DE10025576C2

DE10025576C2 - Piezoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE10025576C2
Application number: DE10025576A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Kimura; Akira Ando; Takuya Sawada; Hirozumi Ogawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2003-04-30
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: CN1274994A; TW449757B; DE10025576A1; US6534902B2; GB2350478A; JP3651348B2; CN1156969C; KR100373838B1; GB2350478B; US6445110B1; US20020125796A1; KR20010020898A; JP2001039766A; GB0011920D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft piezoelektrische Vorrichtungen, und insbesondere betrifft sie eine piezoelektrische Vorrichtung, die beispielsweise für einen in einem Filter für die Kommunikation bzw. Übertragung und in einem Taktgenerator zum Einsatz kommenden Oszillator verwendet wird.

Herkömmlicherweise werden als piezoelektrische Resonatoren für in Filtern für die Kommunikation und in Taktgeneratoren zum Einsatz kommende Oszillatoren pie zoelektrische Vorrichtungen, die aus piezoelektrischen Keramiken, die hauptsäch lich aus Bleititanatzirkonat (Pb(Ti_xZr_1-x)O₃) oder Bleititanat (PbTiO₃) aufgebaut sind, in breitem Umfang unter Anwendung der Scherschwingung der piezoelektrischen Keramiken ausgebildet. Im allgemeinen weisen die piezoelektrischen Vorrichtungen aus piezoelektrischen Keramiken rechteckig gebildete Substrate und auf beiden Hauptoberflächen des Substrats vorgesehene Elektroden auf. Die Elektroden wer den nicht auf den gesamten Oberflächen des Substrats ausgebildet, sondern wer den auf Teilen der Oberflächen ausgebildet, so daß Teile der Elektroden einander gegenüberliegen.

Bei der so beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung läßt sich durch geeignete Wahl des Typs der piezoelektrischen Keramik und der Elektrodenformen ein Phä nomen realisieren, bei welchem Energie bei der piezoelektrischen Schwingung der piezoelektrischen Keramik in einer Fläche zwischen den Elektroden, welche einan der gegenüberliegen, lokalisiert wird, das heißt, es läßt sich ein Einfangen von Energie bewerkstelligen. Folglich kann ein einzelner piezoelektrischer Schwin gungsmodus erzielt werden, und man kann eine wirksame piezoelektrische Vor richtung als piezoelektrischen Resonator für einen in einem Filter für die Kommuni kation und in einem Taktgenerator zum Einsatz kommenden Oszillator erhalten. Jedoch sind die piezoelektrischen Keramiken mit Problemen behaftet aufgrunddes sen, daß die Hochtemperaturbeständigkeit schlecht ist und der Verlust in Hochfre quenzbereichen hoch ist.

Piezoelektrische Keramiken mit einer Perovskit-Schichtstruktur, wie CaBi₄Ti₄O₁₅ und PbBi₄Ti₄O₁₅, besitzen die Merkmale der Hochtemperaturbeständigkeit, eines geringen Hochfrequenzverlustes und dergleichen, verglichen mit den piezoelektri schen Keramiken, die hauptsächlich aus Bleititanatzirkonat oder Bleititanat zusam mengesetzt sind. Somit wird erwartet, daß die obenstehend beschriebenen piezo elektrischen Keramiken geeignete Materialien zur Verwendung für piezoelektrische Resonatoren sind, welche unter Hochtemperaturbedingungen oder in einem Hoch frequenzbereich eingesetzt werden können. Da aber die piezoelektrischen Kerami ken starke anisotrope Charakteristika in dem Kristall aufweisen, läßt sich kein hoher elektromechanischer Koeffizient durch ein allgemeines Herstellungsverfahren für piezoelektrische Keramiken erzielen. Demzufolge wurden Verfahren vorgeschla gen, in welchen die c-Achse in piezoelektrischen Keramiken mit einer Perovskit- Schichtstruktur vorzugsweise in einer Richtung orientiert ist, um so einen hohen elektromechanischen Koeffizienten zu erzielen. Zum Beispiel berichtete T. Takena ka et al., daß das 1,6-fache des elektromechanischen Koeffizienten von durch ein herkömmliches Herstellungsverfahren hergestellten piezoelektrischen Keramiken bei der vertikalen Grundschwingung eines zylindrischen Oszillators unter Verwendung einer durch ein Heißschmiedeverfahren gebildeten Orientierungskeramik aus PbBi₄Ti₄O₁₅ erzielt wurde (J. Appl. Phys., Band 55, Nr. 4. 15 (1984)).

