JP4571264B2

JP4571264B2 - 圧電振動子

Info

Publication number: JP4571264B2
Application number: JP2000048813A
Authority: JP
Inventors: 茂行宮崎
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001237670A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）の結晶を用いた圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータや通信機器などの電子機器は、振動子より得られる規則的な信号に基づいて処理が行われている。上記の振動子には、つぎに示すような圧電性を有する結晶が用いられる。圧電性を有する結晶から板状の振動板を切り出し、切り出した振動板に適当な電極を配設して交流電流を加えると、圧電効果により加えた電界の周波数と等しい周波数のひずみが振動板に発生する。加えた電界の周波数が振動板の弾性振動の固有周波数に一致した場合、この振動板が共振して強勢な振動が発生するようになる。
【０００３】
上記のような性質を有する結晶板を用いた圧電振動子は、一般に振動損失が小さく、共振周波数が環境条件の変化に対して安定であり、広い周波数範囲にわたって十分な再現性を持った状態に製造することができるという利点がある。このため、この圧電素子は、発振器やフィルタ用共振器などとして電子機器に広く用いられている。
近年、四ホウ酸リチウム単結晶基板が、温度係数をゼロにできる圧電材料として提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来では、ｋＨｚ帯の屈曲振動モードで励振し、かつ温度特性のよい四ホウ酸リチウム単結晶を用いた圧電振動子が、得られていないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、温度特性に優れ、かつ、屈曲振動モードが励振される四ホウ酸リチウム単結晶からなる圧電振動子を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電振動子は、四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３０．２°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成したものである。
この発明によれば、振動板の電極に所定の信号を印加すると、Ｘ−Ｙ屈曲振動モードが励振される。
上記の発明において、振動板は長さＬの短冊状に形成され、第１の主面の第１の固定点とこの第１の固定点に対向する第１の主面の裏の第２の主面の第２の固定点および第１の主面の第３の固定点とこの第３の固定点に対向する第２の主面の第４の固定点とで支持され、振動板の第１の主面の長手方向の中央線を境に一方の領域に主要部が形成された第１の電極と他方の領域に主要部が形成された第２の電極と、振動板の第２の主面の長手方向の中央線を境に一方の領域に主要部が形成された第３の電極と他方の領域に主要部が形成された第４の電極とを備え、第１の電極と第２の電極は互いに離間して配置され、かつ第３の電極と第４の電極は互いに離間して配置される。また、上記の構成において、第１の電極および第３の電極の各々の一部は第１の固定点上に延在して形成され、第２の電極および第４の電極の各々の一部は第２の固定点上に延在して形成される。また、第１および第３の固定点は、振動板の長手方向中心線上で長手方向一端から実質的に０．２２４Ｌの距離に配置され、第２および第４の固定点は、振動板の長手方向中心線上で長手方向他端から実質的に０．２２４Ｌの距離に配置される。なお、カットの角度は、３０．２±２°でよい。
【０００６】
また、本発明の他の形態における圧電振動子は、四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３５．１５°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成したものである。
この発明によれば、振動板の電極に所定の信号を印加すると、Ｙ−Ｚ屈曲振動モードが励振される。
上記の発明において、まず、振動板は、互いに平行な長さＬの第１および第２の辺と互いに平行な第３および第４との４辺からなる長方形の主面とこの主面に対向する裏面と、主面の第１および第２の辺に略直交してＹ−Ｚ平面に平行な第１および第２の側面と、主面の第３および第４の辺に略直交する互いに平行な第３および第４の側面とから構成される。加えて、第１の接続端子に接続されて振動板の主面および裏面に形成された第１および第２の電極と、第２の接続端子に接続されて第１および第２の側面に形成された第３および第４の電極とを備える。上記の構成において、振動板は、第１および第２の側面の長手方向一端から実質的に０．２２４Ｌの距離にある第１および第２の固定点と、第１および第２の側面の長手方向の他端から実質的に０．２２４Ｌの距離にある第３および第４の固定点とで支持される。なお、カットの角度は、３５．１５±２°でよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図を参照して説明する。
