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JP2946870B2 - Method and apparatus for evaluating piezoelectric material - Google Patents
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JP2946870B2 - Method and apparatus for evaluating piezoelectric material - Google Patents

Method and apparatus for evaluating piezoelectric material

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JP2946870B2
JP2946870B2 JP3262397A JP26239791A JP2946870B2 JP 2946870 B2 JP2946870 B2 JP 2946870B2 JP 3262397 A JP3262397 A JP 3262397A JP 26239791 A JP26239791 A JP 26239791A JP 2946870 B2 JP2946870 B2 JP 2946870B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【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 method and an apparatus for evaluating a piezoelectric material, and more particularly, to a method and an apparatus for evaluating a piezoelectric material for a piezoelectric material pellet which is a single piezoelectric material.

【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 method for evaluating a piezoelectric material, for example, a single piezoelectric material is coated with silver (Ag) paste and baked, and about 10 sheets are laminated in the thickness direction of the single piezoelectric material. The layers of the piezoelectric material (piezoelectric material stack) formed by baking and bonding the layers with an Ag paste and then electrically connecting the laminated piezoelectric materials alone in parallel are used as piezoelectric material evaluation targets. (Japan Ceramic Association 1989 Fall Symposium, Material 5-1A12, "Durability of PZT Piezoelectric Ceramics against Compressive Stress"). 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 having the above configuration (hereinafter, simply referred to as a stack) to periodically apply a pulse-like 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 at the time of an appropriate pulse number is determined 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 method for evaluating a piezoelectric material, an entire stack in which a plurality of piezoelectric materials alone are stacked is to be evaluated. In general, piezoelectric materials are often used as precision actuators by increasing the displacement or generated force by laminating a plurality of piezoelectric materials as described above,
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。
According to the conventional method for evaluating a piezoelectric material, although the characteristics of a stack in which a plurality of piezoelectric materials alone are stacked as described above can be obtained, changes in characteristics of only the piezoelectric material alone can be grasped. 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 effects of components other than the piezoelectric material alone, such as stress concentration due to misalignment during lamination and variations in temperature distribution in the stack under test, are likely to be included, making it difficult to grasp the characteristic changes of the piezoelectric material alone. is there. Therefore, there is little feedback to the development of the piezoelectric material, which is a factor that delays the development of a high-performance piezoelectric material.

【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。
Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and by taking out a single piezoelectric material and testing the same with the piezoelectric material stack under the same conditions, the characteristic change of only the piezoelectric material alone in the piezoelectric material stack can be obtained. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for evaluating a piezoelectric material that enable 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。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a piezoelectric material stack formed by stacking a plurality of single piezoelectric materials in the thickness direction of the single piezoelectric material, and A piezoelectric material pellet, which is a single material, is disposed so as to overlap with the central axis along the thickness direction of the single piezoelectric material, and the pressure and temperature conditions applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet are the same. The voltage applied to the piezoelectric material stack is periodically controlled to periodically expand and contract the piezoelectric material stack in the direction of the central axis, and the voltage applied to the piezoelectric material pellets at the same cycle as the piezoelectric material stack. By controlling, the piezoelectric material pellet is expanded and contracted periodically in the direction of the central axis, and after a predetermined number of expansions and contractions, the piezoelectric material pellet is taken out, and its characteristics are determined. 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 first aspect of the present invention, a second aspect is provided.
According to the invention, a plurality of piezoelectric materials are laminated in the thickness direction of the piezoelectric material alone, and a center along the thickness direction of the piezoelectric material with respect to the piezoelectric material pellet, which is the piezoelectric material alone. A piezoelectric material stack that is arranged to overlap the axes and vibrates the piezoelectric material pellet in the central axis direction, and periodically applies a predetermined voltage to the piezoelectric material stack to periodically apply the piezoelectric material stack to the piezoelectric material stack. A first driver circuit for expanding and contracting in the central axis direction, a second driver circuit for periodically applying a predetermined voltage to the piezoelectric material pellets to periodically expand and contract the piezoelectric material pellets in the central axis direction, A synchronization device for synchronizing voltages applied from the first driver circuit and the second driver circuit to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet, 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 present invention, the pressure and temperature conditions applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet are the same, so that the piezoelectric material pellet can be moved 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 overlapped with each other so that the central axes along the thickness direction of the piezoelectric material alone are aligned with each other. By expanding and contracting in the direction, the piezoelectric material pellet can be set to the same load state as the piezoelectric material alone in the piezoelectric material stack in the pressure fluctuation in the central axis direction. By taking out the piezoelectric material pellets after a predetermined number of expansions and contractions of the piezoelectric material pellets and evaluating the characteristics, the characteristics of the piezoelectric material alone 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。
According to the second aspect of the present invention, each of the first driver circuit and the second driver circuit applies a predetermined voltage to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet in a state where the respective cycles are made equal by the synchronization means. I do. Therefore, at the same period as the piezoelectric material stack vibrates the piezoelectric material pellet, the piezoelectric material pellet itself contracts in the direction of the central axis. Therefore, the load condition of the piezoelectric material pellet is the same as that of the piezoelectric material alone 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 showing 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 set jig for a single piezoelectric material to be evaluated (this is referred to as a piezoelectric material pellet 2 or simply a pellet 2). As shown in FIG. Circuit 30, power supply 4
0, an amplifier 50, an oscillator 60, a charge amplifier 70, an oscilloscope 80, a control device 9 for controlling the entire evaluation device
0 together with the piezoelectric material evaluation device 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 jig 1 for setting piezoelectric material pellets 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 denotes a frame of the set jig 1, and a clamping valve 4 is provided above the frame 3.
Are fixed by a nut 5a. A hydraulic hose 21 connected to a hydraulic pump 20 shown in FIG. 1 is connected to the clamping valve 4.
The hydraulic pressure from the hydraulic cylinder 5 the hydraulic pump 20 to the lower, movable part 5b to be displaced in the vertical direction (Z 1 -Z 2 direction) is provided.

