JPH0354894B2 - - Google Patents
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- JPH0354894B2 JPH0354894B2 JP58174070A JP17407083A JPH0354894B2 JP H0354894 B2 JPH0354894 B2 JP H0354894B2 JP 58174070 A JP58174070 A JP 58174070A JP 17407083 A JP17407083 A JP 17407083A JP H0354894 B2 JPH0354894 B2 JP H0354894B2
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- single crystal
- ferroelectric single
- rotated
- plate
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、圧電変換素子に関し、特に、強誘電
体単結晶を用いた圧電変換素子に関するものであ
る。
体単結晶を用いた圧電変換素子に関するものであ
る。
従来、圧電セラミツクを用いて、共振子、超音
波遅延回路、超音波光変調器用のトランスジユー
サ等の圧電変換素子を構成することは、公知であ
る。しかしながら、数百ＭHz以上の高周波になる
と、セラミツクの音響損失がかなり大きくなる欠
点がある。また、光変調器や光偏向器の場合に
は、透明な単結晶上に圧電セラミツクからなる超
音波トランスジユーサを接着する必要があり、変
換効率が高くばらつきの小さな光学装置を得るこ
とは困難である。
波遅延回路、超音波光変調器用のトランスジユー
サ等の圧電変換素子を構成することは、公知であ
る。しかしながら、数百ＭHz以上の高周波になる
と、セラミツクの音響損失がかなり大きくなる欠
点がある。また、光変調器や光偏向器の場合に
は、透明な単結晶上に圧電セラミツクからなる超
音波トランスジユーサを接着する必要があり、変
換効率が高くばらつきの小さな光学装置を得るこ
とは困難である。
本発明者等は、圧電セラミツクの上記欠点に鑑
み、強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子を構成
することを意図し、強誘電体単結晶の分域制御法
を種々検討したところ、交差指電極を用いること
によつて分域制御が可能であることを見出した。
み、強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子を構成
することを意図し、強誘電体単結晶の分域制御法
を種々検討したところ、交差指電極を用いること
によつて分域制御が可能であることを見出した。
本発明は、強誘電体単結晶の分域制御について
の、このような新たな知見にもとづいてなされた
ものである。
の、このような新たな知見にもとづいてなされた
ものである。
即ち、本発明は、強誘電体単結晶表面上に形成
された周期Ｐとする交差指電極と、該強誘電体単
結晶表面層に前記交差指電極に沿つて該交差指電
極の周期Ｐと同じ周期をもつて交互に形成された
互いに逆向きの自発分極を持つた細長い領域とを
備え、前記自発分極の方向は、該強誘電体単結晶
のＺ軸と平行であることを特徴とする強誘電体単
結晶を用いた圧電変換素子である。
された周期Ｐとする交差指電極と、該強誘電体単
結晶表面層に前記交差指電極に沿つて該交差指電
極の周期Ｐと同じ周期をもつて交互に形成された
互いに逆向きの自発分極を持つた細長い領域とを
備え、前記自発分極の方向は、該強誘電体単結晶
のＺ軸と平行であることを特徴とする強誘電体単
結晶を用いた圧電変換素子である。
なお、上記自発分極を有する細長い領域と上記
交差指電極とは、互いにＰ／２周期ずれて構成す
ると、異なる特性のものが得られる。
交差指電極とは、互いにＰ／２周期ずれて構成す
ると、異なる特性のものが得られる。
強誘電体単結晶は、特に限定されるものではな
いが、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）やタンタル
酸リチウム（LiTaO3）等が実用上好ましい。
いが、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）やタンタル
酸リチウム（LiTaO3）等が実用上好ましい。
以下、本発明について、図面を参照して詳細に
説明する。
説明する。
まず、第１図および第２図を参照して分域制御
について説明する。
について説明する。
第１図を参照して、強誘電体単結晶１の表面上
