JP5659585B2 - 振動片、振動子、発振器及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、屈曲振動片、この屈曲振動片を備えた振動子、発振器及び電子機器に関する。

従来、屈曲振動片を小型化するとＱ値（振動の状態を現す無次元数であって、この値が大きいほど振動が安定であることを意味する）が小さくなり、屈曲振動を阻害することが知られている。これは、熱の移動により温度平衡させるまでの緩和時間に反比例する緩和振動と、屈曲振動片の振動周波数とが、近づいて起こる熱弾性効果によるものである。つまり、屈曲振動片が屈曲振動することにより弾性変形が生じ、圧縮される面の温度は上昇し、伸張される面の温度は下降するため、屈曲振動片の内部に温度差が発生する。この温度差を熱伝導により温度平衡させるまでの緩和時間に反比例する緩和振動により、屈曲振動を阻害し、Ｑ値を低下させる。

このため、特許文献１は、屈曲振動片の屈曲振動部に溝または貫通孔を形成し、振動子の圧縮される面から伸張される面に発生する熱の移動を阻止して、熱弾性効果に起因するＱ値変動の抑制を図っている。
また、特許文献２には、第１及び第２の平行な振動アーム（以下、振動腕という）が延びるベース（以下、基部という）と、各振動腕の自由端を形成するフリッパー形状をした拡大部分（以下、錘部という）と、各振動腕を振動させる励起電極（以下、励振電極という）と、各振動腕の正面と裏面の少なくとも一方に形成された溝（以下、溝部という）と、を有したピエゾ電子同調フォーク型共振器（以下、屈曲振動片という）が開示されている。

実全平２−３２２２９号公報（第４頁第７行目〜第５頁第３行目） 特開２００９−２７７１１号公報（図１、図１ａ）

特許文献１に記載されているような溝部を有する屈曲振動片は、屈曲振動によって発生する熱が、溝部によって拡散（熱伝導）し難くなるように構成されていることから、熱弾性損失（屈曲振動する屈曲振動片の圧縮部と伸張部との間で発生する熱伝導により生じる振動エネルギーの損失）を抑制できるとされている。

しかしながら上記のような溝部を有する屈曲振動片は、振動腕の基部との接続部に、振動腕の他の部分よりも、屈曲振動により生じる応力が大きい部分を有し、それゆえ温度の上昇および下降の温度差も大きい。
そして振動腕の基部との接続部に位置する溝部は、その表面における振動腕の幅方向の一方側から他方側に連続して励振電極が形成されている。よって、振動腕の基部との接続部における熱伝導が、接続部に位置する溝部に形成された熱伝導率の高い金属からなる励振電極によって促進されることから、熱弾性損失が増加し、Ｑ値が低下してしまう虞があることを本発明の発明者は見出した。

また、特許文献２の図１によれば、上記屈曲振動片は、振動腕と基部との間に、平面視において、振動腕から基部に近づくに連れて、溝部から外形までの間隔が広くなるように傾斜部（テーパー部分）が設けられている。
そして、特許文献２の図１及び図１ａによれば、上記屈曲振動片は、溝部に形成された励振電極が、上記接続部にかかる範囲にまで延在しており、且つ溝部の内壁において、振動腕の幅方向の一方端側から他方端側に連続して形成されている。

これにより、上記屈曲振動片は、振動腕の屈曲振動の励振に殆ど寄与しない傾斜部における熱伝導が、傾斜部にかかる溝部の底部に形成された熱伝導率の高い金属からなる励振電極によって促進されることから、熱弾性損失が増加し、Ｑ値が低下してしまう虞があることを本発明の発明者は見出した。

本発明は、上記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。
本発明のある形態に係る振動片は、基部と、前記基部から第１方向に沿って延出し、互いに表裏の関係にある２つの主面の少なくとも一方に、前記第１方向に沿って溝部が設けられている振動腕と、を含み、前記溝部が設けられている前記主面は、平面視で、前記溝部の開口を間に挟んで、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並んでいる一方の主面部と他方の主面部とを含み、前記溝部には、励振電極が設けられ、前記振動腕は、前記基部に接続されている接続部を含み、前記溝部は、前記一方の主面部と接続している第１側面と、前記他方の主面部と接続している第２側面と、前記第１側面と前記第２側面との間に位置している底部と、を含み、前記溝部の一部が前記接続部に配置し、前記一部は、前記励振電極が設けられていない無電極領域を含み、前記溝部のうちの前記接続部よりも前記振動腕の先端側の領域において、前記第１側面から、前記底部を含んで前記第２側面に連続して前記励振電極が設けられており、前記励振電極は、前記第１側面に配置されている第１励振電極部と、前記第２側面に配置されている第２励振電極部と、を含み、前記一部において、前記無電極領域は、前記第１励振電極部と前記第２励振電極部との間に配置されており、前記一部の内面は、前記第１励振電極部が、前記第１側面の一部に設けられ、前記第２励振電極部が、前記第２側面の一部に設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記接続部は、前記振動腕の先端側から前記基部側に向かうにしたがって、前記溝部の外縁から前記振動腕の外縁までの前記第１方向と交差する第２方向に沿った幅が広くなっていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記一部の内面は、前記基部側から前記先端側に向かうにしたがって、深さが深くなっている斜面を含み、前記斜面に前記無電極領域があることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕は、前記接続部の先端から延出されている腕部と、前記腕部の先端から延出され、前記腕部より前記第２方向に沿った幅が広い錘部と、を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部に接続され、前記第２方向に沿って、前記振動腕に並んで配置されている支持部を含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記基部に、前記第２方向に沿って、並んで配置されている一対の切り欠き部が設けられていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動片は、前記振動腕を複数本含むことを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る振動子は、前記振動片と、前記振動片が収容されているパッケージと、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る発振器は、前記振動片と、回路と、を備えていることを特徴とする。
本発明のある別の形態に係る電子機器は、前記振動片を備えていることを特徴とする。

