JPH1051262A - 圧電振動子とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高性能で安価な圧電振動子とその製造方法を
提供する。 【解決手段】 ほぼ同じ厚みの２枚の圧電性単結晶１
１、１２の分極軸をほぼ反転して他の結晶軸は互いのな
す角度が０度を含まない角度をもってずらして、接着材
を用いずに直接接合により分極反転ウエハを構成し、分
極反転ウエハの２主面に駆動電極１３を形成して圧電振
動子を構成する。この圧電振動子は、分極反転構造を有
し、厚みを１波長として共振する偶数次振動モードを用
いる。直接接合により、発振周波数のばらつきの原因と
なる分極反転層の厚みばらつきを抑え、また従来では閉
じ込め不可能であった振動モードの励振を可能とする。
さらに、角度をずらすことによりスプリアスを抑制す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自発分極を有する
圧電性単結晶からなる素子（圧電振動子、圧電フィルタ
など）とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、圧電振動子は、発振子とし
て、コンピュータ、各種マイコン内蔵機器、各種ディジ
タル機器などのクロック源として用いられている。これ
らの圧電振動子は、水晶などの圧電性単結晶あるいは圧
電セラミックなどから構成され、これらの圧電材料から
切り出された素体に適当な駆動電極が形成される。圧電
素体の音速と寸法から決まる共振周波数近傍の周波数を
持つ駆動電圧をこの駆動電極に印加すると強い共振が得
られ、この現象を利用して電気信号が発生される。これ
らの圧電振動子は簡便な形状でありながら高性能である
ため広く用いられてきた。これらの圧電振動子では、駆
動電極の直下に振動のエネルギーが閉じこめられる。駆
動電極以外の部分で振動子を保持することにより、振動
に影響を与えることなく振動子をパッケージやプリント
基板などに実装することができる。これらの振動子はエ
ネルギー閉じこめ型振動子と呼ばれている。

【０００３】近年、パソコンなどに代表される各種情報
機器の高速化にともない、ハードディスクドライブやＣ
Ｄ−ＲＯＭドライブなどの周辺機器をも含め、クロック
周波数の高周波化が強く求められている。従来、これら
の機器に求められる十数ＭＨz〜数十ＭＨzの周波数帯で
は、圧電体の厚みに反比例する発振周波数を示す厚み滑
り、厚みねじれ、厚み縦などの厚み振動を用いた振動子
が用いられてきた。しかし、周波数が高くなると圧電体
の厚みは薄くなり、例えば、周波数が４０ＭＨzをこえ
ると圧電体の厚みは概ね１００μm程度となり、加工の
相対精度及び機械強度の低下、コストの上昇といった各
種の問題を生じていた。

【０００４】そこで、特開昭６３−３１１８０８号公報
に開示されているように、ニオブ酸リチウム(ＬiＮb
Ｏ₃)の分極反転層形成現象を用いて、圧電体の厚みをそ
の周波数に対応する従来の振動子の２倍にするような試
みがなされている。図１はその分極反転層形成のための
プロセスを示す。圧電振動子１０１は、ニオブ酸リチウ
ム単結晶から切りだした圧電体板１０２の対向主面（上
面と下面、例えばＺ面)１０２a、１０２bにそれぞれ駆
動電極１０３、１０４を形成してなる。図１の(ａ)にお
いて、ポーリング処理をしたニオブ酸リチウム単結晶を
スライスしたウエハ１０５、即ち、ポーリング処理によ
って生成された分極方位と適宜角度だけ傾斜する方向に
スライスしたウエハ１０５に、分極Ｐsの方位が図中の
矢印方向(例えば上向き方向)であるとき、＋ｃ軸側の面
（図中上面、＋Ｚ'面）にチタン(Ｔi)の薄膜１０６を蒸
着する。次いで、ニオブ酸リチウムのキュリー温度(約
１２５０℃)と１１００℃の間の温度で加熱し、ウエハ
１０５にチタン薄膜１０６を拡散させると、(ｂ)に拡大
して示すように、分極反転領域１０９が生成される。分
極反転領域１０９の深さをtとしたとき、拡散処理中の
ウエハ１０５に発生する表面電荷は、深さtが厚さＴ₃の
１／２でバランス状態となるため、上面から拡張する分
極反転領域１０９の深さtは、ウエハ１０７厚さＴ₃の約
１／２で拡張を停止し、分極反転領域１０９の分極Ｐs'
は分極Ｐsと方位が逆向きになる。次いで、(ｃ)に示す
ように、ウエハ１０７の上面と下面とに複数個の駆動電
極１０３、１０４をパターニングで形成した後、上下に
対向する動作電極１０３、１０４をそれぞれ含むよう
に、図中の一点鎖線でウエハ１０７を割断する。これに
より、図１の(ｄ)に示すように、圧電振動子１０１が完
成する。分極Ｐsと逆方向の分極Ｐs'を有する圧電体板
１０２の厚さは、発振周波数が同じ場合は従来の圧電体
の厚さの約２倍である。例えば、発振周波数が２６ＭＨ
zである従来の圧電振動子において、圧電体厚さが約１
５０μmであるとき、分極反転層を有する基板の圧電体
厚さは約３００μmである。これは、同じ電界により、
前者では半波長共振が励振されるのに対し、後者では１
波長での共振が電気的に励振可能となるためである。

【０００５】また、圧電体としてタンタル酸リチウム
(ＬiＴaＯ₃)を用いるとき、例えば特開平０１−１５８
８１１号公報に示すように、分極反転を行うためにプロ
トン交換層を形成し、その部分の分極を選択的に反転す
るという方法を用いる。図２の(ａ)において、タンタル
酸リチウム単結晶の０±１０°回転Ｘ板より切り出した
圧電体１１２は、一方の主面(＋Ｘ'面)１１２aより他方
の上面(−Ｘ'面)１１２bに向けた分極Ｐsを有する。次
に、(ｂ)に示すように＋Ｘ'面１１２aに例えばスピンコ
ートにより厚さ５μm程度のポリイミド層(ポリイミドマ
スク)１１３を形成したのち、(ｃ)に示すように例えば
２５０℃に加熱したプロトン交換処理液１１４に１時間
程度浸漬すると、−Ｘ'面１１２bからプロトン交換層１
１５が形成される。次に、処理液１１４から取り出して
洗浄した圧電体１１２を、タンタル酸リチウムのキュリ
ー点(６００℃)以下の高温、例えば、５６０〜６１０℃
の温度で適宜の時間だけ加熱すると、(ｄ)に示すよう
に、−Ｘ'面１１２bから圧電体１１２の１／２の深さ
に、分極Ｐsと逆向きの分極Ｐs'が形成された分極反転
層１１２cが形成される。次に、その圧電体１１２の対
向主面(＋Ｘ'面と−Ｘ'面)１１２a、１１２bに駆動電極
１１６、１１７を形成すると、(ｅ)に示す圧電振動子１
１１が完成する。これらの振動子の挙動は、先に示した
ニオブ酸リチウムの場合と同様で、周波数の上限を２倍
に拡大しようとするものである。

