JPH08130336A - 圧電トランスの分極方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子の分極の度合いを向上させ且つ圧電
トランスの昇圧比を高く設定し得ると共に、分極作業の
迅速化を図った圧電トランスの分極方法を提供するこ
と。 【構成】 圧電トランス１の入力部である入力電極３
Ａ，４Ａと出力部である出力電極２に、二つの異なるレ
ベルの直流電圧パルスを交互に多数回連続して印加する
こと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子の分極方法に
係り、特に、入力部と出力部を有する圧電トランスの分
極方法関する。

【０００２】

【従来の技術】圧電トランス等の圧電デバイスは、チタ
ン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ：ＰｂＺｒＴｉｏ３）等
の圧電セラミック材料の焼成後の表面に、１対の入力電
極と１対又は１個の出力電極を設け、入力部と出力部を
分極処理することにより作成される。分極処理は、入力
部は入力電極間に、出力部は１対または出力電極が１個
の場合は入力電極と出力電極間に、一定直流電圧を印加
し、セラミック結晶内の分極方向を一定方向に揃えるこ
とにより分極が行われる。

【０００３】図５乃至図６に、一対の入力電極を有する
圧電素子の分極時に印加される直流パルス波形の例を示
す（特開昭６１−２６８０８５号公報，特開平２−１４
３４７４号公報参照）。この種の直流パルス電圧を入力
電極間に印加することにより高電圧による絶縁破壊を防
止し、圧電特性の向上が図られている。そして、かかる
従来例においては、いづれも同電圧の一定周期の直流パ
ルス電圧を印加して一定方向の分極を行うものである点
に特徴を備えている。

【０００４】圧電トランスは、一般に２回の分極処理を
行うことにより、所定の機能を発揮することができるこ
とが知られている。

【０００５】また、圧電トランス等に用いられるセラミ
ック材料では、印加電界による残留歪みの影響を押さえ
るため、加熱炉やシリコンオイル中で処理温度を高くし
低目の電界で処理することが従来より行われている。

【０００６】図７に、この場合の実験結果を示す。この
図７に示す実験結果は、 NEPEC８（商品名：（株）トー
キン製）の焼結体を用いて、３７×５．３〔ｍｍ〕で厚
さ１．３〔ｍｍ〕の圧電素子を作製し、その上下面に電
極を設け、１５０〔℃〕のシリコンオイル中で、厚さ方
向に１．５〔ｋＶ／ｍｍ〕の一定直流電界を３０分間印
加し、洗浄乾燥し放置後、圧電特性（Ｋ₃₁，Ｑｍ）を測
定したものを示す。そして、このサンプルを、恒温槽中
に各所定温度で各３０分間保持後、放置し、分極度合
（熱処理後ｋ３１／初期測定値）の低下を測定したもの
であるが、温度が高い程、分極度合の低下が激しいこと
が解る。特に、キューリー点の３／４以上の温度で２回
目の分極処理を行うと、圧電トランスとして使用困難な
レベルまで低下することを確認することができた。

【０００７】圧電素子の分極度合は、分極時の温度，電
界強度，時間の関数であり、それぞれ比例関係にある。
そして、ある一定の分極度合を得るには、処理温度が高
い場合には低い電界強度で処理可能であり、素子の絶縁
破壊や分極時の応力割れ等を防止することができる。こ
の分極度合は、圧電トランスの昇圧比や効率に大きく寄
与する値であり、できるだけ高い値に分極処理する必要
がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ト
ランスのような圧電素子を、入力部と出力部の２回に分
けて分極を行うと、最初に分極処理をした部分の分極処
理が２回目の分極処理により影響され、分極度合を示す
電気機械結合係数Ｋeff や機械品質係数Ｑm が低下する
という不都合が生じている。特に、分極処理温度が高い
場合に、その傾向が顕著に現れる。

【０００９】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくに圧電素子の分極の度合いを向上させ且
つ圧電トランスの昇圧比を高く設定し得ると共に、分極
作業の迅速化を図った圧電トランスの分極方法を提供す
ることを、その目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では、入力部と出
力部とが形成された圧電トランスの入力部と出力部に、
二つの異なるレベルの直流電圧パルスを交互に多数回連
続して印加する、という構成を採っている。これによっ
て前述した目的を達成しようとするものである。

【００１１】

【実施例１】以下、本発明の第１実施例を図１乃至図２
に基づいて説明する。

【００１２】この図１乃至図２において、符号１は分極
試料である圧電トランスを示す。この圧電トランス１
は、図１の中央部に出力部である出力電極２を有し、左
右両端部にそれぞれ入力部である入力電極が付されてい
る。符号３Ａ，４Ａは入力電極を示す。この入力電極３
Ａ，４Ａの背面側には、これに対応した出力電極３Ｂ，
４Ｂが付されている。

