JP6424901B2 - 共振子 - Google Patents

Description

本発明は、共振子に関する。

いわゆる幅拡がり振動モードで振動する圧電共振子は、例えば矩形形状に広がる支持枠と、この支持枠内に配置された例えば矩形形状の振動部と、を備えている。振動部は、第１方向に並列に配置された例えば４つの振動領域を備えており、互いに隣接する振動領域に対して逆位相で電界が印加されることによって第１方向に伸縮を繰り返す伸縮振動が生じる。

振動部は、第１方向に直交する第２方向に延びる例えば２対の支持部によって支持枠に接続される。各対の支持部が、例えば第１方向の両端に配置された振動領域よりも内側の互いに隣接する内側の振動領域のそれぞれに接続される。各支持部は、ノード点すなわち変位最小点として規定される第１方向における各振動領域の中心線上の端部で、内側の各振動領域に接続される。

米国特許第７６３９１０５号明細書 特開２００８−２２８１９５号公報

互いに隣接する内側の各振動領域は、第１方向の両側で振動領域に隣接しているため、この内側の各振動領域では、両側の振動領域の変位の影響を受けることによって第１方向における中心線上の端部がノード点にはならないことが分かった。従って、支持部が内側の振動領域の中心線上の端部に接続されても、十分な共振子特性は得られない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、これまでよりも共振子特性が向上した共振子を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る共振子は、支持枠と、所定の方向に沿って互いに平行に延びる第１辺及び第２辺を有し、所定の方向に輪郭振動する矩形の振動部と、振動部の第１辺及び第２辺と支持枠とをそれぞれ接続する２対の支持部と、を備え、
振動部は、所定の方向に並んで配置された少なくとも４つの振動領域であって、各振動領域が、隣接する他の振動領域に対して逆位相で振動する、少なくとも４つの振動領域と、振動領域の各々に形成された電極膜と、を有しており、
電極膜の所定の方向における中心線が、当該電極膜が形成された振動領域の所定の方向における中心線からずれる。

本発明の別の一側面に係る共振子は、支持枠と、所定の方向に沿って互いに平行に延びる第１辺及び第２辺を有し、所定の方向に輪郭振動する矩形の振動部と、振動部の第１辺及び第２辺と支持枠とをそれぞれ接続する２対の支持部と、を備え、
振動部は、所定の方向に並んで配置された少なくとも４つの振動領域であって、各振動領域が、隣接する他の振動領域に対して逆位相で振動する、少なくとも４つの振動領域を有しており、
支持部の所定の方向における中心線が、当該支持部が接続された振動領域の所定の方向における中心線からずれる。

本発明によれば、これまでよりも共振子特性が向上した共振子を提供することができる。

一具体例に係る圧電振動装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電振動子の構造を概略的に示す平面図である。 図２の３−３線に沿った断面の模式図である。 上側電極膜及び支持部の中心線のずれの効果を検証した結果を示すグラフである。 上側電極膜及び支持部の中心線のずれの効果を検証した結果を示すグラフである。 上側電極膜及び支持部の中心線のずれの効果を検証した結果を示すグラフである。 振動領域の幅に対する上側電極膜の幅の比率の効果を検証した結果を示すグラフである。 振動領域の幅に対する上側電極膜の幅の比率の効果を検証した結果を示すグラフである。 振動領域の幅に対する上側電極膜の幅の比率の効果を検証した結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る圧電振動子の構造を概略的に示す平面図である。 比較例に係る振動子の変位のシミュレーション結果を示す図である。 比較例に係る振動子の歪みのシミュレーション結果を示す図である。 実施例に係る振動子の変位のシミュレーション結果を示す図である。 実施例に係る振動子の歪みのシミュレーション結果を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、一具体例に係る圧電振動装置１０の構造を概略的に示す分解斜視図である。この圧電振動装置１０は、例えば平たい直方体の輪郭形状を有しており、下側基板１１と、この下側基板１１との間に振動空間を形成する上側基板１２と、下側基板１１及び上側基板１２の間に挟み込まれて保持される圧電振動子（共振子の一例である。）１３と、を備えている。圧電振動子１３は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。

圧電振動子１３は、図１の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って例えば矩形の枠状に広がる支持枠１４と、支持枠１４の内側に配置されて、支持枠１４と同様に例えばＸＹ平面に沿って矩形に広がる振動部１５と、支持枠１４と振動部１５とを互いに接続する少なくとも１対、本実施形態では２対の支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂと、を備えている。

