第4回 九州沖縄地区国立高専新技術マッチングフェア

強誘電体の脱分極方法、および 強誘電体デバイスへの応用

北九州工業高等専門学校

電気電子工学科

准教授 油谷 英明 1

研究背景： 本技術の対象

強誘電体（圧電体)セラミックス

代表的材料： チタン酸バリウム ＢａＴｉＯ３

ジルコン酸チタン酸鉛 ＰＺＴ

応用分野： 広範囲

・容量性デバイス：コンデンサ

・圧電デバイス： センサ、アクチュエータ、フィルター

・焦電センサ、電気光学デバイス、 PTC素子

・強誘電体メモリ （ICカード）

身近な材料、応用分野は更に拡がりつつある 1

図 各種 圧電素子

強誘電体基礎物性←キーワード：分極・分域

2

（電気的性質） （機械的性質）

特徴：高誘電率、圧電性、焦電性、自発分極

圧電性

強誘電体の基礎物性: 分域構造の変化が重要

電界Ｅ

圧電性発現には分域を揃える

「分極」が必要

分極処理後の圧電性の電気的除去

は不可能だった

抗電界Eｃ

分極量

自発分極Ps

残留歪

未分極状態

バタフライ形歪電界E

残留分極Pr

未分極状態

電界E

誘起歪

単極性電界印加時の歪

単極性電界印加時の分極

図２ ＰＥヒステリシス曲線と歪曲線

図３ 分極処理に伴う分域構造変化

新技術の基となる研究成果・技術

3

強誘電体の物性の向上＝分域構造の解明

アコーステック・エミッション（ＡＥ）法＊の適用（≒高感度マイク）

分域挙動の研究過程で見出された「圧電性消失状態」

図 強誘電体の圧電性による振動のＡＥ測定結果

＊ＡＥ法：非破壊検査法の一種。試料内部の変化（応力緩和、亀裂進展、相転移etc.)に 伴い放出された弾性エネルギーを試料表面で検出

研究背景

4

強誘電体の圧電性の評価方法 ・ 歪（変位）測定 ・ インピーダンス測定による算出 ・ ｄメータ（機械的入力に対する電荷発生）の利用 発見された圧電性消失状態は電界印加中の過渡 応答状態であるため上記従来方法では検出不可能 本技術により「圧電性消失状態」＝「脱分極状態」を発見、その状態特定が可能となる

～ 強誘電体 電源

振動センサ

磁性材料 着磁された磁石を元の磁気に帯びていない状態に戻すことを「消磁」あるいは「脱磁」

・着磁 → 分極処理

・消磁 → 脱分極処理

強誘電体では

・磁区 → 分域 この方法は 強誘電体では有効ではない

P分極

E電界

5

強誘電体の電気的脱分極処理

6

従来の「脱分極」方法： ○加熱昇温（熱的方法） ○「消磁」に対応する減衰する 交流電圧の印加では効果は 不十分 本技術では印加電界の制御 により、圧電性を消失する 分域構造を強誘電体に導入

図 分極時、通常電圧印加時、および脱分極

処理時のＰＺＴセラミックスの変位

電圧の繰り返し印加に対して 変位を生じない（圧電性が消失）

従来技術とその問題点

強誘電体の圧電性の発現には分域を揃える

「分極処理（ポーリング）」が必要

分極処理後の強誘電体の圧電性の制御は

電気的に不可能

強誘電体の分極後の物性のみを利用する

脱分極状態の新たな物性を選択利用 7

抗電界Eｃ

分極量

自発分極Ps

残留歪

未分極状態

バタフライ形歪電界E

残留分極Pr

未分極状態

電界E

誘起歪

単極性電界印加時の歪

単極性電界印加時の分極

アクチュエータ用途

メモリー用途

コンデンサ用途

脱分極状態 ８

利用例１： 圧電グリッパー

9

unimorph actuator

metal base

unimorph actuator

( )