［適用例１］本適用例にかかる屈曲振動片は、基部と、前記基部から延び、屈曲振動する振動腕と、を備え、前記振動腕は、主面に、前記振動腕の長手方向に沿って形成された溝部を有し、前記溝部に励振電極が配置され、前記振動腕は、前記基部に隣接する接続部を有し、前記溝部の一部は、前記接続部に配置され、且つ、前記励振電極が形成されない無電極領域を有していることを特徴とする。

これによれば、屈曲振動片は、溝部の一部が、接続部に配置され、且つ、その少なくとも一部に、励振電極が形成されない無電極領域を有している。
この結果、屈曲振動片は、振動腕の接続部に配置された溝部の無電極領域において、励振電極が形成されている場合と比較して熱伝導率が低くなることから、例えば、屈曲振動における圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなり、接続部の熱弾性損失を抑制することができる。
したがって、屈曲振動片は、振動腕の接続部に配置された溝部に電極が形成されている場合と比較して、Ｑ値を向上させることができる。

［適用例２］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記振動腕は、前記接続部において、前記振動腕の先端側から前記基部側に近づくに連れて、前記主面上における前記溝部から前記振動腕の外縁までの幅が広くなる形状を有することが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、接続部において、振動腕の先端側から基部側に近づくに連れて、主面上における溝部から振動腕の外形までの間隔が広くなり、接続部に配置された溝部の少なくとも一部に、励振電極が形成されない無電極領域を有している。
この結果、屈曲振動片は、上述した理由により、接続部の熱弾性損失を抑制でき、Ｑ値を向上させることができる。

［適用例３］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記励振電極は、第１励振電極部及び第２励振電極部を有し、前記溝部の前記一部は、その内壁における前記振動腕の幅方向の一方側に前記第１励振電極部が配置され、他方側に前記第２励振電極部が配置され、前記無電極領域は、前記第１励振電極部と前記第２励振電極部との間に配置されていることが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、溝部の一部の、その内壁における振動腕の幅方向の一方側に第１励振電極部が配置され、他方側に第２励振電極部が配置されることから、接続部に配置された溝部に励振電極を形成しない場合と比較して、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値（発振のしやすさの目安となる値で、低いほど発振しやすい）を低くすることが可能となる。

［適用例４］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記溝部は、前記振動腕の前記長手方向に沿った第１側面と、前記振動腕の前記長手方向に沿った第２側面と、前記第１側面と前記第２側面とを接続し、前記溝部の底を形成する底部と、を有し、前記底部の一部は、前記接続部に配置され、且つ、その少なくとも一部に前記無電極領域を有し、前記溝部は、平面視において、前記第１側面及び前記第２側面の全域に前記励振電極を有することが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、溝部における第１側面及び第２側面の全域に励振電極を有することから、後述する溝部における第１側面及び第２側面の一部に励振電極を有する場合と比較して、ＣＩ値を低くすることが可能となる。
したがって、屈曲振動片は、溝部における第１側面及び第２側面の一部に励振電極を有する場合と比較して、Ｑ値を向上させることができる。

［適用例５］上記適用例１または適用例２にかかる屈曲振動片において、前記溝部は、前記振動腕の前記長手方向に沿った第１側面と、前記振動腕の前記長手方向に沿った第２側面と、前記第１側面と前記第２側面とを接続し、前記溝部の底を形成する底部と、を有し、前記底部の一部は、前記接続部に配置され、且つ、その少なくとも一部に前記無電極領域を有し、前記溝部は、平面視において、前記第１側面の一部及び前記第２側面の一部に前記励振電極を有することが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、溝部における第１側面及び第２側面の一部に励振電極を有することから、上述した第１側面及び第２側面の全域に励振電極を有する場合と比較して、負荷容量感度（負荷容量の変化に対する周波数の変化の程度を表し、低いほど周波数の変動が少ない）を低くすることが可能となる。
したがって、屈曲振動片は、溝部における第１側面及び第２側面の全域に励振電極を有する場合と比較して、例えば、浮遊容量などに起因する周波数の変動を抑制することができる。

［適用例６］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記接続部に配置された前記底部は、前記基部側から前記振動腕の前記先端側に向かうに連れて、前記溝部が深くなる斜面を有し、前記斜面に前記無電極領域を有していることが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、溝部の底部が、基部側から振動腕の先端側に向かうに連れて、溝部が深くなるように傾斜している斜面を有し、この斜面に無電極領域を有していることから、例えば、無電極領域形成時の電極保護膜（レジスト）のフォトリソグラフィーにおける、非露光部分（第１側面及び第２側面など）への、光の反射による露光用光の照射を回避できる。

