JPS6135324A - Lithium tantalate resonator - Google Patents
Lithium tantalate resonatorInfo
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- JPS6135324A JPS6135324A JP15701984A JP15701984A JPS6135324A JP S6135324 A JPS6135324 A JP S6135324A JP 15701984 A JP15701984 A JP 15701984A JP 15701984 A JP15701984 A JP 15701984A JP S6135324 A JPS6135324 A JP S6135324A
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- Japan
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- resonator
- lithium tantalate
- vibrator
- vacuum
- fixed
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は真空度を測定するために真空センサーとして使
用する真空センサータンタル酸リチウム振動子に関する
。特に、屈曲モードのメンタル酸リチウム振動子に関す
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a vacuum sensor lithium tantalate oscillator used as a vacuum sensor to measure the degree of vacuum. In particular, it relates to flexural mode lithium oxide oscillators.
真空計は古くから色々な装置に使用されてき氾。その中
で、特に、ビラニー真空計が多用されて来た。Vacuum gauges have been used in a variety of devices since ancient times. Among these, Villany vacuum gauges have been particularly widely used.
しかしながら、最近は装置の小型化、軽量化に伴ない、
真空計の小型化、軽量化も同時に要求されている。前記
したビラニー真空計はサイズが大きく、重いため最近の
要望に充分に応えられないのが実状である。そこで、本
発明は前記の欠点を改善する真空計用の新センサーを提
案するものであり、特に、タンタル酸リチウムを使った
真空センサータンタル酸リチウム振動子を提供するもの
である。換言するならば、小型で、衝撃に強く、信頼性
に優れた真空センサータンタル酸リチウム振動子を提供
するものである。However, recently, as devices have become smaller and lighter,
At the same time, vacuum gauges are required to be smaller and lighter. The Villany vacuum gauge described above is large in size and heavy, so it cannot adequately meet recent demands. Therefore, the present invention proposes a new sensor for vacuum gauges that improves the above-mentioned drawbacks, and particularly provides a vacuum sensor lithium tantalate vibrator using lithium tantalate. In other words, the present invention provides a vacuum sensor lithium tantalate vibrator that is small, shock resistant, and highly reliable.
第1図は本発明の屈曲モード振動での真空度とタンタル
酸リチウム振動子のC6工値(Orymtal工mpe
dance )との関係を示し、横軸に真空度(TOr
r )を縦軸にC1工値(KΩ)をとっている。実験に
よると真空度の劣化に伴ってC0工値は上昇を続ける。Figure 1 shows the degree of vacuum in bending mode vibration of the present invention and the C6 process value (Orymtal process value) of the lithium tantalate oscillator.
The horizontal axis represents the degree of vacuum (Tor).
The C1 engineering value (KΩ) is plotted with r ) on the vertical axis. According to experiments, the C0 value continues to rise as the degree of vacuum deteriorates.
そして、真空度0.1Torr 〜1’rorrと変
化するとそれに伴ってC0■値の上昇をまねく、即ち、
本発明はC9工値の真空度依存性に注目し、この関係か
ら真空度を正確に測定するものである。実際には、振動
子のC0T値が変化することは水晶振動子に流れる電流
が変化する事と等価であり、実際の真空計としては流れ
る電流を真空度に変換して表示する。又、本発明の振動
子は衝撃に対して強くするために、片持ちタイプと異な
って、両端固定タイプを採用している。When the degree of vacuum changes from 0.1 Torr to 1'rorr, the C0 value increases accordingly, that is,
The present invention focuses on the dependence of the C9 work value on the degree of vacuum, and uses this relationship to accurately measure the degree of vacuum. In reality, a change in the C0T value of the vibrator is equivalent to a change in the current flowing through the crystal resonator, and an actual vacuum gauge converts the flowing current into the degree of vacuum and displays it. Further, in order to make the vibrator of the present invention strong against impact, a fixed-end type is used instead of a cantilever type.
