JP6375612B2 - 振動片、振動子、発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

Description

本発明は、振動片、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から、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。
特許文献１に記載の振動素子は、音叉型をなしており、基部と、基部の一端側から延びている一対の振動腕と、基部の他端側に位置する接続部と、基部と接続部との間に位置し、これらを連結する連結部と、接続部から延びている支持腕と、を含んでいる振動片を有している。

このような特許文献１には、連結部の幅ｒと基部の幅ｅとの比率であるｅ／ｒが、４０％以下であることが好ましく、２３％〜４０％であることがより好ましいことが記載れている。そして、このような範囲を満足することによる効果として、振動漏れを抑制しつつ、耐衝撃性を維持することができることが記載されている。しかしながら、厚さおよびｅ／ｒが上記関係を満足していたとしても、設計条件（例えば、振動片の厚さ）によっては、振動漏れを十分に押えることができず、振動特性が悪い振動素子となってしまう場合がある。なお、また、特許文献１には、振動片の厚さとして、７０μｍ〜１３０μｍであることが好ましいことが記載れている（引用文献１の段落００４２参照）が、この厚さとｅ／ｒとの関係は不明である。

特開２００８−７２７０５号公報

本発明の目的は、小型化を図りつつ、振動漏れの低減を図ることのできる振動片、並びに、この振動片を備える信頼性の高い振動子、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、以下の適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本適用例の振動片は、基部と、
平面視で前記基部の一端側から第１方向に延出している振動腕と、
平面視で前記基部の他端側に配置されている接続部と、
平面視で前記基部と前記接続部との間に配置され、前記基部と前記接続部とを連結している連結部と、
を含み、
前記振動腕は、
錘部と、
前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部と、
を含み、
前記錘部は、前記第１方向に沿った全長および前記第１方向と交差する第２方向に沿った全幅に亘って、連続した主面を有しており、
前記連結部の厚さをＴ、
前記基部の前記第２方向に沿った幅をＷ１、
前記連結部の前記第２方向に沿った幅をＷ２としたとき、
５０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍ
を満足しているとともに、
０．０６７≦Ｗ２／Ｗ１≦０．３３５
を満足し、
前記腕部の前記第２方向に沿った幅をＷ３、
前記錘部の前記第２方向に沿った幅をＷ４としたとき、
Ｗ４≧２．８×Ｗ３
を満足していることを特徴とする。
これにより、小型化を図りつつ、振動漏れの低減を図ることのできる振動片を提供することができる。
［適用例２］
本適用例の振動片では、１１０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍを満足していることが好ましい。
これにより、振動特性をより向上させることができる。

［適用例３］
本適用例の振動片は、基部と、
平面視で前記基部の一端側から第１方向に延出している振動腕と、
平面視で前記基部の他端側に配置されている接続部と、
平面視で前記基部と前記接続部との間に配置され、前記基部と前記接続部とを連結している連結部と、
を含み、
前記振動腕は、
錘部と、
前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部と、
を含み、
前記錘部は、前記第１方向に沿った全長および前記第１方向と交差する第２方向に沿った全幅に亘って、連続した主面を有しており、
前記連結部の厚さをＴ、
前記基部の前記第２方向に沿った幅をＷ１、
前記連結部の前記第２方向に沿った幅をＷ２としたとき、
５０μｍ≦Ｔ≦１００μｍ
を満足しているとともに、
０．６０３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．８７１
を満足し、
前記腕部の前記第２方向に沿った幅をＷ３、
前記錘部の前記第２方向に沿った幅をＷ４としたとき、
Ｗ４≧２．８×Ｗ３
を満足していることを特徴とする。
これにより、小型化を図りつつ、振動漏れの低減を図ることのできる振動片を提供することができる。

［適用例４］
本適用例の振動片では、５０μｍ≦Ｔ≦８０μｍを満足していることが好ましい。
これにより、振動漏れをより低減することができる。
［適用例５］
本適用例の振動片では、前記接続部は、前記第２方向に沿って延出され、
前記接続部に接続され、前記第１方向に沿って延出している支持腕を含むことが好ましい。
これにより、例えば、支持腕を介して振動片をベースに固定することができ、この固定部と振動腕との離間距離（振動伝搬距離）を長くすることができる。そのため、振動片の振動漏れを効果的に低減することができる。

［適用例６］
本適用例の振動片では、前記振動腕の互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくとも一方の主面側に、溝が設けられていることが好ましい。
これにより、振動特性を向上させることができる。
［適用例７］
本適用例の振動子は、上記適用例の振動片と、
前記振動片が搭載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。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。

［適用例８］
本適用例の発振器は、上記適用例の振動片と、
回路と、
を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い発振器が得られる。

［適用例９］
本適用例の電子機器は、上記適用例の振動片を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
［適用例１０］
本適用例の移動体は、上記適用例の振動片を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い移動体が得られる。

