JPS61251307A - 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】 〔目次〕 ・概要 ・産業上の利用分野 ・従来の技術 ・発明が解決しようとする問題点 ・問題点を解決するための手段 ・作用 ・実施例（第１図〜第１０図） ・発明の効果 〔概　要〕 リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４０ｒ　）から成る
振動板の最適切断方位（結晶方位）を指定し、かつ振動
板の幅（Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）の最適範囲を
指定して、厚みすべりモードの圧電振動子の共振周波数
温度特性の向上、小形化、及び良好な単一モード発振の
実現を可能とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明はリチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４０ｒ　）
圧電単結晶を用いて形成した厚みすべりモードの圧電振
動子（ストリップ型）に関し、特に振動板（ストリップ
状振動素子）の切断方位（結晶方位）及び幅と厚さの比
（Ｗ／Ｈ）に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の圧電振動子は、一般に、圧電材料から薄板状の
素片を切り取って振動板（振動素子）とし、この振動板
に適当な電極を配設して形成されるものが多い。この圧
電振動子は、交流電界を加えると、圧電効果により、こ
の電界の周波数と等しい周波数のひずみを振動板内に生
じ、電界の周波数が振動板の弾性振動の固有周波数に一
致した場合に、この振動板が共振して強勢な振動を行な
うようになる。圧電振動子は上記のような性質を利用し
たもので、一般に振動損失が小さく、共振周波数が周囲
条件の変化に対して安定であり、広い周波数範囲にわた
って充分な再現性を有するものに製造することができる
という利点があるため、発振器やフィルタ用共振器に広
く用いられている。

従来の圧電振動子は、その振動板の圧電素材として、水
晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｉ）　、タンタル酸
リチウム（リチウムタンタレート。

ＬｉＴａ０＋）などが多用されている。しかしながら、
これらの圧電素材は次のような問題を有している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

水晶は周波数温度係数が小さいという利点を有するが、
電気−機械結合係数（約０．７％）が小さいという問題
があり、振動子が大形化される。また、ニオブ酸リチウ
ム（ＬｔＮｂＯｚ）　、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａ
Ｏ：＋）は電気−機械結合係数（それぞれ、約６２％、
４７％）が大きいという利点を有するが、周波数温度係
数が大きいという問題があり、周囲温度の変化に対して
安定性に欠ける。

そこで、近年、水晶よりも電気−機械結合係数（約２０
％）が大きく、かつニオブ酸リチウム、タンタル酸リチ
ウムよりも周波数温度係数が小さい（安定した）特性を
有するリチウムテトラボレート（ＬｉＪｔＯｌ）と呼ば
れる圧電材料が開発されている。しかし、この材料から
作成される厚みすべりモードの振動板（振動素子）の最
適切断方位（結晶方位）が未だ決定されていない。

本発明は、このような点にかんがみて創作されたもので
、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ＊Ｏｙ　）圧電単
結晶を用い、この単結晶の結晶異方性を利用し、振動板
の最適な切断方位（結晶方位）、及び幅（Ｗ）と厚さ（
Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）を指定することにより、共振周波数
温度特性を改善し、かつ小形化及び良好な単一モード発
振が可能、な厚みすべりモードの圧電振動子を提供する
ことを目的している。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するため、本発明においては、リチウ
ムテトラボレート（ＬｉＴａ０＋）圧電単結晶から切断
された振動板１１の主要平面１１ａ、Ｉｌｂ上に一対の
互に対向する一電極１２ａ、１２ｂを設けた厚みすべり
モードの圧電振動子１０において、前記振動板１１はリ
チウムテトラボレート圧電単結晶のＸ、Ｙ、Ｚ結晶軸に
関して、Ｙ板をＸ軸を回転中心としてＸ軸回りに６０°
±１０°回転させ、 かつ、この回転角度を保った状態でＺ軸を回転中心とし
てＸ軸回りに３６０°回転させた３６０゜全範囲におけ
る任意の回転角度の切断方位で切断され、 さらに、その幅（Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）が１
．０〜４．０の範囲で形成されたことを特徴とするもの
である。

そして、前記振動板１１はＹ板をＸ軸を回転中心として
Ｘ軸回りに６０’　±１０°回転した切断方位で切断形
成されたもの、及びＸ板をＹ軸を回転中心としてＹ軸回
りに６０°±１０°回転した切断方位で切断形成された
ものが好ましい。

