特許 6535485 円環状圧電素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6535485

(24)【登録日】2019年6月7日

(45)【発行日】2019年6月26日

(54)【発明の名称】円環状圧電素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/257 20130101AFI20190617BHJP

   H01L 41/09 20060101ALI20190617BHJP

   H01L 41/29 20130101ALI20190617BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20190617BHJP

   H01L 41/43 20130101ALI20190617BHJP

   H01L 41/333 20130101ALI20190617BHJP

   H02N 2/12 20060101ALI20190617BHJP

   H02N 2/16 20060101ALI20190617BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/257

   H01L41/09

   H01L41/29

   H01L41/047

   H01L41/43

   H01L41/333

   H02N2/12

   H02N2/16

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2015-43339(P2015-43339)

(22)【出願日】2015年3月5日

(65)【公開番号】特開2016-162998(P2016-162998A)

(43)【公開日】2016年9月5日

【審査請求日】2018年2月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】一色国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】大場 佳成

(72)【発明者】

【氏名】八幡 信隆

(72)【発明者】

【氏名】三谷 明洋

(72)【発明者】

【氏名】山中 哲

【審査官】 小山 満

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−１４２４６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１９８３９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１８３５９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１８３５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５０−００３４６６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭６１−２２４８７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１９３２９１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ４１／００−４１／４７

Ｈ０２Ｎ ２／１２

Ｈ０２Ｎ ２／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

円環状の圧電体の表裏に電極が形成されて、当該電極間に電界を印加すると圧電歪１５モードで振動する円環状圧電素子の製造方法であって、
円環の軸方向を上下方向として、
圧電材料からなる一体的な円環状セラミックス焼結体を成形する焼結体成形ステップと、
前記円環状セラミックス焼結体の上面に半径方向に延長する分極用電極を複数箇所に配置する電極配置ステップと、
前記複数箇所に配置された分極用電極のうち、互いに隣り合う二つの電極の一方を接地電極として当該二つの電極間に電位差を与えることで、前記円環状セラミックス焼結体において当該二つの分極用電極によって区分される円周分割領域を円周方向に向かって分極させる分極ステップと、
を含み、
前記電極配置ステップでは、前記円環状セラミックス焼結体の半径方向に延長する前記分極用電極を、所定の半径となる位置にて分割して、内周側から外周側に向かって複数の分極用電極片を形成し、
前記分極ステップでは、同じ半径となる領域に形成されて互いに周方向で隣接する二つの前記分極用電極片を選択するともに、選択した二つの前記分極用電極片が属する分極用電極の延長方向がなす劣角側の円周分割領域に同じ強度の電界が印加されるように電位差を与える、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法。

【請求項2】

円環状の圧電体の表裏に電極が形成されて、当該電極間に電界を印加すると圧電歪１５モードで振動する円環状圧電素子の製造方法であって、
円環の軸方向を上下方向として、
圧電材料からなる一体的な円環状セラミックス焼結体を成形する焼結体成形ステップと、
前記円環状セラミックス焼結体の上面に半径方向に延長する分極用電極を複数箇所に配置する電極配置ステップと、
前記複数箇所に配置された分極用電極のうち、互いに隣り合う二つの電極の一方を接地電極として当該二つの電極間に電位差を与えることで、前記円環状セラミックス焼結体において当該二つの分極用電極によって区分される円周分割領域を円周方向に向かって分極させる分極ステップと、
を含み、
前記焼結体成形ステップでは、上面に半径方向に延長する溝が形成された円環状セラミックス焼結体を成形し、
前記電極配置ステップでは、前記溝内に導電体を配置する、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法。

【請求項3】

円環状の圧電体の表裏に電極が形成されて、当該電極間に電界を印加すると圧電歪１５モードで振動する円環状圧電素子の製造方法であって、
円環の軸方向を上下方向として、
圧電材料からなる一体的な円環状セラミックス焼結体を成形する焼結体成形ステップと、
前記円環状セラミックス焼結体の上面に半径方向に延長する分極用電極を複数箇所に配置する電極配置ステップと、
前記複数箇所に配置された分極用電極のうち、互いに隣り合う二つの電極の一方を接地電極として当該二つの電極間に電位差を与えることで、前記円環状セラミックス焼結体において当該二つの分極用電極によって区分される円周分割領域を円周方向に向かって分極させる分極ステップと、
を含み、
前記焼結体成形ステップでは、半径方向を横断する切欠が形成された円環状セラミックス焼結体を形成し、
前記分極ステップでは、前記切欠をギャップとすることで、前記円環状セラミックス焼結体を周の一方向にのみ分極させる、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法。

