(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電磁器の両面に電極を形成してなる３次オーバートーン用発振子の製法であって、前記圧電磁器が、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を少なくともＬａとＳｒとで置換するとともに、Ｔｉの一部を少なくともＭｎと（Ｆｅ１／３Ｎｂ２／３）とで置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物の組成式で表わされる原料粉末であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９２〜０．９９である原料粉末を板状に成形し、該成形体を焼成して得られ、前記圧電磁器に電極を形成して、厚み縦振動の３次オーバートーンにおける反共振インピーダンスＲａが２０ｋΩ以上、Ｐ／Ｖ値が５５ｄＢ以上の３次オーバートーン用発振子を作製することを特徴とする３次オーバートーン用発振子の製法。
【請求項２】
圧電磁器の原料粉末が、ペロブスカイト型複合酸化物の原子比による組成式を、
Ｐｂ（１−ｘ−ｙ）ｐＬａｘＣｙ（ＤｃＭｎｄＴｉ１−ｃ−ｄ）Ｏ３
Ｃは、Ｓｒ、
Ｄは、（Ｆｅ１／３Ｎｂ２／３）と表した時、
前記ｘ、ｙ、ｐ、ｃおよびｄが、
０．０５≦    ｘ    ≦０．１５
０．０２≦    ｙ    ≦０．１５
０．９２≦    ｐ    ≦０．９９
０．０１≦    ｃ    ≦０．０４
０．０１≦    ｄ    ≦０．０５
を満足することを特徴とする請求項１記載の３次オーバートーン用発振子の製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚み縦振動を用いた３次オーバートーン用発振子の製法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、圧電磁器を利用した製品としては、例えば、フイルター、共振子、発振子、超音波振動子、超音波モータ、圧電センサー等がある。
【０００３】
ここで、発振子はマイコンの基準信号発振子用として、例えばコルピッツ型発振回路に組み込まれて利用される。図１はコルピッツ型発振回路を示すもので、このコルピッツ型発振回路はコンデンサ１１、１２と抵抗１３とインバータ１４、及び図２にも示すような発振子１５により構成されている。そして、コルピッツ型発振回路において、発振信号を発生するには、ループゲインと移相量との関係において以下の発振条件を満足する必要がある。
【０００４】
インバータ１４と抵抗１３からなる増幅器における増幅率をα、移相量をθ1 とし、また、発振子１５とコンデンサ１１、１２からなる帰還回路における帰還率をβ、移相量をθ2 としたとき、ループゲインがα×β≧１であり、かつ移相量がθ1 ＋θ2 ＝３６０度×ｎ（但しｎ＝１、２、３…）であることが必要となる。
【０００５】
図３に３次オーバートーンにおける発振条件を満足したループゲイン特性及び移相量（ｂ）と、そのときの発振子のインピーダンス特性の関係（ａ）を示す。
【０００６】
発振周波数は３次オーバートーンでのループゲインが１以上で、移相が０度となる周波数が発振ポイントＦｐとなり発振信号として出力される。
【０００７】
移相量の条件を満足させるためには、共振周波数Ｆｒと反共振周波数Ｆａの間及びその近傍にスプリアスが発生しないことが重要となる。
【０００８】
さらに、コルピッツ型発振回路において、安定した発振を得るためには、ループゲインを大きくしなければならない。そのため、帰還率βのゲインを決定する、発振子のＰ／Ｖ値、すなわち共振インピーダンスＲｏ及び反共振インピーダンスＲａの差を大きくすることが必要となる。尚、Ｐ／Ｖ値は２０Ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｏ）の値として定義される。
【０００９】
