JPS5859615A - 高次幅振動を利用した圧電共振子 - 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】 本発明はセラミックフィルタやセラミック発振回路に使
用される圧電共、振子に関するもので、特に高次幅振動
モードを用いたエネルギー閉じ込め型共振子を提供する
ことを目的とする。

従来、セラミック共振子には、使用される共振周波数お
よび比帯域幅などの用途に応じて、各種の振動モードが
利用されている。共振周波数が数ＭＨｚ以下の場合には
１円板あるいは正方形板の輪郭振動や矩形波の長さ振動
など共振子全体が振動する振動モードが利用されている
。一方共振周波数が数Ｍ！（Ｚから数十ＭＨｚの場合に
は、振動エネルギーが圧電磁器板の中央部に局部的に集
中されたいわゆるエネルギーとじ込め振動モードが利用
されている。

第１図は、ＡＭラジオ等の中間周波数増幅回路用４５５
　ｋＨｚセラミックフィルタに用いられているセラミッ
ク共振子を示す。第１図（、）は厚さ方向、に分極され
た直径約５１１１＋！の円板であシ、第１図（ｂ）は厚
さ方向に分極された１辺の長さ約４．７　ｍｍの正方形
板である。第１図の円板および正方形板共振子はいずれ
も中心部分を振動の節とした輪郭振動をする。したがっ
て、これらの共振子の支持および電気端子の取シ出しは
、該小突起の形成された細いリード線を半田付する方法
で行なわれておシ。

前者では圧接部の電極がはがれたシ機械的な振動によシ
接触不良を起すなど信頼性的に問題があり。

後者では半田付□作業が難しいうえに支持による特性の
ばらつきが大き、いという欠点があった。

第２図は共振周波数１０．７　ＭＨｚのエネルギーとじ
込め共振子の構造例でアシ、厚さ約０．２・・朋辺長約
５　ｍｍの正方形板の中央部に直径約１．５　ｔｒＩｌ
の円形電極が対向して形成され１両面の円形電極から基
板端部に外部接続用電極が引出されている。第２図のエ
ネルギーとじ込め共振子ではリード端子と°の接続は振
動にほとんど影響を与えることがない基板の端部で半田
付によって行われるため特性のばらつきの少ない信頼性
の高い共振子が得られる。

しかし、従来のエネルギーとじ込め共振子は厚みたてモ
ードあるいは厚みすベシモードを利用しているため、そ
の共振周波数はセラミック基板の厚さによって定まる。

従って共振周波数を低くしようとすると、基板の厚さが
厚くなシ、これにほぼ比例して外形寸法が大きくなって
しまう。このためエネルギー閉じ込め共振子の適用周波
数は数ＭＨｚ以上のＨＦ帯および■Ｆ帯に限られ、数Ｍ
Ｈｚ以下の中波帯用のエネルギー閉じ込め共振子の実現
は困難とされてきた。

このような問題を解決するものとして１本発明者らは、
第３図および第４図に示すような共振子を特願昭５５−
３６９６０号および特願昭５５−３６９６１号で提案し
た。第３図、第４図を参照して、先に提案された共振子
は、有限幅の薄い矩形圧電磁器板１１の長さ方向両端部
に全面電極−１２、１２’を設け、中央部にストリップ
状駆動電極１，３．１３’を設けたもので９両端全面電
極１２゜１２′を介して、外部リード１４　、１４’！
：ｌ”ら駆動電極１３　、１３’へ駆動電力を印加する
ようにしている。このような構成では９幅たて振動エネ
ルギーが９両端全面電極間の中央部に閉じ込められる。

これによって、数ＭＨｚ以下の中波帯の使用に適した小
形で、良好な特性のエネルギー閉じ込め型共振子が得ら
れるようになった。し力鳥し、これら先願の発明はいず
れも１幅振動の中でも最も次数の低い基本幅振動を利用
したものであったＯ本発明は、さらに高次の幅振動を利
用し、弊ＭＨｚ以上の短波帯での使用に適した新しい型
のエネルギー閉じ込め型圧電共振子を提供するものであ
る。

