JP5991566B1 - 水晶振動子及びその製造方法並びに水晶振動デバイス - Google Patents

水晶振動子及びその製造方法並びに水晶振動デバイス Download PDF

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Abstract

厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子（１）であって、表面及び裏面を有する水晶基板（１０）であって、中央を含む領域に設けられた振動部（１２）と、振動部（１２）の周囲を囲むように設けられるとともに振動部（１２）より厚みが小さい第１周辺部（１４）とを含む、水晶基板（１０）と、水晶基板（１０）の振動部（１２）の両方の面に形成された励振電極（２０，３０）と、を備え、水晶基板（１０）の表面及び裏面の少なくとも一方において、振動部（１２）と第１周辺部（１４）との間に段差が設けられており、振動部（１２）の周縁部（４２）及び第１周辺部（１４）の周縁部（５２）が曲面状に構成されている。

Description

本発明は、水晶振動子及びその製造方法並びに水晶振動デバイスに関する。
発振装置や帯域フィルタなどに用いられる圧電振動素子として、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子が広く用いられている。このような水晶振動子として、例えば、厚みすべり振動の振動エネルギーを閉じ込めるために、中央部をその周辺部よりも厚くなるようにエッチング加工するとともに中央部の両主面に励振電極を形成した、いわゆるメサ型構造と呼ばれる水晶振動子が知られている（特許文献１参照）。これによれば、振動エネルギーを励振電極の直下により多く集中することができるため、単なる平板な形状を有する水晶振動子と比べて、クリスタルインピーダンス値（ＣＩ値）を低くすることができ、電気的特性の向上を図ることができる。
しかしながら、従来のメサ型構造によれば、振動部で発生する振動エネルギーと、振動部の周辺である外周部の端面で振動の反射によって発生する不要振動の振動エネルギーとが混在した状態となり、水晶振動子の特性を劣化させる場合があった。あるいは、中央部とその周辺部との境界である厚さを変化させた端面や角で振動の反射が起こり、不要振動であるスプリアスが増大する可能性があった。また、励振電極から延出される延出電極が、中央部とその周辺部との境界に形成される段差部の角付近で断線する可能性があった。さらには、段差部の角付近に応力が集中して例えば水晶振動子の実装時などにクラックは発生する可能性があった。
特開２００７−５３８２０号公報
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることを目的とする。
本発明の一側面に係る水晶振動子は、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子であって、表面及び裏面を有する水晶基板であって、中央を含む領域に設けられた振動部と、振動部の周囲を囲むように設けられるとともに振動部より厚みが小さい第１周辺部を含む、水晶基板と、水晶基板の振動部の両方の面に形成された励振電極と、を備え、水晶基板の表面及び裏面の少なくとも一方において、振動部と第１周辺部との間に段差が設けられており、振動部の周縁部及び第１周辺部の周縁部が曲面状に構成されている。
上記構成によれば、振動部の周縁部及び第１周辺部の周縁部が曲面状に構成されているため、単なる平板な形状の構成や従来のメサ型水晶振動子と比べて、クリスタルインピーダンス値を低くすることができる。また、各周縁部のそれぞれの角が面取りされることになるので、振動の反射が緩和され、スプリアス振動を低減させることができる。こうして、振動エネルギー閉じ込め性が高い水晶振動子を提供することができる。また、角付近に応力が集中するのを防止することができ、水晶振動子の実装時などの機械的衝撃に耐久性を有し、クラック防止などの機械的強度の向上を図ることができる。
上記水晶振動子において、水晶基板は、第１周辺部を囲むように設けられるとともに第１周辺部より厚みが小さい第２周辺部をさらに含み、水晶基板の表面及び裏面の少なくとも一方において、振動部と第１周辺部との間、及び、第１周辺部と第２周辺部との間に段差が設けられており、振動部の周縁部、第１周辺部の周縁部、及び、第２周辺部の周縁部が曲面状に構成されることができる。
上記水晶振動子において、第２周辺部が水晶基板の最外周に設けられることができる。
上記水晶振動子において、振動子の周縁部、第１周辺部の周縁部、及び、第２周辺部の周縁部が、包絡面を形成するように構成されることができる。
これによれば、各周縁部が全体として一つの包絡面をなす曲面状に構成されているので、クリスタルインピーダンス値及びスプリアス振動のさらなる低減を図ることができ、振動エネルギー閉じ込め性のさらなる向上を図ることができる。
