JPH11284478A - 圧電共振子およびラダー型フィルタ - Google Patents

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。 【解決手段】矩形状の圧電磁器１１の上下面に第１櫛形
電極１７と第２櫛形電極２２とからなる表面電極１２を
対向して形成してなる圧電共振子において、表面電極１
２を、圧電磁器１１の長手方向に所定間隔をおいて平行
に形成された複数の駆動電極１６、２１と、該駆動電極
１６、２１の端部同士を交互に接続し、かつ可撓性の導
電部材より形成された一対の帯状取出電極１５、２０と
から構成してなり、かつ、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およ
びラダー型フィルタに関するもので、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、拡がり
振動モードを用いた円板状圧電共振子、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。

【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櫛形電極と第２櫛形電
極とからなる表面電極を対向して形成してなる圧電共振
子において、前記表面電極を、圧電磁器の長手方向に所
定間隔をおいて平行に形成された複数の駆動電極と、該
駆動電極の端部同士を交互に接続し、かつ可撓性の導電
部材より形成された一対の帯状取出電極とから構成して
なり、前記圧電磁器が長手方向の伸び振動を行うもので
ある。ここで、帯状取出電極と、該帯状取出電極と接続
されない駆動電極との間には、可撓性の絶縁性樹脂を介
装してなることが望ましい。

【００１２】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
ぞれの駆動電極が交互に配列するように第１櫛形電極と
第２櫛形電極とからなる表面電極を対向して形成したの
で、それぞれの駆動電極が圧電磁器を挟持することにな
り、矩形状圧電磁器を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、駆動電極の数や、駆動電極間距離等を調整すること
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】さらに、駆動電極の端部を接続する帯状取
出電極を可撓性の導電部材により形成することにより、
圧電共振子の伸縮振動によって発生する引っ張り応力に
より帯状取出電極の断線を防止することができる。

【００１７】また、帯状取出電極と、該帯状取出電極と
接続されていない駆動電極との間に可撓性の絶縁性樹脂
を介在させたので、帯状取出電極と、該帯状取出電極と
接続されていない駆動電極の絶縁を確実に行うことがで
き、しかも圧電磁器を挟持する帯状取出電極間、および
帯状取出電極と、この帯状取出電極と接続されていない
駆動電極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。

【００１８】

【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
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。表面電極１２は、４本の第１駆動電極１６の端部
を第１帯状取出電極１５により接続してなる第１櫛形電
極１７と、４本の第２駆動電極２１の端部を第２帯状取
出電極２０により接続してなる第２櫛形電極２２とから
構成されており、それぞれの駆動電極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。

【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、上下の帯状
取出電極１５、２０、および上下の駆動電極１６、２１
により圧電磁器１１が挟持されている。駆動電極１６、
２１は、矩形状の圧電磁器の長手方向に所定間隔を置い
て平行に形成されている。

【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。圧電磁器は長手方向分極されており、長手方向の伸
び振動を行うものである。

【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、図３
（ａ）に示すような第１駆動電極１６と第２駆動電極２
１を形成する。電極１６、２１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】そして、図３（ｂ）に示すように可撓性の
絶縁性樹脂２５を塗布し硬化させ後、導電性ペーストを
塗布して第１帯状取出電極１５と第２帯状取出電極２０
を形成し、図１に示すような圧電共振子を作製できる。
可撓性の絶縁性樹脂２５としては、弾性率の小さいシリ
コンゴム等が用いられ、可撓性の導電部材からなる帯状
取出電極１５、２０としては、弾性率の小さいシリコン
ゴム等の樹脂中に、金属粒子を分散させたようなものが
用いられる。

【００２４】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。上下面の第１櫛形電
極１７、２２を同電位にすることにより、第１駆動電極
１６と第２駆動電極２１間の自発分極は交互に逆方向に
分極されている。

【００２５】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
の材料の電気機械結合係数は、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、長手方向の伸び振
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。

【００２６】また、帯状取出電極１５、２０と、該帯状
取出電極１５、２０に接続されていない駆動電極１６、
２１間に、可撓性の絶縁性樹脂２５を介在させることに
より、第１櫛形電極１７と第２櫛形電極２２の絶縁を確
実に行うことができ、しかも振動に寄与しない不要な浮
遊容量発生を抑制でき、材料の持つ結合係数を充分に発
揮できる。

【００２７】例えば、圧電磁器１１の上下に対向して形
成された帯状取出電極１５、２０間において不要な浮遊
容量発生を抑制できる。帯状取出電極１５、２０間の浮
遊容量を抑制するという点から、絶縁性樹脂２５は、帯
状取出電極１５、２０と、該帯状取出電極１５、２０に
接続されていない駆動電極１６、２１間だけでなく、図
１および図２に示すように、帯状取出電極１５、２０に
接続される駆動電極１６、２１との間を除いて絶縁性樹
脂２５が介装されていることが望ましい。また、帯状取
出電極１５、２０と、この帯状取出電極１５、２０と接
続されていない駆動電極１６、２１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。

