JPH0691411B2 - 電歪共振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電歪共振装置、特に、厚み縦振動モードを利
用したエネルギ閉込め型電歪共振装置に関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする問題点］ 従来より、PZT系圧電セラミックスを用いた厚み縦振動
モードを利用したエネルギ閉込め型の電歪共振装置が知
られている。この種のエネルギ閉込め型の電歪共振装置
は、圧電セラミックス板の両面に該圧電セラミックスよ
り小さな面積の電極を形成することにより構成されてい
る。また、圧電セラミックスとしては、PZT系のように
実効ポアソン比が1/3以上の材料が用いられている。こ
れは、実効ポアソン比が1/3未満の材料を用いた場合に
は、厚み縦振動の周波数低下型エネルギ閉込みができな
かったからである。

上述の電歪共振装置において、より高周波域で使用し得
るものが望まれている。より高周波で振動させるには、
圧電セラミックス板の厚みを薄くすればよい。しかしな
がら、取扱い上200μｍ程度とするのが限界であり、そ
れ以上薄くすることは困難であった。よって、現実に
は、厚み縦基本振動の使用周波数範囲は10MHz以下であ
った。

他方、厚み縦振動の３次高調波を利用すれば、高周波域
で使用することが可能であると考えられる。しかしなが
ら、３次高調波は、基本振動に比べて応答レベルがかな
り小さく、したがって該３次高調波の利用は特定の分野
に限られていた。

さらに、従来の厚み縦振動モードを利用した電歪共振装
置では、上述したように実効ポアソン比が1/3以上の材
料を用いなければ周波数低下型で振動エネルギを閉込め
ることができなかった。よって、材料選択の範囲も限ら
れていた。

そこで、本願発明者達は、より高周波域で使用すること
ができ、より広範な電歪材料を用いることが可能で、か
つ良好なエネルギ閉込めが可能な構造を備えた電歪共振
装置を得るため種々検討を行なった。その結果、電歪材
料よりなる板状の本体と、この本体の厚み方向において
電歪材料層を介して互いに重なり合うように配置された
３以上の電極とを備える、積層型の電歪共振装置を構成
することを考えた。そして、その場合、前記電極に、振
動エネルギを閉込めるための振動電極と、該振動電極と
電歪材料よりなる本体の側端縁とを結ぶ接続導電部とを
設けることにした（特願昭62−160665号）。そうすれ
ば、より高周波域で使用し得るエネルギ閉込め型の電歪
共振装置が実現できた。

この積層型の電歪共振装置では、３以上の電極が電歪材
料を介して厚み方向において互いに重なり合うように配
置されているので、全体の厚みが同じである場合には、
従来の単板型の電歪共振装置に比べて概ね（ｎ−１）倍
［ｎは電極の数を表わす］の周波数域に厚み縦振動の最
初の応答が現われる。よって、より高周波域で使用する
ことができるようになる。また、３以上の電極を用いて
電歪材料層を複数層に分割した構造のものであるため、
電歪材料内を伝わる定常波の存在により制約条件が従来
の単板型の電歪共振子と異なることになる。したがって
実効ポアソン比が1/3未満の電歪材料では従来の単板構
造について振動エネルギを閉込めることが不可能であっ
たが、このような３以上の電極を用いて電歪材料を複数
層に分割した構造により、厚み縦振動のエネルギを閉込
めることが可能となった。

しかし、その構成では、十分に良好なエネルギ閉込めが
できず、共振波形に重畳したスプリアスを十分に低減す
ることができなかった。このため、たとえば、フィルタ
として利用する場合には帯域内リップルの問題が残さ
れ、また発振子として利用する場合にはQmが低下するな
どの問題が残された。

本発明の目的は、より良好にエネルギ閉込めが可能でし
かも高いQmを得ることができ、スプリアスレベルをより
効果的に低減し得る電歪共振装置を提供することにあ
る。

［問題点を解決するための手段］ 本発明に係る電歪共振装置は、厚み縦振動モードの高調
波を利用したエネルギ閉込め型の電歪共振装置である。
そして、この電歪共振装置は、電歪材料よりなる板状の
本体と、本体の厚み方向において電歪材料を介して配置
された、振動エネルギを閉込めるための３以上の電極と
を備えている。また、前記電極に挾まれた各電歪材料層
の厚みは、互い異なる値に設定されている。

