JPH02188975A - ＧａＰＯ↓４を基体とする圧電結晶素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、必要に応じて電極を設けるための平行平面で
平凸な又は両凸な上面と、平坦な上面に平行に又は両凸
な上面に対称に位置している主面を備えた、共振子等に
用いられるＧａＰＯ４を基体とする圧電素子に関する。

〔従来の技術〕

既に欧州特許へ−０６９１１２号に記載されているよう
に、特にＧａＡｓＯ４＋ＧａＡｓ０ａ＋ＧａＰ０．、Ａ
ｌＡｓ０．、　ＦＡｓ０４＋ＦｅＰＯ４１ＭｎＰＯａ＋
そしてＭｎＡｓ０４などの圧電結晶体に代表される化学
一般式ＡＢＯ４をもつ点対称属３２の水晶同種型の結晶
体は結晶の重要な物理特性、特に圧電パラメータや弾性
パラメータに関する優れた温度特性を有していることが
知られており、このことは圧電共振子への利用において
好都合である。この結晶の好ましい特性はフォノンスペ
クトルの特別な特性と結びついており、トータルシンメ
トリフォノン−モードの低周波で２０から５００　’Ｃ
の温度領域において周波数シフトは最高で１５％が観察
される。

この結晶素子の多様な利用可能性が示されるが、第１に
はＧａＰ０．が挙げられる。

上述の結晶体は熱水法で人工的に製造可能であることが
知られており、このことは例えばオーストリア特許３７
９８３１号に記載されている。

三方晶形対称の結晶−たとえばＬｉＮｂ０ｚ−を有する
圧電共振子ではごく一般的に厚さ一剪断一振動が利用さ
れる。特にそのような利用分野ではα−水晶やα−ＡＩ
ＰＯａに対してもそのような利用が知られており、その
際この結晶は、例えばＧａＰＯ４と同様な方法では高温
安定性が期待されず、また上記に説明したフォノンスペ
クトルの特徴も現われないことが指摘される。

水晶からなる共振子の製作に関する数多くの方法と概説
の一覧が、例えば、“水晶振動子とその応用”　、ＰＪ
ｉｇｏｕｒｅｕｘ、ロンドン、１９５０、に掲載されて
いる。

前記した厚さ一剪断一振動の応用では、水晶及びＡｌＰ
Ｏ４のための文献に特に好ましい切断角、すなわち回転
されたＹ−断面が示されており、これは結晶原塊からの
結晶体の切断の際に重要である。この切断角は水晶のた
めには前記゛水晶振動子とその応用″°に、そしてＡＩ
ＰＯ，のためには、例えば、Ｊ　、ＣｌＪｕｍａｓほか
による°“結晶成長”、νｏ１．８０．１９８？、の１
３３頁から１４８頁に記載されている。

驚くべきことは、−同様な結晶構造体にもかかわらず−
ＧａＰ０４からの結晶においてこの切断角つまりは切断
面が実現可能だあるが、しかしながら最適ではないと判
明した。一方ではこの公知の切断面は、性帳面と結晶学
的軸との間の結晶原塊に巨視的に検知される角度値に対
してむしろ悪い関係になっており、他方ではこの切断面
によって理論的に可能な電気機械結合が十分に利用でき
なく、その際その他共振周波数の低い温度係数が現われ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、一方においてＧａＰ０．を基体とする
圧電結晶素子のために第１に現在の成長法で得られる結
晶原塊を用いて比較的簡単に決定可能で第２に室温にお
いて共振周波数のわずかに正の温度係数及び低い副次波
長非抵抗性を有する切断面を提示し、他方において同じ
切断角領域において上記の特性が実質的に備えられてい
るＧａＰ０．を基体とする新しい結晶を提惧することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は、本発明によれば、結晶素子の主面が、光学
軸に対して平行に位置する結晶原塊の六方晶系プリズム
面から二数の結晶学的対称軸の一つの軸周りに一５度か
ら一２２度の間の角度：θを回転させることで得られる
切断面に平行に延びるようにすることで解決される。

（作用および効果〕 二数対称軸ａｉの一つがＸ−軸に平行に、そして二数対
称軸（光学軸）が２−軸に平行に延びるように軸ｘ、ｙ
Ｓｚを有する直交座標系にその結晶原塊をはめ込んでみ
ると、全ての大方晶プリズム面が２−軸に平行に位置す
る。切断されるべき結晶素子の上面を切断面に回転する
ために、六方晶プリズム面の１つを始点として結晶原塊
がＸ−軸周りに−５と一２２度の間の角度θだけ）頂け
られる。

これによって、従来欠点を解決した新規な圧電結晶素子
を得ることができた。

〔その他の特徴〕

特に利点を生みだす本発明の実施形態として、前記角度
：θが一１３度と一１７度の間とすることができる。

本発明により、前記結晶素子の主面に対して平行に延び
ている切断面のために、二数の結晶学対称軸の一つの軸
周りの回転に先立って光学軸周りに一５度と５度との間
の角度：θの回転が許される場合には、圧電結晶素子の
優れた特性が得られる。特に切断の前にその決定を行な
うために単に回転軸をわずかに傾けるとよい。

