(57)【要約】【課題】  高温環境下において、圧電部品の実使用温度範囲内では導電性に起因する損失の影響を受けない圧電素子およびこれを用いた圧電部品を提供する。【解決手段】  圧電素子は、分極された圧電基板と、前記圧電基板の分極方向の正負極側にそれぞれ形成された電極と、前記圧電基板に形成され、前記各電極を電気的に接続する負の抵抗温度係数を有する感温半導体と、からなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極された圧電基板と、前記圧電基板の分極方向の正負極側それぞれ形成された電極と、前記圧電基板に形成され、前記各電極を電気的に接続する負の抵抗温度係数を有する感温半導体と、からなることを特徴とする、圧電素子。
【請求項２】
分極された圧電基板がその分極方向を互いに異ならせた状態で複数積層された積層体と、前記積層体の前記圧電基板を間に介在させて配置、形成された電極と、前記積層体に形成され、前記各電極を電気的に接続する負の抵抗温度係数を有する感温半導体と、からなることを特徴とする、圧電素子。
【請求項３】
請求項1ないし２の圧電素子を用いて構成される圧電部品であって、前記感温半導体の抵抗温度係数が、前記圧電部品の使用温度範囲の上限温度より高温側の温度域において、前記圧電部品の使用温度範囲内の温度域と比べて負の大きな値を有していることを特徴とする、圧電部品。
【請求項４】
請求項1ないし２の圧電素子を用いて構成される圧電部品であって、前記圧電素子の抵抗温度係数が、前記圧電部品の使用温度範囲の上限温度より高温側の温度域において、負の値を有していることを特徴とする、圧電部品。
【請求項５】
圧電部品の加工工程または放置状態において１５０℃以上の高温環境下に置かれることを特徴とする、請求項３ないし４に記載の圧電部品。
【請求項６】
前記高温環境下が、半田リフロー工程であることを特徴とする、請求項３ないし４に記載の圧電部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電ブザー、圧電センサ、圧電トランス、圧電アクチュエータ、バルク波フィルタ・発振子、表面波フィルタ・発振子などに用いられる圧電素子とこれを用いた圧電部品に関し、特に優れた耐熱性、熱安定性を必要とする圧電素子とこれを用いた圧電部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電体を用いた電子部品は多岐に渡り、圧電ブザー、圧電センサ、圧電トランス、圧電アクチュエータ、フィルタ、発振子などが、移動体通信機器、ＡＶ機器、ＯＡ機器などに数多く使用されている。これらの機器では、電子部品の高密度実装のために半田リフロー工程を用いるため、半田リフロー工程を用いても特性変化の小さい電子部品の要求が非常に強い。また移動体通信機器向けの電子部品では加工工程等で一時的に高温環境下に置かれる場合もあるため、高温での一時放置や熱衝撃に対する特性安定性や信頼性の向上の要求が強い。特に鉛フリー半田リフロー工程への移行に伴い、圧電素子やそれを用いた電子部品への耐熱性向上の要求は急激に高まっている。
【０００３】
特に、圧電性が高い材料では、焦電係数も大きくなることから、半田リフローなどの高温熱処理や同等の高温熱衝撃が加えられた場合、圧電材料の分極方向に応じて焦電電荷が発生し、これが圧電材料の分極状態を変化させて、圧電素子やこれを用いた圧電部品の特性変化や素子の破壊の原因となることが知られている。
【０００４】
このような焦電電荷による影響を軽減するために、特許文献１〜３では、弾性表面波素子を対象としてＩＤＴ(interdigital  transducer)間に導電性材料を形成することにより、焦電電荷を放電させる技術が提案されている。また、これと同様の効果を用いて、特許文献４，５では、圧電部品や圧電素子を対象に、電極間に導電性材料あるいは抵抗材料を形成した圧電素子や圧電部品が開示されている。さらに、特許文献６，７では、圧電磁器材料そのものの室温における電気抵抗率を材料設計により低下させるとともに、所望の圧電特性を両立した高耐熱性の圧電磁器が開示されている。
【特許文献１】特開平０９−０５５５７４号公報
