JP2003134852A - 搬送装置の圧電駆動素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 搬送装置の圧電駆動素子として、電気的安全
性を確保するとともに耐久性を向上し得て信頼性を高
め、更には駆動電源の小型軽量化も可能とする。 【解決手段】 金属シム板２２に、両面に電極を有する
圧電セラミック素子２４を接合し、この圧電セラミック
素子２４に交流電圧を印加することで搬送装置の駆動源
とする素子２１にあって、前記金属シム板２２と圧電セ
ラミック素子２４との接合間に、絶縁セラミック板２３
を介在し電気的に絶縁した構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動を励起し小物
部品の搬送に好適する例えばフィ−ダの駆動源として使
用される搬送装置の圧電駆動素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば各種の自動組立工程におい
て、電子部品、樹脂成形部品、機械部品など比較的小形
の部品をはじめ、粉末体を搬送するためのフィーダとし
ては、駆動源に圧電セラミックス素子を用いた圧電型フ
ィーダ、或いは電磁石を駆動源とするフィーダがよく知
られている。しかるに、前者の圧電型フィーダは、後者
の電磁型フィーダと比較して、物品の搬送がスムーズ
で、消費電力が小さく、また金属性の搬送品に対し着磁
するおそれがないなどの特長があり、近年広く普及して
いる。

【０００３】そこで、図６および図７には、物品を直進
搬送するこの種の圧電型フィーダの基本的な一例を示し
ている。その構成につき概述すると、据付け面に接地
（アース）固定される基台１の上方部には、ほぼ水平方
向に延びる搬送用のトラフ２を配設していて、前記基台
１上に取付けられた水平枠片３と、前記トラフ２の下面
に取付けられた水平枠片４との間に、左右両端部におい
て斜め上下方向に延びる圧電駆動素子５，５と変位拡大
ばね６，６とを連結した構成としている。

【０００４】しかるに、前記圧電駆動素子５（１個の構
成につき述べる）は、具体的には図８の拡大斜視図に示
すように、金属シム板７として例えばＳＫ鋼を焼入れ処
理して、一般的な板ばね材に比べ厚み寸法を大きくした
矩形板状をなしていて、この金属シム板７の両面のほぼ
中央部に、それぞれ矩形薄板状の圧電セラミック板８，
８を貼り付け接合して構成するとともに、斯かる圧電セ
ラミック板８は、その両面に銀等の導電性ペーストを印
刷し焼き付けしてなる面状の電極９ａ，９ｂ（後述する
図９参照）を形成した後、分極処理して極性を持たせた
ものである。尚、前記金属シム板７の上下両端部には、
それぞれ２個のネジ止め用の透孔１０が形成されてい
て、図６，７に示すように該透孔１０を介して、下端部
では前記水平枠片３と、また上端部では前記変位拡大ば
ね６の下端部とそれぞれ連結固定される。

【０００５】そして、図９は図８中のＣ−Ｃ線に沿って
切断して示す断面図で、この図９を参照して、更に上記
圧電駆動素子５の細部の構成につき付言すると、前記金
属シム板７と圧電セラミック板８，８との接合には、導
電性を有する接着剤１１，１１にて貼り合わされ、接合
された内面側の電極９ｂと金属シム板７の電気的導通が
図られ、また面状の電極９ａ，９ｂは、圧電セラミック
板８のほぼ全面或は図示するように周縁部の一部を除い
て形成されている。

【０００６】斯くして、各外面側の上記電極９ａの中央
部には、図８に示すように銅箔１２が貼り付けられ、こ
の銅箔１２の表面に、または電極９ａに直接半田１３に
よりリード線１４が半田付けされている。このリード線
１４は、図６に示すように一方の電源端子１５に接続さ
れ、また他方の電源端子１６には、リード線１７により
金属シム板７と接続されている。尚、これら電源端子１
５，１６は図示しない駆動電源に接続されフィーダとし
て駆動すべくコントロールされる。

