JP2004297387A

JP2004297387A - 圧電共振子

Info

Publication number: JP2004297387A
Application number: JP2003086071A
Authority: JP
Inventors: Junji Furue; 純司古江; Takanori Maeno; 隆則前野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】小型で生産性に優れ、且つ、信頼性にも優れた圧電共振子を提供する。
【解決手段】直方体状の圧電基体２に一対の平行なスリット３ａ、３ｂを形成し、このスリット３ａ、３ｂ間には隔壁部４を立設し、隔壁部４の両壁面には厚みすべり振動を励振する振動電極５を被着するとともに、圧電基体２の側面には入力端子６及び出力端子７を形成する。また、振動電極５の一端をスリットの内面を伝って隔壁部の壁面と対向するスリットの内壁面まで延在させ、この延在部１０と圧電基体２の外側面に被着させたグランド電極２１との間に容量を形成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器や電子機器等に組み込まれ発振回路のクロックとして機能する圧電共振子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より圧電共振子は、必要な電気性能を確保・維持するために、圧電素子の機械的振動を妨げないよう励振部分の周囲にフリーな振動空間を確保することが必要とされている。また、圧電素子が外部からの機械的ストレスによって損傷することが無いように圧電素子を容器に収容するなどして保護している。特に、通信機器や電子機器の高性能化、高機能化にともない、圧電共振子の発振周波数も高周波化が進んでおり、その結果、圧電素子の厚みは益々薄くなり、外部の機械的ストレスからの保護は必要不可欠であった。
【０００３】
このようななか、例えば、従来の圧電共振子２００においては、図５に示すように、ケース２０１に設けられたキャビティ２０２の内部に積層体２０３を収納するとともに、キャビティ２０２の開口部を覆うようにして蓋体２０４にて塞ぎ、接着している。
【０００４】
上述の圧電共振子２００のケース２０１は例えば、液晶ポリマーやエポキシ樹脂などからなり、ケース２０１の底面には、リード端子２０５が埋め込まれ、その一端には外部端子電極２０６が形成されている。
【０００５】
また、積層体２０３は、圧電素子２０７と、発振回路の構成に必要な静電容量を形成するコンデンサ素子２０８とが、導電性樹脂２０９にて接合されて形成されており、その接続電極２１０をケース２１０の底面に露出しているリード端子２０５に導電性樹脂２１１を介して接続している。圧電素子２０７は、圧電セラミック材料や水晶などの単結晶材料から成る圧電基板に、圧電振動を励振する振動電極や接続用の接続電極２１０が形成されている。一方、コンデンサ素子２０８は、誘電体セラミック材料からなる誘電体基板に静電容量を形成する容量電極や接続用の接続電極２１０が形成されている。
【０００６】
蓋体２０４は、断面凹状に形成された金属から成り、ケース２０１のキャビティ２０２の開口部を覆うように接着される。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２３７５６０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来の圧電共振子２００においては、圧電素子２０７を外部の機械的ストレスから保護するために、圧電素子２０７を樹脂材料などから成るケース２０１に収容している。
【０００９】
また、圧電素子２０７の振動空間を確保するために、導電性樹脂２０９を介して、コンデンサ素子２０８と所定の空隙を形成した状態で積層体２０３を形成し、ケース２０１のキャビティ２０２に収容している。
【００１０】
更に、ケース２０１の底面に露出しているリード端子２０５と積層体２０３の接続電極２１０とを、コンデンサ素子２０８を下方に向けて導電性樹脂２１１にて接続・固定している。
【００１１】
