JPH0786652A - 積層型電気・歪変換素子 - Google Patents
積層型電気・歪変換素子Info
- Publication number
- JPH0786652A JPH0786652A JP5251036A JP25103693A JPH0786652A JP H0786652 A JPH0786652 A JP H0786652A JP 5251036 A JP5251036 A JP 5251036A JP 25103693 A JP25103693 A JP 25103693A JP H0786652 A JPH0786652 A JP H0786652A
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- Japan
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- electrostrictive
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- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 直流バイアスを印加し一定の伸び量を確保し
た後この伸び量を基準にさらに微細に伸縮させることが
できるようにする。 【構成】 表裏面に銀ペーストからなる電極１１，１
１’が形成されたジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料
からなるセラミック素材１０と、同じく表裏面に電極１
３，１３’が形成されたマグネシウム酸ニオブ酸鉛系電
歪材料からなるセラミック素材１２を一つの素子として
合わせて積層した。各セラミック素材１０，１２間には
金属電極板１５，１６がそれぞれ介在されており、これ
らの電極板１５，１６は、各セラミック素材１０，１２
毎にリード線１８，１９に接続され、高電圧が印加され
る。
た後この伸び量を基準にさらに微細に伸縮させることが
できるようにする。 【構成】 表裏面に銀ペーストからなる電極１１，１
１’が形成されたジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料
からなるセラミック素材１０と、同じく表裏面に電極１
３，１３’が形成されたマグネシウム酸ニオブ酸鉛系電
歪材料からなるセラミック素材１２を一つの素子として
合わせて積層した。各セラミック素材１０，１２間には
金属電極板１５，１６がそれぞれ介在されており、これ
らの電極板１５，１６は、各セラミック素材１０，１２
毎にリード線１８，１９に接続され、高電圧が印加され
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、印加電圧に応じて伸縮
する積層型電気・歪変換素子に関するものである。
する積層型電気・歪変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光または磁気ディスクヘッド、各
種光学装置、精密工作機械等の精密位置決め装置におい
ては、例えば特開昭６３−１３６５８１号公報「積層型
圧電体」、特公昭６３−１７３５４号公報「電歪効果素
子」等に開示されているように、圧電素子を多数積層し
て形成し、印加する電圧に応じて圧電素子を伸縮させる
ことによりアクチュエータとして用いることが行われて
いる。
種光学装置、精密工作機械等の精密位置決め装置におい
ては、例えば特開昭６３−１３６５８１号公報「積層型
圧電体」、特公昭６３−１７３５４号公報「電歪効果素
子」等に開示されているように、圧電素子を多数積層し
て形成し、印加する電圧に応じて圧電素子を伸縮させる
ことによりアクチュエータとして用いることが行われて
いる。
【０００３】図２はこのような積層型電気・歪変換素子
の基本的構成を示す断面図で、表裏面にそれぞれ電極
２，２’が形成された複数枚の薄膜状セラミックス圧電
体１を外部電極３を介して積層し、これら外部電極３を
一つおきに同電位になるようリード線４，５を介して電
源に接続することにより各セラミック圧電体１を電気的
に並列に接続して積層型電気・歪変換素子６を構成し、
これに高電圧（例：１ＫＶ／ｍｍ以上）を印加すること
により各セラミック圧電体１に歪みを発生させ、逆に外
力を加えて変形させると外力に比例して圧電体の表面に
電荷を生じて電圧を発生させるようにしたものである。
このような性質を圧電と呼んでいる。
の基本的構成を示す断面図で、表裏面にそれぞれ電極
２，２’が形成された複数枚の薄膜状セラミックス圧電
体１を外部電極３を介して積層し、これら外部電極３を
一つおきに同電位になるようリード線４，５を介して電
源に接続することにより各セラミック圧電体１を電気的
に並列に接続して積層型電気・歪変換素子６を構成し、
これに高電圧（例：１ＫＶ／ｍｍ以上）を印加すること
により各セラミック圧電体１に歪みを発生させ、逆に外
