WO2022181113A1 - 圧電素子及び圧電デバイス - Google Patents

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WO2022181113A1
WO2022181113A1 PCT/JP2022/001322 JP2022001322W WO2022181113A1 WO 2022181113 A1 WO2022181113 A1 WO 2022181113A1 JP 2022001322 W JP2022001322 W JP 2022001322W WO 2022181113 A1 WO2022181113 A1 WO 2022181113A1
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WO
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pair
holding
piezoelectric element
electrodes
mounting
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PCT/JP2022/001322
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智紀 村山
隼人 田中
斉師 吉田
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京セラ株式会社
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    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/19Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator consisting of quartz
    • HELECTRICITY
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    • H03H9/13Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials
    • H03H9/132Driving means, e.g. electrodes, coils for networks consisting of piezoelectric or electrostrictive materials characterized by a particular shape

Definitions

  • the present disclosure relates to a piezoelectric element and a piezoelectric device including the piezoelectric element.
  • piezoelectric devices include crystal resonators and crystal oscillators.
  • a thickness-shear vibration mode piezoelectric element As a type of piezoelectric element, a thickness-shear vibration mode piezoelectric element is known (for example, Patent Document 1).
  • This piezoelectric element is an AT-cut crystal piece on which excitation electrodes made of metal film patterns are formed on both main surfaces. In this piezoelectric element, when an alternating voltage is applied to the excitation electrodes, a portion of the crystal piece sandwiched between the excitation electrodes undergoes thickness-shear vibration.
  • Piezoelectric devices utilize the piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect of piezoelectric elements to generate a specific oscillation frequency.
  • a typical piezoelectric device has a structure in which a piezoelectric element is accommodated in a package and hermetically sealed with a lid.
  • the piezoelectric element according to the present disclosure is a vibrating portion having a substantially rectangular shape in plan view and having a pair of main vibrating surfaces; a holding portion that is thicker than the vibrating portion, is integrated along at least one side of the vibrating portion in plan view, and has a pair of main holding surfaces; a pair of excitation electrodes located on the pair of vibration principal surfaces; a pair of mounting electrodes positioned on the pair of holding main surfaces; a pair of wiring electrodes electrically connecting the pair of excitation electrodes and the pair of mounting electrodes; with one of the pair of vibration principal surfaces and one of the pair of holding principal surfaces are on the same plane; the other of the pair of holding principal surfaces has a fixing portion in contact with the element mounting member;
  • the pair of mounting electrodes are positioned side by side at the fixed portion, Regarding each of the pair of mounting electrodes and the pair of wiring electrodes, when peripheral edges that are inside each other are defined as inner sides, The inner side of the mounting electrode and the inner side of the wiring electrode are linearly connected.
  • a piezoelectric device includes: a piezoelectric element according to the present disclosure; an element mounting member on which the piezoelectric element is positioned; a lid that hermetically seals the piezoelectric element together with the element mounting member; is provided.
  • FIG. 2 is a plan view showing the piezoelectric element of Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 1B is a plan view of the piezoelectric element of FIG. 1A seen through from the back side;
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line Ic-Ic in FIG. 1A.
  • 1 is a perspective view showing a piezoelectric element of Embodiment 1.
  • FIG. 8 is a plan view showing a piezoelectric element of Embodiment 2;
  • FIG. 3B is a plan view of the piezoelectric element of FIG. 3A seen through from the back side;
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line IIIc-IIIc in FIG. 3A.
  • FIG. 11 is a plan view showing a first example of a piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a second example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a third example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a fourth example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 12 is a plan view showing a fifth example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a sixth example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a seventh example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a seventh example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a plan view showing a seventh example of the piezoelectric element of
  • FIG. 11 is a plan view showing an eighth example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 12 is a plan view showing a ninth example of the piezoelectric element of Embodiment 3;
  • FIG. 11 is a perspective view showing a piezoelectric device of Embodiment 4;
  • FIG. 5B is a sectional view taken along line Vb-Vb in FIG. 5A;
  • FIG. 12 is a perspective view showing a part of the piezoelectric device of Embodiment 5;
  • 4 is a schematic plan view showing a first example of a holding portion in Embodiment 1.
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing a second example of a holding portion in Embodiment 1.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a third example of a holding portion according to Embodiment 1;
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a fourth example of a holding portion according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a plan view showing a piezoelectric element of a comparative example;
  • FIG. 7B is a plan view seen through the back side of the piezoelectric element of FIG. 7A;
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line VIIc-VIIc in FIG. 7A;
  • FIG. 4 is a perspective view showing a piezoelectric element of a comparative example;
  • FIG. 1A is a plan view showing the piezoelectric element of Embodiment 1
  • FIG. 1B is a plan view of the piezoelectric element of FIG. 1A seen through from the back side
  • FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line Ic-Ic in FIG. 1A
  • FIG. 2 is a perspective view showing the piezoelectric element of Embodiment 1.
  • the first embodiment relates to a piezoelectric element.
  • a pair of surfaces having a front-back relationship is defined as "principal surfaces”
  • a surface sandwiched between the pair of principal surfaces is defined as “side surfaces”
  • a dimension in the direction perpendicular to the principal surfaces is defined as "thickness”.
  • an orthogonal coordinate system XYZ consisting of X, Y and Z axes, which are the crystal axes of crystal, is rotated around the X axis by 30° or more and 50° or less to define an orthogonal coordinate system XY'Z'.
  • the "width" of an electrode is the dimension of the electrode in the direction perpendicular to the current flow when viewed in plan.
  • the piezoelectric element 10 of the first embodiment has a substantially rectangular shape in plan view, and includes a vibrating portion 11 having a pair of main vibration surfaces 111 and 112, and a vibrating portion 11 thicker than the vibrating portion 11 and having a thickness of the vibrating portion 11 in plan view.
  • a pair of mounting electrodes 151 and 152 are positioned side by side on the fixed portion 130 . Inner sides of the pair of mounting electrodes 151 and 152 and the pair of wiring electrodes 161 and 162 are defined as inner sides.
  • FIG. 1A the inner side 151a of the mounting electrode 151 and the inner side 161a of the wiring electrode 161 are connected linearly.
  • FIG. 1B the inner side 152a of the mounting electrode 152 and the inner side 162a of the wiring electrode 162 are connected linearly.
  • the wiring electrodes 161 and 162 are dotted for clarity.
  • Each of the above components may be configured as follows. Inner sides 151a and 152a of the mounting electrodes 151 and 152 extend linearly from the vibrating portion 11 side to the peripheral end (holding side surface 135) of the holding portion 13. As shown in FIG. The holding portion 13 further has a pair of holding side surfaces 133 and 134 sandwiched between the pair of holding main surfaces 131 and 132 .
  • One of the pair of mounting electrodes 151 and 152 (mounting electrode 151) extends from one of the pair of holding main surfaces 131 and 132 (holding main surface 131) through one of the pair of holding side surfaces 133 and 134 (holding side surface 133). It extends to the other (holding main surface 132) of the holding main surfaces 131, 132 of.
  • the other of the pair of mounting electrodes 151 and 152 extends from one of the pair of holding main surfaces 131 and 132 (holding main surface 131) through the other of the pair of holding side surfaces 133 and 134 (holding side surface 134). It extends to the other (holding main surface 132) of the holding main surfaces 131, 132 of.
  • the planar shape of the vibrating portion 11 is substantially rectangular.
  • the "substantially quadrangular” includes squares, rectangles (rectangles), rectangles with rounded corners, and the like.
  • the vibrating main surface 111 and the holding main surface 131 are on the same plane, and the thickness of the holding portion 13 is greater than the thickness of the vibrating portion 11 .
  • the holding part 13 has two holding sides 133, 134 along the XY' plane and one holding side 135 along the Y'Z' plane.
  • the inclined portion 12 having inclined main surfaces 121 and 122 and inclined side surfaces 123 and 124 is positioned between the vibrating portion 11 and the holding portion 13 .
  • the inclined main surface 121 is on the same plane as the vibrating main surface 111 and the holding main surface 131
  • the inclined main surface 122 is a slope so as to connect the vibrating main surface 112 and the holding main surface 132 .
  • a through hole 17 is formed in the inclined portion 12 so as to extend through the main inclined surfaces 121 and 122 in the thickness direction.
  • the inclined main surface 122 is formed by wet etching if the crystal axis of the crystal piece 18 is set as shown.
  • the mounting electrodes 151 and 152 are positioned on the main holding surface 132 having the fixing portion 130 (FIG. 1B).
