JPH11136075A

JPH11136075A - 圧電共振子及びそれを用いたラダー型フィルタ

Info

Publication number: JPH11136075A
Application number: JP29918497A
Authority: JP
Inventors: Harumi Hayashi; 春美林; Kenichi Yoshimura; 健一吉村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-05-21

Abstract

(57)【要約】【課題】より小型でかつ共振子の電気機械結合係数、
及び容量の調整が可能な圧電共振子を提供すること。【解決手段】圧電体層１０と内部電極層１１とを交互
に多層に積層した積層体１２を形成するとともに、該積
層体１２の相背向する側面に内部電極層１１の一端部が
交互に接続される一対の外部電極１５を配設して成り、
且つ外部電極１５と圧電体層１０との間に樹脂層２０を
介在させ、圧電体層１０をその積層方向に伸縮振動せし
めるようになした圧電共振子Ａ、及び、これら圧電共振
子の複数を接続してなり、複数の直列共振子Ｓ１，Ｓ
２，Ｓ３と複数の並列共振子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とからな
るラダー型フィルタＬＦ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層方向の伸縮振
動モードを利用した積層型圧電共振子、及びこの積層型
圧電共振子を用いたラダー型フィルタに関するものであ
って、例えば、携帯用移動無線機，コードレス電話，ペ
ージャ，カーステレオ等の移動体通信機に内蔵される、
フィルタ，発振子その他種々の用途に用いられる圧電共
振子及びラダー型フィルタに関するものである。

【０００２】

【従来技術】近年、集積回路の発達に伴い、フィルタ，
発振子その他の分野で、圧電体を用いた種々の圧電共振
子が用いられている。中でも、１００ｋＨｚから１ＭＨ
ｚまでに使用される圧電共振子としては、従来、図７に
示すように拡がり振動モードを用いた円板状圧電共振子
Ｊ１、図８に示すように拡がり振動モードを用いた正方
形板状圧電共振子Ｊ２、さらには図９に示すように長さ
方向の伸び振動を用いた矩形板状圧電共振子Ｊ３が知ら
れていた。図において、符号１は圧電体層、符号２は電
極層を示す。

【０００３】これら圧電共振子を用いたラダー型フィル
タでは、直列共振子の寸法と並列共振子の寸法とを調整
して、直列共振子の共振周波数と並列共振子の反共振周
波数を一致させて通過帯域を構成し、かつその両側に減
衰極を構成しており、通過帯域は圧電共振子の反共振周
波数と共振周波数の差（ΔＦ＝Ｆａ−Ｆｒ）によって決
まっていた。

【０００４】また、フィルタの段数を増やしたり、並列
共振子と直列共振子の素子間容量比を大きくしたりする
ことによって、保証減衰量を大きくしていた。並列共振
子と直列共振子の素子間容量比を大きくする手段として
は、直列共振子の厚みを大きくし、更に電極面積を小さ
くした部分電極を形成することで、直列共振子の容量を
小さくし、また、並列共振子の厚みを小さくして容量を
大きくし、素子間容量比を大きくする方法が取られてい
た。更に、直列共振子に低誘電率の材料、また、並列共
振子に高誘電率の材料と２種類の材料を用いることで、
保証減衰量を大きくすることを実現していた。

【０００５】また、近年においては、無線通信機の小型
化，軽量化が図られ、電子部品においても０．０１ｍｍ
を単位とした小型化，薄型化が競われている。前記した
ラダー型フィルタにおいても小型化の要求があり、フィ
ルタ特性を劣化させずに形状を小型化することが大きな
課題となっていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、圧電共振子をフィルタ，発振子等の具体的なデ
バイスに利用する場合、使用する共振周波数が圧電共振
子の形状によって決定されてしまう。即ち、拡がり振動
を用いた円板状及び正方形状の共振子においては、使用
する共振周波数が円板の直径、または正方形の一辺の寸
法により決定されるため、拡がり振動を利用する限りに
おいては、使用する周波数によって共振子の形状が決定
され、フィルタ、発振子等の具体的なデバイスの小型化
を図りたい場合、従来の圧電共振子では対応することが
できなかった。

