JPH0243364B2

JPH0243364B2 -

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Publication number: JPH0243364B2
Application number: JP54117733A
Authority: JP
Priority date: 1979-09-13
Filing date: 1979-09-13
Publication date: 1990-09-28
Also published as: JPS5642420A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、圧電振動子に係り、特にすべり波表
面波（ラブ表面波）を用いた周波数温度特性の良
好な圧電振動子に関する。

（従来の技術）一般に、高周波で使用する圧電振動子は第１図
ａに示すように板面が平行な薄い圧電材料の板１
の両面に電極２，２′をつけたものである。かゝ
る圧電振動子の振動姿態は、板面に平行な波面を
もつ平面波が板面で完全反射して形成するところ
の定在波、すなわち厚み振動を利用している。従
つて、その共振周波数は板の厚みに反比例する。

今、この圧電振動子を用いてVHF帯以上の共
振周波数を第１図ｂに示す半波長の変位分布をも
つ基本振動から得ようとするとき、所要の厚みが
薄くなりすぎるために支持が困難となる。これを
さけるためには、第１図ｃに示す奇数倍の高次振
動（図では３次）を使用するが、これだと板面に
つけた電極では圧電的に誘起される電荷を有効に
集め得ないため等価直列容量が高周波次数の２乗
に反比例して低下し、その振動子を用いた発振器
の周波数調整範囲、もしくはフイルタの帯域幅は
それに伴なつて狭くなるため実用に支障をきた
す。

そこでこれらの欠点をさけるために表面波振動
子が出現してきている。第２図はかゝる表面波振
動子の構成図であり、波長に比して半無限体と見
なしうる程度の厚みの圧電基盤１０にすだれ状電
極１１，１１′をつけたものである。電極で励振
される表面波は文字通り表面にエネルギーが集中
するので圧電基盤１０の厚みはほとんど関係せ
ず、又接着剤等で強固に支持できるので前記の厚
み振動子にみられた製造、支持の問題は緩和され
る。

しかし通常使用されている表面波は、縦波およ
び板面に垂直なすべり波（SV波）の成分をもつ
いわゆるレイリー波（Rayleigh Wave）であつ
て、これは次のような４つの欠点をもつている。

第１の欠点は、周波数温度係数の良好な切断方
位が少いことである。

第２の欠点は、縦波成分があるために空気中へ
の音響放射によるエネルギー損失が存在し、従つ
て共振尖鋭度Ｑを高くするためには真空封入する
必要がある点である。

第３の欠点は、厚み振動における平面波と異な
つてレイリー表面波は端面で十分な反射が得られ
ないことである。

従つて、現在はすだれ状電極１１，１１′の両
側に、第２図に図示するようなすだれ状反射体１
２，１２′を設けている。この反射体１２，１
２′はすだれ状電極１１，１１′と同じように蒸着
により付着させたり、あるいはエツチングなどで
圧電基板１０に直接溝を切つたりして形成する。
しかしながら、良好な反射を得るためには前記等
間隔に形成された反射体１２，１２′の要素１２
ａ，１２a′，１２ｂ，１２b′……の数を数百以上
が必要とされ、それらを精度よく製造するのが困
難である。又、すだれ状電極１１，１１′の左右
にそれに数倍する長さを反射体１２，１２′が占
めるので圧電基盤１０が大きくなり、材料費や小
型化の点で不利である。

第４の欠点は、すだれ状反射体１２，１２′は
鋭い周波数特性を有し、その周波数は要素１２
ａ，１２a′，１２ｂ，１２b′……の間隔に反比例
する。ところで、反射体１２，１２′は一度形成
すると変更が容易でないので周波数調節が困難で
ある。

これに対して、すべり波表面波を利用する振動
子も考えられている。第３図はかゝるすべり波表
面波を利用した圧電振動子の構成図であり、圧電
基盤２０上にすだれ状電極２１，２１′がつけら
れている。尚、この点は第２図の場合と同様であ
るが、第３図では圧電基盤２０の切断方位を適切
に選ぶことにより、変位方向（矢印AA′）が板面
及びすだれ状電極２１，２１′の指２１ａ，２１
a′，…２１ｃ，２１c′と平行となるようなすべり
波（SH波）表面波を励振できるようにしている。
このような平行表面波はいわゆるラブ表面波
（Love Wave）と呼ばれ、均質で圧電性がない基
盤には存在しない。しかし表面にすべり波の音速
が基盤の音速より遅い層をつけて２層構造にする
とか、あるいは表面膜をつけてその質量効果を利
用するとか、あるいは金属膜をつけてその質量効
果及び圧電反作用を利用するとかの方法によつて
表面にエネルギーが集中した表面波を存在させる
ことができる。この際、表面層乃至膜は必らずし
も板面全部を覆う必要はなく、波長以下のすき間
があつても差支えないので、すだれ状電極などを
形成する余地は十分ある。

