JP4361050B2 - 圧電振動子及び圧電部品 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動子及び圧電部品に関し、更に詳しくは、厚み滑り振動を利用する圧電振動子の改良に係る。

この種の圧電振動子では、圧電基板を、厚み方向と直交する長さ方向に分極し、分極方向と直交する圧電基板の厚み方向の両主面に、振動電極を設けた構造を有する。この種の圧電振動子は、エネルギー閉じ込め型振動子であるので、振動のエネルギーが共振部に有効に閉じ込められることが必要である。

エネルギー閉じ込め効率を向上させる手段として、例えば、特許文献１は、分極方向と一致する長さ方向の両側に、幅方向に沿って延びる溝を設け、分極方向と平行な方向のエネルギー閉じ込め効率を向上させた圧電共振子を開示している。

しかし、この圧電共振子は、振動電極の幅方向の両側、即ち、分極方向と垂直な方向におけるエネルギー閉じ込め効率を改善することができない。このため、エネルギー閉じ込め効率の向上に限界を生じる。

上述した問題点を解決する手段として、特許文献２は、圧電基板の両主面に、振動電極の幅方向の側部に沿い、分極方向に延びる溝を設けた圧電振動子を開示している。

特許文献２に開示された技術は、分極方向と垂直な方向のエネルギー閉じ込め効率を向上させた周辺支持構造の圧電振動子を実現することができる、という優れた効果を奏する。

ところが、圧電部品の形状が小型化されるにつれて、スプリアスの問題が顕著になり、そしてそれは、特許文献２に記載された技術を適用しても、十分には解消できないことが分かった。
特開平７−１４７５２７号公報 特開２００３−８７０８４号公報

本発明の課題は、特許文献１に開示された技術を更に発展させ、小型化された場合でも、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動（スプリアス）を抑制し、高いＱ値を確保できるようにした圧電振動子及び圧電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、本発明に係る圧電振動子は、振動電極と、圧電基板とを含む。前記圧電基板は、厚み方向と直交する長さ方向に分極されている。前記振動電極は、前記圧電基板の厚み方向の両主面に設けられている。

前記圧電基板は、更に、第１の溝と第２の溝とを有している。前記第１の溝は、前記振動電極の幅方向の側部に沿い、前記長さ方向に延びており、前記第２の溝は、前記振動電極の領域外において、幅方向に延びている。

上述したように、本発明に係る圧電振動子では、圧電基板は、厚み方向と直交する長さ方向に分極されており、振動電極は分極方向と直交する圧電基板の厚み方向の両主面に設けられているから、厚み滑り振動モードを利用した圧電振動子が得られる。

上述した厚み滑り振動モードを利用した圧電振動子において、圧電基板は振動電極の幅方向の側部に沿い、分極方向に延びる第１の溝を有するから、分極方向と垂直な方向において、振動電極の幅方向の側部に対するエネルギー閉じ込め性を向上させ、高いＱ値を確保することができる。

上述した第１の溝を設ける点は、特許文献２で既に知られている。本発明の特徴は、第１の溝を設けることによる利点を損なうことなく、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保しようとするもので、その手段として、第１の溝のほかに、第２の溝を備える点にある。この第２の溝は、振動電極の領域外において、幅方向に延びている。端的にいえば、第２の溝は、第１の溝に対して直交する関係を有する。

上述した第２の溝によれば、小型化された場合でも、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できる。

また、第２の溝によると、振動電極とは反対側の圧電基体の周辺部に、振動電極を形成した面と同じ平面を構成する平面が残るので、圧電振動子に封止構造体を組み合わせて圧電部品を得る場合、圧電振動子に対する封止構造体の接合構造を簡素化し、量産性の向上に資することができる。

第２の溝は、圧電基板の両主面の片面または両面に設けることができる。エネルギー閉じ込め性の向上という観点からは、両面に設けることが特に好ましい。両面側において、対称性のあるエネルギー閉じ込め作用が得られるからである。