【０００７】これにより、図示しない電源からの交流電
圧が、リード線１４，１７を介して印加されると、各圧
電駆動素子５が励起されてたわみ振動し、図６，７に示
す上方向（縦方向）に伝達され変位拡大ばね６とで構成
される振動系の共振周波数で強い振動を起こし、前記ト
ラフ２上の物品１８を矢印Ｄ方向に移動させ、所謂直進
搬送するようにしている。尚、上記直進型のフィーダに
対し、図示しないが上部に搬送ボウルを備えたボウル型
フィーダも広く普及しており、上記と同様の原理機構に
て物品を螺旋搬送できるようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記構成の
フィーダによれば、特に図８に示すように圧電駆動素子
５は金属シム板７に圧電セラミック板８を直接貼り合せ
た構成としている。このため、圧電セラミック板８の接
合面側の電極９ｂと金属シム板７とが電気的に共通電位
にあり、更にこの金属シム板７は図６に示したように水
平枠片３を介して接地（アース）固定された基台１とも
電気的に繋がっており、このことは上記圧電セラミック
板８の接合面側の電極９ｂも接地（アース）状態にあ
る。

【０００９】従って、搬送装置としてのフィーダの絶縁
耐圧は、圧電セラミック板８に直接試験電圧が印加され
ることとなり、該圧電セラミック板８の圧電性能を劣化
させてしまうおそれが生じる。即ち、圧電セラミック板
８は、前記したように圧電性を付与すべく分極処理され
ているが、この圧電性の劣化や、極性が反転しないよう
に印加される電界としては、一般的に２〔ＫＶ／ｍｍ〕
以下である。しかも、圧電セラミック板８の厚みが薄く
なるほど耐電圧は低くなるため、ユーザーにて搬送装置
たるフィーダの耐電圧、接地間絶縁抵抗をチェックする
とき、その測定電圧が高いと圧電セラミック板８、所謂
圧電駆動素子５を劣化させてしまう事態を招くのであ
る。

【００１０】そこで、従来ではフィーダを駆動コントロ
ールする図示しない駆動電源に、電源回路間の電気的安
全を図るため絶縁トランスを設けるようにしている。し
かしながら、現状この種圧電型フィーダにあっては、搬
送品の小形化或いは多様化に伴い装置全体の小形化や、
高速搬送化が求められているのに対し、上記絶縁トラン
スを設けることは電源の小型化や軽量化に反するととも
に、圧電駆動素子５の振幅を大きくするといった高性能
化、および耐久性（長寿命）の向上による電気的安全性
をより高める要望に対しては、未だ十分とは言えなかっ
た。

【００１１】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、従ってその目的は、十分な絶縁耐圧が得られて電気
的安全性を確保するとともに耐久性にも富み、更には駆
動電源の小型軽量化も期待できる搬送装置の圧電駆動素
子を提供するにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の搬送装置の圧電駆動素子は、金属シム板の
片面または両面に、両面に電極を有する圧電セラミック
素子を接合し、この圧電セラミック素子に交流電圧を印
加することで搬送装置の駆動源とする素子にあって、前
記金属シム板と圧電セラミック素子との接合間に、絶縁
セラミック板を介在して電気的に絶縁したことを特徴と
する（請求項１の発明）。

【００１３】斯かる構成によれば、金属シム板と圧電セ
ラミック素子との間を絶縁したので、搬送装置として十
分な絶縁耐圧が得られて電気的安全性を確保するととも
に、絶縁セラミック板を介在したことで圧電駆動素子の
耐久性が向上し、より高い信頼性が得られる。また、駆
動電源には絶縁トランスを設ける必要がなくなり小型軽
量化ができるとともに、外部ノイズも受けにくくなるの
で、耐電圧特性を下げた回路部品を使用できてコスト的
にも有利となる。

【００１４】そして、請求項１記載のものにおいて、絶
縁セラミック板には、圧電セラミック素子と接合する側
に電極を形成し、該電極は前記圧電セラミック素子の一
方の電極と電気的に導通するるとともに、外部に導出し
てリード部としたことを特徴とする（請求項２の発
明）。

