JP5034540B2 - 圧電振動子、発振器 - Google Patents
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Description
法に関する。
れている。電子機器の小型化に対応してこれらの圧電振動子の小型化が要求されている。
圧電振動子を単純に小型化していくとCI値が上昇しQ値が低下する。CI値を上昇さ
せない構造としては、振動片に圧電体膜を形成し、この圧電体膜を駆動する方法がある。
、第2の電極と、これら電極上それぞれに設けられた第1、第2の圧電体膜と、これら圧
電体膜上のそれぞれに設けられた第3、第4の電極とを備え、第3、第4の電極に互いに
逆相の交流電圧を印加することにより音叉が屈曲振動する薄膜微小機械式共振子が提案さ
れている(例えば、特許文献1参照)。
音叉型振動子というものも知られている(例えば、非特許文献1参照)。
ン等からなる音叉を励振している。このような構造では、音叉を駆動する駆動力を得るた
めに圧電体薄膜の厚さを数μm程度にしなければならず、コンデンサ容量が大きくなり、
常に信号を発生させるクロック信号用途等では、消費電力が大きくなってしまうという課
題を有している。
ルコン酸塩等の圧電性材料であって、これらの圧電体材料は周波数温度変化量が大きい。
従って、金属またはシリコン、あるいは周波数温度変化量が小さい水晶に圧電体薄膜を付
加する構造が考えられる。しかしながら、圧電体薄膜が有する一次温度係数の影響により
周波数温度変化量が大きくなるという課題を有している。
子と、この圧電振動子の製造方法を提供することである。
電体薄膜素子との総合コンデンサ容量を小さくすることができ、このことから消費電力を
増加させずに、圧電振動子の小型化を図ることができる。
設け、圧電体薄膜の一次温度係数を打ち消しているので、圧電体薄膜を設けることによる
圧電振動子の一次の周波数温度変化量への影響を低減することができ、高精度な圧電振動
子を実現できる。
は、詳しくは後述する実施形態で説明するが、温度補償膜の厚さに対する一次の周波数温
度変化量が鈍感なため、一次の周波数温度変化量の微調整を容易に行えるという利点があ
る。また、温度補償膜の成膜が容易であり、量産安定性に優れる。
振動腕と、前記一対の振動腕それぞれの対向する主面または側面に設けられる互いに異極
となる励振電極と、を有する圧電振動片と、前記圧電振動片と直列接続され、前記対向す
る主面または側面の少なくとも一つの表面に設けられる圧電体薄膜と、該圧電体薄膜の表
面に設けられ、前記圧電体薄膜の一次温度係数とは逆の一次温度係数を有する温度補償膜
と、該温度補償膜の表面に設けられる励振電極とを有する圧電体薄膜素子と、が備えられ
ていることを特徴とする。
に、詳しくは後述する実施形態で説明するが、前述したような励振電極の上面に温度補償
膜を形成する構造よりも温度補償膜の厚さに対する一次の周波数温度変化量が敏感となる
ため、より薄い成膜で広い範囲の一次の周波数温度変化量の調整が可能であり、成膜の生
産性が高いという利点ある。
従って、圧電体薄膜を用いる構造であっても、上述したような温度補償膜を設けることに
より、水晶が本来有する優れた周波数温度特性を活用することができる。
ではあるがくずれることが予測される。そこで、圧電体薄膜及び温度補償膜の付加質量に
対応したバランス質量を付加することにより、振動腕の振動バランスをとり、高精度な振
動特性を維持することができる。
と、前記圧電体薄膜の表面に温度補償膜を形成する工程と、前記温度補償膜の膜厚さを調
整して一次温度係数を調整する工程と、を含むことを特徴とする。
って、温度補償膜の厚さを増減することにより、圧電振動子を適正な一次温度係数に合わ
せ込むことができる。
図1〜図7は本発明の実施形態1に係る圧電振動子を示し、図8〜図10は実施形態2
、図11は実施形態3、図12は実施形態4、図13は実施形態5を示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際
のものとは異なる模式図である。
(実施形態1)
−A切断面を示す断面図及び各電極の接続説明図である。なお、本発明の圧電振動子の材
質としては、圧電性能を有するものであれば限定されずに適合できるが、以下の実施形態
