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技術 圧電セラミックの分極方法

出願人 TDK株式会社
発明者 土門孝彰小笠原祐之
出願日 1996年12月2日 (22年9ヶ月経過) 出願番号 1996-322021
公開日 1998年6月19日 (21年3ヶ月経過) 公開番号 1998-163543
状態 未査定
技術分野 圧電、電歪、磁歪装置
主要キーワード 大気中下 ワンステージ 初期分極 分域構造 分極装置 分極変化 相対面 両面電極
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1998年6月19日)のものです。
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図面 (4)

課題

圧電セラミックを均一に分極し得る分極方法及び装置を提供する。

解決手段

初期分極処理工程1では、大気中において、所望の分極状態に至らない分極状態まで、圧電セラミック基板3を分極する。追い込み分極処理工程2では、初期分極処理工程1の後、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。

概要

背景

一般に、圧電セラミック基板焼成処理したままでは、各結晶粒子内の自発分極分域構造を取り、圧電セラミック基板全体では圧電変形打ち消されてしまうため、圧電特性を示さない。圧電特性を付与するには、圧電セラミック基板に対し、高温下で直流電界印加し、自発分極を電極方向に配向する分極処理を施さなければならない。

従来、圧電セラミック基板の分極処理は、PZT系材料のもので説明すると、圧電セラミック基板を焼成した後、圧電セラミック基板の相対面に、銀等の導電性ペーストでなる仮の両面電極を設け、この圧電セラミック基板の複数枚を、60〜100℃の絶縁シリコンオイル中に同時に浸漬し、2〜3Kv/mmの電圧を30分間程度印加することにより分極処理していた。分極に関する先行技術文献としては、特開昭64ー12587号公報、特公昭57ー41109号公報、実公昭49ー32865号公報等がある。

しかしながら、圧電セラミック基板のそれぞれは、同じ組成の圧電セラミック基板材料を用いていても、分極のされ易さが同一であるとは限らない。ある圧電セラミック基板は所望の状態に分極されたのに、他の圧電セラミック基板は分極不足または分極過剰になることがあり、均一に分極することが困難である。

この問題点を緩和する手段として、従来は、分極不足を生じさせないことを念頭におき、2〜3kV/mmという比較的高い電圧を、30分間という比較的長い時間の間印加していた。このため、絶縁シリコンオイル槽内で放電が発生し、圧電セラミック基板に悪影響を及ぼす恐れがあった。

また、仮の両面電極として圧電セラミック基板に印刷された銀が、分極処理時間の経過と共にシリコンオイル中に析出することも避けられない。析出累積した銀はシリコンオイルから分離除去しなければならない。この作業は非常に面倒な作業である。

概要

圧電セラミックを均一に分極し得る分極方法及び装置を提供する。

初期分極処理工程1では、大気中において、所望の分極状態に至らない分極状態まで、圧電セラミック基板3を分極する。追い込み分極処理工程2では、初期分極処理工程1の後、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。

目的

本発明の課題は、圧電セラミックを均一に分極し得る分極方法及び装置を提供することである。

本発明のもう一つの課題は、セラミック基板をシリコンオイル中に浸漬せず、大気中下で正確に分極処理可能な分極方法及び装置を提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
2件

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請求項1

圧電セラミック分極する方法であって、第1の分極処理工程では、大気中において、所望の分極状態に至らない分極状態まで分極し、第2の分極処理工程では、前記第1の分極処理工程の後、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう分極方法

請求項2

請求項1に記載された分極方法であって、前記第2の分極処理工程は、複数の分極処理工程に分けて実行される分極方法。

請求項3

請求項1に記載された分極方法であって、前記第1の分極処理工程を終了した後、前記第2の分極処理工程を実行する前に、分極処理された圧電セラミックの分極状態を測定する工程を含む分極方法。

