CN1284753A - 压电体极化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压电体的极化处理方法,其中压电体构成得使电流响应于将DC电压施加到压电体而流过压电体,该方法包含步骤:测量流过压电体的电流,在测量到的电流值达到设定值时停止施加DC电压。通过利用极化过程中的电流和极化程度的相关性,根据电流值控制极化程度。通过这种方法,得到理想的极化程度,并且减小了极化的分散。

Description

压电体极化处理方法
本发明涉及一种对用于陶瓷滤波器、陶瓷振荡器以及其它适当元件的压电体进行极化处理的方法。
为了对PZT和PT型压电陶瓷基片(块、单元或其它适当的形式)作极化处理，传统地，在烧制了压电陶瓷基片之后，将电极设置在压电陶瓷基片相对的两面。在60到100摄氏度的温度下，将多个压电陶瓷基片同时浸入极化液体中，并施加2到8kV/mm的电压大约10到30分钟，以得到理想的极化程度。
压电体的极化处理可以通过液体内(in-liquid)极化(在具有上述绝缘性质的极化液体中进行)，和大气内(in-air)极化(在大气或一种气氛中进行)完成。在空气内极化中，因为在大约至少1kV/mm的电压发生放电，故无法得到理想的电场强度。为此，通常进行液体内极化以得到高的极化程度。
但是在液体内极化的情况下，压电体的极化程度无法在极化过程中测量。这是因为放置在液体中的压电体的振动由于液体而受阻，并且无法测量频率特性。为此，传统地，液体内极化是定时极化，其中以预定时间周期作极化。结果，产生一个问题，即极化程度无法被正确地控制，这引起压电体的烧制和合成的分散，这导致极化程度的分散。
在第2656041号日本专利中，提出了一种极化方法，其中，在极化过程中测量压电常数(例如，机电耦合系数K)，并且当常数达到通过极化停止后立即得到的值K和经过一段时间后得到的稳定值K之间的相关性确定的预定值时，停止施加电压。结果，减小了由于材料和烧制条件的分散引起的极化程度的分散。相应地，产生具有恒定质量的压电体。
但是，在上述方法中，必须根据极化过程中的频率确定压电常数值，这需要长的测量时间。相应地，当许多压电体同时被极化时，可能由于测量的滞后而发生过极化。
另外，产生一个问题，即需要提供阻抗分析仪、AC信号源、AC/DC分离电路、转换电路，等等，以测量极化过程中的压电常数，从而使测量装置变得复杂和昂贵。
为了解决上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种对压电体进行极化处理的方法，其中大大减小了各个压电体的极化程度的分散，并且非常精确地得到作为目标的极化程度。
另外，本发明的较佳实施例提供了一种压电体的极化处理方法，其中防止了由于测量滞后引起的过极化。
根据本发明的一个较佳实施例，对压电体(它的特点是，由于将直流(DC)电压提供给压电体而引起的流过压电体的电流增加了)的极化处理方法包含步骤：将DC电压提供给压电体，测量流过压电体的由施加DC电压产生的电流，并且当测量的电流值达到设定值时停止施加DC电压。
在由诸如压电陶瓷之类的材料制成的压电体被极化时，当在极化过程中电流流过压电体时，电流会随着时间按指数增加，例如如图1所示。
如图1所示的电流增加的一个原因是，随着极化的进展，沿电场方向进行晶体的内部定向，这引起了压电体的绝缘电阻随着时间减小，并且绝缘电阻的减小引起电流值增加。当温度更高时，在极化过程中增加的电流表现得更显然。
在如图1所示，由施加DC电压引起的流过压电体的电流增加的压电体的情况下，可以根据电流值预测压电体的极化程度。具体地说，由于流过压电体的电流和极化程度具有高度相关性，可以通过在电流值达到设定值时停止极化而使极化程度接近目标值，并且可以减小极化程度的分散。
另外，不需要如传统方法需要的那样在极化过程中测量极化程度(频率特性)。只需要测量电流。由此，可以大大缩短测量时间，并且防止了当许多压电体被极化时，由于测量滞后引起的过极化。