【特許文献２】特開平０９−１７２６４９号公報
【特許文献３】特開平０９−１９９９７４号公報
【特許文献４】特開平１１−２９８９９６号公報
【特許文献５】特開平１１−３３０５７８号公報
【特許文献６】特開平０９−１００１５８号公報
【特許文献７】特開平１０−９５５６６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、焦電電荷の影響を軽減するために、上記のような導電性材料や抵抗材料を用いた圧電素子や、電気抵抗率の低い圧電磁器を採用した圧電素子では、圧電素子の実使用温度範囲内の電気抵抗率が低いため、その導電性に起因する損失によって、圧電素子の損失が増大するという問題があった。
【０００６】
特に、素子厚みを薄くしたり、積層体の1層厚みを薄くすることにより、圧電素子に印加される電界を大きくしている圧電素子や、圧電アクチュエータ、圧電トランスなどの大電界駆動を前提とした圧電部品、さらには弾性表面波フィルタや低損失セラミックフィルタのように低損失特性が要求される圧電部品では、導電性に起因する損失が大きな問題となっていた。
【０００７】
さらに、分極処理時に高電界が印加できないという理由から、導電性材料や抵抗材料の形成は圧電基板を分極した後に形成する必要があり、工程設計や部品設計の制約が大きいという問題があった。また低抵抗率の圧電磁器を採用する場合は、低抵抗率特性と所望の材料特性とを両立させるための材料設計上の制約が大きいという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
我々は上記問題について鋭意研究した結果、圧電基板の分極方向の正負極側に形成されたそれぞれの電極を、負の抵抗温度係数を有する感温半導体で接続することにより、上記課題を解決し得ることを見出した。
【０００９】
つまり、負の抵抗温度係数を有する感温半導体を接続することにより、圧電部品の実使用条件の温度範囲内では、圧電部品に使用される圧電素子は高い電気抵抗率を維持し、圧電部品の実使用条件の温度範囲の上限温度より高温側では圧電素子の電気抵抗率を低下させることにより、上記課題を解決し得るに至った。
【００１０】
すなわち、圧電素子やこれを用いた圧電部品が高温環境下に置かれた場合には、焦電電荷の影響を大きく受ける高温域でのみ焦電電荷を選択的に放電し、かつ圧電部品の実使用温度範囲内では導電性に起因する損失の影響を受けない圧電素子およびこれを用いた圧電部品を見出した。
【００１１】
圧電材料は一般的に高温になるに従い、抗電界が低下し、比較的低電界でも分極変化が起こりやすいことが知られている。また焦電電荷は焦電係数ｐと単位時間ｔあたりの温度変化率ΔＴ／ｔに比例することが知られている。
【００１２】
ここで、焦電電荷によって圧電体の分極方向とは逆の電界がかかるのは降温時であるため、熱処理後の降温過程に注目すると、熱処理直後の方が圧電素子の温度変化率ΔＴ／ｔは大きく、室温に近づくにつれてΔＴ／ｔは小さくなる（熱処理直後は室温と熱処理温度との差が大きいため、圧電素子の温度は急激に低下するが、時間経過とともに圧電素子の温度は室温に近づき、圧電素子の温度変化率は小さくなる）。
【００１３】
このΔＴ／ｔの大きさと、前述の高温時の抗電界の低下を加味した場合、焦電電荷の影響は高温域でより大きいことがわかる。よって感温半導体を用いて、高温域でのみ電気抵抗率が低下する圧電素子を形成することにより、高温域の焦電電荷を選択的に放電させることで焦電電荷の影響を低減でき、耐熱性に優れた圧電素子および圧電部品が得られる。
【００１４】
一方、圧電部品の実使用温度範囲内では、圧電素子は高い電気抵抗率を維持するため、導電性に起因する損失の影響を受けない。これにより本発明の圧電素子およびは実使用温度範囲内では低損失特性を維持でき、さらに使用上必要な高電界の印加や分極処理時の高電界の印加が可能である。さらに本発明の圧電素子および圧電部品は採用する圧電材料自体の電気抵抗率の制約を受けないため、材料設計上の自由度が飛躍的に向上する。
【００１５】
