JP2003197999A - 圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電材料が脱分極することにより性能が低下
することがない圧電振動子の製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明の圧電振動子の製造方法は、板状
の圧電材料の表裏両面に電極および配線を形成してなる
圧電振動子の製造方法であって、圧電材料の両面に配線
を形成する工程と、圧電材料の両面に電極を形成する工
程と、電極を介して圧電材料を分極する工程と、からな
ることを特徴とする。かかる方法を採用することによ
り、配線をハンダ付けにより電極へ形成する際に圧電材
料が脱分極するという問題が解消する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動子の製造
方法に関し、特に、超音波診断、非破壊検査などにおい
て使用される圧電振動子の改良された製造方法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】圧電振動子は、医療用超音波診断装置な
どの非破壊検査装置に使用し、複合圧電材料などからな
る。複合圧電材料は、典型的には、図２に示すとおり、
多数の柱状の圧電セラミックス体２１が、高分子材料２
２中に所定の間隔で規則正しく配列した構造を有する。
圧電セラミックス体２１は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ＺＴ）などからなり、高分子材料２２は、エポキシ樹脂
などからなる。このような板状の複合圧電材料２０の表
裏両面に電極および接続用の配線（いずれも図示してい
ない）を形成すると圧電振動子が得られる。 【０００３】複合圧電材料は、図３に示すように、Ｄｉ
ｃｅ＆Ｆｉｌｌ法により製造することができる。所定の
厚さを有するＰＺＴなどからなる圧電セラミックス層３
１ａを樹脂基板３３に接着剤層３５を介して接合した後
（図３（ａ））、ダイシングソーによりセラミックス層
３１ａに多数の溝３４を形成する（図３（ｂ））。溝３
４にエポキシ樹脂などの高分子材料を充填し、固化した
後、接着剤３５を溶解して、樹脂基板３３から分離する
と、圧電セラミックス体３１および高分子材料３２から
なる板状の複合圧電材料３０が得られる（図３
（ｃ））。 【０００４】複合圧電材料は、図４および図５に示すよ
うに、フォトリソグラフィと電鋳を利用したＬＩＧＡ法
によっても製造することができる。導電性を有する基板
４３上に樹脂層４６を形成した後（図４（ａ））、マス
ク４７を介してシンクロトロン放射光などを照射し（図
４（ｂ））、露光された樹脂層４６ａを現像により除去
し、樹脂型４６ｂを得る（図４（ｃ））。つぎに、電鋳
により金属層４８を形成した後（図４（ｄ））、ウェッ
トエッチングなどにより基板４３と樹脂型４６ｂを除去
し、金型４８を得る（図４（ｅ））。つづいて、金型４
８に樹脂を注入し（図４（ｆ））、硬化させた後、金型
４８を分離して樹脂型４６ｃを得る（図４（ｇ））。樹
脂型４６ｃの空孔部に圧電セラミックス材料４１ａを充
填した後（図４（ｈ））、樹脂型４６ｃを除去すると
（図４（ｉ））、圧電セラミックス構造体４１ｂを得る
（図４（ｊ））。 【０００５】容器中で、圧電セラミックス構造体５１ｂ
に圧電高分子などの高分子材料５２ａを含浸し、硬化さ
せた後（図５（ａ））、容器から取り出し（図５
（ｂ））、高分子材料５２ａの一部および圧電セラミッ
クス構造体５１ｂの台座部分を研削や研摩すると（図５
（ｂ），（ｃ））、圧電セラミックス体５１および高分
子材料５２とからなる板状の複合圧電材料５０を得るこ
とができる（図５（ｄ））。 【０００６】Ｄｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法やＬＩＧＡ法により
製造した圧電材料の表裏両面に電極を形成し、５０℃〜
１２０℃の温度で、電極間に２〜３ｋＶ/ｍｍの電流を
印加して分極した後、接続用の配線を両面の電極に形成
すると、圧電振動子が得られる。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】しかし、圧電材料に電
極を形成し、分極した後、接続用の配線を電極に形成す
る従来の方法では、配線の電極への形成はハンダ付けに
