CN107210725B - 水晶振子以及水晶振动器件 - Google Patents

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Abstract

水晶振子(100)包含：AT切割水晶基板(10)，包括具有主面的振动部(40)和被设置为包围振动部(40)且厚度比振动部40薄的周边部(50)；激励电极(30)，形成于主面；以及延伸电极(32)，与激励电极(30)电连接，水晶基板(10)的长边方向是与Z'轴平行的方向，短边方向是与X轴平行的方向，振动部(40)具有与周边部以锐角角度θ1相接的第一短边侧侧面(44b)和与第一短边侧侧面(44b)邻接并且在XZ'面从X轴倾斜地形成的锥形侧面(42)，锥形侧面(42)以角度θ'(θ'＞θ1)与周边部(50)相接，延伸电极(32)从激励电极(30)通过锥形侧面(42)的至少一部分延伸到长边方向一个短边侧而形成。

Description

水晶振子以及水晶振动器件
技术领域
本发明涉及水晶振子以及水晶振动器件。
背景技术
作为被应用于振荡装置、带通滤波器等的压电振动元件，正在广泛应用以厚度剪切振动(thickness shear vibrat ion)为主振动的水晶振子。另外，作为水晶振子的一种形式，已知有一种为了封闭(confine)厚度剪切振动的振动能量，而将振动部蚀刻形成得比其周边部厚的台面型结构(mesa-s tructure)。在这样的台面型结构中，在振动部的两个主面形成激励电极，并形成与激励电极电连接的延伸电极。该情况下，延伸电极通过由振动部和周边部形成的阶梯差而延伸。
然而，由于由振动部和周边部形成的阶梯差的剖面形状通常是由水晶结晶轴的朝向来决定的，所以在振动部的侧面与周边部的面所成的角为锐角的一侧，有电极断线的可能性，且存在难以限制电极的延伸方向、或者从电连接可靠性的观点难以维持稳定的品质的情况。
另一方面，例如公知如专利文献1的结构那样，使与激励电极电连接的电极朝向振动部的侧面与周边部的面所成的角为钝角的一侧(短边方向上的一个长边侧)延伸，但在这样的结构中，存在使电极超过激励电极的宽度方向向外延伸而妨碍水晶振子的小型化的可能性。
专利文献1：日本特开2008-236439号公报
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于，不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
本发明的一个方面所涉及的水晶振子包含：AT切割水晶基板，是在将围绕作为水晶的结晶轴的X轴、Y轴、Z轴中的X轴，从Z轴旋转了规定的角度的轴作为Z'轴的情况下，以与由X轴及Z'轴确定的面平行的面为主面而切取的AT切割水晶基板，并包含具有主面的振动部、和被设置为包围振动部且厚度比振动部薄的周边部；激励电极，形成于主面；以及延伸电极，与激励电极电连接，AT切割水晶基板具有长边方向和短边方向，长边方向是与Z'轴平行的方向，短边方向是与X轴平行的方向，振动部具有：在长边方向上的一个短边侧以锐角角度θ1与周边部相接的第一短边侧侧面；以及与第一短边侧侧面邻接，并且在由X轴和Z'轴确定的俯视下从X轴倾斜地形成的锥形侧面(tapered lateral surface)，锥形侧面以大于θ1的角度θ'与周边部相接，延伸电极从激励电极通过锥形侧面的至少一部分延伸到长边方向的一个短边侧而形成。
根据上述结构，延伸电极通过振动部的锥形侧面的至少一部分延伸到长边方向的一个短边侧而形成。由此，由于延伸电极能够以相对平缓的角度延伸而形成，所以不限制电极的延伸方向，能够防止电极断线，且从连接可靠性的观点出发可维持稳定的品质。另外，由于也无需特别宽广地形成水晶基板的周边部的区域，所以也不会妨碍水晶振子的小型化。因此，能够不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
