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光弾性効果による光線の変調とその応用研究(第4報) : Plano-Convex AT-Cut水晶振動子の厚味すべり振動応力分布の測定

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Academic year: 2021

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(1)Title. 光弾性効果による光線の変調とその応用研究(第4報) : Plano-Convex AT -Cut水晶振動子の厚味すべり振動応力分布の測定. Author(s). 山形, 積治. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 29(2) : 19-33. Issue Date. 1979-02. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6025. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要 (第2部A) 第29巻 第2号. l i i i fEducat IA)Vo i tyo ido Un on l lofHokka on(Sect s ver Journa .29 .2 ,No. 昭和5 4年 2月. Feb 97 9 r ua r yl. 光弾性効果による光線の変調とその 応用研究 第 4 報 P1ano‐Coevex AT‐Cut 水 晶 振 動 子 の 厚 味 す べ り 振動応力分布の測定. 山. 形. 積. 治. 北海道教育大学旭川分校物理学教室. ion bythe Dynamlc icat ion ofthe Lightハ4odul Study on the Appl at Photo‐E1ast ic Ef fect ibut ions Report No.4 M easure1α1ents of Thickness ‐Shear Stress Distr lat ing P1ano…Convex AT‐Cut Quartz CrystaIResonator l ofthe osci i i YAMAGATA Sek i i Phys i ido Un i i ikawaCo l l on csLabor ve r s r at ory ege y ofEducat ,!sah ,Hokka Asah ikawa070. Abstract. .nth i heth ickness i ibut i t t ‐ Shears r ess r onsof a p1ano‐Convex AT‐ s paper S Cut quartz ,t , T6 ,d. fal l i。n method crystaires。natorare measured by meanso aserprobebeam modu at , Thosestress l d i f l i ht h d 3 d d5 h d i b i t t h ickness t t t t t over one t e un amena, r over one an ‐ shear sr u ons are anayze w. i l l ion frequencles. The measured stress d i ibut i t t ththecom‐ 。sc a s r ons have been compared wi imul ini l te e ated by a f ement method. puted values s. lues showed good The exper lmental va. th the computed values. The absolute value of agreement wi ,the observed stress in the 5th i l l i l l wi i f f i ththa t measured by spencer wi th an X‐ray d overtone 。s ract on to‐ c at 。n agrees we pograph.. 1. は し がき. 先に水晶振動子の動的応力によ ってレザー光線に変調をかけ、 光学系の帰環ループを作り、 電気 2 ) 上述の ・ 系-機械系エネルギー結合係数の極めてノ 」 ・さな水晶発振器が可能であることを提案した1 . 研究を進める中で、 , 水晶振動子の動的光弾性を応用して, 振動子内部の応力分布が観測可能 である 4 5 6 7 8 ) ・ . ’ ’ ・ こ と を知 っ た3. l ano ‐convex AT‐ cut 水 晶 振 動 子 の 厚‘床と り 振 動 に 伴う 前 応 力, T6 今回の報告では特に p , の 分布. 1 0 ) その結 ’ を レ ザ ー 光 線 の 変 調 に よ っ て 測 定 し, 有 限 要 素 法 に よ っ て シ ュ ミレ ー シ ョ ン を 行 っ た9 . (1 9 ).

(3) . 山 形. 積. 治. 果, 実測値と計算値は基本振動, 3 次, 5次倍振動ともによい一致を示した. 従ってレ ザー光線変調法は水晶中の動応力分布を適確に観測する手段であることが知られた,又, 逆に有限要素法は水晶振動子の応力分布を予測する有効な手段 であることも知られる. レ ザー光 線変調法によっ て求めた動応力の振幅の絶対 値は Spence rがX線回析顕徴法 で求めた 1 1 } 応力の絶対値と同程度 の信頼性があり, 手軽に試行できる動応力測定装置として, 水晶以外の物 体の振動の解析にも有効である. 2. 水晶における光変調論 振動している水晶 による光変調の要因には電気光学効果と光弾性効果が考えられる. 水晶が機械. 的固有振動の周波数 で振動している場合は前者は後者に比較して無視できる. 即ち光変調は水晶内. 部の動応力によって生ずる,. 直線偏光光線が水晶結晶中を通過すると複屈析が生じ伝播速度の異る互に 直角 な電気変位成分. D, 2とする, 但し シ .は常光線の結晶中 , D2を有する直線偏光光線に分れる. これらの光速を 盛 り での光速 で, り は異常光線の光速 任意の方向に光線を進めた場合 である 今 2 , 両光線の位相差角 , , 6は結晶中の光路長をhとして ( 1 ) s ‘Spr となる. この結晶を直交 亙たo z ’ ’鶏 の間に置き, 輝度工oの光線を入射して, 透過光の輝度1を 観測すれば ( 2 ) in22のs in26/2 /;Z os 2 )は水晶振動子が静止している場合 となる. 上式でのは偏光子Pだsm とD・との間の方位角 である.( 1 3 } 2 水晶振動子が機械的共振を伴 )に変調 の式 であるから, 透過光線の直流成分を示す . った時には(. 1が含まれる, 交流成分は動応力による位相差角 βの微少振動 △御こよるから,( 2 ) 成分(交流成分)△. を βで微分して. △Z;(ヱ。/2)s in22のs inβ△β. ( ) 3. となる. 上式は . . . オ. 3″. 3冗. - す’. 2’ 2 ’. ( 4 ). の=て’ ÷す’ 4 ’ 4 )で示されるようにセッ トすれば動応力による変調が最も効率 で最大となる, 従っ て, 各々の角を(. 4 ) 的 であ る1 ,. 3. AT‐cut水晶板の応力-光学係数 ≧板の座標軸を (え, ゾ, Z) で示す. 両者 水晶結晶本来の座標軸を (x, y, z) で示し Ar‘〃 1 )式の 位相差角を一義的に決定 F ヱ の関係を 省 . に示す. 振動子に対する光線の入射方向がわかれば( される, 振動子が機械的な共振を行い, この振動が幾種類かの動応力を水晶内部に 生ぜしめたとす れば一本の光線に対する光変調成分は各々の総和となる, 故に ( 5 ) △6=〆& +〆& + … … +〆66 ) (20.

