JP3860299B2

JP3860299B2 - 圧電振動子

Info

Publication number: JP3860299B2
Application number: JP20232997A
Authority: JP
Inventors: 勝徳横山; 博修野中
Original assignee: 株式会社産機
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2006-12-20
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: JPH1131855A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気素子或いは機械部品等比較的小さな物品を振動により搬送するパーツフィーダの駆動源として使用される圧電バイモルフ振動子などの圧電振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電バイモルフ振動子を駆動源とした圧電型パーツフィーダは、電磁型パーツフィーダと比較して物品の搬送が非常にスムーズで、消費電力が小さい特徴を有する。近年、圧電型パーツフィーダは、電子機器の小型化に伴い電子部品の小型化が進むにつれて、その搬送性能の有効性が発揮され、既に各種自動組立工程で使用され、普及している。
【０００３】
圧電型パーツフィーダの構成を図６に示す。この図６において、１０は接地固定した基台、１１はこの基台１０に支持された菱形の加振枠で、その加振枠１１は、基台１０に固定の下方水平枠片１４と上面にトラフ１３を水平に固定する上方水平枠片１５とを、圧電素子１６を両面に貼着した弾性板１７より成る圧電バイモルフ振動子１８により連結したものである。かかる構成の圧電型パーツフィーダ１９において、加振電圧を圧電素子１６に印加すると、圧電素子１６は弾性板１７と一体となってたわみ振動を起し、弾性板１７の可動部に結合した上方水平枠片１５上のトラフ１３を斜め上下方向に加振し、搬送物１２をトラフ１３に沿って矢印方向に移送せしめる。
【０００４】
上記圧電型パーツフィーダ１９に使用されている圧電バイモルフ振動子１８は、近時、図７に示すように弾性板１７の代りにＳＫ鋼焼入れ処理の金属シム板２０が用いられ、その金属シム板２０の上部に図８に示すように変位拡大ばね２１を取り付けるねじ穴２２，２２が設けられ、下部に下方水平枠片１４に固定するねじ穴２３，２３が設けられ、金属シム板２０の両面に、圧電素子１６として夫々電極２４，２５を内外両面に備えた圧電セラミックス板２６，２６が有機系接着剤で接着された圧電バイモルフ振動子１８’が多く使用されるようになっている。この圧電バイモルフ振動子１８’は、圧電セラミックス板２６，２６の外面の電極２５からリード端子２７，２８がハンダ付けされて引き出されて共通になされ、パーツフィーダ１９のもう一方の圧電バイモルフ振動子１８’の金属シム板２０の両面の圧電セラミックス板２６，２６の外面の電極からもリード端子２７，２８がハンダ付けされて引き出されて共通になされて、圧電セラミックス板２６，２６に電圧を印加したとき、圧電バイモルフ振動子１８’が屈曲振動を起す。
【０００５】
ところで、圧電バイモルフ振動子１８’を作るには、従来、図９の（ａ）に示す圧電セラミックス板２６の両面に、図９の（ｂ）に示すように銀ペースト２４ａ，２５ａを塗り、焼付して図９の（ｃ）に示すように表面が粗い電極２４，２５を形成し、この電極２４，２５を両面に備えた圧電セラミックス板２６を２枚、図９の（ｄ）に示すように金属シム板２０の両面に極薄の有機系接着剤２０ａを介して接着して、約１００℃で乾燥の上、冷却して圧電バイモルフ振動子１８’を作っている。この製造方法では電極２４の粗い表面の凸部が極薄の有機系接着剤２０ａを突き抜けて金属シム板２０と接触し、金属シム板２０と電極２４とが導通するので、前記のように約１００℃で乾燥の上冷却した際には、金属シム板２０と圧電セラミックス板２６の熱膨張係数差によって圧電セラミックス板２６に応力がかかった状態となる。この残留応力によって、圧電セラミックス板２６の誘電率が低下し、圧電Ｄ定数が下がり、その結果、圧電バイモルフ振動子１８’の振動加速度が低下していた。
【０００６】
また、上記圧電バイモルフ振動子１８’では、金属シム板２０が基台に取り付けられるため、パーツフィーダ装置としたとき、電気的安全面から金属シム板２０側をグランド側（低電位側）にせざるを得ないことから、圧電セラミックス板２６の外面の電極２５が高電位側となり、電気的安全性を保持するため圧電セラミックス板２６の外周面に絶縁カバー或いは絶縁コーティングを施す必要があった。
【０００７】
