ニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶
【課題】 電気機械結合係数が大きく、かつ音速が小さいニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶を提供することである。
【解決手段】 酸化カリウムの含有量を、２６モル％〜３４モル％、酸化リチウムの含有量を１９モル％〜２７モル％、酸化ニオブの含有量を４５モル％〜５３モル％に、主成分の組成を設定したニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶における、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換する。また、単結晶の育成には、融液からの引き上げ法または引き下げ法を用いる。
【解決手段】 酸化カリウムの含有量を、２６モル％〜３４モル％、酸化リチウムの含有量を１９モル％〜２７モル％、酸化ニオブの含有量を４５モル％〜５３モル％に、主成分の組成を設定したニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶における、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換する。また、単結晶の育成には、融液からの引き上げ法または引き下げ法を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、フィルタ、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等の振動子を構成するニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラなどの機器の小型化に伴い、これらに搭載される、フィルタ、発振子、ジャイロ等の圧電デバイスに対しても、小型化が要求されている。圧電振動子の小型化に影響を与える材料特性としては音速が挙げられる。つまり、同一構造の圧電振動子においては、それを構成する材料の音速が小さいほど、小型化が可能となる。
【０００３】
従来の圧電振動子には、水晶やニオブ酸リチウムの圧電単結晶材料が、用いられてきた。水晶は音速が小さいため振動子のサイズを小型化できる。さらに圧電特性の温度安定性、加工性、量産性に優れていることから広く用いられているが、電気機械結合係数が小さく出力信号が微弱であり圧電応答が弱い問題がある。またニオブ酸リチウムは電気機械結合係数は大きいが、音速が大きく振動子のサイズを小型化できない問題がある。
【０００４】
周知のように圧電特性は、材料の組成と結晶の育成条件に大きく依存し、様々な組成の圧電材料が開示されている。例えば特許文献１と特許文献２には、ニオブ酸リチウムにおけるリチウム及びニオブの一部を、他の元素で置換することによって、圧電特性を向上する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２８２２８号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献に開示されている材料は、圧電振動子に用いるには、なお改善の余地がある。従って、本発明の課題は、電気機械結合係数が大きく、かつ音速が小さいニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題の解決のため、ニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶における、ニオブの一部を他元素で置換することにより、圧電特性を向上することを検討した結果なされたものである。
【０００８】
即ち、本発明は、酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下の組成を有するニオブ酸カリウムリチウムにおける、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換したことを特徴とするニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶である。
【０００９】
また、本発明のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶は、融液からの引き上げ法または引き下げ法によって、得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶は、前記のように構成元素の一つであるニオブの一部をモリブデンで置換してあるため、電気機械結合係数が大きく音速が小さい、振動子の小型化と、高圧電特性の両立を実現する材料を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施の形態を、具体的な例を示しながら説明する。まず、化学量論組成のニオブ酸カリウムリチウムにおけるニオブの一部をモリブデンで置換した例を示す。原料粉末として、純度が９９．９９％のＬｉ2ＣＯ3、Ｋ2ＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＭｏＯ2を準備し、化学量論組成のニオブ酸カリウムリチウムにおいて、ニオブの一部を１モル％〜７モル％置換した組成となるように、前記原料粉末を秤量した。
【００１２】
次に、秤量した原料粉末を湿式混合し乾燥した後、加圧成形し、焼結に供するための圧粉体を得た。得られた圧粉体を、保持温度８００℃、保持時間２０時間という条件で焼結し、得られた焼結体を粉砕して単結晶育成用の原料粉末とした。
【００１３】
得られた原料粉末を、１０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの大きさの白金製坩堝に入れ、１０００℃で溶融し、ニオブ酸カリウムリチウムの種結晶を用い、抵抗加熱型マイクロ引き下げ法により、０．１５ｍｍ／分の成長速度で、直径が２．５ｍｍの単結晶を育成した。なお、ここでは、特に具体例を示さないが引き上げ法によっても、前記と同様に単結晶の育成が可能であった。
