JPH114136A - 厚み縦圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦
圧電共振子であって、小型化を進めることができ、所望
でない不要スプリアスの発生を効果的に抑圧し得る、厚
み縦圧電共振子を提供する。 【解決手段】 ストリップ型の矩形板状の圧電体２と、
圧電体２の両面に形成されており、圧電体２を介して表
裏対向された第１，第２の励振電極３，４とを備え、圧
電体２が圧電定数ｄ₃₁が｜ｄ₃₁｜≦２０×１０^-12 Ｃ／
Ｎ以下の圧電材料により構成されている、厚み縦振動の
３倍波を利用した圧電共振子１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の共振子や発
振子等に用いられる圧電共振子に関し、より詳細には、
厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電共振子は、圧電発振子や圧電フィル
タなどの種々の圧電共振部品に用いられており、この種
の圧電共振子としては、使用周波数に応じて種々の圧電
振動モードを利用したものが知られている。

【０００３】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子の一例を、図１１及
び図１２を参照して説明する。図１１に示すように、こ
の圧電共振子は矩形の圧電セラミック板５１の上面中央
に、円形の励振電極５２を形成し、下面中央に励振電極
５２と表裏対向するように円形の励振電極５３を形成し
た構造を有する。励振電極５２，５３は、それぞれ、引
き出し電極５４，５５により圧電セラミック板５１の端
縁に引き出されている。圧電セラミック板５１は、図１
２に矢印Ｐで示すように、厚み方向に一様に分極処理さ
れている。

【０００４】駆動に際しては、励振電極５２，５３間に
交流電圧を印加することにより、圧電共振子を共振させ
ることができ、この場合、振動エネルギーは、励振電極
５２，５３が重なり合っている領域、すなわち共振部Ａ
に閉じ込められる。

【０００５】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
た上記圧電共振子は、エネルギー閉じ込め型圧電共振子
として構成されており、従って、共振部Ａの周囲に振動
を減衰させるための大きな面積の振動減衰部を必要とし
ていた。すなわち、共振部の面積に比べて大きな振動減
衰部を必要としていたので、小型化を進めることが困難
であった。

【０００６】他方、特開平２−２３５４２２号公報に
は、共振部の周囲に余分な圧電基板部分をあまり必要と
しない、ストリップ型の圧電セラミックスを用いたエネ
ルギー閉じ込め型圧電共振子が開示されている。

【０００７】ここでは、図１３に示すように、細長い圧
電基板７１の上面に励振電極７２ａが、下面に励振電極
７２ｂが形成されている。励振電極７２ａ，７２ｂは、
それぞれ、圧電基板７１の一対の長辺に至るように、す
なわち全幅に至るように形成されており、かつ圧電基板
７１の長さ方向中央において表裏対向されて共振部を構
成している。また、これらの励振電極７２ａ，７２ｂ
は、それぞれ、圧電基板７１の長さ方向端部７１ａ，７
１ｂに至るように延ばされている。

【０００８】圧電共振子７０では、厚み縦振動モードを
励振した場合、圧電基板７１の幅Ｗと厚みＴの寸法関係
に起因する不要振動が発生する。そこで、特開平２−２
３５４２２号公報では、基本波を利用する場合には、共
振周波数１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝５．３３付近とす
ればよいこと、３倍波を利用する場合には、共振周波数
約１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝２．８７付近とすれば、
共振周波数−反共振周波数間における不要スプリアスを
低減し得るとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した通り、厚み縦
振動モードの３倍波を利用した図１１及び図１２に示し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共振部の周囲
に大きな振動減衰部を構成する必要があるため、小型化
が困難であるという問題があった。

【００１０】また、特開平２−２３５４２２号公報に開
示されているエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共
振部の側方に振動減衰部を必要としないため、小型化を
果たし得るものの、実際に厚み縦振動モードの高調波を
利用しようとした場合には、共振周波数−反共振周波数
間のスプリアス以外に、様々な不要スプリアスが現れ、
有効な共振特性を得られないという問題があった。

