JP2579334B2 - 電歪材料 - Google Patents
電歪材料Info
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- JP2579334B2 JP2579334B2 JP63023769A JP2376988A JP2579334B2 JP 2579334 B2 JP2579334 B2 JP 2579334B2 JP 63023769 A JP63023769 A JP 63023769A JP 2376988 A JP2376988 A JP 2376988A JP 2579334 B2 JP2579334 B2 JP 2579334B2
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- Japan
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- electrostrictive
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 近年、半導体素子などの集積化が進む中で、その製造
工程においてミクロンオーダーの変位量を制御する技術
が切望されるようになってきた。圧電／電歪効果を利用
するアクチュエータは、こうした次世代のマイクロ・メ
カトロニクスの中心を担う機械要素になると期待されて
いる。例えば、光学、天文学あるいは精密加工などの分
野においてサブミクロンのオーダーで光路長や位置を調
整する変位素子が所望されるようになってきた。
工程においてミクロンオーダーの変位量を制御する技術
が切望されるようになってきた。圧電／電歪効果を利用
するアクチュエータは、こうした次世代のマイクロ・メ
カトロニクスの中心を担う機械要素になると期待されて
いる。例えば、光学、天文学あるいは精密加工などの分
野においてサブミクロンのオーダーで光路長や位置を調
整する変位素子が所望されるようになってきた。
従来のアクチュエータとしては、電磁力で働くモー
タ、この電磁モータを歯車によって直進的な動きに変換
するものや、電磁コイルとバネを組み合わせたボイスコ
イル等が代表的なところとしてあげられる。高速の連続
回転や位置決めなど、これらのアクチュエータはあらゆ
る機械において広く用いられているが、光学、精密機械
等の分野を中心として次第に新しい変位素子へのニーズ
が急増してきている。例えば、レーザやカメラ等の光学
機器の加工精度や、半導体製造装置における位置決め精
度に対する要求は、既に１ミクロン以下のレベルに達し
ており、その要求は今後も益々シビアのものとなってい
く。これまでのように電磁モータを利用した位置決めで
は構造、制御共に複雑になるばかりで、また、ボイスコ
イルでは発生力や応答速度の点でそれぞれ問題がある。
このような状況のもと、最近電磁力を使わない新アクチ
ュエータとして電歪アクチュエータがにわかに脚光を浴
びており、エレクトロニクスセレミックス市場において
も新たなジャンルを拡大すべくその将来性に対して大き
な期待がかけられている。このような変位素子に要求さ
れる一般的に条件としては、1.変位量が大きい（最大電
圧における変位量）、2.履歴（最大電圧の半分における
変位量差を最大変位で割った値と定義する）が小さい、
3.応答速度が速い、4.温度特性が良い、5.低エネルギで
駆動できる、6.発生応力が大きい、7.サイズ、重量が小
さい、8.使用における劣化がない、等である。固体変位
素子材料は変位量が外部指令により制御可能でなければ
ならずその外部要因として温度、磁界、電界等が考えら
れる。そのなかで、温度変化を利用する変位素子は大き
なエネルギを要し、また応答が遅いという欠点を有す
る。磁界を利用する磁歪材料は変位量が小さく稼働用コ
イルが必要で装置の大型化につながる欠点を有する。こ
れに対し、電界を利用して変位を得る材料として圧電材
料、電歪材料がある。圧電材料とは例えば PZTなどで
最大変位量は10kv/cmの電圧に対し0.06％の伸びが認め
られるが、変位の履歴が15〜30％と大きく、フィードバ
ック制御を行なわないと精密位置決めが困難である。電
歪材料とは例えばPMNなどで、最大変位量は10kv/cmの電
圧に対し0.06％、変位の履歴は５〜10％と満足されるが
往々にして誘電率が大きいため駆動電力の増加をもたら
し省エネルギの側面からの改良が望まれている。このよ
うに最大変位量が小さいという問題点が近年の研究で少
しづつ克服されつゝあるが未だ充分なレベルに到達して
