JP2001119262A

JP2001119262A - 圧電共振子

Info

Publication number: JP2001119262A
Application number: JP29449199A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamamoto; 隆山本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2001-04-27
Also published as: DE10050058A1; CN1164032C; CN1293486A; KR20010040089A

Abstract

(57)【要約】【課題】同じ共振周波数であれば、より寸法を小さく
でき、しかも、端子間容量の大きな圧電共振子を提供す
る。【解決手段】３層のセラミック圧電基板１１、１３、１
５の間に２層の内部電極１２、１４を挟み込み、積層さ
れた圧電基板１１、１３、１５及び内部電極１２、１４
の表裏両主面にそれぞれ表面電極１０、１６を形成す
る。中央の圧電基板１３は分極処理せず、その両側の圧
電基板１１、１５は主面と垂直な方向で、かつ分極方向
が互いに反対向きとなるようにに分極処理する。さら
に、側面に接続用電極１８を設けて表面電極１０及び内
部電極１４を電気的に導通させる（絶縁材料１７によっ
て内部電極１２とは絶縁する）。また、他方の接続用電
極２０は表面電極１６及び内部電極１４と電気的に導通
させ、側面に形成された絶縁材料１９によって中間の内
部電極１２とは絶縁する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電発振素子やラ
ダーフィルタ等に用いられる圧電共振子に関し、具体的
にいうと、端子間容量の大きな屈曲振動による圧電共振
子に関する。

【０００２】

【従来の技術】３００〜８００ｋＨｚ帯の共振子として
は、従来はセラミック圧電体の拡がり振動を利用してい
た。図１（ａ）は拡がり共振子１の構造を示す斜視図、
図１（ｂ）はその分極軸及び電界軸の構成を示す側面図
である。この拡がり共振子１は、正方形状をした１層の
圧電基板２の表裏両主面に表面電極３を設け、圧電基板
２全体を両主面と垂直な方向に分極処理したものであ
る。従って、表面電極３間に印加される電界の方向（電
界軸）も両主面と垂直で分極軸と平行となっている。こ
のような拡がり振動子１では、両表面電極３間に信号を
印加すると、両主面と平行な面内において圧電基板２が
その外周方向に向けて伸縮変形する。

【０００３】この拡がり共振子１では、その一辺の長さ
Ｌsと共振周波数ｆrとの積は概ね一定であり、Ｌs×ｆr＝Ａs … となる。ここで、Ａsは定数（周波数定数）であって、
Ａs≒２１００ｍｍｋＨｚである。例えば、共振周波数
がｆr＝４５０ｋＨｚの共振子を得ようとすれば、その
１辺の長さは、Ｌs＝４.６７ｍｍとなる。

【０００４】電子部品の世界においては、ますます軽薄
短小化が進んでいるので、このような拡がり共振子で
は、その小型化、軽量化のみならず低コスト化の要求に
も応じ難く、このような寸法は到底許容し得ないサイズ
であった。

【０００５】また、図２は、直列共振子７ａ、７ｂと並
列共振子８ａ、８ｂからなる２段構成のラダーフィルタ
６を示し、図３はその減衰量特性を示している。このよ
うなラダーフィルタ６の特性としては、図３に示す保証
減衰量Att.をできるだけ大きくする必要がある。直列共
振子７ａ、７ｂの端子間容量をＣ１とし、並列共振子８
ａ、８ｂの端子間容量をＣ２とするとき、２段構成のラ
ダーフィルタ６の保証減衰量Att.は、 Att.＝２×２０log（Ｃ２／Ｃ１） … で表されるから、保証減衰量Att.を大きくするために
は、並列共振子８ａ、８ｂの端子間容量Ｃ２を大きく
し、直列共振子７ａ、７ｂの端子間容量Ｃ１を小さくす
る必要がある。しかし、並列共振子８ａ、８ｂとして上
記のような拡がり共振子１を用いた場合には、以下に述
べるような理由から、端子間容量Ｃ２を大きくすること
は困難であった。

