JPH0828540B2 - 電歪セラミック材料体およびその分極操作方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電歪セラミック材料体およびその分極操
作方法に関するもので、特に、１個の一体的な電歪セラ
ミック材料体自身によって、横効果による振動によって
屈曲モードの変形を行なわせるための改良、およびその
ような電歪セラミック材料体を得るための分極操作方法
に関するものである。

［従来の技術］ 従来、リレー、ファン、ポンプ、VTRのトラッキン
グ、等の分野において、電歪効果を利用したアクチュエ
ータが用いられている。典型的には、このようなアクチ
ュエータとしては、横効果電歪材料板を金属板と貼り合
わせたユニモルフ構造をもって構成されたものや、２枚
の電歪材料板を、金属板を介して貼り合わせたバイモル
フ構造をもって構成されたものが知られている。

ところで、特定のセラミック材料が電歪効果を示すこ
とが発見されてから久しいが、このような電歪セラミッ
ク材料は、単に焼成されただけの段階では、全体として
電歪効果を示さない。なぜなら、第11図に矢印で示すよ
うに、単に焼成されただけの段階にあるセラミック材料
中の自発分極は、グレイン・スケールでみたとき、グレ
インやドメインの構造によって、あらゆる方向を向いて
おり、これら自発分極の方向が互いに相殺されるためで
ある。

そこで、電歪セラミック材料体を、前述したようなア
クチュエータとして用いる場合には、たとえば第12図に
示すように、その上下面に電極1,2を取付け、これら電
極1,2を介して高電界を印加し、分極方向を一方向に揃
えるための分極処理を施さなければならない。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、第12図からわかるように、電歪セラミ
ック材料体に与えられる全体としての分極の態様は、対
をなす電極1,2の間では実質的に一様である。したがっ
て、このような電歪セラミック材料体に、たとえば電極
1,2を介して駆動電圧を印加しても、電界の印加方向に
対して、縦効果の振動しか与えられない。また、このよ
うな電界の印加方向に対して直角方向にみれば、横効果
の振動しか与えられない。要は単板のみでは屈曲しな
い。そのため、前述したような屈曲モードの変形を行な
うアクチュエータを構成する場合には、必ず、電歪セラ
ミック材料体に対して、金属板または別の電歪セラミッ
ク材料体および金属板を組合わせたユニモルフ構造また
はバイモルフ構造としなければならない。

このように、従来のユニモルフ構造またはバイモルフ
構造のアクチュエータは、必ず、セラミック材料と金属
との接着を伴なう。そして、この接着が起因して、次の
ような問題点を引き起こしている。

まず、金属とセラミック材料との熱膨張率の差のた
め、温度変化のみによって、変形を生じさせることがあ
る。このような変形は、駆動用の電界の印加とは無関係
に生じるものであるので、変形量に対する精度の低下を
招くことになる。

また、屈曲モードの変形を生じさせている間、接着層
付近に応力が集中し、これによって、電歪セラミック材
料体に割れを発生させたり、金属板と電歪セラミック材
料体との間で剥離を生じさせたりすることがある。

また、１個のアクチュエータについての接着部分にお
ける接着強度ばかりでなく、複数個のアクチュエータ相
互間における全体としての接着強度も均一にすることは
比較的困難である。そのため、機械的強度が極端に小さ
いアクチュエータが得られたり、変位量が極端に小さい
アクチュエータが得られたりすることがあり、このよう
に、特性のばらつきが大きく現われると、実際にアクチ
ュエータを使用する場面において、予め特性を個々に把
握しなければならず、その使用にあたっての予備的操作
に対して煩雑さを招いている。

また、接着に用いる接着剤の有する温度特性により、
アクチュエータの特性も変化する。特に、アクチュエー
タの使用上限温度が接着剤の特性によって決まってしま
い、アクチュエータの使用範囲を限定する結果も招いて
いる。

なお、前述したバイモルフ構造のアクチュエータと実
質的に同様の原理で作動するアクチュエータとして、内
部電極を形成した上で一体焼結されたセラミック材料か
らなるものも提案されている。しかしながら、この場合
には、内部電極として、セラミックの焼成温度に耐え得
る貴金属を用いなければならず、このことが、コスト上
昇を招くことになる。

