JPH07105684B2 - 圧電体の分極方法 - Google Patents

圧電体の分極方法

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JPH07105684B2
JPH07105684B2 JP19579790A JP19579790A JPH07105684B2 JP H07105684 B2 JPH07105684 B2 JP H07105684B2 JP 19579790 A JP19579790 A JP 19579790A JP 19579790 A JP19579790 A JP 19579790A JP H07105684 B2 JPH07105684 B2 JP H07105684B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電フイルタ等に用いられる圧電体の分極方
法に関し、特に所望の分極度を高精度に得ることを可能
とする分極方法に関する。
〔従来の技術〕
圧電フイルタや圧電共振素子のような圧電部品では、使
用される圧電体の分極度が特性に大きく影響する。従っ
て、圧電体は所望の分極度に高精度に分極処理されるこ
とが求められる。
従来、圧電体の分極処理に際しては、単に電界を印加し
て所望の分極度を高精度に得ることが非常に困難である
ことに鑑み、圧電体に電界を印加して一旦飽和分極状態
とし、次に分極軸と逆方向にバイアス電界を印加して分
極度を低下させて所望の分極度を得ていた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、飽和分極度に近い分極度を得る場合には
さほど分極度はばらつかないが、飽和分極状態から分極
度を低下させるに連れて分極度のばらつきが非常に大き
くなりがちであった。他方、圧電フイルタ等の圧電部品
の製造に際しては、マザー基板の形態で圧電体を用意
し、分極処理するのが普通である。従って、上記のよう
に飽和分極状態から分極度を低下させる方法では、マザ
ー基板内で分極度が非常にばらつき、その結果、製品の
良品率が著しく低下するという問題があった。
よって、本発明の目的は、分極度を高精度に制御するこ
とができ、従って分極ばらつきが非常に少ない圧電体を
得ることを可能とする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〕
本発明にかかる分極方法の第1の発明は、圧電体に電界
を印加して該圧電体を飽和分極状態とし、飽和分極状態
とされた圧電体の分極軸方向と逆方向にバイアス電界を
印加して分極反転させ、分極反転後、逆方向バイアス電
界を印加し続けることにより所望の分極度を得る各工程
を備える。
また、本発明の分極方法の第2の発明は、圧電体に電界
を印加して該圧電体を飽和分極状態とし、飽和分極状態
とされた圧電体に分極軸方向と逆方向にバイアス電界を
印加して分極反転させ、分極反転後、逆方向にバイアス
電界を印加し続けて分極度が一定となる分極状態とした
後に、当初の分極軸方向と順方向にバイアス電界を印加
して分極度を低下させることにより所望の分極度を得
る、各工程を備える。
すなわち、本発明は、圧電体を飽和分極状態とした後、
一旦分極反転させ、しかる後バイアス電界を逆方向に印
加して所望の分極度を得ること、あるいは逆方向バイア
ス電界を印加し続けて分極度が一定となる分極状態とし
た後に順方向にバイアス電界を印加して分極度を低下さ
せることにより所望の分極度を得ることに特徴を有す
る。
〔作用〕
圧電体を分極処理した際の分極度のばらつきは、分極度
−バイアス電界曲線の傾きに依存する。すなわち、従来
法では、飽和分極状態から分極軸方向と逆方向にバイア
ス電界を印加させて分極度を低下させて所望の分極度を
得ていたが、この所望の分極度に低下させる領域におい
て分極度−バイアス電界曲線が非常に急峻な傾きを有し
ており、そのため分極度のばらつきが大きくならざるを
得なかった。
本願発明者は、この分極度−バイアス電界曲線の傾斜を
緩めることができれば、分極度のばらつきを低減し得る
のではないかと考え、本発明をなすに至った。すなわ
