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【発明の名称】 圧電共振子、フイルタ及び複合基板
【発明者】 【氏名】福岡 修一
【住所又は居所】鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株式会社総合研究所内
【氏名】江口 知宣
【住所又は居所】鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株式会社総合研究所内
【氏名】川村 寛之
【住所又は居所】鹿児島県国分市山下町１番４号 京セラ株式会社総合研究所内
【課題】ＩＤＴによってＳＨタイプの表面波を利用して駆動する圧電共振子において、Ｐ／Ｖ値を大きく維持したまま小型・低背化が達成され、スプリアスの少ない圧電共振子を提供する。

【解決手段】ペロブスカイト構造のＰｂＴｉＯ３又はＮａＮｂＯ３を主成分とする圧電基板１ａの主面の一部に櫛歯電極からなるインターデジタルトランスデユーサ（ＩＤＴ）３を形成し、ＳＨタイプの表面波を利用して駆動することを特徴とし、特に前記ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａのうち少なくとも１種で置換するとともに、Ｔｉの少なくとも一部を、Ｍｎにより置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９０〜１．００からなることが好ましい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペロブスカイト構造のＰｂＴｉＯ３又はＮａＮｂＯ３を主成分とする圧電基板の主面の一部に櫛歯電極からなるインターデジタルトランスデユーサ（ＩＤＴ）を形成し、ＳＨタイプの表面波を利用して駆動することを特徴とする圧電共振子。
【請求項２】
前記ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａのうち少なくとも１種で置換す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】
前記ＰｂＴｉＯ３のＴｉの一部を、Ｍｎで置換したことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電共振子。
【請求項４】
前記ＰｂＴｉＯ３のＴｉの一部を（Ｆｅ１／３Ｂ２／３）、（Ｃｏ１／３Ｂ２／３）、（Ｙ１／２Ｂ１／２）、（Ｙｂ１／２Ｂ１／２）、（Ｉｎ１／２Ｂ１／２）および（Ｍｇ１／３Ｂ２／３）のうち少なくとも１種で置換してなり、ＢがＮｂ、Ｓｂのうち少なくとも１種であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項５】
前記ＰｂＴｉＯ３のＰｂ及びＴｉの一部を他の元素で置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとするとき、ａ／（１−ｂ）で表される値ｐが０．９０〜１．００からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項６】
前記ＰｂＴｉＯ３中のＺｒの含有量が１０モル％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項７】
前記ＮａＮｂＯ３のＮａの一部をＬｉ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｎｄのうち少なくとも１種で置換してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項８】
前記圧電基板の比誘電率が４００以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項９】
前記圧電基板の主面に、前記ＩＤＴを収容する空間を形成するように、ベース基板を接着し、該ベース基板に前記一対のコンデンサが設けられてなることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項１０】
前記コンデンサの容量が８〜５０ｐＦであることを特徴とする請求項９記載の圧電共振子。
【請求項１１】
圧電基板のＩＤＴが形成された面に対向するように、かつＳＨタイプの表面波の振動を妨げない空間を形成するようにベース基板を配置するとともに、前記圧電基板と前記ベース基板とを固着封止してなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項１２】
前記圧電基板の対向主面に、前記ＩＤＴと対向するように孤立導体層を設けてなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の圧電共振子。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の圧電共振子を複数電気的に接続してなることを特徴とするフイルタ。
【請求項１４】
前記圧電共振子のＰ/Ｖ値がそれぞれ５０ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１３記載のフイルタ。
