(57)【要約】【課題】十分に分極でき、圧電特性の経時劣化が小さく、分極処理で圧電磁器に損傷を生じることなく、短時間で分極処理が行なえる圧電磁器の分極法及び分極装置を提供する。【解決手段】圧電磁器２０に分極電界を印加して分極する圧電磁器２０の分極法であって、分極電界と同時に高周波電界を印加することを特徴とする。【選択図】図５
2004296783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電磁器に分極電界を印加して分極する圧電磁器の分極法であって、前記分極電界と同時に高周波電界を印加することを特徴とする圧電磁器の分極法。
【請求項２】
高周波電界が、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周波数又はその近傍の周波数で印加されることを特徴とする請求項１記載の圧電磁器の分極法。
【請求項３】
高周波電界が０．５ＧＨｚ以上の周波数を有することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電磁器の分極法。
【請求項４】
高周波電界が、分極電界の３％以下の強さであることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。
【請求項５】
圧電磁器に分極電界を印加する電極に、高周波電界が印加される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。
【請求項６】
圧電磁器の分極方向と平行に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５のうちいずれかに記載の圧電磁器の分極法。
【請求項７】
圧電磁器に分極電界を印加する分極電界印加手段と、前記圧電磁器への分極電界印加と同時に高周波電界を印加する高周波電界印加手段とを具備することを特徴とする分極装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電磁器の分極法及び分極装置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（分極電界）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及び分極装置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】
本発明の分極方法は、圧電磁器に分極電界を印加して分極する圧電磁器の分極法であって、前記分極電界と同時に高周波電界を印加することを特徴とする。
【００１０】
本発明では、分極電界と同時に高周波電界を印加して分極が行われるため、高周波電界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。
【００１１】
即ち、圧電定数の劣化が起こるエージング現象は、分極時に発生した磁器の内部歪（残留応力）によって分極の緩和が経時的に進行する為におこる圧電特性の劣化現象であるが、この分極時に起こる内部歪とＱ値は密接な相関を持つために、高いＱ値を持った圧電磁器は圧電定数が小さく、大きい圧電定数を持った磁器はＱ値が低いという一般的な圧電材料特性の傾向がある。一般的に圧電磁器の強度は通常のセラミック材料に較べて柔らかく、強度が低いのも、圧電的性質を分極によって発現させる必要があることに関係がある。
【００１２】
本発明では、上記したように、分極時に磁器に発生する内部歪を低減できるため、圧電特性の時間の経過に伴うエージング劣化を防ぐことができ、高いＱ値と大きい圧電定数を同時に有し、高い強度を有する圧電磁器を得ることができる。
【００１３】
また、分極を充分にかつ容易に行うことができるため、従来のように、数ｋＶ／ｍｍ程度の高い分極電界で、５０〜９０℃程度の温度の絶縁油中で分極処理する条件を大きく緩和でき、分極の手間及びこれに関わる経費を削減できる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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程度と低周波であり、分極電界と高周波電界を同時に印加するものではない。
【００１８】
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、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。
【００１９】
また、本発明の圧電磁器の分極法は、高周波電界が、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周波数又はその近傍の周波数で印加されることを特徴とする。
【００２０】
このような高周波数電界が分極電界と同時に印加されることにより、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。このような高周波電界は、１００ＭＨｚ〜数１０ＧＨｚの周波数成分である。
