JP2002319720A - 圧電セラミックの温度特性制御方法 - Google Patents

圧電セラミックの温度特性制御方法

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JP2002319720A JP2001122107A JP2001122107A JP2002319720A JP 2002319720 A JP2002319720 A JP 2002319720A JP 2001122107 A JP2001122107 A JP 2001122107A JP 2001122107 A JP2001122107 A JP 2001122107A JP 2002319720 A JP2002319720 A JP 2002319720A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】所望の温度特性に制御可能な圧電セラミックの
温度特性制御方法を提供する。 【解決手段】厚み縦振動の第3高調波を利用したチタン
酸鉛系の圧電セラミックの温度特性制御方法であって、
圧電セラミックを分極した後、この圧電セラミックを所
定温度でエージングする工程を含み、エージング温度
を、圧電セラミックの結晶の分極軸への配向度が低下し
始める温度以上で、かつ圧電セラミックのキュリー温度
以下、望ましくは厚み縦振動の第3高調波の反共振周波
数faと共振周波数frとの差Δfが減少し始める温度
以下とした。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はセラミックフィルタ
やセラミック発振子などに用いられる厚み縦振動の第3
高調波を利用したチタン酸鉛系圧電セラミックの温度特
性制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、厚み縦振動の3倍波(第3高調
波)を利用したセラミック共振子の圧電材料としては、
PbTiO3 系の材料が多く使われている。通常、焼結
性を高めるため、Qを高くするためなどの理由により、
PbTiO3 を主成分とし、PbのSr,La置換、M
n,Crなどの金属酸化物の添加を行った形で、セラミ
ック発振子やセラミックフィルタなどの材料として使わ
れる。
【0003】このようなチタン酸鉛系の圧電セラミック
は、厚み縦振動の基本波をエネルギー閉じ込めできない
が、第3高調波であればエネルギー閉じ込めができると
いう性質がある。この第3高調波を利用することによっ
て、シャープな共振特性を得ることができる。
【0004】そこで、厚み縦振動の第3高調波を利用し
たチタン酸鉛系圧電セラミックよりなるセラミック発振
子やセラミックフィルタが提供されている。これら素子
に対して要求される重要な特性の1つに、共振周波数ま
たは中心周波数の温度特性がある。一般的には、この温
度特性は30ppm/℃以下が必要であり、できるだけ
±0ppm/℃に近いものがよい。
【0005】圧電セラミック材料の周波数温度特性を改
善するため、従来では材料組成比を調整していた。しか
しながら、材料組成を変化させた場合、温度特性のほか
に、共振抵抗、Q、電気機械結合係数Kなどの他の特性
も変化してしまう。そのため、温度特性を向上させた上
で、他の特性も規定範囲内に収めるには、多大の労力が
必要であった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで、分極条件(分
極時間,分極電圧,分極温度)を選択することによっ
て、厚み縦振動の第3高調波を利用したチタン酸鉛系圧
電セラミックの周波数温度特性を制御する方法が、特開
昭58−182884号公報で提供されている。しかし
ながら、上記のように分極条件を変化させただけでは、
必ずしも所望の温度特性が得られない場合があった。
【0007】そこで、本発明の目的は、所望の温度特性
に制御可能な圧電セラミックの温度特性制御方法を提供
することにある。また、他の目的は、温度特性に優れ、
かつ共振特性にも優れた圧電セラミックの温度特性制御
方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、分極条件ではなく、エージング温度に着
目した。エージングは、分極後の圧電セラミックを所定
温度雰囲気に放置し、分極度を強制的に劣化させること
により、熱的および経時的に安定な圧電体を得るための
処理である。そのため、エージング温度は、後工程(例
えばリフローはんだ付け)での温度に対応した温度に設