【０００６】ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチウムの
振動子は、Ｑが高く、電気機械結合係数も大きいため
に、不要振動モードによるスプリアスを生じやすい。そ
のため、純粋な振動モードを励振するために、厚み方向
に主変位をもつ厚み縦振動、あるいは、板面と平行な方
向に主変位をもつ厚みすべり振動のどちらかの振動モー
ドが強制的に励振されるようなカット角を選択して振動
子が形成される。厚み振動子は他の振動モードとの結合
が少なく、これを利用すると、本来スプリアスの少ない
振動子が得られる。ニオブ酸リチウムとタンタル酸リチ
ウムにおいては、カット角を最適に選ぶことにより、厚
みすべり振動モードの結合係数が０で、厚み縦振動モー
ドのみが励振される圧電体を得ることができる。しか
し、これらのカット角では、１次(基本波)の共振のエネ
ルギーが、電極内に閉じこめられず、３次の共振を利用
した振動子となる。これらは、ニオブ酸リチウムとタン
タル酸リチウムのポアソン比が１／３以下となり、厚み
縦振動モードの１次の共振エネルギーが閉じこめられな
いことによる。３次の共振を利用した振動子において
は、１次の共振である基本波付近の振動は、不要な振動
(スプリアス)として認識されるため、これを充分に低い
レベルに抑えないと、基本波で発振してしまう上、３次
の共振は１次の共振に比べて特性的に劣る。また、その
一方で、厚み縦振動モードが励振されず、厚みすべり振
動モードのみとなるカット角も存在する。厚み滑り振動
モードが厚み縦振動モードの場合と異なる点は、滑りモ
ードの励振される板においては、互いに直行する２つの
厚み滑り振動が同時に存在する点である。そのため、厚
み縦振動子に比べてスプリアスの抑制により工夫を要す
る。厚みすべり振動を利用する振動子は、そのどちらか
一方を主要モードとして用いるため、もう一方のすべり
振動は、不要波(スプリアス)と見なされる。通常、Ｘカ
ットのタンタル酸リチウムでは、音速が速く、結合係数
の大きいモードを主要モードとして用いる。

【０００７】この他にも輪郭振動に起因する不要波を抑
制するために、素子をその振動空間に比して充分な余裕
をもった大きさの概正方形状にし、さらに吸音材などに
よりスプリアスをダンピングする方法が提案されてい
る。しかし、吸音材のはみ出し部が振動空間にかかる
と、振動特性が著しく劣化するため、小型の素子には向
かない。そのため、特開平５−１６０６５９号公報に示
すように、電極側方にアモルファス層を形成したり、絶
縁膜を設けたりする試みもなされている。しかし、これ
らの正方形状の素子では、先に述べた音速の遅い不要波
が主要波とほぼ等しいレベルまで励振されてしまう。こ
れについては、円形状の素子においても同じである。そ
のため、素子の形状を主振動の変位方向に長い矩形状に
とり、音速の遅い方の不要波のレベルを抑制することも
試みられている。温度特性の良いＸカットタンタル酸リ
チウム板において、速い音速をもつ厚みすべり振動(主
振動)の変位方向(図３の(ａ)においてＹ軸とのなす角θ
で示す)は、−５３°(日本電波工業ＮＤＫ技報Ｎo.
６、'７９、１１、「タンタル酸リチウムを用いた電圧
制御発振器」において)であるとされている。

【０００８】また、特開昭５８−１４３６１９号公報に
おいてはニオブ酸リチウム振動子について、特開昭６０
−２５３１２号公報においてはニオブ酸リチウム振動子
について示すように、ニオブ酸リチウムあるいはタンタ
ル酸リチウム振動子をストリップ化し、小型化、高性能
化する試みもなされている。ここでいうストリップ型振
動子とは、図３の(ｂ)に示すごとく、振動素子２００が
矩形断面をもつ矩形上に切り出され、その幅全体に対向
電極２０１、２０１'が設けられているもののことであ
る。この構成とすることで、主振動の変位方向(振動子
の長手方向)と垂直に伝搬する厚みねじれ振動モード及
び音速の遅い厚み滑り振動の励振が抑制され、高Ｑの振
動子とすることができる。このようなタンタル酸リチウ
ムのＸ板を用いたストリップ型圧電振動子の長手方向
は、厚みすべり振動の変位方向に平行に近いことが、ス
プリアスの抑制のため望ましく、その最適切り出し角度
(図３においてＹ軸とのなす角θ)は、−５０°±２°
(特開平１−３６７２４号公報において)、−５７°±
０.５°(特開平２−１３００７号公報において)などの
例が開示されている。また、これらの角度の誤差範囲
は、それぞれ±数°であるが、これらは結晶の対称性に
由来しており、この範囲内であれば特性的に変化は少な
く、許容されうる。また、これらの素子それぞれにおい
て、最適な幅Ｗと厚みＨの比Ｗ／Ｈ、及び、長さＬとＨ
の比Ｌ／Ｈが決定され、幅及び長さに関連したスプリア
スが、主振動である厚みすべり振動モードに重ならない
ようにして用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１及び図２に示す分
極反転処理を施した圧電振動子１０１、１１１が、振動
子として要求される共振周波数、共振抵抗、ダイナミッ
クレンジなどの諸特性を満足するためには、分極反転層
の厚みが等しいこと(つまり、図１および図２に示す分
極Ｐsの層と逆方向の分極Ｐs'の層の厚さが等しいこと)
が必要である。また、ウエハ１０７及び１１２の広い範
囲において、うねりのない均一な分極反転層が形成され
ていなければ圧電振動子としての特性が低下する。しか
し、先に述べたように、分極反転層の形成のために、ニ
オブ酸リチウムの場合には、拡散用チタン薄膜の形成、
タンタル酸リチウムの場合には、選択的なプロトン交換
のためのマスキングなどが必要であり、その膜厚制御、
応力制御など様々なパラメータが介在する。その結果、
分極反転層の深さを正確に圧電板の１／２の厚さに制御
することが困難であり、振動子として要求される共振周
波数、共振抵抗、ダイナミックレンジなどの諸特性が低
下する問題を有していた。

【００１０】また、分極反転層を形成するための処理温
度がニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムのキュリー
点近くであり、特にニオブ酸リチウムの場合は、１００
０℃付近という高温である。このため、その均熱制御が
難しく、リチウムの脱離を防ぐための雰囲気の管理が必
要であったり、加熱炉管壁からの基板への汚染が生じ、
そのために振動子としての特性が低下するという問題も
あった。さらに、分極反転層は、その作製プロセスにお
いて生じるチタンの拡散層やリチウムの移動など、組成
の変化をともなうために分極反転層間の対称性を損な
い、振動子特性が劣化してしまうという欠点もある。な
お、圧電性材料を用いた圧電フィルタについても以上に
説明した振動子と同様の問題がある。

