JP2001230653A

JP2001230653A - 圧電振動素子およびこの圧電振動素子を用いたフィルタ

Info

Publication number: JP2001230653A
Application number: JP2000039515A
Authority: JP
Inventors: Yukinori Sasaki; 幸紀佐々木; Tetsuo Shimamura; 徹郎島村; Kazunari Nishihara; 和成西原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-02-17
Filing date: 2000-02-17
Publication date: 2001-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】厚みすべり振動を主振動とする圧電振動素子
において、高周波化に伴って素子寸法が小さくなって
も、機械的強度を向上しつつ取扱いが容易な圧電振動素
子およびこの圧電振動素子を用いたフィルタを提供する
ことを目的とする。【解決手段】圧電振動素子の振動素子部１の素子幅寸
法Ｗは素子中央部で最も小さく素子長手方向端部に向か
うにつれ連続的に大きくなるような鼓状をしているもの
で、機械的強度を向上させつつ、素子の取扱いが容易と
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、厚みすべり振動を
主振動とする、圧電振動子や圧電フィルタなどの圧電振
動素子およびこの圧電振動素子を用いたフィルタに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】固体中を伝わる波であるバルク波を用い
た圧電振動素子として、各種電子機器などのクロック源
として用いられる圧電振動子や、通信機器の周波数抽出
用などに用いられる圧電フィルタがある。特に、電気エ
ネルギーと機械エネルギーの変換効率を表す電気機械結
合係数が水晶などと比べて大きいニオブ酸リチウムやタ
ンタル酸リチウムを用いた圧電振動素子は、ＶＣＯ（電
圧制御発振器）や広帯域の帯域通過フィルタとして利用
される。これらの圧電振動素子に使用される周波数域は
近年高周波化しており、主振動モードとして厚みすべ
り、厚み縦などの厚み振動が用いられる。厚み振動を用
いた圧電振動素子の共振周波数は板の厚みに反比例する
ため、高周波化に伴い板の厚みは薄くなる。

【０００３】一方、従来の厚み振動モードは、図１２に
示すような、主面表裏の励振用電極６が交差する素子５
の中央部で最も振動変位が大きく素子５の端部に向かう
ほど減衰するというエネルギー閉じ込め現象を利用した
ものが多い。ここで、素子５の長手方向寸法を十分にと
らない場合、素子５の端部における振動変位の減衰が十
分ではなく、素子５の端部で起こる反射波などにより不
要振動が生じ、共振の先鋭度を表す機械的品質係数Ｑが
低下するなどの悪影響を与える。例えば特公昭６３−５
７９６７号公報では、タンタル酸リチウムのＸ板を用い
たストリップ型厚みすべり振動子のＱを高くするため
に、素子長手方向寸法Ｌと素子厚みＨとの比Ｌ／Ｈを１
４以上としている。ここでストリップ形状とは、素子断
面が矩形で素子が短冊状をしていることである。

【０００４】しかし、上記構成は素子端部における主振
動の減衰量に着目したものであり、上記手段を講じたと
しても素子幅寸法や長手方向寸法に起因した不要振動を
消滅させることはできない。これら不要振動の共振周波
数が主振動の共振周波数付近に発生すると、発振子にお
いてはＱの低下や周波数ジャンプなどによる発振周波数
の不安定要因に、またフィルタにおいては帯域内にリッ
プルを生じるなどの悪影響を及ぼす。そのため、これら
不要振動の共振周波数を主振動の共振周波数から十分遠
ざけるために適切な素子幅寸法、長手方向寸法を選択す
る必要がある。例えば特公昭６３−５７９６７号公報で
は、素子幅寸法に起因する不要振動を主振動の共振点付
近から遠ざけるために、素子幅寸法Ｗと素子厚みＨとの
比Ｗ／Ｈを１．３５以上３．０以下、または３．８以上
５．０以下としている。また、特許第２８５５２０８号
公報では、素子幅寸法Ｗと素子厚みＨとの比Ｗ／Ｈが
１．５以上２．０以下の場合に素子長手方向寸法に起因
する不要振動を主振動の共振点付近から遠ざけるため
に、素子長手方向寸法ＬとＨとの比Ｌ／Ｈを（１．４±
０．２）ｎと設定し、ｎは９以下の自然数としている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】厚みすべり振動を主振
動とする圧電振動素子において、ストリップ形状では高
周波化に伴い素子厚みや素子幅などの素子寸法が小さく
なることに加え、素子寸法の小型化に伴って素子加工時
に発生する加工歪みやマイクロクラックなどの機械的強
度に与える影響が相対的に大きくなるため、実装など素
子作成上における素子の取り扱いが困難になるといった
課題があった。

