JP2001097771A - 圧電磁器材料およびこれを用いた表面波装置 - Google Patents
圧電磁器材料およびこれを用いた表面波装置Info
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 非常に低損失で、かつ、耐微細加工性に優れ
た圧電磁器材料を提供する。 【解決手段】 圧電磁器材料は、金属元素として少なく
ともＰｂ、Ｍｎ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒを含む。これら
の元素のモル比による主成分の組成式を、Ｐｂx ｛（Ｍ
ｎa Ｎｂb ）y Ｔｉz Ｚｒ(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場
合、ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂが０．９５≦ｘ≦０．９９５、
０．０５５≦ｙ≦０．１０、０．４０≦ｚ≦０．５５、
２．０１≦ｂ／ａ≦２．４０、ａ＋ｂ＝１の条件を満足
す。また、焼結体の平均粒径が２μｍ以下である。
た圧電磁器材料を提供する。 【解決手段】 圧電磁器材料は、金属元素として少なく
ともＰｂ、Ｍｎ、Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒを含む。これら
の元素のモル比による主成分の組成式を、Ｐｂx ｛（Ｍ
ｎa Ｎｂb ）y Ｔｉz Ｚｒ(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場
合、ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂが０．９５≦ｘ≦０．９９５、
０．０５５≦ｙ≦０．１０、０．４０≦ｚ≦０．５５、
２．０１≦ｂ／ａ≦２．４０、ａ＋ｂ＝１の条件を満足
す。また、焼結体の平均粒径が２μｍ以下である。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は圧電磁器材料およ
びこれを用いた表面波装置に関し、高周波用のフィルタ
および発振子などに用いられ、特に表面波装置に用いら
れる低損失の圧電磁器材料およびそれを用いた表面波装
置に関する。
びこれを用いた表面波装置に関し、高周波用のフィルタ
および発振子などに用いられ、特に表面波装置に用いら
れる低損失の圧電磁器材料およびそれを用いた表面波装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電磁器材料を用いたフィルタおよび発
振子などは、各種通信機器、ＡＶ機器をはじめ様々な製
品に使用されている。近年、圧電磁器材料を用いたフィ
ルタおよび発振子の応用範囲は高周波化してきており、
バルク波を用いたものでは、すべり振動や厚み３倍波振
動などの応用により、数十ＭＨｚ程度までは実現可能と
なっている。また、バルク波を用いたものでは、フィル
タおよび発振子の作製が難しい６０ＭＨｚ程度以上の周
波数においては、表面波を用いたフィルタおよび発振子
が使用されている。
振子などは、各種通信機器、ＡＶ機器をはじめ様々な製
品に使用されている。近年、圧電磁器材料を用いたフィ
ルタおよび発振子の応用範囲は高周波化してきており、
バルク波を用いたものでは、すべり振動や厚み３倍波振
動などの応用により、数十ＭＨｚ程度までは実現可能と
なっている。また、バルク波を用いたものでは、フィル
タおよび発振子の作製が難しい６０ＭＨｚ程度以上の周
波数においては、表面波を用いたフィルタおよび発振子
が使用されている。
【０００３】表面波を用いたフィルタおよび発振子など
の表面波装置は、圧電性を有する基板上に、多数の電極
指を有する一対以上の櫛形電極を、その電極指が互いに
交差するように配置し、その電極に電気信号を供給する
ことにより、表面波を励振し、伝播するものである。表
面波装置に用いられる表面波は、レイリー波が最も一般
的であるが、ＢＧＳ波（Bleustein-Gulyaev-Shimizu wa
veまたは圧電表面すべり波）、ラブ波などでは、進行方
向に垂直な方向でかつ基板の表面に平行な方向の成分の
みをもつ横波に相当するＳＨ波（horizontally-polariz
ed shear wave) も応用されている。これらの表面波装
置の共振周波数や電気的および機械的特性は、他の圧電
装置と同様に、使用される圧電性基板の材質、特性に大
きく影響されるとともに、電極指が交差する櫛形電極の
構造とによってほぼ決定される。よって、圧電性基板の
特性を改善することは、表面波装置の特性を改善するた
めに有効な技術である。
の表面波装置は、圧電性を有する基板上に、多数の電極
指を有する一対以上の櫛形電極を、その電極指が互いに
交差するように配置し、その電極に電気信号を供給する
ことにより、表面波を励振し、伝播するものである。表
面波装置に用いられる表面波は、レイリー波が最も一般
的であるが、ＢＧＳ波（Bleustein-Gulyaev-Shimizu wa
veまたは圧電表面すべり波）、ラブ波などでは、進行方
向に垂直な方向でかつ基板の表面に平行な方向の成分の
みをもつ横波に相当するＳＨ波（horizontally-polariz
ed shear wave) も応用されている。これらの表面波装
置の共振周波数や電気的および機械的特性は、他の圧電
装置と同様に、使用される圧電性基板の材質、特性に大
きく影響されるとともに、電極指が交差する櫛形電極の
