JPH01264280A - 微細位置決め用電歪素子 - Google Patents
微細位置決め用電歪素子Info
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- JPH01264280A JPH01264280A JP63091760A JP9176088A JPH01264280A JP H01264280 A JPH01264280 A JP H01264280A JP 63091760 A JP63091760 A JP 63091760A JP 9176088 A JP9176088 A JP 9176088A JP H01264280 A JPH01264280 A JP H01264280A
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Landscapes
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- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、微細位置決め用電歪素子に関する。
近年、半導体素子などの集積化が進む中で、そΦ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／１を歪効果を利用
するアクチエエータは、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０例えば、光学、天文学また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。
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／１を歪効果を利用
するアクチエエータは、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０例えば、光学、天文学また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。
従来のアクチエエータとしては、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、これらのアクチエ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０例えば、レーザやカメラ等の工学機器
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なものとなっていく、
これまでのようにｔｍ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かにわかに脚光を浴びて
おり、エレクトロニクスセラミックス市場においても新
たに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
一般的な条件としては、 （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。
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、これらのアクチエ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０例えば、レーザやカメラ等の工学機器
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なものとなっていく、
これまでのようにｔｍ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かにわかに脚光を浴びて
おり、エレクトロニクスセラミックス市場においても新
たに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
一般的な条件としては、 （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。その中で、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ｌ０ＫＶ／ＣＩ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わない
と精密位置決めが困難である。１を歪材料とは、例えば
ＰＭＮなどで、最大変位量は１０Ｋｖ／ａｓの電圧に対
し０．０６％、変位の履歴は５〜１０％と満足されるが
、往々にして誘導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
で少しずつ克服されつつあるが、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） Ｏｓ （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ハネウェ
ル（ＨＡＮＥＹ ＷＥＬＬ ）社のに、阿ルＥＵＮＧら
によって調べられている（フエロエレクトリクス（Ｆｅ
ｒｒｏｅｌｅ’ｃｉｒｉｃｓ）＋ １９８０． ＶＯＩ
、、 ２Ｌ ｐ ４１−４３ ） ＊に、Ｍ、ＬＥＵ
ＮＧらは論文の中で、 Ｐｂｏ、 ｑｓＢａｏ、 ＊Ｊｉｏ、 ｏ＊Ｚｒｏ、
フ。ＴＬ、 ５ｅｏｚの組成について研究しているが、
最大変位量はｌ０ＫＶ／ＣＩｍの電圧に対し０．０６％
と小さい。
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。その中で、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ｌ０ＫＶ／ＣＩ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わない
と精密位置決めが困難である。１を歪材料とは、例えば
ＰＭＮなどで、最大変位量は１０Ｋｖ／ａｓの電圧に対
し０．０６％、変位の履歴は５〜１０％と満足されるが
、往々にして誘導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
で少しずつ克服されつつあるが、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） Ｏｓ （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ハネウェ
ル（ＨＡＮＥＹ ＷＥＬＬ ）社のに、阿ルＥＵＮＧら