そこで、この発明は、コスト上昇を招くことがないば
かりでなく、機械的にも熱的にも信頼性が高い、横効果
アクチュエータとしての使用に適した、電歪セラミック
材料体を提供しようとするものである。

また、この発明は、上述したような要望を満たし得る
電歪セラミック材料体を有利に得るための分極操作方法
を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る電歪セラミック材料体は、厚み方向寸
法を有し、かつ電歪効果を示す一体焼結されたセラミッ
ク材料からなるものであり、そこには、内部電極を形成
する必要はない。そして、上述した技術的課題を解決す
るため、当該電歪セラミック材料体は、その少なくとも
一部において前記厚み方向に見たとき、全体としての分
極配向の度合および全体としての分極の方向の少なくと
も一方が、前記厚み方向を分割する第１および第２の領
域において互いに異ならされていることを特徴とするも
のである。

上述したような一体焼結されたセラミック材料からな
る電歪セラミック材料体において、その厚み方向に見た
ときの分極の態様を、厚み方向を分割する第１および第
２の領域において互いに異ならせるための分極操作方法
としては、電歪セラミック材料体に対して与えられる温
度条件によって分極容易性が異なる性質を利用する第１
の方法と、一旦分極処理された電歪セラミック材料体に
対して、キュリー点以上の高温を与えれば脱分極される
性質を利用する第２の方法とがある。

第１および第２の方法のいずれにおいても、まず、厚
み方向寸法を有し、かつ分極操作により電歪効果を示す
一体焼結されたセラミック材料からなる電歪セラミック
材料体が用意される。

次に、第１の方法では、前記電歪セラミック材料体の
少なくとも一部において、前記厚み方向を分割する第１
および第２の領域に対して、前者が後者より高温となる
温度差を与えながら、第１の電界を前記厚み方向に印加
し、それによって、前記第１の領域の全体としての分極
配向の度合および全体としての分極の方向の少なくとも
一方を前記第２の領域より大きく変化させることが行な
われる。

第１の方法において、前記第１の電界を印加するステ
ップにおいて用いられる電歪セラミック材料体として
は、次の２種類を含む可能性がある。その第１は、前記
少なくとも一部において、前記第１の電界と逆の方向に
向く第２の電界が前もって印加されており、それによっ
て、前記第２の電界が印加された部分全体としての分極
の方向が前記厚み方向における一方向に既に向けられて
いるものである。他方、その第２は、一体焼結された段
階後において、何らの分極処理も施されておらないもの
であり、この場合には、前記第１の電界の印加により、
前記第１の領域の全体としての分極の方向が前記厚み方
向における一方向に向けられる。

他方、第２の方法では、前述した電歪セラミック材料
体を用意した後において、 （１）前記電歪セラミック材料体の少なくとも一部に、
前記厚み方向に向く電界を印加し、それによって、前記
電界が印加された部分全体としての分極の方向を前記厚
み方向における一方向に向けるステップと、 （２）前記全体としての分極の方向が前記一厚み方向に
向けられた部分を有する前記電界セラミック材料体の、
前記厚み方向を分割する第１および第２の領域のうち、
前記第１の領域にのみキュリー点以上の高温を与え、そ
れによって、前記第１の領域の全体としての分極配向の
度合を変化させるステップと、 を備えることが特徴である。

［発明の作用および効果］ この発明に係る電歪セラミック材料体によれば、その
厚み方向に見たとき、当該厚み方向を分割する第１およ
び第２の領域において、全体としての分極配向の度合お
よび全体としての分極の方向、といった全体としての分
極の態様が互いに異ならされているので、このような電
歪セラミック材料体の厚み方向に所定の駆動用の電界を
加えたとき、横効果により伸縮の度合または方向が第１
の領域と第２の領域とにおいて互いに異ならせることが
できる。そのため、当該電歪セラミック材料体を単独で
用いるだけで屈曲モードの変形を行なうアクチュエータ
を構成することができる。

