JP5045813B2

JP5045813B2 - 圧電振動装置

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Publication number: JP5045813B2
Application number: JP2010529578A
Authority: JP
Inventors: 仁志坂口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
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Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2012-10-10
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Description

本発明は、圧電振動装置に関し、特に、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板を用いた圧電振動装置に関する。

従来、圧電基板の両主面に厚み方向に対向するように電極が設けられた圧電振動子の両端を支持部材の上に固定した圧電振動装置が知られている。このような圧電振動装置において、圧電材料としては、ＰｂＴｉＯ_３やＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３などが一般的に用いられている。圧電材料としてＰｂＴｉＯ_３やＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３を用いることにより、大きな電気機械結合係数が得られ、かつ振動を効果的に閉じ込めることができる。

また、ＰｂＴｉＯ_３やＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３以外の圧電材料としては、例えば特許文献１などにおいて提案されているＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５などのビスマス層状化合物が知られている。ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５などのビスマス層状化合物は、圧電歪定数や電気機械結合係数などの圧電性はＰｂＴｉＯ_３やＰｂ（ＺｒＴｉ）Ｏ_３などと比べて低いものの、機械的品質係数が高く、比誘電率が小さい。このため、ビスマス層状化合物は、高周波用途に適している。また、ビスマス層状化合物は、キュリー温度が高いため、広い温度範囲で使用できるという利点を有している。

しかしながら、ビスマス層状化合物からなる圧電基板の両端部を固定した場合、圧電基板の発振特性が悪化する問題があることが特許文献１において指摘されている。このような問題に鑑み、特許文献１では、ビスマス層状化合物からなる圧電基板を用いた場合でも良好な発振特性が得られる圧電共振装置構造が提案されている。

図１４に示すように、特許文献１に開示された圧電共振装置１００は、ビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電板１０１を有する圧電共振素子１０２と、基板１０３とを備えている。圧電共振素子１０２の一方の端部１０２ａは、銀ペースト１０４により基板１０３に固定されている。圧電共振素子１０２の他方の端部１０２ｂは、基板１０３に設けられた支持体１０５の上面に当接している。これにより、圧電共振素子１０２の他方の端部１０２ｂが支持されている。このように、支持体１０５の上面を当接させることにより圧電共振素子１０２の端部１０２ｂを支持することにより、端部１０２ｂが自由端となるため、圧電共振素子１０２の発振特性を高めることができる旨が特許文献１には記載されている。

特開２００１−６８９６３号公報

しかしながら、圧電共振装置１００では、圧電共振素子１０２の一方の端部１０２ａが銀ペースト１０４によって固定されているため、十分に良好な発振特性が得難いという問題があった。

本発明の目的は、ビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板を用いた圧電振動装置において、十分に良好な発振特性を得ることにある。

本発明に係る圧電振動装置は、対向する第１及び第２の主面を有しており、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板と、圧電基板を介して厚み方向に対向するように第１及び第２の主面に形成された第１及び第２の電極とを有する圧電振動子と、基材と、基材と圧電振動子とを接合する接合部材とを備えている。圧電振動子は、第１及び第２の電極と圧電基板とが圧電基板の厚み方向に重なる部分により構成された励振部を有している。接合部材は、圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分に接合されている。

本発明に係る圧電振動装置のある特定の局面では、接合部材は、圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分のみに接合されている。これによれば、より良好な発振特性を得ることができる。

本発明に係る圧電振動装置の他の特定の局面では、圧電振動子は、圧電振動子は、厚みすべり振動を励振させるものである。圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分に接合部材を接合させる構成は、厚みすべり振動が励振される圧電振動子を用いる場合に特に効果的である。

本発明に係る圧電振動装置の別の特定の局面では、接合部材は、圧電振動子の振動方向の一方側の端部を支持する第１の接合部材と、圧電振動子の振動方向の他方側の端部を支持する第２の接合部材とを有している。これによれば、厚みすべり振動が励振される圧電振動子を用いる場合において、さらに良好な発振特性を得ることができる。

本発明に係る圧電振動装置のさらに他の特定の局面では、第１の接合部材と圧電振動子との接合面の振動方向に沿った長さをＤＬ１とし、圧電振動子の振動方向の一方側の端部から励振部までの振動方向に沿った距離をΔＬ１とし、第２の接合部材と圧電振動子との接合面の振動方向に沿った長さをＤＬ２とし、圧電振動子の振動方向の他方側の端部から励振部までの振動方向に沿った距離をΔＬ２としたとき、以下の式（１）及び（２）が満たされる。
０＜ＤＬ１／ΔＬ１＜０．５３８ ………式（１）
０＜ＤＬ２／ΔＬ２＜０．５３８ ………式（２）

