JP2002237624A - 圧電素子 - Google Patents
圧電素子Info
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- piezoelectric element
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 共振周波数近傍で駆動する場合に優れた特性
を示す圧電素子を提供する 【解決手段】 圧電素子の一形態である圧電トランス１
０における圧電体の機械的品質係数Ｑｍを、１８０℃で
１．５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間分極した後にショ
ートした状態で７２時間以上常温に放置された場合の機
械的品質係数Ｑｍ´の１２０％以上の値とする。
を示す圧電素子を提供する 【解決手段】 圧電素子の一形態である圧電トランス１
０における圧電体の機械的品質係数Ｑｍを、１８０℃で
１．５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間分極した後にショ
ートした状態で７２時間以上常温に放置された場合の機
械的品質係数Ｑｍ´の１２０％以上の値とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、共振周波数近傍で
駆動される圧電素子に係り、例えば、超音波モータや圧
電トランス、超音波洗浄機等に好適に用いられる圧電素
子に関する。
駆動される圧電素子に係り、例えば、超音波モータや圧
電トランス、超音波洗浄機等に好適に用いられる圧電素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】圧電セラミックスは焼成後の状態では、
各ドメインの自発分極がランダムな方向を向いて互いに
打ち消しあっているために、見掛け上は圧電特性を有さ
ない。そこで、この自発分極の向きを略一方向に揃え
る、いわゆる「分極処理」と呼ばれる処理が行われる。
具体的には、分極処理は、絶縁性液体中または気体中で
高い直流電界を圧電セラミックスに印加することによっ
て行われ、分極処理時の温度が高いほど、印加する電界
強度が大きいほど、分極処理時間が長いほど、１８０度
ドメインのスイッチング（回転）および９０度ドメイン
のスイッチングが進行して全てのドメインの自発分極が
略同方向に揃った状態、つまり、完全な分極状態に近づ
くことが知られている。
各ドメインの自発分極がランダムな方向を向いて互いに
打ち消しあっているために、見掛け上は圧電特性を有さ
ない。そこで、この自発分極の向きを略一方向に揃え
る、いわゆる「分極処理」と呼ばれる処理が行われる。
具体的には、分極処理は、絶縁性液体中または気体中で
高い直流電界を圧電セラミックスに印加することによっ
て行われ、分極処理時の温度が高いほど、印加する電界
強度が大きいほど、分極処理時間が長いほど、１８０度
ドメインのスイッチング（回転）および９０度ドメイン
のスイッチングが進行して全てのドメインの自発分極が
略同方向に揃った状態、つまり、完全な分極状態に近づ
くことが知られている。
【０００３】このような完全な分極状態のことを分極が
飽和した状態ともいうが、従来から、圧電セラミックス
は分極が飽和した状態に近づくほど高い圧電特性が得ら
れると考えられていたため、圧電素子を用いる各種のデ
バイスにおいては、圧電セラミックスを分極が飽和した
状態にできるだけ近づけて用いていた。
飽和した状態ともいうが、従来から、圧電セラミックス
は分極が飽和した状態に近づくほど高い圧電特性が得ら
れると考えられていたため、圧電素子を用いる各種のデ
バイスにおいては、圧電セラミックスを分極が飽和した
状態にできるだけ近づけて用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、圧電素子を共振周波数近傍で駆動する共振状態で用
いる場合と、共振周波数から離れた周波数で駆動する非
共振状態で用いる場合とでは、同じ条件で分極処理が行
われた圧電セラミックスであっても、主に利用する圧電
特性を示すパラメータ（電気機械結合係数や機械的品質
係数等）が異なることから、一概に分極が飽和した状態
にある圧電セラミックスが全ての駆動条件において良好
な特性を示すとは限らない。
ば、圧電素子を共振周波数近傍で駆動する共振状態で用
いる場合と、共振周波数から離れた周波数で駆動する非
共振状態で用いる場合とでは、同じ条件で分極処理が行
われた圧電セラミックスであっても、主に利用する圧電
特性を示すパラメータ（電気機械結合係数や機械的品質
