JP2001156581A - 圧電共振子および圧電共振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】コンデンサや基板との間に、振動許容空間を設
けることなく接合できるとともに、高周波化に対応でき
る圧電共振子、この圧電共振子を用いた容量内蔵型圧電
共振子等の小型化、低背化を実現できる圧電共振装置を
提供する。 【解決手段】同一厚みを有する３層以上の奇数層の圧電
体２１ａ、２１ｂ、２１ｃを積層するとともに、これら
の圧電体２１ａ、２１ｂ、２１ｃ間に電極２３、２５を
それぞれ介装し、かつ上下の最外表面に、最上層電極２
７と最下層電極２８とを形成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電共振子および
圧電共振装置に関し、特に３層以上の奇数層の圧電体を
有する圧電共振子、並びに圧電共振子を基板またはコン
デンサの表面、あるいは基板の内部に設けた圧電共振装
置に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、圧電共振子は、その機械的振動を阻
害することなく有効に利用するため、周りからの影響を
受けないように振動許容空間を確保するようにパッケー
ジに収納したり、圧電発振回路の要素である負荷容量と
してのコンデンサと一体化してパッケージ内に収納する
場合でも、コンデンサとの間には振動を許容するための
振動許容空間を設けている。

【０００３】一般に、厚み縦振動モードを用いた圧電共
振子は、図６に示すように、圧電基板１の上下に部分的
に対向するように帯状の入出力電極２、３が形成された
構造を有し、この対向した電極によって厚み縦振動が励
振されて厚み縦の基本振動あるいは３次高調波などに基
づいて共振特性を発現していた。尚、図６において、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は厚み方向断面図、（ｃ）は平
面図である。

【０００４】また、圧電共振子とともにコンデンサを内
蔵するタイプの典型的な容量内蔵型圧電共振子は、図７
に示すように、上記した圧電共振子の下方に、振動許容
空間を介してコンデンサを配置したものを、定形のパッ
ケージ４内に収納することにより構成されている。

【０００５】コンデンサは、圧電基板１とほぼ同面積の
誘電体基板５の下面に共通電極７を、上面に一対の容量
電極８を設けて構成されている。圧電共振子とコンデン
サは、半田などの金属導体９にて電気的に並列に接続さ
れている。

【０００６】また、図８に従来の他の容量内蔵型圧電共
振子を示すもので、この容量内蔵型圧電共振子では、圧
電共振子とコンデンサが、導電性樹脂１１により電気的
に並列に接続され、スプリアス振動の減衰が図られてい
る。

【０００７】上記したような容量内蔵型圧電共振子は、
全体の小型化および薄型化に加えて、圧電共振子自体
も、高周波化に伴って薄くすることが要求されている。
例えば、３０〜６０ＭＨｚの圧電共振子において、通常
の圧電磁器からなる共振素子では３次高調波を用いても
１００〜２００μｍ程度の厚みになるが、１００ＭＨｚ
以上の高周波化を図ろうとすると５０〜６０μｍまで薄
くすることが要求され、共振ピークの大きなものを得よ
うとして基本振動を用いようとすると更にこの３分の１
程度まで薄くすることが要求される。

【０００８】また、特に数ＧＨｚ以上の高周波共振子や
フィルターを構成するために、薄膜圧電体を用い、厚み
縦共振などのバルク振動を用いた薄膜圧電共振子（ＢＡ
Ｗ共振子）、並びにこれを用いたフィルターでは、例え
ば、図９に示すように、強度を確保するために適当な強
度および厚みを有する基板１３上に、圧電体薄膜１５を
電極膜１７で挟持した圧電共振子を直接接合している
が、目的とする高周波に共振周波数を合致させるため
に、圧電共振子と反対側の基板１３表面をエッチングな
どのプロセスによって削って厚みを精度よくコントロー
ルしたり、図示しないが、基板と圧電共振子の間に適当
なプロセスを用いて振動許容空間を設けることが要求さ
れる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７や
図８に示すような容量内蔵型圧電共振子では、コンデン
サが圧電共振子の振動を妨げることが無いように、圧電
共振子は、コンデンサとの間に振動許容空間を設けて固
定する必要があり、小型化および薄型化の妨げとなって
いた。

【００１０】また、パッケージなどに収めて回路基板上
に実装したり、基板内にキャビティを設けて高さを抑え
た形で実装する場合には、パッケージ自体の大きさが実
装された回路基板の小型化、低背化に大きな障害となる
という問題があった。

