JP2015076420A - 分極方向検査方法、分極方向検査装置及び圧電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、分極処理された素子の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる分極方向検査方法を提供する。【解決手段】圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、圧電素子の静電容量を測定する第１ステップと、圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、圧電素子の静電容量を測定する第２ステップと、第１ステップで得られた第１測定値と、第２ステップで得られた第２測定値とを比較し、第１測定値に対する第２測定値の高低に基づいて、圧電素子の分極方向を判別する。【選択図】図４

Description

本発明は、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の分極方向を判別する分極方向検査方法及び分極方向検査装置、並びに圧電素子の製造方法に関する。

従来、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の分極方向を判別する方法として、以下の方法が採用されてきた。

一般に、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子である、分極処理された圧電素子に分極方向と同じ方向に電界を印加すると、圧電素子のｄ３１方向（電界の方向と直交する方向）は逆圧電効果によって収縮し、逆方向に電界を印加すると、ｄ３１方向は伸張する。そこで、分極処理された圧電素子に対して、任意の方向に矩形あるいはサイン波等の交流電界を印加し、その電界の方向に対する圧電素子の歪み状態を測定することで、分極方向を判別するようにしている。なお、圧電トランスの分極方向を検査する方法として、特許文献１に記載がある。

特開２００３−０５１６２８号公報

しかしながら、従来の方法は、その前提として、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の歪量を測定するために、レーザードップラー振動計等の大掛かりな装置が必要になる。また、正確に歪量を測定するために、素子を基台等に接着剤で固定する必要があり、結果的に破壊検査になる。破壊検査の場合は、抜取り検査方式を採用するしかなく、全数保証を確保できないという問題がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる分極方向検査方法及び分極方向検査装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、分極方向が判明した圧電効果（逆圧電効果）を有する素子、あるいは分極方向がそれぞれ同じ方向とされた圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を製造することができ、分極方向が保証された圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を市場に供給することができる圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の製造方法を提供することができる。

［１］ 第１の本発明に係る分極方向検査方法は、素子の分極方向を判別する分極方向検査方法であって、前記素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定ステップと、得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記素子の分極方向を判別する判別ステップとを有することを特徴とする。

これにより、精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる。

［２］ 第１の本発明において、前記測定ステップは、少なくとも２条件での前記測定を連続して行ってもよい。

［３］ 第１の本発明において、少なくとも前記測定ステップは、１０℃以上の温度変化がない環境で行うことが好ましい。

［４］ 第１の本発明において、前記素子は、分極処理された圧電素子であってもよい。

［５］ ［４］において、前記測定ステップは、前記圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第１ステップと、前記圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第２ステップと、を有し、前記判別ステップは、前記第１ステップで得られた第１測定値と、前記第２ステップで得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記圧電素子の分極方向を判別することを特徴とする。

これにより、精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、分極処理された圧電素子の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる。しかも、実質的にバイアス電界を１回だけ印加した静電容量測定を追加するだけであるため、短時間で判定することができる。

［６］ この場合、前記第２ステップで前記圧電素子に印加する前記バイアス電界は、前記圧電素子の抗電界の８０％以下であることが好ましい。圧電素子の分極状態に影響を与えることがなく、バイアス電界の印加を止めた段階で、バイアス電界が０ｋＶ／ｍｍの時点の分極状態に戻る。圧電素子に抗電界の８０％以上のバイアス電界を印加すると、圧電素子が再分極あるいは脱分極する等して、バイアス電界が０ｋＶ／ｍｍで測定した時の分極状態から大きく変化するため、バイアス電界方向に対する分極方向を判別することができない。

［７］ また、前記測定ステップは、前記第１ステップを行った後に前記第２ステップを行うようにしている。従来、第１ステップのみで圧電素子が分極処理されたかどうかを判定していた工程で、連続して第２測定値を確認することができるため、大掛かりな工程変更を必要としない。

［８］ ［５］において、前記測定ステップは、前記圧電素子を分極処理した後に、前記圧電素子が分極処理されたかどうかを判定するための静電容量測定装置を兼用して行ってもよい。