〔作用〕

リチウムテトラボレート（ＬｉＪａＯｒ　＞圧電単結晶
の結晶異方性を利用して振動板１１の切断方位を上記の
如く指定することにより、共振周波数−次温度係数をほ
とんど零に設定することができ、また振動板１１の幅（
Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）を１．０〜４．０の範
囲で指定することにより、共振点（共振周波数）付近に
大きなスプリアスのない良好な単一モード発振を得るこ
とができる。

〔実施例〕

第１図から第５図は本発明実施例の説明図、第６図から
第１０図は本発明実施例に関する実験値を示す図である
。

第１図は本発明の実施例（厚みすべりモードの圧電振動
子）１０の説明図であり、第２図は第１図の振動板（振
動素子）１１の切断方位指定説明図である。

本実施例１０は、第１図に示すように、リチウムテトラ
ボレート（ＬｉＪ＊（ｌｙ　）圧電単結晶から後述する
ように最適切断方位で短冊状に切断形成された振動板１
１と、この振動板１１の主平面１１ａ。

１１ｂ上に設けられた一対の互に対向する駆動電極１２
ａ、１２ｂとから成る。尚、符号ＷとＨは振動板１１の
幅と厚さをそれぞれ示し、矢印ａ。

ｂは振動変位方向を示している。そして、本実施例（振
動子）１０はその長手方向両端が端子電極１３ａ、１３
ｂにそれぞれ支持される。駆動電極１２ａ、１２ｂは振
動板１１の幅と一致して設けられ、その一部が端子電極
１３ａ、１３ｂにそれぞれ接続される。端子電極１３ａ
、１３ｂはセラミックベース１４上に設けられた厚膜電
極１５ａ。

１５ｂ上にそれぞれ固定される。尚、符号１６ａ。

１６ｂはスルーホールを示す。

次に、第２図を参照して、振動板１１の切断方位を説明
する。同図において、Ｘ、Ｙ、ＺはＬｉＪ４０を単結晶
の結晶軸を示し、１１は振動板を示し、θ哄Ｘ軸回りの
回転角度（又はＹ軸回りの回転角度）、φはＸ軸回りの
回転角度を示す。このθとφとにより多結晶の切断方位
すべてを指定することが可能である。。さて、（イ）図
に示すように振動板の主平面１１ａがＹ軸に垂直で、そ
の長辺と短辺が２軸とＸ軸にそれぞれ平行であるＹ板１
１−１を想定する。次に（ロ）図に示すように、（イ）
図のＹ板１１−１をＸ軸を回転中心としてθなる回転角
度だけ回転した回転Ｙ板工１−２を想定する。本発明で
はこのθをθ＝６０°±１０″に指定している。次に（
ハ）図に示すように、（ロ）図の回転Ｙ板１１−２を２
軸を回転中心としてφなる回転角度だけ回転した切断方
位を有するものが本実施例の振動板１１である。本発明
ではこのφを０°から３６０°変化させた全範囲におけ
る任意の回転角度に指定している。従って、振動板１１
はφ＝０°、１８０”の２点で回転Ｙ板となり、φ＝９
０°、２７０’の２点で回転Ｘ板となる。

次に、振動板１１の切断方位（θ、φ）をこのように指
定した理由を第３，４図を参照して説明する。第３図は
ＬｉＪａＯｗ　　（厚みすべり（スロー）モード）の共
振周波数−次温度係数の計算値を示す図であり、全結晶
方位におけるＯｐｐｍ／”Ｃ。

２０ｐｐｍ／’Ｃ，・・・の温度係数を等面線で示して
いる。また、第４図はＬｉＪａＯｗ　　（厚みすべり（
スロー）モード）の半共振周波数−次温度係数の計算値
を示す図であり、第３図と同様に全結晶方位における一
２０ｐｐｍ／’Ｃ，４０ｐｐｍ／’Ｃ，・・・の温度係
数を等面線で示している。これらの図において、Ｘ軸と
Ｙ軸の交点を通りｘ−ｙ軸面と垂直な線をＺ軸としてい
る。第３図において、例えば、ｙ−ｚ軸上（φ＝０°）
における零温度係数を与える結晶方位はθ＝　５０．９
°となり、また、θ＝５７゛、φ＝３０°の方位におい
ても温度係数がＯとなる。第４図において、例えば、Ｙ
−２軸上（θ＝０°）のθ：５０°において温度係数が
−６０°ｐｐｍ／’Ｃとなる。このように、θを６０゛
±１０゛の範囲で、かつφを０°から３６０°の全範囲
における任意の方位を適宜に指定して切断することによ
り、零温度係数の振動板１１を形成することができる。