すなわち１幅振動を利用した共振子には、板面に設ける
励振電極を幅振動の応力分布に合わせた適当な構造にす
ることにより、ある特定の次数の幅振動−のみを強く励
振できる特徴がある。本発明はこの特徴を利用して数Ｍ
Ｈｚ以上の短波周波数帯で、従来の厚み振動を利用した
ものに比べてさら、　　に著しく小形で特性の良好なエ
ネルギー閉じ込め型共振子を実現するものである。

以下１本発明についてさらに具体的に説明する。

□　へ高次幅振動のエネルギー閉じ込めを実現するため
　□には、あらかじめこれらの振動の分散特性を知る必
要がある。ここでは、実用上有用と考えら、れる次数の
あまシ高くない２次、３次、４次の幅振動の分散特性を
計算した。

この計算した結果を第５図から第７図に示した。

第５図はＰｂＴ１０３磁器板の圧電縦効果利用幅縦振動
について、第６図はＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）０３糸磁器板の
圧電縦効果利用幅縦振動について、第７図は幅すべり振
動についてのそれぞれの計算結果で、各図の（ａ）。

（ｂ）　、　（ｅ）はそれぞれ２次、３次、４次のモー
ドの分散曲線を示す。図中の実線及び破線はそれぞれ圧
電板が無電極の場合及び全面電−極の場合の曲線を表わ
す。なおここでは、各曲線の停留点から出る複素分枝の
表示は省略した。一般にエネルギー閉じ込めが実現され
る周波数領域は、閉じ込め部分のしゃ新局波数の近傍に
あって周辺部分の分散曲線の分枝が虚数文は複素数とな
る領域である。このような観点から第５〜第７図の特性
を調さると。

良好な閉じ込めが実現可能な周波数領域は図中の太線で
示した領域であると考えられる。第７図の（ｂ）及び（
Ｃ）の場合の閉じ込めは複素分枝による閉じ込めになシ
、他の場合のそれは周波数低下型の閉゛じ込めになる。

ところで高次幅振動を利用する共振子では、−て問題と
なるが、前述のように応力分布にもとづいて、励振電極
の構造を工夫すれば、容易に使用モードのみを強く励振
し、且つ他の幅振動のスプリアスを抑圧することができ
る。

第８〜１０図に、使用モードのみを励振し他のモードを
抑圧する励振電極を有する種々の共振子を示す。第８図
は圧電縦効果利用幅たて振動および幅すベシ振動の種々
の高次ラードを利用する場合の励振電極の構造を示す。

ここで、１は圧電磁器板、２，３はリード電極′、２１
，２２，２３゜３１．３２，３３．３４，４１１４２．
４３゜４４　、４＝５はストリップ状励振電極であ、り
、２４゜２５　、３５　、３６　、３７　、３８　＃　
４６　、４７　。

４Ｂ、４９．５０はリード引出し電極である。矩形圧電
板１０分極方向は、圧電縦効果利用幅縦振動の場合には
幅方向で９幅すベシ振−動の場合は長さ方向である・図
中の（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は夫々二次、三次
、四次モードを利用する場合を示す。なお、励振電極は
９図示のとおシ、圧電板１０片面のみで良いが、裏面に
も同一形状の励振電極を対向して設けるのが望ましい。

板厚（１）が板幅（２Ｈ）に比して十分に小さい場合に
は９図示の、ように片面だけで十分である。図のように
１．駆動電界が印加されるギャップ（隣シあリストリッ
プ状電極の間隔）ｇの部分の中心を、利用するモードの
応力が最大となる位置に一致させ、駆動電界の方向が振
動の位相に応じて変れるように一つおきのストリップ状
電極を共通に接続すれば、利用モードだけが特に強く励
振され、スプリアス応答の少ない共振子が得られる。ま
た次数が高くなっても容量比は劣化することがない。特
に各励振電極間の各ギ斗ツブの寸法を全て等しくした場
合には１次数の低い幅振動のスプリアスは圧電的駆動力
が打ち消し合うため完全に抑圧される。

第９〜１１図は９本発明による圧電横効果幅龜振動の場
合の励振電極の構造を示したもので、第９図は二次モー
ド、第１０図は三次モード、第１１図は四次モードの場
合である。なお、第９〜１１図で、２０１〜２０４．３
０１〜３０６゜４０１〜４０８はストリップ状電極で、
２０５〜２０８．３０７〜３１２，４０９〜４１６はリ
ード引出し電極である。この圧電横効果幅たて振動の場
合には２分極方向を板厚方向とし、駆動電界も同じ板厚
方向とする。従って１図示のように。

