JP2006080318A

JP2006080318A - 圧電アクチュエーター

Info

Publication number: JP2006080318A
Application number: JP2004263149A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kaneko; 誠金子
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2006-03-23

Abstract

【課題】変位量が大きく、信頼性が高く、その上、製造しやすく、安価な圧電アクチュエーターを提供する。
【解決手段】圧電セラミクス板１ａ、１ｂがシム材２の両面に接着されたバイモルフ型の圧電アクチュエーターである。シム材２は、プリプレグで構成され、シム材２からの電極を取り出す電線の導体４が圧電セラミクス板１ａとシム材２とに挟まれて固定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、屈曲変形を行う圧電振動子を用いた圧電アクチュエーターに関し、特に、ダイヤフラムに用いて好適な圧電アクチュエーターに関する。

従来、この種の圧電アクチュエーターは、電磁式のアクチュエーターに比ベ、小型、特に薄型で消費電力が小さいことから各種電子機器に搭載され、用途が拡大している。これに伴って、特性の向上、特に変位量の拡大が要求されるようになってきた。また、長期の連続動作に耐えうる耐疲労性も求められている。

例えば、圧電アクチュエーターに用いられる振動子として、圧電バイモルフと呼ばれる圧電セラミクス板からなる振動子がある。この振動子は、従来、圧電セラミクス板２枚でシム材と呼ばれる金属材料製の板状の中間層を挟み込む形で構成されていた（例えば特許文献１参照）。また、円盤型の圧電バイモルフでは、図５に示すように、屈曲振動させるための電気的導通を得る電源取り出し線は、シム材９の一部を接着面からはみ出させる形で外側に張り出して形成しておき、この部分と、圧電セラミクス板８ａ、８ｂの表面に形成された電極とに電線１０ａ、１０ｂ、１０ｃを半田点１１ａ、１１ｂ、１１ｃで半田付けするなどして構成されていた。

また、このような圧電バイモルフは、次のようにして製造されていた。図４（ｂ）に示すように、まず、一般的な粉末冶金法により得られた圧電セラミクス板８ａ、８ｂの表面に、銀電極を形成して圧電素子を得る。次に、この圧電素子の電極が形成されていない面に接着剤を印刷する。さらに、圧電素子とシム材９を接着し、加圧加熱し、接着剤を熱硬化させる。次いで、電線１０ａを、シム材９、電線１０ｂ、１０ｃを、それぞれ圧電セラミクス板８ａ、８ｂの表面電極に半田付けする。最後に、型に入れてシリコン樹脂でモールド処理して、従来の圧電バイモルフが得られる。

特開平８−２９３６３１号公報

しかしながら、金属材料を中間層とした場合、金属材料自体の剛性が高いため金属板を変形させること自体にエネルギーが使われてしまい、変位量が限られてしまうという問題があった。また、金属板と圧電セラミクスの接着を熱硬化型の接着剤で行った場合、圧電セラミクスに比べ金属板の熱膨張率が大きいため、接着剤熱硬化後の冷却時に金属板の収縮の方が圧電セラミクス板より大きくなり、結果として圧電セラミクス板に圧縮応力がかかった状態で接着され、圧電材料特性から算出されるアクチュエーターとしての特性よりも性能が低くなってしまうという問題があった。また、金属板と圧電セラミクスの接着を嫌気型の接着剤で行った場合、接着面積が大きい場合など接着層を真空にすることができず接着不十分になるという問題があった。さらに耐疲労性に関しては、金属板を中間層として圧電バイモルフを構成した場合、圧電セラミクス板と金属板は５〜２０μｍ程度の接着剤層で接着されるが、電圧印加により伸び縮みする圧電板と金属板の間には動作中常に剪断応力がかかる形となり接着強度が長期的に持たないという問題があった。また、シム材として使用されるリン青銅板、４２Ｎｉ合金などは湿度などの影響で酸化し、製造時の特性は長期的には維持できないという問題もあった。

また、製造時には、例えば、円盤型の圧電アクチュエーターでは、円盤型のシム材の外周部の一部から半田を取り付けるために必要な３ｍｍ×３ｍｍ程度の張り出しを設ける必要があるが、このような異形の金属板を製作するためにはエッチングなどの加工が必要になるため価格が高くなるという問題があった。また、半田付けを行うことから、このための作業が必要になる上、露出した半田点の処理を行う必要もあった。

そこで、本発明は、上記の課題を解決し、変位量が大きく、信頼性が高く、その上製造しやすく、安価な圧電アクチュエーターを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、圧電体の歪み変化を応用する圧電バイモルフにおいて、シム材と呼ばれる中間層をプリプレグで構成することで、変位量を大きくし、耐疲労性を強化し、さらに、安価に製造することを特徴とする。プリプレグは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維もしくは一方向に引き揃えた繊維等に未硬化の熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂など)を含浸させたシート状のものである。

