JP3936870B2 - Piezoelectric vibrator and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レゾネータなどに用いられる圧電振動子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
圧電体は、外部から応力を受けることによって電気分極が変化する圧電効果と、電界を印加することにより歪みを発生する逆圧電効果とを有する材料である。圧電体は、センサ、レゾネータ、アクチュエータなどに応用されている。
【0003】
現在実用化されている圧電材料の大部分は、正方晶系または菱面体晶系のPZT(PbZrO3−PbTiO3固溶体)系や、正方晶系のPT(PbTiO3)系などのペロブスカイト構造を有する強誘電体が一般的である。そして、これらに様々な副成分を添加することにより、様々な要求特性への対応がはかられている。
【0004】
しかし、PZT系やPT系の圧電材料は、実用的な組成ではキュリー点が200〜400℃程度のものが多く、それ以上の温度では常誘電体となり圧電性が消失してしまうため、高温で使用される用途には適用しにくい。また、これら鉛系圧電材料は、低温でも揮発性の極めて高い酸化鉛(PbO)を多量(60〜70質量%程度)に含んでいるため、生態学的な見地および公害防止の面からも好ましくない。具体的には、これら鉛系圧電材料をセラミックスや単結晶として製造する際には、焼成、溶融等の熱処理が不可避であり、工業レベルで考えた場合、揮発性成分である酸化鉛の大気中への揮発、拡散量は極めて多量となる。また、製造段階で放出される酸化鉛は回収可能であるが、工業製品として市場に出された圧電材料に含有される酸化鉛は、現状ではその殆どが回収不能であり、これらが広く環境中に放出された場合、公害の原因となることは避けられない。
【0005】
鉛を全く含有しない圧電材料としては、例えば、正方晶系に属するペロブスカイト構造のBaTiO3がよく知られているが、これはキュリー点が120℃と低いため、実用的ではない。
【0006】
キュリー点が比較的高い圧電材料としては、例えばビスマス層状化合物が知られている。ビスマス層状化合物の多くはキュリー点が高いため、高温用センサとして十分な特性が得られる。しかし、鉛を全く含有しないビスマス層状化合物は、レゾネータに適用する場合に重要となるQmaxが小さいという問題がある。Qmaxとは、位相角の最大値をθmaxとしたときのtanθmaxである。すなわち、Xをリアクタンス、Rをレジスタンスとしたとき、共振周波数と反共振周波数との間におけるQ(=|X|/R)の最大値である。Qmaxが大きいほど、すなわちθmaxが90°に近いほど発振が安定し、また、低電圧での発振が可能となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、十分に高いキュリー点をもち、しかも、優れた圧電特性を示す圧電基板を有する圧電振動子を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記(1)〜(8)の本発明により達成される。
(1) ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子であって、
前記圧電基板の振動電極形成面に加工変質層が実質的に存在しない圧電振動子。
(2) ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子であって、
前記圧電基板の振動電極形成面において、ビスマス層状化合物のa軸の配向度が12.8%未満である圧電振動子。
(3) 前記圧電基板の中心線平均粗さRaが0.27μm未満である上記(2)の圧電振動子。
(4) 前記ビスマス層状化合物が、MII(MIIはSr、BaおよびCaから選択される元素)、Bi、Ti、Oおよびランタノイド酸化物を含有し、MIIBi4Ti415型結晶を含み、ランタノイドをLnで表したとき、原子比Ln/(Ln+MII)が
0<Ln/(Ln+MII)<0.5
である上記(1)〜(3)のいずれかの圧電振動子。
(5) ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子を製造する方法であって、
ビスマス層状化合物を含有する焼結体を研磨して焼結体薄板を得る1次研磨工程と、1次研磨工程における研磨面に仮電極を形成して分極処理を施した後、仮電極を除去する分極工程と、焼結体薄板の仮電極を形成してあった面を研磨する2次研磨工程と、2次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて2次研磨工程における研磨面を研磨する仕上げ研磨工程と、仕上げ研磨工程における研磨面に振動電極を形成する工程とを有する圧電振動子の製造方法。
(6) ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子を製造する方法であって、
ビスマス層状化合物を含有する焼結体を研磨して焼結体薄板を得る1次研磨工程と、1次研磨工程における研磨面に仮電極を形成して分極処理を施した後、仮電極を除去する分極工程と、1次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて、焼結体薄板の仮電極を形成してあった面を研磨する仕上げ研磨工程と、仕上げ研磨工程における研磨面に振動電極を形成する工程とを有する圧電振動子の製造方法。
(7) 前記仕上げ研磨工程において、平均粒径6.7μm未満の砥粒を用いる上記(5)または(6)の圧電振動子の製造方法。
(8) 前記仕上げ研磨工程において、焼結体薄板表面のビスマス層状化合物のa軸の配向度が12.8%未満となるように研磨する上記(5)〜(7)のいずれかの圧電振動子の製造方法。
【0009】
【作用および効果】
従来の圧電振動子を製造する際の工程経路図を、図1(C)に示す。まず、焼結体製造工程において、ビスマス層状化合物の焼結体を製造する。次いで、1次研磨工程において、表面が平滑となり、かつ、分極処理に適した厚さとなるまで焼結体を研磨することにより、焼結体薄板を得る。次いで、焼結体薄板の研磨面に仮電極を形成し、この仮電極を使用して直流電界を印加することにより分極した後、仮電極を除去する。次いで、2次研磨工程において、振動子として適切な厚さとなるまで、仮電極を形成してあった面を研磨することにより、圧電基板とする。次いで、圧電基板の研磨面に振動電極を形成して圧電振動子とする。
【0010】
このような工程の流れにおいて、1次研磨工程および2次研磨工程では、十分なスループットを確保するために比較的粗い砥粒を用いている。
【0011】
本発明の発明者らは、以下に説明する実験から、2次研磨工程において圧電基板の研磨面に加工変質層が生成し、その結果、Qmaxが劣化することを見いだした。この実験では、まず、配向していない多結晶体である焼結体薄板を、平均粒径6.7μmの砥粒により研磨し、圧電基板とした。この研磨後に、後述するロットゲーリング(Lotgering)法により研磨面の結晶配向を測定した。その結果、圧電基板表面の結晶配向度が研磨によって高くなることがわかった。この結晶配向度の上昇は、研磨面に加工変質層が生成したためである。この加工変質層は、微小なクラックや結晶配向が生じている領域と考えられる。これに対し、焼結体薄板の研磨に平均粒径2.0μmの砥粒を用いたところ、研磨面の結晶配向度がより低くなり、それに伴ってQmaxが2倍以上に向上した。
【0012】
このような実験結果に基づき、本発明の第1の態様では、図1(A)に示すように、2次研磨後に、2次研磨に用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて2次研磨面を研磨する仕上げ研磨工程を設ける。これにより、2次研磨面に存在していた加工変質層が実質的に除去される結果、従来に比べQmaxが向上し、特に、厚み縦振動において20〜70MHz程度の高周波域で従来より著しく大きなQmaxが得られる。また、微細な砥粒を用いるのは仕上げ研磨工程だけであるため、スループットを大きく低下させることもない。
【0013】
また、本発明の第2の態様では、図1(B)に示すように、従来の2次研磨工程に替えて仕上げ研磨工程を設ける。従来、1次研磨と2次研磨とで同等の粒度の砥粒を用いていたが、第2の態様における仕上げ研磨工程では、1次研磨に用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて1次研磨面を研磨する。この仕上げ研磨工程において、1次研磨面に存在していた加工変質層が実質的に除去される結果、第1の態様と同様に大きなQmaxが得られる。
【0014】
なお、加工変質層の除去の程度は、研磨面の結晶配向度によって判定することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明により製造される圧電振動子は、ビスマス層状化合物を含有する圧電基板を有し、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する。
【0016】
ビスマス層状化合物は、一般式が
(Bi222+(Am-1m3m+12-
