(57)【要約】【課題】ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板において、周波数定数が大きく、エネルギー閉じ込めが可能で、セラミックレゾネータとして必要な厚み縦高調波振動の発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘを大きくすることができ、鉛による環境上の問題が発生しない圧電セラミックスとその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板において、圧電体基板の分極処理を正方向、逆方向に施す。また、周波数定数は４０００〜５０００Ｈｚ・ｍ領域内で用いる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビスマス層状構造強誘電体が主結晶構造であり、単板の圧電体基板状に形成されており、分極処理が正方向、逆方向にそれぞれ１回以上施されたことを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項２】
前記ビスマス層状構造強誘電体の主成分がＳｒ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｏであり、ペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２である請求項１記載の圧電セラミックス。
【請求項３】
請求項１、請求項２記載の圧電セラミックスは、周波数定数４０００〜５０００Ｈｚ・ｍ領域内で用いることを特徴とする圧電セラミックス。
【請求項４】
ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板を作成する工程と、該圧電体基板の分極処理を正方向、逆方向に施す工程を設けたことを特徴とする圧電セラミックスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックレゾネータ、セラミックフィルタ、温度センサ等に用いられる圧電セラミックスの高調波振動に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電セラミックスに、ＰＺＴと呼ばれるＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３固溶体のＭＰＢ（ｍｏｒｐｈｏｔｒｏｐｉｃ  ｐｈａｓｅ  ｂｏｕｎｄａｒｙ）近傍組成系のものがある。このような組成系の圧電セラミックスは、安価で電気的特性が良いために、様々な電子部品に用いられている。
【０００３】
しかしながら、この種の圧電セラミックスは、鉛を大量に含有しているため、製造過程の焼成溶融等の熱処理の際に大気中に鉛が放出されたり、電子部品の形で市場に出回った後、これらの電子部品が廃棄処理される際にも土壌中に鉛が放出されたりして鉛の環境に与える影響が問題となり、工業的利用が禁止又は制限されるようになってきている。
この状況下で、セラミックレゾネータ用Ｐｂフリー圧電セラミックス材料系として、ビスマス層状構造強誘電体が注目されている。また、高周波で利用可能な周波数定数の大きい振動モードが注目されている。（例えば、特許文献１、２参照）
【特許文献１】特開２００２−１４５６６９号公報
【特許文献２】特開２００１−２９４４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ビスマス層状構造強誘電体において、厚み縦基本波は周波数定数が２２００Ｈｚ・ｍ程度と小さく、さらに、エネルギー閉じ込めができず、この振動モードの利用が困難であった。また、厚み縦３次高調波振動は、周波数定数で７０００Ｈｚ・ｍ程度と大きいものの、セラミックレゾネータとして発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが小さく、実用化されていなかった。一方、厚み滑り振動における電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘは大きいものの、周波数定数が１２００Ｈｚ・ｍと小さかった。
【０００５】
本発明は、ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板において、周波数定数が大きく、エネルギー閉じ込めが可能で、セラミックレゾネータとして必要な厚み縦高調波振動の発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘを大きくすることができ、鉛による環境上の問題が発生しない圧電セラミックスとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電セラミックスは、ビスマス層状構造強誘電体が主結晶構造であり、単板の圧電体基板状に形成されており、分極処理が正方向、逆方向にそれぞれ１回以上施されている。また、周波数定数は４０００〜５０００Ｈｚ・ｍ領域内で用いる。また、前記ビスマス層状構造強誘電体の主成分がＳｒ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｏであり、ペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数は２である。
【０００７】
本発明の圧電セラミックスの製造方法は、ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板を作成する工程と、該圧電体基板の分極処理を正方向、逆方向に施す工程を設ける。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の圧電セラミックスとその製造方法は、結晶構造がビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板において、圧電体基板の分極処理を正方向、逆方向にそれぞれ１回以上施すことにより、周波数定数を大きくでき、エネルギー閉じ込めが可能であり、セラミックレゾネータとして発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが大きい厚み縦高調波振動を得ることができる。また、本発明の圧電セラミックスは、鉛を含有しないので、製造過程や電子部品が廃棄される際に鉛が放出されることなく、環境上の問題が生じることもない。
【実施例】
【０００９】
以下、本発明の実施例について説明する。
まず、本発明による圧電セラミックスの製造方法について説明する。
ＳｒＣＯ３、Ｂｉ２Ｏ３、Ｎｂ２Ｏ５等の原料粉末を所定の組成となるように秤量し、ボールミル等を用いて２０時間湿式混合した。これらの混合粉末を７５０〜１０００℃で仮焼成し、この仮焼物を平均粒径１μｍ以下となるように粉砕した。この粉砕物を乾燥した後、これにバインダーを加えて造粒し、これを成形し、焼成することにより本発明の材料を得た。
