発振子及び該発振子を有する発振器
【課題】低電圧で駆動することができること。
【解決手段】Ｘ方向に延びるように形成され、Ｘ方向に直交するＹ方向に振動する振動片３６と、振動片３６の両端を支持する振動子アイランド３４ａ，３４ｂとを有する振動子３２と、振動片３６に対して所定距離を空けた状態で振動片３６を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて振動片３６を振動させる電極部３３ａ，３３ｂと、を備え、振動片３６は、振動部３９と、振動部３９を振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結する基端部３５ａ，３５ｂと、で一体的に形成され、振動部３９の幅が、基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べ広く形成されている発振子３０を提供する。
【解決手段】Ｘ方向に延びるように形成され、Ｘ方向に直交するＹ方向に振動する振動片３６と、振動片３６の両端を支持する振動子アイランド３４ａ，３４ｂとを有する振動子３２と、振動片３６に対して所定距離を空けた状態で振動片３６を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて振動片３６を振動させる電極部３３ａ，３３ｂと、を備え、振動片３６は、振動部３９と、振動部３９を振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結する基端部３５ａ，３５ｂと、で一体的に形成され、振動部３９の幅が、基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べ広く形成されている発振子３０を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用した発振子及び該発振子を有する発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを用いて、１つの基板に機械的構造と電子回路とを集積させた微小デバイスであるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。このＭＥＭＳは、半導体プロセスを利用して製造されることから、加工精度の高さ、量産の容易さ、電子回路と機械的構造とを一定成形することで精密な動作制御が可能等といった利点があり、ＩＴ関連のみならず、通信や化学、医療やバイオ等といった様々な分野に応用されている。
【０００３】
そして、ＭＥＭＳ技術を発振子に利用することで、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（インダクタンスと抵抗値との比）を得られること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、等の特長を利用することができ、発振周波数を有する制御や、通信機用の駆動源等として好適に利用することが考えられる。
このようなＭＥＭＳ技術を応用した発振子としては、ベース部に基端部を介して支持された振動片を、静電引力を利用して固定電極の間で振動させる発振子がしられている（例えば、非特許文献１参照）。この発振子について図面を参照して簡単に説明する。
【０００４】
図１０に示すように、発振子１００は、一対の振動子アイランド（ベース部）１０１と、これら振動子アイランド１０１に基端部１０２が両持ち状に支持された角柱形状の振動片１０３と、この振動片１０３と一定距離を空けた状態で振動片１０３を間に挟むように配置された一対の電極部１０４とを備えている。一対の電極部１０４には、振動片１０３の駆動または振動の検出のうち少なくともいずれか一方を行う電極パッド１０５が形成されている。そして、この電極パッド１０５を介して電極部１０４に電圧が印加されると、電極部１０４に静電引力が発生する。この静電引力によって、振動片１０３は、その幅方向（各電極部１０４に接近離間する方向）に振動するものである。
【非特許文献１】Ｒｅｎａｔａ Ｍｅｌａｍｕｄ，Ｂｏｎｇｓａｎｇ Ｋｉｍ，Ｍａｔｔｈｅｗ Ａ．Ｈｏｐｃｒｏｆｔ，Ｓ．Ｃｈａｎｄｏｒｋａｒ，Ｍ．Ａｇａｒｗａｌ，Ｃ．Ｍ．Ｊｈａ，ａｎｄ Ｔ．Ｗ．ｋｅｎｎｙ”ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＦＬＥＸＵＲＡＬ−ＭＯＤＥ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＷＩＴＨ ＣＯＮＴＲＯＬＬＡＢＬＥ ＴＵＲＮＯＶＥＲ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ，”ＭＥＭＳ ２００７，Ｋｏｂｅ，Ｊａｐａｎ， ２１−２５ Ｊａｎｕａｒｙ ２００７，ｐｐ．１９９−２０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では低電圧で駆動することができる高性能な発振子１００のニーズが高まっている。
ここで、上述した振動片１０３と電極部１０４とのギャップは、感度に影響を与えるものである。つまり、ギャップが狭いほど、振動片１０３と電極部１０４との距離が接近するので、両者間に作用する静電容量の値が大きくなり、高感度で高性能な発振子１００になるとともに、低電圧での駆動が可能になる。また発振子１００の共振周波数は、振動片１０３の幅及び長さ、ヤング率、密度によって決定される。
【０００６】
しかしながら、上述の発振子１００にあっては、図１０に示すように、電極部１０４と振動片１０３に電圧を印加すると、振動片１０３は放物線状に撓んだ状態で屈曲振動する（図１０中鎖線参照）。そのため、振動時に振動片１０３の側面１０３ａ，１０３ｂと電極部１０４の側面１０４ａ，１０４ｂとの対向部分のギャップにバラツキが生じる。
【０００７】
具体的には、振動片１０３と電極部１０４との対向部分のうち、振動片１０３の中央部では電極部１０４と振動片１０３との間のギャップが最も狭くなり（例えば、図１０中ｄ１）、中央部から離れ、振動片１０３の基端部１０２に近づくにつれ、振動片１０３と電極部１０４とのギャップが広くなってしまう（例えば、図１０中ｄ２参照）。ギャップが広くなるにつれ、その部位で発生する静電容量の値が小さくなってしまうため、振動部１０３と電極部１０４との対向面積を確保しても、実際に発振子として強い静電引力が発生する面積、すなわち振動片１０３の有効面積が小さくなってしまうという問題がある。そのため、静電引力を効率よく発生させることができず、高感度で高性能な発振子１００とするには、電極部１０４に高い駆動電圧を印加する必要があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、低電圧で駆動することができる高性能な発振子及び該発振子を有する発振器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る発振子は、一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、を備え、前記振動片は、振動部と、前記振動部を前記ベース部に連結する基端部とで一体的に形成され、前記振動部は前記基端部よりも機械的に強固に形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る発振子においては、振動片が、機械的性質が異なる振動部と基端部とで一体的に形成されている。特に、振動部は基端部よりも機械的に強固に形成されている。そのため、ベース部に連結される基端部のバネ定数を、振動部のバネ定数に比べて相対的に低下させることができる。よって、電極部と振動片との間に電圧を印加すると、振動部より軟らかい基端部が積極的に撓むこととなる。したがって、振動片を他方向に振動させる際に、振動部を撓ませずに基端部だけを撓ませた状態で振動させることができる。つまり、振動部を電極部間で平行移動させることができる。