【０００６】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、機械的強度を向上させつつ、素子の取り扱いが容易
となる圧電振動素子を提供することを目的とするもので
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、振動素子部の素子幅寸法は素子中央部で最
も小さくて素子長手方向端部に向かうにつれて連続的に
大きくなるような鼓状をしているものである。

【０００８】かかる構成により、ストリップ形状の時よ
りも素子端部における素子幅寸法が大きくなるため、機
械的強度を向上させつつ、素子の取り扱いが容易とな
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、主振動に厚みすべり振動を用いる圧電振動素子にお
いて、振動素子部の素子幅寸法は素子中央部で最も小さ
くて素子長手方向端部に向かうにつれ連続的に大きくな
るような鼓状をしているもので、ストリップ形状の時よ
りも素子端部における素子幅寸法が大きくなるため、機
械的強度を向上させつつ、素子の取り扱いが容易となる
という作用を有する。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
素子端部幅寸法Ｗ１と素子中央部幅寸法Ｗとの比Ｗ１／
Ｗが、１．１以上５．０以下であるもので、前記作用と
同様の作用を有する。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項２記載の
圧電材料にタンタル酸リチウムを用い、板の厚み方向が
Ｘ軸と０°±５°の角度をなしているもので、周波数温
度特性に関して零温度係数を有するため優れた温度特性
を示すという作用を有する。

【００１２】請求項４に記載の発明は、請求項１記載の
素子長手方向がＹ軸から時計方向に＋５０°±５°の方
向を向いているもので、振動変位方向と振動伝搬方向を
概略一致させることでほぼ純粋な厚みすべり振動を励振
でき、不要振動を生じにくくさせる作用を有する。

【００１３】請求項５に記載の発明は、請求項１記載の
素子中央部の幅寸法Ｗと素子厚みＨとの比Ｗ／Ｈが、
２．４以上３．２以下、３．７以上４．３以下、４．９
以上５．５以下のいずれかであるもので、素子幅寸法に
起因する不要振動を主振動の共振点付近から遠ざけるこ
とができるという作用を有する。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項１記載の
振動素子部に少なくとも一方の辺が円弧状であるスリッ
トを２本以上備えるもので、圧電振動素子部分に直接触
れることなく素子を取り扱うことが可能になるという作
用を有する。

【００１５】請求項７に記載の発明は、少なくとも一方
の辺が円弧状である１つ以上のスリットを有する圧電基
板と、この圧電基板に電気的に接続される少なくとも２
個以上の圧電振動素子とからなるもので、同一基板上に
形成されるため浮遊容量などの影響を受けにくく、また
小型化が可能であるという作用を有する。

【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項７記載の
圧電振動素子の一方の面に一対の入力用電極と出力用電
極を設け、他方の面に接地用電極を設けるもので、不要
振動がないため帯域内にリップルのないフィルタ特性が
得られ、かつ取り扱いが容易になるという作用を有す
る。

【００１７】以下、本発明の一実施の形態における圧電
振動素子について、図面を参照しながら説明する。

【００１８】図１は本発明の一実施の形態における圧電
振動素子の斜視図である。

【００１９】図において、１は振動素子部で、幅方向寸
法は素子中央部で最も小さく端部に向かうにつれて連続
的に大きくなる鼓状をしてなるものである。振動素子部
１の長手方向の略中央部には励振用電極２を、端部には
外部接続用電極３を両面に備えている。この外部接続用
電極３と励振用電極２とは、外部引出用電極４により、
電気的に接続されている。

【００２０】振動素子部は、周波数が高くなると素子厚
みが小さくなり、それに伴って不要振動の共振周波数を
主振動の共振周波数付近から遠ざけることのできる素子
幅寸法なども小さくなる。例えば、タンタル酸リチウム
のＸ板を用いた厚みすべり振動子において共振周波数を
１００ＭHzとすると素子厚みは約２０μｍとなる。素子
幅寸法と素子長手方向寸法はそれぞれ不要振動が主振動
に悪影響を及ぼさないように選択される。例えば、素子
幅寸法Ｗと素子厚みＨとの比Ｗ／Ｈを２とすると素子幅
寸法は約４０μｍと非常に小さいものであり、Ｗ／Ｈを
５としても高々１００μｍ程度にしかならない。