即ち、本発明は、圧電セラミクス板がシム材の両面に接着されたバイモルフ型の圧電アクチュエーターにおいて、前記シム材は、プリプレグで構成され、前記シム材からの電極を取り出す電線の導体の先端部が前記圧電セラミクス板の一方と前記シム材とに挟まれて固定されていることを特徴とする圧電アクチュエーターである。

上記の構成とすることにより、圧電バイモルフの中間層に、特にヤング率の小さい炭素繊維材料を使用することで中間層を変形させるためのエネルギーを低減し、同サイズで作製した場合に変位量を拡大することが可能である。また、上記の炭素繊維は、硬化後には樹脂含浸繊維素材の性質上、形状復元性が良くバネ性があるため、圧電アクチュエーターの静止時に原点に復帰しやすいという利点もあり、圧電バイモルフの中間層としてのシム材に適している。

また、この炭素繊維材料は、熱硬化前の状態ではプリプレグと呼ばれる繊維材料に熱硬化性樹脂を含浸した半硬化状態のテープ状の中間材料で、熱硬化後には炭素繊維を樹脂材料で硬化させた複合材料となる。このため、金属材料をシム材に使用した場合と比較すると、金属材料のシム材の場合、伸縮する圧電セラミクス板と金属板の間で接着層が剪断応力を受けることになるが、これに対して炭素繊維材料を使用した場合は、接着層とシム材と呼ばれる中間層は一体であるため、中間層全体で剪断応力を受ける形になり、局所的なストレスを軽減できるため、接着強度を長期間維持できる。また、炭素繊維材料自体も耐疲労強度に優れており、疲労強度（初期強度からの比較）では、一般的な鉄系材料に比べ約１８０％の耐疲労強度がある。

また、この炭素繊維材料は、圧電セラミクス板と同サイズに硬化前の炭素繊維材料を打ち抜き加工し、半田付けするための薄板電極を挟み込んで加熱硬化させ、その後、電極を取り出せばよい。または、フラットケーブルなどの導線を挟み込んで加熱硬化させて構成することも可能である。この方法では、さらに電線の半田付け作業も不要になり、半田付けによらず電源の取り出しが可能になる。これらの方法を用いることで、従来の圧電バイモルフに比べ、より安価な製品を得ることができる。

以上説明したように、本発明の構成によれば、従来のものに比べ、より変位量の大きい圧電振動子を製造することができ、これまでの圧電振動子より耐疲労性の高い圧電振動子を提供できる。また、製造方法が簡略化したことで従来のものより安価な圧電振動子を提供できる。

図１は、本発明の圧電バイモルフの側面断面図である。また、図２は、本発明の圧電バイモルフの構成を示す説明図であり、図２（ａ）は、外観斜視図、図２（ｂ）は、分解斜視図である。

図２に示すように、本発明の圧電バイモルフは、円盤型であり、フラットケーブル３が出るような構成になっている。また、図１に示すように、フラットケーブル３は、４、５ａ、５ｂの３本の線心である導体を有している。導体５ａが圧電セラミクス板１ａの上面電極、導体５ｂが圧電セラミクス板１ｂの下面電極にそれぞれ接するようにしつつ、導体４が圧電セラミクス板１ａとシム材２の間に挟み込まれている。圧電セラミクス板１ａ、１ｂとプリプレグからなるシム材２は、このプリプレグに含浸している半硬化状の接着剤で接着されている。また、導体５ａは、圧電セラミクス板１ａ、導体５ｂは、圧電セラミクス板１ｂの表面電極に半田点６ａ、６ｂで半田付けされている。本発明の圧電振動子は、この圧電素子を型に入れて形成され、シリコン樹脂などのエラストマー素材で覆われている。

以下に、本発明のダイヤフラム小型ポンプ用圧電アクチュエータの実施例を詳細に説明する。この実施例では、図１に示すような圧電バイモルフを作製した。この実施例の圧電バイモルフは、外形寸法が、直径φ３７ｍｍ、厚さ３．０ｍｍであり、直径３５ｍｍ、厚さ０．３６ｍｍの圧電セラミクス板の表面に直径３３ｍｍの銀電極を形成してなる。圧電セラミクス板は、ＮＥＣトーキン製Ｎ−１７材を用いた。中間層としてのシム材２には、厚さ０．２５ｍｍの炭素繊維プリプレグを用いた。モールド材７は、総厚３ｍｍのシリコン樹脂で形成した。