【請求項4】

請求項３において、前記切欠に絶縁体からなる補強部材を充填することを特徴とする円環状圧電素子の製造方法。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記電極配置ステップでは、分極用電極を配置する角度位置を３カ所以上とし、
前記分極ステップでは、互いに隣り合う二つの分極用電極を順次選択するとともに、当該二つの分極用電極の延長方向がなす劣角側の円周分割領域を円周の所定方向に向かって分極させる、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、進行波型超音波モーターなどに用いられる円環状圧電素子の製造方法に関する。具体的には圧電歪１５モードを用いて駆動する円環状圧電素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

周知のごとく、互いに対面する二つの電極板で圧電体を狭持してなる圧電素子は、電界の印加方向と振動方向との関係によって様々な振動モード（圧電歪モードとも言う）がある。そして進行波形超音波モーター（以下、超音波モーター）やランジュバン振動子などに利用される圧電素子は、円環状の圧電体の表裏両面を電極板で狭持した構造を有した円環状圧電素子であり、圧電歪モードとしては電界の印加方向と振動方向が一致する圧電歪３１モードを用いることが多い。概略的には円環状の圧電体の表裏両面の円環中央を貫く軸方向を上下方向とすると、圧電体の分極方向は上下方向であり、円周が複数の分極領域に分割されて互いに隣り合う分極領域ではその分極方向が上下反対方向となっている。

【0003】

しかしながら圧電体において圧電歪３１モードに対応する圧電定数ｄ_３１は、ｄ_３３やｄ_１５に比べて約半分の値であり、超音波モーターであれば高いモータトルクを得ることが難しい。そこで大きな圧電定数ｄ_１５を利用した圧電歪１５モードで円環状圧電素子を駆動させることが考えられる。そして圧電歪１５モードで駆動する円環状圧電素子では、圧電体の分極方向が円環を周回する方向となる。なお圧電歪１５モードで駆動する円環状圧電素子の応用例としては、周知の「ねじり式モーター」がある。また圧電素子の振動モードや圧電素子の評価方法などについては以下の非特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】ＦＤＫ株式会社、”圧電セラミックス”、[online]、[平成２７年１月２８日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/cyber-j/pdf/BZ-TEJ001.pdf＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述したように、圧電歪１５モードを利用した円環状圧電素子では、円環状の圧電体を周方向に一方向に分極する必要がある。周知のごとく、圧電体を分極するためには圧電体を二つの電極板で狭持して大きな電界を印加する。圧電歪３１モードであれば一体的な円環状圧電体の上面と下面に電極を配置して電界を印加すれば上下方向に分極する。しかし圧電歪１５モードで使用する円環状圧電素子では、円環の円周に沿う方向に分極している。図１に圧電歪１５モードで使用する円環状圧電素子における従来の分極手順を示した。まず図１（Ａ）に示したように、扇状に円周分割された圧電材料からなるセラミックス焼結体１１０の端面に導電性ペーストなどを塗布して電極１２０を形成し、この電極間（１２０−１２０）の電圧Ｖによって扇状の圧電体１１０に電界Ｅを印加する。そして図１（Ｂ）に示したように電極１２０を除去して扇状の圧電体１１１を作製する。なお図中では分極方向を矢印Ｐで示した。つぎに図１（Ｃ）に示したように扇状の圧電体１１１の表裏両面に駆動用の電極（以下、駆動用電極１３０）を形成する。そして図１（Ｄ）に示したように表裏両面に駆動用電極１３０が形成された扇状の圧電体１１１を円環状に配置した状態で固定すると、図１（Ｄ）に示した円環状圧電素子１００が完成する。このように圧電歪１５モードで使用する円環状圧電素子は極めて複雑な工程を経て作製される。そのため製造コストが嵩み圧電素子を安価に提供することが難しくなる。

【0006】

そこで本発明は、圧電歪１５モードで使用する円環状圧電素子をより簡素な工程を用いてより安価に製造するための方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための本発明は、円環状の圧電体の表裏に電極が形成されて、当該電極間に電界を印加すると圧電歪１５モードで振動する円環状圧電素子の製造方法であって、
円環の軸方向を上下方向として、
圧電材料からなる一体的な円環状セラミックス焼結体を成形する焼結体成形ステップと、
前記円環状セラミックス焼結体の上面に半径方向に延長する分極用電極を複数箇所に配置する電極配置ステップと、
前記複数箇所に配置された分極用電極のうち、互いに隣り合う二つの電極の一方を接地電極として当該二つの電極間に電位差を与えることで、前記円環状セラミックス焼結体において当該二つの分極用電極によって区分される円周分割領域を円周方向に向かって分極させる分極ステップと、
を含むことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法としている。

