(57)【要約】【課題】ＣＩ値の上昇を低減しつつ、優れた振動特性を発揮することのできる振動素子、並びに、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２は、基部４と、基部４と一体に設けられ、Ｘ軸方向に並び、基部４からＹ軸方向に延出する１対の振動腕５、６と、を含み、振動腕５、６は、それぞれ、腕部５１、６１と、腕部５１、６１の自由端側に位置し、腕部５１、６１よりもＸ軸方向の長さが長い広ハンマーヘッド５９、６９と、を含み、振動腕５、６のＹ軸方向の長さをＬとし、ハンマーヘッド５９、６９のＹ軸方向の長さをＨとしたとき、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係を満足し、腕部５１、６１のＸ軸方向の長さをＷ１とし、ハンマーヘッド５９、６９のＸ軸方向の長さをＷ２としたとき、１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０なる関係を満足する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する方向を第１の方向および第２の方向としたとき、
基部と、
前記基部と一体的に設けられ、前記第２の方向に並び、前記基部から前記第１の方向に延出している１対の振動腕と、
を含み、
前記振動腕は、
腕部と、
当該腕部の先端側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが長い広幅部と、
を含み、
前記振動腕の前記第１の方向に沿った長さをＬ、
前記広幅部の前記第１の方向に沿った長さをＨとしたとき、
１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％
なる関係を満足し、
前記腕部の前記第２の方向に沿った長さをＷ１、
前記広幅部の前記第２の方向に沿った長さをＷ２としたとき、
１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０
なる関係を満足していることを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記Ｌおよび前記Ｈが、４．６％＜Ｈ／Ｌ＜２２．３％なる関係を満足している請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記Ｗ１および前記Ｗ２が、１．６≦Ｗ２／Ｗ１≦７．０なる関係を満足している請求項１または２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記腕部の主面には前記第１の方向に沿って延びている有底の溝部が設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項５】
前記広幅部は、
前記腕本体の先端側に接続されている本体部と、
本体部から前記振動腕の固定端側へ向けて、平面視で前記腕本体を間に挟んで、それぞれ突出している１対の突出部と、
を含み、
前記１対の突出部は、前記腕部と離間して配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項６】
前記第１の方向および前記第２の方向の両方向に直交する方向を第３の方向としたとき、
前記広幅部は、さらに、各前記突出部と前記腕部とを連結し、前記腕部および前記突出部よりも前記第３の方向に沿った長さが短い１対の連結部を含む請求項５に記載の振動素子。
【請求項７】
前記基部は、前記振動腕が延出している側とは反対側に、前記振動腕から離れるに従い前記第２の方向の長さが漸減している縮幅部を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項８】
前記１対の振動腕の間に位置し、前記基部から前記第１の方向に沿って延出している支持部を含む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項９】
前記振動素子は、
前記基部に接続され、前記第１の方向に沿って延在し、平面視で前記１対の振動腕を間に挟んで前記第２の方向に沿って並んでいる１対の支持腕を含む請求項１ないし８のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動素子と、
前記振動素子を搭載したパッケージと、を含むことを特徴とする振動子。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動素子と、
前記振動素子と電気的に接続されている発振回路と、を備えていることを特徴とする発振器。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれか１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。
【請求項１３】
請求項１ないし９のいずれか１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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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、基部から延出する一対の振動腕とを有している。また、小型化を図り、振動特性を高める目的で、各振動腕の先端部にハンマーヘッドと言われる錘部（広幅部）が形成されている。例えば、特許文献１ではハンマーヘッドの長さが振動腕の全長の３０％以上に設定されており、特許文献２、３ではハンマーヘッドの長さが振動腕の全長の３５％〜４１％に設定されている。しかしながら、特許文献１〜３のようにハンマーヘッドの長さを振動腕の全長に対して長くし過ぎてしまうと、振動腕が屈曲振動するとき、振動腕の屈曲変形が大きく発生する領域、即ち電気的に効率よく励振することのできる領域であって、広幅部よりも幅の狭い腕部の領域が減少することによって、振動素子のＣＩ値が高くなってしまい、振動損失が大きくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１９１５９号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９９３３１号公報
【特許文献３】特開２０１２−１２９９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ＣＩ値の上昇を低減しつつ、優れた振動特性を発揮することのできる振動素子、並びに、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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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］
本発明の振動素子は、互いに直交する方向を第１の方向および第２の方向としたとき、
基部と、
前記基部と一体的に設けられ、前記第２の方向に並び、前記基部から前記第１の方向に延出している１対の振動腕と、
を含み、
前記振動腕は、
腕部と、
当該腕部の先端側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが長い広幅部と、
を含み、
前記振動腕の前記第１の方向に沿った長さをＬ、
前記広幅部の前記第１の方向に沿った長さをＨとしたとき、
１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％
なる関係を満足し、
前記腕部の前記第２の方向に沿った長さをＷ１、
前記広幅部の前記第２の方向に沿った長さをＷ２としたとき、
１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０
なる関係を満足していることを特徴とする。
これにより、ＣＩ値の上昇を低減しつつ、優れた振動特性を発揮することのできる振動素子が得られる。
【０００６】
［適用例２］
本発明の振動素子では、前記Ｌおよび前記Ｈが、４．６％＜Ｈ／Ｌ＜２２．３％なる関係を満足していることが好ましい。
これにより、ＣＩ値の上昇をより効果的に低減することができる。
［適用例３］
本発明の振動素子では、前記Ｗ１および前記Ｗ２が、１．６≦Ｗ２／Ｗ１≦７．０なる関係を満足していることが好ましい。