【００１５】斯かる構成によれば、絶縁セラミック板に
て絶縁された圧電セラミック素子の接合側の電極に対
し、該電極と導通し外部に導出したリード部を介してリ
ード線等の電気結線が容易にできる。

【００１６】また、請求項２記載のものにおいて、絶縁
セラミック板の電極は、枝状に延出した構成であること
を特徴とする（請求項３の発明）。

【００１７】斯かる構成によれば、枝状に延びる電極
は、圧電セラミック素子側の電極と確実に導通可能とな
るとともに、絶縁セラミック板と圧電セラミック素子と
は、この枝状電極部位を除いた比較的広い接合面が確保
でき、接合強度も十分に得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を搬送装置としての
フィーダの駆動源に適用した圧電駆動素子の一実施例に
つき、図１〜図５を参照して説明する。尚、圧電型のフ
ィーダの基本構成については、従来例（図６，７参照）
で述べた直進型のフィーダや、或いはボウル型のフィー
ダと同様につき、その図示および説明は省略する。

【００１９】まず、図１は、本実施例の圧電駆動素子２
１の構成を示す外観斜視図で、概述すると金属シム板２
２の例えば両面（そのうち一方のみ図示）に、それぞれ
絶縁セラミック板２３を介して圧電セラミック素子２４
を接合した基本的構成をなしている。具体的には、図２
〜図４も参照して以下に述べる。尚、図２は図１のＡ−
Ａ線に沿って切断して示す断面図で、図３は図１のＢ−
Ｂ線に沿って切断して示す上半部の断面図、および図４
は前記絶縁セラミック板２３の片面に施された電極パタ
ーン図である。

【００２０】しかして、まず前記金属シム板２２は、図
１に示すように例えばバネ材として用いられるＳＫ鋼を
焼入れ処理して構成され、本実施例では、例えば幅寸法
６８〔ｍｍ〕，縦寸法１０５〔ｍｍ〕，厚さ寸法８〔ｍ
ｍ〕とした縦長の矩形板状をなしている。この金属シム
板２２の上下両端部には、ねじ止め用の複数個の例えば
２個の透孔２５がそれぞれ形成されていて、この上端部
には図示しないフィーダの変位拡大ばねと連結され、下
端部には同じく図示しない基台側に不動状態に連結固定
され、該基台は据付け場所に接地（アース）固定されて
いる。

【００２１】そして、この金属シム板２２の両面に接合
される前記絶縁セラミック板２３，２３は、例えばチタ
ン酸鉛，ジルコン酸鉛を主成分とし、誘電率２０００程
度のソフト系材料が用いられ、その形状は例えば本実施
例では、幅寸法６１〔ｍｍ〕，縦寸法６４〔ｍｍ〕，厚
さ寸法０．３〔ｍｍ〕とする矩形薄板状をなしている。
この絶縁セラミック板２３の片面には、全体的に枝状を
なす電極２６が形成されている。この電極２６は、特に
図４に示すように並列な枝状に展開して延出された枝状
電極部２６ａと、外部に導出されリード部としての引出
し電極部２６ｂとからなり、銀，銅，カーボン等の電気
抵抗が小さくなる材質を用いて印刷法により形成されて
いる。

【００２２】しかして、斯かる絶縁セラミック板２３，
２３は、その反電極２６側を前記金属シム板２２の両面
に、例えばエポキシ系接着剤２７（図２参照）を用いて
貼り合わされて接合され、且つその電極２６側には前記
圧電セラミック素子２４，２４がやはりエポキシ系の接
着剤２８（図２参照）にて接合される。この圧電セラミ
ック素子２４は、上記絶縁セラミック板２３と同じセラ
ミック材料にして、且つ全体に若干小さい形状とする幅
寸法５９〔ｍｍ〕，縦寸法６１〔ｍｍ〕，厚さ寸法０．
７〔ｍｍ〕とする矩形薄板状の圧電セラミック板２９
と、その両面に周縁部の一部を除くほぼ全面に銀の導電
ペーストを印刷して焼き付けて形成された電極３０ａ，
３０ｂとを備え、この状態で所定の分極電界を印加する
ことにより分極処理され極性を有したものである。そし
て、上記のうちの一方の例えば電極３０ｂ側の面が、前
記した如く絶縁セラミック板２３に接合されている。

