JP2011035501A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 圧電振動素子を導電性接着剤上に搭載するまでの経過時間を管理する必要がなく、生産性を向上させることができる圧電デバイスの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 本発明の圧電デバイスの製造方法は、圧電振動素子が素子搭載部材の主面に配置される圧電振動素子配置工程と、素子搭載部材の凹部空間の開口側に位置する前記圧電振動素子の主面に形成された引き出し電極と圧電振動素子搭載パッドとにかけて導電性接着剤を塗布する導電性接着剤塗布工程と、硬化炉の内部空間に素子搭載部材を収容し、導電性接着剤を加熱硬化させ、圧電振動素子搭載パッドと圧電振動素子とを導通固着する圧電振動素子固着工程と、蓋部材と素子搭載部材とを接合するための蓋部材接合工程とを含むことを特徴とするものである。
【選択図】図3

Description

本発明は、電子機器等に用いられる圧電デバイスの製造方法に関する。
図6は、従来の圧電デバイスを示す断面図である。以下、圧電デバイスの一例として圧電振動子について説明する。
従来の圧電デバイス300は、凹部空間311を有する素子搭載部材310と圧電振動素子320と蓋部材330とから主に構成されている。
前記素子搭載部材310は、基板部310aと第1の枠部310bと第2の枠部310cで構成されている。
この素子搭載部材310は、基板部310aの一方の主面に第1の枠部310b、第2の枠部310cの順に設けられて平面視して四角形状の凹部空間311が形成される。また、前記凹部空間311内には前記凹部空間311内底面より高い位置に2個一対の搭載部313が設けられている。
また、2個一対の搭載部313は、凹部空間311の開口面に対して対角となる位置に設けられている。その搭載部313には、圧電振動素子搭載パッド314がそれぞれに設けられている。
また、素子搭載部材310の基板部310aの他方の主面の4隅には、外部接続用電極端子315が設けられている。
また、素子搭載部材310の第2の枠部310cの主面には、封止用導体パターン211が設けられている。
蓋部材330は、前記素子搭載部材310の前記封止用導体パターン312と封止部材332で接合されている。
圧電振動素子320は、四角形の水晶素板321に励振用電極322を被着形成し、その励振用電極322から両短辺に向かってそれぞれ延出するようにして対角に位置するように引き出し電極323が形成されている。
励振用電極322は、前記水晶素板321の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
引き出し電極323は、前記水晶素板321の両主面に被着されている前記励振用電極322から両短辺に向かってそれぞれ延出するようにして対角に位置するように設けられている。
このような圧電振動素子320は、前記引き出し電極323と後述する凹部空間311内の搭載部313に形成されている後述する圧電振動素子搭載パッド314とを、導電性接着剤DSを介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間311に搭載される。
従来の圧電デバイスの製造方法は、前記素子搭載部材310の凹部空間311内の搭載部313に設けられた圧電振動素子搭載パッド314上に導電性接着剤DSを塗布し、前記導電性接着剤DS上に圧電振動素子320を搭載する工程と、前記導電性接着剤DSを加熱硬化させ、前記圧電振動素子搭載パッド313と、圧電振動素子320とを導通固着する工程と、蓋部材330と前記素子搭載部材310とを接合するための工程とを含む製造方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−7092号公報 特開2007−235340号公報
しかしながら、従来の圧電デバイスの製造方法では、前記素子搭載部材310の凹部空間311内の搭載部313に設けられた圧電振動素子搭載パッド314上に導電性接着剤DSを塗布し、この導電性接着剤DS上に圧電振動素子320を搭載している。
この際、圧電振動素子搭載パッド314に導電性接着剤DSを塗布してから、圧電振動素子320を導電性接着剤DS上に搭載するまでの経過時間を管理しなければならないといった課題があった。
また、圧電振動素子搭載パッド313に導電性接着剤DSを塗布してから、圧電振動素子320を導電性接着剤DS上に搭載するまでの経過時間が管理している時間を超えた素子搭載部材310については廃棄するため、生産性が低下してしまうといった課題があった。
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、圧電振動素子を導電性接着剤上に搭載するまでの経過時間を管理する必要がなく、生産性を向上させることができる圧電デバイスの製造方法を提供することを課題とする。
