圧電振動片、圧電モジュール
【課題】実装時の振動部への応力を緩和させた圧電振動片、およびこれを用いた圧電モジュールを提供する。
【解決手段】圧電基板に、厚み滑り振動を励振する振動部22と、前記振動部22の周縁に前記振動部22の厚みよりも厚みが薄い周縁部17と、が設けられた圧電振動片10であって、前記周縁部17には、緩衝部14とマウント部12が順に連結され、前記緩衝部14は、前記マウント部12と前記周縁部14との間にスリット16を有し、前記マウント部12は、前記マウント部12と前記緩衝部14と前記周縁部17との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠き12aを有していることを特徴とする。
【解決手段】圧電基板に、厚み滑り振動を励振する振動部22と、前記振動部22の周縁に前記振動部22の厚みよりも厚みが薄い周縁部17と、が設けられた圧電振動片10であって、前記周縁部17には、緩衝部14とマウント部12が順に連結され、前記緩衝部14は、前記マウント部12と前記周縁部14との間にスリット16を有し、前記マウント部12は、前記マウント部12と前記緩衝部14と前記周縁部17との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠き12aを有していることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電振動片、およびこれを用いた圧電モジュールに関し、特に実装後に発生するマウント位置での応力の振動部への影響を緩和させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、圧電振動片の実装形態には、導電性接着剤を塗布してパッケージに固着する形態がある。このように、導電性接着剤を硬化させるための乾燥等の熱処理工程では、圧電振動片、パッケージ、導電性接着剤のそれぞれの線膨張係数の違いによる歪みが、冷却したのちの導電性接着剤の固着部分に残ってしまい、固着部分からの振動部への応力、すなわち熱歪みが振動に悪影響を与えてしまうという問題があった。
【0003】
また、圧電振動片の小型化を図ろうとすると、圧電振動片の支持部に塗布された接着剤の硬化により生じた残留応力によって圧電振動片の共振周波数に経年変化が生じたり、あるいは励振電極の面積を小さくしなければならず、それによって圧電振動片としての電気的特性が劣化する問題が顕著に表れる。例えばインピーダンスが大きくなり、良好な特性を得られなくなるという問題が顕著に表れてくる。
【0004】
そこで、このような問題に鑑みて、特許文献1においては、矩形のフラットな形状をしたATカット水晶基板等の厚みすべり圧電振動子に関し、支持部と振動部との間に切欠きやスリットを設けた構造について提案されている。
【0005】
図21に、特許文献1に係る圧電振動子の模式図を示す。図21(a)は圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図、図21(b)は圧電振動子を構成する圧電振動片の下面図、図21(c)は圧電振動片を容器の内部に搭載した圧電振動子を構成する平面図、図21(d)は図21(c)のA−A´線断面図である。
【0006】
図21においては、支持部602と振動部604とを有する矩形状の圧電振動子600が示されている。前記圧電振動子600の振動部604の上面と下面にそれぞれ形成した励振電極606A、606Bと、前記励振電極606A、606Bから圧電振動子600の支持部602の縁に引き出された入出力端子部608A、608Bとの間の圧電振動子600の主面上にスリット610が配置形成されている。これにより、前記励振電極606A、606Bと前記入出力端子部608A、608Bとを物理的に隔離する構造としたものである。
【0007】
上記構成において、圧電振動子600の支持部602と、圧電振動子600を収容する容器612内の底部614の接続電極(不図示)とを固着並びに電気的に接続するための接着剤616が硬化すると、図21(c)の二点鎖線で示す方向、範囲にわたって、圧電振動子600に対する残留応力が発生することになる。しかし、このような構造においては、スリット610によってこの残留応力が振動部604に伝播しないように構成しており、スリット610の長手方向長を最適な長さに設定することによって、残留応力の伝搬方向を上述の二点鎖線で示した領域の外側に制限することができる。これにより、圧電振動子600の電気的な特性を損なうことなく、かつ圧電振動子の共振周波数の経年変化が小さい小型の圧電振動子600を製造することができるとされている。なお、類似の技術として、導電性接着剤を塗布する箇所と振動部の間にスリット(特許文献2乃至6参照)や切欠き(特許文献2、3、4、5、7、8、9参照)を設ける構成が開示されている。また、強度確保等のために、圧電振動片の中央部に窪みを形成して逆メサ型とすることが行われている(特許文献10乃至12参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−326667号公報
【特許文献2】特開昭59−040715号公報
【特許文献3】実開昭61−187116号公報
【特許文献4】特開2004−165798号公報
【特許文献5】特開2009−158999号公報
【特許文献6】特開2005−136705号公報
【特許文献7】特許第4087186号公報
【特許文献8】特開2009−188483号公報
【特許文献9】特開2010−130123号公報
【特許文献10】特開2000−332571号公報
【特許文献11】特開2009−164824号公報
【特許文献12】特開2002−246869号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、近年このような圧電振動片を用いたデバイスの小型化並びに高性能化が加速した状況においては、前述のごとき上記いずれの構成であっても、マウント歪みを十分に取り除くことは困難であることが、以下に示すように本願発明者らにより見出された。
【0010】
図22に圧電振動片のマウント部と振動部との間にスリットを形成した場合の応力分布を示し、図22(a)は圧電振動片のスリットのZ´軸方向の幅を150μmとした場合の応力分布、図22(b)は圧電振動片のスリットのZ´軸方向の幅を250μmとした場合の応力分布を示す。また、図23、図24に、圧電振動片の幅方向の両側でマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図23(a)は連結部のX軸方向の幅を400μmとした場合の応力分布、図23(b)は連結部のX軸方向の幅を300μmとした場合の応力分布、図24(a)は連結部のX軸方向の幅を200μmとした場合の応力分布、図24(b)は連結部のX軸方向の幅を100μmとした場合の応力分布を示す。
【0011】
図22、図23、図24は、図中の導電性接着剤が塗布されるマウント部702のY´軸側の面上の円の中心の2点を基点として圧電振動片700に対して圧縮応力或いは引張応力を印加した場合の応力分布のシミュレーション結果を示したものである。この圧縮応力或いは引張応力(残留応力)は、圧電振動片、導電性接着剤、基板の熱膨張係数の違いにより、圧電振動片に印加される応力により発生する。
【0012】
図22、図23、図24において、X軸、Y´軸、Z´軸は互いに直交するものとし、圧電振動片700は、Y´軸に平行な方向を法線とする主面を有し、Z´軸に平行な方向及びX軸に平行な方向にそれぞれ縁辺を有する板状の外形を有している。また圧電振動片700の主面を貫通する貫通孔としてスリット704が形成されている。よって、圧電振動片700において、マウント部702、スリット704、振動部706が横並びに配置された形となる。図22において、圧電振動片700は、マウント部702、スリット704、振動部706が並ぶ方向(Z´軸方向)の長さが1500μm、X軸方向の幅が1000μmの外形を有している。またスリット704のX軸方向(長辺)の長さは650μmである。そしてマウント部702側のスリット704の長辺からマウント部702の端部までのZ´軸方向の幅は、図22(a)において350μm、図22(b)においては250μmとしている。またスリット704のZ´軸方向の幅は、図22(a)において150μm、図22(b)において250μmとしている。すなわち、図22(a)と図22(b)では、スリット704のZ´軸方向の位置と幅を変化させている。
【0013】
そして、図22、図23、図24の図中の左に縦一列に並べられた複数の模様は、それぞれ圧電振動片700が受ける応力の強度を示し、上の模様に行くほど応力が大きいことを示し、下の模様に行くほど応力が小さいことを示す。そして圧電振動片700が受ける応力の強度の分布を、上述の模様を用いて表している。
【0014】
図22に示すように、このように小さな圧電振動片700においては、スリット704を配置しても、さらにスリット704の位置や幅を変化させても、マウント部702で発生した応力に起因する応力を解消しきれずに、強い応力が圧電振動片700の振動部706にまで達していることがわかる。よって圧電振動片700の共振周波数の安定性等の電気的特性に悪影響を与えるという問題がある。
【0015】
図23、図24に示す圧電振動片700は、特許文献6、7のような従来技術に係るマウント部702と振動部706との間において圧電振動片700の幅方向の両端に切欠き708を形成した、所謂切欠き構造となっている。この構造では、切欠き708により形成された連結部710の幅を狭くしていくことにより、マウント部702で発生した応力の振動部706への伝播が緩和されていく様子が観察される。しかし、連結部710のみで振動部706を支持する構造では耐落下衝撃等の強度面で不利となり実用性に乏しいという問題がある。
【0016】
そこで本発明は上記問題点に着目し、マウント部から振動領域への応力の伝播を十分に緩和することを可能とした圧電振動片、圧電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]圧電基板に、厚み滑り振動を励振する振動部と、前記振動部の周縁に前記振動部の厚みよりも厚みが薄い周縁部と、が設けられた圧電振動片であって、前記周縁部には、緩衝部とマウント部が順に連結され、前記緩衝部は、前記マウント部と前記周縁部との間にスリットを有し、前記マウント部は、前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠きを有していることを特徴とする圧電振動片。
【0018】
上記構成により、実装時にマウント部において発生した応力が、振動部へ直線的に伝播することをスリットにより防ぐことができる。よってマウント部からの応力はスリットの周囲及び緩衝部に伝播することになる。さらに上記構成により、マウント部の幅は切欠きにより緩衝部の幅より狭くなるので、応力が緩衝部のスリットの周囲となる位置を伝播する経路が長くなり、長くなった分だけ周縁部及び振動部に伝達する応力を緩和させることができる。一方、本発明の圧電振動片は、振動部の厚みが周縁部の厚みより厚いメサ構造を有している。よって、緩衝部のスリットの周囲となる位置を周回した応力は周縁部を介して振動部に到達しうるが、周縁部の主面と振動部の主面との間にはメサ構造による段差があるので、この段差位置において応力を緩和させることができる。よって応力が振動部に伝播する前に十分に緩和され、振動部への応力の影響を緩和することができる。
【0019】
[適用例2]前記緩衝部と前記周縁部との連結部に切欠きを有することを特徴とする適用例1に記載の圧電振動片。
上記構成により、緩衝部のスリットの長手方向の両端の周縁となる位置にまで伝播した応力が振動部へ直線的に伝播することを切欠きにより遮断することができるので、振動部への応力の影響を緩和することができる。
【0020】
[適用例3]前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向に関し、前記周縁部の幅は、前記緩衝部の幅より狭いことを特徴とする適用例1または2に記載の圧電振動片。
上記構成により、圧電振動片の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができる。
【0021】
[適用例4]前記圧電基板が、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、前記Y′軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であることを特徴とする適用例1乃至3のいずれか1例に記載の圧電振動片。
上記構成により、厚みすべり振動を効率的に発振可能な圧電振動片となる。
【0022】
[適用例5]前記周縁部は、前記緩衝部に接続した第1の周縁部と、前記振動部の周縁に配置され前記第1の周縁部に接続した第2の周縁部と、を有し、前記第2の周縁部の厚みは、前記第1の周縁部の厚みより厚いことを特徴とする適用例1乃至4のいずれか1例に記載の圧電振動片。
上記構成により、振動部を中心とした二段メサ構造になるので、厚みすべり振動を振動部内に効率的に閉じこめ、励振効率を高めることができる。
【0023】
[適用例6]前記振動部の表裏の両主面にはそれぞれ、励振電極が配置され、前記マウント部の実装面には、前記励振電極とそれぞれ電気的に接続された一対の引き出し電極が配置されていることを特徴とする適用例5に記載の圧電振動片。
上記構成により、引き出し電極と圧電振動片が実装される実装基板に配置された接続電極とを導電性接着剤で接着し、引き出し電極と接続電極とを機械的及び電気的に接続することにより、所謂フェースダウンボンディング型の実装形態をとることができる。したがって、圧電振動片と実装基板からなるモジュール構造の低背化を図ることができる。
【0024】
[適用例7]適用例1乃至6のいずれか1例に記載の圧電振動片のマウント部を、実装基板に配置された接続電極に導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板及び前記蓋体により閉じられた内部空間の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
上記構成により、圧電振動片の周囲の温度を測定することができるので圧電振動片から発振される発振信号の温度補償を高精度に行うことが可能な圧電モジュールとなる。
【0025】
[適用例8]適用例1乃至6のいずれか1例に記載の圧電振動片のマウント部と、実装基板に配置された接続電極と、を導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面の反対面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
上記構成により、圧電振動片の実装基板への実装後かつ感温素子の実装前に圧電振動片の動作の検査を行い、圧電振動片の正常な動作を確認した上で感温素子を実装することができるので感温素子を無駄にすることはなく、コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】第1実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は底面図、図1(c)は水晶基板のカット角を表す図である。
【図2】第1実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図2(a)は正面図、図2(b)は裏面図、図2(c)は図1(a)のA−A線断面図である。
【図3】圧電振動片の製造工程(振動部形成工程)を示す模式図である。
【図4】圧電振動片の製造工程(外形形成工程)の模式図である。
【図5】圧電振動片の製造工程(電極形成工程)の模式図である。
【図6】第2実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図6(a)は平面図、図6(b)は底面図、図6(c)は図6(a)のA−A線断面図、図6(d)は図1(a)のB−B線断面図である。
【図7】第1実施形態の圧電振動片の変形例であり、図7(a)は平面図、図7(b)は底面図、図7(c)は側面図である。