【００１３】また、出力電極２には出力端子２ａが装備
され、入力電極３Ａ，４Ａには共通の入力端子３ａが装
備されている。符号５が入力電極３Ａ，４Ａに対応して
圧電トランス１の背面側に付された電極の端子（入出力
共通端子）を示す。

【００１４】そして、これらの各電極２，３Ａ，４Ａ
は、切り換えスイッチであるトランスファリレー８を介
してパルス電圧制御電源７に接続されている。このトラ
ンスファリレー８により、入力電極３Ａ，４Ａと出力電
極２に、二つの異なるレベルの直流電圧パルスが交互に
多数回連続して印加されるようになっている。

【００１５】ここで、上記圧電トランス１の分極方法に
ついて更に詳述する。

【００１６】まず、圧電トランス素子をシリコンオイル
中で加熱し、２００〔℃〕の温度で図２に示す電圧印加
回路を用い、１．０〔ＫＶ／ｍｍ〕の矩形波直流パルス
電圧（入力部１．３ＫＶ，出力部６ＫＶ）を印加して分
極を行った。具体的には、図３に示すのタイムチャート
により、入力部分極電圧９と出力部分極電圧１０を交互
に多数回繰り返すことにより構成されるパルス電源電圧
を、リレー接点を用いて、Ａ状態で出力部分に，Ｂ状態
では入力部分に印加されるようにして４０分間分極状態
を継続した。

【００１７】そして、洗浄乾燥し放置後、５個の試料に
つき確認したところ、１回の分極で入力部と出力部の分
極度合が平均値で９５％という比較的良好な分極特性値
を得ることができた。この時の高電圧維持と低電圧（ほ
ぼ電圧零の値）維持との時間比（ディーティー比）は約
７０％であった。

【００１８】又、追加検討として、パルス幅について検
討した結果、高電圧維持及び低電圧維持の時間を１〜６
秒範囲で使用すれば入出力部ともほぼ同等の分極度合に
なることを確認した。

【００１９】次に、比較の意味で、従来の分極方法で、
入力部，出力部を別々に分極した。処理温度を同じ２０
０〔℃〕で、出力部を１〔ｋＶ／ｍｍ〕の直流電圧で
（６．０ｋＶ）２０分間分極後、入力部を１〔ｋＶ／ｍ
ｍ〕の直流電圧で（１．３ｋＶ）２０の分間分極し、洗
浄乾燥し放置後５個の試料つき確認にしたところ、入力
部は平均値９５％の分極度合を示したが、出力部は９０
％と分極度合の低下が見られた。

【００２０】ここで、圧電トランスの素子は（圧電セラ
ミック）は、 NEPEC８（商品名：〓トーキン製）の焼結
体を用い、３７×５．３ｍｍで厚さ１．３ｍｍに加工し
た長板状の素子を使用した。また、電極は、銀ペースト
を使用し、厚膜スクリーン印刷法でパターン形成し、６
００℃で焼き付けて形成した。そして、圧電特性の測定
にさいしては、分極完了後、機械振動の節点に相当する
位置にて、電極中央部に０．１φの銅線を半田付けによ
り取付た後、所定の測定器を用いて、ｋ₃₁ｅｆｆ又はｋ
₃₃ｅｆｆを測定することにより、分極度合の設定を行っ
た（機械品質係数Ｑｍについても値は異なるが同様の傾
向を示した）。

【００２１】

【実施例２】前述した実施例１の場合と同様に構成に基
づいて、条件を変えた場合の例を以下説明する。

【００２２】まず、処理温度を同じ２００〔℃〕で、
１．５〔ｋＶ／ｍｍ〕の矩形波直流パルス電圧を印加し
分極を試みたが、セラミックが絶縁破壊するという状況
が発生した。そこで、パルス波形を図４に示す昇圧，高
電圧維持，降圧，低電圧（ほぼ電圧零の値）維持からな
る台形波とすると共に、低電圧状態で入出力電極間の切
替えを行うこととし、１．５〔ｋＶ／ｍｍ〕の台形直流
パルス電圧を印加し４０分間分極した。

