(57)【要約】【課題】  高温環境下でも使用が可能であり、カット面加工の誤差による共振周波数の温度特性の影響が小さいバルク波を用いた共振子を提供すること。【解決手段】  ランガテイト単結晶で構成された圧電体２と、一対の電極３、４とを備え、圧電体のカット角が（１１．７°、３９．９°）（１１．７°、６６．５°）（５１．２°、６６．５°）（５１．２°、３９．９°）で囲まれる領域、（６８．８°、３９．９°）（６８．８°、６６．５°）（１０８．３°、６６．５°）（１０８．３°、３９．９°）で囲まれる領域、（８．８°、１１３．５°）（８．８°、１４０．１°）（４８．３°、１４０．１°）（４８．３°、１１３．５°）で囲まれる領域、（７１．７°、１１３．５°）（７１．７°、１４０．１°）（１１１．２°、１４０．１°）（１１１．２°、１１３．５°）で囲まれる領域、または対称性によりこれらの領域と等価な領域のいずれかである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の圧電体と、該圧電体の対向する２平面にそれぞれ配置された一対の電極とを備え、
前記圧電体が、ランガテイト結晶で構成されていることを特徴とする共振子。
【請求項２】
前記圧電体のカット角が、オイラー角表示（φ、θ）で、
点ａ１（１１．７°、３９．９°）、点ａ２（１１．７°、６６．５°）、点ａ３（５１．２°、６６．５°）及び点ａ４（５１．２°、３９．９°）によって囲まれる領域Ａと、
点ｂ１（６８．８°、３９．９°）、点ｂ２（６８．８°、６６．５°）、点ｂ３（１０８．３°、６６．５°）及び点ｂ４（１０８．３°、３９．９°）によって囲まれる領域Ｂと、
点ｃ１（８．８°、１１３．５°）、点ｃ２（８．８°、１４０．１°）、点ｃ３（４８．３°、１４０．１°）及び点ｃ４（４８．３°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｃと、
点ｄ１（７１．７°、１１３．５°）、点ｄ２（７１．７°、１４０．１°）、点ｄ３（１１１．２°、１４０．１°）及び点ｄ４（１１１．２°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｄと、
ランガテイト結晶の対称性により前記領域Ａ〜Ｄと等価な領域とのいずれかにあることを特徴とする請求項１に記載の共振子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば圧電発振子やバンドパスフィルタなどに用いられる共振子に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電体を用いた共振子として、圧電体内部を伝搬するバルク波を用いた共振子（以下、バルク共振子と称する）と、表面弾性波を用いた共振子（以下、表面弾性波共振子と称する）とがある。
ここで、バルク共振子を使用した無線無給電のセンサシステムとして、タイヤ内部の空気圧を検知する空気圧センサシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この空気圧センサシステムは、水晶によって構成されたバルク共振子を用いており、空気圧に応じた共振周波数を発振することによって検知するように構成されている。
【０００３】
一方、表面弾性波共振子として、水晶よりも融点が高く、室温から融点までの間に相転移点がないことから、より高温環境下での使用が可能となるランガテイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４）単結晶を用いたものが提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。このランガテイト単結晶は、ランガサイト単結晶の構成元素Ｓｉを元素Ｔａで置換したもの、すなわちランガサイト単結晶系列の置換型単結晶の一種であり、ランガサイトと同様の結晶構造を有している。したがって、ランガサイト単結晶が温度に対して安定した特性を有することから、ランガテイト単結晶も安定した温度特性を有している。ランガテイトは、融点が約１５００℃と高く、室温から融点までの間で相転移がないので、より高温での使用が可能となる。
【特許文献１】特許第３４９４４４０号公報
【特許文献２】特開２０００−１３８５５７号公報
【特許文献３】特開２００４−２８２５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来のバルク波を用いた共振子には水晶を用いることが提案されているが、水晶は、５７３℃で相転移が発生して圧電性を示さなくなってしまう。また、５７３℃以下でも、圧電性が高温により経時劣化を起こすことがあるため、共振子を加工する際に温度に関して制約が生ずる。上述したように、表面弾性波を用いた共振子では、より高温環境下での使用が可能となるランガテイト単結晶を用いることが提案されているが、バルク共振子において適用することは提案されていなかった。
