JPH05102282A - Method and apparatus for evaluating piezoelectric material - Google Patents
Method and apparatus for evaluating piezoelectric materialInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は圧電材料の評価方法およ
びその装置に係り、特に圧電材料の単体である圧電材料
ペレットを評価対象とした圧電材料の評価方法およびそ
の装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric material evaluation method and apparatus, and more particularly to a piezoelectric material evaluation method and apparatus for evaluating piezoelectric material pellets, which are individual piezoelectric materials.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の圧電材料の評価方法では、例え
ば、圧電材料一枚の単体に銀（Ag）ペーストを塗布して
焼き付けたものを圧電材料単体の厚さ方向に１０枚程度
積層し、層間をAgペーストで焼き付けて接着し、更に積
層された圧電材料単体夫々を電気的に並列に接続して形
成した圧電材料の積層体（圧電材料スタック）を圧電材
料の評価対象として使用している（日本セラミックス協
会 1989年秋季シンポジウム 資料5-1A12「ＰＺＴ系圧
電セラミックスの圧縮応力に対する耐久性」）。そして
例えば耐久性の試験では、上記構成の圧電材料スタック
（以下、単にスタックという）の軸方向（圧電材料単体
の厚さ方向）に一定圧力を付加してスタックにパルス状
の電圧を周期的に印加すると、スタック内に圧縮応力が
周期的に発生する。そして、適当なパルス数の時点で印
加パルス数とスタックが発生する最大発生力との関係を
求めて行くことによりスタックの経時的な最大発生力の
低下、即ち耐久性を評価していた。2. Description of the Related Art In a conventional piezoelectric material evaluation method, for example, a single piezoelectric material is coated with silver (Ag) paste and baked, and about 10 piezoelectric materials are laminated in the thickness direction. Piezoelectric material stacks (piezoelectric material stacks) formed by baking layers of Ag paste and bonding them together and then electrically connecting the individual laminated piezoelectric materials in parallel are used as the evaluation target for piezoelectric materials. (The Ceramic Society of Japan 1989 Autumn Symposium, Document 5-1A12, "Durability of PZT Piezoelectric Ceramics to Compressive Stress"). Then, for example, in a durability test, a constant pressure is applied in the axial direction (thickness direction of a single piezoelectric material) of the piezoelectric material stack (hereinafter, simply referred to as a stack) having the above-mentioned configuration to periodically apply a pulsed voltage to the stack. When applied, a compressive stress is periodically generated in the stack. Then, the relationship between the number of applied pulses and the maximum generated force generated by the stack is calculated at an appropriate number of pulses to evaluate the decrease in the maximum generated force of the stack over time, that is, the durability.
【０００３】上記の如く、従来の圧電材料の評価方法で
は圧電材料単体を複数枚積層したスタック全体を評価対
象としていた。圧電材料は一般に上記の如く圧電材料単
体を複数枚積層して変位量または発生力を高めることに
より精密アクチュエータとして利用される場合が多く、
従って、従来の評価方法によりアクチュエータとしての
耐久性やその他の特性を得ることができる。As described above, in the conventional piezoelectric material evaluation method, the entire stack in which a plurality of single piezoelectric materials are laminated is used as an evaluation target. Generally, a piezoelectric material is often used as a precision actuator by laminating a plurality of single piezoelectric materials as described above to increase the displacement amount or the generated force,
Therefore, the durability and other characteristics of the actuator can be obtained by the conventional evaluation method.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】従来の圧電材料の評価
方法では、上記の如く圧電材料単体を複数枚積層したス
タックの特性を得ることができるものの、圧電材料単体
のみの特性変化を把握することは困難である。即ち、従
来の評価方法における特性変化には、スタック全体の
形状、圧電材料単体の上下面に装着される電極材料、
インシュレータ、シムおよび接着剤（Agペースト等）、
積層時のずれによる応力集中、試験中のスタックに
おける温度分布のばらつき等、圧電材料単体以外の構成
部分の影響が多分に含まれており、圧電材料単体のみの
特性変化を把握することは困難である。このため、圧電
材料開発へのフィードバックが少なく高性能な圧電材料
の開発を遅らせる要因となっている。In the conventional method for evaluating a piezoelectric material, the characteristics of a stack in which a plurality of piezoelectric material units are laminated as described above can be obtained, but it is necessary to grasp the characteristic change of only the piezoelectric material unit. It is difficult. That is, the characteristic changes in the conventional evaluation method include the shape of the entire stack, the electrode materials mounted on the upper and lower surfaces of the piezoelectric material alone,
Insulators, shims and adhesives (Ag paste etc.),
The influence of components other than the piezoelectric material alone, such as stress concentration due to misalignment during stacking and variations in temperature distribution in the stack during the test, is included in many cases, and it is difficult to understand the characteristic changes of the piezoelectric material alone. is there. Therefore, there is little feedback to the development of piezoelectric materials, which is a factor that delays the development of high-performance piezoelectric materials.
