JP7448901B2

JP7448901B2 - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP7448901B2
Application number: JP2022133037A
Authority: JP
Inventors: 正積窪田; 隆司松本; 雄一佐藤; 朋仁阿部
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2022-08-24
Publication date: 2024-03-13
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: JP7265384B2; JP2020155808A; JP2022162064A

Description

本発明は、厚みすべり振動で振動する圧電振動子に関する。

圧電デバイスに対する特性改善の要求は益々高まっている。例えば、高精度の温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）では、水晶振動子自体の周波数温度特性を測定してこの温度特性を高次の関数、例えば４次から７次等の関数で近似し、この近似式にしたがい周波数を補償して、ＴＣＸＯからの出力の温度特性を限りなく平坦にしたいという要求がある。このような要求を満たすためには、水晶振動子自体の周波数温度特性に関する近似曲線は相関係数が１となるものが理想である。しかし、実際には、種々の温度で実際の周波数が近似曲線から外れる現象、いわゆる周波数ディップが生じる。

周波数ディップを抑制するための技術として、例えば、この出願の出願人に係る特許文献１に開示された技術がある。具体的には、圧電片の第１主面に設けた第１引出電極及び第２主面に設けた第２引出電極各々に対し、この圧電片を挟んだ反対領域に、不要振動抑制電極を設けた技術である。
この技術によれば、この構造を用いない場合に比べ、周波数ディップの絶対値を抑制できる。

特開２０１８－１３７７１５号公報

特許文献１に開示された技術によれば、周波数ディップの絶対値の抑制はできる。しかし、周波数ディップが仕様を超えて問題となる大きさになる温度（以下、周波数ディップ発生温度と略称することもある）を変えることは、出来なかった。周波数ディップ発生温度を変えられる技術があれば、圧電デバイスの設計手法として有用である。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的は、周波数ディップ発生温度を制御できる新規な構造を有した圧電デバイスを提供することにある。

この目的の達成を図るため、この出願の圧電デバイスによれば、圧電片と、この圧電片の表裏に設けた励振用電極と、を備える圧電デバイスにおいて、
前記圧電片の表裏の領域であって、前記表裏の励振用電極の縁から距離Ｇだけ離れた少なくとも一部領域上に、表裏で電気的に接続されている、導電性膜を具え、
前記距離Ｇは、周波数ディップが仕様を超えて問題となる大きさになる温度を調整する距離としてあることを特徴とする。
なお、導電性膜を圧電片の複数個所に設ける場合、ここで言う距離Ｇとは、各々の導電性膜ごとに同じ場合も、異なる場合もある。すなわち、周波数ディップ発生温度をどの辺りの温度に調整したいかに応じて、同じ距離になる場合もあれば、異なる距離になる場合もある。

この出願の圧電デバイスによれば、周波数ディップ発生温度を制御できる。

（Ａ）、（Ｂ）は、第1の実施形態の圧電デバイス１０の説明図である。（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、第１の実施形態の圧電デバイス１０の試作結果の説明図である。第１の実施形態の圧電デバイス１０の試作結果の図２に続く説明図である。他の実施形態の圧電デバイス５０の説明図である。（Ａ）はさらに他の実施形態の圧電デバイス６０の説明図、（Ｂ）はさらに他の実施形態の圧電デバイス７０の説明図であるさらに他の実施形態の圧電デバイス８０の説明図である。

以下、図面を参照してこの出願の各発明の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれら発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の実施形態中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１．第1の実施形態の圧電デバイス
１－１．圧電デバイスの構造
図１は、第1の実施形態の圧電デバイス１０の構造を説明する図である。特に図１（Ａ）は圧電デバイス１０の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＰ－Ｐ線に沿った断面図である。なお、図１（Ａ）では、図１（Ｂ））に示した蓋部材２１の図示を省略してある。

この圧電デバイス１０は、圧電片１１と、第１励振用電極１３ａと、第１引出電極１３ｂと、第２励振用電極１３ｃと、第２引出電極１３ｄと、導電性膜１５と、容器１７と、導電性接着剤１９と、蓋部材２１と、を具える。以下、これらの構成成分について詳述する。

圧電片１１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片である。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。この実施形態の場合、圧電片１１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。より具体的には、圧電片１１は、水晶のＸ軸方向に沿う辺を長辺、水晶のＺ′軸に沿う辺を短辺とする、いわゆるＸロングの水晶片としてある。ただし、いわゆるＺ′ロングの水晶片を用いても良い。また、平面視で四角形状でない水晶片、例えば楕円形状とか円形状のものを用いても良いが、四角形状のものが好ましい。

