JPH0580171B2 - - Google Patents

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JPH0580171B2
JPH0580171B2 JP1306335A JP30633589A JPH0580171B2 JP H0580171 B2 JPH0580171 B2 JP H0580171B2 JP 1306335 A JP1306335 A JP 1306335A JP 30633589 A JP30633589 A JP 30633589A JP H0580171 B2 JPH0580171 B2 JP H0580171B2
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crystal
crystal element
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plane
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JP1306335A
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Engeru Gyunta
Uee Kurenpuru Peeta
Mikaeru Sutadoraa Yosefu
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AVL List GmbH
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/02007Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02015Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
    • H03H9/02039Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles consisting of a material from the crystal group 32, e.g. langasite, langatate, langanite

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、上下面が平行平面、又は平面と凸
面、又は両凸面のいずれかであると共に、平坦な
上面に平行に又は凸面の一つに対称に位置してい
る主平面を備えた、共振子等に用いられる
GaPO4を基体とする圧電素子に関する。
〔従来の技術〕
既に欧州特許A−069112号に記載されているよ
うに、特にGaAsO4,GaPO4,AlAsO4
FeAsO4,FePO4,MnPO4そしてMnAsO4などの
圧電結晶体に代表される化学一般式ABO4をもつ
点対称属32の水晶同種型の結晶体は結晶の重要
な物理特性、特に圧電パラメータや弾性パラメー
タに関する優れた温度特性を有していることが知
られており、このことは圧電共振子への利用にお
いて好都合である。この結晶の好ましい特性はフ
オノンスペクトルの特別な特性と結びついてお
り、トータルシンメトリフオノン−モードの低周
波で20から500℃の温度領域において周波数シフ
トは最高で15%が観察される。
この結晶素子の多様な利用可能性が示される
が、第1にはGaPO4が挙げられる。
上述の結晶体は熱水法で人工的に製造可能であ
ることが知られており、このことは例えばオース
トリア特許379831号に記載されている。
三方晶形対称の結晶−たとえばLiNbO3−を有
する圧電共振子ではごく一般的に厚さ−剪断−振
動が利用される。特にそのような利用分野ではα
−水晶やα−AlPO4に対してもそのような利用が
知られており、その際この結晶は、例えば
GaPO4と同様な方法では高温安定性が期待され
ず、また上記に説明したフオノンスペクトルの特
徴も現われないことが指摘される。
水晶からなる共振子の製作に関する数多くの方
法と概説の一覧が、例えば、“水晶振動子とその
応用”、P.Vigoureux、ロンドン、1950、に揚載
されている。
前記した厚さ−剪断−振動の応用では、水晶及
びAlPO4のための文献に特に好ましい切断角、す
なわち回転されたY−断面が示されており、これ
は結晶原塊からの結晶体の切断の際に重要であ
る。この切断角は水晶のためには前記“水晶振動
子とその応用”に、そしてAlPO4のためには、例
えば、J.C.Jumasほかによる“結晶成長”、
