JP6384702B2 - 水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶振動素子の製造方法 - Google Patents

水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶振動素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶片の製造方法に関し、特に、ATカット型の水晶片を含む水晶振動素子に関する。
発振装置や帯域フィルタなどに用いられる基準信号の信号源に水晶振動子が広く用いられている。水晶振動子においては、ベース部材及び蓋部材からなる保持器内に水晶振動素子が収容されている。水晶振動素子の例としては、特許文献1及び2に記載されているように、厚みすべり振動を主振動とするATカット型の水晶振動素子がある。例えば、特許文献1に記載された水晶振動素子においては、ATカット水晶板からなる水晶素子片と、励振電極とを備え、水晶素子片の励振部の長辺方向の両側面が、それぞれ、水晶結晶のm面と非m面との2面で形成されている。
特開2008−67345号公報 特開2011−193292号公報
しかしながら、このような従来の構成においては、水晶素子片の側面における非m面が垂直よりも僅かに大きい角度をもって主面の長辺に接しているため、水晶素子片の主面からスパッタ又は蒸着などで励振電極とともに必要な電極を形成する場合、非m面に電極材料が設けられ難い場合があった。そのため、水晶素子片の側面を通って表裏の主面に引き出される引出電極が、非m面において断線する可能性があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電気的な接続不良の発生を抑制することができる水晶振動素子、水晶振動子、及び水晶片の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面に係る水晶振動素子は、水晶結晶のX軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする互いに対向する第1主面及び第2主面と、第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面とを含む、ATカット型の水晶片と、水晶片の第1主面に設けられた第1励振電極と、水晶片の第2主面に設けられた第2励振電極と、第1主面から第1側面を通って第2主面に至るまで引き出された、第1励振電極に電気的に接続された引出電極と、第2主面に設けられ、引出電極を介して第1励振電極に電気的に接続された第1接続電極と、第2主面に設けられ、第2励振電極に電気的に接続された第2接続電極とを備え、第1側面は、第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面と、第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面とを有し、第2側面は、第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面と、第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面とを有し、角度θ1及びθ2は鈍角であって角度θ1は角度θ2よりも大きい鈍角であり、X軸方向の長辺と直交する幅方向において、第1側面の第1m面の幅は、第2側面の第2m面の幅よりも大きい。
上記構成によれば、水晶片の表裏主面にわたって引き回される引出電極が通る第1側面の方が第2側面よりもm面の幅が大きい。m面は非m面よりも主面からの傾斜角度が緩やかであるため、水晶片の表裏主面にわたって引き回される引出電極の形成が容易となり、また、引出電極の断線防止を図ることができる。よって、電気的な接続不良の発生を抑制することができる。
本発明の他の一側面に係る水晶振動素子は、水晶結晶のX軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする互いに対向する第1主面及び第2主面と、第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面とを含む、ATカット型の水晶片と、水晶片の前記第1主面に設けられた第1励振電極と、水晶片の前記第2主面に設けられた第2励振電極と、第1主面から第2側面を通って第2主面に至るまで引き出された、第1励振電極に電気的に接続された引出電極と、第2主面に設けられ、引出電極を介して第1励振電極に電気的に接続された第1接続電極と、第2主面に設けられ、第2励振電極に電気的に接続された第2接続電極とを備え、第1側面は、第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面と、第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面とを有し、第2側面は、第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面と、第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面とを有し、角度θ1及びθ2は鈍角であって角度θ1は角度θ2よりも大きい鈍角であり、X軸方向の長辺と直交する幅方向において、第2側面の第2m面の幅は、第1側面の第1m面の幅よりも大きい。
上記構成によれば、水晶片の表裏主面にわたって引き回される引出電極が通る第2側面の方が第1側面よりもm面の幅が大きい。m面は非m面よりも主面からの傾斜角度が緩やかであるため、水晶片の表裏主面にわたって引き回される引出電極の形成が容易となり、また、引出電極の断線防止を図ることができる。よって、電気的な接続不良の発生を抑制することができる。
