JPH0695622B2 - 圧電共振装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、厚み縦振動モードの高調波を利用したエネル
ギ閉込め型の圧電共振装置に関し、特にエネルギ閉込め
のための電極構造が改良されたものに関する。

〔従来の技術〕

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圧電振動子が知ら
れている。この種のエネルギ閉込め型の圧電振動子は、
圧電セラミック板の両面に、該圧電セラミック板より小
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以上の材料を用いていた。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めができなかったか
らである。

他方、より高周波域で使用し得る圧電共振装置が要求さ
れている。そこで、厚み縦振動の２次高周波を利用する
ことにより高周波域で使用可能とした構造が、本願発明
者により提案されている（特願昭62-235948号（特開平1
-117409号））。

この未だ公知ではない先行技術の構造を、第２図及び第
３図を参照して説明する。第２図に示すように、２枚の
PZT系圧電材料よりなるセラミックグリーンシート1,2を
用意する。セラミックグリーンシート１の上面には、エ
ネルギ閉込め型の電極となる部分３及び接続導電部とな
る部分４に電極ペーストを塗布する（以下、本明細書に
おいては、電極となる電極ペーストが塗布された部分及
び接続導電部となる部分に付した参照番号と同一参照番
号を、完成後の電極及び接続導電部にも付与することと
する）。

セラミックグリーンシート２の上面にも、電極ペースト
を電極部分５及び接続導電部となる部分６に塗布する。
さらに、セラミックグリーンシート２の下面にも、電極
ペーストを塗布し、電極となる部分７及び接続導電部と
なる部分８を形成する。

次に、セラミックグリーンシート１及び２を積層し、一
体焼成することにより、第３図に示す圧電共振装置を得
る。

第３図を参照して、焼結体10中では、圧電セラミック層
1,2（セラミックグリーンシートと同一参照番号を付す
る）を介して、エネルギ閉込めのための電極3,5及び5,7
が重なり合っている。この重なり合っている領域Ａに厚
み縦振動の２次高調波が閉込められる。

すなわち、圧電材料層１あるいは２の厚みに対応して共
振周波数が決まるので、従来の単板型の圧電共振装置に
比べてより高い周波数に、厚み縦振動の最初の応答が現
れることになる。よって、この構造によれば、より高周
波域で使用可能な圧電共振装置を実現することができ
る。

〔発明が解決しようとする技術的課題〕

第３図の圧電共振装置を製造するに際しては、電極3,5,
7が正確に重なり合うように形成されなければならな
い。すなわち、電極3,5,7間に位置ずれが生じた場合に
は、共振特性に大きなばらつきが生じる。しかしなが
ら、このような電極間の位置ずれを防止することは難し
く、従って量産された圧電共振装置の特性を測定し、そ
の特性によって選別するという煩雑な作業が強いられ
る。

他方、上記の特性のばらつきを解消するために、第４図
に示すような構造を採用することも考えられる。ここで
は、セラミックグリーンシート２の上面に全面電極5aを
形成することにより、上下の電極3,7との間の位置ずれ
による影響が防止れる。

しかしながら、全面電極5aと、上下の接続導電部4,8と
の間で生じる浮遊容量により、共振周波数−反共振周波
数の間の周波数領域においてスプリアスモードが励振さ
れることになり、発振子等に応用した場合、発振停止等
の不良が生じる原因となっていた。さらに、この浮遊容
量により容量が大きくなるため、反共振周波数が低下
し、共振周波数−反共振周波数間の周波数領域の狭域化
が生じ、フイルタ等に応用した場合、設計通りの通過帯
域が得られないという問題があった。

よって、本発明の目的は、厚み縦振動の高調波に重畳す
るスプリアス振動を効果的に抑制することができ、かつ
エネルギ閉込めのための電極の位置ずれによる特性のば
らつきが効果的に低減され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、厚み縦振動モードの高調波を利用したエネル
ギ閉込め型圧電共振装置であって、分極処理された圧電
材料よりなる本体と、この本体の厚み方向において圧電
材料層を介して重なり合うように配置された３以上の電
極とを備えるものにおいて、少なくとも１の電極が、そ
の上下に配置されたエネルギ閉込めのための電極を含む
領域に形成されており、かつ相互に電気的に接続されて
いない複数の線状の電極部により構成されていることを
特徴とするものである。

〔作用〕

少なくとも１の電極が、その上下に配置されたエネルギ
閉込めのための電極を含む領域に形成された複数の線状
電極部により構成されているので、上下の電極形成位置
が若干ずれたとしても、複数の線状電極部の構成されて
いる領域内に包含されている限り、特性のばらつきは生
じ難い。

