CN1238245A - 压电振子 - Google Patents
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Abstract
一种以厚度模式为主振动、剖面形状为斜面形状或凸面形状等的压电振子，其振子1与支承部2由同一材料构成，振子部分端部与振子周边的支承部成为一体，振子1的剖面形状为振子端部的厚度比振子中央部的薄，因此具有如下效果：在保持振子小型化的情况下，振子端部无缺口及裂纹，机械强度良好，安装也容易，并且因为振子端部不露出，振子端部的屑片及面粗糙度等的加工精度差异小，所以特性差异也小。
Description
本发明涉及加工成斜面形状及凸面形状那样的将厚度模式作为主振动的压电振子。
压电振子早已被用作各种电子设备等的时钟脉冲源，但大多用的是形状小型的，尤其是平面安装式的压电振子多使用薄长方形的。时钟脉冲源等所使用的振子中，作为振动元件，要求有稳定的温度特性及高的机械品质因数Q等，使其在某一温度时，振动频率不会因主振动(往往是厚度切变振动、厚度纵向振动等的厚度模式)与不需要的振动(也称为寄生振动)耦合而发生急剧变化。
例如，使用AT切割的晶板及钽酸锂的X板等的、以厚度切变振动为主振动的压电振子，以及使用铌酸锂的Z板等的、以厚度纵向振动为主振动的压电振子等，通过在振子主面上局部形成激振用电极，能抑制寄生振动。这利用的是当将某一特定压电材料即特定的振动模式作为主振动时，如果在振子主面局部形成激振用电极，振动能量就被限制在激振用电极下这一点，这样的振子称为能阱型振子。
以下，利用压电振子的剖视图即图3对此进行说明。如图3所示，设激振用电极6所在部分处的截止频率为fo，无电极部分处的截止频率为fo’，则频率比fo’大时，振动能量自由传播，在激振用电极下也不产生驻波。但频率比fo大而比fo’小时，振动能量在激振用电极6所在部分能自由传播，但在无电极部分以指数函数衰减，所以，振动位移也越趋向振子端部越小。如果无电极部分处振动能量的衰减量不充分，即，振子端部处的振动位移的大小不充分减小，则因振子端部的反射波而会产生寄生振动，使特性恶化。
因此，为了抑制这样的寄生振动，获得高的机械品质因数Q，必须设置某个尺寸大小以上的无电极部分，若考虑到激振用电极尺寸由为了保证低的谐振阻抗等几个条件所决定，自然必需某个值以上的振子长度。例如，使用钽酸锂的X板的厚度切变振子，将振子长度方向长度L与振子厚度H之比L/H取为14以上(见日本发明专利公开1983年第190115号公报)。
此外，作为加大振子端部振动位移的衰减程度用的手段，已为人熟知的是将振子端部加工成斜面形状或凸面形状。但是，由于振子端部呈斜面形状或凸面形状，就会产生振子端部的厚度变薄、振子端部有缺口、裂纹等机械强度方面的问题，而且，若采用历来采用的用导电性粘接剂等将压电振子安装在安装基板上的方法，还要加上因导电性粘接剂涂敷状态的差异引起谐振频率及谐振阻抗等的电特性有差异这样的问题，尤其是，越是小型的压电振子，就越难稳定安装到安装基板上。
因此，作为解决这些问题的手段，已有人提出了将振子部分与支承部分构成一体的压电振子的方案。例如，在使用AT切割晶板的厚度切变振子中，通过喷砂工艺在主振动的传播方向即振子长度方向的垂直方向也即振子宽度方向的端部设置狭缝，仅长度方向端部与支承部分成为一体(见日本发明专利公开1993年第259799号公报)。
要使振动能量被充分限制，使振子部分端部的振动位移充分减小，必须增大无电极部分的长度，所以，在充分保证振子端部的振动位移的衰减量的情况下，振子的小型化是有限的。
另外，通过将振子剖面加工成斜面形状或凸面形状，振子端部振动位移的衰减量就比振子剖面为矩形时的要大，故能减小振子的大小，但因振子端部厚度变小，故振子端部有缺口、裂纹等，机械强度差，难于进行稳定的安装。
再有，在以厚度切变振动为主振动的振子中，在振子长度方向端部使振子部分与支承部分一体化而在振子宽度方向端部设置狭缝的方法，则存在由于振子宽度方向端部有无屑片及表面粗糙度等加工精度引起的特性有很大差异的问题。
图14为传统振子之一例，是分解立体图。图中，29为振子，30为激振用电极，31为外部引出用电极，32为外部连接用电极，33为安装基板。
