JPH0482309A - 圧電体の分極方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電共振素子や圧電フィルタ等の圧電部品に
用いられる圧電体の分極方法に関する。

〔従来の技術〕

圧電部品に用いられる材料のうち、チタン酸バリウム、
チタン酸鉛及びチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電セラミン
クス材料を用いる場合、これらの材料を焼成した後に、
分極処理が施される。すなわち、これらの材料を焼成す
ることにより得られた焼結体に一対の電極を付与し、該
電極間に直流電圧を印加することにより結晶粒内の分域
の分極方向を一定方向に揃える処理が施される。

分極処理の条件は、用いられる材料の強誘電的性質に応
して選択されるが、従来、印加電圧は抗電界の少な（と
も３倍以上とされていた。

他方、分極に際して印加される電圧が大きすぎた場合に
は、材料が絶縁破壊を起こすため好ましくない。従って
、分極処理に当たっては、分極に必要かつ最小限の電圧
を印加することが望ましい。

そこで、従来の分極方法では、材料の抗電界の３倍程度
の直流電圧を印加する方法が一般的に行われていた。

なお、実際の分極処理に当たっては、焼結体を加温し、
室温〜１００℃程度の温度範囲において大気中または絶
縁油中において分極処理を行い、しかる後１００〜２０
０℃の温度で１時間以上エージングを行って材料の安定
化を図っているのが常であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

圧電部品の中には、負荷容量内蔵型圧電発振子やある種
のフィルタ装置のように、同一圧電セラミノクス基板内
に分極部分と非分極部分とを形成することがある。この
ような圧電部品の一例を第２図に示す。圧電発振子ｌで
は、圧電基板２の上面には振動電極３、引出し電極４及
び容量電極５が形成されており、圧電基板２の下面には
、振動＠極３と対向するようふこ振動電極が形成されて
おり、該振動電極に接続されるように引出し電極６が形
成されている。また、容量電極５と対向するように、下
面側にも容量電極が形成されている。

なお、引出し電極４は下面側に形成された電極に結合さ
れており、該下面側の電極に端子７が接続されている。

同様に、端子８が引出し電極６に、端子９が容量電極５
に接続されている。

この圧電発振子では、矢印Ａで示す範囲が圧電性を発揮
するように分極されており、他方、矢印Ｂで示す部分は
コンデンサを構成するための部分であるため分極されて
いない。従って、圧電セラミックスは部分的に分極され
なければならない。

しかしながら、上述した従来の分極方法を利用じで圧電
セラミックスを部分的に分極することは非常に困難であ
った。すなわち、圧電セラミックスに部分的に分極処理
用電極を形成し、抗電界の３倍程度の直流電圧を印加す
ると、分極処理が施されるセラミンクス部分と分極処理
が施されないセラミンクス部分との境界部分に分極に伴
う歪みによる応力が集中し、割れや欠は等の不良品がか
なりの頻度で発生していた。

よって、本発明の目的は、分極−二よる歪みに起因する
割れや欠けが発生し難い圧電体の分極方法を提供するこ
とにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、圧電体二こ、該圧電体の抗電界の２〜２．５
倍の電圧を印加し、しかる後１００〜２００℃の温度で
エージングを行った後、抗電界の２〜２．５倍の電圧を
再度印加することを特徴とする圧電体の分極方法である
。

〔本発明の原理］ 圧電体の分極処理に際して発生する圧電体の割れや欠け
は、分掻時に発生する歪みによるものである。従って、
分極処理に際して生しる歪みを少なくすればする程、割
れや欠は等の事故は低減されるのではないかと考え、必
要な分極度を得ることができ、かつ割れや欠けが低減さ
れる範囲を見出すために、通常の分極方法とは異なる種
々の方法で分極実験を行った。

分極に際して圧電体に生しる歪み（Δ１／ｌ）は、分域
歪みと逆圧電歪みとから主になり、次の式で表される。

Δ１２／ｊ２＝Ｓ＋ｄ・Ｅ 上式の右辺の第１項Ｓは分域歪みを示し、ある値を超え
て電圧を印加してもほとんど増大しないものと考えられ
る。右辺の第２項ｄ−Ｅは、逆圧電歪みであり、印加電
圧のある領域内において線形的に増加するものである。

