JP7324411B2 - 共振子及び共振装置 - Google Patents

Description

本発明は、輪郭振動モードで振動する共振子及び共振装置に関する。

従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）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、直方体状の圧電体と、圧電体の外表面に形成された複数の共振電極とを備え、圧電体の分極方向両側の一対の矩形の面の短辺の長さをａ、長辺の長さをｂとし、前記圧電体を構成している材料のポアソン比をσとしたときに、長辺と短辺との長さの比ｂ／ａが、所定の値を中心として±１０％の範囲内とされており、複数の共振電極間に交流電圧が印加されたときに短辺方向を幅方向とする幅拡がりモードが励振される共振部を有する、幅拡がりモードを利用した振動体が開示されている。

特許第３１３９２７４号公報

特許文献１に記載された振動体は、圧電体の両方の主面に電極が形成されるため、振動体の厚さ方向の構造を対称に形成することが可能である。

しかしながら、基板の一方の主面に電極を形成する場合、振動する振動部の厚さ方向、例えばＺ軸方向の構造が非対称になるため、振動部がＺ軸方向に屈曲することによって、振動部と保持部とを接続する支持部がＺ軸方向に変位する。その結果、振動部の振動が支持部を通じて保持部に漏洩することとなり、振動の閉じ込め性が低下することがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、振動の閉じ込め性を向上させることのできる共振子及び共振装置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、
基板と、基板の一方の主面に形成される第１電極と、基板と第１電極との間に配置される圧電体層とを含み、輪郭振動を主振動として振動する振動部と、
振動部の少なくとも一部を囲むように形成される保持部と、
振動部と保持部とを接続する支持部と、を備え、
振動部は、一方の主面に圧電体層が除去された凹部を有する。

本発明の一側面に係る共振装置は、
前述した共振子と、
蓋体と、を備える。

本発明によれば、振動の閉じ込め性を向上させることができる。

図１は、本発明の一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。 図２は、図１に示した共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図３は、図２に示した共振子の構造を概略的に示す平面図である。 図４は、図３に示したＩＶ－ＩＶ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。 図５は、図３に示したＶ－Ｖ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。 図６は、支持ユニットにおける長さ方向（Ｙ軸方向）の変位と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図７は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図８は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位の大きさと振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図９は、支持ユニットにおける厚さ方向（Ｚ軸方向）の評価指標と振動部のアスペクト比との関係の一例を示すグラフである。 図１０は、図３に示した振動部の周辺の構成の第１変形例を示す斜視図である。 図１１は、図３に示した振動部の周辺の構成の第２変形例を示す斜視図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。

［実施形態］
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振装置の概略構成について説明する。図１は、本発明の一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。図２は、図１に示した共振装置１の構造を概略的に示す分解斜視図である。

共振装置１は、共振子１０と、下蓋２０及び上蓋３０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。なお、本実施形態の下蓋２０及び上蓋３０は、本発明の「蓋体」の一例に相当する。

以下において、共振装置１の各構成について説明する。なお、以下の説明では、共振装置１のうち上蓋３０が設けられている側を上（又は表）、下蓋２０が設けられている側を下（又は裏）、とする。

共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とは、接合されている。また、共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とは、それぞれシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という）を用いて形成されており、Ｓｉ基板同士が互いに接合されている。なお、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。

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。なお、上蓋３０は凹部３１を有さず、平板状の構成でもよい。また、上蓋３０の凹部３１の共振子１０側の面には、ゲッター層が形成されていてもよい。

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、つまり、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が形成されている。凹部２１は、共振子１０の振動空間の一部を形成する。なお、下蓋２０は凹部２１を有さず、平板状の構成でもよい。また、下蓋２０の凹部２１の共振子１０側の面には、ゲッター層が形成されてもよい。

前述した上蓋３０と下蓋２０とによって、共振子１０の振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。なお、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。

次に、図３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振子１０の概略構成について説明する。図３は、図２に示した共振子１０の構造を概略的に示す平面図である。

図３に示すように、共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。共振子１０は、振動部１２０と、保持部１４０と、支持ユニット１１０と、を備える。なお、本実施形態の支持ユニット１１０は、本発明の「支持部」の一例に相当する。