しかも、複数の線状電極部は相互に電気的に接続されて
いないので、上下に位置する接続導電部と各線状電極部
との間に形成される容量は、電極間において直列に挿入
されることになる。従って、圧電共振装置の全体の容量
が効果的に小さくされる。よって、接続導電部と電極と
の間の浮遊容量に基づくスプリアスの発生を効果的に抑
制することができる。

〔実施例の説明〕

まず、第１図を参照しつつ、本発明の一実施例の圧電共
振装置の製造工程を説明する。

２枚のPZT等の圧電材料よりなるセラミックグリーンシ
ート11,12を用意する。一方のセラミックグリーンシー
ト11の上面では、エネルギ閉込めのための電極となる部
分13及び接続導電部を構成する部分14に電極ペーストを
塗布する。

他方、セラミックグリーンシート12の上面にには、セラ
ミックグリーンシート11,12を重ね合わせた際に電極13
が厚み方向において包含される領域に複数の線状電極15
a〜15jを形成するために、線状に電極ペーストを塗布す
る。さらに、セラミックグリーンシート12の下面には、
エネルギ閉込めのための電極となる部分17及び接続導電
部を形成する部分18に電極ペーストを塗布する。

セラミックグリーンシート11,12を図示の状態のまま重
ね合わせ、厚み方向に圧着した後焼成し、所定の分極処
理（後述）を施すことにより、第５図及び第６図に示す
圧電共振装置を得ることができる。

分極処理は、焼結体の端面に露出している帯状電極15a
〜15j側に＋の電位を、上下の電極13,17に−の電位を与
えることにより行う。結果、図示の矢印の方向に、すな
わち２層の圧電セラミック層が厚み方向において互いに
逆向きに分極処理される。

分極処理後、複数の線状電極15a〜15jを相互に電気的に
接続しない状態とし、すなわち端面の分極処理にあたり
連結していた場合には、端面を研磨すること等により、
相互の電気的接続を解く。

駆動に際しては、接続導電部14より、電極13に＋または
−の何れか一方の電位を、電極17に接続されている接続
導電部18に他方の電位を周期的に印加することにより、
共振させることができる。この構造においても、第３図
の例と同様に、厚み縦振動モードの２次高調波が大きく
励振されるため、該２次高調波を利用することができ、
従ってより高周波域で使用し得る圧電共振装置を得るこ
とができる。

第５図及び第６図に示した実施例のインピーダンス−周
波数特性を第７図に実線で示す。比較のために、同一材
料を用いて同一の大きさに形成した第４図の構造例にお
けるインピーダンス−周波数特性を第７図に破線で示
す。

第７図から明らかなように、第４図の構造例では、反共
振周波数−周波数領域においてスプリアスモードに基づ
く波形分割が生じているのに対し、本実施例ではこのよ
うな波形分割が生じていず、従ってスプリアスモードの
発生が効果的に抑制されていることがわかる。

のみならず、共振−反共振周波数間の周波数帯域幅につ
いても、本実施例においては拡げられることがわかる。
これは、第４図の構造例では内部電極5aと上下の接続導
電部との間に浮遊容量が発生し、該浮遊容量によりスプ
リアスモードが励振されること、並びに該浮遊容量が重
なり合っている電極間の容量に並列に加わるため、電極
間の総容量が大きくなるためである。

これに対して、本実施例では、内部電極が線状の電極部
15a〜15jで構成されているので、上下の接続導電部14,1
8との間に浮遊容量が生じるが、この浮遊容量は各線状
電極部15a〜15jにおいて個別に形成されており、かつ電
極間においては直列に挿入されることになる。従って、
接続導電部14,18との間の容量の寄与が小さくなるた
め、スプリアスレベルが低減され、かつ共振−反共振周
波数間の周波数帯域幅が拡げられていることによると考
えられる。

さらに、上記製造工程の説明からも明らかなように、本
実施例では、複数の線状電極部15a〜15jは、上下に重な
り合う電極13,17を含む領域に形成されている。従っ
て、線状電極部15a〜15jに対して、電極13,17を形成す
る位置が若干ずれたとしても、線状電極部15a〜15jの形
成されている領域内に含まれている限り特性のばらつき
は生じ難い。よって、第２図に示した構造例のような特
性のばらつきが生じないため、特性に応じて煩雑な選別
作業を行う必要もない。

