JP2958840B2 - 圧電体の分極装置 - Google Patents

圧電体の分極装置

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    • G01R29/22Measuring piezoelectric properties
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/04Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning
    • H10N30/045Treatments to modify a piezoelectric or electrostrictive property, e.g. polarisation characteristics, vibration characteristics or mode tuning by polarising

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電セラミクスなどの
圧電体を分極するための装置に関し、特に、分極度を測
定しつつ圧電体を分極し得る圧電体の分極装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】圧電共振子や圧電フィルタなどの圧電部
品の製造に際しては、圧電セラミクス等の圧電体を分極
しなければならない。従来、圧電セラミクスの分極は、
以下の工程により行われていた。
【0003】まず、圧電体の両面に分極用電極を形成
し、例えば数kVの直流電圧を圧電体に印加し、分極す
る。次に、高周波電圧を圧電体に印加し、例えばインピ
ーダンス−周波数特性を測定し、共振点と反共振点との
間の周波数差などから分極度を評価し、所望の分極度に
到達しているか否かを確認する。所望の分極度に達して
いない場合には、直流電圧を再度印加して分極度を調整
する。例えば、到達した分極度が所望の分極度よりも低
い場合には、最初の分極の際と同方向に直流電圧を印加
し分極度を高める。あるいは、到達した分極度が所望の
分極度よりも高い場合には、最初の分極工程において印
加した直流電圧と逆方向に直流電圧を印加し、分極度を
低下させる。しかる後、再度圧電体のインピーダンス−
周波数特性などを測定することにより、分極度が所望の
分極度に到達したか否かを確認する。上記のような分極
度の測定及び分極度をコントロールする工程を繰り返す
ことにより、所望の分極度の圧電体を得る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】圧電体では、その製造
ロット間のばらつきなどにより、同じ直流電圧を印加し
ても到達した分極度にかなりのばらつきが生じざるを得
なかった。従って、従来の分極方法では、上記のような
分極及び分極コントロール工程と、分極度を確認する工
程とをかなりの回数繰り返さなければならず、作業が非
常に煩雑であった。
【0005】分極と、分極度の測定とを同時に行えば、
上記のような煩雑な工程を経ることなく所望の分極度の
圧電体を容易に得ることができると考えられる。しかし
ながら、分極に際しては、数kVと非常に高い直流電圧
が印加されるため、分極度を測定するための高周波回路
を圧電体に接続した場合、高い直流電圧の高周波回路に
対する影響を避けることができないと考えられていた。
従って、従来、分極のための直流電圧を印加しつつ、同
時に圧電体の分極度を測定することは試みられていなか
った。
【0006】本発明の目的は、直流電圧を印加すること
により圧電体を分極しつつ、同時に圧電体の分極度を測
定することができ、従って煩雑な工程を繰り返すことな
く所望の分極度の圧電体を得ることを可能とする圧電体
の分極装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、圧電体を分極
するために圧電体に直流電圧を印加するための直流電圧
印加手段と、前記圧電体の分極度を測定するために、圧
電体に高周波電圧を印加するための高周波電源と、前記
高周波電圧を印加された圧電体のインピーダンス変化を
測定し、分極度を評価するためのインピーダンス測定手
段と、前記高周波電源及びインピーダンス測定手段で構
成される高周波部と前記圧電体との間に接続された直流
阻止用コンデンサと、前記直流阻止用コンデンサと高周
波部との間の接続点とアース電位との間に接続された過
渡電流バイパス用コンデンサとを少なくとも有する直流
阻止フィルタ手段とを備えることを特徴とする、圧電体
の分極装置である。
【0008】
【作用】本発明の分極装置では、直流電圧印加手段によ
り圧電体に直流電圧が印加されて分極が行われる。ま
た、圧電体には、高周波電源及びインピーダンス測定手
段が接続されており、分極と同時に、インピーダンス変
化から分極度を評価することが可能とされている。
【0009】しかも、高周波電源及びインピーダンス測
定手段で構成される高周波部と、圧電体との間に、上記
直流阻止用コンデンサが接続されているため、分極に用
いられる直流の高周波部への漏洩がカットされる。ま
た、直流電圧印加手段をON状態とした際に流れる過渡