【００１１】さらに、共振周波数が１００ＭＨｚ以上の
圧電共振子を作製したり、３次高調波を用いないで基本
振動により数１０ＭＨｚの圧電共振子を作製すること
は、圧電共振子の圧電体が薄くなり、機械的強度が低下
するので、図７や図８に示すような構造では作製が困難
である。例えば、圧電共振子が薄くなると、コンデンサ
との接合時の熱衝撃、パッケージ内への収納時の圧迫、
搬送中や使用中の熱的もしくは機械的衝撃などにより破
壊される可能性が高くなる。

【００１２】一方、図９に示すような数ＧＨｚ以上で用
いられる薄膜圧電共振子、フィルターの場合には、高周
波の共振周波数に合致させるために、圧電共振子を接合
した基板の厚みをコントロールしたり、基板と圧電共振
子の間に振動許容空間を設けたりする必要があり、これ
らによって高周波化を進めたり、共振周波数を設計通り
の値にすることは困難であり、またコスト増大を伴うと
いう問題があった。

【００１３】本発明は、コンデンサや基板との間に、振
動許容空間を設けることなく接合できるとともに、高周
波化に対応できる圧電共振子、並びにこの圧電共振子を
用いた容量内蔵型圧電共振子等の小型化、低背化を実現
できる圧電共振装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
同一厚みを有する３層以上の奇数層の圧電体を積層する
とともに、これらの圧電体間に電極をそれぞれ介装し、
かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を形成し、最下
層圧電体の外表面に最下層電極を形成してなるものであ
る。

【００１５】このような圧電共振子は、最上層電極およ
び最下層電極にそれぞれ接続される一対の第１端子電極
と、最上層電極と最下層電極の間の電極に交互に接続さ
れる一対の第２端子電極とを有し、また、隣設する圧電
体の振動を逆位相とし、さらに厚み縦振動または厚み滑
り振動モードで作動し、上下端の最上層圧電体と最下層
圧電体に発生する振動の振幅に対して、最上層圧電体と
最下層圧電体の間の圧電体に発生する振動の振幅を２倍
として用いられる。

【００１６】このような構成を採用することにより、隣
接する上下の圧電体が互いに逆位相で厚み縦振動あるい
は厚み滑り振動をし、最上層圧電体と最下層圧電体を除
く部分では、最上層圧電体と最下層圧電体に発生する振
動の振幅の２倍であるため、最上層電極および最下層電
極では振動が相殺され、圧電共振子の表面では振動が発
生しない。従って、圧電共振子全体としての振動が内部
だけに閉じ込められ、振動許容空間を設けることなく基
板やコンデンサと接合しても、内部のバルク振動が影響
を受けにくく、これにより、共振周波数および特性は、
圧電共振子単独の場合とほとんど変わらなくなる。従っ
て、圧電共振子とコンデンサや基板との間に振動許容空
間を設けることなく、接合することができる。

【００１７】また、本発明の圧電共振装置は、上記した
圧電共振子を、基板またはコンデンサの表面、あるいは
基板の内部に設けたものである。これは、上記したよう
に、圧電共振子とコンデンサや基板との間に振動許容空
間を設けることなく接合することができるため、圧電共
振子単独として用いる場合よりも、薄型化という点から
利点が大きいからである。

【００１８】例えば、容量内蔵型圧電共振子として用い
る場合には、コンデンサが圧電共振子に対して支持台と
して機能し、圧電共振子を補強し、ますます圧電共振子
を薄くすることができるのみならず、圧電共振子の表面
に振動許容空間を形成することなくコンデンサを接合
し、チップ状の素子とすることによって、パッケージに
収容することなく基板に表面実装できる。

【００１９】また、薄膜を用いて圧電共振子を作製する
場合には、基板に直接接合しても振動特性が影響を受け
難いため、エッチングを予定して特別な材質の基板を用
いる必要がなく、また、基板厚みの厳密なコントロール
の必要がなく、薄膜圧電共振子（ＢＡＷ共振子）やフィ
ルターを作製できる。

【００２０】さらに、上記したように圧電共振子内に振
動を閉じ込めることができるため、、圧電共振子を多層
基板に内蔵でき、多層基板内にフィルターを形成でき
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子の基本構造
を、圧電体が３層の場合について図１を基に説明する。
図１において、（ａ）は断面図であり、（ｂ）その平面
図である。

