JPH04337681A - 積層型固体変位素子 - Google Patents
積層型固体変位素子Info
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- JPH04337681A JPH04337681A JP3109060A JP10906091A JPH04337681A JP H04337681 A JPH04337681 A JP H04337681A JP 3109060 A JP3109060 A JP 3109060A JP 10906091 A JP10906091 A JP 10906091A JP H04337681 A JPH04337681 A JP H04337681A
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- Japan
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- displacement
- displacement element
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- ceramic
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Links
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- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 13
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 9
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
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- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
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Landscapes
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (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
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、サブミクロンオ−ダ
−の超精密位置決め、高速位置決めに使用される積層型
固体変位素子に関する。
−の超精密位置決め、高速位置決めに使用される積層型
固体変位素子に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
サブミクロンオ−ダ−の超精密位置決め、高速位置決め
に使用される積層型固体変位素子として図8に示すよう
なセラミック部材1と内部電極2とを交互に積層した積
層型圧電アクチュエ−タ素子が注目されている。
サブミクロンオ−ダ−の超精密位置決め、高速位置決め
に使用される積層型固体変位素子として図8に示すよう
なセラミック部材1と内部電極2とを交互に積層した積
層型圧電アクチュエ−タ素子が注目されている。
【0003】この積層型圧電アクチュエ−タ素子には、
その変位を誘起させるセラミックスとしてPZTに代表
される圧電セラミックス(強誘電体セラミックス)やP
b(Mg1/2 Nb3/2 )O3 −PbTiO3
で代表される電歪セラミックスが使用されている。こ
れらの材料の変位は、印加される電界に対して縦方向に
生じる変位の場合、例えば圧電セラミックスでは図6に
示すように、例えば電歪セラミックスでは図7に示すよ
うに、いずれも印加される電界に対してアナログ的に変
位する。このため、これらの材料でセラミック部材が構
成された積層型圧電アクチュエ−タ素子も、その入力(
一般的には電圧)がアナログであるとその出力(変位)
もアナログである。
その変位を誘起させるセラミックスとしてPZTに代表
される圧電セラミックス(強誘電体セラミックス)やP
b(Mg1/2 Nb3/2 )O3 −PbTiO3
で代表される電歪セラミックスが使用されている。こ
れらの材料の変位は、印加される電界に対して縦方向に
生じる変位の場合、例えば圧電セラミックスでは図6に
示すように、例えば電歪セラミックスでは図7に示すよ
うに、いずれも印加される電界に対してアナログ的に変
位する。このため、これらの材料でセラミック部材が構
成された積層型圧電アクチュエ−タ素子も、その入力(
一般的には電圧)がアナログであるとその出力(変位)
もアナログである。
【0004】このため、位置決めなどで比較的頻繁に使
用されるステップ的な変位を行わせようとすると、入力
をデジタル入力又はステップ入力にするか、ステッピン
グモ−タなどステップ的に動く機構と組合わせる必要が
あり、機構が複雑となり、コストもかかる。
用されるステップ的な変位を行わせようとすると、入力
をデジタル入力又はステップ入力にするか、ステッピン
グモ−タなどステップ的に動く機構と組合わせる必要が
あり、機構が複雑となり、コストもかかる。
【0005】この発明はかかる事情に鑑みてなされたも
のであって、何等特別な機構を付加することなく、アナ
ログ入力でデジタル的なステップ状変位を生じる積層型
固体変位素子を提供することを目的とする。
のであって、何等特別な機構を付加することなく、アナ
ログ入力でデジタル的なステップ状変位を生じる積層型
固体変位素子を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記課題を
解決するために、電界を印加することにより強誘電反強
誘電相転移が生じる少なくとも3個以上のセラミック部
材と、これらの間に介装された電極とが積層されて構成
され、前記セラミック部材は互いに厚みが異なることを
特徴とする積層型固体変位素子を提供する。
解決するために、電界を印加することにより強誘電反強
誘電相転移が生じる少なくとも3個以上のセラミック部
材と、これらの間に介装された電極とが積層されて構成
され、前記セラミック部材は互いに厚みが異なることを
特徴とする積層型固体変位素子を提供する。
【0007】この場合に、前記セラミック部材は、一般
式 (Pb1−a ,Nba ){(Zr1−b ,Snb
)1−c ,Tic }0.98O3 ただし、0.
