JPH06342946A

JPH06342946A - 圧電素子の再生方法

Info

Publication number: JPH06342946A
Application number: JP15435293A
Authority: JP
Inventors: Takao Tani; 孝夫谷; Yasuyoshi Saitou; 康善斉藤; Shigeki Hamaguchi; 茂樹浜口; Junji Sugie; 順次杉江
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】長期間使用して変位性能が低下した圧電素子
の変位性能を回復する方法を提供する。【構成】圧電素子の変位性能を回復する圧電素子の再
生方法であって、（１）圧電素子に、駆動時に印加した
電場方向と反対の方向に抗電界以上の電場を印加する、
または（２）圧電素子に、圧電材料のキュリー温度以上
の温度でアニール処理を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、長期間使用して変位性
能が低下した圧電素子の変位性能を回復するための方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電場を印加すると変位を発生する圧電素
子は、その性質よりアクチュエータ等に利用されてい
る。この圧電素子を長時間駆動させていると、その変位
性能が低下することは知られている。例えば、１枚の圧
電素子を１０⁷サイクル駆動させると、一定電圧（−２
００〜＋６００Ｖ）下での変位量が２０％以上低下し、
同時に損失エネルギーも５０％以上増加する。特に、電
荷制御により圧電素子を駆動させると、一定の注入電荷
量に対する損失分の割合が大きくなり、変位性能が４０
％以上低下する場合がある。

【０００３】この使用による圧電素子の変位性能の低下
を抑制する対策として、例えば、抗電界以上の電圧で圧
電素子を駆動させ、常時再分極処理を行うという方法が
提案されている（特開昭６３−８８２４６号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法で
は、一定電圧下での変位量自体はほぼ元の値に戻るが、
損失エネルギーの増加は、依然５０％近くに達する。従
って、電荷制御や注入エネルギー制御等の制御を行って
圧電素子を駆動させる場合には、変位性能の回復は少な
い。

【０００５】これは、高い電界で長時間圧電素子を駆動
させることにより内部電界が形成されたためである。内
部電界は印加電界と逆方向に形成されるため、分域に有
効に作用する電界を低下させる。また、低電界側（電界
が０または小さな逆電界）でも必要以上の逆電界を分域
に作用させる。従って、変位に及ぼす９０°分域反転の
寄与が大きくなり、また、場合によっては変位に無関係
な１８０°分域反転も発生するため、それにより１サイ
クル中の損失エネルギーが増加する。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の問題点に
鑑みなされたものであり、長期間使用して変位性能が低
下した圧電素子の変位性能を回復する方法を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本第１発明（請求項１に
記載の発明）は、圧電素子の変位性能を回復する圧電素
子の再生方法であって、圧電素子に、駆動時に印加した
電場方向と反対の方向に抗電界以上の電界を印加するこ
とを特徴とする圧電素子の再生方法である。

【０００８】本第２発明（請求項２に記載の発明）は、
圧電素子の変位性能を回復する圧電素子の再生方法であ
って、圧電素子に、圧電材料のキュリー温度以上の温度
でアニール処理を施すことを特徴とする圧電素子の再生
方法である。

【０００９】

【作用】

（第１発明の作用）圧電素子を高い電界で長期間駆動さ
せると圧電素子中に内部電界が形成される。すなわち、
圧電素子中には価数の異なるイオンや欠陥等の種々の荷
電サイトが存在する。非対称な電圧波形で圧電素子を駆
動させると、上記荷電サイトが拡散、配列し、内部電界
を形成する。この内部電界は印加電圧とは逆方向に形成
されるため、分域に有効に作用する電圧が低下し、変位
劣化の原因となる。

【００１０】本第１発明では、この状態の圧電素子に、
荷電サイトと逆方向に電圧を印加するため、その方向に
荷電サイトが拡散する。そのため、荷電サイトの配列が
破壊され、内部電界がなくなる。これにより圧電素子の
変位性能の低下が解消され、損失エネルギーも初期状態
に戻る。

【００１１】（第２発明の作用）本第２発明では、上記
のように長期間の駆動により内部電界が形成された圧電
素子に、圧電材料のキュリー温度以上の温度でアニール
処理を行うため、荷電サイトが圧電素子中を自由に移動
できるようになる。この状態で保持すると荷電サイトは
エントロピーが増大し、ランダム状態となるので内部電
界がなくなる。これにより圧電素子の変位性能の低下が
解消され、損失エネルギーも初期状態に戻る。

【００１２】

【発明の効果】本第１発明、本第２発明ともに、圧電素
子中に形成された内部電界を破壊することにより、圧電
素子の変位性能を回復することができる。

【００１３】従って、変位性能の低下を考慮せず、圧電
素子を長期間駆動させることができる。また、変位性能
の低下に伴う損失エネルギーの増加も抑制できるため、
圧電素子の発熱の抑制、あるいは電荷制御する場合にお
ける注入エネルギーの増加の抑制に対しても効果があ
る。