によって調べられている（フエロエレクトリクス（Ｆｅ
ｒｒｏｅｌｅ’ｃｉｒｉｃｓ）＋ １９８０． ＶＯＩ
、、 ２Ｌ ｐ ４１−４３ ） ＊に、Ｍ、ＬＥＵ
ＮＧらは論文の中で、 Ｐｂｏ、 ｑｓＢａｏ、 ＊Ｊｉｏ、 ｏ＊Ｚｒｏ、
フ。ＴＬ、 ５ｅｏｚの組成について研究しているが、
最大変位量はｌ０ＫＶ／ＣＩｍ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−Ｂ１−一系の特許が公開されているが、
（Ｐｂｘ Ｂａ＋−１３（Ｚｒ、 Ｔｉｔ−ｙ ） Ｏ
ｓなる組成式ニオいて、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、履歴
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。また、本発明はアルカリ土類金属をＢａに限定する
ものである０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。
Ｐｂ −Ｂａ−Ｂ１−一系の特許が公開されているが、
（Ｐｂｘ Ｂａ＋−１３（Ｚｒ、 Ｔｉｔ−ｙ ） Ｏ
ｓなる組成式ニオいて、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、履歴
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。また、本発明はアルカリ土類金属をＢａに限定する
ものである０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。
本発明の課題は、従来品に比べ変位量が大きく、かつ履
歴が小さい電歪材料を提供することである。
歴が小さい電歪材料を提供することである。
本発明者らは、上述の欠点を改良するために、鋭意検討
の結果、組成が （Ｐｂｘ Ｂａ＋−＋＋ ） （Ｚｒ、 Ｔｉｔ−ｙ
） Ｏ，ｌ（但し、Ｘ。
の結果、組成が （Ｐｂｘ Ｂａ＋−＋＋ ） （Ｚｒ、 Ｔｉｔ−ｙ
） Ｏ，ｌ（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
１〜１０ａ＋ｏ１％となるようにＮｂ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
５％以下となることを見出し、本発明を完成させるに至
った。
．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
１〜１０ａ＋ｏ１％となるようにＮｂ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
５％以下となることを見出し、本発明を完成させるに至
った。
すなわち、本発明は、
組成が（Ｐｂ、 Ｂａｔ−ｘ ） （Ｚｒｙ Ｔｉｔ
−ｙ ） Ｏｚ （但しｘ、ｙの範囲が０．５５≦ｘ≦
０．７０．０．４５≦ｙ≦０．８０であり、２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１〜１０ｍｏｌ％となるよ
うにＮｂ化合物を添加してなる微細位置決め用電歪素子
である。
−ｙ ） Ｏｚ （但しｘ、ｙの範囲が０．５５≦ｘ≦
０．７０．０．４５≦ｙ≦０．８０であり、２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１〜１０ｍｏｌ％となるよ
うにＮｂ化合物を添加してなる微細位置決め用電歪素子
である。
本発明の電歪素子は、ヒステリシスが非常に小さいこと
が重要な特徴であり、微細位置決め用の電歪素子として
利用される。
が重要な特徴であり、微細位置決め用の電歪素子として
利用される。
本発明で開発した電歪素子は、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り、これまでの圧
電材料に比べ履歴は約１７５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履歴が小さい材料の応
用分野は非常に大きいと思われる（例えば、精密機械加
工、トンネル顕微鏡の位置移動機構等）。
圧電材料とは明らかに異なるものであり、これまでの圧
電材料に比べ履歴は約１７５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履歴が小さい材料の応
用分野は非常に大きいと思われる（例えば、精密機械加
工、トンネル顕微鏡の位置移動機構等）。
本発明でいうＮｂ化合物とは酸化物、窒化物、ぶつ化物
などで種類を問わない、添加量は１〜１０ｍｏｌ％が最
適である。添加量が１ｍｏｌ％以下であると履歴が５％
以上となり、１０ｍｏｌ％以上であると最大変位量が０
．０６％以下となる。
などで種類を問わない、添加量は１〜１０ｍｏｌ％が最
適である。添加量が１ｍｏｌ％以下であると履歴が５％
以上となり、１０ｍｏｌ％以上であると最大変位量が０
．０６％以下となる。
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、 ＞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Ｘの範囲を０．５５≦ｘ
≦０．７０に限定した。また、ｙ ＜ｏ、ｓｏ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ｙの範囲を０．５０≦χ
≦０．８０に限定した。また本発明でいう履歴とは、５
Ｋｖ／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１
０Ｋｖ／ａｍの電解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。
い、また、 ＞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Ｘの範囲を０．５５≦ｘ
≦０．７０に限定した。また、ｙ ＜ｏ、ｓｏ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ｙの範囲を０．５０≦χ
≦０．８０に限定した。また本発明でいう履歴とは、５
Ｋｖ／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１
０Ｋｖ／ａｍの電解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。
