(57)【要約】  共振子において、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子の小型化を図ることができる。  基部、並びに、一端及び他端を有し、当該一端が基部に接続された複数の振動腕を有する振動部を備え、複数の振動腕は、圧電薄膜と当該圧電薄膜に積層された電極とを有し、複数の振動腕のそれぞれの幅は、一端から他端に向かうにつれて広がり、複数の振動腕のそれぞれにおいて、電極の幅は、当該振動腕の一端から他端に向かうにつれて広がる。
2017047207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部、並びに、一端及び他端を有し、当該一端が前記基部に接続された複数の振動腕を有する振動部を備え、
前記複数の振動腕は、圧電薄膜と当該圧電薄膜に積層された電極とを有し、
前記複数の振動腕のそれぞれの幅は、前記一端から前記他端に向かうにつれて広がり、
前記複数の振動腕のそれぞれにおいて、前記電極の幅は、当該振動腕の前記一端から前記他端に向かうにつれて広がる、
共振子。
【請求項２】
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、前記基部と前記保持部とを接続する保持腕と、
をさらに備える、請求項１に記載の共振子。
【請求項３】
前記複数の振動腕は、当該一端が前記基部の第１辺において接続され、前記第１辺と略直交する第１方向に延びている、請求項１または２に記載の共振子。
【請求項４】
前記複数の振動腕は、
第１腕と、当該第１腕と隣接する第２腕と、を含み、
前記第１腕は、当該第１腕の前記幅を規定する第１辺と第２辺とを有し、前記一端から前記他端に向かうにつれて、前記第１辺が前記第１方向に直交する第２方向に変位する距離は、前記第２辺が前記第２方向に変位する距離より小さく、
前記第２腕は、当該第２腕の前記幅を規定する第３辺と第４辺とを有し、前記一端から前記他端に向かうにつれて、前記第３辺が前記第２方向に変位する距離は、前記第４辺が前記第２方向に変位する距離より小さく、
前記第１辺と前記第３辺は、互いに対向する、
ことを特徴とする請求項３に記載の共振子。
【請求項５】
前記第１辺と前記第３辺との間の間隔は、前記第１腕及び前記第２腕の一端から前記第１腕及び前記第２腕の他端まで略一定であることを特徴とする請求項４に記載の共振子。
【請求項６】
請求項１〜５いずれか一項に記載の共振子と、当該共振子を間に挟む下蓋と上蓋とを備える共振装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の振動腕が面外の屈曲振動モードで振動する共振子及び共振装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
例えば特許文献１には、複数の振動腕を備えた共振子が開示されている。この共振子では、振動腕は、それぞれ長手形状をなし、基部側の端部が固定端となり、基部と反対側の端部が自由端となっている。そして、振動腕の自由端の先端部には、振動腕の基部側の部分よりも横断面積が大きい質量部（ハンマーヘッド）が設けられている。特許文献１に記載の共振子では、振動腕の先端部の質量を大きくすることで、振動腕の屈曲振動の周波数を低く設定でき、さらに振動腕の長さを短く構成することが可能になり、所望の周波数の値を保ちながら、共振装置の小型化を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０５０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されているように、振動腕の自由端にハンマーヘッドを設けることで、共振子の静電容量が低下してしまう。その結果、共振抵抗が増加してしまい、発振回路の発振効率を悪化させてしまう。【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振子において、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子の小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面に係る共振子は、基部、並びに、一端及び他端を有し、当該一端が基部に接続された複数の振動腕を有する振動部を備え、複数の振動腕は、圧電薄膜と当該圧電薄膜に積層された電極とを有し、複数の振動腕のそれぞれの幅は、一端から他端に向かうにつれて広がり、複数の振動腕のそれぞれにおいて、電極の幅は、当該振動腕の一端から他端に向かうにつれて広がる。【０００８】
かかる共振子によると、振動腕の幅が、固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕の単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも自由端側の方が重くなっている。これによって、振動腕の長さを変えずに、各振動腕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。さらに、振動腕上に設けられる電極の幅も固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕における電極面積が増加し、共振子の静電容量を増加させることができる。これによって、共振抵抗を低下させることができる。この結果、共振子における、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子の小型化を図ることができる。【０００９】
また、複数の振動腕は、当該一端が基部の第１辺において接続され、第１辺と略直交する第１方向に延びていることも好ましい。特に、本発明の一側面に係る共振子は、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、基部と保持部とを接続する保持腕と、をさらに有することも好ましい。この好ましい態様では、振動部が保持腕を介して保持部に保持されることによって、振動部で発生する回転方向のモーメントを分散させることができ、共振子の振動周波数の変動を低減させることができる。【００１０】
