JP2018160802A - 振動素子、電子デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】熱弾性損失が抑制され、高いＱ値を有する振動素子を提供する。【解決手段】振動素子１は、第１方向に屈曲振動する腕部１２を含み、腕部１２の長手方向を第２方向とし、第１方向および第２方向と交差する方向を第３方向とした場合に、腕部１２は、第１方向における２つの端部領域と、第３方向からの平面視において２つの端部領域の間に位置し、第３方向に凸である凸部１４と、を含み、且つ、Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣｐｆ））1/2を満たす。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、振動素子、この振動素子を備えた電子デバイス、電子機器および移動体に関する。

一般的に、携帯電話等の移動体通信機、電波時計、ＩＣカード等の民生用機器の基準周波数源として振動子（圧電振動子やＭＥＭＳ振動子等）が広く用いられている。近年では、民生用機器の小型化が進むのに伴い、それに用いられる振動子に対し小型化の要求が強まっている。
特に、屈曲振動を用いた振動子においては、小型化を図ると、熱弾性損失に伴うＱ値の低下も生じてしまうという課題があった。つまり、屈曲振動する振動子において、振動子の屈曲により生じる圧縮あるいは引張（伸張）の歪によって、振動子の温度変化が生じる。具体的には圧縮歪の部位は温度上昇し、引張歪の部位では温度下降する。従って、屈曲振動する振動子では、屈曲方向の一方の面側に圧縮歪が生じると、他方の面側では引張歪が生じ、振動子の一方の面側から他方の面側に温度勾配が発生する。この温度勾配を均衡させるために熱移動が振動素子内部に生じ、これが振動エネルギーの損失、すなわち熱弾性損失を生じ、Ｑ値の低下を招いていた。

そこで、特許文献１では、振動片に屈曲振動方向に突起する凸部を設けることで、屈曲振動によって歪の発生を抑圧し、温度の上昇あるいは下降の無い部位を振動片表面に形成している。そのため、屈曲振動によって振動片の表面の温度の上昇あるいは下降が生じても、温度変化が無い凸部が振動片表面に形成されているため、短時間で熱移動が行われ振動片の温度平衡が維持し易くなり、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

特開２００７−１８１１３１号公報

本発明は上述した課題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、振動片（振動素子）の小型化と共に、熱弾性損失に伴うＱ値の低下を抑制する新たな手法を提案することにある。

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、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る振動素子は、第１方向に屈曲振動する腕部を含み、前記腕部の長手方向を第２方向とし、前記第１方向および前記第２方向と交差する方向を第３方向とした場合に、前記腕部は、前記第１方向における２つの端部領域と、前記第３方向からの平面視において前記２つの端部領域の間に位置し、前記第３方向に凸である凸部と、を含み、且つ、前記屈曲振動の固有周波数をｆ、前記腕部の質量密度をρ、前記腕部の熱容量をＣ_p、前記腕部の前記第１方向の熱伝導率をｋ、前記腕部の前記第１方向の長さをＷ、とした場合、Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2を満たす。

本適用例の振動素子によれば、Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2の等温的領域において、振動素子の腕部の両端部の間に、振動方向と交差する第３方向に凸である凸部が設けられているため、屈曲振動によって腕部の表面に温度の上昇あるいは下降が生じても、凸部が設けられた領域での熱移動が早まり、短時間で行われる。そのため、振動素子の温度平衡が維持し易くなり、熱弾性損失によるＱ値の低下が抑制され、信頼性の高い、安定した共振周波数を出力する振動素子を得ることができる。

［適用例２］上記適用例に記載の振動素子において、前記第２方向において、前記腕部と連続する基部を含み、前記凸部は、前記第２方向に沿って、前記腕部の長さの前記基部から１／３以内の範囲に配置されていることが好ましい。

本適用例によれば、屈曲振動による歪は基部に近い位置が最大となり、基部から離れるに従い歪が小さくなる。そのため、凸部を腕部の長さの基部から１／３以内の範囲に配置することにより、屈曲振動による歪の大きい領域、つまり、腕部の表面の温度の上昇あるいは下降が大きい領域で効率的に熱移動を行うことができるので、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

［適用例３］上記適用例に記載の振動素子において、前記凸部の前記第２方向における長さは、前記腕部の長さよりも長いことが好ましい。

本適用例によれば、凸部の第２方向における長さが腕部の長さよりも長いので、腕部および腕部以外に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

［適用例４］上記適用例に記載の振動素子において、前記凸部は、前記基部と前記腕部とに連続して配置されていることが好ましい。

本適用例によれば、凸部が基部と腕部とに連続して配置されているので、基部に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