本発明に係る圧電振動装置のさらに別の特定の局面では、ビスマス層状化合物がＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系材料である。圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分に接合部材を接合させる構成は、ビスマス層状化合物がＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物である場合に特に効果的である。

本発明に係る圧電振動装置のまた別の特定の局面では、基材には、第１の電極に電気的に接続された第１の実装用電極と、第２の電極に電気的に接続された第２の実装用電極と、第１及び第２の実装用電極に電気的に接続されていない第３の実装用電極とが形成されている。これによれば、圧電振動装置内に容量を内蔵させることも可能となる。従って、圧電振動装置が実装された装置の部品点数を少なくすることができる。

本発明に係る圧電振動装置の製造方法は、対向する第１及び第２の主面を有しており、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板と、圧電基板を介して厚み方向に対向するように第１及び第２の主面に形成された第１及び第２の電極とを有する圧電振動子と、基材と、基材と圧電振動子とを接合する接合部材とを備え、圧電振動子は、第１及び第２の電極と圧電基板とが圧電基板の厚み方向に重なる部分により構成された励振部を有している圧電振動装置の製造方法に関する。本発明に係る圧電振動装置の製造方法は、圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分と基材とを接合部材により接合することを特徴としている。

本発明に係る圧電振動装置の製造方法のある特定の局面では、圧電振動子は、厚みすべり振動を励振させるものであり、接合部材による圧電振動子と基材との接合は、接合部材と圧電振動子との接合面の圧電振動子の振動方向に沿った長さが圧電基板の配向度に応じて選択された長さとなるように行われる。これによれば、圧電基板の材料の配向度を変化させずとも、接合部材と圧電振動子との接合面の圧電振動子の振動方向に沿った長さを調節することにより、圧電振動装置の温度特性を調節することができる。従って、例えば圧電基板の配向度にばらつきがある場合であっても、製造される圧電振動装置の温度特性がばらつくことを抑制することができる。

本発明に係る圧電振動装置では、圧電振動子の励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分が接合部材によって基材に接合されているので、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板を用いた圧電振動装置において、良好な発振特性を得ることができる。

図１は、圧電振動装置の略図的分解斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ矢視図である。図３は、有限要素法により求めた圧電材料としてＳｒ_０．９Ｎｄ_０．１Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９を用いた場合の圧電振動子の振動変位分布を表す図である。図４は、有限要素法により求めた圧電材料としてＰＺＴを用いた場合の圧電振動子の振動変位分布を表す図である。図５は、圧電振動子の長手方向に沿った位置と振動変位量との関係を表すグラフである。図６（ａ）は、保持長さＤＬ１、ＤＬ２が０．２５ｍｍである場合の圧電振動装置の位相周波数特性図である。図６（ｂ）は、保持長さＤＬ１、ＤＬ２が０．３８ｍｍである場合の圧電振動装置の位相周波数特性図である。図７は、圧電振動装置における保持長さと最大位相値（°）との関係を表すグラフである。図８は、圧電振動装置における保持長さとＦｏｓｃ変化率との関係を表すグラフである。図９は、圧電振動装置を１５０℃から−４０℃まで６℃／分で冷却したときに圧電振動子に生じる圧縮応力と、圧電振動装置における保持長さとの関係を表すグラフである。図１０は、保持長さが０．１５ｍｍである場合の圧電振動装置の応力分布図である。図１１は、保持長さが０．３５ｍｍである場合の圧電振動装置の応力分布図である。図１２は、第１の変形例に係る圧電振動装置の略図的分解斜視図である。図１３は、第２の変形例に係る圧電振動装置の略図的分解斜視図である。図１４は、特許文献１に開示された圧電共振装置の側面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

図１は、本実施形態の圧電振動装置の略図的分解斜視図であり、図２は、本実施形態の圧電振動装置の略図的正面断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態の圧電振動装置１は、圧電振動子２０を備えている。圧電振動子２０は、圧電基板２１と、第１及び第２の電極２２，２３とにより構成されている。

