JP4655504B2 - 積層型圧電体素子の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、積層型圧電体素子を非破壊で検査する方法に関する。

積層型圧電体素子は、その製造工程等において、内部にデラミネーション（剥離）、クラック（割れ）、ポア（気孔、空洞）等の欠陥が発生することがある。
これらの欠陥を発見する検査方法として、高電圧を積層型圧電体素子に印加し、欠陥を劣化させた後に積層型圧電体素子の絶縁抵抗を測定する方法がある。
また、積層型圧電体素子に２種類の電圧を印加して測定する方法がある。
更に、積層型圧電体素子に短時間で定格電圧の数倍から数十倍の電圧を印加して、絶縁抵抗を測定する方法がある。

特開平８−１８６０５７号公報 特開平１１−３４５７３８号公報 特開平９−１５２４５５号公報

しかしながら、欠陥があるにもかかわらず初期の絶縁抵抗が高く、従来方法で区別できない不良品が存在する。この不良品は超音波探傷装置等を用いることで非破壊で検査可能であるが、これらの方法は大量検査に向かない手法である。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、非破壊的で、欠陥を容易かつより確実に発見することができる積層型圧電体素子の検査方法を提供しようとするものである。

本発明は、圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子において、
圧電層を介して隣接する内部電極層が交互に異なる電位となるよう積層型圧電体素子に直流電圧を印加することにより発生する検出電流をモニタすることで不良品を分別するに当たり、
欠陥のない積層型圧電体素子に直流電圧を印加することで発生する検出電流の時間変化であり、時間の経過により指数関数的に減衰する波形をベースラインとし、検査対象である積層型圧電体素子に直流電圧を印加する際の電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）、上記直流電圧を印加することにより発生する検出電流をＸ（μＡ）とすると、
上記ベースラインとの間で０．００８Ｅ以上の距離を有するピーク部が１個以上、上記Ｘの時間変化を表す波形にある場合を不良品と分別することを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
積層型圧電体素子は、圧電層を挟む内部電極層の電位が異なるように積み重なって構成される。圧電層は誘電材料であり、積層型圧電体素子はコンデンサと同様の電気的特性を有する。
従って、正常な積層型圧電体素子に直流電圧を印加した場合、印加直後は電流が流れるが、時間の経過に応じて電流は単調に減衰し最終的には飽和状態となって、定常状態となる。欠陥のない理想的な積層型圧電体素子からは、後述する図３〜図８の実線に示すような特性を得る。

ここで積層型圧電体素子の内部にデラミネーション（剥離）、クラック（割れ）、ポア（気孔、空洞）等の欠陥があると仮定する。欠陥が存在すると、該欠陥の近傍で微少電流が流れるため、後述する図３、図４の破線に示すように、ベースラインから逸脱する乱れ（鋭いピークやなだらかな盛り上がり）が発生する。ここで、検出電流に乱れがある場合、乱れを排除してチャート図または曲線関数によりピーク排除部に仮想曲線を形成したものをベースラインとする。あるいは、十分長い時間が経過しても電流が飽和状態とならずに図５の破線に示すように時間的に変動する。
従って、圧電層を介して隣接する内部電極層が異なる電位となるよう積層型圧電体素子に直流電圧を印加し、上記積層型圧電体素子に発生する検出電流をモニタすることで、不良品を分別することができる。

積層型圧電体素子は駆動時に内部電極層が異なる電位となるように側面電極が設けてあり、従ってこの側面電極から直流電圧を印加して、積層型圧電体素子の内部電極層や側面電極層に流れる検出電流をモニタするという操作は容易で安価に実現することができる。 更に、欠陥のまったくない理想的な積層型圧電体素子の検出電流はコンデンサの特性から時間と共に指数関数的に減衰する。そのため、僅かの検出電流の乱れを検出することが容易であり、従って欠陥をより確実に発見することができる。

以上、本発明によれば、非破壊的で、欠陥を容易かつより確実に発見することができる積層型圧電体素子の検査方法を提供することができる。

本発明にかかる検査方法は、さまざまな種類の積層型圧電体素子に対し利用することができる。
積層型圧電体素子は一般に全面電極構成と部分電極構成とが知られており、全面電極構成は、圧電層と内部電極層の断面形状（積層方向と直交する方向に切断した際の形状）が同程度に構成され、内部電極層が積層型圧電体素子の側面に露出する。
また、部分電極構成は、圧電層の断面形状よりも内部電極層の断面形状が小さく、側面電極（後述参照）と電気的に接続すべき内部電極層だけが側面に露出する。

また、内部電極層と圧電層とを交互に所望の枚数を一括して積層した一体型のタイプがあり、内部電極層と圧電層とを交互に積層して構成した圧電ユニットを所望の個数積層したユニット式の素子とがある。
このような素子の種類や構成等を選ぶことなく本発明にかかる検査方法は、欠陥のある不良品を発見することができる。

