JP2000244276A - 圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】拡がり振動や長さ振動を利用した共振子に比べ
て小形に構成でき、損失が少なく、電気的特性と機械的
強度との両立が容易な圧電共振子を得る。 【解決手段】矩形の圧電板１１に矩形の金属板１２を対
面接着して共振子素子１０を構成し、金属板１２の長さ
方向中央部に金属支持体１３を溶接固定する。金属支持
体１３を取付基板１４の一方の電極パターン１５に接続
固定し、圧電板１１の表面電極１１ａをワイヤ２０を介
して他方の電極パターン１６に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミック発振子，
セラミックディスクリミネータ，ラダー型セラミックフ
ィルタなどに用いられる、共振周波数がｋＨｚ帯の圧電
共振子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の圧電共振子としては、図
１に示すように拡がり振動を利用したセラミック共振子
１や、図２に示すように長さ振動を利用したセラミック
共振子６が知られている。図１の場合、共振子１は、一
対の金属スプリング端子２，３とともに箱型のケース４
内に収容され、ケース４の開口部は封止用樹脂５によっ
て封止されている。また、図２では、共振子６の中央部
に導電ペーストなどからなる導電性支持体７が固定さ
れ、共振子６は支持体７を介して取付基板８に設けられ
た電極パターン（図示せず）に接続固定されている。共
振子６の周囲は、取付基板８に接着されたキャップ９に
よって封止されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】拡がり振動を利用した
共振子１の場合、共振周波数Ｆは素子の辺長さＬと定数
Ｃとにより、次式で表される。 Ｃ＝２×Ｆ×Ｌ 定数Ｃはセラミック素子を媒体とした時の音速であり、
約４，４００ｍ／秒であることがわかっている。したが
って、４００ｋＨｚの共振周波数を有する共振子を作成
するには、セラミック素子の辺長さＬを約５．５ｍｍに
もする必要があり、小型化に不利であると同時に、セラ
ミック材料の体積も大きくなるので、重量増加、コスト
上昇を招くという欠点があった。また、図１のように共
振子１の両面中心部を金属スプリング端子２，３の突起
２ａ，３ａで点保持しているため、機械的衝撃によって
共振子１の保持点がずれて電気的特性が変化してしまう
という欠点があった。

【０００４】一方、長さ振動を利用した共振子６は、短
冊型に構成できるので、拡がり振動を利用した共振子１
に比べて幅方向の小型化が可能であり、表面実装型に容
易に構成できる利点がある。しかしながら、取付基板８
への固定強度を高めるために支持体７の接着幅寸法Ｗを
大きくすると、共振子６の振動を阻害する負荷として作
用し、電気的特性が悪化してしまうという問題がある。
すなわち、電気的特性と機械的強度とを両立させるのが
困難であった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、拡がり振動や長
さ振動を利用した共振子に比べて小形に構成できる圧電
共振子を得ることにある。他の目的は、損失が少なく、
機械的衝撃等による電気的特性の変化がなく、かつ電気
的特性と機械的強度との両立が容易な圧電共振子を得る
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、表裏面に電極が形成さ
れ、厚み方向に分極処理された矩形の圧電板と、上記圧
電板と略同寸法の矩形に形成され、圧電板の片面電極に
対面接着された金属板とで共振子素子を構成し、上記圧
電板の他面電極と金属板との間に所定の周波数信号を印
加することにより、長さ方向に屈曲振動を発生させるよ
うに構成した圧電共振子を提供する。

【０００７】金属板と圧電板の他面電極との間に所定の
周波数信号を入力すると、圧電板が長さ方向に伸縮し、
これに応じて共振子素子は屈曲変形する。屈曲振動で
は、 ２×Ｆ×Ｌ≒２，２００（ｍ／ｓｅｃ） となり、セラミックを媒体とする音速が拡がり振動や長
さ振動に比べて約１／２となるので、同じ周波数の共振
子を得るのに長さ寸法は約１／２で済む。幅や厚みは長
さに略比例させて基準化するので、全体として共振子に
必要な体積は拡がり振動を利用した共振子に比べて約１
／８となる。そのため、小型，軽量で安価に構成でき
る。