そして、本実施例は、エネルギー閉じ込め型となるため
、エネルギーの閉じ込め、量により温度特性を制御する
ことが可能である。

第４図に示すように、反共振周波数−次温度係数は全方
位にわたって負の値をとる。そして、共振周波数−次温
度係数の値が正で、その絶対値が反共振周波数−次温度
係数の絶対値よりも小さければエネルギー閉じ込め量の
制御により零温度係数を有する圧電振動子を実施するこ
とが可能である。

第５図は本発明実施例と水晶振動子の温度特性（計算値
）を示す線図である。同図において、横軸に周囲温度（
例えば、室温℃）をとり、２５℃を基準温度に設定し、
そして縦軸に共振周波数変化率Δｆ　ｒ（ｐｐｍ）をと
り、本発明実施例の特性は実線で、水晶振動子の特性は
一点鎖線で示している。

尚、この場合、本実施例はＬｉ２Ｂ４０．のθ＝　５０
．９　’回転Ｙ板、水晶振動子は３５°　２５’ＡＴ板
を用いたものである。本実施例は、図示のように、その
頂点温度が基準温度（２５°Ｃ）にほぼ−敗し、基準温
度（２５℃）に対して変化率　Δｆ、が全体的にゆるや
かであり、水晶振動子は一４０℃。

１００℃から変化率Δｆｒが急激に大きく変化する。

第６図は本発明実施例の温度特性の実験値を示す線図で
あり、θ＝　５１．４°、５０．７°、５０．０’（そ
れぞれφ＝０°）のＬｉｚＢ＜Ｏｔの厚みすべり（スロ
ーモード）振動子の温度特性を示している。

θ＝　５０．７°のものは頂点温度が基準温度（２５℃
）となり、従って一次温度係数がほぼ零となる（第３図
参照）。θ＝　５０．０°のものはその頂点が基準温度
（２５℃）に対して負となり、従って一次温度係数が負
となる（第３図）。そしてθ＝５１．４゜のものはその
頂点温度が基準温度（２５℃）に対して正となり、従っ
て一次温度係数が正となる（第３図）。このようにこの
実験値は前出の一次温度計数の計算値（第３図）とほぼ
一致している。

第７図は本発明実施例（６ＭＨｚ厚みすべり振動子）の
共振特性（実験値）を示す線図である。

図示のように、共振点（共振周波数）ｆｏ付近にスプリ
アスのない良好な単一モード発振となっている。また、
この場合、機械的Ｑ値はｔｏ、ｏｏ。

という大きな値が得られ、安定した発振が可能である。

第８図は厚みすべり振動子（Ｌｉ２Ｂ４０）、ストリッ
プ型）の振動板の幅（Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）
に対するスプリアスの周波数スペクトル（実験値）を示
す図である。図中、Ａ、Ｂ、Ｃで示す破線はスプリアス
の計算値、・印はスプリアスの実測値、Ｏ印は主振動の
実測値を示している。図示のように、Ｗ／Ｈの値を変え
ることによりスプリアスが移動する。図において、主振
動とス４プリアスの結合がなく、単一モード発振が得ら
れるＷ／Ｈの範囲は、図中斜線で示す領域であり、Ｗ／
Ｈが１．０〜４．０の範囲となる。従って、本発明実施
例ではＷ／Ｈの値を１．０〜４．０に指定することによ
り、良好な単一モード発振を得る。ことができる。

第９図はＷ／Ｈ＝１．５の厚みすべり振動子の共振特性
（実験値）を示す線図である。同図において、ｆｏは共
振点（共振周波数）、ｆＩはインハーモニックオーバー
トーンによるスプリアス、ｆ２は反共振点（反共振周波
数）をそれぞれ示す。

この場合は、図示のように、共振点ｆ０付近に大きなス
プリアスがなく、゛良好な単一モード発振が実現されて
いる。この振動子は、そのＷ／Ｈ＝１．５なる値が本発
明で指定したＷ／Ｈ＝１．０〜４．０の範囲に入ってい
るものである。

