JP2881251B2 - 圧電共振子 - Google Patents

圧電共振子

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JP2881251B2 JP2111252A JP11125290A JP2881251B2 JP 2881251 B2 JP2881251 B2 JP 2881251B2 JP 2111252 A JP2111252 A JP 2111252A JP 11125290 A JP11125290 A JP 11125290A JP 2881251 B2 JP2881251 B2 JP 2881251B2
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二郎 井上
昌夫 蒲生
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、厚み縦振動の2倍波を用いたエネルギー閉
じ込め型の3端子(二重モード)圧電共振子に関する。
[背景技術] 第6図に示すものは、厚み縦振動(以下、TEモードと
記す)を用いた従来のエネルギー閉じ込め型の3端子
(二重モード)圧電フィルターである。この圧電フィル
ターにあっては、厚み方向に分極した圧電基板51の表主
面に入力電極53と出力電極54を近接させて配置し、裏主
面に入力及び出力電極53,54と対向させてアース電極52
を形成してあり、TEモード基本波を用いる構造となって
いる。なお、第6図の矢印は、分極方向を示している。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、TEモード基本波を用いた圧電フィルタ
ーの場合には、エネルギー閉じ込めを実現するために
は、圧電基板用材料としてポアソン比が1/3以上のもの
を用いる必要があった。つまり、TEモード基本波の場合
には、第7図(a)(b)に示すように、圧電基板用材
料のポアソン比によって分散曲線が変化する。第7図
(a)は(実効)ポアソン比が1/3以上の場合のTEモー
ド基本波の分散曲線、第7図(b)は(実効)ポアソン
比が1/3以下の場合のTEモード基本波の分散曲線であ
り、それぞれ縦軸は周波数f、横軸は波数k(右半分は
kの実数領域、左半分はkの虚数領域)である。また、
それぞれ実線ハは入出力電極やアース電極を設けられて
いない無電極部における分散曲線、破線ニは表面に電極
を形成された電極部における分散曲線であり、電極部で
は圧電反作用や電極の質量負荷効果のために分散曲線が
低周波数側へシフトし、電極部における基本波の遮断周
波数f11が無電極部における基本波の遮断周波数f10より
も低下している(f11<f10)。
第7図(a)に示すように、ポアソン比が1/3以上の
場合には、遮断周波数f11よりも高い周波数で電極部に
おける波数kが実数となり、遮断周波数f10よりも低い
周波数では無電極部における波数kが虚数となるので、
f11<f<f10の範囲の周波数fにおいては、電極部で振
動の伝搬モードが存在するが、無電極部では振動が伝わ
らず減衰し、振動エネルギーの電極部近傍における閉じ
込めが実現する。
これに対し、ポアソン比が1/3以下の場合には、第7
図(b)に示すように、遮断周波数f11よりも低い周波
数で電極部における波数kが実数となり、遮断周波数f
10よりも高い周波数では無電極部における波数kが虚数
となり、しかもf11<f10であるので、この場合には電極
部で波数が実数で、且つ無電極部で波数が虚数となる周
波数領域は存在せず、振動エネルギーの閉じ込めは不可
能である。
したがって、TEモード基本波を用いた圧電フィルター
においては、エネルギー閉じ込めを実現するためには、
PZT系圧電セラミックスのように(実効)ポアソン比が1
/3以上の圧電材料を用いる必要があり、圧電基板として
使用可能な材料が得られていた。このため、温度特性の
良好な圧電材料、Qの高い材料、低損失材料、減衰量の
大きな材料など圧電基板用材料として好ましいものがあ
っても、ポアソン比が1/3以下の場合には使用できず、
十分な特性のフィルター等を得難かった。
