JP6856127B2

JP6856127B2 - 共振子及び共振装置

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Publication number: JP6856127B2
Application number: JP2019536418A
Authority: JP
Inventors: 義久井上; 河合　良太; 良太河合
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2018-03-26
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2038-03-26
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Description

本発明は、共振子及び共振装置に関する。

従来、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた共振装置が例えばタイミングデバイスとして用いられている。この共振装置は、スマートフォンなどの電子機器内に組み込まれるプリント基板上に実装される。共振装置は、下側基板と、下側基板との間でキャビティを形成する上側基板と、下側基板及び上側基板の間でキャビティ内に配置された共振子と、を備えている。

例えば特許文献１には、複数の振動腕を備えた共振子が開示されている。この共振子では、振動腕はその固定端で基部の前端に接続されており、基部は、前端とは反対側の後端で支持部に接続されている。特許文献１に記載された共振子において、基部はその長さ（前端から後端へ向かう方向）が幅に対して小さく設定されることにより、基部自体が屈曲変位しやすい構造となっている。これによってＤＬＤ（ＤｒｉｖｅＬｅｖｅｌＤｅｐｅｎｄｅｎｃｙ）の改善が図られている。

国際公開第２０１６／１７５２１８号

しかしながら特許文献１に記載された技術では、ＤＬＤの改善が図られる一方で、例えば保持が不安定になる可能性があり、より適切にＤＬＤを改善するには、さらなる検討の余地がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振子において、ＤＬＤを改善することを目的とする。

本発明の一側面に係る共振子は、基部と、第１電極及び第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられ、第１電極に対向する上面を有し、第１及び第２電極の間に電圧が印加されたときに所定の振動モードで振動する圧電膜とを有し、一端が基部の前端と接続する固定端であり、他端が前端から離れる方向に延びた開放端である３本以上の振動腕と、を有し、３本以上の振動腕は、３本以上の振動腕が並ぶ方向において、最も外側に位置し、同位相で振動する２本の第１腕と、２本の第１腕の間に挟まれた１本以上の第２腕とを有し、第１腕は、第２腕よりも質量が大きい。

本発明によれば、共振子において、ＤＬＤを改善することを目的とする。

本発明の第１実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。上蓋を取り外した本発明の第１実施形態に係る共振子の平面図である。図３のＡＡ´線に沿った断面図である。本発明に係る共振子とＤＬＤとの関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る共振子の断面図である。本発明の第３実施形態に係る共振子の断面図である。

［第１実施形態］
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。

この共振装置１は、共振子１０と、共振子１０を挟んで互いに対向するように設けられた蓋体（上蓋３０及び下蓋２０）と、を備えている。すなわち、共振装置１は、下蓋２０と、共振子１０と、上蓋３０とがこの順で積層されて構成されている。

また、共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とが接合され、これにより、共振子１０が封止され、共振子１０の振動空間が形成される。共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれＳｉ基板を用いて形成されている。そして、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、Ｓｉ基板同士が互いに接合されて、互いに接合される。共振子１０及び下蓋２０は、ＳＯＩ基板を用いて形成されてもよい。

共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ共振子である。なお、本実施形態においては、共振子１０はシリコン基板を用いて形成されるものを例として説明する。以下、共振装置１の各構成について詳細に説明する。

（１．上蓋３０）
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。

（２．下蓋２０）
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。

（３．共振子１０）
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１１１，１１２とを備えている。

（ａ）振動部１２０
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。図３の例では、振動部１２０は、基部１３０と４本の振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄ（まとめて「振動腕１３５」とも呼ぶ。）とを有している。なお、振動腕の数は、４本に限定されず、例えば３本以上の任意の数に設定される。本実施形態において、各振動腕１３５と、基部１３０とは、一体に形成されている。