［９］ 第２の本発明に係る分極方向検査装置は、分極処理された圧電素子の分極方向を判別する分極方向検査装置であって、前記圧電素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定部と、得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記圧電素子の分極方向を判別する判別部とを有することを特徴とする。

［１０］ この場合、さらに、静電容量測定手段と、電界印加手段とを有し、前記測定部は、前記静電容量測定手段及び前記電界印加手段を制御して、前記圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第１静電容量測定部と、前記静電容量測定手段及び前記電界印加手段を制御して、前記圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第２静電容量測定部と、を有し、前記判別部は、前記第１静電容量測定部にて得られた第１測定値と、前記第２静電容量測定部で得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記圧電素子の分極方向を判別してもよい。

［１１］ さらに、前記圧電素子の一対の電極のうち、特定の電極を検出する電極検出部を有し、前記第２静電容量測定部は、前記特定の電極を基準に、前記一対の電極間に一定方向の前記バイアス電界を印加してもよい。

［１２］ この場合、前記一対の電極のうち、一方の電極に方向識別マークが施され、前記電極検出部は、前記方向識別マークを画像認識し、認識した前記方向識別マークに対応した電極を前記特定の電極として検出してもよい。

［１３］ あるいは、前記圧電素子の上面に形成された電極と、前記圧電素子の下面に形成された電極とで前記一対の電極とされ、前記電極検出部は、検査工程に投入された前記圧電素子の上面に位置する電極を、前記特定の電極として検出してもよい。

［１４］ 第３の本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電素子を作製する工程と、前記圧電素子を分極処理する工程と、分極処理された前記圧電素子の分極方向を判別する分極方向検査工程とを有する圧電素子の製造方法であって、前記分極方向検査工程は、前記圧電素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定ステップと、得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記圧電素子の分極方向を判別する判別ステップとを有することを特徴とする。

これにより、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子、あるいは分極方向がそれぞれ同じ方向とされた圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を製造することができ、分極方向が保証された圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を市場に供給することができる。

［１５］ 第３の本発明において、前記測定ステップは、前記圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第１ステップと、前記圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第２ステップと、を有し、前記判別ステップは、前記第１ステップで得られた第１測定値と、前記第２ステップで得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記圧電素子の分極方向を判別してもよい。

上述したように、本発明に係る分極方向検査方法及び分極方向検査装置によれば、精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる。

また、本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、圧電効果（逆圧電効果）を有する素子、あるいは分極方向がそれぞれ同じ方向とされた圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を製造することができ、分極方向が保証された圧電効果（逆圧電効果）を有する素子を市場に供給することができる。

図１Ａは円盤状の圧電素子を示す斜視図であり、図１Ｂは矩形状の圧電素子を示す斜視図であり、図１Ｃは、一方の電極に方向識別マークを形成した圧電素子を示す斜視図である。 図２Ａはセラミックス強誘電体で代表的な結晶構造であるペロブスカイト構造を有する結晶の単位格子（結晶格子）を模式的に示す斜視図であり、図２Ｂは図２Ａの結晶格子を正面からみた図である。 図３Ａは分極処理されていない圧電素子を示す模式図であり、図３Ｂは分極処理された圧電素子の分極方向を示す模式図であり、図３Ｃは分極方向と同方向にバイアス電界を印加した状態を示す模式図であり、図３Ｄは分極方向と逆方向にバイアス電界を印加した状態を示す模式図である。 本実施の形態に係る分極方向検査方法を示すフローチャートである。 圧電素子に印加するバイアス電界に対する静電容量値の変化を示すグラフである。 本実施の形態に係る分極方向検査装置を示すブロック図である。 分極方向検査装置の処理動作を示すフローチャートである。 分極方向検査装置の変形例を示すブロック図である。 図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電素子の分極方向を判別する場合の使用例を示す説明図である。 本実施の形態に係る圧電素子の製造方法を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る分極方向検査方法、分極方向検査装置及び圧電素子の製造方法の実施の形態例を図１Ａ〜図１０を参照しながら説明する。なお、本明細書において数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む意味として使用される。

