(57)【要約】      （修正有）【課題】電気機械結合係数が大きい、厚さシアモードで振動する小型な積層型振動素子を提供する。【解決手段】内部電極パターン２０を印刷した複数の圧電体シート１０を積層し、内部電極の中で中端から一側端部まで延長された入力電極３０は補助電極４０によって相互繋がれ、入力電極の間に形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、長さ方向に震動されるように長さ方向に分極された振動子と キャパシターを内装したベース基板と保護カバーとで構成する。又、長さ方向の外部面の中で少なくとも一つの面の一部または全部に質量荷重層５０を形成し、質量荷重効果を利用して振動子の震動周波数を調節する。このような振動子は小型化されたコルピッツ型発振回路の一部として使用できる。【選択図】図１４
2006187000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
震動素子において、
内部電極パターンが印刷された少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、
内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、
長さ方向に震動されるように長さ方向に分極されることを特徴とする震動素子。
【請求項２】
前記内部電極の入力電極と出力電極及び入力電極と外部電極はお互いに対向される端部が重なり、前記お互いに重なった電極重複部は震動素子の中心に対して対称であることを特徴とする請求項1に記載の震動素子。
【請求項３】
前記補助電極と外部電極の間には離隔部位が形成されることを特徴とする請求項1に記載の震動素子。
【請求項４】
前記内部電極、補助電極及び外部電極が厚膜印刷法や真空蒸着法の中でいずれかのーつの方法によって形成されることを特徴とする請求項1に記載の震動素子。
【請求項５】
圧電共振器において、
内部電極パターンが印刷された少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成されるが、前記入力電極と一部が重なるように形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、圧電体シートの長さ方向に分極された震動素子と;
キャパシターを内装したベース基板と;
前記震動素子を保護するための保護カバーとで構成されることを特徴とする圧電共振器。
【請求項６】
前記ベース基板は積層型または単板型の中でいずれかのーつであることを特徴とする請求項５に記載の圧電共振器.
【請求項７】
前記保護カバーはプレス金属または圧縮成形セラミックスの中でいずれかのーつであることを特徴とする請求項５に記載の圧電共振器.
【請求項８】
前記ベース基板に内装したキャパシター（capacitor）の静電容量は3〜50pFであることを特徴とする請求項５に記載の圧電共振器.
【請求項９】
震動素子において、
入出力電極に対応する内部電極パターンが印刷した少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、 長さ方向に震動されるように長さ方向に分極され、長さ方向の外部面の中で一つ以上の面に質量荷重層が形成されることを特徴とする震動素子。
【請求項１０】
前記長さ方向の外部面の中で一つ以上の面に形成された質量荷重層は電極面を含んだどの一面以上に高分子物質を塗布して形成されることを特徴とする請求項９に記載の震動素子。
【請求項１１】
前記長さ方向の外部面の中で一つ以上の面に形成された質量荷重層は内部電極の外側には内部電極間の間隔とは違う厚さを持ち、圧電体シートのような物質に形成されたダミー層を1個以上形成して構成されることを特徴とする請求項９に記載の震動素子。
【請求項１２】
前記高分子物質はエポキシであることを特徴とする請求項１０に記載の震動素子。
【請求項１３】
前記内部電極の入力電極と出力電極及び入力電極と外部電極はお互いに対向される端部が重なり、前記お互いに重なった電極重複部は震動素子の中心に対して対称であることを特徴とする請求項９に記載の震動素子。
【請求項１４】
前記内部電極、補助電極及び外部電極が厚膜印刷法や真空蒸着法の中でいずれかのーつの方法によって形成されることを特徴とする請求項９に記載の震動素子。
【請求項１５】
前記ダミー層の厚さは内部電極間隔の1/2より小さなことを特徴とする請求項１１に記載の震動素子。
【請求項１６】
圧電共振器において、
入出力電極に対応する内部電極パターンが印刷された少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、 長さ方向に震動されるように長さ方向に分極され、少なくとも長さ方向の外部面の中で一つ以上の面の一部または全部に高分子物質を塗布するか、前記内部電極の外側に内部電極の間の間隔とは違う厚さを持つダミー層が少なくとも1個以上形成して構成された震動素子と;
キャパシターを内装したベース基板と;
前記震動素子を保護するための保護カバーで構成されることを特徴とする圧電共振器。
【請求項１７】
前記ベース基板は積層型または単板型で成り立ったことを特徴とする請求項１６に記載の圧電共振器。
【請求項１８】
