JP7337331B2 - 共振子及び共振装置 - Google Patents
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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、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。
特許文献１のように、平面視において、振動部が矩形状を有する共振子では、当該矩形状の短辺における中央部が、変位の小さい振動のノード領域となる。そのため、従来の共振子は、このノード領域に、共振子と保持部とを接続する支持部を設けており、振動部の振動が支持部を通じて保持部に漏洩することを抑制していた。
しかしながら、振動部のノード領域は、変位が少なくても歪みが大きくなる場合があった。この場合、ノード領域の歪みによって、振動部の振動エネルギーが支持部から保持部へ漏洩するおそれがあるため、振動の閉じ込め性の向上には限界があった。
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さらに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、第１主面が第１方向の幅と第２方向の長さとを有する基板を含み、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、第２方向に沿って延在し、保持部と振動部における２方向の一端部とを接続する支持部と、を備え、振動部は、第１主面を平面視したときに、第１方向の幅が、最大となる第２方向の位置から一端部に向けて、及び位置から第２方向の他端部に向けて、小さくなる。
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さらに向上させることができる。
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。
［第１実施形態］
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１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、第１実施形態における共振装置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。
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１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、第１実施形態における共振装置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、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、本発明の第１実施形態に係る共振子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、支持腕１１１と、を備える。なお、支持腕１１１は、本発明の「支持部」の一例に相当する。
振動部１２０は、一方の主面（上蓋３０に対向する面）がＸ軸方向の幅ＷとＹ軸方向の長さＬとを有する後述のシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という）Ｆ２を含んでいる。また、後述するように、振動部１２０は、輪郭振動を主振動として振動するように構成されている。なお、Ｓｉ基板Ｆ２の外形は振動部１２０の外形と同一又は略同一であるため、以下の説明では、特に明示した場合を除き、振動部１２０は、平面視において、Ｓｉ基板Ｆ２の一方の主面と同様に、Ｘ軸方向の幅ＷとＹ軸方向の長さＬとを有するものとする。
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卵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、２つの半楕円を組み合わせた形状であって、一方の半楕円の短径と他方の半楕円の長径とをつなぎ合わせた形状を有している。なお、振動部１２０は、それぞれ半楕円の形状を有する２つの部材を接合したり、接続したりするものに限定されず、１つの部材から形成されてもよい。この場合、振動部１２０の形状は、ＭＥＭＳ技術を用いた微細加工によって形成される。
振動部１２０における一方の半楕円の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その楕円の長軸を通る位置において最大値Ｌ１ｍａｘを有している。振動部１２０における他方の半楕円の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その楕円の短軸を通る位置において最大値Ｌ２ｍａｘを有している。
また、振動部１２０は、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗが、一方の半楕円と他方の半楕円との境界を通るＹ軸方向の位置において、最大値Ｗｍａｘを有している。そして、振動部１２０におけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の一端部（図３において下端部）に向けて、及び、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の他端部（図３において上端部）に向けて、漸次的に小さくなっている。これにより、振動部１２０の一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。
図３に示すように、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置は、振動部１２０のＹ軸方向の中心を通る中心線ＣＬ２からずれている。より詳細には、当該位置は、振動部１２０のＹ軸方向の中心線ＣＬ２から、振動部１２０におけるＹ軸方向の一端部側（図３においてＹ軸負方向側）にずれている。
