JP2009100076A - 圧電振動片 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性のよい超小型の圧電振動片を提供する。
【解決手段】圧電振動片１０は、水晶からなる基部１１から平行に延在される一方の振動腕１２の主面に２分割して設けられる第１下部電極２１と第２下部電極２２と、第１下部電極２１及び第２下部電極２２それぞれの表面に設けられる第１圧電薄膜３１及び第２圧電薄膜３２と、第１圧電薄膜３１の表面に設けられる第１上部電極２５と、第２圧電薄膜３２の表面に設けられる第２上部電極２６と、他方の振動腕１３の主面に２分割して設けられる第３下部電極２３と第４下部電極２４と、第３下部電極２３及び第４下部電極２４それぞれの表面に設けられる第３圧電薄膜３３及び第４圧電薄膜３４と、第３圧電薄膜３３の表面に設けられる第３上部電極２７と、第４圧電薄膜３４の表面に設けられる第４上部電極２８と、が備えられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶を基材とする振動腕に圧電薄膜を設けた圧電振動片に関する。

ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、ＩＣカード等の小型情報機器や、携帯電話等の移動体通信機器では圧電振動子が広く採用されている。これらの圧電振動子は、製品の小型化に伴い一層の小型化が要求されている。
圧電振動子の小型化を目的として、エリンバー、エルコロイ等の恒弾性材料よりなる音叉型振動片の２本の振動腕それぞれの外側側面に段差部を形成し、この段差部に圧電体を設け、これらの圧電体に交流信号を印加して長さ方向に変位を生じさせて振動腕を屈曲振動させる圧電振動子というものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、シリコンからなる音叉型振動片の２本の振動腕それぞれの主面の内側及び外側に圧電体を設け、これらの圧電体に交流信号を印加して長さ方向に変位を生じさせて振動腕を屈曲振動させる圧電振動子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１０−１７３４７７号公報（第３頁、図１） 特開２００３−２２７７１９号公報（第１，２頁、図１，２）

このような特許文献１，２の構成によれば、基材として非圧電材料の恒弾性材料またはシリコンを用いている。恒弾性材料はヤング率が高く、励振させるためには圧電体の面積を大きくすると共に厚さを大きくしなければならず小型化が困難である。

また、基材としてシリコンを用いる場合、シリコンの屈曲振動により生成される共振周波数が高く、通常用いられる音叉型振動子の共振周波数領域（３２．７６８ｋＨｚ）程度の低周波を得る場合にはサイズが大きくなるという課題がある。

さらに、上述した恒弾性材料及びシリコンは、周波数温度特性が悪いという課題もある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る圧電振動片は、水晶を基材とする基部と、前記基部と同一材料で形成され、且つ前記基部から平行に延在される２本の振動腕と、一方の前記振動腕の主面に幅方向外側及び内側に２分割して設けられる第１下部電極と第２下部電極と、前記第１下部電極及び前記第２下部電極それぞれの表面に設けられる第１圧電薄膜及び第２圧電薄膜と、前記第１圧電薄膜の表面に前記第１下部電極に対向して設けられる第１上部電極と、前記第２圧電薄膜の表面に前記第２下部電極に対向して設けられる第２上部電極と、他方の前記振動腕の主面に幅方向内側及び外側に２分割して設けられる第３下部電極と第４下部電極と、前記第３下部電極及び前記第４下部電極それぞれの表面に設けられる第３圧電薄膜及び第４圧電薄膜と、前記第３圧電薄膜の表面に前記第３下部電極に対向して設けられる第３上部電極と、前記第４圧電薄膜の表面に前記第４下部電極に対向して設けられる第４上部電極と、が備えられ、前記第１下部電極〜前記第４下部電極及び前記第１上部電極〜前記第４上部電極それぞれに、２本の前記振動腕に逆位相の屈曲振動を励起する電圧が印加されることを特徴とする。

ここで、圧電薄膜としては、例えば、基材である水晶よりも電気結合係数が大きいＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）等を採用できる。

