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JPS6355245B2 - - Google Patents
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JPS6355245B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6355245B2
JPS6355245B2 JP55086623A JP8662380A JPS6355245B2 JP S6355245 B2 JPS6355245 B2 JP S6355245B2 JP 55086623 A JP55086623 A JP 55086623A JP 8662380 A JP8662380 A JP 8662380A JP S6355245 B2 JPS6355245 B2 JP S6355245B2
Authority
JP
Japan
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vibrator
piezoelectric
electrode
present
thickness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP55086623A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS5713806A (en
Inventor
Hiroyuki Takeuchi
Shigeru Sadamura
Kazuyuki Nagatsuma
Mitsutaka Hikita
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP8662380A priority Critical patent/JPS5713806A/en
Priority to EP81104654A priority patent/EP0043032B1/en
Priority to DE8181104654T priority patent/DE3167430D1/en
Priority to US06/278,729 priority patent/US4490641A/en
Publication of JPS5713806A publication Critical patent/JPS5713806A/en
Publication of JPS6355245B2 publication Critical patent/JPS6355245B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/125Driving means, e.g. electrodes, coils

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

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(Zr1-XTiX
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
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
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
The present invention relates to a piezoelectric vibrator, and particularly to a piezoelectric vibrator suitable as an oscillation element for electronic watches, radio equipment, etc., and an ultrasonic element for NE equipment, etc. A piezoelectric vibrator consists of a piezoelectric body and metal electrodes formed on both sides of the piezoelectric body, and utilizes mutual conversion between electrical vibration and mechanical vibration. Conventionally, the piezoelectric material used in piezoelectric vibrators is zircon lead titanate (Pb(Zr 1-X Ti
Ceramic piezoelectric materials such as so-called PZT-based porcelain whose main component is O 3 ) and piezoelectric crystals such as quartz are known. Examples of piezoelectric vibrators using crystals are shown in Japanese Patent Application Laid-open Nos. 50-56889. However, in a vibrator using such a piezoelectric crystal,
The cutting orientation of the crystal becomes a problem, and precision cutting must be performed to reduce spurious response or the temperature dependence of the natural frequency. On the other hand, ceramic piezoelectric bodies have many advantages, such as being able to obtain a large amount of piezoelectric bodies with uniform characteristics, and a predetermined uniform polarization occurring through polarization treatment after cutting out a thin piece. However, since PZT-based porcelain is essentially a high-permittivity porcelain, the input and output impedance of the vibrator decreases when used at high frequencies, causing problems in impedance matching with external circuits. In particular, recently, high frequencies of piezoelectric vibrators have been advanced, and it is desired to develop piezoelectric vibrators with excellent temperature characteristics and vibration characteristics that can withstand use at high frequencies. PZT is used as a piezoelectric material for such high-frequency, high-temperature vibrators.
Lead titanate PbTiO 3 -based porcelain, whose main components are lead oxide (PbO) and titanium oxide (TiO 2 ), is considered promising because it exhibits a lower dielectric constant and a higher Curie temperature than porcelain. Recently, it is known that the temperature characteristics of PbTiO 3 type porcelain, which had been regarded as a problem, can be greatly improved by adding neodymium oxide Nd 2 O 3 , manganese oxide MnO 2 , etc. 54-41496, JP-A-54-41497, and JP-A-54-41498). This results in
PbTiO 3 -based porcelain has the potential to further expand its range of applications. However, PbTiO 3 -based porcelain has the disadvantage that, due to its small Poisson's ratio, it cannot trap frequency-lowering energy under the partial electrodes like PZT-based porcelain. Therefore, several MHz using thickness vibration
As a vibrator or filter in the range of ~ several tens of MHz, it generates unnecessary vibrations and has the drawback of not being able to increase the Q value. Recently, various methods have been proposed to realize frequency-increasing energy confinement in order to improve the vibration characteristics of PbTiO 3 -based porcelain, but none have been put into practical use yet. The present invention has been made in view of the above points, and its purpose is to provide a multi-MHz signal with a simple configuration and excellent characteristics.
