JPH05206533A - 圧電素子の使用方法 - Google Patents

圧電素子の使用方法

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JPH05206533A
JPH05206533A JP4014830A JP1483092A JPH05206533A JP H05206533 A JPH05206533 A JP H05206533A JP 4014830 A JP4014830 A JP 4014830A JP 1483092 A JP1483092 A JP 1483092A JP H05206533 A JPH05206533 A JP H05206533A
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JP
Japan
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piezoelectric
temperature
voltage
polarization
piezoelectric plate
Prior art date
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Application number
JP4014830A
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English (en)
Inventor
Noriaki Nishino
典明 西野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】電圧印加時の圧電素子の変位量を増大させる。 【構成】圧電板と圧電板の表裏両面に形成された一対の
電極とからなる圧電素子の使用方法であって、圧電板の
残留分極が低下し始める温度以上で圧電板のキュリー温
度未満の温度範囲に制御するとともに、一対の電極に圧
電板の抗電圧以上の電圧を印加する。残留分極が低下す
るとともに、電圧印加時には残留分極していなかった結
晶が再度分極し、かつ熱の影響により大きな分極が得ら
れるので、変位量が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電アクチュエータと
して利用される圧電素子の使用方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電磁力を利用したアクチュエータ
に代わって、圧電特性を利用した圧電アクチュエータが
利用されている。例えばPbTiO3 −PbZrO3
セラミックス(PZT)は優れた圧電特性を示し、圧電
アクチュエータとして多用されている。
【0003】ところで、なるべく低い印加電圧でPZT
などの圧電材料の圧電特性を最大に引き出すためには、
圧電材料から薄い板状の圧電板を形成し、その表裏両面
に電圧を印加して用いることが必要である。しかし薄い
板状では変位量が極めて小さい。そこで圧電板の表裏両
面に銀ペーストなどから電極を形成して圧電素子とし、
この圧電素子を電極板と交互に複数枚積層した圧電積層
体として、それぞれの圧電素子の変位の合計で所定の変
位量を得ている。
【0004】なお、圧電素子の圧電特性の尺度として、
電圧1V当たりの変位量に相当する圧電定数(以下d定
数という)が代表的に用いられている。そしてこのd定
数は、図1に示すように温度が上昇するにつれて徐々に
大きくなるが、キュリー温度近傍で大幅に低下すること
が知られている。そのため従来はキュリー温度よりもか
なり低い温度で使用されるのが常識であり、むしろ熱膨
張差によるクラックの発生などを防止するために冷却し
ながら使用する方法まで提案されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来の圧電素
子では、電圧印加時の変位量が小さいという不具合があ
る。すなわち圧電素子が複数個積層されてなる積層型圧
電アクチュエータであっても、同一長さの電磁アクチュ
エータなどに比べて変位量が小さく、油圧機構やリンク
機構を利用した機械的な変位拡大機構を利用せざるを得
なかった。したがって部品点数が増大するとともに配置
スペースも大きくなり、使用するためのコストの上昇を
招いていた。
【0006】このように圧電素子の変位量が小さい理由
は、以下のように説明される。すなわち、圧電材料の変
位量は電圧印加時の分極の程度に依存し、分極が大きい
ほど変位量が大きくなる。ところで圧電材料の電界と分
極の程度との関係は、図4に示すようなヒステリシス曲
線を描く。図4からわかるように、電界がゼロとなって
も分極はゼロとならず一定の値を示している。これを残
留分極といい図4のb点で示される。一般の積層型圧電
アクチュエータでは、それぞれの圧電素子は分極処理さ
れ残留分極を保持した状態で市販されている。したがっ
て使用時に例えば正の電圧を印加すると、分極の最大値
は図4のa点となり、結局電圧印加時にはaとbの分極
の差に相当する変位量しか得られないこととなる。
【0007】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、電圧印加時の圧電素子の変位量を増大させ
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】ところが本発明者は鋭意
研究の結果、従来はキュリー温度よりもかなり低い温度
で使用されるのが常識である圧電素子をキュリー温度近
傍の温度に加熱した状態で抗電圧以上の電圧を印加する
と、d定数は大幅に低下するのに反して変位量が大幅に
増大することを発見し、本発明を完成したものである。
【0009】すなわち上記課題を解決する本発明の圧電
素子の使用方法は、圧電板と圧電板の表裏両面に形成さ
れた一対の電極とからなる圧電素子の使用方法であっ
て、圧電板の残留分極が低下し始める温度以上で圧電板
のキュリー温度未満の温度範囲に制御するとともに、一
対の電極に圧電板の抗電圧以上の電圧を印加することを
特徴とする。
【0010】圧電素子は圧電板と一対の電極とから構成
される。圧電板はPZTなどの圧電材料から形成された
従来と同様のものを用いることができ、電極は銀ペース
トなどから従来と同様に形成することができる。すなわ
ち、本発明に用いられる圧電素子は、従来の圧電素子を
そのまま用いることができる。本発明の最大の特徴は、
上記圧電素子を従来使用不可とされていた高温すなわ
