JP7400955B2 - 共振子および共振装置 - Google Patents
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Description
本発明は、共振子および共振装置に関する。
電子機器において計時機能を実現するためのデバイスとして、圧電振動子等の共振子が用いられている。電子機器の小型化に伴い、共振子も小型化が要求されており、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造される共振子（以下、「ＭＥＭＳ振動子」ともいう。）が注目されている。
例えば、特許文献１には、４本の振動腕を有する振動子において、内側に位置している２本の振動腕と、外側に位置している２本の振動腕を逆相に屈曲振動させる構成が記載されている。
しかしながら、従来の技術においては、複数の振動腕における屈曲振動の位相を制御するための配線の引き回しについて検討されていなかった。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、配線の引き回しを簡素化することで、配線における電気容量を低減して振動特性を安定化させることができる共振子およ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、前端および前端に対向する後端を有する基部と、固定端が基部の前端に接続されかつ前端から離れる方向に延びている複数の振動腕とを有し、複数の振動腕が、少なくとも一つの第１振動腕、および、少なくとも一つの第１振動腕を含む第１振動腕群の長手方向と交差する方向の両側に位置する一対の第２振動腕を含む、振動部と、振動部の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部と、一端が基部に接続され、かつ、他端が保持部に接続された保持腕と、を備え、複数の振動部は、圧電膜と、圧電膜を間に挟んで対向して設けられた下部電極および上部電極と、を有し、一対の第２振動腕のそれぞれの上部電極を互いに連結する連結配線が、基部および保持腕の少なくとも一方の領域に設けられる。
本発明によれば、配線の引き回しを簡素化することで、配線における電気容量を低減して振動特性を安定化させることができる。
［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。
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、上蓋３０と、下蓋２０とを備えている。上蓋３０および下蓋２０は、共振子１０を挟んで互いに対向するように設けられている。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とが接合され、かつ、共振子１０と上蓋３０とが接合されることで、共振子１０が封止される。これにより、共振子１０の振動空間が形成される。共振子１０、下蓋２０、および上蓋３０の各々は、Ｓｉ基板を用いて形成されている。そして、共振子１０、下蓋２０、および上蓋３０は、Ｓｉ基板同士が互いに接合される。共振子１０および下蓋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、その裏面には例えば矩形状の開口を有する凹部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。
上蓋３０はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その裏面には例えば矩形状の開口を有する凹部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。
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、配線１９１，１９２と、連結配線１９３を備えている。
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、配線１９１，１９２と、連結配線１９３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、および、４本の振動腕１３５Ａ～１３５Ｄ（まとめて「振動腕１３５」とも呼ぶ。）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。
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、および、４本の振動腕１３５Ａ～１３５Ｄ（まとめて「振動腕１３５」とも呼ぶ。）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、Ｙ軸方向における前端の面１３１Ａ（以下、「前端１３１Ａ」とも呼ぶ。）、および、Ｙ軸方向における後端の面１３１Ｂ（以下、「後端１３１Ｂ」とも呼ぶ。）を有している。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の前端１３１Ａは振動腕１３５に接続されている。基部１３０の後端１３１Ｂは保持腕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、長辺が長辺より短い台形や、長辺を直径とする半円の形状であってもよい。また、長辺、短辺は直線に限定されず、曲線であってもよい。
基部１３０は、Ｙ軸方向における前端１３１Ａと後端１３１Ｂとの最長距離が例えば４０μｍ程度である。また、基部１３０は、Ｘ軸方向における側端同士の最長距離が例えば２８５μｍ程度である。基部１３０の寸法は一例であり、本実施形態で示した数値に限定されるものではない。この点は他の部位の寸法についても同様である。
振動腕１３５は、Ｙ軸方向に延び、同一のサイズを有している。振動腕１３５は、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、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、例えばＹ軸方向の長さが４２０μｍ程度である。
振動腕１３５の開放端は、錘部Ｇを有している。錘部Ｇは、振動腕１３５の他の部位よりもＸ軸方向の幅が広い。錘部Ｇは、例えば、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。これにより、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の開放端が錘部Ｇを有することで、振動腕１３５の上下方向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、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄ（第１振動腕の一例）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振動腕の一例）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３０μ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。
（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を保持しており、上蓋３０および下蓋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を保持しており、上蓋３０および下蓋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。図３に示すように、枠体１４０ａは、振動腕１３５の開放端に対向しており、長手方向がＸ軸に沿って設けられる。枠体１４０ｂは、基部１３０の後端１３１Ｂに対向しており、長手方向がＸ軸に沿って設けられる。枠体１４０ｃは、基部１３０の側端（短辺）および振動腕１３５Ａに対向しており、長手方向がＹ軸に沿って設けられる。枠体１４０ｃの両端は、枠体１４０ａ、１４０ｂの一端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｄは、基部１３０の側端および振動腕１３５Ｄに対向しており、長手方向がＹ軸に沿って設けられる。枠体１４０ｄの両端は、枠体１４０ａ、１４０ｂの他端にそれぞれ接続される。
