圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、及び電子機器
【課題】小型化を図ると共に、耐衝撃性を改善した圧電振動素子を得る。
【解決手段】圧電振動素子１は、圧電振動素子１の圧電基板８が、複数の振動腕１５ａ、１５ｂ、その振動腕の一方の端部間を連接する基部１０、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部に夫々形成され幅広で錘部２０ａ、２０ｂ、及び、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心に沿って形成された溝部１７ａ〜１８ｂ、を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する最内側の第一層目の電極膜は圧電基板８との接着強度を高める電極膜を用い、第２層目の前記電極膜の密度を最大とし、第３層目の電極膜の密度が小さくなるように構成する。
【解決手段】圧電振動素子１は、圧電振動素子１の圧電基板８が、複数の振動腕１５ａ、１５ｂ、その振動腕の一方の端部間を連接する基部１０、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部に夫々形成され幅広で錘部２０ａ、２０ｂ、及び、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心に沿って形成された溝部１７ａ〜１８ｂ、を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する最内側の第一層目の電極膜は圧電基板８との接着強度を高める電極膜を用い、第２層目の前記電極膜の密度を最大とし、第３層目の電極膜の密度が小さくなるように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子に関し、特に耐衝撃性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、携帯電話等の移動体通信機や、モバイルコンピューター、ハードディスク・ドライブ等の小型情報機器には、基準周波数源として圧電デバイスが広く用いられている。圧電デバイスを搭載した電子機器の小型化、高性能化が進むに伴い、圧電デバイスの更なる小型化が求められている。
特許文献１には、耐衝撃性を改善した圧電デバイスが開示されている。圧電振動素子は、一対の振動腕と、一対の振動腕の一方の端部間を連接する基部と、各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部と、各振動腕に夫々形成され励振電極と、を備えている。溝部を設けることにより、基部よりも先端側である各振動腕の重量が軽量化される。このため圧電振動素子の重心は、溝なし圧電振動素子と比べると、基部側に移動する。つまり、圧電振動素子の全長Ｌに対して、圧電振動素子の基端部からの重心位置までの距離ＧＬは小さくなり、ＧＬ／Ｌの値が小さくなる。この結果、衝撃が加わったとき振動腕先端部の撓み量（変位量）が小さくなり、耐衝撃性が改善されると開示されている。
また、特許文献２には、音叉型圧電振動素子の振動腕の長さをＬとしたとき、振動腕の先端から基部に向かって０．０１×Ｌ以上離れた位置から基部側に、周波数調整用金属膜を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。落下による衝撃を受けると振動腕が湾曲し、金属膜のない圧電体がパッケージ本体、又は蓋体に衝突する。周波数調整用金属膜は接触しないので、周波数の変動が軽減されると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３３８９７公報
【特許文献２】特開２００９−２９０７７８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電デバイスでは、耐衝撃性の改善が期待されるものの、振動腕の長手方向の腕長の短縮化を図るという最近の要求が満たされないという問題があった。
また、特許文献２に記載の音叉型圧電振動子は、落下等による衝撃の際に、周波数変動の軽減が期待されるものの、小型化への要求が満たされないという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、圧電振動素子の小型化を図ると共に、耐衝撃性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、及電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本発明に係る圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた圧電振動素子であって、前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜を備え、前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記錘用単膜としては前記圧電基板との接着強度を高める材料を用い、二層目の前記錘用単膜の密度を最大とし、三層目以降の前記錘用単膜はその密度が順次小さくなるように構成したことを特徴とする圧電振動素子である。
【０００７】
落下等により圧電振動素子に直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用積層膜の最内側から二層目の錘用単膜の密度を最大とし、錘部の表面又は裏面から離間した錘用単膜の密度を、二層目の錘用単膜の密度より小さくするように構成してあるので、衝突により錘用積層膜の最外側の錘用単膜が変形しても、質量自体は変化しないので周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の錘用単膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
【０００８】
［適用例２］また圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた圧電振動素子であって、前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜を備え、前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記電極膜としては前記圧電基板との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の前記電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の前記電極膜は粘性率の小さい金属膜であることを特徴とする圧電振動素子である。
【０００９】
落下等により圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用電極膜を以上のように構成してあるので、衝突により錘用電極膜の最外側の電極膜が変形しても、周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の電極膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
また、錘用電極膜の最外側の電極膜の粘性率を、二層目の電極膜の粘性率より小さくする。圧電振動素子の周波数粗調のためレーザー光線を照射すると、照射された位置の錘用電極膜が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜の最外側の電極膜にバリが生じるが、粘性率が小さい金属を用いて構成してあるので、バリは高さも低く、丸みを帯びてなだらかになり、振動、衝撃等により剥離する確率は小さくなる。そのため、耐衝撃性の優れた圧電振動素子がえられるという効果がある。
【００１０】
［適用例３］また圧電振動素子は、少なくとも何れか二つの前記電極膜間に金属の拡散を抑える拡散抑制電極膜を備えていることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動素子である。
【００１１】
高熱による金属の拡散を防止する拡散制御膜を、電極膜間に設けることにより、圧電振動素子をアニールする際に、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００１２】
［適用例４］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子である。