(4) . AT-Cu t水晶振動子の応力分布. と示される. 上式の成分は光弾性の理論より ( 6 ) 5 と な り, ( )式 は 応力, T’ f , を用 い て. . ( ) 7. ず ニー. ’ ’ ’ 云板座標系を基準とした動応力 の最大振幅 であり T. となる.TどはArα‘ , ,T2,T3 は垂直応力 であ ’ ’ り, T4,Tざ ,Tdは勇断応力を示す, C/(Q) はズーZ 面に平行に入射し, z 軸とQ なる角 度をな す光線に対する応力-光学係数 でありPa z o e ‐ o弱化 係数 mjの関数. cKQド デ 薦. ( ) 8. と なる. 上 式 で A は 光 線 の 波 長 で, れo= 屍評琵 で水晶の平均屈析率 で だ”は AT‘” ‘座標系に座標. ) 変換した PZ ezひop云た 係 数 であ る2 . ば 境界を有する Ar z 板水晶振動子 を厚味とり振動 で励振した場合, 板の屈曲モー ドが結合する ‐ c ことが知られている. その様子を無限平板, 境界を有する 板について, F忽 . 効こ示す, 即ち勇断応力 ’ 1 5 } T’ 6と 垂 直 応 力 T ,が 伴う ,. これらの応力に対する応力-光学係数は光線の入射角 立に対して F g z .3のようになる. Cぞ@)の 1 7 ) 計算は別報にゆずる . 著者らが実験によっ て求めよう としている応力はT’ 6であるから応力-光 0傾け て光線をA射すればT’からT’ を ( )の最大になる方向, Q=3ぴ, 即ちZ’軸より30 9 学係数 C6 . 6. /. ’. … 1 , .. ;. y. . . ・. ′ y. o ミ ー ‐ 、 ・、 、. \ 、 、、 、. (b ) x. ′. ’ X. 0 ′ γ=35 15. a:inf ini te crystaーplate. indー ig (xyz ) or , coordinqt@ ′ ′y~z) AT‐cut (x , coordinqtg. b:bounded cr staー ー t y pa e Fig.2 Pure th ickness ‐ ‐shear mode of the in 1 f ini ic 1 te p ate and th くness shear mode ion of the bounded th a aexur wi e mot. inat Fig.I An AT‐cutpl e at eand AT‐cut coord. l at e p ,. ten r l sys ,. 1 ) (2.

(5) . 山 形. 槍. . 治. . ′ox i Z s. x-d8rqd′cm/dyne oの. tb i ′ l gh x l Atcutp o. Fig.3. 。. X dxis. l lre Ca ic coef f ic ient ofthe AT‐ tz crys ta - cul ated st r ess ‐ opt cut quar ’ and T’ r ’ and C’ are coef T C f i f h i t t t r e s sonator r es e s s c e n s o 6 , 6 , . ’ ive ly is l rom z ef - ax pect , ,Qisan ang. 分 離 し て 観 測 す る こ と が 可 能 であ る. 又, Q; ooで光 線 を 入射 す る と T’ .が 求 ま る. こ れ らに,つ い て. は後で報告する. 4. 応力分布. ( 4 2 )式と( 3 )式の比をとれば )式の条件の下で( 9 ( ). △ヱ〃 =△6 となる,( 7 )は単位長当りの位相差角 であるから, これを光路長 鳩こっいて積分を実行して. Qの と示される. これが測定される位相 差角 である. 従っ て( 9 )式を用いて 1. △ヱ. . 1 1 ( ). (22 ).

