JP2015002549A - 振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】振動漏れを効果的に低減することができる振動素子、この振動素子を備える振動子、発振器、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】振動素子１は、基部１２と、基部１２の先端側において、基部１２から＋Ｙ軸方向へ突出し、且つ、Ｘ軸方向に並んで設けられた一対の振動腕２０、２２と、基部１２の基端側において、基部１２から反対方向に突出する一対の支持腕３２、３４とを備える振動基板１Ｓを有している。基部１２は、平面視で、中心線Ｙ１に沿って、基部１２の基端から離れるに従って、かつ、基部１２の先端に至るまで、幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）が連続的に小さくなっている縮幅部１６を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体に関するものである。

従来から、水晶を用いた振動素子が知られている。このような振動素子は、周波数温度特性が優れていることより、種々の電子機器の基準周波数源や発信源などとして広く用いられている。
振動素子は、音叉型をなしており、基部と、基部から延出する一対の振動腕とを有している。このような振動素子では、振動腕が屈曲振動すると、基部が捻じれるように変形し、振動素子を固定している部材（接着剤や金属バンプ等）を介して外部に振動が漏れる振動漏れが生じる。

振動腕の小型化を図る観点から、特許文献１のように、各振動腕の先端部に幅広のハンマーヘッドが設けることがあるが、ハンマーヘッドを設けると、振動腕同士の間の距離を大きくせざるを得なくなる。ところが、振動腕同士の間の距離を大きくすると、基部の変形が増大することで振動漏れが大きくなるという問題がある。特に、ハンマーヘッドのサイズを大きくしていくと、かかる問題がより顕著となる。

特開２００９−１４７７６５号公報

本発明の目的は、振動漏れを効果的に低減することができる振動素子、この振動素子を備える振動子、発振器、電子機器および移動体を提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明の振動素子は、
一端と、前記一端と反対側の他端とを備える基部と、
前記基部と一体に設けられ、前記基部の前記一端側において、前記基部から第１の方向に沿って延出し、前記第１の方向と直交する第２の方向に並んでいる一対の振動腕と、
前記基部を支持する支持部と、
を含み、
前記基部は、前記一対の振動腕の間に位置し、前記第２の方向に沿った長さが、前記一対の振動腕の間の中心線に沿って、前記他端から離れるに従って連続的または段階的に減少している縮幅部を含むことを特徴とする。
この縮幅部の存在より、前記一対の振動腕が略面内で互いに近接と離間を交互に繰り返して屈曲振動を行う際の基部の剛性を高くして、その変形を抑圧することができる。その結果、振動素子の振動漏れを効果的に低減することができる。

［適用例２］
本発明の振動素子では、前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部の前記基部と反対側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが大きい広幅部と、
を含むことが好ましい。
これにより、振動素子の小型化を図ったり、振動腕の屈曲振動の周波数を低めたりすることができる。

［適用例３］
本発明の振動素子では、前記支持部は、
前記一対の振動腕のうちの一方の振動腕の、前記一対の振動腕のうちの他方の振動腕とは反対側に配置され、前記一方の振動腕に沿って延びている一方の支持腕と、
前記他方の振動腕の、前記一方の振動腕とは反対側に配置され、前記他方の振動腕に沿って延びている他方の支持腕と、
を含むことが好ましい。
これにより、固定部が基部から離れるので、振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した振動素子を得ることができる。

［適用例４］
本発明の振動素子では、前記一方の支持腕と前記他方の支持腕のうち少なくとも何れかに、先端側に固定部が設けられていることが好ましい。
これにより、固定部が基部からさらに離れるので、前記一対の支持腕を設けることによる効果がより向上する。

［適用例５］
本発明の振動素子では、前記支持部は、少なくとも前記一対の振動腕を囲む枠体を含むことが好ましい。
これにより、振動素子を、枠体を介してパッケージに固定することができるので、振動素子のサイズを大きくすることができ、結果として、その等価直列抵抗Ｒ１をより小さくすることができる。

［適用例６］
本発明の振動素子では、前記枠体と前記基部とが連結されていることが好ましい。
これにより、支持腕を省略できるので、振動素子の第２の方向に沿った長さ（幅）を小さくする（小型化する）ことができる。
［適用例７］
本発明の振動素子では、前記支持部は、
前記枠体と前記基部とが、前記支持腕を介して連結されていることが好ましい。
これにより、固定部が基部から離れるので、２つの振動腕が振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した等価直列抵抗Ｒ１の小さな振動素子を得ることができる。

［適用例８］
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、前記中心線を境にして対称形状であることが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。
［適用例９］
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、曲線を含むことが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。

［適用例１０］
本発明の振動素子では、前記縮幅部の外縁は、段差部を含むことが好ましい。
これにより、基部の変形をより確実に防止することができる。
［適用例１１］
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子が搭載されているパッケージと、
を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。

［適用例１２］
本発明の発振器では、本発明の振動素子と、
発振回路と、
を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。

