JP3322170B2 - エネルギー閉じ込め型厚み縦圧電共振子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の共振子や発
振子等に用いられる圧電共振子に関し、より詳細には、
厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電共振子は、圧電発振子や圧電フィル
タなどの種々の圧電共振部品に用いられており、この種
の圧電共振子としては、使用周波数に応じて種々の圧電
振動モードを利用したものが知られている。

【０００３】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子の一例を、図１２及
び図１３を参照して説明する。図１２に示すように、こ
の圧電共振子は矩形の圧電セラミック板５１の上面中央
に、円形の励振電極５２を形成し、下面中央に励振電極
５２と表裏対向するように円形の励振電極５３を形成し
た構造を有する。励振電極５２，５３は、それぞれ、引
き出し電極５４，５５により圧電セラミック板５１の端
縁に引き出されている。圧電セラミック板５１は、図１
３に矢印Ｐで示すように、厚み方向に一様に分極処理さ
れている。

【０００４】駆動に際しては、励振電極５２，５３間に
交流電圧を印加することにより、圧電共振子を共振させ
ることができ、この場合、振動エネルギーは、励振電極
５２，５３が重なり合っている領域、すなわち共振部Ａ
に閉じ込められる。

【０００５】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
た上記圧電共振子は、エネルギー閉じ込め型圧電共振子
として構成されており、従って、共振部Ａの周囲に振動
を減衰させるための大きな面積の振動減衰部を必要とし
ていた。すなわち、共振部の面積に比べて大きな振動減
衰部を必要としていたので、小型化を進めることが困難
であった。

【０００６】他方、特開平２−２３５４２２号公報に
は、共振部の周囲に余分な圧電基板部分をあまり必要と
しない、ストリップ型の圧電セラミックスを用いたエネ
ルギー閉じ込め型圧電共振子が開示されている。

【０００７】ここでは、図１４に示すように、細長い圧
電基板７１の上面に励振電極７２ａが、下面に励振電極
７２ｂが形成されている。励振電極７２ａ，７２ｂは、
それぞれ、圧電基板７１の一対の長辺に至るように、す
なわち全幅に至るように形成されており、かつ圧電基板
７１の長さ方向中央において表裏対向されて共振部を構
成している。また、これらの励振電極７２ａ，７２ｂ
は、それぞれ、圧電基板７１の長さ方向端部７１ａ，７
１ｂに至るように延ばされている。

【０００８】圧電共振子７０では、厚み縦振動モードを
励振した場合、圧電基板７１の幅Ｗと厚みＴの寸法関係
に起因する不要振動が発生する。そこで、特開平２−２
３５４２２号公報では、基本波を利用する場合には、共
振周波数１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝５．３３付近とす
ればよいこと、３倍波を利用する場合には、共振周波数
約１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝２．８７付近とすれば、
共振周波数−反共振周波数間における不要スプリアスを
低減し得るとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した通り、厚み縦
振動モードの３倍波を利用した図１２及び図１３に示し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共振部の周囲
に大きな振動減衰部を構成する必要があるため、小型化
が困難であるという問題があった。

【００１０】また、特開平２−２３５４２２号公報に開
示されているエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共
振部の側方に振動減衰部を必要としないため、小型化を
果たし得るものの、実際に厚み縦振動モードの高調波を
利用しようとした場合には、共振周波数−反共振周波数
間のスプリアス以外に、様々な不要スプリアスが現れ、
有効な共振特性を得られないという問題があった。

【００１１】よって、本発明の目的は、厚み縦振動モー
ドの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子であって、小型
化を進めることができ、かつ所望でない不要スプリアス
の発生を効果的に抑制し得る良好な共振特性を有する厚
み縦圧電共振子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、共振部の両側に振動減衰部を有し、厚み縦振動モー
ドの３倍波を利用したエネルギー閉じ込め型厚み縦圧電
共振子であって、矩形板状の圧電体と、前記圧電体の両
面に形成されて圧電体を介して対向されており、両側の
振動減衰部を結ぶ方向を第１の方向としたときに、第１
の方向と直交する方向において、圧電体の端部または端
部近傍まで至るように形成された第１，第２の励振電極
とを備え、前記圧電体の厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３と
し、かつ前記第１，第２の励振電極の重なり合っている
部分の第１の方向に沿う長さをｌとしたときに、３≦ｌ
／ｄ≦６とされていることを特徴とする。

