(57)【要約】  周波数温度係数ＴＣＦの絶対値をより一層小さくし得る振動装置を提供する。  基部２に、Ｙ方向に延びる複数本の音叉腕３〜５がＸ方向に並列されており、音叉腕３〜５が、縮退半導体であるＳｉ層１１上に酸化ケイ素層１２が積層されており、酸化ケイ素層１２上に励振部１３が設けられている構造を有し、Ｓｉ層１１の厚みの総和をＴ１、酸化ケイ素層１２の厚みの総和をＴ２とし、Ｓｉ層１１に酸化ケイ素層１２が設けられていない場合の周波数温度係数ＴＣＦをｘとしたとき、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲内とされている、振動装置１。
2014185281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備え、該複数の音叉腕は、前記Ｙ方向と直交するＸ方向に並列されており、
前記音叉腕が、前記Ｘ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に屈曲振動する振動措置であって、
前記音叉腕が、縮退半導体からなるＳｉ層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第１，第２の電極とを含み、前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、前記酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、前記酸化ケイ素層が設けられていない場合の前記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲にある、振動装置。
【請求項２】
前記複数の音叉腕の振動の向きが、前記Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である、請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備え、複数の音叉腕が前記Ｙ方向と直交するＸ方向において並列されており、前記音叉腕がＸ方向に屈曲振動する振動装置であって、
前記音叉腕が、縮退半導体からなるＳｉ層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第１，第２の電極とを含み、前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、前記酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、前記酸化ケイ素層が設けられていない場合の前記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９）±０．０５の範囲にある、振動装置。
【請求項４】
前記複数の音叉腕の振動の向きが、前記Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である、請求項３に記載の振動装置。
【請求項５】
前記Ｓｉ層が、ｎ型ドーピング剤によりドーピングされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項６】
前記ドーピング剤がリン（Ｐ）である、請求項５に記載の振動装置。
【請求項７】
前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の一方主面に積層されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項８】
前記圧電体層の一方主面に前記第１の電極が設けられており、前記圧電体層の他方主面に前記第２の電極が設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項９】
前記第２の電極が、前記Ｓｉ層で兼ねられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項１０】
前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の両面に形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の音叉腕を有する振動装置に関し、特に、ＭＥＭＳ型の振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｓｉ半導体層上に圧電薄膜を含む励振部が構成されているＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造が知られている。ＭＥＭＳ構造を有する振動子において、周波数温度係数ＴＣＦを改善するために様々な試みがなされている。下記の特許文献１には、Ｓｉと、ＳｉＯ２とを積層することによりＴＣＦの絶対値を小さくする方法が開示されている。また下記の特許文献２及び３には、Ｓｉにｐ型またはｎ型のドーピングを施すことにより、Ｓｉ自体の一次の周波数温度係数を小さくする方法が開示されている。【０００３】
