JP2014027505A - 振動片、振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体及び振動片の製造方法 - Google Patents

振動片、振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体及び振動片の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】水晶基板の厚み滑り振動の振動方向に生じる厚み屈曲振動モードの影響を低減し、CI値の低減を図り、周波数温度特性を改善することを可能とする小型の振動片及びその製造方法を提供する。
【解決手段】水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板を準備する工程と、前記側面をエッチングする工程を行い、前記X軸と交差する少なくとも一方の側面に、少なくとも4つ以上の結晶面133,134,135,136,137,138を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、振動片、振動素子、振動子、電子デバイス、電子機器、移動体及び振動片の製造方法に関する。
主振動が厚み滑り振動で励振する水晶振動片が用いられている水晶振動子は、小型化、高周波数化に適し、且つ、周波数温度特性が優れているので、発振器、電子機器等の多方面で使用されている。特に、近年では携帯電話やコンピューター等の様々な電子機器の小型化、薄型化に伴い、それに用いられる水晶振動子に対してもより一層の小型化、薄型化の要求が強まっている。
しかし、水晶振動子の小型化を図ろうとすると、振動領域と保持部との間隔が近くなるため振動エネルギーが漏洩しCI(クリスタル・インピーダンス=水晶振動子の等価抵抗)が低減することや主振動である厚み滑り振動の共振周波数近傍に、水晶振動片の輪郭寸法に依存した厚み屈曲振動等の不要な振動モードに起因したスプリアスが発生し、主振動と結合することで温度変化に対する周波数及びCIの非連続的な変動、所謂、特異現象(Anomalous Activity Dip)等が生じるという問題があった。これに対し、特許文献1には、CI値の低減や主振動と屈曲振動との結合を回避するために、メサ型水晶振動子のメサ部のX軸方向側面を垂直ではなく傾斜させて、例えば、一方の側面の傾斜角が35°、他方の側面の傾斜角が63°であることを特徴とするATカット水晶振動片が開示されている。
また、特許文献2には、厚み滑り振動の振動方向に生じる屈曲振動の腹の位置をメサ部の端縁と励振電極の端縁に合わせるように設計することにより屈曲振動を抑圧することができることが開示されている。
また更に、特許文献3には、水晶振動片のX軸方向の側面に水晶のエッチング異方性に起因した傾斜面が現出することが開示されている。
特開2001−230655号公報 特開2006−340023号公報 特開2010−283660号公報
上述の特許文献1や特許文献2に開示されている水晶振動片では、更なる小型化を図る場合、励振部の厚み滑り振動の振動方向であるX軸方向、即ち振動片の長辺方向に十分な屈曲振動の抑圧が得られていないという課題があった。
従って、本願発明において小型の振動片及びその製造方法を提供する際の課題は、第1に水晶基板の厚み滑り振動の振動方向に生じる厚み屈曲振動モードの影響の低減であり、第2にCI値の低減であり、第3に周波数温度特性を改善することである。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る振動片の製造方法は、水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板を準備する工程と、前記X軸と交差する少なくとも一方の側面に少なくとも4つの面が形成されるように前記側面をエッチングする工程と、を含むことを特徴とする
本適用例によれば、回転Yカット水晶基板の振動片を小型化しても、X軸側の側面に少なくとも4つの面が形成されるようにエッチングを施すことにより、水晶振動片の輪郭寸法に依存した厚み屈曲振動モードの影響を抑制した振動片を製造できる。また、不要な屈曲振動モードを抑制するので、CI値を低減した振動片を製造できる。更に、周波数温度特性を改善した振動片を製造できるという効果がある。
[適用例2]上記適用例に記載の振動片の製造方法において、前記エッチングする工程は、前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上薄くすることを特徴とする。
本適用例によれば、回転Yカット水晶基板の振動片を小型化しても、Y’軸方向の厚みを10%以上薄くなるようにエッチングすることにより、+X軸側の側面に4つ以上の面が形成され、水晶振動片の輪郭寸法に依存した厚み屈曲振動モードの影響をより一層抑制した振動片を製造できる。また、不要な屈曲振動モードを抑制するので、より一層CI値を低減した振動片を製造できる。更に、周波数温度特性がより一層改善した振動片を製造できるという効果がある。
[適用例3]上記適用例に記載の振動片の製造方法において、前記エッチングする工程は、前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上15%未満の範囲で薄くすることを特徴とする。
本適用例によれば、回転Yカット水晶基板の振動片を小型化しても、Y’軸方向の厚みを10%以上15%未満の範囲で薄くなるようにエッチングすることにより、+X軸側の側面に4つの面が形成され、水晶振動片の輪郭寸法に依存した厚み屈曲振動モードの影響を抑制できるので、周波数温度特性を改善した振動片を製造できるという効果がある。
[適用例4]上記適用例に記載の振動片の製造方法において、前記エッチングは、ウェットエッチングであることを特徴とする。
本適用例によれば、エッチングをウェットエッチングで行うことで、水晶の結晶異方性に伴い、ウェットエッチングによって生じる新たな結晶面を利用できるという効果がある。
[適用例5]上記適用例に記載の振動片の製造方法において、前記エッチングする工程は、前記回転Yカット水晶基板の+Y’軸側の主面に第1マスクを配置し、−Y’軸側の主面に第2マスクを配置し、前記第1マスク及び前記第2マスクを介して前記回転Yカット水晶基板をウェットエッチングすることによって、振動片の外形を形成する工程と、前記第1マスク及び前記第2マスクを除去する工程と、前記マスクを除去された振動片をウェットエッチングすることによって、前記側面に少なくとも4つの面を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