【００１３】好ましくは、ｌ／ｄは４．５〜５．５の範
囲とされ、それによって比帯域幅の一層の拡大が図られ
る。

【００１４】また、請求項１のエネルギー閉じ込め型厚
み縦圧電共振子においては、好ましくは、請求項２に記
載のように、前記圧電体が細長いストリップ型の圧電体
により構成される。

【００１５】さらに、請求項１，２に記載のエネルギー
閉じ込め型厚み縦圧電共振子においては、好ましくは、
請求項３に記載のように、前記第１または第２の励振電
極が形成されている面に、圧電共振子の振動を妨げない
ための空間を隔てて貼り合わされたコンデンサをさらに
備える。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
非限定的な実施例につき説明する。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
厚み縦圧電共振子を示す斜視図であり、図２はその断面
図である。

【００１７】厚み縦圧電共振子１は、細長いストリップ
状の圧電体２を用いて構成されている。圧電体２は、チ
タン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスで構
成されている。

【００１８】圧電体２は、図示の矢印Ｐで示すように、
厚み方向に一様に分極処理されている。他方、圧電体２
の上面には、第１の励振電極３が形成されており、下面
には第２の励振電極４が形成されている。励振電極３
は、圧電体２の一方端面２ａ側から圧電体２の上面にお
いて他方端面２ｂ側に向かって、但し端面２ｂには至ら
ないように延ばされている。励振電極４は、圧電体２の
下面において、端面２ｂ側から端面２ａ側に向かって、
但し端面２ａには至らないように延ばされている。

【００１９】従って、圧電体２の長さ方向中央部分にお
いて、励振電極３と励振電極４とが圧電体２を介して表
裏対向されている。なお、励振電極３は、圧電体２の端
面２ａから下面に至る端子電極５に接続されている。

【００２０】駆動に際しては、第１，第２の励振電極
３，４間に交流電圧を印加することにより、厚み縦振動
モードの３倍波が強く励振され、該３倍波を利用した圧
電共振子として動作させることができる。

【００２１】なお、本実施例では、第１，第２の励振電
極３，４が圧電体２の長さ方向中央部分において圧電体
層を介して重なり合うように形成されている。従って、
第１，第２の励振電極３，４が重なり合っている部分に
おいて、エネルギー閉じ込め型の共振部が構成され、こ
の共振部が振動した場合のエネルギーは、共振部と端面
２ａ，２ｂとの間の圧電体部分で減衰される。

【００２２】言い換えれば、上記共振部を中心として考
えると、圧電体２の長さ方向（第１の方向）のみに振動
減衰部が両側に設けられており、第１，第２の励振電極
は、長さ方向と直交する方向において、圧電板の端部、
すなわち長手方向に延びる端縁に至るように形成されて
いる。

【００２３】この場合、第１，第２の励振電極３，４
は、共振部においてのみ、圧電体２の全幅に至るように
形成されておればよく、共振部外では、同じ幅に形成さ
れている必要は必ずしもない。例えば、励振電極３を例
にとると、共振部においてのみ、励振電極３は圧電体２
の全幅に至るように形成されておればよく、励振電極３
の共振部より端面２ａ側の部分は、単に励振電極を端子
電極５に電気的に接続する部分であるため、細い幅で形
成されていてもよい。