  • the holding portion 13 may surround not only one side 116 (FIG. 1A) of the vibrating portion 11 but also two sides, three sides, or all sides of the vibrating portion 11 . Specific examples thereof will be described with reference to FIGS. 6A to 6D.
  • the holding portion 13a of the first example shown in FIG. 6A has a substantially I-shaped planar shape and is located on the first side 117a side of the vibrating portion 11, as in the first embodiment.
  • the holding portion 13c of the third example shown in FIG. 6C has a substantially U-shaped planar shape and is positioned on the first side 117a side, the second side 117b side, and the third side 117c side of the vibrating portion 11 .
  • the holding portion 13d of the fourth example shown in FIG. 6D has a substantially square-shaped planar shape, and the first side 117a side, the second side 117b side, the third side 117c side, and the fourth side 117d side of the vibrating portion 11.
  • the thickness of the holding portions 13a, 13b, 13c, and 13d is greater than the thickness of the vibrating portion 11.
  • the fixing portions 130 of the holding portions 13a, 13b, 13c, and 13d are all at the same position, but may be at different positions. That is, the fixing portion 130 may be located at any position on each of the holding portions 13a, 13b, 13c, and 13d.
  • the piezoelectric element 10 operates in a thickness-shear vibration mode, and has an oscillation frequency (fundamental wave) of, for example, 100 MHz or higher.
  • the vibrating portion 11 , the inclined portion 12 and the holding portion 13 are composed of one crystal piece 18 .
  • the excitation electrodes 141, 142, the mounting electrodes 151, 152, and the wiring electrodes 161, 162 are made of metal patterns of the same material.
  • the crystal piece 18 is an AT-cut crystal plate. That is, in crystal, the orthogonal coordinate system XYZ consisting of the X-axis (electrical axis), Y-axis (mechanical axis), and Z-axis (optical axis) is 30° or more and 50° or less (for example, 35° 15')
  • XY'Z' is defined by rotation
  • a wafer cut out parallel to the XZ' plane becomes the raw material of the crystal piece 18.
  • the longitudinal direction of the crystal piece 18 is parallel to the X-axis
  • the lateral direction is parallel to the Z'-axis
  • the thickness direction is parallel to the Y'-axis.
  • the crystal piece 18 has a length (X-axis direction) of 750-950 ⁇ m and a width (Z′-axis direction) of 600-800 ⁇ m.
  • the thickness (Y'-axis direction) of the holding portion 13 is 30 to 50 ⁇ m
  • the thickness (Y'-axis direction) of the vibrating portion 11 is approximately 5 to 10 ⁇ m
  • the excitation electrodes 141 and 142 have a side length of 250 to 400 ⁇ m.
  • the oscillation frequency at this time is approximately 160 to 340 MHz.
  • the inclined principal surface 121 is flush with the vibrating principal surface 111 and the holding principal surface 131 , but the inclined principal surface 122 is inclined so as to connect the vibrating principal surface 112 and the holding principal surface 132 . That is, the thickness of the inclined portion 12 becomes thinner as the distance from the holding portion 13 increases. Therefore, the stress transmitted from the holding portion 13 side to the vibrating portion 11 side is absorbed or dispersed by the inclined portion 12 (gentle step). Further, since the secondary vibration generated in the vibrating portion 11 is gradually attenuated toward the holding portion 13, the influence of the secondary vibration reflected by the holding portion 13 on the vibrating portion 11 is reduced. Therefore, the slope portion 12 also reduces the equivalent series resistance value.
  • the through hole 17 penetrates between the mounting electrodes 151 and 152 and the vibrating portion 11 in the thickness direction. Therefore, the stress transmitted from the holding portion 13 side to the vibrating portion 11 side is absorbed or dispersed by the through holes 17 . In other words, when the holding portion 13 is connected to the package, the distortion that occurs in the vibrating portion 11 can be reduced. Also, the through hole 17 functions to confine the vibration energy of the vibrating portion 11 . Therefore, the through holes 17 can also reduce the equivalent series resistance value. Furthermore, by forming the through hole 17 in the inclined portion 12, these effects are increased in conjunction with the action of the inclined portion 12. As shown in FIG.
  • the pair of excitation electrodes 141 and 142 are substantially rectangular in plan view, and are provided substantially at the centers of the main vibration surfaces 111 and 112 of the vibrating section 11, respectively.
  • Wiring electrodes 161 and 162 for connection that do not contribute to excitation extend from the excitation electrodes 141 and 142 to mounting electrodes 151 and 152 .
  • the excitation electrode 141 is electrically connected to the mounting electrode 151 via the wiring electrode 161
  • the excitation electrode 142 is electrically connected to the mounting electrode 152 via the wiring electrode 162 .
  • the mounting electrodes 151 are provided inside the holding main surfaces 131 and 132 , the holding side surfaces 133 and 135 , the inclined main surfaces 121 and 122 , the inclined side surface 123 and the through holes 17 .
  • the mounting electrodes 152 are provided inside the holding main surfaces 131 and 132 , the holding side surfaces 134 and 135 , the inclined main surfaces 121 and 122 , the inclined side surface 124 and the through holes 17 .
  • the excitation electrode 141 and the wiring electrode 161 are provided on the vibration main surface 111 side, and the excitation electrode 142 and the wiring electrode 162 are provided on the vibration main surface 112 side.
  • the metal patterns constituting the excitation electrodes 141, 142, the mounting electrodes 151, 152, and the wiring electrodes 161, 162 are, for example, a laminate of a base layer made of chromium (Cr) and a conductor layer made of gold (Au). is formed. That is, the base layer is positioned on the crystal piece 18, and the conductor layer is positioned on the base layer.
  • the underlayer mainly plays a role of obtaining adhesion to the crystal piece 18 .
  • the conductor layer mainly plays the role of obtaining electrical continuity.
  • Forming a metal film means forming a metal film.
  • the metal pattern manufacturing process includes a method of forming a photoresist pattern on a crystal piece and then etching it, and a method of forming a photoresist pattern on the crystal piece and then forming a film and then lifting off the film. or a method of forming a film by covering the crystal piece with a metal mask. Sputtering, vapor deposition, or the like is used for film formation.
  • the piezoelectric element 10 can be manufactured as follows using, for example, photolithography technology and etching technology.
  • a corrosion-resistant film is provided on the entire surface of an AT-cut crystal wafer, and a photoresist is provided on it. Subsequently, a mask having a pattern of the outline of the crystal piece 18 (including the through hole 17) and the vibrating portion 11 (only one side) is overlaid on the photoresist, and a part of the photoresist is exposed and developed. The corrosion resistant film is exposed and wet etching is performed on the corrosion resistant film in this state. Thereafter, the remaining corrosion-resistant film is used as a mask to wet-etch the crystal wafer, thereby forming the outer shape of the crystal piece 18 and the vibrating portion 11 . The outer shape of the crystal piece 18 is etched on both sides, and the vibrating portion 11 is etched on one side. The inclined main surface 122 is also formed by this wet etching.
  • the remaining corrosion-resistant film is removed from the crystal wafer, and a metal film that becomes the excitation electrodes 141, 142, etc. is provided on the entire surface of the crystal wafer.
  • a photoresist mask having a pattern of the excitation electrodes 141, 142 and the like is formed on the metal film, and unnecessary metal films are removed by etching to form the excitation electrodes 141 and 142 and the like.
  • a plurality of piezoelectric elements 10 are formed on the crystal wafer.
  • individual piezoelectric elements 10 are obtained by singulating the crystal wafer into individual piezoelectric elements 10 .
  • the operation of the piezoelectric element 10 is as follows. An alternating voltage is applied to the crystal piece 18 via the excitation electrodes 141 and 142 . Then, the crystal blank 18 causes thickness-shear vibration such that the vibration main surfaces 111 and 112 are shifted from each other, and generates a specific oscillation frequency. Thus, the piezoelectric element 10 utilizes the piezoelectric effect and the inverse piezoelectric effect of the crystal piece 18 to operate to output a signal with a constant oscillation frequency. At this time, the thinner the plate thickness of the crystal blank 18 (that is, the vibrating portion 11) between the excitation electrodes 141, 141, the higher the oscillation frequency.
  • the piezoelectric element 10 is suitable for higher frequencies and can reduce the equivalent series resistance value. The reason will be explained below.
