(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸鉛系磁器板と、前記磁器板の対向する面の各一部に形成された一対の対向する外部電極とを備える、圧電振動子において、
前記チタン酸鉛系磁器板の、前記対向する外部電極に挟まれた部分は、それ以外の部分に比べて、弾性コンプライアンス及び密度が小さいことを特徴とする、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込め型圧電振動子。
【請求項２】
チタン酸鉛系磁器板を用意し、導電性金属と、チタン酸鉛系磁器板の弾性コンプライアンス及び密度を小さくさせ得る元素と、を含む外部電極となるペーストを用意し、前記チタン酸鉛系磁器板の対向する面の各一部に前記ペーストを付与し、前記ペーストが付与された前記チタン酸鉛系磁器板を熱処理することによって、外部電極を形成するのと同時に、外部電極に挟まれた部分に前記元素を拡散させる、各ステップを備える、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込め型圧電振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、チタン酸鉛（ＰＴ）系磁器板を備える圧電振動子およびその製造方法に関するもので、特に、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めを可能とする新規な構造を備える圧電振動子およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＴ系磁器は、低誘電率であるという特徴を生かして、圧電受動部品、特に高周波用の部品への応用が考えられている。
【０００３】
しかしながら、ＰＴ系磁器板からなる圧電基板では、厚み縦振動基本波において、圧電基板の一部に電極を設け、その部分の遮断周波数を低下させることによる、通常のエネルギ閉じ込め方法を採用することができない。
【０００４】
図５は、ＰＴ系磁器の厚み縦振動基本波の分散曲線を示している。図５において、Ωは規格化された周波数、Ｐは伝搬定数（波数）、ΩN は、無電極部の遮断周波数、ΩA は電極部の遮断周波数、ΩO は共振周波数をそれぞれ示している。また、図５における横軸は、伝搬定数（波数）Ｐの実数部と虚数部とを示している。また、電極部の分散曲線が点線で与えられ、無電極部の分散曲線が実線で与えられている。
【０００５】
ＰＴ系磁器は、図５のような厚み縦振動基本波の分散曲線を有するため、共振周波数ΩO において、無電極部が実数の伝搬定数を持つ伝搬域に位置し電極部が虚数の伝搬定数を持つ遮断域に位置することになるため、通常は、エネルギ閉じ込めができないとされている。
【０００６】
ＰＴ系磁器でエネルギ閉じ込めを行なうには、電極部遮断周波数を無電極部遮断周波数より大きくすることで、電極部の伝搬定数を実数、無電極部の伝搬定数を虚数にする必要がある。この条件を満足させ、ＰＴ系磁器によってもエネルギ閉じ込めを可能とするため、図６および図７に示すような構造が提案されている。
【０００７】
図６および図７を参照して、ＰＴ系磁器板１の少なくとも一方面に凹部２を設け、この凹部２が設けられた部分を挟むように、１対の外部電極３および４が形成されている。なお、図７に示した矢印５は、分極方向を示している。
【０００８】
規格化された遮断周波数Ωは、材料定数から決まる量で、試料形状には依存しない。実際の遮断周波数ｆは、このΩから以下の式に基づき求められる量である。
【０００９】
ｆ＝Ω／｛π・ｔ・（ρ・Ｓ4 4 E ）1 / 2 ｝
ｔ：厚み，ρ：密度，Ｓ4 4 E ：弾性コンプライアンス
上述の関係を利用して、従来は、図６および図７に示すように、ＰＴ系磁器板１の外部電極３および４で挟まれた部分すなわち電極部の厚みｔを小さくすることで、電極部の実際の遮断周波数ｆを上げ、エネルギ閉じ込めを可能にしている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６および図７に示した従来技術では、凹部２を設けるための加工、すなわち電極部を薄くするための加工が難しく、電極部の厚みに比較的大きなばらつきが生じてしまい、また、加工によってＰＴ系磁器板１の強度が低くなる、という問題がある。
【００１１】
たとえば、厚み０．４ｍｍのＰＴ系磁器板でエネルギ閉じ込めを実現するには、電極部の厚みを０．３ｍｍ程度にしなければならないが、電極部となる板の中央部を０．１ｍｍだけ精度よく削り取ることは困難で、どうしても、厚みのばらつきが生じ、そのために、特性のばらつきを招いてしまう。