【００２４】本実施例の厚み縦圧電共振子１の特徴は、
圧電体２の厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３とし、かつ第１，
第２の励振電極３，４の重なり合っている部分の圧電体
２の長さ方向（第１の方向）に沿う長さをｌとしたとき
に、ｌ／ｄ≦６とされていることにある。本実施例の厚
み縦圧電共振子１では、比ｌ／ｄが６以下とされている
ので、従来のストリップ型厚み縦圧電共振子と異なり、
不要スプリアスを効果的に抑制することができる。これ
を、図３〜図８を参照して説明する。

【００２５】本願発明者によれば、図１４に示した従来
のストリップ型圧電共振子７０では、共振周波数−反共
振周波数間の周波数領域に大きなスプリアスの発生する
ことが認められた。圧電共振子７０のインピーダンス周
波数特性を図６に示す。図６から明らかなように、３倍
波の共振周波数Ｆｒと反共振周波数Ｆａとの間の周波数
領域に矢印Ｓ₁ で示す大きなスプリアスが現れている。

【００２６】また、上記スプリアスＳ₁ の原因を種々検
討した結果、上記スプリアスＳ₁ が、インハーモニック
・オーバートーンに起因する共振であることが確かめら
れた。図４及び図５は、それぞれ、厚み縦振動の３倍波
ＴＥ３及びインハーモニック・オーバートーン（Ｓ₁ モ
ード）で振動している場合の有限要素法で解析された変
位分布を示す図である。なお、図４及び図５は、図３に
示すように、ストリップ型厚み縦圧電共振子１の縦断面
の半分、すなわち長さ方向に沿って厚み縦圧電共振子を
厚み方向に切断した面の半分の変位状態を模式的に示す
図である。

【００２７】図５から明らかなように、インハーモニッ
ク・オーバートーンでは、厚み縦圧電共振子の共振部に
おいて、圧電体が厚み方向に大きく変位していることが
わかる。従って、このようなインハーモニック・オーバ
ートーンが大きく発生すると、図４に示す厚み縦振動モ
ードの３倍波の振動に大きく影響することがわかる。

【００２８】そこで、本願発明者は、上記インハーモニ
ック・オーバートーンＳ₁ に起因するスプリアスを抑制
すべく種々実験したところ、前述した通り、第１，第２
の励振電極の圧電体２の長さ方向に沿う重なり寸法を
ｌ、圧電体２の厚みをｔ、ｄ＝ｔ／３としたとき、比ｌ
／ｄを６以下とすれば、インハーモニック・オーバート
ーンの応答を小さくすることができ、厚み縦振動モード
の３倍波ＴＥ３のみを大きく励振させ得ることを見出し
た。

【００２９】図７は、比ｌ／ｄ＝５．０とした場合の圧
電共振子１のインピーダンス−周波数特性を示す。な
お、図６に示した特性は、ｌ／ｄ＝８の場合の圧電共振
子７０についてのものである。

【００３０】図７から明らかなように、比ｌ／ｄ＝５．
０の場合には、共振点Ｆｒと反共振点Ｆａとの間の通過
帯域近傍に大きなスプリアス振動が発生しておらず、従
って上記インハーモニック・オーバートーンによるスプ
リアスを効果的に抑制し得ることがわかる。

【００３１】そこで、圧電体２として、長さＬ＝３．０
ｍｍ、幅Ｗ＝０．５ｍｍ、厚みｔ＝０．３ｍｍのチタン
酸鉛系圧電セラミックスからなるものを用い、第１，第
２の励振電極の長さ方向に沿う重なり寸法ｌを種々変化
させ、比ｌ／ｄによる共振特性の変化を調べた。結果を
図８及び図９に示す。

【００３２】図８は、比ｌ／ｄが変化した場合の周波数
定数Ｆ・ｄの変化を示す図である。ここで、周波数定数
Ｆ・ｄとは、共振点Ｆｒもしくは反共振点Ｆａの周波数
と、上記ｄとの積で表される値である。

【００３３】また、図８において、▲は３倍波の共振点
Ｆｒを、●は３倍波の反共振点Ｆａを、△はインハーモ
ニック・オーバートーンの共振点Ｆｒを、○はインハー
モニック・オーバートーンの反共振点Ｆａの位置を示
す。