上述の様に、本発明の圧電素子は、実使用温度範囲内では高い電気抵抗率を維持し、実使用温度範囲の上限温度より高温域で、電気抵抗率が低下する。よって本発明の圧電素子の電気抵抗率は使用温度範囲の上限温度より高温域では負の温度係数を有する。
【００１６】
さらに、使用温度範囲の上限温度より高温側の温度域での電気抵抗率の温度係数が、使用温度範囲内の電気抵抗率の温度係数より負の大きな値を有する。
【００１７】
具体的には、実使用温度範囲内では圧電素子の電気抵抗率が１×１０11Ω・cm以上で、かつ使用温度範囲の上限温度より高温域では電気抵抗が１×１０11Ω・cm未満に低下することが好ましい。例えば実使用温度範囲が１５０℃未満の場合、１５０℃における圧電素子の電気抵抗率が２５℃における電気抵抗率より一桁以上小さいことがより望ましい。また以下の実施例では圧電素子の実使用温度範囲の上限温度は１５０℃未満を想定しており、具体的には使用温度範囲の上限温度１３０℃までは効果を確認している。
【００１８】
本発明の圧電素子またはこれを用いた圧電部品は、その加工工程または放置状態により１５０℃以上の高温環境下に置かれる場合には、本発明の圧電素子あるいはこれを用いた圧電部品の耐熱効果は有効に作用し、特にその高温環境下が、半田リフロー工程などの２００℃以上の高温条件である場合には、非常に有効である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る圧電素子は、圧電素子の実使用条件の温度範囲の上限温度より高温側では圧電素子の電気抵抗率が低下するため、圧電素子が半田リフロー工程などの熱処理や、同等の高温環境下に置かれた場合でも、焦電電荷の影響を大きく受ける高温域でのみ焦電電荷を選択的に放電するため優れた耐熱性を示す。
【００２０】
さらに、本発明の圧電素子は、圧電素子の実使用条件の温度範囲内では、圧電素子が高い電気抵抗率を維持するため、導電性に起因する損失の影響を受けず、優れた特性を発現する。
【００２１】
したがって、本発明の圧電素子では、例えば半田リフロー工程などの高温熱処理にも対応可能な優れた耐熱性と使用温度範囲内での優れた特性とをあわせ持つ圧電素子が得られる。
【００２２】
また、使用上必要な高電界の印加や分極処理時の高電界の印加が可能で、かつ採用する圧電磁器自体の材料設計上の制約を受けないため、圧電素子設計、加工工程設計上の自由度が向上する。
【００２３】
さらに、この圧電素子を用いた圧電部品でも、優れた耐熱性と使用温度範囲内での優れた特性が両立でき、例えば半田リフロー工程などの高温熱処理が可能でかつ優れた特性を有する圧電部品が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施例を図表に沿って説明する。図１は本発明の実施例の概略図である。圧電基板の両主面に電極を形成し、その電極間を短絡するように感温半導体を配置している。この場合の分極方向は厚み方向である。本実施例では、圧電体材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系圧電セラミック材料を用いており、また感温半導体材料には金属とシリカガラスの複合材料を用いた。
【００２５】
次に、本実施例の試料の作製工程を述べる。圧電セラミック材料としては、ソフト系、ハード系の2種類の圧電材料を用いた。ソフト系には組成式Ｐb(Ｚr0.52Ｔi0.46Ｎｂ0.02)O3で表される圧電材料Aを、ハ−ド系には組成式Ｐb｛(Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3)0.10Ｚr0.43Ｔi0.47｝O3で表される圧電材料Bを用いた。これらの圧電材料は、素原料としてＰｂ3Ｏ4、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、ＭｎＣＯ3、Ｎｂ2Ｏ5を用い、上記圧電材料Ａ、Ｂの組成式が得られるように秤量し、これを通常の固相法(ボールミル混合粉砕、仮焼)により合成した。得られた粉末にバインダーを添加し、プレス成形、焼成後、得られた焼結体を表面研磨、カットの工程を経て、圧電磁器矩形板を作製した。この矩形板の両主面にＡｇ電極を焼付け、ソフト系圧電材料Ａを用いた圧電素子Ａ，ハード系圧電材料Ｂを用いた圧電素子Ｂを得た。
