WO2007088696A1

WO2007088696A1 - 圧電振動装置

Info

Publication number: WO2007088696A1
Application number: PCT/JP2006/326197
Authority: WO
Inventors: Takashi Miyake
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2007-08-09
Also published as: JP4930381B2; JPWO2007088696A1

Abstract

　輪郭振動モードを利用しており、振動部の厚みによる共振特性等のばらつきが生じ難く、歩留りを高めることが可能な構造を有する圧電振動装置を提供する。　フィルム状または板状の圧電体としての圧電薄膜４の第１，第２の主面に第１，第２の電極５，６が積層されている圧電振動部３が支持部材の一部を構成している基板２からギャップＤを隔てて浮かされた状態で配置されており、振動部３において、輪郭振動モードのうちの拡がり振動モードを利用して共振特性が得られている、圧電振動装置１。

Description

明細書

圧電振動装置

技術分野

[0001] 本発明は、バルタ波を利用した圧電振動装置に関し、より詳細には、バルタ波の内の拡がり振動モード、長さ振動モードまたは幅振動モードなどの輪郭振動モードを利用した圧電振動装置に関する。

背景技術

[0002] バルタ波を利用した圧電振動装置は、弾性表面波を利用した弾性表面波装置に比べて、 Qが高ぐ耐電力性が高いという利点を有する。従来、バルタ波として厚み縦振動モードを利用した圧電共振子などが提案されている。し力しながら、厚み縦振動モードを利用した場合には、比較的共振周波数が高い共振子を提供することは容易であるが、共振周波数が低い共振子を提供することが困難であった。

[0003] 下記の特許文献 1には、より低い周波数域で使用し得る共振子として、拡がり振動モードを利用した圧電共振子が開示されている。図 22は、特許文献 1に記載の圧電共振子を説明するための略図的斜視図である。

[0004] 圧電振動子 101では、シリコン系材料力もなる枠体 102が用いられている。枠体 10 2の開口内において、支持梁 103, 103により振動部 104が支持されている。振動部 104は、シリコン材料力もなる比較的厚い振動板 105を有する。この振動板 105上に、下部電極 106、圧電薄膜 107及び上部電極 108が積層されて、圧電振動部が構成されている。

[0005] 交番電界を上部電極 108と下部電極 106との間に印加することにより、上記圧電振動部が励振され、振動板 105と共に振動する。ここでは、拡がり振動モードの応答が利用され、共振周波数が 1〜 10MHzの圧電振動子が提供され得ると記載されて!、る。

特許文献 1 :特開平 8— 186467号公報

発明の開示

[0006] 一般に、拡がり振動モードを利用した圧電振動子では、共振周波数は、圧電振動部の平面形状の大きさにより決定され、圧電振動部の厚みには依存しないと考えられている。し力しながら、例えば圧電振動子 101では、圧電振動部に振動板 105が積層されており、振動する部分が一定の厚みを有する。そのため、上記拡がり振動モードを利用した場合であっても、拡がり振動モードに、厚み方向に依存した振動モードが結合し、共振周波数が厚み依存性を有することがわ力つた。

[0007] 他方、加工ばらつきにより、振動板 105の厚みにばらつきが生じることがある。このような場合、共振周波数が厚み依存性を有するので、共振周波数がばらつかざるを得な力つた。そのため、歩留りが低下しがちであった。

[0008] 本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、 Qが高ぐかつ耐電力性に優れた、バルタ波を利用した圧電振動装置であって、しかも、バルタ波の中でも振動部分の厚みに依存し難い輪郭振動を利用しており、さらに振動部分の厚みばらつきによる特性のばらつきがより一層生じ難い、圧電振動装置を提供することにある。

[0009] 本発明によれば、対向し合う第 1,第 2の主面を有するフィルム状の圧電体と、前記圧電体の第 1の主面に形成された第 1の電極と、前記圧電体の第 2の主面に形成されており、第 1の電極と圧電体を介して重なり合うように配置された第 2の電極とを備え、前記第 1,第 2の電極が前記圧電体を介して重なり合つている部分が圧電振動部を構成しており、前記圧電振動部を支持している支持部材をさらに備え、前記圧電振動部が、第 1,第 2の電極が圧電体を介して重なり合つている部分において、浮かされた状態となるように前記支持部材により支持されており、かつ前記圧電振動部の輪郭振動モードを利用することを特徴とする、圧電振動装置が提供される。

[0010] 本発明に係る圧電振動装置のある特定の局面では、フィルム状の圧電体が、第 1, 第 2の電極が重なり合つている圧電振動部の外側に至る圧電体延長部を有しており、圧電体延長部において、支持部材に固定されている。この場合には、フィルム状の圧電体の第 1,第 2の主面に第 1,第 2の電極が積層された、薄い圧電振動部が構成されるので、圧電振動部の小型化、特に低背化を進めることができる。

[0011] 支持部材が基板であり、該基板上に上記圧電振動部がギャップを隔てて浮力された状態で、圧電体延長部が基板の上面に固定されている構造の場合には、複雑な加工を必要としない平板状の基板を用いることができ、コストを低減することができる。また、ギャップを隔てて、上記厚みが比較的薄い圧電振動部が浮力されている構造とされるため、低背化をより一層進めることが可能となる。

[0012] 本発明のさらに他の特定の局面では、前記圧電体延長部が設けられている部分を除く前記圧電体の外周縁部分においては、前記圧電体は、圧電振動部の外側に至らない形状とされている。この場合には、圧電体延長部以外においては、圧電体は圧電振動部の外側に至らないため、圧電体の平面形状の寸法を小さくすることができ、小型化を進めることができる。