【0008】

前記電極配置ステップでは、分極用電極を配置する角度位置を３カ所以上とし、
前記分極ステップでは、互いに隣り合う二つの分極用電極を順次選択するとともに、当該二つの分極用電極の延長方向がなす劣角側の円周分割領域を円周の所定方向に向かって分極させる、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法とすることもできる。

【0009】

前記電極配置ステップでは、前記円環状セラミックス焼結体の半径方向に延長する前記分極用電極が、所定の半径となる位置にて分割されて、内周側から外周側に向かって複数の分極用電極片が形成され、
前記分極ステップでは、同じ半径となる領域に形成されて互いに周方向で隣接する二つの前記分極用電極片を選択するともに、選択した二つの前記分極用電極片が属する分極用電極の延長方向がなす劣角側の円周分割領域に同じ強度の電界が印加されるように電位差を与える、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法としてもよい。

【0010】

前記焼結体成形ステップでは、上面に半径方向に延長する溝が形成された円環状セラミックス焼結体を成形し、
前記分極用電極配置ステップでは、前記溝内に導電体を配置する、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法としてもよい。

【0011】

前記焼結体成形ステップでは、半径方向を横断する切欠が形成された円環状セラミックス焼結体を形成し、
前記分極ステップでは、前記切欠をギャップとすることで、前記円環状セラミックス焼結体を周の一方向にのみ分極させる、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法とすることもできる。そして前記切欠に絶縁体からなる補強部材を充填することを特徴とする円環状圧電素子の製造方法としてもよい。
前記電極配置ステップでは、分極用電極を配置する角度位置を３カ所以上とし、
前記分極ステップでは、互いに隣り合う二つの分極電極を順次選択するとともに、当該二つの分極用電極の延長方向がなす劣角側の円周分割領域を円周の所定方向に向かって分極させる、
ことを特徴とする円環状圧電素子の製造方法とすることもできる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、圧電歪１５モードで使用する円環状圧電素子をより簡素な工程を用いてより安価に製造することができる。なお、その他の効果については以下の記載で明らかにする。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】従来の円環状圧電素子の製造方法を示す図である。

【図2】本発明に係る方法で製造される円環状圧電素子の一例を示す図である。

【図3】本発明の第１の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法の概略を示す図である。

【図4】上記第１の実施例における分極工程に際して円環状セラミックス焼結体に印加される電界強度のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】本発明の第２の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法の概略を示す図である。

【図6】本発明の第３の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法の概略を示す図である。

【図7】本発明の第４の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法の概略を示す図である。

【図8】本発明の第５の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法の概略を示す図である。

【図9】本発明の実施例に係る円環状圧電素子の特性を評価するための各種サンプルの製造手順を示す図である。

【図10】上記各種サンプルにおける各部位のサイズや形状を示す図である。

【図11】上記各サンプルの圧電特性を測定する際に用いた評価用素子を示す図である。

【図12】上記評価用素子と圧電特性を比較するための比較用素子の分極手順を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。ある図面において符号を付した部分について、不要であれば他の図面ではその部分に符号を付さない場合もある。

【0015】

＝＝＝第１の実施例＝＝＝
図２は本発明の実施例に係る製造方法によって製造される円環状圧電素子の一例を示す図である。当該圧電素子１は、円環の軸方向を上下方向として、一体的な円環状圧電体１１の上下両面に円周分割された駆動用電極３０が形成されている。そして円環状圧電体１１は円環を周回する方向Ｐに分極している。そして本発明の実施例に係る円環状圧電素子の製造方法では、圧電材料からなる円環状セラミックス焼結体を円環を周回する方向に分極させる手順に大きな特徴がある。

【0016】

概略的には、円環状セラミックス焼結体の上下一方の面に上記軸から放射方向に上面を横断する分極用電極を複数に形成し、その複数の分極用電極において、互いに隣接する分極用電極間に一方向の電界を印加することで圧電体を円周の一方向に分極させることとしている。以下では、基本的な分極手順を本発明の第１の実施例として挙げる。

