DE19960566A1

DE19960566A1 - Verfahren zur Polarisationsbehandlung eines piezoelektrischen Materials

Info

Publication number: DE19960566A1
Application number: DE1999160566
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tomohiro; Naoki Fujii
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2000-07-27
Also published as: MY122442A; US6403012B1; JP2000183422A; CN1259771A; CN1180491C; JP3395679B2

Abstract

Bei einem Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezoelektrischen Materials wird der maximale Polarisationsgrad DELTAf¶180max¶, der durch eine 180 DEG -Drehung erhalten wird, bestimmt. Ein Restpolarisationsgrad DELTAf als ein Zielwert und der maximale Polarisationsgrad DELTAf¶180max¶ werden verglichen. Für den Fall, daß DELTAf DELTAf¶180max¶ ist, wird eine Bestimmung bezüglich der Temperatur zum Erhalten des Polarisationsgrads DELTAf durchgeführt, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180 DEG -Drehung erhalten wird, gebildet ist. Eine Halb-Polarisation wird bei der Temperatur T¶A¶ ausgeführt, wobei eine Alterung bei der Temperatur T¶A¶ ausgeführt wird, wodurch ein piezoelektrisches Material erhalten werden kann, bei dem das Verhältnis der Polarisation, die durch eine 180 DEG -Drehung erhalten wird, 100% beträgt, das über der Zeit thermisch stabil ist und das einen Polarisationsgrad DELTAf aufweist, der korrekt mit einem Zielwert übereinstimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezoelektrischen Materi als, das für eine Verwendung bei Keramikfiltern, Keramikos zillatoren, usw. vorgesehen ist.

Gemäß den herkömmlichen Verfahren zum Polarisieren von pie zoelektrischen Keramikmaterialien, die eine körnige Struktur aufweisen, d. h. typischerweise bei Keramikmaterialien vom PZT-Typ, werden erwünschte Polarisationsstufen erhalten, in dem eine Silberelektrode auf ein Brennmaterial gesputtert und eine Gleichspannung von etwa 2 bis 5 kV/mm bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis etwa 150°C für eine Zeitdauer von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten angelegt wird. Die herkömmlichen Verfahren weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Charakteristika der piezoelektrischen Keramikmaterialien durch einen Wärmestoß (z. B. durch einen Lötvorgang usw.), der bei einem Prozeß nach der Polarisati onsbehandlung erzeugt wird, beeinträchtigt werden. Einer der vermutlich dafür verantwortlichen Gründe wird im folgenden beschrieben.

Eine Polarisationsbehandlung bedeutet, daß eine spontane Po larisation in einer vorbestimmten Richtung angeordnet wird. Diese Bewegung der spontanen Polarisation wird im wesentli chen durch zwei Drehungstypen, d. h. durch eine 180°-Drehung und eine 90°-Drehung, erreicht. Die zurückbleibende Kompo nente bzw. die Restkomponente der spontanen Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, hat die Eigen schaft, daß dieselbe durch eine Erwärmung in ihren Ur sprungszustand zurückgesetzt wird, während die zurückblei bende Komponente bzw. die Restkomponente der spontanen Pola risation, die durch eine 180°-Drehung erreicht wird, die Ei genschaft hat, daß der Polarisationszustand unter der Cu rie-Temperatur beibehalten wird. Das heißt, die spontane Po larisation, die durch eine 180°-Drehung erreicht wird, ist im Vergleich zu der spontanen Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, gegenüber einem Wärmestoß stabi ler.

Fig. 1A, 1B und 1C stellen die Änderung der Richtungen einer spontanen Polarisation dar. Fig. 1A zeigt die Richtungen der spontanen Polarisation vor einer Polarisationsbehandlung, die sich voneinander unterscheiden. Durch die Polarisations behandlung wird die gesamte spontane Polarisation in der gleichen Richtung angeordnet, wie es in Fig. 1B gezeigt ist. Indem ein Wärmestoß ausgeübt wird, wird daraufhin lediglich die spontane Polarisation, die durch eine 90°-Drehung er reicht wird, in den ursprünglichen Zustand zurückgebracht wie es in Fig. 1C gezeigt ist.

Es ist ein Polarisationsbehandlungsverfahren vorgeschlagen worden, bei dem die spontane Polarisation eines piezoelek trischen Materials, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, durch eine Alterungsbehandlung unter Verwendung der oben beschriebenen Eigenschaften entfernt wird, wodurch der Polarisationsgrad lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist (siehe die ungeprüfte Japanische Patentveröffentlichung Nr. 7- 172914). Als ein Alterungsbehandlungsverfahren für diesen Fall sind ein Verfahren (erstes Verfahren) einer Wärmealte rung bei einer Temperatur von 200 bis 250°C, ein Verfahren (zweites Verfahren) einer wiederholten Temperaturänderung von -40°C auf 130°C und dann von 130°C auf -40°C bei etwa 50 Zyklen, ein Verfahren (drittes Verfahren) des Anlegens einer mechanischen Druckspannung von 50 MPa bei etwa 100 Zyklen, usw. beispielhaft dargestellt worden.

