JP4404565B2

JP4404565B2 - Piezoelectric polarization method

Info

Publication number: JP4404565B2
Application number: JP2003087259A
Authority: JP
Inventors: 宏卓津吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004296784A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器の分極法に関し、特に圧電磁器にパルス状の電圧波形を有するパルス電圧を印加して分極する圧電磁器の分極法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
焼成上がりの圧電磁器は、分極ベクトルの方向がランダムな配列をしており、そのままでは圧電素子として使用できないが、直流電圧を印加して分極処理を行なった後は、圧電磁器に残留分極と残留ひずみが発生し、圧電磁器に電圧を印加すると電圧の大きさに依存したひずみが発生するようになり、圧電効果によって振動子やフィルターなどとして利用でき、また逆圧電効果によってアクチュエータなどとして利用できる。このように、強誘電性を持つ圧電磁器を圧電素子として利用するには、予め分極処理を行なって残留分極と残留ひずみを与えることが必須である。
【０００３】
従来、一般的な分極処理の方法としては、数ｋＶ／ｍｍ程度の静電界が磁器に印加されるよう、高電圧を掛けた電極間に磁器を挟んだり、圧電磁器と同時焼成された電極に高電圧を掛けたりする方法がある。
【０００４】
従来、静電界として、直流パルス波形を有するパルス電圧を印加して分極する分極法が知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００５】
また、分極処理後に生じるエージングと呼ばれる磁器の圧電特性の劣化を防ぐ為に、２００℃前後で１時間程度の熱処理、即ち熱エージング処理を行なっている。
【０００６】
〔特許文献１〕
特開平２−１４３４７４号
〔特許文献２〕
特開平８−１３０３３６号
〔特許文献３〕
特開２０００−２５４０号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の分極法および熱エージング処理法では、圧電磁器の圧電特性を磁器の持つ限界に到達させるのが困難であり、圧電磁器の分極が飽和するまでに長時間を要し、さらに分極処理後にエージングが起こり、分極状態の緩和が進行し、圧電特性が経時劣化するため、このような圧電磁器を用いた圧電素子の特性が安定しないという問題点があった。さらにまた、分極処理を早くするには、圧電磁器に印加する電界を高める必要があるが、あまり高い電圧を印加すると磁器が損傷するという問題もあった。
【０００８】
本発明は、十分に分極でき、圧電特性の経時劣化が小さく、圧電磁器に損傷を生じることなく、短時間で分極処理が行なえる圧電磁器の分極法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電磁器の分極法は、圧電磁器にパルス状の電圧波形を有するパルス電圧を印加して分極する圧電磁器の分極法であって、前記パルス電圧が高周波数成分を含むとともに、前記パルス電圧を、分極処理時間の経過とともに高くすることを特徴とする。また、圧電磁器にパルス状の電圧波形を有するパルス電圧を印加して分極する圧電磁器の分極法であって、前記パルス電圧が高周波数成分を含むとともに、前記パルス電圧の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、分極処理時間の経過とともに長くすることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、印加電圧の高周波成分によって圧電磁器に発生する電磁場は、水のマイクロ波加熱と同様の原理で、特定の分極を持った結晶粒およびドメインを電磁場で励振させ、これにより圧電磁器の多結晶体中の結晶粒、及びドメインの振動をもたらし、静電界が整列させようとする結晶粒及びドメインを遊動させ、結晶粒およびドメインの分極の整列を容易にすると共に、分極によって発生する粒界等における残留応力を低減できるという原理を応用している。
【００１１】
従って、本発明の圧電磁器の分極法では、圧電磁器の圧電特性をほぼ限界まで高くできるとともに、圧電磁器の結晶粒やドメインを整列させたことによる残留応力が小さいため、圧電特性の経時劣化が小さく、さらに、高電界を印加することなく充分な分極が可能となるため、分極処理で圧電磁器に損傷を生じることなく、短時間で分極処理を行なうことができる。
【００１２】
従来、直流パルス波形を有するパルス電圧を印加して分極する分極法として、上記したように、特許文献１、特許文献２、特許文献３が知られているが、特許文献１によると、圧電磁器に印加するパルス電圧は、３秒で最大分極電圧まで昇圧、１０秒間キープ、３秒で０ボルトまで降圧するパルス波形を有しており、このパルス電圧を６回程度繰返して分極している。
【００１３】
また、特許文献２では、圧電トランス素子の１次側と２次側に交互に与えるパルス電圧は、昇圧０．５秒、高圧維持０．５〜５秒、降圧０．１秒、低電圧維持０．５〜２秒（総合時間１．５〜７秒の範囲）であるパルス波形を有している。
【００１４】
さらに、特許文献３では、圧電振動板に印加する分極電圧波形は、１サイクル１分間で４サイクルの略三角波状電圧とし、最後は最大電圧を１分間印加して分極するとされている。
【００１５】
以上の特許文献１〜３に示した、従来の圧電磁器の分極法では、パルス電圧を印加するものの、そのパルス電圧の昇圧、降圧に要する時間は０．１秒〜数秒の範囲であるため、このパルス電圧をフーリエ変換したときに含まれる周波数成分は、数Ｈｚ〜数１００Ｈｚ程度と低周波である。
