JP2009206590A - 圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計並びに圧電振動片の製造方法 - Google Patents

圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計並びに圧電振動片の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 振動漏れを十分に低減できる基部の長さを確保したうえで、全長を短くして小型化を図ること。
【解決手段】 基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部11、12と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部13aを有し、該接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部13と、を備えた圧電板10と、一対の振動腕部の外表面上にそれぞれ形成され、駆動電圧が印加されたときに一対の振動腕部を振動させる励振電極20、21と、基部の外表面上に形成され、一対の励振電極に対して電気的にそれぞれ接続された一対のマウント電極22、23と、を備え、基部の少なくとも一部分が一対の振動腕部の間に挟まれるように配置されている圧電振動片2を提供する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、水晶やタンタル酸リチウム等の圧電材料からなる圧電振動片、該圧電振動片を有する圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計並びに圧電振動片の製造方法に関するものである。
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、様々なものが提供されているが、その1つとして、圧電振動片が円筒状のケース内に封止されたシリンダパッケージタイプの圧電振動子が知られている。
この圧電振動子200は、図40に示すように、音叉型の圧電振動片201と、該圧電振動片201を内部に収納する有底円筒状のケース202と、圧電振動片201をケース202内に密閉させる気密端子203とを備えている。
圧電振動片201は、各種の圧電材料から形成された音叉型の振動片であり、平行に配置された一対の振動腕部210と、該一対の振動腕部210の基端側に一体的に固定された基部211とで構成される圧電板212と、該圧電板212の外表面上に形成された図示しない電極と、を有している。
なお、電極は、一対の振動腕部210の外表面上に形成され、これら振動腕部210を振動させる励振電極と、基部211の外表面上に形成され、引き出し電極を介して励振電極に電気的に接続されたマウント電極と、で構成されている。
気密端子203は、金属材料で形成された環状のステム215と、該ステム215を貫くように配された2本のリード端子216と、該リード端子216とステム215とを絶縁状態で一体的に固定すると共にケース202内を密封させる充填材217とで構成されている。
2本のリード端子216は、ケース202内に突出して圧電板212を支持すると共にマウント電極に接続される部分がインナーリード216aとなり、ケース202外に突出している部分がアウターリード216bとなっている。そして、このアウターリード216bが、外部接続端子として機能するようになっている。
また、ケース202は、ステム215の外周に対して圧入されて嵌合固定されている。このケース202の圧入は、真空雰囲気下で行われているため、ケース202内の圧電振動片201を囲む空間は、真空に保たれた状態で密閉されている。
このように構成された圧電振動子200は、2本のリード端子216のアウターリード216bにそれぞれ駆動電圧を印加すると、電流がインナーリード216aからマウント電極を介して圧電振動片201に流れる。これにより、圧電振動片201が所定の周波数で発振するようになっている。
ところで、近年、携帯電話機等に代表されるように、圧電振動子を内蔵する各種の電子機器の小型化が進んでいる。そのため、圧電振動子に関しても、さらなる小型化が求められている。
特に、圧電振動片をベース基板とリッド基板との間に収納したパッケージタイプ(ガラスパッケージやセラミックパッケージ等)の表面実装型圧電振動子や、このタイプの圧電振動子よりも実装面積が大きいとされるモールドタイプの表面実装型圧電振動子(上述したシリンダパッケージタイプの圧電振動子を樹脂でモールドしたもの)においては、小型化を達成するために全長を短くすることが有効とされている。これは、全長を短くすることで、実装面積を小さくすることができ、比較的容易に小型化に繋げることができるからである。
そこで、音叉型の圧電振動片に関しても、全長を短くすることで小型化を実現しようとする要求がある。
ところで、音叉型の圧電振動片の全長を短くするには、振動腕部の長さ或いは基部の長さを短くすることが有効である。ところが、音叉型の圧電振動片の周波数Fは、振動腕部の長さをL、振動腕部の幅をWとすると、W/L2に比例してしまう。そのため、振動腕部の長さを短くした場合には、同じ周波数Fを保つために、振動腕部の長さ以上に振動腕部の幅も小さくする必要がある。そのため、加工上どうしても限界があり、振動腕部の長さによって圧電振動片の小型化を図るには限界があった。
なお、CI値(Crystal Impedance)を低下させて振動損失を抑えるための工夫として、振動腕部の両面に溝部を形成して断面H型の振動腕部にすることが知られている。この方法によれば、溝部を形成しない場合と比較して振動腕部の幅の減少率を小さくすることが可能であるが、圧電振動片のさらなる小型化に繋がるほど効果的な方法ではない。
一方、基部の長さを短くすることで音叉型の圧電振動片の全長を短くすることが可能であるが、下記の不都合が生じてしまっていた。
即ち、基部の長さを短くしてしまうと、振動腕部の振動が不安定になり易く、基部を通じて振動漏れ(振動エネルギーの漏洩)が発生してしまい、CI値が不安定になる恐れがあった。
そこで、振動漏れを低減するための対策として、基部に切り込み部を形成したものが提案されている(特許文献1参照)。
特開2002−261575号公報
しかしながら、基部に切り込み部を形成した場合には、切り込み部を形成しない場合に比べて振動漏れを低減することができるが、やはり基部の長さが長い場合に比べると多くの振動漏れが生じてしまうものであった。そのため、基部の長さを短くすることは、現実的に有効的とは考えられていない。
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、振動漏れを十分に低減できる基部の長さを確保したうえで、全長を短くして小型化を図ることができる圧電振動片、該圧電振動片を製造する圧電振動片の製造方法を提供することである。
更に上記圧電振動片を有する圧電振動子、該圧電振動子を有する発振器、電子機器及び電波時計を提供することである。
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片は、基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部を有し、該接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部と、を備えた圧電板と、前記一対の振動腕部の外表面上にそれぞれ形成され、駆動電圧が印加されたときに一対の振動腕部を振動させる励振電極と、前記基部の外表面上に形成され、前記一対の励振電極に対して電気的にそれぞれ接続された一対のマウント電極と、を備え、前記基部が、少なくとも一部分が前記一対の振動腕部の間に挟まれるように配置されていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、圧電材料からなるウエハを利用して、圧電振動片を一度に複数製造する方法であって、前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、該ウエハに、基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部と、を有する圧電板の外形形状を複数形成する外形形成工程と、複数の前記圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして、駆動電圧が印加されたときに前記一対の振動腕部を振動させる励振電極を一対の振動腕部の外表面上に形成すると共に、一対の励振電極に対して電気的にそれぞれ接続された一対のマウント電極を前記基部の外表面上に形成する電極形成工程と、複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、前記外形形成工程の際、少なくとも前記基部の一部分が前記一対の振動腕部の間に挟まれるように前記圧電板の外形形状を形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、まず、水晶等の圧電材料からなるウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、ウエハに複数の圧電板の外形形状を形成する外形形成工程を行う。この際、互いに平行に配置された一対の振動腕部と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部と、で圧電板が構成されるように外形形状を形成する。特に、一対の振動腕部の間に、少なくとも基部の一部分が挟まれるように形成する。