本発明の一側面に係る水晶片の製造方法は、互いに対向する第1主面及び第2主面であって、それぞれ、水晶結晶のX軸方向及びZ´軸方向に延在する第1主面及び第2主面を有する、ATカット型の水晶基板を用意する工程と、第1マスクを水晶基板の第1主面に設け、第2マスクを、第2マスクの一部が第1マスクの一部と重なるように、水晶基板の第2主面に設ける工程と、水晶基板をウェットエッチングして、第1主面及び第2主面を、それぞれ、X軸方向を長辺とし、Z´軸方向を短辺とする矩形状に形成し、第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面とを含む水晶片を形成する工程と、を含み、第1側面は、第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面と、第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面とを有し、第2側面は、第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面と、第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面とを有し、角度θ1は角度θ2よりも大きい鈍角であり、X軸方向の長辺と直交する幅方向において、第1側面の第1m面の幅は、第2側面の第2m面の幅よりも大きい。
上記構成によれば、例えば電気的な接続不良の発生を抑制することができる水晶片を製造することができる。
本発明によれば、電気的な接続不良の発生を抑制することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る平板型形状の水晶片の一方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。 図2は、本発明の第1実施形態に係る平板型形状の水晶片の他方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。 図3は、本発明の第1実施形態に係る水晶振動子の断面図である。 図4は、本発明の第1実施形態に係る水晶振動子(蓋部材は省略してある。)の斜視図である。 図5は、本発明の第1実施形態に係る水晶片の製造方法を示す図である。 図6は、本発明の第1実施形態に係る水晶片の製造方法を示す図である。 図7は、本発明の第2実施形態に係る平板型形状の水晶片の一方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。 図8は、本発明の第2実施形態に係る平板型形状の水晶片の他方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。 図9は、本発明の第2実施形態に係る水晶振動子(蓋部材は省略してある。)の斜視図である。 図10は、本発明の第3実施形態であるメサ型形状に係る水晶片の一方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。 図11は、本発明の第3実施形態であるメサ型形状に係る水晶片の他方の主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。
以下に本発明の実施形態を説明する。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形態に限定して解するべきではない。
<第1実施形態>
図1〜図4を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る水晶振動素子及び当該水晶振動素子を備える水晶振動子を説明する。ここで、図1は、水晶片の第1主面側から見た水晶振動素子の斜視図であり、図2は、図1とは表裏反対の水晶片の第2主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。図3は、水晶振動子の断面図である。図4は、水晶振動子の斜視図であり、蓋部材は省略している。
図3に示すように、本実施形態に係る水晶振動子(Quartz Crystal Resonator Unit)1は、水晶振動素子(Quartz Crystal Resonator)10と、蓋部材20と、ベース部材30とを備える。蓋部材20及びベース部材30は、水晶振動素子10を収容するための保持器である。本実施形態においては、一例として、蓋部材20はキャップ状をなしており、ベース部材30は平板な板状をなしているが、蓋部材20及びベース部材30の形状はこれらに限定されるものではない。
図1及び図2に示すように、水晶振動素子10は、ATカット型の水晶片(Quartz Crystal Blank)11を有する。ATカット型の水晶片11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分30秒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と平行な面(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。)を主面として切り出されたものである。本実施形態では、ATカット水晶片である水晶片11は、X軸方向に平行な長辺と、Z´方向に平行な短辺と、Y´軸方向に平行な厚み方向の辺を有する。また、水晶片11は、XZ´面において矩形状に形成されている。
ATカット水晶片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。以下、水晶結晶のATカットの軸方向を基準として水晶振動子1の各構成を説明する。
水晶片11は、第1主面12a及び第2主面12bと、第1側面13及び第2側面14とを含む。第1主面12a及び第2主面12bは互いに対向している。また、第1主面12a及び第2主面12bは、それぞれ、X軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする。第1側面13及び第2側面14は、第1主面12a及び第2主面12bの長辺側に位置する側面である。本実施形態では、第1主面12a及び第2主面12bはそれぞれ平面であり、水晶片11のY´軸方向の厚みが一様に同じである平板型の水晶片を示すが、本発明はこれに限るものではなく、後述するように水晶片のY´軸方向の厚みが異なるメサ型の水晶片を適用することができる。なお、水晶片11の形状の詳細は後述する。