圧電基板２１は、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電セラミックスにより構成されている。ビスマス層状化合物としては、例えば、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物、Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔｉ系層状化合物、Ｃａ−Ｂｉ−Ｔｉ系層状化合物などが挙げられる。Ｓｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物の具体例としては、例えば、ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９、（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘ）Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９（ただし、Ｍは２価の金属元素、０＜ｘ＜０．３）、（Ｓｒ_{（１−ｘ）}Ｍ_２ｘ／３）Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９（ただし、Ｍは主成分を構成する元素Ｂｉ以外の３価の金属元素、０＜ｘ＜０．４５）、ＳｒＢｉ_２（Ｎｂ_{（１−ｙ）}Ｓｉ_ｙ）_２Ｏ_９（ただし、０＜ｙ＜０．３）、ＳｒＢｉ_２（Ｎｂ_{（１−ｙ）}Ｗ_ｙ）_２Ｏ_９（ただし、０＜ｙ＜０．３）などが挙げられる。Ｓｒ−Ｂｉ−Ｔｉ系層状化合物の具体例としては、例えば、ＳｒＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｓｒ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８などが挙げられる。Ｃａ−Ｂｉ−Ｔｉ系層状化合物の具体例としては、例えば、ＣａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｃａ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８などが挙げられる。その他のビスマス層状化合物としては、例えば、ＢｉＷＯ_６、ＣａＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９、ＢａＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９、ＰｂＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９、ＣａＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、ＢａＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、ＰｂＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９、Ｂｉ_３ＴｉＮｂＯ_９、Ｂｉ_３ＴｉＴａＯ_９、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２、ＢａＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ_１２、ＰｂＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ_１２、ＢａＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ₁₅、ＰｂＢｉ_４Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｎａ_０．５Ｂｉ_４．５Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｋ_０．５Ｂｉ_４．５Ｔｉ_４Ｏ_１５、Ｂａ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８、Ｐｂ_２Ｂｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１８、Ｂｉ_６Ｔｉ_３ＷＯ_１８、Ｂｉ_７Ｔｉ_４ＮｂＯ_２１、Ｂｉ_１０Ｔｉ_３Ｗ_３Ｏ_３０、ＳｒＢｉ_３Ｔｉ_２ＮｂＯ_１２などが挙げられる。

圧電基板２１の配向度は、電圧の印加により圧電基板２１が振動する程度である限り特に限定されないが、７０％以上であることが好ましく、７５％以上であることがより好ましい。なお、本発明において、圧電基板の配向度とは、詳細には、結晶ｃ軸方向の配向度である。圧電基板の配向度は、以下に詳述するロットゲーリング法により測定される。

（ロットゲーリング法による配向度測定方法）
無配向試料の各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度をＩ_{（ｈｋｌ）}とし、それらの合計をΣＩ_{（ｈｋｌ）}とする。そのうち、（００１）面からの反射強度Ｉ_{（００１）}の合計をΣＩ_{（００１）}として、それらの比Ｐ０を次式により求める。
Ｐ０＝｛ΣＩ_{（００１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}｝

同様にして、配向試料に対しても、反射強度について、ΣＩ_{（ｈｋｌ）}およびΣＩ_{（００１）}を求めて、それらの比をＰとして次式により求める。
Ｐ＝｛ΣＩ_{（００１）}／ΣＩ_{（ｈｋｌ）}｝

そして、Ｐ０およびＰを用いて、配向度（Ｆ）は次式により求められる。
Ｆ＝｛（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）｝×１００［％］

図２に示すように、圧電基板２１は、対向する第１及び第２の主面２１ａ、２１ｂと、圧電基板２１の長手方向Ｄの両端に位置する第１及び第２の端面２１ｃ、２１ｄとを有している。圧電基板２１の第１の主面２１ａには、第１の電極２２が形成されている。第１の電極２２は、第１の主面２１ａの長手方向Ｄの中央部から第１の端面２１ｃを経由して第２の主面２１ｂ側にまで延ばされている。一方、圧電基板２１の第２の主面２１ｂには、第２の電極２３が形成されている。第２の電極２３は、第２の主面２１ｂの長手方向Ｄの中央部から第２の端面２１ｄを経由して第１の主面２１ａ側にまで延ばされている。圧電基板２１の長手方向Ｄの中央部において、第１の電極２２と第２の電極２３とは、厚み方向Ｔに対向している。この第１及び第２の電極２２，２３と圧電基板２１とが厚み方向Ｔに重なる部分により圧電振動子２０の励振部２０ａが構成されている。

