JP2001085755A - 圧電複合基板、及び、圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度安定性が高く、かつ、電気機械結合係数
ｋ²が大きく、かつ、Ｑが大きいという特性を同時に満
たす圧電複合基板、及び、圧電素子の開発が困難であ
る。 【解決手段】 所定の切断角度でランガサイト基板を貼
り合わせることで、温度安定性が高く、かつ、電気機械
結合係数ｋ²が大きく、かつ、Ｑが大きいという新たな
特性の基板材料を生成する。また、その基板材料を用い
て、圧電素子を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば携帯電話な
どの移動体通信用機器やパーソナルコンピュータ等に用
いられる、圧電複合基板および圧電素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電素子は、携帯電話などの移動
体通信用機器やパーソナルコンピュータ等の電子機器、
或いは、家電製品に至るまであらゆる分野で幅広く用い
られている。特に、その中でも水晶、ニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウムなどの単結晶材料が用いられた
圧電素子は、周波数の温度に対する安定性が高いことな
どの理由により、振動子、フィルタ、センサ等に幅広く
用いられている。例えば、水晶が用いられた振動子は、
コンピュータ等の情報機器の高周波クロック発生用発振
器や移動体通信用の基準発振器などを構成する振動子に
用いられている。また、フィルタについては、移動体通
信用の中間周波数フィルタに水晶が用いられたり、比較
的広帯域を必要とするフィルタにニオブ酸リチウム、タ
ンタル酸リチウムが用いられたりする。

【０００３】まず初めに、図９〜１２を用いて圧電振動
子の説明を行う。説明は厚み振動姿態の一つである厚み
すべり振動姿態を例にして行う。図９（ａ）は振動子の
上面図で、図９（ｂ）は下面図、但し、図９（ｃ）に示
す保持基板６０７を除去した場合の図である。図９
（ｃ）は図９（ａ）の１点鎖線ＡＢにおける断面図であ
る。圧電基板６０１上には励振用電極６０３ａ、６０３
ｂ及び、引き出し用電極６０５ａ、６０５ｂが設けら
れ、圧電振動子６０４が形成されている。圧電振動子６
０４は保持基板６０７に導電性ペースト６１０を介して
接着されている。また、この時、引き出し用電極６０５
ａ、６０５ｂは、導電性ペーストを介して保持基板６０
７上に設けられた外部引き出し用電極６０６ａ、６０６
ｂと接続されている。

【０００４】図１０（ａ）は振動子のアドミッタンスに
おける虚部の周波数特性を示した図であり、図１０
（ｂ）、（ｃ）は基本モード及び３次モードの厚み方向
の変位分布を示した図である。一般に、厚みすべり振動
などの厚み振動は板の厚みにｎλ／２（ｎは正数）の定
在波がのる振動モードで振動する。図１０（ｂ）はｎ＝
１の基本モードの変位分布で、図１０（ｃ）はｎ＝３の
３次モードの変位分布である。但し、偶数次のモードは
励振用電極上で電荷がキャンセルして零となるため、単
板では存在し得ない。このような厚み振動子は通常、上
下面に圧電基板よりも面積の小さい励振用電極を対向さ
せて配置し、エネルギー閉じこめ型振動子として用い
る。この場合、エネルギーは励振用電極部（６０３ａ−
６０３ｂ間）にそのほとんどが集中し、励振用電極部以
外の部分へのエネルギーの漏洩はほとんどなく、また、
励振用電極部以外の部位で振動子を保持することで保持
によるエネルギーの損失もほとんどなくなり、材料固有
のＱ値に応じた高いＱを実現できる。このようなエネル
ギー閉じこめ振動の場合、図１０で示した高次の厚み振
動の共振に加え、更に、各々の次数における共振の近傍
に副振動と呼ばれるスプリアス振動が発生する。スプリ
アス振動は所望の振動モードではないので、その出現は
特性劣化を引き起こすことになる。このようなスプリア
ス振動となる副振動は厚み方向の弾性波が板の上下面
（励振電極部分）において反射を繰り返しながら横方向
に伝搬し、板の端部で更に反射し、定在波となった共振
モードである。

【０００５】図１１に、このような定在波による横方向
の変位分布を示す。図１１（ａ）は断面図で、励振電極
部分は長さＬ２−Ｌ１である。図１１（ｂ）は主振動の
モード（Ｓ０モード）での変位分布を表す図で、図１１
（ｃ）は１次の副振動のモード（Ｓ１モード）での変位
分布を表す。Ｓ０モードでは半波長の波が定在波として
存在していたのに対し、Ｓ１モードでは３／２波長の波
が存在している。同様に、Ｓ２モードでは５／２波長の
波が存在している。

【０００６】図１２は各々の共振モードにおける周波数
チャートである。横軸は、エネルギー閉じこめの度合い
を示しており、圧電体の厚さｈで規格化された励振電極
長（（Ｌ２−Ｌ１）／ｈ）と無電極部のカットオフ周波
数ｆｃと電極部のカットオフ周波数ｆｃ‘の差である周
波数低下量Δｆｃとｆｃの比で表される変数である。縦
軸は周波数で最上部はｆｃ、最下部はｆｃ’であり、ｆ
ｃ‘≦（振動の周波数）≦ｆｃ以外の部分での周波数で
は、共振モードは存在しない。ここで、スプリアス振動
（副振動）なしで振動子を振動させようとすると破線Ａ
Ｂから左側の領域で振動子を設計しなければならない。