【００１６】
このような低周波成分を有するパルス電圧を印加して分極したとしても、結晶粒及びドメインを励振させることができず、圧電磁器の圧電特性を磁器の持つ限界にまで到達させるのが困難であり、圧電磁器の分極が飽和するまでに長時間を要し、また分極に伴う磁器粒子やドメインの整列によって生じる残留応力が大きいため、分極処理後にエージングが起こり、分極状態の緩和が進行し、圧電特性が経時劣化するのである。
本発明の圧電磁器の分極法では、パルス電圧を、分極処理時間の経過とともに高くすることが特徴である。これは、圧電磁器は焼成上がりでは、ドメインがランダムに配向しているため、パルス電圧を印加すると、分極処理開始直後はドメインの動きが大きく、圧電磁器の発熱が大きくなる傾向にあるが、本発明では、分極処理の初期ではパルス電圧を低く、分極処理時間の経過とともに高くすることにより、圧電磁器の発熱を抑制して、損傷を防止できる。
また、本発明の圧電磁器の分極法では、パルス電圧の立ち上がり時間及び立ち下がり時間を、分極処理時間の経過とともに長くすることを特徴とする。パルス電圧の立ち上がり時や立ち下がり時は、圧電磁器にひずみ加速度及び変位加速度が発生し、圧電磁器内部に応力が発生する。分極処理が進行するに従い、圧電磁器の圧電性が高まり、パルス電圧を印加したときにひずみが大きくなっていくため、圧電磁器内部に発生する応力も大きくなっていく。分極処理時間の経過とともに、パルス電圧の立ちあがり時間と立ち下がり時間を長くしていき、圧電磁器に発生するひずみ加速度が大きくならないようにすることで、圧電磁器に発生する応力を抑制し損傷を防止することができる。
【００１７】
また、本発明では、パルス状の電圧波形が、矩形波、台形波及び三角波のうちいずれかであることを特徴とする。これにより、印加電圧に含まれる高周波成分は、１つの周波数ではなく、周波数分布をもつことになる。圧電磁器を構成する結晶粒やドメインは、大きさの分布を持つが、これらの結晶粒やドメインを効果的に振動させる周波数は、結晶粒やドメインの大きさで決まるため、幅広い周波数分布を持つ電圧を圧電磁器に印加することにより、圧電磁器に含まれる多くの結晶粒やドメインを振動させることができる。
【００１８】
本発明の圧電磁器の分極法は、パルス電圧が、測定周波数を次第に高く変化させて圧電磁器の比誘電率を測定した時、前記圧電磁器の比誘電率が急激に低下する高周波数成分を含むことを特徴とする。
【００１９】
このような高周波数成分を含むパルス電圧を印加して分極することにより、圧電磁器に含まれる多くの結晶粒やドメインを振動させることができ、圧電磁器を充分に分極できる。このような高周波成分は、数ＭＨｚ〜１０数ＧＨｚの周波数成分である。
【００２０】
また、本発明の圧電磁器の分極法は、パルス状の電圧波形の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が、０．１マイクロ秒〜１ミリ秒であることを特徴とする。これにより、パルス波形をフーリエ変換した時に数ＭＨｚ〜１０数ＧＨｚの周波数成分が含まれることになり、圧電磁器を構成する結晶粒子の粒経が０．１μｍ〜５０μｍ程度である場合に、効果的に結晶粒やドメインの振動を起こし、分極を強く掛けることができる。
【００２１】
本発明の圧電磁器の分極法では、圧電磁器に印加するパルス電圧の周波数が、１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲であることが望ましい。圧電磁器に印加するパルス電圧の周波数が高いほど、圧電磁器の発熱が大きくなるため、パルス周波数を１ｋＨｚ以下にすることにより、圧電磁器が高温化し、磁器のキュリー温度を越えることを防止でき、圧電素子の熱応力発生を抑制し、圧電磁器の損傷を防止できる。
【００２５】
本発明の圧電磁器の分極法は、パルス電圧の１サイクルにおいて、高電圧が印加されている時間が、高電圧が印加されていない時間よりも長いことを特徴とする。電界の高周波成分は結晶粒やドメインを振動させて圧電磁器の分極の配向を促進するためであり、圧電磁器の分極の配向を整列させる基本的な力は、圧電磁器に印加される直流電界によって与えられる。従って、直流電界が掛かっている時間を長くすることにより分極処理が早くなる。
【００２６】
また、本発明の圧電磁器の分極法では、圧電磁器を、８０℃〜キュリー温度の範囲に加熱しながら分極することを特徴とする。キュリー温度以下では、温度が高い方が圧電磁器の原子の運動が活発であるため、分極の配向が早くなる。
【００２７】
さらに、本発明の圧電磁器の分極法では、圧電磁器の分極方向側の面に圧縮力を印加しながら分極することを特徴とする。圧電磁器の分極処理が進行すると、パルス状電界を印加された圧電磁器は、分極の方向にひずみが発生し振動する。圧電磁器が振動すると、圧電磁器に引張り応力が発生し、磁器が破壊し易いので、圧電磁器に発生する引張り応力を打消すように、分極方向と平行に圧縮力を印加しながら分極することで、磁器の破壊を防止できる。
【００２８】
本発明の分極装置は、高周波数成分を含むパルス電圧を圧電磁器に印加するパルス電圧発生手段と、分極処理温度を制御する温度制御手段と、前記圧電磁器の分極方向側の面に圧縮力を印加する加圧手段とを具備することを特徴とする。このような分極装置では、圧電磁器の分極処理を効率よく行うことができ、圧電特性が高く、経時変化が小さい圧電磁器が作製できる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の圧電磁器の分極法をブロック図で示すもので、信号発生回路によって生成された波形を高圧回路に入力し、高圧回路からパルス電圧が出力され、圧電磁器に印加し分極処理を施す。
【００３０】