(6) . . AT‐Cu t水晶振動子の応力分布. となる, 光電子増倍管に入射する光の強度変 化に対して出力電圧が正比例す るならば△ 1 1は光電子 / V V 増倍管の出力電圧の交流分 。 /Vdこ等しい, cと直流分 d cの比Vo 。 実測によると著者らの実験の輝度範囲では光電子増位管はリニアであったの で, 前記の置きかえ が可能であり, T’が z’方向に一様であるならば ridね= r物 であるから. ・拷 Tに肉を声. q 2 ). となり, 光線が透過 している点の応力T’ る。 但し V。 fが求め・ 。は交流出力電圧の最大値で示す. この ’ ’ 光線をx 方向又はy 方向に走査すれば各々の方向の応力分布が測定 できる, 5. 実験装置. ・ ぷ 繁 C 雲警『鯖誓誇示滋養肇蔓 。 旨 多 A) を用 い, 同 図 に 示 す よう に b (ピン ホ ー ル, , の=o,5 mm) , c (偏 光 子) , bz(ピン ホ ー ル, 必=. 2 B 醍 . -。-- i. h i. f. o,2mm) に 導 き 径 の 小 さ な 偏 光 ビー ム を 作 る, 次. ter ー ot p ” ” 八 y. 調 をか け る. 続 い て g (位相雲 母 板) に よ っ て 適. F ig,4 Expe imen lapparatus(a; He‐Ne gas t r a. にd (水晶振動子) に導き内部応力によって光変 正光学バイアス (. ・ ・ ・ ・ ・ )に調 ÷ ,琴, 琴,・. 整 し, ね(検 光 子) を 通 して, z(光 電 子増 倍 管, 東. 芝 p財-5o)で輝 度 変 化 を 電 圧 変 化 に 変 換 す る. 光. 電子増倍管の出力中, 直 流電圧 Vd。は 真 空 圧 計 で 測定し,他方,交流電圧 Vq 。は同調増幅器によって. q. c .qmP・. r c デ rl 豊驚 きi 一驚n豊里 i , 濯ぎ ー t r e c 。des rshim,g;retarder ,h ,f;pape ・ i f d l i l i ー i h t t i r r er o m u e e r o ; ;ana p ;p yz , , hn i lt f t ) r o rmer a ans .. ‐ 増幅し, 半波整流し,ブ(差動トラ ンス)によっ て測定された走査量の関数として × ‐Y プロ ッターに 記録する.この場合,増幅器-整流器間の正確なゲインを確認し,交流電圧の最大値 Vはに換算する . 走査に関する機械的精度はマイクロメーター程度が必要であり, この方法による測定応力の最ノ 」 ・ 限界は光源, 同調増幅器, 光電子増倍管の雑音によって決定され, 実測 で5 ×104dyme/cm2であ る. 6. 有 限要 素 法 に よ る シ ュ ミ レー シ ョ ン. 6. 1 基礎方程式 平面の2次元 運動方程式は F省 .5のよう な外. 力 p の下 では p. た- のり)◎. ( 1 3 ). と な る. た は 弾 性マ ト リ ッ クス,ノは 質 量 マ トリ ッ ク ズ であ る.〔。 〕は 変 位 ベ ク ト ル であ っ て, 同 図 の. 三角 形要素の i,. ,, m の 各 々 の 変 位 を. ◎{; } } 一仁} 。 ,◎{; ,{. q ) 4. p ・. 1 (x f ,瞬き ,. ラ Z′ノ. .. 、 v - 〆 、 、 、. ” ノu \ ′ ー 、. m. ... 〆 X′. Fig l inedatnode.i t sp acemen sdef .5 Di ,. とす れ ば要 素 e に つ い て {α}=” の びみ 鋤, 〕↑}. y. 1 5 ) ( (2 3).

(7) . 山. 形 榎. 治. であり, 板全面については お〕=お, び 2 ぴ3… …びmF としたもの である. のは角周波数 である,. q 6 ). 著者らの実験 では水晶振動子を電気的外力 (圧電効果) で励振するが, 水晶に対して電極を極め 3のオーダー である 従っ 0- て疎に結合させているため, 電気系-機械系エネルギーの結合係数は1 ,. て, この場合, 振動子は近似的に弾性自由振動の状態にあるものとして取扱うことが可能 であり, 0 3 )式の外力 p=0とおくことができ,固有方程式となる,この方程 式を解くと振動子の固有周 波数と それに対 応する振動モー ドが求まる. 上の変位から各要素の応力 ベクトル. モ ド伽 ー. と歪エネルギー. [ 〕TD者CD o一/8△ &;L3. 6 ) 但 し C は 水 晶 の ”功労28 が 求 ま る1 cut 水 晶 に つ い て は, z’軸 に 垂 s s定 数 マ トリ ッ ク ス であ り, AT‐ .. 直な二次元面では. qの ‐ 2ニ -1〇 ニー ( >も; 86 ・49 .O5 , Ci =29 c≦ = 129 2; ・39 .9 , (%6= 1 0 2 > <10 ‘むり 2e s/c フ タ 2. 5 ) D は 要 素 e の 変 換 マ トリ ッ ク ス であ り △ は三角形要素eの面積 でL は板の厚味で( 1 2 と な る1 )式 3 , . “. のhに相当する. 〔oa rβは厚味方向 (z’方向) では 一様であると仮定する. 添字のTは転置を意 味 す る.. 〃 ″ Z. 6. 2 実験用資料と要素のとり方 著 者 ら が 実 験 に 用 い た 〆”7 20 ‐のi z肥尤 Arα” 水. 30 、. 晶振動子は F名 .6に示うような板である.円周の一. 0 の 傾 き で切 断 さ れ て い る 部 がz轍”こ対して 30 のは応力, T’ 6 , を測定するレザー光線を通すため である. 切 断に あたっ てはあ らか じめ 探 針法に. よって, 振動子表面の電荷の分布を測定し, 電荷 の分布の存在しない範囲で切断した. 切断によ っ. て, 振動モー ド及び周波数ともに影響のない事を 確 認 し て い る.. 1 計算に用いる要素は F壱 o こそう 断面 1 l . 6の だ車. に 対 し て 騒ぎ . 7の よ う に と っ た, こ の モ デ ルは y ’方 向(厚 味 方 向)の T’ の 分 布 を シ ュ ミ レ ー シ ン ョ 6 するために用いる 同図にも示すように y’方 向 の. . 節点数を多く し, 22等分した,. (2 4 ). 、 、\・. ゑ. 今. … 弓ゾ. \、 /. -. ”↑ ×. ‐鼻 叩 -I X′. -. ′. l. い や9 ,6や 弓 ATcut ;キ14.00 拳i nt:m m) ;. 25 1 fQ - - - ー…ーーー. ′ Y. 1ム5 .. lr Fig.6 P1 t ta z crys e - ano‐ convex AT‐cut quar 0 l l 30 sonator e y AT Z‐ pat , ,name.