前記保護カバーはプレス金属または圧縮成形セラミックスの中でいずれかのーつであることを特徴とする請求項１６に記載の圧電共振器。
【請求項１９】
前記ベース基板の内装したキャパシター（capacitor）の静電容量は 3〜50pFであることを特徴とする請求項１６に記載の圧電共振器。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は振動素子とこれを利用した圧電共振器の関するものであり、より詳細には、高周波発振素子に適合するように圧電シートを積層して製作するが、積層された電極面に水平するように素子の長さ方向に分極することによって、厚さシアモード（thickness shear mode）で振動されるようにした発振素子とこれを利用した圧電共振器に関するものである。
【０００２】
また、本発明は質量荷重効果を利用して振動子の振動周波数を調節するようにするだけでなく、有効振動面積を最小化して振動素子を小型化させるように電気機械結合係数が大きい厚さシアモードで振動する積層型振動素子及びこれを利用した圧電共振器に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
通常的に、圧電共振器はマイクロコンピュータの基準信号を提供するタイミングデバイスとしてマイクロコンピュータが採用される大部分の電子機器に必須な部品として、発振素子の共振-反共振現象を利用してコルピツ発振回路のインダクタンス部分に対応する部品であり、発振周波数は主に振動素子の厚さなどの物理的な寸法によって決まる。
【０００４】
最近 USB, スマートカード（smart card）などのような通信環境に使われる共振器の需要が急増しているし、特性では発振周波数の精密度が特に要求されているし、これによって振動素子の発振周波数を調整して精緻な発振素子及びこれを利用した圧電共振器が要求されている。また、マイクロコンピュータの機能が向上するによって、使用周波数が高くなる成り行きにあり、電子機器は小型化の成り行きにあるので、これに対応して圧電共振器も高周波発振及び小型化に対応するのが必須である。
【０００５】
このような、振動素子において、発振周波数は振動素子の厚さに反比例するので、厚さが薄くなれば、発振周波数は向上するが、振動素子の機械的な強度が弱くなって容易に破壊されるので、部品としての適用は不可能になる。
【０００６】
例えば、0.3mm厚さの厚さモード振動素子の発振周波数は8MHz近所なのでよほど良好な周波数を得ることができるが、機械的な強度を考慮する時、現実的に製作可能な厚さの限界は0.15mm程度であり、この時、発振周波数は24MHz近所である。
【０００７】
したがって、従来の場合、発振周波数を高めるために単板型振動素子の振動モードを厚さが半波長となる基本振動モードではなく、基本振動の奇数倍の高次振動モードを使って高周波化させている。
【０００８】
しかし、高次振動の場合、基本振動に比べて発振の強度が弱いので、現実的には基本振動の3倍振動を利用するのが、大部分であり、この場合、0.3mm厚さの振動素子は8MHzの3倍である24MHzで発振可能であり、機械的強度を考慮する 場合、大略の厚さの限界である0.15mmで、24MHzの2倍である48MHzで発振が可能なので、おおよそ50MHzの程度が従来の技術による高周波発振の限界である。
【０００９】
また、高次振動モードを利用する単板型発振素子の場合、不要な振動を除くために、単板型振動素子の一部分に振動しない振動減殺部が必須なので、振動素子の面積を小さくするものは限界がある。
【００１０】
従来の積層型振動素子は図１に図示したように、積層された圧電シート1と、前記圧電シート1の間に印刷した内部電極2と、シートの両端に形成された外部電極3と補助電極4とで構成され、圧電シートの長さと垂直方向に分極されて厚さ方向に振動が成り立ち（以下、'厚さ振動'という）、中間電極と外周面の電極間に電気信号が認可されば、積層されたシート間に電場の方向と分極方向がお互いに反対に形成される。
【００１１】
したがって、一つの層が膨脹する時、他の層は収縮するようになり、その反対も成り立つ振動モードが形成されて、結果的に積層されたシートの厚さにあたる発振周波数、他に表現すれば、単板型である時、全体素子の厚さに対応する発振周波数の2倍にあたる振動を形成するようになる。しかし、厚さ振動の場合、電気機械結合係数がシアモードに比べて小さいので、有効振動面積を小さくすることにあって、不利なので、振動素子とこれを利用した圧電共振器の小型化に限界がある。
【００１２】
また、積層シートを薄く製作するによって、高周波を得ることができるが、発振周波数を精緻に制御することができないと言う問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前記のような問題点を解消するために創出された本発明の目的は、有効振動面積を最小化して振動素子の小型化を果たすために電気機械結合係数が大きい厚さシアモードで振動する積層型振動素子を提供することにある。
【００１４】
また、発振周波数を精緻に制御することができる振動素子及びこれを利用した圧電共振器を提供することにある。
【００１５】