また、第6図のような構造の圧電フィルターの使用周
波数を大きくするには、素子厚みを薄くすればよいが、
高周波域で使用できるようにすると、素子厚みが薄くな
り過ぎ、製造工程における加工や取り扱いが困難になる
という問題があった。このため使用周波数に限界があっ
た。
しかして、本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところはTEモード2倍
波の振動を利用可能な構造を備えたエネルギー閉じ込め
型の3端子圧電共振子を提供し、それによって上記従来
例の欠点を解消することにある。
[課題を解決するための手段] このため、本発明の圧電共振子は、厚み縦振動の2倍
波を用いたエネルギー閉じ込め型の2重モード3端子圧
電共振子であって、圧電基板の一方主面の一方側に入力
電極を、他方主面の他方側に出力電極をそれぞれ形成
し、前記入力電極又は前記出力電極のうち少なくとも一
方と重なり合うようにしてアース電極を少なくともいず
れか一方の主面に形成し、圧電基板の前記各電極を設け
た領域において圧電基板の内部に内部電極を設け、内部
電極の両側で圧電基板の分極方向を互いに逆向きにした
ことを特徴としている。
[作用] 本発明にあっては、入力電極及び出力電極を圧電基板
の反対側主面上に形成し、アース電極を入力電極又は出
力電極の少なくとも一方と重なり合うようにして圧電基
板の少なくともいずれか一方の主面に形成しており、エ
ネルギー閉じ込め振動の発生する電極部分において、圧
電基板の内部に設けられた内部電極の両側で分極方向を
逆向きにしてあるので、電極部分に2倍波振動が励振さ
れ、3端子圧電共振子においてTEモード2倍波の振動を
利用できるようになった。
TEモード基本波の場合には、エネルギー閉じ込めを実
現する条件として、ポアソン比が1/3以上の圧電材料を
用いる必要があったが、TEモードの2倍波振動を利用す
れば、このような制限を受けない。したがって、ポアソ
ン比が1/3以下であるために従来使用することのできな
かった圧電基板用材料も使用可能になり、従来より広い
範囲の圧電材料の中から圧電基板用材料を選択できるよ
うになる。このため、これまで用いられている材料より
も例えばQが高く、温度特性のよい圧電基板用材料を用
いることができ、より温度特性が良好で、低損失かつ減
衰量の大きな3端子圧電共振子を製造できるようにな
る。
また、2倍波モードを用いれば、素子厚みを薄くする
ことなく使用周波数を2倍にできるので、基板強度が増
し、高周波用の3端子圧電共振子の製造や加工等が容易
になる。
さらに、本発明にあっては、入力電極、出力電極及び
アース電極を全て圧電基板の表面に設けている(特に、
アース電極を圧電基板の内部に設けていない)ので、こ
れら各電極の外部への引き出しを容易に行え、圧電共振
子の製作を容易にすることができる。
加えて、本発明にあっては、入出力電極間のギャップ
を小さくすることができるので、圧電共振子設計の自由
度が広がり、広い帯域のフィルタ設計が可能となる。
[実施例] 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。
第1図は、本発明の一実施例の圧電共振子を示してい
る。圧電性セラミックスの焼成品である圧電基板1の内
部の厚み方向中央層には、近接させて一対の内部電極5,
5が形成されている。一方の内部電極5に対応させて圧
電基板1の表主面と裏主面のそれぞれ一方側および他方
側に各々入力電極3とアース電極2が設けられ、他方の
内部電極5に対応させて表主面と裏主面に各々アース電
極2と出力電極4が設けられている。圧電基板1は、内
部電極5,5と入力電極3及び表主面のアース電極2の間
ではP1の向きに分極しており、内部電極5,5と出力電極
4及び裏主面のアース電極2の間ではP2の向きに分極し
ており、内部電極5,5の両側で分極方向が反転して逆向
きとなっている。なお、内部電極5,5は分極処理用に用
いられるものであって、圧電共振子の製造後は特別に機
能を果たすものではない。
しかして、この圧電共振子はエネルギー閉じ込め型共
振子であるので、内部電極5,5、アース電極2,2及び入出