また、複数の振動腕は、第１腕と、当該第１腕と隣接する第２腕と、を含み、第１腕は、当該第１腕の幅を規定する第１辺と第２辺とを有し、一端から他端に向かうにつれて、第１辺が第１方向に直交する第２方向に変位する距離は、第２辺が第２方向に変位する距離より小さく、第２腕は、当該第２腕の幅を規定する第３辺と第４辺とを有し、一端から他端に向かうにつれて、第３辺が第２方向に変位する距離は、第４辺が第２方向に変位する距離より小さく、第１辺と第３辺は、互いに対向することが好ましい。また、第１辺と第３辺との間の間隔は、第１腕及び第２腕の一端から第１腕及び第２腕の他端まで略一定であることも好ましい。【００１１】
この好ましい態様では、振動腕は、互いに隣接する長辺における第２方向に変位する距離が、互いに隣接しない長辺における第２方向に変位する距離より小さくなる構成となっている。この結果、振動腕は、固定端から自由端に向かうにつれて、その幅が徐々に広がる構成にした場合でも、固定端側における振動腕同士の幅を狭めることができる。これによって、振動腕の固定端側の電荷密度を上げることができ、隣接する振動腕における振動に関する結合係数を向上させることができる。【００１２】
本発明の一側面に係る共振装置は、上記のいずれかに記載の共振子を備える。【００１３】
かかる共振装置によると、振動腕の幅が固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕の単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも自由端側の方が重くなっている。これによって、振動腕の長さを変えずに、各振動腕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。さらに、振動腕上に設けられる電極の幅も固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕における電極面積が増加し、共振子の静電容量を増加させることができる。これによって、共振抵抗を低下させることができる。この結果、共振子における、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、共振子において、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の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】本発明の第１の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。
【図３】上側基板を取り外した本発明の第１の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る共振子と従来の共振子との静電容量及び共振抵抗を比較した図である。
【図６】図３に対応し、上側基板を取り外した本発明の第２の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図７】図３に対応し、上側基板を取り外した本発明の第３の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図８】図３に対応し、上側基板を取り外した本発明の第４の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図９】図３に対応し、上側基板を取り外した本発明の第５の実施形態に係る共振子の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１の実施形態］
以下、添付の図面を参照して本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の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の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。
【００１７】
この共振装置１は、共振子１０と、共振子１０を挟んで設けられた上蓋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。
【００１８】
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、また、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て、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。
【００１９】
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、共振子１０は水晶共振子であってもよい。
以下、共振装置１の各構成について詳細に説明する。
【００２０】
（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。
【００２１】
（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。
【００２２】
（３．共振子１０）
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。
【００２３】
（ａ）振動部１２０
図３は、本実施形態に係る、振動部１２０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振動部１２０の構成について説明する。
【００２４】
振動部１２０は、図３の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って平板状に広がる板状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と４本の振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄとを有している。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。