【００２６】
また、本実施例では、感温半導体にＺｎ−シリカガラス複合材料を用いた。この複合材料はJournal of Ceramic Society of Japan 109[2] p.122-126 (2001)に記載されている製法に従い、Ｚｎを約３５vol%含有するシリカガラス複合材料を作製した。上記文献ではこの複合材料をＣＴＲ(critical temperature resistivity)特性を示す材料として報告しているが、我々がこの材料を本実施例に使用した理由は、この材料の電気抵抗率の温度特性が、圧電素子の想定する使用温度範囲より高温側の温度域で負の大きな温度係数を有するからである。
【００２７】
次にこの圧電素子Ａ、Ｂを用いて表1、２に示す圧電素子サンプルを構成した。
【００２８】
【表１】
2005278121.tif 000003
【００２９】
【表２】
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【００３０】
本発明の圧電素子サンプルであるＡ−１，Ｂ−１の構成概要図を図1に、また比較例の圧電素子サンプルであるＡ−２，Ｂ−２およびＡ−３，Ｂ−３，Ｂ−4の構成の概要図を図１０および図１１にそれぞれ示す。
【００３１】
ここで、本発明のＡ−１，Ｂ−１はそれぞれ圧電素子Ａ、Ｂの両主面電極間を、上記の感温半導体を用いて短絡した圧電素子である。また比較例のＡ−２，Ｂ−２はそれぞれ圧電素子Ａ，Ｂの両主面電極間を、導電性接着剤を用いて短絡した圧電素子であり、特許文献５にて開示されている圧電素子と同様のものである。また、比較例のＡ−３，Ｂ−３はそれぞれ圧電素子Ａ，Ｂの両主面電極が開放状態のものである。さらに、比較例のＢ−４は圧電材料Bを用いて、特許文献６と同様の手法で電気抵抗率を低下させた圧電素子である。
【００３２】
Ａ−１〜Ａ−３，Ｂ−１〜Ｂ−４の電気抵抗率の温度依存性を図２、図３にそれぞれ示す。またＡ−１〜Ａ−３，Ｂ−１〜Ｂ−４の各測定温度での電気抵抗率を表３、表４にそれぞれ示す。
【００３３】
【表３】
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【００３４】
【表４】
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【００３５】
図２，３および表３，４から本発明の圧電素子Ａ−１、Ｂ−１は１５０℃では1×１０11 Ω・ｃｍ以下の低い電気抵抗率を示すのに対し、０℃から１３０℃の間では1×１０1 1Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を維持していることがわかる。これに対しＡ−２、Ｂ−２では、室温付近でも1×１０11Ω・ｃｍ以下の低い抵抗率を示している。
【００３６】
一方、Ａ−３、Ｂ−３では１３０℃以下では1×１０11Ω・ｃｍ以上の抵抗率を示しているが、１５０℃においても尚1×１０11Ω・ｃｍ以上の高い抵抗率を示している。
【００３７】
さらに、Ｂ−4では室温付近では1×１０11Ω・ｃｍ以上の抵抗率を示してはいるが、温度の上昇とともに電気抵抗率が急激に低下していることがわかる。
【００３８】
この電気抵抗率の温度依存性の違いが、本発明の圧電素子と従来技術の圧電素子の最大の相違点である。
【００３９】
つまり、圧電素子の実使用温度範囲の上限温度が例えば１３０℃であった場合、本発明の圧電素子はその実使用温度範囲内では、高い電気抵抗率を維持し、実使用条件の温度範囲の上限温度より高温側では電気抵抗率が顕著に低下することになる。
【００４０】
この場合、焦電電荷の影響を大きく受ける高温域でのみその影響を選択的に低減できる。また、少なくとも実使用温度範囲の上限温度が１３０℃以下の場合は、実使用温度範囲内では電気抵抗率が高く維持されるため、導電性に起因する損失の影響を受ず、そのため優れた特性を発現できることになる。
【００４１】
以下に、上記の電気抵抗率の温度依存性がもたらす効果について、具体的な測定結果をもとに説明する。
【００４２】
Ａ−１〜Ａ−３の各温度における電気抵抗率および熱処理前後の電気機械結合係数ｋの変化率、室温での高電界印加時の圧電歪み定数を表３にまとめる。