力を加えて変形させると外力に比例して圧電体の表面に
電荷を生じて電圧を発生させるようにしたものである。
このような性質を圧電と呼んでいる。
【０００４】物質が圧電性を有するか否かは物質のもつ
結晶の対称性で決まり、点対称性をもたない結晶構造の
ものが圧電性をもち得る。圧電材料の最も代表的なもの
としては、ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料、例え
ばＰｂ（Ｔｉ0.48Ｚｒ0.52３Ｚｒ0.52）Ｏ3 が知られて
いる。このような圧電材料においては、印加した電界に
比例して歪が発生し、２０％程度のヒステリシスが有る
ものの０．７〜１×１０-3の大きな歪が得られる。一
方、対称中心をもつ結晶は電歪効果（印加した電界の２
乗に比例して歪が発生する）はあるが、圧電性を示さな
い。このような電歪材料としては、マグネシウム酸ニオ
ブ酸鉛系電歪材料、例えばＰｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3
が知られており、組成を選べば、歪量は圧電材料に比べ
て減少するものの、ヒステリシスを１％程度に抑えるこ
とができる。積層型電気・歪変換素子の従来までの応用
に関しては、圧電材料と電歪材料のうちどちらか一方の
素材を選択して素子とすれば十分であった。なお、図２
において７は絶縁体である。
結晶の対称性で決まり、点対称性をもたない結晶構造の
ものが圧電性をもち得る。圧電材料の最も代表的なもの
としては、ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料、例え
ばＰｂ（Ｔｉ0.48Ｚｒ0.52３Ｚｒ0.52）Ｏ3 が知られて
いる。このような圧電材料においては、印加した電界に
比例して歪が発生し、２０％程度のヒステリシスが有る
ものの０．７〜１×１０-3の大きな歪が得られる。一
方、対称中心をもつ結晶は電歪効果（印加した電界の２
乗に比例して歪が発生する）はあるが、圧電性を示さな
い。このような電歪材料としては、マグネシウム酸ニオ
ブ酸鉛系電歪材料、例えばＰｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3
が知られており、組成を選べば、歪量は圧電材料に比べ
て減少するものの、ヒステリシスを１％程度に抑えるこ
とができる。積層型電気・歪変換素子の従来までの応用
に関しては、圧電材料と電歪材料のうちどちらか一方の
素材を選択して素子とすれば十分であった。なお、図２
において７は絶縁体である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、最近、このよ
うな圧電または電歪素子からなるセラミック素材を用い
た積層型電気・歪変換素子がアクチュエータとして生産
用機械等にも使用されるに及び、従来の積層型電気・歪
変換素子では十分満足することのできない応用が発生し
てきている。具体的には、直流バイアスを印加し一定の
伸び量を確保した後この伸び量を基準に微細に積層型電
気・歪変換素子を伸縮させることを必要とする応用であ
る。これを実現するために、圧電材料のみを用いたので
は大きなヒステリシスが原因となり微細な伸縮量の再現
性に乏しくなり、またヒステリシスの少ない電歪材料の
みを用いた場合には歪量が少ないため必要なストローク
を確保するために素子長が非常に長くなるという問題点
が存在していた。
うな圧電または電歪素子からなるセラミック素材を用い
た積層型電気・歪変換素子がアクチュエータとして生産
用機械等にも使用されるに及び、従来の積層型電気・歪
変換素子では十分満足することのできない応用が発生し
てきている。具体的には、直流バイアスを印加し一定の
伸び量を確保した後この伸び量を基準に微細に積層型電
気・歪変換素子を伸縮させることを必要とする応用であ
る。これを実現するために、圧電材料のみを用いたので
は大きなヒステリシスが原因となり微細な伸縮量の再現
性に乏しくなり、またヒステリシスの少ない電歪材料の
みを用いた場合には歪量が少ないため必要なストローク
を確保するために素子長が非常に長くなるという問題点
が存在していた。
【０００６】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点および要請に応えるべくなされたもので、その
目的とするところは、直流バイアスを印加し一定の伸び
量を確保した後この伸び量を基準にさらに微細に伸縮さ
せることができるようにした積層型電気・歪変換素子を
提供することにある。
の問題点および要請に応えるべくなされたもので、その
目的とするところは、直流バイアスを印加し一定の伸び
量を確保した後この伸び量を基準にさらに微細に伸縮さ
せることができるようにした積層型電気・歪変換素子を
提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明に係る積層型電気・歪変換素子は、表裏面に電極
