JPWO2019054336A1 - 圧電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

圧電体基板片（２０）を分極処理して圧電素子（１０）を製造する圧電素子の製造方法において、圧電体基板片（２０）を平板状の微粘着シート（３０）上に保持する第１ステップと、微粘着シート（３０）上に保持された圧電体基板片（２０）に電圧を印加して、圧電体基板片（２０）を分極処理する第２ステップとを有する。

Description

本発明は、圧電体基板に分極処理を施して圧電素子を製造する圧電素子の製造方法に関する。

従来、圧電体基板に分極処理を施して圧電素子を製造する際、電界の印加によって、圧電体基板が変形する。サイズが大きい圧電体基板に対して分極処理を行うと、圧電体基板の大きさに比例して歪量が大きくなる。歪量が大き過ぎると、圧電体基板が破損するという問題がある。そこで、特開２００２−１９０４５７号公報では、粘着シートに大きいサイズの圧電体基板を貼着した状態でダイシング等によって、圧電体基板を小さいサイズの複数の圧電体基板片に分割する。そして、これら複数の圧電体基板片を粘着シートに貼り付けた状態で、各圧電体基板片に対して分極処理を行うようにしている。

また、特開２０１４−１８１１２６号公報記載の方法では、圧電体基板片を水平状態で収容可能な凹部が複数設けられたトレイを使用して、圧電処理を行うようにしている。

しかしながら、特開２００２−１９０４５７号公報記載の方法は、分極処理時に発生する圧電体基板片の歪みによる変形が粘着シートによって妨げられる。このため、分極処理時に圧電体基板片中で生じる応力（圧電効果により生じる応力）が大きくなり、その応力によって圧電体基板片にクラックが入るおそれがある。

特開２０１４−１８１１２６号公報記載のトレイを用いた方法は、図６Ａに示すように、圧電体基板片１００をトレイ１０２の凹部１０４内に出し入れしやすいように、凹部１０４の平面サイズを圧電体基板片１００の平面サイズよりもわずかに大きくする必要がある。そのため、トレイ１０２の工程間の運搬やトレイ１０２を設備へ装着する動作の衝撃で、圧電体基板片１００の表裏反転、取扱い中での圧電体基板片１００の紛失が発生するおそれがある。また、図６Ｂに示すように、圧電体基板片１００に分極処理を施す際に、凹部１０４内で圧電体基板片１００の位置ずれが生じて、プローブ１０６と端子１０８とのコンタクトが安定せず、未分極による特性不良が発生するおそれもある。

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、下記効果を奏する圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。
（ａ）複数の圧電体基板片が整列載置されたトレイに衝撃を与えても、圧電体基板片の整列状態が保持された状態で分極処理を行うことができる。
（ｂ）電圧印加時に発生する圧電素子の歪みを阻害することがない。

［１］ 本発明に係る圧電素子の製造方法は、圧電体基板片を分極処理して圧電素子を製造する圧電素子の製造方法において、前記圧電体基板片を平板状の微粘着シート上に保持する第１ステップと、前記微粘着シート上に保持された前記圧電体基板片に電圧を印加して、前記圧電体基板片を分極処理する第２ステップとを有することを特徴とする。

これにより、圧電体基板片が微粘着シートに保持されることから、複数の圧電体基板片が整列載置されたトレイに衝撃を与えても、圧電体基板片の整列状態が保持された状態で分極処理を行うことができる。しかも、電圧印加時に発生する圧電素子の歪みを阻害することがない。

［２］ 本発明において、前記圧電体基板片は、一方の面に第１端子及び第２端子が形成され、前記第１ステップは、前記圧電体基板片のうち、前記一方の面と対向する他方の面を前記微粘着シートに保持し、前記第２ステップは、前記圧電体基板片のうち、前記第１端子及び前記第２端子間に電圧を印加してもよい。