支持枠１４は、Ｘ軸に平行に延びる１対の長辺の枠体１４ａ、１４ａと、Ｙ軸に平行に延びてその両端で枠体１４ａ、１４ａの両端にそれぞれ接続される１対の短辺の枠体１４ｂ、１４ｂと、を備えている。その一方で、振動部１５は、Ｘ軸方向に沿って互いに平行に延びる長尺の第１辺及び第２辺を有しており、この第１辺及び第２辺はそれぞれ枠体１４ａ、１４ａに平行に延びる。１対の支持部１６ａ、１６ａ及び１対の支持部１６ｂ、１６ｂがそれぞれ、Ｙ軸に平行な一直線上で延びて枠体１４ａ、１４ａと振動部１５とを互いに接続する。

下側基板１１はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その上面に例えば平たい直方体形状の凹部１７が形成されている。凹部１７は振動部１５の振動空間の一部を形成する。その一方で、上側基板１２はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その下面に例えば平たい直方体形状の凹部１８が形成されている。凹部１８は振動部１５の振動空間の一部を形成する。この振動空間では真空状態が維持されている。下側基板１１及び上側基板１２は例えばＳｉ（シリコン）から形成されている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る圧電振動子１３の構造を概略的に示す平面図である。図２に示すように、振動部１５は、所定の方向すなわちＸ軸方向に配列される複数すなわち４つの振動領域１５ａ〜１５ｄを備えており、各振動領域１５ａ〜１５ｄは図面では点線で仕切られている。本実施形態では、各振動領域１５ａ〜１５ｄは、Ｘ軸方向においてそれぞれ同一の幅を有しており、かつ、Ｙ軸方向においてそれぞれ同一の長さを有している。すなわち、各振動領域１５ａ〜１５ｄは、Ｘ軸方向に４等分された領域を規定している。また、後述するように、振動領域１５ａ〜１５ｄは各々、隣接する振動領域１５ａ〜１５ｄに対して振動部１５における歪みが最小となるラインによって境界を画定している。

上述したように、振動部１５は、２対の支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂによって支持枠１４に支持されている。一方の１対の支持部１６ａ、１６ａが、外側の振動領域１５ａよりも内側の振動領域１５ｂと支持枠１４ａ、１４ａとを互いに接続している。他方の１対の支持部１６ｂ、１６ｂが、外側の振動領域１５ｄよりも内側の振動領域１５ｃと支持枠１４ａ、１４ａとを互いに接続している。

図３は、図２の３−３線に沿った断面の模式図である。図３を併せて参照すると、振動部１５は、Ｓｉ酸化膜２１と、Ｓｉ酸化膜２１上に積層された活性層すなわちＳｉ層２２と、Ｓｉ層２２上に積層された圧電薄膜２３と、圧電薄膜２３の下面に形成された例えば１つの下側電極膜２４と、圧電薄膜２３の上面に形成された複数の上側電極膜２５と、から形成されている。なお、Ｓｉ酸化膜２１は、圧電薄膜２３の上面や下面に形成されてもよい。

Ｓｉ酸化膜２１は、圧電振動子１３の周波数温度特性を補正するための膜であり、例えばＳｉＯ2を用いている。また、Ｓｉ酸化膜２１には、ＳｉＯ2に代えて、ＳｉaＯb層（ａ及びｂは整数）の適宜の組成を含む酸化ケイ素材料が用いられてもよい。Ｓｉ層２２は、縮退状態であるｎ型のＳｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）などを含む。圧電薄膜２３には例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）が用いられる。ただし、圧電薄膜２３には、ＡｌＮに代えて、ＳｃＡｌＮ（窒化スカンジウムアルミニウム）などが用いられてもよい。

下側電極膜２４は、すべての振動領域１５ａ〜１５ｄにまたがって形成されており、すべての振動領域１５ａ〜１５ｄで共通の電極となっている。この下側電極膜２４は浮き電極として形成されている。その一方で、上側電極膜２５は、各振動領域１５ａ〜１５ｄに各々１つ形成されている。下側電極膜２４及び上側電極膜２５には例えばＭｏ（モリブデン）が用いられる。なお、１つの下側電極膜２４に代えて、各振動領域１５ａ〜１５ｄに各々１つの下側電極膜２４が形成されてもよい。