上記分域歪み及び逆圧電歪みについての推測を検証する
ために分極実験を行ったところ、第３回及び第４図に示
す結果が得られた。すなわち、第３図に示すように、分
極中の最大歪みは、印加電圧を高めれば高める程増大す
ることがわかった。

他方、第４図に示すように、残留歪み（分域歪み）につ
いては、ある印加電圧で飽和し、印加電圧を高めてもほ
とんど増大していないことがわかった。すなわち、上記
分極実験により、前述した式の右辺の第１項の分極歪み
及び第２項の逆圧電歪みについての推定が裏付けられる
ことがわかった。

他方、分極処理に際しての印加電圧を変化させて分極度
を調べたところ、第５図に示す結果が得られた。この第
５図の分極度は、厚さ方向の共振反共振周波数により電
気機械結合係数に２１を求めて、この電気機械結合係数
Ｋｆｆ３の値で表したものである。第５図から明らかな
ように、電気機械結合係数Ｋｐは印加電圧に対して抗電
界の２倍程度で充分に飽和することがわかった。

また、圧電体の割れや欠けの発生率を調べたところ、第
６図に示す結果が得られた。すなわち、第６図に破線で
示すように、圧電体の割れや欠けが圧電性が与えられる
と同時に発生し、分極に際しての印加電圧が高められる
に連れて著しく増加することが確認された。

上記第５図及び第６図の結果から、最大歪み量の低減及
び所望分極度が実現される範囲を求めると、抗電界の２
倍以上が分極に最小限必要な印加電圧の要件であること
がわかる。また、抗電界の２倍程度の印加電圧で分極し
た場合、従来の抗電界の３倍程度の印加電圧の場合に比
べて割れや欠けの発生はｌ／２程度に低減していること
がわかる。

次に、第２図に示した圧電発振子を構成し、上記に従っ
て印加電圧を従来より低くして分極処理した場合の素子
の電気的特性の不良発生度を調べた。抗電界の２倍の印
加電圧で分極処理した場合、上述した分極実験から明ら
かなように割れや欠けの発生は大きく低減された。しか
しながら、素子の電気的特性不良が、従来の分極処理方
法の場合に比べて数倍程度多く発生した。

そこで、抗電界の２倍程度の印加電圧を印加し、エージ
ングを行った後に、再度同一電圧で同一方向に分極処理
を行ったところ、圧電体の割れや欠けを低減し得るだけ
でなく、部品の電気的特性不良も低減されることがわか
った。

すなわち、本発明は上記のような分極実験を繰り返すこ
とにより考え出されたものであり、第１図に示すように
、抗電界の２〜２．５倍程度の電圧■。を時間ｔ、の間
印加し、次にエージング処理（時間ｔ２）を施し、さら
に再度抗電界の２〜２．５倍の電圧を時間Ｌ３の間印加
して分極することに特徴を有するものである。

なお、抗電界の２〜２．５倍程度の電圧を２度印加して
も割れや欠けの発生数が低減されるのは、割れや欠けの
発生に対して大きく影響する最大歪みが印加電圧に依存
しているためである。すなわち、最大歪みは印加電圧に
依存しているので、抗電界の２〜２．５倍程度と低い電
圧を繰り返し印加したとしても、歪み量は第１回目とほ
とんど変化せず、それによって割れや欠けの発生数は増
加しないためである。

他方、分極度については、第２回目の分極処理により、
初期分極度に回復し、従来方法に比べて低い電圧で飽和
分極状態が得られる。

なお、２回目の印加電圧は、１回目の印加電圧と同一と
する必要は必ずしもない。

〔実施例の説明〕

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

厚み１８４μｍのＰｂ　（Ｔｉ、Ｚｒ）０３系セラミツ
クスよりなる圧電体基板の両生面に部分的に電極を形成
した。このようにして用意された圧電体基板を、第１表
に示す種々の電圧を印加することにより、大気中、６５
℃の温度で３０分間分極処理を施した。なお、用いた圧
電材料は、約３０ＫＶ／ｃｍの電界で飽和分極状態とな
るものであり、抗電界は約１ＯＫＶ／ｃＩＩであった。

第１表の試料番号１〜６の圧電体基板は、６５℃の温度
で１３〜４０に■／ｃｍの電圧を３０分間印加し、１５
０℃の温度で１時間放置することによりエージングを行
ったものである。また、試料番号７〜１３の圧電体基板
は、６５℃の温度で、１３〜３０ＫＶ／ｃｍの電圧を３
０分間印加し、１５０℃の温度で１時間放置することに
よりエージングを行い、さらに同一分極条件で再度同一
方向に分極処理を行ったものである。