これにより、振動部の領域では電極部と振動部とのギャップが一様で、かつ狭く振動することとなり、振動片の有効面積を向上させることができる。その結果、振動片の広い領域で強い静電引力を効率よく発生させることができるので、高感度、低電圧で振動子を駆動できる上、高性能化を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動部の幅が、前記基端部の幅に比べ広く形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る発振子においては、振動部の幅を、基端部の幅に比べ広く形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記基端部が、少なくとも前記他方向に向かって弾性変形自在に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る発振子においては、基端部を少なくとも他方向に向かって弾性変形自在に形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動部が、前記基端部に比べて硬い材料で形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る発振子においては、振動部を基端部に比べて硬い材料で形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動片は、前記ベース部に両端が支持されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る発振子においては、振動片が両持ち状態で支持されているので、振動部の両端が基端部を介してベース部に支持されることになる。そのため、振動時に電極部間で振動部を傾かせることなく、より平行に移動させることができる。したがって、振動片の有効面積をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の発振子を有することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明に係る発振器においては、高感度で高性能な発振子を有しているので、発振器自体の高品質化及び高性能化を図ることができる。低電圧で駆動させることができるため、省電力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る発振子によれば、振動片の有効面積が向上することで、広い領域で強い静電引力を発生させることができるため、高感度で高性能な振動子を低電圧で駆動させることができる。
また本発明に係る発振器によれば、高感度で高性能な発振子を有しているので、発振器自体の高品質化及び高性能化を図ることができる。低電圧で駆動させることができるため、省電力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の発振子及び該発振子を有する発振器の第１実施形態を図１〜６に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、携帯電話や携帯情報端末機器等の種々の電子部品に用いられる発振器として説明する。また、以下に示す各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を異ならせてある。
【００２３】
図１は、発振器の斜視図である。また、図２は発振器を構成する発振子の平面図であり、図３は図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
図１〜３に示すように、発振器１０は、ＩＣ基板２０と発振子３０とを備えている。
ＩＣ基板２０は、図示しない電気回路を介して外部電源に電気的に接続されており、外部電源から供給される電圧を発振子３０に印加して、発振子３０の駆動を行うものである。ＩＣ基板２０の上面には、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等からなる電極パッド２１が形成されている。このＩＣ基板２０は、後述するシリコン支持層１１及びＢＯＸ層１２上に載置されている。
【００２４】
発振子３０は、シリコン支持層１１（例えば、厚さ３００〜８００μｍ）と、二酸化珪素（ＳｉＯ２）のＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層１２と、シリコン活性層（例えば、厚さ５〜１００μｍ）４４とが順次積層された、いわゆるＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板４５を用いて半導体プロセス技術によって製造されるものである。ただし、ＳＯＩ基板４５に限らず、シリコン等の半導体基板で発振子３０を製造しても構わない。これらの層の内、シリコン活性層４４にはシリコン支持層１１の外周に沿って立ち上がるフレーム３１と、このフレーム３１の内側に配置された振動子３２及び一対の電極部３３ａ，３３ｂとが構成されている。
【００２５】
そして、上述したように、シリコン支持層１１上に積層されたＢＯＸ層１２上にＩＣ基板２０が載置されている。このように本実施形態では、シリコン支持層１１を介してＩＣ基板２０と発振子３０とが一体的にパッケージングされている。よって、シリコン支持層１１は、ＩＣ基板２０も同時に支持する共通基板として機能する。なお、ＩＣ基板２０はフレーム３１に対して若干の隙間を空けた状態で載置されている。
【００２６】
振動子３２は、平面視略Ｉ字状のものであり、一対の振動子アイランド３４ａ，３４ｂ（ベース部）と、これら振動子アイランド３４ａ，３４ｂに両持ち状に支持された振動片３６とを備えている。
【００２７】
振動子アイランド３４ａ，３４ｂは、平面視矩形状のものであり、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２を介して形成されている。振動子アイランド３４ａ、３４ｂのうち一方の振動子アイランド３４ａの上面には、電極パッド３７が形成されており、上述したＩＣ基板２０の電極パッド２１とワイヤー３８を介して電気的に接続されることにより、振動子３２に電圧が印加されるように構成されている。
【００２８】
振動片３６は、振動子アイランド３４ａ，３４ｂからＸ方向（一方向）に延出するとともに、Ｘ方向に直交するＹ方向（振動片３６の幅方向（他方向））に振動可能なものであり、振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結される基端部３５ａ，３５ｂと、基端部３５ａ，３５ｂから基端部３５ａ，３５ｂ間を架け渡すように延出する振動部３９とを備えている。振動片３６は、シリコン支持層１１との間にギャップを有しつつ延出している（図３参照）。
【００２９】
ここで、振動片３６を構成する振動部３９は、基端部３５ａ，３５ｂよりも機械的に強固に形成されている。つまり、振動部３９の幅が基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べ広く形成されており、より詳述に説明すると、基端部３５ａ，３５ｂは振動片３６の幅方向の両側から矩形状に切り込み形成されたものであり、基端部３５ａ，３５ｂ間に、これら基端部３５ａ，３５ｂより幅の広い振動部３９が連結された状態となっている。したがって、振動片３６の基端部３５ａ，３５ｂは、振動部３９に比べて幅が狭く形成されているため、振動部３９に比べ相対的に軟らかく形成されている。
【００３０】
振動子３２の両側方には、振動子３２に対して一定距離を空けた状態で、振動子３２を間に挟むように一対の電極部３３ａ，３３ｂが配置されている。各電極部３３ａ，３３ｂは、電極部アイランド４０ａ，４０ｂと、電極パッド４１ａ，４１ｂとを備えている。