在上述水晶振子中，振动部也可以具有在长边方向上的另一个短边侧与周边部相接的第二短边侧侧面，锥形侧面分别与第一短边侧侧面以及第二短边侧侧面邻接而形成。
在上述水晶振子中，振动部也可以具有在短边方向上的一个长边侧与周边部相接的第一长边侧侧面，锥形侧面与第一短边侧侧面以及第一长边侧侧面的每一个邻接而形成。
在上述水晶振子中，延伸电极也可以形成得比锥形侧面宽，以便形成于锥形侧面的整个面，并且到达第一短边侧侧面的一部分以及第一长边侧侧面的一部分。
在上述水晶振子中，AT切割水晶基板具有表面以及背面，也可以在从由X轴和Z'轴确定的俯视下，振动部的表面的外形以Z'轴为基准，与振动部的背面的外形成线对称。
本发明的一个方面所涉及的水晶器件具备：基底部件；盖部件，与基底部件连接以构成密封的内部空间；以及上述水晶振子，被收容于内部空间。
根据上述结构，由于具备上述水晶振子，所以能够不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
根据本发明，能够不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
附图说明
图1A～C是用于对本实施方式所涉及的水晶振子进行说明的图。
图2是图1的Ⅱ-Ⅱ线剖视图。
图3是图1的Ⅲ-Ⅲ线剖视图。
图4是图1的Ⅳ-Ⅳ线剖视图。
图5是用于对本实施方式所涉及的水晶振动器件进行说明的简要立体图。
图6是用于对本实施方式所涉及的水晶振动器件进行说明的剖视图。
图7是用于对本实施方式的变形例所涉及的水晶振子进行说明的图。
图8是用于对本实施方式的其他变形例所涉及的水晶振子进行说明的图。
图9是用于对本实施方式的其他变形例所涉及的水晶振子进行说明的图。
图10是图9的X-X线剖视图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。在以下的附图的记载中，对于相同或者类似的构成要素用相同或者类似的附图标记来表示。附图是例示，各部的尺寸、形状是示意性的，不应理解为将本申请发明的技术范围限定于该实施方式。
图1A～C是用于对本实施方式所涉及的水晶振子进行说明的图，具体而言，图1A以及B是俯视图，图1C是图1A的IC-IC线剖视图。
本实施方式所涉及的水晶振子100具备水晶基板10、以及形成于水晶基板10的激励电极20、30。
水晶基板10是由通过AT切割而形成的水晶构成。AT切割的水晶基板10是在将作为人工水晶的结晶轴的X轴、Y轴、Z轴中的Y轴以及Z轴绕X轴从Y轴向Z轴的方向旋转了35度15分而得的轴分别作为Y'轴和Z'轴的情况下，以与由X轴以及Z'轴确定的面(以下，称为“XZ'面”。对于由其他轴确定的面也是一样的。)平行的面作为主面切取而成的。使用了AT切割水晶基板的水晶振子在较宽的温度范围内具有极高的频率稳定性，另外，随时间变化的特性也良好，并且能够以低成本制造。另外，AT切割水晶振子大多将厚度剪切振动模式(Thickness Shear Mode)作为主振动来使用。
水晶基板10具有平行于Z'轴方向的长边方向、平行于X方向的短边方向以及平行于Y'轴方向的厚度方向。如图1A所示，水晶基板10在XZ'面呈大致矩形形状。其中，图1A是Y'轴正方向侧(水晶基板的表面侧)的俯视图，图1B是Y'轴负方向侧(水晶基板的背面侧)的俯视图。
水晶基板10具有：被构成为进行厚度剪切振动的振动部40、和被设置为包围振动部40的整周的周边部50。如图1C所示，振动部40的厚度比周边部50的厚度薄。另外，在振动部40，在Y'轴正方向侧的主面形成有激励电极20，并在Y'轴的负方向侧的主面形成有激励电极30。如图1A以及图1B所示，各激励电极20、30可以以比振动部40的区域小的外形形成为从振动部40的外缘设置空间、或者也可以形成为覆盖振动部40的各主面的区域整体。各激励电极20、30作为一对电极，被配置为在XZ'面大致整体重叠。