【００２２】本発明の圧電共振子は、同一厚みを有する
３層の圧電体２１ａ、２１ｂ、２１ｃが積層され、これ
らの圧電体２１ａと圧電体２１ｂとの間に電極２３が介
装され、圧電体２１ｂと圧電体２１ｃとの間に電極２５
が介装されている。

【００２３】そして、これらの積層体の上下の最外表面
には、最上層電極２７と最下層電極２８が形成されてい
る。圧電体２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、厚み方向に同一
方向に分極されている。

【００２４】また、圧電体２１ａ、２１ｂ、２１ｃは同
一厚みであるが、厚みバラツキが０．１％以内であれ
ば、同一厚みとして支障はない。

【００２５】電極２３、２５、２７、２８の厚みは同一
厚みであることが望ましいが、厚みバラツキが０．１％
以内であれば、支障はない。また、電極２３および電極
２５は、必要に応じてエネルギー閉じ込めなどの効果を
用いて、望ましい特性が得られるように２次元平面状で
の形状設計がされている。

【００２６】また、最上層電極２７および最下層電極２
８は、対向する位置に設けられた一対の第１端子電極３
１ａ、３１ｂにそれぞれ接続され、最上層電極２７と最
下層電極２８の間の電極２３、２５は、対向する位置に
設けられた一対の第２端子電極３３ａ、３３ｂにそれぞ
れ接続されている。

【００２７】以上のように構成された圧電共振子では、
電極２３と最上層電極２７の間、および電極２５と最下
層電極２８の間には、電極２３と電極２５の間に発生す
る電界とは逆位相で半分（０．４７６〜０．５８８倍)
の大きさの電界が発生するように、第１端子電極３１
ａ、３１ｂおよび第２端子電極３３ａ、３３ｂに印加す
る電気信号を制御する。

【００２８】このような制御を行うことにより、最上層
圧電体２１ａと最下層圧電体２１ｃの間の圧電体２１ｂ
に発生する振動の振幅は、上下端の最上層圧電体２１ａ
と最下層圧電体２１ｃにそれぞれ発生する振動の振幅に
対して逆位相で、しかも２倍となり、最上層圧電体２１
ａと最下層圧電体２１ｃの外側、即ち、最上層電極２
７、最下層電極２８では振動が打ち消され、この３層の
圧電体２１ａ、２１ｂ、２１ｃの内部だけが振動して外
側表面は振動しない圧電共振子を作製できる。

【００２９】尚、圧電体２１ｂの分極方向を、最上層圧
電体２１ａと最下層圧電体２１ｃの分極方向とは逆に
し、同一位相の電界を印加しても、各層の振動が逆位相
となるため、同様の効果が得られる。

【００３０】また、圧電体が５層以上の場合には、最上
層圧電体と最下層圧電体を除いた残りの３層以上の圧電
体層で、最上層圧電体、最下層圧電体にそれぞれ発生す
る振動の振幅に対して２倍となるようにすれば良い。

【００３１】図２は、本発明の圧電共振子を直接回路基
板に表面実装した圧電共振装置を示すもので、この圧電
共振装置では、図１に示す圧電共振子がチップ状とさ
れ、基板３５表面に搭載されている。

【００３２】即ち、基板３５表面には、回路パターン３
７ａ、３７ｂ、３９ａ、３９ｂが設けられており、これ
らの回路パターン３７ａ、３７ｂ、３９ａ、３９ｂに、
第１端子電極、第２端子電極がそれぞれハンダ４０によ
り接続されている。

【００３３】また、本発明の圧電共振装置では、基板
が、図３に示すように、多層基板４１であっても良い。
即ち、多層基板４１表面には表面電極４３が４ヵ所形成
されており、これらの表面電極４３には、第２端子電極
３３ａ、３３ｂと、図示しないが第１端子電極がハンダ
４５により接合されている。

【００３４】また、表面電極４３は、ビアホール導体４
７により、多層基板４１内部の内部配線４９に接続され
ており、第１端子電極と接続される表面電極４３にも、
ビアホール導体４７が接続され、多層基板４１内部の内
部配線４９に接続されている。