【図8】第2実施形態の圧電振動片の第1変形例であり、図8(a)は平面図、図8(b)は底面図、図8(c)は側面図である。
【図9】第2実施形態に係る圧電振動片の第2変形例の模式図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は底面図、図9(c)は図9(a)のA−A線断面図、図9(d)は図9(a)のB−B線断面図である。
【図10】第3実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図10(a)は平面図、図10(b)は底面図、図10(c)は図10(a)のA−A線断面図、図10(d)は図10(a)のB−B線断面図である。
【図11】第3実施形態に係る圧電振動片の側面図である。
【図12】第4実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図12(a)は平面図、図12(b)は底面図、図12(c)は図12(a)のA−A線断面図、図12(d)は図12(a)のB−B線断面図である。
【図13】第4実施形態に係る圧電振動片の側面図である。
【図14】本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力を印加した場合の応力の強度分布を示す図である。
【図15】本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電振動子を示し、図15(a)は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電振動子100の平面図、図15(b)は図15(a)のA−A線断面図である。
【図16】図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電モジュールの分解斜視図である。
【図17】本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電モジュールを示し、図17(a)は図16のA−A線断面図であり、図17(b)は図16において図9に示す圧電振動片61を搭載した場合のA−A線断面図である。
【図18】本実施形態の圧電モジュールの第1変形例を示す図である。
【図19】本実施形態の圧電モジュールの第2変形例を示し、図19(a)は側面図、図19(b)は圧電モジュールを構成する基板の平面図である。
【図20】本実施形態の圧電モジュールの第3変形例を示し、図20(a)は、容器の断面が所謂、H型構造の圧電モジュールの模式図、図20(b)はシングルシール型の圧電モジュールの模式図である。
【図21】特許文献1に係る圧電振動子の模式図であり、図21(a)は圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図、図21(b)は圧電振動子を構成する圧電振動片の下面図、図21(c)は圧電振動片を容器の内部に搭載した圧電振動子を構成する平面図、図21(d)は図21(c)のA−A´線断面図である。
【図22】圧電振動片のマウント部と振動部との間にスリットを形成した場合の応力分布を示し、図22(a)は圧電振動片のスリットの幅を150μmとした場合の応力分布、図22(b)は圧電振動片のスリットの幅を250μmとした場合の応力分布である。
【図23】圧電振動片の幅方向の両側のマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図23(a)は連結部の幅を400μmとした場合の応力分布、図23(b)は連結部の幅を300μmとした場合の応力分布である。
【図24】圧電振動片の幅方向の両側のマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図24(a)は連結部の幅を200μmとした場合の応力分布、図24(b)は連結部の幅を100μmとした場合の応力分布である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。なお以下の説明に用いられる図において、X軸、Y′軸、Z′軸は互いに直交するものとする。
【0028】
第1実施形態に係る圧電振動片を図1、図2に示す。図1(a)は平面図、図1(b)は底面図、図1(c)は水晶基板のカット角を表す図、図2(a)は正面図、図2(b)は裏面図、図2(c)は図1(a)のA−A線断面図である。本実施形態に係る圧電振動片10は、圧電基板(圧電素板)として、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、前記Y′軸に平行な方向を厚みとするATカットの水晶基板を採用している。そして矩形状のATカットの水晶基板を用い、周縁に周縁部17(補強部)を残したウエットエッチングにより、短辺方向が前記X軸方向、長辺方向が前記Z′軸方向となるように外形を形成し、前記周縁部17(第1の周縁部17a)よりも厚みの薄い薄肉の振動部22を形成した逆メサ型の圧電振動片10となっている。
【0029】
圧電振動片10は、マウント部12、スリット16を有する緩衝部14、振動部22を中央部に有する周縁部17が一体となって全体の外形が形成され、マウント部12と周縁部17がそれぞれ圧電振動片10の長辺方向(Z′軸方向)の端部に配置され、緩衝部14がマウント部12と周縁部17の間に配置されている。また圧電振動片10は、図1(a)のA−A線を中心線として線対称な形状を有している。そして圧電振動片10はマウント部12側を固定端とし、振動部22側を自由端として片持ち支持状態で、実装先の実装基板34(図2)に導電性接着剤32により固定される。
【0030】
マウント部12は、圧電振動片10のZ′軸の一方向の端部に配置されるとともに、X軸方向の両端には切欠き12aが形成されている。切欠き12aは、マウント部12のX軸方向の両端を矩形に切り欠くように配置されている。この切欠き12aにより、導電性接着剤32の塗布位置の間隔を狭くすることができ、実装時にマウント部12で発生する応力の発生領域を小さくすることができる。そして実装面となるマウント部の一主面(−Y′軸側の面)には後述の励振電極24A、24Bと電気的に接続するパッド電極28A、28Bが配置されている。そしてパッド電極28A、28Bには実装側の実装基板34と接着するための導電性接着剤32が塗布される。したがって導電性接着剤32を用いて実装基板34に接着することにより圧電振動子が形成される。
【0031】
緩衝部14は、マウント部12と周縁部17との間に形成され、マウント部12で発生して振動部22側に伝播する応力(熱歪み)を緩和させる作用を有している。これを実現するため、緩衝部14にはスリット16が設けられ、緩衝部14と周縁部17との間に切欠き18が形成されている。なお、緩衝部14には後述の引出電極26A、26Bが形成されている。
【0032】
スリット16は、圧電振動片10の短辺方向(X軸方向)に沿った長辺と圧電振動片の長辺方向(Z′軸方向)に沿った短辺を有し、圧電振動片10の厚み方向に矩形形状で貫通する貫通孔となっている。スリット16は、後述のように、圧電振動片10の実装基板34への実装時にマウント部12で発生した応力のZ軸方向(圧電振動片10の長辺方向)への直線的な伝播を遮断して振動部22に及ぶ応力を低減するものである。一方、圧電振動片10の実装時の応力(熱歪み)はマウント部12の導電性接着剤32の塗布位置同士を結ぶ線上が発生領域となる。よって、スリット16の長辺方向の幅は、導電性接着剤32の塗布位置同士の間隔より長くするとともに、前記発生領域と振動部22とを結ぶ直線に交差するように配置することにより上述の発生領域で発生した応力の振動部22側への直線的な伝播経路を遮断することができる。特に、図1に示すように、スリット16の長辺方向の幅をマウント部12のX軸方向の幅より広くし、Z′軸方向からみてスリット16の長辺の両端部がマウント部12のX軸方向の両端部からはみ出るように配置することにより、マウント部12で発生した応力の振動部22側への伝播経路を確実に遮断することができる。上記構成により、上述の発生領域(マウント部12)で発生した応力はスリット16により振動部22に直線的に伝播する経路が遮断され、緩衝部14のスリット16の周囲となる位置を周回することになる。
【0033】
切欠き18は、緩衝部14と周縁部17との境界(連結部)となる位置に配置され、圧電振動片10の短辺方向(X軸方向)の両側から緩衝部14および周縁部17(第1の周縁部17a)を切り欠くように配置されている。よって緩衝部14及び周縁部17(第1の周縁部17a)の切欠き18に挟まれた領域は括れ部20となる。切欠き18は、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端の周縁となる位置に伝播した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断するために配置されている。よって切欠き18により形成される括れ部20のX軸方向の幅は、スリット16の長辺方向(X軸方向)の幅と同程度かそれ以下となるようにすることが望ましい。よって、上述の位置に伝播した応力は切欠き18により振動部22への直線的な伝播が遮断され、括れ部20を経由して振動部22側に伝播する。
【0034】
周縁部17は、圧電振動片10の+Z軸側を構成し振動部22を支持する部材である。周縁部17は、緩衝部14に接続した第1の周縁部17aと、振動部22の周囲を囲むように配置され、第1の周縁部17aに接続した第2の周縁部17bと、を有する。ここで、第1の周縁部17aは緩衝部14と同じ厚みを有し、第2の周縁部17bは振動部22と同じ厚みを有する。図1において第1の周縁部17aの+Z′軸側が切り欠かれ、第2の周縁部17bの+Z′軸側の端面が露出した形となっているが、この部分にも第1の周縁部17aを配置して、第2の周縁部17bの周囲を第1の周縁部17aで完全に囲む形としてもよい。本実施形態では第1の周縁部17aは、緩衝部14と同一の厚みであって段差を有しないものとし、第2の周縁部17は振動部22と同一の厚みであって段差を有しないものとする。また、第2の周縁部17b及び振動部22は、第1の周縁部17aより薄肉であり、圧電振動片10の−Y′軸方向から掘り込まれた態様で第1の周縁部17aに接続している。
【0035】
振動部22は、第2の周縁部17bに囲まれるように配置され、圧電振動片10において厚みすべり振動を発生させる部分である。振動部22の中央の両主面(表裏面)には互いに対向するように励振電極24A、24Bが形成されている。+Y′軸側の面に形成された励振電極24Aからは引出電極26Aが引き出されている。引出電極26Aは、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a、緩衝部14に亘って配置され、切欠き18において圧電振動片10の−Y′軸側の面に引き出され、緩衝部14、マウント部12を経由してパッド電極28Aに接続されている。また、−Y′軸側の面に形成された励振電極24Bからは引出電極26Bが引き出されている。引出電極26Bは、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a、緩衝部14、マウント部12に亘って配置されパッド電極28Bに接続されている。したがって、パッド電極28A、28Bに交流電圧を印加することにより振動部22は所定の周波数で厚みすべり振動を行なうことができる。
【0036】
ところで、導電性接着剤32を用いた圧電振動片10の接着工程では導電性接着剤32を硬化させるために圧電振動片10を高温に曝す必要がある。よって接着後温度が低下するとマウント部12の導電性接着剤32が塗布されている2点の間を結ぶ領域で、圧電振動片10、実装基板34、導電性接着剤32の熱膨張係数の違いにより、上述の応力(熱歪み)が発生し、これが圧電振動片10全体に伝播することになる。
【0037】
一方、振動部22に応力が印加されると、振動部22の見かけ上の剛性が変化するため、共振周波数が変動する。そしてマウント部12におけるマウント状態は実装状態に依存して個々に異なるため、振動部22に伝播する応力にもバラつきが生じ、共振周波数にバラつきが生じることになる。
【0038】
しかし、マウント部12においては、切欠き12aにより導電性接着剤32の接着位置が近接している。よって、応力の発生範囲を導電性接着剤32が塗布された領域に集中させて、応力の発生領域を小さくし、それ以外への領域へ伝播する応力の成分を抑制することができる。そして導電性接着剤32の接着位置において発生した応力は緩衝部14側(Z′軸方向)に直線的に伝播するが、スリット16によりその直線的な伝播経路は遮断され、応力はスリット16の周囲に沿って伝播することになる。よって、応力がスリット16の周囲を伝播するため経路が長くなる。さらに切欠き12aによりマウント部12における導電性接着剤32の接着位置がスリット16の長辺の中央側に近接するため、応力のスリット16の周囲を周回する経路はさらに長くなる。したがって応力が振動部22に伝播する前に十分に緩和され、振動部22への応力の影響を緩和することができる。さらに、スリット16は、応力の伝播経路を長くするだけでなく伝播経路を曲げることができるので、その分応力の緩和を促進させることができる。
【0039】
また、緩衝部14のX軸方向の両端にまで伝播した応力の振動部22へ直線的に伝播経路は切欠き18により遮断され、緩衝部14のスリット16の周囲の第1の周縁部17a側となる位置及び括れ部20に伝播する。よって、上述同様に応力の伝播経路が延長され、かつ曲げられるため振動部22に伝播する応力を緩和することができる。
【0040】
また、第2の周縁部17b及び振動部22は、第1の周縁部17aより薄肉に形成されている。これにより、振動部22は、第1の周縁部17aに伝播してきた応力の一部を受けるのみとなるので、振動部22へ伝播する応力を低減することができる。また本実施形態の圧電振動片10は振動部22(第2の周縁部17b)が第1の周縁部17aの厚みより薄い、所謂逆メサ構造を有している。よって、緩衝部14(括れ部20)に伝達した応力は、第1の周縁部17a及び第2の周縁部17bを介して振動部22に到達しうるが、第1の周縁部17aの主面と第2の周縁部17bの主面(振動部22の主面)との間には逆メサ構造による段差があり、後述のように(図14参照)、この段差位置において応力を緩和させることができる。さらに、図1に示すように、第2の周縁部17b及び振動部22は、周縁部17の導電性接着剤32が塗布される面側(−Y′軸側の面側)からハーフエッチングにより掘り込んだ態様で配置されている。これにより第1の周縁部17aと第2の周縁部17b(振動部22)との接続位置を圧電振動片10のパッド電極28A、28Bが配置された面(−Y′軸側の面)の反対側の面(+Y′軸側の面)に偏在させた状態で、振動部22の主面と第1の周縁部17aの主面との間で段差を形成することになる。これによりパッド電極28A、28Bに塗布される導電性接着剤32と振動部22の距離が、前述の段差の分だけ遠くなるので、振動部22に伝播する応力をより多く緩和させることができる。
【0041】
このように、圧電振動片10においては、マウント部12の幅を切欠き12aにより狭くすることによりマウント部12での応力の発生領域を小さくして、発生する応力そのものを小さくしている。また、スリット16によりマウント部12で発生した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断して緩衝部14のスリットの周囲となる位置に周回させ、応力の伝播経路を長くし、また応力の経路を曲げることにより応力の緩和を促進している。さらに、切欠き18により、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端の周囲に到達した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断して、緩衝部14のスリット16の周囲の振動部22側、括れ部20に周回させ、応力の伝播経路を長くし、また応力の経路を曲げることにより応力の緩和を促進している。最後に、括れ部20(第1の周縁部17a)に到達した応力は、第1の周縁部17aの主面と第2の周縁部17bの主面(振動部22の主面)との間にある段差により緩和される。したがって、圧電振動片10の実装時にマウント部12で発生しうる応力を、切欠き12aによりその発生量を小さくし、スリット16の周囲及び括れ部20に迂回させつつ緩和させ、第1の周縁部17aと第2の周縁部17bとの境界において緩和させている。これにより、振動部22に伝播する応力を緩和して周波数変動を抑制し、これを用いた圧電振動子の共振周波数やQ値等の特性のバラつきを抑制して歩留を高めることができる。
