JP2008011348A - 圧電振動片 - Google Patents

Abstract

【課題】小型に構成でき、比較的低い周波数を安定して生成できる圧電振動片を提供すること。
【解決手段】ヤング率が小さく、かつ周波数−温度特性が良好な基材により形成した基部２１と、この基部と同じ材料で一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕２２，２３とを備え、該振動腕の表面の両側縁にそれぞれ形成され互いに異極となるようにされた第１の電極２６，２７と、該第１の電極の表面に形成した圧電薄膜２４，２５と、該圧電薄膜を挟んで、前記第１の電極と対となるように前記圧電薄膜の表面に形成された第２の電極２８，２９とを有する圧電振動片。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電材料を利用した圧電振動片の改良に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、圧電振動子が広く使用されている。
そのような圧電振動子に用いられる圧電振動片として、圧電材料で形成した基部と、該基部から平行に延出した一対の振動腕と、該振動腕に形成した駆動用電極とを備えるいわゆる音叉型圧電振動片と呼ばれるものがある。

図７は、このような音叉型圧電振動片１の上記した一対の振動腕を縦方向に切断した概略断面図である。
図において、一対の振動腕２，３は基部に一体に固定されていて、該基部から片持ち式に互いに平行に延びており、駆動電圧を印加されることで、互いの先端部を近接・離間するように屈曲振動するものである。
図示されているように、振動腕２，３の各主面にはその表裏から溝４，４、溝５，５が形成されており、これら溝には対となる駆動電極６，６と７，７が形成されている。また、内側の電極と対となるように、各振動腕の両側面にも駆動電極７，７、６，６が形成されている。これにより、駆動電圧が印加されると各振動腕２，３は矢印で示すように電界が形成されることで、上記屈曲振動をするようになっている。

このような構造の音叉型圧電振動片１について、さらに電界効率を高めて、しかも小型化を図ろうとすると、各振動腕２、３に溝４，４，５，５，を形成していることから、剛性が低下してしまい、安定した屈曲振動が得られない。
また、ウエットエッチングで音叉型の外形を形成する場合には、材料によっては、結晶構造に起因して、方向により、エッチング速度が異なる所謂エッチング異方性があることから、理想的な外形を作ることができない。
すなわち、エッチング異方性によるヒレなどの異形部が形成されることによっても、屈曲振動が阻害され、クリスタルインピーダンスの増加につながる。

そこで、特許文献１のように、各振動腕に駆動電極で挟み込んだ圧電薄膜を形成し、この圧電薄膜の変形により、各振動腕に屈曲振動を行わせる手法が提案されている。
このような構成によれば、各振動腕に溝を形成する必要がなく、剛性の低下を原因とする屈曲振動の不良を生じることがない。
特開２００３−２２７７１９

しかしながら、特許文献１の共振子は、非圧電材料であるシリコンにより音叉を形成している。
しかし、シリコンの屈曲振動により生成される周波数は高く、所謂通常の音叉型圧電振動片の周波数領域（３２．７６８ｋＨｚ（「キロヘルツ」）程度の周波数を得ることが難しい。
また、シリコンは周波数−温度特性が非常に悪く、安定した周波数を得られない欠点がある。

この発明は、小型に構成でき、比較的低い周波数を安定して生成できる圧電振動片を提供することを目的とする。

上記目的は、第１の発明にあっては、ヤング率が小さく、かつ周波数−温度特性が良好な基材により形成した基部と、この基部と同じ材料で一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備え、該振動腕の表面の両側縁にそれぞれ形成され互いに異極となるようにされた第１の電極と、該第１の電極の表面に形成した圧電薄膜と、該圧電薄膜を挟んで、前記第１の電極と対となるように前記圧電薄膜の表面に形成された第２の電極とを有する圧電振動片により、達成される。

