JPH0828643B2 - 圧電振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、弱電回路においてフィルタなどに使用され
る圧電振動子に関するものである。

（従来の技術） 単結晶からなる圧電体、例えば水晶体を使用した多重
モード型の水晶フィルタが弱電回路に使用されている。
この水晶フィルタは、水晶体の電気的な共振特性を示す
Ｑ値が極めて高く、即ち共振特性が尖鋭のため伝搬特性
等が優れた電気的性能を有している。そして、水晶体
は、通常、厚み系の振動モードで励起され、三次曲線と
なる良好な温度特性を示すため、旧来より業務用等の高
級な通信機器、特に狭帯域用のフィルタとして使用され
てきた。そして、近年では、情報量の増加等により、通
過帯域幅が広くて、通過帯域外における保証減衰量が十
分である水晶フィルタの出現が望まれている。

第４図は、多重モード型の水晶フィルタの一従来例を
示す図であり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は平面
図を示す。

この水晶フィルタは、水晶板10の両主板面上に一組の
対をなす入力電極11a,11bと出力電極12a,12bとを形成
し、片方の板面側の入、出力電極11b,12bをそれぞれ接
地して共通電位としている。尚、第４図（ｂ）に示す13
は、各入、出力電極（11a,11b），（12a,12b）から外周
部に延出した引出し電極である。そして、第５図の変位
分布曲線図に示すように、この水晶フィルタは、片方の
板面側の入、出力電極11a,12aと対向する他方の板面側
の入、出力電極11b,12bとにより対称モードFsを励起し
それぞれ対をなす入力電極11aと11b、及び出力電極12a
と12bとにより斜対称モードFaを励起して多重モードと
している。そして、通常では、第６図の共振特性図に示
すように、水晶フィルタの通過帯域幅BWを、大略、対称
モードFsの共振周波数fs₁と斜対称モードFaの反共振周
波数fa₂との間にして設計するようにしている。なお、
第６図において、横軸は振動周波数（ｆ）、縦軸はリア
クタンス（Ｘ）であり、Fsは対称モード、Faは斜対称モ
ードの共振特性であり、fs₂は対称モードの反共振周波
数、fa₁は斜対称モードの共振周波数を示している。

そして、一般に、水晶フィルタの通過帯域幅BWは、入
力側の電極11aと出力側の電極12aの電極間距離Ｇ（第４
図）を可変して音響的結合の度合いを調整し決定してい
る。しかしこの電極間距離Ｇの可変は、入力側の電極11
aと出力側の電極12aとの入出力電極間容量Ｃを変化させ
るので、通過帯域外の保証減衰量に影響を与える。即
ち、入出力電極間容量Ｃが大きいほど減衰極が通過帯域
近傍に生じ易くて保証減衰量が少なくなり、入出力電極
間の音響的結合を強くして通過帯域幅BWを広くしようと
すると、入出力電極間容量Ｃが大きくなって充分な保証
減衰量を得ることができない問題があった。

第７図は、逆接続型の水晶フィルタの断面図である。
すなわち、この水晶フィルタは、前述した問題点を解決
するための一従来例であり、圧電板10の両主板面上に形
成した入、出力電極（11a,11b），（12a,12b）のうち、
一方の板面側の入力電極11bと他方の板面側の出力電極1
2aとを共通電位としている。そして、これにより、入、
出力電極11aと12bとの入出力間の電極間容量Ｃを小さく
して保証減衰量を大きくし、通過帯域幅BWBを広げてい
る。

第８図（ａ），（ｂ）は、更に通過帯域幅を広げた逆
接続型の水晶フィルタの断面図であり、前述の共通電位
となる入、出力電極11bと12aとをそれぞれ圧電板10を２
等分する中心線まで延出させ、突出部11c,12cを設けて
いる（同図ａ）。又は、入、出力電極間の中心線上の圧
電板部分に質量14を付加している（同図ｂ）。そして、
突出部11c,12c、あるいは質量14の付加効果により、対
称モードFsの共振周波数fs₁を主に低下させ、通過帯域
幅BWを広げていた。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、第８図（ａ）の水晶フィルタでは、中心周
波数や通過帯域幅BWの微調整の際は、入、出力電極（11
a,11b），（12a,12b）の表面上に質量を付加して、所望
の特性となるように行なわれる。例えば、通過帯域幅BW
を広げようとする場合には、振動変位量が対称モードFs
では最大となり、斜対称モードFaでは最小となる圧電板
10の中心線（ｐ）上に、質量を付加し微調整を行なう。
このため、質量として金属からなる調整膜が電極周辺の
圧電板面上に付着して電極としての作用を生じ、例えば
設計時の諸特性が変化する等の弊害を招いていた。この
弊害の防止のため、例えば突出部11c,12cに質量を付加
することが考えられる。しかし、この場合には、対称モ
ードFsの共振周波数の変化量が少な過ぎるとともに、例
えば中心線に対し付加質量の対称性を失うので、振動特
性を損じてスプリアスの発生等、電気的性能を低下する
原因となっている。