振動部１２０は、上蓋３０に対向する面を平面視したときに、図３に示す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に示すように、平面視において、振動部１２０は、Ｙ軸方向に沿う長さＬ、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗの主面を有している。また、振動部１２０のアスペクト比（寸法比）は、幅Ｗに対する長さＬ、つまり、Ｌ／Ｗで表される。例えば、長さＬは１７１μｍ程度であり、幅Ｗは１２０μｍ程度である。この場合、アスペクト比Ｌ／Ｗは１．４２５程度となる。

振動部１２０は、金属層Ｅ１を含んでいる。金属層Ｅ１は、振動部１２０の輪郭に沿った形状を有している。金属層Ｅ１は、平面視において、Ｙ軸方向に沿う長さが振動部１２０の長さＬと略同一であり、Ｘ軸方向に沿う幅が振動部１２０の幅Ｗと略同一である。なお、金属層Ｅ１は、振動部１２０の輪郭に沿った形状に限定されるものではなく、振動部１２０のＹ軸方向における一端から他端に亘って形成されていればよい。また、本実施形態の金属層Ｅ１は、本発明の「第１電極」の一例に相当する。

また、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１２５が形成されている。保護膜１２５の詳細については、後述する。

振動部１２０は、例えば４つの凹部１２１を有している。各凹部１２１は、平面視において正方形を有しており、一辺の長さが９μｍ程度である。

また、各凹部１２１は、平面視したときに、振動部１２０の中心からオフセットされた位置に配置されている。すなわち、各凹部１２１は、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１から長さＬｏｆｆだけ離れた位置に形成される。また、各凹部１２１は、振動部１２０におけるＸ軸方向の中心線ＣＬ２から幅Ｗｏｆｆだけ離れた位置に形成される。

各凹部１２１におけるＹ軸方向のオフセット比率は、振動部１２０の長さＬに対する長さＬｏｆｆ、つまり、Ｌｏｆｆ／Ｌで表される。Ｙ軸方向のオフセット比率は、例えば０．４程度である。また、各凹部１２１におけるＸ軸方向のオフセット比率は、振動部１２０の幅Ｗに対する幅Ｗｏｆｆ、つまり、Ｗｏｆｆ／Ｗで表される。Ｘ軸方向のオフセット比率は、例えば０．２程度である。

保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように、矩形の枠状に形成される。なお、保持部１４０は、振動部１２０の周囲の少なくとも一部を囲むように設けられていればよく、枠状の形状に限定されるものではない。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、保持部１４０は一体形成される角柱形状の枠体１４０ａ～１４０ｄを含んでいる。図３に示すように、枠体１４０ａ、１４０ｂは、振動部１２０の短い辺に対向して、長手方向がＸ軸方向に平行に設けられる。また、枠体１４０ｃ、１４０ｄは、振動部１２０の長辺に対向して、長手方向がＹ軸方向に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの両端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｂは、その中央付近において、支持ユニット１１０によって接続されている。

支持ユニット１１０は、保持部１４０の内側であって、振動部１２０の短辺と枠体１４０ｂとの間の空間に設けられる。支持ユニット１１０は、振動部１２０の短辺と保持部１４０の枠体１４０ｂとを接続する。図示を省略するが、支持ユニット１１０の表面には、振動部１２０から枠体１４０ｂに亘って前述した金属層Ｅ１が形成されている。

本実施形態の支持ユニット１１０は、ノード生成部１３０を含んでいる。ノード生成部１３０は、腕１１１ａによって振動部１２０の短辺に接続され、腕１１１ｂによって保持部１４０の枠体１４０ｂに接続されている。また、ノード生成部１３０は、振動部１２０の短辺と対向する辺１３１を有し、当該辺１３１において腕１１１ａに接続されている。

ノード生成部１３０は、Ｘ軸方向に沿った幅が、腕１１１ａから腕１１１ｂへと向かうにつれて狭まる形状を有する。また、ノード生成部１３０は、辺１３１の垂直二等分線に対して線対称の形状を有する。ノード生成部１３０は、Ｘ軸方向に沿った幅が最大となる箇所を、Ｙ軸方向における中心よりも腕１１１ａ側に有している。本実施形態においては、ノード生成部１３０のＹ軸方向に沿った幅は、辺１３１において最大であり、腕１１１ａから腕１１１ｂへと向かうにつれて、徐々に狭くなり、ノード生成部１３０の頂点と腕１１１ｂとの接続箇所において最も狭くなる。なお、ノード生成部１３０のＸ軸方向に沿った幅は、それぞれ、連続的に狭まる必要はなく、例えば、段階的に狭まったり、一部に広がる部分を有していたりしても、全体として徐々に狭まっていればよい。また、ノード生成部１３０の周縁は、それぞれ、滑らかな形状に限らず、凹凸を有してもよい。

