JPH10335968A

JPH10335968A - 積層型圧電共振子およびラダー型フィルタ

Info

Publication number: JPH10335968A
Application number: JP14014597A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Yoshimura; 健一吉村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1998-12-18

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構造の圧電共振子およびラダー型
フィルタを提供する。【解決手段】圧電体層１０と電極層１１とを交互に積層
してなり、電極層１１の端部が対向する側面に交互に露
出した共振子本体１２と、該共振子本体１２の両側面に
それぞれ形成され、電極層１１の端部を相互に接続する
一対の帯状取出電極１５とを備えてなり、圧電体層１０
が積層方向の伸び振動を行うものであり、帯状取出電極
１５の幅が０．１〜０．３ｍｍであることが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、積層方向の伸び振
動モードを利用した積層型圧電共振子およびこの積層型
圧電共振子を用いたラダー型フィルタに関するもので、
例えば、フィルタ、発振子その他種々の用途に用いられ
る積層型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、図９に
示すように拡がり振動モードを用いた円板状圧電共振
子、図１０に示すように拡がり振動モードを用いた正方
形板状圧電共振子、さらには図１１に示すように長さ方
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。図において、符号１は圧電体層、符号２は電極層を
示す。

【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帯域幅ΔＦ
（Ｆａ−Ｆｒ）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】

【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。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】ところで、従来、特開昭６１−１３３７１
５号公報に開示されるように、拡がり振動モードを利用
した積層型圧電共振子が知られていたが、このような積
層型圧電共振子では、正方形板の対角方向拡がり振動モ
ードを用いているため、材料的に電気機械結合係数Ｋｐ
を５０％程度まで大きくすることは可能であるが、例え
ば、４５５フィルタとして用いる場合には、正方形の一
辺が約５ｍｍ程度となり、厚みとしては、０．３〜１．
０ｍｍ程度となり、これ以上の小型化は不可能であっ
た。

【０００９】また、実開昭６０−１１９１３３号公報に
開示されるように、長さ方向の振動モードを利用した積
層型圧電共振子が知られていたが、このような積層型圧
電共振子では長さ方向の振動モードを利用していたた
め、電気機械結合係数Ｋ₃₁は３０〜４０％程度と小さ
い。材料的にも電気機械結合係数Ｋ₃₁は４０％程度が上
限であり、フィルタ等に使用するには十分な帯域幅△Ｆ
を確保できなかった。

【００１０】本発明は、従来の圧電共振子の欠点を解消
し、より小型でかつ共振子の電気機械結合係数、及び容
量の調整が可能な積層型圧電共振子およびラダー型フィ
ルタ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】本発明の積層型圧電共振
子は、圧電体層と電極層とを交互に積層してなり、前記
電極層の端部が対向する側面に交互に露出した共振子本
体と、該共振子本体の両側面にそれぞれ形成され、前記
電極層の端部を相互に接続する一対の帯状取出電極とを
備えてなり、前記圧電体層が積層方向の伸び振動を行う
ものである。ここで、帯状取出電極の幅が０．１〜０．
３ｍｍであることが望ましい。

【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
記積層型圧電共振子からなるものである。

【００１３】

【作用】本発明の積層型圧電共振子は、上記に示した構
成により、分極方向の伸び振動の電気機械結合係数の大
きな材料を用いることで、積層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。

【００１４】ＰＺＴ系の材料の結合係数は、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、特に、圧電体層とし
てＰＺＴ系の材料を用いた場合においてはその効果が大
きい。ＰＺＴ系の材料の電気機械結合係数Ｋ₃₃は５０％
以上、７０％程度である。

【００１５】また、この様な積層構造の共振子において
は、対向電極の数や、電極間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。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得ることができる。

【００１６】さらに、帯状取出電極の幅を０．１〜０．
３ｍｍとすることにより、取出電極の断線を防止できる
とともに、対向した取出電極間や、取出電極と電極層間
における不要な容量の発生を抑制できる。またこの幅と
することにより、共振子の振動を妨げることがない。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の積層型圧電共振子
を示すもので、図１において、符号１０はＰｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ₃を主成分とする圧電体層を示している。この
圧電体層１０としては、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ
₃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。

【００１８】そして、５層の圧電体層１０と、４層のＡ
ｇ−Ｐｄ等の導電材料からなる電極層１１が交互に積層
され、共振子本体１２が形成されている。電極層１１
は、その端部が交互に共振子本体の側面に露出してお
り、これらの電極層１１の端部が、共振子本体１２の両
側面に形成された帯状取出電極１５により接続されてい
る。