より行なうため、ハンダ付けの際の熱により分極した圧
電材料が脱分極を起こしてしまい、圧電振動子の特性が
低下するという問題があった。 【０００８】本発明は、圧電材料の脱分極による性能の
低下がない圧電振動子の製造方法を提供しようとするも
のである。 【０００９】 【課題を解決するための手段】本発明の圧電振動子の製
造方法は、板状の圧電材料の表裏両面に電極および配線
を形成してなる圧電振動子の製造方法であって、圧電材
料の両面に配線を形成する工程と、圧電材料の両面に電
極を形成する工程と、電極を介して圧電材料を分極する
工程と、からなることを特徴とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明の圧電振動子の製造方法
は、圧電材料の両面に配線を形成してから、電極を形成
し、その後、圧電材料を分極することを特徴とする。 【００１１】このような手順で製造することにより、接
続用の配線を電極にハンダ付けするときの熱により、分
極した圧電材料が脱分極し、圧電振動子の特性が低下す
るという従来の問題を解消することができる。 【００１２】本発明の圧電振動子の製造方法を、図１に
示す。板状に研磨した圧電材料１０の両面に、圧電振動
子を接続するための配線１２を形成する（図１
（ａ））。 【００１３】圧電材料としては、圧電セラミックス体と
高分子材料とからなる複合圧電材料などを使用すること
ができる。 【００１４】圧電セラミックス体は、たとえば、チタン
酸バリウムやジルコン酸鉛−チタン酸鉛系固溶体などの
灰チタン石型構造の結晶からなり、たとえば、チタン酸
ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）およびチタン酸ジルコン酸ラン
タン鉛（ＰＬＺＴ）などのチタン酸ジルコン酸塩が好ま
しく用いられる。さらに圧電セラミックス体として、チ
タン酸鉛などを用いることもできる。圧電セラミックス
の焼結体と圧電性高分子とを組合せることにより、従来
のエポキシ樹脂を含浸させた複合材料に比べ、超音波受
信感度をより高めることができる。 【００１５】高分子材料は、たとえばエポキシ樹脂であ
り、熱安定な高分子材料が好ましい。 【００１６】圧電材料の両面に形成する配線は、超音波
診断装置などに圧電振動子を接続するときに使用される
配線である。したがって、配線は、圧電振動子の接続時
の作業性および超音波の送受信の進路を妨害しないよう
に、圧電材料の両面の端縁部に接続する態様が好まし
い。配線は、導電性がよい点で、金製の配線を使用する
のが好ましい。 【００１７】圧電材料上への配線の形成は、図１（ａ）
に示すとおり、接着剤１３を使って行なってもよい。つ
ぎの工程において圧電材料の両面に電極が形成され、電
極により配線は圧電材料に固定されるから、必ずしもあ
まり強力な接着剤を使用する必要はない。また、圧電材
料の電気的導通は、圧電材料の両面に形成される配線お
よび電極により行なうことができるから、圧電材料と配
線とを接合する接着剤自体には必ずしも導電性は必要で
はない。したがって、接着剤としては、熱安定性が高い
点も考慮してエポキシ樹脂が好ましい。 【００１８】配線の形成後、圧電材料１０の両面に電極
１４を形成する（図１（ｂ））。電極は、圧電材料の両
面に蒸着またはスパッタリングにより形成することがで
きるが、他の方法により形成してもよい。電極の材質
は、導電性がよい点で、金が好ましいが、他の材料も使
用することができる。 【００１９】電極の形成後、圧電材料を分極する。たと
えば、圧電材料１０をオイルバス１５に入れ、電極１４
を介して圧電材料１０に電圧をかけ、圧電材料１０を分
極する（図１（ｃ））。 【００２０】分極は、５０℃〜１２０℃において、電極
間に２〜３ｋＶ/ｍｍの電流を印加して３０分間〜８０
分間程度行なうことが好ましい。 【００２１】分極により、圧電振動子が得られる。本発
明によれば、分極前に接続用の配線が形成されているた
め、従来のように配線形成の際のハンダ付けの熱によ
り、分極した圧電材料が脱分極することはなく、圧電材
料の特性の低下を防止することができる。 【００２２】 【実施例】実施例１ メタクリル酸メチルとメタクリル酸の共重合体からなる
厚さ３００μｍのレジスト膜を、チタンをスパッタ蒸着
したシリコン基板上に形成した。窒化シリコンからなる
厚さ２μｍの透光性基板上に、窒化タングステンからな
る厚さ５μｍの吸収層パターンを形成したマスクをレジ
