(57)【要約】 【課題】  圧電振動子を固定する支持構造の影響の受け難い圧電単結晶と、それを用いた圧電振動子及び圧電振動ジャイロを提供すること。【解決手段】  ニオブ酸リチウムに、ニッケルを５モル％以下の範囲で添加した圧電単結晶を圧電振動子に用いる、さらには、この圧電振動子を適当な支持機構で基板などに取り付けることにより、圧電振動ジャイロとする。ニッケルを添加することで、圧電振動子の支持機構による、電気機械結合係数ｋ及び機械的品質係数Ｑｍの変化が減少し、圧電振動子及び圧電振動ジャイロの小型化や量産性の向上が可能となる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケルを５モル％以下（０を含まない）添加したことを特徴とする、ニオブ酸リチウム圧電単結晶。
【請求項２】
請求項１に記載のニオブ酸リチウム圧電単結晶からなる部材の表面に、電極及び支持部が設けられてなることを特徴とする圧電振動子。
【請求項３】
請求項１に記載のニオブ酸リチウム圧電単結晶からなる部材の表面に、直交する２方向の振動を励起可能な電極と、支持部が設けられてなる圧電振動子を有することを特徴とする、圧電振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ニオブ酸リチウム圧電単結晶と、それを用いた圧電振動子及び圧電振動ジャイロに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＳＡＷフィルター、発振子、ジャイロなどのデバイス用の振動子には、水晶やニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶材料を用いることがある。その理由として、各圧電特性の温度安定性が優れていることが挙げられる。このため、ジャイロに用いた場合においては、検出すべきジャイロ信号における温度変動などの、外部要因に起因するノイズを減少することができる。
【０００３】
一般に、圧電振動子は、振動子に設けられた支持点に、他端を支持枠に接合されたワイヤやリード線を、はんだや導電性ペーストなどで直接接合することで固定されている。圧電単結晶は、圧電多結晶、即ち焼結法などで得られる圧電セラミックスと、機械的品質係数Ｑｍが異なり、圧電セラミックスの場合と同じ支持方法を用いると、機械的品質係数Ｑｍや電気機械結合係数ｋが大きく減少することがある。
【０００４】
このため、量産化を考慮した場合、振動子の支持による特性の変動が大きいと、変動幅を制御することは非常に困難で、ばらつきを十分に抑制できず、歩留まりの低下に繋がる可能性もある。
【０００５】
その対策として、現在用いられている圧電単結晶振動子においては、振動に影響を与えないように固定するためだけに設けられた支持部分が、振動する部分と一体化した構造を有するものが多い。音叉型振動子がその典型的な例である。
【０００６】
特許文献１には、音叉型圧電振動ジャイロに関する技術が開示されている。特許文献１に開示されている音叉型圧電振動ジャイロは、検出用アームと駆動用アーム、及びこれらを支持するベースを一体に形成した圧電単結晶の振動子を有し、検出用アームと駆動用アームのそれぞれの所定面にのみ、電極を設けた構造である。
【０００７】
特許文献１に開示されている音叉型圧電振動ジャイロは、簡略な構造であることから、量産化に適し、しかも必要な感度を維持できることが特徴である。
【０００８】
また、圧電材料を単結晶に限定したものではないが、特許文献２には、特許文献１と同様の形状を有する、音叉型圧電振動ジャイロに関する技術が開示されている。特許文献２に開示されている音叉型圧電振動ジャイロは、検出用アームと駆動用アームのそれぞれが、内部電極が形成された積層構造であることから、小型で、かつ高感度であり、電極がすべて内部電極で構成されるので、外部表面の研磨などにより、焼結歪みの調整や周波数の離調を行うことができるのが特徴である。
【０００９】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に開示されている音叉型圧電振動ジャイロは、優れた特性を有するものの、検出用アームと駆動用アームを支持するための、音叉型底部と称する部分があるために、振動子全体のサイズが大きくなり、デバイスの小型化を阻害する要因となる。また、これに付随して、圧電振動子を構成する材料の体積が大きくなり、製造コストを押し上げる要因となっている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１５６３３８号公報
【特許文献２】特開２０００−６５５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の課題は、前記の音叉型圧電振動ジャイロのような、大きな支持部を必要とせず、圧電振動子を固定する支持構造の影響の受けにくい圧電単結晶と、それを用いた圧電振動子及び圧電振動ジャイロを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、前記課題解決のため、圧電振動子に用いる圧電単結晶に対し、他の元素を添加することで、振動子の支持構造による、機械的品質係数Ｑｍや電気機械結合係数ｋの低下を抑制することを検討した結果なされたものである。
【００１３】
即ち、本発明は、ニッケル（Ｎｉ）を５モル％以下（０を含まない）添加したことを特徴とする、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）圧電単結晶である。
【００１４】
