JP3317219B2 - 容量内蔵型圧電共振部品 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば圧電発振子
として用いられる容量内蔵型圧電共振部品に関し、より
詳細には、圧電共振素子と容量素子との積層構造が改良
された容量内蔵型圧電共振部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電共振素子と容量素子とを組み
合わせてなる容量内蔵型の圧電発振子が知られている。
また、この容量内蔵型圧電発振子を、下方に開口を有す
るキャップ材を該開口側からケース基板に接合すること
により構成されたケース内に収納してなるチップ型圧電
発振子も知られている。

【０００３】上記チップ型圧電発振子では、アルミナな
どの絶縁性材料からなるケース基板上に、外部との接続
のための複数の端子電極が形成されている。また、該ケ
ース基板上に、誘電体基板の両主面に複数の容量取り出
し電極を形成することにより構成された３端子型容量素
子が導電性接合材を介して接合されている。さらに、上
記矩形板状の容量素子の上方に、導電性接合材、例えば
半田や導電ペーストを介して、圧電共振素子が接合さ
れ、積層されている。上記ケース基板上に、キャップ材
を該キャップ材の下方開口側から接合することにより、
ケース基板とキャップ材とにより構成される内部空間に
上記容量素子及び圧電共振素子からなる積層構造が密閉
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の上記容量内蔵型
圧電共振部品では、ケース基板上に積層されている矩形
板状の容量素子と、該容量素子に積層される矩形板状の
圧電共振素子として、同じ寸法のもの、特に幅寸法が同
じものが用いられていた。そのため、圧電共振素子を駆
動した際に発生する幅モードの周波数と、容量素子の幅
方向の固有振動数とが略一致し、両素子が幅モードで互
いに共振し、幅モードに起因するスプリアス応答が大き
くなるという問題があった。

【０００５】従って、目的とする周波数で確実に発振さ
せ難いことがあり、特に、幅モードに起因するスプリア
スが大きくなりすぎ、該スプリアス応答の周波数におい
て異常発振が生じることもあった。

【０００６】本発明の目的は、上述した従来の容量内蔵
型圧電共振部品の欠点を解消し、幅モードに起因する不
要スプリアスを効果的に抑圧することができ、従って、
目的とする周波数で安定に発振させ得る、容量内蔵型圧
電共振部品を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係る容量内蔵型圧電共振部品は、矩形板状の圧電共振素
子と、前記圧電共振素子に導電材を介して接合されて積
層されている矩形板状の容量素子とを備え、前記容量素
子の幅寸法をＷｃ、幅方向の周波数定数をＮｃ、前記圧
電共振素子の幅寸法をＷｅ、幅方向の周波数定数をＮｅ
としたときに、１．３≦（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗ
ｃ）とされていることを特徴とする。

【０００８】請求項２に記載の発明では、上記容量素子
及び圧電共振素子からなる積層構造が容量素子側から導
電材を介して上面に接合され、かつ積層されているケー
ス基板がさらに備えられる。

【０００９】請求項３に記載の発明では、上記容量素子
及び圧電共振素子からなる積層構造を囲繞するように、
ケース基板に固定されたキャップ材がさらに備えられ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
非限定的な実施例を説明することにより、本発明を明ら
かにする。

【００１１】図１は、本発明の一実施例に係る容量内蔵
型圧電共振部品の分解斜視図である。本実施例の容量内
蔵型圧電共振部品では、ケース基板１とキャップ材２と
によりケースが構成されている。このケース内に、容量
素子３及び圧電共振素子４が収納されている。

【００１２】ケース基板１は、平面形状が略矩形の板状
の絶縁性材料で構成されている。絶縁材料としては、ア
ルミナなどの絶縁性セラミックスや合成樹脂などを用い
ることができる。

