JPH118527A - 厚み縦圧電共振子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦
圧電共振子であって、小型化を進めることができ、所望
でない不要スプリアスの発生を効果的に抑圧し得る、厚
み縦圧電共振子を提供する。 【解決手段】 ストリップ型の矩形板状の圧電体２と、
圧電体２の両面に形成されており、圧電体２を介して表
裏対向された第１，第２の励振電極３，４とを備え、圧
電体２の幅をＷ、厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３としたとき
に、Ｗ／ｄが７．７以下とされている、厚み縦圧電共振
子１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の共振子や発
振子等に用いられる圧電共振子に関し、より詳細には、
厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電共振子は、圧電発振子や圧電フィル
タなどの種々の圧電共振部品に用いられており、この種
の圧電共振子としては、使用周波数に応じて種々の圧電
振動モードを利用したものが知られている。

【０００３】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子の一例を、図１１及
び図１２を参照して説明する。図１１に示すように、こ
の圧電共振子は矩形の圧電セラミック板５１の上面中央
に、円形の励振電極５２を形成し、下面中央に励振電極
５２と表裏対向するように円形の励振電極５３を形成し
た構造を有する。励振電極５２，５３は、それぞれ、引
き出し電極５４，５５により圧電セラミック板５１の端
縁に引き出されている。圧電セラミック板５１は、図１
２に矢印Ｐで示すように、厚み方向に一様に分極処理さ
れている。

【０００４】駆動に際しては、励振電極５２，５３間に
交流電圧を印加することにより、圧電共振子を共振させ
ることができ、この場合、振動エネルギーは、励振電極
５２，５３が重なり合っている領域、すなわち共振部Ａ
に閉じ込められる。

【０００５】従来の厚み縦振動モードの３倍波を利用し
た上記圧電共振子は、エネルギー閉じ込め型圧電共振子
として構成されており、従って、共振部Ａの周囲に振動
を減衰させるための大きな面積の振動減衰部を必要とし
ていた。すなわち、共振部の面積に比べて大きな振動減
衰部を必要としていたので、小型化を進めることが困難
であった。

【０００６】他方、特開平２−２３５４２２号公報に
は、共振部の周囲に余分な圧電基板部分をあまり必要と
しない、ストリップ型の圧電セラミックスを用いたエネ
ルギー閉じ込め型圧電共振子が開示されている。

【０００７】ここでは、図１３に示すように、細長い圧
電基板７１の上面に励振電極７２ａが、下面に励振電極
７２ｂが形成されている。励振電極７２ａ，７２ｂは、
それぞれ、圧電基板７１の一対の長辺に至るように、す
なわち全幅に至るように形成されており、かつ圧電基板
７１の長さ方向中央において表裏対向されて共振部を構
成している。また、これらの励振電極７２ａ，７２ｂ
は、それぞれ、圧電基板７１の長さ方向端部７１ａ，７
１ｂに至るように延ばされている。

【０００８】圧電共振子７０では、厚み縦振動モードを
励振した場合、圧電基板７１の幅Ｗと厚みＴの寸法関係
に起因する不要振動が発生する。そこで、特開平２−２
３５４２２号公報では、基本波を利用する場合には、共
振周波数１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝５．３３付近とす
ればよいこと、３倍波を利用する場合には、共振周波数
約１６ＭＨｚにおいてＷ／Ｔ＝２．８７付近とすれば、
共振周波数−反共振周波数間における不要スプリアスを
低減し得るとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述した通り、厚み縦
振動モードの３倍波を利用した図１１及び図１２に示し
たエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共振部の周囲
に大きな振動減衰部を構成する必要があるため、小型化
が困難であるという問題があった。

【００１０】また、特開平２−２３５４２２号公報に開
示されているエネルギー閉じ込め型圧電共振子では、共
振部の側方に振動減衰部を必要としないため、小型化を
果たし得るものの、実際に厚み縦振動モードの高調波を
利用しようとした場合には、共振周波数−反共振周波数
間のスプリアス以外に、様々な不要スプリアスが現れ、
有効な共振特性を得られないという問題があった。