水晶振動素子10は、第1励振電極15a及び第2励振電極15bを含む。第1励振電極15aは、水晶片11の第1主面12aに形成され、また、第2励振電極15bは、水晶片11の第2主面12bに形成されている。第1励振電極15a及び第2励振電極15bは、それぞれ、対応する主面の中央を含む領域に設けられ、一対の電極としてXZ´面において略全体が重なり合うように配置されている。また、第1励振電極15a及び第2励振電極15bはXZ´面において長辺及び短辺を有する矩形状に形成されている。図1及び図2に示す例では、第1励振電極15a及び第2励振電極15bの長辺が水晶片11の長辺(すなわちX軸方向)と向きが一致するとともに、第1励振電極15a及び第2励振電極15bの短辺が水晶片11の短辺(すなわちZ´軸方向)と向きが一致する。
水晶振動素子10は、第1励振電極15aに電気的に接続された引出電極16と、第1励振電極15aに引出電極16を介して電気的に接続された第1接続電極17aと、第2励振電極15bに電気的に接続された第2接続電極17bとを有する。第1接続電極17a及び第2接続電極17bは、水晶片11の第2主面12bに形成され、より具体的には、第2主面12bの一方の短辺側(X軸正方向側)付近に設けられ、第2主面12bの短辺方向に沿って配列されている。また、引出電極16は、第1主面12aにおいて第1励振電極15aと電気的に接続されており、第1主面12aから第1側面13を通って第2主面12bに至るまでに引き出されている。引出電極16をこのように水晶片11の表裏主面にわたって引き回すことによって、第1主面12aに形成された第1励振電極15aと、第2主面12bに形成された第1接続電極17aとを電気的に接続することができる。第1接続電極17a及び第2接続電極17bは、導電性保持部材36a,36bを介してベース部材30の電極に電気的に接続される。導電性保持部材36a,36bは、導電性接着剤が熱硬化して形成されたものであってもよい。
第1励振電極15a及び第2励振電極15b、引出電極16、並びに、接続電極17a,17bの電極材料は特に限定されるものではないが、例えば、下地としてクロム(Cr)層を有し、クロム層の表面にさらに金(Au)層を有していてもよい。
図3に示すように、蓋部材20は、ベース部材30の第1主面32aに対向して開口した凹部24を有する。凹部24には、開口の全周に亘って、凹部24の底面から立ち上がるように形成された側壁部22が設けられている。また、蓋部材20は、凹部24の開口縁においてベース部材30の第1主面32aに対向する対向面26を有している。蓋部材20は、側壁部22からさらに開口外方向へ突出するフランジ部28を有していてもよく、この場合、フランジ部28が対向面26を有している。これによれば、フランジ部28とベース部材30を接合することによって、両者の接合面積を大きくできるため、両者の接合強度の向上を図ることができる。
なお、本実施形態において蓋部材20の形状は特に限定されるものではないが、例えば、ベース部材30と保持器を構成して水晶振動素子10を内部に収容するために、ベース部材30の平面形状と略同一であってもよい。また、図2に示す例では蓋部材20はフランジ部を有するが、これに限定されるものではなく、フランジ部28を有することなく、凹部24の底面から略垂直に立ち上げ形成された側壁部22の先端がベース部材30と接合されてもよい。
蓋部材20の材質は特に限定されるものではないが、例えば金属などの導電材料で構成されていてもよい。これによれば、蓋部材20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、蓋部材20は、絶縁材料又は導電材料・絶縁材料の複合構造であってもよい。
ベース部材30は水晶振動素子10を励振可能に支持するものである。具体的には、水晶振動素子10は導電性保持部材36a,36bを介してベース部材30の第1主面32aに励振可能に支持されている。
図4に示すように、ベース部材30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いる。ベース部材30は、XZ´面において矩形状をなしている。すなわち、ベース部材30の第1主面32a及び第2主面32bは、それぞれ、X軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする。
ベース部材30は、例えば絶縁性セラミックで形成されてもよく、例えば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もよい。あるいは、ベース部材30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樹脂などで形成してもよい。ベース部材30は耐熱性材料から構成されることが好ましい。ベース部材30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主面32aの最表層に形成された絶縁層を含んでもよい。また、ベース部材30は、平板な板状をなしている。
図3に示すように、蓋部材20及びベース部材30の両者が接合材70を介して接合されることによって、水晶振動素子10が、蓋部材20の凹部24とベース部材30とによって囲まれた内部空間(キャビティ)23に密封封止される。この場合、内部空間の圧力は大気圧力よりも低圧な真空状態であることが好ましく、これにより励振電極15a,15bの酸化による経時変化などが低減できるため好ましい。
接合材70は、蓋部材20及びベース部材30の各全周に亘って設けられており、蓋部材20の側壁部22の対向面26と、ベース部材30の第1主面32aとの間に介在している。接合材70は絶縁性材料を有する。絶縁性材料としては、低融点ガラス(例えば鉛ホウ酸系や錫リン酸系等)などのガラス接着材料であってもよいし、あるいは、樹脂接着剤を用いてもよい。これらの絶縁性材料によれば、金属接合に比べて低コストであり、また加熱温度を抑えることができ、製造プロセスの簡易化を図ることができる。
本実施形態に係る水晶振動素子10は、長手方向の一方端(導電性保持部材36a,36bが配置される側の端部)が固定端であり、その他方端が自由端となっている。また、水晶振動素子10、蓋部材20及びベース部材30は、XZ´面において、それぞれ矩形状をなしており、互いに長手方向及び短手方向が一致する向きに配置されている。
なお、水晶振動素子10の固定端の位置は特に限定されるものではなく、変形例として、水晶振動素子10は、長手方向の両端においてベース部材30に固定されていてもよい。この場合、水晶振動素子10を長手方向の両端において固定する態様で、水晶振動素子10及びベース部材30の各電極を形成すればよい。
