(57)【要約】【課題】消費電力が小さく周波数温度変化量が小さい小型の水晶振動子を提供する。【解決手段】水晶振動子１０は、基部２１と、基部２１から平行に延在される少なくとも一対の振動腕３０，４０とを有し、振動腕３０，４０それぞれが、先端部に設けられる付加質量部３６，４６と付加質量部３６，４６よりも厚さが薄いアーム部３５，４５と、電極５１〜６０とを有している。また、水晶振動子１０は、水晶振動片２０と直列接続されるとともにアーム部３５，４５それぞれの表面３１，４１に設けられる圧電体薄膜７１，７２と、圧電体薄膜７１，７２の表面に形成される電極５５，６０とを含む圧電体薄膜素子１００，１０１とを備えている。【選択図】図１
2008199440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、該基部から平行に延在される少なくとも一対の振動腕と、を有する圧電振動片
と、
前記一対の振動腕それぞれが、先端部に設けられる付加質量部と該付加質量部よりも厚
さが薄いアーム部と、励振電極と、を備えていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記アーム部が、前記一対の振動腕それぞれの表面または裏面のどちらか一方に穿設さ
れる凹部の底部によって形成されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記アーム部が、前記一対の振動腕それぞれの表裏両面に穿設される凹部の底部によっ
て形成されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の圧電振動子において、
前記凹部が、前記振動腕の振動の節部を含む領域に形成されていることを特徴とする圧
電振動子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の圧電振動子において、
前記圧電振動片が水晶からなることを特徴とする圧電振動子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の圧電振動子において、
前記アーム部が、前記励振電極と、表面または裏面または側面の少なくとも一つの面に
設けられる圧電体薄膜と該圧電体薄膜の表面に形成される圧電体励振電極とを含む圧電体
薄膜素子を有し、
前記圧電振動片と前記圧電体薄膜素子とが直列接続されていることを特徴とする圧電振
動子。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電振動子において、
前記圧電体薄膜の表面に、前記圧電体薄膜の一次温度係数とは逆の一次温度係数を有す
る温度補償膜と、をさらに設けていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の圧電振動子において、
前記一対の振動腕それぞれが、前記圧電体薄膜素子に対するバランス質量を有すること
を特徴とする圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動腕の先端部に設けられる付加質量部と、この付加質量部よりも厚さが薄
いアーム部を有する小型の圧電振動子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子機器等に搭載される時間標準や角速度センサ等のデバイスとして低周波の
圧電振動子及び圧電共振子が用いられている。電子機器の小型化に対応してこれらの圧電
振動子や圧電共振子の小型化が要求されている。
圧電振動子を単純に小型化していくとＣＩ値が上昇しＱ値が低下する。ＣＩ値を上昇さ
せない構造としては、圧電振動子の先端に付加質量部を設ける構造や振動片に圧電体膜を
形成し、この圧電体膜を駆動する方法がある。
【０００３】
圧電振動子や角速度センサの小型化手段としては、恒弾性材料またはシリコンからなる
音叉型の振動子において、基部から平行に延出される振動腕が、連結部に近い幅広アーム
部と、幅広アーム部から連続する幅狭アーム部と、幅狭アーム部の先端部に幅方向に広い
質量部（付加質量部）を備え、連結部に駆動用圧電素子を設ける構造が知られている（例
えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１０５６３４号公報（第３頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１では、振動腕の先端部に質量部を付加し、同じ周波数ではアーム
部（幅広アーム部と幅狭アーム部）を短くすることができる。しかしながら、圧電振動子
を水晶のような単結晶圧電素子にする場合、単純に小型化していくとＣＩ値が上昇しＱ値
が低下することによって発振抵抗が増大してしまい、その結果として小型化が困難である
という課題を有している。
【０００６】
また、質量部が、アーム部の幅方向に広い方形をしているので、質量部を含むアーム部
の振動範囲を考慮すれば、平面方向サイズの小型化に限界がある。
【０００７】
また、駆動用圧電素子としては、一般にＺｎＯやチタン酸ジルコン酸塩等の圧電性材料
を採用する。これらの圧電性材料は周波数温度変化量が大きい。従って、周波数温度変化
量が小さい高精度な圧電振動子や角速度センサを実現することは困難である。
【０００８】
本発明の目的は、消費電力が小さく周波数温度変化量が小さい小型で高精度な圧電振動
子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の圧電振動子は、基部と、該基部から平行に延在される少なくとも一対の振動腕
と、を有する圧電振動片と、前記一対の振動腕それぞれが、先端部に設けられる付加質量
部と該付加質量部よりも厚さが薄いアーム部と、励振電極と、を備えていることを特徴と
する。
【００１０】
この発明によれば、振動腕の先端部に付加質量部を備えることにより、同じ周波数帯域
であれば、振動腕の長さを短くすることができる。また、付加質量部は、アーム部に対し
厚さを厚くすることで付加質量とし、アーム部から幅方向に突出する部位がないため、平
面形状においても小型化することができる。
【００１１】
また、前記アーム部が、前記一対の振動腕それぞれの表面または裏面のどちらか一方に
穿設される凹部の底部によって形成されていることが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、振動腕の表裏面のうちのどちらかに凹部を設けることにより厚さが
薄いアーム部を形成するため、アーム部の厚さが一方向側からの加工（具体的には、ウエ
ットエッチング法、ドライエッチング法、レーザ加工、機械加工等）により可能なので、
高精度な厚さを得られるため、所望の周波数をつくり込むことができる。また、従来の振
動腕の表面から周囲に側壁を残して掘り込む構造に比べて、側壁に影響される領域（加工
上において影となる領域）がないので、励振電極や圧電体といった膜構造体を作成するこ
とが容易になる。
【００１３】
また、前記アーム部が、前記一対の振動腕それぞれの表裏両面に穿設される凹部の底部
によって形成されていることが好ましい。
【００１４】
この発明のアーム部は、振動腕の表裏両面に凹部をウエットエッチング法、ドライエッ
チング法等の加工手段により形成する。つまり、アーム部は、付加質量部の厚さの中央部
に形成される。従って、アーム部に対して付加質量部の厚さ方向の質量バランスがとれる
ことから、振動腕に捩れ振動等の不要振動が発生しないという効果がある。
【００１５】
また、前記凹部が、前記振動腕の振動の節部を含む領域に形成されていることが望まし
い。
【００１６】