これにより、ＣＩ値の上昇をより効果的に低減することができる。
【０００７】
［適用例４］
本発明の振動素子では、前記腕部の主面には前記第１の方向に沿って延びている有底の溝部が設けられていることが好ましい。
これにより、熱弾性損失を低減することができ、より優れた振動特性を発揮することができる。
【０００８】
［適用例５］
本発明の振動素子では、前記広幅部は、
前記腕本体の先端側に接続されている本体部と、
本体部から前記振動腕の固定端側へ向けて、平面視で前記腕本体を間に挟んで、それぞれ突出している１対の突出部と、
を含み、
前記１対の突出部は、前記腕部と離間して配置されていることが好ましい。
これにより、振動腕の全長を抑えつつ、広幅部の質量を高めることができる。言い換えると、広幅部の質量効果を損なうことなく、腕部を長く確保することができる。
【０００９】
［適用例６］
本発明の振動素子では、前記第１の方向および前記第２の方向の両方向に直交する方向を第３の方向としたとき、
前記広幅部は、さらに、各前記突出部と前記腕部とを連結し、前記腕部および前記突出部よりも前記第３の方向に沿った長さが短い１対の連結部を含むことが好ましい。
これにより、振動腕の全長を抑えつつ、広幅部の質量を高めることができる。言い換えると、広幅部の質量効果を損なうことなく、腕部を長く確保することができる。
【００１０】
［適用例７］
本発明の振動素子では、前記基部は、前記振動腕が延出している側とは反対側に、前記振動腕から離れるに従い前記第２の方向の長さが漸減している縮幅部を含むことが好ましい。
これにより、振動腕の振動が相殺（緩和・吸収）され、振動漏れを低減することができる。そのため、優れた振動特性を有する振動素子が得られる。
【００１１】
［適用例８］
本発明の振動素子では、前記１対の振動腕の間に位置し、前記基部から前記第１の方向に沿って延出している支持部を含むことが好ましい。
支持腕を介して振動素子をパッケージに固定することにより、振動漏れをより少なくすることができる。
【００１２】
［適用例９］
本発明の振動素子では、前記振動素子は、
前記基部に接続され、前記第１の方向に沿って延在し、平面視で前記１対の振動腕を間に挟んで前記第２の方向に沿って並んでいる１対の支持腕を含むことが好ましい。
両支持腕を介して振動素子をパッケージに固定することにより、振動漏れをより少なくすることができる。
【００１３】
［適用例１０］
本発明の振動子は、本発明の振動素子と、
前記振動素子を搭載したパッケージと、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１１］
本発明の発振器は、本発明の振動素子と、
前記振動素子と電気的に接続されている発振回路と、を備えていることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い振動子が得られる。
【００１４】
［適用例１２］
本発明の電子機器は、本発明の振動素子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１３］
本発明の移動体は、本発明の振動素子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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図２】（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】振動漏れ低減の原理を説明する平面図である。
【図４】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５】Ｑ値とｆ／ｆｍの関係を示すグラフである。
【図６】シミュレーションに用いた振動腕の形状および大きさを示す斜視図である。
【図７】実効幅ａを説明する斜視図である。
【図８】ハンマーヘッド占有率と低Ｒ１化指数の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の第２実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１３】本発明の第６実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１４】本発明の第７実施形態にかかる振動素子の平面図である。
【図１５】本発明の振動子の好適な実施形態を示す平面図である。
【図１６】図１５中のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１７】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１８】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。
【図１９】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。
【図２０】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。
【図２１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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．振動素子
まず、本発明の振動素子について説明する。
＜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素子の平面図、図２は、（ａ）が図１中のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）が図１中のＢ−Ｂ線断面図、図３は、振動漏れ低減の原理を説明する平面図、図４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、図５は、Ｑ値とｆ／ｆｍの関係を示すグラフ、図６は、シミュレーションに用いた振動腕の形状および大きさを示す斜視図、図７は、実効幅ａを説明する斜視図、図８は、ハンマーヘッド占有率と低Ｒ１化指数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１に示すように、互いに直交する３軸をＸ軸（水晶の電気軸）、Ｙ軸（水晶の機械軸）およびＺ軸（水晶の光学軸）とする。
【００１７】
図１および図２に示すように、振動素子２は、水晶基板３と、水晶基板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。
水晶基板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軸を厚さ方向とする水晶基板である。なお、Ｚ軸は、水晶基板３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、厚さ方向に対して若干（例えば、１５°未満程度）傾けてもよい。
【００１８】
すなわち、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基板３となる。
【００１９】
なお、水晶基板３の厚さＤとしては、特に限定されないが、７０μｍ未満であるのが好ましい。このような数値範囲とすることにより、例えば、ウエットエッチングによって水晶基板３を形成（パターニング）する場合、振動腕５と基部４の境界部や後述する腕部５１とハンマーヘッド５９の境界部等に不要部（本来なら除去されるべき部分）が残存してしまうのを効果的に防止することができる。そのため、振動漏れを効果的に低減することのできる振動素子２とすることができる。違う観点から、厚さＤは、７０μｍ以上、３００μｍ以下程度であるのが好ましく、１００μｍ以上、１５０μｍ以下程度であるのがより好ましい。このような数値範囲とすることにより、第１、第２駆動用電極８４、８５を水晶基板３の側面（後述する側面５１３、５１４、６１３、６１４）に広く形成することができるため、ＣＩ値を低くすることができる。
このような水晶基板３は、基部４と、一対の振動腕５、６とを有している。
【００２０】
基部４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。基部４は、振動腕５、６を支持・連結する部分（本体部４１）と、振動漏れを低減する縮幅部４２とを有している。
