(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスで形成された基体、および前記基体に形成される複数の部分電極を含む圧電素子であって、
前記基体は結晶の一軸が優先配向するとともに前記優先配向した方向と略直交する向きに分極処理が施され、
前記部分電極は前記基体の優先配向した方向に略平行かつ前記分極処理された方向に略平行な面上に形成されていることを特徴とする、圧電素子。
【請求項２】
前記基体は、組成式ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15で表される磁器組成物を主成分とする圧電磁器組成物を用いた圧電セラミックスで形成される、請求項１に記載の圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は圧電素子に関し、特にたとえば、通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子などとして使用される圧電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子として、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｔｉx Ｚｒ1-x ）Ｏ3 ）やチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3 ）を主成分とする圧電セラミックスを用い、この圧電セラミックスの厚みすべり振動を利用する圧電素子が広く用いられている。このような圧電素子としては、たとえば矩形板状の圧電セラミックスで形成された基体を用い、この基体の両主面に部分電極を形成しているものが一般的である。これらの部分電極は、基体の両主面の全面に電極を形成せず部分的に電極を形成したものであり、基体の両主面の部分電極の一部が互いに対向するようにしたものである。
【０００３】
このような圧電素子において、圧電セラミックスの種類や部分電極の形状を適切に選択することにより、圧電セラミックスの圧電振動のエネルギーが相対した電極の存在する部分にのみ集中する現象、つまりエネルギー閉じ込め現象を実現させることが可能になる。これによって、単一モードの圧電振動を得ることができ、通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子として有用な圧電素子を得ることができる。ところが、このような圧電セラミックスでは、高温耐熱性に問題があり、また高周波領域での使用において損失が大きいという問題があった。
【０００４】
一方、ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15などの層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスは、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスに比べて、高温耐熱性、高周波低損失などの特徴があるため、高温下や高周波領域で用いる圧電共振子用の材料として期待されている。しかしながら、このような圧電セラミックスは、結晶の異方性が大きいため、通常の圧電セラミックスの製造方法では大きい電気機械結合係数が得られないという問題があった。そこで、層状ペロブスカイト型構造をもつ圧電セラミックスのｃ軸を一軸方向に優先配向させて、大きい電気機械結合係数を得る方法が提案されている。たとえば、Ｔ．Ｔａｋｅｎａｋａらは、ホットフォージング法を用いてＰｂＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15の配向性セラミックスを作製し、円柱状振動子の厚み縦基本振動において、電気機械結合係数が、通常の圧電セラミックスの製造方法を用いて作製した試料の約１．６倍に向上することを報告している（J.Appl.Phys.,Vol.55.No.4.15 (1984 ）) 。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に、圧電振動を利用して通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子を得るためには、スプリアス振動の少ない単一モードの圧電振動を得る必要がある。厚み縦振動あるいは厚みすべり振動を利用する圧電素子においては、部分電極を用いてエネルギー閉じ込めを実現させることにより単一モードを得る方法が一般的である。ところが、厚み縦基本振動では、圧電セラミックスのポアソン比が１／３以下の場合では、エネルギー閉じ込めができないことが知られている。ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15などの層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスのほとんどはポアソン比が１／３以下であり、エネルギー閉じ込めは困難である。
【０００６】
厚み縦振動の高次振動については、ポアソン比の制約が基本波ほど厳しくないため、エネルギー閉じ込めの可能性があるが、通常、基本波に比べて電気機械結合係数が大きく低下する。そのため、単一モードの振動が得られたとしても、圧電共振子としての用途は限定される。これに対して、厚みすべり振動の場合、一般的に電気機械結合係数は厚み縦基本振動の場合と同等のレベルにあり、またポアソン比の制約も受けない。
【０００７】