【００１１】この問題を解決するために、我々は、特開
平７−２０６６００号公報において、積層強誘電体の直
接接合という新しい手法により、特性劣化がなく、簡便
に分極反転した積層圧電体を得る方法を提案している。
しかし、この公開公報は、接合方法について言及してい
るのみで、構造体を圧電振動子として用いる際の指針に
ついては、示唆をあたえるものではなかった。また、ニ
オブ酸リチウムとタンタル酸リチウムにおいて、厚み縦
振動モードのみが励振されるカット角を選択しても、こ
れらのカット角では、１次(基本)の共振のエネルギー
が、電極内に閉じこめられず、３次の共振を利用した振
動子となり、場合係数が１／９となる。振動子の特性
は、結合係数の大きさに比例することから、３次高調波
の振動子は、基本波の振動子に比べて特性が劣化してし
まうという問題を有していた。さらに、基本波付近の閉
じ込められない振動が、他の振動モードと結合し、強制
された振動となり、基本波発振を引き起こして、正しく
３次高調波振動素子として動作させるための素子設計が
必要であった。

【００１２】また、厚み滑りモード振動子においては、
正方形あるいは円形状素子とすると、音速の速い厚み滑
り波(主要波)と音速の遅い厚み滑り波(不要波)が略同一
レベルまで励振されてしまうという課題を有していた。
その特性を改善するために、厚み滑り素子を、主要波の
変位方向に長手方向をとり矩形状にしても、遅い不要波
の抑制に限界があった。さらに、ストリップ化してスプ
リアスの発生を抑制するためには、素子の形状を細い棒
状にしなくてはならず、端面の仕上がりが素子特性に大
きな影響を与える。また、設計どおりの寸法に仕上げて
も、端面の切断形状が悪いと、Ｑが劣化したり、新たな
スプリアスを生じたりして、所望の特性が得られない場
合が多い。特に高周波の素子において素子が薄くなって
くると、それにともない素子の幅も狭くなって、加工が
困難になり、素子自体が脆弱なものになってしまう。本
発明の目的は、これらの様々な課題を解決して、安定で
対称性の高い分極反転構造を備え良好なスプリアス抑制
効果を有する安価な分極反転型の圧電振動子とその製造
方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る圧電振動子
は、自発分極を有し、自発分極の軸方向が互いにほぼ逆
方向になるように、かつ、その他の結晶軸は互いのなす
角度が０度を含まないある角度をもってずれるように直
接接合により一体化された２枚の圧電性単結晶板と、前
記直接接合された圧電性単結晶板の２つの主面に互いに
対向して形成された駆動電極とからなる。２枚の圧電単
結晶板の厚みをほぼ同じとすることにより、圧電振動子
は、安定で対称性の高い分極反転構造を備える。また、
結晶軸を意図的にずらすことにより、スプリアスを抑制
する。好ましくは、前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチ
ウム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからな
る。

【００１４】また、本発明に係る圧電振動子は、好まし
くは、一体化された前記圧電性単結晶板が駆動電極によ
り厚み縦振動の偶数次高調波を励振する形状を備える。
好ましくは、前記２枚の圧電単結晶板は、自発分極の軸
に直交する結晶軸の方位のずれを±５°以内の角度に抑
えて一体化されている。好ましくは、前記２枚の圧電単
結晶板は、ポアソン比が１／３以下であり、かつ、厚み
縦振動モードの電気機械結合係数の値が厚みすべり振動
モードの電気機械結合係数の値よりも充分大きな圧電材
料からなり、前記駆動電極が偶数次高調波エネルギーを
閉じこめるように配置されている。ポアソン比が１／３
以下の圧電単結晶板でも厚み縦モードのエネルギー閉じ
込めが可能になる。好ましくは、前記圧電単結晶板は、
Ｚカットニオブ酸リチウムあるいはＺカットタンタル酸
リチウムからなる。前記駆動電極の各々は、一体化され
た前記圧電単結晶板の厚みをＨとすると、少なくとも２
Ｈ以上７Ｈ以下の長さ及び幅を有する。好ましくは、さ
らに、前記圧電振動子を支持する基板を備え、この基板
上に外部接続用電極が形成され、前記圧電振動子は外部
接続用電極に導電性接着剤で支持され、駆動電極の引き
出し方向及び圧電振動子が支持されている方向が前記単
結晶板のＸ軸方向にほぼ一致する。これにより、実装基
板への圧電振動子の実装において電極の取り出し方向を
最適化する。好ましくは、前記２枚の圧電単結晶板は同
じ厚みを有し、偶数次高調波のうち厚み縦振動の２次高
調波が主要波として励起される。

【００１５】また、本発明に係る圧電振動子は、好まし
くは、一体化された前記圧電性単結晶板が前記駆動電極
により厚みすべり振動の偶数次高調波が励振される形状
を備える。好ましくは、前記２枚の圧電単結晶板は、自
発分極の軸に直交する結晶軸の方位を、０°を除く±１
５°以内の角度で意図的にずらして接合されている。好
ましくは、前記２枚の圧電単結晶板はタンタル酸リチウ
ムのＸ±１０°回転板であり、前記圧電板に励振される
２種の厚みすべり振動モードのうち、電気機械結合係数
の値の大きな主要波を用い、他方の電気機械結合係数の
値の小さな不要波を抑制して用いる厚みすべり振動子に
おいて、前記２枚の圧電単結晶板は、自発分極の向きを
ほぼ逆方向になるように、かつ、それに直交する互いの
結晶方位は０°を除く±１５°以内で意図的にずらされ
る。好ましくは、前記２枚の圧電単結晶板は棒状のタン
タル酸リチウムのＸ±１０°回転板であり、前記駆動電
極は、前記振動子のＸ±１０°回転面に平行な２面にそ
れぞれ全幅にわたって形成される。ここで、圧電結晶板
の厚みすべり振動を励振する長手方向を、Ｙ'、Ｚ'平面
内でＹ'軸から時計方向に３８°乃至５８°回転した方
向にとり、長手方向の端部を保持する。好ましくは、前
記２枚の圧電単結晶板は同じ厚みを有し、偶数次高調波
のうち厚みすべり振動の２次高調波が主要波として励起
される。