次いで、これら複数の圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして、一対の励振電極及び一対のマウント電極を形成する電極形成工程を行う。この際、一対の振動腕部の外表面上に一対の励振電極が形成され、基部の外表面上に一対のマウント電極が形成されるようにパターニングを行う。
そして、複数の圧電板をウエハから切り離して小片化する切断工程を行う。これにより、1枚のウエハから、音叉型の圧電振動片を一度に複数製造することができる。
特に、一対の振動腕部を支持する基部は、振動腕部の基端側を支持していた従来とは異なり、接続部を介して振動腕部の途中位置を支持している。しかも、基部は、少なくとも一部分が一対の振動腕部の間に挟まれるように配置されている。そのため、一対の振動腕部の間に挟まれている基部の長さ分だけ、全体の長さを短くすることができる。
つまり、従来は、基部が一対の振動腕部の基端側を支持していたため、振動腕部の長さと基部の長さとを積算したものが全体の長さであった。しかしながら、上述したように、少なくとも基部の一部分が一対の振動腕部の間に挟まれるように配置されているので、基部の長さが従来と同じであったとしても、全体の長さを短くすることができる。
その結果、圧電振動片の全長を短くして小型化を図ることができる。しかも、基部の長さを短くする必要がないので、振動漏れを十分に低減した状態を維持することができる。
このように、振動漏れを十分に低減できるだけの基部の長さを確保したうえで、全長を短くして小型化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動片は、上記本発明の圧電振動片において、前記接続部が、長さ方向における前記振動腕部の重心位置に接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、上記本発明の圧電振動片の製造方法において、前記外形形成工程の際、前記接続部が長さ方向における前記振動腕部の重心位置に接続されるように前記圧電板の外形形状を形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、基部が接続部を介して長さ方向における振動腕部の重心位置を支持しているので、一対の振動腕部を振動させたときに、接続部を中心として基端側と先端側とで揺れが均等となり、ぶれがなく安定して振動する。従って、長期的に安定した振動状態を維持し続けることができ、高性能化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動片は、上記本発明の圧電振動片において、前記一対の励振電極が、前記接続部を境として、前記振動腕部の基端側と先端側とで極性が反対となるようにパターニングされていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、上記本発明の圧電振動片の製造方法において、前記電極形成工程の際、前記接続部を境として、前記振動腕部の基端側と先端側とで極性が反対となるように前記一対の励振電極を形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、接続部を境として振動腕部の基端側と先端側とで極性が反対となるように一対の励振電極が形成されているので、駆動電圧を印加すると、振動腕部は先端側と基端側とが逆方向に屈曲しながら振動する。つまり、振動腕部は、接続部を境として屈曲方向が反対となる振動モードで振動する。その結果、一対の振動腕部をそれぞれ、接続部を基点として回転するように振動させることができる。
また、本発明に係る圧電振動片は、上記本発明の圧電振動片において、前記一対の振動腕部には、長さ方向に沿って両面にそれぞれ溝部が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、上記本発明の圧電振動片の製造方法において、前記外形形成工程の際、一対の振動腕部の両面に、長さ方向に沿ってそれぞれ溝部を形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、一対の振動腕部の両面にそれぞれ溝部が形成されているので、駆動電圧を印加したときに、一対の励振電極間における電界効率を上げることができる。よって、振動損失を抑えることができ、振動特性を向上することができる。従って、CI値(Crystal Impedance)及び共振周波数を低くすることができ、圧電振動片の高性能化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動片は、上記本発明の圧電振動片において、前記一対の振動腕部には、長さ方向に沿って両面を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、上記本発明の圧電振動片の製造方法において、前記外形形成工程の際、一対の振動腕部に、長さ方向に沿って両面を貫通する貫通孔を形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、一対の振動腕部にそれぞれ貫通孔が形成されているので、駆動電圧を印加したときに、一対の励振電極間における電界効率を最大に高めることができる。よって、振動損失を効果的に抑えることができ、振動特性を遥かに向上することができる。従って、CI値(Crystal Impedance)及び共振周波数を十分に低くすることができ、圧電振動片のさらなる高性能化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動片は、上記本発明の圧電振動片において、前記振動腕部の側面には、振動腕部の幅方向に突出する補強部が少なくとも前記貫通孔が形成されている領域に亘って形成されていることを特徴とする。
また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、上記本発明の圧電振動片の製造方法において、前記外形形成工程の際、前記振動腕部の側面に、該振動腕部の幅方向に突出する補強部を少なくとも前記貫通孔が形成されている領域に亘って形成することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法においては、振動腕部の側面に該振動腕部の幅方向に突出する補強部が形成されているので、振動腕部に貫通孔が形成されていたとしても、貫通孔による剛性の低下を補うことができる。特に、補強部は、少なくとも貫通孔が形成されている領域に亘って形成されているので、貫通孔によって幅狭となった部分を補強することができる。従って、撓みや変形等を生じさせることなく、一対の振動腕部を振動させることができる。
また、本発明に係る圧電振動子は、上記本発明の圧電振動片を有することを特徴とする。
この発明に係る圧電振動子においては、上述した圧電振動片を備えているので、従来よりも全長を短くして小型化を図ることができ、小型化のニーズに対応することができる。また、振動漏れが十分に低減している圧電振動片でもあるので、信頼性の向上した高品質な圧電振動子とすることができる。
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において、前記圧電振動片を上面にマウントするベース基板と、マウントされた前記圧電振動片をキャビティ内に収容した状態で前記ベース基板に接合されたリッド基板と、前記ベース基板の下面に形成され、マウントされた前記圧電振動片の一対のマウント電極に対してそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極と、を備えていることを特徴とする。
この発明に係る圧電振動子においては、互いに接合された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内に圧電振動片が収容されている。この際、圧電振動片は、一対の外部電極に電気的に接続された状態で、ベース基板の上面にマウントされている。これにより、一対の外部電極に駆動電圧を印加することで、一対のマウント電極に電圧を印加できるので、一対の振動腕部を振動させることができる。
特に、圧電振動片をキャビティ内に密閉した表面実装型のパッケージタイプの圧電振動子とすることができるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片を振動させることができ、圧電振動片をさらに高精度に振動させることができる。加えて、表面実装型であるので、実装を容易に行うことができると共に、実装後の安定性に優れている。
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において、前記圧電振動片を内部に収納するケースと、環状に形成されて前記ケース内に圧入固定されるステムと、該ステムを貫通した状態で配置され、ステムを間に挟んで一端側が前記一対のマウント電極にそれぞれ電気的に接続されるインナーリードとされ、他端側が外部にそれぞれ電気的に接続されるアウターリードとされた2本のリード端子と、該リード端子と前記ステムとを固定させる充填材とを有し、前記ケース内を密閉させる気密端子と、を備えていることを特徴とする。
