JPH0251908A - 圧電共振装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、拡がり振動のような圧電横効果による撮動を
利用した圧電共振装置の改良に関し、特に厚み振動に基
づくスプリアスを抑制する構造が備えられたものに関す
る。

〔従来の技術〕

従来より、チタン酸ジルコン酸鉛系等の圧電セラミック
スの拡がり振動を利用したｋＨｚ帯フィルタや発振子が
広く用いられている。

この種の圧電共振子としては、圧電セラミックスの両面
に電極を形成したものや、内部電極を介して圧電セラミ
ック層が積層された積層型のもの等が存在する。

〔発明が解決しようとする技術的課題〕しかしながら、
この種の圧電共振装置のインピーダンス−周波数特性で
は、第２図に示すように、拡がり振動に基づくビークＡ
の他に、比較的大きな厚み振動に基づく応答Ｂが生じる
。すなわち、拡がり振動を用いると、不可避的に厚み振
動が誘発され、この厚み振動に基づく応答レベルが大き
なスプリアスとなっていた。

また、超音波センサのような用途では、圧電共振装置の
出力を大きくするには、圧電出力係数ｇ８．を大きくす
ればよいが、そのためには圧電定数ｄ、を大きくするか
、誘電率ｃ０を小さくすればよい、しかしながら、圧電
材料で組成を変更することにより圧電定数ｄ！２を大き
くした場合、−ｍに誘電率ｔｓｘも大きくなる。従って
、組成を変更することにより圧電出力係数ｇ０を大きく
することは難しい。

よって、本発明の目的は、拡がり振動のような横効果に
よる振動を利用するに際し、厚み振動に基づくスプリア
スを効果的に低減することができ、また超音波センサの
ような用途において、大きな電力出力を実現し得る構造
を備えた圧電共振装置を提供することにある。

〔技術的課題を解決するための手段〕

本発明は、拡がり振動モードのような横効果に基づく振
動を利用した圧電共振装置において、厚み方向に重なり
合うように配置された少なくとも２層の気孔率の異なる
圧電セラミック層を有する焼結体と、この焼結体の表面
に設けられた電極とを備えることを特徴とする。

厚み方向に重なり合うように配置された少なくとも２層
の気孔率の異なる圧電セラミック層は、１以上の何れか
の圧電セラミック層をポーラス層とすることにより構成
することができる。このポーラス層を形成するには、焼
結前に圧電セラミックグリーンシート中に炭素や有機質
バインダ等の焼結に際して飛散し得る物質を加えて焼成
すればよい。

また、以下の実施例から明らかなように、気孔率の異な
る圧電セラミック層のうち気孔率の高い層としては、５
〜１０％の気孔率を有する層を形成し、残りの圧電セラ
ミック層を緻密な通常の焼結体層で構成することが好ま
しい、気孔率の大きな圧電セラミック層の気孔率が、５
％以下では厚み振動に基づくスプリアスレベルを低減す
る効果が充分ではなく、また１０％を超えたものでは比
誘電率、周波数定数および拡がり振動の電気機械結合係
数等の電気的特性の劣化が次第に大きくなるため好まし
くないからである。

〔作用〕

本発明では、少なくとも２層の気孔率の異なる圧電セラ
ミック層を有する焼結体を用いるために、気孔率の大き
な圧電セラミック層により、厚み振動が効果的にダンピ
ングされる。従って、厚み振動に基づくスプリアスレベ
ルを効果的に低減することが可能となる。

〔実施例の説明〕

第１図は、本発明の一実施例の圧電共振装置の断面図で
ある。第１図において、焼結体ｌ中には、圧電セラミッ
クＪ１２〜４が厚み方向にＩＩＪＩされている。ここで
は、中央の圧電セラミック層３が１Ｏ−１００μｍの径
の気孔を有するポーラス層で構成されており、両側の圧
電セラミック層２．４は緻密な圧電セラミック焼結体層
で構成されている。そして焼結体１全体が厚み方向に直
交する方向に分極処理されている。なお、５，６は駆動
のための電極を示す。

本実施例では、以下の具体的な説明から明らかなように
、気孔率の異なる圧電セラミック層３が備えられている
ので、拡がり振動を利用した場合、厚み縦振動に基づく
スプリアスレベルを効果的に低減することが可能とされ
ている。