更に、具体的に説明すると水晶振動子はセラミックス等
の材料でできている支持台座の上にセットされ、そして
、水晶振動子の両端部で接着剤等によって支持固定され
る。それ故、本発明の水晶振動子は外乱、特に、強い衝
撃力に対して強いという特長を有する。しかしながら、
タンタル酸リチウム振動子の線膨張係数と支持台座の線
膨張係数が異なるために、温度の変化によってタンタル
酸リチウム振動子に応力Fが働き、このために、タンタ
ル酸リチウム振動子の周波数、即ち、C0工値が変化し
、真空測定精度を低下させる原因となる。そこで、本発
明は応力Fがタンタル酸リチウム振動子に印加されても
その応力感度を小さくする事によって解決している。More specifically, the crystal resonator is set on a support base made of a material such as ceramics, and is supported and fixed at both ends of the crystal resonator using an adhesive or the like. Therefore, the crystal resonator of the present invention has the advantage of being resistant to external disturbances, particularly strong impact forces. however,
Since the coefficient of linear expansion of the lithium tantalate oscillator is different from that of the support pedestal, stress F acts on the lithium tantalate oscillator due to changes in temperature, and for this reason, the frequency of the lithium tantalate oscillator, i.e., This changes the C0 value and causes a decrease in vacuum measurement accuracy. The present invention solves this problem by reducing the stress sensitivity even when stress F is applied to the lithium tantalate vibrator.
換言するならば、振動子の切断角度の選択によって解決
を図るものである。第5図は本発明の振動子を理論解析
するときのモデル図である。振動子の形状は棒状で幅W
、長さl、厚みt、密度Pから成り、両端部は固定され
ている。そして、今、タンタル酸リチウム振動子と支持
台座が常温(20℃)で固着されているとすると、タン
タル酸リチウム振動子の線膨張係数α1 、支持台座の
線膨張係数α7、更に、温度tとすると次の関係が成り
立つ。即ち、引張り力と圧縮力は
(1)の様になる。今、簡単のために第3図に示すよう
にタンタル酸リチウム振動子の両端に引張り力yが働く
時を考えると(圧縮力は−Fと置き換えれば良い)振動
方程式はポテンシャルエネルギーと運動エネルギーを求
め、変分原理を適用すると以下の様に表現される。In other words, the problem is solved by selecting the cutting angle of the vibrator. FIG. 5 is a model diagram for theoretically analyzing the vibrator of the present invention. The shape of the vibrator is rod-like and the width is W.
, length l, thickness t, and density P, and both ends are fixed. Now, assuming that the lithium tantalate vibrator and the support base are fixed at room temperature (20°C), the linear expansion coefficient α1 of the lithium tantalate vibrator, the linear expansion coefficient α7 of the support base, and the temperature t. Then, the following relationship holds. That is, the tensile force and compressive force are as shown in (1). Now, for the sake of simplicity, if we consider the case where a tensile force y acts on both ends of the lithium tantalate oscillator as shown in Figure 3 (compressive force can be replaced with -F), the vibration equation can be expressed as potential energy and kinetic energy. By applying the variational principle, it can be expressed as follows.
EI歪!+ρA÷達−、q= 0 ・・・・・・(2
)αX
但し、E;棒のヤング率
A:棒の断面積
工:棒の慣性モーメント
Fは引張り力のとき正、圧縮力のとき−Fとなる。EI distortion! +ρA÷t−, q= 0 ・・・・・・(2
) alpha
(2)式は近似的に解くことができ、周波数fについて
解くと次のようになる。Equation (2) can be solved approximately, and when solved for the frequency f, it becomes as follows.
但し、ξは補正項である。又、α外は振動子の境界条件
によって決まる定数で、両
端固定の場合は邸α%’eOShcL% ” 1の根で
ある。However, ξ is a correction term. Further, α is a constant determined by the boundary conditions of the oscillator, and is the root of 1 when both ends are fixed.
又、力Fが印加されていないときの共振周波数を10
とすると(8)式は次のようになる。Also, the resonance frequency when no force F is applied is 10
Then, equation (8) becomes as follows.
今、両端固定棒の基本波振動を考えると、ξは計算によ
り、−0,53057となり、又、α記=4、730と
なるから(4)式は次のようになる。Now, considering the fundamental wave vibration of the rod fixed at both ends, ξ is calculated to be -0,53057, and α=4,730, so equation (4) becomes as follows.
