JP3499469B2

JP3499469B2 - 圧電共振子

Info

Publication number: JP3499469B2
Application number: JP22306899A
Authority: JP
Inventors: 利幸鈴木; 正和廣瀬
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2004-02-23
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: JP2001053575A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一対の対向面を有
し実効ポアソン比が１／３未満の圧電材料を含む圧電基
板の前記対向面に一対の電極が対応してそれぞれ設けら
れた圧電共振子に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、圧電セラミックを用いた圧電共振
子は、フィルタ，レゾネータあるいはセンサなどに幅広
く用いられている。特に、チタン酸鉛（ＰＴ）あるいは
チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料は水晶
などに代表される単結晶の圧電材料に比べて安価であ
り、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc-Read Only Memory ）
あるいはＤＶＤ（Digital Video Disc）などにおいて基
準信号（クロック）を発生させるレゾネータに広く用い
られている。しかし、これらの圧電材料は鉛（Ｐｂ）を
含有しているので、最近では環境への配慮から鉛を含有
しない圧電材料の開発が望まれている。

【０００３】鉛を含有しない圧電材料としては、例え
ば、タンタル酸化合物あるいはニオブ酸化合物などのペ
ロブスカイト構造を有する化合物およびその固溶体、イ
ルメナイト構造を有する化合物および固溶体、ビスマス
（Ｂｉ）を含む層状構造化合物、またはタングステン−
ブロンズ構造を有する化合物が知られている。なかでも
ビスマスを含む層状構造化合物は、比誘電率が低く比較
的大きな圧電性を示すと共に、機械的品質係数Ｑ_mが高
く、更に、キュリー温度も高く高温でも劣化しにくいな
どの優れた特徴を有している。

【０００４】しかし、これらの圧電材料は実効ポアソン
比が１／３未満なので、ＰＺＴなどの実効ポアソン比が
１／３以上の圧電材料を用いた圧電共振子と同様の構
造、例えば、圧電基板の一対の対向面に圧電基板よりも
面積が小さい一対の電極をそれぞれ設けただけの構造で
は、厚み縦振動における基本波のエネルギーを閉じ込め
ることがでず、基本波の振動を利用することは難しかっ
た。そこで、これらの圧電材料を用いた圧電共振子にお
いては、従来、基本波の振動を抑圧して厚み縦振動の３
次高調波を利用するものが多かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特定の
波長における振動の起こりやすさを表す共振先鋭度Ｑ値
は基本波に比べて３次高調波の方が小さいので、３次高
調波を利用するには、Ｑ値が大きい基本波の振動をダン
ピングにより抑制し、Ｑ値が小さい３次高調波の振動を
得なければならず、安定した振動が得られないという問
題があった。よって、鉛を含有しない圧電材料は利用が
望まれながらも一般的な実用化が難しかった。

【０００６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、実効ポアソン比が１／３未満の圧電
材料を用いて安定した振動を簡単に得ることができる圧
電共振子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による圧電共振子
は、一対の対向面を有し実効ポアソン比が１／３未満の
圧電材料を含む圧電基板の前記対向面に一対の振動電極
がそれぞれ対応して設けられたものであって、圧電基板
の対向面はそれぞれ矩形状であり、その片面における互
いに垂直な一辺と他の一辺との長さの和はそれぞれ２．
２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下の範囲内または２．３４
ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内であり、厚み縦振動
の基本波を発生させるものである。

【０００８】この圧電共振子では、圧電基板の対向面
における互いに垂直な一辺と他の一辺との長さの和がそ
れぞれ２．２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下の範囲内また
は２．３４ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内となって
いるので、厚み縦振動の基本波を利用することが可能と
なり、安定した振動が得られる。

【０００９】なお、この圧電共振子では、例えば、圧電
基板の対向面における一辺の長さがそれぞれ１．０６ｍ
ｍ以上１．２４ｍｍ以下の範囲内であり、他の一辺の長
さがそれぞれ１．１６ｍｍ以上１．３０ｍｍ以下の範囲
内であることが好ましく、一辺の長さがそれぞれ１．１
６ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の範囲内であり、他の一辺
の長さがそれぞれ１．１８ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の
範囲内であればより好ましい。また、圧電基板はビスマ
スを含む層状構造化合物、例えば、ビスマスとストロン
チウムとチタンと酸素とを含む層状構造化合物を含有す
るように構成されることが好ましい。更に、この層状構
造化合物にランタンを含むように構成してもよい。

