JP2008019122A

JP2008019122A - 圧電単結晶組成物

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Publication number: JP2008019122A
Application number: JP2006191656A
Authority: JP
Inventors: Chieko Fujiwara; 千恵子藤原; Hiroshi Machida; 博町田; Atsushi Sasaki; 淳佐々木
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-31

Abstract

【課題】電気機械結合係数が大きく、フィルター、ジャイロ等の波動デバイス用途の小型化、高圧電応答性を可能にする圧電単結晶組成物を提供すること。
【解決手段】ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で表され、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５の範囲内の単結晶から成る圧電単結晶組成物を可能にする。
【選択図】なし

Description

本発明は、波動デバイス、フィルター、発振子、ジャイロ等に用いられる圧電単結晶振動子として用いられる圧電単結晶組成物に関するものである。

フィルター、発振子、ジャイロ等の圧電デバイスは、携帯電話、パソコン、デジタルカメラなどの搭載機器の小型化に伴い、大いに小型化の要求が高まっている。小型化に影響を与える材料特性としては電気機械結合係数が挙げられ、振動子構造を固定した場合、電気機械結合係数が大きいほど振動子の小型化が可能となる。

従来、圧電振動子には、水晶やランガサイト、ニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶材料が用いられてきた。水晶はエッチング加工が可能であり、さらに圧電特性の温度安定性、加工性、量産性に優れていることから広く用いられているが、電気機械結合係数が小さく出力信号が微弱であり圧電応答が弱いという問題がある。また、ランガサイト系の化学式Ｓｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄（ＳＧＧ）で表される結晶は水晶と比べれば、電気機械結合係数は大きいが十分な値とはいえない。

ランガサイトは化学式Ａ₃ＢＣ₃Ｄ₂Ｏ₁₄で表されるＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つのサイトから構成され、各サイトには合計９個の元素が入る。価数、イオン半径の大きさにより、各サイトを占める元素が決定される。

特許文献１には、ランガサイト系のＬａ₃Ｇａ_5.5Ｎｂ_0.5Ｏ₁₄単結晶を用いた弾性表面波装置の例、特許文献２には、ランガサイト系のＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄単結晶を用いた弾性表面波装置の例が開示されている。

特開２０００−２２４００１号公報特開平１０−２８４９８１号公報

しかしながら、特許文献１は、ランガサイト系のＬａ₃Ｇａ_5.5Ｎｂ_0.5Ｏ₁₄単結晶を用いた弾性表面波デバイスが開示され、電気機械結合係数ｋ²が０．８２％、ＳＡＷ速度が２１００ｍ／ｓと記されている。また、特許文献２は、小型化のためにランガサイト系のＬａ₃Ｔａ_0.5Ｇａ_5.5Ｏ₁₄単結晶を用いた弾性表面波装置が公開されており、電気機械結合係数ｋ²が０．０６〜１．３２％、ＳＡＷ速度が２２８６〜２６６４ｍ／ｓと記載されている。しかしながら、両者とも電気機械結合係数、ＳＡＷ速度とも十分とは言えず、更なる特性向上が望まれている。

本発明は、従来の課題を解決すべくなされたもので、本発明はランガサイトの構成元素を調整することにより、電気機械結合係数が大きい圧電単結晶の材料組成物を提供することにある。

本発明は、前記課題の解決のため、ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で表され、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５である単結晶から成ることを特徴とする圧電単結晶組成物である。

従って、本発明によれば、ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で表され、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５の範囲内で、電気機械結合係数が大きい圧電単結晶組成物を提供することができる。

次に、本発明による圧電単結晶組成物の実施の形態について、具体的に説明する。

ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で表される組成の圧電単結晶組成物の原料である純度９９．９９％の粉末原料ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＣａＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を所定の組成になるようにそれぞれ秤量し、湿式混合した。この混合物に圧力をかけ、ペレット状にし、高温炉で所定の温度、時間にて仮焼を行い、仮焼後ペレットを粉砕し原料粉末とする。

次に、得られた原料粉末を高周波加熱方式の単結晶育成炉内の坩堝に入れ、所定の温度に加熱することにより、原料粉末を溶融し、この融液に種結晶を浸し、所定の引き下げ速度で単結晶の育成を行う。

