JP7746782B2

JP7746782B2 - 振動素子、振動デバイス、及び振動素子の製造方法

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Publication number: JP7746782B2
Application number: JP2021163301A
Authority: JP
Inventors: 健作磯畑; 昌哉菅野; 敦司松尾
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-10-04
Filing date: 2021-10-04
Publication date: 2025-10-01
Anticipated expiration: 2041-10-04
Also published as: US20230106055A1; JP2023054450A

Description

本発明は、振動素子、振動デバイス、及び振動素子の製造方法に関する。

圧電片の表裏に設けた励振電極で圧電片を振動させ、所望の周波数を得る圧電デバイスが知られている。例えば、特許文献１には、励振電極の縁から距離Ｇだけ離れた領域に導電性膜を設け、この距離Ｇを調整することにより、周波数ディップ発生温度を調整することが開示されている。

特開２０２０－１５５８０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の圧電デバイスは、導電性膜が電気的に浮いた状態であるため、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまい、振動特性を劣化させる虞があった。

振動素子は、平面視において、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と交差する第２方向を幅方向とする矩形であり、圧電材料からなるとともに、第１主面、前記第１主面と表裏の関係にある第２主面、前記第１主面と前記第２主面とを接続し前記第１方向に延在する第１側面及び第２側面、を有する振動片と、前記第１主面に設けられた第１励振電極と、前記第２主面に設けられた第２励振電極と、前記第１励振電極に電気的に接続された第１マウント電極と、前記第２励振電極に電気的に接続された第２マウント電極と、前記第１側面において前記第１方向に延在し、前記第１マウント電極に電気的に接続された第１側面電極と、前記第２側面において前記第１方向に延在し、前記第２マウント電極に電気的に接続された第２側面電極と、を備える。

振動デバイスは、上記の振動素子と、前記振動素子を収容する容器と、を備え、前記容器の搭載面に前記第１マウント電極及び前記第２マウント電極が接合されている。

振動素子の製造方法は、圧電材料からなり、第１主面、前記第１主面と表裏の関係にある第２主面、前記第１主面と前記第２主面とを接続する第１側面及び第２側面、を有する振動片を用意することと、前記振動片の全面に、金属膜を形成することと、前記振動片の全面に、レジストを塗布することと、前記第１側面及び前記第２側面と平行且つ前記第１主面と鈍角をなす方向からレジストを露光し、前記第１主面に設けられた第１励振電極、前記第２主面に設けられた第２励振電極、前記第１励振電極に電気的に接続された第１マウント電極、前記第２励振電極に電気的に接続された第２マウント電極、前記第１側面に設けられ、前記第１マウント電極に電気的に接続された第１側面電極、前記第２側面に設けられ、前記第２マウント電極に電気的に接続された第２側面電極、のパターンを形成することと、を含む。

振動素子の製造方法は、圧電材料からなり、第１主面、前記第１主面と表裏の関係にある第２主面、前記第１主面と前記第２主面とを接続し、前記第１主面と直交する第１側面及び第２側面、前記第１側面と前記第２側面とを接続し、前記第１主面と鈍角をなす第３側面及び第４側面、を有する振動片を用意することと、前記振動片の全面に、金属膜を形成することと、前記振動片の全面に、レジストを塗布することと、前記第１主面に直交する方向からレジストを露光し、前記第１主面に設けられた第１励振電極、前記第２主面に設けられた第２励振電極、前記第１励振電極に電気的に接続された第１マウント電極、前記第２励振電極に電気的に接続された第２マウント電極、前記第１側面に設けられ、前記第１マウント電極に電気的に接続された第１側面電極、前記第２側面に設けられ、前記第２マウント電極に電気的に接続された第２側面電極、のパターンを形成することと、を含む。

第１実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。図１の側面図。第１実施形態に係る振動素子の製造方法を示すフローチャート図。第１実施形態に係る振動素子の製造方法の露光方法を説明する図。第２実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。図５の側面図。第３実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。図７の側面図。第４実施形態に係る振動素子の概略構成を示す平面図。図９の側面図。第４実施形態に係る振動素子の製造方法を示すフローチャート図。第４実施形態に係る振動素子の製造方法の露光方法を説明する図。第５実施形態に係る振動デバイスの概略構成を示す平面図。図１３のＡ－Ａ線での断面図。

