JPS5814588A - 圧電素子備え込み器具 - Google Patents

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】 ζの発ｖＡ＃ｉ、圧電特性の利用される圧電素子備え込
みｓＡｌ特にあげるならば、超音波変換器、超音波変換
器、一響パルス発生器、音響偏向ｌ１音響資調一、結晶
発振器、周波数標準器、時計、タイマ、表ｌｉ＃ｊＬｓ
具、＃ＩＩＦ質発生器、スパッタ器具、デジタル湿度計
、マイクロ計＊１マイクロホン、水中！イクロ±ン、お
よび、力とか加速度とか圧力上かいつえよラな物理量測
定用の測定値置換Ｓにかかるものである。

圧電農具に求められるいろいろなｌｌ氷は、そ造門靜中
専門技術によって温良される仁とが□多２−いうぃ菖Ｋ
ｆｉっ館．も。アああ。、ゆ、、クか蝶、実際上すべて
の圧電＃ＡＫ共通である。

すなわち、圧電素子に対するつぎＯような事項であるＪ Ｌ　対温度安定性 龜　「示性数」の温度依存性の小さいこと亀　高いＱ値 表　機械的および化学的な安定性 翫　加工性の良いこと 亀　安あがプな合ａＳ造性 乳　ビ讐篭気のないこと その対温度安定性というものは、ただ圧電特性について
だけではなしに、その圧電材のそれ以外のいろいろを物
理特性につｉでのものでもある拳　なかでも特にあげる
ならば、弾性と誘電性との特性である。　現在知られて
いる圧電素子にくらべての対湿度安定性の同上は、それ
にかかわる圧電器具の使用温度範闘の拡大上いう見地か
ら望ましいことでる）、これは、ζ０発川用課題として
いることのひとつである。

圧電式測定値質換器の例のもとで、この問題ｔさらＫｗ
＃Ｌ＜論じるこ七とする冨 圧電式測定値変換器用七して、現在、その圧電性素子用
原粁乏して石英がほとんどもっばらと云ってよｉはどに
使われてか）、そのわけは、この原料が、機械的にも化
学的にも熱的にも丈夫でＴｏシ、高い絶縁抵抗を持ち、
大きな単結晶に合成製造されるし、比較＃ＪｊｌＥ１工
性が良い、ということのためである・　このかかわりで
、石英のさらに利点がどういうことＫあるのかと匹うと
それは、いろいろなＷｅ圧電常歇の対温度変動が、結晶
配向０３１切な選び出しくよって補償可能だということ
でるる＠　しかし、特に熱的・機械的にｗＪ的な負荷づ
けのもとで、たとえば内燃機関での圧力測定用セしての
そうした測定値変換器への組込みで、Ｊｌｌσ℃くらい
以上の湿度では、いろいろな重大な難点が生じるもので
′ｈ〕、すなわち、なおまともなＩＩＩ定を肝すのは、
少なくとも構造的にずいぶん費用のかかることとなるそ
れら測定素子の部分の冷却、の実現の４乏でだけである
一七一うことになる。

たとえば、高温では絶縁抵抗が著しく低下するもので、
このことは部分的には石英の固有導電性増大によってひ
きおζされることであるが、１らＫまた、熱・電気的電
圧が生じるし、大きく生じる石英内訳晶形氏による感度
の飛躍がひきおこされるのである。　そうした絶縁性喪
失中妨害電圧は、いろいろな公知の手だてによって避け
られるとか、そもそも圧電式測定素子に特質的なもので
はないとかでるシそうした紡害七なる双晶形成のおさえ
込みの九めだ乏いういろいろな手だてが知られているの
一事英であるがそれらはことごとくそうした形ｒｉ！、
１１ｂ果の多少高温側範囲へのずらし移しという□こと
だけ、すなわちそうした形成による難点の根本的回避に
はならないこと、しかもたらさないものである。