【００１６】本発明に係る圧電振動子の製造方法は、自
発分極を有する２枚の圧電性単結晶板のそれぞれの接合
面を鏡面研磨し、圧電性単結晶板の接合面を清浄化、親
水化し、前記圧電性単結晶板の結晶方位を０度を含まな
いある角度をもってずれるように重ね合わせて、自発分
極の軸方向は反対方向となるように前記接合面を密着
し、密着された前記２枚の圧電性単結晶板を加熱して前
記２枚の圧電性単結晶を一体化し、一体化した前記２枚
の圧電性単結晶板の２つの主面に互いに対向する駆動電
極を形成することを特徴とする。好ましくは、前記２枚
の圧電性単結晶板を一体化した後、前記一体化圧電性単
結晶板の片面を研磨して厚みを揃え、その後に、２つの
主面に互いに対向する前記駆動電極を形成する。好まし
くは、前記２枚の圧電性単結晶板を一体化した後、前記
一体化圧電性単結晶板の両面を研磨して厚みを揃え、そ
の後に、２つの主面に互いに対向する前記駆動電極を形
成する。好ましくは、前記圧電性単結晶板がニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムから
なる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付の図面を参照して説明する。 (実施の形態１)図４は、本発明の実施の形態１の圧電振
動子の製造過程を示す。図４において、(ａ)は、同じ厚
みを有する２枚の圧電単結晶ウエハ１１、１２の側面図
であり、分極Ｐsの向きを図中の矢印で示してある。圧
電性単結晶ウエハ１１、１２として、直径２インチで厚
みt＝５０μmのＺカットのニオブ酸リチウムを用いてい
る。これらの２枚の圧電単結晶ウエハ１１、１２を、
(ｂ)に示すように直接接合して一体化する。最後に、接
合後の分極反転ウエハ１１、１２の上面と下面に駆動電
極１３を形成し、(ｃ)に示したように、エネルギー閉じ
こめ型の圧電振動子が完成する。図５は、こうして得ら
れた圧電振動子の周波数特性を示す。次に直接接合につ
いて詳細に説明する。直接接合は、接着剤を一切用いず
に直接接合により原子レベルで接合が達成されるため、
バルク波伝搬時の弾性的な損失が非常に小さい。そのた
め、本接合体を振動子として用いることにより、機械的
品質係数Ｑが高く、高品質の振動子を提供できる。ま
た、直接接合面は原子レベルで接合されているために、
接合面は鏡面仕上げと同等の平坦度をもっている。その
ため、上面ウエハ１１の板厚と下面ウエハ１２の板厚の
精度で分極反転領域の厚さを決定できる。よって、ウエ
ハ全体にわたって分極反転領域の厚みの比が一定である
ため、共振周波数、共振抵抗、ダイナミックレンジなど
の特性の優れた振動子の得られる基板となる。また、機
械的強度もきわめて強いため、接合の後に研磨、研削な
どにより薄板化することも可能である。

【００１８】直接接合は、ウエハ１１、１２の接合する
２面を鏡面研磨した後に清浄にし、表面に親水化処理を
施したものを接触させた後、加熱処理を行うことにより
行われる。その加熱温度は、従来おこなわれている分極
反転層形成処理温度に比べて十分小さく、２００から５
００℃程度である。そのため、煩雑な温度管理が不必要
なため、生産設備が簡略化できる。また、高温中で単結
晶基板を変質させることもなくなる。本実施の形態で用
いたニオブ酸リチウムに関しても直接接合による基板の
反り、破損、材料の変質などは見られなかった。

【００１９】また、この振動子では、分極軸が板面に垂
直に向いており、これが結晶の３回対称軸となってい
る。分極を反転して接合する際には、平面内での熱膨張
率を合わせることが好ましいので、面内での結晶軸は概
ね合わせて接合している。しかし、例えずれたとしも接
合状態には大きな変化はなく、振動子の特性の低下は小
さい。しかし、このずれが±１５°をこえると、図６に
示すごとく、特性が大きく劣化するので、角度のずれ
は、±１５°以内に抑える必要がある。より好ましく
は、±３°以内に抑えると、最適な場合と遜色のない特
性が得られる。

【００２０】図４の(ｃ)に示すエネルギー閉じこめ型の
圧電振動子において、電極１３の間の曲線は、１波長の
変位の１例を示す。本振動子は板厚の等しいウエハ１
１、１２を接合したため、精度よく厚みＴ₃の１／２の
位置で接合界面＝分極反転界面となり、分極反転界面の
平面度が良い。このため、(ｃ)に示すように理想的状態
で１波長の共振を励振することが可能である。図５は、
この振動子の周波数特性を示す。図に示すように、共振
抵抗が小さく、ダイナミックレンジ（振幅レベルの最大
値と最小値の差）が大きく、共振周波数近傍にスプリア
スが極めて少ない特性を得ることができる。従来の１つ
のウエハを用いた振動子では、半波長が基本波の振動モ
ードで厚み方向に励振され、共振周波数は約３６ＭＨｚ
（理論値）である。本実施形態では、５０μｍの厚みの
２枚のウエハの直接接合により厚さ１００μｍの振動子
が得られ、基本モードは１波長が厚み方向に励振される
２次振動モードである。したがって、共振周波数は従来
の振動子の２倍の約７２ＭＨｚである。

【００２１】このような１波長の共振を励振するエネル
ギー閉じこめ型の厚み縦モード振動子は、従来のはりあ
わせていない無垢の圧電板(以後単板ともいう)の振動子
では達成できないものである。この原理について以下に
説明する。本実施の形態による振動子は厚み縦振動のエ
ネルギー閉じこめを利用している。通常、圧電振動子の
エネルギー閉じこめは、周波数上昇型のエネルギー閉じ
こめと周波数低下型のエネルギー閉じこめを利用して達
成される。図７と図８はそれぞれの場合における構造と
分散曲線を示す。これらは、「弾性波素子技術ハンドブ
ック」、日本学術振興会弾性波素子技術第１５０委員会
編、オーム社、８２〜８９ページに詳しい。図７と図８
において、ωoは電極における厚み振動波(厚み滑り、厚
み縦、厚みねじれなど)の角周波数、ωo'は無電極部に
おける厚み振動波の角周波数、ｋは電極部における板に
沿う方向の波数、ｋ'は無電極部における板に沿う方向
の波数である。図７において、(ａ)は、Ｚカットニオブ
酸リチウム板のようなポアソン比が１／３以下の場合の
周波数上昇型閉じ込め振動子の構造を示す。この振動子
の厚み振動波の主振動は、(ｂ)の分散曲線に示すよう
に、板に沿う方向の波数ｋ、ｋ'がカットオフ周波数ω
o、ωo'より高周波側で虚数になる。これに対し、図８
において、(ａ)は、ポアソン比が１／３以上の場合の周
波数低下型閉じ込め振動子の構造を示す。高調波では、
(ｂ)の分散曲線に示すように、波数ｋ、ｋ'がカットオ
フ周波数ωo、ωo'より低周波側で虚数となる。すなわ
ち、周波数低下型の構造とした場合、高調波では、ωo
からωo'の範囲で、ｋが実数、ｋ'が虚数となる境界条
件が成立し、電極部へのエネルギー閉じこめが可能であ
る。しかし、主振動では、(ｃ)に示すように、ｋが実
数、ｋ'が虚数となる境界条件が成立せず、電極部より
振動エネルギーを取り出すことが困難になる。以上のよ
うに、図７と図８から、主共振と高調波は、その振動エ
ネルギーの閉じこめ型の違いにより、いずれか一方のエ
ネルギーの閉じこめを行った場合、それと異なる振動エ
ネルギーの閉じこめ型が必要な振動波は電極外へ漏洩
し、その振動が抑圧される。

【００２２】周波数低下型で主振動のエネルギー閉じこ
めを行うには、ωo'を下げ、ｋが実数、ｋ'が虚数とな
る境界条件をつくる必要がある。そこで、主振動のエネ
ルギー閉じ込めの手法として図７の(ａ)に示したような
周波数上昇型の構造をとる。このような構造は、電極形
成に加えて、圧電体の一部を薄く加工しなくては達成し
得ないため、量産性に劣り、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウムといった化学的に安定な結晶においては、
その加工すら困難となる。図８の(ａ)に示すような通常
の周波数低下型の振動子では、基本波(半波長共振)のエ
ネルギーは閉じこめられず、基本波より結合係数の劣る
３次以上の高調波を利用した高調波振動子として用いる
手法が選ばれる。高次の共振としては、通常、３、５、
７、・・・、２ｎ＋１次(ｎは自然数)の共振も同時に電極
下にエネルギー閉じこめされるが、発振回路の周波数特
性が高周波域では低下するので、この場合(ポアソン比
１／３以下の場合)、最も低次の３次高調波で発振する
ことになる。

