JPH0221690B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、圧電体の屈曲振動を利用した振動子
及び圧電フイルタに関するもので、特に一枚の正
方形圧電板に対角線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、ブザー、マイクロフオン、ピ
ツクアツ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100kHz以下の周
波数帯における共振子やフイ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板の圧電
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。し
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、例えば、田中
（「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No.３−４−17、405頁）
によつて述べられている。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
んど利用されなかつた。

これに対し、発明者のうち清水らは、圧電磁器
板の表面に交差指電極（くし形電極）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
屈曲振動圧電フイルタについて特願昭57−56313
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
イルタで、前記特願昭57−56313号のものより支
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イ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
に複数の電極が対角線と平行に設けられ、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する方法によ
り該圧電板に分極処理を施こして、前記正方形圧
電板の２つの対角線上で互に逆相の面垂直屈曲振
動をなし、十字形の節線をもつ鞍形の振動モード
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。

また本発明は正方形の圧電板の少なくとも一方
の面に対角線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する方法
により該圧電板に分極処理を施こして、前記正方
形圧電板の２つの対角線上で互に逆相の面垂直屈
曲振動をなし、十字形の節線をもつ鞍形の振動モ
ードを利用するようにした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端子のフイルタを形
成させたことを特徴とする圧電フイルタである。

本発明は、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して、
通常のバイモルフ振動子では駆動が不可能であつ
た鞍形の屈曲振動の励振を可能とし、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
曲振動子及びフイルタを提供するものである。

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の対角線方向に平行となるように構成され、
これらの電極は１つおきに周辺部で引き出し電極
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
向に分極を施こしておく。

このような構造にして、２及び３に交流電圧を
加えて駆動してやると、圧電縦効果と圧電横効果
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つの対角線Ａ−Ｂ及びＣ−Ｄの上
で互いに逆相の面垂直屈曲振動をする十字形の節
線（Ｍ−M′，Ｎ−N′線）を持つ鞍形の振動モー
ドが励振される。即ち、一方の対角線Ａ−Ｂの端
が面上方に変位した場合、他方の対角線Ｃ−Ｄで
は端が面下方に変位する。このような振動モード
は、通常のバイモルフ構造によつては励振が困難
なものである。

本発明による圧電振動子について、共振周波形
及び振動モードを有限要素法により計算した。第
３図ａは、圧電板の1/4区域（例えば第２図にお
いてOM′BN′で囲まれた区域）における面垂直方
向（Ｚ方向）の変位Uzの分布を平面的に表現し
たものである。斜線の大きさがUzの大きさを表
わしている。この図よりｘ（あるいはｙ）方向に
沿つて、節線Ｏ−M′（あるいはＯ−N′）より板１
の端に近づくに従つて変位が大きくなり、また対
角線上でも中心Ｏより離れるに従つて大きくなつ
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及びｙ方向の変位Ux，Uyの変位量を示
すもので、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。Ux，
Uyは板の上面と下面では大きさが等しく互いに
逆位相である。

第３図ａ，ｂから明らかなように、本発明によ
る圧電屈曲振動子は、ｘ，ｙ方向の輪郭振動の変
位は極めて小さく、主として圧電板の上下方向に
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、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為の電極形状を
求めるために、正方形圧電板の表面の歪分布を計
算した。この結果によると、伸縮歪Sxx，Syyに
比べすべり歪Sxyが周辺部を除いて２ケタ程大き
い。（但しSxxはｘ方向の伸縮歪、Syyはｙ方向
の伸縮歪、Sxyはxy面内のすべり歪である。） すべり歪Sxyは周辺部で急激に小さくなつてい
る。そのSxyの計算結果を第４図に示した。Sxy
は両対角線方向の互に逆相の伸縮歪の和で表わさ
れるから、このモードの励振には、交差指電極を
正方形圧電板の対角線に平行に配置すれば良いこ
とが分る。即ち、圧電横効果に基づく電極指と平
行の方向（一方の対角線の方向）の伸縮歪と、圧
電縦効果に基づく電極指と直角の方向（他方の対
角線の方向）の伸縮歪とが逆位相で生じ、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。

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

前述の特願昭57−56313号で明らかにしている
ように、圧電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
容量比が小さくなることからａ／ｐを0.3にする
ことにすると、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線結びつく歪の主値（主方
向は殆ど対角線方向）をS₀₁，S₀₂とし、 ｜S₀₁｜＋｜S₀₂／√２｜と、｜S₀₁／√２｜＋｜
S₀₂｜ の分布を計算した。圧電板の半分についてその結
果を第５図に示した。図では、中心Ｏ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、
図中の矢印は交差指電極の方向を示す。） 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10mmで厚さが0.5mmの正方形の圧電磁器
板（東北金属工業(株)製ジルコン酸チタン酸鉛N6
材）を用い、ｐ＝0.5mm、ａ／ｐ＝0.3とし、第５
図の９，８，７，６の等値線に活性領域の輪郭を
ほぼ合わせた交差指電極を、第６図ａの様に板の
両面に形成し、その容量比を測定した。（第６図
ａの電極パターンを表わす９，８，７，６は第５
図の等値線の値９，８，７，６との意と同じ。）
その結果が同ｂ図で、電極パターン７あるいは６
とすることにより、即ち駆動電極の活性領域を広
くすることにより、11〜12位の小さい容量比の振
動子が得られることを示した。

