JPH05102786A - 圧電振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］圧電板上に主電極と副電極を配設し、副電極に
はダンピングインピーダンスを配設または接続する構造
の高信頼性、高安定性の圧電振動子を提供することを目
的とする。 ［構成］圧電板の表裏板面上に隔離して対向する主電極
と副電極を配設し、主電極の抑制すべき共振周波数にお
いて、両電極は帯域通過型の音響結合フィルタを形成す
ることにより副電極に抽出した振動エネルギーを負荷し
たダンピングインピーダンスで効率よく消費させ、かつ
主電極の所望の共振周波数において、副電極の共振周波
数を異ならしめることにより両電極を不整合状態にして
抑制せず発振させるため、両電極を適当な距離と異なる
形状寸法に設定し、両電極を抑制すべき共振周波数に一
致するよう周波数調整して、副電極にダンピングインピ
ーダンスを接続しまたは配設したことを特徴とする圧電
振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一対の主電極を圧電板
の表裏面上に配設した圧電振動子に関し、特に所定のオ
ーバトーン共振周波数を周波数選択的に抑圧しかつ所望
のオーバトーン共振周波数を周波数選択的に発振可能と
する副電極を配設しダンピングインピーダンスを接続し
た圧電振動子に関する。

【０００２】

【従来の技術】チップ型半導体素子を用いて所望のオー
バトーン共振周波数で発振する小型圧電発振回路を構成
するとき、小型圧電振動子とチップ型半導体素子で構成
する発振回路内に、チップ型インダクタとコンデンサの
同調タンク回路を挿入して周波数選択特性をもたせるよ
うにして、一般に圧電振動子の高次オーバトーン発振の
困難さを解決している。しかし、小型発振回路にあって
は、同調タンク回路の占める容積は比較的大きくなり、
周波数調整を必要とするだけでなく、温度変動により発
振周波数の安定性を著しく損なうことがあるので、同調
タンク回路は除却したい構成要素の一つであった。この
課題を解決する目的の高次オーバトーン圧電振動子とし
て、次の２つの手段が既に知られている。

【０００３】第１の手段は、特開昭６１−２３６２０８
号、同６２−１６８４０９号、同６２−１６９５０８
号、同６２−１６９５０９号、同６２−１６９５１０号
等に開示されたもので、圧電振動板の振動変位分布が励
振電極に閉じこ込められるときに、その振動次数が高次
になるほど、閉じ込め範囲は励振電極により集中すると
いうエネルギー閉じ込め現象の特有な効果を利用したも
のである。このとき、励振電極の近傍に適当な距離をお
いて副電極を隔設しておくと、低次な共振振動ほど振動
エネルギーが機械−電気変換されて副電極上に電気エネ
ルギーとして抽出されるから、この副電極を短絡させる
などして振動エネルギーを消費すれば、低次オーバトー
ン振動とりわけ基本波振動を選択的に減衰させ抑圧で
き、高次オーバトーン圧電振動子を提供できるとするも
のである。

【０００４】第２の手段は、特願昭６２−２３０１０８
号に開示されたもので、第１の手段で特徴的な副電極を
配設することなく、主電極を圧電振動板面上に非対称配
置するだけで、圧電振動板を機械的に保持した保持具に
低次振動の振動エネルギーを機械音響的に伝達させ吸収
し、消散させようとするものである。第１の手段とほぼ
同じ原理に基づいたもので、例えば基本波共振振動を抑
圧した第３次オーバトーン圧電振動子を提供しようとす
るものである。

