圧電セラミックス共振子及びレゾネータ
【課題】 圧電セラミックスが本来有する特性を低下することなく機械的強度を向上することのできる圧電セラミックス共振子を提供する。
【解決手段】 圧電セラミックスの表面粗さに着目したところ、振動電極が形成される一対の面の表面粗さの差が小さい場合に機械的強度を向上することができることを確認して本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子である。
【解決手段】 圧電セラミックスの表面粗さに着目したところ、振動電極が形成される一対の面の表面粗さの差が小さい場合に機械的強度を向上することができることを確認して本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レゾネータの共振子として好適に用いられる圧電セラミックス共振子に関し、特に圧電セラミックス共振子の強度向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発振周波数を得る共振子として、圧電セラミックス共振子を用いた圧電共振部品（レゾネータ）が知られている。圧電セラミックス共振子２は、図１に示すように、分極された圧電セラミックス基板２１の表・裏の主面に、１対の振動電極２２、２３を形成し、その一対の振動電極２２、２３付近に振動が閉じ込められるよう構成されている。この圧電セラミックス共振子２を用いたレゾネータ１は、図２に示すように、基板３とキャップ５とを備えている。基板３は補強機能をもち、例えばステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックスで構成され、通常、０．０５〜０．７ｍｍ程度の板厚を有している。基板３の表裏面には端子電極３１、３２が形成されている。また、基板３は積層セラミックスなどを用いて誘電体機能と補強機能を併せ持つように構成してもよい。
端子電極３１、３２の上には、導電性樹脂や半田のような導電性と接着性の機能を併せ持つ導電固定子４によって圧電セラミックス共振子２が接着固定される。圧電セラミックス共振子２と基板３との間は、導電固定子４の厚みによって一定の振動空間が確保される。
キャップ５は、圧電セラミックス共振子２を覆うように基板３上に例えば接着剤によって接着されている。キャップ５も、基板３と同様にステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックスで構成することもできるが、合金のような金属で構成してもよい。また、キャップ５の板厚も、基板３と同程度とすればよい。
以上のようなレゾネータ１は、例えば、特開平８−２３７０６６号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２３７０６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１２８４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電セラミックス共振子２は、通常、室温付近において正方晶系又は菱面体晶系のＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3固溶体）系やＰＴ（ＰｂＴｉＯ3）系などのペロブスカイト構造を有する圧電磁器組成物から構成されている。圧電セラミックス共振子２をレゾネータ１として使用する場合、電気特性として帯域内のＱmax（Ｑmax＝ｔａｎθ：θは位相角）が大きいことが要求されているだけではなく、近年では表面実装型部品が広く普及しており、プリント基板に実装される際に、ハンダリフロー炉を通すために耐熱性が高いことも要求されている。なお、耐熱性が高いあるいは良好とは、熱的な衝撃を受けた後の特性の変動が小さいことをいう。
【０００５】
レゾネータ１を構成する圧電セラミックス共振子２には、以上の特性の他に機械的強度が高いことも要求される。そのため、例えば、１ｍの高さからレゾネータ１をコンクリートに自由落下させても圧電セラミックス共振子２に欠け、割れ等の異常が発生しないこと（自由落下耐性）を製品の仕様として要求している。
【０００６】
そのため、圧電セラミックス共振子２の機械的強度向上が検討されている。例えば、材質的な面から機械的強度向上を図るべく、種々の副成分を添加することが考えられる。しかし、副成分の添加は、圧電セラミックス共振子２の種々の特性に悪影響を与えることがある。例えば、機械的強度を上げるために、ＳｉＯ2を添加することが特許文献２（特開２００３−１２８４６２号公報）に報告されている。しかしながら、ＳｉＯ2は機械的強度を向上させる一方で、最適な焼結温度、つまり緻密な焼結体を得るための加熱温度が高くなり、あるいは耐熱性を低下させることが良く知られている。
そこで本発明は、圧電セラミックスが本来有する特性を低下することなく機械的強度を向上することのできる圧電セラミックス共振子を提供することを目的とする。また本発明は、そのような圧電セラミックス共振子を用いることにより自由落下耐性の優れたレゾネータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく圧電セラミックスの表面粗さに着目したところ、振動電極が形成される表裏面の表面粗さの差が小さい場合に機械的強度を向上することができることを確認して本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子である。
本発明において、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦２％の条件を満足することが機械的強度向上にとって好ましい。
【０００８】
また本発明の圧電セラミックス共振子は、圧電セラミックス基材が、Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3…（２）で示されるペロブスカイト化合物を主成分とすることが望ましい。
ただし、式（２）において０．９７≦α≦１．０１、０．０４≦ｘ≦０．１６、０．４８≦ｙ≦０．５８、０．３２≦ｚ≦０．４１
【０００９】
以上の圧電セラミックス共振子を用いた本発明のレゾネータは、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２とを備える圧電セラミックス共振子と、圧電セラミックス共振子を支持する基板と、を備え、圧電セラミックス基材が、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の中で、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％の条件を満足することを特徴とする。
【００１０】
本発明のレゾネータは、基板が端子電極を備え、圧電セラミックス共振子は、導電部材を介して、基板に両端支持されるとともに、振動電極と導通する形態に適用することが好ましい、
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、表面粗さを所定の範囲に調整するという手段を採用するため、圧電セラミックスが本来有している特性を低下させることなく機械的強度を向上することができる。この圧電セラミックス共振子を用いることにより、自由落下耐性の優れたレゾネータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図２は、本実施の形態におけるレゾネータ１を説明するための断面図である。なお、図２に示すレゾネータ１の基本的な構成は従来の技術の欄で説明したので、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【００１３】