【0042】
次に第1実施形態の圧電振動片の製造工程について説明する。
図3に、圧電振動片の製造工程(振動部形成工程)を示し、図4に圧電振動片の製造工程(外形形成工程)を示し、図5に圧電振動片の製造工程(電極形成工程)を示す。大まかな手順としては、圧電振動片10の材料となる水晶基板36において、振動部22(第2の周縁部17b)に対応する位置をハーフエッチングし、圧電振動片10の外形に倣ってエッチングし、励振電極24A、24B、引出電極26A、26B、パッド電極28A、28Bの形成を行なう。
【0043】
図3に示すように、最初に圧電振動片10を構成する振動部22(第2の周縁部17b)の外形を形成する。まず図3(a)に示すように、圧電基板としてATカットの水晶基板36を用意し、水晶基板36においてレジスト膜38を塗布する。そして図3(b)に示すように、振動部22(第2の周縁部17b)の形状に対応したフォトマスク40を用いてレジスト膜38を露光し、図3(c)に示すように感光したレジスト膜38aを除去する。そして図3(d)に示すように、水晶基板36が露出した部分が振動部22(第2の周縁部17b)の厚みとなるまでハーフエッチングし、図3(e)に示すようにレジスト膜38を除去する。このとき水晶基板36には振動部22及び第2の周縁部17bに対応する凹部22aが形成される。
【0044】
次に圧電振動片10の外形を形成する。図4(a)に示すように、凹部22aが形成された水晶基板36にレジスト膜42を塗布する。そして図4(b)に示すように圧電振動片10、スリット16、切欠き18の形状に対応したフォトマスク44を用いてレジスト膜42を露光し、図4(c)に示すように感光したレジスト膜42aを除去する。そして図4(d)に示すように、水晶基板36が露出した部分が貫通するまでエッチングし、図4(e)に示すようにレジスト膜42を除去する。これにより圧電振動片10の外形を有する圧電素板10aが形成される。
【0045】
そして圧電素板10aに電極を形成する。まず図5(a)に示すように、スパッタ等により圧電素板10aの全面にCrやAu等による金属膜46を蒸着する。このとき圧電素板10aの端面にも金属膜46が蒸着する。そして図5(b)に示すように金属膜46が蒸着した圧電素板10aの全面にレジスト膜48を塗布する。このとき圧電素板10aの端面にもレジスト膜48が塗布される。次に図5(c)に示すように圧電振動片10の両面の励振電極24A、24B、引出電極26A、26B(図5では不図示)、パッド電極28A、28B(図5では不図示)の形状に対応したフォトマスク50を用いレジスト膜を露光する。このとき引出電極26Aの圧電振動片10の端面を通過する部分を覆うレジスト膜48は感光しない。次に図5(d)に示すように感光したレジスト膜48aを除去し、図5(e)に示すように励振電極24A、24B、引出電極26A、26B、パッド電極28A、28Bに対応する部分以外の金属膜46を露出させエッチングを行なう。このとき、端面に蒸着した金属膜46は感光せずに残ったレジスト膜42により保護されている。よって引出電極26Aの端面を通過する部分の金属膜46は残り、パッド電極28Aはその反対面にある励振電極24Aとの間の引出電極26Aを介した電気的接続が維持される。そして図5(f)に示すようにレジスト膜48を除去することにより圧電振動片10が形成される。
【0046】
第2実施形態の圧電振動片を図6に示し、図6(a)は平面図、図6(b)は底面図、図6(c)は図6(a)のA−A線断面図、図6(d)は図1(a)のB−B線断面図である。なお、以後の実施形態において、第1実施形態と共通の構成要素については同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。第2実施形態の圧電振動片60は、基本的には第1実施形態と類似するが、前記マウント部12と緩衝部14と周縁部62との並ぶ方向(Z′軸方向)に対して直交方向(X軸方向)に関し、周縁部62の幅は、緩衝部14の幅よりも狭く形成された点で相違する(特徴1)。また、周縁部62は、緩衝部14に接続する第1の周縁部62aと、振動部22の周囲に配置されるとともに第1の周縁部62aに接続された第2の周縁部62bと、を有する。しかし、第2の周縁部62bの厚みは振動部22の厚みより薄い点で相違する(特徴2)。第2実施形態において励振電極24A、24Bは、振動部22の全面に配置されている。振動部22は、+Y′軸側の面で第2の周縁部62bと同一平面を形成し、−Y′軸側の面で第2の周縁部62bから突出した形態を有している。
【0047】
第2実施形態の圧電振動片60の製造工程は、ハーフエッチングの工程で、振動部22を形成する工程以外に、振動部22より薄肉となる第2の周縁部62bを形成する工程を有する点で相違するが、それ以外では第1実施形態と共通である。
【0048】
また周縁部62のX軸方向の幅は、マウント部12のX軸方向の幅と同じであっても良いし、短く/長く、なっても良いが、圧電振動片60が図7(a)のA−A線を中心線とした線対称な形状を有することが好ましい。また切欠き18により形成される括れ部20のX軸方向の幅は、第1の周縁部62aのX軸方向の幅と一致している。
【0049】
上述の特徴1を有することにより、圧電振動片60の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができる。さらに特徴2を有することにより、振動部22に厚みすべり振動である主振動のエネルギーを閉じ込め、厚みすべり振動の励振効率を高めることができる。
【0050】
図7に第1実施形態の変形例、図8に第2実施形態の第1変形例を示す。ここで、図7(a)は平面図、図7(b)は底面図、図7(c)は側面図である。また、図8(a)は平面図、図8(b)は底面図、図8(c)は側面図である。図7に示すように、第1実施形態の変形例において、第1の周縁部17aのうち、振動部22の±X軸側に接続する部分(第1の周縁部17a′)は第1の周縁部17aより厚みが薄く、且つ第2の振動部17b(振動部22)の主面と同一平面となる主面を有するように配置されている。また、図8に示すように、第2実施形態の第1変形例において、第1の周縁部62aのうち、振動部22の±X軸側に接続する部分(第1の周縁部62a′)は、第1の周縁部62aより厚みが薄く、且つ第2の周縁部62bの主面と同一平面となる主面を有するように配置されている。
【0051】
上記構成により、圧電振動片の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができるとともに、第2の周縁部17b、62bと、第1の周縁部17a′、62a′とが同一平面を形成している。よって、第1実施形態の変形例においては、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a′を同一工程で容易に形成することができ、第2実施形態の第1変形例においては、第2の周縁部62b、第1の周縁部62a′を同一工程で容易に形成することができる。
【0052】
図9に、第2実施形態に係る圧電振動片の第2変形例を示し、図9(a)は平面図、図9(b)は底面図、図9(c)は図9(a)のA−A線断面図、図7(d)は図9(a)のB−B線断面図である。図9に示すように、第2実施形態の第2変形例おいては、振動部22を第2の周縁部62bの両主面から突出するように配置している。このとき振動部22は、水晶基板の両主面から振動部22の形状を残してハーフエッチングすることにより形成される。このように、振動部22を第2の周縁部62bの両主面から突出するように配置することにより、厚みすべり振動の閉じ込め効果を第2実施形態より高めた圧電振動片61とすることができる。なお、第2実施形態において、励振電極24A、24Bは振動部22の全面に矩形に形成されているが、振動部22の全面を覆うように配置する必要はなく、さらに振動部22における厚みすべり振動の実際の振動領域に対応して例えば円形状、楕円形状としてもよい。そうすることにより、振動部22に厚みすべり振動である主振動のエネルギーを閉じ込めることができる。
【0053】
図10に、第3実施形態に係る圧電振動片の模式図を示し、図10(a)は平面図、図10(b)は底面図、図10(c)は図10(a)のA−A線断面図、図10(d)は図10(a)のB−B線断面図を示す。また、図11に、第3実施形態に係る圧電振動片の側面図を示す。第3実施形態の圧電振動片70は、第1実施形態、第2実施形態と基本的に類似するが、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるように配置している。そして、振動部22が第1の周縁部72より厚肉となるように配置されている点で相違する。また、振動部22は、その両主面が第1の周縁部62の両主面から突出するように配置されている。上記構成により、厚みすべり振動の振動領域を振動部22に閉じ込めて励振効率を高めるとともに、後述のようにマウント部12から振動部22へ伝播する応力を緩和することができる。また本実施形態において、マウント部12で発生した応力の伝播過程及び応力の緩和過程は、マウント部12から括れ部20のところまでは、第1実施形態等と同様である。そして、本実施形態では、振動部22が第1の周縁部72より厚肉となるメサ構造を有している。よって振動部22と第1の周縁部72との境界には段差が形成され、マウント部12で発生し第1の周縁部72と振動部22との境界に到達した応力をこの段差で緩和し、振動部22に伝播する応力を緩和することができる。
【0054】
なお、第3実施形態の圧電振動片の製造工程は、振動部22と同一の厚みとなる水晶基板を用意し、水晶基板の両面を振動部22となる部分を残してマウント部12、緩衝部14、周縁部62の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、マウント部12、緩衝部14(スリット16)、第1の周縁部72となる部分を残して圧電振動片70の外形を刳り貫くエッチングを行なえばよい。その後の電極形成工程は第1実施形態と同様である。
【0055】
図12に、第4実施形態に係る圧電振動片の模式図を示し、図12(a)は平面図、図12(b)は底面図、図12(c)は図12(a)のA−A線断面図、図12(d)は図12(a)のB−B線断面図を示す。また図13に、第4実施形態に係る圧電振動片の側面図を示す。第4実施形態の圧電振動片71は、第3実施形態と類似するが、振動部22の周囲に配置され第1の周縁部72に接続する第2の周縁部74を有する点で相違し、その厚みは第1の周縁部72の厚みより厚い点で相違する。ここで、第2の周縁部74は、その両主面が第1の周縁部72の両主面より突出するように配置され、振動部22は、その両主面が第2の周縁部74の両主面より突出するように配置されている。また励振電極24A、24Bは、振動部22の主面のみならず第2の周縁部74の主面を覆うように配置されている。上記構成により、圧電振動片71は、振動部22を中心とした二段メサ構造になるので、厚みすべり振動を振動部22内に効率的に閉じこめ、励振効率を高めることができる。特に、本実施形態では、励振電極24A、24Bを、振動部22のみならず第2の周縁部74も覆うように配置しているため、振動部22における励振効率を高め、CI値を向上させることができる。また、本実施形態は、所謂二段メサ構造となるため、第3実施形態よりも圧電振動片71の厚み方向の段差の数が多くなるため、マウント部12から振動部22へ伝播する応力を第3実施形態よりもさらに緩和することができる。
【0056】
なお、第4実施形態の圧電振動片71の製造工程は、振動部22と同一の厚みとなる水晶基板を用意し、水晶基板の両面を振動部22となる部分を残して第2の周縁部74の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、振動部22及び第2の周縁部74を残してマウント部12、緩衝部14、第1の周縁部72の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、マウント部12、緩衝部14(スリット16)、第1の周縁部72となる部分を残して圧電振動片71の外形を刳り貫くエッチングを行なえばよい。その後の電極形成工程は第1実施形態と同様である。
【0057】
図14に本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力(熱歪み)を印加した場合の応力の強度分布を示す。本願発明者は、本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力を印加した場合の応力の強度分布についてシミュレーションを行った。シミュレーションの対象となる圧電振動片は、図6に示す第2実施形態の圧電振動片と比較して、振動部22と第2の周縁部62bとの間に段差を有しない点で相違するもののほぼ同様の形態を有している。よって、本シミュレーションにおいては、図6の圧電振動片60とその構成要素に対応して説明する。
【0058】
図14に示すように、マウント部12の実装面上に描かれた2つの円の中心の2点の位置において、2点間で互いに引き合う力若しくは互いに押し合う力を印加したときの、圧電振動片60の表面を伝播する応力の分布のシミュレーションを行った。なお、図14の左に縦一列に並べてある模様は、マウント部12で発生した応力により、圧電振動片60が受ける応力の強度(レベル1〜レベル9)を示している。ここで、レベル9が最も大きな応力を受ける領域を示し、レベル9の領域からレベル1の領域に行くにつれて受ける応力は小さくなり、レベル1は受ける応力が最小若しくは応力の検出限界以下となる領域を示している。そしてこれらの模様は、圧電振動片60上において圧電振動片60の応力の強度分布に対応して描かれている。
【0059】
図14に示すように、マウント部12全体及び緩衝部14のマウント部12側で強い応力(レベル9)が発生していることがわかる。そしてマウント部12側で発生した応力(レベル9)は、スリット16の第1の周縁部62a側でレベル4または5程度にまで緩和されている。これは、緩衝部14のスリット16の周囲となる位置を伝播する応力がその伝播途中で大きな割合で緩和されるためと考えられる。さらに、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端となる位置に伝播した応力は、切欠き18により振動部22への直線的な伝播経路が遮断され、その応力の伝播経路が括れ部20の中央に向くように曲げられ、この伝播経路の伝播途中でも大きな割合で応力が緩和されたと考えられる。
【0060】
そして第1の周縁部62aと、第2の周縁部62bの−Z′軸側と、の境界において、第1の周縁部62b側では応力はレベル5が支配的であるが、第2の周縁部62b側ではレベル2が支配的であり、応力の強度がこの境界で不連続な変化を有している。これは、第2の周縁部62bが第1の周縁部62aよりも薄肉に形成されているため、第1の周縁部62aの内部を伝播した応力については、第2の周縁部62bがその一部を受けるに留まるからである。また第2の周縁部62bと第1の周縁部62aとの間には段差があるので、この段差で応力の伝播経路が圧電振動片60の厚み方向に折り曲げられ、この経路の折り曲がりにより圧電振動片60の表面を伝播する応力が緩和されたからである。また第2の周縁部62b(振動部22)は、マウント部12の導電性接着剤32が塗布される面から掘り込む態様で形成されている。そして応力は圧電振動片60の厚み方向も緩和するため、第2の周縁部62bは、第1の周縁部62aの厚み方向で緩和された応力の一部のみを受けることになるからである。なお、第1の周縁部62aのうち、第2の周縁部62bに±X軸側から接続する部分には括れ部20から応力が殆ど伝播されず、この部分から第2の周縁部62bへの応力の伝播は殆どないといえる。
【0061】