[0013] 本発明に係る圧電振動装置のさらに別の特定の局面では、前記圧電振動部の厚みが、前記輪郭振動モードの波長の 1Z40以下とされる。この場合には、周波数特性のばらつきが極めて小さい、圧電振動装置を提供することができ、圧電振動装置の歩留りを高めることが可能となる。

[0014] 本発明に係る圧電振動装置では、上記圧電振動部は、様々な平面形状を有するように構成され得る。

[0015] 本発明のある特定の局面では、前記圧電振動部が、短辺と長辺とを有する矩形の平面形状を有し、前記輪郭振動モードが拡がり振動モードであって、前記圧電振動部の厚みが、前記圧電振動部の短辺寸法の 1Z20以下とされている。この場合には、輪郭振動モードとして拡がり振動モードを利用した圧電振動装置を提供でき、圧電振動部の厚みが圧電振動部の短辺寸法の 1Z20以下とされているため、周波数特性のばらつきを極めて小さくすることができる。

[0016] また、本発明の他の特定の局面では、前記圧電振動部が、短辺と長辺とを有する矩形の平面形状を有し、前記輪郭振動モードが長さ振動モードであり、前記圧電振動部の厚みが、前記圧電振動部の長辺の寸法の 1Z20以下とされ、この場合には、輪郭振動モードとして長さ振動モードを利用しており、し力も周波数特性のばらつきが非常に小さい圧電振動装置を提供することができる。

[0017] 本発明のさらに他の特定の局面では、上記圧電振動部が、第 1の電極及び Zまたは第 2の電極の外側に積層された付加膜をさらに備える。この場合、付加膜として、保護膜や温度補償用絶縁膜、あるいは金属膜などを積層することにより、耐環境特性を高めたり、温度による周波数依存性を低めたり、機械的強度を高めたりすることができる。

[0018] 本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、上記付加膜において、上記圧電振動部の圧電振動のノードが位置する部分を含む第 1の領域と、第 1の領域とは異なる厚みの第 2の領域とが設けられている。この場合、振動のノードを含む第 1の領域における付加膜の厚みを第 2の領域における付加膜の厚みと異ならせることにより、圧電振動装置の共振周波数を調整することができる。例えば、第 1の領域の付加膜の厚みを、第 2の領域における付加膜の厚みを、第 2の領域における付加膜の厚みよりも薄くすることにより、共振周波数を低くする方向に周波数を調整することができる。この場合、第 1の領域において、付加膜の厚みは 0とされていてもよい。

[0019] 逆に、第 1の領域における付加膜の厚みを相対的に厚くすることにより、共振周波数を高める方向に周波数を調整することができ、この場合、第 2の領域における付カロ膜の厚みは 0とされて、てもよ、。

[0020] 本発明に係る圧電振動装置は、様々な共振子やフィルタに用いることができるが、本発明のある特定の局面では、周波数が 1〜： LOOMHzの範囲にある圧電共振子が提供される。すなわち、輪郭振動モードを利用しているが、比較的低周波数域で用 V、ることができる圧電振動装置を提供することができる。

(発明の効果）

[0021] 本発明に係る圧電振動装置では、フィルム状の圧電体の第 1の主面に第 1の電極 1S 第 2の主面に第 2の電極が形成されており、第 1,第 2の電極が圧電体を介して重なり合っている圧電振動部が浮力された状態とされている。従って、特許文献 1に記載の振動板のような比較的厚、部材であって、圧電振動部の振動を受けて振動する部分を必要としない。よって、他の部材の加工ばらつきによる共振周波数などのばらつきが生じ難い。

[0022] カロえて、輪郭振動モードを利用しているため、本質的に、周波数特性は圧電振動部の厚みに依存し難い。のみならず、上記特許文献 1に記載の振動板のような比較的厚ヽ部材であって、圧電振動部の振動を受けて振動する部分を必要としな、ので、それによつても、周波数特性が圧電振動部の厚みに依存し難い。よって、共振周波数などの周波数特性のばらつきをより一層小さくすることが可能とされている。 [0023] また、上記特許文献 1に記載の振動板のような圧電振動部に積層され、圧電振動を受けて振動する部分が設けられずともよいため、振動部分の厚みを薄くすることができ、小型化、特に低背化を進めることができる。

[0024] また、厚み縦振動モードではなぐ輪郭振動モードを利用しているため、厚み縦振動モードを利用した場合に比べて、低周波数域で用いることができる共振子やフィルタを提供することができる。さらに、ノレク波の内の輪郭振動モードを利用しているので、 Qが高ぐ耐電力性に優れた圧電振動装置を提供することができる。

[0025] よって、本発明によれば、 Qが高ぐ耐電力性に優れたバルタ波を利用した圧電振動装置であって、低周波数域で用いることができ、しかも共振特性などの周波数特性のばらつきが生じ難い、圧電振動モードを利用した圧電振動装置を提供することができる。

[0026] 特に、圧電振動部の厚みが輪郭振動モードの波長の 1Z40以下とされている場合には、後述の実験例から明らかなように、周波数ばらつきをより一層小さくすることができる。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]図 1 (a)及び (b)は、本発明の第 1の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図及び (a)中の A— A線に沿う断面図である。

[図 2]図 2 (a)及び (b)は、図 1 (a)における B— B線及び C C線に沿う各断面図である。

[図 3]図 3は、拡がり振動モードにおける振動姿態の変化を説明するための模式的平面図である。

[図 4]図 4 (a)及び (b)は、第 1の実施形態の圧電振動部の厚みが薄い場合及び相対的に厚い場合の振動に際しての各部分の変位状態を有限要素法で解析した結果を示す各模式的断面図である。