［適用例７］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記振動腕は、前記基部側に位置する腕部と、前記腕部より前記先端側に位置する錘部と、を有することが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、振動腕が基部側に位置する腕部と、腕部より先端側に位置する錘部と、を有することから、錘部の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果によって、例えば、Ｑ値を維持しながら振動腕を短くすることができる。
したがって、屈曲振動片は、Ｑ値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。
一方、屈曲振動片は、錘部を有すると、例えば、屈曲振動における接続部での歪みが、錘部がない場合と比較して大きくなる（発生する熱量が大きくなる）。
しかしながら、屈曲振動片は、傾斜部にかかる溝部の底部の無電極領域において、電極が形成されている場合と比較して熱伝導率が低くなることから、圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなり、錘部を有している場合に、より効果的に接続部の熱弾性損失を抑制することができる。

［適用例８］上記適用例にかかる屈曲振動片において、前記振動腕を複数本備え、前記複数本の振動腕と、前記基部とを含んで音叉を構成することが好ましい。

これによれば、屈曲振動片は、複数本の振動腕と、基部とを含んで音叉を構成することから、上記適用例１ないし適用例７のいずれか一例の効果を奏する音叉型屈曲振動片を提供できる。

［適用例９］本適用例にかかる振動子は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の屈曲振動片と、前記屈曲振動片を収容するパッケージと、を備えたことを特徴とする。

これによれば、振動子は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の振動片を備えたことから、上記適用例１ないし適用例８のいずれか一例の効果を奏する振動子を提供できる。

［適用例１０］本適用例にかかる発振器は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の屈曲振動片と、前記屈曲振動片を発振させる回路を有する回路素子と、を備えたことを特徴とする。

これによれば、発振器は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の屈曲振動片を備えたことから、上記適用例１ないし適用例８のいずれか一例の効果を奏する発振器を提供できる。

［適用例１１］本適用例にかかる電子機器は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の屈曲振動片を備えたことを特徴とする。

これによれば、電子機器は、適用例１ないし適用例８のいずれか一例に記載の屈曲振動片を備えたことから、上記適用例１ないし適用例８のいずれか一例の効果を奏する電子機器を提供できる。

第１実施形態の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の断面図。 屈曲振動片の緩和周波数とＱ値の極小値との関係を示す図。 変形例１の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 変形例２の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 変形例３の屈曲振動片の要部模式断面図。 第２実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 第３実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の断面図。 第４実施形態の電子機器を示す模式斜視図。

以下、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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線での断面図である。
なお、図１（ａ）では、便宜的に電極部分にハッチング、アミがけを施してあると共に、煩雑にならないように電極部分を簡略化及び一部省略してある。また、図１（ｃ）では、構成要素の一部（支持部）の断面を省略してある。

図１に示すように、屈曲振動片としての水晶振動片１は、水晶の原石などから所定の角度で切り出されたウエハー状の水晶基板を基材とし、外形形状がフォトリソグラフィー技術を用いたウェットエッチングなどによって形成されている。

水晶振動片１は、基部１１と、基部１１から延びる、互いに略平行な一対の振動腕１２，１３と、振動腕１２，１３の延びる方向に対して交差する方向（紙面左右方向）すなわち振動腕１２，１３の幅方向に、基部１１を両側から切り欠いた一対の切り欠き部１４と、基部１１から紙面左右方向に突出し、振動腕１２，１３側に略直角に折れ曲がり、振動腕１２，１３に沿って延びる一対の支持部１５とを備えている。

一対の振動腕１２，１３は、基部１１側に位置する腕部１６と、腕部１６より先端側に位置し、腕部１６より幅が広い錘部１７と、を有している。
そして、一対の振動腕１２，１３は、互いに対向する両方の主面１０ａ，１０ｂに、振動腕１２，１３の長手方向に沿って形成されると共に、一対の振動腕１２，１３の並ぶ方向（紙面左右方向）に沿って切断した振動腕１２，１３の断面形状が、略Ｈ字状となる溝部１８を有している。

水晶振動片１は、振動腕１２，１３の、基部１１に隣接する接続部に、平面視において、振動腕１２，１３から基部１１に近づくに連れて、溝部１８から外形までの間隔が広くなる傾斜部１９が設けられている。
水晶振動片１は、一対の振動腕１２，１３の溝部１８、一方の主面１０ａ、他方の主面１０ｂ及び一対の振動腕１２，１３の互いに対向する側面１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂなどに励振電極２０，２１が形成（配置）されている。

ここで、溝部１８に形成されている励振電極２０，２１について説明する。
図１（ｂ）に示すように、溝部１８は、底部１８ｃと、底部１８ｃに対し振動腕１２，１３の幅方向の一方側に位置し振動腕１２，１３の長手方向に沿った第１側面１８ａと、底部１８ｃに対し振動腕１２，１３の幅方向の他方側に位置し振動腕１２，１３の長手方向に沿った第２側面１８ｂと、を有している。
そして、腕部１６における溝部１８の励振電極２０，２１は、溝部１８の長手方向に沿った第１側面１８ａと、底部１８ｃと、底部１８ｃを挟んで第１側面１８ａと対向する第２側面１８ｂと、に連続して形成されている。