本発明は、レゾネータ１の構成要素である圧電セラミックス共振子２の表面粗さが式（１）の条件を満足する。この式（１）は後述する３点曲げ試験に基づいているが、この式（１）について図１を参照しつつ説明する。
図１において、短冊状の圧電セラミックス基板２１の電極が形成されている面（主面）の表面粗さを本発明は特定している。主面は圧電セラミックス基板２１の表裏両面に対向して存在し、図１において、一対の主面の一方を主面Ｓ１、他方を主面Ｓ２とする。この主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さＲａを、各々Ｒａ１（μｍ）、Ｒａ２（μｍ）とすると、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さの差は｜Ｒａ１−Ｒａ２｜で表される。また、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さの平均値は（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２で表される。これらより、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）が構成される。
【００１４】
以上では、便宜上、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の全面の表面粗さについて説明したが、本発明は、主面Ｓ１及び主面Ｓ２において、少なくとも振動電極２２と振動電極２３とが対向している領域（以下、電極対向面ということがある）が式（１）の条件を満足していればよい。図１の例では、点線でハッチング施されている部分が、電極対向面に該当する。主面Ｓ１及び主面Ｓ２の全面が式（１）の条件を満足することが望ましいことは言うまでもない。
【００１５】
次に、圧電セラミックスについて３点曲げ試験は以下のように実施した。
まず、試験片は以下のようにして作製した。出発原料として、酸化鉛（ＰｂＯ）粉末、酸化チタン（ＴｉＯ2）粉末、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）粉末、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ3）粉末、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）粉末、酸化珪素（ＳｉＯ2）粉末を準備した。この原料粉末を、モル比でＰｂ0.99[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）0.10Ｔｉ0.53Ｚｒ0.37]Ｏ3となるように秤量した後、各粉末の総重量に対して副成分としてのＭｎＣＯ3粉末を０．２ｗｔ％、ＳｉＯ2粉末を０．０７ｗｔ％添加し、各々ボールミルを用いて湿式混合を１０時間行った。
【００１６】
得られたスラリーを十分に乾燥してプレス成形した後に、大気中、８００℃で２時間保持する仮焼を行った。仮焼体が平均粒径０．７μｍになるまでボールミルにより微粉砕した後、微粉砕粉末を乾燥させた。乾燥させた微粉砕粉末に、バインダとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を適量加えて造粒した。造粒粉を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍのキャビティを有する金型に約３ｇ投入し、１軸プレス成形機を用いて２４５ＭＰａの圧力で成形した。得られた成形体に対して脱バインダ処理を行った後、大気中、１１５０〜１２５０℃で２時間保持する本焼成を行って焼結体を得た。この焼結体の両面をラップ盤で厚さ０．５ｍｍに平面加工した。その後、１５ｍｍ×７．０ｍｍに切断加工し、その両端部(７．０ｍｍ方向)に分極用の仮電極を形成した。その後、温度１５０℃のシリコンオイル槽中で３ｋＶ／ｍｍの電界を２０分間印加する分極処理を行った。なお、分極方向は板体に平行な方向とし、振動モードを厚みすべりモードとした。その後、仮電極を除去した。なお、仮電極除去後の試料のサイズは１５ｍｍ×７ｍｍ×０．５ｍｍである。再度ラップ盤でおよそ厚さ０．３ｍｍまで研磨を行い、切出しにより、縦×横×厚さ＝７ｍｍ×２．５ｍｍ×０．３ｍｍの試験片を切出した。なお、ラップの条件を変えることにより、種々の表面粗さの試験片を得た。
【００１７】
３点曲げ試験は、上記試験片を用い以下の条件を適用し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて行った。
クロスヘッド速度：０．２ｍｍ／ｍｉｎ
クロスヘッド曲率半径／支点間距離：０．１（クロスヘッド曲率半径＝０．５ｍｍ、支点間距離＝２ｍｍ）
【００１８】
測定結果を表１に示すとともに、３点曲げ強さと表面粗さの差／表面粗さ平均値（｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２）（％）の関係を図６に示すが、（表面粗さの差／表面粗さ平均値）が５％以下の範囲で３点曲げ強度が高くなることがわかる。特に、（表面粗さの差／表面粗さ平均値）が２％以下になると、３点曲げ強度が１３０ＭＰａ以上と高くなる。
図７は、表面粗さ平均値（（｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２））と３点曲げ強度の関係を示す。表面粗さ平均値と３点曲げ強度が比例関係にあるわけではなく、図６を参酌すると、表面粗さ平均値が大きい場合であっても、表面粗さの差／表面粗さ平均値を制御することにより３点曲げ強度を向上できることがわかる。
以上の結果より、本発明は、式（１）の条件を満足する圧電セラミックス共振子２を用いることとした。ただし、主面、特に電極対向面の表面粗さがあまり大きくなることは好ましくなく、本発明においては表面粗さＲａを０．２μｍ以下とすることが特に好ましい。
なお、表面粗さの測定には、（株）小坂研究所のＳＥ−３０Ｄを用いた。
【００１９】
【表１】
【００２０】
試験片から圧電セラミックス共振子２は以下の手順で作製することができる。
試験片（圧電セラミックス基板２１）に真空蒸着装置を用いて図２に示すように、振動電極２２、２３を形成する。振動電極２２、２３は厚さ０．０１μｍのＣｒ下地層と厚さ２μｍのＡｇとから構成される。振動電極２２、２３形成後に、以上の試験片から切出しにより３．５ｍｍ×０．６ｍｍ×０．３ｍｍの圧電セラミックス共振子２を作製した。この圧電セラミックス共振子２は導電固定子４により基板３と接着されるが、樹脂厚によって嵩上げされて振動空間が確保される。この基板３はステアタイトから構成されており、上下面に端子電極３１、３２が形成されている。次に、圧電セラミックス共振子２を保護するようにステアタイトからなるキャップ５を基板３と接着する。最後に、バレル研磨によって端部を粗面化した後に基板３の上下面に形成されている端子電極３１、３２をつなぐように基板３の側面に電極を形成する。最終的なレゾネータ１の外寸は４．５ｍｍ×２．０ｍｍ×１．１ｍｍである。
【００２１】
また、レゾネータ１における支持間距離Ｌは、４．０６λとした。なお、λは圧電セラミックス共振子２の波長であり、基本波の場合ｔ＝１／２×λ（ｔ：厚さ）の関係が成立する。３倍波を用いる場合はｔ＝３／２×λ（ｔ：厚さ）である。
ここで、厚みすべりモードの場合、支持間距離Ｌは３λ以上であることが好ましく、３．７５λ以上であることがより好ましい。これは振動電極２２、２３付近に閉じ込められた振動を抑圧しないために必要である。また、支持間距離Ｌの上限はレゾネータ１の外形（図２のＬ１）−０．５ｍｍとするのが好ましく、気密性を有したキャップ５の接着幅を確保するために必要な条件である。ここで、この支持間距離Ｌとは、分極方向に平行な方向の距離をいう。
