(57)【要約】【課題】圧電セラミックスを用いた圧電振動子であって、圧電セラミックス単板を直接接合する工程を必要とせずに、厚みが厚く、機械的に強固で、高周波対応性に優れた、厚みすべりモードの圧電振動子素子、および、該圧電振動子を効率よく製造することが可能な圧電振動子の製造方法を提供する。【解決手段】圧電セラミックス矩形板１の、互いに対向する一対の端面２，３に形成された分極用電極４，５を用いて所定の方向に電界を印加し、圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスを全体的に分極した後、分極用電極の一部を除去し、残った分極用電極４ａ，５ａを用いて、圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスの一部領域Ｒ２に逆方向に電界を印加し、圧電セラミックスの一部領域を、上記の全体的分極工程における分極の方向とは逆方向に分極する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
(ａ)圧電セラミックス矩形板の、互いに対向する一対の端面のそれぞれに形成された分極用電極を用いて所定の方向に電界を印加することにより、前記圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスを全体的に所定の方向に分極する全体分極工程と、
(ｂ)前記一対の端面に形成された前記分極用電極のそれぞれの一部を除去する電極除去工程と、
(ｃ)前記(ｂ)の電極除去工程で除去されずに残った前記分極用電極を用いて、前記圧電セラミックス矩形板を構成する前記圧電セラミックスの一部領域に、前記(ａ)の工程における電界の印加方向とは逆方向に電界を印加することにより、前記圧電セラミックスの前記一部領域を、前記(ａ)の工程における分極方向とは逆方向に分極する部分分極工程と
を備えていることを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項２】
圧電セラミックスからなり、互いに隣接する領域どうしでは分極方向が互いに逆向きである、少なくとも２つの領域を備え、前記隣接する領域は一体に焼結されたものである圧電素子と、
前記圧電素子の両主面に、前記少なくとも２つの領域を介して互いに対向するように配設された駆動電極と
を具備することを特徴とする圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子に関し、詳しくは、厚みすべり振動を用いた圧電振動子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子として、圧電セラミックスの厚み縦振動や厚みすべり振動を利用した圧電振動子が、電子機器において広く用いられている。そして、近年の電子機器の処理速度、通信速度の高速化に伴って、圧電振動子においても、より高周波での共振駆動が可能なものが求められるようになっている。
【０００３】
ところで、このような圧電振動子において、安定で対称性の高い分極反転構造を備え、良好なスプリアス抑制効果を有する安価な圧電振動子として、例えば図６に示すような厚みすべりモードの圧電振動子が提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
この圧電振動子は、同じ厚みを有する２枚の圧電性単結晶ウエハ(例えばＺカットのニオブ酸リチウムなど)５１、５２を、分極軸を反転させて直接接合し、一体化した分極反転ウエハ５３と、この分極反転ウエハ５３の上面と下面に形成された駆動電極５４ａ，５４ｂを備えている。なお、図６では、分極Ｐsの向きを図中の矢印で示している。
この圧電振動子によれば、対向して配置された駆動電極５４ａ，５４ｂから電圧を印加することにより、厚みすべり振動波が励振され、２次高調波が励振される。
【０００５】
しかしながら、この圧電振動子は、予め分極された圧電性単結晶ウエハを接合することにより作製されているため、厚みの薄い圧電性単結晶ウエハを取り扱ったり、接合したりする際に、圧電性単結晶ウエハを破損したりする場合があり、製造は必ずしも容易ではないものと考えられる。
【０００６】