【０００７】以上説明した圧電振動子に要求される特性
は、まず第１に、周波数の温度に対する安定性が高いと
いうことである。温度安定性が低いと、温度により共振
周波数が変動することになり、圧電素子の特性が変わる
ことになる。特に、圧電振動子は発振回路と併用して、
圧電発振器として用いることが多く、発振器における発
振周波数の変動等の不具合を招くことになる。

【０００８】第２に、共振と***振におけるインピーダ
ンス、或いは、アドミッタンスの絶対値の比であるダイ
ナミックレンジが大きいということである。ダイナミッ
クレンジとは、図１０（ｄ）に示すように、縦軸をアド
ミッタンスの絶対値の常用対数表示とし、横軸を周波数
とした場合の共振周波数ｆｒ０と***振周波数ｆａ０で
のｌｏｇ｜Ｙ｜の差で表される。ダイナミックレンジが
大きい振動子を用いて発振器を構成することで、安定し
た発振特性が得られる。ダイナミックレンジは、一般
に、性能指数Ｍが大きいほど大きくなり、また、Ｍ＝Ｑ
／γの関係がある。但し、γは容量比といい、ある共振
モードでの等価回路を考えた際の直列腕の容量をＣ１、
また、並列に加わる容量をＣ０とするとγ＝Ｃ０／Ｃ１
の関係が成り立つ。また、γが十分大きい領域では、γ
≒（１／２）×ｆａ／（ｆａ−ｆｒ）なる関係が成り立
ち、（ｆａ−ｆｒ）電気機械結合係数ｋ²が大きいほど
大きくなることから、ｋ²が大きいほどγは小さくな
る。但し、ｆｒは共振周波数で、ｆａは***振周波数で
ある。従って、電気機械結合係数ｋ²が大きいほど性能
指数Ｍは大きくなり、ダイナミックレンジが大きくとれ
ることになる。以上説明したように、安定した発振特性
が得られる振動子には、Ｑが高く、ｋ²が大きいという
ことが要求される。

【０００９】第３に、振動子を用いて電圧制御型発振器
を構成する場合、可変幅を大きくとれるようにするた
め、ｋ²が大きいという特性が要求される。通常、振動
子は発振器内では誘導性の素子として用いられる、つま
り、使用周波数ｆはｆｒ＜ｆ＜ｆａの範囲で用いられ
る。ｆａ−ｆｒを大きくするにはｋ²が大きいという特
性が要求される。

【００１０】次に、圧電周波数フィルタについて説明す
る。図１３（ａ）は上面図、図１３（ｂ）は下面図、図
１３（ｃ）は図１３（ａ）の直線ＡＢにおける断面図で
ある。但し、フィルタの保持基板は省略している。保持
は通常、図９と同様にフィルタの端部において行う。７
０１は圧電基板で、その上面には励振用電極７０３ａ、
７０３ｂ、引き出し用電極７０５ａ、７０５ｂが設けら
れている。同様に、下面にも、励振用電極７０３ｃ、７
０３ｄ、引き出し用電極７０５ｃ、７０５ｄが設けられ
ている。７０４は圧電フィルタである。このようなフィ
ルタはＬＣ回路を用いた多段フィルタが１枚の基板上で
実現できることから、モノリシック・クリスタル・フィ
ルタ（ＭＣＦ）と呼ばれる。

【００１１】図１４にＭＣＦの別の構成例を示す。８０
１は圧電基板で、その上面には励振用電極８０３ａ、８
０３ｂ、引き出し用電極８０５ａ、８０５ｂが設けられ
ている。同様に、下面にも、励振用電極８０３ｃ、引き
出し用電極８０５ｃ、８０５ｄが設けられている。８０
４は水晶フィルタである。水晶フィルタ８０４上の励振
用電極８０３ａと８０３ｃ、及び、８０３ｂと８０３ｃ
で各々振動子を構成しており、また励振用電極８０３ａ
−８０３ｂ間で弾性的に結合している。

【００１２】図１５、１６を用いて、その共振モードに
ついて説明する。図１５（ａ）は圧電フィルタ８０４の
断面図で励振用電極のみが記されている。図１５（ｂ）
は主共振モード（Ｓ０モード）における電極の横方向の
変位分布を示す図である。励振用電極間では２つのモー
ドが結合している。図１５（ｃ）は斜対称モードと呼ば
れる共振モードの変位分布であり、励振用電極の左右に
おいて、変位の形状が反転している。このような斜対称
モードと区別して、Ｓｍ（ｍ：整数）モードを対称モー
ドと呼ぶ。図１５（ｄ）は３次の共振モード（対称モー
ド）の変位分布である。図１６に周波数チャートを示
す。横軸、縦軸は振動子で説明したのと同様である。フ
ィルタでは、後述するが、Ｓ０モードとＡ０モードを利
用してフィルタ設計を行うため、スプリアス振動がのら
ないようにフィルタ設計を行うためには、破線ＡＢの左
側のとなるように電極等を設計しなければならない。