【００１１】よって、本発明の目的は、厚み縦振動モー
ドの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子であって、小型
化を進めることができ、かつ所望でない不要スプリアス
の発生を効果的に抑制し得る良好な共振特性を有する厚
み縦圧電共振子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦圧電共
振子であって、矩形板状の圧電体と、前記圧電体の両面
に形成されており、圧電体を介して対向された第１，第
２の励振電極とを備え、前記圧電板が、圧電定数ｄ₃₁が
｜ｄ₃₁｜≦２０×１０^-12 Ｃ／Ｎの範囲にある圧電材料
により構成されていることを特徴とする。

【００１３】また、請求項２に記載の発明は、エネルギ
ー閉じ込め型圧電共振子であって、一方向のみに振動減
衰部を有し、前記方向と直交する方向において、圧電板
の端部または端部近傍まで第１，第２の励振電極が至る
ように第１，第２の励振電極が形成されている請求項１
に記載の厚み縦圧電共振子である。

【００１４】また、好ましくは、請求項３に記載のよう
に、上記圧電体は細長いストリップ型の圧電体により構
成されている。請求項４に記載の発明は、前記第１また
は第２の励振電極が形成されている面に、圧電共振子の
振動を妨げないための空間を隔てて貼り合わされたコン
デンサをさらに備えることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
非限定的な実施例につき説明する。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
厚み縦圧電共振子を示す斜視図であり、図２はその断面
図である。

【００１６】厚み縦圧電共振子１は、細長いストリップ
状の圧電体２を用いて構成されている。圧電体２は、チ
タン酸鉛系やチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのよ
うな圧電セラミックスで構成されており、その圧電定数
ｄ₃₁が｜ｄ₃₁｜≦２０×１０ ^-12 Ｃ／Ｎの範囲である圧
電材料により構成されている。

【００１７】圧電体２は、図示の矢印Ｐで示すように、
厚み方向に一様に分極処理されている。他方、圧電体２
の上面には、第１の励振電極３が形成されており、下面
には第２の励振電極４が形成されている。励振電極３
は、圧電体２の一方端面２ａ側から圧電体２の上面にお
いて他方端面２ｂ側に向かって、但し端面２ｂには至ら
ないように延ばされている。励振電極４は、圧電体２の
下面において、端面２ｂ側から端面２ａ側に向かって、
但し端面２ａには至らないように延ばされている。

【００１８】従って、圧電体２の長さ方向中央部分にお
いて、励振電極３と励振電極４とが圧電体２を介して表
裏対向されている。なお、励振電極３は、圧電体２の端
面２ａから下面に至る端子電極５に接続されている。

【００１９】駆動に際しては、第１，第２の励振電極
３，４間に交流電圧を印加することにより、厚み縦振動
モードの３倍波が強く励振され、該３倍波を利用した圧
電共振子として動作させることができる。

【００２０】なお、本実施例では、第１，第２の励振電
極３，４が圧電体２の長さ方向中央部分において圧電体
層を介して重なり合うように形成されている。従って、
第１，第２の励振電極３，４が重なり合っている部分に
おいて、エネルギー閉じ込め型の共振部が構成され、こ
の共振部が振動した場合のエネルギーは、共振部と端面
２ａ，２ｂとの間の圧電体部分で減衰される。

【００２１】言い換えれば、上記共振部を中心として考
えると、圧電体２の長さ方向のみに振動減衰部が両側に
設けられており、第１，第２の励振電極は、長さ方向と
直交する方向において、圧電板の端部、すなわち長手方
向に延びる端縁に至るように形成されている。

【００２２】この場合、第１，第２の励振電極３，４
は、共振部においてのみ、圧電体２の全幅に至るように
形成されておればよく、共振部外では、同じ幅に形成さ
れている必要は必ずしもない。例えば、励振電極３を例
にとると、共振部においてのみ、励振電極３は圧電体２
の全幅に至るように形成されておればよく、励振電極３
の共振部より端面２ａ側の部分は、単に励振電極を端子
電極５に電気的に接続する部分であるため、細い幅で形
成されていてもよい。

