JPH1117489A - 圧電共振子およびラダー型フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】矩形状の圧電磁器１１の上下面に、第１の
基部１５に複数の歯部１６を形成してなる第１櫛形電極
１７と、第２の基部２０に複数の歯部２１を形成してな
る第２櫛形電極２２とからなり、それぞれの歯部１６、
２１が交互に配列するように第１櫛形電極１７と第２櫛
形電極２２が配置された一対の表面電極１２を対向して
形成してなる圧電共振子であって、圧電磁器１１が長手
方向の伸び振動を行うものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、矩形状の圧電磁器
の長手方向の伸び振動モードを利用した圧電共振子に関
するもので、例えば、フィルター、発振子その他に用い
る圧電共振子およ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５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、図６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、さらには図７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電気機械結
合係数によって決まっていた。

【０００４】また、フィルタの段数及び並列共振子と直
列共振子の素子間容量比を大きくすることによって、保
証減衰量を大きくしていた。この手段として直列共振子
の厚みを大きくし、更に電極面積を小さくして部分電極
にすることで直列共振子の容量を小さくし、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。

【０００５】さらに、従来、数十ＭＨｚから数ＧＨｚの
周波数においては、圧電磁器の片方の面に形成した櫛形
電極で表面波を発生させ、共振子として利用する方法が
とられていた。

【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のみで規定されるために結合係数が小さ
く、フィルタを構成する場合通過帯域幅△Ｆが狭くなる
という問題点があった。

【０００８】また、棒状の圧電共振子の厚さ方向の伸び
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点があっ
た。

【０００９】さらに、表面波を用いた共振子において
は、共振周波数が磁器の形状ではなく、櫛形電極の間隔
に依存するため、１００ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数に
適用すると形状が非常に大きくなるという問題点があっ
た。

【００１０】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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
矩形状の圧電磁器の上下面に、第１の基部に複数の歯部
を形成してなる第１櫛形電極と、第２の基部に複数の歯
部を形成してなる第２櫛形電極とからなり、それぞれの
歯部が交互に配列するように前記第１櫛形電極と前記第
２櫛形電極が配置された一対の表面電極を対向して形成
してなる前記圧電磁器が長手方向の伸び振動を行うこと
を特徴とする。

【００１２】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、前記直列共振子および前記並列共振子
が、上記圧電共振子からなるものである。

【００１３】

【作用】本発明の圧電共振子は、矩形状の圧電磁器の上
下面に、第１櫛形電極と第２櫛形電極とからなり、それ
ぞれの歯部が交互に配列するように第１櫛形電極と第２
櫛形電極が配置された一対の表面電極を対向して形成し
たので、それぞれの歯部が圧電磁器を挟持することにな
り、矩形状圧電磁器の長手方向に分極すると同時に、振
動用の電場を分極と平行に印加でき、バルク波を発生さ
せ、圧電磁器の長手方向に振動させることができる。つ
まり、縦振動モード（縦効果Ｋ₃₃モード）を利用できる
ため、分極方向の伸び振動（圧電磁器の長手方向）の電
気機械結合係数の大きな材料を用いることで、電気機械
結合係数が十分に大きい圧電共振子を得ることができ
る。

【００１４】これは、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
結合係数Ｋ₃₁に比べて、縦効果のＫ₃₃は比較的大きいこ
とがわかっており、共振子の電気機械結合係数を大きく
するために、縦効果の結合係数Ｋ₃₃を利用したことによ
る。

【００１５】また、この様な構造の圧電共振子において
は、対向電極（歯部）の数や、電極間（歯部間）幅等を
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作製す
ることもできる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の圧電共振子は、図１およ
び図２に示すように、矩形状の圧電磁器１１の上下面に
一対の表面電極１２を対向して形成することにより構成
されている。

【００１７】表面電極１２は、第１の基部１５に４本の
歯部１６を形成してなる第１櫛形電極１７と、第２の基
部２０に４本の歯部２１を形成してなる第２櫛形電極２
２とから構成されており、それぞれの歯部１６、２１が
交互に配列するように第１櫛形電極１７と第２櫛形電極
２２が配置されている。

【００１８】即ち、圧電磁器１１の幅方向に基部１５と
基部２０が平行に形成されており、一端が基部１５に接
続された歯部１６が基部２０に向けて延設され、一端が
基部２０に接続された歯部２１が基部１５に向けて延設
され、歯部１６が歯部２１の間、もしくは歯部２１が歯
部１６の間に挿入されている。

【００１９】圧電磁器１１の上面および下面に形成され
た表面電極１２は同一形状、同一寸法とされており、圧
電磁器１１の上下面に形成することにより、上下の基部
１５、２０、および上下の歯部１６、２１により圧電磁
器１１が挟持されている。

