JP2017092167A - Piezoelectric actuator and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧の印加により屈曲運動する圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that bends by application of a voltage and a method for manufacturing the same.
従来、圧電素子を駆動させて針の往復運動を制御する編み機が知られている。例えば、特許文献1記載の繊維機械用圧電アクチュエータ素子は、シム材プレートと、シム材プレートの表裏両面に積層された圧電体とを有している。 Conventionally, a knitting machine that drives a piezoelectric element to control the reciprocating motion of a needle is known. For example, a piezoelectric actuator element for a textile machine described in Patent Document 1 includes a shim material plate and a piezoelectric body laminated on both front and back surfaces of the shim material plate.
圧電素子は、繊維機械に接続される支持部を備え、圧電素子の両面の電極膜とシム材プレートには、それらに電流を供給する導線が接続されている。そして、圧電素子はレジスト膜上に設けられた電気絶縁膜で全面的に被覆され、電極膜や接続部位は耐水蒸気性および非導電性を有する材料で封止されている。 The piezoelectric element includes a support portion connected to the textile machine. Conductive wires for supplying current to the electrode films and shim material plates on both sides of the piezoelectric element are connected to the piezoelectric element. The piezoelectric element is entirely covered with an electrical insulating film provided on the resist film, and the electrode film and the connection portion are sealed with a material having water vapor resistance and non-conductivity.
一方、このような屈曲型の圧電アクチュエータを薄くする技術についても提案されている。特許文献2は、特定構造を有する積層型圧電体が貼り合わされたバイモルフ型の圧電アクチュエータを提案している。この圧電アクチュエータは、厚さを薄くすることで、低電圧での駆動を可能にしている。 On the other hand, a technique for thinning such a bending type piezoelectric actuator has also been proposed. Patent Document 2 proposes a bimorph type piezoelectric actuator in which a laminated piezoelectric material having a specific structure is bonded. This piezoelectric actuator can be driven at a low voltage by reducing the thickness.
しかし、上記のような圧電アクチュエータ素子は、過酷な環境で長時間駆動されると、圧電アクチュエータを覆う膜に亀裂が生じることがあり、亀裂が生じた場合には圧電アクチュエータ表面の外部電極に対し、絶縁性が悪くなる。そして、亀裂に水や溶剤が付着したときには圧電アクチュエータ素子の故障を誘発する。 However, when the piezoelectric actuator element as described above is driven for a long time in a harsh environment, a film covering the piezoelectric actuator may crack, and in the case of cracking, the external electrode on the surface of the piezoelectric actuator , Insulation becomes worse. When water or a solvent adheres to the crack, a failure of the piezoelectric actuator element is induced.
自硬化型のコート材の主な使用用途は、動作により変形することのない回路基盤用のコート材であるため、大きく変位するアクチュエータ用のコート材として使用すると変位を阻害もしくは変位に追従できずコート材にクラックが入り、そこを基点とし絶縁劣化が始まり製品寿命を短くする。 The main application of the self-curing coating material is the coating material for circuit boards that is not deformed by operation, so if used as a coating material for actuators that are displaced greatly, the displacement cannot be inhibited or follow the displacement. Cracks occur in the coating material, and insulation deterioration starts from that point and shortens the product life.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、動きに追従して表面に亀裂が生じるのを防止し、絶縁劣化しない長寿命な圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a long-life piezoelectric actuator that prevents the surface from cracking following movement and does not deteriorate in insulation, and a method for manufacturing the same. And