図4に示すように、ベース部材30は、第1主面32aに形成された接続電極33a,33bと、第1主面32a上に形成され、かつ、接続電極33a,33bと電気的に接続された引出電極34a,34bと、第2主面32bにおいて実装基板(図示しない)と電気的に接続するための外部電極35a,35b,35c,35dとを含む。
ベース部材30の接続電極33a,33bは、第1主面32aの一方の短辺側(X軸正方向側)付近に設けられ、第1主面32aの短辺方向に沿って配列されている。接続電極33aには、導電性保持部材36aを介して、水晶振動素子10の第1接続電極17aが接続され、他方、接続電極33bには、導電性保持部材36bを介して、水晶振動素子10の第2接続電極17bが接続される。
複数の外部電極35a,35b,35c,35dはそれぞれベース部材30のコーナー部に形成されている。具体的には、外部電極35aはX軸正方向かつZ´軸負方向側のコーナー部に形成され、外部電極35bはX軸負方向かつZ´軸正方向側のコーナー部に形成され、外部電極35cはX軸負方向側及びZ´軸負方向側のコーナー部に形成され、外部電極35dはX軸正方向かつZ´軸正方向側のコーナー部に形成されている。
複数の外部電極35a〜dのうち、外部電極35aは、引出電極34aを介して接続電極33aに電気的に接続され、外部電極35bは、引出電極34bを介して接続電極33bに電気的に接続されている。すなわち、外部電極35a,35bは第1励振電極15a及び第2励振電極15bと電気的に接続された入出力端子である。図4に示すように、これらの外部電極35a,35bは、ベース部材30の第1主面32aにおける互いに対向するコーナー部に配置されている。
また、残りの外部電極35c,35dは、ベース部材30の第1主面32aにおける互いに対向するコーナー部に配置されている。なお、これらの外部電極は水晶振動素子10の第1励振電極15a及び第2励振電極15bとは電気的に接続されないダミー電極である。このように、ベース部材30の平面視のいずれの向きにおいても外部電極が存在するように、ベース部材30の全てのコーナー部に外部電極を設けるので、外部電極を形成するための導電材料の付与、及び、水晶振動子1の実装基板への実装を容易に行うことができる。
ダミー電極は、水晶振動子1が実装される実装基板(図示しない)に設けられた端子であって、実装基板に実装された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。また、蓋部材20が導電性材料からなる場合、蓋部材20にシールド機能を付加することができる。ここで、ダミー電極としての外部電極35c,35dは、接地電位が供給される接地用電極であってもよい。この場合、導電性材料である蓋部材20に接地用電極である外部電極35c,35dに電気的に接続することによってシールド機能の向上を図ることができる。
図4に示す例では、ベース部材30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35a〜35dは、このような切り欠き側面及び第2主面32bにかけて連続的に形成されている。なお、ベース部材30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、平面視して、四隅が直角な矩形形状であってもよい。
なお、ベース部材30の接続電極33a,33b、引出電極34a,34b及び外部電極35a〜35dの各構成は上記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33a,33bは、長辺方向の両端に形成されるなど、ベース部材30の第1主面32a上において互いに異なる端部に配置されてもよい。このような構成においては、水晶振動素子10が、長手方向の一方端及び他方端の両方においてベース部材30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入出力端子としての2つのみであってもよい。また、外部電極はコーナー部に配置されたものに限らず、コーナー部を除くベース部材30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、ダミー電極である他の外部電極35c,35dは形成しなくてもよい。また、ベース部材30に第1主面32aから第2主面32b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主面32aに形成した接続電極から第2主面32bへ電気的導通を図ってもよい。
本実施形態に係る水晶振動子1においては、ベース部材30の外部電極35a,35bを介して、水晶振動素子10における一対の第1励振電極15a及び第2励振電極15bの間に交番電界を印加する。これにより、厚みすべり振動モードによって水晶片11が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。
次に、図1及び図2に戻り、本実施形態に係る水晶片11の形状について詳述する。
水晶片11の長辺側の第1側面13は、第1主面12aの長辺に角度θ1で接するm面13aと、第2主面12bの長辺に角度θ2で接する非m面13bとからなる。すなわち、m面13a及び非m面13bは傾斜角度が異なる連続する2面である。なお、m面とは水晶結晶が有する自然面の1つであり、非m面とはm面以外の水晶結晶の面を指す。m面13aが第1m面であり、非m面13bが第1非m面である。
水晶片11の長辺側の側面である第2側面14は、第1主面12aの長辺に角度θ2で接する非m面14bと、第2主面12bの長辺に角度θ1で接するm面14aとからなる。すなわち、m面14a及び非m面14bは傾斜角度が異なる連続する2面である。m面14aが第2m面であり、非m面14bが第2非m面である。
非m面13b,14bがそれぞれ対応する主面と接する角度θ2は、約93度(すなわち主面の法線方向から約3度)であり、より具体的には加工精度等を考慮して約93度±2度(すなわち主面の法線方向から約3度±2度)である。このように、非m面13b,14bは、それぞれ対応する主面と略垂直に接する側面となっている。
