JP2008022324A - 圧電振動子の支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動子を支持することによる振動漏れを抑制することができる圧電振動子の支持構造を提供する。
【解決手段】圧電振動子１０の支持構造は、屈曲振動を行う圧電振動子１０を固定部材に支持する圧電振動子の支持構造であって、基板２０と、基板２０の一方の主面に形成される下部電極３０と、下部電極３０の表面に形成される圧電体４０と、圧電体４０の表面に形成される上部電極５０と、圧電振動子１０の屈曲振動の節部６１，６２近傍において下部電極３０から外側方向に延在される支持梁３１，３２と、圧電振動子１０の屈曲振動の節部６１，６２近傍において上部電極５０から支持梁３１，３２とは反対外側方向に延在される支持梁５１，５２と、が備えられている。また、下部電極３０は、屈曲振動の中立面６０に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動子の支持構造に関し、詳しくは、屈曲振動をする圧電振動子の振動漏れを抑制する圧電振動子の支持構造に関する。

従来、一次の振動モードで屈曲振動する振動子の固定部材との支持構造において、振動子の節から振動子を延在させた支持部を備え、この支持部の振動体との結合部、固定部材との結合部との間に屈曲部を設けて振動漏れを抑制する振動子の支持構造というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、振動子が、接合された直方体の圧電体と、その対向側面それぞれに設けられた電極を含み、振動子の屈曲振動の節部において、一方の側面に設けられる電極とは離間した位置に支持部材を導電性接着剤を用いて接合して形成される振動子の支持構造というものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１３１２８０２号公報（第２，４頁、第１図） 特開２０００−１４６５９３号公報（第３頁、図１，２）

上述したような特許文献１では、振動体（圧電体）と支持部とが同じ材料にて一体で形成されていることから、支持部が硬く振動漏れが発生し易いという課題を有している。
さらに、振動体が屈曲振動する際には圧縮面と伸張面とが存在するが、振動体と支持部が同じ厚さで形成されているために、支持部においても圧縮面と伸張面とが存在することから、振動漏れを抑制することは困難である。

また、上述した特許文献２によれば、支持部材は、振動の節部に設けられているが、振動の中立面から離れた位置に固定されるため、支持部材の固定部が圧縮面または伸張面にあることになり、振動漏れは抑制できない。しかも、導電性接着剤を用いて支持部材を圧電体に固定していることから、導電接着剤が安定振動に対して影響することも考えられる。

さらに、このような支持構造では、圧電体に支持部材を固定するという工程が必要であり、工程が長くなる他、節部と支持部材との正確な位置決めが困難であるという課題も有している。

本発明の目的は、上述した課題を解決することを要旨とし、圧電振動子を支持することによる振動漏れを抑制することができる圧電振動子の支持構造を提供することである。

本発明の圧電振動子の支持構造は、固定部材に支持され、屈曲振動を行う圧電振動子の支持構造であって、前記圧電振動子が、基板と、前記基板の一方の主面に形成される下部電極と、前記下部電極の表面に形成される圧電体と、前記圧電体の表面に形成される上部電極と、前記屈曲振動の節近傍において前記下部電極から外側方向に延在される第１の支持梁と、前記屈曲振動の節近傍において前記上部電極から前記第１の支持梁とは反対外側方向に延在される第２の支持梁と、を備え、前記第１の支持梁と前記第２の支持梁によって前記固定部材に支持されていることを特徴とする。

この発明によれば、第１の支持梁と第２の支持梁とが、圧電振動子の屈曲振動の節近傍に延在されていることから、固定部材への接合による第１、第２の支持梁への振動漏れを抑制することができる。

また、第１の支持梁及び第２の支持梁はそれぞれ、下部電極または上部電極を延在して形成していることから、下部電極と第１の支持梁、上部電極と第２の支持梁とは同一製造工程にて形成するので、節の位置に対して第１、第２の支持梁を正確に形成することができる。従って、第１、第２の支持梁の位置ずれに起因する振動漏れをなくすことができ、さらに製造工程を簡素化することができる。

