(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が凸レンズ形状の圧電基板と、該圧電基板の一端部の傾斜した両主面に設けられた対向する一対の駆動電極とを具備してなるとともに、前記圧電基板は、最厚肉部の両側に厚みが先端に向けて次第に薄くなる楔部を形成してなり、前記楔部に形成された前記駆動電極の厚みが楔部先端に向けて次第に厚く形成され、前記駆動電極から引き出された引出電極が前記圧電基板の最厚肉部に形成されていることを特徴とする圧電共振子。
【請求項２】
圧電基板の一端部の傾斜した両主面で形成される角度が２度以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電共振子。
【請求項３】
請求項１又は２記載の圧電共振子の最厚肉部を、収納容器内に保持固定してなることを特徴とする圧電共振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電共振子及び圧電共振装置に関し、特に厚み縦振動モードまたは厚み滑り振動モードを用いた高周波（１００ＭＨｚ以上）用の圧電共振子及び圧電共振装置に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
一般に、厚み縦振動モードまたは厚み滑り振動モードを用いた高周波用の圧電共振子は、基本モードを用いる場合は圧電基板の厚みを薄くし、または圧電基板の厚みを厚めのままにして３次高調波などのモードを用いて実現する。
【０００３】
このとき、基本波の場合には厚みを精度良く薄くする技術、高調波を用いる場合には基本波を抑えて、なお且つ３次モードのピークバレー値（Ｐ／Ｖ値）が大きくなるように設計することが必要である。また、高周波のため、駆動電極の厚みバラツキを精度良くコントロールすることも必要となる。
【０００４】
１００ＭＨｚ以上、特に１００〜１０００ＭＨｚのような高周波で基本波を用いる場合は、厚みが特に薄くなるため、上記した従来のコントロールによっても圧電共振子の作製が困難である。例えば、厚み縦振動や厚み滑り振動を用いた圧電共振子の共振周波数は圧電基板の厚みに反比例するため、基本波モードの場合で、一般的な圧電材料では基板厚みが数１０μｍ以下のものを作製する必要があり、また共振周波数バラツキを１％以下に抑えるためには圧電基板厚みを１％以下の誤差で製造する必要もある。さらに駆動電極の厚みコントロールも圧電基板が薄くなるに連れて、相対的に重要になる。
【０００５】
従って共振周波数が高くなると圧電共振子の作製が困難になるため、共振周波数が高い圧電共振子を作製する場合は、３次高調波などの高調波のモードを使用することが一般的に行われている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
通常の設計では、一般的に高調波の振動よりも基本振動のほうが強く励振されてしまうため、高調波で正しく励振させるためには高調波のインピーダンスピークを少なくとも基本振動よりも相対的に大きくする設計が要求される。このため基本モードを抑制して、なお且つできるだけきれいな３次高調波を発現する素子設計が望まれる。しかしながら、高周波化が進むと３次モードのＰ／Ｖ値の絶対値は系統的に小さくなると同時に、基本波モードの振動を低減することが困難になる。
【０００７】
このような問題を解決するため、従来、特開２０００−３４１０６４号公報や特開平１１−２０５０７６号公報に開示されるように、素子保持部を厚く、振動部を薄く作製した基本波モードを利用した圧電共振子が提案されている。図５は、このような圧電共振子を示すもので、両主面が四角形状の圧電基板３１中央部の対向する位置に凹部３３ａ、３３ｂを形成するとともに、その凹部３３ａ、３３ｂに一対の対向する駆動電極３５ａ、３５ｂを形成し、これらの駆動電極３５ａ、３５ｂに引出電極３７ａ、３７ｂを接続して構成されている。
【０００８】
このような圧電共振子では、圧電基板３１の外周部の厚みが厚いため破損等を抑制することができるが、駆動電極３５ａ、３５ｂを形成する部分の厚みに関しては、精度の良い厚みコントロールの難しさが残る。駆動電極３５ａ、３５ｂの精度良い厚みコントロールも必要である。このような構造では、エッチングの技術により精度良く加工する必要があり、素子の製造コストのアップも避けられない。
【０００９】