に、図示のとおりの交差指電極２を形成する。電
極指は幅ａ、長さＷで、周期Ｐをもつて形成さ
れ、一つおきに共通に接続されて、くし形電極２
ａ，２ｂを構成している。なお、電極材料として
は、単結晶のキユリー点以上に加熱しても消失し
ないような材料を用いる必要がある。このような
材料としては、例えば、銀ペーストが用いられ
る。
に、図示のとおりの交差指電極２を形成する。電
極指は幅ａ、長さＷで、周期Ｐをもつて形成さ
れ、一つおきに共通に接続されて、くし形電極２
ａ，２ｂを構成している。なお、電極材料として
は、単結晶のキユリー点以上に加熱しても消失し
ないような材料を用いる必要がある。このような
材料としては、例えば、銀ペーストが用いられ
る。
各電極指は結晶軸のｘ軸に平行に延在するよう
に設け、くし形電極２ａ，２ｂ間に直流電圧を印
加したままキユリー点から温度下げる分極処理を
施したところ、単結晶の表面層に反平行の自発分
極を持つた領域が電極と同じ周期で交互に形成さ
れた。この分極領域の確認は、分極処理された単
結晶と硝酸とフツ酸の混合液でエツチングした
後、顕微鏡や、偏光顕微鏡で観察することによつ
て行なわれた。
に設け、くし形電極２ａ，２ｂ間に直流電圧を印
加したままキユリー点から温度下げる分極処理を
施したところ、単結晶の表面層に反平行の自発分
極を持つた領域が電極と同じ周期で交互に形成さ
れた。この分極領域の確認は、分極処理された単
結晶と硝酸とフツ酸の混合液でエツチングした
後、顕微鏡や、偏光顕微鏡で観察することによつ
て行なわれた。
第２図に分域モデルを示す。第２図ａは、単結
晶が95゜回転Ｙ板の場合を示し、第２図ｂは、
164゜回転Ｙ板の場合で、各図において、領域Ａ，
Ｂが、Ｃ軸がそれぞれ正および負の方向を向いた
単分域の領域で、Ｃ領域が多分域を示している。
即ち、95゜回転Ｙ板では電極指２の直下が、164゜
回転Ｙ板では電極指間で、それぞれ単分域化され
ている。
晶が95゜回転Ｙ板の場合を示し、第２図ｂは、
164゜回転Ｙ板の場合で、各図において、領域Ａ，
Ｂが、Ｃ軸がそれぞれ正および負の方向を向いた
単分域の領域で、Ｃ領域が多分域を示している。
即ち、95゜回転Ｙ板では電極指２の直下が、164゜
回転Ｙ板では電極指間で、それぞれ単分域化され
ている。
このように、交差指電極を用いて強誘電体単結
晶の分域制御が行なえるので、これを利用して圧
電変換を行なわせることができ、共振子、超音波
遅延素子、光変調器等に利用できる。
晶の分域制御が行なえるので、これを利用して圧
電変換を行なわせることができ、共振子、超音波
遅延素子、光変調器等に利用できる。
以下実施例について説明する。
実施例 １
LiTaO3単結晶からなる、厚さ0.96mmの95゜回転
Ｙ板と、厚さ0.31mmの164゜回転Ｙ板のそれぞれの
表面に、第１図と同様の交差指電極を、Ｐ＝
600μｍ、ａ／Ｐ＝0.5、Ｗ＝4.2mm、Ｎ（電極指対
数）＝3.5として形成し、交差指電極の端子間イン
ピーダンスの周波数特性を測定した。分極処理の
際の印加電圧Vdc／（Ｐ−ａ）としては、95゜回
転Ｙ板の場合は、８、11、24V／cmの３種類につ
いて、164゜回転Ｙ板の場合は、８、16、24V／cm
の３種類について、それぞれ、実験した。
Ｙ板と、厚さ0.31mmの164゜回転Ｙ板のそれぞれの
表面に、第１図と同様の交差指電極を、Ｐ＝
600μｍ、ａ／Ｐ＝0.5、Ｗ＝4.2mm、Ｎ（電極指対
数）＝3.5として形成し、交差指電極の端子間イン
ピーダンスの周波数特性を測定した。分極処理の
際の印加電圧Vdc／（Ｐ−ａ）としては、95゜回
転Ｙ板の場合は、８、11、24V／cmの３種類につ
いて、164゜回転Ｙ板の場合は、８、16、24V／cm
の３種類について、それぞれ、実験した。
第３図ａ，ｂは、それぞれ、95゜回転Ｙ板の
Vdc／（Ｐ−ａ）＝11V／cmの場合、および164゜回
転Ｙ板のVdc／（Ｐ−ａ）＝16V／cmの場合のイ
ンピーダンスの絶対値の周波数特性である。
Vdc／（Ｐ−ａ）＝11V／cmの場合、および164゜回
転Ｙ板のVdc／（Ｐ−ａ）＝16V／cmの場合のイ
ンピーダンスの絶対値の周波数特性である。
直流電圧を印加せずに、キユリー点から温度を
下げた試料では全く共振レスポンスが観測されな
かつたが、直流電圧を印加して分域制御を行なつ
たものでは、第３図に示されるように多くの共振
レスポンスが現れた。Vdc／（Ｐ−ａ）＝8V／cm
の場合には、第３図の場合よりもレスポンスが小
さかつたが、Vdc／（Ｐ−ａ）＝24V／cmの場合
には、第３図とほぼ同様であつた。
下げた試料では全く共振レスポンスが観測されな
かつたが、直流電圧を印加して分域制御を行なつ
