JP2001177373A - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電振動子の特性を低下させることのない圧
電振動子とその製造方法を提供する。 【解決の手段】 水晶振動片１１と、その基端部５０に
一体的に接続されて前記圧電振動片１１の周囲を囲む枠
状部１５とを有する水晶振動板１２の上下面に、励振電
極１６ａ、１６ｂと接合膜１７を同時に形成し、蓋体１
４ａ、１４ｂの水晶振動板１２と対向する面上に接合電
極膜２１とその上面にガラスからなる接合層２２を形成
し、接合膜１７と接合層２２を接合することにより水晶
振動板１２と蓋体１４ａ、１４ｂとを一体に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動片を蓋体
で気密封止した圧電振動子の製造方法に関し、特に、陽
極接合を用いた圧電振動子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７に示すように、従来の表面実装型の
圧電振動子５０は、圧電振動片５１とこの圧電振動片５
１の一端を固定する容器５２と、容器５２を封止する蓋
体５６とからなる。圧電振動片５１が固定される容器５
２は、圧電振動片５１の振動を妨げない程度の空間を画
成する凹部５３を有し、この凹部５３内には他の部分よ
りも深さの浅い段差部５４が設けられている。圧電振動
片５１は、このような容器５２の段差部５４の上面に半
田材又は導電性接着剤等の接着層５５によって固定され
る。そして、この容器５２は、上部に圧電振動片５１の
固定と同様の接着層５７によって蓋体５６が接合され、
圧電振動片５１が容器５２の凹部５３内に気密封止され
る。

【０００３】また、もう一つの従来技術としては、陽極
接合を用いた圧電振動子が挙げられるが、製品化された
例は未だ無い。これは陽極接合を用いる場合には、貼り
合わせる部材の熱膨張率の差が小さいことが求められる
からである。例えば、パイレックスガラスの熱膨張率は
３．２５ppm／℃であり、水晶の熱膨張率が１１〜1４pp
m／℃である。これらを３００℃以上の高温で接合し、
室温まで冷却した場合には割れやひびが発生し実用化は
難しい。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図７に示すような従来
の表面実装型の圧電振動子では、容器５２、接着層５５
と圧電振動片５１の熱膨張係数に差があり、温度によっ
て圧電振動片５１に加わる応力が変化する。これによ
り、圧電振動片の共振または発振周波数が変化するとい
った問題がある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑み、圧電振
動子の特性を低下させることのない圧電振動子およびそ
の製造方法を提供することを課題とする。さらに、部材
の選択と構造を改良することにより、割れやひびが発生
しない陽極接合を用いた圧電振動子を提供することを課
題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の第１の態様は、圧電振動片と、その基端部に一体的
に接続されて前記圧電振動片の周囲を囲む枠状部とを有
する圧電振動板と、圧電振動片の上下面に形成された励
振電極膜と、枠状部の上下面に形成された接合膜と、前
記圧電振動板の両面側に、前記圧電振動片の振動を妨げ
ることなく前記圧電振動片を気密封止する一対の蓋体を
接合する圧電振動子において、当該圧電振動板と当該一
対の蓋体が同一の熱膨張係数であり、且つ前記一対の蓋
体が接合電極膜と接合層を有することを特徴とする圧電
振動子である。

【０００７】本発明の第２の態様は、第１の態様におい
て、接合電極膜がクロム、アルミニウム及びそれぞれの
合金からなる群から選択され、接合層が硬質ガラスやソ
ーダライムガラスからなることを特徴とする圧電振動子
である。本発明の上記両形態とも、圧電振動板の両側表
面に略全面に亘って金属膜を形成するステップと、金属
膜をパターニングして圧電振動片に励振電極膜を形成す
ると共に枠状部に対応する領域に前記一対の蓋体と接合
される接合膜を形成するステップと、蓋体の片側表面に
接合電極膜を形成するステップと、蓋体の接合電極膜を
形成した表面の全面に接合層を形成するステップと、接
合膜を介して圧電振動板と前記一対の蓋体とを積層し、
接合層が硬質ガラスの場合には温度を２５０〜４００℃
とし、接合層がソーダライムガラスの場合には温度を１
００〜３００℃とすると共に接合電極膜と接合膜とに圧
電振動板側を正極として０．５〜５．０ｋＶの電圧を印
加するステップとを具備することを特徴とする圧電振動
子の製造方法にある。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明を詳
細に説明する。図１は、圧電振動子の一例を示す分解斜
視図であり、図２は、その断面図である。本実施形態の
圧電振動子は、例えば、水晶（ＳｉＯ₂）からなる音叉
型の水晶振動片を有する水晶振動子であり、図１に示す
ように、水晶振動片１１を有する水晶振動板１２と、こ
の水晶振動板１２の両面に接合されて水晶振動片１１を
振動可能な状態で気密封止する一対の蓋体１４ａと蓋体
１４ｂとを具備する。