【００２３】この場合、圧電セラミック板２９は、図４
中の絶縁セラミック板２３上に二点鎖線で示した圧電セ
ラミック板２９の外形線２９ａが、その貼り付け位置を
示している。これから理解できるように、絶縁セラミッ
ク板２３の電極２６の引出し電極部２６ｂは、外部に導
出された状態に接合されるとともに、圧電セラミック板
２９の面状の電極３０ｂと、絶縁セラミック板２３の全
体に枝状をなす電極２６とは確実に導通状態が得られ
る。また、この枝状電極部２６ａを除く広い面上に接着
剤２８を塗布して貼り付けることで、十分な接合強度が
得られるようにしている。

【００２４】しかるに、上記圧電セラミック素子２４に
駆動電圧を印加するため、図１，２に示すようにリード
線３１，３２を引出し、図示しない駆動電源に接続され
ている。即ち、圧電セラミック板２９の外面側の電極３
０ａには、導電性粘着剤を付した銅箔３３を貼り付け、
この銅箔３３に一方のリード線３１が半田３４にて半田
付けされる。これに対し、他方のリード線３２は、圧電
セラミック板２９の接合面側の電極３０ｂに接続される
もので、当該電極３０ｂは絶縁セラミック板２３に形成
された電極２６から外部に導出された引出し電極部２６
ｂを経て、以下の手段にて接続される。即ち、特に図１
および図３に明示するように、上記引出し電極部２６ｂ
に一端を接した銅箔３５が、その他端が圧電セラミック
板２９の電極３０ａ上まで帯状に延ばして引出された形
態に形成されている。この銅箔３５と引出し電極２６ｂ
との電気的接続および固着手段としては、図３に示すよ
うに、この場合、導電性の接着剤３６として機能する銀
の導電ペーストを塗布し、乾燥硬化させて結合してい
る。

【００２５】しかるに、この銅箔３５は、圧電セラミッ
ク板２９の外面側の電極３０ａとは電気的に絶縁するた
め、該銅箔３５より幅広とした絶縁性の樹脂シート３７
が介在され貼り付けられている。この樹脂シート３７
は、例えば絶縁耐圧の高いポリイミド樹脂（または、銅
箔と樹脂を一体化したフレキシブルなフィルム基板でも
可）が採用されるとともに、その銅箔３５上に前記した
他方のリード線３２が半田３８にて半田付けされ、外方
に取り出されている。

【００２６】上記のようにして構成された圧電駆動素子
２１によれば、各々の圧電セラミック素子２４は、金属
シム板２２とはそれぞれ絶縁セラミック板２３を介して
完全に絶縁された状態で、図示しないフィーダの駆動源
として組み込まれ、従ってリード線３１，３２間に交流
電圧を印加することで、圧電セラミック板２９の伸縮に
伴うたわみ振動を起こし、図示しないトラフ上の物品を
移動させることができる。

【００２７】この場合、絶縁セラミック板２３が接合さ
れた圧電セラミック板２９の電極３０ｂ側からは、これ
と導通し該絶縁セラミック板２３に形成され外部に導出
された引出し電極部２６ｂを、一方のリード線３２を接
続するリード部として容易に取り出すことができ、ま
た、この枝状電極部２６ａを除く広い面にて両セラミッ
ク板２３，２９を接着できて十分な接合強度を得るに有
効である。

