JPH1074990A

JPH1074990A - 圧電性物質の弾性率の制御方法

Info

Publication number: JPH1074990A
Application number: JP8230491A
Authority: JP
Inventors: Munehiro Date; 宗宏伊達; Masayuki Hisatani; 昌之久谷; Shigeru Sakai; 茂阪井
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: US6018210A; JP3394658B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な方法で、圧電性物質の弾性率の値を大幅
に変化させることを可能にする、圧電性物質の弾性率の
制御方法を提供すること。【解決手段】圧電性を有する圧電性物質に電極を設けて
おき、該電極に、１以上の回路素子からなる手段を接続
することによって、圧電性物質の弾性率（弾性率の実数
部）および損失率（弾性率の虚数部）を変化させる、圧
電性物質の弾性率の制御方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、簡単な方法で、圧
電性物質の弾性率の値を大幅に変化させることを可能に
する、圧電性物質の弾性率の制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、圧電性物質は、力が加えられる
と起電力が発生し（「機械−電気結合効果」と称され
る）、そして、発生した起電力によって、本来の力を加
えたことによる変形に上乗せして、更に、変形が生じる
ことになる（「電気−機械結合効果」と称される）。

【０００３】この場合、上乗せされた変形は、本来の力
を加えたことによる変形とは逆向きに生じるため、圧電
性物質が堅くなったように見える現象が発生する。ま
た、発生した起電力は、圧電性物質の圧電気発生面に電
極を設けておけば、電極を介して電圧として観測できる
ことになる。

【０００４】そして、この電極を、電気的に短絡したり
開放したりすると、電気→機械の反作用の大きさが変化
し、圧電性物質の見かけの堅さの変化として観測され
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに、圧電性物質の圧電気発生面に設けた電極を、電気
的に短絡したり開放したりするだけでは、圧電性物質の
弾性率は高々数％変化するにすぎない。これは、通常の
圧電性物質の場合、この効果の大きさが、電気機械結合
係数ｋの二乗に比例し、ｋも高々０．２程度であるため
である。

【０００６】このように、高々数％程度の弾性率の変化
は、誤差範囲内に入る程度の変化であり、弾性率の変化
のダイナミックレンジを大幅に拡大して、各種の応用分
野への適用が有望なデバイスを提供することを望んで
も、圧電性物質の弾性率を大幅に変化させる術がなかっ
た。

【０００７】そこで、本発明は、このような従来存在し
ない術を実現すべくなされたものであり、その目的は、
簡単な方法で、圧電性物質の弾性率の値を大幅に変化さ
せることを可能にする、圧電性物質の弾性率の制御方法
を提供する点にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明によれば、圧電性を有する圧
電性物質に電極を設けておき、該電極に、１以上の回路
素子からなる手段を接続することによって、前記圧電性
物質の弾性率（弾性率の実数部）および損失率（弾性率
の虚数部）を変化させる、圧電性物質の弾性率の制御方
法が提供される。

【０００９】また、請求項２に記載の発明によれば、圧
電性を有する圧電性物質に電極を設け、さらに、圧電性
物質の歪みを電気信号に変換する歪みセンサー、また
は、圧電性物質に加わる応力を電気信号に変換する応力
センサーを備えておき、いずれかのセンサーの電気信号
を、前記電極に印加することによって、前記圧電性物質
の弾性率（弾性率の実数部）および損失率（弾性率の虚
数部）を変化させる、圧電性物質の弾性率の制御方法が
提供される。

【００１０】さらに、請求項３に記載の発明は、請求項
１において、少なくとも１個の回路素子の特性を変化さ
せることを特徴とする、圧電性物質の弾性率の制御方法
である。

【００１１】さらにまた、請求項４に記載の発明は、請
求項２において、前記電極に印加するセンサーの電気信
号の、位相および振幅のうちの少なくとも一方を変化さ
せることを特徴とする、圧電性物質の弾性率の制御方法
である。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。まず、本発明の第１の実施形態に
ついて説明する。