そして、第2の周縁部62bにおいて、第1の周縁部62aとの境界から+Z′軸方向に離れるにつれて応力のレベルは低下し、振動部22が配置される第2の周縁部62bの中央部ではレベル1が支配的となっている。本実施形態の圧電振動片60においては、振動部22(励振電極24A,24B)は、第2の周縁部62bの中央となる位置に配置されるため、振動部22は応力の影響を殆ど受けずに良好な周波数特性が得られると考えられる。さらに第2実施形態においては、第2の周縁部62bと振動部22との間で厚み方向に段差があるため、この段差により振動部22に伝播する応力がさらに緩和される。
【0062】
上述のシミュレーションは振動部22が周縁部62(第1の周縁部62a)より薄肉である場合について行なった。しかし、図10に示す第3実施形態のように振動部22が第1の周縁部72より厚肉であっても、振動部22と第1の周縁部72との境界には段差があるため、この段差により振動部22に伝播する応力が緩和される。さらに図11に示す第4実施形態のように、二段メサ構造とすることにより、段差がさらに増えるので振動部22に伝播する応力をさらに緩和させることができる。
【0063】
第1実施形態及び第2実施形態の圧電振動片は、短辺方向がX軸方向、長辺方向がZ′軸方向となる逆メサ型の圧電振動片とした。また、第3実施形態及び第4実施形態の圧電振動片は、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるメサ型の圧電振動片とした。しかし、本発明はこれに限らず、逆メサ型の圧電振動片において、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるように構成してもよく、メサ型の圧電振動片において、短辺方向がX軸方向、長辺方向がZ′軸方向となるように構成してもよい。
【0064】
図15に本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電振動子を示す。図15(a)は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電振動子100の平面図、図15(b)は図15(a)のA−A線断面図である。圧電振動子100は圧電振動片60を収容する凹部を有するパッケージ102と、凹部104を封止するリッド112により形成される。またパッケージ102の底部(実装基板102a)の下面には外部電極106が形成され、実装基板102aの上面には、貫通電極108を介して外部電極106と電気的に接続された接続電極110が配置されている。そしてこの接続電極110とマウント部12のパッド電極28A、28Bとが導電性接着剤32により接合される。よって圧電振動片60は、マウント部12を固定端として片持ち支持状態でパッケージ102に接続される。上記構成により、圧電振動片60の振動部22への応力を緩和させた圧電振動子100となる。さらに、上記構成により、パッド電極28A、28B(引き出し電極26A、26B)と接続電極110とを導電性接着剤32で接着し、パッド電極28A、28Bと接続電極110とを機械的及び電気的に接続することにより、所謂フェースダウンボンディング型の実装形態をとることができる。したがって、圧電振動片60と実装基板102aからなるモジュール構造を有する圧電振動子100の低背化を図ることができる。
【0065】
図16、図17に本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電モジュールを示す。図16は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電モジュールの分解斜視図を示し、また図17(a)は図12のA−A線断面図であり、図17(b)は図16において図9に示す圧電振動片61を搭載した場合のA−A線断面図である。本実施形態の圧電モジュール200は、パッケージ202(実装基板)、圧電振動片60、61、圧電振動片60、61(図9参照)を駆動させる集積回路(IC210)、リッドにより構成されている。パッケージ202は、図17の破線で示すように3層構造で形成されている。パッケージ202の下面には外部電極214が形成されている。またパッケージ202の凹部204の下段部206には複数の接続電極216が配置されている。またパッケージ202の凹部204の上段部208には、IC210のパッド電極220と電気的に接続するとともに、圧電振動片60、61のパッド電極28A、28B(図6、図7、図17参照)と導電性接着剤32を介して接続する接続電極218が形成されている。接続電極216はIC210のパッド電極220に対応して複数配置され、パッド電極220と導電性の接着剤により電気的に接続されるが、その一部は接続電極218や外部電極214に電気的に接続される。本実施形態の圧電モジュール200においては、圧電振動片60、61とIC210とが共に凹部204においてリッド212により封止された構造を有している。上記構成により、圧電振動片の振動部への応力を緩和させた圧電モジュール200となる。
【0066】
図18に本実施形態の圧電モジュールの第1変形例を示す。図18においては、パッケージ302(実装基板)の両面に凹部304、306を形成し、一方の凹部304に圧電振動片60を搭載するとともにリッド308で封止し、他方の凹部306には集積回路(IC316)を取り付けた構成を有した圧電モジュール300となっている。そしてパッケージ302の下端には外部電極310が形成され、また凹部306には外部電極310または凹部304に配置された接続電極320と電気的に接続するとともに、ワイヤー314を介してIC316のパッド電極318と電気的に接続する接続電極312が配置されている。一方凹部304に配置された接続電極320は、圧電振動片60のパッド電極28A、28Bと導電性接着剤32を介して接続される。よって圧電振動片60はマウント部12を固定端として片持ち支持状態でパッケージに接続される。このように圧電振動片60とIC316とを隔離することによって、圧電振動片60のIC316からの熱の影響を低減することができる。
【0067】
図19に本実施形態の圧電モジュールの第2変形例を示す。図19(a)は側面図、図19(b)は圧電モジュールを構成する基板の平面図である。第2変形例においては、例えば図11に示す圧電振動子100を用いて圧電モジュール400を形成している。すなわち、第2実施形態においては、圧電振動子100を駆動する集積回路(IC404)を搭載した基板402上にIC404(パッド電極406)と電気的に接続する電極球412を配置し、この電極球412により圧電振動子100を支持するとともに、電極球412と圧電振動子100の外部電極106とを電気的に接続し、基板402、IC404、電極球412、圧電振動子100を樹脂等のモールド剤416により一体形成している。ここで、基板402の下面には外部電極410が形成され、基板402の上面には外部電極410と貫通電極418を介して電気的に接続する接続電極408が形成されている。そしてIC404に形成されたパッド電極406のうち、一部は電極球412にワイヤー414を介して接続され、残りは接続電極408にワイヤー414を介して接続されている。
【0068】
上記構成とすることにより、既存の圧電振動子100の規格に対応して基板IC404、電極球412等の配置をして圧電モジュール400を形成することができるのでコストを抑制することができる。なお、いずれの実施形態においてもICと各電極との接続はフェイスダウンボンディングでもよい。またいずれの圧電振動子、圧電モジュールの実施形態においても、上述のいずれの実施形態の圧電振動片にもこの変形例を適用できる。
【0069】
図20に、本実施形態の圧電モジュールの第3変形例を示し、図20(a)は、容器の断面が所謂、H型構造の圧電モジュールの模式図、図20(b)はシングルシール型の圧電モジュールの模式図を示す。第3変形例においては、第3実施形態の圧電振動片70(他の実施形態でもよい)を用いるとともに、圧電モジュール500において温度センサーとしての機能を発揮するための温度を検出する感温素子(サーミスタ512)を搭載している。図20(a)では、圧電振動片70のマウント部12の実装面を実装基板502側に向け、マウント部12と、実装基板502に配置された接続電極504と、を導電性接着剤32で接着することにより圧電振動片70を実装した圧電モジュール500となっている。そして、実装基板502上には圧電振動片70を覆う蓋体(側壁部506、リッド508)が配置されている。また、実装基板502の圧電振動片70に対向する面の反対面には凹部510が配置されている。また、凹部510には、実装基板502の温度を測定可能なサーミスタ512が配置された構成となっている。上記構成により、圧電振動片70の周囲の温度、すなわち実装基板502及び蓋体(側壁部506、リッド508)により閉じられ、圧電振動片70を封止する内部空間の温度について、実装基板502の凹部510の底部の温度を測定することによって、前記内部空間の温度を測定することができるので、圧電振動片70から発振される発振信号の温度補償を高精度に行うことが可能な圧電モジュール500となる。
【0070】
さらに、上記構成により、圧電振動片70を実装基板502の実装後であって、感温素子(サーミスタ512)を実装する前に、圧電振動片70の電気的特性や動作状態の検査を行うことができる。よって、圧電振動片70の検査結果を踏まえて、圧電振動片70において良品と不良品とを選別することができる。したがって、不良品を省いた良品の圧電振動片が実装された実装基板502のみに前記感温素子を実装することができるので感温素子を無駄にすることがなく、コストを抑制し低コスト化を図ることができる。
【0071】
図20(b)に示す圧電モジュール501は、図20(a)と類似した圧電モジュール501となっているが、実装基板502の圧電振動基板70に対向する面に凹部514が配置されている。そして、凹部514には、実装基板502及び蓋体(側壁部506、リッド508)により閉じられ、圧電振動片70を封止する内部空間の温度を測定可能な感温素子(サーミスタ512)が配置されている。なお、図20(a)、(b)においては、サーミスタ512を搭載したものとしているが上述の集積回路(IC404)でもよく、この集積回路にサーミスタ等の感温素子を内蔵したものが好適である。
【符号の説明】
【0072】
10………圧電振動片、10a………圧電素板、12………マウント部、12a………切欠き、14………緩衝部、16………スリット、17………周縁部、17a………第1の周縁部、17b………第2の周縁部、18………切欠き、20………括れ部、22………振動部、22a………凹部、24A,24B………励振電極、26A,26B………引出電極、28A,28B………パッド電極、32………導電性接着剤、34………実装基板、36………水晶基板、38………レジスト膜、38a………レジスト膜、40………フォトマスク、42………レジスト膜、42a………レジスト膜、44………フォトマスク、46………金属膜、48………レジスト膜、48a………レジスト膜、50………フォトマスク、60………圧電振動片、61………圧電振動片、62………周縁部、62a………第1の周縁部、62b………第2の周縁部、70………圧電振動片、71………圧電振動片、72………第1の周縁部、74………第2の周縁部、100………圧電振動子、102………パッケージ、102a………実装基板、104………凹部、106………外部電極、108………貫通電極、110………接続電極、112………リッド、200………圧電モジュール、202………パッケージ、204………凹部、206………下段部、208………上段部、210………IC、212………リッド、214………外部電極、216………接続電極、218………接続電極、220………パッド電極、300………圧電モジュール、302………パッケージ、304………凹部、306………凹部、308………リッド、310………外部電極、312………接続電極、314………ワイヤー、316………IC、318………パッド電極、320………接続電極、400………圧電モジュール、402………基板、404………IC、406………パッド電極、408………接続電極、410………外部電極、412………電極球、414………ワイヤー、416………モールド剤、418………貫通電極、500………圧電モジュール、501………圧電モジュール、502………実装基板、504………接続電極、506………側壁部、508………リッド、510………凹部、512………サーミスタ、514………凹部、600………圧電振動子、602………支持部、604………振動部、606A………励振電極、606B………励振電極、608A………入出力端子部、608B………入出力端子部、610………スリット、612………容器、614………底部、616………接着剤、700………圧電振動片、702………マウント部、704………スリット、706………振動部、708………切欠き、710………連結部。
【技術分野】
【0001】
本発明は、圧電振動片、およびこれを用いた圧電モジュールに関し、特に実装後に発生するマウント位置での応力の振動部への影響を緩和させる技術に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、圧電振動片の実装形態には、導電性接着剤を塗布してパッケージに固着する形態がある。このように、導電性接着剤を硬化させるための乾燥等の熱処理工程では、圧電振動片、パッケージ、導電性接着剤のそれぞれの線膨張係数の違いによる歪みが、冷却したのちの導電性接着剤の固着部分に残ってしまい、固着部分からの振動部への応力、すなわち熱歪みが振動に悪影響を与えてしまうという問題があった。
【0003】
また、圧電振動片の小型化を図ろうとすると、圧電振動片の支持部に塗布された接着剤の硬化により生じた残留応力によって圧電振動片の共振周波数に経年変化が生じたり、あるいは励振電極の面積を小さくしなければならず、それによって圧電振動片としての電気的特性が劣化する問題が顕著に表れる。例えばインピーダンスが大きくなり、良好な特性を得られなくなるという問題が顕著に表れてくる。
【0004】
そこで、このような問題に鑑みて、特許文献1においては、矩形のフラットな形状をしたATカット水晶基板等の厚みすべり圧電振動子に関し、支持部と振動部との間に切欠きやスリットを設けた構造について提案されている。
【0005】
図21に、特許文献1に係る圧電振動子の模式図を示す。図21(a)は圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図、図21(b)は圧電振動子を構成する圧電振動片の下面図、図21(c)は圧電振動片を容器の内部に搭載した圧電振動子を構成する平面図、図21(d)は図21(c)のA−A´線断面図である。
【0006】
図21においては、支持部602と振動部604とを有する矩形状の圧電振動子600が示されている。前記圧電振動子600の振動部604の上面と下面にそれぞれ形成した励振電極606A、606Bと、前記励振電極606A、606Bから圧電振動子600の支持部602の縁に引き出された入出力端子部608A、608Bとの間の圧電振動子600の主面上にスリット610が配置形成されている。これにより、前記励振電極606A、606Bと前記入出力端子部608A、608Bとを物理的に隔離する構造としたものである。
【0007】
上記構成において、圧電振動子600の支持部602と、圧電振動子600を収容する容器612内の底部614の接続電極(不図示)とを固着並びに電気的に接続するための接着剤616が硬化すると、図21(c)の二点鎖線で示す方向、範囲にわたって、圧電振動子600に対する残留応力が発生することになる。しかし、このような構造においては、スリット610によってこの残留応力が振動部604に伝播しないように構成しており、スリット610の長手方向長を最適な長さに設定することによって、残留応力の伝搬方向を上述の二点鎖線で示した領域の外側に制限することができる。これにより、圧電振動子600の電気的な特性を損なうことなく、かつ圧電振動子の共振周波数の経年変化が小さい小型の圧電振動子600を製造することができるとされている。なお、類似の技術として、導電性接着剤を塗布する箇所と振動部の間にスリット(特許文献2乃至6参照)や切欠き(特許文献2、3、4、5、7、8、9参照)を設ける構成が開示されている。また、強度確保等のために、圧電振動片の中央部に窪みを形成して逆メサ型とすることが行われている(特許文献10乃至12参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開平9−326667号公報