【００２８】そして、耐電圧性能は、圧電セラミック板
２９の両面の電極３０ａ，３０ｂから引出された共通の
リード線３１と、絶縁構成とした金属シム板２２との間
に、交流および直流ともそれぞれ１．５〔ＫＶ〕の高電
圧を１分間印加することで試験を行ない、これを１０回
繰り返し行なった結果は良好で、絶縁抵抗の低下など何
ら異常はなかった。従って、従来のように駆動電源に絶
縁トランスを設ける必要がなくなり小型軽量化ができる
とともに、外部ノイズも受けにくくなるので、耐電圧特
性を下げた回路部品を使用できてコスト低減も期待でき
る。

【００２９】しかるに、長期間の使用に伴う圧電駆動素
子２１の耐久性は、圧電セラッミック板２９が種々の応
力歪みなどを受けて疲労から生じるクラック（破損）に
委ねられていることから、絶縁性セラッミック板２３を
介在した本構成の圧電駆動素子２１（圧電セラッミック
板２９）において加速寿命試験を行ない、その耐久性能
につき検討した。

【００３０】そこで、まず試験条件につき説明すると、
フィーダとしては直径３９０〔ｍｍ〕の搬送未加工ボウ
ルを有するボウル型のフィーダを採用して、その駆動部
に後述する各試料の２個の圧電駆動素子を二組組み込
み、計４個の圧電駆動素子を同時に駆動させて試験し
た。この場合、駆動周波数は約１３０〔Ｈｚ〕、駆動電
圧は２３０〔Ｖ〕（実効値）、そして振動加速度（振動
振幅）は通常の使用状態の約４.５倍の加速度（振幅）
で連続運転駆動を行ない、各試料の圧電セラミック板に
クラックが生じるまでの時間に基づき振動回数を計算
し、その結果を圧電駆動素子の寿命（時間）として評価
した。

【００３１】因みに図５は、本発明者の行なった下記３
種類の圧電駆動素子の加速寿命試験の結果を示したもの
で、試験は、各試料について複数回ずつ行ない、その平
均寿命として横軸に上記振動回数を太線矢印で示した。
ここで、上記試料の構成条件とともに試験結果につき述
べると、まず図５から明らかなように試料「実施例品」
の試験結果による耐久性が秀でて優れていることが分か
る。この試料は、上記実施例で述べた圧電駆動素子２１
にあって、前記したように絶縁セラミック板２３を設け
絶縁耐圧の改善を図ったものであるが、耐久性について
も後述する他の例に比して最も長寿命となる好結果を得
た。

【００３２】これに対し、まず「比較例１」は、先の従
来技術の項で述べるとともに図８にて開示した圧電駆動
素子５に相当するもので、この耐久性能にあっては図５
に示す通り比較的良好な結果を得たが、前記したように
絶縁耐圧の問題を有している。次に、「比較例２」につ
き述べると、これは、やはり絶縁耐圧につき改善を図っ
た圧電駆動素子であって、これは上記「実施例品」の絶
縁セラミック板２３に代えて、柔軟性を有するポリイミ
ド樹脂からなる厚さ３０〔μｍ〕の絶縁フィルム（引出
し電極用に厚さ３０μｍの銅箔貼付）を介在してなる圧
電駆動素子を用意した。その結果、絶縁耐圧試験では上
記「実施例品」と同じく良好な結果を得て所期の目的を
達したが、加速寿命試験では図５から明らかな如く最も
短寿命の結果となり、上記従来品である「比較例１」よ
りも劣るものとなった。尚、各試料に組み込まれた圧電
セラミック板は、全て共通とし所謂「実施例品」に云う
圧電セラミック板２９を採用した。

【００３３】この結果から考察するに、「実施例品」の
耐久性能の好結果は、フィーダとして駆動させたとき駆
動電圧に対する圧電セラミック板２９と金属シム板２２
の変位に位相差を生じ、絶縁セラミック板２３（厚さ
０．３ｍｍ）を介在させたとき、その位相差により圧電
セラミック板２９に生じる応力歪みが緩和されているも
のと考えられる。ところが、これに類似構成でありなが
ら「比較例２」の柔らかい絶縁フィルム（厚さ３０μ
ｍ）を介在させた場合には、より位相差を大きくし当該
圧電セラミック板に生じる応力歪みを大きくして、それ
だけ早期クラックが生じ易くなったものと考えられる。