【００１３】
最外側の電極膜の密度を小さくすることにより、衝撃を受け僅かに剥離したとしても、剥離した電極膜は軽いので圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。また、最外側の電極膜の粘性率を小さくすることにより、レーザー光線による周波数粗調の際のバリはなだらかになって、剥離しづらくなり、耐衝撃性が改善されるという効果ある。
また、電極膜間に金属拡散を防止する拡散制御膜を設けることにより、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００１４】
［適用例５］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。
【００１５】
衝撃を受けた際の周波数変動の少ない圧電発振器が得られるという効果ある。また、圧電発振器を実装する際の高熱に錘用電極膜の劣化がなく、耐衝撃性の優れた圧電発振器がえられるという効果がある
【００１６】
［適用例６］本発明に係る電子機器は、適用例４に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする電子機器である。
【００１７】
衝撃を受けた際に周波数変動の少ない電子機器が得られるという効果ある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る圧電振動素子の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図。
【図２】（ａ）は一方の錘部の平面図であり、（ｂ）はＱ−Ｑに於ける錘部の電極膜構成を示す断面図。
【図３】変形例の錘部の電極膜構成を示す断面図。
【図４】本発明の圧電振動子２の構成を示す断面図。
【図５】レーザー光線照射後の錘部の模式断面図。
【図６】レーザー光線照射後の錘部の模式断面図。
【図７】本発明の圧電振発振器の構成を示す断面図。
【図８】本発明の電極機器の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。圧電振動素子１は、平板状の圧電基板８と、圧電基板８の表裏面及び側面に形成した薄膜の電極２５と、を概略備えている。
圧電基板８は、図１（ａ）に示すように、互いに並行（平行）して直線状に延びる細幅帯状の複数（本例では二本）の振動腕１５ａ、１５ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの一方の端部（基端部）間を連接する基部１０と、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部（先端部）に夫々連接して一体形成され、且つ各振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広な錘部２０ａ、２０ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）と、を備えている。
【００２０】
図１（ａ）に示す基部１０は、振動漏れ低減と耐衝撃性改善のために、矩形平板状の基部本体１２ａと、基部本体１２ａの各振動腕１５ａ、１５ｂとは反対側の他端縁中間部に設けた細幅の連結部１２ｄと、連結部１２ｄを介して連接され且つ基部本体１２ａとは離間して延びる左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えている。つまり、Ｌ字状支持腕１２ｂの基端部と、逆Ｌ字状の支持腕１２ｃの基端部とが連接され、この連接部分が連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端縁中央に連結されてコ字状をなし、基部本体１２ａの他方の端縁には各振動腕１５ａ、１５ｂの基端部が連結されている基部の例である。
図１の実施形態において、基部１０は、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えていると説明したが、基部本体１２ａのみでもよい。
また、各振動腕１５ａ、１５ｂは、基部本体１２ａの先端縁から間隔を隔てて互いに平行に延出し、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部には夫々振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広の錘部２０ａ、２０ｂが連設され一体化されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示した薄膜の電極２５は、錘部２０ａ、２０ｂと、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）内を含めた各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面及び側面と、に夫々形成され、且つ基部１０に設けた複数の電極パッド（図示せず）との間を夫々リード電極（図示せず）にて電気的に接続される励振電極３０、３２、３４、３６と、を備えている。薄膜の電極２５は、蒸着法、又はスパッタ法を用いて真空装置の中で成膜される。なお、錘部２０ａ、２０ｂ、及び振動腕１５ａ、１５ｂは、各振動中心線Ｃに対し、対称に構成されている。また、錘部２０ａ、２０ｂの先端側に重心の位置を設定することにより、振動腕１５ａ、１５ｂの短縮化が図られる。
各錘部２０ａ、２０ｂの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜２２を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する一層目の電極膜としては圧電基板８との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の電極膜は粘性率の小さい金属膜とする。
【００２２】
圧電基板８として例えば水晶基板を用いる場合には、Ｚ板（光軸（Ｚ軸）と直交して切り出された基板）を電気軸（Ｘ軸）の回りに所定の角度θだけ回転して切り出した基板を用いる。各振動腕１５ａ、１５ｂ及び各振動腕１５ａ、１５ｂの溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）、錘部２０ａ、２０ｂ、基部１０等の圧電基板８の外形は、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で形成されている。
なお、圧電基板８としては、水晶以外にタンタル酸リチウム酸、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等の圧電材料が用いられる。
【００２３】
図１（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図であり、各振動腕１５ａ、１５ｂに夫々形成された励振電極３０、３２、３４、３６の配置を示す図である。励振電極３０、３４は、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）の表面、及び側面に形成され、励振電極３２、３６は各振動腕１５ａ、１５ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極３０、３６と、励振電極３２、３４とは、互いに異符号の電圧が前記電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極３０、３６に＋電圧が印加されるとき、励振電極３２、３４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線Ｃｇに対し対称な屈曲振動（音叉振動）が励振される。
なお、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンス）を小さくすることができる。
【００２４】
本発明の特徴である錘部２０ａ、２０ｂの錘用電極膜２２について、図２を用いて詳しく説明する。
図２（ａ）は、一対の錘部２０ａ、２０ｂの一方の錘部２０ａの平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。他方の錘部２０ｂも錘部２０ａと同様に構成されている。錘部２０ａ（２０ｂ）は、錘部本体（圧電基板８の錘部）２１ａ（２１ｂ）と、複数の電極膜からなる錘用電極膜２２と、を備えている。