【０００６】図１（ａ）に示したような拡がり共振子１
の端子間容量Ｃsは、その一辺の長さをＬs、圧電基板の
比誘電率をε、厚みをｔとすると、Ｃs＝（ε・ε_０・Ｌs^２）／ｔ … で表される。ここで、ε_０は真空中の誘電率であって、
ε_０＝８.８５４×１０ ^−１２である。

【０００７】拡がり共振子１の共振周波数ｆrが決まる
と、その拡がり共振子１の一辺の長さＬsが決まる（前
記式参照）から、端子間容量Ｃsは圧電基板２の厚み
ｔと比誘電率εだけで決まることになる。

【０００８】拡がり共振子１の端子間容量Ｃsを大きく
するためには、圧電基板２の比誘電率εを大きくする
か、その厚みｔを薄くする必要がある。ところが、圧電
基板２の比誘電率εは、圧電基板２の材料に固有の定数
であって、任意に選択できるものでなく、また圧電基板
材料を変えると他の特性にも影響が生じる。また、圧電
基板２の厚みｔを薄くすると、破壊強度が小さくなり、
拡がり共振子１が破損し易くなるので、その選択範囲に
は限界があった。

【０００９】従って、ラダーフィルタの並列共振子とし
ては、端子間容量の大きな共振子が求められているにも
拘わらず、端子間容量の大きな拡がり共振子を得ること
が困難であった。それどころか、上記定数Ｃsに相当す
る定数の小さな圧電共振子が開発され、圧電共振子の小
型化が可能になったとすると、その結果端子間容量が小
さくなるので、並列共振子として用いた場合には、ラダ
ーフィルタの保証減衰量は悪くなってしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の技術的
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、同じ共振周波数であれば、より寸法を
小さくでき、しかも、端子間容量の大きな圧電共振子を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の圧電共
振子は、４層以上の電極と３層以上の圧電体層とを積層
し、該圧電体層のうち少なくとも２層を前記電極と垂直
な方向に分極させた圧電共振子であって、一部の圧電体
層においては該圧電体層の分極方向と同じ向きに電界が
発生し、他の一部の圧電体層においては該圧電体層の分
極方向と異なる向きに電界が発生するにように前記電極
どうしを接続したことを特徴としている。

【００１２】請求項２に記載の圧電共振子は、請求項１
に記載した圧電共振子において、偶数層の電極と奇数層
の圧電体層が積層され、中央の圧電体層は分極しておら
ず、その片側で分極方向と電界の向きとが同じ向きとな
り、もう一方の片側で分極方向と電界の向きとが反対向
きとなるように前記電極どうしを接続したことを特徴と
している。

【００１３】

【作用】請求項１に記載した圧電共振子にあっては、分
極方向と電界方向とが同じ向きの圧電体層は中心方向に
縮まり、分極方向と電界方向とが異なる向きの圧電体層
では外縁方向に拡がるので、圧電共振子全体としては屈
曲振動する。このような屈曲振動の圧電共振子にあって
は、その１辺の長さと共振周波数との積が拡がり共振子
と比較して小さくなるので、同じ周波数帯域の圧電共振
子であれば、圧電共振子の寸法を小さくすることができ
る。しかも、この圧電共振子にあっては、４層以上の電
極を有しているので、これらの各電極間に端子間容量を
形成することができ、端子間容量を大きくすることがで
きる。しかも、各圧電体層は積層されているので、強度
を低下させることなく各圧電体層の厚みを薄くすること
ができ、より一層圧電共振子の端子間容量を大きくでき
る。

【００１４】請求項２に記載の圧電共振子にあっては、
中央の圧電体層を分極させず、その片側で分極方向と電
界の向きとが同じ向きとなり、もう一方の片側で分極方
向と電界の向きとが反対向きとなっているから、大きな
屈曲振動を得ることができる。また、分極していない圧
電体層を挿入することによって強度を低下させることな
く他の圧電体層を薄くでき、より端子間容量を大きくで
きる。

