JP2004289067A

JP2004289067A - 圧電バイモルフ

Info

Publication number: JP2004289067A
Application number: JP2003082250A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Nakabo; 年宏中坊; Takanori Tsunoda; 孝典角田
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】取付設置スペースを低減し、固定部の信頼性を向上し、部品点数を少なく、作業工数を減少する。
【解決手段】細長の絶縁弾性補強板１一側部の表面及び裏面に部分的に形成された表面電極１ａ及び裏面電極１ｂと、前記両電極１ａ、１ｂを短絡した短絡体１１と、補強板１一側部の表面に装着され、内面電極２ｂが表面電極１ａに導通された圧電セラミックス表面板２と、補強板１一側部の裏面に装着され、内面電極３ｂが裏面電極１ｂに導通された圧電セラミックス裏面板３と、補強板１他側部の表面に実装された電子回路部５と、表面板２の外面電極２ａ、裏面板３の外面電極３ａ及び表面電極１ａをそれぞれ電子回路部５に接続した接続手段とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁弾性補強板の表面及び裏面に圧電セラミックス表面板及び圧電セラミックス裏面板を装着した圧電バイモルフに関する。
【０００２】
【従来の技術】
第１従来例の圧電バイモルフを図６を参照して説明する。同図Ａに示すように、金属製弾性補強板Ｄの表面及び裏面に、ＰＺＴ製の分極方向を同方向にし、表面及び裏面に膜状電極が形成された圧電セラミックス表面板２及び圧電セラミックス裏面板３が装着され、補強板Ｄ及び表面板２、裏面板３の基部が固定治具４に固定され、固定治具４が接着剤により所定の箇所に固定される。
【０００３】
そして、補強板Ｄ及び表面板２、裏面板３は、別体で設置された交流電圧源からなる電子回路部５に、リード線６ａ及び６ｂ、６ｃにより接続され、外部電源からの電力入力により、ある位相の電圧が印加された時、表面板２が長手方向に縮むと同時に、裏面板３が長手方向に伸び、補強板Ｄ、表面板２、裏面板３全体の先端部が上方へ変位する。つぎに、逆の位相の電圧が印加された時、表面板２が長手方向に伸びると同時に、裏面板３が長手方向に縮み、全体の先端部が下方に変位し、圧電バイモルフアクチュエータを構成している。
そして、同図Ｂに示すように、補強板Ｄの先端部に透設された透孔７に、フィンとしての弾性板８を取り付け、圧電バイモルフファンを構成している。
【０００４】
この場合、電子回路部５より、補強板Ｄと弾性板８全体の寸法を考慮した共振周波数の正弦波電圧を印加することにより、弾性板８の先端部に大きい振幅を得るようにしている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
つぎに、第２従来例の圧電バイモルフを図７を参照して説明する。同図において、１は絶縁弾性補強板、１ａ、１ｂは補強板１の表面及び裏面に形成された表面電極、裏面電極、９は補強板１の表面から裏面に貫通したスルーホールであり、半田メッキ処理が施され、表面電極１ａと裏面電極１ｂとを短絡している。
【０００６】
２ａは補強板１の表面に装着された圧電セラミックス表面板２の外面（図７Ａでは上面）に形成された外面電極、２ｂは表面板２の内面（図７Ａでは下面）に形成された内面電極であり、補強板１の表面電極１ａに接合して導通している。
【０００７】
３ａは補強板１の裏面に装着された圧電セラミックス裏面板３の外面（図７Ａでは下面）に形成された外面電極、３ｂは裏面板３の内面（図７Ａでは上面）に形成された内面電極であり、補強板１の裏面電極１ｂに接合して導通し、補強板１の表面電極１ａ、裏面電極１ｂ、表面板２の内面電極２ｂ及び裏面板３の内面電極３ｂが導通状態になっている。
【０００８】
そして、補強板１の表面電極１ａ及び裏面電極１ｂが、表面板２及び裏面板３の一側より突き出ており、その突き出た部分にリード線が半田付けにより接続され、リード線により交流電圧源に接続されている。
