JPS60196005A - 圧電単体屈曲振動子及び圧電フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電単体の屈曲振動を利用した振動子及び圧
電フィルタに関するもので、特に一枚の正方形圧電板に
一辺と平行に交差指電極を形成し、支持の容易な鞍形の
屈曲振動を利用するものに係わる。

圧電体の屈曲振動を利用した振動子は、従来。

受話器、スピーカ、ブサー、マイクロフォン。

ピックアップ等の可聴周波用音響、振動センサ。

空中超音波用変換器、あるいは数１００　ＫＨｚ以下の
周波数帯における共振子やフィルタ素子に用いられてい
る。

屈曲振動子の代表的な例としては、２枚の圧電板あるい
は圧電板と金属板を接着剤により貼り合わせたバイモル
フ構造のものが知られている。′−かし、このバイモル
フ構造のものでは接着層の存在の為、共振周波数のばら
つきやＱ（品質係数）の低下がおこり好ましくない。

一方、接着なしの圧電単体屈曲振動子として。

圧電磁器表面に設けた複数個の帯状電極間を交互に分極
し、交流駆動する構成が２例えば、国中（「チタン酸バ
リウムとその応用」昭和４０年オーム社発行１１７頁）
や、近野ら（日本音響学会講演論文集昭和４５年１０月
、　論文隔３−４−１７．４０５頁）によって述べられ
ている。

これらの構成は圧電縦効果を主に利用するようにしたも
のであるが、容量比を小さくすることが出来ない為、こ
れまで殆ど利用されなかった。

これに対し１発明者のうち清水らは、圧電磁器板の表面
に交差指電極（＜シ形電極）を伸縮歪の方向と平行に設
けて圧電横効果を利用するようにした通常のバイモルフ
振動子に匹敵する小さな容量比を持つ圧電単体屈曲振動
子、及び単一モード屈曲振動圧電フィルタについて特願
昭５７−５６３１３号（特開昭５８−１７３．９．１２
　号）に提案している。

本発明者らは更に研究を重ねた結果、貼り合せ構造によ
らない圧電単体屈曲振動子および圧電フィルタで、前記
特願昭５７−５６３１３号のものよシ支持を容易にし且
つスプリアス応答を一段と小さくした圧電単体屈曲振動
子及び３端子あるいは４端子の屈曲振動圧電フィルタを
提供することを目的とする。

本発明は、正方形の圧電板の少なくとも一方の面に複数
の電極が一辺と平行に設けられ、該複数の電極は１つお
きに接続して交差指電極を形成し、該交差指電極に直流
電圧を印加して圧電板に分極処理を施し、前記正方形圧
電板の辺に平行な２つの中心線上で互に逆相の面垂直屈
曲振動をなし、２つの対角線が振動節線となる鞍形の振
動モートを該交差指電極により励振・検出するようにし
たことを特徴とする圧電単体屈曲振動子である。

本発明は、更にこのような圧電振動子を利用したフィル
タを提供する。

本発明によれば、正方形の圧電板を用い、圧電横効果だ
けでなく、圧電縦効果をも相加的に利用することによっ
て１通常のバイモルフ振動子では駆動が不可能であった
鞍形の屈曲振動の励振全可能とｌ〜、支持の容易なスプ
リアス共振応答の極めて少ない特長ある屈曲、振動子及
びフィルタが得られる。

本発明について、その動作原理を説明する。

第１図は本発明による屈曲振動子の基本構造を示すもの
で、交差指電極２及び３が正方形の圧電板１の一辺に平
行となるように構成され。

これら電極は１つおきに周辺部で引出し電極に接続され
ている。そして交差指電極２，３との間に電圧を印加し
、電極の長さ方向とは直角な方向に分極を施しておく。

このような構造にして、２及び３に交流電圧を加えて駆
動すれば圧電横効果と圧電縦効果の駆動力が相加的に加
わることとなり、第２図に示すような、２つの中心線Ａ
−Ｂ及び（、Ｄの上で互に逆相の面垂直屈曲振動をし、
２つの対角線Ｍ−Ｍ’、　Ｎ−Ｎ’を振動節線とする鞍
形の振動モードが励振される。即ち、一方の中心線Ａ　
−、、−Ｂの端が面上方に変位した場合、他方の中心線
Ｃ−りでは端が面下方に変位する。このような振動モー
Ｉ・は２通常のバイモルフ構造によっては励振が困難な
ものである。