【０００５】そこで本発明は上記課題に鑑みなされたも
ので、圧電材料単体を取り出して、且つ圧電材料スタッ
クとを同一条件で試験することにより、圧電材料スタッ
ク内における圧電材料単体のみの特性変化の評価を可能
とした圧電材料の評価方法およびその装置を提供するこ
とを目的とする。Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and by taking out the piezoelectric material single body and testing the same with the piezoelectric material stack, the characteristic change of only the piezoelectric material single body in the piezoelectric material stack can be obtained. An object of the present invention is to provide a piezoelectric material evaluation method and an apparatus for the evaluation, which enables evaluation.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、圧電材料単体を前記圧電材料単体
の厚さ方向に複数枚積層して形成した圧電材料スタック
と、前記圧電材料単体である圧電材料ペレットとを、前
記圧電材料単体の厚さ方向に沿う中心軸を合わせて重ね
て配置すると共に、前記圧電材料スタックと前記圧電材
料ペレットに印加される圧力および温度条件を同一と
し、前記圧電材料スタックへの印加電圧を周期的に制御
して前記圧電材料スタックを周期的に前記中心軸方向に
伸縮せしめると共に、前記圧電材料スタックと同一周期
で前記圧電材料ペレットの印加電圧を制御せしめて、前
記圧電材料ペレットを周期的に前記中心軸方向に伸縮せ
しめ、所定回数の伸縮後に前記圧電材料ペレットを取り
出して、その特性を評価する構成である。In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is a piezoelectric material stack formed by laminating a plurality of piezoelectric material single bodies in a thickness direction of the piezoelectric material single body, and the piezoelectric material stack. A piezoelectric material pellet, which is a single material, is arranged so as to overlap with each other with the central axes along the thickness direction of the piezoelectric material alone, and the pressure and temperature conditions applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet are the same. The applied voltage to the piezoelectric material stack is cyclically controlled to periodically expand and contract the piezoelectric material stack in the direction of the central axis, and the applied voltage to the piezoelectric material pellets is applied in the same cycle as the piezoelectric material stack. By controlling, the piezoelectric material pellets are periodically expanded and contracted in the central axis direction, and after the expansion and contraction of a predetermined number of times, the piezoelectric material pellets are taken out, Is worth configuration.
【０００７】請求項１の発明を実現するために請求項２
の発明は、圧電材料単体が前記圧電材料単体の厚さ方向
に複数枚積層されて形成されており、前記圧電材料単体
である圧電材料ペレットに対して前記圧電材料単体の厚
さ方向に沿う中心軸を合わせて重ねて配置され、前記圧
電材料ペレットを前記中心軸方向に加振させる圧電材料
スタックと、前記圧電材料スタックに所定電圧を周期的
に印加して前記圧電材料スタックを周期的に前記中心軸
方向に伸縮せしめる第１のドライバー回路と、前記圧電
材料ペレットに所定電圧を周期的に印加して前記圧電材
料ペレットを周期的に前記中心軸方向に伸縮せしめる第
２のドライバー回路と、前記第１のドライバー回路およ
び前記第２のドライバー回路夫々から前記圧電材料スタ
ックおよび前記圧電材料ペレット夫々に印加する電圧を
同期させる同期手段とを備えてなる構成である。In order to realize the invention of claim 1, claim 2
In the invention, a single piezoelectric material is formed by laminating a plurality of piezoelectric materials in the thickness direction of the single piezoelectric material, and a center of the piezoelectric material single body along the thickness direction with respect to a piezoelectric material pellet that is the single piezoelectric material. Piezoelectric material stacks arranged so that their axes are aligned and vibrating the piezoelectric material pellets in the direction of the central axis, and a predetermined voltage is periodically applied to the piezoelectric material stacks to periodically form the piezoelectric material stacks. A first driver circuit that expands and contracts in the central axis direction; a second driver circuit that cyclically expands and contracts the piezoelectric material pellets in the central axis direction by periodically applying a predetermined voltage to the piezoelectric material pellets; Synchronous hand for synchronizing the voltages applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet from the first driver circuit and the second driver circuit, respectively. DOO is provided comprising configure.
【０００８】[0008]
【作用】請求項１の発明において、圧電材料スタックと
圧電材料ペレットに印加される圧力および温度条件を同
一とすることにより、圧電材料ペレットを、圧力条件お
よび温度条件において圧電材料スタック内の圧電材料単
体と同一環境下に設定できる。また、圧電材料スタック
と圧電材料ペレットとを圧電材料単体の厚さ方向に沿う
中心軸を合わせて重ねて配置すると共に、圧電材料スタ
ックの伸縮と同一周期で圧電材料ペレットを周期的に前
記中心軸方向に伸縮せしめることにより、中心軸方向の
圧力変動において、圧電材料ペレットを圧電材料スタッ
ク内の圧電材料単体と同一負荷状態に設定できる。圧電
材料ペレットの所定回数の伸縮後に圧電材料ペレットを
取り出してその特性を評価することにより、圧電スタッ
ク内の圧電材料単体としての特性を正確に得ることがで
きる。According to the first aspect of the invention, the pressure and temperature conditions applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellets are the same, so that the piezoelectric material pellets can be formed in the piezoelectric material stack under the pressure and temperature conditions. Can be set in the same environment as a single unit. In addition, the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet are arranged so as to be overlapped with each other so that the central axes along the thickness direction of the piezoelectric material unit are aligned with each other, and the piezoelectric material pellets are cyclically arranged at the same cycle as the expansion and contraction of the piezoelectric material stack. By expanding and contracting in the direction, the piezoelectric material pellet can be set to the same load state as the single piezoelectric material in the piezoelectric material stack in the pressure fluctuation in the central axis direction. By taking out the piezoelectric material pellet after a predetermined number of times of expansion and contraction of the piezoelectric material pellet and evaluating the characteristics thereof, the characteristics of the piezoelectric material simple substance in the piezoelectric stack can be accurately obtained.