【０００７】また、従来、フィルタ，発振子等の具体的
なデバイスの小型化を図るために、使用する圧電共振子
の振動モードを拡がり振動から、矩形板状の圧電共振子
の長さ方向の伸び振動（横効果）へ変更して共振子を小
型化し、デバイスの形状を小型化する方法が取られてい
たが、矩形板状の圧電共振子の長さ方向の伸び振動を利
用した場合、共振子の帯域幅△Ｆが材料の横効果による
結合係数Ｋ31のみで決定されるために結合係数が小さ
く、拡がり振動モードを利用した圧電共振子に比べて、
共振子の帯域幅△Ｆが小さく、フィルタを構成した場
合、フィルタの通過帯域幅が狭くなるという問題があっ
た。

【０００８】また、角柱状の圧電共振子の両底面に電極
を形成し、電極間の長さ方向の伸び振動（縦効果）へ変
更して共振子を小型化した場合、共振子の帯域幅△Ｆは
十分に満足できるが、共振子の容量が極端に小さくなる
ために、フィルタを構成するインピーダンスのコントロ
ールができないという問題があった。

【０００９】そこで本発明は、より小型でかつ共振子の
電気機械結合係数、及び容量の調整が可能な圧電共振子
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、
圧電体層と内部電極層とを交互に多層に積層した積層体
を形成するとともに、該積層体の相背向する側面に前記
内部電極層の一端部が交互に接続される一対の外部電極
を配設して成り、且つ前記外部電極と圧電体層との間に
樹脂層を介在させ、圧電体層をその積層方向に伸縮振動
せしめるようになした。

【００１１】また、本発明のラダー型フィルタは、複数
の直列共振子と複数の並列共振子とからなるラダー型フ
ィルタにおいて、前記直列共振子及び前記並列共振子
が、上記圧電共振子からなるものである。

【００１２】

【作用】本発明の積層型の圧電共振子は、上記に示した
構成により、分極方向の伸び振動の電気機械結合係数の
大きな材料を用いることで、圧電体層の積層方向の伸び
振動の電気機械結合係数Ｋ33が十分に大きい圧電共振子
を得ることができる。

【００１３】例えばＰＺＴ系の材料の電気機械結合係数
は、振動モードにより大きく異なり、従来の横効果の電
気機械結合係数Ｋ31に比べて、厚み方向の伸び振動（縦
効果）の電気機械結合係数Ｋ33が大きいことから、特
に、圧電体層としてＰＺＴ系の材料を用いた場合におい
てはその効果が大きい。尚、ＰＺＴ系の材料の電気機械
結合係数Ｋ33は４０〜７０％程度である。

【００１４】また、この様な積層構造の共振子において
は、対向電極の数や、電極間厚みを調整することによ
り、様々な容量の共振子を得ることができる。このよう
な構成にすることで、共振子の形状を小型化することが
でき、しかも大容量の共振子を得ることができる。

【００１５】さらに、入力用外部電極及び出力用外部電
極と圧電体層との間に低誘電率の樹脂層を介在させるこ
とで、対向した外部電極間や、特に外部電極と内部電極
層間における浮遊容量等の不要な容量の発生を抑制でき
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明の積層型圧
電共振子Ａを示すもので、図１において、符号１０はＰ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃を主成分とする圧電体層を示して
いる。この圧電体層１０としては、例えば、Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ₃のＰｂ，Ｚｒ，Ｔｉの一部をＢａ等のア
ルカリ土類金属、Ｎｂ等の周期律表第５ａ族元素、Ｙ等
の希土類元素、Ｃｒ等の周期律表第６ａ族元素、Ｃｏ等
の周期律表第８族元素等で置換したものが用いられる。

【００１７】尚、圧電体層１０の材料としては、上記し
たＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃系（ＰｂＺｒＯ₃とＰｂＴｉ
Ｏ₃の固溶体から成る）以外の圧電体、例えばＰｂＴｉ
Ｏ₃等でもよく、必要とされる圧電特性としては、電気
機械結合係数Ｋ33が４０〜７０％程度となる材料であれ
ばよい。

【００１８】そして、図においては合計５層の圧電体層
１０と、合計４層のＡｇ−Ｐｄ等の導電材料からなる内
部電極層１１が交互に積層されて積層体である共振子本
体１２が形成されている。内部電極層１１は、その端部
が交互に共振子本体の側面に露出しており、これらの内
部電極層１１の端部が共振子本体の側面に形成された外
部電極である取り出し電極１５により接続されている。
この外部電極は周知の導電性ペースト等の導電材料で構
成されている。

