JPH0548378A - 圧電素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＰＴ系磁器板を用いる圧電素子において、電
極部の厚みを薄くするような機械的加工を用いることな
く、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めを可能にす
る。 【構成】 ＰＴ系磁器板１１の、対向する外部電極１２
および１３に挟まれた電極部１４とそれ以外の無電極部
１５との間で、コンプライアンスおよび密度の少なくと
も一方に関して差を持たせる。このような構造を得るた
め、ＰＴ系磁器のコンプライアンスおよび密度の少なく
とも一方を熱拡散により変化させ得る元素および導電性
金属を含むペーストを用意し、このペーストによって外
部電極１２および１３を形成するように付与し、その
後、熱処理する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、チタン酸鉛（ＰＴ）
系磁器板を備える圧電素子およびその製造方法に関する
もので、特に、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めを
可能とする新規な構造を備える圧電素子およびその製造
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＰＴ系磁器は、低誘電率であるという特
徴を生かして、圧電受動部品、特に高周波用の部品への
応用が考えられている。

【０００３】しかしながら、ＰＴ系磁器板からなる圧電
基板では、厚み縦振動基本波において、圧電基板の一部
に電極を設け、その部分の遮断周波数を低下させること
による、通常のエネルギ閉じ込め方法を採用することが
できない。

【０００４】図５は、ＰＴの厚み縦振動基本波の分散曲
線を示している。図５において、Ωは規格化された周波
数、Ｐは伝搬定数（波数）、Ω_N は、無電極部の遮断周
波数、Ω_A は電極部の遮断周波数、Ω_O は共振周波数を
それぞれ示している。また、図５における横軸は、伝搬
定数（波数）Ｐの実数部と虚数部とを示している。ま
た、電極部の分散曲線が点線で与えられ、無電極部の分
散曲線が実線で与えられている。

【０００５】ＰＴは、図５のような厚み縦振動基本波の
分散曲線を有するため、共振周波数Ω_O において、無電
極部が実数の伝搬定数を持つ伝搬域に位置し電極部が虚
数の伝搬定数を持つ遮断域に位置することになるため、
通常は、エネルギ閉じ込めができないとされている。

【０００６】ＰＴでエネルギ閉じ込めを行なうには、電
極部遮断周波数を無電極部遮断周波数より大きくするこ
とで、電極部の伝搬定数を実数、無電極部の伝搬定数を
虚数にする必要がある。この条件を満足させ、ＰＴによ
ってもエネルギ閉じ込めを可能とするため、図６および
図７に示すような構造が提案されている。

【０００７】図６および図７を参照して、ＰＴ板１の少
なくとも一方面に凹部２を設け、この凹部２が設けられ
た部分を挟むように、１対の外部電極３および４が形成
されている。なお、図７に示した矢印５は、分極方向を
示している。

【０００８】規格化された遮断周波数Ωは、材料定数か
ら決まる量で、試料形状には依存しない。実際の遮断周
波数ｆは、このΩから以下の式に基づき求められる量で
ある。

【０００９】ｆ＝Ω／｛π・ｔ・（ρ・Ｓ_{4 4} ^E ）
^{1 / 2} ｝ ｔ：厚み，ρ：密度，Ｓ_{4 4} ^E ：コンプライアンス 上述の関係を利用して、従来は、図６および図７に示す
ように、ＰＴ板１の外部電極３および４で挟まれた部分
すなわち電極部の厚みｔを小さくすることで、電極部の
実際の遮断周波数ｆを上げ、エネルギ閉じ込めを可能に
している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６お
よび図７に示した従来技術では、凹部２を設けるための
加工、すなわち電極部を薄くするための加工が難しく、
電極部の厚みに比較的大きなばらつきが生じてしまい、
また、加工によってＰＴ板１の強度が低くなる、という
問題がある。

【００１１】たとえば、厚み０．４ｍｍのＰＴ板でエネ
ルギ閉じ込めを実現するには、電極部の厚みを０．３ｍ
ｍ程度にしなければならないが、電極部となる板の中央
部を０．１ｍｍだけ精度よく削り取ることは困難で、ど
うしても、厚みのばらつきが生じ、そのために、特性の
ばらつきを招いてしまう。

【００１２】また、加工によって、ＰＴ板にマイクロク
ラックが生じることもあり、それによって機械的強度が
劣化する。

【００１３】それゆえに、この発明の目的は、上述した
ような機械的加工を行なうことなくエネルギ閉じ込めを
可能にした、ＰＴ系磁器板を備える圧電素子およびその
製造方法を提供しようとすることである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる圧電素
子は、簡単にいえば、電極部の材料特性と無電極部の材
料特性との間に違いを設けたことを特徴としている。