本発明の好適な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。 図１中のＢ−Ｂ線断面図である。 ウエットエッチングにより形成された振動腕を示す断面図である。 屈曲振動時の熱伝導について説明する振動腕の断面図である。 Ｑ値とｆ／ｆｍの関係を示すグラフである。 厚さＴ、幅Ｗ１、Ｗ２を示す斜視図である。 シミュレーションに用いた水晶振動片の寸法を示す平面図である。 シミュレーション方法を説明するための斜視図である。 シミュレーション結果を示す表である。 シミュレーション結果を示す表である。 シミュレーション結果を示す表である。 シミュレーション結果を示す表である。 Ｗ２／Ｗ１とＱ_Ｌｅａｋとの関係を示すグラフである。 Ｗ２／Ｗ１と漏洩し難さ指数との関係を示すグラフである。 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。 本発明の移動体を適用した自動車を示す斜視図である。

以下、本発明の振動素子、振動子、発振器、電子機器および移動体を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．振動子
まず、本発明の振動子について説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態にかかる振動子の平面図である。図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１中のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、ウエットエッチングにより形成された振動腕を示す断面図である。図５は、屈曲振動時の熱伝導について説明する振動腕の断面図である。図６は、Ｑ値とｆ／ｆｍの関係を示すグラフである。図７は、厚さＴ、幅Ｗ１、Ｗ２を示す斜視図である。図８は、シミュレーションに用いた水晶振動片の寸法を示す平面図である。図９は、シミュレーション方法を説明するための斜視図である。図１０ないし図１３は、それぞれ、シミュレーション結果を示す表である。図１４は、Ｗ２／Ｗ１とＱ_Ｌｅａｋとの関係を示すグラフである。図１５は、Ｗ２／Ｗ１と漏洩し難さ指数との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図２中の上側を「上」とし、下側を「下」とする。また、図１中の上側を「先端」とし、下側を「基端」とする。
図１に示すように、振動子１は、振動素子２と、振動素子２を収納するパッケージ９とを有している。

≪パッケージ≫
図１および図２に示すように、パッケージ９は、上面に開口する凹部９１１を有する箱状のベース９１と、凹部９１１の開口を塞いでベース９１に接合されている板状のリッド９２とを有している。パッケージ９は、凹部９１１がリッド９２で塞がれることで形成された収容空間Ｓを有し、この収容空間Ｓに振動素子２を気密的に収容している。収容空間Ｓ内の雰囲気としては、特に限定されないが、減圧状態（真空状態）となっていることが好ましい。これにより、振動素子２の駆動に対する空気抵抗が低減されるため、優れた振動特性を発揮することができる。なお、収容空間Ｓ内の真空度としては、特に限定されないが、１００Ｐａ以下程度であることが好ましく、１０Ｐａ以下程度であることがより好ましい。また、減圧状態に替えて、収容空間Ｓ内には、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。

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、メタライズ層を介して接合することができる。

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。また、接続端子９５１上には導電性接着材１１、１２が設けられ、接続端子９６１上には導電性接着材１３、１４が設けられている。これら導電性接着材１１〜１４によって振動素子２がベース９１に取り付けられているとともに、接続端子９５１が後述する第１駆動用電極８４と電気的に接続され、接続端子９６１が後述する第２駆動用電極８５と電気的に接続されている。

なお、導電性接着材１１〜１４としては、それぞれ、導電性および接着性を有していれば特に限定されず、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコン系、ポリイミド系、ビスマレイミド系、ポリエステル系、ポリウレタン系の樹脂に銀粒子等の導電性フィラーを混合した導電性接着材を用いることができる。このように、比較的柔らかい接着材を用いることで、例えば、ベース９１と振動素子２の熱膨張係数の違いから発生する熱応力を導電性接着材１１〜１４で吸収・緩和することができ、振動素子２の振動特性の低下や変化を低減することができる。なお、振動素子２をベース９１に取り付けることができれば、各導電性接着材１１〜１４に替えて、金バンプや、半田等を用いてもよい。

また、接続端子９５１は、ベース９１の底部を貫通する貫通電極９５２を介してベース９１の下面に設けられた外部端子９５３に電気的に接続され、同様に、接続端子９６１は、ベース９１の底部を貫通する貫通電極９６２を介してベース９１の下面に設けられた外部端子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ず、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、モリブテン（Ｍｏ）などの下地層に、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などのめっき層を形成した構成することができる。

≪振動素子≫
図１ないし図３に示すように、振動素子２は、水晶振動片（振動片）３と、水晶振動片３上に形成された第１、第２駆動用電極８４、８５と、を有している。なお、図１および図２では、説明の便宜上、第１、第２駆動用電極８４、８５の図示を省略している。
水晶振動片３は、Ｚカット水晶板で構成されている。Ｚカット水晶板とは、Ｚ軸をほぼ厚さ方向とする水晶基板である。なお、水晶振動片３は、その厚さ方向とＺ軸とが一致していてもよいが、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、厚さ方向に対してＺ軸が若干傾いている。すなわち、傾ける角度をθ度（−５°≦θ≦１５°）とした場合、前記水晶の電気軸としてのＸ軸、機械軸としてのＹ軸、光学軸としてのＺ軸からなる直交座標系の前記Ｘ軸を回転軸として、前記Ｚ軸を前記Ｙ軸の−Ｙ方向へ＋Ｚ側が回転するようにθ度傾けた軸をＺ’軸、前記Ｙ軸を前記Ｚ軸の＋Ｚ方向へ＋Ｙ側が回転するようにθ度傾けた軸をＹ’軸としたとき、Ｚ’軸に沿った方向を厚さとし、Ｘ軸とＹ’軸を含む面を主面とする水晶振動片３となる。なお、各図では、これらＸ軸、Ｙ’軸およびＺ’軸を図示している。