このようにアクチュエータを単独で構成できる電歪セ
ラミック材料体は、接着部分を有しないため、接着剤の
使用または接着層の存在に起因する従来の問題点をすべ
て解消することができる。すなわち、電界を印加しない
ときにも温度変化により変形を起こすという不都合が解
消される。また、変形を生じさせるときに接着層付近に
応力が集中し、それによって、電歪セラミック材料体に
割れを発生させたり、金属板と電歪セラミック材料体と
の間で剥離を生じたりする、といった問題点も解消され
る。さらに、電歪セラミック材料体は、一体焼結される
ため、機械的強度が高められ、また、そのような機械的
強度のばらつきも低減させることができる。また、変形
または変位特性においても、製品間におけるばらつきを
抑えることができるとともに、変形または変位特性の経
時的変化あるいは変形または変位の繰返しによるこのよ
うな特性の劣化も小さくすることができる。また、使用
温度範囲が、接着剤等によって限定されることがなくな
るので、より広い範囲、すなわちより高温にまで使用温
度範囲を拡げることができる。

したがって、この発明に係る電歪セラミック材料体
を、アクチュエータとして用いた場合、高い信頼性を得
ることができる。

また、この発明に係る電歪セラミック材料体の分極操
作方法によれば、内部電極を用いることなく、一体焼結
されたセラミック材料からなる電歪セラミック材料体に
おいて、その厚み方向を分割する第１および第２の領域
において、各々の全体としての分極態様を互いに異なら
せることができる。したがって、内部電極の形成に起因
するコスト上昇がなく、また、このように特殊な分極態
様を持つ電歪セラミック材料体を能率的に得ることがで
きる。

特に、この発明に係る分極操作方法において、２段階
の分極操作、すなわち、電歪セラミック材料体に、厚み
方向に向く電界を印加し、それによって、全体としての
分極の方向をこの厚み方向における一方向に向けた後、
厚み方向を分割する第１および第２の領域に対して、前
者が後者より高温となる温度差を与えながら、上述の電
界と逆の方向に向く電界を厚み方向に印加し、それによ
って、第１の領域の全体としての分極の方向を前の分極
の方向と逆向きにさせ、第１および第２の領域のそれぞ
れの全体としての分極の方向がともに厚み方向に向くが
互いに逆向きとされた電歪セラミック材料体を、アクチ
ュエータとして用いた場合、その駆動用電界の大きさに
対する変形または変位量を大きく得ることができる。

［実施例］ 第１図ないし第３図を参照して、この発明の一実施例
としての電歪セラミック材料体およびその分極操作方法
について説明する。

まず、第２図に示すように、厚み方向寸法を有し、か
つ分極操作により電歪効果を示す一体焼結されたセラミ
ック材料からなる電歪セラミック材料体10が用意され
る。この電歪セラミック材料体10が用意された段階で
は、前述した第11図に示すように、自発分極の方向は全
くランダムである。

次に、電歪セラミック材料体10の厚み方向に電界を印
加するため、電歪セラミック材料体10の上下面には、電
極11,12が形成される。これら電極11,12を介して電圧が
印加されたとき、第12図に示すように、分極方向が一方
向に揃えられる。このような第12図におけるような分極
態様を、第２図に示されたような矢印13をもって簡略化
して表わすことにする。すなわち、第２図においては、
電歪セラミック材料体10は、全体としての分極の方向が
厚み方向における一方向に向けられている。

次に、第３図に示すように、電歪セラミック材料体10
は、加熱ヘッド14と冷却ヘッド15とによって挾まれた状
態とされる。図示しないが、加熱ヘッド14には、ヒータ
または加熱媒体を通すパイプ、等が内蔵され、冷却ヘッ
ド15には、液体窒素のような冷却媒体を通すパイプが内
蔵され、さらに放熱板が付加されてもよい。第３図の状
態において、電歪セラミック材料体10を厚み方向に見た
とき、当該厚み方向を分割する第１および第２の領域16
および17に対して、前者が後者より高温となる温度差が
与えられる。そして、この状態を保持しながら、分極用
電源18から電極11,12を介して電歪セラミック材料体10
の厚み方向に電界が印加される。この電界は、第２図に
矢印13で示した分極方向とは反対方向に分極を生じさせ
る方向に与えられる。このように電界が印加されたと
き、それにより分極態様に影響が及ぼされやすいのは、
より高温側にある第１の領域16である。したがって、第
１の領域16においては、点線で表わした矢印19で示すよ
うに、分極の方向が逆転する。低温側である第２の領域
17においては、第２図の矢印13と同様の方向に向く矢印
20で示された分極方向を維持している。