上記水晶振動子において、包絡面は、略楕円体状に構成されることができる。
上記水晶振動子において、包絡面の一部は、略球状に構成されることができる。
上記水晶振動子において、励振電極に電気的に接続された延出電極をさらに含み、延出電極は、少なくとも、振動部の周縁部の上、及び、第１周辺部の周縁部の上を通るように構成されることできる。
これによれば、上記各周縁部が曲面状に構成されていることから、周縁部の上を通る電極を形成した場合であっても、電極が段差部の角付近で断線することを防止することができる。
本発明の一側面に係る水晶振動子は、ベース部材と、密封した内部空間を構成するようにベース部材に接続されたリッド部材と、内部空間に収容された上記水晶振動子と、を備える。
上記構成によれば、上記水晶基板の構成を含む水晶振動子を備えるので、振動エネルギー閉じ込め性が高く、かつ機械的強度の向上を図ることができる。
本発明の一側面に係る水晶振動子の製造方法は、厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子の製造方法であって、水晶基板をエッチングすることによって、中央を含む領域に設けられた振動部と、振動部の周囲を囲むように設けられるとともに振動部より厚みが小さい第１周辺部とを含む水晶基板であって、水晶基板の表面及び裏面の少なくとも一方において、振動部と第１周辺部との間に段差を形成すること、水晶基板を研磨することによって、振動部の周縁部及び第１周辺部の周縁部を曲面状に形成すること、及び、水晶基板の振動部の両方の面に励振電極を形成すること、を含む。
上記構成によれば、振動部の周縁部及び第１周辺部の周縁部を曲面状に形成するため、単なる平板な形状の構成や従来のメサ型水晶振動子と比べて、クリスタルインピーダンス値が低い水晶振動子を製造することができる。また、各周縁部のそれぞれの角が面取りされることになるので、振動の反射が緩和され、スプリアス振動を低減させることができる。こうして、振動エネルギー閉じ込め性が高い水晶振動子の製造方法を実現することができる。また、角付近に応力が集中するのを防止することができ、水晶振動子の実装時などの機械的衝撃に耐久性を有し、クラック防止などの機械的強度の向上を図ることができる。
本発明によれば、クリスタルインピーダンス値を低くしかつスプリアス振動を低減することによって、振動エネルギーの閉じ込め性の向上を図ることができる。また、クラック防止などの機械的強度の向上を図ることができる。
図１は、本実施形態に係る水晶振動子を説明するための平面図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、本実施形態に係る水晶振動子の部分拡大断面図である。 図４は、本実施形態に係る水晶振動子の部分拡大断面図である。 図５は、本実施形態に係る水晶振動デバイスを説明するための平面図である。 図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図７Ａ〜Ｄは、本実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施の形態に限定して解するべきではない。
図１は、本実施形態に係る水晶振動子の平面図を示したものであり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図３及び図４はそれぞれ水晶振動子の部分拡大断面図であり、図３がＸＺ面の断面を示し、図４がＹＺ面の断面を示したものである。なお、図３及び図４において電極は省略している。
本実施形態に係る水晶振動子１は、表面及び裏面を有する水晶基板１０と、水晶基板１０に形成された一対の第１及び第２励振電極２０，３０とを備える。
水晶基板１０は、例えば、ＡＴカットで形成された水晶からなる。図１及び図２に示す例では、水晶基板１０は、Ｘ方向に平行な長手方向と、Ｙ方向に平行な短手方向とを有する略矩形の外形形状を有し、ＸＹ平面を基準としてＺ方向に対称な形状を有している。なお、水晶基板１０は、ＡＴカット以外の異なるカットで形成されたものであってもよく、その外形形状は特に限定されるものではない。
水晶基板１０は、厚みすべり振動するように構成された振動部１２を有し、振動部１２の周囲には、第１及び第２周辺部１４，１６が設けられている。具体的には、図１に示すように、水晶基板１０は、略中央を含む領域に設けられた振動部１２と、振動部１２の全周を囲むように設けられた第１周辺部１４と、第１周辺部１４の全周を囲むように設けられた第２周辺部１６とを備える。なお、本実施形態において示す例においては、第２周辺部１６の外周６０は、ＸＹ平面視における水晶基板１０の最外周に相当する。