本実施の形態に係る分極方向検査方法は、分極処理された圧電素子の分極方向を判別する。

先ず、図１Ａ〜図１Ｃに示すように、圧電素子１０は、ペロブスカイト構造等から構成された素子本体１２と、素子本体１２の例えば上面及び下面に形成された一対の電極１４ａ及び１４ｂとを有する。形状としては、図１Ａに示す円盤形状や図１Ｂに示す矩形形状等が挙げられる。もちろん、図１Ｃに示すように、素子本体１２を積層構造にして、一対の電極１４ａ及び１４ｂをくし歯状に形成してもよい。この場合、素子本体１２の上面に一対の電極１４ａ及び１４ｂが現れるように形成し、そのうちの一方の電極１４ａに方向識別マーク１６を形成してもよい。

素子本体１２を構成するペロブスカイト構造は、一般に、ＡＢＸ₃という組成式で表され、ＢａＴｉＯ₃等の酸化物が挙げられる。

ペロブスカイト構造を有する結晶の単位格子（以下、単に結晶格子１８という）は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、立方晶系の単位構造を持ち、８つの頂点にＡサイトの陽イオン（Ａサイトイオン１００と記す）が存在し、６つの面の中心にＸサイトの陰イオン（Ｘサイトイオン１０２と記す）が存在し、結晶格子１８のほぼ中心にＢサイトの陽イオン（Ｂサイトイオン１０４と記す）が存在する。Ａサイトイオン１００とＸサイトイオン１０２は同程度の大きさを有し、Ｂサイトイオン１０４はＡサイトイオン１００よりも小さなサイズを有する。ＢａＴｉＯ₃を例にすると、Ａサイトイオン１００がＢａ²⁺イオンであり、Ｘサイトイオン１０２がＯ^2-イオンであり、Ｂサイトイオン１０４がＴｉ⁴⁺イオンである。そして、Ｂサイトイオン１０４は、Ａサイトイオン１００よりもサイズが小さいため、温度や電界の影響を受けて、中心１０６からずれた位置に存在し得ることになる。そして、結晶格子１８のうち、Ｂサイトイオン１０４（陽イオン）が存在する側（図２Ｂでは上側）の電荷が“＋”リッチ側となり、反対側（図２Ｂでは下側）の電荷が“−”リッチ側となる。図２Ａに示すように、結晶格子１８の長軸方向がｃ軸、短軸方向がａ軸と称されている。以下の説明では、ｃ軸の長さとａ軸の長さの比をｃ／ａと記す。

ここで、本実施の形態に係る分極方向検査方法について図３Ａ〜図５を参照しながら説明する。なお、図３Ａ〜図３Ｄにおいて、結晶格子１８中の「＋」は“＋”リッチ側を示し、「−」は“−”リッチ側を示す。

先ず、図３Ａに模式的に示すように、分極処理されていない圧電素子１０は、各結晶格子１８の例えば“＋”リッチ側の向きがばらばらとなっている。この状態から、図３Ｂに示すように、圧電素子１０の例えば一方の電極１４ａに正電位、他方の電極１４ｂに負電位を印加して圧電素子１０を分極処理すると、各結晶格子１８は一方の電極１４ａ側に“−”リッチ側が揃い、他方の電極１４ｂ側に “＋”リッチ側が揃うこととなる。このときの分極方向は他方の電極１４ｂから一方の電極１４ａに向かう方向である。

そして、図４のステップＳ１において、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂを印加しない状態で、圧電素子１０の静電容量を測定して静電容量値Ｃ１を得る。つまり、分極処理した状態での圧電素子１０の静電容量が測定される。この測定では、圧電素子１０を分極処理した後に、圧電素子１０が設計どおり分極処理されたかどうかを判定するための静電容量測定装置を使用（兼用）して行うようにしてもよい。