次ぎに、上記の振動子のうち電極パターン７の
振動子を用い、両面駆動と片面駆動のアドミタン
ス特性を測定した結果を第７図のａ，ｂに夫々示
す。共振周波数10.293kHzに対し、片面駆動では
120kHz迄は殆どスプリア応答が現われず、両面
駆動では更らに260kHz迄殆ど現われないことが
示されている。

以上、本発明による振動子の実施例を用いて説
明したが、正方形の圧電板に対角線方向と平行に
交差指電極を形成してやることにより、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
かも接着層のなく、支持が容易な圧電単体屈曲振
動子が得られることを明らかにした。

次ぎに、本発明のもう一つである圧電フイルタ
について説明する。

上記の屈曲振動子を応用し、３端子あるいは４
端子の単一モードフイルタを構成するものであ
る。

本発明による圧電フイルタは、１枚の正方形圧
電板に対角線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、これをもう一方の電極で電気信号に変換して
取り出すものである。

その具体例を第８図以降に示す。

第８図は、圧電板１の片面に交差指電極を形成
するもので、電極をほぼ中央で４と６の２つの電
極に分割し、一方を入力用、他方を出力用の電極
とし、電極５を共通電極とした３端子（あるいは
４端子）フイルタである。同図ｂはａ図のＡ−
A′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は共通電極に接続されたアース端子であ
る。

第９図は、圧電板１の両面に第８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は夫々表裏の対応する電極４及び６と夫々接続
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８図，第９図では、交差指電極をほぼ中央で
２つに分割し入力用と出力用の電極としたが、第
１０図と第１１図はその電極の分け方を変えて、
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。す
なわち、共通電極５をミアンダライン（ジグザク
線路）状とし、その両側に入力用電極４と出力用
電極６を配置したものである。このような電極配
置にすると、入力用電極も出力用電極もそれぞれ
に良好な対称性が保たれるため、第８図，第９図
の電極に比しスプリアス共振応答が大幅に減少
し、特性が改善される。また、第１２図、圧電板
１の両面に交差指電極を形成し、これを板１の面
内で分割せずに、一方の面の電極を入力用、他方
の面の電極を出力用として４端子フイルタにした
ものである。７，７′は入力端子、８，８′は出力
端子である。

第１３図に、第１０図の電極を用いた単一モー
ド３端子フイルタを構成した場合のフイルタ特性
の一例を示す。

以上、本発明の圧電フイルタの構成について説
明したが、本発明によれば、比較的低周波で低損
失のフイルタが比較的小さな寸法で実現可能と
し、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、中心を含む十字
形線状に振動節の線を有するため支持が極めて容
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
となつた。

なお、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、スパツタリング法、蒸着法な
ど従来の技術で十分であり、またフイルタにおけ
る交差指電極の形成は第６図ａと同様に歪分布の
いずれの等値線にそつたものでも良いことは当然
で、何んら限定を加えるものではない。

この他、本発明によつて得られる単一モードフ
イルタで、同じ特性の複数個のフイルタを、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イルタとすること
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、圧電板の振動モードを
説明する図、第３図は、同振動モードにおける圧
電板の1/4区画における振動変位の分布を示す図
で、ａ図は面に垂直な方向（ｚ方向）の振動変位
を示す図、ｂ図は辺方向（ｘ，ｙ方向）の変位を
示す図、第４図は同振動モードにおける表面のす
べり歪を圧電板の1/4区画について示す図、第５
図は、同振動モードにおける歪分布を圧電板の半
分について示す図、第６図ａは第５図の歪等値線
６，７，８，９に対応した輪郭をもつた交差指電
極パターンの平面図、第６図ｂは電極パターン形
状による容量比の変化を示す実測値、第７図は電
極パターン７を用いた振動子のアドミツタンス周
波数特性図で、ａ図は両面駆動の場合、ｂ図は片
面駆動の場合、第８図，第９図および第１２図は
圧電フイルタのそれぞれ互いに異なる実施例を示
し、いずれもａ図は平面図で、ｂ図は、ａ図にお
けるＡ−A′線断面図、第１０図および第１１図
は、圧電フイルタの他の実施例を示す図、第１３
図は第１０図の３端子フイルタのフイルタ特性を
示すグラフである。 １……圧電磁器板、２，３，４，５，６……交
差指電極、７，７′，８，８′，９，９′……端子。

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
   の電極が対角線と平行に設けられ、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する方法により該圧電
   板に分極処理を施こして、前記正方形圧電板の２
   つの対角線上で互に逆相の面垂直屈曲振動をな
   し、十字形の節線をもつ鞍形の振動モードを該交
   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。 ２ 正方形の圧電板の少なくとも一方の面に対角
   線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する方法により該圧
   電板に分極処理を施こして、前記正方形圧電板の
   ２つの対角線上で互に逆相の面垂直屈曲振動をな
   し、十字形の節線をもつ鞍形の振動モードを利用
   するようにした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端子のフイルタを形成させた
   ことを特徴とする圧電フイルタ。