圧電振動子の製造方法、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計
【課題】 リッド基板の下面全体に接合膜を形成した上で陽極接合を行い、キャビティ内の気密を確保すると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保すること。
【解決手段】 貫通電極32、33が形成されたベース基板50と、下面全体に接合膜3bが被膜されたリッド基板40とを陽極接合する際に、ベース基板の上面に圧電振動片4を接合した後、該圧電振動片がキャビティC内に収容されるようにリッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材Rを電極板J上に載置すると共に、ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた両基板をダミー材上に載置するセット工程と、接合温度まで加熱した後、電極板と接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行う圧電振動子の製造方法を実施する。
【解決手段】 貫通電極32、33が形成されたベース基板50と、下面全体に接合膜3bが被膜されたリッド基板40とを陽極接合する際に、ベース基板の上面に圧電振動片4を接合した後、該圧電振動片がキャビティC内に収容されるようにリッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材Rを電極板J上に載置すると共に、ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた両基板をダミー材上に載置するセット工程と、接合温度まで加熱した後、電極板と接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行う圧電振動子の製造方法を実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、接合された2枚の基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された表面実装型(SMD)の圧電振動子の製造方法、該製造方法によって製造される圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、携帯電話や携帯情報端末機器には、時刻源や制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等として水晶等を利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子は、様々なものが知られているが、その1つとして、表面実装型の圧電振動子が知られている。この種の圧電振動子としては、一般的に圧電振動片が形成された圧電基板を、ベース基板とリッド基板とで上下から挟み込むように接合した3層構造タイプのものが知られている。この場合、圧電振動片は、ベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ(密閉室)内に収容されている。
【0003】
また、近年では、上述した3層構造タイプのものではなく、2層構造タイプのものも開発されている。このタイプの圧電振動子は、ベース基板とリッド基板とが直接接合されることで2層構造になっており、両基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が収容されている。この2層構造タイプの圧電振動子は、3層構造のものに比べて薄型化を図ることができる等の点において優れており、好適に使用されている。
【0004】
ところで、この2層構造タイプの圧電振動子を製造する際、リッド基板の下面(接合面)に形成された接合膜を利用して、ベース基板とリッド基板とを陽極接合している。具体的には、両基板を重ね合わせた後、陽極接合装置の電極板上にセットする。続いて、ベース基板を加熱しながら接合膜と電極板との間に電圧を印加する。この際、ベース基板を加熱することで、ベース基板内のイオンが流動性を有する。よって、これに併せて接合膜と電極板との間に電圧を印加すると、ベース基板内に電流が流れる。これにより、接合膜とベース基板との界面に電気化学的な反応が生じさせることができ、両者をそれぞれ強固に密着して陽極接合することができる。
【0005】
ところで、このタイプの圧電振動子として、接合膜が接合面だけでなく、リッド基板の下面全体に形成されているものが知られている(例えば、特許文献1)。この圧電振動子の一例を、図面を参照して簡単に説明する。図18及び図19示すように、圧電振動子200は、互いに接合されたベース基板201及びリッド基板202と、両基板201、202の間に形成されたキャビティC内に封止された圧電振動片203と、を備えている。圧電振動片203は、例えば音叉型の振動片であって、キャビティC内においてベース基板201の上面にマウントされている。
ベース基板201及びリッド基板202は、例えばガラス基板である。両基板201、202のうちベース基板201には、該基板201を貫通するスルーホール204が形成されている。そして、このスルーホール204内には、該スルーホール204を塞ぐように導電部材が埋め込まれて貫通電極205を形成している。この貫通電極205は、ベース基板201の下面に形成された外部電極206に電気的に接続されていると共に、キャビティC内にマウントされている圧電振動片203に電気的に接続されている。また、リッド基板202の下面全体には、接合膜207が形成されており、この接合膜207を利用して、両基板201、202が陽極接合されている。
【特許文献1】特開平6−283951号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、リッド基板202の下面全体に接合膜207が形成されている圧電振動子200を製造する場合には、陽極接合時に以下の課題がまだ残されていた。具体的に説明すると、まず陽極接合時には、図20に示すように、重ね合わせたベース基板201及びリッド基板202を電極板208上にセットした後、全体を接合温度(例えば、100〜200℃)に加熱しながら、接合膜207と電極板208との間に接合電圧(例えば、0.5〜5.0kV)を印加する必要がある。
【0007】
このとき、ベース基板201に形成された貫通電極205は、電極板208に直接接触しているので、接合膜207と電極板208との間に接合電圧を印加すると、接合膜207と貫通電極205との間にも同程度の電圧が作用してしまう場合があった。特にこの貫通電極205は、接合膜207に近接している圧電振動片203と電気的に接続されている。そのため、接合膜207から、圧電振動片203を介して貫通電極205に放電現象(火花放電)が発生してしまう恐れがあった。
【0008】
その結果、放電を受けた貫通電極205が溶融してしまうという問題があった。このため、圧電振動片203と外部電極206との導電性が不確実になる可能性があった。加えて、貫通電極205が溶融するとスルーホール204を封止することができないので、キャビティC内の気密性を確保することができない可能性もあった。
更に、放電現象が発生した場合、接合膜207に電流が十分に流れないので、ベース基板201とリッド基板202との陽極接合に影響を与えてしまうという問題があった。このため、両基板を確実に封止できず、やはりキャビティC内の気密を確保しにくかった。
【0009】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、リッド基板の下面全体に接合膜を形成した上で陽極接合を行い、キャビティ内の気密を確保すると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造する製造方法を提供することである。また、該製造方法によって製造された圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器、電波時計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る圧電振動子の製造方法は、ガラス材料からなるベース基板と、下面全体に接合膜が被膜され、間にキャビティが形成されるように接合膜を介してベース基板に陽極接合されたガラス材料からなるリッド基板と、キャビティ内に収容された状態でベース基板の上面に接合された圧電振動片と、ベース基板の下面に形成された外部電極と、ベース基板を貫通するように形成され、圧電振動片と外部電極とを電気的に接続する貫通電極と、を備える圧電振動子を製造する方法であって、前記ベース基板と前記リッド基板とを陽極接合する際に、前記貫通電極が形成された前記ベース基板の上面に前記圧電振動片を接合した後、該圧電振動片が前記キャビティ内に収容されるように前記リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材を電極板上に載置すると共に、前記ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた前記両基板をダミー材上に載置するセット工程と、前記接合温度まで加熱した後、前記電極板と前記接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行うことを特徴とするものである。
【0011】
この発明に係る圧電振動子の製造方法においては、ベース基板とリッド基板とを陽極接合する際に、まず貫通電極が形成されたベース基板の上面に圧電振動片を接合した後、リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程を行う。この際、圧電振動片がキャビティ内に収容されるように両基板を重ね合わせる。続いて、ダミー材を電極板上に載置すると共に、ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた両基板をダミー材上に載置するセット工程を行う。続いて、接合温度まで加熱した後、電極板と接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程を行う。これにより、ベース基板とリッド基板とが互いに陽極接合された2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造することができる。
【0012】
特に、ダミー材として、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものを用いる。従って、加熱工程及び印加工程によって、接合温度まで加熱すると共に、電極板と接合膜との間に駆動電圧を印加することで、電極板と接合膜とに挟み込まれているベース基板及びダミー材には、局所的にイオン(荷電粒子)の移動が生じ電流が流れる。これに対して、貫通電極には接合膜が接触しておらず、貫通電極が電極板と接合膜との間に挟まれていないので、接合膜と電極板との間に電圧が印加された場合であっても、イオン移動が生じることはない。しかも、貫通電極と電極板との間にダミー材が挟まれているので、電極板から貫通電極に対して直接的に電流が流れることがない。つまり、印加工程の際、接合膜と電極板との間に接合電圧を印加しても、貫通電極に電流が流れることがなく、接合膜との間には接合電圧ほど大きな電位差は生じ得ない。このため、接合膜と貫通電極との間で従来、頻発していた放電現象(火花放電)の発生を抑制することができる。
【0013】
これにより、放電現象による貫通電極の溶融を防止することができる。このため、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保できると共に、キャビティ内の気密を確保できる。よって、圧電振動子の高品質化を図ることができる。
加えて、放電現象を抑制することで、接合膜及びベース基板内に流れる電流を十分確保することができる。従って、陽極接合によって両者をそれぞれ強固に密着させることができ、両基板の接合面においても気密性を確保することができる。
また、単にベース基板と電極板との間にダミー材を挟むだけの簡単な方法であるので、従来の設備を利用することができる。そのため、低コストで実施することができる。
【0014】
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法は、前記ダミー材として、前記ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いることを特徴とするものである。
【0015】