本実施形態では、圧電基板２１は、圧電基板２１の長手方向Ｄに沿って分極されており、第１の電極２２と第２の電極２３との間に電圧が印加されることにより、長手方向Ｄを振動方向とする厚みすべり振動が励振される。

図１及び図２に示すように、圧電振動子２０は、基材１０に搭載されている。基材１０の上には、キャップ３０が設けられており、このキャップ３０と基材１０とにより圧電振動子２０が封止されている。なお、キャップ３０の材質は特に限定されず、キャップ３０は、例えば金属、セラミック、樹脂などにより構成することができる。

基材１０は、例えばアルミナなどの絶縁性セラミックスにより構成することができる。基材１０には、第１及び第２の実装用電極１１，１２が形成されている。第１及び第２の実装用電極１１，１２は、基材１０の長手方向両側に配置されている。

基材１０と圧電振動子２０とは、第１及び第２の接合部材１３，１４により接合されている。具体的には、第１の接合部材１３は、第１の電極２２と第１の実装用電極１１とを接合している。第２の接合部材１４は、第２の電極２３と第２の実装用電極１２とを接合している。第１及び第２の接合部材１３，１４は、例えば導電性接着剤、導電性シートまたは半田などの導体により構成されており、これにより、第１及び第２の電極２２，２３と第１及び第２の実装用電極１１，１２とが電気的に接続されている。

ところで、本実施形態のように、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電セラミックスにより圧電基板２１を構成する場合、厚みすべり振動は閉じ込められず、圧電振動子２０の両端部も振動する。後述する実験例によっても裏付けられるように、圧電振動子２０の両端部と、圧電基板２１の励振部２０ａとでは、振動変位方向が逆となる。本実施形態では、この励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部に第１及び第２の接合部材１３，１４が接合されている。すなわち、圧電振動子２０は、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部において支持されている。

具体的には、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の端部は、圧電振動子２０の端面から、励振部２０ａと端部との間の長手方向Ｄに沿った長さ（ΔＬ）の０．５３８倍の長さまでの部分となる。このため、本実施形態においては、第１及び第２の接合部材１３，１４は、下記の式（１）及び（２）を満たすように基材１０と圧電振動子２０とを接合している。
０＜ＤＬ１／ΔＬ１＜０．５３８ ………式（１）
０＜ＤＬ２／ΔＬ２＜０．５３８ ………式（２）
但し、
第１の接合部材１３と圧電振動子２０との接合面の振動方向Ｄに沿った長さ：ＤＬ１、
圧電振動子２０の長手方向Ｄの一方側Ｄ１の端部から励振部２０ａまでの振動方向Ｄに沿った距離：ΔＬ１、
第２の接合部材１４と圧電振動子２０との接合面の振動方向Ｄに沿った長さ：ＤＬ２、
圧電振動子２０の長手方向Ｄの他方側Ｄ２の端部から励振部２０ａまでの振動方向Ｄに沿った距離：ΔＬ２、
である。

従って、後述する実験例においても裏付けられるように、良好な発振特性を実現することができる。より良好な発振特性を得る観点からは、第１及び第２の接合部材１３，１４は、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部のみに接合されていることが好ましい。すなわち、圧電振動子２０は、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部においてのみ支持されていることが好ましい。

また、後述する実験例において実証されるように、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電セラミックスにより圧電基板２１を構成する場合、圧電基板２１の配向度を変化させずとも、第１及び第２の接合部材１３，１４と圧電振動子２０との接合面の長さＤＬ１，ＤＬ２を調整することによって、圧電振動子２０の周波数温度特性を容易に調節することができる。従って、例えば圧電基板２１の配向度にばらつきがある場合であっても、製造される圧電振動装置１の温度特性がばらつくことを容易に抑制することができる。

具体的には、圧電振動装置１の製造に先立って、圧電基板２１の配向度と長さＤＬとの関係を実験的に、またはシミュレーションにより求めておく。この圧電基板２１の配向度と長さＤＬとの関係に基づいて、圧電基板２１の配向度の測定結果から、好ましい周波数温度特性となる長さＤＬを選択する。そして、接合部材１３，１４と圧電振動子２０との接合面の振動方向Ｄに沿った長さが上記選択された長さＤＬとなるように、圧電振動子２０と第１及び第２の実装用電極１１，１２とを接合部材１３，１４により接合する。このようにすることにより、例えば圧電基板２１の配向度にばらつきがある場合であっても、所望する周波数温度特性の圧電振動装置１を安定して製造することができる。