【００１５】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図４は本発明
の一実施形態による圧電共振子９を示す斜視図、図５は
その断面図であって、この圧電共振子９は例えば３００
ｋＨｚ〜８００ｋＨｚの周波数帯域においてセラミック
発振子として用いられるものである。この圧電共振子９
は、正方形状をした３層のセラミック圧電体層１１、１
３、１５の間に２層の内部電極１２、１４を挟み込み、
積層された圧電体層１１、１３、１５及び内部電極１
２、１４の表裏両主面にそれぞれ表面電極１０、１６を
形成したものである。中央の圧電体層１３は分極してお
らず、その両側の圧電体層１１、１５は主面と垂直な方
向で、かつ分極方向が互いに反対向きとなるようにに分
極処理を施されている。なお、分極方向は、図５におい
て実線矢符で示すように、中央の圧電体層１３を挟んで
内向きになっていてもよく、中央の圧電体層１３を挟ん
で外向きになっていてもよい。

【００１６】さらに、この圧電共振子９においては、両
側面に接続用電極１８、２０が設けられている。一方の
接続用電極１８は１層おきの表面電極１０及び内部電極
１４と電気的に導通しており、側面に形成された絶縁材
料１７によって中間の内部電極１２とは絶縁されてい
る。また、他方の接続用電極２０は一層おきの表面電極
１６及び内部電極１２と電気的に導通しており、側面に
形成された絶縁材料１９によって中間の内部電極１４と
絶縁されている。

【００１７】従って、両表面電極１０、１６に図５に波
線矢符で示すような向きに電圧を印加すると、一方の圧
電体層１１内部では電界方向と分極方向とが同じ向きと
なって圧電体層１１は中心方向へ縮み、他方の圧電体層
１５内部では電界方向と分極方向とが反対向きとなって
圧電体層１５は外縁方向に拡がる。その結果、両表面電
極１０、１６間に信号（高周波電界）を印加すると、両
圧電体層１１、１５はいずれも拡がり振動して外縁方向
と中心方向に伸縮しようとするが、その伸張と収縮の位
相が反転しているので、全体としては圧電共振子９が湾
曲して両主面が交互に凹凸を繰り返すように変形する
（以下、これを屈曲振動といい、本発明の圧電共振子９
を屈曲共振子という）。

【００１８】このように３層構造の屈曲共振子９では、
その１辺の長さをＬb、圧電体層１１、１３、１５の比
誘電率をε、各圧電体層１１、１３、１５の厚みをｔ
1、ｔ2、ｔ3とすると、その端子間容量Ｃbは次の式で
表される。Ｃb＝（ε・ε_０・Ｌb^２）（１／ｔa＋１／ｔb＋１／ｔc） … で表される。ここで、ε_０は真空中の誘電率である。

【００１９】いま、同じ圧電材料（εの値が同じ）で、
寸法が等しく（Ｌb＝Ｌs）、厚みも等しい（ｔa＋ｔb＋
ｔc＝ｔ）拡がり共振子１とこの屈曲共振子９とを比較
すると、拡がり共振子１の端子間容量は式で表され
る。これに対し、屈曲共振子９の各圧電体層１１、１
３、１５の厚みが等しいとすると（ｔa＝ｔb＝ｔc＝ｔ
／３）、その端子間容量は次の′式となる。よって、本発明の屈曲共振子９では、同じ大きさ、同じ
厚みの拡がり共振子１と比較して９倍の端子間容量を得
ることができる。また、圧電体層１１、１３、１５の厚
みを薄くしても、これらが積層されて全体の厚みに変わ
りがないので、強度も変わりがない。