電流は、上記過渡電流バイパス用コンデンサを介してア
ース電位に流されることになるため、分極に用いられる
直流の高周波部への影響を防止することができる。
【0010】
【実施例の説明】以下、本発明の実施例を説明すること
により、本発明を明らかにする。図1は、本発明の一実
施例の分極装置を説明するための回路図である。本実施
例の分極装置では、圧電体1を分極すると同時にリアル
タイムでその分極度が測定される。
【0011】圧電体1には、抵抗R1 と直流電源2とを
直列に接続することにより構成された直流電圧印加手段
が接続されている。抵抗R1 は、短絡過電流を防止する
保護抵抗として機能させるために、直流電源2に直列に
接続されている。圧電体1は、この直流電圧印加手段か
ら矢印Aで示す方向に流れる直流によって分極される。
分極に際しての直流電圧は、通常、数kV程度と非常に
高い電圧である。
【0012】他方、圧電体1には、直流阻止フィルタ手
段3を介してインピーダンス測定回路4及び高周波電源
5が接続されており、高周波電源5により圧電体1に高
周波電圧を印加し、圧電体1のインピーダンス変化がイ
ンピーダンス測定回路4により測定される。このインピ
ーダンス測定回路4により、例えば図2に示す圧電体1
を例にとると、短辺振動(矢印に示す方向の振動)のイ
ンピーダンス特性を測定することができ、図3に示すイ
ンピーダンス−周波数特性が得られる。なお、図2にお
いて、1aは分極用電極を示し、圧電体1の両主面に形
成されている。
【0013】他方、高周波電源5及びインピーダンス測
定回路4により構成される高周波部と、圧電体1との間
には、上記のように直流阻止フィルタ手段3が接続され
ている。直流阻止フィルタ手段3は、本実施例では、直
流阻止用コンデンサC1 及び電圧を降下させるための抵
抗R2 とを、圧電体1とインピーダンス変換回路4との
間に接続した構成を有する。また、抵抗R2 とインピー
ダンス測定回路4との間の接続点Aとアース電位との間
に過渡電流バイパス用コンデンサC2 が接続されてい
る。さらに、抵抗R2 とインピーダンス変換回路4との
間の接続点B,Cと、アース電位との間に、それぞれ、
ダイオードD1 及びダイオードD2 が接続されている。
ダイオードD1 は、接続点B側がカソード側となるよう
に接続されており、コンデンサC1 の放電電流がアース
電位にバイパスされるように設けられている。他方、ダ
イオードD2 は、直流電圧印加手段側から流れてきた過
渡電流をバイパスさせるために設けられている。
【0014】本実施例の分極装置では、圧電体1に直流
電圧印加手段から与えられる直流電圧を印加し、圧電体
1を分極する。この場合、直流の流れは、図示の矢印A
で示す方向となる。分極と同時に高周波電源5により高
周波電圧を圧電体1に印加し、圧電体1のインピーダン
ス−周波数特性をインピーダンス測定回路4によって測
定する。例えば、図2に示す圧電体1を例にとると、こ
の短辺振動(図示の矢印で示す方向の振動)のインピー
ダンス−周波数特性が、図3に示すように得られる。図
3において、インピーダンス−周波数特性曲線状におけ
る共振点fr と反共振点fa との間の周波数差Δfは、
分極度に相関を有する。従って、このインピーダンス−
周波数特性の波形を見ることにより、所望の分極度に到
達したか否かを測定することができる。よって、所望の
分極度に到達した段階で、直流電源2をOFF状態とす
れば、所望の分極度の圧電体を確実に得ることができ
る。
【0015】前述したように分極に用いる直流電圧が数
kVと非常に高い電圧であるため、本実施例のように高
周波電圧を印加して分極度を測定した場合、従来は直流
電圧印加手段から漏洩する直流の高周波部に対する影響
を避けることができないと考えられていた。これに対し
て、本実施例では、直流阻止フィルタ手段3により、直
流の影響が高周波部へ及ぶことが確実に阻止される。
【0016】すなわち、直流電源2をON状態とした直
後に、過渡電流がコンデンサC1 を通り流れていくが、
この過渡電流は過渡電流バイパス用コンデンサC2 によ
り、並びに過渡電流バイパス用ダイオードD2 により、
アース電位に流される。従って、過渡電流による高周波
部への影響が確実に防止される。
【0017】他方、圧電体1が短絡した場合には、コン
デンサC1 に充電されていた直流分が逆方向の電流とし
て流れるが、この電流はコンデンサ放電電流バイパス用
ダイオードD1 によりアース電位に流される。よって、
同様に高周波部への影響を阻止することができる。
【0018】なお、ダイオードD1 ,D2 については、
高周波電源5の電圧が小さい順方向非動作電圧範囲であ
るため、高周波に対しては高インピーダンスとなる。ま
た、コンデンサC1 については、高周波に対して低いイ
ンピーダンスとなる定数を選ぶことにより、高周波部へ
の影響を少なくすることができる。さらに、過渡電流バ
イパス用コンデンサC2 については、過渡電流の大きさ
が比較的大きいため、高インピーダンスとなる定数を選
ぶことが必要である。何れにしても、上述したダイオー
ドD1 ,D2 及びコンデンサC1 ,C2 の定数について