で表されるペロブスカイト型化合物である。上記一般式において、元素Aは1〜3価の金属元素の少なくとも1種であり、元素Bは2〜6価の金属元素の少なくとも1種である。元素Aとしては、例えば、Na、K等のアルカリ金属元素、Ca、Sr、Ba等のアルカリ土類金属元素、Y、La、Gd、Nd等の希土類元素、Pb、Cd、Bi等の重金属から選択される金属元素が好ましい。また、元素Bとしては、例えばTi、Zr、V、Nb、Ta、Mo、W、Mg、Zn、Mn、Fe、Co、Ni、Cr等の遷移金属元素が好ましく、特に、元素BとしてTi、NbおよびTaの少なくとも1種を用いることが好ましい。
【0017】
ビスマス層状化合物としては、例えばSrBi2Nb29、SrBi2Ta29、BaBi2Nb29、BaBi2Ta29、PbBi2Nb29、PbBi2Ta29、BaBi3Ti2NbO12、PbBi4Ti415、SrBi4Ti415、CaBi4Ti415、BaBi4Ti415、Na0.5Bi4.5Ti415、K0.5Bi4.5Ti415、Sr2Bi4Ti518、Ba2Bi4Ti518、Pb2Bi4Ti518およびこれらの2種以上を含有する固溶体が挙げられ、これらのうちでは環境負荷が小さいことからPbを含有しないものが好ましい。
【0018】
また、これらのうち、大きなQmaxが得られ、かつ、本発明によるQmax向上効果が特に高いのは、MII(MIIはSr、BaおよびCaから選択される少なくとも1種の元素)、Bi、Ti、Oおよびランタノイド酸化物を含有し、MIIBi4Ti415型結晶を含み、ランタノイドをLnで表したとき、原子比Ln/(Ln+MII)が
0<Ln/(Ln+MII)<0.5、好ましくは
0.03≦Ln/(Ln+MII)≦0.3
であるビスマス層状化合物である。ランタノイドとは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuである。これらのうちでは、La、Nd、Sm、Gd、Dy、Ho、ErおよびYbの少なくとも1種が好ましく、Laが最も好ましい。Ln/(Ln+MII)が大きすぎると、Qmaxがかえって低くなってしまう。
【0019】
また、MIIBi4Ti415型結晶を含むビスマス層状化合物では、Mn酸化物を含有させることによってもQmaxを向上させることができる。特に、Mn酸化物とLn酸化物とを複合添加することにより、Qmaxを著しく向上させることができる。ただし、Mn酸化物の含有量が多すぎると絶縁抵抗が低くなって分極処理が困難となることから、Mn酸化物の含有量はMnOに換算して好ましくは0.62質量%未満、より好ましくは0.60質量%以下、さらに好ましくは0.43質量%以下とする。一方、Mn酸化物の添加による効果を十分に発揮させるためには、Mn酸化物はMnOに換算して0.02質量%以上、特に0.03質量%以上含有されることが好ましい。また、Co酸化物を含有させることによってもQmaxを向上させることができる。Qmax向上効果を十分に発揮させるためには、CoO換算の含有量を0.1質量%以上とすることが好ましい。ただし、Co酸化物の含有量が多すぎると、絶縁抵抗が低くなって分極が難しくなる。そのため、CoO換算の含有量は、好ましくは0.7質量%未満とし、より好ましくは0.5質量%以下とする。また、Y酸化物をLn酸化物と複合添加することにより、共振周波数の温度特性が向上し、しかも、十分に大きいQmaxが得られる。Y酸化物の含有量は、Y23に換算して好ましくは0.5質量%以下、より好ましくは0.4質量%以下である。Y酸化物の含有量が多すぎると、Qmaxが低くなってしまう。一方、Y酸化物の添加による効果を十分に発揮させるためには、Y酸化物はY23に換算して0.05質量%以上含有されることが好ましい。
【0020】
IIBi4Ti415型結晶およびLn酸化物を含有するビスマス層状化合物の全体組成は、一般に(MII 1-aLna)Bi4Ti415とすればよく、また、Mn酸化物やCo酸化物、Y酸化物を含有する場合には、これにMnOやCoO、Y23が付加されたものとすればよいが、これらから偏倚していてもよい。例えば、Tiに対するMII+Lnの比率や、Tiに対するBiの比率が、化学量論組成から±5%程度ずれていてもよい。例えば、Tiに対するBiの比率をより高くすることで、Qmaxをより高くすることが可能である。また、酸素量も、金属元素の価数や酸素欠陥などに応じて変化し得る。
【0021】
次に、本発明の製造方法を説明する。
【0022】
図1(A)および図1(B)に、本発明の第1の態様および第2の態様において圧電振動子を製造する際の工程の流れをそれぞれ示す。
【0023】
第1の態様では、ビスマス層状化合物を含有する焼結体を製造する工程と、焼結体を研磨して焼結体薄板を得る1次研磨工程と、1次研磨工程における研磨面に仮電極を形成して分極処理を施した後、仮電極を除去する分極工程、焼結体薄板の仮電極を形成してあった面を研磨する2次研磨工程と、2次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて2次研磨工程における研磨面を研磨する仕上げ研磨工程と、圧電基板を所定の形状および寸法となるように形状加工し、さらに、仕上げ研磨工程における研磨面に振動電極を形成して圧電振動子を得る工程とを設ける。
【0024】
一方、第2の態様では、2次研磨工程に替えて仕上げ研磨工程を設ける。第2の態様における仕上げ研磨工程では、1次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて1次研磨工程における研磨面を研磨する。
【0025】
以下、各工程を詳細に説明する。
【0026】
焼結体製造工程
ビスマス層状化合物を含有する焼結体は、従来と同様に製造すればよく、製造条件は組成に応じて適宜決定すればよい。以下に説明する条件は、MIIBi4Ti415を主成分とする組成をもつ圧電基板を製造する場合のものである。この工程では、まず、出発原料として、酸化物、または、焼成により酸化物に変わりうる化合物、例えば、炭酸塩、水酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩等、具体的にはSrCO3、BaCO3、CaCO3、La23、Bi23、TiO2、MnCO3、Y23等の粉末を用意し、これらをボールミル等により湿式混合する。次いで、650〜1000℃程度で1〜3時間程度仮焼し、得られた仮焼物をスラリー化し、ボールミル等を用いて湿式粉砕する。湿式粉砕後、仮焼物の粉末を乾燥し、乾燥物に水を少量(4〜8質量%程度)添加し、5〜50MPa程度の圧力で仮成形した後、200〜400MPa程度の圧力で冷間等方プレスにより成形して、成形体を得る。この際、ポリビニルアルコール等のバインダを添加してもよい。次いで、成形体を焼成し、焼結体を得る。焼成温度は、好ましくは950〜1250℃の範囲から選択し、焼成時間は、好ましくは1〜5時間程度とする。焼成は大気中で行ってもよく、大気中よりも酸素分圧の低い雰囲気や高い雰囲気、あるいは純酸素雰囲気中で行ってもよい。
【0027】
このようにして作製した焼結体は、結晶が配向していない焼結体である。
【0028】
1次研磨工程
1次研磨工程では、表面が平滑となり、また、分極処理に適した厚さであってかつその後の取り扱いが容易となるように比較的高い剛性が得られる程度の厚さとなるまで、焼結体を研磨することにより、焼結体薄板を得る。1次研磨の後における焼結体の厚さは、通常、160〜500μm程度であることが好ましい。なお、1次研磨における研磨手段は特に限定されず、焼結体の研磨面が、後述する仮電極の形成に支障を与えない程度まで平滑化されるように適宜選択すればよいが、通常、ラッピングを用いればよい。
【0029】
1次研磨工程で用いる砥粒の粒度は、十分な研磨速度を確保するために、仕上げ研磨工程で用いる砥粒の粒度より大きくする。第1の態様および第2の態様共に、1次研磨工程では、第1の態様の2次研磨工程で用いる砥粒と同等の粒度をもつ砥粒を用いればよい。
【0030】
図2に、両面同時ラッピング装置の概略構成図を示す。この装置は、下定盤2、上定盤3、キャリア4を有する。ラッピングに際しては、下定盤2の上に、被加工物(焼結体)5を保持するキャリア4を配置し、被加工物5と上下それぞれの定盤との間に研磨剤を供給する。研磨剤は、砥粒6を水またはオイル中に分散したものであり、分散媒に水を用いる場合には、必要に応じて防錆剤が添加される。図中に矢印で示す方向に加工圧力を加えながら被加工物5を定盤に対し相対的に回転運動させると、砥粒6によって被加工物5が研磨される。ラッピング装置により研磨すると、被加工物の研磨面の平面度が良好となり、また、両面同時ラッピングは、レゾネータに用いる圧電基板のように薄く脆い被加工物の研磨に特に適している。
【0031】
分極工程
分極工程では、まず、必要に応じて焼結体薄板を所定の寸法となるように切断した後、焼結体薄板の1次研磨における研磨面に仮電極を形成する。仮電極の構成材料は特に限定されないが、塩化第二鉄溶液によるエッチングによって容易に除去できることから、Cuが好ましい。仮電極の形成には、蒸着やスパッタリングを用いることが好ましい。分極処理は従来と同様にして行えばよく、具体的には焼結体の組成に応じて適宜条件を決定すればよいが、通常、分極温度は150〜250℃、分極時間は1〜30分間、分極電界の強度は抗電界の1.1倍以上とすればよい。