【００１２】
また、加工によって、ＰＴ系磁器板にマイクロクラックが生じることもあり、それによって機械的強度が劣化する。
【００１３】
それゆえに、この発明の目的は、圧電基板の一部に電極を設けて、その部分の遮断周波数が低下しても、上述したような機械的加工を行なうことなくエネルギ閉じ込めを可能にした、ＰＴ系磁器板を備える圧電振動子およびその製造方法を提供しようとすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかる圧電振動子は、簡単にいえば、電極部の材料特性と無電極部の材料特性との間に違いを設けたことを特徴としている。
【００１５】
より詳細には、この発明は、ＰＴ系磁器板と前記ＰＴ系磁器板の対向する面の各一部に形成された1対の対向する外部電極とを備える、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込め型圧電振動子に向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、前記ＰＴ系磁器板の、前記対向する外部電極に挟まれた部分は、それ以外の部分と比べて、弾性コンプライアンス及び密度が小さいことを特徴としている。
【００１６】
この発明によれば、また、上述したような厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込め型圧電振動子を製造するための方法が提供される。この発明にかかる製造方法は、ＰＴ系磁器板を用意するステップと、導電性金属と、ＰＴ系磁器板の弾性コンプライアンス及び密度を小さくさせ得る元素と、を含む外部電極となるペーストを用意するステップと、前記ＰＴ系磁器板の対向する面の各一部に前記ペーストを付与するステップと、前記ペーストが付与された前記ＰＴ系磁器板を熱処理することによって、外部電極を形成するのと同時に、外部電極に挟まれた部分に前記元素を拡散させるステップとを備えている。
【００１７】
この発明によれば、ＰＴ系磁器板の、対向する外部電極に挟まれた部分は、それ以外の部分に比べて、弾性コンプライアンスまたは密度のような材料特性を小さくすることによって、厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めが可能とされる。
【００１８】
【発明の効果】
したがって、この発明によれば、ＰＴ系磁器板に対して機械的加工を施すことなく、エネルギ閉じ込めが可能となるので、このような機械的加工に伴う問題点、すなわち、精度および強度に関する問題が解決され、それゆえに、特性のばらつきがなく、強度の劣化にも遭遇しない、ＰＴ系磁器板を備える厚み縦振動基本波のエネルギ閉じ込めが可能な圧電振動子を得ることができる。
【００１９】
また、この発明にかかる圧電振動子の製造方法によれば、外部電極を与える導電性金属に加えて、ＰＴ系磁器の弾性コンプライアンスおよび密度を小さくさせる元素が含まれた外部電極となるペーストを用い、このペーストをＰＴ系磁器板に付与して、熱処理することによって、外部電極を形成するのと同時に、外部電極に挟まれた部分に前記元素を拡散させるので、ＰＴ系磁器板の所望の部分に弾性コンプライアンス及び密度を小さくした領域を形成することができる。
【００２０】
【実施例】
図１は、この発明の一実施例による圧電振動子１０を示す断面図であり、図２は、図１に示した圧電振動子１０の平面図である。
【００２１】
圧電振動子１０は、ＰＴ系磁器板１１を備える。ＰＴ系磁器板１１の対向する面の各一部には、１対の対向する外部電極１２および１３が形成される。
【００２２】
ＰＴ系磁器板１１の、対向する外部電極１２および１３に挟まれた部分すなわち電極部１４は、それ以外の部分すなわち無電極部１５に比べて、弾性コンプライアンスおよび密度が小さくなっている。
【００２３】
ＰＴ系磁器において、上述したように、弾性コンプライアンスおよび密度の少なくとも一方を異ならせることは、ＰＴ系磁器の組成を変えることによって可能である。
【００２４】
このことを確認するため、ＰＴ系材料にＣａＣＯ3 を添加したものについて、弾性コンプライアンスおよび密度を測定してみた。すなわち、０．９９（０．９６ＰｂＴｉＯ3＋０．０４Ｌａ2/3 ＯＴｉＯ3 ）＋０．０１ＭｎＯ2＋ＸＣａＣＯ3の組成を有し、上記組成におけるＸを０．００、０．０１、０．０３、０．０５というように変えたＰＴ系磁器の各々について、弾性コンプライアンスおよび密度を測定した。その結果が、以下の表１に示されている。