【００２５】
基部１３０は、Ｘ軸方向（第１方向の一例である。）に長辺１３１ａ（第１辺の一例である。）、１３１ｂ、Ｙ軸方向に短辺１３１ｃ、１３１ｄを有する、略直方体の板である。図３の例では、基部１３０は、長辺１３１ｂにおいて、後述する保持腕１１０によって保持部１４０に接続され、保持されている。なお、基部１３０は、基部１３０の長辺１３１ｂが保持部１４０の枠体１４０ｂに直接接続されることにより、保持腕１１０を介さずに、保持部１４０に保持される構成でもよい。本実施形態では、基部は１３０、Ｘ軸方向の幅が２６０μｍ程度、Ｙ軸方向の長さは、５０μｍ程度に設定される。尚、基部１３０は直方体に限らず、長辺１３１ａの垂直二等分線に沿って規定される平面に対して略面対称に形成されていればよい。例えば基部１３０は、長辺１３１ｂが１３１ａより短い台形や、長辺１３１ｂが円弧状の曲線であっても良い。
【００２６】
振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、それぞれが基部１３０と保持部１４０との間にＹ軸方向（第２方向の一例である。）に平行に設けられ、一端は、基部１３０の一方の長辺１３１ａと接続されて固定端となっており、他端は自由端となっている。本実施形態において、各振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、基部１３０と一体に形成されている。また、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄ上には、それぞれ上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄが設けられる。上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄは、振動腕１３５Ａ〜Ｄから基部１３０に亘って形成されている。本実施形態においては、上部電極Ｅ１ａと上部電極Ｅ１ｂとの間に交流信号を印加する事で、１３５Ａと１３５Ｂとが互いに逆相で面外屈曲振動する。同様に、上部電極Ｅ１ｃと上部電極Ｅ１ｄとの間に交流信号を印加する事で、１３５Ｃと１３５Ｄとが互いに逆相で面外屈曲振動する。
【００２７】
各振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄ及び上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄは、固定端から自由端に向かうにつれて、徐々にＸ軸方向に規定される幅が広くなる。例えば、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、Ｘ軸方向の幅が、固定端側が４０μｍ程度、自由端側が６０μｍ程度、またＹ軸方向の長さが２７０μｍ程度である。
【００２８】
振動腕１３５Ａ〜１３５ＤのＸ軸方向の幅が固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも自由端側の方が重くなっている。これによって、各振動腕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。
【００２９】
さらに、上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄのＸ軸方向の幅が固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなることで、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄにおける電極面積を増加し、共振子１０の静電容量を増加させることができる。これによって、共振抵抗を低下させることができ、振動の効率を向上させることが可能になる。
【００３０】
図３に示すように、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）と当該外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）に隣接する内側の振動腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）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２５μ程度、間隔Ｗ２は例えば５μｍ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の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。
【００３１】
また、振動腕１３５ＡはＹ軸方向に沿った中心線に対して左右非対称な形状であることが望ましい。具体的には、振動腕１３５Ａ（第１腕の一例である。）は、Ｘ軸方向に沿って振動腕１３５Ｂ（第２腕の一例である。）と対向する長辺１３５ａ１（第１辺の一例である。）、及び枠体１４０ｂと対向する長辺１３５ａ２（第２辺の一例である。）を有している。基部１３０の長辺１３１ａと、振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ１との間の角θａ１は、長辺１３１ａと振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ２との間の角θａ２よりも小さい。即ち、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ２の傾きよりも小さい。
【００３２】
他方、振動腕１３５ＢはＹ軸方向に沿った中心線に対して左右非対称な形状であることが望ましい。具体的には、振動腕１３５Ｂは、Ｘ軸方向に沿って振動腕１３５Ａと対向する長辺１３５ｂ１（第３辺の一例である。）、及び振動腕１３５Ｃと対向する長辺１３５ｂ２（第４辺の一例である。）を有している。さらに、基部１３０の長辺１３１ａと振動腕１３５Ｂの長辺１３５ｂ１との間の角θｂ１は、長辺１３１ａと振動腕１３５Ｂの長辺１３５ｂ２との間の角θｂ２よりも小さい。即ち、Ｘ軸に対する長辺１３５ｂ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ｂ２の傾きよりも小さい。