【0032】
2次研磨工程
第1の態様において設ける2次研磨工程では、仮電極を形成してあった面を研磨することにより、焼結体薄板を、圧電振動子の圧電基板に要求される厚さに近づける。2次研磨工程における研磨手段としては、前記したラッピングを用いることが好ましい。2次研磨工程では焼結体薄板の厚さ調整を目的として高速で研磨し、仕上げ研磨工程では2次研磨工程で生じた加工変質層の少なくとも一部を除去する。そのため2次研磨工程では相対的に大径の砥粒を用い、仕上げ研磨工程では相対的に小径の砥粒を用いる。2次研磨工程で用いる砥粒の平均粒径は、仕上げ研磨工程で用いる砥粒との関係で決定すればよいが、十分に速い研磨速度を得るためには、平均粒径6.7μm以上であることが好ましい。ただし、2次研磨工程で用いる砥粒の粒度が大きすぎると、焼結体薄板に研磨スジ、クラック等の欠陥が発生しやすく、これらの欠陥は仕上げ研磨工程では除去することが困難であるため、2次研磨工程で用いる砥粒の平均粒径は11.5μm以下であることが好ましい。
【0033】
なお、1次研磨工程で用いる砥粒の平均粒径も、十分な研磨速度を確保する点から6.7μm以上とすることが好ましく、研磨面における欠陥発生を防ぐ点から11.5μm以下とすることが好ましい。
【0034】
仕上げ研磨工程
仕上げ研磨工程では、その直前の研磨工程における研磨面を研磨することにより、その直前の研磨工程において生成した加工変質層の少なくとも一部、好ましくは実質的に全部を除去する。それと共に、焼結体薄板を、圧電振動子の圧電基板に要求される厚さとなるまで薄くする。圧電基板に要求される厚さは、圧電振動子の使用周波数に応じて異なるが、厚み縦振動の3次高調波を周波数20〜70MHzで使用する場合には、100〜400μm程度である。
【0035】
仕上げ研磨工程における研磨量は、厚さで1μm以上、特に5μm以上とすることが好ましい。研磨量が少なすぎると、直前の研磨工程で生じた加工変質層の除去が不十分となる。一方、研磨量を多くするほど研磨に時間を要し、また、仕上げ研磨工程では微細な砥粒を用いるため研磨速度が遅くなるので、第1の態様では、仕上げ研磨工程における研磨量は50μm以下、特に30μm以下とすることが好ましい。
【0036】
仕上げ研磨終了後の焼結体薄板表面において、ビスマス層状化合物のa軸の配向度は、12.8%未満、好ましくは12.0%以下である。この配向度が大きすぎると、圧電振動子のQmaxが小さくなってしまう。一方、この配向度は0%であってもよいが、この配向度を著しく小さくすることは困難であり、また、長時間を要するので、この配向度を11.5%未満まで小さくする必要はない。
【0037】
ここで、ビスマス層状化合物におけるa軸の配向度について説明する。ビスマス層状化合物は、(Am-1m3m+12-からなる擬ペロブスカイト層と(Bi222+からなる酸化ビスマス層とが交互に積層された構造をもつ。この積層構造において、積層方向がc軸であり、a軸は積層面の面内方向にある。本明細書における配向度は、ロットゲーリング法による結晶配向度であり、これは下記式(1)で表される。
【0038】
(P−P0)/(1−P0)*100 (1)
【0039】
上記式(I)において、PおよびP0は、
ΣI(HKL)/ΣI(hkl) (2)
で表される。上記式(2)におけるΣI(hkl)は、すべての結晶面のそれぞれに由来するX線回折強度の総和である。また、ΣI(HKL)は、配向度の測定対象となる特定の結晶面(HKL)のそれぞれに由来するX線回折強度の総和である。a軸の配向度を調べる際の測定対象面(HKL)は、(H00)である。(H00)は、(100)、(200)等のa面およびこれと結晶学的に等価な結晶面を意味する。Pは、圧電基板(仕上げ研磨後の焼結体薄板)について測定された値であり、P0は、自然面について測定された値、すなわち、その圧電基板と同組成でかつ配向していない焼結体(研磨前の焼結体)について測定された値である。
【0040】
仕上げ研磨終了後において、焼結体薄板表面の中心線平均粗さRaは、好ましくは0.27μm未満、より好ましくは0.15μm以下である。Raが大きいと、圧電振動子のQmaxが小さくなってしまう。ただし、Raを著しく小さくしてもそれに伴ってQmaxが著しく向上するわけではないので、Raを0.06μm未満とする必要はない。なお、中心線平均粗さRaは、JIS B0601に規定されている。
【0041】
仕上げ研磨工程で用いる砥粒は、その直前の研磨工程で用いる砥粒よりも小さい必要がある。この砥粒の平均粒径は、好ましくは6.7μm未満、より好ましくは1.2〜5.5μmである。砥粒の平均粒径が大きすぎると、仕上げ研磨工程において新たに加工変質層が生じてしまう結果、圧電振動子のQmaxが小さくなってしまう。一方、砥粒の平均粒径が小さすぎると、研磨速度が遅くなるため生産効率が低くなる。砥粒の構成材料は特に限定されないが、研磨面を精密に仕上げることが容易であることから、ホワイトアルミナ(white fused alumina)を用いることが好ましい。
【0042】
加工・振動電極形成工程
加工・振動電極形成工程では、圧電振動子の圧電基板として適した平面寸法となるように、焼結体薄板を切断加工して圧電基板とし、この圧電基板の仕上げ研磨における研磨面に、振動電極を形成して圧電振動子を得る。この工程は、従来の圧電振動子の製造方法と同様である。
【0043】
【実施例】
本発明の第1の態様に基づき、以下の手順で圧電振動子の実施例サンプルを作製した。
【0044】
出発原料として、CaCO3、Bi23、TiO2、La23、MnCO3、Y23の各粉末を、最終組成が(Ca0.9La0.1)Bi4Ti415+MnO+Y23となるように配合し、純水中でジルコニアボールを利用したボールミルにより16時間湿式混合した。(Ca0.9La0.1)Bi4Ti415に対するMnOおよびY23の添加量は、それぞれ0.43質量%および0.1質量%とした。
【0045】
次いで、混合物を十分に乾燥し、仮成形した後、空気中において2時間仮焼した。仮焼温度は800℃とした。得られた仮焼物を乳鉢で粗粉砕した後、さらに、らいかい機で粉砕した。次いで、ボールミルで16時間微粉砕した後、乾燥した。次いで、バインダとして純水を6質量%加えた後、49MPaで仮成形し、平面寸法20mm×20mm、厚さ15mmの成形体を得た。この成形体を真空パックした後、296MPaの圧力で静水圧プレスにより成形した。
【0046】
得られた成形体を焼成した。焼成は、Biの蒸発を防ぐためにMgO製の密閉容器中で行った。焼成温度は1200℃とし、焼成時間は4時間とした。
【0047】
得られた焼結体をスライスして厚さ450μmとした後、ラッピングにより厚さ250μmとなるまで研磨し、焼結体薄板を得た(1次研磨)。ラッピングに用いた研磨剤は、水に#2000砥粒(white fused alumina、平均粒径6.7μm)および防錆剤を添加したものである。
【0048】
次いで、焼結体薄板の上下面に仮電極(Cu)を蒸着により形成した。次いで、200℃のシリコーンオイルバス中において、15MV/mの電界を5分間印加して分極処理を施した。次いで、塩化第二鉄溶液を用いてエッチングすることにより仮電極を除去した。
【0049】
次いで、焼結体薄板を厚さ150μmとなるまでラッピングにより研磨した(2次研磨)。2次研磨におけるラッピング条件は、1次研磨と同じとした。
【0050】
次いで、焼結体薄板を厚さ120μmとなるまでラッピングにより研磨した(仕上げ研磨)。仕上げ研磨におけるラッピング条件は、#2000砥粒に替えて#6000砥粒(white fused alumina、平均粒径2.0μm)を用いたほかは1次研磨と同じとした。
【0051】
仕上げ研磨後に、焼結体薄板表面におけるa軸の配向度を前記した手順で測定した。
【0052】
次いで、分極方向が厚さ方向となるように、平面寸法7mm×4.5mmに切り出して圧電基板を得た。この圧電基板の上下面に、厚み縦振動を評価するための振動電極(Ag)を蒸着法により形成した。この振動電極の寸法は、直径0.4mm、厚さ0.6μmとした。
【0053】
また、仕上げ研磨を行わず2次研磨によって厚さ120μmとした圧電基板を用いたほかは実施例サンプルと同様にして、圧電振動子の比較例サンプルを作製した。この比較例サンプル作製の際には、2次研磨後に、焼結体薄板表面におけるa軸の配向度を前記した手順で測定した。
【0054】
各サンプルについて、ヒューレットパッカード社製インピーダンスアナライザHP4194Aを用いて、厚み縦振動の3次高調波モードにおいて60MHzでのQmaxを測定した。その結果、Qmaxは実施例サンプルで6.7、比較例サンプルで3.1であり、本発明によりQmaxが2倍以上となることがわかった。
【0055】
焼結体薄板表面(研磨面)におけるa軸の配向度は、仕上げ研磨後の実施例サンプルにおいて11.8%であったが、2次研磨後の比較例サンプルでは12.8%であった。
【0056】
各サンプルが有する結晶は擬正方晶であり、a軸の配向度はΣI(H00)を用いて求めた。X線回折図において(H00)として観察されたピークは、(200)だけであった。また、
