JPH11330578A - 圧電素子並びにそれを用いた圧電振動子、発音体、圧電アクチュエータ、超音波探触子及び圧電トランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 各種電子部品に使用される酸化物強誘電体の
セラミクスにおいて、マイナス４０℃からプラス１２０
℃までの広い範囲で良好な圧電特性を示す圧電素子を安
定に正確に得、さらに、急激な温度変化に対する性能劣
化のない耐熱性の高い圧電素子を提供することである。 【解決手段】 本発明は課題解決の手段として、２つ以
上の電極を設けた圧電材料において分極処理を行った電
極間に抵抗を用いて短絡することを特徴とする。本発明
により、圧電特性と耐熱性を両立した相境界近傍の狭い
領域の高誘電率、高圧電定数を有する材料組成を利用す
る場合や、素子薄板化により良好なデバイス特性を持た
せたデバイスの信頼性向上が容易に可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、携帯用電話、コン
ピュータ、超音波検査装置等の発音源あるいは圧電振動
子・発音体・圧電アクチュエータ・圧電トランスに用い
られる圧電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、圧電材料を用いた圧電スピーカ、
レシーバあるいはマイクは、携帯電話やコンピュータの
音声入出力装置として見直されてきている。特に携帯用
として摂氏２００度以上の高温で安定に動作する圧電振
動子への要望が強くなっている。このとき問題となるの
が、１）耐熱性、２）圧電特性、３）信頼性、といった
ことである。そのため、ペロブスカイト構造を有する酸
化物強誘電体のセラミックスに着眼した新材料の探索と
添加物による改善が多数行われている。

【０００３】これまで、第３の組成物として複合ペロブ
スカイト型酸化物をさらに混合したり、新たに添加物を
加え組成の安定化を図り、誘電率の向上や圧電特性の向
上を行ってきた。

【０００４】しかし、実用範囲の圧電性能を向上してい
くとそれに伴い材料の焦電係数も同時に向上する。この
影響により熱衝撃試験などの信頼性試験を行う時に、圧
電素子の電極間に大きな電荷が現われ、それにより圧電
素子の分極状態が乱される。結果として圧電性能の劣化
や振動周波数のシフトが発生し、実用上深刻な問題とな
る。

【０００５】また一方で、圧電素子の変位量を大きくす
ることを目的として、圧電材料の電極間距離を短くす
る。すなわち、圧電材料を薄くすることによりデバイス
としての性能を向上する手法も検討されている。この場
合は材料の焦電係数は大きくならないが、材料を薄くし
たために従来と同じ電荷量の発生でも素子にかかる電圧
が非常に大きくなってしまう。この影響により信頼性試
験を行う際に上記とまったく同様な分極状態の乱れが圧
電素子に起きてしまう。その結果として、材料・デバイ
スの信頼性上の深刻な問題が起きる。

【０００６】このように圧電素子の特性向上や圧電材料
の薄膜化の検討において、圧電素子としてのデバイス設
計からの信頼性の要望に応えられなくなってきている現
状がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、圧電素子を応用
した製品における圧電特性の向上の要望は強く材料の性
能を十分引き出さなければならなくなってきている。こ
れら素子特性向上と同時に従来と同等またはそれ以上の
信頼性をデバイス設計から要望されている。

【０００８】この発明の第１の目的は、マイナス４０℃
からプラス１２０℃までの広い範囲で良好な圧電特性を
示す圧電素子を安定に正確に得ようとすることである。

【０００９】さらに、第２の目的は、急激な温度変化に
対する性能劣化のない耐熱性の高い圧電素子を提供する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、２つ以上の電極を設けた圧電材料において
分極処理を行った電極間に抵抗を用いて短絡することを
特徴とし、圧電特性と耐熱性を両立した相境界近傍の狭
い領域の高誘電率、高圧電定数を有する材料組成を利用
する場合や、素子薄板化により良好なデバイス特性を持
たせたデバイスの信頼性向上が容易に可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施例について
図面を参照しながら説明する。

【００１２】図１はこの発明の実施例における概略図で
ある。圧電素子をコンデンサとみなしその分極に用いた
電極間を短絡するように抵抗をいれて使用する。この
時、熱衝撃試験などの温度変化に対して、圧電材料の持
つ焦電係数と温度の変化量から決定する一定の電荷が材
料から観測される。焦電係数が大きく温度変化が急激な
場合には大きな電荷を観測する事になる。