また、圧電性単結晶ウエハの代わりに圧電セラミックスを用い、上記従来例のような構成とすることも考えられるが、接合すべき圧電セラミックス単板の主面を圧電性単結晶ウエハ並みに平滑にすることは容易でなく、直接接合の方法で良好な応答レベルを有する圧電振動子を作製するのは極めて困難である。したがって、単結晶に比べて安価な圧電セラミックスを用いて、基本波と同等の応答特性を有する厚みすべりの高調波を励振する振動子を作製することは容易ではないのが実情である。
【特許文献１】特開平１０-５１２６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、圧電セラミックスを用いた圧電振動子であって、圧電セラミックス単板を直接接合する工程を必要とせずに、厚みが厚く、機械的に強固で、高周波対応性に優れた、厚みすべりモードの圧電振動子、および、該圧電振動子を効率よく製造することが可能な圧電振動子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の圧電振動子の製造方法は、
(ａ)圧電セラミックス矩形板の、互いに対向する一対の端面のそれぞれに形成された分極用電極を用いて所定の方向に電界を印加することにより、前記圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスを全体的に所定の方向に分極する全体分極工程と、
(ｂ)前記一対の端面に形成された前記分極用電極のそれぞれの一部を除去する電極除去工程と、
(ｃ)前記(ｂ)の電極除去工程で除去されずに残った前記分極用電極を用いて、前記圧電セラミックス矩形板を構成する前記圧電セラミックスの一部領域に、前記(ａ)の工程における電界の印加方向とは逆方向に電界を印加することにより、前記圧電セラミックスの前記一部領域を、前記(ａ)の工程における分極方向とは逆方向に分極する部分分極工程と
を備えていることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の圧電振動子は、
圧電セラミックスからなり、互いに隣接する領域どうしでは分極方向が互いに逆向きである、少なくとも２つの領域を備え、前記隣接する領域は一体に焼結されたものである圧電素子と、
前記圧電素子の両主面に、前記少なくとも２つの領域を介して互いに対向するように配設された駆動電極と
を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の圧電振動子の製造方法においては、圧電セラミックス矩形板の、互いに対向する一対の端面に形成された分極用電極を用いて所定の方向に電界を印加し、圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスを全体的に分極した後、分極用電極の一部を除去し、残った分極用電極を用いて、圧電セラミックス矩形板を構成する圧電セラミックスの一部領域に逆方向に電界を印加し、圧電セラミックスの一部領域を、上記の全体的分極工程における分極の方向とは逆方向に分極するようにしているので、圧電セラミックス単板を直接接合する工程を必要とせずに、厚みが厚く、機械的に強固で、高周波対応性に優れた、厚みすべりモードの圧電振動子を効率よく製造することができる。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、圧電セラミック矩形板の一対の端面に形成した分極用電極を用いて圧電セラミック矩形板全体を所定の方向に分極し、その後、分極用電極のそれぞれの一部を除去し、残った分極用電極を用いて、圧電セラミックス矩形板の所定の領域を逆方向に分極するようにしているので、厚みが薄く、破損しやすい、圧電セラミックス単板を用意する工程やこれを直接接合する工程を必要とせずに、分極反転型で厚みすべりモードの圧電振動子を効率よく製造することが可能になる。
【００１２】
また、本発明の圧電振動子は、互いに隣接する領域どうしでは分極方向が互いに逆向きである、少なくとも２つの領域を備え、隣接する領域は、焼結後に接合されたものではなく、一体に焼結されたものである圧電素子と、圧電素子の両主面に、少なくとも上記２つの領域を介して互いに対向するように配設された駆動電極とを備えており、各領域は焼結後に接合されたものではなく、一体に焼結したものであることから、圧電セラミックス単板を直接接合したりすることを必要とせずに、機械的強度が大きく、信頼性の高い分極反転型の圧電振動子を提供することができる。
