JPH02194575A - 電歪素子の駆動方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は電界分極処理を行わなくても電界の印加によっ
−で変位を発生する電歪素子の駆動方法に関する。

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、天文学或は精密加工などの分野においてサ
ブミクロンオーダ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ている。

（従来の技術） 従来のアクチュエータとして、電磁力を応用したちの例
えばモータやボイスコイル等が代表的なものとして挙げ
られる。高速の連続回転や直線移動などに、これらのア
クチュエータはあらゆる分野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、より細かい
制御のできる新しい変位素子へのニーズが急増している
。例えばレーザやカメラ等の光学機器の加工精度や半導
体製造機器における位置決め精度に対する要求は、すで
に１ミクロン以下のレベルに達しており、その要求は今
後ますますシビアなものになっていくものと思われる。

このため、これまでのモータによる駆動では、構造及び
制御ともに複雑になるばかりである。またボイスコイル
による駆動では、発生力や応答速度の点て問題がある。

一方、電磁力を使わない新アクチュエータ表して電磁ア
クチュエータが最近にわかに脚光を浴びてきており、エ
レクトロニクスセラミックス市場においても、新たなジ
ャンルを拡大すべく、その将来性に対し大きな期待が寄
せられている。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、■、変位量（ｆ＆、大電圧における変
位量）が大きい、■、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、■
、応答速度が速い、■、温度特性がよい、■、低エネル
ギーで駆動できる、■１発生応力が大きい、■、サイズ
、ｆｆ１ｆｆｉが小さい、■、使用における劣下がない
、などである。

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は、温度、磁界、
電界が考えられる。その中で温度変化を＋Ｑ用する変位
素子は、大きなエネルギーを要し、また応答速度が遅い
という欠点を有する。また磁界を利用する磁歪材料は、
変位量が小さく且つ駆動用コイルが必要で装置の大型化
につながるなどの欠点を有する。これに対し電界を利用
する変位素子はこれらの欠点を有しない。この電界を利
用して変位を得る材料としては、圧電材料や電歪材料が
ある。

圧電材ｆｒＩの処女試料は、多結晶体構成要素のグレイ
ンごとにいろいろな分極方向を持っており、そのままで
は電圧を印加しても、伸びるグレインと縮むグレインが
相殺されて、全体としては歪が観測されない。そこで使
用前に非常に大きな電界を印加して各グレインの分極方
向をできるだけ一方向に揃えておくことが必要である。

この処理を分極処理という。これに対し電歪材Ｕは、こ
うした前処理を必要としないため、それに起因する時効
が問題とならないという大きな特徴がある。

近年柱々の分野において、電歪材料が利用され始めてい
るが、伸び率のより大きい４４　ｒ４の開発か切望され
ている。低電圧において高い伸び率の素子を出現できる
ような組成の探索の研究は非常に多く行われているが、
同一の電界で現在知られている組成による素子の例えば
１．５倍の伸び率を有する素子の開発は、現在非常に困
難であると思われており、この方面からの解決はあまり
期待てきない。

一方、電歪素子の駆動方法としては、ＯｋＶ／ｃｍ〜Ｅ
　ｍａｘ　ｋＶ／　ｃＩＩＩ（Ｅ　ｍａｘは最大電界）
を与える方法が用いられている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の駆動方法では、ＯｋＶ／ｅｍとＥ　ｍａｘ−１，
、Ｏｋｖ／ｃａ＋の電界を繰り返して与えた駆動におい
て０．１％程度の伸び率を示す場合がほとんどである（
第３図）。また１　０　ｋＶ／ｃｍ以上電界印加では変
位量の飽和が起こり、伸び率（！：電界が比例し２なく
なる。例えばＯｋＶ／ｃｍとＥｍａｘ　−１５ｋＶ／ａ
ｍの駆動においても０．１３％程変の伸び率しか示さな
い（第４図）。

本発明は上記の点に鑑シてなされたもので、その目的は
、電界分極処理を行わなくても電界の印加によって変位
を定する電歪素子に、高い伸び率を生し、させることが
可能な駆動方法を実現することにある。

（課題を解決するだめの手段） 上記課題を解決する本発明は、１ｕ界分極処理を行わな
くても電界の印加によって変位を発生ずる電歪素子の駆
動方法において、逆バイアスを与えて駆動することを特
徴上するものである。

（作用） 本発明の駆動か法では、電歪素子に電界を印加し駆動す
るに際し、逆バイアスを！ｊえ両極性の電界を電歪素−
ｒに印加して、負の抗電界側まで縮んだ分も変位量に有
効に利用し伸び率を高める。