第１ステップで、圧電体基板片のうち、一方の面と対向する他方の面が微粘着シートに保持されることから、第２ステップにおいて、圧電体基板片のうち、一方の面に形成された第１端子及び第２端子間に電圧を印加して圧電処理することができる。すなわち、圧電体基板片を微粘着シートに保持させた状態で、圧電体基板片に対する分極処理を容易に行うことができる。

［３］ 本発明において、前記圧電体基板片のサイズは、縦０．２〜０．４ｍｍ、横０．８〜１．２ｍｍ、厚み０．０５〜０．２ｍｍであることが好ましい。

従来の分極方法は、基板状態で分極を行った後に、個片状態にするプロセスが主流であるが、本件の対象製品はサイズが大きい基板状態で分極を行うと、割れ等が発生する。

そこで、本発明では、縦０．２〜０．４ｍｍ、横０．８〜１．２ｍｍ、厚み０．０５〜０．２ｍｍという小さなサイズの圧電体基板片の状態、すなわち、個片状態で分極を行う。これにより、分極処理において、圧電体基板片に割れ等は生じず、歩留まりの向上を図ることができる。

［４］ 本発明において、前記圧電体基板片は、前記分極処理を施した際に、電界２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍでｄ３１方向（電極面に沿った方向）の歪みが１５００〜４０００ｐｐｍ発生してもよい。

［５］ 本発明において、平板状の前記微粘着シートは、ベース材に貼り合わされ、前記ベース材は、少なくとも前記微粘着シートが貼り合わされる面が平坦で、且つ、前記面内に前記微粘着シートが貼り合わされることが好ましい。これにより、微粘着シートが空調の風等によってしわが寄ったり、一部が裏返しになるということがなく、安定して複数の圧電体基板片を保持することができる。また、ベース材の材質は、金属製もしくはセラミックスが好ましく、加工精度や加熱時の熱伝導の観点から金属製がより好ましく、熱伝導の観点から、アルミニウムがさらに好ましい。

［６］ 本発明において、前記微粘着シートは、前記圧電体基板片を保持し、且つ、電圧印加時に発生する前記圧電体基板片の歪みを阻害しないことが好ましい。

これにより、圧電体基板片が、分極処理を施した際に、電界２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍでｄ３１方向の歪みが１５００〜４０００ｐｐｍ発生する場合であっても、歪みを阻害することなく、微粘着シートに保持させて分極処理を行うことができる。

［７］ 本発明において、前記微粘着シートは、耐熱温度が９０℃以上、保持力が０．５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。

［８］ 本発明において、前記微粘着シートは、表面抵抗が１０^１６オーム以上、ヤング率が５．０〜１０．０ＭＰａ、熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。

本発明に係る圧電素子の製造方法によれば、下記効果を奏する。
（ａ）複数の圧電体基板片が整列載置されたトレイに衝撃を与えても、圧電体基板片の整列状態が保持された状態で分極処理を行うことができる。
（ｂ）電圧印加時に発生する圧電素子の歪みを阻害することがない。

図１Ａは本実施の形態に係る圧電素子の製造方法にて製造される圧電素子の一例を示す斜視図であり、図１Ｂは圧電体基板片を示す斜視図である。 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。 図３Ａはベース材に貼り付けた微粘着シートを有するトレイの一例を示す斜視図であり、図３Ｂは図３ＡにおけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線上の断面図である。 図４Ａはベース材に貼り付けた微粘着シート上に複数の圧電体基板片を保持させた状態を一部省略して示す断面図であり、図４Ｂは微粘着シート上に保持された複数の圧電体基板片に対して圧電処理を行っている状態を示す断面図である。 サンプル１〜９における内訳と判定結果を示す表１である。 図６Ａは従来のトレイを使用した場合の不都合点の一例を示す説明図であり、図６Ｂは従来のトレイを使用した場合の不都合点の他の例を示す説明図である。

以下、本発明に係る圧電素子の製造方法の実施の形態例を図１Ａ〜図６Ｂ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圧電素子の製造方法で作製される圧電素子１０は、例えば図１Ａに示すように、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。圧電素子１０は、例えば素子本体１２が積層構造とされ、一対の電極１４ａ及び１４ｂがくし歯状に形成された構造を有する。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される。

