專利名稱：壓電體極化處理方法
技術領域：
本發明涉及一種對用于陶瓷濾波器、陶瓷振蕩器以及其它適當元件的壓電體進行極化處理的方法。
為了對PZT和PT型壓電陶瓷基片(塊、單元或其它適當的形式)作極化處理，傳統地，在燒制了壓電陶瓷基片之后，將電極設置在壓電陶瓷基片相對的兩面。在60到100攝氏度的溫度下，將多個壓電陶瓷基片同時浸入極化液體中，并施加2到8kV/mm的電壓大約10到30分鐘，以得到理想的極化程度。
壓電體的極化處理可以通過液體內(in-liquid)極化(在具有上述絕緣性質的極化液體中進行)，和大氣內(in-air)極化(在大氣或一種氣氛中進行)完成。在空氣內極化中，因為在大約至少1kV/mm的電壓發生放電，故無法得到理想的電場強度。為此，通常進行液體內極化以得到高的極化程度。
但是在液體內極化的情況下，壓電體的極化程度無法在極化過程中測量。這是因為放置在液體中的壓電體的振動由于液體而受阻，并且無法測量頻率特性。為此，傳統地，液體內極化是定時極化，其中以預定時間周期作極化。結果，產生一個問題，即極化程度無法被正確地控制，這引起壓電體的燒制和合成的分散，這導致極化程度的分散。
在第2656041號日本專利中，提出了一種極化方法，其中，在極化過程中測量壓電常數(例如，機電耦合系數K)，并且當常數達到通過極化停止后立即得到的值K和經過一段時間后得到的穩定值K之間的相關性確定的預定值時，停止施加電壓。結果，減小了由于材料和燒制條件的分散引起的極化程度的分散。相應地，產生具有恒定質量的壓電體。
但是，在上述方法中，必須根據極化過程中的頻率確定壓電常數值，這需要長的測量時間。相應地，當許多壓電體同時被極化時，可能由于測量的滯后而發生過極化。
另外，產生一個問題，即需要提供阻抗分析儀、AC信號源、AC/DC分離電路、轉換電路，等等，以測量極化過程中的壓電常數，從而使測量裝置變得復雜和昂貴。
為了解決上述問題，本發明的較佳實施例提供了一種對壓電體進行極化處理的方法，其中大大減小了各個壓電體的極化程度的分散，并且非常精確地得到作為目標的極化程度。
另外，本發明的較佳實施例提供了一種壓電體的極化處理方法，其中防止了由于測量滯后引起的過極化。
根據本發明的一個較佳實施例，對壓電體(它的特點是，由于將直流(DC)電壓提供給壓電體而引起的流過壓電體的電流增加了)的極化處理方法包含步驟將DC電壓提供給壓電體，測量流過壓電體的由施加DC電壓產生的電流，并且當測量的電流值達到設定值時停止施加DC電壓。
在由諸如壓電陶瓷之類的材料制成的壓電體被極化時，當在極化過程中電流流過壓電體時，電流會隨著時間按指數增加，例如如
圖1所示。
如圖1所示的電流增加的一個原因是，隨著極化的進展，沿電場方向進行晶體的內部定向，這引起了壓電體的絕緣電阻隨著時間減小，并且絕緣電阻的減小引起電流值增加。當溫度更高時，在極化過程中增加的電流表現得更顯然。
在如圖1所示，由施加DC電壓引起的流過壓電體的電流增加的壓電體的情況下，可以根據電流值預測壓電體的極化程度。具體地說，由于流過壓電體的電流和極化程度具有高度相關性，可以通過在電流值達到設定值時停止極化而使極化程度接近目標值，并且可以減小極化程度的分散。
另外，不需要如傳統方法需要的那樣在極化過程中測量極化程度(頻率特性)。只需要測量電流。由此，可以大大縮短測量時間，并且防止了當許多壓電體被極化時，由于測量滯后引起的過極化。
另外，由于不必測量極化過程中的頻率，故根據本發明的較佳實施例的極化設備大大簡化了。
根據本發明的較佳實施例，由于不必測量壓電體的頻率特性，可以使用液體內極化或空氣內極化的方法。
圖2示出了壓電體從極化到老化到常溫恢復步驟內的極化程度的變化。