係数等）が異なることから、一概に分極が飽和した状態
にある圧電セラミックスが全ての駆動条件において良好
な特性を示すとは限らない。
【０００５】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、共振周波数近傍で駆動する
場合に従来よりも優れた特性を示す圧電素子を提供する
ことを目的とする。
鑑みてなされたものであり、共振周波数近傍で駆動する
場合に従来よりも優れた特性を示す圧電素子を提供する
ことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、機械的品質係数Ｑｍが、１８０℃で１．５ＭＶ／ｍ
の電界強度で６０分間分極した後にショートした状態で
７２時間以上常温に放置された場合の機械的品質係数Ｑ
ｍ´の１２０％以上の値を有することを特徴とする圧電
素子、が提供される。
ば、機械的品質係数Ｑｍが、１８０℃で１．５ＭＶ／ｍ
の電界強度で６０分間分極した後にショートした状態で
７２時間以上常温に放置された場合の機械的品質係数Ｑ
ｍ´の１２０％以上の値を有することを特徴とする圧電
素子、が提供される。
【０００７】このような本発明の圧電素子は、圧電素子
に用いられる圧電体自体は従来のものと変わりなくと
も、機械的品質係数が高められているために、共振周波
数近傍で駆動する際に従来よりも高い素子特性が得ら
れ、こうして圧電素子を用いた各種デバイスの高性能化
が実現される。本発明の圧電素子は、各種の超音波発信
源として用いることができるが、特に、圧電トランスま
たは超音波モータの駆動素子として好適に用いられ、圧
電トランスまたは超音波モータの駆動特性の向上に寄与
する。
に用いられる圧電体自体は従来のものと変わりなくと
も、機械的品質係数が高められているために、共振周波
数近傍で駆動する際に従来よりも高い素子特性が得ら
れ、こうして圧電素子を用いた各種デバイスの高性能化
が実現される。本発明の圧電素子は、各種の超音波発信
源として用いることができるが、特に、圧電トランスま
たは超音波モータの駆動素子として好適に用いられ、圧
電トランスまたは超音波モータの駆動特性の向上に寄与
する。
【０００８】なお、本発明に係る圧電素子の厚み−縦電
気機械結合係数Ｋ３３は、同条件で分極された場合の厚
み−縦電気機械結合係数Ｋ３３´の６０％以上９０％以
下という小さい値であっても構わない。これは、圧電素
子を共振状態で駆動する場合には機械的品質係数の方が
電気機械結合係数よりも素子特性に大きな影響を与える
ためである。
気機械結合係数Ｋ３３は、同条件で分極された場合の厚
み−縦電気機械結合係数Ｋ３３´の６０％以上９０％以
下という小さい値であっても構わない。これは、圧電素
子を共振状態で駆動する場合には機械的品質係数の方が
電気機械結合係数よりも素子特性に大きな影響を与える
ためである。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の圧電素子は、圧電素子を
共振周波数近傍で駆動させて用いる装置、例えば、圧電
トランスや超音波モータ、超音波洗浄機等に好適に用い
られる。そこで、以下、圧電トランスを例として本発明
の実施の形態について説明することとする。
共振周波数近傍で駆動させて用いる装置、例えば、圧電
トランスや超音波モータ、超音波洗浄機等に好適に用い
られる。そこで、以下、圧電トランスを例として本発明
の実施の形態について説明することとする。
【００１０】焼成後の圧電セラミックスに圧電特性を生
じさせるための分極処理は、一般的に、処理温度と処理
電界および処理時間の３条件を定めて行われる。ここ
で、圧電セラミックス自体、つまり、圧電材料としての
圧電特性は、通常、板状等の圧電セラミックスの主面に
電極を形成した試料を作製してこの試料を所定の分極条
件の下で分極処理し、分極処理された試料をインピーダ
ンスゲインフェーズアナライザ（以下「インピーダンス
アナライザ」という）等を用いて測定することにより求
められる。
じさせるための分極処理は、一般的に、処理温度と処理
電界および処理時間の３条件を定めて行われる。ここ
で、圧電セラミックス自体、つまり、圧電材料としての
圧電特性は、通常、板状等の圧電セラミックスの主面に
電極を形成した試料を作製してこの試料を所定の分極条
件の下で分極処理し、分極処理された試料をインピーダ
ンスゲインフェーズアナライザ（以下「インピーダンス
アナライザ」という）等を用いて測定することにより求
められる。
【００１１】これに対し、圧電セラミックスを用いた圧
電トランスや超音波モータ等の圧電素子では、所定の形
状に加工等された圧電セラミックスの所定位置に電極を
