JP2002145666A - 弾性表面波素子用圧電磁器組成物及び弾性表面波フィルタ - Google Patents
弾性表面波素子用圧電磁器組成物及び弾性表面波フィルタInfo
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Abstract
め得る、弾性表面波素子用圧電磁器組成物及び弾性表面
波フィルタを提供する。 【解決手段】 PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)z
O3 で表され、但しx+y+z=1であり、0.93≦
a≦1.02、0.32≦x≦0.50、0.41≦y
≦0.54、0.03≦z≦0.21及び0.24≦m
+n≦0.67である弾性表面波素子用圧電磁器組成物
及び圧電基板と、該圧電基板の表面に形成されたIDT
とを有するSHタイプの弾性表面波フィルタであって、
前記圧電基板が、上記圧電磁器組成物からなる弾性表面
波フィルタ。
Description
用いられる圧電磁器組成物に関し、より詳細には、イン
ピーダンス比及び結合係数を改善し得る弾性表面波素子
用圧電磁器組成物及び弾性表面波フィルタに関する。
進歩により、用いられる部品、例えば共振子やフィルタ
などにおいて、高周波化及び小型化が求められている。
高周波化及び小型化を進める上で有利であるため、共振
子やフィルタとして、弾性表面波素子が使用されてきて
いる。
くとも一対の櫛形電極からなるインターデジタルトラン
スデューサ(IDT)が構成されており、該IDTによ
り弾性表面波の励振あるいは受信が行われる。弾性表面
波素子の圧電性基板材料としては、LiTaO3 、Li
NbO3 などの圧電単結晶、またはPbTiO3 、Pb
(Ti,Zr)O3 などを主成分とする圧電セラミック
スが用いられている。また、絶縁基板もしくは圧電基板
上に、ZnO薄膜などの圧電薄膜を積層したものも、弾
性表面波素子の圧電性基板として用いられている。
た場合、音速は圧電セラミックスの方が遅いので、圧電
セラミックスからなる圧電性基板は、弾性表面波素子の
小型化を図る上で好ましい。
板材料の結合係数は異なるが、圧電単結晶では、種類及
びカット角により結合係数が一義的に定まってしまう。
すなわち、圧電単結晶を用いた弾性表面波素子では、単
結晶の種類及びカット角により、圧電特性や温度特性が
一義的に決定され、素子の設計の自由度が小さくならざ
るを得なかった。
セラミックスなどの圧電セラミックスでは、組成を制御
することにより圧電特性を広い範囲で変化させることが
できる。
ラミックスを弾性表面波素子の圧電性基板として用いた
場合、10MHzを超える高周波領域においては、イン
ピーダンス比、すなわち反共振周波数Faにおけるイン
ピーダンスの共振周波数Frにおけるインピーダンスに
対する比が小さいという問題があった。
いインピーダンス比を得ることができる弾性表面波素子
用圧電磁器組成物及び該圧電磁器組成物を用いた弾性表
面波フィルタを提供することにある。
ば、PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)zO3 で表さ
れ、但しx+y+z=1であり、0.93≦a≦1.0
2、0.32≦x≦0.50、0.41≦y≦0.5
4、0.03≦z≦0.21及び0.24≦m+n≦
0.67である弾性表面波素子用圧電磁器組成物が提供
される。
意検討した結果、少なくともPb、Ni、Mn、Nb、
Ti、Zr及びOの元素で構成される圧電磁器組成物に
おいて、上記組成式を満たすように構成することによ
り、該圧電磁器組成物を圧電基板として用いた弾性表面
波素子において前述したインピーダンス比を効果的に改
善し得ることを見い出した。
式で示されている各元素の酸化物あるいは炭酸化合物を
主原料として構成されるが、金属や他の化合物またはこ
れらの複合酸化物などを原料として用いて構成してもよ
い。なお、各原料に不純物が含まれる可能性があるが、
試薬1級以上の純度があれば特に影響されるものではな
い。さらに、製造時に、Al2O3 やSiO2 が混入す
る恐れがあるが、これらの不純物の濃度が1000pp
m以下であれば特に圧電特性の大きな劣化は生じない。
は1.02を超えると、焼結性が低下し、焼結性が悪
く、十分な強度を有する焼結体が得られない。また、x
が0.32未満、あるいは0.50を超えると、インピ
ーダンス比及び電気機械結合係数が低下する。同様に、
yが0.41未満になると、インピーダンス比は高いも
のの、耐熱性が著しく悪化する。あるいは0.54を超
えると、電気機械結合係数やインピーダンス比が低下す
る。zは、0.03未満の場合、あるいは0.21を超
える場合も、同様にインピーダンス比及び電気機械結合
係数が低下する。
67を超えると、焼結性が悪く、異相を多く含むように
なり、所望の焼結体が得られない。特に、m+nが、