【０００９】水晶振動板１２は、音叉型の水晶振動片１
１と、その基端部５０と一体的に接続され水晶振動片１
１の周囲を囲む枠状部１５を有する。また、図２に示す
ように、水晶振動片１１を振動させるために、水晶振動
片１１は枠状部１５より板厚が薄くなっている。水晶振
動片１１の加工方法はエッチングや噴射加工などから任
意に選択できる。本実施形態では、音叉型の水晶振動片
１１を表裏両面にエッチングを施し形成した。

【００１０】更に、水晶振動子片１１の表、裏面及び側
面に励振電極膜１６ａ、励振電極膜１６ｂが設けられ
る。枠状部１５に対応する領域の表、裏面には励振電極
膜１６ａ、励振電極膜１６ｂと同一材料からなり、水晶
振動板１２と蓋体１４ａと蓋体１４ｂとの接合に用いら
れる接合膜１７が設けられる。励振電極膜１６ａ、励振
電極膜１６ｂは、水晶振動板１２の端部まで延設され、
励振電極膜１６ａと同じ側の枠状部１５上面の接合膜１
７の一部である端子接続用接合膜１７ａ、端子接続用接
合膜１７ｂにそれぞれ接続される。本願発明では接合膜
１７は蓋体との接合と励振電極引き出しのリード電極の
両方の役割を果たす。

【００１１】一対の蓋体１４ａと蓋体１４ｂは、例え
ば、水晶振動板１２と同じカット角で切り出された水晶
板である。水晶板はカット角により出来る面の熱膨張率
が変化する。例えば、図６に示すような、あるカット角
で切断された水晶板３３の矢印３１の短手方向と矢印３
２の長手方向の熱膨張率は、別のカット角で切断された
振動板の熱膨張率と必ずしも同じとは限らない。カット
角を合わせることにより接合面での残留応力を最小とで
き、割れやひびといった問題を解決できる。

【００１２】蓋体１４ａと蓋体１４ｂは図２に示すよう
に、水晶振動板１２と対向する面上に接合電極膜２１
と、接合電極膜２１の上面に接合層２２を有する。蓋体
１４ｂには励振電極膜１６ａと励振電極膜１６ｂとを水
晶振動子外部に引き出すために、スルーホール６０、ス
ルーホール６１が蓋体１４ｂ上の接合電極膜２１と接合
層２２を貫通して設けられる。スルーホール６０、６１
内には接合電極膜２１は極性の異なるリード電極１８ａ
とリード電極１８ｂが形成されるが、接合電極膜２１に
よりリード電極同士が電気的に短絡しないように形成し
てある。本実施形態では、スルーホール６０、スルーホ
ール６１の周囲に接合電極膜２１を形成しないようにパ
ターニングすることでリード電極同士を絶縁している。

【００１３】そして、この蓋体１４ａと蓋体１４ｂ上の
接合層２２と枠状部１５上の接合膜１７が、詳しくは後
述するが、いわゆる陽極接合により接合され、水晶振動
板１２と蓋体１４ａと蓋体１４ｂとが接合される。そし
て本実施形態では、一方の極である励振電極膜１６ａ
は、接合膜１７の一部にあたる端子接続用接合膜１７ａ
を介して、蓋体１４ｂのスルーホール６０上に成膜され
たリード電極１８ａに接続される。他方の極となる励振
電極膜１６ｂは、図示はしていないが水晶振動片１１の
側面に設けられた電極を介して接合膜１７の一部にあた
る端子接続用接合膜１７ｂまで延設され、蓋体１４ｂの
スルーホール６１上に成膜されたリード電極１８ｂに接
続される。端子接続用接合膜１７ａと端子接続用接合膜
１７ｂはお互いに短絡しないように接合膜１７の一部に
設けられる。

【００１４】なお、図示はしていないが、水晶振動板１
２の枠状部１５の両面の接合膜１７は少なくとも一部
が、両面においてそれぞれ水晶振動片１１を取り囲むよ
うに枠状部１５に形成されている。接合後は水晶振動片
１１が枠状部１５より薄くなっていることにより、水晶
振動板１２と上下の接合層２２との間に出来る空間は気
密に封止されるようになっている。

【００１５】以下、このような水晶振動子の製造工程に
ついて説明する。なお、図３は、本実施形態に係る圧電
振動子の製造工程を示す断面図である。まず、図３
（ａ）に示すように、水晶振動板１２となる水晶板の枠
状部１５を除きエッチングし、実際の駆動部である水晶
振動片１１が振動できる空間と枠状部１５を形成する。