図２（ｂ）に示すように、錘用電極膜２２は、錘部本体２１ａの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に形成された複数層の電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃから構成されている（図２は片側３層の電極膜の例）。錘部本体２１ａの表面、又は裏面と接する最内側（一層目）の電極膜２２ａは、錘部本体（圧電基板）２１ａとの接着（密着）強度を強めるため、クロムＣｒ、又は二クロムＮｉ−Ｃｒ等を用いる。第２層目の第２の錘用電極膜２２ｂは、錘部２０ａ（２０ｂ）としての機能を高めるため、密度を最大とする。第３層目の電極膜２２ｃは、その密度を第２の錘用電極膜２２ｂの密度よりも小さくする。
【００２５】
図２の実施形態は、錘用電極膜２２が片側三層の例を示したが、四層、五層であってもよい。この場合も第二層目の錘用電極膜２２ｂに最大密度の電極膜、例えば金Ａｕ等を用い、最外側の錘用電極膜には金Ａｕより密度の小さい錘用金属膜、例えばＡｇ、チタンＴｉ等を用いる。
また、錘部本体２１ａの表面又は裏面から離間した第３層目の電極膜２２ｃは、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくなるように構成すると説明したが、第３層目の電極膜２２ｃに粘性率の小さい金属を用いるとよい。その理由は、レーザー光線を錘部２０ａ（２０ｂ）照射して、圧電振動素子１の周波数を調整する際に、最外側の電極膜にバリのような突起物が形成されず、なだらかな溶融物となるからである。金Ａｕの粘性率は５．０（ｍＮ．ｓ／ｍ2）であるが、これより粘性率の小さい物質としては、銀Ａｇ（３．８８）、アルミＡｌ（１．３０）、インジウムＩｎ（１．８９）、ゲルマニウムＧｅ（０．６４）等がある。物質の密度と粘性率とを考慮して適宜選択するとよい。
【００２６】
図３は、錘用電極膜２２の変形例を示す錘部２０ａ（２０ｂ）の断面図である。図３の実施形態に示すように、錘用電極膜２２は、錘部本体（圧電基板）２１ａの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄから成る錘用電極膜２２（図３は片側４層の電極膜の例）を備えている。図２の実施形態の電極膜２２の構成と異なる点は、第２層の電極膜２２ｂと第３層の電極膜２２ｃとの間に拡散防止用の第４の電極膜（拡散制御膜）２２ｄを挟んで錘用電極膜２２を構成したことである。この理由は、図２の実施形態に示す第２層の電極膜２２ｂと、第３層の電極膜２２ｃとが温度の上昇により互いに拡散し、本来有する金属としての性質を損ねて、例えば脆弱になることを避けるためである。拡散防止膜としては、モリブデンＭｏ、プラチナＰｔ等を一例としてあげることができる。
【００２７】
図１、図２、図３に示す実施形態では、落下等により圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用電極膜を以上のように構成してあるので、衝突により錘用電極膜の最外側の電極膜２２ｃが変形しても、周波数の変化が極めて少ないという効果がある。また、最外側の電極膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
また、錘用電極膜の最外側の電極膜２２ｃの粘性率を、二層目の電極膜２２ｂの粘性率より小さくする。圧電振動素子の周波数粗調のためレーザー光線を照射すると、照射された位置の錘用電極膜が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜の最外側の電極膜にバリが生じるが、粘性率が小さい金属を用いて構成してあるので、バリは高さも低く、丸みを帯びてなだらかになり、振動、衝撃等により剥離する確率は小さくなる。そのため、耐衝撃性の優れた圧電振動素子が得られるという効果がある。
図１、図３に示す実施形態では、高熱による金属の拡散を防止する拡散制御膜を、電極膜間に設けることにより、圧電振動素子をアニールする際に、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００２８】
以上の錘部２０ａ、２０ｂの説明では、錘部２０ａ、２０ｂに錘用電極膜２２を用いた実施の形態例を示したが、錘部２０ａ、２０ｂの錘用積層膜は必ずしも金属膜である必要はなく、絶縁材料を用いてもよい。
この場合、圧電基板８、基部１０及び薄膜の電極２５は、図１（ａ）の実施の形態例と同様に構成する。各錘部２０ａ、２０ｂは、その表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜２２を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する一層目の錘用単膜としては圧電基板（錘部本値２１ａ、２１ｂ）との接着強度を高める絶縁材料を用い、二層目の錘用単膜の密度を最大とする。三層目以降の錘用単膜としては順次その密度が小さくなる錘用単膜を用いて、圧電振動素子１を構成する。
【００２９】
以上の説明ように、錘用積層膜を構成する。落下等により圧電振動素子に直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用積層膜の最内側から二層目の錘用単膜の密度を最大とし、錘部の表面又は裏面から更に離間した位置にある三層目以降の錘用単膜の密度を、二層目の錘用単膜の密度より小さくするように構成してあるので、衝突により錘用積層膜の最外側の錘用単膜が変形しても、質量自体は変化しないので周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の錘用単膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
【００３０】
図４は、本発明に係る第２の実施の形態の圧電振動子２の構成を示す断面図である。圧電振動子２は、図１の実施の形態の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、ガラス等からなる窓部材５４を有する蓋部材５２とから成る。
パッケージ本体４０は、図４の実施の形態に示すように、絶縁基板として第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３とを積層して形成されており、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミック・グリーンシートを成形し箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数個形成された例である。
第３の基板４３は中央部が除去されており、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、圧電振動素子１を収容する凹部が形成されている。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。
素子搭載パッド４７の位置は、圧電振動素子１を載置した際に支持腕１２ｂ、１２ｃに形成したパッド電極（図示せず）に対応するように配置されている。
【００３１】
圧電振動子２の構成は、パッケージ本体４０の素子搭載パッド４７に導電性接着剤５０、例えばエポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１を載置して荷重をかける。
パッケージ本体４０に搭載された圧電振動子１の導電性接着剤５０を硬化させるために、所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。アニール処理を施した後、上方からレーザー光線（ＹＡＧレーザー等）を照射して各錘部２０ａ、２０ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂに形成された周波数調整用金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部５４を備えて蓋部材５２を、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４に搭載し、シーム溶接を行う。