Da gemäß dem herkömmlichen zweiten und dritten Alterungsbe handlungsverfahren eine übermäßige Beanspruchung auf das piezoelektrische Material ausgeübt wird, treten jedoch Pro bleme auf, die Unzulänglichkeiten, wie z. B. Rißbildungen, ein Brechen oder dergleichen, bewirken, wodurch die Ausbeute reduziert wird. Gemäß dem ersten Alterungsbehandlungsverfah ren tritt andererseits die Schwierigkeit auf, ein piezoelek trisches Material mit einem Zielpolarisationsgrad zu erzeu gen, indem einfach eine Wärmealterung bei einer Temperatur von 200 bis 250°C ausgeführt wird, obwohl hier die Ausbeute hoch ist. Die Polarisationsbehandlung wird herkömmlicherwei se insbesondere bei einer bestimmten Spannung, über eine be stimmte Zeitdauer und bei einer bestimmten Temperatur ausge führt, die jeweils geeignet gewählt sind, woraufhin die Al terung durchgeführt wird, bis die Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, vollständig entfernt ist. Folglich sind die erhaltenen endgültigen Polarisationsstufen ungleichmäßig, wobei dies davon abhängt, wieviel der sponta nen Polarisation, die durch eine 180°-Drehung erreicht wird, bei Abschluß der Polarisationsbehandlung vorhanden ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren für eine Po larisationsbehandlung eines piezoelektrischen Materials zu schaffen, mittels dem eine Zielpolarisation mit einer hohen Genauigkeit erreicht werden kann, wobei das behandelte pie zoelektrische Material über der Zeit thermisch stabil ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren für eine Polarisa tionsbehandlung gemäß Anspruch 1 und 3 gelöst.

Die Erfinder haben eine Polarisation und eine Alterung unter unterschiedlichen Bedingungen durchgeführt. Als Ergebnis ha ben sie herausgefunden, daß das Verhältnis des Polarisati onsgrades Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem Polarisationsgrad Δf₉₀, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, bei dem Polarisationsgrad Δf ungeachtet der Polarisationsspannung und der Polarisationszeitdauer ledig lich durch die Temperatur dominiert wird. Wenn die Tempera tur vorbestimmt ist, kann folglich das Verhältnis des Pola risationsgrades Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem Polarisationsgrad Δf₉₀, der durch eine 90°- Drehung erreicht wird, prinzipiell bekannt sein.

In der gesamten Beschreibung bezieht sich der Ausdruck "Po larisationsgrad" bzw. "Polarisationsstufen" auf einen "Rest polarisationsgrad", der ein Polarisationsgrad bei einer üb lichen Temperatur ist, nachdem die Polarisationsbehandlung abgeschlossen ist.

Der Polarisationsgrad eines piezoelektrischen Materials kann bekanntermaßen durch die Verwendung einer Frequenzdifferenz . .f zwischen der Resonanzfrequenz f_r und der Anti-Resonanz frequenz f_a des piezoelektrischen Materials ausgedrückt wer den.

Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen den Polarisationstempe raturen und den Polarisationsstufen, die durch eine 180°- Drehung und eine 90°-Drehung erreicht werden, bei den Pola risationsstufen Δf, die von den Erfindern dieser Erfindung experimentell bestimmt wurden. Die obenerwähnten Polarisa tionsstufen Δf wurden erhalten, indem die Polarisation (die hierin im folgenden als Total-Polarisation bezeichnet wird) durchgeführt wurde, mittels der der maximale Polarisations grad bei jeder Polarisationstemperatur erreicht werden kann. Bei dem Experiment wurden PZT-Keramikmaterialien, die Pb(ZrTi)O₃ aufweisen, zu denen Sr, Cr hinzugefügt wurden, als piezoelektrisches Material verwendet.