形成して素子化した後、この電極が分極用電極および駆
動電極として用いられる。従って、このような圧電素子
を用いて圧電特性を測定した場合に得られる圧電特性
は、必ずしも圧電セラミックスの材料自体の圧電特性と
一致しない場合が起こり得る。そこで、本発明において
は、所定形状の圧電セラミックスの所定位置に電極が形
成された圧電素子を用いて測定された圧電特性を基準と
して、得られた圧電特性を示す各パラメータを比較する
ものとする。
電トランスや超音波モータ等の圧電素子では、所定の形
状に加工等された圧電セラミックスの所定位置に電極を
形成して素子化した後、この電極が分極用電極および駆
動電極として用いられる。従って、このような圧電素子
を用いて圧電特性を測定した場合に得られる圧電特性
は、必ずしも圧電セラミックスの材料自体の圧電特性と
一致しない場合が起こり得る。そこで、本発明において
は、所定形状の圧電セラミックスの所定位置に電極が形
成された圧電素子を用いて測定された圧電特性を基準と
して、得られた圧電特性を示す各パラメータを比較する
ものとする。
【００１２】従来、圧電素子の分極処理は、圧電セラミ
ックスを完全な分極状態に近づけるために、一般的に
は、処理温度をキュリー点よりも低い温度であってキュ
リー点に近い温度とし、また圧電素子が絶縁破壊しない
範囲においてできるだけ印加電界を大きくし、さらに圧
電特性がそれ以上の長い時間の分極処理を施しても殆ど
変化しない程度にまで処理時間を長くして行われてい
た。
ックスを完全な分極状態に近づけるために、一般的に
は、処理温度をキュリー点よりも低い温度であってキュ
リー点に近い温度とし、また圧電素子が絶縁破壊しない
範囲においてできるだけ印加電界を大きくし、さらに圧
電特性がそれ以上の長い時間の分極処理を施しても殆ど
変化しない程度にまで処理時間を長くして行われてい
た。
【００１３】そこで、本発明に係る圧電素子の圧電特性
と従来の圧電素子の圧電特性とを比較するために、圧電
素子をほぼ完全な分極状態に近づける基準条件として、
１８０℃において１．５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間
分極処理し、その後にショートした状態で７２時間以上
常温に放置する、という分極条件を設定し、この場合に
得られる圧電特性を従来の圧電素子の基準とする。
と従来の圧電素子の圧電特性とを比較するために、圧電
素子をほぼ完全な分極状態に近づける基準条件として、
１８０℃において１．５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間
分極処理し、その後にショートした状態で７２時間以上
常温に放置する、という分極条件を設定し、この場合に
得られる圧電特性を従来の圧電素子の基準とする。
【００１４】基準条件の温度を１８０℃としたのは、共
振周波数近傍で駆動する圧電素子においては、一般的に
１８０℃よりもキュリー温度が高いハード系と呼ばれる
圧電セラミックスが用いられ、また、分極処理を安全な
シリコン絶縁オイル中で行う場合のシリコン絶縁オイル
の使用上限温度がほぼ１８０℃であることを考慮したも
のである。なお、分極処理は、シリコン絶縁オイル中に
おいて行われなければならないものではなく、例えば、
高温乾燥器等の内部空間を用いて空気中で行ってもよ
い。
振周波数近傍で駆動する圧電素子においては、一般的に
１８０℃よりもキュリー温度が高いハード系と呼ばれる
圧電セラミックスが用いられ、また、分極処理を安全な
シリコン絶縁オイル中で行う場合のシリコン絶縁オイル
の使用上限温度がほぼ１８０℃であることを考慮したも
のである。なお、分極処理は、シリコン絶縁オイル中に
おいて行われなければならないものではなく、例えば、
高温乾燥器等の内部空間を用いて空気中で行ってもよ
い。
【００１５】基準条件の電界強度を１．５ＭＶ／ｍとし
たのは、例えば、電極間距離が２０ｍｍ以上の圧電トラ
ンスのような圧電素子の分極処理においては、この値よ
りも大きな電界強度とすると圧電素子が絶縁破壊する確
率が大きくなるからである。また、基準条件の処理時間
を６０分としたのは、これよりも長い時間の分極処理を
行っても得られる圧電特性は殆ど変化しないからであ
る。さらに、分極処理後に電極間をショートした状態で
７２時間以上常温に放置するとしたのは、分極処理後は
圧電特性が安定しておらず、一定の特性値に落ち着くま
でには一定の時間の経過を必要とするからであり、７２
時間という放置時間はこの圧電特性を安定化させるに十
分な時間と考えられるからである。
たのは、例えば、電極間距離が２０ｍｍ以上の圧電トラ