なお、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部に第１及び第２の接合部材１３，１４を接合させることにより発振特性が改善されるという効果は、圧電振動子の励振モードに関わらず得られるものであるが、圧電振動子が厚みすべり振動を励振させる場合に特に大きな効果が得られる。従って、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部に第１及び第２の接合部材１３，１４を接合させる本実施形態の構成は、圧電振動子が厚みすべり振動を励振させる場合に特に効果的である。

また、上記効果は、ビスマス層状化合物がＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物である場合に特に大きい。従って、励振部２０ａとは振動変位方向が逆である圧電振動子２０の両端部に第１及び第２の接合部材１３，１４を接合させる本実施形態の構成は、ビスマス層状化合物がＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物である場合に特に効果的である。

（第１の実験例）
非固定状態の圧電振動子２０の厚みすべり振動の振動変位分布を有限要素法（ＦＥＭ）を用いて求めた。なお、ここでは、圧電材料をＳｒ_０．９Ｎｄ_０．１Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９とし、長手方向Ｄに４ｋＶ／ｍｍの電圧を印加して分極処理を行った圧電基板２１を用い、第１の電極２２の電位を１Ｖ、第２の電極２３の電位を０Ｖとして行った。その他の詳細な設定パラメータは以下の通りである。この結果、この圧電振動子２０の共振周波数は８ＭＨｚであった。
圧電振動子２０の長手方向に沿った長さ（Ｌ）：２．２ｍｍ
第１及び第２の電極２２，２３が厚み方向Ｔに重なっている励振部２０ａの長さ（ｌ）：０．９０ｍｍ
圧電振動子２０の厚み：１９０μｍ
配向度：８０％

また、比較として、圧電材料としてＰＺＴを用いたこと以外は同様の設定パラメータを有する圧電振動子の厚みすべり振動の振動変位分布を有限要素法（ＦＥＭ）により求めた。

図３が圧電材料としてＳｒ_０．９Ｎｄ_０．１Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９を用いた場合の圧電振動子２０の振動変位分布を表す図であり、図４が圧電材料としてＰＺＴを用いた場合の圧電振動子２０の振動変位分布を表す図である。図５は、圧電振動子２０の長手方向Ｄに沿った位置と振動変位量との関係を表すグラフである。なお、図５において実線で示すグラフは、圧電材料としてＳｒ_０．９Ｎｄ_０．１Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９を用いた場合を表すグラフであり、破線で示すグラフは、圧電材料としてＰＺＴを用いた場合を表すグラフである。

図４及び図５に示すように、圧電材料としてＰＺＴを用いた場合は、励振部から離れるに従って振動変位量が小さくなっており、振動が閉じ込められていることがわかる。それに対して、圧電材料としてＳｒ_０．９Ｎｄ_０．１Ｂｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９を用いた場合は、図３及び図５に示すように、圧電振動子の端部においても振動変位量が大きく、振動が閉じ込められていないことがわかる。この結果から、ビスマス層状化合物を圧電材料として用いた場合は、圧電振動子の端部を保持した場合であっても発振特性が大きく悪化するおそれがあることがわかる。

また、ビスマス層状化合物を圧電材料として用いた場合は、図５に示すように、圧電振動子の両端部における振動変位方向が励振部における振動変位方向に対して逆になっていることがわかる。具体的には、圧電振動子の端面から０．３５ｍｍ以内の部分の振動変位方向が励振部における振動変位方向に対して逆となっていることがわかる。すなわち、本実験例では、Ｌ＝２．２ｍｍ、ｌ＝０．９ｍｍであり、ΔＬ１＝ΔＬ２＝０．６５ｍｍであるから、圧電振動子の端面からΔＬ１（ΔＬ２）の０．５３８（＝０．３５／０．６５）倍の長さ以内の部分の振動変位方向が励振部における振動変位方向に対して逆となっていることがわかる。

次に、上記条件と同様の条件で圧電振動子を実際に作製し、その圧電振動子を用いて種々の保持長さＤＬ１、ＤＬ２の圧電振動装置を作製した。なお、基材としては、厚みが０．４ｍｍのアルミナ基板を用いた。そして、作製した種々の保持長さＤＬ１、ＤＬ２の圧電振動装置の位相周波数特性を測定した。