１．第１実施形態
１．１．振動素子
先ず、第１実施形態に係る振動素子１について、図１及び図２を参照して説明する。
尚、説明の便宜上、図３及び図１１を除く以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸の矢印側を「プラス側」、矢印と反対側を「マイナス側」とも言う。また、Ｚ方向プラス側を「上」又は「表」、Ｚ方向マイナス側を「下」又は「裏」とも言う。また、本実施形態では、第１方向がＹ方向であり、第１方向と交差する第２方向がＸ方向である。

本実施形態に係る振動素子１は、振動片１０、第１励振電極２１、第２励振電極２２、第１マウント電極２３、第２マウント電極２４、第１側面電極２５、第２側面電極２６、第１リード電極２７、及び第２リード電極２８を有する。

振動片１０は、厚みすべり振動が可能なもので、水晶片をはじめとする種々の圧電材料からなる。典型的には、ＡＴカット水晶片、又は、ＳＣカットに代表される２回回転カットの水晶片である。本実施形態では、振動片１０は、平面形状が四角形状、具体的には長方形状のＡＴカット水晶片としてある。そのため、図中のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、それぞれ水晶の結晶軸のＺ’軸、Ｘ軸、及びＹ’軸に相当する。

振動片１０は、第１方向であるＹ方向を長手方向とし、第２方向であるＸ方向を幅方向とする矩形の平板である。振動片１０は、第１主面１１、第１主面１１と表裏の関係にある第２主面１２、第１主面１１と第２主面１２とを接続しＹ方向に延在する第１側面１３及び第２側面１４、第１側面１３と第２側面１４とを接続しＸ方向に延在する第３側面１５及び第４側面１６、を有する。

振動片１０は、第１主面１１の略中央に第１励振電極２１が設けられ、第２主面１２の略中央で第１励振電極２１と重なる位置に第２励振電極２２が設けられている。
第１励振電極２１は、第１リード電極２７を介して、Ｙ方向マイナス側で、Ｘ方向マイナス側に配置された第１マウント電極２３と電気的に接続されており、第２励振電極２２は、第２リード電極２８を介して、Ｙ方向マイナス側で、Ｘ方向プラス側に配置された第２マウント電極２４と電気的に接続されている。

第１マウント電極２３は、第１主面１１と第２主面１２とに設けられており、互いに重なるように配置されている。また、第１主面１１に設けられた第１マウント電極２３と第２主面１２に設けられた第１マウント電極２３は、第１側面１３に設けられた第１側面電極２５を介して電気的に接続されている。
第２マウント電極２４も第１マウント電極２３と同様に、第１主面１１と第２主面１２とに設けられており、互いに重なるように配置され、第１主面１１に設けられた第２マウント電極２４と第２主面１２に設けられた第２マウント電極２４は、第２側面１４に設けられた第２側面電極２６を介して電気的に接続されている。

振動片１０は、第１側面１３においてＹ方向に延在し、第１マウント電極２３に電気的に接続された第１側面電極２５が設けられ、第２側面１４においてＹ方向に延在し、第２マウント電極２４に電気的に接続された第２側面電極２６が設けられている。そのため、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまうのを低減し、振動特性の劣化を抑制することができる。

また、第１励振電極２１及び第２励振電極２２は、Ｙ方向において、第１の範囲Ｒ１に設けられ、第１側面電極２５及び第２側面電極２６は、Ｙ方向において、第１の範囲Ｒ１を含む第２の範囲Ｒ２に設けられている。つまり、第１側面電極２５及び第２側面電極２６は、第１励振電極２１及び第２励振電極２２より、Ｙ方向の長さが長い。従って、側面電極２５，２６が励振電極２１，２２の配置された領域の側面１３，１４を覆うように設けられているので、不要振動を更に抑制できる。

第１側面電極２５は、Ｙ方向マイナス側の端部で第１マウント電極２３に直接接続され、Ｙ方向プラス側の第１側面１３の端部１７には、形成されていない。
第２側面電極２６は、Ｙ方向マイナス側の端部で第２マウント電極２４に直接接続され、Ｙ方向プラス側の第２側面１４の端部１８には、形成されていない。
従って、側面電極２５，２６がそれぞれマウント電極２３，２４に直接接続されているので、側面電極２５，２６から励振電極２１，２２への不要振動により生じた電荷の移動を抑制し、振動特性への影響を低減することができる。

以上述べたように、本実施形態の振動素子１は、振動片１０の側面１３，１４にマウント電極２３，２４と電気的に接続する側面電極２５，２６が設けられているため、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまうのを低減し、振動特性の劣化を抑制することができる。

