(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスよりなる圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう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面の分極用の電極を圧電体の内側部と外側部とに分割して形成し、内側部の電極間に印加される電界を、外側部の電極間に印加される電界より大きくしたことを特徴とする圧電体の分極方法。
【請求項２】
圧電セラミックスよりなる圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう圧電体の分極方法において、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成する工程と、
これら全面電極間に電界を印加して一次分極を行なう工程と、
圧電体の表裏面の少なくとも１面の全面電極の外周部を除去しあるいは全面電極を全て除去した後別の電極を新たに形成することにより、圧電体の中央部に部分電極を形成する工程と、
表裏の電極間に、一次分極における電界より大きな電界を一次分極と同一方向に印加して二次分極を行なう工程と、を含む圧電体の分極方法。
【請求項３】
圧電セラミックスよりなる圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう圧電体の分極方法において、圧電体の表裏面のいずれか１面の中央部に部分電極を形成し、他面に部分電極と対向する部分電極または全面電極を形成する工程と、
表裏の電極間に電界を印加して一次分極を行なう工程と、
圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成する工程と、
これら全面電極間に、一次分極における電界より小さな電界を一次分極と同一方向に印加して二次分極を行なう工程と、を含む圧電体の分極方法。
【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に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、図１に示すように、板状の圧電セラミック基板１の表裏面にほぼ全面に分極用の電極２，３を形成し、これら電極２，３間に高電圧４を印加して分極処理を行った後、基板１を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枚の基板１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】
【発明が解決しようとする課題】
図２は基板１の分極度分布を示す。基板１の中央部では分極度が低く、周辺部では分極度が高くなる傾向がある。このような分極度ばらつきが生じる原因は、基板１内での厚みばらつき、電界強度ばらつき、材料ばらつきなどが考えられる。そのため、基板１の周辺部から切り出された素子の反共振周波数が中央部から切り出された素子に比べて高くなる傾向があった。
素子の特性ばらつきの調整方法として、従来では素子電極のトリミングやインク等による質量付加などの方法が行われている。しかし、素子単位での調整は、調整する個体数が多いため、調整時間およびコストが大きくなる欠点がある。
【０００４】
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。
【０００５】
【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、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう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面の分極用の電極を圧電体の内側部と外側部とに分割して形成し、内側部の電極間に印加される電界を、外側部の電極間に印加される電界より大きくしたことを特徴とする圧電体の分極方法を提供する。
【０００６】
圧電体の表裏面に、内側部と外側部とに分割された分極用の電極を形成する。外側部の電極は、圧電体の周辺部を環状に取り囲む形状とするのがよい。そして、分割された内側部の電極間と外側部の電極間とに電界を印加するのであるが、同一の電界を印加したのでは、従来と同様に内側部で分極度が低く、外側部では分極度が高くなる。そこで、内側部の電極間に印加される電界を、外側部の電極間に印加される電界より大きくすることにより、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。
【０００７】
内側部の電極間に印加される電圧と、外側部の電極間に印加される電圧は、全面で分極した場合の中央部から切り出された素子と周辺部から切り出された素子との分極度の差、あるいは反共振周波数の差から計算される。例えば、周辺部から切り出された素子が中央部から切り出された素子に比べて反共振周波数が０．１７％程度高い場合、分極度に換算すると、約０．９％の差に相当し、印加電圧に換算すると約５％の差に相当する。
