(57)【要約】【課題】簡単な機械加工によって厚み縦の基本波の閉じ込めが可能になるを提供する。【解決手段】圧電材料でなる基板１の表面に１本以上の溝２を形成する。基板１の裏面に、前記溝２に交差するように溝３を形成する。前記基板１の表裏面の溝２、３に、表裏面の溝２、３が交差する箇所において互いに対向する振動電極４、５を設ける。溝２、３が交差する部分の厚みは、好ましくは基板１の厚みｔの１／２以上とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料でなる基板の表面に１本以上の溝を形成し、
前記基板の裏面に、前記溝に交差するように溝を形成し、
前記基板の表裏面の溝に、表裏面の溝が交差する箇所において互いに対向する振動電極を設けたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動子において、
前記溝の交差部分の厚みは前記基板の厚みの半分以上であることを特徴とする圧電振動子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、厚み縦の基本波のエネルギー閉じ込めを実現する圧電振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えばＰＴ（チタン酸鉛）やビスマス層状化合物等のように、実効ポアソン比が１／３未満の圧電材料においては、圧電材料でなる基板の両面に対向する部分電極を形成しても厚み縦基本波を閉じ込めることができない。これを解決する手段として、超音波加工機により、基板の振動部のみを凹状に加工したものがあるが、しかし加工が困難であるという問題点がある。
【０００３】
このような問題点を解決するため、特許文献１、２には、積層体構造により圧電振動子を実現し、その内部電極によって振動電極を形成したものが開示されている。また、特許文献３には、熱拡散により変化させ得る元素および導電性金属を含むペーストを用いて、電極部と無電極部に、密度およびコンプライアンスの少なくともいずれか一方に差を持たせて前記問題を解決している。また、特許文献４には、基板の表裏面に同方向に溝を形成し、各溝に互いに対向するように振動電極を形成したものが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平２−１７１０１０号公報
【特許文献２】
特開２００３−３２０７３号公報
【特許文献３】
特開平５−４８３７８号公報
【特許文献４】
特開２０００−３２３９５４号公報。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１、２に記載のように、積層体により圧電振動子を構成したものにおいては、積層工程が必要であり、製造工程数が多くなり、コスト高を招くという問題点がある。
【０００６】
また、特許文献３に記載のものは、圧電材料の組成に応じて、熱拡散を行わせるための専用ペーストを準備する必要があり、やはり製造工程が複雑化し、コスト高を招くという問題点がある。
【０００７】
また、特許文献４に記載のものでは充分な特性のものが得にくいということが判明した。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑み、簡単な機械加工によって厚み縦の基本波の閉じ込めが可能になるを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の圧電振動子は、圧電材料でなる基板の表面に１本以上の溝を形成し、
前記基板の裏面に、前記溝に交差するように溝を形成し、
前記基板の表裏面の溝に、表裏面の溝が交差する箇所において互いに対向する振動電極を設けたことを特徴とする。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電振動子は、前記溝の交差部分の厚みは前記基板の厚みの半分以上であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による圧電振動子の一実施の形態を示す斜視図、図２、図３はそれぞれ図１のＸ−Ｘ、Ｙ−Ｙ断面図である。図１ないし図３において、１は圧電材料でなる基板である。基板１に用いる圧電材料としては、実効ポアソン比が１／３未満ものである。具体的にはチタン酸鉛（ＰＴ）系や、ビスマス層状化合物等を用いることが好ましい。また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の一部も使用可能である。また、これらの圧電材料以外にも、水晶、ランガサイト構造を有する化合物、タンタル酸化合物、タングステン−ブロンズ化合物、（Ｂｉ０．５Ｎａ０．５）ＴｉＯ３構造を有する化合物を用いることができる。
