JP6361829B2 - 圧電振動子の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電振動子の製造方法に関する。
発振装置や帯域フィルタなどに用いられる圧電振動子の製造方法として、例えば特許文献1に記載されているように、圧電振動素子(例えば水晶片)を導電性接着剤を介して基板上に実装し、所望の周波数特性を備えるよう圧電振動素子の周波数調整を行い、その後、凹状の金属カバーによって圧電振動素子を内部空間に密封封止することによって圧電振動子を製造することが知られている。
しかしながら、従来、圧電振動素子の封止工程の製造プロセス又は完成後の製品使用時等において、密封封止した内部空間の湿度によって導電性接着剤の物性変化が引き起こされ、これによって圧電振動子の周波数特性が変動することがあった。このような周波数特性の変動は所望の周波数特性を得るための周波数調整の工程を行った後に起こり、また、周波数特性の変動量は製品ごとにばらつきがあって予測が困難であることから、所望の周波数特性を備える圧電振動子を製造することが難しい場合があった。
特開2012−191648号公報
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、所望の周波数特性を備える圧電振動子を容易に製造することを目的とする。
本発明の一側面に係る圧電振動子の製造方法は、(a)圧電振動素子を導電性接着剤を介してベース部材に実装すること、(b)ベース部材に実装された圧電振動素子を周囲よりも高温及び高湿の環境に所定時間維持すること、(c)イオンビームによるエッチングによって圧電振動素子の周波数調整を行うこと、及び、(d)圧電振動素子を密封封止するように、リッド部材を接合材を介してベース部材に接合することを含む。
上記構成によれば、基板上に実装された圧電振動素子を高温及び高湿の環境に維持し、その後に圧電振動素子の周波数調整を行う。これにより、周波数特性の変動を顕在化させて、かかる顕在化した製品ごとの周波数特性のばらつきをも考慮して、所望の周波数特性を得るための圧電振動素子の周波数調整を行うことができる。したがって、所望の周波数特性を備える圧電振動子を容易に製造することができる。
上記圧電振動子の製造方法において、(b)は、圧電振動素子を40℃以上121℃以下の温度、かつ、70%RH以上95%RH以下の湿度の環境において、30分以上168時間以下の時間に維持することを含んでもよい。
上記圧電振動子の製造方法において、ベース部材は、圧電振動素子が搭載される上面に形成された接続電極と、接続電極からベース部材の上面の外縁に向かって引き出された引出電極とを含み、(a)は、圧電振動素子を導電性接着剤を介して接続電極に電気的に接続することを含んでもよい。
上記圧電振動子の製造方法において、圧電振動素子は、圧電基板と、圧電基板に形成された励振電極とを含み、(c)は、励振電極をイオンビームによるエッチングによってトリミングすることを含んでもよい。
上記圧電振動子の製造方法において、圧電基板は水晶基板であってもよい。
上記圧電振動子の製造方法において、リッド部材は、ベース部材に対向する凹部を有するキャップであってもよい。
上記圧電振動子の製造方法において、接合材は樹脂接着剤であってもよい。
これによれば、樹脂接着剤による湿気の影響を抑制することができる。
本発明によれば、所望の周波数特性を備える圧電振動子を容易に製造することができる。
図1は、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は、図1のII−II線断面図である。 図3は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を示すフローチャートである。 図4は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を説明するための実験例を示す図である。 図5は、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を説明するための実験例を示す図である。
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施の形態に限定して解するべきではない。
