JP2008301111A - エッジモード圧電振動片及びその周波数調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エッジモード圧電振動片の周波数を有効に調整する。
【解決手段】エッジモード水晶振動片２１の励振電極２４ａ，２４ｂを形成した長手方向端部２３側の、表面に誘起電荷が生じる振動領域の略全面に、水晶よりも質量密度が大きいＡｕ等の金属膜２８，２９からなる錘部を励振電極及び配線２６ａ，２６ｂから電気的に分離させて形成する。水晶素子片２２は、金属膜により振動領域における見掛け上の質量密度が増大し、水晶振動片２１の周波数が低い方向に変動する。金属膜の膜厚を制御し又は金属膜をレーザ照射により部分的に削除することにより、水晶振動片の励振効率を変化／劣化させることなく、その周波数を調整できる。金属膜は、励振電極等のパターニングと同時に又はそれとは別に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば共振子やフィルタとして使用する圧電振動片に関し、特にエッジモードで励振する圧電振動片及びその周波数を調整する方法に関する。

従来から、薄い圧電基板の端部に振動エネルギが集中するエッジモードを利用した圧電振動子が知られている（例えば、特許文献１を参照）。エッジモードの圧電振動子は、形状が簡単で小型化でき、振動エネルギが集中しない圧電基板の他方の端部を固定しても、振動特性に影響しないことから、簡単に支持固定できる利点を有する。

特許文献１には、エッジモード共振子の特徴が次のように記載されている。即ち、エッジモードにおける圧電磁器板の面積歪分布に合わせた形状に駆動電極を形成すると、エッジモードの効果的な励振が可能である。エッジモード共振子の共振子周波数は、矩形板即ち圧電基板の幅によってほとんど決定される。エッジモードの振動エネルギは圧電基板の端部に著しく集中し、端面から板幅のおよそ１．５倍程度以上離れたところでは、変位、応力ともほとんど零となり、その部分を支持、固定しても振動に何ら影響を与えないことである。

エッジモード振動子の圧電基板に回転Ｙカット水晶板を用いることが知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。非特許文献１，２は、エッジモードに好ましい回転Ｙカット水晶板の特性を解析した結果を報告している。かかる解析結果に基づいて、エッジモード振動子において零温度係数を示す頂点温度を選択し得る回転Ｙカット水晶板の切断角度決定方法が提案されている（例えば、特許文献２を参照）。また、非特許文献１，２には、エッジモードの振動エネルギは、水晶板の端部に集中しているので、反対側の端部を支持しても振動への影響はほとんど無く、水晶板の長さは板幅の３〜５倍程度あれば十分であること、及び水晶板の切断方位及び形状に十分な切断精度が必要なことが記載されている。

図４（Ａ）（Ｂ）は、従来のエッジモード水晶振動片の典型例を示しており、水晶振動片１は、回転Ｙカット水晶板からなる厚さ一定の細長い長方形の水晶素子片２を備える。水晶素子片２は、図５に示すようにＩＲＥ表示の（ＹＺｗｔ）φ／θで表されるカット角で切り出した水晶板３から形成される。水晶の直交する３つの結晶軸（電気軸、機械軸、光学軸）をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で表し、Ｙ軸に垂直な面のＹカット水晶板４をＸ軸周りに時計方向を正として角度φ＝φ1 回転させて得た座標軸（Ｘ，Ｙ´，Ｚ´）に沿うＹ´カット水晶板３を、Ｙ´軸周りに時計方向を正として角度θ＝θ1 だけ面内回転させた座標軸（Ｘ´，Ｙ´，Ｚ”）において、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法をとって切り出すと、水晶素子片２が得られる。

水晶振動片１の一方の長手方向端部５には、その表裏両面に厚さ方向に電界を印加するように励振電極が設けられる（例えば、非特許文献１を参照）。水晶振動片１の他方の長手方向端部６は、支持部としてパッケージ等に固定される。前記励振電極に所定の電流を印加して励振すると、端部５は、図４（Ａ）に想像線で示すように、面内で水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称な扇状に開閉するように端縁が伸縮するエッジモードの振動を行う。

前記励振電極は、水晶素子片の表裏主面の誘起電荷分布に対応した形状にすると、エッジモードを効果的に励振でき、容量比を最小にできるとされている（例えば、非特許文献２，特許文献３を参照）。図６（Ａ）（Ｂ）は、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でθ＝０°及び９０°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合に好ましい励振電極の形状を示している。同図において、端部５の表面には、該表面の誘起電荷分布に対応して水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称に長円類似形状の１対の励振電極７，７が設けられ、それぞれ配線８，８により他方の端部６側に引き出される。端部５の裏面には、前記励振電極に対応する形状で互いに接続された１対の浮遊電極９，９が設けられる。