【００１９】この帯状取出電極１５は、図１に示すよう
に、その幅Ｂを０．１〜０．３ｍｍとすることが望まし
い。帯状取出電極１５の幅が０．１ｍｍよりも細い場合
には断線する場合があり、０．３ｍｍよりも大きくなる
と、対向した帯状取出電極１５間や、帯状取出電極１５
と電極層１１間に不要な容量が発生し、通過帯域幅△Ｆ
が狭くなり、さらに、共振子の振動を制限することにな
るからである。

【００２０】また、圧電体層１０は積層方向Ｘに分極さ
れており、振動方向は圧電体層１０の積層方向Ｘとされ
ている。また、振動の節は、圧電体層１０の積層方向Ｘ
における共振子本体１２の長さの１／２付近である。

【００２１】本発明の積層型圧電共振子は、図２に示す
ように、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃を主成分とする圧電セ
ラミックスのグリーンシート１６を用意し、下の４枚の
グリーンシート１６の上面には、スクリーン印刷等によ
り電極パターンを形成し、最上面のグリーンシート１６
には電極パターンを形成しない。このような同じ厚みの
グリーンシートを電極パターンの位置が所定の位置に来
るように積み重ねた後、圧着し、同時に焼成することに
より、電極層を介して圧電体層が積層された焼結体を得
ることができる。

【００２２】つぎに、このようにして得られた焼結体
を、製品形状の大きさになるように切断する。切断後、
電極層の露呈部に、導電性ペーストを塗布し、乾燥し、
焼き付けて帯状取出電極を形成する。その後、この帯状
取出電極間に直流電圧を印加して分極処理して圧電性を
付与する。

【００２３】尚、積層する前に、厚さが均一で平坦な圧
電セラミックスの薄板を焼成し、その圧電セラミックス
の薄板に電極層用の導電性ペーストを塗布し、乾燥し、
各薄板の電極パターンの位置を正確に合わせた形で積層
し、焼き付けによって、電極を介して圧電セラミックス
を接合してもよい。

【００２４】本発明の積層型圧電共振子では、ＰＺＴ系
の材料の結合係数は、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、積層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。また、対向電極層の数や、電極層間の厚みを
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、本発明の積層型圧電共振子では、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。

【００２５】即ち、圧電体層の積層方向Ｘにおける共振
子本体の長さをＬ、圧電体層の積層数をｎ、電極層の間
隔をｔ（Ｌ／ｎ）、コンデンサを形成する面積（電極層
の重なった部分の面積）をａ×ｂとすると、全容量Ｃは
Ｃ＝ε₀ε_rｎ²ａｂ／Ｌで表される。共振子本体の長
さＬは使用する共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａによ
って決定されるものであり、例えば、共振周波数ｆｒが
４００ｋＨｚまでの場合にはＬは４ｍｍとされる。積層
数ｎは要求される容量値から決定される。さらに、上記
ａ、ｂの値は使用するデバイスの形状により決定され
る。

【００２６】図３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ている。

【００２７】そして、共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｐ１、
Ｐ２、Ｐ３として、本発明の積層型圧電共振子が用られ
ている。積層型圧電共振子を組み込む場合には、振動の
節は、圧電体層１０の積層方向Ｘにおける共振子本体１
２の中央部付近であるため、この部分が保持される。つ
まり、図１に示す符号２０が保持部材であり、この保持
部材２０を介してデバイス回路と接続される。

【００２８】尚、帯状取出電極１５の幅Ｂは０．１〜
０．３ｍｍとすることが望ましいが、その形成位置は、
図１の例では、図４に示すように、共振子本体の中央部
の対向する位置に形成した例について説明したが、図５
に示すように、共振子本体の端部の対向する位置に形成
しても良く、図６に示すように対向しないように形成し
ても良い。特には、図６に示すように対向しないように
形成することが、不要な容量を発生させないためには良
い。

【００２９】また、図１では電極層が４層形成されてい
る積層型圧電共振子について説明したが、本発明では上
記例に限定されるものではなく、電極層を５層以上形成
しても良いことは勿論である。

