JPS5936439B2

JPS5936439B2 - 電気・機械変換素子

Info

Publication number: JPS5936439B2
Application number: JP52146467A
Authority: JP
Inventors: 友三郎北村; 洋一小寺
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-12-06
Filing date: 1977-12-06
Publication date: 1984-09-04
Also published as: JPS5478993A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電気的信号を機械的変位に変換する電気・機械
変換素子に係わる。

近時、磁気記録再生装置（ＶＴＲ）において、その記録
密度をできるだけ上げるために、記録卜Ｓラックの幅
をできるだけ幅狭とする努力がなされているが、このよ
うにトラック幅を狭くするものにあつては、これに伴つ
て、再生磁器ヘッドの記録トラックに対する位置関係に
は、より高い正確さが要求される。

そして、この位置関係を単に装装置の機械的精度に依存
させることは、技術的に困難であるか、可成りのコスト
高を招来するので、電気・機械変換素子を用い、これに
よつて磁気ヘッドの記録トラックに対する位置関係を、
常時、所定の関係に制御する方法が採られる。即ち、磁
、磁気ヘッドを電気・機械変換素子に、機械的に連結し
、この素子に磁気ヘッドと記録トラックとの位置関係の
変化から生ずる再生信号の変化による電気信号を与え、
これによる機械的変位を磁気ヘッドに与え、磁気ヘッド
が、常時、記録トラックに対し、正しい位置関係にある
ように設定する。通常、このようなＶＴＲに用いられる
電気・機械変換素子としては、主として圧電効果による
機械的変位を得る強誘電体磁器を用いた電圧バイモルフ
が用いられる。この電圧バイモルフは、第１図に示すよ
うに、両主面に夫々電極１が被着された２枚の強誘電体
磁器２が、金属基板３を挟んで積層合体されて成る。

強誘電体磁器２は、微細な結晶粒の集合体であるが、こ
れらの結晶粒は、更に、自発分極の方向が揃つたいくつ
かの分域に分かれている。そのため、この磁器は、焼成
後の状態では、圧電性を示さないが、これに直流電圧を
一定時間加えるポーリング操作を行うことによつて自発
分極の合成方向が一方向に揃つて圧電性を呈するように
なる。ところが、このようにして電場によつて強制的に
配向した状態は、必ずしも安定ではなく、この磁器に応
力や電場が与えられると、その配向状態が変化してしま
う。このため、第１図に説明したように、この磁器２に
よつて構成した圧電バイモルフに外部電場を与えた場合
のその印加電界に対する変位量は大で、感度は高いが、
その電界と変位の関係を測定すると、第２図に示すヒス
テリシス特性を示し、印加電界即ち外部電場を零にして
も、バイモルフは、最初の位置に戻らず、第２図のＯＡ
或いはＯＡ’で示す残留変位が生ずる。ところが、ＶＴ
Ｒ）特に２磁気ヘッド型の回転磁気ヘッド装置によるＶ
ＴＲでは、その２つの磁気ヘッドの高さは、揃つている
ことが要求されるものであり、この高さの精度は、トラ
ック幅が狭くなるにつれ、高い精度が要求される。そし
て、一般にバイモルフは記録（録画）時には、これが静
止の状態にあるようにするので、磁気ヘッドの高さの誤
差を許容範囲内におさめるためには、バイモルフの静止
位置が常に一定の位置に在ることが必要となる。ところ
が上述したように圧電バイモルフは、前述したように、
外部電場によつて分域配向が乱れ、初期の静止位置とは
異なる位置で静止するので、磁気ヘツドの高さの誤差を
許容範囲にとどめることが難しい。

この残留変位は、強誘電体磁器に固有なもので、その大
きさは、圧電磁器の組成により多少の差はあるものの本
質的にこれを回避することはできないものであつて、こ
れがＶＴＲにおける圧電バイモルフの利用の隘路となつ
ている。本発明は、このような欠点を回避した電気・機
械変換素子を提供するものである。即ち、本発明におい
ては、従来の電気・機械変換素子が強誘電体磁器を用い
て、これにおける圧電効果を利用するものであつたのに
比し、使用温度範囲で、反強誘電相に在る高誘電率磁器
を用い、これの電歪効果による変位を得る。

この場合、外部電場がある値をこえると、反強誘電相か
ら強誘電相へ相転移するが、この際生じる自発分極の配
向のためより一層大きな変位が得られる。電歪効果は、
すべての誘電体にみられる電場の２乗に比例して歪を生
ずる現象である。

この歪は、常誘電相で、分極と電場が比例すると誘電率
の２乗に比例する。即ち、電歪効果による歪は、歪をＳ
、誘電分極をＰとするとであられされ、定数ＱｉＪを電
歪定数と呼ぶ。

従つて分極Ｐと電界Ｅが比例関係にあれば、誘電率及び
電界の二乗に比例した歪が生じる。電気・機械変換素子
の能力を表わす電気機械結合係数ｋは変換素子に加えた
電気入力Ｕ１のうち、機械的出力に変換される量をＵ２
とするとで定義される。

