JPH06196770A - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

圧電素子の製造方法

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JPH06196770A
JPH06196770A JP35964192A JP35964192A JPH06196770A JP H06196770 A JPH06196770 A JP H06196770A JP 35964192 A JP35964192 A JP 35964192A JP 35964192 A JP35964192 A JP 35964192A JP H06196770 A JPH06196770 A JP H06196770A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電セラミックスの内部歪みにより、圧電素
子が破壊したり接合面に反りや剥離の生ずることのない
圧電素子の製造方法を提供する。 【構成】 圧電セラミックス1の接合面にガラス層4を
形成し、このガラス層4を介してシリコン基板2とを重
ね合わせ、この状態で常温より高温度でガラス層4を溶
融させて圧電セラミックス1と基板2を接合する。接合
後、常温に至る冷却過程で圧電セラミックス1の熱膨張
係数は基板2のそれよりも小さく形成してあるので、基
板2の方が圧電セラミックス1よりも、より収縮するの
で、圧電セラミックス1には接合面と直角方向に引っ張
り歪みが発生し、この歪み方向に圧電セラミックスは分
極される。常温に至り、圧電セラミックスは内部歪みが
小さい状態で分極が完了するので、接合面の残留歪みが
小さくなり、反りや剥離を生じない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミックスと基
板とを接合一体化する圧電素子の製造方法に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】圧電セラミックスと基板とを接合してな
る圧電素子の製造方法として従来より図3に示すような
接合方法が一般的に知られている。これは、まず、図示
のように、ジルコンチタン酸鉛Pb(ZrX Ti1-X
3 系圧電セラミックス1の接合面にガラス層4を形成
する。圧電セラミックス1をこのガラス層4を介してシ
リコン等の基板2と重ね合わせた後、高温炉で加熱して
ガラス層4を溶融させてさらに加圧することにより圧電
セラミックス1と基板2とを接合する。その後、常温に
至るまで冷却して圧電セラミックス1部分に電圧を印加
し、分極処理を施すことによって圧電素子を製造する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電セ
ラミックス1に電圧を加えて分極させると、この圧電セ
ラミックス1は分極方向に伸び、分極方向と直交する方
向には収縮して体積が変化するので、圧電セラミックス
1に内部歪みが生じ、その結果、接合面に、この歪みに
よる反りが起きたり、剥離したり、さらに歪みが大きい
ときには圧電素子が破壊するという問題が生じた。
【0004】本発明は、上記従来の課題を解決するため
になされたものであり、その目的は、圧電素子が破壊し
たり、接合面に反りや剥離が生ずることのない圧電素子
の製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者は、圧電セラミ
ックス1に歪応力を加えると引っ張り歪み方向に分極す
るという現象に鑑みて、圧電セラミックス1と基板2に
熱膨張係数の違いをもたせて加熱接合することにより、
加熱処理から常温に至る冷却過程で圧電セラミックスに
歪応力を加え、分極処理を行うことができることを見出
すに至った。
【0006】本発明は上記目的を達成するために、次の
ように構成されている。すなわち、本発明の圧電素子の
製造方法は、圧電セラミックスと基板とを接合一体化し
て圧電素子を製造する方法において、圧電セラミックス
と基板の熱膨張係数に差をもたせ、圧電セラミックスと
基板とを常温よりも高い温度で接合し、接合後常温に至
る冷却過程で、圧電セラミックスと基板との熱膨張係数
の差を利用して圧電セラミックスを面と平行方向又は面
と垂直方向に引っ張り歪みを発生させて、その歪みの方
向に圧電セラミックスを分極することを特徴として構成
されており、また、前記圧電セラミックスと基板とを接
合後、常温に戻したときに基板側に内部歪みを残留さ
せ、この基板側の内部歪みを圧電セラミックス側に作用
させて圧電セラミックスの分極状態を該圧電セラミック
スにDCバイアスを印加したのと等価な分極状態にした
ことも本発明の特徴的な構成とされている。
【0007】
【作用】熱膨張係数の異なる圧電セラミックスと基板と
を常温より高い温度で接合し、その後常温に至る冷却過
程で圧電セラミックスと基板との間に収縮率の差が生ず
るため、圧電セラミックスの面と平行方向又は垂直方向
に引っ張り歪みが発生する。例えば、圧電セラミックス