(P−P0)/(1−P0)*100 (1)
における自然面での配向度P0には、1次研磨前の焼結体における配向度を用いた。
【0057】
また、焼結体薄板表面(研磨面)の中心線平均粗さRaは、仕上げ研磨後の実施例サンプルにおいて0.11μmであったが、2次研磨後の比較例サンプルでは0.27μmであった。
【0058】
なお、以上では第1の態様における効果を具体的に確認したが、第2の態様に基づいて作製した圧電振動子サンプルでも、製造に長時間を要したものの、上記実施例サンプルと同等のQmaxが得られた。
【0059】
以上の実施例の結果から、本発明の効果が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の第1の態様における工程経路図であり、(B)は本発明の第2の態様における工程経路図であり、(C)は従来の製造方法における工程経路図である。
【図2】両面同時ラッピング装置の概略を示す断面図である。
【符号の説明】
2 下定盤
3 上定盤
4 キャリア
5 被加工物
6 砥粒
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric vibrator used for a resonator and the like and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
A piezoelectric body is a material having a piezoelectric effect in which electric polarization changes by receiving an external stress and an inverse piezoelectric effect in which distortion is generated by applying an electric field. Piezoelectric materials are applied to sensors, resonators, actuators, and the like.
[0003]
Most of piezoelectric materials currently in practical use are tetragonal or rhombohedral PZT (PbZrOThree-PbTiOThreeSolid solution) and tetragonal PT (PbTiO)ThreeFerroelectric materials having a perovskite structure such as) are generally used. And by adding various subcomponents to these, it is possible to cope with various required characteristics.
[0004]
However, many PZT and PT piezoelectric materials have a Curie point of about 200 to 400 ° C. in practical compositions, and become paraelectric at higher temperatures and lose their piezoelectric properties. It is difficult to apply to the intended use. In addition, these lead-based piezoelectric materials contain a large amount (about 60 to 70% by mass) of lead oxide (PbO) that is extremely volatile even at low temperatures, which is preferable from the viewpoint of ecology and pollution prevention. Absent. Specifically, when manufacturing these lead-based piezoelectric materials as ceramics or single crystals, heat treatment such as firing and melting is unavoidable, and when considered at the industrial level, lead oxide, which is a volatile component, in the atmosphere The amount of volatilization and diffusion is extremely large. Lead oxide released in the manufacturing stage can be recovered, but most of lead oxide contained in piezoelectric materials put on the market as industrial products is currently unrecoverable, and these are widely used in the environment. It is inevitable that it will cause pollution if released to the public.
[0005]
Examples of piezoelectric materials that do not contain lead at all include, for example, BaTiO having a perovskite structure belonging to the tetragonal system.ThreeIs well known, but this is not practical because the Curie point is as low as 120 ° C.
[0006]
As a piezoelectric material having a relatively high Curie point, for example, a bismuth layered compound is known. Many of the bismuth layered compounds have a high Curie point, so that sufficient characteristics can be obtained as a high-temperature sensor. However, a bismuth layered compound containing no lead is important when applied to a resonator.maxThere is a problem that is small. QmaxIs the maximum phase angle θmaxTanθmaxIt is. That is, it is the maximum value of Q (= | X | / R) between the resonance frequency and the antiresonance frequency, where X is reactance and R is resistance. QmaxIs larger, that is, θmaxIs closer to 90 °, the oscillation becomes more stable, and oscillation at a low voltage becomes possible.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate having a sufficiently high Curie point and exhibiting excellent piezoelectric characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the present inventions (1) to (8) below.
(1) A piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound and vibration electrodes formed on both surfaces of the piezoelectric substrate,
A piezoelectric vibrator in which a work-affected layer is not substantially present on a vibration electrode forming surface of the piezoelectric substrate.