本発明は、基本波を用いて高周波にて共振可能であり、駆動電極を形成する圧電基板に厚みバラツキがあっても良好な特性を容易に得ることができるとともに、ベベル加工等の比較的安価で量産性に優れた手法により作製できる圧電共振子及び圧電共振装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電共振子は、断面が凸レンズ形状の圧電基板と、該圧電基板の一端部の傾斜した両主面に設けられた対向する一対の駆動電極とを具備してなるとともに、前記圧電基板は、最厚肉部の両側に厚みが先端に向けて次第に薄くなる楔部を形成してなり、前記楔部に形成された前記駆動電極の厚みが楔部先端に向けて次第に厚く形成され、前記駆動電極から引き出された引出電極が前記圧電基板の最厚肉部に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
このような圧電共振子では、圧電基板の主面に厚みバラツキがあっても、傾斜した主面における駆動電極の形成位置を変化させることにより、周波数微調整が可能になる。即ち、駆動電極が形成される主面は傾斜しているため、圧電基板の駆動電極が形成される主面に厚みバラツキがあっても、適切な駆動電極の形成位置を選択すれば望む共振周波数を得ることができる。また、駆動電極が形成される圧電基板の一端部の両主面は傾斜しており、厚みが徐々に変化しているため、テーパーがある方向のエネルギー閉じ込めが大きい。
【００１２】
このような構成を採用することにより、従来、エッチングにより圧電基板の厳密な加工を行っていたが、圧電基板製作時の圧電基板の厚みバラツキに大きく左右されることなく、所望の共振周波数で振動する圧電共振子を得ることができるため、安価で量産性に優れるものの比較的加工精度が低い、ベベル加工やコンベックス加工により作製された水晶からなる圧電基板を用いた場合でも、厚み縦振動モードや厚み滑り振動モードの基本波を用いた１００ＭＨｚ以上の高周波で共振可能な水晶からなる圧電共振子を安価に量産することができる。
また、引出電極を凸レンズ形状の圧電基板の厚みが厚い最厚肉部（圧電基板の長さ方向中央部）に引き出すことができ、圧電共振子の保持を強度が最も大きい圧電基板の中央部で行うことができ、落下衝撃などに強い保持構造が可能になる。さらに、圧電基板の一端部の傾斜した両主面に形成される駆動電極厚みを楔部先端に向けて次第に厚く形成することにより、エネルギーを有効に閉じ込めることができ、圧電基板の長辺に沿った方向（傾斜方向）のリップルを抑制することができる。
また、駆動電極厚みを、圧電基板のテーパー（傾斜面）を補うように変化させて、即ち、圧電基板と駆動電極の厚みの合計厚みが傾斜方向において効果的に同一となるように、楔部に向けて次第に厚く形成することにより、テーパー形状に誘発されやすいリップルなどの影響がインピーダンス特性に現われないように設計することができる。
【００１３】
また、本発明の圧電共振子は、圧電基板の一端部の傾斜した両主面で形成される角度が２度以下であることが望ましい。断面が凸レンズ形状の圧電基板を用いる場合には、駆動電極を形成する領域の圧電磁器、水晶基板等の圧電基板の形状は、駆動電極の形成位置により変化するが、圧電基板の一端部に形成された両主面で形成される角度θを２度以下とすることにより、圧電基板の全体的な厚みに１０％程度のバラツキがある場合でも駆動電極を形成する位置を選ぶことによって、望ましい共振周波数で振動をする圧電共振子を得ることができ、また、高周波（１００〜１０００ＭＨｚ）用の圧電共振子においては蒸着あるいはスパッタリング技術によりテーパーを補う形で電極形成をすることができる。
【００１７】
本発明の圧電共振装置は、上記圧電共振子の最厚肉部を収納容器内に保持固定してなるものである。圧電基板の厚みが厚い中央部が収納容器内に保持固定されるため、圧電共振子を収納容器内に強固に保持固定することができ、衝撃等による圧電共振子の破損を防止できるとともに、圧電共振子の収納容器からの脱落を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電共振子は、図１に示すように、断面が凸レンズ形状をした圧電基板１の一端部の両主面に、対向するように駆動電極２、３を形成し、これらの駆動電極２、３には、圧電基板１の厚みの厚い最厚肉部１ａ（圧電基板１の長さ方向中央部）に形成された引出電極５、６が接続されている。圧電基板１は、圧電磁器または水晶から構成されている。
【００１９】
駆動電極２、３は、圧電基板１の長方形状の上下主面に、その長辺に向けて帯状に形成されている。圧電基板１は縦断面が凸レンズ形状であり、その一端部の上下主面は傾斜面とされている。即ち、圧電基板１は、長さ方向の中央部に最も厚みが厚い最厚肉部１ａが形成され、最厚肉部１ａの両側に厚みが先端に向けて次第に薄くなる楔部１ｂが形成されており、所望共振周波数が高くなるにつれて楔部１ｂ先端側に駆動電極２、３が形成されることになる。
