JP2004238221A - 圧電結晶材料及び圧電振動子 - Google Patents
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Abstract
【目的】回転Ｙ板の回転角度に応じて任意の頂点温度を得ることができ、かつ形状の小さな振動子片の場合にも副振動の発生を抑圧でき、なめらかな二次曲線状の周波数温度特性を得ることができるりん酸ガリウムからなる圧電材料を提供する。
【構成】本発明は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出したＸ軸方向に細長い振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けたことを特徴とする圧電結晶材料。
【選択図】図１
【構成】本発明は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出したＸ軸方向に細長い振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けたことを特徴とする圧電結晶材料。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、りん酸ガリウムからなる圧電結晶材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）圧電作用を有する結晶としては種々の結晶が知られているが、その一つに、りん酸ガリウム（ＧａＰＯ４）がある。
りん酸ガリウムは、結晶としての相変化が無く、９００℃近い高温域まで圧電結晶として利用することができる。
【０００３】
また、りん酸ガリウムは水晶に比べて電気機械結合係数が大きいので、センサーとしての利用も有望視されている。
そして、りん酸ガリウムを圧電振動子として利用する場合、図５に示すように、りん酸ガリウムの結晶構造によって定まる、直交するＸ、Ｙ、Ｚの三軸において、Ｘ−Ｚ面を主面とする板体１をＸ軸を回転軸としてＹ軸方向へ一定角度αだけ回転したＸ−Ｚ’面に主面を有する回転Ｙ板２の利用が考えられている。
【０００４】
そして回転Ｙ板を薄板状の振動子片に成形し、板面に電極を設けて圧電振動を励振する。
このような、りん酸ガリウムの回転Ｙ板の振動子は、図６に示すように上に凸の二次曲線状の周波数温度特性を有し、かつ上述のＸ軸の回転角度αに応じて頂点温度Ｔ０が変化する。 したがって常温（２５℃）よりも高温の、たとえば頂点温度が１００℃前後の振動子を実現できる可能性がある。
【０００５】
しかしながら、りん酸ガリウムの回転Ｙ板を用いて、実用的な振動子を製作する場合に、結晶を板状に整形した振動子片を小型化するために板面積を小さくしていくと、厚みに対して面積が十分に大きいという厚み滑り振動の前提が成り立たなくなる。このような場合、目的の主振動以外に強勢な副振動が発生し、この影響で周波数温度特性はなめらかな二次曲線からずれ、かつ頂点温度も変化してしまう。
【０００６】
一般に、この種の振動子を小型化する場合、厚み滑り振動の変位方向に細長く、すなわちＸ軸方向に細長い短冊形に成形するようにしているが、上述のような副振動の発生によって、適切な形状を選択することが難しくなり、小型化が困難になる問題がある。
【０００７】
【特許文献】
特開昭５１−９７３９４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、形状の小さな振動子片の場合にも副振動の発生を抑圧でき、なめらかな二次曲線状の周波数温度特性を得ることができるりん酸ガリウムからなる圧電材料を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出したＸ軸方向に細長い振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けたことを特徴とする圧電結晶材料である。
【００１０】
そして請求項２は、請求項１において、振動子片はＸ軸方向に細長い短冊型に成形したことを特徴とする圧電結晶材料であり、請求項３は、請求項２において、振動子片の厚みｔに対する幅ｗの比（ｗ／ｔ）は３〜２０であることを特徴とする圧電結晶材料であり、さらに請求項４は請求項１〜３において、振動子片の板面に圧電振動を励振する電極を形成したことを特徴とする圧電振動子である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施態様を図面を参照して詳細に説明する。
本発明の発明者らは、りん酸ガリウムを用いた振動子について長年に亙る研究の結果、強勢な副振動が発生する理由は、目的とする厚み滑り振動に幅方向の輪郭すべり振動が結合しているためではないかと推定した。
【００１２】
図１は本発明の、りん酸ガリウムの振動子３を示す斜視図、図２は振動子の結晶軸を説明する正面図である。
すなわち、振動子３はＸ軸方向に細長い短冊形で幅はＺ’軸方向、厚みはＹ’軸方向である。そして両主面の中央部分に厚み滑り振動を励振するための電極４を相対面して形成している。
【００１３】
そして振動子３は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出した振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けるようにしている。
【００１４】