この発明に係る圧電振動子の製造方法においては、ダミー材として、ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いる。よって、印加工程時に加熱した際、ベース基板とダミー材とが同じように熱膨張する。従って、一方だけが過度に膨張してしまい、ベース基板の一部がダミー材から浮いた状態になる等の恐れがない。つまり、ベース基板とダミー材とを密着させた状態で印加工程を実施することができる。これにより、より確実にベース基板とリッド基板との陽極接合を実施することができ、圧電振動子の更なる高品質化を図ることができる。
【0016】
また、本発明に係る圧電振動子は、上記本発明の圧電振動子の製造方法で製造されたことを特徴とするものである。
【0017】
この発明に係る圧電振動子においては、上述した製造方法で製造されているので、キャビティ内の気密を確実に維持することができると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子とすることができる。
【0018】
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電子機器は、上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電波時計は、上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【0019】
この発明に係る発振器、電子機器及び電波時計においては、高品質化された圧電振動子を備えているので、同様に高品質化を図ることができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係る圧電振動子の製造方法によれば、キャビティ内の気密を確実に維持できると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造することができる。
本発明に係る圧電振動子によれば、上述した方法で製造されているので、高品質化の図られた圧電振動子とすることができる。
また、本発明に係る発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動子を備えているので、同様に高品質化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明に係る一実施形態を、図1から図14を参照して説明する。
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図4に示すように、ベース基板2とリッド基板3とで2層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティC内に圧電振動片4が収容された表面実装型の圧電振動子1である。
なお、図4においては、図面を見易くするために後述する励振電極15、引き出し電極19、20、マウント電極16、17及び重り金属膜21の図示を省略している。
【0022】
圧電振動片4は、図5から図7に示すように、水晶、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の圧電材料から形成された音叉型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動するものである。
この圧電振動片4は、平行に配置された一対の振動腕部10、11と、該一対の振動腕部10、11の基端側を一体的に固定する基部12と、一対の振動腕部10、11の外表面上に形成されて一対の振動腕部10、11を振動させる第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15と、第1の励振電極13及び第2の励振電極14に電気的に接続されたマウント電極16、17とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片4は、一対の振動腕部10、11の両主面上に、該振動腕部10、11の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部18を備えている。この溝部18は、振動腕部10、11の基端側から略中間付近まで形成されている。
【0023】
第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15は、一対の振動腕部10、11を互いに接近又は離間する方向に所定の共振周波数で振動させる電極であり、一対の振動腕部10、11の外表面に、それぞれ電気的に切り離された状態でパターニングされて形成されている。具体的には、図7に示すように、第1の励振電極13が、一方の振動腕部10の溝部18上と他方の振動腕部11の両側面上とに主に形成され、第2の励振電極14が、一方の振動腕部10の両側面上と他方の振動腕部11の溝部18上とに主に形成されている。
【0024】
また、第1の励振電極13及び第2の励振電極14は、図5及び図6に示すように、基部12の両主面上において、それぞれ引き出し電極19、20を介してマウント電極16、17に電気的に接続されている。そして圧電振動片4は、このマウント電極16、17を介して電圧が印加されるようになっている。
なお、上述した励振電極15、マウント電極16、17及び引き出し電極19、20は、例えば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)やチタン(Ti)等の導電性膜の被膜により形成されたものである。
【0025】
また、一対の振動腕部10、11の先端には、自身の振動状態を所定の周波数の範囲内で振動するように調整(周波数調整)を行うための重り金属膜21が被膜されている。なお、この重り金属膜21は、周波数を粗く調整する際に使用される粗調膜21aと、微小に調整する際に使用される微調膜21bとに分かれている。これら粗調膜21a及び微調膜21bを利用して周波数調整を行うことで、一対の振動腕部10、11の周波数をデバイスの公称周波数の範囲内に収めることができる。
【0026】
このように構成された圧電振動片4は、図2から図4に示すように、ベース基板2の上面に、図示しない導電性接着剤で接合されている。より具体的には、ベース基板2の上面にパターニングされた引き回し電極36、37上に、一対のマウント電極16、17がそれぞれ接触した状態で接合されている。これにより、圧電振動片4は、マウント電極16、17と引き回し電極36、37とがそれぞれ電気的に接続された状態となっている。
【0027】
上記リッド基板3は、ガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明の絶縁基板であり、図1、図3及び図4に示すように、板状に形成されている。そして、リッド基板3の下面側(ベース基板2が接合される接合面側)には、圧電振動片4が収まる矩形状の凹部3aが形成されている。この凹部3aは、両基板2、3が重ね合わされたときに、後述するベース基板2の凹部2aと共に、圧電振動片4を収容するキャビティCを形成する。また、リッド基板3の下面側には、導電性材料(例えば、アルミニウム)により、陽極接合用の接合膜3bが全体にパターニングされている。そして、リッド基板3は、この接合膜3bを利用して、凹部3aをベース基板2側に対向させた状態で該ベース基板2に対して陽極接合されている。
【0028】
上記ベース基板2は、リッド基板3と同様にガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明な絶縁基板であり、図1から図4に示すように、リッド基板3に対して重ね合わせ可能な大きさで板状に形成されている。このベース基板2の上面側(リッド基板3が接合される接合面側)には、図2から図4に示すように、キャビティCを形成する凹部2aが設けられている。より詳しく説明すると、凹部2aは、ベース基板2上にマウントされた圧電振動片4の先端側に設けられている。よって、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11は、ベース基板2から浮いた状態になる。この凹部2aにより、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の振動に必要な振動ギャップを確保することができる。
【0029】
また、このベース基板2には、該ベース基板2を貫通する一対のスルーホール30、31が形成されている。この際、一対のスルーホール30、31は、キャビティC内に収まるように形成されている。より詳しく説明すると、本実施形態のスルーホール30、31は、マウントされた圧電振動片4の基部12側に一方のスルーホール30が位置し、振動腕部10、11の先端側に他方のスルーホール31が位置するように形成されている。そして、これら一対のスルーホール30、31には、該スルーホール30、31を埋めるように一対の貫通電極32、33が形成されている。これら貫通電極32、33は、スルーホール30、31を完全に塞いでキャビティC内の気密を維持していると共に、引き回し電極36、37と外部電極38、39とを導通させる役割を担っている。
【0030】
一対の引き回し電極36、37は、一対の貫通電極32、33のうち、一方の貫通電極32と圧電振動片4の一方のマウント電極16とを電気的に接続すると共に、他方の貫通電極33と圧電振動片4の他方のマウント電極17とを電気的に接続するように、ベース基板2の上面に導電性材料(例えば、アルミニウム)により、パターニングされている。より詳しく説明すると、一方の引き回し電極36は、圧電振動片4の基部12の真下に位置するように一方の貫通電極32の真上に形成されている。また、他方の引き回し電極37は、一方の引き回し電極36に隣接した位置から、振動腕部10、11に沿って該振動腕部10、11の先端側に引き回しされた後、他方の貫通電極33の真上に位置するように形成されている。
そして、これら一対の引き回し電極36、37上には、圧電振動片4がマウントされている。これにより、圧電振動片4の一方のマウント電極16が、一方の引き回し電極36を介して一方の貫通電極32に導通し、他方のマウント電極17が、他方の引き回し電極37を介して他方の貫通電極33に導通するようになっている。
【0031】
また、ベース基板2の下面には、図1、図3及び図4に示すように、一対の貫通電極32、33に対してそれぞれ電気的に接続される外部電極38、39が形成されている。つまり、一方の外部電極38は、一方の貫通電極32及び一方の引き回し電極36を介して圧電振動片4の第1の励振電極13に電気的に接続されている。また、他方の外部電極39は、他方の貫通電極33及び他方の引き回し電極37を介して、圧電振動片4の第2の励振電極14に電気的に接続されている。また、図3に示すように、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の先端側に形成された外部電極39は、ベース基板2を下面から見た際、該振動腕部10、11の先端と重ならないように形成されている。
【0032】
このように構成された圧電振動子1を作動させる場合には、ベース基板2に形成された外部電極38、39に対して、所定の駆動電圧を印加する。これにより、圧電振動片4の第1の励振電極13及び第2の励振電極14からなる励振電極15に電流を流すことができ、一対の振動腕部10、11を接近・離間させる方向に所定の周波数で振動させることができる。そして、この一対の振動腕部10、11の振動を利用して、時刻源、制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【0033】
次に、上述した圧電振動子1を、図8に示すフローチャートを参照しながら、ベース基板用ウエハ(ベース基板)40とリッド基板用ウエハ(リッド基板)50とを利用して一度に複数製造する製造方法について以下に説明する。なお、本実施形態では、ウエハ状の基板を利用して圧電振動子1を一度に複数製造するが、これに限られたものではなく、予めベース基板2及びリッド基板3の外形に寸法を合わせたものを加工して、一度に一つのみ製造する等しても構わない。
【0034】
初めに、圧電振動片作製工程を行って図5から図7に示す圧電振動片4を作製する(S10)。具体的には、まず水晶のランバート原石を所定の角度でスライスして一定の厚みのウエハとする。続いて、このウエハをラッピングして粗加工した後、加工変質層をエッチングで取り除き、その後ポリッシュ等の鏡面研磨加工を行って、所定の厚みのウエハとする。続いて、ウエハに洗浄等の適切な処理を施した後、該ウエハをフォトリソグラフィ技術によって圧電振動片4の外形形状でパターニングすると共に、金属膜の成膜及びパターニングを行って、励振電極15、引き出し電極19、20、マウント電極16、17、重り金属膜21を形成する。これにより、複数の圧電振動片4を作製することができる。
【0035】
また、圧電振動片4を作製した後、共振周波数の粗調を行っておく。これは、重り金属膜21の粗調膜21aにレーザ光を照射して一部を蒸発させ、重量を変化させることで行う。なお、共振周波数をより高精度に調整する微調に関しては、マウント後に行う。これについては、後に説明する。