第１の発明の構成によれば、前記基部から平行に延びる振動腕の表面に、第１および第２の電極が圧電薄膜を挟んで対となるように形成されているので、第１および第２の電極に駆動電圧が印加されると、該圧電薄膜内に電界が形成される。この電界形成により圧電薄膜が変形し、それにともなって、各振動腕が前記圧電薄膜の変形に応じて屈曲振動を行う。
このため、圧電振動片を小型に形成する上で、その外形が必ずしも理想的な形状とされなくても、屈曲振動に大きな影響がない。また、各振動腕には電極形成のための溝を設ける必要がない。したがって、溝による剛性低下の恐れが無いので、剛性低下による屈曲振動への悪影響を排除できる。そして、これらの理由により、小型化をする上での制約がなくなるので、容易に小型の圧電振動片を作ることができる。
さらに、本発明では、圧電薄膜と基材との関係でみると、基材より圧電薄膜はその厚みがはるかに薄いから、基材のもつ特性を生かして、屈曲振動を行わせることができる。そして、本発明の前記基材は、ヤング率が小さく、かつ周波数−温度特性が良好な基材により形成されていることから、低いヤング率によって、小型に形成しても比較的低い周波数を実現することができる。いいかえれば、周波数を高くせずに小型化が可能となる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記基材が水晶であることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、基材を水晶とすると、従来用いられていたシリコンと比較して、ヤング率においては、１００方位のシリコンが１３１（Ｇｐａ）（ギガパスカル）と硬い材料であるのに対して、水晶が７８（Ｇｐａ）と柔らかい材質であることから、周波数を十分低くすることができ、あるいは同じ周波数では、本発明の圧電振動片（圧電振動子）は約１／２の大きさとすることができる。

第３の発明は、第２の発明の構成において、前記振動腕が、水晶のＸ軸（電気軸）に沿って延びるように形成されていることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、振動腕の表面で、幅方向に隣接する電極間でクロストークとなる電界がＹ軸方向に生じても、水晶ではＹ軸方向に圧電現象が生じない。このため隣接した電極間のクロストークの弊害を防止する上で、振動腕をＸ軸方向に沿って延びるように形成すると有利である。

第４の発明は、第１または２のいずれかの発明の構成において、前記振動腕の各両側縁に形成した第１の電極の間の前記基材に溝を形成したことを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、隣接した電極間に前記溝を形成することができ、隣り合う電極間における基材を介しての電界形成、すなわちクロストークを抑制することができる。

第５の発明は、第１ないし４のいずれかの発明の構成において、前記第１および第２の各電極は、前記振動腕の表裏両面に形成されていることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、振動腕の表面側と裏面側でよりバランス良く屈曲振動するように駆動されるので、効率が良くなり、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が低減される。

図１は、本発明の圧電振動片の第１の実施の形態を示す概略斜視図である。
図において、圧電振動片２０は、基部２１と、この基部から一方向に平行に、かつ同じ方向に延びる一対の振動腕２２，２３とを有している。

ここで、圧電振動片２０は、駆動電圧を印加して、所定のモードで励振させることにより圧電振動子を形成することができるものである。
圧電振動片２０は、例えば、圧電材料で形成されている。好ましくは、圧電材料のうち、特に圧電基板として、例えば、圧電振動片２０を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハを用いて形成されている。水晶を用いることにより、圧電振動片２０を形成するための基材として、ヤング率が、７８（Ｇｐａ）程度の柔らかい材質を選択でき、周波数−温度特性の上でも安定した性質を利用できるようになる。
すなわち、水晶を用いることで、その低いヤング率によって、圧電振動片を小型に形成しても比較的低い周波数を実現することができる。いいかえれば、周波数を高くせずに小型化が可能となる。
また、水晶以外にヤング率の小さいものとして、ＧａＰＯ_４（５９ＧＰａ）、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７（９６ＧＰａ）などを使用することができる。

本実施形態の場合、特に、例えば、基材を水晶の単結晶から切り出す際、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、このＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いている。
図示されているように、圧電振動片２０は、各振動腕２２，２３が延びる方向をＹ軸方向としてもよいし、Ｘ軸方向としてもよい。
しかしながら、図１で示すように、各振動腕２２，２３が、Ｘ軸方向に沿って延びるように形成されていると、後述する図５で説明するように、振動腕の表面で、幅方向に隣接する電極間でクロストークとなる電界がＹ軸方向に生じても、水晶ではＹ軸方向に圧電現象が生じない。このことより、隣接した電極間のクロストークの弊害を防止する上で、振動腕２２，２３をＸ軸方向に沿って延びるように形成すると有利である。

