JP2005318477A - 圧電振動片、その電極形成方法、及び圧電デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電基板をコンベックス形状に加工することなく、高い振動エネルギ閉じ込め効果を発揮し得る厚みすべり振動の圧電素子片を提供する。
【解決手段】 水晶振動片１は、平坦なＡＴカット水晶基板２の表裏各主面に設けた励振用電極３，３が、その中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有するように、３つの電極膜６〜８を積層した構造を有する。各電極膜は、導電性金属微粒子を分散させた液滴２０をインクジェットヘッド１９から水晶基板主面に吐出させて、所望のパターンに形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、厚みすべり振動モードを主振動とする水晶などの圧電振動片、及び該圧電振動片を搭載した圧電振動子などの圧電デバイスに関し、更にかかる圧電振動片の電極を形成する方法に関する。

一般に圧電振動子などの圧電デバイスにおいて、小型・薄型化の要求に対応しかつ回路基板への実装に適した表面実装型のものは、パッケージ内に圧電振動片をその基端部で片持ちに支持する構造が多く採用されている。特に厚みすべり振動モードの圧電振動子は、矩形薄板の圧電振動片を、その厚さが中央部から端部に向けて徐々に薄くなるコンベックス形状にすると、該端部における振動変位の減衰量が大きくなるので、該振動片の中央部に振動エネルギを閉じ込める効果が高くなる。そのため、圧電振動子は、ＣＩ値、Ｑ値等の周波数特性を向上させることができ、比較的高い周波数であっても圧電振動片のサイズを通常のものより小さく、従って圧電デバイスを小型化できる利点がある（例えば、特許文献１を参照）。

従来、このようなコンベックス形状の圧電素子片は、例えばバレル研磨装置を用いた機械的な研磨加工により形成され、又はエッチング液を用いたウエットエッチングによる化学的加工方法が知られている（例えば、特許文献２を参照）。また、圧電素子片の主面を段階的にウエットエッチングしてコンベックス形状に近似した階段形状に加工したり、更にこの階段形状をサンドブラストや研磨機などの機械加工でコンベックス形状に整える加工方法が提案されている（例えば、特許文献３を参照）。

圧電振動子の電極は、通常真空蒸着法やスパッタリングにより圧電素子片の表面に電極材料を被着させて形成され（例えば、特許文献４を参照）、又はフォトリソグラフィ技術を利用した電極材料膜のパターニングにより形成することもできる。また、最近は、粒子サイズがナノレベルの微細な金や銀などの導電性金属微粒子からなる金属ナノ粒子を有機溶媒などの分散媒に分散させた液体をインクとして、インクジェット法により基板の表面に直接塗布し、電極や配線パターンを形成する方法が開発されている（例えば、特許文献５，６を参照）。

特開平１１−３５５０９４号公報 特開２００１−２８５０００号公報 特開２００３−１６８９４１号公報 特開２００２−３４４２８１号公報 特開２００３−１３３６９１号公報 特開２００３−２３１３０６号公報

しかしながら、上述した真空蒸着やスパッタリングによる方法は、真空ポンプや真空チャンバなどを用いるために高価で大型の機械・設備が必要であり、工数が多くかつ作業が複雑で生産性を低下させ、製造コストを高くしている。フォトリソグラフィ技術を利用したパターニングによる方法も、レジスト膜の露光・現像や電極材料膜のエッチング、洗浄など多くの工数を要し、その結果生産性が低下し、製造コストも高くなる。

更に、これらの方法は、いずれも露光マスクや蒸着マスク、及びそれらを製作するために電極・回路パターンの原版が必要であり、そのために多くの時間及びコストを要するだけでなく、僅かな設計変更にも容易に対応することができない。しかも、真空蒸着やスパッタリングに使用するメタルマスクは、複雑な又は微細な電極パターンの設計が困難であり、また浮き電極を形成できないという技術上の問題がある。

また、一様に平坦な表面であれば、これらの方法を用いて電極膜を所望のパターンに正確に形成することは容易であるが、コンベックス形状に加工した圧電振動片の凸状湾曲面のように高低差がある場合、電極膜を所望のパターンに正確にかつ均一な膜厚に形成することは困難である。特に圧電振動片が小型化するほど、形状精度及び寸法精度の維持・向上は難しくなる。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極膜の正確なパターン形成が困難なコンベックス形状に圧電振動片を加工することなく、高い振動エネルギ閉じ込め効果を発揮し得る厚みすべり振動の圧電振動片を提供することにある。

更に本発明の目的は、かかる圧電素子片を備えることにより、特にＣＩ値、Ｑ値などにおいて周波数特性の向上を図ることができ、しかも従来より小型化が可能な圧電デバイスを提供することにある。