また、m面13a,14aがそれぞれ対応する主面と接する角度θ1は、90度よりも大きい鈍角であり、具体的には、加工精度等を考慮して144度±2度である。すなわち、角度θ1及びθ2は、θ1>θ2の関係を有している。このように、m面13a,14aは、それぞれ対応する主面とは、非m面13b,14bよりも主面からの傾斜角度が緩やかな側面となっている。
図1及び図2に示すように、第1側面13のm面13a及び非m面13bの配置は、水晶片11のY´Z´面における側面(すなわち、水晶片11の短辺側の側面)の中心点を基準として、第2側面14のm面14a及び非m面14bの配置とは点対称となっているが、m面13aとm面14aのサイズ(又は非m面13bと非m面14bのサイズ)は異なっている。具体的には、第1側面13及び第2側面14におけるX軸方向の長辺と直交する幅方向において、第1側面13のm面13aの幅Wa1と、第2側面14のm面14aの幅Wa2は、Wa1>Wa2の関係を有している。そして、このようなm面のサイズ関係に従って、第1側面13の非m面13bの幅Wb1と、第2側面14の非m面14bの幅Wb2は、Wb1<Wb2の関係を満たしている。
このように、本実施形態においては、水晶片11の表裏主面にわたって引き回される引出電極16が通る第1側面13の方が、第2側面14よりも、主面からの傾斜角度が緩やかな部分の幅の比率(面積の比率)が大きくなっている。すなわち、Wa1/Wb1>Wa2/Wb2の関係を有している。このため、引出電極16が形成される第1側面13のうち、電極形成が容易であるm面13aの幅Wa1を大きくし、かつ、電極形成が困難である非m面13bの幅Wb1を小さくすることができる。したがって、水晶片11の表裏主面にわたって引き回される引出電極16の形成が容易となり、また、引出電極16の断線防止を図ることができる。
また、本実施形態においては、第1主面12aの短辺の長さL1と、第2主面12bの短辺の長さL2は、L1<L2の関係を有している。したがって、水晶片11をXZ´面で見たときに、水晶片11の表裏を容易に判定することができる。よって、水晶振動子1の組み立て作業性及び取扱いの向上を図ることができる。
また、第1接続電極17a及び第2接続電極17bが設けられた第2主面12bの短辺の長さL2が大きいため、水晶片11の小型化を維持しつつも、第2主面12bの短辺に沿って配置した第1接続電極17aと第2接続電極17bの間の距離を大きく確保することができる。したがって、第1接続電極17aと第2接続電極17bとの間の短絡を容易に防止することができる。
また、水晶振動素子10とベース部材30との間に設けられた導電性保持部材36a,36bは、水晶片11に形成された電極材料に対して濡れ易いため、引出電極16を通って水晶片11の側面に濡れ広がる場合がある。この点、本実施形態においては、引出電極16が形成された第1側面13において、第2主面12bの長辺に接する面は、略垂直である非m面13bであるため、導電性保持部材36a,36bを形成するための導電性接着剤が、引出電極16を伝って濡れ広がる量を少なくすることができる。したがって、導電性接着剤の濡れ広がりに起因する水晶振動素子10の振動阻害を低減させることができる。
また、水晶片11の第1側面13及び第2側面14が、角度θ2(約93度±2度)をもって主面と接する非m面を有するので、側面の傾斜角度が90度である場合と比べて、幅すべり振動モードと厚みすべり振動モードとの結合を小さくすることができる。したがって、エネルギー閉じ込め効果に加えて、周波数温度特性の改善を併せて奏することができる。
図5及び図6は本実施形態に係る水晶片の製造方法を示したものである。本実施形態に係る水晶片の形状は、例えばウェットエッチングによって作成することができる。
まず、図5に示すように、互いに対向する第1主面42a及び第2主面42bを有する水晶基板41を用意する。ここで、第1主面42a及び第2主面42bは、それぞれ、水晶結晶のX軸方向及びZ´軸方向に延在する面である。次に、このような水晶基板41の表裏の第1主面42a及び第2主面42b上に、それぞれ第1マスク43a及び第2マスク43bを設ける。第1マスク43aおよび第2マスク43bは例えば金属材料からなるメタルマスクである。
マスク43a,43bを設ける工程では、例えば、水晶基板41の第1主面42a全面に金属膜をスパッタ工法で形成したのち、第1マスク43aの開口部をエッチングによって除去して所定の形状を得る。同様の手法により、水晶基板41の第2主面42b上に第2マスク43bを設ける。なお、水晶基板41の第1主面42a及び第2主面42bは、図1に示す水晶片11の第1主面12a及び第2主面12bにそれぞれ対応している。
第1マスク43a及び第2マスク43bは、XZ´面を平面視して略全体が重なり合うように形成されるが、互いに異なる幅を有するm面13a,14a、及び、非m面13b,14bをそれぞれ形成するために、Z´軸方向に互いにずらして配置される。言い換えれば、第1主面42a上のマスク43aの一部が、第2主面42b上のマスク43bの一部と重なるように、マスク43a,43bを設ける。より具体的には、例えば、第1マスク43a及び第2マスク43bはZ´軸方向において第1距離X1だけ重なり合って設けられ、第1マスク43aは第2マスク43bに対してZ´軸正方向側に第2距離X2だけずらして設けられ、第1マスク43bは第2マスク43aに対してZ´軸負方向側に第3距離X3だけずらして設けられる。ここで、第1距離X1、第2距離X2及び第3距離X3の長さは、ウェットエッチングの処理時間や処理態様などに依存する。例えば第1励振電極15aと第2励振電極15bとで挟まれた水晶片11の振動部の厚み寸法をTとした場合、X2<X3、0.4T<X2≦0.75T、かつ0.75T<X3≦2Tの関係を有することが好ましい。
次に、このように第1マスク43a及び第2マスク43bを形成した水晶基板41をウェットエッチングする。例えば水晶基板41を両面から同時にフッ化アンモニウム溶液などを用いてウェットエッチングする。これにより、図6に示すように、第1側面13及び第2側面14を有する水晶片11を作成することができる。
こうして、X2及びX3の長さに対応して、m面14aよりも幅が大きいm面13aを形成することができる。また、X1+X2の長さに対応して第1主面12aを形成し、X1+X3の長さに対応して、第1主面12aよりも短辺の長さが大きい第2主面12bを形成することができる。