本発明による圧電振動子について、共振周波数及び振動
モードを有限要素法により言１算ｌ〜だ。

第５図（ａ）は、圧電板の１／４区域（例えば第２図に
おいて、　ＯＡＭＤで囲まれた区域）における面垂直方
向（Ｚ方向）の変位μ７の分布を平面的に表現したもの
である。斜線の長さがｕＺの大きさを表わしている。こ
の図より１節線０−Ｍより辺に沿って中心線０−Ａ（−
！たは０−Ｄ）に近づく程変位が大きくなり、また、中
心線上では中心より辺に近づく程変位は大きくなってお
シ。

△ＯＡＭと△ＯＭＤの区域内の変位は互に逆相になって
いることを示している。

同図（ｂ）は同様に１／４区域について板の表面におけ
るＸおよびＸ方向の変位ｕ　ｘ　、　ｕ　ｙの変位量を
示すもので１便宜上輪郭の変化だけを示し。

（ａ）図に比べ変位を１０倍に拡大して図示している。

ｕ　ｘ　、　ｕ　ｙは板の上面と下面では大きさが等し
く互に逆位相である。

第３図（ａ）（ｂ）から明らかなように１本発明による
圧電屈曲振動子は＋　ｘ＋ｙ方向の振動の変位は極めて
小さく、主として圧電板の厚さ方向に振動する屈曲振動
であることが明らかである。

前述したように２本発明による鞍形の屈曲振動の振動モ
ードを効果的に励振するための電極形状をめるために、
正方形圧電板の表面の歪分布を計算した。第４図は１／
４区域における歪主値の分布を示したもので、矢印の大
きさと方向が歪の大きさと方向を示す。Ｘ、Ｘ方向の各
伸縮歪Ｓｘｘ、Ｓｙｙが犬きく、Ｘ１面内のすべり歪Ｓ
ｘｙは小さいことを示している。第４図の歪分布から交
差指電極を一辺と平行に配置すれば良いことがわかる。

即ち、圧電横効果に基づく電極指と平行の方向の伸縮歪
と、圧電縦効果に基づく電極指と直角の方向の伸縮歪と
が逆位相で生じ１両者が上記鞍形の振動モードの励振に
対し相加的に働くことになる。

第６図（ａ）および第４図から、振動子の４隅（Ｍ、　
Ｍ’、　Ｎ、　Ｎ”点）では変位ｕ、Ｌと歪Ｓｘｘ、Ｓ
ｙｙが共に零となるため、この４隅をおさえてもこのモ
ードに対する影響は小さく、支持する場合好都合となる
。

本発明における鞍形屈曲振動モードを効率良く励振する
ための交差指電極の活性領域の形と大きさを決めるため
次の計算を行った。

前述の特願昭５７−５６３１３号で明らかにしているよ
うに、圧電横効果利用の場合には、電極幅ａと電極周期
ｐの比ａ／ｐが０，５の時容量比は最小であり、圧電縦
効果利用の場合にはａ／ｐは小さい程容量比が小さくな
り＋　ａ／ｐを０．３にすると、横効果利用の場合の容
量比は縦効果利用の場合のほぼ１／２である。そこで、
圧電横効果と圧電縦効果に直接結びつく対称鞍形モード
の実効的な歪ｌ　ＳＸＸ　ｌ±ｌ５ｙｙ／ｆｌ　の分布
を計算した。その結果を第５図に示した。図では、中心
０での最大値を１０として基準化した等値線で表わした
。（但し、交差指電極の電極指の方向はＸ方向と平行と
する。） 以上のような結果をもとに屈曲振動子を作製した。１辺
が１０鼠で厚さが０．５ｍ＋ａの正方形の圧電磁器板（
東北金属工業■製ジルコン酸チタン酸鉛Ｎ６材）を用い
、　ｐ＝０．５ｍ＋ｎ、　ａ／ｐを０２゜０．３．０．
５とし、活性領域がなるべく広くなるように活性領域の
輪郭を第５図の４の等値線にほぼ合せた交差指電極を両
面に形成し、その容量比γとアドミタンス特性を測定し
た。その結果を第６図に示す。主振動の共振周波数は１
４゜９Ｋ　Ｈｚで、容量比γが１１〜１２．５とかなり
小さい振動子が得られることを示している。また。

