JPH0955549A

JPH0955549A - 圧電素子及びその駆動方法

Info

Publication number: JPH0955549A
Application number: JP8144212A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhiko Nishimura; 哲彦西村; Junji Sato; 順次佐藤; Hitoshi Aihara; 仁志相原; Takashi Ichihara; 高史市原; Takashi Akiba; 高志秋葉
Original assignee: Kasei Optonix Ltd
Current assignee: Kasei Optonix Ltd
Priority date: 1995-06-06
Filing date: 1996-06-06
Publication date: 1997-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電素子の変位や誘電率の温度依存性を少な
くし、かつ、高温下での抗電界の低下が抑制された圧電
素子、及び、その駆動方法を提供しようとするものであ
る。【解決手段】圧電体の結晶構造が、特定の温度域にお
いては正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）近傍の
状態にあり、前記特定の温度域より高い温度域まで加熱
されると、少なくとも大部分が正方晶に相変態する圧電
体結晶を用いた圧電素子及び、該圧電素子を前記特定の
温度域以上の温度域で駆動させる方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子及びその駆動
方法に関し、詳しくは、電界印加によって発生する誘電
率、圧電歪定数、機械的変位などの圧電特性の温度依存
性が少なく、かつ、温度に対する前記の圧電特性の耐久
性に優れ、特に、超音波振動子、超音波探傷子、医療用
超音波探触子、魚群探知機、圧電アクチュエータなどの
ように、高電界を印加する用途に適した圧電素子及びそ
の駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電素子は、着火素子、超音波振
動子、超音波探傷子、医療用超音波探触子、魚群探知
機、周波数フィルター、音響素子、圧電アクチュエータ
等の用途に用いられてきた。ここで、超音波振動子と
は、圧電素子を高い周波数、超音波領域の周波数を持つ
電界で駆動・振動させるデバイスであって、超音波モー
タ、洗浄用振動子などがある。

【０００３】超音波探傷子とは、超音波振動子と同様に
して得られる超音波振動を鉄板等の被検査物に送信し、
傷から帰ってくる反射エコーの情報から被検査物中の傷
等の欠陥を調べるものである。医療用超音波探触子は、
同様の原理を生体に対して応用し、人体の組織を調べる
ものである。魚群探知機は、超音波を水中に送信し、魚
に反射して帰ってくる情報により魚の探知を行うもので
ある。

【０００４】また、アクチュエータとは、電圧の印加に
よりミクロンあるいはミクロンアンダーの微少変位を正
確に発現させるものであり、ブザー等の音響や、ポン
プ、バルブ等の流量の精密制御、ＶＴＲヘッドのオート
トラッキングやオートフォーカス、さらにはミクロン領
域の機械的切削バイトの正確な位置決め装置や半導体製
造用の微少位置決め装置等への応用開発が近年急速に進
められている。

【０００５】これらの圧電素子用の材料としては、一般
には鉛、ジルコニウム、チタン等を含有し、Ａサイトは
鉛等の２価イオン、ＢサイトはＺｒ，Ｔｉ等の４価イオ
ンで構成されるＡＢＯ₃型ペロブスカイト化合物である
ＰＺＴ（ＰｂＺｒ_xＴｉ_yＯ ₃：ｘ＋ｙ＝１，ｘ≧０，
ｙ≧０）系材料が用いられている。具体的には、Ｂサイ
トを平均的に４価としたＰｂ( Ｎｉ_1/2Ｗ_1/2）Ｏ₃、
Ｐｂ( Ｃｏ_1/3Ｎｂ_2/ ₃）Ｏ₃、Ｐｂ( Ｎｉ_1/3Ｎｂ
_2/3）Ｏ₃などの複合ペロブスカイト化合物と前記ＰＺ
Ｔとの固溶体が既に知られている。

【０００６】圧電材料の選定は、誘電率、電気機械結合
係数、圧電歪定数や、電界誘起による機械的変位の大き
な組成物を探索することによって行われる。一般的に
は、上記ＰＺＴ系化合物において、誘電率、電気機械結
合係数、圧電歪定数や、電界誘起による機械的変位が最
大の値を示すのは、菱面晶と正方晶の結晶相境界（モロ
フォトロピック・フェイズ・バウンダリーと呼ばれてい
る。以下、「ＭＰＢ」と略称する。）近傍の状態にある
ことが明らかにされ、ＭＰＢを探索することによって材
料開発が行われている。