  • the vibrating main surface 111 and the holding main surface 131 are on the same plane, and the thickness of the holding portion 13 is larger than the thickness of the vibrating portion 11 . Since the supporting structure can be realized, the mechanical strength of the piezoelectric element 10 can be maintained even if the vibrating portion 11 becomes thinner due to the higher oscillation frequency. Therefore, the piezoelectric element 10 has a structure suitable for high frequencies.
  • the piezoelectric element 50 of the comparative example shown in FIGS. 7A, 7B, 7C, and 8 and the piezoelectric element 10 of the first embodiment will be explained while being compared.
  • the piezoelectric element 50 of the comparative example has the same configuration as the piezoelectric element 10 of Embodiment 1, except that the mounting electrodes 551 and 552 and the wiring electrodes 561 and 562 have different shapes.
  • the inner side 551a of the mounting electrode 551 and the inner side 561a of the wiring electrode 561 are connected stepwise, and as shown in FIG. 7B, the inner side 552a of the mounting electrode 552 and the wiring electrode 562 and the inner side 562a are connected in a stepped manner. That is, the width 56w of the wiring electrodes 561 and 562 is narrowed. This is because if the width 56 w is increased, the wiring electrodes 561 and 562 may vibrate on the sides closer to the excitation electrodes 141 and 142 , and the vibration may leak to the holding portion 13 .
  • the inner side 151a of the mounting electrode 151 and the inner side 161a of the wiring electrode 161 are connected in a straight line
  • the inner side 152a of the mounting electrode 152 and the inner side 162a of the wiring electrode 162 are connected in a straight line.
  • the equivalent series resistance value is lowered by connecting and increasing the width 16w of the wiring electrodes 161 and 162 . Therefore, according to the piezoelectric element 10, the equivalent series resistance value can be reduced while being suitable for higher frequencies.
  • the inner sides 551a and 552a of the mounting electrodes 551 and 552 are stepped from the vibrating portion 11 side to the peripheral end (holding side surface 135) of the holding portion 13. extended. That is, the width 55w of the mounting electrodes 551 and 552 on the holding side surface 135 side is narrowed. This is because if the width 55w is increased, the mounting electrodes 551 and 552 are brought closer to each other, which may cause an electrical short circuit when the mounting electrodes 551 and 552 are connected to the element mounting member by the conductive adhesive. is.
  • the inner sides 151a and 152a of the mounting electrodes 151 and 152 are linearly extended from the vibrating portion 11 side to the peripheral edge (holding side surface 135) of the holding portion 13, so that the mounting electrodes 151 and 152 By increasing the width 15w on the holding side surface 135 side, the equivalent series resistance value can be further reduced.
  • the mounting electrodes 551 and 552 extend from the holding main surface 131 to the holding main surface 132 only through the holding side surface 135 .
  • the mounting electrodes 151 and 152 extend from the holding main surface 131 to the holding main surface 132 via the holding side surfaces 133 , 134 and 135 .
  • the mounting electrodes 151 , 152 cover not only the main holding surfaces 131 , 132 and the holding side surfaces 135 , but also the holding side surfaces 133 , 134 . Therefore, according to the first embodiment, the effective width of the mounting electrodes 151 and 152 can be increased more than in the comparative example, so the equivalent series resistance value can be further reduced.
  • FIG. 3A is a plan view showing the piezoelectric element of Embodiment 2
  • FIG. 3B is a plan view of the piezoelectric element of FIG. 3A seen through from the back side
  • FIG. 3C is a sectional view taken along line IIIc-IIIc in FIG. 3A.
  • the piezoelectric element 20 of Embodiment 2 has the same configuration as the piezoelectric element 10 of Embodiment 1 (FIGS. 1A and 1B), except that the wiring electrodes 261 and 262 have different shapes. In FIGS. 3A and 3B, the wiring electrodes 261 and 262 are dotted for clarity. Since FIG. 3B is not a bottom view of the back side of the piezoelectric element 20 but a plan view of the back side of the piezoelectric element 20 seen through from the front side, left and right are reversed in the following description.
  • the pair of excitation electrodes 141, 142 and the pair of mounting electrodes 151, 152 have a substantially rectangular shape with four sides in plan view.
  • the sides on the side of the holding portion 13 are defined as lower sides 141a and 142a
  • the sides facing the lower sides 141a and 142a are defined as upper sides 141b and 142b
  • the upper sides 141b and 142b are upward and the lower sides 141a and 142a are downward.
  • the sides on the vibrating portion 11 side are upper sides 151b and 152b.
  • the wiring electrode 261 extends from the lower side 141a of the excitation electrode 141 and one of the pair of side pieces (the right side 141d in the second embodiment) to the upper side 151b of the mounting electrode 151 .
  • the wiring electrode 262 extends from one of the lower side 142a and the pair of side pieces of the excitation electrode 142 (the right side 142d in the second embodiment) to the upper side 152b of the mounting electrode 152 .
  • the wiring electrodes 161 and 162 (FIGS. 1A and 1B) of the first embodiment are arranged from only the lower sides 141a and 142a (FIGS. 3A and 3B) of the excitation electrodes 141 and 142 to the upper sides 151b and 152b (FIGS. 3A and 3B) of the mounting electrodes 151 and 152. 3A and 3B).
  • the wiring electrodes 261 and 262 of the second embodiment are arranged not only from the lower sides 141a and 142a of the excitation electrodes 141 and 142 but also from the right sides 141d and 142d of the excitation electrodes 141 and 142 to the upper sides of the mounting electrodes 151 and 152.
  • the piezoelectric element 30 of Embodiment 3 is the same as that of Embodiment 1, except that the holding portion 13 has recesses (311 to 39) and part of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the recesses (311 to 39). It has substantially the same configuration as the piezoelectric element 10 (FIGS. 1A and 1B).
  • the holding portion 13 has through holes 311 and 312 as recesses, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the through holes 311 and 312, respectively.
  • the through holes 311 and 312 are circular in plan view, and the mounting electrodes 151 and 152 are partially cylindrically formed on the inner walls of the through holes 311 and 312, respectively. That is, the mounting electrode 151 is electrically connected between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 311 , and the mounting electrode 152 is connected between the holding main surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 312 . is conducting. Therefore, according to the first example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced. Either one of the through holes 311 and 312 may be provided.
  • the holding portion 13 has through holes 321 and 322 as recesses, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the through holes 321 and 322, respectively.
  • the through holes 321 and 322 are elliptical in plan view, the long axes of the through holes 321 and 322 are aligned with the longitudinal direction of the piezoelectric element 30 , and the short axes of the through holes 321 and 322 are aligned with the short side direction of the piezoelectric element 30 . is consistent with Parts of the mounting electrodes 151 and 152 are formed in an elliptical cylindrical shape on the inner walls of the through holes 321 and 322, respectively.
  • the mounting electrode 151 is electrically connected between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 321
  • the mounting electrode 152 is connected between the holding main surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 322 .
  • the holding portion 13 has through holes 331 and 332 as recesses, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the through holes 331 and 332, respectively.
  • the through holes 331 and 332 are elliptical in plan view. The axis coincides with the longitudinal direction of the piezoelectric element 30 .
  • Parts of the mounting electrodes 151 and 152 are formed in an elliptical cylindrical shape on the inner walls of the through holes 331 and 332, respectively.
  • the mounting electrode 151 is electrically connected between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 331
  • the mounting electrode 152 is connected between the holding main surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through hole 332 .
  • the holding portion 13 has through holes 341a, 341b, 342a, and 342b as recesses, and the mounting electrodes 151 are partially positioned in the through holes 341a and 341b.
  • a portion of the mounting electrode 152 is located within 342b.
  • the through holes 341a, 341b, 342a, and 342b are circular in plan view, and a portion of the mounting electrode 151 is cylindrically formed on the inner wall of the through holes 341a and 341b, and the mounting electrode 151 is formed on the inner wall of the through holes 342a and 342b.
  • a part of the electrode 152 is formed in a cylindrical shape.
  • the mounting electrode 151 is electrically connected between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through holes 341a and 341b. , 342b. Therefore, according to the fourth example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced. Either one of the through holes 341a and 341b and the through holes 342a and 342b may be used.
  • the holding portion 13 has cuts 351 and 352 as recesses, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the cuts 351 and 352, respectively.
  • Notches 351 and 352 are formed in the holding side surface 135, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are formed in flat semi-cylindrical shapes on the inner walls of the notches 351 and 352, respectively.
  • the mounting electrode 151 is conductive between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the cut 351
  • the mounting electrode 152 is conductive between the holding main surface 131 side and the holding main surface 132 side through the cut 352 . is doing. Therefore, according to the fifth example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced. Either one of the cuts 351 and 352 may be used.