パッケージの貫通孔４８を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージの上下を逆にして、貫通孔４８内の段差部上に金属球の充填材４８ａを載置する。充填材４８ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材４８ａにレーザー光線を照射して溶融させ、貫通孔４８を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。パッケージの外部から窓部材５４を介してレーザー光線をパッケージ内に照射し、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数の微調整を行い、圧電振動子２を完成する。
【００３２】
図４の実施の形態の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形について説明する。圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、素子搭載パッド４７を支点として変形し易い支持腕支持部１２ｂ、１２ｃがパッケージ本体４０の底面に向かって変形する。次に、この変位が基部１０の外側端縁１２ｅに到達して反射され、変位が基部本体１２ａの中央部に到達し、基部本体１２ａを含めた全体がパッケージ本体４０の底面側に沈み込む。その結果、振動腕１５ａ、１５ｂは、その先端側がパッケージ底面に向かって変形する。つまり、基部１０の構造が、基部本体１２ａに連結部１２ｄを介して支持腕１２ｂ、１２ｃに連接されていることにより、加えられた衝撃を基部１０の構造で緩和するように構成されている。
【００３３】
落下等によりパッケージと直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子１の振動腕１５ａ、１５ｂが湾曲し、先端にある錘部２０ａ（２０ｂ）がパッケージ本体４０の内部底面、又は蓋部材５２に衝突する。このとき、図２、３の実施の形態に示すように、錘用電極膜２２の最内側から第２層目の第２の錘用電極膜２２ｂの密度を最大とし、錘部本体２１ａの表面又は裏面から離間した第３層目の電極膜２２ｃの密度を、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくするように構成したので、衝突により錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃ（図２、３の例）が僅かに剥離したとしても、最外側の電極膜２２ｃの密度が小さいため、圧電振動子２の周波数変化は小さく抑えられる。
【００３４】
また、衝撃により剥離に至らず錘用電極膜２２が多少変形する場合は、錘部２０ａ（２０ｂ）の質量変化がなく、圧電振動子２の周波数変化はほぼない。
また、圧電振動素子１の錘部２０ａ（２０ｂ）にレーザー光線（ＹＡＧレーザー等）を照射し、圧電振動素子１の周波数の粗調を行う。図５の錘部２０ａの断面図に示すように、錘部２０ａに高エネルギーを有するレーザー光線を照射すると、照射部が高熱となって蒸散され、スポット径（数μｍから数十μｍ）の穴が空けられる。錘用電極膜２２が蒸散されるときに、錘用電極膜２２の最外側には電極膜が溶融したバリ２３（誇張して図示）が生じる。落下等により圧電振動子２に衝撃が加えられ、圧電振動素子１の振動腕１５ａ、１５ｂが湾曲して、先端にある錘部２０ａ（２０ｂ）がパッケージ本体４０の内部底面、又は蓋部材５２に衝突する。このとき、バリ２３が剥離する虞がある。この場合も第３層目の電極膜２２ｃの密度を、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくしてあるので、圧電振動子２の周波数変化は小さく抑えることができる。
また、錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃとして、第２層の電極膜２２ｂの粘性率より小さい粘性率の電極膜を設定する。このように錘用電極膜２２を構成すると、圧電振動子２の周波数粗調のためレーザー光線を照射する際、照射された位置の錘用電極膜２２が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃに溶融物が生じるが、粘性率が小さい金属を用いているので、溶融物（バリ）２３は図６の断面図に示すように高さも低く、丸みを帯びてなだらかになる。振動、衝撃等により剥離は低減され、圧電振動子の周波数変動は抑制される。
【００３５】
図４に示す実施形態では、最外側の電極膜の密度を小さくすることにより、衝撃を受け僅かに剥離したとしても、剥離した電極膜は軽いので圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。また、最外側の電極膜の粘性率を小さくすることにより、レーザー光線による周波数粗調の際のバリはなだらかになって、剥離しづらくなり、耐衝撃性が改善されるという効果ある。
また、電極膜間に金属拡散を防止する拡散制御膜を設けることにより、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００３６】
図７は、本発明に係る第３の実施の形態の圧電発振器３の構成を示す断面図である。圧電発振器３は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を励振する発振回路を有するＩＣ部品７８と、圧電振動素子１を真空封止すると共にＩＣ部品７８を収容するパッケージ本体６０、及び窓部材７５ａ有する蓋部材７５と、を備えている。圧電振動素子１にレーザー光を照射しての粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔６８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品７８はパッケージ本体６０のＩＣ部品搭載パッド６９に、金属バンプ７６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図１１に示した圧電発振器３では、ＩＣ部品７８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品７８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
図７に示す実施形態では、衝撃を受けた際の周波数変動の少ない圧電発振器が得られるという効果ある。また、圧電発振器を実装する際の高熱に錘用電極膜の劣化がなく、耐衝撃性の優れた圧電発振器がえられるという効果がある。
【００３７】
図８は本発明に係る電子機器４の構成を示す概略構成図である。電子機器４には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２を備えている。圧電振動子２を用いた電子機器４として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器４において圧電振動子２は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。
図８に示す実施形態では、衝撃を受けた際に周波数変動の少ない電子機器が得られるという効果ある。
【符号の説明】
【００３８】
１…圧電振動素子、２…圧電振動子、３…圧電発振器、４…電子機器、８…圧電基板、１０…基部、１２ａ…基部本体、１２ｂ、１２ｃ…支持腕、１２ｄ…連結部、１２ｅ…外側端縁、１５ａ、１５ｂ…振動腕、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ…溝部、２０ａ、２０ｂ…錘部、２１ａ、２１ｂ…錘部本体、２２ａ…第１の電極膜、２２ｂ…第２の電極膜、２２ｃ…第３の電極膜、２５…電極、２３…バリ、３０、３２、３４、３６…励振電極、４０、６０…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…金属シールリング、４５、６５…実装端子、４６、６６…導体、４７、６７…素子搭載パッド、４８、６８…貫通孔、４８ａ、６８ａ…充填材、５０…導電性接着剤、５２、７５…蓋部材、５４、７５ａ…窓部材、６９…部品搭載パッド、７６…金属バンプ、７８…ＩＣ部品、Ｃ…振動中心線、Ｃｇ…重心を通る中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動素子に関し、特に耐衝撃性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、携帯電話等の移動体通信機や、モバイルコンピューター、ハードディスク・ドライブ等の小型情報機器には、基準周波数源として圧電デバイスが広く用いられている。圧電デバイスを搭載した電子機器の小型化、高性能化が進むに伴い、圧電デバイスの更なる小型化が求められている。
