JP6168161B2 - 圧電振動子及び圧電振動子の周波数調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電薄膜を用いた圧電振動子及び圧電振動子の周波数調整方法に関する。
従来、複数の振動腕を有する圧電振動子の周波数を調整するため、様々な方法が提案されている。
下記の特許文献１に記載の周波数調整方法では、パッケージ内に配置されている圧電振動子にフェムト秒レーザーを照射する。それによって、パッケージへのダメージを抑えつつ、質量膜または圧電振動子の母材を除去して、周波数の調整を行うことができる。レーザーの波長は１２００ｎｍ以上とされている。
下記の特許文献２に記載の周波数調整方法では、パッケージ内に配置されている水晶音叉振動子にレーザーが照射される。水晶音叉振動子の先端の調整膜が、レーザーで除去された際に飛散して水晶音叉振動子に再付着することを防止するために、パッケージの内壁に突起が設けられている。
また、レーザーを照射することにより、周囲と結晶構造が異なる変質層を設ける方法が開示されている。
下記の特許文献３では、水晶またはＳｉ基板上に圧電薄膜が形成されている音叉振動子の振動腕に、フェムト秒レーザーを照射して、変質層を設ける。より具体的には、振動腕の長さの０．４倍〜０．６倍の範囲に変質層を設ける。これにより二次モードが抑制される。なお、特許文献３では、周波数調整方法については開示されていない。
ＷＯ２０１１／０４３３５７ 特開２０１０−１１８７８４号公報 特開２０１１−１６０３９１号公報
特許文献１では、レーザーにより除去された質量膜がパッケージ内に飛散して、圧電振動子に再付着することにより、狙いの周波数から外れることがあった。また、再付着した質量膜が経時的にガス化することにより、周波数が変動するなど、特性が不安定になりがちであった。さらに、電極パターン間に質量膜が付着すると、ショートするおそれがあった。また、レーザーが圧電振動子表面に照射されると、周辺部に残留物が形成される。そのため、振動する部位に残留物が付着すると、特に大振幅駆動時には、振動を阻害し、Ｑ値が低下するおそれがあった。
特許文献２では、パッケージの内壁に突起を設けると、パッケージの高さが大きくなり、水晶振動装置が大型になるという問題があった。また、パッケージの内壁に突起が設けられているとしても、気化した調整膜がパッケージ内を移動し、水晶音叉振動子に再付着することを完全に防ぐことはできなかった。
特許文献３では、振動腕に変質層を設けることにより、振動腕の強度が低下しがちであった。特に、振動の振幅が大きいほど、繰り返しのストレスが大きくなるため、強度が大きく低下しがちであった。
本発明の目的は、残留物が生じ難く、高精度に周波数を調整でき、かつ強度の低下が小さい周波数調整方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記のように周波数調整された、高安定であり、かつ高いＱ値を有する圧電振動子を提供することにある。
本発明に係る圧電振動子は、基部と、前記基部に連なっており、かつ単結晶からなる振動腕部と、前記振動腕部上に形成されている下部電極と、前記下部電極上に形成されている圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されている上部電極とを備え、前記振動腕部は、前記基部に連なっている連結部と、前記連結部から延びている複数の振動腕本体とを有し、前記連結部に変質部が設けられており、面外屈曲振動モードを利用している。
本発明に係る圧電振動子のある特定の局面では、前記変質部が、前記連結部の内部に形成されており、かつ前記連結部の表面に至っていない。
本発明に係る圧電振動子の他の特定の局面では、前記振動腕部が、Ｓｉまたは水晶のいずれか一方からなる。
本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法は、基部と、前記基部に連なっている連結部と、前記連結部から延びている複数の振動腕本体とを有し、かつ単結晶からなる振動腕部と、前記振動腕部上に形成されている下部電極と、前記下部電極上に形成されている圧電薄膜と、前記圧電薄膜上に形成されている上部電極とを備える圧電振動子を用意する工程と、前記連結部に、レーザー光を照射して、変質部を形成する工程とを備える。
本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法のある特定の局面では、前記連結部に、前記下部電極が形成されている面とは反対側からレーザー光を照射することを特徴とする。
本発明に係る圧電振動子の周波数調整方法の他の特定の局面では、パッケージ材により前記圧電振動子を封止した状態で、前記連結部に、レーザー光を照射することを特徴とする。
本発明に係る圧電振動子及び圧電振動子の周波数調整方法によれば、周波数調整の際に、圧電振動子の表面への影響が生じ難く、電極が飛散し難く、残留物も生じ難い。従って、高精度に周波数を調整できる。また、周波数調整による強度の低下が小さい。また、Ｑ値が高く、かつ特性の安定な圧電振動子を提供できる。
