JP2001339272A - 圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】より簡単で効果的に基本波を抑制できる厚み縦
振動で共振する３次高調波用の圧電共振子を提供する。 【解決手段】両主面が長方形状の圧電基板３１と、該圧
電基板３１の両主面の中央部に形成された一対の対向す
る振動電極３２、３３と、該振動電極３２、３３に電気
的に接続され、且つ圧電基板３１の両主面の短辺に向け
てそれぞれ反対方向に引き出された引出電極３５、３６
とを具備する圧電共振子であって、圧電基板３１の主面
における振動電極３２、３３の長辺側に、振動電極３
２、３３と同一材料、同一厚みの第１基本波漏洩用導体
３９を設けてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電基板の両主面
の中央部に対向する振動電極を有する圧電共振子に関す
るものであり、特に、厚み縦振動モードまたは厚み滑り
振動モードを用いた３次高調波用の圧電共振子に関する
ものである。

【０００２】

【従来技術】一般に、厚み縦振動モードまたは厚み滑り
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の両主面の中央部に、対向するように振動電
極２、３を形成し、これらの振動電極２、３に、圧電基
板１の両主面の短辺に向けてそれぞれ反対方向に引き出
された引出電極５、６を接続して構成されており、対向
した振動電極２、３によって厚み縦または厚み滑り振動
が励振されて厚み縦の基本周波数、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。

【０００３】厚み縦振動厚み滑り振動を用いた圧電共振
子の共振周波数は圧電基板１の厚みに反比例するため、
一般的な圧電材料で数１０ＭＨｚの共振周波数をもつ圧
電共振子を実現するためには、基本周波数を用いる場合
で１００μｍ以下の薄い圧電基板１を作製する必要があ
る。従って共振周波数が高くなると圧電共振子の作製が
困難になる為、共振周波数が高い圧電共振子を作製する
場合は、３次高調波などの高調波のモードを使用するこ
とが一般的に行われている。

【０００４】しかしながら、通常の設計では、一般的に
高調波の振動よりも基本振動のほうが強く励振されてし
まうため、高調波で正しく励振させるためには高調波の
インピーダンスピークを少なくとも基本振動よりも相対
的に大きくする設計が要求される。このため高調波を用
いる場合、出力側に高調波の周波数への同調回路を設け
て基本周波数で発振せずに、高調波で発振するようにし
ていた。しかしながら、小型化、低コスト化のため同調
回路を用いる必要のない圧電共振子が望まれていた。

【０００５】従来、基本振動の広がりが若干高調波より
広いことを利用して、振動電極の周りに基本振動のみを
減衰させる減衰材料を塗布した水晶振動子が提案されて
いる。このような水晶振動子として、特開平９−１３９
６５１号公報には、ＡＴカットの水晶片の主面に金属を
配置した厚み滑り振動モードで励振する水晶振動子が開
示され、基本振動を抑制して３次高調波で同調回路なし
に振動させる構造が開示されている。

【０００６】この公報に開示された水晶振動子は、図７
に示すように、ＡＴカット水晶片１１の両主面の中央部
にそれぞれ設けられた四角形状の振動電極１２、１３
と、該振動電極１２、１３にそれぞれ接続され、主面の
長さ方向に引き出された引出電極１５、１６と、振動電
極１２、１３から水晶片１の主面の幅方向に所定間隔を
置いて形成された基本波抑制電極１７とから構成されて
いる。

【０００７】これは、振動の広がりが比較的大きい基本
波と、振動の広がりが比較的小さい高調波との、振動の
広がりの差を利用して、基本波のみを抑制しようという
ものである。