[図 5]図 5は、第 1の実施形態の圧電振動装置における圧電振動部の厚みを厚くした場合の圧電振動部における各部分の変位状態を有限要素法で解析した結果を示す厚み方向に沿う模式的断面図である。

[図 6]図 6は、第 1の実施形態の圧電振動装置における振動子の規格化厚みと、共振周波数変動量との関係を示す図である。

[図 7]図 7は、第 2の実施形態の圧電振動装置を説明するための模式的平面図である。

[図 8]図 8は、第 2の実施形態で利用される長さ振動モードにおける振動姿態の変化を説明するための模式的平面図である。

[図 9]図 9は、第 3の実施形態の圧電振動装置を説明するための模式的平面図である。

[図 10]図 10は、第 2の実施形態で利用される幅方向振動モードにおける振動姿態の変化を説明するための模式的平面図である。

圆 11]図 11 (a)及び (b)は、本発明の第 4の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図及び (a)中の E— E線に沿う断面図である。

[図 12]図 12 (a) , (b)は、図 11 (a)における F— F線及び G— G線に沿う各断面図である。

圆 13]図 13 (a)及び (b)は、本発明の第 5の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図及び (a)中の I I線に沿う断面図である。

[図 14]図 14 (a) , (b)は、図 13 (a)における J J線及び K—K線に沿う各断面図である。

[図 15]図 15は、本発明に係る圧電振動装置の変形例を説明するための断面図である。

[図 16]図 16は、幅振動モードまたは拡がり振動モードを利用した振動子において、片面にノードを含む領域に凹部を設けた場合の凹部とノード位置との関係を説明するための模式的斜視図である。

[図 17]図 17は、両面の付加膜が均一な膜厚に形成されている圧電振動装置の共振特性を示す図である。

[図 18]図 18は、図 15に示した変形例の圧電振動装置の共振特性を示す図である。

[図 19]図 19は、本発明の圧電振動装置の他の変形例を説明するための断面図である。

[図 20]図 20は、図 19に示した圧電振動装置の共振特性を示す図である。 [図 21]図 21は、図 15に示した変形例において、付加膜の一部を除去する部分の幅方向寸法を説明するための模式的断面図である。

[図 22]図 22は、図 15に示した変形例において、付加膜の一部を除去する除去幅を変化させた場合の共振周波数の変化を示す図である。

[図 23]図 23は、従来の圧電振動装置の一例を説明するための模式的斜視図である符号の説明

1…圧電振動装置

2· "基板

3…圧電振動部

4…圧電薄膜

4a, 4b…圧電体延長部

5…第 1の電極

6···第 2の電極

7…付加膜

8…付加膜

9, 10···端子電極

11…圧電振動装置

21···圧電振動装置

23···圧電振動部

23a…短辺

23b…長辺

31…圧電振動装置

33···圧電振動部

33a…短辺

33b…長辺

41···圧電振動装置

42· "基板 43· ··圧電振動部

51…圧電振動装置

52· ··ギャップ形成材料層

62, 63· ··付加膜

64· ··付加膜

65· ··圧電振動装置

71· ··圧電振動子

71a…凹部

D…ギャップ

H…ギャップ

L…ギャップ

Ν· ··ノード

Q…除去幅

発明を実施するための最良の形態

[0029] 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。

[0030] 図 1 (a)及び (b)は、本発明の第 1の実施形態に係る圧電振動装置の平面図及び図 1 (a)中の A— A線に沿う断面図である。また、図 2 (a)及び (b)は、図 1 (a)における B— B線及び C C線に沿う断面図である。

[0031] 圧電振動装置 1は、バルタ波としての輪郭振動のうち拡がり振動モードを利用した圧電共振子である。

[0032] 本実施形態では、支持部材として半導体もしくは絶縁体力なる基板 2が用いられている。基板 2を構成する半導体及び絶縁体は特に限定されず、例えば Si系半導体やガラスなどの絶縁体が用いられる。

[0033] 基板 2上にぉ、て、平面形状が矩形の圧電振動部 3が構成されて、る。ここでは、圧電振動部 3は、フィルム状圧電体、すなわち圧電薄膜 4と、圧電薄膜 4の第 1の主面としての下面に形成された電極 5と、圧電薄膜 4の第 2の主面としての上面に形成された第 2の電極 6とを有する。圧電薄膜 4は、その分極軸方向が厚み方向とされている。第 1の電極 5と第 2の電極 6とは、圧電薄膜 4を介して厚み方向に重なり合っており、該重なり合つている部分が、図 1 (a)に示す平面形状が矩形の圧電振動部 3である。

[0034] 圧電薄膜 4は、適宜の圧電材料からなる。このような圧電材料としては、例えば、酸化亜鉛 (ZnO)、窒化アルミニウム (A1N)、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックス（PZT 系圧電セラミックス）、ニオブ酸リチウム（LiNbO )、タンタル酸リチウム（LiTaO )、水

3 3 晶などが挙げられる。すなわち、圧電薄膜は、圧電単結晶あるいは圧電セラミックスの、ずれにより形成されて!、てもよ！、。

[0035] 第 1の電極 5と、第 2の電極 6とは、圧電薄膜 4に交流電圧を印加し、圧電薄膜 4を励振させるために設けられている。第 1,第 2の電極 5, 6を構成する材料については特に限定されず、適宜の導電性材料を用いることができる。このような導電性材料としては、 Al、 Cu、 Au、 Pt、 Niもしくはこれらの合金、例えばエリンバーやインバーなどを挙げることができる。

[0036] 本実施形態では、上記圧電振動部 3において、圧電薄膜 4の第 1の主面側において、第 1の電極 5を覆うように、付加膜 7が積層されている。また、圧電薄膜 4の第 2の主面としての上面側にお、ても付加膜 8が積層されてヽる。

