JPS5936440B2

JPS5936440B2 - 電気・機械変換素子

Info

Publication number: JPS5936440B2
Application number: JP52146468A
Authority: JP
Inventors: 洋一小寺; 友三郎北村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1984-09-04
Also published as: JPS5478994A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気的信号を機械的変位に変換する電気・機械
変換素子に係わる。

近時、磁気記録再生装置（ＶＴＲ）において、その記録
密度をできるだけ上げるために、記録トラックの幅をで
きるだけ幅狭とする努力がなされているが、このように
トラック幅を狭くするものにあつては、これに伴つて、
再生磁気ヘッドの記録トラックに対する位置関係には、
より高い正確さが要求される。

そして、この位置関係を単に装置の機械的精度に依存さ
せることは、技術的に困難であるか、可成りのコスト高
を招来するので、電気・機械変換素子を用い、これによ
つて磁気ヘッドの記録トラックに対する位置関係を、常
時、所定の関係に制御する方法が採られる。即ち、磁気
ヘッドを電気・機械変換素子に、機械的に連結し、この
素子に磁気ヘッドと記録トラックとの位置関係の変化か
ら生ずる再生信号の変化による電気信号を与え、これに
よる機械的変位を磁気ヘッドに与え、磁気ヘッドが、常
時、記録トラックに対し正しい位置関係にあるように設
定する。通常、このようなＶＴＲに用いられる電気・機
械変換素子としては、主として圧電効果による機械的変
位を得る強誘電体磁器を用いた圧電バイモルフが用いら
れる。この圧電バイモルフは、第１図に示すように、両
主面に夫々電極１が被着された２枚の強誘電体磁器２が
、金属基板３を挟んで積層合体されて成る。

強誘電体磁器２は、微細な結晶粒の集合体であるが、こ
れらの結晶粒は、更に、自発分極の方向が揃つたいくつ
かの分域に分かれている。そのため、この磁気は、焼成
後の状態では、圧電性を示さないが、これに直流電圧を
一定時間加えるポーリング操作を行うことによつて自発
分極の合成方向が一方向に揃つて圧電性を呈するように
なる。ところが、このようにして電場によつて強制的に
配向した状態は、必ずしも安定ではなく、この磁器に応
力や電場が与えられると、その配向状態が変化してしま
う。このため、第１図に説明したように、この磁器２に
よつて構成した圧電バイモルフに外部電場を与えた場合
のその印加電界に対する変位量は大で、感度は高いが、
その電界と、変位の関係を測定すると、第２図に示すヒ
ステリシス特性を示し、印加電界即ち外部電場を零にし
ても、バイモルフは、最初の位置に戻らず、第２図のＯ
Ａ或いはＯＡ’で示す残留変位が生ずる。ところが、Ｖ
ＴＲ）特に２磁気ヘッド型の回転磁気ヘッド装置による
ＶＴＲでは、その２つの磁気ヘッドの高さは、揃つてい
ることが要求されるものであり、この高さの精度は、ト
ラック幅が狭くなるにつれ、高い精度が要求される。

そして、一般にバイモルフは記録（録画）時には、これ
が静止の状態にあるようにするので磁気ヘッドの高さの
誤差を許容範囲内におさめるためには、バイモルフの静
止位置が常に一定の位置に在ることが必要となる。とこ
ろが上述したように圧電バイモルフは、前述したように
、外部電場によつて分域配向が乱れ、初期の静止位置と
は異る位置で静止するので、磁気ヘツドの高さの誤差を
許容範囲にとどめることが難しい。

この残留変位は、強誘電体磁器に固有なもので、その大
きさは、圧電磁器の組成により多少の差はあるものの本
質的にこれを回避することはできないものであつて、こ
れがＶＴＲにおける圧電バイモルフの利用の隘路となつ
ている。本発明は、このような欠点を回避した電気・機
械変換素子を提供するものである。即ち、本発明におい
ては、従来の電気・機械変換素子が強誘電相の強誘電体
磁器を用いて、これにおける圧電効果を利用するもので
あつたのに比し、使用温度範囲で、常誘電相に在る高誘
電率磁米電気・機械変換素子の能力を表わす電気機械結
合係数ｋは、変換素子に加えた電気入力Ｕ，のうち機械
的出力に変換される量をＵ２とするとで定義される。

また変換素子の材料の性能を評価する時によく用いられ
る円板の拡がり振動に対する電気機械結合係数Ｋｐは、
実験的にはその共振周波数Ｆ，と、反共振周波数Ｆａを
測定しＰｌａ８ｒの関係から求められることが、電気通信学会雑誌第５０
巻５号（昭和４２年５月）に示されている。

本発明に於いては、外部電場印加後の外部電場を零にし
た場合の残留分極の少ないあるいは零であることが、本
発明の目的である残留変位の少ないこと．の必要条件で
ある。常誘電相であること、すなわち、残留分極が少な
いことあるいは零であることは、電気機械結合係数Ｋ，
の小さな値として示される。：器を用い、これの電歪効
果による変位を得る〇電歪効果は、すべての誘電体にみ
られる電場の２乗に比例して歪を生ずる現象である。