本発明の圧電デバイスの製造方法は、四角形の圧電素板に励振用電極を被着形成し、その励振用電極から前記四角形の圧電素板に対して対角に位置するように引き出し電極が形成されている圧電振動素子を、基板部とこの基板部の一方の主面に第1の枠部及び第2の枠部が設けられて凹部空間が形成され、凹部空間内底面の対角に位置する箇所に2個一対の搭載部が設けられ、2個一対の搭載部の主面にそれぞれ2個一対の圧電振動素子搭載パッドが設けられている素子搭載部材の基板部の主面に配置する圧電振動素子配置工程と、素子搭載部材の凹部空間の開口側に位置する圧電振動素子の主面に形成された引き出し電極と圧電振動素子搭載パッドとにかけて導電性接着剤を塗布する導電性接着剤塗布工程と、硬化炉の内部空間に素子搭載部材を収容し、導電性接着剤を加熱硬化させ、圧電振動素子搭載パッドと圧電振動素子とを導通固着する圧電振動素子固着工程と、蓋部材と素子搭載部材とを接合するための蓋部材接合工程とを含むことを特徴とするものである。
本発明の圧電デバイスの製造方法によれば、素子搭載部材の主面に圧電振動素子を配置した後、圧電振動素子搭載パッドに導電性接着剤を塗布するので、圧電振動素子搭載パッドに導電性接着剤を塗布してから、圧電振動素子を導電性接着剤上に搭載するまでの経過時間を管理する必要がなくなる。
また、素子搭載部材の主面に圧電振動素子を配置した後、圧電振動素子搭載パッドに導電性接着剤を塗布するので、素子搭載部材については廃棄する必要がなく、生産性を向上させることができる。
本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法で形成された圧電デバイスを示す分解斜視図である。 図1のA−A断面図である。 図3(a)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子配置工程を示す断面図であり、図3(b)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の導電性接着剤塗布工程を示す断面図であり、図3(c)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、図3(d)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の蓋部材接合工程を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子配置工程を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法で形成された圧電デバイスの他の一例を示す断面図である。 従来の圧電デバイスの断面図である。
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、圧電振動素子に水晶を用いた場合について説明する。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る圧電デバイスを示す分解斜視図である。図2は、図1のA−A断面図である。
本実施形態において、圧電デバイスの一例として、圧電振動子について説明する。
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る圧電振動子100は、素子搭載部材110と圧電振動素子120と蓋部材130で主に構成されている。この圧電振動子100は、前記素子搭載部材110に形成されている凹部空間111内に圧電振動素子120が搭載され、その凹部空間111が蓋部材130により気密封止された構造となっている。
圧電振動素子120は、図1及び図2に示すように、水晶素板121に励振用電極122を被着形成したものであり、外部からの交番電圧が励振用電極122を介して水晶素板121に印加されると、所定の振動モード及び周波数で励振を起こすようになっている。
水晶素板121は、人工水晶体から所定のカットアングルで切断し外形加工を施された概略平板状で平面形状が例えば四角形となっている。
励振用電極122は、前記水晶素板121の表裏両主面に金属を所定のパターンで被着・形成したものである。
引き出し電極123は、前記水晶素板121の両主面に被着されている前記励振用電極122から両短辺に向かってそれぞれ延出し対角に位置するように設けられている。
このような圧電振動素子120は、前記引き出し電極123と後述する凹部空間111内の搭載部TBに形成されている後述する圧電振動素子搭載パッド113とを、導電性接着剤DSを介して電気的且つ機械的に接続することによって凹部空間111に搭載される。
図1〜図2に示すように、素子搭載部材110は、基板部110a、第1の枠部110b、第2の枠部110cと、搭載部TBと、圧電振動素子搭載パッド113と、外部接続用電極端子114で主に構成されている。
素子搭載部材110は、基板部110aの一方の主面に第1の枠部110bと第2の枠部110cが設けられて、凹部空間111が形成されている。
この素子搭載部材110は、例えば基板部110aの上に第1の枠部110b、第2の枠部110cの順に積層されており、前記第2の枠部110cの対角の箇所が、前記第1の枠部110bの開口の幅よりも広くなるように形成されている。
これにより、第1の枠部110bと第2の枠部110cによって、凹部空間111底面の隅部で対角に位置する2個一対の搭載部TBが形成される。従って、2個一対の搭載部TBは、前記第1の枠部110bの前記凹部空間111内側壁部と、第2の枠部110cの主面によって形成される。つまり、2個一対の搭載部TBは、凹部空間111の開口面に対して対角となる位置に設けられている。
また、それぞれの搭載部TBの主面には、2個一対の圧電振動素子搭載パッド113が設けられている。
また、素子搭載部材110の基板部110aの他方の主面の4隅には、外部接続用電極端子114が設けられている。
