JPS62169508A - 圧電振動子の電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は圧電振動子に於いて基板表裏に付着する電極の
構造、殊に共振周波数をはじめとする振動子特性の調整
金容易にする為のｔｆ！ｉ構造に関する。

（従来の技術） 水晶振動子をはじめとして従来の圧電振動子は第２図（
ａｌに示す如く圧電基板１の表裏に同一面積の電極２，
２′を付着しこれら電極２，２′の相互の位置関係も基
板表裏に於いて一致するよう構成するのが一般的であっ
た。

又、このような振動子の共振周波数等全微調整する際に
は共振周波数を監視しつつ微調整用蒸着マスクを用いて
表裏いずれかの電極に付加蒸着を行う為同図（ｂ）に示
す如く付加蒸Ｎ膜３が位置ずれを生じやすく、その為振
動子の容量比γが増大したり或は祈念なスプリアスが発
生する等、振動子の特性が劣化するという欠陥があつ九
。一方、このような問題を防止せんとすれば付加蒸着時
、振動子の位置合わせを格別ていねいに行う必要がある
為生産性が低下するという問題があった。

又、従来の圧電振動子は一般に前記電極２゜２′周辺近
傍にあらゆるモードの振動の振動エネルギを閉じ込め、
閉じ込められた振動の同量もＣＩ値の低い振ａ′ｔ−発
振せしめんとするものであるが、斯る振動エネルギ閉じ
込め型の振動子にあっては振動エネルギ閉じ込め率を主
として決定するプレート、〜が一ツクを所要の範囲に設
定する。換言すれば基板表裏の電極２．２′の合計膜厚
を所要の値とする必要があった。

しかしながら極めて高い共振周波数の振動子を要された
場合には前記した表裏合計した電極の膜厚電極めて薄い
ものとせざるを得ないことがあるが極端な場合には表裏
に２分した各電極が導電性の観点から電極の役割を果し
得す、斯る振動子の製造は不可能であることが少なくな
かった。

更に圧電基板々厚に製造誤差が存在する場合単に電極膜
厚の調整によって共振周波数の合わせ込みを行う従来の
振動子は前述したグレートバック量が各振動子によって
夫々異なる為スプリアスの発生の程度にバラツキが生ず
る等の欠陥をも併せ持つものであった。

（発明の目的） 本発明は上述した如き従来の圧電振動子が有する欠陥を
除去する為になされたものであって、共振周波数の微ｖ
４帯に伴う付加蒸着位置のずれに起因する振動子特性の
劣化を補償吸収すると共に圧電基板々厚のバラツキが振
動子特性に与える影響を大幅に減少せしめ、併せて共振
周波数の上限を高くすることが可能な圧ｉ！振動子の電
極構造を提供することを目的とする。

（発明の概要） 上述の目的を達成する為本発明に係る圧ｉｓ動子に於い
ては裏面電極面積を圧電基板裏面に於いて表面電極に対
応する領域より大きく設定するものである。

（発明の実施例） 以下本発明を図面に示す実施例によって詳細に説明する
。

第１図（ａ）は本発明に係る圧電振動子の基本的電極構
造を示す断面□□□である。

即ち、圧電基板１の表面中央部近傍に表面電極２を付す
と共に裏面には接面に於ける表面電極に対応する領斌ヲ
越える広い領域に裏面電極４ｔ−付し電極４の部分への
付加蒸着によって周波数調整するものである。

斯くすることによって前記Ｆ２図（ｂ）に示した如き卵
波数調整の為の微調整用付加蒸着の位置ずれが生じても
、微調整用付加蒸着面積は少なくとも前記表面電極２に
対応する部分より充分広範囲に９例えば前記表面電極直
径の１．５倍程度の範囲に亘って行うので新たなスプリ
アスを発生したりする可能性は殆んどなく、仮にあった
としても極めて低レベルに抑えられ問題とならない。又
、同図（ｂｌは裏面電極４ｔｌ−圧電基板裏面全面に拡
張したものであって前記第１図（ａ）の実施例と効果の
点に於いて変るところはないが振動子製造時蒸着マスク
との位！関係金一層ラフに設定することが可能であるか
ら生産性の観点からは有利であろう。