（実施の形態１）
はじめに、本発明の第１の実施の形態について説明する。本実施の形態では、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＺＹｗ）３０．２°（±２°）カットされた振動板１０１（図１）を圧電振動子に用いるようにしたものである。なお、Ｘ−Ｙ面が四ホウ酸リチウム結晶の（００１）面，Ｙ−Ｚ面が四ホウ酸リチウム結晶の（１００）面，Ｘ−Ｚ面が四ホウ酸リチウム結晶の（０１０）面である。上記の振動板１０１は、Ｘ−Ｙ面をＸ軸を中心に３０．２°回転させたＸ−Ｙ′面で、Ｚ′軸方向に所定の厚さを有してＹ′軸方向に長い（長さＬ）長方形状の、四ホウ酸リチウム結晶板である。
【０００８】
上記の結晶板は、例えばブリッジマン法により得られた四ホウ酸リチウムのインゴットより、ワイヤーソーで切り出して両面を研磨することにより得られる。四ホウ酸リチウムの単結晶は、正方晶系であり点群は４ｍｍに属し、融点は９１７℃である。
図１，２に示すように、板状の振動板１０１の主平面には、電極１０２，１０３が形成され、振動板１０１の裏面には、電極１０４，１０５が形成されている。これら電極は、振動板１０１の主平面および裏面に、所定の金属材料を蒸着して金属膜を形成し、形成した金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術でパターン加工することで形成できる。
【０００９】
電極１０２は一部が固定点１０６上および電極１０３形成領域に延在し、電極１０３は一部が固定点１０７上および電極１０２形成領域に延在している。同様に、電極１０４は一部が固定点１０８上および電極１０５形成領域に延在し、電極１０５は一部が固定点１０９上および電極１０４形成領域に延在している。
上記の固定点１０６は、図２に示すように、振動板１０１の長手方向の中心線１０１ａを通り、振動板１０１の長手方向の一端より０．２２４Ｌ離れた振動板１０１の主平面に配置されている。また、固定点１０７は、振動板１０１の長手方向の中心線１０１ａを通り、振動板１０１の長手方向の他端より長さ０．２２４Ｌ離れた振動板１０１の主平面に配置されている。一方、固定点１０８は、振動板１０１裏面の固定点１０６に対向する位置に配置され、固定点１０９は、振動板１０１裏面の固定点１０７に対向する位置に配置されている。
【００１０】
また、振動板１０１は、ワイヤー１１１，１１２，１１３，１１４で支持されている。ワイヤー１１１の一端は、振動板１０１の固定点１０６で振動板１０１に固定され、ワイヤー１１２一端は振動板１０１の固定点１０７で振動板１０１に固定され、ワイヤー１１３一端は振動板１０１の固定点１０８で振動板１０１に固定され、ワイヤー１１４一端は振動板１０１の固定点１０９で振動板１０１に固定されている。これらワイヤーは、振動板１０１にハンダや導電性樹脂などにより接着固定され、電極端子を兼用する。各ワイヤーの他端は、図示していない枠体などに固定されている。
【００１１】
図３は、上記圧電振動子を用いた発振回路例を示している。図３の回路とすることで、図４に示すような屈曲振動モードが励振され、約１〜１００ｋＨｚの低い周波数が得られる。なお、図３，４において、各符号は図１，２と同様である。
図３の回路では、電極１０１と電極１０４の間、および電極１０３と電極１０５との間に、例えば交流電圧を印加した場合、それぞれ異なる方向の電界が発生する（図中矢印）。このことにより、振動板１０１は、発生した電界に比例して歪みが発生して変形する（圧電効果）。
【００１２】
本実施の形態の場合、図３にも示すように、電極１０１，電極１０４による電界と、電極１０３，電極１０５による電界は、互いに異なる方向に作用する。振動板１０１は、図２に示した中心線１０１ａを境に、電極１０２形成側と電極１０３とで歪みの生じ方が異なり、電界の方向に対応して相反する方向の歪みが発生するため、振動板１０１は、Ｘ−Ｙ′平面において、振動板１０１の一方の１組の電極が形成された側は縮み、他方の１組の電極が形成された側は伸びる。したがって、これら２組の電極間のそれぞれ異なる方向の電界の向きが、所定の時間間隔で入れ替わるので、図４に示すような屈曲振動モードが励振される。
【００１３】
上述したように、歪みの大きさは、発生した電界の大きさに比例するので、振動子を励振させるための効率的な電極構成の例としては、実質的にＸ方向、Ｙ′方向に対して有効な面積と位置とで電極を形成するのが望ましい。また、４つの電極すべでが同等の大きさ，形状とすることで、振動板は電極相互間の電界を効率よく得て均等な振動を発生させることができる。
