JP2009152989A - Piezoelectric vibration chip and piezoelectric device - Google Patents

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Shingo Kawanishi
信吾 川西
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Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
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  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric vibration chip or piezoelectric device which hardly causes a discharge so as to avoid damaging an electronic element in the piezoelectric vibration chip or piezoelectric device owing to electrostatic discharge reaction. <P>SOLUTION: The piezoelectric vibration chip includes: a base formed with first and second base electrodes; a first vibration arm portion and a second vibration arm portion protruding from the base; first and second excitation electrodes formed at the first and second vibration arm portions; and a first connection electrode portion connecting the first base electrode and first excitation electrode to each other by an electrode formed in a curved-line shape, and a second connection electrode portion connecting the second base electrode and second excitation electrode to each other by an electrode formed in a curved-line shape. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電振動片と、パッケージ内に圧電振動片を収容した圧電デバイスとの改良に関する。   The present invention relates to an improvement of a piezoelectric vibrating piece and a piezoelectric device in which a piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package.

圧電振動片を使った圧電デバイスが、時計やコンピュータ、携帯電話などのクロック源、又は角速度測定用として広く採用されている。近年、圧電部品の集積度が上がり、それに伴い圧電デバイスの小型化が一段と要求されてきている。圧電デバイスの小型化は、静電気耐性を弱めることにもなってきている。小型化された圧電振動片として、例えば、特許文献1に、音叉型圧電振動片が開示されている。   A piezoelectric device using a piezoelectric vibrating piece is widely used as a clock source for a clock, a computer, a mobile phone or the like, or for measuring an angular velocity. In recent years, the degree of integration of piezoelectric components has increased, and accordingly, further downsizing of piezoelectric devices has been required. The miniaturization of piezoelectric devices has also weakened electrostatic resistance. As a miniaturized piezoelectric vibrating piece, for example, Patent Literature 1 discloses a tuning fork type piezoelectric vibrating piece.

圧電デバイスは、人体に蓄えられた静電気によってデバイスが破壊しないようにしなければならない。このため、ESD試験は、HBM( ヒューマン・ボディ・モデル )試験が行われる。また、圧電デバイスの組み立て装置などに溜まった静電気によって圧電デバイスが破壊しないように、MM( マシーン・モデル)試験が行われている。最近は、さらなる圧電振動片又は圧電デバイスの小型化から、デバイス固有の容量に帯電した電荷が電位ポテンシャルの異なる導体に接近もしくは接触する時に急速な電荷移動が起こることが問題となっており、CDM( チャージド・デバイス・モデル ) 試験も行われている。   A piezoelectric device must prevent the device from being destroyed by static electricity stored in the human body. For this reason, the ESD test is an HBM (Human Body Model) test. In addition, MM (machine model) tests are performed so that the piezoelectric device is not destroyed by static electricity accumulated in the assembly device of the piezoelectric device. Recently, due to further miniaturization of the piezoelectric vibrating piece or the piezoelectric device, rapid charge transfer occurs when the charge charged to the capacitance inherent to the device approaches or contacts a conductor having a different potential potential. (Charged device model) Tests are also being conducted.

圧電振動片を使った圧電デバイスのESD耐圧は500V程度であり、他の圧電部品と比べて低い値を示している。このため、圧電振動片又は圧電デバイスのESD耐圧を向上させることが要求されている。特に圧電振動片又は圧電デバイスの小型化に伴い、細い電極パターンにおいて、静電気放電でパターンが破壊されることが多い。   The ESD withstand voltage of the piezoelectric device using the piezoelectric vibrating piece is about 500 V, which is lower than that of other piezoelectric components. For this reason, it is required to improve the ESD withstand voltage of the piezoelectric vibrating piece or the piezoelectric device. In particular, with the miniaturization of the piezoelectric vibrating piece or the piezoelectric device, the pattern is often destroyed by electrostatic discharge in a thin electrode pattern.

図7は、特許文献1に示されるような音叉型圧電振動片120の一例であり、音叉型圧電振動片120は、例えば共振周波数が32.768kHの小型の振動子等があり、最終的には、例えば時計等の精密機器に組み込まれて使用されることになる。
この音叉型圧電振動片120は、外部より電流が印加されると左右の腕部121が振動するようになっている。具体的には、図7に示す腕部121の溝131に溝電極123d及び溝電極125dが形成される。一方、これら溝131が設けられていない両側面に側面電極123c及び側面電極125cが形成される。そして、電流が印加されると溝電極123d及び溝電極125dと側面電極123c及び側面電極125cとの間に電界が生じ、腕部121が振動するようになっている。
FIG. 7 shows an example of a tuning fork-type piezoelectric vibrating piece 120 as disclosed in Patent Document 1. The tuning-fork type piezoelectric vibrating piece 120 includes, for example, a small vibrator having a resonance frequency of 32.768 kHz, and finally. Is used by being incorporated in precision equipment such as a watch.
The tuning fork type piezoelectric vibrating piece 120 is configured such that the left and right arm portions 121 vibrate when an electric current is applied from the outside. Specifically, the groove electrode 123d and the groove electrode 125d are formed in the groove 131 of the arm 121 shown in FIG. On the other hand, the side electrode 123c and the side electrode 125c are formed on both side surfaces where the grooves 131 are not provided. When a current is applied, an electric field is generated between the groove electrode 123d and the groove electrode 125d and the side electrode 123c and the side electrode 125c, so that the arm portion 121 vibrates.