りん酸ガリウムの回転Ｙ板の頂点温度は、図３に示すように回転角度に応じて変化し、αが１０゜で約６００℃であり、回転角度の増加とともに頂点温度は次第に低くなり、αが１５゜で概略２５℃、αが２０゜で−１００℃である。
したがって実用的な頂点温度として−１００℃ないし６００℃とすれば、回転角度は２０゜ないし１０゜とすればよい。
【００１５】
そして上に凸の二次曲線状の周波数温度特性において、頂点温度が約２５℃になる回転Ｙ板、すなわち回転角度が１５゜の板体から、Ｘ軸方向に細長い短冊形の振動子片を切り出した。
そして、この板体の長手方向の側面を傾け研磨し、傾け角を＋Ｘ軸から見て左回転の回転角度が１゜〜３゜に側面を傾けたときに実用上問題のない程度に副振動の発生は少なくなり、最も望ましくは側面の傾け角を１．５゜としたときに、ほとんど副振動の発生は見られなかった。
【００１６】
したがって側面の傾け角は、１゜〜３゜とすることとした。
ちなみに、Ｘ軸の回転角が１５゜の振動子において、側面を１．５゜傾けた振動子と側面が垂直な振動子の辺比に対する頂点温度の対応は図４に示すようになった。
図４において横軸は辺比、すなわち厚みｔに対する幅ｗの比（ｗ／ｔ）、縦軸は周波数−温度特性における頂点温度で、側面が垂直な振動子を曲線Ａ、側面を１．５゜傾けた振動子を曲線Ｂで示している。
【００１７】
図４のグラフから明らかなように、側面が垂直な振動子では辺比を変えると、頂点温度も大きく変化するが、側面を１．５゜傾けた振動子では辺比が３以上であれば略一定の頂点温度（略３５℃）となる。
【００１８】
なお厚み滑り振動の変位方向はＸ軸方向であり、振動特性をあまり損なうことなく幅方向の寸法を切り詰めて形状を小型化することができる。
そして辺比が２０を越えると、振動特性を改善する効果は得られず、かつ形状は大型になる。
したがってＸ軸方向に細長い短冊形の振動子の辺比は３〜２０とすることが望ましい。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明は、りん酸ガリウムを用いて、回転Ｙ板の回転角度に応じて任意の頂点温度を得ることができ、かつ振動子片を小型化した場合も副振動の発生を抑圧でき、なめらかな二次曲線状の周波数温度特性を得ることのできるりん酸ガリウムからなる圧電材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様の振動子片の斜視図である。
【図２】図１に示す振動子片の正面図である。
【図３】回転Ｙ板の回転角度と頂点温度の関係を示すグラフ。
【図４】側面が垂直な振動子と側面を傾けた振動子の辺比の変化に対する頂点温度の変化を示すグラフである。
【図５】りん酸ガリウムの振動子の切断角度を説明する図である。
【図６】りん酸ガリウムの振動子の回転角度と頂点温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３ ・・ 振動子
４ ・・ 電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、りん酸ガリウムからなる圧電結晶材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）圧電作用を有する結晶としては種々の結晶が知られているが、その一つに、りん酸ガリウム（ＧａＰＯ４）がある。
りん酸ガリウムは、結晶としての相変化が無く、９００℃近い高温域まで圧電結晶として利用することができる。
【０００３】
また、りん酸ガリウムは水晶に比べて電気機械結合係数が大きいので、センサーとしての利用も有望視されている。
そして、りん酸ガリウムを圧電振動子として利用する場合、図５に示すように、りん酸ガリウムの結晶構造によって定まる、直交するＸ、Ｙ、Ｚの三軸において、Ｘ−Ｚ面を主面とする板体１をＸ軸を回転軸としてＹ軸方向へ一定角度αだけ回転したＸ−Ｚ’面に主面を有する回転Ｙ板２の利用が考えられている。
【０００４】
そして回転Ｙ板を薄板状の振動子片に成形し、板面に電極を設けて圧電振動を励振する。
このような、りん酸ガリウムの回転Ｙ板の振動子は、図６に示すように上に凸の二次曲線状の周波数温度特性を有し、かつ上述のＸ軸の回転角度αに応じて頂点温度Ｔ０が変化する。 したがって常温（２５℃）よりも高温の、たとえば頂点温度が１００℃前後の振動子を実現できる可能性がある。
【０００５】
しかしながら、りん酸ガリウムの回転Ｙ板を用いて、実用的な振動子を製作する場合に、結晶を板状に整形した振動子片を小型化するために板面積を小さくしていくと、厚みに対して面積が十分に大きいという厚み滑り振動の前提が成り立たなくなる。このような場合、目的の主振動以外に強勢な副振動が発生し、この影響で周波数温度特性はなめらかな二次曲線からずれ、かつ頂点温度も変化してしまう。
【０００６】
一般に、この種の振動子を小型化する場合、厚み滑り振動の変位方向に細長く、すなわちＸ軸方向に細長い短冊形に成形するようにしているが、上述のような副振動の発生によって、適切な形状を選択することが難しくなり、小型化が困難になる問題がある。
【０００７】
【特許文献】
特開昭５１−９７３９４号
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、形状の小さな振動子片の場合にも副振動の発生を抑圧でき、なめらかな二次曲線状の周波数温度特性を得ることができるりん酸ガリウムからなる圧電材料を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出したＸ軸方向に細長い振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けたことを特徴とする圧電結晶材料である。