[0037] 付加膜 7, 8は、内部を保護する保護膜として機能するものであってもよぐ補強膜としての機能を有するものであってもよぐあるいは温度特性を補償するための膜であつてもよい。さらに、質量付カ卩により共振周波数を調整するために、付加膜 7及び Z または付加膜 8が設けられて、てもよ、。

[0038] 上記付加膜は、圧電体の第 1の主面側及び Zまたは第 2の主面側に形成されればよぐあるいは本発明においては、圧電振動部は付加膜を有していなくてもよい。

[0039] 付加膜 7, 8は、これらの機能のいずれ力少なくとも 1つを果たすように用いられるものであるため、付加膜 7, 8を構成する材料については、これらの機能に応じた材料を用いればよい。例えば、温度補償を行ったり、圧電振動部を保護したりするためには、 SiOや SiNなどの誘電体薄膜により付加膜 7, 8を形成すればよい。また、 Al、 C

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u、エリンバーまたはインバーなどのような導電性材料により付加膜 7, 8が形成されていてもよい。もっとも、付加膜 7, 8が導電性材料からなる場合には、電極 5, 6の機能を損なわな、ように付加膜 7, 8を形成することが望ま U、。

[0040] さらに、付加膜 7, 8は、 ZnOや A1Nのような圧電材料であってもよぐ Siのような半導体材料であってもよい。

[0041] 本実施形態では、上記圧電振動部 3において、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6 及び付加膜 7, 8は、薄膜形成法により形成され、積層されている。このような薄膜形成法としては特に限定されないが、 PVD法や CVD法などを用いることができる。薄膜形成法により各部材を積層することにより形成された圧電振動部 3では、その厚みを薄くすることができ、低背化を進めることができる。

[0042] 本実施形態の圧電振動装置 1では、上記圧電振動部が、基板 2からギャップ Dを介して浮力された状態で配置されている。また、圧電振動部 3は、基板 2から浮力されているため、拘束されることがなぐ円滑に振動し得る。

[0043] なお、上記ギャップ Dの形成方法は特に限定されな、。例えば、基板 2上にぉヽて、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6及び付加膜 7, 8を溶解しない溶剤により除去される溶剤除去性材料層を形成し、しカゝる後、上記圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6 及び付加膜 7, 8からなる積層体を薄膜形成方法により形成する。そして、上記溶剤により溶剤除去性材料層を除去すればよぐそれによつてギャップ Dを形成することができる。

[0044] また、圧電振動部 3は、支持部材としての基板 2に以下の態様で支持されて、る。

圧電薄膜 4は、圧電振動部 3を越えて、圧電振動部 3の長辺方向外側に延ばされている。この圧電振動部 3の外側に延ばされている圧電薄膜部分を、圧電体延長部 4a , 4bとする。図 1 (a)から明らかなように、圧電体延長部 4a, 4bは、圧電振動部 3から圧電振動部 3の長辺方向外側に至っている。

[0045] そして、この圧電体延長部 4a, 4bにおいて、圧電薄膜 4が基板 2に固定されている。本実施形態では、下方に設けられた付加膜 7が、基板 2の上面に固定されており、すなわちギャップ Dを有するように付加膜 7が成膜されている。そして、付加膜 7上に、第 1の電極 5、圧電薄膜 4、第 2の電極 6が順に成膜され、さらに第 2の付加膜 8が成膜されている。

[0046] 他方、付加膜 7が基板 2に固定されて、る部分、すなわちギャップ Dの外側にぉヽては、圧電体延長部 4a, 4bが存在し、従って、圧電薄膜 4は、圧電体延長部 4a, 4b が存在する部分において、付加膜 7を介して基板 2に固定されている。なお、本実施形態では、付加膜 7が設けられていたため、圧電体延長部 4a, 4bは付加膜 7を介して基板 2に固定されていたが、付加膜 7が設けられていない場合には、圧電体延長部 4a, 4bを直接基板 2の上面に固定してもよい。さらに、付加膜 7が設けられている構造においては、上記圧電体延長部 4a, 4bは必ずしも設けられずともよぐその場合には、圧電振動部を基板 2に固定するのに十分な強度を有するように、付加膜 7を形成する必要がある。

[0047] また、第 1の電極 5は、圧電体延長部 4aの下面を経由し、基板 2の第 1の端縁に沿うように設けられた第 1の端子電極 9に連ねられている（図 1 (a)参照)。

[0048] 他方、第 2の電極 6は、圧電体延長部 4bの上面を経由し、基板の第 2の端縁に設けられた第 2の端子電極 10に連ねられて!/、る。

[0049] 従って、端子電極 9, 10から交流電圧を印加した場合、圧電振動部 3が、圧電効果により励振されることになる。本実施形態で、圧電振動部 3は、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有する。そして、圧電薄膜 4は、その分極軸方向が厚み方向とされている。従って、振動モードが励振されるが、本実施形態では、励振される振動のうち、輪郭振動モードに属する拡がり振動モードが強く励振され、該拡がり振動モードによる共振特性が利用される。

[0050] 従って、バルタ波の内の輪郭振動モードに属する拡がり振動モードを利用するため、 Qが高ぐ耐電力性に優れている。カ卩えて、本実施形態では、圧電振動部 3は、ギヤップ Dを隔てて基板 2から浮力されて配置されている。従って、圧電振動部 3は、圧電効果により基板 2に拘束されることなく自由に振動する。よって、良好な共振特性を得ることができる。し力も、支持部材としての基板 2に固定される部分に至っている圧電体延長部 4a, 4bが設けられている部分を除いては、圧電薄膜 4は、圧電振動部 3 の外周縁には至っていない。従って、それによつても、圧電振動部 3が、基板 2に拘束されることなく、自由に変位、振動し得るように構成されている。