そして、本実施の形態に係る圧電素子の製造方法は、図２のステップＳ１に示すように、圧電体基板片２０（図１Ｂ参照）を平板状の微粘着シート３０（図３Ａ及び図３Ｂ参照）上に保持する。その後、ステップＳ２において、微粘着シート３０上に保持された圧電体基板片２０に電圧を印加して、圧電体基板片２０を分極処理して圧電素子１０を得る。

圧電体基板片２０は、図示しない大型の圧電体基板を複数の個片に分離することで得られ、図１Ｂに示すように、上述した圧電素子１０（図１Ａ参照）と同様に、基板本体２２と、基板本体２２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。圧電体基板片２０のサイズは、縦０．２〜０．４ｍｍ、横０．８〜１．２ｍｍ、厚み０．０５〜０．２ｍｍである。

平板状の微粘着シート３０は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、金属製もしくはセラミックス製のベース材３２に貼り合わされている。すなわち、微粘着シート３０とベース材３２とによって１つのトレイ３４が構成される。ベース材３２は、少なくとも微粘着シート３０が貼り合わされる面が平坦で、且つ、上記面内に微粘着シート３０が貼り合わされることが好ましい。これにより、微粘着シート３０が空調の風等によってしわが寄ったり、一部が裏返しになるということがなく、安定して複数の圧電体基板片２０を保持することができる。また、ベース材３２の材質は、加工精度や加熱時の熱伝導の観点から金属製がより好ましく、熱伝導の観点から、アルミニウムがさらに好ましい。

従って、ステップＳ１では、例えば整列治具を使用して、図４Ａに示すように、複数の圧電体基板片２０をトレイ３４の微粘着シート３０上に整列させて保持させる。整列の仕方は、例えば複数の圧電体基板片２０を縦方向及び横方向に並べたマトリクス状に整列させることが好ましい。また、微粘着シート３０は、ベース材３２を通じて、あるいは、微粘着シート３０自体に衝撃を与えても、複数の圧電体基板片２０の整列状態を維持することが好ましい。

一方、ステップＳ２での分極処理は、図４Ｂに示すように、トレイ３４の微粘着シート３０に複数の圧電体基板片２０を整列した状態で行う。例えば１つの電圧印加装置４０を使用して、複数の圧電体基板片２０に対して順番に分極処理を行う。もちろん、複数の電圧印加装置４０を繋げて、一度に、あるいは、数回に分けて複数の圧電体基板片２０に対して分極処理を行ってもよい。

従来の分極処理方法は、基板状態、すなわち、大型の圧電体基板の状態で分極処理を行った後に、個片状態にするプロセスが主流であった。しかし、サイズが大きい基板状態で分極処理を行うと、割れ・歪みが発生する。そのため、本実施の形態では、圧電体基板を分割した後の個片状態、すなわち、圧電体基板片２０の状態で分極処理を行う。各圧電体基板片２０は、分極処理を施した際に、電界２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍでｄ３１方向（電極面に沿った方向）の歪みが１５００〜４０００ｐｐｍ発生する。

従って、微粘着シート３０は、ステップＳ２での分極処理の際に発生する複数の圧電体基板片２０の歪みを阻害しない程度の保持力であることが好ましい。つまり、微粘着シート３０での圧電体基板片２０の保持は、粘着原理の１つである物理的接着（二次結合、分子間結合）に該当する。

微粘着シート３０は、表面抵抗が１０^１６オーム以上、ヤング率が５．０〜１０．０ＭＰａ、熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍＫ以上、保持力が０．５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下、耐熱温度が９０℃以上であることが好ましい。なお、微粘着シート３０の保持力は、０．１０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上が好ましい。

［第１実施例］
第１実施例は、トレイ３４を構成する微粘着シート３０の耐熱温度と保持力の好ましい関係を確認した。

具体的には、サンプル１〜９（微粘着シート３０）を用意し、それぞれベース材３２に貼り合わせて、サンプル１〜９に対応した９つのトレイ３４を作製した。そして、各サンプルの材質、耐熱温度（℃）、保持力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）及び分極率を確認した。ベース材３２の材質はアルミニウムである。

