JP3393563B2 - シート状圧電素子の加圧成形装置およびそれを使用した加圧成形方法 - Google Patents

シート状圧電素子の加圧成形装置およびそれを使用した加圧成形方法

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JP3393563B2 JP18546494A JP18546494A JP3393563B2 JP 3393563 B2 JP3393563 B2 JP 3393563B2 JP 18546494 A JP18546494 A JP 18546494A JP 18546494 A JP18546494 A JP 18546494A JP 3393563 B2 JP3393563 B2 JP 3393563B2
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守人 中田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、チタン酸ジルコン酸
鉛(PZT)の粉末混合エポキシ樹脂等の液状熱硬化性
樹脂を原料とするシート状圧電素子の加圧成形装置およ
それを使用した加圧成形方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、PZT粉末混合エポキシ樹脂圧電
素子の製造は、アルミ箔(厚み15μm、導電率10S
/cm)の上に、PZT粉末混合圧電エポキシ樹脂をス
クリーン印刷で印刷し、加熱硬化(160℃、1時間)
させて膜を形成し、また、その上に印刷を重ねる繰り返
しによって、素子の厚みを徐々に増し、目的の厚みに成
形する多重印刷を行っていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法で
は、次のような問題があった。
【0004】1)寸法精度では、ゴム面で樹脂を塗布す
る印刷用具のスキージの印圧スクリーンが中心部で比較
的に強く押さえ込まれるため、印刷の厚みは周囲より中
心部が薄くなる。
【0005】2)一度の印刷につき、30μm程度の厚
みを増すことしかできないので、製造工数では多重に印
刷することによって厚みを増していた。そのために非常
に手間が掛かっていた。
【0006】3)素子の両端面に電圧を印加したり、素
子から発生した電圧を外部に取り出すための電極につい
ては、良い電極の条件として、材質、導電率、厚みが均
一で安定していること、柔軟性があること、導電率が大
きいことが挙げられ、また、素子面と電極面の間の接合
には、絶縁層が生じないようにする必要がある。しか
し、従来は、片面にアルミ箔をそのまま利用し、もう一
方の面にはエポキシ・PZT粉末複合圧電樹脂を硬化さ
せ膜を形成した後に、その上に接着性があり、硬化後も
柔軟性がある導電塗料(例えば、株式会社旭化学研究所
製カーボンペースト;FTU−20、導電率5×10S
/cm)をスクリーン印刷して硬化させることによっ
て、厚み10μm前後の電極膜を形成していたので、電
極膜の厚みに不均一が生じ、また、導電率が低くなると
いう問題があった。このため、品質面で劣り、精度の高
いセンサー等に応用するための素子を製造できなかっ
た。
【0007】また、PZT粉末混合エポキシ樹脂のよう
な液状熱硬化性樹脂の成形法には、型に樹脂を流し込
み、熱で硬化させる注型法がある。しかし、この方法で
は、射出成形のように高圧をかけて高粘度の樹脂を型に
充填させる方法とは違い、中に含まれる空気を取り除く
ために減圧した真空槽内で、自重で流動させて型に充填
するため、比較的粘度の低い樹脂での成形が対象となっ
ていることからも分かるように、キャビティの厚みが薄
いほど樹脂の充填は困難になってくるために、殊に、高
粘度樹脂によるシート状素子の成形には適しない。
【0008】つまり、PZT粉末混合エポキシ樹脂のよ
うな高粘度の液状熱硬化性樹脂を原料としたシート状の
PZT粉末高粘度エポキシ樹脂圧電素子の製造には、樹
脂の流動性が悪いことと、薄型のシート状成形のため、
キャビティに充分充填せず、注型法を取るには不向きで
あった。
【0009】加えて、使用する型については、エポキシ
樹脂には接着性があるため、金属型を用いた場合、キャ
ビティ部の表面には、離型のためのテフロン等のコーテ
ィング(コーティング膜の接着性を良くするための型の
表面を荒らして処理している)を施すことにより、表面
が荒れ、形状物の表面に荒れた面が転写され素子の品質
が悪くなる。また、型の材質をテフロン樹脂やシリコン
ゴムに変更すると、熱伝導が悪くなり、硬化に非常に時
間が掛かる等の問題があった。その上、電極面も後工程
で接合しなければならない不都合があった。
