JPH0532345B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は緩和型強誘電体を主成分とする電歪素
子材料に関し、特に、電圧印加により大きい機械
的変位が発生すると共に、電圧−変位ヒステリシ
スが小さく、高精度制御を必要とする電圧駆動型
変位素子に好適な電歪素子材料に関する。 〔従来の技術及び発明が解決しようとする問題
点〕 従来より、電磁方式に代わる新方式の駆動源と
して、例えば圧電磁器等の電気歪効果を利用し、
電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する
機能素子、いわゆる電圧駆動型変位素子（以下変
位素子と称する）の実用化がリレー、スイツチ、
微小位置制御機器等、多岐に渡つて進められてき
ている。更に最近に至つては、機械的変位が大き
い事は勿論の事、高精度制御、小型・軽量化、高
信頼化の要求が益々高まつてきている。 この種の変位素子としては、例えば第２図に示
す如く、金属製弾性板１に両面から挟む様に、電
極を付与した圧電磁器板３，３′を接着剤等を用
いて貼り合わせたバイモルフ構造を成すものが知
られている。 そして、この変位素子に直流或は交流電圧を印
加すると、電気歪効果（この場合、圧電横効果）
に伴なう機械的変位dS₁或はdS₂が生ずる。 この機械的変位は用途或は搭載される際の機構
にもよるが、一般的に変位素子としての機能上、
できるだけ大きい事が望ましく、従つて例えば
Pb（Ni1/3Nb2/3）O₃−PbZrO₃−PbTiO₃系で代
表される様に、比較的圧電定数d₃₁の大きい組成
物の方が有利とされている。 しかしながら、この種の圧電磁器の場合、機械
的変位が大きいとしても電圧−変位ヒステリシス
が大きく、例えば高精度に位置制御する上で、必
ずしも満足できるものではない。又、低ヒステリ
シスを重視すると、材料組成上機械的変位量の低
下はさけられない。この解決手段の１つとして、
低ヒステリシスを有する圧電材料を用い、より厚
みの薄い圧電磁器板でバイモルフを構成する事も
考えられるが、圧電磁器板自身の機械的強度が低
下すると共に、電圧印加により発生する力も弱
く、変位素子としての機能上不都合が生じる。 この様な上記圧電磁器材料の欠点を補なう新し
い素材として、ペロブスカイト構造を有し、緩和
型強誘電体を主成分とする電歪素子材料が知られ
ている。 この種の材料は、例えば、Pb（Mg_1/3Nb_2/3）O₃
−PbTiO₃系組成物から成り、室温近傍にキユリ
ー温度を持ち、通常、常誘電相を利用するもの
で、圧電磁器材料との比較に於いて、電圧−電気
歪ヒステリシスが比較的小さい事、分極処理が不
要である事等が主たる特徴の１つとされている。 しかしながら、上記電歪素子材料に於いては、
高精度な位置制御が可能である反面、変位素子と
しての機能上、機械的変位が必ずしも十分とは言
えず、利用範囲が限定され、又、大きな機械的変
位を有する材料は、ヒステリシスも大きくなり具
合が悪い。その為、広範囲の用途に適用する上
で、より大きな機械的変位をもたらすとともに低
ヒステリシスを維持でき得る電歪素子材料が望ま
れていた。 本発明はかかる要求に対し、十分応え得るため
になされたものであり、電圧印加による電気歪効
果が大きく、その結果、大きな機械的変位が発生
し、その上電圧−変位ヒステリシスが極めて小さ
く、変位素子として広範囲の用途に応用できる電
歪素子材料を提供する事を目的とする。 〔問題点を解決するための手段〕 すなわち本発明の電歪素子材料は、一般式 Pb〔（Mg1/3Nb2/3）_A（Co1/2Nb1/2）_BTi_C〕O₃
で示され、（但しＡ＋Ｂ＋Ｃ＝１）0.650≦Ａ≦
0.890 0.010≦Ｂ≦0.200 0.10≦Ｃ≦0.15を満足す
る組成物から成る事を特徴とする。 〔実施例〕 以下本発明の実施例について、参考例と比較し
ながら詳細に説明する。 出発原料PbO，TiO₂，MgO，Nb₂O₅，Co₂O₃
を第１表に示す組成になる様に精秤した。次にこ
れら原料をボールミルで混合した後、乾燥し、
700〜850℃で仮焼成した。次いでボールミルによ
つて粉砕して得られた粉末に有機バインダを適量
加えて造粒した後、1ton／cm²の圧力で加圧成形
し、1150〜1200℃の温度で数時間焼成した。尚こ
の際必要に応じてホツトプレス処理を施した。得
られた焼結体を所定の形状に切断、研磨した後、
電極を付与し、所定の測定方法により電歪諸定数
を求めた後、実質的な効果を確認するために更に
研磨、加工を施して長さ35mm、幅10mm、厚さ0.14
mmの矩形状電歪素子を得た。この電歪素子２，
２′を金属製弾性板１に両面からサンドイツチし
て貼り合わせてバイモルフ型変位素子を作製し、
第１図に示す様にリード端子を取り出し結線し
た。 この様にして得られた変位素子について、ヒス
テリシス及び機械的変位を調べた。尚ヒステリシ
スは、変位素子に100Vの直流電圧を印加した時
の一端固定、他端自由状態での先端に発生する機
械的変位（第３図に於いてdS₁₀₀に相当する変位）
と、電圧を０に戻した際に生じている残留変位
（第３図に於いてdS₀に相当する変位）から、次
式より算出して求めた。 ヒステリシス＝dS₀／dS₁₀₀×100〔％〕 一方、機械的変位は、60Vの直流電圧を印加し
た時の自由端変位（第３図においてdS₆₀）で求め
た。 第１表に結果の一例を示す。尚第１表におい
て、＊印の試料番号は本発明の電歪素子材料に該
当する。 又、本発明をより明確に説明するために、本発
明の電歪素子材料に係る組成群の代表試料と参考
例との比較において、電圧−機械的変位特性の一
例を第４図ａ〜ｃに示した。尚、第４図ａ〜ｃの
試料番号は、第１表の試料番号と各々対応する。 第１表及び第４図ａ〜ｃからも明らかな様に、
本発明の電歪素子材料から成る試料は、参考例と
比較して、機械的変位、ヒステリシスのいずれも
良好であり、変位素子として好都合な特性を有し
ている事は明白である。 この様に本発明は、Pb（Mg1/3Nb2/303₃−
PbTiO₃系に更にPb（Co1/2Nb1/2）O₃成分を固
溶せしめたPb〔（Mg1/3Nb2/3）_A（Co1/2Nb1/2）_B
Ti_C〕O₃組成物から成り、Ａ，Ｂ，Ｃ各成分を適
度な範囲に設定する事により、従来組成では成し
得なかつたより大きな機械的変位と共に低ヒステ
リシス特性を実現したものである。