(2) A piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound, and vibration electrodes formed on both sides of the piezoelectric substrate,
A piezoelectric vibrator in which an a-axis orientation degree of the bismuth layered compound is less than 12.8% on the vibration electrode forming surface of the piezoelectric substrate.
(3) The piezoelectric vibrator according to (2), wherein a center line average roughness Ra of the piezoelectric substrate is less than 0.27 μm.
(4) The bismuth layered compound is MII(MIIContains an element selected from Sr, Ba and Ca), Bi, Ti, O and a lanthanoid oxide, MIIBiFourTiFourO15When the lanthanoid is represented by Ln, the atomic ratio Ln / (Ln + MII)But
0 <Ln / (Ln + MII<0.5
The piezoelectric vibrator according to any one of (1) to (3) above.
(5) A method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound and vibration electrodes respectively formed on both surfaces of the piezoelectric substrate,
After polishing the sintered body containing the bismuth layered compound to obtain a sintered body thin plate, the temporary electrode is formed on the polished surface in the primary polishing process and subjected to polarization treatment, and then the temporary electrode is removed. Secondary polishing using abrasive grains having a grain size smaller than that of the abrasive grains used in the secondary polishing process and the secondary polishing process for polishing the surface on which the temporary electrode of the sintered thin plate was formed A method for manufacturing a piezoelectric vibrator, comprising: a final polishing step for polishing a polished surface in the step; and a step of forming a vibrating electrode on the polished surface in the final polishing step.
(6) A method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound and vibration electrodes respectively formed on both surfaces of the piezoelectric substrate,
After polishing the sintered body containing the bismuth layered compound to obtain a sintered body thin plate, the temporary electrode is formed on the polished surface in the primary polishing process and subjected to polarization treatment, and then the temporary electrode is removed. A polishing process for polishing, a polishing process for polishing a surface of the sintered thin plate on which the temporary electrode has been formed, using an abrasive grain having a grain size smaller than that used in the primary polishing process, and a finishing polishing process Forming a vibrating electrode on the polished surface of the piezoelectric vibrator.
(7) The method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to (5) or (6), wherein abrasive grains having an average particle size of less than 6.7 μm are used in the finish polishing step.
(8) The piezoelectric vibration according to any one of (5) to (7), wherein in the finish polishing step, polishing is performed so that the degree of orientation of the a-axis of the bismuth layered compound on the surface of the sintered thin plate is less than 12.8%. Child manufacturing method.
[0009]
[Action and effect]
FIG. 1C shows a process path diagram when manufacturing a conventional piezoelectric vibrator. First, in the sintered body manufacturing process, a sintered body of a bismuth layered compound is manufactured. Next, in the primary polishing step, the sintered compact is obtained by polishing the sintered compact until the surface becomes smooth and has a thickness suitable for polarization treatment. Next, a temporary electrode is formed on the polished surface of the sintered thin plate and polarized by applying a DC electric field using the temporary electrode, and then the temporary electrode is removed. Next, in the secondary polishing step, the surface on which the temporary electrode has been formed is polished until the thickness becomes appropriate as a vibrator, whereby a piezoelectric substrate is obtained. Next, a vibrating electrode is formed on the polished surface of the piezoelectric substrate to form a piezoelectric vibrator.
[0010]
In such a process flow, relatively coarse abrasive grains are used in the primary polishing process and the secondary polishing process in order to ensure sufficient throughput.
[0011]
From the experiments described below, the inventors of the present invention produced a work-affected layer on the polished surface of the piezoelectric substrate in the secondary polishing step.maxWas found to deteriorate. In this experiment, first, a sintered thin plate, which is a non-oriented polycrystalline body, was polished with abrasive grains having an average particle size of 6.7 μm to obtain a piezoelectric substrate. After this polishing, the crystal orientation of the polished surface was measured by the Lotgering method described later. As a result, it was found that the degree of crystal orientation on the surface of the piezoelectric substrate was increased by polishing. This increase in the degree of crystal orientation is due to the generation of a work-affected layer on the polished surface. This work-affected layer is considered to be a region where minute cracks or crystal orientation occurs. On the other hand, when abrasive grains having an average particle size of 2.0 μm were used for polishing the sintered compact, the degree of crystal orientation on the polished surface was lowered, and accordingly QmaxImproved more than twice.
[0012]
Based on such experimental results, in the first aspect of the present invention, as shown in FIG. 1A, after the secondary polishing, abrasive grains having a particle size smaller than that used for the secondary polishing are used. A finish polishing step for polishing the secondary polishing surface is provided. As a result, the work-affected layer existing on the secondary polished surface is substantially removed, and as a result, QmaxIn particular, in the high frequency range of about 20 to 70 MHz in the thickness longitudinal vibration, the Q that is remarkably larger than the conventional one is obtained.maxIs obtained. Further, since the fine abrasive grains are used only in the finish polishing step, the throughput is not greatly reduced.
[0013]
In the second aspect of the present invention, as shown in FIG. 1B, a finish polishing step is provided in place of the conventional secondary polishing step. Conventionally, abrasive grains having the same particle size were used in primary polishing and secondary polishing, but in the final polishing step in the second aspect, abrasive particles having a particle size smaller than that used in primary polishing were used. To polish the primary polishing surface. In this final polishing step, the work-affected layer present on the primary polishing surface is substantially removed. As a result, a large Q is obtained as in the first embodiment.maxIs obtained.
[0014]
The degree of removal of the work-affected layer can be determined by the degree of crystal orientation of the polished surface.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The piezoelectric vibrator manufactured according to the present invention has a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound, and vibration electrodes formed on both sides of the piezoelectric substrate.
[0016]
Bismuth layered compounds have the general formula
(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m + 1)2-
It is a perovskite type compound represented by these. In the above general formula, the element A is at least one of 1 to 3 metal elements, and the element B is at least 1 to 2 to 6 metal elements. Examples of the element A include alkali metal elements such as Na and K, alkaline earth metal elements such as Ca, Sr, and Ba, rare earth elements such as Y, La, Gd, and Nd, and heavy metals such as Pb, Cd, and Bi. The metal element selected is preferred. The element B is preferably a transition metal element such as Ti, Zr, V, Nb, Ta, Mo, W, Mg, Zn, Mn, Fe, Co, Ni, and Cr. It is preferable to use at least one of Nb and Ta.
[0017]
As the bismuth layered compound, for example, SrBi2Nb2O9, SrBi2Ta2O9, BaBi2Nb2O9, BaBi2Ta2O9, PbBi2Nb2O9, PbBi2Ta2O9, BaBiThreeTi2NbO12, PbBiFourTiFourO15, SrBiFourTiFourO15, CaBiFourTiFourO15, BaBiFourTiFourO15, Na0.5Bi4.5TiFourO15, K0.5Bi4.5TiFourO15, Sr2BiFourTiFiveO18, Ba2BiFourTiFiveO18, Pb2BiFourTiFiveO18And a solid solution containing two or more of these, and among these, those containing no Pb are preferred because of their low environmental impact.
[0018]
Of these, the large QmaxAnd Q according to the present invention.maxThe improvement effect is particularly high.II(MIIContains at least one element selected from Sr, Ba and Ca), Bi, Ti, O and a lanthanoid oxide;IIBiFourTiFourO15When the lanthanoid is represented by Ln, the atomic ratio Ln / (Ln + MII)But
0 <Ln / (Ln + MII) <0.5, preferably
0.03 ≦ Ln / (Ln + MII) ≦ 0.3
Is a bismuth layered compound. Lanthanoids are La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu. Among these, at least one of La, Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, and Yb is preferable, and La is most preferable. Ln / (Ln + MII) Is too large, QmaxHowever, it becomes lower.