下記の特許文献４には、Ｓｉ／ＳｉＯ２複合材料を用い、かつＳｉに高濃度ドーピングする方法が開示されている。特許文献４では、二次の周波数温度係数を小さくすることができる旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ２００８／０４３７２７号公報
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０６２８４７号公報
【特許文献３】ＷＯ２０１２／１１０７０８号公報
【特許文献４】ＷＯ２０１２／１５６５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜４に記載のように、ＭＥＭＳ構造を有する振動子においてＴＣＦの絶対値を小さくする方法が種々提案されていた。しかしながら、これらに記載の方法では、なおＴＣＦの絶対値を十分に小さくすることは困難であった。【０００６】
本発明の目的は、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値をより一層小さくすることができる振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願の第１の発明によれば、基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備える振動装置が提供される。複数の音叉腕は、Ｙ方向と直交するＸ方向に並列されている。【０００８】
第１の発明では、Ｘ方向及びＹ方向に直交する方向をＺ方向とすると、音叉腕は、Ｚ方向に屈曲振動する。【０００９】
音叉腕は、縮退半導体からなるＳｉ層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第１，第２の電極とを含む。前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、酸化ケイ素層が設けられていない場合の上記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）は、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲内にある。【００１０】
第１の発明のある特定の局面では、前記複数の音叉腕の振動の向きが、前記Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である。【００１１】
第２の発明に係る振動装置は、基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備える。複数の音叉腕は、Ｙ方向と直交するＸ方向に並列されている。第２の発明では、音叉腕はＸ方向に屈曲振動する。【００１２】
第２の発明においては、音叉腕は、縮退半導体からなるＳｉ層と、酸化ケイ素層と、圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する第１，第２の電極とを含む。第２の発明においては、前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、酸化ケイ素層が設けられていない場合の上記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９）±０．０５の範囲にある。【００１３】
第２の発明のある特定の局面では、前記複数の音叉腕の振動の向きが、Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である。【００１４】
本発明（第１，第２の発明を総称して、以下本発明とする。）の他の特定の局面では、Ｓｉ層がｎ型ドーピング剤によりドーピングされている。好ましくは、ドーピング剤としてリン（Ｐ）が用いられる。【００１５】
本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の一方主面に積層されている。【００１６】
本発明に係る振動装置の別の特定の局面では、前記圧電体層の一方主面に前記第１の電極が設けられており、前記圧電体層の他方主面に前記第２の電極が設けられている。【００１７】
本発明に係る振動装置のさらに別の特定の局面では、前記第２の電極が、前記Ｓｉ層で兼ねられている。【００１８】
本発明に係る振動装置のさらに別の特定の局面では、前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の両面に形成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の振動装置によれば、酸化ケイ素層の厚みの総和Ｔ２が上記特定の範囲内とされているため、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値をより一層小さくすることが可能となる。従って、温度特性の良好な振動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の斜視図であり、図１（ｂ）はその正面断面図であり、図１（ｃ）は第１の実施形態で用いられている励振部の断面構造を示す部分切欠正面断面図である。
