圧電振動装置、発振回路及び電子装置
【課題】Ｑが高く、耐電力性に優れているだけでなく、印加電圧によるインピーダンス特性曲線の乱れが生じ難い、圧電振動装置を得る。
【解決手段】圧電薄膜４の下面に下部電極５が、上面に上部電極６が形成されている圧電振動部３が基板２から浮かされた状態で支持部９，１０により支持されており、矩形の圧電振動部３の輪郭振動を利用しており、該輪郭振動と、圧電振動部３において生じる屈曲振動とが結合しないように、上記輪郭振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが隔てられている、圧電振動装置１。
【解決手段】圧電薄膜４の下面に下部電極５が、上面に上部電極６が形成されている圧電振動部３が基板２から浮かされた状態で支持部９，１０により支持されており、矩形の圧電振動部３の輪郭振動を利用しており、該輪郭振動と、圧電振動部３において生じる屈曲振動とが結合しないように、上記輪郭振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数とが隔てられている、圧電振動装置１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜を用いて形成された圧電振動装置に関し、より詳細には、長さ振動、幅振動または拡がり振動などの輪郭振動を利用した圧電振動部を有する圧電振動装置、該圧電振動装置が備えられた発振回路及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電振動装置の薄型化及び耐電力性を高め得るために、圧電薄膜を利用した圧電振動装置が提案されている。例えば下記の特許文献１には、図９に示す圧電振動装置が開示されている。
【０００３】
圧電振動装置１０１では、基板１０２の上面から浮かされた状態で、圧電振動部１０３が設けられている。圧電振動部１０３は、圧電薄膜１０４と、圧電薄膜１０４の下面に設けられた下部電極１０５と上面に設けられた上部電極１０６とを有する。下部電極１０５と上部電極１０６とは、圧電薄膜１０４を介して重なり合っており、それによって圧電振動部１０３が形成されている。
【０００４】
上記圧電振動部１０３の下面及び上面には、圧電振動部１０３を保護するために、付加膜１０７，１０８が積層されている。
【０００５】
圧電振動部１０３を基板１０２の上面からギャップＤを隔てて浮かせるために、圧電振動部１０３に、支持部１０９，１１０の一端が連結されており、支持部１０９，１１０の他端が基板１０２の上面に固定されている。
【０００６】
ここで、支持部１０９，１１０は、上記圧電薄膜１０４及び付加膜１０７，１０８を圧電振動部１０３外に延長することにより形成されている。
【０００７】
上部電極１０５と下部電極１０６との間に交流電界を印加することにより、圧電振動部１０３が長さ振動や幅振動などの輪郭振動で励振される。
【０００８】
特許文献１に記載の圧電振動装置１０１では、上記圧電薄膜１０４を用いているため、１〜１０ＭＨｚ帯のような比較的低い周波数領域で用いることができるとともに、Ｑが高く、かつ耐電力性に優れているとされている。
【特許文献１】ＷＯ２００７／０８８６９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記圧電振動装置１０１は、例えば１〜１０ＭＨｚ帯などの周波数帯域の発振周波数を有する発振回路の発振回路素子として用いることができる。
【００１０】
しかしながら、実際に、圧電振動装置１０１を発振回路素子として用いた場合、発振周波数が不安定になることがあった。また、場合によっては、発振が停止することもあった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、Ｑが高く、耐電力性に優れているだけでなく、発振回路素子として用いられた際に、発振周波数の変動が生じ難く、安定に発振することを可能とする圧電振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者は、上記圧電振動装置１０１を発振回路素子として用いた場合に、発振が不安定になる現象について種々検討した。その結果、圧電振動装置１０１の共振特性すなわちインピーダンス特性が、印加電圧により変化することを見出した。図３は、圧電振動装置１０１のインピーダンス特性を示し、破線が印加電圧が０．１Ｖｒｍｓの場合の結果を示し、実線は印加電圧が１．０Ｖｒｍｓの場合の結果を示す。
【００１３】
図３から明らかなように、印加電圧が０．１Ｖｒｍｓの場合には、共振周波数である１８．３２ＭＨｚ付近において、インピーダンスが十分に低下し、山谷比が十分大きくなっていることがわかる。なお、山谷比とは、反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比である。
【００１４】
これに対して、印加電圧が１．０Ｖｒｍｓの場合には、１８．３〜１８．３５ＭＨｚ間においてインピーダンスが最も低くなる位置が１８．３４ＭＨｚ付近に移動し、しかも最もインピーダンスが低い部分におけるインピーダンス値が、０．１Ｖｒｍｓの電圧が印加された場合比べて高くなり、その付近における波形が乱れていることがわかる。
【００１５】
そして、１．０Ｖｒｍｓの電圧が印加された場合のように、インピーダンス特性が共振周波数近傍で乱れた場合に、該圧電振動装置１０１を用いて発振回路を構成した場合の発振周波数の変動や、発振停止などが生じていることを見出した。
【００１６】
本願発明者は、印加電圧の値によっては、インピーダンス特性曲線における乱れ、特に共振周波数近傍におけるインピーダンス特性曲線の乱れが生じていることについてその原因を種々検討した結果、利用している輪郭振動と、圧電振動部において生じている屈曲振動が結合していることによることを見出した。
【００１７】
本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、本発明によれば、圧電薄膜を用いた圧電振動装置であって、基体と、前記基体の上面から浮かされて設けられた圧電振動部と、前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に固定されている支持部とを備え、前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の上面に形成された上部電極と、圧電薄膜を介して前記上部電極と対向するように前記圧電薄膜の下面に設けられた下部電極とを備え、輪郭振動を利用した圧電振動装置であって、利用しようとする輪郭振動と、前記圧電振動部における屈曲振動とが結合しないように、前記利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、前記屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることを特徴とする、圧電振動装置が提供される。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられているので、振動の結合による共振周波数近傍におけるインピーダンス特性曲線の乱れが抑制され、それによって発振回路素子として用いた場合に、安定な発振を得ることができる。
【００１９】
本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域を除いた周波数域にある。輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域は発振が生じる周波数帯域であるが、屈曲振動の共振周波数がこの周波数帯域外に存在する場合、屈曲振動の結合による発振異常をより確実に防止することができる。
【００２０】
