発振子用非鉛圧電セラミックス材料の開発

摘要

発振子応用に適した非鉛圧電セラミックス材料として，ビスマス層状構造強誘電体SBNを選び，幅広い周波数域での実用化を目指した取り組みを行った。 SBNのSrサイトをNdで置換した組成を用い，共振周波数約12MHzのTE2モード発振子を試作した。 また，同様の組成にて配向セラミックスを作製し，これを用いて共振周波数約5MHzのTSモード発振子を試作した。 得られた特性，および，既存の鉛系高精度発振子材料の特性を表1にて比較する。 SBNのTE2モード発振子材料は，表記の特性に関しては鉛系TE3材料と同等の値を示しており，鉛系材料の置き換え候補として有望な材料であることが示唆される。 一方，SBN配向TS材料は鉛系TS材料に比べて，結合係数は小さく好ましいが，Qが劣る。 また，共振周波数の温度変化率もやや大きく，鉛系材料と同等の特性を得るためには更なる改善が必要である。 しかしながら，配向度を調節することにより，-0.4ppm／℃と非常に良好な温度特性が得られることが試作結果で確認されており，鉛系材料の置き換えに留まらず，これを凌ぐ高精度発振子の実現が期待される。 また，本稿では触れなかったが，SBNは経年変動および高温，高湿など環境要因による周波数変動が，鉛系材料と比較して良好な性能を示すことがわかっている。 一方で小型·低背，低コストといった要求に対しては，既存鉛系材料に対して不利な面が否めない。 さらに実用化に向けては，加工性や機械的強度の検証，デバイス構造の最適化など多くの課題が残されている。 今後，既存の鉛系材料との違いを正確に把握した上で，SBNの特徴を十分に生かせるような材料設計，デバイス設計を検討し，非鉛発振子用セラミックス材料の早期実用化を目指して開発を進めたい。