ンスのような圧電素子の分極処理においては、この値よ
りも大きな電界強度とすると圧電素子が絶縁破壊する確
率が大きくなるからである。また、基準条件の処理時間
を６０分としたのは、これよりも長い時間の分極処理を
行っても得られる圧電特性は殆ど変化しないからであ
る。さらに、分極処理後に電極間をショートした状態で
７２時間以上常温に放置するとしたのは、分極処理後は
圧電特性が安定しておらず、一定の特性値に落ち着くま
でには一定の時間の経過を必要とするからであり、７２
時間という放置時間はこの圧電特性を安定化させるに十
分な時間と考えられるからである。
【００１６】本発明に係る圧電素子は共振周波数近傍に
おいて駆動することから、重要となる圧電特性を示すパ
ラメータとしては、機械的品質係数Ｑｍと厚み−縦電気
機械結合係数Ｋ３３または厚み−横電気機械結合係数Ｋ
３１が挙げられる。ここで、厚み−縦電気機械結合係数
Ｋ３３と厚み−横電気機械結合係数Ｋ３１とは一般的に
正の相関関係にある。つまり、厚み−縦電気機械結合係
数Ｋ３３が大きくなるにつれて厚み−横電気機械結合係
数Ｋ３１も大きくなることが一般的であることから、以
下、電気機械結合係数については厚み−縦電気機械結合
係数Ｋ３３を取り上げることとする。
おいて駆動することから、重要となる圧電特性を示すパ
ラメータとしては、機械的品質係数Ｑｍと厚み−縦電気
機械結合係数Ｋ３３または厚み−横電気機械結合係数Ｋ
３１が挙げられる。ここで、厚み−縦電気機械結合係数
Ｋ３３と厚み−横電気機械結合係数Ｋ３１とは一般的に
正の相関関係にある。つまり、厚み−縦電気機械結合係
数Ｋ３３が大きくなるにつれて厚み−横電気機械結合係
数Ｋ３１も大きくなることが一般的であることから、以
下、電気機械結合係数については厚み−縦電気機械結合
係数Ｋ３３を取り上げることとする。
【００１７】これら機械的品質係数Ｑｍと厚み−縦電気
機械結合係数Ｋ３３の測定は、例えば、インピーダンス
アナライザを用いて測定した共振周波数ｆｒと反共振周
波数ｆａから、下記表１に示した計算式により求めるこ
とができる。
機械結合係数Ｋ３３の測定は、例えば、インピーダンス
アナライザを用いて測定した共振周波数ｆｒと反共振周
波数ｆａから、下記表１に示した計算式により求めるこ
とができる。
【００１８】
【表１】
【００１９】なお、機械的品質係数Ｑｍが大きい材料の
場合には、共振時の抵抗値Ｒ０の測定に誤差を生じやす
いために、半価幅法によって求めた数値の方がより信頼
性が高い。この半価幅法とは、圧電素子に実際に１Ｗ以
上の仕事をさせて、縦軸に出力に関連した項目、例えば
圧電トランスの場合には出力電圧や昇圧比を、超音波モ
ータや超音波洗浄機の場合には振幅や速度、トルク等を
取り、横軸に駆動周波数を取ったグラフを描き、そのと
きの縦軸がピークとなる周波数を共振周波数ｆｒとし、
そのピーク高さの半分になる周波数の高い方をｆＨ、低
い方をｆＬとして、前記表１に併記した式により求めら
れる。
場合には、共振時の抵抗値Ｒ０の測定に誤差を生じやす
いために、半価幅法によって求めた数値の方がより信頼
性が高い。この半価幅法とは、圧電素子に実際に１Ｗ以
上の仕事をさせて、縦軸に出力に関連した項目、例えば
圧電トランスの場合には出力電圧や昇圧比を、超音波モ
ータや超音波洗浄機の場合には振幅や速度、トルク等を
取り、横軸に駆動周波数を取ったグラフを描き、そのと
きの縦軸がピークとなる周波数を共振周波数ｆｒとし、
そのピーク高さの半分になる周波数の高い方をｆＨ、低
い方をｆＬとして、前記表１に併記した式により求めら
れる。
【００２０】上述した基準条件により図１に示した積層
型の圧電トランス１０を分極処理し、その厚み−縦電気
機械結合係数Ｋ３３をインピーダンスアナライザを用い
て表１に示した計算式により求め、また、その機械的品
質係数Ｑｍを半価幅法（出力２Ｗ、疑似負荷抵抗１００
ｋΩ）により求めた。さらに１００ｋΩの抵抗を疑似負
荷抵抗として接続して２Ｗの出力としたときの昇圧比と
効率を求めた。こうして得られた各種数値を表２の「基
準試料」の欄に示す。
型の圧電トランス１０を分極処理し、その厚み−縦電気
機械結合係数Ｋ３３をインピーダンスアナライザを用い
て表１に示した計算式により求め、また、その機械的品
質係数Ｑｍを半価幅法（出力２Ｗ、疑似負荷抵抗１００
ｋΩ）により求めた。さらに１００ｋΩの抵抗を疑似負
荷抵抗として接続して２Ｗの出力としたときの昇圧比と
効率を求めた。こうして得られた各種数値を表２の「基
準試料」の欄に示す。
【００２１】
【表２】
【００２２】ここで、圧電トランス１０は長さが３５ｍ
ｍ、厚みが２ｍｍ、幅が７ｍｍの形状を有し、長さ方向