【００１０】本発明による他の圧電共振子は、一対の
対向面を有し実効ポアソン比が１／３未満の圧電材料を
含む圧電基板の前記対向面に一対の振動電極がそれぞれ
対応して設けられたものであって、圧電基板の対向面の
面積は、片面についてそれぞれ１．２２ｍｍ²以上１．
２６ｍｍ²以下の範囲内または１．３５ｍｍ²以上１．
５３８ｍｍ²以下の範囲内であり、厚み縦振動の基本波
を発生させるものである。

【００１１】この圧電共振子では、圧電基板の対向面
の面積が片面についてそれぞれ１．２２ｍｍ²以上１．
２６ｍｍ²以下の範囲内または１．３５ｍｍ²以上１．
５３８ｍｍ²以下の範囲内となっているので、厚み縦振
動の基本波を利用することが可能となり、安定した振動
が得られる。

【００１２】なお、この圧電共振子でも、圧電基板はビ
スマスを含む層状構造化合物、例えば、ビスマスとスト
ロンチウムとチタンと酸素とを含む層状構造化合物を含
有するように構成されることが好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施の形態に係る圧電共
振子の構成を表すものである。この圧電共振子は、一対
の対向面１ａ，１ｂを有し実効ポアソン比が１／３未満
の圧電材料を含む圧電基板１と、この圧電基板１の対向
面１ａ，１ｂにそれぞれ対応して設けられた一対の電極
２，３とを備えている。

【００１５】圧電基板１の対向面１ａ，１ｂは互いにほ
ぼ同一形状であり、例えば、それぞれ矩形状とされてい
る。なお、ここでいう矩形状とは実質的な意味での矩形
状のことであり、角が若干欠けていたり、角が正確に９
０度でなくてもよい。対向面１ａ，１ｂの片面における
互いに垂直な一辺と他の一辺との長さの和αはそれぞれ
２．２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下の範囲内または２．
３４ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内となっている。
すなわち、一辺の長さをＬｃ、他の一辺の長さをＷｃと
すると、一辺の長さＬｃと他の一辺の長さＷｃとの関係
は数１に示したようになる。

【００１６】

【数１】Ｌｃ＋Ｗｃ＝α ２．２２ｍｍ≦α≦２．２４ｍｍまたは２．３４ｍｍ≦α≦２．４８ｍｍ

【００１７】この圧電共振子では、このように圧電基板
１の対向面１ａ，１ｂにおける一辺の長さＬｃと他の一
辺の長さＷｃとが規定されることにより、実効ポアソン
比が１／３未満の圧電材料を用いても基本波について良
好な波形および高い共振先鋭度Ｑ値を得ることができ、
基本波の振動を利用することができるようになってい
る。なお、対向面１ａ，１ｂにおける一辺の長さＬｃは
それぞれ１．０６ｍｍ以上１．２４ｍｍ以下の範囲内が
好ましく、他の一辺の長さＷｃはそれぞれ１．１６ｍｍ
以上１．３０ｍｍ以下の範囲内が好ましい。これらの範
囲内において基本波についてより良好な波形を得ること
ができるからである。また、より好ましい一辺の長さＬ
ｃはそれぞれ１．１６ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の範囲
内であり、他の一辺の長さＷｃはそれぞれ１．１８ｍｍ
以上１．２２ｍｍ以下の範囲内である。ちなみに、本実
施の形態において一辺の長さＬｃは、後述する電極２，
３における引き出し部２ｂ，３ｂの延長方向Ｉと同一方
向に延長された辺の長さであり、他の一辺の長さＷｃ
は、それに対して垂直な方向に延長された辺の長さであ
る。

【００１８】圧電基板１における対向面１ａ，１ｂの面
積Ｓｃは、片面についてそれぞれ１．２２ｍｍ²以上
１．２６ｍｍ²以下の範囲内または１．３５ｍｍ²以上
１．５３８ｍｍ²以下の範囲内であることが好ましい。
このような範囲内において基本波の振動を利用すること
ができるからである。

【００１９】圧電基板１を構成する実効ポアソン比が１
／３未満の圧電材料としては、例えば、タンタル酸化合
物あるいはニオブ酸化合物などのペロブスカイト構造を
有する化合物およびその固溶体、イルメナイト構造を有
する化合物および固溶体、パイロクロア構造を有する化
合物、ビスマスを含む層状構造化合物、またはタングス
テン−ブロンズ構造を有する化合物などが挙げられる。
この圧電基板１は、これらの圧電材料を最大含有成分で
ある主成分として含んでいる。

