JP2014093626A

JP2014093626A - 圧電振動子

Info

Publication number: JP2014093626A
Application number: JP2012242394A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yoshida; 斉師吉田; Osamu Eguchi; 治江口; Yuji Ohashi; 雄二大橋; Junichi Kushibiki; 淳一櫛引
Original assignee: Tohoku University NUC; Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-05-19

Abstract

【課題】水晶より電気機械結合係数の大きな圧電結晶による振動子を提供する。
【解決手段】圧電振動子は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶から構成された振動板１０１を備える。振動板１０１は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶のＸＺ平面からＸ軸を中心にθ＝−２°２３’〜０°３９’の範囲のいずれかの角度で切り出されている。板状の振動板１０１の主平面に、電極１０２を形成し、振動板１０１の裏面に、電極１０３を形成し、各電極に所定の信号を印加することで、圧電振動子を動作させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶より構成された振動板を用いた圧電振動子に関するものである。

近年、スマートフォンや高速データ通信の普及により、広域通信網のトラフィックが増大し、新たな広帯域通信方式の技術が盛んに開発されている。この広帯域通信方式においては、広帯域な周波数に対応した圧電デバイス(例えば、圧電振動子、発振器、Voltage Controlled Crystal Oscillator:ＶＣＸＯ、Monolithic Crystal Filter:ＭＣＦ等)がキーデバイスの１つとなる。ＶＣＸＯを例にあげると、一般には、容易に入手できること、周波数温度特性が良いことなどから水晶が用いられている（特許文献１参照）。

特表２００４−５３４２２２号公報

しかしながら、水晶を用いたＶＣＸＯでは、周波数可変幅の物理的限界により、上述したような広帯域化に対応できなくなってきている。このため、より大きな周波数可変幅が得られる電気機械結合係数の大きな圧電結晶による振動子が求められている。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、水晶より電気機械結合係数の大きな圧電結晶による振動子を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電振動子は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶ＸＺ平面からのＸ軸を中心に−２°２３’〜０°３９’の範囲のいずれかの角度で切り出されている振動板を少なくとも備える。例えば、圧電振動子は、振動板に設けられた電極と、電極に接続された接続端子とを備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、水晶より電気機械結合係数の大きな圧電結晶による振動子が提供できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における圧電振動子の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の実施の形態における圧電振動子の構成を示す断面図である。図３は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶から構成した圧電振動子の電気機械結合係数および周波数温度特性と、結晶のＸＺ平面からＸ軸を中心に回転させた角度θとの関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における圧電振動子の構成を示す斜視図である。この圧電振動子は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶から構成された振動板１０１を備える。振動板１０１は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶のＸ軸を中心にＸＺ平面から角度θ＝−２°２３’〜０°３９’の範囲のいずれかの角度で切り出されている。なお、ＸＹ面がＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶の（００１）面，ＹＺ面がＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶の（１１０）面，ＸＺ面がＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶の（１００）面である。

振動板１０１は、例えばチョクラルスキー法により得られたＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄のインゴットより、ワイヤーソーで切り出して両面を研磨することにより得られる。Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄単結晶は、三方晶系（点群：３２、空間群：Ｐ３２１）であり、融点は１４７０℃である。

例えば、図２に示すように、各電極を形成して所定の信号を印加することで、圧電振動子を動作（発振）させることができる。板状の振動板１０１の主表面には、電極１０２を形成し、振動板１０１の裏面には、電極１０３を形成する。これら電極１０２，電極１０３は、振動板１０１の主表面および裏面に、所定の金属材料を蒸着して金属膜を形成し、形成した金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術でパターン加工することで形成できる。金属膜は、例えば、金層およびクロム層の多層構造とすればよい。また、電極１０２，電極１０３の各々に接続する接続端子（不図示）に、信号（励振信号）を印加する回路を接続して用いればよい。

次に、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶から構成した圧電振動子の電気機械結合係数および周波数温度特性と、上述した角度θとの関係について図３を用いて説明する。図３は、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶から構成した圧電振動子の電気機械結合係数および周波数温度特性と、結晶のＸＺ平面からＸ軸を中心に回転させた角度θとの関係を示す特性図である。

図３の実線に示すように、周波数温度特性は、θ＝−７５°付近およびθ＝０°付近で、ＬｉＴａＯ₃の２５０ｐｐｍ以下と低い値を示す。この中で、周波数温度特性が２５０ｐｐｍ以下となるθが−２°２３’〜０°３９’では、図３に点線で示すように、電気機械結合係数が、水晶の０．８１％より高い値となっている。このように、θを−２°２３’〜０°３９’としたＬａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶を用いることで、周波数温度特性がＬｉＴａＯ₃より小さい値で、電気機械結合係数が水晶より高い値とすることができる。

ところで、電気機械結合係数は、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する際の変換効率を表し、この係数が大きいほど、少ない電気エネルギーで効率的に振動を励振することができる。従って、一般的に同じ大きさの振動子では、電気機械結合係数が大きいほど、振動子の等価直列共振抵抗の値（ＣＩ値）は小さくなるという関係がある。

電気機械結合係数（ｋ²）は、圧電性を考慮した場合の音速をｖ_o、圧電性を考慮しない場合の音速をｖ_sとすると、以下の式（１）で表される。

また、圧電振動子に用いられる厚みすべり振動は、遅い横波という種類の音波が伝わることで励振される振動であり、遅い横波の音速計算方法は以下の式（２）で表される。なお、式中、ρは密度、εは比誘電率、ｃ，ｅは材料定数である。これらの値は、振動板として切り出す角度θ（カット角）で異なる。

また、周波数ｆと音速ｖには比例関係があり、「ｖ＝ｆλ・・・（３）」で表される。ここで、λは振動板の板厚の２倍に相当する。

基準温度（２５℃）における音速を式（２）より計算した音速をｖ_t0、任意の温度における音速をｖ_tとすると、周波数温度特性Δｆは以下の式（４）で表される。

図３に示す結果は、各カット角θにおいて、式（１）により電気機械結合係数を求め、式（４）より周波数温度特性を求めた結果を示したものである。なお、本計算はＩＥＣ６０７５８規格準拠で決定された定数による計算結果である。

以上に説明したように、本発明によれば、Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶のＸＺ平面からＸ軸を中心に−２°２３’〜０°３９’の範囲のいずれかの角度で切り出されている振動板を用いるようにしたので、水晶より電気機械結合係数の大きな圧電結晶による振動子が構成できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…振動板、１０２，１０３…電極。

Claims

Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ₁₄結晶のＸＺ平面からＸ軸を中心に−２°２３’〜０°３９’の範囲のいずれかの角度で切り出されている振動板を少なくとも備えることを特徴とする圧電振動子。
請求項１記載の圧電振動子において、
前記振動板に設けられた電極と、
前記電極に接続された接続端子とを備えることを特徴とする圧電振動子。