即ち、圧電共振子として機能するために、内部にキャビティ２０２を形成し、リード端子２０５を露出させたケース２０１が必要であり、また、マザーボードに実装するための外部端子電極２０６、静電容量を形成するコンデンサ素子２０８、圧電素子２０７とコンデンサ素子２０８を接合する導電性樹脂２０９、積層体２０３の接続電極２１０をリード端子２０５に接続・固定する導電性樹脂２１１等、圧電素子２０７以外に多くの部品が必要であった。
【００１２】
また、これらの使用する部品においては、各部品の寸法ばらつきや、組み立て時の組み立て精度ばらつき等を考慮しなければならず、部品点数が多くなる程、それぞれのばらつきを吸収するため、余裕度の大きい設計が必要となり製品の小型を妨げる要因となっていた。特に、電子部品の小型化に拍車のかかる近年においては、無視することのできない問題であった。
【００１３】
更に、製造工程においては、圧電素子２０７を製造する工程に加えて、収容用キャビティ２０２やリード端子２０５形成したケース２０１を用意する工程、圧電素子２０７とコンデンサ素子２０８を導電性樹脂２０９にて、所定の空隙を確保した状態で積層体２０３を形成する工程、ケース２０１のキャビティ２０２内に積層体２０３を収容し、導電性樹脂２１１にて積層体２０３の接続電極２１０をリード端子２０５に接続・固定する工程等、非常に多くの煩雑な工程を必要としていた。
【００１４】
更にまた、接続用導体として導電性樹脂２１１を使用しているが、積層体２０３やケース２０１、リード端子２０５、及び導電性樹脂２１１の各々の間に熱膨張係数の差異があるため、熱ストレスが加わった場合、接合面に応力が発生し、その結果、接合面の剥離やクラックの発生によるオープン不良が発生する恐れもあった。
【００１５】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的は、部品点数が少なく、また小型化が可能であり、更に生産性が高く、かつ信頼性性能に優れた圧電共振子を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振子は、直方体状をなす圧電基体に厚み方向に貫通する一対のスリットを平行に形成して該スリット間に隔壁部を立設し、該隔壁部の両壁面に、一部が対向するように配置された一対の振動電極を被着させ、これら一対の振動電極を前記圧電基体の外側面に導出して該導出部に入出力端子を形成してなり、前記一対の振動電極への電力印加に伴ない前記隔壁部に厚みすべり振動を起こさせるようにした圧電共振子であって、前記振動電極の一端を前記スリットの内面を伝って前記隔壁部の壁面と対向するスリットの内壁面まで延在させるとともに、該延在部と対向する前記圧電基体の外側面にグランド電極を被着させ、このグランド電極と前記振動電極の延在部との間に容量を形成したことを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の圧電共振子は、前記グランド電極と前記入出力端子との間にも容量が形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
更に、本発明の圧電共振子は、前記隔壁部の上面及び下面を前記圧電基体の上面及び下面よりもそれぞれ内側に位置させるとともに、前記圧電基体の上面及び下面に前記一対のスリットの開口部を塞ぐ一対の蓋体を前記隔壁部と非接触の状態で取着させたことを特徴とするものである。
【００１９】
【作用】
本発明によれば、圧電基体に、その厚み方向に貫通する一対のスリットを平行に形成し、このスリット間に隔壁部を設け、更にこの隔壁部に振動電極を被着させることで、隔壁部に厚みすべり振動を起こさせるようにしている。つまり、隔壁部が圧電素子として機能し、隔壁部以外の圧電基体は隔壁部を保護する保護部材として機能する。また、圧電基体の振動電極の導出部においては、入出力端子を形成することで圧電基体の一部は外部端子電極としても機能する。更に、振動電極の一端をスリットの内面を伝って隔壁部の壁面と対向するスリットの内壁面まで延在させ、この延在部と圧電基体の外側面に被着させたグランド電極との間に容量を形成している。これにより、圧電基体の一部は、コンデンサとしても機能する。