【００２０】なお、タンタル酸化合物またはニオブ酸化
合物としては、例えば、ナトリウム（Ｎａ），カリウム
（Ｋ）およびリチウム（Ｌｉ）などからなる群のうちの
少なくとも１種の第１の元素と、タンタル（Ｔａ）およ
びニオブ（Ｎｂ）からなる群のうちの少なくとも１種の
第２の元素と、酸素とを含むものが挙げられる。これら
は、第１の元素をＡとし、第２の元素をＢとすると、化
１に示した一般式で表される。

【化１】ＡＢＯ₃

【００２１】また、ビスマスを含む層状構造化合物とし
ては、例えば、ビスマスと、ナトリウム，カリウム，バ
リウム（Ｂａ），ストロンチウム（Ｓｒ），鉛（Ｐ
ｂ），カルシウム（Ｃａ），イットリウム（Ｙ）および
ランタノイド（Ｌｎ）およびビスマスなどからなる群の
うちの少なくとも１種の第１の元素と、バナジウム
（Ｖ），ジルコニウム（Ｚｒ），アンチモン（Ｓｂ），
チタン（Ｔｉ），ニオブ，タンタル，タングステン
（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）などからなる群のうち
の少なくとも１種の第２の元素と、酸素とを含むものが
挙げられる。これらは、第１の元素をＣとし、第２の元
素をＤとすると、化２に示した一般式で表される。

【化２】（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ｃ_m-1Ｄ_mＯ_3m+1）^2- ｍ：１から８までの整数

【００２２】更に、タングステンブロンズ化合物には一
般式はなく、例えば、ＮａＷＯ₆ＢａＮａＮｂ０₁₅など
がある。但し、ここで示した化学式はいずれも化学量論
組成で表したものであり、圧電基板１を構成する圧電材
料としては化学量論組成でないものが用いられてもよ
い。

【００２３】ちなみに、これらの中でも、ビスマスを含
む層状構造化合物は圧電基板１を構成する圧電材料とし
て好ましい。機械的品質係数Ｑ_mおよびキュリー温度が
高く、特にレゾネータとして優れた特性を得ることがで
きるからである。例えば、ビスマスとストロンチウムと
チタンと酸素とを含む層状構造化合物が好ましく、特
に、この層状構造化合物にランタンを含むものはより好
ましい。

【００２４】電極２は、例えば、銀（Ａｇ）などの金属
により構成されており、振動電極２ａと、この振動電極
２ａに連続して設けられた引き出し部２ｂとを有してい
る。振動電極２ａは、例えば、矩形状に形成されてお
り、対向面１ａのほぼ中央部に設けられている。引き出
し部２ｂは、例えば、図示しない外部電源に対してワイ
ヤなどを介して電気的に接続されるものであり、振動電
極２ａから圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける一辺
の延長方向Ｉに沿って他の一辺の方に延長して形成され
ている。電極３は電極２と同様の構成を有しており、振
動電極３ａは電極２の振動電極２ａと圧電基板１を介し
て重なるように設けられている。なお、引き出し部３ｂ
は電極２の引き出し部２ｂと反対の方向に振動電極３ａ
から延長して形成されている。

【００２５】ちなみに、振動電極２ａ，３ａの大きさは
特に限定されるものではなく、どのような大きさでもよ
い。また、ここでは振動電極２ａ，３ａの形状が矩形状
の場合について説明したが、振動電極２ａ，３ａの形状
も特に限定されるものではなく、円形状など他の形状と
されていてもよい。更に、引き出し部２ｂ，３ｂの形状
も特に限定されるものではなく、他の形状、例えば、圧
電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける他の一辺の延長方
向の長さが振動電極２ａ，３ａと異なっていてもよい。

【００２６】このような構成を有する圧電共振子は、例
えば、次のようにして製造することができる。

【００２７】まず、例えば、圧電基板１の出発原料とし
て主に酸化物の原料を用い、それらを所望の組成となる
ように秤量し、純水あるいはアセトンなどの溶媒中でジ
ルコニアボ─ルを使いボ─ルミル混合を行う。次いで、
混合した原料粉末を十分に乾燥させたのち、例えば、プ
レス成形により７００〜９００℃の温度で仮焼成をす
る。続いて、例えば、この仮焼成体を再度ボ─ルミル粉
砕したのち、乾燥させ、バインダーとしてポリビニルア
ルコ─ルを適量加えて造粒する。造粒したのち、例え
ば、この造粒紛を一軸プレス成型器を用いて２０００〜
３０００ｋｇ・ｆ／ｃｍ²の加重により縦２０ｍｍ，横
２０ｍｍ，厚み約１．５ｍｍの薄板状に成形する。その
のち、例えば、熱処理により成形体からバインダーを揮
発させ、１１００〜１３５０℃の温度で本焼成を行う。
本焼成を行ったのち、この焼結体の厚さを例えばラップ
研磨機により研磨して整え、圧電基板１の母材板を形成
する。

