JP2012065293A - 振動片、振動片の製造方法、振動子、振動デバイスおよび電子機器 - Google Patents
振動片、振動片の製造方法、振動子、振動デバイスおよび電子機器 Download PDFInfo
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
【解決手段】振動片2は、基部27と、基部27からY軸方向に延出しZ軸方向に屈曲振動する振動腕28と、振動腕28に設けられ、振動腕28を屈曲振動させる圧電体素子22と、振動腕28の圧電体素子22よりも先端側に設けられた質量部51とを有している。また、圧電体素子22は、少なくとも、第1の電極層222と、第2の電極層226と、これらの間に位置する圧電体層223とを有している。また、質量部51は、少なくとも1つの膜部を有し、この膜部は、圧電体素子22を構成する層のうちのいずれか1つの層と同じ材料で構成されている。
【選択図】図4
Description
例えば、特許文献1に記載の振動片は、基部と、この基部から互いに平行となるように延出する3つの振動腕と、各振動腕上に下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜がこの順で成膜されて構成された圧電体素子とを有する。このような振動片において、各圧電体素子は、下部電極膜と上部電極膜との間に電界が印加されることにより、圧電層を伸縮させ、振動腕を基部の厚さ方向(いわゆる面外方向)に屈曲振動させる。
例えば、特許文献2には、各振動腕が横方向(面内方向)に屈曲振動する振動片の周波数調整方法が開示されている。特許文献2に記載の周波数調整方法では、板状をなす振動腕の両板面上にそれぞれ同じパターンで周波数調整用の金属膜(錘部)が成膜されている。そして、レーザー光の照射により、振動腕の一方の板面上の金属膜の一部と他方の板面上の金属膜の一部とを同時に除去して粗調整を行い、その後、アルゴンイオンビームの照射により、金属腕の一方の板面上の金属膜の一部をさらに除去して微調整を行う。
特許文献1に記載の面外振動型の振動片に特許文献2に記載の金属膜(錘部)を適用することにより周波数調整を可能な構成とすることができる。しかしながら、このような場合には、特許文献1に記載の面外振動型の振動片に錘部材を設ける工程が増え、振動片の製造が煩雑化するという問題がある。
[適用例1]
本発明の振動片は、第1の方向と該第1の方向に直交する第2の方向とを含む平面上に設けられた基部と、
前記基部から前記第1の方向に延出し、前記平面の法線方向に屈曲振動する振動腕と、
前記振動腕に設けられ、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子と、
前記振動腕に設けられた質量部と、を有し、
前記圧電体素子は、少なくとも、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する圧電体層とを有し、
前記質量部は、少なくとも1つの膜部を有し、
前記膜部は、前記圧電体素子を構成する層のうちのいずれか1つの層と同じ材料で構成されたことを特徴とする。
これにより、質量部を圧電体素子と一括形成することができる。そのため、製造が簡単で、周波数調整を簡単かつ高精度に行うことができる振動片を提供することができる。
本発明の振動片では、前記圧電体素子は、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する絶縁体層を有したことが好ましい。
これにより、第1の電極層と第2の電極層との間をより確実に絶縁することができる。
[適用例3]
本発明の振動片では、前記圧電体素子は、前記振動腕と前記第1の電極層との間に位置する下地層を有したことが好ましい。
これにより、第1の電極層の振動腕からの剥離や、第2の電極層の絶縁体層からの剥離を防止または抑制することができる。
本発明の振動片では、前記質量部の厚さは、前記圧電体素子の厚さ以下であることが好ましい。
これにより、質量部の重さ(質量)を、周波数調整をするのに不都合ない範囲で抑えることができる。したがって、周波数調整を簡単かつ高精度に行うことができると共に、振動腕を安定して屈曲振動させることができる。
本発明の振動片では、前記質量部は、前記振動腕の先端側に設けられた先端側質量部と、前記先端側質量部よりも基端側に設けられた基端側質量部と、を有したことが好ましい。
これにより、先端側質量部を周波数の粗調整用として用い、基端側質量部を周波数の微調整用として用いることができる。そのため、振動片の周波数調整を簡単かつ高精度に行うことができる。
本発明の振動片では、前記基端側質量部は、前記振動腕の基端から前記第1の方向の全長の1/2を超えた領域に設けられており、かつ、密度が2.20(103kg/m3)以上、8.92(103kg/m3)以下の材料で構成されたことが好ましい。
このような範囲内にある材料を用いて基端側質量部を形成することにより、振動片の周波数調整(微調整)を効率的に行うことができる。
本発明の振動片では、前記先端側質量部は、密度が8.92(103kg/m3)より大きい材料で構成された部分を有したことが好ましい。
このような範囲内にある材料を用いて基端側質量部を形成することにより、振動片の周波数調整(粗調整)を効率的に行うことができる。
本発明の振動片では、前記第1の電極層および前記第2の電極層は、異なる材料で構成されたことが好ましい。
これにより、質量部の構成材料の選択肢が増し、より適した質量の質量部を形成することができる。
