JPS5926129B2 - 捩り振動変換子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はメカニカルフィルタに使用する捩り振動変換子
用の新しい圧電振動子を提供するものである。

フィルタは通話路の接続や分離という多重通信にとって
重要な役割を演じている。

近年回線の超多重化が進むにつれて従来の静的なフィル
タの限界が論じられることとなり、より以上の高選択性
能、高安定度が強く要求されてきた。

メカニカルフィルタはこうした要求に答えるため登場し
た動的なフィルタであり、機械共振子として恒弾性材料
を用いているため、従来の電気素子（コイル、コンデン
サ）のみによって構成された静的なフィルタに比べて桁
違いに高い共振鋭度Ｑと安定度をもっている。

しかも小型で堅牢、安定かつ高性能なものが得られるの
が特長である。

近時メカニカルフィルタは通信分野以外にも広く各種装
置に使用されているが、通信技術の進歩に伴いますます
超小型化の要望が強くなってきた。

メカニカルフィルタの基本構成は、電気人力を機械振動
に変換する電気−機械変換子、機械的共振振動を所定の
値に安定化して得るための機械的振動系、機械的振動系
から伝えられる機械人力を電気出力に変換する機械→電
気変換子、の３要素が直列接続されたものといってよい
。

この３要素のうちの２要素、即ち電気→機械変換子及び
機械−電気変換子を構成するのが電気機械変換子である
。

電気機械変換子は、電気人力（出力）と機械出力（入力
）との変換を行う圧電振動子と、機械振動を所定の値所
定の振動姿態に保つための機械振動子とによって構成さ
れており、圧電振動子が発する機械力を機械振動子の一
部分に加えて機械振動子に所望の振動を起こしたり、あ
るいは逆に機械振動子の振動をその一部に設置した圧電
振動子に伝えて所定の振動姿態でこの圧電振動子を圧縮
したり伸張したりして所定の電気出力を得たりするわけ
である。

こうした電気機械変換子にも各種の型式があり、機械振
動子の振動姿態が捩り振動であるものを捩り振動変換子
と呼んでいる。

本発明は、この捩り振動子用の新しい圧電振動子を提供
するものであり、特にその圧電振動子材料に新しい圧電
単結晶を用いたことを特徴とするものである。

さて一般に、棒状の機械振動系においては、振動姿態が
決定されると共振周波数と機械的寸法の関係は一義的に
決まる。

例えば縦振動や捩り振動では棒の長さによって共振周波
数は決定され、屈曲振動では長さと厚さによって共振周
波数は決定される。

メカニカルフィルタの振動姿態としては縦振動や捩り振
動が多く用いられているので、この両者を比べてみると
次のようである。

すなわち、縦振動を励振したときの伝播速度は捩り振動
を励振したときの伝播速度に比較して著しく速い。

振動の伝播速度が速いことは、同一機械的寸法に対して
共振周波数が高くなることである。

従ってもし同一共振周波数の棒状の機械振動系を得よう
とするのであれば、捩り振動の方が小型化に有利になっ
てくるわけである。

しかも捩り振動を用いた機械振動系は高い共振鋭度Ｑと
安定度が保持できるという利点もある。

このような事情からメカニカルフィルタの機械的振動系
として捩り振動を用いようとするものが増えてきたのは
当然であり、その要素である電気機械変換子の振動姿態
すなわちさらにその構成要素である機械振動子の振動姿
態として捩り振動が要求されるようになってきたわけで
ある。

機械振動子に捩り振動を励振させようとしたときに、ま
ず最初に考えられたのは、それ自体が捩り振動をする圧
電振動子を作ろうということであり、その方向に沿った
圧電振動子の開発が進められてきたのである。

こうした従来例の代表例としてよく知られているものに
、特公昭３９−５８６４号公報に所載されたへ鍬和夫氏
の発明や昭和４５年１０月の日本音響学会講演論文集第
３１９〜３２０頁に所載された森栄司、根本佐久良雄、
森広芳照、木暮文雄の４氏によるものがある。

しかし、これらは、例えば、面内の一方向に平行分極し
た短冊状の圧電磁器板を扇形状に切り出し、この扇形状
素片を寄せ集めて接着することによって円周方向に巡回
して閉じるような分極に近いものを作ろうという思想で
あったり、分極処理を施していない円板状の圧電磁器を
用意し、この円板面上に所定の巾の４本のストライプを
その中心で互いに４５で交差するように引いたと仮想し
たときにストライプにかからずに円周縁にとり残され等
間隔に配列されることとなる略扇形の領域８個（上下両
面に相対応させて設けるから計１６個）をそれぞれ分極
用電極領域として上下相対応する電極を並列にし隣り合
う電極の間を順次に分極してゆき合計８個の分極処理で
１周するように分極しようというような思想であったり
、したために量産性が極めて悪く、とても産業的規模で
実用化できるものではなかった。