尚、この素子搭載部材110を構成する基板部110a、第1の枠部110b、第2の枠部110cは、例えばアルミナセラミックス、ガラス−セラミック等のセラミック材料を複数積層することよって形成されている。また、基板部110aは、セラミック材が積層した構造となっている。
この素子搭載部材110の第2の枠部110cの主面には、環状の封止用導体パターン112が設けられている。
また、基板部110aの内層には、配線パターン(図示せず)等が設けられている。
素子搭載部材110の基板部110aの他方の主面には、外部接続用電極端子114が設けられている。
図4に示すように、圧電振動素子搭載パッド113は、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等から成る第1の金属層の表面に、金メッキ等からなる第2の金属層を積層することで形成されている。
前記封止用導体パターン112は、例えば、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、等から成る基層の表面にニッケル(Ni)層及び金(Au)層を順次、凹部空間111を環状に囲繞する形態で被着させることによって、10μm〜25μmの厚みに形成されている。
蓋部材130は、例えば、Fe−Ni合金(42アロイ)やFe−Ni−Co合金(コバール)などからなる。このような蓋部材130は、凹部空間111を、窒素ガスや真空などで気密的に封止される。具体的には、蓋部材130は、窒素雰囲気中や真空雰囲気中で、素子搭載部材110の第2の枠部110c上に載置され、第2の枠部110cの封止用導体パターン112と蓋部材130の封止部材131とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、第1の枠部110bに接合される。
封止部材131は、例えば、銀ロウ(Ag−Cu)、金錫(Au−Sn)等によって形成されている。
前記導電性接着剤DSは、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、例えばアルミニウム(Al)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)、ニッケル鉄(NiFe)、のうちのいずれかまたはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。
また、導電性接着剤DSには、塗布し易い粘度に調整するために添加した溶剤が含有されている。
尚、前記素子搭載部材110は、アルミナセラミックスから成る場合、所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得たセラミックグリーンシートの表面に、封止用導体パターン112、圧電振動素子搭載パッド113、外部接続用電極端子114等となる導体ペーストを、また、セラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内にビア導体となる導体ペーストを従来周知のスクリーン印刷によって塗布するとともに、これを複数枚積層してプレス成形した後、高温で焼成することにより製作される。
次に本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法について図3を用いて説明する。
ここで、図3(a)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子配置工程を示す断面図であり、図3(b)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の導電性接着剤塗布工程を示す断面図であり、図3(c)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子固着工程を示す断面図であり、図3(d)は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の蓋部材接合工程を示す断面図である。図4は、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法の圧電振動素子配置工程を示す概略図である。
(圧電振動素子配置工程)
図3(a)に示すように、圧電振動素子配置工程は、四角形の圧電素板121に励振用電極122を被着形成し、その励振用電極122から前記四角形の圧電素板121に対して対角に位置するように引き出し電極123が形成されている圧電振動素子120を、基板部110aとこの基板部110aの一方の主面に第1の枠部110b及び第2の枠部110cが設けられて凹部空間111が形成され、前記凹部空間111内底面の対角に位置する箇所に2個一対の搭載部TBが設けられ、前記2個一対の搭載部TBの主面にそれぞれ2個一対の圧電振動素子搭載パッド113が設けられている素子搭載部材110の基板部110aの主面に配置する工程である。
前記圧電振動素子120は、素子搭載部材110の凹部空間111内の基板部110aの主面に対角に位置するように設けられた搭載部TBの間に配置される。
つまり、素子搭載部材110の搭載部TBに設けられた圧電振動素子搭載パッド113と、素子搭載部材110の凹部空間111の開口側に位置する圧電振動素子120の主面に設けられた引き出し電極123が並ぶようにして配置されている。
