JPH09181556A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で、安定した３倍波のオーバートーン発
振が可能なエネルギー閉じ込め型厚み縦振動の圧電振動
子を提供する。 【解決手段】短冊状の圧電基板１の両主面に、該基板１
の中央部付近で厚み方向に対向する振動電極２、３を形
成するとともに、さらに、圧電基板１の両主面に振動電
極２、３の対向部分４の縁部から圧電基板１の短辺端部
方向に０．２〜０．６ｍｍの間隔５をあけてダンピング
層６、７、８、９を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明はエネルギー閉じ込め
型厚み縦振動モードで振動する圧電振動子であり、特に
基本波の３倍波のオーバートーン発振が安定的に行え、
かつ小型化が可能な圧電振動子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、振動子は発振周波数の高周波化及
び小型化が要求されている。この発振周波数の高周波化
の要求に伴い、基本波を用いて高周波化を行うと、圧電
基板材料が薄くなる。例えば、１１ＭＨｚでは約２００
μｍの厚みが必要となり、３３ＭＨｚで振動させようと
すると、１／３の約７０μｍの厚みが必要となる。この
ように高周波化によって基板の厚みが薄くなると、これ
によって加工性が低下してしまうことになる。

【０００３】そこで、実際には、基本波に対して３倍波
のオーバートーンを利用して振動させ、これにより基板
の厚みを薄くしなくとも高周波化を達成していた。

【０００４】３倍波のオーバートーンを利用したエネル
ギー閉じ込め型厚み縦振動モードで振動する圧電振動子
は、図７に示すように概略正方形状の圧電基板７１を用
いていた。そして、圧電基板７１の一方主面に一方の振
動電極７２を形成し、他方主面に他方の振動電極７３を
形成するとともに、各主面に、両振動電極７２、７３の
対向部分７４の全周囲を取り囲むように空洞形成すると
ともに、ダンピング層７６、７７を形成していた。尚、
振動電極７２、７３の対向部分７４とダンピング層７
６、７７との間隔は、例えば約１．０ｍｍとなってい
た。

【０００５】これによって、エネルギー閉じ込め型厚み
縦振動モードで振動する基本波は、ダンピング層７６、
７７によって抑制され、３倍波のオーバートーン振動は
殆ど影響されず、安定した３倍波のオーバートーンの振
動が可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の圧電振
動子において、概略正方形状の圧電基板７１は、実際に
は、長さ（Ｌ）が４．７ｍｍ、幅（Ｗ）が４．１ｍｍ、
厚み（Ｔ）が０．２ｍｍであり、非常に大型化の圧電基
板を用いていた。しかも、振動電極７２、７３の対向部
分７４、例えば直径１．０ｍｍの円形状であり、しか
も、その周囲に所定の間隔をおいてダンピング層７６、
７７が形成されるため、小型化は非常に困難であった。
即ち、発振周波数の高周波化には対応できても、小型化
には充分に対応できなかった。

【０００７】本発明は上述の問題点に鑑みて案出された
ものであり、その目的は、小型化が可能であり、しか
も、３倍波のオーバートーンの振動を安定して行うこと
ができるエネルギー閉じ込め型厚み縦振動の圧電振動子
を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、短冊状
の圧電基板の一方主面に該基板の一方端部から中央にか
けて一方振動電極を、該基板の他方主面に該基板の他方
端部から中央にかけて他方振動電極を夫々形成し、該圧
電基板の中央部分で両振動電極を所定面積で対向させる
とともに、前記圧電基板の両主面に、両振動電極の対向
部分より０．２〜０．６ｍｍの間隔をあけて、基板を横
切る帯状のダンピング層を形成したことを特徴とする圧
電振動子である。

【０００９】

【作用】本発明は、圧電基板の形状を、従来概略正方形
状であったのに対して、短冊状とした。また、ダンピン
グ層を、両振動電極の対向部分の周囲に周設されていた
のに対して、対向部分と長手方向に所定０．２〜０．６
ｍｍの間隔ｇをおいて、短冊状の圧電基板の幅を横切る
ように帯状に形成した。

【００１０】本発明者の種々の実験では、両振動電極と
帯状のダンピング層との間隔を適切に設定すれば、安定
した３倍波のオーバートーンの発振が可能であることを
見出した。これにより、従来の圧電基板に比較して、幅
方向で約１／４まで小さくすることができ、小型化にも
充分に対応できる圧電振動子となる。

【００１１】また、短冊状の圧電基板は、大型圧電基板
から切断によって形成されるが、その取り数が増加し
て、低コスト可能となる。

【００１２】さらに、ダンピング層を圧電基板の幅方向
を横切るように帯状に形成されているため、特にダンピ
ング層の形成において、圧電基板の長手方向での位置決
めさえ精度よく行え、簡単にダンピング層を形成するこ
とができることになる。

【００１３】即ち、３倍波のオーバートーンの発振を、
簡単な構造で、且つ小型化して、さらに簡単に形成する
ことができるエネルギー閉じ込め型厚み縦振動モードで
振動する圧電振動子となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の圧電振動子を図面
に基づいて詳述する。