【０００９】請求項２の発明において、第１のドライバ
ー回路および第２のドライバー回路夫々は、同期手段に
より夫々の周期が同一とされた状態で、所定電圧を圧電
材料スタックおよび圧電材料ペレットに印加する。従っ
て、圧電材料スタックが圧電材料ペレットを加振するの
と同じ周期で、圧電材料ペレットはペレット自体が中心
軸方向に収縮する。このため、圧電材料ペレットの荷重
条件は、圧電材料スタック内の圧電材料単体と同一状態
となる。In a second aspect of the present invention, the first driver circuit and the second driver circuit respectively apply a predetermined voltage to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet in a state where their respective periods are made equal by the synchronizing means. To do. Therefore, at the same period as the piezoelectric material stack vibrates the piezoelectric material pellet, the piezoelectric material pellet itself contracts in the central axis direction. Therefore, the load condition of the piezoelectric material pellet is the same as that of the single piezoelectric material in the piezoelectric material stack.
【００１０】[0010]
【実施例】図１は本発明になる圧電材料の評価装置の一
実施例の構成図を示す。FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a piezoelectric material evaluation apparatus according to the present invention.
【００１１】図１において、１は評価対象である圧電材
料単体（これを圧電材料ペレット２または単にペレット
２と称する）のセット治具であり、同図に示すように後
述する油圧ポンプ２０、ドライバー回路３０、電源４
０、アンプ５０、発振器６０、チャージアンプ７０、オ
シロスコープ８０、評価装置全体を制御する制御装置９
０と共に圧電材料の評価装置１００を構成している。In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a jig for setting a single piezoelectric material to be evaluated (this is referred to as a piezoelectric material pellet 2 or simply pellet 2). As shown in the drawing, a hydraulic pump 20 and a driver, which will be described later, are provided. Circuit 30, power supply 4
0, amplifier 50, oscillator 60, charge amplifier 70, oscilloscope 80, control device 9 for controlling the entire evaluation device
0 constitutes the piezoelectric material evaluation apparatus 100.
【００１２】図２は図１における圧電材料ペレットのセ
ット治具１の正面図である。FIG. 2 is a front view of the piezoelectric material pellet setting jig 1 in FIG.
【００１３】図２において、３はセット治具１のフレー
ムであり、フレーム３の上部にはクランピングバルブ４
を接合した油圧シリンダ５がナット５ａにより固定され
ている。クランピングバルブ４には図１に示す油圧ポン
プ２０に接続された油圧ホース２１が接続されている。
この油圧シリンダ５は下部に油圧ポンプ２０からの油圧
により、上下方向（Ｚ1 −Ｚ2 方向）に変位する可動部
５ｂが設けられている。In FIG. 2, reference numeral 3 is a frame of the setting jig 1, and a clamping valve 4 is provided above the frame 3.
The hydraulic cylinder 5 joined to is fixed by a nut 5a. A hydraulic hose 21 connected to the hydraulic pump 20 shown in FIG. 1 is connected to the clamping valve 4.
The hydraulic cylinder 5 is provided at its lower portion with a movable portion 5b that is displaced in the vertical direction (Z 1 -Z 2 direction) by the hydraulic pressure from the hydraulic pump 20.
【００１４】可動部５ｂの下部には、加振器としての圧
電材料スタック（以下、単にスタックという）６が軸方
向を上下方向に合わせて配置されている。図３はスタッ
ク６の主要部の構成を説明する図である。スタック６
は、同図（Ｂ）に示すように、圧電材料単体であるペレ
ット６ａの上下両面にステンレス（SUS304H ）による電
極板６ｂ-1，６ｂ-2を配置し、電極板６ｂ-1，６ｂ-2の
ペレット６ａの反対側に絶縁体であるインシュレータ６
ｃを夫々配置した単位積層体を、金属ダミー６ｄを挟ん
で同図（Ａ）に示すように夫々の形状を合わせて複数重
ねて積層した構成である。上記各積層部材６ａ，６
ｂ-1，６ｂ-2，６ｃ，６ｄ夫々は接着剤により接着され
ている。スタック６の複数のペレット６ａの上側に配置
されている複数の電極板６ｂ-1夫々は電線６ｅにより並
列に電気的に接続されており、また、ペレット６ａの下
側に配置されている電極板６ｂ-2夫々も電線６ｆにより
同様に並列に接続されている。A piezoelectric material stack (hereinafter, simply referred to as a stack) 6 as a vibration exciter is arranged below the movable portion 5b with its axial direction aligned with the vertical direction. FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a main part of the stack 6. Stack 6
As shown in FIG. (B), the piezoelectric material alone is a electrode plate 6b by stainless (SUS304H) on the upper and lower surfaces of the pellets 6a -1, arranged 6b -2, the electrode plate 6b -1, 6b -2 Insulator 6 which is an insulator on the opposite side of the pellet 6a
This is a configuration in which a plurality of unit laminated bodies in each of which c is arranged are laminated so as to match the respective shapes with the metal dummy 6d interposed therebetween as shown in FIG. Each of the above laminated members 6a, 6
b- 1 , 6b- 2 , 6c, and 6d are adhered by an adhesive. The plurality of electrode plates 6b -1 arranged above the plurality of pellets 6a of the stack 6 are electrically connected in parallel by electric wires 6e, and the electrode plates arranged below the pellets 6a. Similarly, each of 6b -2 is also connected in parallel by an electric wire 6f.
【００１５】従って、電線６ｅ，６ｆに所定電圧を印加
すると電極板６ｂ-1，６ｂ-2間に電界が発生し、ペレッ
ト６ａが厚さ方向に膨張する。尚、本実施例の圧電材料
単体である上記ペレット６ａは、圧電素子として周知で
ある多成分系圧電セラミックス（Pb（Zr0.3Ti0.7）O3・
Pb（Ni1/3Nb2/3）O3）が使用されている。Therefore, when a predetermined voltage is applied to the electric wires 6e and 6f, an electric field is generated between the electrode plates 6b- 1 and 6b- 2 , and the pellet 6a expands in the thickness direction. Incidentally, the pellets 6a is a piezoelectric material alone in this embodiment, multi-component piezoelectric ceramic is well known as a piezoelectric element (Pb (Zr 0.3 Ti 0.7) O 3 ·
Pb (Ni 1/3 Nb 2/3 ) O 3 ) is used.