Vol.80,1987,の133頁から148頁に記載されてい
る。
驚くべきことは、−同様な結晶構造体にもかか
わらず−GaPO4からの結晶においてこの切断角
つまりは切断面が実現可能であるが、しかしなが
ら最適ではないと判明した。一方ではこの公知の
切断面は、成長面と結晶学的軸との間の結晶原塊
に巨視的に検知される角度値に対してむしろ悪い
関係になつており、他方ではこの切断面によつて
理論的に可能な電気機械結合が十分に利用できな
く、その際その他共振周波数の低い温度係数が現
われる。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、一方においてGaPO4を基体
とする圧電結晶素子のために第1に現在の成長法
で得られる結晶原塊を用いて比較的簡単に決定可
能で第2に室温において共振周波数のわずかに正
の温度係数及び低い副次波長非抵抗性を有する切
断面を提示し、他方において同じ切断角領域にお
いて上記の特性が実質的に備えられている
GaPO4を基体とする新しい結晶を提供すること
である。
〔課題を解決するための手段〕
この課題は、本発明によれば、結晶素子の主平
面が、光学軸に対して平行に位置する結晶原塊の
六方晶系プリズム面から二回結晶学的対称軸の一
つの軸周りに−5度から−22度の間の角度:θを
回転させることで得られる切断面に平行に延びる
ようにすることで解決される。
〔作用および効果〕
二回結晶学的対称軸aiの一つがX−軸に平行
に、そして三回結晶学的対称軸(光学軸)がZ−
軸に平行に延びるように軸X,Y,Zを有する直
交座標系にその結晶原塊をはめ込んでみると、全
ての六方晶プリズム面がZ−軸に平行に位置す
る。切断されるべき結晶素子の上面を切断面に回
転するために、六方晶プリズム面の1つを始点と
して結晶原塊がX−軸周りに−5と−22度の間の
角度θだけ傾けられる。
これによつて、従来欠点を解決した新規な圧電
結晶素子を得ることができた。
〔その他の特徴〕
特に利点を生みだす本発明の実施形態として、
前記角度:θが−13度と−17度の間とすることが
できる。
本発明により、前記結晶素子の主平面に対して
平行に延びている切断面のために、二回結晶学的
対称軸の一つの軸周りの回転に先立つて光学軸周
りに−5度と5度との間の角度:βの回転が許さ
れる場合には、圧電結晶素子の優れた特性が得ら
れる。特に切断の前のその決定を行なうために単
に回転軸をわずかに傾けるとよい。
提案された切断面ないしは切断角は純物質
GaPO4に有効なだけではなく、本発明の別な実
施形態としての、前記結晶素子が一般式Ga1
xMxPO4の結晶から構成され、ここでMは3価
元素であり、0≦x<0.5であるものにも有効で
あることが驚くべきことに示された。したがつ
て、Ga−原子の半分が3価元素によつて置換さ
れることにより純物質から生じる混合結晶も利用
することができる。アルミニウムははるかに安価
なものであり、提示された混合比でGaPO4の優
れた特性を保つことができるので、ガリウムを部
分的にアルミニウムで置換すると好都合である。
〔実施例〕
GaPO4を基体とした結晶の普通の成長技術に
より、三方晶斜方六面対面2、六方晶プリズム面
3及び卓面4を備えた結晶原塊1から得られる。
これは第1図と第2図で明らかなように、典型的
な結晶原塊を示している。切断角ないしは切断面
Eの定義を簡単化するために、以下のように二回
結晶学対称軸ai(i=1−3)と光学軸C(三回結
晶学的対称軸)と関係付けられた直交座標系の軸
が、図示されている。Xは軸aiの1つに平行であ
り、その方向は圧電効果によつて生じるチヤージ
の正符号により与えられ、その際光学的に左回転
している結晶で圧縮が、光学的に右回転している
結晶で引つ張りが利用される。Z−軸は光学軸C
に対して平行であり、軸の右周りが形成されるよ
うにYはZに直角となつている。X*でさらに可
能なX−軸が記されている。小板状圧電結晶素子
6の平行平面な上面5は主平面Hに対して平行で
かつ、Z−軸に平行な六方晶プリズム面3と−5
と−22度の間の角度θをなす切断面Eに対して平
行に位置している。第2図からは、結晶素子6の
平たい上面5を含む主平面Hが切断面Eに平行に
位置していることは明確である。結晶素子が平凸
に形成される場合主平面は平たい上面に対して平
行に位置しており、両凸に形成されている場合主
平面は対称面に一致する。
Y−軸方向に厚さ方向(厚さdは最小寸法とし
て定義される)を有する結晶断片はY−断片と呼
ばれる。そのようなY−断片をX−軸周りに角
度:θだけ時計方向に回転させると、回転された
Y−断片となる。この種の断片は三方晶系対称を
