(57)【要約】【課題】圧電素子の分極処理に要するプローブの数を減らすことができると共に、分極後の特性のバラツキをなくし、治具の構造簡素化や低廉化、圧電素子の小型化、多数個取り分極処理の容易化を図ることのできる圧電素子の製造方法と、その製法に適した圧電素子を提供すること。【解決手段】圧電性磁器板面に分極方向を同じくする部分の電極膜を互いに連結した形状の連結電極を予め形成しておいて、該連結電極膜に電圧を印加して分極処理を行い、分極処理の完了後に前記連結電極膜を部分的に削除することによって、圧電素子としての最終的な形状の電極膜になるように分離加工する圧電素子の製造方法。その分割加工を片面だけで行える構成の圧電素子。また前記製法を応用した加速度センサ用圧電素子。【選択図】  図１
2004200622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極膜の形状および役割に対応して該電極膜の直下の圧電性材料より成る板材に分極方向を部分的に異にした所定のパターンを形成するように分極処理を施すに当り、前記分極方向を同じくする部分の前記電極膜を互いに連結した形状の連結電極を予め形成しておいて、該連結電極膜に電圧を印加して分極処理を行い、分極処理の完了後に前記連結電極膜を部分的に削除することによって、圧電素子としての最終的な形状の電極膜になるように分離加工することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項２】
圧電素子の素材をなす圧電性磁器板の一方の面には分割パターンのない電極膜が設けられると共に他方の面には複数の連結電極膜が形成されており、分極処理は前記分割パターンのない電極膜と他方の面の複数の連結電極の各々との間に電圧を印加することによって行い、分極処理の完了後に部分的な削除加工を行って前記連結電極膜を個々の最終形状の電極膜に分離したことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
前記複数の連結電極膜を分離している分離溝と、前記削除加工によって形成された削除加工部とによって前記最終形状の電極膜が形成されたことを特徴とする請求項２の圧電素子。
【請求項４】
加速度検出用のセンサの要部をなす圧電素子の一方の面における最終的な形状の分離された電極膜は、中心の周囲に等間隔に配置された４枚の同形状の扇形電極膜と、該各扇形電極の間隙に配置された十字型の電極膜と、それらの外側に配置された補償用の電極膜とよりなり、前記圧電素子が分極処理された際には、前記扇形電極膜の隣り合う２つと前記補償用の電極膜とが連結されて一方の分極処理用の連結電極膜となってある極性の分極電圧が与えられ、前記扇形電極膜の隣り合う他の２つと前記十字型の電極膜とが連結されて他方の分極処理用の連結電極膜となって前記ある極性と逆の極性の分極電圧が与えられ、分極処理の完了後に前記各連結電極膜は前記最終的な形状に分離加工されたことを特徴とする圧電素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電素子の製造方法および圧電素子に関する。更に詳しくは、分極加工用の電極膜と圧電素子として作動させるための電極膜とを兼用させる場合における、分極加工および電極膜形成に関する圧電素子の製造方法と、その製造方法を適用した圧電素子の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電素子の上面図を図３に示す。これは３軸加速度センサの一部をなすものである。圧電素子板１は方形板状で、例えばＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）のような圧電性磁器材料より成っている。その上面には図示のような金属材の電極膜２、３、４、５（各々は扇形）、６（斜め十字型）、７、８、９、１０（各々はほぼ四辺形）が形成されている。（スクリーン印刷あるいはスパッタ、蒸着等のＰＶＤ法による。）また圧電素子板１の下面には全面を覆う金属材の電極膜１１（図４にその断面を図示した）が形成されている。
【０００３】
圧電素子板１は電極膜の形成直後までは分極処理されておらず、圧電性を示さない。分極処理は周知のように下面の電極膜１１と上面の各電極膜２〜１０との間に所定の電圧をかけることによって行われ、各上面電極膜に覆われた各領域が板の厚さ方向に分極される。分極の向きは各上面電極膜の内部に記入した小円内の＋、−の記号で示される。即ち、＋記号は分極の向きが圧電素子板１の下面から上面に向かっていることを、−記号はその逆向きであることを示している。なお図に記入したＸ、Ｙ、Ｚ軸は加速度の検出方向を示している。
【０００４】
本発明の動機に関連して、圧電素子の電極パターンの配置と分極の極性について説明が必要なので、ここで従来例（図３）および本発明の実施の形態の一例（図１）の圧電素子が適用される加速度センサについて、その構造と作用（実質的に公知であるが）を述べておく。図４は直交３方向の加速度が検出可能な３軸加速度センサの断面図、図５は下面図、図６は原理的な作用を説明するための模式的断面図である。
【０００５】
