JPS6054267B2 - 圧電磁器組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、超音波振動子、セラミックフィルタ、表面
弾性波素子等に用いる圧電磁器に関するものである。

従来、この種の圧電磁器としては、ジルコン・チタン
酸鉛（ＰｂＺｒ、−ｘＴｉｘ００）を主成分とするいわ
ゆるｐｎ゛系圧電磁器、ニオブ酸カリウム・ナトリウム
（に、−ｘＮａｘＮｂ００）を主成分とするいわゆるＳ
ＰＮ系圧電磁器が良く知られている。

ｐｎ゛磁器については、Ｐｂ（Ｍｇ、ｈＮｂ。Ｉ、）Ｏ
、、Ｐｂ（Ｍｎ、’３Ｎｂ、れ）００等の第３成分を固
溶させることにより圧電特性、温度特性ともにかなり優
れた磁器が得られている。しかし、本質的に高誘電率（
４００〜１５００）磁器であるため、高周波で用いる場
合に素子の入出インピーダンスが低下し外部回路とのイ
ンピーダンス整合に問題がでてくる。とくに最近では、
圧電素子の高周波化が進んでおり、誘電率を下げること
が重要な課題となつている。一方、ＳＰＮ系磁器は誘電
率が小さい（１５０〜２００）という特徴はあるものの
電気機械結合数が小さい、温度特性が極めて悪いという
欠点をもつている。 これに対して本発明の圧電磁器組
成物の主成分であるチタン酸鉛は、キュリー温度が高く
（４７０℃）の誘電率の小さい（〜１７０）圧電体と
して知られているが、当初は焼結が極めて困難て緻密な
圧電磁器を形成することができなかつた。

しかし、池上らは少量の酸化ランタン（Ｌｌ。Ｏ０）と
二酸化マンガン（ＭｎＯ２）を同時に添加することによ
り空孔率１．５％程度の極めて緻密なチタン酸鉛磁器を
得ることに成功した（特開昭４８−３００９７、圧電磁
器組成物）。さらに池上らはこのようにして得られたラ
ンタン（Ｌａ）、マンガン（Ｍｎ）添加チタン酸鉛磁器
が優れた圧電特性を示すことを見出した（ジャーナル・
オブ・アコウステイカルソサアテイ・オブ・アメリカ５
瞳（１９７１年）１０６０〜１０６６ページ）、そこで
、筆者らは、池上らの発明によるランタン●マンガン添
加チタン酸鉛磁器を作成し、その表面弾性波特性を調べ
た。その結果、表面弾性波伝播速度■Ｓ＝２５０ｎ１／
ＳｅＣｌ電気機械結合係数Ｋ２〜３％、４０ＭＨｚにお
ける表面弾性波伝播損失８ｂＢ／ｃ！ｎという値を得た
。これらの値は表面弾性波を送受信するのにほぼ充分な
値であり、またこの磁器は誘電率が小さい（〜１７０）
ことから高周波での使用に耐えるものである。しかしな
がら、遅延時間温度特性悪く（〜９０ｐｐｍ／℃）この
ままでは実用的な表面弾性波素子用材料にはならないこ
とが判明した。そこで、本発明の目的は、高周波での使
用に耐える温度特性の優れた圧電磁器組成物を提供する
ことにある。

本発明の圧電磁器組成物は、酸化鉛および酸化チタンを
主成分とし、これに酸化ランタンを添加する。

さらにクロム、鉄、コバルト、ロジウム、イットリウム
、イツテルビユウムの酸化物のうち少なくとも一成分を
添加し、また、酸化マンガンを複合添加したものてある
。配合組成を適当に選択することによつて極めて緻密で
、かつ圧電特性．に優れた磁器が得られる。この優れた
特性を有する組成範囲は酸化鉛４４．３〜４９．５モル
％、酸化チタン４５．７〜５２．６モル％、酸化ランタ
ン０．５〜３．１モル％基本組成とし、さらにＣｒ，Ｆ
ｅ，ＣＯ，Ｒｈ，Ｙ，Ｙｂ酸化物のうち少なくとも１種
を計０．３〜２．６モル％、酸化マンガンを０．２〜１
．５モル％含んだ組成範囲である。

ここでムは主としてＰｂを置換し、Ｃｒ・・・・・・Ｙ
ｂは主としてＴｉを置換する金属元素がある。組成範囲
が上記範囲外になると、温度特性ならびに機械的品質係
数ＱＭ等が劣化し、本発明の効果を期待できなくなる。

以下に本発明を実施例により詳細に説明する。

本発明による組成物の測定用試料は以下の方法で作製し
、誘電、圧電及び表面弾性波特性を測定”した。上に記
した各酸化物を目的組成比となるように秤量し、それら
を湿式にて混合した。

混合物を乾燥後、成形して８５０℃で２時間仮焼した。
これを再度粉砕混合して、その粉末を３５０ｋ９／Ｃｌ
ｔのブレス圧のもとで円板に加圧成形し、１２６（代）
で５時間焼結した。焼結後のペレットサイズは直径１６
？、厚さ２ｗ！１ｔである。このペレットを約１ｍの厚
さまで研磨した後、両面に電極としてＣｒ−Ａｕ膜を蒸
着により形成し、銀ペーストで銅のリード線をつけた。
分極処理は３０−６０ＫＶ／Ｃ７？！の電圧を印加し、
１３０−１８０′Ｃで約１紛間行なつた。その後、誘電
及び圧電特性の測定を行なつた。さらに、試料の片面を
鏡面研磨し、光蝕刻法でＡ１のすだれ状電極を形成した
後、表面弾性波を測定した。下記の第１表はその組成例
と、各例についての誘電率Ｅ３３、電気機械結合係数Ｋ
ｓ２、表面波伝播 １ｄτ
損失Ｌ，、表面波遅延時間温度係数７］『を示す。

