CN1303012A - 压电陶瓷装置的检查方法 - Google Patents

Abstract

加热压电陶瓷装置,从而使温度增加到最大温度附近,其中当温度返回到正常温度时,装置返回到加热之前基本上相同的压电特性。在加热压电陶瓷装置的状态中,增加温度,测量压电陶瓷装置的压电相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。与标准特性比较测量特性,由此,根据比较结果查出压电陶瓷装置的内部缺陷。对于加热升温及测量,在通过施加高频信号对压电陶瓷装置本身电介质加热的同时,对压电陶瓷装置施加功率电平高于压电陶瓷装置的额定电平的高频测量信号,测量压电相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。

Description

压电陶瓷装置的检查方法

本发明涉及一种非破坏性地检查诸如微裂痕之类的内部缺陷或其它可能在诸如振荡器、滤波器或其它此类压电陶瓷装置中产生的缺陷的方法，其中这些缺陷影响了压电陶瓷装置的质量和特性。

在传统的不破坏性检查压电陶瓷装置的内部缺陷的方法中，测量压电陶瓷装置的阻抗和/或相位特性，将代表特性的曲线图形与标准曲线图形比较，如果曲线图形相互不同，则判断在压电陶瓷基片中有微裂痕，如在第63305号日本未审查专利公告中所揭示的。

根据这种检查方法，可自动判断。由此，其优点是可以快速有效地判断许多的压电陶瓷装置有没有缺陷。另外，由于不是以目视执行该检查，所以检查精确度高。

根据上述检查方法，在正常温度下测量电特性，并与标准特性比较。但是在许多情况下，没有缺陷的部件和有缺陷的部件之间的差异在正常温度下小，或不存在。由此，使用上述方法，不可能完全地查出诸如微裂痕之类的内部缺陷或其它缺陷。

在一个例子中，将多个陶瓷振荡器(振荡频率：25MHz)中的每一个结合到振荡电路中，当振荡器振荡时，将振荡器放置在温度为200摄氏度的大气中，然后测量振荡电压的特性。图1示出测量结果。这些振荡器的特性在正常温度下没有不同。

如图1所示，振荡电压随着温度的增加稍稍减小。

一些振荡器(NG)减小到大约0V，并停止振荡。对于其它振荡器(G)，即使在200摄氏度或更高的温度下，振荡也不停止。

将这些振荡器打开，并用显微镜观察内部装置。对于在低温下停止振荡的振荡器(NG)，确定在装置的内部形成有微裂痕。相应地，已经发现，在正常温度下正常振荡和表现正常特性的一些振荡器内部具有微裂痕，并且可以在根据下面描述的本发明的较佳实施例对它们进行加热时，通过测量振荡器的特性查出这种内部缺陷。

为了克服上述问题，本发明的较佳实施例提供了一种检查压电陶瓷装置的方法，其中，在正常温度下无法查出的内部缺陷可以不受到破坏地精确可靠地查出。

另外，本发明的较佳实施例提供了一种检查压电陶瓷装置的方法，其中，可以使用简单的工具快速查出内部缺陷。

根据本发明的较佳实施例，提供了一种检查压电陶瓷装置的方法，它包括步骤：加热压电陶瓷装置使其温度接近于其最大温度；当压电陶瓷装置的温度回到正常温度时，压电特性基本上回复到加热前同样的特性，在加热该装置使其温度升高的同时，测量压电陶瓷装置的压电相位特性和阻抗特性中的至少一个特性；比较测量到的压电相位特性和阻抗特性中所述至少一个特性与标准特性；和根据比较步骤中的结果查出压电陶瓷装置中是否有内部缺陷。

在本发明的这个较佳实施例中，首先加热压电陶瓷装置，从而提高其温度。

接着，当处于加热和升温的压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性中的至少一个特性时，随着温度的增加而使具有内部缺陷的压电陶瓷装置表现出大的变化，其中这种大的变化在正常温度下不显示出来。然后，将测量到的相位特性之一和测量到的阻抗特性与标准特性比较。