また、前記下部電極が、前記屈曲振動における前記圧電振動子の中立面に形成され、少なくとも前記第１の支持梁が、前記下部電極の同一平面上に延在されていることが好ましい。

圧電振動子が屈曲振動する際には圧縮面と伸張面とが存在し、圧縮面と伸張面の間には中立面が存在する。従って、下部電極及び第１の支持梁がこの中立面に形成していることにより、第１の支持梁を振動の節の位置に設けることとあわせて、振動漏れを一層抑制することができる。

また、少なくとも前記第２の支持梁が、前記上部電極と先端支持部との間に屈曲した弾性部を有していることが好ましい。
なお、弾性部としては、例えば平面方向に屈曲させる形状としても、断面方向に屈曲させる形状としてもよい。

上部電極は、前述した発明のように圧電振動子の最上層に形成されていることから、屈曲振動の際に圧縮面または伸張面となる。ここで、第２の支持梁に屈曲した弾性部を形成することにより、圧縮または伸張するときに発生する応力を弾性部にて吸収することができ、振動漏れを低減することができる。

また、前記第１の支持梁と前記第２の支持梁とが、前記中立面の延長上に延在されていることが望ましい。

このように、第１の支持梁及び第２の支持梁を振動の中立面上に延在すれば、第１の支持梁及び第２の支持梁を前述した節の位置に配設することとあわせ、第１の支持梁及び第２の支持梁を断面方向では中立面に、平面方向では節の位置に設けることで振動漏れをほとんどなくすことができる。

前記基板の前記第２の支持梁の延在方向端部に前記基板の総厚さより薄い段部が設けられ、前記段部の表面に前記圧電体の一部が段部圧電体として形成され、前記段部圧電体の表面に前記上部電極と接続する第２の支持梁が形成され、前記第２の支持梁が、前記中立面の延長上に延在されていることが好ましい。

第１の支持梁と第２の支持梁とを中立面上に形成する手段としては、基板に段部（薄い部分）を設け、この段部に下部電極、圧電体、上部電極の一部を形成して、この上部電極の一部を中立面位置とすることで、第２の支持梁を中立面の延長上に形成することができる。

また、前記第１の支持梁の前記下部電極との結合部の幅が、前記下部電極の厚さと略等しく、前記第２の支持梁の前記上部電極との結合部の幅が、前記上部電極の厚さと略等しいことが好ましい。

振動の節に支持梁を形成するとき、支持梁は、振動体を支持するために必要な構造的強度を有する。この際、支持梁を大きく（幅広く）すれば構造的強度が得られるが、振動の節以外の場所で結合することになり、節の位置近傍に支持梁を設ける構造であっても振動漏れが発生することが考えられる。そこで、第１の支持梁と第２の支持梁それぞれの幅を、下部電極または上部電極の厚さにあわせることにより、構造的強度を維持しながら振動漏れを抑制することができる。

さらに、前記中立面から前記基板の他方の主面までの厚さをｄ₁とし、前記中立面から前記上部電極の表面までの厚さをｄ₂とし、前記基板のヤング率をＥ₁、密度をρ₁とし、前記圧電体のヤング率をＥ₂、密度をρ₂としたとき、ｄ₁（Ｅ₁／ρ₁）^1/2≒ｄ₂（Ｅ₂／ρ₂）^1/2の関係にあることが望ましい。

このようにすれば、基板の材質と厚さ、圧電体の材質と厚さ、上部電極の材質と厚さ、下部電極の材質と厚さについて所望の組み合わせを選択使用することができるとともに、前述したような第１支持梁と第２支持梁を構成すれば、振動漏れが抑制された圧電振動子を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は実施形態１に係る圧電振動子を示し、図４は実施形態２、図５は実施形態２の変形例、図６，７は実施形態３を示している。
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であり、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、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）