Im allgemeinen, um einen piezoelektrischen Resonator für einen in einem Filter für die Kommunikation und in einem Taktgenerator verwendeten Oszillator zu erhalten, ist ein einzelner piezoelektrischer Schwingungsmodus mit einer leichten unge wünschten Schwingung erforderlich. Bei einer piezoelektrischen Vorrichtung unter Anwendung der vertikalen Schwingung und der Scherschwingung wird ein Einzel modus allgemein durch Einfangen von Energie unter Verwendung von gegenüber liegenden Elektroden erhalten. Allerdings ist bekannt, daß, wenn ein Poisson- Verhältnis einer piezoelektrischen Keramik ein Drittel oder weniger beträgt, die ver tikale Grundschwingung nicht Energie einfangen kann. Poisson-Verhältnisse von fast allen piezoelektrischen Keramiken mit einer Perovskit-Schichtstruktur, wie Ca Bi₄Ti₄O₁₅ und PbBi₄Ti₄O₁₅, betragen ein Drittel oder weniger, so daß es schwierig ist, Energie einzufangen.

Hinsichtlich einer höheren harmonischen vertikalen Schwingung wird, da durch die se die Beschränkung eines Poisson-Verhältnisses nicht so streng ist im Vergleich mit der Grundwelle, wahrscheinlich Energie eingefangen; allerdings wird im allge meinen der elektromechanische Koeffizient beträchtlich vermindert im Vergleich mit demjenigen der Grundwelle. Folglich ist, selbst wenn ein Einzelschwingungsmodus erzielt wird, die Anwendung als ein piezoelektrischer Resonator begrenzt. Demge genüber weist der elektromechanische Koeffizient hinsichtlich der Scherschwin gung einen Wert auf, welcher demjenigen der vertikalen Schwingung entspricht, und ist nicht durch ein Poisson-Verhältnis begrenzt.

Allerdings wurden keine Experimente zum Einfangen von Energie von Scher schwingung unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik mit einer Perovskit- Schichtstruktur durchgeführt, in welcher die c-Achse vorzugsweise in einer Rich tung orientiert ist. Selbst wenn piezoelektrische Keramiken mit einer Perovskit- Schichtstruktur, wie CaBi₄Ti₄O₁₅ und PbBi₄Ti₄O₁₅, Hochtemperaturbeständigkeit und einen geringen Hochfrequenzverlust aufweisen, welche nicht bei herkömmlichen piezoelektrischen Materialien bereitgestellt wurden, wurde bislang kein piezo elektrischer Resonator für einen in einem Filter für die Kommunikation und in einem Taktgenerator eingesetzten Oszillator, welcher in der Praxis zum Einsatz kommen kann, hergestellt.

DE 44 03 949 A1 und US 5,121,024 beschreiben eine piezoelektrische Vorrichtung mit einem Substrat, das eine piezoelektrische Keramik umfaßt. Elektroden sind auf Hauptflächen des Substrates vorgesehen, die parallel zur Polarisationsrichtung aus gerichtet sind.

Demzufolge ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine piezoelektrische Vorrichtung mit einem elektromechanischen Koeffizienten (nicht weniger als 20%), die in der Praxis eingesetzt werden kann, durch einen Energie-Einfangeffekt unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramik mit einer Perovskit-Schichtstruktur, die mit Hochtemperaturbeständigkeit und einem geringen Hochfrequenzverlust ausges tattet ist, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird mit einer piezoelektrischen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Der Unteranspruch ist auf eine vorteilhafte Ausführungsform gerichtet.

Bei der obenstehend beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung wird das Substrat vorzugsweise aus einer piezoelektrischen Keramik unter Verwendung einer piezo elektrischen Keramikzusammensetzung gebildet, die hauptsächlich aus einer Kera mikzusammensetzung der Formel CaBi₄Ti₄O₁₅ aufgebaut ist.