【０００８】また、本発明では、圧電板と金属板とを接
着一体化させてあるので、圧電板の厚みを従来に比べて
大幅に薄くできる。拡がり振動や長さ振動では圧電板の
厚みは約３００μｍが限界であったが、本発明では約７
０μｍまで薄くすることが可能となった。

【０００９】屈曲振動では、長さ，拡がり振動に比べて
電気機械結合係数が約１／３になるという特徴がある。
そのため、屈曲振動を利用した共振子を発振子に応用し
た場合には周波数安定性が向上し、フィルタに応用した
場合には狭帯域フィルタが容易に得られる。

【００１０】共振子の場合、振動を阻害する負荷を少な
くするため、変位を出来るだけ拘束しない方が望まし
い。そこで、請求項２では、共振子素子の長さ方向中央
部を支持体で支持してある。すなわち、図３に示すよう
に、屈曲振動する共振子素子を支持する場合、その中央
部を支持したとき（図３のＡ点）と両端から約Ｌ／６
（Ｌ：共振子素子の長さ）の位置を支持したとき（図３
のＢ点）とで振動モードはほぼ同じとなる。しかし、両
端からＬ／６の位置を支持した場合には、支持点Ｂが２
箇所になるとともに、支持点Ｂを強固に固定すると、共
振子素子の角度変化が制限されるので、損失が大きい。
これに対し、中央部を支持した場合には、支持点Ａは１
箇所で済み、しかも振動の腹を支持点Ａで支持すること
になるので、角度変化が殆どなく、強固に固定しても損
失が少なく、最も効率がよい。

【００１１】請求項３のように、支持体を金属支持体で
構成し、金属支持体の片側縁部を金属板の長さ方向中央
部に溶接にて電気的および機械的に接続し、金属支持体
の他側縁部を複数の電極パターンを形成した取付基板の
何れかの電極パターンに接続固定することで、共振子素
子を取付基板との間に所定の隙間を残して支持するのが
望ましい。

【００１２】この場合には、共振子素子は金属板を取付
基板側に向けて取り付けられる。そのため、圧電板の片
側電極は金属板および金属支持体を介して取付基板の一
方の電極パターンに接続される。また、圧電板の他側電
極は導電性ワイヤやその他の導電性材料を用いて取付基
板の他の電極パターンに接続すればよい。

【００１３】請求項３では、金属支持体と金属板とが溶
接され、両者を強固に固定することが可能であるため、
機械的衝撃によって電気的特性が変化してしまうという
不具合を解消できる。また、両者を極小点で固定するこ
とが可能であるから、金属支持体が負荷になって振動を
阻害する恐れがない。しかも、外部からの衝撃等は金属
支持体を介して金属板に伝達され、圧電板には直接作用
しないので、信頼性の高い共振子が得られる。

【００１４】請求項４のように、支持体を両端部に脚部
を有する門型の金属支持体で構成し、金属支持体の凹状
内側部を金属板の長さ方向中央部に溶接にて電気的およ
び機械的に接続し、金属支持体の脚部を複数の電極パタ
ーンを形成した取付基板の何れかの電極パターンに接続
固定することで、共振子素子を取付基板との間に所定の
隙間を残して支持するのが望ましい。

【００１５】この場合には、共振子素子は圧電板を取付
基板側に向けて取り付けられる。そのため、圧電板の片
側電極は金属板および金属支持体を介して取付基板の一
方の電極パターンに接続され、圧電板の他側電極は取付
基板と対面しているので、導電ペーストなどを用いて取
付基板の他の電極パターンに簡単に接続することができ
る。この場合の導電ペーストは、機械的強度は必要な
く、電気的接続のみでよいので、接着面積を極限まで小
さくしても何ら問題はない。したがって、導電ペースト
が振動を阻害することがない。