本実施形態では、一方の半楕円におけるＹ軸方向の長さＬの最大値Ｌ１ｍａｘは、Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘに対して０．９倍に設定される。また、他方の半楕円におけるＹ軸方向の長さＬの最大値Ｌ２ｍａｘは、Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘに対して０．２５倍に設定される。Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘは、例えば１６０μｍ程度である。このように、振動部１２０において、Ｙ軸方向の長さＬは、Ｘ軸方向の幅Ｗより大きくなっており、Ｙ軸方向に長尺の形状を有している。
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。
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。
支持腕１１１は、保持部１４０の内側に設けられる。支持腕１１１は、長手方向がＹ軸に沿って延在している。支持腕１１１は、振動部１２０と保持部１４０とを接続する。より詳細には、支持腕１１１は、一端（図３において下端）が枠体１４０ｂに接続され、他端（図３において上端）が振動部１２０のＹ軸方向の一端部（図３において下端部）に接続されている。より詳細には、支持腕１１１の他端は、振動部１２０の一端部におけるＸ軸方向の中央部に接続されている。また、図３に示すように、支持腕１１１は、振動部１２０のＸ軸方向の中心線ＣＬ１に沿ってＹＺ平面に平行に規定される仮想平面に対して略面対称に形成される。
本実施形態では、支持腕１１１は、一本である例を示したが、これに限定されるものではない。支持腕１１１は、振動部１２０の一端部に接続に接続されて振動部１２０を片持ち支持し、保持部１４０に保持する限り、例えば２本以上であってもよい。
次に、図４から図５を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る共振子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、及び支持腕１１１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Ｓｉ基板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、Ｓｉ基板Ｆ２は、本発明の「基板」の一例に相当し、圧電薄膜Ｆ３は、本発明の「圧電体層」の一例に相当する。また、Ｓｉ基板Ｆ２の上面は、本発明の「第１主面」の一例に相当する。
振動部１２０は、Ｓｉ基板Ｆ２を含んでいる。図３に示したように、Ｓｉ基板Ｆ２の上面は、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗと、Ｙ軸方向に沿う長さＹとを有している。
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、一方の主面である上面に対向する下面に、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（ＳｉＯ２）を用いて形成される。なお、Ｓｉ基板Ｆ２の下面は、本発明の「第２主面」の一例に相当する。
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。
また、振動部１２０は、金属層Ｅ１と、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１との間に配置される圧電薄膜Ｆ３と、を含んでいる。これにより、圧電共振子を容易に実現することができる。振動部１２０は、Ｓｉ基板Ｆ２と圧電薄膜Ｆ３との間に配置される金属層Ｅ２をさらに含んでいる。これにより、圧電共振子をさらに容易に実現することができる。なお、金属層Ｅ１は、本発明の「第１電極」の一例に相当し、金属層Ｅ２は、本発明の「第２電極」の一例に相当する。
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、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）等を用いて形成される。
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Ｙ軸方向の長さＬと略同一であり、Ｘ軸方向に沿う幅が振動部１２０のＸ軸方向の幅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。
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、支持腕１１１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、支持腕１１１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（ＳｉＯ２）、酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）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。
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、幅方向（Ｘ軸方向）及び長さ方向（Ｙ軸方向）の両方において、振動部１２０が縮んでいる状態と、振動部１２０が拡がっている状態とを繰り返す振動が生じる。
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及び図７は、図３に示した振動部１２０の振動態様を模式的に示す平面図である。なお、図６及び図７に示す振動部１２０において、色の薄い領域は変位が大きいことを示し、色の濃い領域は変位が小さいことを示している。
図６に示すように、あるときには、振動部１２０は、ＸＹ面内において縮んだ状態になる。具体的には、図６において黒矢印で示す３箇所が、振動部１２０の中央部に向けて縮む方向に大きく変位する。このとき、振動部１２０の中央部と、支持腕１１１が接続される振動部１２０の一端部（図６において下端部）とは、変位が小さくなる。
