JP4692811B2

JP4692811B2 - 圧電共振部品

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Publication number: JP4692811B2
Application number: JP2005086081A
Authority: JP
Inventors: 嘉久鈴木; 睦佐々木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-03-24
Also published as: JP2006270543A

Description

本発明は、共振子として使用される圧電共振部品に関し、特にエネルギー閉じ込め型の圧電共振部品に関する。

従来から圧電共振部品の様々な構造が提案されている。例えば、圧電素子の共振部と、圧電素子の振動しない部分との境界に溝を形成して、共振部における振動エネルギーを閉じ込めているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−１４７５２７号公報

しかし、従来の圧電共振部品では、共振周波数が高くなるにつれて圧電素子の厚みが薄くなるため、溝を形成すると圧電素子の機械的強度が低下する。

そこで、本発明は、圧電素子に加工を施さずに、圧電素子に振動エネルギーを効率よく閉じ込めた圧電共振部品を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、圧電素子と、第１振動電極と、第２振動電極と、第１引出し電極と、第２引出し電極と、天板と、ベース基板とを有する圧電共振部品を提供している。ここで、圧電素子は、板状をなし、ＰＺＴ系圧電セラミックスで構成され、厚みすべり振動モードで振動する。第１振動電極は、圧電素子の一方の主面の一部の領域に配置されている。第２振動電極は、圧電素子の他方の主面上に、第１振動電極と対向配置されている。第１引出し電極は、第１振動電極に接続されている。第２引出し電極は、第２振動電極に接続されている。天板は、圧電素子の一方の主面側に設けられている。ベース基板は、圧電素子の他方の主面側に設けられている。

また、第１振動電極及び第２振動電極の主面に直交する方向の厚さＴは、圧電素子の共振波長λに対して、１．５％・λ≦Ｔ≦３．０％・λの範囲内に設定しされている。また、主面は、長手方向を規定する第１長辺と、第１長辺に略平行に延びる第２長辺と、第１長辺に略垂直に延びる第１短辺と、第１短辺に略平行に延びる第２短辺とによって略長方形状をなし、第１振動電極及び第２振動電極は、シート状の略同一形状をなし、第１長辺に略平行に延びる第３長辺と、第３長辺よりも第２長辺側に位置し第２長辺に略平行に延びる第４長辺と、第１短辺に略平行に延びる第３短辺と、第２短辺に略平行に延びる第４短辺とを有し、第１長辺と第３長辺との間の長さは、第２長辺と第４長辺との間の長さとほぼ等しく構成され、第１振動電極及び第２振動電極それぞれの第３短辺及び第４短辺の長さＷは、圧電素子の共振波長λとほぼ等しく、圧電素子の第１短辺及び第２短辺の長さＬを、Ｌ＝ｎ×λ／２（ｎは、４≦ｎ≦１２の間の整数）に設定している。そして、振動電極は、Ａｇ又はＣｕからなる。

かかる構成によれば、振動エネルギーを効率よく閉じ込めることができ、スプリアスを低減させることができる。よって、圧電共振部品に対する所望の共振特性を得ることができる。

本発明の圧電共振部品によれば、圧電素子に加工を施さずに、圧電素子に振動エネルギーを効率よく閉じ込めることができる。

本発明の圧電共振部品を容量内蔵型圧電共振部品に適用した実施の形態について図１〜図６に基づき説明する。図１は、圧電共振部品１の斜視図、図２は圧電共振部品１の分解斜視図である。本実施の形態による圧電共振部品１はエネルギー閉じ込め型の圧電共振部品であり、ベース基板２と、圧電素子６と、天板９とを有し、更に、保護カバー３と、第１接着層４と、第１空洞形成層５と、第２空洞形成層７と、第２接着層８と、６個の端部電極１０〜１５とを有している。

ベース基板２は、ＰＺＴ系誘電体からなり、細長い板状をなし、実装面となる略長方形状の第１基板主面２１と、実装面と反対側に位置する略長方形状の第２基板主面２２とを有している。第１基板主面２１には、３本の第１容量電極２３、２４、２５が印刷・焼付けされている。第１容量電極２３、２４、２５は、それぞれ第１基板主面２１の短手方向に延び、第１基板主面２１の短手方向の一端から他端にわたって、ほぼ等間隔に設けられている。

