引き回された第２の励振電極４２ｂとを有している。
【００２９】
これらの電極は次のような構成上の特徴を有している。
第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａは、それぞれ振動片基板３６とリッド基板３７及びベース基板３８と陽極接合するのに用いられる。第１の励振電極４１ｂ及び第２の励振電極４２ｂは、圧電振動片３２を駆動するのに用いられる。
これらの第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａと、第１の励振電極４１ｂ及び第２の励振電極４２ｂは、例えば水晶により形成された振動片基板３６の表面に、例えばクロム（Ｃｒ）層を形成し、その上に金（Ａｕ）層を設けた共通の構造を備える。
【００３０】
さらに、第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等を被覆して形成されている。
また、図６に示されているように、第１の接合用電極４１ａは図６において左側の側面に側面電極４５ａとして、ベース基板３８の底面まで引き回されて、このベース基板３８の底面の端部に設けた実装電極４５と接続されている。同様にして、第２の接合用電極４２ａは図６において右側の側面に側面電極４６ａとして、ベース基板３８の底面まで引き回されて、このベース基板３８の底面の端部に設けた実装電極４６と接続されている。
【００３１】
また、特に重要な構成として、図６に示されているように、本実施形態では、リッド基板３７の中央付近には、内部空間Ｓ２と外部とを連通する貫通孔６０が設けられている。この貫通孔６０は、２つの貫通孔６１と貫通孔６２が連通した形態で、外側の第１の孔６２は内部空間Ｓ２側に開く第２の孔６１よりも内径を大きく形成することで、第１の孔６２と第２の孔６１の間に外向きの段部６３を形成している。この貫通孔６０には、後述するようにして封止材が充填されることで、孔封止されるようになっている。
【００３２】
そして、図１に示されているように、振動片基板３６の上端面３６ｃには、図１及び図２で説明したリッド基板３７の平面部３７ｃが固定され、振動片基板３６の下端面３６ｄには、図１及び図２で説明したベース基板３８の平面部３８ｃが固定されている。
具体的には、図６に示されているように、ガラス製であるリッド基板３７とベース基板３８には、これらの軟化点よりも低い温度を加えた状態で、リッド基板３７及びベース基板３８と、これらを振動片基板３６に対して接合するための接合膜である接合用電極４１ａ，４２ａとの間で、これら接合用電極４１ａ，４２ａ側が陽極になるようにして、直流電源３９から直流電圧を印加する。
すなわち、陽極接合は、表面どうしを密着させて固相のまま接合する手法で、平滑な表面をもつ面どうしで、その表面原子の結合を生じさせて接合する方法である。したがって、ガラス製であるリッド基板３７とベース基板３８には、印加された直流電圧の作用によって、イオンが移動し、これらと接合用電極４１ａ，４２ａとのギャップ及びその近傍に形成された空間電荷層に、継続して印加された電圧がかかるようになる。そうすると、リッド基板３７及びベース基板３８と、各接合用電極４１ａ，４２ａとの間に静電引力が発生し、互いに密着して、強電界によりガラス側から電極側へイオンの移動がすすみ、界面で電極側の原子と共有結合を生じて、結合が行われると考えられている。またこの過程は、逆電圧を利用して、可逆的に進行させることもできる。
これにより、リッド基板３７とベース基板３８との間に振動片基板３６を挟むようにして内部空間Ｓ２は、リッド基板３７とベース基板３８により気密状態で封止されている。
【００３３】
本実施形態の圧電デバイス３０は、以上のように構成されており、次に、この圧電デバイス３０の製造方法を説明する。
図８は、圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャートである。 図において、リッド基板３７とベース基板３８の製造工程がＳＴ１１からＳＴ１３までに示されており、圧電振動片３２の製造工程がＳＴ２１からＳＴ２４までに示されている（前工程）。
先ず、この前工程を説明する。
リッド基板３７とベース基板３８はともに同じガラス材料から形成される。すなわち、陽極接合を可能とするため、あるいは陽極接合を容易にするために、イオンの拡散しやすいガラス材料を選択し、アルカリ金属を含有するもので、エッチング加工に適するものを選択する。これらの条件において、例えば、ソーダガラスが適している。
【００３４】
リッド基板３７とベース基板３８は、それぞれ上述した材料からなる所定の大きさのガラス基板を用いて、それぞれの外形をエッチングして形成する。
そのため、各外形に適合して、ガラス基板（図示せず）に、リッド基板３７とベース基板３８の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ１１）。次いで、リッド基板３７とベース基板３８について、それぞれエッチングにより外形を形成する（ＳＴ１２）。
【００３５】
ここで、重要なのは、リッド基板３７とベース基板３８のいずれかに図６及び図７で示した貫通孔６０を形成する点である。この貫通孔６０は、本実施形態では、リッド基板３７のほぼ中央付近に形成される。この貫通孔６０の形成は、予め耐蝕膜の該当部分を除いておくことによって、リッド基板３７の外形エッチングと同時に形成することができる。すなわち、この工程では、貫通孔６０の第２の孔６１に対応した内径の孔を形成する。
次に、耐蝕膜を剥離することにより、図１等で説明したリッド基板３７とベース基板３８の外形を形成する（ＳＴ１３）。
続いて、リッド基板３７とベース基板３８に必要な耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、図１に説明した各凹部３７ａ，３８ａを形成する（ＳＴ１４）。
最後に、貫通孔６０を設ける基板について、ＳＴ１３で形成した孔の周囲を露出させて、それ以外の部分に耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、貫通孔６０の第１の孔６２を形成する（ＳＴ１５）。
以上により、リッド基板３７及びベース基板３８を完成する。
【００３６】
圧電振動片３２は、例えば、水晶ウエハ等の基板を用いて、振動片基板３６の外形に対応した耐蝕膜をこの基板（図示せず）に予め形成する（ＳＴ２１）。次に、フッ酸等のエッチング液を用いて、振動片基板３６の外形をエッチングにより形成し（ＳＴ２２）、耐蝕膜を剥離する（ＳＴ２３）。次いで、圧電振動片３２として動作に必要とされる電極と陽極接合の接合膜として使用する電極とを形成する。このような電極は、例えば、図２ないし図４で説明した構成のものであり、これらの図に基づいて説明した第１の電極４１と第２の電極４２とを形成することになる（ＳＴ２４）。