構造とによってほぼ決定される。よって、圧電性基板の
特性を改善することは、表面波装置の特性を改善するた
めに有効な技術である。
【０００４】上述の表面波装置に圧電磁器材料を用いた
例としては、たとえば、特開平５−１４５３６８号、特
開平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号お
よび特開平５−１８３３７６号などに開示され、表面波
装置に使用する際に必要な材料特性が検討されている。
また、その後、この表面波装置の特性を圧電磁器材料組
成の面から改善する種々の方法が、たとえば、特開平５
−２７５９６７号、特開平５−３２７３９７号、特開平
８−３１０８６２号および特開平９−９３０７８号など
に開示されている。
例としては、たとえば、特開平５−１４５３６８号、特
開平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号お
よび特開平５−１８３３７６号などに開示され、表面波
装置に使用する際に必要な材料特性が検討されている。
また、その後、この表面波装置の特性を圧電磁器材料組
成の面から改善する種々の方法が、たとえば、特開平５
−２７５９６７号、特開平５−３２７３９７号、特開平
８−３１０８６２号および特開平９−９３０７８号など
に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】圧電性基板として圧電
磁器材料を用いた表面波装置では、高周波数領域での損
失が大きいという問題があった。このため、８０ＭＨｚ
程度以上の表面波装置には、主に単結晶材料（ＬｉＮｂ
Ｏ3 、ＬｉＴａＯ3 、水晶など）が用いられている。単
結晶材料と比較すると、圧電磁器材料は損失が大きく、
その原因として、機械的品質係数Ｑｍが小さいこと、微
細加工時に表面が劣化すること（耐微細加工性が劣るこ
と）、ポアが多いことなどが挙げられる。また、ＳＨ波
を用いた表面波装置では、図２に示すように端面の反射
を利用するものもあり、この場合、表面波を反射する端
面の状態も損失に影響する。よって、用いられる圧電磁
器材料において表面波を反射する端面の耐微細加工性が
劣ることも損失が大きい理由の一つと考えられる。これ
らの圧電磁器材料を用いた表面波装置が有する課題を解
決する手法として、前述の特開平５−１４５３６８号、
特開平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号
および特開平５−１８３３７６号などでは、必要な材料
特性の検討を行っており、また、特開平５−２７５９６
７号、特開平５−３２７３９７号、特開平８−３１０８
６２号および特開平９−９３０７８号などでは、圧電磁
器材料の低損失化や熱安定性の改善を行っている。しか
しながら、これらの改善では、８０ＭＨｚ以上の表面波
装置を構成した場合、特開平５−１４５３６８号、特開
平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号、特
開平５−１８３３７６号、特開平５−２７５９６７号お
よび特開平５−３２７３９７号では、表面波装置の反共
振抵抗（Ｚａ）と共振抵抗（Ｚｒ）との比（Ｚａ／Ｚ
ｒ）が８０ＭＨｚ程度では急激に劣化してしまうため、
実用は困難であった。また、特開平８−３１０８６２号
および特開平９−９３０７８号では、狭帯域フィルタを
構成するためには電気機械結合係数ｋBGS が大きく、か
つ、Ｚａ／Ｚｒが８０ＭＨｚ以上ではまだ不十分であ
り、実用上問題が残されていた。圧電磁器材料によるＺ
ａ／Ｚｒの劣化要因としては、特に圧電磁器材料の焼結
体の緻密性（ポア）、高周波での分極安定性および耐微
細加工性などが劣ることが問題であった。
磁器材料を用いた表面波装置では、高周波数領域での損
失が大きいという問題があった。このため、８０ＭＨｚ
程度以上の表面波装置には、主に単結晶材料（ＬｉＮｂ
Ｏ3 、ＬｉＴａＯ3 、水晶など）が用いられている。単
結晶材料と比較すると、圧電磁器材料は損失が大きく、
その原因として、機械的品質係数Ｑｍが小さいこと、微
細加工時に表面が劣化すること（耐微細加工性が劣るこ
と）、ポアが多いことなどが挙げられる。また、ＳＨ波
を用いた表面波装置では、図２に示すように端面の反射
を利用するものもあり、この場合、表面波を反射する端
面の状態も損失に影響する。よって、用いられる圧電磁
器材料において表面波を反射する端面の耐微細加工性が
劣ることも損失が大きい理由の一つと考えられる。これ
らの圧電磁器材料を用いた表面波装置が有する課題を解
決する手法として、前述の特開平５−１４５３６８号、
特開平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号
および特開平５−１８３３７６号などでは、必要な材料
特性の検討を行っており、また、特開平５−２７５９６
７号、特開平５−３２７３９７号、特開平８−３１０８
６２号および特開平９−９３０７８号などでは、圧電磁
器材料の低損失化や熱安定性の改善を行っている。しか
しながら、これらの改善では、８０ＭＨｚ以上の表面波
装置を構成した場合、特開平５−１４５３６８号、特開
平５−１４５３６９号、特開平５−１４５３７０号、特
開平５−１８３３７６号、特開平５−２７５９６７号お
よび特開平５−３２７３９７号では、表面波装置の反共
振抵抗（Ｚａ）と共振抵抗（Ｚｒ）との比（Ｚａ／Ｚ
ｒ）が８０ＭＨｚ程度では急激に劣化してしまうため、
実用は困難であった。また、特開平８−３１０８６２号
および特開平９−９３０７８号では、狭帯域フィルタを
