WO2007091376A1

WO2007091376A1 - 圧電振動子

Info

Publication number: WO2007091376A1
Application number: PCT/JP2006/325395
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Kaida; Hitoshi Sakaguchi; Shungo Kanai
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2008-08-08
Also published as: GB0812223D0; US7583007B2; US20080290759A1; JP4811411B2; JPWO2007091433A1; GB2447192A; GB2447192B

Abstract

　厚みすべりモードの３倍波を利用したエネルギー閉じ込め型のストリップ型の圧電振動子を提供する。　長手方向に分極されているストリップ型の圧電セラミック基板２と、圧電セラミック基板２の第１，第２の主面２ａ，２ｂに設けられた第１，第２の励振電極間３，４とを備え、第１，第２の励振電極間３，４が重なり合っている部分を含む厚みすべりモードの高調波を利用した圧電振動部を含む励振領域５が形成されており、圧電振動部の周囲が非励振領域とされており、非励振領域の内少なくとも圧電振動部に隣接する領域が、励振領域５と分極軸方向が同じであり、かつ分極度が相対的に小さくされている領域、または分極されていない領域とされている、圧電振動子１。

Description

明細書

圧電振動子

技術分野

[0001] 本発明は、厚みすベり振動モードを利用した圧電振動子に関し、より詳細には、圧電セラミック基板を用いて構成されており、厚みすベり振動モードの 3倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動子に関する。

背景技術

[0002] 従来、 3. 5〜12MHz帯においては、共振子として、厚みすベり振動の基本モードを利用した圧電セラミック共振子が広く用いられている。このような厚みすベり振動の基本モードを利用した圧電共振子は、下記の特許文献 1などの様々な先行技術に記載されている。

[0003] 図 21は、厚みすベり振動モードの基本波を利用した従来の圧電セラミック共振子を示す斜視図である。

[0004] 圧電セラミック共振子 101は、いわゆるストリップ型の圧電共振子である。ここでは、長手方向と幅方向とを有する矩形板状の、すなわちストリップ型の圧電セラミック基板 102が用いられている。

[0005] 圧電セラミック基板 102は、図示の矢印 Pで示すように長手方向に分極処理されている。

[0006] 圧電セラミック基板 102の上面には、第 1の励振電極 103が、略中央領域から圧電セラミック基板 102の長さ方向端部 102aに至るように形成されている。また、励振電極 103は、圧電セラミック基板 102の略中央において、幅方向両端に至るように形成されている。

[0007] 下面には、励振電極 103と圧電セラミック基板 102の長さ方向中央において重なり合うように第 2の励振電極 104が形成されている。第 2の励振電極 104は、圧電セラミック基板 102の略中央から、圧電セラミック基板 102の端部 102b側に延ばされている。

特許文献 1：特開平 10— 200364号公報発明の開示

[0008] 厚みすベり振動モードの共振周波数は、圧電セラミック基板 102の厚みに反比例する。従って、より高い周波数で使用し得る圧電セラミック共振子 101を得ようとした場合、圧電セラミック基板 102の厚みを薄くしなければならな力つた。そのため、圧電セラミック基板 102の機械的強度が低くなり、高周波化には限界があった。

[0009] 他方、厚みすベり振動モードにおいては、基本波だけでなぐ例えば 3倍波も励振され得る。 3倍波を用いた場合には、基本波の 3倍の周波数の共振特性を得ることができる。従って、圧電セラミック基板 102の厚みを増カロさせることなぐ基本波の 3倍の周波数の共振特性を得ることができる。

[0010] し力しながら、厚みすベりモードの 3倍波は、基本波と異なり、励振電極同士が圧電セラミック基板を介して重なり合って、る圧電振動部に閉じ込められな、と、う問題がめつに。

[0011] すなわち、図 21に示した圧電セラミック共振子 101では、励振電極 103, 104が圧電セラミック基板 102を介して重なり合つている部分に、交番電圧が印加されると、厚みすべり振動モードが励振される。

[0012] 厚みすベり振動モードの内、基本波については、上記励振電極 103, 104が重なり合っている圧電振動部に閉じ込められる。従って、基本波に基づく共振特性を利用することができる。

[0013] し力しながら、 3倍波は、上記圧電振動部に閉じ込められない。従って、 3倍波の共振特性に影響を与えることなぐ圧電セラミック共振子を機械的に支持することは困難であった。よって、実際には、厚みすベり振動モードの 3倍波を利用した圧電セラミック共振子は実現されて、なかった。

[0014] 本発明の目的は、厚みすベり振動モードの 3倍波を利用しており、しかも該 3倍波の振動エネルギーを閉じ込めることが可能とされている、厚みすベり振動モードの 3 倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動子を提供することにある。

[0015] 第 1の発明によれば、対向し合う第 1,第 2の主面を有し、長手方向と、長手方向と直交する幅方向とを有し、長手方向に分極されているストリップ型の圧電セラミック基板と、前記圧電セラミック基板の第 1の主面において、長手方向略中央部において、圧電セラミック基板の幅方向に広がる第 1の励振電極と、前記圧電セラミック基板の第 2の主面において、前記圧電セラミック基板略中央部において前記圧電セラミック基板を介して前記第 1の励振電極に重なり合つている第 2の励振電極とを備え、前記第 1,第 2の励振電極が重なり合つている部分において、厚みすベりモードの 3倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動部が形成されており、該圧電振動部に交番電界を印加した際に励振される励振領域の周囲が非励振領域とされており、非励振領域の内前記励振領域に隣接する領域が、前記励振領域と分極軸方向が同じであり、かつ分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さい領域、または分極されて、な、領域とされて、ることを特徴とする、圧電振動子が提供される。

[0016] 第 1の発明に係る圧電振動子のある特定の局面では、前記非励振領域の全体が、前記励振領域と分極軸方向が同じで分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さ、領域または分極されてヽなヽ領域とされてヽる。

[0017] 第 1の発明に係る圧電振動子の他の特定の局面では、前記非励振領域の内、前記励振領域に隣接している領域の分極軸方向が前記励振領域と同じであり、かつ分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さ!、領域、または分極されて、な、領域以外の領域が前記励振領域と同様に分極されて、る。