本発明の振動片では、前記振動腕は、前記平面に対し水平な第1面と、該第1面に対向する第2面と、を有し、
前記質量部は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面上に設けられたことが好ましい。
圧電体素子が設けられている面(第1面)に設ける場合には、質量部の形成がより簡単となる。また、圧電体素子が設けられている面と反対側の面(第2面)に設ける場合には、質量部の一部を除去して周波数調整を行う際に、除去された屑が圧電体素子に付着するのを効果的に防止または抑制することができる。これにより、周波数調整をより高精度に行うことができるとともに、振動片の信頼性を維持することができる。また、第1面と第2面の両面に設ける場合には、一方の面に同じ質量の質量部を設ける場合と比較して、質量部の第1の方向における長さを抑えることができる。そのため、振動片の小型化を図ることができる。
本発明の振動片では、前記振動腕は、前記第2の方向に複数並んで設けられ、隣り合う2つの前記振動腕が互いに反対方向に屈曲振動することが好ましい。
これにより、互いに隣り合う2つの振動腕の漏れ振動を互いに相殺させることができる。その結果、振動漏れの少ない振動片を実現することができる。
本発明の振動片の製造方法は、第1の方向と該第1の方向に直交する第2の方向とを含む平面上に形成される基部と、
前記基部から前記第1の方向に延出し、前記平面の法線方向に屈曲振動する振動腕と、
前記振動腕に設けられ、少なくとも第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する圧電体層とを有し、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子と、前記振動腕に設けられた質量部とを有する振動片の製造方法であって、
前記質量部は、前記圧電体素子と一括して形成されることを特徴とする。
これにより、質量部を圧電体素子と一括形成することができる、すなわち同時に作り込むことができるため、振動片の製造の簡易化(少工程化)を図ることができる。
本発明の振動子は、本発明の振動片と、
前記振動片を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた振動子を提供することができる。
[適用例13]
本発明の振動デバイスは、本発明の振動片と、
前記振動片に接続された発振回路と、を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた発振器等の振動デバイスを提供することができる。
[適用例14]
本発明の電子機器は、本発明の振動片を備えたことを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた携帯電話、パーソナルコンピューター、デジタルカメラ等の電子機器を提供することができる。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る振動子を示す断面図、図2は、図1に示す振動子を示す上面図、図3は、図1に示す振動子を示す下面図、図4は、(a)は、図2中のA−A線断面図、(b)は、図2中のB−B線断面図、図5は、図2に示す振動片の動作を説明するための斜視図である。
図1に示す振動子1は、振動片2と、この振動片2を収納するパッケージ3とを有する。
1.振動片
まず、振動片2について説明する。
振動片2は、図2に示すような3脚音叉型の振動片である。この振動片2は、振動基板21と、この振動基板21上に設けられた圧電体素子22、23、24および接続電極41、42と、質量部51、52、53とを有している。
振動基板21の構成材料としては、所望の振動特性を発揮することができるものであれば、特に限定されず、各種圧電体材料および各種非圧電体材料を用いることができる。
例えば、かかる圧電体材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、振動基板21を構成する圧電体材料としては水晶(Xカット板、ATカット板、Zカット板等)が好ましい。水晶で振動基板21を構成すると、振動基板21の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度で振動基板21を形成することができる。
また、薄肉部271は、後述する各振動腕28、29、30と等しい厚さとなるように形成されている。したがって、厚肉部272は、そのZ軸方向での厚さが各振動腕28、29、30のZ軸方向での厚さよりも大きい部分である。
そして、基部27の薄肉部271の厚肉部272とは反対側には、3つの振動腕28、29、30が接続されている。
3つの振動腕28、29、30は、互いに平行となるように基部27からそれぞれ延出して設けられている。より具体的には、3つの振動腕28、29、30は、基部27からそれぞれY軸方向(Y軸の矢印方向)に延出するとともに、X軸方向に並んで設けられている。
また、各振動腕28、29、30は、長手方向での全域に亘って幅が一定となっている。なお、各振動腕28、29、30は、幅の異なる部分を有していてもよい。
また、振動腕28、29、30は、互いに同じ長さとなるように形成されている。なお、振動腕28、29、30の長さは、各振動腕28、29、30の幅、厚さ等に応じて設定されるものであり、互いに異なっていてもよい。
なお、振動腕28、29、30の各先端部には、必要に応じて、基端部よりも横断面積が大きい質量部(ハンマーヘッド)を設けてもよい。この場合、振動片2をより小型なものとしたり、振動腕28、29、30の屈曲振動の周波数をより低めたりすることができる。