【００１６】上記構成のスタック６と油圧シリンダ５の
可動部５ｂとの接続部には、シリンダプレート５ｃ、ス
ペリカルサーフェス７ａ、スペリカルロア７ｂが設けら
れており、スペリカルサーフェス７ａ、スペリカルロア
７ｂが有する球面座により、スタック６の下方に設けら
れる上記ペレット２への偏荷重を防止している。A cylinder plate 5c, a spurical surface 7a, and a sperical lower 7b are provided at a connecting portion between the stack 6 having the above structure and the movable portion 5b of the hydraulic cylinder 5, and the spherical surface of the sperical surface 7a and the spelled lower 7b is provided. The seat prevents an unbalanced load on the pellet 2 provided below the stack 6.
【００１７】スタック６の下方には、セッターアッパ
８、ジルコニア焼結体によるインシュレータ９を介して
ペレット２を挟持するセッター１０，１１が設けられて
いる。下側のセッター１１の下部には、上記インシュレ
ータ９同様にジルコニア焼結体により形成されたインシ
ュレータ１２、セッターロア１３を介して圧力センサ１
４が設けられている。圧力センサ１４はセッターロア１
３の下面とフレーム３の下部部材３ｂの上面３ｃに挟装
されている。また、セッターロア１３の下部には棒状の
案内部材１３ａが形成されており、この案内部材１３ａ
がフレーム３の下部部材３ｂに形成された案内孔３ｄに
挿入されることにより、セッターロア１３、即ち下側の
セッター１１が軸方向（Ｚ1 −Ｚ2 方向）以外に変位す
ることを防止している。Below the stack 6, setter upper 8 and setters 10 and 11 for sandwiching the pellet 2 via an insulator 9 made of a zirconia sintered body are provided. Below the lower setter 11, the pressure sensor 1 is provided via an insulator 12 and a setter lower 13 which are formed of a zirconia sintered body like the insulator 9 described above.
4 are provided. The pressure sensor 14 is a setter lower 1.
It is sandwiched between the lower surface 3 and the upper surface 3c of the lower member 3b of the frame 3. Further, a rod-shaped guide member 13a is formed in the lower portion of the setter lower 13, and this guide member 13a
Is inserted into a guide hole 3d formed in the lower member 3b of the frame 3 to prevent the setter lower 13, that is, the lower setter 11 from being displaced in a direction other than the axial direction (Z 1 -Z 2 direction). There is.
【００１８】セッター１０，１１の間には、上記の如く
評価対象であるペレット２が電極板１５ａ，１５ｂを介
して挟持される。このペレット２は上記スタック６のペ
レット６ａと同一材質、同一形状のものであり、また、
電極板１５ａ，１５ｂ夫々も上記電極板６ｂ-1，６ｂ-2
と同一材質、同一形状のものである。ペレット２へ電圧
を印加するための電線（図示せず）は上記セッター１
０，１１に夫々接続され、ペレット２への電圧および圧
力の印加はセッター１０，１１、電極板１５ａ，１５ｂ
を介して行われる。インシュレータ９，１２はセッター
１０，１１とセッターアッパ８およびセッターロア１３
との間の電気的絶縁を行うために設けられている。As described above, the pellet 2 to be evaluated is sandwiched between the setters 10 and 11 via the electrode plates 15a and 15b. The pellet 2 is made of the same material and has the same shape as the pellet 6a of the stack 6, and
The electrode plates 15a and 15b are also the electrode plates 6b- 1 and 6b- 2, respectively.
The same material and shape as. The electric wire (not shown) for applying a voltage to the pellet 2 is the setter 1 described above.
0 and 11 are respectively connected, and the voltage and pressure are applied to the pellet 2 by the setters 10 and 11 and the electrode plates 15a and 15b.
Done through. The insulators 9 and 12 are the setters 10 and 11, the setter upper 8 and the setter lower 13 respectively.
It is provided to provide electrical insulation between and.
【００１９】ここで、ペレット２と電極板１５ａ，１５
ｂとの接触面は、ペレット２への傷付防止、応力集中防
止の観点より寸法交差、平面度、面粗度が重要である。
本実施例では、ペレット２の寸法交差がφ15+0 -0.05 で
あることを考慮して、セッター１０，１１の寸法交差は
φ15 +0.05 +0.02 、平面度0.02mm、面粗度0.8Zに設定し
ている。また、電極板１５ａ，１５ｂの寸法交差はφ15
-0.05 -1に設定している。更に、電極板１５ａ，１５ｂ
の製造においてはエッチングにより一枚のプレートから
一度に多量の電極板を形成する方法を採用している。こ
のため、電極板１５ａ，１５ｂのペレット２と当接する
部分にタブが残らないように、図３（Ｂ）の電極板６ｂ
-1に示すように、両端部に突起部６ｇを設けてそこにタ
ブを配置できるようにした。Here, the pellet 2 and the electrode plates 15a, 15
From the viewpoint of preventing damage to the pellet 2 and preventing stress concentration, the contact surface with b is important in terms of dimensional intersection, flatness, and surface roughness.
In this embodiment, considering that the size intersection of the pellet 2 is φ15 +0 -0.05 , the size intersection of the setters 10 and 11 is set to φ15 +0.05 +0.02 , flatness 0.02 mm, and surface roughness 0.8Z. is doing. Also, the size intersection of the electrode plates 15a and 15b is φ15.