［適用例５］上記適用例に記載の振動素子において、前記腕部の前記基部とは反対側に配置された錘部を含み、前記凸部は、前記錘部と前記腕部とに連続して配置されていることが好ましい。

本適用例によれば、凸部が錘部と腕部とに連続して配置されているので、錘部に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

［適用例６］本適用例に係る電子デバイスは、上記適用例に記載の振動素子と、前記振動素子を発振させる発振回路と、を備えている。

本適用例によれば、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子を備えることにより、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる電子デバイスを得ることができる。

［適用例７］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の振動素子を備えている。

本適用例によれば、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子を備えることにより、高性能な電子機器を得ることができる。

［適用例８］本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の振動素子を備えている。

本適用例によれば、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子を備えることにより、高性能な移動体を得ることができる。

第１実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 図１ＡのＡ１−Ａ１線における概略断面図。 振動素子の振動状態における熱の発生について説明する概略平面図。 振動素子の振動状態における熱の発生源を説明する概略断面図。 振動素子の振動状態における熱流促進部を説明する概略断面図。 振動素子の等温的領域および断熱的領域について説明する模式図。 変形例１に係る振動素子の凸部の概略断面図。 変形例２に係る振動素子の凸部の概略断面図。 変形例３に係る振動素子の凸部の概略断面図。 変形例４に係る振動素子の凸部の概略断面図。 変形例５に係る振動素子の凸部の概略断面図。 変形例６に係る振動素子の凸部の概略断面図。 第２実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 第３実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 第４実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 図７ＡのＡ２−Ａ２線における概略断面図。 第５実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 第６実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図。 電子デバイスの一例としての発振器の構成を示す概略断面図。 電子機器の一例としてのモバイル型のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図。 電子機器の一例としての携帯電話機の構成を示す斜視図。 電子機器の一例としてのデジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。 移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図。

以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。

（第１実施形態）
［振動素子］
先ず、本実施形態に係る振動素子として、一対の腕部を有する音叉形状の振動素子を図１Ａおよび図１Ｂを参照して説明する。
図１Ａは、第１実施形態に係る振動素子１の構成を示す概略平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ１−Ａ１線における概略断面図である。なお、各図および以降で参照する図では、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、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」とも言う。更に、説明の便宜上、Ｚ軸方向から見たときの平面視において、＋Ｚ軸方向の面を上面、−Ｚ軸方向の面を下面として説明する。

第１実施形態に係る振動素子１は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、基部１０と、基部１０から同一方向に延在する一対の腕部１２と、腕部１２の上下面に配置された凸部１４と、を含み一体化して構成されている。
振動素子１を構成する材料は、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、振動素子１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）傾けることになる。

また、振動素子１を構成する材料は、水晶基板に限定されず、振動素子を圧電駆動させる場合は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ₃）、リン酸ガリウム（ＧａＰＯ₄）、ランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄）、等がある。また、振動素子を静電駆動させる場合は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、非晶質シリコン、等がある。

なお、振動素子１の腕部１２の表面に形成された駆動電極（図示せず）に電圧を印加すると、腕部１２の一方の側面（Ｘ軸方向と交差する面）がＹ軸方向に伸張又は収縮し、他方の側面がＹ軸方向に収縮または伸張するので、腕部１２がＸ軸方向に変位する屈曲振動が発生する。また、本実施形態の音叉形状の振動素子１では、一対の腕部１２に形成する駆動電極の正極と負極とをそれぞれ反転する構成とすることにより、一対の腕部１２が互いに接近・離間するように屈曲振動させることができるため、安定した屈曲振動を発生させることができる。

基部１０は、ＸＹ平面に広がりを有し、Ｚ軸方向に厚さを有する略板状をなしている。
一対の腕部１２は、腕部１２が屈曲振動する方向である第１方向としてのＸ軸方向に並んで設けられており、それぞれ、基部１０からＸ軸方向と交差する方向である第２方向としてのＹ軸方向に沿って延出（突出）している。よって、腕部１２の長手方向は、Ｙ軸方向となる。また、腕部１２の上下面には、凸部１４が設けられている。

凸部１４は、平面視で、腕部１２の長手方向の２つの端部領域の間に位置し、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と交差する方向である第３方向としてのＺ軸方向に凸である。また、凸部１４は、Ｙ軸方向に沿って、腕部１２の長さＬの基部１０から１／３以内の範囲に配置されている。なお、凸部１４は、幅（Ｘ軸方向の長さ）Ｗｐが腕部１２の幅Ｗよりも狭く、長さ（Ｙ軸方向の長さ）Ｌｐが腕部の長さＬよりも短くなるように構成されている。