【００１３】ケース基板１の対向し合っている長辺側の
側面１ａ，１ｂには、それぞれ、複数の切欠が形成され
ている。また、ケース基板１の上面１ｃにおいては、図
２に平面図で示すように、端子電極５ａ〜５ｃが形成さ
れている。各端子電極５ａ〜５ｃは、ケース基板１の上
面１ｃにおいて、幅方向両端に至るように形成されてお
り、さらに側面１ａ，１ｂに形成されている切欠内に延
ばされている。

【００１４】上記端子電極５ａ〜５ｃは、ケース基板１
に導電性材料として、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｇ−Ｐｄ
などからなる導電膜を形成することにより構成されてい
る。導電膜の形成方法については、特に限定されず、導
電ペーストの塗布・焼付け、蒸着、メッキ、スパッタリ
ングなどの適宜の方法を用いることができる。

【００１５】図１に戻り、ケース基板１上には、導電性
接合材６ａ，６ｂ，６ｃを介して容量素子３が接合され
る。導電性接合材６ａ〜６ｃとしては、公知の導電性接
着剤を用いることができる。

【００１６】容量素子３は、矩形板状の誘電体基板３ａ
の下面に、図１に想像線で示すように容量取り出し電極
３ｂを、上面に一対の容量取り出し電極３ｃ，３ｄを形
成することにより構成されている。容量取り出し電極３
ｃ，３ｄは、誘電体基板３ａの上面中央において所定距
離を隔てて対向されている。また、容量取り出し電極３
ｂは、容量取り出し電極３ｃ，３ｄと誘電体基板３ａを
介して部分的に対向するように形成されている。

【００１７】また、容量取り出し電極３ｃ，３ｄの各端
部は、誘電体基板３の端面を経て下面に至るように延長
されている。従って、誘電体基板３の下面においては、
容量取り出し電極３ｂと、電極延長部３ｃ₁ ，３ｄ₁ と
が形成されている。

【００１８】誘電体基板３ａとしては、適宜の誘電体セ
ラミックスまたは合成樹脂などからなる矩形板状の材料
を用いることができる。また、容量取り出し電極３ｂ，
３ｃ，３ｄについては、前述した端子電極５ａ〜５ｃと
同様の金属材料により構成することができる。

【００１９】容量素子３は、３端子型コンデンサを構成
しており、導電性接合材６ａ，６ｂ，６ｃは、それぞ
れ、電極延長部３ｃ₁ 、容量取り出し電極３ｄ及び電極
延長部３ｄ₁ に接合され、かつこれらと電気的に接続さ
れる。また、導電性接合材６ａ〜６ｃは、下面において
は、それぞれ、端子電極５ａ〜５ｃに接合される。

【００２０】また、ケース基板１の上面には、図１にハ
ッチングを付して示すように、絶縁性接着剤７が塗布さ
れる。絶縁性接着剤７は、導電性接合材６ａ〜６ｃが付
与される部分を除いて、すなわち、矩形の領域７ａ，７
ｂ，７ｃを除いて塗布されている。この絶縁性接着剤７
は、容量素子３をケース基板１に接合すると共に、後述
のキャップ材２をケース基板１に接合するために塗布さ
れている。絶縁性接着剤７としては、エポキシ系接着剤
やシリコーン系接着剤などの適宜の絶縁性接着剤を用い
ることができる。

【００２１】圧電共振子４は、厚み縦振動モードの高調
波を利用したエネルギー閉じ込め型圧電共振子であり、
矩形板状の圧電板４ａを有する。圧電板４ａは、チタン
酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミック
ス、あるいは水晶、ＬｉＮｂＯ₃ などの圧電単結晶によ
り構成することができる。圧電板４ａは、圧電セラミッ
クスにより構成されている場合には厚み方向に分極処理
されている。

【００２２】圧電板４ａの上面には、第１の励振電極４
ｂが形成されている。第１の励振電極４ｂは、圧電板４
ａの上面中央から一方端部に向かって延ばされている。
また、圧電板４ａの下面には、第２の励振電極４ｃが形
成されている。第２の励振電極４ｃは、圧電板４ａの下
面中央から圧電板４ａの一方端に延ばされている。励振
電極４ｂ，４ｃは、圧電板４ａの一方端面上において導
電膜４ｄにより電気的に接続されている。

