JPH0235492B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

この発明は圧電トランスジユーサを用いた機械
共振子およびその応用部品（以下圧電トランスジ
ユーサを用いた機械共振子装置と略称する）に関
する。 圧電トランスジユーサを用いた機械共振子で
は、圧電効果を有するセラミツク材料で構成した
圧電トランスジユーサが用いられる。その代表的
な材料としては、チタン酸バリウム系、チタン酸
鉛系、チタン酸ジルコン酸鉛系などのセラミツク
スが用いられている。 圧電トランスジユーサを用いた機械共振子とし
ては、圧電音叉やエレクトロメカニカルフイルタ
が代表的なものとして知られており、受信回路、
リモートコントロールシステム、ポケツトベル等
で選択用素子として用いられたり、発振子として
用いられたりしており、近年ますますこれら各種
の圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装置
として、高信頼性のものが要求され、外部環境、
特に温度環境や熱的環境に対して安定した特性が
要求されている。 しかしながら、従来のものは、厳しい温度環
境、熱的環境に置いたとき、たとえば高温放置試
験や熱衝撃試験などの特殊試験と呼ばれる試験を
行うと、圧電トランスジユーサの圧電特性が低下
し挿入損失が増加したり共振周波数がシフトする
という現象がしばしば生じる。そのために、従来
より種々の改良案が試みられているが、いまだに
これといつた最善のものが見出されていないのが
現状である。 機械共振子装置の圧電トランスジユーサに用い
られる強誘電性基板としては、(1)温度変化によつ
ても挿入損失や共振周波数などが変化しないこ
と、(2)電気機械結合係数が大きいこと、などが重
要な特性として要求される。たとえばチタン酸ジ
ルコン酸鉛系のセラミツクス主成分に対して種々
の添加物を加え、その材料それ自体で特性の改善
を計ることが行われている。しかしながらこのよ
うに材料それ自体を変える場合には、高温放置試
験や熱衝撃試験についてある程度改善され得て、
上述の(1)の特性は満足することはできるかも知れ
ないが、逆に上述の(2)の特性が低下するという現
象が見られた。 また、この他に、焼成条件を種々検討すること
により、上述の(1)の特性についての改善も試みら
れているが、やはり上述の(2)の特性にばらつきが
生じたり、それが低下したりするという欠点が見
られ、しかもその焼成条件のコントロールも難し
いという面があり、工業的生産には適したもので
はない。 それゆえに、この発明の主たる目的は、厳しい
温度環境に対して安定なかつその圧電特性も良好
な圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装置
を提供することである。 この発明の他の目的は、より簡易な手段によ
り、厳しい温度環境、熱的環境に対して確実に圧
電特性を安定化できる圧電トランスジユーサを用
いた機械共振子装置を提供することである。 この発明のさらに他の目的は効率よく生産でき
るかつ厳しい温度環境、熱的環境に対して安定な
圧電特性を有する圧電トランスジユーサを用いた
機械共振子装置を提供することである。 この発明は、圧電トランスジユーサを用いた機
械共振子装置であつて、分極処理を施した強誘電
性基板の分極方向と交差する表面に、その強誘電
性基板を介して少なくともその一部が対向する１
対の導電部材が形成された構造の圧電トランスジ
ユーサと、前記１対の導電部材に蓄積された正及
び負の電荷を放電させる電荷放電手段とを備え、 前記電荷放電手段は、前記強誘電性基板の抵抗
値よりも低い抵抗成分を介して前記１対の導電部
材間を接続するように構成されており、かつ機械
共振子装置に内蔵されていることを特徴とする。 この発明の上述の目的およびその他の目的と特
徴は図面を参照して行う以下の詳細な説明から一
層明らかとなろう。 第１図、第２図はこの発明が実施され得る圧電
トランスジユーサを用いた機械共振子の一例であ
る圧電音叉を示す図である。このような圧電音叉
の全体構造はすでに周知のところであり、ここで
はこの発明に関連した部分について簡単に説明す
る。圧電音叉１には、対向電極が付され、形状が
1.7×７×0.2^tmmの矩形板の圧電基板１１，１１′