ち、一旦飽和分極状態とされた圧電体を分極反転させた
後に、上記のように所望の分極度を得るように処理すれ
ば、分極度−バイアス電界曲線の傾斜の緩やかな領域で
所望の分極度が得られることを見出し、本発明をなすに
至ったものである。
〔実施例の説明〕
以下、本発明の圧電体の分極方法についての実施例を、
具体的な実験結果に基づき説明する。
まず、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスよりな
るマザーの圧電体基板を用意し、以下の種々の分極方法
で分極処理した。なお、分極度の評価は、分極処理され
たマザーの圧電体基板を用いて、第2図に示す圧電共振
素子を複数個構成し、その共振特性を測定することによ
り行った。第2図において、1は圧電共振素子を示し、
厚み方向に分極処理された圧電体基板2を用いて構成さ
れている。圧電体基板2の上面の中央領域には振動電極
3が形成されている。振動電極3は、引出し電極4a、4a
により端子電極5に電気的に接続されている。他方、圧
電体基板2の下面にも、振動電極3と圧電体基板2を介
して対向する領域に振動電極が形成されており、該振動
電極は、破線で示す引出し電極6a,6aにより圧電体基板
2の下面に形成された端子電極7に電気的に接続されて
いる。
分極実験1(従来法) まず、下記の4種類の条件で、チタン酸ジルコン酸鉛系
圧電セラミックスよりなる厚み184μmのマザー基板を
初期分極した。
(a)60℃の温度で650Vの電圧をマザー基板の厚み方向
に60分間印加して分極処理し、しかる後150℃の温度で
1時間放置することによりエージングした。
(b)60℃の温度で650Vの電圧を厚み方向に20分間印加
し、しかる後150℃の温度で1時間放置することにより
エージングした。
(c)60℃の温度で550Vの電圧を厚み方向に1分間印加
し、しかる後150℃の温度で1時間放置することにより
エージングした。
(d)60℃の温度で400Vの電圧を1分間印加し、しかる
後150℃の温度で1時間放置することによりエージング
した。
次に、上記4種類の初期分極処理が行われた各マザー基
板に、分極軸と逆方向にバイアス電界を印加して分極度
を低下させた。この逆方向のバイアス電界の印加に際し
ては、種々のバイアス電圧値において1分間放置し、50
V/5秒の速度でステップ状にバイアス電圧を変化させ
た。
上記のようにして、(a)〜(d)で示した条件で初期
分極処理された各マザー基板に、逆方向のバイアス電界
を印加した場合の分極度とバイアス電界との関係を、第
3図に示す。
なお、分極度df(KHz)は、圧電共振素子の共振周波数
と***振周波数の差で表してある。
第3図から明らかなように、比較的高電圧で長時間分極
処理を行った初期分極条件(a)のマザー基板では、ほ
ぼ飽和分極状態とされているため、逆方向にバイアス電
界を印加した場合、飽和分極に近い分極度の部分では分
極度−バイアス電界曲線はほとんど傾斜していないが、
バイアス電界の値がある値を超えると急激に分極度が低
下していることがわかる。従って、第3図の矢印Aで示
す部分、すなわち分極度−バイアス電界曲線の急峻な傾
きを有する部分において所望の分極度を得ようとした場
合、分極度のばらつきが非常に大きくなっていた。すな
わち、1枚のマザー基板から作製した圧電共振素子間で
分極度、ひいては発振周波数f0が非常にばらついてい
た。
これに対して、初期分極条件が緩やかなほど、分極度−
バイアス電界曲線が緩やかな傾斜を有する(初期分極条
件(d)についての曲線を参照)。
しかしながら、初期分極条件(d)のマザー基板に逆方
向にバイアス電界を印加した場合には、当初の分極度が
低いため、充分な大きさの分極度を実現することが難し
い。
従って、上記のような従来の分極方法では、初期分極条
件を如何に選択したとしても、所望の分極度を安定に得
ることは難しいことがわかる。
分極実験2(実施例) 次に、分極実験1の場合と同じ圧電体マザー基板を用意
し、まず、60℃の温度で650Vの電圧を20分間印加し、飽
和分極状態とし、しかる後150℃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。