圧電体素子22は、通電により伸縮して振動腕28をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。また、圧電体素子23は、通電により伸縮して振動腕29をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。また、圧電体素子24は、通電により伸縮して振動腕30をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。
[第1の電極層]
第1の電極層222は、基部27上から振動腕28上にその延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
また、本実施形態では、第1の電極層222の長さ(圧電体素子22の長さ)は、振動腕28の長さの1/2程度に設定されている。これにより、振動片2のCI値を低く維持することができ、優れた振動特性を発揮することができる。なお、第1の電極層222の長さが、振動腕28の長さの1/2よりも短い場合、振動片のCI値が大きくなり、充分な振動特性が得られない場合がある。
Auは、導電性に優れ(電気抵抗が小さく)、酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、AuはPtに比しエッチングにより容易にパターニングすることができる。さらに、第1の電極層222を金または金合金で構成することにより、圧電体層223の配向性を高めることもできる。
第1の電極層222、振動基板21の構成材料によっては、これらの密着性が低い場合がある(例えば、第1の電極層222を金で構成し、振動基板21を水晶で構成する場合)。そのため、本実施形態のように、第1の電極層222と振動基板21との間に第1の下地層221を設けるのが好ましい。
第1の下地層221の平均厚さは、第1の下地層221が圧電体素子22の駆動特性や振動腕28の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、前述したような密着性を高める効果を発揮することができれば、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。
圧電体層223は、第1の電極層222上に振動腕28の延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。また、振動腕28の延出方向(Y軸方向)における圧電体層223の長さは、同方向(Y軸方向)における第1の電極層222の長さに略等しい。
これにより、圧電体層223のY軸方向の全域に亘って前述したように第1の電極層222の表面状態により圧電体層223の配向性を高めることができる。そのため、振動腕28の長手方向(Y軸方向)において圧電体層223を均質化することができる。
また、圧電体層223の平均厚さは、50〜3000nmであるのが好ましく、200〜2000nmであるのがより好ましい。これにより、圧電体層223が振動腕28の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、圧電体素子22の駆動特性を優れたものとすることができる。
絶縁体層224は、圧電体層223を保護するとともに、第1の電極層222と第2の電極層226との間の短絡を防止する機能を有している。絶縁体層224は、例えば、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)、SiN(窒化ケイ素)等で構成されている。
絶縁体層224の平均厚さは、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。かかる厚さが前記下限値未満であると、前述したような短絡を防止する効果が小さくなる傾向となり、一方、かかる厚さが前記上限値を超えると、圧電体素子22の特性に悪影響を与えるおそれがある。
第2の電極層226は、振動腕28の延出方向に沿って設けられている。
また、振動腕28の延出方向における第2の電極層226の長さは、圧電体層223の長さに略等しい。これにより、第2の電極層226と前述した第1の電極層222との間に生じる電界により、振動腕28の延出方向(Y軸方向)において圧電体層223の全域を伸縮させることができる。そのため、振動効率を高めることができる。
また、第2の電極層226の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。これにより、第2の電極層226が圧電体素子22の駆動特性や振動腕28の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、第2の電極層226の導電性を優れたものとすることができる。
第2の電極層226および絶縁体層224の構成材料によっては、これらの密着性が低い場合がある(例えば、第2の電極層226を金で構成し、絶縁体層224をSiO2で構成する場合)。そのため、本実施形態のように、第2の電極層226と絶縁体層224との間に第2の下地層225を設けるのが好ましい。
このような圧電体素子22においては、第1の電極層222と第2の電極層226との間に電圧が印加されると、圧電体層223にZ軸方向の電界が生じる。この電界により、圧電体層223は、Y軸方向に伸張または収縮し、振動腕28をZ軸方向に屈曲振動させる。