図２に示すように、振動部１２は、水晶基板１０の厚さ（Ｚ方向の幅）が最も大きくなるように構成され、振動部１２よりも第１周辺部１４の方が薄く構成され、第１周辺部１４よりも第２周辺部１６の方が薄くなるように構成されている。言い換えれば、水晶基板１０の表面及び裏面には、中央から外周に向かって、第１段差部４０及び第２段差部５０がこの順に設けられている。本実施形態では、振動部１２の周縁部４２と、第１周辺部１４の周縁部５２と、第２周辺部１６の周縁部６２とがいずれも曲面状に構成されている。この点については後述する。
水晶基板１０の表面においては、振動部１２の主面に第１励振電極２０が形成されている。第１励振電極２０は、振動部１２の主面と略同じ大きさに形成される。また、水晶基板１０の表面には、第１励振電極２０に電気的に接続されるとともに水晶基板１０の最外周６０に向かって延出された延出電極２２が形成されている。延出電極２２は、水晶基板１０の最外周６０の端部上を通って、水晶基板１０の裏面（第２周辺部１６）に形成された接続電極２４と電気的に接続されている。すなわち、延出電極２２は、振動部１２の周縁部４２、第１周辺部１４の周縁部５２、及び、第２周辺部１６の周縁部６２を横切るように構成されている。
他方、水晶基板１０の裏面においては、振動部１２の主面に第２励振電極３０が形成されている。第２励振電極３０は、振動部１２の主面と略同じ大きさに形成される。また、水晶基板１０の裏面には、第２励振電極３０に電気的に接続されるとともに水晶基板１０の最外周６０に向かって延出された延出電極３２が形成されている。延出電極３２は、水晶基板１０の裏面（第２周辺部１６）に形成された接続電極３４に電気的に接続されている。すなわち、延出電極３２は、振動部１２の周縁部４２、及び、第１周辺部１４の周縁部５２を横切るように構成されている。
第１及び第２励振電極２０，３０を含む上記各電極は、例えば、下地をクロム（Ｃｒ）層で形成し、クロム層の表面に金（Ａｕ）層を形成してもよく、その材料は限定されるものではない。また、本実施形態においては、接続電極２４，３４を水晶基板１０の一方の短辺側に配置しているが、その配置は特に限定されるものではない。
本実施形態においては、図２に示すように、それぞれの周縁部４２，５２，６２が、いずれも曲面状に形成されている。具体的には、図３の部分拡大図に示すように、第１段差部４０においては、振動部１２の角部４２ａが面取りされることによって曲面状の周縁部４２が形成され、第２段差部５０においても同様に、第１周辺部１４の角部５２ａが面取りされることによって曲面状の周縁部５２が形成されている。さらに、最外周６０においても同様に、第２周辺部１６の角部６２ａが面取りされることによって曲面状の周縁部６２が形成されている。
第１段差部及び第２段差部４０，５０は、それぞれ側壁面を有してもよい。
水晶基板１０は、振動部１２の周縁部４２の全周、第１周辺部１４の周縁部５２の全周、及び第２周辺部１６の全周がいずれも曲面状に構成されている。また、振動部１２の全面が曲面状に構成されていてもよい。
図３及び図４に示すように、各周縁部４２，５２，６２は、それぞれの曲面がＸＺ平面の断面視において包絡線Ｅをなすとともに、ＹＺ平面の断面視において包絡線Ｅ′をなすように構成されていることが好ましい。例えば、ＸＺ平面の断面視が水晶基板１０の長手
方向であり、ＹＺ平面が水晶基板１０の短手方向である場合、包絡線Ｅ，Ｅ′は異なる曲線、曲率でもよく、また、同じ曲線、曲率でもよい。各周縁部４２，５２，６２は、水晶基板１０のＸＹ平面上を所定の範囲で一周するように連続しているので、当該各周縁部の曲面によって構成される包絡面ＥＳの少なくとも一部は、実質的に楕円体状又は球状に構成される。例えば、本実施形態において示したような、長手方向及び短手方向を有する水晶基板１０においては、包絡面ＥＳは実質的に楕円体状を構成する。
また、振動部１２の周縁部４２と第１周辺部１４の周縁部５２との距離は、第１周辺部１４の周縁部５２と第２周辺部１６の周縁部６２との距離よりも大きいことが好ましい。これにより、上記した包絡面ＥＳを容易に形成することが可能となる。
本実施形態に係る水晶振動子１によれば、振動部１２の周縁部４２、第１周辺部１４の周縁部５２及び第２周辺部１６の周縁部６２が曲面状に構成されているため、単なる平板な形状の構成や従来のメサ型水晶振動子と比べて、クリスタルインピーダンス値を低くすることができる。また、各周縁部４２，５２，６２のそれぞれの角が面取りされることになるので、振動の反射が緩和され、スプリアス振動を低減させることができる。こうして、振動エネルギー閉じ込め性が高い水晶振動子を提供することができる。また、角付近に応力が集中するのを防止することができ、水晶振動子の実装時などの機械的衝撃に耐久性を有し、クラック防止などの機械的強度の向上を図ることができる。
また、上記水晶振動子１においては、各周縁部４２，５２，６２が曲面状に構成されていることから、周縁部４２，５２，６２の上を通る延出電極２２、及び周縁部４２，５２の上を通る延出電極３２が段差部の角付近で断線することを防止することができる。