【００１５】図１は、本発明の圧電振動子の平面図であ
る。

【００１６】圧電振動子１０は、圧電基板１と、該圧電
基板１の両主面に形成された振動電極２、３と、該圧電
基板１の両主面、該基板１を幅方向に横切るように形成
されたダンピング層６、７、８、９とから構成されてい
る。

【００１７】圧電基板１は、分極処理した圧電セラミッ
ク板であり、その材料は例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコ
ン酸鉛）などが例示できる。

【００１８】圧電基板１の形状は、例えば長さ（Ｌ）が
４．５ｍｍで、幅（Ｗ）が１．１ｍｍ、厚み（Ｔ）が
０．２ｍｍの短冊状を成し、その圧電基板１の両主面に
振動電極２、３が夫々形成されている。

【００１９】振動電極２、３は、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｇなど
から成り、蒸着などの薄膜技法によって形成される。
尚、振動電極２、３の厚みは、振動周波数によっても相
違するが、０．２〜３．０μｍである。

【００２０】振動電極２は、圧電基板１の一方主面側に
形成され、圧電基板１の一方側の短辺端部から中央部付
近にかけて形成されている。また、振動電極３は、圧電
基板１の他方主面側に形成され、圧電基板１の他方側の
短辺端部から中央部付近にかけて形成されている。そし
て、両振動電極２、３は、圧電基板１の長手方向の中央
部付近には、圧電基板１の厚み方向に互いに対向してい
る。この対向した部分を対向部分４という。

【００２１】振動電極２、３の平面形状は、例えば、長
さ（Ｌ）が２．６ｍｍ、幅（Ｗ）が０．７ｍｍであり、
対向部分４の面積は、長さ（Ｌ）、幅（Ｗ）ともに約
０．７ｍｍである。

【００２２】また、圧電基板１の両主面には、それぞれ
２つ、合計４つの帯状のダンピング層６、７、８、９が
形成されている。ダンピング層６、７、８、９は、熱硬
化性エポキシ樹脂、フェノール樹脂、半田などが例示で
きる。

【００２３】ダンピング層６、７、８、９は、振動電極
２、３の対向部分４の縁部から圧電基板１の長手方向に
所定間隔ｇ（間隔部分５）をおいて形成され、圧電基板
１を横切るように幅方向に渡って形成されている。

【００２４】ここで、重要なことは、振動電極２、３の
対向部分４の縁部と帯状のダンピング層６、７、８、９
との間隔ｇを、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍとしたことであ
る。

【００２５】尚、ダンピング層６、７、８、９の幅は、
例えば、圧電基板１の短辺端部で振動電極２、３の一部
が露出するようにして、外部回路との接続を可能とする
入出力パッドが形成できる程度の幅であり、少なくとも
０．５ｍｍ程度となっている。即ち、導電性ペーストや
半田などで固定されているため、ダンピング層の外側は
やはりダンピングされた形になる。

【００２６】このような構造の圧電振動子１０によれ
ば、従来の圧電基板７１に比較して、約１／４にまで減
少させることができ、素子の小型化に大きく寄与でき
る。

【００２７】また、このように制御された圧電振動子１
０は、図２に示すように、圧電基板１の一方主面のダン
ピング層６と７との間で全体的に３倍波のオーバートー
ンの発振を分布させることができる、基本波発振を充分
に抑制でき、これにより、３倍波のオーバートーン発振
を、従来の３倍波のオーバートーン発振の圧電振動子と
同様に安定して発生させることができる。

【００２８】次に、このような圧電振動子１０の製造方
法を簡単に説明する。

【００２９】まず、所定成分の圧電セラミック材料から
成り、母板を形成する。これは、短冊状の圧電基板１
（各素子領域）が複数抽出できる寸法となっている。

【００３０】次に、各基板領域に跨がって母板の両主面
に、振動電極２、３となる金属被膜を薄膜技法によって
被着形成する。

【００３１】次に、金属被膜を利用して分極処理を行
う。

【００３２】次に、金属被膜をエッチング処理を行い、
各素子領域に所定形状の振動電極２、３を形成する。

【００３３】次に、各基板領域に跨がって帯状のダンピ
ング層６、７、８、９をスクリーン印刷などによって形
成する。例えば、振動電極２、３の対向部分４の縁部か
ら各素子領域の短辺端部に向かって０．２〜０．６ｍｍ
の範囲で間隔５を設けて形成する。この時厚みは５０〜
２５０μｍで形成される。

【００３４】次に、母板を各基板領域の寸法に応じて、
ワイヤーソー、ダイシングソーなどで切断処理して、図
１に示す圧電振動子１０を形成する。

【００３５】本発明によれば、圧電基板１の平面寸法、
特に、幅（Ｗ）が従来に比較して、約１／４となるた
め、１つの母板から抽出できる圧電振動子１０の取り数
が約４倍となるため、１素子あたりのコストを大きく低
下させることができる。

【００３６】また、ダンピング層６、７、８、９を、複
数の各基板領域に跨がって、帯状に形成するだけであ
り、しかも、長さ方向のスクリーンの位置決めを管理す
ればよく、製造方法も簡略化する。