【０００７】例えば、純粋なＰＺＴの場合、室温付近の
結晶系は、Ｘ線回折測定による結晶相同定の結果、ペロ
ブスカイト構造におけるＢサイトの構成元素比、Ｚｒ／
Ｔｉのモル比が０／１以上で、０. ５３／０. ４７未満
の範囲にあるときは正方晶系であり、０. ５３／０. ４
７を超えて０. ９０／０. １０以下の範囲にあるときは
菱面晶系であって、Ｚｒ／Ｔｉのモル比が０. ５３／
０. ４７近傍においては正方晶／菱面晶の結晶相境界、
即ち、ＭＰＢが存在することが結晶学的に判明してい
る。一方、ＭＰＢ組成物の近傍において、誘電率、電気
機械結合係数、圧電歪定数などの圧電特性が最大になる
ことが知られている。

【０００８】従来、圧電素子は、常温（例えば、１０〜
３０℃）付近で使用されるため、その温度で優れた特
性、例えば、大きな誘電率、大きな電気機械結合係数、
大きな圧電歪定数や電界誘起による大きな変位を示す組
成物を探索すればよく、広い温度範囲で使用に適した圧
電素子の駆動方法については未だ開発されていない。

【０００９】しかし、使用温度域が常温〜１００℃又は
それ以上の温度（例えば１５０℃）の場合や、−５０℃
〜常温、又は−５０〜１００℃もしくはそれ以上の温度
（例えば１５０℃）のように使用温度域が広い場合は、
例えば、電界誘起による変位についてみると、常温付近
で印加した電圧によって発生する変位量が温度と共に大
きく変化するため、低温域では著しく変位が小さくなっ
たり、逆に高温域では著しく変位量が増加するため、使
用温度の全域で所望の変位を安定的に得ることが困難で
あった。

【００１０】そのため、所望の一定の変位を広い温度全
域で安定的に得るために、低温域では、大きな電圧を印
加し、高温域では小さな電圧を印加するなど、駆動温度
に対応して印加電圧を変化させる方法が考えられるが、
そのために高価な駆動装置を必要とする。

【００１１】次に、圧電体に対する分極処理と逆方向の
電界の下における脱極し難さに関連した耐久性について
みる。図１は、分域の動き易さの尺度である抗電界につ
いて説明するための図であり、圧電体の分極（Ｄ）と電
界（Ｅ）の関係を示したものである。同図より明らかな
ように、分極された圧電体〔状態（０）〕に、その分極
方向と逆の電界を加えると圧電体の分極の大きさが低下
して行く。これは、逆方向即ち電界方向に向きを変えて
行くためであり、脱分極を生ずることになる。逆方向の
電界を非常に強めて行くと図１の〔状態（１）〕を経由
して〔状態（２）〕のように逆方向の分極が飽和する。
その間に、圧電体の分極の大きさがゼロになる状態があ
り、その状態では、圧電体の分極の方向がバラバラに向
き、分極＝０となっている。この分極がゼロになる電界
の大きさ（Ｅｃ）を抗電界という。抗電界が大きい材料
は、分極処理と逆方向の電界に対する耐久力のある、脱
極しにくい材料といえる。

【００１２】一般に圧電アクチュエータや超音波探傷
子、医療用探触子などに用いられる材料は、いわゆるソ
フト系の材料であるため、上記の抗電界が小さく、しか
も高温下では抗電界が一層小さくなるので、８０℃を超
えるような高温で駆動させる場合、電圧未印加の状態
で、長期に渡って高温にさらされると脱極したり、ま
た、分極と逆方向の電界を印加した場合、圧電素子がよ
り脱極し易くなり、変位の耐久性に問題があった。