【0036】
次に、後にリッド基板3となるリッド基板用ウエハ50を、陽極接合を行う直前の状態まで作製する第1のウエハ作製工程を行う(S20)。まず、ソーダ石灰ガラスを所定の厚みまで研磨加工して洗浄した後に、エッチング等により最表面の加工変質層を除去した円板状のリッド基板用ウエハ50を形成する(S21)。次いで、図9に示すように、リッド基板用ウエハ50の下面に、エッチング等により行列方向にキャビティC用の凹部3aを複数形成する凹部形成工程を行う(S22)。
次いで、凹部3aが形成されたリッド基板用ウエハ50の下面全体に、蒸着やスパッタリング等の方法により導電性の接合膜3bを形成する接合膜形成工程を行う(S23)。この時点で、第1のウエハ作製工程が終了する。
【0037】
次に、上記工程と同時或いは前後のタイミングで、後にベース基板2となるベース基板用ウエハ40を、陽極接合を行う直前の状態まで作製する第2のウエハ作製工程を行う(S30)。まず、ソーダ石灰ガラスを所定の厚みまで研磨加工して洗浄した後に、エッチング等により最表面の加工変質層を除去した円板状のベース基板用ウエハ40を形成する(S31)。
【0038】
次いで、ベース基板用ウエハ40の上面に、エッチング等により行列方向にキャビティC用の凹部2aを複数形成する凹部形成工程を行う(S32)。この際、凹部2aを、圧電振動片4の振動腕部10、11の先端側に位置するように形成する。
【0039】
次いで、ベース基板用ウエハ40に、一対の貫通電極32、33を複数形成する貫通電極形成工程を行う(S33)。具体的には、まず、一対のスルーホール30、31を、サンドブラスト法やプレス加工等の方法で複数形成する。そして、これら複数の一対のスルーホール30、31内に、一対の貫通電極32、33を形成する。この一対の貫通電極32、33により、一対のスルーホール30、31を封止すると共に、ベース基板用ウエハ40の上面側から下面側との電気導通性が確保される。
【0040】
次に、ベース基板用ウエハ40の上面に導電性材料をパターニングして、図10及び図11に示すように、各一対の貫通電極32、33にそれぞれ電気的に接続された引き回し電極36、37を複数形成する引き回し電極形成工程を行う(S34)。なお、図10及び図11に示す点線Mは、後に行う切断工程で切断する切断線を図示している。この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
【0041】
次に、作製した複数の圧電振動片4を、それぞれ引き回し電極36、37を介してベース基板用ウエハ40の上面に接合するマウント工程を行う(S40)。これにより、圧電振動片4は、マウント電極16、17と引き回し電極36、37とが電気的に接続された状態となる。よって、この時点で圧電振動片4の一対の励振電極15は、一対の貫通電極32、33に対してそれぞれ導通した状態となる。
【0042】
マウント工程後、重ね合わせた2枚のウエハ40、50を図示しない陽極接合装置に入れ陽極接合する接合工程を行う(S50)。より具体的には、まず、ベース基板用ウエハ40に対してリッド基板用ウエハ50を重ね合わせる重ね合わせ工程を行う(S51)。具体的には、図示しない基準マーク等を指標としながら、両ウエハ40、50を正しい位置にアライメントする。これにより、マウントされた圧電振動片4が、両ウエハ40、50で囲まれるキャビティC内に収容された状態となる。
【0043】
続いて、図12に示すように、ダミー材Rを金属治具(電極板)J上に載置すると共に、ベース基板用ウエハ40をダミー材R側にした状態で重ね合わせた両ウエハ40、50をダミー材R上に載置するセット工程を行う(S52)。この際、ダミー材Rとして、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものを用いる。具体的には、例えばベース基板用ウエハ40と同一材料であるガラス材料を用いる。また、金属治具Jとしては、例えばステンレス鋼(SUS)等を用いる。なお、図12では、説明のために両ウエハ40、50全体でなく、圧電振動子1の一つに相当する部分を示している。
【0044】
次いで、セットされたベース基板用ウエハ40及びダミー材Rを接合温度(例えば、200度から300度)まで加熱した後、金属治具Jと接合膜3bとの間に接合電圧(例えば、0.5〜5.0kV)を印加する印加工程を行う(S53)。すると、接合膜3bとベース基板用ウエハ40との界面に電気化学的な反応が生じ、両者がそれぞれ強固に密着して陽極接合される。
【0045】
これにより、圧電振動片4をキャビティC内に封止することができ、ベース基板用ウエハ40とリッド基板用ウエハ50とが接合した図13に示すウエハ体60を得ることができる。なお、図13においては、図面を見易くするために、ウエハ体60を分解した状態を図示しており、リッド基板用ウエハ50に形成された接合膜3bの図示を省略している。また、図13に示す点線Mは、後に行う切断工程で切断する切断線を図示している。
【0046】
そして、上述した陽極接合が終了した後、ベース基板用ウエハ40の下面に導電性材料をパターニングして、一対の貫通電極32、33にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極38、39を複数形成する外部電極形成工程を行う(S60)。この工程により、外部電極38、39を利用してキャビティC内に封止された圧電振動片4を作動させることができる。
【0047】
次に、ウエハ体60の状態で、キャビティC内に封止された個々の圧電振動子1の周波数を微調整して所定の範囲内に収める微調工程を行う(S70)。具体的に説明すると、ベース基板用ウエハ40の下面に形成された一対の外部電極38、39に電圧を印加して圧電振動片4を振動させる。そして、周波数を計測しながらベース基板用ウエハ40を通して外部からレーザ光を照射し、重り金属膜21の微調膜21bを蒸発させる。これにより、一対の振動腕部10、11の先端側の重量が変化するので、圧電振動片4の周波数を、公称周波数の所定範囲内に収まるように微調整することができる。
【0048】
周波数の微調が終了後、接合されたウエハ体60を図13に示す切断線Mに沿って切断して小片化する切断工程を行う(S80)。その結果、互いに陽極接合されたベース基板2とリッド基板3との間に形成されたキャビティC内に圧電振動片4が封止された、図1に示す2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子1を一度に複数製造することができる。
なお、切断工程(S80)を行って個々の圧電振動子1に小片化した後に、微調工程(S70)を行う工程順序でも構わない。但し、上述したように、微調工程(S70)を先に行うことで、ウエハ体60の状態で微調を行うことができるので、複数の圧電振動子1をより効率よく微調することができる。よって、スループットの向上化を図ることができるので好ましい。
【0049】
その後、内部の電気特性検査を行う(S90)。即ち、圧電振動片4の共振周波数、共振抵抗値、ドライブレベル特性(共振周波数及び共振抵抗値の励振電力依存性)等を測定してチェックする。また、絶縁抵抗特性等を併せてチェックする。そして、最後に圧電振動子1の外観検査を行って、寸法や品質等を最終的にチェックする。これをもって圧電振動子1の製造が終了する。
【0050】
特に、ダミー材Rとして、接合温度で内部のイオンが移動可能なガラス材料からなるものを用いる。従って、加熱工程及び印加工程によって、接合温度まで加熱すると共に、金属治具Jと接合膜3bとの間に駆動電圧を印加することで、金属治具Jと接合膜3bとに挟み込まれているベース基板用ウエハ40及びダミー材Rには、局所的にイオン(荷電粒子)の移動が生じ電流が流れる。より具体的には、接合膜3bが陽極側、ダミー材Rが陰極側に接続されている場合、図14に示すように、ベース基板用ウエハ40及びダミー材Rを形成するガラス材料内のナトリウムイオンが接合膜3b側からダミー材R側に移動すると共に、電子が反対方向に移動する。
【0051】
これに対して、貫通電極32、33には接合膜3bが接触しておらず、貫通電極32、33が金属治具Jと接合膜3bとの間に挟まれていないので、接合膜3bと金属治具Jとの間に電圧が印加された場合であっても、イオン移動が生じることはない。しかも、貫通電極32、33と金属治具Jとの間にダミー材Rが挟まれているので、金属治具Jから貫通電極32、33に対して直接的に電流が流れることがない。つまり、印加工程の際、接合膜3bと金属治具Jとの間に接合電圧を印加しても、貫通電極32、33に電流が流れることがなく、接合膜3bとの間には接合電圧ほど大きな電位差は生じ得ない。このため、接合膜3bと貫通電極32、33との間で従来、頻発していた放電現象(火花放電)の発生を抑制することができる。
【0052】
これにより、放電現象による貫通電極32、33の溶融を防止することができる。このため、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保できると共に、キャビティ内の気密を確保できる。よって、圧電振動子1の高品質化を図ることができる。
加えて、放電現象を抑制することで、接合膜3b及びベース基板用ウエハ40内に流れる電流を十分確保することができる。従って、陽極接合によって両者をそれぞれ強固に密着させることができ、両ウエハ40、50の接合面においても気密性を確保することができる。
また、単にベース基板用ウエハ40と金属治具Jとの間にダミー材Rを挟むだけの簡単な方法であるので、従来の設備を利用することができる。そのため、低コストで実施することができる。
【0053】
更に、本実施形態においては、ダミー材Rとして、ベース基板用ウエハ40と同一材料であるガラス材料を用いる。よって、印加工程時に加熱した際、ベース基板用ウエハ40とダミー材Rとが同じように熱膨張する。従って、一方だけが過度に膨張してしまい、ベース基板用ウエハ40の一部がダミー材Rから浮いた状態になる等の恐れがない。つまり、ベース基板用ウエハ40とダミー材Rとを密着させた状態で印加工程を実施することができる。これにより、より確実にベース基板用ウエハ40とリッド基板用ウエハ50との陽極接合を実施することができ、圧電振動子1の更なる高品質化を図ることができる。
【0054】
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について、図15を参照しながら説明する。
本実施形態の発振器100は、図15に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
【0055】
このように構成された発振器100において、圧電振動子1に電圧を印加すると、該圧電振動子1内の圧電振動片4が振動する。この振動は、圧電振動片4が有する圧電特性により電気信号に変換されて、集積回路101に電気信号として入力される。入力された電気信号は、集積回路101によって各種処理がなされ、周波数信号として出力される。これにより、圧電振動子1が発振子として機能する。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
【0056】
上述したように、本実施形態の発振器100によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、発振器100自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定した高精度な周波数信号を得ることができる。
【0057】
次に、本発明に係る電子機器の一実施形態について、図16を参照して説明する。なお電子機器として、上述した圧電振動子1を有する携帯情報機器110を例にして説明する。始めに本実施形態の携帯情報機器110は、例えば、携帯電話に代表されるものであり、従来技術における腕時計を発展、改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在の時刻等を表示させることができるものである。また、通信機として利用する場合には、手首から外し、バンドの内側部分に内蔵されたスピーカ及びマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信を行うことが可能である。しかしながら、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化及び軽量化されている。
【0058】
次に、本実施形態の携帯情報機器110の構成について説明する。この携帯情報機器110は、図16に示すように、圧電振動子1と、電力を供給するための電源部111とを備えている。電源部111は、例えば、リチウム二次電池からなっている。この電源部111には、各種制御を行う制御部112と、時刻等のカウントを行う計時部113と、外部との通信を行う通信部114と、各種情報を表示する表示部115と、それぞれの機能部の電圧を検出する電圧検出部116とが並列に接続されている。そして、電源部111によって、各機能部に電力が供給されるようになっている。