【０００５】第１の手段は、副電極と主電極を圧電板面
上に同時に配設することができるので、配置、厚み、形
状などの制御を必要とするパラメータを比較的容易に設
定でき製造上有利な手段と考えられていた。電気−機械
変換効率を示す電気機械結合係数はＰＺＴの場合でも約
５０％ほどであるから、この結合係数の自乗に比例する
エネルギー変換効率は約２５％となる。しかしながら、
両電極間の機械音響的整合を全く考慮していないから不
整合損失が大きく、また負荷に対しても電気的整合を配
慮していないから、抽出エネルギーは効率よく消費され
ているとはとても言い難く、主電極の振動エネルギーを
抑制しているのは実質数％に過ぎない。電気機械結合係
数の特に小さい圧電板、例えば電気機械結合係数１０％
の水晶板等において、この共振振動抑制手段では殆ど効
果を期待することはできない。実際に、この第１の手段
による抑圧効果は不充分で動作も不安定であり、未だ広
く実用化されるまでに至っていない。第２の手段は、振
動エネルギーを電気変換することなく機械音響的に保持
器に直接伝達させ消散させようとするものであるから、
前記第１の手段と比較すれば利用し易く実用上有効な効
果を発揮するものと考えられている。しかしながら、各
種振動子について実現させるためには、圧電振動板の最
適な外形寸法と電極配置を求めて実験し確認しなければ
ならなず、これは多分に実証的な手続きであることから
設計の指導原理としては必ずしも適当でなく、合理的な
オーバトーン振動子設計法の確立が強く求められてい
た。その上、第２の手段では、共振周波数が高周波周波
数になるほど実現困難になるなど、解決しなければなら
ない課題も数多くあり、やはり未だ広範に利用されるま
でには至っていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】所望の高次共振周波数
を確実に安定して発振する圧電振動子を実現する有効で
合理的な設計方法を確立するためには、次の基本課題を
解決する必要があった。従来は、低次共振振動の振動エ
ネルギーを主電極と副電極の間あるいは主電極と保持器
の間に自然に存在する機械音響的結合を利用して抽出し
ているが、音響的整合に関しては全く配慮されていな
い。すなわち、物理的に隔設された２電極の間あるいは
電極と保持器の間にある不整合状態の音響的結合を単に
利用しただけであるから、抑圧すべき振動エネルギーの
一部を抽出しているに過ぎず、しかもこの不整合状態で
抽出した振動エネルギーは電極短絡あるいは機械的保持
により、同様に電気的あるいは機械音響的に不整合状態
のままにその一部が消費されあるいは消散されるだけで
ある。終局、抑圧すべき振動エネルギーの極く一部が抑
制され得るに過ぎない。つまり、安定性と信頼性を備え
る高次共振周波数のオーバトーン圧電振動子を実現する
ためには、抑圧すべき共振周波数において、主電極と副
電極間を機械音響的に整合させ最も効率よく確実に振動
エネルギーを抽出し、そしてこの抽出したエネルギーを
可能な限り最大限に消費させるようにしなければならな
いと共にに、発振目的の所望の共振周波数において、主
電極の振動エネルギーを可能な限り副電極に抽出しない
よう、両電極間は音響的不整合状態に維持されていなけ
ればならない。

【０００７】本発明はこの課題に鑑みてなされたもの
で、抑圧すべき共振周波数において、主電極と副電極は
通過帯域型音響結合フィルタを形成して主電極の振動エ
ネルギーを周波数選択的に効率よく副電極に抽出し同時
に副電極に接続または配設してあるダンピングインピー
ダンスにおいて消費させるよう、さらに所望の発振周波
数において、主電極と副電極を不整合状態にして発振周
波数を抑圧しないよう、両電極の構成パラメータを設定
したことを特徴とする高次オーバトーン用圧電振動子を
提供することを目的とする。本発明は、この課題を解決
するため次の２つの現象を利用するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】第１は、圧電板の表裏板
面上に電極を配設するとその共振周波数が圧電板の共振
周波数（遮断周波数）より低下する現象を利用する。こ
の周波数低下量は電極の厚みだけでなく形状寸法によっ
ても変るから、たとえ同じ電極材の同じ厚みの電極を配
設したとしても、電極形状がより小さいと、実際の（見
かけ上の）周波数低下量は少ないことが知られている。
図５にこの関係を示たものである。すなわち、圧電板の
表裏板面の全面に電極を配設しときの電極材の厚みのみ
に依存する真の周波数バック量Ｒｔに対して、電極の形
状寸法も考慮に入れた見かけ上の周波数バック量Ｒｑの
間には、非直線的な周波数バック量関係が成立するとし
て周知されているものである。そしてこの両周波数バッ
ク量と電極形状の関係は、オーバトーン次数と共に変化
し、次数が高騰するにつれてその差異が少なくなること
が知られている。本発明はこの関係を利用してなされた
ものである。すなわち、本発明の実施例である図１と図
２の例に沿って説明すると、２つの電極の電極幅と電極
厚みをそれぞれ主電極１（Ｗ１，Ｈ１）と副電極２（Ｗ
２，Ｈ２）においてＷ１＞Ｗ２であるとすると，主電極
１の基本波共振周波数ｆ１ｍに副電極の基本波共振周波
数を周波数調整して一致させたとすると、Ｈ１＜Ｈ２の
関係が成立する。一般に基本波振動と比較してオーバト
ーン振動は電極周辺により閉じ込められているから、見
かけ上の周波数バック量Ｒｑはオーバトーン振動次数の
高騰につれて電極形状にあまり依存しない関係になる。
つまり、真の周波数バック量と見かけ上の周波数バック
量との周波数差は小さくなるから、副電極２のオーバト
ーン共振周波数ｆ３ｓは主電極１のオーバトーン共振周
波数ｆ３ｍよりも低くなるから、ｆ３ｍ＞ｆ３ｓの周波
数関係が得られ、その結果両周波数は一致しないことに
なる（図３）。

