(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。【解決手段】  ニオブ酸リチウムに、亜鉛を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、この圧電振動子を圧電振動ジャイロに用いる。亜鉛を添加することで、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】
亜鉛を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、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、セラミックスの場合と同じ指示方法を用いると、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、バラツキを十分に抑制できず、歩留まりが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】
前記特許文献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、機械的品質係数や電気機械結合係数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、亜鉛（Ｚｎ）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Ｚｎ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、機械的品質係数や電気機械結合定数の低下が抑制され、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Ｚｎ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、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単結晶を用いる場合には、従来の圧電振動子や圧電振動ジャイロの構成を、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、Ｚｎの添加量は、ＬｉＮｂＯ3が１００モルに対し、酸化亜鉛（ＺｎＯ）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％の炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ５）、ＺｎＯを所定量秤量し、乳鉢で混合した。次に、混合粉をプレスによりペレットとし、電気炉を用い、１０００℃で２０時間保持して仮焼を行った。仮焼後、ペレットを粉砕して原料粉末とした。
【００２３】
単結晶の育成は、マイクロ引き下げ法で行った。坩堝のノズル径は２５ｍｍとした。また、結晶成長は、溶融温度１２５０℃、成長速度９ｍｍ／時間の条件で行った。この際種結晶には、一致溶融組成のＬｉＮｂＯ3のｃ軸結晶を用いた。得られたＬｉＮｂＯ3単結晶の亜鉛含有量は、ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザ：Electron  Probe  Microanalyzer）を用いて確認した。
【００２４】
得られたＬｉＮｂＯ3単結晶をフィールドクーリング法にて分極し、その後、切断及び研磨を施し、サイズが２．２ｍｍ×０．７ｍｍ×１０ｍｍの平板試料とした。次に、この平板試料の両面に、金をスパッタリングして電極を設けた。
【００２５】
この試料について、圧電特性を、共振−反共振法を用いて測定した。測定した振動モードは、長さ方向振動である。試料の支持は電極の中央部を、治具電極ピンにより極力弱い力で挟んで行なった。表１は、Ｚｎの添加量毎に、電気機械結合係数ｋ、機械的品質係数Ｑｍをまとめて示したものである。
【００２６】
【表１】
2005233887.tif 000002
【００２７】
表１の結果から明らかなように、電気機械結合係数ｋは、Ｚｎの添加量が３モル％まではほとんど変化しないが、５モル％を超えると激減し、圧電材料としての使用は困難である。また機械的品質係数Ｑｍは、Ｚｎの含有量が微量であっても減少するが、添加量が５モル％までは顕著な差が現れていない。しかし、添加量が５ｍｏｌ％を超えるとＱｍはさらに減少する。
【００２８】
次に、前記のＬｉＮｂＯ3単結晶からなる平板試料を用いて、振動子固定ユニットを作製した。図１はこの振動子固定ユニットの斜視図である。図１において、１はＬｉＮｂＯ3単結晶の平板試料、２ははんだ、３はワイヤ、４は通電部、５は端子、６は基板である。
【００２９】
ここでは、図１に示すように、平板試料１の電極の中央部を、ワイヤ３で支持した。用いたワイヤの直径は、０．２ｍｍである。支持点は、はんだ２により固定した。ワイヤ３の基板６側の端末は、基板６に設けた通電部４を介して端子５に接続した。
【００３０】
図１に示したのは、セラミックスを用いた振動子の、一般的な支持方法である。なお、図１における平板試料１の裏側も、同様に支持している。表２は、図１に示した振動子ユニットの圧電特性を、ＬｉＮｂＯ3単結晶のＺｎ添加量毎に示したものである。なお、表２には表１に示した平板試料そのものの圧電特性を併せて示した。
【００３１】
【表２】
2005233887.tif 000003
【００３２】
表２から明らかなように、ＬｉＮｂＯ3単結晶の平板を振動子固定ユニット化することで、電気機械結合係数ｋは、支持の影響を受け減少するが、Ｚｎの添加により減少幅の低減が見られた。また、機械的品質係数Ｑｍについても、Ｚｎ無添加では支持により大幅な減少が見られるが、Ｚｎ添加量が５モル％以の領域では、減少幅が、１００〜３００と非常に小さい。
【００３３】