Our goal is to provide piezoelectric vibrators in the ~ tens of MHz band. In particular, the present invention provides a thickness vibrator that can prevent vibration characteristics from deteriorating due to unnecessary vibrations even when a piezoelectric material having a small Poisson's ratio, such as PbTiO 3 -based porcelain, is used. The vibrator of the present invention makes use of the fact that by vibrating a piezoelectric plate in an antisymmetric mode with a phase shift of 180°, spurious waves caused by unnecessary vibrations are mutually canceled out. That is, the present invention provides a piezoelectric vibrator consisting of a piezoelectric plate polarized in the same direction in the thickness direction and electrodes formed on both surfaces of the piezoelectric plate, in which the electrode formed on one surface is divided into two pieces. At the same time, a voltage is supplied to these divided electrodes. Hereinafter, the present invention will be explained in detail with reference to the drawings. FIG. 1a is a diagram showing the configuration of an embodiment of the present invention. The piezoelectric vibrator 1 of the present invention consists of a rectangular piezoelectric ceramic plate 2 and electrodes 4, 6, and 8 formed on two opposing main surfaces of the piezoelectric plate 2, respectively.
As shown in FIG. 1b, the rectangular piezoelectric ceramic plate 2 has a length direction, a width direction, and a thickness direction, respectively.
Direction, determined by direction. This piezoelectric ceramic plate 2
The polarization direction is the direction of arrow P.
The electrode 4 is an entire surface electrode formed on one of the two opposing main surfaces (the surface perpendicular to the polarization direction P) of the piezoelectric ceramic plate 2, and the two electrodes 6 and 8 are formed on the other surface of the piezoelectric ceramic plate 2. It is a polarized electrode divided into two parts with the center line in the length direction (direction) as the axis of symmetry. 10 and 12 are electrical terminals taken out from the divided electrodes 6 and 8, respectively. Moreover, the vibrator 1 of the present invention
The entire surface electrode 4 may be grounded if necessary. Next, the operation of the piezoelectric vibrator 1 of the present invention is shown in FIG.
This will be explained using d. Figure 2 is A- in Figure 1 a.
FIG. 3 is a sectional view taken along line A'. When a voltage is applied between the terminals 10 and 12, an electric field distribution 14 as shown in FIG. 2a is generated inside the porcelain plate 2 because the entire surface electrode 4 is on the other surface. This electric field distribution has a component 16 perpendicular to the polarization direction, as shown in Figure 2b and c.
It can be considered by decomposing it into components 18 and 18' parallel to . For example, as piezoelectric ceramic plate 2
When PbTiO 3 -based porcelain is used, the electromechanical coupling coefficient in the polarization direction of the PbTiO 3 -based porcelain plate is approximately 1 compared to the electromechanical coupling coefficient in the direction perpendicular to the polarization direction.
Because it is an order of magnitude larger, the electric field components in the polarization direction are 18, 18'
The piezoelectric coupling with becomes dominant. Moreover, electric field component 1
The directions of 8, 18' are always completely opposite (180° out of phase) on either side of the centerline 20 of the porcelain plate. Therefore, when an alternating current electric field is applied between the terminals 10 and 12, the thickness longitudinal vibration combined with the horizontal electric field components 18 and 18' is excited, and moreover, as shown in FIG.
6 and 8 are omitted), a thickness vibration in an antisymmetric mode is excited with respect to the center line 20. Therefore, spurious waves caused by unnecessary vibrations that appear in a single strip-like thick vibrator are canceled out. Therefore, even if a piezoelectric plate with a small Poisson's ratio, such as PbTiO 3 -based porcelain, is used, unnecessary vibrations can be attenuated and eliminated, and the Q value can be increased. Next, a method for supporting the vibrator 1 of the present invention will be explained. As shown in FIG. 3, the length l of the rectangular plate 2 is made sufficiently larger than its thickness t and width w, and only one end in the length direction of the surface on which the entire surface electrode 4 is provided is fixed to the support base 22. . The divided electrodes 6 and 8 are formed so that the width w'' of the part facing the support part (support part) is narrower than the width w' of the other part (vibration part).The lead wire 34 is glued to these thin parts. By taking out the electric terminals 10 and 12, a vibrator with a sufficiently high Q value was obtained.In the figure, g indicates the gap width between the divided electrodes. Although the electrodes are provided on the entire surface of the other main surface of the plate 2, it is not necessary to provide the electrodes on the part that comes into contact with the support base 22.Hereinafter, experiments were conducted using the piezoelectric vibrator of the present invention using PbTiO 3 ceramic. We sintered PbTiO 3 -based porcelain containing neodymium Nd, indium In, and manganese Mn, which reduces the resonance frequency temperature coefficient against thickness vibration, and heated it in the thickness direction at 55 KV/cm for 10 minutes (150°C).