図1及び図2を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る圧電振動子を説明する。この圧電振動子は、後述の本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を適用して製造されたものである。ここで、図1は、圧電振動子の分解斜視図であり、図2は図1のII−II線断面図である。なお、図2においては圧電振動素子の各種電極は図示を省略している。
図1に示すように、本実施形態に係る圧電振動子1は、圧電振動素子100と、リッド部材の一例であるキャップ200と、ベース部材の一例である基板300とを備える。キャップ200及び基板300は、圧電振動素子100を収容するためのケース又はパッケージである。
圧電振動素子100は、圧電基板110と、圧電基板110に形成された第1及び第2励振電極120,130とを含む。第1励振電極120は、圧電基板110の第1面112に形成され、また、第2励振電極130は、圧電基板110の第1面112とは反対の第2面114に形成されている。
圧電基板110は、所与の圧電材料から形成され、その材料は特に限定されるものではない。図1に示す例では、圧電振動素子100は、ATカット水晶基板である圧電基板110を有する水晶振動素子である。ATカットの水晶基板は、人工水晶の結晶軸であるX軸、Y軸、Z軸のうち、Y軸及びZ軸をX軸の周りにY軸からZ軸の方向に35度15分±1度30分回転させた軸をそれぞれY´軸及びZ´軸とした場合、X軸及びZ´軸によって特定される面(以下、「XZ´面」と呼ぶ。他の軸によって特定される面についても同様である。)と平行な面を主面として切り出されたものである。図1に示す例では、ATカット水晶基板である圧電基板110は、Z´軸方向に平行な長手方向と、X軸方向に平行な短手方向と、Y´軸方向に平行な厚さ方向を有しており、XZ´面において略矩形形状をなしている。ATカット水晶基板を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で極めて高い周波数安定性を有し、また、経時変化特性にも優れている上、低コストで製造することが可能である。また、ATカット水晶振動素子は、厚みすべり振動モード(Thickness Shear Mode)を主振動として用いられることが多い。
なお、本実施形態に係る圧電基板は上記構成に限定されるものではなく、例えば、X軸方向に平行な長手方向と、Z´軸方向に平行な短手方向とを有するATカット水晶基板を適用してもよいし、ATカット以外の異なるカットの水晶基板であってもよいし、又は、水晶以外のセラミックなどのその他の圧電材料を適用してもよい。
第1励振電極120は、圧電基板110の第1面112(Y´軸正方向側のXZ´面)に形成され、また、第2励振電極130は、圧電基板110の第1面112とは反対の第2面114(すなわち、Y´軸負方向側のXZ´面)に形成されている。第1及び第2励振電極120,130は一対の電極であり、XZ´面において互いに略全体が重なり合うように配置されている。
圧電基板110には、第1励振電極120に引出電極122を介して電気的に接続された接続電極124と、第2励振電極130に引出電極132を介して電気的に接続された接続電極134とが形成されている。具体的には、引出電極122は、第1面112において第1励振電極120からZ´軸負方向側短辺に向かって引き出され、さらに圧電基板110のZ´軸負方向側の側面を通って、第2面114に形成された接続電極124に接続されている。他方、引出電極132は、第2面114において第2励振電極130からZ´軸負方向側短辺に向かって引き出され、第2面114に形成された接続電極134に接続されている。接続電極124,134は、Z´軸負方向側の短辺に沿って配置され、これらの接続電極124,134は、後述する導電性接着剤340,342を介して基板300に電気的導通を図るとともに機械的に保持される。なお、本実施形態において、接続電極124,134及び引出電極122,132の配置やパターン形状は限定されるものではなく、他の部材との電気的接続を考慮して適宜変更することができる。
第1及び第2励振電極120,130を含む上記各電極は、例えば、下地をクロム(Cr)層で形成し、クロム層の表面に金(Au)層を形成してもよく、その材料は限定されるものではない。