【００１２】
２、３は基板１の表裏面に設けられた溝である。これらの溝２、３は基板１のほぼ中央部において交差（立体交差を意味する。）するように形成される。なお、溝２、３の交差角度は９０度でなくてもよい。これらの溝２、３はダイシングソーや回転砥石を用いて加工することができる。溝２、３の側面は底面に対して９０度でもよいが、傾斜面に形成する（すなわち溝２、３の底面と側面とのなす角度が９０度を超える。）ことが、引き出し電極４、５の形成が容易になる点で好ましい。
【００１３】
４、５はそれぞれ前記溝２、３の交差部分に形成される振動電極である。６、７はそれぞれこれらの振動電極４、５の引き出し電極である。
【００１４】
図４は実効ポアソン比が１／３未満の圧電基板における振動閉じ込めを説明する図である。図４（Ａ）は本実施の形態の構成を近似させて示したもので、振動電極４、５の間隔が他の部分より狭くなっている。この場合、ω０は厚み振動の共振周波数、κは厚み振動の波数であり、実数は振動が伝わることを意味し、虚数は伝わらないことを意味する。ω０’は無電極部の共振周波数、κ’は基板の板面方向の波数である。
【００１５】
図４（Ｂ）に示すように、実効ポアソン比が１／３未満の材料を基板に用いると、カットトオフ周波数（共振周波数）ω０、ω０’より高周波側で波数が実数となり、低周波側で虚数となる。図４（Ｂ）から分かるように、ω０、〜ω０’の間の周波数では、波数が電極の存在する薄い部分で実数であり、無電極部分で虚数となるので、振動電極４、５の対向部分、すなわち基板の薄くした部分で振動の閉じ込めが起こる。
【００１６】
このような圧電振動子は次のような工程により作製することができる。まず焼成後の組成比が目標となる値になるように、原材料粉末を秤量して混合する。次にこれを仮焼成し、微粉砕する。次に造粒し、成形し、脱バインダー後、１１００〜１２５０℃で焼成する。次にこれを一次研磨してマザー基板を得る。このマザー基板に分極用の仮電極を付け、分極を行う。この分極は、１５０〜３００℃のシリコンオイルバス中で３ｋＶ／ｍｍ〜２０ｋＶ／ｍｍの電圧を印加することにより行う。
【００１７】
次に二次研磨を行って仮電極を除去と共に、目標の厚みを得る。次に溝２、３の加工を圧電振動子の複数個分について行う。そして前記振動電極４、５および引き出しで電極６、７の形成を、例えば銀電極のスパッタリング、蒸着等により行う。なお、電極材料としては、銀以外に、銅、アルミニウム、金、クロム、ニッケル、錫、パラジウム、白金、タングステン、モリブデン、炭素のいずれか１種または２種以上のものからなる合金等が使用できる。
【００１８】
その後、マザー基板を縦横に切断して個々の基板を得る。その後、パッケージへの実装を行い、インピーダンスアナライザーにより特性を評価する。
【００１９】
具体例について説明すると、ビスマス層状化合物として、
（Ｂａ０．６Ｓｒ０．３Ｌａ０．１）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５にＭｎＣＯ３を０．５ｗｔ％加えて焼成したものを用いた。分極は、シリコンオイル中で６ｋＶ／ｍｍの電圧を５分間印加して行った。二次研磨は０．４４ｍｍ（図１のｔ＝０．４４ｍｍ）の厚みに研磨した。また、ダイシングソーにより、全体のサイズが（図１のａ＝）７ｍｍ×（図１のｂ＝）４．５ｍｍとなるように切断した。また、溝２、３の形成は、ダイシングソーにより２４μｍの深さ（図２のｃ）に１，６ｍｍの幅（図１のｗ）で行った。また、溝２、３の側面の傾斜角は約１００度とした。
【００２０】
本発明の構成による厚み縦基本波の閉じ込め効果を確認するため、下記の▲１▼〜▲４▼のようなサンプルを作製して特性を比較した。各サンプルの基板の材質、サイズ、溝の深さ、振動電極４、５の材質、厚み、サイズは前記と同じとした。
【００２１】
▲１▼（従来例）溝２、３を設けない基板に前記振動電極４、５や引き出し電極６、７を形成した。
【００２２】
▲２▼（比較例１）基板１の表面のみに溝２を設け、基板１の裏面の溝３を設けず、溝２の中央に振動電極４を設け、対向する裏面に振動電極５を設けた。
【００２３】
▲３▼（比較例２）基板１の表面に溝２を設け、基板の裏面には表面の溝２と平行に溝を設け、溝２の中央に振動電極４を設け、裏面の溝に対向する振動電極５を設けた。
【００２４】
▲４▼（本発明の実施例）図１〜図３に示したように基板１の表裏面に交差する溝２、３を設け、溝２、３の交差部に振動電極４、５を設けた。
【００２５】
図５〜図８は前記各サンプル▲１▼〜▲４▼の周波数に対するインピーダンスおよび位相角θｚの変化を示す。位相角θｚは−９０度が容量性、＋９０度が誘導性を示す。
【００２６】