基部１３０は、平面視において、Ｘ軸方向に長辺１３１ａ、１３１ｂ、Ｙ軸方向に短辺１３１ｃ、１３１ｄを有している。長辺１３１ａは、基部１３０の前端の面１３１Ａ（以下、「前端１３１Ａ」とも呼ぶ。）の一つの辺であり、長辺１３１ｂは基部１３０の後端の面１３１Ｂ（以下、「後端１３１Ｂ」とも呼ぶ。）の一つの辺である。基部１３０において、前端１３１Ａと後端１３１Ｂとは、互いに対向するように設けられている。

基部１３０は、前端１３１Ａにおいて、後述する振動腕１３５に接続され、後端１３１Ｂにおいて、後述する保持腕１１１，１１２に接続されている。なお、基部１３０は、図３の例では平面視において、略長方形の形状を有しているがこれに限定されず、長辺１３１ａの垂直二等分線に沿って規定される仮想平面Ｐに対して略面対称に形成されていればよい。基部１３０は、例えば、長辺１３１ｂが１３１ａより短い台形や、長辺１３１ａを直径とする半円の形状であってもよい。また、長辺１３１ａ、１３１ｂ、短辺１３１ｃ、１３１ｄは直線に限定されず、曲線であってもよい。

基部１３０において、前端１３１Ａから後端１３１Ｂに向かう方向における、前端１３１Ａと後端１３１Ｂとの最長距離である基部長（図３においては短辺１３１ｃ、１３１ｄの長さ）は３７μｍ程度である。また、基部長方向に直交する幅方向であって、基部１３０の側端同士の最長距離である基部幅（図３においては長辺１３１ａ、１３１ｂの長さ）は２８５μｍ程度である。

振動腕１３５は、Ｙ軸方向に延び、それぞれ同一のサイズを有している。振動腕１３５は、それぞれが基部１３０と保持部１４０との間にＹ軸方向に平行に設けられ、一端は、基部１３０の前端１３１Ａと接続されて固定端となっており、他端は開放端となっている。また、振動腕１３５は、それぞれ、Ｘ軸方向に所定の間隔で、並列して設けられている。なお、振動腕１３５は、例えばＸ軸方向の幅が５０μｍ程度、Ｙ軸方向の長さが４２０μｍ程度である。

振動腕１３５はそれぞれ、例えば開放端から１５０μｍ程度の部分が、振動腕１３５の他の部位よりもＸ軸方向の幅が広くなっている。この幅が広くなった部位を錘部Ｇと呼ぶ。錘部Ｇは、例えば、振動腕１３５の他の部位よりも、Ｘ軸方向に沿って左右に幅が１０μｍずつ広く、Ｘ軸方向の幅が７０μｍ程度である。錘部Ｇは、振動腕１３５と同一プロセスによって一体形成される。錘部Ｇが形成されることで、振動腕１３５は、単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも開放端側の方が重くなっている。従って、振動腕１３５が開放端側にそれぞれ錘部Ｇを有することで、各振動腕における上下方向の振動の振幅を大きくすることができる。

本実施形態の振動部１２０では、Ｘ軸方向において、外側に２本の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄが配置されており、内側に２本の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃが配置されている。Ｘ軸方向における、振動腕１３５Ｂと１３５Ｃとの間隔Ｗ１は、振動腕１３５が並ぶ方向（Ｘ軸方向）における、外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）（第１腕の一例である。）と当該外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）に隣接する内側の振動腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）（第２腕の一例である。）との間の間隔Ｗ２よりも大きく設定される。間隔Ｗ１は例えば３５μｍ程度、間隔Ｗ２は例えば２５μｍ程度である。間隔Ｗ２は間隔Ｗ１より小さく設定することにより、振動特性が改善される。また、共振装置１を小型化できるように、間隔Ｗ１を間隔Ｗ２よりも小さく設定してもよいし、等間隔にしても良い。

振動部１２０の表面（上蓋３０に対向する面）には、その全面を覆うように保護膜２３５が形成されている。また、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄの開放端側の先端における保護膜２３５の表面には、それぞれ、調整膜２３６Ａ〜２３６Ｄ（以下、調整膜２３６Ａ〜２３６Ｄをまとめて「調整膜２３６」とも呼ぶ。）が形成されている。保護膜２３５及び調整膜２３６によって、振動部１２０の共振周波数を調整することができる。なお、保護膜２３５は、少なくとも振動腕１３５上に形成されていればよく、基部１３０上には形成されていなくてもよい。