标准特性可以从例如好的压电陶瓷装置(无内部缺陷)的相位特性或阻抗特性得到。

作为上述比较的结果，如果测量特性不同于标准特性而偏离了预定特性范围，则判断该压电陶瓷装置具有内部缺陷。

另外，根据本发明的较佳实施例，不仅微裂痕，而且可以查出粘到电极上的杂质。

较好地，将加热的增加温度设置到最大温度(其中，当压电陶瓷装置在加热之后回到正常温度时压电陶瓷装置的压电特性返回到基本上和加热之前相同)附近。无法在正常温度下检查到的内部缺陷可以通过加热到尽可能高的温度加热(只要压电特性可以返回)安全地检查到。当在比上述温度更高的温度下加热压电陶瓷装置时，压电陶瓷装置本身的压电特性不可逆地改变，由此不可取。

较好地，作为待测量的相位特性，使用最大相位角θmax。在正常温度下，压电陶瓷装置表现出如图2中的实线P1所示的相位特性。在更高的温度下相位如虚线P2所示减小。压电陶瓷装置中内部缺陷越大，相位减小量越大。较好地，通过利用相位减小判断内部缺陷。

由此可见，在内部缺陷和最大相位角之间有相关性。

图3示出在以同一方法加热有内部缺陷的装置NG和无内部缺陷的装置G时，得到的结果，并测出振荡频率fose附近的最大相位角。由图3可知，与无内部缺陷的装置G相比，有内部缺陷的装置NG呈现的最大相位角有更大的减小。

对于具有内部缺陷的装置NG，相位不超过大约60度。另一方面，对于没有内部缺陷的装置，相位不小于大约70度。在这些装置的情况下，可以通过设置升高的温度，用于在大约150摄氏度或更高，判断没有缺陷或有缺陷，和将最大相位角设置为判断装置有没有缺陷的阈值，能可靠地查出是否存在内部缺陷。

较好的，作为要测量的阻抗特性，使用反谐振阻抗Za和谐振阻抗Zr之间的差Za-Zr。在正常温度下，示出如图2中实线J₁表示的阻抗特性。在更高的温度下，反谐振和谐振点移动到更高的频率侧，并且另外，减小了阻抗差Za-Zr。较好地，通过使用这种特性判断内部缺陷。

除了Za-Zr，可以使用Za和Zr本身的值、可以使用在反频率点处的频率变化率(dZa/df)、谐振点处的频率变化率(dZr/df)、振荡频率fosc、反谐振频率fa和谐振频率fr。

应该注意，要测量的相位特性和阻抗特性不限于上述特性。还可以使用其它适合的测量。

参照加热压电陶瓷装置以增加温度的方法，例如，将装置放置在高温大气中，或通过加热器外部加热。但是，根据这些方法，至少需要几秒钟增加装置的温度。效率非常低，并且另外，需要大尺寸的设备来加热。相应地，最好通过将电平高于压电陶瓷装置的额定电平的高频测量信号应用到压电陶瓷装置，而压电陶瓷装置本身通过施加高频信号作电介质加热，执行加热和升温，并通过根据高频信号的施加测量压电陶瓷装置中相位特性和阻抗特性中的至少一个特性来执行测量步骤。

即，本发明的发明人发现，通过增加测量信号的功率电平，通过电介质加热快速加热装置。在这种情况下，如果功率电平太高，则温度变得太高，导致装置的特性退化。在过分加热的这种情况下，当温度返回到正常温度时，压电陶瓷装置无法返回到加热以前的压电特性。为此，最好选择一个高频测量信号，它具有高于装置的额定电平的电平，并在压电特性可以返回到装置加热以前所具有的特性的范围内是最高的电平。另外，具有不同振荡频率的装置具有不同的厚度。相应地，必须选择对应于这种差的功率电平。