さて、このラブ表面波は音響放射が少いので前
述の第２の欠点は除かれる。さらに直角端面では
完全とまではいえないが、かなりの反射が得られ
るので変位方向に平行で、かつ板面に直角となる
ように端面２３，２４（第３図）を設ければ定在
波が形成され共振が得られる。従つて、ある程度
のＱの範囲ではすだれ状反射体は不要である。

（発明が解決しようとする問題点）以上のように、ラブ表面波が発生するようにし
た圧電振動子では、レイリー波の有する第２の欠
点を除去でき、又ある程度のＱの範囲内であれば
すだれ状反射体は不要で、第３、第４の欠点も除
去でき有効である。しかし、この圧電振動子では
第１の欠点、即ち周波数温度特性を改善すること
ができず、又周波数調整が困難で、更にはＱをも
つと向上させたい場合には適用することができな
い。

従つて、本発明は端面に傾斜を形成することに
よつて、すだれ状反射体を設けることなく、簡単
な手法で反射を完全にしてさらにＱを向上させる
と共に、周波数調整が容易で、しかも周波数温度
特性が良好で、更には従来の欠点を除去できる圧
電振動子を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段）本発明は、圧電材料基板の表面に励振電極を形
成するとともに、該基板の表面の一部に表面層、
あるいは表面膜を設け、該励振電極によりラブ表
面波を発生する圧電振動子において、該ラブ表面
波の変位方向と平行な基板の少くとも一つの端面
は所定の傾斜角を有し、該基板端面でのラブ表面
波のエネルギー損失を低減したことを特徴とする
圧電振動子である。

（作用）本発明の圧電振動子は、少くとも一つの端面に
傾斜を形成することによつて平行表面波の反射を
完全にし、定在波の減衰をなくしてさらにＱを向
上させている。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面に従つて詳細に説
明する。

さて、解析によれば基盤が圧電材料のような異
方材料の場合には第２図、第３図に示すような直
角端面では完全な反射が得られず、反射の際にモ
ード変換が起り、そのエネルギー損失によりＱが
低下し、あるいは他の振動モードと結合してスプ
リアスが多くなることが判明した。これは等方性
の場合には零になる弾性係数C′₅₆が異方性の場合
には有限な値をもつことから生じるものである。

理論計算によれば、端面に(1)式で定まる傾き角
αを与えることによつて完全な反射が実現でき、
上記の不都合が一掃される。

α＝tan^-1（C′₅₆／C′₆₆） …(1) （但し、C′₅₆，C′₆₆はステイフネス弾性定数であ
る。）第４図は本発明に係る圧電振動子の実施例であ
り、図中、３０は圧電基盤、３１，３１′はそれ
ぞれすだれ状電極で、指３１ａ，３１ｂ，３１
ｃ，３１a′，３１b′，３１′ｃを有している。各
すだれ状電極３１，３１′は圧電基盤３０の表面
に形成され、圧電基盤３０を励振してラブ表面波
を発生する。尚、図示していないが、すだれ状電
極３１，３１′以外の表面の部分には前述のラブ
表面波存在の条件が満足されるように表面層また
は膜がつけられている。ここで、すだれ状電極３
１，３１′の指３１ａ，３１a′…に平行にX′軸を、
板面に垂直にY′軸を、又両軸に直交してZ′軸をそ
れぞれ選んで図示のように座標系を設定すれば、
上記(1)式のC′₅₆，C′₆₆はこの座標系に対するステ
イフネス弾性となる。圧電基盤３０の両端面３
２，３３は図示のようにX′軸に平行で、かつ面
がY′軸と(1)式で与えられる傾き角αをなすよう
に形成されている。このようにすれば端面３２，
３３における反射は完全であり、Ｑの高いスプリ
アスの少い圧電振動子が得られる。ここで示す実
施例では、基板の両端面でのラブ表面波について
考慮して、それぞれに傾き角αを形成したが、一
方端面のみに傾斜を施すのみであつても、ある程
度の効果を奏することができる。

尚、周波数調整は端面３２，３３を機械的もし
くは化学的に研摩するなり、あるいは蒸着、スパ
ツタリングなどによつて金属、誘電体などの膜を
形成することによつて容易に行える。