以上の結果によれば、酸化ランタンおよびＣｒ．．Ｆｅ
．．ＣＯ、Ｒｈ，．Ｙ．．Ｙｂ等の酸化物の添加量が増
加するに伴ない、温度特性が著るしく改善される。

例えば、第１表中の実施例１の４６．３モル％の酸化鉛
、４９．３モル％酸化チタン、酸化ランタン１．１モル
％、１．０モル％の酸化マンガン、２．３モル％の酸化
イットリウムあるいは、２４５．９モル％の酸化鉛、４
９．２モル％厨〒化チ歩−ン、酸化ランタン１．４モル
％、１．１モル％の酸化マンガン、２．４モル％の酸化
ロジウムを含む組成、３４７．２モル％の酸化鉛、４８
．７モル％の酸化チタン酸鉛、１．２モル％の酸化ラン
タン、０．９モル％の酸化マンガン、２．０モル％の酸
化イッテルビウムを加えた組成、または、４４７．８モ
ル％の酸化鉛、４８．１モル％の酸化チタン、０．７モ
ル％の酸化ランタン、１．５モル％の酸化マンガン、１
．９モル％の酸化クロムを含む組成ては、表面波の遅延
時間温度係数が２５ｐｐｍ／℃以下となり、圧電セラミ
ックスとしては最小の部類にはいる。

また、機械的品質係数ＱＭは１２００〜２０００と大き
く、かつ結晶粒径が１〜２μｍ程度と極めて小さいため
、表面波の伝播損失が６０ＭＨｚで４〜９ｄＢ／αと圧
電磁器としては従来になく小さい。

また、表面波の電気機械結合係数Ｋｓ２は１．０〜２．
５％である。加えて、比誘電率が２００〜３５０と小さ
いため、高周波での使用にも耐えることができる。以上
のように本発明の圧電磁器組成物は表面波の温度特性が
よく、かつ表面波の伝播損失が小さい点に特徴があり、
とくに表面弾性波素子用圧電磁器として、これまてにな
い優れた特性を有している。

本発明において、上記の組成物に近い組成物にさらにＣ
Ｏ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ａｓ，Ｒｈ，Ｙ，Ｙｂの酸化物をあと
１種以上添加することにより、また、その量が増すに従
い表面波遅延時間温度係数がさらに低下する。

組成比および添加元素を適当に選ぶことにより、１０ｐ
ｐｍ／℃以下の温度係数を持つ圧電体も合成が可能であ
る。その組成は、例えば、前掲の第１表中の実施例５の
酸化鉛４４．５モル％、酸化チタン５１．６モル％、酸
化マンガン１．５モル％、酸化ランタン１．０モル％、
１．０モル％の酸化コバルト、０．４モル％の酸化ロジ
ウムムを含む組成や、同じく実施例６の４７．１モル％
の酸化鉛、４７．９モル％の酸化チタン、４．０モル％
の酸化ランタン、１．５モル％の酸化マンガン、１．５
モル％の酸化−斗ツＩｂ■λて−Ｉ．Ｏモル％おｉ化イ
ッテルビウム組成である。また、機械的品質係数ＱＭは
、１５００〜２６００と大きく、かつ結晶粒径が１〜２
μｍ程度と極めて小さいため、表面波の伝播損失が６０
ＭＨｚにおいて４〜頒Ｂ／Ｃｍと圧電磁器としてはこれ
までになく小さい。なお、表面波の電気機械結合係数Ｋ
Ｓ２は１．０〜２．５％である。加えて、誘電率が１７
０〜３００と小さいため高周波での使用に最適である。
以上のような組成において、酸化ランタンの添加量が０
．５モル％以下ではＣｒ−Ｙｂ酸化物を添加したときの
温度係数の改善効果が小さく、３．１モル％を越えると
ＱＭ値が５００以下となり損失の大きい磁器となつた。

また、Ｃｒ−Ｙｂ酸化物の添加総量が０．３モル％未満
では温度係数の改善効果は小さく、２．６モル％を越え
ると析出物、空孔などが現れ緻密な磁器が得られなかつ
た。ＭｎＯ２に関しては、添加量の増加に従がい機械的
品質係数ＱＭが増大し、伝播損失が小さくなる１．５モ
ル％を越えると電気抵抗が著しく低下するため分極処理
が困難になり圧電特性が劣化した。また明らかな機械的
品質係数ＱＭの増加がみられるのは０．２モル％以上添
加した場合であつた。このように、緻密でかつ圧電特性
に優れた磁器が得られる添加物の添加量の範囲は、磁化
ランタ゛ン０．５〜３．１モル％、Ｃｒ，Ｆｅ，ＣＯ，
Ｒｈ，Ｙ，Ｙｂの酸化物のうち少なくとも１種を計０．
３〜２．６モル％、酸化マンガンを０．２〜１．５モル
％となる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 酸化鉛および酸化チタンを主成分としてそれぞれ４
   ４．３〜４９．５モル％、４５．７〜５２．６モル％含
   有し、これに酸化ランタンを０．５〜３．１モル％、Ｃ
   ｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｒｈ，Ｙ，Ｙｂの酸化物のうち少なく
   とも１種類を０．３〜２．６モル％、さらに酸化マンガ
   ンを０．２〜１．５モル％含むことを特徴とする圧電磁
   器組成物。