なお、上記では、水晶基板41の両面にマスク43a,43bを同時に形成し、両面から同時にウェットエッチングする処理態様を説明したが、これに限定されるものではなく、水晶基板41の一方の片面にマスク43aを形成してウェットエッチングし、次に、水晶基板41の他方の片面にマスク43bを形成してウェットエッチングしてもよい。これによれば、水晶基板の第1主面42aと第2主面42bのウェットエッチングの処理時間を異ならせることができるので、本実施形態に係る水晶片11をより容易に形成することができる。
<第2実施形態>
次に、図7〜図9を参照しつつ、本発明の第2実施形態に係る水晶振動素子及び当該水晶振動素子を備える水晶振動子を説明する。ここで、図7は、水晶片の第1主面側から見た斜視図であり、図8は、図7とは表裏反対の水晶片の第2主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。また、図9は、水晶振動子の斜視図であり、蓋部材は省略している。なお、第1実施形態と同一の構成について同一の符号を付している。
本実施形態に係る水晶振動素子110においては、水晶片111の形状及びベース部材30の構成は第1実施形態と同一であり、水晶片111に形成される接続電極及び引出電極の構成が第1実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態では、水晶片の立体形状自体は第1実施形態と同一であるが、引出電極を引き回す側面が第1実施形態の側面とは異なっており、これに伴い、接続電極を設ける主面が第1実施形態の主面とは反対の面となっている。以下、第1実施形態と異なる点について説明する。なお、本実施形態では、説明の便宜上、第1実施形態と同様に、接続電極が設けられていない側の主面を第1主面と呼び、接続電極が設けられた側の主面を第2主面と呼ぶこととする。
図7及び図8に示すように、本実施形態においては、水晶片111の第1主面112aに第1励振電極115aが形成され、水晶片111の第2主面112bに第2励振電極115bが形成され、第1接続電極117a及び第2接続電極117bは、水晶片111の第2主面112bに形成されている。より具体的には、第1接続電極117a及び第2接続電極117bは、第2主面112bの一方の短辺側(X軸正方向側)付近に設けられ、第2主面112bの短辺方向に沿って配列されている。また、引出電極116は、第1主面112aにおいて第1励振電極115aと電気的に接続されており、第1主面112aから第2側面114を通って第2主面112bに至るまでに引き出されている。引出電極116をこのように水晶片111の表裏主面にわたって引き回すことによって、第1主面112aに形成された第1励振電極115aと、第2主面112bに形成された第1接続電極117aとを電気的に接続することができる。また、第2接続電極117bは、第2主面112bに形成された第2励振電極115bに電気的に接続されている。第1接続電極117a及び第2接続電極117bは、導電性保持部材36a,36bを介してベース部材30の接続電極33a,33bに電気的に接続される。
本実施形態においても、第1実施形態と同様に、水晶片111の表裏主面にわたって引き回される引出電極116が通る第2側面114の方が、第1側面113よりも、主面からの傾斜角度が緩やかな部分の幅の比率(面積の比率)が大きくなっている。すなわち、Wa1/Wb2>Wa2/Wb2の関係を有している。このため、引出電極116が形成される第2側面114のうち、電極形成が容易であるm面114aの幅Wa1を大きくし、かつ、電極形成が困難である非m面114bの幅Wb1を小さくすることができる。したがって、水晶片111の表裏主面にわたって引き回される引出電極116の形成が容易となり、また、引出電極116の断線防止を図ることができる。
また、本実施形態においては、引出電極116が形成された第2側面114において、第2主面112bの長辺に接する面は、緩やかな傾斜面であるm面114aであり、また、m面114aの幅の大きいため、導電性保持部材36a,36bを構成する導電性接着剤が、引出電極116を伝って濡れ広がる量を多くすることができる。したがって、導電性接着剤による接着面積を大きくすることができるため、導電性保持部材36a,36bによる保持強度を向上させることができる。
なお、水晶振動子及び水晶振動素子のその他の構成及び作用効果については、第1実施形態で説明した内容を適用することができる。また、水晶片111の製造方法についても既に説明したとおりである。
<第3実施形態>
次に、図10及び図11を参照しつつ、本発明の第3実施形態に係る水晶振動素子を説明する。ここで、図10は、水晶片の第1主面側から見た斜視図であり、図11は、図10とは表裏反対の水晶片の第2主面側から見た水晶振動素子の斜視図である。
本実施形態に係る水晶振動素子210においては、水晶片211の形状が第1実施形態及び第2実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態では、水晶片211はメサ型形状を有している。具体的には、ATカット型の水晶片211が、第1主面212a及び第2主面212bの中央を含む第1部分218と、第1部分218のX軸方向の両端に隣接する第2部分219とを含み、第2部分219におけるY´軸方向の厚さが第1部分218におけるY´軸方向の厚さよりも薄くなっている。この場合、第1部分218を厚肉中央部、第2部分219を薄肉周辺部と呼ぶことができる。また、本実施形態では、第1主面212aは、第1部分218の第1主面212a1と、第2部分219の第1主面212a2とからなり、第2主面212bは、第1部分218の第2主面212b1と、第2部分219の第2主面212bとからなる。そして、第1主面212a及び第2主面212bの長辺側の各側面に、既に説明した水晶結晶のm面及び非m面の内容を適用することができる。すなわち、水晶片211の長辺側の第1側面213は、第1主面212a2の長辺に角度θ1で接するm面213aと、第2主面212b2の長辺に角度θ2で接する非m面213bとからなる。また、水晶片211の長辺側の第2側面214は、第1主面212a2の長辺に角度θ2で接する非m面214bと、第2主面212bの長辺に角度θ1で接するm面214aとからなる。なお、厚肉中央部と薄肉周辺部の主面の法線方向の段差の寸法が水晶片の厚さの10%以上となる構造を、実施形態1または2で開示した水晶片に追加工して、厚肉中央部の表面にレジスト膜を設けて、ウェットエッチングによって厚肉中央部と薄肉周辺部の間の段差を加工する場合、m面及び非m面の第1主面及び第2主面の近傍が、薄肉周辺部とともにエッチング加工される。これにより、m面の第1主面及び第2主面の近傍において主面に対する角度がm面と異なる別の第1結晶面が生じ、非m面の第1主面及び第2主面の近傍において主面に対する角度が非m面と異なる別の第2結晶面が生じる。本発明において、別の第1結晶面及び別の第2結晶面はともに側面に含まれるものとする。