【表】

〔発明の効果〕

本発明の電歪素子材料によれば、以下に挙げる
用途への適用が期待できる。 (1) 大きな機械的変位を発生するので、小型・軽
量化及び低電圧駆動が可能であり、省エネルギ
ー時代にマツチした新しい変位素子分野に適用
できる。 (2) 電圧−変位ヒステリシスが極めて小さいので
高精度制御を必要とする変位素子への応用が可
能である。 (3) (1)，(2)項の組み合わせにより広範囲の分野に
変位素子として適用できる。 (4) 電歪素子自体極性を有していないので、バイ
モルフ構成時の取り扱いが容易であり（片側駆
動方式）、且つ印加電圧の大きさを自由に選択
できるので用途に応じた機械的変位の設定が可
能である。 (5) 長時間の電圧印加においても機械的変位の移
動（変位のシフト）が極めて少なく高信頼性を
有しているので、例えば機構上から所定の電圧
で長時間の保持が必要な機器への適用が十分可
能である。 (6) 変位素子としての用途以外に必要に応じて各
種圧電製品との代替が可能である。 尚、本発明の実施例においては、機械的変位及
び電圧・電位ヒステリシスについて、特にバイモ
ルフ型変位素子に関連して説明したが、本発明に
係る電歪素子材料を用いて、積層構造での変位特
性についても調べ、その改善効果が確認されてお
り、従つて例えば積層型変位素子への適用も十分
可能である。 以上、詳述した様に、本発明の電歪素子材料
は、広範囲な用途に利用できる変位素子に好適な
ものであり、産業上極めて価値大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に於いて評価に供した
バイモルフ型変位素子の構成を示した図、第２図
はバイモルフ型変位素子の一例を示す図、第３図
は本発明の実施例に於いて測定基準を示すグラ
フ、第４図ａ〜第４図ｃは本発明電歪素子材料か
ら成る変位素子の特性効果の一例を示すグラフで
ある。 １……金属製弾性板、２，２′……電歪素子、
３，３′……圧電磁器板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一般式 Pb〔（Mg1/3Nb2/3）_A（Co1/2Nb_1/2）_BTi_C〕O₃ で示され、（但しＡ＋Ｂ＋Ｃ＝１）0.650≦Ａ≦
   0.890，0.010≦Ｂ≦0.200，0.10≦Ｃ≦0.15を満足
   する組成物から成る事を特徴とする電歪素子材
   料。