【０００９】第２は、圧電振動板の基本波を含むオーバ
トーン共振周波数の間で簡単な整数倍（奇数倍）関係が
成立しない現象を利用する。この関係は、圧電振動基本
式より導出される周波数関係式に表現されるもので、経
験的にも熟知されている。この関係を板面垂直方向に分
極が施された圧電セラミックの厚み縦振動を例にとって
説明する。勿論のことではあるが、板面平行方向に分極
された圧電板の厚みすべり振動あるいはその他の圧電材
質の厚み振動系においても同様な関係式が成立してい
る。厚み２ｈの無限セラミックス圧電板において、厚み
縦振動の共振周波数関数式は、式１に示す通り、電気機
械結合係数項（Ｋ２６）を含む正接関数超越方程式とし
て表わされるから、この関係式の根は図５の曲線と直線
の交点として求められる。これより、電気機械結合係数
（Ｋ２６）が０でない限り、共振角周波数係数（ηｎ）
ｈ（ｎ＝１，３，５．．．，ηｎ＝ωｎ／ｃ，ωｎ：ｎ
次のオーバトーン角周波数，ｃ：媒体内の音速）の間に
は、単純な整数（奇数）倍関係が成立しないことが容易
に理解される。

【００１０】本発明は、これら２つの現象を利用し構成
したもので、圧電板の表裏板面上にモノリシックフィル
タ類似の主電極と副電極の２電極対を隔設し、主電極の
抑圧すべき共振周波数において両電極は帯域通過型の音
響結合フィルタを形成するよう、かつ所望の共振周波数
において両電極の共振周波数を一致させず音響的不整合
状態となるよう、該各電極を適当な距離と異なる形状寸
法に設定し、主電極の抑圧すべき共振周波数に副電極の
周波数を周波数調整して、副電極にダンピングインピー
ダンスを接続または配設することにより、主電極の所定
の共振振動を周波数選択的に抑圧し、かつ所望の共振振
動を周波数選択的に発振可能にする圧電振動子を実現し
ようとするものである。