本実施形態において、ノード生成部１３０は、例えば辺１３１を直径とする半径３０μｍ程度の半円の形状をしている。この場合、ノード生成部１３０の円弧を形成する円の中心は、辺１３１の中心に位置する。なお、ノード生成部１３０の円弧を形成する円の中心は、腕１１１ｂの中心に位置してもよい。また、辺１３１は、直線形状に限らず円弧形状でもよい。この場合、腕１１１ａは、辺１３１の頂点と接続される。さらにこの場合、辺１３１の円弧を形成する円の中心は、腕１１１ａ側に位置してもよいし、腕１１１ｂ側に位置してもよい。辺１３１の長さは、腕１１１ａのＸ軸方向に沿った幅よりも大きく、振動部１２０の短辺よりも小さいことが好ましい。

本実施形態における支持ユニット１１０のノード生成部１３０は、Ｘ軸方向に沿った幅が、腕１１１ａから腕１１１ｂへ向かうにつれて徐々に狭まっている構造である。このため、振動部１２０から伝搬される振動の伝搬状態が変化した場合であっても、ノード生成部１３０には、振動による変位が大きい部位に隣接して変位が小さい部位が形成される。これによって、ノード生成部１３０は、振動部１２０から漏えいした振動に対し、変位部位を調整して、ノード生成部１３０上に振動のノードを形成することができる。ノード生成部１３０は、この形成されたノードにおいて、腕１１１ａに接続されることによって、振動部１２０から保持部１４０への振動の伝搬を抑制することができる。この結果、共振子１０のアンカーロスを低減させることができ、Ｑ値を向上させることができる。

次に、図４から図５を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る共振子１０の積層構造について説明する。図４は、図３に示したＩＶ－ＩＶ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。図５は、図３に示したＶ－Ｖ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。

共振子１０における、振動部１２０、保持部１４０、及び支持ユニット１１０は、同一プロセスで一体的に形成される。図４に示すように、共振子１０における振動部１２０は、例えば厚さ２４μｍ程度のシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という）Ｆ２の一方の主面、つまり、上面の上に、金属層Ｅ２が積層されている。そして、金属層Ｅ２の上には、金属層Ｅ２を覆うように圧電薄膜Ｆ３が積層されており、さらに圧電薄膜Ｆ３の上には、金属層Ｅ１が積層されている。また、金属層Ｅ１の上には、金属層Ｅ１を覆うように保護膜１２５が積層されている。なお、本実施形態のＳｉ基板Ｆ２は、本発明の「基板」の一例に相当し、本実施形態の圧電薄膜Ｆ３は、本発明の「圧電体層」の一例に相当する。

振動部１２０においては、Ｓｉ基板Ｆ２と、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に形成される金属層Ｅ１と、との間に配置される圧電薄膜Ｆ３と、を含んでいる。

このように、振動部１２０の基板の材料が、シリコン（Ｓｉ）であることにより、振動部１２０の機械的強度を高めることができる。

Ｓｉ基板Ｆ２は、縮退したｎ型シリコン（Ｓｉ）半導体から形成されていてもよい。縮退シリコン（Ｓｉ）は、ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）やヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等を含むことができる。Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退シリコン（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。

このように、振動部１２０の基板の材料が、縮退シリコン（Ｓｉ）であることにより、振動部１２０の周波数温度特性を向上させることができる。

また、Ｓｉ基板Ｆ２の他方の主面、つまり、下面に、補正層Ｆ１が形成されている。補正層Ｆ１は、例えば厚さ０．５μｍ程度であり、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を用いて形成される。

本実施形態において、補正層Ｆ１とは、当該補正層Ｆ１をＳｉ基板Ｆ２に形成しない場合と比べて、Ｓｉ基板Ｆ２に補正層を形成したときの振動部１２０における周波数の温度係数、つまり、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が補正層Ｆ１を含むことにより、例えば、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１と圧電薄膜Ｆ３と補正層Ｆ１とを含む積層構造体の共振周波数において、温度に伴う変化を低減することができ、振動部１２０の温度特性を向上させることができる。

