JPH11186868A

JPH11186868A - 圧電共振子およびラダー型フィルタ

Info

Publication number: JPH11186868A
Application number: JP35155397A
Authority: JP
Inventors: Harumi Hayashi; 春美林
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 1999-07-09

Abstract

(57)【要約】【課題】小型、共振子の電気機械結合係数の調整が可能
で、且つ、所望とする種々の容量に対応できる圧電共振
子およびラダー型フィルタを提供する。【解決手段】圧電体層１０と内部電極層１１とを交互に
積層して形成され、相背向する側面に内部電極層１１の
両端部が露出した積層体１２を形成し、該積層体１２の
一方の側面に、任意の内部電極層１１の一端部と接続さ
れる第１外部電極１５を配設し、積層１２体の他方の側
面に、第１外部電極１５と接続されていない内部電極１
１のうち任意の内部電極１１の他端部と接続される第２
外部電極１６を配設してなり、圧電体層１０がその積層
方向に伸縮振動するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、およびこの積層
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
を用いた円板状およ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】本発明者は、このような問題を解決する圧
電共振子について鋭意検討した結果、図１０に示すよう
に、圧電体層１０と内部電極層１１とを交互に多層に積
層した積層体を形成するとともに、該積層体の相背向す
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１４を配設して成り、且つ外部電極１４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すること
で、より小型でかつ共振子の電気機械結合係数、および
容量の調整が可能な圧電共振子を知見し、出願した（特
願平９−２９９１８４号）。

【００１０】しかしながら、この圧電共振子の容量調整
は、積層体作製前に圧電体層の厚みで調整する必要があ
り、容量を変更する度に圧電体層の厚みを変える必要が
あり、積層体作成後の容量変更はできないという問題が
あった。

【００１１】本発明は、より小型でかつ共振子の電気機
械結合係数の調整が可能で、且つ、所望とする種々の容
量に対応できる圧電共振子およびラダー型フィルタを提
供することを目的とする。

【００１２】

【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積層して形成され、相
背向する側面に前記内部電極層の両端部が露出した積層
体を形成し、該積層体の一方の側面に、任意の前記内部
電極層の一端部と接続される第１外部電極を配設し、前
記積層体の他方の側面に、前記第１外部電極と接続され
ていない内部電極のうち任意の内部電極の他端部と接続
される第２外部電極を配設してなり、前記圧電体層がそ
の積層方向に伸縮振動するものである。

【００１３】ここで、第１外部電極と該第１外部電極に
接続されていない内部電極層の一端部との間、および第
２外部電極と該第２外部電極に接続されていない内部電
極層の他端部との間に樹脂層が介在することが望まし
い。

【００１４】また、本発明のラダー型フィルタは、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。

【００１５】

【作用】本発明の圧電共振子は、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。

【００１６】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。

【００１７】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、積層体作製前に様々な容量の共振子を得ることがで
きる。

【００１８】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。

【００１９】そして、本発明の圧電共振子は、要求され
る容量に応じて、外部電極と接続される内部電極層を選
択することにより、積層体作製後において、帯域幅を殆
ど変えることなく種々の容量を得ることができ、一種類
の積層体により、要求される様々なスペックに対して対
応できる。

【００２０】また、外部電極と接続されてない内部電極
層の端部との間に樹脂層を介在させたので、外部電極と
接続されていない内部電極との絶縁を確実に行なうこと
ができ、しかも対向した外部電極間、および外部電極と
この外部電極と接続されていない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。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電共振子
を示すもので、図１において、符号１０はＰｂ（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（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃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】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。

【００２３】そして、図においては合計１０層の圧電体
層１０と、合計９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、その両
端部が共振子本体１２の側面に露出しており、これらの
内部電極層１１のうち任意の内部電極層１１の端部が共
振子本体１２の側面に形成された第１外部電極１５およ
び第２外部電極１６により接続されている。これらの外
部電極１５、１６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。

【００２４】即ち、第１外部電極１５は共振子本体１２
の右側の側面に形成され、任意の内部電極層１１の一端
部と接続され、さらに、その内部電極層１１から数えて
４層おきに内部電極層１１と接続されている。一方、第
２外部電極１６は共振子本体１２の左側の側面に形成さ
れ、第１外部電極１５と接続された２つの内部電極層１
１の中央の内部電極層１１の他端部に、４層おきに接続
されている。

【００２５】また、第１外部電極１５および第２外部電
極１６と共振子本体１２との間には、内部電極層１１の
取り出し部を除き、樹脂層２０が最大厚み約３０μｍ程
度で形成されている。即ち、共振子本体１２の右側の側
面において、第１外部電極１５と、この第１外部電極１
５と接続されていない内部電極層１１の一端部との間に
は樹脂層２０が形成され、また、共振子本体１２の左側
の側面において、第２外部電極１６と、この第２外部電
極１６と接続されていない内部電極層１１の他端部との
間には樹脂層２０が形成されている。

