JPS6355245B2

JPS6355245B2 -

Info

Publication number: JPS6355245B2
Application number: JP55086623A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takeuchi; Shigeru Sadamura; Kazuyuki Nagatsuma; Mitsutaka Hikita
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1980-06-27
Filing date: 1980-06-27
Publication date: 1988-11-01
Also published as: JPS5713806A

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は圧電振動子、特に、電子時計、無線機
器などの発振素子、NE機器などの超音波素子と
して好適な圧電振動子に関する。圧電振動子は圧電体とその圧電体の両面に形成
された金属電極とからなり、電気振動と機械振動
との相互変換を利用したものである。従来、圧電振動子に用いられる圧電体の材料と
しては、ジルコン・チタン酸鉛（Pb（Zr_1-XTi_X）
O₃）を主成分とするいわゆるPZT系磁器などの
セラミツクス圧電体や水晶などの圧電性結晶など
が知られている。水晶を利用した圧電振動子の例
は特開昭50〜56889号に示されている。しかしな
がらこのような圧電性結晶を用いた振動子では、
結晶の切断方位が問題となり、低スプリアスある
いは固有振動数の温度依存性を低くするには精密
な切断加工を行なわなければならない。一方、セ
ラミツクス圧電体では、均一な特性の圧電体が大
量に得られること、また薄片を切り出した後の分
極処理により所定の均一な分極が生じることなど
利点が多い。しかし、PZT系磁器は本質的に高
誘電率磁器であるため、高周波で用いる場合に振
動子の入出力インピーダンスが低下し、外部回路
とのインピーダンス整合に問題がでてくる。特に
最近では圧電振動子の高周波が進んでおり、高周
波での使用に耐える温度特性及び振動特性の優れ
た圧電振動子の開発が望まれている。このような
高周波、高温用振動子の圧電材料として、PZT
系磁器に比較して、低誘電率、高キユリー温度を
示すことから、酸化鉛（PbO）及び酸化チタン
（TiO₂）を主成分とするチタン酸鉛PbTiO₃系磁
器が有望視されている。最近PbTiO₃形磁器はそ
の１つの問題点とされていた温度特性が、酸化ネ
オジムNd₂O₃、酸化マンガンMnO₂等を添加する
ことにより大巾に改善できることが知られている
（特開昭54−41496号公報、特開昭54−41497号公
報及び特開昭54−41498号公報）。これにより、
PbTiO₃系磁器はその応用範囲がさらに大きく拡
大される可能性がでてきた。しかし、PbTiO₃系
磁器は、そのポアソン比が小さいという特性のた
めに、PZT系磁器のように部分電極下に周波数
低下型のエネルギー閉込めができないという難点
がある。そのため、厚み振動を利用した数MHz
〜数十MHz帯の振動子、フイルタとしては不要
振動を発生し、Ｑ値を高めることができない欠点
がある。最近になつて、PbTiO₃系磁器に関して
その振動特性の向上を図るため、周波数上昇型の
エネルギー閉込めを実現する方法が種々提案され
ているが、未だ実用化には至つていない。本発明は以上の点に鑑みてなされたもので、そ
の目的は、簡単な構成で特性のすぐれた数MHz
〜数十MHz帯の圧電振動子を提供することにあ
る。特に、PbTiO₃系磁器のようにポアソン比の
小さい圧電体を用いても、不要振動による振動特