水晶振動片３は、Ｙ’軸方向を長さ方向に持ち、Ｘ軸方向を幅方向に持ち、Ｚ’軸方向を厚さ方向に持っている。また、水晶振動片３は、そのほぼ全域（後述する溝３２３、３２４、３３３、３３４が形成されている領域を除く）にわたって、ほぼ同じ厚さを有している。水晶振動片３の厚さＴとしては、特に限定されないが、５０μｍ以上２１０μｍ以下程度であるのが好ましい。上記下限値未満であると、機械的強度が不足し、水晶振動片３が破損するおそれがあり、上記上限値を超えると、ウエットエッチングによって微細形状が作成し難くなり、振動素子２の過度な大型化に繋がってしまう。

このような水晶振動片３は、基部３１と、基部３１の−Ｙ’軸側の端から−Ｙ’軸方向に延びている一対の振動腕３２、３３と、基部３１の＋Ｙ’軸側に配置されており、Ｘ軸方向に延びている接続部３４と、基部３１と接続部３４との間に位置し、基部３１と接続部３４とを連結している連結部３５と、連結部３５の両端部から−Ｙ’軸方向に延びている一対の支持腕３６、３７と、を有している。これら基部３１、振動腕３２、３３、接続部３４、連結部３５および支持腕３６、３７は、一体に形成されている。

基部３１は、ＸＹ’平面に広がりを有し、Ｚ’軸方向に厚さを有する板状をなしている。このような基部３１の＋Ｙ’軸側の端からは、連結部３５が＋Ｙ’軸方向に延出している。連結部３５の＋Ｙ’軸側の端には、接続部３４が接続されており、接続部３４は、連結部３５からＸ軸方向両側に延びている。また、接続部３４の−Ｘ軸側の端部からは、支持腕３６が−Ｙ’軸方向に延出しており、＋Ｘ軸側の端部からは、支持腕３７が−Ｙ’軸方向に延出している。支持腕３６、３７は、振動腕３２、３３の外側に位置しており、支持腕３６、３７の間に振動腕３２、３３が配置されている。なお、支持腕３６、３７の先端（−Ｙ’軸側の端）は、振動腕３２、３３の先端（−Ｙ’軸側の端）よりも＋Ｙ’軸側に位置している。

そして、支持腕３６が導電性接着材１１、１２によりベース９１に取り付けられており、支持腕３７が導電性接着材１３、１４によりベース９１に取り付けられている。導電性接着材１１、１２は、支持腕３６延在方向に離間して配置されており、導電性接着材１３、１４は、支持腕３７の延在方向に離間して配置されている。このように、４つの導電性接着材１１〜１４を用いることで、振動素子２をより安定した状態でベース９１に取り付けることができる。また、先端側にある導電性接着材１１、１３は、少なくともその一部が振動素子２の重心Ｇ’よりも先端側に位置し、基端側にある導電性接着材１２、１４は、少なくともその一部が重心Ｇ’よりも基端側に位置していることが好ましい。これにより、振動素子２をさらに安定した状態でベース９１に取り付けることができる。

ここで、連結部３５は、基部３１よりも幅が小さい。言い換えれば、連結部３５は、基部３１に対して縮幅している。また、連結部３５は、基部３１の振動腕３２、３３側の端部から十分離れた位置において、両側縁に、基部３１の幅方向の寸法を部分的に縮幅して形成した切り込み部３１ａ、３１ｂを形成することによって形成されているとも言える。このような連結部３５を設けることによって、振動腕３２、３３が屈曲振動する際に振動漏れが支持腕３６、３７に伝搬することを抑制し、ＣＩ値を低く抑えることができる。すなわち、連結部３５を設けることによって、優れた振動特性を有する振動素子２となる。

振動腕３２、３３は、Ｘ軸方向に並び、かつ、互いに平行となるように基部３１の−Ｙ’軸側の端から−Ｙ’軸方向に延出している。これら振動腕３２、３３は、それぞれ、長手形状をなし、その基端（＋Ｙ’軸側の端）が固定端となり、先端（−Ｙ’軸側の端）が自由端となる。また、振動腕３２、３３は、それぞれ、基部３１から延びている腕部３２１、３３１と、腕部３２１、３３１の先端に設けられ、腕部３２１、３３１よりも幅が広い錘部としてのハンマーヘッド（広幅部）３２２、３３２と、を有している。このように、振動腕３２、３３の先端部にハンマーヘッド３２２、３３２を設けることで、振動腕３２、３３を短くすることができ、振動素子２の小型化を図ることができる。また、振動腕３２、３３２を短くすることができる分、同じ周波数で振動腕３２、３３を振動させたときの振動腕３２、３３の振動速度を従来よりも低くすることができるため、振動腕３２、３３が振動する際の空気抵抗を低減することができ、その分、Ｑ値が高まり、振動特性を向上させることができる。

