JP4450372B2 - ニオブ酸リチウム圧電単結晶 - Google Patents

Description

本発明は、ニオブ酸リチウム圧電単結晶に関し、特に圧電トランスや圧電振動ジャイロ用として好適な圧電単結晶に関するものである。

ＳＡＷフィルター、発振子、ジャイロなどのデバイス用の振動子には、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶材料を用いることがある。その理由として、圧電単結晶は各圧電特性の温度安定性が優れているが、特に水晶は温度特性が良好で、特にニオブ酸リチウムは単結晶の中では電気機械結合係数が大きいことが挙げられる。このため、圧電単結晶をジャイロに用いた場合においては、検出すべきジャイロ信号における温度変動などの、外部要因に起因するノイズを減少することができる。例えば、特許文献１には、ニオブ酸リチウム単結晶を用いた圧電デバイスが記載されている。

また、特許文献２には、金属元素を添加して、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶を製造することが記載されている。

特開平０８−１８１３６１号公報 特開平１０−１６３７７９号公報

しかしながら、現在汎用しているＰＺＴ系セラミクスに比較し、圧電単結晶は一般的に電気機械結合係数が小さいという問題がある。そのため、周波数制御デバイス以外の用途、例えば圧電トランス、圧電振動ジャイロ、アクチュエーターへの応用には困難が伴う。

アクチュエーターでは、電気機械結合係数が小さいと、圧電デバイスとして同等の変位特性を得るためには素子サイズが大きくなる。そのためデバイス自体の大型化、高コスト化につながる。また、トランスにおいても出力パワーは電気機械結合係数の増加に伴い増加する。そのため高い出力パワーを得るためには高い電気機械結合係数が必要である。

また、特許文献２には、金属元素を添加した圧電単結晶が記載されているが、レーザー加工のために、圧電単結晶の光吸収領域を長波長側にシフトさせるためのもので、電気機械結合係数の改善については一切触れられていない。

よって、本発明の課題は、電気機械結合係数の高いニオブ酸リチウム圧電単結晶用の材料組成物を提供することを目的とする。

本発明は、この課題を解決するため、ニオブ酸リチウムに対しモリブデンを３ｍｏｌ％以上、４ｍｏｌ％以下添加することにより、圧電単結晶の電気機械結合係数を改善するものである。

即ち、本発明は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）圧電単結晶において、ニオブ（Ｎｂ）とリチウム（Ｌｉ）の合計を１００ｍｏｌ％とした時、モリブデン（Ｍｏ）を３ｍｏｌ％以上、４ｍｏｌ％以下添加したニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）圧電単結晶である。さらにニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）圧電単結晶中のリチウム（Ｌｉ）組成比が４８．０〜５０．０ｍｏｌ％であることにより、圧電単結晶の電気機械結合係数を改善するものである。

本発明においては、ニオブ酸リチウムに対しモリブデンを４ｍｏｌ％以下添加することと、ニオブ酸リチウム単結晶中のリチウム組成比を４８．０〜５０．０ｍｏｌ％にすることで圧電単結晶の電気機械結合係数が改善されるので、周波数制御用途以外の圧電デバイスとして高特性の圧電アクチュエータ、圧電振動ジャイロや圧電トランス等に応用できる圧電単結晶が得られる。従って、圧電デバイスの安定化、小型化、ひいては製造コスト低下等に寄与することができる。

本発明に用いるＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶の育成には、既知の方法を用いることができ、フローティングゾーン法や引き下げ法等で単結晶を育成すれば良い。

本発明において、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）は化学量論組成とは限らないので、陽イオンのニオブ（Ｎｂ）、リチウム（Ｌｉ）、モリブデン（Ｍｏ）の比率で組成比を規定している。即ちニオブ酸リチウムの組成はリチウムとニオブの合計を１００ｍｏｌ％として、モリブデン（Ｍｏ）の添加量を外枠で４ｍｏｌ％以下と規定している。また、同じくニオブ酸リチウムの組成はリチウムとニオブの合計を１００ｍｏｌ％として、リチウム（Ｌｉ）の組成比を４８．０〜５０．０ｍｏｌ％と規定している。

