JP2008211363A - 輪郭振動片、輪郭振動デバイスおよび輪郭振動片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面サイズが大きくなることなく、低周波で発振する輪郭振動片、輪郭振動デバイスおよび輪郭振動片の製造方法を提供する。
【解決手段】輪郭振動片１０は振動部１２を有しており、この振動部１２の主面に貫通孔１６または非貫通孔を少なくとも１つ設けている。貫通孔１６または非貫通孔は、振動部１２が輪郭振動したときのバランスが崩れるのを防止するために、振動部１２に均等に配設してある。すなわち貫通孔１６または非貫通孔は、対称になるように振動部１２に配置してある。そして振動部１２に設ける励振電極は、振動部１２の主面に配設してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、輪郭振動片、輪郭振動デバイスおよび輪郭振動片の製造方法に関するものである。

輪郭振動片は、平板形状で、且つ、矩形をした振動部を有している。この振動部は、電気信号が供給されると輪郭振動をするが、この振動の周波数は振動部の寸法によって決まる。すなわち輪郭振動片の発振周波数は、振動部の縦辺の長さと横辺の長さによって決まる。

なお平板の振動部を備えた輪郭振動片について開示したものには特許文献１がある。非特許文献１に開示された最低次ラーメモード水晶振動子は、正方形をした平板形状の振動部と、この振動部において対角の位置にある角部にそれぞれ設けた支持部とを有しており、振動部と支持部を一体に形成している。また非特許文献１に開示された高次ラーメモード水晶振動子は、長方形をした平板形状の振動部と、この振動部における各角部（四隅）にそれぞれ設けた支持部とを有している。
川島 宏文、他１名、"エッチング法によって形成されたラーメモード水晶振動子"、１９９５年５月１８日、ＥＭシンポジウム（図２、図３）

前述したように、輪郭振動片の発振周波数は、平板の振動部の寸法によって決まる。そして振動部の寸法を長くすると発振周波数が低くなり、振動部の寸法を短くすると発振周波数が高くなる。このため輪郭振動片の発振周波数を低くするためには、振動部の寸法を長くしなければならず、振動部の平面サイズを小型化することができなかった。すなわち輪郭振動片の発振周波数を低くした場合には、輪郭振動片自体の平面サイズが大型になってしまっていた。

本発明は、平面サイズが大きくなることなく、低周波で発振する輪郭振動片、輪郭振動デバイスおよび輪郭振動片の製造方法を提供することも目的とする。

本発明に係る輪郭振動片は、輪郭振動をする振動部における励振電極を設けた主面に、貫通孔または非貫通孔を少なくとも１つ設けたことを特徴としている。振動部は、貫通孔および非貫通孔のうち少なくとも何れか一方を主面に備えると、巨視的に見て質量密度と弾性定数が小さくなったように見えるが、弾性定数による効果がより大きく見えるので、発振周波数を低くすることができる。

すなわち振動部に貫通孔を設けている場合には、振動部の厚さ方向の全体において巨視的な弾性定数が小さくなったように見える。また振動部に非貫通孔を設けている場合には、非貫通孔を設けた振動部の表面側の弾性定数が小さくなったように見え、非貫通孔を設けていない中央側の弾性定数が一定のままであるため、振動部全体として弾性定数が小さくなったように見える。これにより励振電極を振動部の主面に設けていれば、振動部の弾性定数は小さくなったように見えるので、励振電極に電気信号を供給して振動部を輪郭振動させれば、発振周波数を低くすることができる。これにより振動部の平面サイズを大きくすることなく、発振周波数を低くできる。すなわち輪郭振動片の平面サイズを小型化することができる。

また本発明に係る輪郭振動片は、振動部は、貫通孔または非貫通孔を備えた基本配置構成を少なくとも１つ備えており、貫通孔または非貫通孔を線対称、且つ、点対称に配置したことを特徴としている。これにより振動部の主面全体において弾性定数が小さくなったように見えるので、振動部が励振することによって生じる輪郭振動をバランスよく行うことができる。そして振動のバランスが劣化しないので、振動の変位が零になる節点の位置が移動したり、特性が劣化したりするのを防止できる。