[0019]
MIIBiFourTiFourO15In a bismuth layered compound containing a type crystal, QM can also be obtained by adding a Mn oxide.maxCan be improved. In particular, by adding Mn oxide and Ln oxide in combination, QmaxCan be significantly improved. However, if the content of Mn oxide is too large, the insulation resistance becomes low and polarization treatment becomes difficult. Therefore, the content of Mn oxide is preferably less than 0.62% by mass, more preferably in terms of MnO. Is 0.60 mass% or less, more preferably 0.43 mass% or less. On the other hand, in order to sufficiently exhibit the effect of the addition of Mn oxide, the Mn oxide is preferably contained in an amount of 0.02% by mass or more, particularly 0.03% by mass or more in terms of MnO. In addition, Q can also be added by adding Co oxide.maxCan be improved. QmaxIn order to sufficiently exhibit the improvement effect, the content in terms of CoO is preferably set to 0.1% by mass or more. However, when there is too much content of Co oxide, insulation resistance becomes low and polarization becomes difficult. Therefore, the content in terms of CoO is preferably less than 0.7% by mass, and more preferably 0.5% by mass or less. Further, by adding Y oxide in combination with Ln oxide, the temperature characteristics of the resonance frequency are improved, and a sufficiently large QmaxIs obtained. Y oxide content is Y2OThreePreferably, it is 0.5% by mass or less, more preferably 0.4% by mass or less. If there is too much content of Y oxide, QmaxWill be lower. On the other hand, in order to fully demonstrate the effect of the addition of Y oxide, Y oxide is Y2OThreeIt is preferable to contain 0.05 mass% or more in terms of.
[0020]
MIIBiFourTiFourO15The overall composition of a bismuth layered compound containing type crystals and Ln oxide is generally (MII 1-aLna) BiFourTiFourO15In addition, when Mn oxide, Co oxide, and Y oxide are contained, MnO, CoO, Y2OThreeHowever, it may be deviated from these. For example, M for TiIIThe ratio of + Ln and the ratio of Bi to Ti may deviate by about ± 5% from the stoichiometric composition. For example, by increasing the ratio of Bi to Ti, QmaxCan be made higher. In addition, the amount of oxygen can also vary depending on the valence of the metal element, oxygen defects, and the like.
[0021]
Next, the manufacturing method of this invention is demonstrated.
[0022]
FIG. 1A and FIG. 1B show the flow of steps when manufacturing a piezoelectric vibrator in the first and second aspects of the present invention, respectively.
[0023]
In the first aspect, a step of producing a sintered body containing a bismuth layered compound, a primary polishing step of polishing the sintered body to obtain a sintered body thin plate, and a temporary electrode on the polished surface in the primary polishing step After performing the polarization treatment, the polarization step for removing the temporary electrode, the secondary polishing step for polishing the surface on which the temporary electrode of the sintered thin plate was formed, and the abrasive used in the secondary polishing step A polishing process in which the polishing surface in the secondary polishing process is polished using abrasive grains having a particle size smaller than the grains, and the piezoelectric substrate is shaped so as to have a predetermined shape and size. Forming a vibrating electrode to obtain a piezoelectric vibrator.
[0024]
On the other hand, in the second aspect, a finish polishing step is provided instead of the secondary polishing step. In the final polishing step in the second aspect, the polishing surface in the primary polishing step is polished using abrasive grains having a particle size smaller than that used in the primary polishing step.
[0025]
Hereinafter, each process will be described in detail.
[0026]
Sintered body manufacturing process
The sintered body containing the bismuth layered compound may be produced in the same manner as before, and the production conditions may be appropriately determined according to the composition. The condition described below is MIIBiFourTiFourO15In the case of manufacturing a piezoelectric substrate having a composition containing as a main component. In this step, first, as a starting material, an oxide or a compound that can be converted into an oxide by firing, such as carbonate, hydroxide, oxalate, nitrate, etc., specifically, SrCOThree, BaCOThree, CaCOThree, La2OThree, Bi2OThreeTiO2, MnCOThree, Y2OThreeEtc. are prepared, and these are wet mixed by a ball mill or the like. Next, the calcined product is calcined at about 650 to 1000 ° C. for about 1 to 3 hours. After wet pulverization, the calcined powder is dried, a small amount of water (about 4 to 8% by mass) is added to the dried material, and after temporary molding at a pressure of about 5 to 50 MPa, cold at a pressure of about 200 to 400 MPa. Molded by an isotropic press to obtain a molded body. At this time, a binder such as polyvinyl alcohol may be added. Next, the molded body is fired to obtain a sintered body. The firing temperature is preferably selected from the range of 950 to 1250 ° C., and the firing time is preferably about 1 to 5 hours. Firing may be performed in the air, or may be performed in an atmosphere having a lower or higher oxygen partial pressure than in the air, or in a pure oxygen atmosphere.
[0027]
The sintered body thus produced is a sintered body in which crystals are not oriented.
[0028]
Primary polishing process
In the primary polishing step, the sintered body is smoothed until the surface is smooth and has a thickness suitable for polarization treatment and a relatively high rigidity so as to facilitate subsequent handling. By polishing, a sintered thin plate is obtained. The thickness of the sintered body after the primary polishing is usually preferably about 160 to 500 μm. The polishing means in the primary polishing is not particularly limited, and may be appropriately selected so that the polished surface of the sintered body is smoothed to such an extent that does not hinder the formation of the temporary electrode described later. Wrapping may be used.
[0029]
The grain size of the abrasive grains used in the primary polishing process is made larger than the grain size of the abrasive grains used in the final polishing process in order to ensure a sufficient polishing rate. In both the first aspect and the second aspect, in the primary polishing step, abrasive grains having a particle size equivalent to that of the abrasive grains used in the secondary polishing step of the first aspect may be used.
[0030]
In FIG. 2, the schematic block diagram of a double-sided simultaneous lapping apparatus is shown. This apparatus has a lower surface plate 2, an upper surface plate 3, and a carrier 4. At the time of lapping, a carrier 4 for holding a workpiece (sintered body) 5 is disposed on the lower surface plate 2, and an abrasive is supplied between the workpiece 5 and the upper and lower surface plates. The abrasive is obtained by dispersing abrasive grains 6 in water or oil, and when water is used as a dispersion medium, a rust inhibitor is added as necessary. When the workpiece 5 is rotated relative to the surface plate while applying a processing pressure in the direction indicated by the arrow in the figure, the workpiece 5 is polished by the abrasive grains 6. When polished with a lapping device, the flatness of the polished surface of the workpiece is improved, and double-sided simultaneous lapping is particularly suitable for polishing a thin and brittle workpiece such as a piezoelectric substrate used in a resonator.
[0031]
Polarization process
In the polarization step, first, if necessary, the sintered thin plate is cut to a predetermined size, and then a temporary electrode is formed on the polished surface in the primary polishing of the sintered thin plate. The constituent material of the temporary electrode is not particularly limited, but Cu is preferable because it can be easily removed by etching with a ferric chloride solution. Vapor deposition or sputtering is preferably used for forming the temporary electrode. The polarization treatment may be performed in the same manner as in the prior art. Specifically, the conditions may be appropriately determined according to the composition of the sintered body. Usually, the polarization temperature is 150 to 250 ° C., and the polarization time is 1 to 30 minutes. The intensity of the polarization electric field may be 1.1 times or more than the coercive electric field.