【００２６】尚、樹脂層２０は、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。

【００２７】また、圧電体層１０は積層方向Ｘに分極さ
れており、第１外部電極１５および第２外部電極１６に
接合されている内部電極層１１を介して隣接する圧電体
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。

【００２８】図２は、本発明の圧電共振子の他の例を示
すもので、この圧電共振子では、内部電極層１１の端部
は、第１外部電極１５と第２外部電極１６とに交互に接
続されている。図３は、本発明の圧電共振子のさらに他
の例を示すもので、この圧電共振子では、第１外部電極
１５は共振子本体１２の右側の側面に形成され、任意の
内部電極層１１の一端部と接続され、さらに、その内部
電極層１１から数えて８層目の内部電極層１１と接続さ
れている。一方、第２外部電極１６は共振子本体１２の
左側の側面に形成され、第１外部電極１５と接続された
２つの内部電極層１１の中央の内部電極層１１の他端部
に８層おきに接続されている。

【００２９】本発明の圧電共振子は、図４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３０を用意し、グリーンシート
３０にスクリーン印刷等により電極パターン３３を形成
し、電極パターン３３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、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。これを所定の形状に切断し、図１
に示したような共振子本体１２を得ることができる。

【００３０】次に、内部電極層１１の接続部以外に、樹
脂を塗布・硬化させた後、蒸着または導電性ペーストの
塗布により第１外部電極１５および第２外部電極１６を
形成する。この後、外部電極１５、１６間に直流電圧を
印加して分極処理し、圧電性を付与し、本発明の圧電共
振子が得られる。

【００３１】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、共振子本体を作製してもよい。

【００３２】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、対向する内部電極層の数や、内部電極
層間の厚み、第１外部電極および第２外部電極に接続す
る内部電極層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、静電
容量を大容量化でき、しかも一種の共振子本体により、
要求される種々の容量に対応できる。

【００３３】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＝ε₀ε_rｎ²ａｂ／Ｌで表される（ただし、ε₀は
真空中の誘電率であり、ε_r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４ｍｍ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。

【００３４】図５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。

【００３５】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の積層方向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。

【００３６】尚、図２では圧電体層１０が１０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。

【００３７】

【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およびＳｒＣＯ₃の各
粉末を所定量秤量し、組成式（Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.03Ｌａ
_0.01) _1.00 (Ｎｂ₀.₅₀Ｃｒ_0.40Ｙ_0.07Ｃｏ_0.03)₀.₀₅Ｔ
ｉ_0.49Ｚｒ_0.46 Ｏ₃で表される１０枚のグリーンシー
トを作製した。９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。

【００３８】このような同じ厚みのグリーンシートを、
図４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。

【００３９】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、硬化した後に導電性ペースト
を塗布して外部電極を形成した。この外部電極に３ｋＶ
／ｍｍの直流電圧を３０分間印加して分極処理した。

【００４０】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。その
結果、容量が７３ｐＦであり、帯域幅△Ｆが５２ｋＨｚ
であった。インピーダンス特性を図６に示す。

【００４１】また、図２に示すように、第１外部電極お
よび第２外部電極と内部電極層を交互に接続した場合
は、容量が３０８ｐＦ、帯域幅△Ｆが５１ｋＨｚ、図３
に示すように、第１外部電極および第２外部電極と内部
電極層を８層おきに接続した場合は、容量が１８ｐＦ、
帯域幅△Ｆが５２ｋＨｚであった。

【００４２】

【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、帯域幅を広げることができ、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。さらに、内部電極層
の接続を変更することで、帯域幅を殆ど変更することな
く素子の容量を容易に変更でき、１種類の共振子本体に
より要求される種々の容量に容易に対応できる。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
振子およ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】本発明に係る他の圧電共振子を示す斜視図であ
る。

【図３】本発明に係るさらに他の圧電共振子を示す斜視
図である。

【図４】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５】ラダー型フィルタの回路図である。

【図６】本発明に係る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。

【図１０】積層型の圧電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・・・第１外部電極１６・・・第２外部電極２０・・・樹脂層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積層して
形成され、相背向する側面に前記内部電極層の両端部が
露出した積層体を形成するとともに、該積層体の一方の
側面に、任意の前記内部電極層の一端部と接続される第
１外部電極を配設し、前記積層体の他方の側面に、前記
第１外部電極と接続されていない内部電極のうち任意の
内部電極の他端部と接続される第２外部電極を配設して
なり、前記圧電体層がその積層方向に伸縮振動すること
を特徴とする圧電共振子。
【請求項２】第１外部電極と該第１外部電極に接続され
ていない内部電極層の一端部との間、および第２外部電
極と該第２外部電極に接続されていない内部電極層の他
端部との間に樹脂層が介在することを特徴とする請求項
１記載の圧電共振子。
【請求項３】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、前記直列共振子および前記並列共振子が、請
求項１または２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。