【図２】図２は、第１の実施形態で用いられている励振部の斜視図である。
【図３】図３は、酸化ケイ素層が設けられておらず、ドーピングされたＳｉのＴＣＦをｘとし、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）をｙとしたときに、酸化ケイ素層の積層によりＴＣＦが０となる関係を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態において、温度と、共振周波数変化率（ｐｐｍ）との関係を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態におけるＳｉ層と酸化ケイ素層との積層構造における厚み関係を示す略図的横断面図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の変形例におけるＳｉ層と酸化ケイ素層との積層構造を示す横断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の斜視図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置の斜視図である。
【図９】図９は、第３の実施形態において、酸化ケイ素膜が積層されておらず、ドーピングされたＳｉ層のＴＣＦをｘ、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）をｙとしたときに、酸化ケイ素膜の積層によりＴＣＦが０となる関係を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る振動装置の正面断面図であり、図１０（ｂ）は、その変形例に係る振動装置で用いられている励振部の部分切欠正面断面図である。
【図１１】図１１は、第１の実施形態の変形例において、Ｓｉ層に酸化ケイ素層が積層されている構造の正面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の斜視図であり、（ｂ）はその正面断面図である。図１（ｃ）は第１の実施形態で用いられている励振部の断面構造を示す部分切欠正面断面図である。
【００２３】
振動装置１は、基部２を有する。基部２と一体に複数の音叉腕３〜５が設けられている。すなわち、基部２は矩形板状の形状を有する。この基部２の１つの側面に、長さ方向を有する複数本の音叉腕３〜５の一端が連ねられている。
【００２４】
基部２の下面には、支持部６が固定されている。支持部６は、振動装置１を外部に固定するための部分である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、音叉腕３〜５の延びる方向をＹ方向とする。また、基部２の両主面に並行な面内においてＹ方向と直交する方向をＸ方向とする。基部２の音叉腕３〜５の一端が連結されている側面はＸ方向に延びている。従って、複数の音叉腕３〜５は、Ｘ方向に並列されている。
【００２６】
Ｚ方向は、Ｘ方向及びＹ方向で規定される面に直交する方向である。
【００２７】
本実施形態では、３本の音叉腕３〜５が、後述するように、Ｚ方向において屈曲振動する。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、支持部６は、基部２のＳｉ層１１と一体に形成されている。支持部６は、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３などの半導体材料や絶縁性材料により構成することができる。なお、接合剤を用いて基部２を支持部６に接合してもよい。
【００２９】
基部２は、Ｓｉ層１１上に酸化ケイ素層１２が積層された構造を有する。音叉腕４も、Ｓｉ層１１上に酸化ケイ素層１２が積層されている構造を有する。すなわち、音叉腕４におけるＳｉ層１１及び酸化ケイ素層１２は、基部２と一体に形成されている。
【００３０】
Ｓｉ層１１は、縮退半導体からなる。本実施形態では、Ｓｉ層はｎ型Ｓｉ半導体からなる。縮退半導体であるため、ｎ型ドーパントのドーピング濃度は、１×１０１９／ｃｍ３以上である。ｎ型ドーパントとしては、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどの第１５族元素を挙げることができる。好ましくは、ドーパントとしてＰが用いられる。その場合には、容易にｎ型の縮退半導体を製造とすることができる。
【００３１】
酸化ケイ素層１２は、本実施形態では、ＳｉＯ２からなる。本実施形態では、上記Ｓｉ層１１の上面にＳｉＯ２からなる酸化ケイ素層１２が積層されている。
【００３２】
なお、基部２においては、酸化ケイ素層１２は設けられずともよいが、本実施形態のように酸化ケイ素層１２を設けることが望ましい。それによって、製造工程の簡略化を図ることができる。
【００３３】
酸化ケイ素層１２は、ＳｉＯ２に限らず、ＳｉａＯｂ（ａ、ｂは整数）の適宜の組成を有する酸化ケイ素系材料により構成することができる。