定されていた。通常は、160℃以下である。本発明者
は、エージング温度を所定温度以上に高くすると、結晶
の分極軸への配向度が低くなり、周波数温度係数が単調
減少することを発見した。結晶の分極軸への配向度は、
例えば圧電セラミックの〔002〕結晶格子面のX線強
度と〔200〕結晶格子面のX線強度との比によって求
めることができる。〔002〕結晶格子面とは、c軸が
分極方向を向いている面であり、〔200〕結晶格子面
とは、a軸が分極方向を向いている面である。X線強度
は、分極,エージング後、常温に戻して測定した時の強
度であり、X線回析法によって測定できる。そこで、こ
の特性を利用して、エージング温度を、結晶の分極軸へ
の配向度が低下し始める温度以上にすることにより、周
波数温度係数を低く制御できるようになった。なお、エ
ージング温度をキュリー温度より高くすると、圧電性が
失われるので、キュリー温度を越えることはできない。
そこで、本発明では、エージング温度を、圧電セラミッ
クの結晶の分極軸への配向度が低下し始める温度以上
で、かつ圧電セラミックのキュリー温度以下としたもの
である。
【0009】請求項2のように、エージング温度を、厚
み縦振動の第3高調波の反共振周波数faと共振周波数
frとの差Δfが減少し始める温度以下とするのが望ま
しい。エージング温度を結晶の分極軸への配向度が低下
し始める温度以上に高くすると、周波数温度係数が単調
減少するが、圧電セラミックの厚み縦振動のΔfはある
温度までは略一定値を保持する。しかし、エージング温
度をさらに高くすると、厚み縦振動のΔfも低下し始
め、共振特性の劣化(位相,Qの低下、共振抵抗の増
大)につながる。そこで、エージング温度をΔfが減少
し始める温度以下とすることで、共振特性の劣化を招か
ずに、温度特性を向上させることができる。
【0010】請求項3のように、エージング温度を16
0℃〜250℃とするのが望ましい。本発明者の実験に
よると、チタン酸鉛系の圧電セラミックの場合、エージ
ング温度を160℃〜250℃とすると、厚み縦振動
(第3高調波)の共振周波数frの温度係数を18〜1
4ppm/℃にすることができ、しかもΔfを低下させ
ずに済み、良好な周波数温度特性と共振特性(位相,
Q,共振抵抗)とを実現できた。
【0011】
【発明の実施の形態】次に、本発明にかかる温度特性制
御方法の一例を、図1〜図3を参照して説明する。ここ
で使用する圧電セラミックは、PbTiO3 +MnO2
系の圧電セラミックである。この圧電セラミックを図1
の(a)に示すように板状ユニット1に成形,焼成し、
その表裏面に電極1a,1bを形成した後、60℃の絶
縁オイル2中で8kV/mmの直流電界を印加して分極
処理を行った。次に、図1の(b)のように、ユニット
1を恒温槽3内に収容し、20分間エージングを行っ
た。エージング温度は、160℃〜250℃とした。そ
の後、図1の(c)のように、圧電セラミックユニット
1をエレメント状にカットし、このエレメント4の表裏
面に電極4a,4b(但し、4bは図示せず)を形成し
た。
【0012】図2は、種々のエージング温度で処理した
エレメント4について、結晶の分極軸への配向度(X線
強度比〔002〕/〔200〕)、共振周波数frの温
度係数、反共振周波数faの温度係数を求めたものであ
る。上記共振周波数frおよび反共振周波数faは、厚
み縦振動の第3高調波を利用したものである。図2から
明らかなように、エージング温度を上昇させると、配向
度が低下するとともに、共振周波数frの温度係数、反
共振周波数faの温度係数が単調減少していることがわ
かる。つまり、配向度と周波数fr,faの温度係数と
の間には相関関係があり、エージング温度が上昇するに
つれて周波数温度特性が向上している。なお、エージン
グ温度を300℃以下としたのは、300℃が圧電セラ
ミックのキュリー温度であるからである。
【0013】図3は、ユニット1について、エージング
温度と、配向度(〔002〕/〔200〕)、厚み縦振
動のΔf(=fa−fr)との関係を求めたものであ
る。なお、Δfは常温戻し時のΔfである。図3から明
らかなように、エージング温度が160℃を越えると、
結晶の分極軸への配向度がエージング温度の上昇につれ
て単調減少しているのに対し、Δfは250℃までは殆
ど変化せず、250℃を越えると低下し始めることがわ
かる。Δfと結合係数Kとの間には、 K∝√(Δf/fr) の関係があるので、Δfが低下するということは、結合