如上所述，可以使用同一个设备同时执行加热升温步骤，以及测量步骤。结果，大大缩短加热和测量时间。另外，仅仅需要增加和控制现有测量工具的功率电平。由此，可以使用非常简单和相对便宜的设备执行这些步骤。

图4示出了通过电介质加热来加热装置而得到的升温曲线(计算值)。通过逐步改变功率电平(从大约30dBm到大约40dBm)得到各个曲线。如图4所示，当从开始加热经过400msec时间时，温度近乎达到最大温度。

如上所述，当通过电介质加热使装置加热时，温度可以在大约几百秒内增加到目标温度。由此，加温时间显著减小，还有，大大减小了查出内部缺陷所需要的时间。另外，较好地，由于加热是局部和自发的，装置的温度可以快速返回到其初始值。

根据本发明，通过施加高电平的高频信号，使用电介质加热，从内部加热压电陶瓷装置。检查缺陷需要大概400msec。然后，在内部加热的同时，当外部加热压电陶瓷装置时，可以进一步缩短测量时间，因为可以快速地将压电陶瓷装置加热到预定温度。所以，最好结合内部加热和外部加热，以减小测量时间。

在内部加热(电介质加热)中，压电陶瓷装置在振动电极部分产生热，并且产生的热传导到外部周围部分。另一方面，在外部加热中，压电陶瓷装置产生的热从外部周围部分传导到内部。由此，当同时使用内部加热和外部加热时，不仅可以减小测量时间，而且压电陶瓷装置可以被加热，以均匀地提高整个装置的温度。

作为外部加热方法，可以有使用对流的方法、使用辐射加热的方法、使用传导加热的方法。为了在短时间内使用简单的设备并加热，传导加热方法是较好的。

当测量处于加热状态的压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性时，可以检查到无法在正常温度下检查到的缺陷。但是，有一些压电陶瓷装置，它们的相位特性随着温度增加而超过标准值区域，并在检查到内部缺陷后返回到标准值区域内(当温度进一步增加时)。这种压电陶瓷装置也是有缺陷的产品。

图5示出了当外部加热压电陶瓷装置时，在加热处理中温度和最大相位角θmax之间的关系。

在图5中，G表示好的平均相位特性。NG1和NG2是具有内部缺陷的有缺陷产品的相位特性。在NG1和NG2的情况下，相位特性在预定温度(70摄氏度或120摄氏度)偏离标准特性(G的特性)，并且可以检查到内部缺陷。但是，当进一步增加温度时，其相位特性不同于标准特性，并且无法检查到内部缺陷。

图6示出当电介质加热压电陶瓷装置时，经过时间和最大相位角θmax之间的关系。

如图6所示，在经过150msec时间以后检查到缺陷，并且此后，特性返回到NG1的情况下的正常值。在NG2中，特性在经过300msec时间前正常，但是，此后检查到确定。

注意，图6中的NG1和NG2的压电陶瓷装置与图5中的NG1和NG2相同。

另外，NG1的缺陷不同于NG2的原因假设是由在产生微裂痕的位置中的不同引起的。

通过这种方式，当仅仅在预定温度和预定经过时间内执行检查时，无法检查到其特性返回到标准值的压电陶瓷装置的缺陷。

所以，根据本发明，在装置内部多个不同温度下测量压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。当在多个温度值下执行测量时，可以检查到其特性偏离标准值又返回到标准值的压电陶瓷装置的内部缺陷。

至于测量的温度间隔，参照图5，最好将间隔设置得小于50摄氏度。

根据本发明，在压电陶瓷装置内部的不同温度值下测量特性。但是，当通过施加高频信号对压电陶瓷装置内部加热时，难以直接检查到压电陶瓷装置的内部温度的差。在这种情况下，在施加了高于标准电平的高频信号后以多个经过时间测量特性。

当施加更高电平的高频信号时，如图4所示，装置的内部温度随经过时间而升高。由此，当以多个经过时间测量特性时，可以安全地检查到其缺陷仅仅在某一个温度范围的压电陶瓷装置的内部缺陷。另外，当由经过时间决定测量时间时，不必检查装置的内部温度，由此使测量简化。