請求項4

請求項1、2または3に記載された分極方法であって、前記第2の分極処理工程を終了した後、分極処理された圧電セラミックの分極変化を測定する工程を含む分極方法。

請求項5

請求項1に記載された分極方法であって、前記第1の分極処理工程に供される前記圧電セラミックは、焼成処理され、かつ、相対する両面に仮の両面電極を設けた基板である分極方法。

請求項6

請求項5に記載された分極方法であって、前記第1の分極処理工程及び前記第2の分極処理工程は、前記圧電セラミックを加熱しながら、前記両面電極に直流電圧印加することにより行なわれる分極方法。

請求項7

圧電セラミックを分極するための装置であって、第1の分極処理装置と、第2の分極処理装置とを含み、第1の分極処理装置は、大気中において、所望の分極状態に至らない分極状態まで分極し、第2の分極処理装置は、前記第1の分極処理装置によって処理された圧電セラミックに対し、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう分極処理装置。

請求項8

請求項7に記載された装置であって、前記第2の分極処理装置は、複数の分極処理ステージを含む分極処理装置。

請求項9

請求項7に記載された装置であって、分極変化測定装置を含み、前記分極変化測定装置は、前記第1の分極処理装置によって分極処理された圧電セラミックの分極変化を測定する分極処理装置。

請求項10

請求項7、8または9に記載された装置であって、第2の分極変化測定装置を含み、前記第2の分極変化測定装置は、前記第2の分極処理装置によって分極処理された圧電セラミックの分極変化を測定する分極処理装置。

請求項11

請求項7に記載された装置であって、前記第1の分極処理装置及び前記第2の分極処理装置は、加熱手段と、電圧印加手段とを含み、前記加熱手段は、その上面に載置された前記圧電セラミックを加熱し、前記電圧印加手段は、前記加熱手段上に載置された前記圧電セラミックに直流電圧を印加する分極処理装置。

請求項12

請求項11に記載された分極処理装置であって、前記第2の分極処理装置は、前記加熱手段及び前記電極板の組み合わせを複数組備える分極処理装置。

請求項13

請求項12に記載された分極処理装置であって、前記加熱手段及び前記電極板の組み合わせ毎に、分極変化測定装置を備え、前記分極変化測定装置のそれぞれは、前記圧電セラミックの分極変化を測定する分極処理装置。

請求項14

請求項12に記載された分極処理装置であって、前記加熱手段及び前記電圧印加手段は、同一の作業テーブルに備えられている分極処理装置。

技術分野

(b)セラミック基板シリコンオイル中に浸漬せず、大気中下で正確に分極処理可能な分極方法及び装置を提供することができる。

背景技術

0001

本発明は、圧電部品を構成するのに用いられる圧電セラミックの分極方法及び装置に関する。

0002

一般に、圧電セラミック基板焼成処理したままでは、各結晶粒子内の自発分極分域構造を取り、圧電セラミック基板全体では圧電変形打ち消されてしまうため、圧電特性を示さない。圧電特性を付与するには、圧電セラミック基板に対し、高温下で直流電界印加し、自発分極を電極方向に配向する分極処理を施さなければならない。

0003

従来、圧電セラミック基板の分極処理は、PZT系材料のもので説明すると、圧電セラミック基板を焼成した後、圧電セラミック基板の相対面に、銀等の導電性ペーストでなる仮の両面電極を設け、この圧電セラミック基板の複数枚を、60〜100℃の絶縁シリコンオイル中に同時に浸漬し、2〜3Kv/mmの電圧を30分間程度印加することにより分極処理していた。分極に関する先行技術文献としては、特開昭64ー12587号公報、特公昭57ー41109号公報、実公昭49ー32865号公報等がある。

0004

しかしながら、圧電セラミック基板のそれぞれは、同じ組成の圧電セラミック基板材料を用いていても、分極のされ易さが同一であるとは限らない。ある圧電セラミック基板は所望の状態に分極されたのに、他の圧電セラミック基板は分極不足または分極過剰になることがあり、均一に分極することが困難である。