(8) . AT-Cut水晶振動子の応力分布. x’方向には3等分し1 32個の三角形要素を作っ た. 計算した変位の様子を F省 .8に示す. 次に ズ ’ ’ 方向のT’ 分布を計算するために断面の右半分 のモデルを作 た x 方向に4等分し 6 っ . , y 方向に16 28個の要素を作っ た.右半分だけのモデルをとっ た理由は F省 等分し,1 .8でみたように厚味たり振 動は左右対照になり, 半分だけ考慮すればよく計算機のメモリーの節約になる この時の変位の計 ,. --- -. - -1ム o m m X I -- - --- -- - - 亭 , 1. mmx 3 。7. 3x22. di visions. Fig.7 Fini l t l ee ement mode ,. (a)fundam mt細. (. (b)3rdovertone. (b)3rd o〉ertone. sc川ati)n. funda menta{ ー oscデ ーation. osci ー ーation. ーaticn L osci. (c) 5th overtone. (c) 5th overtone ー lation osci. ー osci ーation. Fig.8 Di l ickness sp acement s of th ‐ shess v l ‐ br ion computed by a f in i l te e at ement. Fig,9 DiSp 1 aCement S of thickessShear V . - br ion comput in i l te e at ed by a f ement method .. method .. (2 5 ).

(9) . 山 形. 楯. 治. 算結果は 騒ぎ ,9のように なる. 7. 実測値と計算値との比較 ’方向の応力分布 7, l y ’ 厚味たり振動の 応力T’ 6のy 方向の分布の実測値を実線で示し, 有限要素法によっ て計算した値 を基本振動については Fを .ヱ捌こ各々示 . 互 に5倍振動について Fを .ZOに3倍振動についてはF省 1 2 )式に従って応力の絶対値で示し, 計算値は相対値で示してある. いずれも両者のよ す. 実測値は( い一致を示す. 又, Z姉毎 月こ実測共振周波数 と有限要素法によ って計算した周波数との 比較を示 す. 両 者 の よ い 一 致 を み る こ と が でき る.. プ ブ光線が1 00%水 尚,F省 .ヱ0~ヱ2において板の境界付近 で実測値が小さ な値を示す理由は ロー os30 で割り補正を加えた. 晶中を透過 できず, 散乱が生ずるものと思われる. 実測値はc 2 X’方向の応力分布 ’ 厚味たり振動の応力T’ .ヱ3に示す. 実線は基振動, 点線は3倍振動, 破 6のx 方向の実測値を F省 線は5倍振動の応力 分布を示す.実測した位置は各々について F名 .ヱ0~ヱ2の最大値を示す点(中央 ’ 部) をx 方向に走査した. F省 , 辺 に示す. .9のモデルで応力分布を計 算したものを Fを 両者の比較の結果よい一致を示す, F名 s30 で割り補正して ある. .ヱ3の実測値はco 7.. N ′ × E05 f I06149MH z, F . . U un . ′ だ y in9 3VRp t exci a ′ も ( ,ヂ8oou 多 、、 Z , ; , 、 、 , 妥03 \ : %: ′ .. 、. 、 、. ′ ′. 、の. 2 冨0 , の ①. 1 豪0 ,. ′ ′ ′. 、. ′. ′ ′. 、 \. co m puted. meqsured. //. \. . う Q E 3 o 0 . u 」 ○ + の の ① 2 0 . わ の 」 ○① 上 の I ① 0 , 〉 二 口 琶 」. O. O 0. 0.2. 0,ム. y′ direction. 6 0.. 0.8. /yg y′. 1 .○. ickness ion ofp i Fig.1O Th i ibut t r ‐ convex AT‐ cutr esona ‐ ‐ shear st ress d s ano. i l osc i旦at ion f lcurve;r torv th the fundamenta r equenncy i l ea ‐ v ,rea l d d d l d d t t t sur e vauean o e curve;compu e vaue .. ) (2 6.