第１図実施例の製造工程を参照しつつ、本実施例をより
詳細に説明する。

まず、通常のドクターブレード法により複数枚の第１の
圧電セラミックグリーンシートを用意する。他方、圧電
セラミック粉末に、等体積の溶剤に不溶な有機物粉末（
セラミック焼結体の焼成温度で飛散し得るもの）を混合
して得られたスラリーを用いて、同じくドクターブレー
ド法により第２の圧電セラミックグリーンシートを用意
する。

上記した第１．第２のセラミックグリーンシートを、第
３図に示すように、所望の厚みとなるように重なり合わ
せ、圧着した後焼成して焼結体を得た。なお、第３図に
おいて、参照番号７．８で示されるグリーンシートが、
第１のセラミックグリーンシートであり、参照番号９で
示すセラミックグリーンシートは第２のセラミックグリ
ーンシートである。

上記のようにして得られた焼結体を分極処理し、しかる
後両面に電極を形成して第１図に示した圧電共振装置を
得た。

なお、第３図に示したように第１のセラミックグリーン
シート７．７・・・、第２のセラミックグリーンシート
９，９・・・および第１のセラミックグリーンシート８
，８・・・を積層するに際しては、例えば第４図に示す
積層装置を用いれば連続的に積層することができる。す
わなち、第４図に示すように、図示の矢印Ｘ方向に回転
されるローラ１１゜１２を相対的に近接させるように、
ローラ１１゜１２の少なくとも一方を他方側に押圧した
状態で回転させる。このようなローラ１１，１２間に、
第１．第２のセラミックグリーンシート７〜９を図示の
ように供給すれば（第４図では、図示を容易とするため
に、１枚のセラミックグリーンシート７〜９を図示して
いるが、実際には積層枚数に応じた数のグリーンシート
がローラ１１，１２間に供給される。）、ローラ１１，
１２で加圧され積層シート１３を得ることができる。

なお、第１．第２のセラミックグリーンシート７〜９は
、予めシート状に成形し乾燥しておく必要があるが、ロ
ーラ１１，１２間で圧着し積層するに際しては、予めシ
ート表面に水を塗布することが望ましい、これは、セラ
ミックグリーンシートに含まれているバインダが水溶性
のものであり、従って水を表面に塗布しておけば圧着が
容易となるからである。

上記のように、第４図に示したローラ１１．１２を用い
て圧着すれは異質な材料のシートを積層した積層体を押
出成形により簡単に得ることができる。

もっとも、本発明の圧電共振装置による気孔率の異なる
圧電セラミック層を形成するには、必ずしも第４図の積
層装置を用いる必要はない、第３図に示したように、予
め所定の大きさに切断された矩形の第１．第２のセラミ
ックグリーンシート７〜９を上下に積層し、上下方向か
ら任意の加圧装置により圧着し、それによって成形体を
得、該成形体を焼結してもよい。

次に、第１図実施例の具体的な実験結果につき説明する
。第３図において、積層されるセラミックグリーンシー
）７，８．９の各の積層枚数Ｔ、。

Ｔ、、Ｔ’、のうち、Ｔ、−Ｔ’　、とし、Ｔ、／Ｔ、
を変更して種々の圧電共振装置を得た。このように、第
２のセラミックグリーンシート９の１１層枚数の第１の
セラミックグリーンシート７または８の積層枚数に対す
る比を変更した場合のインピーダンス−周波数特性を調
べた。結果を第５図に示す。

第５図は、Ｔ、／Ｔ、を変動させた場合の拡がり振動お
よび厚み振動の山谷比２０Ｘｊ！ｏｇ〔（反共振周波数
におけるインピーダンス値／共振周波数におけるインピ
ーダンス値）〕を示す。

第５図から明らかなように、Ｔ、が０のとき（従来例に
相当）に比べて、Ｔ、が増加するにつれて拡がり振動の
応答はさほど変化しないにも係わらず、厚み縦振動に基
づく山谷比はＴｈが増加するにつれて急激に低減するこ
とがわかる。

従って、第３図においてポーラス層を形成するための第
２のセラミックグリーンシート９の積層枚数を増加させ
た場合、厚み振動に基づくスプリアスを低減し得ること
がわかる。もっとも、第５図から明らかなように、Ｔｈ
　／　　Ｔ−が０．５を超えた場合には、厚み振動に基
づくスプリアスの低減効果は飽和点に近くなる。他方、
広がり振動の山谷比も、Ｔ、／Ｔ、が増加するにつれて
若干低下するため、両者を勘案すれば、Ｔ、／Ｔ、は０
．５以下であることが好ましいと考えられる。