  • the holding portion 13 has notches 361 and 362 as recesses, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the notches 361 and 362, respectively.
  • the notches 361 and 362 are formed in the holding side surfaces 133 and 134, respectively, and the inner walls of the notches 361 and 362 are formed with portions of the mounting electrodes 151 and 152, respectively, in a flat semi-cylindrical shape. That is, the mounting electrode 151 is conductive between the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the cut 361 , and the mounting electrode 152 is conductive between the holding main surface 131 side and the holding main surface 132 side through the cut 362 . is doing. Therefore, according to the sixth example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced. Either one of the cuts 361 and 362 may be used.
  • the holding part 13 has a through hole 37 as a recess, and parts of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the through hole 37, respectively.
  • the through-hole 37 has, for example, the same planar shape as the through-hole 17 , and a part of the mounting electrodes 151 and 152 is formed on the inner wall of the through-hole 37 . That is, the mounting electrodes 151 and 152 are electrically connected to the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through holes 37 . Therefore, according to the seventh example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced.
  • the holding portion 13 has a through hole 38 as a concave portion, and the mounting electrodes 151 and 152 are partially positioned in the through hole 38, and the through hole 17 in the seventh example and the like is has been removed.
  • the through-hole 38 is about twice as large as the through-hole 17 and is located near the inclined portion 12 of the holding portion 13 .
  • Parts of the mounting electrodes 151 and 152 are formed on the inner wall of the through hole 38 . That is, the mounting electrodes 151 and 152 are electrically connected to the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the through holes 38 . Therefore, according to the eighth example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced.
  • the holding part 13 has a cut 39 as a recess, part of the mounting electrodes 151 and 152 are positioned in the cut 39, and the through hole 17 in the seventh example etc. is eliminated. ing.
  • the notch 39 is about the size of two through-holes 17 and is located from the retaining side 135 through the retaining portion 13 to the inclined portion 12 .
  • Parts of the mounting electrodes 151 and 152 are formed on the inner wall of the cut 39 .
  • the mounting electrodes 151 and 152 are electrically connected to the main holding surface 131 side and the holding main surface 132 side through the notch 39 . Therefore, according to the ninth example, since the resistance values of the mounting electrodes 151 and 152 can be reduced, the equivalent series resistance value of the piezoelectric element 30 can be further reduced.
  • the recesses (311-39) of the first to ninth examples are formed by wet etching, laser processing, ion beam processing, or the like, and there are no restrictions on the number, position and shape.
  • Other configurations, actions and effects of the third embodiment are the same as those of the first and second embodiments.
  • FIG. 5A is a perspective view showing the piezoelectric device of Embodiment 4
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line Vb-Vb in FIG. 5A. Description will be made below based on these figures.
  • the piezoelectric device 60 of Embodiment 4 includes the piezoelectric element 10 of Embodiment 1, a base 61 on which the piezoelectric element 10 is positioned, and hermetically seals the piezoelectric element 10 together with the base 61.
  • a lid 62 is provided.
  • the mounting electrodes 151 and 152 of the piezoelectric element 10 are connected to the substrate 61 by a conductive adhesive 61e.
  • the piezoelectric element 20 of the second embodiment may be used instead of the piezoelectric element 10 of the first embodiment.
  • the base 61 is also called an element mounting member or package, and consists of a substrate 61a and a frame 61b.
  • a space surrounded by the upper surface of the substrate 61 a , the inner surface of the frame 61 b , and the lower surface of the lid 62 serves as the housing portion 63 for the piezoelectric element 10 .
  • the piezoelectric element 10 outputs, for example, a reference signal used in electronic equipment or the like.
  • the piezoelectric device 60 includes a substrate 61a having a pair of electrode pads 61d on its upper surface and four external terminals 61c on its lower surface, a frame 61b positioned along the outer periphery of the upper surface of the substrate 61a, and a pair of electrode pads.
  • the piezoelectric element 10 is mounted on 61d via a conductive adhesive 61e, and the lid 62 hermetically seals the piezoelectric element 10 together with the frame 61b.
  • the substrate 61a and the frame 61b are made of a ceramic material such as alumina ceramics or glass ceramics, and integrally formed to form the base 61.
  • the base 61 and the lid 62 are substantially rectangular in plan view.
  • the external terminal 61c, the electrode pad 61d, and the lid 62 are electrically connected via a conductor formed inside or on the side surface of the base 61. As shown in FIG. Specifically, the external terminals 61c are positioned at the four corners of the lower surface of the substrate 61a. Two of these external terminals 61 c are electrically connected to the piezoelectric element 10 , and the remaining two external terminals 61 c are electrically connected to the lid 62 .
  • the external terminal 61c is used for mounting on a printed wiring board of an electronic device or the like.
  • the piezoelectric element 10 has the crystal piece 18 , the excitation electrode 141 formed on the upper surface of the crystal piece 18 , and the excitation electrode 142 formed on the lower surface of the crystal piece 18 , as described above.
  • the piezoelectric element 10 is bonded onto the electrode pad 61d via a conductive adhesive 61e, and plays a role of oscillating a reference signal for electronic equipment or the like by stable mechanical vibration and piezoelectric effect.
  • the electrode pads 61d are for mounting the piezoelectric element 10 on the substrate 61, and are positioned adjacent to each other along one side of the substrate 61a.
  • the pair of electrode pads 61d connects the mounting electrodes 151 and 152, respectively, and has one end of the piezoelectric element 10 as a fixed end, and the other end of the piezoelectric element 10 as a free end separated from the upper surface of the substrate 61a.
  • the piezoelectric element 10 is fixed on the substrate 61a with a cantilever support structure.
  • the conductive adhesive 61e is, for example, a binder such as silicone resin containing conductive powder as a conductive filler.
  • the lid body 62 is made of an alloy containing at least one of iron, nickel, and cobalt, for example, and is joined to the frame body 61b by seam welding or the like, so that the housing part 63 is in a vacuum state or filled with nitrogen gas or the like. hermetically sealed.
  • the piezoelectric device 60 is mounted on the surface of the printed circuit board that constitutes the electronic device by fixing the bottom surface of the external terminal 61c to the printed circuit board by soldering, gold (Au) bumps, conductive adhesive, or the like.
  • the piezoelectric device 60 is used as an oscillation source in various electronic devices such as smartphones, personal computers, clocks, game machines, communication devices, and in-vehicle devices such as car navigation systems.
  • the piezoelectric device 60 by including the piezoelectric element 10 having a low equivalent series resistance value, excellent electrical characteristics such as low power consumption and a high Q value can be exhibited.
  • a piezoelectric device having the piezoelectric element of the third embodiment will be described as a piezoelectric device of the fifth embodiment.
  • 5C is a perspective view showing part of the piezoelectric device of Embodiment 5. FIG. Description will be made below with reference to FIGS. 5C and 4F.
  • a piezoelectric device 70 of the fifth embodiment includes the piezoelectric element 30 of the sixth example of the third embodiment shown in FIG. It is different from the fourth embodiment in that Only the incision 361 is illustrated in FIG. 5C.
  • the introduction of the conductive adhesive 61e into the cuts 361 and 362 not only further reduces the equivalent series resistance of the piezoelectric element 30, but also increases the bonding area of the conductive adhesive 61e.
  • the bonding strength of the element 30 can be improved.
  • Other configurations, functions and effects of the fifth embodiment are the same as those of the fourth embodiment.
  • the piezoelectric device 70 is not limited to the piezoelectric element 30 of the sixth example of the third embodiment, and may include the piezoelectric element 30 of another example of the third embodiment.
  • the present disclosure has been described with reference to the above embodiments, the present disclosure is not limited to these.
  • the present disclosure also includes a combination of all or part of each embodiment.
  • Various changes that can be understood by those skilled in the art can be added to the configuration and details of the present disclosure.
  • the piezoelectric material may be lithium tantalate, lithium niobate, piezoelectric ceramics, or the like instead of quartz.
  • the present disclosure can be used as piezoelectric elements and piezoelectric devices.