从下面参照附图对本发明的较佳实施例的详细描述，本发明的特点和优点是显然的。

图1是示出当振荡器的温度增加时引起的，有和没有内部缺陷的振荡器的振荡电压中的变化的曲线图；

图2是示出陶瓷振荡器的阻抗和相位特性的阻抗的曲线图；

图3是当升高装置的温度引起的，有和没有内部缺陷的装置的最大相位角的变化的曲线图；

图4是示出当通过电介质加热增高装置的温度时引起的随着时间的变化；

图5是示出当由于外部加热增加温度时，有和没有内部缺陷的装置的最大相位角的变化的曲线图；

图6是示出当由于电介质加热增加温度时，有和没有内部缺陷的装置的最大相位角的变化的曲线。

图7示出用于实现本发明的较佳实施例的检查方法的工具的配置；

图8示出当通过施加高电平信号引起电介质加热时，有和没有内部缺陷的装置的振荡停止温度与装置的最大相位角之间的相关性的曲线图；

图9是示出用于通过几次检查识别装置是否好的方法的流程图；

图10是示出当执行内部加热和外部加热时检查方法的视图；

图11是当执行内部加热和外部加热时，有和没有缺陷的装置相对于时间的相位角变化的曲线图；

图7示出用于执行本发明的较佳实施例的检查方法的检查工具。图5中，最好将陶瓷振荡器2用作压电陶瓷装置。

示出网络分析器1，它测量和分析的电特性，是陶瓷振荡器2的频率的函数。从仪表中包含的正弦波扫频振荡器的输出端1a输出高频测量信号，并通过测量端子3a和3b施加到陶瓷振荡器2，由此测量到陶瓷振荡器的相位或阻抗特性。在图7中，示出对应于一个通道的检查仪表。但是，该检查仪表可以适合于多个通道。

将RF功率放大器4连接在网络分析器1的输出端1a和测量端子3a之间。并将放大的功率通过测量端子3a提供给陶瓷振荡器2。更具体地说，一般用于测量阻抗特性的信号电平大约为0dBm。在本发明的较佳实施例中，功率放大器4的输出电平最好是大约20dBm到大约40dBm。流过陶瓷振荡器2的信号从测量端子3b传输到衰减器5，并通过衰减器5衰减到原来的功率，并输入到网络分析器1的输入端子1b。

网络分析器1将高频测量信号施加到陶瓷振荡器2持续，接近于几百ms。当通过电介质加热将陶瓷振荡器2加热到预定温度时，测量阻抗特性和相位特性中的至少一个特性。例如，在将陶瓷振荡器2加热到接近于200摄氏度的情况下，当陶瓷振荡器2的输出电平大约为34dBm时，如图4所示，温度在大约200ms内达到接近于200摄氏度。相位特性是相位差(相位角)的频率特性，频率特性其实是电流和电压之间的相位差的测量平均值。根据相位特性确定例如振荡频率fosc附近的最大相位角θmax。如果最大相位角θmax不低于标准值，则将装置判断为无缺陷。如果最大相位角θmax低于标准值，则将装置判断为具有内部缺陷的有缺陷装置，其中该缺陷通过传统方法是无法查出的。

图8说明了当将大约34dBm的测量信号施加到图1的装置时在得到的fosc附近的θmax值与振荡停止温度之间的关系。通过参照图1，知道标准值可以是大约40摄氏度到50摄氏度。

如参照图5和图6描述的，有一些压电陶瓷装置，它们的相位特性或阻抗特性随着温度的增加偏离了标准值范围，然后返回到标准值。在图9中示出检查这种压电陶瓷装置的方法。

图9中，当开始测量时，将第一高频测量信号施加到压电陶瓷装置T0秒(步骤S1)。由此，由于通过电介质加热增加了压电陶瓷装置的温度，在T0秒后比较最大相位角0和标准值θs(步骤S2)。当比较结果是θ小于θs时，确定这是有缺陷产品(步骤3)。