【００２３】本実施例の厚み縦圧電共振子１では、従来
のストリップ型厚み縦圧電共振子と異なり、幅モード振
動に起因する不要スプリアスを効果的に抑制することが
できる。これを、図３〜図７を参照して説明する。

【００２４】図１３に示した従来のストリップ型圧電共
振子７０では、圧電基板７１の幅Ｗで決定される幅モー
ドによる共振が強く発生する。この従来の圧電共振子７
０のインピーダンス周波数特性を図５に示す。図５にお
いて、矢印ＴＥ₃ で示す振動モードが、厚み縦振動モー
ドの３倍波であり、ＷＥで示す応答が幅モードに起因す
るスプリアス振動である。図５に示すインピーダンス周
波数特性は、共振周波数（３倍波の共振周波数）が１６
ＭＨｚであるように構成された圧電共振子７０の特性で
あるが、図５から明らかなように、ＷＥで示す幅モード
スプリアスが５〜６ＭＨｚ付近に強く現れていることが
わかる。

【００２５】上記幅モードスプリアスＷＥにおける圧電
共振子の変位状態を有限要素法で分析したところ、図４
に示す結果が得られた。なお、図４は、図３に示す半断
面、すなわち、ストリップ型厚み縦圧電共振子の横断面
（長さ方向と直交する方向であり、かつ厚み方向にスト
リップ型圧電共振子を切断した面）の変位状態を模式的
に示す図である。

【００２６】そこで、本願発明者は、上記幅モードＷＥ
に起因するスプリアスを抑制すべく種々実験を繰り返し
たところ、図１に示した厚み縦圧電共振子１において、
圧電体２として、ある特定の材料を用いれば、幅モード
ＷＥの応答を小さくすることができ、厚み縦振動モード
の３倍波ＴＥ₃ のみを大きく励振させ得ることを見出し
た。このようにして得られた圧電共振子１のインピーダ
ンス周波数特性を図６に示す。なお、図６に示すインピ
ーダンス周波数特性は、圧電体２として、−ｄ ₃₁＝９×
１０^-12 Ｃ／Ｎのチタン酸鉛系圧電セラミックスを用い
た場合の特性である。図６から明らかなように、本実施
例の圧電共振子１では、矢印ＴＥ₃ で示す厚み縦振動モ
ードの３倍波が強く励振されており、幅モードスプリア
スＷＥの大きさが非常に小さくなっていることがわか
る。

【００２７】他方、図５に示した特性は、圧電体２をｄ
₃₁＝−４２×１０^-12 Ｃ／Ｎであるチタン酸ジルコン酸
鉛系セラミックスで構成した場合の特性である。そこ
で、上記チタン酸鉛系圧電セラミックスからなる圧電体
２を用いた場合に、図６に示したように、良好な特性が
得られたことに鑑み、圧電体２を構成する圧電材料の圧
電定数ｄ₃₁を変化させた場合の圧電共振子の比帯域幅を
有限要素法により確かめたところ、図７に示す結果が得
られた。図７において、●が３倍波ＴＥ₃ の比帯域幅
を、○が幅モードＷＥの比帯域幅を示す。なお、比帯域
幅とは、共振周波数をｆｒ、反共振周波数をｆａとした
とき、（ｆａ−ｆｒ）×１００／ｆａ（％）で得られる
値である。

【００２８】図７から明らかなように、圧電定数ｄ₃₁を
変化させると、比帯域幅が変化し、特に、２０×１０
^-12 Ｃ／Ｎより大きくすると、幅モードＷＥが大きくな
ることがわかる。従って、圧電定数ｄ₃₁を２０×１０
^-12 以下とすることにより、３倍波ＴＥ₃ の応答を小さ
くすることなく、幅モードＷＥのレスポンスを効果的に
抑圧し得ることがわかる。