また、変換素子の材料の性能を評価する時によく用いら
れる円板の拡がり振動に対する電気機械結合係数Ｋｐは
、実験的にはその共振周波数Ｆｒと、反共振周波数Ｆａ
を測定しの関係から求められることが、電気通信学会雑
誌第５０巻５号（昭和４２年５月）に示されている。

本発明に於いては、外部電場印加後の外部電場を零にし
た場合の残留分極の少ないあるいは零であることが、本
発明の目的である残留変位の少ないことの必要条件であ
る。反強誘電相であること、すなわち、外部電場印加後
の外部電場を零にした場合の残留分極が少ないことある
いは、零であることは、電気機械結合係数Ｋｐの小さな
値として示される。本発明に適用される材料は、外部電
場印加後、外部電場を零にした時きわめて小さいあるい
は零の電気機械結合数Ｋｐを有することを要する。

反強誘電体磁器としては、ＰｂＺｒＯ３磁器がよく知ら
れているが、透明強誘電体磁器として注目されている
ＰＬＺＴ（Ｐｂ，−ＡＬａＡ（ＺｒｘＴｉｙ），−ＡＯ
３（但ｘ＋ｙ＝１））磁器もある組成領域では常温で反
強誘電体であることが知られている。反強誘電体は、そ
の電界Ｅ−分極Ｐヒステリシスを測定すると、第３図に
示すプロペラ型のいわゆるダブルヒステリシスを示す。
これは反強誘電体に強い電場を作用させると強誘電相に
転移するためである。第４図は比較のために示した通常
の強誘電体のＥ−Ｐヒステリシス特性で、これと比較す
ることによつて明らかなように、反強誘電体においては
通常の強誘電体とは異なつて外部電界が零の時は反強誘
電相に戻り残留分極を示さない。第５図ないし第Ｔ図を
参照して本発明を説明するに、図中１０は本発明による
電気・機械変換素子を全体として示す。本発明において
は、本発明による電気・機械変換素子１０が用いられる
温度範囲において、反強誘電相を示し、圧電効果の小さ
い、即ち例えば電場Ｅが零において電気機械結合係数ｋ
が１％以ｐ下であることが望まれる反強誘電体磁器板
１１を設ける。

この磁器板１１の両主面に電極となる導電層１２ａ及び
１２ｂを、蒸着、塗布等によつて被着する。そして、こ
の磁器板１１の一方の電極１２ｂに！電気的に連結す
るように他の基板例えば、第５図に示すように、他の金
属基板１３と貼り合せる。

この構造の素子１０において、その一端を固定した状態
で磁器板１１の金属基板１３と、この基板１３とは反対
側の電極１２ａとの間に電圧Ｖを印１加すると、この電
圧の大きさに応じて磁器板１１が収縮し、これによつて
素子１０の遊端が矢印ａに示す方向に変位する。第５図
に示した例では、磁器板１１を金属基板１３と層合させ
た場合であるが、第６図に示すように、更に金属基板１
３の背面にも例えば磁器板１１と同一若しくはほぼ同一
の組成を有し、その熱膨脹率が磁器板１１のそれと同等
若しくは近似する他の磁器板１１を貼り合せた構造とす
ることもできる。

この場合においても、電圧Ｖの印加によつて素子１０の
遊端が矢印ａに示す方向に変位する。このような構造と
するときは、素子１０の全体の構成が、熱膨脹率に関し
て対称構造を有するので熱の影響によつて素子１０に変
位が生ずるを回避できる〇尚、磁器板１１に対する印加
電圧の極性を反転させても、磁器板１１には、同一態様
の変形、即ち収縮が生ずるに過ぎないので、第５図及び
第６図の構造のものでは、印加電圧Ｖの極性を反転させ
ても矢印ａに示す一方向変位のみが生ずる。

第７図に示す構造のものでは金属基板１３を挟んで、２
枚の同一の磁器板１１を配し、信号電源Ｓの一方を金属
基板１３に接続し、各磁器板１１の他方の電極１２ａに
夫々ダイオードｄ１及びＤ２を介して電源Ｓの他方に接
続した構造とした場合である。この場合、電源Ｓの極性
に応じて両磁器板１１の一方に電圧が印加されるので、
印加電圧の極性に応じて素子１０は矢印ａ及びｂで示す
互に逆向きの変位を得ることができる。更に本発明を磁
器板１１の構成材料等を含めて具体的実施例について説
明する。

実施例１ｐｂ０．９Ｌａ０．１（ＺｒＱ６５ＴｌＯ．３５）α９
７５０３磁器を通常の磁器焼成方法により焼成した後、
長さ２５）Ｍ７ｌＬｌ幅５ｍ丸厚さ２５０μｍに加工し
て２枚の磁器板１１を構成し、夫々その両面にＡｕを蒸
着することによつて電極１２ａ及び１２ｂを被着する。

