JPS63114182A

JPS63114182A - アクチユエ−タ−

Info

Publication number: JPS63114182A
Application number: JP61212647A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Kasai; 笠井　清; Naomichi Sakai; 直道坂井; Tomoyuki Oikawa; 智之及川; Kenji Uchino; 内野　研二; Takaaki Tsukidate; 月舘　隆明
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1986-05-13
Filing date: 1986-09-11
Publication date: 1988-05-19
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: KR870011519A; JPH084158B2

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、精密工作機械における位置決め、流体量制御
バルブ、そのファン、光学装置の光路長制御等の駆動源
や圧電ブザー、圧電スピーカー、超音波振動子等の振動
子として使用することかできるアクチュエーターに関す
るものである。すなわち、本明細書において、「アクチ
ュエーター」は、接触している他の物体を変位させるた
めの素子だけでなく、自らが動くだけの素子をも意味す
る総称として用いる。

［従来の技術］従来、圧電磁器のたわみを利用する素子としては、分極
処理を施した１枚の圧電薄板磁器を固定した電極板（シ
ム）に貼り合わせたユニモルフ型や圧電薄板磁器をシム
の両面に貼り合わせたバイモルフ型のものが知られてい
る。

［発明が解決しようとする問題点コこれらは、高い負電圧あるいは長期にわたる負電圧の印
加により、圧電磁器の脱分極が起こり、また、磁器と電
極材料との接着部が剥離するという問題があった。した
がって、これらをアクチュエーターとして使用する場合
、当然その寿命が短い。

［問題点を解決するための手段およびその作用コところ
で、本発明者らは、単板であって、しかも分極処理を施
さないにもかかわらず、なぜかたわむ磁器、すなわちモ
ノモルフ型圧電磁器を見出した。このモノモルフ型圧電
磁器をアクチュエーターとして使用することにより、上
記の問題は大幅に解決されることとなる。

以下、本発明のアクチュエーターの材料であるモノモル
フ型圧電磁器の具体例について説明する。

（誘電損失型ＢａＴｉＯ３系磁器）従来、実用化されているＢａＴ１０＊系磁器は、大きい
誘電率、小さい誘電損失を有することからコンデンサー
として使用されている。この種の磁器は、電界−歪特性
が良好でなく、アクチュエーターとして使用することが
できない。

ところが、本発明者らは、ＩＫＩｌｚにおける誘電損失
が５％以上であって、かつ、１ＫＨｚにおける誘電損失
に対する１００ＫＨｚにおけるそれの減少率が３０％以
上であるＢａＴ１０３系磁器は、モノモルフ型のもので
あることを見出した。

たとえば、ＢａＴｉＯ３に一定量のＳ　ｉ　０２または
／およびＡｊ２，０．、あるいはさらに磁器の粒成長を
抑制する目的で５Ａ族元素、Ｇａ、旧、　ｓｂ、　ｗ　
、希土類元素等の酸化物のうちの１種以上を含ませるこ
とにより、上記の性質をもたせることができる。この種
のものとして、ＳｉＯ２を０．２〜２０モル％；Ａｊ！
２０３を０．２〜１．５モル％；５ｉ０２およびＡＡ２
０．を合計０．２〜２０モル％、　　Ａｊ２２０３　／
　Ｓｌ　０２モル比０．８以下；５ｉ０２または／およ
びＡ１□０３を１〜２モル％と５Ａ族元素、　Ｃａ、旧
、　ｓｂ、　ｗ　、希土類元素等の酸化物を０．３３〜
２モル％程度等含んだＢａＴｌ（］、系磁器を例示する
ことができる。

（表面酸化型半導体ＢａＴｉ０．系磁器）本発明者らは
、半導性を示すＢａＴｉＯ３系磁器の表面が酸化された
ものであって内部に半導性を残したものもモノモルフ型
であることを見出した。該半導性を示すＢａＴ１０３系
磁器は、従来公知の比抵抗１０〜ｌＯΩ・ｃｍのもので
よく、たとえば、ＢａＴ１０３単味または５Ａ族元素、
　Ｇａ、　Ｂｉ、　Ｓｂ。

ｖ１希土類元索等の酸化物の１種以上を０．３３〜２モ
ル％程度等含むものなどを挙げることができる。

（ＢａＴｉＯ３系磁器の製造法）上記ＢａＴｉＯ３系磁器の製造に供するＢａＴ１０３粉
末は、たとえば、ＢａＣＯ３粉末とＴ　Ｉ　ｏ２粉末と
を混合して仮焼し、粉砕するいわゆる固相反応法やバリ
ウムおよびチタンの硝酸塩、塩酸塩等の水溶性塩の混合
水溶液にシュウ酸等を添加して沈殿を生成させ、これを
仮焼し、粉砕するいわゆる共沈法によって製造すること
ができる。