さらに、水晶を用いたバルク共振子では、ＡＴカットが用いられている。このカット面は、−３０℃〜１２０℃の範囲で±３０ｐｐｍ程度の周波数変動となっている良好なカット面である。しかしながら、共振周波数の温度特性のカット角依存性が大きく、安定な温度特性を維持するためには高精度のカット面加工が要求され、共振子歩留まりの低下が問題であった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、高温環境下でも使用が可能であり、カット面加工の誤差による共振周波数の温度特性の影響が小さいバルク波を用いた共振子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、平板状の圧電体と、該圧電体の対向する２平面にそれぞれ配置された一対の電極とを備え、前記圧電体が、ランガテイト結晶で構成されていることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、融点が約１５００℃と高く、室温から融点までの間で相転移がないランガテイトを用いることによって、高温下においても経時劣化を起こすことがない。したがって、例えば高温環境下における温度センサに用いるバルク共振子として適用することが可能となる。
【０００８】
また、本発明の共振子は、前記圧電体のカット角が、オイラー角表示（φ、θ）で、点ａ１（１１．７°、３９．９°）、点ａ２（１１．７°、６６．５°）、点ａ３（５１．２°、６６．５°）及び点ａ４（５１．２°、３９．９°）によって囲まれる領域Ａと、点ｂ１（６８．８°、３９．９°）、点ｂ２（６８．８°、６６．５°）、点ｂ３（１０８．３°、６６．５°）及び点ｂ４（１０８．３°、３９．９°）によって囲まれる領域Ｂと、点ｃ１（８．８°、１１３．５°）、点ｃ２（８．８°、１４０．１°）、点ｃ３（４８．３°、１４０．１°）及び点ｃ４（４８．３°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｃと、点ｄ１（７１．７°、１１３．５°）、点ｄ２（７１．７°、１４０．１°）、点ｄ３（１１１．２°、１４０．１°）及び点ｄ４（１１１．２°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｄと、ランガテイト結晶の対称性により前記領域Ａ〜Ｄと等価な領域とのいずれかにあることが好ましい。
この発明によれば、ランガテイトのカット面が上記領域Ａ〜Ｄとこれら領域Ａ〜Ｄに対して等価な領域とのいずれかにあることで、−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数の温度依存性が小さくなる。また、カット面加工の加工ずれよる共振周波数の温度依存性への影響が小さいので、歩留まりが良好であり、バルク波を用いる共振子を安定して製造することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の共振子によれば、高温環境下であっても経時劣化や相転移を起こすことがなく、安定した共振特性を有するバルク共振子が得られる。
また、共振周波数の温度依存性が小さいと共に、カット面加工の加工ずれによる共振周波数の温度依存性への影響が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明にかかる共振子の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態による共振子１は、例えば温度センサなどに用いられる共振子であって、図１に示すように、ランガテイト（Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４）の単結晶によって形成された平板状の圧電体２と、圧電体２の上下両面に設けられた一対の電極３、４とによって構成されている。
【００１１】
圧電体２は、そのカット面がオイラー角表示（φ、θ）で、
点ａ１（１１．７°、３９．９°）、点ａ２（１１．７°、６６．５°）、点ａ３（５１．２°、６６．５°）及び点ａ４（５１．２°、３９．９°）によって囲まれる領域Ａ、
点ｂ１（６８．８°、３９．９°）、点ｂ２（６８．８°、６６．５°）、点ｂ３（１０８．３°、６６．５°）及び点ｂ４（１０８．３°、３９．９°）によって囲まれる領域Ｂ、
点ｃ１（８．８°、１１３．５°）、点ｃ２（８．８°、１４０．１°）、点ｃ３（４８．３°、１４０．１°）及び点ｃ４（４８．３°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｃ、
点ｄ１（７１．７°、１１３．５°）、点ｄ２（７１．７°、１４０．１°）、点ｄ３（１１１．２°、１４０．１°）及び点ｄ４（１１１．２°、１１３．５°）によって囲まれる領域Ｄと、
これら領域Ａ〜Ｄと等価な領域とのうちのいずれかの領域内にあるように形成されている。
そして、圧電体２は、互いに対向する平行な２平面に設けられた電極３、４間に電圧を印加することによって厚みすべり振動を発生させる。この厚みすべり振動には、共振周波数に応じて遅い横波及び速い横波と縦波との３つの振動モードが存在する。
【００１２】