構成するためには電気機械結合係数ｋBGS が大きく、か
つ、Ｚａ／Ｚｒが８０ＭＨｚ以上ではまだ不十分であ
り、実用上問題が残されていた。圧電磁器材料によるＺ
ａ／Ｚｒの劣化要因としては、特に圧電磁器材料の焼結
体の緻密性（ポア）、高周波での分極安定性および耐微
細加工性などが劣ることが問題であった。
【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、非
常に低損失で、かつ、耐微細加工性に優れた圧電磁器材
料およびこれを用いた表面波装置を提供することであ
る。
常に低損失で、かつ、耐微細加工性に優れた圧電磁器材
料およびこれを用いた表面波装置を提供することであ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる圧電磁
器材料は、金属元素として少なくともＰｂ、Ｍｎ、Ｎ
ｂ、ＴｉおよびＺｒを含み、これらの元素のモル比によ
る主成分の組成式を、Ｐｂx ｛（Ｍｎa Ｎｂb ）y Ｔｉ
z Ｚｒ(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場合、ｘ，ｙ，ｚ，ａ，
ｂが０．９５≦ｘ≦０．９９５、０．０５５≦ｙ≦０．
１０、０．４０≦ｚ≦０．５５、２．０１≦ｂ／ａ≦
２．４０、ａ＋ｂ＝１の条件を満足し、かつ、焼結体の
平均粒径が２μｍ以下であることを特徴とする、圧電磁
器材料である。この発明にかかる圧電磁器材料では、主
成分に対し、副成分としてＳｉＯ2 を０．０５ｗｔ％以
下含有することが好ましい。また、この発明にかかる圧
電磁器材料では、ｚが０．４７≦ｚ≦０．５５で、か
つ、結晶系が正方晶系であることが好ましい。さらに、
この発明にかかる圧電磁器材料では、Ｐｂの５ｍｏｌ％
までをＳｒ、ＢａまたはＣａで置換してもよい。また、
この発明にかかる表面波装置は、この発明にかかる圧電
磁器材料を用いて構成される。
器材料は、金属元素として少なくともＰｂ、Ｍｎ、Ｎ
ｂ、ＴｉおよびＺｒを含み、これらの元素のモル比によ
る主成分の組成式を、Ｐｂx ｛（Ｍｎa Ｎｂb ）y Ｔｉ
z Ｚｒ(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場合、ｘ，ｙ，ｚ，ａ，
ｂが０．９５≦ｘ≦０．９９５、０．０５５≦ｙ≦０．
１０、０．４０≦ｚ≦０．５５、２．０１≦ｂ／ａ≦
２．４０、ａ＋ｂ＝１の条件を満足し、かつ、焼結体の
平均粒径が２μｍ以下であることを特徴とする、圧電磁
器材料である。この発明にかかる圧電磁器材料では、主
成分に対し、副成分としてＳｉＯ2 を０．０５ｗｔ％以
下含有することが好ましい。また、この発明にかかる圧
電磁器材料では、ｚが０．４７≦ｚ≦０．５５で、か
つ、結晶系が正方晶系であることが好ましい。さらに、
この発明にかかる圧電磁器材料では、Ｐｂの５ｍｏｌ％
までをＳｒ、ＢａまたはＣａで置換してもよい。また、
この発明にかかる表面波装置は、この発明にかかる圧電
磁器材料を用いて構成される。
【０００８】Ｐｂ｛（Ｍｎ1/3 Ｎｂ2/3 ）ＴｉＺｒ｝Ｏ
3 系材料は、「圧電セラミック材料、ｐ１２８」（学献
社、１９７３）にも記載されているように、ＰＺＴ系圧
電磁器材料の中でも最も低損失な材料のひとつである。
この系の焼結体の平均粒径を極めて小さくするために、
本発明ではＮｂとＭｎのモル比を公知の組成式よりＮｂ
過剰の組成にすることにより、顕著な微粒化および緻密
化と高周波数領域での低損失化とが可能な圧電磁器材料
が得られることを見出した。また、Ｐｂ量を化学量論組
成より減じることにより、Ｐｂ2 Ｎｂ2 Ｏ7 パイロクロ
ア相などの異相が焼結体に残存せず、これにより圧電磁
器材料のさらなる低損失化を達成している。さらに、圧
電磁器材料の結晶系が正方晶系を有する組成とすること
で抗電界がさらに向上し、分極の安定性が増し、高周波
数領域でのより一層の低損失化がはかれる。また、副成
分であるＳｉＯ2 の含有量を主成分に対し０．０５ｗｔ
％以下とすることで、破壊モードが粒界破壊または粒界
／粒内の混在破壊となり、加工時の圧電磁器材料の重大
な破損を防ぐことができる。また、この発明にかかる圧
電磁器材料を表面波装置に用いた場合、微粒であるため
に耐微細加工性にも優れ、特にその焼結体の平均粒径が
２μｍ以下とすることにより、高周波数領域での損失を
大幅に低減できる。
3 系材料は、「圧電セラミック材料、ｐ１２８」（学献
社、１９７３）にも記載されているように、ＰＺＴ系圧
電磁器材料の中でも最も低損失な材料のひとつである。
この系の焼結体の平均粒径を極めて小さくするために、
本発明ではＮｂとＭｎのモル比を公知の組成式よりＮｂ
過剰の組成にすることにより、顕著な微粒化および緻密
化と高周波数領域での低損失化とが可能な圧電磁器材料
が得られることを見出した。また、Ｐｂ量を化学量論組
成より減じることにより、Ｐｂ2 Ｎｂ2 Ｏ7 パイロクロ
ア相などの異相が焼結体に残存せず、これにより圧電磁
器材料のさらなる低損失化を達成している。さらに、圧
電磁器材料の結晶系が正方晶系を有する組成とすること
で抗電界がさらに向上し、分極の安定性が増し、高周波
数領域でのより一層の低損失化がはかれる。また、副成
分であるＳｉＯ2 の含有量を主成分に対し０．０５ｗｔ
％以下とすることで、破壊モードが粒界破壊または粒界
／粒内の混在破壊となり、加工時の圧電磁器材料の重大
な破損を防ぐことができる。また、この発明にかかる圧
電磁器材料を表面波装置に用いた場合、微粒であるため