【００３３】
このように、本実施形態に係る振動腕１３５Ａ、１３５Ｂは、互いに隣接する長辺１３５ａ１、１３５ｂ１におけるＸ軸に対する傾きが、互いに隣接しない長辺１３５ａ２、１３５ｂ２におけるＸ軸に対する傾きよりも小さい構成となっている。この結果、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂは固定端から自由端に向かうにつれて、その幅が徐々に広がる構成にした場合でも、固定端側における、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの間の間隔Ｗ２を狭めることができる。これによって、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの固定端側の電荷密度を上げることができ、外側と内側の振動腕における振動に関する結合係数を向上させることができる。さらに、共振子１０における、発振回路の発振効率を維持したまま、共振子１０の小型化を図ることができる。
【００３４】
なお、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂにおける、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ１、１３５ｂ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ２、１３５ｂ２の傾きよりも常に小さいことに限定されない。例えば、固定端から自由端に向かうにつれてＹ軸方向に変位する距離が、互いに隣接する長辺１３５ａ１、１３５ｂ１の方が、長辺１３５ａ２、１３５ｂ２よりも小さければよく、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの固定端側の傾きは、長辺１３５ａ１、１３５ｂ１と長辺１３５ａ２、１３５ｂ２とで一致していてもよい。
【００３５】
なお、振動腕１３５Ｃ、１３５Ｄの構成・効果は、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂと同様である。
【００３６】
また、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄはそれぞれ自由端に、錘部ＧＡ〜ＧＤを有している。錘部ＧＡ〜ＧＤのＸ軸方向の幅は、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄの自由端のＸ軸方向の幅と同じである。錘部ＧＡ〜ＧＤは、例えば、Ｘ軸方向の幅が６０μｍ程度、Ｙ軸方向の長さが１５０μｍ程度である。
【００３７】
錘部ＧＡ〜ＧＤは、例えば振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄと同一プロセスによって一体形成される。錘部ＧＡ〜ＧＤが形成されることで、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、単位長さ当たりの重さが、固定端側よりも自由端側の方がさらに重くなっている。従って、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄが自由端側にそれぞれ錘部ＧＡ〜ＧＤを有することで、各振動腕における上下方向の振動の振幅をより大きくすることができる。
【００３８】
図２に戻り、共振子１０の他の構成を説明する。
（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、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。
【００３９】
本実施形態においては、一例として、保持部１４０は、角柱形状の枠体１４０ａ〜１４０ｄからなる。なお、枠体１４０ａ〜１４０ｄは、一体に形成されている。
枠体１４０ａは、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄの自由端に対向して、Ｘ軸方向に設けられる。枠体１４０ｂは、基部１３０の長辺１３１ｂに対向して、Ｘ軸方向に設けられる。枠体１４０ｃは、振動腕１３５Ａの長辺に対向してＹ軸方向に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの一端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｄは、振動腕１３５Ｄの長辺に対向してＹ軸方向に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの他端にそれぞれ接続される。
【００４０】
（ｃ）保持腕１１０
保持腕１１０は、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられ、例えば基部１３０の長辺１３１ｂと枠体１４０ａとを接続する。図３に示すように、保持腕１１０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に対して略面対称に形成される。振動部１２０が保持腕１１０を介して保持部１４０に保持されることによって、振動部１２０が生成する振動の減衰を低減することができる。なお、共振子１０は、保持腕１１０を備えず、基部１３０の長辺１３１ｂにおいて、保持部１４０の枠体１４０ｂに直接接続される構成でもよい。また、保持腕１１０は、保持部１４０の他の枠体と接続する構成とすることも可能である。
【００４１】
保持腕１１０は、本実施形態では、腕１１１Ａ〜１１３Ａ、１１１Ｂ〜１１３Ｂを有している。保持腕１１０は、一端が基部１３０の長辺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１１０は、Ｘ軸方向に屈曲し、さらにＹ軸方向に屈曲して、他端が枠体１４０ａに接続している。
【００４２】
