JPH08167825A

JPH08167825A - 圧電発振子およびその製造方法

Info

Publication number: JPH08167825A
Application number: JP30885994A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Matsumoto; 伊久夫松本
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 1994-12-13
Filing date: 1994-12-13
Publication date: 1996-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電セラミック素子を用いた圧電発振子の発
振周波数の温度変化を良好に低減する。【構成】支持部材２は、樹脂材料からなる樹脂部３
と、セラミック材料からなりキャパシタを構成するセラ
ミック部４とにより構成されており、圧電セラミック素
子５は、樹脂部３に固着されており、樹脂部３の熱膨張
率は、圧電セラミック素子５と樹脂部３との熱膨張率の
差に起因して圧電セラミック素子５に作用する応力によ
る圧電セラミック素子５の発振周波数の変化と、温度変
化に起因する圧電セラミック素子５の発振周波数の変化
とが、互いにほぼ打ち消し合うように設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、圧電セラミック素子
を支持部材に固着した構造の圧電発振子と、その製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電セラミック素子の発振周波数は、温
度の変化に伴って変化する。この温度に対する周波数特
性は、圧電セラミック素子の材料の組成によって決定さ
れるが、従来は、発振周波数の温度変化がなるべく少な
い組成を選定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このため、圧電セラミ
ック素子を用いた従来の圧電発振子は、発振周波数の温
度変化を十分に抑えることができないという課題があっ
た。

【０００４】また、発振周波数の温度変化がなるべく少
ない組成を選定した場合、所望の圧電特性を得られない
こともあり、所望の圧電特性が得られる組成を選定した
場合、発振周波数の温度変化が許容範囲を越えて大きく
なることもあり、両者の両立を図ることは困難であっ
た。

【０００５】本願発明は上記の点に鑑みて提案されたも
のであって、圧電セラミック素子を用いた圧電発振子の
発振周波数の温度変化を良好に低減することを、その目
的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

【０００７】すなわち、本願の請求項１に記載した発明
は、圧電セラミック素子を支持部材に固着した構造の圧
電発振子において、圧電セラミック素子と支持部材との
熱膨張率の差に起因して圧電セラミック素子に作用する
応力による圧電セラミック素子の発振周波数の変化と、
温度変化に起因する圧電セラミック素子の発振周波数の
変化とが、互いにほぼ打ち消し合うように、支持部材の
熱膨張率を設定したことを特徴としている。

【０００８】また、本願の請求項２に記載した発明は、
支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材
料からなりキャパシタを構成するセラミック部とにより
構成されており、圧電セラミック素子は、樹脂部に固着
されており、樹脂部の熱膨張率は、圧電セラミック素子
と樹脂部との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック素
子に作用する応力による圧電セラミック素子の発振周波
数の変化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子の
発振周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うように
設定されていることを特徴としている。

【０００９】また、本願の請求項３に記載した発明は、
支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材
料からなりキャパシタを構成するセラミック部とにより
構成されており、圧電セラミック素子は、セラミック部
に固着されており、セラミック部の熱膨張率は、圧電セ
ラミック素子とセラミック部との熱膨張率の差に起因し
て圧電セラミック素子に作用する応力による圧電セラミ
ック素子の発振周波数の変化と、温度変化に起因する圧
電セラミック素子の発振周波数の変化とが、互いにほぼ
打ち消し合うように設定されていることを特徴としてい
る。

【００１０】また、本願の請求項４に記載した発明は、
圧電セラミック素子を支持部材に固着した構造の圧電発
振子を製造するに際して、圧電セラミック素子と支持部
材との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック素子に作
用する応力による圧電セラミック素子の発振周波数の変
化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子の発振周
波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うような熱膨張
率を有する支持部材を用いることを特徴としている。

【００１１】また、本願の請求項５に記載した発明は、
樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材料からなりキ
ャパシタを構成するセラミック部とにより構成された支
持部材を用い、圧電セラミック素子を、樹脂部に固着
し、樹脂部として、圧電セラミック素子と樹脂部との熱
膨張率の差に起因して圧電セラミック素子に作用する応
力による圧電セラミック素子の発振周波数の変化と、温
度変化に起因する圧電セラミック素子の発振周波数の変
化とが、互いにほぼ打ち消し合うような熱膨張率を有す
るものを用いることを特徴としている。