が形成されたジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料から
なるセラミック素材と同じく表裏面に電極が形成された
マグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料からなるセラミッ
ク素材を一つの素子として合わせて積層したものであ
る。
本発明に係る積層型電気・歪変換素子は、表裏面に電極
が形成されたジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料から
なるセラミック素材と同じく表裏面に電極が形成された
マグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料からなるセラミッ
ク素材を一つの素子として合わせて積層したものであ
る。
【０００８】
【作用】本発明においてはジルコニウム酸チタン酸鉛系
圧電材料からなるセラミック素材に一定の電圧を印加す
ることで基準となる伸び量を得、この圧電素子に印加す
る電圧を保持したままマグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪
材料に変化する電圧を印加することで基準伸び量に対し
て必要な変化量を与える。ジルコニウム酸チタン酸鉛系
圧電材料からなるセラミック素材は歪量が大きいため電
歪材料のみを用いた場合に比べ非常に短い素子長で必要
な伸び量を与えることができ、しかも印加電圧が変化し
ないためヒステリシスを生ずることはない。ジルコニウ
ム酸チタン酸鉛系圧電材料からなるセラミック素材はそ
れ自体では歪量が少ないものの、ヒステリシスが１％程
度と少ないため前記圧電素子の歪量と合わせて素子全体
で、一定の伸び量を基準として、これに対して微細な伸
び量の変化を再現性良く与えることができる。
圧電材料からなるセラミック素材に一定の電圧を印加す
ることで基準となる伸び量を得、この圧電素子に印加す
る電圧を保持したままマグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪
材料に変化する電圧を印加することで基準伸び量に対し
て必要な変化量を与える。ジルコニウム酸チタン酸鉛系
圧電材料からなるセラミック素材は歪量が大きいため電
歪材料のみを用いた場合に比べ非常に短い素子長で必要
な伸び量を与えることができ、しかも印加電圧が変化し
ないためヒステリシスを生ずることはない。ジルコニウ
ム酸チタン酸鉛系圧電材料からなるセラミック素材はそ
れ自体では歪量が少ないものの、ヒステリシスが１％程
度と少ないため前記圧電素子の歪量と合わせて素子全体
で、一定の伸び量を基準として、これに対して微細な伸
び量の変化を再現性良く与えることができる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明に係る積層型電気・歪変
換素子の一実施例を示す断面図である。なお、図におけ
る各部の厚み、大きさは理解を容易にするため誇張して
示しており、実際の寸法とは異なる。本実施例は、ヘテ
ロダイン干渉計による直接歪測定で、１ＫＶ／ｍｍの電
界印加時に歪量が０．９×１０-3でヒステリシスが２２
％のジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料素材からなる
両面に内部電極としての銀ペースト１１，１１’を塗布
した直径１５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのセラミック素材１
０を１００枚外部電極としての銅製電極板１５を介して
積層接着して圧電材料素子部１０Ａとし、同様に歪量が
０．３×１０-3でヒステリシスが１％のマグネシウム酸
ニオブ酸鉛系電歪材料素材からなる両面に同じく内部電
極としての銀ペースト１３，１３’を塗布した直径１５
ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミック素材１２を２０枚銅
製電極板１６を介して積層接着して電歪素子部１２Ａと
し、これらの圧電材料素子部１０Ａと電歪素子部１２Ａ
を絶縁材料である酸化アルミニウムペレット１７Ａを介
して積層接着し、さらに圧電材料素子部１０Ａの上面お
よび電歪素子部１２Ａの下面に同じく酸化アルミニウム
ペレット１７Ｂ，１７Ｃをそれぞれ接着して積層型電気
・歪変換素子を構成し、金属電極板１５，１６をリード
線１８，１９を介して別々の電源に接続し、圧電材料素
子部１０Ａと電歪素子部１２Ａに各々に適切な電界が印
加されるようにしたものである。銅製電極板１５，１６
と各セラミック素材１０，１２との接着には熱硬化性エ
ポキシ系接着剤（図示せず）を用いた。圧電材料素子部
１０Ａに４５０Ｖの電圧を印加すると３５μｍの伸び量
が得られた。
詳細に説明する。図１は本発明に係る積層型電気・歪変
換素子の一実施例を示す断面図である。なお、図におけ
る各部の厚み、大きさは理解を容易にするため誇張して