[0051] 図 3は、拡がり振動モードの振動姿態を示す模式的平面図である。拡がり振動モードでは、正方形の平面形状を有する圧電振動部 3Aが図示の破線で示す振動姿態のように変位する。そして、図示の破線で示す振動姿態力も図示の矢印で示すように各部分が変位し、逆の振動姿態となる。この破線で示す振動姿態と、逆の振動姿態との間で変位が繰り返される。従って、上記拡がり振動モードに際しての変位は、矩形の平面形状の圧電振動部 3Aの平面内すなわち面内方向での振動であり、基本的に厚み方向の振動モードによる影響を受け難い。

[0052] もっとも、前述したように、実際には、拡がり振動モードなどの輪郭振動モードを利用した圧電振動部においても、厚みが有限であるため、厚み方向の振動モードによる影響を避けることはできず、特許文献 1に記載の圧電振動装置では、その影響により共振特性のばらつきが生じがちであった。

[0053] すなわち、前述した特許文献 1に記載の圧電振動装置では、圧電薄膜にシリコン材料力もなる比較的厚みの大きな振動板 105が積層されていたため、該振動板 105 の厚みばらつきにより、共振特性がばらつくという問題があった。これに対して、本実施形態の圧電振動装置では、圧電振動部 3において、このような比較的厚みの大きな板状の振動板を積層する必要はない。すなわち、圧電振動部として振動する部分は、上記圧電薄膜 4と、電極 5, 6と、付加膜 7, 8とが積層されている積層膜部分だけであり、これらの膜は、前述した薄膜形成法により高精度に形成され得る。従って、振動する部分の厚みばらつきが生じ難いので、共振特性のばらつきも生じ難い。よって、特性の安定ィ匕及び歩留りの向上を果たすことができる。

[0054] 本実施形態の圧電振動装置 1では、好ましくは上記圧電振動部 3の厚みは、上記拡がり振動モードによる共振特性の共振周波数の 1Z40以下とされ、それによつて、圧電薄膜 4の厚みばらつきによる共振周波数のばらつきを極めて小さくすることができる。これを、図 4〜図 6を参照して説明する。

[0055] なお、図 4〜図 6に示す結果は、有限要素法によるシミュレーションにより求めた結果である。

[0056] 上記シミュレーションにあたり、想定した圧電振動装置の仕様は以下の通りである。

[0057] Si系基板上に、付加膜 7、第 1の電極 5、圧電薄膜 4、第 2の電極 6及び付加膜 8が以下の材料及び厚みとなるように成膜し、圧電振動部が短辺の長さ 190 m X長辺の長さ 300 μ mの矩形の平面形状を有し、波長が 190 m X 2 = 380 mの圧電振動装置 1を作製したとする。

[0058] 付加膜 7： SiO、厚み 1. 3 mZ第 1の電極 5： Pt、厚み 0. 1 μ mZ圧電薄膜 4： A1

2

N膜、厚み 1. 6 1117第2の電極6 : ?1;、厚み0.： L mZ付加膜 8： SiO、厚み 1. 3

2

m。付加膜 7, 8を含む圧電振動部 3全体の厚み =4. 4 μ ηι₀

[0059] このような構造によれば、圧電振動装置 1の共振周波数は、約 18MHzとなる。圧電振動装置 1と同様にして、但し、 A1からなる第 1 ,第 2の電極 5, 6の膜厚と、圧電薄膜 4の膜厚との比を 1： 16と固定した状態で、また上記圧電振動部を構成している矩形の短辺方向の寸法を 113 mとし、圧電薄膜 4の厚み及び電極 6, 7の厚みを変化させた。このような複数の圧電振動装置について、振動部分の厚み、すなわち付加膜 7, 8を含む圧電振動部 3の厚みを波長で規格化した規格化振動子厚みと、周波数変動量との関係を有限要素法によるシミュレーションにより求めた。結果を示す。

[0060] 図 6の横軸は、上記規格化振動子厚み、すなわち振動部部分の厚みの波長に対する割合を示し、縦軸は共振周波数変動量 (ppm)を示す。共振周波数変動量は、設計共振周波数からの変動量である。

[0061] また、図 4 (a)及び (b)は、上記規格化振動子厚みが 0. 01及び 0. 08の場合の振動部の変位状態を有限要素法で求めた結果を示し、図 5は、上記規格化振動子厚みが 0. 40の場合の有限要素法で求めた振動姿態の変化を模式的に示す図である

[0062] 図 4 (a) , (b)及び図 5から明らかなように、圧電振動部 3における振動子規格化厚みが厚くなると、厚み方向に変位する部分が相対的に多く現れ、従って、厚み方向の振動モードによる影響が現れることがわかる。

[0063] これに対して、図 6から明らかなように、上記シミュレーションによれば、規格化振動子厚みが、 0. 025以下の場合、すなわち振動子の厚みが、波長の 40分の 1以下であれば、厚みが 1 %ばらついたときの共振周波数変動量は lppm以下と著しく小さくなることがわかる。他方、波長は、矩形の振動部部分の短辺寸法で決定される。よつて、圧電振動部の厚みを、矩形の平面形状の圧電振動部 3の短辺の長さの 1Z20 以下とすれば、共振周波数の変動量を著しく小さくすることができる。

[0064] 図 7は、本発明の他の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図であり、図 8 はその圧電振動部の振動姿態を模式的に示す平面図である。