【００１３】一般に圧電特性が大きな材料ほど焦電係数
は大きくなるので、高い圧電特性をもつ材料を用いる場
合、必然的にこの電荷量は大きくなり、結果として素子
には大きな電界がかかってしまう。この電界の影響によ
って素子の分極方向に対して逆電界がかかる場合があ
り、このうち電界が大きい場合すなわち焦電係数が大き
い場合には、素子に対して脱分極の作用を及ぼすことが
ある。脱分極作用はデバイスの特性劣化につながること
は明白である。

【００１４】また、近年デバイスとしての特性向上を目
的として圧電素子の薄板化が検討されているが、この場
合は焦電係数が従来と変わらない場合でも、素子が薄く
なる事によって素子に対してかかる電界は大きくなり、
結果として上記と同様に脱分極作用が起きてしまう。

【００１５】図１に示されるように、素子の電極間を抵
抗で短絡することによって、素子の容量と短絡した抵抗
の積から決まる時定数（τ）によって素子の電荷は徐々
に放電され、同時に素子にかかる電界は小さくなってい
く。

【００１６】例えば、高い圧電特性と同時に高い焦電係
数を示す圧電素子を膜厚１００μｍで使用する場合、通
常１０〜４０ｋＶ／ｃｍ、すなわちに１００〜４００Ｖ
の電圧を印加して分極を行う。この素子対してー４０℃
から１００℃まで急激に温度を変化させる信頼性試験を
行うと素子の焦電特性により何度も大きな電荷が発生し
素子自体に蓄積され、結果として素子自体に数１００Ｖ
の電圧が容易に加わることになる。この時、通常の圧電
素子を用いた場合、放電に時間を要し分極時と同等の電
圧が長時間印加される。このため、簡単に脱分極が起き
て素子特性が容易に劣化してしまう。

【００１７】本発明の素子の電極間に抵抗を用いて短絡
した圧電素子を用いることによ、熱により発生した電荷
が常に放電され、焦電特性を要因とする素子への電圧印
加がまったく起きないので、特性も劣化しない。

【００１８】また、デバイス特性の向上を目的とした素
子薄板化においては、信頼性試験において、これら焦電
特性を要因とする特性の劣化がより顕著となる。これは
薄板化した素子の場合、熱伝導がよくなり温度変化の影
響を受けやすいことと発生した電荷量に対して厚い場合
より大きな電圧が印加されてしまうためである。本発明
の電極間に抵抗を用いて短絡した素子は、薄板化した素
子にも顕著な効果を示し、特性の劣化がまったくみられ
ない。

【００１９】図２は本発明の圧電材料の一つである強誘
電性ペロブスカイト型酸化物の相図である。ここで強誘
電性ペロブスカイト型酸化物（１）は、チタン酸鉛（化
学式ＰｂＴｉＯ₃を以降ＰＴと略す）とジルコン酸鉛
（化学式ＰｂＺｒＯ₃を以降ＰＺと略す）とマグネシウ
ムニオブ酸鉛（化学式Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃を以
降ＰＭＮと略す）の組成物を強誘電性ペロブスカイト型
複合酸化物として、所望の圧電材料を得る。

【００２０】いわゆるＰＺＴ系はｘＰＴ−（１−ｘ）Ｐ
Ｚの組成式で表され、ｘが０．４２から０．４８の範囲
に正方晶系と菱面体晶系の相境界が存在する。これにＰ
ＭＮを添加した三成分系の圧電材料は、ｘＰＴ―ｙＰＺ
―（１―ｘ―ｙ）ＰＭＮの組成式で表され詳細に研究さ
れており（例えば、OUCHIらによるJ.American Ceramic
Society Vol.４８ No.１２の６３０ページ〜６３５ペー
ジ）、１−ｘ−ｙをｚで表すと図２の相図に示すように
（ｘ，ｙ，ｚ）＝（0.4375，0.125，0.4375）で示され
る３重点付近で大きな圧電特性をもつ圧電材料である。

【００２１】以下の実施例では、この逐次相転移する強
誘電体でしかも使用温度領域において正方晶系となる組
成物を用いて実験を行った。

【００２２】（実施例１）最初に相境界近傍の組成に相
当する原料を５種類配合し、８００℃から１１００℃で
仮焼成を行った後Ｘ線回折法による構造解析を行い、ペ
ロブスカイト構造であることを確認する。この時、仮焼
物は平均粒径が１ミクロン以下に粉砕し、次に、１２０
０から１３００℃で最終整形済みの焼結体を焼成した。
焼成後ペレットはφ１０ｍｍ、２００μｍであった。こ
れに電極を付ける。電極材料は、焼き付け銀や導電性塗
料や金属を蒸着した。その後に分極処理を行い、圧電特
性・焦電係数を測定した。