上記のようにして、飽和分極状態とされたマザー基板
に、下記の順序でバイアス電界を印加し、各バイアス電
界値における分極度を測定することにより、第1図に示
す分極度とバイアス電界との関係曲線を得た。
まず、当初の分極軸方向と逆方向にバイアス電界を50V/
5秒の速度で昇圧させて印加し、分極反転(第1図のP
で示す位置に相当)させた後、さらに印加し続けて−65
0Vまで印加することにより逆方向において一定の分極度
となる状態に分極させた(第1図のQに相当する位
置)。しかる後、逆方向に一定の分極状態とされたマザ
ー基板に、今度は当初の分極軸方向に対して順方向にバ
イアス電界を印加し、分極度を低下させ、さらに分極反
転Rを経て再度順方向に分極処理させていった。順方向
のバイアス電界も、50V/5秒の速度で昇圧させることに
より印加した。
上記から明らかなように、初期飽和分極状態を得るため
には650Vの電圧を20分印加したのに対し、バイアス電界
の印加は、5秒×12=60秒しか行っていない。このよう
に、飽和分極に至らすための印加電圧をV1、印加時間を
T1とし、分極制御、すなわち、バイアス電界を印加する
ときの印加電圧をV2、印加時間をT2としたときに、V1×
T1>V2×T2の関係を満たすように、バイアス電界を印加
することが必要である。さもないと、逆方向にバイアス
電界を印加する際に、V1×T1の条件で電圧を印加し続け
ると、分極方向が逆転するだけで、飽和分極状態に戻っ
てしまうからである。即ち、本発明は、一度飽和分極状
態にされた圧電体において、初期飽和分極の影響を残し
つつ、分極度を制御する方法である。
第1図から明らかなように、初期分極処理により飽和分
極状態とされたマザー基板が、分極反転Pに至るまでの
領域Iは、従来の分極方法に相当する領域である。すな
わち、一旦飽和分極状態とされたマザー基板に逆方向に
バイアス電界を印加することにより分極度を低下させ、
その途中で所望の分極度とするものである。この場合、
第3図及び第1図の前記Iの領域で示されているよう
に、分極反転Pに近づくに連れて分極度が急激に低下す
る。従って、所望の分極度を高精度に実現することが難
しい。
これに対して、分極反転Pを超えて逆方向にバイアス電
界を印加させて分極度が高められる領域IIでは、分極度
−バイアス電界曲線が緩やかな傾斜を持つことがわか
る。すなわち、逆方向バイアス電界の増加に従ってゆっ
くりと分極度が上昇することがわかる。よって、この分
極領域IIを用いれば、所望の分極度を安定に得ることが
できると考えられる。
同様に、逆方向に一定の分極度の状態まで分極処理され
た後に、順方向にバイアス電界を印加して分極度を低下
させる領域IIIにおいても、領域IIの場合と同様に、バ
イアス電界の変化に対して分極度が緩やかに低下してい
くことがわかる。従って、この分極領域IIIを利用する
ことによっても、所望の分極度を安定に得られると考え
られる。
さらに、分極反転Rを超えて順方向バイアス電界を印加
し続けて分極度を高める領域、すなわち分極領域IVで
は、バイアス電界の増加に従って、分極度は急激に高く
なることがわかる。従って、分極領域IVでは、分極領域
Iの場合と同様に、バイアス電界の値によって分極度が
急激に変動するため、所望の分極度を安定に得ることが
難しいことがわかる。
上記した第1図の分極度とバイアス電界との関係から明
らかなように、分極領域II及びIIIを用いることによ
り、分極度の制御を安定に行い得ることがわかる。すな
わち、一旦飽和分極状態とされた圧電体に、逆方向にバ
イアス電界を印加して分極反転させた後に、該逆方向に
バイアス電界を印加し続けることにより分極度を高めて
所望の分極度を得ることにより、あるいは逆方向にバイ
アス電界を印加して分極度が一定となる分極状態とし、
しかる後順方向にバイアス電界を印加して分極度を低下
させることにより所望の分極度を得る方法の何れかを用
いることにより、所望の分極度を高精度に実現すること
ができる。
分極実験2にあたっては、上記のようにマザー基板を分
極処理し、1枚のマザー基板から、第2図に示した圧電