図５に示すサンプル▲１▼の従来例においては、基本波には複数のモード（共振、反共振）が見られており、周波数低下型の閉じ込めができていない。３倍波においては、単独のモード（共振、反共振）が見られることと、フェーズ（位相角）が０度以上であることにより、周波数低下型の閉じ込めができていることが分かる。
【００２７】
図６に示すサンプル▲２▼の比較例１においては、基本波、３倍波ともに複数のモード（共振、反共振）が見られており、周波数低下型の閉じ込めができていない。
【００２８】
図７に示すサンプル▲３▼の比較例２においては、基本波には複数のモード（共振、反共振）が見られており、周波数低下型の閉じ込めができていない。３倍波はモード（共振、反共振）が単層になってきているが、フェーズは０度以下であり、周波数低下型の閉じ込めができていない。
【００２９】
図８に示すサンプル▲４▼の本発明の実施例においては、基本波は単独のモード（共振、反共振）が見られることと、フェースが０度以上であることにより、周波数上昇型の閉じ込めができていることが分かる。３倍波はモード（共振、反共振）が単層になってきているが、フェースが０度以下であり、周波数上昇型の閉じ込めができていない。
【００３０】
このように、基板１の表裏面に溝２、３を交差するように設けてその溝２、３の交差部で振動電極４、５が対向するように設けることにより、周波数上昇型の厚み縦基本波の閉じ込めが可能になる。
【００３１】
本発明は、実効ポアソン比が１／３未満の圧電材料において、溝２、３を設けない構造で周波数低下型で３倍波の閉じ込めができ、一方、溝２、３を設けることで基本波の閉じ込めが可能になるので、１種類の材料で異なる周波数の波の閉じ込めが可能になるという利点がある。また、簡単な機械加工で振動部を薄く形成でき、かつ単板から作製できるため、コスト低減が可能となる。
【００３２】
本発明を実施する場合、溝２、３が交差する部分、すなわち最も薄い部分の厚み（図２のｓ）は基板の厚み（図１のｔ）の半分以上（ｓ／ｔ≧１／２）とすることが、基板１の強度を保つ上で好ましい。また、溝２、３の深さ（図２のｃ）は、基板１の表面の粗さ（１μｍ）を超える深さとすることが、前記閉じ込め効果を得る上で必要である。
【００３３】
振動電極４、５の形状は、図示例の円形のみならず、多角形等他の形状としてもよい。また、振動電極４、５は、溝２、３の幅以下に設定する。また、振動電極４、５は互いに対向する部分が溝２、３の交差部であれば、溝２、３の長手方向に長い形状としてもよい。また、基板１の表裏面の少なくともいずれか一方に複数本の溝を設ける構成とすることも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、圧電材料でなる基板の表裏面に溝を交差するように形成し、その交差部で振動電極が対向するように構成したものであり、基板として積層板ではなく単板を用いることができ、かつ機械加工で溝が形成できるので、簡単かつ安価に圧電振動子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による圧電振動子の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】図１のＹ−Ｙ断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の概略構成図、（Ｂ）は厚み縦基本波の振動の閉じ込めが可能であることを説明する図である。
【図５】基板に溝を設けない従来例による場合の周波数に対するインピーダンスおよび位相角の変化を、厚み縦基本波と３倍波について示す特性図である。
【図６】基板の片面にのみ溝を設けた比較例１における周波数に対するインピーダンスおよび位相角の変化を、厚み縦基本波と３倍波について示す特性図である。
【図７】基板の両面に溝を同方向に設けた比較例２における周波数に対するインピーダンスおよび位相角の変化を、厚み縦基本波と３倍波について示す特性図である。
【図８】基板の両面に溝を互いに交差するように設けた本発明の実施例における周波数に対するインピーダンスおよび位相角の変化を、厚み縦基本波と３倍波について示す特性図である。
【符号の説明】
１：基板、２、３：溝、４、５：振動電極、５、７：引き出し電極
【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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【図７】
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【図８】
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