また、上記水晶振動子１においては、段差部の角が面取りされているため、角付近に応力が集中するのを防止することができ、水晶振動子の実装時などの機械的衝撃に耐久性を有し、クラック防止などの機械的強度の向上を図ることができる。
また、上記水晶振動子１においては、周縁部４２，５２，６２が包絡面ＥＳをなすように構成されているので、クリスタルインピーダンス値及びスプリアス振動のさらなる低減を図ることができ、振動エネルギー閉じ込め性のさらなる向上を図ることができる。
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る水晶振動デバイスを説明する。ここで、図５は、本実施形態に係る水晶振動デバイスの平面図を示したものであり、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。なお、図５ではリッド部材は省略している。
図５に示すように、本実施形態に係る水晶振動デバイス１００は、上記水晶振動デバイス１と、水晶振動デバイス１が収容されたパッケージ部材１１０とを備える。
パッケージ部材１１０は、ベース部材１２０とリッド部材１３０とを有する。水晶振動子１は、ベース部材１２０とリッド部材１３０が接続されることによって構成された、密封した内部空間（キャビティ）１１２に収容されている。具体的には、水晶振動子１は、接続電極２４，３４が配置された一方端が固定端となるようにパッケージ部材１１０（ベース部材１２０）に支持され、水晶振動子１の他方端が自由端となるように収容されている。ベース部材１２０は、アルミナなどの絶縁性セラミックスにより形成されてもよいし、あるいは、合成樹脂等の他の絶縁材料により形成されてもよい。また、リッド部材１３０は、例えば金属で形成してもよいし、絶縁性セラミックスや合成樹脂などの絶縁性材料で形成してもよいし、あるいは、それらの複合材から構成してもよい。
ベース部材１２０には、水晶振動子１が実装される上面に複数の電極１２２，１２４が形成されている。複数の電極１２２，１２４はそれぞれ水晶振動子１の接続電極２４，３４に導電性接着剤１１６を介して電気的に接続されている。ベース部材１２０の電極１２２は、延出電極１２２ａを介してベース部材１２０のコーナー部の裏面に設けられた外部電極１２３に電気的に接続され、他方、ベース部材１２４の電極１２４は、延出電極１２４ａを介してベース部材１２０の他のコーナー部の裏面に設けられた外部電極１２５に電気的に接続されている。外部電極１２３，１２５は、水晶振動子１のＸＹ平面視において互いに向かい合う位置（例えば図５に示すように略矩形の外形の対角線上の位置）に設けられていてもよい。また、図５に示す例では、外部電極１２３，１２５が設けられたコーナー部以外の他のコーナー部においても、外部電極１２６，１２８が形成されていてもよい。これらの外部電極１２６，１２８は接地されていてもよいし、あるいは電気的に接続されていないダミー電極であってもよい。
リッド部材１３０は、図６に示すように、内部空間１１２を形成するための開口を有する。リッド部材１３０は例えばキャップであり、リッド部材１３０の開口端部が、絶縁性接着剤１１４によってベース部材１２０の外周端部に接着されることにより、密封した内部空間１１２を形成可能であってもよい。あるいは、ベース部材１２０及びリッド部材１３０の接続態様は接着剤などの樹脂材によるものに限られず、例えば溶接封止やガラス封止を適用してもよい。
なお、図６に示す例では、リッド部材１３０が内部空間１１２を形成するための開口を有する形状としたが、他の例として、外部電極が形成されたベース部材１２０のほうを内部空間１１２を形成するための開口を有する形状に形成してもよい。
このような水晶振動デバイス１００においては、外部端子１２３，１２５を介して、水晶振動子１における一対の第１及び第２励振電極２０，３０の間に交流電圧を印加することにより、厚みすべりモードで水晶振動素子１０が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
本実施形態に係る水晶振動デバイス１００によれば、上記した水晶振動子１を備えるので、振動エネルギー閉じ込め性が高い水晶振動デバイスを提供することができる。また、上記したとおり、断線防止を図るとともに機械的強度の向上を図ることができる水晶振動デバイスを提供することができる。
次に、図７Ａ〜Ｄを参照して、本実施形態に係る水晶デバイスの製造方法を説明する。
まず、図７Ａに示すように、矩形形状の水晶基板１１を用意する。水晶基板１１は、ウエハを個片にダイシングして形成されたものであってもよい。
次に、図７Ｂに示すように、ウェットエッチングなどのエッチングをはじめとする所定の加工処理により、水晶基板１０ａを形成する。具体的には、水晶基板１０ａは、第１及び第２段差部４０，５０及び最外周６０において、それぞれ角部４２ａ，５２ａ，６２ａが形成される。なお、水晶基板１０ａの第１及び第２段差部４０，５０は、水晶基板１０ａの表面及び裏面の両方又は一方に形成される。
