JP3244238B2 - 圧電共振装置 - Google Patents
圧電共振装置Info
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- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
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Description
用したエネルギー閉じ込め型圧電共振装置に関するもの
である。
厚み縦振動モードのエネルギー閉じ込め型圧電共振子が
知られている。図5および図6は、このような従来の圧
電共振子を示しており、図5は平面図であり、図6は図
5のA−A線に沿った断面図である。図5および図6を
参照して、圧電セラミック素体1の両側の主面の中心部
には、励振電極2および3が設けられている。この励振
電極2および3には、圧電セラミック素体1の側端縁に
延びる接続導電部4および5が接続されている。圧電セ
ラミック素体1は、図6に示すように、全体として厚み
方向の1方向に分極処理されている。
においては、例えば10〜15MHzのような高周波数
帯で使用し得るものが望まれている。従来から、このよ
うな厚み縦振動モードの圧電共振子の圧電セラミック材
料としてはPZT系の圧電セラミックが用いられている
が、PZT系の圧電セラミックの基本波は6〜13MH
zの範囲であり、より高周波数帯で振動させるために
は、圧電セラミック素体の厚みを薄くする必要がある。
しかしながら、このようなPZT系圧電セラミックは、
耐熱性および温度特性ならびに耐衝撃性が悪く、高周波
数域のものを量産すると、不良率が高くなるという問題
があった。
周波数域での圧電共振子を製造することが考えられる。
このような3次高調波を利用する圧電共振子の圧電セラ
ミック材料としては、チタン酸鉛系の材料が考えられ
る。このようなチタン酸鉛系圧電セラミック材料の3次
高調波は、12〜40MHzの範囲である。従って、1
0〜15MHzの周波数帯とするためには、圧電セラミ
ック素体の厚みを厚くする必要があり、ダンピング効果
が大きくなり、形状が大きくなってしまうという問題が
あった。
比誘電率が低く、比較的大きな圧電性を有し、高い機械
的品質係数Qmが得られる。また、キューリー温度が高
く、高温でも劣化しにくいなどの優れた特徴を有してい
る。従って、このようなチタン酸鉛系の圧電材料を使用
することが好ましく、セラミック素体の厚みを厚くせず
に10〜15MHzの周波数帯を利用するためには、チ
タン酸鉛系圧電材料の厚み縦振動の基本波のエネルギー
を閉じ込めることが好ましい。
アソン比は1/3以下であるため、一般的な構造では基
本波を閉じ込めることができないことが知られている。
このようなポアソン比1/3以下の圧電材料で基本波を
閉じ込めるためには、例えば、図7に示すように、圧電
セラミック素体1の中央の厚みを薄くし、励振電極2お
よび3で挟まれる部分の厚みを薄くする構造としなけれ
ばならない。また、図8に示すように、励振電極2のま
わりに励振電極2と電気的に接続のない別の電極6を設
け、セラミック素体1の両側においてこれらの電極を短
絡させるなどの構造としなければならない。このような
構造は複雑であり、加工が困難であるという欠点を有し
ている。
を解消し、簡易な構造でチタン酸鉛系圧電セラミック材
料などのポアソン比1/3以下の圧電材料の基本波を閉
じ込めることのできる、厚み縦振動モードのエネルギー
閉じ込め型圧電共振装置を提供することにある。
は、ポアソン比が1/3以下の圧電材料からなる圧電セ
ラミック素体と、圧電セラミック素材を挟み対向して設
けられる一対の励振電極と、励振電極と圧電セラミック
素体の側端縁とを結ぶ接続導電部とを備えており、励振
電極に挟まれる圧電セラミック素体の部分が他の部分の
分極方向と逆方向に分極されている、厚み縦振動モード
の基本波を用いたエネルギー閉じ込め型の圧電共振装置
であることを特徴としている。
などのポアソン比が1/3以下の材料を用いて、基本波
を閉じ込め得る共振子構造について検討した結果、励振
電極に挟まれる圧電セラミック素体の部分の分極方向
と、その他の部分の分極方向とを逆方向にすることによ
り、基本波を閉じ込め得ることを見出した。
る圧電セラミック素体の部分の分極方向と、他の部分の
分極方向とが逆方向であるため、励振電極下とその周辺