【００１３】
そして、この圧電振動子は、上述の本発明の製造方法により、効率よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に本発明の実施の形態を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【実施例１】
【００１５】
＜圧電振動子の作製＞
(１)出発原料としてＰｂ3Ｏ4、ＳｒＣＯ3、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｎｂ2Ｏ5、Ｌａ2Ｏ3、ＭｎＣＯ3、Ｎｄ2Ｏ3、及び、Ｂｉ2Ｏ3を用意し、これらを以下の[組成１]、[組成２]、[組成３]の各組成となるように秤量した。
[組成１]
（Ｐｂ0.9Ｓｒ0.1）（Ｚｒ0.54Ｔｉ0.46）Ｏ3＋１ｍｏｌ％Ｎｂ2Ｏ5
[組成２]
（Ｐｂ0.85Ｌａ0.1）ＴｉＯ3＋１ｍｏｌ％ＭｎＣＯ3
[組成３]
（Ｓｒ0.85Ｎｄ0.1）Ｂｉ2Ｎｂ2Ｏ9＋１ｍｏｌ％ＭｎＣＯ3
【００１６】
(２)上記割合で秤量した組成１，組成２，組成３の原料をボールミルを用いてイオン交換水中で約１６時間湿式混合し、得られた混合物を乾燥した後、７００〜９００℃で仮焼して仮焼物を得た。
【００１７】
(３)この仮焼物を粗粉砕した後、有機バインダを適量加え、ボールミルを用いて１６時間湿式粉砕し、４０メッシュのふるいを通して粒度調整を行った。
【００１８】
(４)次に、これを１０００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で、
長さ（Ｌ）：２０ｍｍ、
幅（Ｗ）：３ｍｍ、
厚さ（Ｔ）：２ｍｍ
のブロック状に成型した後、５００℃で２時間脱脂し、通常の焼結方法を用いて１２００℃の温度で焼結を行い、焼結体(圧電セラミックス矩形板)を得た。
【００１９】
(５)それから、図１(ａ)に示すように、この圧電セラミックス矩形板１の、長さ(Ｌ)方向の辺と、厚さ(Ｔ）方向の辺により規定される、互いに対向する一対の端面２，３にスパッタリング法を用いて、Ａｇ薄膜を成膜して、一対の分極用電極４，５を形成した。
【００２０】
(６)次に、１５０℃の絶縁オイル中で、分極用電極４，５間に２〜１０ｋＶ／ｍｍの直流電圧を３０〜１２０分間、所定の方向に印加して、圧電セラミックス矩形板１を構成する圧電セラミックスの全体に最初の分極処理を施した。
【００２１】
(７)その後、分極用電極４，５の一部(この実施例では上側半分）を、図１(ｂ)に示すように削除し、下側半分の、残った分極用電極４ａ，５ａを用いて、上記の(６)の工程における、最初の分極処理の際の方向とは逆方向に、同じ条件で、２回目の分極を行い、分極方向が互いに逆向きで、互いに隣接する層状の領域Ｒ１，Ｒ２を備えた圧電セラミックス矩形板１を得た。
【００２２】
(８)それから、図２に示すように、分極用電極４ａ，５ａを削除し、分極済みの圧電セラミックス矩形板１を得た。
【００２３】
(９)次に、図３に示すように、分極済みの圧電セラミックス矩形板１の、上下両主面６，７に、スパッタリング法により、Ａｇ薄膜を成膜して、駆動電極８，９を形成した。
【００２４】
(10)その後、駆動電極８，９を形成した圧電セラミックス矩形板１を、圧電セラミックス矩形板１の、幅(Ｗ)方向と、厚さ(Ｔ)方向の辺により規定される端面１０に平行に２．５ｍｍ間隔でダイサーにより切断して、寸法が３ｍｍ×２．５ｍｍ×２ｍｍの圧電振動子(試料)１１(図４参照)を得た。
【００２５】
この圧電振動子１１は、圧電セラミックスからなり、互いに隣接し、分極方向が互いに逆向きである２つの層状の領域Ｒ１，Ｒ２を備えた圧電素子１２と、２つの層状の領域Ｒ１，Ｒ２を介して互いに対向するように、圧電素子１２の表裏両主面側に配設された駆動電極８，９を備えている。そして、互いに隣接する層状の領域Ｒ１，Ｒ２は、上述のように、一体に焼結されたものであって、焼結後に接合されたものではない。
【００２６】
したがって、上記実施例の方法によれば、圧電セラミックス単板を直接接合する工程を必要とせずに、厚みが厚く、機械的に強固で、２次高調波を励振することが可能な、厚みすべりモードの圧電振動子を効率よく製造することができる。
【００２７】