音叉型圧電振動片120の基部129には、基部電極123a、125aが形成されており、外部から基部電極123a、125aに電流が供給される。基部電極123a、125aから、溝電極123d及び溝電極125dと側面電極123c及び側面電極125cへ電流を供給するため、接続電極123b,125bが形成される。
隣り合う接続電極123bと接続電極125bとの幅は、非常に狭く、例えば0.01mmから0.03mm程度しかないため、放電による短絡が生じやすい。特に円で囲まれた領域DCにて、放電による短絡が生じている。
特開2002−261575
Base electrodes 123a and 125a are formed on the base 129 of the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 120, and current is supplied to the base electrodes 123a and 125a from the outside. In order to supply current from the base electrodes 123a and 125a to the groove electrode 123d and the groove electrode 125d, the side electrode 123c, and the side electrode 125c, connection electrodes 123b and 125b are formed.
The adjacent connection electrode 123b and connection electrode 125b have a very narrow width, for example, only about 0.01 mm to 0.03 mm. In particular, a short circuit due to discharge occurs in a region DC surrounded by a circle.
JP 2002-261575 A

圧電振動片の静電荷は、放電突起を通して雰囲気中の粒子を介して静電気放電反応を起こす。このため、領域DCに放電による短絡が発生しやすい理由は、接続電極123b又は接続電極125bの一部に90度の角部が存在していることが考えられる。   The electrostatic charge of the piezoelectric vibrating piece causes an electrostatic discharge reaction through particles in the atmosphere through the discharge protrusion. For this reason, it is conceivable that the short circuit due to the discharge is likely to occur in the region DC because a corner portion of 90 degrees exists in a part of the connection electrode 123b or the connection electrode 125b.

本発明の目的は、圧電振動片又は圧電デバイス内の電子素子が静電気の放電反応により損傷されることを回避するために、放電が起きにくい圧電振動片又は圧電デバイスを提供する。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating piece or a piezoelectric device in which discharge is unlikely to occur in order to avoid damage to an electronic element in the piezoelectric vibrating piece or piezoelectric device due to an electrostatic discharge reaction.

第1の観点の圧電振動片は、第1及び第2基部電極が形成されている基部と、前記基部から突出する第1振動腕部及び第2振動腕部と、第1及び第2振動腕部に形成されている第1及び第2励振電極と、第1基部電極と第1励振電極とを曲線状に形成された電極で接続する第1接続電極部と、第2基部電極と第2励振電極とを曲線状に形成された電極で接続する第2接続電極部と、を備える。
第1の観点の構成によれば、第1接続電極部及び第2接続電極部が、曲線状に形成されている。このため第1接続電極部及び第2接続電極部に角部が存在しないため、隣り合う第1接続電極部と第2接続電極部との間で放電が発生しにくくなる。従来は、図7(a)に示すように、角部が生じていたため放電が生じる割合が多かった。つまり、本発明は、断線や短絡が生じることを少なくすることができる。
A piezoelectric vibrating piece according to a first aspect includes a base portion on which first and second base electrodes are formed, a first vibrating arm portion and a second vibrating arm portion protruding from the base portion, and first and second vibrating arms. First and second excitation electrodes formed on the first portion, a first connection electrode portion connecting the first base electrode and the first excitation electrode with a curved electrode, a second base electrode and a second base electrode A second connection electrode portion that connects the excitation electrode with a curved electrode.
According to the configuration of the first aspect, the first connection electrode portion and the second connection electrode portion are formed in a curved shape. For this reason, since there is no corner in the first connection electrode portion and the second connection electrode portion, it is difficult for a discharge to occur between the adjacent first connection electrode portion and second connection electrode portion. Conventionally, as shown in FIG. 7 (a), a corner portion has been generated, so that a large proportion of discharge has occurred. That is, the present invention can reduce the occurrence of disconnection or short circuit.

第2の観点による圧電振動片は、第1基部電極の直線の辺又は第1励振電極の直線の辺と、第1接続電極部の曲線状の辺とが合致する点において、第1接続電極部の曲線状の辺の接線方向が、直線の辺の方向と一致する。
第2の観点の構成によれば、電極のうち直線状の辺と第1接続電極部の曲線状の辺とが接する点において、その曲線の接線方向が直線の辺の方向と一致する。このため、直線状の辺から曲線へスムーズに移行できるので、直線状の辺と第1接続電極部の曲線状の辺との接点で角部が発生しない。
The piezoelectric vibrating piece according to the second aspect is the first connection electrode in that the straight side of the first base electrode or the straight side of the first excitation electrode coincides with the curved side of the first connection electrode unit. The tangential direction of the curved side of the part coincides with the direction of the straight side.
According to the configuration of the second aspect, the tangent direction of the curve coincides with the direction of the straight side at a point where the straight side of the electrode contacts the curved side of the first connection electrode portion. For this reason, since the transition from the straight side to the curve can be made smoothly, no corner is generated at the contact point between the straight side and the curved side of the first connection electrode portion.

第3の観点による圧電振動片は、第1基部電極と第2基部電極とが向かい合う辺が、曲線状に形成されている。
第3の観点による圧電振動片は、基部電極の向かい合う辺で角部が存在するような場合には、そので放電が起きてしまう場合がある。しかし、基部電極が曲線で構成されていれば、放電が発生する確立が低くなる。
In the piezoelectric vibrating piece according to the third aspect, the sides where the first base electrode and the second base electrode face each other are formed in a curved shape.
In the piezoelectric vibrating piece according to the third aspect, when corners exist on opposite sides of the base electrode, discharge may occur. However, if the base electrode is configured with a curve, the probability of occurrence of discharge is reduced.

第4の観点による圧電電極片は、第1接続電極部の一辺は一定の曲率で形成され、他の一辺も異なる一定の曲率で形成されている。
第4の観点による圧電振動片に、曲線の電極パターンを設計する際に、簡易に設計することができる。
In the piezoelectric electrode piece according to the fourth aspect, one side of the first connection electrode portion is formed with a constant curvature, and the other side is formed with a different constant curvature.
When designing a curved electrode pattern on the piezoelectric vibrating piece according to the fourth aspect, it can be designed easily.

第5の観点による圧電電極片は、第1接続電極部の一辺と前記第1基部電極の一辺とが同じ曲率で形成されている。
第5の観点の圧電電極片は、基部に表れる基部電極の一辺及び接続電極の一辺がすべてが同じ曲率であるため、所定の曲線と曲線とが接する箇所が角部を形成するようなことがない。
In the piezoelectric electrode piece according to the fifth aspect, one side of the first connection electrode portion and one side of the first base electrode are formed with the same curvature.
In the piezoelectric electrode piece according to the fifth aspect, since one side of the base electrode and one side of the connection electrode appearing at the base all have the same curvature, the portion where the predetermined curve and the curve contact each other may form a corner. Absent.

