振動元件、振子、振蕩器、電子設備以及移動體的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供振動元件、振子、振蕩器、電子設備以及移動體，能夠在減少CI值的上升的同時發(fā)揮優(yōu)異的振動特性。振動元件（2）包含：基部（4）；以及1對振動臂（5、6），它們與基部（4）一體設置，在X軸方向上排列，從基部（4）朝Y軸方向延伸，振動臂（5、6）分別包含：臂部（51、61）；以及位于臂部（51、61）的自由端側、且X軸方向的長度比臂部（51、61）長的寬錘頭（59、69），在設振動臂（5、6）的Y軸方向的長度為L、錘頭（59、69）的Y軸方向的長度為H時，滿足1.2%＜H/L＜30.0%的關系，在設臂部（51、61）的X軸方向的長度為W1、錘頭（59、69）的X軸方向的長度為W2時，滿足1.5≤W2/W1≤10.0的關系。
【專利說明】振動元件、振子、振蕩器、電子設備以及移動體

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及振動元件、振子、振蕩器、電子設備以及移動體。

【背景技術】
[0002] -直以來，公知有使用了石英的振動元件。這樣的振動元件由于頻率溫度特性優(yōu) 異，因此被廣泛用作各種電子設備的基準頻率源和信號源等。專利文獻1所記載的振動元 件呈音叉型，具有基部、和從基部延伸的一對振動臂。此外，以實現(xiàn)小型化、提高振動特性為 目的，在各振動臂的前端部形成有被稱作錘頭的施重部(寬幅部)。例如，在專利文獻1中將 錘頭的長度設定為振動臂的全長的30%以上，在專利文獻2、3中將錘頭的長度設定為振動 臂的全長的35%?41%。但是，如專利文獻1?3那樣，如果錘頭的長度相對于振動臂的全 長過長，則在振動臂進行彎曲振動時，由于較大程度地產(chǎn)生振動臂的彎曲變形的區(qū)域即能 夠以電氣方式高效地進行激勵的區(qū)域、且寬度比寬幅部窄的臂部的區(qū)域減少，振動元件的 CI值增高，振動損耗增大。
[0003] 【專利文獻1】日本特開2011-19159號公報
[0004] 【專利文獻2】日本特開2011-199331號公報
[0005] 【專利文獻3】日本特開2012-129904號公報


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在減少CI值的上升的同時發(fā)揮優(yōu)異的振動特性 的振動元件、以及具有該振動元件的振子、振蕩器、電子設備以及移動體。
[0007] 本發(fā)明正是為了解決上述課題中的至少一部分而完成的，可作為以下應用例來實 現(xiàn)。
[0008] [應用例1]
[0009] 本應用例的振動元件的特征在于，該振動元件包含：基部；以及一對振動臂，它們 在俯視時從所述基部朝第1方向延伸，沿著與所述第1方向交叉的第2方向排列，所述振 動臂包含：臂部；以及寬幅部，其在俯視時配置于所述臂部的與所述基部相反的一側，沿著 所述第2方向的長度比所述臂部長，在設所述振動臂的沿著所述第1方向的長度為L、所述 寬幅部的沿著所述第1方向的長度為Η時，滿足1. 2% < H/L < 30. 0%的關系，在設所述臂 部的沿著所述第2方向的長度為W1、所述寬幅部的沿著所述第2方向的長度為W2時，滿足 1. 5彡W2/W1彡10. 0的關系。
[0010] 由此，能夠得到可在減少CI值的上升的同時發(fā)揮優(yōu)異的振動特性的振動元件。
[0011] [應用例2]
[0012] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述L和所述Η滿足4. 6% < H/L < 22. 3% 的關系。
[0013] 由此，能夠更有效地減少CI值的上升。
[0014] [應用例3]
[0015] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述W1和所述W2滿足1. 6彡W2/W1彡7. 0 的關系。
[0016] 由此，能夠更有效地減少CI值的上升。
[0017] [應用例4]
[0018] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，在所述臂部的主面上設置有沿著所述第1 方向延伸的有底的槽部。
[0019] 由此，能夠減少熱彈性損耗，能夠發(fā)揮更優(yōu)異的振動特性。
[0020] [應用例5]
[0021] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述寬幅部包含：主體部，其與所述臂部的 和所述基部相反的一側連接；以及突出部，其在俯視時與所述臂部分離地從所述主體部朝 向所述臂部的所述基部側延伸。
[0022] 由此，能夠在抑制振動臂的全長的同時提高寬幅部的質量。換言之，能夠在不損壞 寬幅部的質量效應的情況下確保較長的臂部。