腕１１１Ａは、基部１３０と枠体１４０ｂとの間に、枠体１４０ｃに対向して、長手方向がＹ軸に平行になるように設けられている。腕１１１Ａは、一端が基部１３０の長辺１３１ｂにおいて基部１３０と接続しており、そこから長辺１３１ｂに対して略垂直、すなわち、Ｙ軸方向に延びている。腕１１１ＡのＸ軸方向の中心を通る軸は、振動腕１３５Ａの中心線よりも内側に設けられることが望ましく、図３の例では、腕１１１Ａは、振動腕１３５Ａと１３５Ｂとの間に設けられている。また腕１１１Ａの他端は、その側面において、腕１１２Ａの一端に接続されている。腕１１１Ａは、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である。
【００４３】
腕１１２Ａは、基部１３０と枠体１４０ｂとの間に、枠体１４０ｂに対向して、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１１２Ａ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１１２Ａの他端は、腕１１３Ａ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１１２Ａ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８０μｍ程度である。
【００４４】
腕１１３Ａは、基部１３０と枠体１４０ｃとの間に、枠体１４０ｃに対向して、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１１３Ａの一端は、その側面において、腕１１２Ａの他端に接続されている。また腕１１３Ａの他端は、振動部１２０と対向する位置よりも外側において枠体１４０ａと接続しており、そこから枠体１４０ａに対して略垂直、すなわち、Ｙ軸方向に延びている。腕１１３Ａ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７００μｍ程度である。
なお、腕１１１Ｂ〜１１３Ｂの構成は、腕１１１Ａ〜１１３Ａの構成と同様である。
【００４５】
（４．積層構造）
図４を用いて共振装置１の積層構造について説明する。図４は、図１のＡＡ´断面図である。
【００４６】
図４に示すように、本実施形態に係る共振装置１では、下蓋２０の側壁２３上に共振子１０の保持部１４０が接合され、さらに共振子１０の保持部１４０と上蓋３０の側壁２３とが接合される。このように下蓋２０と上蓋３０との間に共振子１０が保持され、下蓋２０と上蓋３０と共振子１０の保持部１４０とによって、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄが振動する振動空間が形成される。
【００４７】
下蓋２０の底板２２及び側壁２３は、Ｓｉ（シリコン）により、一体的に形成されている。側壁２３の上面には酸化ケイ素（例えばＳｉＯ2（二酸化ケイ素））膜Ｆ１が形成されており、この酸化ケイ素膜Ｆ１によって、下蓋２０と共振子１０の保持部１４０と接合されている。Ｚ軸方向に規定される下蓋２０の厚みは例えば、１５０μｍ、凹部２１の深さは例えば５０μｍである。
【００４８】
上蓋３０は、所定の厚みのＳｉ（シリコン）ウエハにより形成されている。図４に示すように、上蓋３０はその周辺部（側壁３３）で共振子１０の保持部１４０と接合されている。上蓋３０の周縁部と保持部１４０との間には、上蓋３０と保持部１４０とを接合するために、接合部Ｈが形成されている。接合部Ｈは、例えばＡｕ（金）膜及びＳｎ（錫）膜によって形成されている。
【００４９】
共振子１０では、保持部１４０、基部１３０、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄ、保持腕１１０は、同一プロセスで形成される。共振子１０では、まず、Ｓｉ（シリコン）層Ｆ２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。
【００５０】
Ｓｉ層Ｆ２は、例えば、厚さ１０μｍ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層Ｆ２に用いられる縮退Ｓｉの抵抗値は０．５ｍΩ・ｃｍ以上０．９ｍΩ・ｃｍ以下であることが望ましい。なお、Ｓｉ層Ｆ２の下面には酸化ケイ素（例えばＳｉＯ2）層Ｆ´２が形成されてもよい。これにより、温度特性を向上させることが可能になる。
【００５１】
また、金属層Ｅ１、Ｅ２は、例えば厚さ０．１μｍ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。なおＳｉ層Ｆ２として、縮退したＳｉを用いることで、Ｓｉ層Ｆ２が金属層Ｅ１を兼ねることができる。
【００５２】
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Ｅ２は、例えば振動部１２０上においては、下部電極Ｅ２ａ、Ｅ２ｂ、Ｅ２ｃ、Ｅ２ｄ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ための配線として機能するように形成される。
【００５３】
他方で、金属層Ｅ１は、振動部１２０上においては、上部電極Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ、Ｅ１ｃ、Ｅ１ｄ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。
【００５４】
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の外面に電極を形成して、当該電極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。
【００５５】
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１２８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。
【００５６】
圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ２、Ｅ１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１３５Ａ〜１３５Ｄは、下蓋２０及び上蓋３０の内面に向かってその自由端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