本適用例によれば、水晶基板をウェットエッチングすることによって、振動片の外形を形成する工程により、X軸側の側面に2つの面が形成され、その後更に振動片をウェットエッチングすることによって、側面に少なくとも4つの面を形成することができるので、厚み屈曲振動モードの影響を抑制して周波数温度特性を改善できる振動片の製造ができるという効果がある。
[適用例6]本適用例に係る振動片は、水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板の前記X軸と交差する少なくとも一方の側面が、少なくとも4つの面を含むことを特徴とする。
本適用例によれば、振動片を小型化しても、X軸側の側面に少なくとも4つの面があることで、厚み屈曲振動モードの影響を抑制して周波数温度特性を改善できるという効果がある。
[適用例7]上記適用例に記載の振動片において、前記一方の側面が6つの面を含むことを特徴とする。
本適用例によれば、振動片を小型化しても、X軸側の側面に6つの面があることで、厚み屈曲振動モードの影響を大幅に抑制して周波数温度特性を大幅に改善できるという効果がある。
[適用例8]上記適用例に記載の振動片において、前記回転Yカット水晶基板のX軸と交差する他方の側面が、2つの面を含むことを特徴とする。
本適用例によれば、振動片を小型化しても、X軸側の他方の側面にも2つの面があることで、厚み屈曲振動モードの影響をより一層抑制して周波数温度特性をより一層改善できるという効果がある。
[適用例9]上記適用例に記載の振動片において、+Y’軸側の第1主面、−Y’軸側の第2主面、及び前記4つの面或いは前記6つの面において、端部が互いに接続されている2つの面がなす角度が鈍角であることを特徴とする。
本適用例によれば、X軸側の側面に形成された2つから6つの結晶面において、2つの面がなす角度が全て鈍角であることで、X軸側の側面を利用して、励振電極とパッド電極とをリード電極で接続する場合に、リード電極の断線を防止できるという効果がある。
[適用例10]上記適用例に係る振動片において、前記回転Yカット水晶基板の少なくとも一方の主面に突出部が設けられていることを特徴とする。
本適用例によれば、振動片を小型化しても、水晶基板の励振電極を形成する位置に厚肉中央部と薄肉周辺部とによるメサ形状を形成することで、主振動に重畳する厚み屈曲振動モード等の不要波を大幅に抑制でき、周波数温度特性が大幅に改善できるという効果がある。
[適用例11]本適用例に係る振動素子は、上記適用例に記載の振動片の表裏の主面に励振電極を含むことを特徴とする。
本適用例によれば、励振電極を形成することで、主振動である厚み滑り振動モードを安定して励振することができるという効果がある。
[適用例12]本適用例に係る振動子は、上記適用例に記載の振動素子と、前記振動素子を収容しているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、小型の振動素子をパッケージに収容することで、温度変化や湿度変化等の外乱の影響や汚染による影響を防ぐことができるため、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性及び周波数エージング特性に優れた、小型の振動子が得られるという効果がある。
[適用例13]本適用例に係る電子デバイスは、上記適用例に記載の振動素子と、電子部品と、前記振動素子及び前記電子部品が搭載されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、周波数再現性、周波数温度特性、CI温度特性及び周波数エージング特性に優れた小型の振動子を用い、発振回路を構成することで、小型で安定した発振特性を有する発振器等の電子デバイスの小型化が図れるという効果がある。
[適用例14]本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の振動素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、CI値が小さく、周波数温度特性の良好な小型の振動素子を用いることで、良好な基準周波数源を備えた小型の電子機器が構成できるという効果がある。
[適用例15]本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の振動素子を備えていることを特徴とする。
本適用例によれば、CI値が小さく、周波数温度特性の良好な小型の振動素子を用いることにより、安定な基準周波数源を備えた小型の電子デバイスが構成できるので、移動体を正確に制御することができるという効果がある。
本発明の一実施形態に係る振動片の構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)はP−P断面図。 ATカット水晶基板と結晶軸との関係を説明するための図。 本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法の一例を示す工程の水晶基板と振動片の概略断面図。 本発明の一実施形態に係る振動素子のX軸端部断面形状に対する振動変位を説明する図であり、(a)はエッチング量10%未満のX軸端部断面形状、(b)はエッチング量10%以上15%未満のX軸端部断面形状、(c)はエッチング量15%以上のX軸端部断面形状、(d)は各エッチング量に対する厚み屈曲振動エネルギー分布図。 本発明の一実施形態に係る振動素子のZ’軸端部断面形状に対する振動変位を説明する図であり、(a)はエッチング量10%未満のZ’軸端部断面形状、(b)はエッチング量10%以上15%未満のZ’軸端部断面形状、(c)はエッチング量15%以上のZ’軸端部断面形状、(d)は各エッチング量に対する振動変位図。 本発明の一実施形態に係る振動片の別の構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)はP−P断面図。 本発明の一実施形態に係る振動片の別の製造方法の一例を示す工程(外形加工工程)の水晶基板と振動片の概略断面図。 