JP7427399B2 - 圧電振動片及び圧電振動子 - Google Patents
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Description
この圧電振動片は、多段型のメサ構造とされた一対の振動部(メサ部)が両面に形成された圧電板と、圧電板の両面にそれぞれ形成された一対の電極膜と、を備えている。一対の振動部は、圧電板の中央部に位置するように形成されている。圧電板のうち振動部の周囲に配置される部分は、振動部よりも厚みが薄く形成された外周部とされている。
一対の電極膜は、振動部上に形成された励振電極と、外周部上に形成されたマウント電極と、励振電極とマウント電極とを電気的接続する接続電極と、をそれぞれ備えている。励振電極は、圧電板の厚み方向に向かい合うように配置されている。接続電極は、圧電板の長辺よりも内側寄りに配置されると共に、振動部の斜面上を通過しながら電極板の長辺に沿って直線状に延びるように形成され、励振電極とマウント電極とを接続している。
この場合、圧電振動片を収容するパッケージ自体のサイズをさらに小型化する必要があるので、圧電振動片とパッケージの内壁とがより接近した状態となり、圧電振動片と内壁との間に十分な隙間を確保することが難しくなることが予想される。そのため、導電性接着剤の塗布位置をパッケージの内壁から離れた位置に設定せざるを得ないといった制限が生じてしまう。
さらに、導電性接着剤が接続電極上を濡れ広がり易いので、例えば圧電振動片のマウント後に行う検査の際に、導電性接着剤を視認することが難しくなってしまう。従って、例えば導電性接着剤の形成位置の品質管理を行うことが難くなり、適正な振動特性を有する圧電振動片を安定して提供することが難しくなってしまう。
さらに、引き出し端部が傾斜縁部を有していることで、引き出し端部を通じて第1引き出し電極と第2引き出し電極とをよりスムーズに繋げることができる。従って、厚み滑り振動時に、接続電極での振動伝搬を抑制することができ、振動特性の安定化を図ることができる。
さらに、傾斜縁部と第2引き出し電極との接続角部の位置が、励振電極のうちマウント電極側に位置する縁部に対して第1方向において同位置となるように形成されている。そのため、先に述べた場合と同様に、屈曲振動の波長における腹となる位置に、励振電極のうちマウント電極側に位置する縁部を位置させることで、同時に接続角部の位置も、屈曲振動の波長における腹となる位置に位置させることが可能となる。従って、さらに効果的にスプリアス発振を抑制することが可能となる。
0.8・(n・λ)≦H≦1.2・(n・λ)・・・(1)
〔式中、nは整数、λは厚み滑り振動時に前記圧電板に生じる屈曲振動の波長(mm)である。〕
なお、上記式(1)の距離Hの範囲を超えた場合には、屈曲振動の波長λにおける腹となる位置から圧電板本体の第1側面及び第1引き出し電極の位置が大きく外れ易く、屈曲振動の影響によって例えば振動特性にばらつきが生じる等、振動特性が低下するおそれがある。このようなことから、上記式(1)の通り距離Hの範囲を規定している。
なお、パッケージ3の詳細な構成については、後に説明する。
図4~図8に示すように、圧電振動片10は、図9に示すATカット水晶基板20により形成された圧電板30と、圧電板30の外表面に形成され、圧電板30を厚み滑り振動させる電極膜60と、を備えている。なお、各図面では、電極膜60の膜厚を誇張して図示している。
ATカットによって切り出されたATカット水晶基板20を利用して作製された圧電振動片10は、周波数温度特性が安定していると共に、構造、形状等が単純で加工が容易とされ、CI値が低いという利点を有している。
具体的には、圧電板30は、外形がZ’軸に沿った長さよりもX軸に沿った長さの方が長い平面視矩形状に形成されている。ただし、圧電板30の外形形状は、この場合に限定されるものではなく、Z’軸に沿った長さの方がX軸に沿った長さの方よりも長い平面視矩形状に形成されていて構わないし、Z’軸に沿った長さとX軸に沿った長さとが同等とされた平面視正方形状に形成されていても構わない。
先に述べたように、圧電板30は外形がZ’軸よりもX軸に長い平面視矩形状に形成されているので、第1側面34、35が短辺として機能し、第2側面36、37が長辺として機能する。
