JP2003536278A - 圧電湾曲変換器 - Google Patents
圧電湾曲変換器Info
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Classifications
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
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Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
(57)【要約】
良好な機械的撓み力、即ち比較的低い動作電圧で大きな撓みを示す、圧電湾曲変換器を提供するために、ガラス繊維（１４）及びアラミド繊維（１５）により強化された複合材から成り、２×１０-6／Ｋ以下の熱膨張率を有するガラスを含む支持体（２）と、この支持体（２）の少なくとも片面上に熱により接着した圧電セラミックスから成る被覆（４、５）とを有する圧電湾曲変換器（１）を製造する。支持体の低い熱膨張率により圧電セラミックスに予備応力を与えることにより動作時のセラミックスの膨張又は収縮を増大させることができる。
Description
【０００１】
本発明は、支持体の少なくとも片面上に圧電セラミックスが施された圧電湾曲
変換器に関する。
変換器に関する。
【０００２】
冒頭に記載した形式の圧電湾曲変換器は、間接的な、即ち逆の圧電効果（電歪
効果）を利用するため、即ち電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために
広く用いられている。湾曲変換器には、多数の技術的用途がある。かかる用途に
は、例えばインクジェットプリンタ用の圧電式印字ヘッドとして、マイクロホン
又はラウドスピーカ用の音響受信又は発信器として、加速度又は圧力測定用のセ
ンサとして、更には盲人用読み取り装置内のブライユ点字列、紡績機、空気弁、
記録測定装置又は非接触表面測定装置における制御素子としての使用がある。
効果）を利用するため、即ち電気エネルギーを機械エネルギーに変換するために
広く用いられている。湾曲変換器には、多数の技術的用途がある。かかる用途に
は、例えばインクジェットプリンタ用の圧電式印字ヘッドとして、マイクロホン
又はラウドスピーカ用の音響受信又は発信器として、加速度又は圧力測定用のセ
ンサとして、更には盲人用読み取り装置内のブライユ点字列、紡績機、空気弁、
記録測定装置又は非接触表面測定装置における制御素子としての使用がある。
【０００３】
欧州特許第０４５５３４２号及び欧州特許出願公開第０４６８７９６号明細書
では、湾曲変換器は層構造の形に組立てられている。その際、圧電セラミックス
は機械的安定性を改善し、又は電気エネルギーを機械エネルギーに良好に変換す
る目的で支持体上に施される。電気的接触化のため、圧電セラミックスは、場合
によっては両側面に、導電性材料から成る平面状の被覆の形で電極を備える。
では、湾曲変換器は層構造の形に組立てられている。その際、圧電セラミックス
は機械的安定性を改善し、又は電気エネルギーを機械エネルギーに良好に変換す
る目的で支持体上に施される。電気的接触化のため、圧電セラミックスは、場合
によっては両側面に、導電性材料から成る平面状の被覆の形で電極を備える。
【０００４】
用途に応じて、支持体の片面又は両面に、上記の層を備えてもよい。独国特許
第３４３４７２６号明細書によれば、電極を含めて複数の圧電セラミックスの層
を上下に積層する。圧電セラミックス層の数に応じて、モノ、バイ、トリモルフ
等、又はまとめてマルチモルフ圧電湾曲変換器と呼ばれている。
第３４３４７２６号明細書によれば、電極を含めて複数の圧電セラミックスの層
を上下に積層する。圧電セラミックス層の数に応じて、モノ、バイ、トリモルフ
等、又はまとめてマルチモルフ圧電湾曲変換器と呼ばれている。
【０００５】
本発明の課題は、良好な機械的撓み力、即ち比較的低い動作電圧で高度の撓み
力を示す、圧電湾曲変換器を提供することにある。
力を示す、圧電湾曲変換器を提供することにある。