第6の観点による圧電デバイスは、第1の観点ないし第5の観点のいずれかの圧電振動片と、圧電振動片を収容するパッケージと、パッケージを封止する封止部と、を備える。
第6の観点の構成によれば、放電が生じることが少ない圧電振動片を使って、圧電デバイスを構成することができる。
A piezoelectric device according to a sixth aspect includes the piezoelectric vibrating piece according to any one of the first to fifth aspects, a package that accommodates the piezoelectric vibrating piece, and a sealing portion that seals the package.
According to the structure of the 6th viewpoint, a piezoelectric device can be comprised using the piezoelectric vibrating piece with few discharges.

<音叉型水晶振動片20の構成>
図1(a)は、音叉型水晶振動片20の全体構成を示した図であり、(b)は、(a)の側面図である。また、図2は、図1(a)のC2―C2断面図である。
音叉型水晶振動片20の母材は、Zカットに加工された水晶単結晶ウエハ10で形成されている。小型で必要な性能を得るために、図1(a)に示すように、音叉型水晶振動片20は、基部29と、この基部29から図1において上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕21を備えている。
<Configuration of tuning fork type crystal vibrating piece 20>
FIG. 1A is a diagram showing an overall configuration of the tuning-fork type crystal vibrating piece 20, and FIG. 1B is a side view of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line C2-C2 of FIG.
The base material of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is formed of a crystal single crystal wafer 10 processed into a Z-cut. In order to obtain the required performance in a small size, as shown in FIG. 1A, a tuning fork type crystal vibrating piece 20 is divided into a bifurcated and parallel to a base 29 and upward from the base 29 in FIG. A pair of extending vibrating arms 21 is provided.

音叉型水晶振動片20は、例えば32.768KHzで信号を発信する振動片で、極めて小型の振動片となっており、全体の長さが2.1mm程度、幅0.5mm程度である。音叉型水晶振動片20の振動腕21の表裏面には、溝部31が形成されている。一本の振動腕21の表面に2つの溝部31が形成されており、振動腕21の裏面側にも同様に2つの溝部31が形成されている。つまり、一対の振動腕21には4箇所の溝部31が形成される。溝部31の深さは、水晶単結晶ウエハ10の厚さの約35〜45%である。溝部31は、CI値の上昇を抑えるために設けられている。   The tuning fork type crystal vibrating piece 20 is a vibrating piece that transmits a signal at, for example, 32.768 KHz, and is an extremely small vibrating piece. The overall length is about 2.1 mm and the width is about 0.5 mm. Grooves 31 are formed on the front and back surfaces of the vibrating arm 21 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20. Two groove portions 31 are formed on the surface of one vibrating arm 21, and two groove portions 31 are similarly formed on the back surface side of the vibrating arm 21. That is, four groove portions 31 are formed in the pair of vibrating arms 21. The depth of the groove 31 is about 35 to 45% of the thickness of the quartz single crystal wafer 10. The groove part 31 is provided in order to suppress an increase in the CI value.

音叉型水晶振動片20の大きさは次のとおりである。
音叉型水晶振動片20の基部29の縦方向の長さL2は、例えば0.58mmないし0.64mmに形成されている。一方、この基部29から突出して配置されている振動腕21、振動腕22の縦方向の長さL1は約1.45mmないし1.65mmに形成されている。従って、この振動腕21に対する基部29の長さは、約40パーセントとなっている。振動腕21の腕幅W3は、0.08ないし0.12mm程度である。また、溝部31の幅は、振動腕21の腕幅W3の約80パーセントで0.07mmから0.1mm程度である。音叉型水晶振動片20の厚さD1は、0.08mmないし0.12mm程度である。これは水晶単結晶ウエハの厚さと同等である。
The size of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is as follows.
The longitudinal length L2 of the base portion 29 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is, for example, 0.58 mm to 0.64 mm. On the other hand, the longitudinal length L1 of the vibrating arm 21 and the vibrating arm 22 disposed so as to protrude from the base portion 29 is formed to be about 1.45 mm to 1.65 mm. Accordingly, the length of the base 29 with respect to the vibrating arm 21 is about 40 percent. The arm width W3 of the vibrating arm 21 is about 0.08 to 0.12 mm. The width of the groove 31 is about 0.07 mm to 0.1 mm, which is about 80% of the arm width W3 of the vibrating arm 21. The thickness D1 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is about 0.08 mm to 0.12 mm. This is equivalent to the thickness of a quartz single crystal wafer.

基部29は、振動腕21側の基部29は、X方向の長さ(幅)がW1であり、振動腕21の反対側の基部は、X方向の長さ(幅)が、幅W1よりも広い幅W2である。幅W1は幅W2の約75パーセントから90パーセントである。例えば、幅W1は0.42mmに幅W2は0.50mmに形成されている。このため、振動腕21の振動により、溝部31から漏れてきた漏れ振動は、基部29の連結部28側に伝わり難くなる。
また、基部29には、2箇所の連結部28が形成されている。2箇所の連結部28は、この水晶単結晶ウエハから音叉型水晶振動片20を切り取る際に残る部材であり、露光工程及び水晶エッチング工程後には、一枚の水晶単結晶ウエハに数千個の音叉型水晶振動片20が連結されている。
The base portion 29 on the vibrating arm 21 side has a length (width) in the X direction of W1, and the base portion on the opposite side of the vibrating arm 21 has a length (width) in the X direction that is greater than the width W1. Wide width W2. The width W1 is about 75 to 90 percent of the width W2. For example, the width W1 is 0.42 mm and the width W2 is 0.50 mm. For this reason, the leakage vibration leaking from the groove portion 31 due to the vibration of the vibrating arm 21 is not easily transmitted to the connecting portion 28 side of the base portion 29.
The base portion 29 is formed with two connecting portions 28. The two connecting portions 28 are members that remain when the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is cut from the crystal single crystal wafer. After the exposure process and the crystal etching process, several thousands of connection parts 28 are formed on one crystal single crystal wafer. A tuning fork type crystal vibrating piece 20 is connected.