ところで上述の如き電極構造含有する圧電振動子は以下
の様な場合に適用すれば極めて効果的である。

先ず、圧電基板々厚はその製造工種に於いて多少なりと
もばらつくものである。基板々厚が第３図に示す如くば
らついている場合、従来の振動子にあっては同図（ｂｌ
に示す如く例えば表面電極２上に付加蒸着膜３を加えて
その共振周波数を同図（ａ）のそれに合わせ込む。斯く
することによって共振周波数のバラツキは除去しうるが
これら両者のプレートバック量は夫々異なるから振動エ
ネルギ閉じ込め１も又異な９従ってこれに起因するスプ
リアス等の発生状態も各撮勧子毎に異なるという問題が
あったこと前述のとうりである。

そこで、斯る場合に本発明に係る電極構造を適用するな
らば簗４図に示す如き効果を奏するし　− 即ち、同図（小に下す如く前記裏面全面電極２に全面的
に付加蒸着膜３を付して共振周波数を同図（ａｔのそれ
に合わせ込めば圧電基板１自体の厚さを増大して基板自
体の固有周波数を調整したのと等価であるから振動子の
共振周波数調整９らずプレートパック量は変化すること
がないので特性上パラクキの極めて少ない振動子を量産
するととが可能となる。

次に本発明は高い共振周波数を要求される振動子を実現
する上で効果を発揮する。

即ち、前述した如く振動子を構成する場合その電極には
所要の振動エネルギ閉じ込め率を与えるだけの膜ＦＪを
必要とする。振動エネルギ閉じ込め不全左右するパラメ
ータは閉じ込め係数と称し、これはオーパート−／次数
ｋ　ｎ　ｓ電甑すイズｒａｔプレートバックｔをΔ、基
板々厚ｉＨとすればｎａｖ７ｘ／Ｈで与えられる。

第５図に閉じ込め係数に対するエネルギ閉じ込め率の関
係を示す。

今、高い共振周波数を有する振動千金要求さ′　れたと
するとその設計者はいずれのモードの振動を利用するに
せよ当該モードの曲線上に於いて所要のエネルギ閉じ込
め率を実現すべく前記閉じ込め係数の各パラメータ全選
択する必要がある。

又、一方前記閉じ込め係数には発生する副共振の程度を
最小とする上で最適値が存在する。

これらの事実を勘案しつつ前記閉じ込め係数の各パラメ
ータを検討するに、先ず基板々厚Ｈは要求される共振周
波数によりては寸決定し。

電極サイズａも等価インダクタンス等から所定の値にせ
ざる１得ないので残るパラメータたるプレートパックΔ
、換言すれば電極膜厚（表裏合計膜厚）のみが問題とな
る。

さて、この電極膜厚は共振周波数が高くなるとそれに伴
い薄くなることは前記閉じ込め係数はソ均等に２分する
ことになるのでその各々が導電性の観点から電極として
の役割を果し得なくなる場合がありうる。因みに電極膜
は導電性の観点からその厚さの限界はいかなる金属材料
を用いてもはｙ３ｓｏ久以上必要であることが知られて
いる。

そこで、振動子の特性９例えば副共振の発生穆度、全決
定する表面電極の膜厚を電極膜厚限界近傍１例えば４０
０Ａ程度とすればこの場合が設計可能な共振周波数の上
限となる。

一方、裏面全面或は大面積電極の膜厚は副共振等の特性
には同等影響を与えないので専ら周波数の決定に利用す
ることができる。従ってこの裏面電極膜厚は概ね４００
Ａ以上であればいくらでもよい。斯くすることによって
従来不可能視されていた高い共振周波数を有する圧電振
動子全書ることが一可能となった。