このような凸部１４を腕部１２に設けることで、屈曲振動によって発生する熱が拡散（熱伝導）し易くなり、屈曲振動の固有周波数（機械的屈曲振動の固有周波数）ｆが熱緩和周波数ｆ０より小さな領域（ｆ＜ｆ０）である等温的領域では、熱弾性損失を抑制することができる。

次に、本発明の課題であった、熱弾性損失に伴うＱ値の低下を抑制する手法について、図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明する。
図２Ａは、振動素子の振動状態における熱の発生について説明する概略平面図であり、図２Ｂは、振動素子の振動状態における熱の発生源を説明する概略断面図であり、図２Ｃは、振動素子の振動状態における熱流促進部を説明する概略断面図である。

上述したように、腕部１２がＸ軸方向に屈曲振動する際、図２Ａに示すように、腕部１２の一方の側面１３ａが収縮すると他方の側面１３ｂが伸張し、反対に、一方の側面１３ａが伸張すると他方の側面１３ｂが収縮する。腕部１２がＧｏｕｇｈ−Ｊｏｕｌｅ効果を発生しない（エネルギー弾性がエントロピー弾性に対して支配的な）場合、図２Ｂに示すように、収縮する側面１３ａ側の温度は上昇し、伸張する側面１３ｂ側の温度は下降するため、両側面１３ａ，１３ｂの間つまり腕部１２の内部に温度差が発生する。このような温度差から生じる熱伝導によって振動エネルギーの損失が発生し、これにより振動素子１のＱ値が低下する。このようなＱ値の低下を熱弾性損失と謂う。

ここで、一般的に、屈曲振動する振動素子１の熱弾性損失のみを考慮した際のＱ値は、下記式で表される。
Ｑ＝｛（ρＣ_p）／（ｃα²Θ）｝×［｛１＋（ｆ／ｆ₀）²｝／（ｆ／ｆ₀）］ （１）
ｆ₀＝（πｋ）／（２ρＣ_pＷ²） （２）
ここで、ρは腕部１２の質量密度［ｋｇ／ｍ³］、Ｃ_pは腕部１２の熱容量［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、ｃは腕部１２の長さ方向（Ｙ軸方向）に関する弾性定数［Ｎ／ｍ²］、αは腕部１２の長さ方向（Ｙ軸方向）に関する熱膨張係数［１／Ｋ］、Θは環境温度［Ｋ］、ｆは屈曲振動の固有周波数［Ｈｚ］、ｆ₀は熱緩和周波数［Ｈｚ］、πは円周率、ｋは腕部１２の振動方向（Ｘ軸方向）に関する熱伝導率［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］、Ｗは腕部１２の幅方向（Ｘ軸方向）の長さ［ｍ］である。

また、式（２）を式（１）に代入し整理すると、次式を得る。
Ｑ＝｛（ρＣ_p）／（ｃα²Θ）｝×［｛１＋（Ｗ／Ｗ₀）⁴｝／（Ｗ／Ｗ₀）²］ （３）
Ｗ₀＝（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2 （４）
ここで、Ｗ₀は熱緩和距離と定義する。なお、屈曲振動の固有周波数ｆを固定して腕部１２の幅Ｗのみを変化させたグラフが図３である。

振動素子１のような構成の屈曲振動する振動素子において、腕部１２の屈曲振動（Ｘ軸方向）の幅Ｗが熱緩和距離Ｗ₀と一致するときにＱ値が最小となる。なお、凸部１４が省略された構成（断面が矩形）の腕部１２の熱緩和距離Ｗ₀は、式（４）で求めることができる。

前述したように、腕部１２では、両側面１３ａ，１３ｂの間に位置するように凸部１４が配置されている。そのため、図２Ｃに示すように、腕部１２の屈曲振動時に生じる両側面１３ａ，１３ｂの温度差を熱伝導により温度平衡させるための熱の移動経路の幅が凸部１４により拡がり、両側面１３ａ，１３ｂ間を熱が流れ易くなる。従って、腕部１２に凸部１４を設けていない場合と比較して熱が伝導する時間が短縮され、凸部１４を設けた際にＱ値が最小となる腕部１２の幅Ｗを熱緩和距離Ｗ_mとすれば、Ｗ_mは熱緩和距離Ｗ₀よりも大きくなる。