性の悪化を防止できる厚み振動子を提供するもの
である。本発明の振動子は180゜位相のずれた反対
称モードで圧電板を振動させることによつて不要
振動によるスプリアスが互いに打ち消されること
を利用している。すなわち、本発明は、厚さ方向
に同じ向きで分極処理された圧電板と、その両面
に形成された電極とからなる圧電振動子におい
て、一方の面に形成された上記電極を２個に分割
すると共に、これら分割電極に電圧を供給してな
ることを特徴とする。以下、本発明を図面を参照して詳細に説明す
る。第１図ａは本発明の一実施例の構成を示す図で
ある。本発明の圧電振動子１は矩形状の圧電磁器
板２と、この圧電板２の対向する２つの主要面に
それぞれ形成された電極４，６及び８からなる。
矩形状圧電磁器板２は、第１図ｂに示すように長
さ方向、幅方向及び厚み方向をそれぞれ方向、
方向、方向に定められる。この圧電磁器板２
の分極方向は矢印Ｐの方向（の方向）である。
電極４は上記圧電磁器板２の相対向する２つの主
要面（分極方向Ｐに垂直な面）の一方の全面に形
成された全面電極、２つの電極６及び８は他方の
面に磁器板２の長さ方向（方向）の中心線を対
称軸として２分割された分極電極である。１０及
び１２は、それぞれ分割電極６及び８から取り出
された電気端子である。また、本発明の振動子１
は必要に応じて全面電極４を接地しても良い。次に、本発明の圧電振動子１の動作を第２図ａ
〜ｄを用いて説明する。第２図は第１図ａのＡ―
A′線に沿う断面図である。端子１０―１２間に
電圧が印加されると、他方の面に全面電極４があ
るため、磁器板２の内部には第２図ａに示すよう
な電界分布１４が生ずる。この電界分布は第２図
ｂ及びｃに示すように分極方向に垂直な成分１６
と平行な成分１８及び１８′に分解して考えるこ
とができる。例えば、圧電磁器板２として
PbTiO₃系磁器を用いた場合、PbTiO₃系磁器板
は、分極方向の電気機械結合係数が、分極方向に
直交する方向の電気機械結合係数に比較して約１
桁大きいため、分極方向の電界成分１８，１８′
との圧電結合が優性になる。しかも電界成分１
８，１８′の方向は磁器板の中心線２０の両側で
常に全く逆になる（位相が180゜ずれている）。し
たがつて、端子１０―１２間に交流電界を印加し
た場合、水平な電界成分１８，１８′と結合した
厚み縦振動が励振され、しかも第２図ｄ（電極４，
６，８は省略してある）のように中心線２０に対
して反対称モードの厚み振動が励振される。この
ため、単一のストリツプ状の厚み振動子では現わ
れる不要振動によるスプリアスが互いに打ち消さ
れる。したがつて、PbTiO₃系磁器のようにポア
ソン比の小さい圧電板を用いても、不要振動を減
衰・消滅せしめて、Ｑ値を高めることができる。次に、本発明の振動子１を支持する方法につい
て説明する。第３図のように矩形板２の長さｌを
その厚みｔ及び幅ｗより充分大きくして、全面電
極４を設けた側の面の長さ方向の一端部のみを支
持台２２に固定する。分割電極６，８は、支持部
分に対向する部分（支持部）の幅w″が他の部分
（振動部）の幅w′より細く形成されている。これ
らの細い部分にリード線３４を接着して、電気端
子１０，１２を取り出すことにより充分Ｑ値の高
い振動子が得られた。なお、図においてｇは分割
電極間のギヤツプ幅を示す。また、第３図では全
面電極４を磁器板２の他方の主要面の全面に設け
たが、支持台２２と接触する部分には、電極を設
けなくとも良い。以下、本発明の圧電振動子をPbTiO₃系磁器を
用いて実験を試みた。厚み振動に対して、共振周
波数温度係数が小さくなるネオジムNd、インジ
ウムIn、マンガンMnを添加したPbTiO₃系磁器
を焼結し、厚み方向に55KV／cm×10分（150℃）