しかし、亜鉛の添加量が５モル％を超えると、減少幅が大きくなるという結果になった。この結果から、Ｚｎを５モル％以下の範囲で添加したＬｉＮｂＯ3単結晶においては、圧電振動子に支持機構を設ける影響を受けにくく、圧電特性の変動が少ないことが認められた。
【実施例２】
【００３４】
次に、実施例１に用いたのと、同じ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。図２は、圧電振動ジャイロの圧電振動子を示す図で、図２（ａ）は斜視図、図２（ｂ）は検出側電極の配置と配線を示す断面図、図２（ｃ）は駆動側電極の配置と配線を示す断面図である。図２において、７はＬｉＮｂＯ3単結晶、８は検出側電極、９は駆動側電極、１０ａ，１０ｂは正位相電極、１１ａ，１１ｂは逆位相電極である。
【００３５】
図２の圧電振動子の形状は、１ｍｍ×１ｍｍ×８ｍｍの角柱である。分極軸は上下方向であり、その表面には、検出側電極８、駆動側電極９の２系統の電極が設けられている。電極には金スパッタ膜を用いた。電極は両系統の容量比γが一致するように設計した。
【００３６】
圧電振動子において、容量比γは発振周波数の可変範囲に関係し、小さいほど高特性になる。図２（ｂ）に示すように、検出側電極８は、図２における上下の面それぞれに、一対の正位相電極１０ａと逆位相電極１１ａが形成され、対向する面に正位相電極１０ａと逆位相電極１１ａが配置されている。
【００３７】
そして、対向する正位相電極１０ａと逆位相電極１１ａの間に、逆転した電界を加えることにより、一方の電極対間が伸長しているときは、他方の電極対間は縮小することになる。この断面における左右での歪のため、振動子は、図における横方向に撓むので、交流電界を加えることにより、横方向の振動が生じる。
【００３８】
また、駆動側電極９は４面に一個ずつ電極が形成されており、図における上下面が同電位、図における左右面が逆電位を取る。電界は上下−左右間で生じ、それにより、振動子上部が上下方向に伸長するとき、下部では逆電界により縮小する。この断面における上下での歪のため、振動子は上下に撓む。交流電界を加えることにより、図における上下方向の振動が生じる。
【００３９】
圧電振動子をこのような構成にすることで、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。振動ジャイロは駆動側の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、駆動振動と直交した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。
【００４０】
図３は、図２に示した圧電振動子を基板に支持固定して、圧電振動ジャイロを構成した状態を示す斜視図である。図３において、１２は圧電振動子、１３はワイヤ、１４は基板である。支持は、図３に示したように、圧電振動子１２の電極部に、直径０．１ｍｍのワイヤ１３を、はんだ付けして行った。ワイヤ１３の他端は、基板１４にはんだで固定されている。つまり、圧電振動子１２の支持部は、電極部と電極部に接する側がはんだ付けされたワイヤ１３で構成される。
【００４１】
圧電振動ジャイロとしての評価は、容量比γと機械的品質係数Ｑｍを測定して行った。表３は、支持のある場合と、支持のない場合、つまり圧電振動子１２自体の検出側のγ、機械的品質係数Ｑｍをまとめて示したものである。
【００４２】
【表３】
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【００４３】
表３に示したように、検出側では支持の影響はＺｎを添加した方が小さく、支持がある場合のγは、Ｚｎ添加量が４モル％までの範囲では、Ｚｎを添加していないＬｉＮｂＯ3単結晶以上、Ｚｎ添加量が５モル％で同等の値が得られた。
【００４４】
しかし、Ｚｎ添加量が５モル％を超えると、実施例１に示した振動子における電気機械結合係数ｋと同様に、γは激減した。機械的品質係数Ｑｍについては、さらにＺｎ添加の効果が顕著に認められた。支持がある場合の機械的品質係数Ｑｍは、Ｚｎを添加していないＬｉＮｂＯ3単結晶を用いたものに比較して、Ｚｎ添加量が５モル％以下の範囲で大きくなった。
【００４５】
以上の結果から、ＬｉＮｂＯ3に対し、Ｚｎを５モル％以下の範囲で添加した組成の、圧電単結晶の圧電振動子を用いた、圧電振動ジャイロは、Ｚｎを添加していない圧電振動子に比較し、支持の影響が少なく、優れた特性が得られることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明では、Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ3単結晶を、圧電振動子、及び圧電振動ジャイロに用いる例を示したが、本発明のＬｉＮｂＯ3単結晶は、ＳＡＷフィルター、発振子などの波動デバイスについても、小型化や量産性向上を可能にする効果が期待できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】振動子固定ユニットの斜視図。
【図２】圧電振動ジャイロの振動子を示す図。図２（ａ）は斜視図。図２（ｂ）は検出側電極の配置と配線を示す断面図。図２（ｃ）は駆動側電極の配置と配線を示す断面図。
【図３】圧電振動ジャイロを構成した状態を示す斜視図。
【符号の説明】
【００４８】
１    （ＬｉＮｂＯ3単結晶の）平板試料
２    はんだ
３，１３    ワイヤ
４    通電部
５    端子
６    基板
７    ＬｉＮｂＯ3単結晶
８    検出側電極
９    駆動側電極
１０ａ，１０ｂ    正位相電極
１１ａ，１１ｂ    逆位相電極
１２    圧電振動子
１４    基板
【図１】
2005233887.tif 000005
【図２】
2005233887.tif 000006
【図３】
2005233887.tif 000007