【請求項１５】
マイクロコンピュータＩＣチップと、請求項１〜１２のいずれかに記載の圧電共振子とをベース基板に実装したことを特徴とする複合基板。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、レゾネータやフイルタなどに適用されるＳＨ波の表面波を利用した端面反射型の端面反射型圧電共振子とその圧電磁器組成物に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信機器や電子機器に内蔵されるマイクロコンピュータに用いられる発振回路は、安定な発振を得る為には、圧電共振子のメイン振動のＰ／Ｖ値を大きくすることが要求される。
【０００３】
ここで、発振回路は、図１０に示す等価回路のように、圧電共振子１の両端と接地電位との間に２つの負荷容量成分１５（Ｃ１、Ｃ２）が接続され、さらに、圧電共振子１の両端間に帰還抵抗１３、インバータ１４がそれぞれ接続されていた。
【０００４】
一般的に、安定な発振を得る為には、圧電共振子のメイン振動のＰ／Ｖ値を大きくすることに加えて、インバータのゲインの大きさにも依存する。一般的にインバータのゲインは周波数依存性があり、高周波になるに従い小さくなるが、メイン振動の近傍もしくは離れた周波数にスプリアスや別の共振点があり、その共振点において発振条件を満たした場合には誤発振を引き起こす恐れがある。従って、圧電共振子には、メイン振動以外の振動レベルが充分小さいことが要求される。
【０００５】
なお、Ｐ／Ｖ値は２０×ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｂ）で表されるもので、Ｒａは反共振インピーダンス、Ｒｂは共振インピーダンスとして定義される。
【０００６】
近年、通信機器や電子機器の薄型化が進み、例えば携帯電話やＨＤＤやメモリーカード等に代表されるように薄型化が追求され、電子機器回路基板への高密度実装化が進められており、圧電共振子に対しても小型化、特に薄型化が要求されている。
【０００７】
そこで、圧電素子の厚み縦３倍波振動や厚み滑り基本波振動を適用した表面実装型の圧電共振子、即ちレゾネータにおいては、圧電振動素子と負荷容量を形成したベース基板とを物理的且つ電気的に接続させた圧電振動子（図１１参照）を、振動動作を妨げないように外装ケースで被覆し、圧電振動子のＰ／Ｖ値を、例えば５０ｄＢ以上に大きく保ちながら、いかに小型化と薄型化を達成するかが重要になっていた。
【０００８】
そこで、発振子となる圧電振動素子の小型化を図るために、ＳＨタイプの表面波を利用した端面反射型の表面波共振子やその表面波共振子を外装樹脂で覆ったリード付きタイプの表面波装置などの構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
このような表面波共振素子を適用した圧電共振子は、圧電基板の主面に一対の櫛歯電極（以下、ＩＤＴと言う）が組み合わされるように形成され、ＩＤＴ周辺に空間を設けるようにして圧電基板の周囲に外層樹脂層が設けられている。
【００１０】
表面波共振素子に用いられる圧電基板として、インピーダンス−周波数特性上に現われるリップルや不要振動を除去するため、比誘電率が６００以上のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることが提案されている（特許文献２参照）。
【００１１】
また、比誘電率が３０以上、電気機械結合係数が２０以上のＰＺＴ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＺｎＯなどが用いられている。（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平８−１９５６４４号公報
【特許文献２】特開平７−５０５４６号公報
【特許文献３】特開２０００−２７８０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２及び３に記載の圧電基板に用いられるチタン酸ジルコン酸鉛ＰｂＺｒＴｉＯ３を主成分とした圧電磁器組成物は、組成相境界が存在することから、ＴｉとＺｒの比率によって発振周波数の温度特性を良好に制御することが可能になるものの、比誘電率が大きく、表面波装置上に形成された櫛歯形状の振動電極部の容量が著しく大きくなるため、ＩＤＴの振動電極部の容量を少なくする目的で櫛歯形状の振動電極部の電極対数を少なくする必要があり、Ｐ／Ｖが小さくなるという問題があった。
【００１３】
また、ＩＤＴの電極対数を確保して大きなＰ／Ｖを得るためには、帰還回路を構成する２個の負荷容量に対しても、発振条件を満足させる為に、振動電極部の容量とほぼ同等かそれ以上に大きくしなければならならず、著しく大きな容量を基板に内蔵する必要が生じ、基板が大型になるという問題があった。
【００１４】
さらに、ＰＺＴの強度は十分ではなく、端面加工や溝加工等の加工時に割れ、クラック及びチッピングが発生しやすく、チッピングによるスプリアスが発生するという問題があった。
【００１５】