ところが、ｃ軸が一軸方向に優先配向した層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスにおいて、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込めを利用する試みはこれまでに例がなかった。ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15などの層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスは、高温耐熱性や高周波低損失などの点において、従来の圧電材料にはない特性を有するにもかかわらず、これを用いた通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子として使用可能な圧電素子が得られていないのが現状である。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、高温耐熱性および高周波低損失などの特性を有する層状ペロブスカイト型構造をもつ圧電セラミックスを用いて、エネルギー閉じ込めを利用して、実用に供し得る程度の電気機械結合係数（２０％以上）を示す圧電素子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスで形成された基体と、基体に形成される複数の部分電極とを含む圧電素子であって、基体は結晶の一軸が優先配向するとともに優先配向した方向と略直交する向きに分極処理が施され、部分電極は基体の優先配向した方向に略平行かつ分極処理された方向に略平行な面上に形成されていることを特徴とする、圧電素子である。
このような圧電素子において、基体は、組成式ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15で表される磁器組成物を主成分とする圧電磁器組成物を用いた圧電セラミックスで形成されることが好ましい。
【００１０】
層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスを用いた基体に部分電極を形成する際に、基体の一軸が優先配向した方向と分極方向とが略直交し、部分電極を基体の一軸が優先配向した方向および分極方向の両方に略平行となる面上に形成することにより、高温耐熱性や高周波低損失性などに優れ、かつ実用に供し得る電気機械結合係数を得ることができた。
このような圧電素子において、特に組成式ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15で表される磁器組成物を主成分とする圧電磁器組成物を用いることにより、共振周波数の温度安定性に優れた特性を得ることができる。
【００１１】
この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明の実施の形態の詳細な説明から一層明らかとなろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の圧電素子の一例を示す図解図である。圧電素子１０は、たとえば直方体状の基体１２を含む。基体１２の材料としては、たとえばＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15などが用いられる。基体１２は、実線の矢印に示すように、ｃ軸が基体１２の幅方向に優先配向した層状ペロブスカイト型構造を有する。また、基体１２は、点線の矢印に示すように、長手方向に分極処理が施されている。そして、基体１２の厚み方向の両主面には、それぞれ部分電極１４，１６が形成される。一方の部分電極１４は、基体１２の長手方向の一端から基体１２の中間部まで形成される。また、他方の部分電極１６は、基体１２の長手方向の他端から基体１２の中間部まで形成される。そして、基体１２の中央部近傍において、これらの部分電極１４，１６が対向している。したがって、部分電極１４，１６は、ｃ軸の優先配向した方向に平行であり、かつ分極方向にも平行である主面上に形成されている。
【００１３】
この圧電素子１０では、ｃ軸の優先配向の方向と分極方向とが直交し、かつこれらの両方の方向に平行となる面上に部分電極１４，１６が形成されていることにより、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込めを実現することができ、スプリアス振動のない単一モードの圧電振動を得ることができた。また、基体１２を形成する圧電セラミックスのｃ軸を優先配向させなかった場合や、ｃ軸の優先配向の方向と分極方向との関係や、これらの方向と電極との関係が異なる場合に比べて、この発明の圧電素子１０の電気機械結合係数は大きく、良好な共振周波数の温度変化率を得ることができた。しかも、この圧電素子１０に用いられる基体には、ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15などの層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスで形成されているため、高温耐熱性、高周波低損失などの特性を有している。
【００１４】
なお、ｃ軸の優先配向の方向と分極方向とは、略直交していればよく、互いに直交している角度から１０°以内、すなわち８０°〜１００°の範囲内にあれば、この発明の効果を得ることができる。また、部分電極１４，１６は、ｃ軸の優先配向の方向と略平行かつ分極方向と略平行な面上に形成されていればよく、これらの方向と平行な面から１０°以内の傾きであれば、この発明の効果を得ることができる。
【００１５】