音叉型水晶振動片20の基部29は、その全体が略板状に形成されている。振動腕21に対する基部29の長さは、約36%となっている。音叉型水晶振動片20の基部29には、連結部28が2箇所設けられている。連結部28は、水晶単結晶ウエハ10から、図1に示す音叉形状をフォトリソグラフィ及びウェットエッチングで形成する際に、水晶単結晶ウエハ10と音叉型水晶振動片20とを連結する部分である。   The base 29 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is formed in a substantially plate shape as a whole. The length of the base 29 with respect to the vibrating arm 21 is about 36%. Two connecting portions 28 are provided on the base 29 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20. The connecting portion 28 is a portion for connecting the crystal single crystal wafer 10 and the tuning fork type crystal vibrating piece 20 when the tuning fork shape shown in FIG. 1 is formed from the crystal single crystal wafer 10 by photolithography and wet etching.

<電極パターン>
音叉型水晶振動片20の振動腕21及び基部29には、第1電極パターン23と第2電極パターン25とが形成されている。第1電極パターン23と第2電極パターン25とはともに、150オングストローム〜5000オングストロームのクロム(Cr)層の上に100オングストローム〜5000オングストロームの金(Au)層が形成された構成になっている。すなわち、第一層と第二層とを合わせると、250オングストローム〜10000オングストロームの電極パターンの厚さになる。また、クロム(Cr)層の代わりに、タングステン(W)層、ニッケル(Ni)層、ニッケルタングステン層又はチタン(Ti)層を使用してもよく、また金(Au)層の代わりに、銀(Ag)層を使用してもよい。また、一層からなる場合もあり、このときは、例えばアルミ(Al)層、銅(Cu)層又はケイ素(Si)層が用いられる。
<Electrode pattern>
A first electrode pattern 23 and a second electrode pattern 25 are formed on the vibrating arm 21 and the base 29 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20. Both the first electrode pattern 23 and the second electrode pattern 25 have a structure in which a gold (Au) layer of 100 Å to 5000 Å is formed on a chromium (Cr) layer of 150 Å to 5000 Å. That is, when the first layer and the second layer are combined, the thickness of the electrode pattern is 250 Å to 10000 Å. Further, a tungsten (W) layer, a nickel (Ni) layer, a nickel tungsten layer, or a titanium (Ti) layer may be used instead of the chromium (Cr) layer, and silver instead of the gold (Au) layer. An (Ag) layer may be used. In some cases, an aluminum (Al) layer, a copper (Cu) layer, or a silicon (Si) layer is used.

音叉型水晶振動片20の基部29には、図1(a)に示すように、第1基部電極23aと第2基部電極25aとが形成され、振動腕21の溝部31には、第1溝電極23d,第2溝電極25dがそれぞれ形成される。また、図2に示すように、図1(a)の左右の振動腕21の両側面には、第2側面電極25c及び第1側面電極23cがそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 1A, a first base electrode 23 a and a second base electrode 25 a are formed on the base 29 of the tuning fork type crystal vibrating piece 20, and the first groove is formed on the groove 31 of the vibrating arm 21. An electrode 23d and a second groove electrode 25d are formed, respectively. Further, as shown in FIG. 2, a second side electrode 25c and a first side electrode 23c are formed on both side surfaces of the left and right vibrating arms 21 in FIG.

この第1側面電極23c及び第2側面電極25cは、第1接続電極23b及び第2接続電極25bを介して第1基部電極23a、第2基部電極25aに接続されている。図1(a)で示すように、第1基部電極23a及び第2基部電極25a、並びに第1接続電極23b及び第2接続電極25bは、角部が無い電極形状になっている。このため、第1基部電極23a及び第1接続電極23bと、第2基部電極25a及び第2接続電極25bとの間で放電が発生しにくくなっている。   The first side electrode 23c and the second side electrode 25c are connected to the first base electrode 23a and the second base electrode 25a via the first connection electrode 23b and the second connection electrode 25b. As shown in FIG. 1A, the first base electrode 23a and the second base electrode 25a, and the first connection electrode 23b and the second connection electrode 25b have an electrode shape having no corners. For this reason, it is difficult for electric discharge to occur between the first base electrode 23a and the first connection electrode 23b and the second base electrode 25a and the second connection electrode 25b.

<その他の電極パターン>
図3(a)は、接続電極と側面電極及び溝電極との接続箇所が一致する電極パターンを示しており、(b)は、基部電極及び接続電極が一定の曲線で構成されている電極パターンを示している。
<Other electrode patterns>
FIG. 3A shows an electrode pattern in which the connection portions of the connection electrode, the side surface electrode, and the groove electrode coincide with each other, and FIG. Is shown.

図3(a)の下側の領域LCにおいて、基部電極23−2aと基部電極25−2aとが向かい合う辺は、連結部28の一辺につながっている。(a)に描かれた連結部28は、電極パターンが直線状の辺を有している。曲線の端における接線が電極パターンの直線状の辺と合致するように電極パターン23−2a及び電極パターン25−2aが形成されている。つまり、直線状の辺と曲線の辺と接する点において、曲線の接線方向が直線の方向と一致するため、箇所においても角部が存在せず、放電が発生しにくくなる。   In the lower region LC of FIG. 3A, the side where the base electrode 23-2a and the base electrode 25-2a face each other is connected to one side of the connecting portion 28. In the connecting portion 28 depicted in (a), the electrode pattern has a straight side. The electrode pattern 23-2a and the electrode pattern 25-2a are formed so that the tangent at the end of the curve matches the linear side of the electrode pattern. That is, since the tangent direction of the curve coincides with the direction of the straight line at the point where the straight side and the curved side are in contact with each other, there is no corner portion in the portion, and the discharge is less likely to occur.

