(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキ−法を用いて作製されたランガサイト型の圧電結晶において、
前記圧電結晶は、Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４であり、前記Ｘの範囲が、０．１３６≦Ｘ≦０．３２２であることを特徴とする圧電結晶。
【請求項２】
Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４をＹ軸と垂直な方向に切り出された矩形状の振動板と、前記振動板の両面に形成された第１電極及び第２電極とからなる圧電素子において、
周囲温度をＴとする時、前記Ｘの範囲が０．３６７−０．００７７Ｔ≦Ｘ≦０．４７６−０．００７７Ｔであることを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電性の光学材料に関し、特にランガサイト型結晶及びランガサイト型結晶から作製された圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、デジタル通信機器の需要性が急速に高まってきている。携帯電話、ＰＨＳなどに代表される移動体通信機器の躍進は目を見張るものがある。これらデジタル化が進む通信機器分野において、フィルタ、振動子の素子高性能化がいっそう重要視されるようになってきている。
圧電結晶は、フィルタや発振器、振動子といった通信機器用の電子部品として極めて重要な材料である。
携帯電話向けのＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｗａｖｅ）フィルタには水晶が、テレビやＶＴＲのフィルタにはＬｉＴａＯ３  が現在多く用いられている。
この場合、水晶は温度変化に強いという優れた性質があるが、帯域幅が狭いという欠点があり、ＬｉＴａＯ３  は帯域幅が広い反面、温度変化に弱いという欠点を有している。
このため両者の特長を併せ持った、即ち温度による周波数変動が少ない、安定した発振、広い帯域幅、挿入損失が小さいといった特長を持つ新しい材料の開発が待ち望まれていた。
【０００３】
その候補として、これまでα−ＡｌＰＯ４やＬｉ２Ｂ４Ｏ７といった結晶が開発されてきたが、α−ＡｌＰＯ４は双晶の発生等により結晶作製が困難、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７は潮解性を有し、かつ成長速度が遅いという問題があった。
これに対しＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４に代表されるランガサイト型結晶は、水晶とＬｉＴａＯ３の特徴を併せ持った特性を有し、かつ、結晶作製が容易、加工性に優れる等の点から優れた新しい圧電材料として注目されはじめている。
その他のランガサイト型結晶としてＬａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５  Ｏ１４やＬａ３Ｔａ０．５  Ｇａ５．５Ｏ１４といった新材料も見出されている。これらＬａ３Ｎｂ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４やＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４はＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４と同様に優れた圧電特性を示し、かつ、結晶の作製が容易で加工性も良く、将来の圧電材料として有望視されている。
これらの中でも特に、Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４は、結晶の作製が容易なことから大型の結晶が得やすく、大量生産に適したランガサイト型圧電結晶材料として最も有望視されている。
【０００４】
これらのランガサイト型結晶は、Ｌａ、Ｇａ、Ｔａ等を含む融液を用い、酸素雰囲気中で、結晶を引き上げるチョクラルスキー法によって作製される。
ＳＡＷフィルタ等のデバイスを作製するためにはこれらの結晶の大型化が不可欠であるため、これらの結晶の最適な作製条件を得るためにさまざまな検討が行われている。