図１（ａ），図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の平面図及び側面断面図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の、振動腕本体が連なる側の連結部の端部から変質部の中心までの距離Ｌを振動腕本体の長さＡで規格化した距離Ｌ／振動腕本体長Ａと、周波数変化率との関係を示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧電振動子の周波数調整方法を示す模式的側面断面図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の平面図であり、図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る圧電振動子の側面断面図である。
図１（ｂ）に示すように、圧電振動子１は、基部２と、基部２に連なっている振動腕部３とを備える。振動腕部３は、基部２に連なっている連結部３ａと、連結部３ａから互いに平行に延びている複数の振動腕本体３ｂとを有する。各振動腕本体３ｂは、長さ方向を有するストリップ状の形状を有している。各振動腕本体３ｂの一端が、連結部３ａに連なっている。連結部３ａは、振動腕本体３ｂの幅方向に延びており、各振動腕本体３ｂを連結している。連結部３ａの厚みは、振動腕本体３ｂの厚みと等しく、かつ基部２の厚みよりも小さい。
本実施形態では、基部２及び振動腕部３は、単結晶Ｓｉにより構成されている。なお、基部２及び振動腕部３は、Ｓｉ以外の、水晶などの他の単結晶により構成されていてもよい。本実施形態のように、基部２及び振動腕部３は、同じ材料で一体に構成されていることが好ましい。もっとも、基部２と振動腕部３とは、別の材料により構成されていてもよい。
振動腕部３上に、ＳｉＯ２からなる温度特性補正膜４が形成されている。温度特性補正膜４上に、下部電極５が形成されている。下部電極５上に、圧電薄膜６が形成されている。圧電薄膜６上に、上部電極７が形成されている。なお、温度特性補正膜４は形成されていなくてもよい。
本実施形態では、上部電極７及び下部電極５は、Ｍｏにより構成されている。圧電薄膜６は、ＺｎＯにより構成されている。なお、上部電極７及び下部電極５はＭｏ以外の適宜の金属や合金により構成されていてもよい。また圧電薄膜６は、ＺｎＯ以外のＡｌＮなどの適宜の圧電セラミックスにより構成されていてもよい。
連結部３ａに、変質部８が形成されている。変質部８は、連結部３ａを構成している基材の結晶性が変質した状態であり、周囲とは組成構造が異なっている部分である。連結部３ａは単結晶からなるが、変質部８は、アモルファス、多結晶または空洞からなる。あるいは、変質部８は、これらが混合した状態、またはこれらと連結部３ａの基材である結晶とが入り交じった状態からなる。
本実施形態では、変質部８は、平面視で、連結部３ａにおいて振動腕本体３ｂを延長させた領域に形成されている。変質部８は、各振動腕本体３ｂを延長させた領域に１箇所ずつ形成されている。変質部８は、連結部３ａの内部に形成されており、かつ連結部３ａの表面に至っていない。なお、変質部８は、各振動腕本体３ｂを延長させた領域に複数形成されていてもよい。また、変質部８は、各振動腕本体３ｂを延長させた領域以外の部位に形成されていてもよく、このときは、各振動腕本体３ｂを延長させた領域には形成されていなくてもよい。
以下、本実施形態に係る圧電振動子の周波数調整方法を説明する。
基部２と、基部２に連なっている連結部３ａ及び連結部３ａから互いに平行に延びている複数の振動腕本体３ｂを有する振動腕部３とを備える圧電振動子１を用意する。レンズなどにより、レーザー光の焦点を連結部３ａの内部に調節し、レーザー光を連結部３ａに照射する。これにより、連結部３ａに変質部８を形成して、圧電振動子１の周波数を調整する。
連結部３ａにおいて、変質部８が設けられている部分は結晶性が低くなり、低ヤング率化することで、周波数は低下する。また、連結部３ａは振動腕部３の根元に相当するため、連結部３ａにかかる応力は大きい。よって、連結部３ａに変質部８を形成することにより、効果的に圧電振動子１の周波数を調整できる。
振動腕本体３ｂにおいて、振動腕本体３ｂが延びる方向と直交する方向を幅方向とすると、振動腕本体３ｂの幅方向寸法は小さい。そのため、変質部８を振動腕本体３ｂに形成すると、強度が大きく低下する。しかしながら、本実施形態の調整方法では、幅が大きい連結部３ａに変質部８を形成するため、強度を確保しつつ、周波数を調整できる。
本実施形態では、レーザー光を連結部３ａに照射することにより、変質部８を形成する。波長が１２００ｎｍのフェムト秒レーザーを用いている。レンズなどにより、レーザー光の焦点を連結部３ａの内部に調節することにより、連結部３ａの内部に変質部８を形成できる。なお、レーザー光の波長は、レーザー光の焦点を連結部３ａの内部に調節し、変質部８を形成できる範囲であれば特に限定されない。
例えば、特許文献１のように、振動腕部上の質量膜を除去する方法により周波数調整を行う場合、レーザー光により除去された質量膜が飛散して、圧電振動子に再付着することがある。これにより、狙いの周波数から外れることがある。また、再付着した質量膜が経時的にガス化することにより、周波数が変動するなど、特性が不安定になることがある。さらに、電極パターン間に質量膜が付着すると、ショートするおそれがある。また、焦点を圧電振動子表面に調節されたレーザー光が、圧電振動子に照射されると、周辺部に残留物が形成される。振動する部位に残留物が付着すると、振動が阻害され、Ｑ値が低下することがある。