[0065] 図 7に示す圧電振動装置 21では、圧電振動部 23が、輪郭振動モードの内の長さ振動モードを利用している。従って、圧電振動部 23は図 7に模式的に示されているように、短辺 23aと、長辺 23bとを有する矩形の平面形状を有し、図 8に示すように、長辺方向に伸縮する。すなわち、図 8に示す当初の圧電振動部 23Aの状態から、破線で示すように長辺方向に伸びた状態と、逆に当初の状態力長さ方向において縮んだ状態の振動姿態とを繰り返すように変位する。このように、長さ振動モードを利用した場合においても、その変位は、圧電振動部 23の第 1,第 2の主面の面内方向がほとんどであるため、第 1の実施形態の場合と同様に、厚みにあまり依存しない、良好な共振特性を実現することができる。

[0066] また、図 9は、本発明の第 3の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図であり、図 10はその圧電振動部の振動姿態の変化を説明するための模式的平面図である。

[0067] 第 3の実施形態の圧電振動装置 31では、圧電振動部 33が輪郭振動モードのうち幅振動モードを利用している。その他の点については、第 2の実施形態と同様である。幅振動モードを利用する圧電振動部 33は、平面形状が矩形であり、短辺 33aと長辺 33bとを有する。そして、励振されると、図 10に示すように、実線で示す当初の状態から、長辺 33bが短辺方向に沿って変位する。すなわち、破線で示すように、幅方向寸法、すなわち短辺方向に沿う寸法が大きくなつた状態と、逆に、短辺方向の寸法が小さくなつた縮んだ状態との間で変位が繰り返されることになる。この幅方向振動モードも、面内振動であるため、振動部の厚みに依存しがたい、良好な共振特性が得られる。

[0068] 上述したように、本発明においては、バルタ波のうち輪郭振動モードが利用され、この輪郭振動モードとしては、第 1の実施形態において示した拡がり振動モードに限らず、上記長さ振動モードや幅振動モードを用いてもょ、。

[0069] 図 11 (a)及び (b)は、本発明の第 4の実施形態に係る圧電振動装置の模式的平面図及び図 11 (a)中の E— E線に沿う断面図であり、図 12 (a)及び (b)は、図 11 (a)の

F— F線及び G— G線に沿う各断面図である。 [0070] 本実施形態の圧電振動装置 41は、支持部材としての基板 42を有する。そして、基板 42の上面に、凹部が形成されており、該凹部によりギャップ Hが設けられている。すなわち、第 1の実施形態では、ギャップ Dは、基板 2の上面と、基板 2の上面から浮力された圧電振動部 3との間に設けられていた力本実施形態では、基板 42の上面に凹部を形成することにより、ギャップ Hが形成されている。そのため、ギャップ H上に設けられて、る圧電振動部 43が、浮かされた状態とされて!/、る。

[0071] その他の構造については、本実施形態の圧電振動装置 41は、第 1の実施形態の圧電振動装置 1と同様に構成されている。従って、同一部分については、同一参照番号を付することにより、詳細な説明につヽては省略することとする。

[0072] 本実施形態では、ギャップ H上において、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6及び付加膜 7, 8が薄膜形成法により形成されている。もっとも、製造に際しては、予め Si など力もなる基板 42の上面に、エッチングなどの加工により、凹部を形成する。そして、この凹部に、第 1の実施形態で用いた溶剤除去性材料層を凹部を充填するように形成する。しカゝる後、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6及び付加膜 7, 8からなる積層部分を、薄膜形成法により形成する。すなわち、付加膜 7、第 1の電極 5、圧電薄膜 4、第 2の電極 6及び付加膜 8を順次薄膜形成法により形成する。そして、溶剤により溶剤除去性材料層を除去することにより、ギャップ Hが形成される。

[0073] このように、圧電薄膜 4を用いて構成されてヽる圧電振動部を浮かされた状態とするためのギャップは、基板 42の上面に凹部を形成することにより設けてもよい。

[0074] 図 13 (a)は、本発明の第 5の実施形態に係る圧電振動装置を説明するための平面図であり、図 13 (b)は図 13 (a)の I— I線に沿う断面図である。また、図 14 (a)及び (b) は、図 13 (a)の J J線及び K—K線に沿う断面図である。

[0075] 第 5の実施形態の圧電振動装置 51は、圧電振動部を冒された状態とするためのギヤップを設けるための構造が異なることを除いては第 1の実施形態の圧電振動装置 1 と同様である。従って、同一部分については、同一の参照番号を付することにより、詳細な説明を省略する。

[0076] 本実施形態の圧電振動装置 51は、支持部材としての基板 2を有する。そして、基板 2の上方において、第 1の実施形態の場合と同様に、付加膜 7、第 1の電極 5、圧電薄膜 4、第 2の電極 6及び第 2の付加膜 8が順に薄膜形成法により形成された積層部分が構成されて、圧電振動部 3が設けられている。もっとも、本実施形態では、上記第 1の付加膜 7の下方において、圧電振動部 3を浮力された状態とするためのギヤップ Lが、サイドエッチング法によりギャップ形成材料層 52に開口部を設けることにより形成されている。

[0077] すなわち、ギャップ形成材料層 52の一部に開口部が設けられており、該開口部の上方に圧電振動部 3が構成されている。従って、開口部が上記ギャップ Lを形成して、ることになる。

[0078] ギャップ Lを形成するために、本実施形態では、まず、基板 2上にギャップ形成材料層 52を成膜する。このギャップ形成材料層 52は、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6 及び付加膜 7, 8を溶解しない溶剤により除去される溶剤除去性材料により例えば形成される。この形成方法については、蒸着等の適宜の薄膜形成方法を用いることができる。

