(57)【要約】【課題】所望とする性能が得られる状態で、ランガサイト型構造を有する酸化物結晶による圧電素子を、より小型化する。【解決手段】コイルバネ１０１とする圧電単結晶体は、圧電単結晶体は、ＲＥ3Ｇａ5-xＡｌxＳｉＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５）、ＲＥ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０＜ｘ≦５．５）、ＲＥ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５．５）、ＡＥ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）、およびＡＥ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有するランガサイト型構造の酸化物から構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる圧電素子であって、
前記圧電単結晶体は、ＲＥ3Ｇａ5-xＡｌxＳｉＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５）、ＲＥ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０＜ｘ≦５．５）、ＲＥ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５．５）、ＡＥ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）、およびＡＥ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有するランガサイト型構造の酸化物から構成されている
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１記載の圧電素子において、
前記圧電単結晶体は、前記酸化物にＡｕが含有されている
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる圧電素子であって、
前記圧電単結晶体は、Ｌａ3Ｇａ5-xＡｌｘＳｉＯ１４（０≦ｘ≦５）、Ｌａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０＜ｘ≦５．５）、Ｌａ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０≦ｘ≦５．５）、Ｃａ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｃａ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｓｒ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、およびＳｒ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有し、かつＡｕを含有する酸化物から構成されている
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
請求項３記載の圧電素子において、
前記圧電単結晶体は、前記酸化物にＡｕが含有されている
ことを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電単結晶体から構成された圧電素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ランガサイト型構造を有する酸化物結晶材料、特にその結晶体は、ａ）圧電定数が水晶の数倍の大きさを有する、ｂ）温度による弾性表面液伝播速度の変化率が小さい、ｃ）電気機械結合定数が大きい、といった特性を有する。この特性に着目し、ランガサイト型構造を有する酸化物酸化物の結晶材料は、アクチュエータ、ＳＡＷフィルタ、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等の圧電デバイスにおける圧電振動子の材料として用いられている（特許文献１参照）。また、ランガサイト型構造を有する酸化物酸化物の結晶材料は、その正圧電効果を利用することで圧力を電気に変換する発電デバイスにおける発電用素子としての利用も可能である。
【０００３】
ここで、圧電素子材料として該酸化物材料を用いる場合にはより高い圧電定数を有することが好ましく、このため結晶方位の揃った単結晶として用いられることが好適である。また、該酸化物結晶材料は、相転移が生じないために高温環境下での使用に際しても最適な材料であると考えられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５９６２５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年では、圧電素子のさらなる小型化が求められている。