【０００６】
この課題は、本発明によれば支持体が２×１０-6／Ｋ以下の熱膨張のガラスを
含み、圧電セラミックスから成る被覆が支持体上に接着された圧電湾曲変換器に
より解決される。
含み、圧電セラミックスから成る被覆が支持体上に接着された圧電湾曲変換器に
より解決される。
【０００７】
その際支持体は、ガラス自体、又はガラス繊維で強化された熱硬化性樹脂であ
ってもよい。
ってもよい。
【０００８】
広範なテストにより、５×１０-6／Ｋ以上の熱膨張率を示す通常ガラスに比べ
て、この種のガラスを使用した場合、湾曲変換器は同じ動作電圧で、より高い撓
みを示すことが判明した。熱膨張率が比較的低い場合、より良好な撓みと関連す
るものと推測される。
て、この種のガラスを使用した場合、湾曲変換器は同じ動作電圧で、より高い撓
みを示すことが判明した。熱膨張率が比較的低い場合、より良好な撓みと関連す
るものと推測される。
【０００９】
繊維で強化した熱硬化性樹脂の場合、その熱膨張率は主に使用される繊維に依
存するので、この支持体は、上述のガラスを使用した場合、その熱膨張率が分極
方向に垂直に短絡された状態で、通常４〜６×１０-6／Ｋの熱膨張率を持つ圧電
セラミックスより低い熱膨張率を示す。従って熱処理により、圧電セラミックス
から成る被覆を支持体と熱的に接着させる場合、圧電セラミックスは冷却後、い
わば予備応力を印加された儘となる。予備応力により生じた圧電セラミックスの
格子構造の歪みは、分極補助の効果をもつ。上記のガラスを含む支持体と熱的に
接着された圧電セラミックスは、同じ動作電圧で、この種の支持体と接着してい
ない圧電セラミックスよりも大きな長手方向への膨張又は収縮を示す。
存するので、この支持体は、上述のガラスを使用した場合、その熱膨張率が分極
方向に垂直に短絡された状態で、通常４〜６×１０-6／Ｋの熱膨張率を持つ圧電
セラミックスより低い熱膨張率を示す。従って熱処理により、圧電セラミックス
から成る被覆を支持体と熱的に接着させる場合、圧電セラミックスは冷却後、い
わば予備応力を印加された儘となる。予備応力により生じた圧電セラミックスの
格子構造の歪みは、分極補助の効果をもつ。上記のガラスを含む支持体と熱的に
接着された圧電セラミックスは、同じ動作電圧で、この種の支持体と接着してい
ない圧電セラミックスよりも大きな長手方向への膨張又は収縮を示す。
【００１０】
２×１０-6／Ｋ以下の熱膨張率を持つガラスは、例えばOwens Corning Adva
nced Materials社から、商品名“Ｓ２−ガラス”で販売されている。“Ｓ２−
ガラス”は、Owens Corning社の登録商標である。この“Ｓ２−ガラス”は、１
．６×１０-6／Ｋの熱膨張率を示す。勿論、圧電湾曲変換器に使用される上記の
範囲の熱膨張率を持つ、例えば石英ガラス等の他の全てのガラスも好適である。
nced Materials社から、商品名“Ｓ２−ガラス”で販売されている。“Ｓ２−
ガラス”は、Owens Corning社の登録商標である。この“Ｓ２−ガラス”は、１
．６×１０-6／Ｋの熱膨張率を示す。勿論、圧電湾曲変換器に使用される上記の
範囲の熱膨張率を持つ、例えば石英ガラス等の他の全てのガラスも好適である。
【００１１】
支持体が、ガラス繊維で強化された熱硬化性樹脂からなると有利である。これ
は、簡単かつ安価に製造できる利点を持つ。そのため、この支持体には所謂プリ
プレグ（未硬化の軟らかい含浸前の繊維を含む素材）を使用する。このプリプレ
グを被覆用に備えた圧電セラミックスと共に適当な型内に緩やかに収容する。軽
く圧縮することで、該プリプレグは圧電セラミックス又はその上に施された電極
の表面を濡らし、それと接着する。最後の熱処理により、このプリプレグは、非
可逆的に熱硬化性樹脂に硬化する。簡単な方法で湾曲変換器の構造部材の耐久的
で、安定した接合が行える。
は、簡単かつ安価に製造できる利点を持つ。そのため、この支持体には所謂プリ
プレグ（未硬化の軟らかい含浸前の繊維を含む素材）を使用する。このプリプレ
グを被覆用に備えた圧電セラミックスと共に適当な型内に緩やかに収容する。軽