調整膜２３６は、振動部１２０における、振動による変位の比較的大きい領域において、その表面が露出するように、保護膜２３５上に形成されている。具体的には、調整膜２３６は、振動腕１３５の開放端近傍に形成される。本実施形態では、調整膜２３６は、振動腕１３５の錘部Ｇ上に形成される。

本実施形態に係る振動腕１３５は、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも質量が大きい。より好ましくは、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも、先端部（振動による変位の比較的大きい領域であり、例えば錘部Ｇに対応する領域である。）において、質量が大きい。具体的な態様の一例として、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも少なくとも自由端側の領域において、Ｚ軸方向（積層方向）の厚みが大きい構成や、Ｘ軸方向に沿った幅が大きい構成が挙げられる。また、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも少なくとも自由端側の領域において、質量が大きい材料が用いられていてもよい。

以下では、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄに形成された調整膜２３６Ａ，２３６Ｄは、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃに形成された調整膜２３６Ｂ，２３６ＣよりもＺ軸方向（積層方向）の厚さが厚い構成を例に説明する。なお、調整膜２３６の厚さは均一である必要はなく、表面に凹凸を有する構成でもよい。また、調整膜の厚さの比較には、例えば、振動腕１３５の自由端に形成された厚さや、最も厚い部分の厚さ、最も薄い部分の厚さ、平均の厚さ等を用いることができる。

（ｂ）保持部１４０
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。

本実施形態においては、保持部１４０は一体形成される角柱形状の枠体１４０ａ〜１４０ｄからなる。枠体１４０ａは、図３に示すように、振動腕１３５の開放端に対向して、長手方向がＸ軸に平行に設けられる。枠体１４０ｂは、基部１３０の後端１３１Ｂに対向して、長手方向がＸ軸に平行に設けられる。枠体１４０ｃは、基部１３０の側端（短辺１３１ｃ）及び振動腕１３５Ａに対向して、長手方向がＹ軸に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの一端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｄは、基部１３０の側端（短辺１３１ｄ）及び振動腕１３５Ｄに対向して、長手方向がＹ軸に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの他端にそれぞれ接続される。

本実施形態においては、保持部１４０は、保護膜２３５で覆われているとして説明するが、これに限定されず、保護膜２３５は、保持部１４０の表面には形成されていなくてもよい。

（ｃ）保持腕１１１、１１２
保持腕１１１及び保持腕１１２は、保持部１４０の内側に設けられ、基部１３０の後端１３１Ｂと枠体１４０ｃ、１４０ｄとを接続する。図３に示すように、保持腕１１１と保持腕１１２とは、基部１３０のＸ軸方向の中心線に沿ってＹＺ平面に平行に規定される仮想平面Ｐに対して略面対称に形成される。

保持腕１１１は、腕１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄを有している。保持腕１１１は、一端が基部１３０の後端１３１Ｂに接続しており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１１は、枠体１４０ｃに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）に屈曲し、さらに枠体１４０ａに向かう方向（すなわち、Ｙ軸方向）に屈曲し、再度枠体１４０ｃに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｃに接続している。

腕１１１ａは、基部１３０と枠体１４０ｂとの間に、枠体１４０ｃに対向して、長手方向がＹ軸に平行になるように設けられている。腕１１１ａは、一端が、後端１３１Ｂにおいて基部１３０と接続しており、そこから後端１３１Ｂに対して略垂直、すなわち、Ｙ軸方向に延びている。腕１１１ａのＸ軸方向の中心を通る軸は、振動腕１３５Ａの中心線よりも内側に設けられることが望ましく、図３の例では、腕１１１ａは、振動腕１３５Ａと１３５Ｂとの間に設けられている。また腕１１１ａの他端は、その側面において、腕１１１ｂの一端に接続されている。腕１１１ａは、Ｘ軸方向に規定される幅が２０μｍ程度であり、Ｙ軸方向に規定される長さが２５μｍ程度である。