の条件で分極処理をした磁器板から、第１表に示
す各種サイズの振動子を形成した。表において、ｌ及びｔはそれぞれ矩形状磁器板
の長さ、厚さを示し、w′は分割電極の振動部の
幅を示す。なお、分割電極間のギヤツプ幅ｇはい
ずれも0.2mmである。したがつて、磁器板の幅ｗ
は2w′＋0.2である。電極パターンはメタルマスクを通して磁器板に
直接電極材料（クロムと金）を蒸着することによ
つて形成した。第１表には各振動子の共振周波数
f₀、共振時の等価抵抗Ｒ及びＱ値を測定した結果
を示した。表から明らかなように本発明によれ
ば、充分Ｑ値の高い圧電振動子が得られる。一例
として実例18（w′＝0.8mm、ｌ＝６mm、ｔ＝0.54
mm）の共振特性を第４図に示す。図において、横
軸は周波数ｆ（MHz）、縦軸は振動子のインピー
ダンスの絶対値｜Z〓｜（Ω）を示す。共振周波数f₀
は約4.25MHzであり、ほとんどスプリアスのな
い単一共振特性が得られていることが明らかであ
る。また共振点付近のアドミツタンス円から求め
たＱ値は約2200と充分大きな値を示した。さらに、第１表から明らかなように等価抵抗Ｒ
およびＱ値は、厚みｔを一定とした場合、ｌ、
w′の値によつて変化するが、共振周波数f₀はほぼ
厚みｔのみによつて定まり、w′の値にあまり依
存しない。したがつて、前述したように、ほとん
ど厚み縦振動が励振されていると考えることがで
きる。これは、第５図からも明らかである。第５

【表】図は第１表から矩形状磁器板の厚みｔと共振周波
数f₀の関係を求めたものである。図において、横
軸は厚みｔ、縦軸は共振周波数f₀、各測定点に付
記してある数字は分割電極の幅w′と厚みｔとの
比w′／ｔの値を示す。共振周波数f₀が分割電極の
幅w′とほとんど関係なく、厚みｔに反比例する
ことは明らかである。したがつて、厚みｔの寸法
を変化させることによつて共振周波数を変化させ
ることができる。また、振動子の大きさに関しては好ましいサイ
ズがある。すなわち、所望の周波数に合せて厚み
ｔを決めたとき、分割電極の幅w′および振動子
の長さｌが、 0.5t≦w′≦3t、ｌ≧5w′ の範囲で良好な特性を示した。例えば、第１表の
実例16からわかるように、w′がｔ／２より小さ
くなると急激にＱ値が低下した。また実例22から
わかるようにw′が3tより大きくなるとスプリアス
が発生しはじめ、Ｑ値の測定が困難になつた。振
動子の長さｌに関しては、実例７及び８から明ら
かなように5w′より小さくなると急激にＱ値が低
下した。ｌが5w′より大きいところでは、実例の
範囲で良好な特性を示した。但しｌがあまり大き
くなると支持が困難となるので、ｌは実用的なサ
イズという点からw′の30倍程度が限度である。また、分割電極間のギヤツプ幅ｇは、ｇ＜
w′の条件を満たしていれば特性的に良好なもの
が得られるが、高Ｑ化という観点からはｇ
0.2w′程度が望ましい。なお、本発明の圧電振動子は３倍高調波におい
てもスプリアスのない優れた共振特性が得られ
る。第６図に本発明の圧電振動子の一応用例を示
す。第６図は２端子形発振回路を示すもので、本
発明による圧電振動子１が図示の如く接続してあ
る。図において、２４はＣ―MOS増幅器、C₁，
C₂はコンデンサである。コンデンサC₁，C₂は圧
電振動子１に対する等価負荷容量となるものであ
る。また、図中の点線は必要に応じて全面電極４
を接地しても良いことを示している。次と、本発明の圧電振動子の共振周波数調整法
について説明する。圧電振動子は、振動子の幾何
学的な形状で共振周波数が決定されるため、量産
時に素子の周波数特性をそろえようとすると、目
的によつては極めて厳しい加工精度が要求され
る。実際には、素子加工の段階のみで所定の共振
周波数に完全に合わせることは困難で、何らかの
