JP6186597B2 - 圧電共振子 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電共振子に関し、特に共振周波数を調整可能な構成に関する。
圧電体を有する共振子は、半導体プロセス等を利用することにより小型化が可能なことから、最近は発電素子や各種アクチュエータなどその応用範囲は広がってきている。
図２４は、電源供給ライン１１０に設置されたセンサモジュールであり、その駆動用電源として発電素子１０１を用いた一例を示している。
発電素子１０１は、梁部１０２と、梁部１０２の主面上に設けられ、上部電極１０５、下部電極１０３で挟まれた圧電体１０４とで構成されている。梁部１０２の一端には永久磁石からなる錘部１０６が取り付けられ、電源供給ライン１１０を流れる交流電流に起因する電源供給ライン１１０周辺の磁界変化との相互作用により、梁部１０２は振動する。
以下、梁部１０２と、上部電極１０５と、下部電極１０３と、圧電体１０４とを含めて、梁と定義して説明する。実際には梁部１０２だけではなく、上部電極１０５、下部電極１０３、圧電体１０４を含んだ梁全体が振動する。
梁の振動により発生した歪みは、圧電体１０４の圧電効果により圧力に比例した電荷が現れ電圧が発生する。発生する電圧は、電源供給ライン１１０を流れる電流量に比例した大きさとなることから、圧電体１０４で発生した電圧を制御装置１０９で監視してその結果を無線等により送信することで、電流センサとしての役割も果たしている。この制御装置１０９におけるセンサ情報の蓄積、加工、送信などに要する電力を、発電素子１０１により生成された電力で賄われることで、電池や外部からの給電が不要なセンサモジュールを実現している。
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１や非特許文献１が知られている。
しかしながら、上述した発電素子では、最大の発電効率を得るためには電源供給ライン１１０の交流周波数と発電素子１０１の共振周波数を合致させる必要がある。しかしながら、共振周波数は、梁部１０２の長さ、厚み、先端に取り付ける錘部１０６の重量などに依存するため、製造プロセスのばらつきで変動しやすいという課題があった。
Richard White, "Demand Response: PassiveProximity Electric Sensing" Demand Response Enabling TechnologiesDevelopment Workshop, 2004年6月10日, p.1-17
本発明は、第１の支持部と、前記第１の支持部に固定された梁部と、前記第１の支持部を固定する部位と、前記梁部に略平行な第１の主面とを有する基部と、前記梁部に固定された錘部と、を備え、前記基部の第１の主面の平面方向に移動可能な第１の調整用部材をさらに備え、前記梁部は、前記第１の主面に沿う方向に延在しており、前記錘部と前記第１の調整用部材の少なくともいずれか一方は、磁石で形成されている。
この構成によれば、製造プロセスのばらつきにより生じた共振周波数のずれを容易に調整することができる。
発電素子の製造プロセスのばらつきにより所望の共振周波数からずれた場合であっても、容易に調整可能であり、最大の効率を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
実施の形態１の圧電共振子の梁（振動部）の構成について、図１を参照しながら説明する。
実施の形態１の圧電共振子の梁（振動部）の構成について、図１を参照しながら説明する。
＜梁部の構成＞
図１は実施の形態１による圧電共振子の梁（振動部）の構成概略図である。金属基板からなる梁部２の主面上に順に、下部電極３、圧電体４、上部電極５が積層されている。梁部２の少なくとも一方の端部には、錘部６が固定されている。錘部６は永久磁石または磁性体で構成されている。なお、下部電極３、圧電体４、上部電極５で駆動部が形成れている。他の実施の形態についても、駆動部は下部電極３、圧電体４、上部電極５で形成されている。
図１は実施の形態１による圧電共振子の梁（振動部）の構成概略図である。金属基板からなる梁部２の主面上に順に、下部電極３、圧電体４、上部電極５が積層されている。梁部２の少なくとも一方の端部には、錘部６が固定されている。錘部６は永久磁石または磁性体で構成されている。なお、下部電極３、圧電体４、上部電極５で駆動部が形成れている。他の実施の形態についても、駆動部は下部電極３、圧電体４、上部電極５で形成されている。
以下、背景技術と同様に梁部２と、上部電極５と、下部電極３と、圧電体４とを含めて、梁と定義して説明する。