【００１０】
そして請求項２は、請求項１において、振動子片はＸ軸方向に細長い短冊型に成形したことを特徴とする圧電結晶材料であり、請求項３は、請求項２において、振動子片の厚みｔに対する幅ｗの比（ｗ／ｔ）は３〜２０であることを特徴とする圧電結晶材料であり、さらに請求項４は請求項１〜３において、振動子片の板面に圧電振動を励振する電極を形成したことを特徴とする圧電振動子である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施態様を図面を参照して詳細に説明する。
本発明の発明者らは、りん酸ガリウムを用いた振動子について長年に亙る研究の結果、強勢な副振動が発生する理由は、目的とする厚み滑り振動に幅方向の輪郭すべり振動が結合しているためではないかと推定した。
【００１２】
図１は本発明の、りん酸ガリウムの振動子３を示す斜視図、図２は振動子の結晶軸を説明する正面図である。
すなわち、振動子３はＸ軸方向に細長い短冊形で幅はＺ’軸方向、厚みはＹ’軸方向である。そして両主面の中央部分に厚み滑り振動を励振するための電極４を相対面して形成している。
【００１３】
そして振動子３は、りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出した振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けるようにしている。
【００１４】
りん酸ガリウムの回転Ｙ板の頂点温度は、図３に示すように回転角度に応じて変化し、αが１０゜で約６００℃であり、回転角度の増加とともに頂点温度は次第に低くなり、αが１５゜で概略２５℃、αが２０゜で−１００℃である。
したがって実用的な頂点温度として−１００℃ないし６００℃とすれば、回転角度は２０゜ないし１０゜とすればよい。
【００１５】
そして上に凸の二次曲線状の周波数温度特性において、頂点温度が約２５℃になる回転Ｙ板、すなわち回転角度が１５゜の板体から、Ｘ軸方向に細長い短冊形の振動子片を切り出した。
そして、この板体の長手方向の側面を傾け研磨し、傾け角を＋Ｘ軸から見て左回転の回転角度が１゜〜３゜に側面を傾けたときに実用上問題のない程度に副振動の発生は少なくなり、最も望ましくは側面の傾け角を１．５゜としたときに、ほとんど副振動の発生は見られなかった。
【００１６】
したがって側面の傾け角は、１゜〜３゜とすることとした。
ちなみに、Ｘ軸の回転角が１５゜の振動子において、側面を１．５゜傾けた振動子と側面が垂直な振動子の辺比に対する頂点温度の対応は図４に示すようになった。
図４において横軸は辺比、すなわち厚みｔに対する幅ｗの比（ｗ／ｔ）、縦軸は周波数−温度特性における頂点温度で、側面が垂直な振動子を曲線Ａ、側面を１．５゜傾けた振動子を曲線Ｂで示している。
【００１７】
図４のグラフから明らかなように、側面が垂直な振動子では辺比を変えると、頂点温度も大きく変化するが、側面を１．５゜傾けた振動子では辺比が３以上であれば略一定の頂点温度（略３５℃）となる。
【００１８】
なお厚み滑り振動の変位方向はＸ軸方向であり、振動特性をあまり損なうことなく幅方向の寸法を切り詰めて形状を小型化することができる。
そして辺比が２０を越えると、振動特性を改善する効果は得られず、かつ形状は大型になる。
したがってＸ軸方向に細長い短冊形の振動子の辺比は３〜２０とすることが望ましい。
【００１９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明は、りん酸ガリウムを用いて、回転Ｙ板の回転角度に応じて任意の頂点温度を得ることができ、かつ振動子片を小型化した場合も副振動の発生を抑圧でき、なめらかな二次曲線状の周波数温度特性を得ることのできるりん酸ガリウムからなる圧電材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様の振動子片の斜視図である。
【図２】図１に示す振動子片の正面図である。
【図３】回転Ｙ板の回転角度と頂点温度の関係を示すグラフ。
【図４】側面が垂直な振動子と側面を傾けた振動子の辺比の変化に対する頂点温度の変化を示すグラフである。
【図５】りん酸ガリウムの振動子の切断角度を説明する図である。
【図６】りん酸ガリウムの振動子の回転角度と頂点温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
３ ・・ 振動子
４ ・・ 電極
Claims (4)
- りん酸ガリウムの結晶のＸ−Ｚ平面をＸ軸を中心にして１０゜〜２０゜左回転したＸ−Ｚ’平面から切り出したＸ軸方向に細長い振動子片の側面を＋Ｘ軸から見て１゜〜３゜左回転した方向に傾けたことを特徴とする圧電結晶材料。
- 請求項１において、振動子片はＸ軸方向に細長い短冊型に成形したことを特徴とする圧電結晶材料。
- 請求項２において、振動子片の厚みｔに対する幅ｗの比（ｗ／ｔ）は３〜２０であることを特徴とする圧電結晶材料。
- 請求項１〜３において、振動子片の板面に圧電振動を励振する電極を形成したことを特徴とする圧電振動子。
Priority Applications (3)