【００２０】
駆動電極２、３が形成される両主面で形成される角度θは２度以下とされている。角度θを２度以下としたのは、数１０μｍの厚みの圧電基板１を作製する場合でも、ベベル加工、コンベックス加工などによる圧電基板１の加工バラツキを１０％以下に抑制できるため、この範囲内のバラツキでは楔部１ｂ先端と最厚肉部１ａの間の所望位置に所望共振周波数を得るため駆動電極２、３を形成することで、所望共振周波数を再現良く得ることができるからである。特に、駆動電極２、３を圧電基板１の一端部の所望する位置付近に形成するという点から、楔部１ｂの加工バラツキは５％以下に抑制することが望ましい。
【００２１】
また、一端部の両主面の傾斜角θを２度以下とすることによって、駆動電極２、３によるエネルギー閉じ込めを大きく壊すことなく、また駆動電極２、３の厚み分布を工夫することによって元々平板で実現できる基本振動に近い振動モードを実現することができる。特に蒸着などで形成される駆動電極２、３の厚みは１μｍ以下であるから、駆動電極２、３の厚み分布に工夫を加えることによって模擬的に平板に近い振動条件を実現するためには、駆動電極２、３の楔部１ｂ側端での基板厚みと、最厚肉部１ａ側端での基板厚みの差が駆動電極２、３の厚みあるいはそれ以下であることが望ましい。
【００２２】
尚、図１では、楔部１ｂ先端は鋭角としたが、図４に示すように、実際は厚みｔ１を有しており、楔部１ｂの先端厚みｔ１と最厚肉部１ａの厚みｔ２の平均厚み、即ち圧電基板の一端部における平均厚みは、所望の共振周波数に合うように設定される。
【００２３】
また、駆動電極２、３に接続する引出電極５、６が最厚肉部１ａに形成されている。
【００２４】
圧電基板１は、温度特性を重視するのであれば水晶、共振−反共振ピーク間の帯域を重視するのであればＬＴなどの単結晶を用いるのが良い。圧電磁器などの焼成材料であればボイド等の欠陥が共振特性を阻害する可能性が高くなるが、薄膜の圧電磁器生成プロセス等により、ボイドフリーの薄膜磁器材料を得ることは可能であり、圧電磁器による共振子も実現できる。また、駆動電極２、３、引出電極５、６は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕの薄膜を順次蒸着することにより形成されている。
【００２５】
以上のように構成された圧電共振子では、圧電基板１に厚みバラツキがあっても、テーパー方向に駆動電極２、３を形成する位置を変化させることにより、厚みバラツキを補うための周波数微調整を行うことができる。即ち、圧電基板１の楔部１ｂの厚みが先端に向けて次第に薄くなっているため、駆動電極２、３が形成される主面に厚みバラツキがあっても、適切な駆動電極２、３の貼り付け位置（長さ方向の貼り付け位置）を選択すれば望む共振周波数を得ることができる。
【００２６】
例えば、従来の厚み縦共振子では、圧電基板１の厚みバラツキが数μｍ程度あるとして、このバラツキを駆動電極２、３の厚みをコントロールして周波数調整を行うため、電極材料を重ねて貼り付ける必要があるが、蒸着などの精度よく厚みコントロールができるプロセスで、この厚みの電極を貼り付けるには時間、コスト増加が伴う。しかしながら、本発明の場合には、楔部１ｂにおける駆動電極２、３を貼り付ける位置を変更することにより、駆動電極２、３が形成された部分の圧電基板１の平均的厚みを数μｍ程度容易に変更することができ、周波数調整を容易に行うことができる。
【００２７】
また、圧電基板１は厚みが両端部に向かって徐々に薄くなる凸レンズ形状であり、テーパーがある方向、即ち長さ方向のエネルギー閉じ込め効果を大きくできる。
【００２８】
このような構成を採用することにより、製作時の圧電基板１の厚みバラツキに大きく左右されることなく所望の共振周波数で振動する圧電共振子を得ることができるとともに、圧電基板１を凸レンズ形状とし、テーパーによる圧電基板１の厚み変化を補う形で駆動電極２、３の厚みを変化させることによりエネルギーを更に有効に閉じ込めることができ、圧電基板１の長辺方向の陪振動によるリップルを抑制することができる。
【００２９】
従って、本発明によれば、基本モードを用いた１００〜１０００ＭＨｚの高周波の厚み縦振動共振子において、厚みバラツキに影響を受けにくい形状で、厚みバラツキがあっても電極貼り付け時に修正が容易な構造を持った圧電共振子を提供でき、より簡単でかつ効果的に基本波モードを用いた１００〜１０００ＭＨｚ帯の高周波厚み縦圧電共振子を得ることができる。
【００３０】
本発明者等は、本発明の圧電共振子について、駆動電極２、３の形成位置を変化させることにより、共振周波数を変化させることができかどうかについて、また、圧電共振子として用いることができるか否かについて、シミュレーションを行った。