また、各振動腕28、29、30が屈曲振動すると、接続電極41、42間には、圧電体材料の圧電効果により、ある一定の周波数で電圧が発生する。これらの性質を利用して、振動片2は、共振周波数で振動する電気信号を発生させることができる。
次いで、質量部51、52、53について説明する。
質量部51、52、53は、前述したように、エネルギー線の照射により一部または全部が除去されることにより質量を減少させて、振動腕28、29、30の共振周波数を調整するための錘である。
質量部51は、図4(a)に示すように、振動腕28上に、第1の膜部511、第2の膜部512、第3の膜部513、第4の膜部514、第5の膜部515および第6の膜部516がこの順で積層されて構成されている。
また、質量部53は、振動腕30上に、第1の膜部531、第2の膜部532、第3の膜部533、第4の膜部534、第5の膜部535および第6の膜部536がこの順で積層されて構成されている。
[第1の膜部]
第1の膜部511は、振動腕28の上面281に形成されている。このような第1の膜部511は、圧電体素子22の第1の下地層221と同じ構成材料で構成されている。また、第1の膜部511の厚さ(平均厚さ)は、第1の下地層221の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
第2の膜部512は、第1の膜部511の上面に形成されている。このような第2の膜部512は、圧電体素子22の第1の電極層222と同じ構成材料で構成されている。また、第2の膜部512の厚さ(平均厚さ)は、第1の電極層222の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
第3の膜部513は、第2の膜部512の上面に形成されている。このような第3の膜部513は、圧電体素子22の圧電体層223と同じ構成材料で構成されている。また、第3の膜部513の厚さ(平均厚さ)は、圧電体層223の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
第4の膜部514は、第3の膜部513の上面に形成されている。このような第4の膜部514は、圧電体素子22の絶縁体層224と同じ構成材料で構成されている。また、第4の膜部514の厚さ(平均厚さ)は、絶縁体層224の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
第5の膜部515は、第4の膜部514の上面に形成されている。このような第5の膜部515は、圧電体素子22の第2の下地層225と同じ構成材料で構成されている。また、第5の膜部515の厚さ(平均厚さ)は、第2の下地層225の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
第6の膜部516は、第5の膜部515の上面に形成されている。このような第6の膜部516は、圧電体素子22の第2の電極層226と同じ構成材料で構成されている。また、第6の膜部516の厚さ(平均厚さ)は、第2の電極層226の厚さ(平均厚さ)とほぼ等しい。
具体的には、後述する製造方法でも説明するように、第1の膜部511を第1の下地層221と一括形成し、次いで、第2の膜部512を第1の電極層222と一括形成し、次いで、第3の膜部513を圧電体層223と一括形成し、次いで、第4の膜部514を絶縁体層224と一括形成し、次いで、第5の膜部515を第2の下地層225と一括形成し、第6の膜部516を第2の電極層226と一括形成することにより、質量部51と圧電体素子22とを一括形成することができる。そのため、例えば、質量部51を別途形成する工程を省くことができ、振動片2の製造の簡易化を図ることができる。
なお、本実施形態のように、各膜部511、512、513、514、515および516の厚さをそれぞれ圧電体素子22の対応する層の膜厚と等しくすることにより、確実に、質量部51の厚さを圧電体素子22の厚さ以下とすることができる。
次に、振動片2の周波数調整方法について説明する。なお、以下では、振動腕28の周波数調整を代表的に説明するが、振動腕29、30の周波数調整も振動腕28の周波数調整と同様である。
まず、周波数調整前(未調整)の振動片2を用意する。このとき、振動腕28上には前述したような質量部51が設けられている。また、周波数調整前の振動腕28の周波数(共振周波数)は、目標とする周波数(共振周波数)に対して低くなるように設定されている。
このような周波数調整に用いるエネルギー線は、振動腕28の悪影響を与えずに、質量部51の必要部位を除去することができるものであれば、特に限定されず、放射線、電子線、レーザー、イオンビーム等が挙げられるが、炭酸ガスレーザー、エキシマーレーザー、YAGレーザー等のレーザーを用いるのが好ましい。これにより、簡単かつ確実に質量部51の一部を所望量だけ除去することができる。
ここで、前述した振動片2の製造方法(本発明の製造方法)の一例について簡単に説明する。