また、分極方向が主面に対して垂直な厚み縦モードの場合、やはり支持間距離Ｌを３λ以上とすることが好ましく、３．７５λ以上であることがより好ましい。この場合、支持間距離Ｌは圧電セラミックス共振子２の長手方向の距離である。
【００２２】
以上の実施の形態では、図２に示す構造のレゾネータ１について説明したが、本発明の適用は図２に示すレゾネータ１に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、図３に示す構造のレゾネータ３０に適用することもできる。このレゾネータ３０は、基板３と圧電セラミックス共振子２との間に容量素子６を配設してある。なお、図３において、図１と同様の部材には図１と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
また、圧電セラミックス共振子２は、図１に示す形態に限定されるものでなく、図４（ａ）に示すようにテーパが形成された形態、図４（ｂ）に示すように溝入れ加工が施された形態等、種々の形態の圧電セラミックス共振子２に適用することができる。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）において、主面上の太線で示されているところが電極対向面であり、この部分が少なくとも｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足していればよい。
【００２４】
さらに、図２及び図３は圧電セラミックス共振子２を両端支持する形態のレゾネータ1、３０を示しているが、本発明の適用はこの両端支持する形態に限定されない。例えば、図５に示す構造のレゾネータ５０に適用することもできる。このレゾネータ５０は、端子電極５１１及び５１２を備えた基板５１、接着樹脂層５２、空洞樹脂層５３、振動電極５４１を備えた圧電セラミックス共振子５４、空洞樹脂層５５、接着樹脂層５６及びカバー５７を順次積層した構造を有している。レゾネータ５０における支持間距離を矢印で示している。空洞樹脂層５３、５５は振動電極５４１付近に閉じ込められた振動を抑圧しないように振動空間を確保するように設けられる。この空間を維持し、気密性を確保するように接着樹脂層５６を用いてカバー５７と接着される。
【００２５】
以上説明したように、本発明は式（１）の条件を具備する圧電セラミックス共振子に特徴があるが、以下では好ましい圧電セラミックス及びその製造方法について説明する。
＜圧電セラミックス＞
本発明に用いる圧電セラミックスは、ペロブスカイト型構造を有するＰＺＴを主成分として、この主成分は好ましくはＭｎ、Ｎｂを含有する。さらに好ましい主成分は、以下の組成式で示される。なお、ここでいう化学組成は焼結後における組成をいう。
【００２６】
Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3
組成式中、０．９７≦α≦１．０１、
０．０４≦ｘ≦０．１６、
０．４８≦ｙ≦０．５８、
０．３２≦ｚ≦０．４１である。
なお、組成式中、α、ｘ、ｙ及びｚはそれぞれモル比を表す。
【００２７】
組成式中におけるα、ｘ、ｙ及びｚの限定理由は以下の通りである。
Ｐｂ量を示すαは、０．９７≦α≦１．０１の範囲とすることが好ましい。αが０．９７未満では、緻密な焼結体を得ることが困難である。一方、αが１．０１を超えると良好な耐熱性を得ることができない。よって、αは、０．９７≦α≦１．０１の範囲とすることが好ましく、さらに０．９８≦α＜１．００とすることが好ましく、０．９９≦α＜１．００とすることがより好ましい。
【００２８】
Ｍｎ量及びＮｂ量を示すｘは、０．０４≦ｘ≦０．１６の範囲とすることが好ましい。ｘが０．０４未満では、Ｑmaxが小さくなる。一方、ｘが０．１６を超えると、良好な耐熱性を得ることができなくなる。よって、ｘは、０．０４≦ｘ≦０．１６の範囲とすることが好ましく、さらに０．０６≦ｘ≦０．１４とすることが好ましく、０．０７≦ｘ≦０．１１とすることがより好ましい。
【００２９】
Ｔｉ量を示すｙは、０．４８≦ｙ≦０．５８の範囲とする。ｙが０．４８未満では、良好な耐熱性を得ることができない。一方、ｙが０．５８を超えると良好な温度特性を得ることが困難になる。よって、ｙは、０．４８≦ｙ≦０．５８の範囲とすることが好ましく、さらに０．４９≦ｙ≦０．５７とすることが好ましく、０．５０≦ｙ≦０．５５とすることがより好ましい。
【００３０】
Ｚｒ量を示すｚは、０．３２≦ｚ≦０．４１の範囲とする。ｚが０．３２未満又は０．４１を超えると良好な温度特性が得られなくなる。よって、ｚは、０．３２≦ｚ≦０．４１の範囲とすることが好ましく、さらに０．３３≦ｚ≦０．４０とすることが好ましく、０．３４≦ｚ≦０．３９とすることがより好ましい。なお、温度特性が良好であるとは、使用環境下の温度変化に伴う圧電セラミックスの特性の変化が小さいことをいう。
【００３１】
本発明に適用する圧電セラミックスにおいて、副成分として、主成分に対してＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｎＣＯ3及びＣｒ2Ｏ3の１種又は２種以上を含有させることができる。
Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2は、圧電セラミックスの機械的強度向上にとって有効である。Ａｌ2Ｏ3は、主成分、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．１５ｗｔ％以上添加することが好ましく、０．６ｗｔ％以上添加することがより好ましい。Ａｌ2Ｏ3の添加量を増やしていっても、圧電セラミックスの特性を害することがないため、その上限は特に限定されないが、得られる効果が飽和すると解されることから、主成分に対する添加量を３．０ｗｔ％以下、好ましくは２．０ｗｔ％以下、さらに好ましくは１．５ｗｔ％以下とする。
また、ＳｉＯ2の添加量は、主成分、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．００５〜０．１５ｗｔ％、より好ましいＳｉＯ2の添加量は０．０１〜０．１２ｗｔ％、さらに好ましいＳｉＯ2の添加量は０．０１〜０．０７ｗｔ％とする。
【００３２】
ＭｎＣＯ3は焼結性を向上させる上で有効である。副成分としてＭｎＣＯ3を含有する場合において、好ましいＭｎＣＯ3の添加量は、主組成、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．６５ｗｔ％以下、より好ましいＭｎの添加量は０．５０ｗｔ％以下である。さらに好ましいＭｎＣＯ3の添加量は０．０１〜０．４０ｗｔ％、より一層好ましいＭｎの添加量は０．０５〜０．３ｗｔ％である。
Ｃｒ2Ｏ3は良好な耐熱性を得る上で有効である。好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は主組成、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．６５ｗｔ％以下、より好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．５０ｗｔ％以下である。さらに好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．０１〜０．３０ｗｔ％、より一層好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．０１〜０．１０ｗｔ％である。
