JP4127404B2 - 圧電共振部品 - Google Patents

Description

本発明は、厚み縦３次高調波モードで使用する負荷容量外付け２端子表面実装型圧電共振部品に関する。

一般的に、圧電共振部品は、圧電共振子と圧電共振子を両側から挟みこむ天板及びベース基板とを含んで構成される。圧電共振子は、圧電基板と、その両面に対向して配置された振動電極とを含んで構成される。振動電極を含むその周囲は振動領域とされる。振動領域は、圧電共振子が振動するための空間を必要とする。このため、天板及びベース基板は、振動空間を確保するため、凹部を形成したり、スペーサを用いて圧電共振子を両側から挟みこんで組み立てられる。

このように構成された圧電共振部品において、厚み縦３次高調波モードで使用する圧電共振部品は、メインの周波数以外に１次あるいは５次等のスプリアス発振できる周波数帯が存在し、スプリアスモードで異常発振する懸念がある。

図５は、厚み縦３次高調波モードのインピーダンス及び位相を示す波形図であり、図６はその３次高調波部分の拡大図である。図５によれば、メインモードの３次高調波モード以外に、その両側の１次あるいは５次高調波モードでも発振し得ることがわかる。

この異常発振を防ぐためには、圧電共振子と並列に容量を付加し、発振を抑圧することで効果が得られることが知られている。すなわち、圧電共振部品において、各帯域内における位相最大値のｔａｎをＱｍａｘとしたとき（図６参照）、Ｑｍａｘが大きいほど発振し易いが、圧電共振子と並列に容量を付加すると、Ｑｍａｘが小さくなり発振が抑圧されるからである。

しかし、負荷容量外付け２端子型圧電共振部品にあっては、容量を内蔵する必要が無いので、圧電共振子を両側から挟み込む天板及びベース基板にアルミナ等の誘電率の低いセラミクス基板が使用されていた。このため、圧電共振子と並列に容量を付加するには、コンデンサを外付けする必要があり、部品点数の増加や、コストアップの一因となっていた。

コンデンサを外付けせず、圧電共振子と並列に容量を確保する技術として、特許文献１等に開示された技術がある。これは、リップルを排除する目的で端子電極と対向して補助電極を形成することにより、圧電共振子と並列に容量を確保する技術であり、本発明とは、その目的及び構成を異にしている。しかも、補助電極により振動に影響を与える等の不具合がある。
特開平５−１６７３８３号公報

本発明の課題は、厚み縦３次高調波モードで使用する負荷容量外付け２端子表面実装型圧電共振部品において、１次あるいは５次等のスプリアス発振を防止した圧電共振部品を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係る厚み縦３次高調波モードで使用する負荷容量外付け２端子表面実装型圧電共振部品は、圧電共振子と、天板と、ベース基板と、外部端子とを含む。

前記圧電共振子は、圧電基板と、振動電極と、引き出し電極とを含む。前記振動電極は、前記圧電基板の両主面上に互いに対向して形成され、引き出し電極を介して前記外部端子に導通し、前記振動電極を含むその周囲に振動空間を有する。

前記天板及びベース基板の少なくとも一方は、誘電体材料で構成され、前記振動空間を取り囲むとともに、前記圧電共振子をその両面から挟み込んで一体化し、前記外部端子間に０．５ｐＦ〜１０ｐＦの端子間合成容量を発生させる。

上述した圧電共振部品において、天板及びベース基板の少なくとも一方が誘電体材料で構成され、振動空間を取り囲むとともに、圧電共振子をその両面から挟み込んで一体化している。このため、天板及びベース基板の少なくとも一方の誘電体材料の誘電率を利用することにより、圧電共振子と並列に付加される容量を構成でき、異常発振を抑圧することが可能となる。

異常発振は、本発明者らの実験によると、各帯域内における位相最大値のｔａｎをＱｍａｘとしたとき、Ｑｍａｘが大きいほど発振し易く、従って、３次のＱｍａｘが大きく、１次及び５次のＱｍａｘが小さい圧電共振部品が理想であることが確認された。

具体的には、３次のＱｍａｘが８より大きく、１次のＱｍａｘが４より小さく、５次のＱｍａｘが５より小さい。すなわち、
Ｑｍａｘ（３ｒｄ）＞８、
Ｑｍａｘ（１ｓｔ）＜４、
Ｑｍａｘ（５ｔｈ）＜５
の３つの条件を満たすと、厚み縦３次高調波モードで安定的に発振させることができ、１次及び５次のスプリアス発振を防止できる。そして、外部端子間に発生する合成容量を０．５ｐＦ〜１０ｐＦとすることにより、
Ｑｍａｘ（３ｒｄ）＞８、
Ｑｍａｘ（１ｓｔ）＜４、
Ｑｍａｘ（５ｔｈ）＜５
の３つの条件を満たす圧電共振部品を提供できる。

