KR20000006051A

KR20000006051A - 압전진동자

Info

Publication number: KR20000006051A
Application number: KR1019990021430A
Authority: KR
Inventors: 사사키유키노리; 시마무라데츠로
Original assignee: 모리시타 요이찌; 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 1998-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-01-25
Also published as: CN1238245A; JP3731348B2; KR100393173B1; TW480808B; CN1162965C; US6191524B1; JPH11355094A

Abstract

본 발명은 두께 모드를 주진동으로 하고, 단면 형상이 베벨(bevel) 형상이나 볼록 형상 등인 압전 진동자에 있어서, 기계적 강도에 뛰어나 안정된 설치가 용이하게 되고, 또한 특성의 오차도 작은 진동자를 제공하는 것을 목적으로 하고, 이 구성은 진동자(1)와 지지부(2)가 동일 재료로 이루어지고, 진동자 부분 단부가 진동자 주변의 지지부와 일체화되어 있고, 진동자(1)의 단면 형상은 진동자 중앙부의 두께보다도 진동자 단부의 두께쪽이 작은 형상으로 하며, 그 결과 진동자를 소형화한 채 진동자 단부에서의 부서짐, 쪼개짐 등이 없이 기계적 강도에 뛰어나고 설치도 용이하게 되고, 또한 진동자가 드러나지 않고 진동자 단부에서의 치핑(chippi

ng)과 면거칠기의 가공 정밀도의 오차가 작기 때문에, 특성의 오차도 작아지는 효과가 있다.

Description

압전 진동자{Piezoelectric oscillator}

본 발명은 베벨(bevel) 형상이나 볼록 형상으로 가공된 두께 모드를 주진동으로 하는 압전 진동자에 관한 것이다.

종래로부터, 압전 진동자는 각종 전자 악기등의 클럭(clock)원으로 사용되고 있지만, 형상이 소형인 것, 특히 면설치(surface mount)타입의 압전 진동자에서 단책(短冊)형을 한 것이 많이 사용되고 있다. 클럭원 등에 사용되는 진동자에는 발진자로서 소정 온도에서 주진동(두께 미끄럼 진동이나 두께 종진동 등의 두께 모드인 것이 많음)과 불필요 진동(스퍼리어스(spurious)라고도 함)이 결합하여 급격히 발진 주파수가 변화하지 않도록 안정된 온도 특성과 높은 기계적 품질 계수(Q) 등이 요구된다.

예를 들면, AT컷(cut)의 수정판과 탄탈룸산 리튬의 X판 등을 사용한 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하는 압전 진동자나, 니오븀산 리튬의 Z판 등을 사용한 두께 종진자를 주진동으로 하는 압전 진동자 등에서는, 진동자 주면에 부분적으로 여진용 전극을 형성함으로써 스퍼리어스를 억제할 수 있다. 이것은 어느 특정한 압전 재료인 특정한 진동 모드를 주진동으로 사용하는 경우, 진동자 주면에 부분적으로 여진용 전극을 형성하면 진동 에너지가 여진용 전극하에만 보관되는 것을 이용한 것이며, 이러한 진동자는 에너지 보관형 진동자라고 한다.

이하 이것을 압전 진동자의 단면도인 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 여진용 전극(6)의 소정 부분에서의 차단 주파수를 f_o로 하고, 무전극부에서의 차단주파수를 f_o′로 하면, f_o′보다도 큰 주파수에서는 진동 에너지는 자유로이 전파되어 여진용 전극하에서도 정재파(定在波)를 만들지 않는다. 그러나, f_o보다도 크고 f_o′보다도 작은 주파수에서는, 여진용 전극(6)의 소정 부분에서는 진동 에너지는 자유로이 전파되지만, 무전극부에서는 지수함수적으로 감쇠하므로, 진동 변위도 진동자 단부를 향할수록 작아진다. 무전극부에서 진동 에너지의 감쇠량이 충분하지 않으면, 즉 진동자 단부에서 진동 변위의 크기가 충분히 작지 않으면 진동자 단부에서의 반사파에 의해 스퍼리어스가 발생하여 특성을 악화시킨다.