く圧縮することで、該プリプレグは圧電セラミックス又はその上に施された電極
の表面を濡らし、それと接着する。最後の熱処理により、このプリプレグは、非
可逆的に熱硬化性樹脂に硬化する。簡単な方法で湾曲変換器の構造部材の耐久的
で、安定した接合が行える。
【００１２】
更に、この熱硬化性樹脂を付加的にアラミド繊維で強化するとよい。アラミド
繊維により支持体の機械的強度が高まるばかりか、アラミド繊維を入れることで
圧電湾曲変換器の機械的特性は更に改善される。即ちアラミドは−０．５×１０-6 ／Ｋ以下のマイナスの熱膨張率を示す。この方法で圧電セラミックスの予備応
力は製造処理後、更に高まる。好適なアラミドには、例えばデュポン社から“ケ
ブラー”の商品名で市販されているアラミド、又はAkzo Nobel社から“Twaron
”の商品名で入手可能なアラミドがある。
繊維により支持体の機械的強度が高まるばかりか、アラミド繊維を入れることで
圧電湾曲変換器の機械的特性は更に改善される。即ちアラミドは−０．５×１０-6 ／Ｋ以下のマイナスの熱膨張率を示す。この方法で圧電セラミックスの予備応
力は製造処理後、更に高まる。好適なアラミドには、例えばデュポン社から“ケ
ブラー”の商品名で市販されているアラミド、又はAkzo Nobel社から“Twaron
”の商品名で入手可能なアラミドがある。
【００１３】
本発明のもう１つの有利な実施形態では、それらの繊維が一方向に配列してお
り、支持体の所定の長手方向に並列に延びている。こうしてプリプレグを圧電セ
ラミックスから成る被覆と熱的に接着する際、圧電セラミックスに長手方向の予
備応力が加わる。即ち圧電セラミックスは、電界を両電極に印加すると、その膨
張又は収縮方向に、予備応力を印加される。加えて一方向の配向により、支持体
の最大の弾性率が長手方向に達成される。
り、支持体の所定の長手方向に並列に延びている。こうしてプリプレグを圧電セ
ラミックスから成る被覆と熱的に接着する際、圧電セラミックスに長手方向の予
備応力が加わる。即ち圧電セラミックスは、電界を両電極に印加すると、その膨
張又は収縮方向に、予備応力を印加される。加えて一方向の配向により、支持体
の最大の弾性率が長手方向に達成される。
【００１４】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が適する。プリプレグの状態の繊維で強化し
たエポキシ樹脂は、容易かつ安価に圧電湾曲変換器に加工できる。
たエポキシ樹脂は、容易かつ安価に圧電湾曲変換器に加工できる。
【００１５】
その際、支持体中のエポキシ樹脂の質量比が２５〜４５重量％であると、支持
体の特性にとって特に有利である。それにより同時に十分に高い硬度と、十分に
高い撓みが得られる。
体の特性にとって特に有利である。それにより同時に十分に高い硬度と、十分に
高い撓みが得られる。
【００１６】
本発明の実施例を図面により詳述する。図中同一部分には同じ符号を付す。
【００１７】
図１は、支持体２と、その上に施した圧電セラミックスから成る第１と第２の
被覆４、５とを持つバイモルフの湾曲変換器１を示す。この場合、前記圧電セラ
ミックスは、鉛−ジルコン酸塩の酸化物セラミックスである。支持体２は、ガラ
ス繊維で強化したエポキシ樹脂である。このガラス繊維はAdvanced Materials
社の“Ｓ２−ガラス”であり、１．６×１０-6／Ｋの熱膨張率を示す。付加的に
アラミド繊維を加えており、その重量比は４０：６０〜６０：４０であった。支
持体の出発材料としてエポキシ樹脂のプリプレグを用いた。このプリプレグを、
熱処理により圧電セラミックス製の層４、５と熱的に接着し、硬化させた。
被覆４、５とを持つバイモルフの湾曲変換器１を示す。この場合、前記圧電セラ
ミックスは、鉛−ジルコン酸塩の酸化物セラミックスである。支持体２は、ガラ
ス繊維で強化したエポキシ樹脂である。このガラス繊維はAdvanced Materials
社の“Ｓ２−ガラス”であり、１．６×１０-6／Ｋの熱膨張率を示す。付加的に
アラミド繊維を加えており、その重量比は４０：６０〜６０：４０であった。支