【００１３】図１７（ａ）はこのような圧電フィルタの
等価回路であり、直列腕のインピーダンスＺ１、Ｚ２は
各々対称モード、斜対称モードに関係したインピーダン
スを示している。図１７（ｂ）のように、Ａ０モードの
共振周波数とＳ０モードの***振周波数を一致させるこ
とによりフィルタ設計を行うと、Ｓ０モードの共振周波
数とＡ０モードの***振周波数の通過帯域を持つフィル
タ特性が得られる。但し、グラフの縦軸はインピーダン
スの虚部を表す。図１３の圧電フィルタについても概略
同様のことが言える。

【００１４】以上説明した圧電フィルタに要求される性
能は、第１に、周波数の温度安定性が高いと言うことで
ある。温度安定性が低いと、フィルタの通過帯域の周波
数が変化してしまい、周波数フィルタとしての性能を大
きく損なうことになる。第２に、電気機械結合係数ｋ²
が大きいということである。フィルタの通過帯域の周波
数幅（通過帯域幅）はｋ²が大きいほど、大きくするこ
とが可能であり、通過帯域幅を自由に設計しようとする
とｋ²が大きくなければならない。第３に、Ｑが高いと
言うことである。Ｑが小さいとフィルタの挿入損失が大
きくなり、フィルタの後段で、電力増幅器が必要となる
などの不具合を生じる。但し、バルク波の素子の場合、
以上説明したフィルタにおけるｋ²、Ｑ値等は、使用す
る圧電基板で振動子を構成したときの値を指すことが多
い。

【００１５】以上説明したように、振動子、及びフィル
タには、温度安定性が高い、Ｑが高い、ｋ²が大きいと
いった性能が要求される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来用
いられていた圧電材料を用いた場合、以下のような課題
がある。まず第１に水晶においては周波数の温度安定性
は高いが、電気機械結合係数ｋ²が小さいという欠点が
ある。フィルタを例に取れば、近年、移動体通信等の無
線通信分野において、符号分割多重接続によるチャンネ
ル接続方式が多く取り入れられており、フィルタの広帯
域化が必須となっている。また、今後、他の接続方式に
おいても、データの伝送速度の高速化等により、広帯域
フィルタの重要性は増大することが考えられる。

【００１７】第２に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リ
チウムにおいては、電気機械結合係数ｋ²は大きいが、
周波数の温度安定性が良くなく、また、Ｑも小さいとい
う欠点がある。従って、温度により通過帯域の周波数変
動によりフィルタ特性が変化する。極端な場合には、温
度変化により、スプリアス振動が重畳すると、致命的な
フィルタ特性の悪化につながる。従って、エネルギー閉
じこめ量をあらかじめ低く設定しておかなければなら
ず、Ｑの劣化につながる。これは、振動子においても同
様である。また、同じ単結晶材料で、ランガサイトを用
いると、前記のニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウム
に比べ、前記課題は改善できるが、十分とはいえない。

【００１８】第３に、セラミック材料においては、周波
数の温度安定性がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウ
ムよりも更に悪く、前記の課題が更にいっそう増大す
る。

【００１９】以上の課題、例えば、フィルタにおける低
い温度安定性といった課題を解決する手段として、あら
かじめ温度による周波数偏差を見込んだ帯域を通過帯域
とするようフィルタを設計することが挙げられるが、こ
れは不要な信号を除去する能力を半減してしまうことに
なる、例えば、移動体通信用のフィルタの場合、隣接チ
ャンネルとの干渉を引き起こすといった新たな課題が発
生することになる。これを防ぐためには、隣接チャンネ
ルとの間隔を離したり、システムを制御したりしなけれ
ばならず、周波数の利用効率の低下やシステムの複雑化
を招き、本質的な改善策にはならない。

【００２０】以上のように、温度安定性が高く、かつ、
電気機械結合係数ｋ²が大きく、かつ、Ｑが大きい基板
材料の開発、或いは、素子の開発に対する要求が日増し
に大きくなってきている。

【００２１】本発明は、上記課題を考慮し、温度安定性
が高く、かつ、電気機械結合係数ｋ ²が大きく、かつ、
Ｑが大きい圧電複合基板、及び、圧電素子を提供するこ
とを目的とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１
に対応）は、所定の切断角度で切断された少なくとも２
枚のランガサイト基板が、所定の角度で貼り合わされた
ことを特徴とする圧電複合基板である。

【００２３】第２の本発明（請求項２に対応）は、第１
の本発明の圧電複合基板において、少なくとも２枚の前
記ランガサイト基板が、直接接合していることを特徴と
する圧電複合基板である。