しかしながら、単に素子の寸法を小さくすると、所望とする性能が得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、所望とする性能が得られる状態で、ランガサイト型構造を有する酸化物結晶による圧電素子を、より小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る圧電素子は、圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる圧電素子であって、圧電単結晶体は、ＲＥ3Ｇａ5-xＡｌxＳｉＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５）、ＲＥ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０＜ｘ≦５．５）、ＲＥ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５．５）、ＡＥ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）、およびＡＥ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有するランガサイト型構造の酸化物から構成されている。
【０００８】
上記圧電素子の一構成例において、圧電単結晶体は、酸化物にＡｕが含有されている。
【０００９】
本発明に係る圧電素子は、圧電単結晶体から構成されたコイルバネによる圧電素子であって、圧電単結晶体は、Ｌａ3Ｇａ5-xＡｌｘＳｉＯ１４（０≦ｘ≦５）、Ｌａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０＜ｘ≦５．５）、Ｌａ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０≦ｘ≦５．５）、Ｃａ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｃａ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｓｒ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、およびＳｒ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有し、かつＡｕを含有する酸化物から構成されている。
【００１０】
上記圧電素子の一構成例において、圧電単結晶体は、酸化物にＡｕが含有されている。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、ランガサイト型構造の酸化物からなる圧電素子をコイルバネとしたので、所望とする性能が得られる状態で、ランガサイト型構造を有する酸化物結晶による圧電素子が、より小型化できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における振動子の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態に係る圧電素子について図１を参照して説明する。この圧電素子は、圧電単結晶体から構成されたコイルバネ１０１から構成されている。また、圧電単結晶体は、圧電単結晶体は、ＲＥ3Ｇａ5-xＡｌxＳｉＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５）、ＲＥ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０＜ｘ≦５．５）、ＲＥ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５．５）、ＡＥ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）、およびＡＥ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有するランガサイト型構造の酸化物から構成されている。また、上記圧電単結晶体は、上述したランガサイト型構造の酸化物に、Ａｕを含有させることができる。
【００１４】
また、上記圧電単結晶体は、Ｌａ3Ｇａ5-xＡｌｘＳｉＯ１４（０≦ｘ≦５）、Ｌａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０＜ｘ≦５．５）、Ｌａ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０≦ｘ≦５．５）、Ｃａ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｃａ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｓｒ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、およびＳｒ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）のいずれかからなる群に含まれる組成を有し、かつＡｕを含有する酸化物から構成されている。また、上記圧電単結晶体は、上述したランガサイト型構造の酸化物に、Ａｕを含有させることができる。
【００１５】
以上に説明したように、ランガサイト型構造の酸化物による圧電単結晶体をコイルバネとしたので、所望とする性能が得られる状態で、ランガサイト型構造を有する酸化物結晶による圧電素子を、より小型化することができるようになる。
【００１６】