【００３７】
すなわち、第１の電極４１と第２の電極４２は、振動片基板３６の該当する箇所に、例えばクロム（Ｃｒ）層を形成し、その上に金（Ａｕ）層を設けた共通の構成を先に形成し、さらに、第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等をスパッタリングや蒸着等の手法で設ける。
【００３８】
次に後工程を説明する。
図６で説明したように、振動片基板３６を、リッド基板３７及びベース基板３８に対して陽極接合する（ＳＴ３５）。
この陽極接合の工程は、従来のように、内部空間Ｓ２からのガス出しを行う必要がなく、大気圧で行うことができる。このため、例えば図９のような温度プロファイルに従って実行することができる。
図６のように、リッド基板３７及びベース基板３８と、これらを振動片基板３６に対して接合するための接合膜である接合用電極４１ａ，４２ａとの間で、これら接合用電極４１ａ，４２ａ側が陽極になるようにして、直流電源３９から直流電圧を印加する。
【００３９】
この際に、図９に示されているように、開始から陽極接合に要する温度Ｌ１まで加熱する時間Ｈｔ１は、従来のように真空雰囲気中でガス出しをする必要がないから、大気中での加熱である点、及びガス出しに要する程の高い温度を必要としない点から、きわめて短い時間で加熱できる。すなわち、温度Ｌ１は、１５０度（摂氏、以下、温度表示は全て「摂氏」）程度である。したがって、温度Ｌ１まで昇温させ（Ｈｔ１）、昇温後陽極接合が完了するまでに３分程度であるから、開始から陽極接合が完了するまでの時間Ｈｔ２までは、約８分程度である。
【００４０】
次に、ワークを真空チャンバー（図示せず）に移すことで温度Ｌ２に下降し、時間Ｈｔ３から、時間Ｈｔ４にかけて、再び温度Ｌ３まで加熱することでアニール処理を行う（ＳＴ３６）。温度Ｌ３は、圧電デバイス３０の実装時に行われるリフロー温度よりも高い温度が好ましい。このため、例えば２６０度以上、３００度程度までで適宜選択される温度まで加熱する。このアニール処理はリフロー時の脱ガスを防止するためだからである。そこで、例えば温度Ｌ３として３００度程度まで昇温し、３０分程度、内部空間Ｓ２内において、圧電振動片３２やリッド基板３７及びベース基板３８の内側から出るガスを貫通孔６０から排出する。
【００４１】
図９において温度Ｌ３の最終時である時間Ｈｔ５において、孔封止を行う（ＳＴ３７）。この孔封止は真空チャンバー内で次のように行われる。
図１０に示すように、リッド基板３７の貫通孔６０に封止材７０を配置する。封止材７０は、貫通孔６０の第１の孔６２に少なくとも一部が受容され、かつ第２の孔６１の内径よりも大きな外形を備えることで、リッド基板３７の内側に落下ないし完全に入り込まない大きさであることが好ましい。このため、本実施形態では、例えば、球形の封止材７０を使用している。
【００４２】
この封止材７０は溶融されて、貫通孔６０の第１の孔６２及び／または第２の孔６１内に充填されるものであり、リッド基板３７と接合しやすい材料のものが好ましい。また、圧電デバイス３０のリフロー工程の加熱温度により容易に溶融しないものが好ましい。このような条件から、Ａｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金を用いることができる。また、封止材７０として、リッド基板３７との接合のしやすさを考慮すると、低融点ガラス等を使用することができる。
そして、このような封止材７０を図１０に示すように、貫通孔６０の第１の孔６２内に位置決めし、外部からレーザ光ＬＢ等を照射して溶融する。これにより、溶融した封止材７０は貫通孔６０を塞ぐように充填されることで孔封止が完成する。その後、真空チャンバー内にて、図９のＨｔ６までの時間温度降下させ、真空チャンバーから取り出す。なお、孔封止後、直ぐに大気中に取り出して冷却時間をさらに短縮することも可能である。これに対して、パッケージに対する熱ストレスからの保護を考慮すると、図９のように真空チャンバー内で温度降下させるほうがより好ましい。
次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ（ＳＴ３８）、必要な検査等を行って圧電デバイス３０が完成する（ＳＴ３９）。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、リッド基板３７に貫通孔６０を設けるようにしている。すなわち、振動片基板３６と、ベース基板３８及びリッド基板３７とをそれぞれ陽極接合した後で、内部空間Ｓ２からガスを抜くための孔として貫通孔６０を利用するようにしている。これにより、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度Ｌ１に昇温させる時間が少なくてすむので、製造コストを低減できる。そして、接合後において、貫通孔６０から内部のガスを排出することで、圧電振動片３２の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、貫通孔６０は封止材７０で塞がれているので、圧電振動片３２は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
したがって、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイス３０を提供することができる。
【００４４】
図１１は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン３０８及び受信内容を音声出力とするためのスピーカ３０９を備えており、さらに、送受信信号の変調及び復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１を備えている。
ＣＰＵ３０１は、送受信信号の変調及び復調の他に画像表示部としてのＬＣＤや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部３０２や、ＲＡＭ，ＲＯＭ等でなるメモリ３０３の制御を行うようになっている。このため、ＣＰＵ３０１には、圧電デバイス３０が取り付けられて、その出力周波数をＣＰＵ３０１に内蔵された所定の分周回路（図示せず）等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このＣＰＵ３０１に取付けられる圧電デバイス３０は、圧電デバイス３０等単体でなくても、圧電デバイス３０等と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