では、圧電振動子として周波数温度特性に優れる水晶振動子を例示して説明する。図1、
図2において、水晶振動子10は、水晶振動片20の表面に複数の電極と、圧電体薄膜素
子100,101と、圧電体薄膜素子100,101それぞれの上面に設けられる温度補
償膜110,111と、を有して構成されている。
0,40を有した音叉型振動子である。そして、基部21の振動腕30,40の延在方向
とは逆方向に支持部22が設けられている。振動腕30,40は、中心線C0に対して対
称形である。また、水晶振動片20は、結晶軸方向をX軸方向にして切り出されている。
、KN、LN、LT等から選択することができ、本実施形態では、水晶よりも誘電率が大
きく、しかもその差が大きい材料、ヤング率が大きい材料、電気機械結合係数K2が大き
い材料を選択する。
テリル、酸化ジルコニウム等を採用でき、圧電体薄膜71,72の一次温度係数に対して
逆の一次温度係数を有するものから選択する。具体的には、圧電体薄膜71,72が負の
一次温度係数を有するとき、温度補償膜110,111は正の一次温度係数を有する。
れる。また、これらの電極とは互いに異極となる電極52,54,58,60,56及び
接続端子94は、接続電極92によって接続されている。そして、接続端子93,94に
それぞれ互いに逆相の交流電圧を印加することで、振動腕30,40がX軸方向に屈曲振
動する。従って、電極51〜60は、水晶振動片20の励振電極である。
回路図である。図3において、発振器80は、増幅回路81と帰還回路82とを含んでい
る。
は、ドレイン抵抗85とコンデンサ86,87と水晶振動子10を含んで構成されている
。水晶振動子10は、水晶振動片20と圧電体薄膜素子100,101とが直列に接続さ
れている(図2も参照する)。
り、水晶振動片20と圧電体薄膜素子100,101とが同一振動モードで振動する発振
器80を形成することができる。
図4は、水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図である。なお、図4は、図1の
A−A切断面を表している。
図4(a)を参照して第1の状態を説明する。電極51,53,55,57,59には
マイナス(−)電位を印加し、電極52,54,56,58,60にはプラス(+)電位
を印加する。ここで、振動腕30,40の水晶の結晶軸方向を矢印Dで表し、圧電体薄膜
71,72の分極方向を矢印P0で表している。
て挟まれた圧電体薄膜素子100が形成された状態であり(水晶を一部介在する)、電極
55にマイナス電位、電極54にプラス電位を印加すると厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(
X軸)方向及び長さ(Y軸)方向に伸びる。
振動腕30を矢印F1方向に変位しようとする。振動腕30は、電極それぞれに電圧を印
加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢印F1方向に変位しようとするため、振動
腕30は圧電体薄膜素子100と共に、矢印F1方向に変位する。
挟まれた圧電体薄膜素子101が形成された状態であり(水晶を一部介在する)、電極6
0にプラス電位、電極59にマイナス電位を印加すると厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X
軸)方向及び長さ(Y軸)方向に縮む。
振動腕40を矢印F2方向に変位しようとする。振動腕40は、電極それぞれに電圧を印
加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢印F2方向に変位しようとするため、振動
腕40は圧電体薄膜素子101と共に、矢印F2方向に変位する。
このようにして、振動腕30,40は共に、図4(b)に示すように外側方向に変位す
る。
に対して、各電極に逆相の電圧を印加した状態を示している。つまり、電極51,53,
55,57,59にはプラス(+)電位を印加し、電極52,54,56,58,60に
はマイナス(−)電位を印加する。
を印加すると、圧電体薄膜71は厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y
軸)方向に縮む。