図３は、屈曲振動する振動素子１のＱ値のＷ／Ｗ_m依存性を表すグラフである。図３において、実線で示されている曲線Ｅは、腕部１２に凸部１４が形成されていない場合を示し、点線で示されている曲線Ｅ１は、本実施形態の振動素子１の腕部１２に凸部１４が形成されている場合を示している。図３に示すように、曲線Ｅ，Ｅ１の形状は変わらないが、前述のような熱緩和距離Ｗ_mの増大に伴って、曲線Ｅ１が曲線Ｅに対して横軸の値が大きくなる方向へシフトしている。従って、振動素子１のように腕部１２に凸部１４が形成されている場合の熱緩和距離Ｗ_mに対して、下記式（５）を満たすことにより、常に、腕部１２に凸部１４が形成されている振動素子１のＱ値が、腕部１２に凸部１４が形成されていない振動素子のＱ値に対して高くなる。更に、Ｗ／Ｗ₀＜１の関係に限定すれば、より高いＱ値を得ることができる。
Ｗ＜（Ｗ₀Ｗ_m）^1/2 （５）

なお、図３において、Ｗ／Ｗ_m＜１の領域を等温的領域と定義する。この等温的領域ではＷ／Ｗ_mが小さくなるにつれてＱ値が高くなる。これは、腕部１２の幅が狭くなるにつれて、前述のように発生する腕部１２内の温度差がより短時間で小さくなり、Ｗ／Ｗ_mを０（零）に限りなく近づけた際の極限では、等温準静的操作となって、熱弾性損失は限りなく０（零）に接近する現象に起因するものである。一方、Ｗ／Ｗ_m＞１の領域を断熱的領域と定義し、この断熱的領域ではＷ／Ｗ_mが大きくなるにつれてＱ値が高くなる。これは、腕部１２の幅が大きくなるにつれて、前述のように発生する腕部１２内の温度差が小さくなるのに長時間を要するため、Ｗ／Ｗ_mを限りなく大きくした際の極限では断熱操作となって、熱弾性損失は限りなく０（零）に接近する現象に起因するものである。このことから、Ｗ／Ｗ_m＜１の関係を満たすとは、Ｗ／Ｗ_mが等温的領域にあると言うことができる。そして、本発明に係る振動素子１は、Ｗ／Ｗ_m＜１の関係を満たし、Ｗ／Ｗ_mが等温的領域にあるものである。

上述したように、Ｗ₀＜Ｗ_mの関係が成り立つから、下記式（６）の幅Ｗは、式（５）の幅Ｗを更に等温準静的操作の極限に近づけたものとなっており、式（５）の条件よりも更に熱弾性損失を低減して、高いＱ値を得ることができる。
Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2 （６）

以上述べたように、第１実施形態に係る振動素子１によれば、以下の効果を得ることができる。
Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2の等温的領域において、振動素子１の腕部１２の両端部の間に、振動方向と交差するＺ軸方向に凸である凸部１４が設けられているため、屈曲振動によって腕部１２の表面に温度の上昇あるいは下降が生じても、凸部１４が設けられた領域での熱移動が早まり、短時間で行われる。そのため、振動素子１は等温領域において等温準静操作により近づき、熱弾性損失によるＱ値の低下が抑制され、信頼性の高い、安定した共振周波数を出力する振動素子１を得ることができる。

また、屈曲振動による歪は基部１０に近い位置が最大となり、基部１０から離れるに従い歪が小さくなる。そのため、凸部１４を腕部１２の長さＬの基部１０から少なくとも１／３以内の範囲に配置することにより、屈曲振動による歪の大きい領域、つまり、腕部１２の表面の温度の上昇あるいは下降が大きい領域で効率的に熱移動を行うことができるので、熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

次に、本発明の第１実施形態に係る振動素子１の凸部１４の変形例について、図４Ａ〜図４Ｆを参照して説明する。
以下、変形例について、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

図４Ａは、変形例１に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ａに示す変形例１の凸部１４１は、腕部１２の上下面にそれぞれＺ軸方向に２段階の厚みを有して配置されている。そのため、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となる腕部１２のＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４１が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４Ｂは、変形例２に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ｂに示す変形例２の凸部１４２は、腕部１２の上下面にそれぞれ、その断面が腕部１２からＺ軸方向に沿って幅（Ｘ軸方向の長さ）が漸減する台形状を有して配置されている。そのため、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となる腕部１２のＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４２が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４Ｃは、変形例３に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ｃに示す変形例３の凸部１４３は、腕部１２の上下面にそれぞれ、そのＸ軸方向の両端の中心が腕部１２のＸ軸方向の両端の中心から腕部１２のどちらか一方の端部側にずれて配置されている。しかし、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となる腕部１２のＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４３が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４Ｄは、変形例４に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ｄに示す変形例４の凸部１４４は、腕部１２の上面に設けられている凸部１４４と、腕部１２の下面に設けられている凸部１４４と、がそのＸ軸方向の両端の中心がＸ軸方向ずらして配置されている。しかし、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となる腕部１２のＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４４が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４Ｅは、変形例５に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ｅに示す変形例５の凸部１４５は、腕部１２の上下面にそれぞれ、Ｘ軸方向に沿って２個ずつ配置されている。そのため、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となるＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４５が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４Ｆは、変形例６に係る振動素子の凸部の概略断面図である。
図４Ｆに示す変形例６の凸部１４６は、腕部１２の上面に設けられている凸部１４６と、腕部１２の下面に設けられている凸部１４６と、のＸ軸方向の長さが異なっている。しかし、屈曲振動した際に歪が生じ熱発生部となる腕部１２のＸ軸方向の両端の厚みに対し、凸部１４６が設けられた領域は厚いので、熱流促進部として作用する。従って、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る振動素子１ａについて、図５を参照して説明する。
図５は、第２実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

