(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、該圧電体におけるＴｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満である圧電体において、飽和分極となる電圧よりも低い電圧を印加して分極度を飽和分極の７０％未満とする工程と、
前記圧電体の外表面に複数の共振電極を形成する工程とを備えることを特徴とする、圧電共振素子の製造方法。
【請求項２】
前記分極度を飽和分極の７０％未満とする工程において、圧電共振素子の発振周波数の温度変化量が所望の値となるように分極度を調整することを特徴とする、請求項１に記載の圧電共振素子の製造方法。
【請求項３】
前記圧電体が、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、Ｔｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満である圧電体と、
圧電体の両主面に形成された共振電極とを備え、
前記圧電体が、飽和分極度を１００％としたときに、７０％未満に分極されていることを特徴とする、圧電共振素子。
【請求項４】
前記圧電体が矩形板状の形状を有し、かつ該圧電体の主面と平行な方向に分極処理されており、それによって厚み滑りモードを利用した圧電共振素子が構成されている、請求項３に記載の圧電共振素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発振子、共振子あるいはフィルタとして用いられる圧電共振素子及びその製造方法に関し、より詳細には、圧電体の分極方法及び分極状態が改善された圧電共振素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、厚み滑りモードや厚み縦振動モードなどの種々の振動モードを利用した圧電共振素子が、圧電発振子や圧電フィルタなどに広く用いられている。ところで、圧電共振素子では、その共振周波数や外径寸法等により、帯域内に不要振動が発生することがある。このような不要振動が発生すると、安定な発振周波数が得られなかったり、フィルタ特性が劣化したりする。
【０００３】
そこで、従来、不要振動を除去するために、圧電共振素子の形状を変更したり、あるいは圧電共振素子の振動部に樹脂を塗布しダンピングしたりする方法が用いられていた。
【０００４】
また、例えば、特開昭４９−１３１６９２号公報や特開平３−１６５１１２号公報に記載のように、圧電体の分極状態を部分的に異ならせることにより、スプリアスとなる不要振動の発生周波数を帯域外に移動させる方法も提案されている。
【０００５】
他方、圧電発振子では、発振周波数の温度変化量は、用いられている圧電材料に依存する。従って、圧電発振子に内蔵されている静電容量や圧電共振素子と組み合わされるコンデンサの温度特性を調整することにより、圧電発振子の温度特性が改善されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の圧電共振素子において不要振動を抑制する方法として、圧電共振素子の寸法や形状を変化させた場合には、様々な発振周波数の圧電共振素子を提供しようとした場合、圧電共振素子の形状が多岐に渡ることになり、ケース材や金属端子などの圧電共振素子と組み合わせられる部材も多種多様になる。さらに、製造管理が煩雑になるという問題もあった。
【０００７】
また、圧電共振素子に樹脂を塗布してダンピングする方法では、樹脂が必要であり、かつ樹脂を塗布する作業が煩雑であった。
さらに、振動電極直下の分極度を他の部分と異ならせるように、圧電体内において部分的に分極状態を異ならせる方法では、分極処理が煩雑であった。
【０００８】
また、圧電発振子の発振周波数の温度変化を抑制するために、圧電発振子に内蔵される静電容量や外付けされるコンデンサの温度特性を最適化する方法では、負荷容量を構成するためのコンデンサの温度特性を変更する必要があり、材料費及び材料開発費が大きくなるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、素子形状の変更やダンピング材の塗布あるいは複雑な分極方法を用いることなく、不要振動を効果的に抑制し得る圧電共振素子の製造方法並びに該製造方法により得られる圧電共振素子を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、負荷容量を構成するコンデンサの温度特性を変更することなく、発振周波数などの温度変化量を調整し得る圧電共振素子の製造方法及び圧電共振素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る圧電共振素子の製造方法は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、該圧電体におけるＴｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満である圧電体において、飽和分極となる電圧よりも低い電圧を印加して分極度を飽和分極の７０％未満とする工程と、前記圧電体の外表面に複数の共振電極を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の特定の局面では、前記分極度を飽和分極の７０％未満とする工程において、圧電共振素子の発振周波数の温度変化量が所望の値となるように分極度が調整される。
【００１４】