縮幅部４２は、本体部４１の基端側（振動腕５、６が延出している側とは反対側）に設けられている。また、縮幅部４２は、その幅（Ｘ軸方向に沿った長さ）が振動腕５、６から離れるに従い漸減する。このような縮幅部４２を有することにより、振動素子２の振動漏れを効果的に抑制することができる。
【００２１】
具体的に説明すると次のようになる。なお、説明を簡単にするために、振動素子２の形状は、Ｙ軸に平行な所定の軸に対して対称であるとする。
まず、図３（ａ）に示すように、縮幅部４２が設けられていない場合について説明する。振動腕５、６が互いに離間するように屈曲変形した場合、振動腕５が接続されている付近の本体部４１では、矢印で示したように時計回りの回転運動に近い変位が発生し、振動腕６が接続されている付近の本体部４１では、矢印で示したように反時計回りの回転運動に近い変位が発生する（ただし、厳密には回転運動ということができるような運動ではないため、便宜的に「回転運動に近い」とする）。これらの変位のＸ軸方向成分は、互いに反対方向を向いているから、本体部４１のＸ軸方向中央部において相殺され、＋Ｙ軸方向の変位が残ることになる（ただし、厳密にはＺ軸方向の変位も残るが、ここでは省略する）。すなわち、本体部４１は、Ｘ軸方向中央部が＋Ｙ軸方向に変位するような屈曲変形をする。この＋Ｙ軸方向の変位を有する本体部４１のＹ軸方向中央部に接着剤を形成し、接着剤を介してパッケージに固定すると、＋Ｙ軸方向変位に随伴する弾性エネルギーが接着剤を介して外部に漏洩する。これが振動漏れという損失であり、Ｑ値の劣化の原因となり、結果としてＣＩ値の劣化となる。
【００２２】
これに対して、図３（ｂ）に示すように、縮幅部４２が設けられている場合では、縮幅部４２がアーチ状（曲線状）の輪郭を有しているため、上述した回転運動に近い変位は、縮幅部４２において互いにつっかえることになる。すなわち、縮幅部４２のＸ軸方向中央部においては、本体部４１のＸ軸方向中央部と同様にＸ軸方向の変位が相殺され、それと共に、Ｙ軸方向の変位が抑制されることになる。さらに、縮幅部４２の輪郭がアーチ状であるから、本体部４１で発生しようとする＋Ｙ軸方向の変位をも抑制することになる。この結果、縮幅部４２が設けられた場合の基部４のＸ軸方向中央部の＋Ｙ軸方向の変位は、縮幅部４２が設けられていない場合に比べて遥かに小さくなる。即ち、振動漏れの小さい振動素子を得ることができる。
なお、ここでは縮幅部４２の輪郭がアーチ状をしているが、上述のような作用を呈するものであればこれに限るものではない。例えば、輪郭が複数の直線によって、段差状に形成されている縮幅部であってもよい。
【００２３】
振動腕５、６は、Ｘ軸方向（第２の方向）に並び、かつ、互いに平行となるように基部４の上端からＹ軸方向（第１の方向）に延出している。これら振動腕５、６は、それぞれ、長手形状をなし、その基端が固定端となり、先端が自由端となる。また、振動腕５、６は、それぞれ、腕部５１、６１と、腕部５１、６１の先端に設けられたハンマーヘッド（広幅部）５９、６９とを有している。
【００２４】
腕部５１は、ＸＹ平面で構成された一対の主面５１１、５１２と、ＹＺ平面で構成され、一対の主面５１１、５１２を接続する一対の側面５１３、５１４とを有している。また、腕部５１には、主面５１１に開放する有底の溝５２と、主面５１２に開放する有底の溝５３とを有している。各溝５２、５３は、Ｙ軸方向に延在し、先端がハンマーヘッド５９まで延び、基端が基部４まで延びている。
【００２５】
このように、振動腕５に溝５２、５３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（後に詳述する）。溝５２、５３の長さは限定されるものではなく、溝５２、５３の先端がハンマーヘッド５９まで延びていなくてもよいが、特に、本実施形態のように、各溝５２、５３の先端がハンマーヘッド５９まで延びていると、溝の先端周辺で発生する応力集中が緩和されるから、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。また、各溝５２、５３の基端が基部４まで延びていることによって、これらの境界部での応力集中が緩和される。そのため、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。
【００２６】
溝５２、５３の深さとしては、特に限定されないが、溝５２の深さをＤ１とし、溝５３の深さをＤ２（本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２）としたとき、６０％≦（Ｄ１＋Ｄ２）／Ｄ≦９５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によって熱移動経路が長くなるから、断熱的領域（後に詳述する）に於いてより効果的に、熱弾性損失の低減を図ることができる。
【００２７】
なお、溝５２、５３は振動腕５の断面重心が振動腕５の断面形状の中心と一致するように、振動腕５の位置に対して溝５２、５３の位置をＸ軸方向に調整して形成されているのが好ましい。こうすることによって、振動腕５の不要な振動（具体的には、面外方向成分を有する斜め振動）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。
【００２８】
また、主面５１１の溝５２のＸ軸方向両側に位置する土手部（振動腕の長手方向に直交する幅方向に沿って溝５２を挟んで並んでいる主面）５１１ａおよび主面５１２の溝５３のＸ軸方向両側に位置する土手部５１２ａの幅（Ｘ軸方向の長さ）をＷ３としたとき、０μｍ＜Ｗ３≦２０μｍなる関係を満足するのが好ましい。これにより、振動素子２のＩＣ値が十分に低くなる。上記数値範囲の中でも、５μｍ＜Ｗ３≦９μｍなる関係を満足するのが好ましい。これにより、上記効果とともに、熱弾性損失を低減することができる。また、０μｍ＜Ｗ３≦５μｍなる関係を満足するのも好ましい。これにより、振動素子２のＣＩ値をより低くすることができる。
【００２９】
ハンマーヘッド５９は、ＸＹ平面視にて、略矩形である。また、ハンマーヘッド５９は、腕部５１の先端に接続された本体５９１と、本体５９１から振動腕５の基端側へ向けて突出する突出部５９２、５９３と、突出部５９２、５９３と腕部５１との間に形成された薄肉部（連結部）５９４、５９５とを有している。
本体５９１は、腕部５１よりも幅（Ｘ軸方向の長さ）が広く、腕部５１からＸ軸方向の両側へ突出している。１対の突出部５９２、５９３は、腕部５１を挟んでＸ軸方向の両側に位置している。突出部５９２、５９３は、それぞれ、腕部５１とＸ軸方向に離間し、本体５９１の基端側外縁から振動腕５の基端側へ突出している。
【００３０】
薄肉部５９４は、突出部５９２と腕部５１の間に、これらを連結して設けられており、突出部５９２および腕部５１よりも薄い（Ｚ軸方向の長さが短い）。そのため、腕部５１と突出部５９２の間には、ハンマーヘッド５９の一方の主面に開口する有底の溝５９６ａと、他方の主面開放する有底の溝５９６ｂとが形成されている。同様に、薄肉部５９５は、突出部５９３と腕部５１の間に、これらを連結して設けられており、突出部５９３および腕部５１よりも薄い。そのため、腕部５１と突出部５９３の間には、ハンマーヘッド５９の一方の主面に開口する有底の溝５９７ａと、他方の主面開放する有底の溝５９７ｂとが形成されている。
【００３１】
ハンマーヘッド５９をこのような構成とすることによって、振動腕５の全長Ｌを抑えつつ、ハンマーヘッド５９の質量を高めることができる。言い換えると、振動腕５の全長Ｌが一定の場合、ハンマーヘッド５９の質量効果を損なうことなく、腕部５１をなるべく長く確保することができる。そのため、所望の共振周波数（例えば３２．７６８ｋＨｚ）を得るために、振動腕５の幅（Ｘ軸方向の長さ）を広くすることができる。その結果、後述する熱移動経路が長くなって熱弾性損失が減少し、Ｑ値が向上する。
【００３２】
また、ハンマーヘッド５９のＸ軸方向中心を振動腕５のＸ軸方向中心から多少ずらしておくとよい。こうすることによって、屈曲振動時に振動腕５が捩れることによって生じてしまう基部４のＺ軸方向の振動を低減することができるので、振動漏れを抑制することができる。
以上、振動腕５について説明した。振動腕６は、振動腕５と同様の構成である。すなわち、腕部６１は、ＸＹ平面で構成された一対の主面６１１、６１２と、ＹＺ平面で構成され、一対の主面６１１、６１２を接続する一対の側面６１３、６１４とを有している。また、腕部６１は、主面６１１に開放する有底の溝６２と、主面６１２に開放する有底の溝６３とを有している。各溝６２、６３は、Ｙ軸方向に延在し、先端がハンマーヘッド６９まで延び、基端が基部４まで延びている。