【００２３】他方、圧電板４ａ内には、中間高さ位置に
内部電極４ｅが形成されている。内部４ｅは、圧電体層
を介して励振電極４ｂ，４ｃに重なり合うように配置さ
れており、かつ圧電板４ａの他方端部に引き出されてい
る。圧電板４ａの他方端部においては、端面を覆い、か
つ上面及び下面に至るように引出し電極４ｆが形成され
ている。

【００２４】第１，第２の励振電極４ｂ，４ｃと、内部
電極４ｅとの間に交流電圧を印加することにより、圧電
共振子４は、厚み縦振動モードで励振し、該厚み縦振動
モードの高調波を利用した共振特性を得ることができ
る。

【００２５】また、圧電共振素子４は、導電性接合材８
ａ，８ｂを介して容量素子３に接合されると共に、電気
的に接続される。すなわち、導電性接合材８ａは、容量
取り出し電極３ｃと、圧電共振素子４に形成された引出
し電極４ｆとを電気的に接続し、導電性接合材８ｂは、
容量取り出し電極３ｄと第２の励振電極４ｃとを電気的
に接続している。

【００２６】また、上記導電性接合材８ａ，８ｂによ
り、圧電共振素子４が容量素子３に機械的にも接合され
ている。本実施例の特徴は、上記圧電共振素子４の幅寸
法をＷｅ、幅方向の周波数定数をＮｅ、容量素子３の幅
寸法をＷｃ、幅方向の周波数定数をＮｃとしたときに、
１．３≦（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）の関係を満た
すように、容量素子３及び圧電共振素子４の寸法が定め
られていることにある。

【００２７】本実施例の圧電共振素子４では、上記式を
満たすように圧電共振素子４及び容量素子３の寸法が定
められているため、後述の実験例から明らかなように、
幅モードに起因する不要スプリアスを効果的に抑圧する
ことができ、厚み縦振動の高調波を安定に発振すること
が可能とされている。

【００２８】なお、図１において、２はキャップ材を示
し、例えばステンレスやアルミニウムなどの金属材料あ
るいは適宜の合成樹脂により構成されている。キャップ
材２は、下方に開口を有し、該開口周縁部が絶縁性接着
剤７を介してケース基板１に接合されている。従って、
ケース基板１とキャップ材２とで密閉空間が構成され、
この密閉空間内に、上述した容量素子３及び圧電共振素
子４の積層構造が収納されており、かつ外部に対して密
閉されている。

【００２９】図３は、上記のようにして得られた本実施
例に係る容量内蔵型圧電共振部品９の外観を示す斜視図
である。圧電共振部品９においては、端子電極５ａ，５
ｃ間に圧電共振素子４が接続され、端子電極５ｂと端子
電極５ａ，５ｃとの間に、それぞれ、コンデンサが挿入
されることになる。すなわち、図４に回路図で示す回路
構成が圧電共振部品９により実現されている。

【００３０】また、本実施例の容量内蔵型圧電共振部品
９では、上記端子電極５ａ〜５ｃがケース基板１の側面
１ａ，１ｂに形成された切欠に至るように延ばされてい
る。従って、他のチップ型電子部品と同様に、例えばプ
リント回路基板上に自動機を用いて容易に表面実装する
ことができる。

【００３１】次に、容量内蔵型圧電共振部品９におい
て、幅モードに起因する不要スプリアスを抑制し得るこ
とを、具体的な実験例に基づいて説明する。いま、上記
実施例に係る容量内蔵型圧電共振部品９を、以下の仕様
で作製した。すなわち、容量素子３として、長さ２．２
×厚み０．１５ｍｍ（幅寸法Ｗは後述のように変化させ
た。）のチタン酸ジルコン酸鉛よりなる誘電体基板３ａ
の上面に、０．８×Ｗｍｍ² の面積の容量取り出し電極
３ｃ，３ｄを形成し、下面に容量取り出し電極３ｃ，３
ｄのそれぞれと０．１×Ｗｍｍ² の領域で対向するよう
に容量取り出し電極３ｂを形成したものを用いた。ま
た、圧電共振素子４としては、チタン酸鉛よりなり、長
さ２．２×厚み０．３ｍｍ（幅寸法は後述のように変化
させた。）の厚み縦振動モードよりなる圧電板４ａを用
い、該圧電板４ａの中央領域において、第１，第２の励
振電極４ｄ，４ｃ及び内部電極４ｅが圧電体層を介して
０．２４ｍｍ² の領域で対向しているものを用意した。

