JPH022186A - 圧電結晶素子とその製造方法 - Google Patents

圧電結晶素子とその製造方法

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JPH022186A
JPH022186A JP63317559A JP31755988A JPH022186A JP H022186 A JPH022186 A JP H022186A JP 63317559 A JP63317559 A JP 63317559A JP 31755988 A JP31755988 A JP 31755988A JP H022186 A JPH022186 A JP H022186A
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ウベ・ポッシュ
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ペーター・ヴェー・クレンプル
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80Constructional details
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    • H10N30/853Ceramic compositions

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、一般式AIIIBvO1、但しAには少なく
とも部分的には元素Gaが占める、をもつ金属オルト燐
酸塩と金属オルト砒酸塩のグループに属する混合結晶か
らなる圧電結晶素子、及びその製造方法に関する。
[従来の技術] ヨーロッパ特許公報0069112号からガリウムやア
ルミニウム金属の燐酸塩や砒酸塩が純粋結晶として知ら
れており、これらは傑出した圧電特性を備えている。点
対称クラス32に属し水晶と同種な構造を備えたこの結
晶材料は、超音波振動子、超音波共振子、音響変調器、
結晶発信器、周波数基準器、時計、表面波装置、マイク
ロホン、及び力や加速度や圧力などの機械的数値を測定
するためのセンサのような圧電機器のために利用される
圧電結晶素子の種々な使用において、この圧電結晶素子
にそってその全体をもしくは大部分を満足しなければな
らない制限条件がある。それは、耐熱性、特徴の非温度
依存性、高いQ−特性、機械的かつ化学的安定性、加工
容易性、経済的な合成製造性、及び熱電気性のよいこと
である。
公知の結晶材料は化合物毎に個々に関して定められた特
性を有している。例えば、G a P O+では圧電結
晶軸方向におけるE−モジュールが70、  OOON
/mm2であり、これに対してAIPO,ではその測定
値が75. 000 N/mm”である。また、密度、
圧電係数、音響密度などのような他の重要な物理定数は
それぞれの結晶に対して所定の材料依存性数値によって
定められる。これより、種々な結晶のためにその使用に
関する特性が生じる。例えば、所定の共振周波数fのた
めの厚さdは、E−モジュールと密度りが固定されてい
るので、次式で定められる。
f = (1/ 2 d) * (E/D) ””異な
るE−モジュール、及び異なる密度りをもつ他の結晶物
質を用いることによって定められる厚さdにおいてその
周波数は所定の非連続的な段でもってしか変化させるこ
とができない。
測定センサの、例えば圧力センサのために結晶素子を用
いる場合、所定の材料依存性のせん断芯カモジュールが
定められ、結晶素子から作られる測定素子のハウジング
材料との適合性は一定の値に対してのみ可能である。上
述した欠点を取り除くためにある帯域幅にわたっての特
性の連続的なバリエーションが望ましい。
該種が入手できずその製造に費用がかかるので、多くの
金属オルト燐酸塩や金属オルト砒酸塩の単結晶の合成製
造においても欠点を生じる。
冒頭部で述べた種類の混合結晶は日本国の特開昭56−
114899号から知られており、そこではA I P
O,単結晶において第3族元素、例えばSe、Y、La
、Ga、あるいはInで置換されている。置換、つまり
1原子パーセント以下のオーダで第3族元素の添加によ
り、A I PO,の特性が全面的に改善されている。
しかしながら、多くの適用分野において、例えば高温領
域において、結晶がA I PO,の基に十分にふされ
しくないという不都合がある。
[発明が解決すべき課題] 本発明の課題は、上述した欠点を回避し、それぞれの使
用目的に依存するパラメータに良好に適合された結晶素
子を提供することである。
[課題を解決するための手段] 上記課題は、本発明によれば、産業上の利用分野のとこ
ろで述べた圧電結晶素子において、Gaが陽イオンの少
なくとも50%を提供し、AまたはBの少なくとも1つ
を少なくとも2つの化学元素で占め、その際AがGa以
外に3価元素Al、Fe、Mn、及び5価元素PSAs
を代表しており、AまたはBに付加的に存在しているそ
れぞれの元素が少なくとも1原子パーセントとすること
によって解決される。