【０００８】そして、この基本波抑制電極１７は、基本
波の振動を抑制する目的で、振動電極１２、１３よりも
膜厚を厚くしたり、質量の大きな物質を蒸着することに
より大きな質量を得るようにしている。また、この公報
には、他の水晶振動子の例として、水晶片１１の両主面
で対向する基本波抑制電極１７同士を主面の幅方向の端
面を通して導通させ、基本波を抑制させることが開示さ
れている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この基
本波抑制電極１７に余分な質量を加える目的で、膜厚を
振動電極１２、１３より厚くしたり、基本波抑制電極１
７を質量の大きな異なる物質で蒸着して形成していたた
め、このような基本波抑制電極１７を形成するために
は、余分な樹脂の塗布工程や蒸着などのプロセスを必要
とし、また基本波抑制電極１７を形成する際の、膜厚等
の精度がばらつき、当初予定した特性が得難く、歩留ま
り悪化を引き起こすという問題があった。

【００１０】このように、基本波と高調波の振動モード
にある広がりの差のみを利用して基本波のみを抑制し、
高調波を抑制しない構造とすることは、特に周波数の高
い共振子においては精度の高い基本波抑制電極形状の形
成や樹脂の塗布技術を要求することから、実施すること
が困難であった。

【００１１】また、特開平９−１３９６５１号公報の水
晶振動子では、振動電極間から漏出してくる基本波は抑
制できるものの、振動電極間に留まっている基本波を積
極的に漏出させることはできないという問題があった。

【００１２】本発明は、より簡単でかつ効果的に基本波
を抑制でき、厚み縦振動または厚み滑り振動モードで共
振する高調波用の圧電共振子を提供することを目的とす
るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
両主面が長方形状の圧電基板と、該圧電基板の両主面の
中央部に形成された一対の対向する振動電極と、該振動
電極に電気的に接続され、且つ前記圧電基板の両主面の
短辺に向けてそれぞれ反対方向に引き出された引出電極
とを具備する圧電共振子であって、前記圧電基板の主面
の長辺と、前記振動電極との間に、前記振動電極と同一
材料、同一厚みの第１基本波漏洩用導体を設けてなるも
のである。

【００１４】このような構成を採用することにより、元
々エネルギーが漏れ易く減衰され易いリップルの原因と
なる振動だけでなく、比較的エネルギー閉じ込めが良好
で、振動電極回りに樹脂等を付けることによっても減衰
され難い基本振動も、所望の振動（３次高調波）に影響
を与えることなく、第１基本波漏洩用導体を介して圧電
基板の長辺（端面）まで漏洩させることができ、振動電
極によって励振された基本波と、長辺の端面から反射す
る漏洩波（基本波）との干渉をおこさせ、基本波振動モ
ードの振幅のピークを振動電極の外側に出してやること
ができ、これによって基本波の振動によるインピーダン
スピークを抑制することができる。

【００１５】即ち、従来、振動電極の周りに複数の導電
体を設けた圧電共振子もあるが、これらは、元々漏れ易
くてリップルの原因となる振動をより漏れ易くし、この
振動を圧電基板の保持部材を介して外部に導き、振動の
大きさを比較的小さくすることで、インピーダンス上の
リップルを消去しようとするものであるが、このような
圧電共振子では、比較的エネルギーが振動電極の間に閉
じ込められ易い基本波を減衰させることは困難であっ
た。

【００１６】また、従来の厚み縦振動を用いた３次高調
波用の圧電共振子では、図８に示すように、基本振動成
分２０と３次高調波振動成分２１とが、圧電基板の中央
部の振動電極付近で重なって存在しており、振動電極に
エネルギーが比較的閉じ込められ易い余分な基本振動
は、振動電極から漏れ難いが、本発明では、振動電極と
同一材料、同一厚みを有する第１基本波漏洩用導体を、
振動電極と長辺との間に設けたので、図３に示すよう
に、エネルギーが振動電極間に強く閉じ込められる所望
の振動（３次高調波）は、そのまま振動電極間に閉じ込
められるものの、所望の振動よりも弱く閉じ込められる
リップルの原因となる振動（基本振動）は、電位差が異
なる第１基本波漏洩用導体を介して、圧電基板の長辺端
面まで導かれ、振動電極からの基本波と、長辺の端面か
ら反射する反射基本波とを、第１基本波漏洩用導体にお
いて干渉させ、基本振動によるインピーダンスピークを
小さくできる。