［適用例１３］
本発明の電子機器は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
［適用例１４］
本発明の移動体は、本発明の振動素子を含むことを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。

本発明の第１実施形態にかかる振動子の平面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は、従来の振動素子を模式的に示す平面図、（ｂ）は、（ａ）に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図である。 図３に示す振動素子の振動漏れの原理を説明する図であって、（ａ）〜（ｄ）は、基部の各部（第１〜４連結部）の作用を説明する図である。 （ａ）は、図１に示す振動素子を模式的に示す平面図（振動腕側の縮幅部のみを考慮した図）、（ｂ）は、（ａ）に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図である。 図５に示す振動素子の動漏れ抑制の原理を説明する平面図であって、（ａ）〜（ｄ）は、基部の各部（第１〜４連結部）の作用を説明する図である。 シミュレーションに用いた振動素子の各部の寸法を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる振動子の平面図である。 図８中のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。 縮幅部の他の構成例を示す平面図である。 本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型（またはノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。 本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。 本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態にかかる振動子の平面図、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３（ａ）は、従来の振動素子を模式的に示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図、図４は、図３に示す振動素子の振動漏れの原理を説明する図であって、（ａ）〜（ｄ）は、基部の各部（第１〜４連結部）の作用を説明する図、図５（ａ）は、図１に示す振動素子を模式的に示す平面図（振動腕側の縮幅部のみを考慮した図）、図５（ｂ）は、（ａ）に示す振動素子の簡略化モデルを示す平面図、図６は、図５に示す振動素子の動漏れ抑制の原理を説明する平面図であって、（ａ）〜（ｄ）は、基部の各部（第１〜４連結部）の作用を説明する図である。

なお、各図では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示している。また、以下の説明では、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向（第２の方向）」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向（第１の方向）」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」といい、また、各図に図示されたＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」という。また、以下の説明では、説明の便宜上、Ｚ軸方向から見たときの平面視を単に「平面視」ともいう。

１．振動子
図１および図２に示す振動子１００は、振動素子１（本発明の振動素子）と、振動素子１を収納するパッケージ９とを有している。以下、振動素子１およびパッケージ９について、順次詳細に説明する。
（振動素子１）
図１および図２に示す振動素子１は、振動基板１Ｓを備えている。なお、振動基板１Ｓには、振動素子１を駆動させるための励振電極を含む一対の配線が設けられているが、図示を省略する。

振動基板１Ｓは、例えば、水晶、特に、Ｚカット水晶板で構成されている。これにより、振動素子１は、優れた振動特性を発揮することができる。Ｚカット水晶板とは、水晶のＺ軸（光軸）を厚さ方向とする水晶基板である。Ｚ軸は、振動基板１Ｓの厚さ方向と一致しているのが好ましいが、常温近傍における周波数温度変化を小さくする観点からは、厚さ方向に対して若干（例えば、１５°未満程度）傾けてもよい。

ここで、水晶基板をウェットエッチングすることにより振動基板１Ｓの外形を形成する場合、振動基板１Ｓの輪郭には水晶の結晶面が出現し、振動素子１の形状対称性を劣化させてしまうが、結晶面の出現を低減した形状を形成するためには、振動基板１Ｓの厚さを７０μｍ以下とすることが好ましい。また、ＣＩ値を小さくするためには、駆動領域を大きくする観点から、振動基板１Ｓの厚さを７０μｍより厚く、３００μｍよりも薄くすることが好ましい。さらに、結晶面の出現し易い厚さであっても、これを小さくするために、外形エッチングの際には、ウェットエッチングにより厚さ方向へ貫通するエッチング量（エッチング時間）に対して２倍から３０倍のエッチング量（エッチング時間）にするのが好ましい。
このようなエッチング量（時間）を２〜３０倍とするオーバーエッチングにより、水晶の結晶面に起因して振動素子１の外形に現れるヒレの発生を抑制することができる。

振動基板１Ｓは、基部１２と、基部１２の先端側（一端側）において、基部１２から＋Ｙ軸方向へ突出し、且つ、Ｘ軸方向に並んで設けられた一対の振動腕２０、２２と、基部１２の基端側（他端側）において、基部１２から互いに反対方向に突出し、＋Ｙ軸方向に延びている一対の支持腕３２、３４とを有している。すなわち、基部１２、振動腕２０、２２および支持腕３２、３４は、一体に形成されている。このような振動基板１Ｓは、振動腕２０、２２間のＹ軸と平行な中心線（仮想中心線）Ｙ１に対して対称となるように形成されている。

基部１２は、Ｘ軸およびＹ軸を含む平面であるＸＹ平面に沿って広がり、Ｚ軸方向を厚さ方向とする略板状をなしている。このような基部１２は、振動腕２０、２２を支持、連結する本体部１４と、振動漏れを抑制する縮幅部１６とを有している。
本体部１４は、その幅（Ｘ軸方向での長さ）がＹ軸方向に沿ってほぼ一定である。すなわち、本体部１４は、略矩形の平面視形状を有している。そして、本体部１４の＋Ｙ軸方向側の外縁には、縮幅部１６が接続されている。すなわち、縮幅部１６は、本体部１４に対して振動腕２０、２２と同一側であって、これらの間に設けられている。

