JP2001057449A - 薄板圧電素子並びにそれを用いた圧電振動子及び圧電発音体 - Google Patents
薄板圧電素子並びにそれを用いた圧電振動子及び圧電発音体Info
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- H10N30/80—Constructional details
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明の目的は、圧電素子を応用した製品に
おける圧電特性の向上と同時に従来と同等またはそれ以
上の信頼性を実現することである。 【解決手段】 本発明は、誘電率４０００以上の圧電材
料１を用い、かつ圧電素子の膜厚が２００μｍ以下の薄
板圧電素子において、第１の電極２及び第２の電極３に
スパッタ法又は蒸着法などにより形成した金属膜を用い
これを還元雰囲気において熱処理することを特徴とす
る。
おける圧電特性の向上と同時に従来と同等またはそれ以
上の信頼性を実現することである。 【解決手段】 本発明は、誘電率４０００以上の圧電材
料１を用い、かつ圧電素子の膜厚が２００μｍ以下の薄
板圧電素子において、第１の電極２及び第２の電極３に
スパッタ法又は蒸着法などにより形成した金属膜を用い
これを還元雰囲気において熱処理することを特徴とす
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、携帯用電話、コン
ピュータ等の発音源あるいは圧電振動子に用いられる圧
電素子に関する。
ピュータ等の発音源あるいは圧電振動子に用いられる圧
電素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、圧電材料を用いた圧電スピーカ、
レシーバあるいはマイクは、携帯電話やコンピュータの
音声入出力装置として見直されてきている。特に携帯用
として小型化、高感度化した圧電振動子への要望が強く
なっている。このとき問題となるのが、１）圧電特性、
２）信頼性、といったことである。そのため、ペロブス
カイト構造を有する酸化物強誘電体のセラミックスに着
眼した新材料の探索と添加物による改善が多数行われて
いる。
レシーバあるいはマイクは、携帯電話やコンピュータの
音声入出力装置として見直されてきている。特に携帯用
として小型化、高感度化した圧電振動子への要望が強く
なっている。このとき問題となるのが、１）圧電特性、
２）信頼性、といったことである。そのため、ペロブス
カイト構造を有する酸化物強誘電体のセラミックスに着
眼した新材料の探索と添加物による改善が多数行われて
いる。
【０００３】また、圧電素子の変位量を大きくすること
を目的として、圧電材料の電極間距離を短くする。すな
わち、圧電材料を薄くすることによりデバイスとしての
性能を向上する手法も検討されている。例えば、１００
μｍ以下の薄板素子の焼成方法や、薄板素子用に材料の
グレインサイズを制御するなどの開発である。
を目的として、圧電材料の電極間距離を短くする。すな
わち、圧電材料を薄くすることによりデバイスとしての
性能を向上する手法も検討されている。例えば、１００
μｍ以下の薄板素子の焼成方法や、薄板素子用に材料の
グレインサイズを制御するなどの開発である。
【０００４】上記の高圧電材料開発と素子の薄板化を両
立する場合に、従来から圧電素子に用いられている銀ペ
ーストによる焼付け銀電極が特性に悪い影響を与える。
焼付け電極は、その成分として誘電率１０以下のガラス
成分を含んでいるが、圧電素子が２００μｍ以下のよう
な薄板化が進むと電極内のガラス成分のもつ低い誘電率
の影響が無視できなくなる。さらに、近年開発されてい
る高圧電材料は誘電率が４０００以上と高くなっている
ため、電極に含まれるガラス成分の影響を従来の材料以
上に大きく受けることとなり、材料が本来有する誘電率
と圧電素子とした場合の誘電率を比較した場合、１０％
以上も誘電率が低下してしまうことが明確になってき
た。
立する場合に、従来から圧電素子に用いられている銀ペ
ーストによる焼付け銀電極が特性に悪い影響を与える。
焼付け電極は、その成分として誘電率１０以下のガラス
成分を含んでいるが、圧電素子が２００μｍ以下のよう
な薄板化が進むと電極内のガラス成分のもつ低い誘電率
の影響が無視できなくなる。さらに、近年開発されてい
る高圧電材料は誘電率が４０００以上と高くなっている
ため、電極に含まれるガラス成分の影響を従来の材料以
上に大きく受けることとなり、材料が本来有する誘電率
と圧電素子とした場合の誘電率を比較した場合、１０％
以上も誘電率が低下してしまうことが明確になってき
た。
【０００５】従来から材料そのものの圧電特性の評価を
行う場合に、スパッタ法や蒸着法などによる金属電極を
使用することはあったが、電極の接着力が焼付け銀電極
と比較すると極端に弱く、熱衝撃試験、落下試験などの
接着強度を要因とする信頼性の課題があって実際のデバ
イスに用いられることはなかった。
行う場合に、スパッタ法や蒸着法などによる金属電極を
使用することはあったが、電極の接着力が焼付け銀電極
と比較すると極端に弱く、熱衝撃試験、落下試験などの
接着強度を要因とする信頼性の課題があって実際のデバ
イスに用いられることはなかった。
【０００６】このようにデバイスの小型化、高感度化を
目的とした圧電素子の特性向上や圧電材料の薄膜化の検
討において、圧電素子の高感度化とデバイスの高信頼性
を両立するという要望に応えられなくなってきている現
状がある。
目的とした圧電素子の特性向上や圧電材料の薄膜化の検
討において、圧電素子の高感度化とデバイスの高信頼性