また、図3(a)の上側の領域LCにおいて、接続電極23−2b及び接続電極25−2bは、第1側面電極23c及び第2側面電極25c、並びに第1溝電極23d及び第2溝電極25dに接続する。この際に、第1側面電極23c及び第2側面電極25c、並びに第1溝電極23d及び第2溝電極25dは、振動腕21に直線状に形成されている。このため、直線状の辺と曲線の辺とが一致し、放電が発生しにくくなる。   Further, in the upper region LC of FIG. 3A, the connection electrode 23-2b and the connection electrode 25-2b are the first side electrode 23c and the second side electrode 25c, and the first groove electrode 23d and the second groove electrode. Connect to 25d. At this time, the first side surface electrode 23 c and the second side surface electrode 25 c, and the first groove electrode 23 d and the second groove electrode 25 d are formed linearly on the vibrating arm 21. For this reason, the side of the straight line and the side of the curve coincide with each other, and the discharge is less likely to occur.

図3(b)は、基部電極23−3aと基部電極25−3aとが向かい合う辺は、接続電極23−3b及び接続電極25−3bの部分も含めて、中心から一定の曲率の辺で形成されている。また、接続電極23−2b及び接続電極25−2bも中心から一定の曲率の辺で形成されている。接続電極23−2bの振動腕21側の辺は曲率R1で、接続電極23−2bの基部29側の辺は曲率R2で形成されている。一定曲率であるため、放電が発生しにくい。接続電極25−2bの振動腕21側の辺は曲率R3で、接続電極25−2bの基部29側及び基部電極25−3aの辺は曲率R4で形成されている。もう一方の接続電極23−2bの基部29側及び基部電極23−3aの辺は曲率R5で形成されている。すべての辺が一定曲率であるため、設計しやすく且つ放電が発生しにくい。   In FIG. 3B, the sides where the base electrode 23-3a and the base electrode 25-3a face each other are formed with sides having a certain curvature from the center, including the connection electrode 23-3b and the connection electrode 25-3b. Has been. Further, the connection electrode 23-2b and the connection electrode 25-2b are also formed with sides having a certain curvature from the center. The side on the vibrating arm 21 side of the connection electrode 23-2b has a curvature R1, and the side on the base 29 side of the connection electrode 23-2b has a curvature R2. Since the curvature is constant, electric discharge hardly occurs. The side on the vibrating arm 21 side of the connection electrode 25-2b is formed with a curvature R3, and the side of the base 29 side of the connection electrode 25-2b and the side of the base electrode 25-3a are formed with a curvature R4. The base 29 side of the other connection electrode 23-2b and the side of the base electrode 23-3a are formed with a curvature R5. Since all the sides have a constant curvature, it is easy to design and discharge is not easily generated.

図示しないが、二次関数又は三次関数で描かれた辺からなる曲線で電極パターン23又は、電極パターン25が形成されていてもよい。例えば、サイクロイド曲線、カージオイド曲線又はアステロイド曲線などであってもよい。   Although not shown, the electrode pattern 23 or the electrode pattern 25 may be formed by a curve composed of sides drawn by a quadratic function or a cubic function. For example, it may be a cycloid curve, a cardioid curve or an asteroid curve.

図4は、静電耐圧試験結果(HBM)を示した図であり、縦軸が不良頻度(%)であり、横軸が耐圧電圧(V)を示している。鎖線が図7に示すように直行する直線のみでできた電極パターンを有している音叉型圧電振動片120の試験結果である。一方、実線が図1に示すように曲線のみで接続電極が形成された音叉型圧電振動片20の試験結果である。
図4の試験結果からわかるように、本発明の音叉型圧電振動片20は、約1700Vまで不良が発生しない。また、1700V以上の静電電圧において、本発明の音叉型圧電振動片20の不良頻度は、音叉型圧電振動片120の不良頻度よりも低い。
FIG. 4 is a diagram showing the electrostatic withstand voltage test result (HBM), in which the vertical axis represents the failure frequency (%) and the horizontal axis represents the withstand voltage (V). This is a test result of the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece 120 having an electrode pattern in which the chain line is only a straight line as shown in FIG. On the other hand, the solid line is a test result of the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece 20 in which the connection electrode is formed by only a curve as shown in FIG.
As can be seen from the test results of FIG. 4, the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 20 of the present invention does not have a defect up to about 1700V. Further, at an electrostatic voltage of 1700 V or higher, the failure frequency of the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 20 of the present invention is lower than the failure frequency of the tuning fork type piezoelectric vibrating piece 120.

<圧電振動デバイスの製造工程>
図5は、本実施形態のパッケージ音叉型振動子50の製造の全工程を示したフローチャートである。
<<圧電振動片の外形形成及び振動腕の溝部形成の工程>>
ステップS112では、水晶単結晶ウエハ10の全面に、耐蝕膜をスパッタリングもしくは蒸着などの手法により形成する。すなわち、圧電材料としての水晶単結晶ウエハ10を使用する場合に、金(Au)や銀(Ag)等を直接成膜することは困難なため、下地としてクロム(Cr)やチタン(Ti)等を使用する。つまり、この実施形態では、耐蝕膜としてクロム層の上に金層を重ねた金属膜を使用する。例えば、クロム層の厚みは500オングストローム、金層の厚みも500オングストローム程度とする。
<Piezoelectric vibration device manufacturing process>
FIG. 5 is a flowchart showing all steps of manufacturing the package tuning fork resonator 50 of the present embodiment.
<< Step of forming outer shape of piezoelectric vibrating piece and forming groove of vibrating arm >>
In step S112, a corrosion resistant film is formed on the entire surface of the quartz single crystal wafer 10 by a technique such as sputtering or vapor deposition. That is, when using the crystal single crystal wafer 10 as a piezoelectric material, it is difficult to directly form a film of gold (Au), silver (Ag), or the like, so that chromium (Cr), titanium (Ti), etc. Is used. That is, in this embodiment, a metal film in which a gold layer is stacked on a chromium layer is used as the corrosion resistant film. For example, the thickness of the chromium layer is about 500 angstroms, and the thickness of the gold layer is about 500 angstroms.