この発明に係る圧電振動子においては、気密端子によって密閉されたケース内に圧電振動片が収納されている。この際、圧電振動片は、一対のマウント電極が2本のリード端子のインナーリードにそれぞれ電気的に接続された状態で、該リード端子によってマウントされている。これにより、2本のリード端子のアウターリードに駆動電圧を印加することで、一対のマウント電極に電圧を印加できるので、一対の振動腕部を振動させることができる。
特に、圧電振動片をケース内に密閉したシリンダパッケージタイプの圧電振動子とすることができるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片を振動させることができ、圧電振動片をさらに高精度に振動させることができる。
また、本発明の発振器は、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。
また、本発明の電子機器は、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。
また、本発明の電波時計は、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。
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、上述した圧電振動子を備えているので、同様に小型化を図ることができると共に、信頼性の向上化及び高品質化を図ることができる。
本発明に係る圧電振動片及び圧電振動片の製造方法によれば、振動漏れを十分に低減できるだけの基部の長さを確保したうえで、全長を短くして小型化を図ることができる。
また、本発明に係る圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動片を備えているので、同様に小型化を図ることができると共に、信頼性の向上化及び高品質化を図ることができる。
以下、本発明に係る一実施形態を、図1から図19を参照して説明する。
なお、本実施形態では、表面実装型のガラスパッケージタイプの圧電振動子を例に挙げて説明する。
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3とリッド基板4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2が収納された圧電振動子である。
なお、図4では、図面を見易くするために後述する励振電極20、21、引き出し電極24、25、マウント電極22、23の図示を省略している。
圧電振動片2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圧電板10を備えている。
この圧電板10は、基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部11、12と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部11、12にそれぞれ接続された接続部13aを有し、該接続部13aを介して一対の振動腕部11、12を一体的に支持する基部13と、を備えている。
一対の振動腕部11、12は、共に基端から先端に向かって均等の厚み及び幅で形成されており、長さ方向における中心が重心位置Gとなっている。そして、接続部13aは、この重心位置Gにて振動腕部11、12に接続されている。この接続部13aは、途中で略90度折曲した後に基部13の先端側に接続されている。
基部13は、少なくとも一部分が一対の振動腕部11、12の間に挟まれるように配置されている。なお、本実施形態では、基部13の全体が一対の振動腕部11、12の間に挟まれるように配置されており、基部13の基端側が振動腕部11、12の基端側から飛び出ないように設計されている場合を例にしている。これにより、圧電振動片2の全長は、基部13の長さに影響を受けずに、振動腕部11、12の長さとなっている。
また、本実施形態の一対の振動腕部11、12の両面には、長さ方向に沿ってそれぞれ溝部14が形成されている。この溝部14は、上記重心位置Gを中心として、振動腕部11、12の基端及び先端に向かって同じ長さだけ延在するように形成されている。
一対の振動腕部11、12は、この溝部14によって、図7に示すように断面H型となっている。
このように形成された圧電板10の外表面上には、図5から図7に示すように、電極膜のパターニングによって一対の励振電極20、21及び一対のマウント電極22、23が形成されている。一対の励振電極20、21は、駆動電圧が印加されたときに、一対の振動腕部11、12を振動させる電極であって、一対の振動腕部11、12の外表面上にそれぞれ電気的に切り離された状態で形成されている。
具体的には、振動腕部11、12の先端側では、一方の励振電極20が、一方の振動腕部11の溝部14上と、他方の振動腕部12の両側面上とに主に形成され、他方の励振電極21が、一方の振動腕部11の両側面上と、他方の振動腕部12の溝部14上とに主に形成されている。
しかも、本実施形態の一対の励振電極20、21は、接続部13aを境として振動腕部11、12の基端側と先端側とで極性が反対となるようにパターニングされている。そのため、振動腕部11、12の基端側では、一方の励振電極20が、一方の振動腕部11の両側面上と、他方の振動腕部12の溝部14上とに主に形成され、他方の励振電極21が、一方の振動腕部11の溝部14上と、他方の振動腕部12の両側面上とに主に形成されている。
一対のマウント電極22、23は、基部13の外表面上に形成されており、接続部13aの外表面上に主に形成された引き出し電極24、25を介して一対の励振電極20、21にそれぞれ電気的に接続されている。そして、一対の励振電極20、21は、このマウント電極22、23を介して駆動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20、21、引き出し電極24、25及びマウント電極22、23は、例えば、クロム(Cr)と金(Au)との積層膜であり、水晶と密着性の良いクロム膜を下地として成膜した後に、表面に金の薄膜を施したものである。但し、この場合に限られず、例えば、クロムとニクロム(NiCr)の積層膜の表面にさらに金の薄膜を積層しても構わないし、クロム、ニッケル、アルミニウム(Al)やチタン(Ti)等の単層膜でも構わない。
なお、一対の振動腕部11、12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)を行うための図示しない重り金属膜(粗調膜と微調膜とからなる)が形成されている。この重り金属膜を利用して周波数調整を行うことで、一対の振動腕部11、12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ようになっている。
このように構成された圧電振動片2は、図2から図4に示すように、金等のバンプBを利用して、ベース基板3の上面にバンプ接合によってマウントされている。より具体的には、ベース基板3の上面にパターニングされた後述する引き回し電極36、37上に形成された2つのバンプB上に、一対のマウント電極22、23がそれぞれ接触した状態でバンプ接合されている。これにより、圧電振動片2は、ベース基板3の上面から浮いた状態で支持されると共に、マウント電極22、23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。
上記リッド基板4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、ベース基板3が接合される接合面側には、圧電振動片2が収まる矩形状の凹部4aが形成されている。この凹部4aは、両基板3、4が重ね合わされたときに、圧電振動片2を収容するキャビティCとなるキャビティ用の凹部である。そして、リッド基板4は、この凹部4aをベース基板3側に対向させた状態で該ベース基板3に対して陽極接合されている。
上記ベース基板3は、リッド基板4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4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3には、該ベース基板3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、マウントされた圧電振動片2の基部13側に一方のスルーホール30が位置し、振動腕部11、12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。
また、本実施形態では、ベース基板3を真っ直ぐに貫通したスルーホール30、31を例に挙げて説明するが、この場合に限られず、例えばベース基板3の下面に向かって漸次径が縮径するテーパー状に形成しても構わない。いずれにしても、ベース基板3を貫通していれば良い。
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を埋めるように形成された一対の貫通電極32、33が形成されている。この貫通電極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、後述する外部電極38、39と引き回し電極36、37とを導通させる役割を担っている。