Vibrators of various sizes shown in Table 1 were formed from porcelain plates polarized under the following conditions. In the table, l and t indicate the length and thickness of the rectangular porcelain plate, respectively, and w' indicates the width of the vibrating part of the divided electrode. Note that the gap width g between the divided electrodes is 0.2 mm in each case. Therefore, the width of the porcelain plate w
is 2w′+0.2. The electrode pattern was formed by depositing electrode materials (chromium and gold) directly onto the porcelain plate through a metal mask. Table 1 shows the resonant frequency of each vibrator.
The results of measuring f 0 , equivalent resistance R and Q value at resonance are shown. As is clear from the table, according to the present invention, a piezoelectric vibrator with a sufficiently high Q value can be obtained. As an example, Example 18 (w′=0.8mm, l=6mm, t=0.54
Figure 4 shows the resonance characteristics of In the figure, the horizontal axis indicates the frequency f (MHz), and the vertical axis indicates the absolute value of the impedance of the vibrator |Z〓|(Ω). Resonant frequency f 0
is approximately 4.25MHz, and it is clear that a single resonance characteristic with almost no spurious has been obtained. In addition, the Q value determined from the admittance circle near the resonance point was approximately 2200, which was a sufficiently large value. Furthermore, as is clear from Table 1, the equivalent resistance R
And the Q value is l, when the thickness t is constant,
Although it changes depending on the value of w', the resonant frequency f 0 is determined almost only by the thickness t and does not depend much on the value of w'. Therefore, as mentioned above, it can be considered that most of the thickness longitudinal vibrations are excited. This is also clear from FIG. Fifth

【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
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
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。
[Table] The figure shows the relationship between the thickness t of a rectangular ceramic plate and the resonant frequency f 0 from Table 1. In the figure, the horizontal axis indicates the thickness t, the vertical axis indicates the resonance frequency f 0 , and the number appended to each measurement point indicates the value of the ratio w'/t of the width w' to the thickness t of the divided electrode. It is clear that the resonant frequency f 0 has little to do with the width w' of the divided electrode and is inversely proportional to the thickness t. Therefore, by changing the thickness t, the resonance frequency can be changed. Furthermore, there is a preferable size for the vibrator. That is, when the thickness t is determined according to the desired frequency, good characteristics are exhibited when the width w' of the divided electrode and the length l of the vibrator are in the range of 0.5t≦w'≦3t, l≧5w'. Ta. For example, as can be seen from Example 16 in Table 1, when w' became smaller than t/2, the Q value decreased rapidly. Furthermore, as can be seen from Example 22, when w' became larger than 3t, spurious signals began to occur, making it difficult to measure the Q value. Regarding the length l of the vibrator, as is clear from Examples 7 and 8, when it became smaller than 5w', the Q value decreased rapidly. When l was larger than 5w', good characteristics were exhibited within the range of the examples. However, if l becomes too large, it will be difficult to support it, so from the point of view of practical size, l should be limited to about 30 times w'. Also, the gap width g between the divided electrodes is g<
If the condition of w′ is satisfied, a product with good characteristics can be obtained, but from the viewpoint of increasing Q
Approximately 0.2w′ is desirable. Note that the piezoelectric vibrator of the present invention can obtain excellent resonance characteristics without spurious even in the third harmonic. FIG. 6 shows an example of application of the piezoelectric vibrator of the present invention. FIG. 6 shows a two-terminal oscillation circuit, in which a piezoelectric vibrator 1 according to the present invention is connected as shown. In the figure, 24 is a C-MOS amplifier, C 1 ,
C 2 is a capacitor. The capacitors C 1 and C 2 serve as equivalent load capacitance for the piezoelectric vibrator 1 . In addition, the dotted line in the figure indicates the entire surface electrode 4 as necessary.