【００２３】これら５種の圧電素子に１０ｋΩの抵抗を
用いて電極間を短絡し、マイナス４０℃とプラス１００
℃の温度サイクル試験を行った結果を（表１）に示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】（実施例２）つぎに（実施例１）で用いた
材料のうち最も特性の良好な材料（サンプル５）を用い
て、焼結体を作製した。これに電極を付け、その後に分
極処理を行い、圧電特性・焦電係数を測定した。

【００２６】これら試料に、１００Ωから１０ＭΩまで
８種類の抵抗を用いて電極間を短絡し、マイナス４０℃
とプラス１００℃の温度サイクル試験を行った。比較例
として抵抗をつながない状態の素子も同様に温度サイク
ル試験を行った結果を（表２）に示す。

【００２７】

【表２】

【００２８】（実施例３）つぎに（実施例１）で用いた
材料のうち最も特性の良好な材料を用いて、膜厚を５種
類変えて焼結体を作製した。これに電極を付け、その後
に分極処理を行い、圧電特性・焦電係数を測定した。

【００２９】これら膜厚を変えた圧電素子に１０ｋΩの
抵抗を用いて電極間を短絡し、マイナス４０℃とプラス
１００℃の温度サイクル試験を行った。比較例として抵
抗をつながない状態の素子も同様に温度サイクル試験を
行った結果を（表３）に示す。

【００３０】

【表３】

【００３１】（実施例４）（実施例３）のうち膜厚５０
μｍの試料を用い、これに電極を付け、その後に分極処
理を行い、圧電特性を測定した。

【００３２】この実施例では、抵抗の代わりに導電性の
シリコン接着剤（信越シリコン製ＫＥ４５７６）で電極
間を短絡して、抵抗を測定した。その後、マイナス４０
℃とプラス１００℃の温度サイクル試験を行った。比較
例として抵抗をつながない状態の素子も同様に温度サイ
クル試験を行った結果を（表４）に示す。

【００３３】

【表４】

【００３４】（表１）、（表２）、（表３）、（表４）
に示されるように、抵抗を用いて電極間を短絡する事で
急激な温度変化に対する信頼性が大きく向上することが
わかる。

【００３５】（実施例１）の材料の差、（実施例２）の
抵抗の差、（実施例３）の膜厚の差のそれぞれの結果か
ら、試料の容量と抵抗の積、すなわち圧電素子に蓄積さ
れる電荷を放電する際の時定数が10^-3秒以下の時に特性
の劣化が全くないことがわかる。これは特性劣化の有無
を決定する要因が、焦電効果によって一旦蓄積された電
荷の放電時間によることを示している。

【００３６】すなわち、放電の時定数が10^-3秒以下の時
に特性の劣化防ぐことが可能となり、材料や膜厚、また
各種の抵抗の種類にかかわらず、試料の容量と抵抗の積
をすなわち時定数を制御することが信頼性の向上に有効
なこととなる。

【００３７】また（実施例４）に示される導電性ペース
トを用いて電極間を短絡する簡略な方法は、様々なデバ
イスの設計において設計上の自由度が非常に大きくなる
ので、各種の圧電振動子、また圧電振動子の応用に対し
て非常に有効な手段となることはいうまでもない。

【００３８】ただし、短絡するための抵抗値が低すぎる
（例えば１Ω）と圧電素子側に印可される電圧が小さく
なり所望の素子特性を得ることが不可能となる。抵抗値
は、各々のデバイスに合致した抵抗値を本発明の範囲で
選択することが重要となる。

【００３９】図３に本発明の実施例における圧電振動子
の一例を示した。圧電振動子において、本発明の導電性
ペーストにより金属電極間を短絡している。導電性ペー
ストは振動子に全く影響しない範囲で塗布している。こ
の場合に（実施例４）と同様に温度サイクル試験を行っ
たが、サイクル試験の前後で振動子としての特性の劣化
は全くなかった。

【００４０】図４に本発明の実施例における発音体の一
例を示した。発音体は圧電素子を振動板５に張り付けた
構造となる。この場合も同様に上下の電極間に導電性ペ
ースト３を用いて短絡している。発音体としての特性に
影響を与えないよう圧電素子の一部にペーストを塗布し
ている。この場合も（実施例４）と同様に温度サイクル
試験を行ったが、サイクル試験の前後で素子の特性に変
化はなく、発音体としての音圧特性にも劣化は全くなか
った。