を両立するという要望に応えられなくなってきている現
状がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】近年、圧電素子を応用
した製品における圧電特性の向上の要望は強く材料の性
能を十分引き出さなければならなくなってきている。こ
れら素子特性向上と同時に従来と同等またはそれ以上の
信頼性をデバイス設計から要望されている。
した製品における圧電特性の向上の要望は強く材料の性
能を十分引き出さなければならなくなってきている。こ
れら素子特性向上と同時に従来と同等またはそれ以上の
信頼性をデバイス設計から要望されている。
【０００８】この発明の第１の目的は、圧電材料の特性
を十分に引き出す手段としてスパッタ法、蒸着法を用い
た金属電極を使用することである。
を十分に引き出す手段としてスパッタ法、蒸着法を用い
た金属電極を使用することである。
【０００９】さらに第２の目的は、上記金属電極を用い
た場合の電極の接着力に起因する信頼性の課題を解決し
実際のデバイスに使用可能な電極を実現することであ
る。
た場合の電極の接着力に起因する信頼性の課題を解決し
実際のデバイスに使用可能な電極を実現することであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、誘電率４０００以上の圧電材料を用いかつ
圧電素子の膜厚が２００μｍ以下の薄板圧電素子におい
て電極にスパッタ法または蒸着法などを使用した金属電
極を用いたことを特徴とする。また電極の接着強度の改
善方法として、熱処理を行う、下地電極を設けることを
特徴とする。これにより、相境界近傍の狭い領域の高誘
電率、高圧電定数を有する強誘電体酸化物を使用し素子
を薄板化する場合に、より良好な特性を持つデバイスの
実現が可能となり、かつデバイスの信頼性の向上が容易
に可能となる。
に本発明は、誘電率４０００以上の圧電材料を用いかつ
圧電素子の膜厚が２００μｍ以下の薄板圧電素子におい
て電極にスパッタ法または蒸着法などを使用した金属電
極を用いたことを特徴とする。また電極の接着強度の改
善方法として、熱処理を行う、下地電極を設けることを
特徴とする。これにより、相境界近傍の狭い領域の高誘
電率、高圧電定数を有する強誘電体酸化物を使用し素子
を薄板化する場合に、より良好な特性を持つデバイスの
実現が可能となり、かつデバイスの信頼性の向上が容易
に可能となる。
【００１１】熱処理を還元雰囲気で行うことで金属電極
の酸化を防止し、デバイスの信頼性を向上することがで
きる。
の酸化を防止し、デバイスの信頼性を向上することがで
きる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の発明は、
一対の電極と、誘電率４０００以上の強誘電体複合酸化
物を含む圧電材料を有する薄板圧電素子であって、前記
電極が金属からなることを特徴とする薄板圧電素子であ
り、圧電素子の特性が向上するものである。
一対の電極と、誘電率４０００以上の強誘電体複合酸化
物を含む圧電材料を有する薄板圧電素子であって、前記
電極が金属からなることを特徴とする薄板圧電素子であ
り、圧電素子の特性が向上するものである。
【００１３】請求項２記載の発明は、薄板圧電素子の厚
さが２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記
載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上するも
のである。
さが２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記
載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上するも
のである。
【００１４】請求項３記載の発明は、電極が、スパッタ
法、蒸着法又はＣＶＤ法により形成されることを特徴と
する請求項１又は２記載の薄板圧電素子であり、圧電素
子の特性が向上するものである。
法、蒸着法又はＣＶＤ法により形成されることを特徴と
する請求項１又は２記載の薄板圧電素子であり、圧電素
子の特性が向上するものである。
【００１５】請求項４記載の発明は、電極に２００℃以
上の熱処理を行うことを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が
向上し、かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度
変化に対する信頼性が向上するものである。
上の熱処理を行うことを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が
向上し、かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度
変化に対する信頼性が向上するものである。
【００１６】請求項５記載の発明は、熱処理を還元雰囲
気で行うことを特徴とする請求項４記載の薄板圧電素子
であり、金属電極の酸化による変色を防止し、デバイス
化の際の接着強度を向上するものである。
気で行うことを特徴とする請求項４記載の薄板圧電素子
であり、金属電極の酸化による変色を防止し、デバイス
化の際の接着強度を向上するものである。
【００１７】請求項６記載の発明は、電極が、少なくと
も２層以上の積層構造をもつことを特徴とする請求項１
ないし５のいずれか記載の薄板圧電素子であり、圧電素
子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上し、素子の
急激な温度変化に対する信頼性が向上するものである。
