WO2006082736A1 - 圧電共振子およびその製造方法 - Google Patents

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    • H03H2003/0421—Modification of the thickness of an element
    • H03H2003/0428—Modification of the thickness of an element of an electrode

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric resonator in which vibration electrodes are formed on both main surfaces of a piezoelectric substrate so as to face each other and generate vibration by being confined between both vibration electrodes, and a method for manufacturing the same.
  • the piezoelectric substrate 1 in a mother substrate (unit) state is subjected to firing, molding, and polarization treatment, and the front and back main surfaces of the piezoelectric substrate 1 Electrode 2 with a constant thickness is formed on the entire surface of the substrate by sputtering or vapor deposition, etc., and then a plurality of vibrating electrodes are formed by etching or the like, and the piezoelectric substrate 1 is cut for each vibrating electrode to provide individual piezoelectric resonators.
  • FIG. 12 shows a distribution of frequency constants after the polarization process is performed on the piezoelectric substrate 1 in the mother substrate state.
  • the frequency constant (MHz ⁇ m) is F X t (F: resonance frequency MHz of piezoelectric substrate, t: thickness of piezoelectric substrate / z m).
  • F resonance frequency MHz of piezoelectric substrate
  • t thickness of piezoelectric substrate / z m
  • the piezoelectric substrate 1 is provided with vibrating electrodes 2a and 2b having a constant thickness as shown in FIG. 13 (a) by cutting out from a peripheral portion (indicated by part A in FIG. 11) having a large frequency constant slope.
  • the frequency constant changes in the surface direction of the piezoelectric substrate la in the child substrate state as shown in FIG. 13 (b). Therefore, when excitation is performed between the vibration electrodes 2a and 2b on the front and back surfaces of the piezoelectric substrate la, unnecessary vibration R due to the asymmetric mode is generated in the band as shown in Fig. 14, and the desired resonance characteristics cannot be obtained. I got it.
  • the piezoelectric resonator cut out from the peripheral portion of the piezoelectric substrate 1 in FIG. 11 has to be discarded, and the substrate use efficiency (yield) is reduced.
  • a piezoelectric resonant component having a stable characteristic is obtained by accurately adjusting a resonance frequency.
  • a piezoelectric resonator having a pair of excitation electrodes on each surface of a plate-like piezoelectric substrate and a pair of front and back main surfaces of the piezoelectric substrate, and a first surface formed to cover the excitation electrode on the surface of the main surface
  • a piezoelectric component including a resin layer and a second resin layer formed so as to surround the resin layer is disclosed.
  • Patent Document 1 since only the first resin layer covering the excitation electrode and the second resin layer surrounding the first resin layer are formed, the frequency within the piezoelectric substrate is reduced. If the constant has an inclination, the first and second resin layers have no effect on reducing frequency variation, and there is no effect on suppressing unnecessary vibration caused by the inclination of the frequency constant.
  • first and second vibrating electrodes are formed on both main surfaces of a piezoelectric substrate, and the thickness of the first vibrating electrode is made larger than the thickness of the second vibrating electrode.
  • a method of adjusting the frequency of a piezoelectric resonator that is processed as described above is disclosed.
  • Patent Document 2 since the thicknesses of the first and second vibrating electrodes are merely processed uniformly, if the frequency constant in the piezoelectric substrate has an inclination, the resonance frequency is accurate. Can't get. In addition, unnecessary vibrations caused by the inclination of the frequency constant inside the piezoelectric substrate cannot be suppressed.
  • FIG. 5 of Patent Document 3 includes a wedge-shaped piezoelectric substrate whose thickness changes with a constant gradient, and a pair of opposed drive electrodes provided on both inclined main surfaces of the piezoelectric substrate.
  • a piezoelectric resonator is disclosed in which the thickness of the drive electrode is gradually increased toward the thinnest portion of the piezoelectric substrate.
  • the thickness of the drive electrode is changed to compensate for the taper (inclined surface) of the piezoelectric substrate, that is, the total thickness of the piezoelectric substrate and the drive electrode is the same in the length direction.
  • the taper inclined surface
  • the inclination of the frequency constant of the piezoelectric substrate is constant even if the thickness of the piezoelectric substrate is constant.
  • the method of changing the thickness of the piezoelectric substrate with a constant gradient as in Patent Document 3 and providing the electrode with a thickness gradient opposite to the thickness gradient there is no need for the frequency constant gradient. Vibration cannot be effectively suppressed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 11 41051
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-196883
  • Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-46364
  • an object of a preferred embodiment of the present invention is to reduce the frequency variation caused by the difference in frequency constant when the piezoelectric substrate has a constant thickness and the frequency constant has an inclination, and to obtain an accurate resonance frequency.
  • a preferred first embodiment of the present invention is a piezoelectric resonator in which vibration electrodes are formed on both principal surfaces of a piezoelectric substrate so as to face each other, and confinement vibration is generated between both vibration electrodes.
  • the piezoelectric substrate has a constant thickness and its frequency constant is inclined in the plane direction, and the vibration electrode on at least one main surface side of the piezoelectric substrate is in a direction in which the frequency constant of the piezoelectric substrate is increased.
  • a piezoelectric resonator is characterized in that the film thickness is formed with an inclination so that the film thickness gradually increases.
  • a second preferred embodiment of the present invention is a step of preparing a piezoelectric substrate in a polarized mother substrate state, which is formed to have a constant thickness, and its frequency constant is substantially uniform in the central portion, A step of preparing a piezoelectric substrate that gradually increases toward the outer peripheral side, and a step of forming electrodes on both main surfaces of the piezoelectric substrate in the mother substrate state, at least one main surface side of the piezoelectric substrate Forming the electrode with a gradient in thickness so that the central portion of the electrode has a uniform thickness and the peripheral portion gradually increases in thickness toward the outer periphery as the frequency constant of the piezoelectric substrate increases.
  • a method for manufacturing a piezoelectric resonator comprising: a step of cutting an electric substrate into individual pieces and obtaining a piezoelectric resonator that generates confinement vibration between both vibrating electrodes.