Wenn die Elektroden auf dem Substrat, welches aus einer piezoelektrischen Keramik mit einer Perovskit-Schichtstruktur aufgebaut ist, ausgebildet werden und wenn die Richtung, in welcher eine Kristallachse in dem Substrat vorzugsweise in etwa ortho gonal zu der Richtung, in welcher das Substrat polarisiert ist, orientiert ist, und die Elektroden auf Oberflächen des Substrats ausgebildet werden, welche in etwa parallel zu der Richtung, in welcher die Kristallachse in dem Substrat vorzugsweise orientiert ist, verlaufen und in etwa parallel zu der Richtung, in welcher das Substrat polarisiert ist, verlaufen, kann man eine Vorrichtung mit überlegener Hochtempe raturbeständigkeit und geringem Hochfrequenzverlust erhalten. Ferner besitzt die so erhaltene Vorrichtung einen elektromechanischen Koeffizienten, welcher in der Praxis anwendbar ist.

Bei der obenstehend beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung kann eine überlegene Temperaturstabilität der Resonanzfrequenz erzielt werden, wenn die piezoelektrische Keramikzusammensetzung verwendet wird, die hauptsächlich aus einer Keramikzusammensetzung insbesondere der Formel CaBi₄Ti₄O₁₅ aufgebaut ist.

Die obenstehend beschriebenen Ziele, andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die Zeichnungen offensichtlich.

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel einer piezoelektrischen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

die Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht, die ein gebranntes Produkt zeigt, bei dem die c-Achse vorzugsweise orientiert ist;

die Fig. 2B bis 2D sind perspektivische Ansichten, die aus dem in Fig. 2A ge zeigten gebrannten Produkt ausgeschnittene Substrate zeigen; und

die Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein in dem Beispiel gebildetes, mit Elektroden versehenes Substrat zeigt.

Die Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Beispiel einer piezoelektri schen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine piezoelektrische Vorrichtung 10 umfaßt ein Substrat 12, beispielsweise in der Form eines rechtecki gen Parallelepipeds. Als Material für das Substrat 12 wird CaBi₄Ti₄O₁₅ oder derglei chen verwendet. Das Substrat 12 besitzt eine Perovskit-Schichtstruktur, in welcher die c-Achse vorzugsweise in Richtung der Breite des Substrats 12 orientiert ist, wie durch einen durchgezogenen Pfeil angezeigt. Ferner, wie durch einen gestrichelten Pfeil angezeigt, ist das Substrat 12 in dessen Längsrichtung polarisiert. Eine erste Elektrode 14 und eine zweite Elektrode 16 sind jeweils auf jeder der Hauptoberflä chen in Richtung der Dicke des Substrats 12 ausgebildet. Die erste Elektrode 14 ist von einem Ende in Längsrichtung zum Mittelteil des Substrats 12 gebildet. Die zweite Elektrode 16 ist von dem anderen Ende in Längsrichtung zum Mittelteil des Substrats 12 gebildet. Die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 16 liegen einander gegenüber in der Nähe des Mittelteils des Substrats 12. Demzufolge wer den die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 16 auf den Hauptoberflächen ausgebildet, welche parallel zu der Richtung, in welcher die c-Achse vorzugsweise orientiert ist (im Folgenden als die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung be zeichnet) verlaufen und welche parallel zu der Richtung, in welcher das Substrat polarisiert ist (im Folgenden als die Polarisierungsrichtung bezeichnet) verlaufen.