01≦a≦0.03 0.39≦b≦0.41 0.05≦c≦0.07 で表されるセラミックスで構成することができる。この
セラミックスはこの組成範囲において、電界により強誘
電反強誘電相転移を生じさせることができる。
式 (Pb1−a ,Nba ){(Zr1−b ,Snb
)1−c ,Tic }0.98O3 ただし、0.
01≦a≦0.03 0.39≦b≦0.41 0.05≦c≦0.07 で表されるセラミックスで構成することができる。この
セラミックスはこの組成範囲において、電界により強誘
電反強誘電相転移を生じさせることができる。
【0008】
【作用】この発明においては、積層型固体変位素子を構
成するセラミック部材として強誘電反強誘電相転移を生
じるセラミックスを用いる。このような相転移を生じる
材料は、ある一定の電界までは反強誘電体相として存在
するが、その電界に達すると相転移を生じて強誘電体相
となり急激に変位するようになる。すなわちアナログ入
力によりデジタル的な変位が誘起される。そして、この
発明ではこのようなセラミック部材の厚みを互いに異な
るように設定しているので、各部材で強誘電反強誘電相
転移が生じる電界の大きさが異なる。従って、アナログ
的な入力に対し、ステップ状の変位を得ることができる
。
成するセラミック部材として強誘電反強誘電相転移を生
じるセラミックスを用いる。このような相転移を生じる
材料は、ある一定の電界までは反強誘電体相として存在
するが、その電界に達すると相転移を生じて強誘電体相
となり急激に変位するようになる。すなわちアナログ入
力によりデジタル的な変位が誘起される。そして、この
発明ではこのようなセラミック部材の厚みを互いに異な
るように設定しているので、各部材で強誘電反強誘電相
転移が生じる電界の大きさが異なる。従って、アナログ
的な入力に対し、ステップ状の変位を得ることができる
。
【0009】
【実施例】以下、この発明の実施例について説明する。
【0010】先ず、出発原料として、所定量のPb3
O4 、Nb2 O5 、ZrO2 、SnO2 、T
iO2 をボ−ルミル中で湿式混合し、乾燥して混合粉
末を得た。次いで、この混合粉末を850℃で2時間仮
焼して粉砕し、バインダ−を加えて混合した。その後、
造粒を行い流動性の良好な粉末にして、1ton /c
m2 の圧力でペレット状にプレス成形した。この成形
体を大気中で1400℃で2時間焼成してセラミックス
焼結体を作成した。この焼結体の組成は、 (Pb1−a ,Nba ){(Zr1−b ,Snb
)1−c ,Tic }0.98O3 ただし、0.
01≦a≦0.03 0.39≦b≦0.41 0.05≦c≦0.07 とし、a,b,cの値を変化させて、表1に示す5種類
の組成の焼結体を作成した。焼結体としては、各組成に
ついて直径20mmφで厚みが1.5mm及び0.5m
mのものを作成した。厚みが1.5mmの焼結体につい
て、密度、電気特性(室温における1KHzでの誘電率
εr 及び誘電損失tan δ)を測定し、その結果を
表1に併記した。
O4 、Nb2 O5 、ZrO2 、SnO2 、T
iO2 をボ−ルミル中で湿式混合し、乾燥して混合粉
末を得た。次いで、この混合粉末を850℃で2時間仮
焼して粉砕し、バインダ−を加えて混合した。その後、
造粒を行い流動性の良好な粉末にして、1ton /c
m2 の圧力でペレット状にプレス成形した。この成形
体を大気中で1400℃で2時間焼成してセラミックス
焼結体を作成した。この焼結体の組成は、 (Pb1−a ,Nba ){(Zr1−b ,Snb
)1−c ,Tic }0.98O3 ただし、0.