【0017】

図３に第１の実施例の概略を示した。なお第１の実施例を含め、以下に挙げる各実施例では分極用電極２０を円環状セラミックス焼結体１０の上面１２に形成することとする。そして図３に示したように、第１の実施例に係る製造方法では一体的な円環状セラミックス焼結体（以下、円環状焼結体１０とも言う）の上面１２に二つの分極用電極（２１、２２）を劣角θ_１（あるいは優角θ_２）となるように形成し、その二つの分極用電極間（２１−２２）に電位差Ｖを与えることで、当該二つの電極間（２１−２２）の円周分割領域（１２１、１２２）に円周に沿った一方向の電界（Ｅ_１、Ｅ_２）を印加する。それによって劣角θ_１に対応する円周分割領域１２１と優角θ_２に対応する円周分割領域１２２のそれぞれが円周に沿うように分極する。またその分極方向は互いに反対となる。なお分極用電極（２１、２２）については銀ペーストなどを印刷によって形成してもよいし、焼結体１０の表面に固定せずに帯状の金属板を焼結体１０の上面１２に一時的に接触させることで形成してもよい。そして焼結体１０を分極させてなる圧電体の上下両面に駆動用電極を形成すれば図２に示したような円環状圧電素子１が完成する。円環状圧電素子１を駆動する際には、上下方向で対面する駆動用電極間（３０−３０）の電圧を分極の方向や分極の強度に応じて制御すればよい。

【0018】

＜分極状態＞
図３に示した第１の実施例に係る製造方法では、円環状焼結体１０の軸５０に対して半径方向に延長する二つの分極用電極（２１、２２）によって分極していた。そのため焼結体１０は劣角θ_１の円周分割領域１２１と、優角θ_２の円周分割領域１２２の二つの領域に分割され、それぞれの領域（１２１、１２２）では分極方向が互いに反対方向となる。また二つの円周分割領域（１２１、１２２）に印加される電界強度（Ｅ_１、Ｅ_２）は分極用電極間（２１−２２）の周方向の距離に反比例するため、劣角θ_１に対応する円周分割領域１２１の方が分極の強度が大きくなる。

【0019】

そこで第１の実施例のように、二つの分極用電極（２１−２２）を用いて円環状焼結体１０を分極させる際に劣角θ_１の円周分割領域１２１と優角θ_２の円周分割領域１２２のそれぞれに印加される電界強度をシミュレーションによって求めてみた。図４にそのシミュレーションの概略と結果を示した。図４（Ａ）はシミュレーションに用いた焼結体１０のサイズを示す図であり、当該焼結体１０は円環の外径φ_１＝１２ｍｍ、内径φ_２＝７ｍｍ、厚さ（以下、ｔ_１）＝０．４ｍｍの外形サイズを有し、二つの分極用電極（２１、２２）は、幅ｗ_１＝２．０ｍｍで劣角θ_１＝１２０°（優角θ_２＝２４０°）となる位置に形成されている。また二つの分極用電極間（２１−２２）に電位差Ｖ＝１Ｖを与えることとしている。そしてこの電位差Ｖにより劣角θ_１の円周分割領域１２１では円周に沿う所定の方向（ここでは時計回り）の電界Ｅ_１が印加され、優角θ_２の円周分割領域１２２では反時計回りの方向に電界Ｅ_２が印加される。

【0020】

図４（Ｂ）は上述した条件に基づいて行ったシミュレーションの結果を示す図である。ここでは電位差Ｖによる分極に際して焼結体１０に印加される電界強度を濃淡で表している。劣角θ_１および優角θ_２のそれぞれに対応する円周分割領域（１２１、１２２）では、同心円上に沿って同じ強度の電界（Ｅ_１、Ｅ_２）が印加されており、外周（１２１ｏ、１２２ｏ）側より内周（１２１ｉ、１２２ｉ）側の電界強度が大きくなっている。具体的には劣角θ_１の円周分割領域１２１における電界強度は、外周１２１ｏで８１．５Ｖ／ｍ、内周１２１ｉで１４０．０Ｖ／ｍとなる。一方優角θ_２の円周分割領域１２２における電界強度は、外周１２２ｏで４０．１Ｖ／ｍ、内周１２２ｉで６６．８Ｖ／ｍとなる。なお上下方向の電界強度は分極用電極（２１、２２）の直下以外では一様に０Ａ／ｍであり、上下方向には分極されないことが分かった。以上より第１の実施例に係る方法によって、円環の周方向に分極させることができ、圧電歪１５モードで駆動可能な円環状圧電体が得られることが確認できた。