【００１７】また、同一材料、同一厚みを持った第１基
本波漏洩用導体を用いる為、振動電極、引出電極を形成
するプロセスで、振動電極、引出電極と基本波漏洩用導
体を一括して形成することができ、同一プロセスで形成
する為に高い精度で基本波漏洩用導体を容易に作製でき
る。振動電極から基本波を分離するには、第１基本波漏
洩用導体の長さを振動電極と同一長さとすることが望ま
しい。

【００１８】また、本発明の圧電共振子は、その圧電基
板の幅をＷ、厚みをｔ、第１基本波漏洩用導体の幅をＢ
としたときに、Ｗ−２Ｂ／ｔ≦２．４の関係を満足する
ことが望ましい。このような寸法とすることにより、従
来、圧電基板の中央部の振動電極付近で３次高調波振動
と重なって存在していた基本振動ピークが、振動電極か
ら長辺側に移動し易くなり、３次高調波振動と基本振動
が分離する。このため、振動電極から基本波の振動ピー
クを長辺方向にはずすことができ、基本振動によるイン
ピーダンスピークをさらに低減できる。

【００１９】さらに、振動電極の第１基本波漏洩用導体
側に、凹部を形成してなることが望ましい。このような
構成を採用することにより、基本振動成分が振動電極に
かかる面積をさらに小さくでき、その結果として、基本
波のインピーダンスを小さくすることができる。

【００２０】また、振動電極と、該振動電極に接続され
た引出電極の引出方向とは反対側の短辺との間に、前記
振動電極と同一材料、同一厚み、同一幅を有する第２基
本波漏洩用導体を設けることにより、長手方向の撓みや
曲げ振動が短辺方向に漏洩しやすくなり、短辺にある圧
電基板の保持部材を介して振動エネルギーが漏れたり、
これらのモードに起因するリップルが基本波のインピー
ダンス特性に多発し、この結果、基本波のインピーダン
ス特性をさらに悪化させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、図１に示
すように、圧電基板３１の両主面の中央部に、対向する
ように振動電極３２、３３を形成し、これらの振動電極
３２、３３に、圧電基板３１の両主面の短辺に向けてそ
れぞれ反対方向に引き出された引出電極３５、３６を接
続して構成されている。

【００２２】そして、圧電基板３１の主面における振動
電極３２、３３の長辺側には、振動電極３２、３３と同
一材料、同一厚みの第１基本波漏洩用導体３９が設けら
れている。第１基本波漏洩用導体３９の長さＬは、振動
電極３２、３３の長さと同一とされている。

【００２３】振動電極３２、３３、引出電極３５、３
６、第１基本波漏洩用導体３９は、例えば、Ａｇ、Ａｇ
−Ｐｄ、Ａｇ−ガラス、Ｐｄを含有する導電性ペースト
を塗布して焼き付けるか、あるいは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕ
の薄膜を順次蒸着することにより形成される。

【００２４】この第１基本波漏洩用導体３９は、圧電基
板３１の幅方向の端面（長辺）まで延設されており、基
本波のみのエネルギー閉じ込めが壊れるように、振動電
極３２、３３と第１基本波漏洩用導体３９との間に所定
間隔が設けられている。この振動電極３２、３３と第１
基本波漏洩用導体３９との間隔ｘは、３次以上の高調波
のモードが閉じ込められている領域（振動電極間）にか
からないよう、圧電基板３１の厚みｔの１／２以上とす
ることが望ましい。

【００２５】第１基本波漏洩用導体３９の幅、即ち圧電
基板の幅Ｗと、振動電極３２、３３と第１基本波漏洩用
導体３９との間隔ｘを最適化することで、基本波振動を
振動電極３２、３３の外側に漏洩させることができ、振
動電極３２、３３によって励振され、漏洩する基本波
と、漏洩して幅方向の端面（長辺）から反射する反射波
との干渉をおこさせ、干渉した基本波の振幅のピークを
振動電極の外に出すことによって、基本波のインピーダ
ンスピークを十分抑制することができる。