金属層Ｅ１、Ｅ２は、例えば厚さ０．２μｍ以下程度であり、成膜後に、エッチング等により所望の形状にパターニングされる。金属層Ｅ１、Ｅ２は、結晶構造が体心立法構造である金属が用いられている。具体的には、金属層Ｅ１は、Ｍｏ（モリブデン）、タングステン（Ｗ）等を用いて形成される。

金属層Ｅ１は、例えば振動部１２０上においては、上部電極としての役割を果たすように形成される。また、金属層Ｅ１は、支持ユニット１１０及び保持部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上部電極を接続するための配線としての役割を果たすように形成される。

一方、金属層Ｅ２は、振動部１２０上においては、下部電極としての役割を果たすように形成される。また、金属層Ｅ２は、支持ユニット１１０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下部電極を接続するための配線としての役割を果たすように形成される。

なお、Ｓｉ基板Ｆ２自体が下部電極の役割を兼ねることが可能であり、金属層Ｅ２を省略することができる。

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る。圧電薄膜Ｆ３は、結晶構造がウルツ鉱型六方晶構造を持つ材質から形成されており、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等の窒化物や酸化物を主成分とすることができる。なお、窒化スカンジウムアルミニウムは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部がスカンジウムに置換されたものであり、スカンジウムの代わりにマグネシウム（Ｍｇ）及びニオブ（Ｎｂ）やマグネシウム（Ｍｇ）及びジルコニウム（Ｚｒ）等の２元素で置換されていてもよい。また、圧電薄膜Ｆ３は、例えば０．８μｍの厚さを有するが、０．２μｍから２μｍ程度の厚さを用いることも可能である。

また、圧電薄膜Ｆ３は、Ｓｉ基板Ｆ２に対してｃ軸、つまり、その厚さ方向（Ｚ軸方向）に沿って配向している。

保護膜１２５は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）等の圧電膜の他、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁膜で形成される。保護膜１２５の厚さは、例えば０．２μｍ程度である。振動部１２０が保護膜１２５を含むことにより、例えば、圧電振動用の上部電極である金属層Ｅ１の酸化を防ぐことができる。

各凹部１２１は、振動部１２０において、金属層Ｅ２上に積層された圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去され、形成される。

換言すれば、各凹部１２１は、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。

前述したように、Ｓｉ基板Ｆ２が下部電極の用途にも使用されて金属層Ｅ２を省略する場合、Ｓｉ基板Ｆ２上に積層された圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去され、凹部１２１が形成される。換言すれば、各凹部１２１は、その底面において、Ｓｉ基板Ｆ２の上面を露出する。

振動部１２０は、上部電極である金属層Ｅ１に対応する振動領域を有している。図４に示すように、振動領域において、圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ１、金属層Ｅ２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、つまり、Ｙ軸方向に伸縮する。具体的には、圧電薄膜Ｆ３は厚さ方向に沿って配向しているため、金属層Ｅ１及び金属層Ｅ２に所定の電界を印加して、金属層Ｅ１と金属層Ｅ２との間に所定の電位差を形成すると、この電位差に応じて圧電薄膜Ｆ３がＸＹ面内方向において輪郭振動する。すなわち、振動部１２０の振動領域には、長さ方向（Ｙ軸方向）において、振動部１２０が伸びている状態と振動部１２０が縮んでいる状態とを繰り返す伸縮モードの振動が生じる。

振動部１２０は、輪郭振動を主振動として振動する一方、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面（図４おける上面）に金属層Ｅ１及び金属層Ｅ２等が形成される等によって、厚さ方向（Ｚ軸方向）の構造が非対称であるため、輪郭振動に伴って厚さ方向の屈曲が生じやすくなっている。

これに対し、本実施形態の振動部１２０は、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面に圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５が除去された凹部１２１を有することにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を調整することが可能になる。従って、保持部１４０への振動漏れを抑制することがででき、閉じ込め性を向上できる。

また、図３に示したように、凹部１２１は、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面を平面視（以下、単に「平面視」という）したときに、Ｓｉ基板Ｆ２におけるＹ軸方向に直交するＸ軸方向の中心線ＣＬ２からオフセットされた位置に形成される。これにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。