たものでは、第３図に示されるように多くの共振
レスポンスが現れた。Vdc／（Ｐ−ａ）＝8V／cm
の場合には、第３図の場合よりもレスポンスが小
さかつたが、Vdc／（Ｐ−ａ）＝24V／cmの場合
には、第３図とほぼ同様であつた。
このことから、Vdc／（Ｐ−ａ）の値は、15〜
20V／cmで十分であろうと思われる。
20V／cmで十分であろうと思われる。
第３図ａでは、周期的な共振レスポンス（L2
〜L6）が観測されているが、これらは、高次厚
み縦振動の共振周波数の理論値と良く一致してい
る。
〜L6）が観測されているが、これらは、高次厚
み縦振動の共振周波数の理論値と良く一致してい
る。
このことは、また、表面に垂直な方向に縦波バ
ルク波の励振が可能であることを示している。
ルク波の励振が可能であることを示している。
一方、第３図ｂの164゜回転Ｙ板では、高次の厚
み縦振動および厚みすべり振動の共振周波数の理
論値と一致するような大きなレスポンスはない。
したがつて、表面に垂直な方向には縦波も横波も
ほとんど励振されないことになる。第３図ｂに現
われた共振レスポンスは表面波あるいは表面に対
して斜めに伝搬するバルク波によるものと考えら
れる。
み縦振動および厚みすべり振動の共振周波数の理
論値と一致するような大きなレスポンスはない。
したがつて、表面に垂直な方向には縦波も横波も
ほとんど励振されないことになる。第３図ｂに現
われた共振レスポンスは表面波あるいは表面に対
して斜めに伝搬するバルク波によるものと考えら
れる。
実施例 ２
次に実施例１で得た、分域処理された単結晶板
上の電極を取り除き、同じ構造の交差指電極を、
取り除く前の交差指電極とは、半周期（Ｐ／２）
だけずらせて形成した。この場合のインピーダン
スの周波数特性を第４図に示す。
上の電極を取り除き、同じ構造の交差指電極を、
取り除く前の交差指電極とは、半周期（Ｐ／２）
だけずらせて形成した。この場合のインピーダン
スの周波数特性を第４図に示す。
95゜回転Ｙ板の場合を示す第４図ａ、164゜回転
Ｙ板の場合を示す第４図ｂを、第３図ａ，ｂとそ
れぞれ比較すれば明らかなように、本実施例の場
合、非常に大きな共振レスポンスが周期的に現わ
れており、その周波数は高次厚みすべり振動の共
振周波数の理論値と良く一致している。したがつ
てセラミツクの場合と同様に表面に垂直な方向に
横波の励振が可能であることがわかる。
Ｙ板の場合を示す第４図ｂを、第３図ａ，ｂとそ
れぞれ比較すれば明らかなように、本実施例の場
合、非常に大きな共振レスポンスが周期的に現わ
れており、その周波数は高次厚みすべり振動の共
振周波数の理論値と良く一致している。したがつ
てセラミツクの場合と同様に表面に垂直な方向に
横波の励振が可能であることがわかる。
上記実施例１および２で示したように、本発明
による強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子は、
前述のように、共振レスポンスを示すので、振動
子として利用できるが、同時に表面に垂直な方向
に縦波あるいは横波を励振できるので、超音波ト
ランスジユーサとして利用できる。
による強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子は、
前述のように、共振レスポンスを示すので、振動
子として利用できるが、同時に表面に垂直な方向
に縦波あるいは横波を励振できるので、超音波ト
ランスジユーサとして利用できる。
次に、この超音波トランスジユーサを用いた遅
延素子の実施例について説明する。
延素子の実施例について説明する。
実施例 ３
第５図に１１で示すように、互いに平行な２つ
のＺ面を持つたLiTaO3単結晶ブロツクを切り出
し、両Ｚ面上に第１図に示すと同様の構造で、実
施例１と同寸法の交差指電極１２，１３を形成し
た。各交差指電極にVdc／（Ｐ−ａ）＝16V／cm
の直流を印加して分極処理を施した。かくして、
単結晶ブロツク１１の平行両端に入出トランスジ
ユーサを備えた遅延素子が得られる。なお平行な
Ｚ面間距離は8.6mmであつた。
のＺ面を持つたLiTaO3単結晶ブロツクを切り出
し、両Ｚ面上に第１図に示すと同様の構造で、実
施例１と同寸法の交差指電極１２，１３を形成し
た。各交差指電極にVdc／（Ｐ−ａ）＝16V／cm
の直流を印加して分極処理を施した。かくして、
単結晶ブロツク１１の平行両端に入出トランスジ
ユーサを備えた遅延素子が得られる。なお平行な
Ｚ面間距離は8.6mmであつた。
今、一方の交差指電極１２へインパルスを入力
させたとき、他方の交差指電極から遅延してパル
ス波が出力された。