なお、第３図に示すように、第１の領域16においての
み分極の方向を反転させるための条件としては、電極1
1,12間に印加される電界強度、第１の領域16と第２の領
域17との間の温度差、分極操作時間、等がパラメータと
なり、また、電歪セラミック材料体10を構成するセラミ
ック材料によっても左右される。

第３図に示したステップを経て得られた電歪セミック
材料体10が、第１図に示されている。第１図に示した矢
印19および20からわかるように、当該電歪セラミック材
料体10の第１および第２の領域16および17は、それぞれ
の全体としての分極の方向がともに厚み方向に向くが互
いに逆向きとされている。したがって、たとえば電極1
1,12を介して駆動用電圧を印加したとき、第１および第
２の領域16および17のそれぞれの横効果により、湾曲モ
ードの変形が生じる。

なお、第３図のステップにおいて、分極用電源18を電
歪セミック材料体10に与えるとき、加熱ヘッド14および
冷却ヘッド15が導電性材料から構成されているとき、こ
れらヘッド14および15を介して分極用の電界を印加する
ようにしてもよい。この場合には、たとえば電極11およ
び12は形成されていなくてもよい。

以上のようにして得られた電歪セミック材料体を用い
て構成されたアクチュエータの変位特性を、従来の貼り
合わせバイモルフ構造のアクチュエータと比較してみ
る。

まず、厚さ0.5mm、有効長25mmの片持ち構造のアクチ
ュエータに関して、印加電圧に対する変位量を測定した
ところ、第４図に示すような結果を得た。第４図におい
て、実線はこの発明の実施例を示し、点線は従来例を示
している。第４図からわかるように、この発明に係るア
クチュエータは、従来のアクチュエータとほぼ同等かや
や大きな変位量を示し、また、ばらつきの点において
は、1/2〜1/3と改善されている。

また、交流電圧駆動による変位特性の変化を比較し、
その結果を第５図に示した。第５図において、実線はこ
の発明の実施例によるアクチュエータの特性を示し、点
線は従来例の特性を示している。第５図からわかるよう
に、この発明に係るアクチュエータは、従来例に比べ
て、変位特性の劣化が小さく、また、ばらつきの点にお
いても、小さくなっている。

第６図および第７図は、それぞれ、この発明の他の実
施例を示した第１図に相当の図である。

これらの実施例は、電歪セラミック材料体10の第１お
よび第２の領域16および17における全体としての分極配
向の度合が互いに異ならされている。第６図に示した実
施例では、第１の領域16は全体として圧電性を示さず、
他方、第２の領域17は矢印21で示すように分極されてお
り、したがって全体として圧電性を示している。また、
第７図に示す実施例では、第１の領域16には小さな矢印
22が示され、第２の領域17には太い矢印23が示されてい
る。これらの矢印22および23によって模式的に示すよう
に、この実施例では、第１および第２の領域16および17
における分極の方向は同じであるものの、全体としての
分極配向の度合は、太い矢印23で示した第２の領域17に
おける方がより大きくされている。

第６図および第７図に示した各実施例の電歪セラミッ
ク材料体10を得るには、第８図に示すような分極操作方
法が実施される。すなわち、電歪セラミック材料体10
は、加熱ヘッド24と冷却ヘッド25との間に挾まれた状態
とされる。なお、このようなヘッド24および25の間にも
たらす前の段階では、電歪セラミック材料体10は、第２
図に示すような分極態様を有している。そして、第８図
において、第１の領域16にのみキュリー点以上の高温を
与えるべく加熱ヘッド24を適用し、他方、第２の領域17
においては、昇温を避けるべく、冷却ヘッド25が作用し
ている。このような条件に電歪セラミック材料体10をさ
らしたとき、第１の領域16において、脱分極が生じ、た
とえば第６図に示したような電歪セラミック材料体10が
得られる。

