JP3454196B2 - エッジモードセラミック共振子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックフィルタ
やセラミック発振子などに用いられるエッジモードセラ
ミック共振子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックフィルタやセラミック
発振子などに用いられるセラミック共振子は、厚み縦振
動モード、厚みすべり振動モード、拡がり振動モード、
長さ振動モードなどを利用したものが多い。しかし、い
ずれの振動モードを利用したセラミック共振子も、その
支持構造によって特性ばらつきが大きくなる欠点があ
る。

【０００３】そこで、長方形の圧電セラミック板の端部
近傍に振動を集中させ、支持構造の自由度が高く、特性
ばらつきが小さいエッジモードセラミック共振子が提案
されている（特開昭５６−７９５１５号公報）。この共
振子１は、図１に示すように、長方形の圧電セラミック
板２の歪みが大きい部分の上下面に駆動電極３，３を対
向して形成するとともに、この圧電セラミック板２に厚
み方向の分極を施したものである。

【０００４】図２は図１に示すエッジモードセラミック
共振子１の駆動電極３，３間に交流信号を印加した時の
変形図、ベクトル図および応力図を示す。図２から明ら
かなように、振動による面積歪みが大きな部分が駆動電
極３を設けた部分に集中していることがわかる。したが
って、駆動電極３から離れた部位を固定すれば、共振子
１の振動特性に殆ど影響を与えずに済み、共振子１の支
持やリード端子の接続を簡単に行なうことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電セ
ラミック板２の上下面に駆動電極３を設けた構造では、
振動方向が幅方向であるのに対し、電界方向が厚み方向
となるので、振動方向と電界方向とが垂直（いわゆる３
１モード）となり、振動を効率よく取り出せないという
欠点がある。そのため、従来のエッジモードセラミック
共振子では、電気機械結合係数が小さくなってしまい、
発振子にもフィルタにも実質的に使用することができな
かった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、電気機械結合係
数を大きくし、発振子やフィルタに使用可能なエッジモ
ードセラミック共振子を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、長方形の圧電セラミック
板の端部近傍に振動が集中するエッジモードの振動を利
用したエッジモードセラミック共振子において、圧電セ
ラミック板の長さ方向一端部の内部に、圧電セラミック
板の表裏主面に対して垂直でかつ上記長さ方向一端部の
端面に対して垂直な複数の層状の駆動電極が圧電セラミ
ック板の幅方向に対向して設けられ、少なくとも圧電セ
ラミック板の駆動電極間に幅方向の分極が施されている
ことを特徴とするエッジモードセラミック共振子を提供
する。

【０００８】本発明では、駆動電極が圧電セラミック板
の上下面に形成された表面電極ではなく、厚み方向に延
びる内部電極で構成される。そして、分極方向も駆動電
極の対向方向、すなわち圧電セラミック板の幅方向に設
けられる。駆動電極間に交流信号を印加すると、その振
動方向が圧電セラミック板の幅方向でかつ電界方向も幅
方向となり、振動方向と電界方向とが一致する、いわゆ
る３３モードとなる。そのため、振動エネルギーを最も
効率よく取り出すことができ、電気機械結合係数を大き
くでき、発振子にもフィルタにも使用することができ
る。

【０００９】また、例えば１．６ＭＨｚの共振周波数を
もつ共振子を得るには、拡がりモードや長さモードの共
振子では形状が小さ過ぎ、厚みすべりモードの共振子で
は大き過ぎるが、エッジモードの共振子を用いることで
生産性の面で適度なサイズ （例えば３ｍｍ×１ｍｍ×
０．５ｍｍ程度）で実現することができる。

【００１０】請求項２のように、駆動電極を３層以上設
けた場合には、駆動電極を一層おきに接続するのがよ
い。すなわち、駆動電極を有するセラミック層を積層す
ることにより、静電容量を大きくすることができる。

【００１１】請求項３のように、圧電セラミック板の表
面に長さ方向に延びる２本の引出電極を幅方向に間隔を
あけて形成し、両引出電極を圧電セラミック板の表面に
露出した駆動電極の端部とそれぞれ導通させるのがよ
い。この場合には、駆動電極を圧電セラミック板の引出
電極を介して非振動部へ簡単に引き出すことができる。
そのため、この引出電極を基板の外部接続部などに接続
すれば、簡単に表面実装型の発振子またはフィルタを構
成することができる。