次に、図７Ｃに示すように、水晶基板１０ａに研磨加工を行うことによって、各周縁部４２，５２，６２を曲面状に形成する。かかる研磨加工は、例えばバレル研磨により行うことができる。バレル研磨においては、所定の内部空間を有するドラム内に、水晶基板１０ａ及び研磨剤を入れ、ドラムが回転することにより、研磨剤と内部壁面との摩擦によって、周縁部４２，５２，６２を曲面状に形成することができる。これによれば、周縁部４２，５２，６２は、ドラムの内部壁面に倣う形状に構成されるので、例えば、ドラムの内部壁面の形状に対応する所定の曲面形状を容易に形成することができる。
その後、図７Ｄに示すように一対の第１及び第２励振電極２０，３０を形成する。第１及び第２励振電極２０，３０は、例えばスパッタ法や蒸着法などにより形成し、所定のパターンを有するようにエッチングすればよい。または、所定のパターンを有するマスクを用いて、スパッタ法や蒸着法などにより形成してもよい。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。例えば上記実施形態においては、厚さが３段階に変化する態様を示したが、厚さの変化は２段階であってもよいし、あるいは４段階以上であってもよく、こうして設けられた周縁部に対して上記実施形態で説明した構成を適用してもよい。また、上記実施形態においては、水晶基板の表面及び裏面の両方において各段差が設けられる態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水晶基板の表面及び裏面の一方において各段差が設けられる態様を含む。
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１ 水晶振動子
１０ 水晶基板
１２ 振動部
１４ 第１周辺部
１６ 第２周辺部
２０ 第１励振電極
３０ 第２励振電極
４２ 周縁部
５２ 周縁部
６０ 最外周
６２ 周縁部
１００ 水晶振動デバイス
１１２ 内部空間
１２０ ベース部材
１３０ リッド部材
ＥＳ…包絡面

Claims (6)

  1. 厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子であって、
    表面及び裏面を有する水晶基板であって、中央を含む領域に設けられた振動部と、前記振動部の周囲を囲むように設けられるとともに前記振動部より厚みが小さい第１周辺部と、前記第１周辺部を囲むように前記水晶基板の最外周に設けられるとともに前記第１周辺部より厚みが小さい第２周辺部とを含む、水晶基板と、
    前記水晶基板の前記振動部の両方の面に形成された励振電極と、
    を備え、
    前記水晶基板の表面及び裏面の少なくとも一方において、前記振動部と前記第１周辺部との間、及び、前記第１周辺部と前記第２周辺部との間に段差が設けられており、
    前記振動部の周縁部、前記第１周辺部の周縁部、及び、前記第２周辺部の周縁部が、包絡面を形成するように構成された、水晶振動子。
  2. 前記包絡面は、略楕円体状に構成された、請求項１に記載の水晶振動子。
  3. 前記包絡面の一部は、略球状に構成された、請求項１に記載の水晶振動子。
  4. 前記励振電極に電気的に接続された延出電極をさらに含み、
    前記延出電極は、少なくとも、前記振動部の周縁部の上、及び、前記第１周辺部の周縁部の上を通るように構成された、請求項１から３のいずれか一項に記載の水晶振動子。
  5. ベース部材と、
    密封した内部空間を構成するようにベース部材に接続されたリッド部材と、
    前記内部空間に収容された、請求項１から４のいずれか一項に記載の水晶振動子と、
    を備える水晶振動デバイス。
  6. 厚みすべり振動を主振動とする水晶振動子の製造方法であって、
    水晶基板をエッチングすることによって、中央を含む領域に設けられた振動部と、前記振動部の周囲を囲むように設けられるとともに前記振動部より厚みが小さい第１周辺部と、前記第１周辺部を囲むように前記水晶基板の最外周に設けられるとともに前記第１周辺部より厚みが小さい第２周辺部とを形成し、前記水晶基板の表面及び裏面の少なくとも一方において、前記振動部と前記第１周辺部との間、及び、前記第１周辺部と前記第２周辺部との間に段差を形成すること、
    前記水晶基板を研磨することによって、前記振動部の周縁部、前記第１周辺部の周縁部、及び、前記第２周辺部の周縁部に包絡面を形成すること、及び、
    前記水晶基板の前記振動部の両方の面に励振電極を形成すること、
    を含む、水晶振動子の製造方法。
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