以下、振動腕３２、３３について詳述するが、振動腕３２、３３は、互いに同様の構成であるため、以下では、振動腕３２について代表して説明し、振動腕３３については、その説明を省略する。
図３に示すように、腕部３２１は、ＸＹ’平面で構成され、互いに表裏の関係にある一対の主面３２ａ、３２ｂと、Ｙ’Ｚ’平面で構成され、一対の主面３２ａ、３２ｂを接続する１対の側面３２ｃ、３２ｄと、を有している。また、腕部３２１には、主面３２ａに開口する有底の溝３２３と、主面３２ｂに開口する有底の溝３２４とを有している。このように、振動腕３２に溝３２３、３２４を形成することによって、熱弾性損失の低減を図ることができ、優れた振動特性を発揮することができる。溝３２３、３２４の長さは、特に限定されず、先端がハンマーヘッド３２２まで延びていてもよいし、基端が基部３１まで延びていてもよい。このような構成とすることで、腕部３２１とハンマーヘッド３２２の境界部および腕部３２１と基部３１の境界部への応力集中が緩和され、衝撃が加わった際に発生する折れや欠けの虞が減少する。なお、溝は、主面３２ａ、３２ｂのいずれか一方にだけ形成されていてもよいし、省略してもよい。

溝３２３、３２４の深さｔは、０．２９２≦ｔ／Ｔ≦０．４８３なる関係を満足するのが好ましい。このような関係を満足することで、熱移動経路が長くなるから、後述する断熱的領域において、より効果的に、熱弾性損失の低減を図ることができる。また、深さｔは、０．４５５≦ｔ／Ｔ≦０．４８３なる関係を満足するのがさらに好ましい。このような関係を満足することで、さらに熱移動経路が長くなることで熱弾性損失の低減を図ることができるので、Ｑ値の向上とそれに伴うＣＩ値の低減、さらには、屈曲変形する領域に電界をかけるための電極面積をより広くすることができることによるＣＩ値の低減が実現される。

なお、水晶基板をウエットエッチングによるパターニングで水晶振動片３を製造する場合は、腕部３２１の断面形状は、図４に示すように、水晶の結晶面が露出したような形状となる。具体的には、−Ｘ軸方向のエッチングレートが＋Ｘ軸方向のエッチングレートよりも低いため、−Ｘ軸方向の側面が比較的なだらかな傾斜となり、＋Ｘ軸方向の側面が垂直に近い傾斜となる。この場合の溝３２３、３２４の深さｔは、図４に示すように、最も深い位置における深さを言う。

溝３２３、３２４は、振動腕３２の断面重心が振動腕３２の断面形状の中心と一致するように、振動腕３２に対してＸ軸方向の位置を調整して形成されているのが好ましい。こうすることで、振動腕３２の不要な振動（具体的には、面外方向成分を有する振動）を低減するので、振動漏れを低減することができる。また、この場合、余計な振動をも駆動してしまうことを低減することになるので、相対的に駆動領域が増大してＣＩ値を小さくすることができる。

このような腕部３２１の幅（Ｘ軸方向の長さ）Ｗ３としては、特に限定されないが、１６μｍ以上３００μｍ以下程度であるのが好ましく、４５μｍ以上６０μｍ以下程度であるのがより好ましい。幅Ｗ３が上記下限値未満であると、製造技術によっては腕部３２１に溝３２３、３２４を形成することが困難となり、振動腕３２を断熱的領域とすることができなくなる場合がある。一方、幅Ｗ３が上記上限値を超えると、水晶振動片３の厚さによっては腕部３２１の剛性が高くなり過ぎてしまい、腕部３２１の屈曲振動をスムーズに行うことができない場合がある。なお、ここで言う幅Ｗ３は、腕部３２１の中央部に位置し、ほぼ一定の幅で延在している部分の幅を言い、両端部に位置しているテーパー部の幅ではない。

また、振動腕３２の全長（Ｙ’軸方向の長さ）をＬとし、ハンマーヘッド３２２の全長（Ｙ’軸方向の長さ）をＨとしたとき、０．１８３≦Ｈ／Ｌ≦０．５９７なる関係を満足することが好ましく、０．２３８≦Ｈ／Ｌ≦０．５３１なる関係を満足することがより好ましい。これにより、小型化と振動特性の向上を両立させた振動素子２が得られる。なお、ハンマーヘッド３２２は、腕部３２１の幅（Ｘ軸方向の長さ）に対して１．５倍以上の幅を有する領域とする。また、振動腕３２の基端は、振動腕３２の基端部の外側に位置するテーパー部の終点とする。