この歪は、常誘電相で、分極と電場が比例すると、誘電
率の２乗に比例する。そのため通常の常誘電体では、こ
の電歪効果は極めて小さいものであるが、キユーリー温
度より稍々高い温度における常誘電相の強誘電体磁器の
ように、数千以上の誘電率を有するものでは、かなりの
効果を示す（実用的には誘電率が使用温度で３０００以
上のものが好ましい）。即ち、電歪効果による歪は、歪
をＳ、誘電分極をＰとするとであられされ定数ＱｉＪを
電歪定数と呼ぶ。

従つて分極Ｐと電界Ｅが比例関係にあれば誘電率及び電
界の２乗に比例した歪が生じる。但し、本発明に適用さ
れる材料は、外部電場印加後、外部電場を零にした場合
きわめて小さいあるいは零の電気機械結合係数ｋを有す
ること要する。

ｐ第３図ないし第５図を参照して本発明を説明するに、
図中１０は本発明による電気・機械変換素子を全体とし
て示す。

本発明においては、本発明による電気・機械変換素子１
０が用いられる温度範囲において、常誘電相を示し、圧
電効果がない、あるいはたとえ残存していてもその大き
さが、外部電場印加後の電場Ｅが零において電気機械結
合係数Ｋ，が１％以下であることが望まれる高誘電率磁
器板１１を設ける。

この磁器板１１の両主面に電極となる導電層１２ａ及び
１２ｂを、蒸着、塗布等によつて被着する。そして、こ
の磁器板１１の一方の電極１２ｂに電気的に連結するよ
うに他の基板例えば、第３図に示すように、他の金属基
板１３と貼り合せる。

この構造の素子１０において、その一端を固定した状態
で磁器板１１の金属基板１３と、この基板１３とは反対
側の電極１２ａとの間に電圧Ｖを印加すると、この電圧
の大きさに応じて磁器板１１が収縮し、これによつて素
子１０の遊端が矢印ａに示す方向に変位する。第３図に
示した例では、磁器板１１を金属基板１３と層合させた
場合であるが、第４図に示すように、更に金属基板１３
の背面にも例えば磁器板１１と同一若しくはほぼ同一の
組成を有し、その熱膨脹率が磁器板１１のそれと同等若
しくは近似する他の磁器板１１を貼り合せた構造とする
こともできる。

この場合においても、電圧Ｖの印加によつて素子１０の
遊端が矢印ａに示す方向に変位．する。このような構造
とするときは、素子１０の全体の構成が、熱膨脹率に関
して対称構造を有するので熱の影響によつて素子１０に
変位が生ずるを回避できる。尚、磁器板１１に対する印
加電圧の極性を反転させても、磁器板１１には、同一態
様の変形、即ち収縮が生ずるに過ぎないので、第３図及
び第４図の構造のものでは、印加電圧Ｖの極性を反転さ
せても矢印ａに示す一方向変位のみが生ずる。

第５図に示す構造のものでは、金属基板１３を狭んで、
２枚の同一の磁器板１１を配し、信号電源Ｓの一方を金
属基板１３に接続し、各磁器板１１の他方の電極１２ａ
に夫々ダイオードｄｌ及びＤ２を介して電源Ｓの他方に
接続した構造とした場合である。この場合、電源Ｓの極
性に応じて両磁器板１１の一方に電圧が印加されるので
、印加電圧の極性に応じて素子１０は矢印ａ及びｂで示
す互に逆向きの変位を得ることができる。更に本発明を
磁器板１１の構成材料等を含めて具体的実施例について
説明する。