【0059】
制御部112は、各機能部を制御して音声データの送信及び受信、現在時刻の計測や表示等、システム全体の動作制御を行う。また、制御部112は、予めプログラムが書き込まれたROMと、該ROMに書き込まれたプログラムを読み出して実行するCPUと、該CPUのワークエリアとして使用されるRAM等とを備えている。
【0060】
計時部113は、発振回路、レジスタ回路、カウンタ回路及びインターフェース回路等を内蔵する集積回路と、圧電振動子1とを備えている。圧電振動子1に電圧を印加すると圧電振動片4が振動し、該振動が水晶の有する圧電特性により電気信号に変換されて、発振回路に電気信号として入力される。発振回路の出力は二値化され、レジスタ回路とカウンタ回路とにより計数される。そして、インターフェース回路を介して、制御部112と信号の送受信が行われ、表示部115に、現在時刻や現在日付或いはカレンダー情報等が表示される。
【0061】
通信部114は、従来の携帯電話と同様の機能を有し、無線部117、音声処理部118、切替部119、増幅部120、音声入出力部121、電話番号入力部122、着信音発生部123及び呼制御メモリ部124を備えている。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
【0062】
また、着信音発生部123は、基地局からの呼び出しに応じて着信音を生成する。切替部119は、着信時に限って、音声処理部118に接続されている増幅部120を着信音発生部123に切り替えることによって、着信音発生部123において生成された着信音が増幅部120を介して音声入出力部121に出力される。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
【0063】
電圧検出部116は、電源部111によって制御部112等の各機能部に対して加えられている電圧が、所定の値を下回った場合に、その電圧降下を検出して制御部112に通知する。このときの所定の電圧値は、通信部114を安定して動作させるために必要な最低限の電圧として予め設定されている値であり、例えば、3V程度となる。電圧検出部116から電圧降下の通知を受けた制御部112は、無線部117、音声処理部118、切替部119及び着信音発生部123の動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部117の動作停止は、必須となる。更に、表示部115に、通信部114が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。
【0064】
即ち、電圧検出部116と制御部112とによって、通信部114の動作を禁止し、その旨を表示部115に表示することができる。この表示は、文字メッセージであっても良いが、より直感的な表示として、表示部115の表示面の上部に表示された電話アイコンに、×(バツ)印を付けるようにしても良い。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
【0065】
上述したように、本実施形態の携帯情報機器110によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、携帯情報機器自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定した高精度な時計情報を表示することができる。
【0066】
次に、本発明に係る電波時計の一実施形態について、図17を参照して説明する。
本実施形態の電波時計130は、図17に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
【0067】
以下、電波時計130の機能的構成について詳細に説明する。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
【0068】
更に、濾波された所定周波数の信号は、検波、整流回路134により検波復調される。続いて、波形整形回路135を介してタイムコードが取り出され、CPU136でカウントされる。CPU136では、現在の年、積算日、曜日、時刻等の情報を読み取る。読み取られた情報は、RTC137に反映され、正確な時刻情報が表示される。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
【0069】
なお、上述の説明は、日本国内の例で示したが、長波の標準電波の周波数は、海外では異なっている。例えば、ドイツでは77.5KHzの標準電波が用いられている。従って、海外でも対応可能な電波時計130を携帯機器に組み込む場合には、さらに日本の場合とは異なる周波数の圧電振動子1を必要とする。
【0070】
上述したように、本実施形態の電波時計130によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、電波時計自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定して高精度に時刻をカウントすることができる。
【0071】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0072】
例えば、上記実施形態では、圧電振動片4の一例として振動腕部10、11の両面に溝部18が形成された溝付きの圧電振動片4を例に挙げて説明したが、溝部18がないタイプの圧電振動片でも構わない。但し、溝部18を形成することで、一対の励振電極15に所定の電圧を印加させたときに、一対の励振電極15間における電界効率を上げることができるので、振動損失をより抑えて振動特性をさらに向上することができる。つまり、CI値(Crystal Impedance)をさらに低くすることができ、圧電振動片4のさらなる高性能化を図ることができる。この点において、溝部18を形成する方が好ましい。
また、上記実施形態では、音叉型の圧電振動片4を例に挙げて説明したが、音叉型に限られるものではない。例えば、厚み滑り振動片としても構わない。
【0073】
また、上記実施形態では、ベース基板2に凹部2aを形成することで、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の振動ギャップを確保したが、これに限らない。例えば、凹部2aを形成せず、引き回し電極36、37上にバンプを形成し、バンプ接合しても構わない。バンプ接合によれば、圧電振動片4をベース基板2の上面から浮かすことができ、振動に必要な最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。
【0074】
また、上記実施形態では、ダミー材Rとして、ベース基板用ウエハ40と同一材料のガラス材料を用いたが、これに限られるものではない。ダミー材Rは、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものであれば構わない。
但し、ダミー材Rは、上記実施形態で用いた材料のように、熱膨張係数がベース基板用ウエハ40と略等しいものが好ましい。これによれば、上述したようにベース基板用ウエハ40とダミー材Rとが同じように熱膨張することにより、圧電振動子1の更なる高品質化を図ることができる。
更に、ダミー材Rは、陽極接合可能なガラスであることが好ましい。陽極接合可能なガラスは、平常時は絶縁性であるが、接合温度まで加熱されるとイオン移動が活発になる。そのため、接合工程時に、ベース基板用ウエハ40と共に適度な導電性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【0075】
【図1】本発明に係る圧電振動子の一実施形態を示す外観斜視図である。
【図2】図1に示す圧電振動子の内部構成図であって、リッド基板を取り外した状態で圧電振動片を上方から見た図である。
【図3】図2に示すA−A線に沿った圧電振動子の断面図である。
【図4】図1に示す圧電振動子の分解斜視図である。
【図5】図1に示す圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図である。
【図6】図5に示す圧電振動片の下面図である。
【図7】図5に示す断面矢視B−B図である。
【図8】図1に示す圧電振動子を製造する際の流れを示すフローチャートである。
【図9】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、リッド基板の元となるリッド基板用ウエハに複数の凹部及び接合膜を形成した状態を示す図である。
【図10】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、ベース基板の元となるベース基板用ウエハに凹部、貫通電極及び引き回し電極を形成した状態を示す図である。
【図11】図10に示す状態のベース基板用ウエハの全体図である。
【図12】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、重ね合わせたベース基板用ウエハ及びリッド基板用ウエハを陽極接合している状態で、図2に示すA−A線に沿った断面を示す図である。
【図13】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、圧電振動片をキャビティ内に収容した状態でベース基板用ウエハとリッド基板用ウエハとが陽極接合されたウエハ体の分解斜視図である。
【図14】図12に示す状態のベース基板及びダミー材内でのイオン移動の様子を説明するための図である。
【図15】本発明に係る発振器の一実施形態を示す構成図である。
【図16】本発明に係る電子機器の一実施形態を示す構成図である。
【図17】本発明に係る電波時計の一実施形態を示す構成図である。
【図18】従来の圧電振動子の内部構造図であって、リッド基板を取り外した状態で圧電振動片を上方から見た図である。
【図19】図18に示す圧電振動子の断面図である。
【図20】図18に示す圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、重ね合わせたベース基板及びリッド基板を電極板上にセットし、接合膜と電極板とに所定の電圧を印加している様子を示す図である。
【符号の説明】
【0076】
1…圧電振動子
2…ベース基板
3…リッド基板
3b…接合膜
4…圧電振動片
32、33…貫通電極
40…ベース基板用ウエハ(ベース基板)
50…リッド基板用ウエハ(リッド基板)
100…発振器
101…発振器の集積回路
110…携帯情報機器(電子機器)
113…電子機器の計時部
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部
C…キャビティ
R…ダミー材
J…金属治具(電極板)
【技術分野】
【0001】
本発明は、接合された2枚の基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が封止された表面実装型(SMD)の圧電振動子の製造方法、該製造方法によって製造される圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、携帯電話や携帯情報端末機器には、時刻源や制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等として水晶等を利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子は、様々なものが知られているが、その1つとして、表面実装型の圧電振動子が知られている。この種の圧電振動子としては、一般的に圧電振動片が形成された圧電基板を、ベース基板とリッド基板とで上下から挟み込むように接合した3層構造タイプのものが知られている。この場合、圧電振動片は、ベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ(密閉室)内に収容されている。
【0003】
また、近年では、上述した3層構造タイプのものではなく、2層構造タイプのものも開発されている。このタイプの圧電振動子は、ベース基板とリッド基板とが直接接合されることで2層構造になっており、両基板の間に形成されたキャビティ内に圧電振動片が収容されている。この2層構造タイプの圧電振動子は、3層構造のものに比べて薄型化を図ることができる等の点において優れており、好適に使用されている。
【0004】
