JPH06174783A - 圧電素子のエージング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 短時間で特性を安定化させることのできる圧
電素子のエージング方法を提供する。 【構成】 圧電板と、圧電板の表裏面に形成された一対
の電極とよりなり、分極処理した圧電素子１を、一対の
電極を接続して電気的にショートさせた状態で、圧電素
子１に繰り返し荷重を負荷させてエージング処理するこ
とを特徴とする。電気的にショートの状態で繰り返し荷
重を負荷させると、圧電素子に繰り返し応力が発生した
時に発生する電荷を消費させることができ、これにより
結晶の分域が動き易くなるため、短時間で特性を安定化
させることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子のエージング
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＰＺＴ系に代表される圧電素子は、その
圧電特性を利用して圧電振動子、圧電セラミックフィル
タ、圧電アクチュエータ、圧力センサなどに利用されて
いる。この圧電素子は通常以下のように製造される。ま
ず、原料粉末としてのＰＺＴ粉末にバインダなどを調合
して円板状等の成形体を形成し、この成形体を１２００
〜１３００℃程度の温度で１〜１０時間程度焼成して焼
成体とする。この焼成体に銀電極を焼付け、室温〜１５
０℃程度の温度で２〜６ｋＶ／ｍｍ程度の直流電圧を数
分〜数時間印加して分極処理を施して、圧電素子とされ
る。

【０００３】このような圧電素子は、圧電効果による機
械的変位が本質的に極めて小さい。このため、大きな変
位量を得るために圧電素子と電極板とを交互に多重に積
層し絶縁保護層で被覆された構造の圧電積層体として提
供されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、圧電積層体
を例えば圧電アクチュエータとして、高荷重、数十Ｈｚ
以上の駆動周波数、長時間等の厳しい使用条件で駆動す
る場合には、積層体の発熱と、圧電素子に作用する繰り
返し応力により、圧電素子の圧電特性が劣化し、所望の
電圧−変位特性が得られなくなる。

【０００５】例えば、キュリー温度（Ｔｃ）：２５０
℃、圧電歪定数（ｄ₃₃）：５００×１０^-12 ｍ／Ｖの特
性を持つ圧電板の表裏面にＡｇ電極を形成した圧電素子
と、ステンレス製電極板とを交互に積層し、所定の分極
処理を施して公知の方法により製造した圧電積層体につ
いて、耐久試験を行い、圧電素子の誘電率、電気機械結
合係数（Ｋｐ）、積層体の変位量を測定した結果を図４
に示す。なおこの耐久試験は、圧電積層体を４０℃の恒
温槽に入れ、油圧加振機により３００ｋｇｆの荷重を加
えながら、３０Ｈｚの周波数で０〜６００Ｖの交流電圧
を０．０１秒間印加することを繰り返すことにより行っ
たものである。

【０００６】図４より、積層体の変位量は、作動回数の
増加とともに徐々に低下し１０⁷ 回程度で安定すること
がわかる。このように積層体の変位量が低下するのは、
圧電素子の電気機械結合係数（Ｋｐ）が低下することに
よるものである。そして、圧電素子の電気機械結合係数
（Ｋｐ）が低下するのは、厳しい使用条件での駆動によ
り、圧電素子中の結晶の分域が圧電特性に寄与しない方
向に向いてしまう（図５参照）ことに起因していると推
定される。

【０００７】このような特性の劣化が使用中に発生する
と、圧電アクチュエータとしてのシステムが途中で作動
しなくなったり、特性劣化を見込んだシステム設計が必
要となってくる。そこで、上記分極処理を施した圧電素
子に、３００〜６００Ｖ程度の交流電圧と１００〜５０
０ｋｇｆ程度の荷重を繰り返し印加するエージング処理
が行われる。このエージング処理は、分極処理により圧
電素子中に残留した分極を予め減らしておき、圧電素子
中の結晶の分域を劣化した時の状態と同じ状態に安定化
させるために行われる。