第２基板主面２２には、第２容量電極２６が印刷・焼付けされている。第２容量電極２６は、十字状をなし、第２基板主面２２の長手方向に延びる長手部２６Ａと、第２基板主面２２の短手方向に延びる短手部２６Ｂとを有している。長手部２６Ａの一端は、ベース基板２の厚さ方向において、ベース基板２を挟んで第１容量電極２３に対向し、他端は、同様に第１容量電極２５に対向している。短手部２６Ｂは、ベース基板２の厚さ方向において第１容量電極２４に対向し、第１基板主面２１の短手方向の一端から他端にわたって設けられている。第１容量電極２４及び第２容量電極２６を接地して、第１容量電極２３、２５に電圧を加えれば、ベース基板２は誘電体により構成されているので、接地電極と電圧印加電極間とはコンデンサとして機能する。よって、本実施の形態の圧電共振部品１は、容量内蔵型の圧電共振部品として機能する。

保護カバー３は、ベース基板２の第２基板主面２２側に配置され、エポキシ樹脂からなり、細長い板状をなしている。保護カバー３の長手方向の長さ及び短手方向の幅は、ベース基板２の長手方向の長さ及び短手方向の幅とほぼ等しく構成されている。保護カバー３は、ベース基板２に熱圧着され、第２容量電極２６の全体を覆っている。第１接着層４は、保護カバー３の反ベース基板２側に位置しており、接着用樹脂からなり、細長い略ロの字状をなしている。第１接着層４の長手方向の長さ及び短手方向の幅は、ベース基板２の長手方向の長さ及び短手方向の幅とほぼ等しく構成されている。

第１空洞形成層５は、第１接着層４の反保護カバー３側に位置しており、エポキシ樹脂からなり、細長い略ロの字状をなしている。第１空洞形成層５の長手方向の長さ及び短手方向の幅は、ベース基板２の長手方向の長さ及び短手方向の幅とほぼ等しく構成されている。保護カバー３と第１空洞形成層５とは、第１接着層４によって接着されている。

圧電素子６は、第１空洞形成層５の反第１接着層４側に位置している。圧電素子６は、ＰＺＴ系圧電セラミックスからなり、細長い板状をなしている。更に圧電素子６は、その長手方向に沿って分極され、厚さ方向に電圧をかけると厚みすべり振動モードで振動する。また、圧電素子６は、第１空洞形成層５側に位置する第１主面６１と、その反対側に位置する第２主面６２とを有している。第１主面６１と第１空洞形成層５とは、熱圧着されている。よって、図３に示すように、第１主面６１と保護カバー３との間には、第１接着層４及び第１空洞形成層５によって空洞Ｃ１が形成されている。

第１主面６１は、長手方向を規定する第１長辺６１Ａと、第１長辺６１Ａに略平行に延びる第２長辺６１Ｂと、第１長辺６１Ａに略垂直に延びる第１短辺６１Ｃと、第１短辺に略平行に延びる第２短辺６１Ｄとによって略長方形状をなしている。第２主面６２も、第１主面６１と同様に、第１長辺６２Ａ、第２長辺６２Ｂ、第１短辺６２Ｃ及び第２短辺６２Ｄによって略長方形状をなしている。

第１主面６１の略中央には、第１振動電極６３が印刷・焼付けされている。第１振動電極６３は、Ａｇからなり、細長状をなしている。第１振動電極６３は、第１長辺６１Ａに略平行に延びる第３長辺６３Ａと、第２長辺６１Ｂに略平行に延びる第４長辺６３Ｂと、第１短辺６１Ｃに略平行に延びる第３短辺６３Ｃと、第２短辺６１Ｄに略平行に延びる第４短辺６３Ｄとを有している。第１長辺６１Ａと第３長辺６３Ａとの間の長さは、第２長辺６１Ｂと第４長辺６３Ｂとの間の長さと、ほぼ等しく構成されている。第１振動電極６３の第３短辺６３Ｃには、第１引出し電極６５が接続され、第１主面６１に印刷・焼付けされている。第１引出し電極６５は、第３短辺６３Ｃから第１短辺６１Ｃ側の第１長辺６１Ａ及び第２長辺６１Ｂまで引出されている。

