JP6644355B2 - 共振子及び共振装置 - Google Patents
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Description
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、本発明の第1実施形態に係る共振装置1の外観を概略的に示す斜視図である。また、図2は、本発明の第1実施形態に係る共振装置1の構造を概略的に示す分解斜視図である。
以下、共振装置1の各構成について詳細に説明する。
上蓋30はXY平面に沿って平板状に広がっており、その裏面に例えば平たい直方体形状の凹部31が形成されている。凹部31は、側壁33に囲まれており、共振子10が振動する空間である振動空間の一部を形成する。
下蓋20は、XY平面に沿って設けられる矩形平板状の底板22と、底板22の周縁部からZ軸方向(すなわち、下蓋20と共振子10との積層方向)に延びる側壁23とを有する。下蓋20には、共振子10と対向する面において、底板22の表面と側壁23の内面とによって形成される凹部21が設けられる。凹部21は、共振子10の振動空間の一部を形成する。上述した上蓋30と下蓋20とによって、この振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。
図3は、本実施形態に係る、共振子10の構造を概略的に示す平面図である。図3を用いて本実施形態に係る共振子10の、各構成について説明する。共振子10は、振動部120と、保持部140と、保持腕110a、110b(以下、まとめて「保持腕110」とも呼ぶ。)とを備えている。
振動部120は、図3の直交座標系におけるXY平面に沿って広がる矩形の輪郭を有している。振動部120は、保持部140の内側に設けられており、振動部120と保持部140との間には、所定の間隔で空間が形成されている。
保持部140は、XY平面に沿って矩形の枠状に形成される。保持部140は、平面視において、XY平面に沿って振動部120の外側を囲むように設けられる。なお、保持部140は、振動部120の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。例えば、保持部140は、振動部120を保持し、また、上蓋30及び下蓋20と接合できる程度に、振動部120の周囲に設けられていればよい。
保持腕110a、110b(以下、まとめて「保持腕110」とも呼ぶ。)は、角柱形状の腕であり、保持部140の内側であって、振動部120の短辺と枠体140c、140dとの間の空間に設けられる。保持腕110a、110bは、振動部120の短辺をそれぞれ枠体140c、140dに接続する。
図4を用いて共振子10の積層構造について説明する。図4(A)は、図3のAA´断面図であり、図4(B)は、図3のBB´断面図である。
次に、図5乃至図8を用いて、上述の共振子10において、Si基板F2の厚さTに対する振動領域121の幅Wの比率(以下、「振動部120の寸法比W/T」とも呼ぶ。)、及びSi基板の抵抗率の値を変化させて場合における、共振子10の周波数温度特性へ与える影響について、実測又はシミュレーションを行った結果について説明する。
・30μm(シミュレーション結果を実線のグラフに示し、実測結果を三角形のプロットに示す。)
・20μm(シミュレーション結果を点線のグラフに示し、実測結果を丸形のプロットに示す。)
・10μm(シミュレーション結果を一点鎖線のグラフに示し、実測結果を四角形のプロットに示す。)
・W/T=2.5(四角形のプロットに示す。)
・W/T=3.0(ひし形のプロットに示す。)
・W/T=4.5(三角形のプロットに示す。)
・W/T=6.0(丸形のプロットに示す。)
・W/T=8.0(×形のプロットに示す。)
図5乃至図8に結果を示した実験から、Si基板F2の抵抗率、及び振動部120の寸法比W/Tを調整することで、2次TCFの値を0に近づけることができ、これによって、良好な周波数温度特性を有する共振子10を得られることがわかる。
図9は、本実施形態に係る共振子10において、振動部120の寸法比W/Tを4以上(W:100,T:10)に設定した場合の振動形態をFEMによって解析した結果を示す図である。図9では、共振子10のうち、振動部120における解析結果を抜粋して表示している。図9において、色の薄い領域は振動による変位が少ない領域を示し、色の濃い領域は振動による変位が大きい領域を示している。
y=−0.85x+0.57±0.05 (式1)