キャップ200は、基板300の第1面302に対向して開口した凹部204を有する。凹部204には、開口の全周に亘って、凹部204の底面から立ち上がるように形成された縁部202が設けられており、縁部202は、基板300の第1面302に対向する端面205を有する。図2に示すように、この端面205は、凹部204の底面から略垂直に立ち上がるように突出する縁部202の先端面であってもよい。キャップ200の材料は、例えば金属であってもよい。これによればキャップ200を接地電位に電気的に接続させることによりシールド機能を付加することができる。あるいは、キャップ200は、絶縁材料又は金属・絶縁材料の複合構造であってもよい。
変形例として、キャップ200は、凹部開口中心から開口縁に向かって開口縁から突出するフランジ部を有してもよい。この場合、フランジ部が基板の第1面に対向する端面を有してもよい。フランジ部を有するキャップによれば、端面のサイズ、すなわちキャップと基板との接合領域の面積を大きくできるため、両者の接合強度の向上が図れる。
基板300の第1面302には、圧電振動素子100が搭載される。図1に示す例では、基板300は、Z´軸方向に平行な長手方向と、X軸方向に平行な短手方向と、Y´軸方向に平行な厚さ方向を有しており、XZ´面において略矩形形状をなしている。基板300は、例えば絶縁性セラミックで形成されている。より具体的には、複数の絶縁性セラミックシートを積層して焼成することによって形成されている。あるいは、基板300は、ガラス材料(例えばケイ酸塩ガラス、又はケイ酸塩以外を主成分とする材料であって、昇温によりガラス転移現象を有する材料)、水晶材料(例えばATカット水晶)又はガラスエポキシ材料などで形成してもよい。基板300は耐熱性材料から構成されることが好ましい。基板300は、単層であっても複数層であってもよく、複数層である場合、第1面302の最表層に形成された絶縁層を含んでもよい。また、基板300は、平板な板状をなしてもよいし、あるいは、キャップ200に対向する向きに開口した凹状をなしてもよい。図2に示すように、キャップ200及び基板300の両者が接合材350を介して接合されることによって、圧電振動素子100が、キャップ200の凹部204と基板300とによって囲まれた内部空間(キャビティ)206に密封封止される。
接合材350は、キャップ200又は基板300の全周に亘って環状に設けられており、キャップ200の縁部202の端面205と、基板300の第1面302との間に介在している。接合材350は樹脂接着剤(例えばエポキシ接着剤)である。なお、接合材350は低融点ガラス(例えばホウ酸鉛系やリン酸系等)であってもよい。
図2に示す例では、圧電振動素子100は、その一方端(導電性接着剤340,342側の端部)が固定端であり、その他方端が自由端となっている。なお、変形例として、圧電振動素子100は、長手方向の両端において基板300に固定されていてもよい。
図1に示すように、基板300は、第1面302(上面)に形成された接続電極320,322と、接続電極320,322から第1面302の外縁に向かって引き出される引出電極320a,322aとを含む。接続電極320,322は、圧電振動素子100が基板300の第1面302の略中央に配置することができるように、基板300の外縁よりも内側に配置されている。
接続電極320には、導電性接着剤340を介して、圧電振動素子100の接続電極124が接続され、他方、接続電極322には、導電性接着剤342を介して、圧電振動素子100の接続電極134が接続される。
引出電極320aは、接続電極320から基板300のいずれか1つのコーナー部に向かって引き出され、他方、引出電極322aは、接続電極322から基板300の他の1つのコーナー部に向かって引き出されている。また、基板300の各コーナー部には、複数の外部電極330,332,334,336が形成されており、図1に示す例では、引出電極320aがX軸負方向及びZ´軸負方向側のコーナー部に形成された外部電極330に接続され、他方、引出電極322aがX軸正方向及びZ´軸正方向側のコーナー部に形成された外部電極332に接続されている。また図1に示すように、残りのコーナー部には、外部電極334,336が形成されていてもよく、これらの外部電極は圧電振動素子100とは電気的に接続されないダミーパターンであってもよい。ダミーパターンは、圧電振動子が実装される実装基板(図示しない)に設けられた端子(他のいずれの電子素子とも接続されない端子)に電気的に接続されてもよい。このようなダミーパターンを形成することにより、外部電極を形成するための導電材料の付与が容易になり、また、全てのコーナー部に外部電極を形成することができるため、圧電振動子を他の部材に電気的に接続する処理工程も容易となる。
