JP7449496B2

JP7449496B2 - 共振子及び共振装置

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Publication number: JP7449496B2
Application number: JP2022540004A
Authority: JP
Inventors: 宏中谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2021-03-08
Publication date: 2024-03-14
Anticipated expiration: 2041-03-08
Also published as: JPWO2022024438A1; WO2022024438A1

Description

本発明は、共振子及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（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）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、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ことで、振動腕の屈曲振動に伴う振動腕の長手方向に延びる中心軸周りの振動腕の回転モーメントを相殺する共振子が記載されている。

特許第６５２５２９２号公報

しかしながら、従来の技術においては、振動腕の屈曲振動に伴う振動腕の長手方向に延びる中心軸周りの回転モーメントを十分に相殺できないことがある。この場合、保持部からの振動漏れが生じることで、振動部の振動特性に影響を及ぼす虞があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、振動腕の長手方向に延びる中心軸周りの回転モーメントを相殺することで、振動部の振動特性を安定化させることが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、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、前記振動部と前記保持部との間に設けられた保持腕と、を備え、前記振動部は、固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、固定端と開放端とを有し、前記第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、前記第１振動腕及び前記第２振動腕が並列して接続される前端、及び当該前端に対向する後端を有する基部と、を含み、前記保持腕は、一端が前記基部に接続され、他端が前記保持部に接続され、前記第１振動腕は、前記第１振動腕と前記基部との境界部分における前記第１振動腕の短手方向の第１中心軸よりも前記第１振動腕及び前記第２振動腕の並列方向における前記振動部の内側に前記第１振動腕の重心位置をオフセットさせる第１オフセット構造を有し、前記第２振動腕は、前記第２振動腕と前記基部との境界部分における前記第２振動腕の短手方向の第２中心軸よりも前記並列方向における前記振動部の内側に前記第２振動腕の重心位置をオフセットさせる第２オフセット構造を有する。

本発明によれば、振動腕の長手方向に延びる中心軸周りの回転モーメントを相殺することで、振動部の振動特性を安定化させることができる。

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。一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。上側基板を取り外した一実施形態に係る共振子の平面図である。図１のＡＡ'線に沿った断面図である。振動部の屈曲振動時の動作を説明するための図である。一実施形態に係る共振子の構成の一例を示す図である。比較例の共振子の機能を説明するための図である。一実施形態に係る共振子の機能を説明するための図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の一実施形態について説明する。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。また、図２は、本発明の一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１１０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、音叉型振動子であり、基部１３０と２本の振動腕１３５Ａ、１３５Ｂ（まとめて「振動腕１３５」とも呼ぶ。）と、を有している。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の前端１３１Ａは、後述する振動腕１３５に接続され、基部１３０の後端１３１Ｂは、後述する保持腕１１０に接続されている。

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。すなわち、Ｘ軸方向は、２本の振動腕１３５Ａ，１３５Ｂが並列する並列方向に相当する。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４６５μｍ程度である。

振動腕１３５の開放端は、錘部を有している。図３に示す例とは異なり、錘部は、例えば、振動腕１３５の他の部位よりもＸ軸方向の幅が広くてもよい。あるいは、錘部は、振動腕１３５の他の部位とＸ軸方向の幅が同一であってもよい。このような幅が同一の錘部は、例えば、金属層を積層させることによって形成することができる。振動腕１３５の開放端が錘部を有することで、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。

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。さらに、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂにおける保護膜２３５の表面の一部には、それぞれ、周波数調整膜２３６Ａ、２３６Ｂ（以下、周波数調整膜２３６Ａ、２３６Ｂをまとめて「周波数調整膜２３６」とも呼ぶ。）が形成されている。保護膜２３５及び周波数調整膜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。尚、必ずしも保護膜２３５は振動部１２０の全面を覆う必要はないが、周波数調整における下地の電極膜（例えば図４の金属層Ｅ２）及び圧電膜（例えば図４の圧電薄膜Ｆ３）へのダメージを保護する上で、振動部１２０の全面の方が望ましい。

