JP2010073941A - 圧電体の分極方法およびその分極装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 空気雰囲気において圧電特性を良好に得ることができ、作業性に優れている圧電体の分極方法およびその分極装置を提供すること
【解決手段】 圧電体１の分極処理には、まず第１段階に（ａ）の加熱分極工程を行い、次に第２段階に（ｂ）の冷却分極工程を行う。加熱分極工程では、圧電体１を搭載したステージ５をヒーター２の上に装着し、直流電源３を圧電体，ステージに接続させる。そして、空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、その加熱した圧電体に電圧を所定に加えて分極させる。冷却分極工程では、ステージをヒーターの上から取り外し、冷却ファン４を所定位置に配置する。そして、圧電体の温度が低下中に電圧を加えて再度の分極を行う。２段階の工程により自発分極の向きを再度そろえることで、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電体の分極方法およびその分極装置に関するもので、より具体的には、空気雰囲気において圧電特性を良好に向上し得るようにした工程構成の改良に関する。

よく知られるように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料（圧電体）には、圧電性を得るため分極処理が必要になる。分極処理は、圧電体に一対の対向電極を設け、それら電極間に直流電圧を加えて電界を与え、自発分極の向きをそろえて電界を取り去った後も双極子モーメントが残った状態にする。

分極処理は、一般には圧電材料を室温からキュリー点以下の一定温度で加熱した状態にし、その状態を保持したまま所定の電圧を印加することで行う。このとき印加する電圧の大きさは抗電界の２〜３倍程度とし、電圧を加える時間は０．５〜２時間程度にしている。また、分極処理の改善に関して、例えば特許文献１，２などに見られるように、様々な技術の提案がなされている。
特開平８−２３６８３３号公報 特開平７−２０２２９０号公報

一般に圧電体は、加熱すると分極されやすいが、加熱温度の影響で圧電特性が劣化する問題がある。また、高電圧を加えたい要求から、圧電体はシリコンオイルなどの絶縁性液体中に浸して電極間の短絡を防止し、分極処理するという方法を採ることがあるが、絶縁性液体に浸漬させる方法では、分極処理を完了した後に当該液体を洗浄して乾燥させる作業が必要となり、手間がかかり作業性が悪い。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、空気雰囲気において圧電特性を良好に得ることができ、作業性に優れている圧電体の分極方法およびその分極装置を提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る圧電体の分極方法は、（１）空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、その状態で当該圧電体に電圧を所定に加えて分極し、次に圧電体の温度の低下中に電圧を所定に加えて再度の分極を行うようにした。

また、（２）空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、次に、当該圧電体の温度の低下中に電圧を所定に加えて分極を行うようにしてもよい。

本発明に係る圧電体の分極装置は、（３）圧電体に電圧を所定に加えることで分極処理を行う圧電体の分極装置であって、圧電体を加熱する加熱手段と、圧電体に電圧を加える電圧源と、圧電体を冷却する冷却手段とを備えて、空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、そして当該圧電体に電圧を所定に加えて分極させ、次に圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて再度の分極を行う構成にする。

（４）圧電体に電圧を所定に加えることで分極処理を行う圧電体の分極装置であって、圧電体を加熱する加熱手段と、圧電体に電圧を加える電圧源と、圧電体を冷却する冷却手段とを備えて、空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、次に当該圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて分極を行う構成にしてもよい。

（５）上記の（３），（４）の発明において、前記圧電体を前記加熱手段で加熱される第１ステージに供給する供給手段と、前記第１ステージにおかれた前記圧電体を、前記冷却手段で冷却される第２ステージに搬送・供給する搬送供給手段と、を備えるとよい。供給手段は、第２の実施形態ではバキュームヘッド８にて実現され、第３の実施形態では第１ステージ５の傾斜経路にて実現される。また、搬送供給手段は、第２，第３の実施形態のバキュームヘッド８にて実現される。第２の実施形態に示すように、供給手段と、搬送供給手段とは、同一の装置で実現されても良い。