図１は、本発明の実施形態１に係る圧電振動子を示す斜視図、図２は図１に図示する矢印Ａ方向から視認した正面図である。図１、図２において、圧電振動子１０は、基板２０の一方の主面（以降、上面と表す）に下部電極３０、下部電極の表面に圧電体４０、圧電体４０の表面に上部電極５０を積層して形成されている。

基板２０は、ＳｉＯ₂やＳｉＮ等の等方性材料からなり、本実施形態では、厚さを概ね１μｍとしている。この基板２０の上面全体にわたって下部電極３０が形成されている。

下部電極３０は、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属電極により形成されており、本実施形態では１８０〜２００ｎｍ程度の厚さとしている。下部電極３０からは第１の支持梁としての２本の支持梁３１，３２が外側方向に延在されている。従って、支持梁３１，３２の厚さは下部電極３０の厚さに一致し、幅は下部電極３０の厚さと略一致するよう設定されている。下部電極３０の表面には圧電体４０が形成されている。

圧電体４０は、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＰＺＴ（登録商標）等の圧電材料により形成されており、本実施形態では１μｍ程度の厚さに設定されている。この圧電体４０の表面には上部電極５０が面全体にわたって形成されている。

上部電極５０も上述した下部電極３０と同様にＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ等の金属電極により形成されており、厚さは１８０〜２００ｎｍ程度に設定される。そして、上部電極５０からは第２の支持梁としての２本の支持梁５１，５２が、支持梁３１，３２の延在方向とは逆方向に延在されている。従って、支持梁５１，５２の厚さは上部電極５０の厚さに一致し、幅は上部電極５０の厚さと略一致するよう設定されている。

下部電極３０と上部電極５０は励振電極であり、下部電極３０と上部電極５０に励振信号を入力することで圧電振動子１０は図３に示すような一次の振動モードにて屈曲振動する。上述したような極薄い圧電体４０、基板２０からなる圧電振動子を屈曲圧電薄膜振動子と呼ぶことがある。

図３は、本実施形態の圧電振動子１０の振動モードを模式的に表す説明図である。図３において、圧電振動子１０は、振動状態Ｆ₁，Ｆ₂で表すように屈曲振動し、不動点としての節６３，６４（または節点６３，６４と表すことがある）を有している。この際、節点６３，６４は、屈曲振動の際、圧縮または伸張しない中立面６０上に存在する。

そして、中立面６０上に下部電極３０が形成されており、節点６３，６４を断面形状の中心とする支持梁３１，３２が形成されている。支持梁５１，５２は、それぞれこの節６３，６４を通る面上、つまり節部６１，６２上から延在されている。

ここで、中立面について図２を参照してさらに詳しく説明する。中立面６０から基板２０の他方の主面（裏面）までの厚さをｄ₁とし、中立面６０から上部電極５０の表面までの厚さをｄ₂とし、基板２０のヤング率をＥ₁、密度をρ₁とし、圧電体４０のヤング率をＥ₂、密度をρ₂としたとき、ｄ₁（Ｅ₁／ρ₁）^1/2≒ｄ₂（Ｅ₂／ρ₂）^1/2の関係にある。なお、本実施形態では、基板２０と圧電体４０とが共に１μｍ程度の厚さであることに対して、下部電極３０と上部電極５０の厚さは１８０〜２００ｎｍ程度としているので、関係式においては、下部電極３０と上部電極５０を無視してもよい厚さである。従って、基板２０の厚さをｄ₁、圧電体４０の厚さをｄ₂に置き換えることができる。このような関係式にて中立面位置を求め、そこに下部電極３０を形成すれば、本発明を実現することができる。

このように形成された圧電振動子１０は、支持梁３１，３２，５１，５２によって、図示しない発振回路を含む固定部材に接合される。従って、支持梁３１，３２と支持梁５１，５２とは、固定部材に接合した際に、ほぼ同等の弾性を有するように長さが設定される。

従って、前述した実施形態１によれば、支持梁３１，３２と支持梁５１，５２とが、圧電振動子１０の屈曲振動の節部６１，６２に形成されていることから、固定部材への接合による支持梁３１，３２，５１，５２への振動漏れを抑制することができる。