なお、たとえば、前記電歪材料層の厚みは、最も薄い電
歪材料層を基準に、残りの電歪材料層の厚みの比が1.00
より大きく1.20以下の範囲に設定されている。また、た
とえば、電極に挾まれる電歪材料層は分極されており、
その分極方向が厚み方向に互い違いである。あるいは、
その分極方向が厚み方向に同一方向である。前記電極に
挾まれない部分の電歪材料層は、その少なくとも一部が
分極されていてもよい。さらに好ましくは、電歪共振装
置は、電極と電歪材料よりなる本体の側端縁とを結ぶ接
続導電部をさらに備え、前記接続導電部のうち、少なく
とも駆動時に互いに反対の電位となる接続導電部が、厚
み方向において互いに重なり合わないように形成されて
いる。

また、電歪材料は、厚み縦基本振動の周波数低下型エネ
ルギ閉込めが不可能な実効ポアソン比を有するものを用
いてもよい。

［作用および発明の効果］ 本発明に係る電歪共振装置によれば、電極に挾まれた各
電歪材料層の厚みは、互いに異なる値に設定されている
ことから、エネルギの閉込めがより良好になり、共振波
形にスプリアスが重畳しにくくなるばかりでなく、高い
Qmを得ることができるようになる。

たとえば、フィルタとして電歪共振装置を使用する場合
には、帯域内においてリップルが発生しにくくなる。ま
た、発振子として電歪共振装置を利用する場合には、高
いQmを得ることができることから、高性能の発振子を実
現することが可能となる。

また、厚み縦振動の基本波のエネルギ閉込めが不可能な
実効ポアソン比が1/3未満の電歪材料を用いても、３以
上の電極が電歪材料を介して厚み方向において互い重な
り合うように配置することによって、より高周波域で使
用し得るエネルギ閉込め型電歪共振装置を得ることがで
き、さらに電歪材料の厚みを互いに異ならせていること
から、共振波形に重畳したスプリアスを低減することが
でき、高いQmも得られることになる。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例に係る電歪共振装置を、理
解の便宜上焼成前の状態に展開して示した斜視図であ
る。また、第２図は第１図のII−II断面図であり、第３
図は第１図のIII−III断面図である。第３図において、
矢印は分極方向を示すために便宜上描かれている。

第１図において、電歪共振装置は、２枚のセラミックス
シート1,2を有している。セラミックシート１の上面に
は、エネルギを閉込めるため、円形の領域に電極３が形
成されている。また、電極３からセラミックシート１の
一方端縁に延びるように、接続導電部４が形成されてい
る。セラミックシート２の上面には、電歪共振装置の内
部電極となる電極５が形成されている。また、電極５と
セラミックシート２の一方端縁との間には、接続導電部
６が形成されている。さらに、セラミックシート２の下
面には、第１図にセラミックシート２を透視して示すよ
うに、電極７が形成されている。この電極７は、エネル
ギを閉込めるための電極の他方側の形成するものであ
る。この電極７とセラミックシート２の他方端縁との間
には、接続導電部８が形成されている。

第２図に示すように、上下両端に形成された接続導電部
4,8のセラミックシート1,2端縁側端部には、共通のリー
ド線９が接続されるようになっている。また、厚み方向
中央に配置された接続導電部６のセラミックシート1,2
端縁側端部には、別のソード線10が接続されるようにな
っている。なお、第２図に示されている二点鎖線Ａに囲
まれた領域は、電極3,5,7の対向領域を示している。

第２図および第３図に示すように、セラミックシート１
およびセラミックシート２は、焼成されることによって
互いに一体に連続した状態となっている。また、第３図
に示すように、セラミックシート1,2のうち電極3,5,7の
対向する領域は、矢印の方向に分極されている。すなわ
ち、この場合には、各電極3,5,7間に挾まれるセラミッ
クシート1,2は、分極方向が厚み方向に同一方向となっ
ている。また、セラミックシート１の厚みａとセラミッ
クシート２の厚みｂとの比（厚み比b/a）は、1.00より
大きく1.20以下の範囲に設定されている。

駆動に際しては、リード線９に＋または−のいずれか一
方の電圧を、リード線10に他方の電圧を印加すればよ
い。

ところで、上述した電歪共振装置では、電極3,5,7は、
電歪共振装置の厚み方向に互いに重なり合うように配置
されている。よって、従来の同じ厚みの単板側電歪共振
装置に比べて、より高周波域で使用することができる。
なぜならば、電極3,5間あるいは電極5,7間の距離がλ/2
となる厚み縦振動モードが生じるからである。