第１０図はＷ／Ｈ＝５．０の厚みすべり振動子の共振特
性（実験値）を示す線図である。同図において、ｆｏは
共振点（共振周波数）、ｊ、はスプリアスをそれぞれ示
す。この場合は、図示のように、共振点Ｉ０付近に大き
なスプリアスｆ１が発生し、発振子として使用した場合
、発振が不安定となる。この振動子は、そのＷ／Ｈ＝５
．０なる値が本発明で指定したＷ／Ｈ＝１．０〜４．０
の範囲から外れているものである。

第９図と第１０図の実験値から明らかなように、本実施
例はＬｉ２Ｂ４Ｏ，の振動板（振動素子）の幅（Ｗ）と
厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／　Ｈ”）を１．０〜４．０の範囲
内に指定することにより良好な単一モード発振を実現す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によればル１ＪａＯｒ圧電
単結晶の振動板（振動素子）の切断方位（結晶方位）、
及び幅（Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）を上述の如く
に指定することにより、共振周波数温度特性の向上、小
形化、及び良好な単一モード発振の実現が可能であると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例を説明するための図、第２図は第
１図の振動板１１の切断方位（結晶方位）指定説明図、 第３図はＬｉ２Ｂ４Ｏｔ（厚みすべりモード）の共振周
波数−次温度係数（計算値）を示す線図、第４図はＬｔ
ｚＢ４０ｙ（厚みすべりモード）の反共振周波数−次温
度係数（計算値）を示す線図、第５図は本発明実施例と
水晶振動子の温度特性（計算値）を示す線図、 第６図は本発明実施例の温度特性（実験値）を示す線図
、 第７図は本発明実施例（６ＭＨｚ厚みすべり振動子）の
共振特性（実験値）を示す線図、第８図は厚みすべり振
動子（Ｌｉ２Ｂ、Ｏ，、ストリップ型）の振動板の幅（
Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）に対するスプリアスの
周波数゛スペクトル（計算値と実験値）を示す図、 第９図はＷ／Ｈ＝１．５の厚みすべり振動子の共振特性
（実験値）を示す線図、 第１０図はＷ／Ｈ＝５．０の厚みすべり振動子の共振特
性（実験値）を示す線図である。 第１図から第１０図において、 １０は本発明のリチウムテトラボレート（ＬｉｚＢｔＯ
ｔ　）圧電振動子、 １１は振動板（ストリップ状振動素子）、１１−１はＹ
板、 １１−２は回転Ｙ板、 １１ａ、ｌｌｂは主要平面、 １２ａ、１２ｂは駆動電極（電極）、 θはＸ軸回りの回転角度（切断方位）、φはＸ軸回りの
回転角度（切断方位）、Ｗは振動板の幅 Ｈは振動板の厚さ、をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、リチウムテトラボレート　（Ｌｉ＿２Ｂ＿４Ｏ＿７
   ）圧電単結晶から切断された振動板（１１）の主要平面
   （１１ａ、１１ｂ）上に一対の互に対向する電極（１２
   ａ、１２ｂ）を設けた厚みすべりモードの圧電振動子（
   １０）において、 前記振動板（１１）はリチウムテトラボレート圧電単結
   晶のＸ、Ｙ、Ｚ結晶軸に関して、Ｙ板をＸ軸を回転中心
   としてＸ軸回りに６０°±１０°回転させ、 かつ、この回転角度を保った状態でＺ軸を回転中心とし
   てＺ軸回りに３６０°回転させた３６０°全範囲におけ
   る任意の回転角の切断方位で切断され、 さらに、その幅（Ｗ）と厚さ（Ｈ）の比（Ｗ／Ｈ）が１
   ．０〜４．０の範囲で形成されたことを特徴とする圧電
   振動子。 ２、前記振動板（１１）はＹ板をＸ軸を回転中心として
   Ｘ軸回りに６０°±１０°回転した切断方位で切断形成
   されたものである特許請求の範囲第１項に記載の圧電振
   動子。 ３、前記振動板（１１）はＸ板をＹ軸を回転中心として
   Ｙ軸回りに６０°±１０°回転した切断方位で切断形成
   されたものである特許請求の範囲第１項記載の圧電振動
   子。