また、ハンマーヘッド３２２の幅（Ｘ軸方向の長さ）Ｗ４としては、特に限定されないが、腕部３２１の幅Ｗ３の２．８倍以上であることが好ましい。すなわち、Ｗ４≧２．８Ｗ３なる関係を満足することが好ましい。これにより、ハンマーヘッド３２２の質量効果を十分に発揮することができ、上記効果（小型化と振動特性の向上を両立）をより効果的に発揮することができる。なお、本実施形態のハンマーヘッド３２２は、基端側に位置する基端部３２２ａと、基端部３２２ａの先端側に位置し、基端部３２２ａよりも幅が広い先端部３２２ｂと、を有しているが、幅Ｗ４は、先端部３２２ｂの幅を言う。
以上、水晶振動片３の形状について説明した。

図３に示すように、このような水晶振動片３が有する振動腕３２には、一対の第１駆動用電極８４と一対の第２駆動用電極８５とが形成されている。第１駆動用電極８４の一方は、溝３２３の内面に形成されており、他方は、溝３２４の内面に形成されている。また、第２駆動用電極８５の一方は、側面３２ｃに形成されており、他方は、側面３２ｄに形成されている。同様に、振動腕３３にも、一対の第１駆動用電極８４と一対の第２駆動用電極８５とが形成されている。第１駆動用電極８４の一方は、側面３３ｃに形成されており、他方は、側面３３ｄに形成されている。また、第２駆動用電極８５の一方は、溝３３３の内面に形成されており、他方は、溝３３４の内面に形成されている。各第１駆動用電極８４は、図示しない配線により支持腕３６まで引き出され、導電性接着材１１、１２を介して接続端子９５１と電気的に接続されている。同様に、各第２駆動用電極８５は、図示しない配線により支持腕３７まで引き出され、導電性接着材１３、１４を介して接続端子９６１と電気的に接続されている。これら第１、第２駆動用電極８４、８５間に交番電圧を印加すると、振動腕３２、３３が互いに接近、離間を繰り返すようにＸ軸方向（面内方向）に所定の周波数で振動する。

第１、第２駆動用電極８４、８５の構成材料としては、導電性を有していれば、特に限定されず、例えば、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｗ（タングステン）、モリブテン（Ｍｏ）などの下地層に、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）などの被覆層を形成した構成することができる。
また、第１、第２駆動用電極８４、８５の具体的な構成としては、例えば、７００Å以下のＣｒ層上に７００Å以下のＡｕ層を形成した構成とすることができる。特に、ＣｒやＡｕは、熱弾性損失が大きいので、Ｃｒ層、Ａｕ層は、好ましくは２００Å以下とされる。また、絶縁破壊耐性を高くする場合には、Ｃｒ層、Ａｕ層は、好ましくは１０００Å以上とされる。さらに、Ｎｉは、水晶の熱膨張係数に近いので、Ｃｒ層に替えてＮｉ層を下地にすることで、電極に起因する熱応力を減少させ、長期信頼性（エージング特性）の良い振動素子を得ることができる。

以上、振動素子２の構成を説明した。上述したように、振動素子２の各振動腕３２、３３に溝３２３、３２４、３３３、３３４を形成することによって、熱弾性損失の低減を図ることができ、優れた振動特性を発揮することができる。以下、このことについて、振動腕３２を例にして具体的に説明する。
振動腕３２は、前述したように、第１、第２駆動用電極８４、８５間に交番電圧を印加することにより面内方向に屈曲振動する。図５に示すように、この屈曲振動の際、腕部３２１の側面３２ｃが収縮すると側面３２ｄが伸張し、反対に、側面３２ｃが伸張すると側面３２ｄが収縮する。振動腕３２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、側面３２ｃ、３２ｄのうち、収縮する面側の温度は上昇し、伸張する面側の温度は下降する。そのため、側面３２ｃと側面３２ｄとの間、つまり腕部３２１の内部に温度差が発生する。この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２のＱ値が低下する。このようなＱ値の低下に伴うエネルギーの損失を熱弾性損失とも言う。

振動素子２のような構成の屈曲振動モードで振動する振動素子において、振動腕３２の屈曲振動周波数（機械的屈曲振動周波数）ｆが変化したとき、振動腕３２の屈曲振動周波数が熱緩和周波数ｆｍと一致するときにＱ値が最小となる。この熱緩和周波数ｆｍは、下記式（１）で求めることができる。ただし、ただし、式（１）中、πは円周率であり、ｅをネイピア数とすれば、τは温度差が熱伝導によりｅ^−１倍になるのに要する緩和時間である）。

また、平板構造（断面形状が矩形の構造）の熱緩和周波数をｆｍ０とすれば、ｆｍ０は下記式（２）で求めることができる。なお、式（２）中、πは円周率、ｋは振動腕３２の振動方向の熱伝導率、ρは振動腕３２の質量密度、Ｃｐは振動腕３２の熱容量、ａは振動腕３２の振動方向の幅である。式（２）の熱伝導率ｋ、質量密度ρ、熱容量Ｃｐに振動腕３２の材料そのもの（すなわち水晶）の定数を入力した場合、求まる熱緩和周波数ｆｍ０は、振動腕３２に溝３２３、３２４を設けていない場合の値となる。

