(57)【要約】【課題】圧電体内の分極度分布を均一化することで、圧電体から切り出された素子間の特性ばらつきを小さくできる圧電体の分極方法を提供する。【解決手段】圧電セラミックスよりなる一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加して厚み方向に分極した時の分極度分布が中央部で高く、周辺部で低くなるような性質を持つ圧電体の分極方法において、圧電体の表裏面の少なくとも１面の周辺部を中央部から周辺部に向かって圧電体の厚みが漸次薄くなるよう加工し、加工された圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、分極用の電極間に直流電界を印加して分極処理を行う。圧電体の端部の厚みを薄くして電界強度を故意に高くし、分極度が低くなる性質のある圧電体端部の分極度低下を防ぎ、圧電体内における分極度を均一化する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスよりなる一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加して厚み方向に分極した時の分極度分布が中央部で高く、周辺部で低くなるような性質を持つ圧電体の分極方法において、
上記圧電体の表裏面の少なくとも１面の周辺部を、中央部から周辺部に向かって圧電体の厚みが漸次薄くなるよう加工する工程と、
上記加工された圧電体の表裏面に分極用の電極を形成する工程と、
上記分極用の電極間に直流電界を印加して圧電体の厚み方向に分極処理を行う工程と、を有することを特徴とする圧電体の分極方法。
【請求項２】
加工すべき上記圧電体の形状は、一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布から求められることを特徴とする請求項１に記載の圧電体の分極方法。
【請求項３】
一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布を求める工程と、
上記分極度分布から実際値と理想値との乖離量を計算する工程と、
電界強度と分極度の関係曲線から、使用する分極電界強度付近の傾きを求める工程と、
上記乖離量と上記傾きとの積により、必要な追加電界強度を計算する工程と、
上記追加電界強度から加工すべき上記圧電体の厚み分布を求める工程と、を有する請求項２に記載の圧電体の分極方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスよりなる圧電体を厚み方向に分極する方法、特にブロック状圧電体の分極方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特公平８−３４６５０号公報
【特許文献２】特開２００２−２３２０３２号公報
従来、圧電セラミックスを用いた圧電フィルタや発振子などの製造工程では、一辺が数ｃｍ程度のブロック状の圧電体に成形、焼成した後、この圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に高電圧を印加して分極処理を行った後、このブロック状圧電体を数十〜数千個の素子にカットして製品へと加工している。ここで問題となるのが、１つの圧電体から切り出された素子間の分極度ばらつきによる特性ばらつきである。
【０００３】
分極後の圧電体の分極度分布には、図１に示すように、中央部で分極度が低く、周辺部で分極度が高くなる場合と、図２に示すように、中央部で分極度が高く、周辺部で分極度が低くなる場合とがある。図１のような分極度分布は、分極によってソリが発生するような薄肉（例えば厚みが１ｍｍ程度）な圧電体の場合に発生しやすく、図２のような分布は、分極によってソリが発生しないような分厚いブロック状圧電体において発生しやすい。
このような分極度ばらつきのある圧電体から素子を切り出すと、両端部付近から切り出された素子は必要な圧電特性が得られず、特性を満足しない素子が多数発生するという事態を招いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１では、円盤状の圧電体の分極において、円盤中央部の分極度を高くし、周辺部の分極度を低くするために、中央部の電気抵抗を低く、周辺部の電気抵抗を高くする方法が提案されている。
