JP2001217671A - 圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チタン酸鉛系セラミックスからなる圧電体を
用いて構成されており、煩雑な工程を経ることなく厚み
縦振動の基本波を効果的に振動部に閉じ込めることがで
き、良好な共振特性を有し、かつ製造工程の簡略化を果
たし得るエネルギー閉じ込め型の圧電共振子を得る。 【解決手段】 チタン酸鉛系圧電セラミックスからなる
圧電体２の対向し合う第１，第２の主面２ａ，２ｂに部
分的に第１，第２の共振電極３，４が形成されており、
第１，第２の共振電極３，４が対向されている部分がエ
ネルギー閉じ込め型振動部を構成しており、共振電極
３，４の比重をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、厚みをｔ（ｃｍ）と
し、第１，第２の主面２ａ，２ｂ間の距離をＴとしたと
きに、（ρ・ｔ）／Ｔ＞０．２３５とされている圧電共
振子１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、厚み縦振動モード
の基本波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電共振子
に関し、より詳細には、チタン酸鉛系圧電セラミックス
を用いたエネルギー閉じ込め型の圧電共振子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、様々なエネルギー閉じ込め型の圧
電共振子が提案されている。この種の圧電共振子に用い
られる圧電セラミックスとしては、チタン酸ジルコン酸
鉛系セラミックスやチタン酸鉛系セラミックスが知られ
ている。チタン酸鉛系セラミックスは低誘電率であると
いう特徴を有する。

【０００３】しかしながら、チタン酸鉛系セラミックス
からなる圧電基板を用いてエネルギー閉じ込め型の圧電
共振子を構成した場合、高調波スプリアスが大きく、厚
み縦振動の基本波を効果的に閉じ込めることができなか
った。そこで、従来、チタン酸鉛系セラミックスからな
る圧電基板において厚み縦振動の基本波を効果的に閉じ
込めるために、種々の提案がなされている。

【０００４】例えば、特開平５−４８３７８号公報に
は、図６に示す圧電共振子が開示されている。エネルギ
ー閉じ込め型の圧電共振子５１は、圧電基板５２と、圧
電基板５２の上面及び下面に形成された共振電極５３，
５４とを有する。共振電極５３，５４は、圧電基板５２
を介して対向されている。圧電共振子５１では、厚み縦
振動の基本波を閉じ込めるために、共振電極５３，５４
が対向されている圧電基板部分５２ａと、それ以外の圧
電基板部分との間で、コンプライアンス及び密度の少な
くとも一方が異ならされている。このように、コンプラ
イアンス及び密度の少なくとも一方を異ならせることに
より、厚み縦振動の基本波が閉じ込められるとされてい
る。

【０００５】また、特開平６−２５２６８８号公報に
は、チタン酸鉛系セラミックスからなる圧電基板を用い
た圧電共振子において、共振電極が対向されている圧電
基板部分と、他の圧電基板部分とで分極方向を異ならせ
ることにより、厚み縦振動モードの基本波が閉じ込めら
れることが記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、特開平
５−４８３７８号公報に記載の圧電共振子５１では、共
振電極５３，５４を形成する前に、圧電基板５２におい
て、共振電極が形成される基板部分と、他の基板部分の
材料定数を異ならせるための工程を実施しなければなら
ず、製造工程が煩雑となり、コストが高くつくという問
題があった。

【０００７】同様に、特開平６−２５２６８８号公報に
記載の先行技術においても、分極方向を部分的に異なら
せるための工程が必要であり、やはり工程が煩雑とな
り、コストが高くつくという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消し、特別の工程を追加することなく、チタン酸鉛
系セラミックスからなる圧電基板において厚み縦振動モ
ードの基本波を効果的に閉じ込めることが可能とされて
いる、エネルギー閉じ込め型の圧電共振子を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、チタン酸鉛
系圧電セラミックスからなる圧電体が用いられている
が、上述した先行技術のように、圧電基板に部分的に材
料定数や分極方向が異なる部分を設けるのではなく、共
振電極の材質及び厚みを選択することにより、厚み縦振
動モードの基本波が効果的に閉じ込められる。