さらに、本発明は積層型振動素子の外部面に質量荷重効果を付与することができる質量荷重層を形成して願う発振周波数を有するように振動素子の共振周波数を制御するようにし、このような振動素子をキャパシター（capacitor）が内装した積層型ベース基板に設置して圧電共振器を構成することによって、部品の高さが低く、精緻な発振周波数を持つ圧電共振器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記のような目的を達成するための本発明は、振動素子において、内部電極パターンが印刷した少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、長さ方向に振動されるように長さ方向に分極されることを特徴とする振動素子によって成り立つ。
【００１７】
また、圧電共振器において、内部電極パターンが印刷した少なくとも2個以上の複数の圧電体シートを積層させて構成され、内部電極の中で中端から一側端部まで延長されるように形成された入力電極は補助電極によって相互繋がれ、前記入力電極の間に形成されるが、前記入力電極と一部が重なるように形成された出力電極の端部は外部電極によってお互いに繋がれ、圧電体シートの長さ方向に分極された振動素子と; キャパシターを内装したベース基板と; 前記振動素子を保護するための保護カバーとで構成されることを特徴とする圧電共振器によって成り立つ。
【００１８】
さらに、前記のように長さ方向に分極された振動素子の長さ方向の外部面の中で少なくとも一つの面の一部または全部に質量荷重層を形成されることを特徴とする振動素子によって成り立つ。
【００１９】
以上のような本発明の目的と別の特徴及び長所などは次に参照する本発明の好適な実施例に対する以下の説明から明確になるであろう。
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の構成を詳細に説明すれば次の通りである。
先に、シアモードで振動する振動素子とこれによって製造された圧電共振器を説明することにする。 
【００２１】
本発明によるシアモード振動素子の基本的な構成は、図4に図示したように、 2個以上の層に積層された圧電シート10と、前記圧電シート10等の間に印刷した内部電極20と圧電シート10の表面に印刷した補助電極40と外部電極30とを含んで構成される。
【００２２】
このような圧電体シート10を多層に積層して発振素子を構成する技術は本発明が属する分野では通常的なものであるが、従来の発振素子は分極が図1に図示したように、発振素子の長さと垂直を成す方向になっていて振動が振動素子の長さと垂直で成り立つのに比べて、本発明は分極が図4に図示したように、振動素子の長さ方向で成り立って、振動が振動素子の長さ方向に成り立つ。
【００２３】
前記内部電極20は図5及び図9に図示したように、積層された圧電体シート10の積層された層数に沿って多数が形成されることができるし、入力電極21と出力電極22がお互いに交番的に配列され、それぞれの内部電極は圧電体シート10の中端部分から両端部まで延長されるように形成されている。
【００２４】
前記入力電極21の端部は積層された圧電体シート10の外面の一側端部に形成された補助電極40とお互いに繋がれ、前記出力電極22の端部は前記補助電極40の反対側端部に形成された外部電極30とお互いに繋がれている。
【００２５】
前記内部電極20である入力電極21と出力電極22のお互いに対向される部分すなわち、圧電体シート10の中端を向けた部分は図５及び図９に図示したように、お互いに重なって電極重複部OLが形成されており、前記補助電極40と外部電極30のお互いに対向される端部の間には所定の距離を形成して離隔部位Sが形成されている。
【００２６】
前記各電極は厚膜印刷法や真空蒸着法によって形成され、このような電極形成方法は通常的に使われる方法としてこれに対する詳細な説明は略する。
【００２７】
前記のように構成された振動素子を利用した圧電共振器はキャパシター（capacitor）が内装したベース基板160上に設置され、上部には振動素子140を保護するためのカバー120を設置して構成される。
【００２８】
前記ベース基板160は薄板を積層した積層基板や単板が使われることができる。
【００２９】
前記保護カバー120は金属をプレス加工して形成されるか、または、セラミックスを圧縮塑性して形成され、前記ベース基板160に内装されたキャパシター（capacitor）の静電容量は3pFないし50pFである。
【００３０】
前記発振素子の内部電極20と外部電極30は圧電共振器のベース基板160に設置されて圧電共振器の入、出力端子と接続され、圧電共振器の入、出力端子に交流信号が認可されば、振動素子140は内部電極20と外部電極30に形成された電場によって分極方向に対応する固有の振動を起こすようになり、振動素子140の形象及び寸法に沿って共振-反共振現象が起きるようになる。
【００３１】
共振−反共振周波数の間にあたる周波数領域に対して圧電共振器は電気的に誘導性リアクティブ（reactive）素子と同値なので、図12に図示した回路図でのように、ICの反転増幅器と結合されたコルピツ発振回路の一部と作用して、 上述した形象及び寸法によって決まる固有の共振周波数と発振回路の負荷用量CL1、CL2に係わる周波数で發振するようになる。
【００３２】
本発明による振動素子140の振動原理を図3に図示した図面を参照して説明する。
【００３３】
図3において点線と一点鎖線は内部電極及び外部電極の間に認可された電気信号に対応して振動素子が変形された状態であり、太い実線は電気信号が認可されない状態である。