が音叉脚の振動の節部もしくはその近傍に貼着さ
れている。すなわちこの圧電基板１１（圧電基板
１１′も同様であるので以下圧電基板１１′につい
てあらためて説明はしない。同じく、ダツシユ記
号を付したものは、付さないものと同様であるの
であらためて説明はしない。）はたとえばチタン
酸ジルコン酸鉛系の強誘電性セラミツク等から成
り、厚み方向に分極処理されている。この圧電セ
ラミツク基板１１上には、電極１２および１３が
それぞれ互いに対向して形成される。電極１２は
リード１４によつて、引出端子１５に接続され
る。また音叉１ａの基部縁部に一体に設けた突起
は共通引出端子１６に固着する。引出端子１５，
１５′、共通引出端子１６は樹脂ベース１７に貫
通状態で保持され、ベース１７と導体ケース１８
で内部が密封される。 第３図以降はそれぞれこの発明の異なる実施例
を示し、その要部のみを示す。実施すべき実際の
圧電音叉は第１図、第２図に示すような構造に限
られないことはおのずと明らかになる。圧電基板
１１の外形寸法、電極１２，１３の外形寸法は第
１図、第２図と同じである。そしてこれらの実施
例では、圧電基板１１の組成としては、第１図、
第２図と同様に（Pb_0.95Sr_0.05）（Ti_0.48Zr_0.52）O₃
＋0.75Wt％Nb₂O₅＋0.15Wt％Cr₂O₃＋0.5Wt％
MnO₂のようなチタン酸ジルコン酸鉛系のセラミ
ツクスを使用した。このセラミツクスを使用した
場合、この発明を適用する前の従来の形態では電
極１２，１３間の抵抗値は７×10¹¹Ωであつた。 第３図の実施例においては、電極１２と１３と
の間にデイスクリートな抵抗２を接続した。その
抵抗値としては、たとえば1KΩ、100KΩ、10MΩ
あるいは1000MΩなどの値の抵抗を用いることが
できるが、この実施例では100KΩの抵抗素子を
用いた。抵抗２の接続箇所は、１２，１３間であ
ればこの発明の趣旨に合致するかぎり任意であ
る。 第４図の実施例では、圧電セラミツク基板１１
の両表面にわたつて抵抗性ペースト２１を焼付
け、それによつて電極１２と１３とをある抵抗値
を有して接続した。抵抗体ペースト２１として
は、たとえばフエノール系樹脂にカーボンを分散
させたものを用い、その抵抗値は1KΩ、100KΩ、
10MΩ、1000MΩなどの値をとることができる
が、実験では1KΩあるいは10MΩの抵抗体ペース
ト２１を焼付けた。なお、この抵抗体ペースト２
１は、たとえば第５図の２２で示すような位置に
形成し、それによつて電極１２および１３を接続
することもできる。つまり、接続箇所は、この発
明の趣旨に合致するかぎり任意である。 第５図の実施例では、先の第３図および第４図
ならびに後の第６図の実施例が、電極を抵抗値が
ほぼ零の、たとえば蒸着法あるいはスパツタリン
グ法による銀電極を用いたのに対し、これらの電
極を、たとえば蒸着法あるいはスパツタリング法
による抵抗性金属（たとえばタンタルやチタンな
ど）あるいは抵抗金属酸化物（たとえば酸化すず
など）で形成する。そして、この実施例では、圧
電セラミツク基板１１の両面にわたつて抵抗値が
ほぼ零の銀ペースト２２を焼付け、それによつて
電極１２および１３を抵抗を介さないで直接接続
したものである。もちろん銀ペースト２２のかわ
りにリード線で短絡させてもよいし、これらの接
続箇所はこの発明の趣旨に合致するかぎり任意で
ある。さらに、銀ペースト２２や短絡リード線に
抵抗分をもたせてもよい。電極とこれら銀ペース
ト２２や短絡リード線の合成抵抗値は圧電セラミ
ツク基板１１自体の電極１２，１３間の抵抗値よ
りも小さく選ばなければならない。 第６図に示す実施例では、ベース１７を形成す
る材料として、抵抗性（または半導体）樹脂を用
いた。このベース１７の材料としては、たとえば
エポキシ系樹脂にカーボン、金属、金属酸化物、
半導体酸化物粉末あるいは半導体ガラス粉末など
を分散させたものを用いることができる。そして
その抵抗値は1KΩ、100KΩ、10MΩおよび
1000MΩなどを抵抗値とすることができるが、実
験では10MΩおよび1000MΩの抵抗値とした。そ
して、この実施例のように、抵抗性ベース１７を
用いたものは、さらに、高絶縁性または／および
耐湿性の樹脂２３によつてベース１７をコーテイ
ングすることが望ましい。なお、この絶縁性樹脂
２３は、従来のエポキシ系樹脂などが用いられ得