  • the slope of the frequency constant of the piezoelectric substrate is measured in advance, and the film thickness of the vibrating electrode is given a slope (gradient) according to the slope. That is, the vibrating electrode is formed so that the film thickness gradually increases as the frequency constant increases. Therefore, the slope of the frequency constant generated in the piezoelectric substrate can be corrected using the mass load effect of the electrode film thickness, and the resonance frequency noise generated in the piezoelectric substrate can be reduced. In addition, it suppresses unnecessary vibration (asymmetric mode) in the band caused by the slope of the frequency constant.
  • Vibration electrodes having an inclination in film thickness can be formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate.
  • a piezoelectric electrode with a thick film slope may be formed on one main surface of the piezoelectric substrate and a constant thickness vibration electrode may be formed on the other main surface. Providing the vibrating electrode improves the balance of the excited vibration and improves the resonance characteristics.
  • the vibration electrode on at least one main surface side of the vibration electrode has a laminated structure of a lower layer electrode formed with a constant thickness and an upper layer electrode formed thereon, and the upper layer electrode is formed with an inclination in film thickness. It is good to do.
  • an upper layer electrode with a tilt is additionally provided on a lower layer electrode with a certain thickness that is necessary for a vibrating electrode. Since the thickness of the upper electrode itself can be reduced, it can be manufactured in a short time and at a low cost. Further, since it is only necessary to form an upper layer electrode having a gradient in thickness only at a necessary portion, frequency variation can be freely adjusted.
  • thin film deposition methods such as sputtering and vapor deposition as the deposition method for the lower layer electrode and upper layer electrode, and they are inclined depending on the opening size of the deposition mask, the distance between the shielding part and the piezoelectric substrate, the deposition conditions, etc.
  • the film thickness of the film formation can be controlled.
  • the upper layer electrode is desirable because it uses the same type of metal as that of the surface layer of the lower layer electrode to improve the force adhesion.
  • the vibration electrodes formed on both main surfaces of the piezoelectric substrate have a laminated structure of a lower layer electrode formed with a constant thickness and an upper layer electrode formed thereon, and the upper layer electrode is inclined with respect to the film thickness. Can be formed.
  • Vibration electrodes having an inclination in film thickness are formed on both principal surfaces of the piezoelectric substrate.
  • the difference in thickness between the thickest part and the thinnest part of the vibration electrode is tl t2, and the length of the vibration electrode is L.
  • the slope ratio (tl-t2) ZL of the film thickness of each vibrating electrode should be 0.05-5.20, respectively.
  • the slope ratio of the vibrating electrode film thickness is set to 0.05-0.20, the variation in the center frequency can be reduced to approximately 0.15% or less, and the ripple caused by unnecessary vibration in the band can be reduced. .
  • the piezoelectric resonator is prepared by preparing a polarized piezoelectric substrate substrate, forming electrodes on both main surfaces of the piezoelectric substrate, and etching the electrodes so that the individual vibrating electrodes face each other. It is obtained by forming and cutting the piezoelectric substrate in the mother substrate state into individual pieces so as to be provided with vibration electrodes.
  • a piezoelectric substrate in a polarized mother substrate state is formed to have a constant thickness, but its frequency constant is substantially uniform in the central part and gradually increases toward the outer peripheral side in the peripheral part. This is because the polarization treatment causes a difference between the degree of polarization in the peripheral part and the degree of polarization in the central part. The degree of polarization distribution is almost uniform in the central part of the mother substrate, and the peripheral part gradually increases toward the outer periphery.
  • the central portion of the electrode on at least one main surface side of the piezoelectric substrate has a uniform thickness, and the peripheral portion becomes the outer periphery as the frequency constant of the piezoelectric substrate increases.
  • the electrode is formed with a gradient in thickness so that the thickness gradually increases toward the side.
  • the piezoelectric resonator is obtained by etching this electrode and cutting the piezoelectric substrate in the mother substrate state into pieces.
  • the piezoelectric resonator cut out from the central portion of the piezoelectric substrate can be converted into the piezoelectric resonator cut out from the peripheral portion.
  • the resonance characteristics can be made almost constant, and the frequency variation can be reduced.
  • a peripheral portion of a piezoelectric substrate in a mother substrate state is opened, and a center portion is shielded with a predetermined gap from the piezoelectric substrate. Can be used.
  • an electrode in sputtering, an electrode is not formed in a portion shielded by a mask, but if there is a gap between the mask and the piezoelectric substrate, some of the metal atoms that make up the electrode wrap around the back of the mask and the film An electrode having an inclination in thickness is formed. Note that tilt also occurs on the opening side of the mask. Thus, the inclination of the film thickness can be adjusted by adjusting the gap between the mask and the piezoelectric substrate.
  • the film thickness of the vibrating electrode is inclined according to the inclination of the frequency constant of the piezoelectric substrate, so that it occurs in the piezoelectric substrate.
  • the variation in resonance frequency can be reduced, and unnecessary vibration in the band caused by the slope of the frequency constant can be suppressed. For this reason, the range in which a stable resonator can be manufactured accurately and accurately within a single piezoelectric substrate is increased, and the substrate usage efficiency is increased. As a result, the manufacturing cost of the piezoelectric resonator can be reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of a piezoelectric resonator according to the present invention and a diagram showing a change in a surface direction of a frequency constant.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a piezoelectric substrate in a mother substrate state on which electrodes for producing the piezoelectric resonator shown in FIG. 1 are formed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 4 Piezoelectric substrate force in the mother substrate state is an explanatory diagram showing a state in which individual resonators are cut out.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of one peripheral portion showing a method of forming an electrode having a tilted film thickness.
  • FIG. 6 is a diagram showing a frequency constant distribution of the piezoelectric substrate on which the electrode shown in FIG. 2 is formed.
  • FIG. 7 is a diagram showing impedance characteristics and phase characteristics of the piezoelectric resonator shown in FIG. 1.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness gradient ratio (tl ⁇ t2) ZL and 3rd ⁇ min of a vibrating electrode.
  • FIG. 9 is a graph showing the relationship between the thickness gradient ratio (tl-2) ZL and Fo variation of the vibrating electrode.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of another embodiment of the piezoelectric resonator according to the invention.