第２実施形態に係る振動素子１ａは、第１実施形態に係る振動素子１と比較し、凸部１４ａの構成が異なる。
本実施形態の振動素子１ａは、図５に示すように、凸部１４ａのＹ軸方向の長さＬｐが腕部１２の長さＬより長く、凸部１４ａのＹ軸方向の一方の端部が腕部１２の基部１０と反対側の端部領域付近まで配置され、且つ、凸部１４ａの他方の端部が基部１０に配置されている。つまり、凸部１４ａは腕部１２と基部１０とに連続して配置されている。

従って、凸部１４ａのＹ軸方向における長さＬｐが腕部１２の長さＬよりも長いので、腕部１２および腕部１２以外に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、上述した実施形態と同様に熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

また、凸部１４ａが基部１０と腕部１２とに連続して配置されているので、基部１０に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、上述した実施形態と同様に熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る振動素子１ｂについて、図６を参照して説明する。
図６は、第３実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

第３実施形態に係る振動素子１ｂは、第１実施形態に係る振動素子１と比較し、凸部１４ｂの構成と振動素子１ｂの構造が異なる。
本実施形態の振動素子１ｂは、図６に示すように、腕部１２ｂの基部１０側とは反対側の端部領域に錘部１６が配置されている。錘部１６の幅（Ｘ軸方向の長さ）は、腕部１２ｂの幅Ｗよりも広い。なお、腕部１２に錘部１６を設けることによって、振動素子１ｂの小型化を図ることができたり、腕部１２ｂの屈曲振動の周波数を低めたりすることができる。また、錘部１６に金属膜等を付着または形成された金属膜等を除去することにより、一対の腕部１２ｂの屈曲振動の周波数を高精度に調整することができる。
振動素子１ｂの凸部１４ｂは、Ｙ軸方向の長さＬｐが腕部１２ｂの長さＬより長く、腕部１２ｂと錘部１６とに連続して配置されている。

従って、凸部１４ｂが錘部１６と腕部１２ｂとに連続して配置されているので、錘部１６に生じる歪による熱についても効率的に熱移動させることができ、上述した実施形態と同様に熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。
また、凸部１４ｂが錘部１６まで配置されていることにより、凸部１４ｂの錘部１６の端部が腕部１２ｂに配置された場合に比べ、屈曲振動に伴う歪が凸部１４ｂの端部に位置する腕部１２ｂに集中し、破損するのを回避することができ、腕部１２ｂの強度を向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る振動素子１ｃについて、図７Ａおよび図７Ｂを参照して説明する。
図７Ａは、第４実施形態に係る振動素子の構成を示す概略平面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＡ２−Ａ２線における概略断面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

第４実施形態に係る振動素子１ｃは、第１実施形態に係る振動素子１と比較し、凸部１４ｃの構成と振動素子１ｃの構造が異なる。
本実施形態の振動素子１ｃは、基部１０ｃと、３つの腕部１２ｃと、腕部１２ｃの側面（Ｘ軸方向と交差する面）に設けられた凸部１４ｃと、を含み構成されている。
振動素子１ｃは、図７Ａに示すように、３つの腕部１２ｃが基部１０ｃのＹ軸方向の端部に、Ｘ軸方向に並んで設けられており、それぞれ、基部１０ｃからＹ軸方向に沿って延出（突出）している。

腕部１２ｃの上面には、図示しないが第１電極層、圧電層および第２電極層がこの順で積層されており、第１電極層と第２電極層との間に電圧を印加することで、腕部１２ｃをＺ軸方向に屈曲振動させることができる。また、３つの腕部１２ｃにおいて、中央の腕部１２ｃと左右の２つの腕部１２ｃとに印加する電圧の電位を反転することにより、中央の腕部１２ｃが＋Ｚ軸方向に変位した場合、左右の２つの腕部１２ｃは−Ｚ軸方向に変位することとなり、安定した屈曲振動を発生させることができる。