【００３４】
本実施形態では、励振部１３は、圧電薄膜１４と、第１の電極１５と、第２の電極１６とを有する。第１の電極１５と第２の電極１６とは、圧電薄膜１４の一部の圧電薄膜層１４ａを挟むように設けられている。もっとも、第１，第２の電極１５，１６は圧電薄膜１４中に埋設されている必要は必ずしもない。例えば、圧電薄膜１４の上面及び下面に、第１，第２の電極１５，１６を形成してもよい。
【００３５】
本実施形態のように、圧電薄膜１４内に第１，第２の電極１５，１６を配置することにより、耐湿性などを高めることができる。
【００３６】
上記圧電薄膜１４を構成する圧電材料は特に限定されないが、バルク波を利用した振動装置では、Ｑ値が高いことが好ましい。従って、電気機械結合係数ｋ２は小さいが、Ｑ値が高いＡｌＮが好適に用いられる。
【００３７】
もっとも、ＺｎＯ、Ｓｃ置換ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＫＮＮなどを用いてもよい。Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＳｃＡｌＮ）は、ＳｃとＡｌの原子濃度を１００ａｔ％とした場合、Ｓｃ濃度が０．５ａｔ％から５０ａｔ％程度であることが望ましい。
【００３８】
ＳｃＡｌＮは、ＡｌＮよりも電気機械結合係数ｋ２が大きく、ＰＺＴやＫＮＮよりも機械的なＱｍが大きい。従って、ＳｃＡｌＮは、本発明のような共振型振動子に適用すると、以下の利点がある。共振型振動子の用途として発振器がある。例えばＴＣＸＯ（温度補償型発振器）では内蔵する温度センサの信号を、振動子と直列接続された可変容量素子にフィードバックし、可変容量素子の容量値を変化させる。それによって、発振周波数を調整することができる。この時、圧電薄膜としてＡｌＮの代わりにＳｃＡｌＮを用いると、共振型振動子の比帯域が広がる。従って、発振周波数の調整範囲を広げることができる。
【００３９】
同様にＳｃＡｌＮをＶＣＸＯ（電圧制御発振器）に用いる場合は、発振周波数の調整範囲が広がる。従って、共振型振動子の初期の周波数ばらつきを可変容量素子で調整することができる。よって、周波数調整工程のコストが大幅に削減できる。
【００４０】
第１，第２の電極１５，１６は、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、またはこれらの合金などの適宜の金属により形成することができる。
【００４１】
圧電薄膜１４は、厚み方向に分極している。従って、第１，第２の電極１５，１６間に交番電界を印加することにより、励振部１３が圧電効果により励振される。その結果、音叉腕４は、Ｚ方向に屈曲振動する。
【００４２】
本実施形態では、音叉腕３，５と音叉腕４とは逆位相でＺ方向に屈曲振動する。これは、音叉腕４に印加される交番電界の位相と、両側の音叉腕３，５に印加される交番電界の位相を逆位相とすることにより達成し得る。あるいは、音叉腕４における圧電薄膜１４の分極方向を、音叉腕３，５における圧電薄膜の分極方向と逆方向としてもよい。その場合には、音叉腕３〜５を同位相の交番電界で駆動すればよい。
【００４３】
従って、Ｘ方向中心を通り、Ｙ方向に延びる中心線の一方側と反対側との振動の向きは対称である。
【００４４】
本実施形態では、音叉腕３〜５が上記のようにＺ方向に屈曲振動する。この振動を妨げないように、支持部６により外部に固定される。支持部６は、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３などの適宜の剛性材料により形成することができる。すなわち、支持部６は、適宜の半導体材料や絶縁性材料により形成することができる。好ましくは、Ｓｉ層１１と同じ材料で支持部６を一体に形成することが望ましい。それによって、製造の工程の簡略化を果たし得る。もっとも、別材料からなる支持部６を接着剤を介してＳｉ層１１に接合してもよい。
【００４５】
本実施形態の特徴は、音叉腕３〜５において、ＳｉＯ２からなる酸化ケイ素層１２の厚みＴ２が特定の範囲内とされていることにより、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を著しく小さくし得ることにある。より具体的には、酸化ケイ素層１２の厚みをＴ２、Ｓｉ層１１の厚みをＴ１とする。酸化ケイ素層１２が設けられていない場合の振動装置１におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたとき、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲とされている。
【００４６】
これを、図３及び図４を参照して説明する。
【００４７】
従来、Ｓｉ層上に、ＳｉＯ２膜を積層することにより、周波数温度係数ＴＣＦを小さくすることは試みられていた。しかしながら、単にＴＣＦの符号が逆極性であるＳｉＯをＳｉに積層しただけでは、ＴＣＦを著しく小さくすることはできなかった。
【００４８】