このような構成によれば、各上部電極及び各下部電極に所定の励振信号を印加することにより、第１圧電薄膜が収縮されるとき第２圧電薄膜が伸張し、第３圧電薄膜が伸張し、第４圧電薄膜が収縮され、２本の振動腕に逆位相の屈曲振動（音叉振動）が励起される。

このような構成では、基材として水晶を用いることにより、水晶の優れた周波数温度特性が利用でき、小型化しても安定した共振周波数の圧電振動片を実現できる。

また、水晶よりも電気機械結合係数が大きい圧電薄膜を用いていることから、小型化しても低ＣＩ値を実現でき、安定した共振を実現できる。

さらに、水晶は、シリコンまたは恒弾性材料に対してヤング率が小さく、時間標準源として広く用いられる３２．７６８ｋＨｚ程度の低周波数領域の圧電振動片をより小型化することができる。

［適用例２］上記適用例に係る圧電振動子は、前記圧電振動片の等価回路において、等価並列容量Ｃ₀が０＜Ｃ₀＜２ｐＦの範囲であることが好ましい。
なお、この等価並列容量は振動腕２本分を表している。

等価並列容量Ｃ₀が大きい場合、インピーダンス（ＣＩ値に相当）が小さくなり、直列成分側に電流が多く流れる傾向が現れる。従って、等価並列容量Ｃ₀を２ｐＦ以下に抑えることにより、等価直列抵抗成分を適切にし直列成分側と並列成分側の電流のバランスをとり、安定した振動を維持しやすくなる。
また、２本の振動腕の等価並列容量Ｃ₀を２ｐＦ以下にすることで、振動腕の長さを従来技術よりも小さい１ｍｍ以下の超小型化を実現できる。

さらに、この圧電振動片に励振信号を供給する発信回路は、等価並列容量を２ｐＦ以下にすると、発信回路における回路定数を適切に合わせやすいという効果もある。

［適用例３］上記適用例に係る圧電振動片は、前記第１圧電薄膜〜前記第４圧電薄膜それぞれの分極方向が同じであって、前記第１上部電極と前記第４上部電極と前記第２下部電極と前記第３下部電極には、前記第２上部電極と前記第３上部電極と前記第１下部電極と前記第４下部電極とは逆位相の電圧が印加されることが好ましい。

このような構成にすれば、各上部電極及び各下部電極に所定の励振信号を印加することにより、第１圧電薄膜が収縮されるとき第２圧電薄膜が伸張し、第３圧電薄膜が伸張し、第４圧電薄膜が収縮され、２本の振動腕が逆位相の屈曲振動を励起することができる。

［適用例４］適用例１または適用例２に係る圧電振動片は、前記第１圧電薄膜と前記第４圧電薄膜の分極方向と、前記第２圧電薄膜と前記第３圧電薄膜の分極方向を逆とし、前記第１上部電極〜前記第４上部電極それぞれと、前記第１下部電極〜前記第４下部電極それぞれに逆位相の電圧が印加されることが望ましい。

このように、第１圧電薄膜と第４圧電薄膜の分極方向と、第２圧電薄膜と第３圧電薄膜の分極方向を逆にすることにより、第１上部電極〜第４上部電極それぞれと、第１下部電極〜第４下部電極それぞれに逆位相の電圧を印加して振動腕を屈曲振動させることができると共に、各上部電極間の印加電圧値または各下部電極間の印加電圧値を一致させることから、各電極間の接続構成を簡素化することができる。

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の圧電振動片を示し、図４は実施形態２の圧電振動片を示している。
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）

図１は、実施形態１に係る圧電振動片の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面説明図である。図１（ａ），（ｂ）において、圧電振動片１０は、ＸＹ方向平面に展開される水晶を基材とする基部１１と、基部１１と同一材料で形成され、且つ基部１１の１辺からＸ方向に平行に、且つＹ方向に延在される２本の振動腕１２，１３と、から構成されている。

なお、本実施形態では基材を水晶の単結晶から切り出す際、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸、Ｚ軸が光学軸となるように、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸を中心に時計回りに０度ないし５度の範囲で回転して切り出された水晶Ｚ板を所定の厚さに切断研磨して得られるものを用いている。