[0018] 第 2の発明によれば、対向し合う第 1,第 2の主面を有し、長手方向と、長手方向と直交する幅方向とを有し、長手方向に分極されているストリップ型の圧電セラミック基板と、前記圧電セラミック基板の第 1の主面において、長手方向略中央部において、圧電セラミック基板の幅方向に広がる第 1の励振電極と、前記圧電セラミック基板の第 2の主面において、前記圧電セラミック基板略中央部において前記圧電セラミック基板を介して前記第 1の励振電極に重なり合つている第 2の励振電極とを備え、前記第 1,第 2の励振電極が重なり合つている部分において、厚みすベりモードの 3倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動部が形成されており、該圧電振動部に交番電界を印加した際に励振される励振領域の周囲が非励振領域とされており、前記非励振領域のうち前記励振領域に隣接する部分のヤング率が、励振部のヤング率よりも小さくされていることを特徴とする、圧電振動子が提供される。 [0019] 本明細書にぉ、て、励振領域のヤング率及び非励振領域のヤング率は、圧電セラミック基板の長辺方向におけるヤング率をいうものとする。すなわち、圧電セラミック板を分極した場合、そのヤング率は異方性を有するため、上記励振領域のヤング率及び非励振領域のヤング率とは、長辺方向のヤング率をいうものとする。

[0020] 第 2の発明に係る圧電振動子のある特定の局面では、前記非励振領域の全体において、ヤング率が、前記励振領域のヤング率よりも小さくされている。

[0021] 第 2の発明の他の特定の局面では、前記励振領域を構成しており、ヤング率が相対的に高い材料力なる圧電セラミック板と、第 1の圧電セラミック板よりもヤング率が低い材料力なり、前記非励振領域においてヤング率が相対的に低い部分を構成している第 2の圧電セラミック板とを有し、前記第 1,第 2の圧電セラミック板が貼り合わされ前記圧電セラミック基板が構成されてヽる。

[0022] 第 2の発明のさらに別の特定の局面では、前記励振領域のヤング率を 1とした場合、非励振領域において相対的にヤング率が低い部分のヤング率が 0. 80-0. 999 の範囲とされている。従って、励振領域に振動エネルギーをより確実に閉じ込めることがでさる。

[0023] 本発明に係る圧電振動子のさらに別の特定の局面では、前記非励振領域において、前記圧電セラミック基板の第 1,第 2の主面の少なくとも一方に前記励振電極よりも厚みの大きなダミー電極が形成されてヽる。励振電極よりも厚みの大きなダミー電極が形成されている場合、ダミー電極により、非励振領域の周波数定数が低くなる。すなわち、周波数定数は、（ヤング率 Z密度） ^1/2に比例する。厚みの大きなダミー電極を形成することにより、非励振領域では、ヤング率を低下させた場合と同等の効果が得られ、それによつて、より一層励振領域の周波数定数を相対的に高くして、振動エネルギーがより一層効果的に閉じ込められることとなる。

[0024] 本発明に係る圧電振動子のさらに他の特定の局面では、励振電極が圧電セラミツク基板の幅方向両端部に位置している端縁に至るように形成されている。従って、マザ一の圧電基板に電極膜を形成した後、マザ一の圧電基板を接続してストリップ型の圧電共振子を得る製造方法により、容易に本発明の圧電振動子を製造することができる。 [0025] 本発明に係る圧電振動子の他の特定の局面では、前記第 1,第 2の励振電極が、前記圧電セラミック基板の幅方向端部に位置している端縁に至らず、該端縁とギヤップを隔てて配置されている。このように、励振電極は、圧電セラミック基板の端縁とギヤップを隔てて配置されてもよぐその場合には素子へのカット時にカットライン上に励振電極が存在しないため、カット時の電極バリやはがれによる特性悪ィ匕を抑制することができる。

[0026] また、本発明において、圧電振動部とは、第 1,第 2の励振電極が圧電セラミック基板を介して重なり合つている部分をいうが、励振領域は、第 1,第 2の励振電極から交番電圧を印カロした際に実質的に励振される領域をいい、必ずしも第 1,第 2の励振電極が重なり合つている部分に留まるものではない。すなわち、第 1,第 2の励振電極がセラミック基板の端縁にギャップを隔てて配置されて、る場合、上記ギャップが設けられている部分も励振領域に含まれる。すなわち、第 1,第 2の励振電極から交番電圧を印加して積極的に励振させた場合に、 3倍波の振動エネルギーがほぼ実質的に閉じ込められる部分を励振領域といい、残りの領域を非励振領域というものとする。 (発明の効果）

[0027] 第 1の発明によれば、非励振領域の内少なくとも励振領域に隣接する領域が、励振領域と分極軸方向が同じでありかつ分極度の絶対値が圧電振動部の分極度の絶対値よりも小さい領域または分極されていない領域とされているので、第 1,第 2の励振電極から交番電圧を印加し駆動した場合、厚みすベりモードの 3倍波が励振され、かつ該圧電振動部に 3倍波の振動エネルギーが閉じ込められる。圧電セラミック基板において、厚みすベりモードの 3倍波が閉じ込められる理由は必ずしも明確ではないが、厚みすベり振動の 3倍波が圧電振動部と圧電振動部に隣接する領域との分極構造の差により、閉じ込められているものと考えられる。

[0028] 第 2の発明によれば、非励振領域のうち少なくとも励振領域に隣接する領域におけるヤング率が、励振領域のヤング率よりも小さくされているので、第 1,第 2の励振電極から交番電圧を印加し駆動した場合、厚みすベりモードの 3倍波が励振され、かつ該圧電振動部に 3倍波の振動エネルギーが閉じ込められる。圧電セラミック基板において、厚みすベりモードの 3倍波が閉じ込められる理由は必ずしも明確ではないが、厚みすベり振動の 3倍波が圧電振動部と圧電振動部に隣接する領域とのヤング率の差により、閉じ込められているものと考えられる。