ベース基板3の上面側(リッド基板4が接合される接合面側)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35と、一対の引き回し電極36、37とがパターニングされている。このうち接合膜35は、リッド基板4に形成された凹部4aの周囲を囲むようにベース基板3の周縁に沿って形成されている。
また、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2の一方のマウント電極22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2の他方のマウント電極23とを電気的に接続するようにパターニングされている。
より詳しく説明すると、図2から図4に示すように、一方の引き回し電極36は、圧電振動片2の基部13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11、12に沿って該振動腕部11、12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上にバンプBが形成されており、該バンプBを利用して圧電振動片2がマウントされている。これにより、圧電振動片2の一方のマウント電極22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23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。
また、ベース基板3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2の一方のマウント電極22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2の他方のマウント電極23に電気的に接続されている。
次に、上述した圧電振動片2並びに圧電振動子1の製造方法について、図8及び図9に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
始めに、圧電材料からなるウエハSを利用して、図5から図7に示す圧電振動片2を一度に複数製造する圧電振動片製造工程を行う(S10)。
この工程を行うにあたって、まずポリッシングが終了し、所定の厚みに高精度に仕上げられたウエハSを準備する(S11)。次いで、ウエハSをフォトリソ技術によってエッチングして、該ウエハSに複数の圧電板10の外形形状を形成する外形形成工程を行う(S12)。この工程について、具体的に説明する。
まず、図10に示すように、ウエハSの両面にエッチング保護膜40をそれぞれ成膜する(S12a)。このエッチング保護膜40としては、例えば、クロム(Cr)を数μm成膜する。次いで、エッチング保護膜40上に図示しないフォトレジスト膜を、フォトリソグラフィ技術によってパターニングする。この際、一対の振動腕部11、12と、接続部13aを有する基部13とで構成される圧電板10の周囲を囲むようにパターニングする。そして、このフォトレジスト膜をマスクとしてエッチング加工を行い、マスクされていないエッチング保護膜40を選択的に除去する。そして、エッチング加工後にフォトレジスト膜を除去する。これにより、図11及び図12に示すように、エッチング保護膜40を圧電板10の外形形状、即ち、一対の振動腕部11、12、接続部13a及び基部13の外形形状に沿ってパターニングすることができる(S12b)。この際、複数の圧電板10の数だけパターニングを行う。
なお、図12から図15は、図11に示す切断線C−C線に沿った断面を示す図である。
次いで、パターニングされたエッチング保護膜40をマスクとして、ウエハSの両面をそれぞれエッチング加工する(S12c)。これにより、図13に示すように、エッチング保護膜40でマスクされていない領域を選択的に除去して、圧電板10の外形形状を形作ることができる。
続いて、本実施形態では、電極形成工程を行う前に一対の振動腕部11、12に溝部14を形成する溝部形成工程を行う(S12d)。具体的には、上述した外形形成時と同様に、エッチング保護膜40上に図示しないフォトレジスト膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術によって、溝部14の領域を空けるようにフォトレジスト膜をパターニングする。そして、パターニングされたフォトレジスト膜をマスクとしてエッチング加工を行い、エッチング保護膜40を選択的に除去する。その後、フォトレジスト膜を除去することで、図14に示すように、既にパターニングされたエッチング保護膜40を、溝部14の領域を空けた状態でさらにパターニングすることができる。
次いで、この再度パターニングされたエッチング保護膜40をマスクとして、ウエハSをエッチング加工した後、マスクとしていたエッチング保護膜40を除去する。これにより、図15に示すように、一対の振動腕部11、12の両面に溝部14をそれぞれ形成することができる。
この時点で、外形形成工程が終了する。なお、複数の圧電板10は、後に行う切断工程を行うまで、図示しない連結部を介してウエハSに連結された状態となっている。
次いで、複数の圧電板10の外表面上に電極膜を成膜すると共にパターニングを行って、励振電極20、21、引き出し電極24、25、マウント電極22、23をそれぞれ形成する電極形成工程を行う(S13)。また、これと同時に、同様の方法により、重り金属膜を形成する(S14)。特に電極形成工程を行う際に、接続部13aを境として、振動腕部11、12の基端側と先端側とで極性が反対となるように一対の励振電極20、21を形成する。
次いで、共振周波数の粗調を行う(S15)。これは、重り金属膜の粗調膜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後に行う。これについては、後に説明する。
そして、最後にウエハSと圧電板10とを連結していた連結部を切断して、複数の圧電板10をウエハSから切り離して小片化する切断工程を行う(S16)。これにより、1枚のウエハSから、音叉型の圧電振動片2を一度に複数製造することができる。この時点で、圧電振動片2の製造工程が終了する。
次に、後にリッド基板4となるリッド基板用ウエハ45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さまで研磨加工して洗浄した後に、図16に示すように、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45を形成する(S21)。次いで、リッド基板用ウエハ45の接合面に、エッチング等により行列方向にキャビティC用の凹部4aを複数形成する凹部形成工程を行う(S22)。この時点で、第1のウエハ作製工程が終了する。
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3となるベース基板用ウエハ46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さ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46を形成する(S31)。次いで、図17に示すように、ベース基板用ウエハ46を貫通する一対のスルーホール30、31を複数形成する貫通孔形成工程(S32)を行う。なお、図17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。
この際、後に両ウエハ45、46を重ね合わせたときに、リッド基板用ウエハ45に形成した凹部4a内に収まるように一対のスルーホール30、31を複数形成する。しかも、一方のスルーホール30が後にマウントする圧電振動片2の基部13側に位置し、他方のスルーホール31が振動腕部11、12の先端側に位置するように形成する。
続いて、複数の一対のスルーホール30、31を図示しない導電体で埋めて、一対の貫通電極32、33を形成する貫通電極形成工程を行う(S33)。
続いて、ベース基板用ウエハ46の上面に導電性材料をパターニングして、図18に示すように、接合膜35を形成する接合膜形成工程(S34)を行うと共に、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(S35)。なお、図18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。
この工程を行うことにより、一方の貫通電極32と一方の引き回し電極36とが導通すると共に、他方の貫通電極33と他方の引き回し電極37とが導通した状態となる。この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
ところで、図9では、接合膜形成工程(S34)の後に、引き回し電極形成工程(S35)を行う工程順序としているが、これとは逆に、引き回し電極形成工程(S35)の後に、接合膜形成工程(S34)を行っても構わないし、両工程を同時に行っても構わない。いずれの工程順序であっても、同一の作用効果を奏することができる。よって、必要に応じて適宜、工程順序を変更して構わない。