また、補強板１の表面板２、裏面板３の他側より突き出た部分が取付部１０となり、負荷物取付用の透孔７が形成されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１１０７９６号公報（第２頁、図１、図２）
【００１０】
【特許文献２】
特開２００１−３４５４９１号公報（第３頁、第４頁、図１〜図３）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前記第１従来例の場合、金属製弾性補強板Ｄ、圧電セラミックス表面板２、圧電セラミックス裏面板３を固定した固定治具４が、接着剤により所定の箇所に接着して固定されるため、振動により接着部分に剥離等の異常が発生し易く、固定部の信頼性が低下するという問題点がある。
【００１２】
さらに、交流電圧源からなる電源・制御の電子回路部５が補強板Ｄ等と別体で設置されるため、取付設置の広いスペースを要し、その上、電子回路部５と補強板Ｄ、表面板２、裏面板３とを、リード線６ａ、６ｂ、６ｃにより接続しなければならず、作業工数が増大し、かつ、各リード線６ａ、６ｂ、６ｃの長い接続スペースを要するという問題点がある。
【００１３】
また、前記第２従来例の場合、絶縁弾性補強板１の表面及び裏面に部分的に表面電極１ａ及び裏面電極１ｂが形成され、圧電セラミックス表面板２の内面電極２ａが表面電極１ａに接合導通され、圧電セラミックス裏面板３の内面電極３ａが裏面電極１ｂに接合導通されているが、電源・制御の電子回路部が別体で設置されているため、第１従来例の場合と同様、取付設置の広いスペースを要する上、全体を長いリード線により接続しなければならず、作業工数が増大し、長いリード線の接続スペースを要するという問題点がある。
本発明は、前記の点に留意してなされたものであり、取付設置スペースを低減し、固定部の信頼性を向上し、かつ、部品点数が少なく、作業工数を減少する圧電バイモルフを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の圧電バイモルフは、細長の絶縁弾性補強板一側部の表面及び裏面に部分的に形成された表面電極及び裏面電極と、前記両電極を短絡した短絡体と、
前記補強板一側部の表面に装着され、内面電極が前記表面電極に導通された圧電セラミックス表面板と、前記補強板一側部の裏面に装着され、内面電極が前記裏面電極に導通された圧電セラミックス裏面板と、
前記補強板他側部の表面に実装された電子回路部と、前記表面板の外面電極、前記裏面板の外面電極及び前記表面電極をそれぞれ前記電子回路部に接続した接続手段とを備えたものである。
【００１５】
前記のように構成された本発明の圧電バイモルフは、細長の絶縁弾性補強板一側部の表面電極に、圧電セラミックス表面板の内面電極が装着されて導通し、表面電極に短絡した補強板の裏面電極に、圧電セラミックス裏面板の内面電極が装着されて導通し、補強板他側部の表面に電子回路部が実装され、表面板の外面電極、裏面板の外面電極及び表面電極がそれぞれ電子回路部に接続されているため、電子回路部が補強板と別体でなく補強板と一体構成であり、設置スペースが低減し、各電極と電子回路部との距離が短く、接続スペースが低減し、部品点数が少なく、作業工数が減少する。
【００１６】
そして、補強板他側部の表面にプリントサーキットを形成し、プリントサーキットに電子回路部の部品を実装し、補強板の表面電極をプリントサーキットに接続し、表面板の外面電極をリード線によりプリントサーキットに接続し、裏面板の外部電極をリード線により補強板の裏面に接続し、その裏面より導通体を介して補強板の表面に導通してプリントサーキットに接続するのが望ましい。
【００１７】
この場合、補強板他側部の表面にあらかじめプリントサーキットを形成でき、そのプリントサーキットに電子回路部の各部品を実装でき、電子回路部の構成が容易であり、電子回路部と各電極との接続距離が短く接続スペースが減少するともに、接続が容易で作業工数が減少する。
【００１８】
また、表面板及び裏面板の装着部と、電子回路部の実装部との間の絶縁弾性補強板に、補強板を取り付ける取付孔を形成するのが好ましい。
この場合、補強板に形成した取付孔と補強板を取り付ける取付体にビス等を挿通して補強板を強固に取り付けることができ、固定部の信頼性が向上する。
