(57)【要約】 【課題】  電気機械結合係数が大きく、音速、ＳＡＷ速度が小さい圧電単結晶組成物を用いることにより、圧電振動子、弾性表面波デバイスを提供すること。【解決手段】  ランガサイト型構造を有する化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14（０＜ｘ≦０．７）で表される圧電単結晶組成物を提供することにより、圧電フィルター、圧電共振子、圧電ジャイロ等の体積弾性波を利用した圧電振動子及び圧電フィルター、センサー等の弾性表面波デバイスの小型化を可能にする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランガサイト型構造を有し、化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14であり、前記ｘの範囲が０＜ｘ≦０．７である単結晶から成ることを特徴とする圧電単結晶組成物。
【請求項２】
融液から成長したバルク単結晶から成る組成物であることを特徴とする請求項１に記載の圧電単結晶組成物。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電単結晶組成物からなり、体積弾性波が伝搬する方向に電極構造を有することを特徴とする圧電振動子。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の圧電単結晶組成物からなる基板表面上にすだれ状電極構造を有することを特徴とする弾性表面波デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエーター、圧電フィルター、圧電共振子、圧電ジャイロ、あるいは圧電トランスなどにおいて圧電体として用いられる圧電単結晶組成物、圧電単結晶組成物を用いた圧電振動子、および弾性表面波デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電フィルター、圧電共振子、圧電ジャイロ等の体積弾性波を利用した圧電振動子、または圧電フィルター、センサー等に用いられる弾性表面波デバイスは、携帯電話、パソコン、デジタルカメラなどに搭載される機器の小型化により、それに伴い圧電振動子や弾性表面波デバイス用基板にも小型化が要求されている。
【０００３】
また、圧電振動子や基板が小型化しても、電気−機械の変換効率が悪いと、その分回路への負担が大きくなり、回路部品数の増大を招くため、デバイスサイズが大きくなる問題も生じている。これらの問題に対して重要となる材料特性は、体積弾性波を利用した圧電振動子の場合では、電気機械結合係数と音速が、また弾性表面波デバイスの場合には、電気機械結合係数ｋ2とＳＡＷ速度が重要な特性となる。
【０００４】
体積弾性波を利用した圧電振動子の音速について説明する。音速ｖと圧電振動子長さＬは次式（１）の関係にある。
ｖ＝２・ｆｒ・Ｌ  ・・・・・・（１）
ここで、ｆｒは共振周波数である。ｆｒはデバイスによって所望の値に設定されるため、音速が直接圧電振動子の長さに影響する。
【０００５】
弾性表面波デバイスは、通常、すだれ状電極を有する構造であり、そのサイズはＳＡＷ速度ｖと次式（２）の関係がある。
1／λ＝２（ａ+ｈ）／ｖ  ・・・・・・（２）
ここで、λは弾性表面波の波長、ａ、ｈはそれぞれ電極間および電極の幅である。これよりλは設計で所望の値に設定するので、電極の大きさはＳＡＷ速度が小さい程小さくなり、基板の小型化が可能となる。以上より体積弾性波を利用した圧電振動子の音速、および弾性表面波デバイスのＳＡＷ速度は小さいことが望ましいことがわかる。
【０００６】
次に、電気機械結合係数について説明する。電気機械結合係数は電気−機械間の変換効率を現す特性で、体積弾性波を利用した圧電振動子、弾性表面波デバイス共に電気エネルギー−機械エネルギー間の変換が必要であり、電気機械結合係数が大きいことが望まれる。
【０００７】
体積弾性波を利用した圧電振動子の単結晶として現在では、水晶、ニオブ酸リチウムが主に用いられている。しかし、水晶では音速が３０００ｍ／ｓ程度と小さいが、電気機械結合係数が１０％以下と小さい問題がある。またニオブ酸リチウムはそれとは逆に電気機械結合係数は水晶に比べ５０％程度大きいが、音速が約４０００ｍ／ｓと大きい問題がある。他にランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14は音速が２７００ｍ／ｓと小さいが電気機械結合係数が１６％と水晶より大きい。しかしながら、体積弾性波を利用した圧電振動子の単結晶材料の特性として、さらに大きな電気機械結合係数が望まれている。
【０００８】