以下、本発明の圧電共振子の、振動部（梁）の製造方法の一例を説明する。
梁部２は、厚み０．１５ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ４３０）が使用されている。そして、ステンレス板の寸法は３×２０ｍｍとする。
ステンレス板の上へ、Ａｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで下部電極３を形成する。そして、下部電極３の上へ圧電体印刷用ペーストをメタルマスク印刷することで圧電体４を形成する。さらに圧電体４の上へＡｇ−Ｐｄ合金ペーストをスクリーン印刷することで上部電極５を形成する。これらを大気中において８７５℃で２時間保持することで焼成する。焼成後の圧電体４の厚みは２０μｍ、下部電極３、上部電極５の厚みはいずれも３μｍであった。また梁部２の先端部には重量０．３８ｇ、寸法５×５×２ｍｍのネオジム永久磁石（錘部６）を接着剤で固定する。
圧電体４に用いる圧電材料は、低温で緻密に焼結し、かつ圧電特性に優れた組成であることが望ましい。
本実施の形態では、（式１）で示される材料組成とする。
（式１）Ｐｂ1.015Ｚｒ0.44Ｔｉ0.46（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）0.10Ｏ3.015
この組成は、本出願人が提案した特許第４４０３９６７号公報に開示されている組成範囲で、優れた圧電特性を示すことで知られており、ＰＺＴのＢサイトをＰｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3で１０モル％置換し、またＰｂサイト比を１．０１５とストイキオメトリーよりも過剰にしていることを特徴としている。
この組成は、本出願人が提案した特許第４４０３９６７号公報に開示されている組成範囲で、優れた圧電特性を示すことで知られており、ＰＺＴのＢサイトをＰｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3で１０モル％置換し、またＰｂサイト比を１．０１５とストイキオメトリーよりも過剰にしていることを特徴としている。
純度９９．９％以上の酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）粉末を原料とし、公知の固相法により（式１）に示したモル比の圧電材料組成粉を合成した。なお９００℃未満の温度で緻密に焼結させるため、平均粒子径（Ｄ50）が０．５μｍ未満となるまで粉砕した。
ＪＥＩＴＡ ＥＭ−４５０１に記載されている方法に則り、得られた圧電材料の圧電体特性を測定したところ、機械結合係数ｋpは０．６０、圧電定数ｄ31は−１２５ｐｍ／Ｖと優れた圧電特性を示した。
次に、圧電体印刷用ペーストの作製方法について説明する。有機バインダと溶剤との配合比率が、例えば２：８となるように調製して有機ビヒクルを作製する。有機バインダには例えばエチルセルロース樹脂、アクリル樹脂、ブチラール樹脂などを使用することができ、溶剤には例えばα−テルピネオール、ブチルカルビトールなどを使用することができる。この有機ビヒクルと上記圧電材料粉砕粉を例えば２０：８０の重量比率で秤量し、適量の分散剤とともに混合した後、三本ボールミルで混練することにより圧電体印刷用ペーストを作製した。
上部電極５および下部電極３の形成には、市販の銀パラジウム合金（銀：パラジウム比＝９０：１０、平均粒子径０．９μｍ）ペーストを用いた。
＜圧電共振子の構成＞
次に実施の形態１の圧電共振子の構成について図２を参照しながら説明する。
次に実施の形態１の圧電共振子の構成について図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、実施の形態１の圧電共振子１では、梁部２の一方の端部が支持部８で固定され、支持部８は基部７に固定されている。梁部２の少なくとも一つの主面は、基部７の主面と略平行となるように、梁部２は支持部８で固定されている。本実施の形態では、梁部２、支持部８、基部７はそれぞれ別体としているが、梁部２、支持部８、基部７を一体で形成しても同等の効果を得る。
梁部２、支持部８、基部７の固定方法の一例としては、基部７に支持部８をボルトなどで固定する。そして、梁部２の錘部６が固定されていない側の端部と、支持部８を固定する。
＜動作特性の評価方法＞
次に本発明の実施の形態１の圧電共振子１の振動特性の評価方法について図２及び図３を参照しながら説明する。
次に本発明の実施の形態１の圧電共振子１の振動特性の評価方法について図２及び図３を参照しながら説明する。
