JP5168002B2 - 振動子及び発振器 - Google Patents

Description

本発明は、主に集積回路（ＩＣ）のクロック源として用いられる振動子と、この振動子を備える発振器に関する。

特許文献１には、少なくとも２つのアームを有した非圧電材料からなる音叉と、この音叉の少なくとも１つのアームの主面上の中心線より内側及び外側にそれぞれ離間するように設けられた第１、第２の電極と、第１、第２の電極上にそれぞれ設けられた圧電薄膜と、各圧電薄膜上にそれぞれ設けられた第３、第４の電極と、を備え、第３、第４の電極に互いに逆相の交流電圧を印加することにより前記音叉がＸ方向に共振するように構成された薄膜微小機械式共振子、が開示されている。

しかしながら、この共振子では、１本のアーム（腕）に２本の電極が必要となるため、これら電極の幅を狭くするのが難しく、小型化に対応するのが困難になっている。また、片面に成膜し、Ｘ方向のみに変位させていることから、大変位させるべく圧電膜を基材に対して厚く付けると、振動がねじれモードを含んでしまい、スプリアスを発生してしまうおそれがある。

そこで、特許文献２には、２カ所の溝により分離された３個の弾性腕を有する振動子と、少なくとも１個の弾性腕に振動を発生させる駆動手段と、振動子が回転したときに弾性腕に生じる前記振動方向と交叉する方向への振動成分を検出する検出手段とが設けられている振動型ジャイロスコープが提案されている。この３脚型の音叉構造によれば、３脚構造とすることで、上下振動を用いる振動モードでもＱ値が高められている。また、上下振動を用いることにより、小型化への対応も容易になっている。
特開２００３−２２７７１９号公報 特開平７−８３６７１号公報

ところで、前記特許文献２の音叉構造のように上下振動させるタイプの音叉型振動子では、小型化や高精度化に伴い、より良好な振動モードが得られることが強く望まれている。さらに、この音叉型振動子では、恒弾性金属と圧電材の持つ温度特性により、良好な温度特性を得ることが難しく、温度変化による周波数の変動を抑制することが困難であることから、その改善が望まれている。
また、前記特許文献１の共振子でも、非圧電材料や圧電薄膜の有する温度特性に起因して、温度変化による周波数の変動を抑制することが困難であり、その改善が望まれている。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、より良好な振動モードが得られ、さらには、温度変化による特性変動の少ない振動子を提供することを目的としている。

本発明の音叉型振動子は、３以上の奇数本の弾性腕と、前記弾性腕のそれぞれの一端側に連結する基部とを有し、前記弾性腕を、隣り合う弾性腕どうしが互い違いになるようにして該弾性腕の表裏方向に振動させる、音叉型振動子であって、
前記弾性腕は、基材と、該基材の一方の面側に設けられた、下部電極膜と圧電膜と上部電極膜とからなる圧電素子と、を含み、
前記基部から延出する前記弾性腕の、前記基材の長さをＡとし、前記圧電膜の、前記基材上での前記基部からの長さをＢとし、前記下部電極膜と前記上部電極膜とが対向することで形成される電界領域の、前記基材上での前記基部からの長さをＣとすると、以下の式（１）、式（２）
（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａ …式（１）
（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａ …式（２）
を共に満足することを特徴としている。
また、他の態様では、本発明の振動子は、３以上の奇数本の弾性腕と、前記弾性腕のそれぞれの一端を連結する基部と、を有し、前記弾性腕は、隣り合う前記弾性腕同士が互い違いに前記弾性腕の表裏方向に振動する、振動子であって、前記弾性腕は、前記弾性腕の主面に、下部電極膜および上部電極膜の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられ、前記弾性腕の前記一端から他端までの長さをＡとし、前記弾性腕上の前記圧電膜の長さをＢとし、前記弾性腕上の前記下部電極膜と前記上部電極膜とが平面視で重複する部分の長さをＣとすると、以下の式（１）、式（２）
（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａ …式（１）
（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａ …式（２）
を共に満足することを特徴とする。
また、他の態様では、前記弾性腕は、シリコン酸化膜を含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記基部の主面と前記弾性腕の主面とが同一平面にあり、且つ、前記基部の主面側はシリコン酸化膜を含み、前記基部の主面と反対の面側はシリコンを含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記弾性腕の厚みよりも厚いことを特徴とする。
また、他の態様では、前記基部は、前記弾性腕に向かって傾斜する傾斜面を含み、前記基部の主面と該傾斜面との傾斜角が、７５°以上９０°未満になっていることを特徴とする。
また、他の態様では、前記圧電膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛、ＬｉＮｂＯ _３ およびＫＮｂＯ _３ の少なくとも１つを含むことを特徴とする。
また、他の態様では、前記圧電膜と前記上部電極膜との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする。

