JP4441804B2 - 圧電振動子 - Google Patents

Description

本発明は、圧電性基板の表裏に電極を施した圧電振動子に関する。

従来この種の圧電振動子は、水晶や圧電セラミック等の圧電材料からなる基板の表面および裏面上の同一位置に、矩形、楕円あるいは円形の電極を１つずつ形成した構造を持つものが一般的であった。

これに対して本出願人は、圧電振動子を駆動時における圧電性基板上に配した電極に固有する振動モードを求め、その振動分布で特定される外周形状を持つ電極を利用することにより、スプリアス発生の減少を図れることを示した（特許文献１参照）。
特開２００２−２８０８７３号公報

ところで、圧電振動子における動作理論は未だ確立されておらず、圧電性基板上にはできるだけ不要な物体を配置しないことが、スプリアス発生のためには不可欠なことであると考えられてきた。

しかしながら、本出願人が発明したモード利用の電極を圧電性基板上に複数配設して実験を行ったところ、従来の常識に反し、各モード電極毎の共振は他のモード電極における共振動作に影響を与えないことを知見した。すなわち、同一モード、同形状の電極を複数配設した場合は、１つの共振点を持ちながらインピーダンスの減少が図られ、複数種類のモード電極を配設した場合は、各モード電極に対応した複数の共振点が同時に得られるのである。

本発明はかかる知見に基づいてなされたもので、スプリアスの抑制を有効に図りながら、複数の圧電振動子を１つの圧電性基板上に実現可能とした圧電振動子を提供することを目的とする。

本発明にかかる圧電振動子１０は、図１および図２にその外観形状を例示する如く、圧電性基板１２上に、その外周形状の一部または全部が、図３または図４に例示する様な、着目する次数の振動モード分布またはそれらの和に対応した形状に構成した電極を備えた単位電極１８を形成している。更にその単位電極１８を複数、同一の圧電性基板１２上に配設したことを特徴とする。

単位電極１８は、圧電性基板１２上における表面と裏面の略同一位置に、略同一形状の表電極１４と裏電極１６とからなる電極を配設して構成され、各単位電極１８を互いに接近して配設している。

複数の電極は、全てが同一の次数の振動モード分布に対応した外周形状を有することができる。その場合、複数の電極中には、少なくともその幅または高さの何れか一方が異なるものを含むことが可能である。また複数の電極中には、互いに異なった次数の振動モード分布に対応した外周形状のものを含んでもよい。

また電極の外周形状は、図６に例示する如く、図３あるいは図４におけるＺ軸と振動モード分布曲線で囲まれる形状に構成することも可能であるし、高さ方向に反転した形状のものが対称位置に２つ配置されてその外周形状が構成することができる。電極の外周形状の少なくとも一部に、余弦または正弦曲線の一部が含まれることが必要である。

本発明は上記の如く、振動モード分布に対応して外周形状を形成した複数の単位電極１８を、同一の圧電性基板１２上に接近して配設するように構成したので、複数種類の圧電振動子１０を１つの圧電素子中に備えることが可能となり、圧電性基板１２やパッケージの共通化を図ることができ、素子全体の製造コストの低廉化が図れる。

更に、同一形状の単位電極１８を複数備えることにより、スプリアスの防止を図りながら、インピーダンスを容易に低下させることが可能となる。また、互いに異なった特性の単位電極１８・１８ａ・１８’を備えることにより、複数の共振点を有する圧電振動子が容易に設計できる。

以下、本発明を適用した圧電振動子１０を、図１および図２に基づいて更に具体的に説明する。なお、以下で言及していない構成については、従来の圧電振動子と略同様なので、その詳細な説明は省略している。

圧電振動子１０は、矩形、円形等の所定形状に形成した水晶やセラミックスの様な薄板状の圧電性基板１２上に、金属製の電極を形成したものである。

各電極は、アルミニューム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）の様な導電性の薄膜で形成され、圧電性基板１２の表面上には表電極１４を、裏面上の同位置に同形状の裏電極１６を各々形成することにより、１組の単位電極１８を構成している。更に表電極１４と裏電極１６から図２に例示する引出線２０を各々設けるとともに、各引出線２０に対して所定の極性を付与することは従来と略同様である。なお、図２において実線は表側の電極と配線を、破線は裏側の電極と配線を各々示す。

ここで本発明にかかる圧電振動子１０における第１の特徴は、圧電性基板１２上に形成される各電極の外周形状を決定するための手順にある。すなわち、着目する次数の対称モードおよび反対称モードにおける振動モード分布の単独あるいはそれらを足し合わせた形状から、目的とする電極の外周形状を決定するのである。

例えば第１次の対称モードＳ０に着目した場合にあっては、圧電性基板１２上に幅が３ｍｍで長さが無限の電極を設けた場合を仮定し、弾性波のモード理論から、この例における振動モード分布ψ（ｚ）として、
ψ（ｚ）＝ｃｏｓ（０．９５３１ｚ）（但しｚは、電極中心位置を０ｍｍとしたｚ軸方向の位置をｍｍで表示したもの）
が得られる。