電極部アイランド４０ａ，４０ｂは、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２を介して形成されており、振動子３２の両側方を囲むように形成されている。電極部アイランド４０ａ，４０ｂの各々は、振動片３６の延出方向（Ｘ方向）の側面３６ａ，３６ｂそれぞれに対して対向する凸部４２ａ，４２ｂを備え、この凸部４２ａ，４２ｂと振動片３６における振動部３９の側面３９ａ，３９ｂと対向している領域が略平行にギャップｄを有している。なお、振動片３６の側面３６ａが凸部４２ａの側面４８ａと対向し、側面３６ｂが凸部４２ｂの側面４８ｂと対向している。
【００３１】
電極部アイランド４０ａ，４０ｂの上面には、その上面のほぼ全域に亘って電極パッド４１ａ，４１ｂが形成されている。この電極パッド４１ａ，４１ｂのうち、一方の電極パッド４１ａが振動片３６の駆動用電極パッドとして構成されており、他方の電極パッド４１ｂが振動片の振動の検出用電極パッドとして構成されている。そして、上述したＩＣ基板２０の電極パッド２１とワイヤー４３ａ，４３ｂによりそれぞれ電気的に接続されることで、各電極部３３ａ，３３ｂに電圧が印加されるように構成されている。なお、各電極パッド４１ａ，４１ｂは必ずしも振動子３２の駆動用、検出用電極パッドである必要はなく、少なくとも振動子３２の駆動用電極パッドを備えていればよい。
【００３２】
なお、発振器１０には、通常、発振子３０におけるフレーム３１の内側を真空状態に維持するため、発振子３０を覆うように封止基板が設けられるが、本実施形態の各図においては、説明をわかり易くするため、本実施形態においては封着基板の記載を省略する。
【００３３】
次に、図４〜６に基づいて、発振器の製造方法について説明する。図４〜図６は、図１のＡ−Ａ’線に相当する断面を図示している。なお、発振器の製造方法の各工程は、以下に説明の工程順番に限定されるものではない。
【００３４】
図４はスタート基板となるＳＯＩ基板４５の断面図である。図５は、ＳＯＩ基板４５のシリコン活性層１１上に電極パッド３７（図１参照），４１ａ，４１ｂを形成した状態を示す断面図である。
まず、図４に示すように、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２、シリコン活性層４４が順次積層されたＳＯＩ基板４５を準備し、このＳＯＩ基板４５上に、後に電極パッド３７，４１ａ，４１ｂとなる図示しないメタル層を形成する（メタル層成膜工程）。具体的には、スパッタリング法や真空蒸着法等によりＳＯＩ基板４５の全面に成膜する。
【００３５】
次に、図５に示すように、ＳＯＩ基板４５上に成膜されたメタル層をパターニングして、上述した形状の電極パッド３７，４１ａ，４１ｂ（図５では電極パッド４１ａ，４１ｂのみを示す）に形成する（電極パッド工程）。具体的には、フォトリソグラフィ技術により露光・現像した図示しないレジストマスクを介してドライエッチングを行うことで、ＳＯＩ基板４５上に成膜されたメタル層をパターニングする。
【００３６】
図６はシリコン活性層をエッチング加工してパターニングした状態を示す断面図である。
上述した電極パッド３７，４１ａ，４１ｂを形成した後、図６に示すように、シリコン活性層４４を上述した形状のフレーム３１、電極部アイランド３４ａ，３４ｂ及び振動子３２に各々分離する（分離工程）。具体的には、フォトリソグラフィ技術により露光・現像した図示しないレジストマスクを介してドライエッチングを行うことで、シリコン活性層４４を貫通してＢＯＸ層１２の上面まで到達する凹部を形成する。
【００３７】
この時、フレーム３１の外側の領域のシリコン活性層４４もＢＯＸ層１２の上面が露出するようにエッチングし、ＩＣ基板２０が載置されるスペースを確保する。なお、フレーム３１の外側の領域（ＩＣ基板２０が載置される領域）は、シリコン支持層１１が露出するまでエッチングして、ＢＯＸ層１２を除去しても構わない。
【００３８】
フレーム３１、電極部アイランド３４ａ，３４ｂ及び振動子３２に各々分離した後、振動子３２の振動片３６形成領域のＢＯＸ層１２を除去する（ＢＯＸ層除去工程：図３参照）。具体的には、シリコン活性層４４に形成した凹部内をエッチングすることで、振動片３６がシリコン支持層１１から分離され、振動子アイランド３４ａ，３４ｂ（図１参照）に両持ち状に支持された振動子３２が形成される。なお、このエッチングはドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれの方法で行っても構わない。
【００３９】
次に、ＳＯＩ基板４５上のフレーム３１の外側であって、上述した分離工程においてＢＯＸ層１２を露出させた領域にＩＣ基板２０（図１参照）を実装する。そして、このＩＣ基板２０の電極パッド２１と、発振子３０の各電極パッド３７，４１ａ，４１ｂとをワイヤーボンディングにより接続することで、本実施形態の発振器１０（図１参照）が完成する。
【００４０】
次に、図１〜３に基づいて本実施形態の発振器の作用について説明する。
まず、図示しない外部電源から電気回路を介してＩＣ基板２０に電圧を印加する。すると、ＩＣ基板２０は、電極パッド２１及びワイヤー３８，４３ａを介して振動子３２の電極パッド３７及び電極部３３ａの電極パッド４１ａに電圧を印加する。
【００４１】
電極パッド４１ａと、振動子３２の電極パッド３７との間に電圧を印加すると、その電極部３３ａと振動子３２との間に電圧が印加され、両者の間に静電引力が発生する。そして、振動片３６が、Ｙ方向、つまり振動子３６の両側方にギャップｄを介して配置された一対の電極部３３ａ，３３ｂに接近離間するように振動することとなる。
【００４２】
振動片３６が振動すると、振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの間のギャップが変化し、振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの間の静電容量が変化する。そして、その静電容量の変化を共振周波数として電極パッド４１ｂにより検出する。そして、検出された共振周波数は、検出信号として電極パッド４１ｂからワイヤー４３ｂを介してＩＣ基板２０へと出力されるものである。
【００４３】
ここで、上述したように振動片３６の基端部３５ａ，３５ｂの幅は、振動部３９の幅に比べて狭く形成されているため、振動部３９に比べ相対的に軟らかく形成されている。つまり、基端部３５ａ，３５ｂのバネ定数は振動部３９のバネ定数に比べ、小さく設定されることとなるため、基端部３５ａ，３５ｂは撓みやすくなっている。その結果、電極部３３ａと振動子３２との間に電圧が印加されると、振動片３６のうち基端部３５ａ，３５ｂが積極的に撓むこととなる。そのため、振動片３６のうち振動部３９の側面３９ａ，３９ｂと電極部３３ａ，３３ｂの側面４８ａ，４８ｂとの対向部分が略平行状態を維持しながら振動する（図２中鎖線参照）。これにより、振動部３９の長手方向においては、電極部３３ａ，３３ｂとの間が一様で、かつ狭いギャップ（図２中ｄ’参照）で振動することとなる。したがって、発振子３０として強い静電引力が発生する面積、すなわち振動片３６の有効面積を大きく確保することができる。
【００４４】
このように、本実施形態では、振動片３６が、機械的性質が異なる振動部３９と基端部３５ａ，３５ｂとで一体的に形成されている構成とした。つまり、振動部３９の幅を基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べて広く形成することで、振動部３９は基端部３５ａ，３５ｂよりも機械的に強固に形成されることとなる。そのため、振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結される基端部３５ａ，３５ｂのバネ定数を振動部３９のバネ定数に比べて、相対的に低下させることができる。
