JP3651687B2 - 複合圧電素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、厚み縦振動２倍波モードを利用する複合圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、たとえばフィルタのような圧電受動部品などに応用されている。
【０００３】
図５および図６に、従来の典型的な厚み縦振動２倍波を励振する圧電素子１が示されている。
【０００４】
圧電素子１は、圧電体２を備え、圧電体２の厚み方向中央部には、内部電極３が設けられ、圧電体２を厚み方向に挟むように１対の対向する外部電極４および５が形成されている。圧電体２は、その厚み方向に分極されるが、矢印６および７で示すように、内部電極３を境にして分極方向が正反対になっている。
【０００５】
一般に、内部電極３と圧電体２とは、共焼結によって形成され、外部電極４および５を、たとえば蒸着により形成した後、内部電極３と外部電極4 、内部電極３と外部電極５の各間に電圧を印加することにより、矢印６および７で示すような分極構造を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような厚み縦振動２倍波モードを利用する圧電素子１においては、内部電極３として、ＰｔまたはＡｇ−Ｐｄ合金が用いられている。これは、圧電体２に使用される圧電材料が主にＰｂ系の材料であり、その焼成が空気中において１０００〜１３００℃の温度で行なわれることから、内部電極３の材料は、このような焼成条件に耐え得るものでなければならないからである。そのため、内部電極３を構成できる共焼結可能な材料が限られ、従来は、上述した２種類ほどの材料しか適したものがなかった。
【０００７】
しかしながら、これらの内部電極３に適した材料は、いずれも、コストが非常に高いという問題を有している。
【０００８】
それゆえに、この発明の目的は、上述したような内部電極のコストに関する問題を有利に解決し得る、複合圧電素子を提供しようとすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明による厚み縦振動２倍波を励振する複合圧電素子は、上述した技術的課題を解決するため、内部電極が不要とされている。
【００１０】
すなわち、この発明にかかる複合圧電素子は、厚み方向に分極された圧電体と圧電性を有しない常誘電体とが厚み方向に積層された積層構造物、および前記積層構造物を厚み方向に挟むように形成された前記積層構造物の主面よりも小さな面積を有する１対の対向する外部電極を備えており、前記圧電体および前記常誘電体に関する（常誘電体）／（圧電体）の比率において、厚みが１．０〜２．０の範囲の比率に選ばれ、音速比が０．８６以下の範囲の比率ばれる。
【００１１】
なお、上述の積層構造物において、圧電体と常誘電体との間に遷移層が形成されていてもよい。このような遷移層は、積層構造物を焼結により得ようとするとき、圧電体と常誘電体との各々の材料の組合せで生じたり生じなかったりする。常誘電体中の成分が圧電体に固溶する場合、またはその逆の場合に、焼結時の熱拡散によって遷移層が形成される。圧電体と常誘電体とが固溶し合わない材料であれば、混晶材料の場合と同様、焼結時に拡散が起こらず、遷移層も生じない。
【００１３】
【作用】
この発明によれば、圧電体と常誘電体とが厚み方向に積層された積層構造物を備えることから、内部電極がなくても、圧電体のみに分極構造を与えることができ、厚み縦振動２倍波を励振することができる。
【００１４】
【発明の効果】
したがって、この発明によれば、従来の圧電素子と同程度の特性を持つ厚み縦振動２倍波を励振する圧電素子が、高価な内部電極を用いることなく実現でき、それゆえに、圧電素子のコストを低減することができる。
【００１５】
また、圧電体および常誘電体に関する（常誘電体）／（圧電体）の比率において、厚みを１．０〜２．０の範囲の比率とし、音速０．８６以下の範囲の比率とするので、後述する実験例からわかるように、大きな電気機械結合係数を与えることができる。
【００１６】
【実施例】
図１および図２は、この発明の一実施例による複合圧電素子１１を示している。
【００１７】
複合圧電素子１１は、矢印１２で示すように厚み方向に分極された圧電体１３と圧電性を有しない常誘電体１４とが厚み方向に積層された積層構造物１５を備える。このような積層構造物１５の外表面には、１対の対向する外部電極１６および１７が、積層構造物１５を厚み方向に挟むように形成される。このような複合圧電素子１１は、１対の外部電極１６および１７に電圧が印加されたとき、厚み縦振動２倍波を励振する。
【００１８】
以下に、この発明に従って実施した実験例について説明する。
