(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミックスの衝突疲労限を、非破壊的に推定する方法であって、
圧電セラミックスに、理想的衝突エネルギーＥｃの値を変えながら、順に衝撃負荷を与え、
各衝撃負荷を与えたときに圧電セラミックスに発生する電圧Ｖｍを測定し、
両対数座標上で、理想的衝突エネルギーＥｃの増大に対して発生電圧Ｖｍが直線的に増大する部分の関係に基づいて、次の回帰式中の定数Ａ及び定数ｎの値を求め、
Ｖｍ＝Ａ・（Ｅｃ）ｎ
この回帰式から計算される発生電圧の値と、実際に測定された発生電圧の値との差が、所定の限界値を超える時の理想的衝突エネルギーＥｃの値を、その圧電セラミックスの衝突疲労限の推定値とすることを特徴とする圧電セラミックスの衝突疲労限の推定方法。
【請求項２】
前記圧電セラミックスは、ＰＺＴ系の圧電セラミックスであることを特徴とする請求項１に記載の圧電セラミックスの衝突疲労限の推定方法。
【請求項３】
前記回帰式において、理想的衝突エネルギーＥｃの単位をミリジュールとし、発生電圧の単位をボルトとしたとき、定数Ａが７．５以上１１．５以下であり、定数ｎが０．４以上０．５以下であることを特徴とする請求項２に記載の圧電セラミックスの衝突疲労限の推定方法。
【請求項４】
前記所定の限界値を、３ボルトとすることを特徴とする請求項２に記載の圧電セラミックスの衝突疲労限の推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電セラミックスの衝突疲労限を非破壊的に推定する方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
圧電セラミックスは、一般に、繰り返し衝突によって疲労破壊を起こす。従来、圧電セラミックスの衝突疲労限を求める際には、数十個の圧電セラミックスの試験体を準備し、衝突疲労試験装置を使用して、１０水準前後の衝突エネルギーを設定して衝撃負荷を繰り返し与え、所定の繰り返し回数（例えば、１０３回）が経過しても試験体が疲労破壊することがない衝突エネルギーの値（衝突疲労限）を求めていた。
【０００３】
この様に、従来の方法によって圧電セラミックスの衝突疲労限を求める場合には、多数の試験体に衝撃負荷を繰り返し与えて、実際に破壊させる必要があり、相当な費用がかかるとともに、衝突疲労限が求まるまでに長い時間を要していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な従来の圧電セラミックスの衝突疲労限の測定方法の問題点に鑑み成されたもので、本発明の目的は、圧電セラミックスを実際に破壊させることなく、少数の試料を用いて、短時間で圧電セラミックスの衝突疲労限を推定することができる方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電セラミックスの衝突疲労限の推定方法は、
圧電セラミックスの衝突疲労限を、非破壊的に推定する方法であって、
圧電セラミックスに、理想的衝突エネルギーＥｃの値を変えながら、順に衝撃負荷を与え、
各衝撃負荷を与えたときに圧電セラミックスに発生する電圧Ｖｍを測定し、
両対数座標上で、理想的衝突エネルギーＥｃの増大に対して発生電圧Ｖｍが直線的に増大する部分の関係に基づいて、次の回帰式中の定数Ａ及び定数ｎの値を求め、
Ｖｍ＝Ａ・（Ｅｃ）ｎ
この回帰式から計算される発生電圧の値と、実際に測定された発生電圧の値との差が、所定の限界値を超える時の理想的衝突エネルギーＥｃの値を、その圧電セラミックスの衝突疲労限の推定値とすることを特徴とする。
【０００６】
なお、ここで理想的衝突エネルギーＥｃとは、圧電セラミックスの上に重錘を自由落下させた時の衝突エネルギーの値であり、自由落下させた重錘の高さより算出された位置エネルギーの値をＥｐとしたとき、この位置エネルギーの全てが衝突エネルギーに換算される。
【０００７】
例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｏ３）系の圧電セラミックスの場合、理想的衝突エネルギーＥｃの単位をミリジュールとし、発生電圧の単位をボルトとしたとき、前記回帰式において、定数Ａは７．５以上１１．５以下となり、定数ｎは０．４以上０．５以下となる。
【０００８】
また、この場合、前記所定の限界値は、例えば、３ボルト程度の値が適当である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