よって、電極部３３ａ，３３ｂと振動子３２との間に電圧を印加すると、振動部３９より軟らかい基端部３５ａ，３５ｂが積極的に撓むこととなる。したがって、振動片３６をＹ方向に振動させる際に、振動部３９を撓ませずに基端部３５ａ，３５ｂだけを撓ませた状態で振動させることができる。つまり、振動部３９を電極部３３ａ，３３ｂ間で平行移動させることができる。そのため、振動部３９の領域では電極部３３ａ，３３ｂと振動部３９とのギャップが一様で、かつ狭く振動することとなり、振動片３６の有効面積を向上させることができる。したがって、広い領域で強い静電引力を発生させることができ、高感度で高性能な発振子３０を低電圧で駆動させることができるため、省電力化が可能となる。
【００４５】
また、振動片３６の有効面積を向上させることができるため、従来の発振子１００（図１０参照）と同様の静電引力を得るために必要な振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの対向面積が小さくなる。したがって、発振子３０の小型化が可能になる。
【００４６】
さらに、振動片３６が両持ち状態で支持されているので、振動部３９の両端が基端部３５ａ，３５ｂを介して振動子アイランド３４ａ，３４ｂに支持されることになる。そのため、振動時に電極部３３ａ，３３ｂ間で振動部３９を傾かせることなく、より平行に移動させることができる。したがって、振動片３６の有効面積をさらに向上させることができる。
【００４７】
ところで、発振子３０の共振周波数は、振動子３２の幅及び長さ、ヤング率、密度によって決定される。さらに、上述したように振動部３９を撓ませず、基端部３５ａ，３５ｂのみを撓ませた状態で振動させるため、基端部３５ａ，３５ｂの長さと幅のみを調整することで、発振子３０の共振周波数を設定することができる。
そのため、振動部３９の対向面積（寸法）の設定を、共振周波数の設定とは無関係に設計することができる。つまり、振動部３９の寸法の設定（駆動電圧の設定）を、共振周波数の設定を考慮せずに所望の寸法に設計することができるため、発振子３０の設計の自由度を向上させることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図７に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係る発振子の斜視図であり、図８は平面図である。なお、本実施形態は、振動子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し説明は省略する。
【００４９】
図７、８に示すように、本実施形態の振動子５４は、振動片５０の基端部５１ａ，５１ｂが振動片５０の幅方向の両側から互い違いに切り込み形成されたものである。つまり、基端部５１ａ，５１ｂは、振動子アイランド３４ａ，３４ｂから振動部３９へと至るまでの間で蛇行するように形成されており、平面視略バネ形状に形成されている。したがって、基端部５１ａ，５１ｂは、Ｙ方向に弾性変形可能に構成されている。これにより振動部３９は、基端部５１ａ，５１ｂよりも機械的に強固とされている。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、基端部５１ａ，５１ｂを弾性変形可能に構成することで、基端部５１ａ，５１ｂのバネ定数をより低くすることができる。これにより、基端部５１ａ，５１ｂが積極的に撓むこととなるため、振動片５０の有効面積をさらに向上させることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
次に、図９に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係る発振子の斜視図である。なお、本実施形態においても、振動子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し説明は省略する。
【００５２】
図９に示すように、本実施形態の振動子６５は、振動片６０の基端部６１ａ，６１ｂと振動部６２とが各々異なる材料で形成されている。具体的には、振動部６２の形成材料は、基端部６１ａ，６１ｂの形成材料に比べて硬い材料で形成されている。基端部６１ａ，６１ｂの形成材料としては、例えば、シリコンや、上述したシリコン等からなるＳＯＩ基板４５（図１参照）等の共通基板で同時形成することが可能である。振動部６２の形成材料としては、メタル材料やタングステン、クロム等が好適に用いられる。振動部６２の形成材料にメタル等を用いる場合、ＳＯＩ基板４５上の振動部６２形成領域にメタルを埋設した後、上述した製造方法により形成する等、種々の製造方法により形成することが可能である。このように、本実施形態の振動子６０は、材料の違いにより振動部６２が基端部６１ａ，６１ｂよりも機械的に強固に形成されている。
【００５３】
したがって、本実施形態によれば、振動片の形成材料を振動部６２と基端部６１ａ，６１ｂとで変化させることで、振動部６２と基端部６１ａ，６１ｂとのバネ定数に変化を与えることができる。第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、振動片６０の幅を変化させることなく、振動片６０の有効面積を確保することができる。
【００５４】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
【００５５】
例えば、本実施形態においては、一対の振動子アイランドに両持ち状に振動片が支持された振動子について説明したが、１つの振動子アイランドに振動片が基端部を介して片持ち状に支持された振動子としてもよい。
また、第１，２実施形態と第３実施形態を組み合わせるような構成としてもよい。つまり、振動部の形成材料を基端部の形成材料より硬い材料で形成するとともに、基端部の幅を振動部の幅に比べ狭く形成するような構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態における発振器の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態における発振子の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施形態における発振器のメタル層成膜工程を示す工程図である。
【図５】本発明の実施形態における発振器の電極パッド工程を示す工程図である。
【図６】本発明の実施形態における発振器の分離工程を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態における発振子の斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態における発振子の平面図である。
【図９】本発明の第３実施形態における発振子の斜視図である。
【図１０】従来の発振子の平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０発振器 ３０発振子 ３２，５４，６５振動子 ３３ａ，３３ｂ電極部 ３４ａ，３４ｂ振動子アイランド（ベース部） ３５ａ，３５ｂ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ基端部 ３６，５０，６０振動片 ３９，６２振動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を利用した発振子及び該発振子を有する発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスを用いて、１つの基板に機械的構造と電子回路とを集積させた微小デバイスであるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目されている。このＭＥＭＳは、半導体プロセスを利用して製造されることから、加工精度の高さ、量産の容易さ、電子回路と機械的構造とを一定成形することで精密な動作制御が可能等といった利点があり、ＩＴ関連のみならず、通信や化学、医療やバイオ等といった様々な分野に応用されている。
