JP4070169B2

JP4070169B2 - 圧電発振子

Info

Publication number: JP4070169B2
Application number: JP15301999A
Authority: JP
Inventors: 隆則前野; 慶明岩河; 成弘柴田; 祥子森下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2019-05-31
Also published as: JP2000341076A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギー閉じ込め型の圧電発振子に関し、特に、縦３倍波振動を用いた圧電振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、エネルギー閉し込め型の圧電発振子は、例えばマイクロコンピュータのクロック発振回路に数ＭＨｚから数十ＭＨｚの周波数帯域で使用されている。特に、近年、マイクロコンピュータのクロック周波数の高速化に伴い、厚み縦振動の３次高調波（以下、縦３倍波振動という）を用いる圧電振動子が増えてきている。
【０００３】
このような圧電発振子は、厚み方向に分極した一枚の圧電基板に振動電極をその主面の略中央部に対向して形成する構造をとっており、その分極方向と同じ方向に交流電界を印加することで、厚み方向へ励振する縦振動モードを利用していた。
【０００４】
このような圧電発振子においては、振動電極に交流電界を印加することにより励振する振動部と、振動電極周囲の非振動部（交流電界の印加に対して励振しない部分）とからなり、この結果、振動部で励振する振動のエネルギーは、振動電極間において閉し込められることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造の圧電発振子で縦３倍波振動を利用する場合においては、図７に示すように基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１とが重なった位置で存在しており、縦３倍波振動成分１１を取り出す場合に、基本波振動成分１０のインピーダンスにおけるピークバレーが大きいために、誤動作により基本波発振する可能性が高かった。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑み、縦３倍波を利用する圧電発振子であっても基本波発振を阻止しつつ、安定した縦３倍波を効率良く取り出すことができるエネルギー閉じ込め型の圧電発振子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために本発明は、短冊状圧電基板の両主面に、前記短冊状圧電基板の対向する両端部からそれぞれ中央部へと伸び、略中央部に前記短冊状圧電基板を挟んで互いに対向する振動電極部を有する一対の振動電極を形成した厚み縦３倍波振動を利用する圧電発振子において、前記圧電基板の幅をＷ、厚みをｔとしたときに、１．８≦Ｗ／ｔ≦２．４とし、前記振動電極部は前記短冊状圧電基板の長手方向における中央部位の幅方向が狭いことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、１．８≦Ｗ／ｔ≦２．４の関係が成り立つ圧電基板を用いることにより、圧電基板の主面における略中央部に縦３倍波振動成分が、また、圧電基板の幅方向両端部に基本波振動成分が分離することになり、圧電基板の主面における略中央部に形成した振動電極で基本波振動成分におけるインピーダンスのピークバレーを抑制した縦３倍波振動成分を取り出すことができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電発振子を図に基づいて説明する。
図１は圧電発振子の形態を説明する図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図、図２は圧電振動子の振動位置を説明する平面図である。
【００１０】
本発明の圧電発振子１は図１（ａ）（ｂ）に示すように、圧電基板２における主面の略中央部で互いに対向する振動電極３、４を被着形成してなるものである。これにより、図１（ｂ）に示すように圧電基板２において１対の振動電極３，４が実質的に対向し合う領域が振動部５を形成することでエネルギー閉じ込め型の圧電発振子１が構成される。
【００１１】