本発明では、上記酸化ケイ素層１２の厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）を上記特定の範囲とことにより、ＴＣＦを著しく小さくすることができる。
【００４９】
図３の曲線Ａは、振動装置１においてＴＣＦの絶対値が０である関係を示す。図３において横軸は、酸化ケイ素層１２が設けられていないＳｉ層１１のＴＣＦである。ドーピング濃度に応じてＳｉ層のＴＣＦは特定の値となる。縦軸は厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）である。
【００５０】
図３でプロットされている点は、ドープされたＳｉ層１１上に、様々な膜厚で酸化ケイ素層を積層した構造において、ＴＣＦが０となる点である。
【００５１】
いま、上記ＳｉのＴＣＦをｘとし、上記厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）をｙとしたとき、これらの多数のプロットされた点から近似することにより、曲線Ａが得られる。曲線Ａは、ｙ＝−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４で表される。従って、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）を、この曲線Ａ上の位置とすることにより、周波数温度係数ＴＣＦを０とすることができる。そして、本願発明者によれば、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５…式（１）の範囲内にあれば、周波数温度係数ＴＣＦを０±５ｐｐｍ／℃とし得ることが確かめられている。従って、振動装置１では、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）を、この範囲内とすることにより、周波数温度係数ＴＣＦを±５ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。よって、周波数温度係数ＴＣＦを確実に著しく小さくすることができる。
【００５２】
図４は、上記実施形態の振動装置１の共振周波数の温度特性を示す図であり、横軸は温度、縦軸は共振周波数変化率ｄＦｒ／ｄＦ（ｐｐｍ）である。ここでは、音叉腕３，５における厚みＴ１及びＴ２は以下の通りとした。
【００５３】
Ｔ１＝９．５μｍ、Ｔ２＝０．５μｍ。また、音叉腕３〜５の長さ及び幅は、長さ６５０μｍ×幅２０μｍとした。
【００５４】
励振部１３については、第１，第２の電極１５，１６として０．１μｍの厚みのＭｏを用いた。また、第１，第２の電極１５，１６の対向する長さは３２５μｍとした。圧電薄膜層１４ａの厚みは０．８μｍとした。
【００５５】
上記のようにして構成した振動装置１において、２０℃における共振周波数を基準とし、該基準の共振周波数からの温度による共振周波数変化率ｄＦｒ（Ｆｒ−２０℃における共振周波数）／（２０℃における共振周波数）を求めた。なお、Ｆｒは、共振周波数である。
【００５６】
図４に示すように、本実施形態の振動装置１では、約−４０℃〜８５℃において、共振周波数変化率が２５０ｐｐｍ以内であり、温度による共振特性の変化が非常に小さいことがわかる。
【００５７】
なお、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。この場合の厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）は、図５に示すように、Ｔ２のＴ１とＴ２との合計に対する割合となる。
【００５８】
もっとも、本発明においては、Ｓｉ層１１及び酸化ケイ素層１２は少なくとも一方が複数層積層されていてもよい。その場合には、Ｔ１及びＴ２は、複数の層の厚みの総和とすればよい。例えば、図６に示すように、Ｓｉ層１１の上面に酸化ケイ素層１２ａが積層されており、下面に酸化ケイ素層１２ｂが積層されていてもよい。その場合には、Ｔ２＝Ｔ２ａ＋Ｔ２ｂとすればよい。すなわち、複数の酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２とすればよい。同様に、複数のＳｉ層が積層されている場合には、複数のＳｉ層の厚みの総和をＴ１とすればよい。
【００５９】
図１０（ａ）は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る振動装置の正面断面図である。図１０（ｂ）は、その変形例の振動装置で用いられている励振部の部分切欠正面断面図である。
【００６０】
図１０（ａ）に示すように、第１の実施形態の変形例に係る振動装置では、Ｓｉ層１１の一方主面に酸化ケイ素層１２が積層されている。Ｓｉ層１１の他方主面には、励振部１７が積層されている。上記励振部１７は、圧電薄膜１４及び第１の電極１５を備える。本変形例においては、第２の電極１６が別途設けられておらず、Ｓｉ層１１が第２の電極を兼ねている。また、第１の電極１５は、圧電薄膜１４中に埋設されていない。
【００６１】