【００１９】
そして、表面板及び裏面板に、電子回路部より駆動電力を入力して表面板及び裏面板を変位させるようにし、アクチュエータとすることができる。
【００２０】
さらに、補強板一側部の表面板及び裏面板より突き出た取付部に弾性板を取り付け、ファンとすることができる。
また、電子回路部に蓄電回路を設け、ジェネレータとすることも可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を示した図１ないし図５において図７と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、まず実施の１形態を図１を参照して説明する。
絶縁弾性補強板１は細長であり、補強板１一側部（図１Ａでは右側部）の表面及び裏面にそれぞれ部分的に表面電極１ａ及び裏面電極１ｂが形成され、補強板１の表面から裏面にスルーホール９が貫通し、スルーホール９に半田メッキ処理等の導電処理が施され、導電処理による短絡体１１により、表面電極１ａと裏面電極１ｂとが短絡されている。
【００２２】
圧電セラミックス表面板２の外面全面（図１Ａでは上面）に外面電極２ａ、内面全面（図１Ａでは下面）に内面電極２ｂが、塗布・焼き付け等により形成され、表面板２が補強板１の表面に装着され、内面電極２ｂが表面電極１ａに接合して導通している。
【００２３】
圧電セラミックス裏面板３の外面（図１Ａでは下面）に外面電極３ａ、内面（図１Ａでは上面）に内面電極３ｂが形成され、裏面板３が補強板１の裏面に装着され、内面電極３ｂが裏面電極１ｂに接合して導通している。
【００２４】
補強板１一側部の表面板２、裏面板３より突き出た取付部１０に透孔７が形成され、フィン等の弾性板が取り付けられる。
【００２５】
補強板１他側部の表面にプリントサーキット１２が形成され、プリントサーキット１２に電子回路部５の部品が実装され、プリントサーキット１２から長寸の第１接続部１２ａと短寸の第２接続部１２ｂ、第３接続部１２ｃが一体に延設されている。
【００２６】
第１接続部１２ａは表面電極１ａに接続されている。この場合、表面電極１ａ、プリントサーキット１２及び第１接続部１２ａを、補強板１の表面に同時に一体に形成するようにしてもよい。
第２接続部１２ｂの先端部と表面板２の外面電極２ａが、リード線６ｂにより接続されている。
【００２７】
第３接続部１２ｃの先端部において、補強板１の表面から裏面に貫通したスルーホールに導通体１３が埋設され、導通体１３の上端部が第３接続部１２ｃの先端部に接続され、導通体１３の下端部と裏面板３の外面電極３ａが、リード線６ｃにより接続されている。
【００２８】
表面板２、裏面板３の装着部と、電子回路部５の装着部との間の補強板１に、補強板１を取り付ける取付孔１４が形成され、取付孔１４に取付用ビス等を挿通して補強板１が取付体（図示せず）に強固に取り付けられる。
【００２９】
そして、電源・制御回路の電子回路部５より表面板２及び裏面板３に駆動電力を入力して表面板２及び裏面板３を補強板１とともに変位させ、アクチュエータとすることができる。
【００３０】
実施の他の形態を図２を参照して説明する。この形態は、図１に示す形態の取付部１０の透孔７と、フィン等の弾性板８の基部にビス等を挿通し、補強板１に弾性板８を取り付けてファンとしたものである。
また、電子回路部５に、補強板１に変位を与えた際に生じる電荷を蓄積するための蓄電回路を実装することにより、ジェネレータとすることができる。
【００３１】
図１に示す前記形態において、補強板１の表面電極１ａと裏面電極１ｂとを短絡する手段として、スルーホール９の短絡体１１について説明したが、図３に示すように、補強板１側面の短絡体１１ａにより、表面電極１ａの側部と裏面電極１ｂの側部とを短絡するようにしてもよい。
【００３２】
なお、前記本発明の実施の形態においては、絶縁弾性補強板１の表面及び裏面に、ＰＺＴ製の分極方向を同方向にし、外面及び内面に膜状電極が形成された圧電セラミックス表面板２及び圧電セラミックス裏面板３が装着された形態（一般に並列型バイモルフと称する）を例示したが、本発明の実施の他の形態として、絶縁弾性補強板の表面及び裏面に、ＰＺＴ製の分極方向を異方向にし、外面及び内面に膜状電極が形成された圧電セラミックス表面板及び圧電セラミックス裏面板が装着された形態（一般に直列型バイモルフと称する）においても、全く同様の効果がある。
