JPH11340777A - 圧電振動素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電基板の熱膨張を制御することにより、周
波数温度特性に優れた圧電振動素子を提供する。 【解決手段】 圧電基板１０１と、この圧電基板に基板
厚さ方向の弾性振動を励起するために圧電基板の厚さ方
向に電界を印加できる位置に配置された励振電極１０２
とを備えた圧電振動素子において、圧電基板１０１の熱
膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する補助基板１０４
を圧電基板の相対する一対の主面に接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種電子機器に使
用される圧電振動子や圧電フィルタなどに代表される圧
電振動素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の電子機器の処理速度の向上に伴
い、高周波クロック信号を発生する振動子が要求されて
いる。また、携帯電話に代表される移動体通信機器にお
いても、高周波振動子や高周波フィルタ、広帯域フィル
タなどのフィルタが要求されている。従来、このような
用途に対しては、圧電基板として水晶を利用した振動子
やフィルタが用いられてきた。しかしながら、基本波を
用いた水晶振動子では、高周波化のために高度な微細加
工技術、薄板化加工技術が必要であり、高周波化には限
界があった。また、高調波を利用した水晶振動子の場合
には、外部回路を必要とするために、大型化する、ある
いは特性が劣化するという課題を有していた。さらに、
水晶フィルタの場合には温度特性は良好であるものの、
水晶の電気機械結合係数が小さいために、フィルタ通過
帯域の広帯域化が困難であるという課題を有していた。
そこで、水晶振動素子やフィルタの欠点を克服するため
に、周波数定数の大きい、あるいは電気機械結合係数の
大きいニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムなどの圧
電単結晶や圧電セラミックを用いた圧電振動素子が提案
され、実用化されている。

【０００３】以下に、圧電単結晶を用いた従来の圧電振
動素子について説明する。図１４は、従来の圧電振動素
子を模式的に示す斜視図である。図１４において、２０
１は圧電基板、２０２は励振電極、２０３は引き出し電
極である。励振電極２０２に電界を印加することによ
り、圧電基板２０１に弾性振動を励振することができ
る。圧電単結晶のカット角や基板形状、基板厚さ、励振
電極形状、励振電極膜厚などを工夫することにより、種
々の振動モードが励振され、振動子やフィルタへの応用
がなされている。また、エネルギー閉じ込めフィルタ
や、高調波を利用した振動子などへの応用もなされてい
る。このように、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウ
ムなどの圧電単結晶や圧電セラミックを圧電基板として
用いることにより、従来の水晶基板を用いた圧電振動素
子では不可能であると考えられていた周波数領域の振動
子やフィルタを実現することが可能となっている。さら
に、上記圧電基板の大きい結合係数を利用することによ
り、広帯域フィルタの実現も可能となっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の圧電単結晶を用いた圧電振動素子の場合には、圧電
基板のカット角によっては、温度特性が劣るという致命
的な問題を有していた。また、誘電体セラミックを圧電
基板として用いた圧電振動素子の場合も、圧電単結晶を
用いた圧電振動素子と同様に温度特性に問題があった。
逆に、温度特性の良好な圧電基板を選ぶためには、圧電
基板の圧電特性を犠牲にしなければならず、素子設計の
自由度が小さいという課題があった。

【０００５】本発明は、上記従来の課題を解決するため
に、圧電基板の圧電特性を損なうことなく、温度特性の
良好な圧電振動素子を提供することを目的とする。さら
に具体的には、圧電単結晶のカット角の選択自由度、誘
電体セラミックの組成設計の自由度を向上させるととも
に、素子設計の自由度を大幅に向上させることを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の圧電振動素子は、圧電基板と、前記圧電基
板に弾性振動を励起するために前記圧電基板の厚さ方向
に電界を印加できる位置に配置された励振電極とを備
え、前記圧電基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を
有する補助基板を前記圧電基板の相対する一対の主面に
接合したことを特徴とする。

【０００７】このような圧電振動素子とすると、環境温
度の変化に伴い、圧電基板には、圧電基板と補助基板と
の接合面に沿って上記熱膨張係数の相違に起因する応力
が作用することになる。一方、圧電基板の厚さ方向に
は、上記応力に応じて圧電基板のポアソン結合により見
かけ上の応力が作用する。その結果、圧電基板の厚さを
制御することが可能となり、圧電振動素子の温度特性が
改善される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。 （第１の実施の形態）図１および図２は、それぞれ本発
明の第１の実施の形態における圧電振動素子の分解斜視
図および断面図である。図１および図２において、１０
１は圧電基板、１０２は励振電極、１０３は引き出し電
極、１０４は補助基板、１０５は接着層である。