【００１３】他方、圧電素子の誘電率は、温度とともに
一般的には増加するが、圧電体を交番的に駆動する際
に、誘電率が温度の上昇により、一層大きくなり、その
ため誘電損が増加してさらに発熱し易い状態に陥り脱分
極してしまうといった耐久性の問題があった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
を解消し、圧電素子の変位や誘電率の温度依存性を少な
くし、かつ、高温下での抗電界の低下が抑制された圧電
素子、及び、その駆動方法を提供しようとするものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、従来の圧
電材料が有する、誘電率、変位及び抗電界の温度依存性
の問題を解決すべく、圧電素子及びその駆動方法につい
て鋭意検討した結果、特定組成のＰＺＴ系セラミック組
成物中には、その結晶相が特定温度域ではＭＰＢ近傍の
状態にあり、上記特定温度より高い温度域においてはＭ
ＰＢから正方晶へと相転移するものがあり、そのような
セラミック組成物を用いた圧電素子は、前記特定の温度
域において、これを駆動するときに、前記特定温度域よ
り駆動温度が上昇した場合にも圧電素子の誘電率、変位
量の変動が極めて小さくなり、上記のような特別の駆動
装置を用いずに、広い温度範囲で駆動させることができ
る圧電素子及びその駆動方法を提供することを可能に
し、本発明を完成するに至った。本発明は以下の構成か
らなるものである。

【００１６】(1) 圧電体の結晶構造が、特定の温度域に
おいては正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）近傍
の状態にあり、前記特定の温度域より高い温度域まで加
熱されると、少なくとも大部分が正方晶に相変態する圧
電体結晶を用いたことを特徴とする圧電素子。

【００１７】(2) 圧電体の結晶構造が、特定の温度域に
おいては正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）近傍
の状態にあり、前記特定の温度域より高い温度域まで加
熱されると、少なくとも大部分が正方晶に相変態する圧
電体結晶を用いた圧電素子を、前記特定の温度域以上の
温度域で駆動させることを特徴とする圧電素子の駆動方
法。

【００１８】(3) 前記圧電素子を駆動する温度範囲が−
５０〜２００℃の範囲であることを特徴とする上記(2)
記載の圧電素子の駆動方法。

【００１９】

【発明の実施の態様】ところで、従来の駆動方法に使用
されている圧電体は、後述の図３ａに示すように、温度
を常温から高温側に変化させても結晶系はほとんど変化
しない。これに対し、本発明の圧電素子の駆動方法に使
用される圧電体結晶は、ある温度で正方晶／菱面晶のＭ
ＰＢ付近の状態にあり、その温度が変わると結晶系が正
方晶に変化するような圧電素子である。その圧電素子
は、ＭＰＢの状態を示す温度以上の温度範囲で駆動させ
ることにより、即ち、ＭＰＢを示す温度が駆動温度の最
低温度となるようにすることにより、温度依存性を低く
抑えることができる。

【００２０】図２は、正方晶／菱面晶のＭＰＢの状態か
ら正方晶に相変態する、下記実施例に例示した圧電体結
晶の特性を示したものであり、図２ａはその圧電体結晶
のＭＰＢの状態を示す温度がその組成（ＺｒとＴｉのモ
ル比）によって変化する状況を示したグラフである。こ
こで、特定温度、例えば、最低使用温度がＭＰＢの状態
を示す温度ｔ₁となるように組成ｍ₁を選択する。この
圧電体結晶は温度ｔ₁（図のＡ点）より温度が低いと菱
面晶となり、逆に温度がｔ₂、ｔ₃（ｔ₁< ｔ ₂<
ｔ₃）へと上昇するにしたがって図のＢ点及びＣ点へと
移行して、結晶系は正方晶に相変態してゆく。

【００２１】図２ｂ及び図２ｃは、下記実施例に例示し
た圧電体結晶の組成（ＺｒとＴｉのモル比）と変位量及
び誘電率の関係を示すグラフである。図２ｂ及び図２ｃ
から分かるように、この圧電体結晶は変位量及び誘電率
がそれぞれ極大となる組成（ＺｒとＴｉの比率）は温度
と共に変化し、温度が高くなるほどこの極大点はＺｒの
量の多い方にシフトする。そして、この圧電体結晶は、
例えば温度ｔ₁において結晶系がＭＰＢの状態にある組
成（ｍ₁)のときの変位量及び誘電率（それぞれ図中の点
Ａ）は温度がｔ₂、ｔ₃（ｔ₁< ｔ₂< ｔ₃）へと変化
すると共に変位量及び誘電率がそれぞれ図の点Ｂ及び点
Ｃへと変化し、その変位量及び誘電率の変化は小さい。