そこで、ランガテイト単結晶の各カット角における共振周波数の温度依存性を、クリストッフェルの式にランガテイトの物理定数を適用することによって算出した。図２及び図３に、遅い横波及び速い横波における温度変化に対する共振周波数変化率をそれぞれ示す。なお、図２及び図３での共振周波数変化率は、−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数の最大値と最小値との差を２０℃における共振周波数で割った値を用いており、絶対値が小さいほど温度依存性が小さいことを示している。また、表１〜表３にφ方向で０°〜９０°、θ方向で０°〜６０°の範囲について、遅い横波における共振周波数変化率を、表４〜表６に同範囲について、速い横波における共振周波数変化率を示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
【表２】
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【００１５】
【表３】
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【００１６】
【表４】
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【００１７】
【表５】
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【００１８】
【表６】
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【００１９】
図２に示す遅い横波において共振周波数の温度依存性が小さいカット面である、オイラー角表示で（φ、θ）＝（１８．８°、１３０．１°）のカット面の−４０℃〜１４０℃の範囲での共振周波数変化率を、図４に示す。また、図３に示す速い横波において共振周波数の温度依存性が小さいカット面である、オイラー角表示で（φ、θ）＝（２１．７°、５６．５°）のカット面の−４０℃〜１４０℃の範囲での共振周波数変化率を、図５に示す。
また、実際にランガテイト単結晶をオイラー角表示（φ、θ）＝（１８．８°、１３０．１°）、（２１．７°、５６．５°）のカット面でそれぞれカットし、−４０℃〜１４０℃における共振周波数変化率を測定した。この結果を図４及び図５にあわせて示す。
図４及び図５より、算出した共振周波数変化率と、実測とで若干プロファイルが異なるが、ほぼ同様の共振周波数の温度安定性を示している。
【００２０】
次に、カット角の変化による温度依存性への影響を算出した。まず、遅い横波において、オイラー角表示で（φ、θ）＝（１８．８°、１３０．１°）のカット面で、カット角をθ及びφ方向でそれぞれ±０．１°ずらしたときの−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数変化率を、図６及び図７にそれぞれ示す。また、速い横波において、オイラー角表示で（φ、θ）＝（２１．７°、５６．５°）のカット面で、上述と同様に、カット角をθ及びφ方向でそれぞれ±０．１°ずらしたときの−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数変化率を、図８及び図９にそれぞれ示す。さらに、水晶のＡＴカット面において、カット角をθ及びφ方向でそれぞれ±０．１°ずらしたときの−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数変化率を、図１０及び図１１にそれぞれ示す。
【００２１】
図６〜図１１より、水晶では２０℃における共振周波数を基準としたときに、１２０℃において６０ｐｐｍ程度変動する。そして、ランガテイト単結晶では、２０℃における共振周波数を基準として１２０℃において変動が２０ｐｐｍ程度であり、水晶と比較して１／３程度であることを示している。
一般に、各共振子間の共振周波数の温度特性のばらつきが−４０℃〜１４０℃の範囲で±数ｐｐｍ程度であることが望まれている。したがって、水晶では、カット角が４０秒程度であることが必要である。これに対して、ランガテイト単結晶では、カット角の精度が１〜２分程度であっても上記条件を満たすので、カット角の制御が容易である。
【００２２】
なお、水晶の他のカット面において、−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数変化率は、θ方向における±０．１°のずれに対して約−６０ｐｐｍ〜約６０ｐｐｍとなり、φ方向における±０．１°のずれに対して約−４０ｐｐｍ〜約４０ｐｐｍとなる。また、ランガテイト単結晶の他のカット面において、−４０℃〜１４０℃の範囲における共振周波数変化率は、遅い横波ではθ方向における±０．１°のずれに対して約−２５ｐｐｍ〜約２５ｐｐｍとなり、φ方向における±０．１°のずれに対して約−３２ｐｐｍ〜約３２ｐｐｍとなる。また、速い横波ではθ方向における±０．１°のずれに対して約−２０ｐｐｍ〜約２０ｐｐｍとなり、φ方向における±０．１°のずれに対して約−２５ｐｐｍ〜約２５ｐｐｍとなる。このように、いずれのカット角においても、ランガテイトは水晶に比べ、共振周波数変化率のカット角依存性が小さい。
【００２３】
なお、ランガテイト単結晶は、水晶と同様に点群３２に属しているため、結晶構造の対称性から共振周波数の温度依存性が同じである方位、いわゆる等価な方位が存在する。すなわち、０°≦φ≦１２０°、０°≦φ≦１８０°の範囲では、０°≦φ≦６０°、０°≦θ≦９０°とすると、