【００１４】
得られた単結晶をフィールドクーリング法で分極した後、２２ｍｍ×０．７ｍｍ×１０ｍｍの平板形状に切断加工した。次に、スパッタリング法により、平板形状の単結晶の対向する２面にクロム／金を電極として成膜し、圧電特性測定用の試料とした。この試料を用い、伸び振動の振動モ−ドを共振−反共振法により測定して、圧電特性を評価した。
【００１５】
表１は、それぞれのモリブデン置換量について、前述の各試料の電気機械結合係数ｋ、音速をまとめて示したものである。また、図１は、表１に示した電気機械結合係数と音速をモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１及び図１に示した結果から、モリブデンによるニオブの置換量増加に伴い、音速が減少し、置換の効果が明らかである。しかし、電気機械結合係数は、モリブデン置換量が５モル％以下の領域では変化が殆ど認められないが、この範囲を超える領域では低下が顕著であり、この結果は、モリブデン置換量の適正値が、５モル％以下であることを示している。
【００１８】
次に、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化ニオブ、各成分の好適な含有量を検証するために、酸化カリウムの含有量を２５モル％〜３５モル％、酸化リチウムの含有量を１８モル％〜２８モル％、酸化ニオブの含有量を４５モル％〜５３モル％の範囲に設定した、ニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶の試料を調製し、特性を評価した。
【００１９】
表２は、調製した試料の組成をまとめて示したものであり、図４は、各試料の組成を三角形で示した図である。また、表３は、特性の測定結果をまとめて示したものである。なお、特性の測定項目は前記と同様に、電気機械結合係数ｋと、音速であり、測定方法も前記と同様である。
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
表３の中で「圧電性なし」と記載したものは、結晶の育成は可能であったが、圧電特性の発現を確認できなかったことを示す。また、表３の中で「育成不可」と記載したものは結晶育成が不可能であったことを示す。
【００２３】
これら結果から、酸化カリウム含有量が２６モル％より少ない領域では、結晶育成が不可能であり、酸化リチウム含有量が２７モル％より多い領域と、酸化ニオブが５３モル％より多い領域では圧電特性が発現しなくなるため、材料組成としては不適当である。なお、他の組成の試料では圧電特性の発現が確認できた。
【００２４】
さらに、圧電特性の発現が確認できた組成について、ニオブの一部をモリブデンで置換した場合の特性を評価した。モリブデンによる置換量は、１、３、５、６モル％とした。試料の調整方法、特性測定項目、測定方法は前記と同様とした。表４は、調製した試料の電気機械結合係数ｋをまとめて示したものであり、図２は、電気機械結合係数ｋをモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００２５】
【表４】
【００２６】
これらの結果によると、組成Ａから組成Ｉまではモリブデン置換により、電気機械結合係数は同等もしくは若干増加し、置換量が５モル％より増加すると急激に減少することが判る。また酸化カリウム含有量が３４モル％より多い領域、酸化リチウム含有量が１９モル％より少ない領域、酸化ニオブが４５モル％より少ない領域ではモリブデン置換結晶の育成は不可能であった。
【００２７】
また、組成Ｄ、組成Ｆ、組成Ｈでは、モリブデン置換量が６モル％では、単結晶の育成は不可能であった。さらに、組成Ｌ、組成Ｍ、組成Ｎ、組成Ｏ、組成Ｓでは、モリブデン置換したものは、いずれも結晶育成が不可能であるか、圧電特性を発現しないものであった。
【００２８】
表５は、前記各試料の音速測定結果をまとめて示したものである。また、図３は、音速ｖをモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００２９】
【表５】
【００３０】
これらの結果から、モリブデン組成Ａから組成Ｉの試料では、モリブデンの置換により音速が減少しており、ニオブの一部をモリブデンで置換することの効果が認められる。以上より、ニオブ酸カリウムリチウムに対しニオブをモリブデンが５ｍｏｌ％以下置換した組成の材料は、電気機械結合係数が大きく、音速が小さいことが判った。
【００３１】
以上の結果から、酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下に、主成分の組成を設定したニオブ酸カリウムリチウムにおける、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換することにより、電気機械結合係数の変化がなく音速を減少したニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】電気機械結合係数と音速をモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図２】電気機械結合係数ｋをモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図３】音速ｖをモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図４】各試料の組成を三角形で示した図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ、フィルタ、発振子、圧電ジャイロ、圧電トランス等の振動子を構成するニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラなどの機器の小型化に伴い、これらに搭載される、フィルタ、発振子、ジャイロ等の圧電デバイスに対しても、小型化が要求されている。圧電振動子の小型化に影響を与える材料特性としては音速が挙げられる。つまり、同一構造の圧電振動子においては、それを構成する材料の音速が小さいほど、小型化が可能となる。
【０００３】