ところで、この2層構造タイプの圧電振動子を製造する際、リッド基板の下面(接合面)に形成された接合膜を利用して、ベース基板とリッド基板とを陽極接合している。具体的には、両基板を重ね合わせた後、陽極接合装置の電極板上にセットする。続いて、ベース基板を加熱しながら接合膜と電極板との間に電圧を印加する。この際、ベース基板を加熱することで、ベース基板内のイオンが流動性を有する。よって、これに併せて接合膜と電極板との間に電圧を印加すると、ベース基板内に電流が流れる。これにより、接合膜とベース基板との界面に電気化学的な反応が生じさせることができ、両者をそれぞれ強固に密着して陽極接合することができる。
【0005】
ところで、このタイプの圧電振動子として、接合膜が接合面だけでなく、リッド基板の下面全体に形成されているものが知られている(例えば、特許文献1)。この圧電振動子の一例を、図面を参照して簡単に説明する。図18及び図19示すように、圧電振動子200は、互いに接合されたベース基板201及びリッド基板202と、両基板201、202の間に形成されたキャビティC内に封止された圧電振動片203と、を備えている。圧電振動片203は、例えば音叉型の振動片であって、キャビティC内においてベース基板201の上面にマウントされている。
ベース基板201及びリッド基板202は、例えばガラス基板である。両基板201、202のうちベース基板201には、該基板201を貫通するスルーホール204が形成されている。そして、このスルーホール204内には、該スルーホール204を塞ぐように導電部材が埋め込まれて貫通電極205を形成している。この貫通電極205は、ベース基板201の下面に形成された外部電極206に電気的に接続されていると共に、キャビティC内にマウントされている圧電振動片203に電気的に接続されている。また、リッド基板202の下面全体には、接合膜207が形成されており、この接合膜207を利用して、両基板201、202が陽極接合されている。
【特許文献1】特開平6−283951号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところが、リッド基板202の下面全体に接合膜207が形成されている圧電振動子200を製造する場合には、陽極接合時に以下の課題がまだ残されていた。具体的に説明すると、まず陽極接合時には、図20に示すように、重ね合わせたベース基板201及びリッド基板202を電極板208上にセットした後、全体を接合温度(例えば、100〜200℃)に加熱しながら、接合膜207と電極板208との間に接合電圧(例えば、0.5〜5.0kV)を印加する必要がある。
【0007】
このとき、ベース基板201に形成された貫通電極205は、電極板208に直接接触しているので、接合膜207と電極板208との間に接合電圧を印加すると、接合膜207と貫通電極205との間にも同程度の電圧が作用してしまう場合があった。特にこの貫通電極205は、接合膜207に近接している圧電振動片203と電気的に接続されている。そのため、接合膜207から、圧電振動片203を介して貫通電極205に放電現象(火花放電)が発生してしまう恐れがあった。
【0008】
その結果、放電を受けた貫通電極205が溶融してしまうという問題があった。このため、圧電振動片203と外部電極206との導電性が不確実になる可能性があった。加えて、貫通電極205が溶融するとスルーホール204を封止することができないので、キャビティC内の気密性を確保することができない可能性もあった。
更に、放電現象が発生した場合、接合膜207に電流が十分に流れないので、ベース基板201とリッド基板202との陽極接合に影響を与えてしまうという問題があった。このため、両基板を確実に封止できず、やはりキャビティC内の気密を確保しにくかった。
【0009】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、リッド基板の下面全体に接合膜を形成した上で陽極接合を行い、キャビティ内の気密を確保すると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造する製造方法を提供することである。また、該製造方法によって製造された圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器、電波時計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る圧電振動子の製造方法は、ガラス材料からなるベース基板と、下面全体に接合膜が被膜され、間にキャビティが形成されるように接合膜を介してベース基板に陽極接合されたガラス材料からなるリッド基板と、キャビティ内に収容された状態でベース基板の上面に接合された圧電振動片と、ベース基板の下面に形成された外部電極と、ベース基板を貫通するように形成され、圧電振動片と外部電極とを電気的に接続する貫通電極と、を備える圧電振動子を製造する方法であって、前記ベース基板と前記リッド基板とを陽極接合する際に、前記貫通電極が形成された前記ベース基板の上面に前記圧電振動片を接合した後、該圧電振動片が前記キャビティ内に収容されるように前記リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材を電極板上に載置すると共に、前記ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた前記両基板をダミー材上に載置するセット工程と、前記接合温度まで加熱した後、前記電極板と前記接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行うことを特徴とするものである。
【0011】
この発明に係る圧電振動子の製造方法においては、ベース基板とリッド基板とを陽極接合する際に、まず貫通電極が形成されたベース基板の上面に圧電振動片を接合した後、リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程を行う。この際、圧電振動片がキャビティ内に収容されるように両基板を重ね合わせる。続いて、ダミー材を電極板上に載置すると共に、ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた両基板をダミー材上に載置するセット工程を行う。続いて、接合温度まで加熱した後、電極板と接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程を行う。これにより、ベース基板とリッド基板とが互いに陽極接合された2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造することができる。
【0012】
特に、ダミー材として、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものを用いる。従って、加熱工程及び印加工程によって、接合温度まで加熱すると共に、電極板と接合膜との間に駆動電圧を印加することで、電極板と接合膜とに挟み込まれているベース基板及びダミー材には、局所的にイオン(荷電粒子)の移動が生じ電流が流れる。これに対して、貫通電極には接合膜が接触しておらず、貫通電極が電極板と接合膜との間に挟まれていないので、接合膜と電極板との間に電圧が印加された場合であっても、イオン移動が生じることはない。しかも、貫通電極と電極板との間にダミー材が挟まれているので、電極板から貫通電極に対して直接的に電流が流れることがない。つまり、印加工程の際、接合膜と電極板との間に接合電圧を印加しても、貫通電極に電流が流れることがなく、接合膜との間には接合電圧ほど大きな電位差は生じ得ない。このため、接合膜と貫通電極との間で従来、頻発していた放電現象(火花放電)の発生を抑制することができる。
【0013】
これにより、放電現象による貫通電極の溶融を防止することができる。このため、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保できると共に、キャビティ内の気密を確保できる。よって、圧電振動子の高品質化を図ることができる。
加えて、放電現象を抑制することで、接合膜及びベース基板内に流れる電流を十分確保することができる。従って、陽極接合によって両者をそれぞれ強固に密着させることができ、両基板の接合面においても気密性を確保することができる。
また、単にベース基板と電極板との間にダミー材を挟むだけの簡単な方法であるので、従来の設備を利用することができる。そのため、低コストで実施することができる。
【0014】
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法は、前記ダミー材として、前記ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いることを特徴とするものである。
【0015】
この発明に係る圧電振動子の製造方法においては、ダミー材として、ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いる。よって、印加工程時に加熱した際、ベース基板とダミー材とが同じように熱膨張する。従って、一方だけが過度に膨張してしまい、ベース基板の一部がダミー材から浮いた状態になる等の恐れがない。つまり、ベース基板とダミー材とを密着させた状態で印加工程を実施することができる。これにより、より確実にベース基板とリッド基板との陽極接合を実施することができ、圧電振動子の更なる高品質化を図ることができる。
【0016】
また、本発明に係る圧電振動子は、上記本発明の圧電振動子の製造方法で製造されたことを特徴とするものである。
【0017】
この発明に係る圧電振動子においては、上述した製造方法で製造されているので、キャビティ内の気密を確実に維持することができると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子とすることができる。
【0018】
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電子機器は、上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
また、本発明に係る電波時計は、上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とするものである。
【0019】
この発明に係る発振器、電子機器及び電波時計においては、高品質化された圧電振動子を備えているので、同様に高品質化を図ることができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明に係る圧電振動子の製造方法によれば、キャビティ内の気密を確実に維持できると共に、圧電振動片と外部電極との安定した導電性を確保した高品質な2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子を製造することができる。
本発明に係る圧電振動子によれば、上述した方法で製造されているので、高品質化の図られた圧電振動子とすることができる。
また、本発明に係る発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動子を備えているので、同様に高品質化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明に係る一実施形態を、図1から図14を参照して説明する。
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図4に示すように、ベース基板2とリッド基板3とで2層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティC内に圧電振動片4が収容された表面実装型の圧電振動子1である。
なお、図4においては、図面を見易くするために後述する励振電極15、引き出し電極19、20、マウント電極16、17及び重り金属膜21の図示を省略している。
【0022】
圧電振動片4は、図5から図7に示すように、水晶、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウム等の圧電材料から形成された音叉型の振動片であり、所定の電圧が印加されたときに振動するものである。
この圧電振動片4は、平行に配置された一対の振動腕部10、11と、該一対の振動腕部10、11の基端側を一体的に固定する基部12と、一対の振動腕部10、11の外表面上に形成されて一対の振動腕部10、11を振動させる第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15と、第1の励振電極13及び第2の励振電極14に電気的に接続されたマウント電極16、17とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片4は、一対の振動腕部10、11の両主面上に、該振動腕部10、11の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部18を備えている。この溝部18は、振動腕部10、11の基端側から略中間付近まで形成されている。