【００１２】また、本願の請求項６に記載した発明は、
樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材料からなりキ
ャパシタを構成するセラミック部とにより構成された支
持部材を用い、圧電セラミック素子を、セラミック部に
固着し、セラミック部として、圧電セラミック素子とセ
ラミック部との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック
素子に作用する応力による圧電セラミック素子の発振周
波数の変化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子
の発振周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うよう
な熱膨張率を有するものを用いることを特徴としてい
る。

【００１３】

【発明の作用および効果】請求項１に記載した発明によ
れば、支持部材の熱膨張率が、圧電セラミック素子と支
持部材との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック素子
に作用する応力による圧電セラミック素子の発振周波数
の変化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子の発
振周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うように設
定されているので、発振周波数の温度変化を良好に低減
できる。

【００１４】すなわち、本願発明の発明者は、圧電セラ
ミック素子を支持部材に固着した構造の圧電発振子にお
いて、圧電セラミック素子の材料の組成が同じでも、支
持部材の材料が異なれば、圧電セラミック素子の発振周
波数の温度変化が異なることを見出した。さらに具体的
に述べれば、圧電セラミック素子を支持部材に固着した
構造では、両者の熱膨張率の差により、温度変化に伴っ
て圧電セラミック素子に作用する応力が、引っ張り力に
なったり圧縮力になったりする。そして、引っ張り力が
作用すれば、発振周波数が低くなり、圧縮力が作用すれ
ば、発振周波数が高くなる。例えば、支持部材が樹脂に
より構成されているとすれば、圧電セラミック素子より
も熱膨張率が大きいので、温度上昇に伴って、圧電セラ
ミック素子に引っ張り力が作用し、発振周波数が低くな
る。したがって、支持部材の熱膨張率を適切に設定する
ことにより、圧電セラミック素子の温度上昇による発振
周波数の増大と、熱膨張率の差により圧電セラミック素
子に引っ張り力が作用することによる発振周波数の低下
とが、互いにほぼ打ち消し合うようにすることができ
る。この結果、所望の圧電特性を有する圧電セラミック
素子を用いても、支持部材の熱膨張率を適切に設定すれ
ば、圧電セラミック素子の発振周波数の温度変化を良好
に低減でき、圧電特性と発振周波数の温度特性との双方
共に優れた圧電発振子を得ることができる。

【００１５】また、請求項２に記載した発明によれば、
支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材
料からなりキャパシタを構成するセラミック部とにより
構成されており、圧電セラミック素子は、樹脂部に固着
されているので、圧電特性と発振周波数の温度特性との
双方共に優れた圧電発振子を得ることができる。すなわ
ち、樹脂部は圧電セラミック素子と比較して熱膨張率が
大きいので、温度上昇に伴って圧電セラミック素子に大
きな引っ張り力を加えることができ、圧電セラミック素
子の温度上昇に起因する発振周波数の大幅な増大を良好
に低減できる。しかも、樹脂材料はその種類によって熱
膨張率の差が大きく、任意の熱膨張率の樹脂材料を容易
に選択できる。この結果、所望の圧電特性を有する圧電
セラミック素子の発振周波数が温度により大きく変化す
る場合であっても、それをほぼ打ち消すに適した熱膨張
率を有する樹脂材料を、容易に選択できる。

【００１６】また、請求項３に記載した発明によれば、
支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材
料からなりキャパシタを構成するセラミック部とにより
構成されており、圧電セラミック素子は、セラミック部
に固着されているので、温度上昇に起因する発振周波数
の増大が比較的小さな圧電セラミック素子に対して、圧
電セラミック素子に大きな力を作用させることなく、圧
電セラミック素子の発振周波数の温度変化を精密に低減
できる。すなわち、セラミック材料は、樹脂材料に比べ
て熱膨張率が小さいので、温度上昇に起因する圧電セラ
ミック素子の発振周波数の増大をほぼ打ち消すことがで
きる範囲は小さいが、圧電セラミック素子に与えるスト
レスも小さい。もちろん、温度変化によっても圧電セラ
ミック素子に応力が全く作用しない場合は、圧電セラミ
ック素子の発振周波数の温度変化をほぼ打ち消すことが
できないので、セラミック部のセラミック材料としてそ
のような熱膨張率のものを選定すべきではない。

【００１７】また、請求項４に記載した発明によれば、
圧電セラミック素子を支持部材に固着した構造の圧電発
振子を製造するに際して、圧電セラミック素子と支持部
材との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック素子に作
用する応力による圧電セラミック素子の発振周波数の変
化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子の発振周
波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うような熱膨張
率を有する支持部材を用いるので、請求項１に記載した
発明と同様の理由により同様の効果が得られる。