[0023] [應用例6]
[0024] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述寬幅部還包含連結部，該連結部連結所 述突出部和所述臂部，沿著與所述第1方向以及所述第2方向垂直的第3方向的長度比所 述臂部和所述突出部短。
[0025] 由此，能夠在抑制振動臂的全長的同時提高寬幅部的質量。換言之，能夠在不損壞 寬幅部的質量效應的情況下確保較長的臂部。
[0026] [應用例7]
[0027] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述基部在所述振動臂延伸的一側的相反 側包含寬度縮小部，該寬度縮小部的所述第2方向的長度隨著從所述振動臂遠離而逐漸減 小。
[0028] 由此，振動臂的振動被抵消（緩和/吸收)，從而能夠減少振動泄漏。因此，可得到 具有優(yōu)異的振動特性的振動元件。
[0029] [應用例8]
[0030] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述振動元件包含支承部，該支承部位于所 述1對振動臂之間，從所述基部沿著所述第1方向延伸。
[0031] 經(jīng)由支承部將振動元件固定到封裝，由此能夠進一步減少振動泄漏。
[0032] [應用例9]
[0033] 在本應用例的振動元件中，優(yōu)選的是，所述振動元件包含1對支承臂，所述1對支 承臂與所述基部連接，沿著所述第1方向延伸，在俯視時將所述1對振動臂夾在中間而沿著 所述第2方向排列。
[0034] 經(jīng)由兩個支承臂將振動元件固定到封裝，由此能夠進一步減少振動泄漏。
[0035] [應用例 10]
[0036] 本應用例的振子的特征在于，該振子包含：上述應用例的振動元件；以及安裝有 所述振動元件的封裝。
[0037] 由此，能夠得到可靠性高的振子。
[0038][應用例 11]
[0039] 本應用例的振蕩器的特征在于，該振蕩器具有：上述應用例的振動元件；以及與 所述振動元件電連接的振蕩電路。
[0040] 由此，能夠得到可靠性高的振蕩器。
[0041][應用例 12]
[0042] 本應用例的電子設備的特征在于，該電子設備具有上述應用例的振動元件。
[0043] 由此，能夠得到可靠性高的電子設備。
[0044][應用例 13]
[0045] 本應用例的移動體的特征在于,該移動體具有上述應用例的振動元件。
[0046] 由此，能夠得到可靠性高的移動體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0047] 圖1是本發(fā)明第1實施方式的振動元件的俯視圖。
[0048] 圖2的（a)是圖1中的A - A線剖視圖，圖2的（b)是圖1中的B - B線剖視圖。
[0049] 圖3是說明振動泄漏減少的原理的俯視圖。
[0050] 圖4是說明彎曲振動時的熱傳導的振動臂的剖視圖。
[0051] 圖5是示出Q值與f/fm之間的關系的曲線圖。
[0052] 圖6是示出用于仿真的振動臂的形狀和大小的立體圖。
[0053] 圖7是說明有效寬度a的立體圖。
[0054] 圖8是示出錘頭占有率與低R1化指數(shù)之間的關系的曲線圖。
[0055] 圖9是本發(fā)明第2實施方式的振動元件的俯視圖。
[0056] 圖10是本發(fā)明第3實施方式的振動元件的俯視圖。
[0057] 圖11是本發(fā)明第4實施方式的振動元件的俯視圖。
[0058] 圖12是本發(fā)明第5實施方式的振動元件的俯視圖。
[0059] 圖13是本發(fā)明第6實施方式的振動元件的俯視圖。
[0060] 圖14是本發(fā)明第7實施方式的振動元件的俯視圖。
[0061] 圖15是示出本發(fā)明的振子的優(yōu)選實施方式的俯視圖。
[0062] 圖16是圖15中的C-C線剖視圖。
[0063] 圖17是示出本發(fā)明的振蕩器的優(yōu)選實施方式的剖視圖。
[0064] 圖18是示出應用了具有本發(fā)明的振動元件的電子設備的移動型（或筆記本型）的 個人計算機的結構的立體圖。
[0065] 圖19是不出應用了具有本發(fā)明的振動兀件的電子設備的移動電話機(也包括 PHS)的結構的立體圖。
[0066] 圖20是示出應用了具有本發(fā)明的振動元件的電子設備的數(shù)字靜態(tài)照相機的結構 的立體圖。
[0067] 圖21是概略地示出作為本發(fā)明的移動體的一例的汽車的立體圖。
[0068] 標號說明
