JP2656041B2

JP2656041B2 - 圧電磁器分極方法及び装置

Info

Publication number: JP2656041B2
Application number: JP16843687A
Authority: JP
Inventors: 喜就山下; 剛籾山; 透高橋
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1997-09-24
Anticipated expiration: 2012-09-24
Also published as: JPS6412587A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、圧電磁器分極方法及び装置に関し、焼成上
がりの圧電磁器に直流電圧を印加して分極処理しなが
ら、圧電磁器の圧電定数値を測定し、その測定値が所望
値に達したときに、直流電圧印加を停止することによ
り、圧電磁器材料のロツトの違いや、焼成条件等のバラ
ツキに起因する電気機械結合係数や中心周波数等の圧電
定数値のバラツキを、一定の小さい値に抑え、一定品質
の圧電素子が得られるようにしたものである。

＜従来の技術＞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、そのまま圧電素子としては使用
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、圧電磁器に残留歪と残留分極が発生し、交流電圧を
印加した場合、交流電圧にほぼ比例した歪の変化を生じ
るようになり、交流電圧の周波数を圧電磁器の弾性振動
共振周波数と一致させれば、圧電磁器に共振が起こり、
圧電振動子として使用することができるようになる。こ
のように、強誘電体磁器を圧電素子として使用するに
は、予め分極処理を行なって残留歪と残留分極を与える
ことが必須である。

分極方法としては、従来より、次のような方法が良く
知られている。

（イ）室温分極法圧電磁器のキュリー点Tc以下の室温
で、飽和に至るまでの時間の間、直流電圧を印加する。

（ロ）高温分極法キュリー点Tc以下のできるだけ高い
温度で、飽和に至るまでの時間の間、直流電圧を印加す
る。

（ハ）電界冷却法キュリー点Tc以上の温度から直流電
圧を印加しながら常温まで冷却する。

＜発明が解決しようとする問題点＞しかしながら、従来の何れの方法においても、飽和し
たときの分極が、圧電磁器材料のロットの違いや、焼成
条件等のバラツキに起因して、個々の圧電磁器で異る。
このため、電気機械結合係数や中心周波数等の圧電定数
値にバラツキを生じてしまい、一定品質の圧電素子を得
ることが困難であった。

＜問題点を解決するための手段＞上述する従来の問題点を解決するため、本発明に係る
圧電磁器分極方法は、分極処理前の圧電磁器に直流電圧
を印加して分極処理を施しながら、前記圧電磁器の圧電
定数値を測定し、その測定値が設定レベルに達したとき
に前記直流電圧印加を停止する。前記設定レベルは、直
流電圧印加を停止した直後の圧電定数値と、時間経過後
の安定値との間の相関関係より定められる。

また、本発明に係る分極方法に使用される分極装置
は、分極しようとする圧電磁器に直流電圧を印加する分
極処理回路と、前記分極処理回路から直流的に遮断され
前記圧電磁器に圧電定数値測定のための交流信号を供給
する信号供給回路と、前記信号供給回路の一部に電気的
に結合され前記圧電磁器の圧電定数を測定する測定器
と、前記測定器から供給される信号に基づき全体を統括
制御する制御装置とを備える。

前記測定器は、測定値が予め設定された値なったと
き、前記制御装置に信号を供給する。前記予め設定され
た値は、直流電圧印加を停止した直後の圧電定数値と、
時間経過後の安定値との間の相関関係から定められてい
る。

前記制御装置は、前記測定器から前記信号が供給され
たとき、前記分極処理回路に対し、制御信号を供給し、
前記直流電圧の印加を停止させる。

＜作用＞圧電磁器の電気機械結合係数等の圧電定数は、直流電
圧印加を停止して分極処理を停止した直後が最も高い値
を示し、時間経過により次第に低下してある一定のレベ
ルで安定する。圧電磁器材料のロットや焼成条件等にバ
ラツキがあっても、直流電圧印加を停止した直後の圧電
定数値と、時間経過後の安定値との間には相関関係があ
り、分極処理した直後の値からその後の安定値を予測で
きる。