［サンプル１〜９］
サンプル１〜９の厚みｔａ（図３Ｂ参照）はいずれも０．５ｍｍである。サンプル１及び２の材質は、それぞれ種類の異なるフッ素樹脂Ａ及びフッ素樹脂Ｂである。サンプル３の材質はフッ素ゴムである。サンプル４、５及び６の材質は、それぞれ種類の異なるウレタンＡ、ウレタンＢ及びウレタンＣである。サンプル７及び８の材質は、それぞれ種類の異なるオレフィンＡ及びオレフィンＢである。サンプル９の材質はアクリルである。

＜測定方法＞
（耐熱温度）
サンプル１〜９の耐熱温度（℃）を以下のようにして測定した。
［測定機器］
ハンディタイプ温度計
［測定方法］
ホットプレート上に、サンプル１〜９（微粘着シート３０）に対応したトレイをセットして、温度計の測定子をサンプル１〜９の中心部に直接接触させて温度を測定した。測定温度が１０℃ずつ変化するように、ホットプレートへの供給電流を制御した。そして、サンプル１〜９とベース材との境界で気泡が発生しない上限温度（測定温度）を耐熱温度とした。

（保持力）
サンプル１〜９の保持力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）を以下のようにして測定した。
［測定機器］
フォースゲージ
［測定方法］
９つのベース材の上面にサンプル１〜９（微粘着シート３０）がそれぞれ対応して貼着された９つのトレイを用意した。鋼材製１ｃｍ^３の接触面（外周が円形状で粗面を有する）を持つ円柱状の測定子を１００ｇｆの荷重で、各トレイのサンプル１〜９（微粘着シート３０）に１５秒間押し付けた。その後、一定速度０．２ｍｍ／ｓで測定子を引き上げ、測定子がサンプル１〜９（微粘着シート３０）より剥離するときにフォースゲージに示される最大荷重をサンプル１〜９の保持力とした。

（分極率）
サンプル１〜９に直接圧電素子を載せて、実際に分極処理を行って分極率を取得した。すなわち、サンプル１〜９について、上記操作をそれぞれ１００回行って、それぞれの平均値をサンプル１〜９の分極率とした。
［分極機器］
ＬＣＲメーター
［測定方法］
実際に圧電素子に分極処理を施し、分極前の容量値と分極後の容量値とに基づいて分極率を算出した。
分極率＝分極後の容量値／分極前の容量値

＜評価＞
分極率が１．００よりも大きいサンプルを分極処理に適するものとして合格とした。すなわち、評価結果として、分極率が１．００よりも大きいサンプルを「○」、分極率が１．００以下のサンプルを「×」とした。各サンプルの内訳並びに評価結果を図５の表１に示す。

上述の評価結果から、好ましい微粘着シート３０は、耐熱温度が９０℃以上で、且つ、保持力が０．５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下であることがわかる。

［第２実施例］
第２実施例は、実施例及び比較例について歩留まり及びリトライ率を確認した。

実施例では、サンプル１の微粘着シート３０を図４Ａに示すように仕切りを有さないトレイ３４として用いた。すなわち、実施例は、上述したサンプル１の微粘着シート３０に１００個の圧電体基板片２０を整列装置を使用して整列保持し、微粘着シート３０が貼着されたベース材３２の表面温度を９０±５℃にして、各圧電体基板片２０の一対の電極１４ａ及び１４ｂ間に電圧５３±２Ｖを印加して分極処理を行った。

比較例では、微粘着シート３０を用いずに、仕切りのみで保持するトレイ１０２（図６Ａ参照）を用いた。比較例は、図６Ａに示すトレイ１０２を使用して分極処理を行った。トレイ１０２には、１００個の凹部１０４が形成されている。投入治具を使用して１００個の圧電体基板片１００を、１００個の凹部１０４にそれぞれ１個ずつ圧電体基板片１００が入るように、投入した。その後、各圧電体基板片１００の一対の電極間に電圧５３±２Ｖを印加して分極処理を行った。