そこで、内側部の電極間に印加される電圧を、外側部の電極間に印加される電圧より上記計算に基づいて大きく設定すれば、基板全体でほぼ均等な分極度が得られる。
なお、分極用の電極の個数は、内，外の２個に限るものではなく、３個以上に分割してもよい。また、分割される電極は圧電体の少なくとも表裏一方の面のみでよく、他面（アース側）は全面電極でもよい。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、圧電セラミックスよりなる圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう圧電体の分極方法において、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成する工程と、これら全面電極間に電界を印加して一次分極を行なう工程と、圧電体の表裏面の少なくとも１面の全面電極の外周部を除去しあるいは全面電極を全て除去した後別の電極を新たに形成することにより、圧電体の中央部に部分電極を形成する工程と、表裏の電極間に、一次分極における電界より大きな電界を一次分極と同一方向に印加して二次分極を行なう工程と、を含む圧電体の分極方法を提供する。
【０００９】
請求項１では１回の分極処理でほぼ均等な分極度分布を得ることが可能であるが、分割された内側部の電極と外側部の電極との間に電位差が生じるため、電極間で放電が起こる可能性がある。この放電を防ぐため、内側部の電極と外側部の電極との間に隙間を設ける必要があり、この部分は分極されない。これに対し、請求項２では複数回の分極を行うことで、未分極部を発生させずにほぼ均等な分極度分布を得るものである。
まず、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成し、これら全面電極間に電界を印加して一次分極を行なう。この一次分極は従来の分極方法と同様である。次に、圧電体の表裏面の少なくとも１面の全面電極の外周部を除去するか、あるいは全面電極を全て除去した後別の電極を新たに形成することにより、圧電体の中央部に部分電極を形成する。部分電極は、一次分極において分極度の高い圧電体の周辺部を除く部分に形成される。そして、圧電体の表裏の電極間に一次分極における電界より大きな電界を印加して一次分極と同一方向に二次分極を行なうと、圧電体の中央部の分極度が高くなり、圧電体全体としてほぼ均等な分極度が得られる。
なお、部分電極は圧電体の電圧印加側の面に設けられる電極であるが、圧電体の対向する面（アース側）には、部分電極と対向する部分電極を設ける必要はなく、全面電極であってもよい。
請求項２の方法では、分極用電極に隙間がないので、圧電体の中間部に未分極部分が発生することがない。
【００１０】
請求項３は、圧電セラミックスよりなる圧電体の表裏面に分極用の電極を形成し、これら電極間に電界を印加して分極処理を行なう圧電体の分極方法において、圧電体の表裏面のいずれか１面の中央部に部分電極を形成し、他面に部分電極と対向する部分電極または全面電極を形成する工程と、表裏の電極間に電界を印加して一次分極を行なう工程と、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成する工程と、これら全面電極間に、一次分極における電界より小さな電界を一次分極と同一方向に印加して二次分極を行なう工程と、を含む圧電体の分極方法を提供する。
請求項２の方法では、一次分極として全面に分極を行い、二次分極として中央部のみ分極するものであるが、請求項３では請求項２とは逆に、一次分極として中央部のみ分極を行い、二次分極として全面に分極することで、ほぼ均一な分極度を得るものである。この場合も、請求項２と同様に圧電体の中間部に未分極部分が発生することがない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３〜図５は本発明にかかる分極方法の第１の実施形態を示す。
この実施形態では、圧電セラミック基板１０の表裏面の中央部に内側電極１１ａ，１１ｂを対向して形成するとともに、周辺部に外側電極１２ａ，１２ｂを対向して形成してある。内側電極１１ａ，１１ｂと外側電極１２ａ，１２ｂとの間には、放電を防止するためのギャップ１３が設けられている。内側電極１１ａ，１１ｂと外側電極１２ａ，１２ｂとで圧電セラミック基板１０のほぼ全面を覆っている。
具体的には、ＰｂＴｉＯ3 系の圧電材料を０．２５ｍｍの厚みに焼成して板状の圧電セラミック基板１０を得るとともに、この圧電セラミック基板１０の表裏面に図３に示す形状で厚膜電極１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂを形成した。図３における寸法ｘ0 ，ｘ1 ，ｘ2 ，ｘ3 およびｙ0 ，ｙ1 ，ｙ2 ，ｙ3 は次の通りである。
ｘ0 ＝２０ｍｍ，ｘ1 ＝１８ｍｍ，ｘ2 ＝１４ｍｍ，ｘ3 ＝１２ｍｍ
ｙ0 ＝３０ｍｍ，ｙ1 ＝２８ｍｍ，ｙ2 ＝２４ｍｍ，ｙ3 ＝２２ｍｍ