【００３０】

【実施例】先ず、出発原料として、純度９９．５％以
上、平均粒径が１．０〜３．０μｍの市販のＰｂＯ、Ｔ
ｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｙ₂Ｏ₃、Ｃｒ
₂Ｏ₃、Ｃｏ₃Ｏ₄、Ｌａ₂Ｏ₃およびＳｒＣＯ₃の各
粉末を所定量秤量し、組成式（Ｐｂ_0.96Ｓｒ_0.03Ｌａ
_0.01) _1.00 (Ｎｂ_0.50Ｃｒ_0.40Ｙ_0.07Ｃｏ_0.03)_0.10Ｔ
ｉ_0.50Ｚｒ_0.49 Ｏ₃で表される５枚のグリーンシート
を作製した。４枚のグリーンシートの上面には、スクリ
ーン印刷により電極パターンを形成し、１枚のグリーン
シートには電極パターンを形成しなかった。

【００３１】このような同じ厚みのグリーンシートを、
図１および図２に示すように電極パターンの位置が所定
の位置に来るように積み重ねた後、圧着し、大気中で１
１５０℃で同時に焼成し、圧電体層一層の厚みが０．８
ｍｍの焼結体を得た。

【００３２】つぎに、このようにして得られた焼結体を
切断し、製品形状の大きさを図１において、ａ₁＝１ｍ
ｍ、ｂ₁＝０．５ｍｍ、Ｌ＝４ｍｍの共振子本体を作製
した。この後、電極層の露呈部に、Ａｇとガラスからな
るペーストを塗布し、乾燥した後、５２０℃で焼き付け
て幅０．１ｍｍの帯状取出電極を形成した。これを８０
℃の絶縁油中に浸漬し、両端面に３ｋＶ／ｍｍの直流電
圧を３０分印加して分極処理した。この後、分極状態の
安定化のため、２２０℃、１時間の熱処理を行い、図１
に示すような積層型圧電共振子を得た。

【００３３】この積層型圧電共振子の帯域幅△Ｆを、イ
ンピーダンスアナライザーで測定した共振周波数Ｆｒと
反共振周波数Ｆａの値から求め、さらに容量を測定し
た。さらに、帯状取出電極の幅Ｂを０．１５〜０．４ｍ
ｍに変化させて、共振周波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａ、
帯域幅△Ｆ、容量を求めた。この結果を表１に記載す
る。

【００３４】尚、上記共振子本体の側面全面にＡｇとガ
ラスからなるペーストを塗布し、全面取出電極を形成
し、共振周波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａ、帯域幅△Ｆ、
容量を求めた結果を表１のＮo.６に記載する。

【００３５】

【表１】

【００３６】この表１から、本発明品では、容量が５
６．０ｐＦ以上であり、帯域幅△Ｆが２２ｋＨｚ以上で
あることが判る。これに対して、比較例では、容量は２
０２ｐＦと大きいものの、帯域幅△Ｆが９ｋＨｚと狭い
ことが判る。試料Ｎo.１のインピーダンス特性を図７
に、試料Ｎo.６のインピーダンス特性を図８に示す。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型圧電
共振子では、圧電体層と電極層とを交互に積層し、積層
方向の伸縮振動モード（縦効果Ｋ₃₃モード）を利用する
ことにより、大きな結合係数を得ることができ、また、
電極層を複数積層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、
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型圧電共振子を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の圧電共振子の製造方法を説明するため
の斜視図である。

【図３】ラダー型フィルタの回路図である。

【図４】図１の平面図である。

【図５】共振子本体の端部に帯状取出電極を対向形成し
た例を示す平面図である。

【図６】帯状取出電極を対向しないように形成した例を
示す平面図である。

【図７】本発明の積層型圧電共振子（試料Ｎo.１）のイ
ンピーダンス特性を示す図である。

【図８】全面に取出電極子を形成した積層型圧電共振子
（試料Ｎo.６）のインピーダンス特性を示す図である。

【図９】従来の圧電共振子（円板状拡がり共振子）を示
す斜視図である。

【図１０】従来の圧電共振子（正方形状拡がり共振子）
を示す斜視図である。

【図１１】従来の圧電共振子（矩形状伸び共振子）を示
す斜視図である。

【符号の説明】

１０・・・圧電体層１１・・・電極層１２・・・共振子本体１５・・・帯状取出電極２０・・・保持部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体層と電極層とを交互に積層してな
り、前記電極層の端部が対向する側面に交互に露出した
共振子本体と、該共振子本体の両側面にそれぞれ形成さ
れ、前記電極層の端部を相互に接続する一対の帯状取出
電極とを備えてなり、前記圧電体層が積層方向の伸び振
動を行うことを特徴とする積層型圧電共振子。
【請求項２】帯状取出電極の幅が０．１〜０．３ｍｍで
あることを特徴とする請求項１記載の積層型圧電共振
子。
【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２記載の積層型圧
電共振子からなることを特徴とするラダー型フィルタ。