に耐微細加工性にも優れ、特にその焼結体の平均粒径が
２μｍ以下とすることにより、高周波数領域での損失を
大幅に低減できる。
【０００９】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。
【００１０】
【発明の実施の形態】（実施例）実施例における試料の
作製工程および評価工程を図１にまとめた。以下にその
詳細を述べる。
作製工程および評価工程を図１にまとめた。以下にその
詳細を述べる。
【００１１】まず、素原料としてＰｂ3 Ｏ4 、Ｚｒ
Ｏ2 、ＴｉＯ2 、ＭｎＣＯ3 、Ｎｂ2 Ｏ 5 およびＳｉＯ
2 を表１の組成比の圧電磁器組成物が得られるようにそ
れぞれ秤量し、それらをそれぞれ４〜３２時間ボールミ
ルで混合・粉砕した。この混合物を脱水し、乾燥して、
８５０〜１０００℃の温度で２時間仮焼した後、得られ
た粉末にバインダー、分散剤および消泡剤を３〜１０重
量％加えて、ボールミルで８〜１６時間混合・粉砕して
スラリーを作製し、鋳込み成形法によって縦横が約６０
ｍｍ×６０ｍｍで、厚さが０．８〜１．５ｍｍの成形体
を作製した。この成形体を１１００〜１２５０℃で１〜
３時間焼成し焼結体を得た。この焼結体の密度および粒
径をアルキメデス法およびインターセプト法で評価した
後、この焼成体に＃８００〜＃８０００の研磨を施して
鏡面研磨し、素子の総厚みが約０．６〜０．８ｍｍの圧
電磁器基板を得た。
Ｏ2 、ＴｉＯ2 、ＭｎＣＯ3 、Ｎｂ2 Ｏ 5 およびＳｉＯ
2 を表１の組成比の圧電磁器組成物が得られるようにそ
れぞれ秤量し、それらをそれぞれ４〜３２時間ボールミ
ルで混合・粉砕した。この混合物を脱水し、乾燥して、
８５０〜１０００℃の温度で２時間仮焼した後、得られ
た粉末にバインダー、分散剤および消泡剤を３〜１０重
量％加えて、ボールミルで８〜１６時間混合・粉砕して
スラリーを作製し、鋳込み成形法によって縦横が約６０
ｍｍ×６０ｍｍで、厚さが０．８〜１．５ｍｍの成形体
を作製した。この成形体を１１００〜１２５０℃で１〜
３時間焼成し焼結体を得た。この焼結体の密度および粒
径をアルキメデス法およびインターセプト法で評価した
後、この焼成体に＃８００〜＃８０００の研磨を施して
鏡面研磨し、素子の総厚みが約０．６〜０．８ｍｍの圧
電磁器基板を得た。
【００１２】表１は、本実施例で用いた圧電磁器材料の
組成を、一般式Ｐｂx ｛（Ｍｎa Ｎｂb ）y Ｔｉz Ｚｒ
(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場合のｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ、Ｓ
ｉＯ 2 量および結晶系をまとめた表である。なお、ａ＋
ｂ＝１である。
組成を、一般式Ｐｂx ｛（Ｍｎa Ｎｂb ）y Ｔｉz Ｚｒ
(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場合のｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ、Ｓ
ｉＯ 2 量および結晶系をまとめた表である。なお、ａ＋
ｂ＝１である。
【表１】 注）＊印の試料Ｎｏ．は比較例であり、本願発明の範囲
外である。備考1)はｘをＳｒ，Ｂａ，Ｃａで置換した場
合の置換量を示す。この場合、ｘは（ｘ）表示とし、
（ｘ）は置換したＳｒ，Ｂａ，Ｃａを含む量である。
外である。備考1)はｘをＳｒ，Ｂａ，Ｃａで置換した場
合の置換量を示す。この場合、ｘは（ｘ）表示とし、
（ｘ）は置換したＳｒ，Ｂａ，Ｃａを含む量である。
【００１３】この圧電磁器基板の両主面にＣｕ／Ａｇ蒸
着電極で分極用電極をストライプ状に形成し、分極方向
が基板の表面と平行な方向となるように分極処理を施し
た。分極条件は６０〜１２０℃のオイル中で２．０〜
３．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０〜６０分印加した。その
後、このＣｕ／Ａｇ蒸着電極をエッチング液にて除去
し、分極済みの圧電磁器基板を得た。
着電極で分極用電極をストライプ状に形成し、分極方向
が基板の表面と平行な方向となるように分極処理を施し
た。分極条件は６０〜１２０℃のオイル中で２．０〜
３．０ｋＶ／ｍｍの電界を３０〜６０分印加した。その
後、このＣｕ／Ａｇ蒸着電極をエッチング液にて除去
し、分極済みの圧電磁器基板を得た。
【００１４】そして、電極指が交差する櫛形電極の形成
は、従来と同様の工程で、上記の圧電磁器基板の片主面
にスパッタ蒸着法によりＡｌ電極膜を形成し、フォトリ
ソグラフィ技術を用いてパターニングした。このパター
ニング済みの圧電磁器基板を所望の大きさにカットする
ことにより、図２に示すような表面波素子を得た。
は、従来と同様の工程で、上記の圧電磁器基板の片主面
にスパッタ蒸着法によりＡｌ電極膜を形成し、フォトリ
ソグラフィ技術を用いてパターニングした。このパター
ニング済みの圧電磁器基板を所望の大きさにカットする
ことにより、図２に示すような表面波素子を得た。
【００１５】この表面波素子を端子付き治具に固定し、
表面波素子と端子とをワイヤーで結合し、ＢＧＳ波（Ｓ
Ｈ波）を用いた表面波装置を得た。このような手順で約
４０ＭＨｚ、約８０ＭＨｚ、約１２０ＭＨｚ（一部約１
６０ＭＨｚを含む）の共振周波数を有する表面波装置を
表１の各材料について作製した後、表面波装置の特性を
ネットワークアナライザで評価した。評価項目は、反共
振抵抗（Ｚａ）と共振抵抗（Ｚｒ）との比Ｚａ／Ｚｒ、