凸部１４ｃは、腕部１２ｃが延出するＹ軸方向および腕部１２ｃが屈曲振動するＺ軸方向と交差する方向であるＸ軸方向の両端からＸ軸方向に凸である。また、凸部１４ｃの厚み（Ｚ軸方向の長さ）は、図７Ｂに示すように、腕部１２ｃの厚みより薄くなっている。そのため、屈曲振動による歪によって生じる熱発生部となる腕部１２ｃの上面および下面の間に、腕部１２ｃの幅（Ｘ軸方向の長さ）より広い、熱流促進部を設けることができる。また、腕部１２ｃと基部１０ｃとが接続されている領域のＸＹ平面における外縁は、曲線形状とすることで屈曲振動時に発生する歪による熱が大きくなることを抑圧する効果があるが、この曲線形状の領域にも熱流促進部を設けることができる。

従って、屈曲振動することで腕部１２ｃに生じる歪による熱を効率的に熱移動させることができ、上述した実施形態と同様に熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。
なお、本実施形態では、腕部１２ｃに第１電極層、圧電層および第２電極層を積層した圧電駆動方式を一例として挙げ説明したが、これに限定する必要はなく、腕部１２ｃに第１電極層を設け、第１電極層と対向する位置に、空間を介して第２電極層を配置し、第１電極層と第２電極層との間に発生する静電力によって腕部１２ｃを屈曲振動させる静電駆動方式でも構わない。また、腕部１２ｃに不純物をドープするなどして静電力を発生させて駆動してもよい。

（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る振動素子１ｄについて、図８を参照して説明する。
図８は、第５実施形態に係る振動素子１ｄの構成を示す概略平面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

第５実施形態に係る振動素子１ｄは、第１実施形態に係る振動素子１と比較し、駆動方式と構造が異なる。
本実施形態の振動素子１ｄは、図８に示すように、基部１０ｄと、一対の腕部１２ｄと、腕部１２ｄに設けられた凸部１４ｄと、腕部１２ｄの先端部と連結された錘部１６ｄと、基部１０ｄと連結した固定部１８と、腕部１２ｄを駆動するための電極部３０と、を含み構成されている。また、基部１０ｄと、一対の腕部１２ｄと、凸部１４ｄと、錘部１６ｄと、固定部１８と、はシリコン等の基板によって一体化して形成されている。

基部１０ｄは、腕部１２ｄが連結した側と対向する側に固定部１８を備えている。また、基部１０ｄと固定部１８との間には、固定部１８をパッケージ（図示せず）等に固定する際に用いる接着剤等が基部１０ｄへ流れ込むのを防止するために、くびれ部２０が設けられている。なお、くびれ部２０は、腕部１２ｄの振動に伴う振動エネルギーが固定部１８側に伝達するのを防止する機能も兼ねている。
錘部１６ｄは、腕部１２ｄの２つの端部領域で基部１０ｄと反対側の端部領域に設けられており、腕部１２ｄの屈曲振動する振動方向であるＸ軸方向の両端がＸ軸方向に凹凸を有する櫛歯状に形成されている。

電極部３０は、一対の腕部１２ｄの先端に設けられた錘部１６ｄの両側に配置されており、錘部１６ｄと対向する面側の端部がＸ軸方向に凹凸を有する櫛歯状に形成されている。
なお、電極部３０に形成された凹部に錘部１６ｄに形成された凸部が挿入できるように、また、錘部１６ｄに形成された凹部に電極部３０に形成された凸部が挿入できるように、形成されている。

ここで、２つの錘部１６ｄをＧＮＤとし、２つの錘部１６ｄの間に設置された電極部３０と、２つの錘部１６ｄの外周部に設置された２つの電極部３０に、交互に電圧を印加すると、２つの錘部１６ｄの間に設置された電極部３０とそれぞれ対向する錘部１６ｄとの間と、２つの錘部１６ｄの外周部に設置された２つの電極部３０とそれぞれ対向する錘部１６ｄとの間に、交互に静電界が発生する。この電界により静電引力が生じ、錘部１６ｄは対向する電極部３０に向かって周期的に吸引させられ、電極部３０が設置された方向に変位する。よって、２つの錘部１６ｄの間に設置された電極部３０と、２つの錘部１６ｄの外周部に設置された２つの電極部３０と、の電位を周期的に切り替えることにより、電極部３０に挟まれた錘部１６ｄが、周期的にＸ軸方向に変位することとなり、錘部１６ｄと連結された腕部１２ｄをＸ軸方向に屈曲振動させることができる。