【０００９】まず、本発明の第１の実施の形態における
圧電振動素子の構造について説明する。圧電基板１０１
の相対する一対の主面の中央部には、従来の圧電振動素
子と同様に、一対の励振電極１０２ａ、１０２ｂが形成
されている。そして、外部接続のための引き出し電極１
０３ａ、１０３ｂと励振電極１０２ａ、１０２ｂとが、
それぞれ圧電基板１０１の主面上で接続されている。

【００１０】本実施の形態では、圧電基板１０１として
純粋な厚み縦振動モードが励振される３６°Ｙカットの
ニオブ酸リチウムを用いた。また、励振電極１０２とし
てクロム／金の積層電極を用いた。また、補助基板１０
４として１次の熱膨張係数が圧電基板１０１よりも実質
的に大きい熱膨張係数を有するガラスを用いた。

【００１１】圧電基板１０１の主面上には、それぞれ補
助基板１０４ａ、１０４ｂが接着層１０５ａ、１０５ｂ
により接合されている。このように、補助基板１０４
ａ、１０４ｂは、接着層、励振電極および圧電基板を挟
みこむように配置されている。

【００１２】接着層としては、熱硬化性の絶縁性接着剤
を用い、この接着剤を加圧加熱接着することにより、接
着層の厚さが３０μｍ以下となるように調整した。この
ように、接着層１０５として樹脂を用いる場合には、ヤ
ング率が高い樹脂を用いることが好ましい。圧電基板の
弾性振動の接着層による吸収に起因する圧電振動素子の
Ｑ値の低下を緩和するためである。同様の理由により、
接着層の厚さは可能な限り薄く均一であることが好まし
い。

【００１３】次に、上記第１の実施の形態における圧電
振動素子の動作原理について説明する。まず、圧電振動
素子の周囲の温度（環境温度）が上昇した場合について
考える。温度上昇に伴い、圧電基板１０１および補助基
板１０４は膨張しようとする。この際、圧電基板１０１
と補助基板１０４との熱膨張係数差により熱応力が発生
する。すなわち、圧電基板１０１には、主面の面内方向
（厚み方向に対して垂直方向）に引っ張り応力が作用
し、圧電基板１０１の熱膨張が見かけ上増大する。一
方、厚み方向に関しては拘束がないために、圧電基板１
０１には、ポアソン結合により上記引っ張り応力に応じ
た見かけ上の圧縮応力が作用することになる。したがっ
て、圧電基板１０１の厚み方向の熱膨張は、拘束されて
いない圧電基板の熱膨張と比較すると、熱膨張が抑制さ
れることになる。

【００１４】次に、圧電振動素子の環境温度が降下した
場合について考える。この場合は、温度降下に伴い、圧
電基板１０１には、補助基板１０４から面内方向に圧縮
応力が作用し、厚み方向に見かけ上引っ張り応力が作用
することになる。すなわち、温度降下の場合は、圧電基
板の厚み方向の熱収縮が抑制されることになる。

【００１５】厚み振動を用いた圧電振動素子の共振周波
数は、圧電基板１０１の厚さに影響され、熱膨張に伴う
周波数温度係数は負となる。実際には、負の周波数温度
係数を有する圧電単結晶、誘電体セラミック（圧電セラ
ミック）が多い。このような圧電振動子では、環境温度
が上昇すると、共振周波数は低下する。

【００１６】しかし、本実施の形態では、補助基板から
の応力により、温度上昇に伴う圧電基板の厚みの増大が
抑えられる。したがって、従来の圧電振動素子に比較す
ると共振周波数の低下率が小さくなり、周波数温度係数
が改善されることになる。環境温度が降下した場合も圧
電基板１０１の厚み方向の収縮が抑えられるため、同様
に周波数変化を小さくすることができる。本実施の形態
では、補助基板を接合しない場合と比較して約１０ｐｐ
ｍ／℃の改善効果が得られた。

【００１７】なお、本実施の形態では、圧電基板１０１
として３６°Ｙカットのニオブ酸リチウムを用いたが、
他のカット角のニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム
を用いても同様の効果が得られる。また、圧電基板とし
て負の周波数温度特性を有する誘電体セラミック（圧電
セラミック）を用いた場合にも、上記と同様の補助基板
の作用により同様の効果が得られる。