【0021】

＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図３、図４に示したように、第１の実施例では二つの分極用電極（２１、２２）によって焼結体１０を円周に沿う方向に分極させていた。しかし二つの分極用電極（２１、２２）によって分極の方向や強度が異なる二つの円周分割領域（１２１、１２２）が形成されてしまう。そして焼結体１０を分極させた円環状圧電体の上下両面に駆動用電極を形成した圧電素子を駆動する際には、二つの円周分割領域（１２１、１２２）が協調して振動するように制御する必要がある。そこで第２の実施例として、円環状焼結体１０を全円周に亘って一方向に分極させるための手順を示す。

【0022】

図５に第２の実施例における分極手順を示した。まず図５（Ａ）に示したように、円環状焼結体１０に三つ以上の分極用電極（２１〜２４）を等角度間隔で形成する。この例ではθ＝９０°の角度ごとに四つの分極用電極（２１〜２４）を形成している。つぎに図５（Ｂ）に示したように、互いに隣接する二つの分極用電極（２１、２２）を選択し、その電極間（２１−２２）に電位差Ｖを与えて、当該二つの分極用電極間（２１−２２）の円周分割領域（１２１、１２２）を分極させる。ここでは劣角θ_１＝９０゜に対応する円周分割領域１２１に時計回り方向の強電界Ｅ_１が印加され、優角θ_２＝２７０゜に対応する円周分割領域１２２に反時計回りの方向に弱い電界Ｅ_２が印加される。ここで、このとき接地電位にした分極用電極２１を基準となる第１電極２１と称し、以下この第１電極２１に対して反時計回りにθ＝９０°ごとに形成されている分極用電極（２２〜２４）を順次第２電極２２、第３電極２３、および第４電極２４と称することとする。また円環状焼結体１０において、第１電極２１と第２電極２２との間の劣角θ_１＝９０°に対応する円周分割領域を第１領域１２１１とし、以後反時計回りに角度９０°ごとに区切られた領域を第２〜第４領域（１２１２〜１２１４）とする。

【0023】

そして第１領域１２１１とその優角θ_２に対応する領域１２２を分極したら、図５（Ｃ）に示したように、第３電極２３を高電位にして第２電極２２との間に電位差Ｖを与え、第２領域１２１２に時計回りの電界Ｅ_１を印加する。もちろんこの場合も優角θ_２に対応する領域１２２に反時計回りの電界Ｅ_２（＜Ｅ_１）が印加される。つぎに図５（Ｄ）（Ｅ）に示したように、同様にして第３領域１２１３と第４領域１２１４に時計回りの電界Ｅ_１を順次印加する。そしてこの時点で第１〜第４領域（１２１１〜１２１４）は、各領域（１２１１〜１２１４）に印加された時計回りの強い電界Ｅ１と、これらの領域（１２１１〜１２１４）において優角θ_２に対応する領域１２２に印加された反時計回りの弱い電界Ｅ_２との差分に相当する時計回りの電界によって分極される。すなわち図５（Ｅ）に示したように、第１〜第４領域（１２１１〜１２１４）が同じ方向に同じ強度Ｐで分極される。すなわち全円周に亘って同方向に分極された円環状圧電体１１が作製される。

【0024】

なお図５に示した分極手順では円周に沿って一方向に順番に二つの分極用電極（２１〜２４）を選択し、劣角θ_１に対応する第１〜第４領域（１２１１〜１２１４）とその優角θ_２に対応する円周分割領域１２２を順番に分極していたが、例えば第１領域１２１１に続いて第３領域１２１３を分極するなど円周に沿って順番に分極させる必要は無い。また各領域（１２１１〜１２１４）の分極回数は１回ずつでなくてもよい。いずれにしても各領域（１２１１〜１２１４）の分極回数が同じであればよい。もちろん分極用電極の数は四つに限らない。

【0025】

＝＝＝＝第３の実施例＝＝＝
第１および第２の実施例では、円環状焼結体を放射方向に連続して延長しつつ所定の角度を介して離間する二つの分極用電極間を用いて分極させていた。そのため図４にも示したように、焼結体１０の内周側から外周側に向かって（１２１ｉ→１２１ｏ、１２２ｉ→１２２ｏ）電界強度（Ｅ_１、Ｅ_２）が円環の軸５０からの距離に反比例して強くなっていく。そのため円環状焼結体の径方向の幅が広い場合、内周側と外周側に印加される電界強度の差が大きくなる。そこで円環状焼結体の外周側と内周側とに印加される電界強度の差を小さくできる分極手順を本発明の第３の実施例として挙げる。