【００１３】なお、参考のために、図１（ｂ）には、通
常観測される圧電性物質の弾性共振に対応した、誘電的
圧電共鳴分散の様子を模式的に示している。また、この
観測対象は、図１（ａ）に示すように、圧電性物質１０
と、その圧電気発生面に設けた電極１２と、電極１２に
接続した電線１５と、を有するものであり、電線１５に
交流電源１４が供給する電圧を印加して、誘電的圧電共
鳴分散を観測している。また、図１（ａ）の点線で、電
圧印加による圧電性物質１０の変形の様子を模式的に示
している。

【００１４】なお、電極１２としては、アルミニウム、
金等の導電性材料、圧電性物質１０としては、ＰＺＴで
代表されるようなセラミック圧電体、セラミック粉末と
ゴムとの複合体、セラミック粉末とプラスチックとの複
合体、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン／トリ
フロロエチレン共重合体で代表されるような、強誘電性
高分子、ポリメチルグルタメート、ポリベンジルグルタ
メート、ポリ乳酸などで代表されるポリアミノ酸、セル
ロースおよびその誘電体、木材、および、コラーゲンで
代表される天然高分子等が挙げられる。

【００１５】図１（ｂ）中、横軸は、交流電圧の周波
数、縦軸は誘電率であり、周波数を低い状態から高くし
ていくと、誘電率がピークを有して変化して、その後、
誘電率の値が負になってから大きくなっていく、いわゆ
る誘電的圧電共鳴分散が観測される。

【００１６】さて、図２（ａ）は、本発明の第１の実施
形態にかかるものである。これは、圧電性物質２０と、
その圧電気発生面に設けた電極２２と、電極１２に電線
１５を介して接続した付加回路２４とを有している。な
お、電極１２としては、アルミニウム、金等の導電性材
料、圧電性物質１０としては、上述のような物質が考え
られる。そして、付加回路２４（１以上の回路素子から
なる手段）として、図２（ａ）では、インダクタンス素
子を示しているが、インダクタンス素子、抵抗素子、キ
ャパシタンス素子（容量素子）、負性抵抗素子、負性容
量素子等の回路素子を単独に用いるか、あるいは、回路
素子を複数接続して構成した回路を採用することが考え
られる。また、インダクタンス機能、抵抗機能、キャパ
シタンス機能等を有する回路を付加回路２４として採用
してもよく、後に、インダクタンス機能や負性容量機能
を有する、実際の回路構成について説明する。

【００１７】さて、図２（ｂ）において、横軸は、機械
的振動の周波数、縦軸は、弾性率の大きさを示してい
る。機械的振動を与える方向、即ち、弾性率の測定方向
は、図２（ａ）中、矢印で示す方向、即ち、圧電性物質
２０の長手方向である。

【００１８】図２（ｂ）を見ると分かるように、周波数
を低い状態から高くしていくと、弾性率の値が負にな
り、その後、ピークを有するように弾性率が変化し、さ
らに、弾性率が徐々に小さくなっていく、弾性的圧電共
鳴分散が観測される。

【００１９】さて、このように、付加回路を備えること
によって、弾性率が変化する理由について、付加回路と
して容量Ｃを採用した場合を例に取り、図３を参照して
説明する。図３中、符号Ｃで示す円は、容量Ｃの大きさ
を表現するものであり、円上の位置によって、容量の大
きさが変化する。円の上端点では、「Ｃ＝∞」、即ち、
「電極ショート」の状態に相当し、この点から右周り方
向に行くにしたがって正の値（Ｃ＞０）をとりながら、
値が小さくなっていき、円の下端点では、「Ｃ＝０」、
即ち、「電極オープン」の状態に相当し、さらに、この
点から右周り方向に行くにしたがって負の値（Ｃ＜０）
をとりながら、その絶対値が大きくなっていき、前記上
端点に戻る。さて、「Ｃ＝∞」（上端点）の状態から、
「Ｃ＝０」の状態に向かうと、弾性領域において、いわ
ゆる「柔状態」から「剛状態」に変化し、圧電性物質の
弾性率が変化する。そして、圧電性物質自体の容量をＣ
ｓとすると、「Ｃ＝−（１−ｋ²）・Ｃｓ」のとき、弾
性率が「∞」となり、負性弾性領域（慣性領域）に入
る。さらに、「Ｃ＝−Ｃｓ」となると、弾性率が０とな
り、この点より、容量の絶対値が大きくなると、再度、
弾性領域に入ることになる。このように、付加回路であ
る容量Ｃの値を変化させることにより、弾性率が大きく
変化し、さらに、弾性率を負とすることも可能となる。
以上の説明は、容量を付加し、弾性率を変化させること
について述べたが、インダクタンス素子、抵抗素子等の
他の素子や各素子の組合わせた回路、さらに、インダク
タンス機能や抵抗機能やキャパシタンス機能等を有する
回路を、付加回路として採用しても、同様に、圧電性物
質の弾性率を変化させることが可能になる。