【特許文献2】特開昭59−040715号公報
【特許文献3】実開昭61−187116号公報
【特許文献4】特開2004−165798号公報
【特許文献5】特開2009−158999号公報
【特許文献6】特開2005−136705号公報
【特許文献7】特許第4087186号公報
【特許文献8】特開2009−188483号公報
【特許文献9】特開2010−130123号公報
【特許文献10】特開2000−332571号公報
【特許文献11】特開2009−164824号公報
【特許文献12】特開2002−246869号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかし、近年このような圧電振動片を用いたデバイスの小型化並びに高性能化が加速した状況においては、前述のごとき上記いずれの構成であっても、マウント歪みを十分に取り除くことは困難であることが、以下に示すように本願発明者らにより見出された。
【0010】
図22に圧電振動片のマウント部と振動部との間にスリットを形成した場合の応力分布を示し、図22(a)は圧電振動片のスリットのZ´軸方向の幅を150μmとした場合の応力分布、図22(b)は圧電振動片のスリットのZ´軸方向の幅を250μmとした場合の応力分布を示す。また、図23、図24に、圧電振動片の幅方向の両側でマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図23(a)は連結部のX軸方向の幅を400μmとした場合の応力分布、図23(b)は連結部のX軸方向の幅を300μmとした場合の応力分布、図24(a)は連結部のX軸方向の幅を200μmとした場合の応力分布、図24(b)は連結部のX軸方向の幅を100μmとした場合の応力分布を示す。
【0011】
図22、図23、図24は、図中の導電性接着剤が塗布されるマウント部702のY´軸側の面上の円の中心の2点を基点として圧電振動片700に対して圧縮応力或いは引張応力を印加した場合の応力分布のシミュレーション結果を示したものである。この圧縮応力或いは引張応力(残留応力)は、圧電振動片、導電性接着剤、基板の熱膨張係数の違いにより、圧電振動片に印加される応力により発生する。
【0012】
図22、図23、図24において、X軸、Y´軸、Z´軸は互いに直交するものとし、圧電振動片700は、Y´軸に平行な方向を法線とする主面を有し、Z´軸に平行な方向及びX軸に平行な方向にそれぞれ縁辺を有する板状の外形を有している。また圧電振動片700の主面を貫通する貫通孔としてスリット704が形成されている。よって、圧電振動片700において、マウント部702、スリット704、振動部706が横並びに配置された形となる。図22において、圧電振動片700は、マウント部702、スリット704、振動部706が並ぶ方向(Z´軸方向)の長さが1500μm、X軸方向の幅が1000μmの外形を有している。またスリット704のX軸方向(長辺)の長さは650μmである。そしてマウント部702側のスリット704の長辺からマウント部702の端部までのZ´軸方向の幅は、図22(a)において350μm、図22(b)においては250μmとしている。またスリット704のZ´軸方向の幅は、図22(a)において150μm、図22(b)において250μmとしている。すなわち、図22(a)と図22(b)では、スリット704のZ´軸方向の位置と幅を変化させている。
【0013】
そして、図22、図23、図24の図中の左に縦一列に並べられた複数の模様は、それぞれ圧電振動片700が受ける応力の強度を示し、上の模様に行くほど応力が大きいことを示し、下の模様に行くほど応力が小さいことを示す。そして圧電振動片700が受ける応力の強度の分布を、上述の模様を用いて表している。
【0014】
図22に示すように、このように小さな圧電振動片700においては、スリット704を配置しても、さらにスリット704の位置や幅を変化させても、マウント部702で発生した応力に起因する応力を解消しきれずに、強い応力が圧電振動片700の振動部706にまで達していることがわかる。よって圧電振動片700の共振周波数の安定性等の電気的特性に悪影響を与えるという問題がある。
【0015】
図23、図24に示す圧電振動片700は、特許文献6、7のような従来技術に係るマウント部702と振動部706との間において圧電振動片700の幅方向の両端に切欠き708を形成した、所謂切欠き構造となっている。この構造では、切欠き708により形成された連結部710の幅を狭くしていくことにより、マウント部702で発生した応力の振動部706への伝播が緩和されていく様子が観察される。しかし、連結部710のみで振動部706を支持する構造では耐落下衝撃等の強度面で不利となり実用性に乏しいという問題がある。
【0016】
そこで本発明は上記問題点に着目し、マウント部から振動領域への応力の伝播を十分に緩和することを可能とした圧電振動片、圧電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
[適用例1]圧電基板に、厚み滑り振動を励振する振動部と、前記振動部の周縁に前記振動部の厚みよりも厚みが薄い周縁部と、が設けられた圧電振動片であって、前記周縁部には、緩衝部とマウント部が順に連結され、前記緩衝部は、前記マウント部と前記周縁部との間にスリットを有し、前記マウント部は、前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠きを有していることを特徴とする圧電振動片。
【0018】
上記構成により、実装時にマウント部において発生した応力が、振動部へ直線的に伝播することをスリットにより防ぐことができる。よってマウント部からの応力はスリットの周囲及び緩衝部に伝播することになる。さらに上記構成により、マウント部の幅は切欠きにより緩衝部の幅より狭くなるので、応力が緩衝部のスリットの周囲となる位置を伝播する経路が長くなり、長くなった分だけ周縁部及び振動部に伝達する応力を緩和させることができる。一方、本発明の圧電振動片は、振動部の厚みが周縁部の厚みより厚いメサ構造を有している。よって、緩衝部のスリットの周囲となる位置を周回した応力は周縁部を介して振動部に到達しうるが、周縁部の主面と振動部の主面との間にはメサ構造による段差があるので、この段差位置において応力を緩和させることができる。よって応力が振動部に伝播する前に十分に緩和され、振動部への応力の影響を緩和することができる。
【0019】
[適用例2]前記緩衝部と前記周縁部との連結部に切欠きを有することを特徴とする適用例1に記載の圧電振動片。
上記構成により、緩衝部のスリットの長手方向の両端の周縁となる位置にまで伝播した応力が振動部へ直線的に伝播することを切欠きにより遮断することができるので、振動部への応力の影響を緩和することができる。
【0020】
[適用例3]前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向に関し、前記周縁部の幅は、前記緩衝部の幅より狭いことを特徴とする適用例1または2に記載の圧電振動片。
上記構成により、圧電振動片の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができる。
【0021】
[適用例4]前記圧電基板が、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、前記Y′軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であることを特徴とする適用例1乃至3のいずれか1例に記載の圧電振動片。
上記構成により、厚みすべり振動を効率的に発振可能な圧電振動片となる。
【0022】
[適用例5]前記周縁部は、前記緩衝部に接続した第1の周縁部と、前記振動部の周縁に配置され前記第1の周縁部に接続した第2の周縁部と、を有し、前記第2の周縁部の厚みは、前記第1の周縁部の厚みより厚いことを特徴とする適用例1乃至4のいずれか1例に記載の圧電振動片。
上記構成により、振動部を中心とした二段メサ構造になるので、厚みすべり振動を振動部内に効率的に閉じこめ、励振効率を高めることができる。
【0023】
[適用例6]前記振動部の表裏の両主面にはそれぞれ、励振電極が配置され、前記マウント部の実装面には、前記励振電極とそれぞれ電気的に接続された一対の引き出し電極が配置されていることを特徴とする適用例5に記載の圧電振動片。
上記構成により、引き出し電極と圧電振動片が実装される実装基板に配置された接続電極とを導電性接着剤で接着し、引き出し電極と接続電極とを機械的及び電気的に接続することにより、所謂フェースダウンボンディング型の実装形態をとることができる。したがって、圧電振動片と実装基板からなるモジュール構造の低背化を図ることができる。
【0024】
[適用例7]適用例1乃至6のいずれか1例に記載の圧電振動片のマウント部を、実装基板に配置された接続電極に導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板及び前記蓋体により閉じられた内部空間の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
上記構成により、圧電振動片の周囲の温度を測定することができるので圧電振動片から発振される発振信号の温度補償を高精度に行うことが可能な圧電モジュールとなる。
【0025】
[適用例8]適用例1乃至6のいずれか1例に記載の圧電振動片のマウント部と、実装基板に配置された接続電極と、を導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面の反対面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
上記構成により、圧電振動片の実装基板への実装後かつ感温素子の実装前に圧電振動片の動作の検査を行い、圧電振動片の正常な動作を確認した上で感温素子を実装することができるので感温素子を無駄にすることはなく、コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】第1実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図1(a)は平面図、図1(b)は底面図、図1(c)は水晶基板のカット角を表す図である。
【図2】第1実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図2(a)は正面図、図2(b)は裏面図、図2(c)は図1(a)のA−A線断面図である。
【図3】圧電振動片の製造工程(振動部形成工程)を示す模式図である。
【図4】圧電振動片の製造工程(外形形成工程)の模式図である。
【図5】圧電振動片の製造工程(電極形成工程)の模式図である。
【図6】第2実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図6(a)は平面図、図6(b)は底面図、図6(c)は図6(a)のA−A線断面図、図6(d)は図1(a)のB−B線断面図である。
【図7】第1実施形態の圧電振動片の変形例であり、図7(a)は平面図、図7(b)は底面図、図7(c)は側面図である。
【図8】第2実施形態の圧電振動片の第1変形例であり、図8(a)は平面図、図8(b)は底面図、図8(c)は側面図である。
【図9】第2実施形態に係る圧電振動片の第2変形例の模式図であり、図9(a)は平面図、図9(b)は底面図、図9(c)は図9(a)のA−A線断面図、図9(d)は図9(a)のB−B線断面図である。
【図10】第3実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図10(a)は平面図、図10(b)は底面図、図10(c)は図10(a)のA−A線断面図、図10(d)は図10(a)のB−B線断面図である。
【図11】第3実施形態に係る圧電振動片の側面図である。
【図12】第4実施形態に係る圧電振動片の模式図であり、図12(a)は平面図、図12(b)は底面図、図12(c)は図12(a)のA−A線断面図、図12(d)は図12(a)のB−B線断面図である。
【図13】第4実施形態に係る圧電振動片の側面図である。
【図14】本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力を印加した場合の応力の強度分布を示す図である。
【図15】本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電振動子を示し、図15(a)は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電振動子100の平面図、図15(b)は図15(a)のA−A線断面図である。
【図16】図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電モジュールの分解斜視図である。
【図17】本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電モジュールを示し、図17(a)は図16のA−A線断面図であり、図17(b)は図16において図9に示す圧電振動片61を搭載した場合のA−A線断面図である。
【図18】本実施形態の圧電モジュールの第1変形例を示す図である。
【図19】本実施形態の圧電モジュールの第2変形例を示し、図19(a)は側面図、図19(b)は圧電モジュールを構成する基板の平面図である。
【図20】本実施形態の圧電モジュールの第3変形例を示し、図20(a)は、容器の断面が所謂、H型構造の圧電モジュールの模式図、図20(b)はシングルシール型の圧電モジュールの模式図である。
【図21】特許文献1に係る圧電振動子の模式図であり、図21(a)は圧電振動子を構成する圧電振動片の上面図、図21(b)は圧電振動子を構成する圧電振動片の下面図、図21(c)は圧電振動片を容器の内部に搭載した圧電振動子を構成する平面図、図21(d)は図21(c)のA−A´線断面図である。
【図22】圧電振動片のマウント部と振動部との間にスリットを形成した場合の応力分布を示し、図22(a)は圧電振動片のスリットの幅を150μmとした場合の応力分布、図22(b)は圧電振動片のスリットの幅を250μmとした場合の応力分布である。
【図23】圧電振動片の幅方向の両側のマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図23(a)は連結部の幅を400μmとした場合の応力分布、図23(b)は連結部の幅を300μmとした場合の応力分布である。
【図24】圧電振動片の幅方向の両側のマウント部と振動部との間となる位置に切欠きを形成して、マウント部と振動部との間を連結する連結部を形成した場合の応力分布を示し、図24(a)は連結部の幅を200μmとした場合の応力分布、図24(b)は連結部の幅を100μmとした場合の応力分布である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。なお以下の説明に用いられる図において、X軸、Y′軸、Z′軸は互いに直交するものとする。
【0028】
第1実施形態に係る圧電振動片を図1、図2に示す。図1(a)は平面図、図1(b)は底面図、図1(c)は水晶基板のカット角を表す図、図2(a)は正面図、図2(b)は裏面図、図2(c)は図1(a)のA−A線断面図である。本実施形態に係る圧電振動片10は、圧電基板(圧電素板)として、水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、前記Y′軸に平行な方向を厚みとするATカットの水晶基板を採用している。そして矩形状のATカットの水晶基板を用い、周縁に周縁部17(補強部)を残したウエットエッチングにより、短辺方向が前記X軸方向、長辺方向が前記Z′軸方向となるように外形を形成し、前記周縁部17(第1の周縁部17a)よりも厚みの薄い薄肉の振動部22を形成した逆メサ型の圧電振動片10となっている。