(10) . . Q *. 3 t fr=5 .00 49 MHz,5th o‐‐ .. . } コ ちQ ^ ハ O 1 「 に . 0 U キ 」 ttt I 」○ } O 三 B のの . み. 」 150只A) 5VRP( I = ingl t exci . P ー 、 ′ 、. ′へ ′ 、、. . . . ′. ′ ー ′. 、 Y. \. ′. ′. ′. t. . . 受03. グヘ、 グ \. . 8. . 新 01. ○ 5沢 . 心. \. . 」. 葛. . . . . 3呈 ○ .. ′ ′. . \. 0 4薪 . 」. i. ー. ゴ ) ①. . . . {′. 影. =/. と (. . . i. . の. 2些 ○ ‐. , す. ぬ . み .. . . . ′. \. . . . . 0 ① 1 上 Q E O U. . . - , . ‐ *. ≧!. 8. . . 」. O 0. 0‐2. y Fig‐1I. 0. 4. 0.6. 0‐8. 1 .o. 0. dire dion y?yば. Thi is ibut ion of plano‐ t t ckness - she ぞ 江 s r ess d r Convex AT-Cut ion f ththe3 resonator wi requency rd overtoneosciuat ,curve; l l ted curve;co measured va ue and dot l nPuted va ue .. 1 F ig‐12. . ・ . , . ー . - ・. の 虚 0 . ① 〉 - } ロ. 2 0 .. . . 0.2. ①. L Uの ー の ち 」 . f i. 蓬2. ′、 ′ハ. . . . U の 4 2 . . t. ‘ ,. . 6 ‐ 巨. 、 、. 亀. . . o 7君 .. t in9 3VRp exci. 竺o 5 .. /. 0 8ヨ .. 02606 MHz,3rd fr=3 .. ′ へ. 、. ・. ▼. 0‐4. 0.6. 0‐8 1 .. ー ①」. O. yβdirection y7y g. Th ick is ibut ion of pl t l l ess ‐ she そ a r st ress d ano 1 ‐ convex AT‐cut i且a直on f ththe 5th over esonator wi tone osc r requency l 「 ve; ,cu lueand dot ted curve;co l measu ; r ed va l nputed va ue ..

(11) . 山. 形. 積. 治. Table I Resonant f requenc les ,. ) edf (MHz comput r. ) edf (MHz measur. l f t a undamen i l l i t on osc a. 1.0000. 1.06149. t 3r dover one i l l i t on os c a. 3.0080. 3.02606. 5thove t r one i l i l t a on osc. 5.0621. 5.00349. の ○ [ X N F」 u\ ⑯ 仁 > ℃ の の s L } の 、 一 n ) ○ 」 の 、 口 〔 コ ↑ L o 中 0 Fig.13. r. 7の 0 受” 6N こ」U. ′ / ′/. 5\ ⑮ こ 〉 4U m の 3⑩」 } の 2十 日. \ ‘ , \. . \ \. , 7 3rdo t . .. )\、\ 0260MHz 」(3 . 、. ′. ′. .2. o 上 1} 町 」 o 0↑. fund,. \ 15MH が、 1 o6 ( . .ム. X′ direction. .6. .8. /×も X′. 1 .○. l ibut ionsof p i t convex A1‐ t ano‐ Measuredthicknessshears s r ress d ’ r inate ionof AT- cutcoord ect esonatorin x-di cutr .. 8. 実測値の信頼性 実測した動応力の絶対値の信頼性を SPの2 e rがx線回折顕微法によ って測定した応力の絶対値 c と比較する. )で振動させた SP β ’ ’だの の実験によれば, 著者らと同様な水晶振動子を5倍の倍振動(約5 M Hz. 1 - m8 場合, 励振電流 (結晶電流) 1”A当りひずみは s’ 6=1.37×1o (”A ) であ っ た, 著 者 ら の 実 験 では電極間隔が2.oi ’ “の平行平板電極の間に振動子を置いて, 電極間に1.50Vp 〃 ‐ かの5倍振動の励 A 滋 ずみ に換算し 50” となる. この値をひ 振電圧を印加した時, 結晶電流は 1 , 更に応力, 6に , ,. 直すと. lp=150”A. S’ 6=I.37×10‐8×150=2.06×106. ’ s’ =6 06×10d nes/cm2 T’ 5y 6= C 6 6 6 . ’ =2 93×lo l ldynes/Cm2 where C 6 6 . ) (28. 御).