[0069] 1 :振子；10 :振湯器；11 :導電性粘接劑；2、2E、2F :振動兀件；3 :石央基板；4 :基 部；41 :王體部；42 :覽度縮小部；5 :振動臂；51 :臂部；511、512 :王面；511a、512a :堤部； 513,514 :側面;52、53 :槽;59、59A、59B、59C、59D :錘頭；591 :主體；592、593 :突出部；594、 594B、595、595B :薄壁部；596&、59613、5973、59713:槽；6:振動臂 ；61:臂部；611、612:主面； 613、614 :側面；62、63 :槽；69、69六、698、69(：、690:錘頭；691:主體 ；692、693:突出部；694、 695 :薄壁部；696&、69613、697&、69713:槽 ；7:支承部；71:分支部；72、73 :連結臂；74、75:支 承臂；8 :IC芯片；84、85 :驅動用電極；9 :封裝；91 :底座；911 :凹部；911a :第1凹部；911b : 第2凹部；911c :第3凹部；92 :蓋；93 :內(nèi)部端子；94 :外部端子；95、96 :連接端子；951、 961 :連接端子；952、962 :貫通電極；953、963 :外部端子；1100 :個人計算機；1102 :鍵盤； 1104 :主體部；1106 :顯示單元；1200 :移動電話機；1202 :操作按鈕；1204 :接聽口；1206 : 通話口；1300 :數(shù)字靜態(tài)照相機；1302 :外殼；1304 :受光單元；1306 :快門按鈕；1308 :存儲 器；1312 :視頻信號輸出端子；1314 :輸入輸出端子；1430 :電視監(jiān)視器；1440 :個人計算機； 1500 :汽車；2000 :顯示部；L :全長；W1、W2、W3 :寬度；D :厚度；D1、D2 :深度。

【具體實施方式】
[0070] 下面，根據(jù)附圖所示的優(yōu)選實施方式，對本發(fā)明的振動元件、振子、振蕩器、電子設 備以及移動體進行詳細說明。
[0071] 1.振動元件
[0072] 首先對本發(fā)明的振動元件進行說明。
[0073] 〈第1實施方式〉
[0074] 圖1是本發(fā)明第1實施方式的振動元件的俯視圖，圖2的（a)是圖1中的A - A 線剖視圖，圖2的（b)是圖1中的B - B線剖視圖，圖3是說明振動泄漏減少的原理的俯視 圖，圖4是說明彎曲振動時的熱傳導的振動臂剖視圖，圖5是示出Q值與f/fm之間的關系 的曲線圖，圖6是示出用于仿真的振動臂的形狀和大小的立體圖，圖7是說明有效寬度a的 立體圖，圖8是示出錘頭占有率與低R1化指數(shù)之間的關系的曲線圖。另外，以下為了便于 說明，如圖1所示，將相互垂直的3個軸設為X軸(石英的電氣軸)、Y軸(石英的機械軸）和 Z軸(石英的光學軸)。
[0075] 如圖1和圖2所示，振動元件2具有石英基板3、以及形成在石英基板3上的第1 驅動用電極84、第2驅動用電極85。
[0076] 石英基板3由Z切石英板構成。Z切石英板是將Z軸作為厚度方向的石英基板。 另外，優(yōu)選Z軸與石英基板3的厚度方向一致，但是，從縮小常溫附近的頻率溫度變化的觀 點出發(fā)，可以相對于厚度方向稍微(例如，小于15°的程度）傾斜。
[0077] 即，在設由作為所述石英的電氣軸的X軸、作為機械軸的Y軸和作為光學軸的Z軸 構成的正交坐標系的所述X軸為旋轉軸、設使所述Z軸以+Z側朝所述Y軸的一 Y方向旋轉 的方式傾斜后的軸為Z'軸，使所述Y軸以+Y側朝所述Z軸的+Z方向旋轉的方式傾斜后的 軸為Y'軸時，成為以沿著Z'軸的方向為厚度、以包含X軸和Y'軸的面為主面的石英基板 3 〇
[0078] 另外，作為石英基板3的厚度D，沒有特別限定，但優(yōu)選小于70μπι。通過設為這樣 的數(shù)值范圍，例如在通過濕蝕刻形成(構圖)石英基板3的情況下，能夠有效地防止在振動臂 5與基部4的邊界部以及后述的臂部51與錘頭59的邊界部等殘留不需要部分(本來應去除 的部分)。因此，能夠實現(xiàn)可有效地減少振動泄漏的振動元件2。從不同的觀點出發(fā)，厚度D 優(yōu)選為70 μ m以上、300 μ m以下左右，更優(yōu)選為100 μ m以上、150 μ m以下。通過設為這樣 的數(shù)值范圍，能夠在石英基板3的側面(后述的側面513、514、613、614)較寬地形成第1驅 動用電極84、第2驅動用電極85,因此能夠降低CI值。
[0079] 這樣的振動基板3具有基部4和一對振動臂5、6。
[0080] 基部4呈大致板狀，在XY平面上擴展，在Z軸方向上具有厚度?；?具有：支承 /連結振動臂5、6的部分(主體部41);以及減少振動泄漏的寬度縮小部42。
[0081] 寬度縮小部42設置于主體部41的基端側(振動臂5、6延伸的一側的相反側)。此 夕卜，寬度縮小部42的寬度(沿著X軸方向的長度)隨著從振動臂5、6遠離而逐漸減小。通過 具有這樣的寬度縮小部42,能夠有效地抑制振動元件2的振動泄漏。
[0082] 具體說明如下。為了簡單說明，將振動元件2的形狀設為關于與Y軸平行的規(guī)定 的軸對稱。