【００４１】図５に本発明の実施例におけるバイモルフ
型アクチュエータの一例について示した。基本構成は圧
電素子を積層した形であって、圧電振動子を一点以上で
支えて音声振動を検出できる構造にしている。バイモル
フ型アクチュエータの場合、図に示すように電極間をす
べて導電性ペーストで短絡する形で用いている。この場
合も（実施例４）と同様に温度サイクル試験を行った
が、サイクル試験の前後で振動の検出に対する特性の劣
化は全くなかった。

【００４２】図６に弾性板と圧電素子との積層型アクチ
ュエータの一例について示した。図５と同様に一部を支
えて音声振動を検出することが可能な構造にしている。
この場合も（実施例４）と同様に導電性のペーストを用
いて温度サイクル試験を行ったが、サイクル試験の前後
で特性の劣化は全くなかった。

【００４３】図７に本発明の実施例における超音波探触
子のアレイ構造の一例について示した。このアレイの場
合、一素子ずつが探触子としての特性を有しており、導
電性ペーストも一素子ずつ塗布している。この場合も
（実施例４）に示す温度サイクル試験を行ったが、サイ
クル試験の前後で特性の劣化は全くなかった。

【００４４】図８に圧電トランスの一例について示し
た。この場合、入力側・出力側双方で分極を行うが、図
に示すように入力側の電極間を導電性ペーストで短絡し
ている。出力側を短絡すると、入力側と短絡されてしま
いトランスとしての特性を失ってしまう。そのため出力
側は通常の仕様としている。

【００４５】また、出力側は見かけ膜厚が厚いので、焦
電の影響を受けたとしても脱分極し難くなっている。こ
の場合も（実施例４）と同様に温度サイクル試験を行っ
た。サイクル試験の前後での圧電トランス特性で問題は
なかった。

【００４６】

【発明の効果】この発明によれば、圧電素子に抵抗を用
いて電極間を短絡する事で、素子およびその応用デバイ
スの急激な温度変化に対する信頼性が大きく向上する。
すなわち、試料の容量と抵抗の積、すなわち圧電素子に
蓄積される電荷を放電する際の時定数が１０^-3秒以下の
場合に特性の劣化が全くなくなる。これは焦電効果によ
って一旦素子に蓄積される電荷が、その後放電されるま
での時間が特性劣化の有無を決定しているためである。

【００４７】本発明は、高い圧電特性を持つ材料・圧電
素子の薄板化に対して、素子の信頼性を向上するととも
に、導電性のペーストを抵抗としてもちいることで、デ
バイスを設計する側の自由度も従来通り行うことが可能
である。したがって、総合的に圧電素子の特性向上と信
頼性の向上を両立することが容易に可能となる。

【００４８】この発明の効果は実施例に記述した抵抗、
導電性ペーストに限定されることはない。また、圧電素
子の応用は、圧電振動子、発音体、超音波検出器用、ア
クチュエータに限定されないことはいうまでもないな
い。例えば、音声検出器や加速度検出器用、セラミック
フィルタの圧電素子に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の圧電素子の概略図

【図２】ＰＴ−ＰＺ−ＰＭＮの相図

【図３】本発明の圧電振動子の構成を示した図

【図４】本発明の発音体の構成を示した図

【図５】本発明のバイモルフ型アクチュエータの一例を
示した図

【図６】本発明の弾性板と圧電素子との積層型アクチュ
エータの一例を示した図

【図７】本発明の超音波探触子のアレイ構造の一例を示
した図

【図８】本発明の圧電トランスの構成の一例を示した図

【符号の説明】

１ 強誘電ペロブスカイト型酸化物 ２ 金属電極 ３ 導電性ペースト ４ 圧電材料

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つ以上の電極を設けた圧電材料におい
   て、分極処理を行った電極間に抵抗を用いて短絡するこ
   とを特徴とする圧電素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電材料が強誘電体の複
   合酸化物であることを特徴とする圧電素子。
3. 【請求項３】 請求項１、２記載の圧電材料の厚みが
   ０．２ミクロン以上１ミリメートル以下であることを特
   徴とする圧電素子。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３記載の圧電素子の抵抗と
   電極間の容量の積が１０―³秒以下であることを特徴と
   する圧電素子。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４記載の電極―電極間の抵
   抗として導電性のペーストあるいは導電性薄膜を用いた
   ことを特徴とする圧電素子。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５記載の圧電素子を用いた
   ことを特徴とする圧電振動子。
7. 【請求項７】 請求項６記載の圧電振動子を用いたこと
   を特徴とする発音体。
8. 【請求項８】 請求項１乃至５載の圧電素子を用いたこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータ。
9. 【請求項９】 請求項１乃至５記載の圧電素子を用いた
   ことを特徴とする超音波探触子。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至５記載の圧電素子を用い
    たことを特徴とする圧電トランス。