[0079] し力る後、上記ギャップ形成材料層 52を基板 2の上面にぉ、て成膜した後、該ギヤップ形成材料層 52上に、前述した付加膜 7、第 1の電極 5、圧電薄膜 4、第 2の電極 6 及び第 2の付加膜 8を順に薄膜形成法により形成する。次に、上記ギャップ形成材料層 52において、図 13 (b)に示されているギャップ Lとしての開口部を形成する部分に、側方力も等方性サイドエッチングすればよい。エッチングに際しては、上記溶剤除去性材料層を溶解し、上記圧電薄膜 4を含む積層部分を溶解しなヽ溶剤を用いて行ない得る。このように側方力もサイドエッチングすることにより、ギャップ Lを形成してちょい。

[0080] 上述したように、本発明の圧電振動装置において、圧電振動部を浮かされた状態とするためのギャップは、第 4及び第 5の実施形態に示したように、様々な方法で形成することができる。

[0081] 本発明に係る圧電振動装置では、上記付加膜の厚みは一様とされる必要は必ずしもない。図 15〜図 22を参照してこのような変形例を説明する。

[0082] 図 15は、第 4の実施形態に係る圧電振動装置の変形例に相当し、図 12 (a)に示した断面図に相当するこの変形例の圧電振動装置の断面図である。 [0083] この変形例の圧電振動装置 61では、第 4の実施形態と同様に、基板 2上に、圧電振動部 3が構成されており、圧電振動部 3は、圧電薄膜 4、第 1,第 2の電極 5, 6及び付加膜 62, 63を有する。第 4の実施形態と異なるところは、第 4の実施形態の付加膜 7, 8に代えて、上記付加膜 62, 63が設けられていること、並びに利用する振動モードとして、幅モードまたは拡がりモードが用いられていることにある。すなわち、圧電振動部は、長さ方向と幅方向とを有する矩形の平面形状を有し、図 15では、長さ方向と直交する方向の断面が示されて、る。

[0084] 従って、変形例の圧電振動装置 61では、幅モードまたは拡がりモードの振動が励振される力その振動のノードは、図 15の矢印 Mで示す位置に現れる。すなわち、圧電振動部の幅方向中央に振動のノード Mが存在する。

[0085] 他方、この変形例では、付加膜 62は、付加膜 7と同様に、圧電振動部の下面において、均一な厚みに形成されている。

[0086] これに対して、付加膜 63は、振動のノード Mを含む第 1の領域において除去されており、第 2の領域において設けられている。言い換えれば、付加膜 63は、第 1の領域において除去されており、横断面においては、凹状の形状を有する。

[0087] 本変形例では、少なくとも一方の付加膜 63において、第 1の領域において付加膜が除去されて、第 1の領域に対して第 2の領域における付加膜の厚みが相対的に厚くされている。このように、振動のノードを含む第 1の領域において、付加膜 63が除去されているので、本変形例では、平坦な付加膜を圧電振動部 3の上面に設けた相当の構造に比べて、共振周波数を低くすることができる。

[0088] すなわち、図 17に示した共振特性を有する第 4の実施形態の圧電振動装置を形成した後、図 15に示した変形例のように、第 1の領域における付加膜 63の厚みを 0とした場合、図 18に示す共振特性を得ることができる。

[0089] これは、以下の理由による。

[0090] 図 16に模式的斜視図で示すように、矩形板状の幅モードまたは拡がりモードを利用した圧電振動子 71を想定する。この圧電振動子 71において、上面中央において、長さ方向に延びるように凹部 71aを形成したとする。この場合、圧電振動子 71が幅モードまたは拡がりモードで振動した場合、振動のノード Nは、図 16に示すように、上記凹部内に位置することになる。すなわち、図 15に示した変形例は、このようなモデルに相当し、この場合、振動のノードにおける質量付加と、振動のノード以外の第 2 の領域における質量付加が異なることにより、上記のように、共振周波数が低くなるものと考えられる。

[0091] なお、図 15では、第 1の領域においては、付加膜 63が除去され、厚みが 0とされていたが、第 1の領域において、付加膜が形成されていてもよぐその場合、図 15の O で一点鎖線で示すように、第 1の領域における付加膜の厚みが、第 2の領域における付加膜の厚みよりも薄くされてさえおればよい。そして、この第 1の領域における付カロ膜の厚みを、第 2の領域における付加膜の厚みよりも薄ぐあるいは 0とすることにより、上記のように、共振周波数を低くすることができる。

[0092] 従って、本発明では、圧電振動部の少なくとも一方面に設けられた付加膜において、上記第 1の領域における付加膜の厚みを 0あるいは薄くするように、その厚みを調整することにより、共振周波数を調整することができる。

[0093] 図 19は、図 15に示した変形例とは逆に、付加膜 64において、第 1の領域における付加膜の厚みが相対的に厚ぐ第 2の領域において、付加膜 64が除去されている他の変形例を示す断面図である。その他の構造については、本変形例の圧電振動装置 65は、圧電振動子 61と同様とされている。

[0094] ここでは、圧電振動装置 61の場合と同様に、幅モードまたは拡がりモードが利用され、従って、振動のノード Mは、上記第 1の領域に位置する。そして、第 2の領域において付加膜 64が除去されているので、質量付加効果は、第 1の領域と第 2の領域とで異なっている。図 20は、本変形例の圧電振動装置 65の共振特性を示す。図 20に示すように、図 17に示した圧電振動装置の共振周波数に比べて、共振周波数が高められている。

[0095] このように、少なくとも一方面に設けられた付加膜において、第 1の領域において付加膜を除去することにより、共振周波数を高めることができる。この場合、図 19に一点鎖線 Pで示すように、第 2の領域における付加膜を 0とせず、第 1の領域における付加膜よりも薄くさえしておれば、共振周波数を高めることができる。すなわち、上記質量付加効果の差により、共振周波数が高くなる方向に変化するため、第 2の領域において、付加膜を除去する必要は必ずしもない。