また、本発明の別の目的は、かかる厚みすべり振動の圧電振動片の電極を所望のパターンに形成することができ、しかも高価で大型の真空装置・設備やマスク手段を使用せず、工数を少なくしかつ作業をより簡単にすることができる方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、平坦な表裏主面を有する圧電基板と、圧電基板の表裏各主面に形成される励振用電極とを有し、該励振用電極がその中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有する圧電振動片が提供される。

このように励振用電極をコンベックス形状断面にすることによって、圧電基板をコンベックス形状断面にした場合と同様に、圧電振動片の端部における振動変位の減衰量を大きくして、その中央部に振動エネルギを閉じ込める効果を高くできることが、後述するように本願発明者により確認された。また、圧電基板が平板のため、その加工が容易で安価であり、高い寸法・形状精度をもって低コストで製造することができる。

或る実施例では、励振用電極を複数の電極膜からなる積層構造とし、それら複数の電極膜をその上側の電極膜の外形寸法が下側の電極膜よりも小さくなるように積層することによって、中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有する励振用電極が得られる。

更に本発明によれば、この圧電振動片をパッケージに搭載することによって、Ｑ値等の周波数特性を向上させることができ、かつかかる圧電振動片は比較的高い周波数であっても、そのサイズを通常のものより小さくできることから、小型化可能な圧電デバイスを実現することができる。

本発明の別の側面によれば、導電性金属微粒子を分散させた液滴を平坦な圧電基板の表裏各主面に吐出させて、所定の電極パターンを有する第１の電極膜を形成し、該第１の電極膜の上に前記液滴を吐出させて１つ又は複数の第２の電極膜を、上側の電極膜の外形寸法が下側の電極膜よりも小さくなるように積層することにより、中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有する励振用電極を圧電基板の表裏各主面に形成する圧電振動片の電極形成方法が提供される。

このようにインクジェット法を利用して、平坦な基板表面に成膜するので、各電極膜をそれぞれ所望の位置に所望のパターンで正確かつ高精度に形成できることに加え、各電極膜の膜厚を均一にかつ従来よりも厚くでき、所望のコンベックス状の断面を有する励振用電極を有する圧電振動片を製造することができる。しかも、大気中で成膜できるので、上述した従来方法のような高価で大型の真空装置・設備及びマスクを必要とせず、各電極膜をそれぞれより簡単にかつ少ない工数で形成することができ、生産性の向上及び製造コストの低減を実現することができる。

導電性金属微粒子としては、金、銀など従来公知の様々な金属ナノ粒子を使用できる。特に銀微粒子は、圧電基板が水晶である場合に良好な密着性を発揮するので、従来方法のような基板表面の撥水処理や下地膜が不要になる。

或る実施例では、各電極膜が、ビットマップ形式のパターンデータに従って液滴を吐出させることにより形成され、それにより微細サイズの電極であっても、精密に形成することができる。

別の実施例では、第１の電極膜を形成するために液滴を圧電基板の表裏各主面に吐出させる工程において、それにより、第１の電極膜と同時に、励振用電極からの引出電極及びそれらを接続する配線を圧電基板の表裏主面に形成することができる。当然ながら、引出電極及び配線の膜厚は調整することができ、第２の電極膜を形成する過程で、それらに追加の電極膜を積層することによって厚くすることができる。

以下に、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）は、厚みすべり振動モードを主振動とする本発明の水晶振動片の実施例を示している。本実施例の水晶振動片１は、矩形をなすＡＴカットの水晶基板２の表裏各主面のほぼ中央にそれぞれ励振用電極３，３を有する。水晶振動片１の一方の長手方向端部には１対の引出電極４，４が設けられ、それぞれ配線５，５を介して対応する励振用電極３，３と接続されている。

各励振用電極３，３は、それぞれ３つの電極膜６〜８を積層した３層構造を有する。最下層の第１電極膜６は、所望の励振用電極の外形パターンを有し、水晶基板２の表裏各主面のほぼ中央に配置されている。その上に設けられる中間層の第２電極膜７は、その外形寸法が第１電極膜６よりも小さく、そのほぼ中央に配置されている。更にその上に設けられる最上層の第３電極膜８は、その外形寸法が第２電極膜７よりも小さく、そのほぼ中央に配置されている。これら電極膜の積層構造によって、励振用電極３，３は、中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有する。

図２は、図１の水晶振動片１を搭載した圧電デバイスの一例として、水晶振動子９を示している。水晶振動片１は、従来の水晶振動子と同様に、例えばセラミック材料からなる矩形箱型パッケージ１０の空所１１内に、その引出電極４，４をそれぞれ対応する前記空所底面の接続電極１２に導電性接着剤１３で接着して、片持ちに固定支持されている。パッケージ１０は、その上部に金属製の蓋１４を接合して気密に封止されている。