It is set to -0.05 -1 . Furthermore, the electrode plates 15a, 15b
In the manufacturing of, a method of forming a large number of electrode plates at once from one plate by etching is adopted. For this reason, the electrode plate 6b of FIG. 3B is formed so that the tabs do not remain in the portions of the electrode plates 15a and 15b that come into contact with the pellet 2.
As shown in -1 , the protrusions 6g are provided at both ends so that the tabs can be arranged there.
【００２０】フレーム３に固定された油圧シリンダ５か
らフレーム３に案内指示された上記セッターロア１３に
到るまでの各部材は全て図中Ｚ1 −Ｚ2 方向の同軸上に
設けられている。従って、油圧シリンダ５の油圧を上昇
させると、スタック６から圧力センサ１４に支持された
セッターロア１３までの部材に軸方向（Ｚ1 −Ｚ2 方
向）に沿った圧縮応力が発生する。All the members from the hydraulic cylinder 5 fixed to the frame 3 to the setter lower 13 guided by the frame 3 are provided coaxially in the Z 1 -Z 2 direction in the figure. Therefore, when the hydraulic pressure of the hydraulic cylinder 5 is increased, a compressive stress is generated in the members from the stack 6 to the setter lower 13 supported by the pressure sensor 14 along the axial direction (Z 1 -Z 2 direction).
【００２１】また、ペレット２の温度設定はペレット２
の沿面での絶縁防止を兼ねるため、シリコンオイルを媒
体とした温度調節機構付の水槽（図示せず）内にセット
治具１を入れて制御されている。これにより、ペレット
２をスタック６と同一温度条件で設定することができ
る。The temperature of the pellet 2 is set by the pellet 2
In order to also prevent insulation on the surface of, the setting jig 1 is placed in a water tank (not shown) with a temperature adjusting mechanism using silicone oil as a medium for control. Thereby, the pellet 2 can be set under the same temperature condition as the stack 6.
【００２２】図１において、油圧ポンプ２０はセット治
具１の油圧シリンダ５に制御装置９０によって指示され
た所定の油圧を印加する。これにより、ペレット２への
初期圧力を任意の値に設定することができる。また、油
圧ポンプ２０から制御装置９０に対してモニタ信号が送
られており、油圧ポンプ２０は制御装置９０によりフィ
ードバック制御が行われている。In FIG. 1, the hydraulic pump 20 applies a predetermined hydraulic pressure instructed by the control device 90 to the hydraulic cylinder 5 of the setting jig 1. Thereby, the initial pressure to the pellet 2 can be set to an arbitrary value. A monitor signal is sent from the hydraulic pump 20 to the control device 90, and the hydraulic pump 20 is feedback-controlled by the control device 90.
【００２３】ドライバー回路３０は、前記第１のドライ
バー回路に該当し、出力側が上記スタック６の電線６
ｅ，６ｆに接続されている。発振器６０から０→＋３〜
５Ｖのトリガーがかかると、直流定電圧電源４０にて設
定した値の約２倍のプラス電圧がスタック６に印加さ
れ、反対に＋３〜５Ｖ→０のトリガーがかかると、同様
のマイナス電圧が印加される。この電圧は発振器６０に
おいて予め設定された所定周期によりプラス電圧とマイ
ナス電圧が交互に印加されるものであり、この電圧によ
りスタック６内の複数のペレット６ａは厚さ方向に所定
周期で膨張、収縮を行う。このため、スタック６は軸方
向（Ｚ1 −Ｚ2 方向）に加振し、ペレット２に所定周期
の圧力変動を与える加振器として作用する。The driver circuit 30 corresponds to the first driver circuit, and the output side thereof is the electric wire 6 of the stack 6.
e, 6f. From the oscillator 60 0 → +3 ~
When a 5V trigger is applied, a positive voltage that is about twice the value set by the DC constant voltage power supply 40 is applied to the stack 6. Conversely, when a + 3-5V → 0 trigger is applied, the same negative voltage is applied. To be done. As for this voltage, a plus voltage and a minus voltage are alternately applied in a predetermined cycle in the oscillator 60, and the plurality of pellets 6a in the stack 6 expands and contracts in a predetermined cycle in the thickness direction by this voltage. I do. Therefore, the stack 6 acts as an exciter that vibrates in the axial direction (Z 1 -Z 2 direction) and gives the pellet 2 a pressure fluctuation of a predetermined cycle.
【００２４】アンプ５０は、前記第２のドライバー回路
に該当し、評価対象であるペレット２への印加電圧を制
御するものである。アンプ５０の入力側には上記ドライ
バー回路３０に接続された発振器６０が接続されてい
る。このため、ペレット２に印加する電圧は、ドライバ
ー回路３０のトリガーに同期させることができ、しかも
その電圧波形は発振器６０により任意波形に設定するこ
とが可能である。アンプ５０の出力側は上記セッター１
０，１１に夫々に接続されている。従って、電圧の印加
によりペレット２自体も、スタック６の膨張、収縮の周
期と同一周期で軸方向に膨張、収縮する。The amplifier 50 corresponds to the second driver circuit and controls the voltage applied to the pellet 2 to be evaluated. An oscillator 60 connected to the driver circuit 30 is connected to the input side of the amplifier 50. Therefore, the voltage applied to the pellet 2 can be synchronized with the trigger of the driver circuit 30, and the voltage waveform can be set to an arbitrary waveform by the oscillator 60. The output side of the amplifier 50 is the setter 1 described above.