【００２２】一方、図３は、下記比較例に例示した圧電
体結晶の特性を示したものであり、図３ａより明らかな
ようにその圧電体結晶のＭＰＢの状態を示す温度がその
組成（ＺｒとＴｉのモル比）によって実質的に変化しな
い。即ち、ＭＰＢの状態を示す温度がｔ₁となる特定の
組成（ｍ₂)を有する圧電体の結晶系（図のＡ点）はこれ
より温度が低くても逆に温度がｔ₂、ｔ₃（ｔ₁< ｔ₂
< ｔ₃）へと変化すると（図のＢ点及びＣ点）その結晶
系は変わらないか、無視できる程度に小さい。

【００２３】図３ｂ及び図３ｃは、上記比較例の圧電体
結晶の組成（ＺｒとＴｉのモル比）と変位量及び誘電率
の関係を示すグラフである。図３ｂ及び図３ｃから分か
るように、この圧電体結晶は変位量及び誘電率がそれぞ
れ極大となる組成（ＺｒとＴｉの比率）は温度が変わっ
ても変化せず、温度が高くなってもこの極大点はシフト
しない。そして、この圧電体結晶は、例えば温度ｔ₁に
おいて結晶系がＭＰＢの状態にある組成（ｍ₂）のとき
の変位及び誘電率（それぞれ図中の点Ａ）は温度が
ｔ₂、ｔ₃（ｔ₁< ｔ₂< ｔ₃）へと変化すると変位量
及び誘電率はそれぞれが点Ｂ及び点Ｃへと変化するが、
その変化量は図２ｂ及び図２ｃに示した本発明の圧電体
結晶の場合より大きい。即ち、変位量及び誘電率の温度
依存性は大である。

【００２４】次に、本発明の圧電素子の駆動方法につい
て図２を用いて説明する。本発明の駆動方法により圧電
素子を駆動させるには、前記のように、ある特定の温度
においては結晶構造が図２ａのＡ点、即ち、温度ｔ₁に
おいて菱面晶／正方晶の相境界（ＭＰＢ）付近の状態と
なり、この温度より高温になると正方晶へと相変態する
ような結晶を選択する。この場合、圧電素子を駆動させ
るときの最低温度（使用環境下における最低温度）ｔ₁
を推測し、その最低温度ｔ₁において、正方晶／菱面晶
のＭＰＢ付近になるような結晶が圧電素子に用いられる
ので、その温度において、圧電素子の変位特性及び誘電
率の値は極大になる。

【００２５】本発明の圧電素子は、前記最低温度に対応
する図２ａのＡ点から温度の上昇と共にＢ点及びＣ点へ
と移動し、図２ａの圧電体結晶は正方晶の方向へ相転移
する。圧電素子を駆動させる場合は、温度の上昇ととも
に結晶構造が正方晶／菱面晶のＭＰＢ付近から正方晶域
（図２ａ）へと相変態し、ＭＰＢから離れるにしたがっ
て、図２ｂから分かるように、変位量の極大点から外
れ、温度の上昇にもかかわらず圧電素子の変位量が抑制
されるので、変位量の温度依存性を著しく低減させるこ
とができる。その結果、一定電圧の印加によりほぼ一定
の変位を発現できる理想的な圧電素子を提供することが
できる。

【００２６】これに対して、従来の方法において圧電素
子を駆動させる場合は、駆動時の温度が変化しても、結
晶構造が変化しない結晶を圧電素子として使用していた
ので、ＭＰＢ付近で圧電特性が最大であって、使用温度
の変化に伴ってその変位量が大幅に変化する。このよう
に、使用温度の上昇により、結晶は一般に電界に対して
柔らかくなり、大きな変位量を示す。即ち、図３ａに見
られるように、ＭＰＢの温度依存性がないか、影響を与
えない程度に小さく、結晶構造が変化しないときには、
図３ｂのように温度により変位量が大きく変化する。こ
れは、温度の上昇による結晶の弾性率の低下及び電界に
対する原子自体の動き易さの複合作用（相乗作用）の結
果と考えられるが、この場合、ＭＰＢの温度依存性がな
いか、特性に影響を与えない程度に小さいため（その結
晶相変化の効果がなく）、圧電素子の変位量の温度依存
性が大きくなるので好ましくない。