次に、作製した複数の圧電振動片24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46の上面にバンプ接合するマウント工程を行う(S40)。まず、一対の引き回し電極36、37上にそれぞれ金等のバンプBを形成する。そして、圧電振動片2の基部13をバンプB上に載置した後、バンプBを所定温度に加熱しながら圧電振動片2をバンプBに押し付ける。これにより、圧電振動片2は、バンプBに機械的に支持されると共に、マウント電極22、23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2の一対の励振電極20、21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。特に、圧電振動片2は、バンプ接合されるので、ベース基板用ウエハ46の上面から浮いた状態で支持される。
圧電振動片2のマウントが終了した後、ベース基板用ウエハ46に対してリッド基板用ウエハ45を重ね合わせる重ね合わせ工程を行う(S50)。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45、46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2が、リッド基板用ウエハ45に形成された凹部4aと両ウエハ45、46とで囲まれるキャビティC内に収容された状態となる。
重ね合わせ工程後、重ね合わせた2枚のウエハ45、46を図示しない陽極接合装置に入れ、所定の温度雰囲気で所定の電圧を印加して陽極接合する接合工程を行う(S60)。具体的には、接合膜35とリッド基板用ウエハ45との間に所定の電圧を印加する。すると、接合膜35とリッド基板用ウエハ45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。これにより、圧電振動片2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46とリッド基板用ウエハ45とが接合したウエハ体を得ることができる。
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46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(S70)。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2を作動させることができる。
次に、ウエハ体の状態で、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(S80)。具体的に説明すると、外部電極38、39に電圧を印加して圧電振動片2を振動させる。そして、周波数を計測しながらリッド基板用ウエハ45を通して外部からレーザ光を照射し、重り金属膜の微調膜を蒸発させる。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2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。
周波数の微調が終了した後、接合されたウエハ体を図18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(S90)。その結果、互いに陽極接合されたベース基板3とリッド基板4との間に形成されたキャビティC内に圧電振動片2が封止された、図1に示す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(S90)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(S80)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(S80)を先に行うことで、ウエハ体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、より好ましい。
その後、内部の電気特性検査を行う(S100)。即ち、圧電振動片2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。
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、一対の外部電極38、39間に、所定の駆動電圧を印加する。これにより、マウント電極22、23及び引き出し電極24、25を介して、励振電極20、21に電流を流すことができ、一対の振動腕部11、12を所定の周波数で振動させることができる。
この際、一対の励振電極20、21は、接続部13aを境として振動腕部11、12の基端側と先端側とで極性が反対となるように形成されているので、図19に示すように、振動腕部11、12は先端側と基端側とが逆方向に屈曲しながら振動する。つまり、振動腕部11、12は、接続部13aを中心として屈曲方向が反対となる振動モードで振動する。その結果、一対の振動腕部11、12をそれぞれ、接続部13aを基点として回転するように振動させることができ、互いに接近、離間させることができる。
そして、これら一対の振動腕部11、12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。
しかも、本実施形態では、基部13が接続部13aを介して長さ方向における振動腕部11、12の重心位置Gを支持しているので、接続部13aを中心として基端側と先端側とで揺れが均等になり、ぶれがなく安定に振動する。従って、長期的に安定した振動状態を維持し続けることができ、高性能化を図ることができる。
また、一対の振動腕部11、12には溝部14が形成されているので、一対の励振電極20、21が圧電振動片2を挟んで一部対向した位置関係となっている。そのため、一対の励振電極20、21間における電界効率を上げることができる。よって、振動損失を抑えることができ、振動特性を向上することができる。従って、CI値及び共振周波数を低くすることができ、圧電振動片2の高性能化を図ることができる。
特に、本実施形態の圧電振動片2は、一対の振動腕部11、12を支持する基部13が、振動腕部11、12の基端側を支持していた従来とは異なり、接続部13aを介して振動腕部11、12の途中位置を支持している。しかも、基部13は、一対の振動腕部11、12の間に挟まれるように配置されている。そのため、一対の振動腕部11、12の間に挟まれている基部13の長さ分だけ、全体の長さを短くすることができる。
つまり、従来は、基部13が一対の振動腕部11、12の基端側を支持していたため、振動腕部11、12の長さと基部13の長さとを積算した数値が全体の長さであった。しかしながら、本実施形態の圧電振動片2によれば、基部13の長さが従来と同じであったとしても、全体の長さを短くすることができる。つまり、圧電振動片2の長さを、振動腕部11、12の長さとすることができる。
その結果、圧電振動片2の全長を短くして小型化を図ることができる。しかも、基部13の長さを短くする必要がないので、振動漏れを十分に低減した状態を維持することができる。加えて、マウントに十分な面積を確保することができるので、圧電振動片2のマウント性にも何ら影響を与えることがない。
このように、本実施形態の圧電振動片2によれば、振動漏れを十分に低減できるだけの基部13の長さを確保したうえで、マウント性にも何ら影響を与えずに全長を短くして小型化を図ることができる。
また、本実施形態の圧電振動子1によれば、上述した圧電振動片2を備えているので、従来よりも全長を短くして小型化を図ることができ、小型化のニーズに対応することができる。また、振動漏れが十分に低減していると共にマウント性にも優れた圧電振動片2でもあるので、信頼性が向上した高品質な圧電振動子1とすることができる。
更に、この圧電振動子1は、圧電振動片2をキャビティC内に密閉した表面実装型のガラスパッケージタイプであるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片2を振動させることができ、高品質化を図ることができる。加えて、表面実装型であるので、実装を容易に行うことができると共に、実装後の安定性に優れている。
なお、上記実施形態では、一対の振動腕部11、12にそれぞれ溝部14を形成した場合を例に挙げたが、溝部14は必須なものではなく、溝部14を形成しなくても構わない。但し、溝部14を形成することで、CI値を低くすることができるので、好ましい。
また、溝部14ではなく、図20から図22に示すように、長さ方向に沿って振動腕部11、12の両面を貫通する貫通孔51を形成しても構わない。このように構成された圧電振動片50においては、図22に示すように、振動腕部11、12を間に挟んで、一対の励振電極20、21が完全に対向した位置関係となるので、一対の励振電極20、21間における電界効率を最大に高めることができる。よって、振動損失をより効果的に抑えることができ、振動特性を遥かに向上することができる。従って、溝部14を形成した場合よりも、CI値及び共振周波数を低くすることができ、圧電振動片50のさらなる小型化を図ることができる。
ところで、上述したように振動腕部11、12に貫通孔51を形成した場合には、図23及び図24に示すように、振動腕部11、12の側面に、それぞれ振動腕部11、12の幅方向に突出する補強部52を形成することが好ましい。なお、図23及び図24では、励振電極20、21、引き出し電極24、25及びマウント電極22、23の図示を省略している。また、振動腕部11、12の両側の側面に、基端から先端に亘って連続的に補強部52が形成されている場合を例にしているが、少なくとも貫通孔51が形成されている領域に亘って形成されていれば良い。
このような補強部52を形成する場合には、外形形成工程の際、振動腕部11、12と一体的に形成されるようにウエハSをエッチングすれば良い。