も２層以上の積層構造をもつことを特徴とする請求項１
ないし５のいずれか記載の薄板圧電素子であり、圧電素
子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上し、素子の
急激な温度変化に対する信頼性が向上するものである。
【００１８】請求項７記載の発明は、積層構造をもつ電
極のうち圧電材料と接する層がクロム、チタン又はニッ
ケルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項６
記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上し、
かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対
する信頼性が向上するものである。
極のうち圧電材料と接する層がクロム、チタン又はニッ
ケルの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項６
記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上し、
かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対
する信頼性が向上するものである。
【００１９】請求項８記載の発明は、圧電材料と接する
層の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求
項７記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上
し、かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化
に対する信頼性が向上するものである。
層の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求
項７記載の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上
し、かつ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化
に対する信頼性が向上するものである。
【００２０】請求項９記載の発明は、電極の膜厚が圧電
材料の膜厚に対して１／５以下であることを特徴とする
請求項１ないし８のいずれか記載の薄板圧電素子であ
り、圧電素子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上
し、素子の急激な温度変化に対する信頼性が向上するも
のである。
材料の膜厚に対して１／５以下であることを特徴とする
請求項１ないし８のいずれか記載の薄板圧電素子であ
り、圧電素子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上
し、素子の急激な温度変化に対する信頼性が向上するも
のである。
【００２１】請求項１０記載の発明は、電極を形成する
際に、圧電材料を２００℃以上に加熱しながら電極形成
することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか記載
の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上し、かつ
電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対する
信頼性が向上するものである。
際に、圧電材料を２００℃以上に加熱しながら電極形成
することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか記載
の薄板圧電素子であり、圧電素子の特性が向上し、かつ
電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対する
信頼性が向上するものである。
【００２２】請求項１１記載の発明は、請求項１ないし
１０のいずれか記載の薄板圧電素子を用いたことを特徴
とする圧電振動子であり、圧電素子の特性が向上し、か
つ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対す
る信頼性が向上するものである。
１０のいずれか記載の薄板圧電素子を用いたことを特徴
とする圧電振動子であり、圧電素子の特性が向上し、か
つ電極の接着性が向上し、素子の急激な温度変化に対す
る信頼性が向上するものである。
【００２３】請求項１２記載の発明は、請求項１１記載
の圧電振動子を用いたことを特徴とする圧電発音体であ
り、圧電素子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上
し、素子の急激な温度変化に対する信頼性が向上するも
のである。
の圧電振動子を用いたことを特徴とする圧電発音体であ
り、圧電素子の特性が向上し、かつ電極の接着性が向上
し、素子の急激な温度変化に対する信頼性が向上するも
のである。
【００２４】
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００２５】図１はこの発明の実施例における薄板圧電
素子の概略図である。薄板状の圧電材料１に対して電圧
を印加するための第１の電極２及び第２の電極３で構成
されている。
素子の概略図である。薄板状の圧電材料１に対して電圧
を印加するための第１の電極２及び第２の電極３で構成
されている。
【００２６】（実施例１）圧電材料として、ｘＰｂＴｉ