【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
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
-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 vibrator is disposed below the movable portion 5b so that the axial direction thereof is aligned with the vertical direction. FIG. 3 is a diagram for explaining a configuration of a main part of the stack 6. Stack 6
As shown in FIG. 3B, electrode plates 6b- 1 and 6b- 2 made of stainless steel (SUS304H) are arranged on the upper and lower surfaces of a pellet 6a, which is a single piezoelectric material, and the electrode plates 6b- 1 and 6b- 2. Insulator 6 on the opposite side of the pellet 6a
As shown in FIG. 3A, a plurality of unit laminates each having a respective c are arranged and laminated with their respective shapes interposed therebetween with a metal dummy 6d interposed therebetween. Each of the above laminated members 6a, 6
Each of b -1 , 6b -2 , 6c and 6d is bonded by an adhesive. Each of the plurality of electrode plates 6b- 1 disposed above the plurality of pellets 6a of the stack 6 is electrically connected in parallel by an electric wire 6e, and the electrode plate disposed below the pellet 6a. 6b- 2 are similarly connected in parallel by the 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. The above-mentioned pellet 6a, which is a single piezoelectric material of this embodiment, is made of a multi-component piezoelectric ceramic (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 connecting portion between the stack 6 having the above-described structure and the movable portion 5b of the hydraulic cylinder 5 is provided with a cylinder plate 5c, a superficial surface 7a and a superficial lower 7b. The seat prevents an uneven 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, there are provided setters 10, 11 for holding the pellets 2 via a setter upper 8, and an insulator 9 made of a zirconia sintered body. The pressure sensor 1 is provided below the lower setter 11 via an insulator 12 and a setter lower 13 formed of a zirconia sintered body similarly to the insulator 9 described above.
4 are provided. Pressure sensor 14 is setter lower 1
3 and the upper surface 3c of the lower member 3b of the frame 3. A rod-shaped guide member 13a is formed below the setter lower 13, and the guide member 13a
By There is inserted into the guide hole 3d formed in the lower member 3b of the frame 3, Settaroa 13, i.e. to prevent the lower setter 11 is displaced in the other axial direction (Z 1 -Z 2 direction) I have.