第２の溝は、圧電基板の幅方向の両端面に開口していることが好ましい。このような構造であると、第２の溝を、機械加工により、容易に形成できる。

本発明は、更に、上述した圧電振動子と、封止構造体とを含む圧電部品についても開示する。

以上述べたように、本発明によれば、小型化された場合でも、分極方向と垂直な方向におけるエネルギー閉じ込め性を向上させ、高いＱ値が得られるという利点を損なうことなく、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できる。

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。

図１は本発明に係る圧電振動子の斜視図、図２は図１の２−２線断面図である。図示された圧電振動子は、振動電極１、２と、圧電基板３とを含む。

振動電極１、２は、圧電基板３の厚み方向Ｚの両主面に設けられている。振動電極１、２は周知の電極形成技術に従って形成されている。振動電極１、２は、印刷、スパッタリング、イオンプレーティング、メッキまたはそれらの併用によって形成することができる。振動電極１、２は、一例であるが、Ｎｉ−Ｃｒ合金およびＡｇの二層の金属で構成することができる。振動電極１、２にはリード電極１０１、２０１が備えられている。

圧電基板３は、周知の圧電セラミック材料を用いて構成され、厚み方向Ｚと直交する長さ方向Ｘに分極されている。以下の説明において、長さ方向Ｘを、分極方向Ｘと表示することがある。圧電基板３の長さ、幅及び厚みは適用される周波数に応じて選定される。一例として、長さＸ０＝４ｍｍ、幅Ｙ０＝２．０ｍｍ、厚みＺ０＝０．３３ｍｍの例がある。

圧電基板３は、振動電極１、２の幅方向Ｙの側部に沿い、分極方向Ｘに延びる第１の溝４１〜４４を有する。実施例において、第１の溝４１、４２は圧電基板３の主面に備えられ、第１の溝４３、４４は、主面とは反対側の他の主面に設けられている。第１の溝４１、４２は、振動電極１の幅方向Ｙの両側部に設けられており、第１の溝４３、４４は、振動電極２の幅方向Ｙの両側部に設けられている。

第１の溝４１〜４４は、溝幅Ｙ１を有する。溝幅Ｙ１は、第１の溝４１〜４４のそれぞれにおいて異なっていてもよい。第１の溝４１、４２と第１の溝４３、４４は、互いに向き合う位置に設けられている。また、第１の溝４１〜４４は、圧電基板３の長さ方向Ｘの両端面に開口している。これとは異なって、第１の溝４１、４２のみを圧電基板３の主面に設け、第１の溝４３、４４は省略する構造や、主面に第１の溝４１のみを設け、主面に溝４４のみを設ける構造を採用することもできる。

実際的な側面を重視すると、第１の溝４１〜４４の幅Ｙ１は電極１の幅及び圧電基板３の幅Ｙ０による制約を受け、深さＺ１は機械的強度確保の観点からの制約を受ける。これらの観点から、圧電基板３の幅Ｙ０を、２．０ｍｍに設定した実施例の場合、第１の溝４１〜４４の幅Ｙ１が０．３５ｍｍ、深さＺ１が０．０５ｍｍとしてある。

更に、第１の溝４１〜４４は、振動電極１、２とは反対側の圧電基体の周辺部に、振動電極１、２を形成した面と同じ平面を構成する平面が残るように、圧電基体３の周辺から間隔を隔てて形成してある。振動電極１、２のリード電極１０１、２０１は、第１の溝４１〜４４の内壁面に沿って導かれ、更に、第１の溝４１〜４４の外側の平面に延長される。

第１の溝４１〜４４の内壁面の作る形状は、図示の矩形状の他、円弧状、多角形状またはそれらの組み合わせであってもよい。

上述したように、本発明に係る圧電振動子では、圧電基板３は、厚み方向Ｚと直交する長さ方向Ｘに分極されており、振動電極１、２は分極方向Ｘと直交する圧電基板３の厚み方向Ｚの両主面に設けられているから、厚み滑り振動モードを利用した圧電振動子が得られる。