【００２４】第３の本発明（請求項３に対応）は、第１
または第２の本発明の圧電複合基板において、ランガサ
イト基板のｘ軸、つまり、電気軸を回転軸として、ｙ
軸、つまり、機械軸をα度回転させて新たにｙ’軸と
し、同時にｚ軸、つまり、光学軸もα度回転させてｚ’
軸とした時、前記ｙ’軸を法線方向とするように、切断
された基板をα°ｙカット基板とし、前記少なくとも２
枚のランガサイト基板のうちの、１つを第１のランガサ
イト基板とし、他の１つを第２のランガサイト基板とす
ると、前記第１のランガサイト基板がα１°ｙカット基
板であり、前記第２のランガサイト基板がα２°ｙカッ
ト基板であり、前記第１のランガサイト基板の切断角度
α１が、−５°＞α１＞−２０°の条件を満たし、か
つ、前記第２のランガサイト基板の切断角度α２が、−
３°＜α２＜１２°の条件を満たすように、前記第１の
ランガサイト基板と前記第２のランガサイト基板とが貼
り合わされていることを特徴とする圧電複合基板であ
る。

【００２５】第４の本発明（請求項４に対応）は、所定
の切断角度で切断された少なくとも２枚のランガサイト
基板が、所定の角度で貼り合わされた圧電複合基板の上
面に設けられた少なくとも１つの励振用上面電極と、前
記圧電複合基板の下面に前記励振用上面電極と少なくと
もその一部が対向するように設けられた少なくとも１つ
の励振用下面電極とを備えたことを特徴とする圧電素子
である。

【００２６】第５の本発明（請求項５に対応）は、第４
の本発明の圧電素子において、ランガサイト基板のｘ
軸、つまり、電気軸を回転軸として、ｙ軸、つまり、機
械軸をα度回転させて新たにｙ’軸とし、同時にｚ軸、
つまり、光学軸もα度回転させてｚ’軸とした時、前記
ｙ’軸を法線方向とするように、切断された基板をα°
ｙカット基板とし、前記少なくとも２枚のランガサイト
基板のうちの、１つを第１のランガサイト基板とし、他
の１つを第２のランガサイト基板とすると、前記第１の
ランガサイト基板がα１°ｙカット基板であり、前記第
２のランガサイト基板がα２°ｙカット基板であり、前
記第１のランガサイト基板の切断角度α１が、−５°＞
α１＞−２０°の条件を満たし、かつ、前記第２のラン
ガサイト基板の切断角度α２が、−３°＜α２＜１２°
の条件を満たすように、前記第１のランガサイト基板と
前記第２のランガサイト基板とが貼り合わされているこ
とを特徴とする圧電素子である。

【００２７】第６の本発明（請求項６に対応）は、第４
または第５の本発明の圧電素子において、前記圧電素子
が周波数フィルタであることを特徴とする圧電素子であ
る。

【００２８】第７の本発明（請求項７に対応）は、第４
または第５の本発明の圧電素子において、前記圧電素子
が振動子であることを特徴とする圧電素子である。

【００２９】第８の本発明（請求項８に対応）は、所定
の切断角度で切断された少なくとも２枚のランガサイト
基板が、所定の角度で貼り合わされた圧電複合基板の上
面に設けられた少なくとも１つの励振用上面電極と、前
記圧電複合基板の下面に前記励振用上面電極と少なくと
もその一部が対向するように設けられた少なくとも１つ
の励振用下面電極とを有する振動子と、前記振動子を発
振させるための回路素子を少なくとも備えたことを特徴
とする圧電素子である。

【００３０】第９の本発明（請求項９に対応）は、第８
の本発明の圧電素子において、前記振動子の発振周波数
が、電圧値により制御されることを特徴とする圧電素子
である。

【００３１】第１０の本発明（請求項１０に対応）は、
第４或いは第８の本発明の圧電素子において、前記圧電
複合基板を構成する少なくとも２枚のランガサイト基板
が直接接合していることを特徴とする圧電素子である。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態において、本発
明を更に具体的に説明する。

【００３３】（実施の形態１）本発明の実施の形態１の
圧電素子について、図１、及び、図２を用いて説明す
る。図１は本発明の実施の形態１の圧電素子の斜視図で
あり、図２（ａ）は圧電素子の振動子部分のみの上面図
で、図２（ｂ）は圧電素子の振動子部分のみの下面図で
ある。また、図２（ｃ）は図２（ａ）の１点鎖線ＡＢに
おける断面図である。本実施の形態の圧電素子は圧電振
動子である。

【００３４】図１、及び、図２で、１０１は所定の切断
角度で切断された第１のランガサイト基板であり、１０
２は所定の切断角度で切断された第２のランガサイト基
板である。１０３ａは第１のランガサイト基板１０１上
に形成された励振用上面電極であり、１０３ｂは第２の
ランガサイト基板１０２上に形成された励振用下面電極
である。１０４はランガサイト振動子であり、１０６ａ
は保持基板１０７上に設けられた上面電極引き出し用保
持基板電極であり、１０５ａは励振用上面電極１０３ａ
と上面電極引き出し用保持基板電極１０６ａとを電気的
に接続するための引き出し用上面電極である。１０５
ｂ、１０６ｂは各々引き出し用下面電極、下面電極引き
出し用保持基板電極であり、各々引き出し用上面電極１
０５ａ、上面電極引き出し用保持基板電極１０６ａと同
じ目的で設けられている。１１０は導電性ペーストであ
って、引き出し用上面電極１０５ａと上面電極引き出し
用保持基板電極１０６ａとを、及び、引き出し用下面電
極１０５ｂと下面電極引き出し用保持基板電極１０６ｂ
とを、それぞれ電気的に接続し、かつ保持基板１０７に
ランガサイト振動子１０４を固定するために用いられて
いる。