ξういうことから、なおまた高温用圧力発信Ｓ七いうも
のもすでに知られてｉて、それらは圧電式測定素子とし
てニオブ駿すチクム備え込みとされて＆−９、その物質
は、強誘電性で、すぐれた電気・機械的特性を持ち、１
２００℃あ九夛ｔて圧電性のｔのである。　しかし、ニ
オブ駿すチクムはいくつかの著し一難点を持つもので、
すなわち、この結晶は膨張係数のひどい異方性の＜−て
熱負荷にまことに敏感で、そのためそうした圧力発信器
はご＜ｍ％／−＆寿命のものとされてしまうわけである
０　さらに難点上してあげるべきことは、高温での絶縁
性の悪−ことで、そうした絶縁性はイオン伝埠によって
いっそう悪化させられるものである・　高温発信器での
便用向きにはさらにｔ九タンタル駿すチクムもすでに知
られておシ、この物質は、二オグ酸すチクムについてす
でに述ぺえ難ＪＩＬＫ加えてさらに、石英ての双晶形成
に似ている温度依存性の分域形式をも示す一０′ｃ６る
。　すでに知られているなおまたひとつａｙｓ性は電気
石の使用にｈゐが、この物質は、たしかに石英よ）も高
温で使われ得るが、石英のように温度補償性の９ＪＩ＞
−九というもの−備えておらず、そのうえ、合成製造で
きぬもので、天龍産電気石はその組成次第でひどく変動
する特性！示し、かなシ値段の張ゐものである。　なお
、上記ＯナベてＯ結晶は、石英以外は、ピロ電気性であ
るため湿度変動につれて妨害電荷を生じ、そのことは費
用のかがろくせに特定な熱的状Ｓ向きにしか有効でなＩ
／＆七いうような補償手段ｔｉＩ求する仁と乏なってい
るものである。

こうしたことから、この発明の目的は、あらゆる圧電器
具へ組込み可能なものであるばかシでなしに、簡単で有
利なや砂か次で上記γ事項を満たすものでもある、とい
う圧電材、の教示である。

はじめに列挙し喪用途例すべてでこれまでいちばん多く
組込まれてきている材質でありてそれら事項１−４１と
もあれ一括的に満たすいちばんのものというのは、例と
してと９Ｔｏげた圧力測定用測定値変換器のかかわ）で
すてに述べられた七おシ、ＯＩ型の石英である。　そう
した事項８〜テについ・てでは、・石英は競合相手なし
七云える（ら−のものである。　しかし、ｓ７Ｊ’ｃで
のそのα・β相移転のせいで、対温度安定性の範Ｓｔｔ
限定を受けるものである。　さらに、石英を含み込んで
いる圧電器具Ｏ「水性数」−すなわち所定の要因によゐ
公知のやりかたでの全体器具の品質の評価を与えるも〇
−の温度依存性が配慮されるべきである。　特にタイマ
とか同波歇欅早ｌとか瀘波腸と′ＩＰｈｔｋどでは、最
適の結晶切〉出しと適切な定温化とが配慮されるべきで
ある。　事項畠〜ｔｏそれでれ自体は、特に手だてなし
ても満足されるか七思われる。

ここであげておかれるべきかと思われるのは、シん酸二
水＠＊リクムすなわちＫＤＰＯ族の結晶てありて、そう
したものでは、事項・が最適といってよいように満足さ
れる。　　しかし、事項卜■、さらになによりも４、に
りいては、こうした結晶は一般的な要求のはるか下に七
とまって％／％４ｔのである。

したがって、この発明Ｏ主要ＩＩＩＩは、そうした事１
ｉｉ８〜７につ−ては石英Ｋまずオず見合りており１七
３にづいて鉱それよ）もぐん七ｔさっている、七いう材
質、の教示である。

この発明が出発点上してｉるこ七が何か七いう七それは
、各圧電！！具の「水性数」特性に凝縮反映するいろい
ろな物理特性の対温度安定性中温度依存性がその使われ
てｉる圧電結晶の光学的音電スペクトルでの所定要因に
よって検知可能である、乏いうことなのである。　経験
的１に＊験観測の結果としてのこの実ｍｔ簡単につぎに
説明する； 圧電結晶が入射光線とどのようにして相互作用にたちい
えることができるＯか１！−−うとそれは、その光エネ
ルギーのわずかな部分を受は込んで、光のこうした部分
を別な周波数と別な偏光性とで比較的自由気ままな方向
へ款射し〆す、七−うわけである・ ひ七つのＪ１％型釣なζうした実験で社、激しｉレイデ
光線が圧電結晶上へ焦点づけられ、その結晶内でそのよ
うに散乱され九光が集められ、光束化され、分光計通過
ののちに光電増倍管内で電流パルスＫＲ換される。　つ
いで、それら電流パルスは計数な）積分な９される。　
そのように散乱され良光の入射光に対しての周波数偏位
に対する物理的な原因としては、その圧電結晶の格子波
動（音電）のエネルギーや力積の光への転化な）受は込
みな）、が考えられて−るものであるから、そのように
散乱された光の、そうした周波数偏差上での強さ分布曲
線、を弗弾性散乱されえ光学的音子Ｄスペクトルと名づ
けているのである・　強さＯ山の歌も位置もともに、ひ
とつの圧電結晶に対する特徴的なものである。