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。但し、添付図面は、単なる例示に過ぎない。

以上述べたように、本発明によれば厚み縦３次高調波モードで使用する負荷容量外付け２端子表面実装型圧電共振部品において、１次あるいは５次等のスプリアス発振を防止した圧電共振部品を提供することができる。

図１は本発明に係る圧電共振部品の一実施例を示す分解斜視図、図２は図１に図示した圧電共振部品の組立後の状態を示す斜視図、図３は図２の３−３線に沿った断面図、図４は図３に図示した内蔵容量による端子間合成容量を含む等価回路図である。

図示された圧電共振部品は、圧電共振子１と、スペーサ２と、天板３と、ベース基板４と、外部端子５１、５２とを含み、例えば、縦×横×高さ寸法がそれぞれ２．５ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍ程度に構成される。

圧電共振子１は、圧電基板１０と、振動電極１１、１２と、引き出し電極１４、１５とを含む。圧電基板１０は、材料として例えば、チタン酸鉛系等の従来から公知の圧電セラミック材料等を用いて構成してもよく、矩形板状に形成され、厚み方向に分極される。振動電極１１、１２及び引き出し電極１４、１５は、スパッタリングや蒸着等の薄膜技術または厚膜技術を適用し、それぞれ圧電基板１０の表裏両主面１０１、１０２上に形成される。

振動電極１１、１２を含むその周囲には、振動空間１１０、１２０が形成される。振動電極１１、１２は、圧電基板１０の両主面１０１、１０２上に互いに対向して形成され、それぞれ引き出し電極１４、１５を介して側面に形成された外部端子５１、５２に導通する。外部端子５１、５２は２つの端子でなる２端子構造で、それぞれ天板３の上面四隅から圧電共振部品の側面を通り、ベース基板４の底面の帯状パターン５１１、５２１で連続している。

スペーサ２は、圧電基板１０の表裏両主面１０１、１０２上に形成され、それぞれ振動空間形成層２１と、接着層２２とを含む。スペーサ２の厚みは、圧電共振子１の振動する空間を確保できる厚みであればよいが、圧電共振子１の振動周波数によって最適厚みが異なる。スペーサ２の厚みは、通常１５μｍ〜５０μｍ程度から選択され、このうち、約１０μｍが接着層２２の厚みとなり、残余の５μｍ〜４０μｍ程度が振動空間形成層２１の厚みとなる。

すなわち、主としてスペーサ機能を負担する振動空間形成層２１と、主として接着機能を負担する接着層２２との２層構造でスペーサを構成することにより、接着層２２の厚みを接着に必要な厚みに限定し、接着剤の量を低減している。

振動空間形成層２１は、印刷手段によって振動空間１１０、１２０の周囲を取り囲んで形成され、圧電共振子１の表裏両主面１０１、１０２に密着し硬化した樹脂層で構成される。樹脂層には、例えばエポキシ等の熱硬化性樹脂が用いられる。

接着層２２は、振動空間形成層２１のそれぞれに積層して配置され、天板３及びベース基板４をそれぞれ振動空間形成層２１に接着し、圧電共振子１と一体化する。

スペーサ２は、振動空間１１０、１２０を確保して圧電共振子１と、天板３及びベース基板４とを一体化できれば良く、一層構造や３層以上の多層構造であってもよい。また、天板３及びベース基板４は、スペーサ２を一体化し、振動空間１１０、１２０有する断面凹状に形成してもよい。

天板３及びベース基板４の材料は、チタン酸鉛系やその他のセラミック等の誘電体材料が用いられる。このため、その誘電率を利用して、図１、図３に模式的に示した内蔵容量Ｃ１〜Ｃ４により、図４に図示したように、外部端子５１、５２間に０．５ｐＦ〜１０ｐＦの端子間合成容量Ｃを発生させる。

次に、外部端子間合成容量とＱｍａｘとの関係について、データを参照して説明する。

図１〜図３に図示した圧電部品と同一構造の圧電部品について、天板及びベース基板の誘電率を変えて、外部端子間合成容量の異なる試料No.１〜試料No.１０の圧電共振部品を作製した。表１はそれらの圧電共振部品の外部端子間合成容量とＱｍａｘとの関係を示しており、図７はそのグラフである。

表１において、試料No.３〜試料No.８の圧電共振部品は本発明の実施例に相当し、試料No.１、試料No.２、試料No.９、試料No.１０の圧電共振部品は比較例に相当する。

