CN1173422C - 压电元件的极化方法 - Google Patents

Abstract

用加直流电压到压电元件来完成它的极化和在极化时，测量极性Δf_mid。在极化时，当极性Δf_mid达到设定水平时，测量通过压电元件的电流，并用已测到的电流寻找极性返回量从而预计剩余极性Δf_rem。在极化时，当极性Δf_mid达到上面所述的设定水平时，如果预计剩余极性大于或等于目标极性，则撤除加到压电元件上的直流电压。在极化时，如果预计剩余极性Δf_rem小于目标极性，则更新极性Δf_mid的设定水平。在极化时，当极性Δf_mid达到已更新的设定水平时，撤除加到压电元件上的直流电压。

Description

压电元件的极化方法

技术领域

本发明涉及一种极化用于陶瓷滤波器或陶瓷共振器的压电元件的方法。

背景技术

在已知技术中，用钛酸锆酸铅(PZT)或铂(PT)制成的压电陶瓷衬底的压电陶瓷的极化是用下面的方法来完成的。在焙烧压电陶瓷衬底后，在衬底的两对面装上了例如由银制成的电极。把许多压电陶瓷衬底同时浸入温度为60～100C的绝缘溶液中，在此之后，在许多压电陶瓷衬底上加2到8kv/mm的电场10到30分钟，从而完成了极化。

当在液体中如上所述完成极化时，因为压电元件被放在液体中，所以在极化过程期间不可能测量压电元件的极化，由于液体造成由压电元件所产生的振荡阻尼，所以压电元件的特性妨碍了测量。因此，当在液体中完成极化时，由于极化只在预定的时间内完成，所以不能精确地控制极化。

因而，为了获得具有均匀质量的压电元件，而在压电常数上又要保持小的和稳定的变化，逐渐地使用一种在空气中控制极性的方法。(第2656041号日本专利)

在用于控制极性的方法中，压电陶瓷的压电常数(例如，电机械系数或极性)是在施加直流电压极化压电陶瓷时被测的，而在测量值达到一设定水平时就撤除加到压电陶瓷上的该电压。该设定水平是通过在刚好撤除了加到压电(陶瓷)上的直流电压之后的压电常数和在充分的时间之后已稳定的压电常数之间的相互关系而获得的。

但是，当使用控制极性的一种现有方法时，虽然在极化期间要把该极性设定到设定水平，但是如图1所示，由于在批与批之间的组份和焙烧的方式的差异，所以剩余极性Δf_rem几乎不发生变化。这里，剩余极性Δf_rem指的是在被极化后，在老化和冷却到常温后的稳定的极性。因为剩余极性Δf_rem的变化，所以在已制造的每一批上要完成事先的极化调节的测试是必要的，还有，由于批与批之间的极性变化，需在随后的步骤中完成麻烦的频率调节，因而降低了生产率和产量。

在考虑了上述的描述之后，本发明的发明人认为在批与批之间的剩余极化Δf_rem的变化是由于这些批的许多返回量的差异而造成的，尽管在极化期间，总是把极化控制得一样，但是这些差异由于批与批之间的组份和焙烧方式不同这个事实造成的，在这里，极性返回量的意思是在刚好撤除加到压电元件上的电压之前的极性和在撤除加到压电元件上的电压之后经历老化的极性之间的差。另外，各种实验使发明人得出下面的研究结果。这就是，在批与批之间的极性返回量的差在极化期间通过压电元件的电流值有一个相互关系。

发明内容

根据上面描述的研究结果，本发明一个目的是提供一种降低发生在批与批之间极性变化从而准确地获得目标极性的极化压电元件的方法。

为此，按照本发明的一个方面，提供一种极化压电元件的方法，包括如下步骤：通过施加直流电压至压电元件来完成压电元件的极化；当极化压电元件时，测量极性Δf_mid；在极化时当测量到的极性Δf_mid达到设定水平时，测量通过压电元件的电流；从已测到的电流预计剩余极性Δf_rem；极化期间当极性Δf_mid达到已更新的设定水平时，撤除加到压电元件上的直流电压。