の熱膨張係数を基板のそれに比べて小さく設定した場合
には、冷却過程において基板の方が圧電セラミックスよ
りも、より収縮し、この基板側のより大きな収縮が圧電
セラミックスに圧縮応力として作用し、接合面と垂直方
向に引っ張り歪みが発生する。圧電セラミックスはこの
歪みの生じた垂直方向に分極する。
【0008】逆に、圧電セラミックスの熱膨張係数を基
板のそれに比べて大きく設定した場合には、冷却過程に
おいて、圧電セラミックスの方が基板より、より収縮す
るので、圧電セラミックスには接合面と平行方向に引っ
張り歪みが発生する。圧電セラミックスは、この歪みの
生じた平行方向に分極する。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1には、本発明に係る圧電素子の製造方法の第
1の実施例が示されている。
【0010】同図において、ジルコンチタン酸鉛Pb
(ZrX Ti1-X )O3 系圧電セラミックス1は正方晶
で結晶異方性のc軸がa軸よりも長いものを使用してい
る。この圧電セラミックス1の熱膨張係数はシリコン等
よりなる基板2の熱膨張係数である約2.6 ×10-6/℃よ
りも小さくなるよう形成されている。圧電セラミックス
1は、その組成を変化させることによって所望の熱膨張
係数に設定できる。この圧電セラミックス1の接合面に
スパッタ処理などにより厚さ約2μmのガラス層4を無
機系接着剤として形成する。基板2は圧電セラミックス
1とこのガラス層4を介して重ね合っており、この状態
で高温度で加熱することによってガラス層4を溶融さ
せ、かつ、圧電セラミックス1の上部側から加圧するこ
とによって、圧電セラミックス1と基板2とを一体的に
接合する。
【0011】接合後、常温に至る冷却過程で、圧電セラ
ミックス1の熱膨張係数は基板2のそれよりも小さく形
成されているので、基板2の方が圧電セラミックス1よ
りも、より収縮するので、この基板2側のより大きな収
縮力が圧電セラミックス1に作用して圧電セラミックス
1は、両サイドより内部側へ向けて圧縮応力が加えられ
る。その結果、圧電セラミックス1にはこの圧縮応力の
方向と直交する方向に引っ張り歪みが発生し、圧電セラ
ミックス1のc軸は接合面と垂直方向に配向され、同方
向に分極される。この状態で同図の(b)のように圧電
セラミックス1と基板2とに電圧を加えると、圧電セラ
ミックス1の分極極性が一方向に揃えられて圧電素子3
が製造される。
【0012】この実施例によれば、圧電セラミックス1
と基板2とが接合してから後の冷却過程において、圧電
セラミックス1の接合面に徐々に圧縮応力が加わると、
その応力の方向に縮む一方において、この圧縮方向と直
交する方向に引っ張り歪み及びその伸びが発生して引っ
張り歪み方向に分極し、圧電セラミックス1はこの分極
により自発的に収縮し、接合面上では縮んだ状態で分極
が完了する。したがって、自発的に縮んだ分だけ圧電セ
ラミックス1の接合面上での圧縮方向の内部歪みが小さ
くなるので、従来のように圧電セラミックス1の分極処
理により体積変化による圧縮方向の内部歪みが大きく起
こり、これに伴う接合面の歪みにより接合面に反りや剥
離が生じたり、圧電素子3が破壊するというようなこと
はなく、接合面は安定したものとなる。
【0013】図2には本発明に係る圧電素子の製造方法
の第2の実施例が示されている。この実施例の場合は、
前記とは逆に、圧電セラミックス1の熱膨張係数を基板
2のものよりも大きく形成している。したがって、前記
同様に圧電セラミックス1と基板2とを加熱・加圧処理
して接合一体化した後、常温に至る冷却過程で圧電セラ
ミックス1の方が基板2よりも、より収縮するので、圧
電セラミックス1は収縮の少ない基板2側から作用を受
けて両サイドより外側方向へ引っ張られるように引っ張
り応力が加わる。圧電セラミックス1のc軸は横方向に
一列に揃えられ、接合面と平行方向に配向され、同方向
に分極される。この状態で同図の(b)のように圧電セ
ラミックス1の両サイド間に電圧を加えると、平行方向
に配向された分極極性が一方向に揃えられて圧電素子3
が製造される。
【0014】この実施例によれば、圧電セラミックス1
と基板2とが接合してから後の冷却過程において、圧電
セラミックス1の接合面に徐々に引っ張り応力が加わる
と、その応力の方向に伸びる一方において、この引っ張
り方向と平行方向に引っ張り歪みが発生してこの引っ張
り歪み方向に分極し、この分極時に圧電セラミックス1
が分極に必要な分だけ自発的に伸び、この伸びた状態で
分極が完了する。したがって、分極時の自発的な伸び分
だけ圧電セラミックス1の接合面上の引っ張り方向の内
部歪みが小さくなるので、この実施例の場合も前記同様
の効果を奏する。
【0015】以上の各実施例において、圧電セラミック
ス1と基板2との熱膨張係数の差により、圧縮応力又は
引っ張り応力を圧電セラミックスに生じさせて分極させ
ているが、この分極により圧電セラミックス1の自発的
な収縮や伸び分が、前記圧縮応力又は引っ張り応力に相
当するよう圧電セラミックス1と基板2との熱膨張係数
の差を最適に設定した場合には、分極した圧電セラミッ
