JPS62216282A - 電歪素子の使用方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は電歪素子の使用方法に関する。

（従来の技術） 常誘電相と強誘電相との相転移温度が使用温度近傍か使
用温度以下にある電歪材ネ４は、電界と電歪との関係が
ヒステリシスを示さないか、示しても小ネいので、精密
な微小位置決めの用途に適しているといわれている。

このような精密位置決めを必要とする装置などは、通常
、温度変化が±０．５℃以下に制御された環境で使用さ
れている。そして、精密位置決めに使用される電歪素子
の精度はフルストロークの１．５％以下でなければなら
ないといわれている。

すなわち、温度が１℃変動した時に、電歪の温度ドリフ
トがフルストロークの１．５％以下である電歪素子なら
ば、精密位置決め装置に使用することができる。

しかしながら、電歪材料は誘電率の温度依存性が大きい
ため、結果的に電歪も温度安定性に欠けるという問題が
あった。そして、従来、電歪素子は電界に換算して３Ｘ
１０’Ｖ’ｍ−１までの電圧を印加して使用されている
が、このような条件では」二連した精度を満たせなかっ
た。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は上記問題点を解消するためになされたものであ
り、電歪素子の温度安定性を改善して精度を向、にする
ことができる電歪素子の使用方法を提供しようとするも
のである。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段と作用）本発明の電歪素
子の使用方法は、常誘電相と強誘電相との相転移温度が
使用温度近傍か使用温度以下にある電歪材料で電歪素子
を構成し、該電歪素子に電界に換算して、 Ｅ、ＴＩ＝χＰｍ＋ξＰＴｌ、３ （ただし、 ＥＴｌｌ：電歪素子に印加する電界［Ｖ−ｍ−１］、Ｐ
ｌＴＩ　：電歪素子に誘起される電気分極ＥＣ−ｍ″２
］、 χ、ξ：Ｅ＝χＰ＋ξＰ３で近似したときの係数で、温
度により変化する電歪材料固有の定数、 ａχ／ａＴ：電歪素子の使用温度付近におけるχの温度
係数、） を超える電圧を印加することを特徴とするものである。

本発明において用いられる電歪材料は、常誘電相と強誘
電相との相転移温度が使用温度近傍か使用温度以下にあ
り、使用温度よりも十分低５％温度では強誘電相になる
ものに限定される。このような材料は、大きな誘電率を
有するため一般に電歪も大きい。なお、相転移温度が使
用温度よりかなり高い材料は電界と電歪との関係が大き
なヒステリシスを示すので、相転移温度が使用温度より
もたかだか２０℃高いものまでを限度とする。また、相
転移温度は使用温度よりも低いことが望ましい。

−１−記のような電歪材料としては、例えばＰ　ｂ　（
Ｍ　ｇ　Ｉ／３　Ｎ　ｂ　２／３　）　０３、Ｐｂ［（
Ｍｇ＋／３”２／３　）ｌ−ｘ　”　’！〕”　。

Ｐ　ｂ　１−ｘ　Ｌ　ａ、（Ｚ　ｒ、　Ｔ　Ｉ　、−ｙ
）、１／４０３Ｐｂ１−８Ｂａｘ（ＺｒｙＴｌｌ−ｙ）
０３、が挙げられる。

」−記のような電歪材料を例えば多数積層することによ
り構成される電歪素子に、電界に換算して上記の式で表
わされるＥｌを超える電圧を印加するのは、こうした条
件の場合に、温度が１”０変動した時の電歪の温度ドリ
フトがフルストロークの１．５％以下であるという、精
密位置決めに使用される電歪素子に要求される特性を満
たすことができるためである。

以下、本発明を更に詳細に説明する。

電歪をＳ、温度をＴ、温度変化をΔＴ、電歪の温度ドリ
フトをΔＳとすると、ΔＳは次式で与えられる。

ところで、電歪Ｓと分極Ｐとの関係は、５＝ＱＰ２　　
（ただし、ＱＪτ沼δｄ０　・・・（２）なる式で近似
できるので、ａｓ／Ｆ）Ｔはとなる。

また、電界Ｅと分極Ｐとの関係は高い電界まで印加した
場合には顕著な非線形性を示し、Ｅ＝χＰ＋ξＰ３　・
・・（４） なる式で近似できる。この式を（３）式に代入すると、 となる。