01≦a≦0.03 0.39≦b≦0.41 0.05≦c≦0.07 とし、a,b,cの値を変化させて、表1に示す5種類
の組成の焼結体を作成した。焼結体としては、各組成に
ついて直径20mmφで厚みが1.5mm及び0.5m
mのものを作成した。厚みが1.5mmの焼結体につい
て、密度、電気特性(室温における1KHzでの誘電率
εr 及び誘電損失tan δ)を測定し、その結果を
表1に併記した。
【0011】
【表1】
【0012】厚み0.5mmの焼結体については、両面
に銀電極を焼付け、電極に電界を印加した。その際の電
界と変位の関係を図3に示す。図3から明らかなように
、一定電界までは変位が生じないが、ある電位に達する
と急激に変位が生じることが確認された。これは、急激
に変位が生じる電界において、強誘電反強誘電相転移が
生じることに起因している。この傾向は、いずれの組成
のものでも同様であった。
に銀電極を焼付け、電極に電界を印加した。その際の電
界と変位の関係を図3に示す。図3から明らかなように
、一定電界までは変位が生じないが、ある電位に達する
と急激に変位が生じることが確認された。これは、急激
に変位が生じる電界において、強誘電反強誘電相転移が
生じることに起因している。この傾向は、いずれの組成
のものでも同様であった。
【0013】次に、組成番号2の厚み1.5mmの焼結
体から、0.1mmから順に0.1mmずつ厚くしたペ
レットを1mmまで10枚、及び0.1mmから0.0
1mmずつ厚くしたペレットを0.19mmまで10枚
切り出した。各ペレットの両面に内部電極となる銀をス
クリ−ン印刷法で印刷し、焼き付けた。そして、上記各
10枚を1組とし、図2に示すように、外部電極となる
銅電極を各ペレットの間に介装させて積層した。そして
、外部電極をリ−ド線で固定し、積層体の両端面、すな
わち積層型圧電アクチュエ−タ素子の変位方向に対応す
る端面を研磨し、次いで全体を外装樹脂で外装し、図1
に示すような積層型固体変位素子を得た。なお、図1及
び図2中、参照符号11はセラミック部材、12は外部
電極、13はリ−ド線、14は電源である。
体から、0.1mmから順に0.1mmずつ厚くしたペ
レットを1mmまで10枚、及び0.1mmから0.0
1mmずつ厚くしたペレットを0.19mmまで10枚
切り出した。各ペレットの両面に内部電極となる銀をス
クリ−ン印刷法で印刷し、焼き付けた。そして、上記各
10枚を1組とし、図2に示すように、外部電極となる
銅電極を各ペレットの間に介装させて積層した。そして
、外部電極をリ−ド線で固定し、積層体の両端面、すな
わち積層型圧電アクチュエ−タ素子の変位方向に対応す
る端面を研磨し、次いで全体を外装樹脂で外装し、図1
に示すような積層型固体変位素子を得た。なお、図1及
び図2中、参照符号11はセラミック部材、12は外部
電極、13はリ−ド線、14は電源である。
【0014】このようにして作成した2つの積層型固体
変位素子の変位量を0.01μmの分解能を有する光学
式非接触変位計で測定した。その結果を図4及び図5に
示す(図4は0.1mm間隔でセラミック部材の厚みを
変化させたもの、図5は0.01mm間隔で厚みを変化
させたものを示す)。これらの図から明らかなように、
アナログ的な電圧入力に対して、ステップ的な変位出力
が得られることが確認された。
変位素子の変位量を0.01μmの分解能を有する光学
式非接触変位計で測定した。その結果を図4及び図5に
示す(図4は0.1mm間隔でセラミック部材の厚みを
変化させたもの、図5は0.01mm間隔で厚みを変化
させたものを示す)。これらの図から明らかなように、
アナログ的な電圧入力に対して、ステップ的な変位出力
が得られることが確認された。
【0015】なお、積層型固体変位素子のセラミック部
材を構成するセラミックスとしては、この実施例のもの
に限らず、電界により強誘電反強誘電相転移を生じるセ
ラミックスであれば適用することができる。
材を構成するセラミックスとしては、この実施例のもの
に限らず、電界により強誘電反強誘電相転移を生じるセ
ラミックスであれば適用することができる。
【0016】
【発明の効果】この発明によれば、何等特別の機構を付
加することなく、アナログ入力でデジタル的なステップ
状変位を生じる積層型固体変位素子を提供することがで
きる。
加することなく、アナログ入力でデジタル的なステップ
状変位を生じる積層型固体変位素子を提供することがで
きる。
【図1】この発明に係る積層型固体変位素子を示す模式
図。
図。
【図2】図1に示す素子の製造過程を説明するための図
。
。
【図3】この発明の素子に用いられるセラミック部材の
電界−歪特性を示す図。
電界−歪特性を示す図。
【図4】この発明の一実施例に係る積層型固体変位素子
の電圧−変位特性を示す図。
の電圧−変位特性を示す図。
【図5】この発明の他の実施例に係る積層型固体変位素
子の電圧−変位特性を示す図。
子の電圧−変位特性を示す図。
【図6】従来の圧電セラミックスの代表的な電界−歪特
性を示す図。
性を示す図。
【図7】従来の電歪セラミックスの代表的な電界−歪特
性を示す図。
性を示す図。
【図8】従来の積層型圧電アクチュエ−タ素子を示す模
式図。
式図。
11;セラミック部材、12;電極、13;リ−ド線、
14;電源
14;電源
Claims (2)
- 【請求項1】 電界を印加することにより強誘電反強
誘電相転移が生じる少なくとも3個以上のセラミック部
材と、これらの間に介装された電極とが積層されて構成
され、前記セラミック部材は互いに厚みが異なることを
特徴とする積層型固体変位素子。 - 【請求項2】 前記セラミック部材は、一般式(Pb