圧電板１の両面に各ストリップ状励振電極を設ける。・
この電極の幅方向の中心を利用モードの応力が最大とな
る位置に一致させ、駆動電界の方向が振動の位相に応じ
て変わるように幅方向に並ぶ一つおきのストリップ状電
極を共通に接続すれば。

利用モードだけが特に強く励振され、スプリアス応答の
少ない共振子が得られる。また次数が高くなっても容量
比は劣化することがなく、特に各励ｉ電極の幅寸法を全
て等しくした場合には９次数の低い幅振動のスプリアス
は、圧電的駆動力が打ち消し合うため、完全に抑圧され
る。

なお、一般に高次幅振動モードが第７図（ｂ）　、　（
ｅ）のような分散特性を持つ場合には、複素分枝を利用
した上述のような閉じ込め法も適用できるが。

この方法の代シに特願昭５５−３６９６０あるいは特願
昭５５−３６９６１号で述べた周波数上昇型の閉じ込め
を拡張適用することもできる。この場合のエネルギー閉
じ込め共振子の構造は第１２図および第１３図および第
１４図および第１５図のようになる。ここで、第１２図
および第１３図は周辺部を全面電極とする場合、第１４
．１５図は中央励振電極部（長さ２ｔ）のみを分極し９
周辺部を未分極とする場合の構造を示す。なお、各図に
おいて、（ａ）は二次モードＩ　（ｂ）は三次モード。

（Ｃ）は四次モードの構成を夫々示す。

いずれの場合でも、ストリップ状電極の幅を細くして、
その部分における主要モードの幅振動の遮断周波数が周
辺部のそれよシも上昇するようにすれば周波数上昇型の
閉じ込めが実現され、良好な共振子特性が得られる。

次に１本発明に従って製造した三次モード利用の幅振動
エネルギー閉じ込め共振子の特性の実測値を第１６〜１
８図に示す・第１６図と第１８図の特性は、第８図（ｂ
）に示す励振電極を用いた圧電縦効果利用幅たて振動お
よび幅すベシ利用幅たて第１７図は第１０図に示す励振
電極を用いた圧電横効果利用幅動を利用した共振子のア
ドミタンス特性を示す。

使用した圧電板は、第１６図の場合は長さ１゜＝　１０
　ｍｍ　ｅ幅２Ｈ＝１．５・１Ｈｍ、厚さｔ　＝　０．
２　ｍｍのＰｂＴ　１０３磁器板であシ、第１７図の場
合はｔｏ　＝１５１！ｌ　ｌ　２Ｈ＝　１．３５１１＋
１１　ｔ　＝　０．２　ｍｍのＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）０３
磁器板、第１８図の場合はｓ　ｔｏ＝２５ｍｍｍ　２Ｈ
＝２．２闘ｔ　ｔ　＝　０．２龍の寸法を有するＰｂ（
Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｓ磁器板である０この結果をみると、い
ずれの場合にも第８図（ｂ）あるいは第１０図の励振電
極の効果によって、広い周波数範囲に亘って、スペリア
スの少ない良好な特性が実現されている。

以上、高次幅振動のエネルギー閉じ込めを利用した本発
明の共振子について、圧電材としてＰｂＴｉＯ３磁器、
あるいはＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｓ磁器を用いた場合の実
施例を示したが、他の圧電材を用いても良く９本発明を
限定するものではない。

ところで、従来、ＴＶの音声中間周波数用４．５ＭＥ（
ｚ共振子は圧電磁器板の厚み振動を用いて構成されてき
た。基本厚みすペシ振動を用いる場合。

使用する圧電磁器板の寸法はおおよそ１０ｍ１Ｘ１０　
ｍｍ　Ｘ　Ｏ，２８ｍｍ程度になる。これに対し、同じ
４、５　ＭＨ２の共振子を１本発明における例えば、第
１６図の３次幅たて振動を用いて構成すれば、圧電板の
寸法が１０朋Ｘ　１．５　ｔｎｍ　Ｘ　０．２冨冨と極
めて小さくなり、従って共振子の著しい小形化が達成で
きることが分る。