ステップS114では、クロム層及び金層が形成された水晶単結晶ウエハ10に、フォトレジスト層を全面にスピンコートなどの手法で均一に塗布する。フォトレジスト層としては、例えば、ノボラック樹脂によるポジフォトレジストを使用できる。   In step S114, a photoresist layer is uniformly applied to the entire surface of the quartz single crystal wafer 10 on which the chromium layer and the gold layer are formed by a technique such as spin coating. As the photoresist layer, for example, a positive photoresist made of novolak resin can be used.

次に、ステップS116では、露光装置を用いて、不図示のフォトマスクに描かれた音叉型水晶振動片20の外形パターンをフォトレジスト層が塗布された水晶単結晶ウエハ10を露光する。ステップS116では、両面露光装置を使って365nmのi線の露光光を用いて水晶単結晶ウエハ10の両面にフォトマスクに描かれた音叉型水晶振動片20のパターンを露光する。   Next, in step S116, the quartz single crystal wafer 10 on which the photoresist layer is applied to the external pattern of the tuning fork type quartz vibrating piece 20 drawn on a photomask (not shown) is exposed using an exposure apparatus. In step S116, the pattern of the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 drawn on the photomask is exposed on both sides of the crystal single crystal wafer 10 using i-line exposure light of 365 nm using a double-side exposure apparatus.

ステップS118では、水晶単結晶ウエハ10のフォトレジスト層を現像して、感光したフォトレジスト層を除去する。さらに、フォトレジスト層から露出した金層を例えば、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液を用いて、金層をエッチングする。次いで、金層が除去されて露出したクロム層を、例えば硝酸第2セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングする。水溶液の濃度、温度及び水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。これで耐蝕膜を除去することができる。   In step S118, the photoresist layer of the crystal single crystal wafer 10 is developed, and the exposed photoresist layer is removed. Further, the gold layer exposed from the photoresist layer is etched using, for example, an aqueous solution of iodine and potassium iodide. Next, the chromium layer exposed by removing the gold layer is etched with, for example, an aqueous solution of ceric ammonium nitrate and acetic acid. The concentration of the aqueous solution, the temperature, and the time of immersion in the aqueous solution are adjusted so that excess portions are not eroded. Thus, the corrosion resistant film can be removed.

ステップS120では、溝部31を形成するためのフォトレジスト層を全面にスピンコート又はスプレー塗布などの手法で均一に塗布する。
ステップS122では、溝部31に対応したフォトマスクを用意して、溝部31をフォトレジスト層が塗布された水晶単結晶ウエハ10を露光する。溝部31は音叉型水晶振動片20の両面に形成する必要があるため、露光光を用いて音叉型水晶振動片20の両面を露光する。両面露光装置を使って音叉型水晶振動片20の両面を一度に露光することもでき、また、片面露光装置を使って音叉型水晶振動片20の片面を露光し、音叉型水晶振動片20を裏返して他方の片面を露光することもできる。
ステップS124では、フォトレジスト層を現像後、感光したフォトレジストを除去する。残るフォトレジストは溝部31と対応したフォトレジストになる。フォトレジスト層から露出した金層はここではエッチングせず、ステップS128でエッチングする。
In step S120, a photoresist layer for forming the groove 31 is uniformly applied to the entire surface by a technique such as spin coating or spray coating.
In step S122, a photomask corresponding to the groove 31 is prepared, and the quartz single crystal wafer 10 coated with the photoresist layer is exposed in the groove 31. Since the groove portions 31 need to be formed on both surfaces of the tuning fork type crystal vibrating piece 20, both surfaces of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 are exposed using exposure light. The double-sided exposure apparatus can be used to expose both sides of the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 at once, and the single-sided exposure apparatus can be used to expose one side of the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 so that the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 can be exposed. It can also be turned over to expose the other side.
In step S124, after the photoresist layer is developed, the exposed photoresist is removed. The remaining photoresist becomes a photoresist corresponding to the groove 31. The gold layer exposed from the photoresist layer is not etched here, but is etched in step S128.

ステップS126では、フッ酸溶液をエッチング液として、フォトレジスト層及び耐蝕膜から露出した水晶材料を、音叉型水晶振動片20の外形になるようにウェットエッチングを行う。このウェットエッチングは、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により時間が変化するが、約6時間ないし約15時間かかる。
次いで、ステップS128では、溝部31のエッチングを行う。すなわち、溝部31と対応した露出した金層を例えば、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液でエッチングする。
In step S126, wet etching is performed on the quartz material exposed from the photoresist layer and the corrosion-resistant film so that the outer shape of the tuning-fork type quartz vibrating piece 20 is obtained using a hydrofluoric acid solution as an etchant. This wet etching takes about 6 hours to about 15 hours, although the time varies depending on the concentration, type and temperature of the hydrofluoric acid solution.
Next, in step S128, the groove 31 is etched. That is, the exposed gold layer corresponding to the groove 31 is etched with, for example, an aqueous solution of iodine and potassium iodide.

続いて、ステップS130で、フッ酸溶液をエッチング液として、耐蝕膜から露出した水晶材料を、溝部31の外形になるようにウェットエッチングを行う。溝部31が貫通孔にならないように途中でエッチングを終了するハーフエッチングを行う。これらの工程を経て、音叉型水晶振動片20に溝部31が正確な位置に形成される。
ステップS132では、不要となったフォトレジスト層と耐蝕膜を除去する
Subsequently, in step S <b> 130, wet etching is performed using the hydrofluoric acid solution as an etchant so that the quartz material exposed from the corrosion-resistant film has the outer shape of the groove 31. Half-etching is performed in which the etching is terminated halfway so that the groove 31 does not become a through hole. Through these steps, the groove 31 is formed in the tuning fork type crystal vibrating piece 20 at an accurate position.
In step S132, the photoresist layer and the corrosion resistant film that are no longer needed are removed.

<<電極の形成の工程>>
ステップS134では、音叉型水晶振動片20を純水で洗浄し、音叉型水晶振動片20の全面に駆動電極としての励振電極などを形成するための金属膜を蒸着又はスパッタリング等の手法により形成する。
ステップS136では、スプレーを使って全面にフォトレジストを塗布する。溝部31又は角部などが形成されているため、溝部31などにも均一にフォトレジストが塗布されるようにする。
<< Electrode Formation Process >>
In step S134, the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is washed with pure water, and a metal film for forming an excitation electrode or the like as a drive electrode is formed on the entire surface of the tuning fork type crystal vibrating piece 20 by a technique such as vapor deposition or sputtering. .
In step S136, a photoresist is applied to the entire surface using a spray. Since the grooves 31 or the corners are formed, the photoresist is uniformly applied to the grooves 31 and the like.