例えば、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌａ３  Ｎｂ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４及びＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５  Ｏ１４結晶の作製においては、これらの結晶の引き上げ速度、結晶回転数、融液の温度勾配、融液組成、融液を収納するるつぼの材質、結晶育成中の雰囲気ガスなどのパラメータの最適化が行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ランガガサイト型結晶を用いてフィルタや振動子等の圧電素子を作製して、常温（２０℃乃至３０℃）付近で圧電素子を動作させる場合、周波数変化の温度に対する割合は、±１ｐｐｍ／℃以下であることが要求されている。
以下に、上記のＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を用いて作製された圧電素子の周波数変化の温度特性について図５を用いて説明する。
図５は、Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子の周波数変化と温度との関係を示す図である。
図５中、縦軸は、周波数変化Δｆ（ｐｐｍ）、横軸は、周囲温度Ｔ（℃）を示す。
Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を用いた圧電素子は、Ｙ軸（＜１２０＞軸）と垂直な方向に切り出された矩形状のＬａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４からなる振動板と、この振動板の両面に形成された２つのＡｌ電極とからなる。
この圧電素子の周波数特性は、この圧電素子を恒温槽中に入れ、この恒温槽の温度を変化させ、前記圧電素子の両面に形成されている２つのＡｌ電極に異なる周波数の交流を印加して調べた。
図５に示すように、周波数変化Δｆは、温度に対して上に凸となる二次曲線となり、周波数温度変化量ΔｆＴ（周波数変化の周囲温度に対する変化割合）は、温度５５℃で、０ｐｐｍ／℃となり、温度２５℃で、４．５ｐｐｍ／℃を示している。
このように、常温付近で周波数温度変化量ΔｆＴが±１ｐｐｍ／℃以上であると、周波数変動を生じてしまうため、圧電素子が安定動作しないといった問題を生じていた。
そこで、本発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、常温付近での周波数温度変化量が±１ｐｐｍ／℃以下となる圧電結晶及び圧電素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電結晶は、チョクラルスキ−法を用いて作製されたランガサイト型の圧電結晶において、前記圧電結晶は、Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４であり、前記Ｘの範囲が、０．１３６≦Ｘ≦０．３２２であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の圧電素子は、Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４をＹ軸と垂直な方向に切り出された矩形状の振動板と、前記振動板の両面に形成された第１電極及び第２電極とからなる圧電素子において、周囲温度をＴとする時、前記Ｘの範囲が０．３６７−０．００７７Ｔ≦Ｘ≦０．４７６−０．００７７Ｔであることを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
一般的に、ランガサイト型結晶の作製には、チョクラルスキー炉１を用いたチョクラルスキー法が用いられる。
図１は、ランガサイト型結晶の作製に用いられる高周波誘導加熱型のチョクラルスキー炉の断面図である。
図２は、本発明のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子を示す斜視図である。
図３は、本発明のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子の周波数変化と周囲温度との関係を示す図である。
図３中は、縦軸は、周波数変化Δｆ（ｐｐｍ）、横軸は、周囲温度Ｔ（℃）を示す。
図４は、Ｔａの組成割合Ｘが０乃至０．６の範囲のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を振動板に用いた時の圧電素子の周波数温度変化量を示す図である。
図４中、縦軸は、周波数温度変化量ΔｆＴ（ｐｐｍ／℃）、横軸は、Ｔａ組成割合Ｘを示す。