【００２７】また、圧電素子は誘電率の温度依存性が低
いことも重要な要求特性である。圧電素子は一般にある
温度において、その結晶相のＭＰＢ付近で誘電率が極大
になることが知れており、また、温度が上昇することに
よって、変位量と同様に誘電率も大きくなることも知ら
れている。図３ｃより明らかなように、温度による結晶
相の相変化が実質的にない従来の圧電素子は、前記のよ
うに誘電率の温度依存性が大きいが、本発明に係る圧電
体結晶は、図２ｃより明らかなように、誘電率の温度依
存性も前記の変位量と同様な挙動を示す。即ち、結晶相
が温度の上昇に伴ってＭＰＢから離れるため、誘電率の
温度依存性を小さくすることができる。

【００２８】なお、図２の圧電体結晶は、変位量及び誘
電率の温度依存性を著しく低減させる外、温度の上昇に
伴って結晶が正方晶に相変態し、そのため結晶の抗電界
の低下を抑制することができる。その結果、高温での変
位特性の耐久性を改善することができる。

【００２９】図４は、一般的なＰＺＴ系圧電体結晶の組
成（Ｚｒ／Ｔｉモル比）と抗電界及び結晶相との相関を
例示したグラフであるが、図４から明らかなように、圧
電体結晶の抗電界は、ＭＰＢ領域を挟んで正方晶側（Ｔ
ｉリッチ側）になるにつれて大きくなり、菱面晶側（Ｚ
ｒリッチ側）になるにつれて小さくなる。

【００３０】また、一般的にその結晶体の抗電界は温度
が上昇すると小さくなるが、抗電界が小さくなると、一
定の方向に分極した個々の粒子が小さな電界の変化によ
って分極が図１に示すように圧電体結晶内でバラバラに
なり易く、変位等の圧電性の耐久性が低下する。図３ａ
に例示したように従来の駆動方法に使用される圧電体結
晶のように、結晶相変化（変態）の温度依存性が小さい
材料の場合、ＭＰＢ付近の結晶はその使用温度が変化し
ても相転移がないので、温度の上昇と共に電界に対して
柔らかく、分域が動きやすくなり、抗電界が小さくなっ
て、変位等の圧電性の耐久性が低下するおそれがある。
また、分極方向と逆の電圧を印加する駆動を行った場
合、脱極の危険性が増すので好ましくない。

【００３１】これに対し、結晶相が温度の上昇と共に正
方晶に向かう、本発明の駆動方法に使用される圧電体結
晶（図２）は、温度の上昇と共に正方晶の方向に相変態
が進むため、変位量や誘電率の温度依存生を抑えること
ができるとともに、高温での使用時のＭＰＢ近傍の結晶
系をとる従来のものに比べて、高温時の耐久性、より具
体的には脱分極を改善できる。

【００３２】本発明の圧電素子に使用する圧電体結晶と
しては、ＰＺＴ系のＡＢＯ₃型ペロブスカイト化合物
で、該化合物のＡサイトの一部をアルカリ土類金属など
の２価金属やＬａ，Ｂｉ等の３価金属で置換したもの、
該化合物のＢサイトの一部を他のＳｎ，Ｓｉ，Ｍｎ等の
４価金属、Ａｌ，Ｆｅ，Ｉｎ，Ｓｂ等の３価金属、Ｎ
ｂ，Ｔａ，Ｓｂ等の５価金属、Ｗ等の６価金属の少なく
とも１つで置換したもの、さらには、これらＰＺＴ系圧
電体とＢサイトを平均的に４価とした、Ｐｂ（Ｎｉ _1/2
Ｗ_1/2）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｃｏ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ
（Ｎｉ_1/3Ｎｂ_2/3）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）
Ｏ₃等の複合ペロブスカイト化合物との固溶体等、例え
ば、下記一般式で表されるものを使用することができ
る。