【００２１】
さらに、本発明の圧電磁器の分極法は、高周波電界が０．５ＧＨｚ以上の周波数を有することを特徴とする。このような分極法では、磁器粒径が２０μｍ以下の圧電磁器をさらに充分に分極できる。
【００２２】
また、本発明の圧電磁器の分極法は、高周波電界が、分極電界の３％以下の強さであることを特徴とする。このような分極法では、分極時の圧電磁器の破損を抑制できるとともに、高周波電界を印加する装置自体も容易に確保できる。
【００２３】
さらに、本発明の圧電磁器の分極法は、分極電界を印加する電極に、高周波電界が印加されることを特徴とする。このような分極法では、新たに高周波電界を印加する電極を形成する必要がなく、既存の分極電界用の電極で高周波電界を印加できる。
【００２４】
また、本発明の圧電磁器の分極法は、圧電磁器の分極方向と平行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、分極電界を印加された圧電磁器は、分極方向と平行にひずみが発生し、高周波電界を印加すると振動する。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、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。
【００２５】
本発明の分極装置は、圧電磁器に分極電界を印加する分極電界印加手段と、前記圧電磁器への分極電界印加と同時に高周波電界を印加する高周波電界印加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容易に行うことができ、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。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の分極法においては、先ず、印加する高周波電界の周波数を決定するため、圧電磁器の誘電特性を、例えば１００ＭＨｚ〜数ＧＨｚの範囲で測定する。
【００２７】
図１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、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１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（２〜３ＧＨｚ）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有する高周波電界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。
【００２８】
印加する高周波電界の周波数は０．５ＧＨｚ以上、特には、０．５〜１０ＧＨｚであることが望ましい。０．５ＧＨｚ以上の周波数を有する場合には、一般的な結晶粒径（０．１μｍ〜３０μｍ程度）を持つ圧電磁器の結晶粒やドメインを有効に振動させることができるからである。
【００２９】
また、印加される高周波電界は、分極電界の３％以下であることが望ましい。これは、高周波電界は電界強度が高いことが望ましいが、余りにも高いと圧電磁器が破損し易く、また、そのような高周波電界を印加しうる装置もないからである。
【００３０】
この高周波電界を分極電界と同時にかけて分極した圧電磁器の圧電特性とＱ値との関係を図２に示す。
【００３１】
具体的に説明すると、このグラフは、ＰＺＴからなる圧電磁器を８０度の絶縁油中に浸漬し、３ｋＶ／ｍｍの直流電圧（分極電界）を３０分印加すると同時に、０．０３ＶｋＶ／ｍｍの強度（分極電界の１％）の１ＧＨｚ〜２ＧＨｚの高周波電圧（高周波電界）を印加して磁器を分極したものである。
【００３２】
従来の直流分極法で得られる磁器のＱ値と圧電定数は、最適な材料設計を行っても図２に示す曲線上に乗り、高いＱ値と高い圧電定数を同時に達成することはできないが、高周波電界を印加して行った分極では、従来得られなかった領域の高いＱ値と高い圧電定数が得られていることが判る。
【００３３】
図３に、従来の分極法と本発明の分極法によって分極処理がなされたＰＺＴからなる圧電磁器の、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、圧電磁器の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３より、本発明の分極法を用いた圧電磁器は、従来の分極法よりも分極処理後の経時変化が小さく、エージング処理をしなくても圧電特性の劣化が見られない特性を有することが判る。
【００３４】