0005

この問題点を緩和する手段として、従来は、分極不足を生じさせないことを念頭におき、2〜3kV/mmという比較的高い電圧を、30分間という比較的長い時間の間印加していた。このため、絶縁シリコンオイル槽内で放電が発生し、圧電セラミック基板に悪影響を及ぼす恐れがあった。

発明が解決しようとする課題

0006

また、仮の両面電極として圧電セラミック基板に印刷された銀が、分極処理時間の経過と共にシリコンオイル中に析出することも避けられない。析出累積した銀はシリコンオイルから分離除去しなければならない。この作業は非常に面倒な作業である。

0007

本発明の課題は、圧電セラミックを均一に分極し得る分極方法及び装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明のもう一つの課題は、セラミック基板をシリコンオイル中に浸漬せず、大気中下で正確に分極処理可能な分極方法及び装置を提供することである。

0009

上述した課題を解決するため、本発明に係る分極方法は、圧電セラミックを分極するに当たり、初期分極処理工程(以下初期分極処理工程と称する)と、第2の分極処理工程(以下追い込み分極処理工程と称する)とを含む。初期分極処理工程では、大気中において、所望の分極状態に至らない分極状態まで分極する。追い込み分極処理工程では、前記初期分極処理工程の後、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。

0010

上述したように、初期分極処理工程で、所望の分極状態に至らない分極状態まで分極する。従って、初期分極処理工程において、分極のために必要な印加電圧を、従来よりも著しく低下させることができる。

0011

初期分極処理工程を経た圧電セラミックは、追い込み分極処理工程に付される。追い込み分極処理工程では、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。追い込み分極処理工程に付される圧電セラミックは、既に、初期分極処理工程を経ているので、追い込み分極処理工程では、初期分極状態から所望の分極状態までに必要な分極だけを行なえばよい。従って、追い込み分極処理工程においても、分極のために必要な印加電圧を、従来よりも著しく低下させることができる。

0012

上述の初期分極処理工程及び追い込み分極処理工程の何れも、絶縁シリコンオイル槽内ではなく、大気中で、圧電セラミックを分極する。前述したように、分極の際の印加電圧が低くてよいので、このような大気中における分極が可能になる。このため、絶縁シリコンオイル槽内での分極に付随する従来の問題点、例えば、放電に伴うセラミック基板への悪影響、仮電極からの銀の析出、その分離除去作業等、従来は回避できなかった問題点を生じる余地がなくなる。

0013

また、上記の2段階分極処理によれば、分極のされ易さが異なるセラミック基板であっても、過不足ない分極処理を施し、分極不足または分極過剰を生じさせることなく、均一に分極することができる。

0014

好ましくは、追い込み分極処理工程は、複数の分極処理工程に分けて実行される。また、初期分極処理工程を終了した後、追い込み分極処理工程を実行する前に、分極処理された圧電セラミックの分極状態を測定する工程を含む。同様に、追い込み分極処理工程を終了した後、分極処理された圧電セラミックの分極状態を測定する工程を含んでいてもよい。初期分極処理工程及び追い込み分極処理工程の何れにおいても、分極処理プロセス自体は、従来と同様の方法によって実行される。

発明を実施するための最良の形態

0015

本発明の他の目的、構成及び利点については、添付図面を参照し、更に詳しく説明する。図面は単に実施例を示すに過ぎない。

0016

図1は本発明に係る分極方法を実施する分極処理装置の構成を示す図である。本発明に係る分極処理は、焼成された圧電セラミック基板3の板面に、銀等の導電性ペーストを塗布して、両面電極を形成する電極形成工程に引き続きいて行なわれる。分極処理は必要な設備工場内に備え付けて行い、また、圧電セラミック基板3を一枚毎に各装置に搬送することによる枚葉処理に従うのが望ましい。分極処理に付される圧電セラミック基板3は、圧電部品を多数有する集合体であることが望ましい。

