JPWO2015002261A1

JPWO2015002261A1 - 振動装置

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Publication number: JPWO2015002261A1
Application number: JP2015525270A
Authority: JP
Inventors: 貴志長谷; 西村　俊雄; 俊雄西村; 開田　弘明; 弘明開田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: JP6213563B2; US10276775B2; US20160111627A1; WO2015002261A1; CN105340177A; CN105340177B

Abstract

振動部の振動を振動部側に確実に閉じ込めることができる、振動装置を提供する。振動部２に、支持部４の第１の端部が連結されており、支持部４の第２の端部につなげられており、振動部２を囲むように枠状の基部３が設けられており、支持部４と、基部３の支持部４の第２の端部に連結されている部分との間に、屈曲振動部５を設けるように、基部３に、支持部４が延びる方向と交叉する方向に延びるスリット３ａが形成されており、屈曲振動部５の両端が基部３の残りの部分に連ねられており、連ねられている部分が屈曲振動部５の固定端とされており、屈曲振動部５の支持部４の第２の端部に連結されている部分と、屈曲振動部５の固定端までの長さが、振動部２における固有振動の周波数に対応する該屈曲振動の波長をλとしたとき、λ／４とされている、振動装置１。

Description

本発明は、振動部に該振動部を支持するための支持部が連結されている振動装置に関する。

従来、共振子等として、様々な振動モードを利用した振動装置が用いられている。このような振動装置では、振動部の振動を阻害しないように振動部を支持する必要がある。

下記の特許文献１では、長さモードで振動する振動部の長さ方向に沿う面の中央に、Ｔ字状の支持部が連結されている。Ｔ字状の支持部は、第１の方向に延びる第１の部分と、第１の部分の一方の側面の中央に連結されており、第１の方向と直交する第２の方向に延びる第２の部分とを有する。この第２の部分の先端が振動部に連結されている。第１の部分の第２の部分に連結されている側の側面とは反対側の側面は、基部に設けられたスリットに臨んでいる。このスリットは、第１の部分の延びる方向に延ばされている。

このＴ字状の支持部では、第２の部分から伝播してきた振動が、第１の部分の上記スリットに臨んでいる部分を屈曲振動させる。第１の部分の屈曲振動する部分が振動反射部を構成している。この振動反射部の長さ、すなわち第１の方向に沿う長さは、振動部から伝搬する主振動の波長λの１／４とされている。

下記の特許文献２では、振動部の長さ方向に沿う面の中央に支持部が連結されている。支持部には、振動部を囲むように設けられた支持枠が連結されている。該支持枠が導電性接着剤などによりパッケージング材に保持されている。それによって、支持部の破損を抑制し得るとされている。また、支持部の形状をＴ字状などにすることにより振動の漏洩を抑制し得るとされている。

ＷＯ２０１０／１１０９１８特開平１０−１１７１２０号公報

特許文献１に記載の振動装置では、上記振動反射部の長さが、λ／４とされている。そのため、振動が閉じ込められず、基部側に振動が漏洩しがちであった。

また、Ｔ字状支持部の第１の部分の両端に連ねられている保持部分の面積が小さかった。そのため、Ｔ字状の支持腕と保持部分との音響インピーダンス差が小さく、十分な音響反射効果が得られなかった。

特許文献２に記載の振動装置では、支持部の形状及び寸法と、振動部において励振される振動の波長との関係については何ら考慮されていない。そのため、振動の漏洩を十分に抑制することができなかった。

本発明の目的は、振動部の振動を確実に振動部側に閉じ込めることができる、振動装置を提供することにある。

本発明に係る振動装置は、振動部と、支持部と、基部とを備える。上記支持部は、第１の端部と上記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する。上記支持部の上記第１の端部が上記振動部に連結されている。上記支持部は該振動部を支持している。

上記基部は、上記支持部の上記第２の端部につなげられている。上記基部は、上記振動部を囲むように設けられた枠状の形状を有する。本発明では、上記支持部と、上記支持部の第２の端部に連結されている上記基部の部分との間に、両端が固定端とされている屈曲振動部が設けられるように、上記基部に上記支持部が延びる方向と交叉する方向に延びるスリットが形成されている。

本発明では、上記屈曲振動部の両端が基部の残りの部分に連ねられており、該連ねられている部分が上記屈曲振動部の固定端とされている。

本発明では、上記屈曲振動部の上記支持部の第２の端部に連結されている部分と、該屈曲振動部の上記固定端までの長さが、上記振動部における固有振動の周波数に対応する該屈曲振動の波長をλとしたとき、λ／４とされている。