【００２０】即ち、圧電性物質に電極を設けておき、該
電極に、１以上の回路素子からなる手段を接続すること
よって、前記圧電性物質の弾性率（弾性率の実数部）お
よび損失率（弾性率の虚数部）を変化させる、圧電性物
質の弾性率の制御方法が提供されることになる。

【００２１】なお、ここで、弾性率が電極間のシャント
インピーダンスにより変化することについて、若干の理
論的考察を行っておくことにする。まず、圧電の基本式
は、次の（１）、（２）により表現される。Ｓ＝ｓ^EＴ＋ｄＥ（１）Ｄ＝ｄＴ＋ε^TＥ（２）ここで、Ｓは歪み、ｓ^Eは電界一定における弾性コンプ
ライアンス（弾性率の逆数）、Ｔは応力、ｄは圧電ｄ定
数、Ｅは電界、Ｄは電気変位、ε^Tは応力一定における
誘電率である。また、電気機械結合係数ｋは、次式
（３）で表される。

【００２２】ｋ²＝ｄ²／（ｓ^Eε^T）（３）電極間にシャントする外部素子のサセプタンスを圧電体
の誘電率で規格化した値をαとすると、さらに、Ｄ／Ｅ＝−αε^T （４）なる条件が加わる。ここで電極間をショートすること
は、「α＝∞」に相当し、電極間をオープンにすること
は、「α＝０」に相当する。そして、式（４）を用い
て、式（１）、（２）からＤ，Ｅを消去し、式（３）を
用いて整理すると、次式（５）が得られる。

【００２３】Ｓ／Ｔ＝ｓ^E（１−ｋ²／（１＋α））（５） αという値を有する外部素子で、電極間をシャントした
ときの弾性コンプライアンスをｓ（α）とすると、ｓ
（α）は次式（６）のように表現される。

【００２４】ｓ（α）＝Ｓ／Ｔ＝ｓ^E（１−ｋ²／（１＋α））（６）そして、式（６）より、以下の式（７）〜（１０）が導
かれる。ｓ（０）＝ｓ^E（１−ｋ²）（７）ｓ（∞）＝ｓ^E （８）１／ｓ（−１）＝０（９）ｓ（−（１−ｋ²））＝０（１０） αが、「０＜α＜∞」なる範囲にあるときには、ｓ
（α）は、高々ｓ^Eから、その（１−ｋ²）倍までしか
変化しないが、αの変化範囲を負の値になるまで拡張す
ると、ｓ（α）を、０から無限大の値まで変化させるこ
とができ、さらに、「−１＜α＜−（１−ｋ²）」とす
ると、ｓ（α）は負の値になる。このように、電極間の
シャントインピーダンスを変化させることにより、圧電
性物質の弾性率を、大きく変化させることが可能にな
る。

【００２５】次に、図４を参照して、後に説明する実験
例で使用したインダクタンス機能および負性容量機能を
有する付加回路の構成例を説明しておくことにする。図
４（ａ）は、両端子間の回路が、インダクタンス機能
（Ｌ）を有するものであり、実際には、両端子を夫々、
電極２２に接続する。もちろん、コイル１個を付加回路
として採用してもよいが、例えば、１（ＭＨ）もの大き
な値のインダクタンスを有するように、オペアンプを用
いたアクティブ回路で、インダクタンス機能を実現する
ためのものである。