部との誘起電荷の正負が逆転し、位相が180°異なる
ことになり、基本波定在波が励振される。
示しており、図2は平面図、図1は図2のB−B線に沿
う断面図である。図1および図2を参照して、チタン酸
鉛系圧電セラミック材料からなる圧電セラミック素体1
1の両側主面の中心部には、それぞれ励振電極12およ
び13が圧電セラミック素体11を挟み対向するように
設けられている。励振電極12および13には、圧電セ
ラミック素体11の側端縁と結ぶ接続導電部14および
15が接続されている。接続導電部14および15は、
異なる方向に延び、圧電セラミック素体11の両側で互
いに重なり合わないように設けられている。
体11の分極方向は、励振電極12および13で挟まれ
る部分は矢印B方向であり、その他の領域の部分は、逆
方向の矢印A方向である。従って、励振電極12および
13で挟まれる圧電セラミック素体11の部分が、他の
部分の分極方向と逆方向に分極されている。
電共振子の基本波近傍のインピーダンス−周波数特性を
示す図である。比較として図5および図6に示すような
圧電セラミック素体全体が同一方向に分極処理されてい
る圧電共振子のインピーダンス−周波数特性を一点鎖線
で示している。図3から明らかなように、本発明に従う
実施例の圧電共振子においては、厚み縦振動モードの基
本波のエネルギーが閉じ込められていることがわかる。
倍波のインピーダンス−周波数特性を示す図である。図
4においても同様に、比較の圧電共振子のインピーダン
ス−周波数特性を一点鎖線で示している。図4から明ら
かなように、比較例の圧電共振子では、厚み縦振動モー
ドの3倍波のエネルギーが閉じ込められているのに対
し、本発明に従う圧電共振子では、3倍波のエネルギー
が閉じ込められていない。
うな複雑な構造を採用することなく、励振電極に挟まれ
た圧電セラミック素体の部分の分極方向を他の部分の分
極方向と逆方向にすることによって、基本波のエネルギ
ーを閉じ込めることができる。
ミック素体の部分を逆方向に分極処理する方法は特に限
定されるものではないが、例えば以下の方法により分極
処理することができる。
の両側主面の全面に電極を形成し、厚み方向、例えば図
1に示すA方向に分極処理した後、図1および図2に示
す励振電極12,13および接続導電部14,15以外
の部分をエッチングなどによって除去し、次に励振電極
12,13の間に電圧を印加して矢印B方向に分極処理
し、励振電極12,13間の分極方向を逆方向にする。
励振電極の上と、それ以外の領域の上に別個に形成し、
分極方向が逆になるように電圧を印加してもよい。本発
明において、圧電セラミック素体に電圧印加し分極処理
する方法は、上述の方法に限定されるものではなく、そ
の他さまざまな方法によって分極処理することができ
る。
電セラミック素体の部分の分極方向を、他の部分の分極
方向と逆方向に分極することにより、実効ポアソン比が
1/3以下の圧電材料であっても、その基本波のエネル
ギーを閉じ込める構造とすることができる。従って、チ
タン酸鉛系圧電セラミック材料を用いることができる。
チタン酸鉛系圧電セラミック材料は、PZT系の圧電セ
ラミック材料に比べ、硬い材料であるため、厚みを薄く
することができ、取り扱い容易な圧電共振装置とするこ
とができる。また、結合係数がPZT系圧電セラミック
材料に比べ小さいので狭帯域の圧電共振装置とすること
ができる。また温度特性に優れており、スプリアス(高
次モード)が小さいので、周波数飛びなどの異常発振の
ない圧電共振装置とすることがてきる。
することができるので、消費電力の少ない圧電極共振装
置とすることができる。
本波近傍のインピーダンス−周波数特性を示す図。
ンピーダンス−周波数特性を示す図。
を閉じ込めるための比較の圧電共振装置の構造の一例を
示す断面図。
を閉じ込めるための比較の圧電共振装置の構造の他の例
を示す斜視図。
Claims (1)
- 【請求項1】 ポアソン比が1/3以下の圧電材料から
なる圧電セラミック素体と; 前記圧電セラミック素体を挟み対向して設けられる一対
の励振電極と; 前記励振電極と前記圧電セラミック素材の側端縁とを結
ぶ接続導電部とを備え; 前記励振電極に挟まれる圧電セラミック素体の部分が他
の部分の分極方向と逆方向に分極されている、厚み縦振
動モードの基本波を用いたエネルギー閉じ込め型の圧電
共振装置。
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