【0026】

図６に第３の実施例における分極手順の概略を示した。図６に示したように、ここでは放射方向に延長する分極用電極（２１〜２４）が９０゜の角度間隔ごとに配置し、各分極用電極（２１〜２４）をさらに所定の半径ｒとなる位置で分割している。この例では、内周の半径ｒ_ｉと外周の半径ｒ_ｏとの中間の半径ｒを有する同心円１６上で分割している。それによって一つの分極用電極（２１〜２４）に外周側の分極用電極（以下、外周側分極用電極２１ｏ〜２４ｏとも言う）と内周側の分極用電極（以下、内周側分極用電極２１ｉ〜２４ｉとも言う）が形成される。

【0027】

そしてこれらの内周側と外周側の分極用電極（２１ｉ〜２４ｉ、２１ｏ〜２１ｏ）を用いて円環状焼結体１０を分極させる際には、例えば、図中で示したように互いに隣接する分極用電極（２１、２２）を用いるのであれば、外周側分極用電極（２１ｏ、２２ｏ）で区切られた外周側の円周分割領域１２１ｏに印加される電界強度Ｅｏと内周側分極用電極（２１ｉ、２２ｉ）で区切られた内周側の円周分割領域１２１ｉに印加される電界強度Ｅｉが同じになるように、外周側と内周側のそれぞれにおいて互いに隣接する二つの分極電極間（２１ｉ−２２ｉ、２１ｏ―２２ｏ）の電位差Ｖ_１とＶ_２を調整する。

【0028】

＝＝＝第４の実施例＝＝＝
上記第１〜第３の実施例では分極用電極を円環状焼結体の表面（ここでは上面）に形成していた。そのため分極用電極の直下では、図４（Ｂ）にも示したように上下方向にも電界が印加され、分極用電極の形成領域では上下方向の分極成分が残存する。その結果、圧電歪１５モードでの振動効率が低下する可能性がある。そこ円環状焼結体を周方向に一様に分極させる手順を第４の実施例として以下に説明する。図７に第４の実施例における分極手順の概略を示した。図７（Ａ）は円環状焼結体１０を上方から見たときの平面図である。ここでは４つの分極用電極２０がθ＝９０゜の角度間隔ごとに形成されている例を示した。図７の（Ｂ）と（Ｃ）は、ともに図７（Ａ）におけるａ−ａ斜視断面を示している。なお図７の（Ｂ）と（Ｃ）では分極用電極２０の構成が異なっている。

【0029】

第４の実施例では、そして図７の（Ｂ）と（Ｃ）に示したように、焼結体１０の上面１２おいて分極用電極２０が形成される位置に溝１３が形成されている。そしてその溝１３内に導電体（１２０ａ、１２０ｂ）を埋め込み、その導電体（１２０ａ、１２０ｂ）を分極用電極２０としている。なお図７（Ｂ）に示した例では、ブロック状の金属などからなる導電体１２０ａを溝１３内に嵌め込んで、上端が焼結体１０の上面１２から突出している。図７（Ｃ）に示した例では、溝１３内に導電体２０ｂとして銀ペーストを充填している。このように第４の実施例では焼結体１０の厚さ方向にも分極用電極２０を形成することで分極用電極２０の形成領域における上下方向の電界強度を低減させている。

【0030】

＝＝＝第５の実施例＝＝＝
上記第１〜第４の実施例では、周囲が連続する円環状焼結体に形成した二つの分極用電極を用いて当該焼結体を分極していた。そのため優角に対応する円周分割領域と劣角に対応する円周分割領域のそれぞれに互いに逆方向の電界が印加されていた。すなわち分極用電極間の電位差を用いて効率よく分極させることが難しかった。そこで第５の実施例としており効率よく分極させるための手順を挙げる。

【0031】

図８は第５の実施例における分極手順の概略を示す図である。図８（Ａ）は第５の実施例に用いる円環状焼結体１０の外観を示す図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）に示した円環状焼結体１０を分極させるときの電界の印加状態を示す図である。そして図８（Ａ）に示したように、円環状焼結体１０ｂは、その一部に切欠部１４が形成されており、この切欠が円環状焼結体１０に印加される電界を遮断するギャップとして機能する。図８（Ｂ）に示したように、円環状焼結体１０に形成された二つの分極用電極間（２０−２０）に電位差Ｖを与えたとき、切欠部（以下、ギャップ１４）を含む円周分割領域１２２では電界Ｅ_２が遮断される。それによって一方向にのみ電界Ｅ_１が印加され、効率的に円環状焼結体１０を分極させることができる。

【0032】

なお第５の実施例では、円環状焼結体の一部にギャップ１４が設けられているため、当該焼結体１０が薄い場合などでは強度不足が懸念される。そのような場合にはギャップ１４内に樹脂などの絶縁体を充填して補強すればよい。