また、支持梁３１，３２は下部電極３０、支持梁５１，５２は上部電極５０を延在して形成していることから、下部電極３０と支持梁３１，３２、上部電極５０と支持梁５１，５２とは同一製造工程にて形成することができるので、節部６１，６２の位置に正確に形成することができる。従って、節部６１，６２に対する支持梁３１，３２，５１，５２の位置ずれに起因する振動漏れをなくすことができ、さらに製造工程を簡素化することができる。

また、下部電極３０を中立面６０が中心となるように形成し、支持梁３１，３２を節点６３，６４から延在することから振動漏れを一層抑制することができる。

また、振動の節に支持梁を形成するとき、支持梁は、振動体を支持するために必要な構造的強度を有する。この際、支持梁を大きく（幅広く）すれば構造的強度が得られるが、振動の節以外の場所でも結合部を有することになり、節の位置近傍であっても振動漏れが発生することが考えられる。ここで、支持梁３１，３２と支持梁５１，５２それぞれの幅を、下部電極３０または上部電極５０の厚さとすることにより、構造的強度を維持しながら振動漏れを抑制することができる。

さらに、実施形態１では、中立面６０から基板２０の裏面までの厚さをｄ₁とし、中立面６０から上部電極５０の表面までの厚さをｄ₂とし、基板２０のヤング率をＥ₁、密度をρ₁とし、圧電体４０のヤング率をＥ₂、密度をρ₂としたとき、ｄ₁（Ｅ１／ρ₁）^1/2≒ｄ₂（Ｅ₂／ρ₂）^1/2の関係に設定している。このようにすれば、基板２０の材質と厚さ、圧電体４０の材質と厚さ、上部電極５０の材質と厚さ、下部電極３０の材質と厚さについて所望の組み合わせを選択使用することができるとともに、前述したような支持梁３１，３２，５１，５２を構成すれば、振動漏れが抑制された圧電振動子１０を実現することができる。
（実施形態２）

続いて、本発明の実施形態２に係る圧電振動子の支持構造について図面を参照して説明する。実施形態２は、支持梁５１，５２に屈曲形成した弾性部を設けていることに特徴を有し、他の構成は前述した実施形態１と同じであるため説明を省略し、同じ機能部位には実施形態１と同じ符号を附して説明する。
図４は、実施形態２に係る圧電振動子を示す斜視図である。図４において、支持梁５１，５２と上部電極５０との結合部５１ｃ、５２ｃと先端支持部５１ａ，５２ａとの間に、屈曲形成された弾性部５１ｂ、５２ｂとが形成されている。

弾性部５１ｂ，５２ｂは、上部電極５０と同じ平面上において屈曲形成されており、先端支持部５１ａ、５２ａは、結合部５１ｃ、５２ｃとを結ぶ直線上に形成されている。つまり、先端支持部５１ａ及び結合部５１ｃと支持梁３１とは、平面視して直線上に形成されている。
また、同様に、先端支持部５２ａ及び結合部５２ｃと支持梁３２とは、平面視して直線上に形成されている。

弾性部５１ｂ，５２ｂは、図示したようなクランク形状としても、他の形状にしてもよいが、少なくとも振動状態で捩れが発生しない形状とすることが好ましい。

従って、上述した実施形態２によれば、支持梁５１，５２に平面方向に屈曲形成された弾性部５１ｂ、５２ｂを設けることにより、圧縮または伸張するときに発生する応力を弾性部５１ｂ、５２ｂにて吸収することができ、振動漏れを低減することができる。
（実施形態２の変形例）

次に、実施形態２の変形例について図面を参照して説明する。この変形例は、支持梁５１，５２に設けられる弾性部が厚さ方向に屈曲形成されていることに特徴を有している。弾性部を中心に説明し、上述した実施形態２と同じ機能部位には同じ符号を附している。
図５は、実施形態２の変形例について、圧電振動子の長手方向端面から視認した側面図である。