【００１０】すなわち、本発明は、厚み縦振動の基本波
を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電共振子であっ
て、チタン酸鉛系圧電セラミックスからなり、対向し合
う第１，第２の主面を有する圧電体と、前記圧電体の第
１，第２の主面に部分的に形成されており、かつ圧電体
を介して対向するように配置された第１，第２の共振電
極とを備え、前記第１，第２の共振電極が圧電体を介し
て対向している部分がエネルギー閉じ込め型の振動部を
構成しており、前記共振電極の比重をρ（ｇ／ｃ
ｍ³ ）、前記共振電極の厚みをｔ（ｃｍ）とし、前記圧
電体の対向し合う第１，第２の主面間の距離をＴとした
ときに、（ρ・ｔ）／Ｔ＞０．２３５とされていること
を特徴とする。

【００１１】本発明に係る圧電共振子の特定の局面で
は、前記第１，第２の共振電極が、それぞれ、ｎ層（ｎ
は複数）の電極層を積層した構造を有し、各電極層の比
重をρ _i（ｉは１〜ｎの整数）、各電極層の厚みをｔ
_i（ｉは１〜ｎの整数）としたときに、前記ρ・ｔが下
記の式（１）で表される。

【００１２】

【数２】

【００１３】本発明の他の特定の局面では、前記圧電体
が矩形板状の圧電板であり、前記第１，第２の共振電極
が圧電板の第１，第２の主面中央に形成されている。本
発明のさらに他の特定の局面では、前記圧電板の第１，
第２の主面において、第１，第２の共振電極に電気的に
接続されており、かつ圧電基板の外周縁に至る第１，第
２の引出電極と、前記圧電板の第１，第２の主面に、振
動部の振動を妨げないように積層された第１，第２のケ
ース基板とが備えられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
に係る圧電共振子の具体的な実施例を説明することによ
り、本発明を明らかにする。

【００１５】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の
実施例に係る圧電共振子を示す斜視図及び（ａ）におけ
るＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本実施例のエネルギー
閉じ込め型の圧電共振子１は、チタン酸鉛系圧電セラミ
ックスからなる圧電基板２を有する。本実施例では、圧
電体として板状の圧電基板２が用いられているが、ブロ
ック状などの他の形状を有する圧電体を用いてもよい。

【００１６】圧電基板２は、厚み方向に一様に分極処理
されている。従って、圧電基板２を得るにあたっては、
部分的に分極方向が異ならせるような処理を必要としな
い。圧電基板２の第１の主面としての上面２ａの中央に
は、円形の第１の共振電極３が形成されている。また、
圧電基板２の第２の主面としての下面２ｂには、図１
（ａ）に下方に投影して示すように、同じく円形の第２
の共振電極４が形成されている。共振電極３，４は、圧
電基板２を介して対向されている。

【００１７】共振電極３に連なるように、第１の引出し
電極５が圧電基板２の上面２ａに形成されている。ま
た、下面２ｂにおいても、第２の共振電極４に連なるよ
うに、第２の引出し電極６が形成されている。引出し電
極５は、圧電基板２の外周縁、すなわち上面２ａと、一
方の端面２ｃとのなす端縁に至るように形成されてい
る。他方、引出し電極６は、圧電基板２の外周縁、すな
わち下面２ｂと端面２ｃとは反対側の端面２ｄとのなす
端縁に沿うように形成されている。

【００１８】上記共振電極３，４及び引出し電極５，６
は、圧電基板２の上面及び下面に導電膜を付与すること
により形成することができ、導電膜を構成する材料とし
ては、後述の関係を満たす限り、特に限定されるもので
はない。このような導電膜を構成する材料の例として
は、Ｃｕ、Ｃｕ−Ａｇ合金、Ａｌなどを例示することが
できる。

【００１９】また、上記共振電極３，４及び引出し電極
５，６の形成方法は、圧電基板２の上面及び下面の全面
に導電膜を形成した後エッチングする方法、あるいはマ
スク等を用いて図示の形状の共振電極３，４及び引出し
電極５，６を直接形成する方法など、任意である。

【００２０】本実施例の特徴は、上記共振電極３，４の
比重をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、共振電極３，４の厚みをｔ
（ｃｍ）とし、上面及び下面間の距離、すなわち圧電基
板２の厚みをＴとしたときに、各共振電極３，４におい
て（ρ・ｔ）／Ｔ＞０．２３５とされていることにあ
る。

【００２１】本実施例では、上記関係を満たすように、
共振電極３，４及び圧電基板２が構成されているので、
後述の実験例から明らかなように、厚み縦振動の基本波
を、共振電極３，４が対向されている振動部に確実に閉
じ込めることができ、良好な共振特性を得ることができ
る。これを具体的な実験例に基づき説明する。