提案された切断面ないしは切断角は純物質ＧａＰ０．に
有効なだけではな（、本発明の別な実施形態としての、
前記結晶素子が一般式Ｇａ＋−ｘＭｘＰＯａの結晶から
構成され、ここでＭは３価元素であり、０＜＝ｘ＜０．
５であるものにも有効であることが驚くべきことに示さ
れた。したがって、Ｇａ−原子の半分が３価元素によっ
て置換されることにより純物質から生じる混合結晶も利
用することができる。アルミニウムははるかに安価なも
のであり、提示された混合比でＧａＰＯ４の優れた特性
を保つことができるので、ガリウムを部分的にアルミニ
ウムで置換すると好都合である。

〔実施例〕

ＧａＰＯ４を基体とした結晶の普通の成長技術により、
三方晶斜方大面対面２、六方晶プリズム面３及び卓面４
を備えた結晶原塊１が得られる。

これは第１図と第２図で明らかなように、典型的な結晶
原塊を示している。切断角ないしは切断面εの定義を簡
単化するために、以下のように二数結晶学対称軸ａｌ　
（ｔ・１−３）と光学軸Ｃ（二数対称軸）と関係付けら
れた直交座標系の軸が図示されている。Ｘは軸ａｌの１
つに平行であり、その方向は圧電効果によって生じるチ
ャージの正符号により与えられ、その際光学的に左回転
している結晶で圧縮が、光学的に右回転している結晶で
引っ張りが利用される。２−軸は光学軸Ｃに対して平行
であり、軸の右周りが形成されるようにＹはＺに直角と
なっている。Ｘ１′でさらに可能なＸ−軸が記されてい
る。小板状圧電結晶素子ｄの平行平面な上面５は主面Ｈ
に対して平行でかつ、Ｚ−軸に平行な六方晶プリズム面
３と−５と一２２度の間の角度θをなす切断面Ｅに対し
て平行に位置している。第２図からは、結晶素子６の平
たい上面５を含む主面Ｈが切断面Ｅに平行に位置してい
ることは明確である。結晶素子が平凸に形成される場合
主面は平たい上面に対して平行に位置しており、両凸に
形成されている場合主面は対称面に一致する。

Ｙ−軸方向に厚さ方向（厚さｄは最小寸法として定義さ
れる）を有する結晶断片はＹ−断片と呼ばれる。そのよ
うなＹ−断片をＸ−軸周りに角度：θだけ時計方向に回
転させると、回転されたＹ−断片となる。この種の断片
は三方晶系対称を有する結晶から作られる共振子にとっ
て、３つの可能な音響共振波の１つだけが励起されるの
で、大変重要である。

よく知られた例として、水晶やベルリニット（Ｅｅｒｌ
ｔｎｉｔ）　（α−３ｉ　Ｏｘとａ　　Ａｊ！ＰＯａ）
が挙げられる；前者ではいわゆる約θ＝−３５度でのＡ
Ｔ−断片とθ−−３８度で０ＣＴ−断片であり、後者は
同様にθ−−３０度でのＡＴ−断片として表される。

同じ結晶構造であることから、約−３０〜−４０度の範
囲でのＧａＰＯ４の相応な結晶断片を利用することは当
然であるだろう。しかしながら、そのような結晶断面の
共振周波数の温度係数は約−１５〜−３０ｐｐ＋ｉ／に
となり、このことは値からみても、その符号からみても
不都合なものである。

そのほかに、第１図に示されている典型的な外見的特徴
の°ため、まず小さな結晶原塊（例えば１０ｇ以下の重
量）では切り屑に対する取り分の割合が不適当であるし
、結晶加工時の前もっての方向調整のための助けになる
ものもなく、さらには約１．１０１００ＫＨｚの低い周
波数定数を持っている。

これに対して、わずかに正の温度係数またはほぼ零の温
度係数を持ち、現在の成長技術で得られる結晶体から切
り屑に対する適切な割合で切り取られることができ、さ
らに結晶加工時の結晶の方向調整において何等かの助け
が与えられ、しかも大きな周波数定数を有する結晶素子
が望まれている。

特許請求の範囲の請求項１に記載されたように回転され
たＹ−断片を選択するとこれらの要求が満たされる。共
振周波数の温度係数は参照温度として周囲温度において
零線の両端に位置する。

第２図から明らかなように、六方晶系プリズム面３の仮
想延長線に対する斜方六面体面２の角度は２０．０２度
であるので、結晶素子の切取り分は、特に−２０度と一
２２度の間の切断の場合向上する。このことは、この面
に結晶加工の際の第１の調整がなされることができ、好
ましい角度への回し戻しのための六方晶系プリズム面が
基準として用いられることができるので、明らかに方向
法めの際の助けとなる。さらに周波数定数は約１，２４
０〜１．４４０ＫＨｚｍｍの範囲であり、このことは材
料の高い密度を考えると全く注目すべきことである。