ステップS138では、電極パターン23及び電極パターン25に対応した不図示のフォトマスクを用意して、電極パターンをフォトレジスト層が塗布された水晶単結晶ウエハ10を露光する。電極パターン23及び電極パターン25には音叉型水晶振動片20の両面に形成する必要がある。電極パターンに対応したフォトマスクは、図1(a)又は図3に示した電極パターンのように、電極パターンの辺が曲線状に形成されている。   In step S138, a photomask (not shown) corresponding to the electrode pattern 23 and the electrode pattern 25 is prepared, and the crystal single crystal wafer 10 coated with the photoresist layer is exposed to the electrode pattern. It is necessary to form the electrode pattern 23 and the electrode pattern 25 on both surfaces of the tuning fork type crystal vibrating piece 20. In the photomask corresponding to the electrode pattern, the sides of the electrode pattern are formed in a curved shape like the electrode pattern shown in FIG.

ステップS140では、フォトレジスト層を現像後、感光したフォトレジストを除去する。残るフォトレジストは電極パターンと対応したフォトレジストになる。次いで、電極となる金属膜のエッチングを行う。すなわち、電極パターンと対応したフォトレジスト層から露出した金層を例えば、ヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液でエッチングし、次にクロム層を例えば硝酸第2セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングする。
続いて、ステップS142でフォトレジストを除去する。これらの工程を経て、音叉型水晶振動片20に励振電極などが正確な位置及び電極幅で形成される。
In step S140, after the photoresist layer is developed, the exposed photoresist is removed. The remaining photoresist becomes a photoresist corresponding to the electrode pattern. Next, the metal film to be an electrode is etched. That is, the gold layer exposed from the photoresist layer corresponding to the electrode pattern is etched with, for example, an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and then the chromium layer is etched with an aqueous solution of, for example, ceric ammonium nitrate and acetic acid.
Subsequently, the photoresist is removed in step S142. Through these steps, an excitation electrode or the like is formed on the tuning fork type crystal vibrating piece 20 with an accurate position and electrode width.

<パッケージング>
<<音叉型水晶振動子の構成>>
図6(a)は、本実施形態に係るセラミック製のパッケージ音叉型水晶振動子50を示す断面図である。このセラミック製のパッケージ音叉型振動子50は、上述の複数の実施形態の音叉型水晶振動片20を使用している。音叉型水晶振動片20はパッケージ51に導電接着剤31によって実装される。その後、蓋体56と封止材58とがシーム溶接などで固定されることで、音叉型水晶振動片20がパッケージ51内に封止される。
<Packaging>
<< Configuration of tuning fork crystal unit >>
FIG. 6A is a sectional view showing a ceramic package tuning fork type crystal resonator 50 according to the present embodiment. This package tuning fork type resonator 50 made of ceramic uses the tuning fork type crystal vibrating piece 20 of the plurality of embodiments described above. The tuning fork type crystal vibrating piece 20 is mounted on a package 51 by a conductive adhesive 31. Thereafter, the lid 56 and the sealing material 58 are fixed by seam welding or the like, so that the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is sealed in the package 51.

<<音叉水晶発振器の構成>>
図9(b)は、音叉水晶発振器60を示す図である。この音叉水晶発振器60は、上述のセラミック製のパッケージ音叉型振動子50と多くの部分で構成が共通している。従って、セラミック製のパッケージ音叉型振動子50と音叉型水晶振動片20の構成、作用等については、同一符号を付する等して、その説明を省略する。
<< Configuration of tuning fork crystal oscillator >>
FIG. 9B shows the tuning fork crystal oscillator 60. The tuning fork crystal oscillator 60 has the same configuration in many parts as the above-described ceramic package tuning fork resonator 50. Therefore, the configurations, operations, and the like of the ceramic package tuning fork vibrator 50 and the tuning fork crystal vibrating piece 20 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図9(b)に示す音叉型水晶発振器60は、図9(a)に示すセラミック製のパッケージ音叉振動子50の音叉型水晶振動片20の下方で、ベース部51aの上に集積回路61を配置したものである。すなわち、音叉水晶発振器60では、その内部に配置された、音叉型水晶振動片20が振動すると、その振動は、集積回路61に入力され、その後、所定の周波数信号を取り出すことで、発振器として機能することになる。このような集積回路61がパッケージ51に実装され、引き続き音叉型水晶振動片20がパッケージ51に導電接着剤31によって実装される。   The tuning fork type crystal oscillator 60 shown in FIG. 9B includes an integrated circuit 61 on the base portion 51a below the tuning fork type crystal vibrating piece 20 of the ceramic package tuning fork vibrator 50 shown in FIG. 9A. It is arranged. That is, in the tuning fork crystal oscillator 60, when the tuning fork type crystal vibrating piece 20 disposed therein vibrates, the vibration is input to the integrated circuit 61, and then functions as an oscillator by extracting a predetermined frequency signal. Will do. Such an integrated circuit 61 is mounted on the package 51, and then the tuning fork type crystal vibrating piece 20 is mounted on the package 51 with the conductive adhesive 31.