従来、この種の圧電磁器材料としては、ＰｂＴｉＯ3 やＰｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ3 を主成分としたもの、あるいはこれらに更に第二成分、第三成分として、Ｐｂ（Ｍｎ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 やＰｂ（Ｎｉ1/3 Ｎｂ2/3 ）Ｏ3 などを固溶させたもの等が知られている。特にＰｂＴｉＯ3 を主成分とした磁器組成物の場合、広がり振動によるスプリアスの影響が小さくなり、さらに比誘電率が４００〜７００と小さく１０ＭＨｚ以上の高周波領域での使用が可能になるなどの特徴を有していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のＰｂＴｉＯ3 を主成分とした圧電磁器組成物においては、反共振インピーダンスＲa が小さいことから、周波数に対する移相反転の傾きが小さくなり、インバータ発振回路に発振子を組み込んだときにおいて発振ポイントが容易に変動しやすくなり、発振子がほぼ同様の特性を有する場合でも、個々の発振子の個体差間で発振周波数の信号の周波数公差が大きくなるという問題を有していた。
【００１１】
即ち、図３（ｂ）に示すように発振ポイントは移相が０度となる発振周波数で生じるが、周波数に対して移相反転の傾きθ3 が小さくなると、個々の発振子の個体差間での移相反転の状態が僅かに異なることにより影響を受けやすく、移相０度となる周波数の変動幅が大きくなり、その結果発振ポイントの発振周波数が高周波側あるいは低周波側に移動し、周波数公差を大きくしてしまうという問題があった。
【００１２】
さらに、発振を開始させる重要な因子、すなわち帰還率βを決定する厚み縦振動の３次オーバートーンでのＰ／Ｖ値が小さいため、増幅率αの比較的小さな増幅器を内蔵したマイコンなどにおいては不発振が生じるという問題があった。
【００１３】
本発明は、発振回路に発振子を組み込んだ時に、発振周波数の周波数公差を小さくできるとともに、安定した発振が得られる厚み縦振動を用いた３次オーバートーン用発振子の製法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次オーバートーン用発振子の製法は、圧電磁器の両面に電極を形成してなる３次オーバートーン用発振子の製法であって、前記圧電磁器が、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を少なくともＬａとＳｒとで置換するとともに、Ｔｉの一部を少なくともＭｎと（Ｆｅ１／３Ｎｂ２／３）とで置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物の組成式で表わされる原料粉末であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９２〜０．９９である原料粉末を板状に成形し、該成形体を焼成して得られ、前記圧電磁器に電極を形成して、厚み縦振動の３次オーバートーンにおける反共振インピーダンスＲａが２０ｋΩ以上、Ｐ／Ｖ値が５５ｄＢ以上の３次オーバートーン用発振子を作製することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の３次オーバートーン用発振子の製法は、圧電磁器の原料粉末が、ペロブスカイト型複合酸化物の原子比による組成式を、
Ｐｂ（１−ｘ−ｙ）ｐＬａｘＣｙ（ＤｃＭｎｄＴｉ１−ｃ−ｄ）Ｏ３
Ｃは、Ｓｒ、
Ｄは、（Ｆｅ１／３Ｎｂ２／３）と表した時、
前記ｘ、ｙ、ｐ、ｃおよびｄが、
０．０５≦    ｘ    ≦０．１５
０．０２≦    ｙ    ≦０．１５
０．９２≦    ｐ    ≦０．９９
０．０１≦    ｃ    ≦０．０４
０．０１≦    ｄ    ≦０．０５
を満足することが望ましい。
【００１７】
本発明の製法で作製された３次オーバートーン用発振子を、インバータ発振回路に組み込んだとき、移相の反転が急峻になり発振ポイントの周波数変動が抑制されることから、発振周波数の信号の周波数公差を著しく小さくすることができる。さらに、Ｐ／Ｖ値が小さいため安定した発振が得られる。
【００１８】