１．２．振動素子の製造方法
次に、本実施形態に係る振動素子１の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
本実施形態の振動素子１の製造方法は、図３に示すように、振動片準備工程、金属膜形成工程、レジスト塗布工程、電極パターン形成工程、及びレジスト除去工程を含む。

１．２．１．振動片準備工程
先ず、ステップＳ１０１において、圧電材料からなり、第１主面１１、第１主面１１と表裏の関係にある第２主面１２、第１主面１１と第２主面１２とを接続する長手方向の第１側面１３及び第２側面１４、第１主面１１と第２主面１２とを接続する幅方向の第３側面１５及び第４側面１６、を有する振動片１０を準備する。また、側面電極がスパッタされやすいように、ドライエッチング加工、ダイシング加工、サンドブラスト加工等、端面を平坦に加工できる加工方法で準備する事が望ましい。

１．２．２．金属膜形成工程
ステップＳ１０２において、振動片１０の全面にスパッタ装置又は蒸着装置等で、金等の金属膜を形成する。

１．２．３．レジスト塗布工程
ステップＳ１０３において、金属膜を形成された振動片１０の全面に、スプレー方式又はスピン方式のレジスト塗布装置で、レジスト３０を塗布する。

１．２．４．電極パターン形成工程
ステップＳ１０４において、図４に示すように、レジスト３０が塗布された振動片１０上にフォトマスク３１を配置し、第１側面１３及び第２側面１４と平行且つ第１主面１１と鈍角をなす角度θ１，θ２の２つの方向から光源３２の光Ｌを照射し、レジスト３０を露光する。その後、レジスト３０を現像し、レジスト３０から露出した金属膜をエッチングすることにより、第１主面１１に設けられた第１励振電極２１、第２主面１２に設けられた第２励振電極２２、第１励振電極２１に電気的に接続された第１マウント電極２３、第２励振電極２２に電気的に接続された第２マウント電極２４、第１側面１３に設けられ、第１マウント電極２３に電気的に接続された第１側面電極２５、第２側面１４に設けられ、第２マウント電極２４に電気的に接続された第２側面電極２６、の電極パターンが形成される。

尚、第１側面１３及び第２側面１４と平行、つまり、第３側面１５及び第４側面１６と交差する２つの方向からそれぞれ、第１主面１１と鈍角をなす角度θ１，θ２で露光することで、第３側面１５及び第４側面１６の金属膜を除去することができ、第１側面電極２５と第２側面電極２６との導通を防止することができる。

１．２．５．レジスト除去工程
ステップＳ１０５において、レジスト剥離液又プラズマ剥離装置等で、各電極上に残るレジスト３０を除去する。
以上の工程を経ることで、図１及び図２に示す振動素子１が完成する。

以上述べたように、本実施形態の振動素子１の製造方法は、振動片１０の側面１３，１４にマウント電極２３，２４と電気的に接続する側面電極２５，２６を形成することができるため、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまうのを低減し、振動特性の劣化を抑制する振動素子１を得ることができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る振動素子１ａについて、図５及び図６を参照して説明する。

本実施形態の振動素子１ａは、第１実施形態の振動素子１に比べ、第１側面電極２５ａ及び第２側面電極２６ａの形状が異なること以外は、第１実施形態の振動素子１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動素子１ａは、図５及び図６に示すように、第１側面電極２５ａが第１側面１３から第３側面１５にわたって設けられ、第２側面電極２６ａが第２側面１４から第３側面１５にわたって設けられている。

このような構成とすることで、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る振動素子１ｂについて、図７及び図８を参照して説明する。

本実施形態の振動素子１ｂは、第１実施形態の振動素子１に比べ、第１側面電極２５ｂ及び第２側面電極２６ｂの形状が異なること以外は第１実施形態の振動素子１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動素子１ｂは、図７及び図８に示すように、第１側面電極２５ｂが第１主面１１、第１側面１３、第２主面１２にわたって設けられ、第２側面電極２６ｂが第１主面１１、第２側面１４、第２主面１２にわたって設けられている。

４．第４実施形態
４．１．振動素子
次に、第４実施形態に係る振動素子１ｃについて、図９及び図１０を参照して説明する。

本実施形態の振動素子１ｃは、第１実施形態の振動素子１に比べ、振動片１０ｃの形状が異なること以外は第１実施形態の振動素子１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