共振装置を24個構成し、その共振周波数のばらつきを測
定した。結果を、下記の第1表に示す。
但し、dfは***振周波数と共振周波数との間の周波数
差、δはN=24の場合のdfについての標準偏差を示
す。
第1表から明らかなように、分極領域II及び分極領域II
I中のe〜lの試料では、種々の分極度において、バラ
ツキが常に非常に小さいことがわかる。これに対して、
分極領域I及び分極領域IVでは、飽和分極度に近い部
分、すなわち発振周波数f0が高い領域では分極度のばら
つきは小さいが、発振周波数f0が低い側(分極度が低い
側、例えば試料c,d,m,n)では、ばらつきが非常に大き
いことがわかる。
上記のように、分極領域II,IIIにおいて、分極度−バイ
アス電界曲線が緩やかな傾斜を持ち、従って分極度のば
らつきが低減される理由は明らかではないが、以下のよ
うに考えられる。
すなわち、分極ばらつきに大きく影響を与えるのは、上
記分極度のバイアス電界依存性曲線の傾斜によるものと
考えられるが、その物理的な意味としては、分域壁への
圧力と考えられ、この圧力が、コーン状に分散した分極
軸を反転及び回転させることにより、分極軸を局在的に
乱し、分極ばらつきが生じているものと考えられる。
なお、上記分極方法により得られた分極領域II,IIIの圧
電共振子の熱的安定性については、従来の分極方法で得
られたものと同等であり特に問題のないことが確かめら
れている。
また、上記実施例では、飽和分極状態とした後にエージ
ングを行った後に、所定の分極度を得るように分極制御
を行ったが、逆に、飽和分極状態とした後に、所望の分
極度を得るための分極制御を行い、最後にエージングを
行ってもよい。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、一旦飽和分極状態とさ
れた圧電体に分極軸方向と逆方向にバイアス電界を印加
して分極反転させ、しかる後、逆方向にバイアス電界を
印加し続けることにより分極度を高めて所望の分極度を
得るものであるため、あるいは分極軸方向と逆方向にバ
イアス電界を印加し続けて分極度が一定となる分極状態
とし、さらに当初の分極軸方向に対して順方向にバイア
ス電界を印加させて所望の分極度を得るものであるた
め、所望の分極度を分極度−バイアス電界曲線の傾斜の
緩やかな領域で得ることができる。従って、分極度のば
らつきが少ない圧電体を得ることができるため、圧電共
振素子や圧電フイルタ等の圧電部品の歩留を効果的に高
めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を説明するための分極度とバ
イアス電界との関係を示す図、第2図は分極実験に用い
た圧電共振素子を説明するための平面図、第3図は分極
実験1における分極度とバイアス電界との関係を示す図
である。 図において、1は圧電共振素子、2は圧電基板、3は振
動電極、4a,4a,6a,6aは引出し電極、5,7は端子電極を示
す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電体に電界を印加して該圧電体を飽和分
    極状態とする工程と、 前記飽和分極状態とされた圧電体の分極軸方向に対して
    逆方向にバイアス電界を印加して分極反転させる工程
    と、 前記分極反転後、逆方向バイアス電界を印加し続けるこ
    とにより所望の分極度を得る工程とを備えることを特徴
    とする圧電体の分極方法。
  2. 【請求項2】圧電体に電界を印加して該圧電体を飽和分
    極状態とする工程と、 前記飽和分極状態とされた圧電体の分極軸方向に対して
    逆方向にバイアス電界を印加して分極反転させる工程
    と、 前記分極反転後、逆方向にバイアス電界を印加し続けて
    分極度が一定となる分極状態とした後に、当初の分極軸
    方向に対して順方向にバイアス電界を印加して分極度を
    低下させることにより所望の分極度を得る工程とを備え
    ることを特徴とする圧電体の分極方法。
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