[0029] 本発明によれば、上記のように、厚みすベりモードの 3倍波が圧電振動部に閉じ込められる。従って、エネルギー閉じ込め型の圧電振動子として厚みすベりモードの 3 倍波を利用することができるので、大型化をまねくことなぐ比較的高い周波数帯で使用され得る、厚みすベりモードを利用した圧電振動子を提供することが可能となる図面の簡単な説明

[0030] [図 1]図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、第 1の実施形態の圧電振動子を駆動した場合の 3倍波が励振されている状態における有限要素法により解析した変位分布を略図的に示す模式的正面断面図である。

[図 3]図 3は、第 1の実施形態の圧電振動子をケース基板上に実装した構造を模式的に示す斜視図である。

[図 4]図 4は、圧電セラミック基板に、分極電圧を変化させて分極した場合の非励振領域の圧電振動部に対する周波数定数比と、最大位相値との関係を示す図である。

[図 5]図 5は、比較のために用意した従来の圧電振動子の位相特性及びインピーダンス特性を示す図である。

[図 6]図 6は、第 1の実施形態の圧電振動子の位相特性及びインピーダンス特性を示す図である。

[図 7]図 7 (a) , (b)は、第 1の実施形態の圧電セラミック基板の分極構造を得るための分極方法の第 1の例を説明するための各斜視図である。

[図 8]図 8 (a) , (b)は、第 1の実施形態の圧電セラミック基板の分極構造を得るための分極方法の第 2の例を説明するための各斜視図である。

[図 9]図 9は、第 2の実施形態の圧電振動子を示す斜視図である。

[図 10]図 10は、第 2の実施形態の圧電振動子において、厚みすベりモードの 3倍波が励振された際の圧電セラミック基板 2の有限要素法により解析した変位分布を模式的に示す正面断面図である。 [図 11]図 11は、本発明の第 3の実施形態に係る圧電振動子の斜視図である。

[図 12]図 12は、第 3の実施形態の変形例に係る圧電振動子を示す斜視図である。

[図 13]図 13は、本発明の圧電振動子における圧電セラミック基板の分極構造の変形例を説明するための斜視図である。

[図 14]図 14は、本発明の圧電振動子における圧電セラミック基板の分極構造の他の変形例を説明するための斜視図である。

[図 15]図 15は、本発明の圧電振動子における圧電セラミック基板の分極構造のさらに他の変形例を説明するための斜視図である。

圆 16]図 16 (a) , (b)は、本発明の圧電振動子における分極構造におけるさらに別の変形例を説明するための各斜視図である。

[図 17]図 17は、本発明の第 4の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。圆 18]図 18 (a) , (b)及び (c)は、非励振領域のヤング率比が、それぞれ、 1. 0、 0. 96及び 0. 72である場合の第 4の実施形態に係る圧電振動子において、厚みすベりモードの 3倍波が励振された際の圧電セラミック基板の有限要素法により解析した変位分布を模式的に示す正面断面図である。

[図 19]図 19は、ヤング率比とエネルギー閉じ込め性の指標である変位量比 ZZZmx との関係を示す。

[図 20]図 20は、ヤング率比が 0. 96である第 4の実施形態の圧電振動子のインピーダンス—周波数特性を示す図である。

[図 21]図 21は、従来の圧電セラミック共振子を示す斜視図である。

符号の説明

1…圧電振動子

2· · ·圧電セラミック基板

2a…第 1の主面

2b…第 2の主面

2c, 2d…端面

3…第 1の励振電極

3a, 3b…電極膜部分 …第 2の励振電極a, 4b…電極膜部分 …励振領域

, 7…非励振領域a, 7a…領域b, 7b…領域c, 7c…領域

1…ケース基板2, 13· · ·電極ランド4, 15…導電性接着剤1a, 21b…分極用電極2a, 22b…分極用電極3a, 23b…分極用電極4a, 24b…電極5…圧電振動子1…圧電振動子1…圧電振動子3, 44· · ·励振電極3a…電極膜部分1…圧電振動子2〜54…圧電振動子1…圧電振動子2· · ·圧電セラミック基板2a…第 1の主面2b…第 2の主面 c, 62d…端面 …第 1の励振電極 a, 63b…電極膜部分 64· ··第 2の励振電極

64a, 64b…電極膜部分

65…励振領域

66, 67· ··非励振領域

G…ギャップ

H…ギャップ

発明を実施するための最良の形態

[0032] 以下、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

[0033] 図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。

[0034] 圧電振動子 1は、ストリップ型の圧電セラミック基板 2を有する。圧電セラミック基板 2 は、適宜の圧電セラミックス力なる力本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックスにより構成されて、る。

[0035] 圧電セラミック基板 2は、対向し合う第 1,第 2の主面として、上面及び下面 2a, 2bを有する。また、上面 2a及び下面 2bは、長さ方向と幅方向とを有する矩形の形状を有している。

[0036] 圧電セラミック基板 2は、図示の矢印 PI, P2で示すように、長さ方向に分極処理されている。すなわち、圧電基板 2の長さ方向略中央部が矢印 P1で示すように長さ方向に強く分極されている。そして、破線 A, Bで挟まれた略中央部分は、後述の励振領域 5を構成している。励振領域 5の外側の領域は非励振領域 6, 7である。すなわち、破線 A, Bの外側の非励振領域 6, 7は矢印 P2で示すように、長さ方向に分極されている。従って、励振領域及び非励振領域は、その分極方向が同一とされている。もっとも、矢印 P2の長さは矢印 P1の長さよりも短く図示されているように、非励振領域 6, 7の分極度は励振領域 5の分極度よりも小さくされている。

[0037] 圧電振動部とは、第 1,第 2の励振電極 3, 4から交番電圧を印力！]した際に、直接交番電圧による電界が印加される部分であり、本実施形態では、圧電振動部は励振領域 5より狭い範囲とされている。これは、圧電振動部に電界が印加されて、厚みすベり振動モードが励振された場合、その振動が閉じ込められ、励振される励振領域 5は、上記第 1,第 2の励振電極 3, 4が重なり合つている領域よりも若干広いことによる。 [0038] もっとも、圧電セラミック基板を構成する材料や振動のモード、周波数等によっては、圧電振動部が励振領域と等しくなつていてもよい。そして、励振領域 5の外側の領域が非励振領域 6, 7である。