1−a ,Nba ){(Zr1−b ,Snb )1
−c ,Tic }0.98O3 ただし、0.01≦
a≦0.03 0.39≦b≦0.41 0.05≦c≦0.07 で表されるセラミックスで構成されていることを特徴と
する請求項1に記載の積層型固体変位素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3109060A JPH04337681A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 積層型固体変位素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3109060A JPH04337681A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 積層型固体変位素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04337681A true JPH04337681A (ja) | 1992-11-25 |
Family
ID=14500585
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3109060A Pending JPH04337681A (ja) | 1991-05-14 | 1991-05-14 | 積層型固体変位素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH04337681A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1998024130A1 (fr) * | 1996-11-29 | 1998-06-04 | Ngk Insulators, Ltd. | Element ceramique, procede de fabrication d'un element ceramique, ceramique, dispositif de relais, et condensateur |
JP2000502210A (ja) * | 1995-12-15 | 2000-02-22 | ザ・ペン・ステイト・リサーチ・ファウンデイション | 金属―電気活性セラミック複合変換器 |
JP2000156988A (ja) * | 1998-09-18 | 2000-06-06 | Seiko Instruments Inc | 圧電アクチュエ―タおよび圧電アクチュエ―タ付電子機器 |
US6998763B2 (en) | 2001-08-31 | 2006-02-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Ceramic device |
JP2008288283A (ja) * | 2007-05-15 | 2008-11-27 | Sumida Corporation | 発電装置及び発電システム |
-
1991
- 1991-05-14 JP JP3109060A patent/JPH04337681A/ja active Pending
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000502210A (ja) * | 1995-12-15 | 2000-02-22 | ザ・ペン・ステイト・リサーチ・ファウンデイション | 金属―電気活性セラミック複合変換器 |
WO1998024130A1 (fr) * | 1996-11-29 | 1998-06-04 | Ngk Insulators, Ltd. | Element ceramique, procede de fabrication d'un element ceramique, ceramique, dispositif de relais, et condensateur |
US6265811B1 (en) | 1996-11-29 | 2001-07-24 | Ngk Insulators, Ltd. | Ceramic element, method for producing ceramic element, display device, relay device and capacitor |
US6476540B2 (en) | 1996-11-29 | 2002-11-05 | Ngk Insulators, Ltd. | Ceramic element, method for producing ceramic element, display device, relay device, and capacitor |
JP3904240B2 (ja) * | 1996-11-29 | 2007-04-11 | 日本碍子株式会社 | セラミック素子 |
JP2000156988A (ja) * | 1998-09-18 | 2000-06-06 | Seiko Instruments Inc | 圧電アクチュエ―タおよび圧電アクチュエ―タ付電子機器 |
US6998763B2 (en) | 2001-08-31 | 2006-02-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Ceramic device |
JP2008288283A (ja) * | 2007-05-15 | 2008-11-27 | Sumida Corporation | 発電装置及び発電システム |
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