一方、図１（ｃ）に示すように、底部１８ｃのうち、傾斜部１９に位置する底部１８ｃの少なくとも一部（ここでは、傾斜部１９に位置する底部１８ｃのすべてで、上記適用例に記載された「溝部の一部」に相当）には、第１側面１８ａとの連結部１８ｄから第２側面１８ｂとの連結部１８ｅまでの範囲で、励振電極２０，２１が形成されない無電極領域が設けられている（図１（ａ）において、符号１８ｃが引き出されている白抜きの部分）。
そして、傾斜部１９に位置する第１側面１８ａには、励振電極２０，２１の一部である第１励振電極部２０ａ，２１ａが形成（配置）され、傾斜部１９に位置する第２側面１８ｂには、励振電極２０，２１の一部である第２励振電極部２０ｂ，２１ｂが形成（配置）されている。
なお、水晶振動片１は、溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの全域に励振電極２０，２１を有している。

図１に示すように、水晶振動片１は、基部１１と、一対の振動腕１２，１３とを含んで音叉を構成することで、音叉型屈曲振動片としての音叉型水晶振動片となっており、支持部１５の所定の位置でパッケージなどの外部部材に固定されるようになっている。
そして、水晶振動片１は、一対の振動腕１２，１３に形成された励振電極２０，２１に、外部から駆動信号が印加されることにより、一対の振動腕１２，１３が、所定の周波数（例えば、３２．７６８ｋＨｚ）で矢印Ｃ方向及び矢印Ｄ方向に交互に屈曲振動（共振）する。

ここで、一対の振動腕１２，１３に形成されている励振電極２０，２１について詳述する。
一対の振動腕１２，１３には、外部から印加される駆動信号の印加電位の極性が、互いに異なる励振電極２０と励振電極２１とが形成されている。
このことから、励振電極２０と励振電極２１とは、短絡しないように互いに間隔を空けて形成されている。

図１（ｂ）、図１（ｃ）に示すように、振動腕１２の溝部１８には、励振電極２０が形成され、振動腕１２の両側面１２ａ，１２ｂには、励振電極２１が形成されている。
なお、振動腕１２の両側面１２ａ，１２ｂの励振電極２１は、錘部１７に形成された接続電極２２（図１（ａ）参照）を介して互いに接続されている。
一方、振動腕１３の溝部１８には、励振電極２１が形成され、振動腕１３の両側面１３ａ，１３ｂには、励振電極２０が形成されている。
なお、振動腕１３の両側面１３ａ，１３ｂの励振電極２０は、錘部１７に形成された接続電極２３（図１（ａ）参照）を介して互いに接続されている。

また、振動腕１２の溝部１８の一方の主面１０ａ側の励振電極２０と他方の主面１０ｂ側の励振電極２０とは、振動腕１３の両側面１３ａ，１３ｂに形成された励振電極２０を介して接続されている。
一方、振動腕１３の溝部１８の一方の主面１０ａ側の励振電極２１と他方の主面１０ｂ側の励振電極２１とは、振動腕１２の両側面１２ａ，１２ｂに形成された励振電極２１を介して接続されている。

図１（ａ）に示すように、励振電極２０，２１は、基部１１を介して支持部１５まで引き出され、引き出された部分が、パッケージなどの外部部材に固定される際に用いられるマウント電極２０ｃ，２１ｃとなっている。なお、マウント電極２０ｃ，２１ｃは、一方の主面１０ａ及び他方の主面１０ｂの両方に形成されている。

ここで、励振電極２０，２１の形成方法の概略について説明する。
励振電極２０，２１は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕなどの電極材料が、蒸着、スパッタなどの方法で水晶振動片１の略全面に成膜され、成膜された電極材料を覆うように感光性のレジストが塗布され、レジストがフォトリソグラフィー技術などを用いて所望の電極パターン形状に応じて露光、パターニングされた後、電極材料の露出した不要部分がエッチングで除去されることにより、所望の電極パターン形状に形成される。

なお、水晶の熱伝導率は、約６．２〜約１０．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、励振電極２０，２１の電極材料としての、例えば、Ａｕの熱伝導率は、約３１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であって、Ａｕの方が桁違いに高い。これは、他の電極材料（Ｎｉ、Ｃｒなど）についてもいえることである。

次に、熱弾性損失と緩和周波数について説明する。
簡略化のため、１本の振動腕１２を用いて説明する。水晶振動片１が振動状態にあり、振動腕１２がその幅方向の一方側に振れている間は、振動腕１２の幅方向の一方側に引張り応力が作用し、他方側に圧縮応力が作用する。一般的に、振動腕１２の、基部１１に隣接する接続部に作用する引張り応力および圧縮応力は、振動腕１２の先端側に作用する各応力より大きい。
この際、圧縮応力が作用する領域では、温度が上昇し、引張り応力が作用する領域では、温度が下降する。
水晶振動片１は、屈曲振動する振動腕１２の圧縮応力を受ける圧縮部と引張り応力を受ける伸張部との間で、温度の平衡化のために発生する熱の移動（熱伝導）により、振動エネルギーの損失が生じる。
このような熱伝導により生じるＱ値の低下は、熱弾性損失と呼ばれている。