そこで、横軸は電極中心を原点とした電極幅方向の長さをｍｍで表示し、縦軸は最大値を１．０とした相対値で表示した場合、上記した振動モード分布ψ（ｚ）は図３の実線の様に表わされる。

すなわち、第１次の対称モードＳ０おける振動モード分布は、半周期分の余弦曲線における左右の両端が立ち上がった形状となる。同様にして、第１次の反対称モードＡ１における振動モード分布は図４の実線に例示する様な正弦曲線の一部となる。

そこで、図３の様な１つの山状の曲線のみからなる場合にあっては、実線で示す曲線とｚ軸で囲まれる閉曲線、あるいは破線で示すｘ軸の高さ方向に反転した形状を加えた形状からなる閉曲線を、電極の基本的な外周形状とする。

また図４の様に、ｘ軸の正方向に伸びる山状の曲線と、負方向に伸びる山状の曲線からなる場合にあっては、ｚ軸で囲まれる正負２つの閉曲線、あるいは破線で示すｘ軸方向に反転した形状を加えた２つの閉曲線１４ａ１４ｂおよび１６ａ１６ｂを表および裏電極１４・１６の外周形状とすることにより、単位電極１８ａを構成している。

その他、異なるモードの振動モード分布を足し合わせた場合にあっても、同様に電極の外周形状は決定できる。そして、上記した様な電極形状にすることにより、振動モード分布を圧電性基板１２の駆動時の振動分布と考え、更にその振動分布に対応した振動エネルギーを圧電性基板１２に対して与えることができる電極構成を採用したのである。

更に本発明にかかる圧電振動子１０の第２の特徴は、同一の圧電性基板１２上に、上記した表電極１４と裏電極１６からなる単位電極１８を１組とし、複数組の単位電極１８・１８ａを接近させて備えたことである。

ここで１つの圧電性基板１２上に配設される電極の種類、数、配設位置あるいいは配設間隔は、特に限定されるものではない。例えば、図１の様に互いに異なる種類の電極を備えてもよいし、同一構成の電極を備えることもできる。図示例では説明を簡単にするために、２組の単位電極１８・１８ａで構成した例を示したが、３つ以上の単位電極をｘ軸方向あるいはｚ軸方向にマトリックス状に並べることを可能とする。

また、Ｓ０モードの様に表電極１４および裏電極１６として１つずつから構成される場合にあっては、図２のように表電極１４をプラス極に、裏電極１６をマイナス極に設定して配線を行う。Ａ１モードのように、表および裏電極１４・１６が各々２つの電極で構成される場合にあっては、隣接および表裏の電極における極性が互いに異なる様に極性を設定し、配線を行う。３つ以上の電極から構成される場合にあっても同様である。

なお裏電極１６は、表電極１４と同一形状のものを、圧電性基板１２における同一位置に備えることがスプリアスの抑制上は好ましい。しかしながら、複数の単位電極１８を１つの圧電性基板１２上に同時に配設するという本発明の目的を達成するためには、裏電極１６が表電極１４と全く同一の形状のものに限定されることはなく、表電極１４と略同じ大きさであるが、矩形や楕円など類似の形状に構成することも可能である。更に、形成される表電極１４が図６の様にすべて第１次の対称モードＳ０のために裏電極１６が全て同一極性になる場合にあっては、前記の様にして形成された各裏電極間を、圧電性基板１２上で線状あるいは面状に接続し、実質上は１つの共通な裏電極として構成することもできる。

図１はＳ０モードの単位電極１８とＡ１モードに対応した単位電極１８ａとを１つずつ配設した例である。ここで、圧電性基板１２は、図１における縦方向長さを１０ｍｍ、横方向長さを５ｍｍ、厚み方向長さを０．０８ｍｍの矩形薄板状の水晶ＡＴ板を用いている。またその結晶方向は、横方向をｚ軸、縦方向をｘ軸、厚み方向をｙ軸となるようにその方向を設定し、圧電振動子１０を構成した。

更に圧電性基板１２の表面上には、銀（Ａｇ）の薄膜からなる表電極１４を、裏面上の同位置に同形状の裏電極１６を各々形成して、単位電極１８・１８ａを構成している。また各電極からは、図２に示す要領で引出線２０を設けるとともに、各引出線２０を通じて、図示する極性の電圧を印加するようにしている。

そしてこの例では、圧電性基板１２における設計共振周波数を２０ＭＨｚ付近に設定し、着目次数が基本波の対称および反対称モードとして、２種類の単位電極を備える。更に、各単位電極１８の厚みを０．１５μｍ、ｚ軸方向の幅が３ｍｍ、ｘ軸方向の長さが４ｍｍに設定するとともに、各単位電極１８・１８ａをできるだけ接近させて配設する一方、圧電性基板１２の中央部に位置させることにより、単位電極１８・１８ａの外周と圧電性基板１２の周縁との間にスペースを設けるようにしている。