さらに、第１図から明らかなように、接続導電部4,8は
電極および接続導電部６に対して厚み方向に重ならない
ように形成されている。このため、第２図に示す二点鎖
線Ａで囲まれた領域、すなわち振動エネルギが閉込めら
れる領域以外で、隣接する電極間に基づく容量が発生す
ることはない。したがって、エネルギの閉込め良好とな
り、スプリアスを効果的に抑圧することができるように
なる。

次に、第１図ないし第３図に示す電歪共振装置の製造方
法を説明する。

まず、２枚のセラミックグリーンシートを用意する。そ
して、下側のセラミックグリーンシートの上面に、電極
５および接続導電部６を形成するための電極ペーストを
塗布する。次に、両セラミックグリーンシートを積層し
圧着する。圧着して得られた成形体を焼成することによ
り、第4A図に示すような焼成体を得る。次に、その焼成
体の上下両端面に電極3,7を形成するため、第4B図のよ
うに銀を蒸着させる。さらに、電極３と電極７との間に
電圧を印加し、第4C図に示すように分極する。これによ
って、第１図ないし第３図に示すような電歪共振装置が
得られる。

次に、前記実施例の周波数特性を確認するため、セラミ
ックシート1,2の厚み比b/aを種々変更して実験を行なっ
た。その結果を、第5A図ないし第5F図に示す。第5A図は
厚み比b/aが1.00の場合を、第5B図は厚み比b/aが1.05の
場合を、第5C図は厚み比b/aが1.10の場合を、第5D図は
厚み比b/aが1.15の場合を、第5E図は厚み比b/aが1.20の
場合を、第5F図は厚み比b/aが1.30の場合をそれぞれ示
している。

第5A図ないし第5F図から明らかなように、厚み比b/aを
1.00より大きく1.20以下の範囲に設定すれば、厚み縦２
次高調波に重畳するスプリアスを効果的に除去できるこ
とがわかる。

［別の実施例］ （ａ） 本発明を実施するにあたり、第６図に示すよう
な構成とすることもできる。第６図では、電極3,5,7に
挾まれた部分以外においても、セラミックシート1,2に
は分極処理が施されている。

この場合にも、振動エネルギを電極3,5,7で挾まれた領
域内に閉込めることができる。

第６図の実施例に係る電歪共振装置の製造方法を次に説
明する。まず、２枚のセラミックグリーンシートを用意
し、下側のセラミックグリーンシートの上面に、電極５
および接続導電部６を形成するための電極ペーストを塗
布する。次に、両セラミックグリーンシートを積層し圧
着する。圧着して得られた成形体を焼成することによ
り、第7A図に示すような焼成体を得る。次に、その焼成
体の上下両端面に銀を蒸着させることにより、全面に外
部電極3a,7aを形成する。次に、外部電極3aと外部電極7
aとの間に電圧を印加し、電歪供給装置全体を第7C図に
示すように分極する。次に、外部電極3a,7aの表面にレ
ジストインクを印刷し、パターニングを行ない、エッチ
ングを行なうことによって第7D図に示すように電極３お
よび電極７を形成する。これによって、第６図に示すよ
うな電歪共振装置が得られる。

（ｂ） 前記実施例では、各セラミックシート1,2の分
極方向が厚み方向に同一である場合を示したが、第８図
および第９図に示すように分極方向が厚み方向に互い違
いとなっていてもよい。

第８図および第９図に示す電歪共振装置を駆動する場合
には、電極５には直接電圧は印加せず、電極3,7に、＋
および−の電圧をそれぞれ印加すればよい。

第８図および第９図に示す電歪共振装置を製造する場合
には、第4C図あういは第7D図の構成を得た後、さらに、
電極５および電極７間に逆向きの電圧を印加して、反対
方向に分極させる。これによって、第８図および第９図
に示す構成を有する電歪共振装置が得られる。

（ｃ） 第10図に示すような構成とすることもできる。

第10図において、接続導電部４はセラミックシート１の
一端縁側に延びている。接続導電部６は、セラミックシ
ート２の端縁のうち、接続導電部４が延びている側の端
縁と直交する端縁に延びている。また、接続導電部８
は、接続導電部４が延びている端縁と平行かつ、接続導
電部６が延びている端縁と直交する端縁側に延びてい
る。

このように構成することによっても、接続導電部4,6,8
が、厚み方向に互いに重ならないようにすることができ
る。

（ｄ） セラミックシートの厚み比b/aを設定するにあ
たり、第11図に示すように、セラミックシートの主面に
凹部20を設けることによってその設定を行なうこともで
きる。