の半分の一方（駆動側）が２５層の積層構造となってい
る。また、長さ方向の半分の他方（出力側）の電極１１
ｃと駆動側の電極１１ａ・１１ｂとの間で出力側の分極
処理を行った後に電極１１ａと電極１１ｂとの間で駆動
側の分極処理を行い、圧電トランス１０の機械的品質係
数Ｑｍおよび厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３の測定は
駆動側の電極１１ａ・１１ｂを用いて行った。
ｍ、厚みが２ｍｍ、幅が７ｍｍの形状を有し、長さ方向
の半分の一方（駆動側）が２５層の積層構造となってい
る。また、長さ方向の半分の他方（出力側）の電極１１
ｃと駆動側の電極１１ａ・１１ｂとの間で出力側の分極
処理を行った後に電極１１ａと電極１１ｂとの間で駆動
側の分極処理を行い、圧電トランス１０の機械的品質係
数Ｑｍおよび厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３の測定は
駆動側の電極１１ａ・１１ｂを用いて行った。
【００２３】このような基準条件により分極処理した圧
電トランス（基準試料）に対して、分極処理温度と分極
処理電界強度および分極処理後の放置時間については基
準条件と同じ１８０℃、１．５ＭＶ／ｍ、７２時間と
し、分極処理時間を１分、２分、５分、１０分、２０
分、３０分とした圧電トランス（試料１〜試料６）を作
製し、機械的品質係数Ｑｍ等を求めた結果を表２に併記
する。
電トランス（基準試料）に対して、分極処理温度と分極
処理電界強度および分極処理後の放置時間については基
準条件と同じ１８０℃、１．５ＭＶ／ｍ、７２時間と
し、分極処理時間を１分、２分、５分、１０分、２０
分、３０分とした圧電トランス（試料１〜試料６）を作
製し、機械的品質係数Ｑｍ等を求めた結果を表２に併記
する。
【００２４】表２から明らかなように、厚み−縦電気機
械結合係数Ｋ３３については、分極処理時間が長くなる
ほど大きな値となっており、基準試料においてもっとも
大きな値を示しているが、一方、機械的品質係数Ｑｍに
ついては分極処理時間が長くなるにしたがって小さくな
っており、基準試料においてもっとも小さな値を示して
いる。
械結合係数Ｋ３３については、分極処理時間が長くなる
ほど大きな値となっており、基準試料においてもっとも
大きな値を示しているが、一方、機械的品質係数Ｑｍに
ついては分極処理時間が長くなるにしたがって小さくな
っており、基準試料においてもっとも小さな値を示して
いる。
【００２５】この結果は以下のように考えることができ
る。すなわち、分極の過程においては、最初に自発分極
が分極電界の向きとは逆方向に向いている１８０度ドメ
インの分極の向きがほぼ分極電界の向きに揃う１８０度
ドメインのスイッチングが支配的に起こり、この１８０
度ドメインのスイッチングより遅れて、分極電界の向き
とはほぼ垂直方向に自発分極が向いている９０度ドメイ
ンの分極の向きがほぼ分極電界の向きに揃う９０度ドメ
インのスイッチングが起こると言われている。
る。すなわち、分極の過程においては、最初に自発分極
が分極電界の向きとは逆方向に向いている１８０度ドメ
インの分極の向きがほぼ分極電界の向きに揃う１８０度
ドメインのスイッチングが支配的に起こり、この１８０
度ドメインのスイッチングより遅れて、分極電界の向き
とはほぼ垂直方向に自発分極が向いている９０度ドメイ
ンの分極の向きがほぼ分極電界の向きに揃う９０度ドメ
インのスイッチングが起こると言われている。
【００２６】ここで、１８０度ドメインのスイッチング
は結晶方位の変化を伴わないために、１８０度ドメイン
のスイッチング後に分極電界を除いた場合には、圧電体
の内部に機械的な歪みや応力は残留しない。しかし、こ
のような状態では殆どの９０度ドメインはスイッチング
していないことから、分極は不飽和の状態にある。分極
処理時間を長くすると、１８０度ドメインのスイッチン
グに続いて９０度ドメインのスイッチングが起こって分
極は飽和状態に近づくが、この９０度ドメインのスイッ
チングにおいては、結晶学的に分極処理前にはａ軸また
はｂ軸だった結晶軸がより長いｃ軸に変化するため、圧
電体内部に機械的な歪みが発生して、この歪みは分極電
界を除いた後にも残留する。
は結晶方位の変化を伴わないために、１８０度ドメイン
のスイッチング後に分極電界を除いた場合には、圧電体
の内部に機械的な歪みや応力は残留しない。しかし、こ
のような状態では殆どの９０度ドメインはスイッチング
していないことから、分極は不飽和の状態にある。分極
処理時間を長くすると、１８０度ドメインのスイッチン
グに続いて９０度ドメインのスイッチングが起こって分