【００１１】よって、本発明の目的は、厚み縦振動モー
ドの３倍波を利用した厚み縦圧電共振子であって、小型
化を進めることができ、かつ所望でない不要スプリアス
の発生を効果的に抑制し得る良好な共振特性を有する厚
み縦圧電共振子を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚み縦圧電共
振子であって、矩形板状の圧電体と、前記圧電体の両面
に形成されており、圧電体を介して対向された第１，第
２の励振電極とを備え、前記圧電体の幅をＷ、厚みをｔ
とし、ｄ＝ｔ／３としたときに、Ｗ／ｄが７．７以下で
あることを特徴とする。

【００１３】また、好ましくは、請求項２に記載のよう
に、Ｗ／ｄが以下の何れかの範囲とされる。 Ｗ／ｄ≦０．７ …（１） １．０≦Ｗ／ｄ≦１．７ …（２） ２．５≦Ｗ／ｄ≦３．０ …（３） ４．２≦Ｗ／ｄ≦４．６ …（４） ５．３≦Ｗ／ｄ≦５．７ …（５） ６．７≦Ｗ／ｄ≦７．７ …（６）

【００１４】また、請求項３に記載の発明は、エネルギ
ー閉じ込め型圧電共振子であって、一方向のみに振動減
衰部を有し、前記方向と直交する方向において、圧電板
の端部または端部近傍まで第１，第２の励振電極が至る
ように第１，第２の励振電極が形成されている請求項１
または２に記載の厚み縦圧電共振子である。

【００１５】また、好ましくは、請求項４に記載のよう
に、上記圧電体は細長いストリップ型の圧電体により構
成されている。請求項５に記載の発明は、前記第１また
は第２の励振電極が形成されている面に、圧電共振子の
振動を妨げないための空間を隔てて貼り合わされたコン
デンサをさらに備えることを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
非限定的な実施例につき説明する。 （第１の実施例）図１は、本発明の第１の実施例に係る
厚み縦圧電共振子を示す斜視図であり、図２はその断面
図である。

【００１７】厚み縦圧電共振子１は、細長いストリップ
状の圧電体２を用いて構成されている。圧電体２は、チ
タン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスで構
成されており、その幅をＷ、厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３
としたときに、Ｗ／ｄが上記７．７以下とされている。

【００１８】圧電体２は、図示の矢印Ｐで示すように、
厚み方向に一様に分極処理されている。他方、圧電体２
の上面には、第１の励振電極３が形成されており、下面
には第２の励振電極４が形成されている。励振電極３
は、圧電体２の一方端面２ａ側から圧電体２の上面にお
いて他方端面２ｂ側に向かって、但し端面２ｂには至ら
ないように延ばされている。励振電極４は、圧電体２の
下面において、端面２ｂ側から端面２ａ側に向かって、
但し端面２ａには至らないように延ばされている。

【００１９】従って、圧電体２の長さ方向中央部分にお
いて、励振電極３と励振電極４とが圧電体２を介して表
裏対向されている。なお、励振電極３は、圧電体２の端
面２ａから下面に至る端子電極５に接続されている。

【００２０】駆動に際しては、第１，第２の励振電極
３，４間に交流電圧を印加することにより、厚み縦振動
モードの３倍波が強く励振され、該３倍波を利用した圧
電共振子として動作させることができる。

【００２１】なお、本実施例では、第１，第２の励振電
極３，４が圧電体２の長さ方向中央部分において圧電体
層を介して重なり合うように形成されている。従って、
第１，第２の励振電極３，４が重なり合っている部分に
おいて、エネルギー閉じ込め型の共振部が構成され、こ
の共振部が振動した場合のエネルギーは、共振部と端面
２ａ，２ｂとの間の圧電体部分で減衰される。

【００２２】言い換えれば、上記共振部を中心として考
えると、圧電体２の長さ方向のみに振動減衰部が両側に
設けられており、第１，第２の励振電極は、長さ方向と
直交する方向において、圧電板の端部、すなわち長手方
向に延びる端縁に至るように形成されている。