ハンマーヘッド６９は、ＸＹ平面視にて、略矩形である。また、ハンマーヘッド６９は、腕部６１の先端に接続された本体６９１と、本体６９１から振動腕６の基端側へ向けて突出する突出部６９２、６９３と、突出部６９２、６９３と腕部６１との間に形成された薄肉部６９４、６９５とを有している。
【００３３】
本体６９１は、腕部６１よりも幅（Ｘ軸方向の長さ）が広く、腕部６１からＸ軸方向の両側へ突出している。１対の突出部６９２、６９３は、腕部６１を挟んでＸ軸方向の両側に位置している。突出部６９２、６９３は、それぞれ、腕部６１とＸ軸方向に離間し、本体６９１の基端側外縁から振動腕６の基端側へ突出している。薄肉部６９４は、突出部６９２と腕部６１の間に、これらを連結して設けられており、突出部６９２および腕部６１よりも薄い。そのため、腕部６１と突出部６９２の間には、ハンマーヘッド６９の一方の主面に開口する有底の溝６９６ａと、他方の主面開放する有底の溝６９６ｂとが形成されている。同様に、薄肉部６９５は、突出部６９３と腕部６１の間に、これらを連結して設けられており、突出部６９３および腕部６１よりも薄い。そのため、腕部６１と突出部６９３の間には、ハンマーヘッド６９の一方の主面に開口する有底の溝６９７ａと、他方の主面開放する有底の溝６９７ｂとが形成されている。
【００３４】
ハンマーヘッド６９をこのような構成とすることによって、振動腕６の全長Ｌを抑えつつ、ハンマーヘッド６９の質量を高めることができる。言い換えると、振動腕６の全長Ｌが一定の場合、ハンマーヘッド６９の質量効果を損なうことなく、腕部６１をなるべく長く確保することができる。
また、ハンマーヘッド６９のＸ軸方向中心を振動腕５のＸ軸方向中心から多少ずらしておくとよい。こうすることによって、屈曲振動時に振動腕５が捩れることによって生じてしまう基部４のＺ軸方向の振動を低減することができるので、振動漏れを抑制することができる。
【００３５】
図２に示すように、振動腕５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。具体的には、第１駆動用電極８４の一方は、溝５２の内面（側面）に形成されており、他方は、溝５３の内面（側面）に形成されている。また、第２駆動用電極８５の一方は、側面５１３に形成されており、他方は、側面５１４に形成されている。なお、第１駆動用電極８４をハンマーヘッド５９で囲まれた領域まで延ばして形成しない、或は／且つ、第２駆動用電極８５が、側面５１３から溝５９６ａ、５９６ｂの内面（腕部５１側の側面）まで延びていない場合は、等価直列容量Ｃ１を小さくすることができるので、負荷容量感度Ｓ（＝Ｃ１／（２×（Ｃ０＋ＣＬ）２）の絶対値を小さくなり、安定した共振特性を得ることができる。なお負荷容量感度Ｓは、負荷容量の変動に対する共振周波数の変動を表す指標であり、Ｃ０は静電容量、ＣＬは負荷容量である。
【００３６】
また、前記一方の第２駆動用電極８５は、側面５１３から溝５９６ａ、５９６ｂの内面（腕部５１側の側面）まで延びていてもよく、同様に、前記他方の第２駆動用電極８５は、側面５１４から溝５９７ａ、５９７ｂの内面（腕部５１側の側面）まで延びていてもよい。これにより、電界が作用する領域をより広くすることができる。
同様に、振動腕６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。具体的には、第１駆動用電極８４の一方は、側面６１３に形成されており、他方は、側面６１４に形成されている。また、第２駆動用電極８５の一方は、溝６２の内面（側面）に形成されており、他方は、溝６３の内面（側面）に形成されている。なお、前記一方の第１駆動用電極８４は、側面６１３から溝６９６ａ、６９６ｂの内面（腕部６１側の側面）まで延びていてもよく、同様に、前記他方の第１駆動用電極８４は、側面６１４から溝６９７ａ、６９７ｂの内面（腕部６１側の側面）まで延びていてもよい。これにより、電界が作用する領域をより広くすることができる。
これら第１、第２駆動用電極８４、８５の間に交番電圧を印加すると、振動腕５、６が互いに接近、離間を繰り返すように面内方向（ＸＹ平面方向）に所定の周波数で振動する。
【００３７】
第１、第２駆動用電極８４、８５の構成としては、特に限定されず、金（Ａｕ）、金合金、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銀（Ａｇ）、銀合金、クロム（Ｃｒ）、クロム合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケル合金、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、鉄（Ｆｅ）、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の導電材料により形成することができる。
【００３８】
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１００Å以下とされる。また、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。
上述したように、振動素子２では、振動腕５、６に溝５２、５３、６２、６３を形成することによって、熱弾性損失の低減を図っている。以下、このことについて、振動腕５を例にして具体的に説明する。
【００３９】
振動腕５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４に示すように、この屈曲振動の際、腕部５１の側面５１３が収縮すると側面５１４が伸張し、反対に、側面５１３が伸張すると側面５１４が収縮する。振動腕５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５１３、５１４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ため、側面５１３と側面５１４との間、つまり腕部５１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２のＱ値が低下する。このようなＱ値の低下を熱弾性効果とも言い、熱弾性効果によるエネルギーの損失を熱弾性損失とも言う。
【００４０】
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５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５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、ｆｍ＝１／（２πτ）で求めることができる（ただし、式中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）。
【００４１】
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は下式で求めることができる。
ｆｍ０＝πｋ／（２ρＣｐａ２）‥‥（１）
なお、πは円周率、ｋは振動腕５の振動方向の熱伝導率、ρは振動腕５の質量密度、Ｃｐは振動腕５の熱容量、ａは振動腕５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Ｃｐに振動腕５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５に溝５２、５３を設けていない場合の値となる。
【００４２】
振動腕５では、側面５１３、５１４の間に位置するように溝５２、５３が形成されている。そのため、振動腕５の屈曲振動時に生じる側面５１３、５１４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５２、５３を迂回するように形成され、熱移動経路が側面５１３、５１４間の直線距離（最短距離）よりも長くなる。そのため、振動腕５に溝５２、５３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。
【００４３】
図５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（振動腕の横断面形状がＨ型の場合）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（連結腕の横断面形状が矩形の場合）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（２）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。