前述したように、アーム部は、凹部により形成されるため、アーム部と基部との接続部
の厚さに差が生じる。このような場合には、接続部に応力集中が発生し、振動腕の振動に
悪影響を与えたり、耐衝撃性が劣化することが予測される。従って、凹部に振動腕の振動
の節部（一対の振動腕の振動の結合部）の領域を含むことにより応力集中に関わる不具合
を低減することができる。
【００１７】
また、前記圧電振動片が水晶からなることが好ましい。
水晶からなる圧電振動片は、他の圧電材料からなる圧電振動片よりも周波数温度特性が
優れている。従って、水晶が本来有する優れた周波数温度特性を活用することができる。
【００１８】
また、前記アーム部が、前記励振電極と、表面または裏面または側面の少なくとも一つ
の面に設けられる圧電体薄膜と該圧電体薄膜の表面に形成される圧電体励振電極とを含む
圧電体薄膜素子を有し、前記圧電振動片と前記圧電体薄膜素子とが直列接続されているこ
とが好ましい。
【００１９】
このようにすれば、圧電振動片と圧電体薄膜からなる圧電体薄膜素子とを直列に接続し
、圧電振動片と圧電体薄膜素子とを同一励振信号で励振することから、圧電振動片と圧電
体薄膜素子とが相互に振動を補完し合うことによってＣＩ値の低下を除去し、低周波領域
において圧電振動子の小型化を実現できる。
【００２０】
また、圧電振動片と圧電体薄膜素子とを直列に接続していることから、圧電振動片と圧
電体薄膜素子との総合コンデンサ容量を小さくすることができ、このことから消費電力を
増加させずに、圧電振動子の小型化を図ることができる。
【００２１】
また、前記圧電体薄膜の表面に、前記圧電体薄膜の一次温度係数とは逆の一次温度係数
を有する温度補償膜と、をさらに設けていることが好ましい。
【００２２】
圧電体薄膜を形成する圧電体材料は周波数温度変化量が大きい。そのため、圧電振動子
に圧電体薄膜を設けることで、圧電振動子の周波数温度変化量が大きくなってしまう。そ
こで、アーム部に設けられる圧電体薄膜の表面に、圧電体薄膜とは逆の一次温度係数を有
する温度補償膜を設けることにより、圧電体薄膜の一次温度係数を打ち消しているので、
圧電体薄膜を設けることによる圧電振動子の一次の周波数温度変化量への影響を低減する
ことができ、圧電振動片を水晶にすれば、水晶が本来有する優れた周波数温度特性を活か
すことができる。
【００２３】
さらに、前記一対の振動腕それぞれが、前記圧電体薄膜素子に対するバランス質量を有
することが好ましい。
【００２４】
振動腕に圧電体薄膜、または圧電体薄膜と温度補償膜とを設けることで、振動腕それぞ
れの内部において、あるいは一対の振動腕間の振動のバランスが僅かではあるがくずれる
ことが予測される。そこで、圧電体薄膜及び温度補償膜の質量に対応したバランス質量を
付加することにより、振動腕の振動バランスをとり、高精度な振動特性を維持することが
できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図６は本発明の実施形態１に係る圧電振動子を示し、図７，８は実施形態２、図
９，１０は実施形態３、図１１は実施形態４、図１２〜図１５は実施形態５、図１６，１
７は実施形態６、図１８，１９は実施形態７を示している。
なお、以下の説明で参照する図は、図示の便宜上、部材ないし部分の縦横の縮尺は実際
のものとは異なる模式図である。
（実施形態１）
【００２６】
図１は、本発明の実施形態１に係る圧電振動子の構造を示す斜視図、図２は、図１のＡ
−Ａ切断面を示す断面図及び各電極の接続説明図である。なお、本発明の圧電振動子の材
質としては、圧電性を有するものであれば特に限定されずに適合できるが、以下の実施形
態では、圧電振動子として周波数温度特性に優れる水晶振動子を例示して説明する。図１
、図２において、水晶振動子１０は、水晶振動片２０の表面に複数の電極５１〜５４，５
６〜５９と、圧電体薄膜素子１００，１０１と、を有して構成されている。
【００２７】
水晶振動片２０は、基部２１の一辺から、Ｙ軸方向に平行に延在された一対の振動腕３
０，４０を有した音叉型振動子である。振動腕３０，４０は、中心線Ｃ0に対して対称形
である。また、水晶振動片２０は、結晶軸方向をＸ軸方向にして切り出されたＺ板である
。なお、本実施形態は、水晶振動片２０を、厚さ方向がＸ軸のＸ板としても適合できる。
【００２８】
振動腕３０，４０それぞれは、最上面２２，２３，２４から凹部２５，２６を形成する
ことによって、アーム部３５，４５と付加質量部３６，４６とが形成される。図１では、
付加質量部３６，４６の最上面２２，２３と基部２１の最上面２４とは同一平面である。
【００２９】
アーム部３５，４５は、凹部２５，２６の底部であって、付加質量部３６，４６よりも
薄い振動部である。そして、アーム部３５，４５それぞれの裏面３２，４２は、付加質量
部３６，４６及び基部２１の裏面と同一平面内にある。
【００３０】
つまり、アーム部３５，４５は、水晶基板の上面側から凹部２５，２６を穿設すること
によって形成される。凹部２５，２６は、基部２１とアーム部３５，４５との接続部から
基部２１の内側までの領域にわたって形成されている。これは、振動腕３０，４０の振動
の節部の領域が接続部の基部２１の内側に存在するため、この節部領域をアーム部３５，
４５と同じ厚さの範囲として、接続部における応力集中を減じている。
【００３１】
なお、凹部２５，２６の形成方法としては、水晶振動片２０がＺ板の場合には、ウエッ
トエッチング法を採用し、Ｘ板の際には、ドライエッチング法、レーザ加工、機械加工等
を採用する。
【００３２】
アーム部３５には、表面３１を２分して、アーム部３５の中心線Ｃ1に対して結晶軸方
向（振動腕の内側方向）に圧電体薄膜７１、外側方向に電極５１が形成され、表面３１に
対向する裏面３２に電極５３が形成されている。なお、電極５３は、圧電体薄膜７１及び
電極５１にそれぞれ対向するように２分割する構成としてもよく、省略することもできる
。
【００３３】
また、アーム部３５の外側側面３３には電極５２が、内側側面３４には電極５４が形成
されている。さらに、圧電体薄膜７１の表面には圧電体励振電極５５（以降、単に電極５
５と表す）が形成されている。
【００３４】
アーム部４５には、表面４１を２分して、アーム部４５の中心線Ｃ2に対して結晶軸方
向（振動腕の外側方向）に圧電体薄膜７２、内側方向に電極５６が形成され、裏面４２に
電極５８が形成されている。なお、電極５８は、圧電体薄膜７２及び電極５６に対向する
ように２分割する構成としてもよく、省略してもよい。
【００３５】
また、アーム部４５の外側側面４３には電極５９が、内側側面４４には電極５７が形成
されている。さらに、圧電体薄膜７２の表面には圧電体励振電極６０（以降、単に電極６
０と表す）が形成されている。
【００３６】
圧電体薄膜７１，７２の材質としては、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＰＺＴ（登録商標）
、ＫＮ、ＬＮ、ＬＴ等から選択することができ、本実施形態では、水晶よりも誘電率が大
きく、しかもその差が大きい材料、ヤング率が大きい材料、電気機械結合係数Ｋ2が大き
い材料を選択する。
【００３７】
電極５５，５１，５３，５７，５９及び接続端子９３は、接続電極９１によって接続さ
れる。また、これらの電極とは互いに異極となる電極５２，５４，５８，６０，５６及び
接続端子９４は、接続電極９２によって接続されている。そして、接続端子９３，９４に
それぞれ互いに逆相の交流電圧を印加することで、振動腕３０，４０がＸ軸方向に屈曲振
動する。従って、電極５１〜６０は、水晶振動片２０の励振電極である。
【００３８】
図３は、水晶振動子を特定の振動モードで励振する発振回路に接続した状態を示す等価
