JPH10279352A - 圧電セラミックスの製造方法 - Google Patents
圧電セラミックスの製造方法Info
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Abstract
して用いた場合でも、共振周波数の温度係数が小さく、
機械的Q値が高くでき、小型化、低電圧駆動化への対応
が容易な圧電セラミックスを実現する。 【解決手段】 チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クスを製造するに際し、焼成工程と分極工程との間に、
大気圧未満の酸素分圧の雰囲気にて、500℃超かつ焼
成温度以下の温度で加熱処理を行う圧電セラミックスの
製造方法とした。
Description
子、セラミックフィルタ、表面弾性波素子、圧電変位素
子、超音波振動子等に有用な圧電セラミック材料の製造
方法に関し、特に厚み縦振動の3倍波を利用する高周波
用圧電素子に好適な、機械品質係数の高い圧電セラミッ
ク材料の製造方法に関する。
ラミックフィルタ、表面弾性波素子、圧電変位素子、超
音波振動子等に広く利用されており、その用途は益々拡
大されつつあるが、その要求特性も多岐にわたり、厳し
くなっている。
につれて、圧電特性のみならず誘電特性の優れた材料が
要求されている。例えば、表面弾性波素子用材料として
は電気機械結合係数が大きい、表面波速度(または遅延
時間)の温度係数が小さく、さらに10 MHz以上の高周
波で使用するために誘電率が小さい等の特性を備えた材
料が要望されている。
ては、これまでLiNbO3単結晶、LiTaO3単結
晶、ZnO薄膜、圧電セラミックス等が知られている
が、これらの中では、圧電セラミックスがコストの点で
有利であり、しかも組成を変えることによって種々の異
なった特性のものとすることができる。この中でも特に
圧電特性および温度特性の優れているPZT系材料がこ
れまで精力的に開発されてきた。
タン酸鉛を主体とし、これにMn,Cr,Co,Fe等
の金属酸化物を添加したり、あるいは、 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 で表される複合酸化物を固溶させて、種々の物性を改良
したものが知られている。しかし、これらのものは一般
に温度特性を良くすると誘電率が高くなる傾向があるた
め、高周波用圧電素子としては不適当である。そのため
表面波素子としてはPZT材料の中で、より小さな誘電
率を持つ組成系について種々研究されているが、これま
で実効誘電率350以下のものを得ることができず、従
来のPZT材料においては、これを高周波で用いる場
合、入出力インピーダンスが低下して外部回路との間に
インピーダンス不整合を生じたり、あるいは入出力間で
容量的に結合して出力波形にリップルを生じる等の欠点
を伴っていた。
とを同時に含有させたチタン酸鉛系材料も高周波用圧電
素子として提案されている。しかし、このものはPZT
系材料に比べて誘電率が低く、圧電特性が良好であるも
のの、焼結性に劣り、大型磁器とすることが困難な上
に、分極条件が厳しく、大量生産に対し歩留まりが低い
という欠点がある。
克服した、低誘電率、高機械的品位係数(機械Q値:Q
m 値)のものとして、チタン酸鉛、チタン酸ビスマスお
よびチタン酸カルシウムを基本構成成分とし、かつチタ
ンをマンガンまたはニオブで置換したものが提案されて
いる(特開昭60−191055号公報)。しかし、こ
のものは厚み縦振動の3倍波を用いる高周波共振子とし
て利用する場合、共振周波数の温度係数(TCF)が小
さく、機械Q値が高いというこの材料固有の優れた物性
を発揮することができないという欠点がある。
る高周波素子として用いた場合において、共振周波数の
温度係数を小さく、機械的Q値を高くする試みとして、
例えば特開平5−58724号公報や特願平5−353
674号明細書に記載されている圧電セラミックスがあ
る。
電圧駆動化への対応が困難である。すなわち、例えばハ