いないのが現状である。また、電歪材料は圧電材料と比
較して履歴が少ない、電界分極処理の必要がない、苛酷
な使用条件での劣化に対して強い、などの利点がある。
PMN以外の電歪材料として、〔Pb,Ba〕〔Zr,Ti〕O3（以
下PBZTと略す）系セラミックスがある。この系について
は既にHANEY WELL社のK.M.LEUNGらによって調べられて
いる。（Ferroelectrics,1980,VOL.27,pp.41−43） K.M.LEUNGらは論文の中で、Pb0.73Ba0.27Bi0.02Zr
0.70Ti0.30O3の組成について研究しているが、最大変位
量は10kv/cmの電圧に対し0.06％と小さい。
タ、この電磁モータを歯車によって直進的な動きに変換
するものや、電磁コイルとバネを組み合わせたボイスコ
イル等が代表的なところとしてあげられる。高速の連続
回転や位置決めなど、これらのアクチュエータはあらゆ
る機械において広く用いられているが、光学、精密機械
等の分野を中心として次第に新しい変位素子へのニーズ
が急増してきている。例えば、レーザやカメラ等の光学
機器の加工精度や、半導体製造装置における位置決め精
度に対する要求は、既に１ミクロン以下のレベルに達し
ており、その要求は今後も益々シビアのものとなってい
く。これまでのように電磁モータを利用した位置決めで
は構造、制御共に複雑になるばかりで、また、ボイスコ
イルでは発生力や応答速度の点でそれぞれ問題がある。
このような状況のもと、最近電磁力を使わない新アクチ
ュエータとして電歪アクチュエータがにわかに脚光を浴
びており、エレクトロニクスセレミックス市場において
も新たなジャンルを拡大すべくその将来性に対して大き
な期待がかけられている。このような変位素子に要求さ
れる一般的に条件としては、1.変位量が大きい（最大電
圧における変位量）、2.履歴（最大電圧の半分における
変位量差を最大変位で割った値と定義する）が小さい、
3.応答速度が速い、4.温度特性が良い、5.低エネルギで
駆動できる、6.発生応力が大きい、7.サイズ、重量が小
さい、8.使用における劣化がない、等である。固体変位
素子材料は変位量が外部指令により制御可能でなければ
ならずその外部要因として温度、磁界、電界等が考えら
れる。そのなかで、温度変化を利用する変位素子は大き
なエネルギを要し、また応答が遅いという欠点を有す
る。磁界を利用する磁歪材料は変位量が小さく稼働用コ
イルが必要で装置の大型化につながる欠点を有する。こ
れに対し、電界を利用して変位を得る材料として圧電材
料、電歪材料がある。圧電材料とは例えば PZTなどで
最大変位量は10kv/cmの電圧に対し0.06％の伸びが認め
られるが、変位の履歴が15〜30％と大きく、フィードバ
ック制御を行なわないと精密位置決めが困難である。電
歪材料とは例えばPMNなどで、最大変位量は10kv/cmの電
圧に対し0.06％、変位の履歴は５〜10％と満足されるが
往々にして誘電率が大きいため駆動電力の増加をもたら
し省エネルギの側面からの改良が望まれている。このよ
うに最大変位量が小さいという問題点が近年の研究で少
しづつ克服されつゝあるが未だ充分なレベルに到達して
いないのが現状である。また、電歪材料は圧電材料と比
較して履歴が少ない、電界分極処理の必要がない、苛酷
な使用条件での劣化に対して強い、などの利点がある。
PMN以外の電歪材料として、〔Pb,Ba〕〔Zr,Ti〕O3（以
下PBZTと略す）系セラミックスがある。この系について
は既にHANEY WELL社のK.M.LEUNGらによって調べられて
いる。（Ferroelectrics,1980,VOL.27,pp.41−43） K.M.LEUNGらは論文の中で、Pb0.73Ba0.27Bi0.02Zr
0.70Ti0.30O3の組成について研究しているが、最大変位
量は10kv/cmの電圧に対し0.06％と小さい。
また、特開昭60−144984においてPBZT＋Pb−Ba−Bi−
Ｗ系の特許が公開されているが、〔PbxBa1-x〕〔ZryTi
1-y〕O3なる組成式において、特許請求の範囲等に規定
されたx,yの範囲は0.75≦ｘ≦0.83,0.53≦ｙ≦0.55であ
り、組成上本発明とは明らかに区別される。また履歴に
ついての記載はされていないが非常に大きいことが予想
される。またPZTに各種金属を添加する特許は数多く出
願されているが、PZTのPbをアルカリ金属、アルカリ土
類金属で置換する置換量は30％以下であるため本発明と
は明らかに異なる。本発明はまたアルカリ土類金属をBa