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により屈曲運動する圧電アクチュエータであって、金属製の振動板、および前記振動板の主面上に設けられ、素子本体の両主面に電極が設けられた圧電素子を有する圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体を被覆し、ショアA硬度が100°以上である第1樹脂層と、前記第1樹脂層を被覆し、ショアA硬度が80°以下である第2樹脂層と、を備えることを特徴としている。このように、第1樹脂層のショアA硬度が100°以上なので一定以上の強度の膜を形成でき、第2樹脂層のショアA硬度が80°以下なので、動きに追従して表面に亀裂が生じるのを防止できる。その結果、絶縁性を向上でき、長寿命を実現できる。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied, and is provided on a metal diaphragm and a main surface of the diaphragm. A piezoelectric actuator main body having a piezoelectric element having electrodes provided on both main surfaces of the main body, a first resin layer covering the piezoelectric actuator main body and having a Shore A hardness of 100 ° or more, and a first resin layer And a second resin layer having a Shore A hardness of 80 ° or less. Thus, since the Shore A hardness of the first resin layer is 100 ° or more, a film having a certain strength or more can be formed, and since the Shore A hardness of the second resin layer is 80 ° or less, the surface is cracked following the movement. It can be prevented from occurring. As a result, insulation can be improved and a long life can be realized.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記第2樹脂層が、アクリル系またはエポキシ系の硬化樹脂からなることを特徴としている。これにより、容易に入手できる材料で硬化により、耐油性、耐溶剤性を有するコーティングを構成できる。 (2) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the second resin layer is made of an acrylic or epoxy cured resin. Thereby, the coating which has oil resistance and solvent resistance can be comprised by hardening with the material which can be obtained easily.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記第2樹脂層が、アクリル系の紫外線硬化樹脂からなることを特徴としている。これにより温度を上げることなく硬化させることができ、温度上昇による圧電体への影響を防止できる。 (3) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the second resin layer is made of an acrylic ultraviolet curable resin. Thereby, it can harden | cure without raising temperature and the influence on the piezoelectric material by temperature rise can be prevented.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記第2樹脂層の厚さが、10μm〜50μmであることを特徴としている。これにより、10μm以上であることで十分な強度により被覆を維持でき、50μm以下であることで動きへ柔軟な追従が可能になる。 (4) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the thickness of the second resin layer is 10 μm to 50 μm. Accordingly, the coating can be maintained with a sufficient strength when the thickness is 10 μm or more, and the movement can be flexibly followed when the thickness is 50 μm or less.
(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記第2樹脂層の材料が、硬化後の伸び率が50%以上であることを特徴としている。これにより、動きへの追従が容易になり、圧電アクチュエータの変位を阻害しない。 (5) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the material of the second resin layer has an elongation percentage after curing of 50% or more. Thereby, it becomes easy to follow the movement and does not hinder the displacement of the piezoelectric actuator.
(6)また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、電圧の印加により屈曲運動する圧電アクチュエータの製造方法であって、電極を両主面に設けた素子本体を有する圧電素子を、金属製の振動板の主面上に接着して圧電アクチュエータ本体を作製する工程と、前記圧電アクチュエータ本体の表面に、硬化時にショアA硬度100°以上となる第1樹脂を塗布する工程と、前記第1樹脂の表面に硬化時にショアA硬度80°以下となる第2樹脂をスクリーン印刷する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、製造コストを低減することができる。 (6) A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to the present invention is a method for manufacturing a piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied. A piezoelectric element having an element body provided with electrodes on both main surfaces is made of metal. A step of producing a piezoelectric actuator main body by bonding to a main surface of the diaphragm; a step of applying a first resin having a Shore A hardness of 100 ° or more upon curing to the surface of the piezoelectric actuator main body; and the first resin. And a step of screen-printing a second resin that has a Shore A hardness of 80 ° or less upon curing. Thereby, manufacturing cost can be reduced.
本発明によれば、動きに追従して表面に亀裂が生じるのを防止できる。その結果、絶縁性を向上でき、長寿命を実現できる。 According to the present invention, it is possible to prevent the surface from cracking following the movement. As a result, insulation can be improved and a long life can be realized.