基部７を振動発生機（図示せず）に固定し、振動発生機により圧電共振子１を振動させると、圧電効果により圧電体４に電圧が発生する。振動周波数に対する下部電極３と上部電極５間の電圧変化をオシロスコープ９により測定し、発生電圧が最大となる振動周波数から、本発明の圧電共振子１の共振周波数を求めることができる。
図３は、上記方法で圧電共振子１に与えられた振動周波数と、圧電体４に発生した電圧との関係を測定した結果である。なお振動加速度は０．１Ｇで一定となるよう振動発生機で制御されている。図３に示すように振動周波数６４．５Ｈｚで発生電圧は最大となり、そのときの電圧（実効値）は約８Ｖであった。
先端部に重量Ｗの錘を有する片持ち梁の共振周波数ｆｒはレーリー法により（式２）により求められることが知られている。
（式２）では、Ｍは梁の重量、Ｌは長さ、Ｅはヤング率、Ｉは断面二次モーメントである。梁部２が金属のみで形成されていると仮定し、梁部２の厚みを金属基板の厚み０．１５ｍｍと圧電体４の厚み０．０２ｍｍを足した０．１７ｍｍとして、錘部６の重量Ｗが０．３８ｇのときの共振周波数ｆｒを（式２）から計算すると６５．０Ｈｚとなり、図３に示した測定結果と一致することを確認した。
なお、厳密には、下部電極３、上部電極５の厚みを考慮する必要があるが、圧電体４に対して下部電極３、上部電極５は非常に薄いので、本実施の形態では、下部電極３、上部電極５の厚みは考慮していない。
次に図４に示すように永久磁石からなる錘部６の直下に、調整用磁石１０を配置したときの共振周波数を測定した結果について説明する。調整用磁石１０は寸法３×３×３ｍｍのネオジム永久磁石で、錘部６とは１５ｍｍ離れている。
図５中に（ａ）で示す折れ線グラフは、錘部６との間に反発力が発生する向きに調整用磁石１０を配置したときの、振動周波数と発生電圧の測定結果である。この時の調整用磁石１０の配置は、例えば、調整用磁石１０の各磁極を基部７の主面と垂直となるように配置するとともに、調整用磁石１０の上面側の磁極と、錘部６の下面側の磁極が互いに同極となるように配置している。
図５中の（ｂ）で示す折れ線グラフは、錘部６との間に吸着力が発生する向きに調整用磁石１０を配置したときの、振動周波数と発生電圧の測定結果である。この時の調整用磁石１０の配置は、例えば、調整用磁石１０の各磁極を基部７の主面と垂直となるように配置するとともに、調整用磁石１０の上面側の磁極と、錘部６の下面側の磁極が互いに異極となるように配置している。
図５中の（ｃ）で示す折れ線グラフは、調整用磁石１０を配置していないときの、振動周波数と発生電圧の測定結果である。
図５に示す測定結果の関係から、以下のことが分かった。
錘部６との間に反発力が発生する方向に調整用磁石１０を配置したときの共振周波数（グラフ（ａ））は６５．４Ｈｚで、調整用磁石１０を配置していない時の共振周波数（グラフ（ｃ））の６４. ４Ｈｚよりも０．９Ｈｚ高い。
一方、錘部６との間に吸着力が発生する方向に調整用磁石１０を配置したときの共振周波数（グラフ（ｂ））は、６３．７Ｈｚで、調整用磁石１０を配置していない時の共振周波数（グラフ（ｃ））の６４. ４Ｈｚよりもよりも０．８Ｈｚ低い。
また、いずれの条件についても、発生電圧は約８Ｖでほとんど変化しなかった。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態では、梁部２に引っ張り応力を作用させると共振周波数が高くなり、圧縮応力を作用させると共振周波数が低くなることから、梁部２の一方の端部に永久磁石で形成される錘部６を固定し、錘部６の直下に調整用磁石１０を配置させることで、共振周波数を変化させることができた。
つまり、配置した調整用磁石１０と錘部６との間で反発力および吸着力を発生させることで、梁部２に引っ張り応力および圧縮応力がはたらき、共振周波数を変化させることができた。
（実施の形態２）
実施の形態２では、調整用磁石１０を基部７の主面上で配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
実施の形態２では、調整用磁石１０を基部７の主面上で配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
なお、実施の形態２の圧電共振子の構成は、図４を参照しながら説明した実施の形態１と実質的に同様である。異なる点は、調整用磁石１０位置を変えている点だけである。