<<シリンダータイプ音叉水晶発振器の構成>>
図9(c)は、シリンダータイプ音叉振動子70を示す概略図である。このシリンダータイプ音叉振動子70は、上述の音叉型水晶振動片20を使用している。シリンダータイプ音叉振動子70は、その内部に音叉型水晶振動片20を収容するための金属製のキャップ75を有している。このキャップ75は、ステム73に対して圧入され、その内部が真空状態に保持されるようになっている。また、キャップ75に収容された音叉型水晶振動片20を保持するためのリード71が2本配置されている。リード71と音叉型水晶振動片20とは導電接着剤31で導電接合される。この音叉型水晶振動片20は、電極部から一定の電流が与えられると振動するようになっている。
<< Configuration of Cylinder Type Tuning Fork Crystal Oscillator >>
FIG. 9C is a schematic view showing a cylinder type tuning fork vibrator 70. The cylinder type tuning fork vibrator 70 uses the tuning fork type crystal vibrating piece 20 described above. The cylinder type tuning fork vibrator 70 has a metal cap 75 for accommodating the tuning fork type crystal vibrating piece 20 therein. The cap 75 is press-fitted into the stem 73 so that the inside thereof is maintained in a vacuum state. Two leads 71 for holding the tuning fork type crystal vibrating piece 20 accommodated in the cap 75 are arranged. The lead 71 and the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 are conductively joined with a conductive adhesive 31. The tuning fork type crystal vibrating piece 20 vibrates when a constant current is applied from the electrode portion.

各実施形態において、音叉型水晶振動片20は、振動腕21及び振動腕22を形成しているが、これに限らず、振動腕は3本でも、4本以上でもよい。また、水晶単結晶ウエハを使った実施形態で説明してきたが、水晶以外にもタンタル酸リチウム,ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。角加速度を検出するジャイロにも本発明を適用することができる。   In each embodiment, the tuning-fork type crystal vibrating piece 20 forms the vibrating arm 21 and the vibrating arm 22. However, the present invention is not limited to this, and the number of vibrating arms may be three or four or more. Further, although the embodiments using a quartz single crystal wafer have been described, piezoelectric materials such as lithium tantalate and lithium niobate can be used in addition to quartz. The present invention can also be applied to a gyro that detects angular acceleration.

(a)は、本発明の音叉型水晶振動片20の平面図であり、(b)はその側面図である。(A) is a top view of the tuning fork type | mold crystal vibrating piece 20 of this invention, (b) is the side view. 図1(a)に示したC2―C2の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along C2-C2 illustrated in FIG. (a)は、第2の電極パターン23−2,25−2であり、(b)は、第3の電極パターン23−3,25−3である。(A) is the second electrode patterns 23-2 and 25-2, and (b) is the third electrode patterns 23-3 and 25-3. 静電耐圧試験の結果を示した図である。It is the figure which showed the result of the electrostatic withstand voltage test. 圧電振動片、及び電極パターンの工程のフローチャートである。It is a flowchart of the process of a piezoelectric vibrating piece and an electrode pattern. パッケージされた圧電デバイスの態様を示す図である。It is a figure which shows the aspect of the packaged piezoelectric device. 従来の音叉型水晶振動片120を示す、正面図及び側面図である。It is the front view and side view which show the conventional tuning fork type crystal vibrating piece 120.

符号の説明Explanation of symbols

20 … 音叉型水晶振動片
21,22 … 振動腕
23,25 … 電極、 23a,25a … 基部電極、 23b,25b … 接続電極、 23c,25c … 側面電極、 23d,25d … 表面電極
28 … 連結部
29 … 基部
50 … パッケージ音叉型振動子
51 … パッケージ
60 … 音叉型水晶振動子
70 … シリンダータイプ音叉振動子
120 … 従来の音叉型水晶振動片
20 ... tuning-fork type crystal vibrating pieces 21, 22 ... vibrating arms 23, 25 ... electrode, 23a, 25a ... base electrode, 23b, 25b ... connection electrode, 23c, 25c ... side electrode, 23d, 25d ... surface electrode 28 ... connection part 29 ... Base 50 ... Package tuning fork type vibrator 51 ... Package 60 ... Tuning fork type crystal vibrator 70 ... Cylinder type tuning fork vibrator 120 ... Conventional tuning fork type crystal vibrating piece

Claims (6)

第1及び第2基部電極が形成されている基部と、
前記基部から突出する第1振動腕部及び第2振動腕部と、
前記第1及び第2振動腕部に形成されている第1及び第2励振電極と、
前記第1基部電極と前記第1励振電極とを曲線状に形成された電極で接続する第1接続電極部と、
前記第2基部電極と前記第2励振電極とを曲線状に形成された電極で接続する第2接続電極部と、
を備えることを特徴とする圧電振動片。
A base on which first and second base electrodes are formed;
A first vibrating arm portion and a second vibrating arm portion protruding from the base portion;
First and second excitation electrodes formed on the first and second vibrating arms;
A first connection electrode portion for connecting the first base electrode and the first excitation electrode with a curved electrode;
A second connection electrode part for connecting the second base electrode and the second excitation electrode with a curved electrode;
A piezoelectric vibrating piece comprising:
前記第1基部電極の直線の辺又は前記第1励振電極の直線の辺と、前記第1接続電極部の曲線状の辺とが合致する点において、第1接続電極部の曲線状の辺の接線方向が、前記直線の辺の方向と一致することを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。 At the point where the straight side of the first base electrode or the straight side of the first excitation electrode matches the curved side of the first connection electrode unit, the curved side of the first connection electrode unit The piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein a tangential direction coincides with a direction of a side of the straight line. 前記第1基部電極と前記第2基部電極とが向かい合う辺が、曲線状に形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電振動片。 3. The piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein a side where the first base electrode and the second base electrode face each other is formed in a curved shape. 前記第1接続電極部の一辺は一定の曲率で形成され、他の一辺も異なる一定の曲率で形成されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の圧電振動片。 3. The piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein one side of the first connection electrode portion is formed with a constant curvature, and the other side is formed with a different constant curvature. 前記第1接続電極部の一辺と前記第1基部電極の一辺とが同じ曲率で形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の圧電振動片。 4. The piezoelectric vibrating piece according to claim 1, wherein one side of the first connection electrode portion and one side of the first base electrode are formed with the same curvature. 5. 請求項1ないし請求項5のいずれか一項の圧電振動片と、
前記圧電振動片を収容するパッケージと、
前記パッケージを封止する封止部と
を備える圧電デバイス。
A piezoelectric vibrating piece according to any one of claims 1 to 5,
A package containing the piezoelectric vibrating piece;
A piezoelectric device comprising: a sealing portion that seals the package.
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