本発明に係る圧電共振素子は、前記圧電体が、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、Ｔｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満である圧電体と、圧電体の両主面に形成された共振電極とを備え、前記圧電体が、飽和分極度を１００％としたときに、７０％未満に分極されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る圧電共振素子のより限定的な局面では、前記圧電体が矩形板状の形状を有し、かつ該圧電体の主面と平行な方向に分極処理されており、それによって厚み滑りモードを利用した圧電共振素子が構成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る圧電共振素子の製造方法の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明らかにする。
【００１８】
チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスよりなり、外径寸法が３０．６５×２０．２×厚み５．４ｍｍのマザーの圧電体を用意した。該マザーの圧電体の両主面にＮｉ、Ｃｒ、Ｎｃ、Ｃｕ、Ａｇからなる電極を形成し、両主面を結ぶ方向、すなわち第１の方向に直流電圧を電解強度が２．４ｋＶとなるように３０分印加し、分極度を飽和分極度未満とするように分極した。
【００１９】
３．０ｋＶを印加すると飽和分極となるが、２．４ｋＶなので、分極度は飽和分極度未満となる。
しかる後、上記マザーの圧電体を２０．２×５．４×０．３１ｍｍの寸法に切断し矩形板状の圧電体を得た。なお、分極方向が矩形板状の圧電体の両主面と平行となるように、上記切断を行った。
【００２０】
図１に示すように、このようにして得た矩形板状の圧電体１の両主面に共振電極２，３を形成し、厚み滑りモードを利用した圧電共振素子４を得た。なお、矢印Ｐは分極方向を示す。
【００２１】
上記のようにして得られた圧電共振素子４において、分極度を種々異ならせ、そのインピーダンス及び位相の周波数特性を測定した。結果を図２〜図４に示す。
【００２２】
図２は、比較のために、飽和分極の圧電体を用いて構成されたことを除いては、上記共振素子と同様にして構成された圧電共振素子のインピーダンス及び位相の周波数特性を示し、図３は、分極度が飽和分極度の８０％とされた圧電体を用いた圧電共振素子のインピーダンス及び位相の周波数特性を示す。
【００２３】
図２から明らかなように、飽和分極度に分極された圧電体を用いた圧電共振素子では、反共振周波数と共振周波数との間に、図示の矢印Ａで示すように、比較的大きなスプリアスが現れている。このスプリアスはベンディングモードに起因するものである。これに対して、図３に示されているように、分極度が飽和分極度の８０％とされている圧電体を用いた圧電共振素子では、対応のベンディングモードに起因する大きな不要スプリアスが、反共振点よりも高い周波数に移動していることがわかる。
【００２４】
従って、図２及び図３の結果から明らかなように、飽和分極度未満、すなわち分極度を１００％未満とすることにより、ベンディングモードに起因する不要振動を通過帯域外に移動させ得ることがわかる。
【００２５】
図４は、上記のようにして得られた種々の圧電共振素子における分極度と、上記ベンディングモードに起因する大きな不要スプリアスの位置との関係を示す図である。図４において、縦軸の不要スプリアスが移動可能な距離とは、飽和分極度の圧電体を用いた圧電共振素子の場合の不要スプリアスＡの周波数位置を０とし、それに対して、分極度がＸ％（Ｘは１００未満）の圧電体を用いた場合に現れる不要スプリアスＡの周波数位置ｙを、移動させることのできる周波数の相対比で表した値である。
【００２６】
ベンディングモードの発生位置は、圧電共振素子の共振周波数によって異なる。従って、図４から明らかなように、共振周波数に応じて適切な分極度を選択することにより、ベンディングモードに起因する不要スプリアスを帯域外に容易に移動させ得ることがわかる。
【００２７】
よって、本実施例の圧電共振素子の製造方法によれば、圧電共振素子の共振周波数が異なる場合であっても、共振素子の寸法を変えることなく、かつダンピング材を付与することなく、さらに複雑な分極方法を採用せずとも、単に圧電体の分極度を調整するだけでベンディングモードに起因する大きな不要スプリアスを容易に帯域外に移動させることができる。
【００２８】
また、上記ベンディングモードは圧電共振素子の小型化に伴って励振され易くなるが、本実施例では、分極度を調整することにより、ベンディングモードに起因する不要スプリアスを帯域外に移動させることができるので、圧電共振素子の小型化にも対応することができる。
【００２９】
次に、本発明に係る圧電共振素子の製造方法では、例えば圧電発振子に適用した場合、分極度を飽和分極の１００％未満とする工程において分極度を調整することにより、発振周波数の温度変化量を容易に調整し得ることを説明する。
【００３０】
上記実施例と同様に、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電体を用いて圧電共振素子を得た。この場合、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの組成において、Ｔｉ／Ｚｒのモル比を種々変更し、さらに上記実施例と同様に分極度を種々異ならせて種々の圧電体を得、他は上記実施例と同様にして種々の圧電共振素子を作製した。
【００３１】
このようにして得られた種々の圧電発振子におけるＴｉ／Ｚｒ比と、分極度、発振周波数との関係を図５に示す。図５の横軸はＴｉ／Ｚｒ比を示し、縦軸は圧電発振子の発振周波数の温度特性を示す。なお、この発振周波数の温度特性ＦOSC−ＴＣとは、Ｔｉ／Ｚｒ比が０．４９であり、かつ分極度が１００％の圧電体における発振周波数−温度変化率（ＴＣ）（単位はｐｐｍ／℃）を基準、すなわち１．０とし、他の圧電共振素子におけるＦOSC−ＴＣの基準に対する比を示した。
