JPH0752819B2 - 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系のような実効
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、より高周波行き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次高調波を利用す
ることにより高周波行きで使用可能とした構造が提案さ
れている（特願昭62−235948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
ネルギ閉込め用電極並びに接続導電部を形成するために
電極ペースト3,4を塗布する（以下、本明細書において
は、エネルギ閉込め用電極及び接続導電部となる電極ペ
ースト部分に付与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の上面では、エネルギ閉込
め用極部分及び接続導電部となる部分に電極ペースト5,
6を、それぞれ塗布する。さらに、セラミックグリーン
シート２の下面においても、電極となる部分及び接続導
電部となる部分に電極ペースト7,8を塗布する。

次に、セラミックグリーンシート1,2を積層し、一体焼
成後分極処理を施すことにより、第３図に示す圧電共振
装置を得る。

第３図の圧電共振装置では、焼結体10中に、圧電セラミ
ック層1,2（元のセラミックグリーンシートと同一参照
番号を付与して説明する）を介して、エネルギ閉込めの
ための電極3,5,7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、圧電セラミック層を介して３個の電極3,5,7
が重なり合うように配置されているので、従来の単板型
の圧電共振装置に比べてより高周波域に、厚み縦振動の
最初の応答が現れることとなる。よって、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。の
みならず、実効ポアソン比が1/3未満の組成の圧電材料
を用いて厚み縦振動の３次高調波を閉込めることが可能
であるため、さまざまな圧電材料を適宜選択して用いる
ことができ、かつ応答レベルについても厚み縦振動の基
本波と同等の電気的特性を有する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、共振特性に大きなぱらつきが生じる。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
による影響が防止される。

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
れることになる。さらに、この浮遊容量により、反共振
周波数や反共振抵抗が低下し、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、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。

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
材料よりなる板状の本体と、この板状の本体の厚み方向
において圧電層を介して重なり合うように配置された少
なくとも３個のエネルギ閉込め用電極とを備えるものに
おいて、厚み方向において最も外側に位置する電極と残
余のエネルギ閉込め用電極との形状の関係が改良された
ものに関する。

すなわち、エネルギ閉込め用電極のうち、厚み方向にお
いて最も外側に位置するエネルギ閉込め用電極のうち少
なくとも一方の電極の面積が、厚み方向において隣り合
う他のエネルギ閉込め用電極とずれなく重なり合わされ
たときの重なり面積よりも大きくされていることを特徴
とする。

〔作用〕

厚み方向において最も外側に位置するエネルギ閉込め用
電極のうち少なくとも一方の電極が内部のエネルギ閉込
め用電極よりも大きくされている。従って、最外層のエ
ネルギ閉込め用電極に対する内部のエネルギ閉込め用電
極の形成位置の許容量が、外側のエネルギ閉込め用電極
を相対的に大きくすることにより高められている。従っ
て、重なり合うエネルギ閉込め用電極の位置ずれによる
共振特性のばらつきを低減することができる。また、下
記の実施例から明らかなように、反共振−共振周波数間
の帯域における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の圧電材料よりなる第1,第２のセラミックグ
リーンシート11.12を用意する。第１のセラミックグリ
ーンシート11の上面には、エネルギ閉込めのための電極
となる部分及び接続導電部を構成する部分に電極ペース
ト13,14を塗布する。

第２のセラミックグリーンシート12の上面には長方形状
に電極ペースト15を塗布する。この長方形状の電極ペー
スト15は、セラミックグリーンシート11,12を重ね合わ
せた際に、電極ペースト13と厚み方向に重なり合う位置
に塗布されている。

また、本実施例では、長方形状の電極ペースト15の幅ｗ
に比べて、セラミックグリーンシート11上のエネルギ閉
込め用電極ペースト13の径ａの方が長くされている。従
って、セラミックグリーンシート11とセラミックグリー
ンシート12を重ね合わせるに際し、電極ペースト13,15
の重ね合わせを容易に行うことができる。

さらに、第２のセラミックグリーンシート12の下面に
も、エネルギ閉込め用電極及び接続導電部17を形成する
ために、電極ペースト16,17が塗布されている。

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に焼成し、所定の分極
処理（後述）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電極15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。その結果、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。

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、接続導電部18より電極17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。本実施例の圧電共振装置においては、第３図
に示した構造例と同様に、厚み縦振動モードの高調波が
励振される。従って、従来の単板型の圧電共振装置に比
べて、より高周波域で使用し得る圧電共振装置を実現す
ることができる。