0は、電極それぞれに電圧を印加すると第1の状態(図4(a)、参照)とは逆方向に電
界が発生し、やはり矢印F3方向に変位しようとするため、振動腕30は圧電体薄膜素子
100と共に、矢印F3方向に変位する。
を印加すると、圧電体薄膜72は厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向及び長さ(Y
軸)方向に伸びる。従って、圧電体薄膜72は、矢印F4方向に変位しようとする。振動
腕40は、電極それぞれに電圧を印加すると第1の状態(図4(a)、参照)とは逆方向
に電界が発生し、やはり矢印F4方向に変位しようとするため、振動腕40は圧電体薄膜
素子101と共に、矢印F4方向に変位する。
30,40は、X軸方向に屈曲振動を繰り返す。
それぞれの表面31,41に形成する構造を例示したが、圧電体薄膜素子100,101
を、裏面32,42に形成する構造としてもよい。この際、電極51と電極53、電極5
6と電極58とを入れ替える構成とする。
図5は、温度補償膜110,111の温度と一次の周波数温度変化量との関係、つまり
、一次温度係数を模式的に表すグラフである。ここで、圧電体薄膜71,72の一次温度
係数df/fは負の傾き(具体的には−40ppm/deg)を有している。従って、温
度補償膜110,111の一次温度係数df/fを正の傾き(具体的には+40ppm/
deg)にすれば、圧電体薄膜の一次温度係数df/fを“0”にすることが可能となる
。
る。
図6は、水晶振動子の温度変化に対する周波数変化量(周波数温度特性)を模式的に表
すグラフである。図6において、水晶振動子10の周波数温度特性(図中、実線で表す)
は、頂点温度T0とする二次曲線で表される。ここで、水晶振動子10に圧電体薄膜71
,72を付加下場合に、周波数温度特性は、頂点温度T0がマイナス方向に移動して頂点
温度T1を有する二次曲線(図中、破線で表す)で表される。従って、本来の水晶振動子
周波数温度特性(頂点温度T1の二次曲線)に補償する必要が生じ、温度補償膜110,
111を設ける。なお、温度補償膜の一次温度係数は、材質とその膜厚さによって変化す
る。
さhと一次の周波数温度変化量df/fの関係を表すグラフである。ここでは、温度補償
膜110,111の材質を酸化シリコン(SiO2)とする。図7において、温度補償膜
110、111の膜厚さhが増加するに従い一次の周波数温度変化量df/fが増加する
。従って、一次の周波数温度変化量が“0”となる膜厚さh(具体的には550nm近傍
)とすれば、圧電体薄膜71,72の一次温度係数の影響を排除することができ、図6に
示す頂点温度T0の周波数温度特性を得ることができる。
1とを直列に接続し、水晶振動片20と圧電体薄膜素子100,101とを同一励振信号
で励振することにより、水晶振動片20と圧電体薄膜素子100,101とが相互に振動
を補完し合い、低周波領域において水晶振動子10の小型化を実現できる。
コンデンサ容量Cは、誘電体の面積S、厚さ(電極間距離)d、誘電率をεとすれば、C
=ε・S/dで表される。圧電体薄膜71,72の誘電率εz、水晶の誘電率εqの関係
は、それぞれの材料をεz≫εq、圧電体薄膜71,72の厚さdzと水晶振動片20の
厚さdqの関係を、dq≫dzとなるように設定している。従って、水晶振動片20のコ
ンデンサ容量Cqと圧電体薄膜71,72のコンデンサ容量Czの関係は、Cz≫Cqと
なる。
00,101とを直列に接続している。従って、水晶振動子10の総コンデンサ容量Cは
、1/C=1/Cq+1/Czで表される。ここで、Cz≫Cqとしているため、C≒C
qと考えることができる。このことから、水晶振動子10の総コンデンサ容量Cを小さく
することができ、消費電力を増加させずに、水晶振動子の小型化を実現できる。
気機械結合係数よりも大きい。性能指数MはM≒K2・Qで表すことができ、圧電体薄膜
素子100,101の電気機械結合係数(K2で表される)を水晶よりも大きくすること
で、圧電体薄膜素子100,101の性能指数Mが高くなる。従って、電気機械結合係数
が大きいほど振動しやすいので、薄い圧電体薄膜71,72により水晶振動片20の振動
を高効率化することができる。
の表面に、圧電体薄膜71,72とは逆の一次温度係数を有する温度補償膜110,11