実施の形態２では、図６に示すとおり、永久磁石からなる錘部６の直下の位置を位置０とする。そして梁部２の中心軸に沿って支持部８に向かう方向をマイナス、その逆方向をプラスとして、＋２、＋４、＋６ｍｍの位置、および−２、−４、−６ｍｍの位置に調整用磁石１０を配置したときの圧電共振子１のそれぞれの共振周波数を測定した。なお、上記調整用磁石１０を移動させる際、梁部２の幅方向の中心軸と、調整用磁石１０の中心が重なるように調整用磁石を配置している。調整用磁石１０は寸法３×３×３ｍｍのネオジム磁石で、位置０に配置したとき錘部６とは１５ｍｍの間隔で離れている。
図７中に（ａ）で示す折れ線グラフは、永久磁石からなる錘部６と反発する面が上方となるように調整用磁石１０を−６〜＋６ｍｍの位置に配置した時の共振周波数の変化を測定した結果である。この時の調整用磁石１の配置は、例えば、錘部６の下面側をＮ極とした場合、調整用磁石１０のＳ極、Ｎ極が基部７の主面に対して垂直となるように配置するとともに、調整用磁石１０の上面側をＮ極としている。つまり、調整用磁石１と錘６を、同極同士が対向するように配置させている。
図７中に（ｂ）で示す折れ線グラフは、永久磁石からなる錘部６と吸着する面が上方となるように調整用磁石１０を−６〜＋６ｍｍの位置に配置した時の、共振周波数の変化を測定した結果である。この時の調整用磁石１の配置は、例えば、錘部６の下面側をＮ極とした場合、調整用磁石１０のＳ極、Ｎ極が基部７の主面に対して垂直となるように配置するとともに、この調整用磁石１０の上面側をＳ極としている。つまり、調整用磁石１と錘６を異極同士が対向するように配置させている。
図７中の（ｃ）で示す折れ線グラフは、永久磁石からなる錘部６と吸着する面を支持部８側、反発する面を支持部８と反対側となるように調整用磁石１０を−６〜＋６ｍｍの位置に配置したときの、共振周波数の変化を測定した結果である。この調整用磁石１の配置は、例えば、調整用磁石１０のＳ極、Ｎ極が基部７の主面に対して平行となるように配置するとともに、錘部６の直下を０として、支持部８側に錘部６と異極を、その反対側に錘部６と同極を配置させている。
なお図７中に示す×印は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数である。
以上の結果から、永久磁石からなる錘部６と反発する面、または吸着する面を上方にして調整用磁石１０を配置した場合（図７中の（ａ）および（ｂ））は、−２〜＋６ｍｍの配置位置で、ほぼ直線的に共振周波数が変化することがわかった。また、＋６ｍｍの位置に調整用磁石１０を配置したときの共振周波数は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数と、錘部６の直下（位置０ｍｍ）に調整用磁石１０を配置したときの共振周波数との上下関係と、逆の関係になっていることも分かった。
すなわち、調整用磁石１０の磁極方向を変えなくても、調整用磁石１０の配置を変化させることにより、調整用磁石１０を配置しないときよりも圧電共振子１の共振周波数を高くしたり、低くしたり調整することが可能であることがわかった。
また永久磁石からなる錘部６に対して吸着面、反発面を支持部８側、支持部８と反対側となるように配置した場合（図７中の（ｃ））は、−６〜０ｍｍの配置位置で、共振周波数はほぼ直線的に変化している。−４ｍｍの位置に配置したときの共振周波数は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数とほぼ等しくなり、それよりも支持部８側へ配置したときは低周波側へ、支持部８と反対側へ配置したときには高周波側へ共振周波数が変化している。
以上の結果より、本実施の形態の構成では、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面上で任意の位置に配置することにより、圧電共振子１の共振周波数の微調整機構として活用できる。
なお、本実施の形態では、調整用磁石１０を梁部２が延在する方向に沿って移動させて配置していた。調整用磁石１０を移動させて配置する時、調整用磁石１０を梁部２の中心軸に沿って配置することが望ましい。梁部２の中心軸に沿って配置することで、共振周波数を調整する際に梁部２に捩れ等が発生することがなく、圧電共振子１の信頼性を高めることができる。
（実施の形態３）
実施の形態３では、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向に配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
実施の形態３では、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向に配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