【００４５】
ＣＰＵ３０１は、さらに、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）３０５と接続され、温度補償水晶発振器３０５は、送信部３０７と受信部３０６に接続されている。これにより、ＣＰＵ３０１からの基本クロックの周波数が、環境温度の変化により変動しても、温度補償水晶発振器３０５により修正されて、送信部３０７及び受信部３０６に与えられるようになっている。
【００４６】
このように、制御部を備えたデジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス３０を利用することにより、低コストで短時間に効率よく生産しても、ガスの付着により圧電振動片３２の振動性能に悪影響が生じることがなく、正確なクロック信号を生成することができる。
【００４７】
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。
特に、圧電振動片の電極の引き回し構造は、上述の実施形態で説明した例に限らず、種々の構造を採用することができる。
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、圧電発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略分解斜視図。
【図２】 図１の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図。
【図３】 図２のＡ−Ａ線概略断面図。
【図４】 図１の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図。
【図５】 図１のＢ−Ｂ線切断端面図。
【図６】 図１の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図。
【図７】 図６のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図８】 本発明の圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャート。
【図９】 図８の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルの一例を示すグラフ。
【図１０】 図８の製造工程の孔封止の様子を示す説明図。
【図１１】 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図１２】 従来の圧電デバイスの一例を示す分解斜視図。
【図１３】 図１２の圧電デバイスの概略断面図。
【図１４】 図１２の圧電デバイスの製造方法を示すフローチャート。
【図１５】 図１４の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルを示すグラフ。
【符号の説明】
３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片、３６・・・振動片基板、３７・・・リッド基板、３８・・・ベース基板、４１ａ，４２ａ・・・接合用電極、４１ｂ・・・第１の励振電極、４２ｂ・・・第２の励振電極、５１・・・基部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電振動片を気密に収容した圧電デバイスとその製造方法、ならびに、圧電デバイスを利用した携帯電話装置と電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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において、パッケージ内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１２は、このような圧電デバイスの構成例を示す分解斜視図、図１３はその概略断面図である。
図において、圧電デバイス１は、枠部の内側に圧電振動片を形成した振動片基板２を、リッド基板３とベース基板４で上下から挟んで固定することにより構成されている（特許文献１参照）。これにより、圧電振動片２ｂは、リッド基板３とベース基板４で形成する内部空間Ｓ１内に収容される。
【０００３】
図１３に示されているように、振動片基板２には、リッド基板３とベース基板４との各接合面に接合用電極２ｃ，２ｄがそれぞれ設けられており、この接合用電極２ｃ，２ｄを利用して、振動片基板２は、リッド基板３及びベース基板４とそれぞれ陽極接合されている。
【０００４】
図１４は、圧電デバイス１の製造工程を示すフローチャートである。
図において、リッド基板３とベース基板４の製造工程がＳＴ１−１からＳＴ１−３までに示されており、圧電振動片２ｂの製造工程がＳＴ２−１からＳＴ２−４までに示されている。
リッド基板３とベース基板４はともにガラス基板から形成される。リッド基板３とベース基板４は、それぞれガラス材料から、各外形をエッチングして形成する。
【０００５】
そのため、各外形に適合して、材料となるガラス材料（ガラス基板）に、リッド基板３とベース基板４の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ１−１）。次いで、それぞれエッチングにより外形を形成し（ＳＴ１−２）、耐蝕膜を剥離して（ＳＴ１−３）、図１２に示すような外形のリッド基板３及びベース基板４を形成する。
また、圧電振動片２ｂは、例えば、水晶ウエハを用いて、振動片基板２の外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ２−１）。次に、エッチングにより振動片基板２の外形を形成し（ＳＴ２−２）、耐蝕膜を剥離する（ＳＴ２−３）。次いで、圧電振動片として動作に必要とされる図示しない電極を形成する（ＳＴ２−４）。
【０００６】
以上の前工程に続いて、図１３で説明したように、振動片基板２を、リッド基板３及びベース基板４に対して陽極接合する（ＳＴ５）。次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ（ＳＴ６）、必要な検査等を行って圧電デバイス１が完成する（ＳＴ７）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−２２３９９６