ードディスク駆動用セラミック発振子の場合、40 MHz
を超える周波数を4mm□以下の形状で実現する必要が生
じているが、前記特開平5−58724号公報や特願平
5−353674号明細書等に記載されているチタン酸
鉛を主成分とする圧電セラミックスでは、高周波領域で
の機械的品質係数(Qm )が不十分なため、このような
要求に対応することが困難である。
縦振動の3倍波を利用する高周波素子として用いた場合
でも、共振周波数の温度係数が小さく、機械的Q値が高
くでき、小型化、低電圧駆動化への対応が容易な圧電セ
ラミックスを提供することである。
(1)〜(6)の構成により達成される。 (1) チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスを
製造するに際し、焼成工程と分極工程との間に、大気圧
未満の酸素分圧の雰囲気にて、500℃超かつ焼成温度
以下の温度で加熱処理を行う圧電セラミックスの製造方
法。 (2) チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックスを
製造するに際し、大気圧以上の酸素分圧の雰囲気にて焼
成の降温工程を、大気圧未満の酸素分圧雰囲気で処理す
る圧電セラミックスの製造方法。 (3) 前記圧電セラミックスは、(1−a)〔Pbx
TiO3 〕+a〔MeTiO3 〕(MeはCa,Srお
よびBaの内の1種または2種以上の金属)と表したと
き、 0.95≦x≦1.02 0.01≦a≦0.35 である上記(1)または(2)の圧電セラミックスの製
造方法。 (4) 前記圧電セラミックスは、(1−a−b)〔P
bxTiO3 〕+a〔MeTiO3 〕+b〔Bi2/3Ti
O 3〕(MeはCa,SrおよびBaの内の1種または
2種以上の金属)と表したとき、 0.95≦x ≦1.02 0.01≦(a+b)≦0.35 0<b ≦0.30 である上記(1)または(2)の圧電セラミックスの製
造方法。 (5) 前記基本組成中のTiの一部が、10at%以下
のMnおよび/またはNbで置換されている上記(3)
または(4)の圧電セラミックスの製造方法。 (6) 前記基本組成中のPbの一部が、20at%以下
の希土類元素の内の1種または2種以上で置換されてい
る上記(3)〜(5)のいずれかの圧電セラミックスの
製造方法。
等の製造プロセスが特性に与える影響が極めて大きい
が、その各要因と圧電特性への影響は未だに不明瞭な点
が多い。例えば、特開7−202291号公報等、高温
分極法等、プロセス制御による大幅な圧電特性改善が知
られているが、これらの例にみられるように、熱履歴と
分極後の特性の関係は密接であり、特性改善のための有
益な手法である。本発明はその一環として、焼成工程と
分極工程の間に、大気圧未満の酸素分圧で500℃以上
かつ焼成温度以下の温度で加熱処理を行う工程を有する
ことにより、機械品質係数Qm が著しく向上することを
見いだし本発明に至ったものである。この加熱処理は、
焼成の際の降温段階を雰囲気制御することにより、降温
段階と加熱処理とを兼用してもよい。
方法は、チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミックス
の、焼成工程と分極工程との間に、大気圧未満の酸素分
圧で500℃以上かつ焼成温度以下の温度で加熱処理を
行う工程を有する。このように、焼成工程後と分極工程
前に、大気圧未満の酸素分圧で500℃以上かつ焼成温
度以下の温度で加熱処理を行うことにより、機械品質係
数Qm が著しく向上する。
チタン酸鉛を主成分とする。チタン酸鉛系の圧電セラミ
ックスを用いることで、3次高調波の利用が可能とな
り、小型、高周波化が可能となる。本発明の圧電セラミ
ックスはチタン酸鉛を主成分とするものであれば特に限
定するものではないが、好ましくは、(1−a)〔Pb
xTiO3 〕+a〔MeTiO3 〕(MeはCa,Sr
およびBaの内の1種または2種以上の金属、xは0.