本発明に係る振動装置のある特定の局面では、全体が板状体であり、上記振動部、上記支持部及び上記基部を構成するように、上記支持部が設けられている部分を除いて上記振動部を囲む複数の貫通溝が板状体に形成されている。

本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、上記振動部が、縮退半導体からなるＳｉ層と、上記Ｓｉ層上に積層されている励振部とを有し、該励振部が、圧電体層と、上記圧電体層に電圧を印加するための第１，第２の電極とを有する。

本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、上記振動部の外周縁と、上記基部との間の距離が、上記振動部の外周縁と上記屈曲振動部との間の距離と同等である。

本発明に係る振動装置の別の特定の局面では、上記振動部の外周縁と、上記基部との間の距離が、上記振動部の外周縁と上記屈曲振動部との間の距離よりも小さい。

本発明に係る振動装置では、屈曲振動部の両端が基部の残りの部分に連ねられており、該連ねられている部分が固定端とされているため、十分な音響反射効果が得られる。よって、振動部から伝搬してきた振動を屈曲振動部の振動により振動側に確実に反射させることができる。従って、振動部側に振動を確実に閉じ込めることが可能となる。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る振動装置の平面図であり、図１（ｂ）はその要部を示す正面断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態における支持部と屈曲振動部との寸法関係を説明するための部分切欠平面図である。図３は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の平面図である。図４は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置の平面図である。図５は、本発明の第４の実施形態に係る振動装置の平面図である。図６は、屈曲振動部の支持部に連結されている部分と、屈曲振動部の外側の固定端との間の長さＬｓと、Ｑｍとの関係を示す図である。図７は、屈曲振動部の支持部に連結されている部分と、屈曲振動部の外側の固定端との間の長さＬｓと、臨界結合係数ｋ（％）との関係を示す図である。図８は、比較例１の振動装置の平面図である。図９は、第１の変形例の振動装置の平面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の平面図である。振動装置１は、正方形板状の振動部２を有する。振動部２は、枠状の基部３に支持部４により連結されている。基部３は、特に限定されないが外周縁が正方形の形状を有している。

支持部４は、正方形板状の振動部２の１つの側面中央に連結されている。また、該側面と反対側の側面にも、支持部４が連結されている。すなわち、一対の支持部４，４が設けられている。

支持部４は、振動部２に連結されている第１の端部と、基部３に連結されている第２の端部とを有する。第２の端部は第１の端部と反対側である。

支持部４の第２の端部は、屈曲振動部５に連結されている。ここで、屈曲振動部５とは、基部３にスリット３ａを設けることにより、スリット３ａと支持部４との間に設けられている部分である。すなわち、基部３には、支持部４の延びる方向と直交する方向に延びるスリット３ａが設けられている。言い換えれば、正方形板状の振動部２の支持部４が連結されている側面と平行な方向に延びるように、スリット３ａが設けられている。

スリット３ａと支持部４との間の基部部分が、屈曲振動部５を構成している。屈曲振動部５の外側縁がスリット３ａに臨んでいる。反対側の縁は貫通溝６，６に臨んでいる。正方形板状の基部３に一対の貫通溝６，６を形成することにより、上記振動部２及び支持部４，４を設けることができる。

言い換えれば、振動部２は貫通溝６，６を介して、枠状の基部３に囲まれている。これにより、振動部２の外周縁と、上記基部３との間の距離が、上記振動部２の外周縁と上記屈曲振動部５との間の距離と同等に形成されている。

図１（ａ）に示すように、屈曲振動部５は、上記スリット３ａが延びる方向に延ばされている。そして、図１（ａ）に破線Ａ，Ａで示す位置が屈曲振動部５の端部である。すなわち、屈曲振動部５の長さ方向端部は、屈曲振動部５のスリット３ａの長さ方向端部に一致している。言い換えれば、スリット３ａと貫通溝６，６との間の部分が屈曲振動部５を構成している。

本実施形態では、振動部２は、図１（ｂ）に示す積層構造を有する。図１（ｂ）に示すように、縮退半導体からなるＳｉ層１１上に、酸化ケイ素層１２が積層されている。

縮退半導体からなるＳｉ層１１は、Ｓｉにｎ型ドーピング剤をドープすることにより縮退半導体とされている。この場合のドーピング濃度は、５×１０^１９個／ｃｍ^３以上とされている。上記ドーピング剤については、特に限定されないが、ｎ型のドーピング剤として、リン（Ｐ）が好適に用いられる。リン（Ｐ）を用いた場合、容易にｎ型の縮退半導体を製造することができる。