即ち、厚み縦振動における３次オーバートーンでの反共振インピーダンスＲａを大きくすることで、インバータ発振回路に発振子を組み込んだとき、移相の反転の傾きθ3を大きくして移相の反転を急峻にし、発振ポイントの変動を抑制し、発振周波数の周波数公差の小さい発振信号を得ることができるとともに、Ｐ／Ｖ値を大きくすることで安定した発振が得られる。このように特に１０ＭＨｚ以上の厚み縦振動の３次オーバートーンを用いた高周波用の発振子が得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の３次オーバートーン用発振子の製法は、圧電磁器の両面に電極を形成してなる３次オーバートーン用発振子の製法であって、前記圧電磁器が、チタン酸鉛ＰｂＴｉＯ３のＰｂの一部を少なくともＬａとＳｒとで置換するとともに、Ｔｉの一部を少なくともＭｎと（Ｆｅ１／３Ｎｂ２／３）とで置換したＡＢＯ３型ペロブスカイト型複合酸化物の組成式で表わされる原料粉末であって、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９２〜０．９９である原料粉末を板状に成形し、該成形体を焼成して得られ、前記圧電磁器に電極を形成して、厚み縦振動の３次オーバートーンにおける反共振インピーダンスＲａが２０ｋΩ以上、Ｐ／Ｖ値が５５ｄＢ以上の３次オーバートーン用発振子を作製する製法である。
【００２０】
ここで、Ｐｂの一部を少なくともＬａにより置換したのは焼結性を高め分極を容易にし、特に、共振インピーダンスＲｏを小さくすることによりＰ／Ｖ値を向上できるからである。さらに、Ｔｉの一部を少なくともＭｎにより置換すると、共振インピーダンスＲｏを小さくすることによりＰ／Ｖ値を大きく向上できるからである。
【００２１】
さらに、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）を０．９２〜０．９９とした。これは、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）を０．９９以下とすることにより、厚み縦振動における３次オーバートーンの反共振インピーダンスＲａを大きくでき、これにより、移相反転の傾きθ3 が大きくなって移相の反転が急峻になることで発振ポイントの周波数変動を抑制できるからである。
【００２２】
しかしながら、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９２よりも小さくなると、３次オーバートーンので反共振インピーダンスＲａがａ／（１−ｂ）＝０．９２を境として著しい劣化を示す。従って、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）は、厚み縦振動における３次オーバートーンの反共振インピーダンスＲａを大きくし、Ｐ／Ｖ値を大きくするという点から０．９５５〜０．９８５が望ましい。
【００２３】
さらに、３次オーバートーンにおける反共振インピーダンスＲａを２０ｋΩ以上としたのは、インバータ発振回路に発振子として組み込んだときにおいて、移相の反転が急峻となり、発振子の個々の個体差間での発振ポイントの周波数変動が抑制され、発振周波数の信号の周波数公差を±３００ｐｐｍ以内へと著しく小さくすることができるからである。３次オーバートーンにおける反共振インピーダンスＲａは、発振周波数の信号の周波数公差を小さくするという観点から２５ｋΩ以上が望ましい。
【００２４】
また、Ｐ／Ｖ値を５５ｄＢ以上としたのは、ループゲインを大きくさせ、発振停止や基本波あるいは５次オーバートーンへの発振の飛びが無くなり、安定した発振が得られるからであり、Ｐ／Ｖ値が５５ｄＢよりも小さい場合にはループゲインが小さくなるからである。Ｐ／Ｖ値は、ループゲインを大きくさせるという点から６５ｄＢ以上が望ましい。
【００２５】
ここで、Ｐｂの一部をＳｒ、ＢａおよびＣａのうち少なくとも１種で置換するとともに、Ｔｉの一部を（Ｆｅ1/3 Ｎｂ2/3 ）、（Ｃｏ1/3 Ｎｂ2/3 ）、（Ｙ1/2 Ｎｂ1/2 ）、（Ｙｂ1/2 Ｎｂ1/2 ）、（Ｉｎ1/2 Ｎｂ1/2 ）および（Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ）のうち少なくとも１種で置換してなることが望ましい。
【００２７】