【００１５】より詳細には、この発明は、ＰＴ系磁器板
と前記磁器板の対向する面の各一部に形成された１対の
対向する外部電極とを備える、圧電素子に向けられるも
のであって、上述した技術的課題を解決するため、前記
磁器板の、前記対向する外部電極に挟まれた部分とそれ
以外の部分との間で、コンプライアンスおよび密度の少
なくとも一方に関して互いに異ならされていることを特
徴としている。

【００１６】この発明によれば、また、上述したような
圧電素子を製造するための方法が提供される。この発明
にかかる製造方法は、ＰＴ系磁器板を用意するステップ
と、ＰＴ系磁器のコンプライアンスおよび密度の少なく
とも一方を熱拡散により変化させ得る元素および導電性
金属を含むペーストを用意するステップと、前記磁器板
の対向する面の各一部に前記ペーストを付与するステッ
プと、前記ペーストが付与された前記磁器板を熱処理す
るステップとを備えている。

【００１７】

【作用】この発明によれば、磁器板の、対向する外部電
極に挟まれた部分とそれ以外の部分との間に、コンプラ
イアンスまたは密度のような材料特性の差を与えること
によって、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めが可能
とされる。

【００１８】

【発明の効果】したがって、この発明によれば、ＰＴ系
磁器板に対して機械的加工を施すことなく、エネルギ閉
じ込めが可能となるので、このような機械的加工に伴う
問題点、すなわち、精度および強度に関する問題が解決
され、それゆえに、特性のばらつきがなく、強度の劣化
にも遭遇しない、ＰＴ系磁器板を備える厚み縦振動基本
波のエネルギ閉じ込めが可能な圧電素子を得ることがで
きる。

【００１９】また、この発明にかかる圧電素子の製造方
法によれば、外部電極を与える導電性金属に加えて、Ｐ
Ｔ系磁器のコンプライアンスおよび密度の少なくとも一
方を熱拡散により変化させ得る元素が含まれたペースト
を用い、このペーストを磁器板に付与して、熱処理する
ので、外部電極の形成と同時に、磁器板の所望の部分に
コンプライアンスおよび密度の少なくとも一方が異なら
された領域を形成することができる。

【００２０】

【実施例】図１は、この発明の一実施例による圧電素子
１０を示す断面図であり、図２は、図１に示した圧電素
子１０の平面図である。

【００２１】圧電素子１０は、ＰＴ系磁器板１１を備え
る。磁器板１１の対向する面の各一部には、１対の対向
する外部電極１２および１３が形成される。

【００２２】磁器板１１の、対向する外部電極１２およ
び１３に挟まれた部分すなわち電極部１４は、それ以外
の部分すなわち無電極部１５に対して、コンプライアン
スおよび密度の少なくとも一方が異ならされている。

【００２３】ＰＴ系磁器において、上述したように、コ
ンプライアンスおよび密度の少なくとも一方を異ならせ
ることは、ＰＴ系磁器の組成を変えることによって可能
である。このことを確認するため、ＰＴ系材料にＣａＣ
Ｏ₃ を添加したものについて、コンプライアンスおよび
密度を測定してみた。すなわち、０．９９（０．９６Ｐ
ｂＴｉＯ₃ ＋０．０４Ｌａ_{2 / 3} ＯＴｉＯ₃ ）＋０．０
１ＭｎＯ₂ ＋ＸＣａＣＯ₃の組成を有し、上記組成にお
けるＸを０．００、０．０１、０．０３、０．０５とい
うように変えたＰＴ系磁器の各々について、コンプライ
アンスおよび密度を測定した。その結果が、以下の表１
に示されている。

【００２４】

【表１】 表１から、ＣａＣＯ₃ の添加および添加量の増加に
より、コンプライアンスおよび密度が変わることがわか
る。

【００２５】次に、この発明に従って行なった、図１お
よび図２に示すような圧電素子１０を得るための実験例
について記載する。

【００２６】素原料として、Ｐｂ₃ Ｏ₄ 、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、
ＴｉＯ₂ 、およびＭｎＯ₂ を用意し、これらが、０．９
９（０．９６ＰｂＴｉＯ₃ ＋０．０４Ｌａ_{2 / 3} ＯＴｉ
Ｏ₃ ）＋０．０１ＭｎＯ₂ （以下「ＰＴ系」という）の
割合になるように秤量した。