係数Kの低下を意味し、共振特性の劣化(位相特性の劣
化、Qの低下、共振抵抗の増加)をきたす。
【0014】そこで、エージング温度を160℃〜25
0℃とすることで、周波数温度特性が良好で、かつ共振
特性の劣化もない圧電セラミックを得ることができる。
特に、エージング温度を200℃〜250℃とすれば、
Δfが低下しない範囲で、周波数温度係数が非常に低く
なり(frの温度係数=15〜14ppm/℃、faの
温度係数=13〜12ppm/℃)、最も良好な特性を
有する。一般に、セラミックフィルタとして要求される
温度係数は30ppm/℃以下であるから、十分に良好
な特性を有することがわかる。なお、Δfが多少低下し
ても、温度特性を重視する場合には、エージング温度を
250℃〜300℃の範囲としてもよい。その場合に
は、共振周波数frの温度係数を14〜9ppm/℃程
度まで小さくできる。
【0015】一般に、分極温度を高くすると、それだけ
温度係数が小さくなることが知られている。しかし、オ
イル分極の場合には、オイルの特性上、分極温度は10
0℃が限界であり、高温に対応するのが難しい。また、
分極温度より低い温度でエージングを行っても、エージ
ング効果がない。一方、エージングは恒温槽の中に入れ
るだけであるから、かなりの高温でも設備上問題がな
い。そこで、エージング温度を分極温度より高くし、か
つ高温(配向度が低下し始める温度以上で、かつキュリ
ー温度以下)でエージングを行うことで、温度係数の小
さな圧電セラミックを簡単に得ることができる。
【0016】上記実施例では、分極条件として、60℃
の絶縁オイル中で8kV/mmの直流電界を印加した
が、これは一例であり、分極条件を変更してもよい。ま
た、液中分極に限るものではなく、気中分極でもよい。
なお、本発明で使用される圧電セラミックは、PbTi
3 +MnO2 系の圧電セラミックに限らない。PbT
iO3 を主成分とし、PbのSr,La置換、Crなど
の金属酸化物の添加を行った圧電セラミックであっても
よい。
【0017】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、請求項1
に記載の発明によれば、厚み縦振動の第3高調波を利用
したチタン酸鉛系の圧電セラミックにおいて、分極され
た圧電セラミックをエージングする温度を、結晶の分極
軸への配向度が低下し始める温度以上で、かつキュリー
温度以下とすることにより、温度特性の良好な圧電セラ
ミックを得ることができる。また、エージング温度の設
定を変更するだけであるから、特別な装置が不要であ
り、材料調整による温度特性の変更に比べて制御が簡単
である。つまり、圧電セラミックとして既存の材料を使
用しながら、温度係数を自在に変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧電セラミックの分極〜エージング〜素子製作
までの工程を示す図である。
【図2】圧電セラミックのエージング温度とX線強度比
および周波数温度係数との関係を示す図である。
【図3】圧電セラミックのエージング温度とΔfおよび
X線強度比の減少率との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 圧電セラミック(ユニット) 3 恒温槽(エージング) 4 圧電セラミック(エレメント)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】厚み縦振動の第3高調波を利用したチタン
    酸鉛系の圧電セラミックの温度特性制御方法であって、
    上記圧電セラミックを分極した後、この圧電セラミック
    を所定温度でエージングする工程を含み、上記エージン
    グ温度を、圧電セラミックの結晶の分極軸への配向度が
    低下し始める温度以上で、かつ上記圧電セラミックのキ
    ュリー温度以下としたことを特徴とする圧電セラミック
    の温度特性制御方法。
  2. 【請求項2】上記エージング温度を、上記厚み縦振動の
    第3高調波の反共振周波数faと共振周波数frとの差
    Δfが減少し始める温度以下としたことを特徴とする請
    求項1に記載の圧電セラミックの温度特性制御方法。
  3. 【請求項3】上記エージング温度を、160℃〜250
    ℃としたことを特徴とする請求項1または2に記載の圧
    電セラミックの温度特性制御方法。
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