Landscapes

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Abstract

圧電素子10は、振動部11と、保持部13と、励振電極141,142と、搭載電極151,152と、配線電極161,162と、を備えている。振動主面111と保持主面131とは、同一平面上にある。保持主面132は、素子搭載部材に接する固定部位130を有する。搭載電極151,152は、固定部位130に並んで位置する。搭載電極151の内側辺151aと配線電極161の内側辺161aとは、直線状に繋がっている。搭載電極152の内側辺152aと配線電極162の内側辺162aとは、直線状に繋がっている。

Description

圧電素子及び圧電デバイス
 本開示は、圧電素子、及び、圧電素子を備えた圧電デバイスに関する。圧電デバイスとしては、例えば水晶振動子又は水晶発振器などが挙げられる。
 圧電素子の一種として、厚みすべり振動モードの圧電素子が知られている(例えば特許文献1)。この圧電素子は、ATカットの水晶片の両主面に、金属膜パターンからなる励振電極を形成したものである。この圧電素子では、励振電極に交番電圧を印加した際に、励振電極に挟まれている水晶片の一部が厚みすべり振動をする。
 圧電デバイスは、圧電素子の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、特定の発振周波数を発生させる。一般的な圧電デバイスは、パッケージ内に圧電素子を収容し、これを蓋体によって気密封止した構造である。
特開2018-56860号公報
 本開示に係る圧電素子は、
 平面視して略四角形状であり、一対の振動主面を有する振動部と、
 前記振動部よりも厚く、平面視して前記振動部の少なくとも一辺側に沿って一体化し、一対の保持主面を有する保持部と、
 前記一対の振動主面に位置する一対の励振電極と、
 前記一対の保持主面に位置する一対の搭載電極と、
 前記一対の励振電極と前記一対の搭載電極とを電気的に接続する一対の配線電極と、
 を備え、
 前記一対の振動主面の一方と前記一対の保持主面の一方とは同一平面上にあり、
 前記一対の保持主面の他方は、素子搭載部材に接する固定部位を有し、
 前記一対の搭載電極は、前記固定部位に並んで位置し、
 前記一対の搭載電極及び前記一対の配線電極のそれぞれについて、互いに内側となる周縁を内側辺としたとき、
 前記搭載電極の前記内側辺と前記配線電極の前記内側辺とが直線状に繋がっている。
 本開示に係る圧電デバイスは、
 本開示に係る圧電素子と、
 前記圧電素子が位置する素子搭載部材と、
 前記圧電素子を前記素子搭載部材とともに気密封止する蓋体と、
 を備えたものである。
実施形態1の圧電素子を示す平面図である。 図1Aの圧電素子における裏側を透視して見た平面図である。 図1AにおけるIc-Ic線断面図である。 実施形態1の圧電素子を示す斜視図である。 実施形態2の圧電素子を示す平面図である。 図3Aの圧電素子における裏側を透視して見た平面図である。 図3AにおけるIIIc-IIIc線断面図である。 実施形態3の圧電素子の第一例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第二例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第三例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第四例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第五例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第六例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第七例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第八例を示す平面図である。 実施形態3の圧電素子の第九例を示す平面図である。 実施形態4の圧電デバイスを示す斜視図である。 図5AにおけるVb-Vb線断面図である。 実施形態5の圧電デバイスの一部を示す斜視図である。 実施形態1における保持部の第一例を示す概略平面図である。 実施形態1における保持部の第二例を示す概略平面図である。 実施形態1における保持部の第三例を示す概略平面図である。 実施形態1における保持部の第四例を示す概略平面図である。 比較例の圧電素子を示す平面図である。 図7Aの圧電素子における裏側を透視して見た平面図である。 図7AにおけるVIIc-VIIc線断面図である。 比較例の圧電素子を示す斜視図である。
 以下、添付図面を参照しながら、本開示を実施するための形態(以下「実施形態」という。)について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いることにより、重複説明を省略する。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。
<実施形態1>
 図1Aは実施形態1の圧電素子を示す平面図、図1Bは図1Aの圧電素子における裏側を透視して見た平面図、図1Cは図1AにおけるIc-Ic線断面図である。図2は実施形態1の圧電素子を示す斜視図である。以下、これらの図面を中心に説明する。
 本実施形態1は圧電素子に関する。表裏関係にある一対の面を「主面」とし、一対の主面に挟まれた面を「側面」とし、主面を垂直に貫く方向の寸法を「厚み」とする。また、水晶の結晶軸であるX軸、Y軸及びZ軸からなる直交座標系XYZを、X軸回りに30°以上かつ50°以下回転させて、直交座標系XY’Z’を定義する。電極の「幅」とは、平面視して電流の流れに垂直な方向の電極の寸法である。
 本実施形態1の圧電素子10は、平面視して略四角形状であり、一対の振動主面111,112を有する振動部11と、振動部11よりも厚く、平面視して振動部11の少なくとも一辺116(図1A)側に沿って一体化し、一対の保持主面131,132を有する保持部13と、一対の振動主面111,112に位置する一対の励振電極141,142と、一対の保持主面131,132に位置する一対の搭載電極151,152と、一対の励振電極141,142と一対の搭載電極151,152とを電気的に接続する一対の配線電極161,162と、を備えている。一対の振動主面111,112の一方(振動主面111)と一対の保持主面131,132の一方(保持主面131)とは、同一平面上にある。一対の保持主面131,132の他方(保持主面132)は、素子搭載部材に接する固定部位130(図1B)を有する。一対の搭載電極151,152は、固定部位130に並んで位置する。一対の搭載電極151,152及び一対の配線電極161,162のそれぞれについて、互いに内側となる周縁を内側辺とする。このとき、図1Aに示すように、搭載電極151の内側辺151aと配線電極161の内側辺161aとは、直線状に繋がっている。図1Bに示すように、搭載電極152の内側辺152aと配線電極162の内側辺162aとは、直線状に繋がっている。図1A及び図1Bでは、わかりやすくするために、配線電極161,162にドットを付す。
 上記各構成要素は、次のようにしてもよい。搭載電極151,152の内側辺151a,152aは、振動部11側から保持部13の周端(保持側面135)まで直線状に延びている。保持部13は、一対の保持主面131,132に挟まれた一対の保持側面133,134を更に有する。一対の搭載電極151,152の一方(搭載電極151)は、一対の保持主面131,132の一方(保持主面131)から一対の保持側面133,134の一方(保持側面133)を経て一対の保持主面131,132の他方(保持主面132)まで延びている。一対の搭載電極151,152の他方(搭載電極152)は、一対の保持主面131,132の一方(保持主面131)から一対の保持側面133,134の他方(保持側面134)を経て一対の保持主面131,132の他方(保持主面132)まで延びている。
 次に、圧電素子10の構成について、更に詳しく説明する。
 振動部11の平面形状は、略四角形状である。この「略四角形」には、正方形、長方形(矩形)、及び、四隅が丸みを帯びた長方形なども含まれる。振動主面111と保持主面131とは同一平面上にあり、保持部13の厚みは振動部11の厚みよりも大きい。保持部13は、XY’平面に沿った二つの保持側面133,134及びY’Z’平面に沿った一つの保持側面135を有する。
 本実施形態1では、振動部11と保持部13との間に、傾斜主面121,122及び傾斜側面123,124を有する傾斜部12が位置する。傾斜主面121は振動主面111及び保持主面131とともに同一平面上にあり、傾斜主面122は振動主面112及び保持主面132を繋ぐように斜面となっている。傾斜部12には、傾斜主面121,122を厚み方向に貫く貫通孔17が形成されている。傾斜主面122は、水晶片18の結晶軸を図示するように設定すれば、ウェットエッチングによって形成される。
 本実施形態1では、固定部位130(図1B)を有する保持主面132に搭載電極151,152が位置する。保持部13は、振動部11の一辺116(図1A)側だけではなく、振動部11の二辺、三辺又は全辺を囲むようにしてもよい。それらの具体例について、図6A乃至図6Dに基づき説明する。図6Aに示す第一例の保持部13aは、本実施形態1と同様、平面形状が略I字状であり、振動部11の第一辺117a側に位置する。図6Bに示す第二例の保持部13bは、平面形状が略L字状であり、振動部11の第一辺117a側及び第二辺117b側に位置する。図6Cに示す第三例の保持部13cは、平面形状が略コ字状であり、振動部11の第一辺117a側、第二辺117b側及び第三辺117c側に位置する。図6Dに示す第四例の保持部13dは、平面形状が略ロ字状であり、振動部11の第一辺117a側、第二辺117b側、第三辺117c側及び第四辺117d側に位置する。第一例乃至第四例において、保持部13a,13b,13c,13dの厚みは、振動部11の厚みよりも大きい。保持部13a,13b,13c,13dにおける固定部位130は、全て同じ位置にあるが、それぞれ異なる位置にしてもよい。すなわち、固定部位130は、保持部13a,13b,13c,13dそれぞれのどの位置にあってもよい。