本发明的目的在于提供一种压电振子，该压电振子的振子端部无缺口及裂纹，机械强度良好，容易稳定安装，并且消除了狭缝等振子部分端部的暴露部分，振子部分端部因加工精度引起的特性差异减小。
为了达到该目的，本发明的压电振子，其特征在于，振子部分与支承部分由同一材料构成，振子部分端部与振子周边的支承部形成一体，振子部分的剖面形状为斜面形状或凸面形状。取上述结构具有如下效果：在保持振子小型化的情况下，厚度比振子中央部较薄的振子部分端部无缺口或裂纹等，机械强度良好，容易进行稳定的安装，并且振子部分端部的加工精度引起的特性差异也较小。
更理想的是，所述振子以厚度切变振动为主振动，是振子部分和激振用电极为矩形的振子，振子部分的宽度W与激振用电极的宽度We之比We/W为1/5以上1以下。其效果为，能使振子部分宽度方向端部的振动位移的衰减量更大，且能保证较低的谐振阻抗。
更理想的是，所述振子以厚度纵向振动为主振动，是激振用电极为圆形的振子，振子部分的最小外形尺寸φ与激振用电极的直径φe之比φe/φ为1/5以上1以下。其效果为，能使振子部分端部的振动位移的衰减量更大，且能保证较低的谐振阻抗。
更理想的是，所述振子在将激振用电极引出到外部的部分，即振子部分与支承部的分界部的剖面形状为斜面或曲面。具有抑制在振子部分与支承部分的分界部处外部引出用电极断线的效果。
更理想的是，所述振子的振子部分的剖面形状不是斜面形状或凸面形状，代之以阶梯形状，且是近似于凸面形状的阶梯形状。
更理想的是，所述振子的振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的剖面形状为斜面或曲面。具有抑制阶梯的级差部分处激振用电极的断线的效果。
更理想的是，所述振子的振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的级差从振子端部起至振子中央部为2级以上10级以下。
本发明权利要求1所述的压电振子，其特征在于，振子部分与支承部分由相同材料构成，振子部分端部与振子周边的支承部成为一体，振子部分的剖面形状为斜面形状或凸面形状，其作用是，在保持振子小型化的情况下，振子部分端部无缺口及裂纹等，机械强度良好，容易进行稳定安装，并且因振子部分端部处的加工精度引起的特性差异也小。
本发明权利要求2所述的压电振子是如权利要求1所述的压电振子，其特征在于，是以厚度切变振动为主振动、振子部分与激振用电极为矩形的振子，振子部分的宽度W与激振用电极的宽度We之比We/W为1/5以上1以下。具有与权利要求1相同的作用。
本发明权利要求3所述的压电振子是如权利要求1所述的压电振子，其特征在于，以厚度纵向振动为主振动，激振用电极为圆形的振子，振子部分的最小外形尺寸φ与激振用电极的直径φe之比φe/φ为1/5以上1以下，具有与权利要求1相同的作用。
本发明权利要求4所述的压电振子是如权利要求1所述的压电振子，其特征在于，该振子的将激振用电极引出到外部的部分、即振子部分与支承部的分界部剖面形状为斜面或曲面。具有抑制在振子部分与支承部的分界部处外部引出用电极发生断线的效果。
本发明权利要求5所述的压电振子是如权利要求1所述的压电振子，其特征在于，振子部分的剖面形状不是斜面形状或凸面形状，代之以阶梯形状，且是近似于凸面形状的阶梯形状，具有与权利要求1相同的作用。
本发明权利要求6所述的压电振子是如权利要求5所述的压电振子，其特征在于，振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的剖面形状为斜面或曲面。具有抑制阶梯的级差部分处激振用电极发生断线的作用。
权利要求7所述的压电振子是如权利要求5所述的压电振子，其特征在于，振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的级差从振子端部起至振子中央部为2级以上10级以下，具有与权利要求1相同的作用。
附图简单说明。
图1所示为本发明振子一实施形态的立体图。
图2所示为该振子的剖视图。
图3所示为能阱型振子的剖视图。
图4(a)所示为示出振子长度方向相对位移分布的曲线图。
图4(b)所示为其长度方向剖面为矩形时的振子剖视图。
图5(a)所示为示出振子长度方向相对位移分布的曲线图。