スト膜の上方に配置した。このマスクを介してシンクロ
トロン放射光（ＳＲ光）をレジスト膜に照射し、深いＸ
線リソグラフィーを行なった。ＳＲ光放射装置はＮＩＪ
Ｉ−ＩＩＩ（偏向部の磁場４テスラー、蓄積電子エネル
ギ０．６ＧｅＶ）を使った。ＳＲ光の照射後、メチルイ
ソブチルケトン（ＭｉＢＫ）により現像を行ない、樹脂
型を得た。この樹脂型に電鋳により厚さ１ｍｍのニッケ
ル層を形成した後、基板を水酸化カリウム水溶液で溶解
して除去し、レジスト膜を酸素プラズマにより除去し、
金型を得た。この金型に、シロップ状のポリメタクリル
酸メチルを充填し、加熱して硬化した後、室温まで冷却
し、金型を分離し、樹脂型を得た。この樹脂型上にＰＺ
Ｔ粒子を含有するシート状のはい土を置き、周囲にセラ
ミックス粉体を配置した状態でダイスに入れ、プレス成
形をした。はい土は、平均粒径０．５μｍのＰＺＴ粉末
にバインダ（ポリビニルアルコール）を混ぜて調製し、
はい土中の溶媒（水）の含量は４２体積％、ＰＺＴ含量
は４５．５体積％、バインダー含量は１２．５体積％で
あった。プレス成形は１９０ｋｇｆ／ｃｍ²で行なっ
た。得られた成形体を乾燥し、酸素プラズマによるアッ
シングを行ない、樹脂型を除去した。アッシングは、反
応ガス圧０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦパワー５０Ｗで行ない、
柱状体の倒壊率は０．１％以下であった。得られた成形
体を５００℃で仮焼成してバインダーを除去し、１１０
０℃で本焼成し、ＰＺＴ焼結体からなる微細構造体を得
た。この微細構造体における柱状体は、縦５０μｍ、横
５０μｍ、高さ３５０μｍの角柱であり、角柱間の距離
は５０μｍであった。このＰＺＴからなる微細構造体に
圧電性高分子を含浸し、硬化した。圧電性高分子として
は、エポキシ樹脂を使用した。含浸硬化は、加熱溶融し
た圧電高分子を、ＰＺＴからなる微細構造体上に垂ら
し、真空脱泡後に加熱硬化して行なった。硬化後、台座
部分などを研磨により除去して、厚さ２３０μｍの板状
の複合圧電材料を得た。 【００２３】この複合圧電材料の両面の端縁部に、エポ
キシ樹脂を接着剤として、金製の配線を取り付けた後、
複合圧電材料の両面にスパッタ蒸着により金電極を形成
した。１１０℃で、電極間に３ｋＶ/ｍｍの電流を４０
分間印加して分極し、圧電振動子を得た。 【００２４】比較例１ 実施例１と同様にして得た厚さ２３０μｍの板状の複合
材料の両面にスパッタ蒸着して金電極を形成した。１１
０℃で、電極間に３ｋＶ/ｍｍの電流を４０分間印加し
て分極した後、電極の端縁部に金製の配線をハンダ付け
し、圧電振動子を得た。 【００２５】比較例１で得た圧電振動子は、実施例１で
得た圧電振動子に比べて、電気機械結合定数が低く、誘
電率も低いという特性を有し、脱分極していた。 【００２６】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と
均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれるこ
とが意図される。 【００２７】 【発明の効果】本発明によれば、圧電材料が脱分極しな
いため、性能が低下していない圧電振動子を製造するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の圧電振動子の製造方法を示す工程図
である。 【図２】 複合圧電材料の構造を示す模式図である。 【図３】 Ｄｉｃｅ＆Ｆｉｌｌ法による複合圧電材料の
製造方法を示す工程図である。 【図４】 ＬＩＧＡ法による複合圧電材料の製造方法を
示す工程図である。 【図５】 ＬＩＧＡ法による複合圧電材料の製造方法を
示す工程図である。 【符号の説明】 １０ 圧電材料、１２ 配線、１３ 接着剤、１４ 電
極、１５ オイルバス、２０，３０ 複合圧電材料、２
１，３１ 圧電セラミックス体、２２，３２高分子材
料、３３ 樹脂基板、３４ 溝。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 板状の圧電材料の表裏両面に電極および
   配線を形成してなる圧電振動子の製造方法において、 前記圧電材料の両面に配線を形成する工程と、 前記圧電材料の両面に電極を形成する工程と、 前記電極を介して前記圧電材料を分極する工程と、から
   なることを特徴とする圧電振動子の製造方法。