従って、分極処理をしながら、圧電磁器の電気機械結
合係数等の圧電定数を測定し、その測定値が設定レベル
に達したときに、直流電圧の印加を停止することによ
り、圧電磁器材料のロットの違いや、焼成条件等のバラ
ツキに起因する電気機械結合係数や中心周波数等の圧電
定数値のバラツキを、一定の小さい値に抑え、一定品質
の圧電素子を得ることができる。

＜実施例＞第１図は本発明に係る圧電磁器分極方法の実施に用い
られる圧電磁器分極装置の電気回路図である。１は分極
用の高電圧直流電源、２は高電圧直流電源１を投入する
電源スイッチ、31〜3nは保護抵抗、41〜4nはスイッチ、
51〜5nは分極処理をしようとする圧電磁器である。保護
抵抗31〜3n及びスイッチ41〜4nのそれぞれは、圧電磁器
51〜5nのそれぞれに対して個別的に直列に接続されてお
り、スイッチ41〜4nのオン、オフにより各圧電磁器51〜
5n毎に独立する分極処理回路を構成するようになってい
る。例えば、圧電磁器5nを分極する場合には、電源スイ
ッチ２を閉じた状態でスイッチ4nを閉じ、高電圧直流電
源１から電源スイッチ２、スイッチ4nを通して、圧電磁
器5nに直流高電圧を印加する分極処理回路が構成され
る。この場合、スイッチ41〜4nは同時にオンとならない
ように駆動する。

圧電磁器51〜5nの個数は任意でよく、これに接続され
る保護抵抗31〜3n及びスイッチ41〜4nも圧電磁器51〜5n
の個数によって変化する。また、電源スイッチ２及びス
イッチ41〜4nは有接点方式となっているが、半導体スイ
ッチ等の無接点方式のものであってもよい。

６は交流信号源、７、８は直流阻止用のコンデンサ、
91〜9nはスイッチで、これらは、圧電磁器51〜5nに圧電
定数値測定のための交流信号を供給する信号供給回路を
構成している。スイッチ91〜9nは一端側を共通に接続し
て直流阻止用のコンデンサ８の一端側に接続すると共
に、他端側をスイッチ41〜4nの一端側に個別的に接続し
てある。スイッチ41〜4n及びスイッチ91〜9nのうち、互
いに接続されているスイッチ（41と91）、（42と9
2）、....（4nと9n）は同時にオンとなるように駆動さ
れる。

10は圧電磁器51〜5nの圧電定数を測定する測定器、11
は測定器10から供給される信号に基づき全体を統括制御
する制御装置である。測定器10は例えばインピーダン
ス．アナライザであり、交流信号源６、直流阻止用のコ
ンデンサ７、８及びスイッチ91〜9nで構成される信号供
給回路の回路ループ中に、トランス等でなる結合器101
を挿入し、この結合器101を通して入力される信号に基
づき、圧電磁器51〜5nの電気機械結合係数、中心周波数
等の各圧電定数値を測定するようになっている。圧電定
数値の測定法は周知であり、例えば共振−反共振法等が
知られている。

制御装置11はマイクロコンピュータ等で構成され、測
定器10で得られた測定値に基づき、全体を統括制御する
ようになっている。12は制御装置11と高電圧直流電源
１、電源投入スイッチ２との間の制御バス、13は測定器
10と制御装置11との間のデータバス、14は測定器10と信
号源６との間のデータバスである。

次に、第１図に示した分極処理装置を用いた分極方法
について説明する。例えば、圧電磁器51に対して分極処
理を施す場合、電源スイッチ２及びスイッチ41を閉じ、
圧電磁器51に高電圧直流電源１から与えられる直流電圧
を印加し、分極処理を行なうと共に、スイッチ91を閉じ
信号源６から圧電磁器51に対して圧電定数値測定のため
の交流信号を供給する。

圧電磁器51に対する分極が進むと、圧電定数がその分
極に対応した値になる。それを、結合器101によってピ
ックアップし、測定器10で測定する。例えば圧電定数の
一つである電気機械結合係数krの測定を例にとって説明
すると、電気機械結合係数krは、良く知られているよう
に、圧電磁器51〜5nの共振周波数fr及び反共振周波数fa
から算出できる。測定器10では結合器101を通して検出
される圧電磁器51〜5nの共振周波数fr及び反共振周波数
faから、電気機械結合係数krを算出する。共振周波数fr
及び反共振周波数faは、測定器10からデータバス14を通
して信号源６に与えられる信号によって、信号源６の周
波数を変え、測定器10によって測定するというループを
作ることによって測定できる。