另外，由于不必测量极化过程中的频率，故根据本发明的较佳实施例的极化设备大大简化了。
根据本发明的较佳实施例，由于不必测量压电体的频率特性，可以使用液体内极化或空气内极化的方法。
图2示出了压电体从极化到老化到常温恢复步骤内的极化程度的变化。
如图2所示，在极化过程中，极化程度增加到最大值，并通过老化减小，并在常温恢复中部分恢复，以至稳定。在极化过程中的最大极化程度△f1和最大极化程度△f1处的最大电流值(电流极限值)iL具有高的相关性。另外，最大极化程度△f1和在常温恢复后得到的稳定的极化程度△f2具有高度相关性。相应地，电流极限值iL和在常温恢复后得到的稳定的极化程度△f2具有高度相关性。在上述例子中，根据谐振频率fr和反谐振频率fa之间的频率差△f确定压电体的极化程度。诸如机电耦合系数K、中心频率之类的压电常数可用于确定极化程度。
图3示出了在极化中的电流极限值iL和在电流值达到电流极限值之后施加老化至常温恢复后得到的极化程度△f2之间的相关性。在下列条件下确定相关性：
压电体：PZT块(厚度为8mm)
极化电压(电极间电压)：8.7kV
极化温度：200摄氏度
老化温度：200摄氏度
当电流值表示为如图3所示的对数值时，可见电流值(对数值)和极化程度在电流极限值为大约2mA到大约10mA的范围内，基本上相互成比例。
较好地，根据刚好停止施加DC电压前得到的压电体的极化程度和停止施加电压后，老化了压电体，然后压电体的温度恢复到常温后得到的压电体的稳定的极化程度之间的相关性确定设定值。由此，可以将最后的极化程度非常精确地控制在目标值。
例如，如果理想的目标最终极化程度是△f=3.0kHz，则当电流值变成大约3.5mA时停止极化，并且在老化后，温度恢复到正常温度。
当流过压电体的电流值增加时，在为防止过电流而设置并与各个压电体串联的限流电阻器中产生电压降，从而减小了提供给压电体的电压。电压的减小引起的问题是：压电体的极化速率减小，从而无法得到理想的极化程度。
相应地，最好根据流过压电体的电流值计算限流电阻器的电压降，并且将该电压降加到初始施加的电压上。
即，根据下面的计算公式确定施加电压：
施加电压=初始的电压+电流值×限流电阻
通过使提供给各个压电体的电压随时保持恒定，可以解决由施加电压分散引起的压电体极化程度的分散。在这种方法中，除了控制极化程度以外，极化条件(电压)可以保持恒定。由此，进一步减小了极化程度的分散。
从参照如图的本发明的较佳实施例的详细描述，本发明的其它特点、要素、特征和优点是显然的。
图1是示出极化过程中流过压电体的电流变化的曲线图；
图2是示出极化处理过程中极化程度变化的曲线图；
图3是示出极化过程中电流极限值和在恢复室温后得到的极化程度之间的相关性的曲线图；
图4是根据本发明较佳实施例的一例极化处理设备的电路图；和
图5是示出极化过程中电流变化的曲线图。
图4示出实现本发明较佳实施例的压电体极化处理方法使用的一例极化处理设备。
在图4中，标号W1到Wn分别表示多个要极化处理的压电体。极化处理设备最好包含：温度调节装置1，用于调节多个压电体W1到Wn，并将大气控制在预定温度；高电压DC源2，用于极化；高压转换开关31到3N，用于将电压提供给多个压电体W1到Wn；限流开关41到4N，用于防止过电流；放电转换开关51到5N，用于将电荷从压电体W1到Wn释放；放电电阻61到6N；电流检测电路7，用于检测通过压电体的电流，控制装置8，用于控制施加的电压和极化程度。
在温度调节装置1中，进行每一个处理，即压电体W1到Wn的极化至老化。通过控制装置8，将温度调节装置1的温度控制得适合于每一个处理。极化温度最好高于老化温度(例如，150摄氏度或更高)，并且是可以得到能够和通过传统的液体内极化得到的极化程度相比的极化程度的温度。在这个例子中，极化到老化的条件和图3所示的相同。