圧電薄膜２３のＡｌＮは、ウルツ鉱構造を有しており、Ｓｉ層２２に対してほぼ垂直にｃ軸配向している。各上側電極膜２５に、隣接する上側電極膜２５とは逆位相になるようにｃ軸方向に交番電界が印加されると、各振動領域１５ａ〜１５ｄが機械的に結合し、それによって振動部１５は全体として高調波で輪郭振動する。すなわち、振動部１５ではＸ軸方向において、振動部１５が伸びている状態と振動部１５が縮んでいる状態とを繰り返す幅拡がりモードで振動が生じる。

図２に戻ると、振動部１５において、Ｘ軸方向に両端に配置された外側の振動領域１５ａ、１５ｄでは、Ｘ軸方向における上側電極膜２５の中心線（図示せず）が、Ｘ軸方向における振動領域１５ａ、１５ｄの中心線（図示せず）に一致している。すなわち、振動領域１５ａ、１５ｄのＸ軸方向に規定される幅の中心に上側電極膜２５が配置されている。その一方で、内側の振動領域１５ｂ、１５ｃでは、Ｘ軸方向における上側電極膜２５の中心線Ｌ１が、振動領域１５ｂ、１５ｃの中心線Ｌ２（一点鎖線）から、各々内側に向かって互いに近づく方向にずれて配置されている。

また、本実施形態では、図２から明らかなように、内側の振動領域１５ｂ、１５ｃにおいて、上側電極膜２５の中心線Ｌ１は、Ｘ軸方向における支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂのそれぞれの中心線に一致している。言い替えれば、Ｘ軸方向における各対の支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂのそれぞれ中心線は、上側電極膜２５の中心線Ｌ１と同様に、振動領域１５ｂ、１５ｃの中心線Ｌ２から、各々内側に向かって互いに近づく方向にずれて配置されている。

本実施形態の圧電振動子１３では、Ｓｉ層２２は、例えばＸ軸方向に２００μｍの幅、Ｙ軸方向に７４μｍの長さ、及び、Ｚ軸方向に１０μｍの厚さを有している。各支持部１６ａ、１６ｂは、Ｘ軸方向に５μｍの幅、及び、Ｙ軸方向に５μｍの長さを有している。この場合、内側の振動領域１５ｂ、１５ｃにおいて、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１の振動領域１５ｂ、１５ｃの中心線Ｌ２からのずれは２μｍに設定されている。また、Ｘ軸方向における各振動領域１５ａ〜１５ｄの幅に対する上側電極膜２５の幅の比率は０．７に設定されている。

以上のような圧電振動子１３では、内側の振動領域１５ｂ、１５ｃの各々の両側にはそれぞれ振動領域１５ａ、１５ｃ及び振動領域１５ｂ、１５ｄが隣接している。本発明者らの検証によれば、後述するように、振動領域１５ｂ、１５ｃでは、それぞれ隣接する両側の振動領域の変位の影響を受けることによって、振動領域１５ｂ、１５ｃの実際の変位最小点（歪み最大点）が、本来の変位最小点（歪み最大点）があるとされる振動領域１５ｂ、１５ｃの中心線Ｌ２上から、Ｘ軸方向に振動部１５の内側に向かってずれることが分かった。

本実施形態では、内側の振動領域１５ｂ、１５ｃにおいて、上側電極膜２５の中心線Ｌ１が振動部１５の内側すなわち実際の変位最小点に向かってずらされて上側電極膜２５が実際の歪み最大点を中心に形成されているので、振動効率を高めることができ、それによって振動子特性を向上させることができる。また、各対の支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂのそれぞれの中心線が、振動部１５の内側すなわち実際の変位最小点に向かってずらされて実際の変位最小点に位置合わせされることによって、支持部１６ａ、１６ｂによって支持されることによる振動領域１５ｂ、１５ｃの振動の損失を最小限に抑えることができる。

図４〜図６は、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１の中心線Ｌ２からのずれの効果をＦＥＭ（有限要素法）解析シミュレーションに基づき検証した結果を示すグラフである。図４〜図６において、グラフの横軸は、Ｘ軸方向における振動領域１５ｂ又は１５ｃの幅Ｗに対する中心線Ｌ１及びＬ２のずれ量ｄｘの比率ｄｘ／Ｗを示している。また、正の比率は、中心線Ｌ１が中心線Ｌ２から振動部１５の外側にずれた場合であり、負の比率は、中心線Ｌ１が中心線Ｌ２から内側にずれた場合である。縦軸は、それぞれ圧電振動子の振動子特性を表すｋ2Ｑ、ｋ（電気機械結合係数）及びＱの値を示している。