図２は図１を電気回路で示したもので、圧電素子（圧電磁器）に印加される電圧をモニターできるように、圧電素子に並列に電圧プローブを接続し、オシロスコープで電圧波形を取り込むことができるようにしているが、工業的に分極処理を大量処理する場合は、電圧プローブは無くても良い。また、高圧回路から圧電素子に繋がる回路上に直列に、抵抗Ｒ、コイルＬが挿入されているが、これは、高圧回路内部や圧電素子に含まれる抵抗成分、コイル成分も含むものであり、電圧パルスの形状によっては抵抗ＲとコイルＬは省略される場合もある。さらに、回路図には明示していないが、圧電素子には容量成分も含まれるので、容量成分も回路上で考慮しても良い。
【００３１】
尚、パルス電圧発生手段は、信号発生回路、高圧回路、抵抗Ｒ、コイルＬから構成されているが、電圧パルスの形状によっては抵抗ＲまたはコイルＬは省略される場合もある。
【００３２】
図３に、本発明の分極法において、圧電磁器に印加する電圧波形の概略形状を示す。本発明の分極法では、圧電磁器に印加する電圧がパルス波形をしており、このようなパルス電圧を多数回、圧電磁器に印加することで、分極処理が効率よく行える。
【００３３】
図４は、圧電磁器に印加する電圧波形の形状の例を示す。（Ａ）に台形波、（Ｂ）に三角波、（Ｃ）に台形波で分極処理時間に伴って高電圧部分の電圧が高くなる波形、（Ｄ）に台形波で分極処理時間に伴って立上り時間や立下り時間が長くなっていく波形、（Ｅ）に台形波で低電圧部分の電圧が０では無い波形を示す。これらの波形の任意の組合わせた波形を用いてもよい。特に、高電圧印加時間が長いという点から、台形波であることが望ましい。本発明の分極法では、図４の（Ｃ）、（Ｄ）で示される電圧波形の形状を有する。
【００３４】
本発明では、圧電磁器を分極処理する際に、印加する電圧がパルス波形であり、高周波成分を持つことを特徴としているが、含まれる高周波成分の最適な周波数を決定する方法について図５を用いて説明する。
【００３５】
図５は、圧電磁器の誘電特性を測定して得られるグラフである。圧電磁器の比誘電率、測定周波数によって最適な測定方法は異なるが、この場合は１ＧＨｚ未満ではインピーダンスアナライザーなど、１ＧＨｚ以上では空洞共振器などを用いて、誘電率と誘電損失を測定できる。図５の比誘電率が急激に低くなると同時に、誘電損失がピークを持つあたりの周波数が、圧電磁器の結晶粒やドメインが最もよく励振される周波数である。従って、このような周波数成分及びその近傍の周波数を含むような、電圧波形を用いて圧電磁器を分極処理すれば、最も効率よく、分極を強く掛けることができる。
【００３６】
このように、パルス電圧に、所望の周波数の高周波成分を持たせるには、図３に示す、１サイクルの時間、立上がり時間、立下がり時間などを調整すればよく、そのためには、図２に示す、信号発生回路で信号波形を調整したり、抵抗Ｒ、コイルＬの大きさを調整すればよい。また、ある程度高周波成分の周波数に幅を持たせることによって、圧電磁器の分極が進行していったときや、圧電磁器の磁器粒径やドメインの大きさに分布が有る場合に、常に効率よく分極をかけることが可能となる。
【００３７】
【実施例】
圧電磁器をパルス状電圧で分極処理を行った参考例の場合と、直流電圧で分極処理を行った場合の従来法を比較する。
【００３８】
まず、分極処理を行う圧電磁器は、積層型圧電素子を構成する圧電磁器とし、これは、チップコンデンサーのように圧電磁器と内部電極が交互に積層されて、内部電極が一層おきに互いに接続されて、それぞれが２本の外部電極に接続されたものとした。
【００３９】
この積層型圧電素子は、アクチュエータとして使用する目的で、縦７ｍｍ×横７ｍｍ×高さ２０ｍｍで、高さ方向に８０μｍの厚さのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電磁器と、３μｍの厚さの銀パラジウムを主成分とする内部電極とをそれぞれ１８０層交互に積層し、積層方向の両端部に分極されない厚さ０．９ｍｍのＰＺＴ磁器が接続された構造となっている。
【００４０】
このような圧電素子にて、参考例の分極法と、従来の分極法で、分極処理時間と圧電特性として電気機械結合係数の関係を調べた。従来の分極法としては、圧電素子の外部電極間に１６０ボルトの直流電圧を印加し、圧電磁器には２ｋＶ／ｍｍの電界を与えた。
【００４１】
参考例の分極法としては、図６に示すようなパルス電圧を一対の外部電極を介して圧電素子に印加した。これは、圧電磁器には最大２ｋＶ／ｍｍの電界が加えられる。パルス電圧の周波数は１００Ｈｚ、立上り時間、立下り時間は、８０マイクロ秒とし、最大電界が印加されている時間は０．５ミリ秒である。圧電素子に並列に入れたプローブにより、オシロスコープに圧電素子に印加されている電圧を取り込んだものが図６であるが、オシロスコープでフーリエ変換すると、１０〜数１００ＭＨｚの高周波成分が含まれていた。
【００４２】
図７に、従来の分極法と参考例の分極法による圧電特性と分極処理時間の関係を示す。この図７から、参考例の分極法が従来の分極法よりも、圧電特性が飽和するのに要する時間が短く、飽和した時の圧電特性が優れていることが判る。
【００４３】
図８に、従来の分極法と参考例の分極法によって分極処理がなされた圧電磁器の、圧電特性と分極処理後に放置した時間の関係を示す。ここで、分極処理後に放置する際、圧電素子の外部電極同士を接続した、即ち圧電磁器に電界が掛からないようにした。図８より、参考例の分極法を施した圧電磁器は、従来の分極法よりも分極処理後の経時変化が小さいことが判る。
【００４４】
本発明の分極法で用いられる分極装置の概略を図９に示す。この分極装置は、高周波数成分を含むパルス電圧を圧電磁器に印加するパルス電圧発生手段と、分極処理温度を制御する温度制御手段と、圧電磁器の分極方向側の面に圧縮力を印加する加圧手段とを具備するもので、図９で説明すると、パルス電圧発生手段は信号発生回路、高圧回路を含み、温度制御手段は、圧電素子の温度を高温に保持できるよう、圧電素子と加圧手段が収容される恒温室とされ、加圧手段は、分極処理される圧電素子の分極方向に圧縮力を掛けることができるように、ばねから構成されている。