【００１４】

【実施例】以下、本発明をより具体的にした具体例を説
明する。

【００１５】（第１発明の具体例）本第１発明は、圧電
素子に、駆動時に印加した電場方向と反対の方向に抗電
界以上の電界を印加する方法である。

【００１６】この処理により、圧電素子の荷電サイトが
拡散し、その配列がこわれるため、内部電界が破壊す
る。

【００１７】印加する電界は、抗電界以上とし、望まし
くは１〜５ｋＶ／ｍｍの範囲とする。１ｋＶ／ｍｍ未満
では、内部電界が破壊されにくく、また、５ｋＶ／ｍｍ
を越えると、この電界印加と逆方向に荷電サイトが配列
する可能性があり、更に絶縁破壊のおそれがある。

【００１８】また、抗電界以上の電界を印加する場合、
圧電材料のキュリー温度（Ｔｃ）より５０〜１５０℃低
い温度に保持するのが望ましい。（Ｔｃ−１５０℃）よ
りも低い温度では、荷電サイトが動きにくく、また逆方
向へ分域が配向しにくい。また、（Ｔｃ−５０℃）より
も高い温度では、エントロピー的な問題で分域が配向し
にくい。

【００１９】処理する際の雰囲気としては、極端な酸化
雰囲気や極端な還元雰囲気以外であればよい。

【００２０】また、抗電界以上の電界を印加する時間と
しては、１分以上であれば十分である。しかし、逆電場
により荷電サイトが逆配列するおそれがあるため、数時
間以内がよい。

【００２１】処理する形態は、特に問わない。例えば、
アクチュエータでは通常圧電素子を積層しており、この
積層した状態の圧電素子をアクチュエータより取り出し
て処理してもよく、また、アクチュエータに配置した状
態で処理してもよい。

【００２２】（第２発明の具体例）本第２発明は、圧電
素子に、圧電材料のキュリー温度以上の温度でアニール
処理を施す方法である。

【００２３】アニール処理の温度をキュリー温度以上と
することにより、十分な温度により荷電サイトを動きや
すくすると共に一旦分域構造をなくすことで分域壁等に
トラップされていた荷電サイトを動きやすくする。

【００２４】処理する際の雰囲気としては、極端な酸化
雰囲気や極端な還元雰囲気以外であればよい。

【００２５】また、アニール処理する時間としては、１
分以上であれば十分である。

【００２６】処理する形態は、特に問わない。例えば、
アクチュエータでは通常圧電素子を積層しており、この
積層した状態の圧電素子をアクチュエータより取り出し
て処理してもよく、また、アクチュエータに配置した状
態で処理してもよい。

【００２７】なお、アニール処理後荷電サイトの配向は
ランダムとなるが、駆動電界が抗電界以上の場合には、
駆動により圧電素子は分極され、圧電性が付与される。
一方、駆動電界が抗電界未満の場合には、通常の再分極
処理を行う必要がある。

【００２８】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２９】なお、Ｋｐ：電気機械結合係数（分域配向
の度合いを示す。）、Ｑｍ：機械的品質係数（分域拘束
の程度を示す。内部電界等で分域が拘束されると高くな
る。）、変位量：０．５ｍｍあたり−２００〜＋６００
Ｖの交流電圧を印加した際に生じる変位量、分極量：上
記電圧印加時に生じる分極量の変化（ヒステリシスの面
積が損失エネルギーに対応する。）である。

【００３０】（実施例１）Ｔｃ（キュリー温度）＝２４
５℃のアクチュエータ用ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸
鉛）からなる厚さ０．５ｍｍのペレット状圧電素子１枚
に１ｋＶ／ｍｍ以上の駆動電界を印加して１０⁷サイク
ル駆動させた後、該圧電素子に、駆動電界と逆方向に
０．１〜２ｋＶの電界を絶縁油中、１００℃の条件で１
０分間印加した（この試料を試料Ｎｏ．１とする。）。
その後、この圧電素子のＫｐおよびＱｍを測定した。そ
の結果を図１に示す。なお、図１において、実線は１０
⁷サイクル駆動させた圧電素子について、また点線は１
０⁷サイクル駆動させる前の圧電素子（未耐久品）につ
いての結果である（以下の図２〜図１２についても同様
である。）。

【００３１】また、比較のため、１０⁷サイクル駆動さ
せた後の圧電素子に、駆動電界と同方向に０．１〜２ｋ
Ｖの電界を絶縁油中、１００℃の条件で１０分間印加し
た（この試料を試料Ｎｏ．Ｃ１とする。）。その後、こ
の圧電素子のＫｐおよびＱｍを測定した。その結果を図
２に示す。

【００３２】図１より明らかなように、駆動電界と逆方
向に電界を印加すると、１ｋＶ／ｍｍ以上でＫｐ、Ｑｍ
ともに未耐久品と同様な傾向になることが分かる。それ
に対して、図２より明らかなように、駆動電界と同方向
に電界を印加すると、未耐久品と同じＫｐ値となるため
にはより高電界が必要となる。また、Ｑｍも未耐久品よ
りも高く、分域の拘束が解消されていないことが分か
る。