ＰＺＴ（Ｐｂ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｏ３）系の圧電セラミックスを用いて、衝突エネルギー対発生電圧の関係、及びその衝突疲労限について調べた。
【００１０】
上記圧電セラミックスの試験体を、高圧下で焼結法により製造した。その組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光分析装置（ＥＤＸ）で測定したところ、
Ｐｂ０．５５Ｚｒ０．２４Ｔｉ０．２１Ｏ３
であった。
【００１１】
図１に、試験体の形状を示す。試験体１は円柱状の形状を備え、その上端面及び下端面には、それぞれ、Ｎｉ製の電極３ａ及び３ｂが取り付けられている。上端側の電極３ａは、試験体１と同じ直径の円柱状で、その上端面には半球状の突起部が形成されている。下端側の電極３ｂは、矩形の厚板状の形状を備えている。各電極３ａ及び３ｂの側面には、それぞれ、リード線４ａ及び４ｂが接続されている。この例では、試験体１の直径は２．５ｍｍであり、その高さは５ｍｍである。
【００１２】
試験体１の回りには、ゴム製の厚肉のスリーブ２が装着されている。スリーブ２の中心軸部分には、円形断面の孔が設けられ、この孔の中を試験体１が貫通している。この例では、スリーブ２の高さは５ｍｍであり、中心部の孔の直径は、試験体１をセットする前において２．０ｍｍである。このスリーブ２を用いて、試験体１にその側面から圧力を加えることにより、試験体１の径方向断面に静的な圧縮応力を発生させることができる。
【００１３】
図２に、衝突疲労試験装置の概要を示す。なお、圧電セラミックスの理想的衝突エネルギーＥｃ対発生電圧Ｖｍの関係も、この衝突疲労試験装置を用いて測定した。
【００１４】
圧電セラミックスの試験体１に対して、その上方の高さ“ｈ”の位置から上端面の電極３ａに向けて、質量“ｍ”の鉄製の重錘６を落下させる。この例では、重錘６の質量“ｍ”は、３８．５グラムである。落下前の重錘６の位置エネルギーＥｐは、重力加速度の値を“ｇ”［ｍ／ｓ２］とすると、“Ｅｐ＝ｍ・ｇ・ｈ”で表される。なお、この場合、理想的衝突エネルギーＥｃの値は、自由落下させた重錘の高さより算出された位置エネルギーＥｐの値に等しい。
【００１５】
試験体１の上下の電極３ａ及び３ｂの側面に取り付けられたリード線４ａ及び４ｂは、それぞれオッシロスコープ５に接続されている。重錘６が落下して試験体１に衝突したとき、試験体１の内部に発生する電圧Ｖｍ（ピーク値）は、このオッシロスコープ５で測定される。
【００１６】
次に、この装置を用いて行った上記圧電セラミックスの衝突疲労試験の結果、及びその際に測定された理想的衝突エネルギー対発生電圧の関係について説明する。
【００１７】
図３に、圧電セラミックスの衝突疲労試験の結果の一例を示す。図３において、横軸は衝突の繰り返し数Ｎｃ、縦軸は理想的衝突エネルギーＥｃの値［ミリジュール］を表す。図中の符号の意味は、“×”は衝突疲労試験において試験体が破壊したことを表し、“〇”は試験体が破壊しなかったことを表している。なお、破壊の有無についての判定は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いてクラック発生の有無を調べることによって行った。
【００１８】
なお、図３に示した衝突疲労試験は、スリーブ２（図１）を用いて試験体１にその側面から圧力を加え、試験体１の径方向断面に静的な圧縮応力（約１．０ｋｇ／ｍｍ２：９．８ＭＰａ）を発生させた状態で実施されたものである。
【００１９】
図３から分かる様に、衝突の繰り返し数Ｎｃ対理想的衝突エネルギーＥｃの関係図の中を、非破壊の領域、破壊の領域、及び両者の中間の遷移領域の三つの領域に区分けすることができる。また、衝突疲労限が現れており、この条件の場合、その値は１６．１±２．９ミリジュールである。
【００２０】
図４に、圧電セラミックスの衝突疲労試験の結果の他の例を示す。この衝突疲労試験は、スリーブ２（図１）を使用せずに、従って、試験体１の径方向断面に静的な圧縮応力が無い状態で実施されたものである。
【００２１】
先の例と同様に、Ｎｃ対Ｅｃの関係図の中を、非破壊の領域、破壊の領域、及び両者の中間の遷移領域の三つの領域に区分けすることができる。また、衝突疲労限が現れており、この条件の場合、その値は９．３±１．４ミリジュールである。
【００２２】
図５に、静的な圧縮応力下での衝突疲労試験（図３に示したもの）の際に測定された理想的衝突エネルギー対発生電圧の関係を示す。
【００２３】
図５において、横軸は理想的衝突エネルギーＥｃの値［ミリジュール］、縦軸は衝突によって発生した電圧Ｖｍ［ボルト］を表す。図中の符号の意味は、“〇”は衝突疲労試験において試験体が破壊しなかったことを、“△”は衝撃負荷を繰り返し受けた後に試験体が破壊したことを、“×”は最初の衝撃負荷で試験体が破壊したことを表している。
