JP2000065578A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動モードの種類や圧電材料の種類に拘らず
電界分布が制御されて良好なエネルギー閉じ込め状態が
得られる圧電振動子を提供すること。 【解決手段】 この圧電振動子は、厚さ方向に分極軸を
有する圧電セラミックス板１の一方の主面の略中央部に
構成される二等辺三角形の各頂点の位置にそれぞれ形成
された第１乃至第３の電極を有すると共に、第１の電極
を頂角の位置に配置された駆動電極２１とし、第２の電
極，第３の電極をそれぞれ底角の位置に配置された検出
電極２２，２３とする平行電界励振型エネルギー閉じ込
め振動モードを利用したもので、圧電セラミックス板１
における一方の主面に形成された駆動電極２１及び検出
電極２２，２３間に囲まれる所定の部分と対向する他方
の主面上の励振振動分布の中心軸線Ｐに対して線対称な
位置に離間されて形成された２個の浮遊電極２４を有し
て成っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として圧電振動
ジャイロや圧電トランス等の圧電デバイスに用いられる
圧電振動子であって、詳しくは振動モードとしてエネル
ギー閉じ込め振動モードを利用すると共に、構造が簡単
で支持が容易な耐振動特性及び耐衝撃性に優れた圧電振
動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電振動ジャイロ等の圧電振動子
で利用されるエネルギー閉じ込め振動は、振動のエネル
ギーが駆動電極近傍に集中している振動モードとして知
られており、その振動モードには圧電板の厚さ方向の縦
振動やすべり振動、或いは圧電矩形板の幅方向の縦振動
やすべり振動等の多くのものがある。このような形態の
振動モードを利用した圧電板の類は、通常ＦＭラジオや
テレビの中間周波数フィルタに広く適用されている。

【０００３】図６は、従来の平行電界励振型厚みすべり
エネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動子の
基本構成を示したもので、同図（ａ）は平面図に関する
もの，同図（ｂ）は側面断面図に関するものである。

【０００４】この圧電振動子は、分極方向が厚さ方向の
圧電板１０の一方の主面の中央部に対向する部分電極１
４，１４′が形成されて成っている。これらの部分電極
１４，１４′に挟まれている所定の部分には、ほぼ圧電
板１０の板面に平行な方向の電界が印加されるため、部
分電極１４，１４′の寸法を使用する圧電材料の特性に
合わせて適当に設計すれば、これによって電界と直交す
る圧電板１０の厚さ方向の分極との相互作用により、こ
の所定の部分に平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉
じ込め振動が発生する。

【０００５】図７は、この圧電振動子の電界分布を模式
的に示した側面断面図である。ここでは、電界が上述し
たようにほぼ圧電板１０の板面に平行であって、且つ矢
印で示されるように駆動用の部分電極１４から検出用の
部分電極１４′へと向かう方向に圧電板１０の板表面に
集中して発生している様子を表わしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した平行電界励振
型厚みすべりエネルギー閉じ込め振動モードを利用した
圧電振動子の場合、振動のエネルギーを所定の部分に集
中させるため、電極の圧電反作用の効果を利用して所定
の部分の弾性的な特性をそれ以外の部分の特性と異なら
せることによって、特定の周波数の振動エネルギーを所
定の部分に集中させるものとなっているが、このように
圧電反作用の利用を前提とすれば、エネルギー閉じ込め
状態が振動モードの種類や圧電材料の種類によって必ず
しも十分でなくなることがある。

【０００７】又、このような圧電振動子の電極構成の場
合、圧電板の板厚が厚くなるに従って電界がほぼ圧電板
の板表面に集中するため、分極方向に対して直交する電
界の割合が減少してしまい、励振効率が下がってしまう
という問題がある。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、振動モードの種類
や圧電材料の種類に拘らず電界分布が制御されて良好な
エネルギー閉じ込め状態が得られる圧電振動子を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、厚さ方
向に分極軸を有する圧電板の一方の主面の略中央部に構
成される二等辺三角形の各頂点の位置にそれぞれ形成さ
れた第１乃至第３の電極を有すると共に、該第１の電極
を頂角の位置に配置し、且つ該第２の電極及び該第３の
電極をそれぞれ底角の位置に配置して成るエネルギー閉
じ込め振動モードを利用した圧電振動子において、圧電
板の第１乃至第３の電極間に囲まれる所定の部分と対向
する他方の主面上の励振振動分布の中心軸線に対して線
対称な位置に形成された浮遊電極を有する圧電振動子が
得られる。