圧電基板２は分極方向が厚み方向に揃えられた厚み縦３倍波振動が利用される。圧電基板２の材質としては、複合酸化物から成るチタン酸鉛（ＰＴ），ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）等を主成分とするもので、例えばＰＴのＰｂ、Ｔｉの元素の一部を、Ｓｒ，Ｂａ等のアルカリ土類金属、Ｚｒ等の周期待表第４ａ族元素、Ｎｂ等の周期律表第５ａ族元素、Ｃｒ等の周期律表第６ａ族元素、Ｍｎ等の周期律表第７ａ族元素等によリ一部置換したもので形成される。圧電基板２の形状としては図１に示すように所定長さＬ，所定幅Ｗ，所定厚さｔの寸法を有し、長さＬよりも幅Ｗが短い短冊状に形成されている。
【００１２】
また、圧電基板２は、Ｗ／ｔが２．４以上（２．４は含まない）になると図６に示すように基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１が重なってしまい、縦３倍波振動成分を効率よく取り出すことはできず、Ｗ／ｔが１．８より小さくなると、基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１を分離できるものの、圧電基板２の幅が狭くなるので、圧電基板２の略中央部に形成される縦３倍波振動成分１１の振動が影響し、本来のインピーダンスのピークバレーを得ることができない（３倍波振動成分１１におけるインピーダンスのピークバレーがなまってしまう）。
【００１３】
従って、Ｗ／ｔが１．８〜２．４、好ましくは、２．０〜２．４の圧電基板２を用いることが良好である。これにより、本来のインピーダンスのピークバレーを得ることができると共に、図２に示す基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１をはっきりと分離することができる。
【００１４】
このように基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１とが分離する現象は以下のような原因で起こると考えられる。図５は基本波振動成分１０と縦３倍波振動成分１１を説明するＡ−Ａ線断面図であり、振動状況を簡単に説明するために、縦３倍波振動成分１１を説明する図５（ａ）と、基本波振動成分１０を説明する図５（ｂ）（ｃ）に分けて説明する。
図に示すように、縦３倍波振動成分１１は図５（ａ）に示す幅方向断面中央部にあらわれて縦方向に振動する。また、基本波振動成分１０は図５（ｂ）に示すように縦３倍波振動成分１１よりも広い幅方向の範囲にあらわれ、縦方向に振動する。この場合、Ｗ／ｔが２．４以下の小さい幅では基本波振動成分１０がａ方向に振動することにより、両端側面がｂ方向に応力が加わり振動してｃ方向の振動波が発生する。このａ方向の振動とｃ方向の振動が合成されて図５（ｃ）に示す中央部の基本波振動成分１０が打ち消されてしまう。これにより、断面両端の２カ所に基本振動波成分１１が発生する。実際、図６に示すように基本波振動成分１０のピーク振動が圧電基板２に発生する位置の傾向として（振動電極の幅０．２５，周波数６ＭＨｚで振動させた場合）、Ｗ／ｔが２．４を境として０．２５〜０．３ｍｍの位置にあらわれており、これによっても、縦３倍波振動成分１１と基本波振動成分１０は明確に分離されていることがわかる。
振動電極３は、圧電基板２の一方主面における略中央に形成した振動電極部３ａと、圧電基板２の一端部に形成した入出力用電極部３０とで構成され、また、振動電極４は、圧電基板２の他方主面における略中央に形成した振動電極部４ａと、圧電基板２の他端部に形成した入出力電極部４０とで構成されている。
【００１５】
圧電基板２の互いに対向する振動電極部３ａ，４ａは、圧電基板２の主面における略中央部に形成しているが、この略中央とは、少なくとも圧電基板２の幅方向の中央部に振動電極３ａ，４ａが形成されていれば良く、好ましくは縦３倍波振動成分１１が発生する位置に設定され、圧電基板２の幅方向端部にだけ形成される場合が除かれる。
【００１６】
また、振動電極部３ａ，４ａの形としては、基本波振動成分１０の影響を避けるために振動電極部３ａ，４ａの中央部位の幅方向を狭めた凹部状に形成した回避部３３ａ，４４ａを形成して略Ｈ状に形成しても良い。
【００１７】
振動電極３，４の材質としては、例えぱＡｇ、Ａｇ−ガラス、Ｐｄを焼き付けるか、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｕの薄膜を順次蒸着することにより形成されている。
【００１８】