【実施例】
まず、出発原料として、ＣａＯ，Ｂｉ2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 を準備し、これらを組成ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15となるように秤取して、ボールミルを用いて約４時間湿式混合して混合物を得た。この混合物を乾燥したのち、９００℃で仮焼し、これを粗粉砕したのち、有機バインダを適量加えてボールミルを用いて４時間湿式粉砕し、４０メッシュの篩を通して粒度調整を行った。次に、この材料を１０００ｋｇ／ｃｍ2 の圧力で直径２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの円柱状に成形し、これを大気中で６００℃で熱処理し、有機バインダを除去して、前処理試料を得た。
【００１６】
得られた前処理試料の厚み方向に全圧１ｔｏｎの一軸加圧を行いながら、１２００℃で２時間焼成して焼成試料を得た。この焼成試料をＸ線解析により評価したところ、図２（Ａ）の矢印に示すように、一軸加圧方向にｃ軸が優先配向した焼成試料が得られていることが確認された。この焼成試料から、以下に示す３つの方法で、長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの矩形板状の基体を切り出した。まず、図２（Ｂ）に示すように、両主面がｃ軸配向方向（試料の厚み方向）に平行で、かつ長さ方向がｃ軸配向方向と直交する基体を試料１とした。また、図２（Ｃ）に示すように、両主面がｃ軸配向方向に平行で、かつ長さ方向がｃ軸配向方向に平行な基体を試料２とした。さらに、図２（Ｄ）に示すように、両主面がｃ軸配向方向に直交する基体を試料３とした。なお、図２（Ｂ）〜（Ｄ）において、実線の矢印はｃ軸配向方向を示す。
【００１７】
また、前処理試料を無加圧の環境において、１２００℃で２時間焼成した。焼成して得られた焼成試料をＸ線解析によって評価したところ、配向は見られなかった。この焼成試料からも、ｃ軸配向した焼成試料から切り出した試料１〜３と同様にして、長さ１０ｍｍ、幅２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの矩形板状の基体を切り出した。つまり、両主面が焼成試料の厚み方向に平行で、かつ長さ方向が焼成試料の厚み方向と直交する基体を試料４とした。また、両主面が焼成試料の厚み方向に平行で、かつ長さ方向が焼成試料の厚み方向に平行な基体を試料５とした。さらに、両主面が焼成試料の厚み方向と直交する基体を試料６とした。
【００１８】
得られた試料１〜６について、長さ方向に直交する両端面の全面に銀ペーストを塗布、焼付けして銀電極を形成し、２００℃の絶縁オイル中で５ｋＶ／ｍｍの直流電圧を１時間印加して分極処理を施した。したがって、基体は長さ方向に分極され、試料１〜３については、図２（Ｂ）〜（Ｄ）の点線の矢印で示す向きに分極されている。これらの試料の銀電極を除去したのち、図３に示すように、基体の両主面に部分電極を形成した。基体の一方主面側においては、基体の長さ方向の一端から７．５ｍｍの部分まで部分電極が形成される。また、基体の他方主面側においては、基体の長さ方向の他端から７．５ｍｍの部分まで部分電極が形成される。したがって、基体の長さ方向の中央部の５ｍｍの範囲において、２つの部分電極が対向している。
【００１９】
試料１〜６について、図３に示すような部分電極を形成し、試料１，２，３，４，５，６の基体に部分電極を形成した圧電素子を、それぞれ試料ア，イ，ウ，エ，オ，カとした。得られた試料ア〜カについて、電気機械結合係数Ｋおよび−２０℃〜８０℃での共振周波数の温度変化率（ｆｒ−ＴＣ）を測定し、その結果を表１に示した。ここで、温度変化率は、（ｆｒ−ＴＣ）＝｛（８０℃での共振周波数）−（−２０℃での共振周波数）｝／｛（２０℃での共振周波数）×１００｝で表される。
【００２０】
【表１】
0003651348.tif 000002
【００２１】
表１からわかるように、試料アおよび試料ウ〜カについては、いずれもスプリアス振動のない単一モードの圧電振動を得ることができた。しかしながら、試料イについては、圧電振動が微弱で、測定を行うことができなかった。また、試料ウ〜カについては、電気機械結合係数Ｋが５〜１０％程度であり、実用に供し得る値が得られていない。それに対して、試料アでは、電気機械結合係数Ｋが２０％以上であり、実用に供し得る値が得られていることがわかる。また、試料アについては、共振周波数の温度変化率の絶対値も試料ウ〜カに比べて格段に小さい。通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子としては、共振周波数の温度変化率の絶対値が小さいことが好ましく、その意味でも試料アが試料ウ〜カに比べて優れていることがわかる。
【００２２】
このように、層状ペロブスカイト型構造を有するセラミックスにおいては、ｃ軸を優先配向させ、ｃ軸が優先配向した方向に直交する向きに分極処理を施し、ｃ軸が優先配向した方向に平行で、かつ分極方向に平行な面上に部分電極を形成した場合には、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込めを実現させることができ、スプリアス振動のない単一モードの圧電振動を得ることができる。さらに、ｃ軸を優先配向させない場合や、上述の条件を満たさない場合に比べて、大きい電気機械結合係数および良好な共振周波数の温度特性を得ることができる。したがって、この発明の圧電素子は、通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子として実用に供し得る特性を得ることができる。なお、部分電極としては、その形状や大きさが図３に示すものに限られるものではなく、エネルギー閉じ込めが実現可能な任意の形状や大きさの場合に、このような効果が見られるものである。