また、本発明は、前記のＬｉＮｂＯ3圧電単結晶からなる部材の表面に、電極及び支持部が設けられてなることを特徴とする圧電振動子である。
【００１５】
また、本発明は、前記のＬｉＮｂＯ3圧電単結晶からなる部材の表面に、直交する２方向の振動を励起可能な電極と、支持部が設けられてなる圧電振動子を有することを特徴とする、圧電振動ジャイロである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、圧電振動子に用いる圧電単結晶を、ＬｉＮｂＯ3にＮｉを添加した組成としているので、圧電振動子の支持構造による、機械的品質係数Ｑｍや電気機械結合定数ｋの低下が抑制され、音叉型の構造を用いることなく、高特性の圧電振動ジャイロが得られる。従って、圧電振動ジャイロの小型化、ひいては製造コスト低下に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に用いるＬｉＮｂＯ3圧電単結晶の育成には、既知の方法を用いることができる。また、単結晶からなる部材表面への電極の形成にはスパッタリングなど、各種の成膜方法を用いることができる。
【００１８】
本発明において、ＬｉＮｂＯ3圧電単結晶へのＮｉの添加量を、モル比で５％以下としたのは、添加量が５モル％を超える領域では、圧電振動子として用いた場合に、機械的品質係数Ｑｍの減少が大きくなり、添加効果が実質的に効果が得られないからである。
【００１９】
また、本発明のＬｉＮｂＯ3単結晶を、圧電振動子や圧電振動ジャイロに用いる場合には、従来の構成を、そのまま用いることができる。
【実施例１】
【００２０】
次に、図を適宜参照しながら、具体的な実施例を挙げ、本発明について、さらに詳しく説明する。
【００２１】
まず、ＬｉＮｂＯ3単結晶の育成方法を説明する。ここでは、ＬｉＮｂＯ3の組成を、一致溶融組成である酸化リチウム（ＬｉＯ2）を４８．６モル％含む組成とした。また、Ｎｉの添加量は、１００モルのＬｉＮｂＯ3に対し、酸化ニッケル（ＮｉＯ）が、１，２，３，４，５，６，７モルとなるようにした。具体的な製造工程を次に記した。
【００２２】
純度が９９．９９％のＬｉ2ＣＯ3粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末、ＮｉＯ粉末を、それぞれ所要量秤量し、湿式混合した。得られた混合粉末をプレス成形してペレット状にし、電気炉を用い、保持温度が１０００℃、保持時間が２０時間という条件で、焼結を行った。得られた焼結体ペレットを粉砕し、原料粉末とした。
【００２３】
次に、原料粉末を１０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの白金製坩堝に装入し、１２５０℃で溶融し、方位＜００１＞の一致溶融組成ＬｉＮｂＯ3種結晶を用い、抵抗加熱型マイクロ引き下げ法により、成長速度０．１５ｍｍ／分で、直径２．５ｍｍの単結晶を育成した。
【００２４】
得られた結晶をフィールドクーリング法で分極した後、２．２ｍｍ×０．７ｍｍ×１０ｍｍの平板状に切断加工した。２．２ｍｍ×１０ｍｍの、対向する２面にスパッタリング法により、クロム／金を電極として成膜した。圧電特性は伸び振動の振動モードを共振−反共振法により測定した。図１は、各試料の、機械的品質係数Ｑｍ及び電気機械結合係数ｋを、ニッケル添加量についてプロットした図である。
【００２５】
電気機械結合係数ｋは、ニッケル添加量が３モル％以下の試料では、ほとんど変化が見られなかった。しかし、５モル％を超える量のニッケルを添加した試料では、急激に電気機械結合係数ｋが低下する。機械的品質係数Ｑｍは、ニッケル添加試料において低下が観測され、ニッケル添加量が５モル％を超えると低下が急激になる。
【００２６】
次に、ニッケル添加ＬｉＮｂＯ3単結晶を用い、圧電セラミックスを用いた場合と同様の支持方法で、振動子固定ユニットを製作した。表１は、このユニット、及び単結晶のみの振動子の、電気機械結合係数ｋと機械的品質係数Ｑｍをまとめて示したものである。
【００２７】
【表１】
2005231976.tif 000002
【００２８】
また、図２は、前記のユニット及び振動子について、ニッケルの添加量と電気機械結合係数ｋの関係をプロットした図で、図３は、前記のユニット及び振動子について、ニッケルの添加量と機械的品質係数Ｑｍの関係をプロットした図である。
【００２９】
表１、図２、図３によれば、電気機械結合係数ｋは、ニッケルを添加していないＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、振動子の支持により大幅に低下し、ニッケルを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、振動子の支持による低下が抑制されることが分かる。機械的品質係数Ｑｍにおいても、ニッケルを添加していないＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、振動子の支持により、約５０％の低下が観測されたが、５モル％以下のニッケルを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、数値の低下が抑制されることが分かる。
【００３０】
以上のことより、ニッケルを５モル％以下の範囲で添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットにおいて、振動子支持の影響による機械的品質係数ｋ、電気機械的結合係数Ｑｍの低下は減少することが確認された。
【実施例２】
【００３１】
次に、前記のＬｉＮｂＯ3単結晶を用いて、圧電振動ジャイロの圧電振動子を構成した例を示す。ここでは、ＬｉＮｂＯ3単結晶の表面に、直交する２方向の振動を励起可能な電極と、支持部を設けた振動子を製作し、評価した。
