(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で、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍと大きい厚み縦高調波振動において、主振動を妨げるスプリアスがなく、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を大きくすることができる振動電極の大きさと電極間との関係を求める。【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、該圧電体基板の両主面上において対向する少なくとも一対の振動電極を含む圧電素子において、該振動電極内で周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動を用い、振動電極の面積をＳ、電極間距離をｔとしたとき、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８  を満たす。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、該圧電体基板の両主面上において対向する少なくとも一対の振動電極を含む圧電素子において、該振動電極内で周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動を用い、振動電極の面積をＳ、電極間距離をｔとしたとき、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８  を満たすことを特徴とする、圧電素子。
【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記載の圧電素子。
【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を用いた圧電素子に関する。
【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きている。また、高周波で利用可能か否かを決定する周波数定数が大きく、さらに、主振動を妨げるスプリアスがない振動モードが注目を集めている。これらの要求に対して、ビスマス層状構造強誘電体の厚み縦３次高調波振動の利用が注目されている。例えば、特許文献１、２、３によると、ビスマス層状構造強誘電体の厚み縦３次高調波振動の主振動を妨げるスプリアスを除くための振動電極の大きさと電極間の距離との関係が示されている。
【特許文献１】特開２００１−１６０７３２
【特許文献２】特開２００１−３１６１７７
【特許文献３】特開２００１−３４５６６８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、厚み縦３次高調波振動は周波数定数が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。また、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で、これとは異なる他の大きな周波数定数を持つ厚み縦高調波振動において、主振動を妨げるスプリアスを除くための振動電極の大きさと電極間の距離との関係は示されていなかった。
【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で、周波数定数が大きい厚み縦高調波振動において、主振動を妨げるスプリアスがなく、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を大きくすることができる振動電極の大きさと電極間距離との関係を求めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電素子は、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、該圧電体基板の両主面上において対向する少なくとも一対の振動電極を含む圧電素子において、該振動電極内で周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動を用い、振動電極の面積をＳ、電極間距離をｔとしたとき、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８  を満たすこと。また、前期ビスマス層状構造強誘電体の主成分は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。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の圧電素子は、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で、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍと大きな厚み縦高調波振動を励振させ、振動電極の面積をＳ、電極間距離をｔとしたとき、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８  を満たすことにより、主振動を妨げるスプリアスを発生することなく、発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘを大きくしたセラミックレゾネータを得ることができる。
【実施例】
【０００８】
以下、本発明の一実施例である圧電素子について説明する。
まず、本発明の圧電素子を形成す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・焼成することにより本発明の材料を得た。
【０００９】
本発明の圧電素子は、このビスマス層状構造強誘電体を主結晶構造とする圧電セラミックスを角板状に焼成し、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分の条件で正方向・逆方向に１回づつ分極処理を施す。その後、エッチングで電極径０．５〜１．５ｍｍφの円電極を形成した６．９ｍｍ×６．９ｍｍの評価用圧電素子を得る。
【００１０】