在水晶基板10形成有与激励电极20电连接的延伸电极22以及与激励电极30电连接的延伸电极32。如图1A所示，延伸电极22在Y'轴正方向侧朝向水晶基板10的长边方向的Z'轴负方向侧短边延伸，进一步通过周边部50的侧面而延伸到Y'负方向侧(参照图1B以及图1C)。另一方面，如图1B所示，延伸电极32在Y'轴负方向侧朝向水晶基板10的长边方向的Z'轴负方向侧的短边延伸。延伸电极22、32均沿着Z'轴负方向侧的短边具有连接电极，在各连接电极设置有导电性粘合剂340、342，由此，激励电极20、30能够在Y'轴负方向侧且Z'轴负方向侧与外部实现电导通。
包含激励电极20、30的上述各电极例如可以用铬(Cr)层形成基底，并在铬层的表面形成金(Au)层，并不对其材料进行限定。
接下来，参照图2～图4，对水晶基板10的剖面形状进行说明。此处，图2～图4分别对应于图1B的Ⅱ-Ⅱ线剖视图、Ⅲ-Ⅲ线剖视图及Ⅳ-Ⅳ线剖视图。
水晶基板10通常通过湿法蚀刻来形成。因此，水晶基板10被形成为XZ'面上的平面形状模仿掩模形状，但与XZ'面相垂直的剖面形状依赖于蚀刻条件、水晶基板的结晶轴的朝向等而形成。即，由振动部40和周边部50形成的阶梯差的剖面形状在垂直于XZ'面的剖面中的XY'面，形成为接近与主面相垂直的状态，另一方面，在Y'Z'面上，如图1C所示，以相对于主面相对较大地倾斜而形成。因此，在Y'Z'面上，振动部40的侧面在Y'轴正方向侧的Z'轴负方向侧的边以比较大的钝角与周边部50接触，相反，在Y'轴负方向侧的Z'轴负方向侧的边以比较大的锐角与周边部50接触，在Y'轴负方向侧从激励电极延伸出的电极有断线的可能性。
鉴于此，在本实施方式中，在Y'轴负方向侧，在振动部40形成锥形(taper)侧面42，并使延伸电极32通过锥形侧面42的至少一部分朝向Z'轴负方向侧的短边延伸。
具体而言，如图1B所示，在水晶基板10的背面侧，振动部40具有Z'轴正方向侧的第二短边侧侧面44a、Z'轴负方向侧的第一短边侧侧面44b、X轴正方向侧的第一长边侧侧面46a、X轴负方向侧的第二长边侧侧面46b、以及与第一短边侧侧面44b及第一长边侧侧面46a的各个邻接地形成并且在XZ'面上从X轴倾斜形成的锥形侧面42。振动部40的上述多个侧面分别与振动部40的主面41以及周边部50的主面51连接(参照图2～图4)。另外，在图1B所示的例子中，水晶基板10的振动部40在XZ'面上具有一个角部被切去而形成的五边形的平面形状。
在通过湿法蚀刻形成了水晶基板10的情况下，如上所述，由于其剖面形状依赖于水晶的结晶轴的朝向等而形成，所以如图2所示，Z'轴负方向侧的第一短边侧侧面44b以锐角角度θ1与周边部50的主面51接触，另一方面，朝向越是从平行于X轴的线向平行于Z'轴的线变化，振动部40的侧面与周边部50的主面51所成的角度越大，如图3所示，第一长边侧侧面46a与周边部50的主面51以角度θ2(这里，θ1＜θ2。)接触。即，在通过湿法蚀刻形成了锥形侧面42的情况下，锥形侧面42与周边部50的主面51所成的角θ'在θ1＜θ'＜θ2的范围内，且由锥形面的角度(XZ'面上的偏离X轴的倾斜角度)、阶梯差的高度(即，从周边部50的主面51到振动部40的主面41为止的高度)以及蚀刻条件等各因素来决定。
具体而言，角度θ1近似于由于AT切割而偏离Z'轴的角度35°15′(即原来的Z轴)，例如，可以为33°＜θ1＜38°。另外，角度θ2近似于90°，例如，可以为85°＜θ2＜95°。若蚀刻时间长，则θ2会超过90°变得更于。另外，角度θ′依赖于锥形面的倾斜角度，例如，可以为50°＜θ′＜80°。对于这些角度而言，蚀刻时间长的情况与蚀刻时间短的情况相比，角度会变得较浅。
此外，也能够使用代替或追加的其他方法，在θ1°＜θ'＜θ2°的范围内任意形成锥形侧面42的角度θ′。