その後、ステップＳ２において、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂを印加した状態で、圧電素子１０の静電容量を測定して静電容量値Ｃ２を得る。このとき、図３Ｃに示すように、一方の電極１４ａに正電位が印加され、他方の電極１４ｂに負電位が印加されることになる。つまり、方向が分極方向と同じ方向（上向き）のバイアス電界Ｅｂが印加される。この場合、結晶格子１８中のＢサイトイオン１０４が、結晶格子１８の中心１０６からさらに離れる方向に、バイアス電界Ｅｂの強さに応じた分だけ歪む（逆圧電効果）ことから、結晶格子１８内の格子間距離が変化し、ｃ／ａが大きくなって、見かけ上、誘電率が下がり、静電容量値が低くなると考えられる。結果的にステップＳ１で得られた静電容量値Ｃ１よりも低い静電容量値Ｃ２を得る。このステップＳ２において、圧電素子１０に印加するバイアス電界Ｅｂは、圧電素子１０の分極状態に影響を与えない程度のバイアス電界Ｅｂを印加することが好ましい。従って、バイアス電界Ｅｂとしては、圧電素子１０の抗電界の８０％以下であることが好ましく、例えば０．１〜１ｋＶ／ｍｍが挙げられる。

その後、図４のステップＳ３において、ステップＳ１で得られた静電容量値Ｃ１と、ステップＳ２で得られた静電容量値Ｃ２とを比較し、静電容量値Ｃ１に対する静電容量値Ｃ２の高低とバイアス電界方向とに基づいて、圧電素子１０の分極方向を判別する。この例では、静電容量値Ｃ２が静電容量値Ｃ１よりも低いことから、分極方向が電界の方向と同じ上向きであるとして判別される。

上述したステップＳ２において、図３Ｄに示すように、一方の電極１４ａに負電位を印加し、他方の電極１４ｂに正電位を印加した場合、つまり、方向が分極方向と反対方向（下向き）のバイアス電界Ｅｂを印加した場合は、結晶格子１８中のＢサイトイオン１０４が、結晶格子１８の中心１０６に向かってバイアス電界Ｅｂの強さに応じた分だけ歪む（逆圧電効果）ことから、結晶格子１８内の格子間距離が変化し、ｃ／ａが小さくなって、見かけ上、誘電率が大きくなり、静電容量値が高くなると考えられる。結果的にステップＳ１で得られた静電容量値Ｃ１よりも高い静電容量値Ｃ２を得る。

従って、次のステップＳ３では、静電容量値Ｃ２が静電容量値Ｃ１よりも高いことから、分極方向が電界の方向とは反対方向の下向きであるとして判別される。

このように、本実施の形態に係る分極方向検査方法においては、精度向上のために破壊検査を行う必要がなく、分極処理された圧電素子１０の分極方向を容易に判別することができ、全数保証を確保することができる。

実質的にバイアス電界Ｅｂを１回だけ印加した静電容量測定を追加するだけであるため、短時間で判定することができる。しかも、バイアス電界Ｅｂは、圧電素子１０の抗電界の８０％以下であるため、圧電素子１０の分極状態に影響を与えることがなく、バイアス電界Ｅｂの印加を止めた段階で、分極処理された時点の分極状態に戻る。また、ステップＳ１を行った後にステップＳ２を行うようにしたので、ステップＳ１において、圧電素子１０が設計どおり分極処理されたかどうかを判定する際に、同時に静電容量値Ｃ１を確認することができ、工程の簡略化を図ることができる。