Bei der piezoelektrischen Vorrichtung 10 kann, da die bevorzugte c-Achsen- Orientierungsrichtung und die Polarisierungsrichtung sich orthogonal schneiden und die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 16 auf den Oberflächen parallel zu den beiden obenstehend beschriebenen Richtungen gebildet werden, ein Ein fangen von Energie der Scherschwingung bewerkstelligt werden, und es kann ein einzelner piezoelektrischer Schwingungsmodus ohne ungewünschte Schwingung erhalten werden. Ein elektromechanischer Koeffizient der piezoelektrischen Vor richtung 10 der vorliegenden Erfindung ist größer, und es kann eine überlegene Veränderungsrate der Resonanzfrequenz mit der Temperatur erhalten werden, verglichen mit dem Fall, in welchem die c-Achse in der das Substrat 12 bildenden piezoelektrischen Keramik nicht bevorzugt orientiert ist, oder in dem Fall, in wel chem das Verhältnis zwischen der bevorzugten c-Achsen-Orientierungsrichtung und der Polarisierungsrichtung oder das Verhältnis zwischen diesen obengenann ten Richtungen und den Elektroden sich von den obenstehend beschriebenen unterscheidet. Da außerdem das für die piezoelektrische Vorrichtung 10 verwendete Substrat aus einer piezoelektrischen Keramik mit einer Perovskit-Schichtstruktur, wie CaBi₄Ti₄O₁₅, aufgebaut ist, kann eine überlegene Hochtemperaturbeständig keit, ein geringer Hochfrequenzverlust und dergleichen erzielt werden.

Die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Polarisierungsrichtung können sich in etwa orthogonal zueinander schneiden, und wenn sie sich in Win keln schneiden, die um nicht mehr als 10° bezüglich des orthogonalen Punkts da zwischen abweichen, das heißt im Bereich von 80° bis 100°, können die Vorteile der vorliegenden Erfindung erhalten werden. Zudem können die erste Elektrode 14 und die zweite Elektrode 16 auf den Oberflächen in etwa parallel zu der bevorzug ten c-Achsen-Orientierungsrichtung und der Polarisierungsrichtung ausgebildet werden, und wenn die Elektroden in Winkeln von nicht mehr als 10° von den Ober flächen parallel zu diesen Richtungen geneigt sind, lassen sich die Vorteile der vor liegenden Erfindung erhalten.

Beispiel

Nachdem CaO, Bi₂O₃ und TiO₂ als Ausgangsmaterialien hergestellt worden waren und gemessen worden waren, um eine Zusammensetzung CaBi₄Ti₄O₁₅ zu bilden, wurden die Ausgangsmaterialien 4 Stunden lang unter Verwendung einer Kugel mühle nassgemischt, und es wurde eine Mischung erhalten. Nach dem Trocknen wurde die Mischung bei 900°C vorgebrannt und grob pulverisiert, und nach der Zu gabe einer geeigneten Menge eines organischen Bindemittels zu der Mischung wurde 4 Stunden lang eine Naßpulverisierung unter Verwendung einer Kugelmühle durchgeführt. Ein so hergestelltes Produkt wurde mit einem #40-Sieb zur Regulie rung der Teilchengröße hergestellt. Als nächstes wurde das Produkt bei einem Druck von 1000 kg/cm² unter Bildung eines Zylinders mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 10 mm geformt, der so gebildete Zylinder wurde bei 600°C wärmebehandelt, um so das organische Bindemittel zu entfernen, und es wurde auf diese Weise ein vorbehandeltes Produkt erhalten.

Während das vorbehandelte Produkt in Richtung von dessen Dicke bei einem Ge samtdruck von 1 Tonne durch monoaxiales Pressen gepreßt wurde, wurde das vorbehandelte Produkt bei 1200°C 2 Stunden lang gebrannt, und anschließend wurde eine gebranntes Produkt erhalten. Wenn das gebrannte Produkt durch Rönt genstrahlanalyse bewertet wurde, wurde nachgewiesen, daß das gebrannte Pro dukt, bei welchem die c-Achse davon, die vorzugsweise entlang der monoaxialen Preßrichtung orientiert war, erhalten wurde, wie durch einen Pfeil in Fig. 2A ange zeigt. Das gebrannte Produkt wurde durch drei untenstehend beschriebene unter schiedliche Verfahren rechteckig in Substrate geschnitten, die 10 mm lang, 2,5 mm breit und 0,25 mm dick waren. Wie in Fig. 2B gezeigt, wurde ein Substrat als Probe 1 ausgewiesen, bei welcher zwei Hauptoberflächen davon parallel zu der c-Achsen- Orientierungsrichtung (Richtung der Dicke des gebrannten Produkts) verliefen und die Längsrichtung orthogonal dazu verlief. Wie in Fig. 2C gezeigt, wurde ein Sub strat als Probe 2 ausgewiesen, bei welcher zwei Hauptoberflächen davon parallel zu der c-Achsen-Orientierungsrichtung verliefen und die Längsrichtung parallel da zu verlief. Außerdem, wie in Fig. 2D gezeigt, wurde ein Substrat als Probe 3 aus gewiesen, bei welcher zwei Hauptoberflächen davon orthogonal zu der c-Achsen- Orientierungsrichtung verliefen. In den Fig. 2B bis 2D geben durchgezogene Pfeile die c-Achsen-Orientierungsrichtung an.