【００３５】この場合には、多層基板４１の表層あるい
はそれに近いところにある誘電体層を利用してつくられ
た内蔵コンデンサと電気的に並列に接続し、容量内蔵型
圧電共振子を形成することもできる。

【００３６】図４に、本発明の圧電共振子とコンデンサ
とを一体化した圧電共振装置（容量内蔵型圧電共振子）
を示す。この圧電共振装置は、図１に示した圧電共振子
の下面に誘電体層５１を介して電極５３が形成され、圧
電共振子とコンデンサが一体となっている。

【００３７】そして、上記図３と同様に、多層基板４１
表面に形成された表面電極４３に、第２端子電極３３
ａ、３３ｂと、図示しないが第１端子電極がハンダ４５
により接合され、また、コンデンサの電極５３も、表面
電極４３にハンダ４５により接合されている。

【００３８】コンデンサの上側の電極は圧電共振子の最
下層電極２８と共用され、この最下層電極２８と、誘電
体層５１を介して対向して形成された電極５３により静
電容量を形成する。

【００３９】第１端子電極、第２端子電極３３ａ、３３
ｂが接続された表面電極４３は、そのまま多層基板４１
表面を引き回され、コンデンサの電極５３が接続された
表面電極４３は、ビアホール導体４７を介して多層基板
４１内部の内部配線４９に接続されている。尚、コンデ
ンサの電極５３が接続される表面電極４３を引き回して
回路を構成しても良い。

【００４０】以上のように構成された図２、３、４の圧
電共振装置では、上記したように、電極２３と最上層電
極２７の間、および電極２５と最下層電極２８の間に、
電極２３と電極２５の間に発生する電界とは逆位相で半
分（０．４７６〜０．５８８倍) の大きさの電界が発生
するように、第１端子電極３１ａ、３１ｂおよび第２端
子電極３３ａ、３３ｂに印加する電気信号を制御するこ
とにより、圧電共振子の外側表面は振動しないため、圧
電共振子と基板３５、多層基板４１またはコンデンサの
誘電体層５１とを、隙間無く密着して形成しても、圧電
共振子の特性に影響を与えることがない。

【００４１】また、逆に、このように振動許容空間を設
けることなく密着して形成することにより、圧電共振子
全体が基板３５、多層基板４１またはコンデンサの誘電
体層５１によって支えられており、高周波化などに伴う
圧電共振子の薄膜化が進んでも機械的熱的衝撃に耐える
構造となり、さらに、圧電共振子を基本波によって作動
させることせ容易となり、高周波化が可能となる。

【００４２】また、上記の如く、シート成形技術あるい
は薄膜技術によって薄い圧電層を積層することができる
ため、基本波を用いても１００ＭＨｚから数ＧＨｚぐら
いまでの高周波化に対応した圧電共振子を作製できる。

【００４３】さらに、図４に示すように、圧電共振子の
強度および信頼性が、コンデンサと一体化することによ
って確保されていることから、パッケージに収容するこ
となく、セラミック積層コンデンサと同様に第１端子電
極３１ａ、３１ｂ、第２端子電極をハンダ４５を介して
多層基板４１に直接実装できる。さらにまた、図３に示
すような圧電共振装置において、コンデンサを多層基板
４１内に内蔵し、これをビアホール導体を用いて、圧電
共振子と接続することも可能となる。

【００４４】本発明の圧電共振子は、積層コンデンサや
多層ＩＣパッケージと同様にシート成形技術によって積
層し、同時焼成することによって一体化することが可能
である。又、ＣＶＤ、ＰＶＤやスパッタなどの薄膜技術
によっても可能である。

【００４５】図５に、本発明の圧電共振子を多層基板の
中に埋め込んだ圧電共振装置（内蔵回路モジュール）を
示す。

【００４６】この圧電共振装置では、分極処理によって
圧電特性を発現する圧電体６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、
誘電体層６３、絶縁層６５を積層して多層基板６７が構
成されている。圧電体６１ａと圧電体６１ｂとの間に電
極７３が介装され、圧電体６１ｂと圧電体６１ｃとの間
に電極７５が介装されている。

【００４７】そして、圧電体６１ａの外表面には最上層
電極７７が形成され、圧電体６１ｃと誘電体６３の間に
は圧電共振子として最下層となる最下層電極７８が形成
され、圧電体６１ａ、６１ｂ、６１ｃは、厚み方向に同
一方向に分極されている。