따라서, 이러한 스퍼리어스를 억제하고, 높은 기계적 품질 계수(Q)를 얻기 위해서는 소정 값 이상의 치수의 무전극부를 설치하지 않으면 안되고, 낮은 공진 임피던스(impedance)를 확보하기 위해서 등, 몇 개의 조건에 의해 여진용 전극 치수가 결정되어 버리는 것을 고려하면, 자연히 어느 값 이상의 진동자 길이가 필요하게 된다. 예를 들면, 탄탈룸산 리튬의 X판을 사용한 두께 미끄럼 진동자에서는, 진동자의 길이 방향의 길이(L)와 진동자 두께(H)의 비(L/H)를 14이상으로 하고 있다.(특개소 58-190115호 공보 참조).

그 외에, 진동자 단부에서의 진동 변위의 감쇠의 정도를 크게 하기 위한 수단으로서, 진동자 단부를 베벨 형상이나 볼록 형상으로 가공하는 것도 잘 알려져 있다. 그러나, 진동자 단부가 베벨 형상이나 볼록 형상이 됨으로써, 진동자 단부의 두께가 작아져서 진동자 단부의 흠집, 쪼개짐 등 기계적 강도에 문제가 발생하는 바, 종래로부터 행해지고 있는 압전 진동자를 도전성 접착제 등으로 설치 기판에 설치하는 방법으로는, 도전성 접착제 등의 도포 상태가 고르지 않음에 의해 공진 주파수나 공진 임피던스 등의 전기적 특성의 오차도 더해져, 특히 소형의 압전 진동자일 수록 설치 기판상에의 안정된 설치가 매우 곤란하게 된다.

따라서, 이들의 문제를 해결하는 수단으로서, 진동자 부분과 지지부를 일체 구조로 한 압전 진동자가 제안되어 있다. 예를 들면, AT컷 수정판을 사용한 두께 미끄럼 진동자에서, 주진동의 전파 방향인 진동자의 길이 방향의 직각 방향, 즉 진동자 폭방향인 단부에, 샌드 블라스트(sand blast)공법을 이용해 슬릿을 설치하고, 길이 방향 단부만 지지부와 일체화시키고 있다(특개평 5-259799호 공보 참조).

진동 에너지의 보관을 충분하게 하고, 진동자 부분 단부에서의 진동 변위를 충분히 작게 하려고 하면, 무전극부의 길이를 크게 하지 않으면 안되므로, 진동자 단부에서의 진동 변위의 감쇠량을 충분히 확보한 채 진동자를 소형화하는 것으로는한계가 있었다.

또, 진동자 단면을 베벨 형상이나 볼록 형상으로 가공함으로써 진동자 단부에서의 진동 변위의 감쇠량은, 진동자 단면이 구형이 때보다도 커지므로 진동자의 크기는 작게 할 수 있지만, 진동자 단부에서의 두께가 작기 때문에 진동자 단부의 흠집, 쪼개짐 등의 기계적 강도가 약해서, 안정된 설치가 곤란하였다.

또, 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하는 진동자에서, 진동자 부분과 지지부를 진동자의 길이 방향 단부에서 일체화시켜 진동자 폭 방향 단부에 슬릿을 설치하는 방법으로는, 진동자 폭 방향 단부에서의 치핑(chipping)의 유무와 면거칠기 등의 가공 정밀도에 의해 특성이 크게 어긋나게 되는 문제가 있었다.

도 14는, 종래의 진동자의 일예로서, 분해 사시도를 나타낸다. 즉, 29는 진동자, 30은 여진용 전극, 31은 외부 인출용 전극, 32는 외부 접속용 전극, 33은 설치 기판이다.

본 발명은, 진동자 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없고 기계적인 강도가 뛰어나 안정된 설치가 용이해지고, 또 슬릿 등의 진동자 부분 단부가 드러내는 부분을 없애고, 진동자 부분 단부에서의 가공 정밀도에 의한 특성의 오차가 작아지는 압전 진동자를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 진동자 부분과 지지 부분이 동일 재료로 이루어지고, 진동자 부분 단부가 진동자 주변의 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분의 단면 형상은 베벨 형상이나 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 압전 진동자이다. 상기 구조를 취함으로써, 진동자를 소형화한 채로, 진동자 중앙부보다도 두께가 얇은 진동자 부분 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없고 기계적 강도가 뛰어나안정된 설치가 용이해지고, 또 진동자 부분 단부에서의 가공 정밀도에 의한 특성의 오차도 작아지게 되는 효과를 가지게 된다.