较佳的是，极化压电元件的方法还包括如下步骤：

在极化时当预计的剩余极化Δf_rem小于目标值时，更新极性Δf_mid的设定水平；

在极化时，当极化Δf_mid达到设定水平时，撤除加到压电元件上的电压，在极化时当预计剩余极化Δf_rem大于或等于目标值时，不更新极性Δf_mid的设定水平。

利用刚好撤除加到压电元件上的直流电压之前的极性和在撤除加到压电元件上的直流电压之后老化和随后冷却到常温的剩余极性之间的相互关系来获得设定水平是较佳的。

更具体地说，通过寻找在刚好撤除加到压电元件上的直流电压之前和剩余极性Δf_rem之间的相关性的最佳拟合数据直线获得设定水平是较佳的，其中数据是通过许多批实验获得的。最佳拟合直线是用已知方法获得的，诸如最小平方法。

另外，比较好的是，从已测到的电流预计剩余极性Δf_rem的步骤还包括如下步骤：

从已测到的电流来获得极性返回量；以及

从设定水平和极性返回量之间的差来获得剩余极性Δf_rem。

由初始设定水平和在剩余极性Δf_rem的目标值和剩余极性Δf_rem的预计之间的差之和来获得设定水平的更新值亦是较佳的。

显而易见的是，本发明能使由组份中或批与批之间焙烧方式差异造成的极性变化可从极化时的电流来预计，并能使极性变化在极化时回馈到目标极性。所以，把批与批之间极性变化变得最小，从而使精确地控制剩余极性达到目标极性成为可能。

还有，本发明消除了为成批制造而要完成的极化调节或预先测量测试，从而增加了在随后过程中频率调整的效率和产量。

附图说明

图1示出了批与批之间剩余极性和极性返回量的比较。

图2示出了极化时压电元件极性的变化；

图3示出了根据本发明的用于完成极化的极性控制***的例子；

图4示出了极化时极性在冷却到常温后的极性之间的相互关系；

图5示出了极化时电流和极性返回量之间的关系；

图6示出了极化时极性的特性；

图7示出控制极性方法例子的流程图，以及

图8示出了批与批之间受到极性调节的极性比较。

具体实施方式

在本发明中，极性是在压电元件受到极化时测量它的频率特性而获得的。通过寻找共振频率fr和***振频率fa之间的频率差Δf获得极性，或相反，通过寻找一个压电参数，诸如电机械系数k或中心频率来获得。当测量时，确定极化时的极性Δf_mid是否已达到设定水平。

在极化时，极性Δf_mid被控制来提升到一预定的初始设定水平，当极性Δf_mid达到初始设定水平时探测电流，而从该已探测到的电流可以预计剩余极性Δf_rem。在电流和剩余极化Δf_rem之间的相互关系是多批实验获得的。

另外，在极化时的极性Δf_mid的设定水平是按照预计的剩余极化Δf_rem来更新的，根据预计的剩余极化Δf_rem是大于或等于预定的目标值来决定是否有需要来更新这设定水平。在极化时，当极性Δf_mid达到已更新的水平时，就撤除加到压电元件上的直流电压。

图2示出了压电元件在受到极化、老化和冷却到常温时它的极性变化。

如图2所示，当极性在它的最大点时用Δf_max’来表示，在老化后的极性用Δf_age来表示，而在冷却到常温后的极性则用Δf_rem来表示，极化时的极性上升到最大点Δf_max’而由于老化降到Δf_age，但是，降落的极性由于冷却到常温而部分地被恢复，并在Δf_rem处平稳，总之剩余极性的意思是冷却到常温时的极性Δf_mid，然而在本发明中，剩余极性的意思可能是老化后(在冷却到常温前)的极性Δf_age或在冷却到常温后的极性Δf_rem。

这就是说，老化后的极性Δf_age和冷却到常温后的极性Δf_rem之间的相互关系是根据压电元件材料的温度特性唯一决定的。换句话说，在冷却到常温(例如26℃)后的极性Δf_rem由决定材料、老化温度和老化后的极性Δf_age所唯一决定的。

