JPH0482310A - 圧電体の分極方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電フィ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］ 圧電フィ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、圧電体の分権処理に際しては、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、圧電フィルタ等の圧電部品
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、逆方向にバイアス
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、
−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
た後に順方向ムこ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
、−旦飽和分掻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。

１法 まず、下記の４種類の条件で、チタン酸ジルコン酸鉛系
圧電セラミンクスよりなる厚み１８４μｍのマザー基板
を初期分極した。

（ａ）６０°Ｃの温度で６５０■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１５
０°Ｃ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°Ｃの温度で６５０■の電圧を厚み方向に２
０分間印加し、しかる後１５０°Ｃ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°Ｃの温度で５５０■の電圧を厚み方向に１
分間印加し、しかる後１５０°Ｃ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″Ｃの温度で４００■の電圧を１分間印加し
、しかる後１５０°Ｃ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、５
０　Ｖ１５秒の速度でステンブ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
周波数と反共振周波数の差で表しである。

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、は
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−ハ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−ハ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、分権度−
ハ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。

次に、分極実験１の場合と同し圧電体マザー基板を用意
し、まず、６０°Ｃの温度で６５０■の電圧を２０分間
印加し、飽和分極状態とし、しかる後１５０°Ｃ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５０
　Ｖ１５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
て一６５０Ｖ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、５０Ｖ１５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Ｘ１２＝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■１
、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■２、印加時間をＴ２
としたときに、’Ｊ、ｘＴ、＞ｖ、ｘＴｉ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、Ｖ
、ｘＴ、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、−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
領域りは、従来の分極方法に相当する領域である。すな
わち、−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Ｈでは、分極度
−ハ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■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■においても、領域■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■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■では
、バイアス電界の増加に従って、分極度は２．激に高く
なることがわかる。従って、分極領域■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■及び■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
、−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枚のマザー基板がら、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。

第 表 但し、ｄｆは反共振周波数と共振周波数との間の周波数
差、δ９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■及び分極領域■
中のｅ−１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■及び分極領域■では、飽和分極度に近い部分、
すなわち発振周波数［。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ｒ。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■、■において、分極度−ハイ
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、分極ばらつきが生し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■■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、−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−ハ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
素子や圧電フィ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、ｌは圧電共振素子、２は圧電基板、３は振
動電橋、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. （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. （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。