【００２６】図４（ａ）に示す回路は、抵抗Ｒ１、コン
デンサＣ２、抵抗Ｒ３、抵抗Ｒ４、および、抵抗Ｒ５を
直列接続し、さらに、図示しない両電源に接続されたオ
ペアンプａの非反転端子および反転端子の夫々を、抵抗
Ｒ４と抵抗Ｒ５との接続点、コンデンサＣ２と抵抗Ｒ３
との接続点に接続し、出力端子を、抵抗Ｒ１とコンデン
サＣ２との接続点に接続している。また、図示しない両
電源に接続されたオペアンプｂの非反転端子および反転
端子の夫々を、抵抗Ｒ１の一端（端子側）、コンデンサ
Ｃ２と抵抗Ｒ３との接続点に接続し、出力端子を、抵抗
Ｒ３と抵抗Ｒ４との接続点に接続している。このとき、
この回路のインダクタンスＬは、「Ｌ＝（Ｃ２・Ｒ１・
Ｒ３・Ｒ５／Ｒ４）」として与えられる。また、抵抗Ｒ
５を可変抵抗として、回路素子の特性を変化させるよう
にして、インダクタンスの値を変化させて、圧電性物質
の弾性率を、操作性良く変化させるようにすることがで
きる。

【００２７】また、図４（ｂ）、（ｃ）に示す回路は、
負性容量を呈する回路であり、試料の容量をＣｉｎとし
て、回路の容量Ｃの絶対値が、Ｃｉｎより小さな場合
（｜Ｃ｜＜Ｃｉｎ）には、図４（ｂ）に示す回路を用
い、一方、回路の容量Ｃの絶対値が、Ｃｉｎより大きな
場合（｜Ｃ｜＞Ｃｉｎ）には、図４（ｃ）に示す回路を
用いる。図４（ｂ）に示す回路は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２
からなる可変抵抗器と、コンデンサＣ１を正帰還ループ
を構成するように接続したオペアンプｃ（オペアンプｃ
の電源は図示せず）とを有し、オペアンプｃの反転端子
は、可変抵抗器に接続されている。また、図４（ｃ）に
示す回路は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２からなる可変抵抗器
と、コンデンサＣ１を負帰還ループを構成するように接
続したオペアンプｄとを有し、オペアンプｄ（オペアン
プｄの電源は図示せず）の反転端子は、可変抵抗器に接
続されている。図４（ｂ）、（ｃ）の、いずれの回路に
おいても、容量Ｃは、「Ｃ＝−（Ｃ２・Ｒ２／Ｒ１）」
として与えられる。そして、可変抵抗器を調節すること
によって、即ち、回路素子の特性を変化させるようにし
て、容量Ｃの値を変化させて、圧電性物質の弾性率を操
作性良く変化させることができる。そして、このよう
に、図４にて示した回路を、付加回路２４として用いれ
ばよい。

【００２８】以上のように、第１の実施形態によれば、
圧電性を有する圧電性物質に電極を設けておき、該電極
に、１以上の回路素子からなる手段を接続することによ
って、圧電性物質の弾性率（弾性率の実数部）および損
失率（弾性率の虚数部）を変化させることができる。こ
のことについては、後に、インダクタンスを接続した実
験例を参照して説明する。また、特に、少なくとも１個
の回路素子の特性を変化させることによって、操作性良
く、圧電性物質の弾性率を変化させることができる。

【００２９】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。なお、図中の矢印は、弾性率の測定方向を示し
ている。本実施形態は、センサー信号をフィードバック
して、圧電性物質の弾性率を変化させる点に特徴があ
る。