本発明のアクチュエーターの材料である磁器の製造は、
磁器一般の製造法と同じく、原料粉末の秤量、混合、乾
燥、成形、焼結等のプロセスをとればよい。ここで、混
合方法としては、ボールミル、振動ミル等による方法を
とることができ、成形方法としては、金型プレス、ラバ
ープレス、鋳込み成形、射出成形、テープ成形等による
方法をとることができる。

焼結は、成形体に含まれる成分や組成によって難易はあ
るものの、前述のものにあっては、いずれも１２００〜
１４５０°Ｃに１〜１５時間保持して行えばよい。焼結
の際の雰囲気は、前記の誘電損失に特性をもつ磁器の製
造の際には、空気でよく、表面酸化型のものであってＢ
ａＴｌ０．単味のものではＡ「、Ｎ２等の不活性雰囲気
またはＩ２等の還元性雰囲気がよく、表面酸化型であっ
て５Ａ族元素、ｃａ、　Ｂ１．　Ｓｂ、　Ｗ　、希土類
元素等の酸化物を含むものでは空気中または上記の非酸
化性雰囲気のいずれでもよい。

表面酸化型のものにあっては、上記のようにして好まし
くは比抵抗１０〜１０　　Ω◆口の焼結体を得、それを
さらに空気中で、７００〜１２００℃にＩＯ分〜２時間
加熱して表面を酸化すればよい。

［作用コ本発明のアクチュエーターは、前述のとおり、分極処理
を施していない単板であるにもかかわらずたわむ、すな
わちモノモルフ型のものである。そのたわむ理由は、以
下の様に考えられる。

一般的に半導体にオーミック接触を示さない金属を接合
させると電子のエネルギーバンド構造に、ショットキー
型（あるいは、絶縁層がある場合にはモット型）の障壁
が形成される。両面に金属を接合し、電圧を印加した場
合、一方は順方向、他方は逆方向の構造となる。半導体
理論より、電界は磁器内で一様とならず逆方向である金
属−セラミック近傍へ集中する。

また半導体磁器のみならず、絶縁体においても、電界に
よって泳動する電荷（電子、イオン）が存在すれば、印
加時の電荷の泳動によって電極−セラミックス界面に障
壁が生成し、上記の半導体と同様に、電界が接合部付近
に集中する。

この様に、不均一に電界が集中した側だけに圧電性を通
じて伸縮が起こり、板金体がたわむこととなる。

［実施例］実施例１〜２３、比較例１〜７添加物を使用しない場合は（実施例１および比較例Ｌ　
）　、ＢａＴ１０３粉末をそのまま、また添加物を使用
する場合はＢａＴｉＯ３と各酸化物とを秤量し、エタノ
ール中で２４時間ボールミールによって混合し、乾燥し
てから、１゜５　Ｔ／ｃ−の圧力で長さ約４８ｍｍ、幅
約１８ｍｍ、厚さ約１０關の板に成形した。つぎに、こ
れを、実施例１ではＡｒ中で、他の例では空気中で所定
時間、所定温度で焼結し、上記長さ約４８市、幅約１８
ｍｕからなる面に相当する面に平行に切断して、長さ４
０ｍｍ、幅Ｌ５ｍａ＋、厚さ０．５ｍｍの磁器からなる
アクチュエーターを得た。実施例１〜９においては、こ
の磁器の比抵抗を測定した。つぎに、上記磁器の両面に
銀ペーストを塗布して、空気中で８００℃に１時間加熱
して焼付けることにより電極をとりつけた。

実施例１〜９では、この焼付けによって、表面が完全に
酸化され、絶縁化されたことを、抵抗を測定して確認し
た。実施例１０〜２３および比較例１〜７においては、
所定の周波数における誘電損失を測定した。

つぎに、上記の電極をとりつけたアクチュエーターの長
さ方向の一端９　ｍｍの部分（図１におけるＤの部分）
を固定し、６ｋＶ／ｃｍの電界を印加し、固定した箇所
から２８ｍｍ（図１におけるＡの位置）　、１９ｍｍ　
（図１におけるＢの位置）および９　ｍｍ　（図１にお
けるＣの位置）の位置の変位量をうず電流式非接触セン
サーで測定した。