【００２６】圧電基板３１は、その幅をＷ、厚みをｔ、
第１基本波漏洩用導体３９の幅をＢとしたときに、Ｗ−
２Ｂ／ｔ≦２．４の関係を満足することが望ましい。こ
れは、振動電極３２、３３によって励振された基本波
を、同じ振動電極３２、３３間に励振された３次高調波
から、上記の干渉により有効に分離でき、圧電基板３１
の長辺側に移動させることができるからである。

【００２７】即ち、例えば、従来の厚み縦共振子では、
圧電基板の幅Ｗが広いため、図２（ａ）に示すように、
振動電極より少し大きい領域だけで振幅が大きくなっ
て、エネルギー閉じ込めが成立しているものが、圧電基
板の主面の幅を狭くしていき、電極幅に近づけると、図
２（ｂ）のようにエネルギー閉じ込めが悪くなり、幅方
向の端まで達した振動波が端面で跳ね返り、厚み縦振動
に加えて幅方向に波の強弱を持ったモードに変わる。こ
の強弱の繰り返しの波長は圧電基板の材質と厚みによっ
て変化するが、基板の幅を更に小さくすることによっ
て、図２（ｃ）のように、振動電極中央部で基本波が小
さい振動振幅のパターンをおこさせることができる。

【００２８】この時、基本波振動によるインピーダンス
の共振ピークは抑制されるが、基板の幅が高調波の振動
モードが達しない程度に広くとってあれば、高調波の振
動モードは図２（ａ）のようにエネルギー閉じ込めが良
く成立しているままであり、共振ピークが抑制されるこ
とはない。

【００２９】厚み縦共振子の厚みは、共振周波数に反比
例して薄くなる為、通常高周波で用いる圧電共振子の場
合、基板の幅を振動電極の幅に近づけても基本波モード
のエネルギー閉じ込めはよいままで保たれる。通常の圧
電磁器で２０ＭＨｚぐらいまでの３次高調波モードを用
いた圧電共振子であれば圧電基板の幅ｗだけによる設計
で図２（ｃ）のようなモードを発生させることが可能で
あるが、これ以上の高周波では長辺と振動電極の間の所
定間隔は１００μｍ以下になりダイシングソーなどの装
置で正確に切り出すのは困難である。

【００３０】上記の図２（ｃ）の振動モードが発生する
基板幅ｗをみたしつつ高周波に対応させるために１００
μｍ以下に基板厚みｔを小さくすることは、基板幅ｗを
同時に小さくすることを必要とし、基板強度を著しく低
下させ、基板作製及び実装上の歩留まりを低減させるこ
とになる。幅Ｂを有する第１基本波漏洩用導体を用いる
ことによって、基板幅ｗを基板厚みｔと同時に小さくす
る必要性がなく、また、同一のプロセスで作製される振
動電極と第１基本波漏洩用導体は、精度の良い振動電極
と第１基本波漏洩用導体の間の所定間隔ｘを実現でき
る。

【００３１】従って、本発明は、特に、共振周波数２０
ＭＨｚ以上で用いられる圧電共振子に好適に用いられ、
基本波を漏洩させ、なお且つ３次高調波のエネルギー閉
じ込めを精度良く行う為に、一度の薄膜形成プロセスで
振動電極、引出電極、第１基本波漏洩用導体を形成でき
る。第１基本波漏洩用導体と振動電極間の間隔ｘは、電
極厚みによって若干左右されるが圧電基板の厚みの１／
２程度を取ることが望ましい。

【００３２】尚、本発明では、図４に示すように、振動
電極の第１基本波漏洩用導体側に、矩形状の凹部５１
（図４（ａ））、円弧状の凹部５３（図４（ｂ））を形
成することが望ましい。これは、図３に示したように、
基本波のピークは、第１基本波漏洩用導体の幅Ｂをもっ
てＷ−２Ｂ／ｔを制御することにより、圧電基板の長辺
側に３次高調波とは分離されているが、基本波の振動自
体は振動電極の端において重畳しており、この基本波と
重なる振動電極の部分を、図４に示したように除去する
ことにより、さらに、基本波のインピーダンスピークを
減衰でき、３次高調波のインピーダンスピークを高く維
持でき、３次高調波の振動を際立たせることができる。