【００２３】ところが、実際の周波数低下型の振動子で
は、基本波の抑制が不十分で、基本波領域に強制な振動
がある場合には基本波発振を引き起こすという問題が生
じる。しかし、本実施の形態による直接接合された圧電
振動子によれば、３倍波よりも大きな結合係数をもつ２
倍波共振(２枚の板が振動にかかわるため、結合係数と
しては基本波と同程度)においてそのエネルギー閉じこ
めが可能となり、基本波も充分に抑制される。図９は、
図５に示す直接接合したＺカットニオブ酸リチウム板よ
りなる圧電振動子の主要共振付近の共振特性を示すグラ
フである。一方、図１０は、Ｚカットの単板（比較例）
の主要共振付近の共振特性を示すグラフである。それぞ
れの図において、縦軸は振幅レベル、横軸は周波数を表
し、縦軸の下方向に減衰量が大となる。また、特性曲線
において、上向きのピークをもつ曲線は周波数特性を表
し、下向きのピークを示す曲線は位相特性を示す。

【００２４】本実施の形態の振動子（図９）において、
主共振の周波数は、総厚１００μmのＺカットニオブ酸
リチウムの厚み縦振動の２次高調波(一波長共振)にあた
るピークＰ１が、基本波の共振にあたるピークＰ０より
も充分に大きくあらわれている。一方、Ｚカット単板
（比較例）を用いた振動子においては、最も結合係数の
大なる基本波(半波長共振)のエネルギー閉じこめは達成
されず、図１０に示すように、３倍波以降の高周波域に
最も主要な共振を生じる。高次の共振では結合係数が１
／ｎ²になる（ここにｎは共振の次数である）。低次の
共振ほど結合係数が大きく、特性の劣化も小さい。図９
と図１０により、これらの圧電板に励振される最低次の
モードでの特性を比較すると、本実施形態によるＺカッ
トニオブ酸リチウムを直接接合した圧電振動子では、従
来の単板では実現不可能な、より低次の振動モード（１
波長共振）の閉じこめが可能になる。このため、高性能
の振動子が得られる。なお、本実施の形態では、同じ厚
みの圧電性単結晶ウエハを接合した場合について述べた
が、厚みが多少異なる圧電性単結晶ウエハを接合して振
動子を作製しても同様な効果が得られる。

【００２５】また、本実施の形態では、板面に対向に配
置された駆動電極によって励振される厚みすべり振動の
結合係数が小さく、厚み縦振動のみを励振できるカット
角であるにもかかわらず、ポアソン比が１／３以下であ
るため基本波のエネルギー閉じこめができない例とし
て、ニオブ酸リチウムにおいてはＺカット板を用いた
が、同様な特徴を持つ３６°Ｙカット板でも同様の効果
がある。また、同じ結晶系であるタンタル酸リチウム、
ホウ酸リチウム(Ｌi₂Ｂ₄Ｏ₇)においても同様なことがい
える。また、図４には１つの圧電振動子を作成する工程
が示されているが、大面積のウエハを直接接合した後
に、複数個の駆動電極を一括して形成して、切断するこ
とにより１度に多くの圧電振動子を製造することも同様
に可能であることは言うまでもない。

【００２６】(実施の形態２)図１１は本発明の実施の形
態２の圧電振動子の側面図である。図１１において、
(ａ)は異なる厚みを有する２枚の圧電単結晶ウエハの側
面図である。本実施の形態２では圧電性単結晶ウエハ１
１、１２として直径２インチで厚みt＝５０μmのＺカッ
トニオブ酸リチウムと、同じ大きさで厚みが倍の１００
μmのものを用いた。次いで、(ｂ)に示すように、これ
らを直接接合して一体化する。その後、(ｃ)に示すよう
に、厚い下面ウエハを片面研磨により薄板化する。最後
に、一体化した分極反転ウエハの上面と下面に駆動電極
１３を形成し、図５に示したのと同様の圧電振動子が完
成する。本圧電振動子は板厚の厚いウエハに薄いウエハ
を接合したため、研磨前の全体の厚みが厚くなり機械強
度が大きくなるので取り扱いが容易となる。また、図１
１に示す実施の形態では、１つの圧電振動子を作成する
工程が示されているが、大面積のウエハを直接接合した
後に、複数個の駆動電極を一括して形成して切断するこ
とにより一度に多くの圧電振動子を製造することも同様
に可能である。また、本実施の形態では圧電性単結晶と
してニオブ酸リチウムを用いているが、この他、タンタ
ル酸リチウム、ほう酸リチウムなどの単結晶圧電材料を
用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

【００２７】(実施の形態３)図１２は本発明の実施の形
態３の圧電振動子の側面図である。図１２において、
(ａ)はほぼ同じ厚みを有する圧電単結晶ウエハ１１、１
２の側面図である。本実施の形態３では圧電性単結晶ウ
エハ１１、１２として直径３インチで厚みt＝１００μm
のＺカットのタンタル酸リチウムを用いた。これらを次
いで(ｂ)に示すように直接接合して一体化して分極反転
ウエハを得る。その後、(ｃ)に示すように、両面研磨に
より薄板化する。最後に、分極反転ウエハの上面と下面
に駆動電極１３を形成し、図５と同様の圧電振動子が完
成する。本振動子は板厚の厚めのウエハを接合したた
め、研磨前の全体の厚みが厚くなり、機械強度が大きく
なるので取り扱いが容易となる。さらに厚いウエハは精
度のよい研磨が可能なため、厚いウエハ同士を貼り合わ
せてから加工することで精度の向上が期待できる。ま
た、研磨されるべき面の極性が等しく結晶性も等しいた
め(Ｔi拡散などによる結晶組成の変化がないので)、両
面の研磨レートがほとんど等しくなる利点もある。

【００２８】なお、基板のカット角については一切限定
はなく、分極軸の向きをほぼ反対にして接合すれば、所
望のモードにおいて１波長共振がえられる。製品に求め
られる温度特性、結合係数などを適宜選ぶことが容易に
できる。また、図１２に示す実施の形態では、１つの圧
電振動子を作成する工程が示されているが、大面積のウ
エハを直接接合した後に、複数個の駆動電極を一括して
形成して、切断することにより１度に多くの圧電振動子
を製造することも同様に可能である。また、本実施の形
態では圧電性単結晶としてニオブ酸リチウムを用いてい
るが、この他、タンタル酸リチウム、ほう酸リチウムな
どの単結晶圧電材料を用いても同様の効果が得られるこ
とは言うまでもない。