励振用電極３，３は、以下に図３及び図４を用いて説明するように、インクジェット法を用いた成膜方法により形成される。図３及び図４は、本発明による電極形成方法の好適な実施例をその工程順に示している。本実施例では、水晶基板２の一方の主面１５に第１乃至第３電極膜６〜８を形成する場合を説明する。

事前に、水晶基板２の主面１５に形成しようとする前記各電極膜に対応する第１乃至第３成膜領域１６〜１８について、それぞれ画像データを作成し、それらをバイナリ変換して、ビットマップ方式のドットパターンデータを作成する。第１成膜領域１６には、図３−１（Ａ）に示すように、第１電極膜６と同時に形成する引出電極４及び配線５の成膜領域が含まれる。

他方、粒子サイズがナノレベルの微細な金や銀など従来公知の導電性金属微粒子を適当な分散媒に分散させた金属粒子分散液を調製する。導電性金属微粒子として、特に銀は水晶との密着性が良く、本実施例のような水晶基板に用いる場合、基板表面の撥液性を予め改質処理する必要が無いので、有利である。分散媒としては、例えばテトラデカンのように揮発性の低い有機溶媒が好ましい。また、導電性金属微粒子の表面を予め適当な分散剤で被覆しておくと、金属粒子分散液中での凝集を防止し、常に安定して分散させることができる。

先ず、第１成膜領域１６に第１電極膜６を形成する。図４（Ａ）のように水晶基板２の上方にインクジェットヘッド１９を配置し、前記ドットパターンデータに基づいて前記金属粒子分散液の微小液滴２０を吐出し、第１成膜領域１６に滴下する。本実施例では、３段階の吐出工程を経て液滴を重ね塗りすることによって、第１電極膜６を一様な膜厚に形成する。インクジェットヘッド１９は、通常のインクジェットプリンタに使用されているピエゾ式又はサーマル式のいずれでも良い。

第１吐出工程において、各液滴Ｌ１は、図３−１（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、水晶基板主面１５に着弾後に互いに接したり重ならないように、水晶基板２の幅方向及び長手方向に沿ってそれぞれ着弾後の直径よりも大きい一定のピッチで吐出する。液滴Ｌ１を第１成膜領域１６全体に吐出した後、例えばホットプレートや電気炉、ランプアニールなどにより乾燥処理を施して、分散媒を除去する。この段階で前記分散媒は完全に除去しなくても良く、従って乾燥処理は、大気中で約１００℃で数分間加熱すれば十分である。また、乾燥処理は省略することもできる。

次に、第２吐出工程において、各液滴Ｌ２は、第１吐出工程と同じピッチでかつ同じ吐出量で、水晶基板主面１５に着弾後に互いに接したり重ならないように吐出する。図３−１（Ｃ）及び図４（Ｃ）に示すように、各液滴Ｌ２は、水晶基板２の幅方向には第１吐出工程の各液滴Ｌ１と同じ位置に、かつ長手方向には各液滴Ｌ１の中間位置にその間隙を埋めるように滴下する。液滴Ｌ２を第１成膜領域１６全体に吐出した後、同様に乾燥処理を施して分散媒を除去する。

次に、第３吐出工程において、各液滴Ｌ３は、図３−１（Ｄ）及び図４（Ｄ）に示すように、水晶基板２の幅方向には各液滴Ｌ１、Ｌ２の中間位置にその間隙を埋めるように、かつ長手方向には互いに重なり合うように、一定のピッチでかつ第１、第２吐出工程と同じ吐出量で滴下する。液滴Ｌ３を第１成膜領域１６全体に吐出した後、同様に乾燥処理を施して分散媒を除去する。

このようにして第１成膜領域１６全体に前記金属粒子分散液を塗布した後、熱処理及び／又は光処理を行い、図３−１（Ｅ）及び図４（Ｅ）に示すように第１電極膜６を焼成する。熱処理及び光処理は、前記乾燥処理と同様に、大気中で例えばホットプレートや電気炉、ランプアニールなどを用いて行い、それにより前記分散媒を完全に除去する。導電性金属微粒子の表面が分散剤で被覆されている場合には、例えば約３００℃の温度で焼成することにより、この分散剤も同時に完全に除去することができる。

次に、第１電極膜６上の第２成膜領域１７に第２電極膜７を形成する。上述した第１電極膜６の場合と同様に、３段階の吐出工程によって図３−１（Ｆ）及び図４（Ｆ）に示すように液滴Ｌ１〜Ｌ３を重ね塗りし、かつ熱処理及び／又は光処理を行って焼成する。これにより、図３−１（Ｇ）及び図４（Ｇ）に示すように第１電極膜６の上に第２電極膜７が一様な膜厚で積層される。