そして、電気機械結合係数kr等の圧電定数の測定値が
予め測定器10に設定された値となったとき、測定器10か
ら制御装置11に入力される信号に基づき、制御制御装置
11からの制御信号によって、電源スイッチ２を開くよう
に制御する。これにより、圧電磁器51への直流電圧印加
が停止し、分極処理が終る。以上の分極処理を他の圧電
磁器52〜5nについても同様に行なう。

分極方法としては、直流電圧を連続的に印加する連続
印加方式と、直流電圧を時分割に印加してその度毎に圧
電定数値を繰返し測定する時分割印加方式の２方式が考
えられる。

第２図は連続印加方式による具体的なデータを示す図
で、横軸に時間をとり、縦軸に電気機械接合係数krをと
ってある。このデータは、最終的に得ようとする電気機
械結合係数krの値がkr＝25である場合を示し、設定値を
kr＝27.5とし、測定値がkr＝27.5に達した時点で、直流
電圧印加を停止する。これにより、約kr＝25の電気機械
結合係数を持つ圧電振動子が得られている。

第３図は時分割印加方式による具体的なデータを示す
図である。このデータは、最終的に得ようとする電気機
械結合係数krの値がkr＝27.5である場合を示し、測定器
10における設定値をkr＝27.5とし、直流電圧を数秒間隔
で繰返し印加し、その度毎にkr値の安定した部分のレベ
ルを測定し、kr＝27.5に達した時点で停止する。これに
より、約kr＝27.5の電気機械結合係数を持つ圧電振動子
が得られる。

＜発明の効果＞以上述べたように、本発明によれば、圧電磁器材料の
ロットの違いや、焼成条件等のバラツキに起因する電気
機械結合係数や中心周波数等の圧電定数値のバラツキ
を、一定の小さい値に抑え、一定品質の圧電素子を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電磁器分極方法の実施に用いら
れる圧電磁器分極装置の電気回路図、第２図は連続印加
方式による具体的なデータを示す図、第３図は時分割印
加方式による具体的なデータを示す図である。１……高電圧直流電源２……電源スイッチ 31〜3n……保護抵抗 41〜4n……スイッチ 51〜5n……圧電磁器、６……信号源７、８……直流阻止用のコンデンサ 91〜9n……スイッチ、10……測定器 11……制御装置 12〜14……データバス

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】分極処理前の圧電磁器に直流電圧を印加し
て分極処理をしながら、前記圧電磁器の圧電定数値を測
定し、その測定値が設定レベルに達したときに前記直流
電圧印加を停止する圧電磁器分極方法であって、前記設定レベルは、直流電圧印加を停止した直後の圧電
定数値と、時間経過後の安定値との間の相関関係より定
められる圧電磁器分極方法。
【請求項２】前記直流電圧は連続的に印加することを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧電磁器分極方
法。
【請求項３】前記直流電圧は時分割に印加することを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の圧電磁器分極方
法。
【請求項４】前記直流電圧は時間と共に徐々に上昇させ
て印加することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
載の圧電磁器分極方法。
【請求項５】分極しようとする圧電磁器に直流電圧を印
加する分極処理回路と、前記分極処理回路から直流的に
遮断され前記圧電磁器に圧電定数値測定のための交流信
号を供給する信号供給回路と、前記信号供給回路の一部
に電気的に結合され前記圧電磁器の圧電定数を測定する
測定器と、前記測定器から供給される信号に基づき全体
を統括制御する制御装置とを備える分極処理装置であっ
て、前記測定器は、測定値が予め設定された値なったとき、
前記制御装置に信号を供給するものであって、前記予め
設定された値は、直流電圧印加を停止した直後の圧電定
数値と、時間経過後の安定値との間の相関関係から定め
られており、前記制御装置は、前記測定器から前記信号が供給された
とき、前記分極処理回路に制御信号を供給し前記直流電
圧の印加を停止させる分極処理装置。