  • FIG. 11 Piezoelectric substrate in a mother substrate on which electrodes for manufacturing a conventional piezoelectric resonator are formed It is a perspective view which shows a board.
  • FIG. 12 is a diagram showing a frequency constant distribution of the piezoelectric substrate on which the electrode shown in FIG. 11 is formed.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a conventional piezoelectric resonator and a diagram showing a change in the surface direction of a frequency constant.
  • FIG. 14 is a diagram showing impedance characteristics and phase characteristics of the piezoelectric resonator shown in FIG.
  • FIG. 1 (a) shows a first embodiment of a piezoelectric resonator according to the present invention.
  • This piezoelectric resonator is a thickness longitudinal vibration mode energy confinement resonator.
  • the piezoelectric resonator includes a rectangular piezoelectric substrate la made of a piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate ceramic or lead titanate ceramic, and the piezoelectric substrate la is polarized in the thickness direction.
  • the resonance frequency of the piezoelectric resonator depends on the thickness. When the thickness is 0.475 mm, the resonance frequency is 16 MHz.
  • vibrating electrodes 4 and 5 are formed facing each other at the center.
  • an extraction electrode and a terminal electrode led out from the vibration electrodes 4 and 5 to the end of the piezoelectric substrate la are formed, and the vibration electrodes 4 and 5 are formed.
  • Each has a laminated structure of lower layer electrodes 2a and 2b and upper layer electrodes 3a and 3b.
  • the shape and thickness of the lower layer electrodes 2a and 2b are the same as the vibrating electrodes (see FIG. 13) in the conventional piezoelectric resonator, and are made uniform.
  • the lower electrode 2a, 2b is made of Ag, Cu, Al, Pd, Au, etc., but an alloy layer of Ni, Cr, etc. is used as the base to increase the adhesion to the piezoelectric substrate (ceramics). May be.
  • the material of the upper layer electrodes 3a and 3b is preferably the same as that of the lower layer electrodes 2a and 2b.
  • the film thickness of the lower layer electrodes 2a and 2b is constant.
  • the frequency inclination generated in the piezoelectric substrate la is corrected using the mass load effect of the electrode film thickness.
  • FIGS. 2 and 3 show the piezoelectric substrate 1 in a mother substrate state for manufacturing the piezoelectric resonator shown in FIG.
  • the piezoelectric substrate 1 is formed, for example, in the shape of a rectangular plate having a size of 30 mm ⁇ 20 mm ⁇ O.475 mm, and is fired, molded, and polarized.
  • the polarization condition was 8 kVZmm marking in oil at 60 ° C for 30 minutes.
  • the frequency constant distribution state of the piezoelectric substrate 1 is the same as in FIG.
  • the lower layer electrode 2 is formed on the entire upper and lower surfaces of the piezoelectric substrate 1, and the upper layer electrode 3 is formed only on the upper surface of the lower layer electrode 2 and on the peripheral portion where the frequency constant is inclined.
  • the upper layer electrode 3 is formed with a gradient in film thickness so that the outer peripheral side gradually becomes thicker.
  • a film forming method sputtering or vapor deposition is used.
  • FIGS. 4 and 5 show a sputtering method for the piezoelectric substrate 1.
  • Figure 5 shows one piezoelectric resonator on the periphery of the piezoelectric substrate 1.
  • the piezoelectric substrate 1 is used to obtain, for example, 9 ⁇ 5 piezoelectric resonators, and a mask 6 is disposed so as to shield from the central portion of the piezoelectric substrate 1 to the middle of one peripheral portion.
  • a gap ⁇ is provided between the mask 6 and the piezoelectric substrate 1, and some of the metal atoms to be sputtered around the back side of the mask 6 to form the electrode 3 having an inclined film thickness.
  • FIG. 5 (a) the portion of the electrode 3 that is exposed to the mask 6 out of only the portion shielded by the mask 6 is also applied to the vicinity of the mask 6 due to the difference in dose. There is an inclination in the thickness.
  • the size of the gap ⁇ between the mask 6 and the piezoelectric substrate 1 the size of the opening of the mask 6, the film forming conditions, etc., the inclination of the film thickness and the range of the inclined electrode can be adjusted. I can do it.
  • the piezoelectric resonator cut out from the corner portion is inclined to a frequency constant in both the X direction and the Y direction. Therefore, the film thickness of the electrode sputtered by mask 6 covering one corner is also the X and Y direction. A tilt of the direction can be provided.
  • the piezoelectric resonator cut out from one side has a slope in the frequency constant in the X direction.
  • the film thickness of the sputtered electrode can be given a gradient in the X direction.
  • the vibration electrode is partially masked. However, as shown in FIG. 3 (a), the thickness of the vibration electrode is substantially inclined over the entire area. .
  • FIG. 5B shows a state in which the vibrating electrode 4 is formed by etching after sputtering.
  • FIG. 5 only the vibrating electrode 4 on one side of the piezoelectric substrate la is shown, but the vibrating electrode 5 on the other side is formed in the same manner.
  • FIG. 6 shows the distribution of frequency constants in the piezoelectric substrate 1 on which the electrodes 2 and 3 are formed as described above.
  • the difference in frequency constant between the central portion and the peripheral portion of the piezoelectric substrate 1 is greatly reduced by forming the upper electrode 3 having a gradient in film thickness.
  • the upper layer electrode 3 in the shape of a square frame around the piezoelectric substrate 1, variation in the frequency constant in the piezoelectric substrate 1 could be suppressed to 0.1% or less.
  • a plurality of (for example, 45) vibrating electrodes 4 and 5 are formed on one piezoelectric substrate 1 with an electrode pattern.
  • the forming method is generally a printing'etching method or the like.
  • the piezoelectric substrate 1 was cut into a size of, for example, 3.7 X 3.1 mm to obtain a piezoelectric resonator.
  • the piezoelectric resonator shown in Fig. 1 is cut out from part B in Fig. 2.
  • FIG. 7 shows impedance characteristics and phase characteristics of the piezoelectric resonator la shown in FIG.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the thickness gradient ratio (tl 2) ZL and 3rd ⁇ min.