[0039] 圧電セラミック基板 2の上面 2aには、長さ方向略中央から、端面 2cと、上面 2aとの成す端縁に至るように第 1の励振電極 3が形成されている。圧電セラミック基板 2の下面には、第 2の励振電極 4が形成されている。第 2の励振電極 4は、圧電セラミック基板 2の長さ方向略中央から、下面 2bと、端面 2dとの成す端縁に至るように形成されている。

[0040] 第 1,第 2の励振電極 3, 4は、 A1などの適宜の金属もしくは合金力もなる。励振電極 3, 4は、複数の金属層を積層して形成されていてもよい。

[0041] 第 1の励振電極 3及び第 2の励振電極 4は、本実施形態では、上記破線 A,破線 B で挟まれた領域において、圧電セラミック基板 2を介して対向している。この第 1の励振電極 3と第 2の励振電極 4とが圧電セラミック基板 2を介して重なり合つている部分、すなわち、破線 A,破線 B間の領域が励振領域 5を構成している。

[0042] 励振電極 3, 4は、励振領域 5において、圧電セラミック基板 2の幅方向両端に位置する端縁に至るように形成されてヽる。

[0043] 本実施形態の圧電振動子 1では、第 1,第 2の励振電極 3, 4間に交番電圧を印加すると、励振領域 5が励振されることになる。この場合、分極方向 P1が、圧電セラミツク基板 2の長さ方向と平行であるため、励振領域 5において、厚みすベりモードによる振動が励振される。そして、本実施形態では、例えば圧電セラミック基板 2が、 2. 2m m X O. 43mm X厚み 0. 3mmの寸法を有するチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミツタス力なる場合、厚みすベりモードの振動の内、 3倍波の共振特性が十数 MHz付近に現れ、この 3倍波の共振特性が利用される。

[0044] 前述したように、従来、厚みすベりモードを利用したストリップ型の圧電セラミック共振子では、厚みすベりモードの基本波は閉じ込めることができる力 3倍波は閉じ込めることができな力つた。これに対して、本実施形態の圧電振動子 1では、 3倍波を励振領域 5に閉じ込めることができる。従って、非励振領域において機械的に支持したとしても、上記 3倍波による共振特性に影響が生じ難い。よって、 3倍波を利用して、基本波を利用した場合に比べて高ヽ周波数域で使用し得るエネルギー閉じ込め型の圧電共振子を提供することができる。

[0045] 上記の分極構造を形成することにより、 3倍波が励振領域 5に閉じ込められることは、本願発明者が実験的に見出したものである。このように、厚みすベりモードの 3倍波が励振領域 5に閉じ込められることを、図 2に、有限要素法で、圧電振動子 1の変位状態を解析して得られた変位分布を示すことにより明らかにする。

[0046] なお、この図 2の結果は、圧電セラミック基板の寸法を、長さ = 2. 2mm X幅方向寸法 =0. 43mm及び厚み 0. 3mmとし、第 1,第 2の励振電極 3, 4の領域部分に電位を印カ卩した場合を想定している。そして、励振領域 5の分極方向 P1に沿う寸法、すなわち、圧電セラミック基板 2の長さ方向に沿う寸法を 1. 1mmとした。また、非励振領域における分極度を小さくすることについては励振領域と比較して非励振領域では材料のヤング率を小さくすることで解析を行なった。材料のヤング率を小さくすることで解析を行なった点について補足する。つまり分極度が小さくなると、共振周波数は低下し周波数定数は小さくなる。この周波数定数とはすなわち音速を意味するが、音速はヤング率に比例する。従って、材料のヤング率比を小さくすることで解析を行なつた。図 2の結果については、ヤング率比が 0. 96、すなわち非励振領域におけるャング率を励振領域 5のヤング率よりも 4%小さくした場合である。

[0047] 図 2から明らかなように、本実施形態の圧電振動子 1では、励振領域 5が変位しているが、励振領域 5の周囲の非励振領域はほとんど変位して、な、ことがわかる。

[0048] すなわち、厚みすベり振動モードの 3倍波を励振した場合であっても、励振領域 5 に振動エネルギーが閉じ込められることがわかる。

[0049] このように、励振領域 5と、この周囲の非励振領域 6, 7との分極構造が異なることにより、 3倍波が閉じ込められる理由は以下の通りと考えられる。

[0050] すなわち、励振領域 5、すなわち励振領域と、非励振領域 6, 7とでは、周波数定数が異なる。非励振領域と比べて、励振領域の方が、周波数定数が大きくなるため、これにより、励振領域に振動を閉じ込めることが可能になっているものと思われる。従つて、励振領域のみ周波数が上昇した形のエネルギー閉じ込めが実現されていると考えられる。 [0051] 本実施形態の圧電振動子では、励振領域における圧電性と、非励振領域 6, 7における圧電性が異なることにより、非励振部における不要振動のスプリアスも低減することがでさる。

[0052] 上記のように、本実施形態の圧電振動子 1では、非励振領域 6, 7に 3倍波の振動がほとんど漏洩せず、 3倍波の振動エネルギーを励振領域 5に閉じ込めることができる。従って、図 3に斜視図で示すように、ケース基板 11に設けられた電極ランド 12, 1 3に、導電性接着剤 14, 15を用いて、圧電振動子 1を固定することができる。すなわち、導電性接着剤 14, 15により、非励振領域 6, 7を固定したとしても、圧電振動部、すなわち励振領域における共振特性に影響が生じ難い。よって、小型であり、比較的高い周波域で使用し得る圧電共振子部品を提供することが可能となる。

[0053] 図 4は、分極電圧を変化させ、分極度を変化させた場合の非励振領域の周波数定数の励振領域の周波数定数に対する割合である周波数定数比と、厚みすベりモードの 3倍波の位相最大値との関係を示す。ここで、周波数定数とは圧電セラミック基板の厚み Tと共振周波数 Fとの積である。圧電セラミック基板の厚みが 1Z2になると、共振周波数は 2倍となる。積 F ·Τは一定になるため、周波数定数と称されている。上記周波数定数は、圧電セラミック基板の各種性質によって決まった値である。