【００１８】また、本実施の形態では、接着層として熱
硬化性の接着剤を用いたが、光硬化性の接着剤を用いて
もよい。光硬化性の接着剤を用いた場合には、接着層が
低温で硬化するために、接着後の常温における残留応力
を低減することができる。また、有機接着剤の代わりに
低融点ガラスや水ガラスを用いても同様の効果が得られ
る。

【００１９】一般に、熱硬化型の接着剤は１５０℃程度
で熱処理されるため、常温においては圧電基板１０１と
補助基板１０４との熱膨張係数差により、圧電振動素子
に残留応力が発生する。したがって、従来の圧電振動素
子に比較して、共振周波数がシフトする場合があるた
め、若干の素子設計変更が必要となるが、接着剤を適切
に選択すれば振動特性（圧電特性）が大きく変化するこ
とはない。

【００２０】また、本実施の形態では補助基板としてガ
ラスを用いたが、熱膨張係数が大きい誘電体セラミック
や他の材料を用いても同様の効果が得られることは言う
までもない。

【００２１】また、本実施の形態では励振電極１０２お
よび引き出し電極１０３を圧電基板１０１の両主面上に
形成したが、図３および図４に示すように補助基板１０
４の主面に形成してもよい。このような場合、補助基板
や接着層の材料としては、圧電基板に効率的に電界が印
加されるように、高誘電率の材料を選ぶことが好まし
い。

【００２２】なお、本実施の形態では圧電振動素子とし
て発振子を例にとって説明したが、これに限ることな
く、圧電基板の厚さに動作周波数が依存する圧電振動素
子全般に適用することができる。

【００２３】また、本実施の形態では、図示したように
圧電基板と補助基板の外形寸法を合わせているが、特に
外形寸法および厚みに制約はない。ただし、圧電基板に
有効に応力を作用させるためには、補助基板は厚いほう
が好ましく、ヤング率は高いほうがが好ましい。

【００２４】以上のような圧電振動素子とすることによ
り、環境温度変化に伴う圧電基板の厚み変化を抑制する
ことが可能となり、結果として圧電振動素子の周波数温
度係数を改善することができた。また、圧電基板と補助
基板とが、厚さ３０μｍ以下の接着層により接着するこ
とにより、接着剤による圧電基板の弾性振動の吸収が少
なくなり、良好な周波数特性、周波数温度特性を有する
圧電振動素子を得ることができる。

【００２５】（第２の実施の形態）図５および図６は、
それぞれ本発明の第２の実施の形態における圧電振動素
子の分解斜視図および断面図である。図５および図６に
おいて、１０１は圧電基板、１０２は励振電極、１０３
は引き出し電極、１０４は補助基板、１０５は接着層、
１０６は開口部である。

【００２６】まず、本発明の第２の実施の形態における
圧電振動素子の構造について説明する。第１の実施の形
態と同様に、圧電基板１０１の両主面上には、一対の励
振電極１０２ａ、１０２ｂが圧電基板１０１の主面の中
央部に形成されている。そして、外部接続のための引き
出し電極１０３と励振電極１０２とが、圧電基板１０１
の主面上で接続されている。

【００２７】本実施の形態においても、圧電基板１０１
として圧電単結晶を用いた。また、励振電極１０２とし
てクロム／金を用いた。また、補助基板１０４として中
央部に開口部１０６を備え、１次の熱膨張係数が圧電基
板１０１よりも実質的に大きい熱膨張係数を有するガラ
スを用い、接着層１０５によりサンドイッチ構造となる
ように接着している。なお、接着層には熱硬化性の絶縁
性接着剤を用いた。

【００２８】本実施の形態では、補助基板１０４ａ、１
０４ｂに開口部１０６が設けられている。この開口部１
０６は、弾性振動が大きくなる素子中央に設けられ、圧
電基板の弾性振動が接着層１０５や補助基板１０４によ
って阻害されないように配慮されている。

【００２９】なお、本実施の形態における圧電振動素子
の動作原理は、第１の実施の形態と同様である。本実施
の形態では、開口部を設けているため、接着層による振
動阻害は回避されるが、補助基板からの熱応力を効率的
に圧電基板に作用させるためには、やはり接着層のヤン
グ率は大きいほうが好ましく、接着層厚さは薄いほうが
好ましい。

【００３０】本実施の形態では、圧電基板１０１として
圧電単結晶を用いたが、負の周波数温度係数を有する誘
電体セラミック（圧電セラミック）を用いても同様の効
果が得られることは言うまでもない。

【００３１】また、本実施の形態においても、接着層と
して光硬化性の接着剤や低融点ガラスなどを用いてもよ
く、補助基板として熱膨張係数が大きい誘電体セラミッ
クや金属体を用いてもよい。