【００３３】Ｐｂ_1-x-mＬａ_xＡ_m（Ｚｒ_yＴｉ_1-y）_1-(x/4)Ｏ₃ （但し、ＡはＳｒ、Ｂａ及びＣａの中の少なくとも１種
の元素であり、Ｌａの配合量ｘは０≦ｘ≦０．０７、好
ましくは０．０００５≦ｘ≦０．０７、より好ましく
は、０．００５≦ｘ≦０．０７の範囲が適しており、ま
た、Ｚｒの配合量ｙは０．４５≦ｙ≦０．６５、好まし
くは、０．４７≦ｙ≦０．６３の範囲が適しており、さ
らに、Ａ元素の配合量ｍは０≦ｍ≦０．１５、好ましく
は、０．０００５≦ｍ≦０．１０、より好ましくは、
０．００５≦ｍ≦０．１０の範囲が適している。）

【００３４】また、前記Ｐｂ_1-x-mＬａ_xＡ_m（Ｚｒ_y
Ｔｉ_1-y）_1-(x/4)Ｏ₃に対し、必要に応じてＳｂ、Ｎ
ｂ及びＴａの中の少なくとも１種の元素を固溶させたも
のを使用することができ、その酸化物に換算した総量は
０．００５〜３重量％、好ましくは０．０５〜３重量％
の範囲で固溶させることができる。

【００３５】さらに、前記圧電体は、前記酸化物固溶体
組成物に対し、必要に応じてＩｎ、Ｔｅ、Ｃｅ及びＷの
中の少なくとも１種の元素を配合することができ、その
酸化物に換算した総量は０．００５〜０．５重量％、
好ましくは０．０２５〜０．５重量％の範囲が適してい
る。

【００３６】さらにまた、前記圧電体は、前記酸化物固
溶体組成物に対し、Ｉｎ、Ｔｅ及びＣｅの中の少なくと
も１種の元素、及び、Ａｌ、Ｓｉ、Ｆｅ及びＶの中の少
なくとも１種の元素を同時に配合することができ、Ｉ
ｎ、Ｔｅ、Ｃｅ及びＷの中の少なくとも１種の酸化物に
換算した総量は０．００５〜０．５重量％、好ましくは
０．０２５〜０．５重量％の範囲であり、かつ、Ａｌ、
Ｓｉ、Ｆｅ及びＶの中の少なくとも１種の酸化物に換算
した総量は０．００５〜０．２重量％、好ましくは０．
０２５〜０．２重量％の範囲が適している。

【００３７】本発明に適した圧電セラミック組成物は、
前記組成物に限定されるものではなく、前記組成物及び
前記組成物以外のものの中から、その結晶構造が特定の
温度域では正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）の
近傍にあり、その温度域より高温になると、その結晶の
全部又は大部分がＭＰＢより正方晶に相変態するような
結晶を選択して圧電素子として使用する。

【００３８】このような圧電セラミック組成物は、化学
量論的に上記の一般式で表される配合組成になるように
該組成物原料を秤量し、ボールミル等で湿式混合し、仮
焼した後に粉砕し、得られた粉末を１１００〜１３００
℃で焼成して焼結することによって得られる。なお、本
発明の圧電セラミック組成物の原料としては必ずしも酸
化物である必要はなく、それぞれの元素の水酸化物、塩
化物、硫酸塩、硝酸塩等の、高温で容易に酸化物に変わ
りうる化合物であれば同様に用いることができる。

【００３９】

【実施例】

〔実施例〕ＡＢＯ₃型ペロブスカイト構造のＰＬＺＴ結
晶のＡサイトにおけるＰｂの位置をＬａ＝０．０５モル
％、Ｓｒ＝２モル％、Ｂａ＝４モル％、Ｃａ＝４モル％
置換し、ＢサイトのＴｉ位置をＮｂ＝１モル％置換し、
Ｚｒ／Ｔｉ（モル比）＝５５．５／４４．５とし、さら
に、このペロブスカイト組成物にＦｅをＦｅ₂Ｏ₃に換
算して０．０５重量％添加し、また、ＩｎをＩｎ₂Ｏ₃
に換算して０．０３重量％添加してなる圧電材料をボー
ルミルで混合粉砕し１２００℃で焼結させ、研磨した
後、φ１５ｍｍ、厚み０. ５ｍｍの円盤状圧電材料を複
数枚用意した。