以上１本発明について説明したが、高次幅振動のエネル
ギー閉じ込めを利用することに↓シ、従来用いられてい
る厚み振動エネルギー閉じ込め共振子に比べてさらに小
形で特性的にも良好な短波帯用圧電共振子の実現が可能
となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は４５５　ｋＨｚセラミックフィルタ等に用いら
れる従来のセラミック共振子の斜視図、第２図は従来の
エネルギー閉じ込め型１０．７　ＭＨｚ用セラミック共
振子の斜視図である。第３図および第４図は本発明者ら
が先に発明した幅たて振動エネルギー閉じ込め型共振子
の構成を示す図で、夫々（、）は断面図、（ｂ）は平面
図、（Ｃ）は背面図である＠第５図、第６図および第７
図は９本発明の高次幅振動のエネルギー閉じ込めを説明
するだめの分散特性の計算結果を示すもので、第５図は
Ｐ　ｂＴ　ｉＯ３磁器板の圧電縦効果利用幅たて振動の
場合、第６図はＰｂ（Ｚ　ｒ　、Ｔ　ｔ　）Ｏｘ磁器板
の幅すベシ振動の場合。 第７図はＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）０３磁器板の圧電横効果利
用幅たて振動の場合であシ、夫々において（、）は２次
モード、（ｂ）は３次そ−ド、（Ｃ）は４次モードの分
散特性を示したものである。 第８図・は本発明による圧電縦効果利用幅たて振動およ
び幅すべり振動の場合の応力分布と電極構造を示すもの
で（、）　、　（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ２次。 ３次および４次モード利用の場合を示す。 第９〜１１図は本発明による圧電横効果利用幅たて振動
の場合の振動モードの応力分布と電極構成を示すもので
、第９図は２次、第１０図は３次。 第１１図は４次モード利用の場合である。夫々ににおい
て（、）は平面図、（ｂ）は背面図、（Ｃ）は断面図を
示す。 第１２〜第１５図も本発明に、よる圧電共振子の他の構
成を示す図で、第１２図と第１３図周辺部を全面電極と
した構成を、第１４図と第１５図は。 周辺部を未分極とする構成である。各図の（、）は二次
モード、　（ｂ）は三次モード、　（ｃ）は四次モード
利用について図示したものである。 第１６〜１８図は本発明によって得られた試作例を示し
たもので、第１６図は圧電縦効果利用三次幅たて振動、
第１７図は圧電横効果利用三次幅たて振動、第１８図は
三次幅すべり振動を利用した共振子のアドミタンス特性
である。 図中における符号 １・・・圧電性矩形板、２，３・・・リード端子、２１
゜２２．２３，３１，３２．・３３，３４，４１゜４２
．４３，４４，２０１，２０２，２０３゜２０４．３０
１，３０２，３０３，３０４，３０５゜３０６．４０１
，４０２，４０３，４０４，４０５゜４０６．４０７，
４０８・・・ストライプ状励振電極。 ２４．２５，３５，３６．３７．３８，４６゜２０８．
３０７，３０８，３０９，３１０，３１１゜３１２　　
、　４０９　　、　４　１０　　、　４　１　１　　、
　４　１　２　　、　４１３　。 ４１４　、４１５　ｓ、　４１６・・・リード引き出し
電極。 ２４ａ＊２５ａ＋３５ａｅ３７ａ＋４６ａ＋４８ａ。 ２０　５　　ａ　　、　　２０　６　　ａ　　、　　３
０　７　　ａ　　、　　３０　８　　ａ　　’ｔ４０９
ａ＊４１６ａ・・・周辺電極。 馬１図 （α）　　　　　　　　　　　　（ｂ）馬２図 帛４図 馬５図 １ｍ（ｋＨ）　　　Ｒｅ（ｋＨ） 馬６図 １ｍ　（ｋ）Ｉ）　　　　Ｒｅ（ｋＨ）馬７図 手続補正書（自発） 昭和ｔ２年λ月Ｉ２−日 特許庁長官　島　１）春　樹　殿 １、事件の表示 昭和５６年特許願第１５８４２６号 ２、発明の名称 高次幅振動を利用した圧電共振子 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　宮城県仙台市用内無番地 氏名　清　水　　洋 ４、代理人　〒１０５ 住　所　東京都港区西新橋１丁目４番１０号、５．補正
の対象 １）明細書の発明の詳細な説明の欄 ２）明細書の図面の簡単な説明の欄 ３）図面 １）（１）第７頁３行目「Ｐｂ（Ｚｒ、　Ｔｉ）０３Ｊ
　”後の１糸」を「系」と訂正する。 （２）第１２頁１５行目の「スペリアス」を「スプリア
ス」と訂正する。 ２）（１）第１５頁下から２行目と６行目の間にｒ２ｏ
ｉ’。 ２０２’、　３０１’、　３０２’、　３０３’、　４
０１’、　４０２’、　４０３’。 ４０４’Ｊを挿入する。 （２）第１５頁下から２行目の１ストライプ」を「スト
リップ」と訂正する。 ３）第８図、第１２図、第１３図および第１４図を本書
添付の（のと差し代える。 ２＼　　　　　　　　＾　　　　　　　　＾５　　　　
　　　　ｊ）　　　　　　　　Ｑ−ノ　　　　　　　　
　　Ｎノ　　　　　　　　　＼ノ応力／かａ　　　　　
　　￥面図 断面図 手続補正書（方式） 昭和り年Ｊ月７日 特許庁長官　島　１）春樹　殿 １、事件の表示 昭和５６年特許願第１５８４２６号 ２、発明の名称 高次幅振動を利用した圧電共振子 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住所　宮城県仙台市用内無番地 氏名　清　水　　洋 ４、代理人　〒１０５ ５、補正命令の日付 昭和５７年２月４日（発）予→蓼、￥　、　２５　）１
）明細書の図面の簡単な説明の欄 ２）図面 Ｚ　補正の内容 １）＜１）第１４頁１５行目の「示す。」を削除し９代
シに「示し、それぞれにおいて左図は応カ分布図、中央
の図、は平面図、右図は中央縦断面図である。」なる記
載を挿入する。 （２）第１５頁７行目の「ものである。」　を削除１、
代りに［もので、それぞれにおいて左図は応力分布図、
中央の図は平面図２．右図は中央縦断面図を示す。」な
る記載を挿入する。 ２）第８図および第１４図を添付のものと差し代える。 七巨す

