JPS6144764A - アクチュエータ - 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 本発明はアクチュエータ用材料、特に大きな電気歪を有
するＰｂＯ、Ｌａ２Ｏ３，Ｚｒ０２ｂよびＴｌＯ２の成
分から構成されるアクチュエータ用電気歪磁器材料に係
る。

近年、機械工作においてサブミクロンの加工精度が要求
されている。また、光学機械においても光の波長以下の
位置制御が必要となシ、微小変位制御素子の必要性が増
大している。微小変位制御素子としては、温度、磁界、
あるいは電界によって誘起される歪を応用することが考
えられるが、応答の時定数、変位量、駆動エネルギーを
考慮すると、これらのうちで電界によって誘起される歪
を利用するのが好ましいと言われている。

従来の技術 Ｐ　ｂ　（Ｚ　ｒ　、Ｔ　ｉ　）Ｏｓ系などの圧電材料
に電界Ｅを印加すると ５＝ｄＥ（ｄは圧電定数） で表わされる歪Ｓが生ずる。しかし、この式が厳密に成
立するのは０．１ｋＶ／Ｉｎ程度以下の小さい電界を印
加した場合である。周知のように、Ｐｂ　（Ｚ　ｒ　、
Ｔ　ｉ　）０３で代表される圧電材料は、発振子。

フィルタ、ピックアップ、圧電トランス、超音波振動子
など広い分野で応用されているが、これらはＳ　＝　ｄ
Ｅが成立するような、小さな電界の範囲で駆動させてお
シ、電気機械的な共振現象を利用したものである。

大きな電界を強誘電体に印加した場合には、純粋な圧電
効果に基づく歪に、分域構造の変化に伴なう歪が加わシ
、第６図に示す如く、共振反共振法で計算した値（同図
の破線）よシも大きな電気歪（同図の実線）が得られる
。、また、キュリ一点直上の常誘電相の場合には、第７
図に示す如く、電界が小さい範囲では電気歪は非常に小
さいが、大きな電界を印加すると印加電界の２乗に比例
するような大きな電気歪が誘起される（これを電歪と称
する）。

ところで、圧電材料をアクチュエータに用いるためには
、電気機械的な共振現象では々く、非共振状態を利用す
る必要があシ、シかもできるだけ大きな歪でなければな
らない。しかしながら、今日までのところ、圧電材料の
非共振状態の利用はあま＃）外されていないようである
。圧電材料をアクチュエータあるいは変位発生テパイス
として用いた例として山王のピエゾパイル（Ｐｉｅｚｏ
ｅｌｅａｔｒｉｅＰｉｌｅ″、［第３回強誘電体応用会
議（ＦＭＡ　−３、京都、１９８１年）グロシーディン
グズ」１日本応用物理学会誌Ｖｏ１．２０（１９８１）
追補２０−４．９３〜９５頁）、高橋、矢野の積層型子
クチーエータ（「積層型圧電セラミ、クアクチュエータ
」、チタパリ研究会資料ＸＸＸ１［１−１７８−１１０
１，１９８４，６）などがある。これらはいずれも多数
の圧電素子を積層して大きな変位を取シ出すための積層
構造に関するものである。しかしながら、一般的にいっ
て、アクチュエータ用材料の開発およびその応用はまだ
始まったばかシであるといえる。

発明が解決しようとする問題点 このように圧電材料をアクチュエータに用いるための研
究、開発はまだ始まったばかりであるが、上記の高橋、
矢野の積層型アクチュエータに用いられているＰｂ（Ｍ
ｇ、／３Ｎｂ２／３）　０３−ＰｂＴｉＯ３系材料では
、１０ｋＶ／Ｉｎの印加電界で歪８．７Ｘ１０　　、比
誘電率３６４０である。従って、さらに大きな電気歪を
示し、比誘電率が小さい材料が望まれる（比誘電率は応
答速度を大きくするために小さいことが望ましい）。

本発明は、アクチュエータ用材料として、一般式； ％式％ ｅ有するジルコニウムチタン酸鉛ランタンを提供する。

本発明者らはこのジルコニウムチタン酸鉛ランタンが太
きカミ像歪を有し、比誘電率も小さく、アクチュエータ
用材料として好適であることを見い出した。上記式の組
成範囲を第１図に図示するが、横軸はＰ　ｂｚｒＯｓと
ＰｂＴｉＯ３のモルパーセン）（ｌｏＯｙ）を表わし、
縦軸はｐｈを置換したＬａの原子融ツクーセン）（１０
０ｘ）を表わす。

同図において、点ａ　、ｂ　、ｅ　、ｄの４点を結ぶ台
形の領域が本発明の組成範囲である。点ａ、ｂ。

ｃ、ｄは下記組成を有する。

同図において、破線で区切られた領域Ａは反強誘電相、
領域Ｂは強誘電相（菱面体晶）、領域Ｃは強誘電相（正
方晶）、領域Ｅは常誘電相（立方晶）である。そして、
本発明のジルコニウムチタン酸鉛ランタンは上記組成範
囲の中でも特に正方晶（領域Ｃ）と菱面体晶（領域Ｂ）
の相境界近傍の組成が好ましい。例えば、 （ｐｂｏ、９３”０．０７　）　（ｚｒＯ，６５ＴｌＯ
，３５）０．９８０３は２０ｋｖの印加電圧で２×１０
　の電気歪を生じ、比誘電率も２９３０と小さい。なお
、第１図における点ｇ、ｈの組成（ｘ、ｙ、ｚ）はそれ
ぞれおよそ（０，００２、５３、４７）　、　（８，５
、６６，３４）である。