【００４５】
分極処理時に、圧電磁器は分極方向にひずみが発生するため、パルス電圧を加えると、パルス電圧の立上がり時と立下がり時において、圧電磁器に引張り応力が発生するが、分極方向への圧縮力の印加はこの引張り応力を打消す効果があり、特に５ＭＰａ以上の圧縮力を加えた場合に、引張り応力を打消す効果が大きい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の圧電磁器の分極法では、圧電磁器に高周波数成分を含むパルス電圧を印加して分極することにより、圧電磁器の分極処理を効果的に行うことができるとともに、分極処理後における圧電磁器の圧電特性の経時変化を小さくできる。さらに、分極処理の初期ではパルス電圧を低く、分極処理時間の経過とともに高くすることにより、圧電磁器の発熱を抑制して、損傷を防止できる。また、分極処理時間の経過とともに、パルス電圧の立ちあがり時間と立ち下がり時間を長くしていき、圧電磁器に発生するひずみ加速度が大きくならないようにすることで、圧電磁器に発生する応力を抑制し損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の分極法のブロック図である。
【図２】本発明の分極処理回路図である。
【図３】本発明の分極法において、圧電磁器に印加するパルス電圧の波形を説明する図である。
【図４】圧電磁器に印加するパルス電圧の波形形状を表す図である。
【図５】測定周波数と圧電磁器の誘電特性との関係を示す図である。
【図６】参考例の分極法に用いたパルス電圧波形図である。
【図７】参考例と従来の分極法において、分極処理時間と圧電特性（電気機械結合係数）の関係を示す図である。
【図８】参考例と従来の分極法において、分極処理後の放置時間と圧電特性（電気機械結合係数）の関係を示す図である。
【図９】本発明の分極法で用いられる分極装置を示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization process of the piezoelectric ceramic related to polarization method of the piezoelectric ceramic is polarized in particular applying a pulse voltage having a pulse-shaped voltage waveform to the piezoelectric ceramic.
[0002]
[Prior art]
After firing, the direction of the polarization vector is randomly arranged and cannot be used as a piezoelectric element as it is, but after applying a direct current voltage and polarization treatment, residual polarization and residual will remain in the piezoelectric ceramic. When distortion is generated and a voltage is applied to the piezoelectric ceramic, distortion depending on the magnitude of the voltage is generated. The piezoelectric effect can be used as a vibrator or a filter, and the reverse piezoelectric effect can be used as an actuator. As described above, in order to use a piezoelectric ceramic having ferroelectricity as a piezoelectric element, it is indispensable to perform a polarization process in advance to give residual polarization and residual strain.
[0003]
Conventionally, as a general polarization processing method, a ceramic is sandwiched between electrodes applied with a high voltage so that an electrostatic field of about several kV / mm is applied to the ceramic, or an electrode fired simultaneously with the piezoelectric ceramic is used. There is a method of applying a high voltage.
[0004]
Conventionally, a polarization method is known in which a pulse voltage having a DC pulse waveform is applied as an electrostatic field to polarize (see Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3).