바람직하게는, 상기 진동자는 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하고, 진동자 부분과 여진용 전극이 구형인 진동자이고, 진동자 부분의 폭(W)과 여진용 전극의 폭(We)의 비(We/W)를 1/5이상 1이하로 한다. 진동자 부분의 폭 방향 단부에서의 진동 변위의 감쇠량을 보다 크게 할 수 있고, 또한 낮은 공진 임피던스를 확보할 수 있는 효과가 있다.

바람직하게는, 상기 진동자는 두께 종진동을 주진동으로 하고 여진용 전극이 원형인 진동자이고, 진동자 부분의 최소 외형 치수()와 여진용 전극 직경(e)의 비(e/)를 1/5이상 1이하로 한다. 진동자 부분 단부에서의 진동 변위의 감쇠량을 보다 크게 할 수 있고 또한 낮은 공진 임피던스를 확보할 수 있는 효과가 있다.

바람직하게는, 상기 진동자는 여진용 전극을 외부로 인출하는 부분인 진동자 부분과 지지부와의 경계부 단면 형상은 사면(斜面) 또는 곡면으로 한다. 진동자 부분과 지지부의 경계부에서의 외부 인출용 전극의 단선을 억제하는 효과가 있다.

바람직하게는, 상기 진동자는 진동자 부분의 단면 형상이 베벨 형상이나 볼록 형상인 것에 비해, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이며 볼록 형상에 근사한 형상으로 한다.

바람직하게는, 상기 진동자는 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그계단의 단면 형상은 사면 또는 곡면으로 한다. 계단의 단차 부분에서의 여진용 전극의 단선을 억제하는 효과가 있다.

바람직하게는, 상기 진동자는 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그 계단의 단차가 진동자 단부에서 진동자 중앙부를 향해 2단 이상 10단 이하로 한다.

도 1은 본 발명의 진동자의 한 실시형태를 나타낸 사시도,

도 2는 동 진동자의 단면도,

도 3은 에너지 보관형 진동자를 나타낸 단면도,

도 4(a)는 진동자의 길이 방향의 상대 변위 분포를 나타낸 곡선도,

도 4(b)는 그 길이 방향의 단면이 구형일 때의 진동자 단면도,

도 5(a)는 진동자의 길이 방향의 상대 변위 분포를 나타낸 곡선도,

도 5(b)는 그 길이 방향의 단면이 볼록 형상인 때의 진동자 단면도,

도 6(a)는 진동자 폭 방향의 상대 변위 분포를 나타낸 곡선도,

도 6(b)는 그 폭 방향 단면이 구형인 때의 진동자 단면도,

도 7(a)는 진동자 폭 방향의 상대 변위 분포를 나타낸 곡선도,

도 7(b)는 그 폭 방향의 단면이 볼록 형상인 때의 진동자 단면도,

도 8은 진동자의 폭과 여진용 전극의 폭의 비를 변화시킨 때의 임피던스 주파수 특성도,

도 9는 볼록 형상인 진동자의 단면도와 볼록 형상을 계단 형상에 근사하게 한 진동자의 단면도,

도 10은 본 발명의 진동자의 한 실시의 형태를 나타낸 사시도,

도 11은 동 진동자의 단면도,

도 12는 본 발명의 진동자의 한 실시의 형태를 나타낸 사시도,

도 13은 동 진동자의 단면도,

도 14는 종래의 진동자의 분해 사시도이다.

〈부호의 설명〉

1 : 진동자 2 : 지지부

3 : 여진용 전극 4 : 외부 접속용 전극

5 : 외부 인출용 전극 6 : 여진용 전극

7 : 진동자 8 : 여진용 전극

9 : 진동자(길이 방향의 단면이 구형인 때)

10 : 여진용 전극

11 : 진동자(길이 방향의 단면이 볼록한 형상인 때)

12 : 여진용 전극

13 : 진동자(폭 방향 단면이 구형인 때)

14 : 여진용 전극

15 : 진동자(폭 방향의 단면이 볼록한 형상인 때)