また、特許文献３に記載の圧電基板に用いられるＬｉＴａＯ３及びＬｉＮｂＯ３の単結晶は、劈開性が高く割れやすく、加工時のチッピングによりスプリアス発生が顕著になるという問題があった。また、圧電性が十分ではないため、樹脂接着によるダンピングの影響を受け、十分な特性が達成できないという問題があった。
【００１６】
さらに、ＺｎＯは薄膜のため、薄膜のため圧電性も小さく端面反射が十分に出来ず、Ｐ／Ｖが小さくなるという問題があった。
【００１７】
従って、本発明の目的は、ＩＤＴによってＳＨタイプの表面波を利用して駆動する圧電共振子において、Ｐ／Ｖ値を大きく維持したまま小型・低背化が達成され、スプリアスの少ない圧電共振子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、圧電基板の主面の一部に櫛歯電極からなるインターデジタルトランスデユーサ（ＩＤＴ）を形成し、ＳＨタイプの表面波を利用して駆動する圧電共振子において、ペロブスカイト構造からなるＰｂＴｉＯ３又はＮａＮｂＯ３を主成分とした圧電磁器組成物を用いることによって、チッピングの発生を抑制し、大きなＰ／Ｖ値を実現し、しかも小型、低背な圧電共振子を得ることができるとの新規な知見に基づく。
【００１９】
即ち、本発明の圧電共振子は、ペロブスカイト構造のＰｂＴｉＯ３又はＮａＮｂＯ３を主成分とする圧電基板の主面の一部に櫛歯電極からなるインターデジタルトランスデユーサ（ＩＤＴ）を形成し、ＳＨタイプの表面波を利用して駆動することを特徴とする。これにより、レゾネータ用途に好適な圧電共振子を得ることができる。
【００２０】
特に、前記ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａのうち少なくとも１種で置換する場合、焼結性を高めて分極を容易にし、共振インピーダンスＲｏを小さくすることによってＰ／Ｖ値を向上することが容易になるとともに、発振周波数の温度依存性を小さくする効果がある。
【００２１】
前記ＰｂＴｉＯ３のＴｉの一部を、Ｍｎで置換する場合、共振インピーダンスＲｏを小さくするため、Ｐ／Ｖ値をより大きく向上することが容易になる。
【００２２】
前記ＰｂＴｉＯ３のＴｉの一部を（Ｆｅ１／３Ｂ２／３）、（Ｃｏ１／３Ｂ２／３）、（Ｙ１／２Ｂ１／２）、（Ｙｂ１／２Ｂ１／２）、（Ｉｎ１／２Ｂ１／２）および（Ｍｇ１／３Ｂ２／３）のうち少なくとも１種で置換してなり、ＢがＮｂ、Ｓｂのうち少なくとも１種であることが好ましい。これにより、Ｐ／Ｖをさらに高める効果があり、また、ばらつきの低減に効果がある。
【００２３】
前記ＰｂＴｉＯ３のＰｂ及びＴｉの一部を他の元素で置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとするとき、ａ／（１−ｂ）で表される値ｐが０．９０〜１．００からなることが好ましい。このようにｐ値を設定することにより、さらにＰ／Ｖ値をより高める効果が得られるとともに、発振周波数の温度特性を改善することができる。
【００２４】
前記ＮａＮｂＯ３のＮａの一部をＬｉ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｎｄのうち少なくとも１種で置換してなることが好ましい。これにより、Ｐ／Ｖをより高めることができ、また、発振周波数の温度特性を改善することができる。
【００２５】
前記圧電基板の比誘電率が４００以下であることが好ましい。これにより、ＩＤＴの振動電極部の容量を効果的に小さくでき、その結果、小型化・低背化を図りつつ、Ｐ／Ｖをより大きくするのが容易になる。
【００２６】
前記圧電基板の主面に、前記ＩＤＴを収容する空間を形成するように、ベース基板を接着し、該ベース基板に前記一対のコンデンサが設けられてなることが好ましい。これにより、回路をより集約化し、小型化・低背化にさらなる効果が期待できる。
【００２７】
記コンデンサの容量が８〜５０ｐＦであることが好ましい。これにより、従来の発振回路をそのまま利用できるという利点がある。
【００２８】
圧電基板のＩＤＴが形成された面に対向するように、かつＳＨタイプの表面波の振動を妨げない空間を形成するようにベース基板を配置するとともに、前記圧電基板と前記ベース基板とを固着封止してなることが好ましい。これにより、端面反射型圧電共振子として、小型化とより低背化をより容易に実施できる。
【００２９】
前記圧電基板の対向主面に、前記ＩＤＴと対向するように孤立導体層を設けてなることが好ましい。これにより、バルク振動の周波数を表面波の振動より低周波側に移動させることが可能となる。そのため、ＳＨ波の表面波とバルク波振動とを分離し、表面波を適用した圧電共振子の小型化においてもバルク波に起因したスプリアス振動が重畳しにくく安定した振動特性を得る事ができる。
【００３０】
本発明のフイルタは、上記の圧電共振子を複数電気的に接続してなるため、フイルタとしての減衰特性を有したバンドパスフイルタの機能を得ることができる。
【００３１】
本発明の複合基板は、マイクロコンピュータＩＣチップと、上記の圧電共振子とをベース基板に実装したことを特徴とする。これにより、部品の集積度を高め、電子機器の低背化を図ることが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明を、図を用いて説明する。図１は、本発明の圧電共振子の一実施様態を示すものである。