[0054] もっとも、分極度が異なれば、同じ厚みでも、共振周波数が異なるため、周波数定数も変化することになる。すなわち、分極度が低くなると、共振周波数は低下し、周波数定数は小さくなる。なお、横軸のスケールの分母の（F，T) fullは、励振領域 5の分極度のことであり、分子の F ·Τは非励振領域 6, 7の分極度のことである。非励振領域 6, 7の分極度が圧電セラミック基板 2の励振領域 5の分極度に等しい場合、すなわち、圧電セラミック基板全体が等しく分極されている場合は、周波数定数比は 1となる。また、非励振領域 6, 7が分極されていない場合は周波数定数比は 0となる。

[0055] 図 4から明らかなように、非励振領域 6, 7の分極度が小さくなると、すなわち、周波数定数比が小さくなると、 3倍波の位相最大値が大きくなり、位相特性が改善されることがわかる。すなわち、非励振領域 6, 7の分極度が励振領域 5の分極度よりも小さい場合、上記のように、 3倍波の位相特性が改善され、 3倍波が良好に励振され、かつ閉じ込められ得ることがわかる。これを、具体的な周波数特性を示して説明する。 [0056] 上記実施形態の圧電振動子 1の比較例として、圧電セラミック基板が一様に分極処理されていることを除いては、上記実施形態と同様にして構成された従来の圧電振動子を作成し、その周波数特性を測定した。結果を図 5に示す。図 5の実線は位相特性を、破線はインピーダンス特'性を示す。

[0057] また、図 6は、上記実施形態の圧電振動子の位相特性及びインピーダンス特性を示す。実線が位相特性を示し、破線がインピーダンス特性を示す。

[0058] なお、インピーダンスのメモリにおける 1. OE + 01は、 1 X 10の一乗であることを示し、 1. 0E + 02は 1 X 10²であることを意味する。

[0059] 図 5と図 6とを比較すれば明らかなように、上記実施形態によれば、 3倍波に相当する 13. 2MHz付近の周波数位置において、良好な共振特性を有する応答の得られていることがわ力る。

[0060] なお、上記実施形態のように、励振領域 5と非励振領域 6, 7とを形成する分極する方法は特に限定されない。一例を、図 7 (a) , (b)を参照して説明する。図 7 (a)に示すように、まず圧電セラミック基板 2の端面 2c, 2d間に直流電圧を印加し、圧電セラミック基板 2をその長さ方向と平行な方向に一様に比較的小さな分極度となるように分極処理する。図 7 (a)における矢印は分極方向を示す。

[0061] 次に、図 7 (b)に示すように、分極用電極 21, 22を形成する。分極用電極 21, 22 は、圧電セラミック基板 2の外表面の内、励振領域 5が設けられる部分に相当する部分を除いた外表面部分に設けられている。すなわち、端面 2c側に分極用電極 21が、端面 2d側に分極用電極 22が形成されている。従って、分極用電極 21, 22間〖こ直流電圧を印加することにより、励振領域 5の分極度が高められる。このようにして、励振領域 5が、非励振領域 6, 7に対して同じ分極軸方向となるようにかつ分極度が相対的に高くなるように分極されている圧電セラミック基板 2を得ることができる。

[0062] 図 8 (a) , (b)は、上記分極構造を得る他の方法を説明するための各斜視図である。図 8 (a)に示すように、この分極方法では、まず圧電セラミック基板 2の全体を、端面 2c, 2dに設けられた分極用電極 23a, 23bから直流電圧を印加して、圧電セラミック基板 2を長さ方向に分極する。この場合、分極度を相対的に高くしておく。

[0063] し力る後、図 8 (b)に示すように、圧電セラミック基板 2の励振領域 5が設けられる部分において、第 1,第 2の主面 2a, 2b上〖こ、電極 24a, 24bを形成する。さら〖こ、電極 24a, 24bはグランドには接続しない浮き電極の状態で、分極用電極 23a, 23bから前回の分極とは反対方向の極性となるように直流電圧を印加すると、電極 24a, 24b の部分は圧電セラミック基板に電界が力からないため非励振領域 6, 7にのみ反対方向の極性電圧が力かることになり、非励振領域 6, 7の分極度が低下する。このようにして、励振領域 5の分極度を、非励振領域 6, 7の分極度よりも高くすることができる。

[0064] 図 9は、本発明の第 2の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。圧電振動子 25は、第 1の実施形態の圧電振動子 1と、分極構造が異なることを除いては同様に構成されている。従って、同一部分については同一の参照番号を付することにより、その説明は省略する。

[0065] 本実施形態では、圧電セラミック基板 2の励振領域 5が、圧電セラミック基板 2の長さ方向に分極されているが、非励振領域 6, 7、すなわち、励振領域 5以外の領域は分極されていない。

[0066] 本実施形態の圧電振動子 25においても、第 1の実施形態の場合と同様に、励振電極 3, 4から交番電圧を印加した場合、厚みすベりモードの 3倍波が励振され、かつ励振領域 5に閉じ込められる。この圧電振動子 25の有限要素法により解析した駆動状態の変位分布を図 10に示す。

[0067] 図 10から明らかなように、励振領域 5が変位しているものの、非励振領域 6, 7はほとんど変位してヽな、ことがわかる。

[0068] 図 11は、本発明の第 3の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。第 3の実施形態に係る圧電振動子 31では、第 1,第 2の励振電極 33, 34が圧電セラミック基板 2の上面 2a及び下面 2b上にそれぞれ形成されている。第 1の実施形態と異なるところは、励振電極 33, 34の一部が相対的に厚みが厚くされていることにある。すなわち、励振電極 33, 34は、励振領域 5上に位置している電極膜部分 33a, 34aと、非励振領域 6, 7上に位置している電極膜部分 33b, 34bとを有する。電極膜部分 33b , 34bでは、電極膜部分 33a, 34aと同一の電極膜上にさらにもう 1層の他の電極膜を積層した積層膜とされている。そのため、この積層膜においては、 2層目の電極膜力本発明におけるダミー電極に相当する。電極膜部分 33b, 34bの厚み力電極膜部 33a, 34aよりも厚くされている。その他の点については、圧電振動子 31は圧電振動子 1と同様に構成されてヽる。