本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、前記圧電振動部において、利用しようとする前記輪郭振動と、前記屈曲振動に加えて、さらに他の振動モードの振動が励振され、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数よりも低く、前記他の振動モードの共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の反共振周波数よりも高くされている。このように輪郭振動の共振周波数、反共振周波数、屈曲振動及び他のモードの共振周波数を設定することにより、輪郭振動の共振周波数と反共振周波数の間に他の振動モードが入らず結合による発振異常を確実に抑止できる。
【００２１】
本発明に係る圧電振動装置では、上記屈曲振動は、基本波であってもよく、高次の屈曲振動であってもよい。
【００２２】
また、利用しようとする輪郭振動と屈曲振動に加えて、さらに他のモードの振動が励振される場合、屈曲振動がｎ次（ｎは１以上の自然数）の屈曲振動であり、他の振動モードがｎ＋１次の屈曲振動であってもよい。
【００２３】
また、本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、圧電振動部は、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有する。この場合、利用する上記輪郭振動の種類は特に限定されず、長辺方向に沿う長さ振動であってもよく、短辺方向に沿う振動である幅振動であってもよく、長辺方向に沿う振動と短辺方向に沿う振動とが結合してなる拡がり振動であってもよい。
【００２４】
本発明の他の特定の局面では、振動方向の端面の表面粗さがＲｍｓで振動方向の幅の２０００ｐｐｍより小さくされている。
【００２５】
本発明に係る圧電振動装置は、特に限定されないが、好ましくは、発振回路における共振子として用いられ、それによって、所望とする発振周波数において安定に発振する発振回路を提供することができる。
【００２６】
本発明に係る発振回路は、本発明に従って構成された圧電振動装置が発振回路素子として備えられていることを特徴とし、本発明に係る電子装置は、本発明に従って構成された圧電振動装置が発振回路素子として備えられた発振回路を有することを特徴とする。本発明に係る発振回路及び電子装置では、本発明に従って構成された圧電振動装置を発振回路素子として備えるため、該発振回路が、所望とする発振周波数において安定に発振する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る圧電振動装置では、圧電薄膜の上面及び下面に上部電極及び下部電極が積層されており、輪郭振動を利用した圧電振動装置であるため、Ｑが高く、耐電力性を高めることができ、しかも利用しようとする輪郭振動と、該圧電振動部において生じている屈曲振動とが結合しないように、利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、上記屈曲振動の共振周波数とが隔てられているため、輪郭振動と屈曲振動との結合に起因するインピーダンス特性曲線の乱れが生じ難い。そのため、例えば発振回路の発振回路素子として本発明の圧電振動装置を用いた場合、印加電圧の如何にかかわらず安定に発振させることができ、発振周波数の所望でない変動が生じ難く、また発振停止も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一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Ｂ−Ｂ線に沿う部分に相当する断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う部分に相当する断面図である。
【００３０】
なお、図１（ａ）は、後述の付加膜８を省略して、圧電振動部及び支持部等の形状を示す模式的平面図である。
【００３１】
圧電振動装置１は、特許文献１に記載の圧電振動装置１０１と同様に、基板１０２の上面から浮かされた圧電振動部３を有する。
【００３２】
そして、圧電振動部３においては、圧電薄膜４の下面に下部電極５が、上面に上部電極６が形成されている。下部電極５と上部電極６とが圧電薄膜４を介して対向している部分により圧電振動部３が形成されている。
【００３３】
上記圧電振動部３は、図１（ａ）に示すように、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有する。
【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（ＡｌＮ）、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（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、水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いずれにより形成されていてもよい。圧電薄膜４では、その厚み方向に分極軸が揃っている。
【００３５】
上記下部電極５及び上部電極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】
下部電極５と上部電極６との間に交流電圧を印加することにより、圧電振動部３が拡がり振動で振動する。拡がり振動とは、図３に示すように、矩形の平面形状の長辺に沿う振動と短辺に沿う振動とが結合して生じ、圧電薄膜４の面内方向での振動である。
【００３７】
上記圧電振動部３は、ギャップＤを隔てて基板２の上面から浮かされている。本実施形態においても、支持部７，８の一端が圧電振動部３に連結されており、支持部７，８の他端が基板２の上面に固定されている。支持部７，８により、圧電振動部３が、ギャップＤを隔てて基板２の上面から浮かされた状態で支持されている。
【００３８】
特許文献１に記載の圧電振動装置１０１と同様に、圧電振動部３の保護を図るために、付加膜７，８が圧電振動部３の下面及び上面に積層されている。支持９，１０は、上記圧電薄膜４及び付加膜７，８を圧電振動部３の外側に延長することにより形成されている。
【００３９】
本実施形態の圧電振動装置１の特徴は、上記圧電振動部３における利用しようとする輪郭振動である拡がり振動と、圧電振動部３において生じる屈曲振動とが結合しないように、上記拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることにある。それによって、印加電圧の如何にかかわらず、インピーダンス周波数特性曲線における乱れが生じ難く、例えば発振回路の発振回路素子として用いられた場合に、発振周波数がばらついたり、発振停止が生じ難くされている。これを、以下において詳細に説明する。
【００４０】
図４は、圧電振動装置１の設計に際して本願発明者が作成したモードチャートの一例を示す図である。ここで、モードチャートとは、特開２００３−３７４６２号に開示されているように、振動子の振動モードを解析し、振動子において生じる複数の振動の共振周波数を、例えば振動部の膜厚に対してプロットすることにより得られる。
【００４１】
図４は、圧電振動装置１の圧電振動部３におけるモードチャートを示し、縦軸は周波数を、横軸は圧電振動部における圧電薄膜４の膜厚を示す。
【００４２】
なお、図４に示すモードチャートは、付加膜８、上部電極６、圧電薄膜４、下部電極５、付加膜７の材料及び厚みを以下の場合とし、圧電振動部３の平面形状が以下の寸法の場合の有限要素法によるシミュレーションの結果である。
【００４３】
積層構造：上方から順にＳｉＯ２／ＡｌＮ／Ｐｔ／ＡｌＮ／Ｐｔ／ＳｉＯ２。付加膜８がＳｉＯ２膜及びＡｌＮ膜の積層膜であり、上部電極６及び下部電極５はＰｔからなり、圧電薄膜４がＡｌＮからなり、下方の付加膜７がＳｉＯ２膜からなる。
【００４４】
膜厚比率：積層構造において上方から順に３３：８：１：１６：１：１７。
【００４５】
素子形状：圧電振動部３の平面形状は、長さ４８０μｍ×３２０μｍの矩形とした。
【００４６】
圧電振動部３において利用される拡がり振動は、輪郭振動であり、面内方向の振動であるため、圧電薄膜４の膜厚にかかわらず共振周波数はほぼ一定である。従って、図４の実線Ｅで示すように、圧電薄膜の膜厚が変化しても、共振周波数は１１．４ＭＨｚ付近でほぼ一定である。