ＢＧＳ波の電気機械結合係数ｋBGS である。その結果を
密度および粒径の評価結果とともに表２にまとめる。ま
た、代表的な実施例については、図３のグラフに共振周
波数とＺａ／Ｚｒの関係を示し、図４に表面波素子の表
面の状態を示す。
表面波素子と端子とをワイヤーで結合し、ＢＧＳ波（Ｓ
Ｈ波）を用いた表面波装置を得た。このような手順で約
４０ＭＨｚ、約８０ＭＨｚ、約１２０ＭＨｚ（一部約１
６０ＭＨｚを含む）の共振周波数を有する表面波装置を
表１の各材料について作製した後、表面波装置の特性を
ネットワークアナライザで評価した。評価項目は、反共
振抵抗（Ｚａ）と共振抵抗（Ｚｒ）との比Ｚａ／Ｚｒ、
ＢＧＳ波の電気機械結合係数ｋBGS である。その結果を
密度および粒径の評価結果とともに表２にまとめる。ま
た、代表的な実施例については、図３のグラフに共振周
波数とＺａ／Ｚｒの関係を示し、図４に表面波素子の表
面の状態を示す。
【００１６】表２は、表１の圧電磁器材料の焼結密度、
平均粒径およびその圧電磁器材料を用いて構成した表面
波装置の特性をまとめた表である。
平均粒径およびその圧電磁器材料を用いて構成した表面
波装置の特性をまとめた表である。
【表２】 注） ＊印の試料Ｎｏ．は比較例であり、本願発明の範囲外で
ある。参考2)はバルク厚みすべり振動（約２ＭＨｚ）の
Ｚａ／Ｚｒを示したもので参考値である。
ある。参考2)はバルク厚みすべり振動（約２ＭＨｚ）の
Ｚａ／Ｚｒを示したもので参考値である。
【００１７】実際に表面波フィルタ、発振子を構成する
場合は、たとえば本実施例の表面波装置の特性のような
簡易的な表面波装置の特性をもとに、表面波素子の形状
や櫛電極の構造、その組み合わせなどにより、設計を最
適化するわけであるが、たとえば本実施例の表面波装置
の特性をもとにフィルタを設計する場合、Ｚａ／Ｚｒが
４０ｄＢ以上であると実用上問題なく、望ましくは４５
ｄＢ以上あれば良好なフィルタ特性が得られる。また狭
帯域の用途では、ｋBGS が３５％以下であることが好ま
しい。
場合は、たとえば本実施例の表面波装置の特性のような
簡易的な表面波装置の特性をもとに、表面波素子の形状
や櫛電極の構造、その組み合わせなどにより、設計を最
適化するわけであるが、たとえば本実施例の表面波装置
の特性をもとにフィルタを設計する場合、Ｚａ／Ｚｒが
４０ｄＢ以上であると実用上問題なく、望ましくは４５
ｄＢ以上あれば良好なフィルタ特性が得られる。また狭
帯域の用途では、ｋBGS が３５％以下であることが好ま
しい。
【００１８】上記の観点から表２の特に８０ＭＨｚ〜１
２０ＭＨｚの高周波数領域の表面波装置特性をもとに、
本発明の範囲を限定した理由を以下に述べる。
２０ＭＨｚの高周波数領域の表面波装置特性をもとに、
本発明の範囲を限定した理由を以下に述べる。
【００１９】まず、ｘを０．９５≦ｘ≦０．９９５に限
定した理由は、ｘ＜０．９５、ｘ＞０．９９５では、試
料Ｎｏ．６および試料Ｎｏ．１のように、１２０ＭＨｚ
でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり好ましくない。試
料Ｎｏ．６では焼結密度が低下していること、試料Ｎ
ｏ．１ではＰｂ2 Ｎｂ2 Ｏ7 パイロクロア相などの異相
が焼結体に残存していることが損失原因となっていると
考えられる。また、良好なフィルタ特性を得るために
は、試料Ｎｏ．２〜試料Ｎｏ．４で８０ＭＨｚでのＺａ
／Ｚｒが４５ｄＢとなっているように、ｘ＝０．９６５
〜０．９９５が特に好ましい。
定した理由は、ｘ＜０．９５、ｘ＞０．９９５では、試
料Ｎｏ．６および試料Ｎｏ．１のように、１２０ＭＨｚ
でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり好ましくない。試
料Ｎｏ．６では焼結密度が低下していること、試料Ｎ
ｏ．１ではＰｂ2 Ｎｂ2 Ｏ7 パイロクロア相などの異相
が焼結体に残存していることが損失原因となっていると
考えられる。また、良好なフィルタ特性を得るために
は、試料Ｎｏ．２〜試料Ｎｏ．４で８０ＭＨｚでのＺａ
／Ｚｒが４５ｄＢとなっているように、ｘ＝０．９６５
〜０．９９５が特に好ましい。
【００２０】次に、ｙを０．０５５≦ｙ≦０．１０に限
定した理由は、ｙ＜０．５５では、試料Ｎｏ．７のよう
に、ｂ／ａ≧２．０１としても平均粒径が大きく、Ｚａ
／Ｚｒも４０ｄＢ未満となり好ましくない。また、ｙ＞
０．１０では、試料Ｎｏ．１２のように、１２０ＭＨｚ
でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり好ましくない。さ
らに良好なフィルタ特性を得るためには、試料Ｎｏ．９
および試料Ｎｏ．１０では８０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが
４８ｄＢに達していることから、ｙ＝０．０６５〜０．
０８０が特に好ましい。
定した理由は、ｙ＜０．５５では、試料Ｎｏ．７のよう
に、ｂ／ａ≧２．０１としても平均粒径が大きく、Ｚａ
／Ｚｒも４０ｄＢ未満となり好ましくない。また、ｙ＞
０．１０では、試料Ｎｏ．１２のように、１２０ＭＨｚ
でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり好ましくない。さ
らに良好なフィルタ特性を得るためには、試料Ｎｏ．９
および試料Ｎｏ．１０では８０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが
４８ｄＢに達していることから、ｙ＝０．０６５〜０．