腕１１１ｂは、基部１３０と枠体１４０ｂとの間に、枠体１４０ｂに対向して、長手方向がＸ軸方向に平行になるように設けられている。腕１１１ｂは、一端が、腕１１１ａの他端であって枠体１４０ｃに対向する側の側面に接続し、そこから腕１１１ａに対して略垂直、すなわち、Ｘ軸方向に延びている。また、腕１１１ｂの他端は、腕１１１ｃの一端であって振動部１２０と対向する側の側面に接続している。腕１１１ｂは、例えばＹ軸方向に規定される幅が２０μｍ程度であり、Ｘ軸方向に規定される長さが９２μｍ程度である。

腕１１１ｃは、基部１３０と枠体１４０ｃとの間に、枠体１４０ｃに対向して、長手方向がＹ軸方向に平行になるように設けられている。腕１１１ｃの一端は、その側面において、腕１１１ｂの他端に接続されており、他端は、腕１１１ｄの一端であって、枠体１４０ｃ側の側面に接続されている。腕１１１ｃは、例えばＸ軸方向に規定される幅が２０μｍ程度、Ｙ軸方向に規定される長さが２５５μｍ程度である。

腕１１１ｄは、基部１３０と枠体１４０ｃとの間に、枠体１４０ａに対向して、長手方向がＸ軸方向に平行になるように設けられている。腕１１１ｄの一端は、腕１１１ｃの他端であって枠体１４０ｃと対向する側の側面に接続している。また、腕１１１ｄは、他端が、振動腕１３５Ａと基部１３０との接続箇所付近に対向する位置において、枠体１４０ｃと接続しており、そこから枠体１４０ｃに対して略垂直、すなわち、Ｘ軸方向に延びている。腕１１１ｄは、例えばＹ軸方向に規定される幅が５０μｍ程度、Ｘ軸方向に規定される長さが５μｍ程度である。

このように、保持腕１１１は、腕１１１ａにおいて基部１３０と接続し、腕１１１ａと腕１１１ｂとの接続箇所、腕１１１ｂと１１１ｃとの接続箇所、及び腕１１１ｃと１１１ｄとの接続箇所で屈曲した後に、保持部１４０へと接続する構成となっている。

保持腕１１２は、腕１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄを有している。保持腕１１２は、一端が基部１３０の後端１３１Ｂに接続しており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１２は、枠体１４０ｄに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）に屈曲し、さらに枠体１４０ａに向かう方向（すなわち、Ｙ軸方向）に屈曲して、再度枠体１４０ｄに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）屈曲し、他端が枠体１４０ｄに接続している。

なお、腕１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄの構成は、それぞれ腕１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄと対称な構成であるため、詳細な説明については省略する。

（４．積層構造）
図４を用いて共振子１０の積層構造について、振動腕１３５Ｄ及び基部１３０を例に説明する。図４は、図３のＡＡ´断面を模式的に示す概略図である。

共振子１０では、保持部１４０、基部１３０、振動腕１３５、保持腕１１１，１１２は、同一プロセスで一体的に形成される。共振子１０では、まず、Ｓｉ（シリコン）基板Ｆ２の上に、金属層Ｅ１（第２電極の一例である。）が積層されている。そして、金属層Ｅ１の上には、金属層Ｅ１を覆うように、圧電薄膜Ｆ３（圧電膜の一例である。）が積層されており、さらに、圧電薄膜Ｆ３の表面には、金属層Ｅ２（第１電極の一例である。）が積層されている。金属層Ｅ２の上には、金属層Ｅ２を覆うように、保護膜２３５が積層されている。振動腕１３５の開放端近傍（錘部Ｇ）においては、さらに、保護膜２３５を介して圧電薄膜Ｆ３の上面と対向して、調整膜２３６が積層されている。