しかしながら、本実施形態では、レーザー光の焦点を、連結部３ａの内部に位置させる。これにより、変質部８は、連結部３ａの内部にのみ形成され、かつ表面に至らないように設けることができる。よって、圧電振動子１の表面への影響がより一層生じ難い。また、電極が飛散し難く、振動を阻害する残留物の形成も生じ難い。従って、周波数を高精度に調整できる。また、Ｑ値が高く、かつ特性の安定な圧電振動子１を提供できる。
次に、上記実施形態に係る圧電振動子１において、振動腕本体３ｂが連なる側の連結部３ａの端部から変質部８の中心までの距離Ｌを変化させて、周波数の変化をシミュレーションした。そして、変質部８を形成する前後の周波数変化率を調べた。なお、振動腕本体３ｂの長さをＡとして、距離Ｌを規格化した。図２は、距離Ｌ／振動腕本体長Ａと、周波数変化率との関係を示す図である。
本シミュレーションでは、振動腕本体３ｂは３本であり、いずれも同じサイズである。振動腕本体３ｂの長さは３６０μｍ、幅は２０μｍ、厚みは１０μｍとした。また、振動腕本体３ｂ同士の間隔は、２０μｍとした。上部電極７及び下部電極５の厚みは、いずれも０．１μｍとした。圧電薄膜６の厚みは０．８μｍとした。共振周波数は３２ｋＨｚとした。変質部８は、平面視した場合、略円形であり、その直径２μｍとし、変質部８の厚み方向に沿う寸法は４μｍとした。また、変質部８は空洞とした。
距離Ｌ／振動腕本体長Ａが０．０４以下になると、周波数が低下している。距離Ｌ／振動腕本体長Ａが０．０２以下になると、周波数が特に大きく低下している。このように、変質部８を形成する位置を調節することにより、周波数を調整できる。また、距離Ｌ／振動腕本体長Ａが０．０２以下では、周波数の変化が大きいので、周波数を特に大きく調整できる。本シミュレーションでは変質部は空洞としたが、変質部をアモルファスなどとすることにより低ヤング率化することでも、周波数を低周波側に調整できる。
また、変質部８の位置だけでなく、変質部８のサイズや数などによっても周波数を調整できる。
図３は、本発明の第２の実施形態に係る圧電振動子の周波数調整方法を示す模式的側面断面図である。
本実施形態では、パッケージ材９により圧電振動子１が封止されている状態で、連結部３ａにレーザー光Ｂを照射する。より具体的には、連結部３ａの、下部電極５が形成されている面とは反対側に設置されているレーザー発振器１０から、レーザー光Ｂを照射する。レンズなどにより、レーザー光Ｂの焦点を連結部３ａの内部に位置させることにより、圧電振動子１が封止されている状態においても圧電振動子１の周波数を調整できる。これにより、照射されたレーザー光Ｂが上部電極７、圧電薄膜６及び下部電極５を通過することなく、連結部３ａの内部に変質部８を設けることができる。よって、より一層圧電振動子１の表面への影響が生じ難い。また、電極が飛散し難く、残留物の形成も生じ難い。従って、周波数を高精度に調整できる。また、Ｑ値が高く、かつ特性の安定な圧電振動子を提供できる。
１…圧電振動子
２…基部
３…振動腕部
３ａ…連結部
３ｂ…振動腕本体
４…温度特性補正膜
５…下部電極
６…圧電薄膜
７…上部電極
８…変質部
９…パッケージ材
１０…レーザー発振器

Claims (6)

  1. 基部と、
    前記基部に連なっており、かつ単結晶からなる振動腕部と、
    前記振動腕部上に形成されている下部電極と、
    前記下部電極上に形成されている圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜上に形成されている上部電極とを備え、
    前記振動腕部は、前記基部に連なっている連結部と、前記連結部から延びている複数の振動腕本体とを有し、
    前記連結部に変質部が設けられており、面外屈曲振動モードを利用している、圧電振動子。
  2. 前記変質部が、前記連結部の内部に形成されており、かつ前記連結部表面に至っていない、請求項１に記載の圧電振動子。
  3. 前記振動腕部が、Ｓｉまたは水晶のいずれか一方からなる、請求項１または２に記載の圧電振動子。
  4. 基部と、
    前記基部に連なっている連結部と、前記連結部から延びている複数の振動腕本体とを有し、かつ単結晶からなる振動腕部と、
    前記振動腕部上に形成されている下部電極と、
    前記下部電極上に形成されている圧電薄膜と、
    前記圧電薄膜上に形成されている上部電極とを備える圧電振動子を用意する工程と、
    前記連結部に、レーザー光を照射して、変質部を形成する工程とを備える、圧電振動子の周波数調整方法。
  5. 前記連結部に、前記下部電極が形成されている面とは反対側からレーザー光を照射する、請求項４に記載の圧電振動子の周波数調整方法。
  6. パッケージ材により前記圧電振動子を封止した状態で、前記連結部に、レーザー光を照射する、請求項４または５に記載の圧電振動子の周波数調整方法。
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