次に、得られた育成単結晶からＸ板Ｙ軸方向に切り出し、次いで鏡面研磨を行い、２．２×０．７×１０ｍｍの大きさに加工した。この切り出した単結晶上に体積弾性波が伝搬する方向の上下面にクロム／金を電極として成膜形成し、圧電振動子を作製する。図１は、本発明の実施の形態に係わる圧電振動子を示す斜視図である。１は単結晶、２は電極である。圧電特性は共振−反共振法によりインピーダンスアナライザーにより測定を行い、測定する振動モードはＹ方向が長さ方向振動で、電界印加がＸ方向である。

次に、実施例、及び比較例を挙げ、本発明の圧電単結晶組成物について、さらに詳しく説明する。

化学量論組成のＳｒ₃Ｇａ₂Ｇｅ₄Ｏ₁₄（以下、ＳＧＧと表す）、Ｓｒ₃ＮｂＧａ₃Ｇｅ₂Ｏ₁₄（以下、ＳＮＧＧと表す）、Ｓｒ₃ＷＧａ₄ＧｅＯ₁₄（以下、ＳＷＧＧと表す）、Ｓｒ₃ＲｅＧａ₅Ｏ₁₄（以下、ＳＲＧＧと表す）となるように、純度９９．９９％の粉末原料ＳｒＣＯ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、Ｒｅ₂Ｏ₇を秤量した。

前記の組成では、ＡサイトはＳｒ、ＢサイトはＧａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｒｅがそれぞれ入る。残りのＣ、ＤサイトはＧａとＧｅが入る。ＳＧＧ（比較例）では、２つあるＧａのうち１つはＢサイトに入るため、Ｃ、Ｄサイトに入るＧａとＧｅの比は１：４である。ＳＮＧＧ（本発明の実施例）はＧａ：Ｇｅ＝３：２であり、ＳＷＧＧ（本発明の実施例）はＧａ：Ｇｅ＝４：１、ＳＲＧＧ（比較例）はＧａ：Ｇｅ＝５：０となる。

その後、湿式混合し、この混合物に圧力をかけ、ペレット状にし、高温炉で保持温度１０００℃、保持時間２０時間で、仮焼を行った。仮焼を行ったものを粉末状にし、約１４００℃で溶融し、ランガサイト型種結晶を用い、バルク単結晶を育成した。ＳＧＧ（比較例１）、ＳＮＧＧ（本発明１０）、ＳＷＧＧ（本発明６４）では圧電特性可能な結晶の育成が出来たが、ＳＲＧＧ（比較例２）では良好な結晶が育成できなかった。

得られた結晶を、２．２×０．７×１０ｍｍに加工した。スパッタリング法により、図１に示すように、上下面にクロム／金を電極として成膜した。圧電特性は、１２モードを共振−反共振法により測定した。各試料の電気機械結合係数ｋ₁₂を表１に示す。

ＳＧＧ（比較例１）は電気機械結合係数ｋ₁₂が１８％であり、ＳＮＧＧ（本発明１０）、およびＳＷＧＧ（本発明６７）は電気機械結合係数ｋ₁₂が各々１８．５％、１８．８％とＳＧＧ（比較例１）より電気機械結合係数が向上した。

ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５の範囲で表され、ｆ＝０、ｘ＝２の時、化学量論組成の（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_e）Ｇａ₃（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）₂Ｏ₁₄で、（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｇ≦１）となるように、純度９９．９９％の粉末原料ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＣａＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を表２に表す組成になるようにそれぞれ秤量し、湿式混合した。この混合物に圧力をかけ、ペレット状にし、高温炉で保持温度１０００℃、保持時間２０時間で、仮焼を行った。仮焼を行ったものを粉末状にし、１３００〜１４００℃で溶融し、ランガサイト型種結晶を用い、バルク単結晶を育成した。

得られた結晶を、２．２×０．７×１０ｍｍに加工した。スパッタリング法により、図１に示すように、上下面にクロム／金を電極として成膜した。圧電特性は１２モードを共振−反共振法により測定した。各試料の電気機械結合係数ｋ₁₂を表２に示す。