[0069] 非励振領域に相対的に厚みの大きいダミー電極を形成することにより、非励振領域の周波数定数が低められる。そのため、ヤング率を非励振領域において相対的に低くしたのと同等の効果が、ダミー電極の形成によりさらに高められ、それによつて、 3倍波の振動エネルギーが励振領域により効果的に閉じ込められ、力っスプリアスをより効果的に抑制することができる。

[0070] なお、励振電極の厚みを厚くする方法に代えて、非励振領域 6, 7上において質量を付加する他の部材を積層して同様の効果を得てもよい。

[0071] 図 12は、第 3の実施形態の圧電共振子の変形例を示す斜視図である。本変形例では、励振電極 43が、励振領域 5の全領域には形成されていない。すなわち、励振電極 43は、励振領域 5上に位置している電極膜部分 43aが、圧電セラミック基板 2の幅方向両端に位置している端縁とギャップ Gを隔てて配置されている。すなわち、励振電極 43は、励振領域 5において、幅方向両端に至っていない。また、ここでは、破線 A,破線 B間が分極度が相対的に高く分極されている力上記励振電極 43の電極膜部分 43aは、分極度が相対的に高い励振領域 5において圧電セラミック基板 2の長さ方向の全長に至っては設けられていない。すなわち、励振電極 43の電極膜部分 43aが、破線 A,破線 Bとギャップ Hを隔てて配置されている。下面 2bに設けられる第 2の励振電極 44も同様に構成されている。

[0072] このように、圧電振動部は、第 1,第 2の励振電極が圧電セラミック基板 2を介して重なり合う部分と定義されるが、分極度が相対的に高い励振領域 5は、圧電振動部を少なくとも含む領域であればよぐ分極度が相対的に高い領域の全域にわたって励振電極が形成されておらずともよ、。

[0073] すなわち、分極度が相対的に高い領域は、高い圧電効果を示す。従って、励振電極 43, 44から交番電圧を印加した場合、励振電極 43, 44の電極膜部分 43aが圧電セラミック基板 2を介して重なり合つている部分の周囲においても、圧電効果により、 3 倍波が強く励振され、破線 A,破線 Bで挟まれた領域に閉じ込められる。従って、励振領域すなわち、圧電振動部とは、第 1,第 2の励振電極間に交番電圧を印加した場合に、圧電効果により積極的に励振される部分を広く含むものとする。

[0074] よって、図 12では、上記のように、破線 A,破線 B間の領域が励振領域 5であり、圧電振動部に隣接する非励振領域 6, 7とは破線 A,破線 Bの外側の領域をいうものとする。

[0075] なお、圧電振動子 41では、圧電振動子 31の場合と同様に、電極膜部分 43b, 44b 力複数の電極膜を積層した積層膜からなり、励振領域 5における電極膜部分 43a, 44aよりも厚くされている。そして、圧電セラミック基板 2の上面 2aでは、非励振領域 7 にダミー電極 45が形成されている。ダミー電極 45は、上記電極膜部分 43bと同様に構成されている。圧電セラミック基板 2の下面においても、ダミー電極 46が非励振領域 6に形成されている。ダミー電極 46は、電極膜部分 44bと同様に構成されている。従って、変形例では、非励振領域 6, 7にダミー電極 45, 46による質量付加作用によつても、非励振領域の周波数定数は低められ、 3倍波の振動エネルギーがより効果的に閉じ込められ、かつスプリアスを抑制することができる。このように、ダミー電極は、非励振領域の全領域に形成されてもよい。もっとも、第 3の実施形態のように、電極膜部分 33b, 34bにおいて、 2層目の電極膜として積層されているダミー電極のように、非励振領域 6, 7の内の少なくとも一方面にのみダミー電極が形成されてもよい。また、ダミー電極は、非励振領域の一部の領域に部分的に形成されてもよい。

[0076] 第 1〜第 3の実施形態及び変形例では、励振領域と非励振領域とが上記のように分極されていたが、本発明においては励振領域が長手方向に分極されており、非励振領域において圧電振動部に隣接する領域が、同じ分極軸方向を有し、かつ分極度の絶対値が相対的に小さ、領域である力、あるヽは未分極の領域である限りその分極構造は適宜変形することができる。このような分極構造の変形例を、図 13〜図 1 6 (b)に示す。

[0077] 図 13に示す変形例の圧電振動子 51では、非励振領域 6, 7の分極度が励振領域 5の分極度よりも小さぐかつ分極方向が逆方向とされている。分極方向が逆である場合、分極軸方向は等しぐその向きが逆方向とされていることになる。このように、非励振領域 6, 7は、その分極度の絶対値が励振領域 5の分極度の絶対値よりも小さい限り、分極方向は逆であってもよい。 [0078] 図 14に示す圧電振動子 52では、非励振領域 6, 7の内、励振領域 5に隣接している領域 6a, 7aのみが未分極とされており、非励振領域 6, 7の残りの領域は、励振領域 5と同様に分極されている。

[0079] 図 15に示す圧電振動子 53では、図 14とは異なり非励振領域 6, 7の内、励振領域 5に隣接している領域 6a, 7aが、励振領域 5と同じ方向に分極されているが、その分極度が小さくされている。そして、非励振領域の残りの領域は、励振領域 5と同様に分極されている。

[0080] 図 16 (a)に示す圧電振動子 54では、非励振領域 6, 7の内、励振領域 5に隣接している領域 6a, 7aの分極方向力図 15の場合とは逆方向とされている。

[0081] 図 16 (b)に示す圧電振動子 55では、非励振領域 6, 7の内、励振領域 5に隣接している領域 6a, 7aが未分極とされており、非励振領域 6, 7の残りの大部分の領域 6b , 7bは励振領域 5と同様に分極されている。もっとも、圧電セラミック基板 2の両端に位置する領域 6c, 7cは未分極とされている。