【００３４】また、本実施例（上記「実施例品」に同
じ）では、絶縁セラミック板２３の厚さ寸法を０．３
〔ｍｍ〕を用いたが、これに限らず例えば最小厚さは、
厚みが薄くなるほど耐電圧は低くなるので金属シム板２
２と圧電セラミック板２９との間に加わる耐電圧に耐え
る厚さにすればよく、一方、最大厚さは耐久性能および
フィーダとしての搬送性能に問題がない厚さにすればよ
く、試験では厚さ１．０〔ｍｍ〕まで問題ないことを確
認した。また、絶縁セラミック板２３の材質は、上記実
施例では圧電セラミック板２９と同一材料としたが、こ
れは所期の絶縁耐電圧性能が得られる材質であればよ
い。

【００３５】その他、本発明は上記し且つ図面に示す実
施例に限定されることなく、例えば絶縁セラミック板に
形成した枝状に延出した電極も、これに接合される電極
とが確実に電気的導通が得られる構成であればよく、ま
た圧電駆動素子は金属シム板の両面に圧電セラミック素
子を設けたものに限らず、片面のみに設けた駆動源の構
成でもよいなど、実施に際して本発明の要旨を逸脱しな
い範囲内で種々変更して実施し得るものである。

【００３６】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように、本
発明の搬送装置の圧電駆動素子は、金属シム板に圧電セ
ラミック素子を接合してなる搬送装置の圧電駆動素子に
あって、金属シム板と圧電セラミック素子との接合間
に、絶縁セラミック板を介在して電気的に絶縁する構成
とした。これにより、搬送装置として十分な絶縁耐圧が
得られて電気的安全性を確保するとともに、絶縁セラミ
ック板を介在したことで圧電駆動素子の耐久性が向上
し、より高い信頼性が得られる。また、駆動電源には絶
縁トランスを設ける必要がなくなり小型軽量化ができる
とともに、外部ノイズも受けにくくなるので、耐電圧特
性を下げた回路部品を使用できてコスト的にも有利で実
用に好適する搬送装置の圧電駆動素子を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す圧電駆動素子の外観斜
視図

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って切断して示す断面図

【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿って切断し、その上半部を
示す断面図

【図４】絶縁セラミック板に形成した電極パターン図

【図５】加速寿命試験結果を示す図

【図６】従来例を示す圧電型フィーダの作用説明図

【図７】フィーダの概略構成を示す外観斜視図

【図８】図１相当図

【図９】図８のＣ−Ｃ線に沿って切断して示す断面図

【符号の説明】

図面中、２１は圧電駆動素子、２２は金属シム板、２３
は絶縁セラミック板、２４は圧電セラミック素子、２６
は電極、２６ａは枝状電極部、２６ｂは引出し電極部
（リード部）、２９は圧電セラミック板、３０ａ，３０
ｂは電極、３３，３５は銅箔、および３７は樹脂シート
を示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属シム板の片面または両面に、両面に
   電極を有する圧電セラミック素子を接合し、この圧電セ
   ラミック素子に交流電圧を印加することで搬送装置の駆
   動源とする素子にあって、 前記金属シム板と圧電セラミック素子との接合間に、絶
   縁セラミック板を介在して電気的に絶縁したことを特徴
   とする搬送装置の圧電駆動素子。
2. 【請求項２】 絶縁セラミック板には、圧電セラミック
   素子と接合する側に電極を形成し、該電極は前記圧電セ
   ラミック素子の一方の電極と電気的に導通するるととも
   に、外部に導出してリード部としたことを特徴とする請
   求項１記載の搬送装置の圧電駆動素子。
3. 【請求項３】 絶縁セラミック板の電極は、枝状に延出
   した構成であることを特徴とする請求項２記載の搬送装
   置の圧電駆動素子。