図８に示すように永久磁石からなる錘部６の直下に、高さ２ｍｍ、４ｍｍの磁石固定部材１１を基部７の主面上に固定し、さらに、基部７の上へ調整用磁石１０固定させた。この状態で、圧電共振子１の共振周波数を測定した。調整用磁石１０は寸法３×３×３ｍｍのネオジム磁石で形成さえている。調整用磁石１０と錘部６との距離は、磁石固定部材１１がないときは１５ｍｍ、高さ２ｍｍの磁石固定部材１１のときは１３ｍｍ、高さ４ｍｍの磁石固定部材１１のときは１１ｍｍである。
図９中の（ａ）で示す折れ線グラフは、永久磁石からなる錘部６との間に反発力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置したときの共振周波数の変化を測定した結果である。この時、調整用磁石１０の磁極は基部７の主面に対して垂直であるとともに、調整用磁石１０の上面側の磁極と錘部６の下面側の磁極とが同極になるように配置されている。
図９中の（ｂ）で示す折れ線グラフは、永久磁石からなる錘部６との間に吸着力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置したときの共振周波数の変化を測定した結果である。この時、調整用磁石１０の磁極は基部７の主面に対して垂直であるとともに、調整用磁石１０の上面側の磁極と錘部６の下面側の磁極とが異極になるように配置されている。
なお、図９中に示す×印は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数である。
以上の結果から、永久磁石からなる錘部６との間に反発力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置した場合（図９中の（ａ））は、磁石固定部材１１の高さが高くなり、錘部６と調整用磁石１０の距離が近づくと、共振周波数は高周波側へ変化することが分かった。永久磁石からなる錘部６との間に吸着力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置したとき（図９中の（ｂ））は、磁石固定部材１１の高さが高くなり、錘部６と調整用磁石１０の距離が近づくと、共振周波数は低周波側へ大きく変化することが分かった。
図９に示す本実施の形態の共振周波数の変化は、図７に示す実施の形態２で示した結果と比較すると非常に大きく、調整用磁石１０の影響を大きく受けることがわかった。
以上の結果より、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向の任意位置に配置できる構成は圧電共振子１の共振周波数の調整機構として有用である。
また、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向、および水平方向の任意位置に配置する構成とすることにより、圧電共振子１の共振周波数をより大きな周波数範囲で正確に調整することができる。
(実施の形態４)
実施の形態４の圧電共振子の梁（振動部）の構成について、図１２Ａ、図１２Ｂを参照しながら説明する。
実施の形態４の圧電共振子の梁（振動部）の構成について、図１２Ａ、図１２Ｂを参照しながら説明する。
＜梁部の構成＞
図１２は実施の形態４による圧電共振子の梁（振動部）の構成概略図である。金属基板からなる梁部２の主面上に順に、下部電極３ａ，３ｂ、圧電体層４ａ，４ｂ、上部電極５ａ，５ｂが積層されている。梁部２の中央付近(中央部)に、錘部６が固定されている。錘部６は永久磁石または磁性体で構成されている。
図１２は実施の形態４による圧電共振子の梁（振動部）の構成概略図である。金属基板からなる梁部２の主面上に順に、下部電極３ａ，３ｂ、圧電体層４ａ，４ｂ、上部電極５ａ，５ｂが積層されている。梁部２の中央付近(中央部)に、錘部６が固定されている。錘部６は永久磁石または磁性体で構成されている。
以下、実施の形態１と同様に梁部２と、上部電極５ａ、５ｂと、下部電極３ａ、３ｂと、圧電体４ａと４ｂとを含めて、梁と定義して説明する。
以下、本発明の圧電共振子の、振動部（梁）の製造方法については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
圧電体層印刷用ペーストの作製方法についても実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
＜圧電共振子の構成＞
次に実施の形態４の圧電共振子の構成について図１３を参照しながら説明する。
次に実施の形態４の圧電共振子の構成について図１３を参照しながら説明する。