このような水晶ウエハをエッチングすることにより、図１の圧電振動片２０の外形を形成している。エッチングには、効率の点でドライエッチングよりもウエットエッチングが適しており、例えば、前記水晶ウエハに所定のマスキングをして、フッ酸溶液を含むエッチング液に浸漬することによりウエットエッチングして、複数もしくは多数の圧電振動片２０の外形を一度に形成することができる。

次に、圧電振動片２０の電極配置および圧電薄膜の配置について説明する。
振動腕２２表面の外側側縁には該振動腕２２が延びる方向に沿って細い電極２６ａが形成されている。また、振動腕２２表面の内側には、該振動腕２２が延びる方向に沿って細い電極２６ｂが形成されている。この電極２６ａ，２６ｂは振動腕２２の第１の電極を構成している。
振動腕２３表面の外側側縁には該振動腕２３が延びる方向に沿って細い電極２７ａが形成されている。また、振動腕２３表面の内側には、該振動腕２３が延びる方向に沿って細い電極２７ｂが形成されている。この電極２７ａ，２７ｂは振動腕２３の第１の電極を構成している。

電極２６ａと電極２７ａは、図示しない導電部により接続されている。電極２６ｂと電極２７ｂも図示しない導電部により接続されている。
なお、以上の電極は、水晶の上に例えば、クロムによる下地をスパッタリングで形成し、その上に金を成膜することにより形成した電極膜を、図１および図２に示された形状にフォトリソグラフィの手法などによって処理することにより得られる。

次に、図２に示されているように、各振動腕２２，２４の第１の電極２６、２７の上に圧電薄膜２４，２５を成膜する。
好ましくは、電極２６ａの上と、電極２６ｂの上に、そして、電極２７ａと電極２７ｂのそれぞれの上に個別に圧電薄膜を形成する。この圧電薄膜としては、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を好適に使用することができるが、他に、ＡＩＮ、ＰＺＴなどを使用することができ、さらに水晶薄膜を用いるようにしてもよい。圧電薄膜２４，２５の成膜は、スパッタリングなどにより行うことができる。
次に、図１および図１のＡ−Ａ線端面図である図４を参照して理解されるように、
圧電薄膜２４と２５を挟んで第１の電極２６，２７の上に第２の電極２８，２９を形成する。
詳しくは、電極２６ａの上に電極２８ａを、電極２６ｂの上に電極２８ｂを、電極２７ａの上に電極２９ａを電極２７ｂの上に電極２９ｂを形成する。なお、電極２８ａと電極２９ａは、電極２６ｂと２７ｂと接続されている。電極２８ｂと電極２９ｂは電極２６ａと電極２７ａと接続されている。

圧電振動片２０は以上のように構成されており、圧電薄膜２４，２５をそれぞれ挟む各電極に駆動電圧を印加することにより、図４の矢印に示すように電界が形成される。これにより、振動腕２２と振動腕２３において、それぞれ仮想の中心線Ｃ１を挟んで一方の側縁の水晶材料がＹ方向に沿って、僅かに延伸すると、他方の側縁の材料はＹ方向に沿って収縮する。これを交互に繰り返すことにより、図１の矢印に示すように、各圧電薄膜が形成された振動腕２２と振動腕２３は、互いの先端を接近・離間させるように、屈曲振動し、通常の音叉圧電振動片と同様に所定の周波数を生成することができる。

図３は、圧電振動片２０を特定の振動モードで励振する発振回路に接続した状態を示す等価回路である。
発振回路３０は、増幅回路３１と帰還回路３２を含んでいる。
増幅回路３１は、増幅器３３と帰還抵抗３４を含んで構成されている。帰還回路３２は、ドレイン抵抗３５と、コンデンサ３６，３７と、圧電振動片２０とを含んで構成されている。
ここで、増幅器３３はＣＭＯＳインバータを用いることができる。
このような構成により、圧電振動片２０を利用して発振器を形成することができる。

本実施形態は以上のように構成されており、第１および第２の電極２６，２７、および２８，２９が圧電薄膜２４，２５を挟んで対となるように形成されているので、第１および第２の電極２６，２７、および２８，２９に駆動電圧が印加されると、図４に示すように、圧電薄膜２４，２５内に電界が形成される。この電界形成により圧電薄膜２４，２５が変形し、それにともなって、各振動腕２２，２３が屈曲振動を行う。