弾性腕は、基部に連結する根本側だけでなく、その先端側も表裏方向に振動駆動すると、例えば弾性腕にうねりなどが生じて設定された本来の振動モードとは別の振動モードが生じることがある。
そこで、本発明の音叉型振動子によれば、特に前記式（２）を満足させることにより、弾性腕を、基部に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側は根本側の振動に追従させるだけにしたので、弾性腕にうねりなどが生じることが防止される。したがって、設定された本来の振動モードのみが起こるようになり、これによってより良好な振動モードが得られようになる。
また、前記式（１）を満足させることにより、圧電膜によって弾性腕に十分な強度が付与されるとともに、基本的に基部に連結する根本側が直接的に振動するようになり、したがって、より良好な振動モードが得られようになる。

また、前記基材はシリコン酸化膜からなっているのが好ましい。
このようにすれば、各弾性腕がシリコン酸化膜からなる基材と圧電素子とを含んでなることにより、シリコン酸化膜によって圧電素子中の圧電膜等の温度特性が補正され、これによって温度変化による特性変動の少ない振動子となる。また、シリコン酸化膜は膜形成性に優れ、特に良好な厚さ精度が得られるので、この音叉型振動子は加工性も良好なものとなる。

また、この音叉型振動子においては、前記基材は前記基部に接して設けられており、前記基部は少なくとも一部がシリコンからなっているのが好ましい。
このようにすれば、シリコン酸化膜からなる基材と、シリコンからなる基部との接合性が良好になり、基部と基材との間に良好な接合強度が得られる。

また、この音叉型振動子においては、前記基材がシリコンの熱酸化膜からなっているのが好ましい。
このようにすれば、シリコンからなる基部の一部を熱酸化してシリコン酸化膜を形成し、その後エッチング等によってシリコン酸化膜を基材に加工することで、少なくとも一部がシリコンからなる基部と、シリコンの熱酸化膜からなる基材とを容易に形成することができる。

また、この音叉型振動子においては、前記基部はシリコンとシリコン酸化物とからなり、該基部の前記シリコン酸化物に連続して、前記基材が設けられているのが好ましい。
このようにすれば、前記したようにシリコンからなる基部の一部を熱酸化してシリコン酸化膜を形成し、その後エッチング等によってシリコン酸化膜を基材に加工する際、熱酸化膜（シリコン酸化膜）の一部を基部側に残すことで、基部と基材との間の接合強度をより高めることができるとともに、基材の形成もより容易になる。

また、前記音叉型振動子においては、前記基部は、前記弾性腕に連結する側の端面が、前記基材に対して傾斜する傾斜面となっており、該傾斜面の傾斜角が、７５°以上９０°未満になっているのが好ましい。
このように基部に傾斜面を形成すれば、弾性腕を振動させた際に基部からの振動もれが抑えられ、また応力分散が起こることなどにより、Ｑ値が上がることが期待できる。

また、前記音叉型振動子においては、前記基材が水晶からなっていてもよい。
このようにすれば、水晶によって圧電素子中の圧電膜等の温度特性が補正され、これによって温度変化による周波数の変動の少ない振動子となる。
ここで、基材を水晶で形成する場合、水晶としてＸカット板を用いるのが好ましい。Ｘカット板を用いることにより、小型化に伴う温度特性の低下を抑制し、温度特性を良好にする効果をさらに高めることができる。また、弾性腕や基部のエッチングによる形状加工が容易になる。なお、水晶としてはＡＴカット板やＺカット板を用いることもできる。

また、前記音叉型振動子においては、前記圧電膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ（Ｐｂ[Ｚｒ，Ｔｉ]Ｏ_３）、ＬｉＮｂＯ_３又はＫＮｂＯ_３から選択された、一種又は複数種からなるのが好ましい。
これらの材料は、音叉型振動子の圧電素子に用いられる圧電膜として、所望の特性を満たすものとなる。なお、前記材料の中では、特にＺｎＯ、ＡｌＮがより良好な特性を有し、好ましい。

また、前記音叉型振動子においては、前記圧電膜と前記上部電極膜との間に絶縁膜が設けられているのが好ましい。
このようにすれば、圧電膜がより薄膜化されて圧電膜の一部に貫通孔が生じてしまった場合等においても、下部電極膜と上部電極膜との間をより確実に絶縁することができる。

本発明の発振器は、前記の振動子（音叉型振動子）と、前記振動子に接続されたインバータと、を含むことを特徴としている。
この発振器によれば、より良好な振動モードが得られる振動子（音叉型振動子）を含んでなるので、発振器自体の性能向上が図られたものとなる。

以下、図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
図１〜図３は、本発明の音叉型振動子の第１実施形態を示す図であり、図１は音叉型振動子の平面図、図２は音叉型振動子の側断面図、図３は図１のＥ−Ｅ線矢視断面図である。