【００２８】母材板を形成したのち、例えば、銅（Ｃ
ｕ）を真空蒸着することにより、母材板の両面にそれぞ
れ図示しない分極処理用電極を形成する。そののち、例
えば、この分極処理用電極を形成した母材板を２００〜
３００℃に加熱したシリコンオイル中に浸し、５〜１０
ｋＶ／ｍｍの電界を１分間印加して分極処理を行う。分
極処理を行ったのち、分極処理用電極を除去してダイシ
ングなどにより母材板の大きさを整え、圧電基板１を形
成する。そののち、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂに例
えば蒸着により銀などの金属よりなる電極２，３を形成
する。これにより、図１に示した圧電共振子が形成され
る。

【００２９】このような圧電共振子は、次のように動作
する。

【００３０】この圧電共振子では、電極２，３の引き出
し部２ａ，３ａにそれぞれ図示しないワイヤなどを介し
て外部電源が接続され、電極２，３を介して圧電基板１
に電圧が印加されることにより、厚み縦方向の振動を生
ずる。すなわち、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂの対向
方向に振動を生ずる。ここでは、圧電基板１の対向面１
ａ，１ｂにおける一辺と他の一辺との長さの和αがそれ
ぞれ２．２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下または２．３４
ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内とされているので、
また、対向面１ａ，１ｂの片面における面積Ｓｃがそれ
ぞれ１．２２ｍｍ²以上１．２６ｍｍ²以下または１．
３５ｍｍ²以上１．５３８ｍｍ²以下の範囲内とされて
いるので、基本波の振動について良好な波形および高い
共振先鋭度Ｑ値が得られ、基本波の振動を利用すること
が可能となっている。

【００３１】このように本実施の形態によれば、圧電基
板１の対向面１ａ，１ｂにおける互いに垂直な一辺と他
の一辺との長さの和αをそれぞれ２．２２ｍｍ以上２．
２４ｍｍ以下または２．３４ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下
の範囲内とするようにしたので、また、圧電基板１の対
向面１ａ，１ｂの片面における面積Ｓｃを１．２２ｍｍ
²以上１．２６ｍｍ²以下または１．３５ｍｍ²以上
１．５３８ｍｍ²以下の範囲内とするようにしたので、
実効ポアソン比が１／３未満の圧電材料を用いて圧電基
板１を構成するようにしても、基本波の振動について良
好な波形および高い共振先鋭度Ｑ値を得ることができ、
基本波の振動を利用することができる。

【００３２】よって、ダンピングを行う必要がなく、か
つ従来の高調波を利用するものに比べて高いＱ値を得る
ことができるので、安定した振動を容易に得ることがで
きる。従って、鉛を含有しない圧電材料を用いた圧電共
振子を広く実用化することができ、環境の保全を図るこ
とができる。また、圧電共振子を小型化することもで
き、小型形状の素子に対応することができる。

【００３３】なお、対向面１ａ，１ｂにおける一辺の長
さＬｃをそれぞれ１．０６ｍｍ以上１．２４ｍｍ以下の
範囲内、他の一辺の長さＷｃをそれぞれ１．１６ｍｍ以
上１．３０ｍｍ以下の範囲内とするようにすれば、より
良好な波形を得ることができる。また、一辺の長さＬｃ
をそれぞれ１．１６ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の範囲
内、他の一辺の長さＷｃをそれぞれ１．１８ｍｍ以上
１．２２ｍｍ以下の範囲内とするようにすれば、更に良
好な波形を得ることができる。