【００１９】この時、取り出し電極１５と共振子本体１
２との間には、内部電極層１１の取り出し部を除き、樹
脂層２０が厚み約３０μm 程度に形成されている。な
お、比誘電率が１０以下の材料であれば、厚み１μm 程
度まで問題はない。また、樹脂としては例えばエポキシ
系，ポリイミド系，テフロン系，ＢＴレジンやポリフェ
ニルエーテル等の各種樹脂が用いられる。

【００２０】図２に示す積層型圧電共振子Ｂのように、
この樹脂層２０が無い場合には、対向した取り出し電極
１５間や、取り出し電極１５と内部電極層１１との間に
不要な容量が発生し、通過帯域幅△Ｆが狭くなる。

【００２１】また、圧電体層１０は積層方向Ｘに分極さ
れており、隣接する圧電体層１０での分極方向ｚは逆向
きとなっている。振動方向は圧電体層１０の積層方向Ｘ
とされている。

【００２２】本発明の積層型圧電共振子Ａは、図３に示
すように、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃を主成分とする圧電
セラミックスのグリーンシート１６を用意し、グリーン
シート１６にスクリーン印刷等により電極パターン１７
を形成し、電極パターン１７の位置が所定の位置に来る
ように積み重ねた後、圧着し、同時に焼成することによ
り、図１に示したような、内部電極層１１を介して圧電
体層１０が積層された焼結体を得ることができる。

【００２３】次に、内部電極層１１の露出部以外に、樹
脂を塗布・硬化させた後、蒸着または導電性ペーストの
塗布により取り出し電極１５を形成する。

【００２４】この後、取り出し電極間に直流電圧を印加
して分極処理し、圧電性を付与する。

【００２５】尚、積層する前に、厚さが均一で平坦な圧
電セラミックス焼成板を作製し、その圧電セラミックス
板に内部電極層用の導電性ペーストを塗布し、乾燥し、
各薄板の電極パターンの位置を正確に合わせた形で積層
し、焼き付けることにより、内部電極層を介して圧電体
層を接合してもよい。

【００２６】本発明の積層型圧電共振子では、ＰＺＴ系
の材料の結合係数は、横効果の電気機械結合係数Ｋ31に
比べて、厚み方向の伸び振動（縦効果）の電気機械結合
係数Ｋ33が大きいことから、積層方向の伸び振動の電気
機械結合係数Ｋ33が十分に大きい圧電共振子を得ること
ができる。また、対向電極層の数や、電極層間の厚みを
調整することにより、様々な容量の共振子を得ることが
できる。よって、本発明の積層型圧電共振子では、共振
子の形状を小型化することができ、しかも大容量の共振
子を得ることができる。

【００２７】即ち、圧電体層の積層方向Ｘにおける共振
子本体の長さをＬ、圧電体層の積層数をｎ、電極層の間
隔をｔ（Ｌ／ｎ）、コンデンサを形成する面積（電極層
の重なった部分の面積）をａ×ｂとすると、全容量Ｃは
Ｃ＝ε0 ×εr ×ｎ²×ａ×ｂ／Ｌで表される（ただ
し、ε0 は真空中の誘電率であり、εr は比誘電率であ
る）。共振子本体の長さＬは使用する共振周波数ｆｒ、
反共振周波数ｆａによって決定されるものであり、例え
ば、共振周波数ｆｒが４００ｋＨｚの場合にはＬは約４
ｍｍとされる。積層数ｎは要求される容量値から決定さ
れる。さらに、上記ａ、ｂの値は使用するデバイスの形
状により決定される。

【００２８】図４は、ラダー型フィルタＬＦの回路図を
示すもので、この図には、共振周波数と反共振周波数の
差ΔＦが同一の直列共振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と並列共振
子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３とをＬ型に接続してなる基本単位回
路を３段接続してなるラダー型フィルタが開示されてい
る。

【００２９】そして、共振子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｐ１，
Ｐ２，Ｐ３として、本発明の積層型圧電共振子が用いら
れている。積層型圧電共振子を組み込む場合には、振動
の節は、圧電体層１０の積双方向Ｘにおける共振子本体
１２の中央付近であるため、この部分が保持される。

【００３０】尚、図１では圧電体層１０が５層形成され
ている積層型圧電共振子について説明したが、本発明で
は上記例に限定されるものではなく、圧電体層を３層以
上したものならば良いことは勿論である。