这里，也可以在除去了湿法蚀刻中所使用的掩模之后，另外使用金属掩模通过溅射等同时或分别形成激励电极和延伸电极。或者，也可以通过溅射形成用于对水晶基板进行湿法蚀刻的掩模，并将其保持原样作为激励电极，并根据需要进一步通过溅射等追加延伸电极。该情况下，激励电极被形成为覆盖振动部的主面的全部区域。此外，也可以在通过溅射而形成的掩模上进一步追加形成导电膜，并将其作为激励电极。
这样，在本实施方式中，延伸电极22、32中的形成于Y′轴负方向侧的延伸电极32通过锥形侧面42的至少一部分朝向Z′负方向侧的短边延伸形成。即，延伸电极32经由作为比锐角角度θ1大的角度的θ′向周边部50的主面51延伸。因此，由于即使在由振动部40和周边部50形成了阶梯差的情况下，延伸电极32也会形成为以相对平缓的角度延伸，所以能够防止电极断线，并从电连接可靠性的观点出发能够维持稳定的品质。另外，根据这样的结构，由于也无需特别宽地形成水晶基板10的周边部50的区域，所以也不会妨碍水晶振子100的小型化。因此，能够不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
此外，在上述中，水晶的结晶轴(X、Y′、Z′)以及其正方向和负方向的确定只不过是一个例子，在理解水晶振子的结构时，不应限定解释。例如，在使水晶的结晶轴(X、Y′、Z′)绕X轴旋转180°后的水晶基板(各轴的正负方向也相反。)也具有同样的形状(侧面的锐角以及钝角的形状)时，也可以将本实施方式中所说明的内容应用于这样的结构。
接下来，参照图5以及图6，对本实施方式所涉及的水晶振动器件进行说明。这里，图5是本实施方式所涉及的水晶振动器件的分解立体图，图6是图5的Ⅵ-Ⅵ线。其中，在图5以及图6中，对于水晶振子100简化进行图示，其详细内容如已经说明的那样。
本实施方式所涉及的水晶振动器件1具备上述水晶振子100、盖(lid)部件200以及基底部件300。盖部件200以及基底部件300是用于收容水晶振子100的外壳或封装。
盖部件200具有以与基底部件300的第一面302对置的方式开口的凹部204。另外，盖部件200具有凹部204的开口边缘部202。盖部件200可以由金属材料、绝缘材料或它们的复合材料中的任意一种形成。另外，对于盖部件200的外形形状、凹部204的形状或者开口边缘部202的方式均不进行限定。例如，开口边缘部也可以是从凹部开口中心朝向开口边缘从开口边缘突出的凸缘部。
基底部件300具有大致矩形的外形形状，在第一面302设置水晶振子100。基底部件300可以由陶瓷形成。如图6所示，通过盖部件200以及基底部件300这两者接合，水晶振子100被密封封入到由盖部件200的凹部204和基底部件300围成的内部空间(空腔)206。盖部件200以及基底部件300这两者通过所希望的粘合材料(例如低熔点玻璃或树脂粘合剂等)210而接合。另外，如图6所示，水晶振子100被盖部件200以及基底部件300支承为配置有连接电极(设置有导电性粘合剂340、342。)的一端成为固定端，水晶振子100的另一端成为自由端。
如图5所示，基底部件300具有分别形成于各角部的外部电极330、332、334、336。各外部电极330～336从安装水晶振子100的第一面302通过基底部件300的侧面连续形成到基底部件300的第二面304(与第一面302相反的面)。更详细而言，基底部件300具有将各个角部的一部分切断成圆柱曲面状(或堞形形状(castellation shape))而形成的侧面(切口部)，各外部电极330～336从安装水晶振子100的第一面302通过这样的切断成圆柱曲面状而形成的侧面连续形成基底部件300的第二面304。此外，基底部件300的角部的形状并不限定于上述的形状。