弾性表面波デバイス用の基板材料にも現在では水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等の単結晶が用いられている。弾性表面波デバイスにおいてもこれらの材料は同様の問題を持っている。水晶はＳＡＷ速度が３１５０ｍ／ｓと小さいが、電気機械結合係数ｋ2も小さい。またニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムは電気機械結合係数ｋ2がそれぞれ５．５％、０．８％と大きく十分であるが、ＳＡＷ速度がそれぞれ３９００ｍ／ｓ、３３００ｍ／ｓと大きい問題がある。ランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14は電気機械結合係数ｋ2が０．５％と水晶の０．１７％より大きく、ＳＡＷ速度も２５００ｍ／ｓと水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムより小さいので期待されている。しかしながら、弾性表面波デバイス用の基板材料にも、単結晶材料の特性として、さらなる改善が望まれている。
【０００９】
特許文献１には、ランガサイト系のＬａ3Ｇａ5.5Ｎｂ0.5Ｏ14単結晶を用いた弾性表面波装置の例、特許文献２には、ランガサイト系のＬａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5Ｏ14単結晶を用いた弾性表面波装置の例、および非特許文献３には、ランガサイト系のＳｒ3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14単結晶の諸特性が公開されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２２４００１
【特許文献２】特開平１０−２８４９８１
【非特許文献３】Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｂｕｌｌｅｔｉｎ  Ｖｏｌ．３９  ｐｐ９８７−９９２（２００４年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、例えば特許文献１に記載されているような、ランガサイト系のＬａ3Ｇａ5.5Ｎｂ0.5Ｏ14単結晶を用いた弾性表面波デバイスでは、電気機械結合係数ｋ2が０．８２％、ＳＡＷ速度が２１００ｍ／ｓと記されている。また例えば特許文献２に記載されているように、小型化のためにランガサイト系のＬａ3Ｔａ0.5Ｇａ5.5Ｏ14単結晶では電気機械結合係数ｋ2が０．０６〜１．３２％、ＳＡＷ速度が２２８６〜２６６４ｍ／ｓの弾性表面波装置が公開されている。しかしながら両者とも電気機械結合係数ｋ2、ＳＡＷ速度とも十分とは言えず、更なる特性向上が望まれている。さらに例えば非特許文献３に記載されているように、Ｂａを含まないＳｒ3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14単結晶については、育成方法及び熱及び光特性が記載されているが、圧電特性に関しては記載されていない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決すべくなされたもので、電気機械結合係数が大きく、音速、ＳＡＷ速度が小さい圧電単結晶組成物を提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、上記圧電単結晶組成物を用いた小型の圧電振動子、および小型の弾性表面波デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、前記課題の解決のため、ランガサイト型構造を有し、化学式（Ｓｒ1-xＢａx）3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14であり、前記ｘの範囲が０＜ｘ≦０．７である単結晶から成ることを特徴とする圧電単結晶組成物である。
【００１５】
また、融液から成長したバルク単結晶から成る組成物であることを特徴とする圧電単結晶組成物である。
【００１６】
さらに、圧電単結晶組成物からなり、体積弾性波が伝搬する方向に電極構造を有することを特徴とする圧電振動子である。
【００１７】
また、圧電単結晶組成物からなる基板表面上にすだれ状電極構造を有することを特徴とする弾性表面波デバイスである。
【発明の効果】
【００１８】