Ｏ3−ｙＰｂＺｒＯ3−（1-x-y）Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎ
ｂ2/3）Ｏ3で示される材料を使用して実験を行った。本
材料は、ジャーナル・オブ・セラミック・ソサイエテ
ィ、４８巻、１２号、６３０頁〜６３５頁（J. America
n Ceramic Society Vol.48, No.12, p630〜p635）に掲
載されている。１−ｘ−ｙをｚで表すと、この材料は
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（0.4375，0.125，0.4375）で示され
る３重点付近で大きな圧電特性をもつ圧電材料であり、
（ｘ，ｙ，ｚ）の組成を変えることで様々な特性の圧電
材料を得ることが可能である。
Ｏ3−ｙＰｂＺｒＯ3−（1-x-y）Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎ
ｂ2/3）Ｏ3で示される材料を使用して実験を行った。本
材料は、ジャーナル・オブ・セラミック・ソサイエテ
ィ、４８巻、１２号、６３０頁〜６３５頁（J. America
n Ceramic Society Vol.48, No.12, p630〜p635）に掲
載されている。１−ｘ−ｙをｚで表すと、この材料は
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（0.4375，0.125，0.4375）で示され
る３重点付近で大きな圧電特性をもつ圧電材料であり、
（ｘ，ｙ，ｚ）の組成を変えることで様々な特性の圧電
材料を得ることが可能である。
【００２７】これら組成のうち、３重点付近の誘電率が
４０００を示す材料（材料Ａとする）の仮焼成粉末を作
製した。
４０００を示す材料（材料Ａとする）の仮焼成粉末を作
製した。
【００２８】この仮焼成粉末１００ｇとポリビニルブチ
ラール７ｇとジブチルフタル酸３ｇを、酢酸ブチル４０
ｇ、ブチルセルソルブ１０ｇの混合溶剤中に投入し、ボ
ールミルにて４８ｈ攪拌を行いスリップを作製した。こ
のスリップを用いてドクターコート法によりグリーンシ
ートを作製した。
ラール７ｇとジブチルフタル酸３ｇを、酢酸ブチル４０
ｇ、ブチルセルソルブ１０ｇの混合溶剤中に投入し、ボ
ールミルにて４８ｈ攪拌を行いスリップを作製した。こ
のスリップを用いてドクターコート法によりグリーンシ
ートを作製した。
【００２９】比較例として、ｘ，ｙ，ｚの組成を変えて
誘電率が２０００である材料（材料Ｂとする）の仮焼成
粉末を作製し、同様にグリーンシートを作製した。
誘電率が２０００である材料（材料Ｂとする）の仮焼成
粉末を作製し、同様にグリーンシートを作製した。
【００３０】材料Ａ，材料Ｂそれぞれのシートを所定の
大きさに打ち抜き、焼成後φ１０ｍｍ、膜厚７０μｍに
なるように薄板圧電素子を焼成した。
大きさに打ち抜き、焼成後φ１０ｍｍ、膜厚７０μｍに
なるように薄板圧電素子を焼成した。
【００３１】次に、電極として銀スパッタ電極を薄板圧
電素子の両面に膜厚２μｍになるようにスパッタし、分
極、特性評価（Ｋｐ、誘電率）を行った。電極の比較例
として、焼付け銀電極（昭栄化学製、Ｈ４５１０）を焼
付け後２μｍになるように薄板圧電素子の両面につけ、
同様の分極、特性評価を行った。その結果を（表１）に
示す。
電素子の両面に膜厚２μｍになるようにスパッタし、分
極、特性評価（Ｋｐ、誘電率）を行った。電極の比較例
として、焼付け銀電極（昭栄化学製、Ｈ４５１０）を焼
付け後２μｍになるように薄板圧電素子の両面につけ、
同様の分極、特性評価を行った。その結果を（表１）に
示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】（表１)において、Ｋｐは電気機械結合係
数を示し、εは誘電率を示す。
数を示し、εは誘電率を示す。
【００３４】（表１）より、焼付け銀電極より銀スパッ
タ電極の方が電極を含む素子としての圧電定数がよいこ
とがわかる。また誘電率４０００の材料Ａの方が、この
効果は大きいことがわかった。
タ電極の方が電極を含む素子としての圧電定数がよいこ
とがわかる。また誘電率４０００の材料Ａの方が、この
効果は大きいことがわかった。
【００３５】この効果は焼付け銀中に含まれるガラスフ
リットの影響によるものである。例えば、ガラスの誘電
率をεglass、圧電材料の誘電率をεA、電極面積をＳ、
素子の膜厚をｄ、真空の誘電率をε0とすると、銀スパ
ッタ電極を用いた場合の容量Ｃは下記の式で表される。
リットの影響によるものである。例えば、ガラスの誘電
率をεglass、圧電材料の誘電率をεA、電極面積をＳ、
素子の膜厚をｄ、真空の誘電率をε0とすると、銀スパ
ッタ電極を用いた場合の容量Ｃは下記の式で表される。
【００３６】
【数１】
【００３７】これに対して焼付け銀を用いた場合の容量
Ｃ'は、素子表面のガラス成分が電極を含む見かけの容
量に含まれるため、下記の式で表される。
Ｃ'は、素子表面のガラス成分が電極を含む見かけの容
量に含まれるため、下記の式で表される。
【００３８】
【数２】
【００３９】この時ガラス成分の膜厚を仮にｄglassと
した。式中、εAは高圧電特性の材料で４０００以上、
εglassは通常３〜４であるから、εA／εglass＝１０
００とおくことができる。ｄglass／ｄが十分小さいと
きは、ガラス成分の影響が無視できるがｄすなわち素子
の厚みが薄くなってくるとガラスの影響によって電極を
含む見かけの誘電率が悪くなってしまう。また、この式
から、通常の材料のようなεAが小さい材料Ｂの場合に
は、これらガラスの影響が小さくなるため、焼付け銀電