【0033】

＝＝＝圧電特性＝＝＝
＜サンプル＞
上述した第１〜第５の実施例における方法によって製造される円環状圧電素子の特性を評価するために、上記各実施例の分極手順で得た円環状圧電体をサンプルとして作製した。ここで第１〜第５の実施例に対応するサンプルを順にサンプルａ〜ｅとする。また第５の実施例によって得た環状圧電体のギャップに樹脂を充填したサンプルをサンプルｆとして作製した。そして各サンプルの圧電特性を調べた。なお各サンプルの作製手順は分極の手順以外は一般的な圧電体の製造手順と同じである。

【0034】

＜サンプルの作製手順＞
図９にサンプルの作製手順を示した。図９に示したように、まず圧電材料をリング状に形成する。具体的にはＰＬＺＴなどの圧電材料を粉末状にした原材料をバインダを添加した上で型を用いて円環状の成形体にする。あるいは粉末状の原材料にバインダを添加してスラリー状にしたものを圧膜印刷技術により円環状の成形体にする（ｓ１）。第４および５の実施例に対応するサンプルｅ、サンプルｆについては、この成形工程（ｓ１）において溝やギャップを形成しておく。もちろん円環状焼結体に成形したあとにダイサーなどを用いた機械加工によって溝やギャップを形成してもよい。

【0035】

つぎに円環状に成形した圧電材料を３００℃〜５００℃の温度で１〜５時間程度加熱してバインダ成分が残渣しないよう完全に脱脂する（ｓ２）。そして１０００℃〜１３００℃の温度で成形体を焼成し、相対密度９５％以上の緻密化されたセラミックからなる円環状焼成体を作製する（ｓ３）。ついで上記第１〜第５の実施例のそれぞれの分極手順に応じて位置や形状が異なる分極用電極を円環状焼結体に設ける。なお分極用電極は、溝内に分極用電極を形成する第４の実施例に対応するサンプルｄ以外のサンプルでは、電極板を円環状焼結体の表面に接触させることで設ける（ｓ４→ｓ５）。サンプルｄについては溝内に銀ペーストを充填した後、これを加熱して溝内に焼き付けることで分極用電極を設けた（ｓ４→ｓ１０）。最後に分極用電極を用いて円環状焼成体に電界を印加して分極させる（ｓ５→ｓ６、ｓ１０→ｓ６）。分極時に二つの分極用電極間に電圧を印加する際には、分極させたい方向に平均して１ｋＶ／ｍの強度の電界が印加されるようにする。そして円環状焼結体の全周にわたって分極させれば円環状圧電体が完成する（ｓ７→ｓ８→終わり）。サンプルｄについては、分極後に溶剤を用いたり機械的に研磨したりするなどして銀ペーストからなる分極電極を除去した（ｓ７→ｓ８→ｓ９→終わり）。

【0036】

＜評価用素子について＞
上述した手順によって作製した各サンプルの圧電特性を測定するために、サンプルの一部を試料片として切り出し、その切り出した矩形平板状の試料片の表裏に特性評価用の電極を形成した。図１０に各サンプルの外形や試料片についての概略を示した。具体的には、図１０（Ａ）〜（Ｆ）のそれぞれに、サンプルａ〜ｆの外形やサンプル片の形状や切り出位置、および分極時の分極用電極の位置や形状を示した。各サンプルの外形は図１０（Ｃ）に示したサンプルｃが外径φ１＝５０ｍｍ、内径φ２＝２０ｍｍ であり、図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｄ）〜（Ｆ）に示した他のサンプルａ、ｂ、ｄ〜ｆは外径φ１＝５０ｍｍ、内径φ２＝４０ｍｍである。厚さｔ_１は全てのサンプルで０．２ｍｍである（図１０（Ｄ）参照）。分極用電極２０の幅ｗ１は各サンプル共通でｗ_１＝２ｍｍである。

【0037】

また図１０（Ｃ）に示したサンプルｃについては、内周から外周までの円環の幅ｗ_３を二等分する半径φ３＝３５ｍｍの同心円１６によって内周側分極用電極２０ｉと外周側分極用電極２０ｏに分割され、内周側分極用電極２０ｉと外周側分極用電極２０ｏとの間には幅ｗ_４＝０．５ｍｍの間隙が介在している。図１０（Ｄ）に示したサンプルｄは表面に溝が形成されており、このサンプルｄは図１０（Ｂ）に示したサンプルｂの分極用電極２０が配置される位置に深さｄ＝２ｍｍの溝１３が形成されて、その溝１３内に分極用電極２０として厚さｔ_２＝１ｍｍの銀ペースト１２０ｂが充填されている。