【００３２】
また、図５において、実線Ａ及び◆で示す、Ｂ〜Ｆは分極度が１００％の圧電体を用いた場合の結果を示し、■で示す、Ｂａ、Ｃａ、Ｄａ、Ｅａ及びＦａは、分極度が７０％である圧電体を用いて構成された圧電発振子についての結果を示す。
【００３３】
図５から明らかなように、Ｔｉ／Ｚｒ比が０．５３未満の場合、分極度を低下させることにより、発振周波数の温度変化量を小さくし得ることがわかる。すなわち、Ｔｉ／Ｚｒ比が０．５３未満の場合には、分極度を１００未満に低下させることにより、すなわち分極度を飽和分極の１００％未満とする工程を実施することにより、発振周波数の温度変化量を小さくし得ることがわかる。例えば、Ｔｉ／Ｚｒ比０．５０の場合、飽和分極状態の圧電体を用いた場合（点Ｃ）に比べ、分極度が７０％である場合（点Ｃａ）には、発振周波数の温度変化量が約１／８となる。
【００３４】
もっとも、Ｔｉ／Ｚｒ比が０．５４以上である点Ｅ，Ｆでは、分極度を７０％に低下させても、点Ｅａ及びＦａで示す発振周波数の温度変化量が大きくなることがわかる。従って、上記のように、Ｔｉ／Ｚｒ比が０．５３未満の場合に、分極度を１００％未満とすることにより、特に７０％未満とすることにより、圧電発振子の発振周波数の温度変化量を効果的に抑制し得ることがわかる。
【００３５】
なお、上記実施例では、厚み滑りモードを利用した圧電共振素子につき説明したが、本発明に係る圧電共振素子の製造方法及び圧電共振素子は、厚み縦振動モードなどの他の振動モードを利用した圧電共振素子にも適用し得ることを指摘しておく。
【００３６】
また、本発明は、圧電共振子及び圧電発振子だけでなく、圧電フィルタなどの他の圧電共振素子の製造にも適用し得ることを指摘しておく。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る圧電共振素子の製造方法によれば、圧電体に飽和分極となる電圧よりも低い電圧を印加して分極度が飽和分極の７０％未満とされ、しかる後、圧電体の外表面に複数の共振電極が形成されるので、不要スプリアスを帯域外に容易にシフトさせることができる。従って、例えば圧電発振子の場合、発振周波数が安定な圧電発振子を提供することができる。また、圧電共振子や圧電フィルタでは、帯域内の不要スプリアスを効果的に抑圧することができる。
【００３８】
しかも、従来の圧電共振素子の製造方法のように、外径寸法を変化させたり、ダンピング材を付与するなどの煩雑な方法を用いる必要はなく、かつ分極構造を部分的に異ならせるといった煩雑な分極工程をも必要としない。従って、本発明によれば、発振周波数や共振特性などが安定かつ良好な圧電共振素子を、安価にかつ容易に提供することができる。
【００３９】
加えて、分極度を飽和分極の７０％未満とする工程において、分極度を調整することにより圧電共振素子の発振周波数の温度変化量を調整することができるので、発振周波数の温度変化量が所望の値となるように分極度を調整することにより、温度変化量の少ない圧電発振子などを容易に提供することができる。
【００４０】
さらに、圧電体が、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、該圧電体におけるＴｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満であり、分極度が７０％未満とされるので、前述したように発振周波数の温度変化量が非常に小さい圧電発振子を提供することができる。
【００４１】
本発明に係る圧電共振素子では、圧電体の分極度が７０％未満とされているので、前述したように、圧電体の寸法を変更することなく、かつダンピング材を付与することなく、さらに煩雑な分極工程を実施することなく、容易に発振周波数や共振特性などが良好な圧電共振素子を提供することができる。
【００４２】
さらに、本発明に係る圧電共振素子において、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなる圧電体を用い、Ｔｉ／Ｚｒのモル比が０．５３未満であり、かつ分極度が７０％未満とされているので、発振周波数の温度変化量が非常に小さい圧電発振子を提供することができる。
【００４３】
本発明に係る圧電共振素子において、圧電体が矩形板状の形状を有し、圧電体の主面と平行な方向に分極処理されている場合には、厚み滑りモードを利用した圧電共振素子であって、該分極度を調整することにより容易に不要振動による影響が少ない良好な特性を有する厚み滑りモードを利用した圧電共振素子を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例で得られる圧電共振素子を示す斜視図。
【図２】比較のために用意した分極度が１００％である圧電共振素子のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す図。
【図３】本発明の一実施例に係る圧電共振素子のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す図。
【図４】分極度と、不要振動が移動可能な距離との関係を示す図。
【図５】Ｔｉ／Ｚｒ比と、発振周波数ＦOSC−温度変化率ＴＣ相対比との関係を示す図。
【符号の説明】
１…圧電体
２，３…共振電極
４…圧電共振素子
【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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