This indicates that it may be grounded. Next, a method for adjusting the resonant frequency of a piezoelectric vibrator according to the present invention will be explained. Since the resonant frequency of a piezoelectric vibrator is determined by the geometric shape of the vibrator, extremely strict processing precision is required depending on the purpose if the frequency characteristics of the piezoelectric vibrator are to be made uniform during mass production. In reality, it is difficult to completely match a predetermined resonant frequency only at the element processing stage, and the current situation is that products are manufactured using some kind of frequency adjustment method. Therefore, it is desirable to solve such problems with the piezoelectric vibrator of the present invention as well. The piezoelectric vibrator of the present invention has an antisymmetric vibration mode as shown in FIG. 2d by dividing the electrode formed on one main surface into two parts and supplying an operating voltage to the divided electrodes. This is an excited thickness oscillator. Therefore, as shown in FIG.
Even if a minute force 26 is applied on the center line 20 of the vibrator 1, the Q value of the vibrator 1 will not be greatly affected. That is, distortion can be applied to the vibrator without significantly affecting the Q value. Moreover, the vibrator 1 of the present invention can be operated with only one end fixedly supported as shown in FIG.
By applying force to a portion near the other end (free end), a large strain can be applied to the vibrator 1 with a small amount of force. When strain is applied to the vibrator,
Since the resonant frequency changes depending on the amount of distortion,
The resonance frequency can be adjusted by controlling the amount of distortion. FIG. 8 is a diagram showing another embodiment of the present invention,
A frequency adjustment means is added. As shown in the figure, the piezoelectric vibrator 1 of the present invention is placed in a package 28 made of, for example, iron nickel via a support member 22. A minute hole 30 is formed at the bottom of the package cage 28, and an adjustment screw 32 is formed in the bottom of the package cage 28.
is inserted. The tip of the adjustment screw 33 is arranged so as to be located approximately on the center line near the free end of the vibrator. In addition, the two lead wires 34 of the vibrator
is connected to a pin 36 provided at the bottom of the package 28 via an insulator, so that voltage can be supplied to the divided electrodes from outside the package. In addition, there is a ground pin 3 on the bottom of the package cage.
8 is provided, and by grounding this earth pin, the entire surface electrode can be grounded. With this configuration, distortion can be applied to the vibrator by slightly moving the adjustment screw, and the resonant frequency can be adjusted without substantially lowering the Q value of the vibrator. Figure 9 shows the strain S applied to the vibrator 1 by the adjustment screw 32 (calculated from the amount of screw movement) and the ratio of the amount of change Δf in the resonant frequency to the resonant frequency f0 when no strain is applied (change in frequency). It is a figure which shows an example of the relationship between (rate) Δf/f 0 and Q value. As is clear from the figure, the resonant frequency can be adjusted by approximately 6×10 −4 by applying a minute strain of 10 −5 to 10 −4 . Moreover,
The Q value of the vibrator did not change significantly.
In Fig. 9, the vibrator 1 is made of a PbTiO 3 ceramic plate polarized in the thickness direction, with a length l of 6 mm, a width w of 2 mm, and a thickness t of 0.53 so that the resonance frequency f 0 is approximately 4 MHz. In this case, a rectangular plate with a diameter of 1.5 mm is formed, a divided electrode with a width w′ of 0.9 mm is formed on one main surface of this rectangular plate, and an electrode is formed on the entire surface of the other main surface. . As explained above, according to this embodiment, by applying a minute force approximately on the center line of the vibrator,
The resonance frequency can be adjusted by approximately 6×10 −4 without substantially reducing the Q value. Furthermore, the piezoelectric vibrator of the present invention can be used as a pressure (gas pressure) detection element. A gas pressure detection device using a piezoelectric vibrator applies distortion to the vibrator using gas pressure, and detects a change in the oscillation frequency of the vibrator caused by this distortion. Therefore, it is desirable for the pressure detection element to be a vibrator that can handle a large amount of strain against pressure. The vibrator of the present invention operates as a thickness longitudinal vibrator with extremely little spurious. Moreover, the vibrator of the present invention has
Since it can be operated with only one end fixedly supported, a large amount of strain can be obtained by applying pressure near the other end (free end). This is similar to the fact that conventional surface acoustic wave elements used as pressure detection elements can have a large amount of distortion. FIG. 10 shows the configuration of a pressure detection device using the piezoelectric vibrator of the present invention. The vibrator 1 fixedly supported by the support stand 22 is fixed to a stand 40 made of a conductive member and placed in a container 42. Container 42 is a cylindrical glass tube with a closed end at one end, and an open end at the other end joined to base 40 . Further, a gas introduction pipe 44 and a gas outlet pipe 46 are connected to the side wall of the container 42, and the gas is configured to flow from the gas introduction pipe 44 through the container 42 to the outlet pipe 46. The introduction pipe 44 is provided at a position where gas flows into the vicinity of the free end of the vibrator 1 placed in the container 42 . Further, if necessary, the diameter of the portion of the introduction tube 44 connected to the container 42 is made smaller. The two lead wires 34 of the vibrator 1 are connected to pins 36 that are electrically insulated and implanted in the stand 40.