これらの図において符号１は音叉型振動子である。この音叉型振動子１は、３本の弾性腕１１、１２、１３と、これら弾性腕１１、１２、１３のそれぞれの一端側に連結する基部１４とを有したもので、弾性腕１１、１２、１３が、隣り合う弾性腕１１、１２および弾性腕１２、１３どうしが互い違いになるようにして、該弾性腕１１、１２、１３の表裏方向（上下方向）に振動する、ウォーク型の音叉型振動子である。

弾性腕１１、１２、１３は、いずれも細長い矩形薄膜状のもので、図１中のＺ方向に向く側の面を表面１１ａ、１２ａ、１３ａとしている。これら弾性腕１１、１２、１３は、その長手方向（図１中のＹ方向）と直交（交差）する方向（図１中のＸ方向）に沿って配列されており、図２に示すように前記表面１１ａ（１２ａ、１３ａ）と反対側の裏面１１ｂ（１２ｂ、１３ｂ）側にて、基部１４に一体に接続している。

基部１４は、３本の弾性腕１１、１２、１３のそれぞれの一端側に設けられたもので、本実施形態ではシリコン部分１４ａと酸化膜部分１４ｂとからなっている。すなわち、底面側の大部分がシリコン部分１４ａになっており、このシリコン部分１４ａの上層部分がＳｉＯ_２からなる酸化膜部分１４ｂになっている。また、酸化膜部分１４ｂは、その上層部分が後述する基材１８と同じ層になっており、したがってこの基材１８は酸化膜部分１４ｂに連続（接続）したものとなっている。

弾性腕１１、１２、１３は、シリコン酸化膜からなる基材１８と、該基材１８の一方の面側に設けられた圧電素子１５、１６、１７と、を含んで構成されている。
基材１８は、本実施形態では温度補正膜としても機能するもので、シリコンの熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなるものであり、前記したように基部１４の酸化膜部分１４ｂにおける上層部分と同じ層で構成されている。

この基材１８は、弾性腕１１、１２、１３の裏面１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ側を構成するものとなっており、したがって前記基部１４に接して形成されたものとなっている。また、この基材１８は、後述するように基部１４を形成するためのシリコンの熱酸化膜によって形成されており、圧電素子１５（１６、１７）の圧電膜の厚さに対応してその厚さが決定され、本実施形態では１．５μｍ以上２．５μｍ以下程度の厚さに形成されている。ここで、本実施形態では、この基材１８の長さ、すなわち、図２に示すように前記基部１４から延出する基材１８の長さをＡとしている。

圧電素子１５（１６、１７）は、基材１８及び基部１４の一方の面側、すなわち基部１４のシリコン部分１４ａと反対の側に設けられたもので、基材１８側から順に下部電極膜１５ａ（１６ａ、１７ａ）、圧電膜１５ｂ（１６ｂ、１７ｂ）、上部電極膜１５ｃ（１６ｃ、１７ｃ）が積層され、形成されたものである。なお、本実施形態においては、図１では図示を省略したが、図２、図３に示すように前記圧電膜１５ｂ（１６ｂ、１７ｂ）と前記上部電極膜１５ｃ（１６ｃ、１７ｃ）との間には、絶縁膜１５ｄ（１６ｄ、１７ｄ）が設けられている。

下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａ、および上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃは、例えばクロム膜、金膜などの導電体膜からなるもので、厚さ数ｎｍ程度に形成されたものである。また、本実施形態では、図１、図２に示すように、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａは前記基材１８より僅かに短い長さで形成されているものの、上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃは、前記基材１８より十分に短い長さで形成されている。したがって、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａと上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃとが対向することで形成される電界領域は、基材１８の長さに比べて十分に短くなっている。すなわち、前記電界領域の、前記基材１８上での前記基部からの長さをＣとすると、本実施形態では、前記基材１８の長さであるＡに対して（１／３）、つまり、Ｃ＝（１／３）Ａとなっている。

ここで、本発明においては、この電界領域の長さＣの適正な範囲は、以下の式（２）で示される範囲とされる。
（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａ …式（２）
このような範囲としたのは、電界領域の長さＣが基材１８の長さ（弾性腕の長さ）Ａの（１／４）より短くなると、振動の駆動効率が低下してしまい、十分な振動モードが得られなくなるおそれがあるからである。また、（１／２）より長くなると、弾性腕の先端側まで表裏方向に振動駆動するようになり、設定された本来の振動モードとは別の振動モードが生じるおそれがあるからである。なお、このような範囲においては、特に本実施形態の長さであるＣ＝（１／３）Ａとするのが好ましい。