一般に機械振動子に圧電振動子を接着してなる捩り振動
変換子の原理は、圧電振動子自身に捩り歪を生じさせ、
機械振動子に直接捩り振動を励起させる場合と、圧電振
動子に生じる歪は捩り歪ではなく、機械振動子の対角線
方向にたわみ歪を生じさせ機械振動子に捩り振動を励起
させる場合と、の２つの方法がある。

前者の例として、前記した従来例のように板状の圧電振
動子の円周方向に残留分極を施こし、これと直角方向と
なる表裏２つの板面に電極を塗布し、その間に交流電圧
を印加し、円周方向に辷り歪を生じさせ、捩り振動を励
起する方法があったわけである。

そして後者の例としては、例えば特公昭４７−１１９４
１号公報に所載された用村端−氏の発明があり、これは
機械振動子の対角線方向にたわみ歪を生じさせるために
、長手方向に単純な伸縮歪を生じさせる略短冊状の圧電
振動子を機械振動子の対角線方向に接着したものである
。

前者と後者を比較するに、圧電振動子の構造は後者の方
が簡単であるが、機械振動子に接する圧電振動子の面積
比率が小さく、電気機械変換効率が悪化する。

この場合、電気機械変換効率を向上させようとして圧電
振動子の幅を広くして面積を大きくすることは無意味で
あり、機械振動子の対角線方向の伸縮歪の他に長さ方向
の伸縮歪みが増太し、機械振動子に縦振動または屈曲振
動という不必要な振動が励起される悪影響が生ずる。

この後者の技術思想を圧電性磁器以外の材料を用いて実
現する手段があり、圧電単結晶、例えばロッシェル塩の
Ｘ−カット板を用いた捩り振動変換子が開発されてきた
。

これは恒弾性金属材料から成る機械振動子にロッシェル
塩のＸ−カット板を接着した構成の捩り振動変換子であ
る。

しかしながらロッシェル塩は水溶性の結晶で潮解性があ
るためその取り扱いが難しい。

即ち、結晶の研磨、加工作業の条件が厳しい上に、温度
および湿度の環境条件を厳しく制御する必要がある。

従って、ロッシェル塩による圧電振動子を用いた捩り振
動変換子を産業的規模で実用化することはほとんど不可
能であった。

本発明は、後者の技術思想をその大筋では発展させなが
ら、上記の方法が持つ欠点を改善したものであり、Ｚ軸
方向に分極処理された圧電単結晶Ｌ ｓ ＮｂＯ３およ
びＬ ｉ Ｔ ａＯ３のＸ−カット結晶をＹ軸のまわり
に４５°±１０°回転して切り出した４５゜±１０°回
転Ｘ回転Ｘ−カット板表面に電極を設けた圧電振動子を
提供し、この圧電振動子の対角線方向の面上り歪が、機
械振動子の対角線方向と一致するように機械振動子の一
部に接着して使用することにより、この機械振動子に充
分に強い捩り振動を励振させ得るようにしたものである
。

本発明によって初めて捩り振動変換子用圧電振動子とい
う用途にとって貴重な新規なカット面が提供されるＬｉ
ＮｂＯ３およびＬ ｉ ＴａＯｓは共に魚群３ｍに属す
る結晶で、イルメナイトに似てはいるがイルメナイト型
と表現してよい程近くはなく、正にこれらＬ １Ｎｂ０
３とＬｉＴａＯ３およびこれらの固溶体のみで１つの型
を作っていると云うべき結晶である。

従って、これら両者を総称して○○型と呼びたいのであ
るが、適邑な総称が未だ当業者間で確立をみていないた
め、発明の本質に格別の差異がないにもかかわらずＬｉ
ＮｂＯ３およびＬｉＴａＯ３を併記せざるを得ないよう
な関係にあり、本発明の本質はこれら２つの結晶に共通
した同様の効果を生ずるカット面の特定にあると云って
よい。

以下、本発明によって実施し得ることとなった新しいカ
ット面およびその結果生じた本発明の圧電振動子につい
て、本発明の圧電振動子を用いて構成される各種の捩り
振動変換子、更にはこれらの捩り振動変換子を用いて構
成されるメカニカルフィルタにも触れながら具体的に詳
細に説明する。