振動腕１２と振動腕１３とは、中心軸Ｐ０に対して対称形である。
振動腕１２主面には、幅方向外側及び内側に２分割される第１下部電極２１と第２下部電極２２とが形成されている。そして、第１下部電極２１の表面には第１圧電薄膜３１が設けられ、第２下部電極２２の表面には第２圧電薄膜３２が設けられている。

さらに、第１圧電薄膜３１の表面には第１下部電極２１に対向して第１上部電極２５が設けられ、第２圧電薄膜３２の表面には第２下部電極２２に対向して第２上部電極２６が設けられている。

また、振動腕１３の主面には、幅方向内側及び外側に２分割される第３下部電極２３と第４下部電極２４とが形成されている。そして、第３下部電極２３の表面には第３圧電薄膜３３が設けられ、第４下部電極２４の表面には第４圧電薄膜３４が設けられている。

さらに、第３圧電薄膜３３の表面には第３下部電極２３に対向して第３上部電極２７が設けられ、第４圧電薄膜３４の表面には第４下部電極２４に対向して第４上部電極２８が設けられている。

なお、本実施形態では、振動腕１２において、第１下部電極２１と第１圧電薄膜３１と第１上部電極２５と、第２下部電極２２と第２圧電薄膜３２と第２上部電極２６とは、中心軸Ｐ１に対して対称形である構成を例示している。

また、振動腕１３において、第３下部電極２３と第３圧電薄膜３３と第３上部電極２７と、第４下部電極２４と第４圧電薄膜３４と第４上部電極２８とは、中心軸Ｐ２に対して対称形である形態を例示している。

また、振動腕１２，１３それぞれの先端部の幅方向外側はテーパ１２ａ，１３ａが設けられて先端が縮小されている。これは、圧電振動片１０に対して大きな衝撃が加えられた際に、図示しないパッケージの内壁に先端部が衝突して割れや欠けの発生を防止するために設けられている。従って、振動腕１２，１３の先端部の内側にもテーパを設ければ、振動腕同士の衝突を防止することができる。

なお、図示は省略するが、基部１１には、振動腕１２，１３の基部１１への振動漏れを抑制するために、Ｘ方向両側面に切り欠きを設けるか、基部１１と振動腕１２，１３との連結部近傍に厚さ方向（Ｚ方向）に貫通孔を設ける構造としてもよい。

次に、各電極の接続構成を図１（ａ），（ｂ）を参照して説明する。第１上部電極２５と第４上部電極２８と第２下部電極２２と第３下部電極２３とを接続電極３６に接続し第１電極群を構成する。また、第２上部電極２６と第３上部電極２７と第１下部電極２１と第４下部電極２４と接続電極３５とを接続して第２電極群を構成する。
第１電極群と第２電極群とはそれぞれ逆位相の交番電圧が印加され振動腕１２，１３の屈曲振動が励起される。

続いて、振動腕１２，１３の屈曲振動について説明する。なお、本実施形態では、第１圧電薄膜３１〜第４圧電薄膜３４それぞれの分極方向は同じである。第１電極群と第２電極群とにそれぞれ逆位相の電圧が印加されると、第１圧電薄膜３１に−Ｚ方向の電界が発生する場合にはＹ方向に収縮され、第２圧電薄膜３２には＋Ｚ方向の電界が発生しＹ方向に伸張される。従って、振動腕１２は−Ｘ方向に変位する。

一方、振動腕１３においては、第３圧電薄膜３３には＋Ｚ方向の電界が発生しＹ方向に伸張され、第４圧電薄膜３４には−Ｚ方向の電界が発生しＹ方向に収縮される。従って、振動腕１３は＋Ｘ方向に変位する。

また、第１電極群と第２電極群に上述した例の逆位相の電圧が印加されると、第１圧電薄膜３１は伸張し、第２圧電薄膜３２は収縮する。従って振動腕１２は＋Ｘ方向に変位する。逆に振動腕１３は、第３圧電薄膜３３は収縮し、第４圧電薄膜３４は伸張することから−Ｘ方向に変位する。