極を用いてもまったく問題がないことは明らかである。
した。式中、εAは高圧電特性の材料で４０００以上、
εglassは通常３〜４であるから、εA／εglass＝１０
００とおくことができる。ｄglass／ｄが十分小さいと
きは、ガラス成分の影響が無視できるがｄすなわち素子
の厚みが薄くなってくるとガラスの影響によって電極を
含む見かけの誘電率が悪くなってしまう。また、この式
から、通常の材料のようなεAが小さい材料Ｂの場合に
は、これらガラスの影響が小さくなるため、焼付け銀電
極を用いてもまったく問題がないことは明らかである。
【００４０】ついで、この構成の素子を用いて圧電振動
子を作製し圧電発音体として、音圧特性を比較したとこ
ろ、材料Ａの場合、焼付け銀電極を用いた場合より１Ｖ
入力で１００Ｈｚの音圧が５ｄＢ以上向上した。
子を作製し圧電発音体として、音圧特性を比較したとこ
ろ、材料Ａの場合、焼付け銀電極を用いた場合より１Ｖ
入力で１００Ｈｚの音圧が５ｄＢ以上向上した。
【００４１】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００４２】（実施例２）第１の実施例で作製した材料
Ａのシートを用い、素子膜厚４０μｍ、φ１０ｍｍの素
子を焼成した。また、スパッタ電極の膜厚を１００ｎｍ
から１５μｍまで変えて素子を作製し、分極、特性評価
を行った。
Ａのシートを用い、素子膜厚４０μｍ、φ１０ｍｍの素
子を焼成した。また、スパッタ電極の膜厚を１００ｎｍ
から１５μｍまで変えて素子を作製し、分極、特性評価
を行った。
【００４３】
【表２】
【００４４】（表２)において、Ｋｐは電気機械結合係
数を示し、εは誘電率を示す。
数を示し、εは誘電率を示す。
【００４５】（表２）より、銀スパッタ電極を用いた場
合の径方向電気機械結合係数の電極膜厚依存性をわか
る。電極の膜厚を変えると圧電定数が変化し電極の膜厚
がある値以上になると特性が劣化することがわかる。
合の径方向電気機械結合係数の電極膜厚依存性をわか
る。電極の膜厚を変えると圧電定数が変化し電極の膜厚
がある値以上になると特性が劣化することがわかる。
【００４６】電極が厚くなると素子の膜厚に対して、電
極の厚み、重量が無視できなくなり、圧電定数が悪くな
ることがわかる。素子の膜厚が４０μｍの場合、電極が
８μｍ以上になると電極の影響が無視できなくなり、圧
電特性が低下することがわかる。つまり、電極の膜厚が
素子の１／５以下であれば、良好な特性が得られた。
極の厚み、重量が無視できなくなり、圧電定数が悪くな
ることがわかる。素子の膜厚が４０μｍの場合、電極が
８μｍ以上になると電極の影響が無視できなくなり、圧
電特性が低下することがわかる。つまり、電極の膜厚が
素子の１／５以下であれば、良好な特性が得られた。
【００４７】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００４８】（実施例３）材料Ａを用いて第２の実施例
と同様の薄板圧電素子を作製し、分極評価を行う前に３
００℃０．５ｈの熱処理を行った。熱処理後、薄板圧電
素子の分極を行い圧電振動子として、圧電発音体を作製
し同様の熱衝撃試験を行った。熱処理を行った素子、行
わなかった素子、それぞれによる圧電発音体の熱衝撃試
験前後の特性について（表３）に示す。
と同様の薄板圧電素子を作製し、分極評価を行う前に３
００℃０．５ｈの熱処理を行った。熱処理後、薄板圧電
素子の分極を行い圧電振動子として、圧電発音体を作製
し同様の熱衝撃試験を行った。熱処理を行った素子、行
わなかった素子、それぞれによる圧電発音体の熱衝撃試
験前後の特性について（表３）に示す。
【００４９】
【表３】
【００５０】（表３）より、熱処理を行うことで容易に
所望の接着強度を得ることが可能であり、熱衝撃試験前
後の特性劣化を防止できることがわかった。
所望の接着強度を得ることが可能であり、熱衝撃試験前
後の特性劣化を防止できることがわかった。
【００５１】同様の実験を熱処理の温度を変化させて行
った結果、２００℃以上の熱処理で効果があることがわ
かった。
った結果、２００℃以上の熱処理で効果があることがわ
かった。
【００５２】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００５３】（実施例４）材料Ａを用いて第２の実施例
と同様の薄板素子を焼成した。続いて、電極として銀単
独で１μｍの素子、クロム３０ｎｍ、銀９００ｎｍの積
層電極の素子をそれぞれスパッタ法により形成し、薄板
圧電素子の分極を行い圧電振動子として、圧電発音体を
作製し同様の熱衝撃試験を行った。結果を（表４）に示
す。
と同様の薄板素子を焼成した。続いて、電極として銀単
独で１μｍの素子、クロム３０ｎｍ、銀９００ｎｍの積
層電極の素子をそれぞれスパッタ法により形成し、薄板
圧電素子の分極を行い圧電振動子として、圧電発音体を
作製し同様の熱衝撃試験を行った。結果を（表４）に示
す。
【００５４】
【表４】
【００５５】（表４）より、クロムの下地電極を設ける
ことで、所望の接着強度を得ることが可能であり、熱衝
撃試験前後の特性劣化を防止できることがわかった。
ことで、所望の接着強度を得ることが可能であり、熱衝
撃試験前後の特性劣化を防止できることがわかった。
【００５６】また、電極の総膜厚が１μｍになるように
して、クロムの膜厚を変えて電極を形成したが、クロム
の電極が１００ｎｍ以上になるとＫｐが悪くなる。これ
は銀とクロムの弾性定数の違いによるものである。クロ
ムは銀と比較して弾性定数が大きく、硬い金属材料であ
るため膜厚を厚くすると圧電素子の振動を阻害してしま