［評価］
実施例及び比較例について、それぞれ１００個の圧電体基板片のうち、正常に分極処理された圧電体基板片の個数の割合、すなわち、（正常の個数／１００）×１００（％）を算出し、算出結果を歩留まりとした。その結果、実施例は８０％、比較例は６０％であった。

また、実施例及び比較例について、分極処理のリトライ率を確認した。比較例は、検査個数１０００個に対して２００回のリトライがあり、リトライ率は０．２であった。これに対して、実施例は、検査個数１０００個に対して３０回のリトライがあり、リトライ率は０．０３と低かった。なお、図４Ａに示す仕切りを有さないトレイ３４であって、微粘着シート３０を用いないものに関しては、圧電体基板片２０を保持できず、リトライ率の測定が不能であった。

ここで、実施例及び比較例におけるリトライとは、圧電素子にプローブを接触させて測定した特性値が正しくない値の場合に、再度、分極処理を行うことをいう。また、リトライ率とは、検査個数に対するリトライ発生回数の割合、すなわちリトライ発生回数／検査個数をいうものとする。

以上の結果から、図６Ａに示す微粘着シート３０を用いないトレイ１０２を用いて、トレイ１０２の枠のみで圧電体基板片１００を保持する場合よりも、微粘着シート３０に圧電体基板片２０を固定する方が、歩留まりが向上し、リトライ率も減少して効率的に圧電素子１０を製造できることが確認できた。

なお、本発明に係る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。

Claims (8)

1. 圧電体基板片（２０）を分極処理して圧電素子（１０）を製造する圧電素子の製造方法において、
   前記圧電体基板片（２０）を平板状の微粘着シート（３０）上に保持する第１ステップと、
   前記微粘着シート（３０）上に保持された前記圧電体基板片（２０）に電圧を印加して、前記圧電体基板片（２０）を分極処理する第２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。
2. 請求項１記載の圧電素子の製造方法において、
   前記圧電体基板片（２０）は、一方の面に第１端子（１４ａ）及び第２端子（１４ｂ）が形成され、
   前記第１ステップは、前記圧電体基板片（２０）のうち、前記一方の面と対向する他方の面を前記微粘着シート（３０）に保持し、
   前記第２ステップは、前記圧電体基板片（２０）のうち、前記第１端子（１４ａ）及び前記第２端子（１４ｂ）間に電圧を印加することを特徴とする圧電素子の製造方法。
3. 請求項１又は２記載の圧電素子の製造方法において、
   前記圧電体基板片（２０）のサイズは、縦０．２〜０．４ｍｍ、横０．８〜１．２ｍｍ、厚み０．０５〜０．２ｍｍであることを特徴とする圧電素子の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記圧電体基板片（２０）は、前記分極処理を施した際に、電界２．０〜４．０ｋＶ／ｍｍでｄ３１方向の歪みが１５００〜４０００ｐｐｍ発生することを特徴とする圧電素子の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法において、
   平板状の前記微粘着シート（３０）は、ベース材（３２）に貼り合わされ、
   前記ベース材（３２）は、少なくとも前記微粘着シート（３０）が貼り合わされる面が平坦で、且つ、前記面内に前記微粘着シート（３０）が貼り合わされることを特徴とする圧電素子の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記微粘着シート（３０）は、前記圧電体基板片（２０）を保持し、且つ、電圧印加時に発生する前記圧電体基板片（２０）の歪みを阻害しないことを特徴とする圧電素子の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記微粘着シート（３０）は、耐熱温度が９０℃以上、保持力が０．５０ｋｇｆ／ｃｍ^２以下であることを特徴とする圧電素子の製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電素子の製造方法において、
   前記微粘着シート（３０）は、表面抵抗が１０^１６オーム以上、ヤング率が５．０〜１０．０ＭＰａ、熱伝導率が０．０５Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする圧電素子の製造方法。

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