【００４７】
これに対して、屈曲振動は、圧電薄膜４の膜厚の変化により変化する。すなわち、屈曲振動の共振周波数は、圧電薄膜の膜厚に比例するため、各共振周波数をプロットした点を結ぶ直線は、図４の周波数と膜厚とのグラフ上の原点を通る直線となる。
【００４８】
屈曲振動では、一般に、その基本波の共振周波数は、拡がり振動の共振周波数よりも低い。従って、図４に示すように、屈曲振動の様々な次数の振動が、拡がり振動と交差することとなる。
【００４９】
拡がり振動と屈曲振動の共振周波数同士が近接すると、非線形振動が誘発され、波形異常が生じる。例えば、図４において、矢印Ｆで示す屈曲振動と、拡がり振動とが交差している点Ｇ近傍では、上記非線形振動が誘発され、波形異常が生じる。このような場合に、図３に示したように、印加電圧によっては、インピーダンス特性曲線において共振周波数近傍において波形が乱れることが分った。
【００５０】
これに対して、図４の矢印Ｈ１〜Ｈ３で示す部分のように、拡がり振動の共振周波数をプロットした直線に対し、屈曲振動の共振周波数をプロットした直線が交差している部分から隔てられた領域、言い換えれば拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられている部分では、双方の振動が結合し難いため、非線形振動が誘発され難い。そのため、インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じ難い。
【００５１】
よって、利用しようとする拡がり振動と、屈曲振動とが結合しないため、インピーダンス周波数特性曲線における共振周波数近傍における波形の乱れが生じ難い。そのため、発振回路素子として用いた場合、印加電圧が変化しても、発振周波数が不安定になったり、発振停止が生じたりすることがない。
【００５２】
なお、上記モードチャートを利用して圧電振動装置１における圧電薄膜４の厚みを設定するに際し、屈曲振動の各次数のモードの間隔は一定でないため、好ましくは、屈曲振動の隣接する次数のモード間の広い領域を選択することが望ましい。すなわち、図４のＨ１〜Ｈ３で示すように、隣接する次数の屈曲振動同士の間隔が広い領域を選択することが望ましい。言い換えれば、ｎ次の屈曲振動と（ｎ＋１）次の屈曲振動間であって、両者の間隔が広い領域が望ましい。それによって、製造ばらつきによる特性のばらつきが生じ難い。
【００５３】
また、発振回路素子として圧電振動装置１を用いる場合、発振が生じる周波数は、通常、圧電振動装置１の共振周波数と反共振周波数との間の周波数帯域である。従って、上記非線形振動によるインピーダンス特性曲線の異常が、共振周波数と反共振周波数との間の周波数域に存在する場合には、特に発振が不安定となるおそれがある。そのため、屈曲振動の共振周波数が、拡がり振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域外の周波数域に存在することが特に好ましい。
【００５４】
図４に示したモードチャートでは、圧電薄膜４の膜厚と、共振周波数との関係によりモードチャートを作成したが、横軸の膜厚に代えて、他のパラメータを用いてもよい。この他のパラメータとしては、例えば、圧電振動部の長さ方向寸法、幅方向寸法、圧電振動部３を構成している材料、支持方法などを用いてもよい。これらの各パラメータを非線形振動によるインピーダンス特性不良が生じないように設計すればよい。
【００５５】
なお、本実施形態では、圧電振動部３が矩形の平面形状を有し、短辺方向に沿う方向が振動方向である幅振動や、長辺方向に沿う方向が振動方向である長さ振動を用いてもよい。すなわち、図５に略図的に示すように、長辺２３ａと短辺２３ｂとを有する矩形の平面形状の圧電振動部２３が長辺２３ａに沿う方向に伸縮する長さ振動であってもよい。また、図６に示すように、長辺３３ａと短辺３３ｂとを有する矩形の平面形状の圧電振動部３３の短辺３３ｂに沿う方向に伸縮する幅振動が利用する輪郭振動であってもよい。
【００５６】
上記実施形態の圧電振動装置１は、上記のように、発振回路の発振回路素子として用いた場合に、印加電圧の如何にかかわらず、安定に発振させることができる。このような発振回路としては、例えば図７に示す電子装置の発振回路を例示することができる。
【００５７】
図７では、発振回路４１において、共振子４２が用いられているが、この共振子４２として、本発明の圧電振動装置を用いればよい。電子装置４３では、上記発振回路４１が１つの回路として備えられている。
【００５８】
以上のように、利用する輪郭振動である拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが近接すると、両振動が結合し、それによって、輪郭振動本来の面内方向の振動変位に加え、圧電振動部の面内に対して垂直な方向の振動変位が重なり合い、歪みが生じる。この歪みの絶対量の増大により、弾性線形領域を超えて、インピーダンス特性曲線における共振周波数近傍における波形の乱れを生じる現象が生じる。それによって、前述した発振周波数が不安定になったり、発振停止などの重大な問題が生じていた。
【００５９】
これに対して、本実施形態では、上記のように、利用する輪郭振動である拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数の両者が結合しないように隔てられているため、上記インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じない。
【００６０】
すなわち、拡がり振動と屈曲振動とが結合しないため、上記弾性線形領域を超えるような歪みが生じ難いため、インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じない。
【００６１】
なお、上記実施形態では、有限要素法によるシミュレーションにより、圧電薄膜の膜厚変化に対してのモードチャートを作成したが、実際に作成した圧電振動装置の特性に基づいて同様のモードチャートを作成してもよい。この場合には、まず、圧電薄膜の膜厚を異ならせて、複数の圧電振動装置を製造する。次に、各圧電振動装置に交流電圧を印加しつつ、圧電振動部に垂直な方向の変位を振動変位計測装置で周波数を変化させつつ測定する。そして、圧電振動部に垂直な方向の変位であって屈曲振動による変位が優性となる周波数と、その場合の圧電薄膜の膜厚を記録し、プロットすればよい。そして、各膜厚の圧電振動装置に対し、同一の振動姿態を有する屈曲振動の共振周波数を結ぶ。各圧電振動装置のインピーダンス特性を測定し、拡がり振動による主要な共振の共振周波数を記録し、プロットする。
【００６２】
上記のようにして、図４と同様のモードチャートを、実際の圧電振動装置の計測結果に基づいて作成することができる。従って、このようにして得られたモードチャートを用いて、上記実施形態の場合と同様にして、圧電振動装置を設計することができる。この場合には、実測結果に基づいてモードチャートが作成されるので、形状や材料の不一致や計算誤差が生じ難いため、より正確に所望とする圧電振動装置を設計することができる。
【００６３】
次に、上記圧電振動装置１の製造方法の具体的な一例を説明する。
【００６４】
まず、厚さ５００μｍのガラス基板からなる基板２を用意する。基板２の材料としては、ガラス以外の絶縁性材料、あるいは半導体材料を用いてもよく、あるいは半導体基板を用いてもよい。
【００６５】
次に、ギャップＤに相当する部分に、後工程で貯蔵される犠牲層を形成する。犠牲層を構成する材料としては、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＡｌまたはＣｕなどの金属、Ｓｉ、ＳｉＯ２もしくはリン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や有機ポリマーなどを適宜用いることができる。
【００６６】
犠牲層上に、全面を覆うように、スパッタリング、ＣＶＤまたは電子ビーム蒸着などの薄膜形成法により、付加膜７としての誘電体膜を形成する。この誘電体膜を構成する誘電体材料については、窒化珪素などの窒化物、酸化珪素などの酸化物などの適宜の誘電体材料を用いることができる。これらの誘電体材料からなる複数の誘電体膜を積層して付加膜７や後述の付加膜８を形成してもよい。