また、別のときには、図７に示すように、振動部１２０は、ＸＹ面内において拡がった状態になる。具体的には、図７において黒矢印で示す３箇所が、振動部１２０の中央部から拡がる方向に大きく変位する。このときも、振動部１２０の中央部と、支持腕１１１が接続される振動部１２０の一端部（図７において下端部）とは、変位が小さくなる。
次に、図８及び図９を参照しつつ、振動部の振動による変位分布及び歪み分布について説明する。なお、なお、図８及び図９において、振動部１２０の積層構造は、前述した図６及び図７における振動部１２０のものと同一であるとして説明する。図８は、図３に示した振動部１２０の振動による変位分布を模式的に示す斜視図である。図９は、図３に示した振動部１２０の振動による歪み分布を模式的に示す斜視図である。なお、図８に示す振動部１２０において、色の薄い領域は変位が大きいことを示し、色の濃い領域は変位が小さいことを示している。また、図９に示す振動部１２０において、色の薄い領域は歪みが大きいことを示し、色の濃い領域は歪みが小さいことを示している。
図８に示すように、振動部１２０において、図６及び図７に黒矢印で示した３箇所の領域は、変位が大きくなっている。一方、振動部１２０の中央部と、支持腕１１１が設けられた振動部１２０の一端部とは、変位が小さくなっている。
図９に示すように、振動部１２０の中央部は、歪みが大きくなっている。一方、図６及び図７に黒矢印で示した３箇所の領域と、支持腕１１１が設けられた振動部１２０の一端部とは、歪みが小さくなっている。すなわち、振動部１２０の一端部は、変位が小さく、かつ、歪みが小さい領域になっている。図３に示したように、振動部１２０は、上面を平面視したときに、Ｘ軸方向の幅Ｗが、最大値ＷｍａｘとなるＹ軸方向の位置から一端部に向けて、及び当該位置からＹ軸方向の他端部に向けて、漸次的に小さくなることにより、振動部１２０の一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。従って、変位によるエネルギー漏洩に加えて歪みによるエネルギー漏洩を抑制することができ、振動の閉じ込め性をさらに向上させることができる。
図３を用いて前述したように、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ＷｍａｘとなるＹ軸方向の位置は、振動部１２０のＹ軸方向の中心を通る中心線ＣＬ２からずれている。これにより、振動部１２０のＹ軸方向の端部に、変位の小さく、かつ、歪みの小さい領域を容易に形成することができる。
また、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ＷｍａｘとなるＹ軸方向の位置は、振動部１２０のＹ軸方向の中心線ＣＬ２から、振動部１２０におけるＹ軸方向の一端部側（図３においてＹ軸負方向側）にずれている。これにより、これにより、振動部１２０のＹ軸方向の一端部（図３において下端）に、変位の小さく、かつ、歪みの小さい領域を容易に形成することができる。
本実施形態では、共振子１０として、振動部１２０が圧電薄膜Ｆ３を含む圧電共振子の例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、共振子１０は、振動部１２０がセラミック膜を含むセラミック共振子であってもよいし、振動部１２０が静電膜を含む静電共振子（静電振動子と呼ばれることもある）であってもよい。
また、本実施形態では、共振子１０は、平面視において矩形の形状を有する支持腕１１１を備える例を示したが、これに限定されるものではない。振動部１２０と保持部１４０とを接続するものであれば、他の形態であってもよい。
＜変形例＞
図１０は、図３に示した共振子１０の変形例を示す平面図である。なお、図１０に示す共振子１０’の積層構造は、図４及び図５に示した共振子１０の断面の構成と同様であるため、図示及びその構成についての説明を省略する。
図１０は、図３に示した共振子１０の変形例を示す平面図である。なお、図１０に示す共振子１０’の積層構造は、図４及び図５に示した共振子１０の断面の構成と同様であるため、図示及びその構成についての説明を省略する。
図１０に示す共振子１０’は、図３に示した支持腕１１１に代えて、支持ユニット１１０を備える。なお、支持ユニット１１０は、本発明の「支持部」の他の例に相当する。
支持ユニット１１０は、保持部１４０の内側であって、振動部１２０のＹ軸方向の一端部（図１０において下端部）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の一端部と保持部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。
本変形例の支持ユニット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の一端部に接続され、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の一端部と対向する辺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、Ｙ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。図１０に示す変形例においては、ノード生成部１３０のＸ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Ｙ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。
本変形例において、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。
本変形例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。
［第２実施形態］