【００２３】この場合、第１，第２の励振電極３，４
は、共振部においてのみ、圧電体２の全幅に至るように
形成されておればよく、共振部外では、同じ幅に形成さ
れている必要は必ずしもない。例えば、励振電極３を例
にとると、共振部においてのみ、励振電極３は圧電体２
の全幅に至るように形成されておればよく、励振電極３
の共振部より端面２ａ側の部分は、単に励振電極を端子
電極５に電気的に接続する部分であるため、細い幅で形
成されていてもよい。

【００２４】本実施例の厚み縦圧電共振子１では、従来
のストリップ型厚み縦圧電共振子と異なり、不要スプリ
アスを効果的に抑制することができる。これを、図３〜
図８を参照して説明する。

【００２５】本願発明者によれば、図１４に示した従来
のストリップ型圧電共振子７０では、共振周波数−反共
振周波数間の周波数領域に大きなスプリアスの発生する
ことが認められた。圧電共振子７０のインピーダンス周
波数特性を図６に示す。図６から明らかなように、共振
周波数ｆｒと反共振周波数ｆａとの間の周波数領域に矢
印Ｓで示す大きなスプリアスが現れている。

【００２６】また、上記スプリアスＳの原因を種々検討
した結果、上記スプリアスＳが、断面エッジモードに起
因する共振であることが確かめられた。図４及び図５
は、それぞれ、厚み縦振動の３倍波で圧電共振子１が振
動している場合及び断面エッジモードＳで振動している
場合の変位分布を示す図である。なお、図４及び図５
は、圧電共振子１の共振部の横断面の半分を示す図であ
り、すなわち、図３に模式的に示す半断面横断面図で表
されている部分の変位状態を示す。

【００２７】そこで、本願発明者は、上記断面エッジモ
ードＳに起因するスプリアスを抑制すべく種々実験を繰
り返したところ、図１に示した厚み縦圧電共振子１にお
いて、圧電体２の幅をＷ、厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３と
したとき、比Ｗ／ｄを特定の値とすれば、断面エッジモ
ードの応答を小さくすることができ、厚み縦振動モード
の３倍波ＴＥ₃ のみを大きく励振させ得ることを見出し
た。

【００２８】図７は、Ｗ／ｄ＝２．８の場合の圧電共振
子１のインピーダンス−周波数特性を示す図である。図
７から明らかなように、共振点と反共振点との間に大き
なスプリアスの発生していないことがわかる。

【００２９】すなわち、図６に示した従来の厚み縦圧電
共振子７０においては、Ｗ／ｄ＝３．７であるため、断
面エッジモードＳに起因する大きなスプリアスが共振点
ｆｒと反共振点ｆａとの間の通過帯域近傍に現れている
のに対し、図７に示す厚み縦圧電共振子では、このよう
な断面エッジモードに起因するスプリアスの現れていな
いことがわかる。

【００３０】そこで、上記比Ｗ／ｄを種々変化させた場
合の比帯域幅を有限要素法により確かめたところ、図８
に示す結果が得られた。なお、比帯域幅とは、共振周波
数をｆｒ、反共振周波数をｆａとしたとき、（ｆａ−ｆ
ｒ）×１００／ｆａ（％）で得られる値である。

【００３１】図８から明らかなように、比Ｗ／ｄを変化
させると、比帯域幅が変化し、特に、Ｗ／ｄが７．７を
超えると、断面エッジモードによる振動の共振点（図８
においては×で示す）が通過帯域内に現れることがわか
る。また、Ｗ／ｄが７．７以下の場合には、Ｗ／ｄの値
を選択することにより、断面エッジモードによる振動の
影響を受け得ない厚み縦圧電共振子の得られることがわ
かる。特に、比Ｗ／ｄを上記式（１）〜（６）の範囲内
とすれば、×印で示される断面エッジモードの共振が３
倍波の共振点（●）と反共振点（▲）との間の通過帯域
内に位置せず、従って、良好な共振特性の得られること
がわかる。

【００３２】本実施例の厚み縦圧電共振子１では、上記
のように、圧電体２の比Ｗ／ｄを７．７以下としている
ので、厚み縦振動モードの３倍波ＴＥ₃ を用いた圧電共
振子を構成した場合、断面エッジモードによる不要スプ
リアスを効果的に抑制することができ、良好な共振特性
の得られることがわかる。