【００６７】
上記付加膜上に、スパッタリング、めっき、ＣＶＤまたは電子ビーム蒸着などによる薄膜形成法及びフォトリソグラフィー法を用い、下部電極５を形成する。下部電極５を形成する材料としては、特に限定されず、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、ＣｕまたはＴｉなどの金属もしくは合金などを挙げることができる。
【００６８】
次に、スパッタリングなどの薄膜形成方法及びフォトリソグラフィー等によるパターニング法を用い、圧電薄膜４を形成する。圧電薄膜４は、酸化亜鉛や窒化アルミニウムなどの適宜の圧電材料からなる。
【００６９】
圧電薄膜４上に、下部電極５と同様に上部電極６を形成する。
【００７０】
上部電極６上に、付加膜７と同様にして、誘電体膜からなる付加膜８を形成する。付加膜８の材料については、誘電体材料、あるいは適宜の絶縁性材料を用いることができる。
【００７１】
しかる後、犠牲層をエッチングにより除去する。
【００７２】
上記のような工程を経て、ＳｉＯ２（付加膜８）／ＡｌＮ（付加膜８）／Ｐｔ（上部電極６）／ＡｌＮ（圧電薄膜４）／Ｐｔ（下部電極５）／ＳｉＯ２（付加膜７）からなる積層構造を有する圧電振動装置１を作製した。なお、厚みについては、上層から順に、３３００／８００／１００／１６００／１００／１７００（単位全てｎｍ）とした。
【００７３】
このようにして得られた圧電振動装置１について、インピーダンス特性を測定したところ、印加電圧によってインピーダンス特性不良の生じることがあった。そこで、図３に示したようなインピーダンス波形の不良が生じる圧電振動装置についてさらに検討した結果、インピーダンス特性曲線における不良は、ある周波数範囲にわたり発生することがわかった。そして、この範囲は、圧電振動部の振動方向の端面の表面粗さに比例することがわかった。図５は、１２ＭＨｚ帯におけるインピーダンス不良発生幅と、圧電振動部の端面の粗さとの関係を示す図である。
【００７４】
上記インピーダンス特性不良が発生する間隔は、５００〜２０００ｐｐｍ（１２ＭＨｚに対する周波数範囲の大きさ）であり、５００ｐｐｍの間隔の周波数及び２０００ｐｐｍの間隔の周波数を使用する場合、端面の粗さは、平均端面粗さＲｍｓでそれぞれ１５０ｎｍ及び５００ｎｍより小さくなければ、全ての周波数でインピーダンス特性不良が発生することとなった。端面の平均粗さＲｍｓとは、端面の平均的な形状と端面の各粗さの測定値の偏差の２乗を平均して得られた値の平方根により表される値である。
【００７５】
なお、上記Ｒｍｓで１５０ｎｍ及び５００ｎｍの値は、振動方向の幅に対しそれぞれ５００ｐｐｍ及び２０００ｐｐｍとなる。
【００７６】
従って、圧電振動部の端面の粗さＲｍｓは５００ｎｍより小さいこと、すなわち２０００ｐｐｍより小さいことが好ましく、より好ましくは１５０ｎｍより小さくすることが望ましいことが分る。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一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線に沿う部分に相当する断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１（ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う部分に相当する部分の断面図である。
【図３】印加電圧によるインピーダンス周波数特性曲線の乱れが生じる現象を説明するための図である。
【図４】拡がり振動と屈曲振動との関係を示すモードチャートを示す図である。
【図５】圧電振動部の長さ振動を利用する場合の長さ振動の振動姿態を模式的に示す平面図である。
【図６】圧電振動部の幅振動を利用する場合の幅振動の振動姿態を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の発振回路素子が備えられた発振回路を有する電子装置の一例を示すブロック図である。
【図８】インピーダンス不良発生幅と圧電振動部の端面粗さＲｍｓとの関係を示す図である。
【図９】従来の圧電振動装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…圧電振動装置
２…基板
３…圧電振動部
４…圧電薄膜
５…下部電極
６…上部電極
７，８…付加膜
９，１０…支持部
２３…圧電振動部
２３ａ…長辺
２３ｂ…短辺
３３…圧電振動部
３３ａ…長辺
３３ｂ…短辺
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜を用いて形成された圧電振動装置に関し、より詳細には、長さ振動、幅振動または拡がり振動などの輪郭振動を利用した圧電振動部を有する圧電振動装置、該圧電振動装置が備えられた発振回路及び電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電振動装置の薄型化及び耐電力性を高め得るために、圧電薄膜を利用した圧電振動装置が提案されている。例えば下記の特許文献１には、図９に示す圧電振動装置が開示されている。
【０００３】
圧電振動装置１０１では、基板１０２の上面から浮かされた状態で、圧電振動部１０３が設けられている。圧電振動部１０３は、圧電薄膜１０４と、圧電薄膜１０４の下面に設けられた下部電極１０５と上面に設けられた上部電極１０６とを有する。下部電極１０５と上部電極１０６とは、圧電薄膜１０４を介して重なり合っており、それによって圧電振動部１０３が形成されている。
【０００４】
上記圧電振動部１０３の下面及び上面には、圧電振動部１０３を保護するために、付加膜１０７，１０８が積層されている。
【０００５】
圧電振動部１０３を基板１０２の上面からギャップＤを隔てて浮かせるために、圧電振動部１０３に、支持部１０９，１１０の一端が連結されており、支持部１０９，１１０の他端が基板１０２の上面に固定されている。
【０００６】
ここで、支持部１０９，１１０は、上記圧電薄膜１０４及び付加膜１０７，１０８を圧電振動部１０３外に延長することにより形成されている。
【０００７】
上部電極１０５と下部電極１０６との間に交流電界を印加することにより、圧電振動部１０３が長さ振動や幅振動などの輪郭振動で励振される。
【０００８】
特許文献１に記載の圧電振動装置１０１では、上記圧電薄膜１０４を用いているため、１〜１０ＭＨｚ帯のような比較的低い周波数領域で用いることができるとともに、Ｑが高く、かつ耐電力性に優れているとされている。
【特許文献１】ＷＯ２００７／０８８６９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記圧電振動装置１０１は、例えば１〜１０ＭＨｚ帯などの周波数帯域の発振周波数を有する発振回路の発振回路素子として用いることができる。
【００１０】
しかしながら、実際に、圧電振動装置１０１を発振回路素子として用いた場合、発振周波数が不安定になることがあった。また、場合によっては、発振が停止することもあった。
【００１１】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、Ｑが高く、耐電力性に優れているだけでなく、発振回路素子として用いられた際に、発振周波数の変動が生じ難く、安定に発振することを可能とする圧電振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者は、上記圧電振動装置１０１を発振回路素子として用いた場合に、発振が不安定になる現象について種々検討した。その結果、圧電振動装置１０１の共振特性すなわちインピーダンス特性が、印加電圧により変化することを見出した。図３は、圧電振動装置１０１のインピーダンス特性を示し、破線が印加電圧が０．１Ｖｒｍｓの場合の結果を示し、実線は印加電圧が１．０Ｖｒｍｓの場合の結果を示す。
【００１３】