極は飽和状態に近づくが、この９０度ドメインのスイッ
チングにおいては、結晶学的に分極処理前にはａ軸また
はｂ軸だった結晶軸がより長いｃ軸に変化するため、圧
電体内部に機械的な歪みが発生して、この歪みは分極電
界を除いた後にも残留する。
【００２７】こうして、分極処理時間が経過して分極が
進行するにつれて、厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３は
大きくなり、やがて分極が飽和に近づくとともに一定値
に落ち着くが、同時に圧電体内部における機械的な歪み
が大きくなっていくために機械的品質係数Ｑｍは小さく
なる。共振周波数近傍において駆動する圧電トランス１
０の昇圧比や効率といった特性には、厚み−縦電気機械
結合係数Ｋ３３よりも機械的品質係数Ｑｍが非常に大き
く影響するため、分極を飽和状態に近づけると、厚み−
縦電気機械結合係数Ｋ３３の増加による正の効果より
も、機械的品質係数Ｑｍの減少による負の効果の方が強
く現れるようになる。つまり、結果として圧電体の分極
を飽和状態に近づけることは圧電トランスの特性を低下
させることにつながるものと考えられる。
進行するにつれて、厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３は
大きくなり、やがて分極が飽和に近づくとともに一定値
に落ち着くが、同時に圧電体内部における機械的な歪み
が大きくなっていくために機械的品質係数Ｑｍは小さく
なる。共振周波数近傍において駆動する圧電トランス１
０の昇圧比や効率といった特性には、厚み−縦電気機械
結合係数Ｋ３３よりも機械的品質係数Ｑｍが非常に大き
く影響するため、分極を飽和状態に近づけると、厚み−
縦電気機械結合係数Ｋ３３の増加による正の効果より
も、機械的品質係数Ｑｍの減少による負の効果の方が強
く現れるようになる。つまり、結果として圧電体の分極
を飽和状態に近づけることは圧電トランスの特性を低下
させることにつながるものと考えられる。
【００２８】しかしながら、機械的品質係数Ｑｍが幾ら
大きくとも、厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３が極端に
小さければ良好な駆動特性を得ることはできず、良好な
駆動特性を示す圧電トランスを得るためには、機械的品
質係数Ｑｍの大きさと厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３
の大きさとのバランスを良好に保つことが必要と考えら
れる。
大きくとも、厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３が極端に
小さければ良好な駆動特性を得ることはできず、良好な
駆動特性を示す圧電トランスを得るためには、機械的品
質係数Ｑｍの大きさと厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３
の大きさとのバランスを良好に保つことが必要と考えら
れる。
【００２９】表２に示される各試料の中で、その機械的
品質係数Ｑｍが基準試料の機械的品質係数Ｑｍの１２０
％以上の値を示している試料１〜試料５は、基準試料よ
りも約２０％以上の高い昇圧比を示しており、圧電トラ
ンスの駆動特性を大きく向上させている。さらに厚み−
縦電気機械結合係数Ｋ３３が基準試料の厚み−縦電気機
械結合係数Ｋ３３の６０％以上９０％以下の値を示して
いる試料２〜試料５では、効率が９０％を越え、さらに
好ましい駆動特性を実現している。逆に言えば、機械的
品質係数Ｑｍと厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３がこの
ような条件を満足するように分極処理を行うことによ
り、従来と同じ圧電セラミックスを用いた圧電トランス
であっても、その駆動特性を大きく向上させることが可
能となる。
品質係数Ｑｍが基準試料の機械的品質係数Ｑｍの１２０
％以上の値を示している試料１〜試料５は、基準試料よ
りも約２０％以上の高い昇圧比を示しており、圧電トラ
ンスの駆動特性を大きく向上させている。さらに厚み−
縦電気機械結合係数Ｋ３３が基準試料の厚み−縦電気機
械結合係数Ｋ３３の６０％以上９０％以下の値を示して
いる試料２〜試料５では、効率が９０％を越え、さらに
好ましい駆動特性を実現している。逆に言えば、機械的
品質係数Ｑｍと厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３がこの
ような条件を満足するように分極処理を行うことによ