なお、以上の副成分はあくまで好ましい一例であって、他の副成分を用いることを排除するものではない。
【００３３】
＜製造方法＞
次に、本発明に用いる圧電セラミックスの好ましい製造方法について、その工程順に説明する。（原料粉末、秤量）
主成分の原料として、酸化物又は加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いる。具体的にはＰｂＯ粉末、ＴｉＯ2粉末、ＺｒＯ2粉末、ＭｎＣＯ3粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末等を用いることができる。原料粉末は最終的に得たい組成に該当するように、それぞれ秤量する。なお、上述した原料粉末に限らず、２種以上の金属を含む複合酸化物の粉末を原料粉末としてもよい。
次に、秤量された各粉末の総重量に対して、副成分を所定量添加する。各原料粉末の平均粒径は０．１〜３．０μｍの範囲で適宜選択すればよい。
【００３４】
（仮焼）
原料粉末を湿式混合した後、７００〜９５０℃の範囲内で所定時間保持する仮焼を行う。このときの雰囲気はＮ2又は大気とすればよい。仮焼の保持時間は０．５〜５時間の範囲で適宜選択すればよい。
なお、主成分の原料粉末と副成分の原料粉末を混合した後に、両者をともに仮焼に供する場合について示したが、副成分の原料粉末を添加するタイミングは上述したものに限定されるものではない。例えば、まず主成分の粉末のみを秤量、混合、仮焼及び粉砕する。そして、仮焼粉砕後に得られた主成分の粉末に、副成分の原料粉末を所定量添加し混合するようにしてもよい。
【００３５】
（造粒・成形）
粉砕粉末は、後の成形工程を円滑に実行するために顆粒に造粒される。この際、粉砕粉末に適当なバインダ、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を少量添加し、かつこれらを十分に混合し、その後に例えばメッシュを通過させて整粒することにより造粒粉末を得る。次いで、造粒粉末を２００〜３００ＭＰａの圧力で加圧成形し、所望の形状の成形体を得る。
【００３６】
（焼成）
成形時に添加したバインダを除去した後、１１００〜１２５０℃の範囲内で所定時間成形体を加熱保持し焼結体を得る。このときの雰囲気はＮ2又は大気とすればよい。加熱保持時間は０．５〜４時間の範囲で適宜選択すればよい。
【００３７】
（分極処理）
焼結体に分極処理用の電極を形成した後、分極処理を行う。分極処理は、５０〜３００℃の温度で、１．０〜２．０Ｅｃ（Ｅｃは抗電界）の電界を焼結体に対して０．５〜３０分間印加する。
分極処理温度が５０℃未満になると、Ｅｃが高くなるため分極電圧が高くなり、分極が困難になる。一方、分極処理温度が３００℃を超えると、絶縁オイルの絶縁性が著しく低下するため分極が困難となる。よって、分極処理温度は５０〜３００℃とする。好ましい分極処理温度は６０〜２５０℃、より好ましい分極処理温度は８０〜２００℃である。
また、印加する電界が１．０Ｅｃを下回ると分極が進行しない。一方、印加する電界が２．０Ｅｃを超えると実電圧が高くなって焼結体がブレークしやすくなり、圧電セラミックスの作製が困難となる。よって、分極処理の際に印加する電界は１．０〜２．０Ｅｃとする。好ましい印加電界は１．１〜１．８Ｅｃ、より好ましい印加電界は１．２〜１．６Ｅｃである。
【００３８】
分極処理時間が０．５分未満となると、分極が不十分となって十分な特性を得ることができない。一方、分極処理時間が３０分を超えると分極処理に要する時間が長くなり生産効率が劣る。よって、分極処理時間は０．５〜３０分とする。好ましい分極処理時間は０．７〜２０分、より好ましい分極処理時間は０．９〜１５分である。
分極処理は、上述した温度に加熱された絶縁オイル、例えばシリコンオイル浴中で行う。なお、分極方向は所望の振動モードに応じて決定する。つまり、厚みすべりモードの場合には、主面に平行な方向に分極を行い、厚み縦モードの場合には主面に垂直な方向に分極を行えばよい。
【００３９】
圧電セラミックスは、所望の厚さまで研磨された後、振動電極が形成される。次いで、ダイシングソー等で所望の形状に切断された後、圧電セラミックス共振子として機能することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】圧電セラミックス共振子の構成を示す斜視図である。
【図２】レゾネータの構成を示す断面図である。
【図３】レゾネータの他の構成を示す断面図である。
【図４】圧電セラミックス共振子の他の構成を示す側面図である。
【図５】レゾネータの他の構成を示す断面図である。
【図６】３点曲げ強さと表面粗さの差／表面粗さ平均値の関係を示すグラフである。
【図７】３点曲げ強さと表面粗さ平均値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１，３０…レゾネータ、２…圧電セラミックス共振子、２１…圧電セラミックス基板、２２，２３…振動電極、３…基板、３１，３２…端子電極、３３…接続電極、４…導電固定子、５…キャップ、６…容量素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レゾネータの共振子として好適に用いられる圧電セラミックス共振子に関し、特に圧電セラミックス共振子の強度向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発振周波数を得る共振子として、圧電セラミックス共振子を用いた圧電共振部品（レゾネータ）が知られている。圧電セラミックス共振子２は、図１に示すように、分極された圧電セラミックス基板２１の表・裏の主面に、１対の振動電極２２、２３を形成し、その一対の振動電極２２、２３付近に振動が閉じ込められるよう構成されている。この圧電セラミックス共振子２を用いたレゾネータ１は、図２に示すように、基板３とキャップ５とを備えている。基板３は補強機能をもち、例えばステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックスで構成され、通常、０．０５〜０．７ｍｍ程度の板厚を有している。基板３の表裏面には端子電極３１、３２が形成されている。また、基板３は積層セラミックスなどを用いて誘電体機能と補強機能を併せ持つように構成してもよい。
端子電極３１、３２の上には、導電性樹脂や半田のような導電性と接着性の機能を併せ持つ導電固定子４によって圧電セラミックス共振子２が接着固定される。圧電セラミックス共振子２と基板３との間は、導電固定子４の厚みによって一定の振動空間が確保される。
キャップ５は、圧電セラミックス共振子２を覆うように基板３上に例えば接着剤によって接着されている。キャップ５も、基板３と同様にステアタイト（ＭｇＯ・ＳｉＯ2）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等のセラミックスで構成することもできるが、合金のような金属で構成してもよい。また、キャップ５の板厚も、基板３と同程度とすればよい。