【００２１】そこで、振動素子部１の素子幅寸法を素子
中央部で最も小さく素子長手方向端部に向かうにつれて
連続的に大きくなるような鼓状とすることにより、スト
リップ形状の時よりも素子端部における素子幅寸法が大
きくなるため、素子の取り扱いが容易となる。また、素
子端部における素子幅寸法を素子中央部の素子幅寸法よ
りも大きくする際に、素子中央部から素子端部に向かっ
て階段状のように不連続に大きくしていくと角張った部
分に応力が集中しやすく素子割れの原因になりやすい。
よって、素子幅寸法を素子中央部で最も小さく素子長手
方向端部に向かうにつれ連続的に大きくなるような鼓状
とすることで、応力集中を防ぎ機械的強度を向上させる
ことが可能となる。素子端部の幅寸法Ｗ１と素子中央部
の幅寸法Ｗとの比Ｗ１／Ｗの範囲については、素子端部
の幅寸法が素子中央部の幅寸法よりも最低でも１０％以
上大きくなければ機械的強度の向上は望めないことと、
Ｗ１／Ｗが５．０以上では素子端部の幅寸法が大きくな
りすぎ素子の小型化に支障をきたすため、Ｗ１／Ｗは
１．１以上５．０以下であることが望ましい。

【００２２】具体的な寸法は、素子中央部の幅寸法は１
６０μｍ、素子端部の幅寸法は２４０μｍであり、素子
端部の素子幅寸法が素子中央部幅寸法の１．５倍となっ
ている。また素子厚みＨは約５５μｍであるため、共振
周波数は約３６ＭHzとなる。図２に本発明の一実施の形
態における圧電振動素子の結晶方位を表す図を、図３に
同インピーダンス周波数特性を表す図を、図４は同共振
周波数の温度特性を表す図である。図３に示すように、
主振動の共振点７の付近、および共振点７から反共振点
８の間にわたって不要振動は存在せず、良好な共振特性
を示している。また図４に示すように、共振周波数の温
度特性もなめらかな曲線を描いており良好な特性を示し
ている。

【００２３】このように、素子幅寸法が素子中央部で最
も小さく素子長手方向端部に向かうにつれ連続的に大き
くなるような鼓状をしている場合においても従来と同様
の効果が得られる上、さらに機械的強度を向上しつつ取
り扱いが容易となる。なお、タンタル酸リチウムのＸ板
を用いた圧電振動子の結晶方位については、板の厚み方
向についてはＸ軸に対し０°±５°の角度の範囲、素子
長手方向についてはＹ軸から時計方向に＋５０°±５°
の角度の範囲であれば良い。

【００２４】しかし、素子幅寸法に起因する不要振動に
ついては、ストリップ型振動子と異なり幅寸法が素子中
央部から素子端部に向かって連続的に大きくなるので、
ストリップ型振動子の時に決定された最適寸法、あるい
は素子厚みとの最適比は適用できない。そこで、共振周
波数が約３６ＭHzのタンタル酸リチウムのＸ板を用いた
圧電振動子において、図５に本発明の一実施の形態にお
ける素子幅寸法を変化させた時のインピーダンス周波数
特性を表す図を、図６は同素子幅寸法Ｗと素子厚みＨと
の比Ｗ／Ｈと主振動や不要振動の共振周波数ｆと素子厚
みＨとの積である周波数ｆ・Ｈとの関係を表す図であ
る。図５に示すように、Ｗ／Ｈが２．１の時には反共振
点よりも少し周波数の高い位置にあった不要振動Ａは、
Ｗ／Ｈが大きくなるにつれ低周波側に移動し、Ｗ／Ｈ＝
３．０の場合にはもはや主振動の共振点付近には存在し
ていない。しかし、Ｗ／Ｈ＝３．３がさらに大きくなる
と別の不要振動Ｂが反共振点付近に発生している。この
様子をＷ／Ｈについて細かく調べたものが図６である
が、□印は素子幅寸法が素子中央部で最も小さく素子長
手方向端部に向かうにつれ連続的に大きくなっているよ
うな鼓状をしている圧電振動子の場合、△印はストリッ
プ型振動子の場合を示しており、各点をそれぞれ実線と
点線で結んである。図６に示すように、幅寸法が素子中
央部から素子端部に向かって連続的に大きくなる場合と
ストリップ型振動子との場合では不要振動の共振周波数
に差があるため、主振動の共振周波数から不要振動の共
振周波数を遠ざけることができる素子幅寸法Ｗと素子厚
みＨの比Ｗ／Ｈも異なる。主振動の共振周波数から計算
されるｆ・ＨはＷ／Ｈとはほぼ無関係に約１９５０Hz・
ｍとなり、反共振周波数から計算されるｆ・ＨもＷ／Ｈ
とは無関係に約２１００Hz・ｍとなる。さらに、不要振
動が主振動に悪影響を及ぼさないために不要振動が存在
してはならない周波数定数の下限を約１９００Hz・ｍと
設定すると、約１９００Hz・ｍから約２１００Hz・ｍの
範囲で不要振動が存在しないＷ／Ｈの範囲は、素子幅寸
法を素子中央部で最も小さく素子長手方向端部に向かう
につれて連続的に大きくなるような鼓状をしているタン
タル酸リチウムのＸ板を用いた圧電振動子では２．４以
上３．２以下、３．７以上４．３以下、４．９以上５．
５以下のいずれかとなることが図６よりわかる。これ以
上大きなＷ／Ｈの領域では、１９００Hz・ｍから２１０
０Hz・ｍの範囲で不要振動が存在しない範囲は小さくな
るため、素子作成上における素子幅の仕上がり寸法偏差
を考慮し不要振動が悪影響を及ぼさないためのＷ／Ｈの
範囲は特に設定しないこととした。また、これ以上小さ
なＷ／Ｈの領域では、素子幅寸法が小さすぎ取り扱いが
困難となるため、不要振動が悪影響を及ぼさないための
Ｗ／Ｈの範囲は特に設定しないこととした。