る。この実施例では、電極１３が音叉１ａに電気
的に導通していると、引出端子１５および共通引
出端子１６は、この抵抗性ベース１７によつて相
互に接続されていることになり、したがつて電極
１２および１３がその樹脂ベース１７の抵抗値を
通して接続されたものとなる。 このようにして形成した圧電音叉で、次いで熱
衝撃試験を行つた。熱衝撃試験の条件は次のとお
りである。すなわち、−55℃と＋100℃の温度にそ
れぞれ60分間保持し、−55℃から＋100℃に移行さ
せるのを１サイクルとして、これを100サイクル
繰返した。そして、−55℃から＋100℃への移行、
またはその逆への移行はそれぞれ数秒内で行つ
た。 この熱衝撃試験の結果を第１表に示す。なお、
この第１表では、特に第３図、第４図または第６
図に示す実施例のものを試料番号２ないし６とし
て用い、第１図に示す従来のものを試料番号１と
して用いた。いずれの実施例の場合でも、要は電
荷発生電極間の圧電セラミツク基板の抵抗値より
も低い抵抗値で電荷発生電極間を接続すればよ
い。そして、いずれの実施例の場合も先に説明し
た条件で熱衝撃試験を行つた。第１表にその結果
を示す。

【表】

【表】 この第１表は熱衝撃試験による圧電共振子の特
性（挿入損失および共振周波数）の試験サイクル
数に対する測定結果を示したものである。 この第１表から分かるように、第１図、第２図
に示す従来のものすなわち挿入抵抗がない場合で
は、熱衝撃のサイクル数が多くなればなるほどそ
の挿入損失変化および共振周波数変化が大きくな
つていることが分かる。これに対して、たとえば
第４図の実施例において、抵抗体ペースト２１を
1KΩとした場合の例すなわち試料番号２のデー
タでは、挿入損失はほとんど変化なく、その共振
周波数変化も許容限度内にある。同様に、第３図
の実施例で固体抵抗素子２を100KΩとした場合
を試料番号３として示す。第６図に示す実施列
で、抵抗性樹脂ベース１７の抵抗値を10MΩとし
た場合を試料番号４として示す。さらに、第４図
の実施例で抵抗値を10MΩとしたものを試料番号
５として示し、第６図の実施例で抵抗値を
1000MΩとしたものを試料番号６として示す。こ
の第１表における試料番号２ないし６のものの挿
入損失の変化および共振周波数変化が、第１図、
第２図に示すような従来のもの、すなわち試料番
号１のものに比べて、明確にしかも確実に改善さ
れていることがわかる。 第７図は試料番号６すなわち第６図に示す実施
例で、樹脂ベース１７の抵抗値を1000MΩとした
場合のものと、試料番号１すなわち第１図に示す
従来のものの挿入損失、共振周波数の変化量を示
し、第１表に示すデータに基づいて作成したグラ
フである。 なお、第３図の実施例における固体抵抗素子２
の抵抗値および第４図の実施例における抵抗体ペ
ースト２１の抵抗値ならびに第６図に示す実施例
の樹脂ベース１７の抵抗値は、いずれも、圧電セ
ラミツクス基板１１の電極１１，１２間の抵抗値
よりも小さいことが条件である。また、第５図の
実施例では、抵抗体ペーストで形成した各電極１
２，１３の抵抗値と銀ペースト２２の抵抗値との
和が、圧電セラミツク基板１１の電極１１，１２
間の抵抗値よりも小さく選ばれていることが条件
である。つまり、種々の材料のセラミツク基板の
抵抗値と熱衝撃試験での電気的特性の変化量との
関係を求めたところ、セラミツク基板の抵抗値が
ある値よりも低くなると、熱衝撃試験による電気
的特性の変化量が小さくなるということが明らか
となつた。これは焦電効果によつて分極時の電界
方向とは逆の反電界の電荷が強誘電性セラミツク
基板の対向している電極側に蓄積されずに、セラ
ミツク基板の内部を通して自然放電されるものと
考えられる。 しかしながら、すでに上記したようにセラミツ
ク基板の抵抗の低下にともなつて、圧電性の低
下、電気的特性のバラツキの増大が見られること
が明らかとなつており、したがつて圧電セラミツ
ク基板自身の抵抗値を下げることなく、他に自然
放電の形態を考慮しなければならない。つまり、
セラミツク基板の内部を通しての放電ではなく、
外部回路を通じて放電させればよいことになり、
したがつてセラミツク基板の内部よりも抵抗値の
低い抵抗（抵抗を介さない場合を含む）で電荷が
発生している電極間を接続すればよいことにな
る。しかしながら、電極面と分極方向が交差する
構造では、圧電トランスジユーサとしての本来の