結晶内で励起され得ゐナベでＯ音電のいずれもがこうし
たスペクトルに現れているというわけではな１０　重要
なζ七は、少なくとも、その結晶の対称性によるそのｒ
点群」に対応する４！ｒａ電テンソルに対してならばそ
のいずれにも必らずそうしたスペクトルでＯ強さの山が
存在することになる、という事寅なのである。　これら
、−わゆろ完全対称童子モードは、たーてい、ほかのい
ろいろな対称形ｓＯ音音電モード〕ももつ上湯ｖｍ＠さ
を示すものである。　さて、すでに述ぺ九特定要因と−
うもの鉱、すなわち最低エネルギー備え込みの完全対称
童子モードの対温度対応、にあるものである。

この発明での基礎となっているそうした課題の、驚くば
かりの簡単な解決のための第一の基本アイデアは、こう
し九音子モードの対温度対１５ｔ、圧電結晶の物！＃性
、特に圧電的中弾性的中誘電的な特性、の対温度対応に
関連づけるとｉうことにある。　、ζうして、たとえば
、こうしたいわゆるソフト・モード完全対称形の対応形
鱒中蟻低エネルギー、のエネルギー損失ハ、その結晶内
での双晶形成に対する強ｉ傾向に関連づけ得るもので、
そうした傾同嬬さらに、負荷づけられた圧力発振１１４
％素子とのかかわ〕で社、すなわちすでに知られてｉる
、圧電材の主ｌＩ麹点のひとつをなしているものである
。　２０℃から２００℃、までの湿度範囲内にわたって
千うし危音子峰−ドの周波数が７３％よシも大幅に偏移
することさえなければ、いろいろな物理量の対温度安定
性も温度依存性もともに、石英にくらべてず−ぶんな改
善がもたらされているものなのである＠ 与えられたその課題の克服のための第二の簡単な基本ア
イデアは、石英、すなわち事項８〜テｔすばらしく満足
するもの１のその構造的要因をそのｔｔに保つというこ
とによっての、そうした事項３〜７の確保、にある。　
このことはすなわち、特ＪＦｆ請求のａＳ■で述べられ
た特質どお）、対称性によるｒ魚群」での「結晶族８１
Ｊ　ｌ持ち、一般的な元素記号としてｒＡＪとｒＢＪと
をここで使うこ七として総合化学式ムｎｏ、　ｔ−袴り
、という結晶、の選び出しによって実現することなので
ある。

それら特性８〜６に対して特に＃ましい四面体形膳、す
なわち石英でもそうｅあるもの、はそれら「ム」と「１
」とに対し−てＤ特許請求の範囲■で述べられた選び出
しによって、まこ七に簡単て有利なりシ、かたで違ａＳ
れるＯ″ｔ−ある。

最後Ｋｅるが、この発明Ｏさらに特定的な塔　　　　□
施例では、特許ａｌｌ求の１ｇ１１１＠で述べられてｉ
る＃ＯうちＯ結晶が使われて−るものである。

これら結晶は石英とｍ−に本熱合成で製造可能である。

　この工＠ははかの製造工法よりも鉱るかに安あが９で
工□ネルギー節約的であｐｌこうして作られた結晶素子
はよシ均質で内部応力なしのものである。　しかも、こ
の発明による器具に使われるそうし次結晶の製造用には
、石英に（らべて、よ〉低い温度とより低い圧力とが使
用可能てあシ、・このことは、これまで述べずみＯ利点
ｔさらに大きくするわけである。