 圧電素子10は、厚みすべり振動モードで動作し、発振周波数(基本波)が例えば100MHz以上である。振動部11、傾斜部12及び保持部13は、一個の水晶片18からなる。励振電極141,142、搭載電極151,152及び配線電極161,162は、同じ材料の金属パターンからなる。
 水晶片18は、ATカット水晶板である。すなわち、水晶において、X軸(電気軸)、Y軸(機械軸)及びZ軸(光軸)からなる直交座標系XYZを、X軸回りに30°以上かつ50°以下(一例として、35°15′)回転させて直交座標系XY’Z’を定義したとき、XZ’平面に平行に切り出されたウェハが水晶片18の原材料となる。そして、水晶片18の長手方向がX軸に平行、短手方向がZ’軸に平行、厚み方向がY’軸に平行である。
 水晶片18等について、寸法の一例を示す。水晶片18は、長さ(X軸方向)が750~950μm、幅(Z’軸方向)が600~800μmである。保持部13の厚み(Y’軸方向)は30~50μm、振動部11の厚み(Y’軸方向)は約5~10μm、励振電極141,142の一辺は250~400μmである。このときの発振周波数は約160~340MHzである。
 傾斜主面121は振動主面111及び保持主面131と同一平面になっているが、傾斜主面122は振動主面112及び保持主面132を繋ぐように斜面になっている。つまり、傾斜部12は、保持部13から離れるにつれて、厚みが薄くなる。そのため、保持部13側から振動部11側へ伝わる応力が、傾斜部12(緩やかな段差)によって吸収又は分散される。また、振動部11で発生した副振動は保持部13へ向かうにつれて徐々に減衰するので、保持部13で反射する副振動による振動部11への影響が軽減される。したがって、傾斜部12によっても、等価直列抵抗値の低減等が図られる。
 貫通孔17は、搭載電極151,152と振動部11との間を、厚み方向に貫いている。そのため、保持部13側から振動部11側へ伝わる応力が、貫通孔17によって吸収又は分散される。換言すると、保持部13をパッケージに接続したときに、振動部11に生じる歪みを低減できる。また、貫通孔17は、振動部11の振動エネルギを閉じ込める働きをする。したがって、貫通孔17よっても、等価直列抵抗値の低減等が図られる。更に、貫通孔17を傾斜部12に形成することにより、傾斜部12の作用と相俟って、これらの効果が大きくなる。
 一対の励振電極141,142は、平面視して略四角形であり、振動部11の振動主面111,112のそれぞれ略中央に設けられている。励振電極141,142からは、励振に寄与しない接続用としての配線電極161,162が、搭載電極151,152まで延びている。つまり、励振電極141は配線電極161を経て搭載電極151に導通し、励振電極142は配線電極162を経て搭載電極152に導通している。
 搭載電極151は、保持主面131,132、保持側面133,135、傾斜主面121,122、傾斜側面123及び貫通孔17内に設けられている。搭載電極152は、保持主面131,132、保持側面134,135、傾斜主面121,122、傾斜側面124及び貫通孔17内に設けられている。励振電極141及び配線電極161は振動主面111側に設けられ、励振電極142及び配線電極162は振動主面112側に設けられている。
 励振電極141,142、搭載電極151,152及び配線電極161,162を構成する金属パターンは、例えば、クロム(Cr)からなる下地層と、金(Au)からなる導体層との、積層体を成している。つまり、水晶片18上に下地層が位置し、下地層上に導体層が位置している。下地層は、主に水晶片18との密着力を得る役割を果たす。導体層は、主に電気的導通を得る役割を果たす。
 金属膜を設けることを成膜というと、金属パターンの製造工程としては、水晶片に成膜後にフォトレジストパターンを形成してエッチングする方法、水晶片にフォトレジストパターンを形成後に成膜してリフトオフする方法、又は、水晶片をメタルマスクで覆い成膜する方法などが挙げられる。成膜には、スパッタ又は蒸着などが用いられる。
 圧電素子10は、例えば、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて次のように製造することができる。
 まず、ATカットの水晶ウェハ全面に耐食膜を設け、その上にフォトレジストを設ける。続いて、そのフォトレジストの上に水晶片18の外形(貫通孔17を含む。)及び振動部11(片面のみ)のパターンが描かれたマスクを重ね、露光及び現像をすることにより一部の耐食膜を露出させ、この状態で耐食膜に対するウェットエッチングをする。その後、残った耐食膜をマスクにして、水晶ウェハに対してウェットエッチングをすることにより、水晶片18の外形及び振動部11を形成する。水晶片18の外形は両面エッチングになり、振動部11は片面エッチングになる。傾斜主面122も、このウェットエッチングによって形成される。
 その後、残った耐食膜を水晶ウェハから除去し、励振電極141,142等となる金属膜を水晶ウェハ全面に設ける。続いて、励振電極141,142等のパターンからなるフォトレジストマスクを金属膜上に形成し、不要な金属膜をエッチングによって除去することにより、励振電極141,142等を形成する。その後、不要なフォトレジストを除去することにより、水晶ウェハに複数の圧電素子10を形成する。最後に、この水晶ウェハから各圧電素子10に個片化することで、単体の圧電素子10が得られる。
 圧電素子10の動作は次のとおりである。励振電極141,142を介して、水晶片18に交番電圧を印加する。すると、水晶片18は、振動主面111,112が互いにずれるように厚みすべり振動を起こし、特定の発振周波数を発生させる。このように、圧電素子10は、水晶片18の圧電効果及び逆圧電効果を利用して、一定の発振周波数の信号を出力するように動作する。このとき、励振電極141,141間の水晶片18(すなわち振動部11)の板厚が薄いほど、高い発振周波数となる。
 次に、圧電素子10の作用及び効果について説明する。
 (1)圧電素子10によれば、高周波化に適するとともに、等価直列抵抗値を低減できる。その理由について、以下に説明する。
 本実施形態1では、振動主面111と保持主面131とは同一平面上にあり、保持部13の厚みは振動部11の厚みよりも大きいことにより、薄い振動部11を厚い保持部13が支える構造を実現できるので、発振周波数が高くなることによって振動部11が薄くなっても、圧電素子10の機械的強度を維持できる。よって、圧電素子10は、高周波化に適した構造を有する。
 図7A、図7B、図7C及び図8に示す比較例の圧電素子50と、本実施形態1の圧電素子10とを、対比しつつ説明する。比較例の圧電素子50は、搭載電極551,552及び配線電極561,562の形状が異なる点を除き、実施形態1の圧電素子10と同じ構成である。
 比較例では、図7Aに示すように、搭載電極551の内側辺551aと配線電極561の内側辺561aとが階段状に繋がり、図7Bに示すように、搭載電極552の内側辺552aと配線電極562の内側辺562aとが階段状に繋がっている。つまり、配線電極561,562の幅56wを細くしている。これは、幅56wを太くすると、配線電極561,562の励振電極141,142に近い側で振動が生じ、その振動が保持部13へ漏れるおそれがあるからである。
 しかしながら、保持部13の厚みは振動部11の厚みよりも大きいことから、板厚差によって振動エネルギの閉じ込めが強化されるので、振動部11から保持部13への振動漏れは少ないと考えられる。そこで、本実施形態1では、搭載電極151の内側辺151aと配線電極161の内側辺161aとを直線状に繋げ、搭載電極152の内側辺152aと配線電極162の内側辺162aとを直線状に繋げて、配線電極161,162の幅16wを太くすることにより、等価直列抵抗値を低くしている。よって、圧電素子10によれば、高周波化に適するとともに、等価直列抵抗値を低減できる。
 (2)比較例では、図7A及び図7Bに示すように、搭載電極551,552の内側辺551a,552aが、振動部11側から保持部13の周端(保持側面135)まで階段状に延びている。つまり、搭載電極551,552の保持側面135側の幅55wを細くしている。これは、幅55wを太くすると、搭載電極551,552同士が接近することにより、搭載電極551,552を導電性接着剤によって素子搭載部材に接続する際に、電気的に短絡するおそれがあるからである。
 しかしながら、近年の位置決め精度の向上により、導電性接着剤による短絡は少ないと考えられる。そこで、本実施形態1では、搭載電極151,152の内側辺151a,152aを、振動部11側から保持部13の周端(保持側面135)まで直線状に延ばして、搭載電極151,152の保持側面135側の幅15wを太くすることにより、等価直列抵抗値を更に低減できる。
 (3)比較例では、図7A及び図7Bに示すように、搭載電極551,552が保持主面131から保持側面135のみを経て保持主面132まで延びている。これに対し、本実施形態1では、搭載電極151,152が保持主面131から保持側面133,134,135を経て保持主面132まで延びている。換言すると、搭載電極151,152は、保持主面131,132及び保持側面135のみならず、保持側面133,134も覆っている。よって、本実施形態1によれば、搭載電極151,152の実質的な幅を比較例よりも拡大できるので、等価直列抵抗値を更に低減できる。
<実施形態2>
 図3Aは実施形態2の圧電素子を示す平面図、図3Bは図3Aの圧電素子における裏側を透視して見た平面図、図3Cは図3AにおけるIIIc-IIIc線断面図である。以下、これらの図面を中心に説明する。