本発明の構成によれば、短冊状の圧電基板２における両主面の略中央部に、互いに対向する振動電極３，４を形成した圧電発振子１において、圧電基板２の幅方向をＷ、厚みをｔとしたときに、１．８≦Ｗ／ｔ≦２．４の関係が成り立つ圧電基板２を用いた構成としたので、圧電基板２の主面における略中央部に縦３倍波振動成分１１が、また、圧電基板２の幅方向両短部に基本波振動成分１０が分離することになり、基本波振動成分１０をなまらせながら、圧電基板２の主面中央部に形成した振動電極３，４で、縦３倍波振動成分１１を有効に取り出すことができる。
【００１９】
【実験例】
本発明の作用効果を確認するために、以下の試料を用意した。
チタン酸鉛（ＰＴ）を主成分とする厚みｔが０．４５ｍｍで幅Ｗが１．０８ｍｍの短冊状圧電基板（Ｗ／ｔ＝２．４）を用意して、振動電極部を圧電基板の主面における略中央に幅方向の長さが０．７ｍｍ，長さ方向が１．１ｍｍの長方形状の電極を形成した。周波数が６ＭＨｚの交流電圧を形成した振動電極にかけて基本波振動成分及び縦３倍波振動成分についてのインピーダンス特性及び画像解析により各振動位置の状況を調べた。
【００２０】
比較例として厚みｔが０．４５ｍｍで幅Ｗが１．３５ｍｍの短冊状圧電基板（Ｗ／ｔ＝３．０）を用意して基本波振動成分及び３倍波振動成分及び画像解析による各振動位置を調べた。
【００２１】
上記実験結果を図３，図４に示す。
本発明の製品（実施例）と比較例の製品を比較すると、図３に示すように縦３倍波振動成分のピークバレーは変わらないが、図４に示す本発明の製品の基本波振動成分が比較例に比べてインピーダンスのピークバレーを充分抑えることができており、これにより、本発明の製品は縦３倍波振動成分を取り出すときに、基本波振動成分に干渉されて基本波発振をするような誤動作は生じない。このとき、振動位置を画像解析により調べると、本発明の製品は図２に示す基本波振動成分と縦３倍波振動成分とに分離されているのが確認された。
【００２２】
一方、比較例の製品は、基本波発振が生じて誤動作があった。このとき、基本波振動と縦３倍波振動成分の発生位置は図６に示す基本波振動成分と縦３倍波振動成分とが重なって存在していることがわかった。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、短冊状圧電基板における両主面の略中央部に、互いに対向する振動電極を形成した圧電発振子において、前記圧電基板の幅Ｗ、厚みをｔとしたときに、１．８≦Ｗ／ｔ≦２．４の関係が成り立つ圧電基板を用いた構成とすることで、圧電基板の主面における略中央部に縦３倍波振動成分が、また、圧電基板の幅方向両端部に基本波振動成分が分離することになり、圧電基板の主面における略中央部に形成した振動電極で基本波振動成分をなまらすことができ、基本波発振の誤動作を抑えて縦３倍波振動成分を有効に取り出すことができる。
【００２４】
これにより、基本波振動成分のインピーダンスＰ／Ｖ値が縦３倍波振動成分に比較して大きくとれ、有効な縦３倍波振動成分の検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電発振子の形態を説明する図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図２】圧電振動子の基本波振動成分と縦３倍波振動成分との振動位置を説明する平面図である。
【図３】本発明の圧電振動子と従来の圧電振動子における縦３倍波のインピーダンス特性を説明する図である。
【図４】本発明の圧電振動子と従来の圧電振動子における基本波のインピーダンス特性を説明する図である。
【図５】本発明の縦３倍波振動成分と基本波振動成分が分離する機能を説明する図であり、（ａ）は縦３倍波振動成分を説明する図であり、（ｂ）（ｃ）は基本波振動成分を説明する図である。
【図６】基本波振動成分のピークが圧電基板の中心からあらわれる位置とＷ／ｔの関係を示す図である。
【図７】従来の圧電振動子における基本波振動成分と縦３倍波振動成分との振動位置を説明する平面図である。
【符号の説明】
１：圧電発振子
２：圧電基板
３：振動電極
３ａ：振動電極部
３０：入出力電極部
４：振動電極
４ａ：振動電極部
４０：入出力電極部

Claims

短冊状圧電基板の両主面に、前記短冊状圧電基板の対向する両端部からそれぞれ中央部へと伸び、略中央部に前記短冊状圧電基板を挟んで互いに対向する振動電極部を有する一対の振動電極を形成した厚み縦３倍波振動を利用する圧電発振子において、前記圧電基板の幅をＷ、厚みをｔとしたときに、１．８≦Ｗ／ｔ≦２．４とし、前記振動電極部は前記短冊状圧電基板の長手方向における中央部位の幅方向が狭いことを特徴とする圧電発振子。