図６（ａ）に保持長さＤＬ１、ＤＬ２が０．２５ｍｍである場合の圧電振動装置の位相周波数特性図を示す。図６（ｂ）に保持長さＤＬ１、ＤＬ２が０．３８ｍｍである場合の圧電振動装置の位相周波数特性図を示す。また、図７に、圧電振動装置における保持長さＤＬ１、ＤＬ２と最大位相値（°）との関係を表すグラフを示す。図７に示すように、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が０．３５ｍｍ未満である場合には大きい最大位相値が得られるものの、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が０．３５ｍｍ以上であると最大位相値が急激に低下することがわかる。従って、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が０．３５ｍｍ未満である場合には良好な発振特性が得られることがわかる。この結果から、圧電振動子の端面から０．３５ｍｍ以内の振動変位方向が励振部における振動変位方向に対して逆である部分において圧電振動子を保持することにより、良好な発振特性が得られることがわかる。すなわち、ＤＬ１／ΔＬ１及びＤＬ２／ΔＬ２を０．５３８（＝０．３５／０．６５）未満とすることにより良好な発振特性が得られることがわかる。

（第２の実験例）
本実験例では、圧電基板の配向率以外は上記第１の実験例と同様の条件で圧電振動子を実際に作製し、その圧電振動子を用いて種々の保持長さＤＬ１、ＤＬ２の圧電振動装置を作製した。そして、得られた圧電振動装置の共振周波数の温度変化率（Ｆｏｓｃ変化率（ｐｐｍ／℃））を測定した。Ｆｏｓｃ変化率の測定結果を図８に示す。なお、図８において実線で示すグラフは、圧電基板の配向度が８０．６％である圧電振動装置のＦｏｓｃ変化率を示し、破線で示すグラフは、圧電基板の配向度が７７．５％である圧電振動装置のＦｏｓｃ変化率を示す。

図８に示すように、圧電基板の配向度が８０．６％である圧電振動装置のＦｏｓｃ変化率の傾きは、−１９．３〔ｐｐｍ／℃／ｍｍ〕であり、圧電基板の配向度が７７．５％である圧電振動装置のＦｏｓｃ変化率の傾きは、−１９．５〔ｐｐｍ／℃／ｍｍ〕であった。この結果から、圧電基板の配向度が変わると、圧電振動子の周波数温度特性が変化することがわかる。よって、圧電基板の配向度にばらつきが生じると、圧電振動子の周波数温度特性にもばらつきが生じることがわかる。従って、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が一定である場合は、良好な周波数温度特性を実現するために、圧電基板の配向度を高い水準で安定させる必要がある。

図８に示す結果からわかるように、保持長さＤＬ１，ＤＬ２を変化させると、Ｆｏｓｃ変化率が変化する。このため、たとえ圧電基板の配向度にばらつきがある場合であっても、保持長さＤＬ１，ＤＬ２を調節することによって圧電振動子の周波数温度特性を安定化することが可能となる。具体的には、例えば、配向度が８０．６％の場合は、保持長さＤＬ１，ＤＬ２を０．３０ｍｍにすることによりＦｏｓｃ変化率をゼロにすることができ、一方、配向度が７７．５％の場合は、保持長さＤＬ１，ＤＬ２を０．０７ｍｍにすることによりＦｏｓｃ変化率をゼロにすることができる。

なお、本実験例におけるＦｏｓｃ変化率は、下記式（３）により定義される。
（Ｆｏｓｃ変化率）＝−１９．３×（保持長さ（ＤＬ））＋α …… 式（３）
但し、上記式において、αは、圧電基板の配向度により決定される定数である。

（第３の実験例）
次に、上記第１の実験例と同様の条件で、圧電振動装置を１５０℃から−４０℃まで６℃／分で冷却したときに圧電振動子に生じる圧縮応力と、圧電振動装置における保持長さＤＬ１，ＤＬ２との関係を、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて求めた。その結果を図９に示す。また、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が０．１５ｍｍである場合の圧電振動装置の応力分布図を図１０に示し、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が０．３５ｍｍである場合の圧電振動装置の応力分布図を図１１に示す。なお、図１０及び図１１において、格子状のハッチングで示す領域が最も圧力の高い領域で、間隔の大きな斜線ハッチングで示す領域が最も圧力の低い領域である。