【００１４】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態では、四ホウ酸リチウム単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＺＹｗ）３５．１５°（±２°）カットされた振動板５０１（図５）を圧電振動子に用いるようにしたものである。この振動板５０１は、Ｘ−Ｙ面をＸ軸を中心に３５．１５°回転させたＸ−Ｙ′面で、Ｚ′軸方向に所定の厚さを有してＹ′軸方向に長い（長さＬ）長方形状の、四ホウ酸リチウム結晶板である。
【００１５】
板状の振動板５０１の主平面には電極５０２が形成され、振動板５０１の裏面には電極５０３が形成されている。また、振動板５０１の長手方向の一方の側面には電極５０４が形成され、他方の側面には電極５０５が形成されている。
この振動板５０１は、長手方向側面の固定点５０６，５０７，５０８，５０９に一端が固定されたワイヤー５１１，５１２，５１３，５１４で支持されている。ワイヤー５１１，５１２，５１３，５１４の他端は、枠体５２０に固定されている。
【００１６】
上記の固定点５０６は、振動板５０１の長手方向の一方の側面の長手方向の一端より０．２２４Ｌ離れた位置に配置され、固定点５０７は、振動板５０１の長手方向の一方の側面の長手方向の他端より０．２２４Ｌ離れた位置に配置されている。また、固定点５０８は、振動板５０１の長手方向の他方の側面の長手方向の一端より０．２２４Ｌ離れた位置に配置され、固定点５０９は、振動板５０１の長手方向の他方の側面の長手方向の他端より０．２２４Ｌ離れた位置に配置されている。固定点５０６，５０７，５０８，５０９は、それぞれ振動板５０１側面の長手方向にのびる中心線上に配置され、また、固定点５０６と固定点５０８は対向配置され、固定点５０７と固定点５０９は対向配置されている。
【００１７】
上記の圧電振動子は、図６に示すように、電極５０２と電極５０３が端子５３１に接続され、電極５０４と電極５０５が端子５３２に接続されている。図６は、上記圧電振動子を用いた一段インバータ発振回路の例を示している。図６の回路とすることで、図７に示すような屈曲振動モードが励振され、約１〜１００ｋＨｚの低い周波数が得られる。なお、図６，７において、各符号は図５と同様である。
【００１８】
図６の回路では、図中に示す矢印の方向の電界が発生する。したがって、振動板５０１は、図６において上半分と下半分とで電界の方向が異なることから、振動板５０１の上半分と下半分とで歪みの生じ方も異なり、電界の方向に対応して相反する方向の歪みが発生するので、例えば、上半分は伸びて下半分は縮む方向に変形する。加えて、２組の電極間のそれぞれ異なる方向の電界の向きが、所定の時間間隔で入れ替わるので、図７に示すような屈曲振動モードが励振される。
【００１９】
上述した電界が印加されたことによる振動板の伸び縮みは、振動板の電界が印加されている領域に発生するので、上述した振動板５０１の振動は、振動板の電極が形成されている領域に起こるものである。したがって、例えば振動板５０１全域で図７に示す屈曲振動を得るためには、振動板５０１のＹ′方向に対しては、実質的に有効な範囲（ほぼ全域）に各電極を形成することになる。
【００２０】
ところで、上記実施の形態では、振動板をワイヤーで固定するようにしたが、四ホウ酸リチウム単結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、（ＺＹｗ）３５．１５°カットされた結晶板を加工し、図８の平面図に示すように、振動板８０１が、枠体８０２に、４つの支持体８１１，８１２，８１３，８１４で支持されているようにしてもよい。この場合、枠体８０２および支持体８１１，８１２，８１３，８１４も、四ホウ酸リチウムの結晶から構成されていることになる。
【００２１】
図９に、上記実施の形態１，２の圧電振動子の屈曲モード周波数温度特性を示す。図９において、黒三角は実施の形態１の圧電振動子の屈曲モード周波数温度特性を示し、黒丸は上記実施の形態２の圧電振動子の屈曲モード周波数温度特性を示す。黒丸で示す結果は、水晶からなる圧電振動子の結果とほぼ同様であり、上記実施の形態の圧電振動子が、水晶からなる圧電振動子以上によい温度特性を有することがわかる。
【００２２】
ところで、上記実施の形態１の圧電振動子では、図２に示すように電極を配置するようにしたが、これに限るものではない。図１０の平面図に示すように、振動板１０１の主平面の長手方向中心線１０１ａを境に、一方の領域に電極１０２ａの主要部が形成され、電極１０２ａの一部が固定点１０６上を含む他方の領域に延在し、他方の領域に電極１０３ａの主要部が形成され、電極１０３ａの一部が固定点１０７上を含む他方の領域に延在して形成されていてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３０．２°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成した。この発明によれば、振動板の電極に所定の信号を印加すると、Ｘ−Ｙ屈曲振動モードが励振される。