う。このため接着強度の改善は容易だが良好な特性を得
るためには、クロムの膜厚を１００ｎｍ以下にする必要
がある。
して、クロムの膜厚を変えて電極を形成したが、クロム
の電極が１００ｎｍ以上になるとＫｐが悪くなる。これ
は銀とクロムの弾性定数の違いによるものである。クロ
ムは銀と比較して弾性定数が大きく、硬い金属材料であ
るため膜厚を厚くすると圧電素子の振動を阻害してしま
う。このため接着強度の改善は容易だが良好な特性を得
るためには、クロムの膜厚を１００ｎｍ以下にする必要
がある。
【００５７】クロム以外の金属でも、チタン、ニッケル
を用いた場合に同様の接着強度の向上が確認された。
を用いた場合に同様の接着強度の向上が確認された。
【００５８】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００５９】（実施例５）材料Ａを用いて第２の実施例
と同様の圧電素子を焼成した。蒸着法により１μｍの銀
電極を形成した。この時、電極形成の際に２５０℃に素
子を加熱しながら、電極の形成を行った。この薄板圧電
素子を分極し、圧電振動子として圧電発音体を作製し同
様の熱衝撃試験を行った。
と同様の圧電素子を焼成した。蒸着法により１μｍの銀
電極を形成した。この時、電極形成の際に２５０℃に素
子を加熱しながら、電極の形成を行った。この薄板圧電
素子を分極し、圧電振動子として圧電発音体を作製し同
様の熱衝撃試験を行った。
【００６０】素子を加熱しながら電極形成を行った素子
は、熱衝撃試験での劣化はまったくなかった。電極形成
の際に加熱処理をおこなうことで、電極形成後に熱処理
を行うのと同等の効果が得られた。
は、熱衝撃試験での劣化はまったくなかった。電極形成
の際に加熱処理をおこなうことで、電極形成後に熱処理
を行うのと同等の効果が得られた。
【００６１】同様の実験を熱処理の温度を変化させて行
った結果、２００℃以上の熱処理で効果があることがわ
かった。
った結果、２００℃以上の熱処理で効果があることがわ
かった。
【００６２】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００６３】（実施例６）以下、熱処理を還元雰囲気で
行った場合についての実施例を、比較例を用いて説明す
る。
行った場合についての実施例を、比較例を用いて説明す
る。
【００６４】圧電材料として、ｘＰｂＴｉＯ3−ｙＰｂ
ＺｒＯ3−（1-x-y）Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3で示さ
れる材料を使用して実験を行った。本材料は、ジャーナ
ル・オブ・セラミック・ソサイエティ、４８巻、１２
号、６３０頁〜６３５頁（J. American Ceramic Societ
y Vol.48, No.12, p630〜p635）に掲載されている。１
−ｘ−ｙをｚで表すと、この材料は（ｘ，ｙ，ｚ）＝
（0.4375，0.125，0.4375）で示される３重点付近で大
きな圧電特性をもつ圧電材料であり、（ｘ，ｙ，ｚ）の
組成を変えることで様々な特性の圧電材料を得ることが
可能である。
ＺｒＯ3−（1-x-y）Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3で示さ
れる材料を使用して実験を行った。本材料は、ジャーナ
ル・オブ・セラミック・ソサイエティ、４８巻、１２
号、６３０頁〜６３５頁（J. American Ceramic Societ
y Vol.48, No.12, p630〜p635）に掲載されている。１
−ｘ−ｙをｚで表すと、この材料は（ｘ，ｙ，ｚ）＝
（0.4375，0.125，0.4375）で示される３重点付近で大
きな圧電特性をもつ圧電材料であり、（ｘ，ｙ，ｚ）の
組成を変えることで様々な特性の圧電材料を得ることが
可能である。
【００６５】これら組成のうち、３重点付近の誘電率が
４０００を示す材料（材料Ａとする）の仮焼成粉末を作
製した。
４０００を示す材料（材料Ａとする）の仮焼成粉末を作
製した。
【００６６】この仮焼成粉末１００ｇとポリビニルブチ
ラール７ｇとジブチルフタル酸３ｇを、酢酸ブチル４０
ｇ、ブチルセルソルブ１０ｇの混合溶剤中に投入し、ボ
ールミルにて４８ｈ攪拌を行いスリップを作製した。こ
のスリップを用いてドクターコート法によりグリーンシ
ートを作製した。
ラール７ｇとジブチルフタル酸３ｇを、酢酸ブチル４０
ｇ、ブチルセルソルブ１０ｇの混合溶剤中に投入し、ボ
ールミルにて４８ｈ攪拌を行いスリップを作製した。こ
のスリップを用いてドクターコート法によりグリーンシ
ートを作製した。
【００６７】材料Ａのグリーンシートを所定の大きさに
打ち抜き、焼成後φ１０ｍｍ、膜厚５０μｍになるよう
に薄板圧電素子を焼成した。
打ち抜き、焼成後φ１０ｍｍ、膜厚５０μｍになるよう
に薄板圧電素子を焼成した。
【００６８】次に、電極として銀スパッタ電極を薄板圧
電素子の両面に膜厚２μｍになるようにスパッタし、分
極、特性評価（Ｋｐ、誘電率）を行った。
電素子の両面に膜厚２μｍになるようにスパッタし、分
極、特性評価（Ｋｐ、誘電率）を行った。
【００６９】さらにこれらの素子を、圧電振動子として
金属からなる振動板に接着剤により貼り付け、図２に示
すような圧電発音体を作製した。図２において２１は圧
電材料、２２は金属電極を示し、圧電振動子は、これら
圧電材料２１及び金属電極２２からなる。
金属からなる振動板に接着剤により貼り付け、図２に示
すような圧電発音体を作製した。図２において２１は圧
電材料、２２は金属電極を示し、圧電振動子は、これら
圧電材料２１及び金属電極２２からなる。