（５）式を（１）式に代入し、両辺を５＝ＱＰ２で割る
と、次式が得られる。

トコローｔ’、（１／　Ｑ）・（ａ　Ｑ／　ａ　Ｔ）と
（１／ξ）−＜ａ　ξ／　ａ　Ｔ）とは、（１／　ｘ）
・（ａ　ｘ　／　Ｂ　Ｔ）ト比較して十分小さいことが
知られているため、（６）式中第２項だけを考慮すれば
よい。この第２項では１分極Ｐが大きければ大きいほど
分母が大きくなり、全体の大きさが小さくなることがわ
かる。換言すれば、分極Ｐが大きくなればなるほど、電
歪の温度依存性が小さくなる。これは、従来知られてい
なかった知見である。

そして、上述したように温度が１”Ｏ変動した時の電歪
の温度ドリフトがフルストロークの１．５％以下である
という特性を得るためには、（６）式の第２項について
ΔＴ＝１を代入して、 という条件を満たせばよい、この不等式を解くことによ
り次式が得られる。

更に、電界Ｅと分極Ｐとの関係は（３）式で近似できる
ので、電界に換算して Ｅ、＝χＦ、＋ξＰｍ　３＝（８） （ただし、 を超える電圧を電歪素子に印加して使用すれば。

１ΔＳ　／　Ｓｌを１．５％以下に抑えることができる
。

なお、上記の式中のχ、ξ及びａχ／ａＴはそれぞれ電
歪材料に固有の定数であり、以下のような方法により簡
単に実測することができる。

χとξについては、まず電界Ｅと分極Ｐとの関係を測定
する。測定方法としては、ソーヤ・タウアの方法が代表
的であるが、他の方法でもさしつかえない。この際、電
界はできるだけ高いところまで印加することが望ましく
、最低でも±３×１０　’　Ｖ−ｍ　”′１の電界を印
加すれば、電界と分極とが顕著に非線形性を示す。この
ようにして得られた曲線と（０式との関係からχ及びξ
を求める。

この場合、最小２乗法により求めれば誤差が小さい。

また、ａχ／ｆｌｌＴについては、まず使用温度で上述
したようにχを求め、次に使用温度よりも１０℃高い温
度で再びχを求める。このときのχの変化分をΔχとす
れば、ａχ／ａＴは、で与えられる。

このようにして得られたχ、ξ及びａχ／ｆ９Ｔを（ｌ
Ｏ）式に代入することによりＰＷｌを求め、更にこれを
（９）式に代入することによりＥｍを求めることができ
る。

また、」二連したように分極Ｐが大きければ大きいほど
１ΔＳ　／　Ｓｌが小さくなるので、例えばＰｍをとす
れば、１ΔＳ　／　Ｓｌを１％以下に抑えることができ
、より一層精度を向上することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１ 組成式 ％式％ にて表される磁器を使用し、以下のようにして積層型電
歪素子を製造した。

まず、上記組成の電歪材料の焙焼粉に、バインダー、有
機溶剤を加えてスラリー化した後、ドクターブレード型
キャスターを用いて厚さ４５１Ｌｍのクリーンシートを
作製した０次に、このグリーンシート上に銀−パラジウ
ムを主成分とする電極ペーストを所定のパターンで印刷
した。つづいて、電極パターンが形成されたシートを３
９層積層圧着した。つづいて、所定の形状に切断して脱
脂を行なった後、１１００℃、２時間の条件で焼成した
。更に、焼結後、外部電極としてＡｇペーストを焼付け
、積層型電歪素子を製造した。

この素子は１層３０７ｔｍで３９層の電歪層からなり、
有効長は１．１９ｍｍであった。また、この素子の誘電
率の温度特性を調べたところ、相転移温度は１５℃付近
にあることが確認された。

この素子の電界と分極との関係を２３℃で測定したとこ
ろ、第２図のようになった。第２図中実線は実測値、破
線は（４）式による曲線である。第２図から最小２乗法
によりχ及びξを求めたところ、それぞれＸ＝８．ＯＸ
　１０６［Ｎ’Ｃ−”ｍ］、ξ＝２．５　Ｘ　１０８［
Ｖ−Ｃ−’ｍ５］が得られた。

次に、３３℃で同様な測定を行ない、　（１１）式によ
り（ｌ／χ）・（ａχ／ａＴ）を求めたところ、０．０
３０に−１であった。

また、この素子の分極と歪との関係を第３図に示す。第
３図中実線は実測値、破線は（２）式による曲線である
。

更に、この素子における電界と歪との関係を第１図に示
す。第１図において、第２図及び第３図で同一のＰの値
に対応する破線上のＥ及びＳの値をプロットしたところ
、実測値とほぼ重なることが確認された。このことから
、（２）式及び（４）式の近似式を用いて計算を行なう
ことが妥当であることがわかる。