[作用・効果コ 冒頭部で述べられた従来技術とは違って、ここでは基材
としてG a P O4を前提としており、これはAl
PO4に比べ良好な特性を備え、特有の量だけ他の元素
と置換され、純物質の良い特性として、耐熱性、特徴の
非温度依存性、高いQ−特性など大部分をそのまま受は
継ぐ。さらに利点として、公知の育成プロセスが、例え
ばこれはヨーロッパ特許公報0069112号で挙げら
れている材料のために引合いに出されているように、実
用上技術的な変更なしにそのまま利用することができる
結晶素子の物理パラメータがその組成によって定められ
、高価な保持手段や電子系の構成によりあるいは組み付
けた領域を冷却することにより所望の値に保証しなけれ
ばならないこともないなら、圧電結晶素子の多用な応用
を考えると大変な利点となる。G a P O<を基材
とした混合結晶を用いることで次のように圧電結晶素子
のさらに重要な特徴が生まれる。
本発明による、一般式 %式% BはPまたはAsあるいはその両方を代表する、 によって示される結晶素子は特に利点を有する。
その際、結晶素子の高温適応性を実質的に損なうことな
く、購入金額が高くつくガリウムを部分的に安いアルミ
ニウムで置換することができる。特開昭56−1148
99号によるように単にAI PO4に第■族元素を組
み込んでもこの効果は得ることができない。
水晶の結晶学上のX軸に沿った細胞の大きさ(4,91
4オングストローム)はベルリン石=A I P O、
(4,942オングストローム)とG a P O4(
4,902オングストローム)の間に位置しているので
、もし本発明によりガリウム−アルミニウム−燐酸塩に
3〜4原子パーセント、好ましくは3623原子パーセ
ントのAIが存在しているならば、例えば結晶中のAI
POIとG a P O+の適切な混合比によって生成
混合結晶の細胞の大きさが水晶のそれに合致させること
ができる。従って、この(Ga、AI)−混合結晶の育
成のために水晶種が用いられることができ、生成混合結
晶のさらなる育成は置換なしで可能である。その際、水
晶板、特に2−断面が種として好適である。また、水晶
の細胞大きさを維持するために、ガリウム砒酸塩にアル
ミニウムを混ぜたり、添加剤としてFeまたはMnを用
いることも可能である。従って、この処理過程はガリウ
ムを含む全ての混合結晶において可能である。
この関係については後で詳説される第1図と第2図が参
照される。
さらに本発明の別な実施態様によれば、ガリウム−アル
ミニウム−燐酸塩に対して0.6<X<0.7、好まし
くはX・2/3とするものがある。ここでは例として金
属オルト燐酸塩を挙げるが、陽イオンの2/3がガリウ
ムで1/3がアルミニウムである。この化合物はその安
価な製造費とともに比較的AI酸成分高いため純粋なG
 a P 04に比べて著しく高い成長率を示す。育成
において、アルミニウムはガリウムに比べより結晶に(
Ga 組み込まれるので、生成結晶素子における所望の値より
溶液中のアルミニウム含有量は低く保たれている。
本発明によれば、さらに陽イオンとして付加的にFeま
たはMnあるいはその両方が存在するもの、好ましくは
、一般式 %式%) をもつものがある。盗聴防止の目的で無線信号や電話信
号をコーディングするための表面波フィルタへのこの種
の結晶素子の利用において利点が生じる。このようなフ
ィルタを用いて、圧電性基体上に配設されるインクディ
ジタルフィンガの形態構造を介して送られた信号は同様
な形式のフィルタを介してのみデコードされうるように
変換(つまりコンボリューション)される。基体の特性
がコンボリューション結果に取り込まれるので、本発明
による上述の結晶素子を利用する場合実質的に無限側の
それぞれ独特なコーディング−レコーディング素子を作
り出すことが可能である。もし、このフィルタ対のため
に例えばそれぞれ独特に調合された育成溶液でもって小
型育成オートクレーブで育成される結晶素子を選択す・
るなら、コーディング素子の構造を知っていたとしても
対応するデコーディング素子を後から作ることは実質的
に不可能となるので、完全な盗聴防止が実現する。この
課題を最適に解決するためにA111とB′のための採
用されるべき素子の幅広い多様性が好ましい。またその
組織に従属するそれぞれの素子のための溶液/結晶比を
知っておかなければならないため、フィルタ素子を後か
ら作るためには化学分析だけでは不十分である。そのた
めには、本発明による、 一般式 %式%) BはPまたはAsあるいはその両方を代表する、 CはFeまたはMnあるいはその両方を代表する、 によって特徴づけられる結晶素子が適している。
さらに、本発明によれば、 一般式 %式%) によって特徴づけられる結晶素子を用いることもできる
。B−原子の15〜16原子パーセントの砒素成分の場
合水晶種での育成が可能である。
本発明による結晶素子を製造するための方法では、生じ
る混合結晶の格子常数が育成溶液の個々の成分の選択と
比によって水晶の格子常数に合わせられる。
[実施例] 第1図と第2図には水晶種lが図示されており、その境
界面2に合成の育成結晶、つまり第1図ではG a P