振動腕３２では、側面３２ｃ、３２ｄの間に位置するように溝３２３、３２４が形成されている。そのため、振動腕３２の屈曲振動時に生じる側面３２ｃ、３２ｄの温度差を熱伝導により温度平衡させるための熱移動経路が溝３２３、３２４を迂回するように形成され、熱移動経路が側面３２ｃ、３２ｄ間の直線距離（最短距離）よりも長くなる。そのため、振動腕３２に溝３２３、３２４を設けていない場合と比較して緩和時間τが長くなり、熱緩和周波数ｆｍが低くなる。

図６は、屈曲振動モードの振動素子のＱ値のｆ／ｆｍ依存性を表すグラフである。同図において、点線で示されている曲線Ｆ１は、振動素子２のように振動腕に溝が形成されている場合を示し、実線で示されている曲線Ｆ２は、振動腕に溝が形成されていない場合を示している。同図に示すように、曲線Ｆ１、Ｆ２の形状は変わらないが、前述のような熱緩和周波数ｆｍの低下に伴って、曲線Ｆ１が曲線Ｆ２に対して周波数低下方向へシフトする。したがって、振動素子２のように振動腕に溝が形成されている場合の熱緩和周波数をｆｍ１とすれば、下記式（３）を満たすことにより、常に、振動腕に溝が形成されている振動素子のＱ値が振動腕に溝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、下記式（４）の関係に限定すれば、より高いＱ値を得ることができる。

なお、図６において、ｆ／ｆｍ＜１の領域を等温的領域とも言い、この等温的領域ではｆ／ｆｍが小さくなるにつれてＱ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が低くなる（振動腕の振動が遅くなる）につれて前述のような振動腕内の温度差が生じ難くなるためである。したがって、ｆ／ｆｍを０（零）に限りなく近づけた際の極限では、等温準静操作となって、熱弾性損失は限りなく０（零）に接近する。一方、ｆ／ｆｍ＞１の領域を断熱的領域とも言い、この断熱的領域ではｆ／ｆｍが大きくなるにつれてＱ値が高くなる。これは、振動腕の機械的周波数が高くなるにつれて、各側面の温度上昇・温度効果の切り替わりが高速となり、前述のような熱伝導が生じる時間がなくなるためである。したがって、ｆ／ｆｍ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。このことから、ｆ／ｆｍ＞１の関係を満たすとは、ｆ／ｆｍが断熱的領域にあるとも言い換えることができる。
以上、熱弾性損失について説明した。

このような振動素子２において、図７に示す水晶振動片３の厚さ（Ｚ’軸方向の長さ）Ｔと、基部３１の幅（Ｘ軸方向の長さ）Ｗ１と、連結部３５の幅（Ｘ軸方向の長さ）Ｗ２と、の関係を、以下のパターン１、パターン２のいずれかとすることによって、振動素子２の振動漏れをより確実に低減することができる。すなわち、前述したように、連結部３５を設けることにより、振動漏れを低減することができることを述べたが、連結部３５を設けただけでは振動漏れを低減することができない場合がある。そこで、以下のパターン１、パターン２のいずれかとすることで、より確実に、振動素子２の振動漏れを低減することができる。なお、連結部３５の幅Ｗ２は、その幅が最も狭くなっている部分における幅を言う。また、基部３１の幅Ｗ１、連結部３５の幅Ｗ２は、共に、表裏主面の輪郭部で規定されるものとする。

≪パターン１≫
パターン１では、厚さＴが、５０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍなる関係を満足するとともに、幅Ｗ１、Ｗ２が、０．０６７≦Ｗ２／Ｗ１≦０．３３５なる関係を満足している。
≪パターン２≫
パターン２では、厚さＴが、５０μｍ≦Ｔ≦１００μｍなる関係を満足するとともに、幅Ｗ１、Ｗ２が、０．６０３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．８７１なる関係を満足している。

以下、発明者が行ったシミュレーション結果に基づいて、パターン１、２のいずれかを満たすことによって、振動漏れが低減され、より優れた振動特性を有する振動素子２が得られることを証明する。なお、本シミュレーションに用いた水晶振動片３Ａは、Ｚカット水晶板をウエットエッチングによりパターニングしてなり、図８に示す寸法を有している。各溝３２３Ａ、３２４Ａ、３３３Ａ、３３４Ａは、それぞれ、水晶振動片３Ａの厚さＴの４５％の深さを有している。

なお、本シミュレーションでは、ウエットエッチングによりパターニングされた水晶振動片３Ａを用いているため、振動腕３２Ａ、３３Ａに形成されている溝３２３Ａ、３２４Ａ、３３３Ａ、３３４Ａは、図４に示したような水晶の結晶面が現れた形状となっている。また、本シミュレーションに用いた水晶振動片３Ａには第１、第２駆動用電極８４、８５、その他配線を形成していない。また、発見者らによって、各部の寸法が異なっていても本シミュレーション結果とほとんど差がないこと（同様の傾向を有すること）が確認されている。