そして前述した非貫通孔は、振動部の一方の主面と他方の主面にそれぞれ設けてあることを特徴としている。振動部の両主面に非貫通孔を配設したことにより、振動部の両主面において弾性定数が小さくなったように見えるので、振動部が励振することによって生じる輪郭振動をバランスよく行うことができる。

また本発明に係る輪郭振動デバイスは、前述した輪郭振動片をパッケージに収容したことを特徴としている。前述したように輪郭振動片は小型化されているので、これを備えている輪郭振動デバイスも小型化することができる。

また本発明に係る輪郭振動片の製造方法は、振動部の主面に貫通孔または非貫通孔を設けて主面の面積を少なくしていったときの主面の面積変化と、主面の面積値に応じた発振周波数との関係とを予め求めておき、必要とする発振周波数を決定すると、面積変化と発振周波数との関係から製造される振動部の主面の面積を得ることを特徴としている。貫通孔または非貫通孔の数を多くしていったり、これらの孔の全面積を大きくしていったりすれば、振動部の主面の面積が少なくなるので、弾性定数が小さくなっていくように見え、発振周波数も低くなっていく。このときの主面の面積変化と発振周波数の変化との関係を予め求めておけば、新しい製品を製造する場合に、所望としている発振周波数が決まれば、前記関係から振動部の面積と貫通孔または非貫通孔の全面積が求まる。そしてこれらの孔の全面積が振動部に設けられるようにすれば、所望としている周波数で発振する輪郭振動片が得られる。

以下に、本発明に係る輪郭振動片、輪郭振動デバイスおよび輪郭振動片の製造方法の実施形態について説明する。まず第１の実施形態について説明する。第１の実施形態では、輪郭振動片について説明する。図１は輪郭振動片の説明図である。ここで図１（Ａ）は輪郭振動片の平面図、図１（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。輪郭振動片１０は、輪郭振動をする振動部１２における励振電極２８（図５（Ｅ）参照）が設けられる主面１４に、貫通孔１６または非貫通孔を少なくとも１つ設けている。そして図１に示す輪郭振動片１０では、振動部１２の主面１４に４つの貫通孔１６を設けている。各貫通孔１６は、輪郭振動に対してバランスが良くなるように、振動部１２に均等に配置してある。例えば、振動部１２の主面上に、仮想的に格子を配置した場合を考えると、この格子の格子点となる位置に貫通孔１６をそれぞれ配置することができる。

図２は貫通孔を設ける位置についての説明図である。ここで図２（Ａ）は基本配置構成を説明する平面図であり、図２（Ｂ）は輪郭振動片の平面図である。図１に示す輪郭振動片１０の振動部１２は、１つの貫通孔１６を備えた基本配置構成１８を複数並べることにより形成することができる。図２（Ａ）に示す基本配置構成１８は、正方形をした領域の中央に貫通孔１６を１つ設けた構成である。この基本配置構成１８は正方形をしており、また、その中央に貫通孔１６を配置しているので対称形状になっている。すなわち基本配置構成１８は、線対称な形状になるとともに、中心点を基準にして点対称な形状になっている。

そして図１に示す輪郭振動片１０は、図２（Ｂ）に示すように基本配置構成１８を縦方向および横方向にそれぞれ２つずつ並べて配置し、一体に形成することによって得ることができる。この輪郭振動片１０は、平面形状が正方形となっているから、線対称な形状になるとともに、その中心点を基準にして点対称な形状になっている。このようにして輪郭振動片１０は、輪郭振動に対してバランスが良くなるように基本配置構成１８をマトリクス状に配置して、貫通孔１６を振動部１２に均等に配置している。