図３から明らかなように、印加電圧が０．１Ｖｒｍｓの場合には、共振周波数である１８．３２ＭＨｚ付近において、インピーダンスが十分に低下し、山谷比が十分大きくなっていることがわかる。なお、山谷比とは、反共振周波数におけるインピーダンスの共振周波数におけるインピーダンスに対する比である。
【００１４】
これに対して、印加電圧が１．０Ｖｒｍｓの場合には、１８．３〜１８．３５ＭＨｚ間においてインピーダンスが最も低くなる位置が１８．３４ＭＨｚ付近に移動し、しかも最もインピーダンスが低い部分におけるインピーダンス値が、０．１Ｖｒｍｓの電圧が印加された場合比べて高くなり、その付近における波形が乱れていることがわかる。
【００１５】
そして、１．０Ｖｒｍｓの電圧が印加された場合のように、インピーダンス特性が共振周波数近傍で乱れた場合に、該圧電振動装置１０１を用いて発振回路を構成した場合の発振周波数の変動や、発振停止などが生じていることを見出した。
【００１６】
本願発明者は、印加電圧の値によっては、インピーダンス特性曲線における乱れ、特に共振周波数近傍におけるインピーダンス特性曲線の乱れが生じていることについてその原因を種々検討した結果、利用している輪郭振動と、圧電振動部において生じている屈曲振動が結合していることによることを見出した。
【００１７】
本発明は、このような知見に基づきなされたものであり、本発明によれば、圧電薄膜を用いた圧電振動装置であって、基体と、前記基体の上面から浮かされて設けられた圧電振動部と、前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に固定されている支持部とを備え、前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の上面に形成された上部電極と、圧電薄膜を介して前記上部電極と対向するように前記圧電薄膜の下面に設けられた下部電極とを備え、輪郭振動を利用した圧電振動装置であって、利用しようとする輪郭振動と、前記圧電振動部における屈曲振動とが結合しないように、前記利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、前記屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることを特徴とする、圧電振動装置が提供される。
【００１８】
すなわち、本発明によれば、利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられているので、振動の結合による共振周波数近傍におけるインピーダンス特性曲線の乱れが抑制され、それによって発振回路素子として用いた場合に、安定な発振を得ることができる。
【００１９】
本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域を除いた周波数域にある。輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域は発振が生じる周波数帯域であるが、屈曲振動の共振周波数がこの周波数帯域外に存在する場合、屈曲振動の結合による発振異常をより確実に防止することができる。
【００２０】
本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、前記圧電振動部において、利用しようとする前記輪郭振動と、前記屈曲振動に加えて、さらに他の振動モードの振動が励振され、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数よりも低く、前記他の振動モードの共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の反共振周波数よりも高くされている。このように輪郭振動の共振周波数、反共振周波数、屈曲振動及び他のモードの共振周波数を設定することにより、輪郭振動の共振周波数と反共振周波数の間に他の振動モードが入らず結合による発振異常を確実に抑止できる。
【００２１】
本発明に係る圧電振動装置では、上記屈曲振動は、基本波であってもよく、高次の屈曲振動であってもよい。
【００２２】
また、利用しようとする輪郭振動と屈曲振動に加えて、さらに他のモードの振動が励振される場合、屈曲振動がｎ次（ｎは１以上の自然数）の屈曲振動であり、他の振動モードがｎ＋１次の屈曲振動であってもよい。
【００２３】
また、本発明に係る圧電振動装置では、好ましくは、圧電振動部は、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有する。この場合、利用する上記輪郭振動の種類は特に限定されず、長辺方向に沿う長さ振動であってもよく、短辺方向に沿う振動である幅振動であってもよく、長辺方向に沿う振動と短辺方向に沿う振動とが結合してなる拡がり振動であってもよい。
【００２４】
本発明の他の特定の局面では、振動方向の端面の表面粗さがＲｍｓで振動方向の幅の２０００ｐｐｍより小さくされている。
【００２５】
本発明に係る圧電振動装置は、特に限定されないが、好ましくは、発振回路における共振子として用いられ、それによって、所望とする発振周波数において安定に発振する発振回路を提供することができる。
【００２６】
本発明に係る発振回路は、本発明に従って構成された圧電振動装置が発振回路素子として備えられていることを特徴とし、本発明に係る電子装置は、本発明に従って構成された圧電振動装置が発振回路素子として備えられた発振回路を有することを特徴とする。本発明に係る発振回路及び電子装置では、本発明に従って構成された圧電振動装置を発振回路素子として備えるため、該発振回路が、所望とする発振周波数において安定に発振する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る圧電振動装置では、圧電薄膜の上面及び下面に上部電極及び下部電極が積層されており、輪郭振動を利用した圧電振動装置であるため、Ｑが高く、耐電力性を高めることができ、しかも利用しようとする輪郭振動と、該圧電振動部において生じている屈曲振動とが結合しないように、利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、上記屈曲振動の共振周波数とが隔てられているため、輪郭振動と屈曲振動との結合に起因するインピーダンス特性曲線の乱れが生じ難い。そのため、例えば発振回路の発振回路素子として本発明の圧電振動装置を用いた場合、印加電圧の如何にかかわらず安定に発振させることができ、発振周波数の所望でない変動が生じ難く、また発振停止も生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一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Ｂ−Ｂ線に沿う部分に相当する断面図であり、図２（ａ）及び（ｂ）は、（ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う部分に相当する断面図である。
【００３０】
なお、図１（ａ）は、後述の付加膜８を省略して、圧電振動部及び支持部等の形状を示す模式的平面図である。
【００３１】
圧電振動装置１は、特許文献１に記載の圧電振動装置１０１と同様に、基板１０２の上面から浮かされた圧電振動部３を有する。
【００３２】
そして、圧電振動部３においては、圧電薄膜４の下面に下部電極５が、上面に上部電極６が形成されている。下部電極５と上部電極６とが圧電薄膜４を介して対向している部分により圧電振動部３が形成されている。
【００３３】
上記圧電振動部３は、図１（ａ）に示すように、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有する。
【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（ＡｌＮ）、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（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、水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いずれにより形成されていてもよい。圧電薄膜４では、その厚み方向に分極軸が揃っている。