なお、第８図に示した脱分極操作における、加熱温度
または時間等を制御することにより、第１の領域16にお
ける脱分極を部分的に生じさせることができ、この場合
には、第７図に示したような分極態様を持つ電歪セラミ
ック材料体10を得ることができる。

また、最初に延べた実施例において、第３図に示した
分極操作を実施する前に、第８図に示したような部分的
な脱分極操作ステップを実施しておいてもよい。

また、第６図に示した分極態様を持つ電歪セラミック
材料体10は、第３図に示した加熱ヘッド14、冷却ヘッド
15および分極用電源18を用いて作り出すことも可能であ
る。すなわち、第３図において、加熱ヘッド14および冷
却ヘッド15によって挾む電歪セラミック材料体10とし
て、たとえば第11図に示したような自発分極があらゆる
方向を向いている、単なる焼成後のもので何ら分極処理
が施されていないものを用いればよい。これによって、
第３図に示した分極操作を実施したとき、この図面では
第１の領域16においてのみ矢印19で示すような分極方向
が与えられ、第２の領域17においては、低温のため、分
極されないままの状態を保つ。したがって、結果とし
て、第６図に示した電歪セラミック材料体10と実質的に
同様の分極態様を実現することができる。

また、加熱および冷却条件、分極用電界の強度、等を
適当に選ぶことにより、第７図に示したような分極態様
を持つ電歪セラミック材料体10も、また、第３図に示し
た方法によって得ることができる。

この発明に係る電歪セラミック材料体は、その少なく
とも一部において厚み方向に見たとき、全体としての分
極配向の度合および全体としての分極の方向の少なくと
も一方が、厚み方向を分割する第１および第２の領域に
おいて互いに異ならされていることが条件であり、厚み
方向と直交する方向に関しては、分極態様が同一であっ
てもどのように変化していても、この発明の範囲を定め
る上では無関係である。この意味で、第９図および第10
図に示した各実施例も、この発明の範囲内に入るもので
ある。

第９図においては、第１および第２の領域16および17
のそれぞれにおいて、厚み方向と直交する方向に見たと
き、分極配向の度合が、太さの異なる矢印26,…,27およ
び28,…,29で模式的に示すように、変化している。

また、第10図に示した実施例では、厚み方向に直交す
る方向に見たとき、全体として圧電性を示さない領域3
0,31,32が存在し、一部においてのみ、その厚み方向に
見たとき、分極配向の度合および分極の方向の少なくと
も一方が、厚み方向を分割する第１および第２の領域16
および17において互いに異ならされている。

なお、厚み方向に直交する方向における分極態様の分
布状態は、この発明の要旨とは直接関連がないが、第９
図および第10図に示した実施例以外に、さらに変更を加
えることができるであろう。