【００３０】図５（ａ）に示すものは、圧電性物質５０
と、圧電気発生面に設けた電極５１と、圧電性物質５０
上に形成した応力センサ５２と、電極５１と応力センサ
５２とに電線で接続された制御回路６６と、制御回路６
６に電圧を供給する制御電圧発生部６４とを有してい
る。応力センサ５２は、圧電性物質５０に加わる応力を
電気信号に変換する機能を有し、公知の技術で実現可能
であるため、このセンサに関する詳細な説明は省略す
る。応力センサ５２は、応力を電気信号に変換すればよ
いので、例えば、圧電性物質５０の一部の領域に応力セ
ンサ用電極を設け、所定の応力に対して、所定の電圧が
出力されるように製造しておけばよい。

【００３１】ゲイン制御部６０、移相量制御部６２は、
応力センサ５２から出力される電気信号のゲイン、移相
量の制御を行うように動作し、ゲイン制御部６０は、例
えば、制御電圧発生部６４から供給される制御電圧で増
幅率を制御するＥＧＣＣ（エレクトリカル・ゲイン・コ
ントロール・サーキット）で実現され、また、移相量制
御部６２は、例えば、制御電圧発生部６４から供給され
る制御電圧で回路定数が変化する素子を有して構成さ
れ、位相を変化させる動作を行う移相回路で実現でき
る。また、制御電圧発生部６４は、外部制御入力を、ゲ
イン制御部６０、移相量制御部６２の制御電圧に変換す
るインタフェースとして機能し、調整操作によって、制
御電圧を可変にできる電圧源や、レギュレータ回路に設
けた可変抵抗値を変化させて制御電圧を可変にするよう
にして実現可能である。なお、このような、ＥＧＣＣ、
移相回路、レギュレータ回路等は、公知の技術であるた
め、ここでは、これらの回路についての詳細な説明を省
略する。

【００３２】次に、図５（ｂ）に示すものは、圧電性物
質５０と、圧電気発生面に設けた電極５１と、圧電性物
質５０上に形成した歪みセンサ５４と、電極５１と歪み
センサ５４とに電線で接続された制御回路６６と、制御
回路６６に電圧を供給する制御電圧発生部６４とを有し
ている。歪みセンサ５４は、圧電性物質５０の歪みを電
気信号に変換する機能を有し、公知の技術で実現可能で
あるため、応力センサ５２と同様に、このセンサに関す
る詳細な説明は省略する。歪みセンサ５４は、歪みを電
気信号に変換すればよいので、例えば、圧電性物質５０
の一部の領域に歪みセンサ用電極を設け、所定の歪みに
対して、所定の電圧が出力されるように製造しておけば
よい。

【００３３】また、ゲイン制御部６０、移相量制御部６
２は、歪みセンサ５４から出力される電気信号のゲイ
ン、移相量の制御を行うように動作し、ゲイン制御部６
０は、例えば、制御電圧発生部６４から供給される制御
電圧で増幅率を制御するＥＧＣＣで実現され、また、移
相量制御部６２は、例えば、制御電圧発生部６４から供
給される制御電圧で回路定数が変化する素子を有して構
成され、位相を変化させる動作を行う移相回路で実現で
きる。また、制御電圧発生部６４は、外部制御入力を、
ゲイン制御部６０、移相量制御部６２の制御電圧に変換
するインタフェースとして機能し、調整操作によって、
制御電圧を可変にできる電圧源や、レギュレータ回路に
設けた可変抵抗値を変化させて制御電圧を可変にするよ
うにして実現可能である。また、図５（ａ）に示すもの
と同様に、ＥＧＣＣ、移相回路、レギュレータ回路等
は、公知の技術であるため、ここでも、これらの回路に
ついての詳細な説明を省略する。

【００３４】なお、図５において、制御電圧発生部６４
からの制御電圧を調節することによって、センサから出
力される電気信号のゲイン、移相量が、夫々ゲイン制御
部６０、移相量制御部６２によって、制御されるように
なっている。なお、本実施形態においても、電極５１と
しては、アルミニウム、金等の導電性材料、圧電性物質
５０としては、前述したような圧電性物質を用いればよ
い。