具体的には、第1メサ部40は、圧電板本体31の外形形状に対応して、外形がZ’軸に沿った長さよりもX軸に沿った長さの方が長い平面視矩形状に形成されている。第1メサ部40は、圧電板本体31における中央部に配置されている。
具体的には、第2メサ部50は、圧電板本体31の外形形状に対応して、外形がZ’軸に沿った長さよりもX軸に沿った長さの方が長い平面視矩形状に形成されている。第2メサ部50は、第1メサ部40と同様に、圧電板本体31における中央部に配置されている。これにより、第1メサ部40及び第2メサ部50は、圧電板30の厚さ方向に互いに向かい合うように形成されている。
頂面41は、X軸及びZ’軸で画成される面内に形成され、第1主面32に対して平行に配置されている。
4つの側面は、頂面41に対してX軸の+側に配置された第1メサ側面42と、頂面41に対してX軸の-側に配置された第2メサ側面43と、頂面41に対してZ’軸の+側に配置された第3メサ側面44と、頂面41に対してZ’軸の-側に配置された第4メサ側面45と、で構成されている。
なお、第1メサ側面42及び第2メサ側面43は、単一の傾斜面である必要はなく、例えば複数面が多面的に連設した傾斜面とされていても構わないし、湾曲しながら傾斜しても構わない。
第2メサ部50は、平面視矩形状の頂面51と、該頂面51に連設され、頂面51の周囲を囲むように配置された4つの側面(第1メサ側面52、第2メサ側面53、第3メサ側面54及び第4メサ側面55)と、を備えている。
従って、第2メサ部50における頂面51、第1メサ側面52、第2メサ側面53、第3メサ側面54及び第4メサ側面55については、詳細な説明は省略する。ただし、第2メサ部50においては、第3メサ側面54が頂面51に対してZ’軸の-側に配置され、第4メサ側面55が頂面51に対してZ’軸の+側に配置されている。
なお、電極膜60としては、例えば金等の単層膜で形成しても構わないし、クロム等の下地層上に金等を積層した積層膜等で形成しても構わない。
なお、第1引き出し電極75における第1縁部75aは、第2引き出し電極76のうちZ’軸の+側に位置する第1縁部76aに対して略直角に交わるように繋がっている。
なお、傾斜縁部77aは、第1引き出し電極75のうち第1縁部75aよりもX軸の-側に位置する第2縁部75bに対して繋がっていると共に、第2引き出し電極76のうち第1縁部76aよりもZ’軸の-側に位置する第2縁部76bに対して繋がっている。
なお、第2引き出し電極76における第2縁部76bは、圧電板本体31における他方の第2側面37よりもZ’軸の+側に位置している。これにより、第2引き出し電極76と圧電板本体31の他方の第2側面37との間には僅かな隙間が確保されている。
H=n・λ±20%・・・(1)
なお、式(1)において、nは整数である。λは厚み滑り振動時に圧電板30に生じる屈曲振動(厚み屈曲振動)の波長(mm)である。
K=m・λ±20%・・・(2)
なお、式(2)において、mは上記n以外の整数である。λは厚み滑り振動時に圧電板30に生じる屈曲振動(厚み屈曲振動)の波長(mm)である。
そして、第1主面32上に形成されたマウント電極71と第2主面33上に形成されたマウント電極71とは、一方の第1側面34上及び一方の第2側面36上に形成された回り込み電極73を介して電気的接続されている。
上述のように構成された圧電振動片10は、図1~図3に示すように、導電性接着剤2を介してベース基板4のベース面4a上にマウントされることで、パッケージ3内に収容されている。パッケージ3は、圧電振動片10の形状に対応して、第1方向L2に沿った長さの方が第2方向L3に沿った長さよりも長い直方体状に形成されている。
ベース基板4に対するリッド基板5の接合によって、ベース基板4の内部が気密に封止されて、キャビティ6として機能する。
これにより、圧電振動片10は、導電性接着剤2を介してベース基板4のベース面4a上に機械的に保持されると共に、インナー電極9とマウント電極71とがそれぞれ導通した状態となる。
次に、上述のように構成された圧電振動片10及び圧電振動子1を製造する製造方法について簡単に説明する。