このような輪郭振動片１０の発振周波数を公知の有限要素法によって計算すると、振動部１２の１辺が５４０μｍ、貫通孔１６の１辺を６０μｍとした場合、約４．１ＭＨｚであった。なお貫通孔１６を設けていない平板の振動部を用いた輪郭振動片では、この振動部の１辺が５４０μｍであると、発振周波数が約４．３ＭＨｚであった。このように振動部１２の主面１４に貫通孔１６を設けて主面１４の面積を減らすことにより、振動部１２の巨視的な弾性定数が小さくなり、発振周波数が低くなっている。

なお振動部１２に設ける貫通孔１６の数は、図１に示すように４つに限定されることはない。すなわち振動部１２は、貫通孔１６が振動部１２に均等に配置されるように、線対称な形状であり、且つ、その中心点に対して点対称な形状であれば、貫通孔１６の数が制限されることはない。例えば図３（Ａ）に示すように、振動部１２に貫通孔１６を１６個設けて主面１４の表面積を減らし、輪郭振動片１０の発振周波数を低くすることができる。なお図３（Ａ）に示す輪郭振動片１０は、基本配置構成１８を１６個備えたような構成となっている。このような輪郭振動片１０の発振周波数を測定すると、振動部１２の１辺が５４０μｍ、貫通孔１６の１辺を６０μｍとした場合、約３．７ＭＨｚであった。このように振動部１２の主面１４に貫通孔１６を設けて主面１４の面積を減らすことにより、振動部１２の巨視的な弾性定数がより小さくなり、発振周波数が低くなっている。

また図３（Ｂ）に示すように、振動部１２に貫通孔１６を１個設けて主面１４の面積を減らすこともできる。なお図３（Ｂ）に示す輪郭振動片１０は、基本配置構成１８を１つ持った構成となっている。このように貫通孔１６を振動部１２の主面１４に設けても、この主面１４の面積を減らすことができ、発振周波数が低くなっている。

そして貫通孔１６の平面方向の面積を大きくしていくと、すなわち振動部１２に設けた貫通孔１６の平面方向の面積を全て足した全面積を大きくしていくと、輪郭振動片１０の発振周波数が低くなることが見出された。図４は周波数比と面積比の関係を示すグラフである。ここで図４の縦軸は周波数比を示し、横軸は面積比を示している。なお周波数比は、振動部１２に貫通孔１６を設けたときの輪郭振動片１０の発振周波数ｆｈと、貫通孔１６を設けていない平板の振動部を用いたときの輪郭振動片の発振周波数ｆ０との比ｆｈ／ｆ０を表している。また面積比は、貫通孔１６を設けていない振動部の主面の面積Ｓ０を基準として、貫通孔１６の平面方向の全面積Ｓｈを差し引いたときの面積Ｓ０−Ｓｈとの比（Ｓ０−Ｓｈ）／Ｓ０を表している。そして貫通孔１６を設けていない振動部の場合では、面積比が１になるとともに、周波数比が１になる。そして貫通孔１６の全面積Ｓｈを大きくしていくと、面積比（Ｓ０−Ｓｈ）／Ｓ０が小さくなる。このとき図４からわかるように、輪郭振動片１０の発振周波数ｆｈが低くなり、また周波数比ｆｈ／ｆ０も小さくなる。

このため輪郭振動片１０を製造する場合、振動部１２の主面１４の面積に対する貫通孔１６の全面積（面積変化）と、そのときの発振周波数の関係を予め求めておけば、製造される輪郭振動片１０が必要としている発振周波数が決まると、予め求めた前記関係から貫通孔１６の全面積が求まる。そして求まった貫通孔１６の全面積を実現するように、振動部１２の主面１４に貫通孔１６を設ければ、必要とする輪郭振動片１０の発振周波数を得る。なお少なくとも１つの貫通孔１６を振動部１２に均等に配設して、全ての貫通孔１６の面積を合計した値が、前記関係を利用して求めた貫通孔１６の全面積が同じになっていればよい。