また導線電極の下側の領域の生成ゾーン境界は振動特性
に不都合な影響を与えることになるので、ゾーンを決め
て結晶材料が利用される。

ゾーン境界には、第１には直線的な結晶欠陥がよく生じ
、第２にはゾーン境界によって分割された領域の結晶軸
のわずかな傾斜可能性があり、このことは双方とも弾性
的かつ音響的特性に不都合な影響を与える。基本的には
各成長ゾーンを用いることができ、好都合なものはＺ−
ゾーン（卓面４の成長）又はＲ−ゾーン（斜方六面体面
２の成長）である。さらに波長領域３μｍの結晶原塊の
赤外線吸収αが０．８ｃｍ−１以下の値を備えている場
合、より好ましいものとなる。

この場合、結晶の加工性、切断、ラップ仕上げ、バニシ
仕上げが十分によいものが得られ、さらに共振性能は主
な部分だけではな（結晶のダンピングにより定まり、こ
のことは、特に叙述されたα−境界値に対して十分に大
きい値にも有効である。αは結晶中の水トレースの異成
分に比例するので、この水成分は結晶の粘弾性ダンピン
グの大きさを決定する。

さらに表面の高い品質も注目に値する。結晶素子のタッ
プ仕上げされた面は十分なものであり、最高の品質はバ
ニシ仕上げにより得られる。

前者では電橋付着が良好であり、後者では一般的に共振
性能が向上する。

もう−度第１図に戻るが、幾何学的な誤差範囲に関して
、χ軸とその対応する二数対称軸ａ。

は正確には一致する必要はなく、その本質的は特徴を変
えることなしに、Ｘ−Ｙ平面における状態Ｘ°でのβ＝
−５〜＋５度程度の傾きのわずかな遊びは十分に可能で
あると言える。角度θだけ傾斜させた座標系がＹ’　、
Ｚ’で示されている。

本発明によるＧａＰＯ４からの結晶素子の温度Ｔ（Ｃ）
に従属する相対周波数変化ｆ／ｆは第３図に示されてい
る。特に良い値は２５〜７５°Ｃの範囲にある。

第４図は温度範囲２５〜７５°Ｃの温度範囲での切断角
θと温度係数の求められた関係を示しており、第５図は
ＧａＰＯ４を基体とする結晶素子のための切断面の角度
θとＫＨｚｍｍでの周波数定数Ｎの関係を示している。

導線電極８の電極接続片７が共振子の振動特性に影響を
与えることをできるだけ避けるため第６図に示している
ものでは、Ｚ”軸に沿って配設されている。

尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利にする為
に符号を記すが、該記入により本発明は添付図面の構造
に宋定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係わるＧａＰＯ４を基体とする圧電結晶
素子の実施例を示し、第１図は結晶原塊を含む結晶素子
の説明図、第２図は第１図のＹ−２面に沿った断面図、
第３．４．５図は圧電結晶素子の測定曲線を示すグラフ
図、第６図は結晶学的軸に相対的は導線電極の好ましい
構造図である。 （１）・・・・・・結晶原塊、（３）・・・・・・六方
晶系プリズム面、（６）・・・・・・結晶素子、（Ｃ）
・・・・・・光学軸、（Ｅ）・・・・・・切断面、 ・・・・・・主面、 （ａｔ、　ａＺ＋　８３）・・・・・・結晶学的対称軸
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　必要に応じて電極を設けるための平行平面で平凸
   な又は両凸な上面と、平坦な上面に平行に又は両凸な上
   面に対称に位置している主面を備えた、共振子等に用い
   られるＧａＰＯ＿４を基体とする圧電素子において 前記結晶素子（６）の主面（Ｈ）が、光学軸（Ｃ）に対
   して平行に位置する結晶原塊（１）の六方晶系プリズム
   面（３）から二数の結晶学的対称軸（ａ＿１，ａ＿２，
   又はａ＿３）の一つの軸周りに−５度から−２２度の間
   の角度：θを回転させることで得られる切断面（Ｅ）に
   平行に延びていることを特徴とする圧電結晶素子。
2. ２．　前記角度：θが−１３度と−１７度の間であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の圧電結晶素子。
3. ３．　前記結晶素子（６）の主面（Ｈ）に対して平行に
   延びている切断面（Ｅ）のために、二数の結晶学対称軸
   （ａ＿１，ａ＿２又はａ＿３）の一つの軸周りの回転に
   先立って光学軸（Ｃ）周りに−５度と５度との間の角度
   ：θの回転が許されることを特徴とする請求項１又は２
   に記載の圧電結晶素子。
4. ４．　前記結晶素子（６）が一般式Ｇａ＿１＿−＿ｘＭ
   ＿ｘＰＯ＿４の結晶から構成され、ここで Ｍは３価元素であり、０＜＝ｘ＜０．５であることを特
   徴とする請求項第１〜３のいずれかに記載の圧電結晶素
   子。
5. ５．　前記Ｍがアルミニウムであることを特徴とする請
   求項第４項に記載の圧電結晶素子。