クス1の内部歪みは零となるので、その接合面において
反りや剥離は全く生じない安定なものとなる。
【0016】また、同様に、圧電セラミックス1の分極
が完了したときに、基板2側に内部歪みが残留するよう
に圧電セラミックス1と基板2との熱膨張係数の差を設
定した場合には、基板2側の内部歪みが圧電セラミック
ス1側に作用して圧電セラミックス1に前記各実施例同
様に接合面と平行方向又は垂直方向に引っ張り歪みが発
生して圧電セラミックス1が分極状態となり、この状態
は圧電セラミックス1にDCバイアスを印加したのと等
価なものであり、安定な分極状態を維持している。
【0017】さらに、本実施例では圧電セラミックス1
のc軸を配向させて分極した後、電圧を印加して極性を
揃えたが、この電圧を印加しない状態、すなわち、極性
が不揃いの状態でもこの圧電素子3を光デバイス等に使
用することができる。
【0018】なお、本発明は上記各実施例に限定される
ことはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上
記各実施例では、圧電セラミックス1にジルコンチタン
酸鉛Pb(ZrX Ti1-X )O3 系のものを用いたが、
その他のセラミックスでもよい。また、基板2としてシ
リコン材を用いたが、ゲルマニウムやヒ素ガリウム等、
他の半導体基板を用いてもよい。この場合、接着層とし
てガラス層4の代わりにそれら基板2の材質と接着性の
良い接着層を形成することが好ましい。
【0019】さらに、上記各実施例では無機系接着剤と
してのガラス層4を形成したが、エポキシ樹脂等の有機
系接着剤を用いて圧電セラミックス1と基板2とを接合
してもよい。
【0020】さらに、上記各実施例は、圧電セラミック
ス1と基板2との様々な接合方法、例えば共晶接合等に
も適用できる。
【0021】さらに、圧電セラミックス1の接合面に同
様にガラス層4を形成し、このガラス層4を介して圧電
セラミックス1と基板2とを加熱処理と電圧印加処理に
よって接合する陽極接合にも、本実施例と同様に本発明
が適用できる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば、圧電セラミックスと基
板とが接合してから後の冷却過程において、圧電セラミ
ックスと基板との熱膨張係数の差より圧電セラミックス
に基板から圧縮応力又は引っ張り応力が加わり、接合面
と垂直方向又は平行方向に引っ張り歪みが発生して分極
処理が行われ、このとき、圧電セラミックスには分極に
よる自発的な収縮や引っ張りが生ずるので、圧電セラミ
ックスの内部歪みはその分小さくなる。したがって、従
来のように圧電セラミックスの分極処理により体積変化
による圧縮方向又は引っ張り方向の内部歪みが大きく起
こり、これに伴う接合面の歪みにより接合面に反りや剥
離が生じたり、圧電素子が破壊することもない。
【0023】また、圧電セラミックスの分極が完了した
ときに内部歪みが零となるように圧電セラミックスの熱
膨張係数を最適に設定すれば、接合面はより安定したも
のとなる。
【0024】さらに、圧電セラミックスと基板とを接合
後、常温に戻ってもなお基板側に内部歪みを残留するよ
うに圧電セラミックスの熱膨張係数を設定したものにあ
っては、基板側の内部歪みが圧電セラミックス側に作用
し、圧電セラミックスが分極状態となり、この状態は圧
電セラミックスに常にDCバイアスを印加したのと等価
なものであり、この分極状態は安定に維持されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る圧電素子の製造方法の第1の実施
例を示す構成図である。
【図2】本発明の第2の実施例を示す構成図である。
【図3】従来の圧電素子の製造方法を示す説明図であ
る。
【符号の説明】
1 圧電セラミックス 2 基板 3 圧電素子

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電セラミックスと基板とを接合一体化
    して圧電素子を製造する方法において、圧電セラミック
    スと基板の熱膨張係数に差をもたせ、圧電セラミックス
    と基板とを常温よりも高い温度で接合し、接合後常温に
    至る冷却過程で、圧電セラミックスと基板との熱膨張係
    数の差を利用して圧電セラミックスを面と平行方向又は
    面と垂直方向に引っ張り歪みを発生させて、その歪みの
    方向に圧電セラミックスを分極する圧電素子の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 圧電セラミックスと基板とを接合後、常
    温に戻したときに基板側に内部歪みを残留させ、この基
    板側の内部歪みを圧電セラミックス側に作用させて圧電
    セラミックスの分極状態を該圧電セラミックスにDCバ
    イアスを印加したのと等価な分極状態にした請求項1記
    載の圧電素子の製造方法。
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