0017

本発明に係る分極処理装置は、第1の分極処理装置(以下初期分極処理装置と称する)1と、第2の分極処理装置(以下追い込み分極装置と称する)2とを含んでいる。初期分極処理装置1は、大気中において、圧電セラミック基板3を所望の分極状態に至らない分極状態まで分極する。初期分極処理装置1による分極処理は初期分極処理工程である。

0018

追い込み分極処理装置2は、初期分極処理装置1によって処理された圧電セラミック基板3に対し、大気中において、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。追い込み分極処理装置2による分極処理は追い込み分極処理工程である。

0019

初期分極処理装置1による初期分極処理工程では、圧電セラミック基板3に対し、所望の分極状態に至らない分極状態まで分極する。従って、初期分極処理工程において、分極のために必要な印加電圧を、従来よりも著しく低下させることができる。例えば、従来の2〜3kV/mmという比較的高い電圧を、その1/2〜1/3程度の1kV/mm程度まで低下させることができる。

0020

初期分極処理工程を経た圧電セラミック基板3は、追い込み分極処理装置2に持ち込まれ、追い込み分極処理工程に付される。追い込み分極処理工程では、圧電セラミック基板3に対し、所望の分極状態に至るまで分極処理を行なう。追い込み分極処理工程に付される圧電セラミック基板3は、既に、初期分極処理工程を経ているので、追い込み分極処理工程では、初期分極状態から所望の分極状態まで、不足の分極だけを行なえばよい。従って、追い込み分極処理工程においても、分極のために必要な印加電圧を、従来よりも著しく低下させることができる。例えば、従来の2〜3kV/mmという比較的高い電圧を、その1/2〜1/3程度の1kV/mm程度まで低下させることができる。

0021

しかも、初期分極処理工程及び追い込み分極処理工程の何れにおいても、絶縁シリコンオイル槽内ではなく、大気中で、圧電セラミック基板3を分極する。このため、絶縁シリコンオイル槽内での分極に付随する従来の問題点、例えば、放電に伴う圧電セラミック基板3への悪影響、仮電極からの銀の析出、その分離除去作業等、従来は回避できなかった問題点を生じる余地がなくなる。

0022

また、上記の2段階分極処理によれば、分極のされ易さが異なる圧電セラミック基板3であっても、それに対応して過不足ない分極処理を施し、分極不足または分極過剰を生じさせることなく、均一に分極することができる。

0023

分極処理プロセス自体は、従来と同様の方法によって実行される。初期分極処理工程及び追い込み分極処理工程は、圧電セラミック基板3を加熱しながら、両面電極に直流電圧を印加することにより行なわれる。その手段として、初期分極処理装置1は、作業テーブル11を備え、この作業テーブル11の基板載置面を熱板等による加熱手段12で形成し、加熱手段12の上方に電極棒等の電圧印加手段13を備える。

0024

実施例において、追い込み分極処理装置2は、複数の分極処理ステージ21、22、23を含んでいる。従って、追い込み分極処理工程は、分極処理ステージ21〜23により、複数の分極処理工程に分けて実行される。追い込み分極処理装置2は、一台の作業テーブル24を備え、この作業テーブル24の基板載置面を一枚の加熱手段25で形成し、電圧印加手段261〜263を加熱手段25の上方に備える。

0025

圧電セラミック基板3は加熱手段25の板面上で間欠的に移動する。これにより、分極処理を複数回に分けて行う。このように、複数回に分けて分極処理を行うことの利点は、直流印加電圧を低くできること、印加時間を短縮できることである。

0026

例えば、初期分極処理装置1においては、両電極が設けられた圧電セラミック基板3を加熱手段11で150℃程度に印加すると共に、1kV程度の電圧を10分程度印加することにより、所望の分極状態の約35%程度から数10%までの分極処理を行う。