周波数調整膜２３６は、振動部１２０における、他の領域よりも振動による変位の比較的大きい領域の少なくとも一部において、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、周波数調整膜２３６は、振動腕１３５の先端、即ち錘部に形成される。他方、保護膜２３５は、振動腕１３５におけるその他の領域において、その表面が露出している。この実施例では、振動腕１３５の先端まで周波数調整膜２３６が形成され、先端部では保護膜２３５は全く露出していないが、保護膜２３５の一部が露出する様に、周波数調整膜２３６を振動腕１３５の先端部には形成されない構成も可能である。

（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る。枠体１４０ｃの一端は枠体１４０ａに接続され、枠体１４０ｃの他端は枠体１４０ｂに接続される。枠体１４０ｄは、基部１３０の側端（短辺１３１ｄ）及び振動腕１３５Ｂに対向して、長手方向がＹ軸に平行に設けられる。枠体１４０ｄの一端は枠体１４０ａに接続され、枠体１４０ｄの他端は枠体１４０ｂに接続される。

（ｃ）保持腕１１０
保持腕１１０は、保持部１４０の内側に設けられ、基部１３０の後端１３１Ｂと枠体１４０ｂとを接続する。保持腕１１０の一端は、基部１３０の後端１３１Ｂに接続され、保持腕１１０の他端は、枠体１４０ｂに接続されている。保持腕１１０は、長手方向がＹ軸に平行に設けられる。

（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、及び共振子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１１０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。振動部１２０上においては、さらに、保護膜２３５上に、周波数調整膜２３６が積層されている。

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。また、金属層Ｅ１は、保持腕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交流電源に下部電極を接続する配線として機能する。

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。また、金属層Ｅ２は、保持腕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上部電極を接続する配線として機能する。

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。

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及び上蓋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。

保護膜２３５は、絶縁体の層であり、エッチングによる質量低減の速度が周波数調整膜２３６より遅い材料により形成される。例えば、保護膜２３５は、ＡｌＮやＳｉＮ等の窒化膜やＴａ２Ｏ５（５酸化タンタル）やＳｉＯ２等の酸化膜により形成される。なお、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。

周波数調整膜２３６は、導電体の層であり、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。周波数調整膜２３６は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）や金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）等の金属により形成される。

（５．共振子の動作）
図４を参照して共振子１０の動作について説明する。本実施形態では、振動腕１３５Ａに印加される電界の位相と、振動腕１３５Ｂ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、振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとが互いに逆方向に変位する。例えば、振動腕１３５Ａが上蓋３０の内面に向かって開放端を変位すると、振動腕１３５Ｂ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４に示す振動腕１３５Ａと振動腕１３５ＢとがＹ軸に平行に延びる中心軸ｒ１回りに上下逆方向に振動する。これによって、中心軸ｒ１を中心として互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、振動部１２０で屈曲振動が発生する。このとき、基部１３０における中心軸ｒ１の近傍の領域には歪みが集中することになる。

図５は、振動部１２０の屈曲振動時の動作を説明するための図である。同図に示すように、振動部１２０の屈曲振動時には、第１回転モーメントＡｒｍ、第２回転モーメントＢｅｎｄ、及び、第３回転モーメントＡｌｌが発生する。第１回転モーメントＡｒｍは、Ｙ軸に平行な中心軸周りの回転モーメントである。第２回転モーメントＢｅｎｄは、振動腕１３５と基部１３０との接続部を通るＸ軸に平行な中心軸周りの回転モーメントである。第３回転モーメントＡｌｌは、Ｘ軸方向における基部１３０の中心位置を通るＹ軸に平行な中心軸周りの回転モーメントである。