次に、輪郭振動片１０の製造方法の一例について説明する。図５は輪郭振動片の製造方法の説明図である。図５（Ａ）に示すように、まず平板の圧電素板２０の上面および裏面のそれぞれに金属膜２２を形成する。この金属膜２２は、振動部１２の上に形成される励振電極２８となるものである。そして金属膜２２の材料には、例えば金を用いることができる。なお金属膜２２は、前述した金と圧電素板２０との密着性を向上させる下地金属膜を備えていてもよい。この下地金属膜の材料には、例えばクロムを用いることができる。

そして金属膜２２の表面にレジスト２４を塗布する。この後、所望の振動部１２の形状、すなわち貫通孔１６を設けた振動部１２の形状をレジスト２４に転写する。そしてレジスト２４を現像して、レジストパターン２６を形成する（図５（Ｂ）参照）。このレジストパターン２６は、所望の振動部１２の形状に倣っている。このレジストパターン２６をマスクとして利用して、金属膜２２をエッチングする。そして金属膜２２をエッチングすると、図５（Ｃ）に示すように、圧電素板２０の表面が露出する。そして、さらに圧電素板２０をエッチングして、振動部１２の形状を形成する（図５（Ｄ）参照）。そして図５（Ｅ）に示すように、最後にレジストパターン２６を除去すると、励振電極２８が形成された振動部１２を得る。
なお振動部１２は、エッチングの代わりに、サンドブラストを用いて形成することもできる。

このような輪郭振動片１０によれば、振動部１２に貫通孔１６を設けることにより、巨視的に見て振動部１２の弾性定数が小さくなったように見えるので、発振周波数を低くすることができる。このため振動部１２の平面サイズを大きくしなくても、発振周波数を低周波にできる。すなわち輪郭振動片１０の小型化ができる。

なお前述した実施形態では、振動部１２に貫通孔１６を設けた形態であるが、本発明はこれに限定されることはない。すなわち図６に示すように、貫通孔１６の代わりに、振動部１２に非貫通孔３０（穴部）を設けてもよい。この非貫通孔３０は、振動部１２の上面１４ａおよび下面１４ｂのそれぞれに設けてある。そして振動部１２の上面１４ａに配設した非貫通孔３０ａと下面１４ｂに配設した非貫通孔３０ｂとをそれぞれ対向して配置することができ、振動部１２に均等に非貫通孔３０を配設することができる。このような非貫通孔３０であっても、振動部１２の主面１４の面積を小さくすることができ、振動部１２の両主面１４において弾性定数が小さくなったように見えるので、輪郭振動片１０の発振周波数を低くすることができる。よって輪郭振動片１０の外形寸法を大きくすることなく、低周波化ができる。

また貫通孔１６および非貫通孔３０は、溝形状であってもよい。この場合でも、輪郭振動片１０の外形寸法を大きくすることなく、低周波化ができる。また貫通孔１６や非貫通孔３０の平面形状は四角に限定されることはない。また輪郭振動片１０は、ラーメモードに限定されることはなく、輪郭振動をするものであればよい。

また前述した実施形態では、輪郭振動片１０に圧電材料を用いた形態を説明した。この圧電材料のうち、特に水晶を用いた場合には、周波数温度特性等を始めとする様々な特性を良くすることができる。そして輪郭振動片１０（輪郭圧電振動片）は、フォトリソグラフィ技術とエッチング工程を利用しているので、高精度に作製できる。また輪郭振動片１０は、圧電材料を用いるばかりでなく、シリコンの微細加工技術を用いて作製した静電駆動型のＭＥＭＳ（微小電気機械システム）であってもよい。

