JP5552878B2 - Vibrating piece, vibrating device and electronic device - Google Patents
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
本発明は、振動片、振動デバイスおよび電子機器に関するものである。 The present invention relates to a resonator element, a vibration device, and an electronic apparatus.
水晶発振器等の振動デバイスとしては、複数の振動腕を備える音叉型の振動片を備えるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
例えば、特許文献1に記載の振動片は、基部と、この基部から互いに平行となるように延出する3つの振動腕と、各振動腕上に下部電極膜、圧電体膜および上部電極膜がこの順で成膜されて構成された圧電体素子とを有する。このような振動片において、圧電体素子は、下部電極膜と上部電極膜との間に電界が印加されることにより、圧電体膜を伸縮させ、振動腕を基部の厚さ方向に屈曲振動させる。
このような圧電体素子を用いた振動片は、小型化および軽量化が容易であるという利点を有する。
As a vibrating device such as a crystal oscillator, a vibrating device including a tuning fork type vibrating piece including a plurality of vibrating arms is known (for example, see Patent Document 1).
For example, the resonator element disclosed in Patent Document 1 includes a base, three vibrating arms extending from the base so as to be parallel to each other, and a lower electrode film, a piezoelectric film, and an upper electrode film on each vibrating arm. And a piezoelectric element formed and formed in this order. In such a vibrating piece, the piezoelectric element is expanded and contracted by applying an electric field between the lower electrode film and the upper electrode film, and the vibrating arm is flexibly vibrated in the thickness direction of the base. .
A resonator element using such a piezoelectric element has the advantage of being easily reduced in size and weight.
ところで、このような振動片に備えられた圧電体素子においては、上部電極膜および下部電極膜の面積を小さくすると、機械結合係数が小さくなり、一方、上部電極膜および下部電極膜の面積を大きくすると、電気的並列容量が大きくなることが知られている。
そのため、これらのバランスをとる目的で、従来では、特許文献1に開示されているように、圧電体膜は上部電極膜および下部電極膜とともに振動腕の基端側半分を覆うように設けられており、振動腕の先端側の部分は、圧電体膜により覆われていない。
By the way, in the piezoelectric element provided in such a resonator element, when the area of the upper electrode film and the lower electrode film is reduced, the mechanical coupling coefficient is reduced, while the area of the upper electrode film and the lower electrode film is increased. As a result, it is known that the electric parallel capacitance increases.
Therefore, for the purpose of balancing these, conventionally, as disclosed in Patent Document 1, the piezoelectric film is provided so as to cover the proximal end half of the vibrating arm together with the upper electrode film and the lower electrode film. The portion on the tip side of the vibrating arm is not covered with the piezoelectric film.
しかし、このような振動片では、前述したように圧電体膜が振動腕上に部分的に形成されているため、振動腕の基端側の部分(圧電体膜に覆われた部分)と先端側の部分(圧電体膜に覆われていない部分)とで剛性が異なってしまい、不要な振動モードが発生してしまう。
この不要な振動モードは、圧電体膜の先端付近で振動腕が折れ曲がるように振動することによるものである。このような振動腕の折れ曲がり部分には、当該材料の線膨張係数に応じた温度上昇が生じる。そのため、従来の振動片では、内部損失が大きくなり、Q値を十分に高めることができないという問題があった。
かかる問題は、圧電体膜を構成する材料の弾性定数が高い場合、特に顕著となる。
However, in such a vibrating piece, since the piezoelectric film is partially formed on the vibrating arm as described above, the proximal end portion (the portion covered by the piezoelectric film) and the distal end of the vibrating arm The rigidity of the side portion (the portion not covered with the piezoelectric film) is different, and an unnecessary vibration mode is generated.
This unnecessary vibration mode is due to the vibration of the vibrating arm being bent near the tip of the piezoelectric film. A temperature rise corresponding to the linear expansion coefficient of the material occurs in such a bent portion of the vibrating arm. Therefore, the conventional resonator element has a problem that the internal loss increases and the Q value cannot be sufficiently increased.
Such a problem becomes particularly prominent when the material constituting the piezoelectric film has a high elastic constant.
本発明の目的は、良好な発振特性を有する振動片、および、この振動片を備える振動デバイスおよび電子機器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a resonator element having good oscillation characteristics, and a resonator device and an electronic apparatus including the resonator element.
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。
本発明の振動片は、基部と、
前記基部から延出する少なくとも1本の振動腕と、
前記振動腕上に第1の電極層と圧電体層と第2の電極層とがこの順で積層され、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に電圧を印加することにより、前記圧電体層を伸縮させて、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子とを有し、
前記圧電体層は、前記基部側から前記振動腕の先端付近に亘って設けられていることを特徴とする。
これにより、振動腕の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのを防止することができる。そのため、振動片の不要な振動モードの発生を防止し、振動片のQ値を高めることができる。その結果、振動片の発振特性を良好なものとすることができる。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
The resonator element according to the invention includes a base,
At least one vibrating arm extending from the base;
A first electrode layer, a piezoelectric layer, and a second electrode layer are laminated in this order on the vibrating arm, and a voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer. A piezoelectric element that expands and contracts the piezoelectric layer and flexibly vibrates the vibrating arm,
The piezoelectric layer is provided from the base side to the vicinity of the tip of the vibrating arm.
As a result, it is possible to prevent a portion where the rigidity changes abruptly in the middle of the extending direction (longitudinal direction) of the vibrating arm. Therefore, it is possible to prevent generation of unnecessary vibration modes of the resonator element and increase the Q value of the resonator element. As a result, the oscillation characteristics of the resonator element can be improved.
本発明の振動片では、前記第1の電極層および前記第2の電極層のうちの少なくとも一方の電極層の前記基部とは反対側の端は、前記圧電体層の前記基部とは反対側の端よりも前記基部側に位置していることが好ましい。
これにより、振動腕の延出方向の一部の範囲に圧電体素子の駆動力を伝達させることができる。
In the resonator element according to the aspect of the invention, the end of at least one of the first electrode layer and the second electrode layer opposite to the base is opposite to the base of the piezoelectric layer. It is preferable that it is located in the said base part side rather than the edge.
Thereby, the driving force of the piezoelectric element can be transmitted to a partial range in the extending direction of the vibrating arm.
本発明の振動片では、前記第1の電極層および前記第2の電極層のうちの少なくとも一方の電極層の前記基部とは反対側の端は、前記振動腕の延出方向での中央付近に位置していることが好ましい。
これにより、振動腕の基端側の部分に圧電体素子の駆動力を作用させることにより、圧電体素子により振動腕を効率的に振動させることができる。また、圧電体素子の駆動力が振動腕の先端部に作用するのを防止することができる。そのため、振動腕に不要な振動モードが発生するのを防止することができる。
In the resonator element according to the aspect of the invention, the end of at least one of the first electrode layer and the second electrode layer on the side opposite to the base portion may be near the center in the extending direction of the vibrating arm. It is preferable that it is located in.
Accordingly, by applying the driving force of the piezoelectric element to the proximal end portion of the vibrating arm, the vibrating arm can be efficiently vibrated by the piezoelectric element. In addition, it is possible to prevent the driving force of the piezoelectric element from acting on the tip of the vibrating arm. Therefore, it is possible to prevent an unnecessary vibration mode from occurring in the vibrating arm.
本発明の振動片では、前記圧電体層は、前記振動腕の延出方向での全域に亘って設けられていることが好ましい。
これにより、振動腕の曲げ剛性を均一化することができる。
本発明の振動片では、前記振動腕は、板状をなしており、
前記圧電体層は、前記振動腕の一方の板面の全面に亘って設けられていることが好ましい。
これにより、簡単かつ確実に、振動腕の曲げ剛性を均一化することができる。
In the resonator element according to the aspect of the invention, it is preferable that the piezoelectric layer is provided over the entire region in the extending direction of the vibrating arm.
Thereby, the bending rigidity of the vibrating arm can be made uniform.
In the resonator element according to the aspect of the invention, the vibrating arm has a plate shape,
The piezoelectric layer is preferably provided over the entire surface of one plate surface of the vibrating arm.
Thereby, the bending rigidity of a vibrating arm can be equalized easily and reliably.