1を設けることによって、圧電体薄膜71,72の一次温度係数を打ち消すので、圧電体
薄膜を用いる構造であっても、水晶振動子10が本来有する優れた周波数温度特性を活用
することができる。
(実施形態2)
た実施形態1に対して、温度補償膜を圧電体薄膜と電極との間(つまり、圧電体薄膜素子
の上面)に設けることを特徴としている。従って、相違部分を中心に説明し、実施形態1
と同じ符号を附して説明する。
図8は、実施形態2に係る水晶振動子の断面図(図1のA−A切断面に相当する)及び
各電極の接続説明図である。図8において、振動腕30の表面31には圧電体薄膜71、
圧電体薄膜71の表面に温度補償膜110、温度補償膜110の表面に電極55が設けら
れている。
介在して電極55と電極54との間に挟まれた圧電体薄膜素子100を構成している。
111、温度補償膜111の上面に電極60が設けられている。
介在して電極60と電極59との間に挟まれた圧電体薄膜素子101を構成している。
行われており、接続端子93,94に交流電圧を印加することで、振動腕30,40が屈
曲振動する。
第1の状態を説明する。電極51,53,55,57,59にはマイナス(−)電位を印
加し、電極52,54,56,58,60にはプラス(+)電位を印加する。ここで、振
動腕30,40の水晶の結晶軸方向を矢印Dで表し、圧電体薄膜71,72の分極方向を
矢印P0で表している。
位を印加すると厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸)方向に伸びる
。
めに、振動腕30を矢印F1方向に変位しようとする。振動腕30は、電極それぞれに電
圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢印F1方向に変位しようとするため
、振動腕30は圧電体薄膜素子100と共に、矢印F1方向に変位する。
を印加すると厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸)方向に縮む。
めに、振動腕40を矢印F2方向に変位しようとする。振動腕40は、電極それぞれに電
圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢印F2方向に変位しようとするため
、振動腕40は圧電体薄膜素子101と共に、矢印F2方向に変位する。
このようにして、振動腕30,40は共に、図9(b)に示すように外側方向(矢印F
1,F2方向)に変位する。
に対して、各電極に逆相の電圧を印加した状態を示している。つまり、電極51,53,
55,57,59にはプラス(+)電位を印加し、電極52,54,56,58,60に
はマイナス(−)電位を印加する。
を印加すると、圧電体薄膜71は厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y
軸)方向に縮む。
とする。振動腕30は、電極それぞれに電圧を印加すると図9の矢印Eとは逆方向に電界
が発生し、やはり矢印F3方向に変位しようとするため、振動腕30は圧電体薄膜素子1
00と共に、矢印F3方向に変位する。
を印加すると、圧電体薄膜72は厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向及び長さ(Y
軸)方向に伸びる。
電極それぞれに電圧を印加すると図9の矢印Eとは逆方向に電界が発生し、やはり矢印F
4方向に変位しようとするため、振動腕40は圧電体薄膜素子101と共に、矢印F4方向
に変位する。
と振動腕30,40は、図9(b)に示すようにX軸方向に屈曲振動を繰り返す。
間に設けられる実施形態2の構成による温度補償について説明する。このような構成にお
いても温度補償膜110,111の一次温度係数は、材質とその膜厚さによって変化する
。
厚さhと一次の周波数温度変化量df/fの関係を表すグラフである。ここでは、温度補
償膜110の材質を酸化シリコン(SiO2)とする。なお、実施形態1の構成との比較
を表している。図10において、温度補償膜110,111の膜厚さhが増加するに従い
一次の周波数温度変化量が増加する。
施形態1の構成(上層から温度補償膜−電極−圧電体薄膜の構成)よりも、膜厚さに対し
て一次の周波数温度変化量(df/f)が敏感に変化する。そして、一次の周波数温度変