 本実施形態2の圧電素子20は、配線電極261,262の形状が異なる点を除き、実施形態1の圧電素子10(図1A及び図1B)と同じ構成である。図3A及び図3Bでは、わかりやすくするために、配線電極261,262にドットを付す。図3Bは、圧電素子20の裏側の下面図ではなく、圧電素子20の裏側を表側から透視して見た平面図であるので、下記の説明において左右が逆になる。
 一対の励振電極141,142及び一対の搭載電極151,152は、平面視して四辺を有する略四角形状である。励振電極141,142の四辺について、保持部13側の辺を下辺141a,142aとし、下辺141a,142aに対向する辺を上辺141b,142bとし、上辺141b,142bを上に下辺141a,142aを下にして見たときの左右の辺をそれぞれ一対の側片(左辺141c,142c及び右辺141d,142d)とする。搭載電極151,152の四辺について、振動部11側の辺を上辺151b,152bとする。このとき、配線電極261は、励振電極141の下辺141a及び一対の側片のどちらか一方(本実施形態2では右辺141d)から搭載電極151の上辺151bまで延びている。配線電極262は、励振電極142の下辺142a及び一対の側片のどちらか一方(本実施形態2では右辺142d)から搭載電極152の上辺152bまで延びている。
 実施形態1の配線電極161,162(図1A及び図1B)は、励振電極141,142の下辺141a,142a(図3A及び図3B)のみから、搭載電極151,152の上辺151b,152b(図3A及び図3B)まで延びている。これに対し、本実施形態2の配線電極261,262は、励振電極141,142の下辺141a,142aのみならず、励振電極141,142の右辺141d,142dからも、搭載電極151,152の上辺151b,152bへ延びている。よって、本実施形態2によれば、配線電極261,262の実質的な幅26wを実施形態1よりも拡大できるので、等価直列抵抗値を更に低減できる。本実施形態2のその他の構成、作用及び効果は実施形態1のそれらと同様である。
<実施形態3>
 図4A乃至図4Iは、実施形態3の圧電素子の第一例乃至第九例を示す平面図である。
以下、これらの図面を中心に説明する。
 実施形態3の圧電素子30は、保持部13が凹部(311~39)を有し、凹部(311~39)内に搭載電極151,152の一部が位置する点を除き、実施形態1の圧電素子10(図1A及び図1B)と略同じ構成である。
 図4Aに示す第一例では、保持部13が凹部としての貫通孔311,312を有し、貫通孔311,312内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。貫通孔311,312は平面視して円形であり、貫通孔311,312の内壁にはそれぞれ搭載電極151,152の一部が円筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔311を介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔312を介して導通している。よって、本第一例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、貫通孔311,312はどちらか一方としてもよい。
 図4Bに示す第二例では、保持部13が凹部としての貫通孔321,322を有し、貫通孔321,322内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。貫通孔321,322は平面視して楕円形であり、貫通孔321,322の長軸が圧電素子30の長手方向に一致し、貫通孔321,322の短軸が圧電素子30の短手方向に一致している。貫通孔321,322の内壁には、それぞれ搭載電極151,152の一部が楕円筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔321を介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔322を介して導通している。よって、本第二例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、貫通孔321,322はどちらか一方としてもよい。
 図4Cに示す第三例では、保持部13が凹部としての貫通孔331,332を有し、貫通孔331,332内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。貫通孔331,332は平面視して楕円形であり、第二例とは逆に、貫通孔331,332の長軸が圧電素子30の短手方向に一致し、貫通孔331,332の短軸が圧電素子30の長手方向に一致している。貫通孔331,332の内壁にはそれぞれ搭載電極151,152の一部が楕円筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔331を介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔332を介して導通している。よって、本第三例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、貫通孔331,332はどちらか一方としてもよい。
 図4Dに示す第四例では、保持部13が凹部としての貫通孔341a,341b,342a,342bを有し、貫通孔341a,341b内に搭載電極151の一部が位置し、貫通孔342a,342b内に搭載電極152の一部が位置する。貫通孔341a,341b,342a,342bは平面視して円形であり、貫通孔341a,341bの内壁には搭載電極151の一部が円筒状に形成され、貫通孔342a,342bの内壁には搭載電極152の一部が円筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔341a,341bを介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔342a,342bを介して導通している。よって、本第四例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、貫通孔341a,341bと貫通孔342a,342bとは、どちらか一方としてもよい。
 図4Eに示す第五例では、保持部13が凹部としての切込み351,352を有し、切込み351,352内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。切込み351,352は保持側面135に形成され、切込み351,352の内壁にはそれぞれ搭載電極151,152の一部が扁平な半筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが切込み351を介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが切込み352を介して導通している。よって、本第五例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、切込み351,352はどちらか一方としてもよい。
 図4Fに示す第六例では、保持部13が凹部としての切込み361,362を有し、切込み361,362内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。切込み361,362はそれぞれ保持側面133,134に形成され、切込み361,362の内壁にはそれぞれ搭載電極151,152の一部が扁平な半筒状に形成されている。つまり、搭載電極151は保持主面131側と保持主面132側とが切込み361を介して導通し、搭載電極152は保持主面131側と保持主面132側とが切込み362を介して導通している。よって、本第六例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。なお、切込み361,362はどちらか一方としてもよい。
 図4Gに示す第七例では、保持部13が凹部としての貫通孔37を有し、貫通孔37内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置する。貫通孔37は例えば貫通孔17と同じ平面形状であり、貫通孔37の内壁には搭載電極151,152の一部が形成されている。つまり、搭載電極151,152は、それぞれ保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔37を介して導通している。よって、本第七例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。
 図4Hに示す第八例では、保持部13が凹部としての貫通孔38を有し、貫通孔38内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置し、第七例等における貫通孔17が削除されている。貫通孔38は、貫通孔17の約二個分の大きさであり、保持部13の傾斜部12寄りに位置する。貫通孔38の内壁には、搭載電極151,152の一部が形成されている。つまり、搭載電極151,152は、それぞれ保持主面131側と保持主面132側とが貫通孔38を介して導通している。よって、本第八例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。
 図4Iに示す第九例では、保持部13が凹部としての切込み39を有し、切込み39内にそれぞれ搭載電極151,152の一部が位置し、第七例等における貫通孔17が削除されている。切込みは39は、貫通孔17の約二個分の大きさであり、保持側面135から保持部13を貫き傾斜部12まで位置する。切込み39の内壁には、搭載電極151,152の一部が形成されている。つまり、搭載電極151,152は、それぞれ保持主面131側と保持主面132側とが切込み39を介して導通している。よって、本第九例によれば、搭載電極151,152の抵抗値を低減できるので、圧電素子30の等価直列抵抗値を更に低減できる。