【００３２】また、本実施の形態では圧電基板１０１上
に励振電極１０２および引き出し電極１０３が形成され
ているが、図７に示すように、引き出し電極１０３を補
助基板１０４の外側に形成してもよい。このような場合
は、補助基板１０４の開口部１０６に隣接する側面に
は、電極の良好な電気伝導性を確保するためにテーパ加
工を施すことが好ましい。

【００３３】なお、本実施の形態でも圧電振動素子とし
て発振子を例にとって説明したが、これに限ることな
く、圧電基板の厚さに動作周波数が依存する圧電振動素
子全般に適用することができる。

【００３４】以上のような圧電振動素子とすることによ
っても、第１の実施の形態と同様、環境温度変化に伴う
圧電基板の厚み変化を抑制することが可能となり、結果
として圧電振動素子の周波数温度係数を改善することが
できた。

【００３５】また、少なくとも、補助基板の一部に開口
部を形成することにより、圧電振動素子の特性を損なう
ことなく、周波数温度係数を改善することができた。

【００３６】（第３の実施の形態）図８および図９は、
本発明の第３の実施の形態における圧電振動素子の分解
斜視図および断面図ある。図８および図９において、１
０１は圧電基板、１０２は励振電極、１０３は引き出し
電極、１０４は補助基板である。

【００３７】まず、本発明の第３の実施の形態における
圧電振動素子の構造について説明する。第１の実施の形
態と同様、圧電基板１０１の両主面上には、一対の励振
電極１０２ａ、１０２ｂが圧電基板１０１の主面の中央
部に形成されている。そして、外部接続のための引き出
し電極１０３ａ、１０３ｂと励振電極１０２ａ、１０２
ｂとが、圧電基板１０１の主面上で接続されている。本
実施の形態においても、圧電基板１０１としてニオブ酸
リチウムを用いた。また、励振電極１０２ａ、１０２ｂ
としてクロム／金の積層電極を用いた。また、補助基板
１０４ａ、１０４ｂとして、１次の熱膨張係数が圧電基
板１０１よりも実質的に大きい熱膨張係数を有するガラ
スを用い、圧電基板１０１と接着剤を介さずに直接接合
されている。

【００３８】以下、直接接合技術について説明する。直
接接合とは、接合部材の表面を平坦化、清浄化した後、
アンモニア系水溶液などを用いて基板表面を親水化処理
し、接合部材を重ね合わせて熱処理をすることにより得
られる強固な接合をいう。このようにして得られた接合
体は、両接合部材が化学結合が関与する結合力により原
子オーダーで接合しているため、接着層を介した接合に
比べて応力の緩和機構がなく、熱応力を効果的に作用さ
せることができる。

【００３９】次に、本発明の第３の実施の形態における
圧電振動素子の動作原理について説明する。まず、圧電
振動素子の環境温度が上昇した場合について考える。温
度上昇に伴い、圧電基板１０１および補助基板１０４は
膨張しようとする。この際、圧電基板１０１と補助基板
１０４との熱膨張係数差により熱応力が発生する。な
お、この熱応力は接着層による応力緩和がないため、第
１の実施の形態と比較して極めて大きくなる。すなわ
ち、圧電基板１０１に対して、面内方向に引っ張り応力
が作用し、圧電基板１０１の熱膨張が増大する。一方、
厚み方向については拘束がないために、ポアソン結合に
より引っ張り応力に応じた圧縮応力が見かけ上作用する
ことになる。したがって、圧電基板１０１の厚み方向の
熱膨張は、面内方向、厚み方向ともに拘束のない圧電基
板の熱膨張と比較すると、熱膨張が抑えられることにな
る。

【００４０】次に、圧電振動素子の環境温度が降下した
場合について考える。温度上昇の場合とは逆に、温度降
下に伴い圧電基板１０１には補助基板１０４から面内方
向に圧縮応力が作用することになる。したがって、厚み
方向については見かけ上引っ張り応力が作用することに
なる。すなわち、温度降下の場合については、圧電基板
の厚み方向の熱収縮が抑えられることになる。

【００４１】一方、厚み振動を用いた圧電振動素子の共
振周波数は圧電基板１０１の厚さにより決定されるた
め、熱膨張に伴う周波数温度係数については負となる。
本実施の形態では、温度上昇にともなう厚みの増大が抑
えられるため、従来の圧電振動素子に比較して、共振周
波数の低下率が小さくなり、周波数温度係数が改善され
ることになる。逆に、環境温度が降下した場合には、圧
電基板１０１の厚み方向の収縮が抑えられるため、同様
に周波数変化を小さくすることができる。本実施の形態
では、第１の実施の形態よりもさらに約５〜１０ｐｐｍ
／℃大きい改善効果を得ることができた。