ち、圧電板の残留分極が低下し始める温度以上で圧電板
のキュリー温度未満の温度範囲で使用するところにあ
る。使用温度がキュリー温度以上となると、圧電特性が
破壊されるので使用が困難である。また圧電板の残留分
極が低下し始める温度より低い温度で使用したのでは、
従来の使用条件とほとんど同一となり変位量の増大が得
られない。なお圧電板の残留分極が低下し始める温度
は、圧電板の材質によって異なるけれども、d定数が低
下し始める温度とほぼ等しい温度となることがわかって
いる。またキュリー温度における静電容量の50%以内
の静電容量となる温度ということもできる。
【0011】本発明のもう一つの特色は、圧電板の抗電
圧以上の電圧を印加して使用するところにある。ここで
抗電圧とは圧電板の分極が反転し始める電圧をいう。キ
ュリー温度近傍では、残留分極が大幅に低下している。
しかし抗電圧以上の電圧を印加することにより再度分極
し、しかも後述するように従来の使用温度における同電
圧の分極量より大きい分極が得られるため、変位量が増
大する。抗電圧より低い電圧を印加したのでは、再度の
分極が困難となり変位量が得られない。なお、抗電圧は
温度が上昇するほど低下するので、キュリー温度近傍の
ような高温で使用する本発明においては、従来と同様の
変位量を得るのであれば印加電圧を従来より小さくする
ことも可能である。
【0012】
【作用】キュリー温度近傍の温度においては、電界と分
極の程度との関係は図3のようになる。すなわち温度上
昇により分子運動が活発となるため結晶の動きも活発化
し、残留分極(b点)は低下している。したがって電圧
の印加が無い状態では、変位量は残留分極に依存し極め
て小さい。そして抗電圧以上の電圧を印加することによ
り、分極していない結晶が再度分極し、かつ熱膨張や分
子運動の活発さの影響などにより従来よりも大きな分極
(a点)が得られる。したがってaとbの差に基づく変
位量は極めて大きくなる。
【0013】なお、d定数が低下するのに変位量が増大
するという矛盾は、以下のように説明される。すなわ
ち、d定数は電気機械結合定数や静電容量から求めら
れ、測定装置上の関係から比較的低い電圧で測定せざる
を得ない。そのため本発明の使用温度域では、再度の分
極が困難となってd定数が急激に低下していた。しかし
抗電圧以上の電圧を印加することにより、再度の分極が
可能となったのである。したがって抗電圧以上の電圧印
加状態でd定数を測定することができるなら、キュリー
温度近傍では高いd定数を示すはずである。
【0014】
【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 (実施例)主成分の成分比がPb(Zr0.52Ti0.48
3 で表されるように、酸化鉛(PbO)50モル%、
酸化ジルコニウム(ZrO2 )26モル%、酸化チタン
(TiO2 )24モル%の割合にした粉末、及びこれに
副成分として五酸化ニオブ(Nb2 5 )を0.1〜3
モル%加えた粉末を、蒸留水とともにボールミルにて4
8時間混合した。これを脱水乾燥後、空気中で900℃
にて1時間仮焼を行った。
【0015】仮焼粉は再び48時間湿式混合し、脱水乾
燥した。そして乾燥粉末にバインダーとしてPVA(ポ
リビニルアルコール)を1重量%加えて造粒後、成形圧
力1000kg/cm3 で直径20mm、厚さ0.4m
mの円板に成形し、1250℃で1時間焼成して圧電板
を得た。この圧電板のキュリー温度は235℃である。
【0016】この圧電板の表裏両面に銀ペーストをスク
リーン印刷し、乾燥させて一対の電極を形成した。そし
て100℃のシリコンオイル中にて、両電極間に50k
v/cmの電圧を印加し、30分間分極処理を行って圧
電素子とした。この圧電板を、ステンレス製電極板と交
互に68枚積層して、圧電アクチュエータ1を製造し
た。そして図2に示す制御装置中に配置して駆動させ、
そのときの変位量を求めた。
【0017】この制御装置は、圧電アクチュエータ1
と、圧電アクチュエータ1の外周に配置された筒状のヒ
ータ3と、電気回路とからなる。圧電アクチュエータ1
は駆動電源2により矩形電圧が印加されて間欠的に連続
駆動される。圧電アクチュエータ1中には温度センサ4
が配設されている。温度センサ4の信号はヒータコント
ロール回路5へ入力されている。ヒータコントロール回
路5では温度センサ4からの信号を規定値と比較し、ヒ
ータ3を加熱するヒータ電源6を制御している。これに
より圧電アクチュエータ1は所定温度に加熱されその温
度に保たれるように構成されている。
【0018】この制御装置を用い、圧電アクチュエータ
1の内部温度が230±2℃となるように制御しつつ、
無負荷状態で400Vの矩形電圧を印加した。なお、こ
の圧電素子では、230℃における抗電圧は約30Vで
ある。その結果、圧電アクチュエータ1には最大約75
μmの変位量が得られた。なお、実施例の駆動条件で、
駆動温度だけを変化させたときの変位量の変化を図1に
示す。図1からわかるように、残留分極が低下し始める
195℃近傍までは変位量は温度の増大とともに緩やか
に増大するが、増大量は僅かである。しかし残留分極が
低下し始める温度を越えると、キュリー温度までは残留
分極の低下に伴って変位量が急激に増大している。 (比較例)実施例と同一の圧電アクチュエータ1を用
い、室温(25℃)雰囲気にて無負荷状態で400Vの
矩形電圧を印加した。その結果、圧電アクチュエータ1
には最大約30μmの変位量が得られた。 (評価)すなわち実施例の使用方法によれば、従来の室
温下での使用時に比べて変位量が最大で2.5倍増大し
た。
【0019】
【発明の効果】すなわち本発明の圧電素子の使用方法に
よれば、極めて高い変位量が得られるため、従来必要で
あった変位拡大機構が不要となり、コンパクトな圧電ア
クチュエータとすることができるとともにコストの低減
を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度変化に対応する変位量変化と残留分極及び
d定数の変化を示すグラフである。
【図2】本発明の一実施例で使用した制御装置のブロッ
クダイアグラムである。
【図3】本発明の使用方法における電界と分極の関係を
示すグラフである。
【図4】従来の使用方法における電界と分極の関係を示
すグラフである。
【符号の説明】
1:圧電アクチュエータ 2:駆動電源
3:ヒータ 4:温度センサ 5:ヒータコントロール回路
6:ヒータ電源

