JPS62230108A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は振動板と電極とを具える圧電振動子に関するも
のであり、特に基本波振動が発振しにくく、高調波振動
が発生し易い圧電振動子に関するものである。

（従来の技術） 圧電振動子の振動モードには、たわみ振動、拡がり振動
、厚み縦振動、厚みすべり振動があるが、メガヘルツオ
ーダー以上の高い振動数を得るためには、一般に厚みす
べり振動が用いられる。この厚みすべり振動モードの基
本周波数は、圧電材料より成る振動板の厚さに逆比例し
、例えば水晶振動板ＡＴ−カットを用いる場合、その厚
さは１０ＭＨｚでは０．１６７　ｍｍ、　３０Ｍｔ（ｚ
では０．０５６　ｍｍであ゛る。したがって、高い周波
数の振動子を得るには薄い振動板を用いればよいが、０
．１ｍｍ以下の薄い振動板を精度および歩留りよく加工
することは困難である。

このため、従来は２０ＭＨｚ以上の高い周波数を得るた
めには、基本波ではなく高調波、例えば３次高調波を利
用するのが一般的である。

この場合、１つの振動子は基本波振動および高調波振動
のどちらでも振動することができるので、目的とする高
調波発振を得るためには、通常周波数選択性を持たせた
発振回路のコイルやコンデンサを可変させている。この
関係を第８図を参照して更に詳しく説明する。第８図は
水晶振動板を用いた圧電振動子１とこれに接続された発
振回路２との関係を説明するための模式図である。水晶
振動子１は、発振回路２の負荷抵抗３と、水晶振動子の
両端子から発振回路側を見た場合の実効的な負荷容量４
とに直列に接続されている。このような回路にふいて水
晶振動子を確実に発振させるためには水晶振動子１のイ
ンピーダンスと負荷容量４との直列回路の直列共振抵抗
（等価直列抵抗という）に対して負荷抵抗３を十分大き
くとる必要がある。そこで厚みすべりモードの圧電振動
子１が安定な高調波振動をするには、圧電振動子１の高
調波振動に対するインピーダンスが基本波振動に対する
インピーダンスよりも十分小さければよい。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の圧電振動子では高調波振動のイン
ピーダンスと基本波振動のインピーダンスとの差は小さ
い。例えば−辺が３ｍｍ、厚さが０゜２１ｍｍの正方形
の水晶振動子を８　ＭＨｚの基本波発振および２４ＭＨ
ｚの３次高調波発振をさせたときのインピーダンスの値
を第１表に示す。

第１表 上記第１表から明らかなように従来の水晶振動子におい
ては基本波振動のインピーダンスと３次高調波振動のイ
ンピーダンスとの差は小さい。したがって、このような
水晶振動子を組込んだ発振回路は、発振回路の定数を変
化させても目的とする３次高調波振動が不安定となり、
高調波振動が停止し、代わりに不要な基本波振動を起こ
す場合がしばしばある。特に近年普及してきたＣ−ＭＯ
ＳインバータやＴＴＬインバータを使用して高調波振動
を利用する場合、振動子および回路の特性が極く僅か変
動しても目的とする高調波振動が発振されないという問
題があった。

し、たがって本発明の目的は、基本波振動を選択的に抑
制し、安定な高調波振動が得られる厚みすべりモードの
圧電振動子を提供しようとするものである。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明は上
述した目的を達成するために、厚みすべり圧電振動子に
おいて、基本波振動は抑制し、高調波振動は抑制しない
ように、振動板輪郭の少なくとも一部を電極に近接させ
たことを特徴とするものである。

このような本発明の圧電振動子においては基本波振動に
対するインピーダンスが著しく大きくなるのに対し高調
波振動に対するインピーダンスは殆ど変化しないかまた
は僅かに大きくなるだけであるから、基本波振動は著し
く抑制され、圧電振動子は高調波で安定に振動すること
になる。

また、振動板の輪郭の少なくとも一部を電極に接近させ
る具体的方法は後述する実施例で示すように種々考えら
れるが、特に振動板の重心と電極の重心とを偏心させる
ように振動板の輪郭の一部を切り欠くのが、特性上およ
び製造工程上好適である。

また、本発明によれば、振動板の輪郭全体を電極に接近
させるように振動板の寸法を一様に小さくすることによ
っても基本波振動に対するインピーダンスを選択的に高
くすることができる。