させたとき、他方の交差指電極から遅延してパル
ス波が出力された。
第６図は、この出力波形図を示している。最初
のパルスと２番目のパルスの遅延時間から求めた
速度は、縦波速度の理論値と良く合致している。
即ち、縦波超音波の遅延素子が得られている。
のパルスと２番目のパルスの遅延時間から求めた
速度は、縦波速度の理論値と良く合致している。
即ち、縦波超音波の遅延素子が得られている。
なお、第６図で、第１と第２のパルスの間に生
じているスプリアスはブロツクの側面で反射した
波によるものと考えられる。
じているスプリアスはブロツクの側面で反射した
波によるものと考えられる。
また、RFパルスの送受の実験からこの縦波用
トランスジユーサの変換損は11MHzで30dB程度
であることがわかつた。
トランスジユーサの変換損は11MHzで30dB程度
であることがわかつた。
実施例 ４
実施例３と同様にして分域制御した単結晶ブロ
ツクの両端の交差指電極１２，１３を除去し、同
表面に、実施例２と同様にして、同じ構造の交差
指電極を半周期（Ｐ／２）だけずらせて形成し
た。この電極を用いて励振すると、実施例２で示
したように横波が励振される。
ツクの両端の交差指電極１２，１３を除去し、同
表面に、実施例２と同様にして、同じ構造の交差
指電極を半周期（Ｐ／２）だけずらせて形成し
た。この電極を用いて励振すると、実施例２で示
したように横波が励振される。
今一端の交差指電極にインパルスを入力し、他
端の出力波形を観察すると第７図のとおりであ
る。この横波用トランスジユーサの変換損は7M
Hzで約24dBであつた。
端の出力波形を観察すると第７図のとおりであ
る。この横波用トランスジユーサの変換損は7M
Hzで約24dBであつた。
実施例３、４から明らかなように、強誘電体単
結晶の表面に交差指電極を形成して分極処理を施
すこと、あるいは、その後、交差指電極の位置を
Ｐ／２ずらせて設けることによつて超音波トラン
スジユーサが得られるので、例えば、光変調器や
光偏向器のような、透明な強誘電体表面に、直接
超音波トランスジユーサを形成でき、従来のよう
に、セラミツク超音波トランスジユーサを透明誘
電体上に接着する構成を採る必要がなくなるの
で、本発明の圧電変換素子は、超音波光変調器等
に有利に用いることができる。
結晶の表面に交差指電極を形成して分極処理を施
すこと、あるいは、その後、交差指電極の位置を
Ｐ／２ずらせて設けることによつて超音波トラン
スジユーサが得られるので、例えば、光変調器や
光偏向器のような、透明な強誘電体表面に、直接
超音波トランスジユーサを形成でき、従来のよう
に、セラミツク超音波トランスジユーサを透明誘
電体上に接着する構成を採る必要がなくなるの
で、本発明の圧電変換素子は、超音波光変調器等
に有利に用いることができる。
以上の説明から明かなように、本発明によれ
ば、分域制御された強誘電体単結晶からなる圧電
変換素子が得られ、しかも、その入力インピーダ
ンスは共振レスポンスを示すので、高周波での共
振子を提供できるとともに、音響損失の小さな超
音波トランスジユーサを提供でき、遅延素子に利
用できるとともに、透明体に直接超音波トランス
ジユーサを構成した超音波光変調器や光偏向器を
可能にするという種々の利点を奏する。
ば、分域制御された強誘電体単結晶からなる圧電
変換素子が得られ、しかも、その入力インピーダ
ンスは共振レスポンスを示すので、高周波での共
振子を提供できるとともに、音響損失の小さな超
音波トランスジユーサを提供でき、遅延素子に利
用できるとともに、透明体に直接超音波トランス
ジユーサを構成した超音波光変調器や光偏向器を
可能にするという種々の利点を奏する。
第１図は、本発明の圧電変換素子の一実施例を
示す図で、ａ図は斜視図、ｂ図は断面図である。
第２図は、第１図の変換素子における分域モデル
を示す図で、ａ図は単結晶が95゜回転Ｙ板の場合
で、ｂ図は164゜回転Ｙ板の場合である。第３図
は、実施例１におけるインピーダンスの周波数特
性を示す図で、ａ図は、単結晶として95゜回転Ｙ
板を用いた場合、ｂ図は、164゜回転Ｙ板を用いた
場合である。第４図は、実施例２におけるインピ
ーダンスの周波数特性を示す図で、ａ図は95゜回
転Ｙ板を用いた場合、ｂ図は164゜回転Ｙ板を用い
た場合を示している。第５図は、遅延素子に用い
た実施例を示す断面図である。第６図は、第５図
の遅延素子の出力波形図である。第７図は、第５
図の交差指電極を半周期ずらせた実施例４におけ
る出力波形を示す図である。 図において、１……強誘電体単結晶、２……交
差指電極、２ａ，２ｂ……電極指、１１……強誘
電体単結晶ブロツク、１２，１３……交差指電
極、Ａ，Ｂ……単分域、Ｃ……多分域。