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来、陽極接合は真空雰囲気中で行う必要があった。すなわち、圧電振動片２ｂは、リッド基板３及びベース基板４により形成される内部空間内に水蒸気その他のガスが残存しないように密閉される。密閉後に水蒸気その他のガスが残存すると、圧電振動片２ｂに付着し、電極部が錆びたり、ガス成分が付着することで振動性能に悪影響を与えるからである。
具体的には、従来の陽極接合は、図１５に示すような温度プロファイルに従って行われていた。
すなわち、図１５に示すように、例えば、図示しない真空チャンバ内において、開始からｔ１までが、脱ガスに必要な昇温時間であり、真空中で行うため、空気による熱伝導ができないことから、長時間を必要とする。続いて、ｔ１からｔ２まで加熱を継続して、上記内部空間Ｓ１内のガス成分を気化させて真空中に追い出す。次に、加熱を止めてｔ２からｔ３まで、長時間をかけて陽極接合に適する温度まで温度を下降させ、ｔ３からｔ４までの時間で真空中において陽極接合を行う（ＳＴ５）。
【０００９】
すなわち、従来の方法における真空中での陽極接合は、図１５に示すように、摂氏１５０度程度の比較的低い温度で行うために、ｔ２からｔ３までの間で、真空中において長い時間をかけてワークの温度を下げてから陽極接合を行い、その後、時間は約ｔ５までの時間で、常温に近い温度付近まで冷却して、真空チャンバーから取り出すようにしている。このため、図１５のｔ３からｔ５までで、約１時間の作業時間が必要であり、図１５の開始からｔ４までの陽極接合の終了まででも約２時間３０分程度の長時間の作業を必要としている。
したがって、従来の陽極接合にあっては、開始から取り出しまでの図１５の全工程で約３時間程度の長い時間を要し、製造効率が悪いという問題があった。
ここで、真空中での陽極接合を、図１５の場合より高い温度で行うことすれば、ｔ２からｔ３に対応した陽極接合に適する温度までの温度下降時間を短縮することができる。しかし、陽極接合を高い温度で行うと、圧電材料、例えば水晶で形成した圧電振動片２ｂと、リッド基板３及びベース基板４を構成するガラスとの熱膨張率の相違により、撓んだり、接合後にひずみが残り、破損する原因となるという別の問題を生じる。
【００１０】
本発明は、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスとその製造方法、ならびに、このような圧電デバイスを利用した携帯電話と電子機器を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、第１の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスであって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている、圧電デバイスにより達成される。
【００１２】
第１の発明の構成によれば、前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板に貫通孔を備えている。このため、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とをそれぞれ陽極接合した後で、内部のガスを抜くための孔として前記貫通孔を利用することができる。つまり、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮でき、製造コストを低減できる。そして、接合後において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、圧電振動片の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、前記貫通孔は封止材で塞がれているので、圧電振動片は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
このように、本発明によれば、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイスを提供することができるという効果を発揮できる。
【００１３】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記振動片基板が、上端と下端とが開放された枠体と、この枠体に対して、枠体の内側に一体に設けられた圧電振動片とを備えることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、圧電振動片は枠体を利用してリッド基板及びベース基板と接合できるので、パッケージ内部で小さな圧電振動片を接合する手間が不要である。
【００１４】
第３の発明は、第２の発明の構成において、前記圧電振動片が、前記枠体の内面に一体に形成される基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕とを備えた音叉型振動片であり、前記各振動腕には、長さ方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片として構成し、さらに、その各振動腕に長さ方向に延びる溝を形成することにより、電界効率を向上させることができる。
【００１５】
第４の発明は、第３の発明の構成において、前記基部には、前記枠体の内面と一体に形成された領域と、前記振動腕との間に、切欠き部を備えることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、圧電振動片を音叉型振動片とした場合に、その基部に前記切欠き部を形成することで、振動腕からの振動が基部に漏れ込むことを有効に防止でき、クリスタルインピーダンス値を抑制することができる。
【００１６】
また、上述の目的は、第５の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスの製造方法であって、少なくともいずれか一方に貫通孔を形成した前記ベース基板及び前記リッド基板を用意し、前記振動片基板に駆動用の電極と、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設け、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気中で陽極接合し、さらに、真空中で前記貫通孔を孔封止する、圧電デバイスの製造方法により、達成される。
【００１７】