[0032]
Secondary polishing process
In the secondary polishing step provided in the first aspect, the surface on which the temporary electrode has been formed is polished to bring the sintered thin plate closer to the thickness required for the piezoelectric substrate of the piezoelectric vibrator. As the polishing means in the secondary polishing step, it is preferable to use the lapping described above. In the secondary polishing step, polishing is performed at a high speed for the purpose of adjusting the thickness of the sintered thin plate, and in the final polishing step, at least a part of the work-affected layer generated in the secondary polishing step is removed. Therefore, relatively large-diameter abrasive grains are used in the secondary polishing process, and relatively small-diameter abrasive grains are used in the final polishing process. The average grain size of the abrasive grains used in the secondary polishing process may be determined in relation to the abrasive grains used in the final polishing process, but in order to obtain a sufficiently high polishing rate, the average grain diameter is 6.7 μm or more. Preferably there is. However, if the grain size of the abrasive grains used in the secondary polishing process is too large, defects such as polishing streaks and cracks are likely to occur in the sintered compact, and these defects are difficult to remove in the final polishing process. The average particle size of the abrasive grains used in the secondary polishing step is preferably 11.5 μm or less.
[0033]
The average grain size of the abrasive grains used in the primary polishing step is preferably 6.7 μm or more from the viewpoint of securing a sufficient polishing rate, and 11.5 μm or less from the viewpoint of preventing generation of defects on the polished surface. It is preferable.
[0034]
Final polishing process
In the final polishing step, at least a part, preferably substantially all, of the work-affected layer generated in the immediately preceding polishing step is removed by polishing the polishing surface in the immediately preceding polishing step. At the same time, the sintered thin plate is thinned to a thickness required for the piezoelectric substrate of the piezoelectric vibrator. The thickness required for the piezoelectric substrate differs depending on the operating frequency of the piezoelectric vibrator, but is about 100 to 400 μm when the third harmonic of the thickness longitudinal vibration is used at a frequency of 20 to 70 MHz.
[0035]
The amount of polishing in the final polishing step is preferably 1 μm or more, particularly 5 μm or more in terms of thickness. If the polishing amount is too small, removal of the work-affected layer generated in the immediately preceding polishing step becomes insufficient. On the other hand, the larger the polishing amount, the longer the time required for polishing. In addition, in the first aspect, the polishing rate is slow because fine abrasive grains are used. In the first aspect, the polishing amount in the final polishing step is 50 μm or less. In particular, the thickness is preferably 30 μm or less.
[0036]
On the surface of the sintered compact after completion of finish polishing, the degree of orientation of the a-axis of the bismuth layered compound is less than 12.8%, preferably 12.0% or less. If this degree of orientation is too large, the Q of the piezoelectric vibratormaxWill become smaller. On the other hand, this degree of orientation may be 0%, but it is difficult to significantly reduce this degree of orientation, and it takes a long time, so it is necessary to reduce this degree of orientation to less than 11.5%. Absent.
[0037]
Here, the degree of orientation of the a-axis in the bismuth layered compound will be described. The bismuth layered compound is (Am-1BmO3m + 1)2-A pseudo-perovskite layer consisting of (Bi2O2)2+It has a structure in which bismuth oxide layers made of are alternately stacked. In this stacked structure, the stacking direction is the c-axis, and the a-axis is in the in-plane direction of the stacking surface. The degree of orientation in this specification is the degree of crystal orientation according to the Lotgering method, which is represented by the following formula (1).
[0038]
(PP0) / (1-P0* 100 (1)
[0039]
In the above formula (I), P and P0Is
ΣI (HKL) / ΣI (hkl) (2)
It is represented by In the above formula (2), ΣI (hkl) is the total sum of X-ray diffraction intensities derived from all of the crystal planes. Further, ΣI (HKL) is the total sum of X-ray diffraction intensities derived from each of the specific crystal planes (HKL) that are the measurement targets of the degree of orientation. The surface to be measured (HKL) when examining the orientation degree of the a-axis is (H00). (H00) means an a-plane such as (100) or (200) and a crystallographically equivalent crystal plane. P is a value measured for a piezoelectric substrate (sintered thin plate after finish polishing).0Is a value measured for a natural surface, that is, a value measured for a sintered body (sintered body before polishing) having the same composition and orientation as the piezoelectric substrate.
[0040]
After the finish polishing, the center line average roughness Ra of the surface of the sintered compact sheet is preferably less than 0.27 μm, more preferably 0.15 μm or less. When Ra is large, the Q of the piezoelectric vibratormaxWill become smaller. However, even if Ra is made extremely small,maxTherefore, Ra does not need to be less than 0.06 μm. The center line average roughness Ra is defined in JIS B0601.
[0041]
The abrasive grain used in the final polishing process needs to be smaller than the abrasive grain used in the immediately preceding polishing process. The average particle size of the abrasive grains is preferably less than 6.7 μm, more preferably 1.2 to 5.5 μm. If the average grain size of the abrasive grains is too large, a new work-affected layer is generated in the final polishing process.maxWill become smaller. On the other hand, if the average particle size of the abrasive grains is too small, the polishing rate becomes slow, and thus the production efficiency is lowered. The constituent material of the abrasive grains is not particularly limited, but it is preferable to use white fused alumina because it is easy to precisely finish the polished surface.
[0042]
Processing / vibrating electrode formation process
In the machining / vibrating electrode forming step, the sintered thin plate is cut into a piezoelectric substrate so as to have a plane dimension suitable for the piezoelectric substrate of the piezoelectric vibrator. To obtain a piezoelectric vibrator. This process is the same as the conventional method for manufacturing a piezoelectric vibrator.
[0043]
【Example】
Based on the first aspect of the present invention, an example sample of a piezoelectric vibrator was manufactured by the following procedure.
[0044]
As a starting material, CaCOThree, Bi2OThreeTiO2, La2OThree, MnCOThree, Y2OThreeEach powder of the final composition (Ca0.9La0.1) BiFourTiFourO15+ MnO + Y2OThreeThen, it was wet-mixed for 16 hours by a ball mill using zirconia balls in pure water. (Ca0.9La0.1) BiFourTiFourO15MnO and Y against2OThreeWas added at 0.43% by mass and 0.1% by mass, respectively.
[0045]
Next, the mixture was sufficiently dried and preformed, and then calcined in the air for 2 hours. The calcining temperature was 800 ° C. The obtained calcined product was coarsely pulverized with a mortar, and further pulverized with a rough machine. Subsequently, it was pulverized for 16 hours with a ball mill and then dried. Next, 6% by mass of pure water was added as a binder, and then temporary molding was performed at 49 MPa to obtain a molded body having a planar size of 20 mm × 20 mm and a thickness of 15 mm. The compact was vacuum packed and then molded by an isostatic press at a pressure of 296 MPa.
[0046]
The obtained molded body was fired. Firing was performed in a sealed container made of MgO in order to prevent evaporation of Bi. The firing temperature was 1200 ° C., and the firing time was 4 hours.
[0047]
The obtained sintered body was sliced to a thickness of 450 μm and then polished to a thickness of 250 μm by lapping to obtain a sintered body thin plate (primary polishing). The abrasive used for lapping is obtained by adding # 2000 abrasive grains (white fused alumina, average particle diameter of 6.7 μm) and a rust inhibitor to water.
[0048]
Next, temporary electrodes (Cu) were formed on the upper and lower surfaces of the sintered thin plate by vapor deposition. Next, polarization treatment was performed by applying an electric field of 15 MV / m for 5 minutes in a 200 ° C. silicone oil bath. Next, the temporary electrode was removed by etching using a ferric chloride solution.
[0049]
Next, the sintered thin plate was polished by lapping until the thickness became 150 μm (secondary polishing). The lapping conditions in the secondary polishing were the same as those in the primary polishing.
[0050]
Next, the sintered thin plate was polished by lapping until the thickness became 120 μm (finish polishing). The lapping conditions in the final polishing were the same as those in the primary polishing except that # 6000 abrasive grains (white fused alumina, average grain size 2.0 μm) were used instead of # 2000 abrasive grains.