ＰｂのＬａによる適量置換は、特に分極を容易にしＰ／Ｖ値向上に寄与する。
【００２８】
ＰｂのＬａによる置換量ｘを０．０５〜０．１５としたのは、ｘが０．０５より小さい場合分極がかかりにくくなり、Ｐ／Ｖ値が小さくなるためである。０．１５よりも大きい場合、キュリー温度低下に伴い耐熱性が劣化し、Ｐ／Ｖ値が小さくなるためである。ｘはＰ／Ｖ値を向上するという観点から、０．０８≦ｘ≦０．１２であることが望ましい。
【００２９】
またＰｂのＣ（Ｓｒ、ＢａおよびＣａ）による適量置換は、特に発振周波数の温度特性を向上する効果がある。ＰｂのＣ（Ｓｒ、ＢａおよびＣａ）による置換量ｙを０．０２〜０．１５としたのは、ｙが０．０２より小さい場合には、発振周波数の温度特性が悪化し、また、０．１５よりも多い場合には、Ｐ／Ｖ値が小さくなるからである。ｙは、発振周波数の温度特性を向上させ、大きなＰ／Ｖ値を維持するという観点から、０．０５≦ｙ≦０．１０が望ましい。
【００３０】
ｐ（上記したａ／（１−ｂ））を０．９２≦ｐ≦０．９９としたのは、０．９２よりも小さい場合、および０．９９よりも大きい場合には、３次オーバートーンので反共振インピーダンスＲａが低下するからである。３次オーバートーンので反共振インピーダンスＲａを向上するという点から、ｐは、０．９５５≦ｐ≦０．９８５を満足することが望ましい。
【００３１】
（Ｆｅ1/3 Ｎｂ2/3 ）、（Ｃｏ1/3 Ｎｂ2/3 ）、（Ｙ1/2 Ｎｂ1/2 ）、（Ｙｂ1/2 Ｎｂ1/2 ）、（Ｉｎ1/2 Ｎｂ1/2 ）および（Ｍｇ1/3 Ｎｂ2/3 ）のうち少なくとも１種による置換量ｃを０．０１≦ｃ≦０．０４としたのは、ｃが０．０１よりも小さい場合には、分極がかかりにくく、Ｐ／Ｖ値が小さくなるからである。一方、０．０４よりも大きい場合には、３次オーバートーンので反共振インピーダンスＲａが低下するからである。Ｐ／Ｖ値を大きくし、３次オーバートーンので反共振インピーダンスＲａを大きくするという観点から０．０２≦ｃ≦０．０４であることが望ましい。
【００３２】
Ｍｎによる置換量ｄを０．０１≦ｄ≦０．０５としたのは、ｄが０．０１よりも小さい場合や０．０５よりも大きい場合には、Ｐ／Ｖ値が小さくなるからである。Ｐ／Ｖ値を最大限に大きくするという観点から０．０１≦ｄ≦０．０２であることが望ましい。
【００３３】
特に、ペロブスカイト型複合酸化物の原子比による組成式を、Ｐｂ(1-x-y)pＬａx Ｓｒy （Ｆｅ1/3 Ｎｂ2/3 ）c Ｍｎd Ｔｉ1-c-d Ｏ3 と表した時、ｘ、ｙ、ｐ、ｃおよびｄが、０．０８≦ｘ≦０．１２、０．０５≦ｙ≦０．１０、０．９５５≦ｐ≦０．９８５、０．０２≦ｃ≦０．０４、０．０１≦ｄ≦０．０２を満足することが望ましい。
【００３４】
本発明の振動子用圧電磁器は、Ｐｂ(1-x-y)pＬａx Ｃy （Ｄc Ｍｎd Ｔｉ1-c-d ）Ｏ3 で表されるペロブスカイト型結晶相を主結晶相とするものであり、その他の結晶相して、パイロクロア相が存在することもあるが、微量であれば特性上問題ない。
【００３５】
本発明の振動子用圧電磁器は、図１に示したコルピッツ型発振回路に適用される発振子用の圧電磁器として最適であるが、それ以外の発振子、超音波振動子、超音波モータ、及び加速度センサー、ノッキングセンサー、ＡＥセンサー等の圧電センサーなどにも適しており、特に厚み縦振動の３次オーバートーンを利用する高周波用として最適な振動子用圧電磁器である。
【００３６】
【実施例】
原料として、Ｐｂ3 Ｏ4 、Ｌａ2 Ｏ3 、ＭｎＯ2 、ＴｉＯ2 、及びＳｒＣＯ3 、ＢａＣＯ3 、ＣａＣＯ3 、Ｆｅ2 Ｏ3 、Ｎｂ2 Ｏ5 、Ｃｏ3 Ｏ4 、Ｉｎ2 Ｏ3 、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 、ＭｇＣＯ3 からなる各種酸化物を用い、焼結体が表１の組成となるように秤量し、ＺｒＯ2 ボールを用いたボールミルにて２４時間湿式混合した。次いで、この混合物を脱水、乾燥した後、１０００℃で３時間仮焼し、適量の有機バインダを加え乾式混合し、メッシュの容器に通し整粒した。このようにして得られた粉体を１．５ｔｏｎ／ｃｍ2 の圧力で縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚み１．０ｍｍの板状に成形し、大気中において１２５０℃の温度で３時間本焼成し圧電磁器を得た。