図４および図５において、２０は金属ブロックで、例えば燐青銅より成り、上下面は正方形である。その下面から円筒形にザグリ加工を行い、外周に残された外枠部、ザグリ部２２と、上面に残された薄板部２３、およびその中心部に一体化して残された中心軸２４を形成する。中心軸２４には金属の重錘３１が圧入により固着されている。圧電素子１（図３あるいは図１）は金属ブロック２０の上面に接着される。図３の下部の３軸は加速度の検出方向を示す。また図１、図３に描かれた点線の円は、ザグリ部２２の内壁（同時に薄板部２３の外周）をあらわしており、上面電極パターン２〜６は薄板部２３の範囲内に、上面電極パターン７〜１０は外枠部２１の上部に配置されている。
【０００６】
図６（ａ）、（ｂ）は上記３軸加速度センサの作用を説明する模式的断面図である。（ａ）はＸ方向またはＹ方向の加速度（矢印方向）が作用した状態を示し、重錘３１が慣性力によって静止位置３１ａ（細い実線）から３１ｂ（太い実線）まで水平方向に移動し、そのため薄板部２３はこれに接着された圧電素子板１と一体になって２３ａの平面から２３ｂの波形に変形する。故にＸ方向加速度の場合には上面電極膜２、３は凹凸逆に変形するが、各電極下部は分極の向きが反対であるため、それら電極には参照電極である下面電極膜１１に対して互いに同極性の電圧が加速度に比例して発生するのでこれを加算する。Ｙ方向加速度の場合には上面電極膜４、５について同様な作用がある。
【０００７】
図６（ｂ）ではＺ方向の加速度（矢印方向）が作用した状態を示し、重錘３１が慣性力によって静止位置３１ｃ（細い実線）から３１ｄ（太い実線）まで垂直方向に移動し、そのため薄板部２３はこれに接着された圧電素子板１と共に凸形に変形する。故に十字型の上面電極膜６には下面電極膜１１に対して一方向の電圧が加速度に比例して発生する。その電圧を計測することによってＺ軸方向の加速度を知ることができる。なおこのとき、電極膜２、３あるいは４、５の発生する電圧は逆極性となり加算結果は相殺される。
【０００８】
ＸまたはＹ方向の加速度を計測するには、上面電極膜２と３、あるいは４と５の発生電圧を単純に加算すればよい。そうせずに、圧電素子板１の分極の向きを全面一様にしておき、電極膜２と３、あるいは４と５の発生電圧を、差動増幅器の入力に加えて差の電圧を検出することで加速度を計測することもできるが、本従来例（および本発明）に関しては検出回路の複雑化を避ける方を優先させ、圧電素子板の分極極性の方を部分的に異ならせる構成としている。また上面電極膜７〜１０は焦電気効果による上面電極膜６の電圧誤差を補償するために設けたものであって、これらは並列接続され、合計面積を上面電極膜６の面積と等しくしてあり、加速度が印加されても変形しない位置にある。
【０００９】
従来の図３に示した上面電極膜を用いて圧電素子板１の分極処理を行うには、分極用治具の金属台上に下面電極１１を当接させて圧電素子板１を乗せ、９個の上面電極パターン２〜１０のそれぞれに９本のピン状のプローブ（図示せず）を１本づつ突き当て、金属台に対して各プローブに、その電極部の分極の向きに応じた所定の電圧を加える。即ち小円内に＋記号のある上面電極パターン２、４、７〜１０に当たっている６本のプローブと、小円内に−記号のある上面電極パターン３、５、６に当たっている３本のプローブとをそれぞれ並列接続して２組にまとめ、各組に互に逆極性の電圧を与えていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電極膜パターンを用いた上記分極方法には次の難点があった。
（１）プローブと電極膜との当たり具合（接触抵抗）によって、同じ極性の電極領域であっても均一に分極されるとは限らず、分極結果の特性にバラツキが生じ易い。
（２）多数のプローブについて位置精度が要求され、治具が複雑化し高価になる。またセンサが小型になり、電極膜パターンが小面積となると治具の作成自体が困難になる。
（３）多数個取りの圧電治具即ち多数の圧電素子を同時に分極するための治具も製造の難度が大きく高コストになる。
【００１１】
本発明は上記の課題を解決すべくなされたもので、本発明の目的は、複雑な電極構成を要求される圧電素子であっても、分極処理に要するプローブの数を減らすことができるようにし、かつ分極後の特性のバラツキをなくし、また治具の構造簡素化や低廉化、圧電素子の小型化を図ることのできる圧電素子の製造方法を提供することにある。また本発明の他の目的は、その製造方法を用いるに適した圧電素子を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の圧電素子の製造方法は次の特徴を備える。
（１）電極膜の形状および役割に対応して該電極膜の直下の圧電性材料より成る板材に分極方向を部分的に異にした所定のパターンを形成するように分極処理を施すに当り、前記分極方向を同じくする部分の前記電極膜を互いに連結した形状の連結電極を予め形成しておいて、該連結電極膜に電圧を印加して分極処理を行い、分極処理の完了後に前記連結電極膜を部分的に削除することによって、圧電素子としての最終的な形状の電極膜になるように分離加工すること。
【００１３】
また本発明の圧電素子は以下の特徴のいずれかを備える。
（２）圧電素子の素材をなす圧電性磁器板の一方の面には分割パターンのない電極膜が設けられると共に他方の面には複数の連結電極膜が形成されており、分極処理は前記分割パターンのない電極膜と他方の面の複数の連結電極の各々との間に電圧を印加することによって行い、分極処理の完了後に部分的な削除加工を行って前記連結電極膜を個々の最終形状の電極膜に分離したこと。
【００１４】
（３）前記複数の連結電極膜を分離している分離溝と、前記削除加工によって形成された削除加工部とによって前記最終形状の電極膜が形成されたこと。
【００１５】