Für den Fall, wie er beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, betragen die Polarisationstemperaturen T1 bis T6 26°C, 50°C, 100°C, 150°C, 200°C und 250°C, wobei die Alterung je weils bei den gleichen Temperaturen wie den Polarisations temperaturen ausgeführt wird. Die Polarisationsstufen Δf₁₈₀, die durch eine 180°-Drehung erreicht werden, sind nach der Alterung ungeachtet der Temperaturen konstant, wäh rend die Polarisationsstufen Δf₉₀, die durch eine 90°-Dre hung erreicht werden, mit steigender Temperatur reduziert werden, wobei bei der Temperatur T6 der Restpolarisations grad Δf lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist. Wenn die Polarisa tionstemperaturen von T1 auf T6 geändert werden, werden die Verhältnisse der Polarisationsstufen, die durch eine 180°- Drehung erreicht werden, zu denjenigen, die durch eine 90°- Drehung erreicht werden, beispielsweise von 77 : 23 auf 78 : 22 auf 81 : 19 auf 85 : 15 auf 90 : 10 auf 100 : 0 geändert. Die Ver hältnisse der Polarisationsstufen, die durch eine 180°-Dre hung erreicht werden, zu den Polarisationsstufen, die durch eine 90°-Drehung erreicht werden, hängen lediglich von den Temperaturen ab und werden nicht durch die Polarisations spannungen und die Polarisationszeitdauern (Total- oder Halb-Polarisation) beeinflußt. Die Polarisationsbehandlung kann in der Umgebungsatmosphäre oder in einem isolierenden Öl ausgeführt werden. Somit wird die Beziehung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, erhalten. Der Ausdruck "Halb-Polarisati on" bedeutet hierin die Polarisation, bevor dieselbe die To tal-Polarisation erreicht, die ausgeführt wird, während die Zeitdauer und Spannung gesteuert werden.

Um die Verhältnisse der Polarisationsstufen, die durch eine 180°-Drehung erreicht werden, zu den Polarisationsstufen, die durch eine 90°-Drehung erreicht werden, bei dem Polari sationsstufen Δf zu bestimmen, wird die (002)-Gitterebene eines piezoelektrischen Materials durch ein XRD-Verfahren (XRD = X-Ray Diffraction = Röntgenbeugung) gemessen, worauf hin eine Bestimmung bezüglich der Polarisationstemperatur durchgeführt wird, bei der der Polarisationsgrad Δf erhal ten werden kann, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist.

Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen den Polarisationstempe raturen und den Röntgenintensitäten an der (002)-Kristall gitterebene. Die Röntgenintensitäten werden durch die Mes sung des piezoelektrischen Materials erhalten, wobei die Temperatur nach der Polarisationsbehandlung wieder auf Raum temperatur zurückgebracht worden ist. Der Ausdruck "die (002)-Gitterebene" bedeutet die Gitterebene, bei der die C- Achse parallel zu der Polarisationsrichtung ist. Wie es aus Fig. 4 ersichtlich wird, verringern sich die Röntgenintensi täten in der (002)-Gitterebene, wenn die Polarisationstempe raturen erhöht werden. Dies zeigt, daß die Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, merklich zurückgesetzt wird. Ferner stimmt bei der Temperatur T6 die Röntgeninten sität an der (002)-Gitterebene mit der überein, bevor die Polarisation ausgeführt wurde. Dies zeigt, daß die Polarisa tion, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, vollständig zurückgesetzt worden ist. Das heißt, die Temperatur T6 ist die Polarisationstemperatur, bei der der Polarisationsgrad Δf erhalten werden kann, der lediglich aus dem Polarisati onsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist. Folglich werden die Verhältnisse der Polarisationsstu fen, die durch eine 180°-Drehung erhalten werden, zu denje nigen, die durch eine 90°-Drehung erhalten werden, dann wie folgt bestimmt. Erstens, eine Polarisation wird bei mehreren geeigneten Temperaturen ausgeführt, die niedriger als die Temperatur T6 sind. Daraufhin wird eine Alterung bei der Temperatur T6 vorgenommen. In diesem Fall ist der Polarisa tionsgrad Δf₉₀, der gleich einer Abnahme ist, die durch die Alterung bei der Temperatur T6 hervorgerufen wird, der Pola risationsgrad, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird. Der verbleibende Polarisationsgrad Δf ist der Polarisations grad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird. Als Ergeb nis werden die Verhältnisse der Polarisationsstufen, die durch eine 180°-Drehung erreicht werden, zu denjenigen, die durch eine 90°-Drehung erreicht werden, bei den Polarisa tionsstufen Δf erhalten, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

Basierend auf den oben beschriebenen Kenntnissen sind von den Erfindern Verfahren für eine Polarisationsbehandlung ei nes piezoelektrischen Materials ausgearbeitet worden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der maximale Polarisations grad Δf_180max erhalten, der durch eine 180°-Drehung er reicht wird und der durch das verwendete piezoelektrische Material oder dergleichen bestimmt ist. Ein Zielrestpola risationsgrad Δf und der maximale Polarisationsgrad Δf_180max werden verglichen. Verfahren für eine Polarisa tionsbehandlung eines piezoelektrischen Materials gemäß ei nem ersten und zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden für den Fall angewendet, daß sich Δf ≦ Δf_180max als Ergebnis des Vergleiches zeigt. Das heißt, diese Polarisa tionsverfahren werden für den Fall angewendet, daß der Pola risationsgrad Δf erhalten werden kann, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist.