回路図である。図３において、発振器８０は、増幅回路８１と帰還回路８２とを含んでい
る。
【００３９】
増幅回路８１は、増幅器８３と帰還抵抗８４とを含んで構成されている。帰還回路８２
は、ドレイン抵抗８５とコンデンサ８６，８７と水晶振動子１０を含んで構成されている
。水晶振動子１０は、水晶振動片２０と圧電体薄膜素子１００，１０１とが直列に接続さ
れている（図２も参照する）。
【００４０】
ここで、増幅器８３はＣＭＯＳインバータを用いることができる。このような構成によ
り、水晶振動片２０と圧電体薄膜素子１００，１０１とが同一振動モードで振動する発振
器８０を形成することができる。
【００４１】
続いて、本実施形態に係る水晶振動子の駆動について図面を参照して説明する。
図４は、水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図である。なお、図４（ａ）は、
図１のＡ−Ａ切断面に相当する形状を表している。
図４（ａ）を参照して第１の状態を説明する。電極５１，５３，５５，５７，５９には
マイナス（−）電位を印加し、電極５２，５４，５６，５８，６０にはプラス（＋）電位
を印加する。ここで、振動腕３０，４０の水晶の結晶軸方向を矢印Ｄで表し、圧電体薄膜
７１，７２の分極方向を矢印Ｐ0で表している。
【００４２】
まず、アーム部３５について説明すると、圧電体薄膜７１は、電極５５と電極５４によ
って挟まれた（水晶を一部介在する）圧電体薄膜素子１００が形成された状態であり、電
極５５にマイナス電位、電極５４にプラス電位を印加すると厚さ（Ｚ軸）方向に縮み、幅
（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に伸びる。
【００４３】
従って、圧電体薄膜素子１００は、水晶の結晶軸方向の偏った位置に設けられているた
めに、アーム部３５を矢印Ｆ1方向に変位しようとする。アーム部３５は、電極それぞれ
に電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が発生し、やはり矢印Ｆ1方向に変位しようとする
ため、振動腕３０は圧電体薄膜素子１００と共に、矢印Ｆ1方向に変位する。
【００４４】
次に、アーム部４５について説明する。圧電体薄膜７２は、電極６０と電極５９によっ
て挟まれた（水晶を一部介在する）圧電体薄膜素子１０１が形成された状態であり、電極
６０にプラス電位、電極５９にマイナス電位を印加すると厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（
Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に縮む。
【００４５】
従って、圧電体薄膜素子１０１は、水晶の結晶軸方向の偏った位置に設けられているた
めに、アーム部４５を矢印Ｆ2方向に変位しようとする。アーム部４５は、電極それぞれ
に電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が発生し、やはり矢印Ｆ2方向に変位しようとする
ため、振動腕４０は圧電体薄膜素子１０１と共に、矢印Ｆ2方向に変位する。
このようにして、振動腕３０，４０（アーム部３５，４５）は共に、図４（ｂ）に示す
ように外側方向（矢印Ｆ1，Ｆ2方向）に変位する。
【００４６】
次に、図５（ａ），（ｂ）を参照して第２の状態を説明する。第２の状態は、上述した
第１の状態に対して、各電極に逆相の電圧を印加した状態を示している。つまり、電極５
１，５３，５５，５７，５９にはプラス（＋）電位を印加し、電極５２，５４，５６，５
８，６０にはマイナス（−）電位を印加する。
【００４７】
まず、アーム部３５について説明する。電極５５にプラス電位、電極５４にマイナス電
位を印加すると、圧電体薄膜７１は厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（
Ｙ軸）方向に縮む。
【００４８】
なお、アーム部３５，４５は、水晶振動片２０の最上面２２〜２４側に設ける構造とし
てもよく、この場合、裏面側から凹部を穿設する。
【００４９】
従って、圧電体薄膜素子１００は、アーム部３５を矢印Ｆ3方向に変位しようとする。
アーム部３５は、電極それぞれに電圧を印加すると第１の状態（図４（ａ）、参照）とは
逆方向に電界が発生し、やはり矢印Ｆ3方向に変位しようとするため、振動腕３０は圧電
体薄膜素子１００と共に、矢印Ｆ3方向に変位する。
【００５０】
次に、アーム部４５について説明する。電極６０にマイナス電位、電極５９にプラス電
位を印加すると、圧電体薄膜７２は厚さ（Ｚ軸）方向に縮み、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（
Ｙ軸）方向に伸びる。従って、圧電体薄膜素子１０１は、矢印Ｆ4方向に変位しようとす
る。アーム部４５は、電極それぞれに電圧を印加すると第１の状態（図４（ａ）、参照）
とは逆方向に電界が発生し、やはり矢印Ｆ4方向に変位しようとするため、振動腕４０は
圧電体薄膜素子１０１と共に、矢印Ｆ4方向に変位する。
【００５１】
上述した第１の状態と第２の状態を繰り返す（つまり、交流電圧を印加する）と振動腕
３０，４０は、Ｘ軸方向に屈曲振動を繰り返す。
【００５２】
なお、上述した実施形態１では、圧電体薄膜素子１００，１０１をアーム部３５，４５
のそれぞれの表面３１，４１に設ける構造を例示したが、圧電体薄膜素子１００，１０１
を、裏面３２，４２それぞれに形成する構造としてもよい。この際、電極５１と電極５３
、電極５６と電極５８とを入れ替える構成とする。
【００５３】
ここで、発振回路における消費電力に影響を与える水晶振動子１０のコンデンサ容量に
ついて考察する。水晶振動子１０の総コンデンサ容量Ｃは、誘電体の面積Ｓ、厚さ（電極
間距離）ｄ、誘電率をεとすれば、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで表される。圧電体薄膜７１，７２の
誘電率εｚ、水晶の誘電率εｑの関係は、それぞれの材料をεｚ≫εｑ、圧電体薄膜７１
，７２の厚さｄｚと水晶振動片２０の厚さｄｑの関係を、ｄｑ≫ｄｚとなるように設定し
ている。従って、水晶振動片２０のコンデンサ容量Ｃｑと圧電体薄膜７１，７２のコンデ
ンサ容量Ｃｚの関係は、Ｃｚ≫Ｃｑとなる。
【００５４】
本実施形態では、発振器８０の等価回路において、水晶振動片２０と圧電体薄膜素子１
００，１０１とを直列に接続している。従って、水晶振動子１０の総コンデンサ容量Ｃは
、１／Ｃ＝１／Ｃｑ＋１／Ｃｚで表される。ここで、Ｃｚ≫Ｃｑとしているため、Ｃ≒Ｃ
ｑと考えることができる。このことから、水晶振動子１０の総コンデンサ容量Ｃを小さく
することができ、消費電力を増加させずに、水晶振動子の小型化を実現できる。
【００５５】
続いて、振動腕３０，４０の先端部に付加質量を設けることの意味について説明する。
図６は、水晶振動片の形状及びサイズについて模式的に表す平面図である。図６におい
て、（ａ）は、従来の標準的な低周波（３２ＫＨｚ）の水晶振動片２０を例示している。
振動腕３０，４０の長さＬ1は２２８０μｍ、振動腕３０，４０の幅Ｄ1は２１７μｍ、厚
さは１００μｍである。また、振動腕３０，４０には、ＺｎＯからなる圧電体薄膜素子１
００，１０１が設けられている。圧電体薄膜素子１００，１０１を構成する圧電体薄膜７
１，７２の厚さは１μｍである。
【００５６】
この水晶振動片２０の振動のしやすさを表す性能指数Ｍａは、Ｍａ≒Ｋ2・Ｑで表され
る。なお、ＱはＱ値であって、ここではＱ＝７５０００であり、性能指数Ｍａ＝４０が導
き出される。
【００５７】