【００３４】
図3に図示したように、中央を横で割る実線を基準に上部と下部の振動形態は対称を成しているので、厚さが2Tである振動素子の共振周波数は厚さTである積層シートの共振周波数と同一であり、全体の厚さに対して前記構造の振動素子は2倍の周波数を持つ共振周波数を持つようになることによって、結果的に同じ厚さの単板型振動素子に比べて2倍の高周波振動が具現される。
【００３５】
同じ原理として厚さTであるシートを3層に積層して製作した場合には全体素子の共振周波数は同じ厚さの単板型振動素子に比べて3倍の共振周波数を持つようになり、したがって、このような原理で厚さTのシーをn回積層して製作した振動素子の共振周波数は同じ厚さの単板型素子の共振周波数のn倍にあたる周波数になる。したがって、上の構成で全体素子の共振周波数は積層シートの厚さTによって決まるので、シートを非常に薄くしながらも、機械的な強度を保障することができる厚さ位積層して高周波発振に対応する圧電共振器の振動素子を提供するようになる。
【００３６】
本発明による振動素子の製造工程の一例を図6を参照して説明する。
前記振動素子の素材はチタン酸ジルコニウム酸鉛（PZT、lead zirconate titanate）の圧電組成物を使う。前記組成物の化学式はPb（Zr0.5Ti0.5）O3であり、品質係数の向上のために MnO2をPZT対比重量比で0.2%を添加し、焼結性向上のためにPZT対比モール（mol）比で10%を添加して生原料を取り合わせた後、 粉末の重さと同一の重さを持つ水と直径10mmのアルミナボールを入れて24時間湿式混合した後、100°Cの乾燥オーブン中で乾燥した後、破碎してアルミナ容器に盛って850°Cで2時間の間加熱してPZT磁気の性質を持つ原料で合成した。
【００３７】
合成された原料に重さび比で40%のバインダーと粘度調節のためにアルコール等の有機溶媒を添加し、24時間の間ボールミル（Ball Mill）を施行してスラーリ（slurry）を製造した後、よく知られたドクターブレイドテープキャスティング（doctor blade  tape  casting）工法によって厚さ50μmのシートで製作した。
【００３８】
製作されたシートは願う寸法の電極重複部OLと離隔部位Sを持つようにデザインされた電極パターンをスクリーン印刷法によって 2〜3μmの厚さで形成の後、積層する。印刷の時、内部電極材料はAg/Pdペーストを利用する。
【００３９】
積層体は振動素子を所定の大きさで切断、塑性して積層焼結体に製作され、分極用電極を積層焼結体の側面に形成して振動素子の電極面に一直線に長さ方向に分極して圧電性を付与した後、分極用電極を研いてとり除いて内部電極20が振動素子の側面に露出するようにする。
【００４０】
スパッタリング真空蒸着法によってCu/Ag電極を1μm厚さに蒸着して補助電極40及び外部電極30を形成する。
【００４１】
この時、分極用電極の研磨の時、側面に現われた内部電極20が側面を通じて補助電極40または外部電極30と繋がれて振動素子に電気的入出力端子が付与される。
【００４２】
第１実試例
前記のような過程によって製造される振動素子の一例として素子の長さLは 2.0mm、電極重複部OLは0.8mm、離隔部位Sは0.4mmであり、電極重複部は素子の中央から対称的に配置した。
【００４３】
したがって、補助電極40の長さは0.2mmになり、シートの厚さは塑性によって収縮して35μmであり、総4層を積層して全体振動素子の厚さが0.14mmになるようにした。
【００４４】
前記振動素子を構成する組成物の圧電正数はd15が450×10-12m/V、d33が280×10-12m/Vで厚さシア振動と係ったd15が厚さ振動に係るd33の略2倍である。圧電正数dは電気機械結合係数と比例関係にあるので、厚さシアモードの適用が本発明が解決しようとする課題技術的な課題の一部である電気機械結合係数が大きくて有効振動面積が小さくなって小型化が可能な振動素子を製造することと符合することを分かる。
【００４５】
前記のように構成された振動素子の電気的インピーダンス特性を計測したことを図7に図示した。
【００４６】
図示されていないが、本発明のような素材を利用して製作するが、多層に積層しなく、単板型に形成された厚さシア振動素子の場合、厚さ0.3mmである時、共振周波数が3.5MHzであった。この時、周波数定数（共振周波数×寸法にあたる値打ちで圧電素材の固有の値打ちになる）は1050KHz／mmである。周波数定数は素材固有の値打ちなので、寸法に不変である。
【００４７】
したがって、実試例の35μmの厚さを持つ場合、共振周波数の計算値は周波数定数1050KHz／mmを厚さ35μmで分けて計算が可能であり、その値打ちが30MHzになる。
【００４８】
図７に図示された図表でも共振周波数が30MHzであることを分かる。このような値は前記で計算された値打ちとよく符合するので、全体素子の共振周波数が積層されたシートの厚さで決まりながら、同時に積層されたシートがお互いに対称的変形を起こして不要振動がない積層型振動素子を製造するのが可能であるということが分かる。
【００４９】
第２実試例