図６は、一実施形態に係る共振子１０の一例を示す図である。同図に示すように、第１振動腕１３５Ａは、第１振動腕１３５Ａの長手方向に延びる第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に第１振動腕１３５Ａの重心位置Ｇ１をオフセットさせる第１オフセット構造を有する。また、第２振動腕１３５Ｂは、第２振動腕１３５Ｂの長手方向に延びる第２中心軸Ｓ２よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に第２振動腕１３５Ｂの重心位置Ｇ２をオフセットさせる第２オフセット構造を有する。第１中心軸Ｓ１は、第１振動腕１３５Ａと基部１３０との境界部分における第１振動腕１３５Ａの短手方向の中心軸である。第１中心軸Ｓ１は、第１振動腕１３５Ａと基部１３０との境界部分を通るＸ軸に平行な直線ＡＡ´上での第１振動腕１３５Ａの中心位置を通る、Ｙ軸に平行な直線である。第２中心軸Ｓ２は、第２振動腕１３５Ｂと基部１３０との境界部分における第２振動腕１３５Ｂの短手方向の中心軸である。第２中心軸Ｓ２は、第２振動腕１３５Ｂと基部１３０との境界部分を通るＸ軸に平行な直線ＡＡ´上での第２振動腕１３５Ｂの中心位置を通る、Ｙ軸に平行な直線である。

図示の例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａの先端部に設けられ、第２オフセット構造は、第２振動腕１３５Ｂの先端部に設けられる。第１振動腕１３５Ａの先端部は、例えば、第１振動腕１３５Ａにおける長手方向の中心位置よりも先端側の部分であり、第２振動腕１３５Ｂの先端部は、例えば、第２振動腕１３５Ｂにおける長手方向の中心位置よりも先端側の部分である。また、図示の例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａの上面のうち、第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に設けられた錘部１３６Ａを含む。錘部１３６Ａは、第１振動腕１３５Ａの下面に設けられてもよい。また、第２オフセット構造は、第２振動腕１３５Ｂの上面のうち、第２中心軸Ｓ２よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に設けられた錘部１３６Ｂを含む。錘部１３６Ｂは、第２振動腕１３５Ｂの下面に設けられてもよい。

錘部１３６Ａは、第１振動腕１３５Ａの長手方向に細長く延びる矩形板状をなしており、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の中心位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置している。図示の例では、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置しているものの、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の中心位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置していれば、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の外側に位置してもよい。錘部１３６Ａは、第１振動腕１３５Ａの長手方向に細長く延びる矩形板状をなしており、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の中心位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置している。図示の例では、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置しているものの、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の中心位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置していれば、錘部１３６ＡにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第１振動腕１３５ＡにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の外側に位置してもよい。

錘部１３６Ｂは、第２振動腕１３５Ｂの長手方向に細長く延びる矩形板状をなしており、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の中心位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置している。図示の例では、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置しているものの、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の中心位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置していれば、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の外側に位置してもよい。錘部１３６Ｂは、第２振動腕１３５Ｂの長手方向に細長く延びる矩形板状をなしており、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の中心位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置している。図示の例では、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置しているものの、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の中心位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の内側に位置していれば、錘部１３６ＢにおけるＸ軸方向の左端となる位置が第２振動腕１３５ＢにおけるＸ軸方向の中心位置よりもＸ軸方向における振動部１２０の外側に位置してもよい。

（６．共振子の機能）
次に、本実施形態に係る共振子１０の機能について説明する。図７は、比較例の共振子１０の機能を説明するための図である。比較例の共振子１０は、第１振動腕１３５Ａの重心位置が第１中心軸Ｓ１と一致し、第２振動腕１３５Ｂの重心位置が第２中心軸Ｓ２と一致している。図７は、比較例の共振子１０の屈曲振動時に、共振子１０の箇所ごとに発生する歪みの大きさを、シミュレーションモデルを用いて予測した結果を視覚的に示している。同図に示すように、比較例の共振子１０の屈曲振動時には、第１振動腕１３５Ａの先端部及び第２振動腕１３５Ｂの先端部のそれぞれに同一方向の第１回転モーメントＡｒｍが作用する。その結果、第１振動腕１３５Ａの基端部、及び、第２振動腕１３５Ｂの基端部に歪みが生じやすい。そして、これらの歪みが第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂのそれぞれから基部１３０に伝わると、基部１３０から外部に振動漏れが発生し、振動部１２０の振動特性に影響を及ぼす虞があった。