図７（Ａ）（Ｂ）は、（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でθ＝４５°の回転Ｙカット水晶板を用いた場合に好ましい励振電極の形状を示している。端部５の表裏各面には、それぞれ水晶振動片１の長手方向中心線に関して対称な半長円類似形状の励振電極１０，１１が設けられ、配線１２，１３により他方の端部６側に引き出される。

清水洋、外１名、「エッジモード水晶振動子」、信学技報、ＵＳ８１−２７、昭和５６年９月、ｐ．１５−２２ 清水洋、外２名、「エッジモード水晶振動子の切断方位の検討」、信学技報、ＵＳ８２−２５、昭和５７年７月、ｐ．４９−５６ 特開昭５７−８７６１３号公報 特開昭５９−１３２２１５号公報 特開昭６０−１２３１２１号公報

一般に圧電素子片を所望の寸法及び形状に加工する場合、或る程度の製造誤差は回避することができない。圧電振動子の大量製造では、少なくとも１〜２％程度の寸法公差が予想される。エッジモード圧電振動子は、その共振周波数が上述したように圧電素子片の幅寸法により決定されるから、その１〜２％の寸法公差はそのまま１〜２％の周波数誤差を生じることになる。しかしながら、従来技術において、エッジモード圧電振動子の周波数を有効に調整し得る手法は何ら提案されていない。圧電振動片の励振電極を部分的に削除することにより周波数を調整する方法が考えられるが、励振効率を変化させ又は低下させることになるので好ましくない。

そこで、本願発明者は、エッジモード圧電振動子の有効な周波数調整方法について様々に検討し、水晶素子片の主面に形成する電極膜の厚さと周波数変化との関係に注目した。（ＹＺｗｔ）φ／θ表示でφ＝−６５°、θ＝９０°の回転Ｙカット水晶板から切り出した幅５００μｍ、長さ３０００μｍ、厚さ５０μｍの水晶素子片を用い、その両面全面にそれぞれＡｕ膜を形成し、片面のＡｕ膜膜厚に関する周波数変化をＦＥＭ（有限要素法）で計算した。その結果を図８に示す。

同図から分かるように、Ａｕ膜膜厚が増加するほど、周波数変動量が略直線的に減少することが判明した。しかも、１００００Åの膜厚で約−１０％もの周波数変動量が得られる。この周波数変動は、Ａｕ膜の形成によって水晶素子片の見かけ上の質量密度が変化したためと予想される。従って、寸法公差による１〜２％程度の周波数誤差は、Ａｕ膜の膜厚を適当に選択することによって十分に吸収できると考えられる。

本発明は、かかる知見に基づいてなされたものであり、その目的は、エッジモード圧電振動片の周波数を有効に調整し得る方法、及びかかる方法によって周波数調整したエッジモード圧電振動片を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、例えば回転Ｙカット水晶板から形成した水晶素子片からなる長方形の圧電素子片と、エッジモードで励振するために圧電素子片の長手方向の一方の端部にその厚さ方向に電界を印加するように形成した励振電極とを備え、圧電素子片の長手方向の一方の端部側に、その表面に誘起電荷が生じる領域を含む振動領域に、圧電素子片よりも質量密度が大きい材料からなる周波数調整用の錘部を有するエッジモード圧電振動片が提供される。

圧電素子片は、錘部によって振動領域における見掛け上の質量密度が増大し、圧電振動片の周波数が低い方向に変動するから、錘部の容積を制御し又は部分的に削除することにより、圧電振動片の周波数を有効に調整することができる。

或る実施例では、錘部が、例えば励振電極との間に隙間を設けることにより又は絶縁膜を挟むことにより、励振電極から電気的に分離させた、例えばＡｕ膜からなる金属膜で形成される。金属膜はその膜厚を比較的容易に制御して成膜できるので、圧電振動片の振動数を精度良く調整することができる。また、金属膜はレーザ照射等により簡単に部分削除することができ、成膜後に圧電振動片の振動数を簡単に調整することができる。

別の実施例では、錘部が絶縁膜で形成されるので、励振電極との電気的分離を考慮する必要が無く、その成膜がより簡単である。また、絶縁膜を励振電極の上に形成することにより、これを損傷から保護することができる。