縮幅部１６は、平面視で、中心線Ｙ１に沿って、基部１２の基端から離れるに従って、かつ、基部１２の先端（一端）に至るまで、幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）が連続的に小さくなっている。このように、先端に至るまで幅が連続的に小さくなることで、より確実に振動漏れの発生を抑圧することができる。
本実施形態では、縮幅部１６の輪郭（外縁）は、中心線Ｙ１を境にして対称な曲線状（アーチ状）、すなわち、曲線を含む形状の曲線部１７ａで構成されており、曲線部１７ａの曲率半径は、その全域にわたって一定となっている。また、平面視で曲線部１７ａの両端を延長した延長線（仮想延長線）は、本体部１４の＋Ｙ軸方向側の各角上を通る。

なお、水晶基板をウェットエッチングすることにより振動基板１Ｓの外形を形成する場合、振動基板１Ｓの輪郭には水晶の結晶面が出現するため、微視的に見ると、曲線部１７ａは、短い直線状の部分の集合体となっているとも言えるが、このような場合も上記「曲線状」に含まれるものとする。また、この場合には、短い直線状の部分の集合体となった曲線部１７ａよりも内側（本体部１４側）に、結晶面が現れない程度に追加でウェットエッチングを施して曲線を形成してもよい。あるいは、水晶の結晶面とは無関係に、縮幅部１６の輪郭が複数の直線によって略円弧状に形成されている場合もこれに含まれるものとする。これはドライエッチングにより容易に実現できる。

振動腕２０、２２は、Ｘ軸方向に並んで設けられており、それぞれ、基部１２から＋Ｙ軸方向に延出している。また、振動腕２０、２２は、それぞれ、その先端部に、振動腕２０、２２の基部１２側の部分（腕部）よりも幅（Ｘ軸方向での長さ）が広い錘部（広幅部）２４、２６を有している。錘部（ハンマーヘッド）２４、２６を設けることによって、振動素子１の小型化を図ったり、振動腕２０、２２の屈曲振動の周波数を低めたりすることができる。なお、錘部２４、２６は、必要に応じてＸ軸方向に複数の幅を有していてもよく、また省略してもよい。
また、振動腕２０には、一方の主面２０ａに開放する有底の溝２８ａと、他方の主面２０ｂに開放する有底の溝２８ｂとが形成されている。同様に、振動腕２２には、一方の主面２２ａに開放する有底の溝３０ａと、他方の主面２２ｂに開放する有底の溝３０ｂとが形成されている。

これらの溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂは、Ｙ軸方向に沿って延びており、互いに同じ形状をなしている。このような溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂを形成することによって、屈曲振動によって発生する熱が拡散（熱伝導）し難くなり、屈曲振動周波数（機械的屈曲振動周波数）ｆが熱緩和周波数ｆ０より大きな領域（ｆ＞ｆ０）である断熱的領域では、熱弾性損失を抑制することができる。なお、溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂは、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。
また、溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂの深さは、振動素子１の厚さに対して３０％以上５０％未満の深さであることが好ましい。これにより、前述した熱弾性損失が小さくなり、かつ、励振電極で挟まれる領域が大きくなることによってＣＩ値を小さくすることができる。

さらに、振動腕２０、２２の溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂに対して幅方向での外側の部分である各側壁（土手部）の幅、すなわち、振動腕２０、２２の幅から溝２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂの幅を差引いたものの半分は、２０μｍ以下にすることが好ましい。これにより、励振電極の間に挟まれる領域に発生する電界が強くなるので、ＣＩ値を小さくすることができる。さらに、かかる側壁の幅は、熱弾性損失が最も低下する、５μｍ以上９μｍ以下の範囲であることがより好ましい。

基部１２の基端側には、中心線Ｙ１を介して本体部１４（基部１２）の反対方向に、一対の支持腕（支持部）３２、３４が突出している。支持腕３２、３４は、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って基部１２から突出した後、途中で＋Ｙ軸方向に屈曲した形状（平面視で略Ｌ字状）をなしている。振動素子１は、図１および２に示すように、支持腕３２、３４の先端部（基部１２と反対側の端部）にて導電性接着剤５０、５０を介してパッケージ９に固定されている。

このように、支持腕３２、３４の先端部と、支持腕３２、３４のＹ軸方向長さの半分の部分とに囲まれた、支持腕３２、３４の先端側に導電性接着剤５０、５０を形成し、これを介してパッケージ９に固定することによって、略ＸＹ平面内で互いに近接と離間とを交互に繰り返して屈曲振動する際の振動が、パッケージ９に伝わり難くなるので、振動漏れの少ない、特性バラツキの小さい安定した振動素子１を得ることができる。
以上、振動素子１の構成について簡単に説明した。

