JP4404565B2

JP4404565B2 - 圧電磁器の分極法

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。

Claims

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圧電磁器の分極法。
前記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請求項１に記載の圧電磁器の分極法。
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圧電磁器の分極法。
前記パルス状の電圧波形が、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請求項３に記載の圧電磁器の分極法。
前記パルス電圧が、測定周波数を次第に高く変化させて前記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請求項１乃至４のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。
前記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請求項３又は４に記載の圧電磁器の分極法。
前記パルス電圧の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請求項１乃至６のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。
前記圧電磁器を、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請求項１乃至７のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。
前記圧電磁器の分極方向側の面に、前記圧電磁器に発生する引張り応力を打消すような圧縮力を印加しながら分極することを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。