本発明の別の側面によれば、長方形の圧電素子片と、エッジモードで励振するために圧電素子片の長手方向の一方の端部にその厚さ方向に電界を印加するように形成した励振電極とを備えるエッジモード圧電振動片の周波数を調整するために、圧電素子片よりも質量密度が大きい材料の錘部を、圧電素子片の長手方向の一方の端部側に、その表面に誘起電荷が生じる領域を含む振動領域に形成する方法が提供される。

圧電素子片は、錘部を設けることによって、振動領域における見掛け上の質量密度が増大するので、圧電振動片の周波数を低い方向に変化させて調整することができる。

或る実施例では、錘部を形成する際にその容積を制御し及び／又は形成した後に部分的に削除することによって、圧電振動片の周波数を調整する。錘部が金属膜の場合には、その膜厚を制御し又は金属膜をレーザ照射等により部分的に削除することにより、圧電振動片の励振効率を変化／劣化させることなく、その周波数を調整することができる。

別の実施例では、錘部が電極膜からなり、励振電極と同時にパターニングして形成することにより、工数を増やすことなく、従来の電極形成工程をそのまま利用することができる。

以下に、本発明の好適実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用したエッジモード水晶振動片の第１実施例を示している。エッジモード水晶振動片２１は、細長い厚さ一定の矩形薄板からなる水晶素子片２２を備える。水晶素子片２２は、図５に関連して上述したようにエッジモードに好適な面内回転角θ＝０°又は９０°で切り出した回転Ｙカット水晶板から、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法、Ｙ´方向に厚さ寸法をとるように形成される。

水晶素子片２２の一方の長手方向端部２３には、その表面に１対の励振電極２４ａ，２４ｂが設けられている。励振電極２４ａ，２４ｂは、図６に関連して上述したように、それぞれ水晶素子片２２表面の誘起電荷分布に対応した長円類似形状に形成され、互いに電気的に分離されている。端部２３の裏面には、同様に前記誘起電荷分布に対応した長円類似形状の浮遊電極２５ａ，２５ｂが設けられ、互いに電気的に接続されている。励振電極２４ａ、２４ｂからは、それぞれ水晶素子片２２表面の両側辺に沿って他方の長手方向端部に向けて延長する配線２６ａ、２６ｂが引き出されている。当然ながら、前記励振電極及び浮遊電極は、本実施例以外の様々な形状を採用することができる。

図１（Ａ）（Ｂ）において、想像線２７は、端部２３の端縁から内側即ち反対側の長手方向端部に向けて或る一定の距離にある位置を示している。この距離は、それを超えると水晶振動片２１の振動への影響がほとんど無いように、例えば水晶素子片２２の幅の約３倍又はそれ以上の距離に設定することができる。言い換えれば、端部２３の端縁と想像線２７間の領域は、少なくともその表面に誘起電荷が発生する領域を含み、水晶振動片２１の振動に影響を与える可能性がある振動領域である。想像線２７の位置は、端部２３の端縁により近くに設定でき、それにより前記振動領域を実際に端部２３の端縁が振動する狭い領域又は誘起電荷が大きい領域に限定することもできる。

この振動領域には、水晶振動片２１の表裏各面に金属膜２８，２９からなる錘部が形成されている。表面の金属膜２８は、励振電極２４ａ，２４ｂ及び配線２６ａ，２６ｂから僅かな隙間をもって電気的に分離させて、前記振動領域の略全面に形成される。裏面の金属膜２９は、同様に浮遊電極２５ａ、２５ｂから僅かな隙間をもって電気的に分離させて、前記振動領域の略全面に形成される。

金属膜２８，２９は、水晶よりも質量密度が大きい金属材料を選択するのが好ましい。これにより、水晶素子片２２は、前記振動領域における見掛け上の質量密度が増大するので、水晶振動片２１の周波数が低い方向に変動する。本実施例では、金属膜２８，２９にＡｕ膜を使用する。Ａｕ膜は、その膜厚を比較的制御して成膜できるので、水晶振動片２１の周波数を比較的良好に制御して調整することができる。実際には、Ａｕ膜は、水晶表面に成膜されるＣｒ膜又はＮｉ膜を下地膜としてそれに積層して形成される。