次に、縮幅部１６を設けることにより、振動素子１における振動漏れが低減する理由について説明する。
＜参考技術に係る基部の作用＞
図３（ａ）に示すような基部に縮幅部が無い参考技術に係る振動素子は、図３（ｂ）に示すように、弾性棒１５１が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体１５４と、弾性棒１５２が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体１５６とが簡略化した基部１５３を介して連結されているモデルとみなすことができる。
このモデルにおいて、回転体１５４は、回転軸１５５を中心として回転する所定の半径Ｒを有する。同様に、回転体１５６は、回転軸１５７を中心として回転する所定の半径Ｒを有する。

このようなモデルの基部１５３の回転体１５４、１５６間を連結する代表的な部分（連結部）として、図４に示すように、回転軸１５５、１５７よりも弾性棒１５１、１５２側に設けられた第１連結部１５８と、回転軸１５５、１５７間に設けられた第２連結部１５９と、回転軸１５５、１５７よりも弾性棒１５１、１５２とは反対側に設けられた第３連結部１６０と、第３連結部１６０よりもさらに弾性棒１５１、１５２とは反対側に設けられた第４連結部１６１と、を考える。

２本の振動腕２０、２２が互いに離間するように屈曲変形した場合、弾性棒１５１、１５２が互いに離間するように屈曲変形したとみなす。この場合、振動腕２０、２２の根元周辺から振動腕２０、２２の先端方向とは反対方向の所定の場所に、変位ベクトルの渦が形成される。この渦の中心は、基部１２Ｘを含む振動腕２０、２２の根元付近である場合が多いが、振動腕２０、２２や基部１２Ｘの領域には属さない、仮想的な空間上に形成される場合もある。

ここでは、説明の都合上、この渦の中心は基部１２Ｘの領域に属するとし、かつ、弾性棒１５１、１５２からの距離は等しいとするとともに、この渦の中心を図３（ｂ）における回転軸１５５、１５７としている。
なお、この回転軸１５５、１５７を回転の中心とし、半径Ｒを有する擬似的な剛体の回転体１５４、１５６の外周の接線方向における変位は、弾性棒１５１、１５２の先端方向側で最も大きく、弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側で最も小さい。このため、上記において、「擬似的」な剛体と表現している。

図４（ａ）に示すように、弾性棒１５１、１５２が互いに離間するように屈曲変形した場合、第１連結部１５８は、回転体１５４、１５６の回転運動によって強く伸ばされながら弾性棒１５１、１５２の先端方向に小さく移動する。
この場合、図４（ｂ）に示すように、第２連結部１５９も同様に、回転体１５４、１５６の回転運動によって伸ばされながら弾性棒１５１、１５２の先端方向に移動する。

また、この場合、図４（ｃ）に示すように、第３連結部１６０は、回転体１５４、１５６の回転運動によって圧縮されながら弾性棒１５１、１５２の先端方向に移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第３連結部１６０の長さ方向（弾性棒１５１、１５２の並ぶ方向）の中央周辺は、弾性棒１５１、１５２の先端方向、または弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。

また、この場合、図４（ｄ）に示すように、第４連結部１６１は、半径Ｒよりも大きい半径Ｒ’を有し、回転軸１５５、１５７を回転の中心とする擬似的な剛体の回転体１６２、１６３を新たに考えれば、前述した第３連結部１６０と同様に、回転体１６２、１６３の回転運動によって小さく圧縮されながら弾性棒１５１、１５２の先端方向に小さく移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第４連結部１６１の長さ方向の中央周辺は、弾性棒１５１、１５２の先端方向、または弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。

ここで、前述したように第１〜４連結部１５８、１５９、１６０、１６１のすべてが弾性棒１５１、１５２の先端方向に移動するため、この移動と前述した潜在力とが相まって、第３、４の連結部１６０、１６１は、弾性棒１５１、１５２の先端側に変位するように変形することとなる。
このようなことから、弾性棒１５１、１５２が互いに離間するように屈曲変形した場合、回転軸１５５と回転軸１５７とを結ぶ方向における基部１５３の変位については、第１連結部１５８および第２連結部１５９の伸張による変位と第３連結部１６０および第４連結部１６１の圧縮による変位とが互いに相殺するように作用する。

しかし、弾性棒１５１、１５２の長さ方向における基部１５３の変位については、第１〜４連結部１５８、１５９、１６０、１６１のすべてが弾性棒１５１、１５２の先端方向に移動（変位）するとともに、第３、４連結部１６０、１６１が弾性棒１５１、５１２の先端方向に変位するよう変形する。そのため、これらの移動および変形に起因する振動が基部１５３に生じることとなる。

そのため、基部１５３に固定部を設定すると、弾性棒１５１、１５２の先端方向への変位・変形に起因する振動が固定部を介して外部へ漏洩することとなる。これが振動漏れであり、この漏洩した振動のエネルギーに相当する分だけＱ値を劣化させることとなる。
なお、２本の振動腕２０、２２が互いに接近するように屈曲変形した場合には、上述と逆の現象が生じる。