検証にあたって、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１の振動領域１５ｂ又は１５ｃの中心線Ｌ２からのずれ量ｄｘの比率ｄｘ／Ｗを変化させた。その結果、図４〜図６に示すように、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１が、振動領域１５ｂ又は１５ｃの中心線Ｌ２よりも振動部１５の内側にずれた場合に、振動子特性が向上することが分かる。上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１が例えば−０．０４の比率で内側にずれた場合に最も振動子特性を向上させることができることが分かる。特に図４及び図６から明らかなように、中心線Ｌ１が中心線Ｌ２から外側にずれると、振動子特性が急激に悪化することが分かる。

図７〜図９は、振動領域１５ｂ又は１５ｃの幅Ｗに対する上側電極膜２５の幅Ｗｅの比率の効果をＦＥＭ解析シミュレーションに基づき検証した結果を示すグラフである。グラフの横軸は、振動領域１５ｂ又は１５ｃの幅Ｗに対する上側電極膜２５の幅Ｗｅの比率Ｗｅ／Ｗを示している。検証にあたって、振動領域１５ｂ又は１５ｃの幅Ｗに対するＸ軸方向における上側電極膜２５の幅Ｗｅの比率Ｗｅ／Ｗを変化させた。図７〜図９に示すように、比率Ｗｅ／Ｗが０．６以上０．９以下に設定されると、振動子特性はおおむね良好であり、特に、比率Ｗｅ／Ｗが０．７以上０．８以下に設定されると、振動子特性が特に良好であることが分かる。従って、上側電極膜２５の幅Ｗｅは上記数値範囲の比率で設定されることが好ましいことが分かる。

図１０は、本発明の第２実施形態に係る圧電振動子１３ａの構造を概略的に示す平面図である。この圧電振動子１３ａは、支持枠１４の各枠体１４ａの２対の支持部１６ａ、１６ａ及び１６ｂ、１６ｂに対応する位置にＸ軸に沿って延びる２対のスリット２７、２７と、各スリット２７と各支持部１６ａ、１６ｂとの間に形成された屈曲振動部２８と、を備えている点で、第１実施形態に係る圧電振動子１３と相違する。その他の構造については前述の第１実施形態に係る圧電振動子１３と同一であるため、重複した説明は省略する。

スリット２７は、Ｚ軸方向に枠体１４ａを貫通する貫通孔である。スリット２７は、例えばＸ軸方向に長尺で延びる矩形の輪郭を有しており、Ｘ軸方向におけるその中心線は上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１に一致する。こうした構成によれば、支持部１６ａ、１６ｂは屈曲振動部２８を通じて支持枠１４に接続される。屈曲振動部２８は、Ｙ軸に直交するＸ軸方向に長尺に延びている。屈曲振動部２８は、例えばＹ軸方向に５μｍの長さ、及び、Ｘ軸方向に２５μｍの幅を有している。

この圧電振動子１３ａでは、振動部１５の振動が支持部１６ａ、１６ｂを通じて屈曲振動部２８に伝達されると、振動は屈曲振動部２８においてＺ軸方向における屈曲振動に変換される。図１０の点線で示した屈曲振動部２８と枠体１４ａとの間の界面が屈曲振動の固定端になるため、屈曲振動部２８における屈曲振動はこの界面で反射して、振動を屈曲振動部２８に閉じ込める。その結果、振動部１５の振動が枠体１４ａに伝達することを効果的に抑制することができる。

なお、Ｘ軸方向における支持部１６ａ、１６ｂの端部から、屈曲振動部２８と枠体１４ａとの間の界面までの距離Ｄは振動部１５における固有振動周波数に応じて設定される。具体的には、距離Ｄは、振動部１５の固有振動周波数に対応する屈曲振動の波長をλとした場合にλ／４に設定される。こうした構成によれば、屈曲振動部２８に振動を確実に閉じ込めることができる。また、当該界面から外側における支持枠１４の面積が大きいため、音響反射効果を高めることができ、それによって屈曲振動部２８により一層確実に振動を閉じ込めることができる。