【００３３】次に、上記試料Ｎｏ．１およびＮｏ．Ｃ１
を１．８ｋＶ／ｍｍの電界中で分極処理した後、一定電
圧下における圧電素子の変位量および分極量変化を測定
した。変位量の結果を図３（試料Ｎｏ．１）および図４
（試料Ｎｏ．Ｃ１）に、また、分極量変化の結果を図５
（試料Ｎｏ．１）および図６（試料Ｎｏ．Ｃ１）に示
す。

【００３４】図３より明らかなように、試料Ｎｏ．１で
は、変位量が未耐久品とほぼ同様な状態に回復している
ことが分かる。それに対して、図４より、試料Ｎｏ．Ｃ
１では、変位量自体は未耐久品とほぼ同様な状態に回復
しているが、ヒステリシスの形状は未耐久品と異なった
ままであることが分かる。

【００３５】また、図５より明らかなように、試料Ｎ
ｏ．１では、分極量が未耐久品とほぼ一致し、損失エネ
ルギー値も未耐久品とほぼ同様であることが分かる。そ
れに対して、図６より、試料Ｎｏ．Ｃ１では、ヒステリ
シスが大きく、損失エネルギーは５０％近く大きいまま
であることが分かる。

【００３６】（実施例２）実施例１と同様なアクチュエ
ータ用ＰＺＴからなるペレット状の圧電素子１枚に１ｋ
Ｖ／ｍｍ以上の駆動電界を印加して１０⁷サイクル駆動
させた後、該圧電素子に、キュリー温度以上である３５
０℃、大気中の条件で３０分間のアニール処理を行った
（この試料を試料Ｎｏ．２とする。）。その後、この圧
電素子のＫｐおよびＱｍを測定した。その結果を図７に
示す。

【００３７】また、比較のため、１０⁷サイクル駆動さ
せた後の圧電素子に、キュリー温度未満である１５０
℃、大気中の条件で３０分間のアニール処理を行った
（この試料を試料Ｎｏ．Ｃ２とする。）。その後、この
圧電素子のＫｐおよびＱｍを測定した。その結果を図８
に示す。

【００３８】図７より明らかなように、試料Ｎｏ．２で
は、分域の状態が未耐久品と同様な状態に戻ることが分
かる。それに対して、図８より、試料Ｎｏ．Ｃ２では、
分域の拘束が除去されていないことが分かる。

【００３９】上記試料Ｎｏ．２およびＮｏ．Ｃ２を１．
８ｋＶ／ｍｍの電界中で分極処理した後、一定電圧下に
おける圧電素子の変位量および分極量変化を測定した。
変位量の結果を図９（試料Ｎｏ．２）および図１０（試
料Ｎｏ．Ｃ２）に、また、分極量変化の結果を図１１
（試料Ｎｏ．２）および図１２（試料Ｎｏ．Ｃ２）に示
す。

【００４０】図９より明らかなように、試料Ｎｏ．２で
は、変位量が未耐久品とほぼ同様な状態に回復している
ことが分かる。それに対して、図１０より、試料Ｎｏ．
Ｃ２では、変位量自体は未耐久品とほぼ同様な状態に回
復しているが、ヒステリシスの形状は未耐久品と異なっ
たままであることが分かる。

【００４１】また、図１１より明らかなように、試料Ｎ
ｏ．２では、分極量が未耐久品とほぼ一致し、損失エネ
ルギー値も未耐久品とほぼ同様であることが分かる。そ
れに対して、図１２より、試料Ｎｏ．Ｃ２では、ヒステ
リシスが大きく、損失エネルギーは５０％近く大きいま
まであることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における試料の分極電界と電気
機械結合係数および機械的品質係数との関係を示す線図

【図２】比較例における試料の分極電界と電気機械結合
係数および機械的品質係数との関係を示す線図

【図３】本発明の実施例における試料の印加電圧と変位
量との関係を示す線図

【図４】比較例における試料の印加電圧と変位量との関
係を示す線図

【図５】本発明の実施例における試料の印加電圧と分極
量変化との関係を示す線図

【図６】比較例における試料の印加電圧と分極量変化と
の関係を示す線図

【図７】本発明の実施例における試料の分極電界と電気
機械結合係数および機械的品質係数との関係を示す線図

【図８】比較例における試料の分極電界と電気機械結合
係数および機械的品質係数との関係を示す線図

【図９】本発明の実施例における試料の印加電圧と変位
量との関係を示す線図

【図１０】比較例における試料の印加電圧と変位量との
関係を示す線図

【図１１】本発明の実施例における試料の印加電圧と分
極量変化との関係を示す線図

【図１２】比較例における試料の印加電圧と分極量変化
との関係を示す線図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者浜口茂樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者杉江順次愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子の変位性能を回復する圧電素子
の再生方法であって、圧電素子に、駆動時に印加した電
場方向と反対の方向に抗電界以上の電界を印加すること
を特徴とする圧電素子の再生方法。
【請求項２】圧電素子の変位性能を回復する圧電素子
の再生方法であって、圧電素子に、圧電材料のキュリー
温度以上の温度でアニール処理を施すことを特徴とする
圧電素子の再生方法。