化量が“0”となる膜厚さh(具体的には50nm近傍)とすれば、圧電体薄膜の一次温
度係数の影響を排除することができることを示している。
態1によれば、膜厚さhに対して一次の周波数温度変化量df/fが鈍感であり、膜厚さ
hが変化しても一次の周波数温度変化量df/fが小さいので、量産安定性に優れるとい
う効果がある。
であり、膜厚さhも50nmと薄くてよい。従って、成膜時間が短縮できる他、成膜によ
る膜応力も小さくて済むため、圧電振動片の反り等の変形が発生しにくいという効果もあ
る。
さhを増減することで、図10に示すように、一次の周波数温度変化量df/f(つまり
、一次温度係数)を調整することができる。ここで、温度補償膜110,111の膜厚さ
hの調整方法を含む水晶振動子の製造方法について説明する。図示は省略する。
トリソグラフィ技術によって複数の水晶振動片20を形成する。この際、水晶振動片の基
部21または支持部22(図1、参照)を水晶基板に接続しておく。
のそれぞれの表面31,41の所定位置に第1圧電体薄膜を形成する。第1圧電体薄膜の
形成方法は、RFスパッタリング法等のPVD(Physical Vapor Dep
osition)法であてもよいし、CVD(Chemical Vapor Depo
sition)法であってもよい。また、第1圧電体薄膜の厚さは、5nm〜100nm
が好ましい。
理は、ランプ加熱、レーザー光加熱であってもよいが、400℃以下での熱処理は、温度
管理ができ温度を低温から上昇できる熱処理方法が好ましい。具体的には、より安定した
温度管理ができる熱処理炉、ホットプレート、真空チャンバ中での熱処理が好ましい。こ
の熱処理後の第1圧電体薄膜は結晶化が進んだ状態である。
、結晶化が進んだ熱処理後の第1圧電体薄膜上において結晶生長する材料であればどのよ
うな圧電体薄膜でもよいが、本実施形態では、第1圧電体薄膜と同じ材料を採用している
。
は数μmである。この第2圧電体薄膜は、熱処理後の第1圧電体薄膜を含めて圧電体薄膜
71,72となる。
体薄膜71,72それぞれの上面に形成する電極55,60は他の電極と同時形成しても
よいし、別工程で形成してもよい。
0,111はチャンバ内でPVD法またはCVD法等の成膜法で形成する。この成膜工程
の際、チャンバ内に周波数計測モニタを備え、一次温度係数をモニタしながら、一次の周
波数温度変化量が“0”になる膜厚さhを調整する。
り研削して一次の周波数温度変化量df/fが“0”になる膜厚さhを得る方法としても
よい。
して、水晶振動子10を切り離し個片化する。
11を形成し、温度補償膜110,111の上面に電極55,60を形成する。圧電体薄
膜71,72及び温度補償膜110,111の形成方法は、上述した実施形態1の方法と
同じである。また、温度補償膜110,111の成膜工程において、一次温度係数をモニ
タする。
る方法が採用できる。この方法は、振動腕30,40のそれぞれの表面31,41の所定
位置にPtまたはTiの金属薄膜を形成し、金属薄膜の表面に圧電体薄膜71,72を形
成する。圧電体薄膜71,72は、金属薄膜が存在するために良好な結晶性を有する。
表面に第1圧電体薄膜を形成し、この第1圧電体薄膜を熱処理した後、熱処理された前記
第1圧電体薄膜の表面に、第1圧電体薄膜と同一材料の第2圧電体薄膜を形成して結晶性
を改善している。その結果、優れた振動性能を得ることができる。
属薄膜の表面に圧電体薄膜71,72を形成することで、圧電体薄膜71,72の結晶性
を高めることができる他、圧電体薄膜71,72と水晶振動片20との密着性を高めるこ
とができるという効果がある。
え、チャンバ内にて一次温度係数をモニタしながら、一次の周波数温度変化量が“0”に
なる膜厚さhを得る方法により、生産性が高い水晶振動子を実現できる。
(実施形態3)
形態3は、振動腕30,40の表裏両面それぞれに圧電体薄膜素子を形成しているところ
に特徴を有している。従って、実施形態1との相違部分を中心に説明し、同じ部位には同
じ符号を附している。
図11は、実施形態3に係る水晶振動子の構成と駆動について模式的に示す断面図であ
る。なお、図11では、前述した実施形態1にて説明した圧電体薄膜−電極−温度補償膜
の構成を例示している。