【００３５】次に、本実施の形態における圧電素子の製
造方法について説明する。

【００３６】所定の切断角（後述）、及び所定の形状に
切り出された第１のランガサイト基板１０１、及び、第
２のランガサイト基板１０２を、重ね合わせ接着剤によ
り固定する。接着剤は、紫外線硬化の接着剤を用いた。
次に、第１のランガサイト基板１０１上に励振用上面電
極１０３ａ、及び引き出し用上面電極１０５ａを、第２
のランガサイト基板１０２上に励振用下面電極１０３
ｂ、及び引き出し用下面電極１０５ｂを、それぞれ真空
蒸着により設け、ランガサイト振動子１０４を作成す
る。次に、保持基板１０７上に上面電極引き出し用保持
基板電極１０６ａ、及び、下面電極引き出し用保持基板
電極１０６ｂを真空蒸着により設ける。そして、ランガ
サイト振動子１０４及び保持基板１０７を導電性接着剤
１１０により接着する。この時、導電性接着剤１１０に
より、引き出し用上面電極１０５ａ及び上面電極引き出
し用保持基板電極１０６ａが、引き出し用下面電極１０
５ｂ及び下面電極引き出し用保持基板電極１０６ｂが、
それぞれ後処理により電気的に接続されるように接着は
行われる。次に、熱処理を行い、導電性接着剤１１０を
固化させ、かつ、電気的に前記の電極を接続する。

【００３７】本実施の形態における圧電素子の特徴は、
所定の切断角度で切断された第１のランガサイト基板１
０１と第２のランガサイト基板１０２が接着剤により接
着され、上下面に励振用電極が設けられ一つの振動子と
なっているということである。ここで、ランガサイト基
板の切断角度について図５を用いて説明する。通常、単
結晶ランガサイト基板は結晶軸はｘ軸（電気軸）、ｙ軸
（機械軸）、ｚ軸（光学軸）からなる。本実施の形態の
ランガサイト基板は、図５（ａ）に示すように、ｘ軸を
回転軸としてｙ軸をα度回転させて新たにｙ’軸とし、
同時にｚ軸もα度回転させてｚ’軸とした時、ｙ’軸を
法線方向とするように、切断された基板である。このよ
うな切断角度の基板をα°ｙカット基板という。

【００３８】本実施の形態の圧電素子では、第１のラン
ガサイト基板１０１、及び第２のランガサイト基板１０
２の切断角度α１、及び、α２を各々−５°＞α１＞−
２０°、−３°＜α２＜１２°の範囲内とすることで、
−２０℃〜８０℃の温度範囲において、周波数の変化率
の幅は１００ｐｐｍ以下となった。但し、周波数変化率
は室温での周波数を基準として算出した値である。ま
た、Ｑ値は２５０００〜３５０００となった。第１の比
較例として、水晶振動子を試作したが、―２０℃〜８０
℃の温度範囲において、周波数の変化率の幅は約５０ｐ
ｐｍとなった。また、Ｑ値は４００００〜５００００と
なった。周波数温度安定性、及び、Ｑ値とも水晶振動子
の方が優れているが、電気機械結合係数ｋ²は水晶振動
子にくらべ、本実施の形態の圧電振動子では、３〜４倍
大きいため、結果として、性能指数Ｍは本実施の形態に
おける圧電振動子の方が大きい。周波数の安定度を前記
の値で許容する場合、性能指数Ｍが大きい方が発振器等
の素子を構成する際、設計が容易で、かつ、安定した発
振特性が得られる。次に、比較例の第２として、単板か
らなるランガサイト振動子を試作したが、―２０℃〜８
０℃の温度範囲において、周波数の変化率は幅は約２５
０ｐｐｍ程度となった。また、Ｑ値は３００００〜４０
０００となった。この場合、性能指数Ｍは若干本実施の
形態の圧電振動子に比べ大きいが、周波数の温度安定性
が３倍以上悪い。

【００３９】次に、本実施の形態における圧電素子の周
波数変化率の改善の原理について図８を用いて説明す
る。図８（ａ）は厚みすべり振動モードにおける切断角
αと共振周波数の１次の温度係数との関係を示した模式
図であり、図８（ｂ）は厚みすべり振動モードにおける
切断角αと共振周波数の２次の温度係数との関係を示し
た模式図である。本実施の形態の圧電素子では、貼りあ
わせた基板の切断角度α１、及び、α２の一方を１次の
温度係数が小さく、かつ、２次の温度係数が正の領域に
ある角度とし、他の一方を１次の温度係数が小さく、か
つ、２次の温度係数が負の領域にある角度とすることに
より、周波数変化率の温度特性を改善している。