【０００３】
そして、ＭＥＭＳ技術を発振子に利用することで、デバイスの占有面積が小さいこと、高いＱ値（インダクタンスと抵抗値との比）を得られること、他の半導体デバイスとの集積が可能なこと、等の特長を利用することができ、発振周波数を有する制御や、通信機用の駆動源等として好適に利用することが考えられる。
このようなＭＥＭＳ技術を応用した発振子としては、ベース部に基端部を介して支持された振動片を、静電引力を利用して固定電極の間で振動させる発振子がしられている（例えば、非特許文献１参照）。この発振子について図面を参照して簡単に説明する。
【０００４】
図１０に示すように、発振子１００は、一対の振動子アイランド（ベース部）１０１と、これら振動子アイランド１０１に基端部１０２が両持ち状に支持された角柱形状の振動片１０３と、この振動片１０３と一定距離を空けた状態で振動片１０３を間に挟むように配置された一対の電極部１０４とを備えている。一対の電極部１０４には、振動片１０３の駆動または振動の検出のうち少なくともいずれか一方を行う電極パッド１０５が形成されている。そして、この電極パッド１０５を介して電極部１０４に電圧が印加されると、電極部１０４に静電引力が発生する。この静電引力によって、振動片１０３は、その幅方向（各電極部１０４に接近離間する方向）に振動するものである。
【非特許文献１】Ｒｅｎａｔａ Ｍｅｌａｍｕｄ，Ｂｏｎｇｓａｎｇ Ｋｉｍ，Ｍａｔｔｈｅｗ Ａ．Ｈｏｐｃｒｏｆｔ，Ｓ．Ｃｈａｎｄｏｒｋａｒ，Ｍ．Ａｇａｒｗａｌ，Ｃ．Ｍ．Ｊｈａ，ａｎｄ Ｔ．Ｗ．ｋｅｎｎｙ”ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ ＦＬＥＸＵＲＡＬ−ＭＯＤＥ ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ ＷＩＴＨ ＣＯＮＴＲＯＬＬＡＢＬＥ ＴＵＲＮＯＶＥＲ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ，”ＭＥＭＳ ２００７，Ｋｏｂｅ，Ｊａｐａｎ， ２１−２５ Ｊａｎｕａｒｙ ２００７，ｐｐ．１９９−２０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では低電圧で駆動することができる高性能な発振子１００のニーズが高まっている。
ここで、上述した振動片１０３と電極部１０４とのギャップは、感度に影響を与えるものである。つまり、ギャップが狭いほど、振動片１０３と電極部１０４との距離が接近するので、両者間に作用する静電容量の値が大きくなり、高感度で高性能な発振子１００になるとともに、低電圧での駆動が可能になる。また発振子１００の共振周波数は、振動片１０３の幅及び長さ、ヤング率、密度によって決定される。
【０００６】
しかしながら、上述の発振子１００にあっては、図１０に示すように、電極部１０４と振動片１０３に電圧を印加すると、振動片１０３は放物線状に撓んだ状態で屈曲振動する（図１０中鎖線参照）。そのため、振動時に振動片１０３の側面１０３ａ，１０３ｂと電極部１０４の側面１０４ａ，１０４ｂとの対向部分のギャップにバラツキが生じる。
【０００７】
具体的には、振動片１０３と電極部１０４との対向部分のうち、振動片１０３の中央部では電極部１０４と振動片１０３との間のギャップが最も狭くなり（例えば、図１０中ｄ１）、中央部から離れ、振動片１０３の基端部１０２に近づくにつれ、振動片１０３と電極部１０４とのギャップが広くなってしまう（例えば、図１０中ｄ２参照）。ギャップが広くなるにつれ、その部位で発生する静電容量の値が小さくなってしまうため、振動部１０３と電極部１０４との対向面積を確保しても、実際に発振子として強い静電引力が発生する面積、すなわち振動片１０３の有効面積が小さくなってしまうという問題がある。そのため、静電引力を効率よく発生させることができず、高感度で高性能な発振子１００とするには、電極部１０４に高い駆動電圧を印加する必要があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、低電圧で駆動することができる高性能な発振子及び該発振子を有する発振器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明に係る発振子は、一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、を備え、前記振動片は、振動部と、前記振動部を前記ベース部に連結する基端部とで一体的に形成され、前記振動部は前記基端部よりも機械的に強固に形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明に係る発振子においては、振動片が、機械的性質が異なる振動部と基端部とで一体的に形成されている。特に、振動部は基端部よりも機械的に強固に形成されている。そのため、ベース部に連結される基端部のバネ定数を、振動部のバネ定数に比べて相対的に低下させることができる。よって、電極部と振動片との間に電圧を印加すると、振動部より軟らかい基端部が積極的に撓むこととなる。したがって、振動片を他方向に振動させる際に、振動部を撓ませずに基端部だけを撓ませた状態で振動させることができる。つまり、振動部を電極部間で平行移動させることができる。これにより、振動部の領域では電極部と振動部とのギャップが一様で、かつ狭く振動することとなり、振動片の有効面積を向上させることができる。その結果、振動片の広い領域で強い静電引力を効率よく発生させることができるので、高感度、低電圧で振動子を駆動できる上、高性能化を図ることができる。
【００１１】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動部の幅が、前記基端部の幅に比べ広く形成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明に係る発振子においては、振動部の幅を、基端部の幅に比べ広く形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記基端部が、少なくとも前記他方向に向かって弾性変形自在に形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係る発振子においては、基端部を少なくとも他方向に向かって弾性変形自在に形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１５】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動部が、前記基端部に比べて硬い材料で形成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明に係る発振子においては、振動部を基端部に比べて硬い材料で形成することで、振動部を基端部よりも機械的に強固にすることができる。つまり、基端部のバネ定数を振動部のバネ定数に比べて相対的に低くすることができる。これにより、振動部は撓むことなく基端部が積極的に撓むこととなるため、振動片の有効面積を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る発振子は、上記発振子において、前記振動片は、前記ベース部に両端が支持されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明に係る発振子においては、振動片が両持ち状態で支持されているので、振動部の両端が基端部を介してベース部に支持されることになる。そのため、振動時に電極部間で振動部を傾かせることなく、より平行に移動させることができる。したがって、振動片の有効面積をさらに向上させることができる。
【００１９】
また、本発明に係る発振器は、上記本発明の発振子を有することを特徴とするものである。
【００２０】