これらの実験例では、圧電体として、Ｐｂ（Ｚｒ0 . 5 2 Ｔｉ0 . 4 8 ）Ｏ3 （以下「ＰＺＴ」という。）を用い、常誘電体として、ＣａＴｉＯ3 （以下「ＣＴ」という。）、（Ｃａ0 . 9 Ｂａ0 . 1 ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体１」という）、（Ｃａ0 . 9 Ｐｂ0 . 1 ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体２」という。）または（Ｃａ0 . 8 Ｂａ0 . 1 Ｐｂ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体３」という。）を用い、外部電極として、Ａｇを用いた。
【００１９】
実験例１
ＰＺＴの素原料として、Ｐｂ3 Ｏ4 、ＺｒＯ2 およびＴｉＯ2 を用意し、これらを所定量秤量し、湿式ボールミルで混合した後、得られた素原料混合粉末を、空気中において８００℃で２時間の仮焼を行ない、ＰＺＴの粉末を得た。
【００２０】
ＣＴも同様に、素原料ＣａＣＯ3 およびＴｉＯ2 を秤量し、次いで混合した後、空気中において９００℃で２時間の仮焼を行なうことにより、ＣＴの粉末を得た。ＣＴ置換体１、ＣＴ置換体２およびＣＴ置換体３のそれぞれについても、ＣＴと同様の操作を行ない、各々の粉末を得た。
【００２１】
上述したＰＺＴ、ＣＴ、ＣＴ置換体１、ＣＴ置換体２およびＣＴ置換体３のそれぞれについて、これら粉末の各々と有機溶剤（エタノール／トルエン＝８／２体積比）、バインダ（ＰＶＢ系）、可塑剤（ジオクチルブタレート系）および分散剤（ソルビタン脂肪酸エステル系）とを混合することによってスラリー化し、ドクターブレード法によって、それぞれのグリーンシートを作製した。
【００２２】
得られた各種グリーンシートを、（Ａ）ＣＴ／ＰＺＴ、（Ｂ）ＣＴ置換体１／ＰＺＴ、（Ｃ）ＣＴ置換体２／ＰＺＴ、（Ｄ）ＣＴ置換体３／ＰＺＴの組合せで、図３に示すように、圧電体シート１８および常誘電体装置１９を積層し、次いで熱圧着した後、得られた成形物をカットすることにより、寸法７×７×０．７［ｍｍ3 ］の圧電体／常誘電体２層積層成形体を得た。
【００２３】
得られた各々の成形体を、空気中において５００℃で熱処理することにより、そこに含有する有機成分を燃焼させた後、空気中において１２００℃で２時間焼成し、得られた焼結体を研磨することによって、圧電体と常誘電体の厚み比を、（圧電体）／（常誘電体）＝１／１に調整し、次いで、外周をカットすることにより、寸法５×５×０．４［ｍｍ3 ］の積層構造物を得た。
【００２４】
次に、図４に示すように、積層構造物２０の外表面に、積層構造物２０を厚み方向に挟むように、１対の対向するＡｇ電極２１を蒸着により形成した。これら試料を、次いで、温度６０℃の絶縁油中に浸漬しながら、Ａｇ電極から１０ｋＶの電圧を印加することにより、積層構造物に含まれる圧電体を分極処理し、それにより、前記（Ａ）〜（Ｄ）の各組合せを備える複合圧電素子の試料を得た。
【００２５】
それぞれの試料について、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび電気機械結合係数ｋを求めた。その結果が、以下の表１に示されている。
【００２６】
【表１】
なお、比較例として、図５および図６に示すような構造の圧電素子１を作製した。この圧電素子１において、圧電体２としてＰＺＴ、内部電極３としてＰｔ、外部電極４および５としてＡｇをそれぞれ用いた。上述した実験例と同様の操作を行ない、同じ寸法の厚み縦振動２倍波モードの圧電素子１を得たところ、その電気機械結合係数は３５％であった。
【００２７】
次に、前述したこの発明にかかる複合圧電素子に関して、圧電体および常誘電体の音速について考察した。圧電体の音速は、スティフネスＣ3 3 D と密度ρの測定により求められ、常誘電体の音速は、ヤング率Ｅと密度ρの測定により求められる。このようにして求めた音速、および（常誘電体音速）／（ＰＺＴ音速）で求められる音速比を、以下の表２に示す。
【００２８】
【表２】
表２および前記表１から、音速比が０．８６以下である（Ｃ）および（Ｄ）において、より大きな電気機械結合係数が得られていることがわかる。
【００２９】
実験例２
実験例１に示した作製法に従って、（Ｃ）ＣＴ置換体２／ＰＺＴ（音速比０．８６）について、圧電体と常誘電体との厚み比が（圧電体厚み）／（常誘電体厚み）で、（ａ）１／３、（ｂ）１／２、（ｃ）１／１、（ｄ）２／１、（ｅ）３／１となる５種類の試料のそれぞれについて、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定することにより、共振周波数ｆｒおよび電気機械結合係数ｋを求めた。その結果が、以下の表３に示されている。
【００３０】
【表３】
表３から、厚み比が１．５〜０．５の範囲にある（ｂ）および（ｃ）において、大きな電気機械結合係数ｋが得られていることがわかる。
【００３１】
実験例３