酸化ケイ素層１２上に、励振部１３が積層されている。励振部１３は、圧電薄膜１４と、圧電薄膜１４の上面のほぼ全面に積層された第１の電極１５と、下面のほぼ全面に積層された第２の電極１６とを有する。ここで、これらの電極にはスリットや切欠きが設けられていてもよい。

圧電薄膜１４は、厚み方向に配向している。従って、第１の電極１５と第２の電極１６との間に交番電界を印加することにより、励振部１３が励振される。また、Ｓｉ層１１は、上記のように縮退半導体であるＳｉからなる。そのため、振動部２は、いわゆるＭＥＭＳ構造を有する振動体である。

励振部１３を励振させることにより、正方形板状の振動部２は、正方形板の拡がりモードで振動する。この振動特性を振動装置１で利用することができる。

また、上記正方形板の拡がり振動では、４つの側面の各中央に変位最小となる部分が位置している。本実施形態では、支持部４は、１つの側面の中央、すなわち変位最小となる部分に連結されている。従って、振動部２の振動は、支持部４に伝達され難い。加えて、本実施形態では、屈曲振動部５の作用により屈曲振動部５までの部分に振動を確実に閉じ込めることができる。それによって、振動特性を高めることができる。これを、以下において詳述する。

本実施形態では、支持部４が延びる方向と、屈曲振動部５が延びる方向とは直交している。

また、屈曲振動部５は、内側縁において貫通溝６に臨んでおり、外側縁がスリット３ａに臨んでいる。従って、支持部４を経由して振動部２から振動が伝達されると、屈曲振動部５は、基部３の面方向と直交する方向に屈曲振動する。この場合、屈曲振動部５の両端は固定端である。すなわち、屈曲振動部５の破線Ａで示す端部は基部３に連ねられているため、端部は固定端となる。

本実施形態では、伝搬してきた振動は屈曲振動部５の振動に変換され、屈曲振動部５と基部３との界面が屈曲振動の固定端となる。そのため、屈曲振動がこの界面で反射され、基部３側への振動の伝達を効果的に抑制することができる。

特に、破線Ａで示す固定端の外側の基部部分の面積が大きいため、基部３の音響インピーダンスを高めることができる。従って、破線Ａで示す部分における音響反射効率を高めることができる。それによって、振動の屈曲振動部５までの部分への閉じ込め性を高めることができる。

上記のように、屈曲振動部５の両端、すなわち固定端が基部の残りの部分に連ねられている。そのため、固定端の外側の基部部分の面積が大きくされている。この場合、固定端の外側の基部部分の面積が大きいほど好ましい。より具体的には、固定端の外側の基部の残りの部分の面積は、屈曲振動部５の面積より大きいことが望ましい。

図２は、支持部と屈曲振動部との寸法関係を説明するための部分切欠平面図である。図２では屈曲振動部５の両端を固定端として略図的に示す。

本実施形態では、上記屈曲振動部５の支持部４の第２の端部に連結されている部分と、屈曲振動部５の固定端との間の距離である長さＬｓは、振動部２における固有振動の周波数に対応する屈曲振動の波長をλとしたとき、λ／４とされている。よって、それによっても、振動の閉じ込め性をより一層高めることができる。

前述したように、本実施形態では、破線Ａで示す固定端の外側の基部部分の面積が大きいため、音響反射効果を高めることができ、閉じ込め性を高めることができる。また、上記距離Ｌｓがλ／４とされているため、閉じ込め性をより一層効果的に高める。これらを、図６及び図７を参照してより具体的に説明する。

上記振動装置１として、以下の仕様で振動装置１を作成した。振動部２の平面形状：１５０μｍ×１５０μｍ。

支持部４の第１の端部と第２の端部とを結ぶ方向の長さＬ＝５μｍ、支持部４の幅方向寸法＝５μｍ。

屈曲振動部５の幅方向寸法＝５μｍ。

Ｓｉ層１１の厚み＝１０μｍ。Ｓｉ層におけるｎ型ドーピング剤であるＰのドーピング量＝５×１０^１９個／ｃｍ^３。酸化ケイ素層１２の厚み：０．８μｍ。圧電薄膜１４：窒化アルミニウム膜、厚み０．８μｍ。

第１，第２の電極１５，１６：Ｍｏからなり、厚み０．１μｍ。

上記振動装置１において、前述した距離Ｌｓを種々変化させた。図６は、距離Ｌｓと振動のＱｍとの関係を示し、図７は、距離Ｌｓと振動の臨界結合係数ｋ（％）との関係を示す図である。図６及び図７において実線は、上記実施形態の結果を示し、破線は、比較例１の結果を示す。