【００３２】上記容量素子３及び圧電共振素子を、導電
性接合材６ａ〜６ｃ，８ａ，８ｂとしてエポキシ系導電
性接着剤を用いてケース基板１に順に積層し、ニッケル
・鉄合金よりなるキャップ材２をケース基板１に接合し
た。このようして、実施例の容量内蔵型圧電共振部品９
を作製した。

【００３３】上記圧電共振部品９において、容量素子３
及び圧電共振素子４の幅寸法を変化させ、すなわち（Ｎ
ｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）を種々変化させ、幅モード
に起因するスプリアス応答の位相の大きさを測定した。
結果を図５に示す。

【００３４】図５から明らかなように、上記比（Ｎｅ／
Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）が１．３以上であれば、幅モー
ドに起因するスプリアスの位相が６０°以下であること
がわかる。通常、厚み縦モードの高調波を利用した圧電
発振子では、幅モードに起因するスプリアス応答の位相
が６０°を超えると異常発振を招き、実使用上問題とさ
れている。従って、図５から明らかなように、上記比を
１．３以上とすれば、異常発振を生じさせずに、厚み縦
振動の高調波を安定に発振させ得る負荷容量内蔵型圧電
共振部品を提供し得ることがわかる。

【００３５】なお、図６及び図７は、上記幅モードに起
因するスプリアスを説明するための比較例及び実施例の
インピーダンス−周波数特性を示す図である。図６に示
す比較例では、Ｎｅ＝２２００Ｈｚ・ｍ、Ｗｅ＝０．４
ｍｍ、Ｎｃ＝１８００Ｈｚ・ｍ、Ｗｃ＝０．４ｍｍ、す
なわち上記比（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）＝１．２
２としたことを除いては、実施例と同様に構成された負
荷容量内蔵型圧電共振部品の特性を示す。図６におい
て、矢印Ａが、厚み縦振動の３倍波の応答を示し、他
方、矢印Ｂが幅モードに起因するスプリアス応答を示し
ている。図６から明らかなように、厚み縦振動モード高
調波の応答Ａの近傍に比較的に大きな幅モードに起因す
る応答Ｂが生じていることがわかる。

【００３６】これに対して、図７は、上記実施例におい
て、Ｎｅ＝２２００Ｈｚ・ｍ、Ｗｅ＝０．４ｍｍ、Ｎｃ
＝１８００Ｈｚ・ｍ、Ｗｃ＝０．６ｍｍ、すなわち上記
比（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）＝１．８３とした場
合のインピーダンス−周波数特性を示す。図８から明ら
かなように、本実施例では、矢印Ｃで示す、幅モードに
起因するレスポンスが非常に小さくされていることがわ
かる。

【００３７】上述した実施例の容量内蔵型圧電共振部品
９では、ケース基板１とキャップ材２とによりケースを
構成したが、キャップ材２は必ずしも用いられずともよ
い。また、キャップ材２に代えて、圧電共振素子４の上
方に、該導電性接着剤や絶縁性接着剤を介してケース基
板１と同様の平板状のケース基板を積層してもよい。

【００３８】さらに、ケース基板１として、平板状の部
材ではなく、底面上に容量素子３及び圧電共振素子４を
積層し、かつこれらが積層されている部分の周囲に圧電
共振素子４の上面よりも上方に延ばされた側壁を有す
る、上方に開いた開口を有する有底のケース基板を用い
てもよい。この場合には、上方開口を閉成するように平
板状の蓋材等を用いることにより、圧電共振素子４及び
容量素子３を内部に密閉し得るケースを構成することが
できる。

