JP2790180B2

JP2790180B2 - 電歪共振装置

Info

Publication number: JP2790180B2
Application number: JP62335920A
Authority: JP
Inventors: 敏彦橘高; 陽安藤; 行雄坂部
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1987-12-29
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JPH01176110A; US4939403A

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。［従来の技術およびその問題点］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めができな
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。より高周波域で振動させるに
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、この場合に、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
部とを設けることとした（特願昭62−160665号）。そう
すれば、より高周波域で利用し得るエネルギ閉込め型の
電歪共振装置を実現できた。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比べて（ｎ−１）倍
［ｎは電極の数を示す］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であるため、電歪材料
層を伝わる定常波を存在させる制約条件が従来の単板型
の電歪共振装置と異なる。したがって、従来の単板型の
ものでは振動エネルギを閉込めること不可能であった、
実効ポアソン比が1/3未満の電歪材料を用いた場合で
も、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
調波を利用した周波数低下型のエネルギ閉じ込め型の電
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、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層以上の電極とを備えており、前記電歪材
料は、実効ポアソン比が1/3未満の材料からなる。そし
て、前記電極に挾まれる部分の電歪材料層は分極されて
いる、また、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。そして、前記電極に挾まれる電歪材料層は、分極方向
が厚み方向に互い違いであってもよく、また分極方向が
厚み方向に同一方向であってもよい。さらに、好ましく
は、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、前記電極の数は奇数であり、利用する高
調波が偶数次モードであってもよい。［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、３層以上の電極
に挾まれた部分の電歪材料層が分極されているだけでな
く、電極に挾まれない部分の電歪材料層も、その少なく
とも一部が分極されている。この結果、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。［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に描かれている。第１図において、電歪共振装置は、２枚のセラミック
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の上面にも、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が、エネルギ
を閉込めるための電極の他方側を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、別のリード線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２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
み方向に同一となっている。また、各電極3,5,7に挾ま
れない部分においても、同一方向に分極処理が施されて
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、電極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型電歪
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３図から明らかなように、電極3,5,7に挾
まれる電歪材料層も、そうでない電歪材料層も分極処理
が施されている。このため、エネルギ閉込めのために電
極が形成されている部分の周波数低下量が大きくなり、
エネルギ閉込めが良好になる。第４図は、この実施例における共振周波数特性を示し
ている。次に、比較例を得るために、第10図を示すような電歪
共振装置を用意する。第10図は第２図または第３図に相
当する図である。第10図において、１対のセラミックシ
ート21,22について、セラミックシート21の上面には電
極23および接続導電部24が形成されている。また、セラ
ミックシート22の上面にも電極25および接続導電部26が
形成されている。さらに、セラミックシート22の下面に
は、電極27および接続導電部28が形成されている。ま
た、電歪材料層のエネルギ閉込め用電極23,25,27に挾ま
れる部分のみが分極されている。この結果、第10図に示
す電歪共振装置を駆動した場合には、きれいな共振周波
数特性は得られず、第11図に示すように、大きさスプリ
アスが現われ、山谷比も極端に小さくなる。なお、Qmは
320、山谷比は53dBであった。これに対して、本発明に
係る電歪共振装置によれば、第４図で示すように、その
ようなスプリアスはほとんど生じないことがわかる。な
お、Qmは1320、山谷比は72dBであった。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5A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、電歪共振装置全体を第5C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
ングによって外部電極3a,7aから第5D図に示すように電
極３および７を形成する。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。［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。（ｂ）本発明に係る電歪共振装置の製造する場合に、
第７図に示すような製造工程によって製造することも可
能である。まず、２枚のセラミックグリーンシートを用い、両セ
ラミックグリーンシート間に電極５を形成するためを電
極ペーストを塗布し、全体を積層し圧着した後、得られ
た成形体を焼成する。これによって、第7A図に示すよう
な焼成体が得られる。次に、電極３および電極７を、銀
を焼付けることによって形成し、第7B図の状態とする。
次に、電歪共振装置の上端面および下端面全体に、導電
ペースト3b,7bを塗布する。そして、両導電ペースト3b,
7bを電極として電歪共振装置全体を分極させ、第7C図に
示す状態とする。そして、溶剤によって導電ペースト3
b,7bを除去すれば、第7D図に示すような電歪共振装置が
得られる。なお、第7B図の状態にある成形体を得るに際し、焼成
する前に予め電極３および電極７用の導電ペーストも塗
布しておき、全体を一体焼成することによって得ること
も可能である。（ｃ）第８図に示すように、電極3,5,7に挾まれる電
歪材料層の分極方向を厚み方向に互い違いにすることに
よっても、本発明に係る電歪共振装置を得ることが可能
である。第８図に示す電歪共振装置を駆動する場合には、電極
５には直接電圧を印加せず、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図に示す構造を有する電歪共振装置を製造する場
合には、第5D図あるいは第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図に示す構
成を有する電歪共振装置が得られる。（ｄ）第9A図ないし第9N図はそれぞれ別の実施例を示
している。第9A図では、電極3,5,7に挾まれた部分の電歪材料層
の分極程度よりも、電極3,5,7に挾まれない部分の電歪
材料層の分極程度が小さく設定されている。第9B図は、
電極3,5,7に挾まれる電歪材料層の分極方向の互い違い
にした場合において、第9A図と同様の構成を採用した場
合を示している。第9C図は、電極3,5,7に挾まれない部分の電歪材料層
のうち、電歪共振装置の周縁部に相当する部分には、分
極処理が施されていない場合を示している。第9D図は、
電極3,5,7に挾まれる電歪材料層の分極方向が互い違い
の場合において、第9C図と同様の構成を採用した場合を
示している。第9E図は、電極3,5,7に挾まれない部分の電歪材料層
において、電極3,5,7に近い部分と電歪共振装置の周縁
部分との間で分極方向が逆になっている場合を示してい
る。第9F図は、電極3,5,7に挾まれる電歪材料層の分極
方向が互い違いの場合において、第9E図と同様の構成を
採用した場合を示している。第9G図は、電極3,5,7に挾まれない部分の電歪材料層
において、その分極方向が電歪共振装置の厚み方向と直
角な方向である場合を示している。第9H図は、電極3,5,
7に挾まれる電歪材料層の分極方向が互い違いである場
合において、第9G図と同様の構成を採用した場合を示し
ている。第9I図では、内部電極の数を２以上とし、かつ電極数
を奇数とした場合の実施例を示している。第9J図では、
電極に挾まれる電歪材料層の分極方向が厚み方向に互い
違いとなっている場合において、内部電極の数を２以上
とし、かつ全電極数を奇数とした場合を示している。第9K図では、内部電極の数を２以上とし、かつ全電極
数を偶数とした場合の実施例を示している。第9L図で
は、電極に挾まれる電歪材料層の分極方向が厚み方向に
互い違いとなっている場合において、内部電極を２以上
としかつ全電極数を偶数とした場合の実施例を示してい
る。第9M図は、上下両端の電極30を外部電極とせず、表層
に近い位置に配置した内部電極とした場合を示してい
る。まず、第9M図の実施例では、電極30と表層との間
は、分極処理が施されていない。第9N図では、第9M図と
同様の構成において、電極30と表層との間に配置された
電歪材料層においても分極処理が施されている場合を示
している。前記各実施例においても、本発明に係る効果を同様に
奏することができる。