振動素子１ｃは、図９及び図１０に示すように、第１側面１３と第２側面１４とを接続する第３側面１５ｃが第１主面１１と鈍角をなす角度θ３に形成されており、第１側面１３と第２側面１４とを接続する第４側面１６ｃが第１主面１１と鈍角をなす角度θ４に形成されている振動片１０ｃを有する。

このような構成とすることで、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。また、製造時に第３側面１５ｃ及び第４側面１６ｃの金属膜を容易に除去できるので、第１側面電極２５と第２側面電極２６との導通を防止することができる。

４．２．振動素子の製造方法
次に、本実施形態に係る振動素子１ｃの製造方法について、図１１及び図１２を参照して説明する。
本実施形態の振動素子１ｃの製造方法は、図１１に示すように、振動片準備工程、金属膜形成工程、レジスト塗布工程、電極パターン形成工程、及びレジスト除去工程を含む。

４．２．１．振動片準備工程
先ず、ステップＳ２０１において、圧電材料からなり、第１主面１１、第１主面１１と表裏の関係にある第２主面１２、第１主面１１と第２主面１２とを接続し、第１主面１１と直交する第１側面１３及び第２側面１４、第１側面１３と第２側面１４とを接続し、第１主面１１と鈍角をなす第３側面１５ｃ及び第４側面１６ｃ、を有する振動片１０ｃを準備する。

４．２．２．金属膜形成工程
ステップＳ２０２において、振動片１０ｃの全面にスパッタ装置又は蒸着装置等で、金等の金属膜を形成する。

４．２．３．レジスト塗布工程
ステップＳ２０３において、金属膜を形成された振動片１０ｃの全面に、スプレー方式又はスピン方式のレジスト塗布装置で、レジスト３０を塗布する。

４．２．４．電極パターン形成工程
ステップＳ２０４において、図１２に示すように、レジスト３０が塗布された振動片１０ｃ上にフォトマスク３１を配置し、第１主面１１に直交する方向から光源３２ｃの光Ｌを照射し、レジスト３０を露光する。その後、レジスト３０を現像し、レジスト３０から露出した金属膜をエッチングすることにより、第１主面１１に設けられた第１励振電極２１、第２主面１２に設けられた第２励振電極２２、第１励振電極２１に電気的に接続された第１マウント電極２３、第２励振電極２２に電気的に接続された第２マウント電極２４、第１側面１３に設けられ、第１マウント電極２３に電気的に接続された第１側面電極２５、第２側面１４に設けられ、第２マウント電極２４に電気的に接続された第２側面電極２６、の電極パターンが形成される。

尚、第３側面１５ｃ及び第４側面１６ｃが傾斜しているので、第１主面１１に直交する方向からの露光により第３側面１５ｃ及び第４側面１６ｃの金属膜が容易に除去でき、第１側面電極２５と第２側面電極２６との導通を防止することができる。

４．２．５．レジスト除去工程
ステップＳ２０５において、レジスト剥離液又プラズマ剥離装置等で、各電極上に残るレジスト３０を除去する。
以上の工程を経ることで、図９及び図１０に示す振動素子１ｃが完成する。

以上述べたように、本実施形態の振動素子１ｃの製造方法は、振動片１０ｃの側面１３，１４にマウント電極２３，２４と電気的に接続する側面電極２５，２６を形成することができるため、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまうのを低減し、振動特性の劣化を抑制する振動素子１ｃを得ることができる。

５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る振動素子１，１ａ，１ｂ，１ｃを備えている振動デバイス１００について、図１３及び図１４を参照して説明する。尚、以下の説明では、振動素子１を適用した構成の振動子を例示して説明する。また、図１３では、説明の便宜上、リッド４７を省略している。

本実施形態の振動デバイス１００は、図１３及び図１４に示すように、振動素子１と、振動素子１を収容するセラミック等からなる容器４０と、ガラス、セラミック、又は金属等からなるリッド４７と、を備えている。

容器４０は、図１４に示すように、実装端子４４、第１基板４１、第２基板４２、第３基板４３、及び接合部材５０を積層して形成されている。また、容器４０は、上方に開放するキャビティー４８を有している。尚、振動素子１を収容するキャビティー４８内は、リッド４７をシールリング等の接合部材５０により接合することで、減圧雰囲気あるいは窒素などの不活性気体雰囲気に気密封止されている。

実装端子４４は、第１基板４１の外部底面に複数設けられている。また、実装端子４４は、第２基板４２の上方に設けられた接続端子４５と、図示しない貫通電極や層間配線を介して、電気的に接続されている。