【００２０】圧電磁器１１の上下面に形成された第１櫛
形電極１７同士、第２櫛形電極２２同士が導通されてい
るか、もしくは電圧を印加する場合には同電位とされ
る。

【００２１】このような圧電共振子では、先ず、圧電磁
器を作製する。圧電磁器としては、例えば、Ｐｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ₃ を主成分とするものが好ましい。特に、
材料の縦効果による電気機械結合係数Ｋ₃₃が大きい材料
を用いることが好ましい。例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，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。

【００２２】このような圧電磁器の上下面に第１櫛形電
極１７と第２櫛形電極２２を形成する。電極１７、２２
の形成は、例えば、蒸着法、スパッタ法、焼き付け法等
の公知の手法が用いられる。

【００２３】このようにして作製された圧電共振子は、
第１櫛形電極１７と第２櫛形電極２２の間に直流電圧を
印加して分極処理することにより、図２に示すように、
矩形状磁器の長手方向に分極する。上下面の電極１７、
２２を同電位にすることにより、対向電極１７、２２の
歯部１６、２１間の自発分極は交互に逆方向に分極され
ている。

【００２４】本発明の圧電共振子は、圧電磁器１１の上
下面に形成された第１櫛形電極１７同士、第２櫛形電極
２２同士に同電位の電圧を印加することにより、振動用
の電場を分極と平行に印加でき、バルク波を発生させ、
圧電磁器１１を長手方向に振動させることができる。特
に、ＰＺＴ系の圧電材料を用いることにより、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は大きいことから、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。

【００２５】そして、圧電磁器１１の上下面の第１櫛形
電極１７間、第２櫛形電極２２間に容量が発生するが、
歯部１６、２１の数や、歯部１６と歯部２１の距離、圧
電磁器１１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。

【００２６】よって、本発明の圧電共振子では、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】図３に、本発明の圧電共振子についてのイ
ンピーダンス特性のシュミレーション結果を示す。この
図３から帯域幅△Ｆが充分に広いことが判る。

【００２８】図４は、ラダー型フィルタの回路図を示す
もので、この図には、共振周波数と反共振周波数の差Δ
Ｆが同一の直列共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３と並列共振子Ｐ
１、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、このよ
うなラダー型フィルタの共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｐ
１、Ｐ２、Ｐ３として、本発明の圧電共振子が用られて
いる。

【００２９】

【実施例】先ず、組成式（Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.03Ｌａ_0.01)
_1.00 (Ｎｂ_0.50Ｃｒ_0.40Ｙ_0.07Ｃｏ_0.03)_0.10 Ｔｉ_0.50
Ｚｒ_0.49 Ｏ₃ で表される矩形状の圧電磁器を作製し
た。

【００３０】この圧電磁器の上下面に電極材料を蒸着し
た後、エッチングすることにより、図１および図２に示
すような第１および第２櫛形電極を形成する。第１櫛型
電極の歯部と第２櫛型電極の歯部の間隔ａを０．４ｍ
ｍ、電極の幅ｂを０．１ｍｍ、圧電磁器の厚みを０．３
ｍｍとした。

【００３１】つぎに、第１および第２櫛形電極間に直流
電圧を３０分印加して分極処理して圧電性を付与する。
即ち、８０℃の絶縁油中に浸漬し、第１櫛形電極と第２
櫛形電極の間に３ｋＶ／ｍｍの直流電圧を３０分印加し
て分極処理した。この後、分極状態の安定化のため、２
２０℃、１時間の熱処理を行った。この時、上下面の同
位置の電極は、同電位に接続しておく。

【００３２】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３７ｐＦであり、帯域幅△Ｆが６５ｋＨｚであっ
た。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の圧電共振子
は、圧電磁器の上下面に櫛形電極を形成し、上下面の同
位置の電極を同電位にすることにより、矩形状圧電磁器
の長手方向に分極すると同時に、振動用の電場を分極と
平行に印加できる。このことにより大きな結合係数を得
ることができる縦振動モード（縦効果Ｋ₃₃モード）を利
用でき、また、櫛電極の歯部本数及び歯部間隔等を調整
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、フィルター、発振子その他に
用いる最適な圧電共振子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子を示す斜視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の圧電共振子についてのインピーダンス
特性のシュミレーション結果を示す図である。

【図４】ラダー型フィルタの回路図である。

【図５】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６】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７】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】

１１・・・圧電磁器 １２・・表面電極 １７・・・第１櫛型電極 １５、２０・・・基部 １６、２１・・・歯部 ２２・・・第２櫛型電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】矩形状の圧電磁器の上下面に、第１の基部
   に複数の歯部を形成してなる第１櫛形電極と、第２の基
   部に複数の歯部を形成してなる第２櫛形電極とからな
   り、それぞれの歯部が交互に配列するように前記第１櫛
   形電極と前記第２櫛形電極が配置された一対の表面電極
   を対向して形成して前記圧電磁器が長手方向の伸び振動
   を行うことを特徴とする圧電共振子。
2. 【請求項２】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、前記直列共振子およ
   び前記並列共振子が、請求項１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。