（ｂ）に、（ａ）に示す標準的な水晶振動片２０を周波数を同じにして単純に小型化し
た例を示している。（ｂ）における振動腕３０，４０の長さＬ２は８００μｍ、幅Ｄ2は
２７μｍ、厚さ１００μｍとし、ＺｎＯからなる圧電体薄膜素子１００，１０１が設けら
れている。なお、Ｑ＝３００００とすると、（ｂ）に示す水晶振動片２０の性能指数Ｍｂ
は、Ｍｂ＝１３で表される。
【００５８】
（ａ）と（ｂ）で表される水晶振動子の性能指数を比較すると、Ｍａ＞Ｍｂとなり、単
純に小型化すると性能指数は約１／３となるため、実使用には向かないことを示している
。
【００５９】
次に、（ｂ）で表されるサイズで、薄いアーム部３５，４５と付加質量部３６，４６と
が設けられる本実施形態による水晶振動子について説明する。
図６（ｃ）は、本実施形態による水晶振動子を示している。アーム部３５，４５の長さ
Ｌ2を８００μｍ，幅Ｄ2を２７μｍ、厚さを１００μｍとし、ＺｎＯからなる圧電体薄膜
素子１００，１０１が設けられている。圧電体薄膜素子１００，１０１の厚さは１μｍで
ある。Ｑ＝３００００とすると、（ｃ）に示す水晶振動片２０の性能指数Ｍｃは、Ｍｃ＝
６４で表される。
【００６０】
図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示す各水晶振動子の性能指数を比較するとＭｃ
＞Ｍａ＞Ｍｂとなり、水晶振動子を小型化しても性能指数Ｍｃが従来の標準サイズ（図６
（ａ）に示す）の性能指数Ｍａよりも大きくなり、振動しやすいことを示している。
【００６１】
従って、前述した実施形態１によれば、振動腕３０，４０（つまり、アーム部３５，４
５）の先端部に付加質量部３６，４６を備え、アーム部３５，４５を薄くすることにより
、同じ周波数帯域であれば、振動腕３０，４０の長さを短くすることができる。また、付
加質量部３６，４６は、アーム部３５，４５に対し厚さを厚くすることで付加質量として
おり、アーム部３５，４５から幅方向に突出する部位がないため、平面形状においても小
型化することができる。
【００６２】
また、アーム部３５，４５が、振動腕３０，４０それぞれの表面３１，４１または裏面
３２，４２のどちらか一方に設けられる凹部２５，２６の底部によって形成している。従
って、アーム部３５，４５の厚さが一方向側からの加工（具体的には、ウエットエッチン
グ法、ドライエッチング法、レーザ加工、機械加工等）により精度よく加工できるので、
高精度な周波数のつくり込みができる。
【００６３】
また、アーム部３５，４５は、凹部２５，２６により形成するため、アーム部３５，４
５と基部２１との接続部の厚さに差が生じるが、凹部２５，２６が振動の節部を含む領域
の範囲にわたっていることにより応力集中による振動への影響や、耐衝撃性の劣化を低減
することができる。
【００６４】
また、本実施形態では、圧電振動片として水晶振動子を採用している。水晶振動子は、
他の圧電性材料からなる圧電振動子よりも周波数温度特性に優れているという特長を有し
ている。
【００６５】
また、圧電体薄膜素子１００，１０１と水晶振動片２０とを直列に接続し、水晶振動片
２０と圧電体薄膜素子１００，１０１とを同一励振信号で励振することから、水晶振動片
２０と圧電体薄膜素子１００，１０１とが相互に振動を補完し合うことによって、低周波
領域において水晶振動子の小型化を実現できる。
【００６６】
また、水晶振動片２０と圧電体薄膜素子１００，１０１とを直列に接続していることか
ら、水晶振動子１０のコンデンサ容量を小さくすることができ、このことから消費電力を
増加させずに、水晶振動子の小型化を図ることができる。
【００６７】
さらに、圧電体薄膜素子１００，１０１の電気機械結合係数Ｋ2を、水晶振動片２０の
電気機械結合係数よりも大きく設定している。従って、圧電体薄膜素子１００，１０１の
電気機械結合係数を水晶よりも大きくすることで、圧電体薄膜素子１００，１０１の性能
指数Ｍが高く、振動しやすくなるので、圧電体薄膜７１，７２により水晶振動片２０の振
動を高効率化することができる。
（実施形態２）
【００６８】
続いて、本発明に係る実施形態２について図面を参照して説明する。実施形態２は、ア
ーム部の表裏両面それぞれに圧電体薄膜素子を形成しているところに特徴を有している。
従って、実施形態１との相違部分を中心に説明し、同じ部位には同じ符号を附している。
図７は、実施形態２に係る水晶振動子の構成を示す断面図及び各電極の接続説明図であ
る。図７において、アーム部３５の裏面３２には、圧電体薄膜素子１００に対向して圧電
体薄膜素子１０２が形成されている。
【００６９】
圧電体薄膜素子１０２の構成は、圧電体薄膜素子１００と同じであり、アーム部３５の
裏面３２から圧電体薄膜７３、圧電体励振電極６１（以降、単に電極６１と表す）の順に
積層形成され、電極５１に対向して電極５３が形成されている。従って、圧電体薄膜７３
は、電極６１，５４によって挟まれた圧電体薄膜素子１０２を構成する。
【００７０】
一方、アーム部４５の裏面４２には、圧電体薄膜素子１０１に対向して圧電体薄膜素子
１０３が形成され、電極５６に対向して電極５８が形成されている。従って、圧電体薄膜
７４は、圧電体励振電極６２（以降、単に電極６２と表す）、電極５９によって挟まれた
圧電体薄膜素子１０３を構成する。
なお、圧電体薄膜７１〜７４は実施形態１と同様な材料であり、厚さ、平面形状も同じ
とする。
【００７１】
次に、水晶振動子１０の駆動について説明する。
図８は、水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図である。なお、図８（ａ）は、
図１のＡ−Ａ切断面に相当する位置を表している。図８において、電極５１，５３，５５
，５７，５９，６１にはマイナス（−）電位を印加し、電極５２，５４，５８，６２，６
０，５６にはプラス（＋）電位を印加する。
【００７２】
まず、アーム部３５について説明する。圧電体薄膜７１，７３は、電極５５，６１にマ
イナス電位、電極５４にプラス電位を印加すると厚さ（Ｚ軸）方向に縮み、幅（Ｘ軸）方
向及び長さ（Ｙ軸）方向に伸びる。
【００７３】
従って、圧電体薄膜素子１００，１０２は、アーム部３５の水晶の結晶軸方向に偏った
位置に設けられていることから、それぞれ同じようにアーム部３５を矢印Ｆ1方向に変位
しようとする。アーム部３５は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が発
生し、やはり矢印Ｆ1方向に変位しようとするため、振動腕３０は圧電体薄膜素子１００
，１０２と共に、矢印Ｆ1方向に変位する。
【００７４】
次に、アーム部４５について説明する。圧電体薄膜７２は、電極６０にプラス電位、電
極５９にマイナス電位を印加すると厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（
Ｙ軸）方向に縮む。
【００７５】
また、圧電体薄膜７４は、電極５９にマイナス電位、電極６２にプラス電位を印加する
と厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に縮む。
【００７６】
従って、圧電体薄膜素子１０１，１０３は、アーム部４５の水晶の結晶軸方向に偏った
位置に設けられていることから、それぞれ同じようにアーム部４５を矢印Ｆ2方向に変位
しようとする。アーム部４５は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が発
生し、やはり矢印Ｆ2方向に変位しようとするため、振動腕４０は圧電体薄膜素子１０１
，１０３と共に、矢印Ｆ2方向に変位する。
このようにして、振動腕３０，４０は、図８（ｂ）に示すように外側方向（矢印Ｆ1，