第８図及び第９図を参照して、本発明のより好ましい実
施例を説明する。第８図に示すように、焼結体20の内部
に複数の線状電極25が形成されている。ここまでは、第
５図の構造と同様である。異なるのは、分極に先立っ
て、焼結体20の上面及び下面に全面電極23a,27aを形成
し、その状態で分極処理を行うことにある。すなわち、
全面電極23a,27aに−の電位を与え、各線状電極部25に
＋の電位を印加することにより図示の矢印で示すよう
に、焼結体20内の広い範囲に渡り分極処理することがで
きる。

しかる後、全面電極23a,25aをエッチングし、エネルギ
閉込めのための電極及び接続導電部を形成する。すなわ
ち、第９図（ａ）に示すように、焼結体20の上面におい
ては、円形の電極23および接続導電部24を形成する。下
面側においても、同様に電極部及び接続導電部を形成す
る。

このようにして得られた実施例を第９図（ｂ）に示す。
第９図（ｂ）から明らかなように、本実施例では、上面
及び下面に形成された電極23,27間の焼結体中、すなわ
ち矢印Ｂで示す領域にエネルギが閉込められているが、
その周囲の領域においても焼結体が分極処理されてい
る。よって、より完全なエネルギ閉込めが可能とされて
いる。

なお、第８図の焼結体では全面電極23a,27aを形成する
際しては、セラミックグリーンシートの状態で全面に電
極ペーストを塗布してもよく、あるいは焼結体20を得た
後に全面に電極ペーストを印刷・焼付けることによって
もよい。また、この実施例においても、駆動に先立っ
て、線上電極部25間の電気的な接続は解いておく必要が
あることは言うまでもない。

上述してきた実施例では、３層の電極のうち、中央に位
置する電極が線状の電極部15a〜15j,25で構成されてい
たが、本発明は、４以上の電極が重なり合うように配置
された圧電共振装置でも適用することができる。その場
合においても、少なくとも１の電極を、複数の線状電極
部により構成されておりさえすれば、本発明と同様の効
果を奏することができる。すなわち、線状電極部により
構成されている電極の上下に位置するエネルギ閉込めの
ための電極形成位置の許容量を高めることができ、かつ
その部分におけるスプリアス振動を効果的に抑制するこ
とができるのである。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明では、エネルギ閉込めのための１
の電極が、相互に電気的に接続されていない複数の線状
電極部によって構成されているので、該線状電極部に圧
電セラミック層を介して重なり合う電極の形成位置の許
容度が大きくされている。従って、特性のばらつきの少
ない圧電共振装置を得ることができるので、特性に応じ
た煩雑な選別作業を解消することができる。

のみならず、上下に重なり合うように配置された接続導
電部との間の浮遊容量が、各線状電極部ごとに、電極間
において直列に挿入される形態となるため、スプリアス
振動を効果的に抑制することができ、かつ全体としての
浮遊容量が小さくなるため、反共振抵抗の低下を防止す
ることができ、共振−反共振周波数間の周波数帯域幅の
狭帯化を防止することができ、従って、安定な共振特性
の圧電共振装置を実現することが可能となり、例えば発
振子に応用した場合には、発振停止等の事故の生じ難い
信頼性に優れた発振回路を構成す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を製造する工程を説明するた
めの斜視図、第２図は本発明を成す契機となった圧電共
振装置を得る工程を説明するための分解斜視図、第３図
は第２図の工程を経て得られる圧電共振装置の断面図、
第４図は従来の圧電共振装置の他の例を説明するための
断面図、第５図は第１図の工程で得られた実施例の圧電
共振装置の断面図であり、第１図のＶ−Ｖ線に沿う部分
に相当する断面図であり、第６図は第１図のVI−VI線に
沿う部分に相当する実施例の断面図であり、第７図は実
施例及び比較例のインピーダンス−周波数特性を示す
図、第８図は本発明の他の実施例における分極処理を説
明するための断面図、第９図（ａ），（ｂ）は、本発明
の他の実施例の平面図及び断面図である。 図において、10は本体、13,17は電極、15a〜15hは線状
電極部、23,27は電極、25a〜25hは線状電極部を示す。

Claims (1)

【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
   ルギ閉込め型の圧電共振装置であって、 分極処理された圧電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圧電材料層を介して重なり
   合うように配置された少なくとも３個の電極とを備え、 少なくとも１の前記電極が、その上下に配置された電極
   を含む領域に形成されており、かつ相互に電気的に接続
   されていない複数の線状電極部により構成されているこ
   とを特徴とする圧電共振装置。