（１）の発明では、まず、空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に一旦加熱し、その状態で当該圧電体に電圧を所定に加えて分極する。この第１段階の工程が、加熱分極工程となる。次に圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて再度の分極を行う。この第２段階の工程が、冷却分極工程となる。このため、第１段階の加熱分極工程だけでは加熱による圧電特性の劣化が起きるが、第２段階の冷却分極工程を続いて行うことから、自発分極の向きを再度そろえることができ、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。この圧電特性の改善は、後述する実施例に示すように、試料を用いて実験を行った結果、十分な効果が得られることを確認している。なお、冷却は、加熱を停止することで自然冷却としても良いし、別途の冷却装置を用いて強制的に冷却するようにしても良い。この（１）の発明を実施するのに適した装置は、（３）に記載の発明となる。

また、（２）の発明では、空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱するが、このとき、電圧は印加しない。よって、この第１段階の工程は、加熱工程となる。次に当該圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて分極を行う。この第２段階の工程が冷却分極工程となる。この場合も（１）と同様であり、加熱に続いて温度が低下中に分極するため、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。この（２）の発明を実施するのに適した装置は、（４）に記載の発明となる。

本発明に係る圧電体の分極方法では、第１段階は加熱分極工程を行い、続いて第２段階は冷却分極工程を行うので、第１段階の加熱分極工程だけでは圧電特性の劣化が起きるが、第２段階の冷却分極工程により、自発分極の向きを再度そろえることができる。したがって、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。また、圧電材料の厚さが薄いものや、材質によっては、第１段階で電圧を印加せずに加熱するだけでよいものもあり、分極処理が簡略化できる。

分極処理を行う雰囲気は、シリコンオイルではなく空気とすることができるので、分極処理（電圧印加）後の洗浄，乾燥の工程が不要であり分極処理した後の後処理が容易になり、作業性に優れている。

図１は、本発明の第１の実施の形態を示している。本形態において圧電体の分極装置は、圧電体１を加熱するヒーター２と、圧電体１に電圧を加える直流電源３と、圧電体１を冷却する冷却ファン４とを備えて、圧電体１に電圧を所定に加えることで分極処理を行う構成になっている。分極処理は、２段階の工程により行うもので、まず図１（ａ）に示す加熱分極工程を行い、次に図１（ｂ）に示す冷却分極工程を行う。

加熱分極工程において、圧電体１はステージ５の上に搭載する。そして、ステージ５はヒーター２の上に装着し、設定温度に加熱できる構成にする。ステージ５は、導電性で熱伝導性が良好な板部材から形成し、直流電源３は圧電体１とステージ５に対して接続させる。そして当該工程では、空気雰囲気において圧電体１をキュリー点以下の温度に加熱し、その加熱した圧電体１に電圧を所定に加えて分極させる。

冷却分極工程において、ステージ５をヒーター２の上から取り外し、冷却ファン４を所定位置に配置する。直流電源３は、圧電体１とステージ５に対して接続させる。そして当該工程では、圧電体１の温度が低下中に電圧を所定に加えて再度の分極を行う。

このように、第１段階では加熱分極工程を行い、続いて第２段階では冷却分極工程を行うので、第１段階の加熱分極工程だけでは圧電特性の劣化が起きるが、第２段階の冷却分極工程により、自発分極の向きを再度そろえることができる。したがって、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。この圧電特性の改善は、後述する実施例に示すように、試料を用いて実験を行った結果、十分な効果が得られることを確認している。

第２段階の冷却分極工程では、ステージ５は熱容量が大きいヒーター２と分離させているので、冷却に有利であり、加熱後の冷却を良好に速やかに行うことができ、作業性に優れている。この場合、雰囲気はシリコンオイルではなく空気とするので、洗浄，乾燥の工程が不要であり分極処理した後の後処理が容易になる。