16 : 단면 형상이 볼록한 형상인 진동자

17 : 단면 형상이 계단 형상으로 볼록한 형상에 근사한 진동자

18 : 단면 형상이 계단 형상으로 볼록 형상에 근사하고, 또한 계단의 단차가 사면(斜面)인 진동자

19 : 진동자 20 : 지지부

21 : 여진용 전극 22: 외부 접속용 전극

23 : 외부 인출용 전극 24 : 진동자

25 : 지지부 26 : 여진용 전극

27 : 외부 접속용 전극 28 : 외부 인출용 전극

29 : 진동자 30 : 여진용 전극

31 : 외부 인출용 전극 32 : 외부 접속용 전극

33 : 설치 기판

본 발명의 청구항 1에 기재된 발명은, 진동자 부분과 지지 부분이 동일한 재료로 이루어지고, 진동자 부분 단부가 진동자 주변의 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분의 단면 형상은 베벨 형상이나 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 압전 진동자이고, 진동자를 소형화한 채, 진동자 부분 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없고 기계적인 강도가 뛰어나서 안정된 설치가 용이해지고, 또 진동자 부분 단부에서의 가공 정밀도에 의한 특성의 오차도 작아지게 되는 작용을 가진다.

청구항 2에 기재된 발명은, 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하고 진동자 부분과 여진용 전극이 구형인 진동자이며, 진동자 부분의 폭(W)과 여진용 전극 폭(We)의 비(We/W)를 1/5이상 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 청구항 1기재의 압전 진동자이고, 청구항 1과 같은 작용을 가진다.

청구항 3에 기재된 발명은, 두께 종진동을 주진동으로 하고 여진용 전극이 원형인 진동자이고, 진동자 부분의 최소 외형 치수()와 여진용 전극 직경()의 비(e/)를 1/5이상 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 압전 진동자이고, 청구항 1과 같은 작용을 가진다.

청구항 4에 기재된 발명은, 여진용 전극을 외부로 인출하는 부분인 진동자부분과 지지부와의 경계부 단면 형상은 사면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 압전 진동자이고, 진동자 부분과 지지부와의 경계부에서의 외부 인출용 전극의 단선을 억제하는 작용을 가진다.

청구항 5에 기재된 발명은, 진동자 부분의 단면 형상이 베벨 형상이나 볼록 형상인 것에 비해, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상으로 볼록 형상에 근사한 형상인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 압전 진동자이고, 청구항 1과 같은 작용을 가진다.

청구항 6에 기재된 발명은, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그 계단의 단면 형상은 사면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 압전 진동자이고, 계단의 단차 부분에서의 여진용 전극의 단선을 억제하는 작용을 가진다.

청구항 7에 기재된 발명은, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그 계단의 단차가 진동자 단부에서 진동자 중앙부를 향해 2단 이상 10단 이하인 것을 특징으로 하는 청구항 5에 기재된 압전 진동자이고, 청구항 1과 같은 작용을 가진다.

이하, 본 발명의 한 실시 형태에 대해서 도1, 도2 및 도4 ∼ 도9를 이용하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 있어서, 1은 압전 진동자, 2는 이 진동자(1)와 일체화되어 있는 지지부, 3은 진동자(1)의 표면과 이면에 서로 대향하여 설치된 여진용 전극, 4는 외부와의 접속용 전극, 5는 외부 인출용 전극이다.

예로서 탄탈룸산 리튬 단결정 X판을 이용한 두께 미끄럼 진동을 주진동으로하는 진동자를 생각할 수 있다. 지금, 진동자의 공진 주파수가 20MHz인 경우를 생각하면 진동자 두께(H)는 약 100㎛가 된다. 종래 설계예에서는 L/H를 14이상으로 하고 있으므로 가령 L/H를 14로 같게 하면, H가 약 100㎛인 경우, 진동자의 길이 방향의 길이(L)는 약 1.4㎜가 된다. 이 때의 진동 변위의 감쇠의 정도를 계산했지만, 에너지 보관에 의한 진동 변위의 감쇠의 정도는 여진용 전극 치수 외에 여진용 전극의 질량에도 의존하고 있고, 여진용 전극의 질량이 클수록 진동 변위의 감쇠도 크지만, 여진용 전극의 질량이 지나치게 커지면 두께 미끄럼 진동을 방해하는 손실 성분으로 되어 진동자의 임피던스를 크게 하는 요인의 하나가 되므로, 여진용 전극은 일반적으로 은, 금 등을 진동자 주면에 각각 수백∼수천Å 정도 붙이는 것이 많다. 따라서 여기에서는 가령 여진용 전극 재료에는 금을 사용하여 진동자의 길이 방향의 중심에 길이 0.6㎜, 두께 5000Å의 여진용 전극을 주면인 진동자 X면의 표면과 이면에 각각 형성하게 한다.