第２主面６２の第１振動電極６３と対向する位置には、第１振動電極６３と略同一形状の第２振動電極６４が印刷・焼付けされている。第２振動電極６４は、第１振動電極６３と同様にＡｇからなり、細長状をなしている。また第２振動電極６４も、第１振動電極６３と同様に第３長辺６４Ａ、第４長辺６４Ｂ、第３短辺６４Ｃ及び第４短辺６４Ｄを有している。第１振動電極６３と第２振動電極６４とに挟まれた圧電素子６は、第１振動電極６３と第２振動電極６４とに電位差が生じると、厚みすべり振動モードで振動し、共振部として機能する。第２振動電極６４の第４短辺６４Ｄには、第２引出し電極６６が接続され、第２主面６２に印刷・焼付けされている。第２引出し電極６６は、第４短辺６４Ｄから第１長辺６１Ａ及び第２長辺６２Ｂまで引出されている。

第２空洞形成層７は、圧電素子６の第２主面６２側に位置しており、エポキシ樹脂からなり、第１空洞形成層５と略同一の形状をなしている。第２主面６２と第２空洞形成層７とは、熱圧着されている。第２接着層８は、第２空洞形成層７の反圧電素子６側に位置しており、接着用樹脂ならなり、第１接着層４と略同一形状をなしている。天板９は、第２接着層８の反第２空洞形成層７側に位置している。

天板９と第２空洞形成層７とは、第２接着層８によって接着されている。よって、図３に示すように第２主面６２と天板９との間には、第２空洞形成層７と第２接着層８とによって空洞Ｃ２が形成されている。天板９は、ＰＴ系素子からなり、細長い板状をなし、第２空洞形成層７側に位置する第１天板主面９１と、第１天板主面９１の反対側に位置する第２天板主面９２とを有している。第２天板主面９２の短手方向両端であって、第１容量電極２３、２４、２５に対向する位置には、それぞれ端子電極９３Ａ〜９３Ｆが形成されている。

端部電極１０〜１５は、圧電共振部品１を構成する三つの外面に跨って設けられ、スパッタ等の成膜技術により形成されている。端部電極１０、１１は、互いに対向配置され、第１容量電極２３、第２引出し電極６６及び端子電極９３Ａ又は端子電極９３Ｂに接続されている。端部電極１２、１３は、第１容量電極２４、短手部２６Ｂ、及び端子電極９３Ｃ又は端子電極９３Ｄに接続されている。端部電極１４、１５は、第１容量電極２５、第１引出し電極６５及び端子電極９３Ｅ又は端子電極９３Ｆに接続されている。

そして、端部電極１０、１１を発振の一方の出力側に接続し、端部電極１２、１３を接地し、端部電極１４、１５を発振の他方の出力側に接続することによって、ベース基板２、第１容量電極２３、２４、２５及び第２容量電極２６は、上述のように発振回路に必要なコンデンサとして機能する。更に、第１振動電極６３と第２振動電極６４との間の圧電素子６は、厚みすべり振動モードで振動する。これにより圧電共振部品１は、所定の発振周波数ｆで発振する。この発振周波数ｆに対する共振波長λは、ｆ＝ｖ／λ（ｖ：圧電素子６の音響速度）の式から求めることができる。

次に、圧電素子６、第１振動電極６３及び第２振動電極６４の形状について詳細に説明する。第１振動電極６３及び第２振動電極６４の膜厚Ｔは、共振波長λに対して、１．５％・λ≦Ｔ≦３．０％・λの範囲内に設定されている。第１振動電極６３及び第２振動電極６４の膜厚Ｔが１．５％・λ以上であれば、第１振動電極６３及び第２振動電極６４の質量効果により振動エネルギーを閉じ込めることができ、スプリアスを低減することができる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、共振周波数８ＭＨｚの圧電共振部品における、Ａｇからなる第１振動電極６３及び第２振動電極６４の膜厚Ｔ（２．０μｍ（０．６％・λ）、３．０μｍ（１．０％・λ）、４．０μｍ（１．３％・λ））に対するインピーダンス特性及び位相特性を示す図である。図において、点線はインピーダンス特性（Ｉｍｐ．（Ω））を示し、実線は位相特性（Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ））を示している。このデータは、製品寸法が３．２ｍｍ×１．３ｍｍ、圧電素子の厚みが１５５μｍ、共振波長が３１３μｍの圧電共振部品で得られたものである。