また、本実施形態では、圧電体１をステージ５上においた状態で両工程を行うこともあり、第１段階の加熱分極工程で使用する直流電源３と、第２段階の冷却分極工程で使用する直流電源３は、同一のものを用いたが、異ならせてももちろん良い。

本発明にあっては、以下の工程手順により分極処理を行うこともできる。分極処理は２段階の工程により行うが、まず図１（ａ）に示す加熱工程を行い、次に図１（ｂ）に示す冷却分極工程を行う。つまり、加熱工程において、圧電体１はステージ５の上に搭載し、そしてステージ５はヒーター２の上に装着し、設定温度に加熱できる構成にする。ステージ５は導電性で熱伝導性が良好な板部材から形成し、直流電源３は圧電体１とステージ５に対して接続させるが、通電は行わない。当該工程では、空気雰囲気において圧電体１をキュリー点以下の温度に加熱する。

冷却分極工程において、ステージ５をヒーター２の上から取り外し、冷却ファン４を所定に配置する。直流電源３は圧電体１とステージ５に対して接続させる。そして当該工程では、圧電体１の温度が低下中に分極を行う。

このように、第１段階では加熱工程を行い、続いて第２段階では冷却分極工程を行う方法でも作用，効果は同様であり、加熱に続いて温度が低下中に分極するため、自発分極の向きがそろい、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができる。

この実施形態では、上記の２種類の分極方法を共通の分極装置を用いて行うようにしたことから、第１段階で加熱のみ行う場合も、直流電源３が用意されて通電をしないようにしたが、第１段階で電圧を印加しない方法のみの装置であれば、図１（ａ）における直流電源３は、もちろん設けなくて良い。

図２は本発明の第２の実施形態を示している。本形態において圧電体の分極装置は、基本的には第１の実施形態と同様であり、圧電体１を加熱するヒーター２と、圧電体１に電圧を加える直流電源３と、圧電体１を冷却する冷却ファン４とを備え、圧電体１に電圧を所定に加えることで分極処理を行う構成になっている。第１の実施形態と同様な構成には同一符号を付してあり、その説明を省略する。

本形態では、第１ステージ５と第２ステージ６を並べて配置すると共に、それらステージ上方にガイドレール７を渡してバキュームヘッド８，電極ヘッド９を移動可能に装着してあり、多数の圧電体１を流れ作業により分極処理する構成にしている。

ヒーター２は第１ステージ５に配置し、冷却ファン４は第２ステージ６に配置している。そして、第１ステージ５の上流側に搬入スタック１０を設け、第２ステージ６の下流側に排出スタック１１を設けている。搬入スタック１０には多数の圧電体１を積み重ねておき、バキュームヘッド８を使って搬送し、分極処理が完了した圧電体１は排出スタック１１へ搬送して積み重ねる。直流電源３は電極ヘッド９と第１ステージ５，第２ステージ６に対して接続し、ステージ上の圧電体１に電極ヘッド９を接触させて分極処理を行う。
分極処理は２段階の工程により行い、まず加熱分極工程を行い、次に冷却分極工程を行う。あるいは、まず加熱工程を行い、次に冷却分極工程を行うこともできる。

工程手順は、まず加熱分極工程（あるいは加熱工程）のため、スタック１０から圧電体１をバキュームヘッド８により吸着して第１ステージ５へ搬送し、電極ヘッド９を接触状態にセットすると共にヒーター２により加熱する。加熱温度は、例えばキュリー点の１／２からキュリー点未満の近辺までとし、圧電体１の特質に応じて適宜に設定する。そして、圧電体１の温度が設定温度、例えばキュリー点の１／２以上まで上昇した後、直流電源３を起動して圧電体１に対して電圧を所定に加えて分極させる。第１段階に加熱工程を採る場合は、第１ステージ５での電極ヘッド９のセットは必要なく、ここでは分極は行わない。