図11において、振動腕30の裏面32には、圧電体薄膜素子100に対向して圧電体薄
膜素子102が形成されている。
面32から圧電体薄膜73、電極61、温度補償膜112の順に積層形成されている。
従って、圧電体薄膜73は、電極61,54によって挟まれた圧電体薄膜素子102を構
成する。
03形成され、電極56に対向して電極58が形成されている。従って、圧電体薄膜74
は、電極62,59によって挟まれた圧電体薄膜素子103を構成する。
なお、圧電体薄膜71〜74は実施形態1と同様な材料としての条件を満たし、厚さ、
平面形状も同じとする。
61にはマイナス(−)電位を印加し、電極52,54,58,62,60,56にはプ
ラス(+)電位を印加する。
ナス電位、電極54にプラス電位を印加すると厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向
及び長さ(Y軸)方向に伸びる。
られていることから、それぞれ同じように振動腕30を矢印F1方向に変位しようとする
。振動腕30は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢
印F1方向に変位しようとするため、振動腕30は圧電体薄膜素子100,102と共に
、矢印F1方向に変位する。
59にマイナス電位を印加すると厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y
軸方向)に縮む。
と厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸方向)に縮む。
られていることから、それぞれ同じように振動腕40を矢印F2方向に変位しようとする
。振動腕40は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり矢
印F2方向に変位しようとするため、振動腕40は圧電体薄膜素子101,103と共に
、矢印F2方向に変位する。
このようにして、振動腕30,40は、図9(b)に示すように外側方向(矢印F1,
F2方向)に変位する。
る。図示は省略するが。電極52,54,58,62,60,56にはマイナス電位、電
極51,53,61,55,57,59にはプラス電位の電圧を印加する。こうすること
で、圧電体薄膜71〜74の伸縮方向が図11(a)にあらわす状態とは逆方向となり、
振動腕30,40は図11(a)にて表す矢印F3,F4方向に変位する。
従って、接続端子93,94に交流電圧を印加することで、振動腕30,40は図11
(b)に表すようにX軸方向に屈曲振動を継続する。
3、及び圧電体薄膜72,74を設けることにより、水晶振動片20と圧電体薄膜素子1
00〜103とが、より一層強く相互に振動を補完し合うことができる。また、一方の主
面(表裏面のどちらか一方)に圧電体薄膜を形成する場合よりも振動バランスをとること
ができ、捩れ等の不用振動を低減することができる。
電体薄膜71〜74を設けることによる一次の周波数温度変化量df/fの影響を排除す
ることができる。
(実施形態4)
実施形態3に対して、振動腕の側面にも圧電体薄膜素子を設けていることに特徴を有して
いる。従って、実施形態3との相違部分を中心に説明し、共通部位には実施形態3と同じ
符号を附している。
図12は、実施形態4に係る水晶振動子の構成と駆動について模式的に示す断面図である
。なお、図12では、前述した実施形態1にて説明した圧電体薄膜−電極−温度補償膜の
構成を例示している。
図12において、振動腕30の外側側面33には、圧電体薄膜素子104が形成されてい
る。
30の外側側面33から圧電体薄膜75、電極63、温度補償膜114の順に積層形成さ
れている。
従って、圧電体薄膜75は、電極63と電極51,53によって挟まれた圧電体薄膜素子
104を構成する。
体薄膜素子105の構成は、圧電体薄膜素子104と同じであり、振動腕40の内側側面
44から圧電体薄膜76、電極64、温度補償膜115の順に積層形成されている。従っ
て、圧電体薄膜76は、電極64と電極56,58によって挟まれた圧電体薄膜素子10
5を構成する。
なお、圧電体薄膜71〜76は実施形態1と同様な材料としての条件を満たし、厚さ、
平面形状も同じとする。
64にはマイナス(−)電位を印加し、電極54,63,58,62,60,56にはプ
