JP2000312128A - 圧電共振子およびラダー型フィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】通過帯域幅を広くすることができる圧電共振子
を提供し、さらには、基板等への電気的な接続固定が容
易、かつ安定な小容積の圧電共振子およびこのような圧
電共振子を用いたラダー型フィルタを提供する。 【解決手段】圧電体層１１と内部電極層１２とを交互に
積層して形成され活性部１５と、該活性部１５の長さ方
向の両側面に設けられた不活性部１７とからなる共振子
本体１０に、内部電極層１２を交互に接続する一対の外
部電極１９を設けた圧電共振子であって、共振子本体１
０の長さＬ₁ に対する活性部１５の長さＬ₂ の比（Ｌ₂
／Ｌ₁ ）が０．５〜０．９であり、かつ長さ方向伸び振
動モードの基本振動で励振する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電体層と内部電
極層を交互に積層した圧電共振子およびラダー型フィル
タに関するもので、例えば、フィルタ、発振子等に用い
る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、拡がり
振動モードを用いた円板状圧電共振子や拡がり振動モー
ドを用いた正方形板状圧電共振子が知られていた。

【０００３】これらの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、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
及び正方形板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】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特開昭５５−９５４１６
号公報で開示されているが、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、共振子の通過帯域幅
△Ｆが材料の横効果による電気機械結合係数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と、電
極面積が狭くなり共振子の容量が小さくなるために、フ
ィルタのインピーダンスが高くなり、回路やＩＣのイン
ピーダンスとマッチングが取れなくなるという問題があ
った。

【０００７】素子の容量が小さいという課題について
は、実開昭６０−１０８０３４号公報において、内部電
極層と圧電体層を交互に積層した圧電共振子が開示され
ている。図８は、このような積層型の圧電共振子を示す
もので、圧電体層１と内部電極層２とを交互に積層して
形成された活性部３と、この活性部３の長手方向の両側
面に形成された不活性部４とから共振子本体５が構成さ
れている。

【０００８】このような共振子本体５の内部電極層２が
露出した両面に外部電極６がそれぞれ形成され、内部電
極層２と交互に接続されている。内部電極層２の上下の
圧電体層１は分極方向が逆方向とされている。

【０００９】このような圧電共振子は、共振子本体５の
厚み方向に交流電界を印加することにより、長さ方向伸
び振動モードの基本振動で励振する。

【００１０】しかしながら、このような圧電共振子で
は、素子の容量を大きくできるものの、反共振周波数
（Ｆｒ）と共振周波数（Ｆａ）との差である通過帯域幅
△Ｆが未だ狭いという問題があった。

【００１１】また、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、振動の節を利用する
ため、圧電共振子の外部電極６が共振子本体５の相対向
する２側面の長さ方向中央部に形成されており、電気的
な接続、および圧電共振子の基板等への固定は、図８
（ｃ）に示すように固定用金属棒７を用いて行われてい
た。しかしながら、複数の圧電共振子を固定用金属棒７
で固定し、フィルタを構成しようとすると、フィルタの
設置容積が大きくなり、フィルタの高さが高くならざる
を得なくなると同時に、固定用金属棒７を用いて電気的
接続をとるために、構造が非常に複雑となり、フィルタ
の組立が困難であり、さらにフィルタの組立を自動化す
るのが困難であった。

【００１２】また、基板等に固定用金属棒７を用いて圧
電共振子を固定すると、圧電共振子の支持固定が不安定
となり、故障の原因となるという問題があった。

【００１３】本発明は、通過帯域幅△Ｆを広くすること
ができる圧電共振子を提供し、さらには、基板等への電
気的な接続固定が容易、かつ安定な小容積の圧電共振子
およびこのような圧電共振子を用いたラダー型フィルタ
を提供する。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電共振子は、
圧電体層と内部電極層とを交互に積層して形成され、主
面が矩形状の活性部と、該活性部の長さ方向の両側面に
設けられた絶縁性不活性部とからなる共振子本体に、前
記内部電極層を交互に接続する一対の外部電極を設けて
なるとともに、前記圧電体層が積層方向に分極され、か
つ前記内部電極層の上下に位置する圧電体層の分極方向
が反対方向である圧電共振子であって、前記共振子本体
の長さＬ₁ に対する前記活性部の長さＬ₂ の比（Ｌ₂ ／
Ｌ₁ ）が０．５〜０．９であり、かつ長さ方向伸び振動
モードの基本振動で励振するものである。