図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、膜厚Ｔが厚くなるにしたがって、振動電極の質量が増加し、スプリアスが低減しているのが分かる。本発明者は、振動電極の膜厚Ｔを１．５％λ以上に設定すれば、十分にスプリアスが低減し、所望の共振特性を得ることができることを見出した。一方、膜厚Ｔが３．０％・λを超えると、振動電極の重さによって、圧電素子６の振動が抑制されてしまう。よって、膜厚Ｔは３．０％・λ以下に設定する必要がある。

また、本実施の形態の第１振動電極６３及び第２振動電極６４は、Ａｇにより構成したが、これに限られずＣｕで構成しＣｕの膜厚を１．５％・λ≦Ｔ≦３．０％・λの範囲に設定しても同様の効果を得ることができる。更に、スプリアスの低減のための質量効果を得られるならば、振動電極を構成する金属はＡｇ又はＣｕに限られない。具体的には、第２主面６２に対する単位面積当たりの振動電極を構成する金属の質量ｍが２．４１×１０^−５（ｇ／ｍｍ^３）≦ｍ≦１９．６７×１０^−５（ｇ／ｍｍ^３）の範囲内に設定されていれば良い。

図５は、圧電素子６を第２主面６２側から見た平面図を示している。第３短辺６４Ｃ及び第４短辺６４Ｄの長さＷは、共振波長λとほぼ等しく構成されている。また、第１短辺６２Ｃ及び第２短辺６２Ｄの長さＬは、Ｌ＝ｎ×λ／２（ｎは、４≦ｎ≦１２の間の整数）に設定されている。かかる構成により、第１振動電極６３と第２振動電極６４との間の共振部から周囲に漏れた振動の、共振部における振動への影響を低減させることができ、振動エネルギーを閉じ込めることができ、スプリアスを低減させることができる。よって、圧電共振部品１に対する所望の共振特性を得ることができる。

図６（ａ）〜図６（ｆ）は、共振周波数８ＭＨｚの圧電共振部品における、第１短辺６１Ｃ、６２Ｃの長さＬ（圧電共振部品１の幅）に対するインピーダンス特性及び位相特性を示す図である。図において、点線はインピーダンス特性（Ｉｍｐ．（Ω））を示し、実線は位相特性（Ｐｈａｓｅ（ｄｅｇ））を示している。このデータは、共振波長λが３１３μｍ、製品寸法が３．２ｍｍ×１．２〜１．３５ｍｍ（第１短辺６１Ｃ、６２Ｃの長さＬ、４．０λ〜４．５λ）、圧電素子の厚みが１５５μｍ、第１振動電極６３及び第２振動電極６４の膜厚Ｔが４μｍ、第３短辺６３Ｃ、６４Ｃの長さＷが０．３ｍｍ（Ｗ＝λ）の圧電共振部品で得られたものである。

図６（ａ）に示すように、Ｌ＝４．０λ（１．２ｍｍ、ｎ＝８）においては、スプリアスが低減し、所望の共振特性が得られているのが分かる。これに対し図６（ｂ）〜図６（ｅ）（Ｌ＝４．１λ〜４．４λ）では、共振特性に対するスプリアスのよる影響が見られた。また、図６（ｆ）に示すように、Ｌ＝４．５λ（１．３５ｍｍ、ｎ＝９）においては、スプリアスが低減し、所望の共振特性が得られているのが分かる。よって、第３短辺６３Ｃ、６４Ｃの長さＷが共振波長λと等しく、第１短辺６１Ｃ、６２Ｃの長さＬがＬ＝ｎ×λ／２（ｎは、４≦ｎ≦１２の間の整数）であれば、厚みすべり振動への影響を低減させることができ、スプリアスを低減させることができる。