特許文献１には、耐衝撃性を改善した圧電デバイスが開示されている。圧電振動素子は、一対の振動腕と、一対の振動腕の一方の端部間を連接する基部と、各振動腕の振動中心に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部と、各振動腕に夫々形成され励振電極と、を備えている。溝部を設けることにより、基部よりも先端側である各振動腕の重量が軽量化される。このため圧電振動素子の重心は、溝なし圧電振動素子と比べると、基部側に移動する。つまり、圧電振動素子の全長Ｌに対して、圧電振動素子の基端部からの重心位置までの距離ＧＬは小さくなり、ＧＬ／Ｌの値が小さくなる。この結果、衝撃が加わったとき振動腕先端部の撓み量（変位量）が小さくなり、耐衝撃性が改善されると開示されている。
また、特許文献２には、音叉型圧電振動素子の振動腕の長さをＬとしたとき、振動腕の先端から基部に向かって０．０１×Ｌ以上離れた位置から基部側に、周波数調整用金属膜を設けた音叉型圧電振動子が開示されている。落下による衝撃を受けると振動腕が湾曲し、金属膜のない圧電体がパッケージ本体、又は蓋体に衝突する。周波数調整用金属膜は接触しないので、周波数の変動が軽減されると開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３３８９７公報
【特許文献２】特開２００９−２９０７７８公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の圧電デバイスでは、耐衝撃性の改善が期待されるものの、振動腕の長手方向の腕長の短縮化を図るという最近の要求が満たされないという問題があった。
また、特許文献２に記載の音叉型圧電振動子は、落下等による衝撃の際に、周波数変動の軽減が期待されるものの、小型化への要求が満たされないという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、圧電振動素子の小型化を図ると共に、耐衝撃性を改善した圧電振動素子、圧電振動子、圧電発振器、及電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］本発明に係る圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた圧電振動素子であって、前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜を備え、前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記錘用単膜としては前記圧電基板との接着強度を高める材料を用い、二層目の前記錘用単膜の密度を最大とし、三層目以降の前記錘用単膜はその密度が順次小さくなるように構成したことを特徴とする圧電振動素子である。
【０００７】
落下等により圧電振動素子に直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用積層膜の最内側から二層目の錘用単膜の密度を最大とし、錘部の表面又は裏面から離間した錘用単膜の密度を、二層目の錘用単膜の密度より小さくするように構成してあるので、衝突により錘用積層膜の最外側の錘用単膜が変形しても、質量自体は変化しないので周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の錘用単膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
【０００８】
［適用例２］また圧電振動素子は、複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、を備えた圧電振動素子であって、前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜を備え、前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記電極膜としては前記圧電基板との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の前記電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の前記電極膜は粘性率の小さい金属膜であることを特徴とする圧電振動素子である。
【０００９】
落下等により圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用電極膜を以上のように構成してあるので、衝突により錘用電極膜の最外側の電極膜が変形しても、周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の電極膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
また、錘用電極膜の最外側の電極膜の粘性率を、二層目の電極膜の粘性率より小さくする。圧電振動素子の周波数粗調のためレーザー光線を照射すると、照射された位置の錘用電極膜が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜の最外側の電極膜にバリが生じるが、粘性率が小さい金属を用いて構成してあるので、バリは高さも低く、丸みを帯びてなだらかになり、振動、衝撃等により剥離する確率は小さくなる。そのため、耐衝撃性の優れた圧電振動素子がえられるという効果がある。
【００１０】
［適用例３］また圧電振動素子は、少なくとも何れか二つの前記電極膜間に金属の拡散を抑える拡散抑制電極膜を備えていることを特徴とする適用例２に記載の圧電振動素子である。
【００１１】
高熱による金属の拡散を防止する拡散制御膜を、電極膜間に設けることにより、圧電振動素子をアニールする際に、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００１２】
［適用例４］本発明に係る圧電振動子は、適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子である。
【００１３】
最外側の電極膜の密度を小さくすることにより、衝撃を受け僅かに剥離したとしても、剥離した電極膜は軽いので圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。また、最外側の電極膜の粘性率を小さくすることにより、レーザー光線による周波数粗調の際のバリはなだらかになって、剥離しづらくなり、耐衝撃性が改善されるという効果ある。
また、電極膜間に金属拡散を防止する拡散制御膜を設けることにより、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００１４】
［適用例５］本発明に係る圧電発振器は、適用例１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器である。
【００１５】
衝撃を受けた際の周波数変動の少ない圧電発振器が得られるという効果ある。また、圧電発振器を実装する際の高熱に錘用電極膜の劣化がなく、耐衝撃性の優れた圧電発振器がえられるという効果がある
【００１６】
［適用例６］本発明に係る電子機器は、適用例４に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする電子機器である。
【００１７】
衝撃を受けた際に周波数変動の少ない電子機器が得られるという効果ある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る圧電振動素子の構造を示した概略図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＰ−Ｐ断面図。
【図２】（ａ）は一方の錘部の平面図であり、（ｂ）はＱ−Ｑに於ける錘部の電極膜構成を示す断面図。
【図３】変形例の錘部の電極膜構成を示す断面図。
【図４】本発明の圧電振動子２の構成を示す断面図。
【図５】レーザー光線照射後の錘部の模式断面図。
【図６】レーザー光線照射後の錘部の模式断面図。
【図７】本発明の圧電振発振器の構成を示す断面図。
【図８】本発明の電極機器の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子１の構成を示す概略平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＰ−Ｐ断面図である。圧電振動素子１は、平板状の圧電基板８と、圧電基板８の表裏面及び側面に形成した薄膜の電極２５と、を概略備えている。