  • 3rd ⁇ min is the minimum value of the phase in the oscillatable frequency band when using the 3rd harmonic.
  • 3rd ⁇ min within the band shown in Fig. 14 is the minimum value of the phase of ripple R due to unwanted vibration.
  • Inclination ratio (tl t2) ZL 0, that is, in the case of the conventional structure with no inclination, the minimum ripple value was approximately 60deg, while the inclination ratio (tl—t2) ZL was changed from 0.05 to 0.20. As a result, the minimum ripple was 70deg or more, and unnecessary vibration was suppressed.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the film thickness gradient ratio (tl ⁇ 2) ZL and the Fo variation.
  • Fo variation indicates the variation in the midpoint between the resonance frequency and the antiresonance frequency in the piezoelectric substrate 1.
  • FIGS. 10A to 10C show another embodiment of an electrode structure of a piezoelectric resonator that works according to the present invention.
  • FIG. 10 (a) shows a configuration in which the vibrating electrodes 4 and 5 having a film thickness gradient are composed of a single layer.
  • an alloy layer such as Ni or Cr may be used as the base of the vibrating electrodes 4 and 5 in order to increase the adhesion with the piezoelectric substrate (ceramic).
  • (B) of FIG. 10 shows that the vibrating electrode 4 on the front surface side is an electrode having a thickness gradient, and the vibrating electrode 5 on the back surface side is an electrode having a constant thickness.
  • the thickness of the thickest part of the vibrating electrode 4 on the surface side is t3
  • the thickness of the thinnest part is t4
  • the length of the vibrating electrode 4 is L
  • the film thickness gradient ratio (t3-t4) ZL 0. 10 to 0.40.
  • the vibrating electrode 4 on the front side has a laminated structure of the lower layer electrode 2a having a constant thickness and the upper layer electrode 3a having a thickness gradient, and the vibrating electrode 5 on the back side is changed to an electrode having a constant thickness. It is.
  • the film thickness gradient ratio is doubled compared to the case where the film thickness gradient is provided on the vibrating electrodes on both main surfaces.
  • the piezoelectric resonator using the thickness longitudinal vibration mode has been described.
  • the present invention is not limited to this, and other piezoelectric resonators such as a thickness shear vibration mode and a thickness longitudinal vibration mode can be used as long as they can excite confinement vibration.
  • the present invention can also be applied to piezoelectric resonators of the vibration mode.

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Abstract

【課題】圧電基板内で周波数定数に傾きがある場合に、周波数定数の変化によって生じる周波数バラツキを低減し、不要振動を抑制すること。 【解決手段】圧電基板１ａの両主面に振動電極４，５を対向して形成し、両振動電極間で閉じ込め振動を発生する圧電共振子であって、圧電基板１ａの厚みが一定で、かつその周波数定数が平面方向に傾きを持ち、振動電極４，５が圧電基板の周波数定数が高くなる方向に向かって漸次膜厚が大きくなるように、膜厚に傾きをもって形成されている。振動電極の膜厚に傾きを設けることで、帯域内での不要振動を抑制し、周波数バラツキを低減できる。