本発明の一実施形態に係る振動片の別の製造方法の一例を示す工程(メサ加工工程)の水晶基板と振動片の概略断面図。 本発明の一実施形態に係る振動素子の構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)はP−P断面図。 本発明の一実施形態に係る振動子の構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図。 本発明の一実施形態に係る振動子の変形例を示した縦断面図であり、(a)は変形例1の縦断面図、(b)は変形例2の縦断面図。 本発明の一実施形態に係る電子デバイスの構造を示した概略図であり、(a)は平面図、(b)は縦断面図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としての携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図。 本発明の一実施形態に係る振動素子を備える振動子や電子デバイスを適用した移動体としての自動車の構成を示す斜視図。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る振動片の構造を示す概略図であり、図1(a)は振動片の平面図、図1(b)は図1(a)のP−P断面図である。
(振動片の構造)
振動片1は、水晶基板10の中央部に振動部12を有しており、水晶基板10の厚み滑り振動の振動方向であるX軸方向を長辺とし、Z’軸方向を短辺とする矩形である。また、振動片1のX軸方向の−側の側面21cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面131cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。
水晶基板10は、図2に示すように、互いに直交する結晶軸X、Y、Zを有し、X軸は電気軸、Y軸は機械軸、Z軸は光学軸と、それぞれ呼称され、XZ面をX軸の回りに所定の角度θだけ回転させて得られる平面に沿って、切り出された平板であって、所謂、回転Yカット水晶基板である。
回転Yカット水晶基板の角度θが35.25°(35°15′)の場合、ATカット水晶基板と呼称され、優れた温度特性を有する。ここで、ATカット水晶基板は、直交する結晶軸X、Y’、Z’を有し、厚み方向がY’軸であり、Y’軸に直交するX軸とZ’軸を含む面が主面であり、主面に厚み滑り振動が主振動として励振される。
(振動片の製造方法)
次に、本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法について、図3の製造工程の水晶基板と振動片の概略断面図を参照しながら説明する。振動片1は量産性や製造コストを考慮し、大型基板から複数個の振動片1をバッチ処理方式で製造されるのが一般的である。ここでは、一個の振動片1の概略断面図で説明する。また、水晶基板10はATカット水晶基板を用いた例で説明する。
X軸方向を長辺、Z’軸方向を短辺、Y’軸方向を厚さとするように、振動片1を外形加工する。先ず、水晶基板にラッピングやポリッシュ加工等を施し、所望の平面及び厚さを有する水晶基板10を準備する。水晶基板10の表裏両主面に、例えば所定膜厚の下地層となるクロム(Cr)31及び耐食層となる金(Au)32をスパッタまたは蒸着により形成し、レジスト33を塗布後、フォトリソグラフィ技法とエッチング技法を使用して、マスク30a、30bを形成する(図3(a))。
次に、マスク開口から露出した水晶基板10をフッ化アンモニウム溶液等を用いてエッチングする。水晶のエッチング異方性によって、水晶基板10の露出面には、水晶基板10の主面からそれぞれ異なる角度で傾斜した結晶面23、24、133、134が現れる(図3(b))。図3(b)において、水晶基板10の+Y’軸側には、X軸方向の−側に水晶基板10の主面の法線方向に対する傾斜角度が約55°(55°±2°、つまり53°〜57°の範囲)の結晶面23が形成され、X軸方向の+側に傾斜角度が約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133が形成される。水晶基板10の−Y’軸側には、これとは線対称に、X軸方向の−側に傾斜角度が約55°(55°±2°、つまり53°〜57°の範囲)の結晶面24が形成され、X軸方向の+側に傾斜角度が約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面134が形成される。その後、水晶基板10の露出面のエッチングを更に進めると、マスクされていない水晶部分が完全に貫通し、X軸方向の−側の側面21は、結晶面23と結晶面24との2面の結晶面で構成された側面形状となり、X軸方向の+側の側面131は、結晶面133と結晶面134との2面の結晶面で構成された側面形状となる(図3(c))。
続いて、レジスト33を剥離し、クロム(Cr)31及び金(Au)32を全て除去する(図3(d))。その後、X軸方向の側面21、131に2面の結晶面を有する振動片101の全周部をフッ化アンモニウム溶液等を用いてエッチングし、所望の周波数となるように振動部12の厚みを調整する。
エッチング量Mdは水晶基板10の振動部12の厚みを基準とし、下記式(1)で表すこととする。
Md=(T0−Tx)/T0 (%)・・・(1)
ここで、T0は厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚み、Tx(ここでxは1〜3である)は厚み調整エッチング後の水晶基板10の振動部12の厚みである。
つまり、Mdとは、厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みと厚み調整エッチング後の水晶基板10の振動部12の厚みとの差である除去する厚みの量を厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みに対する割合(%)で表したものである。