0.46以上、0.67以下、mが0.01〜0.66
及びnが0.01〜0.66の範囲にある場合、電気機
械結合係数を効果的に高めることができ、好ましい。
成物では、ペロブスカイト構造を有する酸化物が主成分
となっており、ペロブスカイト構造のAサイトを構成し
ているPbが、Ba、Ca、Srの少なくとも1以上の
元素により置換されていてもよく、その場合においても
圧電特性の劣化は生じ難い。この場合、Pb元素のS
r、BaまたはCaによる置換割合は、Pbの10モル
%以下の範囲とされる。
組成物では、結晶粒径が3μm以下とされる。さらに、
本発明に係る圧電磁器組成物では、焼結体中に形成され
るポアや欠陥の大きさが好ましくは3μm以下とされ
る。
局面では、共振周波数の温度に対する変化率の絶対値が
100ppm/℃以下とされる。本発明に係る圧電磁器
組成物は、SHタイプの弾性表面波を利用した弾性表面
波素子に好適に用いられ、その場合には、レイリー波を
利用した弾性表面波素子に比べて、SHタイプの表面波
を利用しているものであるため、弾性表面波素子のより
一層の小型化を図ることができる。
と、該圧電基板の表面に形成されたIDTとを有するS
Hタイプの弾性表面波フィルタであって、前記圧電基板
が、本発明の圧電磁器組成物からなることを特徴とする
弾性表面波フィルタが提供される。
説明することにより、本発明をより詳細に説明する。
O3 、Nb2O3 、TiO2 、ZrO 2 の各粉末を用意
した。これらの粉末を下記の表1〜表5に示す組成を有
するように秤量し、水を加え、ボールミルで湿式混合
し、スラリーを得た。
混合粉末を乾燥し、整粒した。しかる後、整粒された混
合粉末をアルミナからなる匣に入れ、800〜1000
℃の温度で仮焼し、仮焼原料を得た。
え、ボールミルで湿式混合し、第2のスラリーを得た。
この第2のスラリーを平面形状が正方形の型内に流し込
み、注型成形を行った。このようにして得られた正方形
板状の成形体を300〜600℃で脱脂した後、100
0〜1300℃の酸素雰囲気中で焼成し、焼結体を得
た。
げを行い、5cm×5cm×厚み0.4〜0.8mmの
圧電基板を得た。上記のようにして得た圧電基板に分極
用電極を形成し、100℃のオイル中で3kV/mmの
電界強度で分極を行った。しかる後、200℃の温度で
1時間エージングを行った。
ソグラフィにより複数のIDTを形成し、さらに該圧電
基板を切り出すことにより個々の弾性表面波素子を得
た。このようにして得られた弾性表面波素子を、図2に
示す。
物からなる圧電基板2上にIDT3が形成されている。
また、IDT3の最外側の電極指が圧電基板2の端面2
a,2bと上面とのなす端縁に至るように形成されてい
る。弾性表面波素子1は、SHタイプの表面波としての
BGS波を利用した端面反射型の表面波共振子である。
ここでは、端面反射型であるため、反射器を必要としな
い。従って、小型化を図ることができる。
述のように原料の組成を種々変更し、試料番号1〜78
の弾性表面波素子を作製し、BGS波の電気機械結合係
数kBGS(%)、インピーダンス比ATT(dB)及
び共振周波数の温度変化率(ppm/℃)を測定した。
また、各圧電基板における粒径をSEM観察により求め
た。結果を図1及び表1〜表5に示す。
組成式において、a=1及びm+n=1/3とし、x,
y及びzを変化させた場合の例である。図1は、この場
合のy及びzの変化による電気機械結合係数の変化を示
す。
つれて電気機械結合係数は変化し、z=0.1付近で極
大値となっている。また、0.03≦z≦0.21の範
囲で、インピーダンス比(ATT)が40dB以上と十
分な大きさとなっていることがわかる。これに対して、
0.03≦z≦0.21の範囲外の試料番号33,3
4,35では、焼結性が低下し、インピーダンス比は低
くなる。
ーダンス比が低下し、y<0.41では、インピーダン
ス比、電気機械結合係数は大きいものの、耐熱性が低下
する。
y及びzを上記のように選択した場合、y及びzが上記
望ましい範囲外となる場合のxでは同様に各特性が劣化
することとなる。
るように、0.32≦x≦0.50の範囲内で、インピ
ーダンス比が良好な値となる。表3に示す試料番号39
〜58では、上述したx,y及びzの望ましい範囲内に
おいて、aの値が0.93〜1.02の範囲で変化され
ている。表3から明らかなように、aが変化しても、イ
ンピーダンス比及び電気機械結合係数の大きな劣化は見
られない。従って、0.93≦a≦1.02の範囲で、
良好な圧電特性が発揮され得ることがわかる。なお、a
がこの範囲外の場合には、焼結性が悪くなる。
x、y及びzの範囲内において、m及びnを変化させた
試料番号59〜76の例を示す。通常、このようなペロ
ブスカイト構造では、m+n=1/3とした場合、安定
とされているが、試料番号59〜76の結果から、0.