Description

明 細 書
圧電共振子およびその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は圧電基板の両主面に振動電極を対向して形成し、両振動電極間で閉じ込 め振動を発生する圧電共振子およびその製造方法に関するものである。
背景技術
[0002] 一般に圧電共振子を製造する場合、図 11に示すように、母基板 (ユニット)状態の圧 電基板 1に対して焼成、成形、分極処理を行い、この圧電基板 1の表裏主面の全面 に一定厚みで電極 2をスパッタゃ蒸着等によって形成し、その後、エッチングなどに よって複数の振動電極を形成し、圧電基板 1を各振動電極ごとにカットすることで個 別の圧電共振子を製作して!/、る。
[0003] 図 12は母基板状態の圧電基板 1に対して分極処理を実施した後の周波数定数の分 布を示す。ここで、周波数定数 (MHz · m)とは、 F X t (F:圧電基板の共振周波数 MHz、 t:圧電基板の厚み/ z m)のことである。図 12に示すように、圧電基板 1の中央 部の周波数定数はほぼ均一である力 周辺部の周波数定数は中央部に比べて高く 、かつ外周側に向力つて漸次高くなる方向の傾きを持っていることがわかる。そのた め、 1枚の圧電基板 1内で共振周波数の差が大きぐ圧電基板 1から得られる個々の 圧電共振子の特性バラツキの原因となっていた。
[0004] 例えば、圧電基板 1内の周波数定数の傾きの大きな周辺部（図 11の A部で示す)か ら切り出して図 13の（a)のような一定厚みの振動電極 2a, 2bを備えた圧電共振子を 製作した場合、図 13の (b)に示すように子基板状態の圧電基板 laの面方向で周波 数定数が変化する。そのため、圧電基板 laの表裏面の振動電極 2a, 2b間で励振さ せたとき、図 14のように帯域内に非対称モードによる不要振動 Rが発生し、望ましい 共振特性を得ることができな力つた。その結果、図 11における圧電基板 1の周辺部 から切り出された圧電共振子は廃棄せざるを得ず、基板使用効率 (収率)が低下する という問題があった。
[0005] 特許文献 1には、精度よく共振周波数を調整し、特性の安定した圧電共振部品を得 るために、平板状の圧電基板および圧電基板の表裏一対の主面の各表面に一対の 励振電極を有する圧電共振子と、主面の表面に励振電極を被覆するように形成され た第 1榭脂層と、その榭脂層を囲むように形成された第 2榭脂層を備えた圧電部品が 開示されている。
[0006] しかし、特許文献 1では、励振電極を被覆する第 1榭脂層と、第 1榭脂層を取り囲む 第 2榭脂層とを形成しているに過ぎないので、圧電基板内で周波数定数に傾きがあ る場合、第 1榭脂層や第 2榭脂層では周波数バラツキを低減する効果はなぐかつ周 波数定数の傾きによって発生する不要振動を抑制する効果もない。
[0007] 特許文献 2には、圧電基板の両主面に、第 1,第 2の振動電極が形成され、第 1の振 動電極の厚みが第 2の振動電極の厚みよりも厚くされている圧電共振子を用意し、第 1,第 2の振動電極の厚みが等しくなる方向にかつ所望の周波数となるように、第 1の 振動電極を薄くするか、あるいは第 2の振動電極を厚くするように加工する圧電共振 子の周波数調整方法が開示されている。
この場合は、帯域内リップルの発生を抑圧しつつ、目標とする周波数に調整すること が可能になる。
[0008] 特許文献 2では、第 1,第 2の振動電極の厚みを一様に加工しているに過ぎないので 、圧電基板内の周波数定数が傾きを持っている場合、精度のよい共振周波数を得る ことができない。また、圧電基板内部の周波数定数の傾きによって発生する不要振 動も抑制できない。
[0009] 特許文献 3の図 5には、一定勾配で厚みが変化する楔型形状の圧電基板と、この圧 電基板の傾斜した両主面に設けられた対向する一対の駆動電極とを備え、駆動電 極の厚みが圧電基板の最薄肉部に向けて次第に厚く形成された圧電共振子が開示 されている。この場合には、駆動電極の厚みを、圧電基板のテーパー (傾斜面)を補 うように変化させて、即ち、圧電基板と駆動電極の合計厚みが長さ方向において同 一となるように、最薄肉部に向けて次第に厚く形成することにより、テーパー形状に誘 発されやす 、リップルなどの影響力 Sインピーダンス特性に現れな 、ように設計できる とされている。
[0010] しかしながら、圧電基板の周波数定数の傾きは、圧電基板の厚みが一定であっても 発生するものであり、特許文献 3のように圧電基板の厚みを一定勾配で変化させ、厚 みの傾斜と逆方向に電極に厚みの傾斜を設ける方法では、周波数定数の傾きに起 因する不要振動を効果的に抑制できない。
特許文献 1 :特開平 11 41051号公報
特許文献 2：特開 2001— 196883号公報
特許文献 3 :特開 2003— 46364号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] そこで、本発明の好ましい実施形態の目的は、圧電基板が一定厚みでかつ周波数 定数に傾きがある場合に、周波数定数の差異によって生じる周波数バラツキを低減 し、精度のよい共振周波数を得るとともに、圧電基板内の周波数定数の傾きによって 発生する不要振動を抑制でき、安定な共振周波数が得られる圧電共振子およびそ の製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0012] 上記目的を達成するため、本発明の好ましい第 1の実施形態は、圧電基板の両主面 に振動電極を対向して形成し、両振動電極間で閉じ込め振動を発生する圧電共振 子において、上記圧電基板は厚みが一定で、かつその周波数定数は平面方向に傾 きを持ち、上記圧電基板の少なくとも一主面側の振動電極が、上記圧電基板の周波 数定数が高くなる方向に向かって漸次膜厚が大きくなるように、膜厚に傾きをもって 形成されて!ゝることを特徴とする圧電共振子を提供する。
[0013] 本発明の好ましい第 2の実施形態は、分極済みの母基板状態の圧電基板を準備す る工程であって、一定厚みに形成され、その周波数定数が中央部ではほぼ均一で、 周辺部では外周側に向かって漸次高くなる圧電基板を準備する工程と、上記母基板 状態の圧電基板の両主面の全面に電極を形成する工程であって、上記圧電基板の 少なくとも一主面側の電極の中央部は均一な厚みで、周辺部は上記圧電基板の周 波数定数の増加につれて外周側に向力つて漸次厚くなるように、上記電極を膜厚に 傾きをもって形成する工程と、上記電極をエッチングすることにより個別の振動電極 を対向して形成する工程と、上記振動電極を夫々備えるように上記母基板状態の圧 電基板を個片に切断し、両振動電極間で閉じ込め振動を発生する圧電共振子を得 る工程と、を備えたことを特徴とする圧電共振子の製造方法を提供する。