本シミュレーションは、図９に示すように、厚さＴが５０μｍ〜２１０μｍ（Ｔ＝５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、１１０μｍ、１２０μｍ、１３０μｍ、１４０μｍ、１５０μｍ、１９０μｍ、２１０μｍ）のいずれかであり、幅Ｗ２が２０μｍ〜２６０μｍ（２０μｍ、４０μｍ、６０μｍ、８０μｍ、１００μｍ、１４０μｍ、１８０μｍ、２２０μｍ、２６０μｍ）のいずれかである水晶振動片３Ａを各支持腕３６Ａ、３７Ａの２箇所で導電性接着材１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、１４Ａ（ただし、１３Ａ、１４Ａは、図示せず）を用いてベースに取り付けた状態で、駆動周波数である３２．７６８ｋＨｚで振動腕３２、３３を駆動振動させたときの振動漏れを計算することで行った。

導電性接着材１１Ａ〜１４Ａとしては、それぞれ、厚さ＝２０μｍ、ヤング率＝３．４ＧＰａ、ポアソン比＝０．３３、質量密度＝４０７０ｋｇ／ｍ^３であるビスマレイミド系の接着材を想定した。また、ベースとしては、ヤング率＝３２０ＧＰａ、ポアソン比＝０．２３、質量密度＝３８００ｋｇ／ｍ^３のセラミックベースを想定した。また、振動漏れは、導電性接着材１１Ａ〜１４Ａの裏面に到達したエネルギーがベースに漏洩するとして計算した。
なお、発見者によって、駆動周波数が異なっても（例えば、３２．７６８ｋＨｚ±１ｋＨｚの周波数であっても）、シミュレーション結果にほとんど差がないこと（同様の傾向を有すること）が確認されている。

上記のシミュレーション結果を図１０ないし図１４に示す。図１０〜図１３は、上記シミュレーション結果を示す表であり、図１４は、図１０〜図１３に示されている数値をプロットしたグラフである。図１４の縦軸は、振動漏れのみを考慮したＱ値「Ｑ_Ｌｅａｋ」であり、横軸は、Ｗ２／Ｗ１である。なお、Ｑ_Ｌｅａｋの値が高い程、振動漏れが小さいことを示している。

次に、各Ｑ_Ｌｅａｋの対数をとり、板厚ごとに、その最大値を「１」として規格した「漏洩し難さ指数」をプロットしたグラフを図１５に示す。図１５の縦軸は、漏洩し難さ指数であり、横軸は、Ｗ２／Ｗ１である。漏洩し難さ指数が１．０に近づく程、振動漏れを低減することができることを表している。ここで、漏洩し難さ指数が０．８８以上であれば、十分に振動漏れが低減された振動素子２が得られる。

図１１〜図１３、図１５から、５０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍの場合では、０．０６７≦Ｗ２／Ｗ１≦０．３３５の範囲であれば、漏洩し難さ指数が０．８８以上であることが分かる。したがって、上述したパターン１のように、５０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍなる関係を満足するとともに、０．０６７≦Ｗ２／Ｗ１≦０．３３５なる関係を満足すれば、より確実に、振動漏れを低減することのできる水晶振動片３（振動素子２）が得られることが証明された。なお、パターン１において、さらに、１１０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍなる関係を満足することによって、上記効果に加えて、ＣＩ値の低下と耐衝撃性の向上をさらに図ることができる。具体的には、１１０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍとすることで、水晶振動片３の厚みを十分に確保することができ、側面３２ｃ、３２ｄ、３３ｃ、３３ｄに形成されている電極の面積を稼ぐことができる。そのため、振動腕３２、３３を効率的に振動させることができ、その分、ＣＩ値を低下させることができる。また、水晶振動片３の厚みを十分に確保することで、Ｚ’軸方向に対する耐衝撃性を高めることができる。

また、厚さＴが、５０μｍ≦Ｔ≦１００μｍの場合では、０．６０３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．８７１の範囲であれば、漏洩し難さ指数が０．８８以上であることが分かる。したがって、上述したパターン２のように、５０μｍ≦Ｔ≦１００μｍなる関係を満足するとともに、０．６０３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．８７１なる関係を満足すれば、より確実に、振動漏れを低減することのできる水晶振動片３（振動素子２）が得られることが証明された。なお、パターン２において、さらに、５０μｍ≦Ｔ≦８０μｍなる関係を満足することによって、漏洩し難さ指数を０．９４以上とすることができ、上記効果をより顕著に発揮される。
以上より、上記パターン１、２のいずれかを満足することによって、より確実に、振動漏れを低減することのできる振動素子２が得られる。

２．発振器
次に、本発明の振動素子を備えた発振器について説明する。
図１６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１６に示す発振器１００は、振動子１と、振動素子２を駆動するためのＩＣチップ１１０とを有している。以下、発振器１００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１６に示すように、発振器１００では、ベース９１の凹部９１１にＩＣチップ１１０が固定されている。ＩＣチップ１１０は、凹部９１１の底面に形成された複数の内部端子１２０と電気的に接続されている。複数の内部端子１２０には、接続端子９５１、９６１と接続されているものと、外部端子９５３、９６３と接続されているものがある。ＩＣチップ１１０は、振動素子２の駆動を制御するための発振回路（回路）を有している。ＩＣチップ１１０によって振動素子２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。