上述した厚み滑り振動モードを利用した圧電振動子において、圧電基板３は振動電極１、２の幅方向Ｙの側部に沿い、分極方向Ｘに延びる第１の溝４１〜４４を有するから、分極方向Ｘと垂直な方向において、振動電極１、２の幅方向Ｙの側部に対するエネルギー閉じ込め性を向上させ、高いＱ値を確保することができる。

しかも、第１の溝４１〜４４は、振動電極１、２とは反対側の圧電基体３の周辺部に、振動電極１、２を形成した面と同じ平面を構成する平面が残るように形成されているので、圧電振動子に封止構造体を組み合わせて圧電部品を得る場合、圧電振動子に対する封止構造体の接合構造を簡素化し、量産性の向上に資することができる。

図示実施例において、第１の溝４１〜４４は、振動電極１、２の両側部に設けられている。このような構造であれば、振動電極１、２の幅方向Ｙの両側におけるエネルギー閉じ込め性を向上させることができる。

また、第１の溝４１〜４４は、圧電基板３の両主面に設けられているので、両主面において、対称性のあるエネルギー閉じ込め作用が得られ、エネルギー閉じ込め作用が高められる。

更に、第１の溝４１〜４４は互いに向き合う位置に設けられているから、圧電基板３の両主面の側において、エネルギー閉じ込め作用の対称性が更に向上し、Ｑ値の向上に資するからである。

第１の溝４１〜４４は、圧電基板３の長さ方向Ｘの両端面に開口しているから、第１の溝４１〜４４は、ダイシングソー等を用いた機械加工により、容易に形成できる。

上述したように、第１の溝４１〜４４を設けることにより、種々の利点が得られるが、この構造であっても、圧電基板３の全長Ｘ０が、例えば４ｍｍ程度まで小型化されると、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制するのに不十分である。そこで、本発明では、小型化された場合でも、第１の溝４１〜４４を設けることによる利点を損なうことなく、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できる手段として、第１の溝４１〜４４のほかに、第２の溝４５、４６を備える。この第２の溝４５、４６は、振動電極１、２の領域外において、幅方向に延びている。端的にいえば、第２の溝４５、４６は、第１の溝４１〜４４に対して直交する関係を有する。

上述した第２の溝４５、４６によれば、圧電基板３の全長Ｘ０が、例えば４ｍｍ以下に小型化された場合でも、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できることが分かった。

Ｑ値は、圧電基板３の外形形状を基準にして、第２の溝４５、４６の位置、溝幅Ｘ１、及び、溝深さＺ２の比を選択することによって、制御できる。次に、この点について、図３及び図４を参照して説明する。図３は、図１、図２に図示した圧電振動子において、第２の溝の深さを一定としたときの第２の溝の位置と溝幅との関係を示すデータをグラフ化して示す図、図４は、同じく第２の溝の溝幅を一定としたときの第２の溝の位置と溝深さとの関係を示すデータをグラフ化して示す図である。図３及び図４のいずれにおいても、圧電基板３は、長さＸ０＝４ｍｍ、幅Ｙ０＝２．０ｍｍ、厚みＺ０＝０．３３ｍｍのものを用いた。横軸にとられた第２の溝位置Ｌｘは、圧電基板３の長さＸ０の中心（Ｘ０／２）から第２の溝４５、４６の幅中心までの距離（図１、図２参照）である。

図３は、第２の溝４５、４６の深さＺ２を、０．０５ｍｍの一定値に保ち、溝幅Ｘ１を変えたときのデータで、曲線Ｌ１１は、溝幅Ｘ１を０．０５ｍｍにしたときの特性、曲線Ｌ１２は、溝幅Ｘ１を０．２０ｍｍにしたときの特性、曲線Ｌ１３は、溝幅Ｘ１を０．４ｍｍにしたときの特性をそれぞれ示している。

図４は、第２の溝４５、４６の溝幅Ｘ１を、０．４０ｍｍの一定値に保ち、深さＸ１を変えたときのデータである。曲線Ｌ２１は、深さＺ２を０．０２５ｍｍにしたときの特性、曲線Ｌ２２は、深さＺ２を０．０５０ｍｍにしたときの特性、曲線Ｌ２３は、深さＺ２を０．１００ｍｍにしたときの特性をそれぞれ示している。