[0014] 本発明の好ましい実施形態による圧電共振子では、予め圧電基板の周波数定数の 傾きを測定しておき、その傾きに応じて振動電極の膜厚に傾き（勾配)を持たせる。 つまり、周波数定数が高くなる方向に向力つて漸次膜厚が大きくなるように振動電極 を形成する。そのため、圧電基板に生じている周波数定数の傾きを、電極膜厚の質 量負荷効果を利用して補正し、圧電基板で生じていた共振周波数のノ ツキを低減 できる。また、周波数定数の傾きによって生じる帯域内の不要振動 (非対称モード)を 抑制することちでさる。
[0015] 圧電基板の両主面に、膜厚に傾きを持つ振動電極を形成することができる。
圧電基板の一方の主面に厚膜の傾きのある振動電極を形成し、他方の主面には一 定厚みの振動電極を形成してもよいが、両主面に膜厚に傾きを持つ振動電極を設け る方が励振される振動のバランスがよくなり、共振特性が向上する。
[0016] 振動電極の少なくとも一主面側の振動電極を、一定厚みに形成された下層電極と、 その上に形成された上層電極との積層構造とし、上層電極を膜厚に傾きをもって形 成するのがよい。
膜厚に傾きのある振動電極を 1層の電極のみで形成することも可能であるが、振動電 極として必要な厚みを持つ一定厚みの下層電極の上に、傾きのある上層電極を追加 的に形成すれば、上層電極の膜厚自体を薄くできるので、短時間でかつ低コストで 製作できる。また、必要な部位にのみ膜厚に傾きのある上層電極を形成すればよい ので、周波数バラツキを自在に調整できる。
下層電極および上層電極の成膜方法としては、スパッタリングや蒸着法などの薄膜 成膜法があり、成膜用マスクの開口部寸法、遮蔽部と圧電基板との距離、成膜条件 などにより、傾斜成膜の膜厚を制御できる。
上層電極は、下層電極の表層部の金属と同種の金属を用いるの力 密着性が良好 となるので望ましい。
[0017] 圧電基板の両主面に形成された振動電極が、一定厚みに形成された下層電極と、 その上に形成された上層電極との積層構造よりなり、上層電極を膜厚に傾きをもって 形成することができる。
この場合、両主面の振動電極の厚みが同等であるため、共振特性の良好な圧電共 振子が得られる。
[0018] 圧電基板の両主面に膜厚に傾きを持つ振動電極を形成し、振動電極の最も厚い部 分と最も薄い部分との厚みの差を tl t2、振動電極の長さを Lとすると、各振動電極 の膜厚の傾き比（tl—t2) ZLをそれぞれ 0. 05-0. 20とするのがよい。
振動電極の膜厚の傾き比を 0. 05-0. 20に設定すると、中心周波数のバラツキをほ ぼ 0. 15%以下にでき、かつ帯域内の不要振動によるリップルを小さくすることができ る。
[0019] 圧電共振子は、分極済みの母基板状態の圧電基板を準備し、この圧電基板の両主 面の全面に電極を形成し、電極をエッチングすることにより個別の振動電極を対向し て形成し、振動電極を夫々備えるように母基板状態の圧電基板を個片に切断するこ とによって得られる。
分極済みの母基板状態の圧電基板は一定厚みに形成されるが、その周波数定数が 中央部ではほぼ均一で、周辺部では外周側に向かって漸次高くなる。これは、分極 処理によって周辺部の分極度と中央部の分極度に差が生じるからである。分極度分 布は、母基板の中央部はほぼ均一である力 周辺部は外周側に向かって漸次高くな る。
母基板状態の圧電基板の両主面の全面に電極を形成するに当たって、圧電基板の 少なくとも一主面側の電極の中央部は均一な厚みで、周辺部は圧電基板の周波数 定数の増加につれて外周側に向カゝつて漸次厚くなるように、電極を膜厚に傾きをもつ て形成する。この電極をエッチングし、母基板状態の圧電基板を個片に切断すること で圧電共振子が得られる。すなわち、母基板状態の圧電基板の周波数定数の傾き を電極の膜厚の傾きによって補正することで、圧電基板の中央部から切り出された圧 電共振子も、周辺部から切り出された圧電共振子も、その共振特性をほぼ一定にで き、周波数バラツキを低減できる。
[0020] 膜厚に傾きのある電極を形成する方法として、母基板状態の圧電基板の周辺部を開 放し、中央部を圧電基板に対して所定の隙間をあけて遮蔽するマスクを用いてスパッ タする方法を用いることができる。
一般にスパッタにおいて、マスクで遮蔽された部分には電極が形成されないが、マス クと圧電基板との間に隙間があると、電極を構成する金属原子の一部がマスクの裏 側に回り込み、膜厚に傾きがある電極が形成される。なお、マスクの開口側にも傾き が発生する。このようにマスクと圧電基板との隙間を調整することによって、膜厚の傾 きを調整することができる。
発明の好ましい実施形態の効果
[0021] 以上のように、本発明の好ましい実施形態によれば、圧電基板の周波数定数の傾き に応じて振動電極の膜厚に傾きを持たせたので、圧電基板で生じて!/ヽた共振周波 数のバラツキを低減できるとともに、周波数定数の傾きによって生じる帯域内の不要 振動を抑制することができる。そのため、 1枚の母基板状態の圧電基板内で精度よく 安定な共振子を製作できる範囲が増え、基板使用効率が上がる。その結果、圧電共 振子の製作コストを低減することができる。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]本発明にかかる圧電共振子の第 1実施例の断面図および周波数定数の面方 向の変化を示す図である。
[図 2]図 1に示す圧電共振子を製作するための電極が形成された母基板状態の圧電 基板を示す斜視図である。
[図 3]図 2の III - III線断面図である。
[図 4]母基板状態の圧電基板力 個別の共振子を切り出す状態を示す説明図である
[図 5]膜厚に傾きのある電極を形成する方法を示す周辺部 1個分の断面図である。
[図 6]図 2に示す電極を形成した圧電基板の周波数定数の分布を示す図である。
[図 7]図 1に示す圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を示す図である。
[図 8]振動電極の膜厚傾き比（tl—t2) ZLと 3rd Θ minとの関係を示す図である。
[図 9]振動電極の膜厚傾き比 (tl— 2) ZLと Foバラツキとの関係を示す図である。
[図 10]本発明にかかる圧電共振子の他の実施例の構造を示す断面図である。
[図 11]従来の圧電共振子を製作するための電極が形成された母基板状態の圧電基 板を示す斜視図である。
[図 12]図 11に示す電極を形成した圧電基板の周波数定数の分布を示す図である。
[図 13]従来の圧電共振子の断面図および周波数定数の面方向の変化を示す図であ る。