Ferner wurde das vorbehandelte Produkt bei 1200°C 2 Stunden lang in der Luft gebrannt. Als das resultierende gebrannte Produkt durch Röntgenanalyse bewertet wurde, war keine Orientierung festzustellen. Das gebrannte Produkt wurde auch ähnlich den Proben 1 bis 3, die aus dem gebrannten Produkt mit der bevorzugten c-Achsen-Orientierung geschnitten wurden, rechteckig in Substrate geschnitten, die 10 mm lang, 2,5 mm breit und 0,25 mm dick waren. Ein Substrat wurde als Probe 4 ausgewiesen, bei welcher zwei Hauptoberflächen davon parallel zu der Richtung der Dicke des gebrannten Produkts verliefen und die Längsrichtung orthogonal da zu verlief. Ein Substrat wurde als Probe 5 ausgewiesen, in welcher zwei Haupto berflächen davon parallel zu der Richtung der Dicke des gebrannten Produkts ver liefen und die Längsrichtung parallel dazu verlief. Ein Substrat wurde als Probe 6 ausgewiesen, bei welcher zwei Hauptoberflächen davon orthogonal zu der Rich tung der Dicke des gebrannten Produkts verliefen.

Silberelektroden wurden auf den gesamten einander gegenüberliegenden Kanten flächen in Längsrichtung der Proben 1 bis 6 durch Beschichten einer Silberpaste unter anschließendem Brennen ausgebildet, und es wurde eine Polarisierung durchgeführt, in welcher Gleichstrom von 5 kV/mm an die Proben 1 Stunde lang in einem isolierenden Öl bei 200°C angelegt wurde. Folglich wurden die Substrate in deren Längsrichtungen polarisiert, das heißt, die Proben 1 bis 3 wurden in den durch gestrichelte Pfeile in den Fig. 2B bis 2D angegebenen Richtungen polari siert. Nach der Entfernung der Silberelektroden aus den Proben, wie in Fig. 3 ge zeigt, wurden Elektroden auf beiden Hauptflächen der Substrate ausgebildet. Eine 7,5 mm lange Elektrode wurde auf einer Hauptoberfläche des Substrats von einer Kante davon in Längsrichtung zu dessen Mittelteil hin ausgebildet. Zudem wurde eine 7,5 mm lange Elektrode auf der anderen Hauptoberfläche der Probe von einer Kante davon in Längsrichtung zu deren Mittelteil ausgebildet. Demzufolge lagen in einer Fläche von 5 mm Länge in Längsrichtung im Mittelteil der Probe zwei Elektro den einander gegenüber.