図４に、薄い圧電磁器２０を分極する場合の分極法を示すもので、厚みの薄い圧電磁器２０の場合には、分極電界印加用電極１０と高周波電磁場を付加する高周波電界印加用電極は同一のものを用いるのが望ましい。一般的に、圧電磁器２０が浸漬されるオイル自身も誘電体であり、大きな誘電損失を持つため、できるだけ高周波電場の強い部分は圧電磁器２０の中だけにとどめるためである。尚、同一の電極１０で静電界及び高周波電場をかけるため、高周波発生装置に高電界に耐え得る回路設計を施すことが必要である。また、直流分極電圧によって大電流が高周波発生装置に流れないように、コンデンサーＣで高周波発生装置を直流回路から切り離す必要がある。
【００３５】
一方、図５に示すように、ブロック状の圧電磁器２０を分極させる場合には、分極電界印加用電極１０とは異なる高周波電界印加用電極１１によって高周波電界を印加することが可能である。この場合には、高電界を生む分極電極との間で放電が起こらないような高周波電場用の電極構造を持たせることによって可能になる。
【００３６】
本発明の分極装置は、圧電磁器に分極電界を印加する分極電界印加手段と、圧電磁器への分極電界と同時に高周波電界を印加する高周波電界印加手段とを具備するもので、分極電界印加手段は、圧電磁器２０に形成された分極電界印加用電極１０及び直流電源であり、高周波電界印加手段は、図４では、直流電源に接続された高周波発生装置であり、図５では、圧電磁器２０の側面に対向して形成された高周波電界印加用電極１１と、これらに接続された高周波発生装置である。
【００３７】
さらに、分極装置は、圧電磁器を保持する冶具を有しており、圧電磁器が浸漬される絶縁オイルを満たすことのできる漕を具備するものである。
【００３８】
【実施例】
圧電磁器に分極電界と高周波電界を同時に印加する本発明の場合と、直流電圧で分極処理を行う従来の方法を比較して示す。
【００３９】
まず、分極処理を行う圧電磁器はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とし、圧電共振子を構成する圧電磁器とし、素子形状は、５ｍｍ角で厚さ５０μｍの圧電磁器の両主面に厚み５μｍの銀電極を印刷したものである。この銀電極は分極電界および高周波電界を印加する電極とする。
【００４０】
このような圧電素子にて、本発明の分極法と、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。
【００４１】
従来の分極処理方法としては、８０℃のシリコンオイル中で、圧電素子の２つの銀電極間に１００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。
【００４２】
本発明の分極処理方法としては、図４に示すような回路を用いて、８０℃のシリコンオイル中で、圧電素子の２つの銀電極間に１００ボルトの直流電圧（２ｋＶ／ｍｍの直流電界）と同時に、パルスジェネレーターによって振幅１ボルト、周波数５００ＭＨｚの高周波を印加した。即ち、直流分極電圧の１％の高周波電界を印加した。また、パルスジェネレーターと高圧直流電圧を切り離すコンデンサーＣは１ｐＦのものを使用した。
【００４３】
上記の分極方法によって、分極時間を変化させて、圧電磁器の結合係数（圧電性の高さを示す）を測定したものが図６である。従来の分極方法では、充分に分極が掛かるまで１時間以上要したが、本発明の分極法では、１０分程度で結合係数が最大となることがわかる。
【００４４】
また、図３は本発明の分極法と従来の分極法で、分極後に放置した後に、結合係数を測定し、放置時間と結合係数の関係を示したものであるが、本発明の分極法では、圧電磁器の残留応力が小さい為、放置後の圧電性の劣化が僅かである事が分かる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の分極法では、エージング劣化の殆ど見られない圧電磁器を得ることができるとともに、従来の圧電磁器の特性を越えた、Ｑ値が高く、なお且つ大きな圧電定数を持った圧電磁器が得られる。また、分極電界の大きさを低減できるととともに、高い温度での長時間の分極処理条件が低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧電磁器の誘電特性の周波数分散を示すグラフである。
【図２】本発明と従来の分極法により得られた圧電磁器のＱ値、圧電定数とを比較して示すグラフである。
【図３】本発明と従来の分極法により得られた圧電磁器の圧電定数のエージング特性を比較して示すグラフである。
【図４】厚みが薄い圧電磁器の場合の分極電界及び高周波電界を印加する状態を示す概念図である。
【図５】厚みが厚い圧電磁器の場合の分極電界及び高周波電界を印加する状態を示す概念図である。
【図６】本発明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。
【符号の説明】
１０・・・分極電界印加用電極
１１・・・高周波電界印加用電極
２０・・・圧電磁器
【図１】
2004296783.tif 000003
【図２】
2004296783.tif 000004
【図３】
2004296783.tif 000005
【図４】
2004296783.tif 000006
【図５】
2004296783.tif 000007
【図６】
2004296783.tif 000008