さらに、少なくともステップＳ１及びステップＳ２において、１０℃以上の温度変化がない環境で行うことで、正確に分極方向を判別することができ、好ましい。

［実験例］
ここで、１つの実験例を示す。この実験例では、圧電素子１０として、図１Ｃに示す圧電素子１０を用い、この圧電素子１０に対して分極方向が他方の電極１４ｂから一方の電極１４ａに向かう方向の分極処理を行った。その後、分極方向検査装置２０を使用して、バイアス電界Ｅｂを以下の［１］、［２］及び［３］の順番で印加したときの静電容量の変化（静電容量値の変化量）を確認した。静電容量の測定結果を図５に示す。
［１］：０．０ｋＶ／ｍｍ→０．１ｋＶ／ｍｍ→０．２ｋＶ／ｍｍ→０．３ｋＶ／ｍｍ
［２］：０．３ｋＶ／ｍｍ→０．２ｋＶ／ｍｍ→０．１ｋＶ／ｍｍ→０．０ｋＶ／ｍｍ→−０．１ｋＶ／ｍｍ→−０．２ｋＶ／ｍｍ→−０．３ｋＶ／ｍｍ
［３］：−０．３ｋＶ／ｍｍ→−０．２ｋＶ／ｍｍ→−０．１ｋＶ／ｍｍ→０．０ｋＶ／ｍｍ

図５から、バイアス電界Ｅｂがプラスの領域の静電容量値Ｃ２は、バイアス電界Ｅｂが０．０ｋＶ／ｍｍでの静電容量値Ｃ１よりも低く、バイアス電界Ｅｂがマイナスの領域の静電容量値Ｃ２は、バイアス電界Ｅｂが０．０ｋＶ／ｍｍでの静電容量値Ｃ１よりも高くなっている。図５の例では、−０．３ｋＶ／ｍｍ〜＋０．３ｋＶ／ｍｍの範囲で、Ｃ２＝（１００％＋４％〜１００％−４％）×Ｃ１が成り立ち、分極方向の判別が可能である。

このように、バイアス電界Ｅｂを印加しない状態（バイアス電界Ｅｂ＝０．０ｋＶ／ｍｍ）での圧電素子１０の静電容量値Ｃ１と、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂを印加した状態での圧電素子１０の静電容量値Ｃ２との高低を比較することで、容易に分極方向を測定することができることがわかる。

次に、上述した本実施の形態に係る分極方向検査方法を実現する分極方向検査装置２０について図６を参照しながら説明する。なお、圧電素子１０として、例えば図１Ｃに示すように、素子本体１２の上面に一対の電極（一方の電極１４ａ及び他方の電極１４ｂ）が現れるように形成され、そのうちの一方の電極１４ａに方向識別マーク１６が形成された圧電素子１０を使用する場合を想定する。また、圧電素子１０に対する分極処理において、正常な分極処理であれば、分極方向が他方の電極１４ｂから一方の電極１４ａに向かう方向としている。

先ず、分極方向検査装置２０は、図６に示すように、図示しない検査台あるいはトレイに載置された圧電素子１０を撮像するカメラ２２と、圧電素子１０の静電容量を測定する静電容量測定装置２４（ＬＣＲメータ）と、圧電素子１０に対してバイアス電界Ｅｂを印加するＤＣ電源２６と、少なくともカメラ２２、静電容量測定装置２４及びＤＣ電源２６を制御する制御部２８とを有する。

制御部２８は、圧電素子１０の一対の電極１４ａ及び１４ｂのうち、特定の電極を検出する電極検出部３０と、圧電素子１０の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定部３２と、得られた少なくとも２つの測定値を比較して圧電素子１０の分極方向を判別する判別部３４とを有する。

電極検出部３０は、方向識別マーク１６（図１Ｃ参照）を画像認識し、認識した方向識別マーク１６に対応した電極（この例では、一方の電極１４ａ）を特定の電極として検出する。

測定部３２は、圧電素子１０をバイアス電界Ｅｂ＝０ｋＶ／ｍｍの状態、すなわち、バイアス電界Ｅｂを印加しない状態で、圧電素子１０の静電容量を測定する第１静電容量測定部３６Ａと、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂ＝０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、圧電素子１０の静電容量を測定する第２静電容量測定部３６Ｂと、第１静電容量測定部３６Ａ及び第２静電容量測定部３６Ｂでの測定値を一時的に記憶するメモリ３８とを有する。