ＰｂＯ、ＢａＣ０，、ＺｒＯｘ、Ｔｔ（ｈ及びＮｂ１Ｏ
ｓの各原料を秤量配合し、ボールミルで１０時間混合し
た。得られた混合物を８００〜９００℃で２時間仮焼し
た。
ｓの各原料を秤量配合し、ボールミルで１０時間混合し
た。得られた混合物を８００〜９００℃で２時間仮焼し
た。
その後、再度ボールミルで微粉砕し、乾燥後、２トン／
Ｃ１ｌの圧力で円板状に成型した。これを１２００〜１
３５０℃で３時間焼結した。焼結した円板を厚さ０．５
ｍｍに切断し、その表面に銀電極を焼き付けた。
Ｃ１ｌの圧力で円板状に成型した。これを１２００〜１
３５０℃で３時間焼結した。焼結した円板を厚さ０．５
ｍｍに切断し、その表面に銀電極を焼き付けた。
この様にして得られた試料について、両端に電解を印加
し、ｌ０ＫＶ／Ｃ１１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
より行った。
し、ｌ０ＫＶ／Ｃ１１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
より行った。
測定結果の一例を第１表に示す。
第１表
Ｎｃｔｌ、５，７．８，９，１１，１２．１４は本発明
の範囲外である。
の範囲外である。
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０本発明者らはその組成領域に注目し、大丈位で
かつＭ歴を小さくする目的でＮｂ化合物を添加したとこ
ろ、履歴が１１５となる組成を発見した０本発明はこの
新規の事実に基づくものである０本発明の特徴は履歴が
極端に小さいことである。従来の圧電材料では履歴が２
０〜２５％程度であるとされていたが、これを５％以下
に小さくしたことは驚くべきことである。このようにほ
とんど履歴を有しない電歪素子は微細位置決め用として
応用分野が広いと思われる。
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０本発明者らはその組成領域に注目し、大丈位で
かつＭ歴を小さくする目的でＮｂ化合物を添加したとこ
ろ、履歴が１１５となる組成を発見した０本発明はこの
新規の事実に基づくものである０本発明の特徴は履歴が
極端に小さいことである。従来の圧電材料では履歴が２
０〜２５％程度であるとされていたが、これを５％以下
に小さくしたことは驚くべきことである。このようにほ
とんど履歴を有しない電歪素子は微細位置決め用として
応用分野が広いと思われる。
特許出願人 三井東圧化学株式会社
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、組成が〔Ｐｂ＿ｘＢａ＿１＿−＿ｘ〕〔ＺｒｙＴｉ
＿１＿−＿ｙ〕Ｏ＿ｚ（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１〜１０ｍｏｌ％とな
るようにＮｂ化合物を添加してなる微細位置決め用電歪
素子。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63091760A JP2543569B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
| EP89300937A EP0328290B1 (en) | 1988-02-05 | 1989-01-31 | Electrostriction element and ceramic material therefor |
| DE8989300937T DE68902930T2 (de) | 1988-02-05 | 1989-01-31 | Elektrostriktives element und keramisches material desselben. |
| 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 |
|---|---|---|---|
| JP63091760A JP2543569B2 (ja) | 1988-04-15 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01264280A true JPH01264280A (ja) | 1989-10-20 |
| JP2543569B2 JP2543569B2 (ja) | 1996-10-16 |
Family
ID=14035504
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63091760A Expired - Lifetime JP2543569B2 (ja) | 1988-02-05 | 1988-04-15 | 微細位置決め用電歪素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2543569B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0779030A (ja) * | 1993-07-27 | 1995-03-20 | Man Roland Druckmas Ag | Ｐｚｔ層の製造方法 |
| JP2009239245A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-10-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 圧電体 |
-
1988
- 1988-04-15 JP JP63091760A patent/JP2543569B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0779030A (ja) * | 1993-07-27 | 1995-03-20 | Man Roland Druckmas Ag | Ｐｚｔ層の製造方法 |
| JP2009239245A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-10-15 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 圧電体 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2543569B2 (ja) | 1996-10-16 |
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