以上に記載したちの以外の条件および結果を表に示す。

また、上記のように固定したアクチュエーターにＩＯＶ
の交流電圧を加えたところ、いずれの例でも、アクチュ
エーターが交流電圧と同じ周波数で振動し、その周波数
の音波を発した。

実施例２４９３　ｍｏ１％ＢａＴｉＯ３−５ｍｏ１％５ｉｏ２−２
ｍｏ１％Ａｊ２２０３の組成の磁器を実施例と同様に作
製し、図１に示した治具に固定し、以下の測定をした。

変位量はいずれもＡ点におけるものである。

周波数０．１１１ｚの交流の印加し、そのとき発生した
変位量を測定した。その結果を図２に示す。

（図２中、電界方向と同じ方向の変位の符号を十とする
。）また図３はアクチュエーターをユニポーラ駆動させた時
の電界変位特性であり、電界−変位特性はヒステリシス
も小さく、電界に対して（２，５゜３．８．５．６．８
　ｋｖ／　ｃｍ　）直線的である。

図４は、ユニポーラ駆動をさせた場合の、周波数と変位
の関係を示したもので、２２０　Ｈｚで変位は最大とな
り、機械的共振が引き起こされている。

電荷移動の緩和時間は共振を妨げるほど大きくないこと
がわかる。

図５は、種々の電極（両面にＧａ−Ｉｎを塗布したもの
（Ａ）、両面にＡｕを蒸着したもの（Ｂ）、および片面
にＡｇを焼き付け、他面にＧａ−Ｉｎを塗布したもの（
Ｃ））の効果を示したもので、焼き付は銀電極の使用が
、変位を発生させるのに重要である。

【図面の簡単な説明】

図１は、実施例におけるアクチュエーターの素子の長さ
および幅の寸法、たわみの測定点および固定部分を示す
概念図である。Ａ、Ｂ、Ｃ：たわみの測定点Ｄ　　　　：固定部分図２〜５は、いずれも実施例２４における測定データを
示すものであって、図２はバイポーラ駆動時の電界と変
位の関係を示すグラフである。図３はユニポーラ駆動時の電界と変位の関係を示すグラ
フである。図４はユニポーラ駆動時の変位の周波数依存
性を示すグラフである。図５は、電極材料を変えた際の
電解−歪特性を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）モノモルフ型圧電磁器からなるアクチュエーター
。
（２）モノモルフ型圧電磁器が、１ＫＨｚにおける誘電
損失５％以上、かつ、１ＫＨｚにおける誘電損失に対す
る１００ＫＨｚにおける誘電損失の減少量３０％以上の
ＢａＴｉＯ＿３系磁器である、特許請求の範囲（１）項
記載のアクチュエーター。
（３）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＳｉＯ＿２または／およ
びＡｌ＿２Ｏ＿３を添加物として含むものである、特許
請求の範囲（２）項記載のアクチュエーター。
（４）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＳｉＯ＿２を０．２〜２
０モル％含むものである、特許請求の範囲（３）項記載
のアクチュエーター。
（５）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＡｌ＿２Ｏ＿３を０．２
〜１．５モル％含むものである、特許請求の範囲の範囲
（３）項記載のアクチュエーター。
（６）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＳｉＯ＿２およびＡｌ＿
２Ｏ＿３を合計０．２〜２０モル％含み、そのＡｌ＿２
Ｏ＿３／ＳｉＯ＿２モル比が０．８以下である、特許請
求の範囲（３）項記載のアクチュエーター。
（７）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＳｉＯ＿２または／およ
びＡｌ＿２Ｏ＿３と５Ａ族元素、Ｇａ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｗ
および希土類元素の酸化物のうちの１種以上とを含むも
のである、特許請求の範囲（２）項記載のアクチュエー
ター。
（８）モノモルフ型圧電磁器が、半導性を示すＢａＴｉ
Ｏ＿３系磁器の表面を酸化したものである、特許請求の
範囲（１）項記載のアクチュエーター。
（９）ＢａＴｉＯ＿３系磁器がＢａＴｉＯ＿３のみから
なる、特許請求の範囲（８）項記載のアクチュエーター
。
（１０）ＢａＴｉＯ＿３系磁器が、５Ａ族元素、Ｇａ、
Ｂｉ、Ｓｂ、Ｗおよび希土類元素の酸化物の１種以上を
含むものである、特許請求の範囲（８）項記載のアクチ
ュエーター。