진동자의 길이 방향의 단면이 구형인 때의 진동 변위의 감쇠의 정도를 계산한 결과를 도 4에 나타낸다. 도 4에 있어서, X방향은 진동자 주면에 대해 수직 방향이고, Y′방향은 두께 미끄럼 진동의 전파 방향인 진동자의 길이 방향이고, 탄탈룸산 리튬의 결정 Y축에서 X축에 대해 시계 방향으로 약 50°인 방향이다. 도 4의 그래프는 횡축을 진동자(9)의 중앙부로부터의 길이 방향의 거리를 단위㎜로 나타내고, 종축을 진동자(9)의 중앙부에서의 진동 변위를 1로 한 때의 상대 변위를 로그 눈금으로 표시한 것이고, 이하 이러한 그래프를 진동자의 길이 방향의 상대 변위 분포라 하기로 한다. 에너지 보관형의 진동자에서는, 도 4와 같이 진동자 중앙에서진동 변위는 최대가 되고, 길이 방향의 단부를 향함에 따라 진동 변위는 작아지고, 길이 방향의 단부, 즉 횡축 0.7㎜에서의 상대 변위의 크기는 약 6/100이다.

이렇게, 진동자 중앙부에서의 변위에 대해 길이 방향의 단부에서의 진동 변위가 충분히 작기 때문에, 길이 방향의 단부에서의 반사파 등에 의한 영향이 작아 스퍼리어스를 억제할 수 있다.

다음으로, 진동자의 길이 방향의 단면이 구형이 아니고 볼록 형상인 때의 진동자의 길이 방향의 상대 변위 분포를 계산한다. 단, 볼록 형상인 진동자 중앙부의 두께를 진동자의 길이 방향의 단면이 구형인 때와 같은 값인 100㎛으로 하고, 길이 방향의 단부를 향함에 따라 100㎛에서부터 서서히 진동자 두께가 작아지게 하면, 진동자의 공진 주파수는 진동자의 길이 방향의 단면이 구형으로 진동자 두께가 100㎛인 때의 공진 주파수에 비해 약간 높아지므로, 길이 방향의 단면이 구형인 때와 공진 주파수가 거의 일치하도록 볼록 형상의 진동자 중앙부의 두께를 100㎛보다도 약간 두껍게 해서 계산하기로 한다.

도 5는 진동자의 길이 방향의 단면이 구형이 아니고 볼록 형상인 때의 진동자(11)의 길이 방향의 상대 변위 분포를 계산한 결과이다. 도 5의 X 방향, Y′방향은 도 4의 그것과 각각 같다. 진동자의 길이 방향의 단면이 구형인 때와 마찬가지로 길이 방향의 단부를 향함에 따라 진동 변위는 작아지지만, 길이 방향의 단부, 즉 횡축 0.7㎜에서 상대 변위의 크기는, 길이 방향의 단면이 구형인 때에 비해 작은 약 1/100이다. 이것은 진동자의 길이 방향의 단면을 볼록 형상으로 함으로써 에너지 보관의 효과가 향상한다는 것을 나타내고 있다.

진동자 중앙부 부근만을 보면, 거기에서의 진동자 두께는 거의 같으므로, 길이 방향의 단면이 구형이어도 볼록 형상이어도, 진동자 중앙부에서의 진동 변위의 절대값은 거의 같다고 생각되므로, 길이 방향의 단면이 구형이어도 볼록 형상이어도 길이 방향의 단부에서의 상대 변위가 같은 값이면, 길이 방향의 단부에서의 반사파 등의 영향에 의한 스퍼리어스의 억제 효과는 같은 정도이거나, 길이 방향의 단부에 있어서 도전성 접착제 등으로 설치 기판에 설치하는 것이 아니라 동일 재료의 지지부와 일체화되어 있어 진동자 부분에서의 반사파는 매우 작으므로, 오히려 스퍼리어스 억제 효과는 크다고 말할 수 있다.