【００４２】本実施の形態では、圧電基板１０１と補助
基板１０４とを直接接合により接合しているため、接着
層による応力の緩和がなく、熱応力が直接圧電基板に作
用するため、その温度特性の補償効果が大きくなる。

【００４３】また、圧電基板と補助基板とを直接接合す
る際には、電極の介在により空隙が生じ、接合力が低下
する場合がある。したがって、特に直接接合を採用する
場合には、図１０に示すように、補助基板１０４には、
圧電基板１０１の表面に突出している励振電極１０２ｂ
および引き出し電極１０３ｂを収納することができる凹
部１０７を予め形成しておくことが好ましい。このよう
な溝加工を施した後、凹部１０７と電極１０２ｂ、１０
３ｂとが対応するように圧電基板１０１と補助基板１０
４とを接合することが好ましい。

【００４４】本実施の形態では、圧電基板１０１として
ニオブ酸リチウムを用いたが、タンタル酸リチウムや他
の圧電単結晶を用いても同様の効果が得られる。また、
圧電基板として誘電体セラミック（圧電セラミック）を
用いた場合でも、同様の効果が得られる。

【００４５】また、本実施の形態では補助基板としてガ
ラスを用いたが、熱膨張係数が大きい誘電体セラミック
を用いても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

【００４６】なお、本実施の形態では、圧電振動素子と
して発振子を例にとって説明したが、圧電基板の厚さに
動作周波数が依存する素子全般に適用することができ
る。

【００４７】以上のような圧電振動素子とすることによ
っても、環境温度変化に伴う圧電基板の厚み変化を抑制
することが可能となり、結果として圧電振動素子の周波
数温度係数を改善することができる。

【００４８】また、圧電基板と補助基板とを、接着層を
介さずに実質的に直接接合することにより、接着層によ
る熱応力の緩和を解消し、より優れた周波数温度特性を
有する圧電振動素子を得ることができた。

【００４９】さらに、補助基板の表面の一部に電極に対
応する凹部を加工することにより、圧電基板と補助基板
との直接接合を良好に行うことができ、信頼性の高い圧
電振動素子を得ることができる。

【００５０】（第４の実施の形態）図１１および図１２
は、それぞれ本発明の第４の実施の形態における圧電振
動素子の分解斜視図および断面図である。図１１および
図１２において、１０１は圧電基板、１０２は励振電
極、１０３は引き出し電極、１０４は補助基板、１０５
は接着層、１０６は開口部である。

【００５１】まず、本発明の第４の実施の形態における
圧電振動素子の構造について説明する。第１の実施の形
態と同様に、圧電基板１０１の両主面上には、一対の励
振電極１０２ａ、１０２ｂが圧電基板１０１の主面の中
央部に形成されている。そして、外部接続のための引き
出し電極１０３ａ、１０３ｂと励振電極１０２ａ、１０
２ｂとが、それぞれ圧電基板１０１の主面上で接続され
ている。

【００５２】本実施の形態においても、圧電基板１０１
として圧電単結晶を用いた。また、励振電極１０２とし
てクロム／金を用いた。また、補助基板１０４として、
中央部に開口部１０６を備え、１次の熱膨張係数が圧電
基板１０１よりも実質的に大きい熱膨張係数を有するガ
ラスを用い、直接接合技術により図示したようなサンド
イッチ構造となるように積層した。

【００５３】本実施の形態では、圧電基板の振動部に対
応する位置に、開口部１０６ａ、１０６ｂを設けている
ため、本発明の第３の実施の形態のように、補助基板１
０４による圧電基板の弾性振動の阻害はなく、圧電振動
素子の特性を損なうことはない。なお、本実施の形態に
おける動作原理は、本発明の第３の実施の形態と同様で
ある。

【００５４】本実施の形態では、圧電基板１０１として
圧電単結晶を用いたが、負の周波数温度係数を有する誘
電体セラミック（圧電セラミック）を用いても同様の効
果が得られることは言うまでもない。

【００５５】また、本実施の形態では補助基板としてガ
ラスを用いたが、熱膨張係数が大きい誘電体セラミック
を用いても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。さらには、金属体を用いても同様の効果を得ること
が可能である。