【0010】この発明は、注型法において、減圧した真
空槽内でキャビティの厚みが薄いものでも、高粘度の樹
脂を充分に充填させ成形でき、しかも、表面が滑らかで
厚みが均一な成形品となり、成形と同時に安定した電極
面を接合できるシート状圧電素子の加圧成形装置および
それを使用した加圧成形方法を提供することを目的とし
た。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めのこの発明によるシート状圧電素子の加圧成形装置
は、真空槽の上部にシリンダーを搭載し、その真空槽の
内部において、上下駆動されるピストンロッドの下端に
自由方向に曲がるジョイントを介して取り付けられた成
形面が平らな上型と、変圧器で温度調整できる電気ヒー
ターおよび温度計に接続した熱電対が内蔵される成形面
が均一な下型と、均一な厚みのシート状であって中央部
を素子の形状に切り抜いてキャビティとした中間型とか
らなることを特徴とする。
【0012】また、上記の成形装置を使用した加圧成形
方法は、減圧した真空槽内で、上型と中間型の間、およ
び下型と中間型との間に電極シートを挿入した状態で、
キャビティに注入した液状熱硬化性樹脂を型締めの圧力
によって流動させてキャビティ形状に充填させた状態で
加熱硬化させると同時に、電極シートを接合して電極を
形成させることを特徴とする。
【0013】
【作 用】自由方向に曲がるジョイントを介して上型を
ピストンロッドの先端に取り付けたから、ピストンロッ
ドの下方駆動で上型と下型が嵌合すると、キャビティに
樹脂を均一に加圧し充填させることができる。また、成
形型が上型と下型との間に均一な厚みのシート状の中間
型を使用するので、キャビティ面は滑らかな平面とな
り、中間型を一回ごとの使い捨てとすると、下型と中間
型の間に電極を、上型と中間型の間にも電極を入れるこ
とができる構造により、成形時に樹脂と上型および下型
とが、間にシート状電極があることで接着することがな
いために、素子の電極を成形と同時に素子と一体接合さ
せることができる。
【0014】
【実施例】図1の実施例では、真空槽1は、直径300
mmのポリカーボネート製の逆容器形の真空槽本体1b
と、鉄製平板の底板2との間に、Oリング3を介在させ
たドーム形の構造となっている。いずれにしても、その
中に成形型Mを内装し、エアーシリンダー8の力でシー
ト状圧電素子が加圧成形される。なお、真空槽本体1b
の材質についてはアクリル樹脂や鉄等であっても良い。
また、形状には円柱、箱型、球形等が考えられる。ちな
みに、その構造形式において、扉一体方式、上下分離型
等さまざまな真空槽1の態様を取り得る。なお、図2の
実施例では、真空槽1がほゞ全体が一体成形される。以
下、主に、図1の実施例について説明する。
【0015】エアーシリンダー8の取付けは、真空槽本
体1bの上部中央にピストンロッド突出基部が嵌合する
穴を開け、槽壁を内と外でゴムパッキン51で挾んだ状
態で、直径40mmで駆動距離が100mmのピストン
ロッド19が挿入されており、ピストンロッド突出基部
を内側からネジ50で真空槽本体1bに固定した。な
お、エアーシリンダー8の代わりに油圧リンダーを使用
することもできる。
【0016】上型9には、表面が滑らかなアルミ板(5
0mm×50mm×35mm)を使用し、上部にネジ穴
を開け、自由方向に曲がるジョイント25をボルト18
で固定し、上面の電極シート10としてのアルミ箔(5
0mm×60mm×15μm)を両側面にテフロン粘着
テープ45で接着固定し、ジョイント25とピストンロ
ッド19の先端をネジで結合した。なお、アルミ板の代
わりに鉄板を使用することもできる。
【0017】下型15にもアルミ板(100mm×10
0mm×20mm)を使用したが鉄板でも良く、その下
型15には、側面から平行な二本の穴を開け、それぞれ
にヒーター16を挿入し、また、その上部にも穴を開
け、温度センサー12を内蔵した。
【0018】中間型13には、ポリエステルフィルム
(厚み0.1mmが均一で160℃以上の耐熱性がある
材質のもの)に直径4cmの円をくり抜いたものを使用
した。このくり抜き穴がキャビティとなるもので、形状
は製作する素子形状に応じて様々となる。
【0019】下型15は、真空槽1の鉄製平板2の中心
部に置かれており、成形手順としては、まず、その上に
下部の電極シート14としてのアルミ箔(100mm×
100×15μm)と中間型13を順に重ねる。次に、
中間型13のキャビティ部に材料を注入し、熱板の温度
を70℃前後にした状態で、排気口5から真空ポンプで
排気し、減圧(10‐1程度)することにより、樹脂中
の空気等を取り除き、エアーシリンダー8の作動で上型
9を降下させ加圧する。加圧後熱板の温度を圧電樹脂の