【００１６】請求項４の場合も、金属支持体と金属板と
が溶接され、極小点で固定することが可能であるから、
金属支持体が負荷になって振動を阻害する恐れがない。
また、圧電板を取付基板の電極パターンに対して対面さ
せることができるので、導電ペーストなどを用いて接続
可能であり、ワイヤボンディングなどを行なう場合に比
べて製造が容易であり、かつ製品の全高を低くできる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図４は本発明にかかる圧電共振子
を構成する素子１０の一例を示す。この素子１０は、表
裏面に薄膜または厚膜の電極１１ａ，１１ｂ（１１ｂは
図示せず）を有し、厚み方向に分極処理された矩形の圧
電板１１と、圧電板１１と同寸法の矩形に形成され、圧
電板１１の裏面電極１１ｂに導電性接着剤などを介して
対面接着された金属板１２とで構成されている。なお、
裏面電極１１ｂを省略し、金属板１２を圧電板１１の裏
面に導電性接着剤などを介して直接接合することで、金
属板１２で裏面電極１１ｂを兼用してもよい。

【００１８】圧電板１１としては、例えばＰＺＴなどの
圧電セラミックが用いられる。また、金属板１２は良導
電性とバネ弾性とを兼ね備えた材料が望ましく、特にヤ
ング率が圧電板１１と近い材料が望ましい。そのため、
例えばリン青銅，４２Ｎｉなどが用いられる。なお、金
属板１２が４２Ｎｉの場合には、セラミック（ＰＺＴ
等）と熱膨張係数が近いので、より信頼性の高いものが
得られる。

【００１９】圧電板１１の表面電極１１ａと金属板１２
との間に所定の周波数信号を印加することにより、圧電
板１１が長さ方向に伸縮し、これに応じて共振子素子１
０は長さ方向に屈曲振動する（図３参照）。

【００２０】上記のように共振子素子１０を構成する圧
電板１１と金属板１２とが同一寸法であるため、量産化
が容易である。すなわち、圧電板１１のマザー基板と金
属板１２のマザー基板とをそれぞれ作成しておき、これ
らを導電性接着剤などによって対面接着する。その後、
対面接着されたマザー基板をダイサーなどによって個々
の素子にカットすれば、均質な共振子素子１０を簡単か
つ安価に製造することができる。

【００２１】図５〜図７は上記共振子素子１０を用いた
共振子の第１実施例を示す。共振子素子１０の金属板１
２の長さ方向中央部には、図５に示すように金属支持体
１３の片側縁部が共振子素子１０の幅方向に溶接にて固
定されている。この実施例の金属支持体１３は共振子素
子１０の幅寸法より長い細幅状の金属板で構成されてお
り、この金属板１３も良導電性および金属板１２との溶
接性を考慮して、例えばリン青銅，４２Ｎｉなどが用い
られる。溶接方法は、金属板１２と金属支持体１３とが
所定の固着強度が得られるものであれば、種類は問わな
いが、溶接面積をできるだけ小さくできるものが望まし
い。なお、金属板１２と金属支持体１３との溶接を、圧
電板１１と金属板１２とを対面接着する前に行なうこと
も可能である。

【００２２】金属支持体１３を固定した共振子素子１０
は、図６，図７に示すように、取付基板１４の上に搭載
されている。取付基板１４はアルミナセラミックスやガ
ラスエポキシ樹脂などの絶縁材料よりなり、その表面に
は厚膜または薄膜からなる２個の電極パターン１５，１
６が形成されている。一方の電極パターン１５には取付
基板１４の側部に沿って延びる接続部１５ａが形成され
ており、この接続部１５ａの上に導電性接着剤１７を介
して金属支持体１３の一端部が電気的かつ機械的に接合
されている。なお、金属支持体１３の他端部は接着剤１
８（導電性接着剤または絶縁性接着剤）によって取付基
板１４の非電極面上に固定されている。そのため、金属
支持体１３の中央部と取付基板１４との間には所定の隙
間１９が形成される。また、他の電極パターン１６にも
取付基板１４の側部に沿って延びる接続部１６ａが形成
され、この接続部１６ａと圧電板１１の表面電極１１ａ
の中央部との間は、導電性ワイヤ２０をワイヤボンディ
ングすることによって接続されている。電極パターン１
５，１６の外部接続部１５ｂ，１６ｂは取付基板１４の
側面を介して裏面側へ回り込むように形成されている。
取付基板１４上には、共振子素子１０および金属支持体
１３を覆うようにキャップ２１が接着剤２２によって封
着され、表面実装型の電子部品（例えば発振子）が構成
される。