【００２０】したがって、図２に示したようなラダーフ
ィルタに用いられている並列共振子８ａ、８ｂを拡がり
共振子１から３層構造の屈曲共振子９に交換すると、ラ
ダーフィルタの保証減衰量は次の式で表されるよう
に、３８.２ｄＢだけ大きくなる。 ΔAtt.＝２×２０log（Ｃb／Ｃs）＝３８.２［ｄＢ］ … なお、従来の手法である誘電率εの異なる材料を選んだ
り、直列共振子と並列共振子の厚みを変えるなどの方法
を組み合わせれば、より広範に容量比や保証減衰量を設
計することが可能になる。

【００２１】また、この屈曲共振子９でも、１辺の長さ
Ｌbと共振周波数ｆrとの積は概ね一定であって、Ｌb×ｆr＝Ａb となる。ここで、この周波数常数は、Ａb≒４３０ｍｍｋＨｚである。

【００２２】この屈曲共振子９の周波数定数Ａbは、拡
がり共振子１の周波数定数Ａsに比べて約０.３倍（＝Ａ
b／Ａs）であるから、同じ共振周波数ｆrに対しては、
屈曲共振子９の１辺の長さＬbは拡がり共振子１の１辺
の長さＬsの約０.３倍となる。従って、この屈曲共振子
９と拡がり共振子１を比較すると、１辺の長さで屈曲共
振子９は拡がり共振子１の約１／３.３以下となり、面
積で約１／１０となる。よって、同一共振周波数ｆrで
あれば、屈曲共振子９を用いることにより、拡がり共振
子１に比べて共振子サイズを大幅に小さくすることがで
きる。

【００２３】また、上記のように同じ共振周波数ｆrの
拡がり共振子１と屈曲共振子９を比較すると、屈曲共振
子９では面積が約１／１０倍（Ｌb^２＝Ｌs^２／１０）と
なり、各圧電体層１１、１３、１５の厚みが１／３（ｔ
a＝ｔb＝ｔc＝ｔ／３）であるとすると、屈曲共振子９
の端子間容量Ｃbは拡がり共振子１の端子間容量Ｃsの約
９／１０倍となり、サイズが約１／１０になったにも拘
わらず、ほぼ同等な端子間容量が得られる。さらに、厚
みが同じでも寸法が小さくなった分だけ、強度は向上す
る。

【００２４】つぎに、上記屈曲共振子９の製造方法を説
明する。まず、導電ペーストの厚膜印刷による内部電極
１２ａ、１４ａと圧電材料からなるグリーンシート１１
ａ、１３ａ、１５ａを積層して焼成した後、その両面に
外部電極１０ａ、１６ａを形成することによって図６
（ａ）に示すような親基板２１を形成し、その端面に内
部電極１２ａ、１４ａと導通した端子電極２２を形成す
る。この状態で両外部電極１０ａ、１６ａと端子電極２
２の間に電界を加えることにより、図６（ａ）に矢印で
示すような向きに分極処理を施す。ついで、図６（ｂ）
に示す矢印線に沿って親基板２１を短冊状にカットして
図６（ｃ）に示すような短冊状の親基板２３を得る。つ
いで、この短冊状の親基板２３を図６（ｄ）に示す矢印
線に沿ってカットし、図６（ｅ）に示すような単体の圧
電共振子２４を得る。ついで、この圧電共振子２４の端
面において、図５に示すように絶縁材料１７、１９で内
部電極１２又は１４の端を覆い、絶縁材料１７、１９の
上から圧電共振子９の端面に接続用電極１８、２０を形
成する。これによって図４に示すような屈曲共振子９が
多数個一度に生産される。