そのうちのオルトひ鹸アルミ゛ニクム（ｊｋｊＡｓＯ１
３・が、例とじてこεでさらに詳しく説明される：石英
とかベルリナイト（ＡＩＰＯａ］とかと同じく、この結
晶も対称性によるｒ魚群」で□の「結晶族８１１Ｊに属
し、その完全対称童子モード町〜−５Ｆｉ石英のそれら
に対応するものであるがこの場合のそれらの周波数はコ
ＪＪ、ＪＪＪ、ダＪ０およびｌ／σ”ａｌｌ−”である
、　これまでの説明に煕らしてのこの結晶の対温度対応
の観測、が示すことは、前述温度範囲内にわたってナベ
ての完全対称モードがこの発明による゛／Ｊ％安定性と
いう判定基準に合格で、したかつソ、たとえばこうした
かかわりでこれ壜で知られている圧電材についての一点
である双晶形成の問題はまったく一生じていないという
わけである。　さらになお特にあげるとすればＭｍＰＯ
ａ中さらＫ　＃′ｉＦ＠ＰＯ，とｆｉ　Ｆ＊Ａｓ０４　
”ｔ”あシ、それでもやはり、仁の発明によるそうし九
要求範囲での完全対称童子モード安定なものなのである
。　　　　　　　　　　　　゛この発ｔｌＪ４によって
提案されたそれら圧電材は、もちろん、こうしたかかわ
９ですでに知られているあらゆるやりかたで所要用途に
組込まれ得るもので６１はんの例示にすぎないものをこ
こであげるならば、縦＃Ｌな〉横波なりの圧電幼果の利
用のもとての測定中、いろ匹ろな結晶配回の利用中、さ
らにｔ　九、１１６ｍなシ受動なりいずれなシＯ圧電！
！具内Ｏ使用、である。

た、とえば周波数標準器なシタイマなりのえめの圧電共
鳴器としての用途用に轄、これら材質は、石英のいろい
ろな利点（高品質、湿度補償性９１出しかたのあること
）ｔともに組合わせており、しかも対温度安定性と補償
可能温度範囲の大きさとについてははっきりとそれに勝
っているもので、対応の石英式周波数標準器では必要な
定温化の手だてがこの場合には無用なのであるＯ １た、これら結晶はデジタル温度計内の共鳴器用にもよ
く適合するもＤで、そのわけは、熱的な同波数応動の高
度直線虻な切り出しか九を選ぶことができるからである
。　′そのうえ、石英温度計といったようなものよシも
ずっと大きな温度測定箱Ｈを得ることとなる◎ なお、圧力発ｇ４器内での使用では、圧電素子の冷却の
ためのものいりな手だてが無用となるもので、そのわけ
は、高温部でも双晶形成がまるで心配無用だからである
。

縦波圧電効果を利用する圧力感応器では、感度の同上の
目的で、いくつ屯の圧電素子が電気的には並列で機械的
には直列に、モジュール構成式に投けられる。−この発
明によって使われる結晶の高度な固有感度のおかげで、
その個数は有利に減少され得ることとなる。

中はりそれと同じそのままのわけで、それに対応する横
波圧電効果を利用する方の圧力感応器で少なめな容積の
圧電素子−え送本とされ得′るのである。

さらにいくつかの例によって、すでに知られている圧電
材に（らぺての、この発明で提案された材質の優越性が
説明される・　ＤＩＥ−７Ｓ　ｌテ４６マＩＩＫは圧電
共鳴ｌが示されていて、七〇叉え材は同時に音響損失の
減少のための音響インピーダンス変換器としても構成さ
れている０共鳴Ｉツア用の在米材質で、は共鳴同歓奴の
温度補償の丸めの手だてが講じられているが、そうした
ことはもはや無用で、全体構成の簡略化につながってい
る。　　　　　　　　・ その共鳴＠０圧電禁子は、交流発生器て音善振動に励起
され、音響終嘲材のおかげで機械的な周辺影響要因には
ずいぶん良い独立無影響性で、振動する。　こむで、す
でに知られている石英め使用という際に不利きなること
は、そうした共鳴器全体の製造で限定を受ける湿度範囲
である。　有利な焼結とか高温接合技術とかがそうした
終端層の組込み用に利用可能であるのは、この発明によ
る素子の使用ではじめてそうなるのである。

さらにまた、たとえばＤＥ−ＡＳｉ！　４１６０８５か
ら知られる共鳴ＩＩけ、コア片として小圧電板を備えて
おり、それは、その電極部内ではそれ以外の部分にくら
べて遮った有効共鳴厚さを持つものである。　この発明
による結晶素子の使用では、りぎのような改善が実現す
る。（謁いＱ値のおかげで）こうしたもののための目下
のもつとも好ましい材質としての石英の場合には、費用
の有利なエツチング工法でのそうした別別な共鳴器厚さ
の作り出しが可能ではないのであって、そのわけは、必
要なエツチング剤１１Ｆ（ぶつ化水葉酸）がそれ自体か
なりな難点を備えているものだからである。　それら難
点は取扱ｉにとかないわけである。