[0005]
Further, in order to prevent deterioration of the piezoelectric characteristics of the porcelain, which is called aging, which occurs after the polarization treatment, a heat treatment is performed at around 200 ° C. for about 1 hour, that is, a heat aging treatment.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2-143474 [Patent Document 2]
JP-A-8-130336 [Patent Document 3]
JP 2000-2540 A
[Problems to be solved by the invention]
However, with the conventional polarization method and thermal aging treatment method, it is difficult to reach the limit of the piezoelectric properties of the piezoelectric ceramic, and it takes a long time for the polarization of the piezoelectric ceramic to saturate. Later, aging occurs, the relaxation of the polarization state progresses, and the piezoelectric characteristics deteriorate over time, so that there is a problem that the characteristics of the piezoelectric element using such a piezoelectric ceramic are not stable. Furthermore, in order to speed up the polarization treatment, it is necessary to increase the electric field applied to the piezoelectric ceramic, but there is a problem that the ceramic is damaged when a very high voltage is applied.
[0008]
An object of the present invention is to provide a polarization method for a piezoelectric ceramic that can be sufficiently polarized, has little deterioration over time in piezoelectric characteristics, and can perform polarization processing in a short time without causing damage to the piezoelectric ceramic.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The polarization method of the piezoelectric ceramic of the present invention is a polarization method of a piezoelectric ceramic that polarizes by applying a pulse voltage having a pulsed voltage waveform to the piezoelectric ceramic, wherein the pulse voltage includes a high frequency component and the pulse The voltage is increased as the polarization processing time elapses . Also, a polarization method of a piezoelectric ceramic that polarizes by applying a pulse voltage having a pulsed voltage waveform to the piezoelectric ceramic, wherein the pulse voltage includes a high frequency component, and the rise time and fall time of the pulse voltage Is made longer as the polarization treatment time elapses.
[0010]
In the present invention, the electromagnetic field generated in the piezoelectric ceramic by the high frequency component of the applied voltage is the same principle as that of microwave heating of water, and crystal grains and domains having a specific polarization are excited by the electromagnetic field. Grain in a polycrystal and a domain generated by the polarization while causing the vibration of the domain and the electrostatic field to move the crystal grain and the domain to be aligned to facilitate the alignment of the polarization of the crystal grain and the domain. Applying the principle that residual stress at the boundary can be reduced.
[0011]
Therefore, in the piezoelectric ceramic polarization method of the present invention, the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic can be increased to almost the limit, and the residual stress due to the alignment of crystal grains and domains of the piezoelectric ceramic is small. Since the polarization is small and sufficient polarization can be performed without applying a high electric field, the polarization treatment can be performed in a short time without causing damage to the piezoelectric ceramic.
[0012]
Conventionally, as described above, Patent Document 1, Patent Document 2, and Patent Document 3 are known as polarization methods for applying a pulse voltage having a DC pulse waveform to polarize. The pulse voltage applied to the signal has a pulse waveform that increases to the maximum polarization voltage in 3 seconds, keeps for 10 seconds, and decreases to 0 volts in 3 seconds. This pulse voltage is polarized about 6 times.
[0013]
Further, in Patent Document 2, the pulse voltage alternately applied to the primary side and the secondary side of the piezoelectric transformer element is 0.5 seconds for boosting, 0.5 to 5 seconds for maintaining high voltage, 0.1 seconds for decreasing voltage, and maintaining low voltage. It has a pulse waveform of 0.5 to 2 seconds (total time range of 1.5 to 7 seconds).
[0014]
Further, in Patent Document 3, the polarization voltage waveform applied to the piezoelectric diaphragm is a substantially triangular wave voltage of 4 cycles per cycle for 1 minute, and finally the maximum voltage is applied for 1 minute for polarization.
[0015]
In the conventional piezoelectric ceramic polarization method shown in Patent Documents 1 to 3 above, although a pulse voltage is applied, the time required for step-up and step-down of the pulse voltage is in the range of 0.1 seconds to several seconds. The frequency component included when Fourier transforming this pulse voltage is a low frequency of about several Hz to several hundred Hz.
[0016]
Even if a pulse voltage having such a low frequency component is applied for polarization, crystal grains and domains cannot be excited, and it is difficult to reach the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic to the limit of the ceramic. , It takes a long time for the polarization of the piezoelectric ceramic to saturate, and since the residual stress generated by the alignment of the porcelain particles and domains accompanying the polarization is large, aging occurs after the polarization treatment, and the relaxation of the polarization state progresses. The characteristics deteriorate over time.
The piezoelectric ceramic polarization method of the present invention is characterized in that the pulse voltage is increased as the polarization processing time elapses. This is because when the piezoelectric ceramic is fired, the domains are randomly oriented, so when a pulse voltage is applied, the domain movement is large immediately after the start of the polarization treatment, and the piezoelectric ceramic tends to generate more heat. In the invention, by reducing the pulse voltage at the initial stage of the polarization process and increasing it with the elapse of the polarization process time, heat generation of the piezoelectric ceramic can be suppressed and damage can be prevented.