この実験例では、積層構造物に遷移層が形成された圧電体／遷移層／常誘電体の３層構造における遷移層の影響について調査した。特に、常誘電体として、前述したＣＴ置換体２および３のように、Ｐｂ置換したＣＴを用いた場合、圧電体と常誘電体との間に形成される遷移層が、その厚みを増す。
【００３２】
圧電体または常誘電体から組成的にずれている部分を遷移層とし、積層構造物を得るための焼成時の処理条件（焼成温度、焼成時間等）を変えることによって、種々の厚みの遷移層を有する試料を作製し（厚み比１．０、音速比０．８）、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定することによって、共振周波数および電気機械結合係数を求めた。その結果が、以下の表４に示されている。
【００３３】
【表４】
表４から、遷移層を有する３層構造であっても、２層構造と実質的に同様の特性が得られることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による複合圧電素子１１を示す断面図である。
【図２】図１に示した複合圧電素子１１の外観を示す斜視図である。
【図３】この発明による実験例１において実施された圧電体シート１８と常誘電体シート１９との積層工程を示す斜視図である。
【図４】同じく実験例１において積層構造物２０上にＡｇ電極２１を形成した状態を示す平面図である。
【図５】従来の圧電素子１を示す断面図である。
【図６】図５に示した圧電素子１の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１ 複合圧電素子
１２ 分極方向を示す矢印
１３ 圧電体
１４ 常誘電体
１５ 積層構造物
１６，１７ 外部電極
【産業上の利用分野】
この発明は、厚み縦振動２倍波モードを利用する複合圧電素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、たとえばフィルタのような圧電受動部品などに応用されている。
【０００３】
図５および図６に、従来の典型的な厚み縦振動２倍波を励振する圧電素子１が示されている。
【０００４】
圧電素子１は、圧電体２を備え、圧電体２の厚み方向中央部には、内部電極３が設けられ、圧電体２を厚み方向に挟むように１対の対向する外部電極４および５が形成されている。圧電体２は、その厚み方向に分極されるが、矢印６および７で示すように、内部電極３を境にして分極方向が正反対になっている。
【０００５】
一般に、内部電極３と圧電体２とは、共焼結によって形成され、外部電極４および５を、たとえば蒸着により形成した後、内部電極３と外部電極4 、内部電極３と外部電極５の各間に電圧を印加することにより、矢印６および７で示すような分極構造を得ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような厚み縦振動２倍波モードを利用する圧電素子１においては、内部電極３として、ＰｔまたはＡｇ−Ｐｄ合金が用いられている。これは、圧電体２に使用される圧電材料が主にＰｂ系の材料であり、その焼成が空気中において１０００〜１３００℃の温度で行なわれることから、内部電極３の材料は、このような焼成条件に耐え得るものでなければならないからである。そのため、内部電極３を構成できる共焼結可能な材料が限られ、従来は、上述した２種類ほどの材料しか適したものがなかった。
【０００７】
しかしながら、これらの内部電極３に適した材料は、いずれも、コストが非常に高いという問題を有している。
【０００８】
それゆえに、この発明の目的は、上述したような内部電極のコストに関する問題を有利に解決し得る、複合圧電素子を提供しようとすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明による厚み縦振動２倍波を励振する複合圧電素子は、上述した技術的課題を解決するため、内部電極が不要とされている。
【００１０】
すなわち、この発明にかかる複合圧電素子は、厚み方向に分極された圧電体と圧電性を有しない常誘電体とが厚み方向に積層された積層構造物、および前記積層構造物を厚み方向に挟むように形成された前記積層構造物の主面よりも小さな面積を有する１対の対向する外部電極を備えており、前記圧電体および前記常誘電体に関する（常誘電体）／（圧電体）の比率において、厚みが１．０〜２．０の範囲の比率に選ばれ、音速比が０．８６以下の範囲の比率ばれる。
【００１１】
なお、上述の積層構造物において、圧電体と常誘電体との間に遷移層が形成されていてもよい。このような遷移層は、積層構造物を焼結により得ようとするとき、圧電体と常誘電体との各々の材料の組合せで生じたり生じなかったりする。常誘電体中の成分が圧電体に固溶する場合、またはその逆の場合に、焼結時の熱拡散によって遷移層が形成される。圧電体と常誘電体とが固溶し合わない材料であれば、混晶材料の場合と同様、焼結時に拡散が起こらず、遷移層も生じない。