【００３５】
上記下部電極５及び上部電極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】
下部電極５と上部電極６との間に交流電圧を印加することにより、圧電振動部３が拡がり振動で振動する。拡がり振動とは、図３に示すように、矩形の平面形状の長辺に沿う振動と短辺に沿う振動とが結合して生じ、圧電薄膜４の面内方向での振動である。
【００３７】
上記圧電振動部３は、ギャップＤを隔てて基板２の上面から浮かされている。本実施形態においても、支持部７，８の一端が圧電振動部３に連結されており、支持部７，８の他端が基板２の上面に固定されている。支持部７，８により、圧電振動部３が、ギャップＤを隔てて基板２の上面から浮かされた状態で支持されている。
【００３８】
特許文献１に記載の圧電振動装置１０１と同様に、圧電振動部３の保護を図るために、付加膜７，８が圧電振動部３の下面及び上面に積層されている。支持９，１０は、上記圧電薄膜４及び付加膜７，８を圧電振動部３の外側に延長することにより形成されている。
【００３９】
本実施形態の圧電振動装置１の特徴は、上記圧電振動部３における利用しようとする輪郭振動である拡がり振動と、圧電振動部３において生じる屈曲振動とが結合しないように、上記拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることにある。それによって、印加電圧の如何にかかわらず、インピーダンス周波数特性曲線における乱れが生じ難く、例えば発振回路の発振回路素子として用いられた場合に、発振周波数がばらついたり、発振停止が生じ難くされている。これを、以下において詳細に説明する。
【００４０】
図４は、圧電振動装置１の設計に際して本願発明者が作成したモードチャートの一例を示す図である。ここで、モードチャートとは、特開２００３−３７４６２号に開示されているように、振動子の振動モードを解析し、振動子において生じる複数の振動の共振周波数を、例えば振動部の膜厚に対してプロットすることにより得られる。
【００４１】
図４は、圧電振動装置１の圧電振動部３におけるモードチャートを示し、縦軸は周波数を、横軸は圧電振動部における圧電薄膜４の膜厚を示す。
【００４２】
なお、図４に示すモードチャートは、付加膜８、上部電極６、圧電薄膜４、下部電極５、付加膜７の材料及び厚みを以下の場合とし、圧電振動部３の平面形状が以下の寸法の場合の有限要素法によるシミュレーションの結果である。
【００４３】
積層構造：上方から順にＳｉＯ２／ＡｌＮ／Ｐｔ／ＡｌＮ／Ｐｔ／ＳｉＯ２。付加膜８がＳｉＯ２膜及びＡｌＮ膜の積層膜であり、上部電極６及び下部電極５はＰｔからなり、圧電薄膜４がＡｌＮからなり、下方の付加膜７がＳｉＯ２膜からなる。
【００４４】
膜厚比率：積層構造において上方から順に３３：８：１：１６：１：１７。
【００４５】
素子形状：圧電振動部３の平面形状は、長さ４８０μｍ×３２０μｍの矩形とした。
【００４６】
圧電振動部３において利用される拡がり振動は、輪郭振動であり、面内方向の振動であるため、圧電薄膜４の膜厚にかかわらず共振周波数はほぼ一定である。従って、図４の実線Ｅで示すように、圧電薄膜の膜厚が変化しても、共振周波数は１１．４ＭＨｚ付近でほぼ一定である。
【００４７】
これに対して、屈曲振動は、圧電薄膜４の膜厚の変化により変化する。すなわち、屈曲振動の共振周波数は、圧電薄膜の膜厚に比例するため、各共振周波数をプロットした点を結ぶ直線は、図４の周波数と膜厚とのグラフ上の原点を通る直線となる。
【００４８】
屈曲振動では、一般に、その基本波の共振周波数は、拡がり振動の共振周波数よりも低い。従って、図４に示すように、屈曲振動の様々な次数の振動が、拡がり振動と交差することとなる。
【００４９】
拡がり振動と屈曲振動の共振周波数同士が近接すると、非線形振動が誘発され、波形異常が生じる。例えば、図４において、矢印Ｆで示す屈曲振動と、拡がり振動とが交差している点Ｇ近傍では、上記非線形振動が誘発され、波形異常が生じる。このような場合に、図３に示したように、印加電圧によっては、インピーダンス特性曲線において共振周波数近傍において波形が乱れることが分った。
【００５０】
これに対して、図４の矢印Ｈ１〜Ｈ３で示す部分のように、拡がり振動の共振周波数をプロットした直線に対し、屈曲振動の共振周波数をプロットした直線が交差している部分から隔てられた領域、言い換えれば拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが隔てられている部分では、双方の振動が結合し難いため、非線形振動が誘発され難い。そのため、インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じ難い。
【００５１】
よって、利用しようとする拡がり振動と、屈曲振動とが結合しないため、インピーダンス周波数特性曲線における共振周波数近傍における波形の乱れが生じ難い。そのため、発振回路素子として用いた場合、印加電圧が変化しても、発振周波数が不安定になったり、発振停止が生じたりすることがない。
【００５２】
なお、上記モードチャートを利用して圧電振動装置１における圧電薄膜４の厚みを設定するに際し、屈曲振動の各次数のモードの間隔は一定でないため、好ましくは、屈曲振動の隣接する次数のモード間の広い領域を選択することが望ましい。すなわち、図４のＨ１〜Ｈ３で示すように、隣接する次数の屈曲振動同士の間隔が広い領域を選択することが望ましい。言い換えれば、ｎ次の屈曲振動と（ｎ＋１）次の屈曲振動間であって、両者の間隔が広い領域が望ましい。それによって、製造ばらつきによる特性のばらつきが生じ難い。
【００５３】
また、発振回路素子として圧電振動装置１を用いる場合、発振が生じる周波数は、通常、圧電振動装置１の共振周波数と反共振周波数との間の周波数帯域である。従って、上記非線形振動によるインピーダンス特性曲線の異常が、共振周波数と反共振周波数との間の周波数域に存在する場合には、特に発振が不安定となるおそれがある。そのため、屈曲振動の共振周波数が、拡がり振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域外の周波数域に存在することが特に好ましい。
【００５４】
図４に示したモードチャートでは、圧電薄膜４の膜厚と、共振周波数との関係によりモードチャートを作成したが、横軸の膜厚に代えて、他のパラメータを用いてもよい。この他のパラメータとしては、例えば、圧電振動部の長さ方向寸法、幅方向寸法、圧電振動部３を構成している材料、支持方法などを用いてもよい。これらの各パラメータを非線形振動によるインピーダンス特性不良が生じないように設計すればよい。
【００５５】
なお、本実施形態では、圧電振動部３が矩形の平面形状を有し、短辺方向に沿う方向が振動方向である幅振動や、長辺方向に沿う方向が振動方向である長さ振動を用いてもよい。すなわち、図５に略図的に示すように、長辺２３ａと短辺２３ｂとを有する矩形の平面形状の圧電振動部２３が長辺２３ａに沿う方向に伸縮する長さ振動であってもよい。また、図６に示すように、長辺３３ａと短辺３３ｂとを有する矩形の平面形状の圧電振動部３３の短辺３３ｂに沿う方向に伸縮する幅振動が利用する輪郭振動であってもよい。
【００５６】
上記実施形態の圧電振動装置１は、上記のように、発振回路の発振回路素子として用いた場合に、印加電圧の如何にかかわらず、安定に発振させることができる。このような発振回路としては、例えば図７に示す電子装置の発振回路を例示することができる。
【００５７】
図７では、発振回路４１において、共振子４２が用いられているが、この共振子４２として、本発明の圧電振動装置を用いればよい。電子装置４３では、上記発振回路４１が１つの回路として備えられている。
【００５８】