動作を妨げないようにしなければならないので、
これら抵抗値を小さくするにもおのずと限度があ
る。この下限値については一概には決定できず
個々のケース毎に定められるべきものである。 熱衝撃試験の場合、低温（−55℃）から高温
（＋100℃）に移るとき、焦電効果により、基板１
１の両側電極の間に分極方向とは順方向に電界を
生じ、一方高温から低温に移るときは逆方向に電
界を生じる。このような交番電界によつて基板１
１の分極がとれて、その圧電特性の低下が生じる
ものと考えられる。そこで、この発明では、この
ような交番電界を即時に緩和するために、基板１
１の分極方向と交差する両表面の電極相互間を実
質的にある抵抗値を有して電気接続したのであ
る。 なお、上述の実施例では、抵抗として、焼付抵
抗やデイスクリートな固体抵抗素子などを用いた
例を示した。また、樹脂として抵抗を兼ねるもの
を用いた例も示した。しかしこの発明には、その
他の半導体ガラスペースト、半導体酸化物粉末ペ
ースト、半導体樹脂などを用いてもよく、要は回
路上から見て、抵抗が挿入されている状態が作り
出されていればよいのである。 上記した実施例では、電荷が蓄積される導電部
材が、電極であり、分極軸方向がこれらの電極が
設けられている圧電セラミツク基板面に直交して
いる状態における例を示しているが、このほか次
のような例がある。 第８図は、圧電トランスジユーサの他の構成例
を示したもので、強誘電性セラミツク基板２０１
の分極方向は、基板面に対して平行である。この
場合セラミツク基板２０１は厚みが0.2mmで1.7×
７mmの長方形板からなり、分極方向に垂直な面２
０２，２０３間の抵抗は、５×10¹³Ωであつた。
導電部材の１つである電極１２，１３がセラミツ
ク基板２０１の対向主表面に形成されている。さ
らにセラミツク基板２０１の側面２０２，２０３
にはこれもまた導電部材にあたる電極２０４，２
０５が、従来公知の方法で形成されている。 この構成によれば、温度変化によつて電荷が蓄
積される側の導電部材は主に電極２０４，２０５
であつて電極１２，１３ではない。 したがつて、この発明を適用しようとすれば、
たとえば図示したように電極２０４，２０５を短
絡リード線２０６にて接続する。電極２０４，２
０５を電気接続するときに抵抗を介してもよい。 この場合、電極２０４，２０５を抵抗性金属酸
化物のようなそれ自身抵抗性をもつ材料で形成し
てもよい。 そしてこの発明は上記した実施例のような圧電
音叉に適用できるのみならず、機械共振子に圧電
トランスジユーサを組合せた他のいかなるメカニ
カルフイルタにも適用できる。以下適用できる代
表的なメカニカルフイルタについて述べる。 第９図に示すものは、共振子３０，３１に圧電
トランスジユーサ３２，３３を貼着して横振動す
るものをねじり結合子３４，３５で連結した音片
フイルタである。 第１０図に示すものは、Ｈ形状の共振子４０に
圧電トランスジユーサ４１，４２を貼着して、た
て振動するものである。 第１１図に示すものは多重振動モードを利用す
るメカニカルフイルタの一例であつて、略四角柱
状の共振子５０の隣接する二側面にそれぞれ圧電
トランスジユーサ５１，５２を貼着したものであ
る。 もちろん本発明は以上例記した構造のものに限
定されるだけのものではなく、要は機械共振子に
圧電トランスジユーサを組合せたいかなる構造の
ものに適用可能なものである。 なお、分極軸方向が基板面に対して斜めの場合
には、分極軸方向が基板面に直交する場合の実施
例と分極軸方向が基板面に平行な場合の実施例
を、温度変化によつて発生する電荷量の大きさに
応じて、適宜組合せればよい。 以上のように、この発明によれば、圧電基板上
の正電荷が蓄積される側の電極と負電荷が蓄積さ
れる側の電極とを相互に電気接続することによつ
て、焦電効果に基づく電荷による交番電荷を速や
かに緩和でき、したがつて分極がとれたりするよ
うな圧電特性の劣化がない。また、そのような圧
電特性の劣化のない圧電トランスジユーサを用い
た機械共振子装置が、簡単な構成ないし方法によ
つて得られ、工業的に製造する場合量産性も良く
かつその良品率も向上させることができる。さら
に、このように温度環境、熱的環境によつても特
性が安定であるので、非常に高い信頼性の圧電ト