[図 14]図 13に示す圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を示す図であ る。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例を参照して説明する。
実施例 1
[0024] 図 1の（a)は本発明にかかる圧電共振子の第 1実施例を示す。この圧電共振子は、 厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め型共振子である。
この圧電共振子は、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスやチタン酸鉛系セラミックス のような圧電セラミックスよりなる矩形形状の圧電基板 laを備えており、圧電基板 la は厚み方向に分極処理されている。圧電共振子の共振周波数は厚みに依存し、厚 みが 0. 475mmの場合、共振周波数は 16MHzである。
[0025] 圧電基板 laの表裏面には、中央部において対向する振動電極 4, 5が形成されてい る。なお、図 1には図示していないが、圧電基板 laの表裏面には振動電極 4, 5から 圧電基板 laの端部に引き出された引出電極および端子電極が形成され、振動電極 4, 5は、それぞれ下層電極 2a, 2bと、上層電極 3a, 3bとの積層構造で構成されて いる。下層電極 2a, 2bの形状および厚みは、従来の圧電共振子における振動電極（ 図 13参照）と同じでよぐ一様な厚みにされる。下層電極 2a, 2bの材質としては、 Ag , Cu, Al, Pd, Au等が使用されるが、圧電基板 (セラミックス）との密着力を高めるた め Niや Cr等の合金層を下地として使用してもよい。なお、上層電極 3a, 3bの材質は 、下層電極 2a, 2bと同質のものがよい。
[0026] 図 1の (b)に示すように、圧電基板 laの周波数定数は一端側から他端側にかけて漸 次変化しており、この変化に応じて上層電極 3a, 3bの膜厚も漸次変化している。す なわち、図 1の（a)に示すように、上層電極 3a, 3bは、周波数定数が高くなる方向に 向かって漸次膜厚が大きくなるように設定されている。上層電極 3a, 3bの最も厚い部 分の厚みを tl、最も薄い部分の厚みを t2、上層電極 3a, 3bの長さを Lとすると、上層 電極 3a, 3bの膜厚の傾き比（tl— t2) ZL = 0. 05〜0. 20に設定されている。なお 、下層電極 2a, 2bの膜厚は一定である。このように振動電極 4, 5の膜厚に傾きを設 けることで、圧電基板 laに生じている周波数の傾きを、電極膜厚の質量負荷効果を 利用して補正している。
[0027] 図 2、図 3は図 1に示す圧電共振子を製作するための母基板状態の圧電基板 1を示 す。
圧電基板 1は、例えばサイズが 30mm X 20mm X O. 475mmの長方形板状に形成 され、焼成、成形、分極処理されている。分極条件は、例えば 60°Cのオイル中で 30 分間、 8kVZmm印カロした。圧電基板 1の周波数定数の分布状態は図 12と同様に なる。圧電基板 1の上下面には全面に下層電極 2が成膜され、下層電極 2の上面で あって周波数定数に傾きのある周辺部にのみ上層電極 3が成膜される。特に、上層 電極 3は外周側が漸次厚くなるように、膜厚に勾配を持たせて成膜されている。成膜 方法にはスパッタリングゃ蒸着法が用 ヽられる。
[0028] 図 4、図 5は圧電基板 1に対するスパッタリングの手法を示す。図 5は圧電基板 1の周 辺部の圧電共振子 1個分を示す。
圧電基板 1は例えば 9 X 5個分の圧電共振子を得るためのものであり、圧電基板 1の 中央部から周辺部 1個分の中間まで遮蔽するようにマスク 6が配置される。マスク 6と 圧電基板 1との間には隙間 δが設けられており、スパッタされる金属原子の一部がマ スク 6の裏側に回り込み、膜厚に傾きがある電極 3が形成される。なお、図 5の（a)に おいて、マスク 6で遮蔽された部位だけでなぐマスク 6から露出している部位のうちマ スク 6の近傍部分にも、照射量の違いによって電極 3の膜厚に傾きが発生している。 なお、マスク 6と圧電基板 1との隙間 δの大きさ、マスク 6の開口部寸法、成膜条件な どを調整することによって、膜厚の傾きや、傾きのある電極の範囲を調整することがで きる。
[0029] 図 4の（b)で示すように、圧電基板 1から切り出された圧電共振子のうち、コーナ部か ら切り出された圧電共振子においては、 X方向、 Y方向共に周波数定数に傾きがあ るため、マスク 6が 1つのコーナ部を覆うことでスパッタされる電極の膜厚にも X、 Y方 向の傾きを設けることができる。
また、図 4の（c)で示すように、圧電基板 1から切り出された圧電共振子のうち、 1辺か ら切り出された圧電共振子については、 X方向に周波数定数に傾きがあるため、マス ク 6が 1辺に沿って覆うことでスパッタされる電極の膜厚にも X方向の勾配をつけること ができる。
図 4の（b)および（c)では、振動電極の途中までマスクされているが、図 3の（a)で示 すように振動電極の厚さは全域に亘つてほぼ傾斜して 、る。
[0030] 図 5の（b)は、スパッタ後、エッチングにより振動電極 4を形成した状態を示す。なお、 図 5では圧電基板 laの片面の振動電極 4のみを記載したが、他面の振動電極 5も同 様に形成される。
[0031] 図 6は、上記のような電極 2, 3を形成した圧電基板 1における周波数定数の分布を 示す。
図 6と図 12とを比較すれば明らかなように、膜厚に傾きを持つ上層電極 3を形成する ことで、圧電基板 1の中央部と周辺部との周波数定数の差が大幅に低減されたことが わかる。ここでは、上層電極 3を圧電基板 1の周辺部に四角形枠状に形成することで 、圧電基板 1内における周波数定数のバラツキを 0. 1%以下に抑制することができた
[0032] 上記のように圧電基板 1に電極 2, 3を形成した後、電極パターンにて 1枚の圧電基 板 1に複数個（例えば 45個）の振動電極 4, 5を形成する。形成方法は、印刷'エッチ ング法などが一般的である。その後、圧電基板 1を例えば 3. 7 X 3. 1mmの大きさに カットすることで、圧電共振子を得た。図 1に示す圧電共振子は、図 2の B部から切り 出されたものである。
なお、図 2の圧電基板 1の中央部力 切り出される圧電共振子は、周波数定数の傾き がないので、下層電極 2a, 2bのみが形成され、上層電極 3a, 3bは形成されていな い。
[0033] 図 7は、図 1に示す圧電共振子 laにおけるインピーダンス特性と位相特性とを示す。