【００５７】
本実施形態では、図４に示すように、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の内面に向かって自由端を変位すると、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃは下蓋２０の内面に向かって自由端を変位する。
【００５８】
以上のような共振装置１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。
【００５９】
共振子１０が保持腕１１０を備える場合には、振動部１２０が保持腕１１０を介して保持部１４０に保持されることによって、振動部１２０で発生する回転方向のモーメントを分散させることができ、共振子１０の振動周波数の変動を低減させることができる。さらに、保持腕１１０を屈曲させることでこの効果をより向上させることができる。
【００６０】
図５は、本実施形態における共振子１０と比較例の共振子１０´との間で、静電容量及び共振抵抗を比較したグラフである。図５の例では、比較例の共振子１０´として、本実施形態に係る共振子１０と同様の錘をその自由端に有する４本の振動腕を備える共振子を用いている。また、共振子１０´の振動腕は、Ｘ軸方向の幅が４０μｍ、Ｙ軸方向の長さが２７０μｍ、外腕と内腕の間隔Ｗ２は２０μｍであるとする。
本実施形態における共振子１０と比較例の共振子１０´とを比較すると、共振子１０の振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄは、固定端から自由端に向かうにつれて幅が徐々に広がるのに対し、共振子１０´の振動腕の幅は、固定端から自由端にかけて一定である。なお、振動腕の固定端側の幅・長さ、及び錘の幅・長さは、共振子１０と共振子１０´とで同一である。
【００６１】
図５（Ａ）は、共振子１０と共振子１０´との静電容量を比較したグラフである。図５（Ａ）に示すように、本実施形態に係る共振子１０では、従来の共振子１０´に比べ、静電容量が増加している。本実施形態に係る共振子１０は、振動腕１３５Ａ〜Ｄの幅が、固定端から自由端にかけて広がることによって、上部電極Ｅ１、下部電極Ｅ２の面積も広げることができる。これによって、静電容量を増加させることができる。
【００６２】
図５（Ｂ）は、共振子１０と共振子１０´との共振抵抗を比較したグラフである。図５（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る共振子１０では、従来の共振子１０´に比べ、静電容量が大きいため、共振抵抗が低下している。共振子１０の振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄの自由端側の幅は、錘部ＧＡ〜ＧＤの幅と同一である。従って、共振子１０の振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄにおいて最も大きい幅は、比較例の共振子１０´の錘の幅と変わらない。このため、共振子１０と共振子１０´とでは全体の大きさは変わらない。この結果、本実施形態に係る、共振子１０は、発振回路の発振効率を維持したまま、その小型化を図ることができる。
【００６３】
［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。
【００６４】
図６は、本実施形態に係る、振動部１２０の平面図の一例を示す図である。以下に、本実施形態に係る共振装置１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。
【００６５】
本実施形態では、振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ１は、Ｘ軸方向に略垂直である。他方、長辺１３５ａ２は、固定端からの距離に対して指数関数的に長辺１３５ａ１から遠ざかるように設けられる。その結果、長辺１３５ａ２は、曲線形状となっている。長辺１３５ａ２の曲率は、振動腕１３５Ａの自由端に向かうについてれ小さくなる。
また、本実施形態では、振動腕１３５Ｂの長辺１３５ｂ１は、Ｘ軸方向に略垂直である。他方、長辺１３５ｂ２は、固定端からの距離に対して指数関数的に長辺１３５ｂ１から遠ざかるように設けられる。その結果、長辺１３５ｂ２は、曲線形状となっている。長辺１３５ｂ２の曲率は、振動腕１３５Ｂの自由端に向かうにつれて小さくなる。
このように、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂが曲線の長辺１３５ａ２、１３５ｂ２を有することによって、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの剛性を小さくすることができる。そのため所望の周波数を維持したまま、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの長さをより短くすることができ、共振装置１の小型化を図ることができる。
なお、振動腕１３５Ｃ、１３５Ｄの構成、効果は、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂと同様である。
その他の構成、効果は第１の実施形態と同様である。
【００６６】
［第３の実施形態］
第３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。
【００６７】
図７は、本実施形態に係る、振動部１２０の平面図の一例を示す図である。以下に、本実施形態に係る共振装置１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。
【００６８】