【００３３】
図１によれば、本発明の圧電共振子に用いる圧電共振子１は、圧電基板１ａの主面２ａに一対の櫛歯電極（以下、ＩＤＴと言う）３が形成されおり、各ＩＤＴ３は複数の電極指３ａ、３ｂを分極方向（図１の矢印方向）と平行になるように構成され、一対のＩＤＴ３の電極指３ａ、３ｂが交互に配置され、一対の櫛歯電極の電極指３ａ、３ｂが圧電基板１ａの主面２ａの略中央部で交差している。
【００３４】
なお、電極指３ａ、３ｂは、接続部６ａ、６ｂを介して接続用電極７ａ、７ｂにそれぞれ電気的に接続されている。接続用電極７ａ、７ｂには、外部回路への接続のために導電性バンプ８ａ、８ｂを設けることも可能である。
【００３５】
また、圧電基板１ａの対向主面２ｂには補強基板１ｂが接着されている。
【００３６】
圧電基板１ａの側面には、この側面と平行な側面を有する反射堤部９を設け、圧電基板１ａと反射堤部９との間に、ＳＨタイプの表面波を反射させるための反射溝４を形成することが好ましい。
【００３７】
ここで、ＩＤＴ３の最も外側に位置する電極指３ａ、３ｂの電極幅は、ＳＨタイプの表面波の波長λに対して、約λ／８の幅に設定すると、最も外側に位置する電極指は、反射溝４に隣接して形成されているため、ＳＨタイプの表面波の端面反射をより効果的にすることが可能になる。さらに、表面波の端面反射の点からは、電極指３ａ、３ｂの外側に隣接した反射溝４の長さは、電極指３ａ、３ｂの電極指交差部の長さよりも長くなるように構成するのが、ＳＨ波の端面反射を可能にし、スプリアス発生レベルを押さえられる点から望ましい。さらに、ＳＨ波からなる表面波は圧電基板の深さ方向にも振動することから深さ方向に発生した振動に対しても端面反射を効果的にし、スプリアス発生レベルを押さえられる点からも反射溝４の深さは波長λより大きく、反射溝４の長さは、交差電極長より長くすることが望ましい。
【００３８】
このような反射端面（圧電基板の側面）、反射溝４及び反射堤部９は、圧電基板１ａをスライサー加工機、レーザー加工機又はサンドブラスト加工などにより、圧電共振子の一方の端面から他の端面まで溝加工することによって形成することができる。その際に、反射溝４が圧電基板１ａにとどまらず、補強基板１ｂの一部に及ぶように加工することが望ましい。
【００３９】
このような反射端面の加工時に、圧電磁器としてＰＺＴを用いる場合にはチッピングが発生し、さらにＬＴやＬＮを用いる場合にはチッピングがより顕著となる。また、ＰＺＴは強度が低いため、クラックや割れが発生して不良の発生率が高いが、ＰｂＴｉＯ３やＮａＮｂＯ３を圧電磁器組成物として使用すると、チッピングを抑制し、歩留まりを改善することができる。
【００４０】
即ち、本発明によれば、端面反射型の圧電共振子の圧電基板の磁器材料として、ＰｂＴｉＯ３（チタン酸鉛、以下ＰＴと言うことがある）又はＮａＮｂＯ３（ニオブ酸ナトリウム、以下ＮＮと言うことがある）を主成分とした圧電セラミックスを用いることが重要である。ＰＴやＮＮは、ＳＨタイプの表面波を励振しやすくし、また、ＰＴやＮＮは高強度であり、チッピングの発生を抑制することができるため、Ｐ／Ｖ値を４５ｄＢ以上、特に５０ｄＢ以上、更には５５ｄＢ以上、より好適には６０ｄＢ以上と大きなＰ／Ｖ値を得ることができる。
【００４１】
特に、ＰＴのＰｂの一部を、Ｌａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｓｒ、Ｃａ及びＢａのうち少なくとも１種で置換することが好ましい。これにより、焼結性を高め分極を容易にし、特に、共振インピーダンスＲｏを小さくすることによりＰ／Ｖ値を向上することが容易になるとともに、発振周波数の温度依存性を小さくすることが出来る。上記の元素のうち、特にＣａは発振周波数の温度変化率を小さくする点で好適に使用できる。
【００４２】
Ｐｂに対するＬａ、Ｎｄ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｓｒ、Ｃａ，Ｂａの置換量ｘは０．０５〜０．１５に設定することが、分極の容易さ及び高耐熱性により、Ｐ／Ｖ値を高く維持するのが容易である点で好ましい。
【００４３】
また、ＰＴのＴｉの一部を（（Ｆｅ１／３Ｂ２／３）、（Ｃｏ１／３Ｂ２／３）、（Ｙ１／２Ｂ１／２）、（Ｙｂ１／２Ｂ１／２）、（Ｉｎ１／２Ｂ１／２）および（Ｍｇ１／３Ｂ２／３）のうち少なくとも１種で置換することで焼結性をより高め分極を容易にすることが可能になり、Ｐ／Ｖをより大きくする効果があり、また、製品間のばらつきを著しく低減することが容易になる。但し、ＢはＮｂもしくはＳｂのうち少なくとも１種で置換するものとする。
【００４４】
また、ＰＴのＴｉの一部を、Ｍｎで置換する場合、共振インピーダンスＲｏを小さくするため、Ｐ／Ｖ値をより大きく向上することが容易になる。
【００４５】