【００２５】素子幅寸法を素子中央部で最も小さく素子
長手方向端部に向かうにつれ連続的に大きくなるような
鼓状とすれば素子の取り扱いが容易になり、用いる周波
数がさらに高くなり素子厚みが小さくなると、それに伴
って素子幅寸法や素子長手方向寸法が小さくなる。

【００２６】この場合、振動素子部上に少なくとも一方
の辺が円弧状であるスリットを２本形成すれば、これら
スリットで挟まれる圧電振動素子形状は、素子幅寸法が
素子中央部で最も小さく素子長手方向端部に向かうにつ
れ連続的に大きくなるような鼓状を実現することができ
る上、圧電振動素子部分以外の外周部を持つことで圧電
振動素子部分に直接触れることなく超小型の圧電振動素
子を取り扱うことが可能となる。例として、図７は本発
明の一実施の形態における要部である振動素子部１２に
半月状のスリット１３を形成した斜視図を、図８は同振
動素子部１２に両凸レンズ状のスリット１４を形成した
斜視図である。特に図８のような形状にすれば、一つの
スリットで二つの圧電振動子の片側の辺を構成できるた
め素子の集積化が容易となり、圧電振動子を複数個電気
的に接続してなる梯子型フィルタの小型化に有利とな
る。

【００２７】また、素子幅寸法が素子中央部で最も小さ
く素子長手方向端部に向かうにつれ連続的に大きくなる
ような鼓状をした圧電振動子の主面片側に一対の入力用
電極と出力用電極を設け、もう一方の主面に接地用電極
を設けることで、高周波化して素子厚みが小さくなって
も取り扱いが容易な２重モードフィルタを実現できる。
図９にフィルタの断面図を示す。図９における接地用電
極１８は一つしかないが、入力用電極１６と出力用電極
１７にそれぞれ相対向して接地用電極１８を分割して設
けても構わない。このような２重モードフィルタにおい
て、適切な幅寸法を選択することで不要振動が主振動に
悪影響を及ぼさないようにすることが出来、帯域内にリ
ップルなどのない良好なフィルタ特性を得ることができ
る。３重モードフィルタや４重モードフィルタなど他の
多重モードフィルタの場合においても同様に、素子主面
にそれぞれ適当な電極を形成すれば良い。

【００２８】以下、本発明の具体的な実施例について、
図１１、図１２を用いて説明する。

【００２９】（実施例１）図１０はタンタル酸リチウム
のＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする圧電振動
子であり、１は振動素子部である。２は振動素子部１の
表面と裏面に相対向して設けられた励振用電極である。
３は振動素子部の端部の表面と裏面に設けられ、外部と
の接続用電極である。４は外部引出用電極で、励振用電
極２と接続用電極とを電気的に接続するもので、上記構
成により圧電振動子を構成する。１９は導電性材料から
なる樹脂で、実装基板２０に実装するための接着剤とし
て機能するものである。２１は外部端子で、実装基板２
０に設けられ、圧電振動子と電気的に接続するものであ
る。