（ｅ） セラミックシートを３枚以上用い、電極を４つ
以上設ける構成によっても、本発明を同様に実施するこ
とが可能である。

第12A図ないし第12F図は、セラミックシートを３枚用
い、電極を４つ設けた場合のそれぞれ別の実施例を示し
ている。なお、第12A図ないし第12F図では、各セラミッ
クシート間の厚みの違いをわかりやすくするために、そ
の違いが強調されて示されている。

第12A図では、上端のセラミックシートと下端のセラミ
ックシートとが同じ厚みであり、中央のセラミックシー
トがそれらより厚く設定されている。第12B図では、上
端のセラミックシートが薄く、中央と下端のセラミック
シートはそれよりも厚くかつ互いに同じ厚みに設定され
ている。第12C図では、上端と下端のセラミックシート
の厚みが同じで、中央のセラミックシートの厚みが薄く
設定されている。第12D図では、上端のセラミックシー
トの厚みが厚く設定されており、中央と下端のセラミッ
クシートは互いに同じ厚みでかつ薄く設定されている。
第12E図では、上端のセラミックシートが最も厚く、中
央のセラミックシートがそれよりも薄く、下端のセラミ
ックシートがさらに薄く設定されている。第12F図で
は、中央のセラミックシートが最も厚く、上端のセラミ
ックシートがそれよりも薄く、下端のセラミックシート
が最も薄く設定されている。

なお、第12A図ないし第12F図に示す電歪共振装置におい
ても、最も薄いセラミックシートを基準に、残りのセラ
ミックシートの厚みの比が1.00より大きく1.20以下の範
囲に設定されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る電歪共振装置を便宜
上展開して示した斜視図である。第２図は、第１図のII
−II断面図である。第３図は、第１図のIII−III断面図
である。第4A図ないし第4C図は、第１図ないし第３図の
実施例の製造工程を示す縦断面図である。第5A図ないし
第5F図は、本発明に係る電歪共振装置と比較例に係る電
歪共振装置とのインピーダンス周波数特性を示すグラフ
である。第６図は、別の実施例の第３図に相当する図で
ある。第7A図ないし第7D図は、第６図の実施例の製造方
法を示す縦断面図である。第８図、第９図、第11図、第
12A図ないし第12F図は、それぞれ別の実施例の第３図に
相当する図である。第10図は、さらに別の実施例の第１
図に相当する図である。 1,2はセラミックシート、3,5,7は電極、4,6,8は接続導
電部である。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚み縦振動モードの高調波を利用したエネ
   ルギ閉込め型の電歪共振装置であって、 電歪材料よりなる板状の本体と、 前記本体の厚み方向において、電歪材料層を介して配置
   された、振動エネルギを閉込めるための３以上の電極と
   を備え、 前記電極に挾まれた各電歪材料層の厚みは、互いに異な
   る値に設定されている、 電歪共振装置。
2. 【請求項２】前記電歪材料層の厚みは、最も薄い電歪材
   料層を基準に、残りの電歪材料層の厚みの比が1.00より
   大きく1.20以下の範囲に設定されている、特許請求の範
   囲第１項記載の電歪共振装置。
3. 【請求項３】前記電極に挾まれる電歪材料層は分極され
   ており、その分極方向が厚み方向に互い違いである、特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の電歪共振装置。
4. 【請求項４】前記電極に挾まれる電歪材料層は分極され
   ており、その分極方向が厚み方向に同一方向である、特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の電歪共振装置。
5. 【請求項５】前記電極に挾まれない部分の電歪材料層
   は、その少なくとも一部が分極されている、特許請求の
   範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の電歪共振装
   置。
6. 【請求項６】前記電極と電歪材料よりなる本体の側端縁
   とを結ぶ接続導電部をさらに備え、 前記接続導電部のうち、少なくとも駆動時に互いに反対
   電位となる接続導電部が、厚み方向において互いに重な
   り合わないように形成されている、特許請求の範囲第１
   項ないし第５項のいずれかに記載の電歪共振装置。
7. 【請求項７】前記電歪材料は、厚み縦基本振動の周波数
   低下型エネルギ閉込めが不可能な実効ポアソン比を有す
   るものからなる、特許請求の範囲第１項ないし第６項の
   いずれかに記載の電歪共振装置。
8. 【請求項８】前記電極の数は奇数であり、利用する高調
   波は偶数次モードである、特許請求の範囲第１項ないし
   第７項のいずれかに記載の電歪共振装置。