[0083] 首先，如圖3 (a)所示，說明未設置寬度縮小部42的情況。在振動臂5、6以相互 遠離的方式進行彎曲變形的情況下，在連接有振動臂5附近的主體部41中，如箭頭所示那 樣產(chǎn)生接近順時針方向的旋轉運動的位移，在連接有振動臂6附近的主體部41中，如箭頭 所示那樣產(chǎn)生接近逆時針方向的旋轉運動的位移(但是嚴格地說，不是能夠稱作旋轉運動 的運動，因此方便地設為"接近旋轉運動")。這些位移的X軸方向成分相互朝向相反方向， 因此在主體部41的X軸方向中央部抵消，+ Y軸方向的位移殘留(但是嚴格地說，還殘留Z 軸方向的位移，但此處進行省略)。即，主體部41進行X軸方向中央部朝+Y軸方向位移那 樣的彎曲變形。在該具有+Y軸方向的位移的主體部41的Y軸方向中央部形成粘接劑，利 用粘接劑固定到封裝時，伴隨十Y軸方向位移的彈性能量經(jīng)由粘接劑泄漏到外部。其是被 稱作振動泄漏的損耗，是Q值劣化的原因，結果導致CI值的劣化。
[0084] 與此相對，如圖3 (b)所示，在設置有寬度縮小部42的情況下，寬度縮小部42具 有弓形（曲線狀）的輪廓，因此，上述接近旋轉運動的位移在寬度縮小部42相互阻擋。艮P， 在寬度縮小部42的X軸方向中央部，與主體部41的X軸方向中央部同樣，X軸方向的位移 抵消，并且抑制了 Y軸方向的位移。而且，由于寬度縮小部42的輪廓是弓形，因此還抑制要 在主體部41中產(chǎn)生的+ Y軸方向的位移。其結果，設置有寬度縮小部42的情況下的基部 4的X軸方向中央部的+Y軸方向的位移遠比未設置寬度縮小部42的情況小。即，能夠得 到振動泄漏小的振動片。
[0085] 這里，寬度縮小部42的輪廓呈弓形，但只要是呈現(xiàn)上述那樣的作用的形狀，則不 限于此。例如，也可以是輪廓通過多個直線形成為階梯狀的寬度縮小部。
[0086] 振動臂5、6以在X軸方向（第2方向)上排列且相互平行的方式從基部4的上端朝 Y軸方向(第1方向）延伸。這些振動臂5、6分別呈長條形狀，它們的基端為固定端，前端為 自由端。此外，振動臂5、6分別具有臂部51、61、以及設置于臂部51、61的前端的錘頭(寬幅 部）59、69。
[0087] 臂部51具有：由XY平面構成的一對主面511、512 ;以及由YZ平面構成且連接一 對主面511、512的一對側面513、514。此外，臂部51具有朝主面511敞開的有底的槽52、 和朝主面512敞開的有底的槽53。各槽52、53在Y軸方向上延伸，前端延伸至錘頭59,基 端延伸至基部4。
[0088] 由此，通過在振動臂5上形成槽52、53,能夠實現(xiàn)熱彈性損耗的減少，能夠發(fā)揮優(yōu) 異的振動特性(之后將詳細敘述)。槽52、53的長度沒有限定，且槽52、53的前端可以不延 伸至錘頭59,特別是，如本實施方式那樣，各槽52、53的前端延伸至錘頭59時，緩和在槽的 前端周邊產(chǎn)生的應力集中，因此減少在施加沖擊時產(chǎn)生的彎折和缺損的可能性。此外，各槽 52、53的基端延伸至基部4,由此緩和這些邊界部處的應力集中。因此，減少在施加沖擊時 產(chǎn)生的彎折和缺損的可能性。
[0089] 作為槽52、53的深度，沒有特別限定，但在設槽52的深度為D1、槽53的深度為D2 (在本實施方式中，D1 = D2)時，優(yōu)選滿足60%<(D1 +D2)/D<95%的關系。通過滿足這 樣的關系，熱移動路徑增長，因此在絕熱的區(qū)域(之后將詳細敘述）中更有效地實現(xiàn)熱彈性 損耗的減少。
[0090] 另外，槽52、53優(yōu)選以振動臂5的截面重心與振動臂5的截面形狀的中心一致的 方式，相對于振動臂5的位置在X軸方向上調整槽52、53的位置而形成。由此，減少振動臂 5的不必要的振動(具體而言，是具有面外方向成分的傾斜振動)，因此能夠減少振動泄漏。 此外，該情況下，能夠減少還驅動出多余振動的情況，因此驅動區(qū)域相對增大且能夠減小CI 值。
[0091] 此外，在設主面511的位于槽52的X軸方向兩側的堤部(沿著與振動臂的長度方 向垂直的寬度方向夾著槽52而排列的主面)51 la和主面512的位于槽53的X軸方向兩側 的堤部512a的寬度（X軸方向的長度）為W3時，優(yōu)選滿足0μπι<13彡20μπι的關系。由 此，振動元件2的CI值足夠低。在上述數(shù)值范圍中，還優(yōu)選滿足5ym<W3彡9μπι的關系。 由此，能夠實現(xiàn)上述效果，并且減少熱彈性損耗。此外，還優(yōu)選滿足0 μ m < W3 < 5 μ m的關 系。由此，能夠進一步降低振動兀件2的CI值。
[0092] 錘頭59在XY俯視圖中是大致矩形。此外，錘頭59具有：與臂部51的前端連接 的主體591 ;從主體591朝向振動臂5的基端側突出的突出部592、593 ;以及形成于突出部 592、593與臂部51之間的薄壁部(連結部）594、595。