【０００８】しかし、上記した方法によるエージング処
理では、圧電素子中の結晶の分域が劣化したときと同じ
状態になって、特性が安定するまでに長時間を要すると
いう欠点がある。例えば、上述したように交流電圧と荷
重を１０⁷ 回程度繰り返して印加すれば、特性は安定す
るが、これには３日程度を要する。本発明は上記実情に
鑑みてなされたものであり、短時間で特性を安定化させ
ることのできる圧電素子のエージング方法を提供するこ
とを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の圧電素子のエージング方法は、圧電板と、該圧電板
の表裏面に形成された一対の電極とよりなり、分極処理
が施された圧電素子を、該一対の電極を接続して電気的
にショートさせた状態で、該圧電素子に繰り返し荷重を
負荷させてエージング処理することを特徴とするもので
ある。

【００１０】

【作用】本発明のエージング方法は、電気的にショート
の状態で、繰り返し荷重を負荷させることによりエージ
ング処理するものである。このように電気的にショート
の状態で繰り返し荷重を負荷させると、圧電素子に繰り
返し応力が発生した時に発生する電荷を消費させること
ができ、これにより結晶の分域が動き易くなるため、短
時間で特性を安定化させることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、実施例により具体的に説明する。 （実施例１）原料粉末としてのＰｂＯ、ＺｒＯ₂ 、Ｔｉ
Ｏ₂ と微量添加物と所定量秤量後、ボールミルで４８時
間粉砕し、９００℃で１時間焼成後、再びボールミルで
粉砕、乾燥した。この粉末にバインダとしてのＰＶＡ
（ポリビニルアルコール）を約５重量％加えて造粒後、
９８ＭＰａの圧力で、直径１５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの
円板状の成形体を形成した。

【００１２】得られた成形体を、ＺｒＯ₂ 粉末を充填し
たＡｌ₂ Ｏ₃ のさやに入れ、昇温速度３００℃／ｈｒで
昇温し、大気炉内１２５０℃で２時間焼成した。この焼
成体の表裏面に、周囲１ｍｍを残してＡｇ電極ペースト
を塗布し、７００℃で１０分間焼付けて電極を形成して
圧電素子１を形成した。この圧電素子１は、キュリー温
度（Ｔｃ）：２５０℃、圧電歪定数（ｄ₃₃）：５００×
１０^-12ｍ／Ｖの特性をもつものである。

【００１３】上記圧電素子１を７０枚と、ステンレス製
電極板（図示せず）とを交互に積層し、公知の方法で図
１に示す積層体１０を形成した。なお、電極板は一枚お
きに外部電極２ａ、２ｂにそれぞれ接合され、各外部電
極２ａ、２ｂはリード線３ａ，３ｂにそれぞれ接続され
ている。そして、この積層体１０を１００℃の恒温槽に
入れ、０．９８ｋＶ（３ｋＶ／ｍｍ）の直流電圧を３０
分間印加して分極処理を施した。

【００１４】続いて、分極処理後の積層体１０を４０℃
の恒温槽に入れ、電気的にショートの状態で、つまりリ
ード線３ａとリード線３ｂとをつないだ状態で、油圧加
振機２０により積層方向に繰り返し荷重を負荷すること
によりエージング処理を施した（図２参照）。なお、繰
り返し荷重を負荷する条件は、以下のようにした。ま
た、このエージング処理に要した時間は、３０分であっ
た 荷重中心値：３００ｋｇｆ 振幅：２００ｋｇｆ 荷重変化：２００〜４００ｋｇｆ 振動数：５０Ｈｚ 繰り返し回数：１×１０⁵ 回 （耐久試験）上記エージング処理した圧電積層体の変位
量を測定し、その後耐久試験を行い変位量の変化率を計
算した。その結果を図３に実線で示す。