以上のように、利用する輪郭振動である拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数とが近接すると、両振動が結合し、それによって、輪郭振動本来の面内方向の振動変位に加え、圧電振動部の面内に対して垂直な方向の振動変位が重なり合い、歪みが生じる。この歪みの絶対量の増大により、弾性線形領域を超えて、インピーダンス特性曲線における共振周波数近傍における波形の乱れを生じる現象が生じる。それによって、前述した発振周波数が不安定になったり、発振停止などの重大な問題が生じていた。
【００５９】
これに対して、本実施形態では、上記のように、利用する輪郭振動である拡がり振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数の両者が結合しないように隔てられているため、上記インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じない。
【００６０】
すなわち、拡がり振動と屈曲振動とが結合しないため、上記弾性線形領域を超えるような歪みが生じ難いため、インピーダンス特性曲線上における波形の乱れが生じない。
【００６１】
なお、上記実施形態では、有限要素法によるシミュレーションにより、圧電薄膜の膜厚変化に対してのモードチャートを作成したが、実際に作成した圧電振動装置の特性に基づいて同様のモードチャートを作成してもよい。この場合には、まず、圧電薄膜の膜厚を異ならせて、複数の圧電振動装置を製造する。次に、各圧電振動装置に交流電圧を印加しつつ、圧電振動部に垂直な方向の変位を振動変位計測装置で周波数を変化させつつ測定する。そして、圧電振動部に垂直な方向の変位であって屈曲振動による変位が優性となる周波数と、その場合の圧電薄膜の膜厚を記録し、プロットすればよい。そして、各膜厚の圧電振動装置に対し、同一の振動姿態を有する屈曲振動の共振周波数を結ぶ。各圧電振動装置のインピーダンス特性を測定し、拡がり振動による主要な共振の共振周波数を記録し、プロットする。
【００６２】
上記のようにして、図４と同様のモードチャートを、実際の圧電振動装置の計測結果に基づいて作成することができる。従って、このようにして得られたモードチャートを用いて、上記実施形態の場合と同様にして、圧電振動装置を設計することができる。この場合には、実測結果に基づいてモードチャートが作成されるので、形状や材料の不一致や計算誤差が生じ難いため、より正確に所望とする圧電振動装置を設計することができる。
【００６３】
次に、上記圧電振動装置１の製造方法の具体的な一例を説明する。
【００６４】
まず、厚さ５００μｍのガラス基板からなる基板２を用意する。基板２の材料としては、ガラス以外の絶縁性材料、あるいは半導体材料を用いてもよく、あるいは半導体基板を用いてもよい。
【００６５】
次に、ギャップＤに相当する部分に、後工程で貯蔵される犠牲層を形成する。犠牲層を構成する材料としては、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｉ、ＡｌまたはＣｕなどの金属、Ｓｉ、ＳｉＯ２もしくはリン酸シリケートガラス（ＰＳＧ）や有機ポリマーなどを適宜用いることができる。
【００６６】
犠牲層上に、全面を覆うように、スパッタリング、ＣＶＤまたは電子ビーム蒸着などの薄膜形成法により、付加膜７としての誘電体膜を形成する。この誘電体膜を構成する誘電体材料については、窒化珪素などの窒化物、酸化珪素などの酸化物などの適宜の誘電体材料を用いることができる。これらの誘電体材料からなる複数の誘電体膜を積層して付加膜７や後述の付加膜８を形成してもよい。
【００６７】
上記付加膜上に、スパッタリング、めっき、ＣＶＤまたは電子ビーム蒸着などによる薄膜形成法及びフォトリソグラフィー法を用い、下部電極５を形成する。下部電極５を形成する材料としては、特に限定されず、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｕ、ＣｕまたはＴｉなどの金属もしくは合金などを挙げることができる。
【００６８】
次に、スパッタリングなどの薄膜形成方法及びフォトリソグラフィー等によるパターニング法を用い、圧電薄膜４を形成する。圧電薄膜４は、酸化亜鉛や窒化アルミニウムなどの適宜の圧電材料からなる。
【００６９】
圧電薄膜４上に、下部電極５と同様に上部電極６を形成する。
【００７０】
上部電極６上に、付加膜７と同様にして、誘電体膜からなる付加膜８を形成する。付加膜８の材料については、誘電体材料、あるいは適宜の絶縁性材料を用いることができる。
【００７１】
しかる後、犠牲層をエッチングにより除去する。
【００７２】
上記のような工程を経て、ＳｉＯ２（付加膜８）／ＡｌＮ（付加膜８）／Ｐｔ（上部電極６）／ＡｌＮ（圧電薄膜４）／Ｐｔ（下部電極５）／ＳｉＯ２（付加膜７）からなる積層構造を有する圧電振動装置１を作製した。なお、厚みについては、上層から順に、３３００／８００／１００／１６００／１００／１７００（単位全てｎｍ）とした。
【００７３】
このようにして得られた圧電振動装置１について、インピーダンス特性を測定したところ、印加電圧によってインピーダンス特性不良の生じることがあった。そこで、図３に示したようなインピーダンス波形の不良が生じる圧電振動装置についてさらに検討した結果、インピーダンス特性曲線における不良は、ある周波数範囲にわたり発生することがわかった。そして、この範囲は、圧電振動部の振動方向の端面の表面粗さに比例することがわかった。図５は、１２ＭＨｚ帯におけるインピーダンス不良発生幅と、圧電振動部の端面の粗さとの関係を示す図である。
【００７４】
上記インピーダンス特性不良が発生する間隔は、５００〜２０００ｐｐｍ（１２ＭＨｚに対する周波数範囲の大きさ）であり、５００ｐｐｍの間隔の周波数及び２０００ｐｐｍの間隔の周波数を使用する場合、端面の粗さは、平均端面粗さＲｍｓでそれぞれ１５０ｎｍ及び５００ｎｍより小さくなければ、全ての周波数でインピーダンス特性不良が発生することとなった。端面の平均粗さＲｍｓとは、端面の平均的な形状と端面の各粗さの測定値の偏差の２乗を平均して得られた値の平方根により表される値である。
【００７５】
なお、上記Ｒｍｓで１５０ｎｍ及び５００ｎｍの値は、振動方向の幅に対しそれぞれ５００ｐｐｍ及び２０００ｐｐｍとなる。
【００７６】
従って、圧電振動部の端面の粗さＲｍｓは５００ｎｍより小さいこと、すなわち２０００ｐｐｍより小さいことが好ましく、より好ましくは１５０ｎｍより小さくすることが望ましいことが分る。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一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線に沿う部分に相当する断面図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、図１（ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線に沿う部分に相当する部分の断面図である。
【図３】印加電圧によるインピーダンス周波数特性曲線の乱れが生じる現象を説明するための図である。
【図４】拡がり振動と屈曲振動との関係を示すモードチャートを示す図である。
【図５】圧電振動部の長さ振動を利用する場合の長さ振動の振動姿態を模式的に示す平面図である。
【図６】圧電振動部の幅振動を利用する場合の幅振動の振動姿態を模式的に示す平面図である。
【図７】本発明の発振回路素子が備えられた発振回路を有する電子装置の一例を示すブロック図である。
【図８】インピーダンス不良発生幅と圧電振動部の端面粗さＲｍｓとの関係を示す図である。
【図９】従来の圧電振動装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…圧電振動装置
２…基板
３…圧電振動部
４…圧電薄膜
５…下部電極
６…上部電極
７，８…付加膜
９，１０…支持部
２３…圧電振動部
２３ａ…長辺
２３ｂ…短辺
３３…圧電振動部
３３ａ…長辺
３３ｂ…短辺
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電薄膜を用いた圧電振動装置であって、