上記圧電薄膜１４及び第１の電極１５は、Ｓｉ層１１上にこの順に積層されている。上記Ｓｉ層１１は縮退半導体からなるため、Ｓｉ層１１、圧電薄膜１４及び第１の電極１５がこの順に積層される場合、Ｓｉ層１１が第２の電極として作用する。すなわち、本変形例においては、上記第１の電極１５及びＳｉ層１１により、圧電薄膜１４に電圧が印加される。この場合、第２の電極１６を別途設けなくともよいため、構造を簡略化することができる。従って、信頼性や、量産性に優れた振動装置を提供することができる。
【００６２】
また、図１１に示すように、第１の実施形態の変形例においても、Ｓｉ層１１の厚みをＴ１、酸化ケイ素層１２の厚みをＴ２、酸化ケイ素層１２が設けられていない場合の振動装置１におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたとき、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲とされている。それによって、周波数温度係数ＴＣＦを±５ｐｐｍ／℃の範囲内と確実に著しく小さくすることができる。従って、温度特性が良好な振動装置を提供することができる。
【００６３】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の斜視図である。第２の実施形態の振動装置２１は、Ｓｉ層１１の上面に酸化ケイ素層１２ａが、下面に酸化ケイ素層１２ｂが積層されていること、４本の音叉腕２３〜２６が基部２に連結されていることを除いては第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
【００６４】
前述したように、Ｓｉ層１１の上面に酸化ケイ素層１２ａが、下面に酸化ケイ素層１２ｂが積層されていてもよい。
【００６５】
そして、本実施形態のように、４本の音叉腕２３〜２６が基部２に連結されていてもよい。本実施形態においても、音叉腕２３〜２６はＹ方向に延びている。そして、音叉腕２３〜２６はＸ方向に並列されている。そして、音叉腕２３〜２６は、Ｚ方向に屈曲振動する。もっとも、中央側の音叉腕２４，２５と、外側の音叉腕２３，２６とが逆位相で振動するように駆動される。言い換えれば、Ｘ方向中心を通り、Ｙ方向に延びる中心線の両側が対称に変位する。すなわち、該中心線の一方側に位置している音叉腕２４と他方側に位置している音叉腕２５とが同位相で振動する。また、音叉腕２３と音叉腕２６とが同位相で振動する。
【００６６】
上記のように屈曲振動させるには、音叉腕２４，２５における励振部１３，１３を駆動するための交番電界の位相を、音叉腕２３，２６を駆動するための交番電界の位相と逆とすればよい。あるいは、音叉腕２４，２５における圧電薄膜の分極方向と、音叉腕２３，２６における圧電薄膜の分極方向を逆とし、音叉腕２３〜２６の全てに同位相の交番電界を印加してもよい。
【００６７】
第２の実施形態においても、音叉腕２３〜２６におけるＳｉ層１１の厚みＴ１、酸化ケイ素層１２ａ，１２ｂの厚みの総和Ｔ２が、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が前述した式（１）で示す範囲内とされればよく、それによって周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を±５ｐｐｍ／℃内とすることができる。
【００６８】
また、第２の実施形態では、Ｓｉ層１１の両面に酸化ケイ素層１２ａ，１２ｂが設けられているため、Ｓｉ層１１の反りを抑制することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、逆位相で振動する音叉腕の数が同じであるため、振動特性を第１の実施形態よりも高めることができる。
【００７０】
すなわち、２本の音叉腕２４，２５と２本の音叉腕２３，２６とが逆位相で振動するため、振動姿態の対称性を高めることができる。よって、振動特性を高めることができる。
【００７１】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置の斜視図である。第３の実施形態の振動装置３１は、第１の実施形態と同様に基部２及び支持部６を有する。また、基部２では、Ｓｉ層１１上に酸化ケイ素層１２が積層されている。本実施形態では、２本の音叉腕３３，３４が基部２に連ねられている。音叉腕３３，３４はＹ方向に延び、Ｘ方向に並列されている。音叉腕３３，３４においても、Ｓｉ層１１上に酸化ケイ素層１２が積層されている。
【００７２】
２本の音叉腕３３，３４が設けられていること、励振部１３ａ，１３ｂが設けられていることを除いては、第１の実施形態と同様である。従って、同一部分については、同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
【００７３】
本実施形態では、酸化ケイ素層１２の上面に、一対の励振部１３ａ，１３ｂが設けられている。すなわち、音叉腕３３を例にとると、酸化ケイ素層１２の上面において、Ｙ方向に延びる一方の側縁に沿うように励振部１３ａが、他方の側縁に沿うように励振部１３ｂが設けられている。励振部１３ａと励振部１３ｂは、Ｙ方向に延びるストリップ状の領域に設けられており、Ｘ方向において隔てられている。励振部１３ａ，１３ｂは、第１の励振部１３と同様に、圧電薄膜１４及び第１，第２の電極１５，１６を有する。