また、図4に示すように、搭載部TBの高さ方向の厚みt1と圧電振動素子の厚みt2との関係は、t1=2×t2となっている。圧電振動素子120の厚みt2が、例えば40μmであれば、搭載部TBの高さ方向の厚みt1は、80μmである。
(圧電振動素子搭載工程)
図3(b)に示すように、導電性接着剤塗布工程は、前記圧電振動素子搭載パッド113と素子搭載部材110の凹部空間111の開口側に位置する前記圧電振動素子120の主面に設けられた引き出し電極123にかけて導電性接着剤DSを塗布する工程である。
前記圧電振動素子搭載パッド113上から、圧電振動素子120の引き出し電極123に渡るように導電性接着剤DSを塗布する。
(圧電振動素子固着工程)
図3(c)に示すように、圧電振動素子固着工程は、硬化炉の内部空間に前記素子搭載部材110を収容し、前記導電性接着剤DSを加熱硬化させ、前記圧電振動素子搭載パッド113と前記圧電振動素子120とを導通固着する工程である。
この圧電振動素子固着工程により、導電性接着剤DSが収縮して圧電振動素子120を持ち上げ、圧電振動素子120の励振用電極122は、素子搭載部材110の基板部110aとの接触をなくさせる。つまり、圧電振動素子120の励振用電極122が素子搭載部材110の基板部110aに接触した状態から圧電振動素子120の励振用電極122が素子搭載部材110の基板部110aから離間した状態へ変化させる。
硬化炉(図示せず)は、炉本体と、加熱部と、供給部、制御部によって構成されている。
炉本体は、内部空間を有し、前記素子搭載部材110を格納する役割を果たす。
加熱部は、前記内部空間を所定の温度に加熱する役割を果たす。加熱部は、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ等が用いられている。
供給部は、前記内部空間にガスを供給する役割を果たす。ガスは、例えば窒素等が用いられている。
制御部は、炉本体の内部空間の温度や酸素濃度、加熱部の昇温速度、供給部のガスの供給量の制御を行うものである。
また、前記導電性接着剤DSの収縮率が、例えば20〜25%のものが用いられる。
導電性接着剤DSの収縮率が20%未満であれば、圧電振動素子120が素子搭載部材110aの凹部空間111内の基板部110aの主面から浮き上がらないものや、圧電振動素子120と素子搭載部材110aの凹部空間111内の基板部110aの主面との間隔が10μm未満となり、落下等により圧電振動素子120の励振用電極122が基板部110aの主面に接触するものがあった。
導電性接着剤DSの収縮率が25%以上であれば、導電性接着剤DSが堅くなりすぎて、落下した際に圧電振動素子120の引き出し電極123と導電性接着剤DSとの界面が割れてしまうものがあった。
このように、前記導電性接着剤DSの収縮率が、例えば20〜25%のものを用いることで、圧電振動素子120が素子搭載部材110aの凹部空間111内の基板部110aの主面から浮き上がらせるとともに、圧電振動素子120の引き出し電極123と導電性接着剤DSとの界面が割れてしまうことを防ぐことができる。
(蓋部材接合工程)
図3(d)に示すように、蓋部材接合工程は、前記圧電振動素子120を気密封止するように素子搭載部材110に蓋部材130を接合する工程である。
蓋部材130は、例えば、Fe−Ni合金(42アロイ)やFe−Ni−Co合金(コバール)が用いられ、圧電振動素子120を窒素ガス雰囲気中や真空雰囲気中などで気密封止する際に用いられる。
具体的には、蓋部材130は、窒素ガス雰囲気中や真空雰囲気中で、前記素子搭載部材110の第2の枠部110c上に載置され、前記第2の枠部110cの主面に設けられた封止用導体パターン112と蓋部材130の封止部材131とが溶接されるように、シーム溶接機(図示せず)のローラ電極を蓋部材130に接触させ、前記ローラ電極に電源を供給しながら、蓋部材130の外側縁部に沿って動かすことで、前記第2の枠部110cに接合される。
封止部材131は、例えば、銀ロウ(Ag−Cu)、金錫(Au−Sn)等によって形成されている。
本発明の圧電デバイスの製造方法100によれば、素子搭載部材110の主面に圧電振動素子120を配置した後、圧電振動素子搭載パッド113に導電性接着剤DSを塗布するので、圧電振動素子搭載パッド113に導電性接着剤DSを塗布してから、圧電振動素子120を導電性接着剤DS上に搭載するまでの経過時間を管理する必要がなくなる。
また、素子搭載部材110の主面に圧電振動素子120を配置した後、圧電振動素子搭載パッド113に導電性接着剤DSを塗布するので、素子搭載部材310については廃棄する必要がなく、生産性を向上させることができる。
(第2の実施形態)
次に本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイスについて説明する。本実施形態における圧電デバイスの一例として、圧電発振器について説明する。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。また、図示した寸法も一部誇張して示している。
本発明の第2の実施形態に係る圧電デバイス200は、素子搭載部材210の基板部210aと第3の枠部210dによって設けられた第2の凹部空間216内に集積回路素子240が搭載されている点で第1の実施形態と異なる。