又、本発明に係るラブ表面波を用いた圧電振動
子においては圧電基盤の切断角度を適当に選ぶこ
とによつて良好な温度特性を有する振動子が得ら
れる。

次に、この切断角度と温度特性等に関して、圧
電材料として水晶を用いた場合について具体的に
説明する。

第５図ａ，ｂは共振周波数の温度係数を零にす
るための水晶の切断方法を説明する説明図であ
り、図中４１は水晶である。

第５図ａに示すようにX′軸を水晶４１の＋Ｘ
軸（電気軸で紙面と垂直方向）に一致させると共
に、Y′軸を水晶の＋Ｙ軸（機械軸）から＋Ｚ軸
（光軸）方向にβ゜（33゜乃至39゜）回転させ（この角
度β以後切断角度という）、又端面を傾け角α（1゜
乃至11゜）だけ傾けて切断形成すると、共振周波
数の温度特性は零となる。尚、周波数温度特性は
上に凸な２次曲線状である。

第６図は切断角度と周波数温度特性の頂点温度
及びその際必要な端面の傾きとの関係を示したも
ので、切断角度βと傾け角αを加減することによ
つて所要の温度範囲（−60℃乃至100℃）で使用
するに適した振動子が得られることがわかる。

又、第５図ｂに示すようにX′軸を水晶の＋Ｘ
軸（紙面と垂直方向）に一致させると共に切断角
度βをさらに増して127゜乃至133゜にし、傾け角を
−2゜乃至−8゜にした場合も上記と同様に良好な周
波数温度特性が得られる。

第７図は第５図ｂに対応した切断角度と周波数
温度特性の頂点温度及びその際必要な端面の傾け
角αを示したものである。

尚、第６図、第７図の傾け角αは計算値を示し
たものであるが、実験によればかなり許容範囲が
あり、この値から数度ずれても差支えない。又、
振動子のＸ方向の幅はすだれ状電極の指の長さが
10波長以上あればよく、圧電基盤の幅は高々その
２割程度で十分である。

（発明の効果）以上、詳細に説明したように本発明によれば、
ラブ表面波の変位方向と平行な基板の少くとも一
つの端面は所定の傾斜角を有し、該基板端面での
ラブ表面波のエネルギー損失を低減したことによ
り、レイリー波を用いた振動子の有する欠点を除
去して、周波数温度係数の良好な圧電振動子を提
供することができる。

又、本発明の圧電振動子によれば、特にＱを高
くすることができ、しかも周波数調整も簡単であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電材料の板の両面に電極をつけた従
来の圧電振動子を説明する説明図、第２図はレー
レー波を用いた従来の表面波振動子の構成図、第
３図はすべり波を利用した圧電振動子の構成図、
第４図は本発明に係る圧電振動子の構成図、第５
図は共振周波数の温度係数を零にするための水晶
の切断方法を説明する説明図、第６図及び第７図
は切断角度と周波数温度特性の頂点温度との関係
及びその際必要な端面の傾け角と切断角度との関
係を示した図である。１…圧電材料の板、２，２′…電極、１０，２
０，３０…圧電基盤、１１，１１′，２１，２
１′，３１，３１′…すだれ状電極、１２，１２′
…すだれ状反射体、２３，２４，３２，３３…端
面、４１…水晶。

Claims

【特許請求の範囲】１圧電材料基板の表面に励振電極を形成すると
ともに、該励振電極を除く基板の表面に振動エネ
ルギーを閉じ込めるための表面層、あるいは表面
膜を設け、該励振電極によりラブ表面波を発生す
る圧電振動子において、該ラブ表面波の変位方向
と平行な基板の少くとも一つの端面は、 α＝tan^-1（C′₅₆／C′₆₆）但し、αは前記基板の端面での傾斜角、 C′₅₆，C′₆₆は基板のステイフネス弾性係数に示す傾斜角を有し、該基板端面でのラブ表面波
のエネルギー損失を低減したことを特徴とする圧
電振動子。２励振電極が形成された圧電材料基板の該励振
電極を除く表面の一部に表面層あるいは表面膜を
設けて、ラブ表面波を発生させるとともに、該ラ
ブ表面波の変位方向と平行する前記基板の少くと
も一つの端面で所定の傾斜角を有する圧電振動子
において、前記圧電材料に水晶を用い、その法線
（Y′軸）が結晶のＹ軸からＺ軸方向に33゜乃至39゜、
又は126゜乃至134゜の回転角を有し、かつY′軸が33゜
乃至39゜の回転角を有するときには端面を表面の
法線からＺ軸方向に1゜乃至11゜、126゜乃至134゜の回
転角を有するときには−2゜乃至−8゜傾けたことを
特徴とする圧電振動子。