り、従来と同じ圧電セラミックスを用いた圧電トランス
であっても、その駆動特性を大きく向上させることが可
能となる。
【００３０】以上、本発明の圧電素子の実施の形態とし
て、圧電トランスを例として説明してきたが、前述した
ように、本発明の圧電素子は、超音波モータや超音波洗
浄機、さらにはソナーやセンサ等に用いられる各種の超
音波発信源として用いることができる。また、上記実施
の形態では圧電素子の分極処理時間を変えることで圧電
セラミックスの分極状態を調節したが、圧電セラミック
スの分極状態の調節はこのような方法に限定されるもの
ではなく、機械的品質係数Ｑｍと厚み−縦電気機械結合
係数Ｋ３３が所定の条件を満足する限りにおいて、分極
処理の温度、電界強度、時間のいずれを変えて行っても
よく、当然に用いる圧電セラミックスの材料特性に応じ
て好適な分極条件を用いればよい。なお、圧電素子に用
いられる圧電体は圧電セラミックスに限定されるもので
はなく、高分子圧電体等の他の圧電体であっても構わな
い。
て、圧電トランスを例として説明してきたが、前述した
ように、本発明の圧電素子は、超音波モータや超音波洗
浄機、さらにはソナーやセンサ等に用いられる各種の超
音波発信源として用いることができる。また、上記実施
の形態では圧電素子の分極処理時間を変えることで圧電
セラミックスの分極状態を調節したが、圧電セラミック
スの分極状態の調節はこのような方法に限定されるもの
ではなく、機械的品質係数Ｑｍと厚み−縦電気機械結合
係数Ｋ３３が所定の条件を満足する限りにおいて、分極
処理の温度、電界強度、時間のいずれを変えて行っても
よく、当然に用いる圧電セラミックスの材料特性に応じ
て好適な分極条件を用いればよい。なお、圧電素子に用
いられる圧電体は圧電セラミックスに限定されるもので
はなく、高分子圧電体等の他の圧電体であっても構わな
い。
【００３１】
【発明の効果】上述の通り、本発明の圧電素子は、圧電
素子に用いられる圧電体自体は従来のものと変わりなく
とも、機械的品質係数Ｑｍが高められているために、共
振周波数近傍で駆動する際に従来よりも高い素子特性が
得られ、こうして圧電素子を用いた各種デバイスの高性
能化が実現されるという優れた効果を奏する。
素子に用いられる圧電体自体は従来のものと変わりなく
とも、機械的品質係数Ｑｍが高められているために、共
振周波数近傍で駆動する際に従来よりも高い素子特性が
得られ、こうして圧電素子を用いた各種デバイスの高性
能化が実現されるという優れた効果を奏する。
【図１】積層型圧電トランスの概略構造を示す斜視図。
１０；圧電トランス １１ａ〜１１ｃ；電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡邉 雅幸 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 太平洋 セメント株式会社内 (72)発明者 福永 了一 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 太平洋 セメント株式会社内 (72)発明者 関 順子 千葉県佐倉市大作二丁目４番２号 太平洋 セメント株式会社内 Ｆターム(参考） 5H680 BB01 DD23 DD26 DD39 GG41
Claims (3)
- 【請求項１】 機械的品質係数Ｑｍが、１８０℃で１．
５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間分極した後にショート
した状態で７２時間以上常温に放置された場合の機械的
品質係数Ｑｍ´の１２０％以上の値を有することを特徴
とする圧電素子。 - 【請求項２】 厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３が、１
８０℃で１．５ＭＶ／ｍの電界強度で６０分間分極した
後にショートした状態で７２時間以上常温に放置された
場合の厚み−縦電気機械結合係数Ｋ３３´の６０％以上
９０％以下の値を有することを特徴とする請求項１に記
載の圧電素子。 - 【請求項３】 圧電トランスまたは超音波モータの駆動
素子として用いられることを特徴とする請求項１または
請求項２に記載の圧電素子。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001031726A JP4733839B2 (ja) | 2001-02-08 | 2001-02-08 | 圧電素子の分極方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001031726A JP4733839B2 (ja) | 2001-02-08 | 2001-02-08 | 圧電素子の分極方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002237624A true JP2002237624A (ja) | 2002-08-23 |