容器４０のキャビティー４８内には、振動素子１が収容されている。振動素子１は、マウント電極２３，２４が導電性接着剤等の接合部材５１を介して第２基板４２の搭載面４６に設けられた接続端子４５にそれぞれ接合され、電気的に接続されている。従って、振動素子１の励振電極２１，２２と容器４０に設けられた実装端子４４とは、マウント電極２３，２４及び接続端子４５等を介してそれぞれ電気的に接続されている。

本実施形態の振動デバイス１００は、振動片１０の側面１３，１４に励振電極２１，２２よりＹ方向の長さが長い側面電極２５，２６が設けられた振動素子１を有しているので、輪郭振動により電荷の分布が生じ、更に不要振動を誘起してしまうのを低減し、振動特性の劣化を抑制することができ、安定性に優れた振動特性を得ることができる。

尚、本実施形態では、振動デバイス１００として振動子を一例として挙げ説明したが、これに限定されることはなく、容器４０内に振動素子１と発振回路とを収容した発振器でも構わない。また、振動素子１において、側面電極２５，２６が端部１７及び１８を覆い、且つ第３側面１５には設けられていなくてもよい。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ…振動素子、１０…振動片、１１…第１主面、１２…第２主面、１３…第１側面、１４…第２側面、１５…第３側面、１６…第４側面、１７…端部、１８…端部、２１…第１励振電極、２２…第２励振電極、２３…第１マウント電極、２４…第２マウント電極、２５…第１側面電極、２６…第２側面電極、２７…第１リード電極、２８…第２リード電極、３０…レジスト、３１…フォトマスク、３２…光源、４０…容器、４１…第１基板、４２…第２基板、４３…第３基板、４４…実装端子、４５…接続端子、４６…搭載面、４７…リッド、４８…キャビティー、５０…接合部材、５１…接合部材、１００…振動デバイス、Ｌ…光、Ｒ１…第１の範囲、Ｒ２…第２の範囲、θ１，θ２，θ３，θ４…角度。

Claims

平面視において、第１方向を長手方向とし、前記第１方向と交差する第２方向を幅方向
とする矩形であり、圧電材料からなるとともに、第１主面、前記第１主面と表裏の関係に
ある第２主面、前記第１主面と前記第２主面とを接続し前記第１方向に延在する第１側面
及び第２側面、を有する振動片と、
前記第１主面に設けられた第１励振電極と、
前記第２主面に設けられた第２励振電極と、
前記第１励振電極に電気的に接続された第１マウント電極と、
前記第２励振電極に電気的に接続された第２マウント電極と、
前記第１側面において前記第１方向に延在し、前記第１マウント電極に電気的かつ直接
接続された第１側面電極と、
前記第２側面において前記第１方向に延在し、前記第２マウント電極に電気的かつ直接
接続された第２側面電極と、を備え、
前記第１主面の前記長手方向において、
前記第１励振電極及び前記第２励振電極は、第１の範囲に設けられ、
前記第１側面電極及び前記第２側面電極は、前記第１の範囲を含む第２の範囲に設けら
れ、
前記第１側面の端部には、前記第１側面電極が形成されておらず、
前記第２側面の端部には、前記第２側面電極が形成されておらず、
前記第２の範囲において、
前記第１側面電極は、前記第１主面と前記第１側面との接続部から前記第２主面と前記
第１側面と接続部まで設けられ、
前記第２側面電極は、前記第１主面と前記第２側面との接続部から前記第２主面と前記
第２側面と接続部まで設けられている、
振動素子。
前記第１側面電極は、前記第１主面、前記第１側面、前記第２主面にわたって設けられ
、
前記第２側面電極は、前記第１主面、前記第２側面、前記第２主面にわたって設けられ
ている、
請求項１に記載の振動素子。
前記振動片は、前記第１側面及び前記第２側面の前記第１方向における一方の端部どう
しを接続する第３側面、及び、前記第１側面及び前記第２側面の前記第１方向における他
方の端部どうしを接続する第４側面を備え、
前記第３側面と前記第１主面とが成す角度、及び、前記第４側面と前記第１主面とが成
す角度は、鈍角である、
請求項１又は請求項２に記載の振動素子。
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子と、
前記振動素子を収容する容器と、を備え、
前記容器の搭載面に前記第１マウント電極及び前記第２マウント電極が接合されている
、
振動デバイス。