따라서, 길이 방향의 단면이 볼록 형상인 때의 길이 방향 단부에서의 상대 변위가 길이 방향의 단면이 구형인 때의 직경 6/100과 같은 때의 진동자 중앙에서의 길이 방향의 거리는 도 5에서 파악하면 0.41㎜이므로, 진동자가 길이 방향에 대한 대칭성을 고려하면 진동자의 길이 방향의 길이는 약 0.82㎜로 하면 된다. 지지부의 진동자의 길이 방향의 길이를 진동자 부분의 길이 방향의 양단에서 각각 0.2㎜로 해도, 진동자 부분과 지지부를 합계한 길이는 1.22㎜으로 종래 설계예의 1.4㎜보다도 작다. 또, 진동자 중앙부보다도 두께가 작아지는 진동자 단부는 지지부와 일체화됨으로써 흠집, 쪼개짐 등이 없어져 기계적 강도도 향상하는 바, 진동자의 취급도 용이해짐으로써 설치도 쉬워진다.

다음으로, 진동자 폭 방향이지만, 폭 미끄럼 진동과 두께 비틀림 진동 등의 진동자 폭 치수에 기인하는 스퍼리어스를 회피하기 위해, 진동자를 가는 봉 형상의 스트립 형상으로 하거나, 진동자 두께(H)와 진동자 폭 방향 길이(W)의 비(W/H)를선택해야만 한다. 그러나, 특히 공진 주파수가 높아지거나 진동자의 두께가 작은 경우 등 진동자 폭방향의 단부를 가공 정밀도가 좋게 마무리하는 것은 곤란하다.

예로서, 먼저 상술한 탄탈룸산 리튬 단결정 X판을 사용한 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하는 진동자를 생각할 수 있다. 진동자 두께나 여진용 전극의 설계값은 이미 언급한 값, 즉 진동자 두께는 100㎛, 여진용 전극은 금을 표면 및 이면에 각각 5000Å 형성하기로 하고, 진동자 폭 방향의 길이를 0.4㎜로 여진용 전극은 진동자 폭 방향 전면에 걸쳐 형성하기로 한다.

진동자 폭 방향의 단면이 구형인 때의 진동자 폭 방향의 상대 변위 분포를 도 6에 나타낸다. 도 6에 있어서, Z′방향은 주진동인 두께 미끄럼 진동의 전파 방향에 대해서 주면(主面) 내에서 직각의 방향이고, 도 4의 Y′방향에서부터 X축에 대해 90°인 방향이다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 진동자(13)의 폭 방향의 단면이 구형인 때, 진동자 폭 방향의 단부에서의 진동 변위의 감쇠는 거의 없으므로, 폭 방향 단부에서의 치핑과 면거칠기 등의 가공 정밀도가 나쁘면 스퍼리어스의 원인이 되는 바, 치핑 등은 항상 안정되어 같은 장소에 발생하는 경우는 적으므로, 이 경우 스퍼리어스를 안정되게 회피하는 것을 매우 곤란하다.

한편, 진동자 폭 방향의 단면 형상이 볼록 형상인 때의 진동자 폭 방향의 상대 변위 분포를 도 7에 나타낸다. 도 7의 X 방향, Z′방향은 도 6의 그것과 각각 같다. 진동자(15)의 폭 방향 단부에서의 상대 변위의 크기는 약 5/10이고 진동자 중앙부에서의 진동 변위에 대해 감쇠하고 있고, 이것은 진동자 폭 방향 단부의 치핑과 면거칠기 등의 가공 정밀도의 영향에 의한 스퍼리어스가 발생하기 어렵다는것을 나타내고 있다.

즉, 이것은 진동자 단부에서의 가공 정밀도가 진동자의 특성에 영향을 주기 어렵고, 특성의 오차가 작다는 것을 나타내고 있다. 또, 진동자의 길이 방향을 볼록 형상으로 한 때와 마찬가지로, 진동 변위가 감쇠하고 있는 폭 방향 단부에서 지지부와 일체화됨으로써, 진동자 중앙부보다도 두께가 작아도 진동자 폭 방향 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없이 기계적 강도가 우수하다.

또, 폭 방향에 대해서도 폭 방향 전면에 걸쳐서가 아니라 부분적으로 여진용 전극을 설치함으로써, 진동 에너지가 보다 진동자 중앙부 부근에 보관되어 진동자 폭 방향의 단부에 있어서 진동 변위의 감쇠량은 커진다. 그러나, 여진용 전극의 폭 방향 길이(We)가 지나치게 작으면, 진동자 폭 방향의 주진동 전하 분포에 대해 효율 좋게 전하를 모을 수가 없고, 공진 임피던스가 커져 기계적 품질 계수(Q)를 작게 해 버린다.