（実施例） 第１図は本発明の圧電振動子の一実施例を示す正面図で
ある。−辺が３ｍｍの正方形で厚さが０．２１ｍｍのＡ
Ｔカット水晶振動板１１０両面中央に直径５１Ｔｌ＋１
１の円形の電極１２．１３を設け、これら電極にそれぞ
れ接続したリード線１４および１５をステム１６により
保持する。本発明では振動板１１の角部を長さｌだけ斜
めに切り欠き、振動板１１の輪郭の一部を電極１２、１
３　に接近させる。また、このように切り欠くことによ
り振動板１１の重心と電極１２．１３の重心とは偏心す
ることになる。振動板１１の角部の切り欠き部の長さｌ
を０〜４．０ｍｍの範囲で変化させたときの基本波振動
に対するインピーダンスと３次高調波振動に対するイン
ピーダンスとをＣＩメータ（Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｉｍｐｅ
ｄａｎｃｅ　Ｍｅｔｅｒ）で測定した結果を第２表に示
すとともにそれぞれのインピーダンスの変化の様子を第
２図に示す。

第２表 上記の第２表および第２図に示すグラフから明らかなよ
うに、振動板の角部を切り欠かない従来の圧電振動子（
Ｎ＝０）では、基本波に対するインピーダンスは１８．
６Ω、３次高調波に対するインピーダンスは１７．１Ω
でその差は小さいが、角部を切り欠くことによって基本
数振動に対するインピーダンスは急激に増大するのに対
し、３次高調波振動に対するインピーダンスはｌが約３
ｍｍ以下では殆ど変化せずβがそれよりも長くなっても
余り大きくならない。したがって振動板１１の角部を切
り欠くことによって基本波に対するインピーダンスと３
次高調波に対するインピーダンスとの差は著しく大きく
なり、基本波振動は大きく抑圧されるのに対し３次高調
波振動は殆ど抑制されない。

したがって、本発明の圧電振動子は３次高調波で安定に
振動することになる。

本発明において、振動板輪郭の一部を電極外周に近接さ
せる方法としては第１図に示したように４角形の１つの
角部を斜めに切り欠くことだけに限定されるものではな
く、第３図Ａ−Ｅに示すように種々の方法が可能である
。すなわち、第３図Ａに示す例では４角形の振動板１１
の一辺の両端の角部を長さｌだけ斜めに切り欠き、第３
Ｎ８に示す例では４角形の振動板１１の一辺全体を長さ
ｌだけ平行に切り欠き、第３図Ｃに示す例では４角形の
振動板１１の１つ角部を横方向に長さ１１４、縦方向に
長さｊｉ！ｖ（１，≠ＩＩＩ）だけ切り欠く。これら第
３図Ａ−Ｃに示す例では振動板１１の重心と電極１２．
１３の重心とは偏心したものとなるが、第３図りおよび
Ｅに示す例ではこれらの重心は一致している。すなわち
、第３図りに示す例では４角形の振動板１１０４つの角
部全部を斜めに切り欠いている。また第３図Ｅに示す例
では４角形の振動板１１の４つの辺の中央に切込みＩＩ
Ａをそれぞれ形成する。このように振動板１１０重心と
電極１２．１３の重心とを偏心させなくても、基本波を
選択的に抑圧し、３次高調波で安定に発振させることが
できる。

第４図ＡおよびＢは本発明の圧電振動子のさらに他の例
を示すものであり、本例では振動板に切り欠きを形成し
ない。すなわち、第４図へに示す例では４角形の振動板
１１の中心を外れた位Ｉに電極１２．１３を形成し、第
４図Ｂに示す例では円形の振動子１１の中心からずれた
位置に電極１２および１３を形成している。このような
構成によっても振動板の輪郭形状の一部を電極に接近さ
せることができる。