【0023】
第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる励振電極15は、一対の振動腕部10、11を互いに接近又は離間する方向に所定の共振周波数で振動させる電極であり、一対の振動腕部10、11の外表面に、それぞれ電気的に切り離された状態でパターニングされて形成されている。具体的には、図7に示すように、第1の励振電極13が、一方の振動腕部10の溝部18上と他方の振動腕部11の両側面上とに主に形成され、第2の励振電極14が、一方の振動腕部10の両側面上と他方の振動腕部11の溝部18上とに主に形成されている。
【0024】
また、第1の励振電極13及び第2の励振電極14は、図5及び図6に示すように、基部12の両主面上において、それぞれ引き出し電極19、20を介してマウント電極16、17に電気的に接続されている。そして圧電振動片4は、このマウント電極16、17を介して電圧が印加されるようになっている。
なお、上述した励振電極15、マウント電極16、17及び引き出し電極19、20は、例えば、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)やチタン(Ti)等の導電性膜の被膜により形成されたものである。
【0025】
また、一対の振動腕部10、11の先端には、自身の振動状態を所定の周波数の範囲内で振動するように調整(周波数調整)を行うための重り金属膜21が被膜されている。なお、この重り金属膜21は、周波数を粗く調整する際に使用される粗調膜21aと、微小に調整する際に使用される微調膜21bとに分かれている。これら粗調膜21a及び微調膜21bを利用して周波数調整を行うことで、一対の振動腕部10、11の周波数をデバイスの公称周波数の範囲内に収めることができる。
【0026】
このように構成された圧電振動片4は、図2から図4に示すように、ベース基板2の上面に、図示しない導電性接着剤で接合されている。より具体的には、ベース基板2の上面にパターニングされた引き回し電極36、37上に、一対のマウント電極16、17がそれぞれ接触した状態で接合されている。これにより、圧電振動片4は、マウント電極16、17と引き回し電極36、37とがそれぞれ電気的に接続された状態となっている。
【0027】
上記リッド基板3は、ガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明の絶縁基板であり、図1、図3及び図4に示すように、板状に形成されている。そして、リッド基板3の下面側(ベース基板2が接合される接合面側)には、圧電振動片4が収まる矩形状の凹部3aが形成されている。この凹部3aは、両基板2、3が重ね合わされたときに、後述するベース基板2の凹部2aと共に、圧電振動片4を収容するキャビティCを形成する。また、リッド基板3の下面側には、導電性材料(例えば、アルミニウム)により、陽極接合用の接合膜3bが全体にパターニングされている。そして、リッド基板3は、この接合膜3bを利用して、凹部3aをベース基板2側に対向させた状態で該ベース基板2に対して陽極接合されている。
【0028】
上記ベース基板2は、リッド基板3と同様にガラス材料、例えばソーダ石灰ガラスからなる透明な絶縁基板であり、図1から図4に示すように、リッド基板3に対して重ね合わせ可能な大きさで板状に形成されている。このベース基板2の上面側(リッド基板3が接合される接合面側)には、図2から図4に示すように、キャビティCを形成する凹部2aが設けられている。より詳しく説明すると、凹部2aは、ベース基板2上にマウントされた圧電振動片4の先端側に設けられている。よって、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11は、ベース基板2から浮いた状態になる。この凹部2aにより、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の振動に必要な振動ギャップを確保することができる。
【0029】
また、このベース基板2には、該ベース基板2を貫通する一対のスルーホール30、31が形成されている。この際、一対のスルーホール30、31は、キャビティC内に収まるように形成されている。より詳しく説明すると、本実施形態のスルーホール30、31は、マウントされた圧電振動片4の基部12側に一方のスルーホール30が位置し、振動腕部10、11の先端側に他方のスルーホール31が位置するように形成されている。そして、これら一対のスルーホール30、31には、該スルーホール30、31を埋めるように一対の貫通電極32、33が形成されている。これら貫通電極32、33は、スルーホール30、31を完全に塞いでキャビティC内の気密を維持していると共に、引き回し電極36、37と外部電極38、39とを導通させる役割を担っている。
【0030】
一対の引き回し電極36、37は、一対の貫通電極32、33のうち、一方の貫通電極32と圧電振動片4の一方のマウント電極16とを電気的に接続すると共に、他方の貫通電極33と圧電振動片4の他方のマウント電極17とを電気的に接続するように、ベース基板2の上面に導電性材料(例えば、アルミニウム)により、パターニングされている。より詳しく説明すると、一方の引き回し電極36は、圧電振動片4の基部12の真下に位置するように一方の貫通電極32の真上に形成されている。また、他方の引き回し電極37は、一方の引き回し電極36に隣接した位置から、振動腕部10、11に沿って該振動腕部10、11の先端側に引き回しされた後、他方の貫通電極33の真上に位置するように形成されている。
そして、これら一対の引き回し電極36、37上には、圧電振動片4がマウントされている。これにより、圧電振動片4の一方のマウント電極16が、一方の引き回し電極36を介して一方の貫通電極32に導通し、他方のマウント電極17が、他方の引き回し電極37を介して他方の貫通電極33に導通するようになっている。
【0031】
また、ベース基板2の下面には、図1、図3及び図4に示すように、一対の貫通電極32、33に対してそれぞれ電気的に接続される外部電極38、39が形成されている。つまり、一方の外部電極38は、一方の貫通電極32及び一方の引き回し電極36を介して圧電振動片4の第1の励振電極13に電気的に接続されている。また、他方の外部電極39は、他方の貫通電極33及び他方の引き回し電極37を介して、圧電振動片4の第2の励振電極14に電気的に接続されている。また、図3に示すように、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の先端側に形成された外部電極39は、ベース基板2を下面から見た際、該振動腕部10、11の先端と重ならないように形成されている。
【0032】
このように構成された圧電振動子1を作動させる場合には、ベース基板2に形成された外部電極38、39に対して、所定の駆動電圧を印加する。これにより、圧電振動片4の第1の励振電極13及び第2の励振電極14からなる励振電極15に電流を流すことができ、一対の振動腕部10、11を接近・離間させる方向に所定の周波数で振動させることができる。そして、この一対の振動腕部10、11の振動を利用して、時刻源、制御信号のタイミング源やリファレンス信号源等として利用することができる。
【0033】
次に、上述した圧電振動子1を、図8に示すフローチャートを参照しながら、ベース基板用ウエハ(ベース基板)40とリッド基板用ウエハ(リッド基板)50とを利用して一度に複数製造する製造方法について以下に説明する。なお、本実施形態では、ウエハ状の基板を利用して圧電振動子1を一度に複数製造するが、これに限られたものではなく、予めベース基板2及びリッド基板3の外形に寸法を合わせたものを加工して、一度に一つのみ製造する等しても構わない。
【0034】
初めに、圧電振動片作製工程を行って図5から図7に示す圧電振動片4を作製する(S10)。具体的には、まず水晶のランバート原石を所定の角度でスライスして一定の厚みのウエハとする。続いて、このウエハをラッピングして粗加工した後、加工変質層をエッチングで取り除き、その後ポリッシュ等の鏡面研磨加工を行って、所定の厚みのウエハとする。続いて、ウエハに洗浄等の適切な処理を施した後、該ウエハをフォトリソグラフィ技術によって圧電振動片4の外形形状でパターニングすると共に、金属膜の成膜及びパターニングを行って、励振電極15、引き出し電極19、20、マウント電極16、17、重り金属膜21を形成する。これにより、複数の圧電振動片4を作製することができる。
【0035】
また、圧電振動片4を作製した後、共振周波数の粗調を行っておく。これは、重り金属膜21の粗調膜21aにレーザ光を照射して一部を蒸発させ、重量を変化させることで行う。なお、共振周波数をより高精度に調整する微調に関しては、マウント後に行う。これについては、後に説明する。
【0036】
次に、後にリッド基板3となるリッド基板用ウエハ50を、陽極接合を行う直前の状態まで作製する第1のウエハ作製工程を行う(S20)。まず、ソーダ石灰ガラスを所定の厚みまで研磨加工して洗浄した後に、エッチング等により最表面の加工変質層を除去した円板状のリッド基板用ウエハ50を形成する(S21)。次いで、図9に示すように、リッド基板用ウエハ50の下面に、エッチング等により行列方向にキャビティC用の凹部3aを複数形成する凹部形成工程を行う(S22)。
次いで、凹部3aが形成されたリッド基板用ウエハ50の下面全体に、蒸着やスパッタリング等の方法により導電性の接合膜3bを形成する接合膜形成工程を行う(S23)。この時点で、第1のウエハ作製工程が終了する。
【0037】
次に、上記工程と同時或いは前後のタイミングで、後にベース基板2となるベース基板用ウエハ40を、陽極接合を行う直前の状態まで作製する第2のウエハ作製工程を行う(S30)。まず、ソーダ石灰ガラスを所定の厚みまで研磨加工して洗浄した後に、エッチング等により最表面の加工変質層を除去した円板状のベース基板用ウエハ40を形成する(S31)。
【0038】
次いで、ベース基板用ウエハ40の上面に、エッチング等により行列方向にキャビティC用の凹部2aを複数形成する凹部形成工程を行う(S32)。この際、凹部2aを、圧電振動片4の振動腕部10、11の先端側に位置するように形成する。
【0039】
次いで、ベース基板用ウエハ40に、一対の貫通電極32、33を複数形成する貫通電極形成工程を行う(S33)。具体的には、まず、一対のスルーホール30、31を、サンドブラスト法やプレス加工等の方法で複数形成する。そして、これら複数の一対のスルーホール30、31内に、一対の貫通電極32、33を形成する。この一対の貫通電極32、33により、一対のスルーホール30、31を封止すると共に、ベース基板用ウエハ40の上面側から下面側との電気導通性が確保される。
【0040】
次に、ベース基板用ウエハ40の上面に導電性材料をパターニングして、図10及び図11に示すように、各一対の貫通電極32、33にそれぞれ電気的に接続された引き回し電極36、37を複数形成する引き回し電極形成工程を行う(S34)。なお、図10及び図11に示す点線Mは、後に行う切断工程で切断する切断線を図示している。この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
【0041】
次に、作製した複数の圧電振動片4を、それぞれ引き回し電極36、37を介してベース基板用ウエハ40の上面に接合するマウント工程を行う(S40)。これにより、圧電振動片4は、マウント電極16、17と引き回し電極36、37とが電気的に接続された状態となる。よって、この時点で圧電振動片4の一対の励振電極15は、一対の貫通電極32、33に対してそれぞれ導通した状態となる。
【0042】
マウント工程後、重ね合わせた2枚のウエハ40、50を図示しない陽極接合装置に入れ陽極接合する接合工程を行う(S50)。より具体的には、まず、ベース基板用ウエハ40に対してリッド基板用ウエハ50を重ね合わせる重ね合わせ工程を行う(S51)。具体的には、図示しない基準マーク等を指標としながら、両ウエハ40、50を正しい位置にアライメントする。これにより、マウントされた圧電振動片4が、両ウエハ40、50で囲まれるキャビティC内に収容された状態となる。
【0043】
続いて、図12に示すように、ダミー材Rを金属治具(電極板)J上に載置すると共に、ベース基板用ウエハ40をダミー材R側にした状態で重ね合わせた両ウエハ40、50をダミー材R上に載置するセット工程を行う(S52)。この際、ダミー材Rとして、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものを用いる。具体的には、例えばベース基板用ウエハ40と同一材料であるガラス材料を用いる。また、金属治具Jとしては、例えばステンレス鋼(SUS)等を用いる。なお、図12では、説明のために両ウエハ40、50全体でなく、圧電振動子1の一つに相当する部分を示している。