この実施例の製造プロセスについて説明する。圧電セラミクス板１ａ、１ｂは、下記の工程で製造した。
１）圧電セラミックス原料粉末に有機物のバインダーと有機溶剤を混入して泥漿化した。
２）ドクターブレード法で泥漿をシート化した。
３）必要なシートには内部電極層として銀とパラジウムを主成分とする電極ペーストを印刷し乾燥した。
４）シートを重ねて加熱プレスし、必要な形状に切断した。
５）５００℃から６００℃まで加熱し数時間でバインダー等の有機物を焼却した。
６）密閉容器中で１０００℃から１２００℃の範囲で１時間から６時間焼成を行った。
７）端面に電気端子用及び最外皮部の電極を塗布または印刷し、５００℃から６００℃で焼き付けた。
８）絶縁オイル中で１００℃程度に加熱し端子間に２〜３ｋＶ／ｍｍの直流電界を印加して分極処理した。

また、圧電振動子は、次のようにして製造した。図４（ａ）に示すように、
１）上記で得られた圧電セラミクス板１ａ、１ｂの表面に、銀電極を形成して圧電素子を得た。
２）フラットケーブル３を圧電セラミクス板１ａとシム材２の間に挟み込んだ。
３）シム材２と圧電セラミクス板１ａ、１ｂを接着した。
４）すべての部材を貼り合わせた後、加圧しながら１３０℃で、９０分加熱し、熱硬化した。
５）導体５ａを圧電セラミクス板１ａ、導体５ｂを圧電セラミクス板１ｂの表面電極に半田付けした。
６）この素子を型に入れてシリコン樹脂でモールド処理して、実施例の圧電バイモルフを得た。

（比較例）
次に、図５に示すような、従来の圧電バイモルフ振動子を作製した。外形寸法は、直径φ３７ｍｍ、厚さ３．０ｍｍであり、直径３５ｍｍ、厚さ０．３６ｍｍの圧電セラミクス板の表面に直径３３ｍｍの銀電極を形成した。圧電セラミクス板は、ＮＥＣトーキン社製Ｎ−１７材を使用した。シム材９は、厚さ０．２５ｍｍのリン青銅板である。モールド材１２は、総厚３ｍｍのシリコン樹脂で型に入れて形成した。

上記で得られた本発明の実施例及び従来の圧電バイモルフの各５０個を直径３３ｍｍのＯリングで上下固定し、ＡＣ１００Ｖｒｍｓで動作させ、中心からの変位量を測定した。表１に、本発明品と従来品の変位量の比較を示す。変位量の値は平均値で示した。また、使用したシム材のヤング率も併せて示した。

表１に示すように、本発明品と従来品を比較すると、従来品に比べ、本発明品では、変位量が大きくなったことが分かる。これは、金属製のシム材を屈曲させるために使われていたエネルギーが変形に利用されたためである。このように、変位量を大きくすることが重要な用途には有効である。

次に、耐疲労強度の比較を行った。試験では、図１と図５の圧電バイモルフを直径３３ｍｍのＯリングで上下固定し、ＡＣ１００Ｖｒｍｓ／５０Ｈｚで動作させ、変位量の変化を調べた。図３に変位量の変化を示す。図３より、本発明では、１０^９回の動作でも変位量の低下は１０％以下なのに対し、従来の圧電バイモルフでは２０％以上の低下が見られ、本発明の構造とすることにより耐疲労性が向上したことが分かる。

上記に示したように、従来の圧電バイモルフ振動子では、接着剤の印刷作業やシム材への半田付け工程があるため、工程が多くなり、コストダウンの妨げになっていたが、本発明では、各部材の形成が１度の処理で可能なため工程を削減でき、より安価な圧電振動子を実現できる。

本発明の圧電バイモルフの側面断面図。本発明の圧電バイモルフの構成を示す説明図。図２（ａ）は、外観斜視図。図２（ｂ）は、分解斜視図。本発明と従来の圧電バイモルフにおける変位量変化率を比較して示す図。本発明と従来の圧電バイモルフの製造プロセスを示す図。図４（ａ）は、本発明品の場合を示す図。図４（ｂ）は、従来品の場合を示す図。従来の圧電バイモルフの側面断面図。

符号の説明

１ａ，１ｂ，８ａ，８ｂ圧電セラミクス板
２，９シム材
３フラットケーブル
４，５ａ，５ｂ導体
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ電線
６ａ，６ｂ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ半田点
７，１２モールド材

Claims

圧電セラミクス板がシム材の両面に接着されたバイモルフ型の圧電アクチュエーターにおいて、前記シム材は、プリプレグで構成され、前記シム材からの電極を取り出す電線の導体の先端部が前記圧電セラミクス板の一方と前記シム材とに挟まれて固定されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。