実施例１Ｐｂ（Ｍｇ＋Ｎｂ＋）０３より成る磁器を、長さ２７
ｍｍ）幅５ｍｍ）厚さ２５０μｍに加工して磁器板１１
を２枚設ける。

第６図は、このＰｂ（Ｍｇ＋Ｎｂ＋）０３の磁器の誘電
率の温度特性を示すもので、この磁器のキユ一り一温度
は−１０℃附近にあり、室温においては常誘電相になり
、その誘電率は約１０，０００である。また分極Ｐと電
場Ｅの間のヒステリシスは、第？図に示す。このように
Ｐｂ（ＭｇＡ−Ｎｂ−８−）０３のヒステリシスは極め
て小さい。また第８図に示すようにＰｂ（Ｍｇ＋Ｎｂｌ
）０３磁器の誘電率のヒステリシスも小さい。そして、
各磁器板１１の両主面に金を蒸着して電極１２ａ及び１
２ｂを形成する。これら磁器板１１間に厚さ１００μｍ
の燐青銅板より成る金属基板１３を挟んで貼り合せ第９
図に示すバイモルフ構造とした。このバイモルフ構造の
素子１０を可動部分の長さが１８ｍｍとなるようにその
一端において固定し、第９図に示すように電源１４にス
イツチ１５を介して接続した。そして電源１４の電圧を
変えスイツチ１５を切換えて素子１０への印加電圧の極
性を反転させ、その変位量を測定した結果を、第１０図
に示す。これより明らかなように、１２ｋＶ／（Ｖ７ｌ
の電界で３０Ｉｔｍの変位が得られ残留変位は１μｍ以
下であつた。尚最大振れ幅は７３μｍであるので残留変
位の比率は約１．４％であり、冒頭に述べた従来の強誘
電体によるバイモルフに比しその比率は１桁程度小さく
なつた。尚、実施例１で用いた磁器の電気機械結合係数
Ｋｐを測定したところ電場Ｅが零においてＫｐ＝０であ
つた。この測定は次の方法で行なつた。実施例１で用い
たＰｂ（Ｍｇ＋Ｎｂ＋）０３磁器を、径１２．６ｍｍ）
厚さ０．８５７ｎｍの円板に加工し、両面に銀Ａｇの電
極を被着させた後、室温でＩＲＥ規格（ＩＥＥ規格）に
よる伝送法で磁器円板に直流バイアス電圧を加えながら
円板の広がり振動に対する電気機械結合係数Ｋｐを求め
た。その結果は、第１１図に示すように、バイアス電界
が１０ｋ’ｌ／ＣｍではＫｐ二７．５％、バイアス電界
零でＫｐ＝０の結果となつた。したがつて、通常のＢａ
ＴｉＯ３磁器やＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３系磁器のような
強誘電体磁器のようにポーリングによつて圧電性を与え
ることは使用温度を室温程度とする場合には不可能であ
る。次に本発明の特徴を明確にするために、比較例とし
て、従来の強誘電体磁器を用いたバイモルフの例を挙げ
る。

比較例１誘電率６３００、圧電定数Ｄ３ｌ＝３３０×１０１２Ｃ
／Ｎ）キユ一り一点１４１℃のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３
系強誘電磁器材料を用意した。

この磁器材料の分極Ｐと電場Ｅの関係は第１２図に示す
ような大きなヒステリシスを示す。また、誘電率の印加
電圧に対する関係も分域構造の変化を反映して第１３図
に示すようなヒステリシスを示す。この磁器材料を、第
１４図に示すように長さ２６ｍｍ、幅４ｍｍ）厚さ２５
０ｐｘｎの板状磁器板２１に加工し、その両面にＡｕ電
極２２を蒸着し、燐青銅板２３を挟んで貼り合せバイモ
ルフ構造とする。そして、その一端を固定し、遊端部の
長さが１８ｍｍ１こなる様に固定し印加電界と変位の関
係を測定した。第１５図にその測定結果を示すものでこ
の場合、大きなヒステリシスを示し、振れ幅１０４μｍ
に対し残留変位は１３μｍ程度であり、その比率は１２
．５％であつた。上述したように従来の電気・機械変換
素子としての圧電バイモルフは、強誘電体磁器を用いた
ため、バイモルフとして駆動する場合、印加電場により
、分域構造が変化し、残留歪即ち残留変位が生ずること
は避けられないものであつたが、本発明においては、使
用温度で常誘電体相にある磁器を用いたことにより、分
域構造による残留歪を回避することができた。

尚、本発明による常誘電相の磁器を用いる場合、強誘電
体磁器による場合に比し、変位量は小さくその感度は小
さいが、冒頭に述べたＶＴＲの磁気ヘツドの位置合せ制
御等において用いる場合の変位量としては十分である。
尚、本発明に用いる磁器としては上述した例の外に、夫
々室温で常誘電相を示し、キユ一り一点が−１２０℃の
Ｐｂ（Ｎｌｉ−Ｎｂ−１−）０３磁器、キユ一り一点が
−１４０℃のＰｂ（ＣＯ＋Ｔａ÷）０３磁器等を用い得
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気・機械変換素子の斜視図、第２図は
その電界一変位量曲線図、第３図ないし第５図は夫々本
発明素子の例を示す路線的断面図、第６図は本発明の一
例に用いる磁器の誘電率の温度特性曲線図、第７図は同
様の磁器の電場と分極の関係を示す曲線図、第８図は同
様の磁器の誘電率の電界依存性を示す曲線図、第９図は
本発明素子の一例の構成図、第１０図はその電界一変位
量９測定曲線図、第１１図は本発明に用いる磁器の電界
一電気機械結合係数の測定曲線図、第１２図は従来例に
用いる磁器の電界と分極の関係を示す曲線図、第１３図
は同様磁器の誘電率の電界依存性を示す曲線図、第１４
図は従来例の構成図、第１５図はその電圧一変位量測定
曲線図である。１０は本発明による電気・機械変換素子、１１は磁器板
、１２ａ及び１２ｂは電極、１３は金属基板である。

Claims

【特許請求の範囲】

１両主面に電極が被着され、使用温度範囲で常誘電相
にある高誘電率磁器板に、該磁器板と同一材の磁器板又
は他の基板が貼り合せられて成る電気・機械変換素子。