次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(圧電アクチュエータの構成)
図1、2は、それぞれ圧電アクチュエータ100の斜視図、断面図である。図1に示すように、圧電アクチュエータ100は、バイモルフ型の圧電アクチュエータであって、電圧の印加により屈曲運動する。圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、第1樹脂層140および第2樹脂層150を備えている。圧電アクチュエータ100は、編機用選針装置として繊維機械に使用できる。
(Configuration of piezoelectric actuator)
1 and 2 are a perspective view and a sectional view of the
圧電アクチュエータ本体105は、振動板110、圧電素子120、130を備えている。振動板110は、SUS等の金属製であり、シム板とも呼ばれる。振動板110の両主面上には、圧電素子120、130が設けられている。圧電素子120の素子本体121の両主面には、ほぼ全面にわたって外部電極122、123が設けられている。同様に、圧電素子130は、素子本体131の両主面に外部電極132、133が設けられている。なお、主面とは板部材の最も広い面をいう。
The
図1、2に示す例では圧電素子120、130を単純化して表現しているが、素子本体121、131は、圧電セラミックスと内部電極とが厚み方向に交互に積層された積層体である。そして互い違いに内部電極は、断面のほぼ全面にわたって設けられ、それぞれ素子の両主面の外部電極122、123に接続されている。接続には、貫通孔を電極材料で埋めたスルーホール電極を用いてもよい。圧電アクチュエータ100は、バイモルフ型が好ましいが、モノモルフ型であってもよい。なお、素子本体121、131は、圧電セラミックスの単層であってもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2, the
圧電セラミックスとしては、PZT(PbZrO3−PbTiO3)、またはPZTにPb(Mg、Nb)O3やPb(Ni、Nb)O3等の鉛系複合ペロブスカイト型化合物を固溶させた3成分系圧電セラミックスを用いることができる。バイモルフ型の圧電素子には、特に、ジルコン酸チタン酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛(PZT−PMN)系材料が好適である。電極には、Ag、Ag/Pd(銀/パラジウム)等、複数種類の材料を用いることができるが、内部電極にはAg/Pdが好適である。 Piezoelectric ceramics include PZT (PbZrO 3 —PbTiO 3 ), or a three-component system in which lead-based composite perovskite compounds such as Pb (Mg, Nb) O 3 and Pb (Ni, Nb) O 3 are dissolved in PZT. Piezoelectric ceramics can be used. For a bimorph type piezoelectric element, lead zirconate titanate-lead magnesium niobate (PZT-PMN) -based material is particularly suitable. A plurality of types of materials such as Ag and Ag / Pd (silver / palladium) can be used for the electrode, but Ag / Pd is suitable for the internal electrode.
圧電素子120の一方の端部の外部電極122には、リード線220が接続されている。同様に、圧電素子130も同じ側の端部の外部電極132にリード線230が接続されている。また、振動板110も同じ側の端部にリード線210が接続されている。リード線210、220、230を用いて駆動信号を圧電アクチュエータ100に入力すると、圧電アクチュエータ100は、駆動信号に応じて屈曲振動する。圧電アクチュエータ100を編機用に用いる場合には、両端に先端支持部を設け、さらに中央に中間支持部を設ける。
A
図2に示すように、圧電アクチュエータ本体105は、樹脂のコート材により2層に被覆されている。第1樹脂層140は、レジスト膜であり、圧電アクチュエータ本体105、主に圧電素子120の外部電極122および圧電素子130の外部電極132を被覆している。第1樹脂層140のショアA硬度(JIS K6253)が100°以上であり、一定以上の強度の膜を形成できる。
As shown in FIG. 2, the piezoelectric actuator
レジスト材料には、例えば、エポキシ樹脂を主成分とする液状の感光性レジスト材料や、ウレタンアクリレートを主成分とした感光性レジスト材料を用いることができる。一般的に市販されている緑色又は青色のものを使用してもよい。 As the resist material, for example, a liquid photosensitive resist material mainly composed of an epoxy resin or a photosensitive resist material mainly composed of urethane acrylate can be used. You may use the green or blue thing generally marketed.