結晶の自発分極軸方向（Ｚ軸方向）に直流電界を印加す
ることにより分極処理を施した強誘電体単結晶Ｌ ｌＮ
ｂ０ ｓおよびＬｉＴａＯ３を用意する。

そして第１図のような配向のＬｉＮｂＯ３またはＬ １
Ｔａ０３振動子板を切断する。

具体的には第１図の振動子板１はＸ−カット結晶をＹ軸
のまわりに４５°±１０°回転したもので、以下これを
４５°±１０゜回転Ｘ−カットと云うことにする。

第１図には、Ｌ ｉ ＮｂＯ３またはＬｉＴａＯ３振動
子板１がＬｉＮｂＯ３またはＬｔＴａ０３単結晶のＸ軸
（結晶の（１１０）面に垂直方向）２．Ｙ軸（結晶の（
１００）面に垂直方向）３およびＺ軸（結晶の（００１
）面に垂直方向）４とともに示されている。

次に第１図の４５°±ｌＯ°回転Ｘ−カットを厚さ方向
の主面において２枚貼り合せ第２図のような構成にする
。

第２図ではＬｉＮｂＯ３またはＬ Ｉ Ｔ ａＯｓから
なる４５°±１０°回転Ｘ−カット５および６が例えば
導電性接着剤で堅く固定されている。

そして４５°±１０°回転Ｘ−カットおよび６の機械的
に自由な側の主面にそれぞれ電極７および８を設ける。

電極７と電極８を導線９で接続し、一方４５°±１０°
回転Ｘ−カット５と６の間の導電的接着層から導線１０
を取り出す。

駆動交流電圧は導線９と導線１０の間に印加すればよい
。

ただし第２図の斜線の部分はそれぞれ電極７、電極８を
表わす。

また第１図の４５°±１０°回転Ｘ−カットを第３図ａ
のような恒弾性材料から成る機械振動子に貼付し第４図
のような構成にしてもよい。

第４図には第３図ａのような機械振動子１１に第１図の
ような４５°±１０°回転Ｘ−カット１２が例えば導電
性接着剤で堅く固定される。

４５°±１０°回転Ｘ−カット１２の機械的に自由な側
の主面に電極１３を設ける。

電極１３から導線１４を取出し、機械振動子１１から導
線１５を取出し、駆動交流電圧は導線１４と導線１５の
間に印加すればよい。

ただし第３図の斜線の部分は電極１３を表わす。

また第４図において、機械振動子１１を第３図すのよう
な機械振動子に換えた構成にしてもよい。

第５図には第３図ａのような機械振動子１６に第１図の
ような４５°±１０°回転Ｘ−カット１７および１８が
例えば導電性接着剤で堅く固定される。

そして機械振動子１６が４５°±１０°回転Ｘ−カット
１７および１８によってはさまれる構成にする。

４５°±１０°回転Ｘ−カット１７および１８の機械的
に自由な側の主面にそれぞれ電極１９および電極２０を
設ける。

電極１９と電極２０を導線２１で導電的に接続する。

一方機械振動子１６から導線２２を取出し駆動交流電圧
は導線２１と２２の間に印加すればよい。

ただし第５図の斜線の部分はそれぞれ電極１９および２
０を表わす。

また第５図において機械振動子１６を第３図すのような
機械振動子に換えた構成にしてもよい。

このような状態においていずれも目的とする捩り振動は
強く励振され、得られた容量比は著しく小さい値を示し
た。

また共振周波数の温度係数は機械振動子を適当に選ぶこ
とにより非常に良好な値を示した。

機械的品質係数は非常に大きな直を示した。

また容量は振動子板の厚さを適当に選ぶことにより適当
な値のものが容易に得られた。

従って、メカニカルフィルタを設計する上で適当な容量
が選択できる利点をもっている。

これらの優秀な特性は圧電性磁器や圧電単結晶ロッシェ
ル塩を用いた捩り振動変換子にその類をみない。

次に本発明による捩り振動変換子が得られる原理を説明
する。

第２図を用いて説明するならば、４５°±１０゜回転Ｘ
−カット板５および６はそれぞれＸ−カット圧電単結晶
をＹ軸のまわりに４５°±１０°回転して切り出した圧
電振動子であるので、それぞれの圧電振動子５，６の両
板面に電極を塗布し交流電圧を印加すると、各々の圧電
振動子５，６は対角線方向に沿って板の表裏で伸縮する
面上り歪が生じる。