【００３７】

【実施例】本発明者は、上述の圧電振動子１０の振動電
極２、３の対向部分４とダンピング層６、７、８、９と
の間の間隔５の距離（ｇ）と、基本波及び３倍波の振動
のピーク−バレー（Ｐ／Ｖ）値を比較した。

【００３８】図３に示す３倍波の振動は、できるだけ大
きなＰ／Ｖ値をもつことが必要であるが、間隔ｇが約
０．２ｍｍ未満の場合には、Ｐ／Ｖ値は非常に小さくな
ってしまう。尚、０．２ｍｍ以上で略一定の値となる。

【００３９】これに対して、図４に示す基本波の振動
は、できるだけ抑制することが望ましいが、間隔ｇが
０．６ｍｍ以下では、微増傾向を示していたのが、０．
６ｍｍを越えると、その増加が急峻となる。

【００４０】この圧電振動子１０に発生する基本波、３
倍波において、基本波を抑制して、３倍波のオーバート
ーンとするためには、振動電極２、３の対向部分４の縁
部とダンピング層６、７、８、９との間の間隔ｇを０．
２〜０．６ｍｍに設定することが重要である。

【００４１】次に、本発明の圧電振動子１０の効果確認
実験として、同一形状の圧電基板１、振動電極２、３を
形成して、ダンピング層６、７、８、９を形成した本発
明の圧電振動子１０とダンピング層を形成していない比
較のための圧電振動子について、その振動周波数による
特性インピーダンスの変化を比較した。

【００４２】図５に示す本発明の圧電振動子１０では、
間隔ｇを０．３ｍｍ、ダンピング層６、７、８、９とし
て長さ０．７ｍｍ、厚み０．１５ｍｍとした。基本波
（約１１ＭＨｚ）では、Ｐ／Ｖ値が小さいのに対して、
３倍波（約３３ＭＨｚ）付近では、Ｐ／Ｖ値が殆ど変化
しない。

【００４３】これに対して、図６に示すダンピング層を
設けていない圧電振動子では、基本波の共振が大きく、
３倍波のオーバートーンの共振インピーダンスとの差異
が少ないため、約１１ＭＨｚの基本波と約３３ＭＨｚの
３倍波との間で発振飛びが頻発してしまうことになる。

【００４４】以上のように、短冊状の圧電基板１であっ
ても、ダンピング層６、７、８、９を振動電極２、３の
対向部分４の端部から０．２〜０．６ｍｍに間隔５を設
けて形成することによって、安定した３倍波のオーバー
トーン発振をさせることができ、圧電振動子１０の小型
化に大きく寄与することができるものとなる。

【００４５】ここで、ダンピング層のたわりに直接封止
樹脂で固定したり、半田づけすることにより類似効果が
得られる。この場合電極と上述の封止樹脂や半田との間
隔が不安定となるため、充分なダンピング効果が得られ
ない。

【００４６】

【発明の効果】以上のように、本発明では、安定した３
倍波のオーバートーン発振が可能なエネルギー閉じ込め
型厚み縦振動モードで振動する圧電振動素子が、従来に
比較して非常に小さな短冊状の圧電基板を用いても達成
できる。

【００４７】しかも、基板の形状が約１／４程度となる
ため、大型基板（母板）から抽出できる素子の取り数が
格段に増加するため、１素子あたりコストを低下させる
ことができる。

【００４８】しかも、ダンピング層が一方方向に延び、
且つ隣接の基板領域にまで跨がって形成できるため、こ
のダンピング層の位置決めが容易となり、その形成が非
常に簡単となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電振動子の平面図である。

【図２】本発明の圧電振動子の基本波と３倍波の振動領
域の分布を示す側面図である。

【図３】本発明の圧電振動子の振動電極の対向部分とダ
ンピング層との間隔による３倍波のＰ／Ｖ値の特性を示
す特性図である。

【図４】本発明の圧電振動子の振動電極の対向部分とダ
ンピング層との間隔による基本波のＰ／Ｖ値の特性を示
す特性図である。

【図５】本発明の圧電振動子の周波数と、特性インピー
ダンスとの関係を示す特性図である。

【図６】ダンピング層を省略した状態の圧電振動子の周
波数と、特性インピーダンスとの関係を示す特性図であ
る。

【図７】従来の３倍波のオーバートーン用の圧電振動子
の平面図である。

【符号の説明】

１０・・・・圧電振動子 １・・・・・圧電基板 ２、３・・・振動電極 ４・・・・・対向部分 ５・・・・・間隔 ６〜９・・・ダンピング層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 短冊状の圧電基板の一方主面に該基板の
   一方端部から中央にかけて一方振動電極を、該基板の他
   方主面に該基板の他方端部から中央にかけて他方振動電
   極を夫々形成し、該圧電基板の中央部分で両振動電極を
   所定面積で対向させるとともに、 前記圧電基板の両主面に、両振動電極の対向部分より
   ０．２〜０．６ｍｍの間隔をあけて、基板を横切る帯状
   のダンピング層を形成したことを特徴とする圧電振動
   子。