(5)式は力Fを加えたときの周波数を示し、””40
.64EiI ・・・・・・(6)とおくと、(6)
式は力Fに対する感度を示している。即ち、Kが小さい
ほど単位カ当たりの周波数変化が小さくなる。次に、こ
のKの値を詳細に検討すると、感度を小さくするには(
6)式より、振動子の長さを短くシ、慣性モーメントを
大きくシ、更に、ヤング率を大きく(弾性コンプライア
ンスを小さく)すれば良い事が分かる。換言するならば
、lと工は振動子の形状によって決まるものである。一
方、ヤング率Eは振動子の切断方位によって決まるもの
である。本発明は最小力感度を与えるカット角を理論的
に計算で求めている。即ち、カット角をパラメーターと
して、そのときの弾性コンプライアンスS’22(ヤン
グ率Eの逆数)を求めている。第4図は弾性コンプライ
アンスS′22を計算にて求めるときの振動子と結晶軸
X、Y。Equation (5) shows the frequency when force F is applied, and is 40
.. 64EiI ......(6), then (6)
The formula shows the sensitivity to force F. That is, the smaller K is, the smaller the frequency change per unit power becomes. Next, if we consider the value of K in detail, we can see that in order to reduce the sensitivity (
From Equation 6), it can be seen that it is sufficient to shorten the length of the vibrator, increase the moment of inertia, and increase the Young's modulus (reduce the elastic compliance). In other words, l and f are determined by the shape of the vibrator. On the other hand, Young's modulus E is determined by the cutting direction of the vibrator. The present invention theoretically calculates the cut angle that provides the minimum force sensitivity. That is, the elastic compliance S'22 (reciprocal of Young's modulus E) at that time is determined using the cut angle as a parameter. Figure 4 shows the vibrator and crystal axes X and Y when calculating the elastic compliance S'22.
2との関係を示す。棒はY軸方向に長さlをとっている
。このとき、X軸を回転軸としてθ度回転すると考える
(反時計方向を正)。計算の手順として、まず最初に、
長さ方向の弾性コンプライアンスS′22はθの関数と
なり次のように表わされる。(S’22 = 1/、
)
S’22=J+11’J+2S13tTL2□rL22
2S14m:rL2十S33 %2 + S44 m2
n2 −− (γ)但し、気、=邸θ
外2=sinθ
S+’+! * SI’31 ”+41 Sss +
S44は各々タンタル酸リチウムの弾性コンプライア
ンス定数
第5図は角度θと弾性コンプライアンスS′22との関
係を示す。第5図より角度θが零度より大きく″なるに
従ってS′、2は小さくなり、約40度で最小となる。This shows the relationship with 2. The rod has a length l in the Y-axis direction. At this time, it is assumed that the X-axis is rotated by θ degrees (counterclockwise direction is positive). As a calculation step, first of all,
The elastic compliance S'22 in the longitudinal direction is a function of θ and is expressed as follows. (S'22 = 1/,
) S'22=J+11'J+2S13tTL2□rL22
2S14m: rL2+S33 %2 + S44 m2
n2 −− (γ) However, Qi, = residence θ outside 2 = sin θ S+'+! *SI'31"+41 Sss+
S44 is the elastic compliance constant of lithium tantalate. FIG. 5 shows the relationship between the angle θ and the elastic compliance S'22. From FIG. 5, as the angle θ becomes greater than 0 degrees, S',2 becomes smaller and reaches its minimum at about 40 degrees.
そして、角度θが増えるに従って”’li2は増加し、
θが160度付近で最大値を示す。それ故、θを60度
〜60度の範囲内から選択することによって振動子形状
とは無関係に最小力感度を提供することができる。Then, as the angle θ increases, ``'li2 increases,
θ shows a maximum value around 160 degrees. Therefore, by selecting θ within the range of 60 degrees to 60 degrees, minimum force sensitivity can be provided regardless of the transducer shape.
上記のように構成されたタンタル酸リチウム振動子、換
言するならば、振動子を支持台座にセットシ、振動子の
両端部で接着剤等によって固定された振動子に、温度変
化によって生じる、振動子への引張り力、あるいは、圧
縮力は本発明の振動子の切断角度の選択によって最小限
に押えることができるのである。The lithium tantalate vibrator configured as described above, in other words, the vibrator is set on a support pedestal and fixed at both ends of the vibrator with an adhesive or the like. The tensile force or compressive force on the transducer can be minimized by selecting the cutting angle of the vibrator of the present invention.