また、本実施形態においては、水晶片211の第1主面212a1に第1励振電極215aが形成され、水晶片211の第2主面212b1に第2励振電極215bが形成され、第1接続電極217a及び第2接続電極217bは、水晶片211の第2主面212b2に形成されている。より具体的には、第1接続電極217a及び第2接続電極217bは、第2主面212b2の一方の短辺側(X軸正方向側)付近に設けられ、第2主面212b2の短辺方向に沿って配列されている。また、引出電極216は、第1主面212aにおいて第1励振電極215aと電気的に接続されており、第1主面212a1から第1主面212a2及び第2側面214を通って第2主面212b2に至るまでに引き出されている。引出電極216をこのように水晶片211の表裏主面にわたって引き回すことによって、第1主面212a1に形成された第1励振電極215aと、第2主面112b2に形成された第1接続電極217aとを電気的に接続することができる。また、第2接続電極217bは、第2主面212b1に形成された第2励振電極215bに電気的に接続されている。
なお、メサ型形状の第1部分218は、例えばドライエッチングで形成してもよいし、あるいはウェットエッチングで形成してもよい。ドライエッチング等で形成することによって例えば第1部分218の側面をY´軸方向に沿って延在するように形成することができる。あるいは、ウェットエッチングの場合、第1部分218の側面はY´軸方向から所定の角度をもって傾斜して形成されていてもよい。
本実施形態によれば、既に説明した作用効果に加え、メサ形状による振動エネルギー閉じ込め効果も奏することができる。
なお、以上の各実施形態においては、側面が連続する2面からなる態様を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、側面が3面以上からなる態様であってもよい。すなわち、側面がm面及び非m面を含み、さらに、m面と非m面との間に1つ又は複数の面を有していてもよい。
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及びその配置、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 水晶振動子
10 水晶振動素子
11 水晶片
12a 第1主面
12b 第2主面
13 第1側面
14 第2側面
13a,14a m面
13b,14b 非m面
15a 第1励振電極
15b 第2励振電極
16 引出電極
17a 第1接続電極
17b 第2接続電極
20 蓋部材
30 ベース部材
36a,36b 導電性保持部材

Claims (11)

  1. 水晶結晶のX軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする互いに対向する第1主面及び第2主面と、前記第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面とを含む、ATカット型の水晶片と、
    前記水晶片の前記第1主面に設けられた第1励振電極と、
    前記水晶片の前記第2主面に設けられた第2励振電極と、
    前記第1主面から前記第1側面を通って前記第2主面に至るまで引き出された、前記第1励振電極に電気的に接続された引出電極と、
    前記第2主面に設けられ、前記引出電極を介して前記第1励振電極に電気的に接続された第1接続電極と、
    前記第2主面に設けられ、前記第2励振電極に電気的に接続された第2接続電極と
    を備え、
    前記第1側面は、前記第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面と、前記第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面とを有し、
    前記第2側面は、前記第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面と、前記第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面とを有し、
    前記角度θ1及びθ2は鈍角であって前記角度θ1は前記角度θ2よりも大きい鈍角であり、
    前記X軸方向の長辺と直交する幅方向において、前記第1側面の前記第1m面の幅は、前記第2側面の前記第2m面の幅よりも大きい、水晶振動素子。
  2. 前記第2主面の短辺は前記第1主面の短辺よりも長い、請求項1に記載の水晶振動素子。
  3. 水晶結晶のX軸方向を長辺及びZ´軸方向を短辺とする互いに対向する第1主面及び第2主面と、前記第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面とを含む、ATカット型の水晶片と、
    前記水晶片の前記第1主面に設けられた第1励振電極と、
    前記水晶片の前記第2主面に設けられた第2励振電極と、
    前記第1主面から前記第2側面を通って前記第2主面に至るまで引き出された、前記第1励振電極に電気的に接続された引出電極と、
    前記第2主面に設けられ、前記引出電極を介して前記第1励振電極に電気的に接続された第1接続電極と、
    前記第2主面に設けられ、前記第2励振電極に電気的に接続された第2接続電極と
    を備え、
    前記第1側面は、前記第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面と、前記第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面とを有し、