【００３４】

【実施例】更に、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００３５】まず、出発原料として、酸化ビスマス（Ｂ
ｉ₂Ｏ₃），酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃），酸化チタン
（ＴｉＯ₂），炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₃）およ
び炭酸マンガン（ＭｎＣＯ₃）の粉末原料を用い、酸化
ビスマス，酸化ランタン，酸化チタンおよび炭酸ストロ
ンチウムを（Ｓｒ_0.9Ｌａ_0.1）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅の組
成となるように秤量すると共に、炭酸マンガンを（Ｓｒ
_0.9Ｌａ_0.1）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅に対して０．５重量％
含むように秤量した。次いで、秤量した粉末原料につい
て純水中でジルコニアボールを使い約１５時間のボール
ミル混合を行った。続いて、混合した原料粉末を十分に
乾燥させたのち、プレス成形により８００℃で仮焼成し
た。そののち、この仮焼成体を再度ボールミル粉砕して
乾燥させ、バインダーとしてポリビニルアルコ─ルを適
量加えて造粒した。造粒したのち、この造粒紛を一軸プ
レス成型器を用いて２０００ｋｇ・ｆ／ｃｍ²の荷重に
より縦２０ｍｍ，横２０ｍｍ，厚み約１．５ｍｍの薄板
状に成形した。成形ののち、熱処理により成形体からバ
インダーを揮発させ、１２００°Ｃで本焼成を行った。
これにより、ＳｒＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅型結晶を含むビスマ
ス層状化合物の焼結体を得た。

【００３６】焼結体を得たのち、この焼結体をラップ研
磨機により研磨し、厚さ０．５０１ｍｍの母材板を作製
した。そののち、この母材板に分極処理用電極を形成
し、２５０℃のシリコンオイル中に浸して１０ｋＶ／ｍ
ｍの電界を１分間印加して分極処理を行った。分極処理
を行ったのち、分極処理用電極を除去し、母材板をダイ
シングして対向面１ａ，１ｂの大きさを変化させた複数
の圧電基板１を作製した。表１に作製した圧電基板１の
対向面１ａ，１ｂの大きさを示す。このように、ここで
は対向面１ａ，１ｂの一辺の長さＬｃを１．０６ｍｍ〜
１．２４ｍｍの範囲内において０．０２ｍｍづつ変化さ
せると共に、他の一辺の長さＷｃを１．１６ｍｍ〜１．
３０ｍｍの範囲内において０．０２ｍｍづつ変化させた
圧電基板１をそれぞれ作製した。表１において、一辺の
長さＬｃと他の一辺の長さＷｃとの交差する位置に示し
た数値は、対向面１ａ，１ｂの片面における面積Ｓｃで
ある。

【００３７】

【表１】

【００３８】圧電基板１を作製したのち、圧電基板１の
対向面１ａ，１ｂに銀の電極２，３をそれぞれ蒸着し、
圧電共振子を得た。なお、全ての圧電振動子について、
電極２，３における振動電極２ａ，３ａの形状は矩形状
とし、その大きさは圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにお
ける一辺の延長方向Ｉに延長された辺の長さを１．０ｍ
ｍ、それに対して垂直な方向に延長された辺の長さを
０．９ｍｍとした。

【００３９】このようにして得られた各圧電共振子につ
いて、２４時間にわたって室温で放置したのち、インピ
ーダンスアナライザを用いて厚み縦方向の圧電特性をそ
れぞれ調べた。その際、圧電特性値としてはインピーダ
ンス特性および位相特性を測定し、その測定結果から厚
み縦基本波における主振動部の波形について評価をそれ
ぞれ行った。また、基本波（１次）の振動における最大
共振先鋭度Ｑmax1stと、３次高調波の振動における最大
共振先鋭度Ｑmax3rdとを求め、その比Ｑmax1st／Ｑmax3
rdをそれぞれ算出した。なお、共振先鋭度Ｑ値というの
はインピーダンスにおけるリアクアタンスＸの絶対値を
そのレジスタンスＲで除算した値（Ｑ＝｜Ｘ｜／Ｒ）で
あり、最大共振先鋭度Ｑmax というのは共振周波数と反
共振周波数との間における共振先鋭度Ｑ値の最大値であ
る。

【００４０】表２に厚み縦基本波の波形に関する評価結
果を示す。表２において、◇印は主振動部においてスプ
リアスが存在しない最良の波形が得られたものであり、
○印は主振動部においてスプリアスは存在するが少ない
優良の波形が得られたものであり、△印は主振動部にお
いてスプリアスは多少存在するが使用可能な良の波形が
得られたものであり、×印は主振動部においてスプリア
スが多数存在し使用不可能な不良の波形が得られたもの
である。スプリアスの有無は、共振周波数と反共振周波
数との間およびその周波数の前後０．１５％の範囲内に
おいて判断した。