【００３５】このように、図５に示す実施形態によれ
ば、応力センサ５２または歪みセンサ５４から出力され
る電気信号を、試料である圧電性物質５０に設けた電極
５１に帰還する。そして、後の実験例で示すように、こ
のセンサ出力の帰還作用によって、圧電性物質の弾性率
を大きく変化させることが可能になる。この場合には、
周波数によらずに、負性弾性状態を作ることが可能とな
り、また、帰還される電気信号の位相を変化させること
により、損失率（弾性率の虚数部）の極めて大きな状態
や小さな状態を得ることができる。なお、このときの弾
性率の変化特性は、その試料の、第１の実施形態におけ
る弾性率の変化における限界値の目安となる。

【００３６】このように、本実施形態によれば、圧電性
を有する圧電性物質に電極を設け、さらに、圧電性物質
の歪みを電気信号に変換する歪みセンサー、または、圧
電性物質に加わる応力を電気信号に変換する応力センサ
ーを備えておき、いずれかのセンサーの電気信号を、電
極に印加することによって、圧電性物質の弾性率（弾性
率の実数部）および損失率（弾性率の虚数部）を一層大
きく変化させることが可能になる。さらに、制御回路６
６によって、電極５１に印加するセンサーの電気信号
の、位相および振幅のうちの少なくとも一方を変化させ
ることにより、一層効果的に、圧電性物質の弾性率（弾
性率の実数部）および損失率（弾性率の虚数部）を変化
させることが可能になる。（実験例）以下、第１、第２の実施形態に対する実験例
について説明する。

【００３７】なお、実験に使用する試料は、ＶＤＦ（ビ
ニリデンフロライド）を７８（％）、ＴｒＦＥ（トリフ
ロロエチレン）を２２（％）混合した共重合体、ＶＤＦ
／ＴｒＦＥ（７８／２２) を、長手方向に４倍に延伸
（４倍延伸）した膜厚３０（μｍ）のものであって、外
径寸法は「２３×９（ｍｍ）」である。また、試料の圧
電気発生面には金を蒸着して電極（寸法：１５×７（ｍ
ｍ）、厚さ０．２（μｍ）程度）を形成し、１５０（Ｍ
Ｖ／ｍ）の電界をかけて分極処理を行ったものである。
なお、試料の長手方向の電気機械結合係数ｋは約０．１
である。

【００３８】まず、第１の実施形態に対する実験結果に
ついて述べる。上記試料の電極に、付加回路として、図
４（ａ）に示すインダクタンスを呈する回路を採用し
た。即ち、インダクタンスを付加回路として採用し、こ
の付加回路を試料に付加した場合の弾性的圧電共鳴分散
を測定した。

【００３９】なお、上述したように、インダクタンスの
値を１（ＭＨ）としたので、図４（ａ）における各回路
定数は、「Ｃ２＝２．２（μＦ）、Ｒ１＝１００（ｋ
Ω）、Ｒ３＝１００（ｋΩ）、Ｒ５＝１００（ｋΩ）の
可変抵抗、Ｒ４＝５００（Ω）」としている。なお、イ
ンダクタンスを約１（ＭＨ）としたのは、弾性率測定の
ための機械的な周波数１０（Ｈｚ）で、試料自体の容量
（Ｃｓ）と共振させるためである。

【００４０】図９の横軸は、圧電性物質に対する機械的
な測定周波数ｆｍ（測定振動数）と、圧電性物質の電気
的共振周波数ｆ₀との比の常用対数値であり、左側縦軸
は、弾性率の実数部（Ｅ’）（単位：×１０⁹Ｐａ）、
右側縦軸は、弾性率の虚数部、即ち、損失率（Ｅ”）
（単位：×１０⁸Ｐａ）を示している。そして、白丸で
Ｅ’、黒丸でＥ”を示している。図９を見て分かるよう
に、弾性率の実数部（白丸）が周波数の増加にしたがっ
て、減少、増加しており、一方、弾性率の虚数部（黒
丸）が周波数の増加にしたがってピークを呈するように
変化している。したがって、図９は、圧電性物質に、イ
ンダクタンスを付加した場合、弾性的圧電共鳴型分散が
生じている様子を示している。このような弾性的圧電共
鳴型分散が生じることによって、弾性率は、「１．４〜
１．５５（×１０⁹Ｐａ）程度」も変化し、また、損失
率も「０．６〜１．０（×１０⁸Ｐａ）程度」までも変
化している。試料の電気機械結合係数ｋは約０．１であ
るので、通常の電極短絡、電極開放による弾性率の変化
は１（％）程度であることに比べて、弾性率の大きな変
化が得られることが分かる。