 O4−結晶3が、そして第2図では(G a 、A 
I ) P O<−混合結晶3°が形成される。
両図面では、格子面が結晶学上の2−軸に平行に図示さ
れており、ここでは例として110−結晶面が選択され
ている。この面の格子面距離dlloは格子定数aの値
に従属しており、AlPO4では、d、、。=3.02
6オングストローム、 G a P O4では、dzO=3.002オンダスト
ロゝ−ム、 水晶では、d、、。=3.003オングストローム、と
なっている。
格子面距離の値の違いが大きい場合、第1図に示すよう
に、結晶格子に変位4が生じる。
(G a −A I +−−) P O4の適当な混合
、例えばx=0.96〜0.97により、この値は、第
2図から明らかなように、水晶のそれに合わせられ、こ
のことによって水晶は種として利用される。生成結晶を
水晶の結晶学上のデータに合致させることによって、生
成結晶構造中の変位密度が著しく減少させられる。苦労
して育成しなければならない他の種とは違って水晶種は
取り扱いが簡単で安価なことからさらに付加的な利点が
生じる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来技術における水晶種でのGaPO4−0晶
を示す説明図、 第2図は本発明による水晶種での(Ga、AI)PO,
−混合結晶を示す説明図である。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.一般式 A^I^I^IB^VO_4 但しAには少なくとも部分的に元素Gaが 占める、 をもつ金属オルト燐酸塩と金属オルト砒酸塩のグループ
    に属する混合結晶からなる圧電結晶素子において、 Gaが陽イオンの少なくとも50%を提供 し、AまたはBの少なくとも1つを少なくとも2つの化
    学元素で占め、その際AがGa以外に3価元素Al、F
    e、Mn、及び、Bが5価元素P、Asを代表しており
    、AまたはBに付加的に存在しているそれぞれの前記元
    素が少なくとも1原子パーセントであることを特徴とす
    る圧電結晶素子。
  2. 2.一般式 (G A^I^I^I_xAl^I^I^I_1_−_
    x)BO_4但し0.50≦x≦0.99 BはPまたはAsあるいはその両方を 代表する、 によって特徴づけられる請求項1記載の圧電結晶素子。
  3. 3.ガリウム−アルミニウム−燐酸塩に3〜4原子パー
    セント、好ましくは3.23原子パーセントのAlが存
    在していることを特徴とする請求項2に記載の圧電結晶
    素子。
  4. 4.0.6<x<0.7、好ましくはx=2/3のガリ
    ウム−アルミニウム−燐酸塩であることを特徴とする請
    求項2記載の圧電結晶素子。
  5. 5.陽イオンとして付加的にFeまたはMnあるいはそ
    の両方が存在することを特徴とする請求項3または4に
    記載の圧電結晶素子。
  6. 6.一般式 (Ga^I^I^I_xAl^I^I^I_yMn^I
    ^I^I_zFe^I^I^I_1_−_x_−_y_
    −_z)(P_uAs_1_−_u)O_4但しx>0
    .5、0.5<y<0.3、z>0.05、(1−x−
    y−z)>0.05、0.01<u<0.99によって
    特徴づけられている請求項5に記載の圧電結晶素子。
  7. 7.一般式 (Ga^I^I^I_xC^I^I^I_1_−_x)
    BO_4但し0.50≦x≦0.99 BはPまたはAsあるいはその両方を 代表する、 CはFeまたはMnあるいはその両方 を代表する、 によって特徴づけられる請求項1記載の圧電結晶素子。
  8. 8.一般式 Ga^I^I^I(P_uAs_1_−_u)O_4但
    し好ましくは0.84<u<0.85 によって特徴づけられている請求項1に記載の圧電結晶
    素子。
  9. 9.請求項1〜7のいずれかに記載の圧電結晶素子を製
    造するための方法であって、 生じる混合結晶の格子常数が育成溶液の個 々の成分の選択と比によって水晶の格子常数に合わせら
    れることを特徴とする方法。
JP63317559A 1987-12-15 1988-12-15 圧電結晶素子とその製造方法 Granted JPH022186A (ja)

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DE (1) DE3868034D1 (ja)

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ATA331387A (de) 1991-01-15
DE3868034D1 (de) 1992-03-05
JPH055388B2 (ja) 1993-01-22
EP0321438B1 (de) 1992-01-22
AT393183B (de) 1991-08-26
EP0321438A3 (en) 1989-07-26

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