また、第１図の実施例において第３図の積層比、すなわ
ちＴ、／Ｔ、に対する比誘電率ｅ、および圧電出力係数
ｇ０の変化を第７図に示す。

第７図から明らかなように、本実施例では、圧電出力係
数ｇ、の値は、ポーラス層を含まない（１−０）通常の
圧電共振装置の２倍以上になることがわかる。従って、
高性能の圧力センサおよび超音波マイク等を構成するこ
とが可能となる。

第１図実施例では、中央に気孔率の高い圧電セラミック
層３を形成したが、内部に２以上の気孔率の高い圧電セ
ラミック層が積層された焼結体や、第１図とは異なり緻
密な圧電セラミック層の両側に気孔率の高い圧電セラミ
ック層が備えられた焼結体を用いても同様に厚み縦振動
に基づくスプリアスを低減することができる。これらの
構造例を、第８図および第９図に示す。

第８図に示した実施例では、焼結体２１内に、緻密な圧
電セラミック層２２，２３．２４間に気孔率の高いポー
ラスな圧電セラミック層２５．２６が積層されている。

なお、２７．２８は電極を示す。

また、第９図に示す焼結体３１では、厚み方向中央に緻
密な圧電セラミック層３２が形成されており、その両側
に気孔率の相対的に高い圧電セラミック層３３．３４が
積層されている。３５．３６は電極を示す。

第８図および第９図に示した焼結体２１．３１は、何れ
も、前述した第１．第２のセラミックグリーンシートを
、第８図および第９図に示した厚みとなるようにその枚
数を選択して積層し、焼結することにより得られる。

第１０図は、第８図および第９図に示した実施例の厚み
＊ｉ動の山谷比とＴｌ／Ｔａとの関係を示す図である。

なお１、’ｒｂ／Ｔ、は、第８図の構造では気孔率の高
いポーラスな圧電セラミック層２５または２６の厚みに
相当し、Ｔ、は中央の緻密な圧電セラミック層２１の厚
みに相当する。同様に、第９図の構造では、Ｔ、が両側
の気孔率の高い圧電セラミックＮ３３．３４の厚みに、
Ｔ、が中央の緻密な圧電セラミックＪｉ３２の厚みに相
当する。

第８図および第９図に示した各実施例においても、ポー
ラスな圧電セラミック層２５．２６または３３．３４を
使用したので、第１０図から明らかなように、厚み縦振
動の山谷比がＴｂ／　　Ｔ−の増加につれて急激に低減
することがわかる。

つぎに、具体的な実験例につき説明する。

叉隻勇上 チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末に、メチル
セルロース・バインダを４重量％、可塑剤としてグリセ
リンを３重量％、水（純水）を１０重量％混合し、３本
ロールで混練を行った。しかる後、真空押出装置により
、０．２ｍの第１のグリーンシートを押出形成し、フィ
ルム・ドライヤで乾燥させてロールに巻取った。

つぎに、同一のチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック
粉末に同種および同量のバインダ、グリセリンおよび水
を加えた後、不溶性セルロースを３重量％混合し、３本
ロールで混練を行い、しかる後第１のグリーンシートと
同様にして厚み０゜２国の第２のグリーンシートを押出
成形してロールに巻取った。

上記のようにして得られた第１．第２のグリーンシート
を、前述した積層装置のロール１１．１２間において圧
着・積層し、積層シートを得た。

なお、積層に際しては、予め各グリーンシートの表面に
水を塗布しておいた。また、ロール１１゜１２間には、
ｌＱｋｇ／ｃｊの圧力が加わるようにして、両セラミッ
クグリーンシートを圧着した。

得られた積層グリーンシートを３０閣角に打ち抜き、ア
ルミナの匣に収納し、１１６０°Ｃの温度で２時間焼成
した。得られた焼結体の表面に銀ペーストを塗布し、８
００°Ｃの温度で０．５時間焼付け、電極を形成した。

さらに、３ｋＶ／−の直流電界により分極を施し、１５
０　’Ｃで０．５時間枯化した後、インピーダンス−周
波数特性を測定した。その結果、第６図に示すインピー
ダンス−周波数特性が得られた。

反共振周波数におけるインピーダンス値は、従来のもの
に比べて１１５に低下し、共振インピーダンス値は、逆
に約１０倍程度となった。従って、厚み縦振動のダンピ
ングが効果的に行われていることがわかる。