【００２９】本実施例の厚み縦圧電共振子１では、上記
のように、圧電定数ｄ₃₁の絶対値が２０×１０^-12 Ｃ／
Ｎ以下の圧電材料を用いているので、厚み縦振動モード
の３倍波ＴＥ₃ を用いた圧電共振子を構成した場合、幅
モードＷＥによる不要スプリアスを効果的に抑制するこ
とができ、良好な共振特性の得られることがわかる。

【００３０】（第２の実施例）図８は、本発明の第２の
実施例に係る厚み縦圧電共振子を説明するための斜視図
であり、図９はその等価回路を示す図である。図８に示
す圧電共振子１１は、第１の実施例に係る厚み縦圧電共
振子１にコンデンサ１２を結合した構造を有する。すな
わち、厚み縦圧電共振子１の下面に、導電性接着剤１
３，１４を介してコンデンサ１２が接合されている。

【００３１】コンデンサ１２では、誘電体基板１２ａの
上面において、所定のギャップを隔てて容量電極１２
ｂ，１２ｃが形成されている。また、誘電体基板１２ａ
の下面には、容量電極１２ｂ，１２ｃと誘電体基板１２
ａを介して表裏対向するように共通電極１２ｄが形成さ
れている。

【００３２】他方、導電性接着剤１３は、上記容量電極
１２ｂと端子電極５とを接合しており、導電性接着剤１
４は、容量電極１２ｃと励振電極４とを共振部外の部分
で接合している。

【００３３】従って、圧電共振子１１は、図９に示すよ
うに、共振子に２個のコンデンサユニットを組み合わせ
た容量内蔵型圧電発振子として用いることができるもの
である。

【００３４】よって、厚み縦圧電共振子１が厚み縦振動
の３倍波を利用した圧電共振子であって、幅モードＷＥ
に起因するスプリアスを効果的に抑制することが可能と
されているので、良好な周波数特性を有する圧電発振子
を提供することが可能となる。

【００３５】（他の変形例）図１０は、本発明の厚み縦
圧電共振子のさらに他の変形例を示す斜視図である。

【００３６】本発明に係る厚み縦圧電共振子は、厚み縦
振動の３倍波を利用した圧電共振子において、圧電体を
構成する材料の圧電定数ｄ₃₁の絶対値を２０×^-12 Ｃ／
Ｎ以下としたことより、幅モードに起因するスプリアス
を抑制したことに特徴を有するものである。すなわち、
エネルギー閉じ込め型の圧電共振子に限定されるもので
はなく、図１０に示すように、エネルギー閉じ込め型で
はない厚み縦圧電共振子にも本発明を適用することがで
きる。

【００３７】図１０に示す厚み縦圧電共振子２１は、矩
形板状の細長いストリップ型の圧電体２２を用いて構成
されており、該圧電体２２は、圧電定数ｄ₃₁の絶対値が
２０×１０^-12 Ｃ／Ｎ以下の圧電材料により構成されて
いる。そして、圧電体２２の上面及び下面の全面に、そ
れぞれ、第１，第２の励振電極２３，２４が形成されて
いる。また、圧電体２２は、厚み方向に一様に分極処理
されている。

【００３８】厚み縦圧電共振子２１においても、圧電体
が上記特定の圧電定数の圧電材料により構成されている
ため、第１の実施例の厚み縦圧電共振子１と同様に、幅
モードに起因する不要スプリアスを効果的に抑制するこ
とができ、良好な共振特性を得ることができる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、矩形板
状の圧電体と、圧電体の両面に形成された第１，第２の
励振電極とを備える厚み縦圧電共振子において、圧電定
数ｄ₃₁の絶対値が２０×１０^-12 Ｃ／Ｎ以下の圧電材料
により圧電体が構成されているので、幅モードや利用す
る３倍波以外の他の高調波に起因する不要スプリアスを
効果的に抑制することができる。よって、共振特性の良
好な厚み縦振動の３倍波を利用した圧電共振子を提供す
ることができる。