【００３３】
【実施例１】
絶縁弾性補強板にガラス繊維強化エポキシ樹脂製のものを用い、圧電セラミックス表面板及びに圧電セラミックス裏面板に、ＰＺＴ製の矩形板の表面、裏面に銀電極を形成して分極処理したものを用い、補強板の表面及び裏面に表面板及び裏面板を導電性接着剤により貼付し、加熱硬化し、図１に示す構成にするとともに、電子回路部は図４に示す回路とし、圧電バイモルフアクチュエータの補強板を取付孔により強固な板上にビスにより取り付けた。
【００３４】
【比較例１】
図２に示す第２従来例の圧電バイモルフを、接着剤により強固な板上に取り付けた。この時、表面板及び裏面板は、実施例１と同素材で、実働有効長が等しくなるようにし、補強板とは別体の電子回路部にリード線で接続し、同様の回路形成にした。
【００３５】
【実施例２】
実施例１の補強板の先端部に、図２に示す弾性板を取り付けた。
【００３６】
【比較例２】
比較例１の補強板の先端部に、図６Ｂに示す弾性板を取り付けた。
【００３７】
前記４種類の圧電バイモルフを、９０Ｈｚ、５００ｖ／ｍｍの駆動電圧で駆動し、実施例１、比較例１のアクチュエータ変位量０．１ｍｍ、実施例２、比較例２の弾性板先端の変化量１０ｍｍを得た。
表１に各圧電バイモルフの占有面積を示す。
【００３８】
【表１】

【００３９】
表１に示すように、実施例１、実施例２の占有面積は、比較例１、比較例２に比し、格段に少ない。
更に、前記４種類の圧電バイモルフを、前記の条件で３秒ＯＮ−３秒ＯＦＦの繰り返しテストを行い、固定箇所の長期信頼性を評価した。
【００４０】
最高１０万回のＯＮ／ＯＦＦを繰り返した結果、表２に示すように、実施例１、実施例２では、ビス止め部分にゆるみ、破損等の異常はなかったが、比較例１では８７０００回、比較例２では７８０００回で接着部分に剥離等の異常が発生した。
【００４１】
【表２】

【００４２】
【実施例３】
実施例１と同様、図１に示す構成の電子回路部に、図５に示す蓄電回路を設け、圧電バイモルフジェネレータとし、補強板の取付孔により強固な板上に取り付けた。図５において、１５は蓄電回路を形成する蓄電器、１６はダイオードである。
【００４３】
【比較例３】
比較例１と同様、図２に示す構成の補強板を接着剤により強固な板上に取り付け、別体の蓄電回路の電子回路部にリード線で接続し、ジェネレータとした。
【００４４】
前記実施例３、比較例３のジェネレータの補強板先端部に、３Ｈｚ、変位量０．５ｍｍの振動を１分間与え、蓄電回路で蓄電した後、放電抵抗（図示せず）で完全放電した。
【００４５】
実施例３、比較例３の占有面積は、実施例１、比較例１の場合と同様、実施例３の方が格段に少ない。
更に、実施例３、比較例３のジェネレータを、前記の条件で充放電繰り返しテストを行い、固定箇所の長期信頼性を評価した。
【００４６】
最高３万回の充放電を繰り返した結果、表３に示すように、実施例３では、ビス止め部分にゆるみ、破損等の異常はなかったが、比較例３では２３０００回で接着部分に剥離等の異常が発生した。
【００４７】
【表３】

【００４８】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
細長の絶縁弾性補強板１一側部の表面電極１ａに、圧電セラミックス表面板２の内面電極２ｂが装着されて導通し、表面電極１ａに短絡した補強板１の裏面電極１ｂに、圧電セラミックス裏面板３の内面電極３ｂが装着されて導通し、補強板１他側部の表面に、電子回路部５が実装され、表面板２の外面電極２ａ、裏面板３の外面電極３ａ及び表面電極１ａがそれぞれ電子回路部５に接続されているため、電子回路部５が補強板１と別体でなく補強板１と一体構成であり、設置スペースが低減し、各電極と電子回路部５との距離が短く、接続スペースが低減し、部品点数が少なく、作業工数が減少する。
【００４９】