【００５６】また、本実施の形態では圧電基板１０１上
に、励振電極１０２および引き出し電極１０３が形成さ
れているが、図１３に示すように、引き出し電極を補助
基板１０４の外側に形成してもよい。この場合、補助基
板１０４の開口部１０６には、良好な電気伝導性を確保
するためにテーパ加工を施すことが好ましい。また、こ
の場合には補助基板全面にわたって圧電基板との直接接
合がなされるため、信頼性の高い圧電振動素子を得るこ
とができる。

【００５７】以上のような圧電振動素子とすることによ
っても、環境温度変化に伴う圧電基板の厚み変化を抑制
することが可能となり、結果として圧電振動素子の周波
数温度係数を改善することができる。

【００５８】また、本発明の第３の実施の形態に示した
ように、補助基板に凹部を加工することによって、圧電
基板と補助基板との接合を良好に行うことができる。ま
た、少なくとも、補助基板の一部に開口部を形成するこ
とにより、圧電振動素子の特性を損なうことなく、周波
数温度係数を改善することができる。

【００５９】（第５の実施の形態）本発明の第５の実施
の形態においても、図１１および図１２に示した構造と
なるように圧電振動素子を構成した。ただし、本実施の
形態においては、圧電基板１０１として負の周波数温度
依存性を有する誘電体セラミック（圧電セラミック）を
用いた。また、励振電極１０２として銀を主成分とする
合金厚膜を用いた。また、補助基板１０４として、中央
部に開口部１０６を備え、１次の熱膨張係数が圧電基板
１０１よりも実質的に大きい熱膨張係数を有する誘電体
セラミックを用い、同時焼成により図示したようなサン
ドイッチ構造となるように積層した。

【００６０】本実施の形態では、圧電基板の振動部に対
応する位置に開口部１０６を設けているため、補助基板
１０４による圧電基板の弾性振動の阻害はなく、圧電振
動素子の特性を損なうことはない。

【００６１】なお、本実施の形態における動作原理は、
本発明の第４の実施の形態と同様である。本実施の形態
では、開口部を設けているため、補助基板による振動阻
害は生じないが、補助基板からの熱応力を効率的に圧電
基板に作用させるためには、ヤング率が大きく、圧電基
板に比して厚い補助基板を用いるのが好ましい。

【００６２】また、本実施の形態では、圧電基板と補助
基板とを同時焼成により積層化しているが、本発明の第
１の実施の形態のように接着層を介してもよい。

【００６３】また、本実施の形態では圧電基板と補助基
板とを同時焼成するために、補助基板として誘電体セラ
ミックを用いたが、熱膨張係数が大きいガラスや他の材
料を用いても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。

【００６４】また、本実施の形態では圧電基板１０１上
に、励振電極１０２および引き出し電極１０３が形成さ
れているが、引き出し電極を補助基板１０４の外側に形
成してもよい。この場合、補助基板１０４の開口部１０
６には、良好な電気伝導性を確保するためにテーパ加工
を施すことが好ましい。

【００６５】なお、本実施の形態では、圧電振動素子と
してセラミック発振子を例にとって説明したが、セラミ
ックフィルタや圧電振動子など圧電基板の厚さに動作周
波数が依存する素子全般に適用することができる。

【００６６】以上のような圧電振動素子とすることによ
っても、圧電振動素子の周波数温度係数を改善すること
ができる。

【００６７】また、少なくとも、補助基板の一部に開口
部を備えることにより、圧電振動素子の特性を損なうこ
となく、周波数温度係数を改善することができる。

【００６８】また、圧電基板が誘電体セラミックからな
る場合には、補助基板として熱膨張係数の大きい誘電体
セラミックを選ぶことにより、同時焼成プロセスを適用
することができ、量産性に優れた圧電振動素子を得るこ
とができる。

【００６９】（第６の実施の形態）本発明の第６の実施
の形態においても、図１１および図１２に示した構造と
なるように圧電振動素子を構成した。ただし、本実施の
形態においては、圧電基板１０１として正の周波数温度
依存性を有する誘電体セラミック（圧電セラミック）を
用いた。また、励振電極１０２として銀を主成分とする
合金厚膜を用いた。また、補助基板１０４として、中央
部に開口部１０６を備え、１次の熱膨張係数が前記圧電
基板１０１よりも実質的に小さい熱膨張係数を有する誘
電体セラミックを用い、同時焼成によりサンドイッチ構
造となるように積層した。

【００７０】本実施の形態では、圧電基板の振動部に対
応する位置に開口部１０６を設けているため、補助基板
１０４による圧電基板の弾性振動の阻害はなく、圧電振
動素子の特性を損なうことはない。