【００１０】又、本発明によれば、上記圧電振動子を用
いた圧電振動ジャイロにおいて、圧電板は圧電セラミッ
クス板であり、且つ該圧電セラミックス板における所定
の部分を含む第１乃至第３の電極の形成領域の近傍のみ
を厚さ方向に分極して成る圧電振動ジャイロが得られ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に実施例を挙げ、本発明の圧
電振動子について、図面を参照して詳細に説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例に係る平行電界
励振型エネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振
動子の基本構成を一部透視させて示した斜視図である。
この圧電振動子は、厚さ方向に分極軸を有するＰＺＴや
チタン酸バリウム等による圧電セラミックス板１の一方
の主面の略中央部に構成される二等辺三角形の各頂点の
位置にそれぞれ形成された第１乃至第３の電極を有する
と共に、第１の電極を頂角の位置に配置された駆動電極
２１とし、第２の電極，第３の電極をそれぞれ底角の位
置に配置された検出電極２２，２３とするもので、圧電
セラミックス板１における一方の主面に形成された駆動
電極２１及び検出電極２２，２３間に囲まれる所定の部
分と対向する他方の主面上の励振振動分布の中心軸線Ｐ
に対して線対称な位置に離間されて長方形状に形成され
た２個の浮遊電極２４を有して成っている。但し、ここ
での圧電振動子は、圧電セラミックス板１における所定
の部分を含む駆動電極２１及び検出電極２２，２３の形
成領域の近傍のみを厚さ方向に分極し、圧電振動ジャイ
ロに適用されるものとしている。

【００１３】図２は、この圧電振動子の電界分布を模式
的に示した側面断面図である。ここでは、電界が矢印で
示されるように、圧電セラミックス板１の板面に平行な
方向だけでなく、駆動電極２１から検出電極２２，２３
へと向かう方向において圧電セラミックス板１の板厚方
向にも発生している様子を表わしている。従って、この
圧電振動子の場合、分極方向に対して直交する電界の割
合が減少せず、励振効率が下がることがない。

【００１４】そこで、説明を簡単化するため、同じ寸法
の圧電セラミック単体による圧電セラミック板を用いて
一方の主面に２電極を形成し、他方の主面に対して浮遊
電極を形成したものと形成しないものとに場合分けして
圧電振動子の試作を行い、各圧電振動子に関してインピ
ーダンス（Ｚ）の周波数（ｋＨｚ）特性を測定して閉込
め状態の確認を行ったところ、浮遊電極を形成したもの
は図３に示されるように、浮遊電極を形成しないものは
図４に示されるような結果になった。

【００１５】これらの特性比較からは、浮遊電極を形成
したものは共振時のオーム抵抗Ｒが１５９Ω、Ｑ値（回
路選択度であり、振動回路に蓄えられるエネルギー／熱
消費されるエネルギーで定められる）が１０００であ
り、浮遊電極を形成しないものは共振時のオーム抵抗Ｒ
が２３０Ω、Ｑ値が８８０であり、浮遊電極を形成した
ものの方がＱ値が高くなることが判った。Ｑ値が高いと
いうことは、エネルギー閉じ込め状態の良好性を判断す
る要素の一つであるため、浮遊電極を形成したものの方
が振動のエネルギーが圧電振動子の中央部に集中してお
り、支持による影響も少なく、エネルギー閉じ込め振動
が効率良く励振されていることになる。このことは、図
１に示したような３電極以上の複数電極を形成した圧電
振動子の場合にも対応する。

【００１６】図５は、本発明の他の実施例に係る平行電
界励振型エネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電
振動子の基本構成を一部透視させて示した斜視図であ
る。この圧電振動子は、図１に示した一実施例のものと
比べ、圧電セラミックス板１´における一方の主面に形
成された駆動電極２１及び検出電極２２，２３間に囲ま
れる所定の部分と対向する他方の主面上の励振振動分布
の中心軸線Ｐに対して線対称な位置であって、中心軸線
Ｐを横切って連続的に延在するように中心軸線Ｐに線対
称な長方形状に形成された１個の浮遊電極２４´を有し
ている点が相違している。但し、ここでの圧電振動子
も、圧電セラミックス板１´における所定の部分を含む
駆動電極２１及び検出電極２２，２３の形成領域の近傍
のみを厚さ方向に分極し、圧電振動ジャイロに適用され
るものとしている。