このように補強部52を形成することで、振動腕部11、12に貫通孔51が形成されていたとしても、この貫通孔51による剛性の低下を補うことができる。特に、補強部52は、振動腕部11、12の基端から先端に亘って(貫通孔51が形成されている領域を超える範囲に亘って)形成されているので、貫通孔51によって幅狭となった部分(図24で示す矢印Pの部分)を補強することができる。従って、撓みや変形等を生じさせることなく振動腕部11、12をより安定して振動させることができる。
なお、上述したように振動腕部11、12の両側に補強部52をそれぞれ形成することが好ましいが、図25及び図26に示すように、振動腕部11、12の片側(外側)だけに補強部52を形成しても構わないし、図27及び図28に示すように、振動腕部11、12のもう一方の片側(内側)だけに補強部52を形成しても構わない。
これら場合であっても、貫通孔51による剛性の低下を補強できるので、同様の作用効果を奏することができる。なお、図25から図28においても、励振電極20、21、引き出し電極24、25及びマウント電極22、23の図示を省略している。
また、上記実施形態では、圧電振動子の一例として、表面実施型のガラスパッケージタイプの圧電振動子を例に挙げて説明したが、このタイプの圧電振動子に限定されるものではない。例えば、セラミック等の絶縁基板上にマウント電極を形成し、該マウント電極に圧電振動片のマウント電極を接続させ、その後、ガラスや金属等のリッドで気密した所謂セラミックパッケージタイプの圧電振動子でも構わない。
更には、表面実装型ではなく、例えば、図29に示すようにシリンダパッケージタイプの圧電振動子でも構わない。次に、このシリンダパッケージタイプの圧電振動子について、簡単に説明する。
この圧電振動子60は、図29及び図30に示すように、圧電振動片2と、該圧電振動片2を内部に収納するケース61と、圧電振動片2をケース61内に密閉させる気密端子62と、を備えている。
圧電振動片2は、ケース61内に収納された状態で気密端子62を構成するリード端子71のインナーリード71aにマウントされている。
ケース61は、有底円筒状に形成されており、気密端子62の後述するステム70の外周に対して圧入されて、嵌合固定されている。なお、このケース61の圧入は、真空中で行われており、ケース61内の圧電振動片2を囲む空間が真空に保たれた状態となっている。
気密端子62は、ケース61内を密閉するものであって、ケース61内に圧入固定されるステム70と、該ステム70を貫通した状態で配置され、ステム70を間に挟んで一端側が圧電振動片2の一対のマウント電極22、23に電気的に接続されるインナーリード71aとされ、他端側が外部に電気的に接続されるアウターリード71bとされた2本のリード端子71と、該リード端子71とステム70とを固定させる充填材72とを有している。
ステム70は、金属材料(例えば、低炭素鋼(Fe)、鉄ニッケル合金(Fe−Ni)、鉄ニッケルコバルト合金(Fe−Ni−Co))によって環状に形成されたものである。また、充填材72の材料としては、例えば、ホウ珪酸ガラスである。なお、このステム70の外周には、リード端子71と同じ材料のメッキ(金属膜)が被膜されている。
リード端子71は、例えば、ステム70と同じ材料である導電性材料から形成されたものであって、ケース61内に突出している部分がインナーリード71aとなり、ケース61外に突出している部分がアウターリード71bとなっている。そして、圧電振動片2は、インナーリード71aの先端に載置された状態で、金等の導電性のバンプBによって機械的にマウントされている。即ち、バンプBを介してインナーリード71aとマウント電極22、23と、が機械的に接合されていると同時に、電気的に接続されている。その結果、圧電振動片2は、2本のリード端子71にマウントされた状態となっている。
なお、本実施形態の圧電振動子60を構成するステム70及びリード端子71のメッキの材質としては、耐熱ハンダメッキや、錫銅合金や金錫合金等が用いられる。また、ステム70の外周のメッキを介在させて、ケース61を真空中で冷間圧接させることにより、ケース61の内部を真空状態で気密封止できるようになっている。
次に、シリンダパッケージタイプの圧電振動子60の製造方法について、図31に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
始めに、圧電振動片製造工程(S10)を行って圧電振動片2を作製する。なお、この工程は、既に詳細に説明したのでここでは説明を省略する。
次に、気密端子62を作製する気密端子作製工程を行う(S110)。具体的には、まず、ステム作製工程によりステム70を作製する(S111)。即ち、鉄ニッケルコバルト合金や鉄ニッケル合金等の導電性を有する板部材をランス加工した後、複数回の深絞り加工を行って有底の筒部材を形成する。そして、筒部材の底面に開口を形成すると共に、外形抜きを行って筒部材を板部材から切り離すことで、ステム70を作製する。
次いで、ステム70内に、リード端子71及び充填材72をそれぞれセットするセット工程を行う(S112)。まず、作製したステム70を、図示しない専用の治具にセットした後、予めリング状に焼結された充填材72をステム70の内部にセットすると共に、充填材72を貫通するようにリード端子71をセットする。
上記セット工程により、ステム70とリード端子71と充填材72とを組み合わせた後、治具を加熱炉内に入れて1000℃前後の温度雰囲気で充填材72の焼成を行う(S113)。これにより、充填材72とリード端子71との間、充填材72とステム70との間が完全に封着されて、気密に耐えられる構造となる。そして、治具から取り出すことで、気密端子62を得ることができる。この時点で、気密端子作製工程が終了する。
次に、リード端子71の外表面及びステム70の外周に同一材料の金属膜を湿式メッキ法で被膜させるメッキ工程を行う(S120)。そのための前処理として、リード端子71の外表面及びステム70の外周を洗浄すると共に、アルカリ溶液で脱脂した後、塩酸及び硫酸の溶液にて酸洗浄を行う。この前処理が終了した後、リード端子71の外表面及びステム70の外周面に下地金属膜を形成する。例えば、Cuメッキ或いはNiメッキを略2μm〜5μmの膜厚で被膜させる。続いて、下地金属膜上に仕上金属膜を形成する。例えば錫や銀等の単一材料の他、耐熱メッキや、錫銅合金、錫ビス膜合金、錫アンチモン合金等を、略8μm〜15μmの膜厚で被膜させる。
このように、下地金属膜及び仕上金属膜からなる金属膜を被膜させることで、インナーリード71aと圧電振動片2との接続を可能にすることができる。また、圧電振動片2の接続だけでなく、ステム70の外周に被膜された金属膜が柔らかく弾性変形する特性を有しているので、ステム70とケース61との冷間圧接を可能にすることができ、気密接合を行うことができる。
続いて、金属膜の安定化を図るため、真空雰囲気の炉中でアニーリングを行う(S130)。例えば、170℃の温度で1時間の加熱を行う。これにより、下地金属膜の材料と仕上金属膜の材料との界面に形成される金属間化合物の組成を調整して、ウイスカの発生を抑制することができる。このアニーリングが終了した時点で、圧電振動片2をマウントするマウント工程を行うことができる。なお、金属膜を被膜する際に、湿式メッキ法で行った場合を例にしたが、この場合に限られず、例えば、蒸着法や化学気相法等で行っても構わない。
なお、本実施形態では、アニーリングが終了した後、次に行うマウント工程のためにインナーリード71aの先端に、金等の導電性のバンプBを形成する(S140)。そして、バンプBが形成された部分に、基部13の外表面上に形成されたマウント電極22、23を重ね合わせる。そして、バンプBを加熱しながら、該バンプBを介してインナーリード71aと圧電振動片2とを所定の圧力で重ね合わせる。これにより、圧電振動片2をインナーリード71aにマウントすることができる(S150)。即ち、一対のマウント電極22、23とインナーリード71aとが電気的に接続された状態で、圧電振動片2がリード端子71に機械的に支持される。
なお、バンプB接続する際に、加熱・加圧を行ってマウントしたが、超音波を利用してバンプB接続を行っても構わない。
次いで、マウントによる歪みをなくすために、所定の温度でベーキングを行う(S160)。続いて、ケース61を固定する前に、圧電振動片2の周波数調整(微調)を行う(S170)。この周波数調整について、具体的に説明すると、全体を真空チャンバーに入れた状態で、アウターリード71b間に電圧を印加して圧電振動片2を振動させる。そして、周波数を計測しながら、レーザにより重り金属膜の微調膜を蒸発させることで、周波数の調整を行う。この周波数調整を行うことで、予め決められた周波数の範囲内に圧電振動片2の周波数を調整することができる。
なお、上記微調及び先に行った粗調の際に、レーザの照射により重り金属膜を蒸発させることで、周波数調整を行ったが、レーザではなくアルゴンイオンを利用しても構わない。この場合には、アルゴンイオンの照射によりスパッタリングを行い、重り金属膜を除去することで周波数調整を行う。
次に、マウントされた圧電振動片2を内部に収納するようにケース61をステム70に圧入し、圧電振動片2を気密封止する封止工程を行う(S180)。具体的に説明すると、真空中で所定の荷重を加えながらケース61を気密端子62のステム70の外周に圧入する。すると、ステム70の外周に形成された金属膜が弾性変形するので、冷間圧接により気密封止することができる。これにより、ケース61内に圧電振動片2を密閉して真空封止することができる。