なお、この実施例１では、圧電振動子(試料)１１として、上記の[組成１]、[組成２]、[組成３]の各圧電セラミックス原料を用いた、試料番号１，２，および３の合計３種類の圧電振動子を作製した。
【００２８】
また、比較のため、最初の分極処理の後、分極用電極をすべて削除し、駆動電極の形成、切断の工程を経て、図５に示すように、圧電セラミックスが一方向にのみ分極された圧電振動子(比較例の試料)１１ａを作製した。すなわち、比較例の各試料は、２回目の分極を行っていないことを除いて、上記実施例の試料と同じ条件で作製されており、寸法も同じである。なお、図５において、図４と同一符号を付した部分は同一または相当する部分を示している。
【００２９】
なお、この比較例の試料としても、上記の[組成１]、[組成２]、[組成３]の各圧電セラミックス原料を用いた、試料番号４，５，および６の合計３種類の圧電振動子を作製した。
【００３０】
＜特性の評価＞  
上述のようにして作製した、本発明の要件を備えた試料番号１，２，３の試料（実施例の試料）と、２回目の分極を行っていない、試料番号４，５，６の比較用の試料について、共振周波数、電気機械結合係数、圧電ｄ定数、および機械的品質係数を調べ、圧電特性を評価した。その結果を表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１に示すように、本発明の要件を備えた試料番号１〜３の試料(実施例の試料)は、何れも試料番号４〜６の比較例の各試料と厚みが同じであるにもかかわらず、２倍の周波数の位置に同等の応答特性の共振を生じせしめることができていることがわかる。
【００３３】
また、電気機械結合係数、圧電ｄ定数、および機械的品質係数に関しては、試料番号１〜３の実施例の試料と、試料番号４〜６の比較例の試料との間に大きな差異はなく、圧電振動子としての基本的な性能に関し、何ら問題がないことが確認された。
【００３４】
なお、上記実施例では、２回目の分極処理工程で、１回目とは逆方向の分極処理を行って、分極方向が互いに逆の２つの層状の領域を有する圧電振動子を作製し、厚みすべりの２次の高調波について特性を調べたが、上記実施例の上記(７)の工程で、分極用電極の除去態様を調整して、互いに隣接する領域どうしでは分極方向が互いに逆向きである、３以上の領域を形成することにより、３次、４次、５次……と高次の高調波を励振させることも可能である。
【００３５】
本発明はさらにその他の点においても上記実施例に限定されるものではなく、圧電セラミックスの種類、分極の条件などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】(ａ)は、本発明の実施例にかかる圧電振動子の製造方法の一工程で、圧電セラミックス矩形板の全体を所定の方向に分極した状態を示す図、(ｂ)は本発明の実施例にかかる圧電振動子の製造方法の一工程で、圧電セラミックス矩形板の一部を逆方向に分極した状態を示す図である。
【図２】図１(ｂ)の圧電セラミックス矩形板の分極用電極をすべて除去した状態を示す図である。
【図３】分極用電極をすべて除去した図２の圧電セラミックス矩形板の上下両主面に駆動電極を形成した状態を示す図である。
【図４】図３の圧電セラミックス矩形板をダイサーで切断して得た、本発明の実施例にかかる圧電振動子を示す図である。
【図５】比較用の圧電振動子を示す図である。
【図６】従来の圧電振動子を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１            圧電セラミックス矩形板
２，３        圧電セラミックス矩形板の互いに対向する一対の端面
４，５        一対の分極用電極
４ａ，５ａ    残った分極用電極
６，７        圧電セラミックス矩形板の上下両主面
８，９        一対の駆動電極
１０          圧電セラミックス矩形板の端面
１１          圧電振動子
１２          圧電素子
Ｒ１，Ｒ２    互いに異なる方向に分極された層状の領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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