以上のようなレゾネータ１は、例えば、特開平８−２３７０６６号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２３７０６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１２８４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧電セラミックス共振子２は、通常、室温付近において正方晶系又は菱面体晶系のＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ3−ＰｂＴｉＯ3固溶体）系やＰＴ（ＰｂＴｉＯ3）系などのペロブスカイト構造を有する圧電磁器組成物から構成されている。圧電セラミックス共振子２をレゾネータ１として使用する場合、電気特性として帯域内のＱmax（Ｑmax＝ｔａｎθ：θは位相角）が大きいことが要求されているだけではなく、近年では表面実装型部品が広く普及しており、プリント基板に実装される際に、ハンダリフロー炉を通すために耐熱性が高いことも要求されている。なお、耐熱性が高いあるいは良好とは、熱的な衝撃を受けた後の特性の変動が小さいことをいう。
【０００５】
レゾネータ１を構成する圧電セラミックス共振子２には、以上の特性の他に機械的強度が高いことも要求される。そのため、例えば、１ｍの高さからレゾネータ１をコンクリートに自由落下させても圧電セラミックス共振子２に欠け、割れ等の異常が発生しないこと（自由落下耐性）を製品の仕様として要求している。
【０００６】
そのため、圧電セラミックス共振子２の機械的強度向上が検討されている。例えば、材質的な面から機械的強度向上を図るべく、種々の副成分を添加することが考えられる。しかし、副成分の添加は、圧電セラミックス共振子２の種々の特性に悪影響を与えることがある。例えば、機械的強度を上げるために、ＳｉＯ2を添加することが特許文献２（特開２００３−１２８４６２号公報）に報告されている。しかしながら、ＳｉＯ2は機械的強度を向上させる一方で、最適な焼結温度、つまり緻密な焼結体を得るための加熱温度が高くなり、あるいは耐熱性を低下させることが良く知られている。
そこで本発明は、圧電セラミックスが本来有する特性を低下することなく機械的強度を向上することのできる圧電セラミックス共振子を提供することを目的とする。また本発明は、そのような圧電セラミックス共振子を用いることにより自由落下耐性の優れたレゾネータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく圧電セラミックスの表面粗さに着目したところ、振動電極が形成される表裏面の表面粗さの差が小さい場合に機械的強度を向上することができることを確認して本発明を完成するに至った。すなわち本発明は、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子である。
本発明において、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦２％の条件を満足することが機械的強度向上にとって好ましい。
【０００８】
また本発明の圧電セラミックス共振子は、圧電セラミックス基材が、Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3…（２）で示されるペロブスカイト化合物を主成分とすることが望ましい。
ただし、式（２）において０．９７≦α≦１．０１、０．０４≦ｘ≦０．１６、０．４８≦ｙ≦０．５８、０．３２≦ｚ≦０．４１
【０００９】
以上の圧電セラミックス共振子を用いた本発明のレゾネータは、互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２とを備える圧電セラミックス共振子と、圧電セラミックス共振子を支持する基板と、を備え、圧電セラミックス基材が、主面Ｓ１における電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、主面Ｓ２における電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の中で、少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％の条件を満足することを特徴とする。
【００１０】
本発明のレゾネータは、基板が端子電極を備え、圧電セラミックス共振子は、導電部材を介して、基板に両端支持されるとともに、振動電極と導通する形態に適用することが好ましい、
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、表面粗さを所定の範囲に調整するという手段を採用するため、圧電セラミックスが本来有している特性を低下させることなく機械的強度を向上することができる。この圧電セラミックス共振子を用いることにより、自由落下耐性の優れたレゾネータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図２は、本実施の形態におけるレゾネータ１を説明するための断面図である。なお、図２に示すレゾネータ１の基本的な構成は従来の技術の欄で説明したので、ここでの繰り返しの説明は省略する。
【００１３】
本発明は、レゾネータ１の構成要素である圧電セラミックス共振子２の表面粗さが式（１）の条件を満足する。この式（１）は後述する３点曲げ試験に基づいているが、この式（１）について図１を参照しつつ説明する。
図１において、短冊状の圧電セラミックス基板２１の電極が形成されている面（主面）の表面粗さを本発明は特定している。主面は圧電セラミックス基板２１の表裏両面に対向して存在し、図１において、一対の主面の一方を主面Ｓ１、他方を主面Ｓ２とする。この主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さＲａを、各々Ｒａ１（μｍ）、Ｒａ２（μｍ）とすると、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さの差は｜Ｒａ１−Ｒａ２｜で表される。また、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の表面粗さの平均値は（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２で表される。これらより、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）が構成される。
【００１４】
以上では、便宜上、主面Ｓ１及び主面Ｓ２の全面の表面粗さについて説明したが、本発明は、主面Ｓ１及び主面Ｓ２において、少なくとも振動電極２２と振動電極２３とが対向している領域（以下、電極対向面ということがある）が式（１）の条件を満足していればよい。図１の例では、点線でハッチング施されている部分が、電極対向面に該当する。主面Ｓ１及び主面Ｓ２の全面が式（１）の条件を満足することが望ましいことは言うまでもない。
【００１５】
次に、圧電セラミックスについて３点曲げ試験は以下のように実施した。
まず、試験片は以下のようにして作製した。出発原料として、酸化鉛（ＰｂＯ）粉末、酸化チタン（ＴｉＯ2）粉末、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）粉末、炭酸マンガン（ＭｎＣＯ3）粉末、酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）粉末、酸化珪素（ＳｉＯ2）粉末を準備した。この原料粉末を、モル比でＰｂ0.99[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）0.10Ｔｉ0.53Ｚｒ0.37]Ｏ3となるように秤量した後、各粉末の総重量に対して副成分としてのＭｎＣＯ3粉末を０．２ｗｔ％、ＳｉＯ2粉末を０．０７ｗｔ％添加し、各々ボールミルを用いて湿式混合を１０時間行った。
【００１６】