基体と、
前記基体の上面から浮かされて設けられた圧電振動部と、
前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に固定されている支持部とを備え、前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の上面に形成された上部電極と、圧電薄膜を介して前記上部電極と対向するように前記圧電薄膜の下面に設けられた下部電極とを備え、輪郭振動を利用した圧電振動装置であって、
利用しようとする輪郭振動と、前記圧電振動部における屈曲振動とが結合しないように、前記利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、前記屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることを特徴とする、圧電振動装置。
【請求項２】
前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数帯を除いた周波数域にあることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動装置。
【請求項３】
前記圧電振動部において、利用しようとする前記輪郭振動と、前記屈曲振動に加えて、さらに他の振動モードの振動が励振され、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数よりも低く、前記他の振動モードの共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の反共振周波数よりも高いことを特徴とする、請求項２に記載の圧電振動装置。
【請求項４】
前記屈曲振動が、高次の屈曲振動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項５】
前記屈曲振動がｎ次の屈曲振動であり、前記他の振動モードがｎ＋１次の屈曲振動である、請求項３に記載の圧電振動装置。
【請求項６】
前記圧電振動部が、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有し、利用しようとする前記輪郭振動が、前記矩形の長さ方向に沿う長さ振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項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、利用しようとする前記輪郭振動が、該矩形の幅方向に沿う幅振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項８】
前記圧電振動部が、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有し、利用しようとする前記輪郭振動が、長辺方向に沿う振動と短辺方向に沿う振動とが結合してなる拡がり振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項９】
振動方向の端面の表面粗さがＲｍｓで振動方向の幅の２０００ｐｐｍより小さいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の圧電振動装置であって、発振回路の共振子として用いられる圧電振動装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載の圧電振動装置が発振回路素子として搭載されていることを特徴とする、発振回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電振動装置を発振回路素子として備える発振回路が備えられていることを特徴とする電子装置。
【請求項１】
圧電薄膜を用いた圧電振動装置であって、
基体と、
前記基体の上面から浮かされて設けられた圧電振動部と、
前記圧電振動部に一端が連結されており、他端が前記基体に固定されている支持部とを備え、前記圧電振動部が、圧電薄膜と、圧電薄膜の上面に形成された上部電極と、圧電薄膜を介して前記上部電極と対向するように前記圧電薄膜の下面に設けられた下部電極とを備え、輪郭振動を利用した圧電振動装置であって、
利用しようとする輪郭振動と、前記圧電振動部における屈曲振動とが結合しないように、前記利用しようとする輪郭振動の共振周波数と、前記屈曲振動の共振周波数とが隔てられていることを特徴とする、圧電振動装置。
【請求項２】
前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数と反共振周波数との間の周波数帯を除いた周波数域にあることを特徴とする、請求項１に記載の圧電振動装置。
【請求項３】
前記圧電振動部において、利用しようとする前記輪郭振動と、前記屈曲振動に加えて、さらに他の振動モードの振動が励振され、前記屈曲振動の共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の共振周波数よりも低く、前記他の振動モードの共振周波数が、利用しようとする前記輪郭振動の反共振周波数よりも高いことを特徴とする、請求項２に記載の圧電振動装置。
【請求項４】
前記屈曲振動が、高次の屈曲振動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項５】
前記屈曲振動がｎ次の屈曲振動であり、前記他の振動モードがｎ＋１次の屈曲振動である、請求項３に記載の圧電振動装置。
【請求項６】
前記圧電振動部が、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有し、利用しようとする前記輪郭振動が、前記矩形の長さ方向に沿う長さ振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項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、利用しようとする前記輪郭振動が、該矩形の幅方向に沿う幅振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項８】
前記圧電振動部が、長辺と短辺とを有する矩形の平面形状を有し、利用しようとする前記輪郭振動が、長辺方向に沿う振動と短辺方向に沿う振動とが結合してなる拡がり振動である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項９】
振動方向の端面の表面粗さがＲｍｓで振動方向の幅の２０００ｐｐｍより小さいことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧電振動装置。
【請求項１０】
請求項１〜９に記載の圧電振動装置であって、発振回路の共振子として用いられる圧電振動装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０に記載の圧電振動装置が発振回路素子として搭載されていることを特徴とする、発振回路。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧電振動装置を発振回路素子として備える発振回路が備えられていることを特徴とする電子装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−９４８２９（Ｐ２００９−９４８２９Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６３８９０（Ｐ２００７−２６３８９０）
【出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１０日（２００７．１０．１０）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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