図1に示す例では、基板300のコーナー部は、その一部が円筒曲面状(キャスタレーション形状とも呼ばれる。)に切断して形成された切り欠き側面を有しており、外部電極330,332,334,336は、このような切り欠き側面及び第2面304(下面)にかけて連続的に形成されている。なお、基板300のコーナー部の形状はこれに限定されるものではなく、切り欠きの形状は平面状であってもよいし、切り欠きがなく、コーナー部の角が残っていてもよい。
なお、基板300の接続電極、引出電極及び外部電極の各構成は上述の例に限定されるものではなく、様々に変形して適用することができる。例えば、接続電極320,322は、一方がZ´軸正方向側に形成され、他方がZ´軸負方向側に形成されるなど、基板300の第1面302上において互いに異なる側に配置されていてもよい。このような構成においては、圧電振動素子100が、長手方向の一方端及び他方端の両方において基板300に支持されることになる。また、外部電極の個数は4つに限るものではなく、例えば対角上に配置された2つであってもよい。また、外部電極はコーナー部に配置されたものに限らず、コーナー部を除く基板300のいずれかの側面に形成されてもよい。この場合、既に説明したとおり、側面の一部を円筒曲面状に切断した切り欠き側面を形成し、コーナー部を除く当該側面に外部電極を形成してもよい。さらに、ダミーパターンである他の外部電極334,336は形成しなくてもよい。また、基板300に第1面302から第2面304へ貫通するスルーホールを形成し、このスルーホールによって第1面302に形成した接続電極から第2面304へ電気的導通を図ってもよい。
図1に示すような圧電振動子1においては、外部電極330,332を介して、圧電振動素子100における一対の第1及び第2励振電極120,130の間に交流電圧を印加することにより、厚みすべり振動モードなどの所定の振動モードで圧電基板110が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
次に、図3のフローチャートに基づいて本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法を説明する。本実施形態では、一例として、図1及び図2に示す圧電振動子を製造する方法を説明する。
図3に示すように、圧電振動素子100を導電性接着剤340,342を介して基板300に実装する(S10)。
まず、圧電振動素子100及び基板300をそれぞれ用意する。圧電振動素子100が水晶振動子である場合、水晶材料を人工水晶又は天然水晶の原石から所定のカット角でウエハ状に切り出し、ダイシング又はエッチングすることによって所定の矩形の外形形状に形成し、その後、スパッタ法又は真空蒸着法等によって第1及び第2励振電極120,130をはじめとする各種電極を形成する。また、基板300の第1面302に、例えば、ペースト状の導電材料を所定領域に塗布し、塗布した導電材料を焼成することによって接続電極、引出電極及び外部電極を含む電極パターンを形成する。これらの電極パターンは、スパッタ法、真空蒸着法又はめっき法を適宜組み合わせても形成することができる。
導電性接着剤340,342は、例えば、基板300の接続電極320,322又は圧電振動素子100の接続電極124,134に予め設けておき、圧電振動素子100を基板300に搭載した後に熱硬化させる。導電性接着剤340,342の熱硬化は、例えば約180℃以上190℃以下の温度に約30分維持することによって行う。
なお、圧電振動素子100は、ウエハ状の基板を個片化したそれぞれの基板300に実装してもよいし、あるいは、ウエハ状の基板のそれぞれの領域に実装してもよい。ウエハ状の基板に圧電振動素子100を実装した場合は、後工程において圧電振動素子100ごとに基板300がダイシングなどによって個片化される。
次に、基板300に実装された圧電振動素子100を高温及び高湿の環境に維持する(S11)。
具体的には、基板300上の圧電振動素子100をオーブンなどの処理装置の密閉空間に収容する。この密閉空間は、圧電振動子の製造環境である周囲から独立して、大気中においてその温度及び湿度を制御可能となっている。
ここで、ステップS11における温度環境は、例えば、40℃以上121℃以下の範囲であってもよい。40℃未満では製造環境の周囲の温度(例えば25℃)とそれほど温度差がなく、また121℃を超えると圧電振動素子100や基板300を構成する材料が劣化するおそれがある。好ましくは、温度環境は92℃以上98℃以下の範囲(すなわち95℃付近)であってもよい。