第５の発明の構成によれば、ガラス製のベース基板及びリッド基板を製造する際に、どちらかに貫通孔を設けておく。そして、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設けて前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気圧で陽極接合する。すなわち、陽極接合が大気圧で行われるので、接合に必要な温度に昇温させる時間が少なくてすむ。しかも従来のように、真空中で脱ガス後に、長時間かけて陽極接合に適する温度まで温度を下げる必要がないので、工程全体に要する時間を短縮できる。その後、真空中において、前記貫通孔から内部のガスを排出することで、この貫通孔を封止材で塞いだ後は、内部でガスが発生して、圧電振動片に付着し、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明の構成において、前記陽極接合の後、前記孔封止の前に前記圧電振動片を真空中において、実装のリフロー温度より高い温度で熱処理することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、前記陽極接合の後で、真空雰囲気に移し、圧電振動片を圧電デバイスの実装の際のリフロー温度より高い温度で加熱すると、当該加熱温度に対応して排出される水蒸気等のガスが生成される。このガス成分を真空中に排出してから、貫通孔を孔封止すれば、圧電デバイスを実装する際にリフロー炉で加熱されても、実装工程で内部にガスが発生して、圧電振動片に付着し、振動性能に悪影響を与えることを有効に防止することができる。
【００１９】
また、上述の目的は、第７の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした電子機器により、達成される。
【００２０】
また、上述の目的は、第８の発明によれば、圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにした携帯電話装置により、達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１ないし図７は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略分解斜視図、図２は図１の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図、図３は図２のＡ−Ａ線概略断面図、図４は図１の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図、図５は図１のＢ−Ｂ線切断端面図、図６は図１の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図、図７は図６のＣ−Ｃ線切断端面図である。
【００２２】
図１において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示している。この圧電デバイス３０は、振動片基板３６の上下の開口（後述）を、それぞれリッド基板３７とベース基板３８とで塞ぐように固定して形成されている。
リッド基板３７とベース基板３８は、それぞれガラス製の同じ材料で形成されている。
リッド基板３７は、少なくとも図１で示す振動片基板３６の上側開口３６ａを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板３６の外形が矩形であることから、リッド基板３７も矩形の形状とされている。ベース基板３８は、少なくとも図１で示す振動片基板３６の下側開口３６ｂを塞ぐ大きさであり、この実施形態では、振動片基板３６の外形が矩形であることから、ベース基板３８も矩形の形状とされている。
【００２３】
リッド基板３７とベース基板３８は、同じ外形状のものが使用されており、振動片基板３６の外形と同じ外形を備えている。そして、リッド基板３７は図１に示されているように、凹部３７ａを備えており、ベース基板３８は凹部３８ａを備えている。
リッド基板３７とベース基板３８は、各凹部３７ａと３８ａを互いに向かい合わせにして、間に振動片基板３６を挟んで固定されるようになっており、これにより、各凹部３７ａと３８ａは後述する振動片基板３６の内側の空間と一体になって圧電振動片３２を収容する内部空間Ｓ２を形成するようにされている。
【００２４】
図１に示されているように、振動片基板３６は、上端と下端とが開放され、内側に隙間ないし空間を有する矩形の枠である。振動片基板３６は、開放された上端と下端とに、図１に示されているようにリッド基板３７とベース基板３８とが固定されることで、上記内部空間Ｓ２を密閉するようにされている。
振動片基板３６は、必ずしも図１のように、４角形である必要はなく、角の丸い楕円や長円形等でもよい。本実施形態の場合は、振動片基板３６は、図１に示されているように一方向に長い長方形で、厚みの薄い枠体として形成されている。
【００２５】
この振動片基板３６は、特に、内部に圧電振動片３２を形成するために、圧電材料が使用されている。使用される圧電材料としては、本実施形態のように水晶が適しており、水晶以外にも、例えば、タンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。振動片基板３６は、本実施形態の場合、水晶の薄板をエッチングすることにより、内側の空間と圧電振動片３２の外形を形成している。
【００２６】
圧電振動片３２は、振動片基板３６と同じ材料で一体に形成されており、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、特に図示する形状とされている。
すなわち、圧電振動片３２は、図２において、振動片基板３６の一端部の内側と一体とされている基部５１と、この基部５１を基端として、図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、音叉型圧電振動片とされている。
また、好ましくは、圧電振動片３２の一対の振動腕３４，３５には、図１に示すように、それぞれ、長手方向に延びる長溝３４ａ，３５ａを形成されている。この場合、各長溝３４ａ，３５ａは、図５に示されているように、各振動腕３４，３５の上面と下面に同様の態様でそれぞれ形成される。
【００２７】
このように、一対の振動腕３４，３５に、それぞれ長手方向に延びる長溝３４ａ，３５ａを形成し、この長溝３４ａ，３５ａにそれぞれ第１の励振電極４１ｂ，第２の励振電極４２ｂを形成することによって、振動腕３４，３５における電界効率が向上する利点がある。尚、図示の複雑さを避けるため図１では励振電極４１ｂ，４２ｂ等の電極の図示を省略している。
圧電振動片３２の振動片基板３６の内面と一体に固定された領域である基部５１と一対の振動腕３４，３５との間には、基部５１の幅方向に縮幅して設けた切欠き部もしくはくびれ部５２，５２を設けるようにしている。
これにより、基部５１側への圧電振動片３２の振動の漏れを防止して、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低減することができる。