評価方法 試料番号１〜１３の各圧電体基板１０００枚について、
波形及び外観から割れや欠けを検査した。

このうち、良品となった圧電体基板を各２００枚取出し
、第２図に示した圧電発振子を各基板から複数個作製し
、分極度の低さが影響している波形不良を調べた。

電気的特性不良の発生率及び分極時の歪みによる割れ・
欠けの発生率を第１表に併せて示す。なお、電気的特性
については３０００個の圧電発振子の平均値を、割れ・
欠けの発生率については１０００個の圧電体基板の平均
値を示した。

（以下、余白） 第 表 従来法で分極処理を行った試料（試料番号５及び６）の
圧電体基板では、抗電界の３倍以上の電圧を印加するこ
とにより分極処理されているため、電気的特性不良は余
り発生していないが、分極による割れや欠けがかなりの
頻度で発生していることがわかる。

また、試料番号１〜４の圧電体基板では、分極による割
れや欠けの発生率は低いものの、電気的特性の不良な製
品がかなりの頻度で発生していることがわかる。

また、再分極処理を行った試料のうち、試料番号７〜９
では割れや欠けの発生率こそ低減されるものの、印加電
圧が低いせいか電気的特性の不良発生率が比較的高いこ
とがわかる。

これに対して、試料番号１０〜１２の圧電体基板（すな
わち実施例に相当する分極方法により処理された圧電体
基板）では、分極による割れや欠けの発生率が低く、か
つ電気的特性の不良発生率も非常に低いことがわかる。

なお、試料番号１３の圧電体基板では、抗電界の３倍の
電界を印加したため、分極による割れや欠けの発生率が
かなり高いことがわかる。

従って、上記試料番号１〜１３の圧電体基板についての
分極実験から明らかなように、抗電界の２〜２．５倍の
電圧を印加し、エージングを行った後再度同−電圧を印
加することにより分極処理を施せば、分極による割れや
欠けの発生率を低減し得るだけでなく、電気的特性につ
いても良好な圧電部品の得られることがわかる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、抗電界の２〜２．５倍の電圧を印加す
ることにより圧電体を分極処理するものであるため、す
なわち従来法に比べて低い電圧を印加することにより分
極処理が行われるため、分極に際して圧電体の発生する
歪みを低減することができ、それによって圧電体の割れ
や欠けの発生を効果的に防止することができる。

のみならず、抗電界の２〜２．５倍の電圧をエージング
を間にして２回印加するものであるため、充分な分極度
が得られる。従って、電気的特性が良好な圧電部品を安
定ｔこ得ることが可能となる。

特に、同一圧電セラミ、クス内に分極部と非分種部とを
構成する必要がある圧電部品においては、上記のような
分極に際しての歪みに起因する割れや欠けが発生しがち
であったが、本発明の分極方法を用いることにより、こ
のような圧電部品の歩留を大幅に高めることができると
共に、割れや欠けが発生し難いため非常に薄い製品を提
供することも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の圧電体の分極方法を略凹的に示す模式
図、第２図は本発明の分極方法が適用される部品として
の圧電発振子を示す平面図、第３図は分極に際して発生
する歪み量と時間との関係を示す図、第４図は分権に際
して発生する歪み量と印加電界との関係を示す図、第５
図は分極度と印加電界との関係を示す図、第６図は割れ
や欠けの発生率と印加電界との関係を示す図、第７回は
電気的特性不良発生率と印加電界との関係を示す図であ
る。 図において、１は圧電発振子、２は圧電体基板、３は振
動電極、４は引出し電極、５は容量電極、６は引出し電
極、７〜９は端子を示す。 第１図 第５図 電）！、９ＩＩ　　Ｃｔｖ／ｃ−） 第４図 第７図 ニ（ｋＶ／ｃｒｎ） １Ｘ５１、Ａ−ＣｋＶ／ｃｒｎ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧電体に、該圧電体の抗電界の２〜２．５倍の電
   圧を印加し、しかる後１００〜２００℃の温度でエージ
   ングを行った後、該圧電体の抗電界の２〜２．５倍の電
   圧を再度印加することにより分極処理を行うことを特徴
   とする、圧電体の分極方法。