【００４４】
【数１】
2018152911.tif 000003
【００４５】
更に、ｆ／ｆｍ０＞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。
なお、図５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。
【００４６】
次に、振動腕５、６の全長と、ハンマーヘッド５９、６９の長さおよび幅の関係について説明する。振動腕５、６は、互いに同様の構成であるため、以下では、振動腕５について代表して説明し、振動腕６については、その説明を省略する。
図１に示すように、振動腕５の全長（Ｙ軸方向の長さ）をＬとし、ハンマーヘッド５９の長さ（Ｙ軸方向の長さ）をＨとしたとき、振動腕５は、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係を満足している。この関係を満足していれば、特に限定されないが、さらに、４．６％＜Ｈ／Ｌ＜２２．３％なる関係を満足しているのが好ましい。このような関係を満足することによって、振動素子２のＣＩ値が低く抑えられるため、振動損失が少なく、優れた振動特性を有する振動素子２となる。ここで、本実施形態では、振動腕５の基端を、側面５１４が基部４と接続されている箇所と、側面５１３が基部４と接続されている箇所を結んだ線分の、振動腕５の幅（Ｘ軸方向の長さ）中心に位置する箇所に設定している。
【００４７】
また、振動腕５は、腕部５１の幅（Ｘ軸方向の長さ）をＷ１とし、ハンマーヘッド５９の幅（Ｘ軸方向の長さ）をＷ２としたとき、１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０なる関係を満足している。この関係を満足していれば、特に限定されないが、さらに、１．６≦Ｗ２／Ｗ１≦７．０なる関係を満足しているのが好ましい。このような関係を満足することにより、ハンマーヘッド５９の幅を広く確保することができる。そのため、ハンマーヘッド５９の長さＨが上述のように比較的短くても（Ｌの３０％未満であっても）、ハンマーヘッド５９による質量効果を十分に発揮することができる。したがって、１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０なる関係を満足することによって、振動腕５の全長Ｌが抑えされ、振動素子２の小型化を図ることができる。
このように、振動腕５では、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係と、１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０なる関係とを満足することによって、これら２つの関係の相乗効果によって、小型化でＣＩ値が十分に抑えられている振動素子２が得られる。
【００４８】
なお、Ｌ≦２μｍ、好ましくは、Ｌ≦１μｍとすることで、携帯型音楽機器やＩＣカードのようなものに搭載する発振器に使用する、小型な振動素子を得ることができる。また、Ｗ１≦１００μｍ、好ましくは、Ｗ１≦５０μｍとすることで、上記Ｌの範囲においても、低消費電力を実現する発振回路に使用する、低周波で共振する振動素子を得ることができる。また、断熱的領域であれば、水晶Ｚ板でＹ方向に振動腕が延び、Ｘ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１２．８μｍであることが好ましく、水晶Ｚ板でＸ方向に振動腕が延び、Ｙ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１４．４μｍであることが好ましく、水晶Ｘ板でＹ方向に振動腕が延び、Ｚ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１５．９μｍであることが好ましい。こうすることによって、確実に断熱的領域にすることができるので、溝の形成により熱弾性損失が減少してＱ値が向上し、それと共に溝が形成されている領域で駆動することにより（電界効率が高く、駆動面積が稼げる）ＣＩ値が低くなる。
【００４９】
次に、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係と、１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０なる関係とを満足することによって、上記効果を発揮することができることをシミュレーション結果に基づいて証明する。なお、本シミュレーションは、１本の振動腕５を用いて行った。また、本シミュレーションで用いた振動腕５は、水晶Ｚ板（回転角０°）で構成されている。また、振動腕５のサイズは、図６に示すように、全長Ｌが１２１０μｍ、厚さＤが１００μｍ、腕部５１の幅Ｗ１が９８μｍ、ハンマーヘッド５９の幅Ｗ２が１７２μｍ、溝５２、５３の深さＤ１、Ｄ２が共に４５μｍ、土手部５１１ａ、５１２ａの幅Ｗ３がそれぞれ６．５μｍである。このような振動腕５において、ハンマーヘッド５９の長さＨを変化させてシミュレーションを行った。なお、発見者らによって、振動腕５のサイズ（Ｌ、Ｗ１、Ｗ２、Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｗ３）を変更しても、下記に示すシミュレーション結果と同様の傾向となることが確認されている。
【００５０】
下記の表１は、ハンマーヘッド５９の長さＨを変化させたときのＣＩ値の変化を示す表である。なお、本シミュレーションでは、次のようにして、各サンプルのＩＣ値を算出している。まず、有限要素法によって、熱弾性損失のみを考慮したＱ値を求める。次に、Ｑ値は、周波数依存性を有しているため、求められたＱ値を３２．７６８ｋＨｚ時のＱ値（Ｆ変換後Ｑ値）に換算する。次に、Ｆ変換後Ｑ値に基づいて、Ｒ１（ＣＩ値）を算出する。次に、ＣＩ値も周波数依存性を有しているため、求められたＲ１を３２．７６８ｋＨｚ時のＲ１に換算し、その逆数をとって「低Ｒ１指数」とした。低Ｒ１指数は、全てのシミュレーションの中で最大であった逆数を１としたときの指数である。従って、低Ｒ１指数が１に近い程、ＣＩ値が小さいことを意味している。図８（ａ）に、横軸にハンマーヘッド占有率（Ｈ／Ｌ）、縦軸に低Ｒ１化指数をプロットしたグラフを示し、（ｂ）に同図（ａ）の一部を拡大したグラフを示す。
なお、Ｑ値をＦ変換後Ｑ値へ換算する方法は、次の通りである。
下記式（３）、（４）を用いて次のような計算を行った。
ｆ０＝πｋ／（２ρＣｐａ２）…（３）
Ｑ＝｛ρＣｐ／（Ｃα２Ｈ）｝×［｛１＋（ｆ／ｆ０）２｝／（ｆ／ｆ０）］…（４）
ただし、式（３）、（４）中のπは円周率、ｋは振動腕５の幅方向の熱電導率、ρは質量密度、Ｃｐは熱容量、Ｃは振動腕５の長さ方向の伸縮の弾性スティフネス定数、αは振動腕５の長さ方向の熱膨張率、Ｈは絶対温度、ｆは固有周波数である。また、ａは、振動腕５を図７に示すような平板形状として見做したきの幅（実効幅）である。なお、図７では、振動腕５に溝５２、５３が形成されていないが、この際のａの値を用いてもＦ変換後Ｑ値への換算を行うことができる。
まず、シミュレーションで用いた振動腕５の固有周波数をＦ１とし、求められたＱ値をＱ１とし、式（３）、（４）を用いて、ｆ＝Ｆ１、Ｑ＝Ｑ１となるようなａの値を求める。次に、求められたａを用い、また、ｆ＝３２．７６８ｋＨｚとし、式（２）からＱの値を算出する。このようにして得られたＱ値がＦ変換後Ｑ値となる。
【００５１】
【表１】
2018152911.tif 000004
【００５２】
発明者らは、低Ｒ１化指数が０．８７以上となる振動素子２を求めている。表１および図８のグラフから分かるように、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係を満足するもの（ＳＩＭ００２〜ＳＩＭ０１１）では低Ｒ１化指数が目標の０．８７以上となっている。特に、４．６％＜Ｈ／Ｌ＜２２．３％なる関係を満足するもの（ＳＩＭ００３〜ＳＩＭ００８）では低Ｒ１化指数が０．９５を超えており、よりＣＩ値が低くなっていることが分かる。以上のシミュレーション結果から、１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％なる関係を満足することにより、ＣＩ値が十分に抑えられている振動素子２が得られることが証明された。