图5(b)所示为其长度方向剖面为平凸形状时的振子剖视图。
图6(a)所示为示出振子宽度方向相对位移分布的曲线图。
图6(b)所示为其宽度方向剖面为矩形时的振子剖视图。
图7(a)所示为示出振子宽度方向相对位移分布的曲线图。
图7(b)所示为其宽度方向剖面为平凸形状时的振子剖视图。
图8所示为振子的宽度与激振用电极的宽度之比发生变化时的阻抗频率特性图。
图9所示为凸面形状振子的剖面图及用阶梯形状近似凸面形状的振子的剖面图。
图10所示为本发明振子一实施形态的立体图。
图11所示为该振子的剖视图。
图12所示为本发明振子一实施形态的立体图。
图13所示为该振子的剖视图。
图14所示为传统振子的分解立体图。
以下参照图1、图2、图4-图9，说明本发明的一实施形态。在图1中，1为压电振子，2为与该振子1成为一体的支承部，3为在振子1的表面和背面相对设置的激振用电极，4为与外部连接用电极，5为外部引出用电极。
作为一个例子，考虑使用钽酸锂单晶X板的、以厚度切变振动为主振动的振子。现在若考虑振子的谐振频率为20MHz，则振子厚度H约为100μm。在传统的设计例子中，由于L/H设定为14以上，故假定设L/H等于14，则H为约100μm时的振子长度方向长度L为约1.4mm。计算此时振动位移的衰减程度，限制能量引起的振动位移的衰减程度除了受激振用电极尺寸的影响之外，还取决于激振用电极的质量，激振用电极的质量越大，振动位移的衰减也越大，但如果激振用电极的质量过大，则成为妨碍厚度切变振动的损失成分，成为增大振子阻抗的主要原因之一，所以，一般情况下，激振用电极往往是在振子主面上分别形成数百至数千埃程度的银、金等。因此在此假定，激振用电极材料使用金，沿振子长度方向中心并在主面即振子X面的表面和背面分别形成长0.6mm、厚5000埃的激振用电极。
图4示出对振子长度方向为矩形时的振动位移衰减程度的计算结果。在图4中，X方向为相对振子主面垂直的方向，Y’方向为厚度切变振动的传播方向即振子长度方向，是从钽酸锂的晶体Y轴起相对X轴顺时针转约50°的方向。图4的曲线，横轴以单位mm表示振子9中央部起的长度方向距离，纵轴以对数刻度表示振子9的中央部的振动位移为1时的相对位移，以下将这样的曲线称为振子长度方向的相对位移分布。能阱型振子如图4所示，在振子中央振动位移最大，随着趋向长度方向端部振动位移变小，长度方向端部即横轴0.7mm处的相对位移的大小约为6/100。
这样，因为长度方向端部处的振动位移相对振子中央部的位移来说足够小，故长度方向端部的反射波等带来的影响很小，能抑制寄生振动。
接着计算振子长度方向剖面不是矩形而是凸面形状时的振子长度方向的相对位移分布。其中，凸面形状振子中央部的厚度设为与振子长度方向剖面为矩形时相同的值即100μm，如果随着趋向长度方向端部而使振子厚度从100μm渐渐变薄，则振子的谐振频率比振子长度方向剖面为矩形、振子厚度为100μm时的谐振频率要稍高，所以，为使谐振频率与长度方向剖面为矩形时基本一致，使凸面形状的振子中央部的厚度比100μm稍厚进行计算。
图5所示为振子长度方向剖面不是矩形而是凸面形状时振子11长度方向相对位移分布的计算结果。图5的X方向、Y’方向与图4的X方向及Y’方向分别相同。与振子长度方向剖面为矩形时一样，随着趋向长度方向端部振动位移变小，但长度方向端部即横轴0.7mm处相对位移的大小比长度方向剖面为矩形时的要小，约为1/100。这表明，通过将振子长度方向剖面做成凸面形状，能量关入的效果提高了。
如果仅看振子中央部附近，则该处的振子厚度是基本相同的，故长度方向剖面是矩形的也好，是凸面形状的也好，振子中央部处振动位移的绝对值可认为是基本相等的，所以，长度方向剖面是矩形的也好，是凸面形状的也好，如果在长度方向端部的相对位移是相同的值，则因长度方向端部处反射波等的影响而导致的寄生振动的抑制效果程度相同，但是，因为在长度方向端部不是用导电性粘接剂等安装在安装基板上的，而是与相同材料的支承部成为一体，振子部分的反射波非常小，所以还是可以说寄生振动抑制效果很大。