電圧の印加を停止した後、あるいは第１段階に加熱工程を採る場合の加熱後に、冷却分極工程のため、バキュームヘッド８にて直ちに圧電体１を吸着，搬送して第２ステージ６へ移動させ、電極ヘッド９を接触状態にセットする。そして、第２ステージ６上の圧電体１に対して、冷却ファン４により冷却を行うと共に、直流電源３を起動して電圧を所定に加えて分極させる。圧電体１を第１ステージ５から第２ステージ６へ搬送するハンドリングは、できるだけ速やかに行うことが好ましく、例えば圧電体１の厚さが０．５ｍｍ以下のものでは３０ｓｅｃ以内に移動を完了したい。

圧電体１の温度が常温程度まで低下した時点で電圧の印加を停止し、分極を完了する。そして、バキュームヘッド８にて圧電体１を第２ステージ６から排出スタック１１へ搬送して積み重ねる。

なお、図２では、バキュームヘッド８と分極ヘッド９を２個ずつ描画しているが、これはそれぞれの工程（搬送・電圧印加）の状態を示しており、時間的に異なる場面を同一の図上に示しているものである。実際には、１組のバキュームヘッド８と分極ヘッド９とを用意し、各ヘッド８，９がガイドレール７に沿って水平方向の適宜位置に移動するとともに昇降して所望の処理を実行する。もちろん、バキュームヘッド８と分極ヘッド９を複数個設け（各ステージ専用の分極ヘッドを設ける）、異なる圧電体に対して同時に電圧を印加することができるようにしても良い。さらには、必ずしも各ヘッドを同一のガイドレール７に連結する必要はなく、それぞれが所望の駆動装置により所定の経路で移動するようにしてもよい。

図３は本発明の第３の実施形態を示している。本形態において分極装置は、基本的には第１，第２の実施形態と同様であり、圧電体１を加熱するヒーター２と、圧電体１に電圧を加える直流電源３と、圧電体１を冷却する冷却ファン４とを備えて、圧電体１に電圧を所定に加えることで分極処理を行う構成になっている。第１，第２の実施形態と同様な構成には同一符号を付してあり、その説明を省略する。
本形態では、第１ステージ５を縦型の傾斜経路に変更していて、第２の実施形態と同様に、多数の圧電体１を流れ作業により分極処理する構成にしている。

圧電体１は円盤形状のものとし、第１ステージ５には裏面側にヒーター２を装着しているので、圧電体１は傾斜経路の第１ステージ５を流通することにより加熱が完了し、経路出口において電極ピン１２を接触させて分極処理を行う。

上述した各実施形態と同様に、分極処理は２段階の工程により行い、まず加熱分極工程を行い、次に冷却分極工程を行う。あるいは、まず加熱工程を行い（電極ピン１２による電圧印加を行わない）、次に冷却分極工程を行うこともできる。

上記した分極方法により圧電体の分極処理を行った。つまり、本発明の効果を実証するため、圧電体（試料）について分極処理を実施し、次にそれら試料の圧電特性（共振抵抗：Ｒ）を測定して分極状態を評価した。

試料の圧電体は、厚さを０．６ｍｍとした。分極処理は３つの方法を実施した。具体的には、本発明に係る分極処理の他に、常温での分極処理（比較例１）と、加熱温度での分極処理（比較例２）とを行った。

比較例１の常温での分極処理は、圧電体はシリコンオイルの中に浸して分極処理を実施した。比較例２の加熱温度での分極処理は、空気中雰囲気において常温から１６０℃まで加熱を行い、その加熱した状態で電圧を印加し、冷却時には電圧を印加しない分極処理を実施した。

本発明に係る分極処理は、空気雰囲気において、まず第１段階の加熱分極工程を行い、次に第２段階の冷却分極工程を行った。加熱分極工程は、圧電体を１６０℃に加熱し、電圧１ｋＶ／ｍｍを９０ｓｅｃの時間だけ加えた。次に冷却分極工程は、３０ｓｅｃ以内に電圧１ｋＶ／ｍｍを加えながら温度の低下を待ち、常温に低下した時点で完了とした。