この対角線方向の面上り歪が圧電振動子５および６にお
いて互いに逆方向になるように、圧電振動子５および６
を接着した構成の変換子とすれば、変換子は対角線方向
に沿った直交するたわみ歪を生じ、その結果変換子全体
としては点線矢印で示した捩り歪を励起する。

従ってこの捩り歪が駆動交流電圧によって交流的に生じ
るため、全体として捩りの方向が交互に入れ換わる振動
が励起されることになる。

全体としての捩り振動を強く励振するには、貼付する本
発明による圧電振動子の圧電的な活性度が大きければよ
い。

そして公知の圧電体からこの目的にかなう物質を見出す
ことは難しく不可能に近かった。

更に圧電体の切断方位を変えてこの目的にかなう振動子
を得る試みは現在のところなされていない、これに対し
て本発明は公知のＬｉＮｂＯ３およびＬｉＴａＯ３にお
いて切断方位を変え、４５°±１０°回転Ｘ−カットを
機械振動子に固定することにより強い捩り振動が励振さ
れることを見出したものである。

これと同時に高い機械的品質係数および温度係数零の捩
り振動変換子が構成できることを見出したものである。

しかしてこれら本発明の圧電振動子を用いて構成した捩
り振動変換子を用いれば、周知のメカニカルフィルタの
理論を用いて第６図に示すように非常に温度安定度のよ
い、非振鋭度Ｑの大きい、しかも小型化されたメカニカ
ルフィルタが構成できる。

実施例 チョクラルスキー法により育成した直径１４履、長さ５
０１ｍ、程度のＬ ｔ ＮｂＯ３およびＬ ｉ Ｔａ０
３単結晶を電界冷却法でＺ軸方向に分極処理した。

分極処理を施した後に長さ９ｆｉ、幅４Ｍ、厚さ０．２
Ｍの２５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°
、５５°。

６０°、６５°回転Ｘ−カットをＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴ
ａＯ３とも切り出した。

機械振動子としては第３図ａのような長さ９１１ｍ幅６
７１ｇ１１厚さ６Ｍのエリンバを用意した。

また第３図す用として直径６ｗ１．、長さ９′ＩＩｇ／
ｌのエリンバ丸棒の側面を１．５７ＩＩＩＩｌずつ平行
に切り落したものを用いた。

なお接着剤は銀ペーストを主成分にした導電性接着剤を
用いた。

以上のようにして作製した各種の切り出し方によるＸ−
カット板および機械振動子を用いて第２図、第４図およ
び第５図のような構成にし、捩り振動を励振させた。

捩り振動が強く励振されるか否かの尺度として変換子の
制動容量ｃｄと等価容量Ｃｍとの容量比Ｃｄ／Ｃｒｎを
測定することにより決定でき、容量比が小さい程圧電的
活性度が高く電気機械変換効率が良い。

その結果いずれの場合も４５°回転Ｘ−カットを用いた
変換子が最も強く励振され、容量比は最も小さい値を示
した。

また４５°±１０°回転Ｘ−カットを用いた変換子の容
量比はいずれも４５゜回転Ｘ−カットを用いた変換子の
容量比に対して約１割程度大きな値を示した。

これに対して２５°。３０°、６０°、６５°回転Ｘ−
カットを用いた変換子の容量比は４５°回転Ｘ−カット
を用いた変換子の容量比に対して３〜４割程度大きな値
を示し、著しく圧電的活性度が減することが明らかにな
った。

またスプリアスが非常に多くなり本発明の捩り振動姿態
のみを励振することはほとんど不可能になった。

そこで、ＬｔＮｂ０３およびＬｉＴａＯ３の切曇蒼断方
位は４５°±１０°回転Ｘ−カットと限定される。

次にこうして特定された４５°±１０°回転Ｘ−カット
のＬｉ ＮｂＯｓ板およびＬ ｔ Ｔ ａｏ ３を用い
た最も圧電的活性度の大きい本発明の圧電振動子を用い
た捩り振動変換子の測定結果の代表例を次表に掲げる。

次表には、測定結果として共振周波数、容量比、機械的
品質係数Ｑｍｓ共振周波数の温度係数（０℃から＋６０
℃の温度範囲）および容量が示されている。

なお、容量はＩＫＨｚで測定した。表からも明らかなよ
うに本発明の圧電振動子を用いて構成した捩り振動変換
子はいずれも共振周波数が低く、捩り振動が励振された
ため振動の伝播速度が低くなっている。