因此，当长度方向剖面为凸面形状时长度方向端部处的相对位移等于长度方向剖面为矩形时相应的值约6/100时，则离开振子中央部的长度方向距离从图5读出为约0.41mm，若考虑到对于振子长度方向的对称性，则振子长度方向的长度为约0.82mm就行了。即使假定支承部的振子长度方向的长度在振子部分长度方向两端分别为0.2mm，振子部分与支承部的合计长度也为1.22mm，比现有设计例子的1.4mm要小。还有，厚度比振子中央部薄的振子端部通过与支承部成为一体，消除了缺口、裂纹等，机械强度也提高，并且振子的使用也容易，故安装也容易。
接着谈振子宽度方向，为了避免宽度滑动振动及厚度扭曲振动等因振子宽度尺寸引起的寄生振动，必须将振子做成细棒状的带子形状或选择振子厚度H与振子宽度方向宽度W之比W/H。但是，尤其当谐振频率高且振子厚度薄时，要对振子宽度方向端部进行高精度的精加工很困难。
举一个例子，考虑以上叙述过的使用钽酸锂单晶X板的以厚度切变振动为主振动的振子。振子厚度及激振用电极的设计值假定为已叙述过的值，即，振子厚度为100μm，激振用电极正反分别形成5000埃，振子宽度方向宽度为0.4mm，激振用电极形成在整个振子宽度方向表面上。
图6示出振子宽度方向剖面为矩形时的振子宽度方向的相对位移分布。在图6中，Z’方向为相对主振动即厚度切变振动的传播方向在主面内成直角的方向，是从图4的Y’方向绕X轴转90°的方向。从图6可知，当振子13的宽度方向剖面为矩形时，振子宽度方向端部处的振动位移几乎不衰减，所以，如果宽度方向端部的屑片及表面粗糙度等加工精度较差，则成为引起寄生振动的原因，而且因为屑片等始终固定在同一场所产生的情况很少，所以，此时要稳定避免寄生振动非常困难。
另一方面，图7示出振子宽度方向剖面形状为凸面形状时的振子宽度方向的相对位移分布。图7的X方向、Z’方向与图6的分别相同。振子15的宽度方向端部处的相对位移的大小约为5/10，相对振子中央部处的振动位移有衰减，这表明，不容易产生因振子宽度方向端部的屑片及表面粗糙度等加工精度的影响引起的寄生振动。
即，这表明，振子端部处的加工精度不易影响振子特性，特性的差异较小。再有，与振子长度方向为凸面形状时一样，通过在振动位移衰减了的宽度方向端部与支承部成为一体，即使厚度比振子中央部薄，振子宽度方向端部处也无缺口及裂纹等，机械强度良好。
另外，通过在宽度方向也不是在宽度方向的整个面上而是局部设置激振用电极，振动能量就更被限制在振子中央部附近，振子宽度方向端部的振动位移的衰减量就大。但是，如果激振用电极的宽度方向宽度We过小，对于振子宽度方向的主振动电荷分布就不能有效地使电荷集中，谐振阻抗增大，机械品质因数Q减小。
图8所示为振子的宽度方向宽度W一定时，使激振用电极的宽度We变化时的阻抗的频率特性，示出了振子宽度方向宽度W与激振用电极宽度We之比We/W为1、3/5、1/5、1/10时的情况。从图8可知，We/W小于1/5时，谐振阻抗大，谐振锐度也差。更详细地，使We/W变化来求出最佳的振子宽度方向宽度W与激振用电极宽度We之比We/W，结果是，We/W为1/5以上1以下时，能稳定获得谐振阻抗100Ω以下的特性。
如上所述的情况，对于以厚度纵向振动为主振动的振子的最小外形尺寸φ与圆形的激振用电极的直径φe之比φe/φ可以说也是同样的，通过实验可以得出，当振子的最小外形尺寸φ与圆形激振用电极的直径φe之比φe/φ为1/5以上1以下时，能稳定获得谐振阻抗100Ω以下的特性。
这样，通过振子部分与支承部分由同一材料构成，振子部分端部与振子周边的支承部成为一体，振子部分的剖面形状为斜面形状或凸面形状，就可获得如下振子：振子部分端部无缺口及裂纹等，机械强度良好，振子的使用等的安装也容易，并且特性差异也小。另外，如果将激振用电极引出到外部的部分、即振子部分与支承部的分界部剖面不是垂直形状而是斜面或曲面，则具有分界部处的外部引出用电极不易断线的效果。
在以上叙述的实施形态中，对振子中央附近的剖面形状为斜面形状及凸面形状等从振子中央部的厚度起向着振子端部其厚度连续减小的情况进行了说明，但将振子剖面形状做成阶梯形状并近似于凸面形状时，能获得同样的效果。
即如图9所示，如(a)所示的振子剖面形状为凸面形状的振子可以进行近似置换，做成如(b)所示振子剖面形状为阶梯形状，如果再如(c)所示，阶梯的剖面形状为斜面则增加近似的程度，而且在阶梯的级差部分不容易发生激振用电极的断线。如果阶梯状改变保护振子部分的保护层尺寸，并使用蚀刻等的化学加工或喷砂等的机械加工，就能制造如图9的(b)及(c)所示的阶梯形状。越增加阶梯的级差，对于图9(a)所示的振子厚度从振子中央部起向着振子端部连续变化的近似程度就增加，但如果级差无节制地增加，上面所述的蚀刻或喷砂等的次数就增多，制造过程就增长，所以制造成本增加。即，阶梯的级差从振子端部起向着振子中央部有10级以上的振子，从制造过程考虑是不经济的。