ランバート加工された図9に示す人工水晶21をATカットしてATカット水晶基板20を取り出した後、ATカット水晶基板20に対して鏡面研磨加工等の所定処理を施すことで、図11に示すように所定の厚みに調整された圧電ウエハ22を準備する。
本工程では、図11に示すように、圧電ウエハ22の両面にエッチング保護膜80を、例えばスパッタリング法や蒸着法等により成膜すると共に、エッチング保護膜80上に、例えばスピンコート法等によりレジスト材料を塗布して、フォトレジスト膜81を成膜する。
本工程では、図14に示すように、メサマスク83でマスクされた圧電ウエハ22をウェットエッチング加工して、マスクされていない圧電ウエハ22を選択的に除去する。なお、このときの薬液としては、例えばフッ酸を好適に用いることができる。これにより、圧電ウエハ22の両面に、第1メサ部40及び第2メサ部50の外形パターンを形成することができる。このとき、人工水晶21における結晶軸の異方性の関係により、第1メサ部40及び第2メサ部50には、自然結晶面であるm面が現れる。このm面が形成された部分が第4メサ側面45、55となる。
本工程では、図16に示すように、第1メサ部40及び第2メサ部50を形成した圧電ウエハ22の両面に、再びエッチング保護膜85を成膜すると共に、エッチング保護膜85上にフォトレジスト膜86を成膜する。なお、エッチング保護膜85及びフォトレジスト膜86の材質及び形成方法等は、メサマスク形成工程におけるエッチング保護膜80及びフォトレジスト膜81と同様である。
次いで、外形パターンをマスクとして、圧電ウエハ22の両面に成膜されたエッチング保護膜85をウェットエッチング加工して、マスクされていないエッチング保護膜85を選択的に除去する。これにより、図17に示すように、圧電ウエハ22の両面に圧電板30の外形パターンの外形マスク87を形成することができる。
本工程では、図18に示すように、外形マスク87を介して圧電ウエハ22をウェットエッチング加工して、圧電板30の外形パターンを形成する。この際、メサ形成工程と同様に、例えば薬液としてフッ酸を好適に用いることができる。これにより、圧電板30を形成することができる。
次いで、図19に示すように、マスクとして利用していたエッチング保護膜85及びフォトレジスト膜86を除去する。
なお、電極膜形成工程としては、例えば圧電板30の外表面の全体に金属膜を成膜した後、電極膜60のパターンが形成された図示しない電極パターンをマスクとして、金属膜を選択的にエッチング加工(メタルエッチング)することで、電極膜60を形成することができる。なお、このときのエッチング加工としては、例えばドライエッチングでも構わない。
これにより、導電性接着剤2が第2引き出し電極76上を伝わりながら濡れ広がってしまうことを抑制することができる。そのため、導電性接着剤2が第2引き出し電極76上を伝わって第1メサ部40及び第2メサ部50まで到達することを抑制することができ、厚み滑り振動の振動特性に影響を与えてしまうことを防止することができる。
特に、本実施形態の圧電振動子1によれば、図2に示すように、導電性接着剤2との接触を考慮して、圧電振動片10とパッケージ3との間に第2方向L3に大きな隙間を確保する必要がなく、圧電振動片10とパッケージ3におけるベース基板4の周壁部8との間の第2方向L3の間隔を狭くすることが可能である。これにより、パッケージ3のサイズを小さくすることができ、圧電振動子1の小型化に繋げることができる。
H=n・λ±20%・・・(1)
この点、第1引き出し電極75を上述した距離Hに着目した位置に形成することで、屈曲振動の波長λにおける腹となる位置に、圧電板本体31における一方の第1側面34及び第1引き出し電極75をそれぞれ位置させることが可能となる。これにより、不要波である屈曲振動を抑圧することができ、屈曲振動のエネルギーを抑制しながら厚み滑り振動を発生させることができる。従って、スプリアス発振を抑制することができ、さらに高品質な振動特性を具備する圧電振動片10とすることができる。
さらには、屈曲振動の波長λ(mm)と周波数F(MHz)との関係に着目すると、以下の関係となることも知られている。これにより、上述した距離Hを算出することが可能となる。
・λ/2=(1.332/F)-0.0024