The polarization method of the piezoelectric ceramic according to the present invention is characterized in that the rise time and fall time of the pulse voltage are lengthened with the elapse of the polarization processing time. When the pulse voltage rises or falls, strain acceleration and displacement acceleration are generated in the piezoelectric ceramic, and stress is generated inside the piezoelectric ceramic. As the polarization process proceeds, the piezoelectricity of the piezoelectric ceramic increases, and the strain increases when a pulse voltage is applied, so the stress generated in the piezoelectric ceramic also increases. As the polarization processing time elapses, the rise time and fall time of the pulse voltage are lengthened so that the strain acceleration generated in the piezoelectric ceramic does not increase, thereby suppressing the stress generated in the piezoelectric ceramic and preventing damage. can do.
[0017]
In the present invention, the pulsed voltage waveform is any one of a rectangular wave, a trapezoidal wave, and a triangular wave. Thereby, the high frequency component contained in the applied voltage has not a single frequency but a frequency distribution. The crystal grains and domains that make up the piezoelectric ceramic have a size distribution, but the frequency that effectively vibrates these crystal grains and domains is determined by the size of the crystal grains and domains, and thus has a wide frequency distribution. By applying a voltage to the piezoelectric ceramic, many crystal grains and domains included in the piezoelectric ceramic can be vibrated.
[0018]
The polarization method of the piezoelectric ceramic according to the present invention includes a high-frequency component in which the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic rapidly decreases when the pulse voltage measures the relative dielectric constant of the piezoelectric ceramic while gradually changing the measurement frequency. It is characterized by that.
[0019]
By applying such a pulse voltage including a high frequency component for polarization, many crystal grains and domains included in the piezoelectric ceramic can be vibrated, and the piezoelectric ceramic can be sufficiently polarized. Such a high frequency component is a frequency component of several MHz to several tens GHz.
[0020]
Also, the piezoelectric ceramic polarization method of the present invention is characterized in that the rise time and fall time of the pulsed voltage waveform are 0.1 microsecond to 1 millisecond. As a result, when the pulse waveform is Fourier-transformed, frequency components of several MHz to several tens GHz are included, which is effective when the grain size of the crystal grains constituting the piezoelectric ceramic is about 0.1 μm to 50 μm. Can cause crystal grains and domains to vibrate, and can be strongly polarized.
[0021]
In the piezoelectric ceramic polarization method of the present invention, it is desirable that the frequency of the pulse voltage applied to the piezoelectric ceramic is in the range of 1 Hz to 1 kHz. The higher the frequency of the pulse voltage applied to the piezoelectric ceramic, the greater the heat generated by the piezoelectric ceramic. By setting the pulse frequency to 1 kHz or less, the piezoelectric ceramic can be prevented from becoming hot and exceeding the Curie temperature of the ceramic. Generation of thermal stress in the element can be suppressed and damage to the piezoelectric ceramic can be prevented.
[0025]
The piezoelectric ceramic polarization method of the present invention is characterized in that, in one cycle of the pulse voltage, the time during which the high voltage is applied is longer than the time during which the high voltage is not applied. The high frequency component of the electric field is for oscillating crystal grains and domains to promote the orientation of the polarization of the piezoelectric ceramic, and the basic force for aligning the polarization orientation of the piezoelectric ceramic is based on the DC electric field applied to the piezoelectric ceramic. Given. Therefore, the polarization process is accelerated by increasing the time during which the DC electric field is applied.
[0026]
The piezoelectric ceramic polarization method of the present invention is characterized in that the piezoelectric ceramic is polarized while being heated in the range of 80 ° C. to the Curie temperature. Below the Curie temperature, the higher the temperature, the more active the movement of atoms in the piezoelectric ceramic, and the faster the orientation of polarization.
[0027]
Furthermore, the piezoelectric ceramic polarization method of the present invention is characterized in that polarization is performed while applying a compressive force to the surface of the piezoelectric ceramic on the polarization direction side. When the polarization processing of the piezoelectric ceramic proceeds, the piezoelectric ceramic to which the pulsed electric field is applied is distorted in the direction of polarization and vibrates. When the piezoelectric ceramic vibrates, tensile stress is generated in the piezoelectric ceramic, and the ceramic is easily broken, so that it is polarized by applying a compressive force parallel to the polarization direction so as to cancel the tensile stress generated in the piezoelectric ceramic. , Can prevent the destruction of porcelain.
[0028]
The polarization device of the present invention includes a pulse voltage generation means for applying a pulse voltage including a high frequency component to the piezoelectric ceramic, a temperature control means for controlling the polarization processing temperature, and a compressive force applied to the surface on the polarization direction side of the piezoelectric ceramic. And pressurizing means for applying. In such a polarization device, the piezoelectric ceramic can be efficiently polarized, and a piezoelectric ceramic having high piezoelectric characteristics and small change with time can be produced.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a polarization method of a piezoelectric ceramic according to the present invention. A waveform generated by a signal generation circuit is input to a high voltage circuit, a pulse voltage is output from the high voltage circuit, and is applied to the piezoelectric ceramic for polarization processing. Apply.
[0030]
FIG. 2 is an electric circuit diagram of FIG. 1. A voltage probe is connected in parallel to the piezoelectric element so that the voltage applied to the piezoelectric element (piezoelectric device) can be monitored, and a voltage waveform can be captured by an oscilloscope. However, if a large amount of polarization processing is industrially performed, the voltage probe may be omitted. In addition, a resistor R and a coil L are inserted in series on a circuit connected from the high voltage circuit to the piezoelectric element, and this includes a resistance component and a coil component included in the high voltage circuit and the piezoelectric element, Depending on the shape of the voltage pulse, the resistor R and the coil L may be omitted. Further, although not explicitly shown in the circuit diagram, since the piezoelectric element includes a capacitive component, the capacitive component may be considered on the circuit.