95〜1.02、aは0.01〜0.35である。)で
表される基本組成1を有するか、または、(1−a−
b)〔PbxTiO3 〕+a〔MeTiO3 〕+b〔B
i2/3TiO3〕(MeはCa,SrおよびBaの内の1
種または2種以上の金属、xは0.95〜1.02、a
+bは0.01〜0.35、bは0.30以下であ
る。)で表される基本組成2を有するものであることが
好ましい。
2を有する圧電セラミックスは、チタン酸鉛、チタン酸
カルシウム,チタン酸ストロンチウムおよびチタン酸バ
リウムのいずれか一種以上とを含有する。組成2ではこ
れに加えてチタン酸ビスマスを有する。これらの組成物
におけるチタン酸カルシウム,チタン酸ストロンチウム
およびチタン酸バリウムの総計での含有モル比aは、 a=0.01〜0.35 の範囲にあることが好ましく、より好ましくは a=0.01〜0.3 の範囲である。Meがストロンチウムおよびバリウムの
場合は、モル比aが0.01未満であると、機械的Q値
の改善が困難になってくる。カルシウムの場合にはモル
比が0.01未満であると、圧電特性・温度特性が低下
してくる。ストロンチウムおよびバリウムの場合、モル
比aが0.35を超えると、圧電特性が劣化してくる。
カルシウムの場合、モル比aが0.35を超えると、誘
電率が300を超えることがあり、高周波に使用し難く
なってくる。
成物に対する含有量bは、 b≦0.30、 特に b=0.001〜0.30 の範囲にあることが好ましく、より好ましくは b=0.005〜0.20 の範囲である。チタン酸ビスマスのモル比bを0.00
1とすると、セラミックスの焼結性が向上し、素体の変
形がほとんど無くなってくる。チタン酸ビスマスの含有
mol比bが0.30を超えると、粒界に異物が析出して
圧電特性が損なわれることがある。
あるが、原料中のPb供給成分量の多少や、焼成条件の
差異により、ある程度変動する場合がある。この場合の
変動量xとしては、好ましくは x=0.95〜1.02 の範囲が好まい。xが0.95未満であると圧電特性が
劣化してくる傾向にあり、xが1.02を超えると焼結
性が低下してくる。xは上記範囲内であれば、1よりも
小さい方が劣化傾向が少なく好ましい。
び/またはNbで、総計10at%以下、特に0.05〜
10at%置換されていてもよい。MnおよびNbの量が
0.05at%以上となると、分極中の絶縁破壊が極めて
少なくなり、5at%を超えると焼結性が低下したり、電
気抵抗が低下して分極不能となったりすることがある。
これらの置換量は、総計0.05〜5at%が好ましく、
2種を併用する場合には、そのその量比は任意である。
元素の1種以上で置換されていてもよい。希土類元素と
しては、特にランタノイド系元素の1種以上が好まし
く、La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,G
d,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu等、特
にLa,Ce,Nd,Smの1種以上、置換量は、30
at%以下、特に0.5〜15at%であることが好適であ
る。これらの化合物は、通常その化学量論組成で存在す
るが、この値から多少偏倚していてもよい。
法について説明する。
O2、Bi2O3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、M
nO2、Nb2O5、La2O3等を用い、最終組成がチタ
ン酸鉛系の圧電セラミックス、好ましくは、上記の組成
となるよう秤量し、ボールミルを用いて十分に混合した
後、800〜1000℃前後で1〜3時間程度仮焼す
る。得られた仮焼物を、例えばボールミル等を用いて粉
砕する。このときの仮焼粉の平均粒径は0.8〜2μm
程度が好ましい。次いで、金型等を用いて必要な形状、
例えば10〜1000kg/cm2 の一軸加圧で、約0.5
〜20mm厚程度に仮成形した後、好ましくは、静水圧加
圧、例えば500〜5000kg/mm2 程度で加圧成形す
る。この成形体を好ましくは1000〜1400℃、よ
り好ましくは1150〜1250℃前後の範囲の保持温
度で、好ましくは1〜16時間、特に3〜5時間程度焼
成し、圧電セラミックス素体を製造する。このときの昇
温速度、降温速度は特に制限はないが、200〜300
℃/h程度が好ましい。
きさにスライス加工等した後、研磨加工し、所定の大き
さの圧電セラミックス基板を得る。そして、これらの基
板を例えば管状炉等を用いて、大気分圧未満の酸素分圧
となるように、例えば、酸素、窒素、炭素、水素等を主
成分とするガスを用い。あるいはこれらの混合ガスや、
これらに不活性ガス等を添加したもの、好ましくは窒素
ガス、酸素ガス、あるいはこれらの混合ガスを雰囲気ガ