【００２８】そして、圧電磁器１１の上下面の第１櫛形
電極１７間、および第２櫛形電極２２間に容量が発生す
るが、駆動電極１６、２１の数や、駆動電極１６と２１
の距離、即ち圧電磁器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。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。

【００２９】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。

【００３０】また、上記圧電共振子では、駆動電極１
６、２１を圧電磁器１１の一方端から他方端まで、言い
換えると圧電磁器１１の幅の長さ形成したが、図５
（ａ）に示すように、駆動電極１６、２１を圧電磁器１
１の幅の長さよりも短く形成し、図５（ｂ）に示すよう
に、駆動電極１６、２１間に絶縁性樹脂２５を形成し、
図５（ｃ）に示すように帯状取出電極１５、２０を形成
しても良い。尚、絶縁性樹脂２５は、駆動電極１６、２
１上には形成されていない。このような圧電共振子であ
っても上記と同様の効果を得ることができる。

【００３１】

【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)_0.05 Ｔｉ_0.49
Ｚｒ_0.46 Ｏ₃ で表される矩形状の幅２ｍｍ、長さ６ｍ
ｍの圧電磁器を作製した。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３
（ａ）に示すような第１および第２駆動電極をそれぞれ
４本ずつ形成した。第１駆動電極と第２駆動電極の間隔
ａを０．４ｍｍ、駆動電極の幅ｂを０．１ｍｍ、駆動電
極の長さＬを２ｍｍ、圧電磁器の厚みを０．３ｍｍとし
た。

【００３２】そして、図３（ｂ）に示すようにシリコン
ゴムからなる絶縁性樹脂を塗布し硬化させ幅０．３ｍ
ｍ、厚み３０μｍにした後、シリコンゴム中にＡｇ粒子
を分散させたシリコンゴム系の導電性ペーストを塗布し
て、厚み１００μｍ、幅０．２ｍｍの帯状取出電極を形
成し、図１に示すような共振子を得た。

【００３３】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した。
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。

【００３４】図６に、この圧電共振をインピーダンスア
ナライザーで測定した共振波形を示す。この共振周波数
Ｆｒと反共振周波数Ｆａから帯域幅△Ｆを求め、さらに
容量を測定した結果、容量が３７ｐＦであり、帯域幅△
Ｆが７０ｋＨｚであった。

【００３５】また、図５（ａ）に示すような第１駆動電
極及び第２駆動電極を形成した圧電磁器１１を用いて、
図５（ｂ）に示すように樹脂を塗布し硬化させ後、導電
性ペーストを塗布して帯状取出電極を形成し、図５
（ｃ）に示すような共振子を得た。この共振子の特性
は、容量が３４ｐＦであり、帯域幅△Ｆが６５ｋＨｚで
あった。

【００３６】

【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、櫛形電極の駆動電極の本数及び駆動電極間隔等
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。さ
らに、駆動電極の端部を接続する帯状取出電極を可撓性
の導電部材により形成することにより、圧電共振子の伸
縮振動によって発生する引っ張り応力により帯状取出電
極の断線を防止することができる。

【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の側面図であり、（ａ）はＡ方向より見た
図、（ｂ）はＢ方向より見た図である。

【図３】本発明の圧電共振子の製造方法を説明するため
の斜視図であり、（ａ）は圧電磁器に駆動電極を形成し
た状態、（ｂ）絶縁性樹脂を形成した状態である。

【図４】ラダー型フィルタの回路図である。

【図５】本発明に係る他の圧電共振子の製造方法を説明
するための斜視図であり、（ａ）は圧電磁器に駆動電極
を形成した状態、（ｂ）絶縁性樹脂を形成した状態、
（ｃ）は帯状取出電極を形成した状態を示す。

【図６】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。

【符号の説明】 １１・・・圧電磁器 １２・・・表面電極 １５・・・第１帯状取出電極 １６・・・第１駆動電極 １７・・・第１櫛形電極 ２０・・・第２帯状取出電極 ２１・・・第２駆動電極 ２２・・・第２櫛形電極 ２５・・・絶縁性樹脂

Claims (3)

【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櫛形電極
   と第２櫛形電極とからなる表面電極を対向して形成して
   なる圧電共振子において、前記表面電極を、圧電磁器の
   長手方向に所定間隔をおいて平行に形成された複数の駆
   動電極と、該駆動電極の端部同士を交互に接続し、かつ
   可撓性の導電部材より形成された一対の帯状取出電極と
   から構成してなり、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】帯状取出電極と、該帯状取出電極と接続さ
   れない駆動電極との間には、可撓性の絶縁性樹脂を介装
   してなることを特徴とする請求項１記載の圧電共振子。
3. 【請求項３】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または請求項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。