振動片2の製造方法は、[A]振動腕28、29、30上に第1の下地層221、231、241および第1の膜部511、521、531を形成する工程と、[B]第1の下地層221、231、241上に第1の電極層222、232、242を形成すると共に、第1の膜部511、521、531上に第2の膜部512、522、532を形成する工程と、[C]第1の電極層222、232、242上に圧電体層223、233、243を形成すると共に、第2の膜部512、522、532上に第3の膜部513、523、533を形成する工程と、[D]圧電体層223、233、243上に絶縁体層224、234、244を形成すると共に、第3の膜部513、523、533上に第4の膜部514、524、534を形成する工程と、[E]絶縁体層224、234、244上に第2の下地層225、235、245を形成すると共に、第4の膜部514、524、534上に第5の膜部515、525、535を形成する工程と、[F]第2の下地層225、235、245上に第2の電極層226、236、246を形成すると共に、第5の膜部515、525、535上に第6の膜部516、526、536を形成する工程とを有する。
[A]
まず、振動基板21を形成するための基板を用意し、この基板をエッチングすることにより、振動基板21を形成する。
より具体的に説明すると、例えば、上記基板が水晶基板である場合、水晶基板の薄肉部271となる部分を、BHF(buffer hydrogen fluoride)をエッチング液として用いた異方性エッチングにより除去して薄肉化する。その後、その薄肉化された部分を、上記と同様の異方性エッチングにより部分的に除去して、振動腕28、29、30を形成する。これにより、振動基板21が形成される。
この第1の下地層221、231、241および第1の膜部511、521、531の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD(Chemical Vapor Deposition)等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特にスパッタリング法もしくは真空蒸着法)を用いるのが好ましい。また、第1の下地層221、231、241および第1の膜部511、521、531の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。
なお、第1の下地層221、231、241および第1の膜部511、521、531は、同一の成膜工程で一括形成される。
次いで、第1の下地層221、231、241上に第1の電極層222、232、242を形成すると共に、第1の膜部511、521、531上に第2の膜部512、522、532を形成する。
この第1の電極層222、232、242および第2の膜部512、522、532の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特にスパッタリング法もしくは真空蒸着法)を用いるのが好ましい。また、第1の電極層222、232、242および第2の膜部512、522、532の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。
なお、第1の電極層222、232、242および第2の膜部512、522、532は、同一の成膜工程で一括形成される。
ここで、必要に応じて、配線等は、工程[A]、[B]にて同時に形成する。
次いで、第1の電極層222、232、242上に圧電体層223、233、243を形成すると共に、第2の膜部512、522、532上に第3の膜部513、523、533を形成する。
この圧電体層223、233、243および第3の膜部513、523、533の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特に反応性スパッタリング法)を用いるのが好ましい。また、圧電体層223、233、243および第3の膜部513、523、533の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。また、圧電体層223、233、243および第3の膜部513、523、533をパターニングする際に、不要部分の除去にはウェットエッチングを用いるのが好ましい。
なお、圧電体層223、233、243および第3の膜部513、523、533は、同一の成膜工程で一括形成される。
次いで、圧電体層223、233、243上に絶縁体層224、234、244を形成すると共に、第3の膜部513、523、533上に第4の膜部514、524、534を形成する。
この絶縁体層224、234、244および第4の膜部514、524、534の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特に反応性スパッタリング法)を用いるのが好ましい。また、絶縁体層224、234、244および第4の膜部514、524、534の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。また、絶縁体層224、234、244および第4の膜部514、524、534をパターニングする際に、不要部分の除去にはウェットエッチングを用いるのが好ましい。
なお、絶縁体層224、234、244および第4の膜部514、524、534は、同一の成膜工程で一括形成される。
次いで、絶縁体層224、234、244上に第2の下地層225、235、245を形成すると共に、第4の膜部514、524、534上に第5の膜部515、525、535を形成する。
この第2の下地層225、235、245および第5の膜部515、525、535の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特にスパッタリング法もしくは真空蒸着法)を用いるのが好ましい。また、第2の下地層225、235、245および第5の膜部515、525、535の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。