【００４０】以上説明したように、本実施の形態におけ
る圧電素子により、Ｑ値、及び、電気機械結合係数ｋ²
がともに大きいことから、振動子の性能指数Ｍを大きく
することができ、かつ、周波数の温度安定性も高い圧電
振動子を構成できる。

【００４１】（実施の形態２）実施の形態２の圧電素子
について説明する。本実施の形態の圧電素子は圧電発振
器である。

【００４２】実施の形態１で説明した圧電振動子を用い
て、図３に示すようなコルピッツ型発振器を構成した。
使用温度、及び、電源電圧を意図的に変動させて、発振
の安定度を測定したが、実施の形態１で説明した比較例
１、及び、比較例２の振動子を用いた場合に比べ、劣悪
な条件下でも安定した発振特性が得られた。これは、本
実施の形態で用いた圧電振動子がＱ値、ｋ²ともに大き
く、かつ、周波数安定度も高いためである。

【００４３】以上説明したように、本実施の形態におけ
る構成により、安定した発振特性を有した圧電発振器を
実現できる。また、振動子の特性自体が良く、回路等に
よる工夫を要しないため、発振器の低コスト化も実現で
きる。

【００４４】（実施の形態３）実施の形態３の圧電素子
について説明する。本実施の形態の圧電素子は電圧制御
型の圧電発振器である。図４は、実施の形態１で説明し
た圧電振動子の振動子部分の等価回路を示す図である。
破線で囲まれた部分が振動子で、基本振動のみの等価回
路で表している。Ｌｅｘ、及び、Ｃｖａｒは、振動子に
取り付けられた制御用のコイル、及び、コンデンサを示
す図である。実際の電圧制御型発振器では、図４で示し
た図の両端に、発振条件を満たすように増幅回路を取り
付ける。

【００４５】実施の形態１で説明した比較例１の振動子
を用いた場合に比べ、広い周波数可変領域を得ることが
できた。また、実施の形態２と同様に、実施の形態１で
説明した比較例１、及び、比較例２の振動子を用いた場
合に比べ、劣悪な条件下でも安定した発振特性が得られ
た。

【００４６】以上説明したように、本実施の形態におけ
る構成により、周波数の可変領域が広く、かつ安定した
発振特性を有した圧電発振器を実現できる。また、実施
の形態２と同様の理由により、低コスト化も実現でき
る。

【００４７】（実施の形態４）本発明の実施の形態４の
圧電素子について、図６を用いて説明する。図６は本発
明の実施の形態４の圧電素子を示す図であり、図６
（ａ）は圧電素子の振動子部分のみの上面図であり、図
６（ｂ）は圧電素子の振動子部分のみの下面図である。
また、図６（ｃ）は図６（ａ）の１点鎖線ＡＢにおける
断面図である。本実施の形態の圧電素子は圧電周波数フ
ィルタである。

【００４８】図６で、２０１は所定の切断角度で切断さ
れた第１のランガサイト基板であり、２０２は所定の切
断角度で切断された第２のランガサイト基板である。２
０３ａ、及び、２０３ｂは第１のランガサイト基板２０
１上に形成された励振用上面電極であり、２０３ｃは第
２のランガサイト基板２０２上に形成された励振用下面
電極である。２０４はランガサイト周波数フィルタであ
る。また、図示していないが、実際は、実施の形態１と
同様に、以上説明した周波数フィルタ素子が保持基板上
に固定され、上下面から電極引き出しされて、圧電素子
が形成されている。

【００４９】本実施の形態における圧電素子の構造、及
び、製造方法について説明する。実施の形態１同様、第
１のランガサイト基板２０１の切断角度α１を−５°＞
α１＞−２０°とし、また、第２のランガサイト基板２
０２の切断角度α２を−３°＜α２＜１２°とし、第１
のランガサイト基板２０１と第２のランガサイト基板２
０２とが実施の形態１と同じ形態で接着されている。製
造方法は、実施の形態１の圧電素子と概略同様の方法で
ある。

【００５０】次に、本実施の形態における圧電素子の特
徴について説明する。

【００５１】本実施の形態の周波数フィルタでは、例え
ば、図１４の構造の水晶フィルタに比べ、３倍以上の周
波数帯域幅をとれる。１００ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの帯
域で使用する場合を考えると、周波数の温度安定性を考
慮しても、周波数の帯域幅を水晶フィルタに比べ、２倍
以上大きくできる。また、単板のランガサイト基板を用
いて図１４の構造でフィルタを構成した場合でも、本実
施の形態のフィルタに比べ、周波数の温度安定性が劣る
ことから、帯域幅を１／２以下に設定しておく必要があ
る。また、ニオブ酸リチウム、及び、タンタル酸リチウ
ムを用いた場合では、更に、周波数の温度安定性が更に
劣ることから帯域幅は小さくなる。