在步骤S2中，当比较结果是θ大于等于θs时，将第二高频测量信号施加到压电装置To秒(步骤S4)。

由此，由于进一步对压电陶瓷装置加热，最大相位角θ和标准值θs在T0秒之后比较(步骤S5)。当比较结果是θ小于θs时，确定它是有缺陷产品(步骤S6)。此后，重复相同步骤。

最后，将n次高频测量信号施加到压电陶瓷装置T0秒(步骤S7)。此时，由于将压电陶瓷装置加热到接近于最大温度，在T0秒后比较最大相位角θ和标准值θs(步骤S9)。这里，当比较结果是小于θs时，确定有缺陷(步骤S9)。当比较结果是θ大于等于θs时，确定没有缺陷(步骤S10)。

注意，当施加第一到第n个高频信号时，没有停止周期，信号连续地提供给压电陶瓷装置。

图9中，虽然第一到第n个高频信号的施加时间(检查时间)是恒定的，但是可以任意改变施加时间To。特别地，当缺陷不经常出现时，施加时间可能长。另外，当经常出现缺陷时，施加时间可以短。

另外，当检查时间To短时，检查结果与在连续检查中基本上是相同的。由此，即使压电陶瓷装置的相位角在任意温度值偏离标准值，仍然能够检查缺陷。

图10示出用于执行根据本发明的检查方法的检查装置的第二实施例。在该实施例中，使用通过电介质加热的内部加热和外部加热，以缩短测量时间。

图10示出压电陶瓷装置2，它处于电极2a和2b与一对测量端子3a和3b接触的状态。如图7中所示，将一个测量端子(3a)连接到RF功率放大器4，并将另一个测量端子3b连接到衰减器5。

通过空气吸收(图中未示)将压电陶瓷装置2与传热板6相吸，因传热板6被加热到预定温度。

当通过测量端子3a和3b将更高电平的高频信号施加到压电陶瓷装置2时，加热装置2，并且通过加热处理板6对装置2进行外部加热。在这种情况下，可以通过连接到测量端子3a和3b的网络分析器(如图7所示)测量相位角或阻抗。

图11示出当进行内部加热和外部加热时，时间减少的优点。即，在大约20摄氏度、40摄氏度和60摄氏度的大气温度下，将高频信号(信号电平为0.9W)施加到处于电介质加热中的好的产品G和有缺陷产品NG以测量相位特性。

对于良好的产品G和有缺陷的产品NG，分别使用相同的压电装置。

如图11清楚地看到，当大气温度增加时，可以缩短缺陷的检查时间。具体而言，当温度为20摄氏度时，在350msec时出现缺陷。在40摄氏度的情况下，在100到150msec出现缺陷。当温度是60摄氏度时，在50msec出现缺陷。

按照这种方式，当进行电介质加热和外部加热时，与只进行内部加热的情况进行比较，可以缩短测量时间。

本发明不限于上述较佳实施例的例子。

在图9的实施例中，通过电介质加热在时间To比较相位角和标准值进行几次测量。但是，当可以测量压电陶瓷装置的外部温度时，可以通过测量不同温度值时的相位角，并将这些相位角与标准值比较执行几次测量。

在上述例子中，通过将压电陶瓷装置由增加的温度而加热时得到的最大相位角与标准值比较，判断内部缺陷。可以根据阻抗Za和Zr或根据相位角和阻抗判断内部缺陷。

另外，作为外部加热的方法，使用通过与加热处理板接触的使用传导加热的方法。但是，可以将压电陶瓷装置放置在温度受控的液体或大气中，或可以使用加热电线和辐射加热。

通过本发明的较佳实施例的方法检查的压电陶瓷装置不限于陶瓷振荡器，还可以是陶瓷滤波器、鉴频器和陷波滤波器和其它适当的端子部件。

另外，可以使用本发明的较佳实施例的方法查出内部缺陷，而不论诸如厚度延伸振动、厚度切向振动、区域振动等不同的振动模式如何。

如从上述描述中清楚地看到的，根据本发明的较佳实施例，加热压电陶瓷装置，当装置处于最大温度时，测量到压电陶瓷装置的压电特性和阻抗特性中的至少一个，并且将测量结果与标准特性比较，由此判断压电陶瓷装置是否具有内部缺陷。相应地，即使无法在正常温度下查出内部缺陷，但是可以不破坏性地精确可靠地查出该内部缺陷。