Hierin ist der Ausdruck "der Polarisationsgrad Δf, der le diglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Dre hung erreicht wird, gebildet ist" so definiert, um auch den Polarisationsgrad Δf zu umfassen, der in gewissem Umfang, wenn überhaupt, einen Polarisationsgrad enthält, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird.

Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird als erstes eine Bestimmung bezüglich der Temperatur T_A zum Er halten des Polarisationsgrads Δf durchgeführt, der ledig lich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist. Die Temperatur T_A kann im vor aus experimentell bestimmt werden. Im allgemeinen wird das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Dre hung erreicht wird, höher, wenn die Polarisationstemperatur erhöht wird. Als nächstes wird das piezoelektrische Material bei der Temperatur T_A unter der Steuerung der Spannung und der Zeitdauer einer Halb-Polarisation unterzogen, so daß der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung er reicht wird, mit dem Zielpolarisationsgrad Δf übereinstim men wird. Zu dem Zeitpunkt, wenn die Halb-Polarisation abge schlossen worden ist, umfaßt der Restpolarisationsgrad den Polarisationsgrad, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, zusätzlich zu dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°- Drehung erreicht wird. Die Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, die durch die Halb-Polarisations behandlung erzeugt wird, wird vollständig in dem ursprüngli chen Zustand zurückgebracht, indem bei der gleichen Tempera tur T_A wie der für die Halb-Polarisationsbehandlung eine Al terung durchgeführt wird. Als Ergebnis kann der Polarisa tionsgrad erhalten werden, der lediglich aus dem Polarisa tionsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebil det ist. Gemäß diesem Verfahren kann ein piezoelektrisches Material, das über der Zeit thermisch stabil ist, erhalten werden, da der Restpolarisationsgrad lediglich aus dem Pola risationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist, wobei der Polarisationsgrad, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, vollständig entfernt ist. Da au ßerdem der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°- Drehung erreicht wird, bei dem Stadium der Halb-Polarisation bestimmt wird, kann ein piezoelektrisches Material erhalten werden, dessen Polarisationsgrad Δf (= Δf₁₈₀) korrekt mit einem Zielwert übereinstimmt.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vor liegenden Erfindung eine Bestimmung bezüglich der Temperatur T_A zum Erhalten des Polarisationsgrades Δf durchgeführt, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist. Für den Fall, daß der Zielwert Δf mit Schwierigkeiten bei der Temperatur T_A erreicht wird, wird bei einer Temperatur T_P, bei der die Po larisationssteuerung einfach durchgeführt werden kann und die niedriger als die Temperatur T_A ist, unter der Steuerung der Spannung und der Zeitdauer eine Halb-Polarisation durch geführt, so daß der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, mit dem Zielpolarisationsgrad Δf übereinstimmt. Bei Abschluß der Halb-Polarisation ist der Polarisationsgrad Δf₉₀, der durch eine 90°-Drehung er reicht wird, in den Polarisationsgrad Δf aufgenommen. Dar aufhin wird die gesamte Polarisation, die durch eine 90°- Drehung erreicht wird, durch eine Alterung bei der Tempera tur T_A in ihren ursprünglichen Zustand zurückgebracht. Der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung er reicht wird, erleidet aufgrund der Alterung keine Änderun gen. Durch die oben beschriebenen Operationen kann entspre chend dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrisches Material erhalten werden, dessen Restpolarisationsgrad lediglich aus dem Polarisa tionsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebil det ist und über der Zeit thermisch stabil ist.

Gemäß einem dritten und vierten Aspekt der vorliegenden Er findung wird eine Bestimmung bezüglich des maximalen Polari sationsgrads Δf_180max durchgeführt, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, und der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist, der durch das verwendete piezoelektri sche Material bestimmt wird. Ein Restpolarisationsgrad Δf, der ein Zielwert ist, und ein maximaler Polarisationsgrad Δf_180max werden verglichen. Verfahren gemäß dem dritten und vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung werden für den Fall angewendet, daß als Ergebnis des Vergleichs Δf < Δf_180max zeigt. Das heißt, daß für den Fall, daß der Pola risationsgrad Δf, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist, un ter Schwierigkeiten durch eine Behandlung erreicht wird, diese Polarisationsverfahren angewendet werden, um einen Po larisationsgrad zu erhalten, dem das Verhältnis des Polari sationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, am höchsten ist. Hierin ist der obige Ausdruck "der Polarisa tionsgrad, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, am höchsten ist" definiert, um den Polarisationsgrad zu umfassen, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Dre hung erhalten wird, in gewissem Umfang niedriger als das höchste Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, ist.

Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur T_A zum Erhalten des Polarisationsgrades Δf be stimmt, bei dem das Verhältnis des Polarisationgsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, am höchsten ist. Als nächstes wird bei der Temperatur T_A eine Total-Polarisation ausgeführt und bei derselben Temperatur T_A wie der für die Polarisationsbehandlung eine Alterung durchgeführt, wodurch der Polarisationsgrad Δf erhalten wird, bei dem das Ver hältnis der Polarisation, die durch eine 180°-Drehung er reicht wird, am höchsten ist. Gemäß diesem Verfahren ist der Polarisationsgrad, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, in den Restpolarisationsgrad aufgenommen, wobei jedoch das Verhältnis des Polarisationgsgrads, der durch eine 180°- Drehung erreicht wird, am höchsten ist. Folglich kann ein piezoelektrisches Material erhalten werden, das über der Zeit thermisch stabil ist. Außerdem kann ein piezoelektri sches Material erhalten werden, dessen Polarisationsgrad Δf mit einem Zielwert übereinstimmt.

Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend zu dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Bestimmung bezüglich der Tempe ratur T_A zum Erhalten des Polarisationsgrads Δf durchge führt, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem Polarisa tionsgrad Δf₉₀, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, einen vorbestimmten Wert aufweist. Für den Fall, daß die To tal-Polarisation unter Schwierigkeiten durchgeführt wird, um den oben beschriebenen Polarisationsgrad Δf zu erhalten, wird die Total-Polarisation bei einer Temperatur T_P durchge führt, die niedriger als die Temperatur T_A ist und bei der die Total-Polarisation relativ einfach durchgeführt werden kann. Als nächstes wird durch eine Alterung bei der Tempera tur T_A die Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, teilweise zurückgesetzt, so daß das Verhältnis des Po larisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem Polarisationsgrad, der durch eine 90°-Drehung er reicht wird, einen vorbestimmten Wert aufweist. Durch die oben beschriebenen Operationen kann entsprechend dem Verfah ren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein piezoelektrisches Material erhalten werden, bei dem das Ver hältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, einen vorbestimmten Wert aufweist, und bei dem außer dem der Gesamtpolarisationsgrad Δf korrekt mit einem Ziel wert übereinstimmt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A, 1B und 1C die Änderung der Richtungen der spontanen Polarisation eines piezoelektrischen Materials;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwi schen den Polarisationstemperaturen und den Polari sationsstufen, die durch eine 180°- und 90°-Drehung erreicht werden, zeigt;

Fig. 3 einen graphischen Verlauf, der die Beziehung zwi schen den Polarisationstemperaturen und den Verhält nissen der Polarisationsstufen, die durch eine 180°- und eine 90°-Drehung erreicht werden, bei den Pola risationsstufen zeigen;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwi schen den Polarisationstemperaturen und den Röntgen intensitäten in der (002)-Kristallgitterebene zeigt;

Fig. 5 ein Flußdiagramm, das Polarisationsbehandlungsver fahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die die Änderungen des Polarisationsgrads nach einer Polarisation und nach einer Alterung zeigt; und

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die die Differenz zwi schen den Polarisationsstufen zeigt, die durch eine Halb-Polarisation und eine Total-Polarisation erhal ten werden.

Ein Beispiel eines Verfahrens einer Polarisationsbehandlung eines piezoelektrischen Materials gemäß der vorliegenden Er findung wird bezugnehmend auf Fig. 5 beschrieben. Fig. 5 stellt vier Behandlungsverfahren dar. S1 bis S7 bezeichnen ein erstes Behandlungsverfahren, S1 bis S4 und S8 bis S10 ein zweites Behandlungsverfahren, S1, S2, S11 bis S15 ein drittes Behandlungsverfahren, und S1, S2, S11, S12 und S16 bis S18 ein viertes Behandlungsverfahren.

Gemäß dem ersten und zweiten Behandlungsverfahren wird der Restpolarisationsgrad Δf mit einem Zielwert übereinstimmend gebildet, wobei der gesamte Polarisationsgrad Δf lediglich aus dem Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Dre hung erhalten wird, gebildet ist. Gemäß dem dritten und vierten Behandlungsverfahren, wird andererseits für den Fall, daß der Polarisationsgrad Δf nicht nur aus dem Pola risationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, durch ein Behandlungsverfahren gebildet werden kann, der Po larisationsgrad Δf mit einem Zielwert übereinstimmend ge bildet, wobei das Verhältnis des Polarisationsgrades, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, bei dem Polarisati onsgrad Δf am höchsten wird.