【0029】
圧電振動片10は、マウント部12、スリット16を有する緩衝部14、振動部22を中央部に有する周縁部17が一体となって全体の外形が形成され、マウント部12と周縁部17がそれぞれ圧電振動片10の長辺方向(Z′軸方向)の端部に配置され、緩衝部14がマウント部12と周縁部17の間に配置されている。また圧電振動片10は、図1(a)のA−A線を中心線として線対称な形状を有している。そして圧電振動片10はマウント部12側を固定端とし、振動部22側を自由端として片持ち支持状態で、実装先の実装基板34(図2)に導電性接着剤32により固定される。
【0030】
マウント部12は、圧電振動片10のZ′軸の一方向の端部に配置されるとともに、X軸方向の両端には切欠き12aが形成されている。切欠き12aは、マウント部12のX軸方向の両端を矩形に切り欠くように配置されている。この切欠き12aにより、導電性接着剤32の塗布位置の間隔を狭くすることができ、実装時にマウント部12で発生する応力の発生領域を小さくすることができる。そして実装面となるマウント部の一主面(−Y′軸側の面)には後述の励振電極24A、24Bと電気的に接続するパッド電極28A、28Bが配置されている。そしてパッド電極28A、28Bには実装側の実装基板34と接着するための導電性接着剤32が塗布される。したがって導電性接着剤32を用いて実装基板34に接着することにより圧電振動子が形成される。
【0031】
緩衝部14は、マウント部12と周縁部17との間に形成され、マウント部12で発生して振動部22側に伝播する応力(熱歪み)を緩和させる作用を有している。これを実現するため、緩衝部14にはスリット16が設けられ、緩衝部14と周縁部17との間に切欠き18が形成されている。なお、緩衝部14には後述の引出電極26A、26Bが形成されている。
【0032】
スリット16は、圧電振動片10の短辺方向(X軸方向)に沿った長辺と圧電振動片の長辺方向(Z′軸方向)に沿った短辺を有し、圧電振動片10の厚み方向に矩形形状で貫通する貫通孔となっている。スリット16は、後述のように、圧電振動片10の実装基板34への実装時にマウント部12で発生した応力のZ軸方向(圧電振動片10の長辺方向)への直線的な伝播を遮断して振動部22に及ぶ応力を低減するものである。一方、圧電振動片10の実装時の応力(熱歪み)はマウント部12の導電性接着剤32の塗布位置同士を結ぶ線上が発生領域となる。よって、スリット16の長辺方向の幅は、導電性接着剤32の塗布位置同士の間隔より長くするとともに、前記発生領域と振動部22とを結ぶ直線に交差するように配置することにより上述の発生領域で発生した応力の振動部22側への直線的な伝播経路を遮断することができる。特に、図1に示すように、スリット16の長辺方向の幅をマウント部12のX軸方向の幅より広くし、Z′軸方向からみてスリット16の長辺の両端部がマウント部12のX軸方向の両端部からはみ出るように配置することにより、マウント部12で発生した応力の振動部22側への伝播経路を確実に遮断することができる。上記構成により、上述の発生領域(マウント部12)で発生した応力はスリット16により振動部22に直線的に伝播する経路が遮断され、緩衝部14のスリット16の周囲となる位置を周回することになる。
【0033】
切欠き18は、緩衝部14と周縁部17との境界(連結部)となる位置に配置され、圧電振動片10の短辺方向(X軸方向)の両側から緩衝部14および周縁部17(第1の周縁部17a)を切り欠くように配置されている。よって緩衝部14及び周縁部17(第1の周縁部17a)の切欠き18に挟まれた領域は括れ部20となる。切欠き18は、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端の周縁となる位置に伝播した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断するために配置されている。よって切欠き18により形成される括れ部20のX軸方向の幅は、スリット16の長辺方向(X軸方向)の幅と同程度かそれ以下となるようにすることが望ましい。よって、上述の位置に伝播した応力は切欠き18により振動部22への直線的な伝播が遮断され、括れ部20を経由して振動部22側に伝播する。
【0034】
周縁部17は、圧電振動片10の+Z軸側を構成し振動部22を支持する部材である。周縁部17は、緩衝部14に接続した第1の周縁部17aと、振動部22の周囲を囲むように配置され、第1の周縁部17aに接続した第2の周縁部17bと、を有する。ここで、第1の周縁部17aは緩衝部14と同じ厚みを有し、第2の周縁部17bは振動部22と同じ厚みを有する。図1において第1の周縁部17aの+Z′軸側が切り欠かれ、第2の周縁部17bの+Z′軸側の端面が露出した形となっているが、この部分にも第1の周縁部17aを配置して、第2の周縁部17bの周囲を第1の周縁部17aで完全に囲む形としてもよい。本実施形態では第1の周縁部17aは、緩衝部14と同一の厚みであって段差を有しないものとし、第2の周縁部17は振動部22と同一の厚みであって段差を有しないものとする。また、第2の周縁部17b及び振動部22は、第1の周縁部17aより薄肉であり、圧電振動片10の−Y′軸方向から掘り込まれた態様で第1の周縁部17aに接続している。
【0035】
振動部22は、第2の周縁部17bに囲まれるように配置され、圧電振動片10において厚みすべり振動を発生させる部分である。振動部22の中央の両主面(表裏面)には互いに対向するように励振電極24A、24Bが形成されている。+Y′軸側の面に形成された励振電極24Aからは引出電極26Aが引き出されている。引出電極26Aは、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a、緩衝部14に亘って配置され、切欠き18において圧電振動片10の−Y′軸側の面に引き出され、緩衝部14、マウント部12を経由してパッド電極28Aに接続されている。また、−Y′軸側の面に形成された励振電極24Bからは引出電極26Bが引き出されている。引出電極26Bは、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a、緩衝部14、マウント部12に亘って配置されパッド電極28Bに接続されている。したがって、パッド電極28A、28Bに交流電圧を印加することにより振動部22は所定の周波数で厚みすべり振動を行なうことができる。
【0036】
ところで、導電性接着剤32を用いた圧電振動片10の接着工程では導電性接着剤32を硬化させるために圧電振動片10を高温に曝す必要がある。よって接着後温度が低下するとマウント部12の導電性接着剤32が塗布されている2点の間を結ぶ領域で、圧電振動片10、実装基板34、導電性接着剤32の熱膨張係数の違いにより、上述の応力(熱歪み)が発生し、これが圧電振動片10全体に伝播することになる。
【0037】
一方、振動部22に応力が印加されると、振動部22の見かけ上の剛性が変化するため、共振周波数が変動する。そしてマウント部12におけるマウント状態は実装状態に依存して個々に異なるため、振動部22に伝播する応力にもバラつきが生じ、共振周波数にバラつきが生じることになる。
【0038】
しかし、マウント部12においては、切欠き12aにより導電性接着剤32の接着位置が近接している。よって、応力の発生範囲を導電性接着剤32が塗布された領域に集中させて、応力の発生領域を小さくし、それ以外への領域へ伝播する応力の成分を抑制することができる。そして導電性接着剤32の接着位置において発生した応力は緩衝部14側(Z′軸方向)に直線的に伝播するが、スリット16によりその直線的な伝播経路は遮断され、応力はスリット16の周囲に沿って伝播することになる。よって、応力がスリット16の周囲を伝播するため経路が長くなる。さらに切欠き12aによりマウント部12における導電性接着剤32の接着位置がスリット16の長辺の中央側に近接するため、応力のスリット16の周囲を周回する経路はさらに長くなる。したがって応力が振動部22に伝播する前に十分に緩和され、振動部22への応力の影響を緩和することができる。さらに、スリット16は、応力の伝播経路を長くするだけでなく伝播経路を曲げることができるので、その分応力の緩和を促進させることができる。
【0039】
また、緩衝部14のX軸方向の両端にまで伝播した応力の振動部22へ直線的に伝播経路は切欠き18により遮断され、緩衝部14のスリット16の周囲の第1の周縁部17a側となる位置及び括れ部20に伝播する。よって、上述同様に応力の伝播経路が延長され、かつ曲げられるため振動部22に伝播する応力を緩和することができる。
【0040】
また、第2の周縁部17b及び振動部22は、第1の周縁部17aより薄肉に形成されている。これにより、振動部22は、第1の周縁部17aに伝播してきた応力の一部を受けるのみとなるので、振動部22へ伝播する応力を低減することができる。また本実施形態の圧電振動片10は振動部22(第2の周縁部17b)が第1の周縁部17aの厚みより薄い、所謂逆メサ構造を有している。よって、緩衝部14(括れ部20)に伝達した応力は、第1の周縁部17a及び第2の周縁部17bを介して振動部22に到達しうるが、第1の周縁部17aの主面と第2の周縁部17bの主面(振動部22の主面)との間には逆メサ構造による段差があり、後述のように(図14参照)、この段差位置において応力を緩和させることができる。さらに、図1に示すように、第2の周縁部17b及び振動部22は、周縁部17の導電性接着剤32が塗布される面側(−Y′軸側の面側)からハーフエッチングにより掘り込んだ態様で配置されている。これにより第1の周縁部17aと第2の周縁部17b(振動部22)との接続位置を圧電振動片10のパッド電極28A、28Bが配置された面(−Y′軸側の面)の反対側の面(+Y′軸側の面)に偏在させた状態で、振動部22の主面と第1の周縁部17aの主面との間で段差を形成することになる。これによりパッド電極28A、28Bに塗布される導電性接着剤32と振動部22の距離が、前述の段差の分だけ遠くなるので、振動部22に伝播する応力をより多く緩和させることができる。
【0041】
このように、圧電振動片10においては、マウント部12の幅を切欠き12aにより狭くすることによりマウント部12での応力の発生領域を小さくして、発生する応力そのものを小さくしている。また、スリット16によりマウント部12で発生した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断して緩衝部14のスリットの周囲となる位置に周回させ、応力の伝播経路を長くし、また応力の経路を曲げることにより応力の緩和を促進している。さらに、切欠き18により、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端の周囲に到達した応力の振動部22への直線的な伝播経路を遮断して、緩衝部14のスリット16の周囲の振動部22側、括れ部20に周回させ、応力の伝播経路を長くし、また応力の経路を曲げることにより応力の緩和を促進している。最後に、括れ部20(第1の周縁部17a)に到達した応力は、第1の周縁部17aの主面と第2の周縁部17bの主面(振動部22の主面)との間にある段差により緩和される。したがって、圧電振動片10の実装時にマウント部12で発生しうる応力を、切欠き12aによりその発生量を小さくし、スリット16の周囲及び括れ部20に迂回させつつ緩和させ、第1の周縁部17aと第2の周縁部17bとの境界において緩和させている。これにより、振動部22に伝播する応力を緩和して周波数変動を抑制し、これを用いた圧電振動子の共振周波数やQ値等の特性のバラつきを抑制して歩留を高めることができる。
【0042】
次に第1実施形態の圧電振動片の製造工程について説明する。
図3に、圧電振動片の製造工程(振動部形成工程)を示し、図4に圧電振動片の製造工程(外形形成工程)を示し、図5に圧電振動片の製造工程(電極形成工程)を示す。大まかな手順としては、圧電振動片10の材料となる水晶基板36において、振動部22(第2の周縁部17b)に対応する位置をハーフエッチングし、圧電振動片10の外形に倣ってエッチングし、励振電極24A、24B、引出電極26A、26B、パッド電極28A、28Bの形成を行なう。
【0043】
図3に示すように、最初に圧電振動片10を構成する振動部22(第2の周縁部17b)の外形を形成する。まず図3(a)に示すように、圧電基板としてATカットの水晶基板36を用意し、水晶基板36においてレジスト膜38を塗布する。そして図3(b)に示すように、振動部22(第2の周縁部17b)の形状に対応したフォトマスク40を用いてレジスト膜38を露光し、図3(c)に示すように感光したレジスト膜38aを除去する。そして図3(d)に示すように、水晶基板36が露出した部分が振動部22(第2の周縁部17b)の厚みとなるまでハーフエッチングし、図3(e)に示すようにレジスト膜38を除去する。このとき水晶基板36には振動部22及び第2の周縁部17bに対応する凹部22aが形成される。
【0044】
次に圧電振動片10の外形を形成する。図4(a)に示すように、凹部22aが形成された水晶基板36にレジスト膜42を塗布する。そして図4(b)に示すように圧電振動片10、スリット16、切欠き18の形状に対応したフォトマスク44を用いてレジスト膜42を露光し、図4(c)に示すように感光したレジスト膜42aを除去する。そして図4(d)に示すように、水晶基板36が露出した部分が貫通するまでエッチングし、図4(e)に示すようにレジスト膜42を除去する。これにより圧電振動片10の外形を有する圧電素板10aが形成される。
【0045】
そして圧電素板10aに電極を形成する。まず図5(a)に示すように、スパッタ等により圧電素板10aの全面にCrやAu等による金属膜46を蒸着する。このとき圧電素板10aの端面にも金属膜46が蒸着する。そして図5(b)に示すように金属膜46が蒸着した圧電素板10aの全面にレジスト膜48を塗布する。このとき圧電素板10aの端面にもレジスト膜48が塗布される。次に図5(c)に示すように圧電振動片10の両面の励振電極24A、24B、引出電極26A、26B(図5では不図示)、パッド電極28A、28B(図5では不図示)の形状に対応したフォトマスク50を用いレジスト膜を露光する。このとき引出電極26Aの圧電振動片10の端面を通過する部分を覆うレジスト膜48は感光しない。次に図5(d)に示すように感光したレジスト膜48aを除去し、図5(e)に示すように励振電極24A、24B、引出電極26A、26B、パッド電極28A、28Bに対応する部分以外の金属膜46を露出させエッチングを行なう。このとき、端面に蒸着した金属膜46は感光せずに残ったレジスト膜42により保護されている。よって引出電極26Aの端面を通過する部分の金属膜46は残り、パッド電極28Aはその反対面にある励振電極24Aとの間の引出電極26Aを介した電気的接続が維持される。そして図5(f)に示すようにレジスト膜48を除去することにより圧電振動片10が形成される。
【0046】
第2実施形態の圧電振動片を図6に示し、図6(a)は平面図、図6(b)は底面図、図6(c)は図6(a)のA−A線断面図、図6(d)は図1(a)のB−B線断面図である。なお、以後の実施形態において、第1実施形態と共通の構成要素については同一の番号を付し、必要な場合を除いてその説明を省略する。第2実施形態の圧電振動片60は、基本的には第1実施形態と類似するが、前記マウント部12と緩衝部14と周縁部62との並ぶ方向(Z′軸方向)に対して直交方向(X軸方向)に関し、周縁部62の幅は、緩衝部14の幅よりも狭く形成された点で相違する(特徴1)。また、周縁部62は、緩衝部14に接続する第1の周縁部62aと、振動部22の周囲に配置されるとともに第1の周縁部62aに接続された第2の周縁部62bと、を有する。しかし、第2の周縁部62bの厚みは振動部22の厚みより薄い点で相違する(特徴2)。第2実施形態において励振電極24A、24Bは、振動部22の全面に配置されている。振動部22は、+Y′軸側の面で第2の周縁部62bと同一平面を形成し、−Y′軸側の面で第2の周縁部62bから突出した形態を有している。