【００１２】上記引出電極を形成する方法として、請求
項４のように、圧電セラミック板の表面に駆動電極と導
通する引出電極を全面に形成し、圧電セラミック板の表
面の駆動電極の間に、長さ方向に延びる溝を形成するこ
とで、引出電極を幅方向に２分割してもよい。この場合
には、引出電極の形成が簡単になる。

【００１３】請求項５のように、表面に２つの外部接続
用電極が形成された基板を備え、請求項３または４に記
載のエッジモードセラミック共振子をその引出電極を上
記基板の表面側に向けて配置し、上記エッジモードセラ
ミック共振子の駆動電極を設けた端部と反対側の端部に
延びる引出電極と上記基板の外部接続用電極とを、導電
性接着剤により接続固定するのが望ましい。この場合に
は、導電性接着剤が共振子の基板への固定と、引出電極
と外部接続用電極との電気的接続とを兼ね、しかも共振
子を基板の表面に沿わせて配置できるので、構造が簡単
で薄型の表面実装型圧電部品を実現できる。また、導電
性接着剤が共振子の長さ方向に多少拡がっても、エッジ
モードのために振動特性に悪影響を及ぼさず、特性の安
定した圧電部品を得ることができる。なお、請求項４の
ように溝で引出電極を分割した構造のエッジモードセラ
ミック共振子を用いると、溝が導電性接着剤の幅方向へ
の拡がりを阻止して引出電極間の短絡を防止するので、
信頼性の高い圧電部品を実現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図３は本発明にかかるエッジモー
ドセラミック共振子の第１実施例を示す。この共振子１
０は、ＰＺＴなどよりなる長方形の圧電セラミック板１
１を備えており、その長さ方向一端部の内部に厚み方向
に延びる一対の駆動電極１２，１３が幅方向に間隔Ｇを
あけて設けられている。圧電セラミック板１１の駆動電
極１２，１３の間の部位には、図３に矢印で示すよう
に、幅方向に分極が施されている。なお、圧電セラミッ
ク板１１全体を幅方向に分極処理してもよい。

【００１５】この実施例では、圧電セラミック板１１の
形状は、長さＬ＝３ｍｍ、幅Ｗ＝１ｍｍ、厚みＴ＝０．
５ｍｍとし、駆動電極１２，１３の間隔Ｇ＝０．５ｍ
ｍ、長さＤ＝０．５ｍｍとした。上記のような寸法に設
定した場合、共振周波数が１．６ＭＨｚの共振子が得ら
れた。

【００１６】上記駆動電極１２，１３間に交流信号を印
加すると、圧電セラミック板１１の駆動電極１２，１３
を設けた端部近傍にのみ振動が集中するエッジモードの
振動が発生し、図２と同様な応力・歪みが生じる。駆動
電極１２，１３は圧電セラミック板１１の幅方向に対向
する内部電極で構成されているので、エッジモードの振
動方向は圧電セラミック板１１の幅方向でかつ電界方向
も幅方向となり、振動方向と電界方向とが一致する、い
わゆる３３モードとなる。そのため、振動エネルギーを
最も効率よく取り出すことができる。

【００１７】従来のエッジモード共振子（図１参照）で
は電気機械結合係数が約８％程度であったのに対し、上
記実施例では電気機械結合係数を約２２％まで大きくで
きた。なお、比較にあたって、圧電セラミック板、電極
の大きさ、印加電圧などは、従来と上記実施例とでほぼ
同一の条件とした。また、図４のようなインピーダンス
特性で比較した場合、従来の場合にはＡｔｔ値が１．２
であったのに対し、上記実施例では９．５まで上昇し
た。なお、Ａｔｔ値は、Ｚａを反共振インピーダンス、
Ｚｒを共振インピーダンスとすると、次式で与えられ
る。 Ａｔｔ＝２０ log（Ｚａ／Ｚｒ）