还有，图2示出了极性返回量Q_df，它是由刚好在撤除加到压电元件上的电压之前的极性Δf_max和刚好在撤除加到压电元件上的电压之后的老化之后的极性Δf_age之差所定义的。就是：

Q_df＝Δf_max-Δf_age

在极化时，极性反回量Q_df与通过压电元件的电流相关，电流愈大，极性返回量变得愈大，因此，剩余极性Δf_rem可从在设定水平和极性返回量Q_df之间的差被精确地预计到。

当在开发材料时，可以成批实验获得极化期间极性返回Q_df与通过压电元件的电流的相关性。该相关性可用一公式来表示或作为一张表存储起来。如此，极性返回量Q_df可不用复杂的数据处理在短时间内获得。

如上所述，老化后的极性Δf_age和冷却到常温的极性Δf_rem之间的关系由材料的温度特性唯一决定。所以，极性返回量Q_df可由下到公式来定义：

Q_df＝Δf_max-Δf_rem

图3示出了根据本发明的用于完成压电元件极化的极性控制***的例子，标号W是由压电陶瓷制成的受极化的压电元件。标号1是一台用于调节压电元件W并把气氛固定在一预定温度的恒温器。标号2是用于极化的高压直流电源。标号3是将电压提升到压电元件W上去的高压开关电路。4是在极化时用于阻断直流高压的交流/直流分离电路。标号5是用于在极化时测量压电元件W的极性f的测量装置。标号6是用于测量极化时通过压电元件W的电流值的电流检测电路。标号7是诸如计算机的控制装置。

压电元件W是一块厚度为5到10mm的钛酸锆酸铅(PZT)。在压电元件W的两个相对的面上的每一个做了两个电极，电极间的电场被固定在1.1kv/mm。

恒温器1用来完成压电元件W诸如极化、老化和回到常温的步骤。控制装置7对每个过程把恒温器1内的气氛(空气)保持在一合适的温度。把极化温度保持在老化温度或较高一点，即，如同在液体中完成极化的情况下，获得相同极性的温度。把极化温度保持在200C。而老化温度在200C。把老化时间设定在300秒。按照图3，恒温器1仅调节一块压电元件W，然而，恒温器1可以同时容纳多个压电元件W来控制极性。

测量装置5例如可是一网络分析器，它将包含在测量装置5中的交流电源的一个交流信号加到压电元件W上，并利用压电元件W的阻抗特性，探测共振频率fa之差。共振频率fr与***振频率fa之差被称之为频率差Δf并被用来测量极性。除了Δf之外，电机械系数k可能被用来测量极性。

电流探测电路6包括用来检测检测电阻和该电阻两端间的电位差以便从该电位差来测定通过压电元件W的电流的诸如运算放大器(OP)的放大器，把由测量装置5检测到的极性f和由电流检测电路6检测到的电流变换成信号并输入到控制装置7。该输入信号被用来控制所加的电压和极性。更准确地说，控制装置7控制了恒温器1、高压直流电源2和高压开关电路3。当在恒温器1中调节许多压电元件W时，控制装置可能包括多通道的开关***以便顺序地对这些压电元件W的每一个控制极性。

控制装置7包括各种数据，诸如在极化时的极性设定水平、极化时和冷却到常温时的极性之间相关性的数据以及电流和极性返回量相关性的数据。控制装置7也调节用于在预定方式下控制极性的一个程序。

以下解释控制装置7的操作。当研制压电元件W材料时，必需完成用来对两批的控制极性的调节，描述如下：

1、如图4所示，在极化时找到了极性Δf_mid和剩余极性Δf_rem之间的相关性，在极化时，极性Δf_mid可从目标剩余极性Δf_rem用相关性反过来计算。当极化达到极性Δf_mid时，撤除加到压电元件上的直流电压。因此，极性被精确地控制到上升至目标极性Δf_rem从而减少了极性上的变化。

更具体地说，虽然压电元件由同样的材料制成，但是对于组分和焙烧方式不同的压电元件，找到了在极化时的极性Δf_mid(在6.5KHz，6.55KHz，以及6.65KHz)和剩余极性Δf_rem之间的相关性。由最小平方法找到了三条最佳拟合直线AVE和AVE±3σ。