【００２８】
図２に示されているように、振動片基板３６の上端面３６ｃには、第１の電極４１が形成されている。この第１の電極４１は、図２に符号４１ａで示すように、振動片基板３６の上端面３６ｃに引き回された第１の接合用電極４１ａと、この第１の接合用電極４１ａと接続されて、圧電振動片３２の基部５１の表面を通り、振動腕３４の両側面及び振動腕３５の上面と下面とに引き回された第１の励振電極４１ｂとを有している。
また、図４に示されているように、振動片基板３６の下端面３６ｄには、第２の電極４２が形成されている。この第２の電極４２は、図４に符号４２ａで示すように、振動片基板３６の下端面３６ｄに引き回された第２の接合用電極４２ａと、この第２の接合用電極４２ａから延長されて、圧電振動片３２の基部５１の裏面を通り、振動腕３５の両側面及び振動腕３４の上面と下面とに引き回された第２の励振電極４２ｂとを有している。
【００２９】
これらの電極は次のような構成上の特徴を有している。
第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａは、それぞれ振動片基板３６とリッド基板３７及びベース基板３８と陽極接合するのに用いられる。第１の励振電極４１ｂ及び第２の励振電極４２ｂは、圧電振動片３２を駆動するのに用いられる。
これらの第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａと、第１の励振電極４１ｂ及び第２の励振電極４２ｂは、例えば水晶により形成された振動片基板３６の表面に、例えばクロム（Ｃｒ）層を形成し、その上に金（Ａｕ）層を設けた共通の構造を備える。
【００３０】
さらに、第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等を被覆して形成されている。
また、図６に示されているように、第１の接合用電極４１ａは図６において左側の側面に側面電極４５ａとして、ベース基板３８の底面まで引き回されて、このベース基板３８の底面の端部に設けた実装電極４５と接続されている。同様にして、第２の接合用電極４２ａは図６において右側の側面に側面電極４６ａとして、ベース基板３８の底面まで引き回されて、このベース基板３８の底面の端部に設けた実装電極４６と接続されている。
【００３１】
また、特に重要な構成として、図６に示されているように、本実施形態では、リッド基板３７の中央付近には、内部空間Ｓ２と外部とを連通する貫通孔６０が設けられている。この貫通孔６０は、２つの貫通孔６１と貫通孔６２が連通した形態で、外側の第１の孔６２は内部空間Ｓ２側に開く第２の孔６１よりも内径を大きく形成することで、第１の孔６２と第２の孔６１の間に外向きの段部６３を形成している。この貫通孔６０には、後述するようにして封止材が充填されることで、孔封止されるようになっている。
【００３２】
そして、図１に示されているように、振動片基板３６の上端面３６ｃには、図１及び図２で説明したリッド基板３７の平面部３７ｃが固定され、振動片基板３６の下端面３６ｄには、図１及び図２で説明したベース基板３８の平面部３８ｃが固定されている。
具体的には、図６に示されているように、ガラス製であるリッド基板３７とベース基板３８には、これらの軟化点よりも低い温度を加えた状態で、リッド基板３７及びベース基板３８と、これらを振動片基板３６に対して接合するための接合膜である接合用電極４１ａ，４２ａとの間で、これら接合用電極４１ａ，４２ａ側が陽極になるようにして、直流電源３９から直流電圧を印加する。
すなわち、陽極接合は、表面どうしを密着させて固相のまま接合する手法で、平滑な表面をもつ面どうしで、その表面原子の結合を生じさせて接合する方法である。したがって、ガラス製であるリッド基板３７とベース基板３８には、印加された直流電圧の作用によって、イオンが移動し、これらと接合用電極４１ａ，４２ａとのギャップ及びその近傍に形成された空間電荷層に、継続して印加された電圧がかかるようになる。そうすると、リッド基板３７及びベース基板３８と、各接合用電極４１ａ，４２ａとの間に静電引力が発生し、互いに密着して、強電界によりガラス側から電極側へイオンの移動がすすみ、界面で電極側の原子と共有結合を生じて、結合が行われると考えられている。またこの過程は、逆電圧を利用して、可逆的に進行させることもできる。
これにより、リッド基板３７とベース基板３８との間に振動片基板３６を挟むようにして内部空間Ｓ２は、リッド基板３７とベース基板３８により気密状態で封止されている。
【００３３】
本実施形態の圧電デバイス３０は、以上のように構成されており、次に、この圧電デバイス３０の製造方法を説明する。
図８は、圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャートである。 図において、リッド基板３７とベース基板３８の製造工程がＳＴ１１からＳＴ１３までに示されており、圧電振動片３２の製造工程がＳＴ２１からＳＴ２４までに示されている（前工程）。
先ず、この前工程を説明する。
リッド基板３７とベース基板３８はともに同じガラス材料から形成される。すなわち、陽極接合を可能とするため、あるいは陽極接合を容易にするために、イオンの拡散しやすいガラス材料を選択し、アルカリ金属を含有するもので、エッチング加工に適するものを選択する。これらの条件において、例えば、ソーダガラスが適している。
【００３４】
リッド基板３７とベース基板３８は、それぞれ上述した材料からなる所定の大きさのガラス基板を用いて、それぞれの外形をエッチングして形成する。
そのため、各外形に適合して、ガラス基板（図示せず）に、リッド基板３７とベース基板３８の各外形に対応した耐蝕膜を予め形成する（ＳＴ１１）。次いで、リッド基板３７とベース基板３８について、それぞれエッチングにより外形を形成する（ＳＴ１２）。
【００３５】
ここで、重要なのは、リッド基板３７とベース基板３８のいずれかに図６及び図７で示した貫通孔６０を形成する点である。この貫通孔６０は、本実施形態では、リッド基板３７のほぼ中央付近に形成される。この貫通孔６０の形成は、予め耐蝕膜の該当部分を除いておくことによって、リッド基板３７の外形エッチングと同時に形成することができる。すなわち、この工程では、貫通孔６０の第２の孔６１に対応した内径の孔を形成する。
次に、耐蝕膜を剥離することにより、図１等で説明したリッド基板３７とベース基板３８の外形を形成する（ＳＴ１３）。
続いて、リッド基板３７とベース基板３８に必要な耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、図１に説明した各凹部３７ａ，３８ａを形成する（ＳＴ１４）。