６０°≦φ´≦１２０°、０°≦θ´≦９０°の領域において、（φ´、θ´）と（１２０°−φ、θ）とが等価であり、
０°≦φ´≦６０°、９０°≦θ´≦１８０°の領域において、（φ´、θ´）と（６０°−φ、１８０°−θ）とが等価であり、
６０°≦φ´≦１２０°、９０°≦θ´≦１８０°の領域において、（φ´、θ´）と（６０°＋φ、１８０°−θ）とが等価である。
さらに、０°≦φ≦１２０°と１２０°≦φ≦２４０°及び２４０°≦φ≦３６０°とが等価であり、０°≦φ≦１８０°と１８０≦φ≦３６０°とが等価である。
したがって、本発明の共振子に用いられる圧電体２の方位範囲としては、このような等価な方位をも含むものである。
【００２４】
以上より、領域Ａ及びこれと等価な領域は、オイラー角表示（φ、θ）で、（１１．７°＋１２０°×ｍ、３９．９°＋１８０°×ｎ）、（１１．７°＋１２０°×ｍ、６６．５°＋１８０°×ｎ）、（５１．２°＋１２０°×ｍ、６６．５°＋１８０°×ｎ）及び（５１．２°＋１２０°×ｍ、３９．９°＋１８０°×ｎ）によって囲まれる領域となる。
同様に、領域Ｂ及びこれと等価な領域は、（６８．８°＋１２０°×ｍ、３９．９°＋１８０°×ｎ）、（６８．８°＋１２０°×ｍ、６６．５°＋１８０°×ｎ）、（１０８．３°＋１２０°×ｍ、６６．５°＋１８０°×ｎ）及び（１０８．３°＋１２０°×ｍ、３９．９°＋１８０°×ｎ）によって囲まれる領域となる。
また、領域Ｃ及びこれと等価な領域は、（８．８°＋１２０°×ｍ、１１３．５°＋１８０°×ｎ）、（８．８°＋１２０°×ｍ、１４０．１°＋１８０°×ｎ）、（４８．３°＋１２０°×ｍ、１４０．１°＋１８０°×ｎ）及び（４８．３°＋１２０°×ｍ、１１３．５°＋１８０°×ｎ）によって囲まれる領域となる。
また、領域Ｄ及びこれと等価な領域は、（７１．７°＋１２０°×ｍ、１１３．５°＋１８０°×ｎ）、（７１．７°＋１２０°×ｍ、１４０．１°＋１８０°×ｎ）、（１１１．２°＋１２０°×ｍ、１４０．１°＋１８０°×ｎ）及び（１１１．２°＋１２０°×ｍ、１１３．５°＋１８０°×ｎ）によって囲まれる領域となる。なお、上述のｎ及びｍは、それぞれｍ＝０、１、２であり、ｎ＝０、１となっている。
【００２５】
以上より、本実施形態の共振子１によれば、水晶と比較して、高温環境下で使用することができる。また、カット面加工の加工ずれによる温度依存性への影響が小さく、歩留まりよく共振子を提供することができる。
【００２６】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態において、ランガテイト単結晶を用いて圧電体を形成しているが、ランガテイト単結晶に添加物を加えたものや、構成元素の一部を置換したものを用いてもよい。
また、圧電体の厚さは、使用する共振周波数に応じて適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態における共振子を示す斜視図である。
【図２】ランガテイト単結晶の−４０℃〜１４０℃の温度範囲で遅い横波における各カット面の共振周波数の変化率を示す図である。
【図３】ランガテイト単結晶の−４０℃〜１４０℃の温度範囲で速い横波における各カット面の共振周波数の変化率を示す図である。
【図４】（φ、θ）＝（１８．８°、１３０．１°）のカット面の遅い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図５】（φ、θ）＝（２１．７°、５６．５°）のカット面の速い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図６】ランガテイト単結晶の（１８．８°、１３０．１°）のカット面で、カット角をθ方向でずらしたときの遅い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図７】ランガテイト単結晶の（１８．８°、１３０．１°）のカット面で、カット角をφ方向でずらしたときの遅い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図８】ランガテイト単結晶の（２１．７°、５６．５°）のカット面で、カット角をθ方向でずらしたときの速い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図９】ランガテイト単結晶の（２１．７°、５６．５°）のカット面で、カット角をφ方向でずらしたときの速い横波における共振周波数の変化率を示す図である。
【図１０】水晶のＡＴカット面で、カット角をθ方向でずらしたときの共振周波数の変化率を示す図である。
【図１１】水晶のＡＴカット面で、カット角をφ方向でずらしたときの共振周波数の変化率を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  共振子
２  圧電体
３、４  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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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