この場合には、圧電体の電極内に均一な電圧を印加した場合、中央部と周辺部の抵抗値の差によって圧電体に加わる電圧は中央部で高く、周辺部で低くなる。この電圧分布により、中央部で大きく、周辺部で小さい分極度分布を得るものである。
しかし、分厚い圧電体の分極処理に際して特許文献１の手法を用いると、かえって中央部と周辺部の分極度の差が大きくなり、１つの圧電体から切り出された素子間の分極度ばらつきが拡大するという欠点がある。また、分極用電極の抵抗値を中央部と周辺部とで連続的に変化させることは極めて困難であり、最適な抵抗値分布を実現することが難しく、得られる分極度分布も望ましいものではない。
【０００５】
特許文献２では、積層圧電体の分極において、ブロック内の分極度を均一にするために、１回目の分極処理を行った後で、１回目とは逆方向に二次分極を行うとともに、この二次分極の電圧を最適化することで、ブロック内の分極度ばらつきを低減するものである。
対象とする積層圧電体の場合には、薄肉な圧電体と同様に周辺部が分極されやすい性質がある。この性質は、正分極の時はブロック中央部の分極度を低く、周辺部の分極度を高くするように働き、逆分極の時はブロック中央部の分極度を高く、周辺部の分極度を低くするように働く。この正，逆分極で相反する性質に着目して、正，逆分極でブロック内の分極度傾向を相殺させ、分極度を均一化するものである。
しかし、積層圧電体の場合には、分厚い圧電体の分極とは逆の分極度分布を持つので、そのまま分厚い圧電体の分極には適用できない。しかも、逆分極を行った後の分極度は、その材料の飽和分極度より低くなってしまうため、飽和分極度が必要となる場合には、上記方法は適用できない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、圧電体内の分極度分布を均一化することで、圧電体から切り出された素子間の特性ばらつきを小さくできる圧電体の分極方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、圧電セラミックスよりなる一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加して厚み方向に分極した時の分極度分布が中央部で高く、周辺部で低くなるような性質を持つ圧電体の分極方法において、上記圧電体の表裏面の少なくとも１面の周辺部を、中央部から周辺部に向かって圧電体の厚みが漸次薄くなるよう加工する工程と、上記加工された圧電体の表裏面に分極用の電極を形成する工程と、上記分極用の電極間に直流電界を印加して圧電体の厚み方向に分極処理を行う工程と、を有することを特徴とする圧電体の分極方法を提供する。
【０００８】
一定厚みのブロック状圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、その電極間に高電圧を印加すると、分極度分布が中央部で高く、周辺部で低くなるような分極度分布になる。本発明では、このような分極度分布を予め考慮して、表裏の少なくとも１面の周辺部を、中央部から周辺部に向かって圧電体の厚みが漸次薄くなるよう加工したものである。つまり、圧電体の分極度が低くなりやすい周辺部の厚みを薄くすることで、電界分布を最適化したものである。
そのため、厚みの薄い周辺部の電界強度が中央部に比べて高くなり、分極度が低くなる性質のある圧電体の周辺部における分極度を高くすることができる。その結果、中央部と周辺部との分極度の不均一が是正され、圧電体全体としてほぼ均等な分極度を得ることができる。
また、一定厚みの圧電体の分極度分布に応じて圧電体の厚みを連続的に変化させることで、圧電体の途中で分極度が不連続に変化する箇所が発生せず、分極度の均一化を精度よく実現できる。
さらに、本発明では逆分極などの追加的分極を必要としないので、飽和分極度が必要となる場合でも適用できる。
【０００９】
請求項２のように、加工すべき圧電体の形状を、一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布から求めるのがよい。