有する結晶から作られる共振子にとつて、3つの
可能な音響共振波の1つだけが励起されるので、
大変重要である。
よく知られた例として、水晶やベルリニツト
(Berlinit)(α−SiO2とα−AlPO4)が挙げられ
る;前者ではいわゆる約θ=−35度でのAT−断
片とθ=−38度でのCT−断片であり、後者は同
様にθ=−30度でのAT−断片として表される。
同じ結晶構造であることから、約−30〜−40度
の範囲でのGaPO4の相応な結晶断片を利用する
ことは当然であるだろう。しかしながら、そのよ
うな結晶断面の共振周波数の温度係数は約−15〜
−30ppm/Kとなり、このことは値からみても、
その符号からみても不都合なものである。そのほ
かに、第1図に示されている典型的な外見的特徴
のため、まず小さな結晶原塊(例えば10g以下の
重量)では切り屑に対する取り分の割合が不適当
であるし、結晶加工時の前もつての方向調整のた
めの助けになるものもなく、さらには約1100KHz
mmの低い周波数定数を持つている。
これに対して、わずかに正の温度係数またはほ
ぼ零の温度係数を持ち、現在の成長技術で得られ
る結晶体から切り屑に対する適切な割合で切り取
られることができ、さらに結晶加工時の結晶の方
向調整において何等かの助けが与えられ、しかも
大きな周波数定数を有する結晶素子が望まれてい
る。
特許請求の範囲の請求項1に記載されたように
回転されたY−断片を選択するとこれらの要求が
満たされる。共振周波数の温度係数は参照温度と
して周囲温度において零線の両端に位置する。
第2図から明らかなように、六方晶系プリズム
面3の仮想延長線に対する斜方六面体面2の角度
は20.02度であるので、結晶素子の切取り分は、
特に−20度と−22度の間の切断の場合向上する。
このことは、この面に結晶加工の際の第1の調整
がなされることができ、好ましい角度への回し戻
しのための六方晶系プリズム面が基準として用い
られることができるので、明らかに方向決めの際
の助けとなる。さらに周波数定数は約1240〜
1440KHzmmの範囲であり、このことは材料の高い
密度を考えると全く注目すべきことである。
また導線電極の下側の領域の生成ゾーン境界は
振動特性に不都合な影響を与えることになるの
で、ゾーンを決めて結晶材料が利用される。ゾー
ン境界には、第1には直線的な結晶欠陥がよく生
じ、第2にはゾーン境界によつて分割された領域
の結晶軸のわずかな傾斜可能性があり、このこと
は双方とも弾性的かつ音響的特性に不都合な影響
を与える。基本的には各成長ゾーンを用いること
ができ、好都合なものはZ−ゾーン(卓面4の成
長)又はR−ゾーン(斜方六面体面2の成長)で
ある。さらに波長領域3μmの結晶原塊の赤外線吸
収αが0.8cm-1以下の値を備えている場合、より
好ましいものとなる。この場合、結晶の加工性、
切断、ラツプ仕上げ、バニシ仕上げが十分によい
ものが得られ、さらに共振性能は主な部分だけで
はなく結晶のダンピングにより定まり、このこと
は、特に叙述されたα−境界値に対して十分に大
きい値にも有効である。αは結晶中の水トレース
の異成分に比例するので、この水成分は結晶の粘
弾性ダンピングの大きさを決定する。
さらに表面の高い品質も注目に値する。結晶素
子のラツプ仕上げされた面は十分なものであり、
最高の品質はバニシ仕上げにより得られる。前者
では電極付着が良好であり、後者では一般的に共
振性能が向上する。
もう一度第1図に戻るが、幾何学的な誤差範囲
に関して、X軸とその対応する二回結晶学的対称
軸aiは正確には一致する必要はなく、その本質的
な特徴を変えることなしに、X−Y平面における
状態X′でのβ=−5〜+5度程度の傾きのわず
かな遊びは十分に可能であると言える。尚、第1
図のY−Z面に沿つた断面を示す第2図にも見ら
れるように、角度θだけ傾斜させた座標系がY′,
Z′で示されている。
本発明によるGaPO4からの結晶素子の温度T
(℃)に従属する相対周波数変化Δ/は第3図
に示されている。特に良い値は25〜75℃の範囲に
ある。
第4図は温度範囲25〜75℃の温度範囲での切断
角θと温度係数の求められた関係を示しており、
第5図はGaPO4を基体とするGaPO4の結晶原塊
から得られた結晶素子のための切断面の角度θと
KHzmmでの周波数定数Nの関係を示している。
導線電極8の電極接続片7が共振子の振動特性
に影響を与えることをできるだけ避けるため第6
図に示しているものでは、Z′軸に沿つて配設され
ている。
尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を便利