【００１５】比較のために、電気的にオープンの状態、
つまりリード線３ａとリード線３ｂとを離した状態でエ
ージング処理すること以外は上記実施例と同様にして得
た比較例の圧電積層体についも、同様に耐久試験を行っ
た。その結果を図３に点線で示す。図３からも明らかな
ように、本実施例方法によりエージング処理を施した圧
電積層体は、耐久試験後においても変位量の低下がほと
んどみられなかった。このように本実施例方法によれ
ば、３０分程度と極めて短い処理時間であっても、効果
的にエージング処理を施すことができた。これに対し、
電気的にオープンの状態でエージング処理した比較例の
圧電積層体は、作動回数の増加とともに徐々に変位量が
低下し、エージング処理の効果が認められなかった。こ
れは、電気的にオープンにした場合、圧電素子中に一度
電荷がたまると、そこで安定な状態となり、それ以上繰
り返し荷重を加えても圧電素子の結晶の分域構造が変化
しなくなるためと推定される。

【００１６】（エージング処理時の荷重負荷条件）上記
実施例のエージング処理時の荷重負荷条件を種々変更し
た場合に、耐久試験における圧電積層体の変位量の変化
率がどのように変わるかを調べた。まず、振幅を一定と
しつつ、荷重中心値を種々変えた場合について調べた。
つまり、振幅：２００ｋｇｆ、振動数：５０Ｈｚ、繰り
返し回数：１×１０⁵ 回の条件で、荷重中心値を１００
〜５００ｋｇｆの間で種々変化させて、上記実施例のエ
ージング処理を行った。そして、それぞれについて上記
と同様の耐久試験を行った。その結果、荷重中心値が１
００〜５００ｋｇｆの間では、耐久試験による劣化状態
にほとんど差がなく、図３に示す荷重中心値が３００ｋ
ｇｆの場合とほぼ同様の結果が得られた。

【００１７】次に、荷重中心値を一定としつつ、振幅を
種々変えた場合について調べた。つまり、荷重中心値：
３００ｋｇｆ、振動数：５０Ｈｚ、繰り返し回数：１×
１０ ⁵ 回の条件で、振幅を５０〜３００ｋｇｆの間で種
々変化させて、上記実施例のエージング処理を行った。
そして、それぞれについて上記と同様の耐久試験を行っ
た。その結果、振幅を１００〜３００ｋｇｆの範囲とし
た場合は、耐久試験による劣化状態にほとんど差がな
く、図３に示す振幅が２００ｋｇｆの場合とほぼ同様の
結果が得られた。これに対し、振幅を１００ｋｇｆ未満
にした場合は、耐久試験後の変位量が、振幅を１００ｋ
ｇｆ以上にした場合と比べて５〜１０％程度低下した。

【００１８】これにより、エージング処理時の繰り返し
荷重の振幅は１００ｋｇｆ以上とすることが好ましいこ
とがわかる。なお、上記実施例では、圧電素子１を積層
した積層体についてエージング処理を施す例について説
明したが、個々の圧電素子１について単独でエージング
処理する場合も同様に行うことができ、同様の効果が得
られる。

【００１９】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の圧電素子の
エージング方法は、電気的にショートの状態で、繰り返
し荷重を負荷することにより、結晶の分域の動きを促し
て、短時間で安定した分域構造とすることができる。し
たがって、本発明方法は、極めて短い処理時間で、効果
的なエージング処理を施すことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る圧電積層体を模式的に示す正面
図である。

【図２】本実施例に係るエージング方法を模式的に示す
正面図である。

【図３】耐久試験の結果について、本実施例に係るエー
ジング方法と比較例に係るエージング方法とを比較した
線図である。

【図４】耐久試験における圧電特性の変化を示す線図で
ある。

【図５】圧電素子の分極構造が劣化する様子を説明する
模式図である。

【符号の説明】

１は圧電素子、１０は圧電積層体、２０は油圧加振機で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電板と、該圧電板の表裏面に形成され
   た一対の電極とよりなり、分極処理が施された圧電素子
   を、該一対の電極を接続して電気的にショートさせた状
   態で、該圧電素子に繰り返し荷重を負荷させてエージン
   グ処理することを特徴とする圧電素子のエージング方
   法。