【００２７】次に、この素原料を湿式ボールミルで混合
した後、乾燥し、得られた素原料乾燥粉末を、空気中に
おいて、８００℃で２時間仮焼し、ＰＴ系粉末を得た。

【００２８】得られた粉末に、バインダ（ポリ酢酸ビニ
ル系）の固着を行なった後、乾式プレス機を用い、面圧
２ｔ／ｃｍ² の圧力で、寸法１０×１０×１［ｍｍ³ ］
の成形体を作製した。

【００２９】得られた形成体を、空気中において、４０
０℃で熱処理することにより、その有機成分を燃焼させ
た後、空気中において、１１５０℃で２時間焼成し、Ｐ
Ｔ系焼結体を得た。

【００３０】得られた焼結体を、研磨およびカットする
ことにより、寸法５×５×０．４［ｍｍ³ ］の試料を得
た。

【００３１】他方、ＣａＣＯ₃ をＡｇ粉末と混合し、こ
れにワニス、有機溶剤およびガラスフリットを添加する
ことにより、ペーストを得た。

【００３２】得られたペーストを用いて、図１および図
２に示すように、前述したＰＴ系試料の表裏に外部電極
を印刷により形成した。

【００３３】次いで、この試料を、空気中において、８
５０℃で１時間熱処理することにより、外部電極の焼付
を行ない、同時に、ペースト中のＣａＣＯ₃をＰＴ系磁
器中に熱拡散させた。

【００３４】この熱拡散の状態を確認するため、得られ
た試料のいくつかについて、研磨によって外部電極を削
り落とし、さらに厚みの半分まで削った試料を作製し、
研磨面での元素分析を行なった。図３に、Ｃａの線分析
結果が示されている。図３から、図１に示した電極部１
４において、Ｃａ濃度が高められていることがわかる。

【００３５】他方、上述の元素分析に供しなかった試料
に対して、温度６０℃の絶縁油中で５ｋＶの電圧を印加
することにより、分極処理を行なった。

【００３６】また、ＣａＣＯ₃ を含まないペーストを用
いて外部電極を形成したことを除いて、上述の本発明品
を得たのと同様の操作を行ない、比較品となる試料も用
意した。

【００３７】本発明品および比較品のそれぞれについ
て、厚み縦振動基本波モードにおけるインピーダンスの
周波数特性を測定し、その結果を図４に示した。図４か
らわかるように、本発明品では、エネルギ閉じ込めが実
現されており、スプリアスのない振動特性が得られてい
る。

【００３８】なお、上述した実験例では、ＰＴ系磁器の
コンプライアンスおよび密度の少なくとも一方を熱拡散
により変化させ得る元素として、Ｃａを用い、その炭酸
塩であるＣａＣＯ₃ をペースト中に含有させたが、これ
に代えて、たとえば、ＭｎＯ ₂ 、Ｌａ₂ Ｏ₃ 、Ｓｉ
Ｏ₂ 、Ｂｉ₂ Ｏ₃ 等の金属酸化物を用いても、他の金属
の炭酸塩を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による圧電素子１０を示す
断面図である。

【図２】図１に示した圧電素子１０の平面図である。

【図３】この発明に従って実施した実験例において得ら
れたＰＴ系磁器中のＣａ濃度の線分析結果を示す図であ
る。

【図４】本発明品および比較品の厚み縦振動基本波モー
ドにおけるインピーダンスの周波数特性を示す図であ
る。

【図５】ＰＴの厚み縦振動基本波の分散曲線を示す図で
ある。

【図６】従来のエネルギ閉じ込めが可能とされた圧電素
子に含まれるＰＴ板１を示す斜視図である。

【図７】図６に示したＰＴ板１を用いて構成された圧電
素子の断面図である。

【符号の説明】

１０ 圧電素子 １１ ＰＴ系磁器板 １２，１３ 外部電極 １４ 電極部 １５ 無電極部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鷹木 洋 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チタン酸鉛系磁器板と、前記磁器板の対
   向する面の各一部に形成された１対の対向する外部電極
   とを備える、圧電素子において、 前記磁器板の、前記対向する外部電極に挟まれた部分と
   それ以外の部分との間で、コンプライアンスおよび密度
   の少なくとも一方に関して互いに異ならされていること
   を特徴とする、圧電素子。
2. 【請求項２】 チタン酸鉛系磁器板を用意し、 チタン酸鉛系磁器のコンプライアンスおよび密度の少な
   くとも一方を熱拡散により変化させ得る元素および導電
   性金属を含むペーストを用意し、 前記磁器板の対向する面の各一部に前記ペーストを付与
   し、 前記ペーストが付与された前記磁器板を熱処理する、 各ステップを備える、圧電素子の製造方法。