比較例１としては、図８に示す振動装置１０１を構成した。上記実施形態と同じ寸法の振動部１０２の対向し合う一対の側面中央に、長さ５μｍ及び幅方向寸法５μｍの支持部の一端を連結した。この支持部１０４の他端に、長さが２Ｌｓ＋５μｍの屈曲振動部１０３の中央を連ねた。屈曲振動部１０３の両端を、屈曲振動部１０３の延びる方向と直交する方向であって、振動部１０２と反対側に延びる一対の外側支持部１０５に連結した。外側支持部１０５の幅方向寸法を５μｍ及び長さ方向寸法を５μｍとした。その他の構成は上記実施形態と同様とした。従って、比較例１では、屈曲振動部１０３の両端が面積の小さな外側支持部１０５で支持されている点において、上記実施形態と異なる。

図６及び図７から明らかなように、上記実施形態及び比較例１において、距離Ｌｓを変化させた場合、Ｑｍ及びｋが変化することがわかる。特に、図６から明らかなように、本実施形態によれば、上記比較例１に比べ、広い範囲で、Ｑｍを効果的に高め得ることがわかる。これは、屈曲振動部の固定端側に連ねられている部分の面積が大きくなっているためと考えられる。すなわち、音響反射効果が高められ、閉じ込め性が改善しているためと考えられる。

また、図６及び図７から明らかなように、距離Ｌｓが変化すると、振動特性が変化する。特に、図６から、距離Ｌｓがλ／４である０．２５の場合、Ｑｍが非常に高くなることがわかる。他方、距離Ｌｓが０．５λすなわちλ／２付近では、Ｑｍが著しく低下し、ｋも著しく低下することがわかる。

よって、本実施形態では、距離Ｌｓがλ／４とされているため、より一層良好な振動特性を得ることができる。

なお、本実施形態では、距離Ｌｓがλ／４とされていたが、距離Ｌｓはλ／８〜３λ／８の範囲内であればよい。その場合には、屈曲振動部５が設けられていない場合に比べて良好な振動特性を得ることができる。また、距離Ｌｓが０．１８λ〜０．４λの範囲内にある場合、Ｑｍが高い値で安定する。この範囲内であれば、製造バラツキによるＱｍの変動を小さくできるため、量産性に優れる振動装置を提供できる。

上述したように、本実施形態の振動装置１では、正方形板の拡がり振動モードの振動の変位最小となる部分に支持部４が連結されている。また、支持部４の第２の端部に屈曲振動部５が設けられている。さらに、屈曲振動部５の両端が固定端となるように屈曲振動部における上記距離Ｌｓが上記特定の範囲とされている。そのため、振動を屈曲振動部５までの部分に確実に閉じ込めることができ、良好な振動特性を得ることができる。

第１の実施形態では、正方形板状の振動部２の一対の辺の両側に屈曲振動部５，５が設けられていたが、図３に示す第２の実施形態のように、他の一対の辺の外側にもスリット３ａ，３ａを設け、さらに一対の屈曲振動部５，５を設けてもよい。この場合には、耐衝撃性を高めることができる。従って、より一層振動特性を高めることができる。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、正方形板状の振動部２を用いたが、図４に示す第３の実施形態に係る振動装置２１ように、矩形板状の振動部２Ａを設けてもよい。この場合には、矩形板状の振動部２Ａは、長さと幅とを有する矩形形状を有する。ここでは、幅方向寸法が変化する幅拡がり振動で、振動部２Ａが振動する。このような幅拡がり変動モードを利用した振動部２Ａを有する振動装置２１にも、本発明を適用することができる。

さらに、図５に示す第４の実施形態に係る振動装置３１のように、長さ方向を有する振動部２Ｂを用いてもよい。この場合には、細長いストリップ状の振動部２Ｂが形成されており、該振動部２Ｂの長さ方向に伸縮する振動モードが利用される。振動部２Ｂの長辺の中央に振動のノードが位置するため、該ノードに支持部４が連結されている。

図４及び図５に示したように、本発明において振動部において利用する振動モードは特に限定されない。また、上記実施形態ではＳｉ層１１上に、酸化ケイ素層１２が積層されていたが、酸化ケイ素層１２は積層されておらずともよい。もっとも、酸化ケイ素層１２が積層されていることにより、周波数温度特性を改善することができる。なお、酸化ケイ素層１２は、Ｓｉ層１１の両面に形成されていてもよい。その場合には、Ｓｉ層の反りを抑制することができる。