（ｃ）保持腕１１１、１１２
保持腕１１１および保持腕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および保持腕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、一端が基部１３０の後端１３１Ｂに接続されている。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、例えば、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４０μｍ程度である。
腕１１１ｂは、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７５μｍ程度である。
腕１１１ｃは、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、他端は枠体１４０ｃ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１４０μｍ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、および、腕１１１ｂと１１１ｃ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を有している。保持腕１１２は、一端が基部１３０の後端１３１Ｂに接続され、かつ、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１２は、基部１３０の後端１３１Ｂから枠体１４０ｂに向かって延び、枠体１４０ｄに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）に屈曲している。また、保持腕１１２は、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１４０ｄに向かう方向（すなわち、Ｘ軸方向）屈曲することで、枠体１４０ｄに接続されている。
なお、腕１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃの構成は、それぞれ腕１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ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。
（ｄ）配線１９１，１９２
配線１９１、１９２は、共振子１０の表面に露出した圧電薄膜Ｆ３上に形成される。配線１９１，１９２は、共振子１０の圧電薄膜Ｆ３上に形成された金属層Ｅ２を交流電源に接続させるための配線である。
配線１９１、１９２は、共振子１０の表面に露出した圧電薄膜Ｆ３上に形成される。配線１９１，１９２は、共振子１０の圧電薄膜Ｆ３上に形成された金属層Ｅ２を交流電源に接続させるための配線である。
図３に示す例では、金属層Ｅ２は、第１領域Ｅ２Ａと、第２領域Ｅ２Ｂと、第３領域Ｅ２Ｃとを含む。第１領域Ｅ２Ａは、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａの先端から基部１３０の後端１３１Ｂに亘って延び、振動腕１３５Ａに隣接する内側の振動腕１３５Ｂに向けて屈曲している。第２領域Ｅ２Ｂは、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ｄの先端から基部１３０の後端１３１Ｂに亘って延び、振動腕１３５Ｄに隣接する内側の振動腕１３５Ｃに向けて屈曲している。第３領域Ｅ２Ｃは、振動腕１３５Ａ、１３５Ｄに隣接する内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃの各々の先端から基部１３０の後端１３１Ｂに亘って延び、基部１３０において接続されている。第１領域Ｅ２Ａと第３領域Ｅ２Ｃとの間には隙間が介在しており、第３領域Ｅ２Ｃにおける第１領域Ｅ２Ａに隣接する端面には、配線１９１を引き回すための凹部１９４が形成されている。同様に、第２領域Ｅ２Ｂと第３領域Ｅ２Ｃとの間には隙間が介在している。
配線１９１は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａから枠体１４０ｄの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、保持腕１１１へと延びる。さらに、配線１９１は、保持腕１１１上において、保持腕１１１に沿って枠体１４０ｃまで延び、保持腕１１１と枠体１４０ｃとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
配線１９２は、金属層Ｅ２の第３領域Ｅ２Ｃから枠体１４０ｂの方向へ延び、保持腕１１２へと延びる。さらに、配線１９２は、保持腕１１２上において、保持腕１１２に沿って枠体１４０ｄまで延び、保持腕１１２と枠体１４０ｄとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
（ｅ）連結配線１９３
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２を互いに連結する。図３に示す例では、連結配線１９３は、基部１３０において第３領域Ｅ２Ｃを間に挟んで第１領域Ｅ２Ａおよび第２領域Ｅ２Ｂを直線状に連結する。この場合、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄに隣接する内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃの金属層Ｅ２（第３領域Ｅ２Ｃ）には絶縁層Ｓが積層され、積層された絶縁層Ｓに連結配線１９３が設けられている。
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２を互いに連結する。図３に示す例では、連結配線１９３は、基部１３０において第３領域Ｅ２Ｃを間に挟んで第１領域Ｅ２Ａおよび第２領域Ｅ２Ｂを直線状に連結する。この場合、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄに隣接する内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃの金属層Ｅ２（第３領域Ｅ２Ｃ）には絶縁層Ｓが積層され、積層された絶縁層Ｓに連結配線１９３が設けられている。
（４．積層構造）
図４を用いて共振子１０の積層構造について説明する。図４は、図３のＡＡ´断面、および共振子１０の電気的な接続態様を模式的に示す概略図である。
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は、図３のＡＡ´断面、および共振子１０の電気的な接続態様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（下部電極の一例である。）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（上部電極の一例である。）の第１領域Ｅ２Ａ、第２領域Ｅ２Ｂ、および、第３領域Ｅ２Ｃが積層されている。尚、抵抗体となる縮退したシリコン基板を用いる事で、Ｓｉ基板Ｆ２自体が金属層Ｅ１を兼ねる事で、金属層Ｅ１を省略する事も可能である。さらに、金属層Ｅ２の第３領域Ｅ２Ｃの表面には、絶縁層Ｓが積層されている。絶縁層Ｓの表面には、連結配線１９３が積層されている。