【００７１】次に、本発明の第６の実施の形態における
圧電振動素子の動作原理について説明する。まず、圧電
振動素子の環境温度が上昇した場合について考える。温
度上昇に伴い、圧電基板１０１および補助基板１０４は
膨張しようとする。この際、圧電基板１０１と補助基板
１０４との熱膨張係数差により、本発明の第１の実施例
とは逆方向の熱応力が発生する。すなわち、圧電基板１
０１に対して、主面の面内方向に圧縮応力が作用し、圧
電基板１０１の熱膨張が抑制される。一方、厚み方向に
関しては拘束がないために、ポアソン結合により上記圧
縮応力に対応する引っ張り応力が見かけ上作用すること
になる。したがって、圧電基板１０１の厚み方向の熱膨
張は、幅方向、厚み方向ともに拘束のない圧電基板の熱
膨張と比較すると、熱膨張が増大することになる。

【００７２】次に、圧電振動素子の環境温度が降下した
場合について考える。温度上昇の場合とは逆に、温度降
下に伴い圧電基板１０１には補助基板１０４から面内方
向に引っ張り応力が作用することになる。したがって、
厚み方向に関しては見かけ上圧縮応力が作用することに
なる。すなわち、温度降下の場合についても圧電基板の
厚み方向の熱膨張が増大することになる。

【００７３】一方、厚み振動を用いた圧電振動素子の共
振周波数は圧電基板１０１の厚さにより決定される。本
実施の形態のように、圧電基板が正の周波数温度係数を
有する場合には、環境温度が上昇すると共振周波数は高
くなる。しかしながら、熱応力により厚み方向の熱膨張
が増大し、共振周波数を低下させるような作用が生じ
る。すなわち、本実施の形態では、補助基板からの熱応
力により、温度上昇に伴う圧電基板の厚みの増大が加速
されるため、従来の圧電振動素子に比較して、共振周波
数の上昇率が小さくなり、周波数温度係数が改善される
ことになる。逆に、環境温度が降下した場合には、圧電
基板１０１の厚み方向の収縮がより大きくなるため、同
様に周波数変化を小さくすることができる。本実施の形
態では、補助基板を形成しない場合と比較して約１０ｐ
ｐｍ／℃の改善効果が得られた。

【００７４】本実施の形態では、開口部を設けているた
め、補助基板による振動阻害は生じないが、補助基板か
らの熱応力を効率的に圧電基板に作用させるためには、
上記と同様、ヤング率が大きく、圧電基板に比して厚い
補助基板を用いるのが好ましい。

【００７５】また、本実施の形態では、圧電基板と補助
基板とを同時焼成により積層化しているが、本発明の第
１の実施の形態のように接着層を介してもよい。

【００７６】また、本実施の形態では圧電基板と補助基
板とを同時焼成するために、補助基板として誘電体セラ
ミックを用いたが、熱膨張係数が圧電基板よりも実質的
に小さいガラスや他の材料を用いても、同様の効果が得
られることは言うまでもない。

【００７７】また、本実施の形態では正の周波数温度依
存性を有する誘電体セラミックを用いたが、正の周波数
温度依存性を有する圧電単結晶を用いた場合でも同様の
効果が得られることは言うまでもない。

【００７８】また、本実施の形態では圧電基板１０１上
に、励振電極１０２および引き出し電極１０３が形成さ
れているが、引き出し電極を補助基板１０４の外側に形
成してもよい。この場合、補助基板１０４の開口部１０
６には、良好な電気伝導性を確保するためにテーパ加工
を施すことが好ましい。

【００７９】なお、本実施の形態では、圧電振動素子と
して発振子を例にとって説明したが、セラミックフィル
タなど圧電基板の厚さに動作周波数が依存する素子全般
に適用することができる。

【００８０】以上のような圧電振動素子とすることによ
り、環境温度変化に伴う圧電基板の厚み変化を増大させ
ることが可能となり、結果として圧電振動素子の周波数
温度係数を改善することができる。

【００８１】また、接着層を介して圧電基板と補助基板
とが積層されている場合には、接着層の厚さを薄くする
ことによって、圧電基板への熱応力を効果的に作用させ
ることができる。この場合、接着層の厚さは３０μｍ以
下であることが好ましい。