図 圧電グリッパー構造図

図 ユニモルフアクチュエータ単体の変位 図 グリッパー先端変位

閉じた状態を電圧印加なしに安定に保持

ユニモルフアクチュエータ

ユニモルフアクチュエータ

ベース

変位

変位

誘

起変位

（ｍｍ）

印加電圧（ｋＶ）

省エネルギー駆動

省エネルギー駆動例

利用例２： インピーダンス可変フィルター

10 脱分極状態＝圧電性の消失 → インピーダンスの変化

1

10

100

1,000

10,000

100,000

0 200 400 600 800 1,000

周波数 （kHz）

インピー

ダンス

Z （Ω

）

脱分極：誘電率の低下 共振・反共振ピークの消失

脱分極前

脱分極後

10

100

1,000

10,000

100,000

0 10 20

インピーダンス

（Ω）

周波数 （kHz）

脱分極状態

圧電状態

RLC直列共振回路への利用

11

利用例３： ディジタル変位素子・高耐圧リレースイッチ

12

脱分極状態から分極状態への復帰の利用

繰り返し利用可能なディジタル変位素子

脱分極状態

接点 Ｅ＜Ｅ臨界

Ｅ＞Ｅ臨界

Ｅ臨界以上で動作するスイッチ

接点

強誘電体

強誘電体

0

200

400

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.005 0.010

200

400

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 0.005 0.01

時間 （s）

入力信号

（kV

）

出力電圧（

V)出力電圧

入力信号

時間 （s）

出力電圧（

V)

出力電圧

入力信号

入力信号

（kV

）

(a) (b)

高電圧遮断器デバイスの例

脱分極状態のユニモルフ素子による高電圧遮断器デバイス ３５０Vで動作 ＜１ms 13

新技術の特徴・従来技術との比較

従来技術では不十分であった「脱分極」を改良し、

効率的・有効的な電気的脱分極を実現することに 成功した。

従来の圧電性評価方法では特定不可能な圧電性を消失した状態をリアル・タイムで検出可能となった。

検出には強誘電体自体の利用が可能

（デバイス構造の簡略化）

14

新技術の特徴・従来技術との比較

本技術の適用により、強誘電体の圧電性の電気的コントロールと従来に無い脱分極状態の繰り返し利用が可能となる。

１つの強誘電体材料で

異なる残留歪、誘電率、分極値等が利用可能

電圧印加方法であるため、従来のデバイス構造を

変えずに応用することが可能

15

想定される用途 ディジタル変位アクチュエータ：

機械式リレー、クランパー、グリッパー等

圧電デバイスの外部圧電性制御による多機能・

スマート構造化（特性の可変）

電圧印加による分極-脱分極状態利用による

可変容量コンデンサ（誘電率の変化を利用）

フィルター特性の変化など（インピーダンス変化）

強誘電体メモリの記録状態への適用

駆動電圧の低下・焦電性除去による安定性向上

16

想定される分野

対象

強誘電体セラミックスを利用した各種デバイス

新たな駆動方法、状態利用、デバイスデザイン、 信頼性の向上

市場

コンデンサ （誘電率変化利用）

圧電アクチュエータ・センサ （変位・圧電性制御）

強誘電体メモリ （分極反転特性利用）

17

実用化に向けた課題と企業への期待

本技術で利用可能なのは従来の方法では検出

できなかった「強誘電体セラミックスの新たな状態」

駆動方法、デバイス設計、デバイスの高機能化、

高信頼化への応用が可能

各種材料に「脱分極状態」を確認、

しかし、歪特性には材料依存性が存在する。

（材料の均一性評価への応用の可能性）

脱分極状態を最適に使える材料の開発

18

-5.0 -4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

印加電圧（kV）

振動

レベル

（ar

b. U

nit)

変位

（μm

）

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

-4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0

印加電圧（kV）

変位

（μm

）

脱分極状態

(a) (b)

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

-1200 -800 -400 0 400 800 1200Applied voltage (V）

Disp

lacem

ent（

μｍ）

Non-piezoelectric state

Butterflyshape

ハード系材料例：非対称性

ソフト系材料例： 対称性 （方向依存性）

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本技術に関する知的財産権

発明の名称：

強誘電体の脱分極方法、および強誘電体デバイス

出願番号： 特願２０１０－１１８６５６

公開番号 : 特開２０１１－２４９４２１

出願人 ：独立行政法人国立高等専門学校機構

発明者 ：油谷 英明（北九州工業高等専門学校） 20

お問い合わせ先

国立 北九州工業高等専門学校

総務課 国際・研究推進係

ＴＥＬ ０９３‐９６４－７２１６

ＦＡＸ ０９３‐９６４－７２１４

e-mail : s-kokuken@kct.ac.jp

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