これら電極膜のうち、図１に示すように外側に位置する２つの弾性腕１１、１３に設けられた各下部電極膜１５ａ、１７ａと、内側に位置する１つの弾性腕１２に設けられた上部電極膜１６ｃとは、後述するように相互に電気的に接続されている。また、外側に位置する２つの弾性腕１１、１３に設けられた各上部電極膜１５ｃ、１７ｃと、内側に位置する１つの弾性腕１２に設けられた下部電極膜１６ａとも、後述するように相互に電気的に接続されている。

圧電膜１５ｂ（１６ｂ、１７ｂ）は、例えばＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ（Ｐｂ[Ｚｒ，Ｔｉ]Ｏ_３）、ＬｉＮｂＯ_３又はＫＮｂＯ_３から選択された、一種又は複数種の圧電材料からなるもので、本実施形態では、図３に示すように下部電極膜１５ａ（１６ａ、１７ａ）の全体を覆って形成されている。前記圧電材料は、本発明の音叉型振動子の圧電素子に用いられる圧電膜として所望の特性を満たすものとなるので、好適に用いられるが、これら圧電材料の中では、特にＺｎＯ、ＡｌＮがより良好な温度特性を有し、好ましい。

すなわち、薄膜の温度特性に関しては成膜条件によっても特性が変わるが、ＺｎＯの温度特性は約＋６０ｐｐｍ／℃であり、ＡｌＮの温度特性は約＋２５ｐｐｍ／℃である。一方、前記の温度補正膜として機能するシリコン酸化膜（基材１８）は、−２９ｐｐｍ／℃〜−４０ｐｐｍ／℃である。したがって、このように負の温度特性を有するシリコン酸化膜（基材１８）により、正の温度特性を有する圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの温度特性を補正し、これによって音叉振動子１の温度変化による周波数の変動をより少なくすることができる。

これら圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの厚さについては、その温度特性がシリコン酸化膜（基材１８）によって補正されることから、前記したようにこの基材１８の厚さに対応して決定され、形成されている。具体的には、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂをＺｎＯで形成した場合、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる基材１８との膜厚比については、以下の範囲とするのが好ましく、また、ＡｌＮで形成した場合、以下の範囲とするのが好ましい。
・圧電膜（ＺｎＯ）／基材（ＳｉＯ_２）；０．４８〜０．６７
・圧電膜（ＡｌＮ）／基材（ＳｉＯ_２）；１．１６〜１．６
ただし、実際には電極膜なども考慮する必要があるため、以下に示す範囲の膜厚比で圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ、及び基材１８を形成するのが望ましい。
・圧電膜（ＺｎＯ）／基材（ＳｉＯ_２）；０．４〜１
・圧電膜（ＡｌＮ）／基材（ＳｉＯ_２）；０．７〜１．６

また、これら圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの長さ、つまり弾性腕１１、１２、１３上での長さは、本実施形態では基材１８の長さより僅かに短い長さで形成されている。ここで、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの、前記基材１８上での前記基部１４からの長さをＢとすると、本発明においては、この圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの長さＢの適正な範囲は、前記基材１８の長さであるＡに対して、以下の式（１）で示される範囲とされる。
（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａ …式（１）
このような範囲としたのは、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂによって弾性腕１１、１２、１３に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部１４に連結する根本側が直接的に振動するようにし、これによってより良好な振動モードを得るためである。

絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄは、圧電膜１５ｂ（１６ｂ、１７ｂ）の全体を覆って設けられたもので、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）からなっている。これら絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄは、圧電膜１５ｂ（１６ｄ、１７ｄ）を保護するとともに、下部電極膜１５ａ（１６ａ、１７ａ）と上部電極膜１５ｃ（１６ｃ、１７ｃ）との短絡を防止する機能を有している。これら絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄの膜厚については、短絡防止の観点から５０ｎｍ以上であるのが好ましく、また、圧電体素子１５の特性低下を抑制する観点から５００ｎｍ以下であるのが好ましい。なお、本発明では、これら絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄを省略することもできる。

このような構成の圧電素子１５、１６、１７における、各電極膜の接続構造を説明すると、上部電極膜１５ｃと上部電極膜１７ｃとは、図１に示すように接続部２１ｃを介して相互に電気的に接続されている。本実施形態では、これらの上部電極膜１５ｃ、１７ｃと接続部２１ｃとは、一体に形成されている。また、下部電極膜１６ａは、接続部２２ａおよびプラグ（接続片）２３を介して接続部２１ｃと電気的に接続されている。このような構成のもとに、上部電極膜１５ｃ、１７ｃと下部電極膜１６ａとは、電気的に接続されたものとなっている。また、接続部２１ｃには電極パッド２４が電気的に接続されており、この電極パッド２４を通じて、上部電極膜１５ｃ、１７ｃおよび下部電極膜１６ａに対し、電気信号を供給することができるようになっている。