[0031]
The pulse voltage generating means includes a signal generating circuit, a high voltage circuit, a resistor R, and a coil L, but the resistor R or the coil L may be omitted depending on the shape of the voltage pulse.
[0032]
3, in partial-pole of the present invention, showing the general shape of the voltage waveform applied to the piezoelectric ceramic. In partial-pole of the present invention, the voltage applied to the piezoelectric ceramic has a pulse waveform, a number of times such a pulse voltage, by applying to the piezoelectric ceramic, perform polarization treatment efficiently.
[0033]
Figure 4 shows an example of the shape of the voltage waveform applied to the pressure electromagnetic device. (A) Trapezoidal wave, (B) Triangular wave, (C) Trapezoidal wave, waveform with high voltage increasing with polarization processing time, (D) Trapezoidal wave rising with polarization processing time A waveform in which time and fall time become longer, and (E) shows a trapezoidal waveform in which the voltage in the low voltage portion is not zero . It may be used any any combination of the waveforms of these waveforms. In particular, a trapezoidal wave is desirable because the high voltage application time is long. The polarization method of the present invention has a voltage waveform shape shown in FIGS.
[0034]
In the present invention, when the piezoelectric ceramic is polarized, the voltage to be applied is a pulse waveform and has a high frequency component. A method for determining the optimum frequency of the included high frequency component is shown in FIG. I will explain.
[0035]
FIG. 5 is a graph obtained by measuring the dielectric characteristics of the piezoelectric ceramic. The optimum measurement method varies depending on the relative dielectric constant and measurement frequency of the piezoelectric ceramic, but in this case, the dielectric constant and dielectric loss can be measured using an impedance analyzer at less than 1 GHz and a cavity resonator at 1 GHz and above. While the relative dielectric constant in FIG. 5 rapidly decreases, the frequency around which the dielectric loss has a peak is the frequency at which the crystal grains and domains of the piezoelectric ceramic are most excited. Therefore, if the piezoelectric ceramic is polarized using a voltage waveform including such frequency components and frequencies in the vicinity thereof, polarization can be applied most efficiently and strongly.
[0036]
Thus, in order to give the pulse voltage a high-frequency component of a desired frequency, the time of one cycle, the rise time, the fall time, etc. shown in FIG. 3 can be adjusted. The signal waveform may be adjusted by the signal generation circuit shown, or the size of the resistor R and the coil L may be adjusted. In addition, by giving a certain range of frequencies of high frequency components, polarization is always efficiently performed when the polarization of the piezoelectric ceramic progresses or when there is a distribution in the ceramic particle size and domain size. Can be applied.
[0037]
【Example】
A comparison is made between a reference example in which a piezoelectric ceramic is polarized with a pulsed voltage and a conventional method in which a piezoelectric ceramic is polarized with a DC voltage.
[0038]
First, the piezoelectric ceramic that performs the polarization treatment is a piezoelectric ceramic that constitutes a multilayer piezoelectric element, which is formed by alternately stacking piezoelectric ceramics and internal electrodes like a chip capacitor, and connecting the internal electrodes to every other layer. Each of them was connected to two external electrodes.
[0039]
This multilayer piezoelectric element is a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PZT) having a length of 7 mm × width of 7 mm × height of 20 mm and a thickness of 80 μm in the height direction for use as an actuator. The internal electrodes mainly composed of silver palladium with a thickness of 3 μm are alternately laminated, and a PZT ceramic having a thickness of 0.9 mm that is not polarized is connected to both ends in the laminating direction. .
[0040]
In such a piezoelectric element, the relationship between the electromechanical coupling coefficient as the polarization processing time and the piezoelectric characteristics was examined by the polarization method of the reference example and the conventional polarization method. Conventional min-pole, applying a DC voltage of 160 volts between the external electrodes of the piezoelectric element, the piezoelectric ceramic gave field of 2 kV / mm.
[0041]
The min-pole of the reference example, the pulse voltage was applied as shown in FIG. 6 to the piezoelectric element through the pair of external electrodes. This is because a maximum electric field of 2 kV / mm is applied to the piezoelectric ceramic. The frequency of the pulse voltage is 100 Hz, the rise time and the fall time are 80 microseconds, and the time during which the maximum electric field is applied is 0.5 milliseconds. FIG. 6 shows the voltage applied to the piezoelectric element in the oscilloscope using a probe placed in parallel with the piezoelectric element. When Fourier transform is performed using the oscilloscope, a high frequency component of 10 to several hundred MHz is included.
[0042]
FIG. 7 shows the relationship between the piezoelectric characteristics by the conventional polarization method and the polarization method of the reference example and the polarization processing time. From FIG. 7, it can be seen that the polarization method of the reference example takes less time to saturate the piezoelectric characteristics than the conventional polarization method, and the piezoelectric characteristics when saturated are superior.