更に、本発明のジルコニウムチタン酸鉛ランタンは透光
性があｐ１アクチュエータとして使用する上で付加的な
利用価値がある。

実施例 ＰｂＯ，Ｌａ２０．、　ＺｒＯ２およびＴｉＯ２の出発
原料を各組成に応じて秤量し、ナイロンゲールを用いて
エタノールとともに湿式混合した。混合後、蒸発乾固に
よってエタノールを除去し、空気中で８５０　℃、　５
時間仮焼した。仮焼粉をノーンドミルした後、９５０℃
１０時間仮焼し、γ？−ルミルで湿式坊砕した。粉砕後
、乾燥し、圧力５００に９７ｃｍ２で直径１６ｍの円板
に成彩し、それを１２５０℃２時間空気中において焼成
した。こうして下記表に示す組成の磁器を得た。

次に、各磁器から直径６ｍ＋）厚さ０．３〜０．５　ｍ
ｌの寸法の円板形磁器の試料を切り出し、上下面に銀電
極を焼きつけた。

これらの試料の厚み方向に２０　ｋＶ／、の電界をかけ
、厚み方向の変位を測定した。その結果も下記ｔモに示
す０　　　　　　　　　　　　　以下企臼＊印は比較例 表に見られるように、本発明のジルコニウムチタン酸鉛
ランタンでは２０　ｋＶ／ｍの電界印加で１０−３前後
の歪が発生する。特に正方晶−菱面体晶相境界近傍の組
成（例えば、試料４４〜１０）では、２０にη扁の印加
電圧で１〜２×１０　の電気歪が発生する。

また、菱面体晶と正方晶（第１図のＢ領域とＣ領域、す
なわち点ａｈｆｄｇで囲まれる領域）では、第２図に示
した試料湾９の電界−歪曲線に代表されるように、電界
にほぼ比例した電気歪を示す。

但し、若干の履歴を伴なう。更に、これらの領域では比
誇雪率が３０００以下の材料も得られる。

比誘′＋１１率が小さいと、応答速度が速くなるので好
ましい。

転移項域と立方晶（第１図のＤ領域とＥ領域すなわぢ点
１１Ｑｃｆｈで囲まれる領域）では、第３図に示した試
料Ｉ６．１０の電界−歪曲線に代表されるように、１０
ｋｖ／、ｌ以下の電、界範囲では電界の２乗にほぼ比例
した電、像歪が得られる。また、これらの領域は分域を
持たない相であるために、分域の反転に伴なう履歴がな
い。履歴がないことは正確な位置制御素子用材料として
適している。

第４図は圧電素子を用いたアクチュエータの構造を原理
的に示す図である。アクチュエータ１は例えば円筒形で
内部に圧電素子２が挿入されている。圧電素子２は図示
されていないが電極を有し、リード線で電界を印加でき
るようになっている。

発生する圧電素子２の変位をピストン３を介して弁４に
伝え、ノズルを開閉することによって、流入口５からの
例えばオイルを流出口６から噴射したシ、停止させたシ
する。

第５図は、積層型圧電素子の配線を原理的に示す図で、
多数の通常円板状の圧電素子単体１０は積層されて円柱
状をなし、各圧電素子単体１０は両主要面に例えば銀ペ
ーストを焼き付けて電極１１が形成されている。そして
、積層された圧電素子単体１０の電極を１個おきにリー
ド線１２で接続して圧電素子全体は並列に接続されてい
る。

こうして、圧電素子単体を並列接続するのは、低い印加
電圧で大きな電気歪を得るためである。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によシ、電気歪
が大きくかつ比誘電率が小さい、工業的に利用価値のあ
るアクチュエータ用雷像歪磁器材料が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の組成範囲を示すジルコニウムチタン＠
鉛ランタンの組成図、第２図は本発明の１実施例の圧電
材料の電界−歪曲腺グラフ図、第３図は本発明の仙の実
施例の圧電材料の）゛界−歪曲線グラフ図、第４図は圧
電素子を用いたアクチュエータの要部断面図、第５図は
積層型圧電素子の側面図、第６図および第７図は圧電材
料と電歪材料の電界−歪曲線模式図である。 １・・・アクチュエータ、２・・・圧電素子、３・・・
ピストン、４・・・弁、６・・・流入口、７・・・流出
口、１０・・・圧電、素子単体、１１・・・市、極、１
２・・・リード線。 第１図 第２図　　　　第３図 電界（にＶ／ｃｍ）　　　　　　　　　　　電界（にＶ
／ｃｍ　）第４図 第６図 電界Ｅ 第７図 電界Ｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、下記一般式で表わされるジルコニウムチタン酸鉛ラ
   ンタンからなることを特徴とするアクチュエータ用電気
   歪磁器材料。 （Ｐｂ＿１＿−＿ｘＬａ＿ｘ）（Ｚｒ＿ｙＴｉ＿ｚ）＿
   １＿ｘ＿／＿４Ｏ＿３（但し、式中、０．００２≦ｘ≦
   −（５／３２）ｙ＋９７／３２００．０２≦ｙ≦０．９
   ８、ｙ＋ｚ＝１である。）