【0038】

分極用電極２０の配置については、図１０（Ａ）に示したサンプルａでは１２０゜の角度間隔を隔てて二つの分極用電極２０を設けているが、図１０（Ｂ）〜（Ｄ）に示したサンプルｂ〜ｄでは９０゜の角度ごとに４カ所に分極用電極２０を設けている。図１０の（Ｅ）と（Ｆ）のそれぞれに示したサンプルｅとサンプルｆでは、ギャップ１４の両側に他と同様の幅ｗ_１＝２ｍｍの分極用電極２０ｇが形成されているとともに、ギャップ１４の形成位置から９０゜の角度ごとに３カ所に分極用電極２０が設けられている。

【0039】

そして図１０の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｆ）に示したように、各サンプルについて所定の位置から長さＬ＝１０ｍｍ、幅ｗ_２＝２．５ｍｍの試験片２００を分極後の円環状焼結体１０の厚さｔ_１＝０．２ｍｍにわたって切り出した。図１０（Ｄ）に示したサンプルｄは図１０（Ｂ）に示したサンプルｂと同じ位置から試験片２００を切り出した。そして各サンプルの特性を評価するために切り出した試験片２００の上面と下面に塗布した銀ペーストを焼き付けてなる電極を形成して圧電素子（以下、評価用素子とも言う）を作製した。図１１に評価用素子２２０の概略を示した。サンプルａ〜ｆから切り出した矩形平板状の試験片２００の上下両面に電極２１０を形成している。そして評価用素子２２０における分極方向Ｐは矩形の平面形状における長辺方向に分極している。また各サンプルとの特性を比較するための基準となる試料として試験片２００と同じ大きさの焼結体を分極させてなる圧電素子（以下、比較用素子とも言う）も用意した。図１２に比較用素子の作製手順の概略を示した。試験片と同じ矩形平面形状を有する焼結体３１０の短辺側の端面に分極用電極３２０を形成し、この電極間（３２０−３２０）間に与えた電位差Ｖによって焼結体３１０の長辺方向に電界Ｅを印加して分極させる。そして分極用電極３２０を除去し、評価用素子と同様に分極後の焼結体３１０の上下両面に電極を形成して比較用素子を完成させた。

【0040】

＜特性評価＞
上述したように作製した各サンプルａ〜ｆに対応する評価用素子と比較用素子の圧電特性を調べた。以下の表１に各サンプルの圧電特性を示した。

【0041】

【表1】

表１ではサンプルａ〜ｆのそれぞれに対応する評価用素子ａ〜ｆと、比較用素子ｇの圧電特性として、電気機械結合係数ｋ_１５、機械的品質係数Ｑｍ、および比誘電率ε_ｒ^１１を示した。これらの特性の中で最も重要なのは圧電歪１５モードで駆動する際の電気エネルギーと機械エネルギーの変換効率の指標となる電気機械結合係数ｋ_１５である。なお比較用素子ｇは最も理想的な状態で焼結体を分極させたものであり、評価用素子ａ〜ｆのｋ１５の値は原理的に比較用素子ｇには及ばない。しかし本発明の目的は圧電歪１５モードで駆動できる円環状圧電素子をより簡素により安価に製造するための方法を提供することであり、実用的に問題がない程度の圧電特性を有していればよい。

【0042】

そして表１に示したように、評価用素子ａ〜ｆのｋ_１５はいずれも比較用素子の８０％以上の値を有し、充分に実用的な特性を有している。しかもＱｍについては全ての評価用素子で比較用素子を上回っている。またε_ｒ^１１についてはほぼ同等の特性が得られた。以上により本発明の実施例に係る方法では圧電歪１５モードで駆動する実用的な円環状圧電素子をより安価に製造することが可能となる。

【符号の説明】

【0043】

１，１００ 円環状圧電素子、１０ 円環状セラミックス焼結体、１１ 円環状圧電体、１３ 溝 １４ ギャップ、１５ 補強材、
２０，２１〜２４，２０ｇ，１２０，３２０ 分極用電極、３０，１３０ 駆動用電極、
２０ｉ，２１ｉ〜２４ｉ 内周側分極用電極、
２０ｏ，２１ｏ〜２４ｏ 外周側分極用電極、１１０ 扇状焼結体、
１１１ 扇状圧電体、１２１，１２２，１２１１〜１２１４ 円周分割領域、
２００ 試験片、２２０ 評価用素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】