【００１８】図５は図３のような形状の共振子１０にお
ける素子幅Ｗと共振周波数との関係を示す。ここでは、
幅寸法Ｗをパラメータとし、長さＬ，厚さＴ，駆動電極
の間隔Ｇ，駆動電極の長さＤをそれぞれ次のような条件
に設定した。 Ｌ＝３Ｗ Ｔ＝０．５ｍｍ（一定） Ｇ＝Ｗ／２ Ｄ＝Ｗ／２

【００１９】図５から明らかなように、素子幅Ｗが大き
くなるに従い、共振周波数が低下していることがわか
る。素子幅Ｗを０．８ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲で変更す
ることにより、共振周波数を２．０ＭＨｚ〜０．８ＭＨ
ｚの範囲に調整できる。このような周波数範囲は、従来
の振動モード（例えば拡がりモード、長さモード、厚み
すべりモードなど）では、形状が大き過ぎたり小さ過ぎ
るため、製造コストあるいは生産性の面で不利があった
が、本発明のようなエッジモードを利用すれば、適度な
サイズで実現することができる。

【００２０】図６は本発明にかかるエッジモードセラミ
ック共振子の第２実施例を示す。この共振子２０は、第
１実施例と同様に、長方形の圧電セラミック板２１の長
さ方向一端部に厚み方向に延びる一対の駆動電極２２，
２３が幅方向に間隔をあけて設けられ、圧電セラミック
板２１の駆動電極２２，２３の間の部位または圧電セラ
ミック板２１全体に、幅方向の分極処理が施されてい
る。

【００２１】圧電セラミック板２１の表面には、長さ方
向に延びる２本の引出電極２４，２５が幅方向に間隔を
あけて形成され、これら引出電極２４，２５の間には駆
動電極２２，２３の間隔より狭い幅の溝２６が設けられ
ている。各引出電極２４，２５はそれぞれ圧電セラミッ
ク板２１の表面に露出した駆動電極２２，２３の端部と
電気的に導通している。なお、圧電セラミック板２１の
裏面には電極が形成されていない。

【００２２】上記構造のエッジモードセラミック共振子
２０の製造方法を、図７〜図１０を参照して説明する。
まず、図７の（ａ）のように、表面に帯状の電極２２
Ａ，２２Ｂを形成したセラミックグリーンシート２７を
複数枚（ここでは７枚）積層し、ブロック状の積層体２
８Ａを得る。なお、最上層のセラミックグリーンシート
２７の表面には電極が形成されていない。図８のよう
に、電極２２Ａ，２２Ｂのうち、上から２層目，５層
目，６層目のセラミックグリーンシート２７の表面の電
極２２Ａはセラミックグリーンシート２７の一側縁から
他側縁の直前まで延び、上から３層目，４層目，７層目
のセラミックグリーンシート２７の表面の電極２２Ｂは
セラミックグリーンシート２７の他側縁から一側縁の直
前まで延びている。次に、積層体２８Ａを焼成し、この
焼結体の両側面に図７の（ｂ）のように分極用の電極２
９ａ，２９ｂを形成する。これにより、一方の電極２９
ａは電極２２Ａと導通し、他方の電極２９ｂは電極２２
Ｂと導通する。次に、上記電極２９ａ，２９ｂ間に直流
電圧を印加して分極を行なう。分極処理によって、図７
の（ｃ）に矢印で示すように、電極２２Ａと２２Ｂとで
挟まれたセラミック層にのみ分極が施される。次に、図
７の（ｄ）に破線ＣＬ１で示すように、分極済みの積層
体２８Ａを一定幅Ｔでカットし、図９に示すような薄板
状の積層体２８Ｂを得る。この積層体２８Ｂの側面に
は、規則的に駆動電極２２，２３が露出している。次
に、図１０に示すように、積層体２８Ｂの表面に電極２
４Ａを全面に形成し、電極２２Ａ，２２Ｂの間を通過す
るように溝２６をハーフカット加工する。溝２６で分断
された電極２４Ａは引出電極２４，２５となる。その
後、破線ＣＬ２およびＣＬ３で積層体２８Ｂを縦横にカ
ットし、図６のようなエッジモードセラミック共振子２
０を得る。なお、上記製造工程では、ブロック状の積層
体２８Ａに電極２９ａ，２９ｂを形成し、分極を行なっ
たが、先に積層体２８Ａをカットして薄板状の積層体２
８Ａを得た後、分極を行なってもよい。