【００５２】以上説明した本実施の形態における圧電フ
ィルタにより、広帯域のフィルタを容易に実現すること
が可能となる。

【００５３】（実施の形態５）本発明の実施の形態５の
圧電素子について、説明する。説明は図７を用いて行
う。本発明の実施の形態は実施の形態４で説明した圧電
素子を異なる電極構成で実現したもので、実質的な特
徴、効果は概略同じである。図７で、３０１は所定の切
断角度α１°で切断された第１のランガサイト基板であ
り、３０２は所定の切断角度α２°で切断された第２の
ランガサイト基板である。α１、α２は実施の形態４と
同様の範囲内で選択される。３０３ａ、及び、３０３ｂ
は第１のランガサイト基板３０１上に形成された励振用
上面電極であり、３０３ｃ、３０３ｄは第２のランガサ
イト基板３０２上に形成された励振用下面電極であり、
各々３０３ａ、３０３ｂに対応する。３０４はランガサ
イト周波数フィルタである。また、図示していないが、
実際は、実施の形態１と同様に、以上説明した周波数フ
ィルタ素子が保持基板上に固定され、上下面から電極引
き出しされて、圧電素子が形成されている。

【００５４】本発明の実施の形態は、前記のように実施
の形態４と同じ特徴、効果をもつ。

【００５５】（実施の形態６）本発明の実施の形態６の
圧電素子について、説明する。説明は図６を用いて行
う。

【００５６】本実施の形態６の構造は第１のランガサイ
ト基板２０１、及び第２のランガサイト基板２０２が直
接接合により固着している点を除き、実施の形態４と同
様である。

【００５７】ここで、直接接合について更に説明する。
直接接合は、例えば、以下のような工程で実現される。

【００５８】（ステップａ）基板の重ね合わせる面を鏡
面仕上げする。

【００５９】（ステップｂ）基板を洗浄し、基板表面を
親水化処理する。すると、基板表面に水酸基が、付着さ
れる（図１８（ａ））。

【００６０】（ステップｃ）基板を重ね合わせる。する
と、一方の面の水酸基が他方の面の水酸基と水素結合す
る（図１８（ｂ））。

【００６１】（ステップｄ）熱処理を行う。すると、水
分子が排出され、原子間接合が達成される（図１８
（ｃ））。

【００６２】以上の工程で、基板は直接接合される。ま
た、直接接合の接合の形態には、概ね次の３種類が存在
する。

【００６３】（イ）水素結合による固着状態 接合前の工程において意図的に基板表面に付着させた水
酸基、或いは、微量に残った水分子等の水素結合により
固着した接合状態である。

【００６４】（ロ）原子間接合による固着状態 原子間接合による固着とは、基板表面を構成している原
子同士が、接着剤などの基板表面を構成する原子以外か
らなる中間接着層を介すことなく、直接に接合されてい
る状態を意味する。共有結合やイオン結合は原子間接合
である。

【００６５】（ハ）水素結合及び、原子間接合の共存し
た固着状態 以上の接合状態は、主に、熱処理温度によって変わり、
高温で熱処理を施すことによって、接合形態は、（イ）
（ハ）（ロ）の順に変化していき、接合強度も順に大き
くなっていく。

【００６６】このような直接接合は原子レベルで固着し
ているため、経年変化がほとんどない安定な接合を実現
することができる。

【００６７】以上説明した本実施の形態における構造に
より、第１のランガサイト基板２０１と第２のランガサ
イト基板２０２の接合界面に接着剤等の中間接着層を介
さないことから、素子のＱ値が大きくなり、圧電フィル
タの挿入損失が小さくなる。また、経年変化もなく、安
定した特性が持続できる。

【００６８】（実施の形態７）本発明の実施の形態７の
圧電素子について、説明する。説明は図１を用いて行
う。本実施の形態７の構造は第１のランガサイト基板１
０１、及び第２のランガサイト基板１０２が直接接合に
より固着している点を除き、実施の形態１と同様であ
る。

【００６９】本実施の形態でも実施の形態６と同様に、
素子のＱ値が大きくなり、性能指数Ｍは更に大きくな
る。また、経年もなく、安定した特性が持続できる。

【００７０】（実施の形態８）本発明の実施の形態８の
圧電素子について説明する。本実施の形態の構造は、実
施の形態７で説明した圧電振動子を、実施の形態２、或
いは、実施の形態３で説明した圧電発振器や電圧制御型
の圧電発振器における圧電振動子として用いた構造であ
り、どちらで用いた場合でも、実施の形態２、或いは実
施の形態３で説明した圧電素子よりも安定した発振特性
が得られる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、温度安
定性が高く、かつ、電気機械結合係数ｋ²が大きく、か
つ、Ｑが大きい圧電複合基板、及び、圧電素子を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１における圧電素子を示す斜視図