図８は、本実施形態に係る共振子１０の機能を説明するための図である。図８は、明細書の説明理解の便宜上、第１振動腕１３５Ａの先端部、及び、第２振動腕１３５Ｂの先端部が内向きに屈曲することで、第１振動腕１３５Ａの重心位置、及び、第２振動腕１３５Ｂの重心位置がオフセットした場合を例に挙げて説明する。同図に示すように、本実施形態に係る共振子１０の屈曲振動時には、第１振動腕１３５Ａの先端部及び第２振動腕１３５Ｂの先端部のそれぞれに逆方向の第１回転モーメントＡｒｍが作用する。その結果、第１振動腕１３５Ａの基端部、及び、第２振動腕１３５Ｂの基端部に歪みが生じ、これらの歪みが第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂのそれぞれから基部１３０に伝わったとしても、これらの歪みが相殺される。その結果、基部１３０から外部に振動漏れが発生しにくく、振動部１２０の振動特性が安定化される。

本実施形態に係る共振子１０は、振動部１２０と、振動部１２０の周囲の少なくとも一部に設けられた保持部１４０と、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられ、一端が基部１３０に接続され、他端が保持部１４０に接続される保持腕１１０と、を備え、振動部１２０は、固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕１３５Ａと、固定端と開放端とを有し、第１振動腕１３５Ａと異なる位相で面外屈曲する第２振動腕１３５Ｂと、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂに接続される前端、及び当該前端に対向する後端を有する基部１３０と、を含み、第１振動腕１３５Ａは、第１振動腕１３５Ａと基部１３０との境界部分における第１振動腕１３５Ａの短手方向の第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に第１振動腕１３５Ａの重心位置Ｇ１をオフセットさせる第１オフセット構造を有し、第２振動腕１３５Ｂは、第２振動腕１３５Ｂと基部１３０との境界部分における第２振動腕１３５Ｂの短手方向の第２中心軸Ｓ２よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に第２振動腕１３５Ｂの重心位置Ｇ２をオフセットさせる第２オフセット構造を有する。そのため、共振子１０の屈曲振動時に、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂのそれぞれから基部１３０に伝わる歪みが相殺される。これにより、基部１３０から外部に振動漏れが発生しにくく、振動部１２０の振動特性を安定化できる。

図９は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。具体的には、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面に設けられた凸部１３７Ａを含む。第２オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられた凸部１３７Ｂを含む。

図１０は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａの上面または下面のうち、第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の外側に形成された孔１３８Ａを含む。第１オフセット構造は、孔１３８Ａに代えて、第１振動腕１３５Ａの上面または下面のうち、第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の外側に形成された溝を含んでもよい。第２オフセット構造は、第２振動腕１３５Ｂの上面または下面のうち、第２中心軸Ｓ２よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の外側に形成された孔１３８Ｂを含む。第２オフセット構造は、孔１３８Ｂに代えて、第２振動腕１３５Ｂの上面または下面のうち、第１中心軸Ｓ１よりも第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の外側に形成された溝を含んでもよい。

図１１は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面とは反対側の第１振動腕１３５Ａの側面に設けられた凹部１３９Ａを含む。第２オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面とは反対側の第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられた凹部１３９Ｂを含む。

図１２は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面に設けられた第１凸部１４１Ａと、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面とは反対側の第１振動腕１３５Ａの側面に設けられて第１凸部１４１Ａよりも第１振動腕１３５Ａの側面からの突出量が小さい第２凸部１４２Ａとを含む。第２オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられた第１凸部１４１Ｂと、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面とは反対側の第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられて第１凸部１４１Ｂよりも第２振動腕１３５Ｂの側面からの突出量が小さい第２凸部１４２Ｂとを含む。

図１３は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面に第１振動腕１３５Ａの長手方向に間隔を隔てて設けられた複数の凸部１４３Ａを含む。第２オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられた凸部１４３Ｂを含む。凸部１４３Ｂは、第２振動腕１３５Ｂの長手方向において複数の凸部１４３Ａの中間となる位置に設けられる。この例では、第１オフセット構造及び第２オフセット構造は、互いに非対称構造であるものの、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂは、固有振動数が共通している。