【0044】
次いで、セットされたベース基板用ウエハ40及びダミー材Rを接合温度(例えば、200度から300度)まで加熱した後、金属治具Jと接合膜3bとの間に接合電圧(例えば、0.5〜5.0kV)を印加する印加工程を行う(S53)。すると、接合膜3bとベース基板用ウエハ40との界面に電気化学的な反応が生じ、両者がそれぞれ強固に密着して陽極接合される。
【0045】
これにより、圧電振動片4をキャビティC内に封止することができ、ベース基板用ウエハ40とリッド基板用ウエハ50とが接合した図13に示すウエハ体60を得ることができる。なお、図13においては、図面を見易くするために、ウエハ体60を分解した状態を図示しており、リッド基板用ウエハ50に形成された接合膜3bの図示を省略している。また、図13に示す点線Mは、後に行う切断工程で切断する切断線を図示している。
【0046】
そして、上述した陽極接合が終了した後、ベース基板用ウエハ40の下面に導電性材料をパターニングして、一対の貫通電極32、33にそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極38、39を複数形成する外部電極形成工程を行う(S60)。この工程により、外部電極38、39を利用してキャビティC内に封止された圧電振動片4を作動させることができる。
【0047】
次に、ウエハ体60の状態で、キャビティC内に封止された個々の圧電振動子1の周波数を微調整して所定の範囲内に収める微調工程を行う(S70)。具体的に説明すると、ベース基板用ウエハ40の下面に形成された一対の外部電極38、39に電圧を印加して圧電振動片4を振動させる。そして、周波数を計測しながらベース基板用ウエハ40を通して外部からレーザ光を照射し、重り金属膜21の微調膜21bを蒸発させる。これにより、一対の振動腕部10、11の先端側の重量が変化するので、圧電振動片4の周波数を、公称周波数の所定範囲内に収まるように微調整することができる。
【0048】
周波数の微調が終了後、接合されたウエハ体60を図13に示す切断線Mに沿って切断して小片化する切断工程を行う(S80)。その結果、互いに陽極接合されたベース基板2とリッド基板3との間に形成されたキャビティC内に圧電振動片4が封止された、図1に示す2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子1を一度に複数製造することができる。
なお、切断工程(S80)を行って個々の圧電振動子1に小片化した後に、微調工程(S70)を行う工程順序でも構わない。但し、上述したように、微調工程(S70)を先に行うことで、ウエハ体60の状態で微調を行うことができるので、複数の圧電振動子1をより効率よく微調することができる。よって、スループットの向上化を図ることができるので好ましい。
【0049】
その後、内部の電気特性検査を行う(S90)。即ち、圧電振動片4の共振周波数、共振抵抗値、ドライブレベル特性(共振周波数及び共振抵抗値の励振電力依存性)等を測定してチェックする。また、絶縁抵抗特性等を併せてチェックする。そして、最後に圧電振動子1の外観検査を行って、寸法や品質等を最終的にチェックする。これをもって圧電振動子1の製造が終了する。
【0050】
特に、ダミー材Rとして、接合温度で内部のイオンが移動可能なガラス材料からなるものを用いる。従って、加熱工程及び印加工程によって、接合温度まで加熱すると共に、金属治具Jと接合膜3bとの間に駆動電圧を印加することで、金属治具Jと接合膜3bとに挟み込まれているベース基板用ウエハ40及びダミー材Rには、局所的にイオン(荷電粒子)の移動が生じ電流が流れる。より具体的には、接合膜3bが陽極側、ダミー材Rが陰極側に接続されている場合、図14に示すように、ベース基板用ウエハ40及びダミー材Rを形成するガラス材料内のナトリウムイオンが接合膜3b側からダミー材R側に移動すると共に、電子が反対方向に移動する。
【0051】
これに対して、貫通電極32、33には接合膜3bが接触しておらず、貫通電極32、33が金属治具Jと接合膜3bとの間に挟まれていないので、接合膜3bと金属治具Jとの間に電圧が印加された場合であっても、イオン移動が生じることはない。しかも、貫通電極32、33と金属治具Jとの間にダミー材Rが挟まれているので、金属治具Jから貫通電極32、33に対して直接的に電流が流れることがない。つまり、印加工程の際、接合膜3bと金属治具Jとの間に接合電圧を印加しても、貫通電極32、33に電流が流れることがなく、接合膜3bとの間には接合電圧ほど大きな電位差は生じ得ない。このため、接合膜3bと貫通電極32、33との間で従来、頻発していた放電現象(火花放電)の発生を抑制することができる。
【0052】
これにより、放電現象による貫通電極32、33の溶融を防止することができる。このため、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保できると共に、キャビティ内の気密を確保できる。よって、圧電振動子1の高品質化を図ることができる。
加えて、放電現象を抑制することで、接合膜3b及びベース基板用ウエハ40内に流れる電流を十分確保することができる。従って、陽極接合によって両者をそれぞれ強固に密着させることができ、両ウエハ40、50の接合面においても気密性を確保することができる。
また、単にベース基板用ウエハ40と金属治具Jとの間にダミー材Rを挟むだけの簡単な方法であるので、従来の設備を利用することができる。そのため、低コストで実施することができる。
【0053】
更に、本実施形態においては、ダミー材Rとして、ベース基板用ウエハ40と同一材料であるガラス材料を用いる。よって、印加工程時に加熱した際、ベース基板用ウエハ40とダミー材Rとが同じように熱膨張する。従って、一方だけが過度に膨張してしまい、ベース基板用ウエハ40の一部がダミー材Rから浮いた状態になる等の恐れがない。つまり、ベース基板用ウエハ40とダミー材Rとを密着させた状態で印加工程を実施することができる。これにより、より確実にベース基板用ウエハ40とリッド基板用ウエハ50との陽極接合を実施することができ、圧電振動子1の更なる高品質化を図ることができる。
【0054】
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について、図15を参照しながら説明する。
本実施形態の発振器100は、図15に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
【0055】
このように構成された発振器100において、圧電振動子1に電圧を印加すると、該圧電振動子1内の圧電振動片4が振動する。この振動は、圧電振動片4が有する圧電特性により電気信号に変換されて、集積回路101に電気信号として入力される。入力された電気信号は、集積回路101によって各種処理がなされ、周波数信号として出力される。これにより、圧電振動子1が発振子として機能する。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
【0056】
上述したように、本実施形態の発振器100によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、発振器100自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定した高精度な周波数信号を得ることができる。
【0057】
次に、本発明に係る電子機器の一実施形態について、図16を参照して説明する。なお電子機器として、上述した圧電振動子1を有する携帯情報機器110を例にして説明する。始めに本実施形態の携帯情報機器110は、例えば、携帯電話に代表されるものであり、従来技術における腕時計を発展、改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在の時刻等を表示させることができるものである。また、通信機として利用する場合には、手首から外し、バンドの内側部分に内蔵されたスピーカ及びマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信を行うことが可能である。しかしながら、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化及び軽量化されている。
【0058】
次に、本実施形態の携帯情報機器110の構成について説明する。この携帯情報機器110は、図16に示すように、圧電振動子1と、電力を供給するための電源部111とを備えている。電源部111は、例えば、リチウム二次電池からなっている。この電源部111には、各種制御を行う制御部112と、時刻等のカウントを行う計時部113と、外部との通信を行う通信部114と、各種情報を表示する表示部115と、それぞれの機能部の電圧を検出する電圧検出部116とが並列に接続されている。そして、電源部111によって、各機能部に電力が供給されるようになっている。
【0059】
制御部112は、各機能部を制御して音声データの送信及び受信、現在時刻の計測や表示等、システム全体の動作制御を行う。また、制御部112は、予めプログラムが書き込まれたROMと、該ROMに書き込まれたプログラムを読み出して実行するCPUと、該CPUのワークエリアとして使用されるRAM等とを備えている。
【0060】
計時部113は、発振回路、レジスタ回路、カウンタ回路及びインターフェース回路等を内蔵する集積回路と、圧電振動子1とを備えている。圧電振動子1に電圧を印加すると圧電振動片4が振動し、該振動が水晶の有する圧電特性により電気信号に変換されて、発振回路に電気信号として入力される。発振回路の出力は二値化され、レジスタ回路とカウンタ回路とにより計数される。そして、インターフェース回路を介して、制御部112と信号の送受信が行われ、表示部115に、現在時刻や現在日付或いはカレンダー情報等が表示される。
【0061】
通信部114は、従来の携帯電話と同様の機能を有し、無線部117、音声処理部118、切替部119、増幅部120、音声入出力部121、電話番号入力部122、着信音発生部123及び呼制御メモリ部124を備えている。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
【0062】
また、着信音発生部123は、基地局からの呼び出しに応じて着信音を生成する。切替部119は、着信時に限って、音声処理部118に接続されている増幅部120を着信音発生部123に切り替えることによって、着信音発生部123において生成された着信音が増幅部120を介して音声入出力部121に出力される。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
【0063】
電圧検出部116は、電源部111によって制御部112等の各機能部に対して加えられている電圧が、所定の値を下回った場合に、その電圧降下を検出して制御部112に通知する。このときの所定の電圧値は、通信部114を安定して動作させるために必要な最低限の電圧として予め設定されている値であり、例えば、3V程度となる。電圧検出部116から電圧降下の通知を受けた制御部112は、無線部117、音声処理部118、切替部119及び着信音発生部123の動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部117の動作停止は、必須となる。更に、表示部115に、通信部114が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。
【0064】
即ち、電圧検出部116と制御部112とによって、通信部114の動作を禁止し、その旨を表示部115に表示することができる。この表示は、文字メッセージであっても良いが、より直感的な表示として、表示部115の表示面の上部に表示された電話アイコンに、×(バツ)印を付けるようにしても良い。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
【0065】
上述したように、本実施形態の携帯情報機器110によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、携帯情報機器自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定した高精度な時計情報を表示することができる。
【0066】
次に、本発明に係る電波時計の一実施形態について、図17を参照して説明する。
本実施形態の電波時計130は、図17に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