まず、図３を参照すると、従来のＱ値（２５以下、図３、図４参照）に対して有意差を有する３０以上のＱ値を確保することを目標とした場合、第２の溝４５、４６の位置が１．１５〜１．６５ｍｍの範囲にあり、溝幅Ｘ１が０．０５〜０．４０ｍｍの範囲にあればよいことが分かる。

次に、図４を参照すると、同じく３０以上のＱ値を確保することを目標とした場合、第２の溝４５、４６の位置Ｌｘが１．１５〜１．６５ｍｍの範囲にあり、深さＺ２が０．０２３〜０．９９ｍｍの範囲にあればよいことが分かる。

図３及び図４のデータを、圧電基板３の厚さＺ０（＝０．３３ｍｍ）を基準にして検討すると、第２の溝４５、４６の位置Ｌｘは、
３．５＊Ｚ０≦Ｌｘ≦５＊Ｚ０
を満たす範囲、
第２の溝４５、４６の溝幅Ｘ１は、
０．１５＊Ｚ０≦Ｘ１≦１．２＊Ｚ０
を満たす範囲、
深さＺ２は、
０．０７＊Ｚ０≦Ｚ２≦０．３０＊Ｚ０
を満たす範囲である。この範囲であれば、圧電基板３の外形形状が小さくなっても、３０以上のＱ値を確保することができる。長さＸ０及び幅Ｙ０は、厚みＺ０との相関において、寸法が縮小されるので、厚みＺ０の縮小化は、長さＸ０及び幅Ｙ０の縮小化と同視することができる。

第２の溝４５、４６は、製造効率の観点から、第１の溝４１〜４４を形成するために用いられるブレードを用いて形成することが好ましい。したがって、溝幅Ｘ１は０．３５ｍｍになる。また、第２の溝４５、４６の底面を、第１の溝４１〜４４の底面と同一面として連続させることを考えると、深さＺ１は０．０５ｍｍとなる。

また、第２の溝４５、４６によると、振動電極１、２とは反対側の圧電基板３の周辺部に、振動電極１、２を形成した面と同じ平面を構成する平面が残るので、圧電振動子に封止構造体を組み合わせて圧電部品を得る場合、圧電振動子に対する封止構造体の接合構造を簡素化し、量産性の向上に資することができる。

第２の溝４５、４６は、圧電基板３の両主面の片面または両面に設けることができる。エネルギー閉じ込め性の向上という観点からは、両面に設けることが特に好ましい。両面側において、対称性のあるエネルギー閉じ込め作用が得られるからである。

第２の溝４５、４６は、圧電基板３の幅方向の両端面に開口していることが好ましい。このような構造であると、第２の溝４５、４６を、機械加工により、容易に形成できる。

次に、上述した圧電素子を組み込んだ圧電部品の実施例について説明する。図５は図１、図２に図示した圧電振動子を用いた圧電部品の一例を示す分解斜視図、図６は図７に示した圧電部品の斜視図、図７は図６の７−７線断面図、図８は図７の８−８線に沿った断面図、図９は図５〜図８に示した圧電部品の電気回路図である。

これらの図を参照すると、圧電部品は、支持基板１１と、圧電振動子１２と、天板１３と、端子電極膜２１〜２３とを含む。支持基板１１、圧電振動子１２及び天板１３は、ほぼ同一の四角形の平面形状を持ち、この順序で順次に積層され、全体として、六面体状の外装体を構成している。

圧電振動子１２は、図１及び図２に示した構造を有し、裏面が、振動空間１７２を有して、支持基板１１の表面に、電気絶縁性接着剤１５によって接着され、表面が、振動空間１７１を有して天板１３の裏面に接着剤１６によって接着されている。