ここで、ｎが４より小さくなると、第１長辺６１Ａ、６２Ａに略垂直に延びる第１短辺６１Ｃ、６２Ｃと、第１短辺６１Ｃ、６２Ｃと略平行に延びる第２短辺６１Ｄ、６２Ｄとが、第１振動電極６３及び第２振動電極６４の幅とほぼ同じになり、圧電素子６が細長い略長方形状となる。このため、圧電素子６の強度が弱い構造となる。よって、ｎを４以上に設定する必要がある。ｎが１２を超えると、製品寸法が大きくなり、圧電素子６の共振部から周囲へ漏れる振動が多くなる。このため、共振部における振動エネルギーを閉じ込めることができなくなる。よって、ｎを１２以下に設定する必要がある。

尚、本発明による圧電共振部品は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

本発明の実施の形態における圧電共振部品の斜視図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の分解斜視図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の長手方向に沿った断面図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の振動電極の膜圧が２．０μｍの場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の振動電極の膜圧が３．０μｍの場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の振動電極の膜圧が４．０μｍの場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の圧電素子を第２主面側から見た平面図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．０λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．１λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．２λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．３λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．４λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。本発明の実施の形態における圧電共振部品の第１短辺の長さＬが４．５λ（λ：共振波長）の場合のインピーダンス特性及び位相特性を示す図。

符号の説明

１圧電共振部品
２ベース基板
３保護カバー
６圧電素子
９天板
６１第１主面
６２第２主面
６３第１振動電極
６４第２振動電極
６１Ａ、６２Ａ第１長辺
６１Ｂ、６２Ｂ第２長辺
６１Ｃ、６２Ｃ第１短辺
６１Ｄ、６２Ｄ第２短辺
６３Ａ、６４Ａ第３長辺
６３Ｂ、６４Ｂ第４長辺
６３Ｃ、６４Ｃ第３短辺
６３Ｄ、６３Ｃ第４短辺

Claims

ＰＺＴ系圧電セラミックスで構成され、厚みすべり振動モードで振動する板状の圧電素子と、
前記圧電素子の一方の主面の一部の領域に配置された第１振動電極と、
前記圧電素子の他方の主面上に、前記第１振動電極と対向配置された第２振動電極と、
前記第１振動電極に接続された第１引出し電極と、
前記第２振動電極に接続された第２引出し電極と、
前記圧電素子の前記一方の主面側に設けられた天板と、
前記圧電素子の前記他方の主面側に設けられたベース基板と、を備える圧電共振部品であって、
前記第１振動電極及び前記第２振動電極の前記主面に直交する方向の厚さＴを、前記圧電素子の共振波長λに対して、１．５％・λ≦Ｔ≦３．０％・λの範囲内に設定し、
前記主面は、長手方向を規定する第１長辺と、前記第１長辺に略平行に延びる第２長辺と、前記第１長辺に略垂直に延びる第１短辺と、前記第１短辺に略平行に延びる第２短辺とによって略長方形状をなし、
前記第１振動電極及び前記第２振動電極は、シート状の略同一形状をなし、前記第１長辺に略平行に延びる第３長辺と、前記第３長辺よりも前記第２長辺側に位置し前記第２長辺に略平行に延びる第４長辺と、前記第１短辺に略平行に延びる第３短辺と、前記第２短辺に略平行に延びる第４短辺と、を有し、
前記第１長辺と前記第３長辺との間の長さは、前記第２長辺と前記第４長辺との間の長さとほぼ等しく構成され、
前記第１振動電極及び前記第２振動電極それぞれの前記第３短辺及び前記第４短辺の長さＷは、前記圧電素子の共振波長λとほぼ等しく、前記圧電素子の前記第１短辺及び前記第２短辺の長さＬを、Ｌ＝ｎ×λ／２（ｎは、４≦ｎ≦１２の間の整数）に設定し、
前記振動電極は、Ａｇ又はＣｕからなることを特徴とする圧電共振部品。