なお、本明細書において、「輪郭振動」とは、拡がり振動、幅方向（Ｘ軸方向）の寸法が変化する幅拡がり振動、及び長さ方向（Ｙ軸方向）に伸縮する伸縮振動の総称として用いるものとする。

次に、図６及び図７を参照しつつ、振動部の振動による支持ユニットの変位について説明する。なお、図６及び図７において、振動部１２０は、図４及び図５に示した金属層Ｅ２を含まず、厚さ０．５μｍの補正層Ｆ１、厚さ２４μｍのＳｉ基板Ｆ２、厚さ０．８μｍの圧電薄膜Ｆ３、厚さ０．２μｍの金属層Ｅ１、及び厚さ０．２μｍの保護膜１２５を含むものとして説明する。図６は、支持ユニット１１０における長さ方向（Ｙ軸方向）の変位と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図７は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図６において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の長さ方向における振動部１２０との接合箇所の変位量（以下、単に「長さ方向の変位量」ともいう）である。また、図７において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の厚さ方向における振動部１２０との接合箇所の変位量（以下、単に「厚さ方向の変位量」ともいう）である。さらに、図６及び図７では、比較のために、振動部に凹部がない場合におけるそれぞれの変位量について、黒丸を用いて示している。

図６に示すように、支持ユニット１１０の長さ方向の変位量について、凹部１２１を有する振動部１２０は、凹部のない振動部と比較して、顕著な違いは認められない。例えば、どちらの場合もアスペクト比１．４２５の周辺において、支持ユニット１１０の長さ方向の変位量がゼロになる。

一方、図７に示すように、支持ユニット１１０の厚さ方向の変位量について、凹部１２１を有する振動部１２０の場合は、アスペクト比１．４２５の周辺においてゼロになるのに対し、凹部のない振動部の場合は、アスペクト比１．４２５の周辺においてゼロにならない。

実際に、凹部のない振動部において、支持ユニット１１０Ａ’の厚さ方向の変位量は、保持部との接続部分（腕１１１ｂ’）負の値を示しており、厚さ方向の振動が振動部から保持部に漏洩している。これに対し、凹部１２１を有する振動部１２０において、支持ユニット１１０Ａの厚さ方向の変位量は、保持部との接続部分（腕１１１ｂ）周辺において略ゼロの値を示しており、厚さ方向の振動が振動部１２０から保持部１４０へ漏洩するのを抑制していることが分かる。

次に、図８及び図９を参照しつつ、振動部の振動による支持ユニットの厚さ方向の変位について、別の指標を用いて説明する。なお、図８及び図９において、振動部１２０は、前述した図６及び図７における振動部１２０と同一であるものとして説明する。図８は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の変位の大きさと振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図９は、支持ユニット１１０における厚さ方向（Ｚ軸方向）の評価指標と振動部１２０のアスペクト比ＡＲとの関係の一例を示すグラフである。図８において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、支持ユニット１１０の厚さ方向における変位の大きさの断面積積分値である。また、図９において、横軸は振動部１２０のアスペクト比ＡＲ（Ｌ／Ｗ）である。縦軸は、振動部１２０の厚さ方向における最大変位の大きさに対する支持ユニット１１０の厚さ方向における変位の大きさの断面積積分値を示す性能指数ＦＯＭ１（Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）である。さらに、図８及び図９では、比較のために、振動部に凹部がない場合における断面積積分値及び性能指数ＦＯＭ１について、黒丸を用いて示している。

図８に示すように、凹部１２１を有する振動部１２０及び凹部のない振動部は、ともに、アスペクト比１．４２５の周辺において最小値となっている。凹部１２１を有する振動部１２０は、アスペクト比１．４２５において、凹部のない振動部よりも小さい値となっている。

図９に示すように、アスペクト比１．４２５において、凹部のない振動部は性能指数ＦＯＭ１が２．４であるのに対し、凹部１２１を有する振動部１２０は性能指数ＦＯＭ１が４０．６である。このように、凹部１２１を有する振動部１２０は、凹部のない振動部と比較して、性能指数ＦＯＭ１に関して約１７倍改善できることが分かる。