得られたスラリーを十分に乾燥してプレス成形した後に、大気中、８００℃で２時間保持する仮焼を行った。仮焼体が平均粒径０．７μｍになるまでボールミルにより微粉砕した後、微粉砕粉末を乾燥させた。乾燥させた微粉砕粉末に、バインダとしてＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を適量加えて造粒した。造粒粉を縦２０ｍｍ×横２０ｍｍのキャビティを有する金型に約３ｇ投入し、１軸プレス成形機を用いて２４５ＭＰａの圧力で成形した。得られた成形体に対して脱バインダ処理を行った後、大気中、１１５０〜１２５０℃で２時間保持する本焼成を行って焼結体を得た。この焼結体の両面をラップ盤で厚さ０．５ｍｍに平面加工した。その後、１５ｍｍ×７．０ｍｍに切断加工し、その両端部(７．０ｍｍ方向)に分極用の仮電極を形成した。その後、温度１５０℃のシリコンオイル槽中で３ｋＶ／ｍｍの電界を２０分間印加する分極処理を行った。なお、分極方向は板体に平行な方向とし、振動モードを厚みすべりモードとした。その後、仮電極を除去した。なお、仮電極除去後の試料のサイズは１５ｍｍ×７ｍｍ×０．５ｍｍである。再度ラップ盤でおよそ厚さ０．３ｍｍまで研磨を行い、切出しにより、縦×横×厚さ＝７ｍｍ×２．５ｍｍ×０．３ｍｍの試験片を切出した。なお、ラップの条件を変えることにより、種々の表面粗さの試験片を得た。
【００１７】
３点曲げ試験は、上記試験片を用い以下の条件を適用し、ＪＩＳ Ｒ １６０１に準じて行った。
クロスヘッド速度：０．２ｍｍ／ｍｉｎ
クロスヘッド曲率半径／支点間距離：０．１（クロスヘッド曲率半径＝０．５ｍｍ、支点間距離＝２ｍｍ）
【００１８】
測定結果を表１に示すとともに、３点曲げ強さと表面粗さの差／表面粗さ平均値（｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２）（％）の関係を図６に示すが、（表面粗さの差／表面粗さ平均値）が５％以下の範囲で３点曲げ強度が高くなることがわかる。特に、（表面粗さの差／表面粗さ平均値）が２％以下になると、３点曲げ強度が１３０ＭＰａ以上と高くなる。
図７は、表面粗さ平均値（（｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２））と３点曲げ強度の関係を示す。表面粗さ平均値と３点曲げ強度が比例関係にあるわけではなく、図６を参酌すると、表面粗さ平均値が大きい場合であっても、表面粗さの差／表面粗さ平均値を制御することにより３点曲げ強度を向上できることがわかる。
以上の結果より、本発明は、式（１）の条件を満足する圧電セラミックス共振子２を用いることとした。ただし、主面、特に電極対向面の表面粗さがあまり大きくなることは好ましくなく、本発明においては表面粗さＲａを０．２μｍ以下とすることが特に好ましい。
なお、表面粗さの測定には、（株）小坂研究所のＳＥ−３０Ｄを用いた。
【００１９】
【表１】
【００２０】
試験片から圧電セラミックス共振子２は以下の手順で作製することができる。
試験片（圧電セラミックス基板２１）に真空蒸着装置を用いて図２に示すように、振動電極２２、２３を形成する。振動電極２２、２３は厚さ０．０１μｍのＣｒ下地層と厚さ２μｍのＡｇとから構成される。振動電極２２、２３形成後に、以上の試験片から切出しにより３．５ｍｍ×０．６ｍｍ×０．３ｍｍの圧電セラミックス共振子２を作製した。この圧電セラミックス共振子２は導電固定子４により基板３と接着されるが、樹脂厚によって嵩上げされて振動空間が確保される。この基板３はステアタイトから構成されており、上下面に端子電極３１、３２が形成されている。次に、圧電セラミックス共振子２を保護するようにステアタイトからなるキャップ５を基板３と接着する。最後に、バレル研磨によって端部を粗面化した後に基板３の上下面に形成されている端子電極３１、３２をつなぐように基板３の側面に電極を形成する。最終的なレゾネータ１の外寸は４．５ｍｍ×２．０ｍｍ×１．１ｍｍである。
【００２１】
また、レゾネータ１における支持間距離Ｌは、４．０６λとした。なお、λは圧電セラミックス共振子２の波長であり、基本波の場合ｔ＝１／２×λ（ｔ：厚さ）の関係が成立する。３倍波を用いる場合はｔ＝３／２×λ（ｔ：厚さ）である。
ここで、厚みすべりモードの場合、支持間距離Ｌは３λ以上であることが好ましく、３．７５λ以上であることがより好ましい。これは振動電極２２、２３付近に閉じ込められた振動を抑圧しないために必要である。また、支持間距離Ｌの上限はレゾネータ１の外形（図２のＬ１）−０．５ｍｍとするのが好ましく、気密性を有したキャップ５の接着幅を確保するために必要な条件である。ここで、この支持間距離Ｌとは、分極方向に平行な方向の距離をいう。
また、分極方向が主面に対して垂直な厚み縦モードの場合、やはり支持間距離Ｌを３λ以上とすることが好ましく、３．７５λ以上であることがより好ましい。この場合、支持間距離Ｌは圧電セラミックス共振子２の長手方向の距離である。
【００２２】
以上の実施の形態では、図２に示す構造のレゾネータ１について説明したが、本発明の適用は図２に示すレゾネータ１に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、図３に示す構造のレゾネータ３０に適用することもできる。このレゾネータ３０は、基板３と圧電セラミックス共振子２との間に容量素子６を配設してある。なお、図３において、図１と同様の部材には図１と同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２３】
また、圧電セラミックス共振子２は、図１に示す形態に限定されるものでなく、図４（ａ）に示すようにテーパが形成された形態、図４（ｂ）に示すように溝入れ加工が施された形態等、種々の形態の圧電セラミックス共振子２に適用することができる。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）において、主面上の太線で示されているところが電極対向面であり、この部分が少なくとも｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足していればよい。
【００２４】
さらに、図２及び図３は圧電セラミックス共振子２を両端支持する形態のレゾネータ1、３０を示しているが、本発明の適用はこの両端支持する形態に限定されない。例えば、図５に示す構造のレゾネータ５０に適用することもできる。このレゾネータ５０は、端子電極５１１及び５１２を備えた基板５１、接着樹脂層５２、空洞樹脂層５３、振動電極５４１を備えた圧電セラミックス共振子５４、空洞樹脂層５５、接着樹脂層５６及びカバー５７を順次積層した構造を有している。レゾネータ５０における支持間距離を矢印で示している。空洞樹脂層５３、５５は振動電極５４１付近に閉じ込められた振動を抑圧しないように振動空間を確保するように設けられる。この空間を維持し、気密性を確保するように接着樹脂層５６を用いてカバー５７と接着される。
【００２５】
以上説明したように、本発明は式（１）の条件を具備する圧電セラミックス共振子に特徴があるが、以下では好ましい圧電セラミックス及びその製造方法について説明する。
＜圧電セラミックス＞
本発明に用いる圧電セラミックスは、ペロブスカイト型構造を有するＰＺＴを主成分として、この主成分は好ましくはＭｎ、Ｎｂを含有する。さらに好ましい主成分は、以下の組成式で示される。なお、ここでいう化学組成は焼結後における組成をいう。
【００２６】
Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3
組成式中、０．９７≦α≦１．０１、
０．０４≦ｘ≦０．１６、
０．４８≦ｙ≦０．５８、
０．３２≦ｚ≦０．４１である。
なお、組成式中、α、ｘ、ｙ及びｚはそれぞれモル比を表す。
【００２７】