図１３に示すように、実施の形態４の圧電共振子１では、梁部２の両方の端部がそれぞれ支持部８ａ、８ｂで固定され、支持部８ａ、８ｂは基部７に固定されている。梁部２の少なくとも一つの主面は、基部７の主面と略平行となるように、梁部２の両方の端部は支持部８ａ，８ｂに固定されている。言い換えれば、梁部２は、基部７の主面に沿う方向に延在している。
本実施の形態では、梁部２、支持部８ａ，８ｂ、基部７はそれぞれ別体としているが、これら梁部２、支持部８ａ，８ｂ、基部７を一体で形成した場合であっても同等の効果を得る。
梁部２、支持部８、基部７の固定方法は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
＜動作特性の評価方法＞
次に本発明の実施の形態４の圧電共振子１の振動特性の評価方法について図１３及び図１４を参照しながら説明する。
次に本発明の実施の形態４の圧電共振子１の振動特性の評価方法について図１３及び図１４を参照しながら説明する。
なお、測定方法は実施の形態１と同様であるので、測定結果についてのみ、以下説明する。
図１４は、圧電共振子１に与えられた振動周波数と、圧電体層４ａ，４ｂに発生した電圧との関係を測定した結果である。図１４に示すように振動周波数３２１．８Ｈｚで発生電圧は最大となり、そのときの電圧（実効値）は約１．４Ｖであった。
次に図１５に示すように、永久磁石からなる錘部６の直下に、調整用磁石１０を配置したときの共振周波数を測定した結果について説明する。調整用磁石１０は寸法５×５×１ｍｍのネオジム永久磁石で、錘部６の下面からは５ｍｍ離れている。
錘部６との間に反発力が発生する方向に調整用磁石１０を配置したとき（例えば、調整用磁石１０を、調整用磁石１０の天面側と錘部６の下面側の磁極を同極となるように配置した時）の、振動周波数は３２０．６Ｈｚで、調整用磁石１０を配置していないときよりも１．２Ｈｚ低くなる。錘部６との間に吸着力が発生するように調整用磁石１０を配置した場合（調整用磁石１０の天面側と錘部６の下面側の磁極を異極となるように調整用磁石１０を配置した場合）、共振周波数は３２２．９Ｈｚで、調整用磁石１０を配置していないときよりも１．１Ｈｚ高くなることがわかった。この時、発生電圧は約１．４Ｖでほとんど変化しなかった。
梁部２に応力を作用させると共振周波数が変化することから、本実施の形態の構成では、梁部２の先端部に錘部６として固定した永久磁石と、その直下に配置した調整用磁石１０との間で反発力を発生させることで、梁部２に応力がはたらき、共振周波数を変化させることができた。
（実施の形態５）
実施の形態５では、図１６、図１８の調整用磁石１０を、基部７の主面に対して平面方向にその配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
実施の形態５では、図１６、図１８の調整用磁石１０を、基部７の主面に対して平面方向にその配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
実施の形態５では、図１６に示すとおり、調整用磁石１０を基部７の主面に対して平面方向、および梁部２の長手に対して直交方向に配置位置を変える。この時の、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
永久磁石からなる錘部６の直下を位置０として、梁部２の中心軸に直交した任意の方向をプラス、その逆方向をマイナスとして、＋５、＋２．５ｍｍの位置、および−２．５、−５ｍｍの位置に調整用磁石１０を配置したとき圧電共振子１の共振周波数を測定した。調整用磁石１０は寸法５×５×１ｍｍのネオジム磁石で、位置０に配置したとき錘部６とは５ｍｍの間隔で離れており、錘部６と反発する面を上方となるように調整用磁石１０を配置した。
図１７は調整用磁石１０を−５〜＋５ｍｍの位置に配置したときの、共振周波数の変化を測定した結果である。なお図中の×印は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数である。
図１７に示すように調整用磁石１０を−５〜＋５ｍｍの位置に配置することで、共振周波数を３１５〜３３０Ｈｚの範囲で変化することがわかった。調整用磁石１０を配置していないときの共振周波数は３２１．８Ｈｚであることから、この結果は、調整用磁石１０の配置位置によって圧電共振子１の共振周波数を高周波側、低周波側いずれへも調整できることを意味している。
次に図１８に示すように、調整用磁石１０を基部７の主面に対して平面方向、および梁部２の長手方向に沿ってその配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた。