Ｂ／ｐが０．２のときはスプリアス応答は非常に小さい
が＋　ａ／ｐが０．３．０．５と大きくなる程スプリア
ス応答が大きく現われている。特に、第７図に示すよう
な、主振動の節線と同じく２つの対角線を節線とするモ
ードのスプリアス応答が大きい。そこで、これらのスプ
リアスを抑圧するため次の計算を行なった。

容量比γは、電極面積（活性領域の面積）Ａに比例し、
そのモードの歪Ｓを活性領域内で積分したものの２乗に
反比例する。すなわち。

から、全面電極時（板の全面積Ａ。を活性領域とする）
の容量比γ。に対する活性領域（面積をＡとする）を変
えたときの容量比γの比γ／γ。

は次式で表わすことができる。

交差指電極の活性領域を対称に変化させるように第８図
に示すｔを変えたときの主振動およびスプリアス応答の
モード（第７図に示すモード）における式（１）の値を
計算した。その結果を第９図に示しであるが、第７図に
示したモードの゛スゲリアス応答を同時に抑圧するため
には／！／ｌ。

−〇、４２とすればよいことがわかる。第１０図（ａ）
（ｂ）はこれを実証するための実験結果である。同図（
ａ）は出来るだけ全面電極に近くなるよう交差指電極を
設けた場合（ｔ／ｌｏ′−０，８となる）、また同図（
ｂ）は１７１ｏ＝　０．４２となるように電極を形成し
た場合、の各入力アドミタンス特性を示したものである
。ｔ／ｌｏ＝　０．４２の場合、スプリアス応答が大幅
に抑圧されることが実験的に確認された。なお、主振動
の容量比γは約１７となり。

全面電極時（γ＝１１．５）の１．５倍で第９図の計算
結果とも良く一致している。

以上９本発明による振動子の実施例を用いて説明したが
、正方形の圧電板に一辺と平行に交差指電極を形成する
ことにより、圧電横効果及び圧電縦効果を相加的に利用
し、従来のバイモルフ振動子に匹敵する小さな容量比を
持ち、しかも接着層のない、支持が容易な、スプリアス
応答の少ない圧電単体屈曲振動子が得られることを明ら
かにした。

次に１本発明の他の一つである圧電フィルタについて説
明する。

上記の屈曲振動子を応用し、三端子あるいは四端子の単
一モードフィルタを構成するものである。

本発明による圧電フィルタは一枚の正方形圧電板に一辺
と平行に交差指電極を二種類形成し。

一方の電極から信号を入れて屈曲振動を励振し。

これを他の一方の電極で電気信号に変換して取出すもの
である。

その具体例を第１１図以降に示す。

第１１図は、圧電板１の片面に交差指電極を形成するも
ので、一方の電極を中央で４と６の二つの電極に分割し
、一方を六方用、他方を出力用の電極とし、電極５を共
通電極とした三端子（あるいは四端子）フィルタである
。同図（ｂ）は（ａ）図のＡＢでの断面を示したもので
、記号７，８は電極４，６と接続された入力及び出力用
端子である。記号９は共通電極をアース電極に接続する
ための取出し電極である。

第１２図は、圧電板１の両面に第１１図と同様の電極を
表裏が対向するように形成したもので。

７．８は夫々表裏の対向する電極４及び６と夫夫接続さ
れた入力及び出力用の端子で、９は表裏の電極５に接続
した共通端子である。

第月図、第１２図では、交差指電極を中央で２つに分割
し、入力用と出力用の電極としたが。

第１３図、第１４図はその電極の分は方を変えて。

入力用電極と出力用電極が交互に入り組んだ形に配置さ
れるようにした例を示したものである。

第１３図は６分割にした場合で、電極４，４′が入力用
、６．６’及び７，７′が出力用の各端子で（６と７は
接続される）、５．５’は共通端子である。第１４図で
は、共通電極５，５′をミアングライン（ジグザグ線路
）状とし、その両側に入力用電極４，４′と出力用電極
６，６′を配置したものである。このような電極配置に
すると、第１１図、第１２図の電極を２分割にしたこと
によって生ずるスプリアス応答が抑圧畑れ、特性が改善
される。