【００１８】また、請求項５に記載した発明によれば、
樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材料からなりキ
ャパシタを構成するセラミック部とにより構成された支
持部材を用い、圧電セラミック素子を、樹脂部に固着
し、樹脂部として、圧電セラミック素子と樹脂部との熱
膨張率の差に起因して圧電セラミック素子に作用する応
力による圧電セラミック素子の発振周波数の変化と、温
度変化に起因する圧電セラミック素子の発振周波数の変
化とが、互いにほぼ打ち消し合うような熱膨張率を有す
るものを用いるので、請求項２に記載した発明と同様の
理由により同様の効果が得られる。

【００１９】また、請求項６に記載した発明によれば、
樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック材料からなりキ
ャパシタを構成するセラミック部とにより構成された支
持部材を用い、圧電セラミック素子を、セラミック部に
固着し、セラミック部として、圧電セラミック素子とセ
ラミック部との熱膨張率の差に起因して圧電セラミック
素子に作用する応力による圧電セラミック素子の発振周
波数の変化と、温度変化に起因する圧電セラミック素子
の発振周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うよう
な熱膨張率を有するものを用いるので、請求項３に記載
した発明と同様の理由により同様の効果が得られる。

【００２０】

【実施例の説明】以下、本願発明の好ましい実施例を、
図面を参照しつつ具体的に説明する。

【００２１】（実施例１）図１は、本願発明の実施例１
に係る圧電発振子の外観斜視図、図２は樹脂部の平面
図、図３は樹脂部の縦断正面図、図４は樹脂部の底面図
であって、圧電発振子１の支持部材２は、ほぼ上面開放
の箱形の樹脂部３と、この樹脂部３の上面を覆う平板状
のセラミック部４とにより構成されている。樹脂部３
は、例えば、ＬＣＰ、ＰＢＴ、ＰＥＳ、ＰＰＳなどの樹
脂からなり、セラミック部４は、例えば、チタン酸バリ
ウム系セラミックなどのセラミックからなる。支持部材
２の内部、すなわち樹脂部３の内面とセラミック部４の
底面とに囲まれた空間には、平板状の圧電セラミック素
子５が配置されており、樹脂部３の長手方向両端部に
は、樹脂部３を長手方向と直行する方向に一周する電極
被膜６，７が形成されている。また樹脂部３の長手方向
中央部には、樹脂部３の内面を除いて電極被膜８が形成
されている。これら電極被膜６，７，８は、例えば、メ
ッキ、あるいは印刷、焼成などの方法で形成されてい
る。圧電セラミック素子５の両端部には、上面から端面
を通って下面に至る電極被膜９，１０が形成されてお
り、一方の電極被膜９は圧電セラミック素子５の下面側
が長く延び、他方の電極被膜１０は圧電セラミック素子
５の上面側が長く延びて、電極被膜９，１０の端部は所
定長さにわたって圧電セラミック素子５を挟んで相対向
している。これら電極被膜９，１０は、例えば、銀の薄
膜形成を施したものである。圧電セラミック素子５の両
端部の電極被膜９，１０は、導電性接着材１１，１２に
より、樹脂部３の電極被膜６，７に接着されている。

【００２２】樹脂部３の熱膨張率は、圧電セラミック素
子５の熱膨張率よりも大きく、圧電セラミック素子５の
温度上昇により発振周波数が増大したときに、樹脂部３
と圧電セラミック素子５との熱膨張率の差に起因して圧
電セラミック素子５に引っ張り力が作用し、それにより
発振周波数が低下し、温度上昇による発振周波数の増大
をほぼ打ち消すように設定されている。これについて
は、さらに後述する。

【００２３】図５はセラミック部４の底面図であって、
セラミック部４の底面の長手方向両端部および中央部に
は、電極被膜１３，１４，１５が形成されている。これ
ら電極被膜１３，１４，１５は、例えば、メッキ、ある
いは印刷、焼成などの方法で形成されている。ここで、
セラミック部４は、例えば、チタン酸バリウム系セラミ
ックからなるので、所定間隔離れた電極被膜１３と電極
被膜１５との間、および電極被膜１４と電極被膜１５と
の間に、所定容量のキャパシタＣ１，Ｃ２が形成され
る。