周波数調整法を用いて製品にしているのが現状で
ある。したがつて、本発明の圧電振動子に関して
も、このような問題点を解決しておくことが望ま
しい。本発明の圧電振動子は、一方の主要面に形成さ
れた電極を２個に分割し、該分割電極に動作電圧
を供給せしめることにより第２図ｄに示したよう
な反対称の振動モードで励振される厚み振動子で
ある。したがつて、第７図に示すように振動子１
の中心線２０上に微少の力２６を加えても振動子
１のＱ値にそれほど大きな影響を与えない。すな
わち、Ｑ値に大きな影響を与えることなく、振動
子に歪みを加えることができる。しかも、本発明
の振動子１は第３図に示したように一方の端部の
みを固定支持して動作させることが可能なので、
その他方の端部（自由端）に近い部分に力を加え
れば、わずかな力で大きな歪みを振動子１に加え
ることができる。振動子は歪みが加えられると、
その歪み量に応じて共振周波数が変化するので、
歪み量をコントロールすることにより共振周波数
を調整することができる。第８図は本発明の他の実施例を示す図であり、
周波数調整手段を付加したものである。本発明の
圧電振動子１は、図示のように、例えば鉄ニツケ
ルからなるパツケージ２８の中に支持部材２２を
介して配置されている。パツケージ２８の底部に
は微少な穴３０が形成されており、調整ネジ３２
が差し込まれている。調整ネジ３３の先端は振動
子の自由端近傍のほぼ中心線上に位置するように
配置される。また、振動子の２本のリード線３４
は、パツケージ２８の底部に絶縁物を介して設け
られたピン３６に接続され、パツケージの外部か
ら分割電極に電圧が供給できるようになつてい
る。なお、パツケージの底部には、アースピン３
８が設けられており、このアースピンを接地する
ことにより、全面電極を接地できる。このように
構成すると、調整ネジをわずかに動かすことによ
つて、振動子に歪みを与えることができ、振動子
のＱ値をほとんど低下させることなく、共振周波
数を調整できる。第９図は調整ネジ３２によつて振動子１に与え
た歪みＳ（ネジの移動量から計算）と歪みを与え
ないときの共振周波数f₀に対する共振周波数の変
化量Δfの比（周波数の変化率）Δf／f₀及びＱ値
の関係の一例を示す図である。図から明らかなよ
うに、10^-5〜10^-4の微少歪みによつて共振周波数
を６×10^-4程度調整することができる。しかも、
振動子のＱ値はそれほど大きく変化していない。
なお、第９図は振動子１として、厚さ方向に分極
処理したPbTiO₃系磁器板から長さｌを６mm、幅
ｗを２mm、厚みｔを共振周波数f₀が約4MHzにな
るように0.53mmとした矩形板を形成し、この矩形
板の一方の主要面に幅w′が0.9mmの分割電極を形
成し、他方の主要面の全面に電極を形成した振動
子を用いた場合である。以上説明したごとく、本実施例によれば振動子
のほぼ中心線上に微少な力を加えることにより、
Ｑ値をほとんど低下させることなく、共振周波数
を６×10^-4程度調整することができる。更に、本発明の圧電振動子は圧力（ガス圧）検
出素子として用いることができる。圧電振動子を
利用したガス圧検出装置はガス圧によつて振動子
に歪みを与え、この歪みによつて生ずる振動子の
発振周波数の変化を検出するものである。従つ
て、圧力検出素子としては圧力に対する歪み量を
大きくとれる振動子が望ましいのである。本発明
の振動子はスプリアスの極めて少ない厚み縦振動
子として動作する。しかも、本発明の振動子は、
一方の端部のみを固定支持して動作させることが
できるので、その他方の端部（自由端）に近いと
ころに圧力を加えると歪み量を大きくとれる。こ
れは従来、圧力検出素子として用いられる弾性表
面波素子で歪み量を大きくとれるのと同様であ
る。第１０図に本発明の圧電振動子を用いた圧力検