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧電板と該圧電板の表裏両面に形成され
    た一対の電極とからなる圧電素子の使用方法であって、 該圧電板の残留分極が低下し始める温度以上で該圧電板
    のキュリー温度未満の温度範囲に制御するとともに、該
    一対の電極に該圧電板の抗電圧以上の電圧を印加するこ
    とを特徴とする圧電素子の使用方法。
JP4014830A 1992-01-30 1992-01-30 圧電素子の使用方法 Pending JPH05206533A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1519427A2 (en) 2003-09-24 2005-03-30 TDK Corporation Piezoelectric ceramic composition and manufacturing the same, and piezoelectric element
GB2450620A (en) * 2007-06-27 2008-12-31 Fluke Corp System and method of providing a thermally stabilised fixed frequency piezoelectric optical modulator
US7772747B2 (en) * 2008-03-21 2010-08-10 Fujifilm Corporation Process for producing a piezoelectric film, film forming apparatus, and piezoelectric film
JPWO2018131343A1 (ja) * 2017-01-10 2020-02-06 国立大学法人大阪大学 スキャナ及び走査型プローブ顕微鏡

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1519427A2 (en) 2003-09-24 2005-03-30 TDK Corporation Piezoelectric ceramic composition and manufacturing the same, and piezoelectric element
EP1519427B1 (en) * 2003-09-24 2009-12-16 TDK Corporation Piezoelectric ceramic composition and manufacturing the same, and piezoelectric element
GB2450620A (en) * 2007-06-27 2008-12-31 Fluke Corp System and method of providing a thermally stabilised fixed frequency piezoelectric optical modulator
GB2450620B (en) * 2007-06-27 2010-07-07 Fluke Corp System for providing a thermally stabilized fixed frequency piezoelectric optical modulator
US8008839B2 (en) 2007-06-27 2011-08-30 Fluke Corporation System and method of providing a thermally stabilized fixed frequency piezoelectric optical modulator
US7772747B2 (en) * 2008-03-21 2010-08-10 Fujifilm Corporation Process for producing a piezoelectric film, film forming apparatus, and piezoelectric film
JPWO2018131343A1 (ja) * 2017-01-10 2020-02-06 国立大学法人大阪大学 スキャナ及び走査型プローブ顕微鏡
US10884022B2 (en) 2017-01-10 2021-01-05 Osaka University Scanner and scanning probe microscope

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