図５において、支持梁５１，５２と上部電極５０との結合部５１ｃ、５２ｃと先端支持部５１ａ，５２ａとの間に、屈曲形成された弾性部５１ｂ、５２ｂとが形成されている。

弾性部５１ｂ，５２ｂは、上部電極５０に対して、厚さ方向に屈曲形成されており、先端支持部５１ａ、５２ａは、平面視してそれぞれ結合部５１ｃ、５２ｃとを結ぶ直線上に形成されている。つまり、先端支持部５１ａ及び結合部５１ｃと支持梁３１とは、平面視して直線上に形成されている。
また、同様に、先端支持部５２ａ及び結合部５２ｃと支持梁３２とは、平面視して直線上に形成されている。

また、厚さ方向において、先端支持部５１ａ，５２ａは、中立面６０の延長上に形成されており、支持梁３１，３２と同じ高さに設定されている。
なお、弾性部５１ｂ，５２ｂは、図示したようなクランク形状としても、他の形状にしてもよい。

従って、上述した変形例によれば、支持梁５１，５２に厚さ方向に屈曲形成された弾性部５１ｂ、５２ｂを設けることにより、圧縮または伸張するときに発生する応力を弾性部５１ｂ、５２ｂにて吸収することができ、振動漏れを低減することができる。

また、支持梁５１，５２それぞれの先端支持部５１ａ，５２ａを対向する位置にある支持梁３１，３２と同じ高さ位置にしている。従って、発振回路を含む固定部材（図示せず）に接続固定する際、同一高さを有する固定部材の固定面で接続でき、固定部材の接続部の形状を簡素化できる他、接続作業を容易に行うことができるという効果がある。
（実施形態３）

続いて、本発明の実施形態３に係る圧電振動子について図面を参照して説明する。実施形態３は、前述した実施形態１に対して、上部電極から延在される支持梁を中立面６０、すなわち下部電極と同じ高さ位置に形成しているところに特徴を有している。本実施形態に係る部分を中心に説明し、実施形態１と同じ機能部位には同じ符号を附して説明する。
図６は、実施形態３に係る圧電振動子１０を表す斜視図、図７は、図６のＢ−Ｂ切断面を表す断面図である。図６，７において、圧電振動子１０は、屈曲振動の中立面６０に形成される下部電極３０から延在される支持梁３１，３２と、上部電極５０に連続して中立面６０と同じ高さ位置から延在される支持梁５１，５２を備えて構成される。

基板２０の幅方向一方の端部には、基板総厚さよりも薄い段部２０ｂが形成されており、段部２０ｂの表面には引き出し電極３０ａが形成されている。引き出し電極３０ａと表面２０ａに形成される下部電極３０とは、段部２０ｂの側壁において接続されている。

下部電極３０及び引き出し電極３０ａの表面には圧電体４０が形成されている。ここで、段部２０ｂの上部に形成される段部圧電体４０ａの表面位置は、基板２０の表面２０ａの高さと一致するように設定される。そして、圧電体４０の表面及び段部圧電体４０ａの表面に上部電極５０が形成され、支持梁５１，５２が延在される。なお、支持梁５１，５２は、圧電体４０の側壁において上部電極５０と接続されている。

従って、支持梁５１，５２と支持梁３１，３２とは、共に中立面６０上に形成されていることになる。
なお、圧電体４０の面積は、所望の屈曲振動が得られる有効面積となるように段部圧電体４０ａの範囲を設定している。また、支持梁５１，５２の幅は、上部電極５０の厚さとほぼ同じにしている。

従って、上述した実施形態３によれば、支持梁３１，３２と支持梁５１，５２とを共に中立面６０及び節部６１，６２（図２も参照する）つまり、節点６３，６４から延在しているので、振動漏れを一層抑制することができる。

なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、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〜実施形態３では、支持梁３１，３２は直線で形成されているが、支持梁３１，３２についても、実施形態２及びその変形例にて示した支持梁５１，５２（図４，５、参照）のように屈曲部を設ける構造としてもよい。