圧電基板８は、図１（ａ）に示すように、互いに並行（平行）して直線状に延びる細幅帯状の複数（本例では二本）の振動腕１５ａ、１５ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの一方の端部（基端部）間を連接する基部１０と、各振動腕１５ａ、１５ｂの他方の端部（先端部）に夫々連接して一体形成され、且つ各振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広な錘部２０ａ、２０ｂと、各振動腕１５ａ、１５ｂの振動中心線Ｃに沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）と、を備えている。
【００２０】
図１（ａ）に示す基部１０は、振動漏れ低減と耐衝撃性改善のために、矩形平板状の基部本体１２ａと、基部本体１２ａの各振動腕１５ａ、１５ｂとは反対側の他端縁中間部に設けた細幅の連結部１２ｄと、連結部１２ｄを介して連接され且つ基部本体１２ａとは離間して延びる左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えている。つまり、Ｌ字状支持腕１２ｂの基端部と、逆Ｌ字状の支持腕１２ｃの基端部とが連接され、この連接部分が連結部１２ｄを介して基部本体１２ａの一方の端縁中央に連結されてコ字状をなし、基部本体１２ａの他方の端縁には各振動腕１５ａ、１５ｂの基端部が連結されている基部の例である。
図１の実施形態において、基部１０は、基部本体１２ａと、連結部１２ｄと、左右一対の支持腕１２ｂ、１２ｃと、を備えていると説明したが、基部本体１２ａのみでもよい。
また、各振動腕１５ａ、１５ｂは、基部本体１２ａの先端縁から間隔を隔てて互いに平行に延出し、各振動腕１５ａ、１５ｂの先端部には夫々振動腕１５ａ、１５ｂの幅よりも幅広の錘部２０ａ、２０ｂが連設され一体化されている。
【００２１】
図１（ｂ）に示した薄膜の電極２５は、錘部２０ａ、２０ｂと、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）内を含めた各振動腕１５ａ、１５ｂの表裏面及び側面と、に夫々形成され、且つ基部１０に設けた複数の電極パッド（図示せず）との間を夫々リード電極（図示せず）にて電気的に接続される励振電極３０、３２、３４、３６と、を備えている。薄膜の電極２５は、蒸着法、又はスパッタ法を用いて真空装置の中で成膜される。なお、錘部２０ａ、２０ｂ、及び振動腕１５ａ、１５ｂは、各振動中心線Ｃに対し、対称に構成されている。また、錘部２０ａ、２０ｂの先端側に重心の位置を設定することにより、振動腕１５ａ、１５ｂの短縮化が図られる。
各錘部２０ａ、２０ｂの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜２２を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する一層目の電極膜としては圧電基板８との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の電極膜は粘性率の小さい金属膜とする。
【００２２】
圧電基板８として例えば水晶基板を用いる場合には、Ｚ板（光軸（Ｚ軸）と直交して切り出された基板）を電気軸（Ｘ軸）の回りに所定の角度θだけ回転して切り出した基板を用いる。各振動腕１５ａ、１５ｂ及び各振動腕１５ａ、１５ｂの溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）、錘部２０ａ、２０ｂ、基部１０等の圧電基板８の外形は、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工で形成されている。
なお、圧電基板８としては、水晶以外にタンタル酸リチウム酸、ニオブ酸リチウム、ランガサイト等の圧電材料が用いられる。
【００２３】
図１（ｂ）は、（ａ）のＰ−Ｐ断面図であり、各振動腕１５ａ、１５ｂに夫々形成された励振電極３０、３２、３４、３６の配置を示す図である。励振電極３０、３４は、各溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）の表面、及び側面に形成され、励振電極３２、３６は各振動腕１５ａ、１５ｂの夫々両側面に形成されている。
励振電極３０、３６と、励振電極３２、３４とは、互いに異符号の電圧が前記電極パッドを介して印加される。つまり、励振電極３０、３６に＋電圧が印加されるとき、励振電極３２、３４には−電圧が印加され、図１（ｂ）の矢印で示すような電界が生じ、圧電振動素子１の重心を通る中心線Ｃｇに対し対称な屈曲振動（音叉振動）が励振される。
なお、溝部１７ａ（１７ｂ）、１８ａ（１８ｂ）を形成することにより、電界強度が強まり、音叉振動をより効率的に励振することができる。即ち、圧電振動素子のＣＩ（クリスタルインピーダンス）を小さくすることができる。
【００２４】
本発明の特徴である錘部２０ａ、２０ｂの錘用電極膜２２について、図２を用いて詳しく説明する。
図２（ａ）は、一対の錘部２０ａ、２０ｂの一方の錘部２０ａの平面図であり、同図（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ断面図である。他方の錘部２０ｂも錘部２０ａと同様に構成されている。錘部２０ａ（２０ｂ）は、錘部本体（圧電基板８の錘部）２１ａ（２１ｂ）と、複数の電極膜からなる錘用電極膜２２と、を備えている。
図２（ｂ）に示すように、錘用電極膜２２は、錘部本体２１ａの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に形成された複数層の電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃから構成されている（図２は片側３層の電極膜の例）。錘部本体２１ａの表面、又は裏面と接する最内側（一層目）の電極膜２２ａは、錘部本体（圧電基板）２１ａとの接着（密着）強度を強めるため、クロムＣｒ、又は二クロムＮｉ−Ｃｒ等を用いる。第２層目の第２の錘用電極膜２２ｂは、錘部２０ａ（２０ｂ）としての機能を高めるため、密度を最大とする。第３層目の電極膜２２ｃは、その密度を第２の錘用電極膜２２ｂの密度よりも小さくする。
【００２５】
図２の実施形態は、錘用電極膜２２が片側三層の例を示したが、四層、五層であってもよい。この場合も第二層目の錘用電極膜２２ｂに最大密度の電極膜、例えば金Ａｕ等を用い、最外側の錘用電極膜には金Ａｕより密度の小さい錘用金属膜、例えばＡｇ、チタンＴｉ等を用いる。
また、錘部本体２１ａの表面又は裏面から離間した第３層目の電極膜２２ｃは、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくなるように構成すると説明したが、第３層目の電極膜２２ｃに粘性率の小さい金属を用いるとよい。その理由は、レーザー光線を錘部２０ａ（２０ｂ）照射して、圧電振動素子１の周波数を調整する際に、最外側の電極膜にバリのような突起物が形成されず、なだらかな溶融物となるからである。金Ａｕの粘性率は５．０（ｍＮ．ｓ／ｍ2）であるが、これより粘性率の小さい物質としては、銀Ａｇ（３．８８）、アルミＡｌ（１．３０）、インジウムＩｎ（１．８９）、ゲルマニウムＧｅ（０．６４）等がある。物質の密度と粘性率とを考慮して適宜選択するとよい。
【００２６】
図３は、錘用電極膜２２の変形例を示す錘部２０ａ（２０ｂ）の断面図である。図３の実施形態に示すように、錘用電極膜２２は、錘部本体（圧電基板）２１ａの表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄから成る錘用電極膜２２（図３は片側４層の電極膜の例）を備えている。図２の実施形態の電極膜２２の構成と異なる点は、第２層の電極膜２２ｂと第３層の電極膜２２ｃとの間に拡散防止用の第４の電極膜（拡散制御膜）２２ｄを挟んで錘用電極膜２２を構成したことである。この理由は、図２の実施形態に示す第２層の電極膜２２ｂと、第３層の電極膜２２ｃとが温度の上昇により互いに拡散し、本来有する金属としての性質を損ねて、例えば脆弱になることを避けるためである。拡散防止膜としては、モリブデンＭｏ、プラチナＰｔ等を一例としてあげることができる。
【００２７】
図１、図２、図３に示す実施形態では、落下等により圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用電極膜を以上のように構成してあるので、衝突により錘用電極膜の最外側の電極膜２２ｃが変形しても、周波数の変化が極めて少ないという効果がある。また、最外側の電極膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