【００１６】次いで、図３（ｂ）に示すように、図３
（ａ）でエッチングした部分をさらにエッチングし、水
晶振動片１１を形成する。次いで、図３（ｃ）に示すよ
うに、水晶振動板１２の両側表面に、それぞれ略全面に
亘って金属膜２０をスパッタリング等によって成膜す
る。この金属膜２０は、水晶振動片１１を振動させるた
めの励振電極膜１６ａと励振電極膜１６ｂ、励振電極膜
１６ａと励振電極膜１６ｂに接続される端子接続用接合
膜１７ａ、端子接続用接合膜１７ｂ、及び蓋体１４ａと
蓋体１４ｂとの実際の接合に用いる接合膜１７を構成す
る膜であり、その材質は特に限定されないが、例えば、
クロム、アルミニウム及びそれぞれの合金が好ましい
が、クロムを用いることが特に好ましい。

【００１７】次に、図３（ｄ）に示すように、金属膜２
０をパターニングして、励振電極膜１６ａ、励振電極膜
１６ｂ、その周囲の枠状部１５に対応する部分に全周に
亘って接合膜１７、および図示はしていないが、励振電
極膜１６ａを形成した側の枠上部１５上面の接合膜１７
の一部に端子接続用接合膜１７ａと端子接続用接合膜１
７ｂを形成する。

【００１８】図２に示すように、蓋体１４ａ、蓋体１４
ｂの水晶振動板１２と対向する面上に接合電極膜２１を
スパッタリングや蒸着により成膜する。接合電極膜２１
はクロム、アルミニウム及びそれぞれの合金が好ましい
が、例えば、蓋体１４ａ、蓋体１４ｂとの密着性などか
らクロムを用いることが特に好ましい。また、接合電極
膜２１は接合膜１７と接合層２２を陽極接合する際に電
極として機能するものであり、水晶振動片１１の上下に
位置する部分には形成しなくとも良い。

【００１９】次に、接合電極膜２１の上に接合層２２を
スパッタリングや蒸着により成膜する。接合層２２は硬
質ガラスやソーダライムガラスなどからなり、陽極接合
の条件から絶縁破壊しない膜厚とする。蓋体１４ｂには
端子接続用接合膜１７ａと端子接続用接合膜１７ｂと対
向する位置にスルーホール６０とスルーホール６１が蓋
体１４ｂ上の接合電極膜２１と接合層２２を貫通して設
けられるが、スルーホール６０、６１内に極性の異なる
リード電極１８ａとリード電極１８ｂが形成された際に
接合電極膜２１によりリード電極同士が電気的に短絡し
ないようにする必要がある。例えば本実施形態では、ス
ルーホール６０とスルーホール６１の周囲に接合電極膜
２１を形成しないようにパターニングすることでリード
電極同士を絶縁している。絶縁はスルーホール６０とス
ルーホール６１のうち少なくとも一方が絶縁されていれ
ばよい。

【００２０】次いで、上述したように形成した一対の蓋
体１４ａ、１４ｂと水晶振動板１２を図４に示すように
水晶振動板１２を一対の蓋体１４ａと蓋体１４ｂにより
挟持するように真空中で重ね合わせ陽極接合によって接
合する。このとき、各部材を１００℃〜4００℃に加熱
すると共に、水晶振動板１２の各面の接合膜１７と接合
電極膜２１とに、接合膜１７側が陽極となるように直流
電源４０によってそれぞれ０．５〜５．０ｋＶの直流電
圧を印加することが好ましい。例えば、本実施形態で
は、各部材を約３００℃に加熱すると共に約１．０ｋＶ
の直流電圧を印加した。

【００２１】そして、接合膜１７と接合層２２を陽極接
合することにより、水晶振動板１２と蓋体１４とが良好
に接合される。水晶振動板１２と一対の蓋体１４は同一
材質で、且つ同一のカット角であるので、水晶板の熱膨
張率が同一であり、接合後の残留応力を最小とできる。
つまり、熱膨張率の差によるクラックや割れなどが発生
することはない。

【００２２】なお、実際には、水晶振動片１１や励振電
極膜１６ａ、１６ｂ、接合膜１７等を形成した水晶振動
板１２を複数形成した水晶基板を、複数の水晶振動板１
２に対応した位置に接合電極膜２１と接合層２２等を形
成した蓋体１４ａ、蓋体１４ｂをそれぞれ複数形成した
蓋体形成基板で挟持するように重ね合わせ陽極接合した
後、所定の位置で切断することにより個別の水晶振動子
となる。

【００２３】以上のように、本実施形態では、水晶振動
板１２と各蓋体１４ａと蓋体１４ｂを陽極接合によって
接合し、水晶振動片１１を気密封止するようにしたの
で、脱ガス等が起こらず、真空度が低下する虞がない。
また、励振電極膜１６ａ、１６ｂと端子接続用接合膜１
７ａ、１７ｂおよび接合膜１７とを同一材料で形成する
ようにしたため、これらを一度に形成することができ、
製造工程を簡略化することができる。