（４）加速度検出用のセンサの要部をなす圧電素子の一方の面における最終的な形状の分離された電極膜は、中心の周囲に等間隔に配置された４枚の同形状の扇形電極膜と、該各扇形電極の間隙に配置された十字型の電極膜と、それらの外側に配置された補償用の電極膜とよりなり、前記圧電素子が分極処理された際には、前記扇形電極膜の隣り合う２つと前記補償用の電極膜とが連結されて一方の分極処理用の連結電極膜となってある極性の分極電圧が与えられ、前記扇形電極膜の隣り合う他の２つと前記十字型の電極膜とが連結されて他方の分極処理用の連結電極膜となって前記ある極性と逆の極性の分極電圧が与えられ、分極処理の完了後に前記各連結電極膜は前記最終的な形状に分離加工されたこと。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例である圧電素子には従来と異なる電極形成方法と分極方法が適用されるが完成したものは図３に示す従来の圧電素子にそのまま置換可能である。図２は本発明の実施の形態の一例である圧電素子の分極処理時の上面図、図１は同じく圧電素子に最終的な電極が形成された状態の上面図である。
【００１７】
図２に示すように分離溝１２によって分割された連結電極膜１３および１４は、それぞれ従来例（図３）に示された各電極膜のうち、分極方向を同じくする電極膜２、４、７、８、９、１０の群および３、５、６電極膜群を分割せずに各電極膜の隙間を埋め連続させた形状に形成したものである。この状態で下面電極膜１１（図示せず）に対して連結電極膜１３、１４に逆極性の電圧（その極性を図中の小円内に示してある）を加えれば、合計僅か２本のプローブを電極膜に当てるだけで圧電素子板１に必要な分極処理を行うことができる。しかも連結電極の面積は広いので、プローブの当たり位置の精度もさほど要求されないから、分極治具は極度に簡素化され、その製造は容易になる。
【００１８】
分極処理されたままでは圧電素子を加速度センサとして使用できないので、更に電極を分離する加工を行う。分離加工は電極膜面にレーザー光を照射して電極膜を溶融焼却し飛散させて行う。図１にその分離加工部１５（斜線のハッチングを記入してある部分）の形状を示す。分離加工部１５は元々存在した分離溝１２と共に上面電極膜を図３と実質的に等しいパターンに分割する。
【００１９】
なおこの分割加工によってダミー電極１６（その下部は分極されている）が残るが、外部回路に接続されないので圧電素子の作用には影響しない。もちろん分離加工部の面積を広げてダミー電極を残さないようにすることもできる。また図１では架橋電極１７を残すことによって、図３の７、８、９、１０に相当する電極膜と外部回路との接続線を更に減らす工夫もついでに加えてある。架橋電極１７の面積も含めてザグリ部２２の外側に残った電極の合計面積が、ザグリ部２２の内側の斜め十字型電極の面積と等しければ、外側の電極膜は加速度による変形のない温度補償用電極膜として作用しうる。このことはザグリ部２２の外側のスペースを減らし、加速度センサを小型化するのに有効である。
【００２０】
以上本発明の実施の形態の一例について述べたが、本発明の適用は本例に限られないことは勿論である。圧電素子は加速度センサ用以外にも種々の用途があるし、それに応じて様々な最終形状の電極膜があり得るが、本発明を適用すれば必ず分極電圧を供給するプローブの数を減らしうる。また分離加工はレーザー加工以外にも、エッチングやサンドブラスト等の手法を用いることができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の圧電素子の製造方法においては、最終形状の電極が複雑な形状であっても分極電圧を与えるプローブ数を減少させ、プローブの接触状態従って圧電特性を安定化させうる。またプローブの少数化と共に位置精度を緩め、治具の構造を簡素化し製作を容易化する。この効果は多数個取りや小型の治具において著しい。また本発明の製造方法を適用する圧電素子の片面だけを用いて分極処理と電極分割を行えるようにしたことで上記効果を更に向上することができる。また電極の分割を元々の分離溝と分割加工部との併用で行うことにより、最小限の分割加工で最終の電極形状が得られる。また加速度センサ用圧電素子をより小型化あるいは低廉化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である圧電素子の最終的な上面図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例の圧電素子の分極処理時における上面図である。
【図３】従来例の圧電素子の上面図である。
【図４】３軸加速度センサの断面図である。
【図５】３軸加速度センサの下面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は３軸加速度センサの作用を説明する模式的断面図である。
【符号の説明】
１  圧電素子板
２、３、４、５、６、７、８、９、１０  上面電極膜
１１  下面電極膜
１２  分離溝
１３、１４  連結電極膜
１５  分離加工部
１６  ダミー電極
１７  架橋電極
２０  金属ブロック
２１  外枠部
２２  ザグリ部
２３  薄板部
２４  中心軸
３１  重錘
Ｘ、Ｙ、Ｚ  加速度検出方向
【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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