Electrical terminals 10 and 12 are taken out of the container 42. The base 40 is provided with a grounding pin 38, and by grounding this grounding pin, the entire surface of the electrode of the vibrator 1 can be grounded, as in the embodiment shown in FIG. With this configuration, when the gas 48 flows into the container 42 from the introduction pipe 44, pressure is exerted on the free end of the vibrator 1 , so that the vibrator
Distortion occurs according to the pressure, and the resonant frequency changes (the amount of change in the resonant frequency depends on the gas pressure). Therefore, as shown in the figure, the terminals 10,
12 are respectively connected to the terminals 52 of the C-MOS amplifier 50,
54 to form an oscillation circuit, the oscillation frequency will change depending on the gas pressure. In other words, fluctuations in gas pressure can be detected as changes in oscillation frequency. FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the gas flow rate F (and therefore the pressure) and the rate of change Δf/f 0 of the oscillation frequency. As the gas flow rate F increased, the rate of change Δf/f 0 of the oscillation frequency increased, and the oscillation frequency changed by about 4×10 −5 (Δf ~ 160 Hz) for a flow rate of 1/min. Figure 11 shows a rectangular vibrator made of a PbTiO 3 ceramic plate polarized in the thickness direction, with a length l of 8 mm, a width w of 3 mm, and a thickness t of 0.53 mm so that the resonance frequency is about 4 MHz. This is a case in which a rectangular plate is formed, a divided electrode with w' of 1.4 mm is formed on one main surface of this rectangular plate, and an electrode is formed on the entire surface of the other main surface. As described above, according to this embodiment, a highly sensitive gas pressure detection device can be realized by configuring the vibrator to receive pressure at its free end.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

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。
FIG. 1a is a diagram showing the configuration of the piezoelectric vibrator of the present invention, FIG. 1b is a diagram for explaining the length, width, and thickness direction of the vibrator, and FIGS. 2a, b, c, and d is
FIG. 3 is a diagram showing the operating principle of the vibrator of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the method of supporting the vibrator of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing the resonance characteristics of the vibrator of the present invention.
A diagram showing the relationship between the thickness t of the vibrator and the resonant frequency f 0 ,
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of an oscillation circuit using the vibrator of the present invention, FIGS. 7 and 8 are diagrams explaining the frequency adjustment method of the piezoelectric vibrator of the present invention, and FIG.
A diagram showing the relationship between the amount of distortion S, the frequency change rate Δf/f 0 and the Q value, FIG. 10 is a diagram showing the configuration of a gas pressure detection device using the vibrator of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the gas flow rate F and the frequency change rate Δf/f 0 .

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 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。
1. In a piezoelectric vibrator consisting of a rectangular piezoelectric plate polarized in the same direction in the thickness direction and electrodes formed on two opposing main surfaces of the piezoelectric plate, one of the electrodes is connected to the piezoelectric plate. A divided electrode is divided into two with the longitudinal center as an axis of symmetry, and the other electrode is a uniform electrode facing both of the divided electrodes, and a voltage is supplied to the divided electrode to The piezoelectric vibrator is characterized in that it produces thickness vibration in an antisymmetric mode with respect to the center line.
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