・Si基板F2の厚さ(T) 30μm程度
・温度特性補正層F1の厚さ 0.2μm程度
・下部電極E1の厚さ 0.1μm程度
・上部電極E2の厚さ 0.2μm程度
・圧電薄膜F3の厚さ 0.8μm程度
・振動領域121の長さ(L) 201μm程度
・振動領域121の幅(W) 138μm程度
・振動部120の長辺 201μm程度
・振動部120の短辺 138μm程度
・振動部120の寸法比W/T 4.6程度
図12は、本実施形態に係る共振子10において、振動部120の寸法比W/Tを4未満(W:100,T:50)に設定した場合の振動形態をFEMによって解析した結果を示す図である。図12では、共振子10のうち、振動部120における解析結果を抜粋して表示している。図12において、色の薄い領域は振動による変位が少ない領域を示し、色の濃い領域は振動による変位が大きい領域を示している。
y=−0.19x+0.58±0.05 (式2)
・Si基板F2の厚さ(T) 20μm程度
・温度特性補正層F1の厚さ 0.2μm程度
・下部電極E1の厚さ 0.1μm程度
・上部電極E2の厚さ 0.2μm程度
・圧電薄膜F3の厚さ 0.8μm程度
・振動領域121の長さ(L) 58μm程度
・振動領域121の幅(W) 40μm程度
・振動部120の長辺 58μm程度
・振動部120の短辺 40μm程度
・振動部120の寸法比W/T 2程度
第2実施形態以降では第1実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
図14は、本実施形態に係る、共振子10の平面図の一例を示す図である。
振動部120は、その表面に、4つの上部電極E21〜E24を有している。上部電極E21〜E24はそれぞれ、Y軸方向に長辺、X軸方向に短辺を有している。
その他の振動部120の構成は第1実施形態と同様である。
本実施形態では、保持部140は、枠体140aと枠体140bとにおいて、保持腕110に接続されている。さらに保持部140は、本実施形態では、枠体140aと枠体140bとにおいて、端子V3、V4を備えている。
本実施形態では、保持腕110は、保持部140の内側であって、振動部120の長辺と枠体140a、140bとの間の空間に設けられ、振動部120の長辺をそれぞれ枠体140a、140bに接続する。
その他の保持腕110の構成は、第1実施形態と同様である。
図15を用いて共振子10の積層構造について、第1実施形態との違いを説明する。図15(A)は、図14のCC´断面図であり、図15(B)は、図14のDD´断面図である。
・Si基板F2の厚さ(T) 10μm程度
・温度特性補正層F1の厚さ 1.0μm程度
・下部電極E1の厚さ 0.1μm程度
・上部電極E2の厚さ 0.2μm程度
・圧電薄膜F3の厚さ 0.8μm程度
・振動領域121の長さ(L) 146μm程度
・振動領域121の幅(W) 100μm程度
・振動部120の長辺 400μm程度
・振動部120の短辺 146μm程度
・振動部120の寸法比W/T 10程度
・Si基板F2の厚さ(T) 20μm程度
・温度特性補正層F1の厚さ 0.2μm程度
・下部電極E1の厚さ 0.1μm程度
・上部電極E2の厚さ 0.2μm程度
・圧電薄膜F3の厚さ 0.8μm程度
・振動領域121の長さ(L) 58μm程度
・振動領域121の幅(W) 40μm程度
・振動部120の長辺 160μm程度
・振動部120の短辺 58μm程度
・振動部120の寸法比W/T 2程度
図16、17を用いて、第3実施形態に係る共振子10の構成、機能について説明する。本実施形態では、共振子10は、高調波(4倍波)輪郭振動モードで振動を行う。以下に、本実施形態に係る共振装置1の詳細構成のうち、第2実施形態との差異点を中心に説明する。
その他の構成、機能は第1実施形態及び第2実施形態と同様である。
図18、19を用いて、第4実施形態に係る共振子10の構成、機能について説明する。以下に、本実施形態に係る共振装置1の詳細構成のうち、第2実施形態との差異点を中心に説明する。
第4実施形態に係る共振子10の第1層の平面構造は、図14において説明した第2実施形態に係る共振子10の平面構造と同様であるため、説明を省略する。
図18は、本実施形態における共振子10の、第2層の平面図の一例である。本実施形態に係る振動部120は、第2層において、上部電極E212〜E242と、バスバーB12、B22とを有している。図18に示すように、第2層における振動部120は、第1層における振動部120のY軸方向に沿った上下を反転させた構造を有している。