【００２３】洗浄乾燥し放置後、５個の試料について確
認した結果、入力部，出力部ともに１００％の分極度合
を示した。このときの各時間は、昇圧０．５秒，高電圧
維持０．５〜５秒，降圧０．１秒，低電圧維持０．５〜
２秒の範囲のパルス幅について検討の結果（総合時間
１．５〜７秒の範囲）、入出力部ともほぼ１００％の分
極度合が得られることを確認した。また昇圧時間につい
ては、別検討により分極電圧１〔ｋＶ〕当り０．１秒以
上が必要との結果を得たが、ここでは０．５秒一定とし
た。

【００２４】

【実施例３】前述した実施例１の場合と同様に構成に基
づいて、条件を変えた場合の例を以下説明する。

【００２５】まず、圧電トランス素子を恒温槽に入れ、
２５分で３２０〔℃〕という圧電素子のキューリー点
（３１０℃）より高い温度まで加熱後、０．５〔ｋＶ／
ｍｍ〕の前述した実施例２の直流パルス電圧を印加し、
２５分で１００〔℃〕まで冷却後、パルス電圧を停止す
る方法で分極を行った。分極後放置し５個の試料につい
て確認した結果、入力部，出力部共に１００％の分極度
合を示した。同様条件で２５０〔℃〕，１〔ｋＶ／ｍ
ｍ〕の台形直流パルス電圧による分極試料についても同
様の結果を示した。

【００２６】このように、上記実施例によると、圧電ト
ランスの入出力部に、切り換えにより交互に矩形又は台
形の直流パルス電圧を印加することにより、１工程で分
極処理可能な圧電特性（分極度合）の良い低コストの圧
電トランスを得ることができる。また、キューリー点の
３／４以上の温度で分極を行えば、分極電界を比較的低
くすることができ、このため、圧電素子での残留歪みが
軽減されるという利点がある。

【００２７】また、本実施例では、３端子の三次振動モ
ードの圧電トランスを用いたが、ローゼン型や４端子絶
縁構造の圧電トランスの分極に対しても、そのまま適用
されるものである。

【００２８】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、圧電トランスの入出力部に切り換
えにより交互に矩形又は台形の直流パルス電圧を印加す
るようにしたので、１工程で分極処理可能な圧電特性
（分極度合）の良い低コストの圧電トランスを得ること
ができ、そのための工程が従来例では２工程必要であっ
たのに対して１工程で完了することから、かかる点にお
いて分極処理をより迅速に成し得るという従来にない優
れた圧電トランスの分極方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例における分極方法の確認に
使用した圧電トランスを示す斜視図である。

【図２】図１に示す実施例の分極方法に使用した直流パ
ルス電圧の切り換え動作を含む電圧印加回路図である。

【図３】図２における実施例で使用した直流パルス電圧
と切り換えのタイミングとを示すタイムチャート図であ
る。

【図４】本発明の第２実施例における台形直流パルス電
圧を示す波形図である。

【図５】従来例の２工程分極に使用される直流パルス電
圧を示す波形図で、図５（ａ）は通常の場合を示す図、
図５（ｂ）はデューティ比が小さい場合を示す図、図５
（ｃ）はデューティ比が大きい場合を示す図である。

【図６】従来例の２工程分極に使用される直流パルス電
圧を示す他の波形図で、図６（ａ）は正弦波を半端整流
したのと同等の通常の場合を示す図、図６（ｂ）は時間
幅を小さくした場合を示す図、図５（ｃ）は時間幅を大
きくした場合を示す図である。

【図７】温度が高い場合に生じる分極の度合の低下を示
す線図である。

【符号の説明】

１ 圧電トランス ２ 出力電極 ３Ａ，４Ａ 入力電極 ５ 入出力共通端子 ７ パルス電圧制御電源 ８ 電極切換え用リレー ９ 入力部分極電圧 １０ 出力部分極電圧 １１ 昇圧 １２ 高電圧維持 １３ 降圧低電圧

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力部と出力部とが形成された圧電トラ
   ンスの前記入力部と出力部に、二つの異なるレベルの直
   流電圧パルスを交互に多数回連続して印加することを特
   徴とする圧電トランスの分極方法。
2. 【請求項２】 前記二つの異なるレベルの直流電圧パル
   スは、それぞれ昇圧，高電圧維持，降圧，低電圧維持を
   １サイクルとすると共に、その切り換えのタイミングを
   降圧後の低電圧レベルに設定したことを特徴とする請求
   項１記載の圧電トランスの分極方法。
3. 【請求項３】 圧電素子のキューリー点温度の３／４以
   上の温度で直流パルス電圧を印加し始めると共に、その
   後，当該温度を下げつつ圧電素子の圧電特性変化のない
   低い温度になるまで直流パルス電圧を印加し続けること
   を特徴とした請求項１又は２記載の圧電トランスの分極
   方法。