JPH03147381A - 大変位量電歪素子 - 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 本発明は大変位量電歪素子の製造に適した磁器組成物及
び該磁器組成物の焼結で得られる大変位量電歪素子に関
する。

従来の技術 従来、アクチュエータとしては、！磁力で働くモータや
、この電磁モータの回転を歯車の組合せにより直進的な
動きに変換するものや、１１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ものである、これらのア
クチュエータは高速の連続回転や位置決めなどのために
、あらゆる機械において広く用いられている。近年、光
学精密機械、半導体素子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いる６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や、光学、天文学などに
おける光路長の調節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ことは明かである。これまでのよ
うにｔｕｉモータを利用した位置決めでは構造、制御′
ｉともに複雑になるばかりであり、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。

最近、電磁力を使わない新アクチュエータとして電磁ア
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は以下の
とおりである。

（１）変位ｔＣ最大電界における変位量）が大きい。

（２）　　ＩＩ歴（最大電界の半分における変位量差を
最大変位量で割った値）が小さい。

（３）応答速度が速い。

（４）温度特性がよい。

（５）低エネルギーで駆動できる。

（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。

固体変位素子材料はその変位量が外部指令により制御可
能でなければならず、その外部指令要因としては温度、
磁界、電界が考えられる。温度変化を利用する変位素子
は大きなエネルギーを要し、また応答速度が遅いという
欠点を有している。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
欠点を有している。ｉｉｔ界を利用して変位を得る材料
として圧電材料、電歪材料があるが、これらは最大変位
量が小さいという欠点がある。この欠点を克服するため
に数々の研究がなされてきているが、未だ充分なレベル
に達していない。

電歪材料は圧電材料に比べ （１）履歴が少ない、 （２）　　ｉｔ界分極処理の必要が無い、（３）過酷な
使用条件での劣化に対して強い、等の利点がある。

電歪材料としてＰ　ｂ　（Ｍｇ＋ｚｚＮｂｉｚｓ）　０
３（ＰＭＮ）が公知であり、更に（Ｐｂ、Ｂａ）（Ｚｒ
、Ｔｉ）Ｏｓ　（以下ＰＢＺＴと略記する）系セラミッ
クスがある。この系についてはすてにハネウｍル（ＨＡ
ＮＥＹ　ＷＥＬＬ）社ノに、Ｍ、ＬＥＵＮＧ　らによっ
て調査研究されている（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｅｔｒｉｃ＋
　１９８０＋ｖｏｌ　２７．ｐｐ４１−４３）　、　　
に、ＭｉＥＵＮＧ　　らは、組成は（Ｐ　ｂ、、ｔＪ　
ａｅ、ｚｔ）　＊、＊、Ｂ　ｉｅ、＠ｚＺ　ｒ　ｏ、ｔ
ｏＴ　ｉ。、３１Ｃｈのセラミックスの調査研究の結果
について論文に報告しているが、そのセラミックスの変
位量は小さく、１０ｋＶ／ｃｍ（７）［圧に対し０．０
６％に過ぎない、また、上記組成式のセラミックスを焼
結すると、その焼結時における重量減少が著しく１０％
にも達する。この重量減少はｐｂの揮散によるものと推
定され、電歪材料を工業的に製造する場合においてはこ
のようなｐｂの揮散は重要な問題となる。また、上記組
成式のセラミックスを用い、後記の実施例で述べる条件
で素子を作成してその性能を評価したところ、その誘電
率は５０００〜６０００であった。誘電率は実装置に組
み込んだ場合に電気消費量と関係があり、誘電率の小さ
い方が省エネルギーであり優れている。

特開昭６０−１４４９８４においてＰＢｚＴ＋Ｐｂ−Ｂ
ａ−Ｂ１−Ｗ系の電歪磁器組成物が開示されているが、
これらのものは後記の比較例において示すように、素子
性能の履歴が非常に大きくそのため素子の発熱が大きい
ばかりでな（、精密な位置制御が非常に困難となり、従
って、アクチュエータ用素子としては不適当である。

更にＰＺＴに各種金属を添加した磁器組成物について多
数の特許出願がなされており、またＰｂをアルカリ金属
、アルカリ土類金属で置き換えた磁器組成物についてい
くつかの特許出願がなされているが、いずれも大変位量
を特徴とするものではない０以上のように、大変位量で
かつミクロンオーダーの変位量を精密に制御できる圧電
材料、１を歪材料は未だ現存しないのが実際のところで
ある。