【００１５】ここで、一対の外部電極が共振子本体の同
一面に形成されていることが望ましい。また、一対の外
部電極は、積層方向に形成され、かつ内部電極層を交互
に接続する接続用導電部材と、該接続用導電部材の一端
部から共振子本体の長さ方向に延設された固定用導電部
材とからなり、前記共振子本体の長さ方向の中央部で、
一方の前記外部電極の固定用導電部材と他方の前記外部
電極の固定用導電部材が対向していることが望ましい。

【００１６】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／または前記並列共振
子が、上記圧電共振子からなるものである。

【００１７】

【作用】本発明の圧電共振子によれば、共振子本体の長
さＬ₁ に対する活性部の長さＬ₂ の比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）を
０．５〜０．９とすることにより、共振周波数と反共振
周波数の差で表される通過帯域幅ΔＦを最も広くするこ
とができる。

【００１８】また、長さ方向伸び振動モードの基本振動
を利用することにより、従来の拡がり振動を用いた圧電
共振子と比較して形状を小型化できる。

【００１９】さらに、対向電極の数や、電極間厚みを調
整することにより、圧電共振子の容量値を調整すること
ができるため、圧電共振子のインピーダンスを制御で
き、圧電共振子を回路基板等に実装するときに、外部回
路とのインピーダンス整合をとりやすい。このため、共
振子の形状を小型化することができるとともに、大容量
の共振子を得ることができる。

【００２０】また、一対の外部電極を共振子本体の同一
面に形成することにより、例えば、パターン電極を形成
した基板上に、前記パターン電極に圧電共振子の一対の
外部電極を導電性接着剤等で接続固定することができ、
圧電共振子を容易に、かつ安定に基板に固定でき、さら
にこれをキャップで覆うことによりチップ型の電子部品
を作製できる。

【００２１】さらに、一対の外部電極を、積層方向に形
成され、かつ内部電極層を交互に接続する接続用導電部
材と、該接続用導電部材の一端部から共振子本体の長さ
方向に延設された固定用導電部材とから構成し、共振子
本体の長さ方向の中央部で、一方の外部電極の固定用導
電部材と他方の外部電極の固定用導電部材を対向して形
成することにより、長さ方向伸び振動モードの基本振動
を利用するため、振動の節は共振子本体の長さ方向の中
央部となるが、共振子本体の長さ方向の中央部に、固定
用導電部材が積層方向に所定間隔を置いて形成されてお
り、この固定用導電部材を、例えば基板のパターン電極
に接続固定することにより、圧電共振子の固定による影
響が殆どなく、良好な共振子特性を得ることができる。

【００２２】また、固定用導電部材が基板に接続固定さ
れ、しかも接続用導電部材が基板側に突出しているた
め、この接続用導電部材を長さ方向の振動を妨げない程
度に基板に当接することも可能であり、これにより、圧
電共振子を４点で支持することができ、例えば、圧電共
振子の長さ方向の一端に力が作用したとしても、接続用
導電部材の存在により圧電共振子が傾くことを防止する
ことができ、接続固定の安定性を向上できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の圧電共振子を示す
もので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に
沿う断面図である。

【００２４】図において、符号１０は共振子本体を示す
もので、この共振子本体１０は、圧電体層１１と内部電
極層１２とを交互に積層して形成された活性部１５と、
該活性部１５の長さ方向の両側面に形成された絶縁性不
活性部１７とから構成されている。

【００２５】圧電体層１１は積層方向に分極されてお
り、かつ内部電極層１２の上下に位置する圧電体層１１
の分極方向が反対方向とされている。また、活性部１５
は主面が矩形状とされている。