尖旌炎主 チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック粉末に、メチル
セルロース・バインダを４重量％、可塑剤としてグリセ
リン３重量％、水を１００重量混合し混練した後に、真
空押出器にて０．３ａｍのシートを押出成形し、乾燥さ
せた後ロールに巻回した。

他方、メチルセルロース５重蓋％水溶液に、水不溶性の
セルロースを一定重量混練し、シート接着剤とした。水
不溶性セルロースを混合したのは、焼結体中に気孔率の
高い層を形成するためである。

前述したセラミックグリーンシートを２枚用意し、上記
したシート接着剤を各シートの表面にスキージ印刷等に
より塗布し、加圧ローラを用い、ＩＬ／ｃｄの圧力で加
圧・圧着することにより積層シートを得た。

得られた積層シートを３０＋ｍ＋＋角に切抜き、アルミ
ナ型理を用いて、１１６０℃の温度で２時間焼成し、厚
み５００　μｍで中央に２０〜３ｏｔＩｍ厚のポーラス
層が形成された焼結体を得た。焼結体の表面に銀ペース
トを塗布し、７６０℃の温度で３０分間焼付け、電極を
形成した。

次に、３ｋＶ／閣の直流電界により、３０分間、厚み方
向に分極処理し、１５０℃で３０分間、枯化した後、拡
がり振動および厚み振動の特性を測定した。

その結果、第１１図（ａ）〜（ｄ）に示す結果が得られ
た。すわなち、シート接着剤を用いて構成された気孔率
の高い部分の気孔率が５〜１０％となった場合、厚み縦
振動に基づくスプリアスレベルがＯｄＢ以下となり、か
つ拡がり振動のレベルもさほど低下しない範囲を維持し
得ることがわかる。

なお、ポーラスな圧電セラミック層の気孔率が５％以下
の場合には、厚み縦振動のスプリアスレベルは正の値と
なる（第１１図（ａ）参照）、また、１０％以上の場合
には、比誘電率、周波数定数および電気機械結合係数（
拡がり振動）等の特性劣化が大きくなり、必要なものが
得られなくなる。従って、ポーラスな圧電セラミック層
の気孔率は５〜１０％であることが好ましい。

〔発明の効果］ 以上のように、本発明では、気孔率の異なる圧電セラミ
ック層が積層された焼結体を用いて圧電共振装置が構成
されているので、拡がり振動のような圧電横効果に基づ
く振動を利用する場合、不可避的に発注していた厚み縦
振動に基づくスプリアスを効果的に低減することが可能
となる。また、圧電出力係数ｇ。も効果的に高め得るの
で、高性能の超音波マイクや圧力センサ等を得ることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は従来例の
インピーダンス−周波数特性を示す図、第３図は第１図
実施例を構成するに用いるセラミックグリーンシートを
示す斜視図、第４図はセラミックグリーンシートを積層
するための積層装置を示す略図的側面図、第５図は第２
のセラミックグリーンシートの積層枚数比を変えた場合
の拡がり振動および厚み振動の山谷比の変化を示す図、
第６図は実施例１のインピーダンス−周波数特性を示す
図、第７図は圧電出力係数ｇｚｓとＴ、　／Ｔ　。 、との関係を示す図、第８図は本発明の他の実施例を示
す断面図、第９図は本発明のさらに他の実施例を示す断
面図、第１０図は第８図および第９図実施例における厚
み縦振動の山谷比とＴ　ｂ　／　Ｔ、の関係を示す図、
第１１図（ａ）〜（ｄ）は、実施例２の特性を示す各図
である。 図において、１，２１．３１は焼結体、２，４２２．２
３．２４は緻密な圧電セラミック層、３゜２５．２６．
３２はポーラスな圧電セラミック層、５．６，２７．２
８，３５．３６は電極を示す。 第１図 第２図 朋　淑　数 第４図 第６図 圏 ポ 数 第５図 Ｔｂ　／Ｔａ 第７図 θ ρ、５ ７ｂ／Ｔａ 第９図 第１Ｏ図 θ、５ 下し／下ａ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　圧電横効果による振動を利用した圧電共振装置であっ
   て、 厚み方向に重なり合うように配置された少なくとも２層
   の気孔率の異なる圧電セラミックスを有する焼結体と、
   該焼結体の表面に設けられた電極とを備える圧電共振装
   置。