【0047】
第2実施形態の圧電振動片60の製造工程は、ハーフエッチングの工程で、振動部22を形成する工程以外に、振動部22より薄肉となる第2の周縁部62bを形成する工程を有する点で相違するが、それ以外では第1実施形態と共通である。
【0048】
また周縁部62のX軸方向の幅は、マウント部12のX軸方向の幅と同じであっても良いし、短く/長く、なっても良いが、圧電振動片60が図7(a)のA−A線を中心線とした線対称な形状を有することが好ましい。また切欠き18により形成される括れ部20のX軸方向の幅は、第1の周縁部62aのX軸方向の幅と一致している。
【0049】
上述の特徴1を有することにより、圧電振動片60の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができる。さらに特徴2を有することにより、振動部22に厚みすべり振動である主振動のエネルギーを閉じ込め、厚みすべり振動の励振効率を高めることができる。
【0050】
図7に第1実施形態の変形例、図8に第2実施形態の第1変形例を示す。ここで、図7(a)は平面図、図7(b)は底面図、図7(c)は側面図である。また、図8(a)は平面図、図8(b)は底面図、図8(c)は側面図である。図7に示すように、第1実施形態の変形例において、第1の周縁部17aのうち、振動部22の±X軸側に接続する部分(第1の周縁部17a′)は第1の周縁部17aより厚みが薄く、且つ第2の振動部17b(振動部22)の主面と同一平面となる主面を有するように配置されている。また、図8に示すように、第2実施形態の第1変形例において、第1の周縁部62aのうち、振動部22の±X軸側に接続する部分(第1の周縁部62a′)は、第1の周縁部62aより厚みが薄く、且つ第2の周縁部62bの主面と同一平面となる主面を有するように配置されている。
【0051】
上記構成により、圧電振動片の自由端側を軽量化して実装の安定性を高めることができるとともに、第2の周縁部17b、62bと、第1の周縁部17a′、62a′とが同一平面を形成している。よって、第1実施形態の変形例においては、振動部22、第2の周縁部17b、第1の周縁部17a′を同一工程で容易に形成することができ、第2実施形態の第1変形例においては、第2の周縁部62b、第1の周縁部62a′を同一工程で容易に形成することができる。
【0052】
図9に、第2実施形態に係る圧電振動片の第2変形例を示し、図9(a)は平面図、図9(b)は底面図、図9(c)は図9(a)のA−A線断面図、図7(d)は図9(a)のB−B線断面図である。図9に示すように、第2実施形態の第2変形例おいては、振動部22を第2の周縁部62bの両主面から突出するように配置している。このとき振動部22は、水晶基板の両主面から振動部22の形状を残してハーフエッチングすることにより形成される。このように、振動部22を第2の周縁部62bの両主面から突出するように配置することにより、厚みすべり振動の閉じ込め効果を第2実施形態より高めた圧電振動片61とすることができる。なお、第2実施形態において、励振電極24A、24Bは振動部22の全面に矩形に形成されているが、振動部22の全面を覆うように配置する必要はなく、さらに振動部22における厚みすべり振動の実際の振動領域に対応して例えば円形状、楕円形状としてもよい。そうすることにより、振動部22に厚みすべり振動である主振動のエネルギーを閉じ込めることができる。
【0053】
図10に、第3実施形態に係る圧電振動片の模式図を示し、図10(a)は平面図、図10(b)は底面図、図10(c)は図10(a)のA−A線断面図、図10(d)は図10(a)のB−B線断面図を示す。また、図11に、第3実施形態に係る圧電振動片の側面図を示す。第3実施形態の圧電振動片70は、第1実施形態、第2実施形態と基本的に類似するが、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるように配置している。そして、振動部22が第1の周縁部72より厚肉となるように配置されている点で相違する。また、振動部22は、その両主面が第1の周縁部62の両主面から突出するように配置されている。上記構成により、厚みすべり振動の振動領域を振動部22に閉じ込めて励振効率を高めるとともに、後述のようにマウント部12から振動部22へ伝播する応力を緩和することができる。また本実施形態において、マウント部12で発生した応力の伝播過程及び応力の緩和過程は、マウント部12から括れ部20のところまでは、第1実施形態等と同様である。そして、本実施形態では、振動部22が第1の周縁部72より厚肉となるメサ構造を有している。よって振動部22と第1の周縁部72との境界には段差が形成され、マウント部12で発生し第1の周縁部72と振動部22との境界に到達した応力をこの段差で緩和し、振動部22に伝播する応力を緩和することができる。
【0054】
なお、第3実施形態の圧電振動片の製造工程は、振動部22と同一の厚みとなる水晶基板を用意し、水晶基板の両面を振動部22となる部分を残してマウント部12、緩衝部14、周縁部62の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、マウント部12、緩衝部14(スリット16)、第1の周縁部72となる部分を残して圧電振動片70の外形を刳り貫くエッチングを行なえばよい。その後の電極形成工程は第1実施形態と同様である。
【0055】
図12に、第4実施形態に係る圧電振動片の模式図を示し、図12(a)は平面図、図12(b)は底面図、図12(c)は図12(a)のA−A線断面図、図12(d)は図12(a)のB−B線断面図を示す。また図13に、第4実施形態に係る圧電振動片の側面図を示す。第4実施形態の圧電振動片71は、第3実施形態と類似するが、振動部22の周囲に配置され第1の周縁部72に接続する第2の周縁部74を有する点で相違し、その厚みは第1の周縁部72の厚みより厚い点で相違する。ここで、第2の周縁部74は、その両主面が第1の周縁部72の両主面より突出するように配置され、振動部22は、その両主面が第2の周縁部74の両主面より突出するように配置されている。また励振電極24A、24Bは、振動部22の主面のみならず第2の周縁部74の主面を覆うように配置されている。上記構成により、圧電振動片71は、振動部22を中心とした二段メサ構造になるので、厚みすべり振動を振動部22内に効率的に閉じこめ、励振効率を高めることができる。特に、本実施形態では、励振電極24A、24Bを、振動部22のみならず第2の周縁部74も覆うように配置しているため、振動部22における励振効率を高め、CI値を向上させることができる。また、本実施形態は、所謂二段メサ構造となるため、第3実施形態よりも圧電振動片71の厚み方向の段差の数が多くなるため、マウント部12から振動部22へ伝播する応力を第3実施形態よりもさらに緩和することができる。
【0056】
なお、第4実施形態の圧電振動片71の製造工程は、振動部22と同一の厚みとなる水晶基板を用意し、水晶基板の両面を振動部22となる部分を残して第2の周縁部74の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、振動部22及び第2の周縁部74を残してマウント部12、緩衝部14、第1の周縁部72の厚みとなるまでハーフエッチングを行い、マウント部12、緩衝部14(スリット16)、第1の周縁部72となる部分を残して圧電振動片71の外形を刳り貫くエッチングを行なえばよい。その後の電極形成工程は第1実施形態と同様である。
【0057】
図14に本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力(熱歪み)を印加した場合の応力の強度分布を示す。本願発明者は、本実施形態の圧電振動片のマウント部に応力を印加した場合の応力の強度分布についてシミュレーションを行った。シミュレーションの対象となる圧電振動片は、図6に示す第2実施形態の圧電振動片と比較して、振動部22と第2の周縁部62bとの間に段差を有しない点で相違するもののほぼ同様の形態を有している。よって、本シミュレーションにおいては、図6の圧電振動片60とその構成要素に対応して説明する。
【0058】
図14に示すように、マウント部12の実装面上に描かれた2つの円の中心の2点の位置において、2点間で互いに引き合う力若しくは互いに押し合う力を印加したときの、圧電振動片60の表面を伝播する応力の分布のシミュレーションを行った。なお、図14の左に縦一列に並べてある模様は、マウント部12で発生した応力により、圧電振動片60が受ける応力の強度(レベル1〜レベル9)を示している。ここで、レベル9が最も大きな応力を受ける領域を示し、レベル9の領域からレベル1の領域に行くにつれて受ける応力は小さくなり、レベル1は受ける応力が最小若しくは応力の検出限界以下となる領域を示している。そしてこれらの模様は、圧電振動片60上において圧電振動片60の応力の強度分布に対応して描かれている。
【0059】
図14に示すように、マウント部12全体及び緩衝部14のマウント部12側で強い応力(レベル9)が発生していることがわかる。そしてマウント部12側で発生した応力(レベル9)は、スリット16の第1の周縁部62a側でレベル4または5程度にまで緩和されている。これは、緩衝部14のスリット16の周囲となる位置を伝播する応力がその伝播途中で大きな割合で緩和されるためと考えられる。さらに、緩衝部14のスリット16の長辺方向の両端となる位置に伝播した応力は、切欠き18により振動部22への直線的な伝播経路が遮断され、その応力の伝播経路が括れ部20の中央に向くように曲げられ、この伝播経路の伝播途中でも大きな割合で応力が緩和されたと考えられる。
【0060】
そして第1の周縁部62aと、第2の周縁部62bの−Z′軸側と、の境界において、第1の周縁部62b側では応力はレベル5が支配的であるが、第2の周縁部62b側ではレベル2が支配的であり、応力の強度がこの境界で不連続な変化を有している。これは、第2の周縁部62bが第1の周縁部62aよりも薄肉に形成されているため、第1の周縁部62aの内部を伝播した応力については、第2の周縁部62bがその一部を受けるに留まるからである。また第2の周縁部62bと第1の周縁部62aとの間には段差があるので、この段差で応力の伝播経路が圧電振動片60の厚み方向に折り曲げられ、この経路の折り曲がりにより圧電振動片60の表面を伝播する応力が緩和されたからである。また第2の周縁部62b(振動部22)は、マウント部12の導電性接着剤32が塗布される面から掘り込む態様で形成されている。そして応力は圧電振動片60の厚み方向も緩和するため、第2の周縁部62bは、第1の周縁部62aの厚み方向で緩和された応力の一部のみを受けることになるからである。なお、第1の周縁部62aのうち、第2の周縁部62bに±X軸側から接続する部分には括れ部20から応力が殆ど伝播されず、この部分から第2の周縁部62bへの応力の伝播は殆どないといえる。
【0061】
そして、第2の周縁部62bにおいて、第1の周縁部62aとの境界から+Z′軸方向に離れるにつれて応力のレベルは低下し、振動部22が配置される第2の周縁部62bの中央部ではレベル1が支配的となっている。本実施形態の圧電振動片60においては、振動部22(励振電極24A,24B)は、第2の周縁部62bの中央となる位置に配置されるため、振動部22は応力の影響を殆ど受けずに良好な周波数特性が得られると考えられる。さらに第2実施形態においては、第2の周縁部62bと振動部22との間で厚み方向に段差があるため、この段差により振動部22に伝播する応力がさらに緩和される。
【0062】
上述のシミュレーションは振動部22が周縁部62(第1の周縁部62a)より薄肉である場合について行なった。しかし、図10に示す第3実施形態のように振動部22が第1の周縁部72より厚肉であっても、振動部22と第1の周縁部72との境界には段差があるため、この段差により振動部22に伝播する応力が緩和される。さらに図11に示す第4実施形態のように、二段メサ構造とすることにより、段差がさらに増えるので振動部22に伝播する応力をさらに緩和させることができる。
【0063】
第1実施形態及び第2実施形態の圧電振動片は、短辺方向がX軸方向、長辺方向がZ′軸方向となる逆メサ型の圧電振動片とした。また、第3実施形態及び第4実施形態の圧電振動片は、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるメサ型の圧電振動片とした。しかし、本発明はこれに限らず、逆メサ型の圧電振動片において、短辺方向がZ′軸方向、長辺方向がX軸方向となるように構成してもよく、メサ型の圧電振動片において、短辺方向がX軸方向、長辺方向がZ′軸方向となるように構成してもよい。
【0064】
図15に本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電振動子を示す。図15(a)は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電振動子100の平面図、図15(b)は図15(a)のA−A線断面図である。圧電振動子100は圧電振動片60を収容する凹部を有するパッケージ102と、凹部104を封止するリッド112により形成される。またパッケージ102の底部(実装基板102a)の下面には外部電極106が形成され、実装基板102aの上面には、貫通電極108を介して外部電極106と電気的に接続された接続電極110が配置されている。そしてこの接続電極110とマウント部12のパッド電極28A、28Bとが導電性接着剤32により接合される。よって圧電振動片60は、マウント部12を固定端として片持ち支持状態でパッケージ102に接続される。上記構成により、圧電振動片60の振動部22への応力を緩和させた圧電振動子100となる。さらに、上記構成により、パッド電極28A、28B(引き出し電極26A、26B)と接続電極110とを導電性接着剤32で接着し、パッド電極28A、28Bと接続電極110とを機械的及び電気的に接続することにより、所謂フェースダウンボンディング型の実装形態をとることができる。したがって、圧電振動片60と実装基板102aからなるモジュール構造を有する圧電振動子100の低背化を図ることができる。
【0065】
図16、図17に本実施形態の圧電振動片を搭載した圧電モジュールを示す。図16は図6に示す圧電振動片60を搭載した場合の圧電モジュールの分解斜視図を示し、また図17(a)は図12のA−A線断面図であり、図17(b)は図16において図9に示す圧電振動片61を搭載した場合のA−A線断面図である。本実施形態の圧電モジュール200は、パッケージ202(実装基板)、圧電振動片60、61、圧電振動片60、61(図9参照)を駆動させる集積回路(IC210)、リッドにより構成されている。パッケージ202は、図17の破線で示すように3層構造で形成されている。パッケージ202の下面には外部電極214が形成されている。またパッケージ202の凹部204の下段部206には複数の接続電極216が配置されている。またパッケージ202の凹部204の上段部208には、IC210のパッド電極220と電気的に接続するとともに、圧電振動片60、61のパッド電極28A、28B(図6、図7、図17参照)と導電性接着剤32を介して接続する接続電極218が形成されている。接続電極216はIC210のパッド電極220に対応して複数配置され、パッド電極220と導電性の接着剤により電気的に接続されるが、その一部は接続電極218や外部電極214に電気的に接続される。本実施形態の圧電モジュール200においては、圧電振動片60、61とIC210とが共に凹部204においてリッド212により封止された構造を有している。上記構成により、圧電振動片の振動部への応力を緩和させた圧電モジュール200となる。
【0066】