2、然后，在极化时将初始设定水平设定到所要的极性。当目标剩余极性为5KHz时，初始设定水平变为Δf＝6.4KHz，于是，直线AVE±3σ与Δf＝5KHz的剩余极性相交。

在这里，虽然直线AVE±3σ被用来获得初始设定水平，但是也可用直线AVE。在这种情况下，初始设定水平Δf是6.5kHz。

3、当极性达到初始设定水平，就是说，例如，6.4kHz时，就找到了对每一批电流值和极性返回量之间的相关性(见图5)。

在图5中，水平轴线代表当极性达到初始设定水平时每一批的电流，垂直轴代表极性返回量。极性返回量定义如下：

极性返回量＝(初始设定水平)-(剩余极性Δf_rem)

在公式中，剩余极性Δf_rem可用老化后极性Δf_age来代替。

在图5中，极化时的电流由x代表，以及极性返回量由y代表时，由下式给出的一个近似：

y＝0.5048x+1.4256

控制极性的方法解释如下：

图6示出了极化时极性随时间是如何变化的，而图7则示出了控制极性的流程图。

(1)把直流电压加到受到极化的压电元件W上，(步骤S1)在极化时，直到极性Δf_mid达到初始设定水平，则压电元件W被极化。(步骤S2)在压电元件W被极化时，测量电流并在高压开关电路3中，在保护电阻处计算电压降以便把已计算到的电压馈回到所加的电压上。这就是说，通过把已计算好的电压降加到初始所加电压上可把压电元件W的两个电极间的电压始终控制不变。

(2)在极化时，当极性达到初始设定水平时，测量电流。(步骤S3)获得极性返回量，如图5所示。(步骤S4)于是按下列公式所描述的，预计剩余极性frem(步骤5)。

预计剩余极性Δf_rem＝初始设定水平-极性返回量

例如，当已测到的电流为0.3mA，极性返回量为1.58kHz，如果初始设定水平为6.4kHz，预计的剩余极性将是。

预计剩余极性Δf_rem＝6.4-1.58＝4.82kHz。

(3)然后把该预计剩余极性Δf_rem与目标值，例如5kHz作比较(步骤S6)。当预计剩余极性Δf_rem达到或通过目标值时，则把设定水平保持在初始设定水平，而在极化时，当极性Δf_mid达到初始设定水平时，撤除加到压电元件上的直流电压(步骤S7)。另外，在撤除加到压元件上的电压后，按照与目标值的偏离量，可进行附加的过程，诸如反极化或其它类同的过程。

(4)另一方面，当预计剩余极性Δf_rem小于目标极性，设定水平要按示于下面的公式来更新(步骤S8)。设定水平可能被更新得如预定值一样高。但是，如果把设定水平更新到高于必要的水平，它可能造成反极性Δf_rem的目标值与剩面极性Δf_rem的预计值之间的差之和，则设定水平可用单一的过程来合适地更新。

已更新的设定水平＝初始设定水平+(目标极性-预计剩余极性)

当预计剩余极性Δf_rem小于预定目标值时，应该撤除加到压电元件上的直流电压，否则剩余极性Δf_rem永远不会达到目标值，因此，当预剩余极性Δf_rem不达到目标值时，就需要在极化时，当极性Δf_mid达到更新的设定水平时，更新设定水平，并撤除加到压电元件上的直流电压。

例如，当初始设定水平为6.4kHz，目标值为5kHz，而预计剩余极性为4.82kHz，则把设定水平更新到6.58kHz。

因此，剩余极性Δf_rem被精确地控制以便达到目标值，在这里，剩余极性Δf_rem的意思是在老化和冷却到常温之后在撤除加到压电元件上的直流电压之后的极性的一个稳定值。