さらには、Ｐｂ及びＴｉの一部を他元素で置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとするとき、ａ／（１−ｂ）で表される値ｐを０．９０〜１．００とすることが好ましい。このように０．９≦ｐ≦１．００を満たす場合、ＢＧＳ振動の反共振インピーダンスＲａを大きくでき、これにより、移相反転の傾きθ３が大きくなって移相の反転が急峻になることで発振ポイントの周波数変動を抑制できるからである。また、耐熱性を維持でき、表面実装時のリフロー（約２４０〜２６０℃）の温度で発振周波数の特性が大きく変動するのを抑制し、表面実装型部品（ＳＭＤ）として対応することができる。
【００４６】
特にｐ値は、ＢＧＳ振動の反共振インピーダンスＲａを大きくし、Ｐ／Ｖ値を大きくするという点で、０．９５〜０．９９９がより望ましい。
【００４７】
なお、本発明における主成分とは、ＰＴ又はＮＮが全体組成の半分以上を占めることを意味し、その一部を他の成分で置換したり、焼結助剤を加えたりすることができる。このようにＰＴやＮＮを主成分とすることで、Ｐ／Ｖ値を大きく維持したまま小型・低背化を図り、スプリアスの少ない圧電共振子を実現できる。また、ＰＴ又はＮＮが主成分であれば、その特性が失われない範囲で不純物が含まれていても良い。例えば、ＰＴの場合、Ｚｒが含まれると、その含有量が多い場合、ＰＺＴと同じ欠点が生じるため、ＰＴ中のＺｒの含有量は、Ａサイト構成元素の１０モル％以下、特に５モル％以下、更には１モル％以下、より好適には０．５モル％以下であることが好ましい。このようにＰＴ中のＺｒ含有量を低下させることによって、Ｐ／Ｖ値を維持しつつ小型化を図ることが容易になるとともに、スプリアスを抑制するのが容易になる。
【００４８】
また、本発明のＮａＮｂＯ３を主成分とした圧電磁器組成物においては、前記ＮａＮｂＯ３のＮａの一部をＬｉ、Ｋ、Ｂｉ、Ｌａ、Ｎｄのうち少なくとも１種で置換することで、Ｐ／Ｖをさらに大きくするとともに、発振周波数の温度特性を良好にすることができる。また、Ｎｂの一部を少なくともＭｎ、Ｃｏにより置換することも同様の効果がある。
【００４９】
このような振動子用の圧電磁器は、ＰＴ又はＮＮを主成分としたＡＢＯ３型ペロブスカイト結晶相を主結晶相とするが、その他の結晶相としてパイロクロア相が存在していても、圧電磁器の特性が損なわれない範囲であれば問題はない。
【００５０】
櫛歯電極３ａ、３ｂの材質はＡｒやＣｒ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉなどが望まれる。
【００５１】
補強基板１ｂとしては、圧電基板１ａを構成する圧電磁器より強度や靭性の高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３を主成分にした磁器）、ジルコニア（ＺｒＯ２を主成分にした磁器）、マグネシア（ＭｇＯを主成分にした磁器）、窒化アルミニウム（ＡｌＮを主成分にした磁器）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４を主成分にした磁器）、炭化珪素（ＳｉＣを主成分にした磁器）を用いることができるが、これらの中でも、原価が安く生産性に優れる観点から、アルミナが望ましい。
【００５２】
ここで、圧電基板として、ＰｂＺｒＴｉＯ３（チタン酸ジルコン酸鉛、以下ＰＺＴと言うことがある）を適用した場合、少なくとも比誘電率が８００以上と大きな値を有するため、櫛歯形状の振動電極部の容量が著しく大きくなる。例えば、従来より使用されているセラミックレゾネータの圧電共振子は、その振動電極部の容量が約１５ｐＦ以下であるのに対して、櫛歯電極では６０ｐＦ以上と著しく大きくなる。そのため帰還回路を構成する２個の負荷容量も、発振条件を満足させる為に、振動電極部の容量とほぼ同等かそれ以上に大きくしなければならず、このような大容量を基板に内蔵するには、基板の大型化につながるという欠点があった。
【００５３】
しかし、ＰＴ又はＮＮの比誘電率を約４００以下、特に３５０以下、より好適には３００以下、と小さな値にすることで、形成する容量を小さくでき、圧電振動子の小型化に寄与でき、上記の圧電振動素子をレゾネータとして好適に使用することができる。特にＰＴは、より高強度であり、スプリアスの発生の抑制効果が高い点で特に望ましい。また、比誘電率の下限値は、回路において浮遊容量やインダクタンスの影響を受けにくいという理由で、５０、特に１００、更には１５０が好ましい。
【００５４】
さらに、レゾネータ用途の場合、比誘電率が３００以下となるチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３及びニオブ酸ナトリウムＮａＮｂＯ３を主成分とした圧電セラミックスであること望ましい。
【００５５】
図２は、本発明の圧電共振子に用いられる他の圧電共振子を示すものであり、共通部分に関しては図１と同じ符号を付与した。
【００５６】
本発明によれば、主面２ａに複数の電極指３ａ、３ｂを交差するように形成してなるＩＤＴ３を具備する圧電基板１ａの磁器材料としてＰＴ又はＮＮを用いることが重要である。そして、図２によれば、ＩＤＴ３と対向するように孤立導体層５を設けることが好ましい。孤立導体層５は、例えば、図２に示したように、圧電基板１ａのＩＤＴ３の設けられた主面２ａと反対の対向主面２ｂに設けることにより、バルク振動の周波数を表面波の振動より低周波側にシフトさせることができ、ＳＨ波の表面波とバルク波振動とを分離し、スプリアス振動がＳＨ波に重畳しにくくなるため、より安定した振動特性を容易に得ることができる。