ウェットエッチングにより除去する厚みの量Md(以後、エッチング量Mdと称す)が10%未満の場合、振動片102のX軸方向の−側の側面21aは、傾斜角度約55°(55°±2°、つまり53°〜57°の範囲)の結晶面23、24から新たに傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26が生じ、2面の結晶面で構成された側面形状となることが分かった。また、X軸方向の+側の側面131aは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134の2面で構成された側面形状であり、厚み調整エッチング前の形状と同等の形状である(図3(e))。
次に、エッチング量Mdを10%以上とした場合、振動片103、104のX軸方向の+側の側面131b、131cには、新たな傾斜角度を有する結晶面が生じ、4面以上の結晶面で構成された側面形状となり、エッチング量Mdが大きくなるのに比例し、X軸方向の+側の側面を構成する結晶面の数が多くなることが明らかとなった。
つまり、エッチング量Mdが10%以上15%未満の場合には、振動片103のX軸方向の−側の側面21bは、傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26の2面の結晶面で構成された側面形状であり、エッチング量Mdが10%未満の場合と同等の形状である。しかし、X軸方向の+側の側面131bは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134と、新たに水晶基板10の+Y’側主面と結晶面133との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面135と、水晶基板10の−Y’側主面と結晶面134との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面136と、を含む4面の結晶面で構成された側面形状となる(図3(f))。
なお、振動片103のX軸方向の−側の側面21bにおける、水晶基板10の+Y’側主面と結晶面25とのなす角度、結晶面25と結晶面26とのなす角度、結晶面26と水晶基板10の−Y’側主面とのなす角度は、全て鈍角になっている。また、振動片103のX軸方向の+側の側面131bにおける、水晶基板10の+Y’側主面と結晶面135とのなす角度、結晶面135と結晶面133とのなす角度、結晶面133と結晶面134とのなす角度、結晶面134と結晶面136とのなす角度、結晶面136と水晶基板10の−Y’側主面とのなす角度も、全て鈍角になっている。
更にエッチングを施し、エッチング量Mdを15%以上とした場合には、振動片104のX軸方向の−側の側面21cは、傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26の2面の結晶面で構成された側面形状であり、エッチング量Mdが15%未満の場合と同等の形状である。しかし、X軸方向の+側の側面131cは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134と傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面135、136との4面の結晶面と、新たに水晶基板10の+Y’側主面と結晶面135との間に生じた傾斜角度約86°(86°±2°、つまり84°〜88°の範囲)の結晶面137と、水晶基板10の−Y’側主面と結晶面136との間に生じた傾斜角度約86°(86°±2°、つまり84°〜88°の範囲)の結晶面138と、を含む6面の結晶面で構成された側面形状となることが分かった(図3(g))。
更に、X軸方向の+側の側面131cにおいて、新たに生じた結晶面137、138についても、水晶基板10の+Y’側主面と結晶面137とのなす角度、結晶面137と結晶面135とのなす角度、結晶面136と結晶面138とのなす角度、結晶面138と水晶基板10の−Y’側主面とのなす角度は、全て鈍角になっている。
従って、振動片の外形を形成した後に、厚み調整等の更なるエッチングを施すことで、X軸方向の両側面、特に+X軸方向の側面に新たな結晶面が生じることが判明したことにより、エッチング量Mdを10%以上とすると、2面の結晶面で構成された−X軸方向の側面と4面以上の結晶面で構成された+X軸方向の側面を有する振動片を製造することが可能となった。
図4(a)、(b)、(c)は、エッチング量Mdに対する振動片102、103、104のX軸方向の断面形状を示したものであり、図4(d)は、励振電極15を形成した振動片102、103、104のX軸方向における厚み屈曲振動の振幅エネルギーを示している。図4(d)に示すように、エッチング量Mdが大きくなるのに伴い、振動片のX軸方向に重畳した厚み屈曲振動の振幅エネルギーが減衰する傾向を示している。つまり、振動片のX軸方向の両側面、特に+X側の側面が複数の結晶面で構成された側面形状となり、よりコンベックス形状に類似してきたため、輪郭寸法に起因した厚み屈曲振動モードが抑制され、X軸方向に重畳していた厚み屈曲振動の振幅エネルギーが減衰したものと考えられる。そこで、本願発明者らは、エッチング量Mdを大きくすることで多くの結晶面で側面を構成することにより、屈曲振動モードが抑制することができ、CI値の低減に有効であることを見出した。
振動片は、振動片のZ’に沿った端部が図4(d)のX1、X2、X3のような屈曲振動のエネルギーが減衰している位置となる、即ち、屈曲振動の腹となる位置となるように振動片のX軸方向の寸法を決定しているが、厳密には、屈曲振動のエネルギーはゼロではないため、本発明を適用することにより、減衰領域のエネルギーを更に減衰させることができるので、屈曲振動をより効果的に抑圧することができ、更に、振動片のX軸方向の寸法に多少のバラツキが生じたとしても屈曲振動を十分抑圧することができるという優れた効果を奏する。
なお、エッチング量Mdを30%以上施すことでX軸方向の側面に更なる新たな結晶面を形成し、X軸方向におけるエネルギー閉じ込め効果を高めることも可能と思われるが、振動片主面の表面にエッチピット(エッチチャンネルとも言う)等に起因した凹凸が生じることによるCI値劣化が予想されるので、エッチング量Mdの上限は30%程度と考えられる。
ところで、振動片をウェットエッチングにより厚みを調整する際、Z’軸に交差する側面においても以下のような現象が生じることとなる。
図5(a)、(b)、(c)は、エッチング量Mdに対する振動片102、103、104のZ’軸端部断面形状を示したものであり、図5(d)は、励振電極15を形成した振動片102、103、104のZ’軸方向における振動変位を示している。