第2樹脂層150は、第1樹脂層140を被覆している。第2樹脂層150のショアA硬度は80°以下であり、動きに追従して表面に亀裂が生じるのを防止できる。その結果、絶縁性を向上でき、長寿命を実現できる。このように、圧電アクチュエータ100では、硬度と伸び率に着目して第2樹脂層150を構成する自硬化型コート材の材料を選択している。なお、第1樹脂層140および第2樹脂層150は、外部電極122、132の表面を覆っていれば十分であるが、端面も含め圧電アクチュエータ本体105の全体を覆っていてもよい。ただし、後述のようにスクリーン印刷を行う場合には、樹脂層が外部電極表面のみを覆う方が工数を省略できるので好ましい。
The
第2樹脂層150は、アクリル系またはエポキシ系の硬化樹脂からなることが好ましい。これらの材料は、容易に入手でき、硬化により、耐油性、耐溶剤性を有するコーティングを構成できる。特に、第2樹脂層150は、アクリル系の紫外線硬化樹脂からなることが好ましい。紫外線硬化樹脂であるため、温度を上げることなく硬化させることができ、温度上昇による圧電体への影響を防止できる。
The
第2樹脂層150の厚さは、10μm〜50μmであることが好ましい。10μm以上であることで十分な強度により被覆を維持でき、50μm以下であることで動きへ柔軟な追従が可能になる。また、第2樹脂層150の材料は、硬化後の伸び率(JIS K6767)が50%以上であることが好ましい。これにより、動きへの追従が容易になる。
The thickness of the
(圧電アクチュエータの製造方法)
圧電アクチュエータ100の製造方法の一例を説明する。まず、電極が両主面に設けられた素子本体を有する圧電素子を準備する。圧電セラミックス材料としてチタン酸ジルコン酸鉛系(PZT)の圧電材料を秤量し、溶剤およびバインダ等を加えてボールミル等で混合し、スラリーを作製する。そして、得られたスラリーを用いて、例えばドクターブレード法やカレンダロール法により、焼成後の収縮を考慮した所定の厚さのグリーンシートに成形する。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
An example of a method for manufacturing the
得られたシートに内部電極を印刷して、所定の寸法に切り出し、積層して圧縮する。得られた成形体を焼成し、両主面に電極を印刷して圧電素子を作製する。圧電素子には、所定の向きに分極を行う。 An internal electrode is printed on the obtained sheet, cut into predetermined dimensions, laminated, and compressed. The obtained molded body is fired, and electrodes are printed on both main surfaces to produce a piezoelectric element. The piezoelectric element is polarized in a predetermined direction.
一方、SUS等の金属製の振動板を準備し、接着剤を用いて圧電素子をその両主面上に接着して圧電アクチュエータ本体を作製する。接着剤として導電性接着剤を用いることで、振動板を取り出し電極として用いることができる。圧電素子の電極および振動板の所定箇所にそれぞれリード線を半田付けし、電気的に接続する。 On the other hand, a metal diaphragm such as SUS is prepared, and a piezoelectric element body is manufactured by adhering piezoelectric elements on both main surfaces using an adhesive. By using a conductive adhesive as the adhesive, the diaphragm can be taken out and used as an electrode. Lead wires are soldered to the electrodes of the piezoelectric element and predetermined portions of the diaphragm, and are electrically connected.
このようにして得られた圧電アクチュエータ本体の表面にレジスト材を塗布し、硬化させ第1樹脂層を形成する。さらに、第1樹脂の表面にコート材をスクリーン印刷し、第2樹脂層を形成する。スクリーン印刷することで、蒸着法に比べて製造コストを低減することができる。また、蒸着法のように、マスキング後の塗布のやり直しは不要であり、2度手間を省くことができる。 A resist material is applied to the surface of the piezoelectric actuator body thus obtained and cured to form a first resin layer. Further, a coating material is screen printed on the surface of the first resin to form a second resin layer. Screen printing can reduce the manufacturing cost compared to the vapor deposition method. In addition, unlike the vapor deposition method, it is not necessary to redo the coating after masking, and it is possible to save time and effort.
(実施例)
上記の製造方法により、長さ60mm、幅20mmの圧電アクチュエータの試料を作製した。圧電素子の厚さは180μm、振動板の厚さは100μmとした。圧電材料にはジルコン酸チタン酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛系を用い、振動板にはSUSを用いた。
(Example)
A sample of a piezoelectric actuator having a length of 60 mm and a width of 20 mm was produced by the above manufacturing method. The thickness of the piezoelectric element was 180 μm, and the thickness of the diaphragm was 100 μm. The piezoelectric material was lead zirconate titanate-lead magnesium niobate, and SUS was used for the diaphragm.