また容量比も充分小さくなっており、圧電的な活性度が
良好で電気機械振動変換効率のよいことがわかる。

特に機械振動子を用いない第２図の構成でＬ ｉ Ｎｂ
Ｏ３の４５°回転Ｘ−カットを用いたものは容量比が著
しく小さくなっている。

またＬ １Ｎｂ０３を用いた第５図の構成で機械振動子
を第３図ａおよびｂにしたものは容量比が著しく小さく
なっている。

機械的品質係数Ｑｍはいずれの場合も２０００〜４５０
０と非常に大きな値が得られた。

従って、共振鋭度Ｑｍの大きなメカニカルフィルタが構
成できることがわかる。

共振周波数の温度係数はいずれも±６０ｐｐｍ／’ｃ以
内に人っている。

特にＬ ｉ ＮｂＯ３を用いた第５図の構成で機械振動
子を第３図ａおよびｂにしたものは±２ｐｐＩＩｌ／℃
以内となり、非常に温度安定度の良好な捩り振動変換子
になっている。

また容量はいずれも大きくなっており、最も望ましい捩
り振動変換子になっている。

また本発明の圧電振動子は、その振動子内に生ずる応力
に注目すれば機械振動子の対角線方向のたわみ歪を応用
しているため共振周波数近傍に屈曲振動または縦振動に
よるスプリアスを生じ易いが、機械振動子の寸法を所望
の捩り振動共振以外は遠ざけるように適当に選ぶことに
より除去できた。

以上のように本発明の圧電振動子を用いると、捩り振動
変換子は温度に対して安定で、共振鋭度の高い、容量比
の小さい、しかも容量の適当なものが作成でき、また振
動子板および機械振動子の構造が非常に簡単である。

従って本発明の工業的価値は非常に大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の捩り振動変換子用圧電振動子に用いる
ＬｉＮｂＯ５およびＬ ｉＴ ａｏ ｓ振動子板１の切
断方位を示し、圧電軸Ｘを２で、Ｙを３で、Ｚを４で示
しである。 第２図は本発明の圧電振動子のみを２つ用いて構成した
捩り振動変換子を示す使用方法の一例であり、５，６は
第１図のＬｉＮｂＯ３またはＬ ｉＴ ａｏ ３振動子
板、７，８は電極、９゜１０は導線を示し、斜線を施し
た部分は電極７゜８を示し、点線矢印は２枚の振動子板
が合体したときに生ずる捩り応力の方向を表わしている
。 第３図ａおよびｂは本発明の圧電振動子と合体して捩り
振動変換子を構成する恒弾性材料から成る機械振動子の
一例を示す。 第４図は、本発明の圧電振動子１つを第３図ａの機械振
動子と合体させて構成した捩り振動変換子の一例で、１
１は機械振動子、１２は第１図に示した本発明のＬ １
ＮｂＯｓまたはＬ ｉＴ ａ０３振動子板、１３は電極
、１４．１５は導線を示し、斜線を施した部分は電極１
３を示す。 第５図は本発明の圧電振動子２つを第３図ａの機械振動
子と合体させて構成した捩り振動変換子の他の一例を示
し、１６は機械振動子、１７および１８は第１図のＬ
１ＮｂＯ３またはＬ ｔ Ｔａ０３振動子板、１９，２
０は電極、２１．２２は導線を示し、斜線を施した部分
は電極１９および２０を示す。 第６図は本発明の圧電振動子を用いて構成した第４図に
示した捩り振動変換子を機械振動系の両端に配して構成
した捩り振動型メカニカルフィルタの構成概念図である
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｚ軸方向に分極処理された圧電単結晶Ｌｉ Ｎｂ
   Ｏ３のＸカット結晶をＹ軸のまわりに４５゜±１０°回
   転して切り出した４５°±１０°回転Ｘ−カット板の一
   方の主面に電極が設けられ他方の主面が導電性接着剤で
   機械共振子の側面上に貼付されている構造の捩り振動変
   換子であって、当該圧電単結晶板が機械共振子の１側面
   又は対向する２側面に、各面にそれぞれ１枚貼付されて
   なることを特徴とする捩り振動変換子。 ２ Ｚ軸方向に分極処理された圧電単結晶Ｉ、１Ｔａ０
   ３のＸ−カット結晶をＹ軸のまわりに４５゜±１０°回
   転して切り出した４５°±１０°回転Ｘ−カット板の一
   方の主面に電極が設けられ他方の主面が導電性接着剤で
   機械共振子の側面上に貼付されている構造の捩り振動変
   換子であって、当該圧電単結晶板が機械共振子の１側面
   又は対向する２側面に、各面にそれぞれ１枚貼付されて
   なることを特徴とする捩り振動変換子。