【００２４】
図５から分かる様に、衝突疲労試験において試験体が破壊しない理想的衝突エネルギーＥｃの値の範囲では、発生電圧Ｖｍ対理想的衝突エネルギーＥｃの関係は、両対数座標上で一本の直線上に並ぶ。即ち、両者の関係は、次の回帰式で表すことができる。
【００２５】
Ｖｍ＝Ａ・（Ｅｃ）ｎ
この条件の場合、上記回帰式の定数Ａ及び定数ｎの値は、それぞれ、以下の様になる。
【００２６】
Ａ＝１１．１
ｎ＝０．４２８
理想的衝突エネルギーＥｃの値が、衝突疲労限（この場合には、１６．１±２．９ミリジュール）を超えると、両者の関係は、上記の回帰式から外れる。この範囲では、理想的衝突エネルギーＥｃの増加に伴ない、発生電圧が急激に増大した後、ほぼ一定の値（約２００ボルト）程度の値で安定する。更に、理想的衝突エネルギーＥｃの値が増加すると（約１０００ミリジュール）、最初の衝撃負荷で試験体が破壊する様になる。
【００２７】
図６に、試験体１の径方向断面に静的な圧縮応力がない状態で、衝突疲労試験（図４に示したもの）の際に測定された理想的衝突エネルギー対発生電圧の関係を示す。
【００２８】
図５と同様に、衝突疲労試験において試験体が破壊しない理想的衝突エネルギーＥｃの値の範囲では、発生電圧Ｖｍ対理想的衝突エネルギーＥｃの関係は、両対数座標上で一本の直線上に並ぶ。この例では、前記回帰式（Ｖｍ＝Ａ・（Ｅｃ）ｎ）の定数Ａ及び定数ｎの値は、それぞれ、以下の様になる。
【００２９】
Ａ＝７．９
ｎ＝０．４１２
理想的衝突エネルギーＥｃの値が、衝突疲労限（この場合には、９．３±１．４ミリジュール）を超えると、両者の関係は、上記の回帰式から外れる。この範囲では、理想的衝突エネルギーＥｃの増加に伴ない、発生電圧が急激に増大した後、ほぼ一定の値（約１５０ボルト）程度の値で安定する。更に、理想的衝突エネルギーＥｃの値が増加すると（約６０ミリジュール）、最初の衝撃負荷で試験体が破壊する様になる。
【００３０】
図５及び図６から分かる様に、圧電セラミックスに衝撃負荷を与えたときの、理想的衝突エネルギーＥｃ対発生電圧Ｖｍの関係は、理想的衝突エネルギーＥｃの値が小さい範囲では、両対数座標上で一本の直線上に並び、理想的衝突エネルギーＥｃがある値を超えると、急激に発生電圧Ｖｍが増大し始める。この様に直線関係から外れ始めるときの理想的衝突エネルギーＥｃの値は、その圧電セラミックスの衝突疲労限と良く一致している。
【００３１】
従って、圧電セラミックスに衝撃負荷を与え、理想的衝突エネルギーＥｃ及び発生電圧Ｖｍを測定し、両者の関係を両対数座標上にプロットして、両者の間の前記回帰式（Ｖｍ＝Ａ・（Ｅｃ）ｎ）の定数Ａ及び定数ｎの値を求め、この回帰式から計算される発生電圧と、実際に測定された発生電圧の値の差が、所定の限界値を超える時の理想的衝突エネルギーＥｃの値を求めれば、衝突疲労試験を行わずに、その圧電セラミックスの衝突疲労限を推定することができる。
【００３２】
なお、この例で用いたＰＺＴ系の圧電セラミックスの場合、前記回帰式において、定数Ａは７．５以上１１．５以下となり、定数ｎは０．４以上０．５以下となる。また、この場合、前記所定の限界値は、例えば、３ボルト程度の値が適当である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、圧電セラミックスを実際に破壊させることなく、少数の試料を用いて、短時間で容易に圧電セラミックスの衝突疲労限を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】衝突疲労試験で使用される試験体の形状を示す図、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図、（ｃ）は軸方向断面図である。
【図２】衝突疲労試験装置の概要を示す図。
【図３】静的圧縮応力下での圧電セラミックスの衝突疲労試験の結果を示す図。
【図４】静的圧縮応力が無い状態での圧電セラミックスの衝突疲労試験の結果を示す図。
【図５】静的圧縮応力下での理想的衝突エネルギーと発生電圧の関係を示す図。
【図６】静的圧縮応力が無い状態での理想的衝突エネルギーと発生電圧の関係を示す図。
【符号の説明】
１・・・試験体、
２・・・スリーブ、
３ａ、３ｂ・・・電極、
４ａ、４ｂ・・・リード線、
５・・・オッシロスコープ、
６・・・重錘。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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