一方、下部電極膜１５ａと下部電極膜１７ａとは、接続部２１ａを介して相互に電気的に接続されている。本実施形態では、これらの下部電極膜１５ａ、１７ａと接続部２１ａとは、一体に形成されている。また、上部電極膜１６ｃは、プラグ（接続片）２５を介して接続部２１ａと電気的に接続されている。このような構成のもとに、下部電極膜１５ａ、１７ａと上部電極膜１６ｃとは、電気的に接続されたものとなっている。また、接続部２１ａには、電極パッド２６が電気的に接続されており、この電極パッド２６を通じて、下部電極膜１５ａ、１７ａおよび上部電極膜１６ｃに対し、電気信号を供給することができるようになっている。なお、前記の接続部２１ｃや接続部２２ａ、電極パッド２４、電極パッド２５などについては、図２では図示を省略している。

基部１４は、図２を参照して前述したように、底面側の大部分となるシリコン部分１４ａと、このシリコン部分１４ａの上層部分に形成された酸化膜部分１４ｂとからなるものである。酸化膜部分１４ｂは、その上層部分が基材１８と同じ層になっており、したがって酸化膜部分１４ｂと基材１８とは連続（接続）した同一層となっている。なお、この基部１４については、全部がシリコンからなっていてもよく、さらには、シリコン以外の絶縁体、半導電体、導電体のいずれからなっていてもよい。

また、この基部１４は、厚さが１００μｍ〜１８０μｍ程度に形成された略直方体状の部位１４ｄと、前記基材１８と同じ層からなる基材層１４ｅとからなっている。そして、部位１４ｄにおける、前記弾性腕１１、１２、１３に連結する側の端面１４ｃが、前記基材１８および基材層１４ｅに対して傾斜する傾斜面（テーパ面）になっている。この傾斜面（端面１４ｃ）は、その傾斜角θが、７５°以上９０°未満になっている。このような構成によって基部１４における部位１４ｄは、弾性腕１１、１２、１３を振動させた際に基部１４からの振動もれを抑え、また、応力分散を起こさせるようになっている。よって、本実施形態の音叉型振動子１では、Ｑ値が上がることが期待できる。

このような音叉型振動子１を製造するには、まず、図４（ａ）に示すようにシリコン基板（シリコンウエハ）３０を用意する。そして、熱酸化法によってその表面を熱酸化し、図４（ｂ）に示すように熱酸化膜（シリコン酸化膜）３１を形成する。
続いて、前記熱酸化膜３１上に下部電極層（図示せず）を形成し、さらにこれをエッチングによってパターニングすることにより、図２、図３にしたように下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａを形成する。その際、弾性腕１１、１２、１３を形成する前記基材１８上では、図２に示したように、該基材１８より僅かに短い長さで下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａを形成する。

次に、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａを覆って圧電層（図示せず）を形成し、さらにこれをエッチングによってパターニングすることにより、図２、図３にしたように下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａを覆った状態に圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを形成する。その際、これら圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂについても、前記基材１８上では、図２に示したように、前記基材１８より僅かに短い長さで圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを形成する。

次いで、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを覆って絶縁層（図示せず）を形成し、さらにこれをエッチングによってパターニングすることにより、図２、図３にしたように圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂを覆った状態に絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄを形成する。

次いで、絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄを覆って上部電極層（図示せず）を形成し、さらにこれをエッチングによってパターニングすることにより、図２、図３にしたように絶縁膜１５ｄ、１６ｄ、１７ｄ上に上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃを形成する。その際、前記基材１８上では、図２に示したように該基材１８より十分に短い長さ、本実施形態では該基材１８の長さであるＡに対して（１／３）、つまり、（１／３）Ａの長さで上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃを形成する。このような長さで上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃを形成することにより、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａと上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃとが対向することで形成される電界領域の、前記基材１８上での前記基部１４からの長さＣは、上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃの基材１８上での長さである、（１／３）Ａとなる。

これにより、図４（ｃ）に示すように熱酸化膜３１上に圧電素子１５、１６、１７を形成する。
なお、前記の下部電極層のパターニングや上部電極層のパターニングなどの際に、図１に示した接続部２１ｃや接続部２２ａ、電極パッド２４、電極パッド２５なども形成しておく。

次いで、前記シリコン基板３０とその熱酸化膜３１の一部をドライエッチングによってパターニングし、図４（ｄ）に示すようにシリコン部分１４ａと酸化膜部分１４ｂとからなる基部１４を形成する。このとき、エッチング条件を適宜に設定することにより、基部１４における前記部位１４ｄの一方の端面１４ｃを傾斜面（テーパ面）に形成する。
その後、前記熱酸化膜３１の残った部分をドライエッチングによってパターニングすることにより、基材１８を形成し、弾性腕１１、１２、１３を形成する。
これにより、図１〜図３に示した音叉型振動子１が得られる。