本発明の振動片では、前記圧電体層の前記基部側の端部は、前記振動腕と前記基部との境界部を跨ぐように設けられていることが好ましい。
これにより、圧電体素子の駆動力を振動腕に効率的に伝達させることができる。また、振動腕と基部との境界部における剛性の急激な変化を緩和することができる。そのため、振動片のQ値を高めることができる。
本発明の振動片では、前記圧電体層の前記基部とは反対側の端部の厚さは、前記振動腕の基端側から先端側に向けて漸減していることが好ましい。
これにより、圧電体層の先端と振動腕の先端とが一致していなくても、振動腕の延出方向の一部で剛性が急激に変化するのを防止することができる。
本発明の振動片では、前記圧電体層を構成する材料の弾性定数は、前記振動腕を構成する材料の弾性定数よりも大きいことが好ましい。
このような場合、圧電体層が振動腕の振動特性に与える影響が大きい。そのため、このような場合に本発明を適用することで、その効果が顕著となる。
In the resonator element according to the aspect of the invention, it is preferable that an end of the piezoelectric layer on the base side is provided so as to straddle a boundary portion between the vibrating arm and the base.
Thereby, the driving force of the piezoelectric element can be efficiently transmitted to the vibrating arm. In addition, a sudden change in rigidity at the boundary between the vibrating arm and the base can be mitigated. Therefore, the Q value of the resonator element can be increased.
In the resonator element according to the aspect of the invention, it is preferable that the thickness of the end portion of the piezoelectric layer opposite to the base portion gradually decreases from the base end side to the tip end side of the vibrating arm.
Thereby, even if the tip of the piezoelectric layer does not coincide with the tip of the vibrating arm, it is possible to prevent the rigidity from changing suddenly in a part of the extending direction of the vibrating arm.
In the resonator element according to the aspect of the invention, it is preferable that an elastic constant of a material forming the piezoelectric layer is larger than an elastic constant of a material forming the vibrating arm.
In such a case, the piezoelectric layer has a great influence on the vibration characteristics of the vibrating arm. Therefore, the effect becomes remarkable by applying the present invention in such a case.
本発明の振動片では、前記振動腕は、前記振動腕の延出方向と前記圧電体素子による前記振動腕の屈曲振動の振動方向とにそれぞれ直交する方向に並んで複数設けられ、隣り合う2つの前記振動腕が互いに反対方向に屈曲振動することが好ましい。
これにより、振動漏れの少ない振動片を実現することができる。
本発明の振動片では、前記振動腕は、水晶で構成されていることが好ましい。
これにより、振動腕の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。また、エッチングにより高い寸法精度で振動腕を形成することができる。
In the resonator element according to the aspect of the invention, a plurality of the vibrating arms are provided side by side in a direction orthogonal to the extending direction of the vibrating arm and the vibration direction of the bending vibration of the vibrating arm by the piezoelectric element. It is preferable that the two vibrating arms bend and vibrate in opposite directions.
Thereby, a vibration piece with less vibration leakage can be realized.
In the resonator element according to the aspect of the invention, it is preferable that the vibrating arm is made of quartz.
Thereby, the vibration characteristic (especially frequency temperature characteristic) of a vibrating arm can be made excellent. Further, the vibrating arm can be formed with high dimensional accuracy by etching.
本発明の振動デバイスは、本発明の振動片と、
前記振動片を収納するパッケージと、を備えることを特徴とする。
これにより、発振特性の優れた振動デバイスを提供することができる。
本発明の電子機器は、本発明の振動デバイスを備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
The vibrating device of the present invention includes the vibrating piece of the present invention,
And a package for housing the resonator element.
Thereby, a vibration device having excellent oscillation characteristics can be provided.
An electronic apparatus according to the present invention includes the vibration device according to the present invention.
Thereby, an electronic device having excellent reliability can be provided.
以下、本発明の振動片および振動デバイスを添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図2は、図1に示す振動デバイスを示す上面図、図3は、図1に示す振動デバイスに備えられた振動片を示す下面図、図4は、図2中のA−A線断面図、図5は、図2に示す振動片に備えられた振動腕を示す部分断面斜視図、図6は、図2に示す振動片の動作を説明するための斜視図、図7(a)および図8(a)は、それぞれ、図2に示す振動片の振動腕の屈曲振動を説明するための模式的断面図、図7(b)および図8(b)は、それぞれ、従来の振動片の振動腕の屈曲振動を説明するための模式的断面図である。なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸およびZ軸を図示している。また、以下では、Y軸に平行な方向(第1の方向)をY軸方向、X軸に平行な方向(第2の方向)を「X軸方向」、Z軸に平行な方向(第3の方向)をZ軸方向と言う。また、以下の説明では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図1に示す振動デバイス1は、振動片2と、この振動片2を収納するパッケージ3とを有する。
Hereinafter, a resonator element and a vibration device of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
<First Embodiment>
1 is a cross-sectional view showing the vibration device according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a top view showing the vibration device shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a vibration provided in the vibration device shown in FIG. 4 is a bottom view showing the piece, FIG. 4 is a sectional view taken along line AA in FIG. 2, FIG. 5 is a partial sectional perspective view showing the vibrating arm provided in the vibrating piece shown in FIG. 2, and FIG. FIG. 7A and FIG. 8A are schematic cross-sectional views for explaining flexural vibration of the vibrating arm of the vibrating piece shown in FIG. 2, respectively. FIGS. 7B and 8B are schematic cross-sectional views for explaining bending vibration of the vibrating arm of the conventional vibrating piece. In each figure, for convenience of explanation, an X axis, a Y axis, and a Z axis are illustrated as three axes orthogonal to each other. In the following, the direction parallel to the Y-axis (first direction) is the Y-axis direction, the direction parallel to the X-axis (second direction) is the “X-axis direction”, and the direction parallel to the Z-axis (third Is referred to as the Z-axis direction. In the following description, for convenience of explanation, the upper side in FIG. 1 is referred to as “upper”, the lower side as “lower”, the right side as “right”, and the left side as “left”.
A vibrating device 1 illustrated in FIG. 1 includes a vibrating
以下、振動デバイス1を構成する各部を順次詳細に説明する。
(振動片)
まず、振動片2について説明する。
振動片2は、図2に示すような3脚音叉型の振動片である。この振動片2は、振動基板21と、この振動基板21上に設けられた圧電体素子22、23、24および接続電極41、42とを有している。
振動基板21は、基部27と、3つの振動腕28、29、30とを有している。
Hereinafter, each part which comprises the vibration device 1 is demonstrated in detail sequentially.