持体の出発材料としてエポキシ樹脂のプリプレグを用いた。このプリプレグを、
熱処理により圧電セラミックス製の層４、５と熱的に接着し、硬化させた。
【００１８】
湾曲変換器１は端子６を備え、これを各々支持体２上に配置した電極７及び８
とろう接により電気的に接続した。圧電セラミックスから成る層４、５の両面に
電極９、１１と１０、１２を平面状に設けた。支持体２の電極７、８（詳細には
図示せず）は、圧電セラミックスの層４、５が被せてある支持体２の個所に平面
としてではなく、織布又は並列するウェブの形で形成した。従ってこのプリプレ
グの熱処理時、未硬化のエポキシ樹脂は電極７、８を経て電極１１、１２上に流
れ、こうして支持体２の硬化時に圧電セラミックスから成る層４、５と電極を介
して接着された。圧電セラミックスの層４、５の電極９、１０、１１と１２を、
各々炭素ポリマーから成る平面状の被覆として形成した。圧電セラミックスに比
べ支持体２の熱膨張率が低いため、後者には熱接着時に予備応力が加わった。
とろう接により電気的に接続した。圧電セラミックスから成る層４、５の両面に
電極９、１１と１０、１２を平面状に設けた。支持体２の電極７、８（詳細には
図示せず）は、圧電セラミックスの層４、５が被せてある支持体２の個所に平面
としてではなく、織布又は並列するウェブの形で形成した。従ってこのプリプレ
グの熱処理時、未硬化のエポキシ樹脂は電極７、８を経て電極１１、１２上に流
れ、こうして支持体２の硬化時に圧電セラミックスから成る層４、５と電極を介
して接着された。圧電セラミックスの層４、５の電極９、１０、１１と１２を、
各々炭素ポリマーから成る平面状の被覆として形成した。圧電セラミックスに比
べ支持体２の熱膨張率が低いため、後者には熱接着時に予備応力が加わった。
【００１９】
図２は、図１に示す湾曲変換器１を拡大して切断した斜視図である。やはり圧
電セラミックスから成る層４、５と、その上に施した電極９、１１又は１０、１
２が見て取れる。支持体２上に施した電極７、８は、支持体２の長手方向に並列
に延びるウェブ１３として形成されている。ガラス繊維１４とアラミド繊維１５
を、一方向、即ち支持体２の長手方向に配置したことが明瞭に判る。かくしてプ
リプレグと圧電セラミックスから成る層４、５との熱接着時に、圧電セラミック
スに支持体２の長手方向の予備応力が生じる。繊維１４、１５の一方向の配向に
より、支持体２の長手方向に最大の撓みが生ずる。横方向の作用は無視できる。
電セラミックスから成る層４、５と、その上に施した電極９、１１又は１０、１
２が見て取れる。支持体２上に施した電極７、８は、支持体２の長手方向に並列
に延びるウェブ１３として形成されている。ガラス繊維１４とアラミド繊維１５
を、一方向、即ち支持体２の長手方向に配置したことが明瞭に判る。かくしてプ
リプレグと圧電セラミックスから成る層４、５との熱接着時に、圧電セラミック
スに支持体２の長手方向の予備応力が生じる。繊維１４、１５の一方向の配向に
より、支持体２の長手方向に最大の撓みが生ずる。横方向の作用は無視できる。
【００２０】
【図１】
本発明による圧電湾曲変換器の立体構造を示す図。
【図２】
図１の圧電湾曲変換器の一部を拡大して切断した斜視図。
１ 湾曲変換器
２ 支持体
４、５ 圧電セラミックスの層
６ 電気接続端子
７、８、９、１０、１１、１２ 電極
１３ ウェブ
１４ ガラス繊維
１５ アラミド繊維
Claims (6)
- 【請求項１】 ガラスを含む支持体（２）と、少なくとも支持体（２）の片
面上に熱により接着した圧電セラミックスから成る被覆（４、５）を持つ圧電湾
曲変換器において、前記ガラスが２×１０-6／Ｋ以下の熱膨張率を有することを
特徴とする圧電湾曲変換器。 - 【請求項２】 支持体（２）が、ガラス繊維（１４）により強化された熱硬
化性樹脂をから成ることを特徴とする請求項１記載の圧電湾曲変換器。 - 【請求項３】 熱硬化性樹脂が、付加的にアラミド繊維で強化されたことを
特徴とする請求項１又は２記載の圧電湾曲変換器。 - 【請求項４】 前記支持体（２）が長手方向に延びており、繊維（１４、１