このようにして得られた本実施形態の音叉型振動子１は、前記の電極パッド２４および電極パッド２６に電気信号を供給することにより、弾性腕１１、１３と弾性腕１２とを互い違いに上下振動、すなわちその表裏方向に振動させることができる。具体的には、各上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃと下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａとの間に電圧を印加した際に、外側の各圧電体素子１５、１７にかかる電界の方向と内側の圧電体素子１６にかかる電界の方向とが逆向きになる。したがって、音叉型振動子１の斜視図である図５において矢印で示すように、弾性腕１１、１３の振動方向と弾性腕１２の振動方向とが逆向きになり、電界印加により弾性腕１１、１３と弾性腕１２とが互い違いに上下運動を行う。

このような音叉型振動子１によれば、３脚（３本）構造としたことにより、上下振動（図５中のＺ方向に沿った表裏方向の振動）を用いる振動モードにおいてＱ値を高めることができる。
また、Ｃ＝（１／３）Ａとしたことで、（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａとする式（２）を満足させているので、弾性腕１１、１２、１３を、基部１４に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側については根本側の振動に追従させることができる。したがって、弾性腕１１、１２、１３にうねりなどが生じるのを防止し、設定された本来の振動モードのみを生じさせることができ、これによってより良好な振動モードを得ることができる。
さらに、（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａとする式（１）を満足させているので、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂによって弾性腕１１、１２、１３に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部１４に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。

また、各弾性腕１１、１２、１３が、負の温度特性を有するシリコン酸化膜からなる基材１８を有しているので、圧電素子１５、１６、１７中の正の温度特性を有する圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの温度特性を補正することができる。したがって、この音叉型振動子１は温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。
さらに、シリコン酸化膜は膜形成性に優れ、特に良好な厚さ精度が得られるので、このシリコン酸化膜によって基材１８を形成することにより、音叉型振動子は加工性にも優れたものとなる。特に、シリコン基板の一部を熱酸化し、さらにこれらシリコンやシリコン酸化膜をパターニングすることで基部１４や基材１８を形成することにより、これら基部１４や基材１８の形成を容易にすることができるとともに、基部１４と基材１８との間の接合強度を十分に高めることができる。

図６、図７は本発明の音叉型振動子の第２実施形態を示す図であり、図６は音叉型振動子の平面図、図７は音叉型振動子の側断面図である。図６、図７に示した音叉型振動子４０が図１、図２に示した前記実施形態と異なるところは、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａと上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃとのうち、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａの方を前記基材１８より十分に短い長さで形成するのに代えて、上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃの方を十分に短い長さに形成した点である。

すなわち、本実施形態では、上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃを前記基材１８より僅かに短い長さで形成しているものの、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａについては、前記基材１８より十分に短い長さに形成している。具体的には、基材１８の長さをＡとし、該基材１８上での前記基部１４からの下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａの長さをＣとすると、このＣの長さを、Ａの（１／３）、つまり（１／３）Ａの長さにしている。

したがって、下部電極膜１５ａ、１６ａ、１７ａと上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃとが対向することで形成される電界領域は、該電界領域の、前記基材１８上での前記基部１４からの長さをＣとすると、前記第１実施形態と同様に本第２実施形態においても、前記基材１８の長さであるＡに対して（１／３）、つまり、Ｃ＝（１／３）Ａとなる。
なお、音叉型振動子４０の各要素の構成材料、形状、膜厚等の好適な例については、前記第１実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。

このような音叉型振動子４０にあっても、特にＣ＝（１／３）Ａとしたことで、（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａとする式（２）を満足させているので、弾性腕１１、１２、１３を、基部１４に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側については根本側の振動に追従させることができる。よって、弾性腕１１、１２、１３にうねりなどが生じるのを防止し、設定された本来の振動モードのみを生じさせることができ、これによってより良好な振動モードを得ることができる。
さらに、（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａとする式（１）を満足させているので、圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂによって弾性腕１１、１２、１３に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部１４に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。
また、各弾性腕１１、１２、１３が、負の温度特性を有するシリコン酸化膜からなる基材１８を有しているので、圧電素子１５、１６、１７中の正の温度特性を有する圧電膜１５ｂ、１６ｂ、１７ｂの温度特性を補正することができる。したがって、この音叉型振動子１は温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。

図８、図９は音叉型振動子の第３実施形態を示す図であり、図８は音叉型振動子の平面図、図９は、図８のＦ−Ｆ線矢視線断面図である。図８、図９に示した音叉型振動子１００が図１に示した前記実施形態と異なるところは、弾性腕が３本でなく、５本備えた点である。すなわち、この音叉型振動子１００は、５本の弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、これら弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５のそれぞれの一端側に連結する基部１２１とを有したもので、弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５が、隣り合う弾性腕どうしが互い違いになるようにして、該弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５の表裏方向（上下方向）に振動する、ウォーク型の音叉型振動子である。

弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、いずれも細長い矩形薄膜状のもので、その長手方向（図８中のＹ方向）と直交（交差）する方向（図８中のＸ方向）に沿って配列されており、図８に示すように基部１２１に一体に接続している。
これら弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５は、前記音叉型振動子１の弾性腕１１、１２、１３と同様に、シリコン酸化膜からなる基材１３５と、該基材１３５の一方の面側に設けられた圧電素子１１６、１１７、１１８、１１９、１２０と、を含んで構成されている。

基材１３５は、前記基材１８と同様に、温度補正膜としても機能するもので、シリコンの熱酸化膜（シリコン酸化膜）からなっている。
圧電素子１１６、１１７、１１８、１１９、１２０は、図９に示すように基材１３５の一方の面側、すなわち基部１２１と反対の側に設けられたもので、基材１３５側から順に下部電極膜１１６ａ、１１７ａ、１１８ａ、１１９ａ、１２０ａ、圧電膜１１６ｂ、１１７ｂ、１１８ｂ、１１９ｂ、１２０ｂ、上部電極膜１１６ｃ、１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃ、が積層され、形成されたものである。なお、本実施形態では、絶縁膜について省略しているが、前記圧電膜１１６ｂ（１１７ｂ、１１８ｂ、１１９ｂ、１２０ｂ）と前記上部電極膜１１６ｃ（１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃ）との間に、前記実施形態と同様にして絶縁膜を設けてもよい。

また、圧電素子１１６、１１７、１１８、１１９、１２０における、上部電極膜１１６ｃ、１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃは、前記第１実施形態における上部電極膜１５ｃ、１６ｃ、１７ｃと同様に、基材１３５の長さをＡとし、該基材１３５上での前記基部１２１からの上部電極膜１１６ｃ、１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃの長さをＣとすると、このＣの長さは、Ａの（１／３）、つまり（１／３）Ａの長さになっている。

したがって、下部電極膜１１６ａ、１１７ａ、１１８ａ、１１９ａ、１２０ａと上部電極膜１１６ｃ、１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃとが対向することで形成される電界領域は、該電界領域の、前記基材１３５上での前記基部１２１からの長さをＣとすると、前記第１実施形態と同様に、本第３実施形態においても、前記基材１３５の長さであるＡに対して（１／３）、つまり、Ｃ＝（１／３）Ａとなる。
なお、音叉型振動子１００の各要素の構成材料、形状、膜厚等の好適な例については、前記実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。

このような音叉型振動子１００にあっても、特にＣ＝（１／３）Ａとしたことで、（１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａとする式（２）を満足させているので、弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５を、基部１２１に連結する根本側のみに電界を与えて振動駆動させ、先端側については根本側の振動に追従させることができる。よって、弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５にうねりなどが生じるのを防止し、設定された本来の振動モードのみを生じさせることができ、これによってより良好な振動モードを得ることができる。
さらに、（３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａとする式（１）を満足させているので、圧電膜１１６ｂ、１１７ｂ、１１８ｂ、１１９ｂ、１２０ｂによって弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５に十分な強度を付与するとともに、基本的に基部１２１に連結する根本側を直接的に振動させるようになり、したがって、より良好な振動モードを得ることができる。

また、弾性腕を５脚（５本）構造としたことにより、上下振動（表裏方向の振動）を用いる振動モードにおいてＱ値を高めることができる。
また、各弾性腕１１１、１１２、１１３、１１４、１１５が、負の温度特性を有するシリコン酸化膜からなる基材１３５を有しているので、圧電素子１１６、１１７、１１８、１１９、１２０中の正の温度特性を有する圧電膜１１６ｂ、１１７ｂ、１１８ｂ、１１９ｂ、１２０ｂの温度特性を補正することができる。したがって、この音叉型振動子１００も温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。

なお、本実施形態の弾性腕を５本備えた構造においても、前記第２実施形態の場合と同様に、下部電極膜１１６ａ、１１７ａ、１１８ａ、１１９ａ、１２０ａの長さを、例えば基材１３５の長さＡの（１／３）にし、前記式（２）を満足させるように構成してもよい。

次に、本発明の発振器について説明する。本発明の発振器は、図１０に示すように、前記音叉型振動子１（又は音叉型振動子４０、１００）を含んで構成されたものである。
すなわち、この発振器は、音叉型振動子１と、この音叉型振動子１と並列に接続されたインバータ２と、を含んで構成されている。インバータ２の一方端が前記電極パッド２４に接続され、他方端が前記電極パッド２６に接続されている。また、図示のように、音叉型振動子１とインバータ２との一方の接続点と接地端との間に接続された容量素子（コンデンサ）３と、音叉型振動子１とインバータ２との他方の接続点と接地端との間に接続された容量素子（コンデンサ）４と、をさらに備えて構成されている。