次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態では、輪郭振動デバイスについて説明する。図７は輪郭振動デバイスの説明図である。ここで図７（Ａ）は支持部を備えた輪郭振動片の平面図であり、図７（Ｂ）は輪郭振動デバイスの断面図である。輪郭振動片４０の振動部１２は、輪郭振動をしたときに変位が零となる節点を備えている。そして図７（Ａ）に示す輪郭振動片４０では、節点が振動部１２の各角部等にある。このため輪郭振動片４０は、振動部１２の節点に接続部４２を設けている。この接続部４２は、振動部１２の外縁（辺）に沿って隣り合っている節点の少なくとも何れか一方に設けることができる。そして接続部４２の端部には、支持部４４が設けてある。この支持部４４は、振動部１２の１つの側面に隣接して設けてあるので、平面サイズが小さくなっている。なお振動部１２、接続部４２および支持部４４は、一体に形成することができる。この支持部４４の底面には、１対のマウント電極（図示せず）が設けてあり、振動部１２に設けた励振電極２８（図７には図示せず）と、接続部４２に設けた電極パターン（図示せず）を介して１対１に導通している。

そして図７（Ｂ）に示す輪郭振動デバイス５０は、輪郭振動片４０を収容するパッケージ５２を備えている。このパッケージ５２は、パッケージベース５４および蓋体６４を有している。パッケージベース５４は、上方に向けて開口した凹陥部５６を備えており、この凹陥部５６の底面に一対のパッケージ側マウント電極５８を備えている。またパッケージベース５４の裏面には外部端子６０が設けてあり、パッケージ側マウント電極５８と１対１に導通している。パッケージ側マウント電極５８の上には導電性接着剤６２を塗布してある。そして図７（Ａ）に示すような輪郭振動片４０が導電性接着剤６２の上に配設してある。このときパッケージ側マウント電極５８と輪郭振動片４０の支持部４４に設けた前記マウント電極とが、導電性接着剤６２を介して１対１に接続している。そしてパッケージベース５４の上面に蓋体６４が接合して、凹陥部５６を気密封止している。

これにより低周波で発振する、小型化された輪郭振動デバイス５０を得ることができる。なお輪郭振動デバイス５０は、図７（Ｂ）を用いて説明した輪郭振動子の形態ばかりでなく、輪郭振動片４０とともに発振回路をパッケージ５２内に収容した輪郭振動発振器の形態等にすることもできる。

輪郭振動片の説明図である。 貫通孔を設ける位置についての説明図である。 貫通孔の数を変えたときの輪郭振動片の平面図である。 周波数比と面積比の関係を示すグラフである。 輪郭振動片の製造方法の説明図である。 非貫通孔を設けた振動部の断面図である。 輪郭振動デバイスの説明図である。

符号の説明

１０，４０………輪郭振動片、１２………振動部、１４………主面、１６………貫通孔、１８………基本配置構成、２０………圧電素板、２８………励振電極、３０………非貫通穴、４２………接続部、４４………支持部、５０………輪郭振動デバイス、５２………パッケージ。

Claims (5)

1. 輪郭振動をする振動部における励振電極を設けた主面に、貫通孔または非貫通孔を少なくとも１つ設けたことを特徴とする輪郭振動片。
2. 前記振動部は、前記貫通孔または前記非貫通孔を備えた基本配置構成を少なくとも１つ備えており、
   前記貫通孔または前記非貫通孔を線対称、且つ、点対称に配置した、
   ことを特徴とする請求項１に記載の輪郭振動片。
3. 前記非貫通孔は、前記振動部の一方の主面と他方の主面にそれぞれ設けてあることを特徴とする請求項１または２に記載の輪郭振動片。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の輪郭振動片をパッケージに収容したことを特徴とする輪郭振動デバイス。
5. 振動部の主面に貫通孔または非貫通孔を設けて前記主面の面積を少なくしていったときの前記主面の面積変化と、前記主面の面積値に応じた発振周波数との関係とを予め求めておき、
   必要とする発振周波数を決定すると、前記面積変化と前記発振周波数との前記関係から、製造される前記振動部の前記主面の面積を得る、
   ことを特徴とする輪郭振動片の製造方法。

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