[0096] また、図 15に示した変形例では、上記付加膜 63において、第 1の領域の幅方向寸法 Qを調整することにより、共振周波数を調整することも可能である。

[0097] これを、図 21及び図 22を参照して説明する。

[0098] 図 21に模式的断面図で示すように、図 15に示した変形例において、 SiOからなる

2 付加膜 63を第 1の領域において除去した。この場合の第 1の領域の幅、すなわち付加膜の除去幅 Qを変化させ、共振周波数の変化を求めた。結果を図 22に示す。

[0099] なお、実験に際しては、圧電振動部の構成は、上方から SiO /A1/A1N/A1/S

2

iOの積層構造とし、その厚みは、上方力ら 2. 6 m、 0. 1 m/1. 6 μ m/0. 1 μ

2

m/2. とした。そして、圧電振動部の長さ方向寸法は 179. 2 /ζ πι、幅方向寸法は 112 /z mとした。また、図 22の横軸は、比：（上記付加膜における SiO膜を除去

2 した横幅 Q)Z (圧電振動部幅方向寸法)とした。図 22から明らかなように、この比が 0 . 4〜0. 6付近の場合、共振周波数力 Sもっとも低くなつていることがわかる。従って、圧電振動部が同じ形状の場合であっても、上記付加膜 63を第 1の領域で除去する際に、その除去幅 Qを調整することにより、共振周波数を l〜2MHz程度低めることができ、それによつて、ひいては、圧電振動装置の小型化を図り得ることがわかる。

[0100] なお、上記付加膜を除去したり、部分的に薄くしたりするには、反応性イオンエッチング (RIE)、イオンミリング、レーザー加工、またはウエットエッチングなどの様々な方法を用いて行うことができる。あるいは、付加膜を形成した後に部分的に除去したり、厚みを薄くする加工を行う方法ではなぐ付加膜を形成するに際し、リフトオフ法やマスキング等により、予め第 1の領域と第 2の領域との厚みが異なる付加膜を形成してもよい。

Claims

請求の範囲

[1] 対向し合う第 1,第 2の主面を有するフィルム状の圧電体と、

前記圧電体の第 1の主面に形成された第 1の電極と、

前記圧電体の第 2の主面に形成されており、第 1の電極と圧電体を介して重なり合うように配置された第 2の電極とを備え、

前記第 1,第 2の電極が前記圧電体を介して重なり合つている部分が圧電振動部を構成しており、

前記圧電振動部を支持している支持部材をさらに備え、

前記圧電振動部が、第 1,第 2の電極が圧電体を介して重なり合つている部分において、浮力された状態となるように前記支持部材により支持されており、かつ前記圧電振動部の輪郭振動モードを利用することを特徴とする、圧電振動装置。

[2] 前記フィルム状の圧電体が、前記第 1,第 2の電極が圧電体を介して重なり合って V、る圧電振動部の外側に至る圧電体延長部を有しており、

前記圧電体延長部において、前記圧電体が前記支持部材に固定されている、請求項 1に記載の圧電振動装置。

[3] 前記支持部材が基板であり、該基板上に前記圧電振動部がギャップを隔てて浮かされた状態で、前記圧電体延長部が前記基板の上面に固定されている、請求項 2に記載の圧電振動装置。

[4] 前記圧電体延長部が設けられて!/、る部分を除く前記圧電体の外周縁部分にぉヽては、前記圧電体は、前記圧電振動部の外側には至らない形状とされている、請求項 3に記載の圧電振動装置。

[5] 前記圧電振動部の厚みが、前記輪郭振動モードの波長の 1Z40以下とされている、請求項 1〜4のいずれか 1項に記載の圧電振動装置。

[6] 前記圧電振動部が、短辺と長辺とを有する矩形の平面形状を有し、前記輪郭振動モードが拡がり振動モードであって、前記圧電振動部の厚みが、前記圧電振動部の短辺寸法の 1Z20以下とされていることを特徴とする、請求項 1〜5のいずれ力 1項に記載の圧電振動装置。

[7] 前記圧電振動部が、短辺と長辺とを有する矩形の平面形状を有し、前記輪郭振動モードが長さ振動モードであり、前記圧電振動部の厚みが、前記圧電振動部の長辺の寸法の 1Z20以下とされている、請求項 1〜5のいずれ力 1項に記載の圧電振動装置。

[8] 前記圧電振動部が、前記第 1,第 2の電極の少なくとも一方の外側に積層された付加膜をさらに備える、請求項 1〜7のいずれか 1項に記載の圧電振動装置。

[9] 前記付加膜が、前記圧電振動部の振動のノードを含む第 1の領域と、第 1の領域とは異なる厚みの第 2の領域とを有する、請求項 8に記載の圧電振動装置。

[10] 前記第 1の領域において、付加膜の厚みが第 2の領域における厚みよりも薄くされている、請求項 9に記載の圧電振動装置。

[11] 前記第 1の領域において、薄肉部の厚みが 0とされており、第 2の領域においてのみ付加膜が設けられている、請求項 10に記載の圧電振動装置。

[12] 前記第 1の領域において、付加膜の厚みが第 2の領域における厚みよりも厚くされている、請求項 9に記載の圧電振動装置。

[13] 前記第 2の領域において、付加膜の厚みが 0とされており、第 1の領域においてのみ付加膜が設けられている、請求項 12に記載の圧電振動装置。

[14] 周波数が l〜100MHzの範囲にある圧電共振子である、請求項 1〜13のいずれ力 1項に記載の圧電振動装置。