また、ステップS11における湿度環境は、例えば、70%RH以上95%RHの範囲であってもよい。70%RH未満では製造環境の周囲の湿度とそれほど湿度差がなく、また95%RHを超えると圧電振動素子100や基板300に結露が生じるおそれがある。好ましくは、湿度環境は82%RH以上88%RHの範囲(すなわち85%RH付近)であってもよい。
また、ステップS11における処理時間は、例えば、30分以上168時間以下の範囲であってもよい。30分未満であると高温及び高湿の効果が得られにくい場合があり、また168時間を超えると圧電振動子の製造工程の効率化の妨げとなる場合がある。処理時間が長ければ長いほど高温及び高湿の効果を得ることができる。好ましくは、処理時間は30分以上24時間以下の範囲であってもよい。
なお、ステップ11における温度及び湿度の環境は、導電性接着剤340,342の処理(ステップ10)又は接合材350の処理(ステップS13)よりも低い温度かつ高い湿度環境であってもよい。また、ステップ11における処理時間は、導電性接着剤340,342の処理(ステップ10)又は接合材350の処理(ステップS13)の各処理時間よりも長くてもよい。
こうして、基板300上の圧電振動素子100を、周囲よりも高温及び高湿の環境に所定時間維持することによって、導電性接着剤340,342の湿度による物性変化を敢えて引き起こし、また、導電性接着剤340,342に残存する熱応力を緩和させることができる。導電性接着剤340,342は、圧電振動素子100と基板300との両者を機械的かつ電気的に接続する部位であるため、湿度による物性変化や残存する熱応力が圧電振動子の周波数特性の変動を招く要因となりやすい。そこで、ステップS11による処理によって、後述する周波数調整を行う前に、圧電振動子の周波数特性の変動を顕在化させる。
上記ステップS11は、キャップ200が搭載される前であって、基板300上の圧電振動素子100が外部に露出している状況下で行われることから、導電性接着剤340,342を目標とすべき温度及び湿度に容易に制御することができる。
次に、所望の周波数特性を得るための圧電振動素子100の周波数調整を行う(S12)。
具体的には、真空下においてプラズマを形成し、プラズマ中のArイオンに高電圧を印加することによってArイオンによるイオンビームを形成し、このイオンビームを、圧電振動素子100における第1励振電極120(すなわち基板300を向く側とは反対側の励振電極)に照射する。圧電振動素子100の第1励振電極120は、イオンビームによるエッチングによってトリミングされ、その厚さが徐々に薄くなり、圧電振動素子100の周波数は、所望の目標値に向かって徐々に高くなる方向に調整される。イオンビームの照射量は、イオンビームの照射源と圧電振動素子100との間に設けたシャッタ(図示しない)を開閉動作させることによって制御することができる。このようなイオンビームによる照射工程は、例えば、周波数調整前の測定値と目標値との差分に応じて1回又は複数回行うことができ、複数回行う場合は照射ごとに周波数を測定し、かかる測定値と目標値に基づいて繰り返し行ってもよい。
このように、上記ステップS12による圧電振動素子100の周波数調整を、上記ステップS11の周波数特性の変動を顕在化させる工程終了後のいずれかのタイミングで行うことによって、上記ステップS11によって顕在化した製品ごとの周波数特性のばらつきをも考慮して、所望の周波数特性を得るよう周波数特性の調整を容易に行うことができる。
その後、キャップ200を接合材350を介して基板300に接合する(S13)。
例えば、接合材350が樹脂接着剤である場合、ディッピング法などによってペースト状の樹脂接着剤をキャップ200の端面205に設け、その後、キャップ200を基板300に接合することができる。接合材350が樹脂接着剤である場合、キャップ搭載後、例えば150℃以上180℃以下の範囲で加熱し硬化させることによって、キャップ200と基板300とを接合する。あるいは、接合材350として、低融点ガラスを用いてもよく、この場合、キャップ搭載後、例えば300℃以上360℃以下の範囲で加熱し焼成させることによって、キャップ200と基板300とを接合する。樹脂接着剤は、ガラス材料よりも湿気を内部空間206に取り込みやすいが、本実施形態によればこのような樹脂接着剤による湿気の影響を抑制することができるため、接合材350として樹脂接着剤を用いた場合にも有益である。