図１１〜図１４は、ＦＥＭ解析シミュレーションに基づく幅拡がり圧電振動子の変位及び歪みの大きさを示す図である。図１１及び図１２は、比較例、すなわち、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１が振動領域１５ｂ又は１５ｃの中心線Ｌ２に一致する場合の圧電振動子の変位及び歪みの大きさを示す。図１３及び図１４は、実施例（第２実施形態）、すなわち、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心線Ｌ１が振動領域１５ｂ又は１５ｃの中心線Ｌ２から内側にずれた場合の、圧電振動子の変位及び歪みの大きさを示す。

図１１及び図１３では、最小変位の領域をＧ０で、中間変位の領域をＧ１で、及び、最大変位の領域をＧ２でそれぞれ特定した。その結果、図１１に示すように、比較例では、支持部１６ａ、１６ｂの接続位置の付近の最小変位の領域Ｇ０の位置が、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心軸Ｌ１から内側の位置にずれていることが分かる。その一方で、図１３に示すように、実施例では、支持部１６ａ、１６ｂの接続位置の付近の最小変位の領域Ｇ０の位置が、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心軸Ｌ１にほぼ一致していることが分かる。

その一方で、図１２及び図１４では、最小歪みの領域をＦ０で、中間歪みの領域をＦ１で、及び、最大歪みの領域をＦ２でそれぞれ特定した。その結果、図１２に示すように、比較例では、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心軸Ｌ１が最大歪みＦ２及び最小歪みＦ０の位置の中心からやや外側にずれていることが分かる。その一方で、図１４に示すように、実施例では、上側電極膜２５及び支持部１６ａ、１６ｂの中心軸Ｌ１が最大歪みＦ２及び最小歪みＦ０の位置の中心にほぼ一致していることが分かる。なお、図１２及び図１４から明らかなように、振動部１５の各振動領域１５ａ〜１５ｄは、それぞれ隣接する振動領域に対して最小歪みＦ０によって境界を画定している。

以上のような圧電振動子１３、１３ａでは、振動部１５が５つの振動領域を有する場合であっても前述と同様の作用効果を実現することができる。この場合、前述の振動領域１５ｂ、１５ｃの間に振動領域がさらに追加されることが好ましい。また、前述の１つの下側電極膜２４に代えて、各振動領域１５ａ〜１５ｄごとに下側電極膜２４が形成される場合、振動領域１５ｂ及び１５ｃに形成される下側電極膜２４は前述の上側電極膜２５と同様に内側にずらされることが好ましい。

なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１３ 振動子（圧電振動子）
１３ａ 振動子（圧電振動子）
１４ 支持枠
１５ 振動部
１５ａ〜１５ｄ 振動領域
１６ａ 支持部
１６ｂ 支持部
２５ 電極膜（上側電極膜）
Ｌ１ 中心線
Ｌ２ 中心線

Claims (6)

1. 支持枠と、
   長手方向及び短手方向を有する矩形の振動部であって、前記長手方向に沿って互いに平行
   に延びる第１辺及び第２辺を有し、前記長手方向において幅拡がりモードで輪郭振動する
   矩形の振動部と、
   前記振動部の前記第１辺及び前記第２辺と前記支持枠とをそれぞれ接続する２対の支持
   部と、を備え、
   前記振動部は、
   前記長手方向に並んで配置されるとともに前記長手方向においてそれぞれ同一の幅を有
   する少なくとも４つの振動領域であって、各振動領域が、隣接する他の振動領域に対して
   逆位相で振動する、少なくとも４つの振動領域と、
   前記振動領域の各々に形成された電極膜と、を有しており、
   前記電極膜の前記長手方向における中心線が、当該電極膜が形成された前記振動領域の
   前記長手方向における中心線からずれる、共振子。
2. 前記電極膜の前記長手方向における中心線が、当該電極膜が形成された前記振動領域に
   おける変位最小点を通る、請求項１に記載の共振子。
3. 前記支持部の前記長手方向における中心線が、当該支持部が接続された前記振動領域の
   前記長手方向における中心線からずれる、請求項１又は２に記載の共振子。
4. 前記支持部の前記長手方向における中心線が、当該支持部が接続された前記振動領域の
   前記電極膜の前記長手方向における中心線に一致する、請求項３に記載の共振子。
5. 前記電極膜の前記長手方向における幅は、当該電極膜が形成された前記振動領域の前記
   長手方向における幅に対して０．６以上０．９以下の比率を有する大きさに設定される、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の共振子。
6. 前記比率は０．７以上０．８以下である、請求項５に記載の共振子。