また、本発明が解決しようとする技術的課題のひとつである有効振動面積が小さくて小型化が可能な振動素子を製作するためには前記と等しい素材を利用して振動素子を製作するが、素子の長さLは1.3mm、電極重複部OLは0.5mm、離隔部位Sは0.2mmで製作して実験をした。補助電極の長さは0.2mmになる。
【００５０】
図8の図表で分かるように、前記の実試例1に比べて素子の長さは2.0mmから1.3mmで35%減少したし、電極重複部OLは0.8mmから0.5mmで37.5%減少したが、実試例1で上述したように、振動素子の共振周波数はシートの厚さに基づく共振周波数と同一であり、不要振動がなかった。したがって、本発明による振動素子は超小型化することができることを分かる。
【００５１】
第３実試例
素子の長さLは0.7mm、電極重複部OLは0.3mm、離隔部位Sは0.1mmで製作したし、電極重複部OLは素子の中央で対称的に配置した。補助電極の長さは0.1mmになり、積層シートの厚さは塑性の後、10μmになるようにしたし、全体素子の厚さが0.1mmになるように10層を積層した。
【００５２】
図9は第3実試例の振動素子の断面図であり、図10は実試例3の振動素子の電気的インピーダンス特性を現わす。
【００５３】
素子のシート厚さが10μmの場合、共振周波数の計算値は実試例1で上述したとように、周波数定数から1050KHz／mmを厚さ10μmで分けて計算可能であり、その値打ちが105MHzになるので、図１０の図表で見られる共振周波数95MHzと10%位の誤差を見せるが、概して振動素子の共振周波数を積層シートの厚さから決めることができるという思想と符合しているし、同時に積層されたシートがお互いに対称的変形を起こして不要振動がない積層型振動素子を製造するのが可能である。したがって、本発明は高周波振動素子を提供することができる。
【００５４】
前記のように、本発明による振動素子は厚さシアモードを適用することによって、電気機械結合係数が大きくて有効振動面積が小さくなって小型化が可能であり、高周波を得ることができるし、このような振動素子を利用した圧電共振器の構成及び作用を図10に図示された図面を参照して下で詳述する。
【００５５】
圧電共振器の一例は前記第1実試例の振動素子を利用し、発振回路は図12のように構成した。
【００５６】
回路を構成する要素であるキャパシターCL1とCL2をそれぞれ入力電極−共通電極間、出力電極-共通電極間に作用する静電容量で構成した積層型ベース基板と振動素子を保護するためのカバーを利用して圧電共振器を製作した。
【００５７】
積層型ベース基板は内装型キャパシターを具備する回路構成要素の役目を遂行することと同時に振動素子を保護し、圧電共振器がPCボード上に設置されることができるようにするパッケージ要素の作用をするので、所定の静電容量 を形成するための適当な誘電率とシート厚さ及びパッケージ要素としての要求条件である塑性の機械的強度を維持しなければならない。このような思想を土台で積層型ベース基板を製作し、振動素子を設置し、カバーを接着するなどの圧電共振器製造の工程を詳しく説明する。
【００５８】
先に、ベース基板の製造方法において、素材は誘電率20内外のMgTiO3誘電体セラミックス素材を使ったし、前記実試例1で説明したドクターブレイドテープキャスティング法によって50μm厚さのシートで成形した。
【００５９】
電極はAg/Pd電極をスクリーン印刷法によって交賛に印刷して各層の間に静電容量（capacitance）が形成されるようにし、前記第3実試例の振動素子の場合には3回印刷してCL1とCL2が各各15pFになるようにした。
【００６０】
また、CL1、CL2の静電容量は印刷回数及びパターンの大きさの調節によって 3〜50pFの範囲で調節できる。
【００６１】
振動素子はベース基板の入出力電極に導電性接着剤またはソルダを利用して補助電極と外部電極を接続させ、カバーは接着剤によってベース基板に接着させる。
【００６２】
次に、質量荷重層を具備して質量荷重の効果を利用することによって、真空周波数調節の容易い振動素子とこれを利用して作られた圧電共振器を詳細に説明する。
【００６３】
前記質量荷重効果を持つ振動素子は前記で説明したシアモード振動素子に質量荷重層をもっと具備している。
【００６４】
前記質量荷重層は図14に図示したように、振動素子の外面の電極形成部に高分子物質50を塗布するか、図16に図示したように、内部電極の外面の一つ以上の面にダミー層60、60'を形成するか、または、高分子物質50の層とダミー層60, 60'を皆形成して構成される。
【００６５】
先に、上記した重量荷重層を説明するのに先立って、本発明による振動素子の全体構造に対して説明する。
【００６６】
本発明による振動素子は圧電素材をテープキャスティング法によって、願う発振周波数に符合されるように所定の厚さに製作されたシートに内部電極を形成して積層した後、切断及び塑性等のよく知られた積層型部品製造工程によって製作され、圧電性を付与する分極は振動素子の長さ方向で成り立っており、内部電極20は振動素子の長さ方向でお互いに行き違うように形成されており、これら内部電極20は補助電極または外部電極と繋がれてそれぞれ入出力端子の役目をする。
【００６７】
また、振動素子の共振周波数を調整する役目をする質量荷重効果を付与する層として質量荷重層が形成されており、この質量荷重層はエポキシ等の高分子物質50または圧電体ダミー層60、60'が振動素子の外面に形成される。
【００６８】