【００５３】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第２実施形態について説明する。
図９は、本発明の第２実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第２実施形態の振動素子について、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。
本発明の第２実施形態にかかる振動素子は、ハンマーヘッド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。
【００５４】
図９に示すように、ハンマーヘッド５９Ａは、腕部５１の先端に接続された本体５９１と、本体５９１から振動腕５の基端側へ向けて突出する突出部５９２、５９３とを有している。すなわち、前述した第１実施形態のハンマーヘッド５９から薄肉部５９４、５９５を省略した構成となっている。ハンマーヘッド５９Ａをこのような構成とすることによって、振動腕５の全長Ｌを抑えつつ、ハンマーヘッド５９の質量を高めることができる。言い換えると、振動腕５の全長Ｌが一定の場合、ハンマーヘッド５９の質量効果を損なうことなく、腕部５１をなるべく長く確保することができるので、所望の共振周波数（例えば３２．７６８ｋＨｚ）を得るために、振動腕５の幅（Ｘ軸方向の長さ）を広くすることができる。その結果、上述した熱移動経路が長くなって熱弾性損失が減少し、Ｑ値が向上する。ここで、図９に示すように、ハンマーヘッド５９Ａの長さＨは、ハンマーヘッド５９Ａと腕部５１の接続部から自由端までを言い、突出部５９２、５９３分の長さは、長さＨに含まれない。また、腕部５１の自由端部は、幅が自由端側に向けて漸増するテーパ状をなしているが、このテーパ部分の幅（Ｘ軸方向の長さ）が腕部５１の幅（Ｘ軸方向の長さ）の１．５倍以上となっている部分を腕部５１が有している場合には、この部分も長さＨに含まれる。
ハンマーヘッド６９Ａは、前述したハンマーヘッド５９Ａと同様の構成であるため、その説明を省略する。
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奏することができる。
【００５５】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第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素子の平面図である。
以下、第３実施形態の振動素子について、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。
本発明の第３実施形態にかかる振動素子は、ハンマーヘッド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。
【００５６】
図１０に示すように、ハンマーヘッド５９Ｂでは、薄肉部５９４Ｂ、５９５Ｂがそれぞれ突出部５９２、５９３よりも短くなっており、突出部５９２、５９３の固定端側の部分だけが薄肉部５９４Ｂ、５９５Ｂを介して腕部５１と連結している。ハンマーヘッド５９Ｂをこのような構成とすることによって、振動腕５の全長Ｌを抑えつつ、ハンマーヘッド５９の質量を高めることができる。言い換えると、振動腕５の全長Ｌが一定の場合、ハンマーヘッド５９の質量効果を損なうことなく、腕部５１をなるべく長く確保することができるので、所望の共振周波数（例えば３２．７６８ｋＨｚ）を得るために、振動腕５の幅（Ｘ軸方向の長さ）を広くすることができる。その結果、上述した熱移動経路が長くなって熱弾性損失が減少し、Ｑ値が向上する。ここで、図１０に示すように、ハンマーヘッド５９Ｂの長さＨは、薄肉部５９４Ｂ、５９５Ｂと腕部５１の接続部から自由端までを言い、突出部５９２、５９３の自由端部の長さは、長さＨに含まれない。また、腕部５１の自由端部は、幅が自由端側に向けて漸増するテーパ状をなしているが、このテーパ部分の幅（Ｘ軸方向の長さ）が腕部５１の幅（Ｘ軸方向の長さ）の１．５倍以上となっている部分を腕部５１が有している場合には、この部分も長さＨに含まれる。
ハンマーヘッド６９Ｂは、前述したハンマーヘッド５９Ｂと同様の構成であるため、その説明を省略する。
このような第３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奏することができる。
【００５７】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第４実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第４実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第４実施形態の振動素子について、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。
【００５８】
本発明の第４実施形態にかかる振動素子は、ハンマーヘッド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１１に示すように、ハンマーヘッド５９Ｃは、略矩形をなしており、前述した第１実施形態のハンマーヘッドから、突出部５９２、５９３および薄肉部５９４、５９５を省略した構成となっている。このような構成とすることにより、ハンマーヘッド５９Ｃの構成が簡単なものとなる。また、溝５２、５３の先端は、腕部５１とハンマーヘッド５９Ｃの境界部に位置している。腕部５１の自由端部は、幅が自由端側に向けて漸増するテーパ状をなしているが、このテーパ部分の幅（Ｘ軸方向の長さ）が腕部５１の幅（Ｘ軸方向の長さ）の１．５倍以上となっている部分を腕部５１が有している場合には、この部分もハンマーヘッド５９Ｃの長さＨに含まれる。
ハンマーヘッド６９Ｃは、前述したハンマーヘッド５９Ｃと同様の構成であるため、その説明を省略する。
このような第４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奏することができる。
【００５９】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第５実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第５実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第５実施形態の振動素子について、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。
【００６０】
本発明の第５実施形態にかかる振動素子は、ハンマーヘッド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１２に示すように、ハンマーヘッド５９Ｄは、略矩形をなしており、前述した第１実施形態のハンマーヘッドから、突出部５９２、５９３および薄肉部５９４、５９５を省略した構成となっている。このような構成とすることにより、ハンマーヘッド５９Ｄの構成が簡単なものとなる。腕部５１の自由端部は、幅が自由端側に向けて漸増するテーパ状をなしているが、このテーパ部分の幅（Ｘ軸方向の長さ）が腕部５１の幅（Ｘ軸方向の長さ）の１．５倍以上となっている部分を腕部５１が有している場合には、この部分もハンマーヘッド５９Ｄの長さＨに含まれる。
ハンマーヘッド６９Ｄは、前述したハンマーヘッド５９Ｄと同様の構成であるため、その説明を省略する。
このような第５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奏することができる。
【００６１】
＜第６実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第６実施形態について説明する。
図１３は、本発明の第６実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第６実施形態の振動素子について、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。
【００６２】