【００２５】（第２の実施形態）図７（ａ）は本発明の
別な実施形態による圧電共振子３１の分極処理工程を示
す図、図７（ｂ）はその駆動状態を示す図である。この
圧電共振子３１にあっては、５層（７層以上の奇数層で
もよい）の圧電体層３３、３５、３７、３９、４１と４
層（６層以上の偶数層でもよい）の内部電極３４、３
６、３８、４０を積層し、その両面に表面電極３２、４
２を形成している。分極処理工程においては、図７
（ａ）に示すように、表面電極３２、４２及び内部電極
３６、３８を電気的に接続し、また内部電極３４、４０
を電気的に接続し、両者の間に電圧を印加することによ
り、中央の圧電体層３７は分極させず、その上下の圧電
体層３３、３５、３９、４１を分極処理している。この
後、図７（ｂ）に示すように、表面電極３２及び内部電
極３６、４０を接続用電極で電気的に接続し、また内部
電極３４、３８及び表面電極４２を接続用電極で電気的
に接続すれば、中央の圧電体層３７よりも上の圧電体層
３３、３５では分極軸と電界軸が同じ向きとなり、中央
の圧電体層３７よりも下の圧電体層３９、４１では分極
軸と電界軸が異なる向きとなるので、圧電共振子３１は
屈曲振動することになる。このような構造によれば、表
面電極３２、４２と内部電極３４、４０の間、内部電極
３４、３６、３８、４０どうしの間に端子間容量が生じ
るので、より一層大きな端子間容量を得ることができ
る。

【００２６】（第３の実施形態）図８（ａ）は本発明の
別な実施形態による圧電共振子５１の分極処理工程を示
す図、図８（ｂ）はその駆動状態を示す図である。この
圧電共振子５１にあっては、偶数層（例えば、４層）の
圧電体層５３、５５、５７、５９と奇数層（例えば、３
層）の内部電極５４、５６、５８を積層し、その両面に
表面電極５２、６０を形成している。分極処理工程にお
いては、図８（ａ）に示すように、表面電極５２、６０
及び内部電極５６を電気的に接続し、また内部電極５
４、５８を電気的に接続し、両者の間に電圧を印加する
ことにより、すべての圧電体層５３、５５、５７、５９
を分極処理している。この後、図８（ｂ）に示すよう
に、表面電極５２及び内部電極５６、５８を接続用電極
で電気的に接続し、また内部電極５４及び表面電極６０
を接続用電極で電気的に接続すれば、上半分の圧電体層
５３、５５では分極軸と電界軸が同じ向きとなり、一番
下層の圧電体層５９では分極軸と電界軸が異なる向きと
なるので、圧電共振子５１は屈曲振動することになる。
このような構造にしても表面電極５２、６０と内部電極
５４、５８の間、内部電極５４、５６、５８どうしの間に
端子間容量が生じるので、大きな端子間容量を得ること
ができる。

【００２７】なお、図７又は図８の実施形態において
は、分極処理時の配線と駆動時の配線を逆にしてもよ
い。しかし、図示のような配線とすれば、駆動時に両表
面電極に信号を印加できるので、圧電共振子を納めるケ
ースやパッケージの構造を簡単にすることができる。

【００２８】また、図９は２層の圧電体層６３、６５の
間に内部電極６４を挟んで積層し、その両表面に外部電
極６２、６６を形成した屈曲振動の圧電共振子６１であ
る。この圧電共振子６１は本発明の圧電共振子と同様、
拡がり振動による圧電共振子に比べて寸法を大幅に小さ
くできるが、同じ大きさ、同じ厚み、同じ圧電材料であ
れば、本発明の圧電共振子に比べて端子間容量が小さ
い。したがって、この圧電共振子６１を直列共振子と
し、本発明の圧電共振子を並列共振子として図２のよう
なラダーフィルタ（３段以上でもよい）を構成すれば、
保証減衰量が大きくて小さなラダーフィルタを製作する
ことができる。

【００２９】

【発明の効果】請求項１に記載した圧電共振子によれ
ば、端子間容量の大きな屈曲振動の圧電共振子を製作す
ることができ、小形で端子間容量の大きな圧電共振子を
得ることができる。よって、ラダーフィルタの並列共振
子に用いれば、保証減衰量を大きくできる。