ラス(+)電位を印加する。
形態3と同じであり、厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸)方向に
伸びる。
加すると厚さ(Z軸)方向に縮み、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸)方向に伸びる。
る。振動腕30は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり
矢印F1方向に変位しようとするため、振動腕30は圧電体薄膜素子100,102,1
04と共に、矢印F1方向に変位する。
態3と同じであり、厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸方向)に縮
む。
加すると厚さ(Z軸)方向に伸び、幅(X軸)方向及び長さ(Y軸方向)に縮む。
る。振動腕40は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印E方向に電界が発生し、やはり
矢印F2方向に変位しようとするため、振動腕40は圧電体薄膜素子101,103,1
05と共に、矢印F2方向に変位する。
このようにして、振動腕30,40は、図12(b)に示すように外側方向に変位する
。
するが、電極51,53,61,55,59,64にはプラス電位、電極54,63,5
6,58,62,60にはマイナス電位の電圧を印加する。こうすることで、圧電体薄膜
71〜76の伸縮方向が図12(a)に表す方向とは逆方向となり、振動腕30,40は
矢印F3,F4方向に変位する。
従って、接続端子93,94に交流電圧を印加することで、振動腕30,40は図12
(b)に示すようにX軸方向に屈曲振動を継続する。
も圧電体薄膜75,76を設けることにより、さらに強く相互に振動を補完し合うことが
でき、水晶振動子の振動効率を高めることができる。
電体薄膜71〜76を設けることによる一次の周波数温度変化量の影響を排除することが
できる。
(実施形態5)
2では圧電体薄膜素子100,101、実施形態3では圧電体薄膜素子100〜103、
実施形態4では圧電体薄膜素子100〜105をそれぞれ備えている。
して振動腕30と振動腕40との質量バランス、あるいは、振動腕30,40それぞれの
中心線C1,C2に対する質量バランスがくずれることがある。そのことによって僅かであ
るが振動バランスがくずれることが考えられる。実施形態5では、そのような課題を解決
するためにバランス質量を付加することを特徴としている。なお、実施形態1〜実施形態
4と同じ部位には同じ符号を附している。また、バランス質量としては、圧電体薄膜と同
材質のものを採用する。
13(a)〜(c)に図示する構造は、実施形態1にて説明した温度補償膜の構成を例示
している。
図13(a)は、実施形態1(図2、参照)にて説明した構造に対してバランス質量を
付加した例を示している。図13(a)において、振動腕30には、中心線C1に対して
圧電体薄膜素子100と対称となるバランス質量77aが設けられている。つまり、バラ
ンス質量77aは、温度補償膜110と電極55と圧電体薄膜71の質量総和が、バラン
ス質量77aと電極51の質量総和と等しい。従って、振動腕30内において質量バラン
スがとれる。
ランス質量77bと電極56との積層体の質量総和は、圧電体薄膜72と電極60と温度
補償膜111の積層体の質量総和と等しく中心線C2に対して対称となり、振動腕40内
において質量バランスがとれている。
中心線C0に対しても質量バランスがとれ、振動バランスをとることができる。
している。実施形態3は、振動腕30,40の表裏両面それぞれに、圧電体薄膜素子10
0,102、圧電体薄膜素子101,103が設けられている構造である。振動腕30に
は中心線C1に対して圧電体薄膜素子100,102に対称なバランス質量77a,78
aを設け、振動腕40には中心線C2に対して圧電体薄膜素子101,103に対称とな
るバランス質量77b,78bを設けている。
により、振動腕30及び振動腕40内において質量バランスがとれると共に、振動腕30
と振動腕40との質量バランスがとれ、そのことにより振動バランスがとれる。