圧電素子は、具体的には、例えば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。
単板の圧電素子の一例として、圧電共振子１の斜視図を図１に示す。
図１に示すように、単板の圧電体基板２と圧電体基板２の両主面上に形成された振動電極３ａおよび振動電極３ｂとを備える。振動電極３ａおよび３ｂには、それぞれ、外部接続用のリード４ａおよび４ｂが接続されている。
【００１１】
振動電極３ａおよび３ｂは、円形の形状を有する。ただし、円形に限らず、正方形や長方形といった他の形状でもよい。振動電極３ａおよび３ｂは、単板の圧電体基板２を挟んで対向するように形成される。
【００１２】
振動電極３ａ（振動電極３ｂ）の面積Ｓと単板の圧電体基板２の厚さｔとは、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８  の関係を満たすことが好ましい。言い換えれば、振動電極３ａと振動電極３ｂの電極共通箇所の直径Ｄと単板の圧電体基板２の厚さｔとは、２．８２≦Ｄ／ｔ≦９．０３  の関係を満たすことが好ましい。
【００１３】
図２は、上記圧電セラミックスの周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動における評価用圧電素子のデータである。
試料のデータは、振動電極の電極間距離ｔ、電極径Ｄ（電極面積Ｓ）、Ｓ１／２／ｔ（Ｄ／ｔ）、ダイナミックレンジＤＲ、スプリアスの最大位相値を表にまとめたものである。
【００１４】
図２より、
（１）試料No.１のように、Ｓ１／２／ｔ＞８の場合、ダイナミックレンジＤＲは５３ｄＢと大きいが、スプリアス最大位相値も３３ｄｅｇと０ｄｅｇ以上となり、すなわち、主振動を妨げるスプリアスが発生し、誤発振の原因となってしまう可能性がある。
（２）また、試料No.９のように、Ｓ１／２／ｔ＜２．５の場合、スプリアス最大位相は０ｄｅｇ未満であるが、ダイナミックレンジＤＲが２５ｄＢと小さく、発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが小さくなってしまい、安定した発振を得ることができなくなる。
（３）試料No.２〜８のように、Ｓ１／２／ｔ＝２．５〜８以内での条件では、ダイナミックレンジＤＲは３６ｄＢ以上と大きく、スプリアス最大位相値も０ｄｅｇ未満である。すなわち、発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが大きく、主振動を妨げるスプリアスを除くことができた。
【００１５】
なお、この特性の測定は、共振／反共振法を利用して、厚み縦基本振動の高調波振動のダイナミックレンジＤＲは、２０Ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｏ）で算出した。ここで、Ｒｏは共振周波数のインピーダンスの値、Ｒａは反共振周波数のインピーダンスの値である。また、スプリアスの最大位相値が０ｄｅｇ以上とならなかったものは、数値を記載していない。
ここで、一般にこれらの材料では、ダイナミックレンジＤＲが大きければ、発振に必要な電気的共振のＱの最大値Ｑｉｍａｘが大きいことが知られている。
【００１６】
図３は、実施例の中で本発明の圧電素子を形成する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３に示すように、ＸＲＤ波形から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ＸＲＤ波形を得られた。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。
図４は、図２の試料No.５のインピーダンス波形を示す。
図４より、周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波の主振動付近にはスプリアスがなく、エネルギー閉じ込めが可能であることが分る。
【００１７】
このように、本発明の圧電素子は、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、圧電体基板の両主面上に少なくとも一対の振動電極を含み、前記振動電極内で周波数定数が４０００〜５０００Ｈｚ・ｍの厚み縦高調波振動を用い、振動電極の面積をＳ、電極間距離をｔとしたとき、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８を満たすことが好ましい。この条件を満たすことによって、周波数定数が大きな厚み縦高調波振動において、主振動を妨げるスプリアスの発生がなく、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を大きくする圧電素子を形成することができる。また、本発明の圧電素子は、ビスマス層状構造強誘電体を用いることで、鉛を含有しないことから、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。
【００１８】
以上、本発明の圧電素子を述べたが、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、同様の結果が得られる。さらに、振動電極の形状は特に限定されるものではなく、２．５≦Ｓ１／２／ｔ≦８の関係を満たしていれば、真円である必要はなく、例えば四角形、楕円でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例である圧電素子の斜視図。
【図２】本発明の一実施例である圧電素子の評価データである。
【図３】本発明の圧電素子を形成する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を示すＸ線回折（ＸＲＤ）波形である。
【図４】本発明の一実施例である圧電素子を示す試料No.５のインピーダンス波形である。
【符号の説明】
【００２０】
１  圧電素子（圧電共振子）
２  単板の圧電体基板
３ａ、３ｂ  振動電極
４ａ、４ｂ  リード
Ｄ  直径
ｔ  厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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