如圖2所示，在極化過程中，極化程度增加到最大值，并通過老化減小，并在常溫恢復中部分恢復，以至穩定。在極化過程中的最大極化程度△f1和最大極化程度△f1處的最大電流值(電流極限值)iL具有高的相關性。另外，最大極化程度△f1和在常溫恢復后得到的穩定的極化程度△f2具有高度相關性。相應地，電流極限值iL和在常溫恢復后得到的穩定的極化程度△f2具有高度相關性。在上述例子中，根據諧振頻率fr和反諧振頻率fa之間的頻率差△f確定壓電體的極化程度。諸如機電耦合系數K、中心頻率之類的壓電常數可用于確定極化程度。
圖3示出了在極化中的電流極限值iL和在電流值達到電流極限值之后施加老化至常溫恢復后得到的極化程度△f2之間的相關性。在下列條件下確定相關性壓電體PZT塊(厚度為8mm)極化電壓(電極間電壓)8.7kV極化溫度200攝氏度老化溫度200攝氏度當電流值表示為如圖3所示的對數值時，可見電流值(對數值)和極化程度在電流極限值為大約2mA到大約10mA的范圍內，基本上相互成比例。
較好地，根據剛好停止施加DC電壓前得到的壓電體的極化程度和停止施加電壓后，老化了壓電體，然后壓電體的溫度恢復到常溫后得到的壓電體的穩定的極化程度之間的相關性確定設定值。由此，可以將最后的極化程度非常精確地控制在目標值。
例如，如果理想的目標最終極化程度是△f=3.0kHz，則當電流值變成大約3.5mA時停止極化，并且在老化后，溫度恢復到正常溫度。
當流過壓電體的電流值增加時，在為防止過電流而設置并與各個壓電體串聯的限流電阻器中產生電壓降，從而減小了提供給壓電體的電壓。電壓的減小引起的問題是壓電體的極化速率減小，從而無法得到理想的極化程度。
相應地，最好根據流過壓電體的電流值計算限流電阻器的電壓降，并且將該電壓降加到初始施加的電壓上。
即，根據下面的計算公式確定施加電壓施加電壓=初始的電壓+電流值×限流電阻通過使提供給各個壓電體的電壓隨時保持恒定，可以解決由施加電壓分散引起的壓電體極化程度的分散。在這種方法中，除了控制極化程度以外，極化條件(電壓)可以保持恒定。由此，進一步減小了極化程度的分散。
從參照如圖的本發明的較佳實施例的詳細描述，本發明的其它特點、要素、特征和優點是顯然的。
圖1是示出極化過程中流過壓電體的電流變化的曲線圖2是示出極化處理過程中極化程度變化的曲線圖；圖3是示出極化過程中電流極限值和在恢復室溫后得到的極化程度之間的相關性的曲線圖；圖4是根據本發明較佳實施例的一例極化處理設備的電路圖；和圖5是示出極化過程中電流變化的曲線圖。
圖4示出實現本發明較佳實施例的壓電體極化處理方法使用的一例極化處理設備。
在圖4中，標號W1到Wn分別表示多個要極化處理的壓電體。極化處理設備最好包含溫度調節裝置1，用于調節多個壓電體W1到Wn，并將大氣控制在預定溫度；高電壓DC源2，用于極化；高壓轉換開關31到3N，用于將電壓提供給多個壓電體W1到Wn；限流開關41到4N，用于防止過電流；放電轉換開關51到5N，用于將電荷從壓電體W1到Wn釋放；放電電阻61到6N；電流檢測電路7，用于檢測通過壓電體的電流，控制裝置8，用于控制施加的電壓和極化程度。
在溫度調節裝置1中，進行每一個處理，即壓電體W1到Wn的極化至老化。通過控制裝置8，將溫度調節裝置1的溫度控制得適合于每一個處理。極化溫度最好高于老化溫度(例如，150攝氏度或更高)，并且是可以得到能夠和通過傳統的液體內極化得到的極化程度相比的極化程度的溫度。在這個例子中，極化到老化的條件和圖3所示的相同。
電流檢測電路7最好包含檢測電阻器7a和諸如OP放大器之類的放大器7b，用于檢測各別電阻器11a兩端之間的電位差，并根據各個電阻器11a兩端之間的電位差，檢測流過各個壓電體W1到Wn的電流。分別將檢測電阻器11a和放大器11b連接到壓電體W1到Wn。