【００３１】

【実施例】先ず、出発原料として、純度９９．５％以
上、平均粒径が１．０〜３．０μｍの市販のＰｂＯ，Ｔ
ｉＯ₂，ＺｒＯ₂，Ｎｂ₂Ｏ₅，Ｙ₂Ｏ₃，Ｃｒ
₂Ｏ₃，Ｃｏ₃Ｏ₄，Ｌａ₂Ｏ₃及びＳｒＣＯ₃の各粉
末を所定量秤量し、組成式（Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.03Ｌ
ａ_0.01) _1.00 (Ｎｂ_0.50Ｃｒ_0.40Ｙ_0.07Ｃｏ_0.03)_0.10
Ｔｉ_0.50Ｚｒ_0.49 Ｏ₃で表される５枚のグリーンシー
トを作製した。４枚のグリーンシートの上面には、スク
リーン印刷により電極パターンを形成し、１枚のグリー
ンシートには電極パターンを形成しなかった。

【００３２】このような同じ厚みのグリーンシートを、
図３に示すように電極パターンの位置が所定の位置に来
るように積み重ねた後、圧着し、大気中で１１５０℃で
同時に焼成し、圧電体層一層の厚みが０．８ｍｍの焼結
体を得た。

【００３３】次に、このようにして得られた焼結体を切
断し、製品形状の大きさを図１においてａ１＝１ｍｍ、
ｂ１＝０．５ｍｍ、Ｌ＝４ｍｍの共振子本体を作製し
た。この後樹脂を塗布し、硬化させた後に導電性ペース
トを塗布して取り出し電極を形成した。これを、両端面
に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を３０分間印加して分極処理
した。

【００３４】この圧電共振子の帯域幅△Ｆを、インピー
ダンスアナライザーで測定した共振周波数Ｆｒと反共振
周波数Ｆａの値から求め、さらに容量を測定した。結
果、容量が５５ｐＦであり、帯域幅△Ｆが５２ｋＨｚで
あった。インピーダンス特性を図５に示す。

【００３５】また、図２に示すような樹脂層を形成しな
い共振子を作製し測定した結果、容量が２０２ｐＦであ
り、帯域幅△Ｆが９ｋＨｚであった。インピーダンス特
性を図６に示す。

【００３６】また、同じ形状の角柱の両底面に電極を形
成した共振子においては、容量が３．７ｐＦであり、帯
域幅△Ｆが５３ｋＨｚであった。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
共振子では、圧電体層と内部電極層とを交互に積層し、
積層方向の伸縮振動モード（縦効果Ｋ３３モード）を利
用することにより、大きな電気結合係数を得ることがで
き、また、内部電極層を複数積層することにより小型の
共振子であるにもかかわらず大きな容量を得ることがで
きる。

【００３８】これらにより、フィルタ，発振子その他に
用いる最適な圧電共振子及びそれを用いた優れたラダー
型フィルタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る圧電共振子を示す斜視図である。

【図２】樹脂層を有しない比較用の圧電共振子を示す斜
視図である。

【図３】本発明に係る圧電共振子の製造方法を説明する
ための斜視図である。

【図４】ラダー型フィルタの回路図である。

【図５】本発明に係る積層型圧電共振子のインピーダン
ス特性を示す図である。

【図６】樹脂層を有しない積層型圧電共振子のインピー
ダンス特性を示す図である。

【図７】従来の圧電共振子（円板状広がり共振子）を示
す斜視図である。

【図８】従来の圧電共振子（正方形状広がり共振子）を
示す斜視図である。

【図９】従来の圧電共振子（矩形状伸び共振子）を示す
斜視図である。

【符号の説明】

１０・・・圧電体層１１・・・内部電極層１２・・・共振子本体（積層体）１５・・・取り出し電極（外部電極）２０・・・樹脂層Ａ・・・圧電共振子ＬＦ・・・ラダー型フィルタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体層と内部電極層とを交互に多層に
積層した積層体を形成するとともに、該積層体の相背向
する側面に前記内部電極層の一端部が交互に接続される
一対の外部電極を配設して成り、且つ前記外部電極と圧
電体層との間に樹脂層を介在させ、圧電体層をその積層
方向に伸縮振動せしめるようになした圧電共振子。
【請求項２】直列接続された複数の直列共振子と並列
接続された複数の並列共振子とからなるラダー型フィル
タにおいて、前記直列共振子及び前記並列共振子が、請
求項１に記載の圧電共振子からなることを特徴とするラ
ダー型フィルタ。