まず初めに、チョクラルスキー炉１の構成及びＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４（以下、ＬＴＮＧと省略する。）の作製方法について図１を用いて説明する。
図１に示すように、加熱用の高周波コイル３は、石英管２の外周囲に設けられ、石英管２の内側には、複数の保温筒４に囲まれて、融液６を入れるイリジウム（Ｉｒ）製のるつぼ５が配置されている。高周波コイル３の上端部とるつぼ５の上端部の高さは、ほぼ揃えられている。るつぼ５の大きさは、例えば、作製しようとする結晶の径の約倍の大きさの内径を有するものを用いる。石英管２中央上部には、一定速度で回転しながらかつ、一定速度で引き上げられる引き上げ棒８が備えられている。
【０００９】
次に、このチョクラルスキー炉１を用いたＬＴＮＧ結晶７の作製方法について説明する。
まず初めに、融液６を以下のようにして作製する。
純度９９．９９％の酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３  ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、酸化ガリウム（Ｇａ２Ｏ３）、酸化ニオブ（Ｎｂ２Ｏ５）の粉末をＬＴＮＧ結晶７の化学量論組成比の近傍で混合する。
更に、この混合粉末をボールミルを用いて、数日間混合粉砕する。粉砕後の混合粉末は、みかけ上の体積がかなり増加するため、数回に分けてＩｒ製のるつぼ５中に入れ、加熱溶融して、融液６を作製する。この時の加熱温度は約１５００℃とする。
【００１０】
次に、ＬＴＮＧ７の種結晶を引き上げ棒８の下端に固定し、その先端をるつぼ５内の融液６に浸し、なじませる。
この種結晶は、底部が５ｍｍ四方の角柱で、引き上げ方向が結晶軸（００１）方向、即ち、ｃ軸となるように切り出されている。
その後、石英管２内に純度９９．９９８％の不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）に酸素（Ｏ２）を混入させた混合ガスを導入する。
この際、アルゴンの流量１リットル／ｍｉｎに対して酸素の流量は０〜２０ミリリットル／ｍｉｎで行う。
ここで、酸素と共に用いられるガスは、不活性ガスであればよいので、アルゴンを窒素（Ｎ２）に変えても良い。
更に、引き上げ棒８を１０ｒｐｍ〜２０ｒｐｍの回転速度でゆっくり回転させながら、１〜３ｍｍ／ｈの速度で種結晶を引き上げていく。
このいわゆるチョクラルスキー法を用いた結晶成長方法により、直径約２５ｍｍ、長さ約１００ｍｍの大型ＬＴＮＧ７を作製することができる。
なお、るつぼ５の材質としてＩｒを用いているが、一般的に用いられているような白金（Ｐｔ）を用いても同様である。
また、ＬＴＮＧ７の直径やコーン部形状の制御は、融液の温度コントロールによって行う。
【００１１】
次に、このＬＴＮＧ７を用いた圧電素子の構成及び動作について説明する。
図２に示すように、圧電素子９は、ＬＴＮＧ７のＹ軸（＜１２０＞軸）に垂直な方向から切り出された矩形状の振動板１０と、この振動板１０の両面に形成された２つのＡｌ電極１１、１２とからなる。
通常、このＡｌ電極１１、１２は、真空蒸着法或いはスパッタ法を用いて作製され、その厚さは、１００ｎｍである。
また、振動板１０の平面形状は、４．５ｍｍ×２．３ｍｍであり、厚さは、共振周波数の中心が２７ＭＨｚとなるように調節してあり、例えば５０μｍである。
圧電素子９の動作は、２つのＡｌ電極１１、１２の間に所定の周波数の交流Ｖを印加し、振動板１０を固有振動周波数で共振させることによって行われる。
【００１２】
次に、圧電素子９の周波数特性について、この圧電素子９を恒温槽中に入れ、この恒温槽の温度を変化させ、圧電素子９の両面に形成されているＡｌ電極１１、１２に異なる周波数の交流Ｖを印加して調べた。
その結果を図３に示す。図３中、振動板１０に用いられるＬＴＮＧ７は、Ｔａ組成割合Ｘが、０．２３である。
図３に示すように、Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を用いた圧電素子の場合と同様に、圧電素子９の周波数変化Δｆは、周囲温度Ｔに対して上に凸となる二次曲線を示す。
この周波数変化Δｆは、２５℃以外の周囲温度の場合も同様になり、この二次曲線が横軸に対して平行移動するだけで、この曲線形状は変化しない。
【００１３】
更に、周囲温度Ｔを２０℃乃至３０℃の範囲で変化させ、Ｔａ組成割合Ｘの異なるＬＴＮＧ７を用いた時の振動板１０と圧電素子９の周波数温度変化量ΔｆＴとの関係について調べた。
周波数温度変化量ΔｆＴは、図３に示した周波数温度変化Δｆと周囲温度Ｔとの関係を示す二次曲線の傾きから求めることができる。