このため、圧電振動片２０を小型に形成する上で、その外形が必ずしも理想的な形状とされなくても、屈曲振動に大きな影響がない。また、各振動腕２２，２３には電極形成のための溝を設ける必要がなく、溝による剛性低下の恐れが無いので、剛性低下による屈曲振動への悪影響を排除できる。そして、これらの理由により、小型化をする上での制約がなくなるので、容易に小型の圧電振動片２０を得ることができる。

さらに、圧電薄膜と基材である水晶との関係でみると、水晶部分より圧電薄膜２４，２５はその厚みがはるかに薄いから、基材のもつ特性を生かして、屈曲振動を行わせることができる。そして、基材は水晶であるから、従来用いられていたシリコンと比較して、ヤング率においては、１００方位のシリコンが１３１（Ｇｐａ）（ギガパスカル）と硬い材料であるのに対して、水晶が７８（Ｇｐａ）と柔らかい材質であることから、周波数を十分低くすることができ、あるいは同じ周波数では、圧電振動子（圧電振動子２０）は約１／２の大きさとすることができる。

図５は第１の実施形態の変形例を示す要部の図である。
すなわち、図５は変形例の圧電振動片に関して、図４と同じ箇所を示すものである。
図において、各振動腕２２，２３の各両側縁に形成した第１の電極２６ａ，２６ｂと２７ａ，２７ｂの間において、基材である水晶の表面に溝３３，３４を形成している。
これにより、隣接した電極２６ａ，２６ｂ間、あるいは電極２７ａ，２７ｂ間において溝３３，３４をそれぞれ形成することができるから、隣り合う電極間における基材（水晶）を介しての電界形成、すなわちクロストークを抑制することができる。
なお、振動腕２２，２３の長さ方向を水晶のＸ軸に沿わせると、このようなクロストークの弊害はなく、溝も不要である。

図６は第２の実施形態の変形例を示す要部の図である。
すなわち、図６は第２の実施形態の圧電振動片に関して、図４と同じ箇所を示すものである。第２の実施形態の圧電振動片において、図示の箇所以外は、図１ないし図５で説明した第１の実施形態と同じ構成であるから、重複する説明は省略し、相違点のみを説明する。

図６は振動腕２２，２３において、同一の構造であるため、振動腕２２の構造だけを示している。
この実施形態では、第１および第２の各電極２６，２８とその間に配置され圧電薄膜２４が、振動腕２２の表裏両面に形成されている。
第２の実施形態では、このような構成とすることによって、振動腕２２の表面側と裏面側でよりバランス良く屈曲振動するように駆動されるので、効率が良くなり、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が低減される。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態や変形例の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、圧電振動片を利用したものであれば、これをパッケージなどの収容容器に収めて使用してもよいし、その場合のパッケージは、セラミックを使用した箱状のものに限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等の収容容器に圧電振動片を収容してもよい。
また、本発明は、基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕を備える圧電振動片に適用されるので、実施形態で説明した音叉型圧電振動片に限らず、双音叉圧電振動片やジャイロ振動子を形成するための圧電振動片などにも適用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電振動片の概略斜視図。 図１の圧電振動片の形成途中を示す概略斜視図。 図１の圧電振動片で発振器を形成した場合の構成図。 図１のＡ−Ａ線端面図。 変形例の要部の図。 第２の実施形態の要部の図。 従来の圧電振動片の振動腕の概略断面図。

符号の説明

２０・・・圧電振動片、２１・・・基部、２２，２３・・・振動腕、２４，２５・・・圧電薄膜、２６，２７・・・第１の電極、２８，２９・・・第２の電極

Claims (5)

1. ヤング率が小さく、かつ周波数−温度特性が良好な基材により形成した基部と、
   この基部と同じ材料で一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕とを備え、
   該振動腕の表面の両側縁にそれぞれ形成され互いに異極となるようにされた第１の電極と、
   該第１の電極の表面に形成した圧電薄膜と、
   該圧電薄膜を挟んで、前記第１の電極と対となるように前記圧電薄膜の表面に形成された第２の電極と
   を有することを特徴とする圧電振動片。
2. 前記基材が水晶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. 前記振動腕が、水晶のＸ軸（電気軸）に沿って延びるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
4. 前記振動腕の各両側縁に形成した第１の電極の間の前記基材に溝を形成したことを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片。
5. 前記第１および第２の各電極は、前記振動腕の表裏両面に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電振動片。

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