金属膜２８，２９は、例えば水晶素子片２２の表裏全面に成膜した電極膜をパターニングして励振電極２４ａ，２４ｂ、浮遊電極２５ａ、２５ｂ及び配線２６ａ，２６ｂを形成する際に、それと同時に形成することができる。本発明によれば、金属膜２８，２９を、例えばレーザ照射により部分的に削除することによって、水晶振動片２１の周波数を高くする方向に調整することができる。このとき、励振電極２４ａ，２４ｂは全く削除しないので、水晶振動片２１の励振効率を変化させたり劣化させることなく、周波数調整することができる。

また、金属膜２８，２９は、水晶素子片２２の表裏各面に前記励振電極等をパターニングした後に成膜することもできる。この場合、金属膜２８，２９の膜厚を制御することにより、水晶振動片２１の周波数を低くする方向に調整することができる。更に、成膜した金属膜２８，２９を部分的に削除することによっても、水晶振動片２１の周波数を高くする方向に調整することができる。

図２（Ａ）（Ｂ）は、本発明を適用したエッジモード水晶振動片の第２実施例を示している。エッジモード水晶振動片３１は、第１実施例と同様に、細長い厚さ一定の矩形薄板からなる水晶素子片３２を備える。水晶素子片３２は、エッジモードに好適な面内回転角θ＝４５°で切り出した回転Ｙカット水晶板から、Ｚ”軸方向に長手寸法、Ｘ´軸方向に幅寸法、Ｙ´方向に厚さ寸法をとるように形成される。

水晶素子片３２の一方の長手方向端部３３には、その表裏各面に１対の励振電極３４，３５が形成されている。励振電極３４，３５は、図７に関連して上述したように、それぞれ水晶素子片３２表面の誘起電荷分布に対応した半長円類似形状に形成されている。励振電極３４，３５からは、それぞれ水晶素子片３２の一方の側辺に沿って他方の長手方向端部に向けて延長する配線３６ａ、３６ｂが引き出されている。当然ながら、前記励振電極は、本実施例以外の様々な形状を採用することができる。

図２（Ａ）（Ｂ）において、第１実施例と同様に、想像線３７が、端部３３の端縁から内側即ち反対側の長手方向端部に向けて或る一定の距離にある位置を示している。この距離は、それを超えると水晶振動片３１の振動への影響がほとんど無いように、例えば水晶素子片３２の幅の約３倍又はそれ以上の距離に設定する。従って、端部３３の端縁と想像線３７間の領域は、少なくともその表面に誘起電荷が発生する領域を含み、水晶振動片３１の振動に影響を与える可能性がある振動領域である。想像線３７の位置は、端部３３の端縁により近くに設定でき、それにより前記振動領域を実際に端部３３の端縁が振動する狭い領域又は誘起電荷が大きい領域に限定することもできる。

この振動領域には、水晶振動片３１の表裏各面に金属膜３８，３９からなる錘部が形成されている。各金属膜３８，３９は、それぞれ励振電極３４，３５及び配線３６ａ，３６ｂから僅かな隙間をもって電気的に分離させて、前記振動領域の略全面に形成される。

金属膜３８，３９は、水晶よりも質量密度が大きい金属材料を選択するのが好ましい。これにより、水晶素子片３２は、前記振動領域における見掛け上の質量密度が増大するので、水晶振動片３１の周波数が低い方向に変動する。本実施例では、金属膜３８，３９にＡｕ膜を使用する。Ａｕ膜は、その膜厚を比較的制御して成膜できるので、水晶振動片３１の周波数を比較的良好に制御して調整することができる。

金属膜３８，３９は、例えば水晶素子片３２の表裏全面に成膜した電極膜をパターニングして励振電極３４，３５及び配線３６ａ，３６ｂを形成する際に、それと同時に形成することができる。本発明によれば、金属膜３８，３９を、例えばレーザ照射により部分的に削除することによって、水晶振動片３１の周波数を高くする方向に調整できる。このとき、励振電極３４，３５は全く削除しないので、水晶振動片３１の励振効率を変化させたり劣化させることなく、周波数調整することができる。

また、金属膜３８，３９は、水晶素子片３２の表裏各面に前記励振電極等をパターニングした後に成膜することもできる。この場合、金属膜３８，３９の膜厚を制御することにより、水晶振動片３１の周波数を低くする方向に調整することができる。更に、成膜した金属膜３８，３９を部分的に削除することによっても、水晶振動片３１の周波数を高くする方向に調整することができる。