【００３３】（第２の実施例）図９は、本発明の第２の
実施例に係る厚み縦圧電共振子を説明するための斜視図
であり、図１０はその等価回路を示す図である。図９に
示す圧電共振子１１は、第１の実施例に係る厚み縦圧電
共振子１にコンデンサ１２を結合した構造を有する。す
なわち、厚み縦圧電共振子１の下面に、導電性接着剤１
３，１４を介してコンデンサ１２が接合されている。

【００３４】コンデンサ１２では、誘電体基板１２ａの
上面において、所定のギャップを隔てて容量電極１２
ｂ，１２ｃが形成されている。また、誘電体基板１２ａ
の下面には、容量電極１２ｂ，１２ｃと誘電体基板１２
ａを介して表裏対向するように共通電極１２ｄが形成さ
れている。

【００３５】他方、導電性接着剤１３は、上記容量電極
１２ｂと端子電極５とを接合しており、導電性接着剤１
４は、容量電極１２ｃと励振電極４とを共振部外の部分
で接合している。

【００３６】従って、圧電共振子１１は、図１０に示す
ように、共振子に２個のコンデンサユニットを組み合わ
せた容量内蔵型圧電発振子として用いることができるも
のである。

【００３７】よって、厚み縦圧電共振子１が厚み縦振動
の３倍波を利用した圧電共振子であって、断面エッジモ
ードに起因するスプリアスを効果的に抑制することが可
能とされているので、良好な周波数特性を有する圧電発
振子を提供することが可能となる。

【００３８】（他の変形例）図１１は、本発明の厚み縦
圧電共振子のさらに他の変形例を示す斜視図である。

【００３９】本発明に係る厚み縦圧電共振子は、厚み縦
振動の３倍波を利用した圧電共振子において、比Ｗ／ｄ
を上記特定の範囲内とすることにより、断面エッジモー
ドに起因するスプリアスを抑制したことに特徴を有する
ものである。すなわち、エネルギー閉じ込め型の圧電共
振子に限定されるものではなく、図１１に示すように、
エネルギー閉じ込め型ではない厚み縦圧電共振子にも本
発明を適用することができる。

【００４０】図１１に示す厚み縦圧電共振子２１は、矩
形板状の細長いストリップ型の圧電体２２を用いて構成
されており、該圧電体２２は、比Ｗ／ｄが式（１）〜
（６）の何れかの範囲内となるように構成されている。
そして、圧電体２２の上面及び下面の全面に、それぞ
れ、第１，第２の励振電極２３，２４が形成されてい
る。また、圧電体２２は、厚み方向に一様に分極処理さ
れている。

【００４１】厚み縦圧電共振子２１においても、第１の
実施例の厚み縦圧電共振子１と同様に、断面エッジモー
ドに起因する不要スプリアスを効果的に抑制することが
でき、良好な共振特性を得ることができる。

【００４２】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、矩形板
状の圧電体と、圧電体の両面に形成された第１，第２の
励振電極とを備える厚み縦圧電共振子において、比Ｗ／
ｄが７．７以下とされているため、Ｗ／ｄの値を調整す
ることにより、断面エッジモードや利用する他の高調波
に起因する不要スプリアスを効果的に抑制することがで
きる。よって、共振特性の良好な、厚み縦振動の３倍波
を利用した厚み縦圧電共振子を提供することができる。

【００４３】また、比Ｗ／ｄを、請求項２に記載のよう
に、上述した６種類の特定の範囲の何れかの範囲内とす
れば、断面エッジモードや利用する高調波以外の他の高
調波に起因する不要スプリアスをより一層効果的に抑制
することができる。

【００４４】請求項３に記載の発明によれば、さらに、
エネルギー閉じ込め型圧電共振子として構成されてお
り、一方向のみに振動減衰量を有し、該方向と直交する
方向において、圧電板の端部または端部近傍まで第１，
第２の励振電極が至るように第１，第２の励振電極が形
成されているので、共振部の側方に振動減衰部を設ける
必要はない。従って、圧電共振子の小型化を促進するこ
とができる。