Ｓｉ基板Ｆ２は、例えば、厚さ５μｍ程度の縮退したｎ型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）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを含むことができる。特に、振動腕１３５とｎ型Ｓｉ半導体から構成されたＳｉ基板Ｆ２の［１００］結晶軸またはこれと等価な結晶軸とのなす回転角は、０度より大きく１５度以下（または０度以上１５度以下でもよい）、または７５度以上９０度以下の範囲内にある事が望ましい。なお、ここで回転角とは、Ｓｉ基板Ｆ２の［１００］結晶軸またはこれと等価な結晶軸に沿った線分に対して保持腕１１０が伸びる方向の角度をいう。また、Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退Ｓｉの抵抗値は、例えば１６ｍΩ・ｃｍ未満であり、より好ましくは１．２ｍΩ・ｃｍ以下である。さらにＳｉ基板Ｆ２の下面には、厚さ３８０ｎｍ程度の酸化ケイ素（例えばＳｉＯ₂）層Ｆ２１（温度特性補正層）が形成されている。これにより、温度特性を向上させることが可能になる。尚、Ｓｉ基板に縮退したシリコンを用いると、Ｓｉ基板Ｆ２が金属層Ｅ１を代用する事ができ、より薄層化できる。

本実施形態において、温度特性補正層とは、当該温度特性補正層をＳｉ基板Ｆ２に形成しない場合と比べて、Ｓｉ基板Ｆ２に温度特性補正層を形成した時の振動部における周波数の温度係数（すなわち、温度当たりの変化率）を、少なくとも常温近傍において低減する機能を持つ層をいう。振動部１２０が温度特性補正層を有することにより、例えば、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１、Ｅ２と圧電薄膜Ｆ３及び酸化ケイ素層（温度特性補正層）Ｆ２１による積層構造体の共振周波数の、温度に伴う変化を低減することができる。

共振子１０においては、酸化ケイ素層Ｆ２１は、均一の厚みで形成されることが望ましい。なお、均一の厚みとは、酸化ケイ素層Ｆ２１の厚みのばらつきが、厚みの平均値から±２０％以内であることをいう。

なお、酸化ケイ素層Ｆ２１は、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に形成されてもよいし、Ｓｉ基板Ｆ２の上面と下面の双方に形成されてもよい。また、保持部１４０においては、Ｓｉ基板Ｆ２の下面に酸化ケイ素層Ｆ２１が形成されなくてもよい。

金属層Ｅ２、Ｅ１は、例えば厚さ０．１μｍ以上０．２μｍ以下程度のＭｏ（モリブデン）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いて形成される。金属層Ｅ２、Ｅ１は、エッチング等により、所望の形状に形成される。金属層Ｅ１は、例えば振動部１２０上においては、下部電極として機能するように形成される。また、金属層Ｅ１は、保持腕１１１，１１２や保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた交流電源に下部電極を接続するための配線として機能するように形成される。

他方で、金属層Ｅ２は、振動部１２０上においては、上部電極として機能するように形成される。また、金属層Ｅ２は、保持腕１１１，１１２や保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた回路に上部電極を接続するための配線として機能するように形成される。

なお、交流電源から下部配線または上部配線への接続にあたっては、上蓋３０の外面に電極を形成して、当該電極が回路と下部配線または上部配線とを接続する構成や、上蓋３０内にビアを形成し、当該ビアの内部に導電性材料を充填して配線を設け、当該配線が交流電源と下部配線または上部配線とを接続する構成が用いられてもよい。

圧電薄膜Ｆ３は、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の窒化物や酸化物を主成分とすることができる。具体的には、圧電薄膜Ｆ３は、ＳｃＡｌＮ（窒化スカンジウムアルミニウム）により形成することができる。ＳｃＡｌＮは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部をスカンジウムに置換したものである。また、圧電薄膜Ｆ３の厚さは、例えば、０．８１μｍ程度である。

圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ２、Ｅ１によって圧電薄膜Ｆ３に印加される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向すなわちＹ軸方向に伸縮する。この圧電薄膜Ｆ３の伸縮によって、振動腕１３５は、下蓋２０及び上蓋３０の内面に向かってその自由端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。