Ｓｉ基板Ｆ２は、例えば、厚さ６μｍ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。Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退したＳｉの抵抗値は、例えば１．６ｍΩ・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の下面には酸化ケイ素（例えばＳｉＯ2）層（温度特性補正層）Ｆ２１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。
金属層Ｅ１、Ｅ２は、例えば厚さ０．１～０．２μｍ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Ｅ１、Ｅ２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。
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（外部電極の一例である。）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。
絶縁層Ｓは、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａと第３領域Ｅ２Ｃとの間、および、金属層Ｅ２の第２領域Ｅ２Ｂと第３領域Ｅ２Ｃとの間に介在しており、これらの間を電気的に絶縁している。
連結配線１９３は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａと第２領域Ｅ２Ｂとの間を接続している。連結配線１９３は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａと第３領域Ｅ２Ｃとの間、および、金属層Ｅ２の第２領域Ｅ２Ｂと第３領域Ｅ２Ｃとの間の絶縁を確保した状態で、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａと第２領域Ｅ２Ｂとの間を電気的に接続している。
圧電薄膜Ｆ３は、印加された電圧を振動に変換する圧電膜であり、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は、例えば、１μｍの厚さを有するが、０．２μｍから２μｍ程度を用いることも可能である。
圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ１、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および上蓋３０の内面に向かってその開放端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
（５．共振子の機能）
図５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の内面に向かって開放端を変位すると、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃは下蓋２０の内面に向かって開放端を変位する。
図５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の内面に向かって開放端を変位すると、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃは下蓋２０の内面に向かって開放端を変位する。
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５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、中心軸ｒ１と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。
本実施形態に係る共振子１０では、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２が基部１３０において連結配線１９３により連結されている。そのため、例えば、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄを互いに連結する連結配線を保持部１４０などにおいて迂回して引き回した場合に比して、連結配線１９３の配線距離が短くなり、連結配線１９３の寄生容量が抑えられる。これにより、共振子１０の発振回路による発振を安定化させることができる。また、連結配線１９３の配線距離が短くなることで、共振子１０の小型化にも寄与することができる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態以降では第１の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。
第２の実施形態以降では第１の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１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３について、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２が基部１３０において連結配線１９３により連結されている点では共通するものの、連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
具体的には、図７に示すように、本実施形態に係る共振子１０では、連結配線１９３の表面には、絶縁層ＳＡが積層されている。絶縁層ＳＡは、連結配線１９３の表面が外部に露出することを抑制している。なお、図６の平面図では、説明の便宜上、図７の絶縁層ＳＡの記載を省略している。
本実施形態に係る共振子１０では、連結配線１９３の表面が絶縁層ＳＡにより積層されることで、連結配線１９３に異物が付着しにくくなり、連結配線１９３において電気の短絡（ショート）が発生することを抑制できる。
［第３実施形態］
図８は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
図８は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
（ａ）保持腕１１３
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、一つの接続部１９５を介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、一つの接続部１９５を介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
（ｂ）配線１９１、１９１Ａ、１９２
図８に示す例では、配線１９１は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａから枠体１４０ｄの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５を通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９１は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｃまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｃとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
配線１９１Ａは、金属層Ｅ２の第２領域Ｅ２Ｂから枠体１４０ｃの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５を通って保持腕１１３まで延びている。