將來自放大器7b的電流檢測信號輸入到控制裝置8。控制裝置8根據流過壓電體W1到Wn的電流值，控制高電壓DC源2、高電壓轉換開關31到3n、放電轉換開關51到5N等等。將高電壓轉換開關31到3N和放電轉換開關51到5n交替地接通。極化過程中，高電壓轉換開關31到3n接通，并且在極化后，放電轉換開關51到5n接通。
下面將描述使用具有上述配置的極化處理設備的極化方法。
首先，壓電體W1到Wn放置在溫度調節裝置1中。控制溫度調節裝置1的溫度，從而所有的壓電體具有預定溫度(例如，大約200攝氏度)。接著，將高電壓轉換開關31到3n接通，從而將用于極化的DC電壓分別同時提供給壓電體W1到WN。在開始施加電壓后，在電流檢測電路7中測量流過各個壓電體W1到WN的電流值。流過各個壓電體的電流和極化程度隨著時間而增加，如圖5所示。
在控制裝置8中，對與常溫恢復后得到的穩定的極化程度△f2具有高度相關性的電流極限值iL進行預置。當極化過程中，每一個電流值達到該設定值iL時，控制裝置8使高壓轉換開關31到3n各自斷開，從而停止了將DC電壓施加到壓電體W1到WN。例如，如圖3所示，為了得到目標極化程度△f=3.0kHz，在極化過程中電流值iL達到接近于3.5mA時停止施加電壓。在某個壓電體的電流值未達到設定值iL的情況下，繼續將電壓施加給該壓電體，直到該壓電體的電流值達到設定值iL。同時，當停止施加電壓時，控制裝置8使放電轉換開關51到5n接通，從而存儲在壓電體W1到WN中的電荷放電。如果不進行放電，則會施加由存儲的壓電體W1到WN中的電荷引起的反向電場。極化可能返回。在放電后，完成極化。
接著，在溫度調節裝置1中老化壓電體W1到WN，而壓電體的溫度在溫度調節裝置1中保持在預定溫度(例如，200攝氏度)。老化時間可以接近于2或3分鐘。在老化過程中，放電轉換開關51到5n保持接通狀態，從而繼續放電。此后，將壓電體W1到WN從溫度調節裝置1中取出，并且將壓電體W1到WN的溫度在足夠時間內(例如，24小時)恢復到常溫。由此，完成極化處理。
完成極化處理的壓電體W1到WN可以給予目標極化程度△f2。
當在極化過程中流過壓電體的電流隨著時間增加時，在限流電阻器41到4n中產生電壓降。相應地，跨過各個壓電體W1到WN的兩端的電極的電壓減小。電壓的減小引起一個問題，即各個壓電體W1到WN的極化速率減小，并且無法得到理想的極化程度。
在控制裝置8中，通過根據由電流檢測電路7檢測到的電流值計算限流電阻器41到4n中的電壓降，并將該電壓降加到初始的施加電壓，控制壓電體的電極間電壓，以便在任何時候都保持恒定。
即每一個施加的電壓根據下面的等式確定施加電壓=初始電壓+電流值×限流電阻如上所述，通過將提供給壓電體的電壓在任何時候都保持恒定，消除了壓電體極化程度的分散。
如圖4所示，在提供一個施加電壓源2的情況下，為了控制電壓源的電壓，流過各個壓電體的電流的最小值可以用于控制電壓源電壓。這是因為要防止壓電體由于施加過電壓而毀壞。另一方面，在設置多個外加電壓源的情況下，例如，根據各個壓電體的電流值計算外加電壓并且對各個壓電體控制外加電壓源的電壓。可以通過在電流值增加時隨時執行的反饋處理進行電壓控制。
在上述例子中，在高溫下作空氣中極化。在本發明的較佳實施例中，類似地，可以進行液體內極化，因為不需要測量壓電體的頻率特性。相應地，和空氣內極化相比，在極化過程中可以提供更高的DC電壓。
由此，根據本發明的較佳實施例，在具有由于施加的DC電壓引起的流過壓電體的電流的壓電體的極化處理中，通過利用極化過程中電流和極化程度之間的相關性將電流控制到設定值。由此，壓電體極化的分散大大減小了。
在根據本發明較佳實施例的電流控制方法中，和在極化過程中測量壓電體的頻率的控制方法相比，測量時間顯著縮短，并且防止了當多個壓電體極化時由測量的滯后引起的過極化。這樣達到了高度精確的極化控制。