次に本発明の圧電振動子の実験例について説明する。

実験例１ 一辺が８ｍｍの正方形で、厚さが０．２１ｍｍのへＴカ
ット水晶振動板に、重心位置が振動板の重心位置に一致
するように直径５關の円形電極を設け、第３図Ａに示す
ように振動板の一辺の両端の角部を少しずつ切除しなが
ら８ＭＨｚの基本波振動と２４ＭＨｚの３次高調波振動
に対するインピーダンスを測定したところ第５図に示す
ように８　Ｍｌ（ｚの基本波振動に対するインピーダン
スは第５図の曲線Ａで示すようにｌが１　ｍｍ付近から
急激に大きくなったのに対し、３次高調波に対するイン
ピーダンスは曲線Ｂで示すようにｆ＝２．５ｍｍ程度ま
では殆ど変化しない。また切除された振動板の辺が電極
に殆ど接するように大きく切り欠いても（ｆｌ！＝ｉ４
ｍｍ）、３次高調波に対するインピーダンスは４０Ω程
度とその増加は小さく、基本波振動のインピーダンスと
の比は著しく大きくなっている。ｌ　＝　３　ｍｍの振
動子を２０個作成し、実際の発振回路に組込み３次高調
波で発振させたところ試験した試料はすべて定格電圧５
■では勿論のこと、定格電圧の６０％である３■でも安
定に３次高調波発振を行うことができた。

実験例２ 第６図に示すように直径８ＩＩｌ１１１１厚さ０．１６
７　ｍｍの円形の水晶振動板１１の中心位置に直径４ｆ
ｆｉＩ１１の円形の電極１２．１３を設け、振動板１１
の周縁を長さしだけ直線状に切り欠いた。この圧電振動
子の１０ＭＨｚの基本波振動と３０Ｍ）Ｉｚの３次高調
波振動とのインピーダンスをＣＩメータで測定したとこ
ろ第７図の曲線ＡおよびＢで示すようになった。すなわ
ち、１０ＭＨｚの基本波振動に対するインピーダンスは
曲。

線Ａで示すように切除する長さしが０．５ｕから増加し
始め、ｌ　ｍ＋ａ以上では急激に増加した。これに対し
３０ＭＨｚの３次高調波に対するインピーダンスは曲線
Ｂで示すように切除する長さしが１．５ｍｍｔでは殆ど
変化せず、１．５Ｉｌｌｆｌｌから増加し始めた。ここ
で注目すべきことは振動板の重心と電極の重心とが一致
するＬ＝００状態では基本波振、動に対するインピーダ
ンスが３次高調波振動に対するインピーダンスより小さ
いにも拘らず切除する長さしがｌ　ｍｍを超えると３次
高調波振動に対するインピーダンスの方が小さくなるこ
とである。この場合、３次高調波振動に対するインピー
ダンスが基本波振動に対するインピーダンスの１ノ２以
下となるように切除する長さしを選定することにより３
次高調波でより安定に発振させることができた。

Ｌ＝１．７５ｍｍとした振動子を１０個作成し、実際の
発振回路に組込み、３次高調波で発振させたところすべ
て３次高調波で安定に発振し、基本波振動をするものは
１つもなかった。

（発明の効果） 上述したように本発明の厚みすべり圧電振動子において
は、振動板の輪郭形状の一部を電極に接近させるといっ
たきわめて簡単な構成によって高調波振動に対するイン
ピーダンスを小さく抑制したまま基本波振動に対するイ
ンピーダンスを著しく大きくすることができるため、基
本波振動を選択的に抑制でき、高調波振動で安定に発振
する圧電振動子を得ることができ、産業上の利用価値は
きわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電振動子の一実施例の構成を示す正
面図、 第２図は同じくその動作特性を従来の圧電振動子と対比
して示すグラフ、 第３図Ａ−Ｅおよび第４図ＡおよびＢは本発明の圧電振
動子の他の例の構成を示す正面図、第５図は本発明によ
る圧電振動子の他の実施例の動作特性を示すグラフ、 第６図は本発明による圧電振動子のさらに他の実施例の
構成を示す正面図、 第７図は同じくその動作特性を示すグラフ、第８図は従
来の圧電振動子を有する発振回路の構成を示す線図であ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、厚みすべり圧電振動子において、基本波振動は抑制
   し、高調波振動は抑制しないように、振動板輪郭の少な
   くとも一部を電極に近接させたことを特徴とする圧電振
   動子。 ２、振動板の重心と、電極の重心とを偏心させたことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。 ３、振動板を、４角形の１つの角部を切り欠いた輪郭形
   状とし、電極を前記４角形のほぼ中央に設けたことを特
   徴とする特許請求の範囲第２項記載の圧電振動子。 ４、振動板を、４角形の１辺の両角部を切り欠いた輪郭
   形状とし、電極を前記４角形のほぼ中央に設けたことを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の圧電振動子。 ５、高調波振動に対するインピーダンスが基本波振動に
   対するインピーダンスの１／２以下であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。 ６、振動板を水晶板を以って構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の圧電振動子。