その結果を図４に示す。
図４に示すように、２０℃乃至３０℃の周囲温度Ｔの範囲で振動板１０に用いられるＬＴＮＧ７中のＴａ組成割合Ｘの増加と共に、周波数温度変化量ΔｆＴは直線的に減少する傾向にある。
【００１４】
この周波数温度変化量ΔｆＴとＴａ組成割合Ｘとの関係は、ΔｆＴ＝−０．１４１５（Ｔ−５５＋１３０．４３Ｘ）と表される。
このことから、周囲温度２０℃、３０℃の時の周波数温度変化量ΔｆＴをそれぞれΔｆ２０、Δｆ３０とすると、これらΔｆ２０、Δｆ３０と周囲温度Ｔとの関係は、以下のように表すことができる。
即ち、Δｆ２０＝−０．１４１５（−３５＋１３０．４３Ｘ）、Δｆ３０＝−０．１４１５（−２５＋１３０．４３Ｘ）となる。
図４より、この周波数温度変化量Δｆが±１ｐｐｍ／℃以下となる領域Ａは、Δｆ＝±１ｐｐｍ／℃の直線、Δｆ２０＝−０．１４１５（−３５＋１３０．４３Ｘ）の直線及びΔｆ３０＝−０．１４１５（−２５＋１３０．４３Ｘ）の直線に囲まれた領域となる。
【００１５】
この領域Ａを満たすＬＴＮＧ７のＴａ組成割合Ｘの範囲は、０．３６７−０．００７７Ｔ≦Ｘ≦０．４７６−０．００７７Ｔと表すことができる。
例えば、周囲温度Ｔが２０℃、３０℃の場合、領域Ａを満たすＬＴＮＧ７のＴａ組成割合Ｘは、それぞれ、０．２１３≦Ｘ≦０．３２２及び０．１３６≦Ｘ≦０．２４５となる。
このように、Ｔａ組成割合Ｘの範囲が０．１３６≦Ｘ≦０．３２２のＬＴＮＧ７を用いて圧電素子を作製すれば、常温の温度範囲内で周波数温度変化量Δｆが±１ｐｐｍ／℃以下となる安定した圧電素子を得ることができる。
【００１６】
更に、この領域Ａを満たすＬＴＮＧ７から切り出された振動板１０を用いれば、周波数温度変化量ΔｆＴを±１ｐｐｍ／℃以下にすることが可能となり、圧電素子９は、常温で周波数変動のない安定した動作を行うことができる。
以上、振動板１０の両面にＡｌ電極１１、１２を形成した圧電素子について説明したが、振動板の一方の面に２つの電極を形成して用いる場合についても同様な効果が得られる。
本発明について、実施の形態に沿って説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の圧電結晶によれば、圧電結晶は、Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４であり、前記Ｘの範囲が、０．１３６≦Ｘ≦０．３２２であるので、このＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を用いて圧電素子を作製した場合には、常温の温度範囲内で周波数温度変化量が±１ｐｐｍ／℃以下となる安定した圧電素子を得ることができる。
また、Ｌａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４をＹ軸と垂直な方向に切り出された矩形状の振動板と、前記振動板の両面に形成された第１電極及び第２電極とからなる圧電素子において、周囲温度をＴとする時、前記Ｘの範囲が０．３６７−０．００７７Ｔ≦Ｘ≦０．４７６−０．００７７Ｔであるので、周波数温度変化量を±１ｐｐｍ／℃以下にすることが可能となり、常温で周波数変動のない安定した動作を行うことができる圧電素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ランガサイト型結晶の作製に用いられる高周波誘導加熱型のチョクラルスキー炉の断面図である。
【図２】本発明のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子を示す斜視図である。
【図３】本発明のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子の周波数変化と周囲温度との関係を示す図である。
【図４】Ｔａ組成割合Ｘが０乃至０．６の範囲のＬａ３（ＴａｘＮｂ１−ｘ）０．５Ｇａ５．５Ｏ１４を振動板に用いた時の圧電素子の周波数温度変化量を示す図である。
【図５】Ｌａ３Ｔａ０．５Ｇａ５．５Ｏ１４から作製された圧電素子の周波数変化と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…チョクラルスキ−炉、２…石英管、３…高周波コイル、４…保温筒、５…るつぼ、６…融液、７…ＬＴＧ結晶、８…引上げ棒、９…圧電素子、１０…振動板、１１、１２…Ａｌ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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