[0051]
After finish polishing, the degree of orientation of the a-axis on the surface of the sintered compact sheet was measured by the procedure described above.
[0052]
Next, a piezoelectric substrate was obtained by cutting into a plane size of 7 mm × 4.5 mm so that the polarization direction was the thickness direction. Vibrating electrodes (Ag) for evaluating thickness longitudinal vibration were formed on the upper and lower surfaces of this piezoelectric substrate by vapor deposition. The dimensions of the vibrating electrode were a diameter of 0.4 mm and a thickness of 0.6 μm.
[0053]
Further, a comparative example sample of a piezoelectric vibrator was manufactured in the same manner as the example sample except that a piezoelectric substrate having a thickness of 120 μm was used by secondary polishing without performing final polishing. In the preparation of this comparative sample, the degree of orientation of the a-axis on the surface of the sintered thin plate was measured by the procedure described above after the secondary polishing.
[0054]
For each sample, Q impedance at 60 MHz in the third harmonic mode of thickness longitudinal vibration using Hewlett Packard Impedance Analyzer HP4194A.maxWas measured. As a result, QmaxIs 6.7 for the example sample and 3.1 for the comparative example sample.maxWas found to be more than doubled.
[0055]
The degree of orientation of the a-axis on the surface of the sintered thin plate (polished surface) was 11.8% in the example sample after finish polishing, but 12.8% in the comparative example sample after secondary polishing. .
[0056]
The crystal of each sample is a quasi-tetragonal crystal, and the degree of orientation of the a-axis was determined using ΣI (H00). The only peak observed as (H00) in the X-ray diffraction pattern was (200). Also,
(PP0) / (1-P0* 100 (1)
Orientation degree P in the natural plane0The degree of orientation in the sintered body before the primary polishing was used.
[0057]
The center line average roughness Ra of the surface of the sintered compact sheet (polished surface) was 0.11 μm in the example sample after finish polishing, but was 0.27 μm in the comparative example sample after secondary polishing. It was.
[0058]
In addition, although the effect in a 1st aspect was confirmed concretely above, although the piezoelectric vibrator sample produced based on the 2nd aspect also took a long time for manufacture, Q equivalent to the said Example sample is mentioned.maxwas gotten.
[0059]
The effects of the present invention are apparent from the results of the above examples.
[Brief description of the drawings]
1A is a process path diagram in the first embodiment of the present invention, FIG. 1B is a process path diagram in the second embodiment of the present invention, and FIG. 1C is a process in a conventional manufacturing method; It is a route diagram.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a double-sided simultaneous lapping apparatus.
[Explanation of symbols]
2 Lower surface plate
3 Upper surface plate
4 Career
5 Workpiece
6 Abrasive grains

Claims (5)

ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有し、
前記圧電基板の振動電極形成面に加工変質層が実質的に存在せず、
前記圧電基板の振動電極形成面において、ビスマス層状化合物のa軸の配向度が11.5%以上12.0%以下であり、
前記圧電基板の中心線平均粗さRaが0.06μm以上0.15μm以下であり、
前記ビスマス層状化合物が、M II (M II はSr、BaおよびCaから選択される元素)、Bi、Ti、Oおよびランタノイド酸化物を含有し、M II Bi 4 Ti 4 15 型結晶を含み、ランタノイドをLnで表したとき、原子比Ln/(Ln+M II )が0.03≦Ln/(Ln+M II )≦0.3である圧電振動子
A piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound, and vibration electrodes respectively formed on both sides of the piezoelectric substrate ;
There is substantially no work-affected layer on the vibration electrode forming surface of the piezoelectric substrate,
In the vibration electrode forming surface of the piezoelectric substrate, the orientation degree of the a-axis of the bismuth layered compound is 11.5% or more and 12.0% or less,
The center line average roughness Ra of the piezoelectric substrate is 0.06 μm or more and 0.15 μm or less,
The bismuth layered compound contains M II (M II is an element selected from Sr, Ba and Ca), Bi, Ti, O and a lanthanoid oxide, and includes M II Bi 4 Ti 4 O 15 type crystal, A piezoelectric vibrator having an atomic ratio Ln / (Ln + M II ) of 0.03 ≦ Ln / (Ln + M II ) ≦ 0.3 when the lanthanoid is represented by Ln .
ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子を製造する方法であって、ビスマス層状化合物を含有する焼結体を研磨して焼結体薄板を得る1次研磨工程と、1次研磨工程における研磨面に仮電極を形成して分極処理を施した後、仮電極を除去する分極工程と、焼結体薄板の仮電極を形成してあった面を研磨する2次研磨工程と、2次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて2次研磨工程における研磨面を厚さで1μm以上研磨する仕上げ研磨工程と、仕上げ研磨工程における研磨面に振動電極を形成する工程とを有する圧電振動子の製造方法。A method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound and vibration electrodes formed on both sides of the piezoelectric substrate, the sintered body containing the bismuth layered compound being polished and sintered. A primary polishing step for obtaining a bonded thin plate, a polarizing step for forming a temporary electrode on the polished surface in the primary polishing step and performing a polarization treatment, and a temporary step for removing the temporary electrode, and forming a temporary electrode for the sintered thin plate Secondary polishing step for polishing the surface that has been used, and final polishing for polishing the polishing surface in the secondary polishing step by 1 μm or more in thickness using abrasive grains having a particle size smaller than that used in the secondary polishing step A method for manufacturing a piezoelectric vibrator, comprising: a step; and a step of forming a vibrating electrode on a polished surface in a final polishing step. ビスマス層状化合物を含有する圧電基板と、この圧電基板の両面にそれぞれ形成された振動電極とを有する圧電振動子を製造する方法であって、ビスマス層状化合物を含有する焼結体を研磨して焼結体薄板を得る1次研磨工程と、1次研磨工程における研磨面に仮電極を形成して分極処理を施した後、仮電極を除去する分極工程と、1次研磨工程で用いた砥粒よりも粒度の小さい砥粒を用いて、焼結体薄板の仮電極を形成してあった面を厚さで1μm以上研磨する仕上げ研磨工程と、仕上げ研磨工程における研磨面に振動電極を形成する工程とを有する圧電振動子の製造方法。A method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a piezoelectric substrate containing a bismuth layered compound and vibration electrodes formed on both sides of the piezoelectric substrate, the sintered body containing the bismuth layered compound being polished and sintered. A primary polishing step for obtaining a bonded thin plate, a polarization step for forming a temporary electrode on the polished surface in the primary polishing step and performing a polarization treatment, and then removing the temporary electrode, and abrasive grains used in the primary polishing step A polishing electrode is formed on the polished surface in the final polishing step and a final polishing step in which the surface on which the temporary electrode of the sintered thin plate is formed is polished by 1 μm or more by using abrasive grains having a smaller particle size A method of manufacturing a piezoelectric vibrator having a process. 前記仕上げ研磨工程において、平均粒径1.2〜5.5μmの砥粒を用いる請求項またはの圧電振動子の製造方法。Wherein the finish polishing step, the piezoelectric vibrator manufacturing method according to claim 2 or 3 using abrasive grains having an average grain size of 1.2~5.5Myuemu. 前記仕上げ研磨工程において、焼結体薄板表面のビスマス層状化合物のa軸の配向度が11.5%以上12.0%以下となるように研磨する請求項2〜4のいずれかの圧電振動子の製造方法。The piezoelectric vibrator according to any one of claims 2 to 4 , wherein in the final polishing step, the bismuth layered compound on the surface of the sintered compact is polished so that the degree of orientation of the a-axis is 11.5% or more and 12.0% or less. Manufacturing method.
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