【００１７】この圧電振動子の場合も、一実施例のもの
と同様に、電界が圧電セラミックス板１´の板面に平行
な方向だけでなく、駆動電極２１から検出電極２２，２
３へと向かう方向において圧電セラミックス板１´の板
厚方向にも発生し、分極方向に対して直交する電界の割
合が減少せず、励振効率が下がることがないため、振動
のエネルギーが圧電振動子の中央部に集中し、支持によ
る影響も少なく、エネルギー閉じ込め振動が効率良く励
振されるものになる。

【００１８】即ち、以上の各実施例の圧電振動子におい
ては、圧電セラミックス板１，１´における一方の主面
に形成された駆動電極２１及び検出電極２２，２３に囲
まれる所定の部分と対向する他方の主面上に励振振動分
布の中心軸線Ｐに対して線対称な位置に浮遊電極２４，
２４´を形成して板厚を局部的に厚くすることにより、
振動のエネルギーを所定の部分に集中させるための各電
極の質量負荷効果を利用して所定の部分の弾性的な特性
をそれ以外の部分の特性と異ならせ、特定の周波数の振
動エネルギーを所定の部分に集中させることが可能なも
のとなっている。又、このような圧電振動子では、電界
分布（電界ルート）を調整制御することによって、効率
の良い平行電界励振を励起することが可能となる。こう
した理由により、エネルギー閉じ込め状態を良好にする
ことができる。

【００１９】

【発明の効果】以上に述べた通り、本発明の圧電振動子
によれば、圧電板における一方の主面に形成された駆動
電極及び検出電極に囲まれる所定の部分と対向する他方
の主面上に励振振動分布の中心軸線に対して線対称な位
置に浮遊電極を形成して板厚を局部的に厚くすると共
に、電界分布（電界ルート）を調整制御することによ
り、振動のエネルギーを所定の部分に集中させるための
電極の質量負荷効果を利用して所定の部分の弾性的な特
性をそれ以外の部分の特性と異ならせ、特定の周波数の
振動エネルギーを所定の部分に集中させて効率の良い平
行電界励振を励起することが振動モードの種類や圧電材
料の種類に拘らず可能となるため、結果としてエネルギ
ー閉じ込め状態が良好な圧電デバイス（特に圧電振動ジ
ャイロ）を提供できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る平行電界励振型エネル
ギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動子の基本構
成を一部透視させて示した斜視図である。

【図２】図１に示す圧電振動子の電界分布を模式的に示
した側面断面図である。

【図３】２電極及び浮遊電極を形成して簡単化して試作
した圧電振動子のインピーダンスの周波数特性を測定し
た結果を示したものである。

【図４】２電極を形成して浮遊電極を形成せずに簡単化
して試作した圧電振動子のインピーダンスの周波数特性
を測定した結果を示したものである。

【図５】本発明の他の実施例に係る平行電界励振型エネ
ルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電振動子の基本
構成を一部透視させて示した斜視図である。

【図６】従来の平行電界励振型厚みすべりエネルギー閉
じ込め振動モードを利用した圧電振動子の基本構成を示
したもので、（ａ）は平面図に関するもの，（ｂ）は側
面断面図に関するものである。

【図７】図６に示す圧電振動子の電界分布を模式的に示
した側面断面図である。

【符号の説明】

１，１´ 圧電セラミックス板 １０ 圧電板 １４，１４′ 部分電極 ２１ 駆動電極 ２２，２３ 検出電極 ２４，２４´ 浮遊電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 厚さ方向に分極軸を有する圧電板の一方
   の主面の略中央部に構成される二等辺三角形の各頂点の
   位置にそれぞれ形成された第１乃至第３の電極を有する
   と共に、該第１の電極を頂角の位置に配置し、且つ該第
   ２の電極及び該第３の電極をそれぞれ底角の位置に配置
   して成るエネルギー閉じ込め振動モードを利用した圧電
   振動子において、前記圧電板の前記第１乃至第３の電極
   間に囲まれる所定の部分と対向する他方の主面上の励振
   振動分布の中心軸線に対して線対称な位置に形成された
   浮遊電極を有することを特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電振動子を用いた圧電
   振動ジャイロにおいて、前記圧電板は圧電セラミックス
   板であり、且つ該圧電セラミックス板における前記所定
   の部分を含む前記第１乃至第３の電極の形成領域の近傍
   のみを厚さ方向に分極して成ることを特徴とする圧電振
   動ジャイロ。