【００２４】したがって、図１に示すように、樹脂部３
の上面をセラミック部４で覆えば、電極被膜６と電極被
膜１３とが接触し、電極被膜７と電極被膜１４とが接触
し、電極被膜８と電極被膜１５とが接触する。樹脂部３
とセラミック部４との接合は、例えば、電極被膜６，
７，８，１３，１４，１５部分を導電性接着剤で接着
し、その他の部分を絶縁性接着剤で接着すればよい。あ
るいは、電極被膜６，７，８，１３，１４，１５部分を
半田により接着し、その他の部分を絶縁性接着剤で接着
してもよい。

【００２５】この結果、電極被膜８を接地することによ
り、上記圧電発振子１は、図６に示すように、電気的に
は、圧電セラミック素子５の一端が負荷容量Ｃ１を介し
て接地され、圧電セラミック素子５の他端が負荷容量Ｃ
２を介して接地された回路構成になる。そして、圧電セ
ラミック素子５に、Ｃ−ＭＯＳにより構成されたインバ
ータ１６と、帰還抵抗Ｒ１とを接続することにより、図
６に示す発振回路が完成する。

【００２６】次に動作の要点を説明する。いま、圧電セ
ラミック素子５が所定の雰囲気温度で動作しているもの
とすると、圧電セラミック素子５は、所定の周波数で発
振している。ここで、圧電セラミック素子５の雰囲気温
度が上昇すると、圧電セラミック素子５の組成によって
決まる温度−周波数特性により、発振周波数が増加す
る。

【００２７】一方、樹脂部３と圧電セラミック素子５と
は導電性接着材１１，１２により互いに固着されてお
り、樹脂部３は圧電セラミック素子５よりも熱膨張率が
大きいので、樹脂部３と圧電セラミック素子５との熱膨
張率の差により、圧電セラミック素子５に引っ張り力が
作用する。この結果、圧電セラミック素子５の発振周波
数が減少し、圧電セラミック素子５の温度上昇による発
振周波数の増大がほぼ打ち消され、雰囲気温度の変化に
よる発振周波数の変化は殆どなくなる。

【００２８】例えば、ある組成の圧電セラミック素子５
を、セラミック基板に固着し、温度と発振周波数の変化
率との関係を測定したところ、図７に実線Ａで示すよう
になった。また、同じ組成の圧電セラミック素子５を、
樹脂基板に固着し、温度と発振周波数の変化率との関係
を測定したところ、図７に実線Ｂで示すようになった。
また、同じ組成の圧電セラミック素子５を、本実施例１
のように、樹脂部３に固着し、支持部材２に収容して、
温度と発振周波数の変化率との関係を測定したところ、
図７に実線Ｃで示すようになった。このように、同じ組
成の圧電セラミック素子５であっても、固着する相手と
の熱膨張率の差により、圧電セラミック素子５に応力が
作用して、温度と発振周波数の変化率との関係が変化す
るのである。さらに正確に説明すれば、圧電セラミック
素子５に引っ張り力が作用した場合、発振周波数が低下
し、逆に、圧電セラミック素子５に圧縮力が作用した場
合、発振周波数が増大する。したがって、この性質を利
用することにより、圧電セラミック素子５の温度変化に
よる発振周波数の変化を良好に抑えることができるので
ある。

【００２９】すなわち、樹脂部３の熱膨張率を、圧電セ
ラミック素子５の温度上昇による発振周波数の増大がほ
ぼ打ち消されるように予め設定しているので、雰囲気温
度の変化による発振周波数の変化は殆どない。したがっ
て、圧電セラミック素子５の温度変化による発振周波数
の変化の大きさに制限されることなく、所望の圧電特性
の圧電セラミック素子５を選択しても、温度変化による
発振周波数の変化を良好に低減できる。

【００３０】（実施例２）図８に示すように、圧電発振
子１の支持部材２を、平板状のセラミック部４と、セラ
ミック部４の上面を覆う箱形の樹脂部３とにより構成
し、電極被膜６，７，８をセラミック部４に形成し、導
電性接着材１１，１２により電極被膜６，７と電極被膜
９，１０とを接着することによって、圧電セラミック素
子５をセラミック部４に固着するように構成してもよ
い。

【００３１】この場合、セラミック部４は樹脂部３と比
較して一般に熱膨張率が小さいので、圧電セラミック素
子５の雰囲気温度の変化による発振周波数の変化をほぼ
打ち消すことができる範囲は狭い。したがって、雰囲気
温度の変化による発振周波数の変化が比較的小さい圧電
セラミック素子５の場合に、それを精密に打ち消すのに
適している。また、圧電セラミック素子５に与えるスト
レスも小さい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の実施例１に係る圧電発振子の外観斜
視図である。