雖然已經揭示了本發明的較佳實施例，但是，實現這里所揭示的原理的各種模式在下面的權利要求的范圍內。因此，應該知道，本發明的范圍只由權利要求限定。
權利要求
1．一種壓電體極化處理方法，其中所述壓電體構成得電流響應于將DC電壓施加給壓電體而流過壓電體，其特征在于所述方法包含以下步驟提供壓電體；將DC電壓提供給所述壓電體；測量由于施加所述DC電壓引起的流過所述壓電體的電流；和當測量到的所述電流值達到設定值時，停止施加DC電壓。
2．如權利要求1所述的方法，其特征在于所述設定值是根據剛好停止施加DC電壓之前得到的壓電體的電流值和在停止施加DC電壓后得到的壓電體的穩定的極化程度之間的相關性確定的。
3．如權利要求1所述的方法，其特征在于還包含老化壓電體的步驟。
4．如權利要求3所述的方法，其特征在于極化步驟中的溫度高于老化步驟中的溫度。
5．如權利要求3所述的方法，其特征在于還包含將壓電體的溫度恢復到常溫的步驟。
6．如權利要求1所述的方法，其特征在于在施加DC電壓的步驟中，根據流過壓電體的電流值計算限流電阻器中的電壓降，并將所述電壓降加到初始施加電壓中。
7．如權利要求1所述的方法，其特征在于還包含步驟提供多個壓電體，并同時對所述多個壓電體執行施加電壓、測量和停止中的每一個步驟。
8．如權利要求7所述的方法，其特征在于還包含步驟控制溫度，從而多個壓電體的溫度在施加電壓的步驟前基本上是相同的。
9．如權利要求1所述的方法，其特征在于當極化過程中的電流值接近于3.5mA時，停止施加電壓的步驟。
10．如權利要求1所述的方法，其特征在于如此執行施加電壓的步驟，從而施加的電壓等于初始電壓加上測量的電流值和限流電阻的乘積。
11．如權利要求1所述的方法，其中壓電體上具有電極，其特征在于所述方法還包含控制施加電壓，從而電極之間的電壓保持恒定的步驟。
12．一種壓電體極化處理方法，其特征在于所述方法包含以下步驟設置壓電體；對所述壓電體極化處理；和根據流過所述壓電體的電流停止對所述壓電體極化處理。
13．如權利要求12所述的方法，其特征在于極化處理的步驟包含將DC電壓提供給壓電體的步驟。
14．如權利要求13所述的方法，其特征在于還包含測量由施加DC電壓引起的流過壓電體的電流的步驟。
15．如權利要求13所述的方法，其特征在于還包含步驟設定電流極限值，并在測量到的電流值達到所述電流極限值時停止極化處理。
16．如權利要求15所述的方法，其特征在于根據剛好停止施加DC電壓前得到的壓電體的電流值和在停止施加DC電壓后得到的壓電體的穩定的極化程度之間的相關性確定所述電流極限值。
17．如權利要求12所述的方法，其特征在于還包含老化壓電體的步驟。
18．如權利要求17所述的方法，其特征在于在極化步驟中的溫度高于老化步驟中的溫度。
19．如權利要求17所述的方法，其特征在于還包含將壓電體的溫度恢復到常溫的步驟。
20．如權利要求13所述的方法，其特征在于在施加DC電壓的步驟中，根據壓電體中流過的電流值計算限流電阻器中的電壓降，并將電壓降加到初始施加的電壓上。
全文摘要
本發明提供了一種壓電體的極化處理方法,其中壓電體構成得使電流響應于將DC電壓施加到壓電體而流過壓電體,該方法包含步驟:測量流過壓電體的電流,在測量到的電流值達到設定值時停止施加DC電壓。通過利用極化過程中的電流和極化程度的相關性,根據電流值控制極化程度。通過這種方法,得到理想的極化程度,并且減小了極化的分散。
文檔編號G01R29/22GK1284753SQ00124189
公開日2001年2月21日 申請日期2000年8月14日 優先權日1999年8月13日
發明者友廣宏, 藤井直樹 申請人:株式會社村田制作所