JP2001039766A - 圧電素子 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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を示す圧電素子を得る。 【解決手段】 圧電素子１０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１２を
含む。基体１２は、そのｃ軸が幅方向に優先配向し、長
さ方向に分極処理が施される。基体１２の両主面に部分
電極１４，１６を形成し、基体１２の中央部近傍におい
て２つの部分電極１４，１６が対向するようにする。基
体１２の材料としては、一般式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
いることが好ましい。
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を示す圧電素子を得る。 【解決手段】 圧電素子１０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１２を
含む。基体１２は、そのｃ軸が幅方向に優先配向し、長
さ方向に分極処理が施される。基体１２の両主面に部分
電極１４，１６を形成し、基体１２の中央部近傍におい
て２つの部分電極１４，１６が対向するようにする。基
体１２の材料としては、一般式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
いることが好ましい。
Description
【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。
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。
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。
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 (1
984 ）) 。
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 (1
984 ）) 。
【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 Ｔｉ
4 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。
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 Ｔｉ
4 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。
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 Ｏ
15、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。
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 Ｏ
15、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。
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。
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。
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。
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ＣａＢｉ 4 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。
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ＣａＢｉ 4 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 Ｔ
ｉ4 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。
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 Ｔ
ｉ4 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。
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，Ｂｉ
2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 を準備し、これらを組成ＣａＢｉ4 Ｔ
ｉ4 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２
０ｍｍ、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。
2 Ｏ3 ，ＴｉＯ2 を準備し、これらを組成ＣａＢｉ4 Ｔ
ｉ4 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２
０ｍｍ、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１ｔ
ｏｎ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０．２５ｍ
ｍ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。
ｏｎ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０．２５ｍ
ｍ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１０ｍ
ｍ、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。
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１０ｍ
ｍ、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／ｍ
ｍ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。
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／ｍ
ｍ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。
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】
【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。
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。
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。
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】
【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。
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 Ｔ
ｉ4 Ｏ15に限らず、Ｂｉ3 ＴｉＮｂＯ9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3
Ｏ12、ＰｂＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＢａＢｉ3 Ｔｉ2 Ｎ
ｂＯ 12、ＳｒＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＣａＢｉ3 Ｔｉ2
ＮｂＯ12、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4Ｏ15、ＳｒＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ
15、ＢａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、Ｎａ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5Ｏ
15、Ｋ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5 Ｏ15、Ｓｒ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ
18、Ｂａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ 5 Ｏ18、Ｐｂ2 Ｂｉ4 Ｔｉ
5 Ｏ18、Ｃａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｂｉ6 Ｔｉ3 Ｗ
Ｏ 18、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。
ｉ4 Ｏ15に限らず、Ｂｉ3 ＴｉＮｂＯ9 、Ｂｉ4 Ｔｉ3
Ｏ12、ＰｂＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＢａＢｉ3 Ｔｉ2 Ｎ
ｂＯ 12、ＳｒＢｉ3 Ｔｉ2 ＮｂＯ12、ＣａＢｉ3 Ｔｉ2
ＮｂＯ12、ＰｂＢｉ4 Ｔｉ4Ｏ15、ＳｒＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ
15、ＢａＢｉ4 Ｔｉ4 Ｏ15、Ｎａ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5Ｏ
15、Ｋ0.5 Ｂｉ4.5 Ｔｉ5 Ｏ15、Ｓｒ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ
18、Ｂａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ 5 Ｏ18、Ｐｂ2 Ｂｉ4 Ｔｉ
5 Ｏ18、Ｃａ2 Ｂｉ4 Ｔｉ5 Ｏ18、Ｂｉ6 Ｔｉ3 Ｗ
Ｏ 18、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、ＣａＢｉ
4 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。
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、ＣａＢｉ
4 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１】この発明の圧電素子の一例を示す図解図であ
る。
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。
成した状態を示す図解図である。
１０ 圧電素子 １２ 基体 １４，１６ 部分電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０３Ｈ 9/17 Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｂ (72)発明者 澤田 拓也 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 小川 弘純 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Ｆターム(参考） 4G030 AA08 AA16 AA43 BA10 CA01 CA02 GA29 4G031 AA04 AA11 AA35 AA40 BA10 CA01 CA02 GA12 5J108 AA01 BB05 CC04 DD02 KK01 KK02
Claims (2)
- 【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 Ｏ
15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。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000080558A JP3651348B2 (ja) | 1999-05-24 | 2000-03-22 | 圧電素子 |
| GB0011920A GB2350478B (en) | 1999-05-24 | 2000-05-17 | Piezoelectric device |
| TW089109910A TW449757B (en) | 1999-05-24 | 2000-05-23 | Piezoelectric device |
| KR10-2000-0028046A KR100373838B1 (ko) | 1999-05-24 | 2000-05-24 | 압전 소자 |
| US09/578,131 US6445110B1 (en) | 1999-05-24 | 2000-05-24 | Piezoelectric device |
| CNB001176862A CN1156969C (zh) | 1999-05-24 | 2000-05-24 | 压电器件 |
| DE10025576A DE10025576C2 (de) | 1999-05-24 | 2000-05-24 | Piezoelektrische Vorrichtung |
| US10/085,043 US6534902B2 (en) | 1999-05-24 | 2002-03-01 | Piezoelectric device |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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