図 14と比較すれば明らかなように、周波数定数の傾きによって生じる帯域内の不要 振動 (非対称モード)が解消されて 、ることがわ力る。 [0034] 図 8は、膜厚の傾き比（tl 2) ZLと、 3rd Θ minとの関係を示す図である。ここで、 3rd Θ minとは、 3倍波を利用した際の発振可能周波数帯域における位相の最小値 を示す。図 14に示す帯域内での 3rd Θ minは不要振動によるリップル Rの位相の最 小値になる。
傾き比 (tl t2) ZL = 0、つまり傾きのない従来構造の場合には、リップル最小値が 略 60degであったのに対し、傾き比（tl— t2) ZLを 0. 05〜0. 20とするとリップル最 小値が 70deg以上となり、不要振動を抑制できた。
[0035] 図 9は、膜厚の傾き比（tl— 2) ZLと Foバラツキとの関係を示す図である。ここで、 F oバラツキとは、圧電基板 1内における共振周波数と反共振周波数との中点のばらつ さを示す。
傾き比 (tl— t2) ZL = 0の場合、 Foバラツキは 0. 20%程度あるのに対し、傾き比 (t 1ー 2)7 を0. 05-0. 20とすると、 Foバラツキを略 0. 12%以下に低減できた。 以上の結果から、振動電極の膜厚に傾きを設けることで、帯域内での不要振動を抑 制し、周波数バラツキを低減するのに効果があることがわ力る。
実施例 2
[0036] 図 10の（a)〜（c)は、本発明に力かる圧電共振子の電極構造の他の実施例を示す。
図 10の（a)は、膜厚の傾きを持つ振動電極 4, 5を単一層で構成したものである。伹 し、振動電極 4, 5の下地として、圧電基板 (セラミック）との密着力を高めるため Niや Cr等の合金層を使用してもよい。
図 10の (b)は、表面側の振動電極 4を膜厚の傾きを持つ電極とし、裏面側の振動電 極 5を一定厚みの電極としたものである。この場合には、表面側の振動電極 4の最も 厚い部分の厚みを t3、最も薄い部分の厚みを t4、振動電極 4の長さを Lとすると、膜 厚の傾き比（t3— t4) ZL = 0. 10〜0. 40とするのがよい。すなわち、両主面の振動 電極に膜厚の傾きを設けた場合に比べて 2倍の傾きとする必要がある。
図 10の（c)は、表面側の振動電極 4を、一定厚みの下層電極 2aと膜厚の傾きを持つ 上層電極 3aとの積層構造とし、裏面側の振動電極 5を一定厚みの電極としたもので ある。この場合も、図 10の (b)と同様に両主面の振動電極に膜厚の傾きを設けた場 合に比べて、膜厚の傾き比を 2倍としてある。 いずれの電極構造においても、第 1実施例と同様の作用効果を得ることができる。 上記実施例では厚み縦振動モードを利用した圧電共振子について説明したが、これ に限らず、閉じ込め振動を励振できる圧電共振子であれば、厚みすベり振動モード や厚み縦振動モードなど、他の振動モードの圧電共振子にも適用できる。
また、図 1および図 10の（a)のように、圧電基板の両主面に傾斜膜厚の振動電極を 形成した場合に、両主面の勾配を同一としたが、両者が異なっていてもよい。本発明 は圧電基板の周波数定数の傾きを電極膜厚の質量負荷効果を利用して補正するの であるから、両主面の振動電極の膜厚の合計が周波数定数の傾きに応じて勾配を 持てばよい。

Claims

請求の範囲
[1] 圧電基板の両主面に振動電極を対向して形成し、両振動電極間で閉じ込め振動を 発生する圧電共振子にぉ 、て、
上記圧電基板は厚みが一定で、かつその周波数定数は平面方向に傾きを持ち、 上記圧電基板の少なくとも一主面側の振動電極が、上記圧電基板の周波数定数が 高くなる方向に向力つて漸次膜厚が大きくなるように、膜厚に傾きをもって形成されて
Vヽることを特徴とする圧電共振子。
[2] 上記圧電基板の両主面に、膜厚に傾きを持つ振動電極が形成されていることを特徴 とする請求項 1に記載の圧電共振子。
[3] 上記圧電基板の少なくとも一主面側の振動電極は、一定厚みに形成された下層電 極と、その上に形成された上層電極との積層構造よりなり、
上記上層電極が膜厚に傾きをもって形成されていることを特徴とする請求項 1に記載 の圧電共振子。
[4] 上記圧電基板の両主面に形成された振動電極は、一定厚みに形成された下層電極 と、その上に形成された上層電極との積層構造よりなり、
上記上層電極が膜厚に傾きをもって形成されていることを特徴とする請求項 1に記載 の圧電共振子。
[5] 圧電基板の両主面に膜厚に傾きを持つ振動電極が形成されており、上記振動電極 の最も厚 、部分と最も薄 、部分との厚みの差を tl t2、振動電極の長さを Lとすると 、各振動電極の膜厚の傾き比 (tl— t2) ZLがそれぞれ 0. 05〜0. 20であることを特 徴とする請求項 1な 、し 4の 、ずれかに記載の圧電共振子。
[6] 分極済みの母基板状態の圧電基板を準備する工程であって、一定厚みに形成され 、その周波数定数が中央部ではほぼ均一で、周辺部では外周側に向かって漸次高 くなる圧電基板を準備する工程と、
上記母基板状態の圧電基板の両主面の全面に電極を形成する工程であって、上記 圧電基板の少なくとも一主面側の電極の中央部は均一な厚みで、周辺部は上記圧 電基板の周波数定数の増加につれて外周側に向力つて漸次厚くなるように、上記電 極を膜厚に傾きをもって形成する工程と、 上記電極をエッチングすることにより個別の振動電極を対向して形成する工程と、 上記振動電極を夫々備えるように上記母基板状態の圧電基板を個片に切断し、両 振動電極間で閉じ込め振動を発生する圧電共振子を得る工程と、を備えたことを特 徴とする圧電共振子の製造方法。
[7] 上記母基板状態の圧電基板の両主面に、膜厚に傾きを持つ電極を形成することを 特徴とする請求項 6に記載の圧電共振子の製造方法。
[8] 上記母基板状態の圧電基板の少なくとも一主面側の電極は、一定厚みで全面に形 成された下層電極と、その上に形成された上層電極との積層構造よりなり、 上記上層電極をその膜厚に傾きをもって形成することを特徴とする請求項 6に記載の 圧電共振子の製造方法。
[9] 上記母基板状態の圧電基板の周辺部を開放し、中央部を圧電基板に対して所定の 隙間をあけて遮蔽するマスクを用いてスパッタすることにより、上記上層電極をその膜 厚に傾きをもって形成することを特徴とする請求項 8に記載の圧電共振子の製造方 法。
[10] 上記圧電共振子の両主面に膜厚に傾きを持つ振動電極が形成されており、上記振 動電極の最も厚 、部分と最も薄 、部分との厚みの差を tl t2、振動電極の長さを L とすると、各振動電極の膜厚の傾き比 (tl—t2) ZLがそれぞれ 0. 05〜0. 20である ことを特徴とする請求項 6な ヽし 9の ヽずれかに記載の圧電共振子の製造方法。
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