本実施形態では、錘部ＧＡ、ＧＢのＸ軸方向の幅は、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの自由端のＸ軸方向の幅より大きい。また、錘部ＧＡのＸ軸方向における中心線Ｃｇａは、振動腕１３５Ａの自由端の中心線Ｃａよりも、長辺１３５ａ２側に位置する。この結果、錘部ＧＡにおける錘部ＧＢと対向する辺は、長辺１３５ａ１の延長線と略一致し、錘部ＧＡにおける枠体１４０ｃに対向する辺は、振動腕１３５Ａの自由端において、振動腕１３５Ａ（長辺１３５ａ２）の外側に位置する。
【００６９】
また、錘部ＧＢのＸ軸方向における中心線Ｃｇｂは、振動腕１３５Ｂの自由端の中心線Ｃｂよりも、長辺１３５ｂ２側に位置する。この結果、錘部ＧＢにおける錘部ＧＡと対向する辺は、長辺１３５ｂ１の延長線と略一致し、錘部ＧＢにおける錘部ＧＣと対向する辺は、振動腕１３５Ｂの自由端において、振動腕１３５Ｂ（長辺１３５ｂ２）の外側に位置する。
【００７０】
このように、錘部ＧＡ、ＧＢを、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂの自由端の中心よりもそれぞれ長辺１３５ａ２、１３５ｂ２側に設けることによって、錘部ＧＡ、ＧＢの幅を広くしても、振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとの間の間隔を狭めたままにしておくことができる。
なお、錘部ＧＣ、ＧＤの構成、効果は、錘部ＧＡ、ＧＢと同様である。
その他の構成、効果は第１の実施形態と同様である。
【００７１】
［第４の実施形態］
図８は、本実施形態に係る、振動部１２０の平面図の一例を示す図である。以下に、本実施形態に係る共振装置１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。
【００７２】
本実施形態では、基部１３０の長辺１３１ａと、振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ１との間の角θａ１は、長辺１３１ａと振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ２との間の角θａ２と略等しい。即ち、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ２の傾きと同じである。また、基部１３０の長辺１３１ａと、振動腕１３５Ｂの長辺１３５ｂ１との間の角θｂ１は、長辺１３１ａと振動腕１３５Ｂの長辺１３５ｂ２との間の角θｂ２と略等しい。即ち、Ｘ軸に対する長辺１３５ｂ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ｂ２の傾きと同じである。
なお、振動腕１３５Ｃ、１３５Ｄの構成、効果は、振動腕１３５Ａ、１３５Ｂと同様である。また、その他の構成、効果は第１の実施形態と同様である。
【００７３】
［第５の実施形態］
図９は、本実施形態に係る、振動部１２０の平面図の一例を示す図である。以下に、本実施形態に係る共振装置１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。
【００７４】
本実施形態では、上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄは、Ｘ軸方向の幅がそれぞれ振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄにおける固定端から自由端に向かうにつれて徐々に広くなった後、自由端側の先端において、Ｘ軸方向の幅が一定の領域を有する。この領域のＸ軸方向の幅は、図９の例では、上部電極Ｅ１ａ〜Ｅ１ｄにおけるＸ軸方向の幅の最大長であるが、これに限定されない。
その他の構成、効果は第１の実施形態と同様である。
【００７５】
以上説明した各実施形態は、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およびその配置、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。例えば、既述の実施形態において、保持腕１１０は２回以上屈曲する構成として説明したが、これに限定されない。保持腕１１０は、例えば、１回も屈曲せず、基部１３０の長辺１３１ｂと枠体１４０ｂとを接続する構成であってもよい。また、保持腕１１０は、例えば、１回だけ屈曲して、基部１３０の長辺１３１ｂと枠体１４０ｃ又は１４０ｄとを接続する構成であってもよい。この場合、共振装置１の小型化を図ることが可能になる。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換また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。
【符号の説明】
【００７６】
１              共振装置
１０            共振子
３０            上蓋
２０            下蓋
１４０            保持部
１４０ａ〜ｄ      枠体
１１０            保持腕
１２０          振動部
１３０          基部
１３１ａ、１３１ｂ  長辺
１３１ｃ、１３１ｄ  短辺
１３５Ａ〜Ｄ      振動腕
【図１】
2017047207.tif 000003
【図２】
2017047207.tif 000004
【図３】
2017047207.tif 000005
【図４】
2017047207.tif 000006
【図５】
2017047207.tif 000007
【図６】
2017047207.tif 000008
【図７】
2017047207.tif 000009
【図８】
2017047207.tif 000010
【図９】
2017047207.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月2日(2018.3.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
【図１】本発明の第１の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】本発明の第１の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。