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　特定のモードが励振できるように周波数に応じた
   幅寸法を持つ矩形状圧電性薄板で長さ方向の中央部に次
   数２以上の高次の幅振動モードを特に強く励振するよう
   な複数のストリップ状励振電極を設け、その励振電極部
   分にその高次幅振動モードのエネルギーを閉じ込め、励
   振電極からの引き出し電極を両側の周辺部分に設けたこ
   とを特徴とする高次幅振動を利用した圧電共振子。 ２、　前記第１項の圧電共振子において、長さ方向又は
   幅方向に分極された矩形状圧電板を用い。 ストリップ状励振電極の電極間隙の中心を、利用する特
   定の高次幅すべり振動又は幅たて振動の振動モードの応
   力が最大となる位置に一致させた仁とを特徴とする前記
   第１項の高次幅振動を利用した圧電共振子。 ３、　前記圧電共振子において、厚さ方向に分極された
   圧電性矩形薄板を用い、板の表裏両面に対向して長さ方
   向と平行な複数対のストリップ状励振電極を設け、各ス
   ）　ＩＪツブ状電極の幅方向の中心を、利用する特定の
   幅振動の振動モードの応力の最大なる位置に一致させる
   ようにしたことを特徴とする前記第１項の高次幅振動を
   利用した圧電共振子。 ４、　前記圧電共振子において、励振電極の両側の周辺
   部分を未分極にしたことを特徴とする前記第１．第２あ
   るいは第３項記載の高次幅振動を利用した圧電共振子。 ５、　前記圧電共振子において、板幅全体あるいはほぼ
   全体に亘って電極を施こし、この電極を励振電極からの
   引き出し電極を接続して外部引き出し端子としたことを
   特徴とする前記第１．第２あるいは第３項の高次幅振動
   を利用した圧電共振子。