下面用图10-图13说明本发明的具体实施例。
图10和图11所示为使用铌酸锂的Z板的、以厚度纵向振动为主振动的压电振子，19为加工成斜面形状的振子，20为与该振子19一体化的支承部，21为在振子19的表面和背面相对设置的圆形的激振用电极，22为与外部的连接用电极，23为外部引出用电极。因为激振用电极21形成于振子部分的局部，故振动能量被限制在激振用电极下，振动位移在振子部分中央部最大，越趋向振子部分端部越衰减。又因为振子部分端部为斜面形状，故在振子部分端部的振动位移的衰减量很大。而且，振子部分端部与支承部呈一体化状态，振子部分端部的屑片及面粗糙度等的加工精度差异小。
因此，可获得特性差异小的振子。另外，因加工成斜面形状，故振子部分端部的厚度比振子部分中央部要薄，但因为与支承部成为一体，故振子部分端部无缺口及裂纹等，机械强度良好，安装也容易。
图12和图13所示为使用钽酸锂的X板的。以厚度切变振动为主振动的压电振子，24为4级阶梯形状、近似于斜面形状的振子，25为与该振子24一体的支承部，26为在振子24的表面和背面相对设置的激振用电极，27为与外部的连接用电极，28为外部引出用电极。
与在实施例1中所叙述过的一样，因为激振用电极26形成于振子部分的局部，故振动能量被限制在激振用电极下，又因为振子24部分为阶梯形状且近似于凸面形状，故振动位移在振子部分中央部最大，越趋向振子部分端部越衰减。而且，振子部分端部与支承部成为一体，在振子部分端部的屑片及面粗糙度等加工精度的差异小。
因此，可获得特性差异小的振子。另外，因为呈阶梯形状且近似于凸面形状，故振子部分端部的厚度比振子部分中央部要薄，但因为与支承部呈一体化状态，故振子部分端部无缺口及裂纹等，机械强度良好，安装也容易。
如上所述，若采用本发明，可获得如下的有利效果：因为振子剖面形状为斜面形状或凸面形状等，振子端部的厚度小于振子中央部厚度的振子与支承部成为一体，故振子端部无缺口及裂纹等，机械强度良好，容易稳定安装，又因为不存在狭缝等露出振子部分端部的部分，故因振子部分端部的加工精度引起的特性差异也小。
在以上的说明中，主要以使用压电性单晶的振子为例进行了说明，但若是使用其它压电性材料例如压电性陶瓷的振子当然也行。
Claims (7)
1．一种压电振子，其特征在于，振子部分与支承部分由同一材料构成，振子部分端部与振子周边的支承部被一体化，振子部分的剖面形状为斜面形状或凸面形状。
2．根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述振子以厚度切变振动为主振动，振子部分和激振用电极为矩形，振子部分的宽度W与激振用电极的宽度We之比We/W为1/5以上1以下。
3．根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述振子以厚度纵向振动为主振动，激振用电极为圆形，振子部分的最小外形尺寸φ与激振用电极的直径φe之比φe/φ为1/5以上1以下。
4．根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，将激振用电极引到外部的部分、即振子部分与支承部的分界部剖面形状为斜面或曲面。
5．根据权利要求1所述的压电振子，其特征在于，所述振子的振子部分的剖面形状不是斜面形状或凸面形状，代之以阶梯形状，且是近似于凸面形状的阶梯形状。
6．根据权利要求5所述的压电振子，其特征在于，所述振子的振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的剖面形状为斜面或曲面。
7．根据权利要求5所述的压电振子，其特征在于，所述振子的振子部分的剖面形状为阶梯形状，该阶梯的阶梯差从振子端部起至振子中央部为2级以上10级以下。
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