は、圧電体の種類、分極度、分極に必要な直流電圧等に
応じて適宜選択される。
【0019】図1に示した実施例では、フィルタ阻止手
段3は、上述した各素子を接続することにより構成され
ていたが、本発明は、分極に必要な直流電圧印加手段か
ら流れてくる直流分及び過渡電流の高周波部への影響を
阻止し得る限り、図1とは異なる回路で構成することも
可能である。図4〜図5は、フィルタ阻止手段の他の例
を説明するための各回路図である。
【0020】図4を参照して、第2の実施例の分極装置
では、フィルタ阻止手段13が、直流阻止用コンデンサ
1 と、過渡電流バイパス用コンデンサC2 のみを用い
て構成されている。他の点については、第1の実施例と
同様であるため、相当の参照番号を付することによりそ
の説明を省略する。
【0021】第2の実施例の分極装置では、第1の実施
例と同様に直流電圧印加手段により与えられる直流電圧
により圧電体1が分極され、その分極度がリアルタイム
でインピーダンス測定回路4により得られるインピーダ
ンス特性に基づいて評価される。しかも、直流電源2を
ON状態としたときに流れる大きな過渡電流は過渡電流
バイパス用コンデンサC2 によりアース電位に流され
る。また、通常の直流分は直流阻止用コンデンサC1
カットされる。従って、高周波部への直流の影響を防止
しつつ、リアルタイムで分極度を測定し得る。
【0022】図5(a)は、フィルタ阻止手段の他の例
を示し、ここでは、直流阻止用コンデンサC1 及び過渡
電流バイパス用コンデンサC2 に加えて、第1の実施例
で用いられていた電圧降下用抵抗R2 がコンデンサC1
に直列に接続されている。従って、コンデンサC1 で除
去しきれなかった直流分が、抵抗R2 においてさらに低
減される。
【0023】図5(b)は、図5(a)に示した直流阻
止フィルタ手段の変形例を示し、ここでは、電圧降下用
抵抗R2 が、コンデンサC1 の一端と、過渡電流バイパ
ス用コンデンサC2 が接続される接続点Aとの間に接続
されている。従って、過渡電流が流れた際に、電圧降下
用R2 で過渡電流の電圧を降下させることができるた
め、過渡電流の高周波部への影響を図5(a)に示した
フィルタ阻止手段よりも確実に防止することができる。
【0024】上述してきた各実施例及び変形例の直流阻
止フィルタ手段から明らかなように、少なくとも直流阻
止用コンデンサC1 を圧電体と高周波部との間に、並び
に直流阻止用コンデンサと高周波部との間の接続点Aと
アース電位との間に過渡電流バイパス用コンデンサC2
を接続した構成を備えれば、高周波部への直流の影響を
確実に防止することができ、従って、分極度をリアルタ
イムでかつ高精度に高周波部において測定し得ることが
わかる。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、直流電圧を印加して圧
電体を分極するに際し、インピーダンス測定手段におい
て圧電体のインピーダンスをリアルタイムで測定するこ
とができるため、インピーダンス−周波数特性に基づく
圧電体の分極度をリアルタイムで評価することができ
る。従って、圧電材料の分極の容易性等の特性の評価や
比較を極めて容易に行うことができる。
【0026】しかも、従来法では、分極に際し、直流電
圧を印可する工程と、分極度をチェックする工程とを頻
繁に繰り返せねばならなかったが、本発明では、分極し
つつリアルタイムで分極度を測定し得るため、分極用の
直流電圧の印加を停止するだけで直ちに所望の分極度の
圧電体を得ることができる。よって、所望の分極度の圧
電体を確実にかつ容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の分極装置を説明するた
めの回路図。
【図2】圧電体を示す斜視図。
【図3】圧電体のインピーダンス−周波数特性を示す
図。
【図4】第2の実施例の分極装置を説明するための回路
図。
【図5】(a)及び(b)は、直流阻止フィルタ手段の
変形例を示す各回路図。
【符号の説明】
1…圧電体 2…直流電源 3…直流阻止フィルタ手段 4…インピーダンス測定回路 5…高周波電源 C1 …直流阻止用コンデンサ C2 …過渡電流バイパス用コンデンサ

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電体を分極するために圧電体に直流電
    圧を印加するための直流電圧印加手段と、 前記圧電体の分極度を測定するために、圧電体に高周波
    電圧を印加するための高周波電源と、 前記高周波電圧を印加された圧電体のインピーダンス変
    化を測定し、分極度を評価するためのインピーダンス測
    定手段と、 前記高周波電源及びインピーダンス測定手段で構成され
    る高周波部と、前記圧電体との間に接続された直流阻止
    用コンデンサと、前記直流阻止用コンデンサと高周波部
    との間の接続点とアース電位との間に接続された過渡電
    流バイパス用コンデンサとを少なくとも有する直流阻止
    フィルタ手段とを備えることを特徴とする、圧電体の分
    極装置。
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