JP5002866B2

JP5002866B2 - 圧電セラミック振動子の製造方法

Info

Publication number: JP5002866B2
Application number: JP2001122107A
Authority: JP
Inventors: 直樹藤井
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2021-04-20
Also published as: JP2002319720A

Description

【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振動子の製造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、Ｍｎ，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、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振動子の製造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。
そこで、本発明では、エージング温度を決定するために、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られる圧電セラミックの結晶の分極軸への配向度の温度変化を測定する第１のステップと、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の温度変化を測定する第２のステップと、エージング温度を上記第１のステップから求められた上記配向度が低下し始める温度以上で、かつ上記第２のステップから求められた上記Δｆが減少し始める温度以下である所定温度に設定する第３のステップと、を実施するものである。
【０００９】
本発明では、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との差トｆが減少し始める温度以下としている。
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トｆ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、厚み縦振動のトｆ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、エージング温度をトｆ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】
本発明では、エージング温度を１６０℃〜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１８〜１４ｐｐｍ／℃にすることができ、しかもトｆ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℃〜２５０℃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１００℃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、ＰｂＴｉＯ₃ ＋ＭｎＯ₂ 系の圧電セラミックに限らない。ＰｂＴｉＯ₃ 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

チタン酸鉛系の圧電セラミックを使用し、厚み縦振動の第３高調波を利用した圧電セラミック振動子の製造方法において、
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、
上記エージング工程におけるエージング温度を決定するために、
上記圧電セラミックの［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られる圧電セラミックの結晶の分極軸への配向度の温度変化を測定する第１のステップと、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の温度変化を測定する第２のステップと、上記エージング温度を上記第１のステップから求められた上記配向度が低下し始める温度以上で、かつ上記第２のステップから求められた上記Δｆが減少し始める温度以下である所定温度に決定する第３のステップと、を実施することを特徴とする圧電セラミック振動子の製造方法。