に限定するものである。以上のように圧電／電歪材料で
大変位でかつミクロンオーダーの変位を精密に制御でき
るものは未だ現存しないのが実際のところである。
Ｗ系の特許が公開されているが、〔PbxBa1-x〕〔ZryTi
1-y〕O3なる組成式において、特許請求の範囲等に規定
されたx,yの範囲は0.75≦ｘ≦0.83,0.53≦ｙ≦0.55であ
り、組成上本発明とは明らかに区別される。また履歴に
ついての記載はされていないが非常に大きいことが予想
される。またPZTに各種金属を添加する特許は数多く出
願されているが、PZTのPbをアルカリ金属、アルカリ土
類金属で置換する置換量は30％以下であるため本発明と
は明らかに異なる。本発明はまたアルカリ土類金属をBa
に限定するものである。以上のように圧電／電歪材料で
大変位でかつミクロンオーダーの変位を精密に制御でき
るものは未だ現存しないのが実際のところである。
上述の欠点を改良するために、従来品に比べ変位量が
大きくかつ履歴が小さい材料の開発を鋭意検討の結果、
組成が〔PbxBa1-x〕〔ZryTi1-y〕Oz（但し、x,yの範囲
が0.55≦ｘ≦0.70,0.45≦ｙ≦0.80であり、ｚは各元素
の酸化状態により定まる数値をとる。）で表される磁器
組成物に２価、４価、５価又は６価の金属化合物を添加
することにより、最大変位量が0.06％以上、歪みの履歴
が15％以下となることを見出し、本発明を完成するに至
った。
大きくかつ履歴が小さい材料の開発を鋭意検討の結果、
組成が〔PbxBa1-x〕〔ZryTi1-y〕Oz（但し、x,yの範囲
が0.55≦ｘ≦0.70,0.45≦ｙ≦0.80であり、ｚは各元素
の酸化状態により定まる数値をとる。）で表される磁器
組成物に２価、４価、５価又は６価の金属化合物を添加
することにより、最大変位量が0.06％以上、歪みの履歴
が15％以下となることを見出し、本発明を完成するに至
った。
本発明で開発した電歪材料は、歪み量及び履歴におい
てこれまでの圧電材料とは明らかに異なるものである。
これまでの圧電材料に比べ伸び率は２倍に、履歴は約半
分に減少している。このように従来品とは比較にならな
いほど最大歪み量が大きく、履歴の小さい材料の応用分
野は非常に広いと思われる。（例えば、精密機械加工、
インクドットプリンタ、トンネル顕微鏡の位置移動機構
等） 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、PBZT電歪磁器の基本組成において、組成が
〔PbxBa1-x〕〔ZryTi1-y〕Oz（但し、x,yの範囲が0.55
≦ｘ≦0.70,0.45≦ｙ≦0.80であり、ｚは各元素の酸化
状態により定まる数値をとる。）で表される磁器組成物
に金属成分の配合比が0.1〜10mol％となるよう２価、４
価、５価又は６価の金属化合物を添加してなる電歪材料
である。この電歪材料は、最大変位量が0.06％以上、変
位の履歴が15％以下となることを特徴とするものであ
る。
てこれまでの圧電材料とは明らかに異なるものである。
これまでの圧電材料に比べ伸び率は２倍に、履歴は約半
分に減少している。このように従来品とは比較にならな
いほど最大歪み量が大きく、履歴の小さい材料の応用分
野は非常に広いと思われる。（例えば、精密機械加工、
インクドットプリンタ、トンネル顕微鏡の位置移動機構
等） 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、PBZT電歪磁器の基本組成において、組成が
〔PbxBa1-x〕〔ZryTi1-y〕Oz（但し、x,yの範囲が0.55
≦ｘ≦0.70,0.45≦ｙ≦0.80であり、ｚは各元素の酸化
状態により定まる数値をとる。）で表される磁器組成物
に金属成分の配合比が0.1〜10mol％となるよう２価、４
価、５価又は６価の金属化合物を添加してなる電歪材料
である。この電歪材料は、最大変位量が0.06％以上、変
位の履歴が15％以下となることを特徴とするものであ
る。
本発明でいう２価,4価,5価,6価の金属化合物とは２価
ではCu,Mg,Ni,Znなど、４価ではCe,Ge,Hf,Mn,Nb,Sn,Te,
Thなど、５価ではBi,Cr,Mn,Nb,Sb,Taなど、６価ではCr,
Mn,Mo,Wなどの化合物である。金属化合物は酸化物、窒
化物、フッ化物など種類を問わない。添加量は0.1〜10m
ol％が最適である。0.1mol％以下であると添加効果を示
さない。10mol％以上であると伸び、履歴に悪い影響を
及ぼす。ｘの範囲を0.55〜0.70に限定した理由はｘ＜0.