【００３０】上記振動素子部１の素子厚みＨは２０μｍ
であるため共振周波数は約１００ＭHzである。また、素
子中央部の幅寸法Ｗは６０μｍである。Ｗ／Ｈは３であ
るので幅寸法に起因する不要振動の影響はなく、良好な
特性が得られる。また素子端部の幅寸法は１００μｍと
素子中央部に比べて大きく、素子の取り扱いが容易であ
る。

【００３１】（実施例２）図１１はタンタル酸リチウム
のＸ板を用いた厚みすべり振動を主振動とする圧電振動
子３個から構成される梯子型フィルタであり、２２は長
手方向の略中央部に設けられた両凸レンズ状のスリット
を有する圧電基板（本図では、図示せず）に設けられた
圧電振動子である。２３は入力用電極、２４は出力用電
極、２５は接地用電極である。３個の圧電振動子の裏面
に形成されているそれぞれの励振用電極（本図では、図
示せず）はすべて接続されている。スリット２６は両凸
レンズ状をしているため、一つのスリットで二つの圧電
振動子の片側の辺を構成できるため梯子型フィルタを小
型化できる。また、圧電振動子部分中央部の幅寸法より
も圧電振動子部分端部の幅寸法の方が大きいため、スト
リップ形状に圧電振動子を形成するよりも圧電振動子部
分の端部における機械的強度が向上する利点がある。

【００３２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、主振動に
厚みすべり振動を用いる圧電振動素子において、素子幅
寸法は素子中央部で最も小さく素子長手方向端部に向か
うにつれ連続的に大きくなるような鼓状とすることで、
ストリップ形状の時よりも素子端部における素子幅寸法
が大きくなるため、機械的強度を向上させつつ、素子の
取り扱いが容易となるという有利な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における圧電振動素子の
斜視図

【図２】同結晶方位を表す図

【図３】同インピーダンス周波数特性を表す図

【図４】同共振周波数の温度特性を表す図

【図５】同素子幅寸法Ｗと素子厚みＨとの比Ｗ／Ｈを変
化させた時のインピーダンス周波数特性を表す図

【図６】同素子幅寸法Ｗと素子厚みＨとの比Ｗ／Ｈと周
波数ｆと素子厚みＨとの積ｆ・Ｈとの関係を表す図

【図７】同要部である振動素子部に半月状のスリットを
形成した斜視図

【図８】同要部である振動素子部に両凸状のスリットを
形成した斜視図

【図９】同フィルタの断面図

【図１０】本発明の実施例１における圧電振動子の斜視
図

【図１１】本発明の実施例２における梯子型フィルタの
斜視図

【図１２】従来の圧電振動素子のエネルギー閉じ込め型
圧電振動素子の断面図

【符号の説明】

１振動素子部２励振用電極３外部接続用電極４外部引出用電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西原和成大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5J108 AA07 BB01 CC01 CC10 CC12 DD02 EE03 EE07 EE13 EE18 FF01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】主振動に厚みすべり振動を用いる圧電振
動素子において、振動素子部の素子幅寸法は素子中央部
で最も小さくて素子長手方向端部に向かうにつれ連続的
に大きくなるような鼓状をしている圧電振動素子。
【請求項２】素子端部幅寸法Ｗ１と素子中央部幅寸法
Ｗとの比Ｗ１／Ｗが、１．１以上５．０以下である請求
項１記載の圧電振動素子。
【請求項３】圧電材料にタンタル酸リチウムを用い、
板の厚み方向がＸ軸と０°±５°の角度をなしている請
求項２記載の圧電振動素子。
【請求項４】素子長手方向がＹ軸から時計方向に＋５
０°±５°の方向を向いている請求項１記載の圧電振動
素子。
【請求項５】素子中央部の幅寸法Ｗと素子厚みＨとの
比Ｗ／Ｈが、２．４以上３．２以下、３．７以上４．３
以下、４．９以上５．５以下のいずれかであることを特
徴とする請求項１記載の圧電振動素子。
【請求項６】振動素子部は、少なくとも一方の辺が円
弧状であるスリットを２本以上有する請求項１記載の圧
電振動素子。
【請求項７】少なくとも一方の辺が円弧状である１つ
以上のスリットを有する圧電基板と、この圧電基板に電
気的に接続される少なくとも２個以上の圧電振動素子と
からなるフィルタ。
【請求項８】圧電振動素子の一方の面に一対の入力用
電極と出力用電極を設け、他方の面に接地用電極を設け
た請求項７記載のフィルタ。