そして、補強板１他側部の表面にプリントサーキット１２を形成し、プリントサーキット１２に電子回路部５の部品を実装し、補強板１の表面電極１ａをプリントサーキット１２に接続し、表面板２の外面電極２ａをリード線６ｂによりプリントサーキット１２に接続し、裏面板３の外部電極３ａをリード線６ｃにより補強板１の裏面に接続し、その裏面より導通体１３を介して補強板１の表面に導通してプリントサーキット１２に接続するのが望ましく、補強板１他側部の表面にあらかじめプリントサーキット１２を形成でき、そのプリントサーキット１２に電子回路部５の各部品を実装でき、電子回路部５の構成が容易であり、電子回路部５と各電極との接続距離が短く接続スペースが減少するともに、接続が容易で作業工数を減少することができる。
【００５０】
また、表面板２及び裏面板３の装着部と、電子回路部５の実装部との間の絶縁弾性補強板１に、補強板１を取り付ける取付孔１４を形成することにより、補強板１に形成した取付孔１４と補強板１を取り付ける取付体にビス等を挿通して補強板１を強固に取り付けることができ、固定部の信頼性を向上することができる。
【００５１】
そして、表面板２及び裏面板３に、電子回路部５より駆動電力を入力して表面板２及び裏面板３を変位させるようにし、アクチュエータとすることができる。さらに、補強板１一側部の表面板２及び裏面板３より突き出た取付部１０に弾性板８を取り付け、ファンとすることができる。
また、電子回路部５に蓄電回路を設け、ジェネレータとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の１形態を示し、Ａは正面図、Ｂは平面図である。
【図２】本発明の実施の他の形態を示し、Ａは正面図、Ｂは平面図である。
【図３】図１の一部の他の例を示す斜視図である。
【図４】本発明の１例の回路図である。
【図５】本発明の他の例の回路図である。
【図６】第１従来例を示し、Ａは正面図、Ｂは他の例の正面図である。
【図７】第２従来例を示し、Ａは正面図、Ｂは正面図である。
【符号の説明】
１絶縁弾性補強板
１ａ表面電極
１ｂ裏面電極
２圧電セラミックス表面板
２ａ外面電極
２ｂ内面電極
３圧電セラミックス裏面板
３ａ外面電極
３ｂ内面電極
５電子回路部
６リード線
１１短絡体
１２プリントサーキット

Claims

細長の絶縁弾性補強板一側部の表面及び裏面に部分的に形成された表面電極及び裏面電極と、
前記両電極を短絡した短絡体と、
前記補強板一側部の表面に装着され、内面電極が前記表面電極に導通された圧電セラミックス表面板と、
前記補強板一側部の裏面に装着され、内面電極が前記裏面電極に導通された圧電セラミックス裏面板と、
前記補強板他側部の表面に実装された電子回路部と、
前記表面板の外面電極、前記裏面板の外面電極及び前記表面電極をそれぞれ前記電子回路部に接続した接続手段と
を備えたことを特徴とする圧電バイモルフ。
絶縁弾性補強板他側部の表面にプリントサーキットが形成され、
前記プリントサーキットに電子回路部の部品が実装され、
前記補強板の表面電極が前記プリントサーキットに接続され、
圧電セラミックス表面板の外面電極がリード線により前記プリントサーキットに接続され、
圧電セラミックス裏面板の外部電極がリード線により前記補強板の裏面に接続されるとともに、前記裏面より導通体を介して前記補強板の表面に導通されて前記プリントサーキットに接続された
ことを特徴とする請求項１記載の圧電バイモルフ。
圧電セラミックス表面板及び圧電セラミックス裏面板の装着部と、電子回路部の実装部との間の絶縁弾性補強板に、該補強板を取り付ける取付孔を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電バイモルフ。
圧電セラミックス表面板及び圧電セラミックス裏面板に、電子回路部より駆動電力を入力して前記表面板及び前記裏面板を変位させ、アクチュエータとしたことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の圧電バイモルフ。
絶縁弾性補強板一側部の圧電セラミックス表面板及び圧電セラミックス裏面板より突き出た取付部に弾性板を取り付け、ファンとしたことを特徴とする請求項４記載の圧電バイモルフ。
電子回路部に蓄電回路を設け、ジェネレータとしたことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３記載の圧電バイモルフ。