Ｆ2方向）に変位する。
【００７７】
次に、図７，８で示した状態に対して各電極に逆相の電位を印加した場合について説明
する。図示は省略するが、電極５２，５４，５８，６２，６０，５６にはマイナス電位、
電極５１，５３，６１，５５，５７，５９にはプラス電位の電圧を印加する。こうするこ
とで、圧電体薄膜７１〜７４の伸縮方向が図８に表す状態とは逆方向となり、アーム部３
５，４５は図８（ａ）にて表す矢印Ｆ3，Ｆ4方向に変位する。
従って、接続端子９３，９４に交流電圧を印加することで、振動腕３０，４０は図８（
ｂ）に表すようにＸ軸方向に屈曲振動を継続する。
【００７８】
従って、上述したように、アーム部３５，４５それぞれの表裏両面に圧電体薄膜７１，
７３、及び圧電体薄膜７２，７４を設けることにより、水晶振動片２０と圧電体薄膜素子
１００〜１０３とが、より一層強く相互に振動を補完し合うことができる。また、表面、
裏面のどちらか一方に圧電体薄膜を形成する実施形態１の場合よりも振動バランスをとる
ことができ、捩れ等の不要振動を低減することができる。
（実施形態３）
【００７９】
次に、本発明の実施形態３について図面を参照して説明する。実施形態３は、前述した
実施形態２に対して、アーム部の側面にも圧電体薄膜素子を設けていることに特徴を有し
ている。従って、実施形態２との相違部分を中心に説明し、共通部位には実施形態２と同
じ符号を附している。
図９は、実施形態３に係る水晶振動子の構成を示す断面図及び各電極の接続説明図であ
る。図９において、アーム部３５の外側側面３３には、圧電体薄膜素子１０４が形成され
ている。
【００８０】
圧電体薄膜素子１０４の構成は、圧電体薄膜素子１００〜１０３と同じであり、アーム
部３５の外側側面３３から圧電体薄膜７５、圧電体励振電極６３（以降、単に電極６３と
表す）の順に積層形成されている。従って、圧電体薄膜７５は、電極６３と電極５１，５
３によって挟まれた圧電体薄膜素子１０４を構成する。
【００８１】
一方、アーム部４５の内側側面４４には、圧電体薄膜素子１０５が形成されている。圧
電体薄膜素子１０５の構成は、圧電体薄膜素子１０４と同じであり、アーム部４５の内側
側面４４から圧電体薄膜７６、圧電体励振電極６４（以降、単に電極６４と表す）の順に
積層形成されている。従って、圧電体薄膜７６は、電極６４と電極５６，５８によって挟
まれた圧電体薄膜素子１０５を構成する。
なお、圧電体薄膜７１〜７６は実施形態１、実施形態２と同様な材料とし、厚さ、平面
形状も同じとする。
【００８２】
次に、水晶振動片２０の駆動について説明する。
図１０は、水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図である。図１０（ａ）におい
て、電極５１，５３，５５，６１，５９，６４にはマイナス（−）電位を印加し、電極５
４，６３，５８，６２，６０，５６にはプラス（＋）電位を印加する。
【００８３】
まず、アーム部３５について説明すると、圧電体薄膜７１，７３の伸縮は、前述した実
施形態３と同じであり、厚さ（Ｚ軸）方向に縮み、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向
に伸びる。
【００８４】
また、圧電体薄膜７５は、電極５１，５３にマイナス電位、電極６３にプラス電位を印
加すると厚さ（Ｚ軸）方向に縮み、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に伸びる。
【００８５】
従って、圧電体薄膜素子１００，１０２，１０４は、アーム部３５を矢印Ｆ1方向に変
位しようとする。アーム部３５は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が
発生し、やはり矢印Ｆ1方向に変位しようとするため、振動腕３０は圧電体薄膜素子１０
０，１０２，１０４と共に、矢印Ｆ1方向に変位する。
【００８６】
次に、アーム部４５について説明する。圧電体薄膜７２，７４の伸縮は、前述した実施
形態３と同じであり、厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に
縮む。
【００８７】
また、圧電体薄膜７６は、電極６４にマイナス電位、電極５６，５８にプラス電位を印
加すると厚さ（Ｚ軸）方向に伸び、幅（Ｘ軸）方向及び長さ（Ｙ軸）方向に縮む。
【００８８】
従って、圧電体薄膜素子１０１，１０３，１０５は、アーム部４５を矢印Ｆ2方向に変
位しようとする。アーム部４５は、電極それぞれに電圧を印加すると矢印Ｅ方向に電界が
発生し、やはり矢印Ｆ2方向に変位しようとするため、振動腕４０は圧電体薄膜素子１０
１，１０３，１０５と共に、矢印Ｆ2方向に変位する。
このようにして、振動腕３０，４０は、図１０（ｂ）に示すように外側方向（矢印Ｆ1
，Ｆ2方向）に変位する。
【００８９】
次に、図１０（ａ）で示した状態に対して各電極に逆相の電位を印加する。図示は省略
するが、電極５１，５３，６１，５５，５９，６４にはプラス電位、電極５４，６３，５
６，５８，６２，６０にはマイナス電位の電圧を印加する。こうすることで、圧電体薄膜
７１〜７６の伸縮方向が図１０（ａ）に表す方向とは逆方向となり、アーム部３５，４５
は矢印Ｆ3，Ｆ4方向に変位する。
従って、接続端子９３，９４に交流電圧を印加することで、振動腕３０，４０は図１０
（ｂ）に示すようにＸ軸方向に屈曲振動を継続する。
【００９０】
従って、上述した実施形態３によれば、水晶の厚さ方向（Ｚ軸方向、アーム部３５，４
５の側面）にも圧電体薄膜７５，７６を設けることにより、さらに強く相互に振動を補完
し合うことができ、水晶振動子１０の振動効率を高めることができる。
（実施形態４）
【００９１】
続いて、本発明の実施形態４について図面を参照して説明する。前述した実施形態１，
では圧電体薄膜素子１００，１０１、実施形態２では圧電体薄膜素子１００〜１０３、実
施形態３では圧電体薄膜素子１００〜１０５をそれぞれ備えている。
【００９２】
しかしながら、圧電体薄膜素子を設けることにより、水晶振動片２０の中心線Ｃ0に対
して振動腕３０と振動腕４０との質量バランス、あるいは、振動腕３０，４０それぞれの
中心線Ｃ1，Ｃ2に対する質量バランスがくずれることがある。そのことによって僅かであ
るが振動バランスがくずれることが考えられる。実施形態４では、そのような課題を解決
するためにバランス質量を付加することを特徴としている。なお、実施形態１〜実施形態
３と同じ部位には同じ符号を附している。また、バランス質量としては、圧電体薄膜と同
材質のものを採用する。
【００９３】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、実施形態４に係る水晶振動子を示す断面図である。
図１１（ａ）は、前述した実施形態１（図２、参照）にて説明した構造に対してバラン
ス質量を付加した例を示している。図１１（ａ）において、アーム部３５には、中心線Ｃ
1に対して圧電体薄膜素子１００と対称となるバランス質量７７ａが設けられている。つ
まり、バランス質量７７ａは、電極５５と圧電体薄膜７１の質量総和が、バランス質量７
７ａと電極５１の質量総和と等しい。従って、振動腕３０内において中心線Ｃ1に対して
質量バランスがとれる。
【００９４】
アーム部４５においても同様に、バランス質量７７ｂを設けることにより、付加された
バランス質量７７ｂと電極５６との積層体の質量総和は、圧電体薄膜７２と電極６０の積
層体の質量総和と等しく中心線Ｃ2に対して対称となり、振動腕４０内において質量バラ
ンスがとれている。
【００９５】
このように、バランス質量７７ａ，７７ｂを設けることにより、振動腕３０，４０が、