最後に、貫通孔６０を設ける基板について、ＳＴ１３で形成した孔の周囲を露出させて、それ以外の部分に耐蝕膜を形成して、ハーフエッチングすることにより、貫通孔６０の第１の孔６２を形成する（ＳＴ１５）。
以上により、リッド基板３７及びベース基板３８を完成する。
【００３６】
圧電振動片３２は、例えば、水晶ウエハ等の基板を用いて、振動片基板３６の外形に対応した耐蝕膜をこの基板（図示せず）に予め形成する（ＳＴ２１）。次に、フッ酸等のエッチング液を用いて、振動片基板３６の外形をエッチングにより形成し（ＳＴ２２）、耐蝕膜を剥離する（ＳＴ２３）。次いで、圧電振動片３２として動作に必要とされる電極と陽極接合の接合膜として使用する電極とを形成する。このような電極は、例えば、図２ないし図４で説明した構成のものであり、これらの図に基づいて説明した第１の電極４１と第２の電極４２とを形成することになる（ＳＴ２４）。
【００３７】
すなわち、第１の電極４１と第２の電極４２は、振動片基板３６の該当する箇所に、例えばクロム（Ｃｒ）層を形成し、その上に金（Ａｕ）層を設けた共通の構成を先に形成し、さらに、第１の接合用電極４１ａ及び第２の接合用電極４２ａの部分は、金層の上に陽極接合のための金属被覆層として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）層や、これに代えて、タングステン、シリコン、ニッケル、チタン等をスパッタリングや蒸着等の手法で設ける。
【００３８】
次に後工程を説明する。
図６で説明したように、振動片基板３６を、リッド基板３７及びベース基板３８に対して陽極接合する（ＳＴ３５）。
この陽極接合の工程は、従来のように、内部空間Ｓ２からのガス出しを行う必要がなく、大気圧で行うことができる。このため、例えば図９のような温度プロファイルに従って実行することができる。
図６のように、リッド基板３７及びベース基板３８と、これらを振動片基板３６に対して接合するための接合膜である接合用電極４１ａ，４２ａとの間で、これら接合用電極４１ａ，４２ａ側が陽極になるようにして、直流電源３９から直流電圧を印加する。
【００３９】
この際に、図９に示されているように、開始から陽極接合に要する温度Ｌ１まで加熱する時間Ｈｔ１は、従来のように真空雰囲気中でガス出しをする必要がないから、大気中での加熱である点、及びガス出しに要する程の高い温度を必要としない点から、きわめて短い時間で加熱できる。すなわち、温度Ｌ１は、１５０度（摂氏、以下、温度表示は全て「摂氏」）程度である。したがって、温度Ｌ１まで昇温させ（Ｈｔ１）、昇温後陽極接合が完了するまでに３分程度であるから、開始から陽極接合が完了するまでの時間Ｈｔ２までは、約８分程度である。
【００４０】
次に、ワークを真空チャンバー（図示せず）に移すことで温度Ｌ２に下降し、時間Ｈｔ３から、時間Ｈｔ４にかけて、再び温度Ｌ３まで加熱することでアニール処理を行う（ＳＴ３６）。温度Ｌ３は、圧電デバイス３０の実装時に行われるリフロー温度よりも高い温度が好ましい。このため、例えば２６０度以上、３００度程度までで適宜選択される温度まで加熱する。このアニール処理はリフロー時の脱ガスを防止するためだからである。そこで、例えば温度Ｌ３として３００度程度まで昇温し、３０分程度、内部空間Ｓ２内において、圧電振動片３２やリッド基板３７及びベース基板３８の内側から出るガスを貫通孔６０から排出する。
【００４１】
図９において温度Ｌ３の最終時である時間Ｈｔ５において、孔封止を行う（ＳＴ３７）。この孔封止は真空チャンバー内で次のように行われる。
図１０に示すように、リッド基板３７の貫通孔６０に封止材７０を配置する。封止材７０は、貫通孔６０の第１の孔６２に少なくとも一部が受容され、かつ第２の孔６１の内径よりも大きな外形を備えることで、リッド基板３７の内側に落下ないし完全に入り込まない大きさであることが好ましい。このため、本実施形態では、例えば、球形の封止材７０を使用している。
【００４２】
この封止材７０は溶融されて、貫通孔６０の第１の孔６２及び／または第２の孔６１内に充填されるものであり、リッド基板３７と接合しやすい材料のものが好ましい。また、圧電デバイス３０のリフロー工程の加熱温度により容易に溶融しないものが好ましい。このような条件から、Ａｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金を用いることができる。また、封止材７０として、リッド基板３７との接合のしやすさを考慮すると、低融点ガラス等を使用することができる。
そして、このような封止材７０を図１０に示すように、貫通孔６０の第１の孔６２内に位置決めし、外部からレーザ光ＬＢ等を照射して溶融する。これにより、溶融した封止材７０は貫通孔６０を塞ぐように充填されることで孔封止が完成する。その後、真空チャンバー内にて、図９のＨｔ６までの時間温度降下させ、真空チャンバーから取り出す。なお、孔封止後、直ぐに大気中に取り出して冷却時間をさらに短縮することも可能である。これに対して、パッケージに対する熱ストレスからの保護を考慮すると、図９のように真空チャンバー内で温度降下させるほうがより好ましい。
次いで、個々の製品の大きさにダイシングされ（ＳＴ３８）、必要な検査等を行って圧電デバイス３０が完成する（ＳＴ３９）。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、リッド基板３７に貫通孔６０を設けるようにしている。すなわち、振動片基板３６と、ベース基板３８及びリッド基板３７とをそれぞれ陽極接合した後で、内部空間Ｓ２からガスを抜くための孔として貫通孔６０を利用するようにしている。これにより、陽極接合を大気圧で行うことが可能となるから、必要な温度Ｌ１に昇温させる時間が少なくてすむので、製造コストを低減できる。そして、接合後において、貫通孔６０から内部のガスを排出することで、圧電振動片３２の振動特性に悪影響を与えるガスを抜くことで、振動性能を劣化させることがなく、貫通孔６０は封止材７０で塞がれているので、圧電振動片３２は適切に密閉されており、封止性能も確保される。
したがって、短時間で品質よく陽極接合により封止できる構造の圧電デバイス３０を提供することができる。
【００４４】
図１１は、本発明の上述した実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図である。
図において、送信者の音声を受信するマイクロフォン３０８及び受信内容を音声出力とするためのスピーカ３０９を備えており、さらに、送受信信号の変調及び復調部に接続された制御部としての集積回路等でなるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ
Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０１を備えている。
ＣＰＵ３０１は、送受信信号の変調及び復調の他に画像表示部としてのＬＣＤや情報入力のための操作キー等でなる情報の入出力部３０２や、ＲＡＭ，ＲＯＭ等でなるメモリ３０３の制御を行うようになっている。このため、ＣＰＵ３０１には、圧電デバイス３０が取り付けられて、その出力周波数をＣＰＵ３０１に内蔵された所定の分周回路（図示せず）等により、制御内容に適合したクロック信号として利用するようにされている。このＣＰＵ３０１に取付けられる圧電デバイス３０は、圧電デバイス３０等単体でなくても、圧電デバイス３０等と、所定の分周回路等とを組み合わせた発振器であってもよい。
【００４５】
ＣＰＵ３０１は、さらに、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）３０５と接続され、温度補償水晶発振器３０５は、送信部３０７と受信部３０６に接続されている。これにより、ＣＰＵ３０１からの基本クロックの周波数が、環境温度の変化により変動しても、温度補償水晶発振器３０５により修正されて、送信部３０７及び受信部３０６に与えられるようになっている。
【００４６】
このように、制御部を備えたデジタル式携帯電話装置３００のような電子機器に、上述した実施形態に係る圧電デバイス３０を利用することにより、低コストで短時間に効率よく生産しても、ガスの付着により圧電振動片３２の振動性能に悪影響が生じることがなく、正確なクロック信号を生成することができる。
【００４７】
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。
特に、圧電振動片の電極の引き回し構造は、上述の実施形態で説明した例に限らず、種々の構造を採用することができる。
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、圧電発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の圧電デバイスの実施形態を示す概略分解斜視図。
【図２】 図１の圧電デバイスの振動片基板の概略平面図。
【図３】 図２のＡ−Ａ線概略断面図。
【図４】 図１の圧電デバイスの振動片基板の概略底面図。
【図５】 図１のＢ−Ｂ線切断端面図。
【図６】 図１の圧電デバイスの陽極接合の様子を示す概略断面図。
【図７】 図６のＣ−Ｃ線切断端面図。
【図８】 本発明の圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャート。
【図９】 図８の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルの一例を示すグラフ。
【図１０】 図８の製造工程の孔封止の様子を示す説明図。
【図１１】 本発明の実施形態に係る圧電デバイスを利用した電子機器の一例としてのデジタル式携帯電話装置の概略構成を示す図。
【図１２】 従来の圧電デバイスの一例を示す分解斜視図。
【図１３】 図１２の圧電デバイスの概略断面図。
【図１４】 図１２の圧電デバイスの製造方法を示すフローチャート。
【図１５】 図１４の製造工程の陽極接合及びアニール処理の温度プロファイルを示すグラフ。
【符号の説明】
３０・・・圧電デバイス、３２・・・圧電振動片、３６・・・振動片基板、３７・・・リッド基板、３８・・・ベース基板、４１ａ，４２ａ・・・接合用電極、４１ｂ・・・第１の励振電極、４２ｂ・・・第２の励振電極、５１・・・基部。
Claims (8)
- 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスであって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されていることを特徴とする、圧電デバイス。 - 前記振動片基板が、上端と下端とが開放された枠体と、この枠体に対して、枠体の内側に一体に設けられた圧電振動片とを備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
- 前記圧電振動片が、前記枠体の内面に一体に形成される基部と、この基部から平行に延びる一対の振動腕とを備えた音叉型振動片であり、前記各振動腕には、長さ方向に延びる溝が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。
- 前記基部には、前記枠体の内面と一体に形成された領域と、前記振動腕との間に、切欠き部を備えることを特徴とする請求項３に記載の圧電デバイス。
- 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスの製造方法であって、
少なくともいずれか一方に貫通孔を形成した前記ベース基板及び前記リッド基板を用意し、
前記振動片基板に駆動用の電極と、前記ベース基板及び前記リッド基板との接合面に接合用の電極を設け、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とを大気中で陽極接合し、
さらに、真空中で前記貫通孔を孔封止する
ことを特徴とする、圧電デバイスの製造方法。 - 前記陽極接合の後、前記孔封止の前に前記圧電振動片を真空中において、実装のリフロー温度より高い温度で熱処理することを特徴とする、請求項５に記載の圧電デバイスの製造方法。
- 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した電子機器であって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにしたことを特徴とする、電子機器。 - 圧電振動片が形成された振動片基板と、この振動片基板を間に挟むようにして、それぞれ前記振動片基板に固定されるガラス製のベース基板及びリッド基板を備える圧電デバイスを利用した携帯電話装置であって、
前記振動片基板と、前記ベース基板及び前記リッド基板とがそれぞれ陽極接合されることにより、前記ベース基板及び前記リッド基板の内側の内部空間に前記圧電振動片が収容されていて、
かつ少なくとも前記ベース基板またはリッド基板のいずれかの基板には、前記内部空間と外部とを連通する貫通孔が形成され、この貫通孔に封止材を充填することにより、前記内部空間が密閉状態に封止されている圧電デバイスにより、制御用のクロック信号を得るようにしたことを特徴とする、携帯電話装置。
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