【００４１】さらに、この試料に、負性容量を呈する、
図４（ｂ）に示す回路を付加した実験を行った。なお、
上述したように、回路定数を「Ｃ１＝１０００（ｐ
Ｆ）、Ｒ１とＲ２とからなる可変抵抗の値を、１００
（ｋΩ）」として、負性容量を実現して実験を行った。
その結果、試料の弾性率を、約２倍まで変化させること
ができることを確認した。

【００４２】次に、第２の実施形態に対する実験例につ
いて説明する。なお、図５（ｂ）に示すように、歪みセ
ンサ５４の出力信号を、圧電性物質５０が備える電極５
１に帰還するもの、に対する実験結果を説明する。な
お、歪みセンサ５４は、１（μｍ）の最大歪みに対し
て、約５００（Ｖ）程度の電圧が出力される。

【００４３】図６、図７において、横軸は、歪みセンサ
５４からの出力電圧に対応する電界の値（単位：（ＭＶ
／ｍ））、縦軸は、弾性率の実数部（Ｅ’）（単位：×
１０ ⁹Ｐａ）、および、弾性率の虚数部、即ち、損失率
（Ｅ”）（単位：×１０⁹Ｐａ）を示している。そし
て、白丸でＥ’、黒丸でＥ”を示している。また、図６
は、センサ出力の位相変化の量を０度とした場合、図７
は、センサ出力の位相変化の量を９０度とした場合を示
している。また、センサ出力の振幅は所定増幅率で増幅
されているものとする。

【００４４】図６では、センサからの帰還電界Ｅが変化
しても、損失率（Ｅ”）がほとんど変化しないが、弾性
率（Ｅ’）は、負の値になる領域を有するとともに、帰
還電界を印加しない場合（Ｅ＝０（ＭＶ／ｍ））に比べ
て、最大２．５倍程度まで弾性率が変化していることが
分かる。なお、図６中の符号Ａ部では、Ｅ’、Ｅ”が
「−０．１〜０．３程度（×１０⁹Ｐａ）」の領域の拡
大図を示しており、弾性率（Ｅ’）が負になっているこ
とが良く把握される。

【００４５】また、図７では、センサからの帰還電界Ｅ
が変化しても、弾性率（Ｅ’）があまり変化しないが、
損失率（Ｅ”）が、負の値から正の値まで変化している
様子がわかる。また、センサ出力の位相変化の量を９０
度とした場合における、損失正接ｔａｎδ（＝Ｅ”／
Ｅ’）の値の、センサからの帰還電界Ｅに対する変化の
様子を図８に示す。図８に示すように、帰還電界Ｅが大
きくなるにつれて、損失正接ｔａｎδも大きくなり、ｔ
ａｎδ＞１となる、いわゆる粘性的状態が実現されてい
ることが分かる。

【００４６】このように、試料の電気機械結合係数ｋは
約０．１であるので、通常の電極短絡、電極開放による
弾性率の変化は１（％）程度であることを考慮すると、
弾性率の大きな変化が得られることが分かる。

【００４７】なお、定歪み型の粘弾性の測定器（試料に
一定の歪みを与えたときの応力から弾性率（応力／歪
み）を求める装置）を用いて弾性率を測定したため、弾
性率無限大（図３の「弾性率∞」）を測定することはで
きなかった。また、因みに、重さ１３（ｍｇ）の試料
の、弾性率の負の場合（負性弾性領域）の測定周波数
（１０Ｈｚ）での等価的慣性質量は、２００（ｇ）に相
当することを確認した。