保護膜２３５は、エッチングによる質量低減の速度が調整膜２３６より遅い材料により形成される。具体的には、保護膜２３５は、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉＮ等の窒化膜やＴａ₂Ｏ₅（５酸化タンタル）やＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）等の酸化膜により形成されてもよい。また、質量低減速度は、エッチング速度（単位時間あたりに除去される厚み）と密度との積により表される。保護膜２３５の厚さは、例えば０．２μｍ程度である。

調整膜２３６は、振動部１２０の略全面に形成された後、エッチング等の加工により所定の領域のみに形成される。調整膜２３６は、エッチングによる質量低減の速度が保護膜２３５より速い材料により形成される。具体的には、調整膜２３６は、モリブデン（Ｍｏ）や、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属により形成される。

なお、保護膜２３５と調整膜２３６とは、質量低減速度の関係が上述のとおりであれば、エッチング速度の大小関係は任意である。

また、図４から明らかなように、周波数調整工程後の調整膜２３６Ａ，２３６Ｄの厚さは、調整膜２３６Ｂ，２３６Ｃの厚さよりも大きい。具体的には、調整膜２３６Ａ，２３６Ｄの厚さは６００ｎｍ程度であり、調整膜２３６Ｂ，２３６Ｃの厚さは３００ｎｍ程度である。

（５．共振子の機能）
図４を参照して共振子１０の機能について説明する。本実施形態では、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄに印加される電界の位相と、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃに印加される電界の位相とが互いに逆位相になるように設定される。これにより、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄと内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃとが互いに逆方向に変位する。例えば、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄが上蓋３０の内面に向かって自由端を変位すると、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃは下蓋２０の内面に向かって自由端を変位する。

これによって、本実施形態に係る共振子１０では、逆位相の振動時、すなわち、図４に示す振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとの間でＹ軸に平行に延びる第１中心軸ｒ１回りに振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとが上下逆方向に振動する。また、振動腕１３５Ｃと振動腕１３５Ｄとの間でＹ軸に平行に延びる第２中心軸ｒ２回りに振動腕１３５Ｃと振動腕１３５Ｄとが上下逆方向に振動する。これによって、第１中心軸ｒ１と第２中心軸ｒ２とで互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、基部１３０で屈曲振動が発生する。

（６．調整膜の機能）
次に調整膜２３６の機能について説明する。本実施形態に係る共振装置１では、上述のような共振子１０が形成された後、調整膜２３６の膜厚を調整するトリミング工程が行われる。

トリミング工程では、まず各共振子１０の共振周波数を測定し、周波数分布を算出する。次に、算出した周波数分布に基づき、調整膜２３６の膜厚を調整する。調整膜２３６の膜厚の調整は、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを共振子１０の全面に対して照射して、調整膜２３６をエッチングすることによって行うことができる。さらに、調整膜２３６の膜厚が調整されると、共振子１０の洗浄を行い、飛び散った膜を除去することが望ましい。

このようにトリミング工程によって、調整膜２３６の膜厚が調整されることによって、同一ウエハにおいて製造される複数の共振装置１の間で、周波数のばらつきを抑えることができる。
また、調整膜２３６Ｂ,２３６Ｃを、調整膜２３６Ａ,２３６Ｄより多くエッチングする事で、調整膜２３６Ａ,２３６Ｄの厚みを調整膜２３６Ｂ，２３６Ｃの厚みより厚くする事ができる。

（７．実験結果）
図５を用いて、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも質量が大きいことの効果について説明する。図５は、調整膜２３６Ａ，２３６Ｄと調整膜２３６Ｂ，２３６Ｃとの厚さの関係がＤＬＤ（ＤｒｉｖｅＬｅｖｅｌＤｅｐｅｎｄｅｎｃｙ）に与える影響を示すグラフである。横軸はドライブレベルを示し、縦軸は周波数シフト量を示している。