質量荷重効果によって振動素子の共振周波数は変化され、変化率は付加した質量に比例するので、エポキシ層とダミー層の厚さ調整を通じて振動素子の共振周波数を調整するようになる。
【００６９】
以下、質量荷重層の構成による実試例を図面を参照して詳細に説明する。
【００７０】
実試例４
図14は本発明による振動素子の一例を図示した斜視図であり、図15は図14に図示した振動素子の電気的特性を図示したグラフである。
【００７１】
本発明による振動素子は上記したように、高分子物質50が塗布された質量荷重層を具備している。
【００７２】
前記高分子物質50は外部電極30の一部を覆う形象に塗布され、振動素子の上下面の中でどの一面または皆に塗布することができる。 
【００７３】
このような振動素子の製造過程は図20に図示したように、前記シアモード振動素子の製造過程と等しいが、露出した内部電極20の両端にスパッタリング真空蒸着法によってCu/Agで外部電極30及び補助電極40を1μm厚さに蒸着して形成した後、周波数調整用の質量荷重効果を付与するために、高分子物質50で高分子エポキシを塗布した後、硬化し、エポキシ層の厚さは 5μmと10μmの厚さで形成して、エポキシ層がない場合と比べた。
【００７４】
エポキシの塗布は印刷またはディスペンシングが可能であり、硬化の方法は熱硬化または紫外線硬化が可能であり、実試例1では比重が1.2g/cm3である熱硬化タイプエポキシをスクリーン印刷法で塗布した後、150°Ｃで10分間硬化処理した。製造された振動素子の電気的インピーダンス特性を図15に現わした。
【００７５】
エポキシ層がない場合には共振周波数が17.18MHzであるが、エポキシ層が5μmの場合は共振周波数が17.08MHzであり、エポキシ層が10μmの場合は共振周波数が16.98MHzとして、エポキシ層が厚いほど共振周波数が低くなった。
【００７６】
実試例4でエポキシ層がない場合に比べてエポキシを塗布した後、共振周波数の変化率はエポキシ層が5μmである時0.6%であり、エポキシ層が10μmである時1.2%であった。
【００７７】
実試例4の適用範囲であるエポキシ層の厚さが10μm以内の場合、振動素子の共振周波数はエポキシ層の厚さに線形的に比例するので、エポキシ層の厚さ1μmに対応する振動素子の共振周波数の変化率は略0.1%である。
【００７８】
したがって、従来の技術の例で振動素子の厚さを調整して共振周波数を調整する場合、振動素子厚さ1μmに対応する共振周波数変化率は略0.7%であるのと比べると、本実試例で明らかにしたエポキシ層の形成による振動素子の共振周波数の調整方法が優秀であるのが分かり、本発明による振動素子の場合、圧電共振器の発振周波数もエポキシ層の厚さを調整して精緻に調整することができるし、同時にエポキシ層の形成による振動素子の共振周波数変化は質量荷重効果に起因したことなので、エポキシ層の厚さだけではなく、エポキシ層の塗布面積によっても振動素子の共振周波数を制御することができる。
【００７９】
また、実試例4には現わさなかったが、エポキシ塗布に質量荷重効果によって振動素子の不要振動が抑制されて発振の安全性が向上する効果もある。
【００８０】
実試例５
図16は本発明による振動素子の他の一例を図示した斜視図であり、図17は図 16に図示した振動素子の電気的な特性を図示したグラフである。
【００８１】
実試例5は振動素子の共振周波数を調整するためのさらに他の方法の一つとして、実試例１と等しい素材と製作方法で振動素子を製作するが、振動素子の共振周波数を調整するにおいて、実試例4とは違い変化率が数%に至る大きい範囲の共振周波数の調整が可能である。図16に図示したように、実試例5の振動素子はダミー層60、60'が構成されている。
【００８２】
実試例5の振動素子の製造工程は全体的には実試例4と同一及び類似であるので、全体的な製造過程に対する説明は省略し、ダミー層60、60'を形成する段階のみを詳細に説明する。
【００８３】
先に、圧電シートを積層する段階で振動素子の内部電極20間の圧電シート20 以外に振動素子を構成する積層体の最上部と最下部に内部電極20がないダミー層60、60'を積層する。
【００８４】
ダミー層60、60'が形成された積層物の共振周波数を測定して願う共振周波数を持つようにダミー層60、60'の厚さを調節した後、外部電極30と補助電極40を形成した。
【００８５】
実試例5で素子の長さは2.0mm、電極重複部OLは0.8mm、外部電極30と補助電極40の長さは0.4mmで製作し、電極重複部OLは素子の中央から対称的に配置し、シートの厚さは塑性によって収縮して75μmであり、総4層を積層した。
【００８６】
最上部と最下部のダミー層60、60'をそれぞれ2.5μmと5μmが残るように加工した。製造された振動素子の電気的インピーダンス特性を図17に現わした。
【００８７】
ダミー層60、60'がない場合には共振周波数が17.18MHzであるが、ダミー層60、60'が2.5μmの場合の共振周波数が16.58MHzであり、ダミー層60、60'が5μmの場合の共振周波数が16.03MHzであるので、ダミー層60、60'が厚いほど共振周波数が低くなった。
【００８８】
ダミー層60、60'がない場合に比べて、共振周波数の変化率はダミー層60、60'が2.5μmである時3.5%であり、エポキシ層が10μmである時6.7%であった。