【００４８】以上のように、上記試料を用いて、その弾
性率を大きく変化させることができた。本発明によれ
ば、弾性率を負の値とすることも、通常（帰還がない場
合）の２．５倍程度の大きさにすることも可能となり、
ｔａｎδに関しても、負の値とすることも、１．５程度
の大きさにすることも可能となる。

【００４９】そして、このように、弾性率が大きく変化
する点に着目し、本発明を、機械的共振系に適用して、
機械的共振系の共振周波数を、外部から電気的に制御す
ることや、電気的制御が可能なバリアブルダンピングフ
ァクターのダンピング素子として用いることや、さらに
は、環境の変化に対応して機械的性質を変化させるアダ
プティブな系に適用すること、例えば、弾性波の伝搬経
路に本原理に基づいた素子を挿入し、この素子のメカニ
カルインピーダンスを変化させる事により弾性波の反射
及び透過特性を制御する等の各種の応用が考えられ、そ
の応用分野は多岐に渡るものであることが期待される。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、圧電性を有する圧電性物質に電極を設けて
おき、該電極に、１以上の回路素子からなる手段を接続
することによって、圧電性物質の弾性率（弾性率の実数
部）および損失率（弾性率の虚数部）の値を大幅に変化
させることが可能となる。

【００５１】また、請求項２に係る発明によっても、圧
電性を有する圧電性物質に電極を設け、さらに、歪みセ
ンサー、または、応力センサーを備えておき、いずれか
のセンサーの電気信号を、電極に印加することによっ
て、圧電性物質の弾性率（弾性率の実数部）および損失
率（弾性率の虚数部）の値を一層大幅に変化させること
が可能となる。

【００５２】特に、請求項３に係る発明によれば、請求
項１における、少なくとも１個の回路素子の特性を変化
させるので、操作性良く、圧電性物質の弾性率（弾性率
の実数部）および損失率（弾性率の虚数部）の値を変化
させることが可能となる。

【００５３】また、請求項４に係る発明によっても、請
求項２において、電極に印加するセンサーの電気信号
の、位相および振幅のうちの少なくとも一方を変化させ
るので、一層効果的に、圧電性物質の弾性率（弾性率の
実数部）および損失率（弾性率の虚数部）の値を変化さ
せることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】圧電性物質の特性の説明図である。

【図２】本発明の第１の実施形態を説明するための説明
図である。

【図３】本発明の原理の説明図である。

【図４】付加回路の回路図である。

【図５】本発明の第２の実施形態を説明するための説明
図である。

【図６】本発明の実験結果の説明図である。

【図７】本発明の実験結果の説明図である。

【図８】本発明の実験結果の説明図である。

【図９】本発明の実験結果の説明図である。

【符号の説明】

１０圧電性物質１２電極１４交流電源１５電線２０圧電性物質２２電極２４付加回路５０圧電性材料５１電極５２応力センサ５４歪みセンサ６０ゲイン制御部６２移相量制御部６４制御電圧発生部６６制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性を有する圧電性物質に電極を設け
ておき、該電極に、１以上の回路素子からなる手段を接続するこ
とによって、前記圧電性物質の弾性率（弾性率の実数部）および損失
率（弾性率の虚数部）を変化させる、圧電性物質の弾性
率の制御方法。
【請求項２】圧電性を有する圧電性物質に電極を設
け、さらに、圧電性物質の歪みを電気信号に変換する歪みセ
ンサー、または、圧電性物質に加わる応力を電気信号に
変換する応力センサーを備えておき、いずれかのセンサーの電気信号を、前記電極に印加する
ことによって、前記圧電性物質の弾性率（弾性率の実数
部）および損失率（弾性率の虚数部）を変化させる、圧
電性物質の弾性率の制御方法。
【請求項３】請求項１において、少なくとも１個の回
路素子の特性を変化させることを特徴とする、圧電性物
質の弾性率の制御方法。
【請求項４】請求項２において、前記電極に印加する
センサーの電気信号の、位相および振幅のうちの少なく
とも一方を変化させることを特徴とする、圧電性物質の
弾性率の制御方法。