Als nächstes werden im folgenden das erste und das zweite Verfahren beschrieben.

Als erstes wird der maximale Polarisationsgrad Δf_180max, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, bestimmt (Schritt S1).

Der maximale Polarisationsgrad Δf_180max ist ungeachtet der Polarisationsart (Halb- oder Total-Polarisation) und der Temperatur durch das verwendete piezoelektrische Material festgelegt.

Als nächstes werden ein Zielwert Δf und der oben-beschrie bene maximale Polarisationsgrad Δf_180max verglichen (Schritt S2). Der Zielpolarisationsgrad Δf wird abhängig von den Verwendungen und den Produkttypen, die das piezo elektrische Material aufweisen, beliebig eingestellt. Wenn als Ergebnis des Vergleichs gezeigt ist, daß Δf ≦ Δf_180max ist, werden die Behandlungsschritte S3 bis S10 ausgeführt. Für den Fall, daß Δf < Δf_180max ist, werden die Behand lungsschritte S11 bis S18 ausgeführt.

Die Beziehung Δf ≦ Δf_180max bedeutet, daß der Zielpolari sationsgrad Δf lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, gebildet werden kann. Folglich wird bezüglich der Temperatur T_A zum Erhalten von Δf, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, gebildet ist, eine Bestimmung durchgeführt (Schritt S3). Wie es in Fig. 2 und 3 zu sehen ist, ist die Temperatur T_A beispielsweise gleich T₆.

Als nächstes wird beurteilt, ob der Zielpolarisationsgrad Δf durch eine Halb-Polarisation bei der gesteuerten Tempe ratur T_A erhalten werden kann.

Wenn eine Steuerung bei der hohen Temperatur T_A möglich ist, wird die Halb-Polarisation unter der Steuerung der Spannung und der Zeitdauer bei der Temperatur T_A ausgeführt, um Δf zu erhalten (Schritt S5). Daraufhin wird bei der gleichen Temperatur T_A eine Alterung ausgeführt (Schritt S6), um den Zielpolarisationsgrad Δf zu erhalten (Schritt S7).

Wie oben beschrieben, kann ein piezoelektrisches Material erhalten werden, das einen Zielpolarisationsgrad Δf auf weist und bei dem das Verhältnis der Polarisation, die durch eine 180°-Drehung erreicht wird, 100% beträgt. Folglich ist das piezoelektrische Material thermisch und über der Zeit äußerst stabil.

Wenn in Schritt S4 beurteilt wird, daß die Steuerung, um Δf bei der Temperatur T_A zu erreichen, schwierig ist, wird die Halb-Polarisation gesteuert bei einer Temperatur T_P durchge führt, die niedriger als die Temperatur T_A ist, wodurch Δf_P durch eine Berechnung bestimmt wird (Schritt S8). Der Grund besteht darin, daß die Polarisationssteuerung ohne weiteres bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt werden kann. Bezugnehmend auf Fig. 2 ist Δf_P ein Polarisationsgrad Δf bei einer Temperatur zwischen T1 und T5. Δf_P ist derart be schaffen, daß der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung bei der Temperatur T_P erreicht wird, gleich dem Polarisationsgrad Δf₁₈₀ ist, der der Endzielpolarisations grad ist, der durch eine 180°-Drehung bei der Temperatur T6 erreicht wird. Der Polarisationszustand, der nach der Halb- Polarisation erhalten wird, wird wie oben beschrieben ausge führt und ist bei dem Bezugszeichen A in Fig. 6 dargestellt. In diesem Zustand liegt der Polarisationsgrad Δf₉₀, der durch eine 90°-Drehung erreicht wird, in gewissem Maße in dem Polarisationsgrad Δf.

Nachdem die Halb-Polarisation bei der Temperatur T_P ausge führt worden ist, wird bei der Temperatur T_A eine Alterung durchgeführt (Schritt S9), wodurch die gesamte Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erreicht wird, bei dem Polarisa tionsgrad Δf in den ursprünglichen Zustand zurückgesetzt wird, und dadurch der Polarisationsgrad Δf lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch einen 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist. Dieser Zustand ist durch das Bezugszei chen B in Fig. 6 dargestellt. Der Polarisationsgrad Δf₁₈₀, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, wird durch die Alterung überhaupt nicht geändert.

Wie es oben beschrieben ist, wird ein piezoelektrisches Ma terial mit einem Zielpolarisationsgrad Δf erhalten, wobei Δf lediglich aus dem Polarisationsgrad gebildet ist, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird (Schritt S10).