また、欠陥のない積層型圧電体素子に直流電圧を印加することで発生する検出電流の時間変化であり、時間の経過により指数関数的に減衰する波形をベースラインとし、検査対象である積層型圧電体素子に直流電圧を印加する際の電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）、上記直流電圧を印加することにより発生する検出電流をＸ（μＡ）とすると、
上記ベースラインとの間で０．００８Ｅ以上の距離を有するピーク部が１個以上、上記Ｘの時間変化を表す波形にある場合を不良品と分別する。

欠陥が存在しない理想的な積層型圧電体素子に直流電圧を加えた際は、後述する図３〜図８の実線に示すように時間と共に電流が指数関数的に減衰して最後は定常状態となる。
このように無欠陥の積層型圧電体素子から得られる指数関数的に減衰する電流をベースラインとし、このベースラインから逸脱するピーク部があり、図３〜図８に示すごとくピーク部のベースラインからの距離が０．００８Ｅ以上である場合、積層型圧電体素子のどこかに欠陥があり、該欠陥の近傍で微少電流が流れている証拠である。

また、検査対象である積層型圧電体素子に直流電圧を印加する際の電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）、上記直流電流を印加することにより発生する検出電流をＸ（μＡ）とすると、１２０秒後に、Ｘが０．０２４Ｅ以上であるものを不良品と分別することを不良品と分別することが好ましい（請求項２）。

上述したごとく、積層型圧電体素子はコンデンサと同様の電気特性を持つので、直流電圧を印加した際は最終的に電流が殆ど流れなくなる。
直流電流を印加することで発生する検出電流Ｘが１２０秒後に０．０２４Ｅ以上である場合は、積層型圧電体素子のどこかに欠陥があり、該欠陥の近傍で微少電流が流れている証拠である。

次に、上記直流電圧は、上記圧電層の抗電界よりも高く、上記圧電層の耐電圧よりも低いことが好ましい（請求項３）。

これにより、電気双極子の回転等による影響を排除することができ、更に積層型圧電体素子の絶縁破壊による自己破壊を防止することができる。
ここで抗電界とは、十分に分極させた強誘電体に、分極方向とは逆方向の電圧を増加していくと、分極が減少し、遂には分極が消失する電圧の絶対値のことであり、分極反転電流が観測される電圧値を指す。また、耐電圧とは、被試験サンプルが破壊しないで耐えることの出来る最高電圧のことである。

次に、上記直流電圧は、上記圧電層の抗電界をＥ０、耐電圧をＥ１とすると、１．５Ｅ０〜０．９Ｅ１の範囲であることが好ましい（請求項４）。

上記範囲にかかる直流電圧を与えることで、電気双極子の回転等による影響をより確実に排除し、更に積層型圧電体素子の自己破壊をより確実に防止することができる。

また、上記直流電圧は、１．８Ｅ０〜０．６Ｅ１の範囲であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、電気双極子の回転等による影響を排除し、積層型圧電体素子の自己破壊を防止し得るという作用効果を一層、高めることができる。

以下に、図面を用いて本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
本例は、図１、図２に示すごとく、圧電層１１と内部電極層１２１、１２２とを交互に積層してなる積層型圧電体素子１において、圧電層１１を介して隣接する内部電極層１２１、１２２が異なる電位となるよう積層型圧電体素子１に直流電圧を印加することで発生する検出電流をモニタすることで不良品を分別する方法について説明する。

本例で検査する積層型圧電体素子１は、図１、図２に示すごとく、圧電層１１と内部電極層１２１、１２２とを交互に積層し、圧電層１１を挟んで隣接する内部電極層１２１の一方は図面右方の側面電極１３１と導通するよう側面１０１に露出し、他方は図面左方の側面電極１３２と導通するよう側面１０２に露出する。また、積層方向の両端は積層型圧電体素子１の駆動時に伸張しないダミー層１５１、１５２である。
検査の際は、図１に示すごとく、積層型圧電体素子１の側面電極１３１、１３２に検査回路２を接続して直流電圧を印加する。この直流電圧は定電圧である。
上記検査回路２は、保護回路２１、直流電源２２、抵抗２３１、該抵抗２３１に対し並列に接続した電圧計２３２、電流モニタ装置２４からなる。

この検査回路２でいくつかの積層型圧電体素子１について検査を行った。
まず積層型圧電体素子１は、圧電層１１がＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）、内部電極層１２１、１２２がＡｇ−Ｐｄ、側面電極１３１、１３２が焼付銀からなる。
直流電源２２は通常のＤＣ電源で出力２００Ｖ、保護回路２１は１８８ｋΩの抵抗器、抵抗２３１は１０ｋΩの抵抗器、電圧計２３２はデジタルマルチメータ、電流モニタ装置２４は専用ＰＣを使用する。