| JP4733839B2 JP4733839B2 (ja) | 2011-07-27 |
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|---|---|---|---|
| JP2001031726A Expired - Fee Related JP4733839B2 (ja) | 2001-02-08 | 2001-02-08 | 圧電素子の分極方法 |
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| JP (1) | JP4733839B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006500787A (ja) * | 2002-09-27 | 2006-01-05 | エプコス アクチエンゲゼルシャフト | Ｃｕ内部電極を備えた圧電トランス |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000327419A (ja) * | 1999-05-20 | 2000-11-28 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器材料およびそれを用いて得られた圧電磁器焼結体 |
| JP2001328864A (ja) * | 2000-05-16 | 2001-11-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 低温焼成圧電磁器組成物及び圧電トランス |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3103165B2 (ja) * | 1991-10-15 | 2000-10-23 | 太平洋セメント株式会社 | 圧電体の製造方法 |
| JPH06191940A (ja) * | 1992-12-28 | 1994-07-12 | Toshiba Ceramics Co Ltd | 酸化物圧電材料 |
| JP3230316B2 (ja) * | 1993-02-23 | 2001-11-19 | 株式会社大真空 | 圧電トランスの製造方法 |
| JPH06342946A (ja) * | 1993-05-31 | 1994-12-13 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 圧電素子の再生方法 |
| JPH1012943A (ja) * | 1996-06-27 | 1998-01-16 | Nec Corp | 圧電トランス |
| JPH11228223A (ja) * | 1998-02-10 | 1999-08-24 | Toto Ltd | 磁器組成物及びそれよりなる圧電トランス |
-
2001
- 2001-02-08 JP JP2001031726A patent/JP4733839B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000327419A (ja) * | 1999-05-20 | 2000-11-28 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電磁器材料およびそれを用いて得られた圧電磁器焼結体 |
| JP2001328864A (ja) * | 2000-05-16 | 2001-11-27 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 低温焼成圧電磁器組成物及び圧電トランス |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006500787A (ja) * | 2002-09-27 | 2006-01-05 | エプコス アクチエンゲゼルシャフト | Ｃｕ内部電極を備えた圧電トランス |
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| JP4733839B2 (ja) | 2011-07-27 |
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