【図２】実施の形態１における圧電素子を示す図

【図３】実施の形態２を説明するための図

【図４】実施の形態３を説明するための図

【図５】基板の切断角を説明するための図

【図６】実施の形態４における圧電素子を示す図

【図７】実施の形態５における圧電素子を示す図

【図８】周波数変化率の温度特性の改善原理を示す図

【図９】従来例の圧電振動子の説明図

【図１０】従来例の圧電振動子の第１の特性図

【図１１】従来例の圧電振動子の第２の特性図

【図１２】従来例の圧電振動子の第３の特性図

【図１３】従来例の圧電周波数フィルタの説明図

【図１４】従来例の圧電周波数フィルタの第１の特性図

【図１５】従来例の圧電周波数フィルタの第２の特性図

【図１６】従来例の圧電周波数フィルタの第３の特性図

【図１７】従来例の圧電周波数フィルタの第４の特性図
と説明図

【図１８】直接接合の説明図

【符号の説明】

１０１：第１のランガサイト基板 １０２：第２のランガサイト基板 １０３ａ：励振用上面電極 １０３ｂ：励振用下面電極 １０４：ランガサイト振動子 １０５ａ：引き出し用上面電極 １０５ｂ：引き出し用下面電極 １０６ａ：上面電極引き出し用保持基板電極 １０６ｂ：下面電極引き出し用保持基板電極 １０７：保持基板 １１０：導電性接着剤（導電性ペースト）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小松 敦 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 冨田 佳宏 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 川▲さき▼ 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5J108 AA04 BB01 CC04 DD02 DD08

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の切断角度で切断された少なくとも
   ２枚のランガサイト基板が、所定の角度で貼り合わされ
   たことを特徴とする圧電複合基板。
2. 【請求項２】 少なくとも２枚の前記ランガサイト基板
   は、直接接合していることを特徴とする請求項１記載の
   圧電複合基板。
3. 【請求項３】 ランガサイト基板のｘ軸、つまり、電気
   軸を回転軸として、ｙ軸、つまり、機械軸をα度回転さ
   せて新たにｙ’軸とし、同時にｚ軸、つまり、光学軸も
   α度回転させてｚ’軸とした時、前記ｙ’軸を法線方向
   とするように、切断された基板をα°ｙカット基板と
   し、 前記少なくとも２枚のランガサイト基板のうちの、１つ
   を第１のランガサイト基板とし、他の１つを第２のラン
   ガサイト基板とすると、 前記第１のランガサイト基板がα１°ｙカット基板であ
   り、前記第２のランガサイト基板がα２°ｙカット基板
   であり、 前記第１のランガサイト基板の切断角度α１が、−５°
   ＞α１＞−２０°の条件を満たし、かつ、前記第２のラ
   ンガサイト基板の切断角度α２が、−３°＜α２＜１２
   °の条件を満たすように、前記第１のランガサイト基板
   と前記第２のランガサイト基板とが貼り合わされている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の圧電複合基
   板。
4. 【請求項４】 所定の切断角度で切断された少なくとも
   ２枚のランガサイト基板が、所定の角度で貼り合わされ
   た圧電複合基板の上面に設けられた少なくとも１つの励
   振用上面電極と、前記圧電複合基板の下面に前記励振用
   上面電極と少なくともその一部が対向するように設けら
   れた少なくとも１つの励振用下面電極とを備えたことを
   特徴とする圧電素子。
5. 【請求項５】 ランガサイト基板のｘ軸、つまり、電気
   軸を回転軸として、ｙ軸、つまり、機械軸をα度回転さ
   せて新たにｙ’軸とし、同時にｚ軸、つまり、光学軸も
   α度回転させてｚ’軸とした時、前記ｙ’軸を法線方向
   とするように、切断された基板をα°ｙカット基板と
   し、 前記少なくとも２枚のランガサイト基板のうちの、１つ
   を第１のランガサイト基板とし、他の１つを第２のラン
   ガサイト基板とすると、 前記第１のランガサイト基板がα１°ｙカット基板であ
   り、前記第２のランガサイト基板がα２°ｙカット基板
   であり、 前記第１のランガサイト基板の切断角度α１が、−５°
   ＞α１＞−２０°の条件を満たし、かつ、前記第２のラ
   ンガサイト基板の切断角度α２が、−３°＜α２＜１２
   °の条件を満たすように、前記第１のランガサイト基板
   と前記第２のランガサイト基板とが貼り合わされている
   ことを特徴とする請求項４記載の圧電素子。
6. 【請求項６】 前記圧電素子が周波数フィルタであるこ
   とを特徴とする請求項４または５記載の圧電素子。
7. 【請求項７】 前記圧電素子が振動子であることを特徴
   とする請求項４または５記載の圧電素子。
8. 【請求項８】 所定の切断角度で切断された少なくとも
   ２枚のランガサイト基板が、所定の角度で貼り合わされ
   た圧電複合基板の上面に設けられた少なくとも１つの励
   振用上面電極と、前記圧電複合基板の下面に前記励振用
   上面電極と少なくともその一部が対向するように設けら
   れた少なくとも１つの励振用下面電極とを有する振動子
   と、前記振動子を発振させるための回路素子を少なくと
   も備えたことを特徴とする圧電素子。
9. 【請求項９】 前記振動子の発振周波数は、電圧値によ
   り制御されることを特徴とする請求項８記載の圧電素
   子。
10. 【請求項１０】 前記圧電複合基板を構成する少なくと
    も２枚のランガサイト基板が直接接合していることを特
    徴とする請求項４、或いは、請求項８記載の圧電素子。