[0082] 上記のように、本発明においては、非励振領域の圧電振動部に隣接している領域力圧電振動部よりも分極度の絶対値が小さい、あるいは未分極とされている限り、上記第 1〜第 3の実施形態及び変形例の場合と同様に、厚みすベりモードの 3倍波を良好に閉じ込め、エネルギー閉じ込め型の高周波域で使用し得る圧電振動子を提供することが可能となる。

[0083] 図 17は、本発明の第 4の実施形態に係る圧電振動子を示す斜視図である。第 4の実施形態の圧電振動子 61は、ストリップ型の圧電セラミック基板 62を有する。圧電セラミック基板 62は、対向し合う第 1,第 2の主面として、上面 62a及び下面 62bを有する。上面 62a及び下面 62bは、長さ方向と幅方向とを有する矩形の形状を有する。圧電セラミック板 62は、図示の矢印で示すように、長さ方向に分極処理されている。もつとも、圧電セラミック板 62では、中央の励振領域、すなわち破線 A, Bで囲まれている励振領域 65における圧電基板材料のヤング率に比べて、破線 A, Bの外側の非励振領域 66, 67におけるヤング率が小さくされている。

[0084] なお、上記圧電セラミック基板 62の上面には第 1の励振電極 63が、下面には第 2 の励振電極 64が形成されている。第 1の実施形態の場合と同様に、圧電振動部とは、第 1,第 2の励振電極 63, 64から交番電圧を印力!]した際に、電界が印加され、振動される部分である。

[0085] 図 17から明らかなように、本実施形態においても、圧電振動部は、上記励振領域 6 5よりも狭い領域とされている。すなわち、第 1,第 2の励振電極 63, 64が圧電セラミツク基板 62を介して重なり合ってヽる部分は、上記励振領域よりも圧電セラミック板 2の長さ方向中央側に位置している。

[0086] そして、第 4の実施形態においても、励振領域 65の外側の領域が非励振領域 66, 67を構成している。

[0087] 第 1,第 2の励振電極 63, 64は、第 1の実施形態の圧電振動子 1の場合と同様に形成されている。従って、第 1,第 2の励振電極 3, 4の説明を援用することにより省略す

る。

[0088] 本実施形態の圧電振動子 61は、第 1,第 2の励振電極 63, 64に交番電圧を印加すると、電界が加わった部分が振動し、厚みすベりモードの 3倍波が励振領域 65に閉じ込められる。これは、励振領域のヤング率と、非励振領域のヤング率とが異なつて、ることによる。

[0089] 励振領域のヤング率と、非励振領域のヤング率とを異ならせることにより厚みすベりモードの 3倍波が閉じ込められることを、より具体的に説明する。

[0090] 圧電セラミック基板 62内において、ヤング率が全て同一である場合には、振動は伝搬しやすいが、エネルギーを部分的に閉じ込めることは難しくなる。本実施形態では、非励振領域 66, 67と励振領域 65とのヤング率を異ならせることにより、非励振領域 66, 67における音速及び周波数定数と、励振領域 65における音速及び周波数定数とが異ならされている。そして、非励振領域 66, 67におけるヤング率を、励振領域 65のヤング率よりも小さくした場合には、励振領域 65の方が周波数定数が大きくなり、それによつて励振領域 65に振動を閉じ込めることが可能とされていると考えられる。すなわち、励振領域 65のみが周波数が上昇した形のエネルギー閉じ込めが実現されていると考えられる。

[0091] また、励振領域 65のヤング率と、非励振領域 66, 67のヤング率とが異なることにより、非励振領域 66, 67側への振動の伝搬が抑制され、それによつて、圧電セラミック板 62の端面 62c, 62dなどにおける不要な反射が抑制される。そのため、メインの応答近傍におけるスプリアスを小さくすることも可能とされている。

[0092] 上記励振領域 65のヤング率を 1とした場合の非励振領域 66, 67のヤング率、すなわちヤング率比を変化させた場合の圧電振動子 61の振動の変位分布を有限要素法で解析した。結果を図 18 (a)〜（c)に示す。図 18 (a)は、上記ヤング率比が 1. 0の場合を、図 18 (b)は 0. 96の場合を、図 18 (c)は 0. 72の場合を示す。なお、図 18 (a ；)〜（c)及び後述の図 19及び図 20に示す結果を得るための解析にあたっては、圧電振動子 61を構成する圧電材料として、 Pb(Mn Nb )0—PbZrO—PbTiO

1/3 2/3 3 3 3 系材料を用い、 Tiと Zrとの割合を変化させることにより、ヤング率を調整した。例えば、ヤング率 11. 4 X 10^1GPaの励振領域と、ヤング率 11. 1 X 10^1GPaの非励振領域は、以下の組成で実現することができる。

[0093] 励振領域： 0. lPb (Mn Nb )0—0. 37PbZrO—0.

1/3 2/3 3 3

53PbTiO

3

ヤング率 = 11. 4 X 10¹⁰Pa

非励振領域： 0. lPb (Mn Nb )0—0. 38PbZrO—0

1/3 2/3 3 3

. 52PbTiO

3

ヤング率 = 11. 1 X 10¹⁰Pa

なお、ヤング率を変化させるには、上記のような Ti及び Zrの割合を変化させる方法の他、分極度を変化させることによつても達成することができる。すなわち、一般に、ヤング率は分極度に比例するため、分極度を励振領域と非励振領域とで異ならせることによりヤング率を異ならせてもよい。

[0094] 図 18 (b)から明らかなように、上記ヤング率比が 0. 96の場合、非励振領域はほとんど変位しておらず、励振領域に振動エネルギーが効果的に閉じ込められていることが分かる。