別の実施例では、前記金属膜に代えて絶縁膜により前記錘部を形成することができる。この場合、絶縁膜は前記励振電極及び配線との間に隙間を設ける必要が無く、またそれらを被覆するように形成することもできる。前記絶縁膜は、前記金属膜と同様に、水晶素子片２２、３２とは質量密度が大きく異なる絶縁材料で形成することが好ましい。このような絶縁材料として、例えば酸化シリコン、酸化アルミニウム、又は窒化シリコン等を用いることができる。前記絶縁膜は、前記金属膜と同様に、成膜時にその膜厚を制御することにより、又は成膜後に部分的に削除することにより、水晶振動片２１、３１の周波数を調整することができる。

図３は、第１実施例のエッジモード水晶振動片の変形例を示している。本実施例では、端部２３の端縁と想像線２７との間に画定される振動領域において、その略全面に絶縁膜４１が、水晶振動片２１表面の励振電極２４ａ（２４ｂ）及び配線２６ａ（２６ｂ）を被覆するように形成されている。更に、絶縁膜４１の上に金属膜４２からなる錘部が積層されている。このように、前記振動領域において特に前記励振電極が形成される領域に錘部を設けることによって、より効果的に周波数の調整を行うことができる。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、本発明は、水晶以外の圧電材料で形成したエッジモード圧電振動片についても、同様に適用することができる。

（Ａ）、（Ｂ）図は本発明によるエッジモード水晶振動片の第１実施例の表面及び裏面をそれぞれ示す部分平面図。 （Ａ）、（Ｂ）図は本発明によるエッジモード水晶振動片の第２実施例の表面及び裏面をそれぞれ示す部分平面図。 第１実施例の変形例のエッジモード水晶振動片を示す部分断面図。 （Ａ）図は従来のエッジモード水晶振動子の平面図、（Ｂ）図はその側面図。 エッジモード水晶振動子に使用する水晶基板のカット角を模式的に示す図。 （Ａ）、（Ｂ）図は従来のエッジモード水晶振動片の表面及び裏面の励振電極をそれぞれ示す部分平面図。 （Ａ）、（Ｂ）図は従来のエッジモード水晶振動片の表面及び裏面の別の励振電極をそれぞれ示す部分平面図。 水晶素子片の両面に形成しＡｕ膜膜厚に関するエッジモード水晶振動片の周波数変化を示す線図。

符号の説明

１，２１，３１…水晶振動片、２，２２，３２…水晶素子片、３，４…水晶板、５，６，２３，３３…端部、７，１０，１１，２４ａ，２４ｂ，３４，３５…励振電極、８，１２，１３，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ…配線、９，２５ａ，２５ｂ…浮遊電極、２７，３７…想像線、２８，２９，３８，３９，４２…金属膜、４１…絶縁膜。

Claims (8)

1. 長方形の圧電素子片と、エッジモードで励振するために前記圧電素子片の長手方向の一方の端部にその厚さ方向に電界を印加するように形成した励振電極とを備え、
   前記圧電素子片の前記長手方向の一方の端部側に、その表面に誘起電荷が生じる領域を含む振動領域に、前記圧電素子片よりも質量密度が大きい材料からなる周波数調整用の錘部を有することを特徴とするエッジモード圧電振動片。
2. 前記錘部が前記励振電極から電気的に分離させた金属膜からなることを特徴とする請求項１に記載のエッジモード圧電振動片。
3. 前記金属膜がＡｕ膜からなることを特徴とする請求項２に記載のエッジモード圧電振動片。
4. 前記錘部が絶縁膜からなることを特徴とする請求項１に記載のエッジモード圧電振動片。
5. 前記圧電素子片が回転Ｙカット水晶板から形成した水晶素子片からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のエッジモード圧電振動片。
6. 長方形の圧電素子片と、エッジモードで励振するために前記圧電素子片の長手方向の一方の端部にその厚さ方向に電界を印加するように形成した励振電極とを備えるエッジモード圧電振動片の周波数を調整するために、前記圧電素子片よりも質量密度が大きい材料の錘部を、前記圧電素子片の前記長手方向の一方の端部側に、その表面に誘起電荷が生じる領域を含む振動領域に形成することを特徴とするエッジモード圧電振動片の周波数調整方法。
7. 前記錘部を形成する際にその容積を制御し及び／又は形成した後に部分的に削除することによって、前記周波数を調整することを特徴とする請求項６に記載のエッジモード圧電振動片の周波数調整方法。
8. 前記錘部が電極膜からなり、前記励振電極と同時にパターニングすることを特徴とする請求項６又は７に記載のエッジモード圧電振動片の周波数調整方法。

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