従って、本発明によれば、ランガサイト型構造を有する化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14（０＜ｘ≦０．７）で表され、電気機械結合係数が大きく、音速、ＳＡＷ速度が小さい圧電単結晶組成物を提供することができる。さらに、圧電単結晶組成物を用いた小型の圧電振動子、および小型の弾性表面波デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明による圧電単結晶組成物、圧電振動子、および弾性表面波デバイスの実施の形態について、具体的に説明する。
【００２０】
ランガサイト型構造を有する化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14で表される組成の圧電単結晶組成物の原料であるＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｇａ2Ｏ3、ＳｉＯ2粉末を乳鉢で混合し、混合粉をペレット状にプレスして、高温炉により所定の温度にて、所定の時間仮焼を行い、仮焼後ペレットを粉砕し原料粉末とする。
【００２１】
次に、得られた原料粉末を高周波加熱方式の単結晶育成炉内の坩堝に入れ、所定の温度に加熱することにより、原料粉末を溶融し、この融液に種子結晶を浸し、所定の引き下げ速度で単結晶の育成を行う。この際、単結晶成長には高周波加熱方式のマイクロ引き下げ法により育成を行う。
【００２２】
次に、得られた育成単結晶から電気機械結合係数、音速特性などの基本特性が優れる切り出し角で単結晶をＸ板Ｙ軸方向に切り出し、次いで鏡面研磨を行い、この切り出した単結晶上に体積弾性波が伝搬する方向の上下面に電極を形成し、図１に示すような圧電振動子を作製する。１は単結晶、２は電極である。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より測定を行い、測定する振動モードはＹ方向が長さ方向振動で、電界印加がＸ方向である。
【００２３】
また、得られた育成単結晶から電気機械結合係数ｋ2、ＳＡＷ速度などの基本特性が優れる切り出し角で基板をＹ板Ｘ軸方向に切り出し、次いで鏡面研磨を行い、この切り出した基板上に弾性表面性波が伝搬する方向にすだれ状電極を形成し、図２に示すような弾性表面波デバイスを作製する。１は単結晶、３は入力側電極、４は出力側電極である。伝搬方向はＸ方向であり、電気機械結合係数ｋ2、ＳＡＷ速度はネットワークアナライザーを用いて測定する。
【実施例１】
【００２４】
次に、具体的な実施例を挙げ、本発明の圧電単結晶組成物、圧電振動子、および弾性表面波デバイスについて、さらに詳しく説明する。
【００２５】
化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14で表される化学量論組成の圧電単結晶組成物の試料作製工程を示す。純度９９．９９％のＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｔａ2Ｏ5、Ｇａ2Ｏ3、ＳｉＯ2粉末を前記化学式で示されるｘ値が０から０．９までの範囲を変化させた１０水準の組成の試料を秤量し、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２０ｈｒ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。
【００２６】
単結晶成長には高周波加熱式のマイクロ引き下げ法により育成した。坩堝のノズル形状は、長さ１５ｍｍ幅１ｍｍとし、結晶成長は、成長速度６ｍｍ／ｈｒの条件で行なった。また、シードには化学量論組成のランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14のＸ板Ｙ軸方向結晶を用いた。雰囲気は酸素１％を導入したアルゴン雰囲気とした。ｘ＝０からｘ＝０．８までの組成範囲では、薄橙色透明で約３０ｍｍの長さの単結晶が得られた。しかし、ｘ＝０．９の場合は透明結晶の成長はできなかった。本発明では、融液からの成長法であるマイクロ引下げ法を用い、融液から成長させることによりバルク単結晶を育成したが、固相反応を利用した単結晶作成では空孔が発生する等の問題により、高品質の単結晶を作製することは困難であった。
【００２７】
図１は、本発明の実施例１に係わる体積弾性波を利用した圧電振動子を示す斜視図である。得られた単結晶をＸ板Ｙ軸方向に切り出し、鏡面研磨により板状試料２．０×０．５×１０ｍｍのサイズに加工した。電極２は金を単結晶１の上下面に体積弾性波が伝搬する方向にスパッタリングして設けた。
【００２８】