０８０が特に好ましい。
【００２１】ｚを０．４０≦ｚ≦０．５５に限定した理
由は、ｚ＜０．４０、ｚ＞０．５５では、試料Ｎｏ．１
３および試料Ｎｏ．１８のように、Ｚａ／Ｚｒが４０ｄ
Ｂ未満となり好ましくない。また、試料Ｎｏ．１５〜試
料Ｎｏ．１７では、８０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが４５ｄ
Ｂ以上となっており、良好なフィルタ特性が期待でき
る。また、試料Ｎｏ．１３〜試料Ｎｏ．１８を比較する
と、正方晶系の方が菱面体晶系よりも低ｋBGS でかつ高
周波数領域でのＺａ／Ｚｒが大きいことが分かる。これ
らのことから、高周波領域で良好なフィルタ特性を得る
ためには、ｚ＝０．４７〜０．５５の正方晶系の圧電磁
器材料が特に好ましいと言える。
由は、ｚ＜０．４０、ｚ＞０．５５では、試料Ｎｏ．１
３および試料Ｎｏ．１８のように、Ｚａ／Ｚｒが４０ｄ
Ｂ未満となり好ましくない。また、試料Ｎｏ．１５〜試
料Ｎｏ．１７では、８０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが４５ｄ
Ｂ以上となっており、良好なフィルタ特性が期待でき
る。また、試料Ｎｏ．１３〜試料Ｎｏ．１８を比較する
と、正方晶系の方が菱面体晶系よりも低ｋBGS でかつ高
周波数領域でのＺａ／Ｚｒが大きいことが分かる。これ
らのことから、高周波領域で良好なフィルタ特性を得る
ためには、ｚ＝０．４７〜０．５５の正方晶系の圧電磁
器材料が特に好ましいと言える。
【００２２】次に、ｂ／ａを２．０１≦ｂ／ａ≦２．４
０に限定した理由を述べる。ｂ／ａ＜２．０１では、試
料Ｎｏ．１９および試料Ｎｏ．２０のように、平均粒径
が大きくなるため、特に１２０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが
４０ｄＢ未満に低下するため好ましくない。また、ｂ／
ａ＞２．４０では、試料Ｎｏ．２５のように、平均粒径
は小さいものの、焼結性が悪化し、１２０ＭＨｚでのＺ
ａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満に低下するため好ましくない。
ここで試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎｏ．２３や試料Ｎｏ．
２、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．１５および試料Ｎｏ．１
６のように、特にｂ／ａ＝２．０１〜２．２４とし、
ｘ、ｙ、ｚを前述の特に好ましい値とした場合、８０Ｍ
ＨｚでのＺａ／Ｚｒが４７ｄＢ以上を示しており、非常
に優れた特性を示すことが分かる。また、試料Ｎｏ．
７、試料Ｎｏ．１９および試料Ｎｏ．２０のように、焼
結体の平均粒径が２．０μｍより大きい場合は、図４
（ｂ）に示すようにポアも多く、高周波数領域でのＺａ
／Ｚｒの劣化が顕著であるため好ましくないことが分か
る。
０に限定した理由を述べる。ｂ／ａ＜２．０１では、試
料Ｎｏ．１９および試料Ｎｏ．２０のように、平均粒径
が大きくなるため、特に１２０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが
４０ｄＢ未満に低下するため好ましくない。また、ｂ／
ａ＞２．４０では、試料Ｎｏ．２５のように、平均粒径
は小さいものの、焼結性が悪化し、１２０ＭＨｚでのＺ
ａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満に低下するため好ましくない。
ここで試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎｏ．２３や試料Ｎｏ．
２、試料Ｎｏ．３、試料Ｎｏ．１５および試料Ｎｏ．１
６のように、特にｂ／ａ＝２．０１〜２．２４とし、
ｘ、ｙ、ｚを前述の特に好ましい値とした場合、８０Ｍ
ＨｚでのＺａ／Ｚｒが４７ｄＢ以上を示しており、非常
に優れた特性を示すことが分かる。また、試料Ｎｏ．
７、試料Ｎｏ．１９および試料Ｎｏ．２０のように、焼
結体の平均粒径が２．０μｍより大きい場合は、図４
（ｂ）に示すようにポアも多く、高周波数領域でのＺａ
／Ｚｒの劣化が顕著であるため好ましくないことが分か
る。
【００２３】上記ではＳｉＯ2 量が主成分に対し０．０
０５ｗｔ％以下の（コンタミネーション以外にはＳｉＯ
2 添加していない）場合について述べたが、主成分に対
し副成分としてＳｉＯ2 を含有させる場合の限界値につ
いて以下に述べる。
０５ｗｔ％以下の（コンタミネーション以外にはＳｉＯ
2 添加していない）場合について述べたが、主成分に対
し副成分としてＳｉＯ2 を含有させる場合の限界値につ
いて以下に述べる。
【００２４】表１および表２の試料Ｎｏ．３、試料Ｎ
ｏ．２６〜試料Ｎｏ．２８のように、ＳｉＯ2 含有量が
増すに従い、Ｚａ／Ｚｒは徐々に低下し、試料Ｎｏ．２
８のように、ＳｉＯ2 含有量が０．０５ｗｔ％を超える
と、１２０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり
好ましくない。これは前述のように、ＳｉＯ2 量が増す
と破壊モードが粒界破壊から粒界／粒内混在破壊、粒内
破壊へと移行するためであり、粒内破壊モードでは表面
や端面の微細加工時に顕著な欠落などが起こる（図４
（ｃ）参照）。このことが高周波数領域でのＺａ／Ｚｒ
劣化の主要因と考えられる。
ｏ．２６〜試料Ｎｏ．２８のように、ＳｉＯ2 含有量が