【００２３】
さらに、ｃ軸が優先配向した方向と分極方向との間の角度を９０°、８０°、７０°とした試料について、電気機械結合係数Ｋおよび共振周波数の温度変化率（ｆｒ−ＴＣ）を測定した。なお、これらの試料について、ｃ軸が優先配向した方向と部分電極との間の角度、および分極方向と部分電極との間の角度が０°（平行）、１０°、２０°の場合の各組合せのときの電気機械結合係数と共振周波数の温度変化率を測定した。そして、その結果を表２に示した。
【００２４】
【表２】
0003651348.tif 000003
【００２５】
表２からわかるように、ｃ軸の優先配向の方向と分極方向との間の角度が９０°および８０°であって、ｃ軸の優先配向の方向と部分電極との間の角度が０°または１０°であり、かつ分極方向と部分電極との間の角度が０°または１０°であるとき、電気機械結合係数は２０％以上となり、共振周波数の温度変化率も小さい数値が得られた。それに対して、それ以外の試料では、電気機械結合係数が２０％未満であった。このように、ｃ軸の優先配向の方向と分極方向とがたがいに直交している角度から１０°以内にあり、部分電極がｃ軸の優先配向の方向と１０°以内の傾きで、かつ部分電極が分極方向と１０°以内の傾きであるとき、大きい電気機械結合係数と小さい共振周波数の温度変化率を得ることができる。
【００２６】
また、基体の材料としては、ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15に限らず、Ｂｉ3 ＴｉＮｂＯ9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3 Ｏ12、ＰｂＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＢａＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＳｒＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＣａＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＳｒＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、ＢａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、Ｎａ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5 Ｏ15、Ｋ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5 Ｏ15、Ｓｒ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｂａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｐｂ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｃａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｂｉ6 Ｔｉ3 ＷＯ18、Ｂｉ7 Ｔｉ4 ＮｂＯ21、Ｂｉ10Ｔｉ3 Ｗ3 Ｏ30などのｃ軸方向に大きい異方性を有する層状ペロブスカイト型構造をもつ組成物を主成分とする圧電磁器用組成物において有効である。しかしながら、ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15は層状ペロブスカイト型構造を有する組成物のうちでも特にキュリー温度が高く（約７９０℃）、温度安定性において優れているため、これを用いて圧電素子を製造した場合に、特に有用なものとなる。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、厚みすべり振動のエネルギー閉じ込め効果を利用して、通信用フィルタやクロック発生器に用いられる発振子用の圧電共振子として有用な圧電素子を得ることができる。しかも、この圧電素子は、実用に供し得る電気機械結合係数を有し、層状ペロブスカイト型構造を有する圧電セラミックスのもつ高温耐熱性や高周波低損失などの特徴を有するものである。さらに、圧電セラミックスの材料として、ＣａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15を用いることにより、共振周波数の温度変化率の小さい圧電素子を得ることがてきる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の圧電素子の一例を示す図解図である。
【図２】（Ａ）はｃ軸を優先配向させた焼成試料を示す図解図であり、（Ｂ）〜（Ｄ）は、（Ａ）に示す焼成試料から切り出した基体を示す図解図である。
【図３】実施例において切り出した基体に部分電極を形成した状態を示す図解図である。
【符号の説明】
１０  圧電素子
１２  基体
１４，１６  部分電極
【図１】
0003651348.tif 000004
【図２】
0003651348.tif 000005
【図３】
0003651348.tif 000006