【００２６】不活性部１７は圧電体層１１と同一材料の
絶縁体から構成されており、この不活性部１７には内部
電極層は形成されていない。

【００２７】また、内部電極層１２は正面および背面に
露出しており、これらの露出面に外部電極１９がそれぞ
れ形成されている。内部電極層１２の露出面には、絶縁
膜２１が交互に積層されており、これらの絶縁膜２１の
上から外部電極１９が被覆され、これにより、内部電極
層１２が、共振子本体１０の対向する面に形成された一
対の外部電極１９により交互に接続されている。

【００２８】そして、本発明の圧電共振子では、共振子
本体１０の長さＬ₁ に対する活性部１５の長さＬ₂ の比
（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）が０．５〜０．９であることを特徴とす
る。

【００２９】ここで、Ｌ₂ ／Ｌ₁ を０．５〜０．９とし
たのは、共振子本体１０の長さＬ₁ に対する活性部１５
の長さＬ₂ の比が０．５よりも小さい場合や０．９より
も大きい場合には、通過帯域幅ΔＦが狭くなるからであ
る。つまり、不活性部が存在しない場合に比較して、通
過帯域幅ΔＦの向上が小さいからである。通過帯域幅Δ
Ｆを広くするという観点から、Ｌ₂ ／Ｌ₁ は０．６〜
０．８であることが望ましい。

【００３０】本発明の圧電共振子の振動方向は圧電体層
１１の積層方向と垂直で、矩形状の主面の長手方向とさ
れ（長さ方向伸び振動モード）、基本振動で励振するも
のである。

【００３１】以上のように構成された圧電共振子では、
活性部１５の両側に電界が印加されない不活性部１７を
有しているため、共振子本体１０の長さＬ₁ に対する活
性部１５の長さＬ₂ の比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）を０．５〜０．
９に調整することにより、共振周波数と反共振周波数の
差で表される通過帯域幅ΔＦを最大限に広くすることが
できる。

【００３２】また、例えば活性部１５における圧電体層
１１の層数と厚みを調整することにより共振子の容量を
調整することができ、素子のインピーダンスを調整で
き、圧電共振子を回路基板等に実装するときに、外部回
路とのインピーダンス整合をとりやすくなる。

【００３３】さらに、長さ方向伸び振動モードの基本振
動を利用することにより、従来の拡がり振動を用いた圧
電共振子と比較して形状を小型化できる。

【００３４】図２は本発明の他の形態を示すもので、図
３（ａ）は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図３（ｂ）は
図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図、図３（ｃ）は図２のＤ−
Ｄ線に沿う断面図である。

【００３５】この圧電共振子では、上記図１の態様と同
様な共振子本体を有している。即ち、共振子本体３０
は、圧電体層３１と内部電極層３２とを交互に積層して
形成された活性部３５と、該活性部３５の長手方向の両
側面に形成された絶縁性不活性部３７とから構成されて
いる。共振子本体３０の長さＬ₁ に対する活性部３５の
長さＬ₂ の比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）が０．５〜０．９とされて
いる。

【００３６】また、内部電極層３２は正面に露出してお
り、正面にはＬ字状の一対の外部電極３９、４０がそれ
ぞれ形成されている。これらの一対の外部電極３９、４
０は、積層方向に形成され、かつ内部電極層３２を交互
に接続する接続用導電部材３９ａ、４０ａと、該接続用
導電部材３９ａ、４０ａの一端部から共振子本体３０の
長さ方向に延設された固定用導電部材３９ｂ、４０ｂと
からなり、共振子本体３０の長さ方向の中央部で、一方
の外部電極３９の固定用導電部材３９ｂと他方の外部電
極４０の固定用導電部材４０ｂが対向している。

【００３７】内部電極層３２の露出部分には、絶縁膜４
１が交互に積層されており、これらの絶縁膜４１の上か
ら外部電極３９、４０の接続用導電部材３９ａ、４０ａ
が被覆され、これにより、内部電極層３２が、共振子本
体３０の対向する面に形成された一対の外部電極３９、
４０により交互に接続されている。一方、固定用導電部
材３９ｂ、４０ｂは内部電極層３２に接続されており、
この固定用導電部材３９ｂ、４０ｂにおける共振子本体
３０の長さ方向中央部（一点鎖線で示す）が、基板に接
着固定されることになる。