【００２３】上記のように金属支持体１３の共振子素子
１０から突出した両端部が接着剤１７，１８によって取
付基板１４に固定され、金属支持体１３の中央部は取付
基板１４との間に隙間１９を有している。しかも、共振
子素子１０の両端部と取付基板１４との間にも隙間が設
けられている。そのため、共振子素子１０は取付基板１
４上にほぼフローティング状態で支持されることにな
り、共振子素子１０への拘束力が小さい。その結果、金
属支持体１３が共振子素子１０の長さ屈曲振動を阻害す
る負荷として殆ど作用せず、損失が非常に少ない。

【００２４】また、金属支持体１３は金属板１２の中央
部に溶接されているので、その接合面積は非常に小さく
て済み、しかも金属板１２の角度変化の小さい部位（振
動の腹）に接合されているので、金属支持体１３が振動
を阻害しない。そのため、共振子としての損失が少な
く、良好な振動特性を得ることができる。

【００２５】さらに、取付基板１４に共振子素子１０を
取り付けた状態で、機械的な衝撃が加わっても、共振子
１０と金属支持体１３との接合箇所が溶接されているの
で、接合強度が非常に大きく、接合部が外れる可能性が
低い。そのため、電気的特性が変化する恐れがない。以
上のように、電気的特性と機械的強度との両立が容易な
圧電共振子１０を得ることができる。

【００２６】また、屈曲振動ではセラミックを媒体とす
る音速が約２，２００（ｍ／ｓｅｃ）であるから、例え
ば４００ｋＨｚの共振周波数を有する共振子を作成する
には、圧電共振子１０の長辺寸法は約２．７５ｍｍで足
りる。同時に、セラミック材料の体積も小さくできるの
で、全体として共振子に必要な体積は拡がり振動を利用
した共振子に比べて約１／８とすることができる。

【００２７】図８〜図１０は上記共振子素子１０を用い
た共振子の第２実施例を示す。なお、第１実施例と同一
部分には同一符号を付して重複説明を省略する。共振子
素子１０の金属板１２の長さ方向中央部には、図８に示
すように、両端部に脚部２３ａを有する門型状の金属支
持体２３の凹状内側部２３ｂが溶接にて固定されてい
る。金属支持体２３の両脚部２３ａは、図９，図１０に
示すように取付基板１４の一方の電極パターン１５の接
続部１５ａの上と取付基板１４の非電極面上とに接着剤
１７，１８を介して固定されている。電極パターン１５
と脚部２３ａとを固定する接着剤１７は導電性接着剤で
なければならないが、他方の接着剤１８は導電性接着剤
または絶縁性接着剤のいずれであってもよい。上記のよ
うにして、共振子素子１０は取付基板１４との間に所定
の隙間２４を残して取り付けられる。取付基板１４の他
方の電極パターン１６には、共振子素子１０の中央部と
対向する部分まで延びる接続部１６ａが形成されてお
り、この接続部１６ａは導電性接着剤２５によって圧電
板１１の表面電極１１ａと電気的に接続されている。し
かし、導電性接着剤２５は、圧電板１１と取付基板１４
とを機械的に結合する必要なく、専ら電気的接続のみを
受け持てばよいので、接着面積を極限まで小さくするこ
とができる。例えば、長さ振動を利用した共振子の場
合、支持体の接着幅寸法Ｗは０．８ｍｍ以上必要であっ
たが、この場合には接着幅を０．２ｍｍ程度まで短縮し
ても不具合の発生はない。したがって、導電性接着剤２
５が振動の負荷とならず、振動特性を阻害しない。

【００２８】この実施例では、圧電板１１を取付基板１
４の電極パターン１６ａに対して導電ペースト２５を用
いて接続可能であるから、ワイヤボンディングなどを行
なう場合に比べて上下方向の寸法を短縮でき、製品の全
高を低くできる。しかも、金属支持体２３を取付基板１
４に接着する時に、圧電板１１と電極パターン１６との
接続も同時に行なえるので、ワイヤボンディングのよう
な別工程を必要とせず、製造工程が簡素化される。