配線１９２は、金属層Ｅ２の第３領域Ｅ２Ｃから枠体１４０ｃの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５を通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９２は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｄまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｄとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
（ｃ）連結配線１９３
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図８に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図８に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。
本実施形態に係る共振子１０は、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２を連結する連結配線１９３が保持腕１１３に設けられている。これにより、振幅の小さい箇所に連結配線１９３が設けられるため、共振子１０の振動特性を安定化させることができる。
［第４実施形態］
図９は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
図９は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
（ａ）保持腕１１３
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、二つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂを介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、二つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂを介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
（ｂ）配線１９１、１９１Ａ、１９２
図９に示す例では、配線１９１は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａから枠体１４０ｄの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５Ａを通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９１は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｃまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｃとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
配線１９１Ａは、金属層Ｅ２の第２領域Ｅ２Ｂから枠体１４０ｃの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５Ｂを通って保持腕１１３まで延びている。
配線１９２は、金属層Ｅ２の第３領域Ｅ２Ｃから枠体１４０ｃの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５Ｂを通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９２は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｄまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｄとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
（ｃ）連結配線１９３
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図９に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。また、連結配線１９３は、２つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置に設けられている。２つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置とは、例えば、保持腕１１３におけるＸ軸方向に延びる部分のＹ軸方向の中心位置よりも基部１３０側の位置である。
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図９に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。また、連結配線１９３は、２つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置に設けられている。２つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置とは、例えば、保持腕１１３におけるＸ軸方向に延びる部分のＹ軸方向の中心位置よりも基部１３０側の位置である。
本実施形態に係る共振子１０は、連結配線１９３は、２つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置に設けられている。これにより、基部１３０と保持腕１１３とを接続する接続部１９５Ａ、１９５Ｂの強度を増大させることができる。
［第５実施形態］
図１０は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
図１０は、本実施形態に係る共振子１０の構造の一例を概略的に示す平面図である。以下に、本実施形態に係る共振子１０の詳細構成のうち、第１の実施形態との差異点を中心に説明する。本実施形態に係る共振子１０は、第１の実施形態で説明した連結配線１９３の周辺構成が第１実施形態とは異なる。
（ａ）保持腕１１３
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、三つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃを介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
本実施形態では、保持腕１１３は、一端が枠体１４０ｃに接続されており、そこから枠体１４０ｂに向かって延びている。そして、保持腕１１３は、枠体１４０ｄに向かう方向（Ｘ軸方向）に屈曲して延びており、そこから枠体１４０ａに向かう方向（Ｙ軸方向）に屈曲して、他端が枠体１４０ｄに接続されている。保持腕１１３は、Ｘ軸方向に延びる部分において、三つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃを介して基部１３０の後端１３１Ｂと接続されている。
（ｂ）配線１９１、１９１Ａ、１９２
図１０に示す例では、配線１９１は、金属層Ｅ２の第１領域Ｅ２Ａから枠体１４０ｄの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５Ａを通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９１は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｃまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｃとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
