JP2003218666A

JP2003218666A - 圧電振動子およびその製造方法

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Publication number: JP2003218666A
Application number: JP2002013457A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hirose; 正和廣瀬; Gakuo Tsukada; 岳夫塚田; Kenji Horino; 賢治堀野; Masaru Nanao; 勝七尾
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2002-01-22
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: JP3936870B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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１２．８％未満である圧電振動子。

Description

【発明の詳細な説明】

【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（ＰｂＴ
ｉＯ₃）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ＢａＴｉ
Ｏ₃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Ｑ_maxが小さいという問題がある。Ｑ_m
_axとは、位相角の最大値をθ_maxとしたときのtanθ_max
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。Ｑ_maxが大きい
ほど、すなわちθ_m _ax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１
２．８％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０．２７
μm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、Ｍ^II（Ｍ^IIはＳ
ｒ、ＢａおよびＣａから選択される元素）、Ｂｉ、Ｔ
ｉ、Ｏおよびランタノイド酸化物を含有し、Ｍ^IIＢｉ₄
Ｔｉ₄Ｏ₁₅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＜Ｌｎ／（Ｌｎ＋Ｍ^II）＜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６．７
μm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、Ｑ_max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Ｑ_max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Ｑ_max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Ｑ_m _ax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Ｑ_max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（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2- 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、Ｃ
ｄ、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、Ｎ
ｂ、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Ｓｒ
Ｂｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉、ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉、ＢａＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ
₉、ＢａＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉、ＰｂＢｉ₂Ｎｂ₂Ｏ₉、ＰｂＢｉ₂
Ｔａ ₂Ｏ₉、ＢａＢｉ₃Ｔｉ₂ＮｂＯ₁₂、ＰｂＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ
₁₅、ＳｒＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅、ＣａＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅、ＢａＢ
ｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅、Ｎａ_0.5Ｂｉ_4.5Ｔｉ₄Ｏ₁₅、Ｋ_0.5Ｂｉ
_4.5Ｔｉ₄Ｏ₁₅、Ｓｒ₂Ｂｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₈、Ｂａ₂Ｂｉ₄Ｔｉ₅
Ｏ₁₈、Ｐｂ₂Ｂｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₈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Ｑ_maxが得ら
れ、かつ、本発明によるＱ_max向上効果が特に高いの
は、Ｍ^II（Ｍ^II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、Ｍ^IIＢｉ ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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＜Ｌｎ／（Ｌｎ＋Ｍ^II）＜０．５、好ましくは０．０３≦Ｌｎ／（Ｌｎ＋Ｍ^II）≦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、Ｔ
ｂ、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、Ｈ
ｏ、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＋Ｍ^II）が大きすぎる
と、Ｑ_maxがかえって低くなってしまう。

【００１９】また、Ｍ^IIＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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Ｑ_max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、Ｑ
_max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Ｑ_maxを向上させることができる。Ｑ_max
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Ｑ_maxが得られる。Ｙ酸
化物の含有量は、Ｙ₂Ｏ₃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、Ｑ_max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Ｙ₂Ｏ₃に換算して０．０５質量
％以上含有されることが好ましい。

【００２０】Ｍ^IIＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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
（Ｍ^II _1-aＬｎ_a）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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、Ｙ ₂Ｏ₃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Ｍ^II＋Ｌｎの比率や、Ｔｉに対するＢ
ｉ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、Ｑ_max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、Ｍ^IIＢｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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、Ｌａ₂Ｏ₃、
Ｂｉ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ＭｎＣＯ₃、Ｙ₂Ｏ₃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、５〜５０
MPa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、１００〜４００
μm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Ｑ_max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、
（Ａ_m-1Ｂ_mＯ_3m+1）^2-からなる擬ペロブスカイト層と
（Ｂｉ₂Ｏ₂）²⁺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Ｑ_max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Ｑ_max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Ｑ_max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 fu
sed 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、Ｂｉ₂Ｏ₃、
ＴｉＯ₂、Ｌａ₂Ｏ₃、ＭｎＣＯ₃、Ｙ₂Ｏ₃の各粉末を、最
終組成が（Ｃａ_0.9Ｌａ_0.1）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅＋ＭｎＯ＋
Ｙ₂Ｏ ₃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。
（Ｃａ_0.9Ｌａ_0.1）Ｂｉ₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅に対するＭｎＯおよ
びＹ₂Ｏ₃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８０
０℃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１
６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４５０
μm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（Ｃ
ｕ）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Ｑ_maxを測定した。その結果、Ｑ_max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Ｑ_max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１
１．８％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Ｑ_max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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀野賢治東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内 (72)発明者七尾勝東京都中央区日本橋一丁目13番１号ティーディーケイ株式会社内Ｆターム(参考） 5J108 AA06 BB08 KK01 KK02 MM08 MM12 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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。
【請求項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。
【請求項３】前記圧電基板の中心線平均粗さＲａが
０．２７μm未満である請求項２の圧電振動子。
【請求項４】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^IIＢｉ
₄Ｔｉ₄Ｏ₁₅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＜Ｌｎ／（Ｌｎ＋Ｍ^II）＜０．５である請求項１〜３のいずれかの圧電振動子。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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請求項５または６の圧電
振動子の製造方法。
【請求項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請求項５〜７のいずれかの
圧電振動子の製造方法。