【００４１】

【表２】

【００４２】なお、図２に最良◇の波形が得られた代表
的な圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を
示す。これは、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける
一辺の長さＬｃを１．２ｍｍ、他の一辺の長さＷｃを
１．２ｍｍ、片面の面積Ｓｃを１．４４ｍｍ²とした圧
電共振子の測定結果である。図２において縦軸左側はイ
ンピーダンスＩｍｐ（Ω）、縦軸右側は位相θｚ（°）
を表し、横軸は周波数Ｆｒｅｑ（ＭＨｚ）を表してい
る。この圧電共振子では、図２から分かるように、主振
動部の波形においてスプリアスが存在せず、基本波の振
動を利用することができる。

【００４３】図３に優良○の波形が得られた代表的な圧
電共振子のインピーダンス特性および位相特性を示す。
これは、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける一辺の
長さＬｃを１．１８ｍｍ、他の一辺の長さＷｃを１．２
８ｍｍ、片面の面積Ｓｃを１．５１０４ｍｍ²とした圧
電共振子の測定結果である。図３の縦軸および縦軸は図
２と同様である。この圧電共振子では、図３から分かる
ように、主振動部の波形においてスプリアスは存在する
が少なく、スプリアスの存在により圧電共振子の特性へ
の影響はあるが、このスプリアスを除去することにより
基本波の振動を利用することができる。

【００４４】図４に良△の波形が得られた代表的な圧電
共振子のインピーダンス特性および位相特性を示す。こ
れは、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける一辺の長
さＬｃを１．０６ｍｍ、他の一辺の長さＷｃを１．１８
ｍｍ、片面の面積Ｓｃを１．２５０８ｍｍ²とした圧電
共振子の測定結果である。図４の縦軸および縦軸は図２
と同様である。この圧電共振子では、図４から分かるよ
うに、主振動部の波形においてスプリアスは多少存在す
るが使用可能な範囲内であり、スプリアスを除去するこ
とにより基本波の振動を利用することができる。

【００４５】図５に不良×の波形が得られた比較例とし
ての代表的な圧電共振子のインピーダンス特性および位
相特性を示す。これは、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂ
における一辺の長さＬｃを１．１４ｍｍ、他の一辺の長
さＷｃを１．１８ｍｍ、片面の面積Ｓｃを１．３４５２
ｍｍ²とした圧電共振子の測定結果である。図５の縦軸
および縦軸は図２と同様である。この圧電共振子では、
図５から分かるように、主振動部の波形においてスプリ
アスが多数存在しており、基本波の振動を利用すること
ができない。

【００４６】これらの結果から、表２および表１におい
て太線で示した範囲内、すなわち、圧電基板１の対向面
１ａ，１ｂにおける一辺の長さＬｃと他の一辺の長さＷ
ｃとの和αが２．２２ｍｍ≦α≦２．２４ｍｍまたは
２．３４ｍｍ≦α≦２．４８ｍｍの範囲内、また、対向
面１ａ，１ｂの片面についての面積Ｓｃが１．２２ｍｍ
²≦Ｓｃ≦１．２６ｍｍ²または１．３５ｍｍ²≦Ｓｃ
≦１．５３８ｍｍ²の範囲内において基本波の振動を利
用できることが分かる。また、圧電基板１の対向面１
ａ，１ｂの一辺の長さＬｃが１．１６ｍｍ≦Ｌｃ≦１．
２２ｍｍの範囲内、他の一辺の長さＷｃが１．１８ｍｍ
≦Ｗｃ≦１．２２ｍｍの範囲内において特に良好な基本
波の波形を得られることが分かる。

【００４７】また、表３に最大共振先鋭度Ｑmax1st，Ｑ
max3rdおよびその比Ｑmax1st／Ｑmax3rdの結果を代表し
ていくつか示す。最大共振先鋭度の比Ｑmax1st／Ｑmax3
rdの値が３未満の場合には異常発振が生じて発振周波数
の周波数安定性が悪くなってしまうが、ここでは、表３
に示さなかったものも含めいずれの圧電共振子について
も３以上の値を得ることができた。すなわち、圧電基板
１の対向面１ａ，１ｂの大きさを上述した範囲内とした
ものについては、基本波の振動を安定して得られること
が分かる。