Piezoelektrische Vorrichtungen wurden durch Vorsehen von Elektroden, wie in Fig. 3 gezeigt, bei einzelnen Substraten der Proben 1 bis 6 gebildet, und die so aus den Proben 1, 2, 3, 4, 5 und 6 erhaltenen piezoelektrischen Vorrichtungen werden als die Proben a, b, c, d, e bzw. f bezeichnet. Die elektromechanischen Koeffizienten und Veränderungsraten der Resonanzfrequenz mit der Temperatur (fr - TC) von - 20°C bis 80°C wurden für die erhaltenen Proben a bis f gemessen, und die Resul tate sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Veränderungsrate der Resonanzfrequenz mit der Temperatur ist durch die nachstehende Gleichung angegeben: (fr - TC) = {(Re sonanzfrequenz bei 80°C) - (Resonanzfrequenz bei -20°C)}/{(Resonanzfrequenz bei 20°C) × 100}.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 zu ersehen ist, wurde für die Proben a und c bis f ein einzelner piezoelektrischer Schwingungsmodus ohne eine ungewünschte Schwingung er halten. Allerdings war für die Probe b die piezoelektrische Schwingung so schwach, daß die Messung nicht durchgeführt werden konnte. Was die Proben c bis f angeht, betrugen die elektromechanischen Koeffizienten K in etwa 5 bis 10%, und die Re sultate waren für die praktische Anwendung nicht ausreichend. Demgegenüber hatte die Probe einen elektromechanischen Koeffizienten K von 20% oder höher, und das erzielte Resultat war für die praktische Anwendung ausreichend. Zudem war hinsichtlich der Probe a der absolute Wert der Veränderungsrate der Reso nanzfrequenz mit der Temperatur merklich geringer im Vergleich zu denjenigen der Proben c bis f. Als piezoelektrische Resonatoren für in Filtern für die Kommunikati on und in Taktgeneratoren zum Einsatz kommende Oszillatoren ist ein kleiner ab soluter Wert der Veränderungsrate bei der Resonanzfrequenz mit der Temperatur bevorzugt. Von diesem Standpunkt betrachtet ist die Probe a den Proben c bis f überlegen.

Wie somit beschrieben wurde, wird bei einer Keramik mit einer Perovskit- Schichtstruktur, wenn die c-Achse vorzugsweise orientiert ist, eine Polarisation in einer Richtung orthogonal zu der bevorzugten c-Achsen-Orientierungsrichtung durchgeführt, und Elektroden werden auf Oberflächen parallel zu der bevorzugten c-Achsen-Orientierungsrichtung und zu der Polarisationsrichtung ausgebildet, kann das Einfangen von Energie der Scherschwingung bewerkstelligt werden und man kann einen einzelnen piezoelektrischen Schwingungsmodus ohne eine ungewünschte Schwingung erzielen. Ferner kann man einen größeren elektromechani schen Koeffizienten und eine überlegene Temperaturcharakteristik der Resonanz frequenz erzielen, verglichen mit dem Fall, in welchem die c-Achse nicht bevorzugt orientiert ist, und die obenstehend beschriebenen Bedingungen werden nicht erfüllt. Folglich besitzt die piezoelektrische Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ausrei chende Eigenschaften, um als piezoelektrischer Resonator für einen in Filtern für die Kommunikation und in Taktgeneratoren zum Einsatz kommenden Oszillator verwendet zu werden. Ferner sind die Form und die Größe der Elektroden nicht auf die in Fig. 3 gezeigten beschränkt. Wenn die optionale Form und Größe der Elek troden, die zur Bewerkstelligung des Einfangens von Energie durch Scherschwin gung fähig sind, verwendet werden, lassen sich die obenstehend beschriebenen Vorteile feststellen.

Außerdem wurden elektromechanische Koeffizienten und Veränderungsraten der Resonanzfrequenz mit der Temperatur (fr - TC) für Proben mit Winkeln von 90°, 80°, 70°, die durch die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Polari sierungsrichtung gebildet wurden, gemessen. Zudem wurden bezüglich der oben stehend beschriebenen Proben die elektromechanischen Koeffizienten und Verän derungsraten der Resonanzfrequenz mit der Temperatur ebenfalls in dem Fall ge messen, in welchem die durch die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Elektroden gebildeten Winkel 0° (parallel), 10° und 20° waren, die durch die Polarisierungsrichtung und die Elektroden gebildeten Winkel 0° (parallel), 10° und 20° und eine Kombination hieraus waren. Die Resultate sind in Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