従来の圧電振動子には、水晶やニオブ酸リチウムの圧電単結晶材料が、用いられてきた。水晶は音速が小さいため振動子のサイズを小型化できる。さらに圧電特性の温度安定性、加工性、量産性に優れていることから広く用いられているが、電気機械結合係数が小さく出力信号が微弱であり圧電応答が弱い問題がある。またニオブ酸リチウムは電気機械結合係数は大きいが、音速が大きく振動子のサイズを小型化できない問題がある。
【０００４】
周知のように圧電特性は、材料の組成と結晶の育成条件に大きく依存し、様々な組成の圧電材料が開示されている。例えば特許文献１と特許文献２には、ニオブ酸リチウムにおけるリチウム及びニオブの一部を、他の元素で置換することによって、圧電特性を向上する技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２２８２２８号公報
【特許文献２】特開２００３−３４２０７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献に開示されている材料は、圧電振動子に用いるには、なお改善の余地がある。従って、本発明の課題は、電気機械結合係数が大きく、かつ音速が小さいニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記課題の解決のため、ニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶における、ニオブの一部を他元素で置換することにより、圧電特性を向上することを検討した結果なされたものである。
【０００８】
即ち、本発明は、酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下の組成を有するニオブ酸カリウムリチウムにおける、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換したことを特徴とするニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶である。
【０００９】
また、本発明のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶は、融液からの引き上げ法または引き下げ法によって、得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶は、前記のように構成元素の一つであるニオブの一部をモリブデンで置換してあるため、電気機械結合係数が大きく音速が小さい、振動子の小型化と、高圧電特性の両立を実現する材料を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、本発明の実施の形態を、具体的な例を示しながら説明する。まず、化学量論組成のニオブ酸カリウムリチウムにおけるニオブの一部をモリブデンで置換した例を示す。原料粉末として、純度が９９．９９％のＬｉ2ＣＯ3、Ｋ2ＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5、ＭｏＯ2を準備し、化学量論組成のニオブ酸カリウムリチウムにおいて、ニオブの一部を１モル％〜７モル％置換した組成となるように、前記原料粉末を秤量した。
【００１２】
次に、秤量した原料粉末を湿式混合し乾燥した後、加圧成形し、焼結に供するための圧粉体を得た。得られた圧粉体を、保持温度８００℃、保持時間２０時間という条件で焼結し、得られた焼結体を粉砕して単結晶育成用の原料粉末とした。
【００１３】
得られた原料粉末を、１０ｍｍ×５ｍｍ×５ｍｍの大きさの白金製坩堝に入れ、１０００℃で溶融し、ニオブ酸カリウムリチウムの種結晶を用い、抵抗加熱型マイクロ引き下げ法により、０．１５ｍｍ／分の成長速度で、直径が２．５ｍｍの単結晶を育成した。なお、ここでは、特に具体例を示さないが引き上げ法によっても、前記と同様に単結晶の育成が可能であった。
【００１４】
得られた単結晶をフィールドクーリング法で分極した後、２２ｍｍ×０．７ｍｍ×１０ｍｍの平板形状に切断加工した。次に、スパッタリング法により、平板形状の単結晶の対向する２面にクロム／金を電極として成膜し、圧電特性測定用の試料とした。この試料を用い、伸び振動の振動モ−ドを共振−反共振法により測定して、圧電特性を評価した。
【００１５】
表１は、それぞれのモリブデン置換量について、前述の各試料の電気機械結合係数ｋ、音速をまとめて示したものである。また、図１は、表１に示した電気機械結合係数と音速をモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００１６】
【表１】
【００１７】
表１及び図１に示した結果から、モリブデンによるニオブの置換量増加に伴い、音速が減少し、置換の効果が明らかである。しかし、電気機械結合係数は、モリブデン置換量が５モル％以下の領域では変化が殆ど認められないが、この範囲を超える領域では低下が顕著であり、この結果は、モリブデン置換量の適正値が、５モル％以下であることを示している。
【００１８】
次に、酸化カリウム、酸化リチウム、酸化ニオブ、各成分の好適な含有量を検証するために、酸化カリウムの含有量を２５モル％〜３５モル％、酸化リチウムの含有量を１８モル％〜２８モル％、酸化ニオブの含有量を４５モル％〜５３モル％の範囲に設定した、ニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶の試料を調製し、特性を評価した。
【００１９】
表２は、調製した試料の組成をまとめて示したものであり、図４は、各試料の組成を三角形で示した図である。また、表３は、特性の測定結果をまとめて示したものである。なお、特性の測定項目は前記と同様に、電気機械結合係数ｋと、音速であり、測定方法も前記と同様である。
【００２０】
【表２】
【００２１】
【表３】
【００２２】
表３の中で「圧電性なし」と記載したものは、結晶の育成は可能であったが、圧電特性の発現を確認できなかったことを示す。また、表３の中で「育成不可」と記載したものは結晶育成が不可能であったことを示す。
【００２３】