Im folgenden werden das dritte und vierte Behandlungsverfah ren beschrieben.

Wenn sich durch den Vergleich des Zielwertes Δf mit dem ma ximalen Polarisationsgrad Δf_180max in dem Schritt S2 er gibt, daß Δf < Δf_180max ist, bedeutet dies, daß der Ziel polarisationsgrad Δf nicht nur aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, durch ein Behand lungsverfahren gebildet werden kann. Folglich wird eine Be stimmung bezüglich der Temperatur T_A durchgeführt, bei der das Verhältnis des Polarisationsgrads Δf, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, am höchsten ist (Schritt S11). Beispielsweise ist bezugnehmend auf Fig. 2 die Temperatur T_A gleich T₅.

Als nächstes wird beurteilt, ob die Total-Polarisation bei der Temperatur T_A möglich ist oder nicht (Schritt S12). Ins besondere wird beurteilt, ob unter der Total-Polarisations bedingung eine Temperatursteuerung möglich ist, ob die Tem peratur T_A ausgehend von dem Standpunkt der Einschränkungen, wie z. B. einer Einspanneinrichtung zum Halten eines piezo elektrischen Materials, beibehalten werden kann oder nicht, usw.

Wenn beurteilt wird, daß die Total-Polarisation bei der Tem peratur T_A möglich ist, wird die Total-Polarisation beider Temperatur T_A ausgeführt (Schritt S13). Im Gegensatz zu ei ner Halb-Polarisation wird mittels der Total-Polarisation eine vorbestimmte Zeitdauer lang eine vorbestimmte Spannung angelegt, um einen maximalen Polarisationsgrad Δf zu erhal ten. Daraufhin wird bei der Temperatur T_A eine Alterung aus geführt (Schritt S14), um den Zielpolarisationsgrad Δf zu erhalten (Schritt S15).

Durch die oben beschriebene Behandlung kann ein piezoelek trisches Material erhalten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, am höchsten ist, und bei dem der Gesamtpolarisations grad Δf mit dem Zielwert übereinstimmt.

Wenn beurteilt wird, daß die Total-Polarisation bei der Tem peratur T_A unmöglich ist, wird die Total-Polarisation bei einer Temperatur T_P ausgeführt, die niedriger als die Tempe ratur T_A ist (Schritt S16). Unter der Annahme, daß bezugneh mend auf Fig. 2 T_A gleich T₅ ist, ist T_P eine der Temperatu ren T1 bis T4. In diesem Fall ist eine Steuerung der Span nung und der Zeitdauer nicht notwendig. Die Polarisationsbe handlung wird derart ausgeführt, um den maximalen Polarisa tionsgrad Δf zu erhalten. Daraufhin wird bei der Temperatur T_A eine Alterung durchgeführt, wodurch ein Teil der Polari sation, die durch eine 90°-Drehung erhalten wird, in ihren ursprünglichen Zustand zurückgesetzt wird (Schritt S17). Das heißt, der Polarisationsgrad wird derart eingestellt, um das gleiche Verhältnis wie das des Polarisationsgrads zu haben, der durch eine 180°-Drehung bei der Temperatur T_A erreicht wird, wodurch der Zielpolarisationsgrad Δf erreicht wird (Schritt S18). Durch die oben beschriebene Behandlung kann ein piezoelektrisches Material erhalten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Dre hung erreicht wird, so hoch wie möglich ist, und bei dem der Restpolarisationsgrad Δf mit einem Zielwert übereinstimmt.

Fig. 7 zeigt den Unterschied zwischen den Polarisationsstu fen, die durch eine Halb-Polarisation und eine Total-Polari sation erreicht werden.

Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, ist der Polarisationsgrad Δf, der durch die Total-Polarisation erreicht wird, höher als der, der durch die Halb-Polarisation erreicht wird, obwohl die Polarisationstemperaturen T_P gleich sind. Der Polarisa tionsgrad Δf hat den maximalen Wert Δf_max. Andererseits weist das Verhältnis (a : b) des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, zu dem, der durch ei ne 90°-Drehung erhalten wird, keinen Unterschied zwischen der Halb-Polarisation und der Total-Polarisation auf.

Wie es aus der obigen Beschreibung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung deutlich wird, wird die Halb-Po larisation bei der Temperatur T_A zum Erhalten des Polarisa tionsgrads, der lediglich aus einer 180°-Drehung gebildet ist, durchgeführt, wobei eine Alterung bei der gleichen Tem peratur durchgeführt wird. Folglich kann ein piezoelektri sches Material erhalten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, 100% beträgt, das thermisch und über der Zeit stabil ist und das einen Polarisationsgrad aufweist, der mit einem Zielwert korrekt übereinstimmt.

Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vor liegenden Erfindung die Temperatur T_A zum Erhalten des Po larisationsgrads, der lediglich aus dem Polarisationsgrad gebildet ist, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, be stimmt. Eine Halb-Polarisation wird bei einer Temperatur T_P ausgeführt, die niedriger als die Temperatur T_A ist, worauf hin eine Alterung bei der Temperatur T_A durchgeführt wird, bei der die gesamte Polarisation, die durch eine 90°-Drehung erhalten wird, in den ursprünglichen Zustand zurückgesetzt wird. Folglich kann ein piezoelektrisches Material erhalten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, 100% beträgt, der über der Zeit thermisch stabil ist, und das einen Polarisa tionsgrad aufweist, der korrekt mit einem Zielwert überein stimmt. Zusätzlich wird die Halb-Polarisation im Vergleich zu dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung bei einer niedrigeren Temperatur ausgeführt. Dies steigert die Anwendbarkeit dieses Behandlungsverfahrens.

Gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird für den Fall, daß der Polarisationsgrad nicht erhalten werden kann, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, eine Bestimmung bezüglich der Temperatur T_A zum Erhalten des Polarisationsgrads durch geführt, bei dem das Verhältnis des Polarisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, am höchsten ist. Bei der Temperatur T_A wird eine Total-Polarisation ausgeführt, woraufhin eine Alterung bei derselben Temperatur T_A durchge führt wird. Folglich kann ein piezoelektrisches Material er halten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisations grads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, am höch sten ist, das über der Zeit thermisch stabil ist, und bei dem der Polarisationsgrad korrekt mit einem Zielwert über einstimmt.

Gemäß dem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann au ßerdem entsprechend zu dem Verfahren gemäß dem dritten As pekt der vorliegenden Erfindung für den Fall, daß der Pola risationsgrad, der lediglich aus dem Polarisationsgrad, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, gebildet ist, auf keine Weise erhalten werden kann, ein piezoelektrisches Ma terial erhalten werden, bei dem das Verhältnis des Polarisa tionsgrads, der durch eine 180°-Drehung erhalten wird, am höchsten ist, das über der Zeit thermisch stabil ist, und das einen Polarisationsgrad aufweist, der mit einem Zielwert korrekt übereinstimmt. Zusätzlich wird im Vergleich zu dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfin dung die Total-Polarisation bei einer niedrigeren Temperatur ausgeführt. Folglich weist dieses Behandlungsverfahren eine hohe Anwendbarkeit auf.

Claims

1. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials, mit folgenden Schritten:
Erhalten des maximalen Polarisationsgrads Δf_180max, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, Vergleichen eines Zielrestpolarisationsgrads Δf mit dem maximalen Polarisationsgrad Δf_180max, Bestimmen der Temperatur T_A zum Erhalten des Zielrest polarisationsgrads Δf, der lediglich aus dem Polarisa tionsgrad, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, gebildet ist, wenn Δf ≦ Δf_180max ist, Ausführen einer Halb-Polarisation bei einer Temperatur, die niedriger oder gleich der Temperatur T_A ist, und Ausführen einer Alterung bei der Temperatur T_A.

2. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Ausführens einer Halb-Polarisation bei der Temperatur T_A durchgeführt wird.

3. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials, mit folgenden Schritten:
Erhalten des maximalen Polarisationsgrads Δf_180max, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird,
Vergleichen eines Zielrestpolarisationsgrads Δf mit dem maximalen Polarisationsgrad Δf_180max,
Bestimmen der Temperatur T_A zum Erhalten des Zielrest polarisationsgrads Δf, bei dem das Verhältnis des Po larisationsgrads, der durch eine 180°-Drehung erreicht wird, zu dem Polarisationsgrad, der durch eine 90°-Dre hung erreicht wird, am höchsten ist, wenn Δf < Δf_180max ist,
Ausführen einer Total-Polarisation bei einer Tempera tur, die niedriger oder gleich der Temperatur T_A ist, und
Ausführen einer Alterung desselben bei der Temperatur T_A.

4. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials gemäß Anspruch 3, bei dem der Schritt des Ausführens einer Total-Polarisation bei der Temperatur T_A ausgeführt wird.

5. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Ausführens einer Halb-Polarisation bei ei ner Temperatur T_P durchgeführt wird, die niedriger als die Temperatur T_A ist.

6. Verfahren für eine Polarisationsbehandlung eines piezo elektrischen Materials gemäß Anspruch 3, bei der der Schritt des Ausführens der Total-Polarisation bei einer Temperatur T_P durchgeführt wird, die niedriger als die Temperatur T_A ist.