Wie anhand von Tabelle 2 zu sehen ist, betrug dann, wenn eine Probe durch die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Polarisierungsrichtung gebil dete Winkel von 90° und 80°, durch die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Elektroden gebildete Winkel von 0° und 10° und durch die Polarisierungs richtung und die Elektroden gebildete Winkel von 0° und 10° aufwies, der elektro mechanische Koeffizient 20% oder mehr, und die Veränderungsrate der Reso nanzfrequenz mit der Temperatur war ebenfalls niedrig. Demgegenüber waren die elektromechanischen Koeffizienten von anderen Proben niedriger als 20%. Wie obenstehend beschrieben, wurde ein hoher elektromechanischer Koeffizient und eine niedrige Veränderungsrate der Resonanzfrequenz mit der Temperatur erhal ten, wenn der durch die bevorzugte c-Achsen-Orientierungsrichtung und die Pola risierungsrichtung gebildete Winkel nicht größer als 10° bezüglich des orthogona len Punktes dazwischen betrug und wenn die Elektroden in Winkeln von nicht mehr als 10° zu der bevorzugten c-Achsen-Orientierungsrichtung und in Winkeln von nicht mehr als 10° zu der Polarisierungsrichtung geneigt sind.

Als ein Material für das Substrat werden piezoelektrische Keramiken, die haupt sächlich aus Verbindungen mit Perovskit-Schichtstrukturen mit einer kennzeich nenden Anisotropie in der c-Achsenrichtung aufgebaut sind, in effektiver Weise eingesetzt. Dies sind zusätzlich zu CaBi₄Ti₄O₁₅ beispielsweise Bi₃TiNbO₉, Bi₄Ti₃O₁₂, PbBi₃Ti₂NbO₁₂, BaBi₃Ti₂NbO₁₂, SrBi₃Ti₂NbO₁₂, CaBi₃Ti₂NbO₁₂, PbBi₄Ti₄O₁₅, SrBi₄Ti₄O₁₅, BaBi₄Ti₄O₁₅, Na_0,5Bi_4,5Ti₅O₁₅, K_0,5Bi_4,5Ti₅O₁₅, Sr₂Bi₄Ti₅O₁₈, Ba₂Bi₄Ti₅O₁₈, Pb₂Bi₄Ti₅O₁₈, Ca₂Bi₄Ti₅O₁₈, Bi₆Ti₃WO₁₈, Bi₇Ti₄NbO₂₁ und Bi₁₀Ti₃W₃O₃₀.

Da jedoch CaBi₄Ti₄O₁₅ eine spezifisch hohe Curie-Temperatur (ungefähr 790°C) und eine überlegene Temperaturstabilität unter den Verbindungen mit Perovskit- Schichtstrukturen aufweist, ist es besonders wirksam, eine piezoelektrische Vor richtung unter Verwendung von CaBi₄Ti₄O₁₅ herzustellen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann unter Anwendung eines Energie- Einfangeffekts der Scherschwingung eine piezoelektrische Vorrichtung als ein effektiver piezoelektrischer Resonator für einen in einem Filter für die Kommunikation und in einem Taktgenerator zum Einsatz kommenden Oszillator erhalten werden. Zudem besitzt die piezoelektrische Vorrichtung einen elektromechanischen Koeffi zienten, welcher in der Praxis zur Anwendung kommen kann, und besitzt Merkma le, wie Hochtemperaturbeständigkeit und einen geringen Hochfrequenzverlust auf weist, die bei piezoelektrischen Keramiken mit einer Perovskit-Schichtstruktur vor gesehen sind. Außerdem kann durch die Verwendung von CaBi₄Ti₄O₁₅ als Material für piezoelektrische Keramiken die piezoelektrische Vorrichtung mit einer niedrigen Veränderungsrate der Resonanzfrequenz mit der Temperatur erhalten werden.

Claims

1. Piezoelektrische Vorrichtung mit
einem Substrat (12) umfassend eine piezoelektrische Keramik mit einer Perovskit-Schichtstruktur, wobei eine Kristallachse vorzugsweise in einer Richtung orientiert ist und das Substrat (12) etwa orthogonal zu der Richtung der vorzugsweise orientierten Kristallachse polarisiert ist, und
auf solchen Oberflächen des Substrates gebildeten Elektroden (14, 16), die in etwa parallel zur Orientierungsrichtung dieser Kristallachse und in etwa parallel zur Polarisationsrichtung des Substrates (12) sind.

2. Piezoelektrische Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat (12) aus einer piezoelektrischen Keramik unter Verwendung einer piezoelektrischen Keramikzusammensetzung gebildet ist, welche hauptsächlich aus einer Keramik zusammensetzung der Formel CaBi₄Ti₄O₁₅ zusammengesetzt ist.