示しており、実際の寸法とは異なる。本実施例は、ヘテ
ロダイン干渉計による直接歪測定で、１ＫＶ／ｍｍの電
界印加時に歪量が０．９×１０-3でヒステリシスが２２
％のジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料素材からなる
両面に内部電極としての銀ペースト１１，１１’を塗布
した直径１５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍのセラミック素材１
０を１００枚外部電極としての銅製電極板１５を介して
積層接着して圧電材料素子部１０Ａとし、同様に歪量が
０．３×１０-3でヒステリシスが１％のマグネシウム酸
ニオブ酸鉛系電歪材料素材からなる両面に同じく内部電
極としての銀ペースト１３，１３’を塗布した直径１５
ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミック素材１２を２０枚銅
製電極板１６を介して積層接着して電歪素子部１２Ａと
し、これらの圧電材料素子部１０Ａと電歪素子部１２Ａ
を絶縁材料である酸化アルミニウムペレット１７Ａを介
して積層接着し、さらに圧電材料素子部１０Ａの上面お
よび電歪素子部１２Ａの下面に同じく酸化アルミニウム
ペレット１７Ｂ，１７Ｃをそれぞれ接着して積層型電気
・歪変換素子を構成し、金属電極板１５，１６をリード
線１８，１９を介して別々の電源に接続し、圧電材料素
子部１０Ａと電歪素子部１２Ａに各々に適切な電界が印
加されるようにしたものである。銅製電極板１５，１６
と各セラミック素材１０，１２との接着には熱硬化性エ
ポキシ系接着剤（図示せず）を用いた。圧電材料素子部
１０Ａに４５０Ｖの電圧を印加すると３５μｍの伸び量
が得られた。
【００１０】ここで、比較のため、圧電材料素子部１０
Ａへの印加電圧を変化させ、この基準伸び量から１μｍ
増加した３６μｍと基準伸び量３５μｍの間で繰り返し
伸縮させたが、約２０％のヒステリシスが存在し、ある
電圧を印加した時に得られる微細伸び量に再現性がなか
った。そこで、本発明に示すように、圧電材料素子部１
０Ａへの印加電圧を４５０Ｖで一定とし、電歪材料素子
部１２Ａへ０〜１７０Ｖの範囲の電圧を印加して全体素
子長で３５μｍから３６μｍの範囲で伸縮させた。この
結果、測定可能な範囲（０．０１μｍ）ではヒステリシ
スが確認されず、電歪材料素子部１２Ａへの印加電圧を
決定すると一義的に素子長が決定されることが分かっ
た。
Ａへの印加電圧を変化させ、この基準伸び量から１μｍ
増加した３６μｍと基準伸び量３５μｍの間で繰り返し
伸縮させたが、約２０％のヒステリシスが存在し、ある
電圧を印加した時に得られる微細伸び量に再現性がなか
った。そこで、本発明に示すように、圧電材料素子部１
０Ａへの印加電圧を４５０Ｖで一定とし、電歪材料素子
部１２Ａへ０〜１７０Ｖの範囲の電圧を印加して全体素
子長で３５μｍから３６μｍの範囲で伸縮させた。この
結果、測定可能な範囲（０．０１μｍ）ではヒステリシ
スが確認されず、電歪材料素子部１２Ａへの印加電圧を
決定すると一義的に素子長が決定されることが分かっ
た。
【００１１】圧電素子材料としてジルコニウム酸チタン
酸鉛系圧電材料素材を用いた理由は、ヒステリシスが２
２％であるものの、歪量が０．９×１０-3の大きな歪量
が得られることによる。また、電歪素子材料としてマグ
ネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料素材を用いた理由は、
歪量が０．３×１０-3でヒステリシスを１％程度に抑え
ることができることによる。
酸鉛系圧電材料素材を用いた理由は、ヒステリシスが２
２％であるものの、歪量が０．９×１０-3の大きな歪量
が得られることによる。また、電歪素子材料としてマグ
ネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料素材を用いた理由は、
歪量が０．３×１０-3でヒステリシスを１％程度に抑え
ることができることによる。
【００１２】
【発明の効果】以上説明したように本発明に係る積層型
電気・歪変換素子は、ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電
材料からなるセラミック素材とマグネシウム酸ニオブ酸
鉛系電歪材料からなるセラミック素材とを一つの素子と
して合わせて積層したので、数十μｍの基本伸び量に加
えて１／１００μｍ程度の再現性で微細伸び量をコント
ロールすることのできる積層型セラミックアクチュエー
タが得られる。また、基本伸び量を与える部分に圧電材
料ではなく、ヒステリシスと歪量の大きい電歪材料を用
いても本発明と同様の効果が得られる。
電気・歪変換素子は、ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電
材料からなるセラミック素材とマグネシウム酸ニオブ酸