なお、第2の下地層225、235、245および第5の膜部515、525、535は、同一の成膜工程で一括形成される。
次いで、第2の下地層225、235、245上に第2の電極層226、236、246を形成すると共に、第5の膜部515、525、535上に第6の膜部516、526、536を形成する。
この第2の電極層226、236、246および第6の膜部516、526、536の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理成膜法、CVD等の化学蒸着法等の気相成膜法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、気相成膜法(特にスパッタリング法もしくは真空蒸着法)を用いるのが好ましい。また、第2の電極層226、236、246および第6の膜部516、526、536の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。
その後、必要に応じて、前述したような周波数調整を行う。
なお、この周波数調整は、振動片2をパッケージ3内に収納する前に行ってもよいし、振動片2をパッケージ3内に収納した後に行ってもよい。
以上、振動片2の構成および製造方法について説明したが、振動片2の構成については、本実施形態に限定されない。
この観点からすれば、圧電体素子22を構成する各層(特に、第1の電極層222および第2の電極層226)の構成材料をそれぞれ異ならせることが好ましい。これにより、質量部51の構成の選択の自由度が増加し、質量部51の質量をより適したものとすることができる。
次に、振動片2を収容・固定するパッケージ3について説明する。
パッケージ3は、図1に示すように、板状のベース基板31と、枠状の枠部材32と、板状の蓋部材33とを有している。ベース基板31、枠部材32および蓋部材33は、下側から上側へこの順で積層されている。ベース基板31と枠部材32とは、後述のセラミック材料等で形成されており、互いに一体に焼成されることで接合されている。そして、枠部材32と蓋部材33は、接着剤あるいはろう材等により接合されている。そして、パッケージ3は、ベース基板31、枠部材32および蓋部材33で画成された内部空間Sに、振動片2を収納している。なお、パッケージ3内には、振動片2の他、振動片2を駆動する電子部品(発振回路)等を収納することもできる。
また、枠部材32および蓋部材33の構成材料としては、例えば、ベース基板31と同様の構成材料、Al、Cuのような各種金属材料、各種ガラス材料等を用いることができる。特に、蓋部材33の構成材料として、ガラス材料等の光透過性を有するものを用いた場合、振動片2をパッケージ3内に収容した後であっても、蓋部材33を介して前述した質量部にレーザーを照射し、前記金属被覆部を除去して振動片2の質量を減少させることにより(質量削減方式により)、振動片2の周波数調整を行うことができる。
また、ベース基板31の上面には、一対の電極35a、35bが内部空間Sに露出するように形成されている。
この電極35aは、例えばワイヤーボンディング技術により形成された金属ワイヤー(ボンディングワイヤー)38を介して、前述した接続電極42に電気的に接続されている。また、電極35bは、例えばワイヤーボンディング技術により形成された金属ワイヤー(ボンディングワイヤー)37を介して、前述した接続電極41に電気的に接続されている。
また、ベース基板31の下面には、4つの外部端子34a、34b、34c、34dが設けられている。
なお、パッケージ3内部に電子部品を収納した場合、ベース基板31の下面には、必要に応じて、電子部品の特性検査や、電子部品内の各種情報(例えば、振動子の温度補償情報)の書き換え(調整)を行うための書込端子が形成されていてもよい。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図6は、本発明の第2実施形態に係る質量部を説明するための断面図である。なお、図6は、図2中のA−A線断面図に対応する図である。
以下、第2実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図6に示すように、質量部51Aは、振動腕28の下面282上に設けられている。質量部51Aの構成は、前述した第1実施形態の質量部51と同様であるため、その説明を省略する。
また、以上説明したような第2実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
図7は、本発明の第3実施形態に係る質量部を説明するための断面図である。なお、図7は、図2中のA−A線断面図に対応する図である。
以下、第3実施形態について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
図7に示すように、振動腕28の上面281および下面282上に、それぞれ、質量部51Bが設けられている。各質量部51Bの構成は、前述した第1実施形態の質量部51と同様であるため、その説明を省略する。
なお、本実施形態では、一対の質量部51Bは、互いに同じ構成をなしているが、これに限定されず、互いに異なる構成であってもよい。例えば、一方の質量部51Bを第1の膜部、第2の膜部および第3の膜部で構成し、他方の膜部を第4の膜部、第5の膜部および第6の膜部で形成してもよい。
また、以上説明したような第3実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