【００３７】
その後、板厚を０．２２ｍｍに加工し、両面にＣｇ−Ｃｒを蒸着し、８０℃で３０分間分極を施した。その後、図２に示す電極構造となるように、無電極に相当する部位の電極をエッチングで除去し、縦４．７ｍｍ（Ｌ）、横１．１ｍｍ（Ｂ）、厚み約０．２２ｍｍ（ｔ）形状の３３．３６ＭＨｚ発振周波数に相当する厚み縦振動の３次オーバートーン用発振子を得た。
【００３８】
発振子の特性は、インピーダンスアナライザにより、厚み縦振動の３次オーバートーンのインピーダンス波形を求め、反共振インピーダンスＲａと共振インピーダンスＲｏの測定を行った。さらに、３次オーバートーンのＰ／Ｖ値をＰ／Ｖ＝２０×Ｌｏｇ（Ｒａ／Ｒｏ）の式により算出した。
【００３９】
発振周波数の周波数公差の評価は、図１に示すインバータ発振回路を用いて、各組成毎それぞれ反共振周波数Ｒａの変動幅が１０ｐｐｍ以内の１００個の発振子を用意し、発振子のみを替えたときの発振周波数の周波数分布を調査した。調査は、各組成毎に平均の発振周波数を求め、平均の発振周波数を基準として発振周波数が最大に変化した周波数を変化率として求め、平均発振周波数に対する最大変化幅を±表記の発振周波数の公差として表した。これらの結果を表１に示す。尚、試料Ｎｏ．８、９、試料Ｎｏ．１０〜１６は参考試料である。
【００４０】
【表１】
0003805103.tif 000002
【００４１】
この表１から明らかなように、本発明の範囲内の試料では、インバータ発振回路に発振子を組み込んだときの発振周波数の公差を±３００ｐｐｍ以内、特には±１５０ｐｐｍ以内と小さくすることができることがわかる。
【００４２】
一方、Ｂサイト構成元素１モルに対するＰｂのモル数をａ、Ａサイト構成元素のうちＰｂ以外の元素の総モル数をｂとしたとき、ａ／（１−ｂ）で表される値（ｐ）が０．９２より小さい場合（試料Ｎo.７）や、０．９９よりも大きい場合（試料Ｎo.１）には、発振周波数の周波数公差が±３００ｐｐｍを超えてしまうことがわかる。
【００４３】
また、３次オーバートーンでのＰ／Ｖ値が５５ｄＢより小さい場合の試料Ｎo.７、３次オーバートーンでの反共振インピーダンスＲａが２０ｋΩより小さい場合の試料Ｎo.１、７では、インバータ発振回路に発振子を組み込んだときにおいて、発振周波数の周波数公差が±３００ｐｐｍを超えてしまうことがわかる。
【００４４】
このように、本発明の製法で得られた３次オーバートーン用発振子においては、発振回路に発振子を組み込んだときの発振周波数の公差を小さくできることから、高精度な発振周波数公差とすることができる。しかも３次オーバートーンのＰ／Ｖ値を大きくすることができることから安定した発振周波数精度の発振信号を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の３次オーバートーン用発振子の製法によれば、厚み縦振動における３次オーバートーンでの反共振インピーダンスＲａが大きくなることから、発振回路に発振子を組み込んだ時、移相の反転が急峻になり、発振周波数の周波数公差を小さくした発振信号を得ることができ、さらにＰ／Ｖ値が大きくなることから、安定した発振が得られる発振子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コルピッツ型の発振回路を示した概略図である。
【図２】３３．８６ＭＨｚ発振子の概略図である。
【図３】（ａ）は発振子の厚み縦振動における３次オーバートーンの発振子のみのインピーダンス特性を、（ｂ）は発振子を発振回路に組み込んだときのループゲイン特性と移相との関係を示す図である。Ｆｐは発振ポイントを表す発振周波数である。
【符号の説明】
１１、１２・・・コンデンサ
１３      ・・・抵抗
１４      ・・・インバータ
１５      ・・・発振子
１６      ・・・電極
【図１】
0003805103.tif 000003
【図２】
0003805103.tif 000004
【図３】
0003805103.tif 000005