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。第2
図(α) 、 L6)は本発明の屈曲モードタンタル酸
リチウム振動子の一実施例で第2図(α)は正面図、第
2図Cb)は側面図を示す。本・発明の切断角度θ(3
0度〜60度)で切断されたタンタル酸リチウム振動子
1は両端で接続された、即ち、両端固定の屈曲モードタ
ンタル酸リチウム振動子で、支持台座2の上にタンタル
酸リチウム振動子の両端部6で接着剤4等によって支持
固定されている。支持台座2はセラミックス等の絶縁材
料でできている。これにより、片持ちタイプと異なって
外乱、特に、強い衝撃力に対して強いという特長を有す
る。Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings. Second
Figures (α) and L6) show an embodiment of the bending mode lithium tantalate vibrator of the present invention, with Figure 2 (α) showing a front view and Figure 2 Cb) showing a side view. Cutting angle θ (3
The lithium tantalate vibrator 1 is a bending mode lithium tantalate vibrator with both ends connected, that is, both ends are fixed, and both ends of the lithium tantalate vibrator are placed on the support base 2. It is supported and fixed at part 6 with adhesive 4 or the like. The support base 2 is made of an insulating material such as ceramics. As a result, unlike the cantilever type, it has the advantage of being resistant to external disturbances, especially strong impact forces.
以上述べたように、本発明は両端固定部に力Fを加えた
ときの振動方程式より、振動子形状とは無関係に最小力
感度を与えるカット角を得ることができた。それ故、タ
ンクル酸リチウム振動子を支持台座にマウントしても信
頼性に優れたタンタル酸振動子を得ることができた。さ
らに、支持台座にマウントされているから衝撃に強く、
タンタル酸リチウム振動子をセンサーとしているから大
変に小型化が可能である。同時に、材料にタンフルルリ
チウムを使用しているので振動子としての電気機械結合
係数が水晶より大きく、水晶のときよりC,1値(Cr
ystal 工mpedance )を小さくすること
ができるという効果を有している。As described above, the present invention was able to obtain the cut angle that provides the minimum force sensitivity regardless of the shape of the vibrator from the vibration equation when force F is applied to the fixed portions at both ends. Therefore, even when the lithium tantalate vibrator was mounted on a support pedestal, a highly reliable tantalate vibrator could be obtained. Furthermore, since it is mounted on a support pedestal, it is resistant to impact.
Since the sensor is a lithium tantalate oscillator, it can be made extremely compact. At the same time, since tanfluridium is used as the material, the electromechanical coupling coefficient as a resonator is larger than that of quartz, and the C,1 value (Cr
This has the effect that it is possible to reduce the ystal ystal ystal efficiency.
第1図は本発明の屈曲モード振動での真空度とタンタル
酸リチウム振動子のO0工値との関係を示すグラフ、
第2図(α)、(A)は本発明の屈曲モード水晶振動子
の一実施例を示すもので、第2図(α)は平面図、第2
図Cb)は側面図、
第3図は本発明の振動解析をするときのモデル図、
第4図は振動子と結晶軸との関係を示す斜視図第5図は
角度θと弾性コンプライアンスS′22との関係を示す
グラフである。
1・・・・・・タンクル酸リチウム振動子2・・・・・
・支持台座
3・・・・・・振動子の両端部
W・・・・・・幅
t・・・・・・厚み
l・・・・・・長さ
以 上Fig. 1 is a graph showing the relationship between the degree of vacuum and the O0 value of the lithium tantalate resonator in bending mode vibration of the present invention, and Fig. 2 (α) and (A) are the bending mode crystal resonators of the present invention. Fig. 2 (α) is a plan view,
Figure Cb) is a side view, Figure 3 is a model diagram for vibration analysis of the present invention, Figure 4 is a perspective view showing the relationship between the vibrator and the crystal axis, and Figure 5 is the angle θ and elastic compliance S'. 22 is a graph showing the relationship with No. 22. 1... Lithium tankate oscillator 2...
・Support pedestal 3...Both ends of the vibrator W...Width t...Thickness l...Length or more
Claims (1)
ンタル酸リチウム振動子はz板をx軸を回転軸として、
30度〜60度回転した角度で切断されていることを特
徴とする真空センサータンタル酸リチウム振動子。In the bending mode lithium tantalate oscillator, the lithium tantalate oscillator has a z-plate with the x-axis as the rotation axis,
A vacuum sensor lithium tantalate vibrator characterized by being cut at an angle of 30 to 60 degrees.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15701984A JPS6135324A (en) | 1984-07-27 | 1984-07-27 | Lithium tantalate resonator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15701984A JPS6135324A (en) | 1984-07-27 | 1984-07-27 | Lithium tantalate resonator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS6135324A true JPS6135324A (en) | 1986-02-19 |
Family
ID=15640403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP15701984A Pending JPS6135324A (en) | 1984-07-27 | 1984-07-27 | Lithium tantalate resonator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS6135324A (en) |
-
1984
- 1984-07-27 JP JP15701984A patent/JPS6135324A/en active Pending
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