スとして流しながら加熱処理を行う。
満、すなわち20%未満であればよいが、特に0〜18
%であることが好ましい。雰囲気ガスの流量は、特に規
制されるものではないが、好ましくは0.1〜50リッ
トル/min 、より好ましくは0.5〜5リットル/min
の範囲が好ましい。このときの加熱条件は、500℃超
で焼成温度以下、好ましくは600〜1000℃、特に
700〜900℃に加熱し、好ましくは0.5〜3時間
保持する。また、昇温・降温速度は特に規制されるもの
ではないが、好ましくは200〜300℃/h程度であ
る。
てもよいが、大気分圧以上の酸素分圧雰囲気中での圧電
セラミックスの焼成工程の降温段階を、大気分圧未満の
酸素分圧の雰囲気中で処理してもよい。この場合、降温
率は好ましくは200〜300℃/h程度が好ましく、
このような条件で処理した場合にも上記と同様の効果が
得られる。
ックス基板を、例えばシリコンオイル槽中等にて、好ま
しくは80〜150℃前後で1〜10kV/mm程度の電界
を印加して分極処理を行い圧電セラミック素子を得る。
その後、必要により両面に銀電極等を設けて、必要な素
子を製造する。
子、セラミックフィルタ、表面弾性波素子、圧電変位素
子、超音波振動子等に好適である。例えば、図5に示さ
れるように、レゾネータとする場合には、補強板1、樹
脂層2、内部電極3、スルーホール4、圧電素子5、誘
電体ベース板6、端部電極7および空洞8から形成すれ
ばよい。
明する。
iO2、Bi2O3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、
MnO2、Nb2O5、La2O3等を用い、最終組成が基
本組成:0.69〔PbxTiO3 〕+0.3〔MeT
iO3 〕+0.01〔Bi2/3TiO3〕に対し、Mn=
0.1at%、Nb=0.1at%添加した試料を作成し
た。
いて十分に混合した後、900℃で2時間仮焼し、得ら
れた仮焼物をボールミルで粉砕した。次いで、40mm角
の金型を用いて、200kg/cm2 の一軸加圧で約1cm厚
に仮成形した後、静水圧プレス装置を用い、2500kg
/mm2 で加圧成形した。この成形体を1150〜125
0℃の範囲で4時間焼成し、圧電セラミックスを製造し
た。
した後、ラップ盤を用いて研磨加工し、0.24mm厚の
圧電セラミックス基板を得た。次いで、これらの基板を
150mmΦの管状炉を用い、窒素ガス、酸素ガス、また
は大気を2リットル/min で流した状態で800℃で1
時間加熱処理を行った。また、加熱処理しないサンプル
も作製した。
中にて120℃・5kV/mmの電界を印加して分極処理を
行い、その後、両面に1mmΦの銀電極を取り付けて電気
特性測定用サンプルとした。これらのサンプルについ
て、厚み縦振動の3倍波モードで、I.R.E の標準回路に
より、圧電特性を測定した。また、分極後に240℃・
30秒の条件で熱劣化試験も実施した。
および大気雰囲気に比べ窒素雰囲気のものが30Hzm 程
度高い値が得られた。共振抵抗は、酸素雰囲気および大
気雰囲気に比べ窒素雰囲気のものが約4Ω近く低い値が
得られた。比誘電率は、酸素雰囲気および大気雰囲気に
比べ窒素雰囲気のでも顕著な相違はみられなかった。直
流抵抗値は、酸素雰囲気および大気雰囲気に比べ窒素雰
囲気のものが0.5×1011Ω程度高い値が得られた。
また、熱劣化試験では、共振周波数が酸素雰囲気および
大気雰囲気に比べ窒素雰囲気のものが+0.35%程度
度高い値が得られた。共振抵抗は、酸素雰囲気および大
気雰囲気に比べ窒素雰囲気のものが約4Ω程度低い値が
得られた。これにより、窒素雰囲気下で熱処理を行った
試料は、耐熱性も有することが確認された。また、窒素
雰囲気下での炉内の酸素濃度変化を測定したところ、試
料を入れた際には酸素濃度の上昇が確認され、試料から
酸素の放出があることが確認された。
しと、窒素雰囲気下850℃、1時間の熱処理を行った
試料を実施例1と同様にして作成した。
溶液を用いてケミカルエッチングを施し、SEMで表面
観察を行った。得られた結果を図1〜4に示す。ここ
で、図1は窒素雰囲気で処理したもの、図2はその拡大
図、図3は熱処理なしのもの、図4はその拡大図であ
る。図から明らかなように、窒素雰囲気下で熱処理を行
ったものは、分域と思われる縞模様が明確に確認でき、
分域がより安定であることが予想される。
iO2、Bi2O3、CaCO3、SrCO3、BaCO3、
MnO2、Nb2O5、La2O3等を用い、最終組成が表
1の組成となるよう秤量し、ボールミルを用いて十分に
混合した後、900℃で2時間仮焼し、得られた仮焼物
をボールミルで粉砕した。次いで、40mm角の金型を用
いて、200kg/cm2 の一軸加圧で約1cm厚に仮成形し