【００２２】圧電基板２として、２．５×２．０×厚み
０．２２４ｍｍのチタン酸鉛系圧電セラミックスからな
る圧電基板を用意した。この圧電基板２上に、共振電極
３，４及び引出し電極５，６をＡｇ含有割合の異なる様
々なＣｕ−Ａｇ合金を用いて形成し、種々の圧電共振子
を得た。すなわち、（ρ・ｔ）／Ｔが異なる種々の圧電
共振子を作成した。

【００２３】上記のようにして得られた圧電共振子の共
振特性を測定し、厚み縦振動の基本波及び３倍波の位相
値と、（ρ・ｔ）／Ｔとの関係を調べた。結果を図２に
示す。

【００２４】図２において、●及び●で示されたデータ
を近似してなる実線Ｐは、基本波の応答における位相最
大値を示し、○及び実線Ｑは、３倍波の応答の位相最大
値を示す。

【００２５】図２から明らかなように、（ρ・ｔ）／Ｔ
が、大きくなるにつれて、３倍波の応答は小さくなり、
基本波の応答が大きくなることがわかる。実線Ｐは、ｙ
（位相値）＝−５０．９５２ｘ² ＋６１．０５２ｘ＋６
６．４１８で示され、実線Ｑは、ｙ＝−８６．４５９ｘ
² −１０．００４ｘ＋８４．９４８で示される。

【００２６】従って、実線Ｐ，Ｑの交点では、ｘ＝０．
２３５となる。よって、（ρ・ｔ）／Ｔが０．２３５よ
り大きくなると、３倍波の応答に比べて、基本波の応答
が大きくなり、３倍波によるスプリアスを抑制すること
ができ、基本波による共振特性を有効に利用し得ること
がわかる。

【００２７】すなわち、本実施例の圧電共振子１では、
（ρ・ｔ）／Ｔが０．２３５より大きいので、言い換え
れば各共振電極３，４の単位面積当りの重さρｔ（ｇ／
ｃｍ ² ）の圧電基板２の厚みＴに対する割合が０．２３
５より大きいので、基本波を有効に閉じ込めることがで
き、基本波に基づく良好な共振特性の得られることがわ
かる。

【００２８】第１の実施例の圧電共振子１では、共振電
極３，４は、単一の導電膜により構成されていたが、本
発明においては、共振電極は、複数の電極層を積層した
構造であってもよい。図３は、複数の電極層を積層して
なる共振電極を有する第２の実施例の圧電共振子の部分
切欠拡大断面図である。

【００２９】第２の実施例の圧電共振子１１では、共振
電極１３，１４が、複数の電極層１３ａ〜１３ｄ，１４
ａ〜１４ｄを積層した構造を有する。その他の点につい
ては、第１の実施例と同様に構成されている。

【００３０】圧電共振子１１では、共振電極１３，１４
が、複数の電極層を積層した構造を有する。この場合、
厚み縦振動の基本波を有効に閉じ込め、３倍波スプリア
スを抑圧するには、第１の実施例と同様に、（ρ・ｔ）
／Ｔを０．２３５より大きくすればよい。

【００３１】もっとも、共振電極１３は複数の電極層１
３ａ〜１３ｄを積層した構造を有するため、（ρ・ｔ）
は、以下のように表される。 すなわち、（ρ・ｔ）＝ρ₁ｔ₁＋ρ₂ｔ₂＋ρ₃ｔ₃＋ρ₄
ｔ₄ なお、ρ₁〜ρ₄は、それぞれ、電極層１３ａ〜１３ｄの
比重（ｇ／ｃｍ³ ）を示し、ｔ₁〜ｔ₄は、それぞれ、電
極層１３ａ〜１３ｄの厚みを示す。

【００３２】下面側に形成されている共振電極１４につ
いても同様である。上記のように、複数の電極層を積層
してなる共振電極を用いた場合においても、電極層数を
ｎ層（ｎは複数）として、各電極層の比重をρ_i（ｉは
１〜ｎの整数）、各電極層の厚みをｔ_i（ｉは１〜ｎの
整数）として、（ρ・ｔ）は上記式（１）で表され、そ
の（ρ・ｔ）の圧電体の厚みＴに対する割合を０．２３
５より大きくすることにより、厚み縦振動の基本波を有
効に閉じ込めることができる。これを、具体的な実験例
に基づき説明する。