図１４は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第２振動腕１３５Ｂに対向する第１振動腕１３５Ａの側面に第１振動腕１３５Ａの長手方向に間隔を隔てて設けられた複数の凸部１４４Ａと、同方向において複数の凸部１４４Ａの中間位置に設けられた凹部１４５Ａとを含む。第２オフセット構造は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向において第１振動腕１３５Ａに対向する第２振動腕１３５Ｂの側面に設けられた凸部１４４Ｂと、同方向において凸部１４４Ｂの両側に設けられた複数の凹部１４５Ｂとを含む。複数の凸部１４４Ａの各々の先端は、複数の凹部１４５Ｂの内側に配置されている。凸部１４４Ｂの先端は、凹部１４５Ａの内側に配置されている。この例では、第１オフセット構造及び第２オフセット構造は、互いに非対称構造であるものの、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂは、固有振動数が共通している。

図１５は、一実施形態に係る共振子の構成の変形例を示す図である。この例では、第１振動腕１３５Ａの長手方向に延びる第１中心軸Ｓ１、及び、第２振動腕１３５Ｂの長手方向に延びる第２中心軸Ｓ２の各々は、第１振動腕１３５Ａ及び第２振動腕１３５Ｂの並列方向における振動部１２０の内側に傾斜して延びる。この場合、第１中心軸Ｓ１は、第１振動腕１３５Ａと基部１３０との境界部分を通るＸ軸に平行な直線ＡＡ´上での第１振動腕１３５Ａの中心位置を通る、第１振動腕１３５Ａの長手方向に平行な直線である。第２中心軸Ｓ２は、第２振動腕１３５Ｂと基部１３０との境界部分を通るＸ軸に平行な直線ＡＡ´上での第２振動腕１３５Ｂの中心位置を通る、第２振動腕１３５Ｂの長手方向に平行な直線である。

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、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、振動部と保持部との間に設けられた保持腕と、を備え、振動部は、固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、固定端と開放端とを有し、第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、第１振動腕及び第２振動腕に接続される前端、及び前端に対向する後端を有する基部と、を含み、保持腕は、一端が基部に接続され、他端が保持部に接続され、第１振動腕は、第１振動腕と基部との境界部分における第１振動腕の短手方向の第１中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向における振動部の内側に第１振動腕の重心位置をオフセットさせる第１オフセット構造を有し、第２振動腕は、第２振動腕と基部との境界部分における第２振動腕の短手方向の第２中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向における振動部の内側に第２振動腕の重心位置をオフセットさせる第２オフセット構造を有する、共振子が提供される。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕の先端部に設けられ、第２オフセット構造は、第２振動腕の先端部に設けられる。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕の上面または下面のうち、第１中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向における振動部の内側に設けられた錘部を含み、第２オフセット構造は、第２振動腕の上面または下面のうち、第２中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向における振動部の内側に設けられた錘部を含む。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第２振動腕に対向する第１振動腕の側面に設けられた凸部を含み、第２オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第１振動腕に対向する第２振動腕の側面に設けられた凸部を含む。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕の上面または下面のうち、第１中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において振動部の外側に形成された孔又は溝を含み、第２オフセット構造は、第２振動腕の上面または下面のうち、第２中心軸よりも第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において振動部の外側に形成された孔又は溝を含む。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第２振動腕に対向する第１振動腕の側面とは反対側の第１振動腕の側面に設けられた凹部を含み、第２オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第１振動腕に対向する第２振動腕の側面とは反対側の第２振動腕の側面に設けられた凹部を含む。