試みに現実に製作し′ｆｃＡＴカット水晶振動子として
は基板直径５電、基板々厚１９μｍ、裏面電極直径３」
、膜厚７００Ａ、表面電極直径１．４龍、膜厚５００Ａ
で共振周波数８８ＭＨｚのものがあり特性上副共振等に
ついて格別の問題は生じなかった。

伺、直径を５電とすれば２０μｍ前后の厚さの水晶基板
は今日の水晶研摩技術を以ってすれば製造可能であるが
電極としての電気的特性を満足する限界に近い５００Ａ
程度の膜厚の電極全基板両面に付した直径５龍の振動子
はスプリアス特性を満足せんとすれば基板厚さは２４μ
程度となりその共振周波数も６８ＭＨｚ前后が限前后あ
ったこと当業者周知の帛実である。即ち本発明に係る電
極構造を適用することによって従来考えられていた共振
周波数の上限は３０チも高めうることが確認された。

更に本発明に係る圧電振動子の電極構造は電極構成に微
妙な調整を要するオーバートーン発振用圧電振動子の電
極に適用すると効果的であ間者が既に昭和６０年４月１
１日に出願した特許類（特願昭６Ｏ−７７０６５）　　
及び昭和６１年１月２０日出願に係る振動子であって、
対称モード或は非対称モードの振動を励振し、当該モー
ドの振動の内発撮を所望する次ｄ以上のオーパート−／
振動の振動エネルギ全会て励振電極内に閉じ込めると共
に基本波振動を含むより低次のオーバートーン振動の振
動エネルギを圧電基板全面に漏洩せしめ望ましくは圧電
基板外周縁に設けるエネルギ吸収部で消耗せしめること
によって等価抵抗が最小となる前記所望の次数のオーバ
ートーン振動のみを格別の発振回路を要せずして発振せ
しめんとするものである。第６１Ｖ（ａｌはその内の最
も基本的な振動子たる最低次対称（Ｓｏ）モードを利用
したオーバートーン発振用振動子の平面図であって圧電
基板１の中央部にＳａｈエネルギを閉じ込める励振電極
２を、又圧電基板外周の適所に前述した如く漏洩せしめ
た振動エネルギ吸収部５．５をいずれも導体蒸着パター
ンとして形成したものである。

岡、裏面電極構成も従来は＠６図（ａｌと同様としてい
た。

しかしながらこのような電極構成を有するオーバートー
ン発振用振動子にあっては前記励振電極２と前記振動エ
ネルギ吸収部５との間隙全適切な値に維持しないと、即
ち、前記間隙が犬に過ぎると漏洩せしめた振動エネルギ
の消耗が充分に行なわれず、逆に前記間隙が小に過ぎる
と発振を所望するオ・−バートーン振動の振動エネルギ
までが吸収消費され所望の周波数での発振が不可能とな
るものである故９例えば周波数調整の為前記励振電極２
に対して行った付加蒸着の蒸着位置ずれが発生するとは
なはだ具合が悪いという問題があった。

そこで第６図（ｂ）に示す如く裏面に前記励振電極２及
び前記振動エネルギ吸収部５，５に対応する領域を全て
含む大面積の裏面電極６を付着すると共に数面に対し周
波数調整用或は振動エネルギ吸収部の遮断周波数低減用
付加蒸着を行うようにすれば上述した如き問題は発生せ
ず調整工数を著しく節約し得ることが判明した。

尚、上述のオーパート−／発根用振動子は元来格別の、
換言すればＬＣ同調回路を用いずして振動子自体の性質
を利用してオーバートーン発振（高い周波数の発振）を
可能がらしめんとするものであるから振動子自体の基本
波周波数が高められることはもとより大いに望ましいこ
とである。従って本発明に係る電極構造をこのオーバー
トーン発振用振動子に適用すれば単に前述した如き振動
子特性調整時の問題を解決し得るのみならずその共撮周
波数を引き上げることも可能であり極めて好都合である
。