【００４８】

【表３】

【００４９】更に、圧電基板１の厚さを０．２３ｍｍ、
対向面１ａ，１ｂの一辺の長さＬｃを１．２０ｍｍ、他
の一辺の長さＷｃを１．２０ｍｍとしたことを除き、上
述と同様にして圧電共振子を作製した。この圧電共振子
についても、上述と同様にして厚み縦方向の圧電特性を
調べた。その結果を表３に合わせて示す。表３に示した
ように、基本波の波形は優良○であり、最大共振先鋭度
の比Ｑmax1st／Ｑmax3rdも３以上の値が得られた。すな
わち、圧電基板１の厚さを変化させても、圧電基板１の
対向面１ａ，１ｂの大きさを上述した範囲内としたもの
については、基本波の振動を安定して得られることが分
かる。但し、圧電基板１の厚さを薄くして周波数を高く
すると、スプリアスが若干多く存在してしまう傾向にあ
った。

【００５０】加えて、圧電基板１の厚さを０．５０１ｍ
ｍ、対向面１ａ，１ｂの一辺の長さＬｃを１．２０ｍ
ｍ、他の一辺の長さＷｃを１．２０ｍｍとし、電極２，
３の振動電極２ａ，３ａの大きさを変化させたことを除
き、上述と同様にして圧電共振子を作製した。表４に作
製した圧電共振子の振動電極２ａ，３ａの大きさを示
す。このように、ここでは振動電極２ａ，３ａを正方形
とし、圧電基板１の対向面１ａ，１ｂにおける一辺の延
長方向Ｉに延長された辺の長さＬｅおよびそれに対して
垂直な方向に延長された辺の長さＷｅを１．１０ｍｍ〜
０．７０ｍｍの範囲内において０．１ｍｍづつ変化させ
た。振動電極２ａ，３ａの面積Ｓｅおよび圧電基板１の
対向面１ａ，１ｂの片面における面積Ｓｃに対する振動
電極２ａ，３ａの面積Ｓｅの比（Ｓｅ／Ｓｃ）は、それ
ぞれ表４に示したとおりである。

【００５１】

【表４】

【００５２】これらの圧電共振子についても、上述と同
様にして厚み縦方向の圧電特性を調べた。その結果を表
４に合わせて示す。表４に示したように、いずれも基本
波の波形は優良○であり、最大共振先鋭度の比Ｑmax1st
／Ｑmax3rdについても３以上の値が得られた。すなわ
ち、振動電極２ａ，３ａの大きさを変化させても、圧電
基板１の対向面１ａ，１ｂの大きさを上述した範囲内と
したものについては、基本波の振動を安定して得られる
ことが分かる。

【００５３】以上の結果から、ビスマスとストロンチウ
ムとチタンと酸素とを含む層状構造化合物を主成分とし
て圧電基板１を構成しても、圧電基板１の対向面１ａ，
１ｂにおける一辺の長さＬｃと他の一辺の長さＷｃとの
和αを２．２２ｍｍ≦α≦２．２４ｍｍまたは２．３４
ｍｍ≦α≦２．４８ｍｍの範囲内、また、対向面１ａ，
１ｂの片面についての面積Ｓｃを１．２２ｍｍ²≦Ｓｃ
≦１．２６ｍｍ²または１．３５ｍｍ²≦Ｓｃ≦１．５
３８ｍｍ²の範囲内とするようにすれば、基本波の振動
を安定して得られることが分かった。また、圧電基板１
の対向面１ａ，１ｂの一辺の長さＬｃを１．１６ｍｍ≦
Ｌｃ≦１．２２ｍｍの範囲内、他の一辺の長さＷｃを
１．１８ｍｍ≦Ｗｃ≦１．２２ｍｍの範囲内とすれば、
特に良好な基本波の波形を得られることが分かった。

【００５４】なお、上述した実施例ではビスマスとスト
ロンチウムとチタンと酸素とランタンとを含む層状構造
化合物を用いて圧電基板１を構成した場合について説明
したが、他のビスマスを含む層状構造化合物を用いて圧
電基板１を構成しても、同様の結果を得ることができ
る。また、ビスマスを含む層状構造化合物以外の実効ポ
アソン比が１／３未満の圧電材料を用いても、同様の結
果を得ることができる。

【００５５】以上、実施の形態および実施例を挙げて本
発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実
施例に限定されるものではなく、種々変形することがで
きる。例えば、上記実施の形態および実施例では、圧電
基板１を構成する圧電材料について具体的に例を挙げて
説明したが、実効ポアソン比が１／３未満のものであれ
ば広く適用することができる。