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を用いて測定した。測定した振動モードは長さ方向振動で、電界印加がＸ方向、振動がＹ方向である。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。電気機械結合係数ｋ12及び音速の測定結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2006282433.tif 000002
【００３０】
電気機械結合係数ｋ12はｘ＝０の場合、１６．８％でランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14より大きな値となった。ｘの増加に伴い電気機械結合係数ｋ12は上昇し、ｘ＝０．５で最大１９．８％となった。さらにｘが増加すると電気機械結合係数ｋ12は減少し、ｘ＝０．８のとき１６．２％とｘ＝０の時より下回った。また、音速はｘ＝０で２６５０ｍ／ｓとランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14と同等の値であるが、ｘの増加に伴い減少した。以上より、化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14で表されるｘが、０から０．７（０は含まず）までの範囲内にて、得られた圧電単結晶組成物の電気機械結合係数ｋ12が大きく、かつ音速が小さいので体積弾性波を利用した圧電振動子の小型化に有効であることが判った。
【実施例２】
【００３１】
化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14で表される化学量論組成の圧電単結晶組成物の試料作製工程を示す。純度９９．９９％のＳｒＣＯ3、ＢａＣＯ3、Ｔａ2Ｏ５、Ｇａ2Ｏ3、ＳｉＯ2粉末を前記化学式で示されるｘ値が０から０．９までの範囲を変化させた１０水準の組成の試料を秤量し、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２０ｈｒ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。
【００３２】
単結晶成長には高周波加熱式のマイクロ引き下げ法により育成した。坩堝のノズル形状は長さ１５ｍｍ幅１ｍｍとし、結晶成長は、成長速度６ｍｍ／ｈｒの条件で行なった。また、シードには化学量論組成のランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14とのＹ板Ｘ軸方向結晶を用いた。雰囲気は酸素１％を導入したアルゴン雰囲気とした。ｘ＝０からｘ＝０．８までの組成範囲では、薄橙色透明で約３０ｍｍの長さの単結晶が得られた。しかし、ｘ＝０．９の場合は透明結晶の成長はできなかった。
【００３３】
図２は、本発明の実施例２に係わる弾性表面波デバイスの表面電極を示す斜視図である。得られた単結晶１を平板上に加工し、表面を鏡面状態に研磨した。その表面に、すだれ状電極を入力側電極３、出力側電極４の一対、金蒸着により形成した。電極のサイズは電極指幅３０μｍ、電極ピッチ６０μｍ、電極指数対２０である。伝搬方向はＸ方向である。ＳＡＷ速度ｖ、電気機械結合係数ｋ2はネットワークアナライザーを用いて測定した。測定結果を表２に示す。
【００３４】
【表２】
2006282433.tif 000003
【００３５】
電気機械結合係数ｋ2はｘ＝０のとき０．６２％とランガサイトＬａ3Ｇａ5ＳｉＯ14より若干良い値を示した。ｘの増加に伴い電気機械結合係数ｋ2は増大し、ｘ＝０．５のとき最大１．３８％となった。ｘ＝０．８％でｘ＝０の値を下回った。また、音速はｘの増加に伴い、ほぼ減少する傾向が見られ、体積弾性波を利用した圧電振動子と同様の効果が得られた。
【００３６】
以上より、化学式（Ｓｒ1-xＢａx)3ＴａＧａ3Ｓｉ2Ｏ14で表されるｘが０から０．７（０は含まず）までの範囲内にて、得られた圧電単結晶組成物は電気機械結合係数ｋ2が大きく、かつＳＡＷ音速が小さいので弾性表面波デバイスの小型化に有効であることが判った。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１に係わる圧電振動子を示す斜視図。
【図２】本発明の実施例２に係わる弾性表面波デバイスの表面電極を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３８】
１    単結晶
２    電極
３    入力側電極
４    出力側電極
【図１】
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【図２】
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