[0093] 主體591的寬度（X軸方向的長度）比臂部51寬，從臂部51向X軸方向的兩側突 出。1對突出部592、593夾著臂部51位于X軸方向的兩側。突出部592、593分別在X軸方 向上與臂部51分離，從主體591的基端側外緣向振動臂5的基端側突出。
[0094] 薄壁部594連結突出部592和臂部51并設置在它們之間，比突出部592和臂部51 ?。╖軸方向的長度短)。因此，在臂部51與突出部592之間形成有朝錘頭59的一個主面 敞開的有底的槽596a、和朝另一個主面敞開的有底的槽596b。同樣，薄壁部595連結突出 部593和臂部51并設置在它們之間，比突出部593和臂部51薄。因此，在臂部51與突出 部593之間，形成有朝錘頭59的一個主面敞開的有底的槽597a、和朝另一個主面敞開的有 底的槽597b。
[0095] 通過將錘頭59設為這樣的結構，能夠在抑制振動臂5的全長L的同時提高錘頭59 的質量。換言之，在振動臂5的全長L恒定的情況下，能夠在不損壞錘頭59的質量效應的 情況下盡量確保較長的臂部51。因此，為了得到期望的諧振頻率(例如32. 768kHz)，能夠增 寬振動臂5的寬度（X軸方向的長度)。其結果，后述的熱移動路徑增長且熱彈性損耗減少， 從而Q值提1?。
[0096] 此外，可以使錘頭59的X軸方向中心與振動臂5的X軸方向中心稍微偏離。由此， 能夠減少在彎曲振動時由于振動臂5扭轉而產(chǎn)生的基部4的Z軸方向的振動，因此能夠抑 制振動泄漏。
[0097] 以上，對振動臂5進行了說明。振動臂6是與振動臂5相同的結構。即，臂部61 具有：由乂￥平面構成的一對主面611、612;以及由￥2平面構成且連接一對主面611、612的 一對側面613、614。此外，臂部61具有朝主面611敞開的有底的槽62、和朝主面612敞開 的有底的槽63。各槽62、63在Y軸方向上延伸，前端延伸至錘頭69,基端延伸至基部4。
[0098] 錘頭69在XY俯視圖中是大致矩形。此外，錘頭69具有：與臂部61的前端連接 的主體691 ;從主體691朝向振動臂6的基端側突出的突出部692、693 ;以及形成于突出部 692、693與臂部61之間的薄壁部694、695。
[0099] 主體691的寬度（X軸方向的長度）比臂部61寬，從臂部61向X軸方向的兩側突 出。1對突出部692、693夾著臂部61位于X軸方向的兩側。突出部692、693分別在X軸方 向上與臂部61分離，從主體691的基端側外緣向振動臂6的基端側突出。薄壁部694連結 突出部692和臂部61并設置在它們之間，比突出部692和臂部61薄。因此，在臂部61與 突出部692之間，形成有朝錘頭69的一個主面敞開的有底的槽696a、和朝另一個主面敞開 的有底的槽696b。同樣，薄壁部695連結突出部693和臂部61并設置在它們之間，比突出 部693和臂部61薄。因此，在臂部61與突出部693之間，形成有朝錘頭69的一個主面敞 開的有底的槽697a、和朝另一個主面敞開的有底的槽697b。
[0100] 通過將錘頭69設為這樣的結構，能夠在抑制振動臂6的全長L的同時提高錘頭69 的質量。換言之，在振動臂6的全長L恒定的情況下，能夠在不損壞錘頭69的質量效應的 情況下盡量確保較長的臂部61。
[0101] 此外，可以使錘頭69的X軸方向中心與振動臂5的X軸方向中心稍微偏離。由此， 能夠減少在彎曲振動時由于振動臂5扭轉而產(chǎn)生的基部4的Z軸方向的振動，因此能夠抑 制振動泄漏。
[0102] 如圖2所示，在振動臂5上形成有一對第1驅動用電極84和一對第2驅動用電極 85。具體而言，第1驅動用電極84的一方形成于槽52的內(nèi)表面(側面)，另一方形成于槽53 的內(nèi)表面(側面)。此外，第2驅動用電極85的一方形成于側面513,另一方形成于側面514。 另外，在第1驅動用電極84未延伸至由錘頭59圍起的區(qū)域而形成、或/且第2驅動用電極 85未從側面513延伸至槽596a、596b的內(nèi)表面(臂部51側的側面）的情況下，能夠減小等 效串聯(lián)電容C1，因此減小負載電容靈敏度S (=C1/ (2X (C0 + CL)2)的絕對值，從而能 夠得到穩(wěn)定的諧振特性。另外，負載電容靈敏度S是表示相對于負載電容變動的諧振頻率 變動的指標，C0是靜電電容，CL是負載電容。
[0103] 此外，所述1個第2驅動用電極85可以從側面513延伸至槽596a、596b的內(nèi)表面 (臂部51側的側面)，同樣，所述另一個第2驅動用電極85可以從側面514延伸至槽597a、 597b的內(nèi)表面(臂部51側的側面)。由此，能夠進一步擴大電場作用的區(qū)域。