中心線Ｃ0に対しても質量バランスがとれ、振動バランスをとることができる。
【００９６】
図１１（ｂ）は、前述した実施形態２（図７、参照）に対してバランス質量を付加した
例を示している。実施形態２は、振動腕３０，４０の表裏両面それぞれに、圧電体薄膜素
子１００，１０２、圧電体薄膜素子１０１，１０３が設けられている構造である。図１１
（ｂ）では、アーム部３５には中心線Ｃ1に対して圧電体薄膜素子１００，１０２に対称
なバランス質量７７ａ，７８ａを設け、アーム部４５には中心線Ｃ2に対して圧電体薄膜
素子１０１，１０３に対称となるバランス質量７７ｂ，７８ｂを設けている。
【００９７】
このようにバランス質量７７ａ，７７ｂ及びバランス質量７８ａ，７８ｂを設けること
により、アーム部３５及びアーム部４５内において中心線Ｃ1，Ｃ2に対して質量バランス
がとれると共に、中心線Ｃ0に対して振動腕３０と振動腕４０との質量バランスがとれ、
そのことにより振動バランスがとれる。
【００９８】
図１１（ｃ）は、前述した実施形態３（図９、参照）に対してバランス質量を付加した
例を示している。実施形態３は、振動腕３０の表裏両面と側面それぞれに圧電体薄膜素子
１００，１０２，１０４が設けられている構造である。図１１（ｃ）では、アーム部３５
には中心線Ｃ1に対して圧電体薄膜素子１００，１０２，１０４それぞれに対称なバラン
ス質量７７ａ，７８ａ，７９ａを設ける。
【００９９】
また、アーム部４５の表裏両面と側面それぞれには、圧電体薄膜素子１０１，１０３，
１０５が設けられている構造であるので、中心線Ｃ2に対して圧電体薄膜素子１０１，１
０３，１０５それぞれに対称なバランス質量７７ｂ，７８ｂ，７９ｂを設けている。
【０１００】
このようにバランス質量７７ａ，７７ｂ及びバランス質量７８ａ，７８ｂ及びバランス
質量７９ａ，７９ｂを設けることにより、アーム部３５及びアーム部４５内において中心
線Ｃ1，Ｃ2に対する質量バランスがとれると共に、中心線Ｃ0に対して振動腕３０と振動
腕４０との質量バランスがとれ、そのことにより振動バランスがとれる。
【０１０１】
従って、上述した実施形態４によれば、圧電体薄膜素子１００〜１０５それぞれに対応
したバランス質量７７ａ，７７ｂ，７８ａ，７８ｂ，７９ａ，７９ｂを付加することによ
り、振動腕３０，４０の振動バランスをとり、高精度な振動特性を得ることができる。
また、バランス質量を圧電体薄膜と同材質で形成すれば、圧電体薄膜と同じ装置でバラ
ンス質量を構成することができるので、高精度のバランス質量を付加することができる。
（実施形態５）
【０１０２】
続いて、本発明に係る実施形態５について図面を参照して説明する。実施形態５は、前
述した実施形態１〜実施形態４に設けられる圧電体薄膜の上面に温度補償膜を設けている
ことに特徴を有している。温度補償膜の構成と機能を中心に説明する。実施形態１にて説
明した水晶振動子を基本とする構造を例示して説明する。
図１２は、実施形態５に係る水晶振動子の構造及び駆動について模式的に示す説明図で
ある。なお、図１２は、図１のＡ−Ａ切断面に相当する形状を表している。
【０１０３】
図１２（ａ）において、圧電体薄膜７１，７２の上面それぞれには、電極５５、６０が
設けられ、電極５５，６０の上面それぞれには、温度補償膜１１０，１１１が設けられて
いる。従って、温度補償膜１１０，１１１は、電気的にはフローティングの状態であり、
圧電体薄膜素子１００，１０１の構成は、前述した実施形態１（図２、参照）と同じであ
る。
【０１０４】
また、図１２（ａ）は、各電極５１〜６０それぞれに図に示すような電位の電圧を因果
した第１の状態を示しており、アーム部３５，４５それぞれは、実施形態１（図４、参照
）と同じ方向（矢印Ｆ1，Ｆ2方向）に変位する。
【０１０５】
また、図１２（ａ）に示す第１の状態とは逆相の電圧を印加した第２の状態の場合は、
振動腕３０，４０それぞれは、実施形態１（図５、参照）と同様な方向（矢印Ｆ３，Ｆ４
方向）に変位する。
従って、温度補償膜１１０，１１１を設ける本実施形態の構造であっても、図１２（ｂ
）に示すようにＸ軸方向に屈曲振動を継続する。
【０１０６】
続いて、温度補償膜１１０，１１１について説明する。
図１３は、温度補償膜１１０，１１１の温度と一次の周波数温度変化量との関係、つま
り、一次温度係数を模式的に表すグラフである。ここで、圧電体薄膜７１，７２の一次温
度係数は負の傾き（具体的には−４０ｐｐｍ／ｄｅｇ）を有している。従って、温度補償
膜１１０，１１１の一次温度係数を正の傾き（具体的には＋４０ｐｐｍ／ｄｅｇ）にすれ
ば、圧電体薄膜の温度に対する一次の周波数温度変化量ｆｄ／ｆ“０”にすることが可能
となる。
【０１０７】
次に、圧電体薄膜７１，７２の一次温度係数が水晶振動子に与える影響について説明す
る。
図１４は、水晶振動子の温度変化に対する周波数変化量（周波数温度特性）を模式的に
表すグラフである。図１４において、水晶振動子１０の周波数温度特性（図中、実線で表
す）は、頂点温度Ｔ0とする二次曲線で表される。ここで、水晶振動子１０に圧電体薄膜
７１，７２を付加したときに、周波数温度特性は、頂点温度Ｔ0がマイナス方向に移動し
て頂点温度Ｔ1を有する二次曲線（図中、破線で表す）で表される。従って、本来の水晶
振動子周波数温度特性（頂点温度Ｔ0の二次曲線）に補償する必要が生じ、温度補償膜１
１０，１１１を設ける。なお、温度補償膜の一次温度係数は、材質とその膜厚さによって
変化する。
【０１０８】
図１５は、水晶振動片２０に温度補償膜１１０，１１１を設けたときの温度補償膜の膜
厚さｈと一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆの関係を表すグラフである。ここでは、温度補
償膜１１０，１１１の材質を酸化シリコン（ＳｉＯ2）とする。図１５において、温度補
償膜１１０、１１１の膜厚さｈが増加するに従い一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが増加
する。従って、一次の周波数温度変化量が“０”となる膜厚さｈ（具体的には５５０ｎｍ
近傍）とすれば、圧電体薄膜７１，７２の一次温度係数の影響を排除することができ、図
１４に示す頂点温度Ｔ0の周波数温度特性を得ることができる。
【０１０９】
本実施形態では、圧電振動片として水晶振動子を採用し、圧電体薄膜７１，７２の表面
に、圧電体薄膜７１，７２とは逆の一次温度係数を有する温度補償膜１１０，１１１を設
けることによって、圧電体薄膜７１，７２の一次温度係数を打ち消すため、水晶振動片２
０の振動を補完するために設ける圧電体薄膜７１，７２を有する構造であっても、水晶振
動子１０が本来有する優れた周波数温度特性を活用することができる。
（実施形態６）
【０１１０】
続いて、本発明の実施形態６に係る水晶振動子について図面を参照して説明する。実施
形態６は、前述した実施形態５に対して、温度補償膜を圧電体薄膜と電極との間に設ける
ことを特徴としている。従って、相違部分を中心に説明し、実施形態１と同じ符号を附し
て説明する。
図１６は、実施形態６に係る水晶振動子の断面図（図１のＡ−Ａ切断面に相当する）及
び各電極の接続説明図である。図１６において、アーム部３５の表面３１には圧電体薄膜
７１、圧電体薄膜７１の表面に温度補償膜１１０、温度補償膜１１０の上面に電極５５が
設けられている。
【０１１１】
従って、圧電体薄膜７１と温度補償膜１１０とは積層された状態でアーム部３５の一部
を介在して電極５５と電極５４との間に挟まれた圧電体薄膜素子１００を構成している。
【０１１２】
また、アーム部４５の表面４１には圧電体薄膜７２、圧電体薄膜７２の表面に温度補償