レジスト材には市販されている青色のものを使用し、第1樹脂層(レジスト層)を形成し、圧電アクチュエータ本体を被覆した。さらに、第1樹脂層の表面にスクリーン印刷によりアクリル系の紫外線硬化樹脂を塗布し、紫外線を照射して硬化させ第2樹脂層を形成した。第1樹脂層の厚さは12μm、第2樹脂層の厚さは50μmとした。ショアA硬度を25°から100°まで、20〜30°ずつ変えた第2樹脂層用のコート材を用いてそれぞれの試料を作製した。それぞれのショアA硬度を有する材料の伸び率は、下表の通りである。 A commercially available blue material was used as the resist material, a first resin layer (resist layer) was formed, and the piezoelectric actuator body was covered. Further, an acrylic ultraviolet curable resin was applied to the surface of the first resin layer by screen printing, and was cured by irradiation with ultraviolet rays to form a second resin layer. The thickness of the first resin layer was 12 μm, and the thickness of the second resin layer was 50 μm. Each sample was produced using the coating material for the 2nd resin layer which changed Shore A hardness from 20 degrees to 25 degrees from 25 degrees to 100 degrees. The elongation percentage of each material having Shore A hardness is as shown in the table below.
その結果、第1樹脂層にショアA硬度の高いコート材を用いた圧電アクチュエータは、駆動前に第1および第2樹脂層合せた層の絶縁抵抗値が1000MΩだったのが、48時間の連続駆動後に0.5MΩまで低下した。一方、ショアA硬度80°以下のコート材は1000時間駆動後も第1および第2樹脂層合せた層の絶縁抵抗値が1000MΩ以上を保っていた。また、第2樹脂層の材料の伸び率に対して変位量を測定したところ、コーティングしていない製品と比べると伸び率50%以上の材料では変位量が変わらないことを確認できた。 As a result, in the piezoelectric actuator using the coating material having a high Shore A hardness for the first resin layer, the insulation resistance value of the first and second resin layers combined before driving was 1000 MΩ. It decreased to 0.5 MΩ after driving. On the other hand, the coating material having a Shore A hardness of 80 ° or less maintained an insulation resistance value of 1000 MΩ or more even after being driven for 1000 hours after the first and second resin layers were combined. Moreover, when the displacement amount was measured with respect to the elongation rate of the material of the second resin layer, it was confirmed that the displacement amount did not change with a material having an elongation rate of 50% or more as compared with an uncoated product.
100 圧電アクチュエータ
105 圧電アクチュエータ本体
110 振動板
120、130 圧電素子
121、131 素子本体
122、123、132、133 外部電極
140 第1樹脂層
150 第2樹脂層
210、220、230 リード線
DESCRIPTION OF
Claims (6)
金属製の振動板、および前記振動板の主面上に設けられ、素子本体の両主面に電極が設けられた圧電素子を有する圧電アクチュエータ本体と、
前記圧電アクチュエータ本体を被覆し、ショアA硬度が100°以上である第1樹脂層と、
前記第1樹脂層を被覆し、ショアA硬度が80°以下である第2樹脂層と、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied,
A piezoelectric actuator body having a metal diaphragm and a piezoelectric element provided on the principal surface of the diaphragm, and electrodes provided on both principal surfaces of the element body;
A first resin layer covering the piezoelectric actuator body and having a Shore A hardness of 100 ° or more;
A piezoelectric actuator comprising: a second resin layer covering the first resin layer and having a Shore A hardness of 80 ° or less.
電極を両主面に設けた素子本体を有する圧電素子を、金属製の振動板の主面上に接着して圧電アクチュエータ本体を作製する工程と、
前記圧電アクチュエータ本体の表面に、硬化時にショアA硬度100°以上となる第1樹脂を塗布する工程と、
前記第1樹脂の表面に硬化時にショアA硬度80°以下となる第2樹脂をスクリーン印刷する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric actuator that bends when a voltage is applied,
Bonding a piezoelectric element having an element body provided with electrodes on both main surfaces onto the main surface of a metal diaphragm, and producing a piezoelectric actuator body;
Applying a first resin having a Shore A hardness of 100 ° or more upon curing to the surface of the piezoelectric actuator body;
And a step of screen-printing a second resin having a Shore A hardness of 80 ° or less when cured on the surface of the first resin.
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