永久磁石からなる錘部６の直下を基準となる位置０とする。本実施の形態では図１８における右方向（梁２の長手方向のうち一方の方向）に順に、＋５、＋２．５ｍｍの位置、左方向（梁２の長手方向のうち他方の方向）に順に、−２．５、−５ｍｍの位置に調整用磁石１０を配置し、それぞれの位置で、圧電共振子１の共振周波数を測定した。調整用磁石１０は寸法５×５×１ｍｍのネオジム磁石で、位置０に配置したとき錘部６とは５ｍｍの間隔で離れており、錘部６と反発する面を上方となるように調整用磁石を配置した。
図１９は調整用磁石１０を−５〜＋５ｍｍの位置に配置したときの、共振周波数の変化を測定した結果である。なお図中の×印は、調整用磁石１０を配置しないときの共振周波数である。図１９から明らかなように、調整用磁石１０を−５〜＋５ｍｍの位置に配置することで、共振周波数は３１９〜３２２．５Ｈｚの範囲で直線的に変化することがわかった。
以上の説明からも明らかなように、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面に対して平面方向の任意位置に配置する構造は、圧電共振子１の共振周波数の調整機構として有用である。
（実施の形態６）
実施の形態６では、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向に配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
実施の形態６では、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向に配置位置を変えたときの、圧電共振子１の共振周波数の変化を調べた結果について説明する。
図２０のように永久磁石からなる錘部６の直下に、高さ１ｍｍ、２ｍｍの磁石固定部材１１を基部７の主面に固定している。磁石固定部材１１の上へ調整用磁石１０を固定したとしたときの梁部２の共振周波数を測定した。調整用磁石１０は寸法５×５×１ｍｍのネオジム磁石で、錘部６との距離（調整用磁石１０の天面と錘部６の下面との距離）は磁石固定部材１１がないときは５ｍｍ、高さ１ｍｍの磁石固定部材１１のときは４ｍｍ、高さ２ｍｍの磁石固定部材１１のときは３ｍｍである。
図２１は永久磁石からなる錘部６との間に反発力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置したときの共振周波数の変化を測定した結果である。
図２１に示すように、永久磁石からなる錘部６との間に反発力が発生する向きに調整用磁石１０を磁石固定部材１１の上に配置すると、磁石固定部材１１の高さが高くなり、錘部６と調整用磁石１０の間隔が小さくなるほど共振周波数は低周波側へ変化する。
以上の結果より、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向の任意位置に配置できる構造は圧電共振子１の共振周波数の微調整機構として有用である。
また、永久磁石からなる錘部６に対して、調整用磁石１０を基部７の主面に対して垂直方向、および水平方向の任意位置に配置する構造とすることにより、圧電共振子１の共振周波数をより大きな周波数範囲で正確に調整することができる。
なお、上記実施の形態では、基部７と調整用磁石１０を、梁部２に対して一面側のみに設けたが、図１０や図２２に示すように、梁部２を挟んで両面側に基部７ａ、７ｂと調整用磁石１０ａ、１０ｂを設けてもよい。図１０または図２２のような構成とすることで、基部７ｂの主面と梁部２との間に電源供給ラインを設置することが可能となり、調整用磁石１０が電源供給ラインと干渉することなく容易に圧電共振子１を設置することができる。
本発明の圧電共振子１を発電素子として使用する場合は、基部７ｂの主面に、基部７ａの主面に設けた調整用磁石１０ａと同様の調整用磁石１０ｂを設けることで、共振周波数をより高精度でかつ調整範囲を広くすることが可能となる。
なお本実施の形態においては、錘部６を永久磁石で形成したが、錘部６の一部または全てを永久磁石で形成したり、錘部６の一部または全てを磁性体（望ましくは鉄、コバルト、ニッケル、あるいはこれらの合金である強磁性体）で形成したりしても良い。
また、錘部６あるいは調整用磁石１０のいずれか一方を磁性体で形成してもよい。
本実施の形態においては、調整用磁石１０を永久磁石で形成したが、電磁石等で形成しても良い。電磁石とすることで電力は消費するが、調整用磁石１０の磁界方向、強度を自由に変化させることで、簡単かつ緻密に圧電共振子１の共振周波数を調整することができる。