【００５７】
即ち、圧電基板１ａの対向主面２ｂに孤立導体層５を形成することで、ＳＨタイプの表面波の共振周波数ｆｒ及び反共振周波数ｆａの中間近傍に存在していたバルク波のスプリアスを低周波側に移動させることが可能になるため、ＳＨタイプの表面波のｆｒ、ｆａとバルク波振動のスプリアスとを分離できることが容易になり、さらに大きなＰ／Ｖ値が得られ、レゾネータとして適用する場合、安定した発振を得ることが可能になる。
【００５８】
孤立導体層５の面積は、ＩＤＴ３の電極指３ａ、３ｂの交差する領域である電極指交差部の面積よりも大きくすることが好ましい。電極指交差部の面積よりも孤立導体層５の面積を大きくすることによって、バルク波の悪影響をより効果的に排除することができる。
【００５９】
本発明の圧電共振子は、例えば図３、４に示したように、上記の圧電共振子１０１を、入力電極ＰＩＮ、グランド電極ＰＧＮＤ、出力電極ＰＯＵＴを表面に具備するベース基板１１０の上に接着した構造を採用することができる。
【００６０】
即ち、圧電基板１０１ａの主面１０２ａに電極指１０３ａ、１０３ｂとで構成するＩＤＴ１０３が設けられ、電極指１０３ａ、１０３ｂは振動領域を形成している。主面１０２ａの一部（振動領域の外側）は接着剤を用いてベース基板１１０に接合する。接合にあたっては、圧電共振子１０１とベース基板１１０によってＩＤＴ１０３を収容する空間１０６を形成するように配置することができる。このような配置にすれば、空間１０６が形成されるので、圧電基板１０１ａの主面１０２ａに形成されたＩＤＴ１０３によるＳＨタイプの表面波の振動を妨げることがなく、特性の優れた圧電共振子を実現できる。なお、所望により、対向主面１０２ｂと補強基板１０１ｂとの界面に孤立導体層１０５を形成することができる。
【００６１】
この合成樹脂は、圧電共振子１０１とベース基板１１０とを接着する際に、反射溝１０４の内部に充填される。なお、予め反射溝１０４内に合成樹脂を充填した後、圧電共振子１０１とベース基板１１０を接着しても良い。その接着領域は、例えば、圧電磁器端面から図５の圧電共振子の平面図における破線Ａの外側の領域（非Ａ領域）を選ぶことができる。この場合、非Ａ領域に位置する溝１０４ａには合成樹脂が充填され、破線Ａの内側の溝１０４ｂには合成樹脂が充填されていないことが好ましい。
【００６２】
なお、合成樹脂のヤング率が十分小さく、共振特性の低下が顕著ではない場合、領域Ａ内の溝１０４ｂを合成樹脂で充填しても差し支えない。
【００６３】
また、領域Ａ内の空間１０６を外気から遮断するために、反射堤部１０９とベース基板１１０との間は接着剤によって密封し、ＩＤＴの駆動部は完全に気密封止することが可能であり、水分等の大気の悪影響を回避できる。
【００６４】
ベース基板１１０は、絶縁性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、チタン酸バリウムを含有した誘電体材料やアルミナ基板等のセラミックス、あるいはポリイミドや液晶ポリマー等の耐熱性に優れた樹脂材などで構成することが望ましい。
【００６５】
接着に用いる合成樹脂は、ヤング率が１×１０１０Ｐａ以下のものがバルク波に起因したスプリアスを効果的に抑制できる。このような合成樹脂としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂が例示できるがこれらに限定されるものではない。
【００６６】
なお、図５において、電極指１０３ａ、１０３ｂが交差して形成する電極交差部１０３ｃを表示するとともに、反射堤部１０９の側面は圧電基板１０１ａの側面１０７に平行となるように形成されている。
【００６７】
以上のように、本発明の圧電共振子に用いる圧電磁器は、図１０に示したコルピッツ型発振回路に適用される発振子用の圧電磁器として最適であるが、それ以外の発振子、フイルタや圧電センサーなどに最適な振動子用圧電磁器である。
【００６８】
本発明のフイルタは、上記の圧電共振子を複数電気的に接続してなるものであり、例えば、一実施様態であるラダー型フイルタを図６に示す。
【００６９】
このフイルタは、直列共振子２０１と並列共振子２０２で構成される。直列共振子２０１は、入力端子２０５ａと出力端子２０５ｂを直列に電気的配置がなされ、一方、並列共振子２０２は、出力端子２１５ｃが直列共振子２０１の出力側端子２０５ｂと結線させ、グランド側端子２１５ｇをグランドに接地させる回路構成でフイルタ回路を形成することができる。
【００７０】
直列共振子２０１と並列共振子２０２はそれぞれ、反射端面部２０６を介して、独立した櫛歯電極を形成し電気的接続を図る事でフイルタを得ることができる。例えば、ラダー型フイルタとする場合、直列に配置される圧電共振子の共振周波数と並列に配置される反共振周波数とを合わせてフイルタの中心周波数を決定し、保証減衰量を直列列に配置した容量より並列に配置した容量より大きくすることでフイルタとしての所望の減衰量を得ることができる。即ち、並列に配置した共振子のＩＤＴ２０３ｂの数を直列に配置した共振子のＩＤＴ２０３ａより多くすることで減衰量を大きくすることができる。
【００７１】