【００４０】次に、これらの円盤を研磨した後、５００
℃でアニール処理し、研磨歪みを取り除いた後、高温Ｘ
線回折法により結晶相の温度変化を、２５℃、１００℃
及び１５０℃でそれぞれ測定した。この中、２５℃及び
１５０℃で測定したときのＸ線回折図を図５に示す。得
られた圧電材料の結晶相は、２５℃では正方晶と菱面晶
の相境界（ＭＰＢ）付近にあり（図２ａ参照）、温度の
増加に伴って正方晶をとり（図５ｂのＸ線回折図におけ
る２θ＝４３〜４５°付近のピークの形状から確認でき
る）、図２ａのケースの相変態を示すものであった。な
お、得られた圧電材料のキューリ温度は、周波数１ＫＨ
ｚで誘電率の温度依存性を測定し、そのデ−タから、最
大の誘電率を示す温度を求めてキューリ温度とした。そ
の結果、キューリ温度Ｔｃは２６０℃であった。

【００４１】この円盤にＡｇ電極をスクリーン印刷法に
より印刷し、５５０℃で焼き付けた後、７０〜１４０℃
の温度範囲において、３Ｋｖ／ｍｍの直流電圧を１０分
間印加して分極した。得られた圧電素子の厚み方向の変
位を正負２８０Ｖの電圧を印加し、０．１Ｈｚ、２０〜
１００℃で変位の温度依存性を測定し、図７ａに示し
た。また、誘電率の温度依存性を１ｋＨｚ、２０〜１０
０℃で測定し、図８ａに示した。

【００４２】〔比較例〕ＡＢＯ₃型ペロブスカイト構造
のＰＬＺＴ結晶のＡサイトにおけるＰｂの位置をＬａ＝
５モル％置換し、Ｚｒ／Ｔｉ＝５６．５／４２．５とし
た圧電材料を実施例と同様にして焼結させ、円盤状圧電
材料を複数枚用意した。得られた圧電材料を実施例の圧
電材料と同様にしてこれの結晶相変化を測定した。この
中、２５℃及び１５０℃におけるＸ線回折図を図６に示
す。結晶相は２５℃において正方晶と菱面晶のＭＰＢ付
近であり（図６ａ参照）、温度を上げてもＭＰＢ→正方
晶への相変態は実質的に示さず（図６ｂ参照）、図３ａ
のケースに対応していた。

【００４３】また、電気特性を評価するために、実施例
と同様にしてこの円盤を分極処理して圧電素子を得た。
この材料のキューリ温度を同様に測定したところ、Ｔｃ
＝２５８℃であった。また、得られた圧電素子の厚み方
向の変位を正負２８０Ｖの電圧を印加し、０．１Ｈｚで
２０〜１００℃で同様にして変位の温度依存性を測定
し、図７ｂに比較例として示した。

【００４４】（変位量及び誘電率の温度依存性の評価）
実施例の圧電材料は、温度を上げると、ＭＰＢ状態から
正方晶に相変態を示したが、比較例の圧電材料は実質的
に相変化を確認することができなかった。また、実施例
の圧電材料は、図２ａに示す結晶変化を示し、温度の上
昇に伴い結晶相が、変位量の最大値をとるＭＰＢの領域
から遠ざかることにより（図２ｂ参照）、図７ａに示す
ように圧電材料に生ずる電界誘起変位（歪み）の増加が
抑制され、比較例の圧電材料の変位量（図７ｂ）と比べ
て、温度依存性が大幅に改善され、ほとんど温度依存性
がない状態が実現された。

【００４５】また、図８は、実施例と比較例の圧電材料
についての誘電率の温度依存性を示したものである。図
２ｃで説明したように、実施例の圧電材料は温度上昇に
ともない、誘電率の最大値をとるＭＰＢの領域から遠ざ
かることにより、誘電率の増加が抑制され、誘電率の温
度依存性が大幅に改善されたことが分かる。