この発明による素子の使用は、たとえば遅延路用Ｏ表面
枝素片でも可能である。　すでに知られているそうした
構成で鉱、たとえばＬｇＮｈＯ。

が基盤材として使われてい為が、それは、温度補償動作
同波数となる切り出しかたなどというものを１９たぬも
ので、このこ七はすなわち温度制御を必要とするという
わけである◇　石英はそのような９Ｊり出しかたｔ持つ
ものであるが、そうｈ５９Ｊシ出しかたについては、周
波数帯域−の万とのかね合い妥協がなされなければなら
な％／−％七いうことになる・　基盤としてのこの妬用
によゐ結晶の使用は、石英ｏＨましい特性ｔよシ改良さ
れた「示性欲」乏共存組合わせさせること七なるもので
、そのわけは、かかわ〉のあるすべての物理量の、縮減
された温度依存性のおかげで必要でなくなる９１Ｊｅ出
しかたの限定づけ、七いうことがほかの特性量すなわち
帯＊ｍとか音速上か結合係数々かの、周波＆Ｉｍ囮とそ
うし比表１１ｉ波器具の用途上に応じての最適化、のた
めに利用され得るからである。

この発明による結晶の利点が助けとなるさらにほかの圧
電器具は、たとえば、マイクロ計重器、すなわち電極層
なり結晶層なシの負荷に左右される共鳴とか反共鳴とか
の同波数の圧電共ｓｉｍｔ−含んているもの、である。

　スパッタとか蒸着とかの装置、さらには表面分析１１
内への組込み用では、石英では必要ないろいろな防護手
だて（たとえば０１！−Ｐｇ　Ｂ　１１８１１４参照）
、ナな、わちそうした機器で望まれるような高温度部域
での運転に隙して備えられなければならないもの、が無
用となる・ この発明によって使われる結晶で、熱媒体中での通過暗
部とか流量とか音響測定とかの丸めの超音波発生器中感
ｗ５ＩＢも、在米の機器ては必要な熱的、保護など七い
うこさなしで可能となる。

それによれば、最適伝導の目的でじかに熱媒体のとζろ
ての圧電音響変換器の組付けが可能なわけである。　貫
流熱媒体での在米様式のパルス通過時開測定ＫＩＩして
の熱的保護や交互変動的な温度での湿度補償、は無用と
なるか、少なくともうん上条に軽減されるのである〇ま
つ九（同しことが、たとえば高温ボイク股備内の黴小割
れ目によって飲乱された音波の受は込みＯような、熱固
体のとζろで役目をはたすべきものとされている超音波
パルス発信器をか感３６１１とか、に対しても中は）そ
のままである。

気体中の粒子濃度の測定用在米機器は、この発明による
結晶にも七づ（音波発生器と感応器の使用で、簡単なや
りかたで、熱排気での粒子測定用にさえも利用され得る
わけである・ζうした例は、この発明で示されたいろい
ろな特質によって特徴づけられて−るいろいろな材質の
組込み用途範囲の多様性を示して−るものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■　りぎの特質（ア・イ・り）をすべて＃たして−るこ
   とを特徴とする、圧電性の利用される圧−崖子備え込み
   器具・ １）対称性によるｒ点群」での「緒、晶族８ｓ」゛の圧
   電結晶が東われている・ イ）　その結晶の総合化学式は、一般的な元素記号上し
   て「ム」七ｒＢＪとをここで使うことシして、ムＢＯ４
   のものて弗る。 ？）その結晶は、ａｏ’ｃかも１０６℃までの湿度範−
   内にわたって最低周、波数の亨金対称音子毫−Ｆ１の周
   波歇偏１Ｆがたかだか／Ｊ優にすぎないものである・ ■　特許請求の範囲 の「▲」は藤と▲ｊとＧａ七ＩｎとＴＪと１●七Ｍ論と
   ！七からなる群から、ま良「１』はｔ七▲Ｓとｓｂ，、
   ！−組と▼七Ｍｈとからなる群から、橿ム↓４ー論＝ 選ばれた　　　　　　　　　　　　そうした器具―■　
   特許＠衣の範囲■また紘■に記載の発明において，　Ｇ
   ａＡＩ０４とＧａＰＧ−と▲ｊＡｓｏａ＆からなる群か
   ら選ばれ九圧電結晶が使われているそうし元器具●