【００２９】(実施の形態４)以上に説明したように、本
発明の振動子は、２枚のウエハの直接接合により、共振
周波数の上限を拡大できる上に、従来は閉じ込めが不可
能であった厚み縦振動モードにおいて高性能の振動子を
えることができるという点でも優れている。エネルギー
閉じ込め型の圧電振動子は、駆動電極の交差幅が過大に
なると非調和振動モードと呼ばれる振動が電極内に励起
され、スプリアスとして現れる。しかし、交差幅が過小
となると充分なエネルギーが電極下に閉じ込められず、
振動子の特性が劣化してしまうという相反した特性を有
している。そのため、駆動電極の交差幅を最適化して用
いる必要がある。そこで、実際に駆動電極の交差幅を変
化させ、最適値を実験的に求めた。なお、交差幅は円形
電極の直径で定義している。

【００３０】図１３は本発明の実施の形態１において示
したプロセスで作製した圧電振動子の駆動電極の交差幅
とスプリアスの関係を示す図である。エネルギー閉じ込
め型圧電振動子の駆動電極の交差幅とスプリアス周波数
の関係を示す図である。横軸は駆動電極の交差幅ｌを基
板厚みＨで規格化したものであり、縦軸はスプリアス周
波数を共振周波数を基準に規格化したものである。ま
た、図１４は、実際に作製した圧電振動子の周波数特性
を示している。図１３と図１４のデータよりわかるよう
に、電極の交差幅を大きくしていくと非調和高次モード
によるスプリアスＳ１、Ｓ２が主共振に近づいて現れて
きているのがわかる。これはエネルギー閉じこめ型振動
子特有の現象であり、本発明による振動子が２次高調波
を良好に閉じ込めていることの証明でもある。この電極
交差幅を最適化することにより、スプリアスの影響の少
ない圧電振動子を得ることができる。

【００３１】図１４は、圧電振動子のｌ／Ｈが３、４、
５、６の場合について測定した結果であり、ｌ／Ｈが３
以下において、ほぼ単一モードとなっているのがわか
る。さらにｌ／Ｈを変化させ、最適な交差幅を実験的に
求めた結果、２＜ｌ／Ｈ＜７の範囲において主要共振と
最近接スプリアスとなるＳ１モードのレベル差が１０d
Ｂ以上となり、良好なスプリアス特性が得られた。本発
明の振動子は、製造の際の再現性がよいため、この条件
が明らかとなり、常に安定して同特性の振動子が得られ
ることが確かめられた。

【００３２】(実施の形態５)さらに、本発明の振動子
は、実装基板への実装法を最適化することで、さらに高
性能化を図ることができる。図１５は本発明の実施の形
態１のプロセスにより作製された圧電振動子を用いたデ
バイスの斜視図である。振動子５１は実装基板５２上に
ある外部接続用電極５３に導電性接着剤５４で支持さ
れ、電極の引き出し方向及び支持されている方向が前記
単結晶のＸ軸方向にほぼ一致している。電極の引き出し
方向をＹ方向にとると、図１６の(ｂ)に示すように、反
共振周波数より高域側にスプリアスが多数現れるため、
Ｘ軸方向に取り出し、保持する方が好ましい。このよう
な特性も、製造再現性の高い本発明の振動子を用いたた
めに明らかとなったものである。このように実装するこ
とにより、図１６の(ａ)に示すような単一共振が得られ
る。以上のように、本発明による分極軸を反転させて直
接接合した厚み縦モードの振動子においては、直接接合
によって厚みを従来の倍とし、さらに、駆動電極の交差
幅を最適化し、電極の取りだし方向を最適化すること
で、従来の方法ではえられない高性能、高周波の圧電振
動子とすることが可能となる。

【００３３】(実施の形態６)さらに、本発明の振動子
は、厚み滑り振動モードを利用した振動子においても格
別の効果を奏する。図１７は、厚み滑り振動モードを利
用した本発明の実施の形態６の圧電振動子の側面図であ
る。図１７において、(ａ)は同じ厚みを有する２枚の圧
電単結晶ウエハの側面図であり、分極Ｐsの向きを図中
の矢印で示してある。本実施の形態では圧電性単結晶ウ
エハ１１、１２として直径２インチで厚みt＝１００μm
のＸカットのタンタル酸リチウムを用いている。次い
で、(ｂ)に示すように、これらの板の分極軸を反転させ
て直接接合して一体化する。その後、(ｃ)に示すよう
に、接合後の分極反転ウエハの上面と下面に駆動電極を
形成し、(ｄ)に示すようにエネルギー閉じこめ型の圧電
振動子が完成する。これらの板では、対向して配置され
た駆動電極により、厚みすべり振動波が励振される。

【００３４】本振動子は板厚の等しいウエハ（単結晶
板）を接合したため、精度よく厚みの１／２の位置で接
合界面＝分極反転界面となり、分極反転界面の平面度が
良い。このため、図１７で(ｃ)の中に示す変位カーブの
ように理想的状態で１波長の共振を励振することが可能
であり、図５の振動子のような共振抵抗が小さく、ダイ
ナミックレンジが大きく、共振周波数近傍にスプリアス
が極めて少ない特性を得ることができる。Ｘ板では、分
極軸が板面に平行であるため、従来の分極反転層形成技
術では、加熱処理及びプロトン交換を経ても、分極反転
に寄与する方向の電界が生じず、本発明のような構造は
実現困難である。さらに、Ｘカット±１０°タンタル酸
リチウム板を用いる場合には、通常、先に述べたよう
な、速い音速をもつ厚みすべり振動(主振動)の変位方向
に垂直方向に変位する音速の遅い厚みすべり波(不要波)
が存在するが、結晶軸を意図的にずらして直接接合する
ことで、この不要波を効果的に抑圧することができる。

【００３５】図１８において(ｂ)に示すのは、結晶軸を
合わせて直接接合した比較例のアドミッタンス特性であ
る。はりあわせた総厚みが２００μmであるにもかかわ
らず、１００μm厚の単板の厚みすべり波に相当する２
０ＭＨz付近に共振を生じているのがわかる。しかし、
(ｂ)に示すように、単板と同様に、１６ＭＨz付近にも
ほぼ同一レベルまで共振が生じている。この２つの共振
は、それぞれ速い音速をもつ厚みすべり波と遅い音速の
厚みすべり波の共振で、互いの変位方向は直交してい
る。これらの共振は、正方形あるいは円形状の素子に、
正方形あるいは円形の電極を形成したときには、本質的
に生じる波であるので、抑制が困難である。そのため、
通常は電極の縦横比を変えて、不要波の閉じこめを悪く
したり、ストリップ化したりして、不要波の励振を抑制
する方法がとられていた。しかし、厚みの薄い高周波の
素子をストリップ化するには、高度な加工技術が要求さ
れ、ストリップ状素子の高周波化の限界は、およそ１０
数ＭＨzである。例えば、１２ＭＨz帯の素子において
は、最適寸法が、およそＷ３００μm×Ｌ２.０mm×Ｈ１
５０μmのオーダーとなり、取り扱いが非常に困難にな
る。