そして、上記のようにして求められたχ、ξ及び（ｌ／
χ）・（ａχ／ａＴ）の値を（１２）式に代入してｒｔ
ｎを求め、更にこのＰＴｌ、を（９）式に代入してＥＴ
＋１を求めたところ、ＥＴＩｌ＝２．８Ｘ１０’［Ｖ・
ｍ−１］が得られた。したがって、この素子に電界に換
算して２．８　Ｘ　ｌ　Ｏ’　［Ｖ−ｍ−１］を超える
電圧を印加して使用すれば、温度が１℃変動した時の温
度ドリフトをフルストロークの１％以下とすることがで
きる。

実施例２ チタン酸バリウムを主成分とする誘電体材料を使用して
上記実施例１と同様な方法により積層型電歪素子を製造
した。ただし、内部電極としてはパラジウムを使用し、
焼成温度は１２８０℃とした。

この素子は１層３６ｇｍの厚さで３３層の電歪層からな
り、有効長は１．１７ｍｍであった。また、この素子の
相転移温度は約１０℃にあることが確認された。

この素子の電界と分極との関係を２３°Ｃで測定したと
ころ第５図のようになった。第５図中実線は実測値、プ
ロットは（４）式によるものである。

第５図から最小２乗法によりχ及びξを求めたところ、
それぞれＸ　＝　７．ＯＸ　１０　’　［Ｖ−Ｃ−”ｍ
］、ξ＝８．５　Ｘ　１０８［ｖ’Ｃ−’ｍＳ］が得ら
れた。

次に、３３℃で同様な測定を行ない、（１１）式により
（１／　χ）　−（Ｆｊ　Ｘ　／　ａ　Ｔ）を求めたと
ころ、０．０７７に−１であった。

また、この素子の分極と歪との関係を第６図に示す。第
６図中実線は実測値、プロット及び破線は（２）式によ
るものである。

更に、この素子における電界と歪との関係を第４図に示
す。第４図において、第５図及び第６図で同一のＰの値
に対応するＥ及びＳの近似値をプロットしたところ、実
測値とほぼ重なることが確認された。このことから、こ
の場合も実施例１と同様に（２）式及び（４）式の近似
式を用いて計算を行なうことが妥当であることがわかる
。

そして、」１記のようにして求められたχ、ξ及び（１
／χ戸（ａχ／　ａ　Ｔ、＞の値を（１２）式に代入し
てＰ、を求め、更にこのＰＴｌｌを（８）式に代入して
Ｅｍを求めたところ、Ｅｍ　＝４．５２Ｘ　１０６［Ｖ
’ｍ−１］が得られた。したがって、この素子に電界に
換算して４．５２Ｘ　１０　’　［Ｖ−ｍ−１］を超え
る電圧を印加して使用すれば、温度が１”０変動した時
の温度ドリフトをフルストロークの１％以下とすること
ができる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く本発明の電歪素子の使用方法によれば
、電歪素子の温度安定性を改善して精度を向上すること
ができ、ひいては電歪素子を例えば精密位置決め装置に
使用できるなど工業上極めて顕著な効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１における電歪素子の電界−歪
曲線、第２図は同電歪素子の電界−分極曲線、第３図は
同電歪素子の分極−歪曲線、第４図は本発明の実施例２
における電歪素子の電界−歪曲線、第５図は同電歪素子
の電界−分極曲線、第６図は同電歪素子の分極−歪曲線
である。 出願人代理人　弁理士　鈴江　武彦 ＰｒＣ−ｍ−２１ 第３図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　常誘電相と強誘電相との相転移温度が使用温度近傍か
   使用温度以下にある電歪材料で電歪素子を構成し、該電
   歪素子に電界に換算して、 Ｅ＿ｍ＝χＰ＿ｍ＋ξＰ＿ｍ＾３ （ただし、 Ｐ＿ｍ＝■（２χ／３ξ）√｛（１／０．０１５）・（
   １／χ）・［（∂χ／∂Ｔ）−（１／２）］｝Ｅ＿ｍ：
   電歪素子に印加する電界［Ｖ・ｍ＾−＾１］、Ｐ＿ｍ：
   電歪素子に誘起される電気分極、 ［Ｃ・ｍ＾−＾２］、 χ、ξ：Ｅ＝χＰ＋ξＰ＾３で近似したときの係数で、
   温度により変化する電歪材料固有 の定数、 ∂χ／∂Ｔ：電歪素子の使用温度付近におけるχの温度
   係数、） を超える電圧を印加することを特徴とする電歪素子の使
   用方法。