【００１１】

【実施例】図１及び図２に本発明の一実施例を示す。主
電極１の基本波共振周波数ｆ１ｍを抑圧して第３次オー
バトーン共振周波数ｆ３ｍを選択的に発振する目的の圧
電振動子の圧電板構造を示したものである。圧電板４の
表面上には、主電極１と副電極２が隔設され、裏面には
共通電極３が表面上の主電極１と副電極２に対向して配
設されている。電極幅Ｗ１，Ｗ２が異なると、両電極
１，２を基本波共振周波数ｆ１ｍに調整すると副電極２
の厚みＨ２を主電極１の厚みＨ１よりも厚くすることが
できる。そして、主電極１の基本波周波数ｆ１ｍおい
て、両電極１，２は通過帯域型の音響結合フィルタを形
成できるが、両電極の形状寸法が異なるため、斜対称振
動の共振周波数ｆ１ａにおいて必ずしも良好な通過帯域
を形成できず、図３に示すような歪んだ伝送特性を示
す。この圧電振動子を接続して例えば図３に示す発振回
路を形成すると、発振増幅部６にある基本波周波数ｆ１
ｍの周波数成分は、主電極１から副電極２に接続のダン
ピングインピーダンス５（整合インピーダンスＺ）に効
率よく伝達され消費されてしまうから、基本波周波数ｆ
１ｍの発振は効果的に抑制されてしまう。副電極２に整
合インピーダンスＺを接続することは、一般に帯域通過
型フィルタの出力端のインピーダンス整合に相当し、抑
圧すべき基本波周波数ｆ１ｍの成分は損失少なく高い効
率で副電極２のダンピングインピーダンス５に伝達され
消費される。そして副電極２の電極厚みＨ２が主電極１
の厚みＨ１と異なっているから、所望の主電極第３次オ
ーバトーン周波数ｆ３ｍと副電極２の第３次オーバトー
ン周波数ｆ３ｓとは一致せず整合しないから、第３次オ
ーバトーン周波数ｆ３ｍは副電極２に伝達し消費されて
減衰することなく良好に発振できる。この実施例では、
電極形状のうち長さ方向の寸法Ｌ０を等しく設計してあ
るので、幅方向の寸法をＷ１≠Ｗ２に設定する。ここで
幅方向の寸法を等しくして長さ方向の寸法を異なるよう
にしても、あるいは両寸法とも共に異なるようにしても
よく、両寸法が異なる場合は、２電極構成において通常
発生する斜対称振動をより効果的に抑制することができ
る。両電極間の距離Ｇ０は、抑圧する基本波共振周波数
ｆ１ｍの減衰量と、所望の第３次オーバトーン共振周波
数ｆ３ｍに対する影響とを勘案して設計するが、距離Ｇ
０を大きくとると、通過帯域は狭帯域化してフィルタの
挿入損失量の増大に相当するようになるので抑圧効果が
減衰するから、基本波周波数ｆ１ｍの抑圧効果と所望す
る共振周波数ｆ３ｍに対する影響の両者を勘案して決定
されなければならない。しかしいずれにせよ、モノリシ
ックフィルタの設計手法をそのまま適用できるので大変
都合がよい。なお、図３において、伝送特性は斜対称振
動の共振周波数ｆ１ａで損失大きく歪んだ伝送特性を示
しているが、これはむしろ好ましい特性である。なぜな
らば、所望のオーバトーン共振周波数において斜対称振
動のオーバトーン共振周波数が同様に出現すると、所望
の発振周波数と一致しこれを抑圧してしまう恐れがある
からで、できる限りこれら斜対称共振振動等の不要振動
モードは抑圧されなければならない。なお、ダンピング
インピーダンス５は、表面実装型の小型抵抗器に限定さ
れることはなく、カーボン皮膜あるいは金属成膜等によ
る抵抗膜を両電極間に形成させたものでもよく、必要に
応じて、この抵抗成分にさらにコンデンサ等のリアクタ
ンス成分のインピーダンスを並列接続あるいは配設させ
たものでもよい。ダンピングインピーダンス５と副電極
２の接続は、圧電振動子より外部に電気導出して配線に
より接続することも可能である。共通電極３は、それぞ
れの主電極及び副電極に対向して独立に、両電極と同一
パターンを配設してもよい。副電極に抵抗材質膜を用い
ると、ダンピングインピーダンスを付加するのを省略で
きるが、配設後に抵抗値等の調整は必要となる。本実施
例において、抑制すべき共振振動を特定の高調波共振振
動としたが、全く同様にして不要振動モードによるスプ
リアス振動も抑制することができる。この場合、一般に
主振動と比較すると不要振動モードの温度による変化が
非常に大きいから、温度変化の途中で音響結合が疎にな
り易く、あまり広い動作温度範囲を目的に設定すること
は適当でない。本発明を水晶振動子に適用すると電気機
械結合係数がことさら小さいことから、従来例と比較し
てきわめて有効に機能させることができる。

【００１２】図７に本発明の他の実施例を示す。前記図
１の実施例において、主電極１と副電極２がモノリシッ
クフィルタと類似の構成をとっているため、なお斜対称
振動の共振周波数ｆ１ａが発現することがあった。主電
極と副電極の形状を非対称にすればある程度の抑制効果
を期待できるが、さらに抑制効果を高めるため、主電極
９の両側端に２つの副電極７，８を隔設すると、共振振
動による副電極上の誘起電荷が両側で減衰されるから効
果的に抑圧される。副電極を共通接続すればさらに効果
的で、所望のオーバトーン共振周波数の近傍において、
斜対称振動のオーバトーン共振周波数が発生する恐れも
なく大変都合がよい。なお、副電極７と８の抑圧すべき
共振周波数を異なるよう設定する場合、電極の形状寸法
が異なるから各々独立して周波数調整でき、それからダ
ンピングインピーダンス９，１０を接続すればよい。例
えば、基本波と第３次オーバトーンを抑制し第５次オー
バトーンのみ選択的に発振させることができるなど、所
望の次数のオーバトーン共振周波数を発振させることが
可能となる。この場合、副電極７と８は互いに異なる形
状寸法に設定されているから、異なる形状寸法と誘起電
荷の相殺の効果により、斜対称振動の抑制の効果はその
まま維持されている。従って図１の実施例と比較する
と、抑制効果は一般に顕著で、所望の発振周波数に対す
る影響も大きく、電極間距離を幾分大きくとる必要があ
る。その他の動作と特徴は、図１の実施例の場合とほぼ
同様である。