＜本実施形態に係る基部（振動腕側に縮幅部が設けれられた基部）の作用＞
これに対して、図５（ａ）に示すような振動腕２０、２２側に縮幅部が設けられた基部１２を有する本実施形態に係る振動素子は、前述した参考技術の振動素子と同様、図５（ｂ）に示すように、弾性棒１５１が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体１５４と、弾性棒１５２が径方向に延びて接続された擬似的な剛体の回転体１５６とが簡略化した基部１６５を介して連結されているモデルとみなすことができる。
このモデルにおいて、回転体１５４は、回転軸１５５を中心として回転する所定の半径Ｒを有する。同様に、回転体１５６は、回転軸１５７を中心として回転する所定の半径Ｒを有する。

このようなモデルの基部１６５における回転体１５４、１５６間を連結する代表的な部分（連結部）として、図６に示すように、回転軸１５５、１５７よりも弾性棒１５１、１５２側に設けられた第１連結部１５８と、回転軸１５５、１５７間に設けられた第２連結部１５９と、回転軸１５５、１５７よりも弾性棒１５１、１５２とは反対側に設けられた第３連結部１６０と、第１連結部１５８よりも弾性棒１５１、１５２の先端側に設けられた第４連結部１６６と、を考える。

２本の振動腕２０、２２が互いに接近するように屈曲変形した場合、弾性棒１５１、１５２が互いに接近するように屈曲変形したとみなす。この場合、振動腕２０、２２の根元周辺から振動腕２０、２２の先端方向とは反対方向の所定の場所に、変位ベクトルの渦が形成される。この渦の中心は、基部１２を含む振動腕２０、２２の根元付近である場合が多いが、振動腕２０、２２や基部１２の領域には属さない、仮想的な空間上に形成される場合もある。
ここでは、説明の都合上、この渦の中心は基部１２の領域に属するとし、かつ、弾性棒１５１、１５２からの距離は等しいとするとともに、この渦の中心を図５（ｂ）における回転軸１５５、１５７としている。

なお、この回転軸１５５、１５７を回転の中心とし、半径Ｒを有する擬似的な剛体の回転体１５４、１５６の外周の接線方向における変位は、弾性棒１５１、１５２の先端方向側で最も大きく、弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側で最も小さい。また、この場合は、２本の振動腕２０、２２が互いに離間した場合とは変位の方向は反対向きになる。

図６（ａ）に示すように、弾性棒１５１、１５２が互いに接近するように屈曲変形した場合、第１連結部１５８は、回転体１５４、１５６の回転運動によって強く圧縮されながら弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向に小さく移動する。また、このとき、かかる圧縮力により、第１連結部１５８の長さ方向の中央周辺は、弾性棒１５１、１５２の先端方向、または弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向のどちらかに変形しようとする潜在力を有している。

この場合、図６（ｂ）に示すように、第２連結部１５９も同様に、回転体１５４、１５６の回転運動によって伸ばされながら弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向に移動する。
また、この場合、図６（ｃ）に示すように、第３連結部１６０は、回転体１５４、１５６の回転運動によって伸ばされながら弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向に移動する。

また、この場合、図６（ｄ）に示すように、第４連結部１６６は、回転体１５４、１５６の回転運動によって圧縮されるが、アーチ形状をなしているために変形し難く、仮に変形したとしても、第４連結部１６６の長さ方向の中央周辺が弾性棒１５１、１５２の先端方向に変位するように変形する。
このようなことから、弾性棒１５１、１５２が互いに接近するように屈曲変形した場合、回転軸１５５と回転軸１５７とを結ぶ方向における基部１６５の変位については、第１連結部１５８および第４連結部１６６の圧縮による変位と第２連結部１５９および第３連結部１６０の伸張による変位とが互いに相殺するように作用する。

そして、弾性棒１５１、１５２の長さ方向における基部１６５の変位については、第１〜３連結部１５８、１５９、１６０が弾性棒１５１、１５２の先端方向とは反対側の方向に変位するのを、第４連結部１６６の変形し難さが妨げるとともに、第４連結部１６６の長さ方向の中央付近が弾性棒１５１、１５２の先端方向に変位するように変形することで相殺することができる。

このようなことから、固定部を介して外部へ洩れる振動、すなわち振動漏れを低減することができ、その結果、外部へ漏洩する振動のエネルギーが少なくなるため、Ｑ値を高めることができる。
以上のような効果を、本発明者が行ったシミュレーション結果に基づいて具体的に示す。なお、本シミュレーションでは、ウェットエッチングによってＺカット水晶板（回転角０°）をパターニングした振動素子を用いている。本シミュレーションで用いた振動素子の各部の寸法は、振動基板の厚さが１３０μｍ、溝の深さが６０μｍ、その他は図７に示す通りである。なお、図７（ｂ）の振動素子は、縮幅部を省略したこと以外は、図７（ａ）に示す振動素子と同様である。