第８図はＰｂＯ．９ＬａＯ．ｌ（ＺｒＯ（５Ｔ１０．３
５）Ｑ９７５Ｏ３磁器の電界Ｅ一分極Ｐ特性を示すもの
で、これより明らかなようにそのヒステリシスループは
小さく、零電界附近にダブルヒステリシスとみられる異
状がみられる。そして、これら２枚の磁器板１１間に厚
さ１００μｍの燐青銅板より成る金属基板１３を挟んで
貼り合せ第９図に示すバイモルフ構造とした。このバイ
モルフ構造の素子１０を可動蔀分の長さが１８ｍｍとな
るようにその一端において固定し、第９図に示すように
電源１４にスイツチ１５を介して接続した。そして電源
１４の電圧を変えスイツチ１５を切換えて素子１０への
印加電圧の極性を反転させ、その変位量を測定したらそ
の結果を第１０図に示す。これより明らかなように、±
４５μｍの振幅に対し、残留変位が±１μｍ内に入つて
おり、従来の強誘電体磁器を用いたバイモルフに比し、
残留変位は十分小さくなつた。尚、実施例１で用いた磁
器の電気機械結合係数Ｋ，を測定したところ電場Ｅが零
においてＫ，＝０であつた。

この測定は次の方法で行なつた。実施例１の磁器を直径
１２．５ｍＴｆＬ１厚さ０．７９７１ＬＴ１Ｌの円板に
加工し、両面に銀Ａｇの電極を被着させた後、室温でＩ
ＲＥ規格（ＩＥＥ規格）による伝送法で磁器円板に直流
バイアス電圧を加えながら円板の広がり振動に対する電
気機械結合係数Ｋ，を求めた。その結果は、第１１図に
示すように、バイアス電界が１０ｋ／ＣＴｒＬではＫ，
＝１７％、バイアス電界零でＫｐ＝０の結果となつた。
したがつて、通常のＢａＴｌＯ３磁器やＰｂ（Ｚｒ，Ｔ
ｌ）０３系磁器のような強誘電体磁器のようにポーリン
グによつて圧電性を与えることは使用温度を室温程度と
する場合には不可能である。次に本発明の特徴を明確に
するために、比較例として、従来の強誘電体磁器を用い
たバイモルフの例を挙げる。

比較例１誘電率６３００、圧電定数Ｄ３ｌ＝３３０×１０１２Ｃ
／Ｎキユ一り一点１４１℃のＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）０３系
強誘電体磁器材料を用意した。

この磁器材料の分極Ｐと電場Ｅの関係は、第１２図に示
すような大きなヒステリシスを示す。また、誘電率の印
加電圧に対する関係も分域構造の変化を反映して、第１
３図に示すようなヒステリシスを示す。この磁器材料を
、第１４図に示すように長さ２６？Ｉｔｍ、幅４ｍｍ）
厚さ２５０μｍの板状磁器板２１に加工し、その両面に
Ａｕ電極２２を蒸着し、燐青銅板２３を挟んで貼り合せ
バイモルフ構造とする。そして、その一端を固定し、遊
端部の長さが１８ｍＴ♯になる様に固定し印加電界と変
位の関係を測定した。第１５図にその測定結果を示すも
のでこの場合、大きなヒステリシスを示し、振れ幅１０
４μｍに対し残留変位は１３μｍ程度であり、その比率
は１２．５％であつた。上述したように従来の電気・機
械変換素子としての圧電バイモルフは、強誘電体磁器を
用いたため、バイモルフとして駆動する場合、印加電場
により、分域構造が変化し、残留歪即ち残留変位が生ず
ることは避けられないものであつたが、本発明において
は、使用温度で反強誘電相にある磁器を用いたことによ
り、分域構造による残留歪を回避することができた。

尚、本発明による反強誘電相の磁器を用いる場合、強誘
電体磁器による場合に比し、変位量は小さくその感度は
小さいが、冒頭に述べたＶＴＲの磁気ヘツドの位置合せ
制御等において用いる場合の変位量としては十分である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の電気・機械変換素子の斜視図、第２図は
その電界一変位量曲線図、第３図及び第４図は夫々反強
誘電体及び強誘電体の電界一分極特性曲線図、第５図な
いし第７図は夫々本発明素子の例を示す路線的断面図、
第８図は同様の磁器の電界一分極特性曲線図、第９図は
本発明素子の一例の構成図、第１０図はその電界一変位
量の測定曲線図、第１１図は本発明に用いる磁器の電界
一電気機械結合係数の測定曲線図、第１２図は従来例に
用いる磁器の電界と分極の関係を示す曲線図、第１３図
は同様磁器の誘電率の電界依存性を示す曲線図、第１４
図は従来例の構成図、第１５図はその電圧−変位量測定
曲線図である。１０は本発明による電気・機械変換素子、１１は磁器板
、１２ａ及び１２ｂは電極、１３は金属基板である。

Claims

【特許請求の範囲】

１両主面に電極が被着され、使用温度範囲で反強誘電
相にある反強誘電体磁器板に、該磁器板と同一材の磁器
板又は他の基板が貼り合せられて成る電気・機械変換素
子。