24≦m+n≦0.67の範囲で、インピーダンス比が
40以上となり、m+n=1/3の場合と比べてもイン
ピーダンス比が劣化しない。特に、0.46≦m+n≦
0.67、0.01≦m≦0.66及び0.01≦n≦
0.66の場合に、電気機械結合係数kBGSが50.
9%以上と非常に大きくなり、好ましいことがわかる。
た試料番号77,78を示す。このようにAサイトがS
rで置換された組成においても、高いインピーダンス比
及び電気機械結合係数kBGSの得られることがわか
る。
番号3,13,76では、インピーダンス比が低下する
ので、焼結体における粒径は3μm以下であることが好
ましい。焼結体における欠陥やポアについても同様の効
果があるため、この焼結体の粒径の変化による作用から
推測されるように、欠陥やポアについても3μm以下で
あることが好ましい。
や、良好なインピーダンス比が得られ、電気機械結合係
数kBGSは30%〜約50%の広い範囲の値を得るこ
とができることがわかる。
波を利用した端面反射型の表面波装置に適用した場合を
説明したが、本発明に係る弾性表面波素子用圧電磁器組
成物は、SHタイプ以外のレイリー波などの他の表面波
を利用した弾性表面波素子にも用いることができる。
組成物を用いることにより、インピーダンス比が良好で
あり、高周波化に対応することができ、かつ広い範囲に
渡り圧電特性を制御することができる。
性表面波素子を本発明により容易に提供することができ
る。また、m+nが0.46以上、0.67以下、mが
0.01以上、0.66以下及びnが0.01以上、
0.66以下の場合には、大きな電気機械結合係数を得
ることができる。
びに焼結体におけるポアや欠陥の大きさが3μm以下の
場合には、インピーダンス比をより一層高めることがで
きる。
Sの変化を示す図。
表面波素子を示す斜視図。
Claims (7)
- 【請求項1】 PbaZrxTiy(NimMnnNb2/3)z
O3 で表され、但しx+y+z=1であり、0.93≦
a≦1.02、0.32≦x≦0.50、0.41≦y
≦0.54、0.03≦z≦0.21及び0.24≦m
+n≦0.67である弾性表面波素子用圧電磁器組成
物。 - 【請求項2】 0.46≦m+n≦0.67、0.01
≦m≦0.66、及び0.01≦n≦0.66の関係に
ある、請求項1に記載の弾性表面波素子用圧電磁器組成
物。 - 【請求項3】 前記Pbの一部がBa、Ca、及びSr
からなる群から選択した少なくとも1種により置換され
ている、請求項1または2に記載の弾性表面波素子用圧
電磁器組成物。 - 【請求項4】 結晶粒径が3μm以下である、請求項1
〜3のいずれかに記載の弾性表面波素子用圧電磁器組成
物。 - 【請求項5】 ポア及び欠陥の大きさが3μm以下であ
る、請求項1〜4のいずれかに記載の弾性表面波素子用
圧電磁器組成物。 - 【請求項6】 共振周波数の温度に対する変化率の絶対
値が100ppm/℃以下である、請求項1〜5のいず
れかに記載の弾性表面波素子用圧電磁器組成物。 - 【請求項7】 圧電基板と、該圧電基板の表面に形成さ
れたIDTとを有するSHタイプの弾性表面波フィルタ
であって、前記圧電基板が、請求項1〜6のいずれかに
記載された圧電磁器組成物からなることを特徴とする弾
性表面波フィルタ。
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