また、実施形態１〜実施形態３では、基板２０及び圧電体４０の厚さを１μｍ程度の薄膜で形成した屈曲圧電薄膜振動子を例示して説明したが、屈曲振動を有し、同様な構成の圧電振動子にも応用することが可能である。
さらに、一次の振動モードに限らず、二次、三次の屈曲振動モードを有する圧電振動子にも、上部電極または下部電極から支持梁を延在し、且つ、それら支持梁を節部（または節点）に設けることにより振動漏れを抑制することが可能な圧電振動子の支持構造を提供することができる。

従って、本実施形態によれば、圧電振動子１０を支持することによる振動漏れを好適に抑制することができる圧電振動子１０の支持構造を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る圧電振動子を示す斜視図。 図１に図示する矢印Ａ方向から視認した正面図。 本発明の実施形態１に係る圧電振動子の振動モードを模式的に表す説明図。 本発明の実施形態２に係る圧電振動子を示す斜視図。 本発明の実施形態２の変形例に係る圧電振動子の長手方向端面から視認した側面図。 本発明の実施形態３に係る圧電振動子を示す斜視図。 図６のＢ−Ｂ切断面を表す断面図。

符号の説明

１０…圧電振動子、２０…基板、３０…下部電極、３１，３２，５１，５２…支持梁、４０…圧電体、５０…上部電極、６１，６２…振動の節部。

Claims (7)

1. 固定部材に支持され、屈曲振動を行う圧電振動子の支持構造であって、
   前記圧電振動子が、基板と、前記基板の一方の主面に形成される下部電極と、前記下部電極の表面に形成される圧電体と、前記圧電体の表面に形成される上部電極と、前記屈曲振動の節近傍において前記下部電極から外側方向に延在される第１の支持梁と、前記屈曲振動の節近傍において前記上部電極から前記第１の支持梁とは反対外側方向に延在される第２の支持梁と、を備え、
   前記第１の支持梁と前記第２の支持梁によって前記固定部材に支持されていることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
2. 請求項１に記載の圧電振動子の支持構造において、
   前記下部電極が、前記屈曲振動における前記圧電振動子の中立面に形成され、
   少なくとも前記第１の支持梁が、前記下部電極の同一平面上に延在されていることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電振動子の支持構造において、
   少なくとも前記第２の支持梁が、前記上部電極と先端支持部との間に屈曲した弾性部を有していることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
4. 請求項１または請求項２に記載の圧電振動子の支持構造において、
   前記第１の支持梁と前記第２の支持梁とが、前記中立面の延長上に延在されていることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
5. 請求項１または請求項４のいずれか一項に記載の圧電振動子の支持構造において、
   前記基板の前記第２の支持梁の延在方向端部に前記基板の総厚さより薄い段部が設けられ、
   前記段部の表面に前記圧電体の一部が段部圧電体として形成され、
   前記段部圧電体の表面に前記上部電極と接続する第２の支持梁が形成され、
   前記第２の支持梁が、前記中立面の延長上に延在されていることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の圧電振動子の支持構造において、
   前記第１の支持梁の前記下部電極との結合部の幅が、前記下部電極の厚さと略等しく、
   前記第２の支持梁の前記上部電極との結合部の幅が、前記上部電極の厚さと略等しいことを特徴とする圧電振動子の支持構造。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の圧電振動子の支持構造において、
   前記中立面から前記基板の他方の主面までの厚さをｄ₁とし、
   前記中立面から前記上部電極の表面までの厚さをｄ₂とし、
   前記基板のヤング率をＥ₁、密度をρ₁とし、
   前記圧電体のヤング率をＥ₂、密度をρ₂としたとき、
   ｄ₁（Ｅ₁／ρ₁）^1/2≒ｄ₂（Ｅ₂／ρ₂）^1/2の関係にあることを特徴とする圧電振動子の支持構造。
   

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