一般的に温度差を原因として生じる固体の内部摩擦の場合によく知られた歪みと応力の関係式から、熱弾性損失は、屈曲振動モードの振動片において、周波数が変化したときに、緩和周波数ｆｍ＝１／２πτ（ここで、πは円周率、τは緩和時間）でＱ値が極小となる、と説明されている。
このＱ値と周波数との関係を一般的に表すと、屈曲振動片の緩和周波数とＱ値の極小値との関係を示す図２の曲線Ｆのようになる。同図において、Ｑ値が極小Ｑ０となる周波数が熱緩和周波数ｆ０（＝１／２πτ）である。
またｆ／ｆ０＝１を境にして周波数が高い領域（１＜ｆ／ｆ０）が断熱的領域となり、周波数が低い領域（ｆ／ｆ０＜１）が等温的領域となる。

水晶振動片１の振動腕１２，１３に溝部１８を形成すると、圧縮部と伸張部との間の熱伝導経路が溝部によって途中で狭められるため、水晶振動片１は、圧縮部と伸張部とで温度が平衡状態になるまでの緩和時間τが長くなる。
これにより、水晶振動片１は、図２に示す断熱的領域では、溝部１８を形成することで、曲線Ｆ自体の形状は変化せずに熱緩和周波数ｆ０の低下に伴って、曲線Ｆが曲線Ｆ１の位置まで周波数の低下方向にシフトしたことになる。なお、曲線Ｆ１は、溝部１８に電極（励振電極２０，２１）が一切形成されていない状態を示している。
この結果、水晶振動片１は、矢印ａに示すようにＱ値が高くなる。

ところが、水晶振動片１は、溝部１８に励振電極２０，２１を形成することにより曲線Ｆが曲線Ｆ２の位置までシフトし、矢印ｂに示すようにＱ値が低下してしまう。
この原因としては、励振電極２０，２１が熱伝導経路を形成することが考えられる。
すなわち、電極材料のように導電性を有する材料は、上述したように、水晶振動片１の基材としての圧電体である水晶より熱伝導率が大きい。このような導電性を有する材料では、金属のフォノンのほかに電子が熱エネルギーを運搬する。
つまり、水晶振動片１は、熱伝導が水晶に加えて、溝部１８に形成された励振電極２０，２１を介しても行なわれるため、緩和時間τが短くなり、熱緩和周波数ｆ０の上昇に伴って、曲線Ｆが曲線Ｆ２の位置まで周波数の上昇方向にシフトしたと考えられる。

第１実施形態の水晶振動片１は、熱弾性損失が断熱的領域、すなわち振動体の機械的な共振周波数ｆｒを振動体単体での熱緩和周波数ｆ０で除した値ｆｒ／ｆ０が、１＜ｆｒ／ｆ０の関係を満たす高周波数の領域を対象としている。ここで振動体単体とは、励振電極２０，２１などの金属膜などを一切配置していない振動体である。例えば振動体の材料として水晶を用いる場合には、水晶以外の材料が一切配置されていない状態の振動体をいう。

なお一般的に、熱緩和振動数ｆｍは、下式で求まることが知られている。
ｆｍ＝πｋ／（２ρＣ_pａ²）・・・（１）
ここで、πは円周率、ｋは振動腕の振動方向の熱伝導率、ρは振動腕の質量密度、Ｃ_pは振動腕の熱容量、ａは振動腕の振動方向の幅である。
式（１）の熱伝導率ｋ、質量密度ρ、熱容量Ｃ_pに振動腕の材料そのものの定数を入力した場合、求まる熱緩和振動数ｆｍは振動腕に溝部を設けていない場合の緩和振動数となる。

上述したように、第１実施形態の水晶振動片１は、溝部１８の傾斜部１９にかかる底部１８ｃの少なくとも一部に、第１側面１８ａとの連結部１８ｄから第２側面１８ｂとの連結部１８ｅまでの範囲で、励振電極２０，２１が形成されない無電極領域を有している。
この結果、断熱的領域で動作する水晶振動片１は、傾斜部１９にかかる溝部１８の底部１８ｃの無電極領域において、励振電極２０，２１が形成されている場合と比較して熱伝導率が低くなることから、屈曲振動における圧縮部（例えば、第１側面１８ａ側）から伸張部（例えば、第２側面１８ｂ側）への熱の移動が遅くなり、傾斜部１９の熱弾性損失を抑制することができる。

したがって、水晶振動片１は、傾斜部１９にかかる溝部１８の底部１８ｃに励振電極２０，２１が形成されている場合と比較して、Ｑ値を向上させることができる。
なお、水晶振動片１は、この効果をより確実に奏するために、図１（ａ）に示すように、溝部１８の傾斜部１９にかかる底部１８ｃのすべての範囲を無電極領域にすることが好ましい。

また、水晶振動片１は、溝部１８における第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの全域に励振電極２０，２１を有することから、後述する溝部１８における第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの一部に励振電極２０，２１を有する場合と比較して、ＣＩ値を低くすることが可能となる。
したがって、水晶振動片１は、溝部１８における第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの一部に励振電極２０，２１を有する場合と比較して、Ｑ値を向上させることができる。