本発明の複合基板は、例えば図７に示すように、回路母基板３０１にキャビティ３０２が形成され、このキャビティ３０２内に、圧電共振子３０３のＩＤＴ形成面をキャビティ底面に対向するように、且つＩＤＴ形成面とキャビティ底面とに空間を設けるように、本発明の圧電共振子３０３を収容し、キャビティ３０２を覆うようにキャビティ３０２上にＩＣチップ３０４を配置したものである。
【００７２】
圧電共振子３０３及びＩＣチップ３０４は接着剤を用いて接着するが、圧電共振子３０３に用いる接着剤は、図５に破線で示した接着領域Ａとなるように、ヤング率が１×１０１０Ｐａ以下の合成樹脂からなる接着を用いるのが好ましい。また、ＩＣチップ３０４はキャビティ３０２を密封するための蓋の役割をも果たすことができ、接着剤やろう材を用いて、キャビティ３０２を封止するように接着するのが好ましい。
【００７３】
なお、ＩＣチップ３０４は、ベアチップでも、また、ＩＣをパッケージの内部に封入したものでも、いずれでも良い。
【００７４】
また、回路母基板３０１中にはコンデンサを内蔵していること、即ち容量を形成する電極が形成されていることが望ましい。例えば、図７に示したように、回路母基板３０１が内部に誘電体層３０５を具備し、誘電体層３０５を挟持するように、且つ対向するように一対の電極３０６ａ、３０６ｂをそれぞれ設けてコンデンサ３０７ａ、３０７ｂを形成している。この場合、２個のコンデンサを形成し、これらのコンデンサ３０７ａ、３０７ｂが、圧電共振子３０３に電気的に接続されている。
【００７５】
このように、マイクロコンピュータ用等のＩＣチップ３０４を、キャビティ３０２内の圧電共振子３０３を封止するように実装することにより、厚みの薄い、いわゆる低背な複合基板を提供することができ、電子機器の小型化に寄与することができる。
【実施例１】
【００７６】
原料として、Ｐｂ３Ｏ４、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、ＭｎＯ２、ＴｉＯ２、及びＳｒＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＣａＣＯ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｏ３Ｏ４、Ｉｎ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３、ＭｇＣＯ３、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｂｉからなる各種酸化物を用い、焼結体が表１及び表２の組成となるように秤量し、ＺｒＯ２ボールを用いたボールミルにて２４時間湿式混合した。次いで、この混合物を乾燥した後、９００℃で３時間仮焼し、適量の有機バインダを加え乾式混合し、メッシュの容器に通し整粒した。このようにして得られた粉体を１４７ＭＰａの圧力で縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの板状に成形し、大気中において１２５０℃の温度で３時間本焼成し圧電磁器を得た。
【００７７】
その後、ＰｂＴｉＯ３又はＮａＮｂＯ３を主成分とした圧電磁器（Ｌ＝２１ｍｍ、Ｗ＝４０ｍｍ、ｔ＝０．２ｍｍ）をそれぞれ長さ（Ｌ）方向に分極し、鏡面加工を行った後、磁器の主面上にＡｌ電極を蒸着した。フォトリソ工程を用いて櫛歯電極からなるＩＤＴと、ＩＤＴと電気的に導通が図れた引き出し電極とを複数形成した。ＩＤＴは個々の圧電共振子の中央部に相当する領域に配置した。この時、櫛歯電極からなるＩＤＴの電極指の方向と分極方向は一致させた。その後、ＳＨタイプの表面波を反射させるための溝を、櫛歯電極からなるＩＤＴの最外側にスライサーにて加工して形成した。この時、ＩＤＴの公差電極の数は１５．５対として、電極交差長は６６０μｍとした。さらにＩＤＴの電極指の幅は１５μｍ、電極指と電極指との間は１５μｍとして、メタライゼーション比（ＩＤＴ電極幅／電極間の無電極の幅）を１に設定した。ＳＨタイプの表面波を反射させるための溝加工は、ＩＤＴ電極の最外側電極指の電極幅がλ／８（約７．５μｍ）であり、さらに溝の深さを１２０μｍになるように加工した。
【００７８】
その後、ＩＤＴと電気的に導通が図れた引き出し電極部の一部に導電性バンプを印刷し、図１の圧電共振子を作製した。
【００７９】
次に、ＢａＴｉＯ３系誘電体を主成分としたベース基板（Ｌ＝２１ｍｍ、Ｗ＝４０ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ）のウエーハの両主面に端子電極となるＡｇ電極を印刷後焼き付けし２個の容量が形成された（各２０〜５０ｐＦ）の負荷容量内蔵の基板を作製した。
【００８０】
その後、図３、４に示したように、ベース基板上にエポキシ系樹脂をＩＤＴに対向しない領域に印刷し、圧電磁器ウエーハのＩＤＴが形成された面と対向するように貼り合わせ固着した。その後、個々の圧電共振子の形状に（Ｌ＝２．０ｍｍ、Ｗ＝２．５ｍｍ、ｔ＝０．３５ｍｍ）ダイシング加工機で加工した。その後、外部端子をＡｇスパッタで形成し、ＩＤＴと外部端子及びとの電気的導通を行った。
【００８１】