図5に示すように、本発明の第2の実施形態に係る圧電発振器200は、素子搭載部材210と圧電振動素子120と蓋体130と集積回路素子240で主に構成されている。この圧電発振器200は、前記素子搭載部材210に形成されている第1の凹部空間211内に圧電振動素子120が搭載され、前記素子搭載部材210に形成されている第2の凹部空間216内に集積回路素子240が搭載され、その第1の凹部空間211が蓋体130により気密封止された構造となっている。
集積回路素子240は、図5に示すように、回路形成面に前記圧電振動素子120からの発振出力を生成する発振回路等が設けられており、この発振回路で生成された出力信号は外部接続用電極端子214を介して圧電発振器200の外へ出力され、例えば、クロック信号等の基準信号として利用される。
また、集積回路素子240には、可変容量素子に周囲温度に応じた制御電圧を印加して温度変化による発振回路の発振周波数の変動を補償するため、3次関数発生回路及び記憶素子部により温度補償回路部が設けられており、3次関数発生回路には、温度センサが接続されている。
この温度センサは、検出した温度と、温度センサに印加させる電圧値とに基づいて生成される温度データ信号(電圧値)が3次関数発生回路に出力される構成となっている。
集積回路素子240は、素子搭載部材210の第2の凹部空間216内に露出した基板部210aに形成された集積回路素子搭載パッド215に半田等の導電性接合材を介して搭載されている。
図5に示すように、素子搭載部材210は、基板部210aと、第1の枠部210bと、第2の枠部210cと、第3の枠部210dと、搭載部TBと、圧電振動素子搭載パッド213、外部接続用電極端子214と、集積回路素子搭載パッド215とで主に構成されている。
素子搭載部材210は、基板部210aの一方の主面に第1の枠部210bと第2の枠部210cが設けられて、第1の凹部空間211が形成されている。
また、素子搭載部材210は、基板部210aの他方の主面に第3の枠部210dが設けられて、第2の凹部空間216が形成されている。
この素子搭載部材210は、例えば基板部210aの上に第1の枠部210b、第2の枠部210cの順に積層されており、前記第2の枠部210cの対角の箇所が、前記第1の枠部210bの開口の幅よりも広くなるように形成されている。
これにより、第1の枠部210bと第2の枠部210cによって、第1の凹部空間211底面の隅部で対角に位置する2個一対の搭載部TBが形成される。従って、2個一対の搭載部TBは、前記第1の枠部210bの前記凹部空間211内側壁部と、第2の枠部210cの主面によって形成される。つまり、2個一対の搭載部TBは、第1の凹部空間211の開口面に対して対角となる位置に設けられている。
また、それぞれの搭載部TBの主面には、2個一対の圧電振動素子搭載パッド213が設けられている。
素子搭載部材210の第3の枠部210dの他方の主面の4隅には、外部接続用電極端子214が設けられている。
図5に示すように、第2の凹部空間216内で露出した基板部210aの他方の主面には、複数の集積回路素子搭載パッド215と2個一対の圧電振動素子測定用パッド(図示せず)が形成されている。
尚、本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
例えば、前記した本実施形態では、圧電振動素子を構成する圧電素材として水晶を用いた場合を説明したが、他の圧電素材として、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムまたは、圧電セラミックスを圧電素材として用いた圧電振動素子でも構わない。
110、210・・・素子搭載部材
110a、210a・・・基板部
110b、210b・・・第1の枠部
110c、210c・・・第2の枠部
210d・・・第3の枠部
111、211・・・凹部空間(第1の凹部空間)
112、212・・・封止用導体パターン
113、213・・・圧電振動素子搭載パッド
114、214・・・外部接続用電極端子
215・・・集積回路素子搭載パッド
216・・・第2の凹部空間
120・・・圧電振動素子
121・・・圧電素板
122・・・励振用電極
123・・・引き出し電極
130・・・蓋部材
131・・・封止部材
DS・・・導電性接着剤
100、200・・・圧電デバイス

Claims (1)

  1. 四角形の圧電素板に励振用電極を被着形成し、その励振用電極から前記四角形の圧電素板に対して対角に位置するように引き出し電極が形成されている圧電振動素子を、
    基板部とこの基板部の一方の主面に第1の枠部及び第2の枠部が設けられて凹部空間が形成され、前記凹部空間内底面の対角に位置する箇所に2個一対の搭載部が設けられ、前記2個一対の搭載部の主面にそれぞれ2個一対の圧電振動素子搭載パッドが設けられている素子搭載部材の基板部の主面に配置する圧電振動素子配置工程と、
    前記素子搭載部材の凹部空間の開口側に位置する前記圧電振動素子の主面に形成された引き出し電極と前記圧電振動素子搭載パッドとにかけて導電性接着剤を塗布する導電性接着剤塗布工程と、
    硬化炉の内部空間に前記素子搭載部材を収容し、前記導電性接着剤を加熱硬化させ、前記圧電振動素子搭載パッドと前記圧電振動素子とを導通固着する圧電振動素子固着工程と、
    蓋部材と前記素子搭載部材とを接合するための蓋部材接合工程とを含むことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
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