また、水晶振動片１は、振動腕１２，１３が基部１１側に位置する腕部１６と、腕部１６より先端側に位置し腕部１６より幅が広い錘部１７と、を有することから、錘部１７の慣性質量の増加によるＱ値の向上効果によって、例えば、Ｑ値を維持しながら振動腕１２，１３を短くすることができる。
したがって、水晶振動片１は、Ｑ値を維持しながら、さらなる小型化を図ることが可能となる。

一方、水晶振動片１は、錘部１７を有すると、屈曲振動における傾斜部１９での歪みが、錘部１７がない場合と比較して大きくなる（発生する熱量が大きくなる）。
しかしながら、水晶振動片１は、傾斜部１９にかかる溝部１８の底部１８ｃの無電極領域において、励振電極２０，２１が形成されている場合と比較して熱伝導率が低くなることから、圧縮部から伸張部への熱の移動が遅くなり、錘部１７を有する構成において、より効果的に傾斜部１９の熱弾性損失を抑制することができる。

また、水晶振動片１は、一対（２本）の振動腕１２，１３と、基部１１とを含んで音叉を構成することから、上述した効果を奏する音叉型水晶振動片を提供できる。

ここで、第１実施形態の変形例について説明する。
（変形例１）
図３は、変形例１の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＥ−Ｅ線での断面図である。なお、第１実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図３に示すように、変形例１の屈曲振動片としての水晶振動片２は、溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの傾斜部１９にかかる範囲Ｌ１に、励振電極２０，２１が形成されていない。
換言すれば、水晶振動片２は、溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの一部に励振電極２０，２１を有している。

これによれば、水晶振動片２は、溝部１８における第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの一部に励振電極２０，２１を有することから、上述した第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの全域に励振電極２０，２１を有する場合と比較して、溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂにおける励振電極２０，２１の面積が小さくなる。
このことから、水晶振動片２は、主にモーショナルキャパシタンスが減少することから、負荷容量感度を低くすることが可能となる。
したがって、水晶振動片２は、溝部１８における第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの全域に励振電極２０，２１を有する場合と比較して、例えば、浮遊容量などに起因する周波数の変動を抑制することができる。

（変形例２）
図４は、変形例２の屈曲振動片の概略構成を示す模式図であり、図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＦ−Ｆ線での断面図である。なお、第１実施形態との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略し、第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

図４に示すように、変形例２の屈曲振動片としての水晶振動片３は、変形例１で述べた溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂの傾斜部１９にかかる範囲Ｌ１に加えて、溝部１８の錘部１７側の一部の範囲Ｌ２における第１側面１８ａ、第２側面１８ｂ及び底部１８ｃに励振電極２０，２１が形成されていない。

これによれば、水晶振動片３は、第１実施形態及び変形例１と比較して、溝部１８の第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂにおける励振電極２０，２１の面積が更に小さくなる。
このことから、水晶振動片３は、モーショナルキャパシタンスが更に減少することから、負荷容量感度を更に低くすることが可能となる。
したがって、水晶振動片３は、第１実施形態及び変形例１と比較して、例えば、浮遊容量などに起因する周波数の変動を更に抑制することができる。

加えて、水晶振動片３は、溝部１８の錘部１７側の一部の範囲Ｌ２における底部１８ｃに励振電極２０，２１が形成されていないことから、範囲Ｌ２での屈曲振動における圧縮部（例えば、第１側面１８ａ側）から伸張部（例えば、第２側面１８ｂ側）への熱の移動が遅くなり、熱弾性損失を抑制することができる。
したがって、水晶振動片３は、第１実施形態及び変形例１と比較して、Ｑ値を更に向上させることができる。

（変形例３）
図５は、変形例３の屈曲振動片の要部模式断面図である。
図５は、変形例３の屈曲振動片としての水晶振動片４の溝部１８の基部１１側における要部を、振動腕１２，１３の延びる方向に沿って切断した断面図である。
なお、図５に示す溝部１８以外の水晶振動片４の構成は、第１実施形態及び各変形例のいずれかと同様である。

図５に示すように、水晶振動片４の溝部１８の傾斜部１９にかかる底部１８ｃは、例えば、ウェットエッチングにより溝部１８を形成した場合、基部１１側から振動腕１２，１３の先端側に向かうに連れて、溝部１８が深くなるように傾斜している斜面１８ｆを有している。
そして、水晶振動片４の溝部１８の傾斜部１９にかかる底部１８ｃは、斜面１８ｆに無電極領域を有している。
なお、この斜面１８ｆは、振動腕１２，１３の延びる方向に対して交差する方向に切断したときに、第１側面１８ａ側及び第２側面１８ｂ側のいずれの側へも傾斜していないものとする。

これによれば、水晶振動片４は、溝部１８の傾斜部１９にかかる底部１８ｃが、基部１１側から振動腕１２，１３の先端側に向かうに連れて、溝部１８が深くなるように傾斜している斜面１８ｆを有し、斜面１８ｆに無電極領域を有していることから、励振電極２０，２１の電極パターン形成時におけるレジストのフォトリソグラフィーを用いたパターニングの際の、非露光部分（第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂなど）への、光の反射による露光用光の照射を回避できる。