判別部３４は、第１静電容量測定部３６Ａにて得られた静電容量値Ｃ１と、第２静電容量測定部３６Ｂで得られた静電容量値Ｃ２とを比較し、静電容量値Ｃ１に対する静電容量値Ｃ２の高低とバイアス電界方向とに基づいて、圧電素子１０の分極方向を判別する。

ここで、分極方向検査装置２０での処理動作を図７のフローチャートを参照しながら説明する。

先ず、図７のステップＳ１０１において、電極検出部３０は、カメラ２２を駆動制御して、図示しない検査台あるいはトレイに載置された圧電素子１０を撮像し、方向識別マーク１６（図１Ｃ参照）の位置を画像認識する。電極検出部３０は、画像認識した方向識別マーク１６に対応した電極（一方の電極１４ａ）を特定の電極として検出する。画像認識は、オペレータが表示装置の画面に表示される画像を見ながら、カメラ２２を操作して方向識別マーク１６の位置を検出（手動）してもよいし、撮像画像のうち、方向識別マーク１６の画像と一致する画像をパターンマッチングを用いて自動的に検出してもよい。

ステップＳ１０２において、第１静電容量測定部３６Ａは、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂを印加していない状態で、圧電素子１０の静電容量を測定する。具体的には、第１静電容量測定部３６Ａは、静電容量測定装置２４を制御して、一対のプローブピン４０ａ及び４０ｂ（図６参照）を、圧電素子１０の一対の電極１４ａ及び１４ｂに接触させて、圧電素子１０の静電容量を測定する。第１静電容量測定部３６Ａは、このときの静電容量値を静電容量値Ｃ１としてメモリ３８に記憶する。

ステップＳ１０３において、第２静電容量測定部３６Ｂは、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂを印加した状態で、圧電素子１０の静電容量を測定する。具体的には、第２静電容量測定部３６Ｂは、ＤＣ電源２６を駆動制御して、圧電素子１０の一対の電極１４ａ及び１４ｂ間にバイアス電界Ｅｂを印加する。このとき、例えば方向識別マーク１６に対応する一方の電極１４ａが正電位、他方の電極１４ｂが負電位となるように印加する。そして、第２静電容量測定部３６Ｂは、圧電素子１０にバイアス電界Ｅｂが印加されている状態で、ステップＳ１０２と同様にして、静電容量測定装置２４を使用して圧電素子１０の静電容量を測定し、このときの静電容量値を静電容量値Ｃ２としてメモリ３８に記憶する。

ステップＳ１０４において、判別部３４は、メモリ３８から静電容量値Ｃ１及び静電容量値Ｃ２を読み出して、これら静電容量値Ｃ１と静電容量値Ｃ２とを比較し、静電容量値Ｃ１に対する静電容量値Ｃ２の高低とバイアス電界方向とに基づいて、圧電素子１０の分極方向を判別する。判別部３４は、上述したように、静電容量値Ｃ２が静電容量値Ｃ１よりも低ければ、分極方向が他方の電極１４ｂから一方の電極１４ａに向かう方向として判別し、正常に分極処理がされているものと判定する。

上述した分極方向検査装置２０では、静電容量測定装置２４及びＤＣ電源２６を用いた例を示したが、その他、図８の変形例に係る分極方向検査装置２０ａに示すように、静電容量測定装置２４及びＤＣ電源２６に代えて、バイアス電界印加手段と静電容量測定手段とを兼ね備えたインピーダンスアナライザ４２を用いてもよい。この場合、分極方向検査装置２０の装置構成の簡単化と静電容量以外の電気特性、例えば共振周波数での判別もできる。