また、第１励振用電極１３ａを、圧電片１１の一方の主面に設けてあり、第２励振用電極１３ｃを、圧電片１１の他方の主面に設けてある。第１励振用電極１３ａと、第２励振用電極１３ｃとは、圧電片１１を挟んで対向するよう設けてある。また、第１引出電極１３ｂを、第１励振用電極１３ａの一部分から圧電片１１の一方の短辺の側に、引き出してある。また、第２引出電極１３ｄを、第２励振用電極１３ｃの一部分から圧電片１１の前記一方の短辺の側に、引き出してある。これら励振用電極及び引出電極は、任意好適な金属膜で構成できる。

また、導電性膜１５を、圧電片１１の表裏の領域であって、第１励振用電極１３ａ及び第２励振用電極１３ｃ各々の縁から距離Ｇだけ離れた少なくとも一部領域上に設けてある。この実施形態の場合は、圧電片１１の短辺に沿った方向で、励振用電極１３ａ，１３ｃ各々の両側の縁から距離Ｇ離れた位置に、導電性膜１５を設けてある。
表裏に設けた導電性膜１５は、圧電片１１の側面を経て互いに電気的に接続してある。導電性膜１５は典型的には金属膜であり、より典型的には、第１、第２励振用電極１３ａ、１３ｃと同じ材料の金属膜である。

第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５は、同時に形成するのが良い。具体的には、第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５に対応する箇所が開口部とされたメッキ枠を用いて、スパッタ装置又は蒸着装置等の任意好適な成膜装置によって電極形成用の金属膜を圧電片１１に付着させて、第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５を圧電片１１上に同時に形成するのが良い。又は、圧電ウエハに対し、第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５を形成するための金属膜を付着させ、この金属膜を公知の成膜技術及びフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングして、第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５を同時に形成し、その後、圧電ウエハから各圧電片を個片化しても良い。

第１励振用電極１３ａ、第２励振用電極１３ｃ及び導電性膜１５を同時に形成すると、そうしない場合に比べて、距離Ｇを安定に形成できるからである。すなわち、詳細は後述するが、周波数ディップ発生温度の調整に寄与する距離Ｇを、精度良く制御できるので、結果的に、周波数ディップ発生温度の調整を制御良く行うことができるからである。

また、容器１７は、この場合、凹部１７ａと、接続パッド１７ｂと、外部端子１７ｃとを具えるものである。例えば公知のセラミックパッケージである。
凹部１７ａは、圧電片１１を収納する形状及び大きさとなっている。接続パッド１７ｂは、圧電片１１の１つの辺の両端付近で圧電片１１を保持できるように、容器１１の凹部１１ａの所定位置に設けてある。外部端子１７ｃは、容器１７の外側底面に設けてある。接続パッド１７ｂと外部端子１７ｃとは、容器１７に設けた図示しないビア配線により電気的に接続してある。
圧電片１１は、その１つの辺の両端付近でかつ第１、第２引出電極１３ｂ、１３ｄの端部の位置で、導電性接着剤１９によって、容器１７の接続パッド１７ｂに電気的・機械的に接続固定してある。すなわち、圧電片１１は、片持ち支持構造で容器１７に固定してある。そして、この容器１７を蓋部材２１によって封止してある。

１－２．導電性膜１５の効果
次に、導電性膜１５の効果について、実験結果を参照しながら説明する。
圧電デバイス１０では、図示しない発振回路及び第１及び第２励振用電極１３ａ、１３ｃによって、厚みすべり振動が励起される。この振動は、原理的には、圧電片１１の励振用電極の領域内に閉じ込められて持続する。しかし、振動の一部が圧電片１１の縁まで及ぶことが多く、このような場合に、励振用電極の縁から圧電片１１の縁までの距離如何によっては、振動の不要な反射が生じて主振動の弊害になる不要振動が生じる。例えば、圧電片１１の表裏に設けた励振用電極の位置が所定位置からずれて、励振用電極の縁から圧電片の縁までの距離が所定距離から変動する等が起きた場合に、不要振動が生じる。具体例としては、励振用電極形成時のメッキ枠の圧電片に対する位置ズレ、又は、圧電片自体の加工バラツキによる外形寸法や形状のバラツキ等によって、励振用電極の縁から圧電片の縁までの距離が所定距離から変動する等が起きて、不要振動は生じる。