【００３８】本発明の圧電共振子の振動方向は圧電体層
３１の積層方向と垂直で、矩形状の主面の長手方向とさ
れ（長さ方向振動モード）、基本振動で励振するもので
ある。

【００３９】以上のように構成された圧電共振子では、
上記態様と同様に、共振周波数と反共振周波数の差で示
される通過帯域幅ΔＦを最大限に広くすることができる
とともに、共振子の容量を調整することができ、形状を
小型化できる。

【００４０】さらに、この形態の圧電共振子では、圧電
共振子の振動の節は共振子本体３０の長さ方向の中央付
近であるが、一対の外部電極３９、４０を共振子本体３
０の正面に形成したので、図４に示すように、共振子本
体３０の中央部付近に該当する外部電極３９、４０の固
定用導電部材３９ｂ、４０ｂ（一点鎖線で示す）を、ラ
ダー型フィルタの回路が印刷された基板５３に接続固定
することができる。尚、図４において、符号５４は導電
性のゴム状の弾性を持つペーストである。

【００４１】図５はラダー型フィルタの回路図を示すも
ので、ラダー型フィルタは、共振周波数と反共振周波数
の差ΔＦが同一の直列共振子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３と、並列
共振子Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３とをＬ型に接続してなる基本単
位回路を３段接続して構成されている。この共振子Ｓ
１、Ｓ２、Ｓ３、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３として、本発明の圧
電共振子が用いられている。

【００４２】

【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 、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、Ｙ₂ Ｏ₃ 、Ｃｒ
₂ Ｏ₃ 、Ｃｏ₃ Ｏ₄ 、Ｌａ₂ Ｏ₃ およびＳｒＣＯ₃ の各
粉末を所定量秤量し、（ＰｂＳｒＬａ) (ＮｂＣｒＹＣ
ｏ）ＴｉＺｒ Ｏ₃ 系の５枚のグリーンシートを作製し
た。

【００４３】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。

【００４４】そして、図６に示すように、同じ厚みのグ
リーンシート６１を、電極パターン６２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１１
５０℃で同時に焼成し、圧電体層一層の厚みが０．２ｍ
ｍの焼結体を得た。

【００４５】次に、このようにして得られた焼結体を破
線部分で切断し、製品形状の大きさが図１においてａ₁
＝１ｍｍ、ｂ₁ ＝１ｍｍ、Ｌ₁ ＝４ｍｍ、Ｌ₂ ＝３ｍｍ
の共振子本体を作製した。

【００４６】この後、内部電極層の露出面に交互に樹脂
を塗布し、硬化した後に導電性ペーストを塗布して外部
電極を形成した。この外部電極に３ｋＶ／ｍｍの直流電
圧を３０分間印加して分極処理した。

【００４７】そして、図１に示す圧電共振子について、
活性部１０の長さＬ₂ の共振子本体の長さＬ₁ に対する
比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）、つまり活性部比率を変えて、共振周
波数Ｆｒ、反共振周波数Ｆａ、通過帯域幅△Ｆをインピ
ーダンスアナライザーで測定し、その結果を表１及び図
７に示した。尚、圧電共振子の容量は９８４ｐＦであっ
た。

【００４８】

【表１】

【００４９】この表１、図７から、活性部１０の長さＬ
₂ の共振子本体の長さＬ₁ に対する比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）が
０．５〜０．９の場合には、内部電極層として全面電極
とした場合（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ＝１）よりも帯域幅が５％以上
大きくなっており、特にＬ₂／Ｌ₁ が０．６３〜０．８
の場合には１５％以上大きくなることが判る。