【００３１】
条件は、楔部１ｂの長さを０．５ｍｍ、楔部先端の厚みｔ１を２μｍ、最厚肉部１ａの厚み（楔部１ｂの最厚肉部側端の厚み）ｔ２を１２μｍとした側面形状が台形状の圧電基板１を用い、楔部１ｂの両主面で形成される角度θを１．１５度とした。圧電磁器は通常のＰＺＴ材を用いた。この結果を図２（ａ）、（ｂ）に示す。図２（ｂ）は駆動電極をテーパー方向（長さ方向）の中心に置いたもの、図２（ａ）は中心から最厚肉部１ａの方向に５０μｍずらした位置に置いたもののインピーダンス特性の結果を示す。
【００３２】
この図２から、駆動電極２、３の形成位置を変化させることにより、共振周波数を変化させることができ、しかも図２（ｂ）からいくつかのリップルをコントロールすることにより共振子として良好なインピーダンス特性が得られることがわかり、断面が凸レンズ形状の本発明の圧電共振子が有効であることがわかる。
【００３３】
このような圧電共振子では、厚みが大きい最厚肉部１ａ（中央部）を、図３に示すように、収納容器１１の内部底面に、Ａｇペーストや導電性接着剤等の接合剤１３で保持固定することができ、落下衝撃などに強い保持構造を実現できる。即ち、圧電共振子の中央部での保持であるが、先端の最薄肉部１ｂはレンズの先端で厚みが薄いため、落下等の衝撃に対して強い構造となっている。
【００３４】
図４は、駆動電極２、３厚みを、圧電基板１のテーパー（傾斜面）を補うように変化させて、即ち、圧電基板１の一端部における傾斜した部分の厚みと駆動電極２、３の厚みの合計厚みが長さ方向において効果的に同一となるように、言い換えれば、駆動電極２、３の厚みを楔部１ｂの先端に向けて次第に厚くした圧電共振子を示すもので、この圧電共振子では、リップルなどの影響がインピーダンス特性に現われないように設計することができる。また、この駆動電極２、３の平均的な厚みをコントロールすることによる共振周波数の微調整を行うこともできる。また、傾斜方向と垂直な方向の幅を変えることによって駆動電極２、３の面積を変化させることができ、インピーダンス特性の重要項目であるピ−クバレー値等の向上を図ることができる。これらの例では、駆動電極２、３は長方形の形状で示したが、これに限定されるものではなく、例えば楕円形状のものでも所望とするインピーダンス特性を発現させることが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の圧電共振子では、駆動電極が形成される主面が傾斜しているため、圧電基板の駆動電極が形成される主面に厚みバラツキがあっても、適切な駆動電極の貼り付け位置を選択すれば望む共振周波数を得ることができる。これにより、圧電基板製作時の圧電基板の厚みバラツキに大きく左右されることなく、所望の共振周波数で振動する圧電共振子を得ることができるため、量産性に優れるものの比較的加工精度が低い、ベベル加工やコンベックス加工により作製された水晶からなる圧電基板を用いた場合でも、厚み縦振動モードや厚み滑り振動モードの基本波を用いた１００ＭＨｚ以上の高周波で共振可能な水晶からなる圧電共振子を安価に量産することができる。
【００３６】
さらに、断面が凸レンズ形状の圧電基板の中央部を収納容器に保持固定でき、落下時の衝撃に強い構造とできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電共振子を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の圧電共振子のインピーダンス特性を示すシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は最薄肉部の方向に中心から５０μｍだけずらした位置に形成し、（ｂ）は駆動電極を圧電基板の長さ方向中心部に形成したシミュレーション結果である。
【図３】図１の圧電共振子の中央部が収納容器底面に固定された本発明の圧電共振装置を示す断面図である。
【図４】駆動電極の厚みを楔部先端に向けて次第に厚く形成した例を示す断面図である。
【図５】従来の１００ＭＨｚ以上の基本振動モードを用いた高周波水晶振動子を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。
【符号の説明】
１・・・圧電基板
１ａ・・・最厚肉部
１ｂ・・・楔部
２、３・・・駆動電極
５、６・・・引出電極
１１・・・収納容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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