(Vibration piece)
First, the
The
The
振動基板21の構成材料としては、所望の振動特性を発揮することができるものであれば、特に限定されず、各種圧電体材料および各種非圧電体材料を用いることができる。
例えば、かかる圧電体材料としては、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ホウ酸リチウム、チタン酸バリウム等が挙げられる。特に、振動基板21を構成する圧電体材料としては化学的に安定で温度特性が良好な単結晶である水晶が好ましい。水晶で振動基板21を構成すると、振動基板21の振動特性(特に周波数温度特性)を優れたものとすることができる。また、水晶の異方性エッチング特性を利用した高い寸法精度で振動基板21を形成することができる。
The constituent material of the
Examples of the piezoelectric material include crystal, lithium tantalate, lithium niobate, lithium borate, and barium titanate. In particular, the piezoelectric material constituting the
また、かかる非圧電体材料としては、例えば、シリコン、石英ガラス等が挙げられる。特に、振動基板21を構成する非圧電体材料としてはシリコンが好ましい。シリコンで振動基板21を構成すると、振動基板21の振動特性を優れたものを比較的安価に実現することができる。また、基部27に集積回路を形成するなどして、振動片2と他の回路素子との一体化も容易である。また、材料がシリコンであれば、シリコンデバイス製造で用いられるような微細加工技術を利用できるので、より高い寸法精度で振動基板21を形成することができる。
Examples of the non-piezoelectric material include silicon and quartz glass. In particular, silicon is preferable as the non-piezoelectric material constituting the
このような振動基板21において、基部27は、Z軸方向を厚さ方向とする略板状をなしている。また、図1および図3に示すように、基部27は、薄肉に形成された薄肉部271と、この薄肉部271よりも厚肉に形成された厚肉部272とを有し、これらがY軸方向に並んで設けられている。
また、薄肉部271は、後述する各振動腕28、29、30と等しい厚さとなるように形成されている。したがって、厚肉部272は、そのZ軸方向での厚さが各振動腕28、29、30のZ軸方向での厚さよりも大きい部分である。
このような薄肉部271および厚肉部272を形成することにより、振動腕28、29、30の厚さを薄くして振動腕28、29、30の振動特性を向上させるとともに、振動片2を製造する際のハンドリング性を優れたものとすることができる。
In such a
The
By forming the
そして、基部27の薄肉部271の厚肉部272とは反対側には、3つの振動腕28、29、30が接続されている。
振動腕28、29は、基部27(薄肉部271)のX軸方向での両端部に接続され、振動腕30は、基部27(薄肉部271)のX軸方向での中央部に接続されている。
3つの振動腕28、29、30は、互いに平行となるように基部27からそれぞれ延出して設けられている。より具体的には、3つの振動腕28、29、30は、基部27からそれぞれY軸方向(Y軸の矢印方向)に延出するとともに、X軸方向に並んで設けられている。
Three vibrating
The vibrating
The three vibrating
この振動腕28、29、30は、それぞれ、長手形状をなし、その基部27側の端部(基端部)が固定端となり、基部27と反対側の端部(先端部)が自由端となる。
また、振動腕28、29、30は、それぞれ、互いに対向する1対の板面(主面)を有する板状をなしている。
また、振動腕28、29は、互いに同じ幅となるように形成され、振動腕30は、振動腕28、29の幅の2倍の幅となるように形成されている。このように振動腕28、29と振動腕30との質量を揃え重心のバランスをとることにより、振動腕28、29をZ軸方向に屈曲振動させるとともに、振動腕30を振動腕28、29と反対方向に(逆相で)Z軸方向に屈曲振動させたとき、振動漏れを少なくすることができる。但し、本発明では振動腕28、29、30の幅は、前述したものに限定されるものではなく、例えば、互いに同じ腕幅の振動片にも適用可能である。
Each of the vibrating
The vibrating
The vibrating
また、各振動腕28、29、30は、長手方向での全域に亘って幅が一定となっている。なお、必要に応じて、振動腕28、29、30の各先端部には、基端部よりも横断面積が大きい質量部(ハンマーヘッド)を設けてもよい。この場合、振動片2をより小型なものとしたり、振動腕28、29、30の屈曲振動の周波数をより低めたりすることができる。
In addition, each of the vibrating
図4に示すように、このような振動腕28上には、圧電体素子22が設けられ、また、振動腕29上には、圧電体素子23が設けられ、さらに、振動腕30上には、圧電体素子24が設けられている。これにより、比較的簡単に、各振動腕28、29、30をZ軸方向に屈曲振動させることができる。また、各振動腕28、29、30が圧電性を有していなくてもよいので、各振動腕28、29、30の材料の選択の幅が広がる。そのため、所望の振動特性を有する振動片2を比較的簡単に実現することができる。
As shown in FIG. 4, the
圧電体素子22は、電圧印加により伸縮(即ち、圧電効果による伸縮)して振動腕28をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。また、圧電体素子23は、電圧印加により伸縮して振動腕29をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。また、圧電体素子24は、電圧印加により伸縮して振動腕30をZ軸方向に屈曲振動させる機能を有する。
このような圧電体素子22は、図4に示すように、振動腕28上に、第1の電極層221、圧電体層(圧電薄膜)222、第2の電極層223がこの順で積層されて構成されている。
同様に、圧電体素子23は、振動腕29上に、第1の電極層231、圧電体層(圧電薄膜)232、第2の電極層233がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体素子24は、振動腕30上に、第1の電極層241、圧電体層(圧電薄膜)242、第2の電極層243がこの順で積層されて構成されている。
The
As shown in FIG. 4, the
Similarly, the
以下、圧電体素子22を構成する各層を順次詳細に説明する。なお、圧電体素子23、24の各層の構成については、圧電体素子22と同様であるため、その説明を省略する。
[第1の電極層]
第1の電極層221は、図5に示すように、基部27上から振動腕28上にその延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
Hereinafter, each layer constituting the
[First electrode layer]
As shown in FIG. 5, the
本実施形態では、振動腕28上において、第1の電極層221の長さL1は、振動腕28の長さLよりも短くなっている。
そのため、第1の電極層221の基部27とは反対側の端(以下、「第1の電極層221の先端」とも言う)は、圧電体層222の基部27とは反対側の端(以下、「圧電体層222の先端」とも言う)よりも基部27側に位置している。ここで、圧電体素子22の駆動力(圧電効果による伸縮)が発生する領域は、第1の電極層221と圧電体層222と第2の電極層223とがこれらの平面視で重なる領域にほぼ一致する。一方で、第1の電極層221と第2の電極層223が平面視で重なる領域は平板コンデンサとしての容量を持つ。これを振動腕28に亘って形成してしまうと振動片2の電気的並列容量が大きくなってしまい、振動特性(特に、Q値や位相差)に影響を及ぼす。本発明のように先端を圧電体層222の先端よりも基部27側に位置させることにより、第1の振動腕28の延出方向の一部の範囲に圧電体素子22の駆動力を伝達させながら、振動腕28の電気的並列容量を減らすことができる。
In the present embodiment, the length L 1 of the
Therefore, the end of the
特に、第1の電極層221の先端は、振動腕28の延出方向での中央付近に位置している。これにより、振動腕28の基端側の部分に圧電体素子22の駆動力を作用させることにより、圧電体素子22により振動腕28を効率的に振動させることができる。その一方で、圧電体層222は振動腕28全体に形成されているため、振動腕28の剛性は全体に亘って一定である。そのため、振動腕28に不要な振動モードが発生するのを防止することができる。
In particular, the tip of the
また、第1の電極層221は、振動腕28のX軸方向の略全域に亘って設けられている。このような第1の電極層221のX軸方向での長さ(すなわち幅)は、振動腕28のX軸方向での長さ(すなわち幅)と同等もしくは若干短く設定されている。本発明は、当該第1の電極層221の長さと第2の電極層223の長さの位置関係に限定されるものでは無い。どちらか一方が長くても短くても良いが、平面視で重なる部分が重要となるからである。
The
このような第1の電極層221は、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデンン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料、および少なくともこれらの金属を一種類以上含む合金材料により形成することができる。
Such a
中でも、第1の電極層221の構成材料としては、金を主材料とする金属(金、金合金)、白金を用いるのが好ましく、金を主材料とする金属(特に金)を用いるのがより好ましい。
Auは、導電性に優れ(電気抵抗が小さく)、酸化に対する耐性に優れているため、電極材料として好適である。また、AuはPtに比しエッチングにより容易にパターニングすることができる。さらに、第1の電極層221を金または金合金で構成することにより、圧電体層222の配向性を高めることもできる。
Among them, as a constituent material of the
Au is suitable as an electrode material because it has excellent conductivity (low electrical resistance) and excellent resistance to oxidation. Further, Au can be easily patterned by etching as compared with Pt. Furthermore, the orientation of the