【００１３】
【作用】
この発明によれば、圧電体と常誘電体とが厚み方向に積層された積層構造物を備えることから、内部電極がなくても、圧電体のみに分極構造を与えることができ、厚み縦振動２倍波を励振することができる。
【００１４】
【発明の効果】
したがって、この発明によれば、従来の圧電素子と同程度の特性を持つ厚み縦振動２倍波を励振する圧電素子が、高価な内部電極を用いることなく実現でき、それゆえに、圧電素子のコストを低減することができる。
【００１５】
また、圧電体および常誘電体に関する（常誘電体）／（圧電体）の比率において、厚みを１．０〜２．０の範囲の比率とし、音速０．８６以下の範囲の比率とするので、後述する実験例からわかるように、大きな電気機械結合係数を与えることができる。
【００１６】
【実施例】
図１および図２は、この発明の一実施例による複合圧電素子１１を示している。
【００１７】
複合圧電素子１１は、矢印１２で示すように厚み方向に分極された圧電体１３と圧電性を有しない常誘電体１４とが厚み方向に積層された積層構造物１５を備える。このような積層構造物１５の外表面には、１対の対向する外部電極１６および１７が、積層構造物１５を厚み方向に挟むように形成される。このような複合圧電素子１１は、１対の外部電極１６および１７に電圧が印加されたとき、厚み縦振動２倍波を励振する。
【００１８】
以下に、この発明に従って実施した実験例について説明する。
これらの実験例では、圧電体として、Ｐｂ（Ｚｒ0 . 5 2 Ｔｉ0 . 4 8 ）Ｏ3 （以下「ＰＺＴ」という。）を用い、常誘電体として、ＣａＴｉＯ3 （以下「ＣＴ」という。）、（Ｃａ0 . 9 Ｂａ0 . 1 ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体１」という）、（Ｃａ0 . 9 Ｐｂ0 . 1 ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体２」という。）または（Ｃａ0 . 8 Ｂａ0 . 1 Ｐｂ）ＴｉＯ3 （以下「ＣＴ置換体３」という。）を用い、外部電極として、Ａｇを用いた。
【００１９】
実験例１
ＰＺＴの素原料として、Ｐｂ3 Ｏ4 、ＺｒＯ2 およびＴｉＯ2 を用意し、これらを所定量秤量し、湿式ボールミルで混合した後、得られた素原料混合粉末を、空気中において８００℃で２時間の仮焼を行ない、ＰＺＴの粉末を得た。
【００２０】
ＣＴも同様に、素原料ＣａＣＯ3 およびＴｉＯ2 を秤量し、次いで混合した後、空気中において９００℃で２時間の仮焼を行なうことにより、ＣＴの粉末を得た。ＣＴ置換体１、ＣＴ置換体２およびＣＴ置換体３のそれぞれについても、ＣＴと同様の操作を行ない、各々の粉末を得た。
【００２１】
上述したＰＺＴ、ＣＴ、ＣＴ置換体１、ＣＴ置換体２およびＣＴ置換体３のそれぞれについて、これら粉末の各々と有機溶剤（エタノール／トルエン＝８／２体積比）、バインダ（ＰＶＢ系）、可塑剤（ジオクチルブタレート系）および分散剤（ソルビタン脂肪酸エステル系）とを混合することによってスラリー化し、ドクターブレード法によって、それぞれのグリーンシートを作製した。
【００２２】
得られた各種グリーンシートを、（Ａ）ＣＴ／ＰＺＴ、（Ｂ）ＣＴ置換体１／ＰＺＴ、（Ｃ）ＣＴ置換体２／ＰＺＴ、（Ｄ）ＣＴ置換体３／ＰＺＴの組合せで、図３に示すように、圧電体シート１８および常誘電体装置１９を積層し、次いで熱圧着した後、得られた成形物をカットすることにより、寸法７×７×０．７［ｍｍ3 ］の圧電体／常誘電体２層積層成形体を得た。
【００２３】
得られた各々の成形体を、空気中において５００℃で熱処理することにより、そこに含有する有機成分を燃焼させた後、空気中において１２００℃で２時間焼成し、得られた焼結体を研磨することによって、圧電体と常誘電体の厚み比を、（圧電体）／（常誘電体）＝１／１に調整し、次いで、外周をカットすることにより、寸法５×５×０．４［ｍｍ3 ］の積層構造物を得た。
【００２４】
次に、図４に示すように、積層構造物２０の外表面に、積層構造物２０を厚み方向に挟むように、１対の対向するＡｇ電極２１を蒸着により形成した。これら試料を、次いで、温度６０℃の絶縁油中に浸漬しながら、Ａｇ電極から１０ｋＶの電圧を印加することにより、積層構造物に含まれる圧電体を分極処理し、それにより、前記（Ａ）〜（Ｄ）の各組合せを備える複合圧電素子の試料を得た。
【００２５】
それぞれの試料について、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定し、共振周波数ｆｒおよび電気機械結合係数ｋを求めた。その結果が、以下の表１に示されている。
【００２６】
【表１】
【００２７】