本発明の実施例に相当する試料No.３〜試料No.８の圧電共振部品は、１次のＱｍａｘが３．８〜１．１、５次のＱｍａｘが４．９〜２．３、３次のＱｍａｘが１１．８〜８．３の範囲にあり、上述した
Ｑｍａｘ（３ｒｄ）＞８、
Ｑｍａｘ（１ｓｔ）＜４、
Ｑｍａｘ（５ｔｈ）＜５
の３つの条件を満たしている。すなわち、１次及び５次のＱｍａｘが小さく、３次のＱｍａｘが大きい。このため、試料No.３〜試料No.８の圧電共振部品は、メインのモードである３次高調波モードで安定的に発振し、１次あるいは５次高調波モードでスプリアス発振する可能性が小さい。このときの端子間合成容量は、０．５ｐＦ〜１０．０ｐＦの範囲であり、この範囲を本発明の端子間合成容量の範囲とした。

端子間合成容量が０．５ｐＦ未満の試料No.１、試料No.２の圧電共振部品は、１次のＱｍａｘが４より大きく、５次のＱｍａｘが５より大きい。３次のＱｍａｘは８より大きいが、
Ｑｍａｘ（３ｒｄ）＞８、
Ｑｍａｘ（１ｓｔ）＜４、
Ｑｍａｘ（５ｔｈ）＜５
の３つの条件の内２つを満たしていない。このように１次と５次のＱｍａｘが大きいと１次あるいは５次高調波モードでスプリアス発振する可能性が高いため、本発明の範囲外とした。

端子間合成容量が１０．０ｐＦを超える試料No.９、試料No.１０の圧電共振部品は、１次のＱｍａｘが４より小さく、５次のＱｍａｘが５より小さく、３次のＱｍａｘが８より小さい。このため、１次あるいは５次高調波モードでスプリアス発振する可能性は極めて低いが、３次高調波モードでの安定した発振も得られず、不発振領域となるため、本発明の範囲外とした。

以上説明したように、本発明によれば厚み縦３次高調波モードで使用する負荷容量外付け２端子表面実装型圧電共振部品において、天板及びベース基板の誘電体材料の誘電率を利用することにより、圧電共振子と並列に付加される容量を構成でき、端子間合成容量を０．５ｐＦ〜１０ｐＦの範囲とすることにより、１次あるいは５次等のスプリアス発振を防止した圧電共振部品を提供することができる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明である。

本発明に係る圧電共振部品の一実施例を示す分解斜視図である。 図１に図示した圧電共振部品の組立後の状態を示す斜視図である。 図２の３−３戦に沿った断面図である。 図３に図示した端子間合成容量を含む等価回路図である。 厚み縦３次高調波モードのインピーダンス及び位相を示す波形図である。 図５の３次高調波部分の拡大図である。 外部端子間合成容量値とＱｍａｘとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧電共振子
１０ 圧電基板
１１、１２ 振動電極
１４、１５ 引き出し電極
１１０、１２０ 振動空間
２ スペーサ
２１ 振動空間形成層
２２ 接着層
３ 天板
４ ベース基板
５１、５２ 外部端子
Ｃ 端子間合成容量

Claims (1)

1. 圧電共振子と、天板と、ベース基板と、２つの外部端子とを含み、厚み縦３次高調波モードで使用する圧電共振部品であって、
   前記圧電共振子は、圧電基板と、振動電極と、引き出し電極とを含み、
   前記振動電極は、前記圧電基板の両主面上に互いに対向して形成され、引き出し電極を介して前記外部端子に導通し、前記振動電極を含むその周囲に振動空間を有しており、
   前記天板及び前記ベース基板は、誘電体材料で構成され、前記振動空間を取り囲むとともに、前記圧電共振子をその両面から挟み込んで一体化し、
   前記外部端子のそれぞれは、帯状であって、前記天板の上面四隅から側面を通り前記ベース基板の底面に設けられた帯状パターンで連続し、前記天板及び前記ベース基板を容量層として、前記外部端子間に０．５ｐＦ〜１０ｐＦの端子間合成容量を発生させ、
   各帯域内における位相最大値のｔａｎ（正接）をＱｍａｘとしたとき、３次高調波のＱｍａｘ（３ｒｄ）、一次高調波Ｑｍａｘ（１ｓｔ）及び５次高調波Ｑｍａｘ（５ｔｈ）について、
   Ｑｍａｘ（３ｒｄ）＞８、
   Ｑｍａｘ（１ｓｔ）＜４、
   Ｑｍａｘ（５ｔｈ）＜５
   の３つの条件を満たすようにした、
   圧電共振部品。

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