一態様として、第１オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第２振動腕に対向する第１振動腕の側面に設けられた第１凸部と、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第２振動腕に対向する第１振動腕の側面とは反対側の第１振動腕の側面に設けられて第１凸部よりも第１振動腕の側面からの突出量が小さい第２凸部とを含み、第２オフセット構造は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第１振動腕に対向する第２振動腕の側面に設けられた第１凸部と、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向において第１振動腕に対向する第２振動腕の側面とは反対側の第２振動腕の側面に設けられて第１凸部よりも第２振動腕の側面からの突出量が小さい第２凸部とを含む。

一態様として、第１振動腕及び第２振動腕は、固有振動数が共通し、第１オフセット構造及び第２オフセット構造は、互いに非対称構造である。

本発明の一態様によれば、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、振動部と保持部との間に設けられた保持腕と、を備え、振動部は、固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、固定端と開放端とを有し、第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、第１振動腕及び第２振動腕に接続される前端、及び前端に対向する後端を有する基部と、を含み、前記保持腕は、一端が基部に接続され、他端が保持部に接続され、第１振動腕と基部との境界部分における第１振動腕の短手方向の第１中心軸、及び、第２振動腕と基部との境界部分における第２振動腕の短手方向の第２中心軸の各々は、第１振動腕及び第２振動腕の並列方向における振動部の内側に傾斜して延びる。

一態様として、振動部は、圧電膜と、圧電膜を挟んで互いに対向して設けられた上部電極および下部電極とを有する。

以上説明したように、本発明の一態様によれば、振動腕の長手方向に延びる中心軸周りの回転モーメントを相殺することで、振動部の振動特性を安定化させることができる。

・上記実施形態では、共振子が、圧電膜と、圧電膜を挟んで互いに対向して設けられた上部電極および下部電極とを有するＭＥＭＳである場合を例に挙げて説明したが、共振子はこれに限らず、他の材料（例えば、水晶材料等）や構造を有していてもよい。

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。

１共振装置
１０共振子
２０下蓋
３０上蓋
１１０保持腕
１２０振動部
１３０基部
１３５振動腕
１３５Ａ第１振動腕
１３５Ｂ第２振動腕
１３６Ａ、１３６Ｂ錘部
１３７Ａ、１３７Ｂ凸部
１３８Ａ、１３８Ｂ孔
１３９Ａ、１３９Ｂ凹部
１４０保持部
１４０ａ～ｄ枠体
１４１Ａ、１４１Ｂ第１凸部
１４２Ａ、１４２Ｂ第２凸部
１４３Ａ、１４３Ｂ凸部
１４４Ａ、１４４Ｂ凸部
１４５Ａ、１４５Ｂ凹部
２３５保護膜
２３６周波数調整膜