Z’軸に交差する側面の形状は、振動片の断面となるY’Z’面の中心点に対し点対称構造となっている。
エッチング量Mdが10%未満の場合、Z’軸方向の両側面321は結晶面324と結晶面325とからなる2面の結晶面で構成された側面形状である(図5(a)。
次に、エッチング量Mdを10%以上15%未満とした場合、Z’軸方向の両側面322は、結晶面324と、結晶面325と、結晶面324と振動片102のY’側主面との間に生じた新たな結晶面327と、結晶面328と、を含む4面の結晶面で構成された側面形状となる(図5(b))。
更にエッチングを施し、エッチング量Mdを15%以上とした場合、Z’軸方向の両側面323は、結晶面324と結晶面328との間に新たな結晶面329が生じ、5面の結晶面で構成された側面形状となる(図5(c))。
なお、各結晶面の水晶基板10の主面の法線方向に対する傾斜角度は、結晶面324は約3°(3°±2°、つまり1°〜3°の範囲)、結晶面325は約54°(54°±2°、つまり52°〜56°の範囲)、結晶面327は約37°(37°±2°、つまり35°〜39°の範囲)、結晶面328は約18°(18°±2°、つまり16°〜20°の範囲)、結晶面329は約10°(10°±2°、つまり8°〜12°の範囲)である。
図5(d)に示すように、Z’軸端面にも複数の面を形成することにより、主振動である厚み滑り振動モードのZ’軸方向の端部における振動変位が減衰され、エネルギー閉じ込め効果を向上することができ、CI値を改善することができる。
図6は、本発明の一実施形態に係る振動片の別の構造を示す概略図であり、図6(a)は振動片の平面図、図6(b)は図6(a)のP−P断面図である。
(振動片の構造)
振動片2は、回転Yカット水晶基板のX軸方向を長辺とし、Z’軸方向を短辺とする矩形である。振動片2のX軸方向の−側の側面121cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面231cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。また、振動片2は、厚肉中央部13を振動部12とし、厚肉中央部13の外縁に沿ってその周囲に薄肉周辺部14とを含むメサ型の構造を有している。
なお、厚肉中央部13である振動片2のY’軸の+側に形成されている突出部であるメサ部の側面は、X軸方向の−側が結晶面23で構成され、X軸方向の+側が結晶面133で構成されている。振動片2のY’軸の−側に形成されたメサの側面は、これとは線対称に、X軸方向の−側が結晶面24で構成され、X軸方向の+側が結晶面134で構成されている。
このメサ形状により、更に主振動である厚み滑り振動モードのエネルギー閉じ込め効果を向上させ、不要モードの影響をより一層抑制して周波数特性を改善することができる。
(振動片の製造方法)
次に、本発明の一実施形態に係る振動片の別の製造方法について、一個の振動片2の概略断面図で説明する。また、水晶基板10はATカット水晶基板を用いた例で説明する。
図7は振動片の外形加工の製造工程における水晶基板と振動片の概略断面図であり、図8は振動片の外形加工後に施すメサ加工の製造工程における振動片の概略断面図である。
水晶基板10の露出面のエッチングを行い、マスクされていない水晶部分が完全に貫通し、X軸方向の−側の側面121に結晶面23、24からなる2面の結晶面で構成された側面形状と、+側の側面231に結晶面133、134からなる2面の結晶面で構成された側面形状が形成されるまでは、図3に示す本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法と同等である(図7(a)〜図7(d))。
その後、振動片201の表裏両主面に、所定膜厚の下地層となるクロム(Cr)31及び耐食層となる金(Au)32をスパッタまたは蒸着し、レジスト33を塗布後、フォトエッチングして、メサ形状パターンのマスク30c、30dを形成する(図8(e))。続いて、フッ化アンモニウム溶液等を用いてエッチングを行い、メサ形状を形成するが、このメサの段差を調整するエッチングは図3の製造工程における厚み調整エッチングと同等である。そのため、エッチング後のX軸方向の両側面の形状は前述した図3の本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法で形成された側面形状と同一となる。
即ち、エッチング量Mdが10%未満の場合、振動片202のX軸方向の−側の側面121aは、傾斜角度約55°(55°±2°、つまり53°〜57°の範囲)の結晶面23、24から新たに傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26が生じ、2面の結晶面で構成された側面形状となる。また、X軸方向の+側の側面231aは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134の2面で構成された側面形状であり、メサ形成エッチング前の形状と同等の形状である(図8(f))。
次に、エッチング量Mdを10%以上15%未満とした場合、振動片203のX軸方向の−側の側面121bは、傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26の2面の結晶面で構成された側面形状である。しかし、X軸方向の+側の側面231bは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134と、新たに水晶基板10のエッチングが施され厚みT2に相当する+Y’側主面と結晶面133との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面135と、水晶基板10のエッチングが施され厚みT2に相当する−Y’側主面と結晶面134との間に生じた傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面136と、を含む4面の結晶面で構成された側面形状となる(図8(g))。