本発明に係る発振器においては、高感度で高性能な発振子を有しているので、発振器自体の高品質化及び高性能化を図ることができる。低電圧で駆動させることができるため、省電力化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る発振子によれば、振動片の有効面積が向上することで、広い領域で強い静電引力を発生させることができるため、高感度で高性能な振動子を低電圧で駆動させることができる。
また本発明に係る発振器によれば、高感度で高性能な発振子を有しているので、発振器自体の高品質化及び高性能化を図ることができる。低電圧で駆動させることができるため、省電力化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に、本発明の発振子及び該発振子を有する発振器の第１実施形態を図１〜６に基づいて説明する。
なお、本実施形態では、携帯電話や携帯情報端末機器等の種々の電子部品に用いられる発振器として説明する。また、以下に示す各図においては、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を異ならせてある。
【００２３】
図１は、発振器の斜視図である。また、図２は発振器を構成する発振子の平面図であり、図３は図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
図１〜３に示すように、発振器１０は、ＩＣ基板２０と発振子３０とを備えている。
ＩＣ基板２０は、図示しない電気回路を介して外部電源に電気的に接続されており、外部電源から供給される電圧を発振子３０に印加して、発振子３０の駆動を行うものである。ＩＣ基板２０の上面には、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等からなる電極パッド２１が形成されている。このＩＣ基板２０は、後述するシリコン支持層１１及びＢＯＸ層１２上に載置されている。
【００２４】
発振子３０は、シリコン支持層１１（例えば、厚さ３００〜８００μｍ）と、二酸化珪素（ＳｉＯ２）のＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層１２と、シリコン活性層（例えば、厚さ５〜１００μｍ）４４とが順次積層された、いわゆるＳＯＩ(Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ)基板４５を用いて半導体プロセス技術によって製造されるものである。ただし、ＳＯＩ基板４５に限らず、シリコン等の半導体基板で発振子３０を製造しても構わない。これらの層の内、シリコン活性層４４にはシリコン支持層１１の外周に沿って立ち上がるフレーム３１と、このフレーム３１の内側に配置された振動子３２及び一対の電極部３３ａ，３３ｂとが構成されている。
【００２５】
そして、上述したように、シリコン支持層１１上に積層されたＢＯＸ層１２上にＩＣ基板２０が載置されている。このように本実施形態では、シリコン支持層１１を介してＩＣ基板２０と発振子３０とが一体的にパッケージングされている。よって、シリコン支持層１１は、ＩＣ基板２０も同時に支持する共通基板として機能する。なお、ＩＣ基板２０はフレーム３１に対して若干の隙間を空けた状態で載置されている。
【００２６】
振動子３２は、平面視略Ｉ字状のものであり、一対の振動子アイランド３４ａ，３４ｂ（ベース部）と、これら振動子アイランド３４ａ，３４ｂに両持ち状に支持された振動片３６とを備えている。
【００２７】
振動子アイランド３４ａ，３４ｂは、平面視矩形状のものであり、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２を介して形成されている。振動子アイランド３４ａ、３４ｂのうち一方の振動子アイランド３４ａの上面には、電極パッド３７が形成されており、上述したＩＣ基板２０の電極パッド２１とワイヤー３８を介して電気的に接続されることにより、振動子３２に電圧が印加されるように構成されている。
【００２８】
振動片３６は、振動子アイランド３４ａ，３４ｂからＸ方向（一方向）に延出するとともに、Ｘ方向に直交するＹ方向（振動片３６の幅方向（他方向））に振動可能なものであり、振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結される基端部３５ａ，３５ｂと、基端部３５ａ，３５ｂから基端部３５ａ，３５ｂ間を架け渡すように延出する振動部３９とを備えている。振動片３６は、シリコン支持層１１との間にギャップを有しつつ延出している（図３参照）。
【００２９】
ここで、振動片３６を構成する振動部３９は、基端部３５ａ，３５ｂよりも機械的に強固に形成されている。つまり、振動部３９の幅が基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べ広く形成されており、より詳述に説明すると、基端部３５ａ，３５ｂは振動片３６の幅方向の両側から矩形状に切り込み形成されたものであり、基端部３５ａ，３５ｂ間に、これら基端部３５ａ，３５ｂより幅の広い振動部３９が連結された状態となっている。したがって、振動片３６の基端部３５ａ，３５ｂは、振動部３９に比べて幅が狭く形成されているため、振動部３９に比べ相対的に軟らかく形成されている。
【００３０】
振動子３２の両側方には、振動子３２に対して一定距離を空けた状態で、振動子３２を間に挟むように一対の電極部３３ａ，３３ｂが配置されている。各電極部３３ａ，３３ｂは、電極部アイランド４０ａ，４０ｂと、電極パッド４１ａ，４１ｂとを備えている。
電極部アイランド４０ａ，４０ｂは、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２を介して形成されており、振動子３２の両側方を囲むように形成されている。電極部アイランド４０ａ，４０ｂの各々は、振動片３６の延出方向（Ｘ方向）の側面３６ａ，３６ｂそれぞれに対して対向する凸部４２ａ，４２ｂを備え、この凸部４２ａ，４２ｂと振動片３６における振動部３９の側面３９ａ，３９ｂと対向している領域が略平行にギャップｄを有している。なお、振動片３６の側面３６ａが凸部４２ａの側面４８ａと対向し、側面３６ｂが凸部４２ｂの側面４８ｂと対向している。
【００３１】
電極部アイランド４０ａ，４０ｂの上面には、その上面のほぼ全域に亘って電極パッド４１ａ，４１ｂが形成されている。この電極パッド４１ａ，４１ｂのうち、一方の電極パッド４１ａが振動片３６の駆動用電極パッドとして構成されており、他方の電極パッド４１ｂが振動片の振動の検出用電極パッドとして構成されている。そして、上述したＩＣ基板２０の電極パッド２１とワイヤー４３ａ，４３ｂによりそれぞれ電気的に接続されることで、各電極部３３ａ，３３ｂに電圧が印加されるように構成されている。なお、各電極パッド４１ａ，４１ｂは必ずしも振動子３２の駆動用、検出用電極パッドである必要はなく、少なくとも振動子３２の駆動用電極パッドを備えていればよい。
【００３２】
なお、発振器１０には、通常、発振子３０におけるフレーム３１の内側を真空状態に維持するため、発振子３０を覆うように封止基板が設けられるが、本実施形態の各図においては、説明をわかり易くするため、本実施形態においては封着基板の記載を省略する。
【００３３】
次に、図４〜６に基づいて、発振器の製造方法について説明する。図４〜図６は、図１のＡ−Ａ’線に相当する断面を図示している。なお、発振器の製造方法の各工程は、以下に説明の工程順番に限定されるものではない。
【００３４】
図４はスタート基板となるＳＯＩ基板４５の断面図である。図５は、ＳＯＩ基板４５のシリコン活性層１１上に電極パッド３７（図１参照），４１ａ，４１ｂを形成した状態を示す断面図である。
まず、図４に示すように、シリコン支持層１１上にＢＯＸ層１２、シリコン活性層４４が順次積層されたＳＯＩ基板４５を準備し、このＳＯＩ基板４５上に、後に電極パッド３７，４１ａ，４１ｂとなる図示しないメタル層を形成する（メタル層成膜工程）。具体的には、スパッタリング法や真空蒸着法等によりＳＯＩ基板４５の全面に成膜する。