また、圧電素子１０として、図１Ａ及び図１Ｂに示す圧電素子１０を使用する場合は、電極検出部３０は、検査工程に投入された圧電素子１０の上面に位置する一方の電極１４ａを、特定の電極として検出してもよい。この場合、図９に示すように、上面に共通電極４４が形成された基台４６を使用することが好ましい。すなわち、圧電素子１０の検査工程への投入の際に、基台４６の共通電極４４上に、圧電素子１０を載置して、圧電素子１０の他方の電極１４ｂと共通電極４４とを接触させ、共通電極４４からＤＣ電源２６の例えばマイナス側端子とを配線接続する。また、圧電素子１０の静電容量を測定するときは、静電容量測定装置２４の一方のプローブピン４０ａを圧電素子１０の一方の電極１４ａに接触させ、他方のプローブピン４０ｂを共通電極４４に接触させればよい。

次に、本実施の形態に係る圧電素子の製造方法について図１０を参照しながら説明する。

先ず、図１０のステップＳ２０１において、素子本体１２に一対の電極１４ａ及び１４ｂを形成して圧電素子１０を作製する。その後、ステップＳ２０２において、一対の電極１４ａ及び１４ｂのうち、例えば一方の電極１４ａに例えばレーザ等を用いて孔を形成して方向識別マーク１６としても良く、上述の一対の電極１４ａ及び１４ｂを形成する際に、スクリーン印刷法を用いる等して、方向識別マーク１６を予め形成しても良い。このステップＳ２０２は、圧電素子１０が図１Ａや図１Ｂのタイプであれば、省略してもよい。

ステップＳ２０３において、圧電素子１０を分極処理する。この場合、正常な分極処理の分極方向を例えば他方の電極１４ｂから一方の電極１４ａに向かう方向とする。そして、ステップ２０４において、上述した本実施の形態に係る分極方向検査方法を用いて分極処理済みの圧電素子１０の分極方向を判別する。

その後、ステップＳ２０５において、分極方向が正常な圧電素子と正常でない圧電素子を振り分ける。正常でない圧電素子は、ステップＳ２０６において、不良品として一旦回収される。そして、不良品として回収された圧電素子を、再度ステップＳ２０３において正しい方向で再分極処理した後、ステップＳ２０４以降の処理を繰り返す。

このように、本実施の形態に係る圧電素子の製造方法においては、分極方向が判明した圧電素子１０、あるいは分極方向がそれぞれ同じ方向とされた圧電素子１０を製造することができ、分極方向が保証された圧電素子１０を市場に供給することができる。しかも、一旦、ＮＧとされた圧電素子１０に対して再度分極処理を行った後、分極方向検査を行うようにしたので、歩留まりの向上も図ることができ、圧電素子１０の生産性を上げることができる。

上述の例では、主に圧電素子１０の静電容量を２条件で測定し、得られた２つの測定値を比較して圧電素子１０の分極方向を判別したが、その他、圧電素子１０に限らず、素子の共振周波数を２条件で測定し、得られた２つの測定値を比較して素子の分極方向を判別してもよい。

なお、本発明に係る分極方向検査方法、分極方向検査装置及び圧電素子の製造方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…圧電素子 １２…素子本体
１４ａ、１４ｂ…一対の電極 １４ａ…一方の電極
１４ｂ…他方の電極 １６…方向識別マーク
１８…単位格子 ２０…分極方向検査装置
２２…カメラ ２４…静電容量測定装置
２６…ＤＣ電源 ２８…制御部
３０…電極検出部 ３２…測定部
３４…判別部 ３６Ａ…第１静電容量測定部
３６Ｂ…第２静電容量測定部 ４２…インピーダンスアナライザ
Ｃ１、Ｃ２…静電容量値 Ｅｂ…バイアス電界

Claims (15)