第１５図に第１３図の電極を用いた単一モード三端子フ
ィルタを構成した場合のフィルタ特性の一例を示す。

以上１本発明の圧電フィルタの構成について説明したが
１本発明によれば、比較的低周波で低損失のフィルタが
比較的小さな寸法で実現可能となり、しかもバイモルフ
振動子のような接着層がないため、特性のバラツキが小
さくなり。

さらには鞍形の振動モードをとるために、２つの対角線
が振動節線となシ支持が極めて容易となる。また、スプ
リアス共振応答は高い周波数領域まで抑圧されて、高品
位の圧電フ、イルタの提供が可能となった。

なお２本発明における電極の形成は、銀粉のスクリーン
印刷塗布、スパッタリング法、蒸着法など従来の技術で
十分であり、フォトエノチフグ法によシ任意の形状の電
極を容易に作製することができるから、主振動を強く励
振しスプリアス応答を抑圧するような歪分布に合せて交
差指電極の活性領域を決めることが可能である。

この他１本発明によって得られる単一モードフィルタで
、同じ特性の複数個のフィルタを結合容量などを用いる
ことなく直接縦続に接続することにより、容易に高選択
度のフィルタとすることが可能で、これらも本発明に含
まれることは当然である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による屈曲振動子の基本構造を示す平面
図、第２図は第１図の屈曲振動子の振動モードを説明す
る図、第３図（、）は圧電板の１／４区域における面垂
直方向の変位の分布を平面的に表わした図、第５図（ｂ
）は同じ＜１／４区域における板の表面におけるＸおよ
びｙ方向の変位量を示した図。 第４図は１／４区域における歪主値の分布を示す図。 第５図は対称鞍形モードの実効的な歪の分布を示す図。 第６図は電極幅ａと電極周期ｐを変化したときの屈曲振
動子のアドミタンス特性を示す図。 第７図は振動モードを示す図。 第８図は交差指電極の活性領域を示す図。 第９図は活性領域と容量比との関係を示す図。 第１０図（ａ）　、　（ｂ）は、異なる活性領域のもの
のアドミッタンス特性を示す図。 第１１図は圧電フィルタの実施例を示す図で。 （、）図は平面図、（ｂ）図はＡ−Ａ断面図。 第１２図〜第１４図は圧電フィルタの他の異なる実施例
を示す図で、（ａ）図は平面図、（ｂ）図は断面図。 第１５図は、第１３図の電極構成を用いた三端子フィル
タのフィルタ特性を示す図である。 １・・・圧電磁器板、　２，３・・・交差指電極。 ４．４′・・・入力用端子、５．５’・・・共通端子。 ６．６’、７．７’・・・出力用端子。 第５図 第９図 １ １７ム 第１０園 周　〃υ　姿賢　ｆ（ＫＨｚ） （ｂ） 周波　敗　ｆ　（ＫＨｚ） 第１２図　（０）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）正方形の圧電板の少なくとも一方の面に複数の電極
   が一辺と平行に設けられ、該複数の電極は１つおきに接
   続して交差指電極を形成し、該交差指電極に直流電圧を
   印加して圧電板に分極処理を施し、前記正方形圧電板の
   辺に平行な２つの中心線上で互に逆相の面垂直屈曲振動
   をなし、２つの対角線が振動節線となる鞍形の振動モー
   ドを該交差指電極によシ励振・検出するようにしたこと
   を特徴とする圧電単体屈曲振動子。 ２）正方形の圧電板の少なくとも一方の面に一辺と平行
   な電極指をもつ交差指電極を形成し、該交差指電極に直
   流電圧を印加して圧電板に分極処理を施し、前記正方形
   圧電板の２つの中心線上で互に逆相の面垂直屈曲振動を
   なし、２つの対角線が振動節線となる鞍形の振動モード
   を利用するようにした前記第１項の圧電単体屈曲振動子
   において、前記交差指電極を振動励振用と検出用の２つ
   に分け、３端子または４端子のフィルタを形成させたこ
   とを特徴とする圧電フィルタ。 ３）前記第１項の圧電単体屈曲振動子において。 前記交差指電極の形状を、主振動の鞍、形屈曲振動モー
   ドを強く励振させ、しかもスプリアスモードの励振を抑
   圧するように該振動子のひずみ分布に合わせて形成した
   ことを特徴とする振動子およびこの振動子を利用した圧
   電フィルタ。