JP3198300B2 - KNbO3圧電素子 - Google Patents
KNbO3圧電素子Info
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- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
デューサ、圧電振動子、圧電フィルタ、超音波センサお
よび圧電アクチュエータなどの各種圧電デバイスに用い
る圧電素子に関する。
トランスデューサや各種の圧電デバイスの材料には、圧
電性の大きなPb(Zr,Ti)O3 系やPbTiO3
系の圧電セラミックスや、LiNbO3 圧電単結晶など
が広く用いられてきた。このような圧電素子の性能を決
める重要な指標として電気機械結合係数があるが、従来
の材料の電気機械結合係数は必ずしも充分な値とは言え
ない。例えば、代表的な圧電セラミックスであるPb
(Zr,Ti)O3 系のPZT−5Aの厚み縦振動の電
気機械結合係数kt は51%である。しかし、トランス
デューサなどの圧電素子のさらなる高性能化、例えば高
感度化および広帯域化を実現するためには、より高い電
気機械結合係数をもつ材料が求められている。
PbTiO3 との固溶体である、PZN−PTを用いた
超音波トランスデューサの開発が進められている。この
材料は、厚み縦振動の電気機械結合係数kt が55%
で、薄板の縦効果幅縦振動の電気機械結合係数k'33 が
84%と、従来の圧電材料に比べてかなり大きいことが
報告されているが、キュリー点が180℃と従来の材料
よりも低いことや、良質で大形の結晶の育成が容易でな
いために高コストであること、などの問題がある。
ンスデューサや圧電振動子などの各種圧電素子の高感度
化、広帯域化および高性能化を実現するためには、高い
電気機械結合係数を持つ圧電材料が必要であるととも
に、材料の育成や加工のし易さ、結晶の均一性も要求さ
れている。
−PTよりも大きいか、少なくとも同程度の電気機械結
合係数を有し、しかもPZN−PTに比べて結晶が均一
でかつ加工が容易である、圧電素子を提供することにあ
る。
Tに匹敵する電気機械結合係数を有する材料について鋭
意究明したところ、弾性表面波に対して53%という大
きな電気機械結合係数を示すKNbO3 結晶は、バルク
波に対しても大きな電気機械結合係数を示すこと、とり
わけ結晶からの素子の切り出しを適切に行うことによっ
て大きな電気機械結合係数が得られることを見出した。
しかも、KNbO3 単結晶は、室温で斜方晶系の点群m
m2に属し、220℃以上で正方晶に相移転し、この温
度がPZN−PTのキュリー点180℃と比べて高いた
めに、比較的加工が容易であり、室温における諸特性の
温度依存性も小さく、またPZN−PTに比べて、より
均質な単結晶が育成しやすい利点があると考えられる。
この発明は、これらの知見に基づいて成されたものであ
る。
おりである。 (1) 自発分極方向をZ軸、格子定数が最小の軸をY軸と
した結晶座標系(X,Y,Z)を有するKNbO3 結晶
から、上記Y軸を中心として30〜70°回転させた座
標系(X’,Y,Z’)のX’軸に対して、主平面に垂
直の軸が平行または30°以下の傾きとなる平板を切り
出し、該平板の両主平面に電極を設けて成ることを特徴
とする厚み縦振動モード動作のKNbO3 圧電素子。
の軸をY軸とした結晶座標系(X,Y,Z)を有するK
NbO3 結晶から、上記Y軸を中心として24〜64°
回転させた座標系(X’,Y,Z’)のZ’軸に対し
て、主平面に垂直の軸が平行または30°以下の傾きと
なる薄板を切り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を
設けて成ることを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作
のKNbO3 圧電素子。
械結合係数の大きな圧電素子を得るには、その振動モー
ドに応じて結晶からの切断方位を選択することが肝要で
ある。すなわち、圧電素子は、その形状、電界方向、変
位または振動の方向によって、いくつかの種類が考えら
れ、以下に各種類毎の切断方位について行った解析結果
を詳しく述べる。
を特定するため、KNbO3 単結晶における自発分極を
Z軸、格子定数が最小の軸をY軸とした結晶座標系
(X,Y,Z)を採用する。
かつ種々の形状で切り出された試料を使用して、様々な
形状および切断方位について、様々な振動方向における
電気機械結合係数を調査した。そのうち、比較的大きな
電気機械結合係数を示した形状、切断方位および振動方
向の組み合わせを抽出して整理し、形状および振動方向
を特定した際の、適切な切断方位について調査した結果
を、次に示す。
素子において、その厚み縦振動に対する電気機械結合係
数を大きくする、切断方位について調査した。すなわ
ち、平板をKNbO3 単結晶から切断する際の結晶座標
系(X,Y,Z)に対する平板の配置および振動変位方
向(矢印)を、図1(a) および図2(a) に示すように変
化し、さらに各配置において特定の軸に対して平板の主
平面に垂直の軸を角度θで回転させた場合について、電
気機械結合係数を調査した。その結果を、それぞれ図1
(b) および図2(b) に示すように、図2(a) の配置は電
気機械結合係数が60%に満たない{図2(b) 参照}の
に対して、図1(a) の配置は電気機械結合係数が最大7
0%近く{図1(b) 参照}まで増加することがわかる。
すなわち、平板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
(X,Y,Z)のY軸を中心として角度θ:30〜70
°で回転させた座標系(X’,Y,Z’)のX’軸に、