【００７４】
本実施形態では、励振部１３ａと励振部１３ｂとを逆位相で駆動する。それによって、音叉腕３３が、Ｘ方向及びＹ方向に含む平面内において屈曲振動する。
【００７５】
音叉腕３４も同様である。ただし、音叉腕３３と音叉腕３４とが逆位相で振動される。従って、振動姿態は、音叉腕３３，３４の先端が近づいている状態と、音叉腕３３，３４の先端が互いに遠ざかっている状態とを繰り返すように、ＸＹ平面内において音叉腕３３，３４が屈曲振動する。
【００７６】
上記のように、音叉腕３３と音叉腕３４とを逆位相で振動させればよい。従って、音叉腕３３，３４における励振部１３ａ，１３ｂの圧電薄膜１４の分極方向が全て同じである場合には、音叉腕３３の励振部１３ａに印加される交番電界の位相を、音叉腕３４の励振部１３ａに印加される交番電界の位相と逆とすればよい。同様に、音叉腕３３の励振部１３ｂに印加される交番電界の位相を、音叉腕３４の励振部１３ｂに印加される交番電界と逆とすればよい。
【００７７】
あるいは、励振部１３ａと励振部１３ｂの圧電薄膜における分極方向を逆としてもよい。その場合には、１つの音叉腕３３において、励振部１３ａと励振部１３ｂに印加される交番電界の位相を同一とすることができる。音叉腕３４においても同様である。
【００７８】
本実施形態のように、本発明においては、複数の音叉腕３３，３４は、Ｘ方向に屈曲振動するように構成されていてもよい。本実施形態においても、Ｘ方向中心を通り、Ｙ方向に延びる中心線の一方側と他方側の振動の向きは対称とされている。
【００７９】
このように、面内振動で複数の音叉腕３３，３４が変位する振動装置３１では、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）は、（−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９）±０．０５の範囲内とすればよい。それによってＴＣＦの絶対値を±５ｐｐｍ／℃の範囲内とすることができる。これを、図９を参照して説明する。
【００８０】
図９の横軸は、ある量のｎ型ドーパントがドーピングされているＳｉ層におけるＴＣＦであり、この値をｘとする。縦軸はＴ２／（Ｔ１＋Ｔ２）であり、これをｙとする。図９のプロットされている点は、ＴＣＦが０となる位置を示している。従って、これらの点の座標から近似により曲線Ｂが得られる。曲線Ｂは、ｙ＝−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９で表される。曲線Ｂ上に位置するように、Ｓｉ層のＴＣＦの値ｘに応じて、厚み比Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）を選択すればよい。それによって、ＴＣＦを０とすることができる。そして、本願発明者によれば、（−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９）±０．０５…式（２）の範囲内とすれば、ＴＣＦを±５ｐｐｍ／℃の範囲内とし得ることが確かめられている。
【００８１】
よって、上記面内振動を利用する場合には、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）を上記式（２）の範囲内とすればよい。
【００８２】
なお、第１，第２の実施形態では、３本及び４本の音叉腕が配置されており、第３の実施形態では２本の音叉腕が基部２に連ねられていた。本発明においては、複数の音叉腕の数は特に限定されない。
【００８３】
また、第３の実施形態においても、Ｓｉ層の両面に酸化ケイ素層が設けられていてもよい。さらに、第３の実施形態においても、複数のＳｉ層が積層されていてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１…振動装置
２…基部
３〜５…音叉腕
６…支持部
１１…Ｓｉ層
１２，１２ａ，１２ｂ…酸化ケイ素層
１３，１３ａ，１３ｂ，１７…励振部
１４…圧電薄膜
１４ａ…圧電薄膜層
１５，１６…第１，第２の電極
２１…振動装置
２３〜２６…音叉腕
３１…振動装置
３３，３４…音叉腕
【図１】
2014185281.tif 000003
【図２】
2014185281.tif 000004
【図３】
2014185281.tif 000005
【図４】
2014185281.tif 000006
【図５】
2014185281.tif 000007
【図６】
2014185281.tif 000008
【図７】
2014185281.tif 000009
【図８】
2014185281.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年11月5日(2015.11.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備え、該複数の音叉腕は、前記Ｙ方向と直交するＸ方向に並列されており、