较好地，与通过施加高频信号至压电陶瓷装置作电介质加热的同时，施加具有高于压电陶瓷装置的额定电平的高频测量信号，测量压电陶瓷装置的相位特性与阻抗特性中的至少一个。由此，加热和温度增加以及测量需要的时间大大减小。另外，可以使用简单的工具加热、加温和测量。根据本发明，当对压电陶瓷装置进行内部加热(电介质加热)和外部加热时，可以在更短时间内检查压电陶瓷装置的内部缺陷。

如在本发明中，当在压电陶瓷装置内在多个温度值下测量压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性时，可以确定地检查到其特性从标准特性偏离，并返回到标准特性的压电陶瓷装置。

当在将高频信号施加到压电陶瓷装置之后以多个经过时间测量特性时，可以检查其特性偏离标准特性并返回到标准特性的压电陶瓷装置。另外，由于可以仅仅由时间确定测量时间，故使测量简化。

虽然已经参照本发明的较佳实施例描述了本发明，根据上述教义，本发明可以有许多修改和变化。由此知道，在所附的权利要求范围内，可以以不同于具体描述的其它方式实施本发明。

Claims (8)

1．一种检查压电陶瓷装置的方法，其特征在于包含以下步骤：

加热并增高压电陶瓷装置的温度；

当压电陶瓷装置处于增高的温度时，测量压电陶瓷装置的压电相位特性和阻抗特性中的至少一个特性；

比较在测量步骤中测量到的压电相位特性和阻抗特性中所述至少一个特性与标准特性；和

根据比较步骤中的结果查出压电陶瓷装置中是否有内部缺陷。

2．如权利要求1所述的压电陶瓷装置的检查方法，其中，在加热和增高温度的步骤中增加的温度在最大温度附近，其中在所述最大温度下，压电装置的压电特性返回到与在对压电装置加热以增加温度时的压电装置加热之前所具有的特性基本上相同的特性，并使其返回到正常温度。

3．如权利要求1或2所述的压电陶瓷装置的检查方法，其特征在于要测量的相位特性是最大相位角θmax。

4．如权利要求1或2所述的压电陶瓷装置的检查方法，其特征在于要测量的阻抗特性是压电陶瓷装置的反谐振阻抗Za和谐振阻抗Zr之间的差Za-Zr。

5．如权利要求1到4任一条所述的压电陶瓷装置的检查方法，其特征在于，在加热和升温步骤中，具有高于压电陶瓷装置的额定电平的电平的高频测量信号施加到压电陶瓷装置，在测量步骤中施加高频信号对压电陶瓷装置作电介质加热，测量施加高频信号的压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。

6．如权利要求1到4任一条所述的压电陶瓷装置的检查方法，其特征在于在加热和升温的步骤中，施加高于压电装置的标准电平的高频检查信号，由于施加了高频信号，压电陶瓷装置本身被电介质加热，同时，从外面加热压电陶瓷装置；

在测量步骤中，测量施加了高频信号的压电装置的相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。

7．如权利要求1到6任一条所述的检查方法，其特征在于在测量步骤中，在压电陶瓷装置不同温度值下测量其相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。

8．如权利要求1到6任一条所述的压电陶瓷装置的检查方法，其特征在于在所述测量步骤中，在施加了高于标准电平的高频信号后，以多个经过时间测量压电陶瓷装置的相位特性和阻抗特性中的至少一个特性。

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