【００８９】
ダミー層60、60'の厚さが10μm以内の場合、振動素子の共振周波数はダミー層60、60'の厚さに線形的に比例するので、ダミー層60、60'の厚さ1μmに対応する振動素子の共振周波数変化率は略0.7%である。
【００９０】
実試例5による振動素子の共振周波数調整法の産業上利用可能性は次のようである。圧電共振器は発振周波数に基づいて多様な仕樣の製品で作われる。 例えば、現在通用する共振器の発振周波数仕樣の中、12.0MHzと12.5MHzの場合、従来はそれぞれの仕樣に合わせて振動素子の製造の時、積層シートの厚さを異にして製作するが、本実施例5によれば、12.0MHzと12.5MHzの二つの仕樣の圧電共振器を等しい厚さのシートを利用して製作した後、ダミー層60、60'を加工して各各12.0MHzと12.5MHzの二つの仕樣の製品で製作するのが可能なので、従来の技術に比べて大量生産に相応しい。
【００９１】
実試例６
図18は本発明による振動素子のさらに他の一例を図示した斜視図であり、図 19は図18に図示した振動素子の電気的な特性を図示したグラフである。
【００９２】
実試例6の振動素子は共振周波数を調整するためのさらに他の方法の一つとして全体的な構成においては実試例5と等しくダミー層を2.5μm形成し、最終段階で実試例4と等しくエポキシで高分子物質層50形成した。
【００９３】
製造された振動素子の電気的なインピーダンス特性は図19に図示したようである。
【００９４】
エポキシ層がない場合には共振周波数が16.58MHzであるが、エポキシ層が5μmの場合の共振周波数は16.48MHz、エポキシ層が10μmの場合の共振周波数は 16.38MHzで共振周波数の変化率は各各0.6%、エポキシ層が10μmである時に 1.2%であった。
【００９５】
したがって、エポキシ層の厚さが10μm以内の場合、振動素子の共振周波数はエポキシ層の厚さに線形的に比例し、エポキシ層の厚さ1μmに対応する振動素子の共振周波数変化率は略0.1%である。
【００９６】
前記のように構成された振動素子の中で実試例4の振動素子を利用した圧電共振器を一例として本発明による圧電共振器を説明する。
【００９７】
図21は本発明による振動素子を利用した圧電共振器の一例を図示した組み立て斜視図である。
【００９８】
本発明による質量荷重層を持つシアモード圧電共振器は図示したように、質量荷重層を持つ振動素子140とキャパシターが一体型に形成された積層型ベース基板160を具備している。
【００９９】
本発明による圧電共振器は前記の図12に図示したように、発振回路を構成するキャパシター CL1とCL2をそれぞれ入力電極-共通電極間、出力電極-共通電極間に作用する静電容量で構成した積層型ベース基板と振動素子を保護するためのカバーを利用して圧電共振器を製作した。
【０１００】
積層型ベース基板160は内装型キャパシターを具備した回路構成要素の役目を遂行することと同時に、振動素子140を保護し、圧電共振器がPCなどの電子器機のボード上に設置することができるようにするパッケージ要素の作用をするので、所定の静電容量を形成するための適当な誘電率とシート厚さ及びパッケージ要素としての要求条件である塑性の機械的な強度を維持しなければならない。
【０１０１】
このような積層型ベース基板の製作、振動素子の設置及びカバーの接着等の圧電共振器の製造工程を詳しく説明する。
【０１０２】
先に、ベース基板160は素材を誘電率20内外のMgTiO3誘電体セラミックス素材を使用し、前記実試例1で説明したドクターブレイドテープキャスティング（doctor blade  tape  casting）法によって50μm厚さのシートで成形した。以後 Ag/Pd電極をスクリーン印刷法によって交賛に印刷して各層間に静電容量が形成されるようにし、本実試例では3回印刷してCL1とCL2がそれぞれ15pFになるようにした。
【０１０３】
前記CL1、CL2の静電容量は印刷回数及びパターンの大きさの調節によって 3〜50pFの範囲で調節可能である。
【０１０４】
振動素子140はベース基板の入出力電極に補助電極40と外部電極30がそれぞれ導電性接着剤164またはソルダによって設置され、その上部にカバー120が接着剤によってベース基板160に接着されて振動素子140を保護する役目をするようになる。
【０１０５】
前記カバー120は金属材またはセラミックス材が皆適用可能である。前記圧電共振器の発振周波数は振動素子の共振周波数を調整することによって成し遂げ、積層型ベース基板160を使って部品の高さを低めて小型及び精緻に製作することができる。
【０１０６】
また、振動素子に賦課される高分子エポキシなどの質量荷重効果付与物質の塗布を振動素子をベース基板に設置した後に遂行する方式も本発明が属する分野に携わる者には自明なことで本発明の実試例が本発明の請求範囲を制限しないことを明らかにしておく。
【０１０７】
振動素子の電極はベース基板に設置されて圧電共振器の入出力端子と接続され、交流信号が認可されば、振動素子は分極方向に対応する固有の振動を起こして、共振-反共振周波数の間にあたる周波数領域に対して電気的に柔道性リアクティブ（reactive）素子と同値なので、ICの反転増幅器と結合されたコルピツ発振回路の一部と作用して、上述した固有の共振周波数と発振回路の負荷用量CL1、CL2に係わる周波数で発振するようになる。したがって、圧電共振器の発振周波数は振動素子の共振周波数に比例するので、圧電共振器の発振周波数の調整が可能である。