【００２５】
【表１】
0003639994.tif 000002
表１から、ＣａＣＯ3の添加および添加量の増加により、弾性コンプライアンスおよび密度が小さくなることがわかる。
【００２６】
次に、この発明に従って行なった、図１および図２に示すような圧電振動子１０を得るための実験例について記載する。
【００２７】
素原料として、Ｐｂ3Ｏ4 、Ｌａ2Ｏ3 、ＴｉＯ2 、およびＭｎＯ2を用意し、これらが、０．９９（０．９６ＰｂＴｉＯ3＋０．０４Ｌａ2/3ＯＴｉＯ3）＋０．０１ＭｎＯ2（以下「ＰＴ系」という）の割合になるように秤量した。
【００２８】
次に、この素原料を湿式ボールミルで混合した後、乾燥し、得られた素原料乾燥粉末を、空気中において、８００℃で２時間仮焼し、ＰＴ系粉末を得た。
【００２９】
得られた粉末に、バインダ（ポリ酢酸ビニル系）の固着を行なった後、乾式プレス機を用い、面圧２ｔ／ｃｍ2の圧力で、寸法１０×１０×１［ｍｍ3］の成形体を作製した。
【００３０】
得られた形成体を、空気中において、４００℃で熱処理することにより、その有機成分を燃焼させた後、空気中において、１１５０℃で２時間焼成し、ＰＴ系焼結体を得た。
【００３１】
得られた焼結体を、研磨およびカットすることにより、寸法５×５×０．４［ｍｍ3］の試料を得た。
【００３２】
他方、ＣａＣＯ3をＡｇ粉末と混合し、これにワニス、有機溶剤およびガラスフリットを添加することにより、ペーストを得た。
【００３３】
得られたペーストを用いて、図１および図２に示すように、前述したＰＴ系試料の表裏に外部電極を印刷により形成した。
【００３４】
次いで、この試料を、空気中において、８５０℃で１時間熱処理することにより、外部電極の焼付を行ない、同時に、ペースト中のＣａＣＯ3をＰＴ系磁器中に熱拡散させた。
【００３５】
この熱拡散の状態を確認するため、得られた試料のいくつかについて、研磨によって外部電極を削り落とし、さらに厚みの半分まで削った試料を作製し、研磨面での元素分析を行なった。図３に、Ｃａの線分析結果が示されている。図３から、図１に示した電極部１４において、Ｃａ濃度が高められていることがわかる。
【００３６】
他方、上述の元素分析に供しなかった試料に対して、温度６０℃の絶縁油中で５ｋＶの電圧を印加することにより、分極処理を行なった。
【００３７】
また、ＣａＣＯ3を含まないペーストを用いて外部電極を形成したことを除いて、上述の本発明品を得たのと同様の操作を行ない、比較品となる試料も用意した。
【００３８】
本発明品および比較品のそれぞれについて、厚み縦振動基本波モードにおけるインピーダンスの周波数特性を測定し、その結果を図４に示した。図４からわかるように、本発明品では、エネルギ閉じ込めが実現されており、スプリアスのない振動特性が得られている。
【００３９】
なお、上述した実験例では、ＰＴ系磁器の弾性コンプライアンスおよび密度の少なくとも一方を熱拡散により変化させ得る元素として、Ｃａを用い、その炭酸塩であるＣａＣＯ3をペースト中に含有させたが、これに代えて、たとえば、ＭｎＯ2、Ｌａ2Ｏ3、ＳｉＯ2、Ｂｉ2Ｏ3等の金属酸化物を用いても、他の金属の炭酸塩を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の一実施例による圧電振動子１０を示す断面図である。
【図２】 図１に示した圧電振動子１０の平面図である。
【図３】 この発明に従って実施した実験例において得られたＰＴ系磁器中のＣａ濃度の線分析結果を示す図である。
【図４】 本発明品および比較品の厚み縦振動基本波モードにおけるインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図５】 ＰＴ系磁器の厚み縦振動基本波の分散曲線を示す図である。
【図６】 従来のエネルギ閉じ込めが可能とされた圧電振動子に含まれるＰＴ系磁器板１を示す斜視図である。
【図７】 図６に示したＰＴ系磁器板１を用いて構成された圧電振動子の断面図である。
【符号の説明】
１０  圧電振動子
１１  ＰＴ系磁器板
１２，１３  外部電極
１４  電極部
１５  無電極部
【図１】
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【図２】
0003639994.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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