た後、静水圧プレス装置を用い、2500kg/mm2 で加
圧成形した。この成形体を1150〜1250℃の範囲
で4時間焼成し、圧電セラミックスを製造した。
した後、ラップ盤を用いて研磨加工し、0.24mm厚の
圧電セラミックス基板を得た。次いで、これらの基板を
150mmΦの管状炉を用い、窒素ガス、酸素ガス、ある
いはこれらの混合ガスを2リットル/min で流した状態
で加熱処理を行った。また、本発明の範囲外のものとし
て加熱処理しないサンプルも作製した。
中にて120℃・5kV/mmの電界を印加して分極処理を
行い、その後、両面に銀電極を取り付けて電気特性測定
用サンプルとした。これらのサンプルについて、厚み縦
振動の3倍波モードで、I.R.E の標準回路により、機械
品質係数(Qm )、共振インピーダンス(R0 )、機械
結合係数(Kt )等を測定した。結果を表1に示す。
を行ったものは、未処理、あるいは範囲外の試料と比較
して、機械的品質係数が格段と向上していることがわか
る。
11の組成において、熱処理工程を特別に設けることな
く、焼成工程の降温段階で、窒素ガスを2リットル/mi
n で流した状態で降温処理を行った。
様に評価したところほぼ同様の結果を得られた。
ンプルNo.4〜8および11と同様の圧電素子を用い、
図5に示すようなレゾネータを作製したところ、レゾネ
ータとして良好な特性が得られることが確認された。
希土類元素をLaからCe,Pr,Nd,Pm,Sm,
Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,L
uに代え、その他は実施例1と同様にして各サンプルを
作製したところ、実施例1とほぼ同等の結果を得た。
動の3倍波を利用する高周波素子として用いた場合で
も、共振周波数の温度係数が小さく、機械的Q値が高く
でき、小型化、低電圧駆動化への対応が容易な圧電セラ
ミックスが実現できる。
すSEM(走査型電子顕微鏡)写真である。
(走査型電子顕微鏡)写真である。
たレゾネータの一例を示す、概略構成図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クスを製造するに際し、 焼成工程と分極工程との間に、大気圧未満の酸素分圧の
雰囲気にて、500℃超かつ焼成温度以下の温度で加熱
処理を行う圧電セラミックスの製造方法。 - 【請求項2】 チタン酸鉛を主成分とする圧電セラミッ
クスを製造するに際し、 大気圧以上の酸素分圧の雰囲気にて焼成の降温工程を、
大気圧未満の酸素分圧雰囲気で処理する圧電セラミック
スの製造方法。 - 【請求項3】 前記圧電セラミックスは、 (1−a)〔PbxTiO3 〕+a〔MeTiO3 〕
(MeはCa,SrおよびBaの内の1種または2種以
上の金属)と表したとき、 0.95≦x≦1.02 0.01≦a≦0.35 である請求項1または2の圧電セラミックスの製造方
法。 - 【請求項4】 前記圧電セラミックスは、 (1−a−b)〔PbxTiO3 〕+a〔MeTiO
3 〕+b〔Bi2/3TiO3〕(MeはCa,Srおよび
Baの内の1種または2種以上の金属)と表したとき、 0.95≦x ≦1.02 0.01≦(a+b)≦0.35 0<b ≦0.30 である請求項1または2の圧電セラミックスの製造方
法。 - 【請求項5】 前記基本組成中のTiの一部が、10at
%以下のMnおよび/またはNbで置換されている請求
項3または4の圧電セラミックスの製造方法。 - 【請求項6】 前記基本組成中のPbの一部が、20at
%以下の希土類元素の内の1種または2種以上で置換さ
れている請求項3〜5のいずれかの圧電セラミックスの
製造方法。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP09673097A JP4020454B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 圧電セラミックスの製造方法 |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP09673097A JP4020454B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 圧電セラミックスの製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH10279352A true JPH10279352A (ja) | 1998-10-20 |
JP4020454B2 JP4020454B2 (ja) | 2007-12-12 |
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