更に、第２電極膜７上の第３成膜領域１８に第３電極膜８を形成する。第１、第２電極膜６、７の場合と同様に、３段階の吐出工程によって図３−１（Ｈ）及び図４（Ｈ）に示すように液滴Ｌ１〜Ｌ３を重ね塗りし、かつ熱処理及び／又は光処理を行って焼成する。これにより、第２電極膜７の上に第２電極膜８が一様な膜厚に積層され、図１に示す励振用電極３が水晶基板２の主面１５に形成される。

本発明によれば、水晶基板２の反対側の主面についても、同様にインクジェット法で励振用電極３を形成する。これにより、図１に示す本発明の水晶振動片１が得られる。

以上本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。

上記実施例の電極形成方法を用いて、以下の条件で本発明の水晶振動片を製造し、その振動エネルギ閉じ込め効果を試験した。比較例として、同じ水晶基板に従来の平坦な励振用電極を形成した水晶振動片を製造した。
ＡＴカット水晶基板の寸法： １．０×２．０ｍｍ
電極パターン ： ０．５×１．０ｍｍ
金属粒子分散液 ： ＵＬＶＡＣ銀インク ６０重量％
分散媒：テトラデカン
液滴吐出量 ： ７．５ｐｌ
着弾後の液滴サイズ ： 直径１００μｍ
最小ビットマップ ： １０μｍ
焼成条件 ： ３００℃×３０分 大気中

各水晶振動片に所定の電圧を印加して励振させ、それにより生じた各水晶振動片表面の変位量を、その引出電極を形成した基端部からの距離に関連して測定した。その測定結果を図５に示す。同図において実線で示す本発明の水晶振動片は、破線で示す比較例の水晶振動片に比して、特に励振用電極を形成した中央領域において変位量が大幅に大きくなっており、振動エネルギの閉じ込め効果が向上していることが分かる。

（Ａ）図は本発明による水晶振動片を示す平面図、（Ｂ）図はそのＩ−Ｉ線における断面図。 図１の水晶振動片を搭載した水晶振動子の断面図。 （Ａ）〜（Ｄ）図はそれぞれ図１の励振用電極の第１電極膜を形成する過程を工程順に示す平面図。 （Ｅ）〜（Ｈ）図はそれぞれ図１の励振用電極の第２、第３電極膜を形成する過程を工程順に示す平面図。 （Ａ）〜（Ｈ）図はそれぞれ図３（Ａ）〜（Ｈ）の断面図。 本発明による水晶振動片の表面における励振時の変位量を、従来の水晶振動片と比較して、基端部からの距離との関係で示す線図。

符号の説明

１…水晶振動片、２…水晶基板、３…励振用電極、４…引出電極、５…配線、６…第１電極膜、７…第２電極膜、８…第３電極膜、９…水晶振動子、１０…パッケージ、１１…空所、１２…接続電極、１３…導電性接着剤、１４…蓋、１５…主面、１６…第１成膜領域、１７…第２成膜領域、１８…第３成膜領域、１９…インクジェットヘッド、２０…微小液滴。

Claims (8)

1. 平坦な表裏主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の表裏各主面に形成される励振用電極とを有し、前記励振用電極がその中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有することを特徴とする圧電振動片。
2. 前記励振用電極が、複数の電極膜をその上側の前記電極膜の外形寸法が下側の前記電極膜よりも小さくなるように積層したものであることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片。
3. 導電性金属微粒子を分散させた液滴を平坦な圧電基板の表裏各主面に吐出させて、所定の電極パターンを有する第１の電極膜を形成し、
   前記第１の電極膜の上に前記液滴を吐出させて１つ又は複数の第２の電極膜を、上側の前記電極膜の外形寸法が下側の前記電極膜よりも小さくなるように積層することにより、
   中央部から端部に向けて薄くなるコンベックス状の断面を有する励振用電極を前記圧電基板の表裏各主面に形成することを特徴とする圧電振動片の電極形成方法。
4. 前記各電極膜が、ビットマップ形式のパターンデータに従って前記液滴を吐出させることにより形成されることを特徴とする請求項３に記載の圧電振動片の電極形成方法。
5. 前記液滴を前記圧電基板の表裏各主面に吐出させることにより、前記第１の電極膜を形成すると同時に、前記励振用電極からの引出電極及びそれらを接続する配線を前記圧電基板の表裏主面に形成することを特徴とする請求項３又は４に記載の圧電振動片の電極形成方法。
6. 前記導電性金属微粒子が銀であり、前記圧電基板が水晶であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の圧電振動片の電極形成方法。
7. 平坦な表裏主面を有する圧電基板と、前記圧電基板の表裏各主面に請求項３乃至６のいずれかに記載の方法により形成した励振用電極とを有することを特徴とする圧電振動片。
8. 請求項１、２又は７に記載の圧電振動片と、前記圧電振動片を搭載したパッケージとを有することを特徴とする圧電デバイス。

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