このような時、本発明では、第１及び第２励振用電極１３ａ、１３ｃの縁から距離Ｇだけ離して導電性膜１５を設けてあるので、この導電性膜１５が、不要振動の抑圧効果を示す。すなわち、励振用電極１３ａ、１３ｃと導電性膜１５との間の距離Ｇを変えることによって、周波数ディップの発生温度を調整できる。

上記した導電性膜１５の効果の理解を深めるために、圧電デバイス１０の試作結果によって、上記効果をさらに説明する。
図１を用いて説明した圧電デバイス１０であって、各部の寸法を以下に説明する寸法とした試作をした。
図１（Ａ）に示したように、圧電片１１のＸ寸法Ｘｓ＝４ｍｍ、圧電片１１のＺ′寸法Ｚｓ＝１．８５ｍｍ、第１及び第２励振用電極１３ａ，１３ｃのＸ寸法Ｘｅ＝１．４ｍｍ、第１及び第２励振用電極１３ａ，１３ｃのＺ′寸法Ｚｅ＝０．９６ｍｍ、発振周波数＝３８．８８ＭＨｚの圧電デバイスを試作した。なお、励振用電極１３ａ、１３ｃは、圧電片１１に対し、圧電片１１の先端側に、ａだけ具体的には、０．３５ｍｍだけ偏芯させた。なお、励振用電極１３ａ、１３ｃと導電性膜１５との距離Ｇについては、Ｇ＝０．１３ｍｍ、Ｇ＝０．２１ｍｍ、及び、Ｇ＝０．２６ｍｍの３水準とした。なお、３水準の圧電デバイスのサンプル数は、各々１０個とした。

次に、上記の３種類の圧電デバイス全部について、－４０℃から１０５℃の範囲で、１℃ステップで周波数温度特性を各々測定した。さらに、それぞれの圧電デバイスの上記測定した温度特性について、最少二乗法により４次関数による近似式を求めた。さらに、それぞれの圧電デバイスについて、各測定温度毎の上記近似式上の周波数と実際の測定周波数との差Δｆを求め、このΔｆを発振周波数Ｆで除した数値Δｆ／Ｆ（以下、これを周波数ディップ（周波数Ｄｉｐ）という。単位：ｐｐｍ）を求めた。
図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、横軸に温度をとり、縦軸に周波数ディップをとり、上記の３水準の試作品の周波数ディップをプロットした図である。ただし、図が煩雑になるのを防ぐために、図では、全ての試作品のプロット図は示しておらず、各水準ごとに、数個の試作品の周波数ディップをプロットしてある。

また、周波数ディップが絶対値で０．４ｐｐｍを越えた最初の温度を、周波数ディップ発生温度と定義して、測定した３０個の試作品の周波数ディップデータから、各試作品の周波数ディップ発生温度を抽出した。この抽出結果を下記の表１に示した。なお、判断基準値を０．４ｐｐｍとしたのは、あくまで一例である。

また、図３に、横軸に距離Ｇをとり、縦軸に温度をとって、３０個の試作品の周波数ディップ発生温度と距離Ｇとの関係を示した。
図２、図３、表1から、距離Ｇと周波数ディップ発生温度との間には、相関があることが分かる。具体的には、距離Ｇ＝０．１３ｍｍの試作品１０個の周波数ディップ発生温度の平均値は８２．６℃、距離Ｇ＝０．２１ｍｍの試作品１０個の周波数ディップ発生温度の平均値は４９．２℃、距離Ｇ＝０．２６ｍｍの試作品１０個の周波数ディップ発生温度の平均値は３０．３℃である。距離Ｇが小さくなるに従い、周波数ディップ発生温度は高温側に変化することが分かる。このことから、励振用電極１３ａ、１３ｃと導電性膜１５との距離Ｇを変えることによって、周波数ディップ発生温度を調整できることが分かる。

２．他の実施形態
第１の実施形態では、導電性膜１５は、励振用電極１３ａ、１３ｃに対し、水晶のＺ′軸方向に沿う側に設けていた。従って、上記の場合は、水晶のＺ′軸方向を伝搬した波の反射に起因する不要モードの抑制に特に有効である。しかし、圧電デバイスでは、水晶のＸ軸方向に沿って伝搬する波に起因する不要モードも生じる。従って、導電性膜１５を設ける領域は、不要モードに応じて種々に変更できる。以下、いくつかの実施形態を示す。

図４は、他の実地形態の圧電デバイス５０を示した平面図である。この実施形態の圧電デバイス５０の場合、周波数ディップ発生温度調整のための導電性膜１５ａを、圧電片１１の先端側であって、励振用電極１３ａ、１３ｃから距離Ｇだけ離れた領域に設けてある。ただし、既に述べたことであるが、距離Ｇは、周波数ディップ発生温度をどの辺りに調整するかで設定される値であり、上記の第１の実施形態での値とは限らない（以下の他の実施形態の圧電デバイスにおいて同じ）。