力電極3,4は、圧電基板1の主面よりも小さな面積を有
し、圧電基板1の端縁にまで至らないように設けられて
いる(第2図参照)。また、入出力電極3,4は、互いに
同じ電極面積を有し、圧電基板1の表裏主面において対
角方向に配置されているので、対称モードと反対称モー
ドの振動が励振される二重モード共振子となっている。
さらに、電極部分では厚み方向に分極処理されていて厚
み縦振動を励振されると共に、圧電基板1の中央の上下
で分極方向が反転しており、基本波の1/2の波長を有す
る2倍波振動が励振される。
このようなTEモードの2倍波に対する分散曲線の概略
を第5図に示す。縦軸は周波数f、横軸は波数k(横軸
の右半分は実数領域、左半分は虚数領域)であり、実線
イは圧電共振子の電極の設けられていない領域での分散
曲線、破線ロは電極の設けられている領域での分散曲線
である。TEモード2倍波では、TEモード基本波と異な
り、ポアソン比が1/3以下の場合も1/3以上の場合も同様
に第5図のような分散曲線で表される。したがって、TE
モード2倍波の場合には、電極部における2倍波の遮断
周波数f22と無電極部における2倍波の遮断周波数f20
間の周波数f(f22<f<f20)では、電極部において波
数kが実数となり、無電極部において波数kが虚数とな
り、ポアソン比の値に拘らず振動エネルギーの閉じ込め
が実現される。よって、従来用いることのできなかった
ポアソン比が1/3以下の圧電材料(例えば、PbTiO3,LiTa
O3,LiNbO3,Li2B4O7等)を用いることができるようにな
り、多くの材料の中から用途に適したものを選択するこ
とができ、例えばQの高い材料や温度特性の良好な材料
を用いることができるようになり、圧電共振子の温度特
性の向上を図ることができる。また、より低損失の圧電
材料や、阻止帯域における減衰量を大きくできるような
圧電材料を選択することができる。
しかも、2倍波を用いれば、素子厚みが同じであれば
2倍の共振周波数を持つ圧電共振子を製作でき、また同
じ共振周波数であれば素子厚みを2倍にできるので、高
周波用の圧電共振子を容易に実現できると共に、その製
造工程においても加工中の割れや欠けなどが生じにく
く、またグリーンシートの取り扱いも容易になるなど、
製造を容易に行える。
また、外部の回路と接続して用いられる入出力電極3,
4及びアース電極2は、圧電基板1の外面に設けられて
いるので、電極を引き出して外部電極等と接続するのも
簡単になり、圧電共振子の作製も容易になる。
第2図には、上記圧電共振子の製造方法の一例を示し
てある。まず、通常のドクターブレード法等によって成
形された圧電セラミックスの2枚のグリーンシート6,7
のうち、一方のグリーンシート6の上面に電極ペースト
8を印刷して入力電極3及びアース電極2となる電極パ
ターン3a,2aを形成し、他方のグリーンシート7の上面
に電極ペースト8を印刷して、内部電極5,5となる電極
パターン5a,5aを形成すると共にグリーンシート7の下
面にも電極ペースト8を印刷して、アース電極2及び出
力電極4となる電極パターン2a,4a(第2図では、グリ
ーンシート7の下面を表す破線の枠内に投影して示して
ある。)を形成する。この後、各電極パターン3a,2a,5
a,5a,2a,4aの位置を合わせてグリーンシート6,7を第2
図の状態のまま積層し、グリーンシート6,7を圧着させ
て圧電基板1を形成し、焼成する。ついで、全体に分極
用電圧を印加することにより、圧電基板1の全体に分極
処理を施してP1方向に分極させ、さらに内部電極5,5と
アース電極2の間に逆向き電圧を印加して分極方向を反
転させ、内部電極5,5とアース電極2の間をP2方向に分
極させる。
第3図に示すものは本発明のさらに他例であり、圧電
基板1の中央に一対の内部電極5,5を形成し、一方の内
部電極5に対応させて表主面と裏主面に各々入力電極3
とアース電極2を設け、他方の内部電極5に対応させて
表主面と裏主面に各々ダミー電極9と出力電極4を設け
てある。内部電極5,5の両側では、分極方向が反転して
おり、内部電極5,5と表主面の間ではP1方向に分極して