【００２０】
即ち、圧電素子の振動空間を確保したり、圧電素子を機械的ストレスから保護するためのケースや、リード端子や外部端子電極、及び、静電容量を形成するコンデンサ素子、圧電素子とコンデンサ素子を接合する導電性樹脂、これら接合した積層体をリード端子に接続・固定をする導電性樹脂といった部品を使用することなく圧電共振子を構成できる。これにより、必要な部品は少なくて済むと同時に、設計面においても部品の寸法ばらつきや組み立て時の組み立て精度ばらつきを考慮する必要がなくなるため、小型化設計が可能となる。更に、組み立て時の、多くの煩雑な工程を必要としないため、生産性に優れた圧電共振子を提供できる。更にまた、振動電極と入出力端子間の接続に導電性樹脂を使用しないため、接合面の剥離やクラックの発生によるオープン不良の恐れもなく、信頼性性能に優れた圧電共振子を提供できる。
【００２１】
また、本発明によれば、グランド電極と入出力端子との間にも容量が形成されている。これにより、対向する延在部とグランド電極間の容量に加えて、圧電基体側面部での、グランド電極と入出力端子との間の容量も加味されるため、広い範囲での容量形成が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の圧電共振子を図面に基づいて詳説する。
【００２３】
図１は本発明の一実施形態に係る圧電共振子１の外観斜視図、図２は図１の圧電共振子１の上面図、図３は図１の圧電共振子１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２４】
圧電共振子１は、直方体状の圧電基体２の厚み方向に貫通する一対の平行なスリット３ａ、３ｂが形成されている。このスリット３ａ、３ｂ間には隔壁部４が設けられており、隔壁部４の両壁面には振動電極５が被着されるとともに、その一端は延在部１０と成る。また、圧電基体２の側面には入力端子６及び出力端子７に加えて、グランド電極２１が形成されている。
【００２５】
この圧電基体２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＰＴ（チタン酸鉛）などの圧電セラミック材料から成る直方体であり、圧電基体２の上面から厚み方向に貫通する一対の平行なスリット３ａとスリット３ｂとの間には、圧電基体２の両端部とつながる隔壁部４が設けられている。隔壁部４の両壁面には、例えば、Ｃｕ及びＡｇを主成分とする導体膜にて、一部が対向するように配置された一対の振動電極５が被着されている。
【００２６】
また、圧電基体２の両側面の振動電極５を導出した導出部１１，１２には、例えば、Ｃｕ及びＡｇを主成分とする導体膜にて、入力端子６及び出力端子７が形成されており、振動電極５から導出される接続電極８と接続している。
【００２７】
一方、振動電極５の一端は、各々、スリット３ａ、３ｂの内面を伝って隔壁部４の壁面と対向するスリット３ａ、３ｂの内壁面まで延在され、例えば、Ｃｕ及びＡｇを主成分とする導体膜にて、延在部１０が形成されている。
【００２８】
また、この延在部１０と対向する圧電基体２の外側面には、例えば、Ｃｕ及びＡｇを主成分とする導体膜にて、グランド電極２１が被着されており、延在部１０とグランド電極２１との間で静電容量を形成している。これによって、圧電基体２の延在部１０とグランド電極２１とで挟まれた２つの部分が発振回路に必要な負荷容量として機能する。
【００２９】
上述の圧電共振子１の入力端子６、出力端子７、及びグランド電極２１に、インバータＩＣなどからなる所定の発振回路を接続し動作させることにより、隔壁部４の振動電極５にて厚みすべり振動が励振する。
【００３０】
この圧電共振子１は、以下の方法にて製造することができる。
まず、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＰＴ（チタン酸鉛）などの圧電セラミック材料を所定のプロセスにて直方体状に成形する。この直方体状の成形体を１０００℃〜１３００℃程度の温度にて、約１〜６時間程度の時間をかけて焼成し、圧電基体２を得る。
【００３１】