また、本シミュレーションは、これらの振動素子を支持腕の先端部において、シリコーン系接着剤（ヤング率：０．２ＧＰａ、ポアソン比：０．３３、質量密度：１，０５０ｋｇ／ｍ^３）を用いてベース（ヤング率：３２０ＧＰａ、ポアソン比：０．２３、質量密度：３，８００ｋｇ／ｍ^３）に接着した場合について振動漏れの計算を行った。この振動漏れの計算では、接着剤とベースとの界面に到達した弾性波が、ベース側へ透過したものに関しては接着剤や振動素子には戻って来ずにそのままベース側へ漏洩し、これが振動漏れによる損失であるとして、この場合のＱ値を計算している。また、本シミュレーションには、励振電極を含む一対の配線が形成されていない振動素子を用いたが、縮幅部の効果に影響はない。

その結果、図７（ａ）に示す振動素子では、屈曲振動周波数ｆが３９．１３２ｋＨｚ、Ｑ値が１７４，６９７であり、図７（ｂ）に示す振動素子では、屈曲振動周波数ｆが３８．６３４ｋＨｚ、Ｑ値が６９，０９２であった。このように、いずれの振動素子もほぼ等しい屈曲振動周波数ｆで振動するが、Ｑ値については、図７（ａ）で示す振動素子の方が図７（ｂ）に示す振動素子より明らかに高い値を示した。これは、図７（ａ）に示す振動素子では、縮幅部の存在により基部の変形が好適に防止され、振動漏れが効果的に低減されたことによるものであると考えられる。

（パッケージ）
パッケージ９は、上面に開放する凹部９１１を有する箱状のベース９１と、凹部９１１の開口を塞ぐようにベース９１に接合されている板状のリッド９２とを有している。このようなパッケージ９は、凹部９１１がリッド９２にて塞がれることにより形成された収納空間を有しており、この収納空間に振動素子１が気密的に収納されている。振動素子１は、一対の支持腕３２、３４にて、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコーン系の樹脂に導電性フィラーを混合した導電性接着剤５０を介して凹部９１１の底面に固定されている。
なお、収納空間内は、減圧（好ましくは真空）状態となっていてもよいし、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入されていてもよい。これにより、振動素子１の振動特性が向上する。

ベース９１の構成材料としては、特に限定されないが、酸化アルミニウム等の各種セラミックスを用いることができる。また、リッド９２の構成材料としては、特に限定されないが、ベース９１の構成材料と線膨張係数が近似する部材であると良い。例えば、ベース９１の構成材料を前述のようなセラミックスとした場合には、コバール等の合金とするのが好ましい。なお、ベース９１とリッド９２の接合は、特に限定されず、例えば、接着剤を介して接合してもよいし、シーム溶接等により接合してもよい。

また、ベース９１の凹部９１１の底面には、接続端子９５１、９６１が形成されている。図示しないが、振動素子１の一方の励振電極用の配線は、支持腕３２の先端まで引き出されており、当該部分にて、導電性接着剤５０を接続端子９５１と電気的に接続されている。同様に、図示しないが、振動素子１の他方の励振電極用の配線は、支持腕３４の先端まで引き出されており、当該部分にて、導電性接着剤５０を介して接続端子９６１と電気的に接続されている。
また、接続端子９５１は、ベース９１を貫通する貫通電極９５２を介してベース９１の底面に形成された外部端子９５３に電気的に接続されており、接続端子９６１は、ベース９１を貫通する貫通電極９６２を介してベース９１の底面に形成された外部端子９６３に電気的に接続されている。

接続端子９５１、９６１、貫通電極９５２、９６２および外部端子９５３、９６３の構成としては、それぞれ、導電性を有していれば、特に限定されないが、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｗ（タングステン）などのメタライズ層（下地層）に、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの各被膜を積層した金属被膜で構成することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の振動子の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係る振動子の平面図、図９は、図８中のＢ−Ｂ線断面図である。
以下、第２実施形態について、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第２実施形態は、支持部の構成およびパッケージの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した第１実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。

図８に示すように、振動素子１Ａの支持部は、基部１２および振動腕２０、２２を取り囲む、外形が略正方形の枠体３６で構成され、この枠体３６に基部１２の基端が直接連結されている。枠体３６は、パッケージ９Ａに接合される部分である。
パッケージ９Ａは、図９に示すように、上面に開放する凹部９１１Ａを有する箱状のベース９１Ａと、下面に開放する凹部９２１Ａを有する箱状のリッド９２Ａとを有し、ベース９１Ａの外周部およびリッド９２Ａの外周部に、枠体３６が挟持および接合されることにより、振動素子１Ａがパッケージ９Ａに固定されている。また、ベース９１Ａの凹部９１１Ａの底面に設けられた接続端子９６１（９５１）と、振動素子１Ａとの所定に部位とが、例えば、金等で構成されるワイヤーにより接続されている。

このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。特に、第２実施形態によれば、振動素子１Ａを、枠体３６を介してパッケージ９Ａに固定するので、固定する際に、パッケージ９Ａと錘部２４、２６とが接触するおそれが極めて小さくなる。したがって、同一基板から一体で形成される枠体３６と錘部２４、２６との距離は精度よく形成することができるから、振動腕２０、２２のサイズを大きくすることができることになる。これによって、振動腕２０、２２のＹ軸方向長さを長くすることができる分だけ、Ｘ軸方向の幅を太くすることができるから、略ＸＹ平面内で屈曲振動する際に発生する熱の流れる経路が長くなり、断熱的領域においては熱弾性損失が減少する。その結果、等価直列抵抗Ｒ１をより小さくすることができる。また、第２実施形態によれば、支持腕３２、３４を省略できるので、振動素子１ＡのＸ軸方向に沿った長さ（幅）を小さくする（小型化する）ことができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の振動子の第３実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第３実施形態にかかる振動子が有する振動素子の平面図である。
以下、第３実施形態の振動子について、前述した第１および第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第３実施形態の振動子は、支持部の構成が異なる以外は、前述した第２実施形態と同様である。なお、前述した第１および２実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。

図１０に示すように、振動素子１Ｂの支持部は、中心線Ｙ１を介して基部１２の反対方向に突出する一対の支持腕３２Ｂ、３４Ｂと、基部１２、振動腕２０、２２および支持腕３２Ｂ、３４Ｂを取り囲む枠体３６とを有している。支持腕３２Ｂ、３４Ｂは、それぞれ、Ｘ軸方向に沿って基部１２から突出した後、途中で＋Ｙ軸方向に屈曲し、再度、Ｘ軸方向に屈曲した形状（平面視で略Ｓ字状）をなし、先端が枠体３６に連結されている。
このような第３実施形態によっても、前述した第１および第２実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上説明した第１〜第３実施形態において、基部１２は、縮幅部１６に代えて、平面視で幅が中心線Ｙ１に沿って直線的（連続的）に小さくなり、輪郭が２本の直線によって山状（中心線Ｙ１に対して対称な三角形状）に形成されている縮幅部１６ａ（図１１（ａ）参照）を有してもよく、平面視で幅が中心線Ｙ１に沿って段階的に小さくなり、輪郭が複数の直線によって段差状（中心線Ｙ１に対して対称な階段状）、すなわち、段差部を含む形状に形成されている縮幅部１６ｂ（図１１（ｂ）参照）を有していてもよい。これらの縮幅部１６ａ、１６ｂによっても、縮幅部１６と同様の効果が得られる。

２．発振器
次に、本発明の振動素子を適用した発振器（本発明の発振器）について説明する。
図１２は、本発明の発振器の好適な実施形態を示す断面図である。
図１２に示す発振器１０は、振動子１００と、振動素子１を駆動するためのＩＣチップ８とを有している。以下、発振器１０について、前述した振動子との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図１２に示すように、パッケージ９は、凹部９１１を有する箱状のベース９１と、凹部９１１の開口を塞ぐ板状のリッド９２とを有している。また、ベース９１の凹部９１１は、ベース９１の上面に開放する第１凹部９１１ａと、第１凹部９１１ａの底面の中央部に開放する第２凹部９１１ｂと、第２凹部９１１ｂの底面の中央部に開放する第３凹部９１１ｃとを有している。
第１凹部９１１ａの底面には、接続端子９５、９６が形成されている。また、第３凹部９１１ｃの底面には、ＩＣチップ８が配置されている。ＩＣチップ８は、振動素子１の駆動を制御するための発振回路を有している。ＩＣチップ８によって振動素子１を駆動すると所定の周波数の信号を取り出すことができる。

また、第２凹部９１１ｂの底面には、ワイヤーを介してＩＣチップ８と電気的に接続された複数の内部端子９３が形成されている。これら複数の内部端子９３には、ベース９１に形成された図示しないビアを介してパッケージ９の底面に形成された外部端子９４に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子９５に電気的に接続された端子と、図示しないビアやワイヤーを介して接続端子９６に電気的に接続された端子とが含まれている。
なお、図１２の構成では、ＩＣチップ８が収納空間内に配置されている構成について説明したが、ＩＣチップ８の配置は、特に限定されず、例えば、パッケージ９の外側（ベースの底面）に配置されていてもよい。

３．電子機器
次に、本発明の振動素子を適用した電子機器（本発明の電子機器）について説明する。
図１３は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したモバイル型（またはノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部２０００を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動素子１（１Ａ、１Ｂ）が内蔵されている。

図１４は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。この図において、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部２０００が配置されている。このような携帯電話機１２００には、フィルター、共振器等として機能する振動素子１（１Ａ、１Ｂ）が内蔵されている。

図１５は、本発明の振動素子を備える電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）などの撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。

ディジタルスチルカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部２０００が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部２０００は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。

撮影者が表示部２０００に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。また、このディジタルスチルカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニター１４３０が、デ−タ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３０８に格納された撮像信号が、テレビモニター１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。このようなディジタルスチルカメラ１３００には、フィルター、共振器等として機能する振動素子１（１Ａ、１Ｂ）が内蔵されている。

なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図１３のパーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１４の携帯電話機、図１５のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレーター等に適用することができる。

４．移動体
次に、本発明の振動素子を適用した移動体（本発明の移動体）について説明する。
図１６は、本発明の移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。自動車１５００には、振動素子１（１Ａ、１Ｂ）が搭載されている。振動素子１（１Ａ、１Ｂ）は、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム、等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：electronic control unit）に広く適用できる。
以上、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１００…振動子 １０…発振器 １、１Ａ、１Ｂ…振動素子 １Ｓ…振動基板 １２、１２Ｘ…基部 １４…本体部 １６、１６ａ、１６ｂ…縮幅部 １７ａ…曲線部 ２０、２２…振動腕 ２０ａ、２０ｂ、２２ａ、２２ｂ…主面 ２４、２６…錘部 ２８ａ、２８ｂ、３０ａ、３０ｂ…溝 ３２、３２Ｂ、３４、３４Ｂ…支持腕 ３６…枠体 ５０…導電性接着剤 ８…ＩＣチップ ９、９Ａ…パッケージ ９１、９１Ａ…ベース ９１１、９１１Ａ、９２１Ａ…凹部 ９１１ａ…第１凹部 ９１１ｂ…第２凹部 ９１１ｃ…第３凹部 ９２、９２Ａ…リッド ９３…内部端子 ９４…外部端子 ９５、９６…接続端子 ９５１、９６１…接続端子 ９５２、９６２…貫通電極 ９５３、９６３…外部端子 １５１、１５２…弾性棒 １５３、１６５…基部 １５４、１５６、１６２、１６３…回転体 １５５、１５７…回転軸 １５８…第１連結部 １５９…第２連結部 １６０…第３連結部 １６１、１６６…第４連結部 １１００…パーソナルコンピューター １１０２…キーボード １１０４…本体部 １１０６…表示ユニット １２００…携帯電話機 １２０２…操作ボタン １２０４…受話口 １２０６…送話口 １３００…ディジタルスチルカメラ １３０２…ケース １３０４…受光ユニット １３０６…シャッターボタン １３０８…メモリー １３１２…ビデオ信号出力端子 １３１４…入出力端子 １４３０…テレビモニター １４４０…パーソナルコンピューター １５００…自動車 ２０００…表示部 Ｙ１…中心線

Claims (14)

1. 一端と、前記一端と反対側の他端とを備える基部と、
   前記基部と一体に設けられ、前記基部の前記一端側において、前記基部から第１の方向に沿って延出し、前記第１の方向と直交する第２の方向に並んでいる一対の振動腕と、
   前記基部を支持する支持部と、
   を含み、
   前記基部は、前記一対の振動腕の間に位置し、前記第２の方向に沿った長さが、前記一対の振動腕の間の中心線に沿って、前記他端から離れるに従って連続的または段階的に減少している縮幅部を含むことを特徴とする振動素子。
2. 請求項１において、
   前記振動腕は、
   腕部と、
   前記腕部の前記基部と反対側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが大きい広幅部と、
   を含む振動素子。
3. 請求項１または２において、
   前記支持部は、
   前記一対の振動腕のうちの一方の振動腕の、前記一対の振動腕のうちの他方の振動腕とは反対側に配置され、前記一方の振動腕に沿って延びている一方の支持腕と、
   前記他方の振動腕の、前記一方の振動腕とは反対側に配置され、前記他方の振動腕に沿って延びている他方の支持腕と、
   を含む振動素子。
4. 請求項３において、
   前記一方の支持腕と前記他方の支持腕のうち少なくとも何れかに、先端側に固定部が設けられている振動素子。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項において、
   前記支持部は、少なくとも前記一対の振動腕を囲む枠体を含む振動素子。
6. 請求項５において、
   前記枠体と前記基部とが連結されている振動素子。
7. 請求項５または６において、
   前記支持部は、
   前記枠体と前記基部とが、前記支持腕を介して連結されている振動素子。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項において、
   前記縮幅部の外縁は、前記中心線を境にして対称形状である振動素子。
9. 請求項８において、
   前記縮幅部の外縁は、曲線を含む振動素子。
10. 請求項８において、
    前記縮幅部の外縁は、段差部を含む振動素子。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の振動素子と、
    前記振動素子が搭載されているパッケージと、
    を含むことを特徴とする振動子。
12. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の振動素子と、
    発振回路と、
    を含むことを特徴とする発振器。
13. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の振動素子を含むことを特徴とする電子機器。
14. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の振動素子を含むことを特徴とする移動体。

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