発振子の特性は、インピーダンスアナライザにより、インピーダンス波形を求め、反共振インピーダンスＲａと共振インピーダンスＲｏの測定を行った。さらに、Ｐ／Ｖ値をＰ／Ｖ＝２０×Ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｏ）の式により算出した。
【００８２】
発振周波数の周波数公差の評価は、図１０に示すインバータ発振回路を用いて、各組成毎それぞれ反共振周波数Ｒａの変動幅が１０ｐｐｍ以内の１００個の発振子を用意し、発振子のみを替えたときの発振周波数の周波数分布を調査した。調査は、各組成毎に平均の発振周波数を求め、平均の発振周波数を基準として発振周波数が最大に変化した周波数を発振周波数変化率として求め、平均発振周波数に対する最大変化幅を発振周波数の公差として表した。これらの結果を表１に示す。
【表１】


【００８３】
【表２】


【００８４】
本発明試料Ｎｏ．１〜２７及び３２〜５１は、Ｐ／Ｖ値が４３以上、特に４６以上、更には５０以上と高く、また、インバータ発振回路に発振子を組み込んだときの発振周波数の公差を３０００ｐｐｍ以下、特に２８００ｐｐｍ以下、更には２６００ｐｐｍ以下に小さくすることができ、スプリアスも観察されなかった。
【００８５】
一方、ＰＺＴ、ＬＮ、ＬＴ、ＺｎＯからなる本発明の範囲外の試料Ｎｏ．２８〜３１は、Ｐ／Ｖ値が４４ｄＢ以下で、スプリアスが観察された。
【実施例２】
【００８６】
表１の試料Ｎｏ．１８を用いてインピーダンス特性を評価した。結果を図８に示した。図８によれば、メイン周波数帯域内にスプリアスが発生せず、Ｐ／Ｖ値は６３ｄＢと大きな値がえられた。この時の圧電共振子のみの容量は１６ｐＦであり、従来から使用されるレゾネータの発振素子の１５ｐＦとほぼ同等であり、発振特性においても、従来から使用される負荷容量の１５〜３０ｐＦの範囲で安定した発振を示した。
【００８７】
これに対して、比較例として試料Ｎｏ．２８のＰＺＴからなる圧電磁器を適用し、同様の方法で圧電共振子を作成した結果、Ｐ／Ｖ値は４２ｄＢ、共振子の電極部の容量は６８ｐＦであり、安定した発振をえるためには８０ｐＦ〜１００ｐＦと大きな不可容量が必要になるという欠点があった。
【実施例３】
【００８８】
表１の試料Ｎｏ．１５〜２２の圧電磁器を圧電基板（Ｌ＝２１ｍｍ、Ｗ＝４０ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ）として用い、補強基板としてアルミナのウエーハ（Ｌ＝２１ｍｍ、Ｗ＝４０ｍｍ、ｔ＝０．１ｍｍ）にエポキシ系接着剤で貼り合わせた後、実施例１と同様にして圧電共振子を作製した。なお、図２に示した孤立導電層を形成した。このときのインピーダンス波形においても、メイン周波数帯域内でのスプリアスの発生は認められず、Ｐ／Ｖ値は孤立導電層を入れない場合に対して６０〜７０ｄBと１０〜１５％向上した。
【００８９】
これに対して、比較例として試料Ｎｏ．２８のＰＺＴからなる圧電磁器を適用し、補強基板としてアルミナを用い、同様の方法で圧電共振子を作製した。なお、孤立導電層は形成しなかった。その結果、Ｐ／Ｖ値は４２ｄＢであったが、メイン周波数帯域内でのスプリアスの発生が認められた。
【実施例４】
【００９０】
さらに、表２の試料Ｎｏ．３３のＮａＮｂＯ３を主成分とした圧電磁器を適用して、実施例１と同様にして圧電共振子を作成した結果、Ｐ／Ｖ値は６１ｄＢ、共振子の電極部の容量は１０ｐＦでありレゾネータとして有望な結果を示した。このように、本発明によれば、高いＰ／Ｖ値を維持しながら、スプリアスの発生しにくい低背の圧電共振子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の圧電共振子の斜視図である。
【図２】本発明の他の圧電共振子の斜視図である。
【図３】本発明の圧電共振子の取付けを示す模式図である。
【図４】本発明の圧電共振子を示すもので、ベース基板を取り付けた場合の斜視図である。
【図５】本発明の圧電共振子の平面図である。
【図６】本発明のフィルタを示す平面図である。
【図７】本発明の複合基板を示す概略断面図である。
【図８】実施例２における本発明の圧電共振子のインピーダンス特性図である。
【図９】実施例２における比較の圧電共振子のインピーダンス特性図である。
【図１０】圧電共振子の発振回路図である。
【図１１】従来の表面実装型の圧電共振子の構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９２】
１・・・圧電共振子
１ａ・・・圧電基板
１ｂ・・・補強基板
２ａ・・・主面
２ｂ・・・対向主面
３・・・櫛歯電極（ＩＤＴ）
３ａ、３ｂ・・・電極指
４・・・反射溝
５・・・孤立導体層
６ａ、６ｂ・・・接続部
７ａ、７ｂ・・・接続用電極
８・・・導電性バンプ
９・・・反射堤部
【出願人】 【識別番号】０００００６６３３
【氏名又は名称】京セラ株式会社
【住所又は居所】京都府京都市伏見区竹田鳥羽殿町６番地
【出願日】 平成１６年８月２０日（２００４．８．２０）
【代理人】
【公開番号】 特開２００６−６０６０７（Ｐ２００６−６０６０７Ａ）
【公開日】 平成１８年３月２日（２００６．３．２）
【出願番号】 特願２００４−２４１３７７（Ｐ２００４−２４１３７７）