さらに、図９に示す第１の変形例の振動装置４１のように、振動部２の外周縁と基部３との間の距離ｄ１が、振動部２の外周縁と屈曲振動部５との間の距離ｄ２よりも小さくなるように貫通溝６Ａを形成してもよい。この場合、固定端を示す破線Ａの外側の基部３の部分Ｂの面積をより一層大きくすることができる。それによって、音響反射効果をより一層高めることができる。従って、閉じ込め性をより一層高めることができる。

１…振動装置
２，２Ａ，２Ｂ…振動部
３…基部
３ａ…スリット
４…支持部
５…屈曲振動部
６，６Ａ…貫通溝
１１…Ｓｉ層
１２…酸化ケイ素層
１３…励振部
１４…圧電薄膜
１５，１６…第１，第２の電極
２１…振動装置
３１…振動装置
４１…振動装置

本発明に係る振動装置では、屈曲振動部の両端が基部の残りの部分に連ねられており、該連ねられている部分が固定端とされているため、十分な音響反射効果が得られる。よって、振動部から伝搬してきた振動を屈曲振動部の振動により振動部側に確実に反射させることができる。従って、振動部側に振動を確実に閉じ込めることが可能となる。

比較例１としては、図８に示す振動装置１０１を構成した。上記実施形態と同じ寸法の振動部１０２の対向し合う一対の側面中央に、長さ方向寸法５μｍ及び幅方向寸法５μｍの支持部１０４の一端を連結した。この支持部１０４の他端に、長さが２Ｌｓ＋５μｍの屈曲振動部１０３の中央を連ねた。屈曲振動部１０３の両端を、屈曲振動部１０３の延びる方向と直交する方向であって、振動部１０２と反対側に延びる一対の外側支持部１０５に連結した。外側支持部１０５の幅方向寸法を５μｍ及び長さ方向寸法を５μｍとした。その他の構成は上記実施形態と同様とした。従って、比較例１では、屈曲振動部１０３の両端が面積の小さな外側支持部１０５で支持されている点において、上記実施形態と異なる。

また、図６及び図７から明らかなように、距離Ｌｓが変化すると、振動特性が変化する。特に、図６から、距離Ｌｓがλ／４である０．２５λの場合、Ｑｍが非常に高くなることがわかる。他方、距離Ｌｓが０．５λすなわちλ／２付近では、Ｑｍが著しく低下し、ｋも著しく低下することがわかる。

また、第１の実施形態及び第２の実施形態では、正方形板状の振動部２を用いたが、図４に示す第３の実施形態に係る振動装置２１のように、矩形板状の振動部２Ａを設けてもよい。この場合には、矩形板状の振動部２Ａは、長さと幅とを有する矩形形状を有する。ここでは、幅方向寸法が変化する幅拡がり振動で、振動部２Ａが振動する。このような幅拡がり振動モードを利用した振動部２Ａを有する振動装置２１にも、本発明を適用することができる。

Claims

振動部と、
第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有し、前記第１の端部が前記振動部に連結されており、前記振動部を支持している支持部と、
前記支持部の前記第２の端部につなげられており、前記振動部を囲むように設けられた枠状の基部とを備え、
前記支持部と、前記支持部の前記第２の端部に連結されている前記基部の部分との間に、両端が固定端とされている屈曲振動部が設けられるように、前記基部に前記支持部が延びる方向と交叉する方向に延びるスリットが形成されており、
前記屈曲振動部の両端が前記基部の残りの部分に連ねられており、該連ねられている部分が前記屈曲振動部の固定端とされており、前記屈曲振動部の前記支持部の前記第２の端部に連結されている部分と、該屈曲振動部の前記固定端までの長さが、前記振動部における固有振動の周波数に対応する該屈曲振動の波長をλとしたとき、λ／４とされている、振動装置。
全体が板状体であり、前記振動部、前記支持部及び前記基部を構成するように、前記支持部が設けられている部分を除いて前記振動部を囲む、複数の貫通溝が前記板状体に形成されている、請求項１に記載の振動装置。
前記振動部が、縮退半導体からなるＳｉ層と、前記Ｓｉ層上に積層されている励振部とを有し、該励振部が、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加するための第１，第２の電極とを有する、請求項１または２に記載の振動装置。
前記振動部の外周縁と、前記基部との間の距離が、前記振動部の外周縁と前記屈曲振動部との間の距離と同等である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動装置。
前記振動部の外周縁と、前記基部との間の距離が、前記振動部の外周縁と前記屈曲振動部との間の距離よりも小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動装置。