【００４６】（抗電界及び高温耐久性の評価）実施例及
び比較例の圧電材料について、抗電界の測定を行うと共
に高温における耐久性を調べた。抗電界は、厚み０．５
ｍｍの素子に、１００℃で、─４００〜４００Ｖの電圧
を印加し、１Ｈｚで測定した。高温での耐久性評価は、
厚み０．５ｍｍの素子に、まず、常温で０．１Ｈｚ正負
２８０Ｖを印加し、変位量を測定した。その後、８０
℃、５０ＨｚでＡＣ２００Ｖ、２０００時間連続駆動し
た後、室温に戻して同じ０．１Ｈｚ正負２８０Ｖの電圧
を印加して変位量を測定した。その結果を表１に示し
た。

【００４７】

【表１】

【００４８】実施例及び比較例で用いた圧電材料につい
て、１００℃における抗電界を測定をすると、キューリ
温度がほぼ同じ圧電材料であるにもかかわらず、実施例
の圧電材料の抗電界は比較例のものに比べて大きいこと
が分かった。このこと及び誘電率の温度依存性が小さい
ことから、実施例の圧電材料の高温での耐久性が優れて
いることが分かる。具体的には、実施例の劣化率が２％
と低いのに対して、比較例の劣化率は５２％で、半分以
下の変位しか示さず、高温状態での耐久性が大幅に改善
されたことが分かる。

【００４９】

【発明の効果】本発明は、特定の温度域において、その
結晶構造が正方晶と菱面晶の結晶相境界（ＭＰＢ）近傍
の構造をとり、該特定温度域よりも温度が上昇した時に
正方晶の方向へ相変化し得る圧電素子を使用し、該圧電
体結晶がＭＰＢ近傍の結晶構造をとり得る温度域が最低
の使用温度域となるように駆動させることによって、圧
電素子の誘電率や電界誘起歪みなどの圧電特性の温度依
存性を大幅に低減させることができ、高温時における圧
電素子の抗電界の低減を抑制させ、高温使用時の圧電素
子の耐久性を向上させることができた。それ故、高価で
複雑な電圧調整回路を用いることなく、幅広い使用温度
範囲で所定の変位を安定に得ることができるので、産業
上の有用性は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】分域の動き易さの指標である抗電界を説明する
ための図であり、圧電体の分極と電界の関係を示したグ
ラフである。

【図２】本発明の圧電駆動方法で使用される圧電体結晶
について、温度と結晶相の相関を表すグラフ（２ａ）、
温度をパラメ−タする組成と変位量との相関を表すグラ
フ（２ｂ）及び温度をパラメ−タする組成と誘電率との
相関を表すグラフ（２ｃ）である。

【図３】従来の圧電駆動方法で使用される圧電体結晶に
ついて、温度と結晶相の相関を表すグラフ（３ａ）、温
度をパラメ−タする組成と変位量との相関を表すグラフ
（３ｂ）及び温度をパラメ−タする組成と誘電率との相
関を表すグラフ（３ｃ）である。

【図４】図２、図３の圧電体結晶における組成と抗電界
の相関を示したグラフである。

【図５】実施例の圧電体結晶の、２５℃及び１５０℃に
おけるＸ線回折図である。

【図６】比較例の圧電体結晶の、２５℃及び１５０℃に
おけるＸ線回折図である。

【図７】実施例及び比較例の圧電体について、変位の温
度依存性を示したグラフである。

【図８】実施例及び比較例の圧電体について、誘電率の
温度依存性を示したグラフである。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｒ 17/00 ３３０Ｈ０１Ｌ 41/18 １０１Ｄ (72)発明者市原高史神奈川県小田原市成田1060番地化成オプトニクス株式会社内 (72)発明者秋葉高志神奈川県小田原市成田1060番地化成オプトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電体の結晶構造が、特定の温度域にお
いては正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）近傍の
状態にあり、前記特定の温度域より高い温度域まで加熱
されると、少なくとも大部分が正方晶に相変態する圧電
体結晶を用いたことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】圧電体の結晶構造が、特定の温度域にお
いては正方晶と菱面晶との結晶相境界（ＭＰＢ）近傍の
状態にあり、前記特定の温度域より高い温度域まで加熱
されると、少なくとも大部分が正方晶に相変態する圧電
体結晶を用いた圧電素子を、前記特定の温度域以上の温
度域で駆動させることを特徴とする圧電素子の駆動方
法。
【請求項３】前記圧電素子を駆動する温度範囲が−５
０〜２００℃の範囲であることを特徴とする請求項２記
載の圧電素子の駆動方法。