３．電子機器
次に、本発明の振動素子を備えた電子機器について説明する。
図１７は、本発明の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１１０８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子１（振動素子２）が内蔵されている。

図１８は、本発明の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１２０８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、基準クロック等として機能する振動子１（振動素子２）が内蔵されている。

図１９は、本発明の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１３１０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、基準クロック等として機能する振動子１（振動素子２）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１７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１８の携帯電話機、図１９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）、フライトシミュ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備えた移動体について説明する。
図２０は、本発明の移動体を適用した自動車を示す斜視図である。自動車１５００には、振動子１（振動素子２）が搭載されている。振動子１は、例えば、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。

１……振動子 １１、１１Ａ、１２、１２Ａ、１３、１３Ａ、１４、１４Ａ……導電性接着材 ２……振動素子 ３……水晶振動片 ３Ａ……水晶振動片 ３１……基部 ３１ａ、３１ｂ……切り込み部 ３２、３２Ａ、３３、３３Ａ……振動腕 ３２ａ、３２ｂ……主面 ３２ｃ、３２ｄ、３３ｃ、３３ｄ……側面 ３２１、３３１……腕部 ３２２、３３２……ハンマーヘッド ３２２ａ……基端部 ３２２ｂ……先端部 ３２３、３２３Ａ、３２４、３２４Ａ、３３３、３３３Ａ、３３４、３３４Ａ……溝 ３４……接続部 ３５……連結部 ３５Ａ……連結部 ３６、３６Ａ、３７、３７Ａ……支持腕 ８４……第１駆動用電極 ８５……第２駆動用電極 ９……パッケージ ９１……ベース ９１１……凹部 ９２……リッド ９５１、９６１……接続端子 ９５２、９６２……貫通電極 ９５３、９６３……外部端子 １００……発振器 １１０……ＩＣチップ １２０……内部端子 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 １１０８……表示部 １２００……携帯電話機 １２０２……操作ボタン １２０４……受話口 １２０６……送話口 １２０８……表示部 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 １３１０……表示部 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 Ｓ……収容空間 Ｔ……厚さ Ｗ１、Ｗ２……幅 Ｗ３、Ｗ４……幅 ｆｍ……熱緩和周波数 ｆｍ０……熱緩和周波数 Ｇ’……重心

Claims (10)

1. 基部と、
   平面視で前記基部の一端側から第１方向に延出している振動腕と、
   平面視で前記基部の他端側に配置されている接続部と、
   平面視で前記基部と前記接続部との間に配置され、前記基部と前記接続部とを連結している連結部と、
   を含み、
   前記振動腕は、
   錘部と、
   前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部と、
   を含み、
   前記錘部は、前記第１方向に沿った全長および前記第１方向と交差する第２方向に沿った全幅に亘って、連続した主面を有しており、
   前記連結部の厚さをＴ、
   前記基部の前記第２方向に沿った幅をＷ１、
   前記連結部の前記第２方向に沿った幅をＷ２としたとき、
   ５０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍ
   を満足しているとともに、
   ０．０６７≦Ｗ２／Ｗ１≦０．３３５
   を満足し、
   前記腕部の前記第２方向に沿った幅をＷ３、
   前記錘部の前記第２方向に沿った幅をＷ４としたとき、
   Ｗ４≧２．８×Ｗ３
   を満足していることを特徴とする振動片。
2. 請求項１において、
   １１０μｍ≦Ｔ≦２１０μｍを満足していることを特徴とする振動片。
3. 基部と、
   平面視で前記基部の一端側から第１方向に延出している振動腕と、
   平面視で前記基部の他端側に配置されている接続部と、
   平面視で前記基部と前記接続部との間に配置され、前記基部と前記接続部とを連結している連結部と、
   を含み、
   前記振動腕は、
   錘部と、
   前記基部と前記錘部との間に配置されている腕部と、
   を含み、
   前記錘部は、前記第１方向に沿った全長および前記第１方向と交差する第２方向に沿った全幅に亘って、連続した主面を有しており、
   前記連結部の厚さをＴ、
   前記基部の前記第２方向に沿った幅をＷ１、
   前記連結部の前記第２方向に沿った幅をＷ２としたとき、
   ５０μｍ≦Ｔ≦１００μｍ
   を満足しているとともに、
   ０．６０３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．８７１
   を満足し、
   前記腕部の前記第２方向に沿った幅をＷ３、
   前記錘部の前記第２方向に沿った幅をＷ４としたとき、
   Ｗ４≧２．８×Ｗ３
   を満足していることを特徴とする振動片。
4. 請求項３において、
   ５０μｍ≦Ｔ≦８０μｍを満足していることを特徴とする振動片。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記接続部は、前記第２方向に沿って延出され、
   前記接続部に接続され、前記第１方向に沿って延出している支持腕を含むことを特徴とする振動片。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記振動腕の互いに表裏の関係にある第１の主面および第２の主面の少なくとも一方の主面側に、溝が設けられていることを特徴とする振動片。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動片と、
   前記振動片が搭載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。
8. 請求項１ないし６のいずれか１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。
9. 請求項１ないし６のいずれか１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。
10. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動片を備えていることを特徴とする移動体。

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