また、第８図（ｂ）の水晶フィルタでは、付加質量14
の機械的な量やその位置を制御することが困難のため、
通過帯域幅BWにバラツキを生じ、生産性を悪くする問題
があった。

以上のように、従来の逆接続型の水晶フィルタにあっ
ては、多重モードとする電極配置の関係等から、作業性
や電気的特性が良好であり、通過帯域幅が広く且つ充分
な保証減衰量を得ることが困難であった。

本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、
その目的は通過帯域外の保証減衰量を維持して、通過帯
域幅を広くでき、かつ、作業性及び電気的特性の良好な
圧電振動子フィルタを提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、圧電板の表裏主面にそれぞれ対向す
る電極を２対配置し、断面方向からみて対角線方向の２
つの電極を電気的に共通接続して、残りの１つの電極と
上記の対向する電極間を入力端とし、他の残りの電極と
対向する電極間を出力端とした圧電振動子において、前
記圧電板は、円型又は矩形の圧電素子で一体に形成さ
れ、前記各電極は前記圧電板上に振動伝播方向と直角方
向の幅が同一幅で形成されており、前記互いに電気的に
共通接続されている対角線方向の２つの電極の端部を圧
電板の中央方向にそれぞれ延出させて、圧電板を挟んで
対向せしめ、かつ重なって対向する振動伝播方向の幅を
入出力の電極の振動伝播方向の幅の0.8倍以下とした圧
電振動子が提供される。

（作用） 本発明は対角線方向の二つの電極の端部をそれぞれ延
出させて圧電板を挟んで対向させ、該対向する電極の部
分を所定の大きさとしたので、通過帯域外の保証減衰量
が維持できるとともに、所定の通過帯域幅を得られる作
用がある。

（実施例） つぎに、本発明の実施例について図面を用いて詳細に
説明する。

第１図は本発明に係る圧電振動子の一実施例を示す断
面図であり、第２図はその平面図を示す。

第1,2図において、１は水晶板であり、圧電素材とし
て水晶の結晶体より、例えばATカットにて切出され、厚
み系の振動が励起される円板状の水晶片を用いている。
そして、水晶板１の両主面には、一組の対をなす矩形状
の電極（2a,2b），（3a,3b）が設けられ、さらにこれら
電極より引出電極（2c,2d），（3c,3d）が、それぞれ、
水晶板１の外周端部に延引されて設けられている。な
お、対をなす電極2a,2bを例えば入力側とし、他の対を
なす電極3a,3bを出力側にしている。

水晶板１の片方の板面に設けられた入力側の電極2a
と、他方の板面に設けられた出力側の電極3bとは結晶軸
x,y′,z′のｘ軸方向を２等分する中心線Ｐを軸とし
て、対称に配置され、互いに同一面積に形成されてい
る。また、電極2aと対をなす電極2bは、外周方向の端部
の配置を電極2aの端部と水晶板１を挟んで同一配置に揃
えられ電極2aより大きい面積を有し、内側方向端部は中
心線Ｐを越えて、同一板面上の電極3b方向に張出して設
けられている。なお、電極3bと対をなす電極3aは、外周
方向の端部の配置を電極3bに揃えられ、電極3bより大き
い面積を有し、内側方向の端部は中心線Ｐを超えて、同
一板面上の電極2aの方向に突設されている。したがっ
て、電極2bと電極3aとは、それぞれの板面上にて中心線
Ｐを超えて配設されているので、水晶板１を挟んだ対向
部分ａを有することとなり、さらに、これらの電極2bと
3aとを共に接地して共通電位を与えることにより、逆接
続型の圧電振動子が構成されることになる。