平板の主平面に垂直の軸を一致させた場合に、60%以
上の大きな電気機械結合係数が得られるのである。とり
わけ、上記角度θ:49.5°で回転させた座標系
(X’,Y,Z’)のX’軸に一致させた場合に、69
%の極めて大きな電気機械結合係数が得られる。その
際、平板の主平面に垂直の軸が、X’軸のまわりで30
°以下の傾きに収まっていればよいことは、上記したと
ころと同様である。
けた圧電素子は、平板の主平面に垂直の軸が上記した範
囲、すなわち図3に示す円錐の範囲にある、切断方位で
製品化することによって、PZT−PTをこえる厚み縦
振動に対する電気機械結合係数が得られるから、通常の
平板型の高周波用超音波トランスデューサや厚み縦振動
共振子として応用することができる。
た圧電素子において、その縦効果幅縦振動に対する電気
機械結合係数を大きくする、切断方位について調査し
た。すなわち、薄板をKNbO3 単結晶から切断する際
の結晶座標系(X,Y,Z)に対する薄板の配置および
振動変位方向(矢印)を、図4(a) 、図5(a) および図
6(a) に示すように変化し、さらに各配置において特定
の軸に対して薄板の主平面に垂直の軸を角度θで回転さ
せた場合について、電気機械結合係数を調査した。その
結果を、それぞれ図4(b) 、図5(b) および図6(b) に
示すように、図5(a) および図6(a) の配置は電気機械
結合係数が60%超{図5(b) および図6(b) 参照}で
あるのに対して、図4(a) の配置は電気機械結合係数が
80%超{図4(b) 参照}まで増加することがわかる。
すなわち、薄板の主平面に垂直の軸を、上記結晶座標系
(X,Y,Z)のY軸を中心として角度θ:24〜64
°で回転させた座標系(X’,Y’,Z)のZ’軸に一
致させた場合に、80%をこえる大きな電気機械結合係
数が得られるのである。とりわけ、上記角度θ:43.
5°の座標系(X’,Y’,Z)のZ’軸に一致させた
場合に、82.4%の極めて大きな電気機械結合係数が
得られる。その際、平板の主平面に垂直の軸が、Z’軸
のまわりで30°以下の傾きに収まっていればよいこと
は、上記したところと同様である。
極を設けた圧電素子は、薄板の主平面に垂直の軸が上記
した範囲、すなわち図7に示す円錐の範囲にある、切断
方位で製品化することによって、縦効果幅縦振動に対す
る電気機械結合係数がPZN−PT(84%)にせまる
大きな値となるから、アレイ型トランスデューサの素子
や圧電振動子などとして応用することができる。
ら切り出された圧電素子は、その用途に応じた振動モー
ドに対して、極めて大きな電気機械結合係数をそなえ、
しかも結晶が均一で切り出し加工も容易であるため、高
性能かつ安定した性能の様々な圧電デバイスを低コスト
で提供することができる。
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
図である。
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
械結合係数とを示す図である。
図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 自発分極方向をZ軸、格子定数が最小の
軸をY軸とした結晶座標系(X,Y,Z)を有するKN
bO3 結晶から、上記Y軸を中心として30〜70°回
転させた座標系(X’,Y,Z’)のX’軸に対して、
主平面に垂直の軸が平行または30°以下の傾きとなる
平板を切り出し、該平板の両主平面に電極を設けて成る
ことを特徴とする厚み縦振動モード動作のKNbO3 圧
電素子。 - 【請求項2】 自発分極方向をZ軸、格子定数が最小の
軸をY軸とした結晶座標系(X,Y,Z)を有するKN
bO3 結晶から、上記Y軸を中心として24〜64°回
転させた座標系(X’,Y,Z’)のZ’軸に対して主
平面の軸が平行または30°以下の傾きとなる薄板を切
り出し、該薄板の幅方向の両端面に電極を設けて成るこ
とを特徴とする縦効果幅縦振動モード動作のKNbO3
圧電素子。
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JP2000232331A JP2000232331A (ja) | 2000-08-22 |
JP3198300B2 true JP3198300B2 (ja) | 2001-08-13 |
Family
ID=12367482
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP03274899A Expired - Lifetime JP3198300B2 (ja) | 1999-02-10 | 1999-02-10 | KNbO3圧電素子 |
Country Status (1)
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-
1999
- 1999-02-10 JP JP03274899A patent/JP3198300B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
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IEEE ULTRASONICS SYMPOSIUM,2(1999)(米)P.1013−1018 |
Also Published As
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JP2000232331A (ja) | 2000-08-22 |
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