【発明の効果】
【０１０８】
前記のように構成された本発明によるシアモード振動素子は全体素子の共振周波数が積層シートの厚さによって決まり、各シートはお互いに対称的な振動をするので、全体振動素子の共振特性に不要波がなく、高周波圧電共振器の製作が容易いだけでなく、厚さシア振動モードで振動することによって、電気機械結合係数が大きく、圧電定数が大きい振動モードを使うようになることによって厚さ振動モードを使った従来の方式に比べて振動素子の有効振動面積が相対的に小さくしても同等の振動性能が維持され、これによって従来の振動素子に比べて小型化した振動素子の製作に効果的である。
【０１０９】
また、積層型ベース基板を使って圧電共振器部品の製作の時、別途のキャパシター素子が必要ない構造を提供して高周波ながらも小型である共振器部品を提供することができる効果がある。
【０１１０】
さらに、質量荷重層を持つ振動素子は積層の時、あらかじめ形成したダミー層の厚さを調整する方法と振動素子の表面に高分子エポキシなどの高分子物質を塗布して質量荷重層を形成することによって、振動素子の共振周波数が質量荷重効果によって調整されてより精緻な周波数の調節が可能であり、このような振動素子とキャパシターを内装した積層型ベース基板を利用して圧電共振器を製作することによって圧電共振器の大量生産が可能であり、同時に発振周波数の微細調整を通じて精緻な発振周波数を持ち、部品の高さが低い圧電共振器の製作を容易にする効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】従来の振動素子の一例を図示した斜視図である。
【図２】振動素子の変形前の状態を図示した断面図である。
【図３】振動素子の発振の時、圧電体の変形状態を図示した断面図である。
【図４】本発明による振動素子の一例を図示した斜視図である。
【図５】本発明による振動素子の一例を図示した断面図である。
【図６】本発明による振動素子の製造過程を説明するためのフローチャートである。
【図７】本発明による振動素子の電気的特性の一例を図示したグラフである。
【図８】本発明による振動素子の電気的特性の他の一例を図示したグラフである。
【図９】本発明による振動素子のまた他の一例を図示した断面図である。
【図１０】図9に図示した本発明による振動素子の電気的特性の一例を図示したグラフである。
【図１１】本発明による圧電共振器の構造を図示した組み立て斜視図である。
【図１２】本発明による圧電共振器を持つ発振回路の一例を図示した回路図である。
【図１３】図11に図示した本発明による圧電共振器の電気的特性の一例を図示したグラフである。
【図１４】本発明による振動素子のまた他の一例を図示した斜視図である。
【図１５】図14に図示した振動素子の電気的特性を図示したグラフである。
【図１６】本発明による振動素子のまた他の一例を図示した斜視図である。
【図１７】図16に図示した振動素子の電気的特性を図示したグラフである。
【図１８】本発明による振動素子のまた他の一例を図示した斜視図である。
【図１９】図18に図示した振動素子の電気的特性を図示したグラフである。
【図２０】本発明による振動素子の他の一例を製造過程を説明するためのフローチャートである。
【図２１】本発明による振動素子を利用した圧電共振器の一例を図示した組み立て斜視図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  圧電シート（piezoelectric sheet）
２０  内部電極
３０  外部電極
４０  補助電極
５０  高分子物質
６０、６０'  ダミー層
１２０  カバー
１４０  振動素子
１６０  ベース基板（base substrate）
１６２  電極
１６４  導電性接着剤
２００  圧電共振器
【図１】
2006187000.tif 000003
【図２】
2006187000.tif 000004
【図３】
2006187000.tif 000005
【図４】
2006187000.tif 000006
【図５】
2006187000.tif 000007
【図６】
2006187000.tif 000008
【図７】
2006187000.tif 000009
【図８】
2006187000.tif 000010
【図９】
2006187000.tif 000011
【図１０】
2006187000.tif 000012
【図１１】
2006187000.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2006187000.tif 000015
【図１４】
2006187000.tif 000016
【図１５】
2006187000.tif 000017
【図１６】
2006187000.tif 000018
【図１７】
2006187000.tif 000019
【図１８】
2006187000.tif 000020
【図１９】
2006187000.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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