このように、第１電極群と第２電極群とに交番電圧を印加することにより、振動腕１２，１３は±Ｘ方向に屈曲振動を継続する。

上述した構成の圧電振動片１０は、次に示す等価回路で表すことができる。
図２は、本実施形態に係る圧電振動片の等価回路図である。図２において、各符号は、等価並列容量Ｃ₀、等価直列抵抗Ｒ₁、等価直列インダクタンスＬ₁，等価直列容量Ｃ₁を表している。これらの値は、振動腕１２，１３の長さ、幅、第１圧電薄膜３１〜第４圧電薄膜３４の誘電率と厚さ、第１下部電極２１〜第４下部電極２４または第１上部電極２５〜第４上部電極２８の面積によって決定される。

ここで、第１圧電薄膜３１〜第４圧電薄膜３４の材質を同じとしたとき、等価並列容量Ｃ₀は第１下部電極２１〜第４下部電極２４の面積に比例する。

続いて、本実施形態における振動腕の長さＬとインピーダンスＲと等価並列容量Ｃ₀の関係について説明する。
図３は、振動腕長さＬとインピーダンスＲ（ＣＩ値に相当する）と等価並列容量Ｃ₀の関係を示すグラフである。横軸には、振動腕１２，１３の長さをＬとしたときのＬ²、左側縦軸にはインピーダンスＲ、右側縦軸には等価並列容量Ｃ₀を表している。なお、図３において等価並列容量Ｃ₀は、振動腕１本分の容量値を表している。

ここで、振動腕１２と振動腕１３とは対称形のため、振動腕１３を例にあげ説明する。等価並列容量Ｃ₀と第１上部電極２５、第２上部電極２６または第１下部電極２１、第２下部電極２２の実効面積Ｓとの関係は、Ｃ₀∝Ｓの関係で表される。また、実効面積Ｓは、第１上部電極２５、第２上部電極２６または第１下部電極２１、第２下部電極２２の幅と長さの積で表される。これら電極の長さは、振動腕１２の長さＬの約１／２の範囲に設定される。従って、図３に表すように、等価並列容量Ｃ₀は、振動腕の長さをＬとしたときＬ²に比例する。この際、Ｃ₀＜１ｐＦ（振動腕１２，１３の２本ではＣ₀＜２ｐＦとなる。但しＣ₀＞０）以下となるＬ²は、１０００μｍより小さくなり、振動腕１２の長さＬは１０００μｍ（つまり、１ｍｍ）以下が実現できることを表している。

また、インピーダンスは、振動腕の長さＬ²が１０００μｍを超える位置から徐々に小さくなり、振動腕の長さＬ²が１０００μｍ以下の領域では、略８０ｋΩで略フラットとなることが推測できる。

このように構成される圧電振動片１０は、各上部電極及び各下部電極に所定の励振信号を印加することにより、第１圧電薄膜３１が収縮するとき第２圧電薄膜３２が伸張し、また第３圧電薄膜３３は伸張し、第４圧電薄膜３４は収縮することから、２本の振動腕１２，１３に逆位相の屈曲振動（音叉振動）が励起される。このような構成では、基材として水晶を用いることにより、水晶の優れた周波数温度特性が利用でき、小型化しても安定した共振周波数の圧電振動片を実現できる。

また、基材として水晶を用い、圧電薄膜３１〜３４として水晶の電気機械結合係数よりも数倍大きいＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＡｌＮ（窒化アルミ）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）等の圧電薄膜を用いていることから、小型化しても８０ｋΩ程度の低インピーダンス（低ＣＩ値）を実現でき、安定した共振を実現できる。