図8は、振動腕に形成された質量部の形成位置と周波数の関係を示すグラフ、図9は、振動腕に形成する質量部の構成材料の密度と周波数が増減する境界位置の関係を示すグラフ、図10は、先端側質量部および基端側質量部の構成の一例を示す図である。
第4実施形態は、質量部の構成が異なる以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図8では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。また、本実施形態では、振動腕28上に設けられた質量部について代表的に説明するが、振動腕29、30上に設けられた質量部についても同様である。
面外振動を行う振動片2において、振動片2の共振周波数をf、振動腕28の全長をL、振動腕28の厚さ(Z軸方向の長さ)をtとすると、f∝(t/L2)という関係がある。つまり、面外振動を行う振動片2の共振周波数は、振動腕28の振動方向の厚みtに比例し、振動腕28の全長Lの二乗に反比例する。
このような現象は、次の理由から生じるものであると推測される。すなわち、振動腕の長さ方向の中央部付近を境にして、振動腕の先端側では、質量部の錘効果が支配的となり、質量部の除去により周波数は高くなる方向に変化する。一方、振動腕の長さ方向の中央部付近から基端側では、厚み効果が支配的となり、質量部の除去により周波数は低くなる方向に変化する。このように、質量部が金で構成されている場合、振動腕の長さ方向のほぼ中央部に周波数変化の方向が異なる境界が存在する。
例えば、質量部をAuで構成した場合、その密度は、19.3(103kg/m3)であり、境界位置は、振動腕の基端からおよそ0.43Lの位置にあり、振動腕の長さ方向の中央よりも基端側に位置している。また、質量部SiO2で構成した場合、その密度は、2.20(103kg/m3)と前述のAuよりも小さく、境界位置は、振動腕の始端からおよそ0.6Lの位置にあり、振動腕の長さ方向の中央よりも先端側に位置している。
このような基端側質量部51Cbは、振動腕28の長さ方向の中央より先端側に設けられている。これにより、圧電体素子22(第1の電極層222および第2の電極層226)を振動腕28の中央付近(1/2L)まで長く形成することができる。そのため、振動片のCI値の増大を防止でき、振動片2の振動特性が優れたものとなる。
ここで、先端側質量部51Caおよび基端側質量部51Cbは、それぞれ、圧電体素子22を構成する各層のうちの少なくとも1つの層と同じ構成材料で構成されている。そのため、先端側質量部51CaをD>8.92である材料で構成された部分を有するものとし、基端側質量部51Cbを2.20≦D≦8.92である材料で構成する場合には、圧電体素子22を構成する複数の層に、D>8.92である材料で構成された層と、2.20≦D≦8.92である材料で構成された層とが少なくとも1つずつ含まれている必要がある。
次に、本実施形態の振動片2の周波数調整方法について説明する。なお、以下では、振動腕28の周波数調整を代表的に説明するが、振動腕29、30の周波数調整も振動腕28の周波数調整と同様である。
振動片2の周波数調整方法は、[1]振動片2(周波数調整前)を用意する工程と、[2]先端側質量部51Caを除去することによる周波数粗調整工程と、[3]基端側質量部51Cbを除去することにより周波数微調整工程とを有する。
[1]
まず、周波数調整前(未調整)の振動片2を用意する。
このとき、振動腕28上には、先端側質量部51Caおよび基端側質量部51Cbが設けられている。また、このとき、振動腕28の周波数(共振周波数)は、目標とする周波数(共振周波数)に対して低くなるように設定されている。
(粗調整)
まず、エネルギー線の照射により、先端側質量部51Caの一部または全部を必要に応じて除去する。なお、この粗調整において除去される先端側質量部51Caの形状、部位およびその除去量は、必要に応じて適宜設定されるものであり、例えば、先端側質量部51Caの一部をレーザー光の照射により除去した場合、先端側質量部51Caの除去された部分は、ライン状、ドット状等の形状をなす。
このような粗調整により、先端側質量部51Caの質量を減少させることができ、振動腕28の周波数が高まる。また、この粗調整は、振動腕28の周波数(共振周波数)が後述する微調整で調整可能な範囲内となるように目標とする周波数(共振周波数)に対して若干低くなるように行われる。
(微調整)
まず、エネルギー線の照射により、基端側質量部51Cbの先端側の部分の一部または全部を必要に応じて除去する。当該部分を除去することにより、前述したように、振動腕28の周波数(共振周波数)を微少に高めることができる。そして、振動腕28の周波数(共振周波数)を所定の値と一致させる。
なお、先端側から中央部に向かうに連れて、基端側質量部51Cbの除去量に対する周波数の変化量が小さくなるため、より高精度な周波数調整が必要な場合には、中央部よりの部位を除去することが効果的である。
以上説明したような第4実施形態によっても、前述した第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
以上説明したような各実施形態の振動片は、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。
図11は、本発明の振動片を備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。