另外，形成于基底部件300的多个外部电极330～336中的任意一个外部电极330经由延伸电极320a与形成于第一面302的连接电极320电连接，另一个外部电极332经由延伸电极322a与形成于第一面302的连接电极322电连接，其余两个外部电极334、336被构成为不与上述连接电极电连接的虚设电极。另外，基底部件300的连接电极320、322分别经由导电性粘合剂340、342与水晶振子100的连接电极(参照图1B)电连接。与水晶振子100电连接的两个外部电极330、332也可以设置于在基底部件300的俯视下对置的位置。
此外，对于连接电极以及外部电极，并不对这些电极的个数、电极的配置以及图案形状进行特别限定，能够适当地自由设计。
这样，通过在基底部件300形成外部电极330～336，能够从设置有水晶振子100的第一面302向水晶振动器件1的安装面侧即第二面304实现电导通。在这样的水晶振动器件1中，通过经由外部电极330、332对水晶振子100中的一对激励电极之间施加交流电压，使得水晶基板以厚度剪切模式振动，可得到伴随着该振动的共振特性。
根据本实施方式所涉及的水晶振动器件1，由于具备上述水晶振子100，所以能够不妨碍小型化地实现电连接可靠性的提高。
本发明并不限定于上述实施方式，能够进行各种变形来应用。以下，参照图7～图9，对本实施方式所涉及的水晶振子的各变形例进行说明。此外，在以下的说明中，对与上述实施方式的结构不同的点进行说明。
图7是本实施方式的变形例所涉及的水晶振子101的俯视图(水晶基板的背面侧的俯视图)。在本变形例中，延伸电极34的结构不同。即，Y'轴负方向侧的延伸电极34形成得比锥形侧面42宽，以便形成于振动部40的锥形侧面42的整个面，并且到达振动部40的第一短边侧侧面44b的一部分以及第一长边侧侧面46a的一部分。即，延伸电极34被形成为其一部分通过第一短边侧侧面44b经由角度θ1到达周边部50，另一部分通过锥形侧面42经过角度θ'到达周边部50，剩余的一部分通过第一长边侧侧面46a经由角度θ2到达周边部50。在这样的结构中，由于延伸电极34的一部分以相对平缓的角度(即角度θ')延伸为到达周边部50，所以也能够实现防止电极断线。
图8是本实施方式的其他变形例所涉及的水晶振子102的俯视图(水晶基板的背面侧的俯视图)。在本变形例中，振动部60以及延伸电极36的结构不同。即，振动部60具有Z'轴正方向侧的第二短边侧侧面64a、Z'轴负方向侧的第一短边侧侧面64b、X轴负方向侧的第二长边侧侧面66b、与第一短边侧侧面64b以及第二短边侧侧面64a的各个邻接地形成并且在XZ'面从X轴倾斜地形成的锥形侧面62。在图8所示的例子中，水晶基板的振动部60在XZ'面具有四边形的平面形状。而且，延伸电极36形成于遍及第二短边侧侧面64a以及第一短边侧侧面64b而形成的锥形侧面62的一部分(Z'轴负方向侧的一部分)。或者，延伸电极36也可以形成于锥形侧面62的整个面。在这样的结构中，由于延伸电极36也以相对平缓的角度(即角度θ')延伸为到达周边部50，所以能够实现防止电极断线。
图9是本实施方式的其他变形例所涉及的水晶振子103的俯视图(水晶基板的表面侧的俯视图)，图10是图9的X-X线剖视图。在本变形例中，除了以上说明的水晶基板的背面侧的锥形侧面的结构以外，也在水晶基板的表面侧，在振动部形成有锥形侧面。具体而言，在水晶基板的背面侧，振动部70具有锥形侧面74，通过这样的锥形侧面74的至少一部分朝向Z'轴负方向侧的短边形成有延伸电极32，另一方面，在水晶基板的表面侧，也是振动部70具有锥形侧面72，通过这样的锥形侧面72的至少一部分朝向Z'轴负方向侧的短边形成有延伸电极24。即，振动部70的表面的外形被构成为以Z'轴为基准，与振动部70的背面的外形成线对称。背面侧的锥形侧面74的结构被构成为与已经说明的锥形侧面42相同，与周边部50以上述的角度θ'接触。另一方面，水晶基板的表面侧的锥形侧面72相对于锥形侧面74，结晶轴绕X轴旋转180°，如图10所示，锥形侧面72所邻接的短边侧侧面73与周边部50以钝角角度θ3(这里，θ2＜θ3。)