【００４８】また、最下層電極７８は、コンデンサの上
側電極と共用されており、この最下層電極７８の下方に
は、誘電体層６３を介して電極８１が形成されている。
即ち、電極８１は、誘電体層６３と絶縁層６５との間に
形成されている。

【００４９】また、電極７３および電極７５は、対向す
る位置に設けられた一対のビアホール導体８３を介し
て、誘電体層６３と絶縁層６５間の内部配線８５に接続
され、最上層電極７７および最下層電極７８は、図示し
ないが、対向する位置に設けられた一対のビアホール導
体を介して、誘電体層６３と絶縁層６５間の内部配線に
接続されている。尚、この例では、ビアホール導体８３
が端子電極と同様の役割をすることになる。

【００５０】以上のように構成された圧電共振装置で
も、上記と同様な制御を行うことにより、同様な効果を
得ることができるとともに、圧電共振子を基板内に内蔵
することができるため、よりコンパクトにモジュールを
構成できる。

【００５１】尚、圧電体はチタン酸鉛を主成分とし、コ
ンデンサの誘電体層は、チタン酸バリウム主成分等の通
常の誘電体を用いるが、誘電体層としては、圧電体と同
じ材料を分極処理することなく用いても良い。コンデン
サ機能を優先する場合は前者、同時焼成などの製造工程
を優先する場合は後者が好ましい。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明の圧電共振子で
は、内部だけが振動して周辺輪郭は振動しない圧電共振
子を得ることができ、このため、圧電共振子を振動許容
空間を設けることなく他の基板やコンデンサに接合する
ことができ、圧電共振子を高周波化に対応して薄型化し
ても破損することがない。また、チップ化した単体とし
て、またコンデンサと一体化した圧電共振装置として表
面実装でき、圧電共振子を収容するパッケージを必要と
しないため小型化を推進でき、さらに、モジュールを構
成するための多層基板内に内蔵することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子の基本構造を示すもので、
（ａ）は断面図、（ｂ）平面図である。

【図２】圧電共振子を基板上に実装した圧電共振装置を
示す斜視図である。

【図３】圧電共振子を多層基板上に実装した圧電共振装
置を示す断面図である。

【図４】圧電共振子とコンデンサを接合した圧電共振装
置を、多層基板上に実装した状態を示す断面図である。

【図５】圧電共振子を多層基板内に内蔵した圧電共振装
置を示す断面図である。

【図６】従来の圧電共振子を示すもので、（ａ）は斜視
図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は平面図である。

【図７】従来のパッケージに内蔵した容量内蔵型圧電共
振子の断面図である。

【図８】従来のパッケージに内蔵した他の容量内蔵型圧
電共振子の断面図である。

【図９】従来の薄膜圧電共振子の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、６１ａ、６１ｂ、６１ｃ・・
・圧電体 ２３、２５、７３、７５・・・電極 ２７、７７・・・最上層電極 ２８、７８・・・最下層電極 ３１ａ、３１ｂ・・・第１端子電極 ３３ａ、３３ｂ・・・第２端子電極 ３５、４１、６７・・・基板

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】同一厚みを有する３層以上の奇数層の圧電
   体を積層するとともに、これらの圧電体間に電極をそれ
   ぞれ介装し、かつ最上層圧電体の外表面に最上層電極を
   形成し、最下層圧電体の外表面に最下層電極を形成して
   なることを特徴とする圧電共振子。
2. 【請求項２】最上層電極および最下層電極にそれぞれ接
   続される一対の第１端子電極と、前記最上層電極と前記
   最下層電極の間の電極に交互に接続される一対の第２端
   子電極とを有することを特徴とする請求項１記載の圧電
   共振子。
3. 【請求項３】隣設する圧電体の振動が逆位相であること
   を特徴とする請求項１または２記載の圧電共振子。
4. 【請求項４】最上層圧電体と最下層圧電体の間の圧電体
   に発生する振動の振幅が、前記最上層圧電体と前記最下
   層圧電体に発生する振動の振幅の２倍であることを特徴
   とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の圧電共振
   子。
5. 【請求項５】厚み縦振動または厚み滑り振動モードで作
   動することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか
   に記載の圧電共振子。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のうちいずれかに記載の圧
   電共振子が、基板またはコンデンサの表面、あるいは前
   記基板の内部に設けられていることを特徴とする圧電共
   振装置。