(12) . . AT-Cu t水晶振動子の応力分布. の よう に な る. 但 し C’ cut水 晶 板 の 弾 性 6 6は AT‐. 1 .. 係数 である,. 5倍振動の応力の実測値は F省 ,ヱ2及び F省 ,ヱ3. 5th o t ( c) , .. 声8. 2 6 に お い て, 最 大 値 でT’ 6=6.5×10 dynes/cm で あ 1 )の 報 告 と一 致 し 実測 結 果 は 信 る か ら,SPg 7 7ce〆1 ,. の. 襟 の のの. n L. 頼 で き る,. 新 」 mの. 9. む す び. 【 の ①>. 益鷺素“呈 溺霧 蓬謄繁 g 濁 露薙を 内 霊 2 を試みて 一応の結果を得た 従来 水晶振動子 ,. .. ,. の 振 動 モ ー ドの 観測 に は 探 針 法 , ホ ロ グラ フ ィ 法. 等と表面変位を測定するものが主で, 内部ひずみ. o. は そ の 類 推 か ら 求 め て い た. し か し, こ の 方 法 は. 直接応力・ひずみを観測する方法として有効であ . り, 他方面への応用も大きい, 特に “ ,倍振動の場合, 応 力 の 分布 が 基本 振 動 の. 1/〃 の 波長 でn 層 状 に n層 のく り 返 し に な っ て い. (a) nd,OSC. 一 帯 一.. ,5. ,6. 7 .. ′ di ion X rect. 8 ,. 0 ,9 1 ,. xソxb. i Fi t ‐ edthicknessshearstress distr g.14 Compu ・ but ions 爾 p l ano ‐ convex AT- cutr esona ‐ ionofAT‐ t cutcoordinate o rin ズーdirect ,. る点を実験的に確認できたことは大きな成果である.. 次に,有 限要 素 法 に よ っ て 〆の“ の撚りeェATα” 水 晶 振 動 子 の 厚 味 た り 振 動 の シ ュ ミレ ー シ ョ ン を. 行い, 実測値を裏づけることができた. 逆に有限要素法は Ar‘” ‘振動子の設計に有効 であろう , 又, 水晶にかぎらず, 他の振動体に対しても, レザー光線の変調法と有限要素法の組合せは, 振 動解析の強力な手段となる,更に有限要素による s“””函加 川こよ っ て,P毎〃o ‐の〃〃〃×振 動 子 の 曲 率 の 変化に対する共振周波数の変化も知 ることができた, この点については別報にゆずる .. 謝辞 研究全般について常に適切な助言をいただいている北大・工学部深井一郎教授並びに実験装置の 整備に関して協力を得た可合利明氏に感謝します 有限要素法による計算実務について同修士課程 , 山本和光氏 (現住友電工) の協力を得, 実験の面で同修士課程奈良真一氏 (現通研) 及び同教室研 究生曽我部藤夫氏 (現浜猿払中) の協力を得ました. 資料水晶の提供は東洋通信機 (株) 岡野庄太. 郎氏の好意によります. 計算には北犬大型計算センターの FA CO財230-Z 5を用いた, 協力下さっ ‐ た方々に感謝します.. 参考文献 ( 1 ) 山形, etal: 信学 会 誌, Vol ;6 (1971) .54A, No .371 ,p . ”St Y d d S Y D i i b i M 2 t 1 ing Quar ( )1 亡 t i 1 1 a s r aa n m a a a : r e s s r t a s u o n t th Lase easu r ementin os ta g C a r z Cr s wi . ・ ys “Conf Pr 1 ica ISys obeBeam, t t I EEE,Diges er enceonLas t ic IPape erandE ec roop tofTechn em,OSA/ r a s .38 ,p 1976 May ( ) .. ( 3 ) 山形, 安田:昭45電連合・道大会予稿, p 03(昭45 ) ,1 . ( 4 ) 山形, 安田;信学会全国大会予稿、 分用2, p 1(昭46 ) .21 , ( ‘:信学会全国大会子稿,分冊4、 p ) 杉原, 傷 口 5 2 47(昭4 ) 9 .1 , (2 9).