本実施形態では、振動部１２０が４つの凹部１２１を有し、平面視において各凹部１２１が正四角形の形状を有する例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、振動部１２０が、１つ、２つ、３つ、又は５つ以上の凹部１２１を有していてもよいし、凹部１２１の平面視の形状は、正四角形以外の形状であってもよい。

（第１変形例）
図１０は、図３に示した振動部１２０の周辺の構成の第１変形例を示す斜視図である。なお、第１変形例において、図３に示した振動部１２０の周辺と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、同様の構成による同様の作用効果については、逐次言及しない。

図１０に示すように、振動部１２０は、２つの支持ユニット１１０Ａ、１１０Ｂによって接続されている。支持ユニット１１０Ａは、振動部１２０のＹ軸負方向側の短辺と保持部１４０の枠体１４０ｂとを接続するノード生成部１３０Ａを含む。支持ユニット１１０Ｂは、振動部１２０のＹ軸正方向側の短辺と保持部１４０の枠体１４０ａとを接続するノード生成部１３０Ｂを含む。ノード生成部１３０Ａ及びノード生成部１３０Ｂは、それぞれ、図２及び図３に示したノード生成部１３０と同一である。

また、振動部１２０は、２つの凹部１２１Ａを有し、各凹部１２１Ａは、平面視において半円形状を有している。また、各凹部１２１Ａは、凹部１２１と同様に、図４に示した圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去されており、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。

また、２つの凹部１２１Ａは、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。すなわち、Ｙ軸負方向側の凹部１２１ＡとＹ軸正方向側の凹部１２１Ａとは、それぞれ、中心線ＣＬ１に関して対称な位置に形成されている。これにより、振動部１２０に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。

（第２変形例）
図１１は、図３に示した振動部１２０の周辺の構成の第２変形例を示す斜視図である。なお、第２変形例において、図３に示した振動部１２０の周辺と同一の構成については、同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、同様の構成による同様の作用効果については、逐次言及しない。

図１１に示すように、振動部１２０は、２つの凹部１２１Ｂを有し、各凹部１２１Ｂは、平面視においてＹ軸方向に沿って延びる帯形状を有している。また、各凹部１２１Ｂは、凹部１２１と同様に、図４に示した圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、及び保護膜１２５の一部がエッチング等によって除去されており、その底面において、金属層Ｅ２を露出している。

また、２つの凹部１２１Ｂは、振動部１２０におけるＸ軸方向の中心線ＣＬ２に関して対称な位置にそれぞれ配置されている。すなわち、Ｘ軸負方向側の凹部１２１ＢとＸ軸正方向側の凹部１２１Ｂとは、それぞれ、中心線ＣＬ２に関して対称な位置に形成されている。

なお、図１０及び図１１に示した変形例では、一方の凹部と他方の凹部とが、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１及びＸ軸方向の中心線ＣＬ２のうちの一方に関して対称な位置に、それぞれ形成される例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図３に示したように、一方の凹部と他方の凹部とは、それぞれ、振動部１２０におけるＹ軸方向の中心線ＣＬ１及びＸ軸方向の中心線ＣＬ２の両方に関して対称な位置に形成されてもよい。

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は、振動部は、Ｓｉ基板の一方の主面に圧電薄膜が除去された凹部を有する。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を調整することが可能になる。従って、保持部への振動漏れを抑制することができ、閉じ込め性を向上できる。

また、前述した共振子において、凹部は一方の主面を露出する。これにより、保持部への振動漏れを抑制する振動部を容易に実現することができる。

また、前述した共振子において、凹部は金属層を露出する。これにより、保持部への振動漏れを抑制する振動部を容易に実現することができる。

また、前述した共振子において、凹部は、Ｓｉ基板の一方の主面を平面視したときに、Ｓｉ基板におけるＹ軸方向に直交するＸ軸方向の中心線からオフセットされた位置に形成される。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。

また、前述した共振子において、複数の凹部のうちの一の凹部と他の凹部とは、Ｓｉ基板におけるＹ軸方向及び／又はＸ軸方向の中心線に関して対称な位置にそれぞれ形成される。これにより、振動部に生じる厚さ方向の変位形状を容易に調整することができる。