これら結果から、酸化カリウム含有量が２６モル％より少ない領域では、結晶育成が不可能であり、酸化リチウム含有量が２７モル％より多い領域と、酸化ニオブが５３モル％より多い領域では圧電特性が発現しなくなるため、材料組成としては不適当である。なお、他の組成の試料では圧電特性の発現が確認できた。
【００２４】
さらに、圧電特性の発現が確認できた組成について、ニオブの一部をモリブデンで置換した場合の特性を評価した。モリブデンによる置換量は、１、３、５、６モル％とした。試料の調整方法、特性測定項目、測定方法は前記と同様とした。表４は、調製した試料の電気機械結合係数ｋをまとめて示したものであり、図２は、電気機械結合係数ｋをモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００２５】
【表４】
【００２６】
これらの結果によると、組成Ａから組成Ｉまではモリブデン置換により、電気機械結合係数は同等もしくは若干増加し、置換量が５モル％より増加すると急激に減少することが判る。また酸化カリウム含有量が３４モル％より多い領域、酸化リチウム含有量が１９モル％より少ない領域、酸化ニオブが４５モル％より少ない領域ではモリブデン置換結晶の育成は不可能であった。
【００２７】
また、組成Ｄ、組成Ｆ、組成Ｈでは、モリブデン置換量が６モル％では、単結晶の育成は不可能であった。さらに、組成Ｌ、組成Ｍ、組成Ｎ、組成Ｏ、組成Ｓでは、モリブデン置換したものは、いずれも結晶育成が不可能であるか、圧電特性を発現しないものであった。
【００２８】
表５は、前記各試料の音速測定結果をまとめて示したものである。また、図３は、音速ｖをモリブデン置換量についてプロットしたグラフである。
【００２９】
【表５】
【００３０】
これらの結果から、モリブデン組成Ａから組成Ｉの試料では、モリブデンの置換により音速が減少しており、ニオブの一部をモリブデンで置換することの効果が認められる。以上より、ニオブ酸カリウムリチウムに対しニオブをモリブデンが５ｍｏｌ％以下置換した組成の材料は、電気機械結合係数が大きく、音速が小さいことが判った。
【００３１】
以上の結果から、酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下に、主成分の組成を設定したニオブ酸カリウムリチウムにおける、酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を、酸化モリブデンで置換することにより、電気機械結合係数の変化がなく音速を減少したニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】電気機械結合係数と音速をモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図２】電気機械結合係数ｋをモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図３】音速ｖをモリブデン置換量についてプロットしたグラフ。
【図４】各試料の組成を三角形で示した図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学式Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15で表されるニオブ酸カリウムリチウムにおいて、ニオブの５モル％以下（０を含まない）をモリブデンで置換したことを特徴とするニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【請求項２】
酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下であり、前記酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を酸化モリブデンで置換してなることを特徴とする、請求項１に記載のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【請求項３】
融液からの引き上げ法または引き下げ法により得られることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【請求項１】
化学式Ｋ3Ｌｉ2Ｎｂ5Ｏ15で表されるニオブ酸カリウムリチウムにおいて、ニオブの５モル％以下（０を含まない）をモリブデンで置換したことを特徴とするニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【請求項２】
酸化カリウムの含有量が２６モル％以上、３４モル％以下、酸化リチウムの含有量が１９モル％以上、２７モル％以下、酸化ニオブの含有量が４５モル％以上、５３モル％以下であり、前記酸化ニオブの５モル％以下（０を含まない）を酸化モリブデンで置換してなることを特徴とする、請求項１に記載のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【請求項３】
融液からの引き上げ法または引き下げ法により得られることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のニオブ酸カリウムリチウム圧電単結晶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−６２８９３（Ｐ２００６−６２８９３Ａ）
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２４４６３４（Ｐ２００４−２４４６３４）
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月９日（２００６．３．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年８月２５日（２００４．８．２５）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
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