次に、図１１から図１５を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る共振装置及び共振子について説明する。なお、第１実施形態と同一又は類似の構成について同一又は類似の符号を付している。以下、第１実施形態と異なる点について説明する。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。
次に、図１１から図１５を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る共振装置及び共振子について説明する。なお、第１実施形態と同一又は類似の構成について同一又は類似の符号を付している。以下、第１実施形態と異なる点について説明する。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。
まず、図１１を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る共振子の概略構成について説明する。図１１は、第２実施形態における共振子１０Ａの構造を概略的に示す平面図である。なお、図１１は、第１実施形態における図３に対応する平面図である。
図１１に示すように、第２実施形態の共振子１０Ａは、ＸＹ平面における輪郭が前述した振動部１２０と異なる振動部１２０Ａを備える点で、第１実施形態の共振子１０と相違している。
平面視において、振動部１２０Ａは、２つの三角形、より詳細には、２つの二等辺三角形を組み合わせた形状であって、一方の三角形の底辺と他方の三角形の底辺とをつなぎ合わせた形状を有している。なお、振動部１２０Ａは、第１実施形態の振動部１２０と同様に、２つの部材から形成されてもよいし、１つの部材から形成されてもよい。
振動部１２０Ａにおける一方の三角形の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その三角形の頂角を通る位置において最大値Ｌ１ｍａｘを有している。振動部１２０Ａにおける他方の三角形の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その三角形の頂角を通る位置において最大値Ｌ２ｍａｘを有している。
また、振動部１２０Ａは、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗが、一方の三角と他方の三角との境界を通る位置において、最大値Ｗｍａｘを有している。そして、振動部１２０ＡにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の一端部（図１１において下端部）に向けて、及び、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の他端部（図１１において上端部）に向けて、漸次的に小さくなっている。これにより、振動部１２０Ａの一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。
図１１に示すように、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置は、振動部１２０ＡのＹ軸方向の中心を通る中心線ＣＬ２からずれている。より詳細には、当該位置は、振動部１２０ＡのＹ軸方向の中心線ＣＬ２から、振動部１２０ＡにおけるＹ軸方向の一端部側（図１１においてＹ軸負方向側）にずれている。
本実施形態では、一方の三角形におけるＹ軸方向の長さＬの最大値Ｌ１ｍａｘは、Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘに対して０．８倍に設定される。また、他方の三角形におけるＹ軸方向の長さＬの最大値Ｌ２ｍａｘは、Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘに対して０．２５倍に設定される。Ｘ軸方向の幅Ｗの最大値Ｗｍａｘは、例えば１６０μｍ程度である。このように、振動部１２０Ａにおいて、Ｙ軸方向の長さＬは、Ｘ軸方向の幅Ｗより大きくなっており、Ｙ軸方向に長尺の形状を有している。
また、振動部１２０Ａの一端部（図１１において下端部）には、支持腕１１１が接続されている。
次に、図１２及び図１３を参照しつつ、振動部の振動による変位について説明する。なお、図１２及び図１３において、振動部１２０Ａの積層構造は、前述した図６及び図７における振動部１２０のものと同一であるとして説明する。図１２及び図１３は、図１１に示した振動部１２０Ａの振動態様を模式的に示す平面図である。なお、図１２及び図１３に示す振動部１２０Ａにおいて、色の薄い領域は変位が大きいことを示し、色の濃い領域は変位が小さいことを示している。
図１２に示すように、あるときには、振動部１２０Ａは、ＸＹ面内において縮んだ状態になる。具体的には、図１２において黒矢印で示す３箇所が、振動部１２０Ａの中央部に向けて縮む方向に大きく変位する。このとき、振動部１２０Ａの中央部と、支持腕１１１が接続される振動部１２０Ａの一端部（図１２において下端部）とは、変位が小さくなる。
また、別のときには、図１３に示すように、振動部１２０Ａは、ＸＹ面内において拡がった状態になる。具体的には、図１３において黒矢印で示す３箇所が、振動部１２０Ａの中央部から拡がる方向に大きく変位する。このときも、振動部１２０Ａの中央部と、支持腕１１１が接続される振動部１２０Ａの一端部（図１３において下端部）とは、変位が小さくなる。
次に、図１４及び図１５を参照しつつ、振動部の振動による変位分布及び歪み分布について説明する。なお、図１４及び図１５において、振動部１２０Ａの積層構造は、前述した図６及び図７における振動部１２０のものと同一であるとして説明する。図１４は、図１１に示した振動部１２０Ａの振動による変位分布を模式的に示す斜視図である。図１５は、図１１に示した振動部１２０Ａの振動による歪み分布を模式的に示す斜視図である。なお、図１４に示す振動部１２０Ａにおいて、色の薄い領域は変位が大きいことを示し、色の濃い領域は変位が小さいことを示している。また、図１５に示す振動部１２０Ａにおいて、色の薄い領域は歪みが大きいことを示し、色の濃い領域は歪みが小さいことを示している。