[0104] 同樣，在振動臂6上也形成有一對第1驅動用電極84和一對第2驅動用電極85。 具體而言，1個第1驅動用電極84形成于側面613,另一個形成于側面614。此外，1個第2 驅動用電極85形成于槽62的內(nèi)表面(側面)，另一個形成于槽63的內(nèi)表面(側面)。另外， 所述1個第1驅動用電極84可以從側面613延伸至槽696a、696b的內(nèi)表面(臂部61側的 側面)，同樣，所述另1個第1驅動用電極84可以從側面614延伸至槽697a、697b的內(nèi)表面 (臂部61側的側面)。由此，能夠進一步擴大電場作用的區(qū)域。
[0105] 當在這些第1驅動用電極84、第2驅動用電極85之間施加交變電壓時，振動臂5、 6以彼此反復接近、遠離的方式在面內(nèi)方向（XY平面方向）上以預定的頻率進行振動。
[0106] 作為第1驅動用電極84、第2驅動用電極85的結構，沒有特別限定，但能夠由金 (Au)、金合金、鉬（Pt)、鋁（Α1)、鋁合金、銀（Ag)、銀合金、鉻（Cr)、鉻合金、鎳（Ni)、鎳合金、 銅（Cu)、鑰（Mo)、鈮（Nb)、鎢（W)、鐵（Fe)、鈦（Ti)、鈷（Co)、鋅（Zn)、鋯（Zr)等金屬材料以及 氧化銦錫（ΙΤ0)等導電材料形成。
[0107] 作為第1驅動用電極84、第2驅動用電極85的具體結構，例如可設為在700 A以 下的Cr層上形成700 A以下的Au層的結構。特別是Cr和Au的熱彈性損耗較大，因此Cr 層、Au層優(yōu)選設為丨〇〇 A以下。此外，Ni與石英的熱膨脹系數(shù)接近，因此通過替代Cr層而將 Ni層設為基底，能夠得到減少由于電極引起的熱應力、且長期可靠性(老化特性）良好的振 動元件。
[0108] 如上所述，在振動元件2中，通過振動臂5、6上形成槽52、53、62、63,實現(xiàn)了熱彈性 損耗的減少。以下關于該情況，以振動臂5為例具體進行說明。
[0109] 如上所述，振動臂5通過在第1驅動用電極84、第2驅動用電極85之間施加交變 電壓而在面內(nèi)方向上進行彎曲振動。如圖4所示，在該彎曲振動時，當臂部51的側面513 收縮時，側面514拉伸，相反，當臂部51的側面513拉伸時，側面514收縮。在振動臂5不 產(chǎn)生Gough - Joule效應的（能量彈性相對于熵彈性是支配性的）情況下，側面513、514中 的進行收縮的面?zhèn)鹊臏囟壬仙?，進行拉伸的面?zhèn)鹊臏囟认陆?，因此在側?13與側面514之 間、即臂部51的內(nèi)部產(chǎn)生溫度差。由于基于這樣的溫度差產(chǎn)生的熱傳導，產(chǎn)生振動能量的 損耗，由此振動元件2的Q值降低。還將這樣的Q值降低稱作熱彈性效應，還將熱彈性效應 造成的能量損耗稱作熱彈性損耗。
[0110] 在振動元件2那樣的結構的以彎曲振動模式進行振動的振動元件中，當振動臂5 的彎曲振動頻率(機械的彎曲振動頻率）f發(fā)生了變化時，且振動臂5的彎曲振動頻率與熱 弛豫頻率fm -致時Q值最小。該熱弛豫頻率fm能夠用fm = 1/ (2 π τ )求出（其中，式中 ^是圓周率，如果將e設為納皮爾數(shù)，則τ是溫度差通過熱傳導而成為e-l倍所需的弛豫 時間）。
[0111] 此外，如果將平板構造(截面形狀是矩形的構造)的熱弛豫頻率設為fmo,則fmO能 夠用下式求出。
[0112] fmO = π k/(2p Cpa2) · · · · (1)
[0113] π是圓周率、k是振動臂5的寬度方向的導熱系數(shù)、P是振動臂5的質量密度、Cp 是振動臂5的熱容、a是振動臂5的振動方向的寬度。在式（1)的導熱系數(shù)k、質量密度P、 熱容Cp中輸入了振動臂5的材料自身（即石英)的常數(shù)的情況下，求出的熱弛豫頻率fmO成 為在振動臂5中未設置槽52、53的情況下的值。
[0114] 在振動臂5中，以位于側面513、514之間的方式形成有槽52、53。因此，以繞過槽 52、53的方式形成熱移動路徑，熱移動路徑比側面513、514間的直線距離(最短距離)長，該 熱移動路徑用于通過熱傳導使得在振動臂5的彎曲振動時產(chǎn)生的側面513、514的溫度差達 到溫度平衡。因此，與在振動臂5上未設置槽52、53的情況相比，弛豫時間τ增長，熱弛豫 頻率fm降低。
[0115] 圖5是表示彎曲振動模式的振動元件的Q值的f/fm依存性的曲線圖。在該圖中， 虛線表示的曲線F1示出了如振動元件2那樣在振動臂上形成有槽的情況(振動臂的橫截面 形狀是Η型的情況)，實線表示的曲線F2示出了在振動臂上未形成槽的情況(連結臂的橫截 面形狀是矩形的情況)。如該圖所示，曲線FI、F2的形狀相同，但伴隨上述那樣的熱弛豫頻 率fm的降低，曲線F1相對于曲線F2向頻率降低方向移動。因此，如果設如振動元件2那 樣在振動臂上形成有槽的情況下的熱弛豫頻率為fml，則通過滿足下式（2)，在振動臂上形 成有槽的振動元件的Q值高于在振動臂上未形成槽的振動元件的Q值。
[0116] ....(2)
[0117] 而且，如果限定為f/fmO > 1的關系，則能夠得到更高的Q值。