ＡサイトがＢａのみ、ＢサイトがＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明１）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１９．５％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明２、３）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べより大きな値を示した。ＡサイトがＢａのみの組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明４〜９）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．２％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ＡサイトがＳｒのみ、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明１０（ＳＮＧＧ））の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明１１、１２）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値を示した。ＡサイトがＳｒのみの組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明１３〜１８）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ＡサイトがＣａのみ、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明１９）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．２％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明２０、２１）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値を示した。ＡサイトがＣａのみの組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明２２〜２７）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．１％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ＡサイトがＢａとＳｒとから同比率にて構成され、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明２８）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１９．０％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明２９、３０）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ、より大きな値を示した。ＡサイトがＢａとＳｒとから同比率にて構成される組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明３１〜３６）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等な値となった。

ＡサイトがＢａとＣａとから同比率にて構成され、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明３７）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明３８、３９）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値を示した。ＡサイトがＢａとＣａとから同比率にて構成される組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明４０〜４５）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ＡサイトがＳｒとＣａとから同比率にて構成され、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明４６）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．３％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明４７、４８）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値を示した。ＡサイトがＳｒとＣａとから同比率にて構成される組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明４９〜５４）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．２％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ＡサイトがＢａとＳｒとＣａとから同比率にて構成され、ＢサイトＮｂのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明５５）の場合、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％となった。さらに、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明５６、５７）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）と比べ、より大きな値を示した。ＡサイトがＢａとＳｒとＣａとから同比率にて構成される組成において、ＢサイトのＮｂ：Ｔａ比を変え、またＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えた場合（本発明５８〜６３）、電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％〜１８．０％となり、ＳＧＧ（比較例１）と比べ同等または大きな値となった。

ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５の範囲で表され、ｆ＝１、ｘ＝１の時、化学量論組成の（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃ＷＧａ₄（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で、（ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、０≦ｇ≦１）となるように、純度９９．９９％の粉末原料ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃、ＣａＣＯ₃、ＷＯ₃、Ｇａ₂Ｏ₃、Ｇｅ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂を表３に表す組成になるようにそれぞれ秤量し、湿式混合した。この混合物に圧力をかけ、ペレット状にし、高温炉で保持温度１０００℃、保持時間２０時間で、仮焼を行った。仮焼を行ったものを粉末状にし、１３００℃で溶融し、ランガサイト型種結晶を用い、バルク単結晶を育成した。

得られた結晶を、２．２×０．７×１０ｍｍに加工した。スパッタリング法により、板状上下面にクロム／金を電極として成膜した。圧電特性は１２モードを共振−反共振法により測定した。各試料の電気機械結合係数ｋ₁₂を表３に示す。

ＡサイトがＢａのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明６４）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１９．５％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明６５、６６）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＳｒのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成［本発明６７（ＳＷＧＧ）］にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．８％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明６８、６９）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＣａのみ、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明７０）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．３％となった。この組成に於いて、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明７１、７２）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＢａとＳｒとから同比率にて構成され、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明７３）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１９．０％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明７４、７５）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＢａとＣａとから同比率にて構成され、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明７６）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．５％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明７７、７８）電気機械結合係数ｋ１２は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＳｒとＣａとから同比率にて構成され、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明７９）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．８％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明８０、８１）電気機械結合係数ｋ１２は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

ＡサイトがＢａとＳｒとＣａとから同比率にて構成され、ＤサイトがＧｅ：Ｓｉ＝１：０の組成（本発明８２）にて電気機械結合係数ｋ₁₂は１８．８％となった。この組成において、ＤサイトのＧｅ：Ｓｉ比を変えると（本発明８３、８４）電気機械結合係数ｋ₁₂は低下するが、ＳＧＧ（比較例１）より大きな値を示した。

本発明の実施の形態に係わる圧電振動子を示す斜視図。

符号の説明

１単結晶
２電極

Claims

ランガサイト型構造を有し化学式（Ｂａ_aＳｒ_bＣａ_c）₃（Ｎｂ_dＴａ_eＷ_f）Ｇａ_5-x（Ｇｅ_1-gＳｉ_g）_xＯ₁₄で表され、ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ｃ≦１、ｄ＋ｅ＋ｆ＝１、０≦ｄ≦１、０≦ｅ≦１、０≦ｆ≦１、０≦ｇ≦１、０≦ｘ≦５である単結晶から成ることを特徴とする圧電単結晶組成物。