更にエッチングを施し、エッチング量Mdを15%以上とした場合、振動片204のX軸方向の−側の側面121cは、傾斜角度約25°(25°±2°、つまり23°〜27°の範囲)の結晶面25、26の2面の結晶面で構成された側面形状である。しかし、X軸方向の+側の側面231cは、傾斜角度約27°(27°±2°、つまり25°〜29°の範囲)の結晶面133、134と傾斜角度約58°(58°±2°、つまり56°〜60°の範囲)の結晶面135、136と、新たに水晶基板10のエッチングが施され厚みT3に相当する+Y’側主面と結晶面135との間に生じた傾斜角度約86°(86°±2°、つまり84°〜88°の範囲)の結晶面137と、水晶基板10のエッチングが施され厚みT3に相当する−Y’側主面と結晶面136との間に生じた傾斜角度約86°(86°±2°、つまり84°〜88°の範囲)の結晶面138と、を含む6面の結晶面で構成された側面形状となる(図8(h))。
その後、メサ形状パターンのマスク30c、30dのレジスト33を剥離し、クロム(Cr)31及び金(Au)32を全て除去するとメサ形状を有する振動片204が完成する(図8(i))。
よって、メサ形状を有する振動片202、203、204であっても、X軸方向の両側面は、エッチング量Mdに関連する2面以上の結晶面で構成することが可能である。
従って、エッチング量Mdを大きくすることは、X軸方向の両側面に多くの結晶面を構成することができるためエネルギー閉じ込め効果が発揮され、CI値低減に有効である。また、更にメサ形状を形成することは、主振動である厚み滑り振動モードのエネルギー閉じ込め効果をより向上させ、厚み屈曲振動モードの影響をより一層抑制して周波数特性を大幅に改善した振動片を製造することができる。
なお、エッチング量Mdを30%以上施すことでX軸方向の側面に更なる新たな結晶面を形成し、X軸方向におけるエネルギー閉じ込め効果を高めることも可能と思われるが、メサの段差が非常に大きくなることでメサの段差に係わる厚み滑り振動モードのエネルギー閉じ込め効果が減衰することが予想されるので、エッチング量Mdの上限は30%程度と考えられる。
ここで、本発明の一実施形態においては、エッチング量Mdを、厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みと厚み調整エッチング後の水晶基板10の振動部12の厚みとの差である除去する厚みの量を厚み調整エッチング前の水晶基板10の振動部12の厚みに対する割合(%)で表したものと説明した。しかし、メサ型の振動片である場合、エッチング量Mdは、厚肉中央部13と薄肉周辺部14との段差の大きさであると共に、厚み調整エッチング前の水晶基板10の厚みと薄肉周辺部14との厚みの差である薄肉周辺部14領域の除去する厚みの量を厚み調整エッチング前の水晶基板10の厚みに対する割合(%)で表したものである。
図6、図8に示した実施形態では、振動片の表裏両主面に段差が1段のメサ形状の例を示したが、これに限定する必要はなく、振動片の表裏両主面に多段のメサ形状や振動片の表または裏の主面のどちらか一方に1段から多段のメサ形状を有していてもよい。また、メサ形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、メサ形状も円形や楕円形であってもよい。
図9は、本発明の一実施形態に係る振動素子の構成を示す概略図であり、図9(a)は振動素子の平面図、図9(b)は図9(a)のP−P断面図である。
振動素子3は、振動部12を有する振動片1と、振動片1の両主面(±Y’軸方向の表裏面)に夫々対向するように形成された励振電極15と、リード電極16と、パッド電極17と、接続電極18と、を備えている。
リード電極16は、励振電極15から延出されて水晶基板10の端部に形成されたパッド電極17に導通接続されている。
パッド電極17は、振動片1の両主面の端部に夫々対向して形成され、振動片1のZ’軸方向の両側面に形成された接続電極18により夫々導通接続されている。
なお、振動片1は、前述した図3の本発明の一実施形態に係る振動片の製造方法で製造したもので、エッチング量Mdを15%以上とした場合のものである。従って、振動片1のX軸方向の−側の側面21cは結晶面25と結晶面26の2面で構成され、X軸方向の+側の側面131cは結晶面133、134、135、136、137、138の6面で構成されている。
図9(a)に示した実施形態では、振動部12のほぼ中央部の主面に夫々対向して形成された励振電極15の形状が矩形の例を示したが、これに限定する必要はなく、形状も円形や楕円形であってもよい。
図10は本発明の一実施形態に係る振動子の構成を示す概略図であり、図10(a)は蓋部材を省略した平面図であり、図10(b)は図10(a)の縦断面図である。振動子5は、振動素子3と、振動素子3を収容するために矩形の箱状に形成されているパッケージ本体40と、金属、セラミック、ガラス等から成る蓋部材49と、等で構成されている。
パッケージ本体40は、図10に示すように、第1の基板41と、第2の基板42と、第3の基板43と、シールリング44と、実装端子45と、を積層して形成されている。実装端子45は、第1の基板41の外部底面に複数形成されている。第3の基板43は中央部が除去された環状体であり、第3の基板43の上部周縁に例えばコバール等のシールリング44が形成されている。
第3の基板43と第2の基板42とにより、振動素子3を収容する凹部(キャビティ)が形成される。第2の基板42の上面の所定の位置には、導体46により実装端子45と電気的に導通する複数の素子搭載パッド47が設けられている。素子搭載パッド47は、振動素子3を載置した際に振動素子3の端部に形成したパッド電極17に対応するように配置されている。
振動素子3を支持固定する際には、先ず、振動素子3のパッド電極17を導電性接着剤38が塗布された素子搭載パッド47に載置して荷重をかける。
次に、導電性接着剤38を硬化させるために、所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。導電性接着剤38を硬化させた後、アニール処理を施し、励振電極15に質量を付加するか、又は質量を減じて周波数調整を行う。その後、パッケージ本体40の第3の基板43の上面に形成したシールリング44上に、蓋部材49を載置し、真空中、又は窒素ガスの雰囲気中で蓋部材49をシーム溶接して密封し、振動子5が完成する。
又は、パッケージ本体40の上面に塗布した低融点ガラスに蓋部材49を載置し、溶融して密着する方法もある。この場合もパッケージのキャビティ内は真空にするか、又は窒素ガス等の不活性ガスを充填して、振動子5が完成する。