【００１３】図８に本発明の他の実施例を示す。各副電
極１１，１２，１３，１４は、主電極１６とそれぞれ独
立に抑制すべきオーバトーン共振周波数において帯域通
過型の音響結合フィルタを形成しかつ所望のオーバトー
ン共振周波数において整合しないように、各副電極の形
状寸法及び厚みが設定される。主電極１と各副電極１
１，１２，１３，１４の距離は、抑制すべきオーバトー
ン共振周波数の抑制度合と所望のオーバトーン共振周波
数への影響度合を考慮して設定されることは、前記各実
施例の場合と同様である。図８の実施例の構成によれ
ば、例えば第７次オーバトーン圧電振動子を得ようとす
る場合、基本波と第３次と第５次と第９次のオーバトー
ン共振周波数を抑圧するよう、主電極１と各副電極のパ
ラメータを設計すればよい。この設計は、幅方向の伝播
と長さ方向の伝播について、モノリシックフイルタとほ
ぼ等しい計算手続きを各々２回必要とし、多少複雑では
ある。

【００１４】

【発明の効果】本発明の構成を採ることにより、機械−
電気変換効率の劣る、例えば水晶などの圧電板において
も、所定の振動エネルギーの機械音響的整合による抽出
手段により初めて効率よく抑圧すべき周波数の共振振動
を周波数選択的に抽出し抑圧可能になったもので、抑圧
すべき共振周波数を合理的かつ的確に設計できるように
なった。特に、モノリシックフィルタと同様の効果的な
インピーダンス整合手段を採用すべく副電極にダンピン
グインピーダンスを配設しあるいは接続して負荷するこ
とにより、従来と比較し確実で安定な抑制効果を保証で
きるようになった。本発明の他の効果は、斜対称振動の
発生を主電極と副電極の非対称構成によりかなり抑制で
きるが、さらに副電極を主電極の両側端に隔設し電荷相
殺することにより効果的に抑制できるようになった。さ
らにまた、最大４つまでのオーバトーン共振周波数を独
立に抑制することができるようになり、第３次以上の高
次オーバトーン共振周波数の発振を目的とした信頼性の
高い安定したオーバトーン圧電振動子の実現が初めて可
能になった。とりわけ従来より困難であった第５次以上
の高次共振周波数を特に発振することができる圧電振動
子を提供できるようになった意義は大きい。本発明は、
高次オーバトーン振動子の実現だけでなく、特定の不要
振動モードによるスプリアスを除去する手段としても有
効である。この場合、主電極の抑圧すべき不要振動モー
ドの周波数に一致させるよう副電極の共振周波数を周波
数調整する以外は、前記と同様な構成、機能及び効果と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例を示す圧電振動子の圧
電板の斜視図である。

【図２】図２は、図１の本発明の実施例の圧電板の断面
図である。

【図３】図３は、本発明の圧電振動子を接続した発振回
路図である。

【図４】図４は、図１の本発明の実施例の圧電振動子が
図３の発振回路において示す伝送特性図である。

【図５】図５は、圧電板の電極幅寸法Ｗ０をパラメータ
にしたときの真の周波数バック量Ｒｔと見かけ上の周波
数バック量Ｒｑとの関係を示すグラフである。

【図６】図６は、圧電セラミックス板の各共振周波数の
関係を説明するグラフである。

【図７】図７は、本発明の他の実施例を示す圧電板の斜
視図である。

【図８】図８は、本発明の他の実施例を示す圧電板の平
面図である。

【符号の説明】

１ 主電極 ２，７，８，１１，１２，１３，１４ 副電極 ３ 共通電極 ４ 圧電板 ６ 発振増幅部 ５，１４，１５，１６，１７ ダンピングインピ
ーダンス １’， ３’ 引出し電極

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主電極を圧電板の表裏板面上に対向して
   配設し外部に電気導出してなる圧電振動子において、 該主電極から隔離して該圧電板の表裏面上に対向する少
   なくとも一つの副電極を配設し、 該主電極の抑圧すべき共振周波数において該主電極と該
   副電極は帯域通過型の音響結合フィルタを形成して抑圧
   すべき共振周波数をダンピングさせるべく、 かつ該主電極の所望する共振周波数において該副電極の
   共振周波数と異なることにより該主電極と該副電極間の
   音響結合を不整合にさせるべく、 該主電極と該副電極を適当な距離と異なる形状寸法に設
   定し、 かつ該主電極の抑圧すべき共振周波数に該副電極の共振
   周波数を周波数調整して、 該副電極に該音響結合フィルタの負荷インピーダンスに
   ほぼ等しいダンピングインピーダンスを接続したことを
   特徴とする圧電振動子。