図５において、実線は本実施形態に係る共振子１０のＤＬＤを示すグラフである。また、一点鎖線で示すグラフと破線で示すグラフは、それぞれ比較例１、２の共振子のＤＬＤを示すグラフである。本実施形態に係る共振子１０と、比較例１，２の共振子とは調整膜２３６の厚さのみが異なり、その他の構成は同一である。具体的には、比較例１の共振子は、内側の振動腕に形成された調整膜の方が、外側の振動腕に形成された調整膜よりも３００ｎｍ程度厚い。また、比較例２の共振子は、外側の振動腕と内側の振動腕とで形成される調整膜の厚さは同一である。

図５のグラフから本実施形態に係る共振子１０は比較例１，２の共振子と比べてＤＬＤが改善されていることは明らかである。

このように、本実施形態に係る共振子１０は、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも質量が大きい。より好ましくは、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの方が、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも、自由端側の領域（振動による変位の比較的大きい領域であり、例えば錘部Ｇに対応する領域である。）において、質量が大きい。より好ましくは、外側の振動腕１３５Ａ，１３５Ｄに形成された調整膜２３６Ａ，２３６Ｄは、内側の振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃに形成された調整膜２３６Ｂ，２３６ＣよりもＺ軸方向（積層方向）の厚さが厚い。本実施形態に係る共振子１０はこのような構成を有することでＤＬＤを改善することができる。

［第２実施形態］
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６は、本実施形態に係る、共振子１０Ａの構造の一例を概略的に示す断面図である。なお、図６の断面図は、図３のＡＡ'において第２実施形態に係る共振子１０Ａを切断した場合の断面図である。

本実施形態に係る共振子１０Ａにおいて、調整膜２３６は、Ｘ軸方向（振動腕１３５が並ぶ方向）に沿った外側の端部よりも内側の端部の方が厚さが小さいテーパー形状を有している。なお、調整膜２３６の形状はテーパー形状に限定されず、外側の端部から内側の端部に向かう途中に凹凸を有する形状でもよい。
その他の共振子１０Ａの構成は、第１実施形態と同様である。

［第３実施形態］
以下に本実施形態に係る共振子１０Ｂの各構成のうち、第１実施形態との差異点について説明する。図７は、本実施形態に係る、共振子１０Ｂの構造の一例を概略的に示す断面図である。なお、図７の断面図は、図３のＡＡ'において第３実施形態に係る共振子１０Ｂを切断した場合の断面図である。

図７に示すように本実施形態に係る共振子１０Ｂは、保護膜２３５を有しない。これにより、保護膜２３５を形成する工程を省略できる。さらに、本実施形態に係る共振子１０Ｂでは、外側の振動腕にのみ、調整膜２３６を形成する事で、内側と外側の厚みを変えている。しかしこれに限定されず、共振子１０Ｂにおいて、内側の振動腕にも調整膜２３６を形成し、内側の振動腕の調整膜を重点的に除去することで、外側の厚みを厚くしても良い。

［その他の実施形態］
既述の実施形態において、共振子１０は４本の振動腕１３５を有する構成について説明した。しかしこれに限定されず、共振子１０は、５本以上の振動腕１３５を有する構成でもよい。この場合、最も外側に位置する２本の振動腕１３５以外の内側の複数の振動腕１３５は、それぞれ同相で振動することが好ましい。また、このとき最も外側に位置する２本の振動腕１３５以外の内側の振動腕１３５の質量は、それぞれ同じでもよいし、内側（中央側）に向かうにつれて小さくなる構成でもよい。ただしいずれの場合でも、最も外側に位置する２本の振動腕１３５の質量は、当該２本の振動腕１３５の間の複数のいずれの振動腕の質量よりも大きい。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る共振子１０は基部１３０と、第１電極Ｅ２及び第２電極Ｅ１と、第１電極Ｅ２と第２電極Ｅ１との間に設けられ、第１電極Ｅ２に対向する上面を有し、第１及び第２電極Ｅ２，Ｅ１の間に電圧が印加されたときに所定の振動モードで振動する圧電膜Ｆ３とを有し、一端が基部１３０の前端と接続する固定端であり、他端が前端から離れる方向に延びた開放端である３本以上の振動腕１３５と、を有し、３本以上の振動腕１３５は、３本以上の振動腕１３５が並ぶ方向において、最も外側に位置し、同位相で振動する２本の第１腕１３５Ａ（１３５Ｄ）と、２本の第１腕の間に挟まれた１本以上の第２腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）とを有し、第１腕１３５Ａ（１３５Ｄ）は、第２腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）よりも質量が大きい。これによって、共振子１０において、ＤＬＤが改善される。