図18に本実施形態の圧電モジュールの第1変形例を示す。図18においては、パッケージ302(実装基板)の両面に凹部304、306を形成し、一方の凹部304に圧電振動片60を搭載するとともにリッド308で封止し、他方の凹部306には集積回路(IC316)を取り付けた構成を有した圧電モジュール300となっている。そしてパッケージ302の下端には外部電極310が形成され、また凹部306には外部電極310または凹部304に配置された接続電極320と電気的に接続するとともに、ワイヤー314を介してIC316のパッド電極318と電気的に接続する接続電極312が配置されている。一方凹部304に配置された接続電極320は、圧電振動片60のパッド電極28A、28Bと導電性接着剤32を介して接続される。よって圧電振動片60はマウント部12を固定端として片持ち支持状態でパッケージに接続される。このように圧電振動片60とIC316とを隔離することによって、圧電振動片60のIC316からの熱の影響を低減することができる。
【0067】
図19に本実施形態の圧電モジュールの第2変形例を示す。図19(a)は側面図、図19(b)は圧電モジュールを構成する基板の平面図である。第2変形例においては、例えば図11に示す圧電振動子100を用いて圧電モジュール400を形成している。すなわち、第2実施形態においては、圧電振動子100を駆動する集積回路(IC404)を搭載した基板402上にIC404(パッド電極406)と電気的に接続する電極球412を配置し、この電極球412により圧電振動子100を支持するとともに、電極球412と圧電振動子100の外部電極106とを電気的に接続し、基板402、IC404、電極球412、圧電振動子100を樹脂等のモールド剤416により一体形成している。ここで、基板402の下面には外部電極410が形成され、基板402の上面には外部電極410と貫通電極418を介して電気的に接続する接続電極408が形成されている。そしてIC404に形成されたパッド電極406のうち、一部は電極球412にワイヤー414を介して接続され、残りは接続電極408にワイヤー414を介して接続されている。
【0068】
上記構成とすることにより、既存の圧電振動子100の規格に対応して基板IC404、電極球412等の配置をして圧電モジュール400を形成することができるのでコストを抑制することができる。なお、いずれの実施形態においてもICと各電極との接続はフェイスダウンボンディングでもよい。またいずれの圧電振動子、圧電モジュールの実施形態においても、上述のいずれの実施形態の圧電振動片にもこの変形例を適用できる。
【0069】
図20に、本実施形態の圧電モジュールの第3変形例を示し、図20(a)は、容器の断面が所謂、H型構造の圧電モジュールの模式図、図20(b)はシングルシール型の圧電モジュールの模式図を示す。第3変形例においては、第3実施形態の圧電振動片70(他の実施形態でもよい)を用いるとともに、圧電モジュール500において温度センサーとしての機能を発揮するための温度を検出する感温素子(サーミスタ512)を搭載している。図20(a)では、圧電振動片70のマウント部12の実装面を実装基板502側に向け、マウント部12と、実装基板502に配置された接続電極504と、を導電性接着剤32で接着することにより圧電振動片70を実装した圧電モジュール500となっている。そして、実装基板502上には圧電振動片70を覆う蓋体(側壁部506、リッド508)が配置されている。また、実装基板502の圧電振動片70に対向する面の反対面には凹部510が配置されている。また、凹部510には、実装基板502の温度を測定可能なサーミスタ512が配置された構成となっている。上記構成により、圧電振動片70の周囲の温度、すなわち実装基板502及び蓋体(側壁部506、リッド508)により閉じられ、圧電振動片70を封止する内部空間の温度について、実装基板502の凹部510の底部の温度を測定することによって、前記内部空間の温度を測定することができるので、圧電振動片70から発振される発振信号の温度補償を高精度に行うことが可能な圧電モジュール500となる。
【0070】
さらに、上記構成により、圧電振動片70を実装基板502の実装後であって、感温素子(サーミスタ512)を実装する前に、圧電振動片70の電気的特性や動作状態の検査を行うことができる。よって、圧電振動片70の検査結果を踏まえて、圧電振動片70において良品と不良品とを選別することができる。したがって、不良品を省いた良品の圧電振動片が実装された実装基板502のみに前記感温素子を実装することができるので感温素子を無駄にすることがなく、コストを抑制し低コスト化を図ることができる。
【0071】
図20(b)に示す圧電モジュール501は、図20(a)と類似した圧電モジュール501となっているが、実装基板502の圧電振動基板70に対向する面に凹部514が配置されている。そして、凹部514には、実装基板502及び蓋体(側壁部506、リッド508)により閉じられ、圧電振動片70を封止する内部空間の温度を測定可能な感温素子(サーミスタ512)が配置されている。なお、図20(a)、(b)においては、サーミスタ512を搭載したものとしているが上述の集積回路(IC404)でもよく、この集積回路にサーミスタ等の感温素子を内蔵したものが好適である。
【符号の説明】
【0072】
10………圧電振動片、10a………圧電素板、12………マウント部、12a………切欠き、14………緩衝部、16………スリット、17………周縁部、17a………第1の周縁部、17b………第2の周縁部、18………切欠き、20………括れ部、22………振動部、22a………凹部、24A,24B………励振電極、26A,26B………引出電極、28A,28B………パッド電極、32………導電性接着剤、34………実装基板、36………水晶基板、38………レジスト膜、38a………レジスト膜、40………フォトマスク、42………レジスト膜、42a………レジスト膜、44………フォトマスク、46………金属膜、48………レジスト膜、48a………レジスト膜、50………フォトマスク、60………圧電振動片、61………圧電振動片、62………周縁部、62a………第1の周縁部、62b………第2の周縁部、70………圧電振動片、71………圧電振動片、72………第1の周縁部、74………第2の周縁部、100………圧電振動子、102………パッケージ、102a………実装基板、104………凹部、106………外部電極、108………貫通電極、110………接続電極、112………リッド、200………圧電モジュール、202………パッケージ、204………凹部、206………下段部、208………上段部、210………IC、212………リッド、214………外部電極、216………接続電極、218………接続電極、220………パッド電極、300………圧電モジュール、302………パッケージ、304………凹部、306………凹部、308………リッド、310………外部電極、312………接続電極、314………ワイヤー、316………IC、318………パッド電極、320………接続電極、400………圧電モジュール、402………基板、404………IC、406………パッド電極、408………接続電極、410………外部電極、412………電極球、414………ワイヤー、416………モールド剤、418………貫通電極、500………圧電モジュール、501………圧電モジュール、502………実装基板、504………接続電極、506………側壁部、508………リッド、510………凹部、512………サーミスタ、514………凹部、600………圧電振動子、602………支持部、604………振動部、606A………励振電極、606B………励振電極、608A………入出力端子部、608B………入出力端子部、610………スリット、612………容器、614………底部、616………接着剤、700………圧電振動片、702………マウント部、704………スリット、706………振動部、708………切欠き、710………連結部。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧電基板に、
厚み滑り振動を励振する振動部と、
前記振動部の周縁に前記振動部の厚みよりも厚みが薄い周縁部と、
が設けられた圧電振動片であって、
前記周縁部には、緩衝部とマウント部が順に連結され、
前記緩衝部は、前記マウント部と前記周縁部との間にスリットを有し、
前記マウント部は、
前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠きを有している
ことを特徴とする圧電振動片。
【請求項2】
前記緩衝部と前記周縁部との連結部に切欠きを有することを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
【請求項3】
前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向に関し、
前記周縁部の幅は、
前記緩衝部の幅より狭いことを特徴とする請求項1または2に記載の圧電振動片。
【請求項4】
前記圧電基板が、
水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、
前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、
前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、
前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、
前記Y′軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電振動片。
【請求項5】
前記周縁部は、
前記緩衝部に接続した第1の周縁部と、
前記振動部の周縁に配置され前記第1の周縁部に接続した第2の周縁部と、を有し、
前記第2の周縁部の厚みは、
前記第1の周縁部の厚みより厚いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電振動片。
【請求項6】
前記振動部の表裏の両主面にはそれぞれ、励振電極が配置され、
前記マウント部の実装面には、前記励振電極とそれぞれ電気的に接続された一対の引き出し電極が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の圧電振動片。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電振動片のマウント部を、実装基板に配置された接続電極に導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、
前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、
前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面には凹部が配置され、
前記凹部には、前記実装基板及び前記蓋体により閉じられた内部空間の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項8】
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電振動片のマウント部と、実装基板に配置された接続電極と、を導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、
前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、
前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面の反対面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項1】
圧電基板に、
厚み滑り振動を励振する振動部と、
前記振動部の周縁に前記振動部の厚みよりも厚みが薄い周縁部と、
が設けられた圧電振動片であって、
前記周縁部には、緩衝部とマウント部が順に連結され、
前記緩衝部は、前記マウント部と前記周縁部との間にスリットを有し、
前記マウント部は、
前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向の両端部に、切欠きを有している
ことを特徴とする圧電振動片。
【請求項2】
前記緩衝部と前記周縁部との連結部に切欠きを有することを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片。
【請求項3】
前記マウント部と前記緩衝部と前記周縁部との並ぶ方向に対して直交方向に関し、
前記周縁部の幅は、
前記緩衝部の幅より狭いことを特徴とする請求項1または2に記載の圧電振動片。
【請求項4】
前記圧電基板が、
水晶の結晶軸である、電気軸としてのX軸と、機械軸としてのY軸と、光学軸としてのZ軸と、からなる直交座標系の前記X軸を中心として、
前記Z軸を前記Y軸の−Y方向へ傾けた軸をZ′軸とし、
前記Y軸を前記Z軸の+Z方向へ傾けた軸をY′軸とし、
前記X軸と前記Z′軸に平行な面で構成され、
前記Y′軸に平行な方向を厚みとする水晶基板であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の圧電振動片。
【請求項5】
前記周縁部は、
前記緩衝部に接続した第1の周縁部と、
前記振動部の周縁に配置され前記第1の周縁部に接続した第2の周縁部と、を有し、
前記第2の周縁部の厚みは、
前記第1の周縁部の厚みより厚いことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電振動片。
【請求項6】
前記振動部の表裏の両主面にはそれぞれ、励振電極が配置され、
前記マウント部の実装面には、前記励振電極とそれぞれ電気的に接続された一対の引き出し電極が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の圧電振動片。
【請求項7】
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電振動片のマウント部を、実装基板に配置された接続電極に導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、
前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、
前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面には凹部が配置され、
前記凹部には、前記実装基板及び前記蓋体により閉じられた内部空間の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項8】
請求項1乃至6のいずれか1項に記載の圧電振動片のマウント部と、実装基板に配置された接続電極と、を導電性接着剤で接着することにより前記圧電振動片を実装した圧電モジュールであって、
前記実装基板上には前記圧電振動片を覆う蓋体が配置され、
前記実装基板の前記圧電振動基板に対向する面の反対面には凹部が配置され、前記凹部には、前記実装基板の温度を測定可能な感温素子が配置されたことを特徴とする圧電モジュール。
【図1】
【図2】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図16】
【図18】
【図19】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図3】
【図4】
【図5】
【図15】
【図17】
【図20】
【図2】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図16】
【図18】
【図19】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図3】
【図4】
【図5】
【図15】
【図17】
【図20】
【公開番号】特開2013−42425(P2013−42425A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−178998(P2011−178998)
【出願日】平成23年8月18日(2011.8.18)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年8月18日(2011.8.18)
【出願人】(000002369)セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Fターム(参考)】
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