従って、振動素子１ｄは、静電駆動方式で一対の腕部１２ｄを屈曲振動させることができ、腕部１２ｄに凸部１４ｄが設けられているため、屈曲振動することで腕部１２ｄに生じる歪による熱を効率的に熱移動させることができ、上述した実施形態と同様に熱弾性損失によるＱ値の低下を抑制することができる。

（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態に係る振動素子１ｅについて、図９を参照して説明する。
図９は、第６実施形態に係る振動素子１ｅの構成を示す概略平面図である。なお、上述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の構成には、同一の符号を附してあり、同様の事項については、その説明を省略する。

第６実施形態に係る振動素子１ｅは、第５実施形態に係る振動素子１ｄと比較し、同等の構成であるが、固定部１８ｅの配置位置が異なる。
本実施形態の振動素子１ｅは、図９に示すように、基部１０ｅと、一対の腕部１２ｅと、腕部１２ｅに設けられた凸部１４ｅと、腕部１２ｅの先端部と連結された錘部１６ｅと、基部１０ｅと連結した固定部１８ｅと、腕部１２ｅを駆動するための電極部３０と、を含み構成されている。また、基部１０ｅと、一対の腕部１２ｅと、凸部１４ｅと、錘部１６ｅと、固定部１８ｅと、はシリコン等の基板によって一体化して形成されている。

固定部１８ｅは、一対の腕部１２ｅの間に配置され、基部１０ｅから腕部１２ｅが延出する方向であるＹ軸方向に沿って延出している。また、固定部１８ｅと基部１０ｅとの間には、くびれ部２０ｅが設けられている。

以上のような構成とすることで、振動素子１ｅは、腕部１２ｅに凸部１４ｅが設けられているため、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、固定部１８ｅが、一対の腕部１２ｅの間に配置されているため、振動素子１ｅの全長（Ｙ軸方向の長さ）を短くすることができるため、振動素子１ｅの小型化を図ることができる。

［発振器］
次に、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅの少なくとも１つを適用した電子デバイスとしての発振器１００について、図１０を参照して説明する。
図１０は、本発明の振動素子１を備える発振器１００の構造を示す概略断面図である。
発振器１００は、振動素子１と、振動素子１を収納するパッケージ本体５０と、振動素子１を発振させるための発振回路を有するＩＣチップ（チップ部品）６０と、ガラス、セラミック、又は金属等から成る蓋部材５６と、で構成されている。なお、振動素子１を収容するキャビティー７０内はほぼ真空の減圧空間となっている。

パッケージ本体５０は、図１０に示すように、第１の基板５１と、第２の基板５２と、第３の基板５３と、第４の基板５４と、実装端子５５と、を積層して形成されている。また、パッケージ本体５０は、振動素子１側に開放するキャビティー７０と、ＩＣチップ６０側に開放するキャビティー８０とを有している。

実装端子５５は、第４の基板５４の第３の基板５３側とは反対側の面に複数設けられている。また、実装端子５５は、第３の基板５３の第４の基板５４側の面に設けられた接続電極８２と、図示しない貫通電極や層間配線を介して、電気的に導通されている。また、接続電極８２は、第１の基板５１の第２の基板５２側に設けられた台座部７２に形成された接続電極７４と、図示しない貫通電極や層間配線を介して、電気的に導通されている。

パッケージ本体５０のキャビティー７０内には、台座部７２に設けられた接続電極７４上に導通性を有する接着剤等の接合部材７６を介して振動素子１が接合され、接続電極７４と振動素子１表面に設けられた励振電極（図示せず）とが電気的に導通されている。また、キャビティー７０内は、ホウケイ酸ガラス等の封止材５８により蓋部材５６が接合されることで、気密封止されている。

一方、パッケージ本体５０のキャビティー８０内には、ＩＣチップ６０が収容されており、このＩＣチップ６０は、ろう材あるいは接着剤等の接合部材８４を介して第１の基板５１の第３の基板５３側の面に固定されている。また、キャビティー８０内には、少なくとも２つの接続電極８２が設けられている。接続電極８２は、ボンディングワイヤー８６によってＩＣチップ６０と電気的に導通されている。また、キャビティー８０内には、樹脂材料８８が充填されており、この樹脂材料８８によって、ＩＣチップ６０が封止されている。

ＩＣチップ６０は、振動素子１の発振を制御するための発振回路を有しており、この発振回路によって接続電極８２を介して振動素子１に電圧を印加することにより、振動素子１を発振させ、所定の発振周波数を出力することができる。
従って、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子１〜１ｅを備えていることにより、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる発振器１００を得ることができる。