図１４に示すように、振動部１２０Ａにおいて、図１２及び図１３に黒矢印で示した３箇所の領域は、変位が大きくなっている。一方、振動部１２０Ａの中央部と、支持腕１１１が設けられた振動部１２０Ａの一端部とは、変位が小さくなっている。
図１５に示すように、振動部１２０Ａの中央部は、歪みが大きくなっている。一方、図１２及び図１３に黒矢印で示した３箇所の領域と、支持腕１１１が設けられた振動部１２０Ａの一端部とは、歪みが小さくなっている。すなわち、振動部１２０Ａの一端部は、変位が小さく、かつ、歪みが小さい領域になっている。図１１に示したように、振動部１２０Ａは、上面を平面視したときに、Ｘ軸方向の幅Ｗが、最大値ＷｍａｘとなるＹ軸方向の位置から一端部に向けて、及び当該位置からＹ軸方向の他端部に向けて、漸次的に小さくなることにより、振動部１２０Ａの一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。従って、本実施形態の共振子１０Ａ、及びこれを備える共振装置は、第１実施形態の共振子１０及び共振装置１と同様の作用効果を得ることができる。
［第３実施形態］
次に、図１６及び図１７を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る共振装置及び共振子について説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一又は類似の構成について同一又は類似の符号を付している。以下、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について説明する。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。
次に、図１６及び図１７を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る共振装置及び共振子について説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一又は類似の構成について同一又は類似の符号を付している。以下、第１実施形態及び第２実施形態と異なる点について説明する。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１６及び図１７を参照しつつ、本発明の第３実施形態に係る共振子の概略構成について説明する。図１６は、第３実施形態の第１例における共振子１０Ｂの構造を概略的に示す平面図である。図１７は、第３実施形態の第２例における共振子１０Ｃの構造を概略的に示す平面図である。なお、図１６及び図１７は、第１実施形態における図３に対応する平面図である。
図１６及び図１７に示すように、第３実施形態の共振子１０Ｂ、１０Ｃは、ＸＹ平面における輪郭が前述した振動部１２０及び振動部１２０Ａと異なる振動部１２０Ｂ，１２０Ｃを備える点で、第１実施形態の共振子１０及び第２実施形態の共振子１０Ａと相違している。
平面視において、振動部１２０Ｂ，１２０Ｃは、一部に凹み又は突起を有する略半楕円と半楕円とを組み合わせた形状であって、略半楕円の短径と半楕円の長径とをつなぎ合わせた形状を有している。なお、振動部１２０Ｂ，１２０Ｃは、第１実施形態の振動部１２０と同様に、２つの部材から形成されてもよいし、１つの部材から形成されてもよい。
振動部１２０Ｂ，１２０Ｃにおける略半楕円の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その略楕円の長軸を通る位置において最大値Ｌ１ｍａｘを有している。振動部１２０Ｂ，１２０Ｃのそれぞれにおける半楕円の部分は、Ｙ軸方向に沿う長さＬが、その楕円の短軸を通る位置において最大値Ｌ２ｍａｘを有している。
また、振動部１２０Ｂ，１２０Ｃは、Ｘ軸方向に沿う幅Ｗが、略半楕円と半楕円との境界を通るＹ軸方向の位置において、最大値Ｗｍａｘを有している。そして、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の一端部（図１６及び図１７において下端部）に向けて、及び、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の他端部（図１６及び図１７において上端部）に向けて、小さくなっている。
より詳細には、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の一端部（図１６及び図１７において下端部）に向けて、漸次的、つまり、徐々に又は緩やかに、小さくなっている。一方、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の他端部（図１６及び図１７において上端部）に向けて、その途中で急に小さくなったり、最大値ｍａｘより小さい範囲で大きくなったりしている。
このように、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の他端部（図１６及び図１７において上端部）に向けて、一部に急激な減少、あるいは、増加がある場合でも、最大値ｍａｘより小さくなっていればよい。また、図示を省略するが、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＸ軸方向の幅Ｗは、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置からＹ軸方向の一端部（図１６及び図１７において下端部）に向けても、同様に、一部に急激な減少、あるいは、増加がある場合でも、最大値ｍａｘより小さくなっていればよい。これらの場合も、第１実施形態の振動部１２０と同様に、振動部１２０Ｂ，１２０Ｃの一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。従って、本実施形態の共振子１０Ｂ，１２０Ｃ、及びこれを備える共振装置は、第１実施形態の共振子１０及び共振装置１と同様の作用効果を得ることができる。
図１６及び図１７に示すように、Ｘ軸方向の幅Ｗが最大値ｍａｘとなるＹ軸方向の位置は、振動部１２０Ｂ，１２０ＣのＹ軸方向の中心を通る中心線ＣＬ２からずれている。より詳細には、当該位置は、振動部１２０Ｂ，１２０ＣのＹ軸方向の中心線ＣＬ２から、振動部１２０Ｂ，１２０ＣにおけるＹ軸方向の一端部側（図１６及び図１７においてＹ軸負方向側）にずれている。