【００３３】また、図５に示すように、振動電極３２、
３３と、該振動電極３２、３３に接続された引出電極３
５、３６の引出方向とは反対側の短辺との間に、振動電
極３２、３３および短辺と所定間隔を置いて、振動電極
３２、３３と同一材料、同一厚み、同一幅を有する第２
基本波漏洩用導体５５を設けてなることが望ましい。こ
のような圧電共振子では、短辺方向にも基本振動を漏れ
やすくすることによって、さらに基本波のインピーダン
スピークを小さくすることができる。

【００３４】本発明の圧電共振子では、振動電極の周り
に、振動電極より大きな重みを持った減衰用電極として
ではなく、同一材料、同一厚みを持った基本波のエネル
ギー閉じ込めを壊す役割を持たせた基本波漏洩用導体を
設けることが、上記のように基本波のインピーダンスピ
ークを減衰でき、３次高調波のインピーダンスピークを
高く維持でき、３次高調波の振動を際立たせることがで
きる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の圧電共振子では、元々エネルギ
ーが漏れ易く減衰され易いものだけでなく、比較的エネ
ルギー閉じ込めが良好で、振動電極回りに樹脂等を付け
ることによっても減衰され難いリップルの原因となる基
本振動も、３次高調波に影響を与えることなく、基本波
漏洩用導体を介して圧電基板の長辺（端面）まで導くこ
とができ、振動電極によって励振された基本波と、長辺
の端面から反射する漏洩波（基本波）との干渉をおこさ
せ、これによって基本波の振動によるインピーダンスピ
ークを十分抑制することができ、これにより、３次高調
波のみを利用する同調回路を設ける必要のない小型、低
コストが実現できる高周波化に対応した圧電共振子を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は平面図である。

【図２】圧電基板の幅を変えることによって、基本波振
動モードの形態の変化を示す説明図である。

【図３】基本振動成分と３次高調波振動成分が分離され
た状態を示す説明図である。

【図４】振動電極の基本波漏洩用導体側に凹部を形成し
て例を示すもので、（ａ）は矩形状の凹部、（ｂ）は円
弧状の凹部を形成した状態を示す平面図である。

【図５】振動電極と短辺との間に第２基本波漏洩用導体
を形成した状態を示す平面図である。

【図６】従来の圧電共振子を示し、（ａ）は斜視図、
（ｂ）は平面図である。

【図７】従来の水晶振動子を示す平面図である。

【図８】従来の圧電共振子の基本振動成分とと３次高調
波成分が重畳して存在している状態を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

３１・・・圧電基板 ３２、３３・・・振動電極 ３５、３６・・・引出電極 ３９・・・第１基本波漏洩用導体 ５１、５３・・・凹部 ５５・・・第２基本波漏洩用導体 Ｗ・・・圧電基板の幅 ｔ・・・圧電基板の厚み

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】両主面が長方形状の圧電基板と、該圧電基
   板の両主面の中央部に形成された一対の対向する振動電
   極と、該振動電極に電気的に接続され、且つ前記圧電基
   板の両主面の短辺に向けてそれぞれ反対方向に引き出さ
   れた引出電極とを具備する圧電共振子であって、前記圧
   電基板の主面の長辺と、前記振動電極との間に、前記振
   動電極と同一材料、同一厚みの第１基本波漏洩用導体を
   設けてなることを特徴とする圧電共振子。
2. 【請求項２】第１基本波漏洩用導体の長さは、振動電極
   の長さと同一であ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】振動電極の第１基本波漏洩用導体側に、凹
   部を形成してな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】振動電極と、該振動電極に接続された引出
   電極の引出方向とは反対側の短辺との間に、前記振動電
   極と同一材料、同一厚み、同一幅を有する第２基本波漏
   洩用導体を設けてな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。