例えば、周波数Fが37.4(MHz)の場合において、第1引き出し電極75の位置を上記距離H(mm)から±20%の範囲で移動させたときのCI値を測定すると、19Ω~35Ωであったのに対し、±30%の範囲で移動させたときのCI値を測定すると、24Ω~85Ωの結果が得られた。従って、±20%を超えてしまうと、振動特性にばらつきが生じてしまう。
K=m・λ±20%・・・(2)
L3…第2方向
1…圧電振動子
2…導電性接着剤
3…パッケージ
10…圧電振動片
20…ATカット水晶基板
31…圧電板本体
32…圧電板本体の第1主面(主面)
33…圧電板本体の第2主面(主面)
34、35…第1側面
36、37…第2側面
40…第1メサ部(メサ部)
41…第1メサ部の頂面
50…第2メサ部(メサ部)
51…第1メサ部の頂面
60…電極膜
70…励振電極
70a…励振電極の角部
71…マウント電極
72…接続電極
75…第1引き出し電極
76…第2引き出し電極
77…引き出し端部
77a…傾斜縁部
78…接続角部
Claims (5)
- ATカット水晶基板により形成された圧電板と、
前記圧電板の外表面に形成され、前記圧電板を厚み滑り振動させる電極膜と、を備え、
前記圧電板は、
前記圧電板の厚さ方向に互いに対向する一対の主面を有する圧電板本体と、
前記主面から前記厚さ方向に膨出するように形成されたメサ部と、を備え、
前記電極膜は、
前記メサ部の頂面上に形成された励振電極と、
前記主面上に形成されると共に、前記メサ部に対して前記圧電板の面内方向に沿う第1方向に間隔をあけて配置されたマウント電極と、
前記励振電極と前記マウント電極との間に形成され、前記励振電極と前記マウント電極とを電気的接続する接続電極と、を備え、
前記接続電極は、
前記励振電極から、前記厚さ方向から見た平面視で前記第1方向に交差する第2方向に沿って延び、前記主面上に引き出された第1引き出し電極と、
前記第1引き出し電極の引き出し端部から前記主面上を前記第1方向に沿って延び、前記マウント電極に繋がる第2引き出し電極と、を備え、
前記第1引き出し電極の前記引き出し端部は、前記励振電極から前記第2方向に沿って離れるにしたがって、前記マウント電極側に向かって延びる傾斜縁部を有し、
前記傾斜縁部は、前記傾斜縁部と前記第2引き出し電極との接続角部の位置が、前記励振電極のうち前記マウント電極側に位置する縁部に対して、前記第1方向において同位置となるように形成されていることを特徴とする圧電振動片。 - 請求項1に記載の圧電振動片において、
前記第1引き出し電極は、前記励振電極のうち、前記励振電極における前記第1方向の中央部分よりも前記マウント電極側に位置する部分に繋がっている、圧電振動片。 - 請求項1又は2に記載の圧電振動片において、
前記第1方向は、前記ATカット水晶基板における結晶軸のX軸に沿った方向とされ、
前記圧電板本体は、前記第2方向に沿って延びると共に前記第1方向に互いに対向する一対の第1側面と、前記第1方向に沿って延びると共に前記第2方向に互いに対向する一対の第2側面と、を備え、前記圧電板の厚さ方向から見た平面視で外形が四角形状に形成され、
前記第1引き出し電極は、前記第1側面から前記第1方向に、下記式(1)を満たす距離H(mm)だけ離間した位置に一部分が重なるように形成されている、圧電振動片。
0.8・(n・λ)≦H≦1.2・(n・λ)・・・(1)
〔式中、nは整数、λは厚み滑り振動時に前記圧電板に生じる屈曲振動の波長(mm)である。〕 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片において、
前記励振電極は、前記圧電板の厚さ方向から見た平面視で外形が四角形状に形成され、
前記第1引き出し電極は、前記励振電極のうち四隅の角部を除く部分に繋がっている、圧電振動片。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の圧電振動片と、
導電性接着剤を介して前記圧電振動片が実装され、且つ前記圧電振動片を内部に収容するパッケージと、を備え、
前記圧電振動片は、前記マウント電極と前記導電性接着剤とが電気的接続された状態で、前記導電性接着剤にマウントされていることを特徴とする圧電振動子。
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