発明が解決しようとするＩｎ 本発明の目的は変位量が太き（、かつ履歴が小さい電歪
材料を促供することにある。

課題を解決するための手段 本発明者らは上述の目的を達成するために鋭意検討した
結果、従来は変位量が小さい磁器組成物であるとしてほ
とんど研究されていなかったＰＢＺＴ系の組成が（Ｐ　
ｂｘＢ　ａ　Ｉ−Ｘ）　ｓＭ　ｅｔ　（Ｚ　ｒ　ｖＴｉ
＋−ｙ）であるものに特定の金属を添加することによっ
て、ｆｆ１２が市販品とほとんど変わらずに変位量が約
２倍になった電歪素子が得られることを見いだし、本発
明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、組成式 ％式％） （式中、χ、ｙ、ａ、ｂ、及びＣはそれぞれｙ≧　（４
／３）ｘ、 ０、６０≦ｙ≦０．　８０゜ ０、４５≦Ｘ≦０．６０゜ ０、８５≦ａ≦１．１５． ０．０２≦ｂ≦Ｏ，ＸＯ及び ０．８５≦Ｃ≦１，１５の条件を満足する数値である。

ｄは各元素の酸化状態により定まる数値でである。ｄは
Ｌａ、、Ｃｅ、Ｐｒからなる群から選ばれた少なくとも
一種の元素である。）で表される磁器組成物である。

また、本発明は、前記した磁器組成物を焼結してなる大
変位量電歪素子である。

本発明の電歪素子について″履歴“は５　ｋＶ／ｃｍの
電界を印加した時の変位量差を１０ｋＶ／ｃｍの電界を
印加した時の変位量で割った値（％）を意味し、”変位
量”は１０ｋＶ／ｃｓｉの電界を印加した時のサンプル
の伸びを厚さで割った（［（％）を意味する。

本発明の磁器組成物は出発原料としてＰｂ、Ｂａ、、Ｍ
ｅ　（Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ）、Ｚｒ及びＴ１の各々につい
てそれらの酸化物、窒化物、ぶつ化物、炭酸塩等から選
ばれた任意の化合物を用いて製造することが出来る。

本発明の磁器組成物においては、Ｍｅ金金属添加量は２
ｍｏ１％以上、ｌＯｍｏ１％以下が最適である。添加量
が２ｍｏ　１％未満である場合Ｈ歴が２５％を越え、ま
た添加量が１０ｒｒｉｏ　１％を越える場合最大変位量
が０．０６％未満となる。上記組成式においてｙ＜　（
４／３）ｘもしくはｙか０．６０未満である場合、また
はａ及びｂがそれぞれ０．８５未満または１．１５を越
える場合本発明の特徴である大変位量は達成されない、
またｙが０．８０を越える場合またはＸが０．４５未満
である場合履歴の小さい電歪素子が得られない。

本発明の電歪磁器組成物はその焼結時においてｐｂのｒ
ｉ敞が少なく、重量減少が１％以下である。

また本発明の電歪素子は変位量が０．１０％以上であり
、実施例で示した範囲で最も変位量の大きいものでは０
．１８％にも達し、また履歴が２５％以下であり、誘電
率が３０００〜４０００である１本発明の電歪素子は従
来の圧電材料に比べて履歴がほとんど変わらないにもか
がわらず、変位量が約２倍以上に増加している。

実施例 実施例１ 出発原料としてＰ　ｂ　Ｏ，、Ｂ　ａ　ＣＯｓ、ＺｒＯ
，、ＴｉＯｘ及びＭｅ金金属酸化物を用い、ｘ、ｙ、ａ
、ｂ及びＣの値が下記の標に示す値のなるように秤量混
合、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／Ｃ−の圧力で円板
上に成形した。これを１２００〜１３５０°Ｃで３時間
焼結した。焼結した円板を厚さ０．５ｍに切断し、その
表面に！！電極を焼き付けた。この様にして得られた試
料について、両端に電界を印加し、１０ｋＶ／ｃｍでの
変位量及び履歴を測定した。変位量及び履歴の測定はボ
テンシゴメータにより行った。測定結果を下記の表に示
す０表中、試料Ｎｏ、２．３．４．７．９．１０が本発
明の範囲にある電歪素子である。

比較例１″′ 組成式 ％式％ ） （式中、χは０．０１であり、Ａは０．２１であり、Ｂ
はＯ６５３である）を有する試料を実施例と同様に作成
し、同様にして変位量及び覆歴を測定した。変位量は０
．０９％であり、履歴は４０％であった。