膜１１１、温度補償膜１１１の上面に電極６０が設けられている。
【０１１３】
従って、圧電体薄膜７２と温度補償膜１１１とは積層された状態でアーム部４５の一部
を介在して電極６０と電極５９との間に挟まれた圧電体薄膜素子１０１を構成している。
【０１１４】
なお、電極５１〜６０及び接続端子９３，９４の接続は、前述した実施形態１と同様に
行われており、接続端子９３，９４に交流電圧を印加することで、振動腕３０，４０が屈
曲振動する。
【０１１５】
次に、温度補償膜１１０，１１１それぞれが電極５５，６０と圧電体薄膜７１，７２の
間に設けられる実施形態６の構成による温度補償について説明する。このような構成にお
いても温度補償膜１１０，１１１の一次温度係数は、材質とその膜厚さによって変化する
。
【０１１６】
図１７は、水晶振動片２０に温度補償膜１１０，１１１を設けたときの温度補償膜の膜
厚さｈと一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆの関係を表すグラフである。ここでは、温度補
償膜１１０の材質を酸化シリコン（ＳｉＯ2）とする。なお、実施形態５の構成との比較
を表している。図１７において、温度補償膜１１０，１１１の膜厚さｈが増加するに従い
一次の周波数温度変化量が増加する。
【０１１７】
ここで、実施形態６の構成（上層から電極−温度補償膜−圧電体薄膜の構成）では、実
施形態５の構成（上層から温度補償膜−電極−圧電体薄膜の構成）よりも、膜厚さｈに対
して一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが敏感に変化する。そして、一次の周波数温度変化
量が“０”となる膜厚さｈ（具体的には５０ｎｍ近傍）とすれば、圧電体薄膜７１，７２
の一次温度係数の影響を排除することができることを示している。
【０１１８】
図１７を参照して実施形態５と実施形態６の構成による特性の相違を比較する。実施形
態５によれば、膜厚さｈに対して一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが鈍感であり、膜厚さ
ｈが変化しても一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが小さいので、量産安定性に優れるとい
う特長がある。
【０１１９】
また、実施形態６によれば、膜厚さｈに対して一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが敏感
であり、膜厚さｈも５０ｎｍと薄くてよい。従って、成膜時間が短縮できる他、成膜によ
る膜応力も小さくて済むため、圧電振動片の反り等の変形が発生しにくいという効果があ
る。
【０１２０】
また、実施形態５及び実施形態６による構造では共に温度補償膜１１０，１１１の膜厚
さｈを増減することで、図１７に示すように、一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆ（つまり
、一次温度係数）を調整することができる。
【０１２１】
なお、実施形態５及び実施形態６は、前述した実施形態１にて説明した水晶振動子を基
本とする構造を例示して説明したが、実施形態２及び実施形態３による水晶振動子の基本
構造にも温度補償膜を設ける構造が適合できる。また、実施形態４に示したようなバラン
ス質量を付加する構造にも適合できる。
【０１２２】
続いて、本発明の水晶振動子の製造方法について説明する。図１，２を参照する。まず
、大判の圧電基板としての水晶基板（水晶ウエハと呼称することがある）に、フォトリソ
グラフィ技術によって複数の水晶振動片２０を形成する。この際、水晶振動片２０の基部
２１の一部を水晶基板に接続しておく。次に、凹部２５，２６を穿設してアーム部３５，
４５を形成する。
【０１２３】
続いて、圧電体薄膜７１，７２を形成する。アーム部３５，４５それぞれの表面３１、
４１の所定位置に第１圧電体薄膜を形成する。第１圧電体薄膜の形成方法は、ＲＦスパッ
タリング法等のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法であ
てもよいし、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法であっ
てもよい。また、第１圧電体薄膜の厚さは、５ｎｍ〜１００ｎｍが好ましい。
【０１２４】
続いて、第１圧電体薄膜の熱処理を行い、熱処理後の第１圧電体薄膜を形成する。熱処
理は、ランプ加熱、レーザ光加熱であってもよいが、４００℃以下での熱処理は、温度管
理ができ温度を低温から上昇できる熱処理方法が好ましい。具体的には、より安定した温
度管理ができる熱処理炉、ホットプレート、真空チャンバ中での熱処理が好ましい。熱処
理後の第１圧電体薄膜は結晶化が進んだ状態である。
【０１２５】
続いて、熱処理後の第１圧電体薄膜上に第２圧電体薄膜を形成する。第２圧電体薄膜は
、結晶化が進んだ熱処理後の第１圧電体薄膜上において結晶生長する材料であればどのよ
うな圧電体薄膜でもよいが、本実施形態では、第１圧電体薄膜と同じ材料を採用している
。
【０１２６】
第２圧電体薄膜も、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等で形成することが可能で、その厚さは数μｍ
である。この第２圧電体薄膜は、熱処理後の第１圧電体薄膜を含めて圧電体薄膜７１、７
２となる。
【０１２７】
このようにして圧電体薄膜７１，７２を形成した後、電極５１〜６０を形成する。圧電
体薄膜７１，７２それぞれの上面に形成する電極５５，６０も他の電極と同時形成しても
よいし、別工程で形成してもよい。
【０１２８】
電極５１〜６０を形成した後、水晶基板をダイシング等で切断して、水晶振動子１０を
切り離し個片化して、水晶振動子を形成する。
【０１２９】
なお、圧電体薄膜７１，７２の形成方法としては、アーム部３５，４５それぞれの表面
３１，４１に金属薄膜を形成した後、圧電体薄膜を形成する方法がある。金属薄膜として
は、ＰｔまたはＴｉを単層で、あるいは、ＰｔとＴｉを積層したうえで、圧電体薄膜７１
，７２を形成する。金属薄膜を設けることにより、圧電体薄膜が良好な結晶性を有する。
【０１３０】
また、実施形態５の水晶振動子は、上述した圧電体薄膜７１，７２の上面の電極５１，
６０を形成した後に、温度補償膜１１０，１１１を形成する工程を追加する。
【０１３１】
また、実施形態６の水晶振動子は、圧電体薄膜７１，７２の上面に温度補償膜１１０，
１１１を形成した後、その上面に電極５１，６０を形成する工程とすればよい。
【０１３２】
なお、実施形態５及び実施形態６の温度補償膜１１０，１１１は、チャンバ内でＰＶＤ
法またはＣＶＤ法等の成膜法で形成する。この成膜工程の際、チャンバ内に周波数計測モ
ニタを備え、一次温度係数をモニタしながら、一次の周波数温度変化量が“０”になる膜
厚さｈに調整する。
【０１３３】
または、予め膜厚さｈを所定の厚さよりも厚く形成しておき、温度補償膜の表面をエッ
チング等により研削して一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが“０”になる膜厚さｈを得る
方法としてもよい。
【０１３４】
圧電体薄膜７１，７２の振動特性は、圧電体薄膜の結晶性が良好なほどよい。第１圧電
体薄膜を形成し、この第１圧電体薄膜を熱処理した後、熱処理された第１圧電体薄膜の表
面に、第１圧電体薄膜と同一材料の第２圧電体薄膜を形成して結晶性を改善している。そ
の結果、優れた振動性能を得ることができる。
【０１３５】
また、水晶基板の表面にＰｔまたはＴｉの少なくとも一方の金属薄膜を形成し、この金