［電子機器］
次に、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅの少なくとも１つを適用した電子機器について、図１１、図１２および図１３を参照して説明する。なお、以下の例では１つの振動素子１のみを図示しているが、２個以上の振動素子１〜１ｅが搭載されていてもよいし、２個以上の振動素子１〜１ｅが同じものでも、振動素子１〜１ｅのうち異なるものであってもよい。

図１１は、本実施形態に係る振動素子１〜１ｅを備える電子機器としてのモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成の概略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、ディスプレイ１０００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、基準クロック等として機能する振動素子１〜１ｅが内蔵されている。

図１２は、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅを備える電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳ（Personal Handyhone System）やスマートフォンも含む）の構成の概略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、ディスプレイ１０００が配置されている。このような携帯電話機１２００には、基準クロック等として機能する振動素子１〜１ｅが内蔵されている。

図１３は、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅを備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略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。デジタルスチールカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等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。
デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、ディスプレイ１０００が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行なう構成になっており、ディスプレイ１０００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等を含む受光ユニット１３０４が設けられている。
撮影者がディスプレイ１０００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、このデジタルスチールカメラ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１３３０が、デー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１３４０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１３３０や、パーソナルコンピューター１３４０に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、基準クロック等として機能する振動素子１〜１ｅが内蔵されている。

上述したように、電子機器として、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子１〜１ｅを備えることにより、高性能の電子機器を得ることができる。

なお、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅは、図１１のパーソナルコンピューター１１００（モバイル型パーソナルコンピューター）、図１２の携帯電話機１２００、図１３のデジタルスチールカメラ１３００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、カーナビゲーション装置、ページャー、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（Point of Sale）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）、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。

［移動体］
次に、本発明の一実施形態に係る振動素子１〜１ｅを適用した移動体について説明する。
図１４は、本発明の移動体の一例としての自動車１４００を概略的に示す斜視図である。自動車１４００には、振動素子１〜１ｅが搭載されている。振動素子１〜１ｅは、キーレスエントリー、イモビライザー、ナビゲーションシステム、エアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ：Antilock Brake System）、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）１４１０に広く適用できる。

上述したように、移動体として、熱弾性損失が抑制され高いＱ値を有し、所望の共振周波数を安定して取り出すことができる振動素子１〜１ｅを備えることにより、高性能の移動体を得ることができる。

以上、本発明の振動素子１〜１ｅ、電子デバイス、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良い。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせても良い。

１…振動素子、１０…基部、１２…腕部、１３ａ，１３ｂ…側面、１４…凸部、１６…錘部、１８…固定部、２０…くびれ部、５０…パッケージ本体，５１…第１の基板、５２…第２の基板、５３…第３の基板、５４…第４の基板、５５…実装端子、５６…蓋部材、５８…封止材、６０…ＩＣチップ、７０…キャビティー、７２…台座部、７４…接続電極、７６…接合部材、８０…キャビティー、８２…接続電極、８４…接合部材、８６…ボンディングワイヤー、８８…樹脂材料、１００…発振器、１０００…ディスプレイ、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…デジタルスチールカメラ、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、１３３０…テレビモニター、１３４０…パーソナルコンピューター、１４００…自動車、１４１０…電子制御ユニット。

Claims (8)

1. 第１方向に屈曲振動する腕部を含み、
   前記腕部の長手方向を第２方向とし、前記第１方向および前記第２方向と交差する方向を第３方向とした場合に、
   前記腕部は、前記第２方向における２つの端部領域と、前記第３方向からの平面視において前記２つの端部領域の間に位置し、前記第３方向に凸である凸部と、を含み、
   且つ、前記屈曲振動の固有周波数をｆ、前記腕部の質量密度をρ、前記腕部の熱容量をＣ_p、前記腕部の前記第１方向の熱伝導率をｋ、前記腕部の前記第１方向の長さをＷ、とした場合、
   Ｗ＜（（πｋ）／（２ρＣ_pｆ））^1/2
   を満たすことを特徴とする振動素子。
2. 前記第２方向において、前記腕部と連続する基部を含み、
   前記凸部は、前記第２方向に沿って、前記腕部の長さの前記基部から１／３以内の範囲に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
3. 前記凸部の前記第２方向における長さは、前記腕部の長さよりも長いことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動素子。
4. 前記凸部は、前記基部と前記腕部とに連続して配置されていることを特徴とする請求項３に記載の振動素子。
5. 前記腕部の前記基部とは反対側に配置された錘部を含み、
   前記凸部は、前記錘部と前記腕部とに連続して配置されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の振動素子。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の振動素子と、
   前記振動素子を発振させる発振回路と、
   を備えていることを特徴とする電子デバイス。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする電子機器。
8. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の振動素子を備えていることを特徴とする移動体。

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