ここで、ＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶へのＭｏの添加量を、モル比で４％以下としたのは、Ｍｏ添加により電気機械結合係数ｋが改善されるが、添加量が４ｍｏｌ％を超える領域では電気機械結合係数ｋが無添加の場合より減少するためで、実質的に添加効果が得られる範囲を設定している。また、広範囲のＬｉ組成でＭｏ添加により添加前に比較して電気機会結合係数は改善されるが、センサー用として、高い電気結合係数が得られる範囲でＬｉの組成比を規定した。

ニオブ酸リチウムは、最初に一致溶融組成の酸化リチウム（Ｌｉ₂Ｏ）４８．６ｍｏｌ％組成を採用した。また、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）の添加量は、ニオブ酸リチウムに対しモリブデンを１〜７ｍｏｌ％とした。純度９９．９９％のＬｉ₂ＣＯ₃、Ｎｂ₂Ｏ₅、ＭｏＯ₃粉末を所定量秤量し、乳鉢で混合した。次に、混合粉をプレスしてペレット状にし、高温炉により保持温度１０００℃、保持時間２０時間で仮焼を行なった。仮焼後、ペレットを粉砕し原料粉末とした。

単結晶は、マイクロ引き下げ法により成長させた。結晶成長の条件は、溶融温度１２５０℃、成長速度９ｍｍ／時間で行い、坩堝のノズル径は２．５ｍｍとした。また、シードには、一致溶融組成のニオブ酸リチウムのＣ軸結晶を用いた。単結晶中のモリブデン含有量はＥＰＭＡにて確認した。

得られた結晶をフィールドクーリング法にて分極し、その後、切断、研磨により角柱状試料に加工した。サイズは１．８×１．８×１０ｍｍである。電極は金を角柱両端面にスパッタリングして設けた。

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て測定した。測定した振動モードは、縦方向振動である。試料の支持は、電極面中央部を、治具電極ピンにより極力弱い力で挟んで行なった。各試料の電気機械結合係数ｋ₃₃を表１に示す。

電気機械結合係数ｋ₃₃はモリブデン含有量の増加に伴い増加し、モリブデン含有量３ｍｏｌ％で最大４９．０％となった。それ以上モリブデン含有量が増加すると、電気機械結合係数は減少する。しかし、４ｍｏｌ％添加までは無添加品に比較し高い電気機械結合係数が得られた。

次に、リチウムの組成比を４７．５〜５０．５ｍｏｌ％まで０．５ｍｏｌ％ずつ異なるニオブ酸リチウムに対し、モリブデンの添加量を変えて単結晶を作製した。試料の作製方法及び評価方法は、実施例1と同様に行った。表２に、本発明における単結晶の電気機械結合係数を示す。

酸化リチウムの組成比が４７．５、５０．５ｍｏｌ％の試料はもとの電気機械結合係数が４０％以下と低く、モリブデンの添加により電気機械結合係数の向上は見られるが、センサー等に用いるには不十分な特性である。

酸化リチウムの組成比が４８．０〜５０．０ｍｏｌ％のものは、モリブデンを添加しない状態で４０％を超す電気機械結合係数を有する。さらに、モリブデンを添加することにより、どの試料でも電気機械結合係数の向上が確認できる。ただし、５％以上の添加では無添加試料以下の電気機械結合係数となり、添加効果の消失が確認できた。

Claims (2)

1. ニオブ酸リチウム圧電単結晶において、ニオブとリチウムの合計を１００ｍｏｌ％とした時、モリブデンを３ｍｏｌ％以上、４ｍｏｌ％以下添加したことを特徴とする、ニオブ酸リチウム圧電単結晶。
2. 請求項１に記載のニオブ酸リチウム圧電単結晶において、リチウムの組成比が４８．０〜５０．０ｍｏｌ％であることを特徴とするニオブ酸リチウム圧電単結晶。