属薄膜の表面に圧電体薄膜７１，７２を形成することで、圧電体薄膜７１，７２の結晶性
を高めることができる他、圧電体薄膜７１，７２と水晶振動片２０との密着性を高めるこ
とができるという効果がある。
【０１３６】
また、温度補償膜１１０，１１１の成膜工程の際、チャンバ内に周波数計測モニタを備
え、チャンバ内にて一次温度係数をモニタしながら、一次の周波数温度変化量ｄｆ／ｆが
“０”になる膜厚さｈを得る方法により、生産性が高い水晶振動子を実現できる。
（実施形態７）
【０１３７】
続いて、本発明の実施形態７に係る水晶振動子について図面を参照して説明する。実施
形態７は、アーム部を水晶振動片の厚さ方向の中央部に設けたことを特徴としている。圧
電体薄膜７１，７２と電極５１〜６０の構成は、実施形態１（図１，２、参照）を基本構
造としているため、相違点を中心に説明する。実施形態１と同じ部位には同じ符号を附し
ている。
図１８は、実施形態７に係る水晶振動子の斜視図、図１９は、図１８のＢ−Ｂ切断面を
示す断面図である。図１８，１９において、水晶振動子１０は、水晶振動片２０の最上面
及び最下面両方から凹部を穿設して、水晶振動片２０の厚さ方向の中央部に凹部の底部か
らなるアーム部３５，４５が形成される。
【０１３８】
そして、アーム部３５，４５それぞれの表面３１，４１に圧電体薄膜７１，７２が設け
られるとともに、表面３１，４１、裏面３２，４２、内側側面３４，４４、外側側面３３
，４３、圧電体薄膜７１，７２の上面それぞれに電極５１〜６０が設けられている。つま
り、アーム部３５，４５の厚さ方向の形状以外の構成は、実施形態１と同じ構成である。
【０１３９】
なお、本実施形態は、前述した実施形態２〜実施形態６にて説明した圧電体薄膜の構成
、温度補償膜の構成、質量バランスの構成それぞれに適合させることができる。また、各
電極の接続構造も同じであるため、実施形態１〜実施形態６と同様な屈曲振動を行う。
また、アーム部３５，４５の厚さは、実施形態１〜実施形態６と同じ厚さとしている。
【０１４０】
従って、実施形態７によれば、基部２１及び付加質量部３６，４６の厚さの中央に形成
される。このことから、アーム部３５，４５に対して付加質量部３６，４６の厚さ方向の
質量バランスがとれることから、振動腕に捩れ振動等の不要振動が発生しない。また、実
施形態５（図１１、参照）のようにバランス質量を付加することで平面方向においても質
量バランス（つまり、振動バランス）がとれるので、安定した振動を継続することができ
る。
【０１４１】
なお、本発明は前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成でき
る範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前述した実施形態１では、圧電体薄膜７１，７２をアーム部３５，４５のそれぞれの表
面３１，４１に形成する構造、及び圧電体薄膜７１，７２を裏面３２，４２に形成する構
造を説明したが、アーム部３５，４５の表面３１に圧電体薄膜７１を形成し、振動腕４０
の裏面４２に圧電体薄膜７２を形成してもよく、その逆にしてもよい。
【０１４２】
また、付加するバランス質量は圧電体薄膜と同材質を用いているが、バランス質量は、
中心線Ｃ0，Ｃ1，Ｃ2に対して質量バランス（つまり振動バランス）がとれれば、同材質
でなくてもよく、圧電体でなくてもよい。
【０１４３】
また、温度補償膜は、各圧電体薄膜に対応して設ける構造を例示して説明したが、温度
補償膜は、配設される圧電体薄膜の一部に設ける構造としてもよい。
【０１４４】
また、実施形態１〜実施形態７では、付加質量部３６，４６と基部２１を同じ厚さにし
ているが、例えば、付加質量部３６，４６をアーム部３５，４５よりも厚く、基部よりも
薄い範囲で、所望の振動特性が得られる厚さを選択することができる。さらに、アーム部
の厚さを基部全体の厚さとしてもよい。
また、実施形態７では、アーム部３５，４５を付加質量部３６，４６（または、基部２
１）の厚さ方向の中央部に設けているが、アーム部３５，４５は、表面側または裏面側の
偏った位置に配設しても、本発明の目的を達することができる。
【０１４５】
また、振動片に励振電極を設けずに、前述した圧電体薄膜素子の表裏に圧電体励振電極
を形成し、圧電体薄膜素子にて振動片を駆動する構造も採用できる。このような場合、コ
ンデンサ容量が増加し消費電流が増加することが考えられるが、入力電圧を高くすること
で駆動することができる。
【０１４６】
従って、前述した実施形態１〜実施形態７によれば、水晶振動片にアーム部と、その先
端にアーム部よりも厚い付加質量を設け、アーム部に圧電体薄膜素子を設けることにより
水晶振動子の小型化と低消費電力化を実現し、さらに温度補償膜を設けることにより、周
波数温度変化量が小さい高精度の水晶振動子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】本発明の実施形態１に係る圧電振動子の構造を示す斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ切断面を示す断面図及び各電極の接続説明図。
【図３】本発明の実施形態１に係る水晶振動子を特定の振動モードで励振する発振回路に接続した状態を示す等価回路図。
【図４】本発明の実施形態１に係る水晶振動子の駆動（第１の状態）について模式的に示す説明図。
【図５】本発明の実施形態１に係る水晶振動子の駆動（第２の状態）について模式的に示す説明図。
【図６】本発明の実施形態１に係る水晶振動片の形状及びサイズについて模式的に表す平面図。
【図７】本発明の実施形態２に係る水晶振動子の構成を示す断面図及び各電極の接続説明図。
【図８】本発明の実施形態２に係る水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図。
【図９】本発明の実施形態３に係る水晶振動子の構成を示す断面図及び各電極の接続説明図。
【図１０】本発明の実施形態３に係る水晶振動子の駆動について模式的に示す説明図。
【図１１】本発明の実施形態４に係る水晶振動子を示す断面図。
【図１２】本発明の実施形態５に係る水晶振動子の構造及び駆動について模式的に示す説明図。
【図１３】本発明の実施形態５に係る温度補償膜の温度と一次の周波数温度変化量との関係を模式的に表すグラフ。
【図１４】本発明の実施形態５に係る水晶振動子の温度変化に対する周波数変化量（周波数温度特性）を模式的に表すグラフ。
【図１５】本発明の実施形態５に係る水晶振動片に温度補償膜を設けたときの温度補償膜の膜厚さと一次の周波数温度変化量の関係を表すグラフ。
【図１６】本発明の実施形態６に係る水晶振動子の断面図及び各電極の接続説明図。
【図１７】本発明の実施形態６に係る水晶振動片に温度補償膜を設けたときの温度補償膜の膜厚さと一次の周波数温度変化量の関係を表すグラフ。
【図１８】本発明の実施形態７に係る水晶振動子を示す斜視図。
【図１９】本発明の実施形態７に係る水晶振動子を示す断面図。
【符号の説明】
【０１４８】
１０…水晶振動子、２０…水晶振動片、２１…基部、３０，４０…振動腕、３１，４１
…アーム部の表面、３５，４５…アーム部、３６，４６…付加質量部、５１〜６０…電極
、７１，７２…圧電体薄膜、１００，１０１…圧電体薄膜素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2008199440.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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