【００３５】
次に、図５に示すように、ＳＯＩ基板４５上に成膜されたメタル層をパターニングして、上述した形状の電極パッド３７，４１ａ，４１ｂ（図５では電極パッド４１ａ，４１ｂのみを示す）に形成する（電極パッド工程）。具体的には、フォトリソグラフィ技術により露光・現像した図示しないレジストマスクを介してドライエッチングを行うことで、ＳＯＩ基板４５上に成膜されたメタル層をパターニングする。
【００３６】
図６はシリコン活性層をエッチング加工してパターニングした状態を示す断面図である。
上述した電極パッド３７，４１ａ，４１ｂを形成した後、図６に示すように、シリコン活性層４４を上述した形状のフレーム３１、電極部アイランド３４ａ，３４ｂ及び振動子３２に各々分離する（分離工程）。具体的には、フォトリソグラフィ技術により露光・現像した図示しないレジストマスクを介してドライエッチングを行うことで、シリコン活性層４４を貫通してＢＯＸ層１２の上面まで到達する凹部を形成する。
【００３７】
この時、フレーム３１の外側の領域のシリコン活性層４４もＢＯＸ層１２の上面が露出するようにエッチングし、ＩＣ基板２０が載置されるスペースを確保する。なお、フレーム３１の外側の領域（ＩＣ基板２０が載置される領域）は、シリコン支持層１１が露出するまでエッチングして、ＢＯＸ層１２を除去しても構わない。
【００３８】
フレーム３１、電極部アイランド３４ａ，３４ｂ及び振動子３２に各々分離した後、振動子３２の振動片３６形成領域のＢＯＸ層１２を除去する（ＢＯＸ層除去工程：図３参照）。具体的には、シリコン活性層４４に形成した凹部内をエッチングすることで、振動片３６がシリコン支持層１１から分離され、振動子アイランド３４ａ，３４ｂ（図１参照）に両持ち状に支持された振動子３２が形成される。なお、このエッチングはドライエッチングまたはウェットエッチングのいずれの方法で行っても構わない。
【００３９】
次に、ＳＯＩ基板４５上のフレーム３１の外側であって、上述した分離工程においてＢＯＸ層１２を露出させた領域にＩＣ基板２０（図１参照）を実装する。そして、このＩＣ基板２０の電極パッド２１と、発振子３０の各電極パッド３７，４１ａ，４１ｂとをワイヤーボンディングにより接続することで、本実施形態の発振器１０（図１参照）が完成する。
【００４０】
次に、図１〜３に基づいて本実施形態の発振器の作用について説明する。
まず、図示しない外部電源から電気回路を介してＩＣ基板２０に電圧を印加する。すると、ＩＣ基板２０は、電極パッド２１及びワイヤー３８，４３ａを介して振動子３２の電極パッド３７及び電極部３３ａの電極パッド４１ａに電圧を印加する。
【００４１】
電極パッド４１ａと、振動子３２の電極パッド３７との間に電圧を印加すると、その電極部３３ａと振動子３２との間に電圧が印加され、両者の間に静電引力が発生する。そして、振動片３６が、Ｙ方向、つまり振動子３６の両側方にギャップｄを介して配置された一対の電極部３３ａ，３３ｂに接近離間するように振動することとなる。
【００４２】
振動片３６が振動すると、振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの間のギャップが変化し、振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの間の静電容量が変化する。そして、その静電容量の変化を共振周波数として電極パッド４１ｂにより検出する。そして、検出された共振周波数は、検出信号として電極パッド４１ｂからワイヤー４３ｂを介してＩＣ基板２０へと出力されるものである。
【００４３】
ここで、上述したように振動片３６の基端部３５ａ，３５ｂの幅は、振動部３９の幅に比べて狭く形成されているため、振動部３９に比べ相対的に軟らかく形成されている。つまり、基端部３５ａ，３５ｂのバネ定数は振動部３９のバネ定数に比べ、小さく設定されることとなるため、基端部３５ａ，３５ｂは撓みやすくなっている。その結果、電極部３３ａと振動子３２との間に電圧が印加されると、振動片３６のうち基端部３５ａ，３５ｂが積極的に撓むこととなる。そのため、振動片３６のうち振動部３９の側面３９ａ，３９ｂと電極部３３ａ，３３ｂの側面４８ａ，４８ｂとの対向部分が略平行状態を維持しながら振動する（図２中鎖線参照）。これにより、振動部３９の長手方向においては、電極部３３ａ，３３ｂとの間が一様で、かつ狭いギャップ（図２中ｄ’参照）で振動することとなる。したがって、発振子３０として強い静電引力が発生する面積、すなわち振動片３６の有効面積を大きく確保することができる。
【００４４】
このように、本実施形態では、振動片３６が、機械的性質が異なる振動部３９と基端部３５ａ，３５ｂとで一体的に形成されている構成とした。つまり、振動部３９の幅を基端部３５ａ，３５ｂの幅に比べて広く形成することで、振動部３９は基端部３５ａ，３５ｂよりも機械的に強固に形成されることとなる。そのため、振動子アイランド３４ａ，３４ｂに連結される基端部３５ａ，３５ｂのバネ定数を振動部３９のバネ定数に比べて、相対的に低下させることができる。
よって、電極部３３ａ，３３ｂと振動子３２との間に電圧を印加すると、振動部３９より軟らかい基端部３５ａ，３５ｂが積極的に撓むこととなる。したがって、振動片３６をＹ方向に振動させる際に、振動部３９を撓ませずに基端部３５ａ，３５ｂだけを撓ませた状態で振動させることができる。つまり、振動部３９を電極部３３ａ，３３ｂ間で平行移動させることができる。そのため、振動部３９の領域では電極部３３ａ，３３ｂと振動部３９とのギャップが一様で、かつ狭く振動することとなり、振動片３６の有効面積を向上させることができる。したがって、広い領域で強い静電引力を発生させることができ、高感度で高性能な発振子３０を低電圧で駆動させることができるため、省電力化が可能となる。
【００４５】
また、振動片３６の有効面積を向上させることができるため、従来の発振子１００（図１０参照）と同様の静電引力を得るために必要な振動片３６と電極部３３ａ，３３ｂとの対向面積が小さくなる。したがって、発振子３０の小型化が可能になる。
【００４６】
さらに、振動片３６が両持ち状態で支持されているので、振動部３９の両端が基端部３５ａ，３５ｂを介して振動子アイランド３４ａ，３４ｂに支持されることになる。そのため、振動時に電極部３３ａ，３３ｂ間で振動部３９を傾かせることなく、より平行に移動させることができる。したがって、振動片３６の有効面積をさらに向上させることができる。
【００４７】
ところで、発振子３０の共振周波数は、振動子３２の幅及び長さ、ヤング率、密度によって決定される。さらに、上述したように振動部３９を撓ませず、基端部３５ａ，３５ｂのみを撓ませた状態で振動させるため、基端部３５ａ，３５ｂの長さと幅のみを調整することで、発振子３０の共振周波数を設定することができる。
そのため、振動部３９の対向面積（寸法）の設定を、共振周波数の設定とは無関係に設計することができる。つまり、振動部３９の寸法の設定（駆動電圧の設定）を、共振周波数の設定を考慮せずに所望の寸法に設計することができるため、発振子３０の設計の自由度を向上させることができる。
【００４８】
（第２実施形態）
次に、図７に基づいて本発明の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係る発振子の斜視図であり、図８は平面図である。なお、本実施形態は、振動子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し説明は省略する。
【００４９】
図７、８に示すように、本実施形態の振動子５４は、振動片５０の基端部５１ａ，５１ｂが振動片５０の幅方向の両側から互い違いに切り込み形成されたものである。つまり、基端部５１ａ，５１ｂは、振動子アイランド３４ａ，３４ｂから振動部３９へと至るまでの間で蛇行するように形成されており、平面視略バネ形状に形成されている。したがって、基端部５１ａ，５１ｂは、Ｙ方向に弾性変形可能に構成されている。これにより振動部３９は、基端部５１ａ，５１ｂよりも機械的に強固とされている。