【００２４】また、上述の実施形態では、水晶振動板１
２に２回のエッチングにより水晶振動片１１と枠状部１
５に段差を設け、水晶振動片１１の振動を阻害しない程
度の空間を形成するようにしたが、これに限定されず、
例えば、図5に示すように、蓋体１４ａと蓋体１４ｂに
それぞれ凹部７０、７１を設け、水晶振動片１１の振動
を阻害しない程度の空間を形成するようにしてもよい。

【００２５】さらに、上述の実施形態では、圧電振動板
を水晶で形成するようにしたが、これに限定されず、例
えば、セラミック等で形成してもよい。また、上述の実
施形態では、それぞれ陽極接合が可能なように成膜され
た一対の蓋体１４ａと蓋体１４ｂと水晶振動板１２を同
時に接合したが、これに限定されず、蓋体１４ａと蓋体
１４ｂを同時ではなく個別に接合してもよい。

【００２６】これらの何れの構造であっても、上述した
ように、圧電振動子と蓋体とを確実且つ容易に接合する
ことができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、圧電振
動板の表面に励振電極膜と同一材料からなる接合膜を形
成し、蓋体には接合電極膜と接合層を形成し、この接合
膜と接合膜を陽極接合することにより圧電振動板と蓋体
とを接合するようにした。これにより、小型化に適して
いる，アウトガスが少ないなど陽極接合の利点を生か
し、更に圧電振動板と蓋体を同じ熱膨張率からなる部材
で構成することができる。従来の陽極接合では接合でき
ない部材を、陽極接合により接合できる膜や層を介在さ
せ接合することを実現させた。

【００２８】また、接合膜は、励振電極膜と同一工程で
形成することができ、製造工程の簡略化を図ることがで
きるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る圧電振動子の分解斜
視図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る圧電振動子の断面図
である。

【図３】本発明の圧電振動子の製造工程を示す断面図で
ある。

【図４】本発明の圧電素子の陽極接合時における配線を
示す概略図である。

【図５】本発明に係る圧電振動子の他の例を示す断面図
である。

【図６】本発明に係る圧電振動子の熱膨張率を説明する
説明図である。

【図７】従来技術に係る圧電素子の断面図である。

【符号の説明】

１０ 水晶振動子 １１ 水晶振動片 １２ 水晶振動板 １４ａ、１４ｂ 蓋体 １５ 枠状部 １６ａ、１６ｂ 励振電極膜 １７ 接合膜 １７ａ、１７ｂ 端子接続用接合膜 １８ａ、１８ｂ リード電極 ４０ 直流電源 ５０ 基端部 ６０、６１ スルーホール ７０、７１ 凹部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電振動片と、その基端部に一体的に接
   続されて前記圧電振動片の周囲を囲む枠状部とを有する
   圧電振動板と、圧電振動片の上下面に形成された励振電
   極膜と、枠状部の上下面に形成された接合膜と、前記圧
   電振動板の両面側に、前記圧電振動片の振動を妨げるこ
   となく前記圧電振動片を気密封止する一対の蓋体を接合
   する圧電振動子において、当該圧電振動板と当該一対の
   蓋体が同一の熱膨張係数であり、且つ当該一対の蓋体が
   接合電極膜と接合層を有することを特徴とする圧電振動
   子。
2. 【請求項２】 請求項１において前記接合電極膜がクロ
   ム、アルミニウム及びそれぞれの合金からなる群から選
   択され、前記接合層が硬質ガラスやソーダライムガラス
   などからなることを特徴とする圧電振動子。
3. 【請求項３】 前記圧電振動板の両側表面に略全面に亘
   って金属膜を形成するステップと、当該金属膜をパター
   ニングして前記圧電振動片に励振電極膜を形成すると共
   に前記枠状部に対応する領域に前記一対の蓋体と接合さ
   れる接合膜を形成するステップと、前記蓋体の片側表面
   に接合電極膜を形成するステップと、前記蓋体の前記接
   合電極膜を形成した表面の全面に接合層を形成するステ
   ップと、当該接合膜を介して当該圧電振動板と前記一対
   の蓋体とを積層し、当該接合層が硬質ガラスの場合には
   温度を２５０〜４００℃とし、当該接合層がソーダライ
   ムガラスの場合には温度を１００〜３００℃とすると共
   に前記接合電極膜と前記接合膜とに前記圧電振動板側を
   正極として０．５〜５．０ｋＶの電圧を印加するステッ
   プとを具備することを特徴とする圧電振動子の製造方
   法。
4. 【請求項４】 請求項3において前記接合層と前記接合
   膜が同一金属からなることを特徴とする圧電振動子。