【００５６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１乃至請求
項７のいずれか１に記載の圧電共振子によれば、圧電基
板の対向面における互いに垂直な一辺と他の一辺との長
さの和をそれぞれ２．２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下ま
たは２．３４ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内とする
ようにしたので、また、圧電基板の対向面の面積を片面
についてそれぞれ１．２２ｍｍ²以上１．２６ｍｍ²以
下または１．３５ｍｍ²以上１．５３８ｍｍ以下の範囲
内とするようにしたので、実効ポアソン比が１／３未満
の圧電材料を用いて圧電基板１を構成するようにして
も、厚み縦振動の基本波について良好な波形および高い
共振先鋭度Ｑ値を得ることができ、基本波の振動を利用
することができる。よって、ダンピングを行う必要がな
く、従来の高調波を利用するものに比べて高いＱ値を得
ることができ、安定した振動を容易に得ることができ
る。従って、鉛を含有しない圧電材料を用いた圧電共振
子を広く実用化することができ、環境の保全を図ること
ができるという効果を奏する。また、圧電共振子を小型
化することもでき、小型形状の素子に対応することがで
きるという効果も奏する。

【００５７】特に、請求項２または請求項３に記載の圧
電共振子によれば、対向面における一辺の長さをそれぞ
れ１．０６ｍｍ以上１．２４ｍｍ以下の範囲内、他の一
辺の長さをそれぞれ１．１６ｍｍ以上１．３０ｍｍ以下
の範囲内、または、一辺の長さをそれぞれ１．１６ｍｍ
以上１．２２ｍｍ以下の範囲内、他の一辺の長さをそれ
ぞれ１．１８ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の範囲内とする
ようにしたので、より良好な波形を得ることができると
うい効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る圧電共振子の構成
を表す斜視図である。

【図２】本発明の実施例に係る最良◇の波形が得られた
圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を表す
図である。

【図３】本発明の実施例に係る優良○の波形が得られた
圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を表す
図である。

【図４】本発明の実施例に係る良△の波形が得られた圧
電共振子のインピーダンス特性および位相特性を表す図
である。

【図５】本発明の比較例に係る不良×の波形が得られた
圧電共振子のインピーダンス特性および位相特性を表す
図である。

【符号の説明】

１…圧電基板、１ａ，１ｂ…対向面、２，３…電極、２
ａ，３ａ…振動電極、２ｂ，３ｂ…引き出し部

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/17 H01L 41/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の対向面を有し実効ポアソン比が１
／３未満の圧電材料を含む圧電基板の前記対向面に一対
の振動電極がそれぞれ対応して設けられた圧電共振子で
あって、前記圧電基板の対向面はそれぞれ矩形状であり、その片面における互いに垂直な一辺と他の一辺との長さ
の和はそれぞれ２．２２ｍｍ以上２．２４ｍｍ以下の範
囲内または２．３４ｍｍ以上２．４８ｍｍ以下の範囲内
であり、厚み縦振動の基本波を発生させることを特徴とする圧電
共振子。
【請求項２】前記対向面における一辺の長さはそれぞ
れ１．０６ｍｍ以上１．２４ｍｍ以下の範囲内であり、
他の一辺の長さそれぞれ１．１６ｍｍ以上１．３０ｍｍ
以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の圧
電共振子。
【請求項３】前記対向面における一辺の長さはそれぞ
れ１．１６ｍｍ以上１．２２ｍｍ以下の範囲内であり、
他の一辺の長さはそれぞれ１．１８ｍｍ以上１．２２ｍ
ｍ以下の範囲内であることを特徴とする請求項２記載の
圧電共振子。
【請求項４】一対の対向面を有し実効ポアソン比が１
／３未満の圧電材料を含む圧電基板の前記対向面に一対
の振動電極がそれぞれ対応して設けられた圧電共振子で
あって、前記圧電基板の対向面の面積は、片面についてそれぞれ
１．２２ｍｍ²以上１．２６ｍｍ²以下の範囲内または
１．３５ｍｍ²以上１．５３８ｍｍ²以下の範囲内であ
り、厚み縦振動の基本波を発生させることを特徴とする圧電
共振子。
【請求項５】前記圧電基板はビスマス（Ｂｉ）を含む
層状構造化合物を含有することを特徴とする請求項１乃
至４のいずれか１に記載の圧電共振子。
【請求項６】前記層状構造化合物はビスマスとストロ
ンチウム（Ｓｒ）とチタン（Ｔｉ）と酸素（Ｏ）とを含
むことを特徴とする請求項５記載の圧電共振子。
【請求項７】前記層状構造化合物はビスマスとストロ
ンチウム（Ｓｒ）とランタン（Ｌａ）とチタン（Ｔｉ）
と酸素（Ｏ）とを含むことを特徴とする請求項５記載の
圧電共振子。