［Ｍｅ＝Ｌａの場合Ｊ 試料　　　　　　　　　　　　変位量 Ｎｏ、ｘｙａｂｃ（％） １　０．５５０．７３０．９７０．０３１．００　０．
０５２　０．５５０．７４　Ｏ，９７０，０３１，００
０，１０３０，５５０，７５０，９７０，０３１，００
０，１５４０，５５０゜８００．９７０．０３１．００
　０．１８５　０．５５０．８５０．９７０．０３１．
００　０．０９６　０．４３０．７３０．９７０．０３
１．００　０．０８７　０．５４０．７３０．９７０．
０３１．００　０．１３８　０．５８０．７３０．９７
０．０３　ｍ、００　０．０６９　０．４６０．６５０
．９７０．０３１．００　０．１０１０　０．４６０．
７９０．９７０．０３１．００　０．１０１１　０．５
５０．７５０．９７０．０１　！、００　０．０６１２
　０．５５０．７５０．９７０．１１１．００　０．０
８１３　０．５５０．７５０．９７０．０３１．１８　
０．０？１４　０．５５０．７５０．９７０．０３０．
８３　０．０８１５　０．５５０．７５１．１８０．０
３１．００　０．０５１６　０．５５０．７５０．８３
０．０３１．００　０．０７［Ｍｅ−Ｐｒの場合］ 試料 Ｎｏ、ｘｙａｂ １、　０．５５０．７３０□９７０．０３２　０．５５
０．７４．０．９７０．０３３０．５５０゜７５０．９
７０．０３ ４　０．５５０．８００．９７０．０３５　０．５５０
．８５　Ｑ、９７　Ｑ、０３６　０．４３０．７３０．
９７０．０３７　０．５４０．７３０．９７０．０３８
　０．５８０．７３０．９７０．０３９　０．４６０．
６５０．９７０．０３１０　０．４Ｇ　０．７９０．９
７０．０３１１　０．５５０．７５０．９７０．０１１
２　０．５５０．７５０．９７０．１１１３　０．５５
０．７５０．９７０．０３１４　０．５５０．７５０．
９７０．０３１５　０．５５０．７５１．１８０．０３
１６　０．５５０．７５０．８３０．０３変位量 Ｃ（％） １゜００　０．０６ ｔ、ｏｏ　　ｏ、ｔｉ １．００　０．１４ １．００　０．１７ １．００　０．０９ １．００　０．０７ １．００　０゜■４ １．００　０．０７ １゜００　０．１１ １．００　０．１１ １．００　０．０８ １．００　０．０６ ＋、、１８　０．０５ ０．８３　０．０７ １．００　０．０８ １．００　０．０８ ［Ｍ　ｅ　＝Ｃｅの場合〕 試料　　　　　　　　　　　　変位量 Ｎｏ、ｘｙａｂｃ（％） １　０．５５０．７３０．９７０．０３１．００　０．
０７２　０．５５０．７４０．９７０．０３１．００　
０．１２３　０．５５０．７５０．９７０．０３１．０
０　０゜１４４　０．５５０．８００．９７０．０３１
．００　０．１６５　０．５５０．８５０．９７０．０
３１．００　０．０９６　０．４３０．７３０゜９７０
．０３１．００　０．０５？　　０．５４０．７３０．
９７０．０３１．００　０．１６８　０．５８０．７３
０．９７０．０３１．００　０゜０６９　０．４６０．
６５０．９７０．０３１．００　０゜１１１０　０．４
６０．７９０．９７０゜０３１．００　０．１２１１　
０．５５０．７５０．９７０．０１１．００　０．０？
１２　０．５５０．７５０．９７０．１１１．００　０
．０５１３　０．５５０．７５０．９７０．０３１．１
８　０．０５１４　０．５５０．７５０．９７０．０３
０．８３　０．０？１５　０．５５０．７５１．１．８
０゜０３１．００　０．０５１６　０．５５０．７５０
．８３０．０３１．００　０．０８発明の効果 本発明の電歪素子は従来の圧電材料に比べて履歴がほと
んど変わらないにもかかわらず、変位量が約２倍以上に
増加している。この様な変位量の大きい材料の応用分野
は非常に広い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　組成式 （Ｐｂ＿ｙＢａ＿１＿−＿ｙ）＿ａＭｅ＿ｂ（Ｚｒ＿ｘ
   Ｔｉ＿１＿−＿ｘ）＿ｃＯ＿４（式中、ｘ、ｙ、ａ、ｂ
   、及びｃはそれぞれｙ≧（４／３）ｘ、 ０．６０≦ｙ≦０．８０、 ０．４５≦ｘ≦０．６０、 ０．８５≦ａ≦１．１５、 ０．０２≦ｂ≦０．１０及び ０．８５≦ｃ≦１．１５の条件を満足する数値である。 ｄは各元素の酸化状態により定まる数値である。Ｍｅは
   Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒからなる群から選ばれた少なくとも一
   種の元素である。）で表される磁器組成物。 ２）　組成式 （Ｐｂ＿ｙＢａ＿１＿−＿ｙ）＿ａＭｅ＿ｂ（Ｚｒ＿ｘ
   Ｔｉ＿１＿−＿ｘ）＿ｃＯ＿４（式中、ｘ、ｙ、ａ、ｂ
   、及びｃはそれぞれｙ≧（４／３）ｘ、 ０．６０≦ｙ≦０．８０、 ０．４５≦ｘ≦０．６０、 ０．８５≦ａ≦１．１５、 ０．０２≦ｂ≦０．１０及び ０．８５≦ｃ≦１．１５の条件を満足する数値である。 ｄは各元素の酸化状態により定まる数値である。Ｍｅは
   Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒからなる群から選ばれた少なくとも一
   種の元素である。）で表される磁器組成物を焼結してな
   る大変位量電歪素子。