このような発振器にあっては、前述したようにより良好な振動モードが得られ、さらに温度変化による周波数の変動の少ない音叉型振動子１を含んでなるので、発振器自体の性能が向上し、さらに温度変化による周波数の変動が少ない優れたものとなる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、前記実施形態では、奇数個の弾性腕として３本あるいは５本の例を示したが、弾性腕の本数については、さらに多くの奇数個（７本、９本…）を有するように構成するようにしてもよい。
また、前記実施形態では基材をシリコンの熱酸化で形成したが、例えばＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜で基材を形成してもよい。

さらに、前記実施形態では基材をシリコン酸化膜で形成したが、例えば基材や基部を水晶で形成してもよい。その場合にも、水晶によって圧電素子中の圧電膜等の温度特性を補正し、これによって温度変化による特性変動の少ない振動子を形成することができる。なお、基材を水晶で形成する場合、水晶としてＸカット板を用いるのが好ましい。Ｘカット板を用いることにより、小型化に伴う温度特性の低下を抑制し、温度特性を良好にする効果をさらに高めることができる。また、弾性腕や基部のエッチングによる形状加工が容易になる。ただし、水晶としてはＡＴカット板やＺカット板を用いることもできる。

本発明の音叉型振動子の第１実施形態を示す平面図である。 図１に示した音叉型振動子の側断面図である。 図１のＥ−Ｅ線矢視断面図である。 図１に示した音叉型振動子の製造方法を説明するための側面図である。 図１に示した音叉型振動子の概略構成を示す斜視図である。 本発明の音叉型振動子の第２実施形態を示す平面図である。 図６に示した音叉型振動子の側断面図である。 本発明の音叉型振動子の他の実施形態を示す平面図である。 図８のＦ−Ｆ線矢視断面図である。 発振器の構成例を示す回路図である。

符号の説明

１、４０、１００…音叉型振動子、２…インバータ、３、４…容量素子、１１、１２、１３…弾性腕、１１ａ、１２ａ、１３ａ…表面、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ…裏面、１４…基部、１５、１６、１７…圧電素子、１５ａ、１６ａ、１７ａ…下部電極膜、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ…圧電膜、１５ｃ、１６ｃ、１７ｃ…上部電極膜、１５ｄ、１６ｄ、１７ｄ…絶縁膜、１８…基材、２１ａ、２１ｃ、２２ａ…接続部、２４、２６…電極パッド、１１１、１１２、１１３、１１４、１１５…弾性腕、１１６、１１７、１１８、１１９、１２０…圧電素子、１１６ａ、１１７ａ、１１８ａ、１１９ａ、１２０ａ…下部電極膜、１１６ｂ、１１７ｂ、１１８ｂ、１１９ｂ、１２０ｂ…圧電膜、１１６ｃ、１１７ｃ、１１８ｃ、１１９ｃ、１２０ｃ…上部電極膜、１２１…基部、１３５…基材

Claims (8)

1. ３以上の奇数本の弾性腕と、前記弾性腕のそれぞれの一端を連結する基部と、を有し、前記弾性腕は、隣り合う前記弾性腕同士が互い違いに前記弾性腕の表裏方向に振動する、振動子であって、
   前記弾性腕は、前記弾性腕の主面に、下部電極膜および上部電極膜の間に圧電膜を配置した圧電素子が設けられ、
   前記弾性腕の前記一端から他端までの長さをＡとし、前記弾性腕上の前記圧電膜の長さをＢとし、前記弾性腕上の前記下部電極膜と前記上部電極膜とが平面視で重複する部分の長さをＣとすると、以下の式（１）、式（２）
   （３／４）Ａ≦Ｂ≦Ａ …式（１）
   （１／４）Ａ≦Ｃ≦（１／２）Ａ …式（２）
   を共に満足することを特徴とする振動子。
2. 前記弾性腕は、シリコン酸化膜を含むことを特徴とする請求項１記載の振動子。
3. 前記基部は、前記基部の主面と前記弾性腕の主面とが同一平面にあり、
   且つ、前記基部の主面側はシリコン酸化膜を含み、前記基部の主面と反対の面側はシリコンを含むことを特徴とする請求項２記載の振動子。
4. 前記基部は、前記弾性腕の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動子。
5. 前記基部は、前記弾性腕に向かって傾斜する傾斜面を含み、前記基部の主面と該傾斜面との傾斜角が、７５°以上９０°未満になっていることを特徴とする請求項４に記載の振動子。
6. 前記圧電膜が、ＺｎＯ、ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛、ＬｉＮｂＯ _３ およびＫＮｂＯ _３ の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動子。
7. 前記圧電膜と前記上部電極膜との間に絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動子と、
   前記振動子に接続されたインバータと、を含むことを特徴とする発振器。

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