以上の振動子5の実施形態では、パッケージ本体40に積層板を用いた例を説明したが、パッケージ本体40に単層セラミック板を用い、蓋部材49に絞り加工を施したキャップを用いて振動子5を構成してもよい。
図11は本発明の一実施形態に係る振動子の変形例を示した縦断面図であり、図11(a)は変形例1の縦断面図、図11(b)は変形例2の縦断面図である。
図11に示すように、振動子5a、5bは、振動素子3と、温度センサー(感温素子)として機能するサーミスター70と、振動素子3及びサーミスター70が搭載(収納)された容器としてのパッケージ40a、40bと、を備えている。
図11(a)は、第3の基板43と第2の基板42aとにより、形成された凹部(キャビティ)に振動素子3とサーミスター70が搭載(収納)された構造である。
また、図11(b)は、第3の基板43と第2の基板42bとにより、形成された凹部(キャビティ)に振動素子3が搭載(収納)され、第1の基板41bと第2の基板42bとにより、形成された凹部(キャビティ)にサーミスター70が搭載された構造である。
サーミスター70は、例えば、チップ型(直方体形状)の感温素子(感温抵抗素子)であって、温度変化に対して電気抵抗の変化の大きい抵抗体である。
サーミスター70には、例えば、温度の上昇に対して抵抗が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスターと呼ばれるサーミスターが用いられている。NTCサーミスターは、温度の変化に対する抵抗値の変化が比例関係にあるため、温度センサーとして多用されている。
サーミスター70は、パッケージ40a、40bに収納(搭載)され、振動素子3近傍の温度を検出し、図示しない温度補償回路に出力することにより、温度センサーとして振動素子3の温度変化に伴う周波数変動の補正に資する機能を果たしている。
図12は本発明の一実施形態に係る電子デバイスの構成を示す概略図であって、図12(a)は蓋部材を省略した平面図であり、図12(b)は図12(a)の縦断面図である。
電子デバイス7は、パッケージ本体50と、蓋部材49と、振動素子3と、振動素子3を励振する発振回路を搭載したIC部品51と、電圧により容量が変化する可変容量素子、温度により抵抗が変化するサーミスター、インダクター等の電子部品52の少なくとも1つと、を備えている。
パッケージ本体50は、図12に示すように、第1の基板61と、第2の基板62と、第3の基板63と、を積層して形成されている。実装端子45は、第1の基板61の外部底面に複数形成されている。第2の基板62と第3の基板63とは中央部が除去された環状体で形成されている。
第1の基板61と、第2の基板62と、第3の基板63と、により、振動素子3、IC部品51、及び電子部品52等を収容する凹部(キャビティ)が形成される。第2の基板62の上面の所定の位置には、導体46により実装端子45と電気的に導通する複数の素子搭載パッド47が設けられている。素子搭載パッド47は、振動素子3を載置した際に水晶基板10の端部に形成したパッド電極17に対応するように配置されている。
振動素子3のパッド電極17を、導電性接着剤38を塗布したパッケージ本体50の素子搭載パッド47に載置し、所定の温度で導電性接着剤38を硬化させることで、パッド電極17と素子搭載パッド47との導通を図る。IC部品51をパッケージ本体50の所定の位置に固定し、IC部品51の端子と、パッケージ本体50の電極端子55とをボンディングワイヤーBWにて接続されている。また、電子部品52は、パッケージ本体50の所定の位置に載置し、金属バンプ等を用いて導体46に接続する。パッケージ本体50を真空、或いは窒素等の不活性気体で満たし、パッケージ本体50を蓋部材49で密封して電子デバイス7が完成する。
また、電圧により容量が変化する可変容量素子や温度により抵抗が変化するサーミスターやインダクター等の電子部品52を用い、温度補償回路や電圧制御回路を含む発振回路を構成することで、安定した発振特性を有する温度補償型発振器や電圧制御型発振器等の電子デバイス7を構成することができる。
次いで、本発明の一実施形態に係る振動素子を適用した電子機器(本発明の電子機器)について、図13〜図15に基づき、詳細に説明する。
図13は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのモバイル型(又はノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルター、共振器、基準クロック等の少なくとも1つとして機能する振動素子3が内蔵されている。
図14は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としての携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204及び送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。このような携帯電話機1200には、フィルター、共振器等として機能する振動素子3が内蔵されている。
図15は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)等の撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
デジタルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部100が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部100は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部100に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このデジタルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター(PC)1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなデジタルカメラ1300には、フィルター、共振器等として機能する振動素子3が内蔵されている。