(13) . 山 形. ) ( 6 ( ) 7 ( ) 8 ( 9 ) 1 ( の QD. 横. 治. ) 0 l:昭50電連合・道大会子稿, p 60(昭5 t 山形; e a .1 , l l: 応物 誌, Vo t 山形, e a .308 .3 (1973) .42 ,p . , No. ) l:昭49電連合・道大会予稿, p 45(昭49 t 内沼, e a .1 . ) 81(昭51 l:昭5 t 1電連合・道大会子稿, p 山本, e a .1 , 、 i l:信学会会・電波全大会予稿, p 7(昭に t 山本, e a .40 .. ” l V ar “ rk i i IAcous ess t cs . ca .127 V.J ,1968 ,p ,New Yo . ,p t A,AcademicPr , vo .Spencer: Phys ”A Stud ont M d l i byan AT‐ i fL i h M h t h t cut d o u a o n dl Y m h i e c a n s o 日 U e Y g t r a s u a Q 2 ) S , n m aa ー y c u , , , amagaa , , l 975 ionl IA)vo ion(Sec t i f 敷iuca ive t fHokka ido Un t lo t r s t副 P1 a ePJ .47 , t yo Qua ourna .1 .26 ,P r zCrys ,No ,1 “ i f:“Pr inc ip l l rk es s esofopt cs 0 3 ) M.Bornand E. Wro .694-698 , ,pp ,1970 ,New Yo , Pergamon Pr. ’北大工最終講議資料 (1 5 97 ◎ 安田一次,”結晶光学を応用した水晶発振器’ . . 2. 5) てJ APP ” l 1951 I IP1 ionofCrys 1 lvibr ta t dF S h T h i k in a es′ at ran exura .3 c ess ea .Phys . .22 . ,No ,( ◎ R ,vo , .C.Mindl Ma ) rch ,316 , ,p. l 4 ) 98 7 仰 山潮, 加川:日本音響学会誌, Vo .3 .7 (19 ,p ,30 , No .1 ,1978 , 節 山形積冶:光弾性効果による光線の変調とその応用研究, 第3報, 北教大紀要(2部A) ,No , voL29 p .15 ,.. 附録. 2. A,2 Secondrankt ensor の 座 標 変 換 ’ ×’, ×’ 基 準 座 標 系 ×, 2 , × 3で示 す と , x2 , x3で示 さ れ て い る 2 次の テ ン ソ ル を 新 し い 座 標 系 1. き, 変換式は. , ’ βx ) × 為 ’ ).(ax x’ 乙 た ! jx‘= (axノ 焔xf. (A 2. 1). /βx々 ) は2次テンソルの変換係数 であって, 各々 ( ) 内は方向 となる. ここで (aズメaxa・(aズ乙 1姉を A2-ヱ の よ う に な る. 又, 同 図 余弦となる. Fを .AZ-ヱに示すよう な場合, その方向余弦は 7 Zの‘ e A2-2 と なる. のような回転角 (の , メ 亨) の場合 α”は 座標変換の2~3の例を示す, 今, Stress ma ix t r. 〔B〕. St in ma ix t r r a. 〔A〕. iance matr ix compl. 〔s〕. i ix f fness ma t t r s. 〔c〕. (A2.3). - ---y. 冊. . . . i l ivedbythr t ‐ cutOA. iquep l l r om a Z eer o a onsf Fig. A2-I Anob at e o’A’ ,der. 0 ) (3.

(14) . AT-Cr t水晶振動子の応力分布 Tabl e A2-1 残. . . . α 1 1=方面÷-a差. . . Tabl e. ′ . る. . . α 1 1=寄宿 ÷ ÷-寓さ ≦ ÷. α 2 1;富 三 ;÷-言 う『. α 2;言 2 夜 毎÷-βズ を. . α ! 3に 箸 -簾. 伽‐ 器 - 鰭. 伽- 嘉 -鰭. A2-2. G(の , γ, . 1 1 . CO SのCo i sγCo i s夢-s nのs n彰. 夢). . ^ 1 Z一Co i sのCo i sγs n 彰一s n のCo s夢 1 ^ ・× C } o sのCo sγ “ . 2 1 s l nのCO SγCo i s夢十Co sのs n夢 2 2M Y-s i 1 nのCo sγs n夢十Co sのCo s夢 2 ^ “ロ s l nのs l nr ^ . 3 1-s i nγCo s夢 ^ ^ 3 2s i in夢 nγs ゴ ^ ーロ. とすれば. [A] = [s] [B] [B] = [c] [A]. (A2 , ,3). と 示さ れ る, 座標 系 を (x, ) か ら (ズ, ,x2 ,x3 , ,ズ2 ,ズ3) に 変 換 す る と. [B’ ] = [F, ] [B] = [F, ] [c] [A] となれ, [F. ] は [B] の変換 ma i t r x で (A2.1 ) 式により,. 匝J=. (A2,4). 〆.. メー. メー. 2α2 ・α 3 .. 2α3 ・α ・ ・. α&. α&. 噂2. 2α2 2α 3 2. 2α3 2α ・ 2. 2α ・ 2α 2 2. 〆3. 牙 α 3. 〆3. 2α 2 3α 3 3. 2α 3 3α ・ 3. 2α ・ 3α 2 3. 2α・ ・α 2 ・. α 1 2α ) (の2α 1 3 α 2 2α2 3 α 2α3 3 3 (α 2 2α3 3十α 2 3α3 2) (α 3 2α ヱ 3十α 3 3α , 3 2 3十α , 3α 2 2). (A 2. 5). αuα1 3 α 2 1α 2 3 α 3 1α 3 3 (α ) 2 3α3 1十α 2 1α3 3) (α 3 3α”+α 3ぬ1 3) (α 1 3α2 1十α“α 2 3 α“α1 2 α 2 ,α2 2 α 3 ,α3 2 (α 2 1α3 2十α2 2αa l) (α 3 1α1 2十α 3 2α , 1) (α , 1α2 2十α , 2α 2 ,). となる. 又, 逆変換は. [B] = [F,] ‐1 [B’ ] = [F2] [B’ ] (31 ). (A 2. 6).