【００４３】
表３からＡ−１、Ａ−２では熱処理前後のｋの変化率が小さく良好であるのに対し、Ａ−３では変化率が大きいことがわかる。一方、室温での高電界駆動時のd定数はＡ−１、Ａ−３が大きいのに対し、Ａ−２では低下が顕著である。熱処理前後の特性変化を抑制するためには、これまで述べてきたように、焦電電荷を放電するために電気抵抗率が低い方が好ましい。
【００４４】
しかしながら、Ａ−２のように使用温度での電気抵抗率までが低いと、一定の高電圧を圧電素子に印加した場合には、圧電素子に実際に印加される電圧が降下していまうため、好ましくない。
【００４５】
よって、上記すべての特性を好ましい方向で両立するためには、Ａ−１のように実使用条件では高い電気抵抗率を維持し、それより高温側では低い電気抵抗率となる圧電素子が有効である。
【００４６】
次に、Ｂ−１〜Ｂ−４の各温度における電気抵抗率および熱処理前後の共振周波数Ｆｒの変化率、室温での機械的品質係数Ｑｍを表４にまとめる。またＢ−１〜Ｂ−４の機械的品質係数Ｑｍの温度特性を図４に示す。
【００４７】
表４から高温域かあるいは全温度域で電気抵抗率が低いＢ−１，Ｂ−２，Ｂ−４では、熱処理前後のＦｒの変化率が小さく良好である。これに対し、全温度域で電気抵抗率が高いＢ−３では熱処理前後のＦｒの変化率が大きくなっており好ましくない。
【００４８】
また、室温での電気抵抗率が高いＢ−１，Ｂ−２，Ｂ−４では室温のＱｍが大きく低損失であるのに対し、室温での電気抵抗率が低いＢ−２ではＱｍが小さく(損失が大きく)なっている。
【００４９】
さらに、図４から、０〜１３０℃の範囲で高抵抗率であるＢ−１，Ｂ−２，Ｂ−３は同温度域でのＱｍの温度依存性は小さく良好であるが、０〜１３０℃で抵抗率が急激に低下するＢ−４では高温側でＱｍが急激に低下しており好ましくない。これらのＱｍの挙動は導電性に起因する損失によって左右されていると言える。
【００５０】
したがって、上記すべての特性を好ましい方向で両立するためには、Ｂ−１のように実使用温度範囲内では高い電気抵抗率を維持し、それより高温側で低い電気抵抗率となる圧電素子が非常に有効である。
【００５１】
尚、上述の実施例では矩形板形状の圧電体の両主面電極を感温半導体で短絡する構造の圧電素子について述べたが、本発明の圧電素子はこれに限定されるものではない。
【００５２】
たとえば、図５のように圧電積層体の電極間を感温半導体で短絡する場合や、図６のように弾性表面波素子などのIDTを有する圧電素子のIDT間を感温半導体で短絡することにより同様の効果が得られる。
【００５３】
また、図７のように本発明の圧電素子を圧電トランスに応用した場合、圧電トランスの１次側および２次側の電極間を感温半導体で短絡することにより、使用温度範囲内では低損失(高効率)で、かつ半田リフロー工程を通しても特性劣化がほとんど見られない優れた特性の圧電トランスが得られる。
【００５４】
さらに、図8のように圧電素子の電極間にスルーホール等を形成し、そこに感温半導体を形成したり、あるいは図9のように感温半導体薄膜を用いて、圧電積層体、弾性表面波素子の電極間を短絡させても同様の効果が得られることは明らかである。
【００５５】
尚、上述の実施例では、圧電体材料としてＰＺＴ系圧電セラミック材料を、また感温半導体としてＺｎ−シリカガラス複合材料を用いたが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。
【００５６】
本発明の圧電素子の本質は、使用温度範囲より高温域では電気抵抗率が低いため、高温域の焦電電荷を選択的に放電することができ、これにより耐熱性を向上させるとともに、使用温度範囲内では高い電気抵抗率を維持するため、導電性に起因する損失の影響を受けず、したがって優れた特性を発現することである。また本発明の圧電素子は少なくとも圧電基板と感温半導体で構成されるものである。
【００５７】
したがって、圧電基板として、例えばチタン酸鉛やＢｉ層状化合物などのＰＺＴ系以外の圧電セラミック材料や、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの単結晶材料を用いた場合でも、同様の効果が得られることは明白である。