【００３４】図８から明らかなように、ｌ／ｄ＝６を超
えると、インハーモニック・オーバートーンＳ₁ の共振
点Ｆｒ及び反共振点Ｆａが厚み縦振動の３倍波ＴＥ３の
反共振点Ｆａ近傍に現れ、かつ比ｌ／ｄが約８の場合に
は、厚み縦振動の３倍波ＴＥ３の共振点Ｆｒと反共振点
Ｆａとの間の帯域内に発生することがわかる。これに対
して、ｌ／ｄが６以下の場合には、インハーモニック・
オーバートーンが現れないことがわかる。

【００３５】また、比ｌ／ｄが６以下の場合、インハー
モニック・オーバートーンの発生を抑圧し得るものの、
比ｌ／ｄが小さくなる程、厚み縦振動モードの３倍波Ｔ
Ｅ３における通過帯域、すなわち共振点Ｆｒと反共振点
Ｆａとの間の帯域幅が狭くなることがわかる。

【００３６】そこで、比ｌ／ｄを変化させた場合の比帯
域幅を有限要素法により確かめたところ、図９に示す結
果が得られた。なお、比帯域幅とは、共振周波数Ｆｒ、
反共振周波数Ｆａとしたときに、（Ｆａ−Ｆｒ）×１０
０／Ｆａ（％）で得られる値である。

【００３７】図９から明らかなように、比ｌ／ｄを変化
させると比帯域幅が変化し、ｌ／ｄが３〜６の範囲で
は、比帯域幅が７％以上と大きくなり、特に、４．５〜
５．５の範囲で、比帯域幅が約８％以上と大きくなるこ
とがわかる。

【００３８】よって、比ｌ／ｄを、好ましくは３〜６、
より好ましくは４．５〜５．５とすれば、インハーモニ
ック・オーバートーンによるスプリアスを抑圧し得るだ
けでなく、比帯域幅が大きな、良好な共振特性を有する
エネルギー閉じ込め型厚み縦圧電共振子１とし得ること
がわかる。

【００３９】（第２の実施例）図１０は、本発明の第２
の実施例に係る厚み縦圧電共振子を説明するための斜視
図であり、図１１はその等価回路を示す図である。図１
０に示す圧電共振子１１は、第１の実施例に係る厚み縦
圧電共振子１にコンデンサ１２を結合した構造を有す
る。すなわち、厚み縦圧電共振子１の下面に、導電性接
着剤１３，１４を介してコンデンサ１２が接合されてい
る。

【００４０】コンデンサ１２では、誘電体基板１２ａの
上面において、所定のギャップを隔てて容量電極１２
ｂ，１２ｃが形成されている。また、誘電体基板１２ａ
の下面には、容量電極１２ｂ，１２ｃと誘電体基板１２
ａを介して表裏対向するように共通電極１２ｄが形成さ
れている。

【００４１】他方、導電性接着剤１３は、上記容量電極
１２ｂと端子電極５とを接合しており、導電性接着剤１
４は、容量電極１２ｃと励振電極４とを共振部外の部分
で接合している。

【００４２】従って、圧電共振子１１は、図１１に示す
ように、共振子に２個のコンデンサユニットを組み合わ
せた容量内蔵型圧電発振子として用いることができるも
のである。

【００４３】よって、厚み縦圧電共振子１が厚み縦振動
の３倍波を利用した圧電共振子であって、インハーモニ
ック・オーバートーンや他の要因に基づくスプリアスを
効果的に抑制することが可能とされているので、良好な
周波数特性を有する圧電発振子を提供することが可能と
なる。

【００４４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、矩形板
状の圧電体と、圧電体の両面に形成された第１，第２の
励振電極とを備える厚み縦圧電共振子において、比ｌ／
ｄが６以下とされているため、インハーモニック・オー
バートーンに起因する不要スプリアスを効果的に抑制す
ることができる。よって、共振特性の良好な、厚み縦振
動の３倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の厚み縦圧
電共振子を提供することができる。