おり、内部電極5,5と裏主面の間ではP2方向に分極して
いる。上記のダミー電極9は、回路には接続しないもの
であり、質量負荷としての働きをするが、必ずしも無く
ても差し支えない。
第4図に示すものは本発明のさらに他例であり、圧電
基板1の中央に一対の内部電極5,5を形成し、一方の内
部電極5に対応させて表主面と裏主面に各々入力電極3
とダミー電極9を設け、他方の内部電極5に対応させて
表主面と裏主面に各々アース電極2と出力電極4を設け
てある。内部電極5,5の両側では、分極方向が反転して
おり、内部電極5,5と表主面の間ではP1方向に分極して
おり、内部電極5,5と裏主面の間ではP2方向に分極して
いる。上記のダミー電極9も回路には接続しないもので
あり、質量負荷としての働きをするが、必ずしも無くて
も差し支えない。
なお、上記の各圧電共振子では、内部電極はいずれも
2つに分割されていたが、一体となっていても差し支え
ない。また、図示の各圧電共振子はエレメント状態のも
のであり、電子部品として用いられる場合には、両面に
保護基板を貼り合わせて両端に外部電極を形成したチッ
プ型部品としたり、リード端子を取り付けて外装樹脂に
より外装されたりするものである。また、各図示例で
は、入出力電極やアース電極に外部結線を施したように
表してあるが、外部電極との接続をとるための引き出し
電極やリード端子を半田付けするための電極部は、圧電
基板の表面に入出力電極等と一体に形成されるのが、一
般的である。さらに、上記実施例では、電極パターン
は、電極ペーストの印刷によって形成したが、スパッタ
リングや真空蒸着等の方法で形成してもよい。
[発明の効果] 本発明によれば、TEモード2倍波を用いたエネルギー
を閉じ込め型の2重モード3端子圧電共振子を製作する
ことができるようになった。このため、圧電基板用材料
としてポアソン比が1/3以下のものを用いることがで
き、より多くの材料の中から用途に適したものを選択で
き、3端子圧電共振子の温度特性の向上、低損失化、減
衰量の増大等を図ることができる。また、3端子圧電共
振子の限界周波数を大きくでき、高周波用共振子の製造
を容易にできる。しかも、本発明によれば、入力電極、
出力電極及びアース電極を全て圧電基板の表面に設けて
いるので、これら各電極の外部への引き出しを容易に行
え、圧電共振子の製作を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す断面図、第2図は同上
の製造過程を示す斜視図、第3図は本発明の他例を示す
断面図、第4図は本発明のさらに他例を示す断面図、第
5図は2倍波圧電共振子の電極部及び無電極部の分散曲
線を示す概略図、第6図は従来例の断面図、第7図
(a)(b)は同上の圧電共振子のポアソン比が1/3よ
りも大きい場合と小さい場合のそれぞれの分散曲線を示
す概略図である。 1……圧電基板 2……アース電極 3……入力電極 4……出力電極 P1,P2……分極方向を表すベクトル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中谷 宏 京都府長岡京市天神2丁目26番10号 株 式会社村田製作所内 (56)参考文献 特開 平1−117409(JP,A) 実開 昭57−15520(JP,U)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】厚み縦振動の2倍波を用いたエネルギー閉
    じ込め型の2重モード3端子圧電共振子であって、 圧電基板の一方主面の一方側に入力電極を、他方主面の
    他方側に出力電極をそれぞれ形成し、前記入力電極又は
    前記出力電極のうち少なくとも一方と重なり合うように
    してアース電極を少なくともいずれか一方の主面に形成
    し、圧電基板の前記各電極を設けた領域において圧電基
    板の内部に内部電極を設け、内部電極の両側で圧電基板
    の分極方向を互いに逆向きにしたことを特徴とする圧電
    共振子。
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