【００２３】図１１〜図１３は第２実施例のエッジモー
ドセラミック共振子２０を用いた表面実装型の圧電部品
（例えば発振子またはフィルタ）を示す。この圧電部品
は、エッジモードセラミック共振子２０の他に、長方形
の絶縁性基板３０とキャップ４０とを備え、共振子２０
はその引出電極２４，２５側を基板３０の表面側に向け
て取り付けられている。絶縁性基板３０の上面には２個
の外部接続用電極３１，３２が形成され、その外側端部
３１ａ，３２ａは基板３０の長さ方向両端部に引き出さ
れ、この両端部の周囲を取り巻いている。外部接続用電
極３１，３２の内側端部３１ｂ，３２ｂは基板３０の幅
方向に一定間隔をあけて配置されており、これら内側端
部３１ｂ，３２ｂに上記共振子２０の駆動電極２２，２
３を設けた端部と反対側へ延びる引出電極２４，２５の
一端部２４ａ，２５ａ（図６参照）が導電性接着剤３
３，３３を介して接続固定されている。なお、共振子２
０の駆動電極２２，２３を設けた端部と、基板３０との
間には、図１２のように導電性接着剤３３，３３の厚み
によって若干の隙間δが設けられる。キャップ４０は金
属，樹脂，セラミックなどの材料によって断面逆Ｕ字形
に形成され、キャップ４０の開口部が基板３０に接着剤
４１によって接着され、共振子２０の周囲を密閉してい
る。

【００２４】上記のように共振子２０の駆動電極２２，
２３と反対側の端部を基板３０上に導電性接着剤３３，
３３を介して接続固定したので、エッジモードの振動が
阻害されず、振動特性に悪影響を与えない。特に、共振
子２０の駆動電極２２，２３を設けた端部から幅Ｗの
１．５倍以上離れた位置では、エッジモード振動が殆ど
波及しないので、この部分を導電性接着剤３３で固定す
ればよい。この接着範囲は共振子２０の全長Ｌの約半分
程度まで拡がっても振動特性上支障がないので、接着作
業が容易になるとともに、十分な固定強度を確保でき
る。

【００２５】また、引出電極２４，２５が溝２６で分断
されているので、導電性接着剤３３，３３が幅方向に多
少はみ出しても、図１３に示すように、溝２６によって
導電性接着剤３３同士を確実に分断でき、引出電極２
４，２５が誤って短絡する恐れがない。そのため、信頼
性の高い圧電部品を提供できる。

【００２６】また、共振子２０が基板３０上に対面接着
されるので、共振子２０と基板３０との合計の厚みを極
力薄くできる。しかも、共振子２０の引出電極２４，２
５と基板３０の外部接続用電極３１，３２との電気的接
続は、導電性接着剤３３で接着するだけであり、導電性
ワイヤなどの格別な接続手段を使用する必要がないの
で、キャップ４０と共振子２０との間のクリアランスも
必要最小限でよい。したがって、全体として非常に薄型
で小型の圧電部品を実現できる。

【００２７】図１４は本発明にかかるエッジモードセラ
ミック共振子の第３実施例を示す。この共振子５０は、
長方形の圧電セラミック板５１の長さ方向一端部に厚み
方向に延びる４本の駆動電極５２〜５５が幅方向に間隔
をあけて設けられ、圧電セラミック板５１の駆動電極５
２〜５５を設けた端部に矢印で示すように幅方向の分極
処理が施されている。すなわち、駆動電極５２，５３間
および５４，５５間のセラミック層には図１４の下方へ
の分極が、駆動電極５３，５４間のセラミック層には図
１４の上方への分極が施されている。

【００２８】第１の駆動電極５２と第３の駆動電極５
４、第２の駆動電極５３と第４の駆動電極５５とが端子
５６，５７にそれぞれ接続され、これら端子５６，５７
間に交流信号を印加することにより、エッジモード振動
を発生させることができる。この実施例では、複数のセ
ラミック層が積層されるので、静電容量を大きくするこ
とができる。そのため、この共振子５０を接続する回路
とのマッチングを取りやすいという利点がある。