【００４０】請求項２に記載の発明よれば、さらに、エ
ネルギー閉じ込め型圧電共振子として構成されており、
一方向のみに振動減衰量を有し、該方向と直交する方向
において、圧電板の端部または端部近傍まで第１，第２
の励振電極が至るように第１，第２の励振電極が形成さ
れているので、共振部の側方に振動減衰部を設ける必要
はない。従って、厚み縦振動の３倍波を用いた圧電共振
子の小型化を促進することができる。

【００４１】また、請求項３に記載のように、圧電体と
して、細長いストリップ型の圧電体を用いた場合には、
厚み縦圧電共振子の小型化を進めることができ、さらに
細長いストリップ型の圧電体を用い、請求項２に記載の
発明に従ってエネルギー閉じ込め型圧電共振子を構成し
た場合には、より一層小型の厚み縦圧電共振子を提供す
ることができる。

【００４２】請求項４に記載の発明によれば、請求項１
〜３の何れに記載の厚み縦圧電共振子に、さらに共振子
の振動を妨げないための空間を隔ててコンデンサが貼り
合わされているので、不要スプリアスが少ない共振特性
の良好な圧電共振子を用いて、容量内蔵型の圧電発振子
を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
を示す斜視図。

【図２】第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子の断面
図。

【図３】図４に示す変位分布が現れている厚み縦圧電共
振子部分を模式的に示す圧電共振子の半断面横断面図。

【図４】幅モードＷＥにおける圧電体の有限要素法によ
り解析された変位分布を示す図。

【図５】従来の厚み縦圧電共振子においてスプリアスと
して現れている幅モードＷＥを説明するためのインピー
ダンス−周波数特性を示す図。

【図６】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
のインピーダンス−周波数特性を示す図。

【図７】圧電定数ｄ₃₁の絶対値と比帯域幅との関係を示
す図。

【図８】本発明の第２の実施例に係る圧電共振子であっ
て、コンデンサ内蔵型圧電共振子を示す斜視図。

【図９】図８に示した圧電共振子の回路構成を示す図。

【図１０】本発明の厚み縦圧電共振子のさらに他の変形
例を説明するための斜視図。

【図１１】厚み縦振動の３倍波を利用した従来の厚み縦
圧電共振子の一例を説明するための分解斜視図。

【図１２】図１１に示した厚み縦圧電共振子の断面図。

【図１３】従来の厚み縦圧電共振子の他の例を説明する
ための斜視図。

【符号の説明】

１…厚み縦圧電共振子 ２…圧電体 ３，４…第１，第２の励振電極 １１…圧電共振子 １２…コンデンサ ２１…厚み縦圧電共振子 ２２…圧電体 ２３，２４…第１，第２の励振電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚
   み縦圧電共振子であって、 矩形板状の圧電体と、 前記圧電体の両面に形成されており、圧電体を介して対
   向された第１，第２の励振電極とを備え、 前記圧電体が、圧電定数ｄ₃₁が｜ｄ₃₁｜≦２０×１０
   ^-12 Ｃ／Ｎの範囲にある圧電材料により構成されている
   ことを特徴とする、厚み縦圧電共振子。
2. 【請求項２】 エネルギー閉じ込め型圧電共振子であっ
   て、一方向のみに振動減衰部を有し、前記方向と直交す
   る方向において、圧電板の端部または端部近傍まで第
   １，第２の励振電極が至るように第１，第２の励振電極
   が形成されている、請求項１に記載の厚み縦圧電共振
   子。
3. 【請求項３】 前記圧電体が細長いストリップ型の圧電
   体により構成されている、請求項１または２に記載の厚
   み縦圧電共振子。
4. 【請求項４】 前記第１または第２の励振電極が形成さ
   れている面に、圧電共振子の振動を妨げないための空間
   を隔てて貼り合わされたコンデンサをさらに備えること
   を特徴とする、請求項１〜３の何れかに記載の厚み縦圧
   電共振子。