この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このようなパーソナルコンピューター1100には、フィルタ、共振器、基準クロック等として機能する振動子1が内蔵されている。
この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。
このような携帯電話機1200には、フィルタ、共振器等として機能する振動子1が内蔵されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリ1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。
なお、本発明の振動片を備える電子機器は、図11のパーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図12の携帯電話機、図13のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレーター等に適用することができる。
例えば、前述した実施形態では、振動片が3つの振動腕を有する場合を例に説明したが、振動腕の数は、1つまたは2つであってもよいし、4つ以上であってもよい。
また、本発明の振動デバイスは、振動片に発振回路を接続することにより、水晶発振器(SPXO)、電圧制御水晶発振器(VCXO)、温度補償水晶発振器(TCXO)、恒温槽付水晶発振器(OCXO)等の圧電発振器の他、ジャイロセンサー等に適用される。
Claims (14)
- 第1の方向と該第1の方向に直交する第2の方向とを含む平面上に設けられた基部と、
前記基部から前記第1の方向に延出し、前記平面の法線方向に屈曲振動する振動腕と、
前記振動腕に設けられ、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子と、
前記振動腕に設けられた質量部と、を有し、
前記圧電体素子は、少なくとも、第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する圧電体層とを有し、
前記質量部は、少なくとも1つの膜部を有し、
前記膜部は、前記圧電体素子を構成する層のうちのいずれか1つの層と同じ材料で構成されたことを特徴とする振動片。 - 前記圧電体素子は、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する絶縁体層を有したことを特徴とする請求項1に記載の振動片。
- 前記圧電体素子は、前記振動腕と前記第1の電極層との間に位置する下地層を有したことを特徴とする請求項2に記載の振動片。
- 前記質量部の厚さは、前記圧電体素子の厚さ以下であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の振動片。
- 前記質量部は、前記振動腕の先端側に設けられた先端側質量部と、前記先端側質量部よりも基端側に設けられた基端側質量部と、を有したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一項に記載の振動片。
- 前記基端側質量部は、前記振動腕の基端から前記第1の方向の全長の1/2を超えた領域に設けられており、かつ、密度が2.20(103kg/m3)以上、8.92(103kg/m3)以下の材料で構成されたことを特徴とする請求項5に記載の振動片。
- 前記先端側質量部は、密度が8.92(103kg/m3)より大きい材料で構成された部分を有したことを特徴とする請求項5または6に記載の振動片。
- 前記第1の電極層および前記第2の電極層は、異なる材料で構成されたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の振動片。
- 前記振動腕は、前記平面に対し水平な第1面と、該第1面に対向する第2面と、を有し、
前記質量部は、前記第1面および前記第2面の少なくとも一方の面上に設けられたことを特徴とする請求項1ないし8のいずれか一項に記載の振動片。 - 前記振動腕は、前記第2の方向に複数並んで設けられ、隣り合う2つの前記振動腕が互いに反対方向に屈曲振動することを特徴とする請求項1ないし9のいずれか一項に記載の振動片。
- 第1の方向と該第1の方向に直交する第2の方向とを含む平面上に形成される基部と、
前記基部から前記第1の方向に延出し、前記平面の法線方向に屈曲振動する振動腕と、
前記振動腕に設けられ、少なくとも第1の電極層と、第2の電極層と、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に位置する圧電体層とを有し、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子と、前記振動腕に設けられた質量部とを有する振動片の製造方法であって、
前記質量部は、前記圧電体素子と一括して形成されることを特徴とする振動片の製造方法。 - 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片を収納したパッケージと、を備えたことを特徴とする振動子。 - 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動片と、
前記振動片に接続された発振回路と、を備えたことを特徴とする振動デバイス。 - 請求項1ないし10のいずれか一項に記載の振動片を備えたことを特徴とする電子機器。
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