出装置の構成を示す。支持台２２に固定支持され
た振動子１は導電部材からなる台４０に固定さ
れ、容器４２の中に配置される。容器４２は、一
端に閉成端を有する円筒状のガラス管であり、他
端の開口が台４０に接合されている。さらに、容
器４２には、その側壁にガス導入管４４とガス流
出管４６とが接合されており、ガス導入管４４か
ら容器４２を通つて流出管４６へ流れるように構
成される。導入管４４は、容器４２の中に配置さ
れた振動子１の自由端近傍にガスが流入する位置
に設けられる。また必要に応じて導入管４４の容
器４２につながる部分の径を細くしておく。振動子１の２本のリード線３４は台４０に電気
的に絶縁されて植設されたピン３６に接続され、
容器４２の外部に電気端子１０，１２が取り出さ
れる。台４０にはアースピン３８が設けられてお
り、このアースピンを接地することにより、振動
子１の全面電極を接地できることは第８図の実施
例と同じである。このような構成にすると、ガス
４８が導入管４４から容器４２に流入すると、振
動子１の自由端に圧力を及ぼすため振動子には、
その圧力に応じた歪みが生じ、共振周波数が変化
する（この共振周波数の変化量はガス圧に依存す
る）。したがつて、図に示したように端子１０，
１２をそれぞれＣ―MOS増幅器５０の端子５２，
５４に接続して発振回路を構成すると、ガス圧に
よつて発振周波数が変化することになる。すなわ
ち、ガス圧の変動を発振周波数の変化として検出
することができるのである。第１１図はガスの流量Ｆ（したがつて圧力）と
発振周波数の変化率Δf／f₀との関係を示す図であ
る。ガスの流量Ｆが増加するのに従つて発振周波
数の変化率Δf／f₀が大きくなり、１／minの流
量に対し、４×10^-5程度発振周波数が変化した
（Δf〜160Hz）。なお、第１１図は振動子として
厚さ方向に分極処理したPbTiO₃系磁器板から長
さｌを８mm、幅ｗを３mm、厚みｔを共振周波数が
約4MHzになるように0.53mmとした矩形板を形成
し、この矩形板の一方の主要面にw′が1.4mmの分
割電極を形成し、他方の主要面の全面に電極を形
成した振動子を用いた場合である。以上説明したように、本実施例によれば振動子
の自由端で圧力を受けるように構成することによ
り、感度の高いガス圧検出装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは、本発明の圧電振動子の構成を示す
図、第１図ｂは、振動子の長さ、幅、厚み方向を
説明するための図、第２図ａ，ｂ，ｃ及びｄは、
本発明の振動子の動作原理を示す図、第３図は、
本発明の振動子の支持方法を示す図、第４図は、
本発明の振動子の共振特性を示す図、第５図は、
振動子の厚みｔと共振周波数f₀の関係を示す図、
第６図は、本発明の振動子を用いた発振回路の構
成を示す図、第７図及び第８図は、本発明の圧電
振動子の周波数調整法を説明する図、第９図は、
歪み量Ｓと周波数の変化率Δf／f₀及びＱ値との関
係を示す図、第１０図は、本発明の振動子を用い
たガス圧検出装置の構成を示す図、第１１図は、
ガスの流量Ｆと周波数の変化率Δf／f₀との関係を
示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

１厚さ方向に同じ向きで分極処理された短形状
の圧電板と、上記圧電板の対向する２つの主要面
にそれぞれ形成された電極からなる圧電振動子に
おいて、上記一方の電極は上記圧電板の長さ方向
中心を対称軸として２分割された分割電極であ
り、他方の電極は上記分割電極の双方に対向する
一様な電極であり、かつ前記分割電極に電圧を供
給して上記圧電体に、上記中心線に対して反対称
モードの厚み振動を生ぜしめることを特徴とする
圧電振動子。