【００７０】また、２３は接着剤、２４は振動板、２５
は共鳴筐体、２６は発音孔を示す。
は共鳴筐体、２６は発音孔を示す。
【００７１】この圧電発音体の初期音圧を測定した後、
−４０℃、＋８５℃、１００サイクルの熱衝撃試験を行
い、熱衝撃試験後の音圧を測定した。
−４０℃、＋８５℃、１００サイクルの熱衝撃試験を行
い、熱衝撃試験後の音圧を測定した。
【００７２】次に上記と同様に薄板圧電素子を作製し、
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を大気中
で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い圧電振
動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の熱衝撃
試験による信頼性試験を実施した。
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を大気中
で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い圧電振
動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の熱衝撃
試験による信頼性試験を実施した。
【００７３】次に上記と同様に薄板圧電素子を作製し、
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を窒素雰
囲気中で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い
圧電振動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の
熱衝撃試験による信頼性試験を実施した。
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を窒素雰
囲気中で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い
圧電振動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の
熱衝撃試験による信頼性試験を実施した。
【００７４】次に上記と同様に薄板圧電素子を作製し、
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を真空雰
囲気中で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い
圧電振動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の
熱衝撃試験による信頼性試験を実施した。
分極評価を行う前に３００℃０．５ｈの熱処理を真空雰
囲気中で行った。熱処理後、薄板圧電素子の分極を行い
圧電振動子として、圧電発音体を作製し、上記と同様の
熱衝撃試験による信頼性試験を実施した。
【００７５】以上の結果を（表５）にまとめて示す。
【００７６】
【表５】
【００７７】（表５）より、金属電極に熱処理を行うこ
とで熱衝撃試験前後の特性劣化を防止できることがわか
った。
とで熱衝撃試験前後の特性劣化を防止できることがわか
った。
【００７８】また、熱処理を還元雰囲気で行うことで、
金属電極の酸化による変色を防止することが容易に可能
であることがわかる。
金属電極の酸化による変色を防止することが容易に可能
であることがわかる。
【００７９】（表５）において、金属の酸化により変色
した電極を用いた圧電発音体は、熱衝撃試験前後の特性
劣化がおきやすい。劣化した圧電発音体を解析したとこ
ろ、圧電特性の劣化によるものではなく図２のなかで、
圧電振動子と振動板２４とのはがれによるものとわかっ
た。すなわち酸化した金属電極２２は振動板２４との接
着強度が弱くなっており熱衝撃試験により一部がはく離
してしまう。
した電極を用いた圧電発音体は、熱衝撃試験前後の特性
劣化がおきやすい。劣化した圧電発音体を解析したとこ
ろ、圧電特性の劣化によるものではなく図２のなかで、
圧電振動子と振動板２４とのはがれによるものとわかっ
た。すなわち酸化した金属電極２２は振動板２４との接
着強度が弱くなっており熱衝撃試験により一部がはく離
してしまう。
【００８０】（表５）に示すように、窒素雰囲気や真空
のような還元雰囲気で熱処理を行った場合は、電極の変
色を防止するだけでなくデバイス化する際の接着強度に
対しても効果があり、高い信頼性が得られることがわか
った。
のような還元雰囲気で熱処理を行った場合は、電極の変
色を防止するだけでなくデバイス化する際の接着強度に
対しても効果があり、高い信頼性が得られることがわか
った。
【００８１】同様の実験を熱処理の温度、雰囲気を変化
させて行った結果、２００℃以上の熱処理でも同様の結
果が得られた。また、水素ガスやアルゴンガスを用いた
場合でも同様の効果があることがわかった。
させて行った結果、２００℃以上の熱処理でも同様の結
果が得られた。また、水素ガスやアルゴンガスを用いた
場合でも同様の効果があることがわかった。
【００８２】なお、本実施例では、電極をスパッタ法で
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
成膜したが、蒸着法及びCVD法でも、同様の効果が得ら
れた。
【００８３】本発明は上記各実施例に記述した金属材
料、熱処理条件（雰囲気、温度、時間など）に限定され
るものではない。また、本発明は、圧電発音体だけでな
く、より小型化薄板化が要望される電子部品のすべてに
応用が可能である。たとえば、素子を積層して用いるデ