一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布は、中央部で高く、周辺部で低くなる。この分布から圧電体の厚み分布を推定し、この厚み分布にしたがって加工すれば、ほぼ均一な分極度分布を得ることができる。
【００１０】
加工部の形状を決定する手法として、請求項３のように、一定厚みの圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布を求める工程と、上記分極度分布から実際値と理想値との乖離量を計算する工程と、電界強度と分極度の関係曲線から、使用する分極電界強度付近の傾きを求める工程と、上記乖離量と上記傾きとの積により、必要な追加電界強度を計算する工程と、上記追加電界強度から加工すべき上記圧電体の厚み分布を求める工程と、を用いることができる。
この場合には、加工部の形状を定量的に求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３は本発明にかかる圧電体の製造工程の一例を示す。
図３の（ａ）は、圧電セラミックスを成形、焼成した直方体ブロック状の圧電体１を示す。圧電セラミックスとしては、例えばＰＺＴ系など公知の圧電材料を使用できる。圧電体１の厚みＴ、幅Ｗ、長さＬは例えば次の通りである。
Ｔ＝１０ｍｍ，Ｗ＝３０ｍｍ，Ｌ＝２０ｍｍ
図３の（ｂ）は、上記圧電体１の表面の両側部を研磨機などによって斜め方向に切削加工し、加工部３を形成した圧電体２を示す。加工部３の幅をＳ、厚みをＤとすると、各寸法は例えば次のように設定されている。
Ｓ＝６．０ｍｍ，Ｄ＝１．０５ｍｍ
図３の（ｃ）は、加工部３を形成した圧電体２の表裏面全面にスパッタ等で分極用のＡｇ電極４，５を形成し、これら電極４，５間に直流高圧電源６（例えば２５ｋＶ）を接続し、直流電界を印加した状態を示す。圧電体２は矢印Ｐで示すように厚み方向に分極される。なお、図３（ｃ）では、表面の電極４を直流高圧電源６に接続し、裏側の電極５をアースに接続し、１００℃のシリコンオイル中で１０分間電界を印加した。
【００１２】
図４は圧電体の分極後の分極度分布を示す。
図４の（ａ）は直方体形状の圧電体１に図３の（ｃ）と同様な条件で分極を行ったときの分極度分布、図４の（ｂ）は加工部３を形成した圧電体２に対して同様な分極を行ったときの分極度分布である。
【００１３】
上記分極度分布を求めるために、図５の（ａ）に示すように分極後の圧電体１（矢印Ｐは分極方向を示す）を長さＬ方向に平行なライン７に沿って一定幅（例えば０．３ｍｍ）でカットして複数の短冊８を作成した後、図５の（ｂ）のように短冊８をさらに縦横のライン９に沿ってカットすることにより素子１０を作成し、図５の（ｃ）のように素子１０の表裏面に電極を形成してそのΔｆ（＝ｆａ−ｆｒ）を測定した。上記素子１０は例えば共振周波数ｆｒが４．０ＭＨｚの厚みすべり振動モード素子である。
上記のように作成した素子１０のうち、それぞれの短冊７から得られる複数の素子１０のΔｆの平均値を棒グラフに表したのが図４である。ここでは、分極度にほぼ比例する特性としてΔｆを用いたが、Δｆに代えて電気機械結合係数を用いてもよい。
【００１４】
図４から明らかなように、加工部３を形成していない直方体形状の圧電体１の場合、（ａ）のように両端部で分極度（Δｆ）が低下しており、両端から６ｍｍの範囲から切り出された素子１０のΔｆは３３０ｋＨｚ以下となっている。特に、両端部近傍の素子では３２５ｋＨｚ以下であり、目標とする圧電特性が得られていない。これに対し、加工部３を形成した圧電体２の場合には、（ｂ）のように両端部での分極度の低下が抑えられ、圧電体２の幅方向のほぼ全域でΔｆは３３０ｋＨｚ以上となっている。そのため、圧電体２のほぼ全域から切り出された素子１０が所望の圧電特性を満足している。
なお、図４のデータのうち、両端から２ｍｍの範囲で欠落しているのは、データを得ていないことによる。
【００１５】
次に、加工部３の形状を決定するための具体的手法を図６を参照して説明する。まず、一定厚みのブロック状圧電体に対して一様な電界を印加した時の分極度分布を求める（ステップＳ１）。この分極度分布は図７に示すようなΔｆ分布であり、図４の（ａ）と同様の方法で求めたものである。実線は実際値、破線は理想値を示す。
次に、上記分極度分布から実際値と理想値との乖離量を計算する（ステップＳ２）。乖離量つまりΔｆの不足分を、圧電体の幅方向（Ｗ）の分布として表したのが図８である。