55では本発明の特徴とする大変位が得られない。またｘ
＞0.70であると、本発明の特徴とする履歴が小さくなら
ない。このため、0.55≦ｘ≦0.70という範囲に限定し
た。またｙの範囲を0.50〜0.80に限定した理由は、ｙ＜
0.50であると、履歴が小さくならない。またｙ＞0.80で
あると大変位が得られない。このため0.50≦ｙ≦0.80と
いう範囲に限定した。また本発明でいう履歴とは5kv/cm
のときの変位量差を10kv/cmでの変位量で割った値をい
う。また本発明でいう歪み量とは10kv/cmの電界を印加
したときの伸びをサンプルの厚さで割った値をいう。
ではCu,Mg,Ni,Znなど、４価ではCe,Ge,Hf,Mn,Nb,Sn,Te,
Thなど、５価ではBi,Cr,Mn,Nb,Sb,Taなど、６価ではCr,
Mn,Mo,Wなどの化合物である。金属化合物は酸化物、窒
化物、フッ化物など種類を問わない。添加量は0.1〜10m
ol％が最適である。0.1mol％以下であると添加効果を示
さない。10mol％以上であると伸び、履歴に悪い影響を
及ぼす。ｘの範囲を0.55〜0.70に限定した理由はｘ＜0.
55では本発明の特徴とする大変位が得られない。またｘ
＞0.70であると、本発明の特徴とする履歴が小さくなら
ない。このため、0.55≦ｘ≦0.70という範囲に限定し
た。またｙの範囲を0.50〜0.80に限定した理由は、ｙ＜
0.50であると、履歴が小さくならない。またｙ＞0.80で
あると大変位が得られない。このため0.50≦ｙ≦0.80と
いう範囲に限定した。また本発明でいう履歴とは5kv/cm
のときの変位量差を10kv/cmでの変位量で割った値をい
う。また本発明でいう歪み量とは10kv/cmの電界を印加
したときの伸びをサンプルの厚さで割った値をいう。
〔実 施 例〕 PbO,BaCO3,ZrO2,TiO2及び金属添加物の各原料を秤量
配合しボールミルで10時間混合する。そして、得られた
混合物を800〜900℃で２時間仮焼する。その後、再度ボ
ールミルで微粉砕し乾燥後２トン/cm2の圧力で円板状に
成型する。これを1200〜1350℃で３時間焼結する。焼結
した円板を厚さ0.5mmに切断し、その表面に銀電極を焼
き付ける。この様にして得られた試料について、両端に
電界を印加し10kv/cmでの伸び及び変位の履歴を測定し
た。変位量及び変位の履歴の測定はポテンショメータに
より行なった。
配合しボールミルで10時間混合する。そして、得られた
混合物を800〜900℃で２時間仮焼する。その後、再度ボ
ールミルで微粉砕し乾燥後２トン/cm2の圧力で円板状に
成型する。これを1200〜1350℃で３時間焼結する。焼結
した円板を厚さ0.5mmに切断し、その表面に銀電極を焼
き付ける。この様にして得られた試料について、両端に
電界を印加し10kv/cmでの伸び及び変位の履歴を測定し
た。変位量及び変位の履歴の測定はポテンショメータに
より行なった。
測定結果の一例を次表に示す。
〔発明の効果〕 上述したように、本発明のPBZT系の組成領域は、これ
までは伸び率が小さい領域であるとして、研究されてい
なかった。本発明者らはこの組成領域に注目し、伸び率
を大きくする目的で各種金属化合物を添加したところ履
歴を半減してなおかつ伸び率が従来品の２倍弱近くも増
大した組成物を発見した。本発明の最大の特長は、変位
量がこれまでの圧電材料に比べて非常に大きいことに加
えて、履歴が小さい事である。従来の圧電材料において
履歴は20〜25％程度あるとされていたが、これを15％以
下に小さくしたばかりでなく、変位量を２倍近くまで増
大させたことは驚くべきことである。本発明は前記のよ
うな組成の電歪材料であるから、変位量が大きく、履歴
が小さいという優れた効果を奏するものであり、それ故
にアクチュエータ等の変位素子用材料として最適な電歪
材料である。
までは伸び率が小さい領域であるとして、研究されてい
なかった。本発明者らはこの組成領域に注目し、伸び率
を大きくする目的で各種金属化合物を添加したところ履
歴を半減してなおかつ伸び率が従来品の２倍弱近くも増
大した組成物を発見した。本発明の最大の特長は、変位
量がこれまでの圧電材料に比べて非常に大きいことに加
えて、履歴が小さい事である。従来の圧電材料において
履歴は20〜25％程度あるとされていたが、これを15％以
下に小さくしたばかりでなく、変位量を２倍近くまで増
大させたことは驚くべきことである。本発明は前記のよ