本実施形態に係る圧電振動子の製造方法によれば、基板300上に実装された圧電振動素子100を高温及び高湿の環境に維持し、その後に圧電振動素子100の周波数調整を行う。これにより、周波数特性の変動を顕在化させて、かかる顕在化した製品ごとの周波数特性のばらつきをも考慮して、所望の周波数特性を得るための圧電振動素子100の周波数調整を行うことができる。したがって、所望の周波数特性を備える圧電振動子を容易に製造することができる。
次に、図4及び図5を参照しつつ、圧電振動素子100の高温及び高湿の環境に維持する工程(図3のステップS11)について実験例を説明する。
図4のグラフは、高温高湿処理(ステップS11)についての試験データを示すものである。具体的には、高温高湿処理(条件:温度95℃及び湿度85%RH)を(1)処理なし(処理0分)、(2)処理時間30分、(3)処理時間2時間及び(4)処理時間24時間に維持した4種類の各サンプルを、その後の環境試験として、温度85℃及び湿度85%RHに所定時間放置したときの周波数変動を示すものである。図4のグラフの縦軸は周波数変動率[ppm](高温高湿処理前の共振周波数に対する高温高湿処理前後の共振周波数の差分の割合)を示し、横軸は試験時間[hr](環境試験の放置時間)を示している。
図5のグラフは、図4のグラフのうち、環境試験の放置時間が500時間経過のデータの正規分布(±3σの範囲及び平均値を示す)を示したものである。
図4に示されるとおり、高温高湿処理の処理時間が0分の場合よりも、処理時間が30分の場合が周波数変動率の絶対値を小さくできる。また、図5に示されるとおり、環境試験の放置時間が500時間経過したデータを平均値で見ると、高温高湿処理の時間が長ければ長いほど周波数変動率の絶対値が小さくなり、0[ppm]に近づくことがわかる。
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更/改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
1 圧電振動子
100 圧電振動素子
110 圧電基板
120 第1励振電極
130 第2励振電極
200 キャップ(リッド部材)
204 凹部
300 基板(ベース部材)
320,322 接続電極
320a,322a 引出電極
340,342 導電性接着剤
350 接合材

Claims (7)

  1. (a)圧電振動素子を導電性接着剤を介してベース部材に実装すること、
    (b)前記ベース部材に実装された圧電振動素子を処理装置内に収容し、前記処理装置内の環境を前記処理装置外の環境よりも高温及び高湿に所定時間維持すること、
    (c)前記(b)の後にイオンビームによるエッチングによって前記圧電振動素子の周波数調整を行うこと、及び、
    (d)前記圧電振動素子を密封封止するように、リッド部材を接合材を介して前記ベース部材に接合すること
    を含む、圧電振動子の製造方法。
  2. 前記(b)は、前記圧電振動素子を40℃以上121℃以下の温度、かつ、70%RH以上95%RH以下の湿度の環境において、30分以上168時間以下の時間に維持することを含む、請求項1記載の圧電振動子の製造方法。
  3. 前記ベース部材は、前記圧電振動素子が搭載される上面に形成された接続電極と、当該接続電極から前記ベース部材の上面の外縁に向かって引き出された引出電極とを含み、
    前記(a)は、前記圧電振動素子を前記導電性接着剤を介して前記接続電極に電気的に接続することを含む、請求項1又は2に記載の圧電振動子の製造方法。
  4. 前記圧電振動素子は、圧電基板と、前記圧電基板に形成された励振電極とを含み、
    前記(c)は、前記励振電極をイオンビームによるエッチングによってトリミングすることを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の圧電振動子の製造方法。
  5. 前記圧電基板は水晶基板である、請求項4記載の圧電振動子の製造方法。
  6. 前記リッド部材は、前記ベース部材に対向する凹部を有するキャップである、請求項1から5のいずれか一項に記載の圧電振動子の製造方法。
  7. 前記接合材は樹脂接着剤である、請求項1から6のいずれか一項に記載の圧電振動子の製造方法。
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