【図２】本願発明の実施例１に係る圧電発振子に備えら
れた樹脂部の平面図である。

【図３】本願発明の実施例１に係る圧電発振子に備えら
れた樹脂部の縦断正面図である。

【図４】本願発明の実施例１に係る圧電発振子に備えら
れた樹脂部の底面図である。

【図５】本願発明の実施例１に係る圧電発振子に備えら
れたセラミック部の底面図である。

【図６】本願発明の実施例１に係る圧電発振子を備えた
発振回路の回路図である。

【図７】圧電セラミック素子の温度と発振周波数の変化
率との関係の説明図である。

【図８】本願発明の実施例２に係る圧電発振子の要部の
正面図である。

【符号の説明】

１圧電発振子２支持部材３樹脂部４セラミック部５圧電セラミック素子Ｃ１キャパシタＣ２キャパシタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電セラミック素子を支持部材に固着し
た構造の圧電発振子において、上記圧電セラミック素子
と上記支持部材との熱膨張率の差に起因して上記圧電セ
ラミック素子に作用する応力による上記圧電セラミック
素子の発振周波数の変化と、温度変化に起因する上記圧
電セラミック素子の発振周波数の変化とが、互いにほぼ
打ち消し合うように、上記支持部材の熱膨張率を設定し
たことを特徴とする、圧電発振子。
【請求項２】支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部
と、セラミック材料からなりキャパシタを構成するセラ
ミック部とにより構成されており、圧電セラミック素子
は、上記樹脂部に固着されており、上記樹脂部の熱膨張
率は、上記圧電セラミック素子と上記樹脂部との熱膨張
率の差に起因して上記圧電セラミック素子に作用する応
力による上記圧電セラミック素子の発振周波数の変化
と、温度変化に起因する上記圧電セラミック素子の発振
周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うように設定
されていることを特徴とする、請求項１に記載の圧電発
振子。
【請求項３】支持部材は、樹脂材料からなる樹脂部
と、セラミック材料からなりキャパシタを構成するセラ
ミック部とにより構成されており、圧電セラミック素子
は、上記セラミック部に固着されており、上記セラミッ
ク部の熱膨張率は、上記圧電セラミック素子と上記セラ
ミック部との熱膨張率の差に起因して上記圧電セラミッ
ク素子に作用する応力による上記圧電セラミック素子の
発振周波数の変化と、温度変化に起因する上記圧電セラ
ミック素子の発振周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消
し合うように設定されていることを特徴とする、請求項
１に記載の圧電発振子。
【請求項４】圧電セラミック素子を支持部材に固着し
た構造の圧電発振子を製造するに際して、上記圧電セラ
ミック素子と上記支持部材との熱膨張率の差に起因して
上記圧電セラミック素子に作用する応力による上記圧電
セラミック素子の発振周波数の変化と、温度変化に起因
する上記圧電セラミック素子の発振周波数の変化とが、
互いにほぼ打ち消し合うような熱膨張率を有する支持部
材を用いることを特徴とする、圧電発振子の製造方法。
【請求項５】樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック
材料からなりキャパシタを構成するセラミック部とによ
り構成された支持部材を用い、圧電セラミック素子を、
上記樹脂部に固着し、上記樹脂部として、上記圧電セラ
ミック素子と上記樹脂部との熱膨張率の差に起因して上
記圧電セラミック素子に作用する応力による上記圧電セ
ラミック素子の発振周波数の変化と、温度変化に起因す
る上記圧電セラミック素子の発振周波数の変化とが、互
いにほぼ打ち消し合うような熱膨張率を有するものを用
いることを特徴とする、請求項４に記載の圧電発振子の
製造方法。
【請求項６】樹脂材料からなる樹脂部と、セラミック
材料からなりキャパシタを構成するセラミック部とによ
り構成された支持部材を用い、圧電セラミック素子を、
上記セラミック部に固着し、上記セラミック部として、
上記圧電セラミック素子と上記セラミック部との熱膨張
率の差に起因して上記圧電セラミック素子に作用する応
力による上記圧電セラミック素子の発振周波数の変化
と、温度変化に起因する上記圧電セラミック素子の発振
周波数の変化とが、互いにほぼ打ち消し合うような熱膨
張率を有するものを用いることを特徴とする、請求項４
に記載の圧電発振子の製造方法。