Claims

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、
前記振動部と前記保持部との間に設けられた保持腕と、
を備え、
前記振動部は、
固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、
固定端と開放端とを有し、前記第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、
前記第１振動腕及び前記第２振動腕が並列して接続される前端、及び当該前端に対向する後端を有する基部と、
を含み、
前記保持腕は、一端が前記基部に接続され、他端が前記保持部に接続され、
前記第１振動腕は、前記第１振動腕と前記基部との境界における前記第１振動腕の短手方向の第１中心軸よりも前記第１振動腕及び前記第２振動腕の並列方向における前記振動部の内側に前記第１振動腕の重心位置をオフセットさせる第１オフセット構造を有し、
前記第２振動腕は、前記第２振動腕と前記基部との境界における前記第２振動腕の短手方向の第２中心軸よりも前記並列方向における前記振動部の内側に前記第２振動腕の重心位置をオフセットさせる第２オフセット構造を有し、
前記第１オフセット構造は、前記並列方向において前記第２振動腕に対向する前記第１振動腕の側面とは反対側の前記第１振動腕の側面に設けられた凹部を含み、
前記第２オフセット構造は、前記並列方向において前記第１振動腕に対向する前記第２振動腕の側面とは反対側の前記第２振動腕の側面に設けられた凹部を含む、
共振子。
前記第１オフセット構造は、前記第１振動腕の先端部に設けられ、
前記第２オフセット構造は、前記第２振動腕の先端部に設けられる、
請求項１に記載の共振子。
前記第１オフセット構造は、前記第１振動腕の上面または下面のうち、前記第１中心軸よりも前記並列方向における前記振動部の内側に設けられた錘部を含み、
前記第２オフセット構造は、前記第２振動腕の上面または下面のうち、前記第２中心軸よりも前記並列方向における前記振動部の内側に設けられた錘部を含む、
請求項１または２に記載の共振子。
前記第１オフセット構造は、前記並列方向において前記第２振動腕に対向する前記第１振動腕の側面に設けられた凸部を含み、
前記第２オフセット構造は、前記並列方向において前記第１振動腕に対向する前記第２振動腕の側面に設けられた凸部を含む、
請求項１または２に記載の共振子。
前記第１オフセット構造は、前記第１振動腕の上面または下面のうち、前記第１中心軸よりも前記並列方向において前記振動部の外側に形成された孔又は溝を含み、
前記第２オフセット構造は、前記第２振動腕の上面または下面のうち、前記第２中心軸よりも前記並列方向において前記振動部の外側に形成された孔又は溝を含む、
請求項１または２に記載の共振子。
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、
前記振動部と前記保持部との間に設けられた保持腕と、
を備え、
前記振動部は、
固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、
固定端と開放端とを有し、前記第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、
前記第１振動腕及び前記第２振動腕が並列して接続される前端、及び当該前端に対向する後端を有する基部と、
を含み、
前記保持腕は、一端が前記基部に接続され、他端が前記保持部に接続され、
前記第１振動腕は、前記第１振動腕と前記基部との境界における前記第１振動腕の短手方向の第１中心軸よりも前記第１振動腕及び前記第２振動腕の並列方向における前記振動部の内側に前記第１振動腕の重心位置をオフセットさせる第１オフセット構造を有し、
前記第２振動腕は、前記第２振動腕と前記基部との境界における前記第２振動腕の短手方向の第２中心軸よりも前記並列方向における前記振動部の内側に前記第２振動腕の重心位置をオフセットさせる第２オフセット構造を有し、
前記第１オフセット構造は、前記並列方向において前記第２振動腕に対向する前記第１振動腕の側面に設けられた第１凸部と、前記並列方向において前記第２振動腕に対向する前記第１振動腕の側面とは反対側の前記第１振動腕の側面に設けられて当該第１凸部よりも前記第１振動腕の側面からの突出量が小さい第２凸部とを含み、
前記第２オフセット構造は、前記並列方向において前記第１振動腕に対向する前記第２振動腕の側面に設けられた第１凸部と、前記並列方向において前記第１振動腕に対向する前記第２振動腕の側面とは反対側の前記第２振動腕の側面に設けられて当該第１凸部よりも前記第２振動腕の側面からの突出量が小さい第２凸部とを含む、
共振子。
前記第１振動腕及び前記第２振動腕は、固有振動数が共通し、
前記第１オフセット構造及び前記第２オフセット構造は、互いに非対称構造である、
請求項１から６のいずれか一項に記載の共振子。
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、
前記振動部と前記保持部との間に設けられた保持腕と、
を備え、
前記振動部は、
固定端と開放端とを有し、面外屈曲する第１振動腕と、
固定端と開放端とを有し、前記第１振動腕と異なる位相で面外屈曲する第２振動腕と、
前記第１振動腕及び前記第２振動腕が並列して接続される前端、及び当該前端に対向する後端を有する基部と、
を含み、
前記保持腕は、一端が前記基部に接続され、他端が前記保持部に接続され、
前記第１振動腕と前記基部との境界部分における前記第１振動腕の短手方向の第１中心軸、及び、前記第２振動腕と前記基部との境界部分における前記第２振動腕の短手方向の第２中心軸の各々は、前記第１振動腕及び前記第２振動腕の並列方向における前記振動部の内側に傾斜して延びる、
共振子。
前記振動部は、
圧電膜と、
前記圧電膜を挟んで互いに対向して設けられた上部電極および下部電極と
を有する、
請求項１から８のいずれか一項に記載の共振子。
請求項１から９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、
を備える、
共振装置。