도 8은 진동자의 폭 방향 길이(W)를 일정하게 한 때에 여진용 전극의 폭(We)을 변화시킨 때의 임피던스의 주파수 특성이고, 진동자 폭 방향 길이(W)와 여진용 전극 폭(We)의 비(We/W)가 1, 3/5, 1/5, 1/10인 경우에 대해서 나타내고 있다. 도 8보다 We/W가 1/5보다도 작은 경우, 공진 임피던스가 크고 공진 첨예도도 나쁘다는 것을 알 수 있다. 또, 상세하게는 We/W를 변화시켜 최적인 진동자 폭 방향 길이(W)와 여진용 전극 폭(We)과의 비(We/W)를 구한 결과, We/W가 1/5이상 1이하인 때에 안정되어 공진 임피던스 100Ω이하의 특성을 얻을 수 있었다.

위에서 언급한 것은, 두께 종진동을 주진동으로 하는 진동자의 최소 외형 치수()와 원형 여진용 전극의 직경(e)의 비(e/)에서도 동일하다고 말할 수 있고, 실험적으로 진동자의 최소 외형 치수()와 원형 여진용 전극인 직경()의 비(e/)가 1/5이상 1이하인 때에 안정하여 공진 임피던스 100Ω이하의 특성을 얻을 수 있었다.

이렇게 진동자 부분과 지지 부분이 동일한 재료로 이루어지고, 진동자 부분 단부가 진동자 주변의 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분의 단면 형상은 베벨 형상이나 볼록 형상으로 함으로써, 진동자 부분 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없이 기계적 강도가 뛰어나고 진동자의 취급 등의 설치도 용이해지고, 또 특성의 오차도 작은 진동자를 얻을 수 있다. 또, 여진용 전극을 외부에 인출하는 부분인 진동자 부분과 지지부와의 경계부 단면이 수직 형상인 것보다도 사면 또는 곡면이면 경계부에서의 외부 인출용 전극의 단선이 일어나기 어려운 효과가 있다.

이상 언급한 실시형태에서는, 진동자 중앙 부근의 단면 형상이 베벨 형상이나 볼록 형상 등 진동자 중앙부의 두께에서부터 진동자 단부를 향해 연속적으로 두께가 작아지는 경우에 대해서 설명하였지만, 진동자 단면 형상을 계단 형상으로 볼록 형상에 근사하게 함으로써 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, (a)와 같은 진동자 단면 형상이 볼록 형상과 같은 진동자는 (b)와 같이 진동자 단면 형상을 계단 형상으로 함으로써 근사하게 치환할 수 있고, 또 (c)와 같이 계단의 단면 형상이 사면이면 보다 근사 정도는 증가하는 바, 계단의 단차 부분에서의 여진용 전극의 단선을 일으키기 어렵게 된다.도 9의 (b)와 (c)와 같은 계단 형상은 진동자 부분을 보호하는 레지스트 치수를 계단적으로 바꾸어 에칭 등의 화학적 가공이나 샌드 블라스트 등의 기계적 가공을 이용하면 제조할 수 있다. 계단의 단차를 증가시킬수록 도 9의 (a)와 같은 진동자 두께가 진동자 중앙부에서 진동자 단부를 향해 연속적으로 변화하고 있는 경우에 대한 근사 정도는 증가하지만, 단차를 지나치게 증가시키는 것은 먼저 언급한 에칭이나 샌드 블라스트 등의 회수가 많아지게 되어, 제조 공정이 길어지므로 제조 비용이 높아지게 된다. 즉, 계단의 단차가 진동자 단부에서부터 진동자 중앙부를 향해 10단 보다도 큰 진동자는 제조 공정을 고려하면 경제적이지 않다.

〈실시예〉

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 도 10∼도 13을 이용하여 설명한다.

(실시예 1)

도 10 및 도 11은 니오븀산 리튬의 Z판을 이용한 두께 종진동을 주진동으로 하는 압전 진동자이고, 19는 베벨 형상으로 가공된 진동자, 20은 이 진동자(19)와 일체화되어 있는 지지부, 21은 진동자(19)의 표면과 이면에 서로 대향하여 설치된 원형의 여진용 전극, 22는 외부와의 접속용 전극, 23은 외부 인출용 전극이다. 여진용 전극(21)은 진동자 부분에 부분적으로 형성되어 있으므로, 진동 에너지가 여진용 전극하에 보관되어 진동 변위는 진동자 부분 중앙부에서 최대이고 진동자 부분 단부를 향할수록 감쇠한다. 또, 진동자 부분 단부는 베벨 형상이므로, 진동자 부분 단부에서의 진동 변위의 감쇠량은 크다. 게다가, 진동자 부분 단부는 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분 단부에서의 치핑이나 면거칠기 등의 가공 정밀도의 불균형이 작다.