【図３】上側を取り外した本発明の第１の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図４】図１のＡ−Ａ´線に沿った断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る共振子と従来の共振子との静電容量及び共振抵抗を比較した図である。
【図６】図３に対応し、上側を取り外した本発明の第２の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図７】図３に対応し、上側を取り外した本発明の第３の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図８】図３に対応し、上側を取り外した本発明の第４の実施形態に係る共振子の平面図である。
【図９】図３に対応し、上側を取り外した本発明の第５の実施形態に係る共振子の平面図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
基部１３０は、Ｘ軸方向（第１方向の一例である。）に長辺１３１ａ（第１辺の一例である。）、１３１ｂ、Ｙ軸方向に短辺１３１ｃ、１３１ｄを有する、略直方体の板である。図３の例では、基部１３０は、長辺１３１ｂにおいて、後述する保持腕１１０によって保持部１４０に接続され、保持されている。なお、基部１３０は、基部１３０の長辺１３１ｂが保持部１４０の枠体１４０ｂに直接接続されることにより、保持腕１１０を介さずに、保持部１４０に保持される構成でもよい。本実施形態では、基部１３０は、Ｘ軸方向の幅が２６０μｍ程度、Ｙ軸方向の長さは、５０μｍ程度に設定される。尚、基部１３０は直方体に限らず、長辺１３１ａの垂直二等分線に沿って規定される平面に対して略面対称に形成されていればよい。例えば基部１３０は、長辺１３１ｂが１３１ａより短い台形や、長辺１３１ｂが円弧状の曲線であっても良い。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
図３に示すように、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）と当該外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）に隣接する内側の振動腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）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２５μｍ程度、間隔Ｗ２は例えば５μｍ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の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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
また、振動腕１３５ＡはＹ軸方向に沿った中心線に対して左右非対称な形状であることが望ましい。具体的には、振動腕１３５Ａ（第１腕の一例である。）は、Ｘ軸方向に沿って振動腕１３５Ｂ（第２腕の一例である。）と対向する長辺１３５ａ１（第１辺の一例である。）、及び枠体１４０ｃと対向する長辺１３５ａ２（第２辺の一例である。）を有している。基部１３０の長辺１３１ａと、振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ１との間の角θａ１は、長辺１３１ａと振動腕１３５Ａの長辺１３５ａ２との間の角θａ２よりも小さい。即ち、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ１の傾きは、Ｘ軸に対する長辺１３５ａ２の傾きよりも小さい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４０】
（ｃ）保持腕１１０
保持腕１１０は、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられ、例えば基部１３０の長辺１３１ｂと枠体１４０ａとを接続する。図２、３からわかるように、保持腕１１０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に対して略面対称に形成される。振動部１２０が保持腕１１０を介して保持部１４０に保持されることによって、振動部１２０が生成する振動の減衰を低減することができる。なお、共振子１０は、保持腕１１０を備えず、基部１３０の長辺１３１ｂにおいて、保持部１４０の枠体１４０ｂに直接接続される構成でもよい。また、保持腕１１０は、保持部１４０の他の枠体と接続する構成とすることも可能である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
図４に示すように、本実施形態に係る共振装置１では、下蓋２０の側壁２３上に共振子１０の保持部１４０が接合され、さらに共振子１０の保持部１４０と上蓋３０の側壁３３とが接合される。このように下蓋２０と上蓋３０との間に共振子１０が保持され、下蓋２０と上蓋３０と共振子１０の保持部１４０とによって、振動腕１３５Ａ〜１３５Ｄが振動する振動空間が形成される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
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。また、圧電薄膜Ｆ３は、例えば、１μｍの厚さを有する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2017047207.tif 000012
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2017047207.tif 000013
【国際調査報告】
2017047207.tif 000014
2017047207.tif 000015
2017047207.tif 000016
2017047207.tif 000017