図９〜図１１からわかるように、保持長さＤＬ１，ＤＬ２が短くなるに従って、冷却によって圧電振動子に生じる応力が小さくなることがわかる。この結果から、保持長さＤＬ１，ＤＬ２を変化させることにより圧電振動子に加わる応力を制御することができることがわかる。

（変形例）
図１２に示すように、第１及び第２の実装用電極１１，１２は、基材１０の端面に至るように形成されていてもよい。

また、図１３に示すように、第１及び第２の実装用電極１１，１２に加えて、第１及び第２の実装用電極１１，１２に電気的に接続されていない第３の実装用電極１５を基材１０に設けてもよい。第３の実装用電極１５を設けることにより、圧電振動装置内に容量を内蔵することが可能となる。従って、圧電振動装置が実装された装置の部品点数を少なくすることができる。

１…圧電振動装置
１０…基材
１１…第１の実装用電極
１２…第２の実装用電極
１３…第１の接合部材
１４…第２の接合部材
１５…第３の実装用電極
２０…圧電振動子
２０ａ…励振部
２１…圧電基板
２１ａ…第１の主面
２１ｂ…第２の主面
２１ｃ…第１の端面
２１ｄ…第２の端面
２２…第１の電極
２３…第２の電極
３０…キャップ

Claims

対向する第１及び第２の主面を有しており、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板と、前記圧電基板を介して厚み方向に対向するように前記第１及び第２の主面に形成された第１及び第２の電極とを有する圧電振動子と、
基材と、
前記基材と前記圧電振動子とを接合する接合部材とを備え、
前記圧電振動子は、前記第１及び第２の電極と前記圧電基板とが前記圧電基板の厚み方向に重なる部分により構成された励振部を有しており、
前記接合部材は、前記圧電振動子の前記励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分に接合されている、圧電振動装置。
前記接合部材は、前記圧電振動子の前記励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分のみに接合されている、請求項１に記載の圧電振動装置。
前記圧電振動子は、厚みすべり振動を励振させる、請求項１または２に記載の圧電振動装置。
前記接合部材は、前記圧電振動子の振動方向の一方側の端部を支持する第１の接合部材と、前記圧電振動子の振動方向の他方側の端部を支持する第２の接合部材とを有している、請求項３に記載の圧電振動装置。
前記第１の接合部材と前記圧電振動子との接合面の前記振動方向に沿った長さをＤＬ１とし、前記圧電振動子の振動方向の一方側の端部から前記励振部までの前記振動方向に沿った距離をΔＬ１とし、前記第２の接合部材と前記圧電振動子との接合面の前記振動方向に沿った長さをＤＬ２とし、前記圧電振動子の振動方向の他方側の端部から前記励振部までの前記振動方向に沿った距離をΔＬ２としたとき、以下の式（１）及び（２）を満たす、請求項４に記載の圧電振動装置。
０＜ＤＬ１／ΔＬ１＜０．５３８ ………式（１）
０＜ＤＬ２／ΔＬ２＜０．５３８ ………式（２）
前記ビスマス層状化合物がＳｒ−Ｂｉ−Ｎｂ系層状化合物である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電振動装置。
前記基材には、前記第１の電極に電気的に接続された第１の実装用電極と、前記第２の電極に電気的に接続された第２の実装用電極と、前記第１及び第２の実装用電極に電気的に接続されていない第３の実装用電極とが形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電振動装置。
対向する第１及び第２の主面を有しており、粒子配向されたビスマス層状化合物を主結晶相とする圧電基板と、前記圧電基板を介して厚み方向に対向するように前記第１及び第２の主面に形成された第１及び第２の電極とを有する圧電振動子と、基材と、前記基材と前記圧電振動子とを接合する接合部材とを備え、前記圧電振動子は、前記第１及び第２の電極と前記圧電基板とが前記圧電基板の厚み方向に重なる部分により構成された励振部を有している圧電振動装置の製造方法であって、
前記圧電振動子の前記励振部の振動変位方向とは振動変位方向が逆の部分と前記基材とを前記接合部材により接合することを特徴とする、圧電振動装置の製造方法。
前記圧電振動子は、厚みすべり振動を励振させるものであり、
前記接合部材による前記圧電振動子と前記基材との接合は、前記接合部材と前記圧電振動子との接合面の前記圧電振動子の振動方向に沿った長さが前記圧電基板の配向度に応じて選択された長さとなるように行われる、請求項８に記載の圧電振動装置の製造方法。