【００２９】上記実施例では、金属支持体として金属板
を用いたが、金属板に代えて金属ワイヤを用いてもよ
い。また、本発明の圧電共振子は、図７，図１０に示す
ように表面実装型の電子部品に限らず、リード端子付き
電子部品に構成することも可能である。また、１枚の取
付基板の上に１個の共振子を搭載する場合に限らず、複
数個の共振子を搭載してもよい。したがって、取付基板
の電極パターンは２個に限らず、３個以上であってもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、矩形の圧電板と矩形の金属板とを対面接着して
長さ方向の屈曲振動共振子を構成したので、拡がり振動
や長さ振動を用いた共振子に比べて長さ寸法および厚み
を小型化できるとともに、屈曲振動では長さ，拡がり振
動に比べて電気機械結合係数が小さくなるので、発振子
に応用した場合には周波数安定性が向上し、フィルタに
応用した場合には狭帯域フィルタが容易に得られる。

【００３１】また、請求項２のように共振子素子の長さ
方向中央部を支持体で支持するようにすれば、支持点は
１箇所で済み、しかも振動の腹を支持体で支持すること
になるので、角度変化が殆どなく、強固に固定しても損
失が少ない。また、支持体を圧電板ではなく金属板に固
定することで、負荷は圧電板には直接作用しないので、
信頼性の高い共振子が得られる。

【００３２】さらに、請求項３および４のように、金属
支持体を金属板の長さ方向中央部に溶接するようにすれ
ば、金属板と支持体とを強固に固定することが可能であ
るため、機械的衝撃によって電気的特性が変化してしま
うという不具合がなく、しかも接合面積を微小にするこ
とができるので、金属支持体が振動の負荷にならず、損
失の少ない共振子を得ることができる。つまり、電気的
特性と機械的強度との両立が容易な圧電共振子を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の拡がり振動を利用した共振子の例の断面
図である。

【図２】従来の長さ振動を利用した共振子の例の断面図
である。

【図３】本発明にかかる共振子素子の屈曲振動を示す図
である。

【図４】本発明にかかる共振子素子の一例の斜視図であ
る。

【図５】図４の共振子素子に金属支持体の一例を固着し
た状態の斜視図である。

【図６】図５の共振子素子を取付基板に搭載した状態の
斜視図である。

【図７】図５の共振子素子を用いた電子部品の断面図で
ある。

【図８】図４の共振子素子に金属支持体の他の例を固着
した状態の斜視図である。

【図９】図８の共振子素子を取付基板に搭載した状態の
斜視図である。

【図１０】図９の共振子素子を用いた電子部品の断面図
である。

【符号の説明】

１０ 共振子素子 １１ 圧電板 １１ａ 表面電極 １２ 金属板 １３ 金属支持体 １４ 取付基板 １５，１６ 電極パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J108 AA07 BB04 CC04 CC13 DD05 EE03 EE06 EE12 EE14 EE18 EE19 GG03 GG08 GG16 GG18 KK03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表裏面に電極が形成され、厚み方向に分極
   処理された矩形の圧電板と、上記圧電板と略同寸法の矩
   形に形成され、圧電板の片面電極に対面接着された金属
   板とで共振子素子を構成し、上記圧電板の他面電極と金
   属板との間に所定の周波数信号を印加することにより、
   長さ方向に屈曲振動を発生させるように構成した圧電共
   振子。
2. 【請求項２】上記共振子素子の長さ方向中央部を支持体
   で支持したことを特徴とする請求項１に記載の圧電共振
   子。
3. 【請求項３】上記支持体は金属支持体で構成され、上記
   金属支持体の片側縁部は金属板の長さ方向中央部に溶接
   にて電気的および機械的に接続され、上記金属支持体の
   他側縁部は複数の電極パターンを形成した取付基板の何
   れかの電極パターンに接続固定され、上記共振子素子は
   取付基板との間に所定の隙間を残して支持されているこ
   とを特徴とする請求項２に記載の圧電共振子。
4. 【請求項４】上記支持体は両端部に脚部を有する門型の
   金属支持体で構成され、上記金属支持体の凹状内側部は
   金属板の長さ方向中央部に溶接にて電気的および機械的
   に接続され、上記金属支持体の脚部は複数の電極パター
   ンを形成した取付基板の何れかの電極パターンに接続固
   定され、上記共振子素子は取付基板との間に所定の隙間
   を残して支持されていることを特徴とする請求項２に記
   載の圧電共振子。