接着剤１５は、第１の接着層１５１と、第２の接着層１５２との積層で構成されている。第１の接着層１５１及び第２の接着層１５２は、支持基板１１及び圧電基板３から分離して図示されているが、第１の接着層１５１は、支持基板１１の上に設けられた絶縁膜１１３上の周辺を縁取るように、付着されたものであり、第２の接着層１５２は圧電基板３の下面の周辺を縁取るように、圧電基板３の周辺に付着されたものである。接着剤１５としては、例えば、エポキシ系接着材を用いることができる。

接着剤１６も、接着剤１５と同様であって、第１の接着層１６１と、第２の接着層１６２との積層で構成されている。第１の接着層１６１及び第２の接着層１６２は、天板１３及び圧電基板３から分離して図示されているが、第１の接着層１６１は、支持基板１１の上に設けられた絶縁膜１１３上の周辺を縁取るように、付着されたものであり、第２の接着層１５２は圧電基板３の下面の周辺を縁取るように、圧電基板３の周辺に付着されたものである。接着剤１５としては、例えば、エポキシ系接着材を用いることができる。

支持基板１１は、外装体としての機能があればよい。本実施例では、外装体としての機能以外に、圧電振動部品に対する内蔵容量Ｃ１、Ｃ２を形成するための誘電体基板としての機能をも有している。具体的には、支持基板１１は、誘電率の高い誘電体セラミック、例えばＰＴ材やＰＺＴ材等を用いて構成される。そのほか、コンデンサ材料として用いられているセラミック材料から選択して使用することができる。

内蔵容量Ｃ１、Ｃ２を形成するに当たり、誘電体基板１１１の表面に、容量形成電極膜１１２を有している。また、支持基板１１の上面側に絶縁膜１１３が接着されている。容量形成電極膜１１２は任意のパターンとることができ、印刷、スパッタリング、イオンプレーティング、メッキまたはそれらの併用によって形成することができる。容量形成電極膜１１２は５μｍのＡｇ膜とすることができる。

天板１３を構成する材料の代表例としては、ＰＴ材やＰＺＴ材等を挙げることができる。

端子電極膜２１〜２３は、支持基板１１、圧電振動子１２の圧電基板３及び天板１３でなる外装体の少なくとも側面に形成されている。図示実施例において、端子電極膜２１〜２３は相互に間隔を隔て、天板１３の表面の一方の端部から、側面及び支持基板１１の底面を通って連続し、更に、他方の側面を通り、天板１３の表面の他方の端部に至るように配置されている。

端子電極膜２１〜２３は、支持基板１１の底面で一部とぎれていてもよい。端子電極膜２１は、圧電基板３に設けられた振動電極１のリード電極１０１に導通し、端子電極膜２３は圧電基板３の裏面に設けられた振動電極２のリード電極２０１に導通している。端子電極膜２２は、アース端子となるもので、天板１３の表面では、端子電極膜２２は端子電極膜２１と端子電極膜２３との間で、図９に図示した負荷容量Ｃ１、Ｃ２を生じさせる。

端子電極膜２１〜２３は任意のパターンとることができ、印刷、スパッタリング、イオンプレーティング、メッキまたはそれらの併用によって形成することができる。例えば、端子電極膜２１〜２３は、２μｍのＣｕ膜を形成し、その上に１.５μｍのＮｉ膜、更にその上に、４μｍのＳｎ膜を形成した膜構造とすることができる。

上述した本発明に係る圧電部品において、圧電振動子１２は、一面が支持基板１１の一面に接着されており、天板１３は圧電振動子１２の他面側に接着されているから、支持基板１１、圧電振動子１２及び天板１３を積層した構造の圧電部品が得られる。

しかも、上述した圧電部品は、図１及び図２を参照して説明した本発明に係る圧電振動子を有するから、圧電振動子の有する効果をそのまま発揮することができる。そのうちでも、第２の溝４５、４６を設けたことによる効果として、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できることは、主要な効果である。