【００３０】また、請求項２に記載の圧電共振子によれ
ば、中央の圧電体層を分極させず、その片側で分極方向
と電界の向きとが同じ向きとなり、もう一方の片側で分
極方向と電界の向きとが反対向きとなっているから、大
きな屈曲振動を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は従来の拡がり共振子の構造を示す斜視
図、（ｂ）はその分極軸と電界軸の方向を示す側面図で
ある。

【図２】ラダーフィルタの回路構成を示す図である。

【図３】同上のラダーフィルタの特性を示す図である。

【図４】本発明の一実施形態による圧電共振子の斜視図
である。

【図５】同上の圧電共振子の拡大断面図である。

【図６】（ａ）は親基板の分極処理工程を示す斜視図及
び断面図、（ｂ）は親基板の第１のカッティング工程を
示す斜視図、（ｃ）はカットされた親基板を示す斜視
図、（ｄ）は親基板の第２のカッティング工程を示す斜
視図、（ｅ）は得られた圧電共振子を示す斜視図であ
る。

【図７】（ａ）は本発明の別な実施形態による圧電共振
子の分極処理方法を説明する図、（ｂ）は該圧電共振子
の駆動方法を説明する図である。

【図８】（ａ）は本発明のさらに別な実施形態による圧
電共振子の分極処理方法を説明する図、（ｂ）は該圧電
共振子の駆動方法を説明する図である。

【図９】２層構造の屈曲振動の圧電共振子を示す斜視図
である。

【符号の説明】

１０、１６表面電極１１、１３、１５圧電体層１２、１４内部電極１７、１９絶縁材料１８、２０接続用電極

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年１１月５日（１９９９．１１．
５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２６】（第３の実施形態）図８（ａ）は本発明の
別な実施形態による圧電共振子５１の分極処理工程を示
す図、図８（ｂ）はその駆動状態を示す図である。この
圧電共振子５１にあっては、偶数層（例えば、４層）の
圧電体層５３、５５、５７、５９と奇数層（例えば、３
層）の内部電極５４、５６、５８を積層し、その両面に
表面電極５２、６０を形成している。分極処理工程にお
いては、図８（ａ）に示すように、表面電極５２、６０
及び内部電極５６を電気的に接続し、また内部電極５
４、５８を電気的に接続し、両者の間に電圧を印加する
ことにより、すべての圧電体層５３、５５、５７、５９
を分極処理している。この後、図８（ｂ）に示すよう
に、表面電極５２及び内部電極５６、５８を接続用電極
で電気的に接続し、また内部電極５４及び表面電極６０
を接続用電極で電気的に接続すれば、上半分の圧電体層
５３、５５では分極軸と電界軸が同じ向きとなり、一番
下層の圧電体層５９では分極軸と電界軸が異なる向きと
なるので、圧電共振子５１は屈曲振動することになる。
このような構造にしても表面電極５２、６０と内部電極
５４、５８の間、内部電極５４と５６の間に端子間容量
が生じるので、大きな端子間容量を得ることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】４層以上の電極と３層以上の圧電体層と
を積層し、該圧電体層のうち少なくとも２層を前記電極
と垂直な方向に分極させた圧電共振子であって、一部の圧電体層においては該圧電体層の分極方向と同じ
向きに電界が発生し、他の一部の圧電体層においては該
圧電体層の分極方向と異なる向きに電界が発生するによ
うに前記電極どうしを接続したことを特徴とする圧電共
振子。
【請求項２】偶数層の電極と奇数層の圧電体層が積層
され、中央の圧電体層は分極しておらず、その片側で分
極方向と電界の向きとが同じ向きとなり、もう一方の片
側で分極方向と電界の向きとが反対向きとなるように前
記電極どうしを接続したことを特徴とする、請求項１に
記載の圧電共振子。