    前記第2側面は、前記第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面と、前記第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面とを有し、
    前記角度θ1及びθ2は鈍角であって前記角度θ1は前記角度θ2よりも大きい鈍角であり、
    前記X軸方向の長辺と直交する幅方向において、前記第2側面の前記第2m面の幅は、前記第1側面の前記第1m面の幅よりも大きい、水晶振動素子。
  4. 前記第1主面の短辺は前記第2主面の短辺よりも長い、請求項2に記載の水晶振動素子。
  5. 前記第1主面及び前記第2主面はそれぞれ平面である、請求項1から3のいずれか一項に記載の水晶振動素子。
  6. 前記水晶片は、前記第1主面及び前記第2主面の中央を含む第1部分と、前記X軸方向における前記第1部分の両端に隣接する第2部分とを含み、前記第2部分の厚さは、前記第1部分の厚さよりも薄い、請求項1から3のいずれか一項に記載の水晶振動素子。
  7. 請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の水晶振動素子と、
    導電性保持部材を介して前記水晶振動素子が励振可能に保持するベース部材と、
    前記ベース部材に接合材を介して接合され、前記水晶振動子を前記ベース部材上で内部空間に収容する蓋部材と
    を備え、
    前記導電性保持部材は、前記水晶振動素子における前記第1接続電極及び第2接続電極が設けられた主面と前記ベース部材との間に設けられた、水晶振動子。
  8. 互いに対向する第1主面及び第2主面を有する、ATカット型の水晶基板を用意する工程と、
    第1マスクを前記水晶基板の前記第1主面に設け、第2マスクを、前記第1主面を平面視して当該第2マスクの一部が前記第1マスクの一部と重なるように、前記水晶基板の前記第2主面に設ける工程と、
    前記水晶基板をウェットエッチングして、前記第1主面及び前記第2主面を、それぞれ、X軸方向を長辺とし、Z´軸方向を短辺とする矩形状に形成し、前記第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面を形成することを含む水晶片を形成する工程と、
    前記第1主面に第1励振電極を形成する工程と、
    前記第2主面に第2励振電極を形成する工程と、
    前記第1励振電極に電気的に接続する引出電極を、前記第1主面から前記第1側面を通って前記第2主面に至るまで引き出されるように形成する工程と、
    前記引出電極を介して前記第1励振電極に電気的に接続する第1接続電極を、前記第2主面に形成する工程と、
    前記第2励振電極に電気的に接続する第2接続電極を、前記第2主面に形成する工程と、
    を含み、
    前記第1側面は、前記第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面と、前記第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面とを有し、
    前記第2側面は、前記第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面と、前記第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面とを有し、
    前記角度θ1は前記角度θ2よりも大きい鈍角であり、
    前記X軸方向の長辺と直交する幅方向において、前記第1側面の前記第1m面の幅は、前記第2側面の前記第2m面の幅よりも大きい、水晶振動素子の製造方法。
  9. 互いに対向する第1主面及び第2主面を有する、ATカット型の水晶基板を用意する工程と、
    第1マスクを前記水晶基板の前記第1主面に設け、第2マスクを、前記第1主面を平面視して当該第2マスクの一部が前記第1マスクの一部と重なるように、前記水晶基板の前記第2主面に設ける工程と、
    前記水晶基板をウェットエッチングして、前記第1主面及び前記第2主面を、それぞれ、X軸方向を長辺とし、Z´軸方向を短辺とする矩形状に形成し、前記第1主面及び第2主面の長辺側に位置する第1側面及び第2側面を形成することを含む、水晶片を形成する工程と、
    前記第1主面に第1励振電極を形成する工程と、
    前記第2主面に第2励振電極を形成する工程と、
    前記第1励振電極に電気的に接続する引出電極を、前記第1主面から前記第2側面を通って前記第2主面に至るまで引き出されるように形成する工程と、
    前記引出電極を介して前記第1励振電極に電気的に接続する第1接続電極を、前記第2主面に形成する工程と、
    前記第2励振電極に電気的に接続する第2接続電極を、前記第2主面に形成する工程と、
    を含み、
    前記第1側面は、前記第2主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第1非m面と、前記第1主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第1m面とを有し、
    前記第2側面は、前記第2主面の長辺に角度θ1で接する水晶結晶の第2m面と、前記第1主面の長辺に角度θ2で接する水晶結晶の第2非m面とを有し、
    前記角度θ1及びθ2は鈍角であって前記角度θ1は前記角度θ2よりも大きい鈍角であり、
    前記X軸方向の長辺と直交する幅方向において、前記第2側面の前記第2m面の幅は、前記第1側面の前記第1m面の幅よりも大きい、水晶振動素子の製造方法。
  10. 前記第1マスク及び前記第2マスクを設ける工程において、前記第1主面を平面視して、前記第1マスク及び前記第2マスクがZ´軸方向において第1距離にて重なるとともに、前記第1マスクが前記第2マスクからZ´軸正方向に第2距離にて延在しかつ前記第2マスクが前記第1マスクからZ´軸負方向に第3距離にて延在するように、前記第1マスク及び前記第2マスクを配置する、請求項8又は9に記載の水晶振動素子の製造方法。
  11. 前記第3距離は前記第2距離よりも大きい、請求項10記載の水晶振動素子の製造方法。
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