[0095] 図 19は、上記ヤング率比と、エネルギー閉じ込め性との関係を示す図である。図 1 9の横軸はヤング率比を示し、縦軸は上記有限要素法による解析力求められた励振領域の変位最大値 Zmxに対する圧電セラミック基板の長さ方向端部における変位量 Zの割合を示す。この割合 ZZZmxが大きヽほどエネルギー閉じ込め性が悪くなることを示し、図 19から明らかなように、上記ヤング率比が 0. 80以上、 0. 999の範囲であれば、 ZZZmxが 0. 3以下であり、図 18 (b)に示したように、非励振領域がほとんど変位せず、エネルギー閉じ込めがより一層良好に行われることが確かめられた。

[0096] 従って、好ましくは、上記ヤング率比は 0. 80〜0. 999、より好ましくは、 0. 90〜0 . 98の範囲とされる。

[0097] 図 20は、このような良好なエネルギー閉じ込めが果たされた上記ヤング率比が 0. 9 6の場合の圧電振動子のインピーダンス周波数特性を示す。

[0098] 図 20から明らかなように、厚みすベりモードの 3倍波のメインの応答が良好に現れており、メインの応答の共振周波数と反共振周波数との間の周波数域においてリップルも現れて、な、ことがわ力る。

[0099] なお、第 1〜第 3の実施形態では、前述したように、励振領域の分極度が非励振領域の分極度と異ならされていたが、第 4の実施形態のように、励振領域におけるヤング率と非励振領域におけるヤング率とを異ならせることによつても、上記のように、厚みすべり振動の 3倍波を良好に閉じ込めることができる。

[0100] また、第 4の実施形態では、非励振領域全体のヤング率が、励振領域のヤング率と異なっていたが、非励振領域の内励振領域に隣接する領域のヤング率が、励振領域のヤング率よりも小さければよぐ非励振領域の励振領域に隣接する領域以外の領域におけるヤング率については励振領域のヤング率と同等あるいは励振領域のャング率よりも高くてもよい。

[0101] すなわち、第 1〜第 3の実施形態において、励振領域の分極度に比べて、非励振領域の内、励振領域に隣接する領域の分極度が小さくされていたが、上述した様々な実施形態及び変形例力も明らかなように、非励振領域の内少なくとも励振領域に隣接している領域の分極度を相対的に小さくした構造として様々な構造のものが挙げられていた。そして、ヤング率を異ならせる場合においても、同様に、非励振領域の内少なくとも励振領域に隣接している領域のヤング率を相対的に小さくした構造についても、前述した分極度を相対的に小さくした構造の様々な実施形態や変形例と同様に変形することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 対向し合う第 1,第 2の主面を有し、長手方向と、長手方向と直交する幅方向とを有し、長手方向に分極されて、るストリップ型の圧電セラミック基板と、

前記圧電セラミック基板の第 1の主面において、長手方向略中央部において、圧電セラミック基板の幅方向に広がる第 1の励振電極と、

前記圧電セラミック基板の第 2の主面において、前記圧電セラミック基板略中央部において前記圧電セラミック基板を介して前記第 1の励振電極に重なり合つている第 2の励振電極とを備え、

前記第 1,第 2の励振電極が重なり合つている部分において、厚みすベりモードの 3 倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動部が形成されており、該圧電振動部に交番電界を印加した際に励振される励振領域の周囲が非励振領域とされており、非励振領域の内前記励振領域に隣接する領域が、前記励振領域と分極軸方向が同じであり、かつ分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さい領域、または分極されていない領域とされていることを特徴とする、圧電振動子。

[2] 前記非励振領域の全体が、前記励振領域と分極軸方向が同じで分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さ!ヽ領域または分極されて！ヽな！ヽ領域とされている、請求項 1に記載の圧電振動子。

[3] 前記非励振領域の内、前記励振領域に隣接している領域の分極軸方向が前記励振領域と同じであり、かつ分極度の絶対値が前記励振領域の分極度の絶対値よりも小さ、領域、または分極されて、な、領域以外の領域が前記励振領域と同様に分極されている、請求項 1に記載の圧電振動子。

[4] 対向し合う第 1,第 2の主面を有し、長手方向と、長手方向と直交する幅方向とを有し、長手方向に分極されて、るストリップ型の圧電セラミック基板と、

前記圧電セラミック基板の第 2の主面において、前記圧電セラミック基板略中央部において前記圧電セラミック基板を介して前記第 1の励振電極に重なり合つている第 2の励振電極とを備え、前記第 1,第 2の励振電極が重なり合つている部分において、厚みすベりモードの 3 倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電振動部が形成されており、該圧電振動部に交番電界を印加した際に励振される励振領域の周囲が非励振領域とされており前記非励振領域のうち前記励振領域に隣接する部分のヤング率が、励振部のヤング率よりも小さくされていることを特徴とする、圧電振動子。

[5] 前記非励振領域の全体にお！/ヽて、ヤング率が、前記励振領域のヤング率よりも小さくされている、請求項 4に記載の圧電振動子。

[6] 前記励振領域を構成しており、ヤング率が相対的に高い材料力なる第 1の圧電セラミック板と、第 1の圧電セラミック板よりもヤング率が低い材料力なり、前記非励振領域にお、てヤング率が相対的に低、部分を構成して、る第 2の圧電セラミック板とを有し、前記第 1,第 2の圧電セラミック板が貼り合わされて前記圧電セラミック基板が構成されている、請求項 4または 5に記載の圧電振動子。

[7] 前記励振領域のヤング率を 1とした場合、非励振領域において相対的にヤング率が低い部分のヤング率が 0. 80〜0. 999の範囲とされている、請求項 4〜6のいずれか 1項に記載の圧電振動子。

[8] 前記非励振領域において、前記圧電セラミック基板の第 1,第 2の主面の少なくとも一方に前記励振電極よりも厚みの大きなダミー電極が形成されている、請求項 1〜7 の!、ずれか 1項に記載の圧電振動子。

[9] 前記励振電極が、前記圧電セラミック基板の幅方向両端部に位置している端縁に至るように形成されて、る、請求項 1〜8の、ずれか 1項に記載の圧電振動子。

[10] 前記第 1,第 2の励振電極が、前記圧電セラミック基板の幅方向端部に位置している端縁に至らず、該端縁とギャップを隔てて配置されている、請求項 1〜8のいずれ力 1項に記載の圧電振動子。