また、第１腕１３５Ａ，１３５Ｄは、第２腕１３５Ｂ，１３５Ｃよりも、先端部（錘部Ｇ）において、質量が大きいことが好ましい。また、第１腕１３５Ａ（１３５Ｄ）は、第２腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）よりも、少なくとも先端部（錘部Ｇ）における厚さが大きいことが好ましい。

さらに共振子１０は、第１電極Ｅ２を挟んで圧電膜Ｆ３の上面と対向して設けられ、かつ振動腕１３５から基部１３０に亘って設けられた保護膜２３５と、３本以上の振動腕１３５それぞれにおいて、少なくとも先端部（錘部Ｇ）において露出した調整膜２３６と、を備え、第１腕１３５Ａ（１３５Ｄ）に形成された調整膜２３６は、第２腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）に形成された調整膜よりも厚さが大きいことが好ましい。さらに調整膜２３６は、３本以上の振動腕１３５が並ぶ方向における外側の端部よりも内側の端部の方が厚さが小さいことも好ましい。

また、調整膜２３６は、エッチングによる質量低減の速度が保護膜２３５よりも速い材料から成ることが好ましい。これによって、本実施形態に係る共振子１０は、トリミング工程によって、調整膜２３６の膜厚が調整されることによって、同一ウエハにおいて製造される複数の共振装置１の間で、周波数のばらつきを抑えることができる。

さらに、保護膜２３５は、絶縁体であり、調整膜２３６は金属であってもよい。

また、本発明の一実施形態に係る共振装置１は、上述の共振子１０と、共振子１０を覆う蓋体（下蓋２０及び上蓋３０）と、外部電極とを備える。

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。

１共振装置
１０共振子
３０上蓋
２０下蓋
１４０保持部
１４０ａ〜ｄ枠体
１１１，１１２保持腕
１２０振動部
１３０基部
１３５Ａ〜Ｄ振動腕
Ｆ２Ｓｉ基板
Ｆ２１酸化ケイ素層（温度特性補正層）
２３５保護膜
２３６調整膜

Claims

基部と、
第１電極及び第２電極と、前記第１電極と第２電極との間に設けられ、前記第１電極に対向する上面を有し、前記第１及び第２電極の間に電圧が印加されたときに所定の振動モードで振動する圧電膜とを有し、一端が前記基部の前端と接続する固定端であり、他端が前記前端から離れる方向に延びた開放端である３本以上の振動腕と、
を有し、
前記３本以上の振動腕は、
前記３本以上の振動腕が並ぶ方向において、最も外側に位置し、同位相で振動する２本の第１腕と、
前記２本の第１腕の間に挟まれた１本以上の第２腕とを有し、
前記第１腕は、前記第２腕よりも、先端部において、質量が大きく、
前記第１電極を挟んで前記圧電膜の前記上面と対向して設けられ、かつ
前記３本以上の振動腕それぞれにおいて、少なくとも前記先端部において露出した調整
膜をさらに備え、
前記第１腕に形成された調整膜は、前記第２腕に形成された調整膜よりも厚さが大きく、かつ前記３本以上の振動腕が並ぶ方向における外側の端部よりも内側の端部の方が厚さが小さい、
共振子。
前記第１腕は、前記第２腕よりも、少なくとも先端部における厚さが大きい、
請求項１に記載の共振子。
前記第１電極を挟んで前記圧電膜の前記上面と対向して設けられ、かつ前記振動腕から前記基部に亘って設けられた保護膜をさらに備える、
請求項１又は２に記載の共振子。
請求項１乃至３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。