うな組成の電歪材料であるから、変位量が大きく、履歴
が小さいという優れた効果を奏するものであり、それ故
にアクチュエータ等の変位素子用材料として最適な電歪
材料である。
Claims (1)
- 【請求項１】組成が〔PbxBa1-x〕〔ZryTi1-y〕Oz（但
し、x,yの範囲が0.55≦ｘ≦0.70,0.45≦ｙ≦0.80であ
り、ｚは各元素の酸化状態により定まる数値をとる。）
で表される磁器組成物に金属成分の配合比が0.1〜10mol
％となるよう２価、４価、５価又は６価の金属化合物を
添加してなる電歪材料。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63023769A JP2579334B2 (ja) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | 電歪材料 |
| DE8989300937T DE68902930T2 (de) | 1988-02-05 | 1989-01-31 | Elektrostriktives element und keramisches material desselben. |
| EP89300937A EP0328290B1 (en) | 1988-02-05 | 1989-01-31 | Electrostriction element and ceramic material therefor |
| KR1019890001282A KR920009913B1 (ko) | 1988-02-05 | 1989-02-03 | 전기일그러짐 효과소자 및 그것을 위한 자기재료 및 이것으로 이루어진 작동자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63023769A JP2579334B2 (ja) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | 電歪材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01200681A JPH01200681A (ja) | 1989-08-11 |
| JP2579334B2 true JP2579334B2 (ja) | 1997-02-05 |
Family
ID=12119552
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63023769A Expired - Lifetime JP2579334B2 (ja) | 1988-02-05 | 1988-02-05 | 電歪材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2579334B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4325167C1 (de) * | 1993-07-27 | 1994-09-22 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von PZT-Schichten |
| JP5183986B2 (ja) * | 2006-07-26 | 2013-04-17 | 日本碍子株式会社 | 圧電／電歪素子、圧電／電歪セラミックス組成物及び圧電モータ |
| CN110981498A (zh) * | 2019-12-22 | 2020-04-10 | 贵州振华红云电子有限公司 | 提高压电陶瓷蜂鸣片质量的方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5379299A (en) * | 1976-12-24 | 1978-07-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Porcelain composition of high inductivity |
-
1988
- 1988-02-05 JP JP63023769A patent/JP2579334B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01200681A (ja) | 1989-08-11 |
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