第３図（ａ）および（ｂ）は、その周波数伝播特性を
示す図であり、電極2bと電極3aとの対向重畳部分の寸法
ａの長さにより、通過帯域内、同図（ａ）又は通過帯域
外、同図（ｂ）にスプリアスが発生することを示してい
る。第３図（ｃ）は、この対向重畳部分ａの長さが電極
2aまたは3bの長さに対する比率の値（対向重畳部分ａの
比）とスプリアス周波数fo1の発生位置の関係を示す曲
線図で、横軸を対向重畳部分ａの比とし、縦軸を中心周
波数foに対するスプリアス周波数fo1の発生位置として
いる。なお、スプリアス周波数fo1の発生位置は中心周
波数foとの差（fo1−fo）を帯域周波数BWで除算して基
準化している。即ち、第３図（ｃ）の曲線図は、対向重
畳部分ａの比を次第により０より漸次増加させると、ス
プリアス周波数fo1の発生位置は中心周波数foに近づ
く。そして、対向重畳部分ａ合の比が略0.8のとき、ス
プリアスfo1の発生位置は、（fo1−fo）/BWが0.5になる
ので、通過帯域BWの上限周波数近傍になる。そして、対
向重畳部分ａの比が略0.5のとき、（fo1/fo）/BWが0.
9、即ち通過帯域幅BWの上限から0.4BWの位置になること
を示している。なお、対向重畳部分ａの比が略0.4のと
き、スプリアスfsの符号イで示す立下り位置が通過帯域
幅BW外になり通過帯域内の特性を劣化させない。

そして、この対向重畳部分ａの比を略0.5以下にする
と、スプリアスの発生位置が通過帯域幅BWの上限から0.
4BW以上離れた位置になるので、通過帯域外における実
用上のスプリアスの影響を防止できる。

このような構成による本実施例においては、二対の電
極が逆接続型の圧電振動子として形成されているので、
入力側の電極2aと、出力側の電極3bとが、互いに反対側
の板面上にあり、入出力で電極間の圧電板中の等電位面
を形成するため入出力電極間容量Ｃが小になるので、フ
ィルタとして使用の場合、所定の無減衰極型減衰特性を
得ることができる。また、共通電位となる電極2bと、3a
とをそれぞれ中心線Ｐを超えて対向させたので、斜対称
モードの最小変位部分で対称モードの最大変位部分の質
量付加効果により、斜対称モードの反共振周波数に比し
て、対称モードの共振周波数を低下させて通過帯域幅を
広げるように作動する。

そして、共通電位となる電極2bと3aとの対向部分ａの
長さを、電極2aまたは3bの長さに対して比較した値が0.
8以下の値に設定すると、スプリアスfo1の位置が中心周
波数foより離れて、帯域外になるので帯域内におけるス
プリアスの発生による特性の劣化を防止できる。

なお、上述の実施例においては圧電素材として水晶の
結晶体より切出した円板状の水晶片を用い、矩形状の電
極を設けた圧電振動子について説明したが、本発明は圧
電素材として水晶に限定することなく、例えばLiTaO₃,L
iNbO₃などの単結晶からなる圧電素材も用いられ、さら
に、圧電板や電極の形状も前記の形状に限定するもので
はない。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明は入力側の片方の
電極と、反対板面に設けた出力側の電極とをそれぞれ接
地して共通電位となし、またこれら電極をそれぞれ中心
線を超えて互いに対向する部分を設けたので、周波数の
微調整の際には、上記の対向する部分に所定の質量を付
着させることができ、圧電板面に直接の付着がないた
め、圧電振動子の特性を損ずることのない調整が行え、
生産性が向上する効果を生ずる。

また、本発明によれば、対向する電極の部分は斜対称
モードと対称モードの互いの対応により、斜対称モード
の反共振周波数に比して対称モードの共振周波数を低下
させるので、帯域幅を広げられる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電振動子の一実施例を示す断面
図、第２図はその平面図、第３図（ａ）、（ｂ）は、そ
の周波数伝播特性を示す図、第３図（ｃ）は、同図
（ｂ）におけるスプリアス発生位置比（fo1−fo）/BWを
第１図に記載の対向重畳部分ａの比との関係をそれぞれ
示したものであり、第４図は従来の水晶フィルタの一例
の断面図、平面図、第５図は水晶フィルタの変位分布
図、第６図は水晶フィルタの共振特性図、第７図は逆接
続型水晶フィルタの断面図、第８図は逆接続型水晶フィ
ルタの周波数調整時の説明図である。 １……水晶板、2a,2b,3a,3b……電極、ａ……対向した
電極の部分。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電板の表裏主面にそれぞれ対向する電極
   を２対配置し、断面方向からみて対角線方向の２つの電
   極を電気的に共通接続して、残りの１つの電極と上記の
   対向する電極間を入力端とし、他の残りの電極と対向す
   る電極間を出力端とした圧電振動子において、 前記圧電板は、円型又は矩形の圧電素子で一体に形成さ
   れ、 前記各電極は前記圧電板上に振動伝播方向と直角方向の
   幅が同一幅で形成されており、 前記互いに電気的に共通接続されている対角線方向の２
   つの電極の端部を圧電板の中央方向にそれぞれ延出させ
   て、圧電板を挟んで対向せしめ、かつ重なって対向する
   振動伝播方向の幅を入出力の電極の振動伝播方向の幅の
   0.8倍以下としたことを特徴とする圧電振動子。