組成式中におけるα、ｘ、ｙ及びｚの限定理由は以下の通りである。
Ｐｂ量を示すαは、０．９７≦α≦１．０１の範囲とすることが好ましい。αが０．９７未満では、緻密な焼結体を得ることが困難である。一方、αが１．０１を超えると良好な耐熱性を得ることができない。よって、αは、０．９７≦α≦１．０１の範囲とすることが好ましく、さらに０．９８≦α＜１．００とすることが好ましく、０．９９≦α＜１．００とすることがより好ましい。
【００２８】
Ｍｎ量及びＮｂ量を示すｘは、０．０４≦ｘ≦０．１６の範囲とすることが好ましい。ｘが０．０４未満では、Ｑmaxが小さくなる。一方、ｘが０．１６を超えると、良好な耐熱性を得ることができなくなる。よって、ｘは、０．０４≦ｘ≦０．１６の範囲とすることが好ましく、さらに０．０６≦ｘ≦０．１４とすることが好ましく、０．０７≦ｘ≦０．１１とすることがより好ましい。
【００２９】
Ｔｉ量を示すｙは、０．４８≦ｙ≦０．５８の範囲とする。ｙが０．４８未満では、良好な耐熱性を得ることができない。一方、ｙが０．５８を超えると良好な温度特性を得ることが困難になる。よって、ｙは、０．４８≦ｙ≦０．５８の範囲とすることが好ましく、さらに０．４９≦ｙ≦０．５７とすることが好ましく、０．５０≦ｙ≦０．５５とすることがより好ましい。
【００３０】
Ｚｒ量を示すｚは、０．３２≦ｚ≦０．４１の範囲とする。ｚが０．３２未満又は０．４１を超えると良好な温度特性が得られなくなる。よって、ｚは、０．３２≦ｚ≦０．４１の範囲とすることが好ましく、さらに０．３３≦ｚ≦０．４０とすることが好ましく、０．３４≦ｚ≦０．３９とすることがより好ましい。なお、温度特性が良好であるとは、使用環境下の温度変化に伴う圧電セラミックスの特性の変化が小さいことをいう。
【００３１】
本発明に適用する圧電セラミックスにおいて、副成分として、主成分に対してＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＭｎＣＯ3及びＣｒ2Ｏ3の１種又は２種以上を含有させることができる。
Ａｌ2Ｏ3及びＳｉＯ2は、圧電セラミックスの機械的強度向上にとって有効である。Ａｌ2Ｏ3は、主成分、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．１５ｗｔ％以上添加することが好ましく、０．６ｗｔ％以上添加することがより好ましい。Ａｌ2Ｏ3の添加量を増やしていっても、圧電セラミックスの特性を害することがないため、その上限は特に限定されないが、得られる効果が飽和すると解されることから、主成分に対する添加量を３．０ｗｔ％以下、好ましくは２．０ｗｔ％以下、さらに好ましくは１．５ｗｔ％以下とする。
また、ＳｉＯ2の添加量は、主成分、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．００５〜０．１５ｗｔ％、より好ましいＳｉＯ2の添加量は０．０１〜０．１２ｗｔ％、さらに好ましいＳｉＯ2の添加量は０．０１〜０．０７ｗｔ％とする。
【００３２】
ＭｎＣＯ3は焼結性を向上させる上で有効である。副成分としてＭｎＣＯ3を含有する場合において、好ましいＭｎＣＯ3の添加量は、主組成、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．６５ｗｔ％以下、より好ましいＭｎの添加量は０．５０ｗｔ％以下である。さらに好ましいＭｎＣＯ3の添加量は０．０１〜０．４０ｗｔ％、より一層好ましいＭｎの添加量は０．０５〜０．３ｗｔ％である。
Ｃｒ2Ｏ3は良好な耐熱性を得る上で有効である。好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は主組成、特にＰｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3に対して０．６５ｗｔ％以下、より好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．５０ｗｔ％以下である。さらに好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．０１〜０．３０ｗｔ％、より一層好ましいＣｒ2Ｏ3の添加量は０．０１〜０．１０ｗｔ％である。
なお、以上の副成分はあくまで好ましい一例であって、他の副成分を用いることを排除するものではない。
【００３３】
＜製造方法＞
次に、本発明に用いる圧電セラミックスの好ましい製造方法について、その工程順に説明する。（原料粉末、秤量）
主成分の原料として、酸化物又は加熱により酸化物となる化合物の粉末を用いる。具体的にはＰｂＯ粉末、ＴｉＯ2粉末、ＺｒＯ2粉末、ＭｎＣＯ3粉末、Ｎｂ2Ｏ5粉末等を用いることができる。原料粉末は最終的に得たい組成に該当するように、それぞれ秤量する。なお、上述した原料粉末に限らず、２種以上の金属を含む複合酸化物の粉末を原料粉末としてもよい。
次に、秤量された各粉末の総重量に対して、副成分を所定量添加する。各原料粉末の平均粒径は０．１〜３．０μｍの範囲で適宜選択すればよい。
【００３４】
（仮焼）
原料粉末を湿式混合した後、７００〜９５０℃の範囲内で所定時間保持する仮焼を行う。このときの雰囲気はＮ2又は大気とすればよい。仮焼の保持時間は０．５〜５時間の範囲で適宜選択すればよい。
なお、主成分の原料粉末と副成分の原料粉末を混合した後に、両者をともに仮焼に供する場合について示したが、副成分の原料粉末を添加するタイミングは上述したものに限定されるものではない。例えば、まず主成分の粉末のみを秤量、混合、仮焼及び粉砕する。そして、仮焼粉砕後に得られた主成分の粉末に、副成分の原料粉末を所定量添加し混合するようにしてもよい。
【００３５】
（造粒・成形）
粉砕粉末は、後の成形工程を円滑に実行するために顆粒に造粒される。この際、粉砕粉末に適当なバインダ、例えばポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を少量添加し、かつこれらを十分に混合し、その後に例えばメッシュを通過させて整粒することにより造粒粉末を得る。次いで、造粒粉末を２００〜３００ＭＰａの圧力で加圧成形し、所望の形状の成形体を得る。
【００３６】
（焼成）
成形時に添加したバインダを除去した後、１１００〜１２５０℃の範囲内で所定時間成形体を加熱保持し焼結体を得る。このときの雰囲気はＮ2又は大気とすればよい。加熱保持時間は０．５〜４時間の範囲で適宜選択すればよい。
【００３７】
（分極処理）
焼結体に分極処理用の電極を形成した後、分極処理を行う。分極処理は、５０〜３００℃の温度で、１．０〜２．０Ｅｃ（Ｅｃは抗電界）の電界を焼結体に対して０．５〜３０分間印加する。
分極処理温度が５０℃未満になると、Ｅｃが高くなるため分極電圧が高くなり、分極が困難になる。一方、分極処理温度が３００℃を超えると、絶縁オイルの絶縁性が著しく低下するため分極が困難となる。よって、分極処理温度は５０〜３００℃とする。好ましい分極処理温度は６０〜２５０℃、より好ましい分極処理温度は８０〜２００℃である。
また、印加する電界が１．０Ｅｃを下回ると分極が進行しない。一方、印加する電界が２．０Ｅｃを超えると実電圧が高くなって焼結体がブレークしやすくなり、圧電セラミックスの作製が困難となる。よって、分極処理の際に印加する電界は１．０〜２．０Ｅｃとする。好ましい印加電界は１．１〜１．８Ｅｃ、より好ましい印加電界は１．２〜１．６Ｅｃである。
【００３８】
分極処理時間が０．５分未満となると、分極が不十分となって十分な特性を得ることができない。一方、分極処理時間が３０分を超えると分極処理に要する時間が長くなり生産効率が劣る。よって、分極処理時間は０．５〜３０分とする。好ましい分極処理時間は０．７〜２０分、より好ましい分極処理時間は０．９〜１５分である。