【００１０】
本発明による圧電セラミックスは、このペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２であるビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする材料を角板状に焼成し、この焼成した角板状の磁器を厚さ０．１〜０．５ｍｍになるように研磨した後、両面にＡｇ電極を形成する。次に、絶縁オイル中において、温度８０〜２５０℃、電界３〜１５ＫＶ／ｍｍ、時間を１〜３０分の条件で分極処理を施す。その後、エッチングで電極径０．５〜１．５ｍｍφの円電極を形成する。
【００１１】
まず、実施例の中で本発明の圧電セラミックスがペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２であるビスマス層状構造強誘電体の主結晶構造であることをＸ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて解析した。
その結果、図１に示すように、ＸＲＤ波形よりペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２であるビスマス層状構造強誘電体の単一相の結晶構造であることが判る。
ここで、ペロブスカイトブロックとは、酸化ビスマス層と共にビスマス層状構造強誘電体を構成する層であり、ビスマス層状構造強誘電体には、ペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が１〜５までの化合物が存在する。
【００１２】
次に、本発明の圧電セラミックスにおいて、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動の分極処理と電気機械結合係数Ｋとの関係を図２に示す。
ここで、試料は電極径０．５〜１．５ｍｍφの円電極を形成した６．９ｍｍ×６．９ｍｍの大きさのものを用い、電界を７ＫＶ／ｍｍ、９ＫＶ／ｍｍ、１１ＫＶ／ｍｍ印加した。なお、分極条件のＲは逆方向に印加、７は電界の数値である。例えば、７ＫＶ／ｍｍの電界を印加した後、７ＫＶ／ｍｍの電界を前と逆向きに印加し、さらに、その逆向きに７ＫＶ／ｍｍの電界を印加した場合は、「７−Ｒ７−Ｒ７」と、示す。
また、特性の測定は、共振／反共振を利用して、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動の電気機械結合係数Ｋ（％）を算出した。ここで、一般に、同材料においてＫが大きければ、電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが大きい。
【００１３】
図２は、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動の分極処理と電気機械結合係数Ｋとの関係を示す評価データである。
図２より、
（１）分極処理を正方向と逆方向にそれぞれ１回以上電界を加えたものは、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動のＫが１０％以上と大きくなっていることが分る。（試料No.３〜７）
（２）また、分極処理の電界を正方向のみ１回および正方向のみ２回加えたものは、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動のＫが５％以下であり、分極処理の電界を正方向と逆方向にそれぞれ１回以上加えたものの、半分以下となっていることが分る。（試料No.１、２）。なお、分極処理の電界を逆方向のみに１回または２回加えたとしても同じ結果が得られる。
【００１４】
図３に上記試料No.３のインピーダンス波形を示す。
図３において、横軸は周波数と厚みの積、縦軸はインピーダンスを示す。この図より、周波数定数４０００〜５０００Ｈｚ・ｍ付近において、主振動を妨げるスプリアスは認められず、エネルギー閉じ込めが可能であることが分る。
【００１５】
さらに、図４は、上記試料No.３のインピーダンス波形の周波数と厚みの積を２０００〜７０００Ｈｚ・ｍまで広げて測定した結果を示す。
図４に示すように、試料No.３のインピーダンス波形において、主振動を妨げるスプリアス等、異常な波形は認められなかった。
【００１６】
このように、本発明による圧電セラミックスとその製造方法は、上記ビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする単板の圧電体基板を用い、分極処理を少なくとも正方向と逆方向にそれぞれ１回づつ以上電界を加えることによって、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動において、産業上利用価値が高いことが分る。
ここで、正方向、逆方向に分極処理する際には、直流であっても、正弦波、三角波等の交流であってもよい。
【００１７】
以上、本発明の圧電セラミックスとその製造方法を述べたが、本発明は、これらの実施例に限られるものではない。主成分がＳｒ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｏであり、ペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２であるビスマス層状構造強誘電体が主結晶構造であればよく、例えば、一部、ペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２以外であるビスマス層状構造強誘電体やペロブスカイト構造やパイロクロア構造が副結晶構造として含まれてもよい。また、主成分がＳｒ、Ｂｉ、Ｎｂ、Ｏであればよく、他の元素を一部置換した場合でも、同様な結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に用いたペロブスカイトブロックにおける酸素八面体の数が２であるビスマス層状構造強誘電体の単一相の結晶構造を示すＸＲＤ波形図。
【図２】本発明の圧電セラミックスにおける分極処理と電気機械結合係数Ｋとの関係を示す評価データ。
【図３】本発明の圧電セラミックスにおける試料No.３のインピーダンス波形（周波数と厚みの積４０００〜５０００Ｈｚ・ｍ付近）を示す。
【図４】本発明の圧電セラミックスにおける試料No.３のインピーダンス波形（周波数と厚みの積２０００〜７０００Ｈｚ・ｍ）を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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