【００３２】
図４は、本実施例の圧電振動ジャイロの圧電振動子の斜視図である。圧電振動子の形状は１×１×８ｍｍの角柱であり、分極方向は図における上下方向である。図４において、１はＬｉＮｂＯ3単結晶、２は駆動側の電極、３は検出側の電極である。ＬｉＮｂＯ3単結晶の表面に設けられた２系統の電極は、クロム／金からなり、スパッタリング法による成膜により形成した。また、両系統の容量比γが一致するように、電極を設計した。
【００３３】
図５は、電極の部分の断面と配線状態を示す図であり、図５（ａ）は駆動側、図５（ｂ）は検出側である。図５において、４、５は駆動側の電極、６、７は検出側の電極である。
【００３４】
図５（ａ）に示すように、駆動側の電極は、４面に一個ずつ形成されており、図における上下面が同電位、左右面が逆電位を取るように設計した。電界は上下−左右間で印加され、それにより圧電振動子の上部が伸長するとき、下部では逆電界により縮小する。
【００３５】
この断面歪のため、圧電振動子には図における縦方向に撓み変形が生じ、交流電界を加えることにより縦方向の振動が生じる。検出側は、図５（ｂ）に示すように、分極方向の上下面に左右対称の電極をそれぞれ設け、斜めに向かい合う電極が同電位をとるように設計した。電界は左右で逆方向に印加され、分極方向と同方向の電界側は伸長するのに対し、逆方向は縮小し、圧電振動子のこの部分は図における横方向に撓み、交流電流を用いることにより横方向の振動が生じる。
【００３６】
これにより、圧電振動ジャイロに必要な直交した２方向の振動が得られる。ジャイロは駆動側の圧電振動体に回転が生じたときに、その角速度に応じてコリオリ力の原理により検出側の振動を誘起することでそれに応じた信号を検出する。
【００３７】
次に、この圧電振動ジャイロの圧電振動子について、支持の影響を検証した。図６は、圧電振動子を、ワイヤを用いて基板に支持した状態を示す斜視図である。図６において、８は圧電振動子、９はワイヤ、１０は基板を示す。支持部は、図６に示したように圧電振動子８の電極部に、ワイヤ９の一方の端末をはんだ付けするという構成である。ワイヤの他方の端末は、基板１０にはんだで固定されている。
【００３８】
表２は、支持がない場合と、支持がある場合との、容量比γと機械的品質係数Ｑｍを、それぞれのニッケル添加量毎にまとめて示したものである。また、図７は、表２に示した数値のうち、容量比γをニッケル添加量についてプロットしたグラフであり、図８は、機械的品質係数Ｑｍをニッケル添加量についてプロットしたグラフである。
【００３９】
【表２】
2005231976.tif 000003
【００４０】
圧電振動子において、容量比γは、発信周波数の可変範囲に関係し、小さいほど高特性になる。表２、図７、図８に示したように、ニッケルが添加されていないＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットにおいて、容量比γは、振動子の支持により大幅に低下したが、ニッケルを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットにおいて、支持による低下は抑制されることが分かる。
【００４１】
機械的品質係数Ｑｍにおいても、ニッケルを添加していないＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、圧電振動子の支持による低下が観測されたが、５モル％以下の範囲でニッケルを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたユニットでは、数値の低下は抑制されることが明らかである。
【００４２】
以上の結果から、ニッケルを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を用いることで、圧電振動子の支持による容量比、電気機械的結合係数ｋの低下は、抑制できることが確認された。これによって、ＬｉＮｂＯ3単結晶を用いた場合であっても、圧電セラミックスを用いた場合と同様の、支持、固定が可能となり、その結果、小型化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】試料の機械的品質係数Ｑｍ及び電気機械結合係数ｋをニッケル添加量についてプロットした図。
【図２】ユニット及び振動子についてニッケルの添加量と電気機械結合係数ｋの関係をプロットした図。
【図３】ユニット及び振動子についてニッケルの添加量と機械的品質係数Ｑｍの関係をプロットした図。
【図４】圧電振動子の斜視図。
【図５】電極の部分の断面と配線状態を示す図。図５（ａ）は駆動側。図５（ｂ）は検出側。
【図６】圧電振動子をワイヤを用いて基板に支持した状態を示す斜視図。
【図７】容量比γをニッケル添加量についてプロットしたグラフ。
【図８】機械的品質係数Ｑｍをニッケル添加量についてプロットしたグラフ。
【符号の説明】
【００４４】
１    ＬｉＮｂＯ3単結晶
２，４，５    駆動側の電極
３，６，７    検出側の電極
８    圧電振動子
９    ワイヤ
１０    基板
【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】
2005231976.tif 000008
【図６】
2005231976.tif 000009
【図７】
2005231976.tif 000010
【図８】
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