次に、上記実施例において、内部に配置されたエネルギ
閉込め用電極15の幅ｗを変化させた場合の具体的に実験
結果につき説明する。今、第1,第２のセラミックグリー
ンシート11,12として、３×3mm×厚み0.25mmのものを用
意し、各セラミックグリーンシート11,12の上面あるい
は下面に形成されるエネルギ閉込め用電極13,17の径を
1.5mmとした場合に、内部に配置される長方形状のエネ
ルギ閉込め用電極15の幅ｗを1.2mmとした圧電共振装置
を製作した。また、比較のために、内部に配置されるエ
ネルギ閉込め用電極の幅ｗを1.5mmとし、その他の形状
は上記実施例と同様にしたものを製作した。

上記実施例及び比較例の圧電共振装置の製作にあたり、
セラミックグリーンシート11の上面のエネルギ閉込め用
電極13の中心と、内部のエネルギ閉込め用電極15の中心
とが、第１図のｘ方向、すなわち長方形状のエネルギ閉
込め用電極15の延びる方向と直交する方向に距離ｌだけ
ずらしたものを多数製作した。これらの実施例及び比較
例の圧電共振装置における電気機械結合係数ktと位置ず
れ量ｌとの関係を第７図に示す。

第７図から明らかなように、本実施例の圧電共振装置
（幅ｗ＝1.2mmの場合）には、位置ずれ量ｌが0.15mmを
超えない限り電気機械結合係数の劣化の見られないこと
がわかる。これに対して、比較例の共振装置では、位置
ずれ量ｌが０を超える場合、すなわち僅かでも両電極1
3,15間に位置ずれが生じている場合には、電気機械結合
係数ktが劣化することがわかる。

さらに、上記実施例及び比較例の圧電共振層における共
振周波数−反共振周波数間の帯域におけるスプリアスレ
ベルを測定したところ、下記の第１表に示す結果が得ら
れた。

なお、上記第１表においては、スプリアスレベルを評価
するに際し、位相回転を採用した。第８図に示すよう
に、共振周波数frと反共振周波数faとの間の周波数帯域
において、インピーダンス波形にスプリアス振動に基づ
く乱れが生じている場合、位相曲線、位相曲線（破線で
示す）上にもスパイク状の乱れが生じる。このスパイク
状の乱れの深さが位相回転と呼ばれているものである。
すなわち、位相回転は、スプリアスレベルを示す指数と
みることができる。

第１表から明らかなように、実施例の圧電共振装置で
は、比較例の圧電共振装置に比べて、共振周波数−反共
振周波数間の周波数帯域におけるスプリアスレベルが効
果的に低減されることがわかる。

上述した実施例では、３個のエネルギ閉込め用電極が厚
み方向に重なり合うように形成されていたが、４以上の
エネルギ閉込め用電極が圧電層を介して重なり合うよう
に配置された積層型圧電共振装置一般に本発明を適用し
得ることを指摘しておく。

また、エネルギ閉込め用電極の形状についても、図示例
のように最外層のエネルギ閉込め用電極を円形に、内部
のエネルギ閉込め用電極を多角形状に構成する必要は必
ずしもなく、目的及び用途に応じて、各エネルギ閉込め
用電極の形状を任意に変更することができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、エネルギ閉込め用電極
のうち、最外層に位置する電極の少なくとも一方が、内
部に位置するエネルギ閉込め用電極よりも相対的に大き
く形成されているので、積層型の圧電共振装置における
エネルギ閉込め用電極の重なり精度を高めることが可能
となる。従って、内部電極の最外層に位置するエネルギ
閉込め用電極しに対する位置ずれに基づく共振特性のば
らつき等を低減することが可能となり、量産に際しての
歩留を改善することができる。

のみならず、共振周波数−反共振周波数間の周波数帯域
内におけるスプリアスの発生も効果的に抑制することが
でき、例えば発振子に利用した場合の上記周波数帯域内
のスプリアスに基づく発振停止等の事故を防止すること
も可能となり、高性能の圧電共振装置を提供することが
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の製造工程を説明するための
分解斜視図、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た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、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、第７図は実施例及び比較
例における電気機械結合係数と電極間の位置ずれ量ｌと
の関係を示す図、第８図はスプリアスと位相回転との関
係を説明するための図である。 図において、10は本体、13,15,17はエネルギ閉込め用電
極を示す。

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、 分極処理された複数の圧電層よりなる板状の本体と、該
   圧電層を介して重なり合うようにかつ該圧電層の主面よ
   りも小さく形成された少なくとも３個のエネルギ閉込め
   用電極と、該エネルギ閉込め用電極に電気的に接続され
   前記本体の少なくとも一端面に導出された接続導電部と
   を備え、 前記エネルギ閉込め用電極のうち厚み方向において最も
   外側に位置する電極のうち少なくとも一方の電極の面積
   が、厚み方向において隣り合う他のエネルギ閉込め用電
   極とずれなく重ね合わされたときの重なり面積よりも大
   であることを特徴とする、圧電共振装置。