にする為に符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明に係わるGaPO4を基体とする圧
電結晶素子の実施例を示し、第1図は結晶原塊を
含む結晶素子の説明図、第2図は第1図のY−Z
面に沿つた断面図、第3,4,5図は圧電結晶素
子の測定曲線を示すグラフ図、第6図は結晶学的
軸に相対的は導線電極の好ましい構造図である。 1……結晶原塊、3……六方晶系プリズム面、
6……結晶素子、C……光学軸、E……切断面、
H……主平面、a1,a2,a3……結晶学的対称軸。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 上下面が平行平面、又は平面と凸面、又は両
    凸面のいずれかであると共に、平坦な上面に平行
    に又は凸面の一つに対称に位置している主平面を
    備えた、共振子等に用いられるGaPO4の結晶原
    塊から得られた圧電素子において、 前記結晶素子6の主平面Hが、光学軸Cに対し
    て平行に位置する結晶原塊1の六方晶系プリズム
    面3から二回結晶学的対称軸a1,a2,又はa3の
    一つの軸周りに−5度から−22度の間の角度:θ
    を回転させることで得られる切断面Eに平行に延
    びていることを特徴とする圧電結晶素子。 2 前記角度:θが−13度と−17度の間の角度で
    ある請求項1に記載の圧電結晶素子。 3 前記結晶素子6の主平面Hに対して平行に延
    びている切断面Eのために、二回結晶学対称軸
    a1,a2,又はa3の一つの軸周りの回転に先だつて
    光学軸C周りに−5度と5度との間の角度:βの
    回転が許される請求項1又は2に記載の圧電結晶
    素子。 4 前記結晶素子6が一般式Ga1−xMxPO4の結
    晶から構成され、ここで、 Mは3価元素であり、0≦x<0.5である請求
    項1〜3のいずれか1に記載の圧電結晶素子。 5 前記Mがアルミニウムである請求項4に記載
    の圧電結晶素子。
JP1306335A 1988-11-25 1989-11-24 GaPO↓4を基体とする圧電結晶素子 Granted JPH02188975A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT2909/88 1988-11-25
AT0290988A AT390853B (de) 1988-11-25 1988-11-25 Piezoelektrisches kristallelement auf der basis von gapo4

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH02188975A JPH02188975A (ja) 1990-07-25
JPH0580171B2 true JPH0580171B2 (ja) 1993-11-08

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ID=3542236

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1306335A Granted JPH02188975A (ja) 1988-11-25 1989-11-24 GaPO↓4を基体とする圧電結晶素子

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US (1) US4992694A (ja)
EP (1) EP0370996B1 (ja)
JP (1) JPH02188975A (ja)
AT (1) AT390853B (ja)
DE (1) DE58906704D1 (ja)

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Also Published As

Publication number Publication date
ATA290988A (de) 1989-12-15
EP0370996B1 (de) 1994-01-12
US4992694A (en) 1991-02-12
DE58906704D1 (de) 1994-02-24
JPH02188975A (ja) 1990-07-25
EP0370996A3 (en) 1990-09-26
EP0370996A2 (de) 1990-05-30
AT390853B (de) 1990-07-10

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