さらに、水晶は、前述した従来技術に用いられる基材としてのシリコンまたは恒弾性材料に対してヤング率が小さく、上述した低周波数領域の圧電振動片の小型化を実現できる。

また、圧電振動片１０は、等価回路において等価並列容量Ｃ₀を０＜Ｃ₀＜２ｐＦとしている。等価並列容量Ｃ₀が大きい場合、等価回路においてインピーダンスが小さくなり、直列成分側に電流が多く流れる傾向が現れる。従って、等価並列容量を２ｐＦ以下に抑えることにより、インピーダンスを適切にし直列成分側と並列成分側の電流のバランスがとれることから電気的特性が向上し、安定した振動を維持しやすくなる。
また、２本の振動腕１２，１３の等価並列容量Ｃ₀を２ｐＦ以下にすることで、振動腕の長さＬを従来技術よりも小さい１ｍｍ以下の超小型化を実現できる。

さらに、この圧電振動片に励振信号を供給する発信回路は、等価並列容量Ｃ₀を２ｐＦ以下にすると、発信回路における回路定数を適切に合わせやすいという効果もある。
（実施形態２）

続いて、実施形態２に係る圧電振動片について図面を参照して説明する。実施形態２は、前述した実施形態１の圧電薄膜３１〜３４が全て同一方向に分極されていることに対して、第１圧電薄膜３１と第４圧電薄膜３４の分極方向と、第２圧電薄膜３２と第３圧電薄膜３３の分極方向を逆としていることを特徴としている。従って、実施形態１との相違点を中心に説明する。
図４は、実施形態２に係る圧電振動片を示す断面説明図である。なお、図１（ａ）のＡ−Ａ切断面に相当する位置の断面を表している。図４において、振動腕１２，１３、下部電極２１〜２４、上部電極２５〜２８、圧電薄膜３１〜３４の構成は、前述した実施形態１（図１（ａ），（ｂ）、参照）と同じである。

但し、第１圧電薄膜３１と第４圧電薄膜３４の分極方向と、第２圧電薄膜３２と第３圧電薄膜３３の分極方向を逆としている。そして、第１上部電極２５〜第４上部電極２８とが接続電極３５に接続されて第１電極群とし、第１下部電極２１〜第４下部電極２４とが接続電極３６に接続されて第２電極群としている。また、第１圧電薄膜３１と第４圧電薄膜３４とを同じ分極方向とし、第２圧電薄膜３２と第３圧電薄膜３３とを同じ分極方向とし、第１圧電薄膜３１と第４圧電薄膜３４の分極方向に対して第２圧電薄膜３２と第３圧電薄膜３３の分極方向は逆である。

このように構成される圧電振動片１０は、第１電極群と第２電極群とにそれぞれ逆位相の交番電圧が印加することにより、振動腕１２，１３には、前述した実施形態１と同様にＸ方向の屈曲振動が励起される。

従って、このような構成にすれば、第１圧電薄膜３１と第４圧電薄膜３４の分極方向と、第２圧電薄膜３２と第３圧電薄膜３３の分極方向を逆にすることにより、第１上部電極２５〜第４上部電極２８それぞれと、第１下部電極２１〜第４下部電極２４それぞれに逆位相の電圧を印加して振動腕１２，１３を屈曲振動させることができる。さらに、各上部電極間の印加電圧値または各下部電極間の印加電圧値が一致するため、各電極間の接続構成を簡素化することができる。

また、下部電極２１〜２４が同じ電位となることから、下部電極２１，２２、下部電極２３，２４とをそれぞれ一つの下部電極で構成することができ、電極構成をより簡素化することができ、小型化をより一層容易にする。

なお、上述した圧電振動片１０は、以下の変形例においても本発明の目的を達成することが可能である。
（変形例１）

変形例１は、振動腕１２，１３に溝を形成するものである。図示は省略するが、振動腕１２には、第１下部電極２１と第２下部電極２２の間に長さ方向に沿って溝が形成される。また、振動腕１３には、第３下部電極２３と第４下部電極２４の間に長さ方向に沿って溝が形成される。

このような構成にすれば、隣接した下部電極間に溝を設けることにより、隣接する下部電極間における基材を介しての電界形成、つまりクロストークを抑制することができる。
（変形例２）