以上により図４から図７に示す結果を得た。図４は比較例１，２の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、電界（電圧）をパラメータにした結果を示している。図５は比較例１，２の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、温度をパラメータにした結果を示している。そして、図６は本発明の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、第１段階の加熱分極工程を行った結果を示している。図７は本発明の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、第２段階の冷却分極工程を行った結果を示している。
また、圧電特性（共振抵抗：Ｒ，電気機械結合係数：Ｋ３１ ）の具体的な代表値は表１に示す結果となった。

表１から明らかなように、圧電特性は、比較例１の常温分極では共振抵抗Ｒ＝１６１［Ω］，電気機械結合係数Ｋ３１＝３２．８［％］を得たが、比較例２の加熱分極では共振抵抗Ｒ＝２２０［Ω］，電気機械結合係数Ｋ３１＝３１．２［％］を得ており、加熱による圧電特性の劣化が見られる。これに対して本発明では、共振抵抗Ｒ＝１６１［Ω］，電気機械結合係数Ｋ３１＝３３．１［％］を得ることができ、加熱による圧電特性の劣化を改善でき抑えることができることを確認した。つまり、本発明によれば、シリコンオイル中で高い電圧を印加して分極を行ったものと同等の圧電特性を有する圧電体を製造することができた。

本発明に係る圧電体の分極装置の第１実施形態を示す構成図であり、（ａ）は加熱分極工程における構成を示し、（ｂ）は冷却分極工程における構成を示している。 本発明に係る圧電体の分極装置の第２実施形態を示す構成図である。 本発明に係る圧電体の分極装置の第３実施形態を示す構成図である。 比較例１，２の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、電界（電圧）をパラメータにした結果を示している。 比較例１，２の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、温度をパラメータにした結果を示している。 本発明の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、第１段階の加熱分極工程を行った結果を示している。 本発明の分極処理による圧電特性を示すグラフであり、第２段階の冷却分極工程を行った結果を示している。

符号の説明

１ 圧電体
２ ヒーター
３ 直流電源
４ 冷却ファン
５ ステージ，第１ステージ
６ 第２ステージ
７ ガイドレール
８ バキュームヘッド
９ 電極ヘッド
１０ 搬入スタック
１１ 排出スタック

Claims (5)

1. 空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、
   当該圧電体に電圧を加えて分極し、
   次に前記圧電体の温度の低下中に電圧を加えて再度の分極を行うことを特徴とする圧電体の分極方法。
2. 空気雰囲気において圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、
   次に当該圧電体の温度の低下中に電圧を所定に加えて分極を行うことを特徴とする圧電体の分極方法。
3. 圧電体に電圧を加えることで分極処理を行う圧電体の分極装置であって、
   前記圧電体を加熱する加熱手段と、
   前記圧電体に電圧を加える電圧源と、
   前記圧電体を冷却する冷却手段とを備え、
   前記加熱手段を用いて空気雰囲気において前記圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、当該圧電体に電圧を所定に加えて分極させ、次に前記圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて再度の分極を行う構成であることを特徴とする圧電体の分極装置。
4. 圧電体に電圧を所定に加えることで分極処理を行う圧電体の分極装置であって、
   前記圧電体を加熱する加熱手段と、
   前記圧電体に電圧を加える電圧源と、
   前記圧電体を冷却する冷却手段とを備えて、
   空気雰囲気において前記圧電体をキュリー点以下の温度に加熱し、次に当該圧電体の温度が低下中に電圧を所定に加えて分極を行う構成であることを特徴とする圧電体の分極装置。
5. 前記圧電体を前記加熱手段で加熱される第１ステージに供給する供給手段と、
   前記第１ステージにおかれた前記圧電体を、前記冷却手段で冷却される第２ステージに搬送・供給する手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の圧電体の分極装置。

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