また、第1の電極層221の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。特に、第1の電極層221の導電性を確保しつつ、当該電極層最表面の結晶面を揃えることは圧電体層222の形成にとって非常に重要である。何故なら圧電体層の配向性は直下の金属層との界面に大きく影響を受けるからである。従って、第1の電極層221の成膜条件と厚さ、および電極パターニング工程は細心の注意を持って行われるべきである。
The average thickness of the
なお、例えば第1の電極層221を金で構成し、振動基板21を水晶で構成した場合、これらの密着性が低い。そのため、このような場合、第1の電極層221と振動基板21との間には、Ti、Cr等で構成された下地層を設けるのが好ましい。これにより、下地層と振動腕28との密着性、および、下地層と第1の電極層221との密着性をそれぞれ優れたものとすることができる。その結果、第1の電極層221が振動腕から剥離するのを防止し、振動片2の信頼性を優れたものとすることができる。
この下地層の平均厚さは、下地層が圧電体素子22の駆動特性や振動腕28の振動特性に悪影響を与えるのを防止しつつ、前述したような密着性を高める効果を発揮することができれば、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましい。
For example, when the
The average thickness of the underlayer can exert the effect of improving the adhesion as described above while preventing the underlayer from adversely affecting the driving characteristics of the
[圧電体層]
圧電体層222は、図5に示すように、第1の電極層221上に振動腕28の延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
特に、圧電体層222は、基部27側から振動腕28の先端付近に亘って設けられている。
これにより、振動腕28の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのを防止することができる。そのため、振動片2の不要な振動モードの発生を防止し、振動片2のQ値を高めることができる。その結果、振動片2の発振特性を良好なものとすることができる。
[Piezoelectric layer]
As shown in FIG. 5, the
In particular, the
As a result, it is possible to prevent a portion where the rigidity changes suddenly in the middle of the extending direction (longitudinal direction) of the vibrating
特に、圧電体層222は、振動腕28の延出方向での全域に亘って設けられている。すなわち、本実施形態では、振動腕28上において、圧電体層222の長さL3は、振動腕28の長さLに等しい。これにより、振動腕28の曲げ剛性を均一化することができる。
また、圧電体層222は、振動腕28の一方の板面(主面)の全面に亘って設けられている。すなわち、振動腕28の一方の主面のX軸方向およびY軸方向での全域に亘って設けられている。これにより、簡単かつ確実に、振動腕28の曲げ剛性を均一化することができる。
In particular, the
Further, the
また、圧電体層222の基部27側の端部(すなわち圧電体層222の基端部)は、振動腕28と基部27との境界部を跨ぐように設けられている。
これにより、圧電体素子22の駆動力を振動腕28に効率的に伝達させることができる。また、振動腕28と基部27との境界部における剛性の急激な変化を緩和することができる。そのため、振動片2のQ値を高めることができる。
Further, the end portion on the
Thereby, the driving force of the
このような圧電体層222の構成材料(圧電体材料)としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、窒化アルミニウム(AlN)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、4ホウ酸リチウム(Li2B4O7)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等が挙げられるが、AIN、ZnOを用いるのが好ましい。
Examples of the constituent material (piezoelectric material) of the
中でも、圧電体層222の構成材料としては、ZnO、AlNを用いるのが好ましい。ZnO(酸化亜鉛)や窒化アルミニウム(AlN)は、成膜過程での自己配向性に優れている。そのため、ZnOを主材料とした圧電体層222で構成することにより、振動片2のCI値を低減することができる。また、これらの材料は、反応性スパッタリング法により成膜することができる。
Among these, it is preferable to use ZnO or AlN as the constituent material of the
また、圧電体層222を構成する材料の弾性定数は、前述した振動基板21を構成する材料(すなわち振動腕28を構成する材料)の弾性定数よりも大きい場合、圧電体層222が振動腕28の振動特性に与える影響が大きい。そのため、このような場合に本発明を適用することで、その効果が顕著となる。
例えば、水晶の弾性定数は、C11=0.86×1011[N/m2]であるのに対し、ZnOの弾性定数は、C11=2.1×1011[N/m2](水晶の約2.4倍)であり、AlNの弾性定数は、C11=3.45×1011[N/m2](水晶の約4倍)である。
Further, when the elastic constant of the material constituting the
For example, the elastic constant of quartz is C11 = 0.86 × 10 11 [N / m 2 ], whereas the elastic constant of ZnO is C11 = 2.1 × 10 11 [N / m 2 ] (quartz The elastic constant of AlN is C11 = 3.45 × 10 11 [N / m 2 ] (about 4 times that of quartz).
また、圧電体層222の平均厚さは、50〜3000[nm]であるのが好ましく、200〜2000[nm]であるのがより好ましい。何故なら、圧電体層は薄すぎると結晶配向性が充分でなく圧電効果を発揮しにくい。一方で圧電体層が厚すぎるとパターニング加工がし難くなり、時に断線不良などのプロセス歩留まり低下をもたらす。従って、適切な厚さを選ぶことにより、圧電体素子22の駆動特性を優れたものとすることができる。
The average thickness of the
[第2の電極層]
第2の電極層223は、図5に示すように、圧電体層222上に振動腕28の延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
本実施形態では、振動腕28上において、第2の電極層223の長さL2は、振動腕28の長さLよりも短くなっている。また、振動腕28上において、第2の電極層223の長さL2は、第1の電極層221の長さL1と等しい。
[Second electrode layer]
As shown in FIG. 5, the
In the present embodiment, the
このような第2の電極層223は、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデンン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料、および少なくともこれらの金属を一種類以上含む合金材料により形成することができる。特に、第2の電極層223の構成材料は、第1の電極層221と同様、金を主材料とする金属(金、金合金)、白金を用いるのが好ましく、金を主材料とする金属(特に金)を用いるのがより好ましい。
The
また、第2の電極層223の平均厚さは、特に限定されないが、例えば、1〜300nm程度であるのが好ましく、10〜200nmであるのがより好ましい。第2の電極層223の厚さについては、導電性を確保しつつ、断線やエッチング残渣などプロセス不具合を鑑み最適化されるべきである。これにより、圧電体素子22の振動特性を優れたものとすることができる。
The average thickness of the
なお、圧電体層222と第2の電極層223との間には、必要に応じて、SiO2(酸化ケイ素)、AlN(窒化アルミ)等の絶縁体層を設けてもよい。この絶縁体層は、圧電体層222を保護するとともに、第1の電極層221と第2の電極層223との間の短絡を防止する機能を有する。また、この絶縁体層は、圧電体層222の上面のみを覆うように形成してもよいし、圧電体層222の上面および圧電体層222の側面(第1の電極層221に接する面以外の面)も覆うように形成してもよい。
この絶縁体層の平均厚さは、特に限定されないが、50〜500nmであるのが好ましい。かかる厚さが前記下限値未満であると、前述したような短絡を防止する効果が小さくなる傾向となり、一方、かかる厚さが前記上限値を超えると、有効な電圧印加が行えなくなり圧電体素子22の特性に悪影響を与えるおそれがある。
Note that an insulating layer such as SiO 2 (silicon oxide) or AlN (aluminum nitride) may be provided between the
The average thickness of the insulator layer is not particularly limited, but is preferably 50 to 500 nm. When the thickness is less than the lower limit value, the effect of preventing the short circuit as described above tends to be reduced. On the other hand, when the thickness exceeds the upper limit value, effective voltage application cannot be performed. 22 may be adversely affected.