図５（Ａ）は、さらに他の実地形態の圧電デバイス６０を示した平面図である。この実施形態の圧電デバイス６０の場合、周波数ディップ発生温度調整のための導電性膜１５ａを、圧電片１１の先端側であって、励振用電極１３ａ、１３ｃから距離Ｇだけ離れた領域に、図４同様に設けてあると共に、周波数ディップ発生温度調整のための導電性膜１５ｂを、圧電片１１の導電性接着剤による支持側であって、励振用電極１３ａ、１３ｃから距離Ｇだけ離れた領域に設けてある。

図５（Ｂ）は、さらに他の実地形態の圧電デバイス７０を示した平面図である。この実施形態の圧電デバイス７０の場合、図１に示した構造と、図５（Ａ）に示した構造とを合わせた構造により、導電性膜１５，１５ａ、１５ｂを設けた例である。圧電片のＺ′方向及びＸ方向それぞれの不要モード抑制に有効である。なお、既に述べたことであるが、導電性膜１５，１５ａ、１５ｂ間において、距離Ｇは同じ場合も、異なる場合もある。また、例えば、左右の導電性膜１５間において、距離Ｇが異なる場合もあり得る（第１の実施形態においても同じ）。

上述した各実施形態は、片持ち構造の圧電デバイスに本発明を適用した例であった。しかし、本発明は、図６に示したように、圧電片を対向する２つの端で保持するいわゆる両持ち構造の圧電デバイスに対しても適用できる。その場合は、圧電片１１の導電性接着剤１９で支持していない２つの辺側に、励振用電極１３ａ（１３ｃ）から距離Ｇ離れた領域に導電性膜１５ｃを各々設ける。

また、上述した各実施形態の説明に用いた各図では、導電性膜１５の長さは、励振用電極の長さと同じとしていたが、設計に応じて、導電性膜１５の長さは励振用電極の長さより短い場合（図４の導電性膜１５ｂの類）があっても良く、又、長い場合があっても良い。ただし、目的からして、導電性膜１５の長さは、励振用電極の長さと同じか少し短い程度とするのが良い。また、導電性膜１５は少なくとも励振用電極の辺の中央部分と対向するような配置が良い。励振用電極の中央付近が振動強度は一番強いから、振動の漏れも励振用電極の辺の中央付近が他の領域より強いと考えることができ、従って、この領域に導電性膜１５を対向させるのが良いと考えられるからである。

また、上述した各実施形態では、容器１７は圧電片１１を収容する凹部１７ａを持つ容器としていたが、圧電版１１を載置する平板のベースと、圧電片１１を包含する凹部を有したキャップ状の蓋部材とで容器を構成した圧電デバイスに対しても本発明は勿論適用できる。

１０：第１の実施形態の圧電デバイス、
１３ａ：第１励振用電極、１３ｂ：第１引出電極、
１３ｃ：第２励振用電極、１３ｄ：第２引出電極、
１５，１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：導電性膜（周波数ディップ発生温度調整用の膜）
１７：容器、１７ａ凹部、
１７ｂ：接続パッド、１７ｃ：外部端子、
１９：導電性接着剤、２１：蓋部材、
５０，６０，７０，８０：他の実施形態の圧電デバイス

Claims

水晶のＸ軸に沿う辺を長辺、水晶のＺ′軸に沿う辺を短辺とする平面視長方形状のＡＴカットの水晶片と、前記水晶片の表裏に設けられ平面視四角形状の励振用電極と、を備える圧電デバイスにおいて、
前記ＡＴカットの水晶片は、前記長辺が４ｍｍ、前記短辺が１．８５ｍｍ、前記励振用電極の前記長辺に沿う寸法が１．４ｍｍ、前記励振用電極の前記短辺に沿う寸法が０．９６ｍｍ、発振周波数が３８．８８ＭＨｚのものであり、
前記水晶片の表裏の領域であって、対向する１対の前記長辺に沿っていてかつ前記表裏の励振用電極の縁から０．１３～０．２１ｍｍの間隔Ｇをもって離れた領域に配置された導電性膜を備えることを特徴とする圧電デバイス。
前記表裏に設けられた導電性膜は、前記水晶片の側面を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
前記導電性膜は、前記励振用電極と同じ材料から成る金属膜であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。