配線１９１Ａは、金属層Ｅ２の第２領域Ｅ２Ｂから枠体１４０ｃの方向へ延び、そこから枠体１４０ｂの方へ屈曲し、接続部１９５Ｃを通って保持腕１１３まで延びている。
配線１９２は、金属層Ｅ２の第３領域Ｅ２Ｃから枠体１４０ｂの方へ延び、接続部１９５Ｂを通って保持腕１１３へと延びる。さらに、配線１９２は、保持腕１１３上において、保持腕１１３に沿って枠体１４０ｄまで延び、保持腕１１３と枠体１４０ｄとの接続部において屈曲し、枠体１４０ｂの方向へ延び、共振子１０の外部に引き出される。
（ｃ）連結配線１９３
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図１０に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。また、連結配線１９３は、３つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃに隣接する位置に設けられている。３つ以上の接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置とは、例えば、保持腕１１３におけるＸ軸方向に延びる部分のＹ軸方向の中心位置よりも基部１３０側の位置である。
連結配線１９３は、Ｘ軸方向における外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄのそれぞれの金属層Ｅ２から延びた配線１９１、１９１Ａを互いに連結する。図１０に示す例では、連結配線１９３は、保持腕１１３において配線１９２を間に挟んで配線１９１および配線１９１Ａを直線状に連結する。この場合、配線１９２には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線１９３が設けられている。また、連結配線１９３は、３つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃに隣接する位置に設けられている。３つ以上の接続部１９５Ａ、１９５Ｂに隣接する位置とは、例えば、保持腕１１３におけるＸ軸方向に延びる部分のＹ軸方向の中心位置よりも基部１３０側の位置である。
本実施形態に係る共振子１０は、連結配線１９３は、３つの接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃに隣接する位置に設けられている。これにより、基部１３０と保持腕１１３とを接続する接続部１９５Ａ、１９５Ｂ、１９５Ｃの強度を増大させることができる。
また、本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を間に挟んで互いに対向して設けられた上蓋３０及び下蓋２０と、外部電極とを備える。本実施形態に係る共振装置１は、振動部１２０上に形成された保護膜に電荷が帯電することを抑制できるため、振動部１２０に帯電した電荷による共振周波数の変動を防止することができる。
以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記し、その効果について説明する。なお、本発明は以下の付記に限定されるものではない。
本発明の一態様によれば、前端および前端に対向する後端を有する基部と、固定端が基部の前端に接続されかつ前端から離れる方向に延びている複数の振動腕とを有し、複数の振動腕が、少なくとも一つの第１振動腕、および、少なくとも一つの第１振動腕を含む第１振動腕群の長手方向と交差する方向の両側に位置する一対の第２振動腕を含む、振動部と、振動部の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部と、一端が基部に接続され、かつ、他端が保持部に接続された保持腕と、を備え、複数の振動部は、圧電膜と、圧電膜を間に挟んで対向して設けられた下部電極および上部電極とを有し、一対の第２振動腕のそれぞれの上部電極を互いに連結する連結配線が、基部および保持腕の少なくとも一方の領域に設けられる、共振子が提供される。
一態様として、少なくとも一つの第１振動腕における上部電極には絶縁層が積層され、積層された絶縁層に連結配線が設けられる、共振子が提供される。
一態様として、保持腕は、基部に接続された２つの接続部を含み、連結配線は、複数の振動腕の長手方向と交差する方向において、２つの接続部と重なる位置に設けられる、共振子が提供される。
一態様として、保持腕は、基部に接続された３つ以上の接続部を含み、連結配線は、複数の振動腕の長手方向と交差する方向において、３つ以上の接続部と重なる位置に設けられる、共振子が提供される。
一態様として、前述のいずれかの共振子と、共振子を間に挟んで互いに対向して設けられた上蓋および下蓋と、一対の電極に電圧を印加する外部電極と、を備える、共振装置が提供される。
以上説明したように、本発明の一態様によれば、配線の引き回しを簡素化することで、配線における電気容量を低減して振動特性を安定化させることができる。
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。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、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１０ 共振子
３０ 上蓋
２０ 下蓋
１４０ 保持部
１４０ａ～ｄ 枠体
１１１、１１２、１１３ 保持腕
１２０ 振動部
１３０ 基部
１３５Ａ～Ｄ 振動腕
Ｆ２ Ｓｉ基板
１９１、１９１Ａ、１９２ 配線
１９３ 連結配線
３０ 上蓋
２０ 下蓋
１４０ 保持部
１４０ａ～ｄ 枠体
１１１、１１２、１１３ 保持腕
１２０ 振動部
１３０ 基部
１３５Ａ～Ｄ 振動腕
Ｆ２ Ｓｉ基板
１９１、１９１Ａ、１９２ 配線
１９３ 連結配線
Claims (5)
- 前端および前記前端に対向する後端を有する基部と、固定端が前記基部の前記前端に接続されかつ前記前端から離れる方向に延びている複数の振動腕とを有し、前記複数の振動腕が、少なくとも一つの第１振動腕、および、前記少なくとも一つの第１振動腕を含む第１振動腕群の長手方向と交差する方向の両側に位置する一対の第２振動腕を含む、振動部と、
前記振動部の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部と、
一端が前記基部に接続され、かつ、他端が前記保持部に接続された保持腕と、
を備え、
前記複数の振動腕は、圧電膜と、前記圧電膜を間に挟んで対向して設けられた下部電極および上部電極とを有し、
前記複数の振動腕、前記基部及び前記保持腕は、所定の振動モードで振動可能である可動領域を有し、
前記一対の第２振動腕のそれぞれの前記上部電極を互いに連結する連結配線が、前記基部および前記保持腕の少なくとも一方の前記可動領域に設けられる、
共振子。 - 前記少なくとも一つの第１振動腕における前記上部電極には絶縁層が積層され、前記積層された絶縁層に前記連結配線が設けられる、
請求項１に記載の共振子。 - 前記保持腕は、前記基部に接続された２つの接続部を含み、
前記連結配線は、前記２つの接続部に隣接する位置に設けられる、
請求項１または２に記載の共振子。 - 前記保持腕は、前記基部に接続された３つ以上の接続部を含み、
前記連結配線は、前記３つ以上の接続部に隣接する位置に設けられる、
請求項１から３のいずれか一項に記載の共振子。 - 請求項１から４のいずれか一項に記載の共振子と、
前記共振子を間に挟んで互いに対向して設けられた上蓋および下蓋と、
前記複数の振動腕における前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加する外部電極と、
を備える共振装置。
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