なお、この工程を行う前に、圧電振動片2、ケース61及び気密端子62を十分に加熱して、表面吸着水分等を脱離させておくことが好ましい。
そして、ケース61の固定が終了した後、スクリーニングを行う(S190)。このスクリーニングは、周波数や共振抵抗値の安定化を図ると共に、ケース61を圧入した嵌合部に圧縮応力に起因する金属ウイスカが発生してしまうことを抑制するために行うものである。スクリーニング終了後、内部の電気特性検査を行う(S200)。即ち、圧電振動片2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60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。この結果、図29及び図30に示す圧電振動子60を一度に複数製造することができる。
このように構成された圧電振動子60であっても、振動漏れが十分に低減した状態で全長が短く小型化された圧電振動片2を備えているので、同様に全長を短くして小型化を図ることができる。また、この圧電振動子60は、圧電振動片2をケース61内に密閉したシリンダパッケージタイプであるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片2を振動させることができ、高品質化を図ることができる。
また、シリンダパッケージタイプの圧電振動子60を、さらにモールド樹脂部81で固めて表面実装型振動子80としても構わない。
この表面実装型振動子80は、図32及び図33に示すように、圧電振動子60と、該圧電振動子60を所定の形状で固定するモールド樹脂部81と、一端側がアウターリード71bに電気的に接続されると共に、他端側がモールド樹脂部81の底面に露出して外部に電気的に接続される外部接続端子82、を備えている。
この外部接続端子82は、銅等の金属材料で断面コ形に形成されている。このように圧電振動子60をモールド樹脂部81で固めることで、回路基板等に安定して取り付けることができるので、より使用し易く、使い易さが向上する。特に、圧電振動子60は小型化されているので、表面実装型振動子80自体に関しても小型化を図ることができる。
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について、図34を参照しながら説明する。
本実施形態の発振器100は、図34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の圧電振動片2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。
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2が振動する。この振動は、圧電振動片2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。
本実施形態の発振器100によれば、上述した圧電振動子1を備えているので、発振器100自体の小型化を図ることができると共に、製品の信頼性を向上することができる。また、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。
次に、本発明に係る電子機器の一実施形態について、図35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。
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35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。
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。
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2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。
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。
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。
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。
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。
本実施形態の携帯情報機器110によれば、上述した圧電振動子1を備えているので、携帯情報機器110自体も同様に小型化を図ることができ、製品の信頼性を向上することができる。また、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。
次に、本発明に係る電波時計130の一実施形態について、図36を参照して説明する。本実施形態の電波時計130は、図36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。
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。
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。
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。
本実施形態の電波時計130によれば、上述した圧電振動子1を備えているので、電波時計130自体も同様に小型化を図ることができ、製品の信頼性を向上することができる。またこれに加え、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。
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。
例えば、上記実施形態では、接続部13aを境として、振動腕部11、12の基端側と先端側とで極性が反対となるように一対の励振電極20、21をパターニングしたが、この場合に限定されるものではない。一対の振動腕部11、12を接近、離間する方向に振動させることができれば、どのようにパターニングしても構わない。
また、上記実施形態では、接続部13aを介して基部13が振動腕部11、12の重心位置Gを支持した場合を例にしたが、基端から先端に向かう途中位置で振動腕部11、12を支持していれば構わない。但し、重心位置Gで支持することにより、振動時にバランスがとれ、安定した振動状態を維持できるので好ましい。
また、圧電板10の形状としては、上述した形状に限定されるものではない。例えば、図37に示すように、接続部13aを中心として上下対称となるように基部13を2つ形成しても構わない。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。
また、図38に示すように、基端から先端に亘って均一な横幅ではなく、基端側の横幅が大きくなるように振動腕部11、12をそれぞれ形成しても構わない。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。なお、接続部13aは、長さ方向における振動腕部11、12の重心位置Gに接続されている。
更には、図39に示すように、一対の振動腕部11、12を外側から支持するように接続部13aを接続させても構わない。この場合であっても、同様の作用効果を奏することができる。
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2に示すA−A線に沿った圧電振動子の断面図である。 図1に示す圧電振動子の分解斜視図である。 図1に示す圧電振動子を構成する圧電振動片を上面から見た図である。 図5に示す圧電振動片を下面から見た図である。 図5に示す断面矢視B−B図である。 図1に示す圧電振動子を製造する際のフローチャートである。 図8に示すフローチャートの続きである。 図1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、ウエハの両面にエッチング保護膜を形成した状態を示す図である。 図10に示す状態から、エッチング保護膜を圧電振動片の圧電板の外形形状にパターニングした状態を示す図である。 図11に示す断面矢視C−C図である。 図12に示す状態から、エッチング保護膜をマスクとしてウエハをエッチング加工した状態を示す図である。 図13に示す状態から、エッチング保護膜をさらにパターニングした状態を示す図である。 図14に示す状態から、再度パターニングされたエッチング保護膜をマスクとしてウエハをエッチング加工した状態を示す図である。 図1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、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を形成した状態を示す図である。 図1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、ベース基板の元となるベース基板用ウエハに一対のスルーホールを形成した状態を示す図である。 