以上説明したように構成された圧電体素子22においては、第1の電極層221と第2の電極層223との間に電圧が印加されると、圧電体層222にZ軸方向の電界が生じる。この電界により、圧電体層222は、Z軸方向に伸張または収縮し、振動腕28をZ軸方向に屈曲振動させる。
同様に、圧電体素子23においては、第1の電極層231と第2の電極層233との間に電圧が印加されると、圧電体層232は、Z軸方向に伸張または収縮し、振動腕29をZ軸方向に屈曲振動させる。また、圧電体素子24においては、第1の電極層241と第2の電極層243との間に電圧が印加されると、圧電体層242は、Z軸方向に伸張または収縮し、振動腕30をZ軸方向に屈曲振動させる。
In the
Similarly, in the
このような圧電体素子22、23、24において、前述した第1の電極層221、232は、図示しない貫通電極および配線からなる導通部を介して、第2の電極層243に電気的に接続されている。そして、第2の電極層243は、図2に示すように、基部27の上面に設けられた接続電極41に電気的に接続されている。これにより、第1の電極層221、232および第2の電極層243は、それぞれ、接続電極41に電気的に接続されている。
In the
また、第1の電極層241は、図示しない貫通電極および配線からなる導通部を介して、第2の電極層223、235に電気的に接続されている。そして、第2の電極層223、235は、図2に示すように、配線43を介して、基部27の下面に設けられた接続電極42に電気的に接続されている。これにより、第1の電極層241および第2の電極層223、235は、接続電極42に電気的に接続されている。
In addition, the
また、接続電極41、42および配線43等は、金(Au)、金合金、白金(Pt)、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銀(Ag)、銀合金、クロム(Cr)、クロム合金、銅(Cu)、モリブデンン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)等の金属材料、および少なくともこれらの金属を一種類以上含む合金材料により形成することができる。また、これらは、第1の電極層221、232、242または第2の電極層223、235、245と同時に一括形成することができる。
The
このような構成の振動片2においては、接続電極41と接続電極42との間に電圧(各振動腕28、29、30を振動させるための電圧)が印加されると、第1の電極層221、231および第2の電極層243と、第1の電極層241および第2の電極層223、233とが逆極性となるようにして、前述した圧電体層222、232、242にそれぞれZ軸方向の電圧が印加される。これにより、圧電体材料の逆圧電効果により、ある一定の周波数(共振周波数)で各振動腕28、29、30を屈曲振動させることができる。このとき、図6に示すように、振動腕28、29は、互いに同方向に屈曲振動し、振動腕30は、振動腕28、29とは反対方向に屈曲振動する。
このように、隣り合う2つの振動腕を互いに反対方向に屈曲振動させることにより、隣り合う2つの振動腕28、30および29、30により生じる漏れ振動を極小化することができる。その結果、振動漏れを防止することができる。
In the
In this way, by causing the two adjacent vibrating arms to bend and vibrate in directions opposite to each other, leakage vibration caused by the two adjacent vibrating
このような振動片2においては、前述したように圧電体層222が基部27側から振動腕28の先端付近に亘って設けられているので、図7(a)および図8(a)に示すように、振動腕28の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのを防止することができる。また、同様に、振動腕29、30の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのを防止することができる。
In such a vibrating
これに対し、例えば、図7(b)および図8(b)に示すように、振動腕28上に、振動腕28よりも短い長さの圧電体層1221を有する圧電体素子122を設けた振動片102においては、振動腕28の基端側の部分(圧電体層1221に覆われた部分)と先端側の部分(圧電体層1221に覆われていない部分)とで剛性が異なってしまい、圧電体膜の先端付近で振動腕が折れ曲がるように振動する。本実施形態のように振動腕の弾性定数と圧電体層の弾性定数に大きな差異がある場合、振動腕が折れ曲がる振動モードが顕著となる。そのため、不要な振動モードが発生してしまう。このような振動片2の振動腕28の折れ曲がり部分には、当該材料の線膨張係数に応じた温度上昇が生じる。そのため、振動片102では、内部損失が大きくなり、Q値を十分に高めることができない。
On the other hand, for example, as shown in FIGS. 7B and 8B, a
(振動片の製造方法)
ここで、前述した振動片2の製造方法の一例について簡単に説明する。
前述した振動片2の製造方法は、[A]振動腕28、29、30上に第1の電極層221、231、241を形成する工程と、[B]第1の電極層221、231、241上に圧電体層222、232、242を形成する工程と、[C]圧電体層222、232、242上に第2の電極層223、233、343を形成する工程とを有する。
(Manufacturing method of vibrating piece)
Here, an example of a method for manufacturing the above-described
The above-described method for manufacturing the
以下、各工程を簡単に説明する。
[A]
まず、振動基板21を形成するための基板を用意する。
そして、この基板をエッチングすることにより、振動基板21を形成する。
より具体的に説明すると、例えば、上記基板が水晶基板である場合、水晶基板の薄肉部271となる部分を、BHF(buffered hydrogen fluoride)をエッチング液として用いた異方性エッチングにより除去して薄肉化する。その後、その薄肉化された部分を、上記と同様の異方性エッチングにより部分的に除去して、振動腕28、29、30を形成する。これにより、振動基板21が形成される。
その後、振動腕28、29、30上に第1の電極層221、231、241を形成する。その際、必要に応じてパターニングを施し、配線も同時に形成する。
Hereafter, each process is demonstrated easily.
[A]
First, a substrate for forming the
Then, the
More specifically, for example, when the substrate is a quartz substrate, the thin-
Thereafter, first electrode layers 221, 231, and 241 are formed on the vibrating
この第1の電極層221、231、241の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理気相成長法、CVD(Chemical Vapor Deposition)と呼ばれる化学気相成長法、また、インクジェット法等の各種塗布法等が挙げられるが、ここでは物理気相成長法(特にスパッタリング法)を用いるのが好ましい。また、第1の電極層221、231、241の形成に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。
なお、第1の電極層221、231、241は、同一の成膜工程で一括形成することができる。
The first electrode layers 221, 231, and 241 can be formed by physical vapor deposition such as sputtering or vacuum deposition, chemical vapor deposition called CVD (Chemical Vapor Deposition), ink jet, or the like. In this case, it is preferable to use a physical vapor deposition method (particularly, a sputtering method). In forming the first electrode layers 221, 231 and 241, it is preferable to use a photolithography method.
Note that the first electrode layers 221, 231 and 241 can be collectively formed in the same film formation step.
[B]
次に、第1の電極層221、231、241上に圧電体層222、232、242を形成する。
この圧電体層222、232、242の形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法等の物理気相成長法、CVD(Chemical Vapor Deposition)と呼ばれる気相成長法、また、ディップコーティングなどに代表されるゾルゲル法等が挙げられるが、ここでは物理気相成長法(特に反応性スパッタリング法)を用いるのが好ましい。また、圧電体層222、232、242の形成(パターニング)に際しては、フォトリソグラフィ法を用いるのが好ましい。また、圧電体層222、232、242をパターニングする際に、不要部分の除去にはウエットエッチングを用いるのが好ましい。
なお、圧電体層222、232、242は、同一の成膜工程で一括形成することができる。
[B]
Next,
The
Note that the
[C]
次に、圧電体層222、232、242に第2の電極層223、233、343を形成する。その際、接続電極41、42等も同時に形成する。
この第2の電極層223、233、343の形成は、前述した第1の電極層221、231、241と同様にして行うことができる。
以上説明したようにして振動片2を製造することができる。
[C]
Next, second electrode layers 223, 233 and 343 are formed on the
The formation of the second electrode layers 223, 233, and 343 can be performed in the same manner as the first electrode layers 221, 231, and 241 described above.
As described above, the
(パッケージ)
次に、振動片2を収容・固定するパッケージ3について説明する。
パッケージ3は、図1に示すように、板状のベース基板31と、枠状の枠部材32と、板状の蓋部材33とを有している。ベース基板31、枠部材32および蓋部材33は、下側から上側へこの順で積層されている。ベース基板31と枠部材32とは、後述のセラミック材料等で形成されており、互いに一体に焼成されることで接合されている。そして、枠部材32と蓋部材33は、接着剤あるいはろう材等により接合されている。そして、パッケージ3は、ベース基板31、枠部材32および蓋部材33で画成された内部空間Sに、振動片2を収納している。なお、パッケージ3内には、振動片2の他、振動片2を駆動する電子部品等を収納することもできる。
(package)
Next, the package 3 that houses and fixes the
As illustrated in FIG. 1, the package 3 includes a plate-
ベース基板31の構成材料としては、絶縁性(非導電性)を有しているものが好ましく、例えば、各種ガラス、酸化物セラミックス、窒化物セラミックス、炭化物系セラミックス等の各種セラミックス材料、ポリイミド等の各種樹脂材料などを用いることができる。
また、枠部材32および蓋部材33の構成材料としては、例えば、ベース基板31と同様の構成材料、Al、Cuのような各種金属材料、各種ガラス材料等を用いることができる。特に、蓋部材33の構成材料として、ガラス材料等の光透過性を有するものを用いた場合、振動片2に予め金属被覆部(図示せず)を形成しておくと、振動片2をパッケージ3内に収容した後であっても、蓋部材33を介して前記金属被覆部にレーザーを照射し、前記金属被覆部を除去して振動片2の質量を減少させることにより(質量削減方式により)、振動片2の周波数調整を行うことができる。
As the constituent material of the
In addition, as the constituent material of the
このベース基板31の上面には、固定材5を介して、前述した振動片2が固定されている。この固定材5は、例えば、エポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等の接着剤で構成されている。このような固定材5は、未硬化(未固化)の接着剤をベース基板31上に塗布し、さらに、この接着剤上に振動片2を載置した後、その接着剤を硬化または固化させることにより形成される。これにより、振動片2(基部27)がベース基板31に確実に固定される。
なお、この固定は、導電性粒子を含有するエポキシ系、ポリイミド系、シリコーン系等の導電性接着剤を用いて行ってもよい。
On the upper surface of the
In addition, you may perform this fixation using electrically conductive adhesives, such as an epoxy type, a polyimide type, and a silicone type containing electroconductive particle.