なお、本発明の一実施形態に係る振動素子は、図13のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図14の携帯電話機、図15のデジタルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。
図16は、本発明の一実施形態に係る振動素子を備える移動体の一具体例としての自動車2106を概略的に示す斜視図である。この図において、タイヤ2109を制御する電子制御ユニット2108に振動素子3が内蔵され、車体2107に搭載されている。
自動車2106には本発明に係る振動素子を有する振動子や電子デバイスが搭載されており、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット(ECU:electronic control unit)2108に広く適用できる。
1,2,101,102,103,104,201,202,203,204…振動片、3…振動素子、5…振動子、7…電子デバイス、10…水晶基板、12…振動部、13…厚肉中央部、14…薄肉周辺部、15…励振電極、16…リード電極、17…パッド電極、18…接続電極、21,21a,21b,21c,121,121a,121b,121c,131,131a,131b,131c,231,231a,231b,231c…側面、23,24,25,26,133,134,135,136,137,138…結晶面、30a,30b,30c,30d…マスク、31…クロム(Cr)、32…金(Au)、33…レジスト、38…導電性接着剤、40…パッケージ本体、41…第1の基板、42…第2の基板、43…第3の基板、44…シールリング、45…実装端子、46…導体、47…素子搭載パッド、49…蓋部材、50…パッケージ本体、51…IC部品、52…電子部品、55…電極端子、61…第1の基板、62…第2の基板、63…第3の基板、70…サーミスター、100…表示部、1100…パーソナルコンピューター、1102…キーボード、1104…本体部、1106…表示ユニット、1200…携帯電話機、1202…操作ボタン、1204…受話口、1206…送話口、1300…デジタルカメラ、1302…ケース、1304…受光ユニット、1306…シャッターボタン、1308…メモリー、1312…ビデオ信号出力端子、1314…入出力端子、1430…テレビモニター、1440…パーソナルコンピューター、2106…自動車、2107…車体、2108…電子制御ユニット、2109…タイヤ。

Claims (15)

  1. 水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板を準備する工程と、
    前記X軸と交差する少なくとも一方の側面に少なくとも4つの面が形成されるように前記側面をエッチングする工程と、
    を含むことを特徴とする振動片の製造方法。
  2. 請求項1において、
    前記エッチングする工程は、
    前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上薄くすることを特徴とする振動片の製造方法。
  3. 請求項1又は2において、
    前記エッチングする工程は、
    前記回転Yカット水晶基板の前記Y’軸方向の厚みに対して、前記Y’軸方向の厚みを10%以上15%未満の範囲で薄くすることを特徴とする振動片の製造方法。
  4. 請求項1乃至3の何れか一項において、
    前記エッチングは、ウェットエッチングであることを特徴とする振動片の製造方法。
  5. 請求項4において、
    前記エッチングする工程は、
    前記回転Yカット水晶基板の+Y’軸側の主面に第1マスクを配置し、−Y’軸側の主面に第2マスクを配置し、前記第1マスク及び前記第2マスクを介して前記回転Yカット水晶基板をウェットエッチングすることによって、振動片の外形を形成する工程と、
    前記第1マスク及び前記第2マスクを除去する工程と、
    前記マスクを除去された振動片をウェットエッチングすることによって、前記側面に少なくとも4つの面を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする振動片の製造方法。
  6. 水晶の結晶軸であるX軸と、前記X軸を回転軸として結晶軸であるZ軸を結晶軸であるY軸の−Y軸側へ回転して得られるZ’軸とを含む面を主面とし、前記X軸を回転軸として結晶軸であるY軸を結晶軸である前記Z軸の−Z軸側へ回転して得られるY’軸方向を厚みとする水晶平板で構成されている回転Yカット水晶基板の前記X軸と交差する少なくとも一方の側面が、少なくとも4つの面を含むことを特徴とする振動片。
  7. 請求項6において、
    前記一方の側面が6つの面を含むことを特徴とする振動片。
  8. 請求項6又は7において、
    前記回転Yカット水晶基板のX軸と交差する他方の側面が、2つの面を含むことを特徴とする振動片。
  9. 請求項6乃至8の何れか一項において、
    +Y’軸側の第1主面、−Y’軸側の第2主面、及び前記4つの面或いは前記6つの面において、
    端部が互いに接続されている2つの面がなす角度が鈍角であることを特徴とする振動片。
  10. 請求項6乃至9の何れか一項において、
    前記回転Yカット水晶基板の少なくとも一方の主面に突出部が設けられていることを特徴とする振動片。
  11. 請求項6乃至10の何れか一項に記載の振動片の表裏の主面に励振電極を含むことを特徴とする振動素子。
  12. 請求項11に記載の振動素子と、
    前記振動素子を収容しているパッケージと、
    を備えていることを特徴とする振動子。
  13. 請求項11に記載の振動素子と、
    電子部品と、
    前記振動素子及び前記電子部品が搭載されているパッケージと、
    を備えていることを特徴とする電子デバイス。
  14. 請求項11に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
  15. 請求項11に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。
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