図19を用いて、本実施形態に係る共振子10の断面構造について説明する。
図19(A)は、本実施形態における図14のCC´断面図である。図19(A)に示すように、本実施形態においては、下部電極E1を覆うように、圧電薄膜F32が積層されている。さらに、圧電薄膜F32上には上部電極E212〜E242が積層されている。上部電極E212〜E242は、振動部120に形成された後、エッチング等の加工により4つに分割される。
その他の構成、機能は第1実施形態及び第2実施形態と同様である。
図20を用いて、第5実施形態に係る共振子10の構成、機能について説明する。以下に、本実施形態に係る共振装置1の詳細構成のうち、第1実施形態との差異点を中心に説明する。
腕111Bの構成・機能は、腕111Aの構成・機能と同様であり、腕112Bの構成・機能は腕112Aの構成・機能と同様であり、さらに、ノード生成部130Bの構成・機能はノード生成部130Aの構成・機能と同様である。
10 共振子
30 上蓋
20 下蓋
140 保持部
140a〜d 枠体
110 保持腕
120 振動部
F2 Si基板
Claims (8)
- シリコン基板と、
前記シリコン基板の表面に対向する面を有するように形成された1つ以上の電極と、
前記シリコン基板と前記電極との間に形成され、前記電極に印加された電圧に応じて、前記シリコン基板の前記表面に沿った平面内で輪郭振動する圧電体と、
を有する振動部と、
前記振動部の少なくとも一部を囲むように設けられた、保持部と、
前記振動部と前記保持部とを接続する保持腕と
を備え、
前記振動部は、前記圧電体の輪郭振動の節に平行な長辺と、前記圧電体の輪郭振動の節に直交しかつ輪郭振動の半波長に相当する短辺とを有する、少なくとも1つの略矩形形状の振動領域を含み、
前記シリコン基板の前記表面に直交する方向の厚さT、前記振動領域の前記短辺の幅W、前記シリコン基板の抵抗率yとしたとき、
W/T≧4
の範囲に設定され、かつ、
y=−0.85×(1/T)+0.57±0.05
の範囲に設定された、
共振子。 - シリコン基板と、
前記シリコン基板の表面に対向する面を有するように形成された1つ以上の電極と、
前記シリコン基板と前記電極との間に形成され、前記電極に印加された電圧に応じて、前記シリコン基板の前記表面に沿った平面内で輪郭振動する圧電体と、
を有する振動部と、
前記振動部の少なくとも一部を囲むように設けられた、保持部と、
前記振動部と前記保持部とを接続する保持腕と
を備え、
前記振動部は、前記圧電体の輪郭振動の節に平行な長辺と、前記圧電体の輪郭振動の節に直交しかつ輪郭振動の半波長に相当する短辺とを有する、少なくとも1つの略矩形形状の振動領域を含み、
前記シリコン基板の前記表面に直交する方向の厚さT、前記振動領域の前記短辺の幅W、前記シリコン基板の抵抗率yとしたとき、
W/T<4
の範囲に設定され、かつ、
y=−0.19×(W/T2)+0.58±0.05の範囲に設定された、
共振子。 - 前記振動部は、
少なくとも、前記シリコン基板の前記表面又は当該表面に対向する裏面に設けられた温度特性補正層をさらに有する、
請求項1又は2に記載の共振子。 - 前記振動部は、さらに、
前記圧電体及び前記電極を含む積層体を複数備える、
請求項1乃至3の何れか一項に記載の共振子。 - 前記保持腕は、
前記振動部と前記保持部との間に設けられるノード生成部と、
前記ノード生成部と当該ノード生成部と対向する前記振動部の領域とを接続する第1腕と、
前記ノード生成部と、前記保持部における、前記ノード生成部と対向する領域とを接続する第2腕と、
を備え、
前記ノード生成部は、
前記ノード生成部における、前記輪郭振動の節に沿った第1方向における中心よりも、前記第1腕側において、前記第1方向に直交する第2方向における長さが最大となる箇所を有し、前記第2方向における長さが、前記最大となる箇所から前記第2腕に向かうにつれて徐々に狭まる形状を有する、
請求項1乃至4のいずれか一項に記載の共振子。 - 前記振動部は、さらに、
前記シリコン基板と前記圧電体との間に形成された下部電極を備える、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の共振子。 - 請求項1乃至6の何れか一項に記載の共振子と、
前記共振子を覆う蓋体と、
外部電極と、
を備える共振装置。 - 前記下部電極は、前記蓋体を介して接地される、
請求項6を引用する請求項7記載の共振装置。
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