0 and 11 are respectively connected. Therefore, when the voltage is applied, the pellet 2 itself also expands and contracts in the axial direction at the same cycle as the cycle of expansion and contraction of the stack 6.
【００２５】上記ドライバー回路３０およびアンプ５０
夫々は、モニタ信号を制御装置９０に送っており、制御
装置９０によりスタック６およびペレット２に印加する
印加電圧のフィードバック制御が行われている。The driver circuit 30 and the amplifier 50 described above.
Each of them sends a monitor signal to the control device 90, and the control device 90 performs feedback control of the applied voltage applied to the stack 6 and the pellet 2.
【００２６】ペレット２にかかる上記油圧シリンダ５に
よる初期圧力、スタック６による圧力変動、そして、ペ
レット２自体の膨張、収縮による圧力変動は、上記圧力
センサ１４により計測され、チャージアンプ７０を介し
て図４（Ｂ）に示す圧力波形としてオシロスコープ８０
で確認することができる。また、アンプ５０の電圧波形
も図４（Ａ）に示す電圧波形としてオシロスコープ８０
で確認することができる。ドライバー回路７０の電圧波
形も同様にオシロスコープ８０で確認することができ
る。The initial pressure applied to the pellet 2 by the hydraulic cylinder 5, the pressure fluctuation caused by the stack 6, and the pressure fluctuation caused by the expansion and contraction of the pellet 2 itself are measured by the pressure sensor 14 and are shown via the charge amplifier 70. The oscilloscope 80 as the pressure waveform shown in FIG.
You can check it at. The voltage waveform of the amplifier 50 is also the oscilloscope 80 as the voltage waveform shown in FIG.
You can check it at. Similarly, the voltage waveform of the driver circuit 70 can be confirmed by the oscilloscope 80.
【００２７】上記構成の圧電材料の評価装置１００によ
り、表１に示す各パラメータの設定範囲で電圧波形、圧
力波形、温度を任意に制御できる。The piezoelectric material evaluation apparatus 100 having the above-described configuration can arbitrarily control the voltage waveform, the pressure waveform, and the temperature within the setting range of each parameter shown in Table 1.
【００２８】[0028]
【表１】 [Table 1]
【００２９】次に、上記構成の装置による試験方法およ
び圧電材料の評価方法について説明する。Next, a test method and a piezoelectric material evaluation method using the apparatus having the above configuration will be described.
【００３０】先ず最初にペレット２を電極板１５ａ，１
５ｂにより挟んだ状態でセッター１０，１１間に精度良
く挟装させる。次に油圧ポンプ２０により所定の油圧を
油圧シリンダ５に印加し、スタック６から圧力センサ１
４に到るまでの部分に初期圧力を印加する。本実施例に
おいてはこの初期圧力を20MPa とする。First, the pellet 2 is attached to the electrode plates 15a, 1
The setters 10 and 11 are sandwiched by the 5b with high accuracy. Next, a predetermined hydraulic pressure is applied to the hydraulic cylinder 5 by the hydraulic pump 20, and the stack 6 presses the pressure sensor 1
The initial pressure is applied to the portion up to 4. In this embodiment, this initial pressure is 20 MPa.
【００３１】次にセット治具１を上記水槽内に入れてス
タック６とペレット２とを同一温度環境下とした後、ド
ライバー回路３０と発振器６０により電圧をスタック６
に所定周期で印加しスタック６を軸方向に加振させる。
本実施例においてはスタック６の加振による圧力変動を
±10MPa とする。従って、ペレット２は、30〜10MPaの
変動圧力を周期的に受けて加振される。また、アンプ５
０および発振器６０により所定の電圧波形の電圧を周期
的にペレット２に印加する。この周期は上述の如くスタ
ック６の圧力変動の周期と同一周期である。本実施例に
おける電圧波形は、例えば図４（Ａ）に示すように、電
圧500V、立ち上がり速度0.1 μｓ、マイナス電圧-200V
の波形である。そしてこの場合、ペレット２の部分にお
ける圧力波形は、図４（Ｂ）に示すように、30MPa をピ
ーク値とした波形となる。Next, after the set jig 1 is put in the water tank and the stack 6 and the pellets 2 are placed under the same temperature environment, a voltage is applied to the stack 6 by the driver circuit 30 and the oscillator 60.
Is applied in a predetermined cycle to vibrate the stack 6 in the axial direction.
In this embodiment, the pressure fluctuation due to the vibration of the stack 6 is set to ± 10 MPa. Therefore, the pellet 2 is periodically vibrated by being subjected to a fluctuating pressure of 30 to 10 MPa. Also, amplifier 5
0 and the oscillator 60 periodically apply a voltage having a predetermined voltage waveform to the pellet 2. This cycle is the same as the cycle of pressure fluctuation of the stack 6 as described above. The voltage waveform in this embodiment is, for example, as shown in FIG. 4A, a voltage of 500 V, a rising speed of 0.1 μs, and a negative voltage of −200 V.
Is the waveform of. In this case, the pressure waveform in the pellet 2 portion has a peak value of 30 MPa as shown in FIG. 4 (B).