【００２９】本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。図６では、エッジモードセラミック共振子の２本
の引出電極を溝で分離したものを示したが、溝を設けず
に、圧電セラミック板の表面に引出電極を間隔をあけて
形成してもよい。図１１〜図１３では、本発明のエッジ
モードセラミック共振子を表面実装型の圧電部品に適用
したが、リード端子付きの圧電部品に適用することもで
きる。さらに、エッジモードセラミック共振子を凹部を
有するケースに収納し、ケースの開口部を蓋で封止する
構造の圧電部品にも適用できる。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項１
に記載の発明によれば、圧電セラミック板の長さ方向端
部の内部に、厚み方向に延びる複数の駆動電極を幅方向
に対向して設け、少なくとも駆動電極が設けられた圧電
セラミック板の端部に幅方向の分極を施したので、エッ
ジモードの振動方向と電界方向とが一致する３３モード
となる。そのため、振動エネルギーを最も効率よく取り
出すことができ、電気機械結合係数を大きくでき、発振
子にもフィルタにも使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のエッジモードセラミック共振子の斜視図
である。

【図２】従来のエッジモードセラミック共振子の変形
図、ベクトル図および応力図である。

【図３】本発明にかかるエッジモードセラミック共振子
の第１実施例の斜視図である。

【図４】図３の共振子のインピーダンス−周波数特性図
である。

【図５】図３の共振子の素子幅寸法と共振周波数との関
係を示す図である。

【図６】本発明にかかるエッジモードセラミック共振子
の第２実施例の斜視図である。

【図７】図６の共振子の製造工程図である。

【図８】図６の共振子の製造途中におけるブロック状積
層体の分解斜視図である。

【図９】図６の共振子の製造途中における薄板状積層体
の斜視図である。

【図１０】図９に示す薄板状積層体の最終工程の斜視図
である。

【図１１】図６の共振子を用いた圧電部品の分解斜視図
である。

【図１２】図１１のＡ−Ａ線断面図である。

【図１３】図１１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図１４】本発明にかかるエッジモードセラミック共振
子の第３実施例の平面図である。

【符号の説明】

１０，２０，５０ エッジモードセラミック共振子 １１，２１，５１ 圧電セラミック板 １２，１３ 駆動電極 ２４，２５ 引出電極 ３１，３２ 外部接続用電極 ３０ 基板 ４０ キャップ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03H 9/00 - 9/215

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長方形の圧電セラミック板の端部近傍に振
   動が集中するエッジモードの振動を利用したエッジモー
   ドセラミック共振子において、 圧電セラミック板の長さ方向一端部の内部に、圧電セラ
   ミック板の表裏主面に対して垂直でかつ上記長さ方向一
   端部の端面に対して垂直な複数の層状の駆動電極が圧電
   セラミック板の幅方向に対向して設けられ、 少なくとも圧電セラミック板の駆動電極間に幅方向の分
   極が施されていることを特徴とするエッジモードセラミ
   ック共振子。
2. 【請求項２】上記駆動電極を３層以上設け、 上記駆動電極を一層おきに接続したことを特徴とする請
   求項１に記載のエッジモードセラミック共振子。
3. 【請求項３】上記圧電セラミック板の表面に、長さ方向
   に延びる２本の引出電極が幅方向に間隔をあけて形成さ
   れ、 両引出電極は圧電セラミック板の表面に露出した駆動電
   極の端部とそれぞれ導通していることを特徴とする請求
   項１または２に記載のエッジモードセラミック共振子。
4. 【請求項４】上記圧電セラミック板の表面に駆動電極と
   導通する引出電極が全面に形成され、 上記圧電セラミック板の表面の駆動電極の間に、長さ方
   向に延びる溝を形成することで、引出電極を幅方向に２
   分割してなることを特徴とする請求項３に記載のエッジ
   モードセラミック共振子。
5. 【請求項５】表面に２つの外部接続用電極が形成された
   基板を備え、 請求項３または４に記載のエッジモードセラミック共振
   子がその引出電極を上記基板の表面側に向けて配置さ
   れ、 上記エッジモードセラミック共振子の駆動電極を設けた
   端部と反対側の端部に延びる引出電極と上記基板の外部
   接続用電極とが、導電性接着剤により接続固定されてい
   ることを特徴とする圧電部品。