【００３６】この課題は、本実施の形態の圧電振動子に
おいて次のように解決できる。図１８において(ａ)に示
すのは、圧電単結晶板の結晶軸を意図的に１°ずらし、
直接接合した板のアドミッタンス特性である。図からも
わかるように、主要波のレベルがほぼ同一であるのに対
して、不要波である遅い音速を持つすべり波が著しく抑
圧されている。これは、両振動モードの電気機械結合係
数の大きさの違いで説明することができる。音速の速い
厚みすべり振動は、結合係数が大きく、およそ４７％で
ある。一方、音速の遅い厚みすべり振動の結合係数はお
よそ６％である。そのため、はりあわせた圧電体の結晶
軸を意図的にずらすと、その結果、各々の圧電体内で励
振される振動の変位方向がずれるため伝搬ロスが生じ、
結合係数の小さい振動波が抑制される。一方、音速の速
い厚みすべり振動波は、結合係数が大きいため、この変
位方向のずれは許容され、特性の劣化も小さくなる。こ
の特性を利用し、本実施の形態の振動子において、これ
までは抑制困難であった不要波を効果的に抑制すること
が可能になる。

【００３７】本実施の形態では、２枚のＸ板を用い、互
いのＺ、Ｙ軸もずらして、スプリアスを抑制したが、Ｘ
軸をずらしても同じ効果がえられることはいうまでもな
い。この場合は、Ｘ±１０°回転板をはりあわせるとよ
い。例えば、Ｘ＋１°回転板とＸ−１°回転板をはりあ
わせることで、互いの変位方向がわずかにずれ、不要波
が抑制される。この場合には、互いのＸ,Ｙ軸方向は、
合わせて接合しても、わずかにずらせて接合しても良
い。この際の角度のずれは、±１５°をこえると、厚み
縦振動子において示したのと同様に、特性が著しく劣化
するため、±１５°以内に抑えるのが好ましい。より好
ましくは３°以内に抑えることが好ましく、±３°以内
であれば主要振動の劣化が不要波の抑制効果に比べて小
さく、優れた厚みすべり振動子とすることができる。な
お、この構成は、互いの結晶軸がわずかにずれた状態で
もその接合を可能にする直接接合技術特有の効果であ
り、先に述べた従来の分極反転層形成技術では得られな
いものである。先に述べた厚み縦モード振動子において
は、もともとスプリアスが少ないため、接合角度をずら
すことによるスプリアスの抑制効果は目立って得られな
かったが、設計によっては、新たなスプリアスが生じる
可能性がある。しかし、本発明で用いる直接接合では、
角度を所望の角度だけずらして接合することが可能であ
るため、結合係数の小さな不要振動を抑制する効果が期
待できる。なお、厚み縦振動のスプリアスの抑制には
０.１°以上のずれがあれば充分である。

【００３８】(実施の形態７)また、先の厚みすべり分極
反転接合体は、同じ周波数帯において厚みを２倍にでき
るため、素子をストリップ化しても、機械的強度の高い
素子が得られるという点で優れている。ストリップ型振
動子とは、矩形断面を有する長方形の圧電体において、
その幅方向の全体に対向電極を設けた素子である。図１
９において、(ａ)は、ストリップ型圧電振動子の上面図
である。この振動子では、一方のＸカットタンタル酸リ
チウムの結晶軸に対して、もう一方のＸカットタンタル
酸リチウムのＺ軸(分極軸)が０.４°回転した関係にあ
り、互いのＺ軸がほぼ反転し、かつストリップの長手方
向が、はりあわせてあるそれぞれの軸と０.２°ずつ傾
いた軸となっている。Ｘ軸の向きは基板のカット面によ
り決まるため、ほぼ一致している。さらに、(ｂ)に示す
ように、圧電振動子７１主面の全幅に電極７２を形成す
るとともに、長手方向の端部を導電性接着剤７３で保持
している。この素子を用いると、例えば、１２ＭＨz帯
の素子においては、最適寸法が、およそＷ３００μm×
Ｌ２.０mm×Ｈ１５０μmのオーダーであったものを、Ｗ
３００μm×Ｌ２.０mm×Ｈ３００μmとなり、厚みを倍
にすることができるため、取り扱いが容易になる。さら
に、互いの結晶軸を意図的にずらすことで、スプリアス
特性についても良好な素子が得られ、加工精度を軽減で
きる。

【００３９】図２０は、本発明の実施の形態７の圧電振
動子のアドミッタンス特性を示す。先に述べたように、
この振動子は、互いの結晶軸を意図的に０.４°ずら
し、直接接合した圧電板を各々のＸ軸の中間の方向(本
実施の形態では４８°方向)に切り出してストリップ化
したものである。図からわかるように、不要波の抑制さ
れた良好なスプリアス特性を示している。なお、この切
り出し角度は、これに限るものではなく、主要波の変位
方向に対して、結晶の対称性を考慮し、それぞれのＹ軸
に対して、時計方向に４８°±１０°の方向で任意に設
定することが可能である。また、これ以外の互いの結晶
軸のずれ角度も、±１５°以内であれば許容される。な
お、上述の実施形態では、直接接合で作成された振動子
が説明されたが、直接接合による分極反転ウエハを用い
る構成が圧電フィルタに適用できることはいうまでもな
い。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、接着剤
を一切用いない直接接合という簡便な工程によって、分
極反転構造を持つ分極反転ウエハを容易に作製できる。
２次、４次という偶数次の振動モードを励振することに
より、１次、３次という奇数次の振動モードを励振する
従来の圧電振動子に比較し、同じ共振周波数を得ようと
すれば圧電体板の厚さを従来の２倍にすることができ
る。従って、従来の薄板加工技術をもってより高い周波
数まで、しかも周波数精度の高い圧電振動子を得ること
ができる。接合される圧電単結晶板の結晶軸を意図的に
ずらすことによりスプリアスを抑制でき、素子の特性が
向上する。さらに取扱いが容易なため、圧電振動子の生
産性が向上し、素子の歩留まりもあがる。また、直接接
合の採用により、分極反転領域の厚みばらつきを抑え、
分極反転境界の平坦度もあがり、共振抵抗、ダイナミッ
クレンジなどの性能を向上させることができる。さら
に、従来は厚み縦モードのエネルギー閉じこめが不可能
なポアソン比が１／３以下である圧電体においても、分
極反転して直接接合した圧電体では、その閉じこめが可
能になり、他のモードに起因するスプリアスの発生が少
ない。なお、いうまでもないが、このことは、ストリッ
プ形状でない振動子についてもいえることである。さら
に、温度特性のよい厚みモードすべり振動子において
は、直接接合する圧電体の結晶軸を意図的にずらして、
効果的にスプリアスを抑制できる。さらに厚みを稼げる
ため、従来よりも高周波において、強固でスプリアス特
性の良好なストリップ素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の方法による第１の圧電振動子の作製プ
ロセスを示す側面図