その後、圧電基体２の上面からレーザー光を照射し、貫通するスリット３ａ、３ｂを形成する。このレーザー光照射にあたっては、波長１０．６μｍのＣ０２レーザーや波長１．０６μｍのＹＡＧレーザーが望ましい。
【００３２】
このとき、一対の平行なスリット３ａとスリット３ｂとの間に設けられる隔壁部４の隔壁厚みは、圧電共振子１の共振周波数と反比例するため、所望とする共振周波数に応じてスリット３ａとスリット３ｂとの間隔を定める必要がある。
【００３３】
こうしてスリット３ａ、３ｂが形成され、隔壁部４が設けられた圧電基体２両端部の、隔壁部４の長さ方向両端部に位置する領域にＡｇペースト等を用いて一対の分極用の仮電極を形成する。
【００３４】
そして、この一対の分極用仮電極間に、例えば、１．５〜４．０ｋＶ／ｍｍの電界を印加することにより分極処理を行う。ここで、分極処理の終了後は、分極用仮電極を除去してもかまわない。
【００３５】
その後、蒸着やスパッタリングなどの成膜法にて振動電極５、接続電極８、入力端子６、出力端子７、延在部１０，及びグランド電極２１を形成する。この時、圧電基体２を蒸着やスパッタリング用の平板状の治工具に装着し、マスキングパターンが形成されたマスク板を重ねて装着することで、必要とする部分のみに電極を形成することができる。
【００３６】
なお、必要に応じて平板状の治工具に装着する圧電基体２の向きや姿勢、あるいはマスク板のマスキングパターンを変更して複数回の作業を行っても良い。
【００３７】
また、入力端子６，出力端子７、及びグランド電極２１には上述の電極形成に加えて部分メッキを施し、端子の耐熱性、密着性を向上させても良い。
【００３８】
以上のような工程によって、振動電極５間の隔壁部４は厚みすべり振動を励振する圧電体として機能し、圧電共振子１ができあがる。
【００３９】
また、本発明の別の圧電共振子３０を図４に示す。
この圧電共振子３０は、圧電基体２の上面及び下面に一対のスリット３ａ、３ｂの開口部を塞ぐ蓋体３１を取着している。この時、隔壁部４の上面及び下面を圧電基体の上面及び下面より、それぞれ内側に位置させている。これによって蓋体３１は隔壁部４と非接触の状態で取着することができ、隔壁部４の厚みすべり振動を妨げることがない。ここで、蓋体３１は、入力端子６、出力端子７、及びグランド電極２１とが互いにショートしないように、例えば、樹脂などの絶縁性材料であることが望ましい。
【００４０】
このような蓋体３１を接着剤等にて圧電基体２の上面に接合することで、スリット３ａ、３ｂの内部を気密封止することができる。こうした構成にすることで、耐湿特性に優れた圧電共振子３０を得ることができる。
【００４１】
更に、本発明では以下に述べる特徴をも有する。
一般的に知られている圧電共振子を利用したコルピッツ型発振回路の場合、圧電共振子の共振周波数が高くなれば、発振に必要な適正な容量値は小さくなり、逆に圧電共振子の共振周波数が低くなれば、発振に必要な適正な容量値は大きくなる傾向にある。
【００４２】
ここで、本発明の場合、圧電共振子１の共振周波数が高くなれば隔壁部４の隔壁厚みは薄くなり、加えて適正な容量値な小さくなるため、容量形成部のスリット３ａ、３ｂと圧電基体２との対向厚みは厚くなる。
【００４３】
逆に、圧電共振子１の共振周波数が低くなれば隔壁部４の隔壁厚みは厚くなり、また、適正な容量値は大きくなるため、容量形成部のスリット３ａ、３ｂと圧電基体２との対向厚みは薄くなる。
【００４４】
即ち、圧電共振子１の共振周波数が異なり、適正な容量値が異なっても、圧電基体２の外形寸法を変えることなく、スリット３ａ、３ｂの形成位置、及び形成幅を調整することで、各共振周波数毎の適正な容量値を得ることができる。
【００４５】
かくして以上のような本発明の構成によれば、圧電素子の振動空間を確保したり、圧電素子を機械的ストレスから保護するためのケースや、リード端子や導電性樹脂による外部端子電極、及び、圧電素子を固定、接続をする導電性樹脂といった、部品を使用することなく小型で生産性に優れ、且つ、信頼性性能にも優れた圧電共振子を提供することができる。