変形例２は、振動腕１２，１３それぞれの表裏両面に圧電薄膜を形成するものである。図示は省略するが、具体的には、第１下部電極２１と第１圧電薄膜３１と第１上部電極２５、第２下部電極２２と第２圧電薄膜３２と第２上部電極２６と、第３下部電極２３と第３圧電薄膜３３と第３上部電極２７と、第４下部電極２４と第４圧電薄膜３４と第４上部電極２８と、のそれぞれが、振動腕１２，１３の主面に対向して設けられる。

このような構成にすれば、振動腕１２，１３の表面側（主面側）と裏面側において、よりバランスよく屈曲振動するように駆動されるので、効率がよくなりＣＩ値が低減されるという効果がある。

また、第１下部電極２１と第１圧電薄膜３１と第１上部電極２５及び第３下部電極２３と第３圧電薄膜３３と第３上部電極２７とを表面側に設け、第２下部電極２２と第２圧電薄膜３２と第２上部電極２６及び第４下部電極２４と第４圧電薄膜３４と第４上部電極２８とを裏面側に設ける構造としてもよく、その逆としてもよい。

実施形態１に係る圧電振動片の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ切断面を示す断面説明図。 実施形態１に係る圧電振動片の等価回路図。 実施形態１に係る振動腕長さＬとインピーダンスＲと等価並列容量Ｃ₀の関係を示すグラフ。 実施形態２に係る圧電振動片を示す断面説明図。

符号の説明

１０…圧電振動片、１１…基部、１２，１３…振動腕、２１…第１下部電極、２２…第２下部電極、２３…第３下部電極、２４…第４下部電極、２５…第１上部電極、２６…第２上部電極、２７…第３上部電極、２８…第４上部電極、３１…第１圧電薄膜、３２…第２圧電薄膜、３３…第３圧電薄膜、３４…第４圧電薄膜。

Claims (4)

1. 水晶を基材とする基部と、前記基部と同一材料で形成され、且つ前記基部から平行に延在される２本の振動腕と、
   一方の前記振動腕の主面に幅方向外側及び内側に２分割して設けられる第１下部電極と第２下部電極と、前記第１下部電極及び前記第２下部電極それぞれの表面に設けられる第１圧電薄膜及び第２圧電薄膜と、前記第１圧電薄膜の表面に前記第１下部電極に対向して設けられる第１上部電極と、前記第２圧電薄膜の表面に前記第２下部電極に対向して設けられる第２上部電極と、
   他方の前記振動腕の主面に幅方向内側及び外側に２分割して設けられる第３下部電極と第４下部電極と、前記第３下部電極及び前記第４下部電極それぞれの表面に設けられる第３圧電薄膜及び第４圧電薄膜と、前記第３圧電薄膜の表面に前記第３下部電極に対向して設けられる第３上部電極と、前記第４圧電薄膜の表面に前記第４下部電極に対向して設けられる第４上部電極と、
   が備えられ、
   前記第１下部電極〜前記第４下部電極及び前記第１上部電極〜前記第４上部電極それぞれに、２本の前記振動腕に逆位相の屈曲振動を励起する電圧が印加されることを特徴とする圧電振動片。
2. 請求項１に記載の圧電振動片において、
   前記圧電振動片の等価回路において、等価並列容量Ｃ₀が０＜Ｃ₀＜２ｐＦの範囲であることを特徴とする圧電振動片。
3. 請求項１または請求項２に記載の圧電振動片において、
   前記第１圧電薄膜〜前記第４圧電薄膜それぞれの分極方向が同じであって、
   前記第１上部電極と前記第４上部電極と前記第２下部電極と前記第３下部電極には、前記第２上部電極と前記第３上部電極と前記第１下部電極と前記第４下部電極とは逆位相の電圧が印加されることを特徴とする圧電振動片。
4. 請求項１または請求項２に記載の圧電振動片において、
   前記第１圧電薄膜と前記第４圧電薄膜の分極方向と、前記第２圧電薄膜と前記第３圧電薄膜の分極方向を逆とし、
   前記第１上部電極〜前記第４上部電極それぞれと、前記第１下部電極〜前記第４下部電極それぞれに逆位相の電圧が印加されることを特徴とする圧電振動片。

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