[0118] 另外，在圖5中，還將f/fm< 1的區(qū)域稱作等溫的區(qū)域，在該等溫的區(qū)域中，隨著 f/fm減小，Q值增高。這是因為隨著振動臂的機械的頻率降低(振動臂的振動變慢)，難以產(chǎn) 生上述那樣的振動臂內(nèi)的溫度差。因此，在使f/fm無限接近0 (零）時的極限中，成為等溫 準靜態(tài)操作，熱彈性損耗無限地接近〇 (零)。另一方面，也將f/fm>l的區(qū)域稱作絕熱的 區(qū)域，在該絕熱的區(qū)域中，隨著f/fm增大，Q值增高。這是因為，隨著振動臂的機械的頻率 增高，各側面的溫度上升/溫度效應的切換變得高速，不存在產(chǎn)生上述那樣的熱傳導的時 間。因此，在使f/fm無限增大時的極限中，成為絕熱操作，熱彈性損耗無限地接近0 (零)。 因此，滿足f/fm > 1的關系也可以稱作f/fm處于絕熱的區(qū)域。
[0119] 接著，對振動臂5、6的全長與錘頭59、69的長度以及寬度之間的關系進行說明。 振動臂5、6彼此為相同的結構，因此，以下，以振動臂5為代表進行說明，省略振動臂6的說 明。
[0120] 如圖1所示，在設振動臂5的全長（Y軸方向的長度）為L、錘頭59的長度（Y軸方 向的長度)為Η時，振動臂5滿足1. 2% < H/L < 30. 0%的關系。只要滿足該關系，則沒有特 別限定，更優(yōu)選滿足4. 6% < H/L < 22. 3%的關系。通過滿足這樣的關系，能夠將振動元件 2的CI值抑制得較低，因此成為振動損耗少、且具有優(yōu)異的振動特性的振動元件2。此處， 在本實施方式中，將振動臂5的基端設定到如下線段的位于振動臂5的寬度（X軸方向的長 度）中心的部位，所述線段連接側面514與基部4連接的部位、和側面513與基部4連接的 部位。
[0121] 此外，在設臂部51的寬度（X軸方向的長度）為W1、錘頭59的寬度（X軸方向的長 度）為W2時，振動臂5滿足1. 5彡W2/W1彡10. 0的關系。只要滿足該關系，則沒有特別限 定，更優(yōu)選滿足1. 6彡W2/W1彡7. 0的關系。通過滿足這種關系，能夠確保較寬的錘頭59 的寬度。因此，即使錘頭59的長度Η如上述那樣較短（即使小于L的30%)，也能夠充分發(fā)揮 錘頭59的質量效應。因此，能夠通過滿足1. 5彡W2/W1彡10. 0的關系，抑制振動臂5的全 長L，實現(xiàn)振動元件2的小型化。
[0122] 這樣，在振動臂5中，通過滿足1. 2% < H/L < 30. 0%的關系、和1. 5彡W2/W1彡10. 0 的關系，能夠利用這兩個關系的疊加效應，得到小型化且充分抑制了 CI值的振動元件2。
[0123] 另外，通過設為L < 2 μ m、優(yōu)選設為L < 1 μ m，能夠得到在安裝于便攜型音樂設備 或1C卡那樣的設備的振蕩器中使用的小型的振動元件。此外，通過設為W1 < 100 μ m、并優(yōu) 選設為W1 < 50 μ m，在上述L的范圍中，也能夠得到在實現(xiàn)低功耗的振蕩電路中使用的、低 頻地進行諧振的振動元件。此外，如果是絕熱的區(qū)域，則在石英Z板中沿Y方向延伸、且在 X方向上進行彎曲振動的情況下，優(yōu)選設為W1 > 12. 8 μ m，在石英Z板中沿X方向延伸、且 在Y方向上進行彎曲振動的情況下，優(yōu)選設為Wl > 14. 4 μ m，在石英X板中沿Y方向延伸、 且在Ζ方向上進行彎曲振動的情況下，優(yōu)選設為W1 > 15.9μπι。由此，能夠可靠地設為絕 熱的區(qū)域，因此通過形成槽，熱彈性損耗減少且Q值提高，并且在形成有槽的區(qū)域中進行驅 動，由此（電場效率高、且獲得驅動面積）CI值降低。
[0124] 接著，根據(jù)仿真結果證明：通過滿足1. 2% < H/L < 30. 0%的關系、和1. 5彡W2/ 10.0的關系，能夠發(fā)揮上述效果。另外，本仿真使用1根振動臂5進行。此外，在仿 真中使用的振動臂5由石英Ζ板(旋轉角0° )構成。此外，如圖6所示，振動臂5的尺寸 是全長L為1210 μ m、厚度D為100 μ m、臂部51的寬度W1為98 μ m、錘頭59的寬度W2為 172 μ m、槽52、53的深度Dl、D2均為45 μ m、堤部511a、512a的寬度W3分別為6. 5 μ m。在 這樣的振動臂5中，改變錘頭59的長度Η進行了仿真。另外，由發(fā)明人確認到即使對振動 臂5的尺寸江、11、12、0、01、02、13)進行變更，也成為與下述示出的仿真結果相同的趨勢。