【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 described above.
The electrode plates 15a and 15b are also the electrode plates 6b- 1 and 6b- 2.
The same material and the same shape as The electric wire (not shown) for applying a voltage to the pellet 2 is
0, 11 respectively, and the application of voltage and pressure to the pellet 2 is performed by the setters 10, 11 and the electrode plates 15a, 15b.
Done through. The insulators 9 and 12 are setters 10 and 11, a setter upper 8 and a setter lower 13.
It is provided to provide electrical insulation between

【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
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 the pellet 2 from being scratched and preventing stress concentration, the contact surface with b is important in terms of dimensional intersection, flatness, and surface roughness.
In the present embodiment, the dimension intersection of the setters 10 and 11 is set to φ15 +0.05 +0.02 , the flatness is 0.02 mm, and the surface roughness is 0.8Z , considering that the dimension intersection of the pellet 2 is φ15 +0 -0.05. doing. The dimension intersection of the electrode plates 15a and 15b is φ15.
It is set to -0.05 -1 . Further, the electrode plates 15a, 15b
In the manufacture of, a method is employed in which a large number of electrode plates are formed from one plate at a time by etching. For this reason, the electrode plates 6b of FIG.
As shown in FIG. 1 , projections 6g were provided at both ends to allow tabs to 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
向)に沿った圧縮応力が発生する。
All members from the hydraulic cylinder 5 fixed to the frame 3 to the setter lower 13 guided and guided to 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, 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 in the pellet 2
In order to also prevent insulation along the surface, a set jig 1 is placed in a water tank (not shown) having a temperature control mechanism using silicone oil as a medium and controlled. 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, a hydraulic pump 20 applies a predetermined hydraulic pressure instructed by a control device 90 to a hydraulic cylinder 5 of a set jig 1. Thereby, the initial pressure on the pellets 2 can be set to an arbitrary value. In addition, a monitor signal is sent from the hydraulic pump 20 to the control device 90, and feedback control of the hydraulic pump 20 is performed 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 is the electric wire 6 of the stack 6.
e, 6f. 0 → + 3 ~ from the oscillator 60
When a trigger of 5V is applied, a plus voltage of about twice the value set by the DC constant voltage power supply 40 is applied to the stack 6, and when a trigger of +3 to 5V → 0 is applied, a similar negative voltage is applied. Is done. The voltage is such that 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 expand and contract in the thickness direction at a predetermined cycle by this voltage. I do. For this reason, the stack 6 vibrates in the axial direction (Z 1 -Z 2 direction), and acts as a vibrator for applying a pressure fluctuation of a predetermined period to the pellet 2.

【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 an applied voltage 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
0 and 11 are connected respectively. Therefore, the application of the voltage also causes the pellet 2 itself to expand and contract in the axial direction at the same cycle as the 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
Each 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. The oscilloscope 80 is used as the pressure waveform shown in FIG.
You can check with. The voltage waveform of the amplifier 50 is also changed to the voltage waveform shown in FIG.
You can check with. The voltage waveform of the driver circuit 70 can be similarly 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 voltage waveform, pressure waveform, and temperature can be arbitrarily controlled within the setting ranges of the parameters shown in Table 1 by the piezoelectric material evaluation apparatus 100 having the above configuration.

【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 description will be given of a test method and an evaluation method of a piezoelectric material using the apparatus having the above configuration.

【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 placed on the electrode plates 15a, 1a.
5b is accurately sandwiched between the setters 10 and 11 while being sandwiched by 5b. Next, a predetermined hydraulic pressure is applied to the hydraulic cylinder 5 by the hydraulic pump 20 and the pressure sensor 1 is output from the stack 6.
An initial pressure is applied to the portion up to 4. In this embodiment, the initial pressure is set to 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, the set jig 1 is placed in the above-mentioned water tank, and the stack 6 and the pellet 2 are placed under the same temperature environment.
At 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 ± 10 MPa. Therefore, the pellet 2 is vibrated by periodically receiving the fluctuating pressure of 30 to 10 MPa. In addition, amplifier 5
0 and a voltage having a predetermined voltage waveform are periodically applied to the pellet 2 by the oscillator 60. This cycle is the same as the cycle of the pressure fluctuation of the stack 6 as described above. The voltage waveform in the present embodiment is, for example, as shown in FIG.
It is a waveform of. In this case, the pressure waveform in the portion of the pellet 2 has a peak value of 30 MPa as shown in FIG. 4B.