以上９本発明の原理及び考えられる応用例の幾つかを挙
げて説明したが現実の振動子に本発明を適用する際には
更に以下の如き考慮が必要である。

即ち、第７図に示す如く単−励振電極２ｆｒ、有する揚
動子に於いては裏面１１Ｌ極４を大面積裏面電極にする
にせよ（同図（ａｌ）、全面電極にするにせよ（同図（
ｂ））前記励振電極２よシリ−ドパターン７を引き出す
必要があるが、このリードパターン７が裏面電極４との
関係で圧電基板１の機械的振動にアンバランスを生ぜし
めることになる。これを緩和する為には前記励振電極２
適所にカラ／ターバランスの役割ヲ果すバランス・パタ
ーン８を付すればよい。

た電極構成例、同図（ｂ）は最低次非対称（ａｏ）モー
ド振動利用のオーバートーン発振用振動子に対し２、又
同図（ｃｌは高次対称（Ｓｌ）モード振動利用のオーバ
ートーン発振用振動子に夫々本発明を適用する場合の実
施例を示すものであるがいずれも当業者容易に理解し得
ることであるので詳細な説明は省略する。

（発明の効果） 本発明は以上説明した如く構成するものであるから従来
の振動子の表裏いずれかのｔｆｆ１面積及び必要ならそ
の膜厚ヲ変化させるのみで振動子持性調整時に於ける蒸
着位置のずれに起因するスプリアス発生等の問題全調整
工程全簡素化した上で解消する効果がある。又１周波数
調整金行う際圧電基板々厚のバラツキに起因する摂動エ
ネルギ閉じ込め率のバラツキに由来する振動子特性のバ
ラツキ全容易に吸収する上で著しい効果全発揮する。

更に振動子の周波数上限全列き上げることも可能である
から近年高周波化への要求が著しい各１電子機器の周波
数源として温度特性の良好な振動子全提供する上で格段
の効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１囚（ａｌ及び（ｂｌは夫々異った本発明に係る１他
構造の基本的形態を示す断面図、Ｗ、２図（ａｌは従来
のｔ唖構造金示す振動子の断面図、同図（ｂｌはこれに
特性調整用付加蒸着膜を付した状態を示す断面図、第３
図（ａｔ及び（ｂｌは夫々従来の振動子に於いて圧電基
板々厚に大小のバラツキがある場合周波数調整金行った
際の問題点全説明する為の断面図、筆４図（ａｔ及び（
ｂ）は夫々本発明に係る振動子に於いて圧電基板に大小
のバラツキがあった場合周波数調整全行った際も特性上
のバラツキが生じないこと全説明する為の断面図、第５
図は閉じ込め係数と摂動エネルギ閉じ込め率との関係を
説明する周波数スペクトラム図、８ｇ６図（ａ）及び（
ｂ）は夫々オーバートーン発援用圧１！振動子に本発明
を適用し九例全示す表裏平面図、ボア図（ａ）及び（ｂ
）は夫々本発明全適用する次非対称（ａ　ｏ）モード振
動利用のオーパート−／振動子及び高次対称（Ｓｌ）モ
ード振動利用のオーパート−／振動子に本発明を適用し
た場合の実施例全示す模式図である。 １・・・・・・・・・圧電基板、　　　２・・・・・・
・・・表面電極。 ２′、４及び５・・・・・・・・・裏面電極。 ７・・・・・・・・・リードパターン、　　　　８・・
・・・・・・・バランス・パターン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電基板中央近傍に所要の面積の表面電極を付着
   すると共に前記圧電基板裏面には該面に於いて前記表面
   電極に対応する領域より充分広い領域に裏面電極を付着
   することによってこれら電極の膜厚若しくは面積或はこ
   れら双方の調整に起因する振動子特性の変動を減少せし
   めたことを特徴とする圧電振動子の電極構造。
2. （２）前記表面電極が分割電極であることを特徴とする
   特許請求の範囲（１）記載の圧電振動子の電極構造。
3. （３）前記圧電基板表面適所に前記表面電極から基板周
   縁に引き出したリードパターンの質量に相応するバラン
   ス・パターンを付すことによって当該振動子の振動姿態
   のバランスを保持するようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲（１）記載の圧電振動子の電極構造。