【００３３】圧電基板１２として２．５×２．０×厚み
２２４μｍのチタン酸鉛系セラミックスからなる圧電基
板を用いた。共振電極１３，１４として、厚み０．３μ
ｍのＣｕ膜及び６．０μｍのＡｇ膜を積層することによ
り構成した。このようにして構成された圧電共振子で
は、（ρ・ｔ）／Ｔは約０．２９である。この圧電共振
子の共振特性を測定したところ、基本波（１１ＭＨｚ）
における応答の位相最大値は８１．２度であり、３倍波
（３４ＭＨｚ）における応答の位相最大値は７５．４度
であり、５倍波（５５ＭＨｚ）における応答の位相最大
値は１５．２度であった。

【００３４】従って、第１の実施例と同様に、基本波に
基づく共振特性を利用したエネルギー閉じ込め型圧電共
振子の得られることがわかる。本発明に係る圧電共振子
は、上述したように板状の圧電体を利用したものには限
定されないが、板状の圧電体すなわち圧電基板を用いた
場合、積層型のチップ型圧電共振子を容易に構成するこ
とができる。このようなチップ型圧電共振子の具体的な
例を図４及び図５を参照して説明する。

【００３５】図４は、このチップ型圧電共振子を説明す
るための分解斜視図であり、図５はその外観を示す斜視
図である。チップ型圧電共振子２１では、第１の実施例
の圧電共振子１の上下に、第１，第２のケース基板２
２，２３が積層されている。ケース基板２２，２３は、
特に限定されないが、例えばアルミナなどの絶縁性セラ
ミックスを用いて構成することができる。ケース基板２
２，２３は、圧電基板２と同じ矩形の平面形状を有す
る。

【００３６】ケース基板２２の下面及びケース基板２３
の上面には、凹部２３ａが形成されている（ケース基板
２２の下面の凹部については図示されず）。凹部２３ａ
は、圧電共振子１の振動部の振動を妨げないための空間
を確保するために設けられている。

【００３７】ケース基板２３の上面においては、凹部２
３ａの周囲において接着剤２４が塗布されている。この
接着剤２４を介して圧電共振子１とケース基板２３とが
接合される。同様に、ケース基板２２の下面においても
接着剤が塗布され、該接着剤を介してケース基板２２と
圧電共振子１とが積層・接着される。

【００３８】このようにして、図５に示すように、圧電
共振子１の上下にケース基板２２，２３が貼り合わされ
て積層体２５が構成されている。また、この積層体２５
の一方の端面２５ａから上面及び下面に至るように第１
の外部電極２６が形成されている。同様に、端面２５ａ
とは反対側の端面２５ｂから上面及び下面に至るように
第２の外部電極２７が形成されている。外部電極２６，
２７は、それぞれ、圧電共振子１の第１の引出し電極５
及び第２の引出し電極６（図１参照）に電気的に接続さ
れている。

【００３９】従って、プリント回路基板などに容易に表
面実装し得るチップ型圧電共振子２１を提供することが
できる。なお、圧電共振子１を用いてチップ型の圧電共
振部品を構成する場合、上記ケース基板２２，２３を用
いたものに限定されない。例えば、圧電共振子１よりも
大きなベース基板上に圧電共振子１を振動を妨げないた
めの空間を隔てて固定し、該圧電共振子１を囲繞するよ
うにキャップをベース基板上に固定した構造を用いても
よい。

【００４０】

【発明の効果】本発明に係る圧電共振子では、チタン酸
鉛系圧電セラミックスからなる圧電体において、共振電
極の比重ρ、共振電極の厚みｔ及び圧電体の対向し合う
第１，第２の主面間の距離Ｔが、（ρ・ｔ）／Ｔ＞０．
２３５を満たすように構成されているので、厚み縦振動
の高調波スプリアスを抑制することができ、基本波に基
づく共振特性を有効に利用することができる。言い換え
れば、厚み縦振動の基本波を振動部に効果的に閉じ込め
ることができ、該基本波に基づく良好な共振特性を得る
ことができる。

【００４１】また、従来のチタン酸鉛系圧電セラミック
スを用いたエネルギー閉じ込め型の圧電共振子において
基本波を利用しようとした場合には、圧電基板の一部の
材質を異ならせたり、圧電基板に部分的に分極方向が異
なる部分を設けねばならなかった。これに対して、本発
明によれば、そのような操作を全く必要としないため、
製造工程の簡略化、ひいては圧電共振子のコストの低減
を果たし得る。また、共振特性のばらつきも生じ難い。