为寻找设定水平的更新的值是不限制在上面描述的例子中，另一方面也由下面的公式所示。

设定水平的更新值＝极性的目标值+极性返回量

因此，设定水平根据极性返回量的增加被更新到大于初始设定水平，这种增加是由批与批之间极性变化造成的。在极化中，极性Δf_mid的设定水平不一定需要更新。更新的需要是通过判断预计剩余极性Δf_rem是否是小于目标值来作出的。因此，消除了不必要的更新，使得极化能尽早结束。在极化中，当极性Δf_mid达到已更新的设定水平时(步骤S9)，就撤除加到压电元件上的直流电压(步骤S7)。

图8A和8B示出了本发明与现有技术作比较的批与批之间的极性变化。在本发明中，由于批与批之间组份或焙烧方式上的差异而造成的不相同的极性返回量被馈回到所要的极性，而在现有的技术中，没有提供反馈。

另外，图8A示出了批与批之间极性的平均(AVE)比较的结果，而图8B则示出了在一批中极性(3)比较的结果，在两种情况下，初始设定水平皆为Δf＝6.4kHz。

由图8A可见，当把极性返回量馈回到目标极性时，批与批之间在剩余极性Δf_rem的平均变化比极性返回量不馈回到所要极性的变化小。在这种情况下，平均变化集中在5kHz的目标值。

由图8B可见，当提供反馈时，每批的剩余极性Δf_rem(3σ)变化少于极性返回量不馈回到目标极性的情况的变化。

正如上面所描述的，由于批与批之间材料或焙烧方式的差异而造成不相同的极性返回量是在极化时用测量电流而获得的。因此，预计在极化时不能被极性预计的剩余极性以及通过将极性返回量馈回到所要极性来降低批和批之间极性变化成为可能。

另外，根据本发明，当研制压电元件W的材料时，仅对两批来完成对控制极性的调节是必要的。所以，不再需要对已制造的每批作事先的测试，而它在现有的技术中是需要的，因此，把连续的极化过程连成为一个整体。

在上面的实施例中，极性返回量是用寻找已测到的电流来获取的，而剩余极性Δf_rem是从极性返回量预计的。然而，剩余极化极可能从电流被直接预计。在这种情况下，在电流和剩余极性之间的相关性必须要用实验在事先获得。

Claims (6)

1.一种极化压电元件的方法，其特征在于包括如下步骤：

通过施加直流电压至压电元件来完成压电元件的极化；

当极化压电元件时，测量极性Δf_mid；

当极化期间测量到的极性Δf_mid达到设定水平时，测量通过压电元件的电流；

从已测到的电流预计剩余极性Δf_rem；

确定预计的剩余极性Δf_rem是否小于目标值；

当预计的剩余极性Δf_rem小于目标值时，在极化期间更新极性Δf_mid的设定水平，当预计剩余极性Δf_rem大于或等于目标值时，在极化期间不更新极性Δf_mid的设定水平；以及

当极化期间极性Δf_mid达到重新确定的设定水平时，撤除加到压电元件上的直流电压。

2.如权利要求1所述的极化压电元件的方法，其特征在于利用刚好撤除加到压电元件上的直流电压之前的极性和在撤除加到压电元件上的直流电压之后老化和随后冷却到常温的剩余极性之间的相互关系来获得设定水平。

3.如权利要求2所述的极化压电元件的方法，其特征在于：

通过寻找在刚好撤除加到压电元件上的直流电压之前和剩余极性Δf_rem之间的相关性的最佳拟合数据直线获得设定水平，其中数据是通过许多批实验获得的。最佳拟合直线是用已知方法获得的。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的极化压电元件的方法，其特征在于从已测到的电流预计剩余极性Δf_rem的步骤还包括如下步骤：

从已测到的电流来获得极性返回量；以及

从设定水平和极性返回量之间的差来获得剩余极性Δf_rem。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的极化压电元件的方法，其特征在于设定水平的更新值通过将剩余极性Δf_rem的目标值和剩余极性Δf_rem的预计值之差与初始设定水平相加来获得。

6.如权利要求4所述的极化压电元件的方法，其特征在于设定水平的更新值通过将剩余极性Δf_rem的目标值和剩余极性Δf_rem的预计值之差与初始设定水平相加来获得。

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