上述したランガサイト型構造の酸化物によるコイルバネは、従来のマイクロ引き下げ法における引き下げ軸を、上下のみ一方向から、ランガサイト型酸化物の三次元的な形状制御製造を可能とする三次元的な移動に変さらすることで作製可能である。上述した引き下げ軸の三次元的な移動の制御は、プログラムによって自動で行える。これにより、マイクロ引き下げ法において、コイルバネ（スプリング）形状のランガサイト型酸化物による圧電素子が作製可能である。
【００１７】
例えば、前述した原材料たるランガサイト型構造の酸化物を坩堝に充填し、充填された酸化物を溶解し、坩堝のダイ部に設けられた孔あるいはスリットより、溶融した酸化物を漏出させてダイ部に広がらせ、漏出した酸化物の融液にシードを接触させて接触部分より所望の単結晶などを生じさせ、シードを所定のコイルバネ形状に沿って坩堝のダイ部の側から相対的に引き離される方向に移動させることによって、単結晶を育成する。
【００１８】
また、結晶育成における形状制御をより安定にするために、上記酸化物を坩堝に充填する際、および充填された酸化物を溶解する際の少なくとも何れかのタイミングにおいて、酸化物に対してＡｕを添加することが有効である。このようにＡｕを添加することで、結晶を育成しようとする酸化物、特にその単結晶の形状に最適となる融液の漏出孔開口の形状を有する坩堝を用いて結晶育成を行うことが可能となり、所望の形状、表面状態を有した酸化物の単結晶体を、容易にかつ安定的に育成することが可能となる。
【００１９】
以下、より詳細に説明する。なお、坩堝に充填される素材も酸化物結晶と称呼されるべきであり、このため以下の説明に関しては酸化物あるいはその結晶体と称呼する。
【００２０】
まず、第１工程で、原材料の調製を行う。例えば、ランガサイト型酸化物結晶体、特にその単結晶としてＣａ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14の組成物を得ようとした場合、原材料である純度９９．９９ｗｔ／％以上のＣａＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5、Ｇａ2Ｏ3、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2の粉末を用意する。これら粉末を化学式のとおりに秤量し、十分に混合する。この混合において、さらに原材料粉末に対して所定量のＡｕ粉末を混合する。第２工程では、第１工程で調製された混合物である原材料を圧粉し、所定の形状を有した圧粉形態とした後にこれを白金−ロジウム合金坩堝内に充填する。
【００２１】
坩堝は、高周波誘導によって加熱する。第２工程で原材料を充填した坩堝を、外側および上方に断熱材を配置したホットゾーン内に載置し、第３工程において高周波誘導加熱によって原材料の溶解を行う。断熱材の外側にはさらなる密封用の構成として石英管が配置され、この周囲を巻き回す様に加熱用の高周波ワークコイルが配置されている。坩堝の高周波誘導加熱は、この高周波ワークコイルから発せられる高周波によって為される。溶融された原材料は、坩堝下部に設けられた例えば内径０．５ｍｍの孔から融液として漏出し、さらに坩堝の孔の開口周辺部と原材料融液との所謂濡れ性に順じて該開口周辺部に濡れ広がる（第４工程）。
【００２２】
なお、この坩堝下部は成長させる結晶の外形を規定する作用を有し、ダイ部とも称呼される。本発明ではこの下部とダイ部とし、開口部周辺への酸化物材料例えばその結晶体用の原材料の融液の濡れ広がりを漏出−広がりとして規定する。原材料融液はこのダイ部に所定領域に濡れ広がり、その状態にて後述するシードとの接触が為される。また、本形態では単に孔としてこれを例示しているが、スリット等、結晶の外形を規定可能な種々の形状とすることが可能であり、これらの総称として孔あるいはスリットとして本発明では定義する。本実施形態では、得ようとする酸化物結晶体を成長させる際の種結晶、即ちシードとしてＣａ3ＮｂＧａ3Ｓｉ2Ｏ14の組成からなる結晶を用いている。所定の結晶軸を有した当該シードの上部をダイ部上に漏出している原材料融液に接触させる（第５工程のシードタッチ）。
【００２３】
なお、この製造方法では、坩堝下に発生する酸化物結晶体の成長部分、即ち原材料融液−結晶体の界面をアフターヒータと称呼される環状の発熱体によって覆うこととしている。また成長部分を撮像装置などによって観察し、引下げ条件を適宜変さら可能としている。所定時間経過させて結晶の生成が始まった後、第６工程のシードの移動を開始する。シードの移動は、育成装置に設置したＺ軸方向に稼働するアクチュエータによって行われ、制御装置内の制御ソフトにおいて所定の長さに軸方向に沿ってシードを自動で動かす。これにより、坩堝におけるダイ部が存在する側より該シードが相対的に引き離される方向に移動させられ、シード移動の速度を適切な速度に維持することにより、シード側からの酸化物結晶体の一方向性凝固が進行し、所望の断面形状を有した棒状の酸化物結晶体（単結晶）が得られる。その後、得られた酸化物結晶体を取り出し（第７工程）、表面加工、所定寸法への切り出し、電極付け等の後加工が施され、種々の用途に供せられる。
【００２４】
ここで、発明者らは、特に圧電素子等の用途から好適な酸化物結晶体の育成が望まれるランガサイト型構造を有する酸化物材料、特にその結晶体に関して、従来工法による単結晶の育成をこれまで検討していた。しかし、シードの移動がＺ軸方向に限定されていることで、坩堝のダイ形状による面内形状の制御は可能であったものの、三次元的に形状を制御した試料が得られなかった。