ランスジユーサを用いた機械共振子装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明が実施され得る従来
の圧電音叉の一例を示す図で、第１図はケースを
とつた平面図、第２図はケースをとつた正面図で
ある。第３図ないし第６図は、それぞれ、この発
明の異なる実施例を示す側面図である。第７図は
従来のものと第６図の実施例のものとの挿入損失
の変化量を示すグラフである。第８図は、この発
明を利用した圧電トランスジユーサの他の構成例
を示す概略側面図である。第９図ないし第１１図
はさらにそれぞれこの発明の他の実施例を示し、
第９図は、音片フイルタの概略斜視図、第１０図
はＨ形フイルタの概略斜視図、第１１図は多重モ
ードフイルタの概略斜視図である。 １は圧電音叉、１１，１１′は圧電基板、１２，
１２′，１３，１３′は電極、１４，１４′はリー
ド、１５，１５′は引出端子、１ａは音叉、１６
は共通引出端子、１７は樹脂ベース、１８は導体
ケース、２は抵抗、２１は抵抗性ペースト、２２
は銀ペースト、２３は絶縁性樹脂、２０１は強誘
電性セラミツク基板、２０４，２０５は電極、２
０６は矩絡リード線。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装
   置であつて、 分極処理を施した強誘電性基板の分極方向と交
   差する表面に、その強誘電性基板を介して少なく
   ともその一部が対向する１対の導電部材が形成さ
   れた構造の圧電トランスジユーサと、 前記１対の導電部材に蓄積された正及び負の電
   荷を放電させる電荷放電手段とを備え、 前記電荷放電手段は、前記強誘電性基板の抵抗
   値よりも低い抵抗成分を介して前記１対の導電部
   材間を接続するように構成されており、かつ機械
   共振子装置に内蔵されていることを特徴とする、
   圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装置。 ２ 前記導電部材は、振動電極を含む特許請求の
   範囲第１項記載の圧電トランスジユーサを用いた
   機械共振子装置。 ３ 前記導電部材は、振動電極以外の導電材を含
   む、特許請求の範囲第１項記載の圧電トランスジ
   ユーサを用いた機械共振子装置。 ４ 温度変化により電荷が蓄積される側の導電部
   材間において、分極された強誘電性基板の結晶配
   向軸が導電部材に対して垂直方向に配向されてい
   る、特許請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記
   載の圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装
   置。 ５ 温度変化により電荷が蓄積される側の導電部
   材間において分極された強誘電性基板の結晶配向
   軸が導電部材に対して斜め方向に配向されてい
   る、特許請求の範囲第１項〜第３項の何れかに記
   載の圧電トランスジユーサを用いた機械共振子装
   置。 ６ 前記電荷放電手段は、正電荷が蓄積される側
   の導電部材または負電荷が蓄積される側の導電部
   材の少なくとも一方を所定の抵抗値を有するよう
   に形成すること並びに両導電部材間を電気的に直
   接接続することにより構成されている、特許請求
   の範囲第１項記載の圧電トランスジユーサを用い
   た機械共振子装置。 ７ 前記正電荷が蓄積される側の導電部材及び前
   記負電荷が蓄積される側の導電部材の間に抵抗が
   電気的に直列に接続されており、 前記各導電部材の抵抗値と前記抵抗の抵抗値と
   の和が、強誘電性基板自体の抵抗値よりも小さく
   されている特許請求の範囲第６項記載の圧電トラ
   ンスジユーサを用いた機械共振子装置。 ８ 前記電荷放電手段は、機械共振子装置のケー
   スを利用して構成されている特許請求の範囲第１
   項記載の圧電トランスジユーサを用いた機械共振
   子装置。 ９ 前記電荷放電手段は、機械共振子装置のケー
   スの導体部分を用いて構成されている特許請求の
   範囲第８項記載の圧電トランスジユーサを用いた
   機械共振子装置。 １０ 前記電荷放電手段は、機械共振子装置のケ
   ースの樹脂成形部分を用いて構成されている特許
   請求の範囲第８項記載の圧電トランスジユーサを
   用いた機械共振子装置。