[0043]
FIG. 8 shows the relationship between the piezoelectric characteristics of the piezoelectric ceramic that has been polarized by the conventional polarization method and the polarization method of the reference example and the time left after the polarization treatment. Here, when left after the polarization treatment, the external electrodes of the piezoelectric elements were connected, that is, the electric field was not applied to the piezoelectric ceramic. It can be seen from FIG. 8 that the piezoelectric ceramic subjected to the polarization method of the reference example has a smaller temporal change after the polarization treatment than the conventional polarization method.
[0044]
An outline of a polarization device used in the polarization method of the present invention is shown in FIG. This polarization device applies a pulse voltage generating means for applying a pulse voltage including a high-frequency component in the piezoelectric ceramic, a temperature control means for controlling the polarization temperature, a compressive force on the surface of the polarization direction of the piezoelectric ceramic Referring to FIG. 9, the pulse voltage generation means includes a signal generation circuit and a high voltage circuit, and the temperature control means adds the piezoelectric element so that the temperature of the piezoelectric element can be maintained at a high temperature. The pressure chamber is a constant temperature chamber in which the pressure means is accommodated, and the pressure means is constituted by a spring so that a compressive force can be applied to the polarization direction of the piezoelectric element to be polarized.
[0045]
Since the piezoelectric ceramic is distorted in the polarization direction during the polarization process, when a pulse voltage is applied, tensile stress is generated in the piezoelectric ceramic at the rise and fall of the pulse voltage, but the compressive force in the polarization direction is reduced. The application has an effect of canceling the tensile stress, and in particular, when a compressive force of 5 MPa or more is applied, the effect of canceling the tensile stress is great.
[0046]
【The invention's effect】
In partial-pole of the piezoelectric ceramic of the present invention, by polarization by applying a pulse voltage including a high-frequency component in the piezoelectric ceramic, it is possible to perform the polarization treatment of the piezoelectric ceramic effectively, piezoelectric after poling The change with time of the piezoelectric characteristics of the porcelain can be reduced. Further, by reducing the pulse voltage at the initial stage of the polarization process and increasing it with the lapse of the polarization process time, the heat generation of the piezoelectric ceramic can be suppressed and damage can be prevented. In addition, as the polarization processing time elapses, the rise time and fall time of the pulse voltage are lengthened so that the strain acceleration generated in the piezoelectric ceramic does not increase, so that the stress generated in the piezoelectric ceramic is suppressed and damaged. Can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a polarization method of the present invention.
FIG. 2 is a polarization processing circuit diagram of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform of a pulse voltage applied to a piezoelectric ceramic in the polarization method of the present invention.
4 is a diagram representing the waveform of a pulse voltage applied to the pressure electromagnetic device.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a measurement frequency and a dielectric characteristic of a piezoelectric ceramic.
FIG. 6 is a pulse voltage waveform diagram used in the polarization method of the reference example .
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between polarization processing time and piezoelectric characteristics (electromechanical coupling coefficient) in a reference example and a conventional polarization method.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the standing time after polarization treatment and the piezoelectric characteristics (electromechanical coupling coefficient) in the reference example and the conventional polarization method.
FIG. 9 is an explanatory view showing a polarization device used in the polarization method of the present invention.

Claims

A polarization method of a piezoelectric ceramic that polarizes by applying a pulse voltage having a pulsed voltage waveform to the piezoelectric ceramic, wherein the pulse voltage includes a high frequency component, and the pulse voltage is increased as the polarization processing time elapses. A method of polarization of a piezoelectric ceramic, characterized by:

2. The piezoelectric ceramic polarization method according to claim 1, wherein the pulsed voltage waveform is any one of a rectangular wave, a trapezoidal wave, and a triangular wave.

A polarization method of a piezoelectric ceramic that polarizes by applying a pulse voltage having a pulsed voltage waveform to the piezoelectric ceramic, the pulse voltage including a high frequency component, and the rise time and fall time of the pulse voltage, A method of polarization of a piezoelectric ceramic, characterized by being lengthened with the lapse of the polarization treatment time.

Polarization method of the piezoelectric ceramic according to claim 3, wherein the pulse voltage waveform is either of the trapezoidal square wave and a triangular wave.

2. The pulse voltage includes a high frequency component in which the relative permittivity of the piezoelectric ceramic rapidly decreases when the relative permittivity of the piezoelectric ceramic is measured while changing the measurement frequency gradually higher. 5. A method for polarization of a piezoelectric ceramic according to any one of items 4 to 4 .

5. The piezoelectric ceramic polarization method according to claim 3, wherein a rise time and a fall time of the pulse-shaped voltage waveform are 0.1 microsecond to 1 millisecond.

The polarization of a piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 6 , wherein, in one cycle of the pulse voltage, a time during which a high voltage is applied is longer than a time during which no high voltage is applied. Law.

The polarization method of a piezoelectric ceramic according to any one of claims 1 to 7 , wherein the piezoelectric ceramic is polarized while being heated in a range of 80 ° C to a Curie temperature.

The piezoelectric according to any one of claims 1 to 8 , wherein the piezoelectric ceramic is polarized while applying a compressive force that cancels a tensile stress generated in the piezoelectric ceramic to a surface on a polarization direction side of the piezoelectric ceramic. Porcelain polarization method.