相接，另外，图9所示的邻接的长边侧侧面75与周边部50以与图3所示θ2相同的角度相接。即，若将锥形侧面72与周边部50相接的角度设为θ”，则成为θ2＜θ”＜θ3的范围。这里，角度θ3近似于由于AT切割而偏离Z'轴的角度144°45′(即原来的Z轴)，例如，可以为142°＜θ3＜147°。另外，角度θ”依赖于锥形面的倾斜角度，例如也可以为100°＜θ”＜130°。根据本变形例，除了实现上述的防止电极断线以外，由于水晶基板的表面以及背面均具有相同的结构，所以电极的形成工序变得容易。
此外，以上说明的各实施方式是用于容易理解本发明的内容，并不是用于限制解释本发明的内容。本发明可以不脱离其主旨地进行变更/改良，并且其等价物也包含于本发明。即，只要本领域技术人员对各实施方式添加了适当的设计变更而成的结构也具备本发明的特征，则包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的内容而能够适当地变更。另外，各实施方式所具备的各要素只要在技术上可行就能够进行组合，只要对它们进行组合而成的结构也包含本发明的特征，则包含于本发明的范围内。
附图标记说明
1…水晶振子；10…水晶基板；30…激励电极；32…延伸电极；40…振动部；42…锥形侧面；44a…第二短边侧侧面；44b…第一短边侧侧面；46a…第一长边侧侧面；46b…第二长边侧侧面；50…周边部；100…水晶振子；200…盖部件；300…基底部件。

Claims (6)

1.一种水晶振子，其特征在于，包含：
AT切割水晶基板，是在将围绕作为水晶的结晶轴的X轴、Y轴、Z轴中的所述X轴从所述Z轴旋转了规定的角度的轴作为Z'轴的情况下，以与由所述X轴和所述Z'轴确定的面平行的面为主面切取而成的AT切割水晶基板，并包含具有所述主面的振动部和被设置为包围该振动部且厚度比所述振动部薄的周边部；
激励电极，形成于所述主面；以及
延伸电极，与所述激励电极电连接，
所述AT切割水晶基板具有长边方向和短边方向，所述长边方向是与所述Z'轴平行的方向，所述短边方向是与所述X轴平行方向，
所述振动部具有：在所述长边方向上的一个短边侧与所述周边部以锐角角度θ1相接的第一短边侧侧面；和与所述第一短边侧侧面邻接，并且在由所述X轴和所述Z'轴确定的俯视下从所述X轴倾斜地形成的锥形侧面，
所述锥形侧面以大于所述θ1的角度θ'与所述周边部相接，
所述延伸电极从所述激励电极通过所述锥形侧面的至少一部分延伸到所述长边方向的所述一个短边侧而形成。
2.根据权利要求1所述的水晶振子，其特征在于，
所述振动部具有在所述长边方向上的另一个短边侧与所述周边部相接的第二短边侧侧面，
所述锥形侧面分别与所述第一短边侧侧面以及所述第二短边侧侧面邻接而形成。
3.根据权利要求1所述的水晶振子，其特征在于，
所述振动部具有在所述短边方向上的一个长边侧与所述周边部相接的第一长边侧侧面，
所述锥形侧面分别与所述第一短边侧侧面以及所述第一长边侧侧面邻接而形成。
4.根据权利要求3所述的水晶振子，其特征在于，
所述延伸电极形成得比所述锥形侧面宽，以便形成于所述锥形侧面的整个面，并且到达所述第一短边侧侧面的一部分和所述第一长边侧侧面的一部分。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的水晶振子，其特征在于，
所述AT切割水晶基板具有表面和背面，
在由所述X轴和所述Z'轴确定的俯视下，所述振动部的所述表面的外形以所述Z'轴为基准，与所述振动部的所述背面的外形成线对称。
6.一种水晶振动器件，其特征在于，具备：
基底部件；
盖部件，与基底部件连接以便构成密封的内部空间；以及
被收容于所述内部空间的权利要求1～5中任一项所述的水晶振子。
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