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によれば、振動部は、基板の一方の主面を平面視したときに、Ｘ軸方向の幅が、最大値となるＹ軸方向の位置から一端部に向けて、及び当該位置からＹ軸方向の他端部に向けて、小さくなる。これにより、振動部の一端部に、変位の小さい輪郭振動のノード領域であって、輪郭振動による歪みの小さい領域を形成することが可能になる。従って、変位によるエネルギー漏洩に加えて歪みによるエネルギー漏洩を抑制することができ、振動の閉じ込め性をさらに向上させることができる。
また、前述した共振子において、Ｘ軸方向の幅が最大値となるＹ軸方向の位置は、振動部のＹ軸方向の中心を通る中心線からずれている。これにより、振動部のＹ軸方向の端部に、変位の小さく、かつ、歪みの小さい領域を容易に形成することができる。
また、前述した共振子において、Ｘ軸方向の幅が最大値となるＹ軸方向の位置は、振動部のＹ軸方向の中心線から、振動部におけるＹ軸方向の一端部側にずれている。これにより、これにより、振動部のＹ軸方向の一端部に、変位の小さく、かつ、歪みの小さい領域を容易に形成することができる。
また、前述した共振子において、Ｙ軸方向の長さは、Ｘ軸方向の幅より大きい。これにより、振動の閉じ込め性がさらに向上する共振子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、支持腕又は支持ユニットは、振動部の一端部におけるＸ軸方向の中央部に接続される。これにより、振動の閉じ込め性がさらに向上する共振子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、振動部は、金属層と、Ｓｉ基板と金属層との間に配置される圧電薄膜と、を含む。これにより、振動の閉じ込め性がさらに向上する圧電共振子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、振動部は、Ｓｉ基板と圧電薄膜との間に配置される金属層をさらに含む。これにより、振動の閉じ込め性がさらに向上する圧電共振子をさらに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、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、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、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、振動の閉じ込め性がさらに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、１０，１０’，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ…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、１１１…支持腕、１１１ａ，１１１ｂ…腕、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ…振動部、１２５…保護膜、１３０…ノード生成部、１３１…辺、１４０…保持部、１４０ａ，１４０ｂ，１４０ｃ，１４０ｄ…枠体、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、Ｌ…長さ、Ｌ１ｍａｘ…最大値、Ｌ２ｍａｘ…最大値、Ｗ…幅、Ｗｍａｘ…最大値。
Claims (12)
- 第１主面が第１方向の幅と第２方向の長さとを有する基板を含み、
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、
前記第２方向に沿って延在し、前記保持部と前記振動部における前記第２方向の一端部とを接続する支持部と、を備え、
前記振動部は、前記第１主面を平面視したときに、前記第１方向の幅が、前記第２方向の一端部から他端部に向けて前記振動部の全域に亘って変化するように構成され、かつ、前記第１方向の幅が、最大となる前記第２方向の位置から前記一端部に向けて、及び前記位置から前記第２方向の他端部に向けて、小さくなり、
前記位置は、前記振動部における前記第２方向の中心からずれている、
共振子。 - 前記振動部は、前記第１主面を平面視したときに、前記第１方向の幅が、最大となる前記第２方向の位置から前記一端部に向けて、及び前記位置から前記第２方向の他端部に向けて、前記振動部の全域に亘って漸次的に小さくなる、
請求項１に記載の共振子。 - 前記位置は、前記振動部における前記第２方向の中心から前記一端部側にずれている、
請求項１または２に記載の共振子。 - 前記第２方向の長さは、前記第１方向の幅より大きい、
請求項１から３のいずれか一項に記載の共振子。 - 前記支持部は、前記一端部における前記第１方向の中央部と接続される、
請求項１から４のいずれか一項に記載の共振子。 - 前記振動部は、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を含む、
請求項１から５のいずれか一項に記載の共振子。 - 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電極をさらに含む、
請求項６に記載の共振子。 - 前記振動部は、前記第１電極を覆うように形成される保護層をさらに含む、
請求項６または７に記載の共振子。 - 前記基板の材料は、シリコンである、
請求項１から８のいずれか一項に記載の共振子。 - 前記基板の材料は、縮退シリコンである、
請求項１から８のいずれか一項に記載の共振子。 - 前記振動部は、前記基板の第２主面に形成される補正層をさらに含む、
請求項１から１０のいずれか一項に記載の共振子。 - 請求項１から１１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。
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