【００４５】また、請求項４に記載のように、圧電体と
して、細長いストリップ型の圧電体を用いた場合には、
厚み縦圧電共振子の小型化を進めることができ、さらに
細長いストリップ型の圧電体を用い、請求項３に記載の
発明に従ってエネルギー閉じ込め型圧電共振子を構成し
た場合には、より一層小型の厚み縦圧電共振子を提供す
ることができる。

【００４６】請求項５に記載の発明によれば、請求項１
〜４の何れかに記載の厚み縦圧電共振子に、さらに共振
子の振動を妨げないための空間を隔ててコンデンサが貼
り合わされているので、不要スプリアスが少ない共振特
性の良好な圧電共振子を用いて、容量内蔵型の圧電発振
子を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
を示す斜視図。

【図２】第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子の断面
図。

【図３】図４に示す変位分布が現れている厚み縦圧電共
振子部分を模式的に示す圧電共振子の半断面横断面図。

【図４】厚み縦振動の３倍波で振動している圧電共振子
の有限要素法により解析された変位分布を示す図。

【図５】断面エッジモードで振動している圧電体の有限
要素法により解析された変位分布を示す図。

【図６】従来の厚み縦圧電共振子においてスプリアスと
して現れている断面エッジモードＳを説明するためのイ
ンピーダンス−周波数特性を示す図。

【図７】本発明の第１の実施例に係る厚み縦圧電共振子
のインピーダンス−周波数特性を示す図。

【図８】比Ｗ／ｄと比帯域幅との関係を示す図。

【図９】本発明の第２の実施例に係る圧電共振子であっ
て、コンデンサ内蔵型圧電共振子を示す斜視図。

【図１０】図９に示した圧電共振子の回路構成を示す
図。

【図１１】本発明の厚み縦圧電共振子のさらに他の変形
例を説明するための斜視図。

【図１２】厚み縦振動の３倍波を利用した従来の厚み縦
圧電共振子の一例を説明するための分解斜視図。

【図１３】図１２に示した厚み縦圧電共振子の断面図。

【図１４】従来の厚み縦圧電共振子の他の例を説明する
ための斜視図。

【符号の説明】

１…厚み縦圧電共振子 ２…圧電体 ３，４…第１，第２の励振電極 １１…圧電共振子 １２…コンデンサ ２１…厚み縦圧電共振子 ２２…圧電体 ２３，２４…第１，第２の励振電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚み縦振動モードの３倍波を利用した厚
   み縦圧電共振子であって、 矩形板状の圧電体と、 前記圧電体の両面に形成されており、圧電体を介して対
   向された第１，第２の励振電極とを備え、 前記圧電体の幅をＷ、厚みをｔとし、ｄ＝ｔ／３とした
   ときに、Ｗ／ｄが７．７以下とされていることを特徴と
   する厚み縦圧電共振子。
2. 【請求項２】 前記Ｗ／ｄが以下の何れかの範囲とされ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の厚み縦圧電共
   振子。 Ｗ／ｄ≦０．７、 １．０≦Ｗ／ｄ≦１．７、 ２．５≦Ｗ／ｄ≦３．０、 ４．２≦Ｗ／ｄ≦４．６、 ５．３≦Ｗ／ｄ≦５．７、 ６．７≦Ｗ／ｄ≦７．７。
3. 【請求項３】 エネルギー閉じ込め型圧電共振子であっ
   て、一方向のみに振動減衰部を有し、前記方向と直交す
   る方向において、圧電板の端部または端部近傍まで第
   １，第２の励振電極が至るように第１，第２の励振電極
   が形成されている、請求項１または２に記載の厚み縦圧
   電共振子。
4. 【請求項４】 前記圧電体が細長いストリップ型の圧電
   体により構成されている、請求項１〜３の何れかに記載
   の厚み縦圧電共振子。
5. 【請求項５】 前記第１または第２の励振電極が形成さ
   れている面に、圧電共振子の振動を妨げないための空間
   を隔てて貼り合わされたコンデンサをさらに備えること
   を特徴とする、請求項１〜４の何れかに記載の厚み縦圧
   電共振子。