【００３２】このように本実施例によれば、評価対象で
あるペレット２は、スタック６と同軸上に配置され、か
つ同一温度に保持されているため、ペレット２とスタッ
ク６は圧力条件、温度条件において同一環境下におかれ
ている。また、上記の如く、スタック６の圧力変動と同
じ周期で電圧が印加されてペレット２自体が膨張、収縮
するため、ペレット２はスタック６内のペレット６ａと
同一負荷状態に設定されている。このように、セッター
１０，１１に挟装されたペレット２は、圧力条件、温度
条件、圧力変動の負荷条件夫々においてスタック６を構
成するペレット６ａと同一環境下に設定されることにな
る。As described above, according to this embodiment, the pellet 2 to be evaluated is arranged coaxially with the stack 6 and is maintained at the same temperature. Under the same conditions, they are in the same environment. Further, as described above, the voltage is applied at the same cycle as the pressure fluctuation of the stack 6, and the pellet 2 itself expands and contracts. Therefore, the pellet 2 is set to the same load state as the pellet 6a in the stack 6. As described above, the pellets 2 sandwiched between the setters 10 and 11 are set under the same environment as the pellets 6a forming the stack 6 under the pressure condition, the temperature condition, and the load condition of the pressure fluctuation.
【００３３】従って、所定回数の加振及び電圧印加終了
後、ペレット２を取り出してこれに所定電圧を印加する
ことにより、ペレット２そのもの、即ちスタック６内に
おける圧電材料単体のみの特性、例えば、変位量、発生
力、発熱量、消費電力、電気機械結合係数Ｋｐ、誘電率
ε、信号に対する反応速度の指標となる機械的品質係数
Ｑｍ等を正確に得ることができる。そして、加振回数を
増加させ、そのところどころの段階において上記の如く
ペレット２の特性を計側することにより、スタック６内
における圧電材料単体のみの特性の経時的な変化、耐久
性能等を正確に得ることができる。Therefore, after a predetermined number of times of vibration and application of voltage, the pellet 2 is taken out and a predetermined voltage is applied to the pellet 2, so that the characteristics of the pellet 2 itself, that is, the piezoelectric material alone in the stack 6, for example, displacement. It is possible to accurately obtain the quantity, the generated power, the amount of heat generation, the power consumption, the electromechanical coupling coefficient Kp, the dielectric constant ε, the mechanical quality coefficient Qm that is an index of the reaction speed with respect to a signal, and the like. Then, the number of times of vibration is increased and the characteristics of the pellet 2 are measured at various stages as described above, so that the characteristics of only the piezoelectric material in the stack 6 over time, the durability performance, etc. can be accurately measured. Obtainable.
【００３４】しかも、上記評価装置１００によれば、表
３に示す設定範囲で電圧波形、圧力波形、温度を任意に
制御できるため、複数の条件下においてスタック６中に
おける圧電材料単体のみの特性または経時的な特性変化
を得ることができる。Moreover, according to the evaluation apparatus 100, since the voltage waveform, the pressure waveform, and the temperature can be arbitrarily controlled within the setting ranges shown in Table 3, the characteristics of only the piezoelectric material alone in the stack 6 under a plurality of conditions or It is possible to obtain characteristic changes over time.
【００３５】また、圧電材料そのものの特性変化の正確
な把握により、特性変化の少ない高性能な圧電材料を開
発することが可能となり、その材料を用いた圧電アクチ
ュエータは耐久性、信頼性が向上する。従って、性能劣
化を前提としたアクチュエータを設計をする必要が無く
なるため初期性能のみを確保する設計、駆動条件で十分
となる。その結果、積層するペレット枚数、面積の低
減、印加電圧の低減を図ることができ、アクチュエータ
の低コスト、コンパクト化、低消費電力化等の派生効果
も大きい。Further, by accurately grasping the characteristic change of the piezoelectric material itself, it becomes possible to develop a high-performance piezoelectric material with little characteristic change, and the piezoelectric actuator using the material has improved durability and reliability. .. Therefore, it is not necessary to design an actuator on the premise of performance deterioration, so that a design and drive conditions that ensure only initial performance are sufficient. As a result, the number of pellets to be stacked, the area, and the applied voltage can be reduced, and the derived effects such as low cost, compact size, and low power consumption of the actuator are large.
【００３６】[0036]
【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、圧電材料
スタックと圧電材料ペレットとを、圧力条件、温度条件
および圧力変動の負荷条件において同一条件とすること
により圧電材料ペレットを圧電材料スタック内の圧電材
料単体と同一環境下に設定することができるため、圧電
材料スタック内における圧電材料単体のみの特性変化を
正確に得ることができる。そして、圧電材料単体の特性
変化の正確な把握により、特性変化が少なく耐久性、信
頼性が向上した高性能な圧電材料を開発することが可能
となり、その圧電材料を用いた製品の耐久性、信頼性を
向上させることができる。また、圧電材料の耐久性、信
頼性の向上により、製品の設計に余裕を持たせる必要が
無くなり、製品の低コスト、コンパクト化、低消費電力
化等に寄与するところが大きい。As described above, according to the present invention, the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet are made to have the same condition under the pressure condition, the temperature condition and the load condition of the pressure fluctuation. Since it can be set in the same environment as the single piezoelectric material inside, it is possible to accurately obtain the characteristic change of only the single piezoelectric material in the piezoelectric material stack. By accurately grasping the characteristic change of the piezoelectric material alone, it becomes possible to develop a high-performance piezoelectric material with less characteristic change and improved durability and reliability. The durability of the product using the piezoelectric material, The reliability can be improved. Further, due to the improvement in durability and reliability of the piezoelectric material, it is not necessary to give a margin to the design of the product, which largely contributes to the low cost of the product, downsizing, low power consumption, and the like.
【図１】本発明になる圧電材料の評価装置の一実施例の
構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of a piezoelectric material evaluation apparatus according to the present invention.
【図２】図１における圧電材料ペレットのセット治具の
正面図である。FIG. 2 is a front view of a piezoelectric material pellet setting jig in FIG.
【図３】圧電材料スタックの主要部の構成を説明する図
である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a main part of a piezoelectric material stack.