次に、前述したこの発明にかかる複合圧電素子に関して、圧電体および常誘電体の音速について考察した。圧電体の音速は、スティフネスＣ3 3 D と密度ρの測定により求められ、常誘電体の音速は、ヤング率Ｅと密度ρの測定により求められる。このようにして求めた音速、および（常誘電体音速）／（ＰＺＴ音速）で求められる音速比を、以下の表２に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
実験例２
実験例１に示した作製法に従って、（Ｃ）ＣＴ置換体２／ＰＺＴ（音速比０．８６）について、圧電体と常誘電体との厚み比が（圧電体厚み）／（常誘電体厚み）で、（ａ）１／３、（ｂ）１／２、（ｃ）１／１、（ｄ）２／１、（ｅ）３／１となる５種類の試料のそれぞれについて、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定することにより、共振周波数ｆｒおよび電気機械結合係数ｋを求めた。その結果が、以下の表３に示されている。
【００３０】
【表３】
【００３１】
実験例３
この実験例では、積層構造物に遷移層が形成された圧電体／遷移層／常誘電体の３層構造における遷移層の影響について調査した。特に、常誘電体として、前述したＣＴ置換体２および３のように、Ｐｂ置換したＣＴを用いた場合、圧電体と常誘電体との間に形成される遷移層が、その厚みを増す。
【００３２】
圧電体または常誘電体から組成的にずれている部分を遷移層とし、積層構造物を得るための焼成時の処理条件（焼成温度、焼成時間等）を変えることによって、種々の厚みの遷移層を有する試料を作製し（厚み比１．０、音速比０．８）、厚み縦振動２倍波モードのインピーダンスの周波数特性を測定することによって、共振周波数および電気機械結合係数を求めた。その結果が、以下の表４に示されている。
【００３３】
【表４】
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例による複合圧電素子１１を示す断面図である。
【図２】図１に示した複合圧電素子１１の外観を示す斜視図である。
【図３】この発明による実験例１において実施された圧電体シート１８と常誘電体シート１９との積層工程を示す斜視図である。
【図４】同じく実験例１において積層構造物２０上にＡｇ電極２１を形成した状態を示す平面図である。
【図５】従来の圧電素子１を示す断面図である。
【図６】図５に示した圧電素子１の外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１１ 複合圧電素子
１２ 分極方向を示す矢印
１３ 圧電体
１４ 常誘電体
１５ 積層構造物
１６，１７ 外部電極
Claims (1)
- 厚み方向に分極された圧電体と圧電性を有しない常誘電体とが厚み方向に積層された積層構造物、及び前記積層構造物を厚み方向に挟むように形成された、前記積層構造物の主面よりも小さな面積を有する１対の対向する外部電極を有し、
前記圧電体および前記常誘電体に関する（常誘電体）／（圧電体）の比率において、厚みが１．０〜２．０の範囲の比率であり、音速比が０．８６以下の範囲の比率である、厚み縦振動２倍波を励振する複合圧電素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15362391A JP3651687B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 複合圧電素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15362391A JP3651687B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 複合圧電素子 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0548377A JPH0548377A (ja) | 1993-02-26 |
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Family
ID=15566544
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP15362391A Expired - Lifetime JP3651687B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 複合圧電素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3651687B2 (ja) |
-
1991
- 1991-06-26 JP JP15362391A patent/JP3651687B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0548377A (ja) | 1993-02-26 |
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