【００５０】

【発明の効果】本発明の圧電共振子では、共振子本体の
長さＬ₁ に対する活性部の長さＬ₂ の比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）
を０．５〜０．９とし、かつ長さ方向伸び振動モードの
基本振動で励振するため、共振周波数と反共振周波数の
差で表される通過帯域幅ΔＦを最も広くすることができ
る。また、長さ方向振動モードの基本振動を利用するこ
とにより、従来の拡がり振動を用いた圧電共振子と比較
して形状を小型化できる。さらに、対向電極の数、電極
間厚みを調整することにより、圧電共振子の容量値を調
整することができ、外部回路とのインピーダンス整合を
とりやすくなる。

【００５１】また、一対の外部電極を共振子本体の同一
面に形成することにより、従来のようなバネ端子を用い
ることなく、電気的な接続を簡単に取ることが可能とな
り、フィルタ、発振子等のデバイス用の共振子として用
いる場合、組立工程の簡略化ができ、また、デバイスの
小型化が達成できる。

【００５２】さらに、一対の外部電極を、接続用導電部
材と固定用導電部材とから構成し、共振子本体の長さ方
向の中央部で、一方の外部電極の固定用導電部材と他方
の外部電極の固定用導電部材を対向して形成することに
より、固定用導電部材を、例えば基板のパターン電極に
接続固定することにより、圧電共振子の固定による影響
が殆どなく、良好な共振子特性を得ることができるとと
もに、圧電共振子を４点で支持固定することができ、例
えば、圧電共振子の長さ方向の一端に力が作用したとし
ても、接続用導電部材の存在により圧電共振子が傾くこ
とを防止することができ、接続固定の安定性を向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電共振子を示すもので、（ａ）は斜
視図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図２】本発明の圧電共振子の他の例を示す斜視図であ
る。

【図３】（ａ）は図２のＢ−Ｂ線を沿う断面図、（ｂ）
は図２のＣ−Ｃ線を沿う断面図、（ｃ）は図２のＤ−Ｄ
線を沿う断面図である。

【図４】図２の圧電共振子を基板に実装した状態を示す
説明図である。

【図５】ラダー型フィルタの回路図である。

【図６】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７】活性部比率と帯域幅△Ｆとの関係を示すグラフ
である。

【図８】従来の積層型の圧電共振子を示すもので、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はＸ−Ｘ線に沿う断面図、
（ｃ）は圧電共振子を固定する方法を示す斜視図である

【符号の説明】

１０、３０・・・共振子本体 １１、３１・・・圧電体層 １２、３２・・・内部電極層 １５、３５・・・活性部 １７、３７・・・不活性部 １９、３９、４０・・・外部電極 ３９ａ、４０ａ・・・接続用導電部材 ３９ｂ、４０ｂ・・・固定用導電部材 Ｌ₁ ・・・共振子本体の長さ Ｌ₂ ・・・活性部の長さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】圧電体層と内部電極層とを交互に積層して
   形成され、主面が矩形状の活性部と、該活性部の長さ方
   向の両側面に設けられた絶縁性不活性部とからなる共振
   子本体に、前記内部電極層を交互に接続する一対の外部
   電極を設けてなるとともに、前記圧電体層が積層方向に
   分極され、かつ前記内部電極層の上下に位置する圧電体
   層の分極方向が反対方向である圧電共振子であって、前
   記共振子本体の長さＬ₁ に対する前記活性部の長さＬ₂
   の比（Ｌ₂ ／Ｌ₁ ）が０．５〜０．９であり、かつ長さ
   方向伸び振動モードの基本振動で励振することを特徴と
   する圧電共振子。
2. 【請求項２】一対の外部電極が共振子本体の同一面に形
   成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電共振
   子。
3. 【請求項３】一対の外部電極は、積層方向に形成され、
   かつ内部電極層を交互に接続する接続用導電部材と、該
   接続用導電部材の一端部から共振子本体の長さ方向に延
   設された固定用導電部材とからなり、前記共振子本体の
   長さ方向の中央部で、一方の前記外部電極の固定用導電
   部材と他方の前記外部電極の固定用導電部材が対向して
   いることを特徴とする請求項２記載の圧電共振子。
4. 【請求項４】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／または前記並列共振子が、請求項１乃至３のうちい
   ずれかに記載の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。