【００８２】また、少なくとも、補助基板の一部に開口
部を備えることにより、圧電振動素子の特性を損なうこ
となく、周波数温度係数を改善することができる。

【００８３】また、圧電基板が誘電体セラミックからな
る場合には、補助基板として熱膨張係数の大きい誘電体
セラミックを選ぶことにより、同時焼成プロセスを適用
することができ、量産性に優れた圧電振動素子を得るこ
とができる。

【００８４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、圧電基板と、前記圧電基板に基板厚さ方向の弾性
振動を励起するために前記圧電基板の厚さ方向に電界を
印加できる位置に配置された励振電極とを備え、前記圧
電基板の熱膨張係数とは異なる熱膨張係数を有する補助
基板を前記圧電基板の相対する一対の主面に接合した圧
電振動素子とすることにより、圧電基板の特性を損なう
ことなく、圧電振動素子の周波数温度依存性を改善する
ことができ、広い温度範囲で優れた特性を有する圧電振
動素子を得ることができる。

【００８５】また、本発明によれば、圧電単結晶のカッ
ト角の選択自由度、誘電体セラミックの組成設計の自由
度を向上させるとともに、素子設計の自由度を大幅に向
上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す分解斜視図である。

【図２】 本発明の第１の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す断面図である。

【図３】 本発明の第１の実施の形態における圧電振動
素子の別の構成を示す断面図である。

【図４】 本発明の第１の実施の形態における圧電振動
素子の別の構成を示す分解斜視図である。

【図５】 本発明の第２の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す分解斜視図である。

【図６】 本発明の第２の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す断面図である。

【図７】 本発明の第２の実施の形態における圧電振動
子の別の構成を示す断面図である。

【図８】 本発明の第３の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す分解斜視図である。

【図９】 本発明の第３の実施の形態における圧電振動
素子の構成を示す断面図である。

【図１０】 本発明の第３の実施の形態における補助基
板の構成の一例を示す斜視図である。

【図１１】 本発明の第４ないし第６の実施の形態にお
ける圧電振動素子の構成を示す分解斜視図である。

【図１２】 本発明の第４ないし第６の実施の形態にお
ける圧電振動素子の構成を示す断面図である。

【図１３】 本発明の第４ないし第６の実施の形態にお
ける圧電振動子の別の構成を示す断面図である。

【図１４】 従来の圧電振動素子の構成を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０１ 圧電基板 １０２ 励振電極 １０３ 引き出し電極 １０４ 補助基板 １０５ 接着層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小掠 哲義 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 田口 豊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電基板と、前記圧電基板に弾性振動を
   励起するために前記基板厚さ方向に電界を印加できる位
   置に配置された励振電極とを備え、前記圧電基板の熱膨
   張係数とは異なる熱膨張係数を有する補助基板を前記圧
   電基板の相対する一対の主面に接合したことを特徴とす
   る圧電振動素子。
2. 【請求項２】 補助基板の熱膨張係数が、圧電基板の熱
   膨張係数よりも大きい請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 【請求項３】 圧電基板が負の周波数温度係数を有する
   請求項２に記載の圧電振動素子。
4. 【請求項４】 補助基板の熱膨張係数が、圧電基板の熱
   膨張係数よりも小さい請求項１に記載の圧電振動素子。
5. 【請求項５】 圧電基板が正の周波数温度係数を有する
   請求項４に記載の圧電振動素子。
6. 【請求項６】 圧電基板と補助基板とが、厚さ３０μｍ
   以下の接着層により接着されている請求項１に記載の圧
   電振動素子。
7. 【請求項７】 圧電基板と補助基板とが、接着層を介さ
   ずに直接接合されている請求項１に記載の圧電振動素
   子。
8. 【請求項８】 補助基板の一部に、開口部が形成されて
   いる請求項１に記載の圧電振動素子。
9. 【請求項９】 補助基板の開口部に隣接する側面にテー
   パー加工が施されている請求項８に記載の圧電振動素
   子。
10. 【請求項１０】 励振電極が圧電基板の主面上に形成さ
    れ、補助基板に前記励振電極を収納するための凹部が形
    成されている請求項１に記載の圧電振動素子。
11. 【請求項１１】 圧電基板が、ニオブ酸リチウムおよび
    タンタル酸リチウムから選ばれるいずれかの圧電単結晶
    である請求項１に記載の圧電振動素子。
12. 【請求項１２】 圧電基板が、誘電体セラミックからな
    る請求項１に記載の圧電振動素子。
13. 【請求項１３】 補助基板がガラスからなる請求項１に
    記載の圧電振動素子。
14. 【請求項１４】 補助基板が誘電体セラミックからなる
    請求項１に記載の圧電振動素子。