図５は、上記の様にして構成した圧電振動子１０において、縦軸をインピーダンスとした周波数特性を示すグラフである。かかるグラフから、１次の対称モードＳ０に対応して形成した単位電極１８で規定される２２３４０［ｋＨｚ］の共振周波数と、１次の反対称モードＡ１に対応して形成した単位電極１８ａで規定される２２３８０［ｋＨｚ］の共振周波数とが、互いに干渉することなく独立して現れるとともに、スプリアスが抑制されることが判る。

図６は、本発明の他の実施例であって、同一モード（本実施例では、１次の対称モードＳ０）にかかる単位電極を２つ備えた例を示す。すなわち、第１の単位電極１８は、図３における実線と破線で囲まれる上下対称な略楕円形の外周形状を有する。

一方、第２の単位電極１８’は、図３におけるｚ軸と実線で囲まれる外周形状に構成することにより、ｘ軸方向の長さを第１の単位電極１８より半分に縮小している。

かかる構成にすることにより、第１の単位電極１８と第２の単位電極１８’とは同一モードであるが異なった電極面積であるため、図７に示す如く、第１の単位電極１８は２２３４０［ｋＨｚ］に、第２の単位電極１８’では２２３６０［ｋＨｚ］と互いに異なった共振点を備え、更にスプリアスも十分に抑制できることが確かめられた。

その他、各単位電極におけるｚ軸方向の幅ばかりでなく、ｘ軸方向の長さあるいは電極厚さを変更することにより、共振点を変更することができる。この場合にあっても、同一形状の単位電極を複数備えて並列に繋ぐことにより、同一の共振点を有しながらインピーダンスの低い圧電振動子が得られる。

図８は、図６において１次の対称モードＳ０について例示した第２の単位電極１８’を、圧電性基板１２上に複数配設する場合における配置関係を示す説明図である。図８（ａ）の様に単位電極１８’を同一方向に向けるか、図８（ｂ）の様に一方をｘ軸方向に反転したあと、凸状部分を互いに付き合わせるようにしている。各単位電極１８’における直線部分を、互いに接近および対向させないことが好ましい。単位電極１８’の数は、３以上に増加させ、それをｘ軸方向ばかりでなくｚ軸方向にも隣接して配置できることは、上記した実施例と同様である。

更に図９は、１次の反対称モードＡ１における図８に類似した図である。図９（ａ）にあっては、図４において実線で示す振動分布曲線とｚ軸とで囲まれる曲線をそのまま電極の外周形状とするとともに、ｘ軸方向のプラスおよびマイナスに対応した極性に設定している。

また図９（ｂ）および（ｃ）では、ｘ軸のマイナス方向に伸びる曲線を反転し、プラス側に伸びる曲線と同一方向に設定することにより、２つの電極１４ａ’と１４ｂ’で１つの表電極１４’を構成している。更に図９（ｃ）は一方の表電極１４’をｘ軸方向に反転したものである。直線部分を互いに接近および対向させないように配置する点は、図８の場合と同様である。

本発明の圧電振動子として、圧電性基板上に１次の対称モードと１次の反対称モードの単位電極を同時に備えた状態を示す説明図である。 図１における各電極間の接続状態を模式的に示す説明図である。 １次の対称モードにおける振動モード分布を示すグラフである。 １次の反対称モードにおける振動モード分布を示すグラフである。 図１に示す圧電振動子の周波数特性を示すグラフである。 本発明の圧電振動子として、圧電性基板上に１次の対称モードの単位電極を複数備えた状態を示す説明図である。 図６に示す圧電振動子の周波数特性を示すグラフである。 １次の対称モードにおける電極の配置状態を示す説明図である。 １次の反対称モードにおける電極の配置状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ 圧電振動子
１２ 圧電性基板
１４ 表電極
１６ 裏電極
１８ 単位電極
２０ 引出線

Claims (5)

1. 圧電性基板上に、
   外周形状の一部または全部が、着目する次数の振動モード分布に対応した形状に構成した、一つまたは複数からなる電極を備えた単位電極を形成し、
   その単位電極を複数、同一の圧電性基板上に配設したことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記単位電極は、前記圧電性基板上における表面と裏面の略同一位置に、略同一形状の電極を配設して構成され、
   各単位電極を、互いに接近して配設したことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. 前記複数の単位電極は、全てが同一の次数の振動モード分布に対応した外周形状を有する請求項１または２記載の圧電振動子。
4. 前記複数の単位電極中には、少なくともその幅または高さの何れか一方が異なるものが含まれる請求項３記載の圧電振動子。
5. 前記複数の単位電極中には、互いに異なった次数の振動モード分布に対応した外周形状のものが含まれる請求項１または２記載の圧電振動子。

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