また、錘用電極膜の最外側の電極膜２２ｃの粘性率を、二層目の電極膜２２ｂの粘性率より小さくする。圧電振動素子の周波数粗調のためレーザー光線を照射すると、照射された位置の錘用電極膜が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜の最外側の電極膜にバリが生じるが、粘性率が小さい金属を用いて構成してあるので、バリは高さも低く、丸みを帯びてなだらかになり、振動、衝撃等により剥離する確率は小さくなる。そのため、耐衝撃性の優れた圧電振動素子が得られるという効果がある。
図１、図３に示す実施形態では、高熱による金属の拡散を防止する拡散制御膜を、電極膜間に設けることにより、圧電振動素子をアニールする際に、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００２８】
以上の錘部２０ａ、２０ｂの説明では、錘部２０ａ、２０ｂに錘用電極膜２２を用いた実施の形態例を示したが、錘部２０ａ、２０ｂの錘用積層膜は必ずしも金属膜である必要はなく、絶縁材料を用いてもよい。
この場合、圧電基板８、基部１０及び薄膜の電極２５は、図１（ａ）の実施の形態例と同様に構成する。各錘部２０ａ、２０ｂは、その表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜２２を備えている。各錘部２０ａ、２０ｂの表面、又は裏面と接する一層目の錘用単膜としては圧電基板（錘部本値２１ａ、２１ｂ）との接着強度を高める絶縁材料を用い、二層目の錘用単膜の密度を最大とする。三層目以降の錘用単膜としては順次その密度が小さくなる錘用単膜を用いて、圧電振動素子１を構成する。
【００２９】
以上の説明ように、錘用積層膜を構成する。落下等により圧電振動素子に直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子の振動腕が湾曲し、先端にある錘部が収容する絶縁基板に衝突する。このとき、錘用積層膜の最内側から二層目の錘用単膜の密度を最大とし、錘部の表面又は裏面から更に離間した位置にある三層目以降の錘用単膜の密度を、二層目の錘用単膜の密度より小さくするように構成してあるので、衝突により錘用積層膜の最外側の錘用単膜が変形しても、質量自体は変化しないので周波数の変化は極めて少ないという効果がある。また、最外側の錘用単膜が僅かに剥離したとしても、圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。
【００３０】
図４は、本発明に係る第２の実施の形態の圧電振動子２の構成を示す断面図である。圧電振動子２は、図１の実施の形態の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を収容するパッケージとを備えている。パッケージは、矩形の箱状に形成されているパッケージ本体４０と、ガラス等からなる窓部材５４を有する蓋部材５２とから成る。
パッケージ本体４０は、図４の実施の形態に示すように、絶縁基板として第１の基板４１と、第２の基板４２と、第３の基板４３とを積層して形成されており、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミック・グリーンシートを成形し箱状とした後で、焼結して形成されている。実装端子４５は、第１の基板４１の外部底面に複数個形成された例である。
第３の基板４３は中央部が除去されており、第３の基板４３の上部周縁に例えばコバール等の金属シールリング４４が形成されている。
第３の基板４３と第２の基板４２とにより、圧電振動素子１を収容する凹部が形成されている。第２の基板４２の上面の所定の位置には、導体４６により実装端子４５と電気的に導通する複数の素子搭載パッド４７が設けられている。
素子搭載パッド４７の位置は、圧電振動素子１を載置した際に支持腕１２ｂ、１２ｃに形成したパッド電極（図示せず）に対応するように配置されている。
【００３１】
圧電振動子２の構成は、パッケージ本体４０の素子搭載パッド４７に導電性接着剤５０、例えばエポキシ系接着剤、ポリイミド系接着剤、ビスマレイミド系接着剤の何れかを適量塗布し、その上に圧電振動素子１を載置して荷重をかける。
パッケージ本体４０に搭載された圧電振動子１の導電性接着剤５０を硬化させるために、所定の温度の高温炉に所定の時間入れる。アニール処理を施した後、上方からレーザー光線（ＹＡＧレーザー等）を照射して各錘部２０ａ、２０ｂ、各振動腕１５ａ、１５ｂに形成された周波数調整用金属膜の一部を蒸散させて周波数粗調を行う。ガラス窓部５４を備えて蓋部材５２を、パッケージ本体４０の上面に形成したシールリング４４に搭載し、シーム溶接を行う。
パッケージの貫通孔４８を封止する前に、加熱処理を施す。パッケージの上下を逆にして、貫通孔４８内の段差部上に金属球の充填材４８ａを載置する。充填材４８ａとしては金−ゲルマニウム合金等がよい。充填材４８ａにレーザー光線を照射して溶融させ、貫通孔４８を封止すると共にパッケージ内部を真空とする。パッケージの外部から窓部材５４を介してレーザー光線をパッケージ内に照射し、振動腕１５ａ、１５ｂに形成した周波数調整用金属膜を蒸散させて周波数の微調整を行い、圧電振動子２を完成する。
【００３２】
図４の実施の形態の圧電振動子２に、落下などの衝撃が加えられたときの圧電振動素子１の変形について説明する。圧電振動子２のパッケージの主面に直交方向に衝撃力が加えられると、圧電振動素子１は、素子搭載パッド４７を支点として変形し易い支持腕支持部１２ｂ、１２ｃがパッケージ本体４０の底面に向かって変形する。次に、この変位が基部１０の外側端縁１２ｅに到達して反射され、変位が基部本体１２ａの中央部に到達し、基部本体１２ａを含めた全体がパッケージ本体４０の底面側に沈み込む。その結果、振動腕１５ａ、１５ｂは、その先端側がパッケージ底面に向かって変形する。つまり、基部１０の構造が、基部本体１２ａに連結部１２ｄを介して支持腕１２ｂ、１２ｃに連接されていることにより、加えられた衝撃を基部１０の構造で緩和するように構成されている。
【００３３】
落下等によりパッケージと直交方向から衝撃が加えられると、圧電振動素子１の振動腕１５ａ、１５ｂが湾曲し、先端にある錘部２０ａ（２０ｂ）がパッケージ本体４０の内部底面、又は蓋部材５２に衝突する。このとき、図２、３の実施の形態に示すように、錘用電極膜２２の最内側から第２層目の第２の錘用電極膜２２ｂの密度を最大とし、錘部本体２１ａの表面又は裏面から離間した第３層目の電極膜２２ｃの密度を、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくするように構成したので、衝突により錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃ（図２、３の例）が僅かに剥離したとしても、最外側の電極膜２２ｃの密度が小さいため、圧電振動子２の周波数変化は小さく抑えられる。
【００３４】
また、衝撃により剥離に至らず錘用電極膜２２が多少変形する場合は、錘部２０ａ（２０ｂ）の質量変化がなく、圧電振動子２の周波数変化はほぼない。
また、圧電振動素子１の錘部２０ａ（２０ｂ）にレーザー光線（ＹＡＧレーザー等）を照射し、圧電振動素子１の周波数の粗調を行う。図５の錘部２０ａの断面図に示すように、錘部２０ａに高エネルギーを有するレーザー光線を照射すると、照射部が高熱となって蒸散され、スポット径（数μｍから数十μｍ）の穴が空けられる。錘用電極膜２２が蒸散されるときに、錘用電極膜２２の最外側には電極膜が溶融したバリ２３（誇張して図示）が生じる。落下等により圧電振動子２に衝撃が加えられ、圧電振動素子１の振動腕１５ａ、１５ｂが湾曲して、先端にある錘部２０ａ（２０ｂ）がパッケージ本体４０の内部底面、又は蓋部材５２に衝突する。このとき、バリ２３が剥離する虞がある。この場合も第３層目の電極膜２２ｃの密度を、第２の錘用電極膜２２ｂの密度より小さくしてあるので、圧電振動子２の周波数変化は小さく抑えることができる。
また、錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃとして、第２層の電極膜２２ｂの粘性率より小さい粘性率の電極膜を設定する。このように錘用電極膜２２を構成すると、圧電振動子２の周波数粗調のためレーザー光線を照射する際、照射された位置の錘用電極膜２２が蒸散されて、レーザースポット径の孔が空くと共に錘用電極膜２２の最外側の電極膜２２ｃに溶融物が生じるが、粘性率が小さい金属を用いているので、溶融物（バリ）２３は図６の断面図に示すように高さも低く、丸みを帯びてなだらかになる。振動、衝撃等により剥離は低減され、圧電振動子の周波数変動は抑制される。