また、ベース基板31の上面には、一対の電極35a、35bが内部空間Sに露出するように形成されている。
この電極35aは、例えばワイヤーボンディング技術により形成された金属ワイヤー(ボンディングワイヤー)38を介して、前述した接続電極42に電気的に接続されている。また、電極35bは、例えばワイヤーボンディング技術により形成された金属ワイヤー(ボンディングワイヤー)37を介して、前述した接続電極41に電気的に接続されている。
なお、一対の電極35a、35bと接続電極41、42との接続方法は、これに限定されず、例えば、導電性接着剤により行ってもよい。この場合、例えば、振動片2の図示とは表裏反転するか、振動片2の下面に接続電極41、42を形成すればよい。
In addition, a pair of
The
In addition, the connection method of a pair of
また、ベース基板31の下面には、4つの外部端子34a、34b、34c、34dが設けられている。
これら4つの外部端子34a〜34dのうち、外部端子34a、34bは、それぞれ、ベース基板31に形成されたビアホールに設けられた導体ポスト(図示せず)を介して電極35a、35bに電気的に接続されたホット端子である。また、他の2つの外部端子34c、34dは、それぞれ、パッケージ3を実装用基板に実装するときに、接合強度を高めたり、パッケージ3と実装用基板との間の距離を均一化するためのダミー端子である。
Further, four
Out of these four
このような電極35a、35bおよび外部端子34a〜34dは、それぞれ、例えば、タングステンおよびニッケルメッキの下地層に、金メッキを施すことで形成することができる。
なお、パッケージ3内部に電子部品を収納した場合、ベース基板31の下面には、必要に応じて、電子部品の特性検査や、電子部品内の各種情報(例えば、振動デバイスの温度補償情報)の書き換え(調整)を行うための書込端子が形成されていてもよい。
When an electronic component is housed inside the package 3, the lower surface of the
以上説明したような第1実施形態によれば、圧電体層222、232、242が基部27側から振動腕28、29、30の先端付近に亘って設けられているので、振動腕28、29、30の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのを防止することができる。そのため、振動片2の不要な振動モードの発生を防止し、振動片2のQ値を高めることができる。その結果、振動片2の発振特性を良好なものとすることができる。
また、このような振動片2をパッケージ3に収納した振動デバイス1は、優れた発振特性を有するものとなる。
According to the first embodiment as described above, since the
In addition, the vibration device 1 in which such a
<第2実施形態>
次に、本発明の振動デバイスの第2実施形態について説明する。
図9は、本発明の第2実施形態に係る振動デバイスを示す上面図、図10は、図9に示す振動片に備えられた振動腕を示す部分断面斜視図である。
以下、第2実施形態の振動デバイスについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態の振動デバイスは、第1の電極層の長さが異なる以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図9、10では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the vibration device of the present invention will be described.
9 is a top view showing a vibrating device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a partial cross-sectional perspective view showing a vibrating arm provided in the vibrating piece shown in FIG.
Hereinafter, the vibration device according to the second embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The vibration device of the second embodiment is substantially the same as the first embodiment except that the length of the first electrode layer is different. 9 and 10, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment.
本実施形態の振動デバイス1Aは、図9に示すように、振動片2Aと、この振動片2Aを収納するパッケージ3とを有している。
振動片2Aは、振動腕28上に設けられた圧電体素子22Aと、振動腕29上に設けられた圧電体素子23Aと、振動腕30上に設けられた圧電体素子24Aとを有する。
以下、圧電体素子22Aについて説明する。なお、圧電体素子23A、24Aは、圧電体素子22Aと同様であるため、その説明を省略する。
As shown in FIG. 9, the vibrating device 1 </ b> A of the present embodiment includes a vibrating
The
Hereinafter, the
圧電体素子22Aは、図10に示すように、振動腕28上に、第1の電極層221A、圧電体層(圧電薄膜)222、第2の電極層223がこの順で積層されて構成されている。
第1の電極層221Aは、基部27上から振動腕28上にその延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
As shown in FIG. 10, the
The
本実施形態では、振動腕28上において、第1の電極層221Aの長さL1は、第2の電極層223の長さL2よりも長くなっている。また、振動腕28上において、第1の電極層221Aの長さL1は、振動腕28の長さLに略等しい。
これにより、振動腕28の先端側においても圧電体層222を第1の電極層221A上に設けることができる。そのため、圧電体層222の配向性を振動腕28の長手方向での略全域に亘って第1の電極層221の表面状態により高めることができる。その結果、振動腕28の振動特性を長手方向での全域に亘って均一化することができる。
なお、このような第1の電極層221Aの第2の電極層223の先端よりも突出した部分は、圧電体層222への電界の印加にほとんど寄与しない。
In the present embodiment, on the vibrating
Accordingly, the
Note that the portion of the
また、本実施形態では、振動腕28上において第1の電極層221Aの長さL1が振動腕28の長さLに略等しいが、第2の電極層223の先端が圧電体層222の先端よりも基部27側に位置しているので、振動腕28の延出方向の一部の範囲に圧電体素子22Aの駆動力を伝達させることができる。
また、以上説明したような第2実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
In the present embodiment, the length L1 of the
Further, according to the second embodiment as described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
<第3実施形態>
次に、本発明の振動デバイスの第3実施形態について説明する。
図11は、本発明の第3実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図12は、図11に示す振動片に備えられた振動腕を示す部分断面斜視図である。
以下、第3実施形態の振動デバイスについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第3実施形態の振動デバイスは、第2の電極層の長さが異なる以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図11、12では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the vibration device of the invention will be described.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a vibrating device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a partial cross-sectional perspective view showing a vibrating arm provided in the vibrating piece shown in FIG.
Hereinafter, the vibration device according to the third embodiment will be described focusing on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The vibration device of the third embodiment is substantially the same as that of the first embodiment except that the length of the second electrode layer is different. 11 and 12, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment.
本実施形態の振動デバイス1Bは、図11に示すように、振動片2Bと、この振動片2Bを収納するパッケージ3とを有している。
振動片2Bは、振動腕28上に設けられた圧電体素子22Bと、振動腕29上に設けられた圧電体素子23Bと、振動腕30上に設けられた圧電体素子24Bとを有する。
以下、圧電体素子22Bについて説明する。なお、圧電体素子23B、24Bは、圧電体素子22Bと同様であるため、その説明を省略する。
As shown in FIG. 11, the
The
Hereinafter, the
圧電体素子22Bは、図12に示すように、振動腕28上に、第1の電極層221、圧電体層(圧電薄膜)222、第2の電極層223Bがこの順で積層されて構成されている。
第2の電極層223Bは、圧電体層222上に振動腕28の延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
As shown in FIG. 12, the
The
本実施形態では、振動腕28上において、第2の電極層223Bの長さL2は、第1の電極層221の長さL1よりも長くなっている。また、振動腕28上において、第2の電極層223Bの長さL2は、振動腕28の長さLに略等しい。
このような第2の電極層223Bの第1の電極層221の先端よりも突出した部分は、圧電体層222への電界の印加にほとんど寄与しないため、例えば、振動腕28の共振周波数の調整に用いることができる。このような共振周波数の調整は、かかる部分をレーザー光の照射により部分的に除去することにより行うことができる。
また、以上説明したような第3実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
In the present embodiment, on the vibrating
Such a portion of the
Further, according to the third embodiment as described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
<第4実施形態>
次に、本発明の振動デバイスの第4実施形態について説明する。
図13は、本発明の第4実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図14は、図13に示す振動片に備えられた振動腕を示す部分断面斜視図である。
以下、第4実施形態の振動デバイスについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第4実施形態の振動デバイスは、圧電体層の先端部の厚さが異なる以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図13、14では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
<Fourth embodiment>
Next, a fourth embodiment of the vibration device of the invention will be described.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a vibrating device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 14 is a partial cross-sectional perspective view showing a vibrating arm provided in the vibrating piece shown in FIG.