【0067】
以下、電波時計130の機能的構成について詳細に説明する。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
【0068】
更に、濾波された所定周波数の信号は、検波、整流回路134により検波復調される。続いて、波形整形回路135を介してタイムコードが取り出され、CPU136でカウントされる。CPU136では、現在の年、積算日、曜日、時刻等の情報を読み取る。読み取られた情報は、RTC137に反映され、正確な時刻情報が表示される。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
【0069】
なお、上述の説明は、日本国内の例で示したが、長波の標準電波の周波数は、海外では異なっている。例えば、ドイツでは77.5KHzの標準電波が用いられている。従って、海外でも対応可能な電波時計130を携帯機器に組み込む場合には、さらに日本の場合とは異なる周波数の圧電振動子1を必要とする。
【0070】
上述したように、本実施形態の電波時計130によれば、キャビティC内の気密が確実で、圧電振動片4と外部電極38、39との安定した導電性を確保した高品質な圧電振動子1を備えているので、電波時計自体も同様に高品質化を図ることができる。さらにこれに加え、長期にわたって安定して高精度に時刻をカウントすることができる。
【0071】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0072】
例えば、上記実施形態では、圧電振動片4の一例として振動腕部10、11の両面に溝部18が形成された溝付きの圧電振動片4を例に挙げて説明したが、溝部18がないタイプの圧電振動片でも構わない。但し、溝部18を形成することで、一対の励振電極15に所定の電圧を印加させたときに、一対の励振電極15間における電界効率を上げることができるので、振動損失をより抑えて振動特性をさらに向上することができる。つまり、CI値(Crystal Impedance)をさらに低くすることができ、圧電振動片4のさらなる高性能化を図ることができる。この点において、溝部18を形成する方が好ましい。
また、上記実施形態では、音叉型の圧電振動片4を例に挙げて説明したが、音叉型に限られるものではない。例えば、厚み滑り振動片としても構わない。
【0073】
また、上記実施形態では、ベース基板2に凹部2aを形成することで、圧電振動片4の一対の振動腕部10、11の振動ギャップを確保したが、これに限らない。例えば、凹部2aを形成せず、引き回し電極36、37上にバンプを形成し、バンプ接合しても構わない。バンプ接合によれば、圧電振動片4をベース基板2の上面から浮かすことができ、振動に必要な最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。
【0074】
また、上記実施形態では、ダミー材Rとして、ベース基板用ウエハ40と同一材料のガラス材料を用いたが、これに限られるものではない。ダミー材Rは、接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるものであれば構わない。
但し、ダミー材Rは、上記実施形態で用いた材料のように、熱膨張係数がベース基板用ウエハ40と略等しいものが好ましい。これによれば、上述したようにベース基板用ウエハ40とダミー材Rとが同じように熱膨張することにより、圧電振動子1の更なる高品質化を図ることができる。
更に、ダミー材Rは、陽極接合可能なガラスであることが好ましい。陽極接合可能なガラスは、平常時は絶縁性であるが、接合温度まで加熱されるとイオン移動が活発になる。そのため、接合工程時に、ベース基板用ウエハ40と共に適度な導電性を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【0075】
【図1】本発明に係る圧電振動子の一実施形態を示す外観斜視図である。
【図2】図1に示す圧電振動子の内部構成図であって、リッド基板を取り外した状態で圧電振動片を上方から見た図である。
【図3】図2に示すA−A線に沿った圧電振動子の断面図である。
【図4】図1に示す圧電振動子の分解斜視図である。
【図5】図1に示す圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図である。
【図6】図5に示す圧電振動片の下面図である。
【図7】図5に示す断面矢視B−B図である。
【図8】図1に示す圧電振動子を製造する際の流れを示すフローチャートである。
【図9】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、リッド基板の元となるリッド基板用ウエハに複数の凹部及び接合膜を形成した状態を示す図である。
【図10】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、ベース基板の元となるベース基板用ウエハに凹部、貫通電極及び引き回し電極を形成した状態を示す図である。
【図11】図10に示す状態のベース基板用ウエハの全体図である。
【図12】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、重ね合わせたベース基板用ウエハ及びリッド基板用ウエハを陽極接合している状態で、図2に示すA−A線に沿った断面を示す図である。
【図13】図8に示すフローチャートに沿って圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、圧電振動片をキャビティ内に収容した状態でベース基板用ウエハとリッド基板用ウエハとが陽極接合されたウエハ体の分解斜視図である。
【図14】図12に示す状態のベース基板及びダミー材内でのイオン移動の様子を説明するための図である。
【図15】本発明に係る発振器の一実施形態を示す構成図である。
【図16】本発明に係る電子機器の一実施形態を示す構成図である。
【図17】本発明に係る電波時計の一実施形態を示す構成図である。
【図18】従来の圧電振動子の内部構造図であって、リッド基板を取り外した状態で圧電振動片を上方から見た図である。
【図19】図18に示す圧電振動子の断面図である。
【図20】図18に示す圧電振動子を製造する際の一工程を示す図であって、重ね合わせたベース基板及びリッド基板を電極板上にセットし、接合膜と電極板とに所定の電圧を印加している様子を示す図である。
【符号の説明】
【0076】
1…圧電振動子
2…ベース基板
3…リッド基板
3b…接合膜
4…圧電振動片
32、33…貫通電極
40…ベース基板用ウエハ(ベース基板)
50…リッド基板用ウエハ(リッド基板)
100…発振器
101…発振器の集積回路
110…携帯情報機器(電子機器)
113…電子機器の計時部
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部
C…キャビティ
R…ダミー材
J…金属治具(電極板)
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ガラス材料からなるベース基板と、下面全体に接合膜が被膜され、間にキャビティが形成されるように接合膜を介してベース基板に陽極接合されたガラス材料からなるリッド基板と、キャビティ内に収容された状態でベース基板の上面に接合された圧電振動片と、ベース基板の下面に形成された外部電極と、ベース基板を貫通するように形成され、圧電振動片と外部電極とを電気的に接続する貫通電極と、を備える圧電振動子を製造する方法であって、
前記ベース基板と前記リッド基板とを陽極接合する際に、
前記貫通電極が形成された前記ベース基板の上面に前記圧電振動片を接合した後、該圧電振動片が前記キャビティ内に収容されるように前記リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、
接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材を電極板上に載置すると共に、前記ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた前記両基板をダミー材上に載置するセット工程と、
前記接合温度まで加熱した後、前記電極板と前記接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行うことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記ダミー材として、前記ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いることを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の圧電振動子の製造方法で製造されたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項4】
請求項3に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
【請求項5】
請求項3に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
【請求項6】
請求項3に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
【請求項1】
ガラス材料からなるベース基板と、下面全体に接合膜が被膜され、間にキャビティが形成されるように接合膜を介してベース基板に陽極接合されたガラス材料からなるリッド基板と、キャビティ内に収容された状態でベース基板の上面に接合された圧電振動片と、ベース基板の下面に形成された外部電極と、ベース基板を貫通するように形成され、圧電振動片と外部電極とを電気的に接続する貫通電極と、を備える圧電振動子を製造する方法であって、
前記ベース基板と前記リッド基板とを陽極接合する際に、
前記貫通電極が形成された前記ベース基板の上面に前記圧電振動片を接合した後、該圧電振動片が前記キャビティ内に収容されるように前記リッド基板をベース基板に重ねる重ね合わせ工程と、
接合温度で内部のイオンが移動可能な材料からなるダミー材を電極板上に載置すると共に、前記ベース基板をダミー材側にした状態で重ね合わせた前記両基板をダミー材上に載置するセット工程と、
前記接合温度まで加熱した後、前記電極板と前記接合膜との間に接合電圧を印加する印加工程と、を行うことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の圧電振動子の製造方法において、
前記ダミー材として、前記ベース基板と熱膨張係数が略等しいものを用いることを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の圧電振動子の製造方法で製造されたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項4】
請求項3に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
【請求項5】
請求項3に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
【請求項6】
請求項3に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
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【図10】
【図11】
【図12】
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【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【公開番号】特開2009−200778(P2009−200778A)
【公開日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−39860(P2008−39860)
【出願日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願人】(000002325)セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年9月3日(2009.9.3)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年2月21日(2008.2.21)
【出願人】(000002325)セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Fターム(参考)】
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