1. 素子の分極方向を判別する分極方向検査方法であって、
   前記素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定ステップと、
   得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記素子の分極方向を判別する判別ステップとを有することを特徴とする分極方向検査方法。
2. 請求項１記載の分極方向検査方法において、
   前記測定ステップは、少なくとも２条件での前記測定を連続して行うことを特徴とする分極方向検査方法。
3. 請求項１又は２記載の分極方向検査方法において、
   少なくとも前記測定ステップは、１０℃以上の温度変化がない環境で行うことを特徴とする分極方向検査方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の分極方向検査方法において、
   前記素子は、分極処理された圧電素子であることを特徴とする分極方向検査方法。
5. 請求項４記載の分極方向検査方法において、
   前記測定ステップは、
   前記圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第１ステップと、
   前記圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第２ステップと、を有し、
   前記判別ステップは、前記第１ステップで得られた第１測定値と、前記第２ステップで得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記圧電素子の分極方向を判別することを特徴とする分極方向検査方法。
6. 請求項５記載の分極方向検査方法において、
   前記第２ステップで前記圧電素子に印加する前記バイアス電界は、前記圧電素子の抗電界の８０％以下であることを特徴とする分極方向検査方法。
7. 請求項５又は６記載の分極方向検査方法において、
   前記測定ステップは、前記第１ステップを行った後に前記第２ステップを行うことを特徴とする分極方向検査方法。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の分極方向検査方法において、
   前記測定ステップは、前記圧電素子を分極処理した後に、前記圧電素子が分極処理されたかどうかを判定するための静電容量測定装置を兼用して行うことを特徴とする分極方向検査方法。
9. 分極処理された圧電素子の分極方向を判別する分極方向検査装置であって、
   前記圧電素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定部と、
   得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記圧電素子の分極方向を判別する判別部とを有することを特徴とする分極方向検査装置。
10. 請求項９記載の分極方向検査装置において、
    さらに、静電容量測定手段と、電界印加手段とを有し、
    前記測定部は、
    前記静電容量測定手段及び前記電界印加手段を制御して、前記圧電素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第１静電容量測定部と、
    前記静電容量測定手段及び前記電界印加手段を制御して、前記圧電素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記圧電素子の静電容量を測定する第２静電容量測定部と、を有し、
    前記判別部は、
    前記第１静電容量測定部にて得られた第１測定値と、前記第２静電容量測定部で得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記圧電素子の分極方向を判別することを特徴とする分極方向検査装置。
11. 請求項１０記載の分極方向検査装置において、
    さらに、前記圧電素子の一対の電極のうち、特定の電極を検出する電極検出部を有し、
    前記第２静電容量測定部は、前記特定の電極を基準に、前記一対の電極間に一定方向の前記バイアス電界を印加することを特徴とする分極方向検査装置。
12. 請求項１１記載の分極方向検査装置において、
    前記一対の電極のうち、一方の電極に方向識別マークが施され、
    前記電極検出部は、前記方向識別マークを画像認識し、認識した前記方向識別マークに対応した電極を前記特定の電極として検出することを特徴とする分極方向検査装置。
13. 請求項１１記載の分極方向検査装置において、
    前記圧電素子の上面に形成された電極と、前記圧電素子の下面に形成された電極とで前記一対の電極とされ、
    前記電極検出部は、検査工程に投入された前記圧電素子の上面に位置する電極を、前記特定の電極として検出することを特徴とする分極方向検査装置。
14. 圧電素子を作製する工程と、
    前記圧電素子を分極処理する工程と、
    分極処理された前記圧電素子の分極方向を判別する分極方向検査工程とを有する圧電素子の製造方法であって、
    前記分極方向検査工程は、
    前記圧電素子の電気的特性を少なくとも２条件で測定する測定ステップと、
    得られた少なくとも２つの測定値を比較して前記圧電素子の分極方向を判別する判別ステップとを有することを特徴とする圧電素子の製造方法。
15. 請求項１４記載の圧電素子の製造方法において、
    前記測定ステップは、
    前記素子をバイアス電界０ｋＶ／ｍｍの状態で、前記素子の静電容量を測定する第１ステップと、
    前記素子にバイアス電界０．１〜１ｋＶ／ｍｍを印加した状態で、前記素子の静電容量を測定する第２ステップと、を有し、
    前記判別ステップは、前記第１ステップで得られた第１測定値と、前記第２ステップで得られた第２測定値とを比較し、前記第１測定値に対する前記第２測定値の高低とバイアス電界方向とに基づいて、前記素子の分極方向を判別することを特徴とする圧電素子の製造方法。

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