また、前述した共振子において、支持ユニットが振動部の長さ方向の端部に接続される。これにより、長さ方向に伸縮する振動部と、保持部とを容易に接続することができる。

また、前述した共振子において、基板の材料はシリコン（Ｓｉ）である。これにより、振動部の機械的強度を高めることができる。

また、前述した共振子において、基板の材料は縮退シリコン（Ｓｉ）である。これにより、振動部の周波数温度特性を向上させることができる。

また、前述した共振子において、金属層を覆うように形成される保護膜をさらに含む。これにより、例えば、圧電振動用の上部電極である金属層の酸化を防ぐことができる。

また、前述した共振子において、振動部は、Ｓｉ基板の他方の主面に形成される補正層をさらに含む。これにより、例えば、Ｓｉ基板と金属層と圧電薄膜と補正層とを含む積層構造体の共振周波数において、温度に伴う変化を低減することができ、振動部の温度特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る共振装置は、先述した共振子と、上蓋及び下蓋と、を備える。これにより、閉じ込め性を向上する共振装置を容易に実現することができる。

なお、以上説明した実施形態は、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。すなわち、実施形態及び／又は変形例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、実施形態及び／又は変形例が備える各要素及びその配置、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、実施形態及び変形例は例示であり、異なる実施形態及び／又は変形例で示した構成の部分的な置換又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
２０ 下蓋
２１ 凹部
２２ 底板
２３ 側壁
３０ 上蓋
３１ 凹部
３３ 側壁
１１０ 支持ユニット
１１０Ａ 支持ユニット
１１０Ａ’ 支持ユニット
１１０Ｂ 支持ユニット
１１１ａ 腕
１１１ｂ 腕
１１１ｂ’ 腕
１２０ 振動部
１２１ 凹部
１２１Ａ 凹部
１２１Ｂ 凹部
１２５ 保護膜
１３０ ノード生成部
１３０Ａ ノード生成部
１３０Ｂ ノード生成部
１３１ 辺
１４０ 保持部
１４０ａ 枠体
１４０ｂ 枠体
１４０ｃ 枠体
１４０ｄ 枠体
ＡＲ アスペクト比
ＣＬ１ 中心線
ＣＬ２ 中心線
Ｅ１ 金属層
Ｅ２ 金属層
Ｆ１ 補正層
Ｆ２ Ｓｉ基板
Ｆ３ 圧電薄膜
ＦＯＭ１ 性能指数
Ｌ 長さ
Ｌｏｆｆ 長さ
Ｗ 幅
Ｗｏｆｆ 幅

Claims (10)

1. 基板と、前記基板の一方の主面に形成される第１電極と、前記基板と前記第１電極との間に配置される圧電体層と、前記第１電極を覆うように形成される保護層とを含み、輪郭振動を主振動として振動する振動部と、
   前記振動部の少なくとも一部を囲むように形成される保持部と、
   前記振動部と前記保持部とを接続する支持部と、を備え、
   前記振動部は、前記一方の主面に前記保護層、前記第１電極及び前記圧電体層を貫通する凹部を有し、
   前記凹部は、前記一方の主面を平面視したときに前記振動部の端部を除く領域に配置されている、
   共振子。
2. 前記凹部は、前記一方の主面を露出する、
   請求項１に記載の共振子。
3. 前記振動部は、前記基板と前記圧電体層との間に配置される第２電極をさらに含み、
   前記凹部は、前記第２電極を露出する、
   請求項１に記載の共振子。
4. 前記振動部は、第１方向に沿った伸縮振動を主振動として振動し、
   前記凹部は、前記一方の主面を平面視したときに、前記基板における前記第１方向に直交する第２方向の中心線からオフセットされた位置に形成される、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の共振子。
5. 前記振動部は、複数の前記凹部を含み、
   前記複数の凹部のうちの一の前記凹部と他の前記凹部とは、前記基板における前記第１方向及び／又は前記第２方向の中心線に関して対称な位置にそれぞれ形成される、
   請求項４に記載の共振子。
6. 前記支持部は、前記振動部における前記第１方向の端部に接続される、
   請求項４又は５に記載の共振子。
7. 前記基板の材料は、シリコンである、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の共振子。
8. 前記基板の材料は、縮退シリコンである、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の共振子。
9. 前記振動部は、前記基板の他方の主面に形成される補正層をさらに含む、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の共振子。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の共振子と、
    蓋体と、を備える、
    共振装置。

Images