本発明の第６実施形態にかかる振動素子は、さらに支持部を有している以外は、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１３に示すように、振動素子２Ｅは、振動腕５、６の間に位置し、基部４からＹ軸方向に延出している支持部７を有している。図示しないが、振動素子２Ｅは、支持部７にて接着剤を介してパッケージに固定される。このような構成とすることによって、振動素子２Ｅの振動漏れをより効果的に低減することができる。
このような第６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奏することができる。
【００６３】
＜第７実施形態＞
次に、本発明の振動素子の第７実施形態について説明する。
図１４は、本発明の第７実施形態にかかる振動素子の平面図である。
以下、第７実施形態の振動素子について、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。
【００６４】
本発明の第７実施形態にかかる振動素子は、さらに支持部を有している以外は、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１４に示すように、振動素子２Ｆは、基部４から延出する支持部７を有している。支持部７は、基部４の下端（振動腕５、６が延出する側と反対側）から延出し、Ｘ軸方向に分岐する分岐部７１と、分岐部からＸ軸方向両側に延出する連結腕７２、７３と、連結腕７２、７３の先端部からＹ軸方向の振動腕５、６側に延出する支持腕７４、７５とを有している。また、支持腕７４、７５は、振動腕５、６を介してＸ軸方向に対向して配置されている。図示しないが、振動素子２Ｆは、支持腕７４、７５にて接着剤等を介してパッケージに固定される。このような構成とすることによって、振動素子２Ｅの振動漏れをより効果的に低減することができる。
このような第７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奏することができる。
【００６５】
２．振動子
次に、本発明の振動子について説明する。
図１５は、本発明の振動子の好適な実施形態を示す平面図、図１６は、図１５中のＣ−Ｃ線断面図である。
図１５に示すように、振動子１は、振動素子２（本発明の振動素子）と、振動素子２を収納するパッケージ９とを有している。なお、振動素子２は、前述した第１実施形態で説明した振動素子と同様である。
【００６６】
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２が気密的に収納されている。振動素子２は、基部４にて、例えば、エポキシ系、アクリル系の樹脂に導電性フィラーを混合した導電性接着剤１１を介して凹部９１１の底面に固定されている。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２の振動特性が向上する。
【００６７】
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。
【００６８】
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２の第１駆動用電極８４は、基部４にて、導電性接着剤１１を介して接続端子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２の第２駆動用電極８５は、基部４にて、導電性接着剤１１を介して接続端子９６１と電気的に接続されている。
【００６９】
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。
【００７０】
３．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１７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１７に示す発振器１０は、振動子１と、振動素子２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。
【００７１】
図１７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。
【００７２】
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２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。
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１７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。
【００７３】
４．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１８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２が内蔵されている。
【００７４】
図１９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２が内蔵されている。
【００７５】
図２０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。
【００７６】
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。
【００７７】
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、共振器等として機能する振動素子２が内蔵されている。
【００７８】
なお、本発明の振動素子を備える電子機器は、図１８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１９の携帯電話機、図２０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。
【００７９】
５．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２１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２が搭載されている。振動素子２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。
【符号の説明】
【００８０】
１…振動子  １０…発振器  １１…導電性接着剤  ２、２Ｅ、２Ｆ…振動素子  ３…水晶基板  ４…基部  ４１…本体部  ４２…縮幅部  ５…振動腕  ５１…腕部  ５１１、５１２…主面  ５１１ａ、５１２ａ…土手部  ５１３、５１４…側面  ５２、５３…溝  ５９、５９Ａ、５９Ｂ、５９Ｃ、５９Ｄ…ハンマーヘッド  ５９１…本体  ５９２、５９３…突出部  ５９４、５９４Ｂ、５９５、５９５Ｂ…薄肉部  ５９６ａ、５９６ｂ、５９７ａ、５９７ｂ…溝  ６…振動腕  ６１…腕部  ６１１、６１２…主面  ６１３、６１４…側面  ６２、６３…溝  ６９、６９Ａ、６９Ｂ、６９Ｃ、６９Ｄ…ハンマーヘッド  ６９１…本体  ６９２、６９３…突出部  ６９４、６９５…薄肉部  ６９６ａ、６９６ｂ、６９７ａ、６９７ｂ…溝  ７…支持部  ７１…分岐部  ７２、７３…連結腕  ７４、７５…支持腕  ８…ＩＣチップ  ８４、８５…駆動用電極  ９…パッケージ  ９１…ベース  ９１１…凹部  ９１１ａ…第１凹部  ９１１ｂ…第２凹部  ９１１ｃ…第３凹部  ９２…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  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  Ｌ…全長  Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３…幅  Ｄ…厚さ  Ｄ１、Ｄ２…深さ
【図１】
2018152911.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2018152911.tif 000018
【図１５】
2018152911.tif 000019
【図１６】
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【図１７】
2018152911.tif 000021
【図１８】
2018152911.tif 000022
【図１９】
2018152911.tif 000023