詳述すると、溝部１８の上方から斜面１８ｆに向けて照射された露光用光Ｏは、底部１８ｃの斜面１８ｆで反射される際に、基部１１側から振動腕１２，１３の先端側に向かうに連れて溝部１８が深くなるような斜面１８ｆの傾斜によって、振動腕１２，１３の延びる方向に沿って振動腕１２，１３の先端側に、入射角に応じた角度で反射される。
この結果、水晶振動片４は、励振電極２０，２１の電極パターン形成時におけるレジストのフォトリソグラフィーを用いたパターニングの際の、非露光部分（第１側面１８ａ及び第２側面１８ｂなど）への、光の反射による露光用光Ｏの照射を回避できることとなる。

なお、底部１８ｃの斜面１８ｆは、図５における紙面左右方向の両端部の位置が傾斜部１９の両端部の位置と一致している必要はない。例えば、底部１８ｃの斜面１８ｆは、振動腕１２，１３の先端側（紙面左側）の端部が、傾斜部１９を越えていてもよく、傾斜部１９内に収まっていてもよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた振動子について説明する。
図６は、第２実施形態の振動子の概略構成を示す模式図であり、図６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＧ−Ｇ線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極類は省略してある。

図６に示すように、振動子としての水晶振動子５は、第１実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
パッケージ８０は、パッケージベース８１、シームリング８２、蓋体８５などから構成されている。
パッケージベース８１は、水晶振動片１を収容できるように凹部が形成され、その凹部に水晶振動片１の図示しないマウント電極２０ｃ，２１ｃ（図１参照）と接続される接続パッド８８が設けられている。
接続パッド８８は、パッケージベース８１内の配線に接続され、パッケージベース８１の外周部に設けられた外部接続端子８３と導通可能に構成されている。

パッケージベース８１の凹部の周囲には、シームリング８２が設けられている。さらに、パッケージベース８１の底部には、貫通穴８６が設けられている。
水晶振動片１は、パッケージベース８１の接続パッド８８に導電性接着剤８４を介して接着固定されている。そして、パッケージ８０は、パッケージベース８１の凹部を覆う蓋体８５とシームリング８２とがシーム溶接されている。
パッケージベース８１の貫通穴８６には、金属材料などからなる封止材８７が充填されている。この封止材８７は、減圧雰囲気内で溶融後固化され、パッケージベース８１内が減圧状態を保持できるように、貫通穴８６を気密に封止している。
水晶振動子５は、外部接続端子８３を介した外部からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２．７６８ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶振動子５は、水晶振動片１を備えていることから、第１実施形態と同様の効果（Ｑ値の向上など）を奏する水晶振動子を提供することができる。
なお、水晶振動子５は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２，３，４のいずれかを用いても、水晶振動片２，３，４に応じた効果を奏することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた発振器について説明する。
図７は、第３実施形態の発振器の概略構成を示す模式図であり、図７（ａ）は平面図、図７（ｂ）は図７（ａ）のＨ−Ｈ線での断面図である。なお、煩雑さを避けるために、水晶振動片の電極類は省略してある。

発振器としての水晶発振器６は、上記水晶振動子５の構成に回路素子をさらに備えた構成となっている。なお、水晶振動子５との共通部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図７に示すように、水晶発振器６は、第１実施形態の水晶振動片１と、水晶振動片１を発振させる発振回路を有する回路素子としてのＩＣチップ９１と、水晶振動片１及びＩＣチップ９１を収容するパッケージ８０と、を備えている。
ＩＣチップ９１は、パッケージベース８１の底部に固着され、Ａｕ、Ａｌなどの金属ワイヤー９２により他の配線と接続されている。
水晶発振器６は、ＩＣチップ９１の発振回路からの駆動信号により水晶振動片１が励振され、所定の周波数（例えば、３２．７６８ｋＨｚ）で発振（共振）する。

上述したように、水晶発振器６は、水晶振動片１を備えていることから、第１実施形態と同様の効果（Ｑ値の向上など）を奏する水晶発振器を提供することができる。
なお、水晶発振器６は、水晶振動片１に代えて水晶振動片２，３，４のいずれかを用いても、水晶振動片２，３，４に応じた効果を奏することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態として、上記で説明した水晶振動片を備えた電子機器について説明する。
図８は、第４実施形態の電子機器を示す模式斜視図である。
図８に示すように、電子機器としての携帯電話７００は、上述した水晶振動片（１など）を備えた水晶振動子５や水晶発振器６を、例えば、タイミングデバイスとして備え、更に液晶表示装置７０１、複数の操作ボタン７０２、受話口７０３、及び送話口７０４を備えて構成されている。

上述した水晶振動子５や水晶発振器６は、上記携帯電話に限らず、電子ブック、パーソナルコンピューター、テレビ、デジタルスチールカメラ、ビデオカメラ、ビデオレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳、電卓、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器などのタイミングデバイスとして好適に用いることができ、いずれの場合にも上記各実施形態および各変形例で説明した効果を奏することで、これら電子機器の動作特性の向上などに貢献することができる。

なお、上記各実施形態及び各変形例において、水晶振動片１，２，３，４の支持部１５、錘部１７は、なくてもよい。
また、上記各実施形態及び各変形例において、水晶振動片１，２，３，４の錘部１７は、一対の振動腕１２，１３の腕部１６より先端側において、腕部１６より幅を広げる構造としたが、これに限定するものではなく、他の構造を有する錘部１７も適用できる。
例えば、一対の振動腕１２，１３の腕部１６より先端側において、腕部１６より厚みを厚くした構造の錘部や、腕部１６より先端側において、水晶振動片１，２，３，４を構成する基材より質量密度の高い材料からなる部材（例えばＡｕやＣｕなどの金属からなる部材）を固定若しくは埋設した構造の錘部も適用できる。
また、支持部１５は、一対に限定するものではなく、一方だけでもよい。