硬化温度160℃まで上げ、1時間放置することにより
圧電素子が製造される。製造した圧電素子は、真空槽1
の中で室温程度に冷却し、エアーシリンダー8を引き上
げ、真空状態を開放し取り出す。
【0020】キャビティに注入する材料としては、キャ
ビティ容積に圧電樹脂の比重(3.0〜3.3)を乗じ
た重量の約1.5倍の約0.2gのPZT粉末混合エポ
キシ樹脂を一回分として計量した。
【0021】成形時に型と樹脂に掛かる圧力について
は、エアーシリンダー8のシリンダー径が4cmのもの
に7kgf/cm2の空気圧を加えたことと、エアーシ
リンダー8の全圧が約88kgfとなったことと、型の
嵌合部分の投影面積25cm2であったことから、約
3.5kgf/cm2となる。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、次のような優れた効果がある。
【0023】減圧した真空槽中で圧電樹脂を上型と下型
とで加圧して型の形状に成形すると同時にアルミ箔の電
極を両面に張り付けることができるため、このようにす
ることにより、圧電樹脂と電極シートとはその間に空気
等が入ることがなく密着し、液状熱硬化性樹脂の接着力
によって、硬化と同時に両面に電極を形成できる。
【0024】電極シートに金属箔を使用することによ
り、厚みが均一で導電率の高い品質の良い電極が形成さ
れる。
【0025】圧電素子の厚みは、中間型の厚みと同じに
なるため、ポリエステルフィルムのように厚みが均一な
中間型を使用することによって、厚みが均一な圧電素子
を製造できる。また、中間型の厚みを変えるだけで、目
的の厚みの素子を製造することができる。しかも、一度
の加熱硬化で圧電素子を製造できるため、印刷手法によ
る場合に比して、製造工程が短くなり非常に能率的であ
る。
【0026】上型が自由方向に曲がるジョイントを介し
て、圧力によって伸縮するシリンダーのピストンロッド
の先端に取り付けられ、中間型と下型は設定するだけの
簡単な構造のため、型の切り換えが簡単で少量多品種の
製造が容易である。また、空気や水分、塵等を排気し取
り除いた真空槽内で製造が進むため、クリーンルーム内
で製造したのと同様に汚染による不良が激減する。
【図面の簡単な説明】
【図1】シート状圧電素子の加圧成形装置を示す断面説
明図である。
【図2】他の実施例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
M 加圧成形型 1 真空槽 4 液状熱硬化性樹脂 8 シリンダー 9 上型 10,14 電極シート 12 熱電対 13 中間型 15 下型 16 電気ヒーター 20 変圧器 21 温度計 25 自由方向に曲がるジョイント
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI // B29K 63:00 B29K 101:10 101:10 B29L 31:34 B29L 31:34 H01L 41/22 C

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空槽の上部にシリンダーを搭載し、そ
    の真空槽の内部において、上下駆動されるピストンロッ
    ドの下端に自由方向に曲がるジョイントを介して取り付
    けられた成形面が平らな上型と、変圧器で温度調整でき
    る電気ヒーターおよび温度計に接続した熱電対が内蔵さ
    れる成形面が均一な下型と、均一な厚みのシート状であ
    って中央部を素子の形状に切り抜いてキャビティとした
    中間型とからなることを特徴とするシート状圧電素子の
    加圧成形装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の加圧成形装置を使用し
    て、減圧した真空槽内で、上型と中間型の間、および下
    型と中間型との間に電極シートを挿入した状態で、キャ
    ビティに注入した液状熱硬化性樹脂を型締めの圧力によ
    って流動させてキャビティ形状に充させた状態で加熱
    硬化させると同時に、電極シートを接合して電極を形成
    させることを特徴とするシート状圧電素子の加圧成形方
    法。
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WO2003103073A2 (en) * 2002-05-31 2003-12-11 Evionyx, Inc. Method of manufacturing metal air cell system
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