【００５８】
さらに、本実施例では、感温半導体としてＺｎ−シリカガラス複合材料を用いたが、例えばＡｇやＮｉとガラスを用いた他の複合材料や、酸化バナジウム系などの負の温度係数を有する半導体を用いても同様の効果が得られることは明白である。
【００５９】
ただし、例えば酸化バナジウムを用いる場合には、抵抗率が急激に変化する温度は７０〜８０℃程度であるため、これを用いた本発明の圧電素子の場合、その使用温度の上限温度が７０〜８０℃になる。
【００６０】
このように、圧電体と感温半導体の組み合わせにより、圧電素子が所望の温度域で所望の抵抗率が得られるように、材料選択、素子設計を行う必要はあるが、本発明はそれらの限られた設計に限定されるものではなく、本発明の圧電素子の設計方法、設計思想に順ずる全ての圧電素子およびこれを用いた圧電部品に関して共通の効果をもたらすものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の圧電素子の一例を示す図であり、圧電体の両主面に形成された電極間を、感温半導体で短絡した実施例を示す図である。
【図２】本発明の圧電素子をソフト系ＰＺＴ圧電材料を用いて構成した場合の圧電素子の電気抵抗率の温度特性の一例を示す図であり、従来技術の圧電素子との比較を示す図である。
【図３】本発明の圧電素子をハード系ＰＺＴ圧電材料を用いて構成した場合の圧電素子の電気抵抗率の温度特性の一例を示す図であり、従来技術の圧電素子との比較を示す図である。
【図４】本発明の圧電素子をハード系ＰＺＴ圧電材料を用いて構成した場合の圧電素子の機械的品質係数の温度特性の一例を示す図であり、従来技術の圧電素子との比較を示す図である。
【図５】本発明の圧電素子の一例を示す図であり、積層圧電素子を用いた場合の実施例を示す図である。
【図６】本発明の圧電素子の一例を示す図であり、ＩＤＴを有する圧電素子を用いた場合の実施例を示す図である。
【図７】本発明の圧電素子を用いた電子部品の一例を示す図であり、圧電トランスに応用した場合の実施例を示す図である。
【図８】本発明の圧電素子の一例を示す図であり、圧電素子の電極間をスルーホール中に形成された感温半導体にて短絡した一例を示す図である。感温半導体の形成方法以外の素子構造は図1、図5に示す圧電素子と同様である。
【図９】本発明の圧電素子の一例を示す図であり、圧電素子の電極間を感温半導体膜を用いて短絡した一例を示す図である。感温半導体の形成方法以外の素子構造は図5、図6に示す圧電素子と同様である。ただし積層圧電素子は図5よりも層数を増加させた積層アクチュエータでの応用例を示している。
【図１０】従来技術の圧電素子の概略を示す図であり、圧電体の両主面に形成された電極間を、導電性材料または抵抗体で短絡した圧電素子を示す図である。
【図１１】従来技術の圧電素子の概略を示す図であり、圧電体の両主面に形成された電極間を短絡していない圧電素子を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１１，５１，７１，８１電極
１２．５２，６２，７２，８２  圧電体（板）
１３，５３．６３，７３，８３  感温半導体
６１．ＩＤＴ
【図１】
2005278121.tif 000007
【図２】
2005278121.tif 000008
【図３】
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【図４】
2005278121.tif 000010
【図５】
2005278121.tif 000011
【図６】
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【図７】
2005278121.tif 000013
【図８】
2005278121.tif 000014
【図９】
2005278121.tif 000015
【図１０】
2005278121.tif 000016
【図１１】
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