【００３５】
図４に示す実施形態では、最外側の電極膜の密度を小さくすることにより、衝撃を受け僅かに剥離したとしても、剥離した電極膜は軽いので圧電振動素子の周波数変化は小さく抑えられるという効果がある。また、最外側の電極膜の粘性率を小さくすることにより、レーザー光線による周波数粗調の際のバリはなだらかになって、剥離しづらくなり、耐衝撃性が改善されるという効果ある。
また、電極膜間に金属拡散を防止する拡散制御膜を設けることにより、拡散による電極膜の強度劣化を防止でき、衝撃等による周波数変動を低減できるという効果がある。
【００３６】
図７は、本発明に係る第３の実施の形態の圧電発振器３の構成を示す断面図である。圧電発振器３は、上記の圧電振動素子１と、圧電振動素子１を励振する発振回路を有するＩＣ部品７８と、圧電振動素子１を真空封止すると共にＩＣ部品７８を収容するパッケージ本体６０、及び窓部材７５ａ有する蓋部材７５と、を備えている。圧電振動素子１にレーザー光を照射しての粗調製、微調整する手法、また、パッケージの内部を真空にして貫通孔６８の封止する手法等は、圧電振動子２の場合と同様であるので省略する。ＩＣ部品７８はパッケージ本体６０のＩＣ部品搭載パッド６９に、金属バンプ７６等を用いて電気的に導通接続する。
なお、図１１に示した圧電発振器３では、ＩＣ部品７８が気密封止されていない例を示したが、ＩＣ部品７８をパッケージ内部に配置し、気密封止してもよい。
図７に示す実施形態では、衝撃を受けた際の周波数変動の少ない圧電発振器が得られるという効果ある。また、圧電発振器を実装する際の高熱に錘用電極膜の劣化がなく、耐衝撃性の優れた圧電発振器がえられるという効果がある。
【００３７】
図８は本発明に係る電子機器４の構成を示す概略構成図である。電子機器４には上記の第２の実施形態で説明した圧電振動子２を備えている。圧電振動子２を用いた電子機器４として、携帯電話やデジタルカメラ、ビデオカメラなどの携帯用電子機器が挙げられる。これらの電子機器４において圧電振動子２は、基準信号源として用いられ、小型で精度の良い圧電振動子２を備えることにより、小型で携帯性に優れ、特性の良好な電子機器を提供できる。
図８に示す実施形態では、衝撃を受けた際に周波数変動の少ない電子機器が得られるという効果ある。
【符号の説明】
【００３８】
１…圧電振動素子、２…圧電振動子、３…圧電発振器、４…電子機器、８…圧電基板、１０…基部、１２ａ…基部本体、１２ｂ、１２ｃ…支持腕、１２ｄ…連結部、１２ｅ…外側端縁、１５ａ、１５ｂ…振動腕、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ…溝部、２０ａ、２０ｂ…錘部、２１ａ、２１ｂ…錘部本体、２２ａ…第１の電極膜、２２ｂ…第２の電極膜、２２ｃ…第３の電極膜、２５…電極、２３…バリ、３０、３２、３４、３６…励振電極、４０、６０…パッケージ本体、４１…第１の基板、４２…第２の基板、４３…第３の基板、４４…金属シールリング、４５、６５…実装端子、４６、６６…導体、４７、６７…素子搭載パッド、４８、６８…貫通孔、４８ａ、６８ａ…充填材、５０…導電性接着剤、５２、７５…蓋部材、５４、７５ａ…窓部材、６９…部品搭載パッド、７６…金属バンプ、７８…ＩＣ部品、Ｃ…振動中心線、Ｃｇ…重心を通る中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、
前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた圧電振動素子であって、
前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜を備え、
前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記錘用単膜としては前記圧電基板との接着強度を高める材料を用い、二層目の前記錘用単膜の密度を最大とし、三層目以降の前記錘用単膜はその密度が順次小さくなるように構成したことを特徴とする圧電振動素子。
【請求項２】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、
前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた圧電振動素子であって、
前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜を備え、
前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記電極膜としては前記圧電基板との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の前記電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の前記電極膜は粘性率の小さい金属膜であることを特徴とする圧電振動素子。
【請求項３】
少なくとも何れか二つの前記電極膜間に金属の拡散を抑える拡散抑制電極膜を備えていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項６】
請求項４に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、
前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた圧電振動素子であって、
前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の錘用単膜から成る錘用積層膜を備え、
前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記錘用単膜としては前記圧電基板との接着強度を高める材料を用い、二層目の前記錘用単膜の密度を最大とし、三層目以降の前記錘用単膜はその密度が順次小さくなるように構成したことを特徴とする圧電振動素子。
【請求項２】
複数の振動腕、該各振動腕の一方の端部間を連接する基部、前記各振動腕の他方の端部に夫々形成され該各振動腕よりも幅広の錘部、及び、前記各振動腕の振動中心線に沿った表面及び裏面に夫々形成された溝部を備えた圧電基板と、
前記各振動腕の表裏面及び両側面に夫々形成され、且つ前記基部に設けた複数の電極パッドとの間を夫々電気的に接続される励振電極と、
を備えた圧電振動素子であって、
前記各錘部の表面又は裏面の少なくとも一方の面上に複数層の金属製の電極膜から成る錘用電極膜を備え、
前記各錘部の表面、又は裏面と接する一層目の前記電極膜としては前記圧電基板との接着強度を高める電極膜を用い、二層目の前記電極膜の密度を最大とし、三層目以降の前記電極膜はその密度が順次小さくなるように構成し、最外側の前記電極膜は粘性率の小さい金属膜であることを特徴とする圧電振動素子。
【請求項３】
少なくとも何れか二つの前記電極膜間に金属の拡散を抑える拡散抑制電極膜を備えていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を収容する絶縁基板とを備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の圧電振動素子と、該圧電振動素子を励振する発振回路を搭載したＩＣ部品と、前記圧電振動素子を気密封止すると共に前記ＩＣ部品を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項６】
請求項４に記載の圧電振動子を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１８６６８０（Ｐ２０１２−１８６６８０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４８７０６（Ｐ２０１１−４８７０６）
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月７日（２０１１．３．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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