【００５０】
したがって、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、基端部５１ａ，５１ｂを弾性変形可能に構成することで、基端部５１ａ，５１ｂのバネ定数をより低くすることができる。これにより、基端部５１ａ，５１ｂが積極的に撓むこととなるため、振動片５０の有効面積をさらに向上させることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
次に、図９に基づいて本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係る発振子の斜視図である。なお、本実施形態においても、振動子の形状について上記第１実施形態と相違しているため、発振器の構成、その他第１実施形態と同様の構成については同一符号を付し説明は省略する。
【００５２】
図９に示すように、本実施形態の振動子６５は、振動片６０の基端部６１ａ，６１ｂと振動部６２とが各々異なる材料で形成されている。具体的には、振動部６２の形成材料は、基端部６１ａ，６１ｂの形成材料に比べて硬い材料で形成されている。基端部６１ａ，６１ｂの形成材料としては、例えば、シリコンや、上述したシリコン等からなるＳＯＩ基板４５（図１参照）等の共通基板で同時形成することが可能である。振動部６２の形成材料としては、メタル材料やタングステン、クロム等が好適に用いられる。振動部６２の形成材料にメタル等を用いる場合、ＳＯＩ基板４５上の振動部６２形成領域にメタルを埋設した後、上述した製造方法により形成する等、種々の製造方法により形成することが可能である。このように、本実施形態の振動子６０は、材料の違いにより振動部６２が基端部６１ａ，６１ｂよりも機械的に強固に形成されている。
【００５３】
したがって、本実施形態によれば、振動片の形成材料を振動部６２と基端部６１ａ，６１ｂとで変化させることで、振動部６２と基端部６１ａ，６１ｂとのバネ定数に変化を与えることができる。第１実施形態と同様の効果を奏することができるとともに、振動片６０の幅を変化させることなく、振動片６０の有効面積を確保することができる。
【００５４】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
【００５５】
例えば、本実施形態においては、一対の振動子アイランドに両持ち状に振動片が支持された振動子について説明したが、１つの振動子アイランドに振動片が基端部を介して片持ち状に支持された振動子としてもよい。
また、第１，２実施形態と第３実施形態を組み合わせるような構成としてもよい。つまり、振動部の形成材料を基端部の形成材料より硬い材料で形成するとともに、基端部の幅を振動部の幅に比べ狭く形成するような構成としても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施形態における発振器の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態における発振子の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ’線に沿う断面図である。
【図４】本発明の実施形態における発振器のメタル層成膜工程を示す工程図である。
【図５】本発明の実施形態における発振器の電極パッド工程を示す工程図である。
【図６】本発明の実施形態における発振器の分離工程を示す工程図である。
【図７】本発明の第２実施形態における発振子の斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態における発振子の平面図である。
【図９】本発明の第３実施形態における発振子の斜視図である。
【図１０】従来の発振子の平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０発振器 ３０発振子 ３２，５４，６５振動子 ３３ａ，３３ｂ電極部 ３４ａ，３４ｂ振動子アイランド（ベース部） ３５ａ，３５ｂ，５１ａ，５１ｂ，６１ａ，６１ｂ基端部 ３６，５０，６０振動片 ３９，６２振動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、
前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、を備え、
前記振動片は、振動部と、前記振動部を前記ベース部に連結する基端部と、で一体的に形成され、前記振動部は前記基端部よりも機械的に強固に形成されていることを特徴とする発振子。
【請求項２】
前記振動部の幅は、前記基端部の幅に比べ広く形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項３】
前記基端部は、少なくとも前記他方向に向かって弾性変形自在に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項４】
前記振動部は、前記基端部に比べて硬い材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項５】
前記振動片は、前記ベース部に両端が支持されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発振子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発振子を有することを特徴とする発振器。
【請求項１】
一方向に延びるように形成され、該一方向に直交する他方向に振動する振動片と、該振動片の一端または両端を支持するベース部とを有する振動子と、
前記振動片に対して所定距離を空けた状態で前記振動片を間に挟むように配置され、電圧が印加された時に静電引力を発生させて前記振動片を振動させる電極部と、を備え、
前記振動片は、振動部と、前記振動部を前記ベース部に連結する基端部と、で一体的に形成され、前記振動部は前記基端部よりも機械的に強固に形成されていることを特徴とする発振子。
【請求項２】
前記振動部の幅は、前記基端部の幅に比べ広く形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項３】
前記基端部は、少なくとも前記他方向に向かって弾性変形自在に形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項４】
前記振動部は、前記基端部に比べて硬い材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の発振子。
【請求項５】
前記振動片は、前記ベース部に両端が支持されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発振子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発振子を有することを特徴とする発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−９４６９０（Ｐ２００９−９４６９０Ａ）
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６１９５６（Ｐ２００７−２６１９５６）
【出願日】平成１９年１０月５日（２００７．１０．５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月３０日（２００９．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月５日（２００７．１０．５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]