（実施例） まず、本発明の詳細な説明に入る前に、電界分極処理を
行わなくても電界の印加によって変位を発生ずる電歪素
子について説明する。

第２図は電歪素子の電界−伸び・♀１特性の一例を；Ｊ
（ず図である。この図はＴｂ界の印加を０−Ｅ、−ｆ”
）−−Ｅ、−０と繰り返したときに定常的に描くループ
を示し、たちので、電歪素子は通常このような挙動をす
るものうへ多い。（第２図はＥよ−］ＯｋＶ／ｃｍのも
の）この図かられかるように抗電界を経るまで電歪累「
は縮み、市の抗電界を越えると急激に伸びが始まり、あ
る電界以上では伸びは電界に対し飽和傾向を示すように
なり変曲点を持つ。

その後電界を小さくすると縮み、電界を上昇をさせたと
きとは異なるループをとる。これが履歴と言われるもの
である。そして、負の抗電界を過ぎると再び伸びる。本
発明者はこの挙動に注１」シ、同一の電界強度（振幅）
において大きな伸び率が得られる駆動方法を鋭意検討し
た結果、電界分極処理を行わなくても電圧の印加によっ
て変位を発生ずる電歪素子において、例えば負の抗電界
に略匹敵する大きさの逆バイアスを５．えて駆動するこ
とを特徴とする電歪素子の駆動方法を見い出した。

この方法をより詳細に説明する。従来の駆動方法は前述
の如＜　ＯｋＶ／ｃｍ　−Ｅ　ｍａｘｋＶ／ｃｍの電界
印加を用いていたが、本発明では、例えば第２図に示す
ように、負の抗電界を−Ｅｏと仮定し、電界強度の振幅
をＥｂと仮定したとき、−Ｅ　ｏ　ｋＶ／ｃｍとＥｂ−
Ｅ　ｏ　ｋＶ／ｃＴｉの電界を与えて駆動する。本発明
方法の場合、従来の方法のＯｋＶ／ＣｍとＥ　ｂ　ｋＶ
／ｃｍの印加の場合と比べて、伸び率かかなり大きくな
る。これは高い電界における変位の飽和現象の影響を受
けず、しかも、負の抗電界までの変位量を有効に利用で
きるためである。このように従来の電歪材料では利用す
ることかできなかった負電界領域を積極的に利用するこ
とにより、電歪素子の伸び率が０．１３％程度であると
言った常識を覆し、０．２％以上の伸びを得ることがで
きた。

以下、本発明の実施例をより具体的に説明する。

まず、Ｐｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）０３．　　（Ｐｂ、Ｂａ）（
Ｚｒ、ＴＩ）０＊電歪材料の積層体を従来の製法に則り
作成する。前述の第２図は、この（Ｐｂ、Ｂａ）（Ｚｒ
、Ｔｉ）Ｏｉ　電歪材料の電界−伸び率特性を示してい
る。第２図は、０−１０−”０−”−１，０−ＯｋＶ／
Ｃｍと繰り返シタトキノものである。従来の駆動方法は
、例えば第４図に示したように、０−１５→ＯｋＶ／ｃ
ｍのように電界を印加する。今、この電歪材料の負の抗
電界を−４、ＯｋＶ／ｃｍであるとすると、本発明の駆
動方法では、−４，０ｋＶ／Ｃｍ　→１１．　　ＯｋＶ
／ｃｍ　→−４゜０　ｋＶ／ｃｍというように電界を印
加して駆動を行う。

この時の電界−伸び率特性を第１図に示す。電界強度の
振幅が同じても、第１図と第４図を比較すると明らかな
ように、本発明の駆動方法によれば、伸び率が著しく向
上することがわかる。次表は、この結果を数値で示した
ものである。

第１　図 ４勧 （発明の効果） 以上説明したように、本発明の駆動方法によれば、従来
に比べて伸び率を大きく向上させることができる。この
ため、この駆動方法を用いることにより、これまで変位
量が小さいために用いることが不可能であったデバイス
に電歪素子を広く用いることが可能になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の駆動方法の一例を示す図、第２図は電
歪素子の電界−伸び率特性の一例を示す図、第３図及び
第４図は従来の駆動方法の説明図である。 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 電界分極処理を行わなくても電界の印加によって変位を
   発生する電歪素子の駆動方法において、逆バイアスを与
   えて駆動することを特徴とする電歪素子の駆動方法。