また、この発明で用いられる電歪効果を示す電歪セラ
ミック材料として、特に具体例を挙げなかったが、従来
から周知の電歪セラミック材料をこの発明に適用できる
ことはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例となる電歪セラミック材
料体10を模式的に示す図である。第２図は、全体として
の分極の方向を厚み方向における一方向に向けた状態に
ある電歪セラミック材料体10を模式的に示す図である。
第３図は、第２図に示した電歪セラミック材料体10から
第１図に示した電歪セラミック材料体10を得るための方
法の一ステップを説明するための図である。 第４図は、従来例との比較で、この発明の実施例の電歪
セラミック材料体を用いたアクチュエータにおける印加
電圧に対する変位量の特性を示すグラフである。第５図
は、従来例との比較の上で、この発明の実施例に係る電
歪セラミック材料体を用いたアクチュエータの変位特性
の変化を示すグラフである。 第６図は、この発明の他の実施例としての電歪セラミッ
ク材料体10を模式的に示す図である。 第７図は、この発明のさらに他の実施例としての電歪セ
ラミック材料体10を模式的に示す図である。 第８図は、この発明の分極操作方法の他の実施例を説明
するための図である。 第９図および第10図は、それぞれ、この発明のさらに他
の実施例を模式的に示す図である。 第11図は、焼成後の電歪セラミック材料における自発分
極の状態をグレイン・スケールで示す模式図である。第
12図は、第11図に示した電歪セラミック材料に対して分
極処理を施した状態の模式図である。 図において、10は電歪セラミック材料体、11,12は電
極、13,19〜23,26〜29は、分極配向の度合および／また
は分極の方向を示す矢印、14,24は加熱ヘッド、15,25は
冷却ヘッド、16は第１の領域、17は第２の領域、18は分
極用電源である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩坪 浩 京都府長岡京市天神２丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 植村 克博 京都府長岡京市天神２丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (56)参考文献 特公 昭51−1040（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚み方向寸法を有し、かつ電歪効果を示す
   一体焼結されたセラミック材料からなる電歪セラミック
   ス材料体であって、 その少なくとも一部において前記厚み方向に見たとき、
   全体としての分極配向の度合および全体としての分極の
   方向の少なくとも一方が、前記厚み方向を分割する第１
   および第２の領域において互いに異ならされていること
   を特徴とする、電歪セラミック材料体。
2. 【請求項２】前記第１および第２の領域は、それぞれの
   全体としての分極の方向がともに前記厚み方向に向くが
   互いに逆向きとされている、特許請求の範囲第１項記載
   の電歪セラミック材料体。
3. 【請求項３】前記第１および第２の領域は、それぞれの
   全体としての分極配向の度合が互いに異ならされてい
   る、特許請求の範囲第１項記載の電歪セラミック材料
   体。
4. 【請求項４】前記第１の領域は全体として圧電性を示さ
   ず、他方、前記第２の領域は全体として圧電性を示す、
   特許請求の範囲第３項記載の電歪セラミック材料体。
5. 【請求項５】厚み方向寸法を有し、かつ分極操作により
   電歪効果を示す一体焼結されたセラミック材料からなる
   電歪セラミック材料体を用意し、 前記電歪セラミック材料体の少なくとも一部において、
   前記厚み方向を分割する第１および第２の領域に対し
   て、前者が後者より高温となる温度差を与えながら、第
   １の電界を前記厚み方向に印加し、それによって、前記
   第１の領域の全体としての分極配向の度合および全体と
   しての分極の方向の少なくとも一方を前記第２の領域よ
   り大きく変化させる、 各ステップを備える、電歪セラミック材料体の分極操作
   方法。
6. 【請求項６】前記第１の電界を印加すべき前記電歪セラ
   ミック材料体には、前記少なくとも一部において、前記
   第１の電界と逆の方向に向く第２の電界が前もって印加
   されており、それによって、前記第２の電界が印加され
   た部分全体としての分極の方向が前記厚み方向における
   一方向に既に向けられている、特許請求の範囲第５項記
   載の電歪セラミック材料体の分極操作方法。
7. 【請求項７】前記第１の電界を印加すべき前記電歪セラ
   ミック材料体には、前記一体焼結された段階後におい
   て、何らの分極処理も施されておらず、前記第１の電界
   の印加により、前記第１の領域の全体としての分極の方
   向が前記厚み方向における一方向に向けられる、特許請
   求の範囲第５項記載の電歪セラミック材料体の分極操作
   方法。
8. 【請求項８】厚み方向寸法を有し、かつ分極操作により
   電歪効果を示す一体焼結されたセラミック材料からなる
   電歪セラミック材料体を用意し、 前記電歪セラミック材料体の少なくとも一部に、前記厚
   み方向に向く電界を印加し、それによって、前記電界が
   印加された部分全体としての分極の方向を前記厚み方向
   における一方向に向け、 前記全体としての分極の方向が前記一厚み方向に向けら
   れた部分を有する前記電歪セラミック材料体の、前記厚
   み方向を分割する第１および第２の領域のうち、前記第
   １の領域にのみキュリー点以上の高温を与え、それによ
   って、前記第１の領域の全体としての分極配向の度合を
   変化させる、各ステップを備える、電歪セラミック材料
   体の分極操作方法。