【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４図は、第１図の実施例の共振周波数特性を
示すグラフである。第5A図ないし第5D図は、第１図の実
施例に係る電歪共振装置を製造する工程を示す縦断面図
である。第６図は、別の実施例の第１図に相当する図で
ある。第7A図ないし第7D図は、別の製造方法を示す縦断
面図である。第８図は、さらに別の実施例の第３図に相
当する図である。第9A図ないし第9N図は、それぞれ別の
実施例の縦断面図である。第10図は、比較例の第２図に
相当する図である。第11図は第10図の比較例の共振周波
数特性を示すグラフである。 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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭57−147315（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−24654（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−74709（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−12114（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．厚み縦振動モードの高調波を利用した周波数低下型
の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層以上の電極
とを備え、前記電歪材料は、実効ポアソン比が1/3未満の材料から
なり、前記電極に挾まれる部分の電歪材料層は分極されてお
り、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、電歪共振装置。２．前記電極に挾まれる電歪材料層は、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項記載の電
歪共振装置。３．前記電極に挾まれる電歪材料層は分極方向が厚み方
向に同一方向である、特許請求の範囲第１項記載の電歪
共振装置。４．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
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、特許請求の範囲第
１項ないし第３項のいずれかに記載の電歪共振装置。５．前記電極の数は奇数であり、利用する高調波は偶数
モードである、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。