【００４５】また、比ｌ／ｄが３〜６の範囲とされてい
るので、インハーモニック・オーバートーンによるスプ
リアスを抑制し得るだけでなく、比帯域幅が広い、より
共振特性の良好なエネルギー閉じ込め型厚み縦圧電共振
子を実現することができる。

【００４６】また、請求項２に記載のように、圧電体と
して、細長いストリップ型の圧電体を用いた場合には、
厚み縦圧電共振子の小型化を進めることができる。請求
項３に記載の発明によれば、請求項１，２に記載の厚み
縦圧電共振子に、さらに共振子の振動を妨げないための
空間を隔ててコンデンサが貼り合わされているので、不
要スプリアスが少ない共振特性の良好な圧電共振子を用
いて、容量内蔵型の圧電発振子を提供することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
を示す斜視図。

【図２】第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子の断面
図。

【図３】図４及び図５に示す変位分布が表されている部
分に相当する部分の圧電共振子の断面図。

【図４】厚み縦振動モードの３倍波ＴＥ３で振動してい
る圧電体の有限要素法による解析された変位分布を示す
図。

【図５】インハーモニック・オーバートーン（Ｓ₁ ）で
振動している圧電体の有限要素法による解析された変位
分布を示す図。

【図６】従来の厚み縦圧電共振子においてスプリアスと
して現れているインハーモニック・オーバートーンを説
明するためのインピーダンス−周波数特性を示す図。

【図７】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
のインピーダンス−周波数特性を示す図。

【図８】比ｌ／ｄと厚み縦振動の３倍波ＴＥ３及びイン
ハーニック・オーバートーンＳ ₁ の周波数定数との関係
を示す図。

【図９】比ｌ／ｄと比帯域幅との関係を示す図。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る圧電共振子であ
って、コンデンサ内蔵型圧電共振子を示す斜視図。

【図１１】図１０に示した圧電共振子の回路構成を示す
図。

【図１２】厚み縦振動の３倍波を利用した従来の厚み縦
圧電共振子の一例を説明するための分解斜視図。

【図１３】図１２に示した厚み縦圧電共振子の断面図。

【図１４】従来の厚み縦圧電共振子の他の例を説明する
ための斜視図。

【符号の説明】

１…厚み縦圧電共振子 ２…圧電体 ３，４…第１，第２の励振電極 １１…圧電共振子 １２…コンデンサ ２１…厚み縦圧電共振子 ２２…圧電体 ２３，２４…第１，第２の励振電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−139009（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−235422（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−99310（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−37579（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−111626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−206018（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−104886（ＪＰ，Ａ) 特公 昭58−10886（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/00 - 9/215

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 共振部の両側に振動減衰部を有し、厚み
   縦振動モードの３倍波を利用したエネルギー閉じ込め型
   厚み縦圧電共振子であって、 矩形板状の圧電体と、 前記圧電体の両面に形成されて圧電体を介して対向され
   ており、両側の振動減衰部を結ぶ方向を第１の方向とし
   たときに、第１の方向と直交する方向において、圧電体
   の端部または端部近傍まで至るように形成された第１，
   第２の励振電極とを備え、 前記圧電体の厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３とし、かつ前記
   第１，第２の励振電極の重なり合っている部分の第１の
   方向に沿う長さをｌとしたときに、３≦１／ｄ≦６とさ
   れていることを特徴とする、エネルギー閉じ込め型厚み
   縦圧電共振子。
2. 【請求項２】 前記圧電体が細長いストリップ型の圧電
   体により構成されている、請求項１に記載のエネルギー
   閉じ込め型厚み縦圧電共振子。
3. 【請求項３】 前記第１または第２の励振電極が形成さ
   れている面に、圧電共振子の振動を妨げないための空間
   を隔てて貼り合わされたコンデンサをさらに備えること
   を特徴とする、請求項１または２に記載のエネルギー閉
   じ込め型厚み縦圧電共振子。