図17に示す状態の後、一対のスルーホール内に貫通電極を形成すると共に、ベース基板用ウエハの上面に接合膜及び引き回し電極をパターニングした状態を示す図である。 図1に示す圧電振動子を作動させた際の一対の振動腕部の動きを示す図である。 本発明に係る圧電振動片の変形例を示す図であって、一対の振動腕部に貫通孔が形成された圧電振動片を上面から見た図である。 図20に示す圧電振動片を下面から見た図である。 図20に示す断面矢視D−D図である。 図20に示す圧電振動片の変形例を示す図であって、振動腕部の両側に補強部が形成された圧電振動片を示す図である。 図23に示す断面矢視E−E図である。 図20に示す圧電振動片の変形例を示す図であって、振動腕部の片側(外側)に補強部が形成された圧電振動片を示す図である。 図25に示す断面矢視F−F図である。 図20に示す圧電振動片の変形例を示す図であって、振動腕部の片側(内側)に補強部が形成された圧電振動片を示す図である。 図27に示す断面矢視H−H図である。 本発明に係る圧電振動子の変形例を示す図であって、シリンダパッケージタイプの圧電振動子の上面図である。 図29に示す断面矢視J−J図である。 図29に示す圧電振動子を製造する際のフローチャートである。 本発明に係る圧電振動子の変形例を示す図であって、図29に示す圧電振動子の周囲をモールド樹脂部でモールドした表面実装型の圧電振動子の断面図である。 図32に示す圧電振動子と外部接続端子との取り付け関係を示す斜視図である。 本発明に係る発振器の一実施形態を示す構成図である。 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。 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。 本発明に係る圧電振動片を構成する圧電板の変形例を示す上面図である。 本発明に係る圧電振動片を構成する圧電板の変形例を示す上面図である。 本発明に係る圧電振動片を構成する圧電板の変形例を示す上面図である。 従来の圧電振動子の一例を示す斜視図である。
符号の説明
C…キャビティ
G…振動腕部の重心位置
S…ウエハ
1、60…圧電振動子
2、50…圧電振動片
3…ベース基板
4…リッド基板
10…圧電板
11、12…振動腕部
13…基部
13a…接続部
14…溝部
20、21…励振電極
22、23…マウント電極22、23
38、39…外部電極
51…貫通孔
52…補強部
61…ケース
62…気密端子
70…ステム
71…リード端子
71a…インナーリード
71b…アウターリード
72…充填材
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…携帯情報機器の計時部
130…電波時計
131…電波時計のフィルタ部

Claims (18)

  1. 基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部を有し、該接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部と、を備えた圧電板と、
    前記一対の振動腕部の外表面上にそれぞれ形成され、駆動電圧が印加されたときに一対の振動腕部を振動させる励振電極と、
    前記基部の外表面上に形成され、前記一対の励振電極に対して電気的にそれぞれ接続された一対のマウント電極と、を備え、
    前記基部は、少なくとも一部分が前記一対の振動腕部の間に挟まれるように配置されていることを特徴とする圧電振動片。
  2. 請求項1に記載の圧電振動片において、
    前記接続部は、長さ方向における前記振動腕部の重心位置に接続されていることを特徴とする圧電振動片。
  3. 請求項2に記載の圧電振動片において、
    前記一対の励振電極は、前記接続部を境として、前記振動腕部の基端側と先端側とで極性が反対となるようにパターニングされていることを特徴とする圧電振動片。
  4. 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片において、
    前記一対の振動腕部には、長さ方向に沿って両面にそれぞれ溝部が形成されていることを特徴とする圧電振動片。
  5. 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片において、
    前記一対の振動腕部には、長さ方向に沿って両面を貫通する貫通孔が形成されていることを特徴とする圧電振動片。
  6. 請求項5に記載の圧電振動片において、
    前記振動腕部の側面には、振動腕部の幅方向に突出する補強部が少なくとも前記貫通孔が形成されている領域に亘って形成されていることを特徴とする圧電振動片。
  7. 圧電材料からなるウエハを利用して、圧電振動片を一度に複数製造する方法であって、
    前記ウエハをフォトリソ技術によってエッチングして、該ウエハに、基端から先端に向かって一方向に延在した状態で互いに平行に配置された一対の振動腕部と、基端から先端に向かう途中位置で一対の振動腕部にそれぞれ接続された接続部を介して一対の振動腕部を一体的に支持する基部と、を有する圧電板の外形形状を複数形成する外形形成工程と、
    複数の前記圧電板の外表面上に電極膜をパターニングして、駆動電圧が印加されたときに前記一対の振動腕部を振動させる励振電極を一対の振動腕部の外表面上に形成すると共に、一対の励振電極に対して電気的にそれぞれ接続された一対のマウント電極を前記基部の外表面上に形成する電極形成工程と、
    複数の前記圧電板を前記ウエハから切り離して小片化する切断工程と、を備え、
    前記外形形成工程の際、少なくとも前記基部の一部分が前記一対の振動腕部の間に挟まれるように前記圧電板の外形形状を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  8. 請求項7に記載の圧電振動片の製造方法において、
    前記外形形成工程の際、前記接続部が長さ方向における前記振動腕部の重心位置に接続されるように前記圧電板の外形形状を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  9. 請求項8に記載の圧電振動片の製造方法において、
    前記電極形成工程の際、前記接続部を境として、前記振動腕部の基端側と先端側とで極性が反対となるように前記一対の励振電極を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  10. 請求項7から9のいずれか1項に記載の圧電振動片の製造方法において、
    前記外形形成工程の際、一対の振動腕部の両面に、長さ方向に沿ってそれぞれ溝部を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  11. 請求項7から9のいずれか1項に記載の圧電振動片の製造方法において、
    前記外形形成工程の際、一対の振動腕部に、長さ方向に沿って両面を貫通する貫通孔を形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  12. 請求項11に記載の圧電振動片の製造方法において、
    前記外形形成工程の際、前記振動腕部の側面に、該振動腕部の幅方向に突出する補強部を少なくとも前記貫通孔が形成されている領域に亘って形成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
  13. 請求項1から6のいずれか1項に記載の圧電振動片を有することを特徴とする圧電振動子。
  14. 請求項13に記載の圧電振動子において、
    前記圧電振動片を上面にマウントするベース基板と、
    マウントされた前記圧電振動片をキャビティ内に収容した状態で前記ベース基板に接合されたリッド基板と、
    前記ベース基板の下面に形成され、マウントされた前記圧電振動片の一対のマウント電極に対してそれぞれ電気的に接続された一対の外部電極と、を備えていることを特徴とする圧電振動子。
  15. 請求項13に記載の圧電振動子において、
    前記圧電振動片を内部に収納するケースと、
    環状に形成されて前記ケース内に圧入固定されるステムと、該ステムを貫通した状態で配置され、ステムを間に挟んで一端側が前記一対のマウント電極にそれぞれ電気的に接続されるインナーリードとされ、他端側が外部にそれぞれ電気的に接続されるアウターリードとされた2本のリード端子と、該リード端子と前記ステムとを固定させる充填材とを有し、前記ケース内を密閉させる気密端子と、を備えていることを特徴とする圧電振動子。
    特に、圧電振動片をケース内に密閉したシリンダパッケージタイプの圧電振動子とすることができるので、塵埃等の影響を受けることなく圧電振動片を振動させることができ、圧電振動片をさらに高精度に振動させることができる。
  16. 請求項13から15のいずれか1項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。
  17. 請求項13から15のいずれか1項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。
  18. 請求項13から15のいずれか1項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。
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