示す図で、ａ図は斜視図、ｂ図は断面図である。
第２図は、第１図の変換素子における分域モデル
を示す図で、ａ図は単結晶が95゜回転Ｙ板の場合
で、ｂ図は164゜回転Ｙ板の場合である。第３図
は、実施例１におけるインピーダンスの周波数特
性を示す図で、ａ図は、単結晶として95゜回転Ｙ
板を用いた場合、ｂ図は、164゜回転Ｙ板を用いた
場合である。第４図は、実施例２におけるインピ
ーダンスの周波数特性を示す図で、ａ図は95゜回
転Ｙ板を用いた場合、ｂ図は164゜回転Ｙ板を用い
た場合を示している。第５図は、遅延素子に用い
た実施例を示す断面図である。第６図は、第５図
の遅延素子の出力波形図である。第７図は、第５
図の交差指電極を半周期ずらせた実施例４におけ
る出力波形を示す図である。 図において、１……強誘電体単結晶、２……交
差指電極、２ａ，２ｂ……電極指、１１……強誘
電体単結晶ブロツク、１２，１３……交差指電
極、Ａ，Ｂ……単分域、Ｃ……多分域。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 強誘電体単結晶表面上に形成された周期Ｐと
する交差指電極と、 該強誘電体単結晶表面層に前記交差指電極に沿
つて該交差指電極の周期Ｐと同じ周期をもつて交
互に形成された互いに逆向きの自発分極を持つた
細長い領域とを備え、 前記自発分極の方向は、該強誘電体単結晶のＺ
軸と平行であることを特徴とする強誘電体単結晶
を用いた圧電変換素子。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の強誘電体単結晶
を用いた圧電変換素子において、前記互いに逆向
きの自発分極を有する細長い領域と前記交差指電
極とは、互いにＰ／２周期ずれていることを特徴
とする強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58174070A JPS6066483A (ja) | 1983-09-22 | 1983-09-22 | 強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58174070A JPS6066483A (ja) | 1983-09-22 | 1983-09-22 | 強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6066483A JPS6066483A (ja) | 1985-04-16 |
| JPH0354894B2 true JPH0354894B2 (ja) | 1991-08-21 |
Family
ID=15972104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58174070A Granted JPS6066483A (ja) | 1983-09-22 | 1983-09-22 | 強誘電体単結晶を用いた圧電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6066483A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2958004B2 (ja) * | 1986-09-02 | 1999-10-06 | 清水 郁子 | 分極反転領域を有するＬｉＮｂＯ▲下３▼基板を利用したデバイス |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2231467C3 (de) * | 1972-06-27 | 1975-02-13 | Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen | Piezoelektrische Anordnung und Verfahren zur Vermeidung von Über Sprechkapazitäten |
| JPS5583274A (en) * | 1978-12-20 | 1980-06-23 | Toshiba Corp | Piezo-electric sheet and method of fabricating the same |
-
1983
- 1983-09-22 JP JP58174070A patent/JPS6066483A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6066483A (ja) | 1985-04-16 |
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