【図２０】
2018152911.tif 000024
【図２１】
2018152911.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月4日(2018.7.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交する方向を第１の方向および第２の方向としたとき、
基部と、
前記基部から前記第１の方向に沿って延出し、前記第２の方向に沿って並んでいる１対の振動腕と、
を含み、
前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部の前記基部とは反対側の先端側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが長い広幅部と、
を含み、
前記振動腕の前記第１の方向に沿った長さをＬ、
前記広幅部の前記第１の方向に沿った長さをＨとしたとき、
１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％
なる関係を満足し、
前記腕部の前記第２の方向に沿った長さをＷ１、
前記広幅部の前記第２の方向に沿った長さをＷ２としたとき、
１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０、かつ
１２．８μｍ≦Ｗ１≦５０μｍ
なる関係を満足していることを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記Ｌおよび前記Ｈが、４．６％＜Ｈ／Ｌ＜２２．３％なる関係を満足している請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記Ｗ１および前記Ｗ２が、１．６≦Ｗ２／Ｗ１≦７．０なる関係を満足している請求項１または２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記腕部の主面には前記第１の方向に沿って延びている有底の溝部が設けられている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項５】
前記広幅部は、
前記腕部の前記先端側に接続されている本体部と、
前記本体部から前記基部側へ向けて、平面視で前記腕部を間に挟んで、それぞれ突出している１対の突出部と、
を含み、
前記１対の突出部は、前記腕部と離間して配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項６】
前記第１の方向および前記第２の方向の両方向に直交する方向を第３の方向としたとき、
前記広幅部は、前記突出部と前記腕部とを連結し、前記腕部および前記突出部よりも前記第３の方向に沿った長さが短い連結部を含む請求項５に記載の振動素子。
【請求項７】
前記基部は、前記振動腕が延出している側とは反対側に、前記振動腕から離れるに従い前記第２の方向の長さが漸減している縮幅部を含む請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項８】
前記１対の振動腕の間に位置し、前記基部から前記第１の方向に沿って延出している支持部を含む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項９】
前記基部に接続され、平面視で前記第２の方向において前記１対の振動腕を間に挟み、前記第１の方向に沿って延在している１対の支持腕を含む請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動素子。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動素子と、
前記振動素子を搭載したパッケージと、を含むことを特徴とする振動子。
【請求項１１】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動素子と、
前記振動素子と電気的に接続されている発振回路と、を備えていることを特徴とする発振器。
【請求項１２】
請求項１ないし９のいずれか１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。
【請求項１３】
請求項１ないし９のいずれか１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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
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］
本発明の振動素子は、互いに直交する方向を第１の方向および第２の方向としたとき、
基部と、
前記基部から前記第１の方向に沿って延出し、前記第２の方向に沿って並んでいる１対の振動腕と、
を含み、
前記振動腕は、
腕部と、
前記腕部の前記基部とは反対側の先端側に位置し、前記腕部よりも前記第２の方向に沿った長さが長い広幅部と、
を含み、
前記振動腕の前記第１の方向に沿った長さをＬ、
前記広幅部の前記第１の方向に沿った長さをＨとしたとき、
１．２％＜Ｈ／Ｌ＜３０．０％
なる関係を満足し、
前記腕部の前記第２の方向に沿った長さをＷ１、
前記広幅部の前記第２の方向に沿った長さをＷ２としたとき、
１．５≦Ｗ２／Ｗ１≦１０．０、かつ
１２．８μｍ≦Ｗ１≦５０μｍ
なる関係を満足していることを特徴とする。
これにより、ＣＩ値の上昇を低減しつつ、優れた振動特性を発揮することのできる振動素子が得られる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
［適用例５］
本発明の振動素子では、前記広幅部は、
前記腕部の前記先端側に接続されている本体部と、
前記本体部から前記基部側へ向けて、平面視で前記腕部を間に挟んで、それぞれ突出している１対の突出部と、
を含み、
前記１対の突出部は、前記腕部と離間して配置されていることが好ましい。
これにより、振動腕の全長を抑えつつ、広幅部の質量を高めることができる。言い換えると、広幅部の質量効果を損なうことなく、腕部を長く確保することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
［適用例６］
本発明の振動素子では、前記第１の方向および前記第２の方向の両方向に直交する方向を第３の方向としたとき、
前記広幅部は、前記突出部と前記腕部とを連結し、前記腕部および前記突出部よりも前記第３の方向に沿った長さが短い連結部を含むことが好ましい。
これにより、振動腕の全長を抑えつつ、広幅部の質量を高めることができる。言い換えると、広幅部の質量効果を損なうことなく、腕部を長く確保することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
［適用例９］
本発明の振動素子では、前記基部に接続され、平面視で前記第２の方向において前記１対の振動腕を間に挟み、前記第１の方向に沿って延在している１対の支持腕を含むことが好ましい。
両支持腕を介して振動素子をパッケージに固定することにより、振動漏れをより少なくすることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
なお、Ｌ≦２ｍｍ、好ましくは、Ｌ≦１ｍｍとすることで、携帯型音楽機器やＩＣカードのようなものに搭載する発振器に使用する、小型な振動素子を得ることができる。また、Ｗ１≦１００μｍ、好ましくは、Ｗ１≦５０μｍとすることで、上記Ｌの範囲においても、低消費電力を実現する発振回路に使用する、低周波で共振する振動素子を得ることができる。また、断熱的領域であれば、水晶Ｚ板でＹ方向に振動腕が延び、Ｘ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１２．８μｍであることが好ましく、水晶Ｚ板でＸ方向に振動腕が延び、Ｙ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１４．４μｍであることが好ましく、水晶Ｘ板でＹ方向に振動腕が延び、Ｚ方向に屈曲振動する場合、Ｗ１≧１５．９μｍであることが好ましい。こうすることによって、確実に断熱的領域にすることができるので、溝の形成により熱弾性損失が減少してＱ値が向上し、それと共に溝が形成されている領域で駆動することにより（電界効率が高く、駆動面積が稼げる）ＣＩ値が低くなる。