0027

次に、追い込み分極装置2の分極処理ステージ21〜23のそれぞれにおいて、圧電セラミック基板3を、初期分極処理装置1と同様の温度条件で、加熱手段12で加熱すると共に、同程度の直流電圧を60〜30秒程度印加する。これにより、所望の分極状態に至るまで分極する。分極処理ステージ21〜23のそれぞれにおいては、10数%〜数%づつ、段階的に追い込み分極処理を行なう。但し、これは一例であって圧電セラミック基板3の材質に応じて分極条件を設定する。

0028

図2は本発明に係る分極処理装置の別の実施例を示す図である。この実施例では、各分極処理後に圧電セラミック基板3の分極変化を測定する分極変化測定装置31〜33をワンステージ内に備えている。分極変化測定装置31は、一対のプローブ311、312を備え、初期分極処理装置1の後段に配置されている。分極変化測定装置32は一対のプローブ321、322を備え第1の追い込み分極処理装置21の後段に配置されている。分極変化測定装置33は一対のプローブ331、332を備え、第2の追い込み分極処理装置22の後段に配置されている。初期分極処理装置1は、図1に示された実施例と同様に、作業テーブル11、加熱手段12及び電圧印加手段13を備える。

0029

第1の追い込み分極処理装置21は作業テーブル211、加熱手段212及び電圧印加手段213を備える。第2の追い込み分極処理装置22は作業テーブル221、加熱手段222及び電圧印加手段223を備える。従って、この実施例の場合も、追い込み分極処理工程では複数回に分けて分極処理を行うことができるから、直流電圧は比較的低い電圧でよく、印加時間も短くてよい。この点については、図1を参照して既に述べた。

0030

分極変化測定装置31〜33としては、分極処理された圧電セラミック基板3から直流電圧を発生させ、その電圧値検流計により測定する構成を採用できる。また、分極変化測定装置31〜33で得られるデータを、コンピュータで処理し、次の追い込み分極処理の条件設定を行うデータとして用いることもできる。

0031

上記の構成によれば、圧電セラミック基板3の分極処理後に、圧電セラミック基板3の分極変化を分極変化測定装置31〜33で測定し、この測定データに基づいて、各追い込み分極処理の時間設定を必要に応じて調整制御することができる。このため、圧電セラミック基板3の分極処理をより正確に行うことができる。

0032

ただし、本発明においては、圧電セラミック基板3の分極処理を、初期分極処理と追い込み分極処理とに分けて行うことから、各工程における分極の設定条件に応じた分極割合を、分極データとして得ることができる。この分極データは、同一の圧電セラミック基板3の場合は勿論、同一のロットで製造された圧電セラミック基板3であれば、略近似した数値を示す。従って、その分極データに基づいて各工程の分極条件を設定することにより、特に分極変化測定装置31〜33を備えなくても所望の分極状態まで均一に分極処理することができる。

0033

図3は分極処理された圧電セラミック基板3から両面電極を除去する洗浄工程を示す。分極処理の終了した圧電セラミック基板3は、図3で示すような洗浄処理工程に送り込んで、圧電セラミック基板3から仮の両面電極を除去する洗浄処理を施す。洗浄処理工程は、浸漬洗浄槽41、泡洗浄槽42、シャワー洗浄槽43及び超音波洗浄槽44を順次に配置し、これらの槽41〜44により圧電セラミック基板3を順次に処理する。これにより、圧電セラミック基板3に付着された仮の両面電極を確実に除去することができる。洗浄処理が終了した圧電セラミック基板3はストッカ45に収容し、次工程に搬送するようにできる。

図面の簡単な説明

0034

以上述べたように、本発明によれば、次のような効果を得ることができる。
(a)圧電セラミックを均一に分極し得る分極方法及び装置を提供することができる。

--

0035

図1本発明に係る分極方法を実施する分極処理装置の構成を示す図である。
図2本発明に係る分極方法を実施する分極処理装置の別の構成を示す図である。
図3洗浄工程を示す図である。

0036

1 第1の分極処理装置(初期分極処理装置)
2 第2の分極処理装置(追い込み分極処理装置)

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