Hereinafter, the vibration device according to the fourth embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The vibration device of the fourth embodiment is substantially the same as the first embodiment except that the thickness of the tip portion of the piezoelectric layer is different. In FIGS. 13 and 14, the same reference numerals are given to the same configurations as those in the above-described embodiment.
本実施形態の振動デバイス1Cは、図13に示すように、振動片2Cと、この振動片2Cを収納するパッケージ3とを有している。
振動片2Cは、振動腕28上に設けられた圧電体素子22Cと、振動腕29上に設けられた圧電体素子23Cと、振動腕30上に設けられた圧電体素子24Cとを有する。
以下、圧電体素子22Cについて説明する。なお、圧電体素子23C、24Cは、圧電体素子22Cと同様であるため、その説明を省略する。
As shown in FIG. 13, the vibrating device 1 </ b> C of the present embodiment includes a vibrating
The
Hereinafter, the piezoelectric element 22C will be described. The piezoelectric elements 23C and 24C are the same as the piezoelectric element 22C, and thus description thereof is omitted.
圧電体素子22Cは、図14に示すように、振動腕28上に、第1の電極層221、圧電体層(圧電薄膜)222C、第2の電極層223がこの順で積層されて構成されている。
圧電体層222Cは、第1の電極層221上に振動腕28の延出方向(Y軸方向)に沿って設けられている。
As shown in FIG. 14, the piezoelectric element 22C is configured by laminating a
The
本実施形態では、振動腕28上において、圧電体層222Cの長さL3は、振動腕28の長さLに略等しい。
そして、圧電体層222Cのうち第1の電極層221および第2の電極層223の先端よりも突出した部分(先端部)の厚さは、振動腕28の基端側から先端側に向けて漸減している。
In the present embodiment, the length L 3 of the piezoelectric layer 222 C on the vibrating
The thickness of the portion (tip portion) of the piezoelectric layer 222C that protrudes beyond the tips of the
このように圧電体層222Cの基部27とは反対側の端部の厚さが振動腕28の基端側から先端側に向けて漸減していることにより、圧電体層222Cの先端と振動腕28の先端とが一致していなくても、振動腕28の延出方向の一部で剛性が急激に変化するのを防止することができる。
また、以上説明したような第4実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
As described above, the thickness of the end portion of the piezoelectric layer 222C opposite to the
Further, according to the fourth embodiment as described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
<第5実施形態>
次に、本発明の振動デバイスの第5実施形態について説明する。
図15は、本発明の第5実施形態に係る振動デバイスを示す断面図、図16は、図15に示す振動片に備えられた振動腕を示す部分断面斜視図である。
以下、第5実施形態の振動デバイスについて、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第5実施形態の振動デバイスは、各振動腕の下面側にも圧電体層(圧電体素子)を設けた以外は、第1実施形態とほぼ同様である。なお、図15、16では、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
<Fifth Embodiment>
Next, a fifth embodiment of the vibration device of the invention will be described.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a vibrating device according to a fifth embodiment of the present invention, and FIG. 16 is a partial cross-sectional perspective view showing a vibrating arm provided in the vibrating piece shown in FIG.
Hereinafter, the vibration device according to the fifth embodiment will be described focusing on the differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
The vibration device of the fifth embodiment is substantially the same as that of the first embodiment except that a piezoelectric layer (piezoelectric element) is also provided on the lower surface side of each vibration arm. In FIGS. 15 and 16, the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals.
本実施形態の振動デバイス1Dは、図15に示すように、振動片2Dと、この振動片2Dを収納するパッケージ3とを有している。
振動片2Dは、振動基板21の上面上に設けられた圧電体素子22、23、24の他に、振動基板21の下面上に設けられた圧電体素子61、62、63を有している。
具体的には、振動片2Dは、振動腕28上に設けられた圧電体素子61と、振動腕29上に設けられた圧電体素子62と、振動腕30上に設けられた圧電体素子63とを有する。
As shown in FIG. 15, the vibration device 1 </ b> D of the present embodiment includes a
The
Specifically, the
圧電体素子61は、図16示すように、振動腕28上に、第1の電極層611、圧電体層(圧電薄膜)612、第2の電極層613がこの順で積層されて構成されている。
このような圧電体素子61は、振動腕28を介して圧電体素子22と対称となるように構成されている。
特に、圧電体層612は、基部27側から振動腕28の先端付近に亘って設けられている。
これにより、振動腕28の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのをより効果的に防止することができる。
As shown in FIG. 16, the
Such a
In particular, the
Thereby, it can prevent more effectively that the part where rigidity changes rapidly in the middle of the extending direction (longitudinal direction) of the vibrating
同様に、圧電体素子62は、振動腕29上に、第1の電極層621、圧電体層(圧電薄膜)622、第2の電極層623がこの順で積層されて構成されている。また、圧電体素子63は、振動腕30上に、第1の電極層631、圧電体層(圧電薄膜)632、第2の電極層633がこの順で積層されて構成されている。これにより、振動腕29、30の延出方向(長手方向)の途中に剛性が急激に変化する部分が形成されるのをより効果的に防止することができる。
Similarly, the
このような振動片2Dにおいては、圧電体素子61、62、63を作動させなくてもよいし、圧電体素子61、62、63を圧電体素子22、23、24の駆動に同期して作動させてもよい。圧電体素子61、62、63を圧電体素子22、23、24の駆動に同期して作動させる場合、例えば、振動腕28の側面や基部27上に適宜配線を形成すればよい。
また、以上説明したような第5実施形態によれば、前述した第1実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上説明したような各実施形態の振動デバイスは、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。
In such a vibrating
Further, according to the fifth embodiment as described above, the same effects as those of the first embodiment described above can be exhibited.
The vibration device of each embodiment as described above can be applied to various electronic devices, and the obtained electronic device has high reliability.
ここで、本発明の振動デバイスを備える電子機器について、図17〜図19に基づき、詳細に説明する。
図17は、本発明の振動デバイスを備える電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピュータの構成を示す斜視図である。
この図において、パーソナルコンピュータ1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部100を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
このようなパーソナルコンピュータ1100には、フィルタ、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
Here, an electronic apparatus including the vibration device according to the invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 17 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile (or notebook) personal computer to which an electronic apparatus including the vibration device according to the invention is applied.
In this figure, a
Such a
図18は、本発明の振動デバイスを備える電子機器を適用した携帯電話機(PHSも含む)の構成を示す斜視図である。
この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部100が配置されている。
このような携帯電話機1200には、フィルタ、共振器等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
FIG. 18 is a perspective view illustrating a configuration of a mobile phone (including PHS) to which an electronic apparatus including the vibration device of the invention is applied.
In this figure, a
Such a
図19は、本発明の振動デバイスを備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
FIG. 19 is a perspective view illustrating a configuration of a digital still camera to which an electronic apparatus including the vibration device according to the invention is applied. In this figure, connection with an external device is also simply shown.
Here, an ordinary camera sensitizes a silver halide photographic film with a light image of a subject, whereas a
ディジタルスチルカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部は、被写体を電子画像として表示するファインダとして機能する。
また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部に表示された被写体像を確認し、シャッタボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリ1308に転送・格納される。
A display unit is provided on the back of a case (body) 1302 in the
A
When the photographer confirms the subject image displayed on the display unit and presses the shutter button 1306, the CCD image pickup signal at that time is transferred and stored in the
また、このディジタルスチルカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニタ1430が、デ−タ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピュータ1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリ1308に格納された撮像信号が、テレビモニタ1430や、パーソナルコンピュータ1440に出力される構成になっている。
このようなディジタルスチルカメラ1300には、フィルタ、共振器等として機能する振動デバイス1が内蔵されている。
In the
Such a
なお、本発明の振動デバイスを備える電子機器は、図17のパーソナルコンピュータ(モバイル型パーソナルコンピュータ)、図18の携帯電話機、図19のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンタ)、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニタ、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシュミレータ等に適用することができる。 In addition to the personal computer (mobile personal computer) shown in FIG. 17, the mobile phone shown in FIG. 18, and the digital still camera shown in FIG. Inkjet printers), laptop personal computers, televisions, video cameras, video tape recorders, car navigation devices, pagers, electronic notebooks (including those with communication functions), electronic dictionaries, calculators, electronic game devices, word processors, workstations, televisions Telephone, crime prevention TV monitor, electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (for example, electronic thermometer, blood pressure monitor, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish detector, various measuring devices, instruments (E.g., vehicle, aircraft, ship total S), it can be applied to a flight simulator or the like.