【００４６】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更・改良等が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電基体に、その厚み方向に貫通する一対のスリットを平行に形成し、このスリット間に隔壁部を設け、更にこの隔壁部に振動電極を被着させることで、隔壁部に厚みすべり振動を起こさせるようにしている。つまり、隔壁部が圧電素子として機能し、隔壁部以外の圧電基体は隔壁部を保護する保護部材として機能する。また、圧電基体の振動電極の導出部においては、入出力端子を形成することで圧電基体の一部は外部端子電極としても機能する。更に、振動電極の一端をスリットの内面を伝って隔壁部の壁面と対向するスリットの内壁面まで延在させ、この延在部と圧電基体の外側面に被着させたグランド電極との間に容量を形成している。これにより、圧電基体の一部は、コンデンサとしても機能する。
【００４８】
即ち、圧電素子の振動空間を確保したり、圧電素子を機械的ストレスから保護するためのケースや、リード端子や外部端子電極、及び、静電容量を形成するコンデンサ素子、圧電素子とコンデンサ素子を接合する導電性樹脂、これら接合した積層体をリード端子に接続・固定をする導電性樹脂といった部品を使用することなく圧電共振子を構成できる。これにより、必要な部品は少なくて済むと同時に、設計面においても部品の寸法ばらつきや組み立て時の組み立て精度ばらつきを考慮する必要がないため、小型化設計が可能となる。更に、組み立て時の、多くの煩雑な工程を必要としないため、生産性に優れた圧電共振子を提供できる。更にまた、振動電極と入出力端子間の接続に導電性樹脂を使用しないため、接合面の剥離やクラックの発生によるオープン不良の恐れもなく、信頼性性能に優れた圧電共振子を提供できる。
【００４９】
また、本発明によれば、グランド電極と入出力端子との間にも容量が形成されている。これにより、対向する延在部とグランド電極間の容量に加えて、圧電基体側面部での、グランド電極と入出力端子との間の容量も加味されるため、広い範囲での容量形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電共振子の外観斜視図である。
【図２】図１の圧電共振子の上面図である。
【図３】図１の圧電共振子のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る圧電共振子の断面図である。
【図５】従来の圧電共振子を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電共振子
２・・・圧電基体
３ａ、３ｂ・・・スリット
４・・・隔壁部
５・・・振動電極
６・・・入力端子
７・・・出力端子
８・・・接続電極
１０・・・延在部
１１・・・導出部
１２・・・導出部
２１・・・グランド電極
３１・・・蓋体

Claims

直方体状をなす圧電基体に厚み方向に貫通する一対のスリットを平行に形成して該スリット間に隔壁部を立設し、該隔壁部の両壁面に、一部が対向するように配置された一対の振動電極を被着させ、これら一対の振動電極を前記圧電基体の外側面に導出して該導出部に入出力端子を形成してなり、前記一対の振動電極への電力印加に伴ない前記隔壁部に厚みすべり振動を起こさせるようにした圧電共振子であって、
前記振動電極の一端を前記スリットの内面を伝って前記隔壁部の壁面と対向するスリットの内壁面まで延在させるとともに、該延在部と対向する前記圧電基体の外側面にグランド電極を被着させ、このグランド電極と前記振動電極の延在部との間に容量を形成したことを特徴とする圧電共振子。
前記グランド電極と前記入出力端子との間にも容量が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電共振子。
前記隔壁部の上面及び下面を前記圧電基体の上面及び下面よりもそれぞれ内側に位置させるとともに、前記圧電基体の上面及び下面に前記一対のスリットの開口部を塞ぐ一対の蓋体を前記隔壁部と非接触の状態で取着させたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電共振子。