前記音叉腕が、前記Ｘ方向及びＹ方向と直交するＺ方向に屈曲振動する振動措置であって、
前記音叉腕が、縮退半導体からなるＳｉ層と、前記Ｓｉ層に積層された酸化ケイ素層と、前記Ｓｉ層上に前記酸化ケイ素層を介して間接にまたは前記Ｓｉ層上に直接積層された励振部とを含み、前記励振部が、圧電体層と、前記圧電体層に積層または前記圧電体層中に埋設された第１の電極と、を有し、前記圧電体層の少なくとも一部を介して前記第１の電極と対向している第２の電極及び前記Ｓｉ層からなる第２の電極の内の一方を有し、前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、前記酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、前記酸化ケイ素層が設けられていない場合の前記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００２ｘ２−０．０１３６ｘ＋０．００１４）±０．０５の範囲にある、振動装置。
【請求項２】
前記複数の音叉腕の振動の向きが、前記Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である、請求項１に記載の振動装置。
【請求項３】
基部と、前記基部に一端が連ねられており、Ｙ方向に延びる複数の音叉腕とを備え、複数の音叉腕が前記Ｙ方向と直交するＸ方向において並列されており、前記音叉腕がＸ方向に屈曲振動する振動装置であって、
前記音叉腕が、縮退半導体からなるＳｉ層と、前記Ｓｉ層に積層された酸化ケイ素層と、前記Ｓｉ層上に前記酸化ケイ素層を介して間接にまたは前記Ｓｉ層上に直接積層された励振部とを含み、前記励振部が、圧電体層と、前記圧電体層に積層または前記圧電体層中に埋設された第１の電極と、を有し、前記圧電体層の少なくとも一部を介して前記第１の電極と対向している第２の電極及び前記Ｓｉ層からなる第２の電極の内の一方を有し、前記Ｓｉ層の厚みの総和をＴ１、前記酸化ケイ素層の厚みの総和をＴ２、前記酸化ケイ素層が設けられていない場合の前記振動装置におけるＴＣＦをｘ（ｐｐｍ／Ｋ）としたときに、Ｔ２／（Ｔ１＋Ｔ２）が、（−０．０００３ｘ２−０．０２３６ｘ＋０．０２１９）±０．０５の範囲にある、振動装置。
【請求項４】
前記複数の音叉腕の振動の向きが、前記Ｘ方向中心を通りＹ方向に延びる中心線の一方側と他方側とで対称である、請求項３に記載の振動装置。
【請求項５】
前記Ｓｉ層が、ｎ型ドーピング剤によりドーピングされている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項６】
前記ドーピング剤がリン（Ｐ）である、請求項５に記載の振動装置。
【請求項７】
前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の一方主面に積層されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項８】
前記圧電体層の一方主面に前記第１の電極が設けられており、前記圧電体層の他方主面に前記第２の電極が設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項９】
前記第２の電極が、前記Ｓｉ層で兼ねられている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の振動装置。
【請求項１０】
前記酸化ケイ素層が、前記Ｓｉ層の両面に形成されている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の振動装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
図４は、上記実施形態の振動装置１の共振周波数の温度特性を示す図であり、横軸は温度、縦軸は共振周波数変化率ｄＦｒ／ｄＦ（ｐｐｍ）である。ここでは、音叉腕３〜５における厚みＴ１及びＴ２は以下の通りとした。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
本実施形態では、酸化ケイ素層１２の上面に、一対の励振部１３ａ，１３ｂが設けられている。すなわち、音叉腕３３を例にとると、酸化ケイ素層１２の上面において、Ｙ方向に延びる一方の側縁に沿うように励振部１３ａが、他方の側縁に沿うように励振部１３ｂが設けられている。励振部１３ａと励振部１３ｂは、Ｙ方向に延びるストリップ状の領域に設けられており、Ｘ方向において隔てられている。励振部１３ａ，１３ｂは、第１の実施形態の励振部１３と同様に、圧電薄膜１４及び第１，第２の電極１５，１６を有する。
【国際調査報告】
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2014185281.tif 000015
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