【図２】 従来の方法による第２の圧電振動子の作製プ
ロセスを示す側面図

【図３】 従来のストリップ振動子の上面図及び斜視図

【図４】 本発明の実施の形態１における圧電振動子の
工程を示す側面図

【図５】 本発明の実施の形態１の圧電振動子の周波数
特性のグラフ

【図６】 本発明の実施の形態１において好ましくない
構成をとった場合の特性を示す図

【図７】 周波数上昇型閉じ込め振動子とその分散曲線
を示す図

【図８】 周波数低下型閉じ込め振動子とその分散曲線
を示す図

【図９】 本発明の実施の形態１により作製された圧電
振動子の周波数特性図

【図１０】 従来の高調波圧電振動子の周波数特性図

【図１１】 本発明の実施の形態２における圧電振動子
の作製工程を示す側面図

【図１２】 本発明の実施の形態３における圧電振動子
の作製工程を示す側面図

【図１３】 本発明の圧電振動子の駆動電極の交差幅と
非調和高次モードとの関係を示す図

【図１４】 圧電振動子の駆動電極の交差幅を変えたと
きの周波数特性図

【図１５】 本発明の実施の形態５における圧電振動子
の実装形態の図

【図１６】 本発明の実施の形態５における圧電振動子
の周波数特性図

【図１７】 本発明の実施の形態６における圧電振動子
の作製工程を示す側面図

【図１８】 本発明の実施の形態６により作製される圧
電振動子の周波数特性図

【図１９】 本発明の実施の形態７における圧電振動子
の上面図及び斜視図

【図２０】 本発明の実施の形態７における圧電振動子
の周波数特性図

【符号の説明】

１１ 圧電性単結晶(上面ウエハ) １２ 圧電性単結晶(下面ウエハ) １３ 駆動電極 ５１ 圧電振動子 ５２ 実装基板 ５３ 外部接続用電極 ５４ 導電性接着剤 ７１ 圧電振動子 ７２ 駆動電極 ７３ 導電性接着剤

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川崎 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自発分極を有し、自発分極の軸方向が互
   いにほぼ逆方向になるように、かつ、その他の結晶軸は
   互いのなす角度が０度を含まないある角度をもってずれ
   るように直接接合により一体化された２枚の圧電性単結
   晶板と、前記直接接合された圧電性単結晶板の２つの主
   面に互いに対向して形成された駆動電極とからなること
   を特徴とする圧電振動子。
2. 【請求項２】 前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチウ
   ム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. 【請求項３】 一体化された前記圧電性単結晶板が駆動
   電極により厚み縦振動の偶数次高調波を励振する形状を
   備えることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
4. 【請求項４】 前記２枚の圧電単結晶板は、自発分極の
   軸に直交する結晶軸の方位のずれを±５°以内の角度に
   抑えて一体化されていることを特徴とする請求項３記載
   の圧電振動子。
5. 【請求項５】 前記２枚の圧電単結晶板は、ポアソン比
   が１／３以下であり、かつ、厚み縦振動モードの電気機
   械結合係数の値が厚みすべり振動モードの電気機械結合
   係数の値よりも充分大きな圧電材料からなり、前記駆動
   電極が偶数次高調波エネルギーを閉じこめるように配置
   されていることを特徴とする請求項３記載の圧電振動
   子。
6. 【請求項６】 前記圧電単結晶板は、Ｚカットニオブ酸
   リチウムあるいはＺカットタンタル酸リチウムからな
   り、前記駆動電極の各々は、一体化された前記圧電単結
   晶板の厚みをＨとすると、少なくとも２Ｈ以上７Ｈ以下
   の長さ及び幅を有することを特徴とする請求項３記載の
   圧電振動子。
7. 【請求項７】 さらに、前記圧電振動子を支持する基板
   を備え、この基板上に外部接続用電極が形成され、前記
   圧電振動子は外部接続用電極に導電性接着剤で支持さ
   れ、駆動電極の引き出し方向及び圧電振動子が支持され
   ている方向が前記単結晶板のＸ軸方向にほぼ一致するこ
   とを特徴とする請求項３記載の圧電振動子。
8. 【請求項８】 前記２枚の圧電単結晶板は同じ厚みを有
   し、偶数次高調波のうち厚み縦振動の２次高調波が主要
   波として励起されることを特徴とする請求項３記載の圧
   電振動子。
9. 【請求項９】 一体化された前記圧電性単結晶板が前記
   駆動電極により厚みすべり振動の偶数次高調波が励振さ
   れる形状を備えることを特徴とする請求項１記載の圧電
   振動子。
10. 【請求項１０】 前記２枚の圧電単結晶板は、自発分極
    の軸に直交する結晶軸の方位を、０°を除く±１５°以
    内の角度でずらして接合されていることを特徴とする請
    求項９記載の圧電振動子。
11. 【請求項１１】 前記２枚の圧電単結晶板はタンタル酸
    リチウムのＸ±１０°回転板であり、前記圧電板に励振
    される２種の厚みすべり振動モードのうち、電極機械結
    合係数の値の大きな主要波を用い、他方の電気機械結合
    係数の値の小さな不要波を抑制して用いる厚みすべり振
    動子において、前記２枚の圧電単結晶板は、自発分極の
    向きをほぼ逆方向になるように、かつ、それに直交する
    互いの結晶方位は０°を除く±１５°以内でずらされて
    いることを特徴とする請求項９記載の圧電振動子。
12. 【請求項１２】 前記２枚の圧電単結晶板は棒状のタン
    タル酸リチウムのＸ±１０°回転板であり、前記駆動電
    極は、前記振動子のＸ±１０°回転面に平行な２面にそ
    れぞれ全幅にわたって形成され、圧電結晶板の厚みすべ
    り振動を励振する長手方向を、Ｙ'、Ｚ'平面内でＹ'軸
    から時計方向に３８°乃至５８°回転した方向にとり、
    長手方向の端部を保持したことを特徴とする請求項９記
    載の圧電振動子。
13. 【請求項１３】 前記２枚の圧電単結晶板は同じ厚みを
    有し、偶数次高調波のうち厚みすべり振動の２次高調波
    が主要波として励起されることを特徴とする請求項９記
    載の圧電振動子。
14. 【請求項１４】 自発分極を有する２枚の圧電性単結晶
    板のそれぞれの接合面を鏡面研磨し、 圧電性単結晶板の接合面を清浄化、親水化し、前記圧電
    性単結晶板の結晶方位を０度を含まないある角度をもっ
    てずれるように重ね合わせて、自発分極の軸方向は反対
    方向となるように前記接合面を密着し、 密着された前記２枚の圧電性単結晶板を加熱して前記２
    枚の圧電性単結晶を一体化し、 一体化した前記２枚の圧電性単結晶板の２つの主面に互
    いに対向する駆動電極を形成することを特徴とする圧電
    振動子の製造方法。
15. 【請求項１５】 前記２枚の圧電性単結晶板を一体化し
    た後、前記一体化圧電性単結晶板の片面を研磨して厚み
    を揃え、その後に、２つの主面に互いに対向する前記駆
    動電極を形成することを特徴とする請求項１４記載の圧
    電振動子の製造方法。
16. 【請求項１６】 前記２枚の圧電性単結晶板を一体化し
    た後、前記一体化圧電性単結晶板の両面を研磨して厚み
    を揃え、その後に、２つの主面に互いに対向する前記駆
    動電極を形成することを特徴とする請求項１４記載の圧
    電振動子の製造方法。
17. 【請求項１７】 前記圧電性単結晶板がニオブ酸リチウ
    ム、タンタル酸リチウムまたはほう酸リチウムからなる
    ことを特徴とする請求項１４乃至１６記載の圧電振動子
    の製造方法。