また、本発明の他の形態では、四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３５．１５°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成した。この発明によれば、振動板の電極に所定の信号を印加すると、Ｙ−Ｚ屈曲振動モードが励振される。
以上のように、本発明によれば、温度特性に優れ、かつ、屈曲振動モードが得られる四ホウ酸リチウム単結晶からなる圧電振動子が得られるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における圧電振動子の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態における圧電振動子の構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態における圧電振動子を用いた発振回路例を示す構成図である。
【図４】本発明の実施の形態における圧電振動子の振動状態を示す平面図である。
【図５】本発明の他の形態における圧電振動子の構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の他の形態における圧電振動子を用いた発振回路例を示す構成図である。
【図７】本発明の他の形態における圧電振動子の振動状態を示す説明図である。
【図８】本発明の他の形態における圧電振動子の一部構成を示す平面図である。
【図９】本発明の実施の形態における圧電振動子の温度特性を示す特性図である。
【図１０】本発明の他の形態における圧電振動子の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０１，５０１…振動板、１０２…電極（第１の電極）、１０３…電極（第２の電極）、１０４…電極（第３の電極）、１０５…電極（第４の電極）、１０６…固定点（第１の固定点）、１０７…固定点（第２の固定点）、１０８…固定点（第３の固定点）、１０９…固定点（第４の固定点）、１１１，１１２，１１３，１１４，５１１，５１２，５１３，５１４…ワイヤー、５０２…電極（第１の電極）、５０３…電極（第２の電極）、５０４…電極（第３の電極）、５０５…電極（第４の電極）、５１０…枠体。

Claims

四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３０．２°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成され、
前記振動板は長さＬの短冊状に形成され、第１の主面の第１の固定点とこの第１の固定点に対向する前記第１の主面の裏の第２の主面の第２の固定点および前記第１の主面の第３の固定点とこの第３の固定点に対向する前記第２の主面の第４の固定点とで支持され、
前記振動板の第１の主面の長手方向の中央線を境に一方の領域に主要部が形成された第１の電極と他方の領域に主要部が形成された第２の電極と、前記振動板の第２の主面の長手方向の中央線を境に一方の領域に主要部が形成された第３の電極と他方の領域に主要部が形成された第４の電極とを備え、
前記第１の電極と第２の電極は互いに離間して配置され、かつ第３の電極と第４の電極は互いに離間して配置されたことを特徴とする圧電振動子。
請求項１記載の圧電振動子において、
前記第１の電極および第３の電極の各々の一部は前記第１の固定点上に延在して形成され、前記第２の電極および第４の電極の各々の一部は前記第２の固定点上に延在して形成されたことを特徴とする圧電振動子。
請求項１または２に記載の圧電振動子において、
前記第１および第３の固定点は、前記振動板の長手方向中心線上で長手方向一端から実質的に０．２２４Ｌの距離に配置され、
前記第２および第４の固定点は、前記振動板の長手方向中心線上で長手方向他端から実質的に０．２２４Ｌの距離に配置され
たことを特徴とする圧電振動子。
四ホウ酸リチウム結晶のＸ，Ｙ，Ｚ軸に対して、実質的に（ＺＹｗ）３５．１５°カットされた振動板と、この振動板に設けられた電極と、この電極に接続された接続端子とから構成され、
前記振動板は、
互いに平行な長さＬの第１および第２の辺と互いに平行な第３および第４との４辺からなる長方形の主面とこの主面に対向する裏面と、
前記主面の前記第１および第２の辺に略直交してＹ−Ｚ平面に平行な第１および第２の側面と、
前記主面の第３および第４の辺に略直交する互いに平行な第３および第４の側面とから構成され、
第１の接続端子に接続されて前記振動板の主面および裏面に形成された第１および第２の電極と、
第２の接続端子に接続されて前記第１および第２の側面に形成された第３および第４の電極と
を備えたことを特徴とする圧電振動子。
請求項４記載の圧電振動子において、
前記振動板は、前記第１および第２の側面の長手方向一端から実質的に０．２２４Ｌの距離にある第１および第２の固定点と、前記第１および第２の側面の長手方向の他端から実質的に０．２２４Ｌの距離にある第３および第４の固定点とで支持されたことを特徴とする圧電振動子。