[0125] 下述表1是表示改變錘頭59的長度Η時的CI值變化的表。另外，在本仿真中，如 下那樣計算各樣本的CI值。首先，通過有限元法求出僅考慮了熱彈性損耗的Q值。接著，由 于Q值具有頻率依存性，因此將所求出的Q值換算為32. 768kHz時的Q值（F轉換后Q值)。 接著，根據(jù)F轉換后Q值計算R1 (CI值)。其次，由于CI值也具有頻率依存性，因此將所求 出的R1換算為32. 768kHz時的R1，取其倒數(shù)而設為"低R1指數(shù)"。低R1指數(shù)是將所有仿 真中最大的倒數(shù)設為1時的指數(shù)。因此，低R1指數(shù)越接近1，表示CI值越小。圖8 (a)中 示出在橫軸繪制錘頭占有率（H/L)、縱軸繪制低R1化指數(shù)的曲線圖，（b)示出放大該圖（a) 的一部分后的曲線圖。
[0126] 另外，將Q值換算為F轉換后Q值的方法如下所述。
[0127] 使用下述式（3 )、（ 4 )進行了如下那樣的計算。
[0128] f0 = π k/(2 p Cpa2)…（3)
[0129] Q={pCpACa2H)}X[{l+(f/f0)2V(f/f 0)>..(4)
[0130] 其中，式（3)、（4)中的π是圓周率、k是振動臂5的寬度方向的導熱系數(shù)、P是質 量密度、Cp是熱容、C是振動臂5的長度方向的伸縮的彈性剛度常數(shù)、α是振動臂5的長度 方向的熱膨脹系數(shù)、Η是絕對溫度、f是固有頻率。此外，a是將振動臂5視作圖7所示那樣 的平板形狀時的寬度(有效寬度)。另外，圖7中未在振動臂5上形成槽52、53,但使用此時 的a的值也能夠進行向F轉換后Q值的換算。
[0131] 首先，設在仿真中使用的振動臂5的固有頻率為F1，所求出的Q值為Q1，使用式 (3)、（4)求出使得€ = ?1、〇 = 〇1的&的值。接著，使用所求出的&，并且設為€ = 32.768沾^， 根據(jù)式（2)計算Q的值。這樣得到的Q值成為F轉換后Q值。
[0132] 【表1】
[0133]

【權利要求】
1. 一種振動元件，其特征在于，該振動元件包含： 基部；以及 一對振動臂，它們在俯視時從所述基部朝第1方向延伸，沿著與所述第1方向交叉的第 2方向排列， 所述振動臂包含： 臂部；以及 寬幅部，其在俯視時配置于所述臂部的與所述基部相反的一側，沿著所述第2方向的 長度比所述臂部長， 在設所述振動臂的沿著所述第1方向的長度為L、所述寬幅部的沿著所述第1方向的長 度為Η時， 滿足1. 2% < H/L < 30. 0%的關系， 在設所述臂部的沿著所述第2方向的長度為W1、所述寬幅部的沿著所述第2方向的長 度為W2時， 滿足1. 5彡W2/W1彡10. 0的關系。
2. 根據(jù)權利要求1所述的振動元件，其中， 所述L和所述Η滿足4. 6% < H/L < 22. 3%的關系。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 所述W1和所述W2滿足1. 6彡W2/W1彡7. 0的關系。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 在所述臂部的主面上設置有沿著所述第1方向延伸的有底的槽部。
5. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 所述寬幅部包含： 主體部，其與所述臂部的和所述基部相反的一側連接；以及 突出部，其在俯視時與所述臂部分離地從所述主體部朝向所述臂部的所述基部側延 伸。
6. 根據(jù)權利要求5所述的振動元件，其中， 所述寬幅部還包含連結部，該連結部處于夾在所述突出部與所述臂部之間的區(qū)域中， 連結所述突出部和所述臂部，沿著與所述第1方向以及所述第2方向垂直的第3方向的長 度比所述臂部和所述突出部短。
7. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 所述基部在所述振動臂延伸的一側的相反側包含寬度縮小部，該寬度縮小部的所述第 2方向的長度隨著從所述振動臂遠離而逐漸減小。
8. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 所述振動元件包含支承部，該支承部配置于所述1對振動臂之間，從所述基部延伸。
9. 根據(jù)權利要求1或2所述的振動元件，其中， 所述振動元件包含1對支承臂，該1對支承臂與所述基部連接，在俯視時將所述1對振 動臂夾在中間。
10. -種振子，其特征在于，該振子包含： 權利要求1或2所述的振動元件；以及 收納有所述振動元件的封裝。
11. 一種振蕩器，其特征在于，該振蕩器具有： 權利要求1或2所述的振動元件；以及 與所述振動元件電連接的振蕩電路。
12. -種電子設備，其特征在于，該電子設備具有權利要求1或2所述的振動元件。
13. -種移動體，其特征在于，該移動體具有權利要求1或2所述的振動元件。
【文檔編號】H03H9/19GK104052426SQ201410087903
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2013年3月14日
【發(fā)明者】山田明法 申請人:精工愛普生株式會社