鉛系電歪材料からなるセラミック素材とを一つの素子と
して合わせて積層したので、数十μｍの基本伸び量に加
えて１／１００μｍ程度の再現性で微細伸び量をコント
ロールすることのできる積層型セラミックアクチュエー
タが得られる。また、基本伸び量を与える部分に圧電材
料ではなく、ヒステリシスと歪量の大きい電歪材料を用
いても本発明と同様の効果が得られる。
【図１】本発明に係る積層型電気・歪変換素子の断面図
である。
である。
【図２】従来の積層型電気・歪変換素子の断面図であ
る。
る。
１０ ジルコニウム酸チタン酸鉛系圧電材料からなるセ
ラミック素材 １１，１１’ 銀ペースト １２ マグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料からなるセ
ラミック素材 １３，１３’ 銀ペースト １５ 銅製電極板 １６ 銅製電極板 １７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 酸化アルミニウムペレット １８，１９ リード線
ラミック素材 １１，１１’ 銀ペースト １２ マグネシウム酸ニオブ酸鉛系電歪材料からなるセ
ラミック素材 １３，１３’ 銀ペースト １５ 銅製電極板 １６ 銅製電極板 １７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ 酸化アルミニウムペレット １８，１９ リード線
Claims (1)
- 【請求項１】 表裏面に電極が形成されたジルコニウム
酸チタン酸鉛系圧電材料からなるセラミック素材と、同
じく表裏面に電極が形成されたマグネシウム酸ニオブ酸
鉛系電歪材料からなるセラミック素材を一つの素子とし
て合わせて積層したことを特徴とする積層型電気・歪変
換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5251036A JPH0786652A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 積層型電気・歪変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5251036A JPH0786652A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 積層型電気・歪変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786652A true JPH0786652A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=17216665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5251036A Pending JPH0786652A (ja) | 1993-09-14 | 1993-09-14 | 積層型電気・歪変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0786652A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5926560A (en) * | 1996-05-13 | 1999-07-20 | Seiko Epson Corporation | Method of reading color image, color image reading apparatus and system for reading color image |
| JP2019525239A (ja) * | 2016-08-04 | 2019-09-05 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | 位置決めシステム、位置決めするための方法、リソグラフィ装置及びデバイス製造方法 |
-
1993
- 1993-09-14 JP JP5251036A patent/JPH0786652A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5926560A (en) * | 1996-05-13 | 1999-07-20 | Seiko Epson Corporation | Method of reading color image, color image reading apparatus and system for reading color image |
| JP2019525239A (ja) * | 2016-08-04 | 2019-09-05 | エーエスエムエル ネザーランズ ビー．ブイ． | 位置決めシステム、位置決めするための方法、リソグラフィ装置及びデバイス製造方法 |
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