そして、各内部電極層１２１−１２２の間に電界強度が２．０ｋＶ／ｍｍとなるよう直流電圧を１２０秒間、印加する。電流モニタ装置２４を流れる検出電流の形状をモニタする。この時、２秒以内に所要の電界強度となるよう矩形電圧を印加する。
モニタされた検出電流の一例を図３〜図８に記載した。なお、各図面において太い実線で記載された曲線がベースライン、すなわち本例にかかる積層型圧電体素子１が欠陥のない状態であった場合に観察されると思われる電流である。破線で示した曲線が実際に測定された検出電流である。
本例では、図３〜図５は不良品、図６〜図８は良品と判定した。

すなわち、図３にかかる検出電流は、波形の途中にピークがあって、このピークのベースラインからの逸脱が０．０１６（＝２．０×０．００８）μＡ以上であった。
図４は波形がなだらかに盛り上がって、この盛り上がりのベースラインからの逸脱が０．０２μＡ以上であった。
また、図５は、波形が部分的に盛り上がって、更に１２０秒経過した後も検出電流が０．０４８（＝２．０×０．０２４）μＡ以下とならなかった。
なお、ベースラインの逸脱量は、乱れ（破線）とベースライン（太い実線）との間のＹ軸方向の距離の最大値である。

また、図６にかかる検出電流は、図３と同様のピークがあるが、ピークの高さが小さく、積層型圧電体素子１内に欠陥はあるが、欠陥が非常に小さく、実用上問題ないため良品と判断された。
図７にかかる検出電流は、図４と同様の盛り上がりがあるが、盛り上がりの高さが小さく、積層型圧電体素子１内に欠陥はあるが、欠陥が非常に小さく、実用上問題ないため良品と判断された。

図８にかかる検出電流は、図５とは異なり、通電開始より１２０秒経過した後は検出電流が０．０４８（＝２．０×０．０２４）μＡ以下となっていた。従って、積層型圧電体素子１内に欠陥がないか、または欠陥が非常に小さく、実用上問題ないため良品と判断された。

本例にかかる積層型圧電体素子１は、駆動時に内部電極層１２１、１２２が異なる電位となるように側面電極１３１、１３２が設けてある。
側面電極１３１、１３２から直流電圧を印加して、積層型圧電体素子１の内部電極層１２１、１２２や側面電極層１３１、１３２に流れる検出電流をモニタするという操作は容易で安価に実現することができる。

更に、欠陥のまったくない積層型圧電体素子に直流電圧を与えた場合に流れる電流は、コンデンサの特性と同様に、時間と共に指数関数的に減衰して定常状態となる。そのため、僅かの検出電流の乱れを検出することが容易であり、従って本例によれば積層型圧電体素子における欠陥の有無をより確実に発見することができる。

以上、本例によれば、非破壊的で、欠陥を容易かつ確実に発見することができる積層型圧電体素子の検査方法を提供することができる。

なお、本例では部分電極構成の積層型圧電体素子の検査を行ったが、全面電極構成の素子に対しても適用することができる。
また、図３、図４、図６、図７にかかる検出電流はピークを一つだけ持つが、複数のピークが表れる場合もある。このようなケースでは、各ピークについてベースラインからの逸脱について調べて、不良品を分別することができる。

実施例１における、積層型圧電体素子と検査回路の説明図。 実施例１における、積層型圧電体素子における圧電層と内部電極層の積層状態にかかる説明図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。 実施例１における、検出電流の時間変化を示す線図。

符号の説明

１ 積層型圧電体素子
１１ 圧電層
１２１、１２２ 内部電極層

Claims (5)

1. 圧電層と内部電極層とを交互に積層してなる積層型圧電体素子において、
   圧電層を介して隣接する内部電極層が交互に異なる電位となるよう積層型圧電体素子に直流電圧を印加することにより発生する検出電流をモニタすることで不良品を分別するに当たり、
   欠陥のない積層型圧電体素子に直流電圧を印加することで発生する検出電流の時間変化であり、時間の経過により指数関数的に減衰する波形をベースラインとし、検査対象である積層型圧電体素子に直流電圧を印加する際の電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）、上記直流電圧を印加することにより発生する検出電流をＸ（μＡ）とすると、
   上記ベースラインとの間で０．００８Ｅ以上の距離を有するピーク部が１個以上、上記Ｘの時間変化を表す波形にある場合を不良品と分別することを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法。
2. 請求項１において、検査対象である積層型圧電体素子に直流電圧を印加する際の電界強度をＥ（ｋＶ／ｍｍ）、上記直流電流を印加することにより発生する検出電流をＸ（μＡ）とすると、１２０秒後に、Ｘが０．０２４Ｅ以上であるものを不良品と分別することを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法。
3. 請求項１又は２において、上記直流電圧は、上記圧電層の抗電界よりも高く、上記圧電層の耐電圧よりも低いことを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法。
4. 請求項１又は２において、上記直流電圧は、上記圧電層の抗電界をＥ０、耐電圧をＥ１とすると、１．５Ｅ０〜０．９Ｅ１の範囲であることを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法。
5. 請求項４において、上記直流電圧は、１．８Ｅ０〜０．６Ｅ１の範囲であることを特徴とする積層型圧電体素子の検査方法。

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