次に、図９に示すような電界強度−Δｆの関係曲線を事前に求めておき、使用する分極電界強度付近の傾きを読み取る（ステップＳ３）。ここでは、厚み１０ｍｍのブロックに対して電圧３０ｋＶを印加する場合、つまり電界強度が３０００Ｖ／ｍｍ付近を対象として傾きを求めると、約０．０５ｋＨｚ／Ｖ／ｍｍとなる。なお、図９の関係曲線はセラミック材料、分極温度、分極時間によって異なる。
次に、ステップＳ２で求めた乖離量（Δｆ不足分）とステップＳ３で求めた傾きとの積から、必要な追加電界強度を計算する（ステップＳ４）。図１０はこの追加電界強度の分布を表したものである。
最後に、ステップＳ４で求めた追加電界強度から、ブロック状圧電体の厚みを計算する（ステップＳ５）。理想的には、図１１に示すような形状になるが、実際にはこの形状にできるだけ近づけるように圧電体を加工すればよい。
上記のようにして圧電体の理想的な厚みを定量的に計算で求めることができる。
【００１６】
図１２は加工部を設けた圧電体の種々の形態を表したものである。
（ａ）は直方体形状の圧電体の表面の４辺に沿って傾斜状の加工部３を設けたものである。圧電体の端部の分極度が低くなる傾向は、Ｗ方向およびＬ方向の両方で発生するので、４辺に沿って加工部３を設けることで、分極度分布の均一性がさらに向上する。
（ｂ）は直方体形状の圧電体の表面の周辺部に円錐テーパ状の加工部３を設けたものである。したがって、圧電体２の中央部には円形の頂部２ａが残される。
（ｃ）は円盤形状の圧電体の表面の周辺部に同心円テーパ状の加工部３を設けたものである。
（ｄ）は圧電体２の断面を示し、圧電体２の表面の中央部から周辺部に至るに従い曲面状に傾斜した加工部３を設けたものである。この加工部３の断面形状は、図１１に示すブロック厚み分布曲線に近似したものである。
（ｅ）は同じく圧電体２の断面を示し、圧電体２の表裏両面に中央部から周辺部に至るに従い曲面状に傾斜した加工部３を設けたものである。表裏それぞれの加工部３の曲率は、（ｄ）における加工部３の曲率の約半分となっている。
【００１７】
本発明は上記実施例に限るものではない。
上記実施例では、一定厚みに成形、焼成した圧電体に対して、端部を削ることにより加工部３を形成したが、予め端部を薄肉に加工した形状に圧電体を成形し、焼成してもよい。つまり、成形の段階で加工部３を設けておいてもよい。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、ブロック状圧電体の周辺部の厚みを薄くし、圧電体の周辺部の電界強度を故意に高くしたので、分極度が低くなる性質のある圧電体周辺部の分極度低下を防止でき、圧電体の面内における分極度の不均一が是正される。そのため、圧電体から切り出された素子間の特性ばらつきを小さくすることができ、従来のような特性を満足しない素子が多数発生するという事態を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄肉な板状圧電体の分極度分布を示す図である。
【図２】厚肉なブロック状圧電体の分極度分布を示す図である。
【図３】本発明にかかる圧電体の製造工程図である。
【図４】従来品および本発明品における実際の分極度（Δｆ）分布図である。
【図５】圧電体から素子を切り出す方法を示す図である。
【図６】本発明にかかる圧電体の厚みを決定する方法を示すフローチャート図である。
【図７】圧電体内の分極度（Δｆ）分布図である。
【図８】圧電体内のΔｆ不足分の分布図である。
【図９】電界強度−Δｆの関係曲線図である。
【図１０】追加電界強度の分布図である。
【図１１】圧電体の理想的な厚み分布図である。
【図１２】加工部を設けた圧電体の種々の形態を表す図である。
【符号の説明】
１                圧電体（加工前）
２                圧電体（加工後）
３                加工部
４，５            分極用電極
６                直流高圧電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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