バイス（加速度検出器用、セラミックフィルタの圧電素
子など）の場合でも、誘電率４０００以上の高圧電材料
を用い一層の膜厚が２００μｍ以下となる場合には同様
の効果が得られることはいうまでもない。
料、熱処理条件（雰囲気、温度、時間など）に限定され
るものではない。また、本発明は、圧電発音体だけでな
く、より小型化薄板化が要望される電子部品のすべてに
応用が可能である。たとえば、素子を積層して用いるデ
バイス（加速度検出器用、セラミックフィルタの圧電素
子など）の場合でも、誘電率４０００以上の高圧電材料
を用い一層の膜厚が２００μｍ以下となる場合には同様
の効果が得られることはいうまでもない。
【００８４】
【発明の効果】本発明によれば、誘電率４０００以上の
強誘電体複合酸化物を用い２００μｍ以下の薄板圧電素
子の電極として、蒸着法またはスパッタ法により電極を
形成することで、圧電素子の特性が大きく向上する。ま
た、電極の接着強度については、電極材料に熱処理を施
すことで、電極の接着性が向上し、素子およびデバイス
の急激な温度変化に対する信頼性が大きく向上する。ま
た、この熱処理を行う際に、還元雰囲気で熱処理を行う
ことで、金属電極の酸化を防止するとともに圧電振動子
をデバイス化する場合の接着強度をさらに向上すること
ができる。また、電極構成を積層にし下地電極としてク
ロム、チタン、ニッケルなどを設けることでも同様の信
頼性向上の効果を得ることが可能であり、小型化、信頼
性の向上、特性の向上といったデバイスの要望を容易に
満たすことが可能となる。
強誘電体複合酸化物を用い２００μｍ以下の薄板圧電素
子の電極として、蒸着法またはスパッタ法により電極を
形成することで、圧電素子の特性が大きく向上する。ま
た、電極の接着強度については、電極材料に熱処理を施
すことで、電極の接着性が向上し、素子およびデバイス
の急激な温度変化に対する信頼性が大きく向上する。ま
た、この熱処理を行う際に、還元雰囲気で熱処理を行う
ことで、金属電極の酸化を防止するとともに圧電振動子
をデバイス化する場合の接着強度をさらに向上すること
ができる。また、電極構成を積層にし下地電極としてク
ロム、チタン、ニッケルなどを設けることでも同様の信
頼性向上の効果を得ることが可能であり、小型化、信頼
性の向上、特性の向上といったデバイスの要望を容易に
満たすことが可能となる。
【図１】本発明第１の実施例における圧電素子の断面図
【図２】本発明第６の実施例における圧電発音体の概念
図
図
１ 圧電材料 ２ 第１の電極 ３ 第２の電極 ２１ 圧電材料 ２２ 金属電極 ２３ 接着剤 ２４ 振動板 ２５ 共鳴筐体 ２６ 発音孔
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） // Ｃ２３Ｃ 14/08 Ｃ０４Ｂ 35/49 Ｒ (72)発明者 武子 太司 神奈川県横浜市港北区綱島東４丁目３番１ 号 松下通信工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G030 AA07 AA16 AA17 AA20 AA40 BA10 CA08 GA20 4G031 AA03 AA11 AA12 AA14 AA32 BA10 CA08 GA06 4K029 BA04 CA05 GA01 5D004 AA01 AA07 AA13 BB01 BB04 CC01 DD01 DD03 FF04 FF06 GG00 5J108 AA08 BB08 CC02 FF04 FF05 KK01 KK02
Claims (12)
- 【請求項１】 一対の電極と、誘電率４０００以上の強
誘電体複合酸化物を含む圧電材料を有する薄板圧電素子
であって、前記電極が金属からなることを特徴とする薄
板圧電素子。 - 【請求項２】 薄板圧電素子の厚さが２００μｍ以下で
あることを特徴とする請求項１記載の薄板圧電素子。 - 【請求項３】 電極が、スパッタ法、蒸着法又はＣＶＤ
法により形成されることを特徴とする請求項１又は２記
載の薄板圧電素子。 - 【請求項４】 電極に２００℃以上の熱処理を行うこと
を特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載の薄板圧
電素子。 - 【請求項５】 熱処理を還元雰囲気で行うことを特徴と
する請求項４記載の薄板圧電素子。 - 【請求項６】 電極が、少なくとも２層以上の積層構造
をもつことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか記
載の薄板圧電素子。 - 【請求項７】 積層構造をもつ電極のうち圧電材料と接
する層がクロム、チタン又はニッケルの少なくとも一つ
を含むことを特徴とする請求項６記載の薄板圧電素子。 - 【請求項８】 圧電材料と接する層の膜厚が１００ｎｍ
以下であることを特徴とする請求項７記載の薄板圧電素
子。 - 【請求項９】 電極の膜厚が圧電材料の膜厚に対して１
／５以下であることを特徴とする請求項１ないし８のい
ずれか記載の薄板圧電素子。 - 【請求項１０】 電極を形成する際に、圧電材料を２０
０℃以上に加熱しながら電極形成することを特徴とする
請求項１ないし９のいずれか記載の薄板圧電素子。 - 【請求項１１】 請求項１ないし１０のいずれか記載の
薄板圧電素子を用いたことを特徴とする圧電振動子。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の圧電振動子を用いた
ことを特徴とする圧電発音体。
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