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| JP2003026600A JP4249502B2 (ja) | 2003-02-04 | 2003-02-04 | 圧電結晶材料及び圧電振動子 |
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| EP04002452A EP1445858A1 (en) | 2003-02-04 | 2004-02-04 | Piezoelectric crystal material and piezoelectric resonator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003026600A JP4249502B2 (ja) | 2003-02-04 | 2003-02-04 | 圧電結晶材料及び圧電振動子 |
Publications (2)
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|---|---|
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| EP (1) | EP1445858A1 (ja) |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
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| JPS5636814B2 (ja) | 1975-02-21 | 1981-08-26 | ||
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| US4578146A (en) * | 1983-04-28 | 1986-03-25 | Allied Corporation | Process for growing a large single crystal from multiple seed crystals |
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| AT401201B (de) * | 1994-03-03 | 1996-07-25 | Avl Verbrennungskraft Messtech | Piezoelektrisches messelement |
| JPH08153915A (ja) * | 1994-11-30 | 1996-06-11 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 複合圧電基板とその製造方法 |
| US6198207B1 (en) * | 1998-09-01 | 2001-03-06 | Oceana Sensor Technologies | High-volume production, low cost piezoelectric transducer using low-shrink solder of bismuth or antimony alloy |
| AT408456B (de) * | 1999-12-28 | 2001-12-27 | Avl List Gmbh | Verfahren zum züchten von einkristallen |
| AT414274B (de) * | 2002-11-07 | 2006-10-15 | Avl List Gmbh | Verfahren zur bestimmung physikalischer oder chemischer parameter einer dünnen materialschicht |
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2003
- 2003-02-04 JP JP2003026600A patent/JP4249502B2/ja not_active Expired - Fee Related
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2004
- 2004-02-04 EP EP04002452A patent/EP1445858A1/en not_active Withdrawn
- 2004-02-04 US US10/772,211 patent/US6924588B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7705524B2 (en) * | 2003-07-18 | 2010-04-27 | Nihon Dempa Kogyo Co., Ltd. | SC cut crystal resonator |
Also Published As
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| EP1445858A1 (en) | 2004-08-11 |
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| US6924588B2 (en) | 2005-08-02 |
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