５）が一方向及び長手方向に並列して配置されたことを特徴とする請求項２又は
３記載の圧電湾曲変換器。 - 【請求項５】 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請
求項２乃至４の１つに記載の圧電湾曲変換器。 - 【請求項６】 支持体（２）中のエポキシ樹脂の分量が２５〜４５重量％で
あることを特徴とする請求項８記載の圧電湾曲変換器。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10030.397.8 | 2000-06-21 | ||
| DE10030397 | 2000-06-21 | ||
| PCT/DE2001/002250 WO2001099205A1 (de) | 2000-06-21 | 2001-06-18 | Piezoelektrischer biegewandler |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003536278A true JP2003536278A (ja) | 2003-12-02 |
Family
ID=7646411
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002503955A Withdrawn JP2003536278A (ja) | 2000-06-21 | 2001-06-18 | 圧電湾曲変換器 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20040012308A1 (ja) |
| EP (1) | EP1292995A1 (ja) |
| JP (1) | JP2003536278A (ja) |
| KR (1) | KR20030010664A (ja) |
| CN (1) | CN1437771A (ja) |
| DE (1) | DE20122677U1 (ja) |
| TW (1) | TW512550B (ja) |
| WO (1) | WO2001099205A1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005315847A (ja) * | 2004-03-29 | 2005-11-10 | Kyocera Corp | 加速度センサ |
| JP2012178466A (ja) * | 2011-02-25 | 2012-09-13 | Wac Data Service Kk | アクチュエータおよび繊維機械用ユニット |
| JP7445574B2 (ja) | 2020-09-25 | 2024-03-07 | 株式会社Ｉｈｉエアロスペース | 発電機能性プリプレグシート及び発電機能性複合材と発電機能性プリプレグシートの製造方法 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100822775B1 (ko) * | 2005-06-28 | 2008-04-17 | 쿄세라 코포레이션 | 가속도 센서 및 그것을 이용한 자기 디스크 장치 |
| DE502005003241D1 (de) * | 2005-11-25 | 2008-04-24 | Festo Ag & Co | Piezo-Biegewandler |
| JP5391395B2 (ja) * | 2007-10-15 | 2014-01-15 | 日立金属株式会社 | 圧電薄膜付き基板及び圧電素子 |
| DE102017118220B4 (de) * | 2017-08-10 | 2020-02-06 | Dr. Schneider Kunststoffwerke Gmbh | Vibrationseinheit |
| TWI679559B (zh) | 2018-02-01 | 2019-12-11 | 矽統科技股份有限公司 | 使用者與觸控筆的互動方法以及觸控筆產品 |
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