増すに従い、Ｚａ／Ｚｒは徐々に低下し、試料Ｎｏ．２
８のように、ＳｉＯ2 含有量が０．０５ｗｔ％を超える
と、１２０ＭＨｚでのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ未満となり
好ましくない。これは前述のように、ＳｉＯ2 量が増す
と破壊モードが粒界破壊から粒界／粒内混在破壊、粒内
破壊へと移行するためであり、粒内破壊モードでは表面
や端面の微細加工時に顕著な欠落などが起こる（図４
（ｃ）参照）。このことが高周波数領域でのＺａ／Ｚｒ
劣化の主要因と考えられる。
【００２５】また、上記の圧電磁器材料においてＰｂの
５ｍｏｌ％までをＳｒ、ＢａまたはＣａで置換した場合
にも、同様の効果が得られることが表２の試料Ｎｏ．２
９〜試料Ｎｏ．３１の結果からわかる。ただし、Ｐｂの
Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａによる置換量を５ｍｏｌ％より多くす
ると、試料Ｎｏ．３２〜試料Ｎｏ．３４のように、高周
波数領域でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ以下となるため好ま
しくない。
５ｍｏｌ％までをＳｒ、ＢａまたはＣａで置換した場合
にも、同様の効果が得られることが表２の試料Ｎｏ．２
９〜試料Ｎｏ．３１の結果からわかる。ただし、Ｐｂの
Ｓｒ、Ｂａ、Ｃａによる置換量を５ｍｏｌ％より多くす
ると、試料Ｎｏ．３２〜試料Ｎｏ．３４のように、高周
波数領域でのＺａ／Ｚｒが４０ｄＢ以下となるため好ま
しくない。
【００２６】なお、上記の実施例においては、図１に示
すような分極方向と垂直な方向に電界が印加されるよう
に電極指が交差する櫛形電極を形成した場合について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではない。す
なわち、電極指が交差する櫛形電極に印加される電界方
向と分極方向の関係やＢＧＳ波（ＳＨ波）に限定される
ものではない。たとえば表面波としてレイリー波などの
他の表面波を用いた場合や板状の試料にバルク波を励振
させた場合でも、同様の効果が得られる。それは、本実
施例の図４（ａ）に示す表面のポアの少なさ、表面状態
の良好さからも容易に判断できる。また、表２に参考値
としてバルク波のＺａ／Ｚｒを記載したが、本発明の圧
電磁器材料では、比較例と比較して、バルク波でも優れ
たＺａ／Ｚｒを示す低損失圧電磁器材料であることがわ
かる。
すような分極方向と垂直な方向に電界が印加されるよう
に電極指が交差する櫛形電極を形成した場合について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではない。す
なわち、電極指が交差する櫛形電極に印加される電界方
向と分極方向の関係やＢＧＳ波（ＳＨ波）に限定される
ものではない。たとえば表面波としてレイリー波などの
他の表面波を用いた場合や板状の試料にバルク波を励振
させた場合でも、同様の効果が得られる。それは、本実
施例の図４（ａ）に示す表面のポアの少なさ、表面状態
の良好さからも容易に判断できる。また、表２に参考値
としてバルク波のＺａ／Ｚｒを記載したが、本発明の圧
電磁器材料では、比較例と比較して、バルク波でも優れ
たＺａ／Ｚｒを示す低損失圧電磁器材料であることがわ
かる。
【００２７】
【発明の効果】この発明によれば、平均粒径が極めて小
さく、非常に低損失で、かつ、耐微細加工性に優れた圧
電磁器材料が得られる。また、この発明にかかる圧電磁
器材料を表面波装置に用いた場合、低損失の表面波装置
が得られ、特に高周波数領域での損失を大幅に低減でき
る。したがって、１００ＭＨｚ以上の高周波数領域で
も、実用上問題のないレベルの低損失のフィルタや発振
子を構成することが可能となる。
さく、非常に低損失で、かつ、耐微細加工性に優れた圧
電磁器材料が得られる。また、この発明にかかる圧電磁
器材料を表面波装置に用いた場合、低損失の表面波装置
が得られ、特に高周波数領域での損失を大幅に低減でき
る。したがって、１００ＭＨｚ以上の高周波数領域で
も、実用上問題のないレベルの低損失のフィルタや発振
子を構成することが可能となる。
【図１】本発明の実施例における試料の作製工程および
評価工程を示す図である。
評価工程を示す図である。
【図２】本発明の実施例において構成した表面波素子を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例において構成した代表的な表面
波装置の共振周波数とＺａ／Ｚｒの関係を示すグラフで
ある。
波装置の共振周波数とＺａ／Ｚｒの関係を示すグラフで
ある。
【図４】本発明の実施例において作製した代表的な圧電
磁器材料の表面波素子の表面の状態を示す図であり、
（ａ）は試料Ｎｏ．２２の表面の状態を示し、（ｂ）は
試料Ｎｏ．１９の表面の状態を示し、（ｃ）は試料Ｎ
ｏ．２８の拡大した表面の状態を示す。
磁器材料の表面波素子の表面の状態を示す図であり、
（ａ）は試料Ｎｏ．２２の表面の状態を示し、（ｂ）は
試料Ｎｏ．１９の表面の状態を示し、（ｃ）は試料Ｎ
ｏ．２８の拡大した表面の状態を示す。
Claims (8)
- 【請求項１】 金属元素として少なくともＰｂ、Ｍｎ、
Ｎｂ、ＴｉおよびＺｒを含み、これらの元素のモル比に
よる主成分の組成式を、Ｐｂx ｛（Ｍｎa Ｎｂb ）y Ｔ
ｉz Ｚｒ(1-y-z) ｝Ｏ3 と表した場合、ｘ，ｙ，ｚ，