【００２５】
発明者らは、結晶育成のためのシードの移動にＸ軸とＹ軸を追加することによって、結晶育成中の三次元的な形状制御を可能にすること、特にスプリング形状の試料がデバイス素子の省スペース化に有意であることを見出した。またその際、坩堝のダイ形状を目的とするスプリング形状に合わせた適切な形状とすることにより、結晶あるいは材料の成長が連続的に発生する酸化物結晶体−原材料融液界面であるメニスカスの形状、大きさ等を制御することも可能であった。なお、ランガサイト型構造を有する酸化物材料の融液が坩堝に対して適切な濡れ性を示すために、添加材料としてＡｕを原料中に含有させることも有効であった。なお、酸化物結晶体の育成に用いる坩堝の材質としては、イリジウム、白金、白金−ロジウム合金、レニウム、モリブデン等が存在する。Ａｕの添加はこれら何れの材料からなる坩堝に対しても同様の濡れ性抑制の効果が得られる。
【００２６】
シードの移動は、育成装置に設置したＸ、Ｙ、およびＺ軸方向に稼働するアクチュエータによって行われ、制御パソコン内の制御ソフトにおいて所定のスプリング形状を設計し、この形状に沿ってシードを自動で動かす。これにより、坩堝におけるダイ部が存在する側より該シードが相対的に引き離される方向に移動させられ、シード移動の速度を適切な速度に維持することにより、シード側からの酸化物結晶体の一方向性凝固が進行し、所望のスプリング形状を有した酸化物結晶体（単結晶）が得られる。
【００２７】
以上述べたように、本発明は、その一態様として、スプリング形状を有するランガサイト型構造の酸化物結晶体、特に単結晶を育成する引き下げ方法に供せされる酸化物材料であって、ＲＥ3Ｇａ5-xＡｌxＳｉＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５）、ＲＥ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０＜ｘ≦５．５）、ＲＥ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（式中ＲＥは希土類を表し、０≦ｘ≦５．５）、ＡＥ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）、およびＡＥ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（式中ＡＥはアルカリ土類金属を表し、０≦ｘ≦１）からなる群に含まれる何れかを構成するための組成を有する酸化物材料であって、圧粉形態とされた引下げ法用の原材料を含む。また、本発明の酸化物材料あるいはその結晶体に関しては、さらにＡｕを含有する。
【００２８】
また、同様に、Ｌａ3Ｇａ5-xＡｌｘＳｉＯ１４（０≦ｘ≦５）、Ｌａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０＜ｘ≦５．５）、Ｌａ3Ｎｂ0.5Ｇａ5.5-xＡｌxＯ14（０≦ｘ≦５．５）、Ｃａ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｃａ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、Ｓｒ3Ｔａ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）、およびＳｒ3Ｎｂ（Ｇａ1-xＡｌx）3Ｓｉ2Ｏ14（０≦ｘ≦１）からなる群に含まれる何れかを構成するための組成を有する酸化物材料も同様にその態様として含む。また、本発明の酸化物材料あるいはその結晶体に関しては、さらにＡｕを含有する。
【００２９】
さらにこれら材料に関しては、添加されたＡｕは、一部置換の様式にて該結晶に含まれるＡｌあるいはＧａをさらに置換する様式にて、最終的な酸化物結晶体からなる材料に包含されることで、より好適な物理的特性が得られる。
【００３０】
なお、上述した製造方法についての一形態では、第１工程にてＡｕを添加する場合を示した。しかし、さらなる形態として、第３工程、あるいは第４工程における坩堝孔（ダイ部）から原材料融液が漏出する直前即ち原材料融液の溶解の際の適当なタイミングにて、適量のＡｕが原材料融液に添加される様式としても良い。具体的には、溶融状態にある原材料に対して細線等の状態のＡｕを接触させ、この接触部分から原材料融液に対するＡｕの拡散を図っても良い。なお、Ａｕの添加方式は当該例に限定されず、溶融あるいは気化状態のＡｕの添加等、種々の様式が考えられる。当該様式によれば、原材料融液に対するＡｕの添加量の制御は難しくなる反面、例えば漏出部分近傍にてＡｕを接触させることによって坩堝内に存在する原材料融液でのＡｕ原子の拡散等の挙動を考慮しなくても良くなる。また、例えば坩堝の開口部近傍にＡｕを付着させる等によって存在させることとしても良い。当該方法によればＡｕ添加量の制御が困難となる反面、Ａｕ添加の工程自体を削減して工程数を減らす効果が得られる。
【００３１】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３２】
１０１…コイルバネ。
【図１】
2020098857.tif 000003