【００１２】
上記圧電セラミック基板１０を図４に示す分極装置を用いて分極した。すなわち、表面の内側電極１１ａおよび外側電極１２ａをそれぞれ直流高圧電源１４，１５と接続し、裏面の内側電極１１ｂおよび外側電極１２ｂをアースに接続した。直流高圧電源１４，１５のうち、内側電極１１ａに接続される電源１４の方が外側電極１２ａに接続される電源１５より電圧が高く設定されている。
【００１３】
いま、直流高圧電源１４，１５から直流電圧を表面の内側電極１１ａおよび外側電極１２ａにそれぞれ印加すると、圧電セラミック基板１０は厚み方向に分極される。分極条件は以下の通りである。
分極条件：６０℃の絶縁オイル中で８分間
電源１４の電圧：２０００Ｖ
電源１５の電圧：１９００Ｖ
【００１４】
図５は分極度分布の一例を示す。基板１０の中央部に印加される電圧（２０００Ｖ）に対し、周辺部に印加される電圧（１９００Ｖ）の方が低いので、周辺部の分極度のピークが抑えられ、基板周辺部の分極度のピークと、基板中央部の分極度のピークとがほぼ等しくなっている。そして、基板全体をみると、分極度の最大値と最小値との差ΔＰが図２に比べて小さくなっていることが分かる。
【００１５】
例えば２０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの圧電セラミック基板を従来方法で分極した場合（印加電圧＝２０００Ｖ）、周辺部から切り出された素子は中央部から切り出された素子に比べて反共振周波数が０．１７％程度高い。これは分極度に換算すると０．９％程度の差に相当し、印加電圧に換算すると５％程度の差に相当する。
内側電極１１ａ，１１ｂ、外側電極１２ａ，１２ｂを上記寸法とし、電源１４の電圧を２０００Ｖ、電源１５の電圧を１９００Ｖとすると、分極度の差ΔＰは０．４％まで低減された。
このように分極度ばらつきが小さくなることで、基板１０の中央部から切り出された素子と周辺部から切り出された素子の反共振周波数の差も０．０７％となり、従来方法に比べて特性ばらつきの少ない圧電共振子を得ることができた。
【００１６】
図６〜図９は本発明にかかる分極方法の第２の実施形態を示す。
この実施形態では、二回の分極処理を実施する。
まず一次分極として、図６の（ａ）のように圧電セラミック基板２０の表裏面のほぼ全面に全面電極２１ａ，２１ｂを形成し、６０℃の絶縁オイル中で８分間、図７に示す分極装置を用いて分極を行う。すなわち、表面の全面電極２１ａを直流高圧電源２３と接続し、裏面の全面電極２１ｂをアースに接続する。ここでは、電源２３の電圧を１９００Ｖに設定した。このようにして一次分極を行うと、その分極度分布は図９の（ａ）のように従来の分布（図２参照）とほぼ等しく、周辺部の分極度と中央部の分極度との差ΔＰが大きい。
【００１７】
次に、二次分極として、図６の（ｂ）のように圧電セラミック基板２０の表裏面の中央部に全面電極２１ａ，２１ｂより小形の部分電極２２ａ，２２ｂを形成し、６０℃の絶縁オイル中で８分間、図８に示す分極装置を用いて一次分極と同方向に分極を行う。ここで、部分電極２２ａ，２２ｂは、全面電極２１ａ，２１ｂの周辺部のみを所定幅でエッチング処理により除去してもよいし、一旦全ての電極を除去した後、新たに部分電極２２ａ，２２ｂを形成してもよい。表面の部分電極２２ａを直流高圧電源２４に接続するとともに、裏面の部分電極２２ｂをアースに接続する。二次分極の電源２４は一次分極の電源２３に比べて電圧が高く、ここでは２０００Ｖに設定した。
【００１８】
圧電セラミック基板２０の材料および厚みは第１の実施形態と同様である。図６における寸法ｘ0 ，ｘ4 ，ｘ5 およびｙ0 ，ｙ4 ，ｙ5 は次の通りである。
ｘ0 ＝２０ｍｍ，ｘ4 ＝１８ｍｍ，ｘ5 ＝１２ｍｍ
ｙ0 ＝３０ｍｍ，ｙ4 ＝２８ｍｍ，ｙ5 ＝２４ｍｍ
【００１９】
図９の（ｂ）は、一次分極された圧電セラミック基板２０に対し、部分電極２２ａ，２２ｂを形成し、これら電極２２ａ，２２ｂ間に電源２４から電圧を印加して二次分極を行った場合の分極度分布を示す。一次分極と二次分極とを実施することで、基板２０の外側部では１９００Ｖで１度だけ分極され、基板２０の内側部では１９００Ｖ，２０００Ｖで２度分極される。一般に、同一電圧を基板全面に印加すると、基板の外側の方が内側より分極度が高くなるので、基板の外側の電圧を下げ、内側の電圧を上げることで、基板外側部の分極度のピークと基板内側部の分極度のピークとがほぼ等しくなり、分極度の最大値と最小値との差ΔＰも図９の（ａ）に比べて小さくなる。その結果、基板全体で分極度をほぼ均一化させることができる。
【００２０】
第１の実施形態の場合には、分割電極を用いて１度に分極するので、面内で電極のない部分（ギャップ１３）が生じ、未分極部が発生するが、第２の実施形態では電極形成と分極とを複数回行うことで、未分極部を解消することができる。また、同一面内の電極間で放電が起こることもない。
【００２１】
本発明の製造方法は、上記実施形態に限るものではない。