따라서, 특성의 오차가 작은 진동자를 얻을 수 있다. 또, 베벨 형상으로 가공됨에 따라 진동자 부분 단부는 진동자 부분 중앙부보다도 두께가 작아지지만, 지지부와 일체화되어 있으므로, 진동자 부분 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없고 기계적 강도가 뛰어나 설치도 쉬워진다.

(실시예 2)

도 12 및 도 13은 탄탈룸산 리튬의 X판을 이용한 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하는 압전 진동자이고, 24는 4단의 계단 형상으로 볼록 형상에 근사한 진동자, 25는 이 진동자(24)와 일체화되어 있는 지지부, 26은 진동자(24)의 표면과 내면에 서로 대향하여 설치된 여진용 전극, 27은 외부와의 접속용 전극, 28은 인출용 전극이다.

실시예 1에서 서술한 것과 같이, 여진용 전극(26)은 진동자 부분에 부분적으로 형성되어 있으므로, 진동 에너지가 여진용 전극하에 보관되고, 또 진동자(24) 부분은 계단 형상으로 볼록 형상에 근사하므로 진동 변위는 진동자 부분 중앙부에서 최대이고 진동자 부분 단부를 향할수록 감쇠한다. 게다가, 진동자 부분 단부는 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분 단부에서의 치핑이나 면거칠기 등의 가공 정밀도의 오차가 작다.

따라서, 특성의 오차가 작은 진동자를 얻을 수 있다. 또, 계단 형상으로 볼록 형상에 근사하게 하므로 진동자 부분 단부는 진동자 부분 중앙부보다도 두께가얇아지지만, 지지부와 일체화되어 있으므로 진동자 부분 단부에서의 흠집, 쪼개짐등이 없고 기계적 강도가 뛰어나 설치도 용이해진다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 진동자 단면 형상이 베벨 형상이나 볼록 형상 등, 진동자 중앙부의 두께보다도 진동자 단부에서의 두께가 얇은 진동자와 지지부가 일체화되어 있으므로, 진동자 단부에서의 흠집, 쪼개짐 등이 없고 기계적 강도가 뛰어나 안정된 설치가 용이해지고, 또 슬릿 등의 진동자 부분 단부가 드러내는 부분이 없으므로, 진동자 부분 단부에서의 가공 정밀도에 의한 특성의 오차도 작다고 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또, 이상의 설명에서는, 주로 압전성 단결정을 이용한 진동자를 예로서 설명했지만, 그 외의 압전성 재료, 예를 들면 압전성 세라믹을 이용한 진동자를 사용해도 되는 것은 말할 필요도 없다.

Claims

진동자 부분과 지지 부분이 동일 재료로 이루어지고, 진동자 부분 단부가 진동자 주변의 지지부와 일체화되어 있고, 진동자 부분의 단면 형상은 베벨 형상이나 볼록 형상인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1항에 있어서, 두께 미끄럼 진동을 주진동으로 하고, 진동자 부분과 여진용 전극이 구형의 진동자이며, 진동자 부분의 폭(W)과 여진용 전극의 폭(We)의 비(We/W)를 1/5이상 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1항에 있어서, 두께 종진동을 주진동으로 하고, 여진용 전극이 원형의 진동자이며, 진동자 부분의 최대 외형의 치수()와 여진용 전극의 직경(e)의 비(e/)를 1/5이상 1이하로 하는 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1항에 있어서, 여진용 전극을 외부로 인출하는 부분인 진동자 부분과 지지부와의 경계부 단면 형상은 사면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 1항에 있어서, 진동자 부분의 단면 형상이 베벨 형상이나 볼록 형상인 것에 비해, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상으로 볼록 형상에 근사한 형상인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 5항에 있어서, 진동자의 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그 계단의 단면 형상은 사면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.
제 5항에 있어서, 진동자 부분의 단면 형상이 계단 형상이고, 그 계단의 단차가 진동자 단부에서부터 진동자 중앙부를 향해 2단 이상 10단 이하인 것을 특징으로 하는 압전 진동자.