(15) . 山. [F2 ];. 2α2 2α 2 3. 2α2 ・α 2 3. 2α2 ・α 2 2. 2α3 2α 3 3. 2α3 ・α 3 3. 2α3 ・α 3 2. ば3. 2Q ピ 白3 ー 24. 〆.. 〆2. α者 3 ば3. 治. 2α・ ・α ・ 2. 〆2 吋2. 積. 2α ・ ・α ・ 3. 〆. 〆.. 形. 2十α 2 2α3 1 1α 3 3 α 2 1α3 α 2 α 3 2 α 2 3α 3 1十α2 2 2α3 2 2α 3 3十α 2 3α 2 3α3 3 α 2 1α3 1 α α3 1α”. (A 2, 7). α 3 2α ー ー 1α1 3 α 3 1の2十α 1 2 α 3 3α 1 ,十α3 1 3 2α 1 3十α3 3α 3 3α 1 3 α 3 2α 2 α. 2 2十α1 2α 2 ー α=α2 3 の1α 2 α 1 3α2 1十α=α2 2α2 3十α 1 3α2 2 2 α 1 3α 2 3 α 1 1 α 1 2α. ix は in [A] に 対 す る 変 換 mat t r と な る, 更 に s ra ’ ] [A ] = [D,] [A] = [D, [s] [B]. (A 2. 8). よ り,. αみ. αず .. α2 .α 3 ・. α3 ・ 1α・. の1α 2 1. α&. α&. 〆2. α2 2 2α 3. α3 2α ・ 2. αi 2 2α 2. αf 3. ば3. 好3. α 2 3 3 3α. α3 3α ・ 3. α1 2 3 3α. メー. [D. }=. 2α 2 α ・ 2α2 3十αー 3α2 2 ・ 3 2α・ 3十α 3 3α 3十α 2 3α 3 2 α 2 2α2 3 2α 3 2α 3 3 α 2 2α 3 , 2α, 3 2α. (A2.9). 2の.α, I I 3α2 I十αI Iα2 3 3α”+α 3 ・α 3 α 2 ,十α 2 ,α3 3 α3 ,α3 3 α 3α 3 2 ,α 2 3 2α3 3 2α 2αuα, 2α2 1 3 2α 1 1 α 1 1α 2 2十α1 ・ α 3 ・αI 2十α 2 α 2 ,α 3 2十α 2 2α3 2 2α 2 ,α 2 2 2α 3 .α3. ix は r と な り, 又 逆変 換 mat ] ] [A, ] = [D2 [A] = [bl] - [A’. (A 2. 10). よ り,. [D2 ]=. 〆.. ば2. αゐ. α. 2α . 3. α 1 1α ・ 3. α 1 2 1 1α. d.. ば2. 瞬3. α2 2α 2 3. α 2 2 1α 3. α2 1α 2 2. メー. α&. α&. α3 2α3 3. α3 ・α 3 3. α 3 iα 3 2. 2α醐引 2吻 伽 2α叩溺. 伽 伽+鍍 伽. α筋伽 十α姻澗 α鱈 伽 +ぬ ぬ,. ) (A2.11. 2α 3 2α 1 1 3 α 3 1α 1 2十α 1 I 2 α 3 3α I I十α 3 Iα 3 2α , 3十α 3 3α 3 3α, 3 α 2α1 2 2α 3 .の, 2α 3 2α 2 1 2α 1 3 α I Iα2 2十α ・ 3α2 ・十α”α2 2 α , 2α2 3十α , 3α2 2 3 α , 2α . 2α2 2 2仏3α , .α 2. ] の逆行列 であることが ], [D2 ] は [Fd , [D. 0) 式から [F2 6) 式, (A2.1 となる,(A2. A2 ) A2 式と ( 9 1 1 ( 7 ) ) を比較し A2 5 ) 式と (A2 わかる, 又, ( , . を比較すると . , . 2) (A2.1 1 ( A2 D ] = [ 2r [F2 .3). となりお互いに転置行列の関係にある. 0 ) 式を代入し 次に弾性定数 [c] 及び [s] の変換について考察すると (A2.4) 式に (A2.1 て. ] ] [A’ ] = [c] [A’ ] [c] [D2 ] = [F, ] [c] [A] = [F, [B’. (A 2.14). ) (32.

(16) . AT-Cr t水晶振動子の応力分布. ] = [ F,] [c] [D2] wher e [c’ .. 8) 式に (A2.6) 式を代入して となり, (A2. ; ] = [s’ ] ] ]〔s][F2 ][B’ [B’ ] = [D, [A’ ]お ][B] = [D. ] = [D’ e [s’ wher ,][s][F. を得る, (A 2,15) 式及び (A2.17) 式は Fouthra曲 polartensor の 座 標 変 換 であ る.. (A 2,15). (A2,1 ) 6 (A 2,17). 附録の参考文献 “ IPhys ic fl i ta ac 1 t 1, V.P,N rkl966 r s ses es s son:”Crys so nt e on Pr oce a .11一35 , , AcademicPr ,NewYo ,PP “ ” iezoe l ic i D P b I N Y kl 9 4 6 6 5 8 3 NC ty 2, い,C.Cady: P - ect r r e o r o v e u w P P . . . , , , , ,. (3 3).

(17)

参照

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