第２の実施形態では、一次分極時に全面電極２１ａ，２１ｂを用い、二次分極時に部分電極２２ａ，２２ｂを用いたが、これと全く逆の方法で分極してもよい。すなわち、一次分極として部分電極２２ａ，２２ｂを用い、二次分極として全面電極２１ａ，２１ｂを用い、一次分極時の電圧を高くし（例えば２０００Ｖ）、二次分極時の電圧を低く（１９００Ｖ）すればよい。これにより、基板２０の内側部では１９００Ｖ，２０００Ｖで２度分極され、基板２０の外側部では１９００Ｖで１度だけ分極されるので、基板全体で分極度をほぼ均一化させることができる。
【００２２】
第１実施形態では、圧電セラミック基板１０の表裏面に内側電極１１ａ，１１ｂと外側電極１２ａ，１２ｂとの２個の分極用電極を形成したが、３個以上の電極を形成してもよい。
また、第１実施形態では、アースに接続される裏面の内部電極１１ｂと外部電極１２ｂとを個別に形成したが、一体の全面電極であってもよい。
第２実施形態において、表裏の部分電極２２ａ，２２ｂを同一形状の部分電極としたが、いずれか一方の面の電極は全面電極２１ａ，２１ｂと同様な全面電極であってもよい。つまり、いずれか一方の面の電極は全面電極をそのまま使用してもよい。
さらに、第２実施形態における二次分極の回数は１回に限らず、２回以上実施してもよい。つまり、部分電極の大きさを漸次小さくしながら、複数回の二次分極を実施してもよい。
【００２３】
上記実施形態では、大きさの異なる電界を圧電体に印加するため、印加電圧を変えたが、このほか分極温度や電圧印加時間を変えてもよい。すなわち、分極度は印加電圧だけでなく、分極温度や時間によっても変化するからである。
【００２４】
【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、圧電体の表裏面に内側部と外側部とに分割された分極用の電極を形成し、内側部の電極間に外側部の電極間に印加される電界より大きな電界をかけて分極したので、圧電体の面内における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。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る。
【００２５】
また、請求項２に係る発明によれば、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成し、これら全面電極間に電界を印加して一次分極を行なった後、圧電体の中央部に部分電極を形成し、表裏の電極間に一次分極における電界より大きな電界を印加して一次分極と同一方向に二次分極を行なうようにしたので、圧電体の面内における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が得られる。また、分極用電極に隙間がないので、圧電体に未分極部分が発生することがなく、圧電体の全範囲を分極できる。
【００２６】
さらに、請求項３に係る発明によれば、圧電体の表裏面のいずれか１面の中央部に部分電極を形成し、他面に部分電極と対向する部分電極または全面電極を形成し、表裏の電極間に電界を印加して一次分極を行なった後、圧電体の表裏面のほぼ全面に全面電極を形成し、これら全面電極間に一次分極における電界より小さな電界を一次分極と同一方向に印加して二次分極を行なうようにしたので、請求項２と同様に、圧電体全体としてほぼ均一な分極度が得られるとともに、圧電体に未分極部分が発生することがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の圧電体の分極方法を示す図である。
【図２】従来の分極方法を用いた圧電体の分極度分布図である。
【図３】本発明の第１実施形態における圧電体（圧電セラミック基板）の平面図である。
【図４】図３に示す圧電体を使用した第１実施形態の分極方法を示す図である。
【図５】第１実施形態の分極方法を用いた圧電体の分極度分布図である。
【図６】本発明の第２実施形態における圧電体（圧電セラミック基板）の平面図である。
【図７】図６に示す圧電体を使用した第２実施形態の一次分極方法を示す図である。
【図８】図６に示す圧電体を使用した第２実施形態の二次分極方法を示す図である。
【図９】第２実施形態の分極方法を用いた圧電体の分極度分布図である。
【符号の説明】
１０              圧電体（圧電セラミック基板）
１１ａ，１１ｂ    内側電極
１２ａ，１２ｂ    外側電極
１４，１５        電源
２０              圧電体（圧電セラミック基板）
２１ａ，２１ｂ    第１電極
２２ａ，２２ｂ    第２電極
２３，２４        電源
【図１】
0003928375.tif 000002
【図２】
0003928375.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003928375.tif 000005
【図５】
0003928375.tif 000006
【図６】
0003928375.tif 000007
【図７】
0003928375.tif 000008
【図８】
0003928375.tif 000009
【図９】
0003928375.tif 000010