また、梁部２に捩れ応力が生じる位置に調整用磁石１０を配置すると、梁部２が長時間振動すると疲労により破断しやすくなるため、梁部２に捩れ応力を生じさせない位置に、調整用磁石１０を配置するのが好ましい。すなわち、調整用磁石１０は、梁部２の中心軸に沿って配置、移動させることで共振周波数を調整することが望ましい。
また、梁部２の材料を弾性体とすることで、梁部２の捩れを利用して共振周波数を調整することも可能である。その場合は、調整用磁石１０を、梁部２の中心軸と直交する方向に設けることで、梁部２に対して捩れを発生させることができる。
また上述した実施の形態では、錘部６と梁部２を別体としたが、一体として形成した場合であっても同様の効果を得ることができる。これは、梁部２と支持部８（８ａ、８ｂ）、基部７（７ａ、７ｂ）も同様であり、これらが一体で形成されていてもよい。
また本実施の形態においては、調整用磁石１０は圧電共振子１に対して１個使用する例を示したが、図１０、図２２のように梁部２の上下に配置する構成など、調整用磁石１０を複数個配置してもよい。この構成によれば、より緻密に共振周波数を調整することができる。
調整用磁石１０を基部７の主面を基準として梁部２の主面に対して平面方向あるいは垂直方向に配置した実施の形態について説明した。調整用磁石１０を基部７の主面上に配置しているが、錘部６に対して反発力あるいは吸着力を生じさせる位置に設ければよく、その位置は基部７の主面のみに限定されるものではない。例えば、基部７と梁部２との間に別途フレーム等を挿入しそのフレーム上に磁石等を設けても良い。
また、錘部６に取り付けた磁石と調整用磁石１０が、磁力により吸着し動かなくならないようにするため、図１１、図２３のように梁部２の振動量を制限するストッパー１２、１２ａ、１２ｂを設けても良い。このストッパー１２、１２ａ、１２ｂは、梁部２が衝突しても破壊されないように弾性体であることが望ましく、その天面は少なくとも調整用磁石１０の天面より高くなるように配置する。
本発明は振動発電素子、発振子など片持ち梁の共振特性を用いた圧電デバイスとして利用することが有用である。
１ 圧電共振子
２，１０２ 梁部
３，３ａ，３ｂ，１０３ 下部電極
４，４ａ，４ｂ，１０４ 圧電体
５，５ａ，５ｂ，１０５ 上部電極
６，１０６ 錘部
７，７ａ，７ｂ，１０７ 基部
８，８ａ，８ｂ，１０８ 支持部
９ オシロスコープ
１０，１０ａ，１０ｂ 調整用磁石
１１ 磁石固定部材
１２，１２ａ，１２ｂ ストッパー
１０１ 発電素子
１０９ 制御装置
１１０ 電源供給ライン
２，１０２ 梁部
３，３ａ，３ｂ，１０３ 下部電極
４，４ａ，４ｂ，１０４ 圧電体
５，５ａ，５ｂ，１０５ 上部電極
６，１０６ 錘部
７，７ａ，７ｂ，１０７ 基部
８，８ａ，８ｂ，１０８ 支持部
９ オシロスコープ
１０，１０ａ，１０ｂ 調整用磁石
１１ 磁石固定部材
１２，１２ａ，１２ｂ ストッパー
１０１ 発電素子
１０９ 制御装置
１１０ 電源供給ライン
Claims (7)
- 第１の支持部と、
前記第１の支持部に固定された梁部と、
前記第１の支持部を固定する部位と、前記梁部に略平行な第１の主面とを有する基部と、前記梁部に固定された錘部と、
を備え、
前記基部の第１の主面の平面方向に移動可能な第１の調整用部材をさらに備え、
前記梁部は、前記第１の主面に沿う方向に延在しており、
前記錘部と前記第１の調整用部材の少なくともいずれか一方は、磁石で形成されている、圧電共振子。 - 前記第１の調整用部材は、少なくとも前記錘部と対向する位置を通り、前記位置に対してプラス方向と前記プラス方向と逆向きのマイナス方向へ前記第１の主面上を移動可能である請求項１記載の圧電共振子。
- 前記第１の調整用部材は、前記梁部の中心軸に沿って移動可能である請求項１記載の圧電共振子。
- 前記第１の調整用部材は、前記梁部の中心軸と直交する線に沿って移動可能である請求項１記載の圧電共振子。
- 第２の支持部をさらに備え、
前記梁部は、一方の端部を前記第１の支持部に固定され、他方の端部を前記第２の支持部に固定され、
前記錘部は、前記梁部の中央部に固定されている、
請求項４記載の圧電共振子。 - 第２の調整用部材をさらに備え、
前記基部は、前記梁部に略平行である第２の主面をさらに有し、
前記梁部は、前記第２の主面と前記第１の主面に挟まれており、
前記第２の調整用部材は、前記第２の主面上を移動可能である、
請求項１記載の圧電共振子。 - 前記位置は、前記錘部の直上または直下である請求項２記載の圧電共振子。
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