以上、本発明の振動片、振動デバイスおよび電子機器を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の2以上の構成(特徴)を組み合わせたものであってもよい。 As described above, the resonator element, the vibration device, and the electronic apparatus of the present invention have been described based on the illustrated embodiment. However, the present invention is not limited to this, and the configuration of each unit may be any arbitrary function having the same function. It can be replaced with that of the configuration. In addition, any other component may be added to the present invention. Further, the present invention may be a combination of any two or more configurations (features) of the above embodiments.
例えば、前述した実施形態では、振動片が3つの振動腕を有する場合を例に説明したが、振動腕の数は、1つまたは2つであってもよいし、4つ以上であってもよい。
また、本発明の振動デバイスは、水晶発振器(SPXO)、電圧制御水晶発振器(VCXO)、温度補償水晶発振器(TCXO)、恒温槽付水晶発振器(OCXO)等の圧電発振器の他、ジャイロセンサー等に適用される。
For example, in the embodiment described above, the case where the resonator element has three vibrating arms has been described as an example. However, the number of vibrating arms may be one or two, or may be four or more. Good.
In addition, the vibration device of the present invention can be applied to a gyro sensor or the like in addition to a piezoelectric oscillator such as a crystal oscillator (SPXO), a voltage controlled crystal oscillator (VCXO), a temperature compensated crystal oscillator (TCXO), a crystal oscillator with a thermostat (OCXO). Applied.
1‥‥振動デバイス 1A‥‥振動デバイス 1B‥‥振動デバイス 1C‥‥振動デバイス 1D‥‥振動デバイス 2‥‥振動片 2A‥‥振動片 2B‥‥振動片 2C‥‥振動片 2D‥‥振動片 3‥‥パッケージ 5‥‥固定材 21‥‥振動基板 22‥‥圧電体素子 22A‥‥圧電体素子 22B‥‥圧電体素子 22C‥‥圧電体素子 23‥‥圧電体素子 23A‥‥圧電体素子 23B‥‥圧電体素子 23C‥‥圧電体素子 24‥‥圧電体素子 24A‥‥圧電体素子 24B‥‥圧電体素子 24C‥‥圧電体素子 27‥‥基部 28‥‥振動腕 29‥‥振動腕 30‥‥振動腕 31‥‥ベース基板 32‥‥枠部材 33‥‥蓋部材 34a‥‥外部端子 34b‥‥外部端子 34c‥‥外部端子 34d‥‥外部端子 35a‥‥電極 35b‥‥電極 37‥‥金属ワイヤー 38‥‥金属ワイヤー 41‥‥接続電極 42‥‥接続電極 43‥‥配線 61‥‥圧電体素子 62‥‥圧電体素子 63‥‥圧電体素子 102‥‥振動片 122‥‥圧電体素子 221‥‥第1の電極層 221A‥‥第1の電極層 222‥‥圧電体層 222C‥‥圧電体層 223‥‥第2の電極層 223A‥‥第2の電極層 223B‥‥第2の電極層 231‥‥第1の電極層 232‥‥圧電体層 232C‥‥圧電体層 233‥‥第2の電極層 233A‥‥第2の電極層 233B‥‥第2の電極層 241‥‥第1の電極層 242‥‥圧電体層 242C‥‥圧電体層 243‥‥第2の電極層 243A‥‥第2の電極層 243B‥‥第2の電極層 271‥‥薄肉部 272‥‥厚肉部 611‥‥第1の電極層 612‥‥圧電体層 613‥‥第2の電極層 621‥‥第1の電極層 622‥‥圧電体層 623‥‥第2の電極層 631‥‥第1の電極層 632‥‥圧電体層 633‥‥第2の電極層 1221‥‥圧電体層 100‥‥表示部 1100‥‥パーソナルコンピュータ 1102‥‥キーボード 1104‥‥本体部 1106‥‥表示ユニット 1200‥‥携帯電話機 1202‥‥操作ボタン 1204‥‥受話口 1206‥‥送話口 1300‥‥ディジタルスチルカメラ 1302‥‥ケース 1304‥‥受光ユニット 1306‥‥シャッタボタン 1308‥‥メモリ 1312‥‥ビデオ信号出力端子 1314‥‥デ−タ通信用の入出力端子 1430‥‥テレビモニタ 1440‥‥パーソナルコンピュータ L1‥‥長さ L2‥‥長さ L3‥‥長さ S‥‥内部空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (10)
前記基部から延出する少なくとも1本の板状の振動腕と、
前記振動腕上に第1の電極層、第2の電極層、および前記第1の電極層と前記第2の電極層の間にある圧電体層が積層され、前記第1の電極層と前記第2の電極層との間に電圧を印加することにより、前記圧電体層を伸縮させて、前記振動腕を屈曲振動させる圧電体素子と、を有し、
平面視で、前記圧電体層は、前記基部から前記振動腕の先端までに亘り、かつ前記振動腕の延出方向での全域に亘り、さらに前記振動腕の一方の板面の全面に亘って設けられていることを特徴とする振動片。 The base,
At least one plate-like vibrating arm extending from the base;
First electrode layer on the vibrating arm, the second electrode layer, and the piezoelectric layer between the first electrode layer and the second electrode layer is the product layer, said first electrode layer by applying a voltage between the second electrode layer, by stretching the piezoelectric layer, anda piezoelectric element to bending vibration of the vibrating arm,
In plan view, the piezoelectric layer extends from the base portion to the tip of the vibrating arm, covers the entire area in the extending direction of the vibrating arm, and further covers the entire surface of one plate of the vibrating arm. A vibrating piece characterized by being provided .
とは反対側の端は、前記圧電体層の前記基部とは反対側の端よりも前記基部側に位置して
いる請求項1に記載の振動片。 The end of at least one of the first electrode layer and the second electrode layer opposite to the base is closer to the base than the end of the piezoelectric layer opposite to the base. The resonator element according to claim 1, wherein
とは反対側の端は、前記振動腕の延出方向での中央に位置している請求項2に記載の振動
片。 The end of at least one of the first electrode layer and the second electrode layer opposite to the base is located at the center in the extending direction of the vibrating arm. The resonator element according to the item.
載の振動片。 The piezoelectric layer, the vibration element according to any one of claims 1 to 3 is provided to on the base.
先端側に向けて漸減している請求項1ないし4のいずれか一項に記載の振動片。 The thickness of the end of the piezoelectric layer opposite to the base is from the base end of the vibrating arm.
The resonator element according to any one of claims 1 to 4 , wherein the resonator element is gradually reduced toward the tip side.
も大きい請求項1ないし5のいずれか一項に記載の振動片。 The elastic constant of the material forming the piezoelectric layer, the vibration element according to any one of 5 claims 1 greater than the elastic constant of the material constituting the vibrating arm.
振動方向とにそれぞれ直交する方向に並んで複数設けられ、隣り合う2つの前記振動腕が
互いに反対方向に屈曲振動する請求項1ないし6のいずれか一項に記載の振動片。 A plurality of the vibrating arms are provided side by side in a direction orthogonal to the extending direction of the vibrating arm and the vibration direction of the bending vibration of the vibrating arm by the piezoelectric element, and two adjacent vibrating arms are opposite to each other. resonator element according to any one of claims 1 to bending vibration in the direction 6.
。 The vibrating arm, the vibrating element according to any one of claims 1 to 7 is composed of quartz.
前記振動片を収納するパッケージと、を備えることを特徴とする振動デバイス。 A resonator element according to any one of claims 1 to 8 ,
And a package for housing the resonator element.
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