【００４２】加えて、同じ周波数の厚み縦振動の基本波
を利用したエネルギー閉じ込め型の共振子を構成しよう
とした場合、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスを用
いた場合に比べて、チタン酸鉛系セラミックスを用いた
場合には、圧電体の第１，第２の主面間の距離Ｔが約１
５％程度大きくなる。従って、圧電体の強度を高めるこ
とができ、それによって製造に際しての圧電体の割れや
欠けを低減することができ、良品率を高めることができ
る。加えて、得られた圧電共振子の機械的強度も高めら
れる。

【００４３】第１，第２の共振電極が、それぞれ、ｎ層
の電極層を積層した構造を有する場合には、各電極層の
比重をρ_i 、各電極層の厚みをｔ_i としたときに、上記
ρ・ｔが前述した式（１）を満たすように構成すればよ
く、それによって、厚み縦振動の基本波を振動部に効果
的に閉じ込めることができる。

【００４４】圧電体として矩形板状の圧電板を用い、第
１，第２の共振電極が圧電板の第１，第２の主面中央に
形成されている場合には、従来から多用されている矩形
板状の圧電共振子として本発明の圧電共振子を構成する
ことができる。

【００４５】特に、圧電板の第１，第２の主面におい
て、圧電基板の外周縁に至る第１，第２の引出し電極を
形成し、第１，第２の主面に振動部の振動を妨げないよ
うに第１，第２のケース基板を積層した構造とすること
により、容易に表面実装し得るチップ型圧電共振子を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に
係る圧電共振子の斜視図及び（ａ）中のＢ−Ｂ線に沿う
断面図。

【図２】（ρ・ｔ）／Ｔと、厚み縦振動の基本波及び３
倍波の応答の位相最大値との関係を示す図。

【図３】本発明の第２の実施例に係る圧電共振子の部分
切欠拡大断面図。

【図４】本発明の一実施例の圧電共振子を用いたチップ
型圧電共振子を説明するための分解斜視図。

【図５】図４に示された各部材を積層して構成されたチ
ップ型圧電共振子の外観を示す斜視図。

【図６】従来の圧電共振子の一例を説明するための断面
図。

【符号の説明】

１…圧電共振子 ２…圧電基板 ２ａ…上面（第１の主面） ２ｂ…下面（第２の主面） ２ｃ，２ｄ…端面 ３，４…第１，第２の共振電極 ５，６…第１，第２の引出し電極 １１…圧電共振子 １２…圧電基板 １３，１４…第１，第２の共振電極 １３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ…電極層 ２１…チップ型圧電共振子 ２２，２３…ケース基板 ２３ａ…凹部 ｔ…共振電極の厚み Ｔ…圧電体の対向し合う第１，第２の主面間の距離

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み縦振動の基本波を利用したエネルギ
   ー閉じ込め型の圧電共振子であって、 チタン酸鉛系圧電セラミックスからなり、対向し合う第
   １，第２の主面を有する圧電体と、 前記圧電体の第１，第２の主面に部分的に形成されてお
   り、かつ圧電体を介して対向するように配置された第
   １，第２の共振電極とを備え、 前記第１，第２の共振電極が圧電体を介して対向してい
   る部分がエネルギー閉じ込め型の振動部を構成してお
   り、前記共振電極の比重をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、前記共振
   電極の厚みをｔ（ｃｍ）とし、前記圧電体の対向し合う
   第１，第２の主面間の距離をＴとしたときに、（ρ・
   ｔ）／Ｔ＞０．２３５とされていることを特徴とする、
   圧電共振子。
2. 【請求項２】 前記第１，第２の共振電極が、それぞ
   れ、ｎ層（ｎは複数）の電極層を積層した構造を有し、
   各電極層の比重をρ_i（ｉは１〜ｎの整数）、各電極層
   の厚みをｔ_i（ｉは１〜ｎの整数）としたときに、前記
   ρ・ｔが、 【数１】 であることを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振
   子。
3. 【請求項３】 前記圧電体が矩形板状の圧電板であり、
   前記第１，第２の共振電極が圧電板の第１，第２の主面
   中央に形成されている、請求項１または２に記載の圧電
   共振子。
4. 【請求項４】 前記圧電板の第１，第２の主面におい
   て、第１，第２の共振電極に電気的に接続されており、
   かつ圧電基板の外周縁に至る第１，第２の引出電極と、 前記圧電板の第１，第２の主面に、振動部の振動を妨げ
   ないように積層された第１，第２のケース基板とを備え
   ることを特徴とする、請求項３に記載の圧電共振子。