また、上記各実施形態及び各変形例において、溝部１８は、底部１８ｃ、第１側面１８ａ、および第２側面１８ｂを有し、所謂Ｈ字型の断面形状を有しているが、これに限定するものではなく、例えば底部がなく、第１側面と第２側面とが鋭角をなすように接続された所謂Ｖ字型の断面形状を有する溝部であってもよい。
なお、上記各実施形態及び各変形例では、溝部１８を振動腕１２，１３の両方の主面１０ａ，１０ｂに設けたが、これに限定するものではなく、いずれか一方の主面（１０ａまたは１０ｂ）のみでもよい。
また、上記各実施形態及び各変形例では、振動腕１２，１３の数を一対（２本）としたが、これに限定するものではなく、１本、または３本以上でもよい。

なお、上記各実施形態及び各変形例では、振動片を水晶としたが、これに限定するものではなく、例えば、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体、または酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの圧電体を被膜として備えたシリコンなどであってもよい。

１，２，３，４…屈曲振動片としての水晶振動片、５…振動子としての水晶振動子、６…発振器としての水晶発振器、１０ａ…一方の主面、１０ｂ…他方の主面、１１…基部、１２…振動腕、１２ａ，１２ｂ…側面、１３…振動腕、１３ａ，１３ｂ…側面、１４…切り欠き部、１５…支持部、１６…腕部、１７…錘部、１８…溝部、１８ａ…第１側面、１８ｂ…第２側面、１８ｃ…底部、１８ｄ，１８ｅ…連結部、１８ｆ…斜面、１９…傾斜部、２０，２１…電極としての励振電極、２０ａ，２１ａ…第１励振電極部、２０ｂ，２１ｂ…第２励振電極部、２０ｃ，２１ｃ…マウント電極、２２，２３…接続電極、８０…パッケージ、８１…パッケージベース、８２…シームリング、８３…外部接続端子、８４…導電性接着剤、８５…蓋体、８６…貫通穴、８７…封止材、８８…接続パッド、９１…回路素子としてのＩＣチップ、９２…金属ワイヤー、７００…電子機器としての携帯電話、７０１…液晶表示装置、７０２…操作ボタン、７０３…受話口、７０４…送話口。

Claims (10)

1. 基部と、
   前記基部から第１方向に沿って延出し、互いに表裏の関係にある２つの主面の少なくとも一方に、前記第１方向に沿って溝部が設けられている振動腕と、
   を含み、
   前記溝部が設けられている前記主面は、平面視で、前記溝部の開口を間に挟んで、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並んでいる一方の主面部と他方の主面部とを含み、
   前記溝部には、励振電極が設けられ、
   前記振動腕は、前記基部に接続されている接続部を含み、
   前記溝部は、
   前記一方の主面部と接続している第１側面と、
   前記他方の主面部と接続している第２側面と、
   前記第１側面と前記第２側面との間に位置している底部と、
   を含み、
   前記溝部の一部が前記接続部に配置し、
   前記一部は、前記励振電極が設けられていない無電極領域を含み、
   前記溝部のうちの前記接続部よりも前記振動腕の先端側の領域において、前記第１側面から、前記底部を含んで前記第２側面に連続して前記励振電極が設けられており、
   前記励振電極は、
   前記第１側面に配置されている第１励振電極部と、
   前記第２側面に配置されている第２励振電極部と、
   を含み、
   前記一部において、前記無電極領域は、前記第１励振電極部と前記第２励振電極部との間に配置されており、
   前記一部の内面は、
   前記第１励振電極部が、前記第１側面の一部に設けられ、
   前記第２励振電極部が、前記第２側面の一部に設けられていることを特徴とする振動片。
2. 請求項１において、
   前記接続部は、前記振動腕の先端側から前記基部側に向かうにしたがって、前記溝部の外縁から前記振動腕の外縁までの前記第１方向と交差する第２方向に沿った幅が広くなっていることを特徴とする振動片。
3. 請求項１または２において、
   前記一部の内面は、前記基部側から前記先端側に向かうにしたがって、深さが深くなっている斜面を含み、
   前記斜面に前記無電極領域があることを特徴とする振動片。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、
   前記振動腕は、
   前記接続部の先端から延出されている腕部と、
   前記腕部の先端から延出され、前記腕部より前記第２方向に沿った幅が広い錘部と、
   を含むことを特徴とする振動片。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
   前記基部に接続され、前記第２方向に沿って、前記振動腕に並んで配置されている支持部を含むことを特徴とする振動片。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
   前記基部に、前記第２方向に沿って、並んで配置されている一対の切り欠き部が設けられていることを特徴とする振動片。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項において、
   前記振動腕を複数本含むことを特徴とする振動片。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動片と、
   前記振動片が収容されているパッケージと、
   を備えていることを特徴とする振動子。
9. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動片と、
   回路と、
   を備えていることを特徴とする発振器。
10. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動片を備えていることを特徴とする電子機器。

Images