【図４】圧電材料ペレットに印加される電圧波形および
圧力波形の一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing an example of a voltage waveform and a pressure waveform applied to a piezoelectric material pellet.
１ セット治具 ２ 圧電材料ペレット ５ 油圧シリンダ ６ 圧電材料スタック １０，１１ セッター １４ 圧力センサ １５ａ，１５ｂ 電極板 ２０ 油圧ポンプ ３０ ドライバー回路 ４０ 電源 ５０ アンプ ６０ 加振器 ７０ チャージアンプ ８０ オシロスコープ ９０ 制御装置 １００ 圧電材料の評価装置 1 Set jig 2 Piezoelectric material pellet 5 Hydraulic cylinder 6 Piezoelectric material stack 10,11 Setter 14 Pressure sensor 15a, 15b Electrode plate 20 Hydraulic pump 30 Driver circuit 40 Power supply 50 Amplifier 60 Vibrator 70 Charge amplifier 80 Oscilloscope 90 Control device 100 Piezoelectric material evaluation device
Claims (2)
向に複数枚積層して形成した圧電材料スタックと、該圧
電材料単体である圧電材料ペレットとを、該圧電材料単
体の厚さ方向に沿う中心軸を合わせて重ねて配置すると
共に、前記圧電材料スタックと前記圧電材料ペレットに
印加される圧力および温度条件を同一とし、 前記圧電材料スタックへの印加電圧を周期的に制御して
前記圧電材料スタックを周期的に前記中心軸方向に伸縮
せしめると共に、前記圧電材料スタックと同一周期で前
記圧電材料ペレットの印加電圧を制御せしめて、前記圧
電材料ペレットを周期的に前記中心軸方向に伸縮せし
め、 所定回数の伸縮後に前記圧電材料ペレットを取り出し
て、その特性を評価することを特徴とする圧電材料の評
価方法。1. A piezoelectric material stack formed by laminating a plurality of piezoelectric material single bodies in a thickness direction of the piezoelectric material single body, and a piezoelectric material pellet which is the piezoelectric material single body, in a thickness direction of the piezoelectric material single body. The piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellets are made to have the same pressure and temperature conditions, and the central axes along the are aligned and overlapped with each other. The piezoelectric material stack is periodically expanded and contracted in the central axis direction, and the applied voltage to the piezoelectric material pellets is controlled in the same cycle as the piezoelectric material stack to cyclically expand and contract the piezoelectric material pellets in the central axis direction. A method for evaluating a piezoelectric material, characterized in that the piezoelectric material pellet is taken out after a predetermined number of times of expansion and contraction, and the characteristics thereof are evaluated.
向に複数枚積層されて形成されており、該圧電材料単体
である圧電材料ペレットに対して該圧電材料単体の厚さ
方向に沿う中心軸を合わせて重ねて配置され、前記圧電
材料ペレットを前記中心軸方向に加振させる圧電材料ス
タックと、 前記圧電材料スタックに所定電圧を周期的に印加して前
記圧電材料スタックを周期的に前記中心軸方向に伸縮せ
しめる第１のドライバー回路と、 前記圧電材料ペレットに所定電圧を周期的に印加して前
記圧電材料ペレットを周期的に前記中心軸方向に伸縮せ
しめる第２のドライバー回路と、 前記第１のドライバー回路および前記第２のドライバー
回路夫々から前記圧電材料スタックおよび前記圧電材料
ペレット夫々に印加する電圧を同期させる同期手段とを
備えてなる圧電材料の評価装置。2. A piezoelectric material single body is formed by laminating a plurality of piezoelectric material single bodies in a thickness direction thereof, and a piezoelectric material pellet which is the piezoelectric material single body extends along a thickness direction of the piezoelectric material single body. Piezoelectric material stacks arranged with their central axes aligned and vibrating the piezoelectric material pellets in the central axis direction, and a predetermined voltage is periodically applied to the piezoelectric material stacks so that the piezoelectric material stacks are periodically arranged. A first driver circuit that expands and contracts in the central axis direction; and a second driver circuit that cyclically expands and contracts the piezoelectric material pellets in the central axis direction by periodically applying a predetermined voltage to the piezoelectric material pellets, Synchronizing means for synchronizing the voltages applied from the first driver circuit and the second driver circuit to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet, respectively. An apparatus for evaluating a piezoelectric material, comprising:
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3262397A JP2946870B2 (en) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | Method and apparatus for evaluating piezoelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3262397A JP2946870B2 (en) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | Method and apparatus for evaluating piezoelectric material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05102282A true JPH05102282A (en) | 1993-04-23 |
| JP2946870B2 JP2946870B2 (en) | 1999-09-06 |
Family
ID=17375204
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3262397A Expired - Fee Related JP2946870B2 (en) | 1991-10-09 | 1991-10-09 | Method and apparatus for evaluating piezoelectric material |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2946870B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09148419A (en) * | 1995-11-24 | 1997-06-06 | Nec Corp | Electrostatic chuck |
| CN114337360A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 西安交通大学 | Large clamping force actuator based on piezoelectric material retention characteristics and actuation method thereof |
-
1991
- 1991-10-09 JP JP3262397A patent/JP2946870B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09148419A (en) * | 1995-11-24 | 1997-06-06 | Nec Corp | Electrostatic chuck |
| CN114337360A (en) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 西安交通大学 | Large clamping force actuator based on piezoelectric material retention characteristics and actuation method thereof |
| CN114337360B (en) * | 2021-12-30 | 2023-08-15 | 西安交通大学 | Large clamping force actuator based on piezoelectric material retention characteristic and actuating method thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2946870B2 (en) | 1999-09-06 |
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