【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 kept at the same temperature. Under the same environment under the conditions. Further, as described above, the pellet 2 itself is expanded and contracted by applying a voltage at the same cycle as the pressure fluctuation of the stack 6, so that the pellet 2 is set to the same load state as the pellet 6 a in the stack 6. Thus, the pellets 2 sandwiched between the setters 10 and 11 are set in the same environment as the pellets 6a constituting the stack 6 under each of 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 the predetermined number of vibrations and application of the voltage, the pellet 2 is taken out and a predetermined voltage is applied thereto, whereby the pellet 2 itself, that is, the characteristic of only the piezoelectric material alone in the stack 6, for example, the displacement The quantity, generated power, calorific value, power consumption, electromechanical coupling coefficient Kp, dielectric constant ε, mechanical quality factor Qm as an index of the response speed to a signal, and the like can be accurately obtained. Then, by increasing the number of vibrations and measuring the characteristics of the pellets 2 at some point as described above, it is possible to accurately change the characteristics of only the piezoelectric material alone in the stack 6 over time, durability performance, and the like. 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。
In addition, according to the evaluation apparatus 100, the voltage waveform, the pressure waveform, and the temperature can be arbitrarily controlled within the setting ranges shown in Table 3, so that the characteristics of only the piezoelectric material alone in the stack 6 under a plurality of conditions are obtained. A change in characteristics over time can be obtained.

【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 is possible to develop a high-performance piezoelectric material with little characteristic change, and the durability and reliability of the piezoelectric actuator using the material are improved. . Therefore, there is no need to design an actuator on the premise of performance degradation, so that the design and driving conditions for ensuring only the initial performance are sufficient. As a result, the number of pellets to be laminated, the area thereof, and the applied voltage can be reduced, and the deriving effects such as low cost, compactness, and low power consumption of the actuator are great.

【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 pellet and the piezoelectric material pellet are made to have the same conditions under the pressure condition, the temperature condition, and the load condition of the pressure fluctuation, whereby the piezoelectric material pellet is formed. Since it can be set in the same environment as the piezoelectric material alone in the inside, the characteristic change of only the piezoelectric material alone in the piezoelectric material stack can be accurately obtained. By accurately grasping the change in characteristics of the piezoelectric material alone, it is possible to develop a high-performance piezoelectric material with little change in characteristics and improved durability and reliability. Reliability can be improved. In addition, by improving the durability and reliability of the piezoelectric material, there is no need to provide a margin for product design, which greatly contributes to low cost, compact size, low power consumption, and the like of the product.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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 jig for setting a piezoelectric material pellet 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.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 Reference Signs List 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 shaker 70 charge amplifier 80 oscilloscope 90 control device 100 Apparatus for evaluating piezoelectric materials

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 圧電材料単体を該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、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 single piezoelectric materials in the thickness direction of the single piezoelectric material, and a piezoelectric material pellet as the single piezoelectric material in a thickness direction of the single piezoelectric material. The central axes along the axis are aligned and overlapped, and the pressure and temperature conditions applied to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellets are the same, and the voltage applied to the piezoelectric material stack is periodically controlled to The piezoelectric material stack is periodically expanded and contracted in the central axis direction, and the applied voltage of the piezoelectric material pellet is controlled in the same cycle as the piezoelectric material stack, so that the piezoelectric material pellet is periodically expanded and contracted in the central axis direction. A method for evaluating a piezoelectric material, comprising: taking out the piezoelectric material pellets after a predetermined number of expansions / contractions and evaluating the characteristics thereof.
【請求項2】 圧電材料単体が該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、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 single piezoelectric material is formed by laminating a plurality of single piezoelectric materials in the thickness direction of the single piezoelectric material, and the piezoelectric material pellets, which are the single piezoelectric materials, are arranged along the thickness direction of the single piezoelectric material. A piezoelectric material stack arranged so as to overlap with the central axis and vibrating the piezoelectric material pellet in the central axis direction; and periodically applying a predetermined voltage to the piezoelectric material stack to periodically apply the piezoelectric material stack. A first driver circuit that expands and contracts in the central axis direction; a second driver circuit that periodically applies a predetermined voltage to the piezoelectric material pellets to expand and contract the piezoelectric material pellets in the central axis direction; Synchronizing means for synchronizing voltages applied from the first driver circuit and the second driver circuit to the piezoelectric material stack and the piezoelectric material pellet, respectively. An evaluation device for a piezoelectric material comprising:
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