分極処理は、上述した温度に加熱された絶縁オイル、例えばシリコンオイル浴中で行う。なお、分極方向は所望の振動モードに応じて決定する。つまり、厚みすべりモードの場合には、主面に平行な方向に分極を行い、厚み縦モードの場合には主面に垂直な方向に分極を行えばよい。
【００３９】
圧電セラミックスは、所望の厚さまで研磨された後、振動電極が形成される。次いで、ダイシングソー等で所望の形状に切断された後、圧電セラミックス共振子として機能することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】圧電セラミックス共振子の構成を示す斜視図である。
【図２】レゾネータの構成を示す断面図である。
【図３】レゾネータの他の構成を示す断面図である。
【図４】圧電セラミックス共振子の他の構成を示す側面図である。
【図５】レゾネータの他の構成を示す断面図である。
【図６】３点曲げ強さと表面粗さの差／表面粗さ平均値の関係を示すグラフである。
【図７】３点曲げ強さと表面粗さ平均値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１，３０…レゾネータ、２…圧電セラミックス共振子、２１…圧電セラミックス基板、２２，２３…振動電極、３…基板、３１，３２…端子電極、３３…接続電極、４…導電固定子、５…キャップ、６…容量素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、
前記主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び前記主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、
前記主面Ｓ１における前記電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、
前記主面Ｓ２における前記電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、
少なくとも前記電極Ｅ１と前記電極Ｅ２とが対向している前記主面Ｓ１及び前記主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子。
【請求項２】
｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦２％であることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス共振子。
【請求項３】
前記圧電セラミックス基材は、Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3…（２）で示されるペロブスカイト化合物を主成分とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電セラミックス共振子。
ただし、式（２）において０．９７≦α≦１．０１、０．０４≦ｘ≦０．１６、０．４８≦ｙ≦０．５８、０．３２≦ｚ≦０．４１
【請求項４】
互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、前記主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び前記主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２とを備える圧電セラミックス共振子と、
前記圧電セラミックス共振子を支持する基板と、を備え、
前記圧電セラミックス基材が、前記主面Ｓ１における前記電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、前記主面Ｓ２における前記電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、
少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％の条件を満足することを特徴とするレゾネータ。
【請求項５】
前記基板は端子電極を備え、
前記圧電セラミックス共振子は、導電部材を介して、前記基板に両端支持されるとともに、振動電極と導通することを特徴とする請求項４に記載のレゾネータ。
【請求項１】
互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、
前記主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び前記主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２と、を備え、
前記主面Ｓ１における前記電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、
前記主面Ｓ２における前記電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、
少なくとも前記電極Ｅ１と前記電極Ｅ２とが対向している前記主面Ｓ１及び前記主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％…（１）の条件を満足することを特徴とする圧電セラミックス共振子。
【請求項２】
｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦２％であることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックス共振子。
【請求項３】
前記圧電セラミックス基材は、Ｐｂα[（Ｍｎ1/3Ｎｂ2/3）xＴｉyＺｒz]Ｏ3…（２）で示されるペロブスカイト化合物を主成分とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電セラミックス共振子。
ただし、式（２）において０．９７≦α≦１．０１、０．０４≦ｘ≦０．１６、０．４８≦ｙ≦０．５８、０．３２≦ｚ≦０．４１
【請求項４】
互いに対向する主面Ｓ１及び主面Ｓ２を有する圧電セラミックス基材と、前記主面Ｓ１に形成された電極Ｅ１及び前記主面Ｓ２に形成された電極Ｅ２とを備える圧電セラミックス共振子と、
前記圧電セラミックス共振子を支持する基板と、を備え、
前記圧電セラミックス基材が、前記主面Ｓ１における前記電極Ｅ１が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ１、前記主面Ｓ２における前記電極Ｅ２が形成された領域の表面粗さＲａをＲａ２とすると、
少なくとも電極Ｅ１と電極Ｅ２とが対向している主面Ｓ１及び主面Ｓ２上の領域が、｜Ｒａ１−Ｒａ２｜／（Ｒａ１＋Ｒａ２）／２≦５％の条件を満足することを特徴とするレゾネータ。
【請求項５】
前記基板は端子電極を備え、
前記圧電セラミックス共振子は、導電部材を介して、前記基板に両端支持されるとともに、振動電極と導通することを特徴とする請求項４に記載のレゾネータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−８６９５６（Ｐ２００６−８６９５６Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２７１３１８（Ｐ２００４−２７１３１８）
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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