电流检测电路7最好包含检测电阻器7a和诸如OP放大器之类的放大器7b，用于检测各别电阻器11a两端之间的电位差，并根据各个电阻器11a两端之间的电位差，检测流过各个压电体W1到Wn的电流。分别将检测电阻器11a和放大器11b连接到压电体W1到Wn。
将来自放大器7b的电流检测信号输入到控制装置8。控制装置8根据流过压电体W1到Wn的电流值，控制高电压DC源2、高电压转换开关31到3n、放电转换开关51到5N等等。将高电压转换开关31到3N和放电转换开关51到5n交替地接通。极化过程中，高电压转换开关31到3n接通，并且在极化后，放电转换开关51到5n接通。
下面将描述使用具有上述配置的极化处理设备的极化方法。
首先，压电体W1到Wn放置在温度调节装置1中。控制温度调节装置1的温度，从而所有的压电体具有预定温度(例如，大约200摄氏度)。接着，将高电压转换开关31到3n接通，从而将用于极化的DC电压分别同时提供给压电体W1到WN。在开始施加电压后，在电流检测电路7中测量流过各个压电体W1到WN的电流值。流过各个压电体的电流和极化程度随着时间而增加，如图5所示。
在控制装置8中，对与常温恢复后得到的稳定的极化程度△f2具有高度相关性的电流极限值iL进行预置。当极化过程中，每一个电流值达到该设定值iL时，控制装置8使高压转换开关31到3n各自断开，从而停止了将DC电压施加到压电体W1到WN。例如，如图3所示，为了得到目标极化程度△f=3.0kHz，在极化过程中电流值iL达到接近于3.5mA时停止施加电压。在某个压电体的电流值未达到设定值iL的情况下，继续将电压施加给该压电体，直到该压电体的电流值达到设定值iL。同时，当停止施加电压时，控制装置8使放电转换开关51到5n接通，从而存储在压电体W1到WN中的电荷放电。如果不进行放电，则会施加由存储的压电体W1到WN中的电荷引起的反向电场。极化可能返回。在放电后，完成极化。
接着，在温度调节装置1中老化压电体W1到WN，而压电体的温度在温度调节装置1中保持在预定温度(例如，200摄氏度)。老化时间可以接近于2或3分钟。在老化过程中，放电转换开关51到5n保持接通状态，从而继续放电。此后，将压电体W1到WN从温度调节装置1中取出，并且将压电体W1到WN的温度在足够时间内(例如，24小时)恢复到常温。由此，完成极化处理。
完成极化处理的压电体W1到WN可以给予目标极化程度△f2。
当在极化过程中流过压电体的电流随着时间增加时，在限流电阻器41到4n中产生电压降。相应地，跨过各个压电体W1到WN的两端的电极的电压减小。电压的减小引起一个问题，即各个压电体W1到WN的极化速率减小，并且无法得到理想的极化程度。
在控制装置8中，通过根据由电流检测电路7检测到的电流值计算限流电阻器41到4n中的电压降，并将该电压降加到初始的施加电压，控制压电体的电极间电压，以便在任何时候都保持恒定。
即每一个施加的电压根据下面的等式确定：
施加电压=初始电压+电流值×限流电阻
如上所述，通过将提供给压电体的电压在任何时候都保持恒定，消除了压电体极化程度的分散。
如图4所示，在提供一个施加电压源2的情况下，为了控制电压源的电压，流过各个压电体的电流的最小值可以用于控制电压源电压。这是因为要防止压电体由于施加过电压而毁坏。另一方面，在设置多个外加电压源的情况下，例如，根据各个压电体的电流值计算外加电压并且对各个压电体控制外加电压源的电压。可以通过在电流值增加时随时执行的反馈处理进行电压控制。
在上述例子中，在高温下作空气中极化。在本发明的较佳实施例中，类似地，可以进行液体内极化，因为不需要测量压电体的频率特性。相应地，和空气内极化相比，在极化过程中可以提供更高的DC电压。
由此，根据本发明的较佳实施例，在具有由于施加的DC电压引起的流过压电体的电流的压电体的极化处理中，通过利用极化过程中电流和极化程度之间的相关性将电流控制到设定值。由此，压电体极化的分散大大减小了。