 第一例乃至第九例の凹部(311~39)は、例えばウェットエッチング、レーザ加工又はイオンビーム加工などによって形成され、個数、位置及び形状に制限はない。本実施形態3のその他の構成、作用及び効果は実施形態1、2のそれらと同様である。
<実施形態4>
 実施形態1又は2の圧電素子を備えた圧電デバイスを、実施形態4の圧電デバイスとして説明する。図5Aは実施形態4の圧電デバイスを示す斜視図、図5Bは図5Aにおける
Vb-Vb線断面図である。以下、これらの図に基づき説明する。
 図5A及び図5Bに示すように、本実施形態4の圧電デバイス60は、実施形態1の圧電素子10と、圧電素子10が位置する基体61と、基体61とともに圧電素子10を気密封止する蓋体62と、を備えている。そして、圧電素子10は、搭載電極151,152が導電性接着剤61eによって基体61に接続されている。なお、実施形態1の圧電素子10の代わりに、実施形態2の圧電素子20を用いてもよい。
 基体61は、素子搭載部材又はパッケージとも呼ばれ、基板61aと枠体61bとからなる。基板61aの上面と枠体61bの内側面と蓋体62の下面とによって囲まれた空間が、圧電素子10の収容部63となる。圧電素子10は、例えば、電子機器等で使用する基準信号を出力する。
 換言すると、圧電デバイス60は、上面に一対の電極パッド61d及び下面に四つの外部端子61cを有する基板61aと、基板61aの上面の外周縁に沿って位置する枠体61bと、一対の電極パッド61dに導電性接着剤61eを介して実装される圧電素子10と、圧電素子10を枠体61bとともに気密封止する蓋体62と、を備えている。
 基板61a及び枠体61bは、例えばアルミナセラミックス又はガラスセラミックス等のセラミック材料からなり、一体的に形成されて基体61となる。基体61及び蓋体62は、平面視して概ね略矩形状である。外部端子61cと電極パッド61d及び蓋体62とは、基体61の内部又は側面に形成された導体を介して電気的に接続される。詳しく言えば、基板61aの下面の四隅に外部端子61cがそれぞれ位置する。それらのうちの二つの外部端子61cが圧電素子10に電気的に接続され、残りの二つの外部端子61cが蓋体62に電気的に接続される。外部端子61cは、電子機器等のプリント配線板などに実装するために用いられる。
 圧電素子10は、前述したように、水晶片18と、水晶片18の上面に形成された励振電極141と、水晶片18の下面に形成された励振電極142とを有する。そして、圧電素子10は、導電性接着剤61eを介して電極パッド61d上に接合され、安定した機械振動と圧電効果により、電子機器等の基準信号を発振する役割を果たす。
 電極パッド61dは、基体61に圧電素子10を実装するためのものであり、基板61aの一辺に沿うように隣接して一対が位置する。そして、一対の電極パッド61dは、それぞれ搭載電極151,152を接続して圧電素子10の一端を固定端とし、圧電素子10の他端を基板61aの上面から離間した自由端とすることにより、片持ち支持構造にて圧電素子10を基板61a上に固定する。
 導電性接着剤61eは、例えば、シリコーン樹脂等のバインダの中に、導電フィラとして導電性粉末が含有されたものである。蓋体62は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなり、シーム溶接などによって枠体61bと接合することにより、真空状態にある又は窒素ガスなどが充填された収容部63を気密的に封止する。
 圧電デバイス60は、はんだ付け、金(Au)バンプ又は導電性接着剤などによってプリント基板に外部端子61cの底面が固定されることによって、電子機器を構成するプリント基板の表面に実装される。そして、圧電デバイス60は、例えば、スマートフォン、パーソナルコンピュータ、時計、ゲーム機、通信機、又はカーナビゲーションシステム等の車載機器などの種々の電子機器で発振源として用いられる。
 圧電デバイス60によれば、低い等価直列抵抗値を持つ圧電素子10を備えたことにより、低消費電力及び高Q値等の優れた電気特性を発揮できる。
<実施形態5>
 実施形態3の圧電素子を備えた圧電デバイスを、実施形態5の圧電デバイスとして説明する。図5Cは実施形態5の圧電デバイスの一部を示す斜視図である。以下、図5C及び図4Fに基づき説明する。
 本実施形態5の圧電デバイス70は、図4Fに示す実施形態3の第六例の圧電素子30を備えている点、及び、導電性接着剤61eが凹部としての切込み361,362内に充填されている点で、実施形態4と異なる。図5Cでは、切込み361のみを図示している。
 圧電デバイス70によれば、導電性接着剤61eが切込み361,362に入り込むことにより、圧電素子30の等価直列抵抗をより一層低減できるだけでなく、導電性接着剤61eの接着面積が増えるので、圧電素子30の接合強度を向上できる。本実施形態5のその他の構成、作用及び効果は実施形態4のそれらと同様である。なお、圧電デバイス70は、実施形態3の第六例の圧電素子30に限らず、実施形態3の他の例の圧電素子30を備えたものとしてもよい。
<その他>
 以上、上記実施形態を参照して本開示を説明したが、本開示はこれらに限定されるものではない。本開示には、各実施形態の全部又は一部を組み合わせたものも含まれる。本開示の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。例えば、圧電材料として、水晶の代わりに、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム又は圧電セラミックスなどを用いてもよい。
 本開示は、圧電素子及び圧電デバイスとして利用できる。
 10,20,30,50 圧電素子
 11 振動部
 111,112 振動主面
 116 一辺
 117a 第一辺
 117b 第二辺
 117c 第三辺
 117d 第四辺
 12 傾斜部
 121,122 傾斜主面
 123,124 傾斜側面
 13,13a,13b,13c,13d 保持部
 130 固定部位
 131,132 保持主面
 133,134,135 保持側面
 141,142 励振電極
 141a,142a 下辺
 141b,142b 上辺
 141c,142c 左辺
 141d,142d 右辺
 151,152,551,552 搭載電極
 151a,152a,551a,552a 内側辺
 151b,152b 上辺
 15w,55w 幅
 161,162,261,262,561,562 配線電極
 161a,162a,561a,562a 内側辺
 16w,26w,56w 幅
 17 貫通孔
 18 水晶片
 311,312,321,322,331,332,341a,341b,342a,342b,37,38 貫通孔(凹部)
 351,352,361,362,39 切込み(凹部)
 60,70 圧電デバイス
 61 基体(素子搭載部材)
 61a 基板
 61b 枠体
 61c 外部端子
 61d 電極パッド
 61e 導電性接着剤
 62 蓋体
 63 収容部

Claims (7)

  1.  平面視して略四角形状であり、一対の振動主面を有する振動部と、
     前記振動部よりも厚く、平面視して前記振動部の少なくとも一辺側に沿って一体化し、一対の保持主面を有する保持部と、
     前記一対の振動主面に位置する一対の励振電極と、
     前記一対の保持主面に位置する一対の搭載電極と、
     前記一対の励振電極と前記一対の搭載電極とを電気的に接続する一対の配線電極と、
     を備え、
     前記一対の振動主面の一方と前記一対の保持主面の一方とは同一平面上にあり、
     前記一対の保持主面の他方は、素子搭載部材に接する固定部位を有し、
     前記一対の搭載電極は、前記固定部位に並んで位置し、
     前記一対の搭載電極及び前記一対の配線電極のそれぞれについて、互いに内側となる周縁を内側辺としたとき、
     前記搭載電極の前記内側辺と前記配線電極の前記内側辺とが直線状に繋がっている、
     圧電素子。
  2.  前記搭載電極の前記内側辺は、前記振動部側から前記保持部の周端まで直線状に延びている、
     請求項1記載の圧電素子。
  3.  前記保持部は、一対の保持主面に挟まれた一対の保持側面を更に有し、
     前記一対の搭載電極の一方は、前記一対の保持主面の一方から前記一対の保持側面の一方を経て前記一対の保持主面の他方まで延びており、
     前記一対の搭載電極の他方は、前記一対の保持主面の一方から前記一対の保持側面の他方を経て前記一対の保持主面の他方まで延びている、
     請求項1又は2記載の圧電素子。
  4.  前記一対の励振電極及び前記一対の搭載電極は、平面視して四辺を有する略四角形状であり、
     前記励振電極の前記四辺について、前記保持部側の辺を下辺とし、前記下辺に対向する辺を上辺とし、前記上辺を上に前記下辺を下にして見たときの左右の辺を一対の側辺とし、
     前記搭載電極の前記四辺について、前記振動部側の辺を上辺としたとき、
     前記配線電極は、前記励振電極の前記下辺及び前記一対の側辺のどちらか一方から前記搭載電極の前記上辺まで延びている、
     請求項1乃至3のいずれか一つに記載の圧電素子。
  5.  前記保持部は凹部を有し、
     前記凹部内に前記搭載電極の一部が位置する、
     請求項1乃至4のいずれか一つに記載の圧電素子。
  6.  請求項1乃至5のいずれか一つに記載の圧電素子と、
     前記圧電素子が位置する素子搭載部材と、
     前記圧電素子を前記素子搭載部材とともに気密封止する蓋体と、
     を備えた圧電デバイス。
  7.  請求項5記載の圧電素子と、
     前記圧電素子が位置する素子搭載部材と、
     前記圧電素子を前記素子搭載部材とともに気密封止する蓋体と、
     を備え、
     前記圧電素子は、前記搭載電極が導電性接着剤によって前記素子搭載部材に接続され、
     前記導電性接着剤は、前記凹部内にも充填されている、
     圧電デバイス。
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