している。実施形態4は、振動腕30の表裏両面と側面それぞれに圧電体薄膜素子100
,102,104が設けられている構造であるので、振動腕30には中心線C1に対して
圧電体薄膜素子100,102,104それぞれに対称なバランス質量77a,78a,
79aを設ける。
05が設けられている構造であるので、中心線C2に対して圧電体薄膜素子101,10
3,105それぞれに対称なバランス質量77b,78b,79bを設けている。
質量79a,79bを設けることにより、振動腕30及び振動腕40内において質量バラ
ンスがとれると共に、振動腕30と振動腕40との質量バランスがとれ、そのことにより
振動バランスがとれる。
圧電体薄膜71,72との間に設けられる構造であり、図13(a)、図13(b)、図
13(c)で表すバランス質量77a,77b及びバランス質量78a,78b及びバラ
ンス質量79a,79bを付加することで、質量バランスをとることができる。
ンス質量を付加することにより、振動腕30,40のに振動バランスをとり、高精度な振
動特性を得ることができる。
また、バランス質量を圧電体薄膜と同材質で形成すれば、圧電体薄膜と同じ装置でバラ
ンス質量を構成することができるので、高精度のバランス質量を付加することができる。
る範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前述した実施形態1では、圧電体薄膜71,72を振動腕30,40のそれぞ
れの表面31,41に形成する構造、及び圧電体薄膜71,72を裏面32,42に形成
する構造を説明したが、振動腕30の表面31に圧電体薄膜71を形成し、振動腕40の
裏面42に圧電体薄膜72を形成してもよく、その逆にしてもよい。
いるが、バランス質量は、中心線C0,C1,C2に対して質量バランス(つまり振動バラ
ンス)がとれれば、同材質でなくてもよく、圧電体でなくてもよい。
けることにより水晶振動子の小型化と低消費電力化を実現し、さらに温度補償膜を設ける
ことにより、周波数温度変化量が小さい高精度の水晶振動子を提供できる。
…水晶振動片の表面、32,42…水晶振動片の裏面、51〜60…電極、71,72…
圧電体薄膜、110,111…温度補償膜。
Claims (4)
- 基部と、
前記基部から伸長する振動腕と、を有し、
前記振動腕は、第1面と、該第1面に対向する第2面と、前記第1面の端部と前記第2面の端部とを連結する側面と、を有し、
前記第1面および前記第2面には、前記振動腕の前記伸長する方向に第1電極が形成され、
前記側面には、前記振動腕の前記伸長する方向に第2電極が形成され、
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は、圧電体層と温度補償層と第3電極とを含む積層部が形成され、
前記積層部は前記第1電極と並列に配置され、
前記第1電極と前記第2電極とは極性が異なり、前記第1電極と前記第3電極とは極性が同じであり、
前記温度補償層の1次温度係数の符号と、前記圧電体層の1次温度係数の符号とが逆に設定されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1に記載の圧電振動子において、
前記温度補償層は、Ni−Fe合金、酸化シリコン、酸化テリル、および酸化ジルコニウムのいずれかの部材から形成されることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1または2に記載の圧電振動子において、
前記振動腕は、第1振動腕および第2振動腕を備え、
前記第1振動腕および前記第2振動腕は、前記基部から並列に伸長し、且つ電極配置が互いに同じであり、
前記第1振動腕の前記第1電極と、前記第1振動腕の前記第3電極と、前記第2振動腕の前記第2電極と、を互いに接続し、
前記第1振動腕の前記第2電極と、前記第2振動腕の前記第1電極と、前記第2振動腕の前記第3電極と、を互いに接続することを特徴とする圧電振動子。 - 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の圧電振動子と、前記圧電振動子に接続される増幅回路と、を備えた発振器。
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