図１０は従来の圧電部品の周波数特性を示し、図１１は本発明に係る圧電部品の周波数特性を示す。従来の圧電部品は、第２の溝４５、４６を持たない圧電振動子を組み込んだ圧電部品である。図１０及び図１１において、横軸に周波数（ＭＨｚ）をとり、左縦軸にインピーダンス（Ω）、右縦軸に位相（度）をとってある。図１０の曲線Ｌ３１はインピーダンスー周波数特性、曲線Ｌ３２は位相周波数特性を示す。図１１の曲線Ｌ４１はインピーダンスー周波数特性、曲線Ｌ４２は位相周波数特性を示す。

図１０及び図１１を比較参照すると、図１０の曲線Ｌ３２において、鎖線円で囲んだ領域に、副振動が生じているのに対し、図１１の曲線Ｌ４２には、そのようなスプリアスが生じていない。即ち、本発明によれば、第２の溝４５、４６を設けたことによる効果として、主振動である厚み滑り振動以外に発生する副振動を抑制し、高いＱ値を確保できる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種種の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係る圧電振動子の斜視図である。 図１の２−２線断面図である。 図１、図２に図示した圧電振動子において、第２の溝の深さを一定としたときの第２の溝の位置と溝幅との関係を示すデータをグラフ化して示す図である。 図１、図２に図示した圧電振動子において、第２の溝の溝幅を一定としたときの第２の溝の位置と溝深さとの関係を示すデータをグラフ化して示す図である。 図１、図２に図示した圧電振動子を用いた圧電部品の一例を示す分解斜視図である。 図５に示した圧電部品の斜視図である。 図６の７−７線断面図である。 図７の８−８線に沿った断面図である。 図５〜図８に示した圧電部品の電気回路図である。 従来の圧電部品の周波数特性を示す図である。 本発明に係る圧電部品の周波数特性を示す図である。

符号の説明

１１ 支持基板
１２ 圧電振動子
１３ 天板
１、２ 振動電極
４１〜４４ 第１の溝
４５、４６ 第２の溝

Claims (7)

1. 振動電極と、圧電基板とを含む圧電振動子であって、
   前記圧電基板は、厚み方向と直交する長さ方向に分極されており、
   前記振動電極は、２つであって、それぞれは、前記圧電基板の厚み方向の両主面において互いに対向し、かつ、その長さ方向の両端と前記圧電基板の長さ方向の両端との間に、前記振動電極及びそのリード電極のない領域が生じるように設けられており、
   前記圧電基板は、更に、第１の溝と、第２の溝とを有しており、
   前記第１の溝は、前記振動電極の幅方向の側部に沿い、前記長さ方向に延びており、
   前記第２の溝は、前記圧電基板の厚み方向にある両主面のうちの少なくとも一面に設けられ、前記振動電極及びそのリード電極のない前記領域であって、かつ、前記両主面のうちの他面にある前記振動電極及びそのリード電極とは重ならない位置で、幅方向に延びている、
   圧電振動子。
2. 請求項１に記載された圧電振動子であって、前記第１の溝は、前記振動電極の両側部に設けられている圧電振動子。
3. 請求項１に記載された圧電振動子であって、前記第１の溝及び前記第２の溝は、前記圧電基板の前記両主面に設けられている圧電振動子。
4. 請求項１に記載された圧電振動子であって、前記第１の溝及び前記第２の溝は、両端が前記圧電基板の相対向する両端面に開口している圧電振動子。
5. 圧電振動子と、封止構造体とを含む圧電部品であって、
   前記圧電振動子は、請求項１乃至４の何れかに記載されたものでなり、
   前記封止構造体は、前記圧電振動子に結合され、前記圧電振動子の厚み方向の両面に振動空間を形成する、
   圧電部品。
6. 請求項５に記載された圧電部品であって、
   前記封止構造体は、第１の面板部材と、第２の面板部材とを含み、前記第１の面板部材及び前記第２の面板部材は前記圧電振動子を両面側から挟持する、
   圧電部品。
7. 請求項５に記載された圧電部品であって、
   前記封止構造体は、支持部材と、キャップとを含み、前記支持部材はその一面上に前記圧電振動子が搭載されており、
   前記キャップは、前記圧電振動子を包囲し、前記支持部材の前記一面上に搭載されている、
   圧電部品。

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