ａ，ｂが ０．９５≦ｘ≦０．９９５、 ０．０５５≦ｙ≦０．１０、 ０．４０≦ｚ≦０．５５、 ２．０１≦ｂ／ａ≦２．４０、 ａ＋ｂ＝１ の条件を満足し、かつ、焼結体の平均粒径が２μｍ以下
であることを特徴とする、圧電磁器材料。 - 【請求項２】 前記主成分に対し、副成分としてＳｉＯ
2 を０．０５ｗｔ％以下含有することを特徴とする、請
求項１に記載の圧電磁器材料。 - 【請求項３】 ｚが０．４７≦ｚ≦０．５５で、かつ、
結晶系が正方晶系であることを特徴とする、請求項１ま
たは請求項２に記載の圧電磁器材料。 - 【請求項４】 Ｐｂの５ｍｏｌ％までをＳｒ、Ｂａまた
はＣａで置換したことを特徴とする、請求項１ないし請
求項３のいずれかに記載の圧電磁器材料。 - 【請求項５】 表面波装置を構成するために用いられる
ことを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか
に記載の圧電磁器材料。 - 【請求項６】 前記表面波装置はＳＨ波を用いた表面波
装置であることを特徴とする、請求項５に記載の圧電磁
器材料。 - 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
載の圧電磁器材料を用いて構成したことを特徴とする、
表面波装置。 - 【請求項８】 ＳＨ波を用いることを特徴とする、請求
項７に記載の表面波装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27562799A JP3562402B2 (ja) | 1999-09-29 | 1999-09-29 | 圧電磁器材料およびこれを用いた表面波装置 |
| KR10-2000-0055465A KR100515557B1 (ko) | 1999-09-29 | 2000-09-21 | 압전세라믹 및 이것을 이용한 표면파 장치 |
| FR0012350A FR2798925B1 (fr) | 1999-09-29 | 2000-09-28 | Ceramique piezoelectrique et dispositif a ondes de surface l'utilisant |
| DE2000148373 DE10048373C2 (de) | 1999-09-29 | 2000-09-29 | Piezoelektrische Keramiken und Verwendung derselben als Oberflächenwellenbauelemente |
| CNB001305719A CN1203491C (zh) | 1999-09-29 | 2000-09-29 | 压电陶瓷和使用该压电陶瓷的表面波器件 |
| US09/676,995 US6383408B1 (en) | 1999-09-29 | 2000-09-29 | Piezoelectric ceramic and surface wave device using the same |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|
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| KR (1) | KR100515557B1 (ja) |
| CN (1) | CN1203491C (ja) |
| DE (1) | DE10048373C2 (ja) |
| FR (1) | FR2798925B1 (ja) |
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| US7541716B2 (en) | 2005-04-08 | 2009-06-02 | Tdk Corporation | Resonator |
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| JP6402369B1 (ja) * | 2017-02-16 | 2018-10-10 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 圧電素子、アクチュエータおよび液滴吐出ヘッド |
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|---|---|---|---|---|
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| JPS61185893A (ja) * | 1985-02-14 | 1986-08-19 | 三菱電機株式会社 | 調光装置 |
| JPH0798663B2 (ja) * | 1986-04-14 | 1995-10-25 | 住友金属鉱山株式会社 | 赤外線センサー用焦電体磁器の製法 |
| JP2866986B2 (ja) * | 1990-11-22 | 1999-03-08 | 京セラ株式会社 | 圧電磁器組成物 |
| JP3163664B2 (ja) * | 1991-07-15 | 2001-05-08 | 株式会社村田製作所 | 圧電磁器材料 |
| JP3103165B2 (ja) * | 1991-10-15 | 2000-10-23 | 太平洋セメント株式会社 | 圧電体の製造方法 |
| JP3239399B2 (ja) | 1991-11-15 | 2001-12-17 | 株式会社村田製作所 | 表面波装置 |
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