在根据本发明较佳实施例的电流控制方法中，和在极化过程中测量压电体的频率的控制方法相比，测量时间显著缩短，并且防止了当多个压电体极化时由测量的滞后引起的过极化。这样达到了高度精确的极化控制。
虽然已经揭示了本发明的较佳实施例，但是，实现这里所揭示的原理的各种模式在下面的权利要求的范围内。因此，应该知道，本发明的范围只由权利要求限定。

Claims (20)

1．一种压电体极化处理方法，其中所述压电体构成得电流响应于将DC电压施加给压电体而流过压电体，其特征在于所述方法包含以下步骤：
提供压电体；
将DC电压提供给所述压电体；
测量由于施加所述DC电压引起的流过所述压电体的电流；和
当测量到的所述电流值达到设定值时，停止施加DC电压。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述设定值是根据刚好停止施加DC电压之前得到的压电体的电流值和在停止施加DC电压后得到的压电体的稳定的极化程度之间的相关性确定的。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包含老化压电体的步骤。
4．如权利要求3所述的方法，其特征在于极化步骤中的温度高于老化步骤中的温度。
5．如权利要求3所述的方法，其特征在于还包含将压电体的温度恢复到常温的步骤。
6．如权利要求1所述的方法，其特征在于在施加DC电压的步骤中，根据流过压电体的电流值计算限流电阻器中的电压降，并将所述电压降加到初始施加电压中。
7．如权利要求1所述的方法，其特征在于还包含步骤：提供多个压电体，并同时对所述多个压电体执行施加电压、测量和停止中的每一个步骤。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于还包含步骤：控制温度，从而多个压电体的温度在施加电压的步骤前基本上是相同的。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于当极化过程中的电流值接近于3.5mA时，停止施加电压的步骤。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于如此执行施加电压的步骤，从而施加的电压等于初始电压加上测量的电流值和限流电阻的乘积。
11．如权利要求1所述的方法，其中压电体上具有电极，其特征在于所述方法还包含控制施加电压，从而电极之间的电压保持恒定的步骤。
12．一种压电体极化处理方法，其特征在于所述方法包含以下步骤：
设置压电体；
对所述压电体极化处理；和
根据流过所述压电体的电流停止对所述压电体极化处理。
13．如权利要求12所述的方法，其特征在于极化处理的步骤包含将DC电压提供给压电体的步骤。
14．如权利要求13所述的方法，其特征在于还包含测量由施加DC电压引起的流过压电体的电流的步骤。
15．如权利要求13所述的方法，其特征在于还包含步骤：设定电流极限值，并在测量到的电流值达到所述电流极限值时停止极化处理。
16．如权利要求15所述的方法，其特征在于根据刚好停止施加DC电压前得到的压电体的电流值和在停止施加DC电压后得到的压电体的稳定的极化程度之间的相关性确定所述电流极限值。
17．如权利要求12所述的方法，其特征在于还包含老化压电体的步骤。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于在极化步骤中的温度高于老化步骤中的温度。
19．如权利要求17所述的方法，其特征在于还包含将压电体的温度恢复到常温的步骤。
20．如权利要求13所述的方法，其特征在于在施加DC电压的步骤中，根据压电体中流过的电流值计算限流电阻器中的电压降，并将电压降加到初始施加的电压上。
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