【００３９】圧電共振素子４についても、上述した厚み
縦振動の高調波を利用するものに限らず、厚み縦振動の
基本波を用いたものであってもよく、あるいは厚み縦振
動モードや幅モード以外の振動モードを利用するもので
あってもよい。

【００４０】容量素子３についても、上述したように、
単一の誘電体基板３ａの両面に容量取り出し電極３ｂ，
３ｃ，３ｄを形成したものに限定されず、矩形板状の形
状を有する限り、内部電極を有する積層コンデンサなど
の他の構造のものであってもよい。

【００４１】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、矩形板
状の圧電共振素子と、矩形板状の容量素子とを導電材を
介して接合した構造を有する圧電共振部品において、比
（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）が１．３以上とされて
いるため、幅モードに起因する不要スプリアスを効果的
に抑圧することができ、従って、所望の周波数で安定に
発振し得る容量内蔵型圧電共振部品を提供することが可
能となる。

【００４２】請求項２に記載の発明では、容量素子及び
圧電共振素子からなる積層構造が、容量素子側からケー
ス基板の上面に導電材を介して接合されかつ積層されて
いるので、ケース基板に端子電極を設け、該端子電極を
導電材により容量素子と電気的に接続することにより、
ケース基板側からプリント回路基板などに表面実装可能
な圧電共振部品とすることができる。

【００４３】請求項３に記載の発明によれば、容量素子
及び圧電共振素子からなる積層体を囲繞するように、ケ
ース基板にキャップ材が固定されているので、容量素子
及び圧電共振素子からなる積層体が密封され、従って、
耐環境特性や耐衝撃性等に優れた圧電共振部品とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る容量内蔵型圧電共振部
品を説明するための分解斜視図。

【図２】図１に示した圧電共振部品に用いられているケ
ース基板の平面図。

【図３】図１に示した実施例の容量内蔵型圧電共振部品
の外観を示す斜視図。

【図４】図３に示した容量内蔵型圧電共振部品の回路構
成を示す図。

【図５】実施例の容量内蔵型圧電共振部品において、比
（Ｎｅ／Ｗｅ）／（Ｎｃ／Ｗｃ）を変化させた場合の幅
モードに起因する応答の位相の変化を示す図。

【図６】比較のために用意した容量内蔵型圧電共振部品
のインピーダンス−周波数特性を示す図。

【図７】実施例の容量内蔵型圧電共振部品のインピーダ
ンス−周波数特性を示す図。

【符号の説明】

１…ケース基板 ２…キャップ材 ３…容量素子 ４…圧電共振素子 ６ａ〜６ｃ…導電性接合材 ８ａ，８ｂ…導電性接合材 ９…容量内蔵型圧電共振部品

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 矩形板状の圧電共振素子と、 前記圧電共振素子に導電材を介して接合されて積層され
   ている矩形板状の容量素子とを備え、 前記容量素子の幅寸法をＷｃ、幅方向の周波数定数をＮ
   ｃ、前記圧電共振素子の幅寸法をＷｅ、幅方向の周波数
   定数をＮｅとしたときに、１．３≦（Ｎｅ／Ｗｅ）／
   （Ｎｃ／Ｗｃ）とされていることを特徴とする、容量内
   蔵型圧電共振部品。
2. 【請求項２】 前記容量素子及び圧電共振素子からなる
   積層構造が容量素子側から導電材を介して上面に接合さ
   れかつ積層されているケース基板をさらに備えることを
   特徴とする、請求項１に記載の容量内蔵型圧電共振部
   品。
3. 【請求項３】 前記容量素子及び圧電共振素子からなる
   積層構造を囲繞するように、前記ケース基板に固定され
   たキャップ材をさらに備えることを特徴とする、請求項
   ２に記載の容量内蔵型圧電共振部品。