他方、前記圧電型パーツフィーダは、搬送部品の小型化と共に装置としての小型化、高速搬送化が要求されるようになってきた。圧電型パーツフィーダの小型化には、駆動電源回路の部品点数の削減がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、圧電バイモルフ振動子などの圧電振動子を改善し、駆動電源回路の部品点数の削減を図って圧電型パーツフィーダの小型化を実現し、しかも高速搬送性能を得るよう、振動加速度の向上を図ろうとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の圧電振動子は、金属シム板の一面又は両面に、電極を両面に有する圧電セラミックス板を接着し、この圧電セラミックス板の一面又は両面の電極に交流電圧を印加し、アクチュエータとして振動させる振動子であって、金属シム板と圧電セラミックス板との間に、絶縁フィルムを介在させ、金属シム板と圧電セラミックス板とを電気的に絶縁したことを特徴とするものである。
【００１０】
上記の圧電振動子において、金属シム板の両面に、夫々電極を両面に有する圧電セラミックス板を接着している場合、絶縁フィルムは、少くとも一つの屈曲部を有する単体から成ることが好ましい。その理由は、絶縁フィルム２枚とし、金属シム板と各圧電セラミックス板との間に介在することができるが、この場合、絶縁フィルムの位置決め、リード端子の接続等の作業が煩雑となるのに対し、上記構成によれば、前記作業が極めて簡易となるからである。
【００１１】
また、絶縁フィルムは、厚さ１０μｍ〜２００μｍの柔軟性材料から成り、かつ上記絶縁フィルムの表面に金属箔が接着され、この金属箔が圧電セラミックス板内側面の電極のリード部となされていることが好ましい。その理由は、絶縁フィルムの厚さが１０μｍ未満では、製造時においてハンドリングが悪く、破損し易く、絶縁の意味がなされなくなる。また２００μｍを超えると、厚くて平坦性があっても圧電セラミックス板のたわみ振動を金属シム板に充分伝達されなくなるからである。
【００１２】
さらに、絶縁フィルムは、ポリイミド，ポリエステル，ポリアミド，ポリイミドエステル，ポリアミドエステル，ポリフェニレンオキシド，ポリエーテルケトンのいずれかから成ることが好ましい。その理由は、絶縁フィルムとして、特に電気的絶縁性，柔軟性，耐熱性，耐破損性が必要であるが、１０μｍ〜２００μｍの厚さの上記材料のフィルムで上記特性を十分に有するからである。
【００１３】
上記の圧電振動子において、絶縁フィルムに接着された金属箔の厚さは、１０μｍ〜５０μｍであることが好ましい。その理由は、１０μｍ未満では、絶縁フィルムを折り曲げた際に金属箔が切断されて導電性が損われ、５０μｍを超えると可変形性がそう失するからである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の圧電振動子の一実施形態を圧電バイモルフ振動子の場合を図によって説明する。図１において、２０はＳＫ鋼焼入れ処理の金属シム板で、上部に拡大変位ばね２１（図７を参照）を取り付けるねじ穴２２，２２が設けられ、下部に下方水平枠片１４（図７を参照）に固定するねじ穴２３，２３が設けられている。この金属シム板２０の両面にわたって、後述の圧電セラミックス板の幅よりもやや大きい幅を有する絶縁フィルム，本例の場合厚さ１０μｍ〜２００μｍで、柔軟性を有し、且つ圧電セラミックス板の伸縮を金属シム板２０に伝達するのに好適な硬さを有する完全な絶縁性の図２に示すフレキシブルなポリイミド樹脂フィルム３０に、周囲に余白をあけて銅箔３１を接着して成る絶縁フィルムが、図１に示すように銅箔３１が表になるように屈曲して接着されている。そして、金属シム板２０の両面側の銅箔３１の上には、夫々銅箔３１の幅とほぼ同等の幅で且つ内外両面に電極２４，２５を備えた圧電セラミックス板２６，２６が有機系接着剤で接着され、この圧電セラミックス板２６，２６の外面の電極２５からリード端子２７，２８がハンダ付けされて引き出され、圧電セラミックス板２６，２６の内面の電極２４からはポリイミド樹脂シート３０の表面の銅箔３１にリード端子３２がハンダ付けされて引き出されている。
【００１５】
尚、圧電セラミックス板２６としては、例えばチタン酸，ジルコン酸，鉛等のセラミックス板を分極処理して、一方の面にプラス極性の、他方の面にマイナス極性の分極電位を持たせたものであればどのようなものでもよい。
【００１６】
このように構成された実施形態の圧電バイモルフ振動子３３は、金属シム板２０と圧電セラミックス板２６，２６の内面の電極２４が図３，図４に示すようにポリイミド樹脂フィルム３０により絶縁されているので、圧電セラミックス板２６，２６を金属シム板２０へ接着した際の乾燥，冷却工程において熱膨張差に起因して圧電セラミックス板２６，２６に加わる残留ひずみが緩和され、その結果、誘電率の低下が少なくなり、バイモルフ振動子の駆動力に関係してくる圧電Ｄ定数が見かけ上大きくなり、振動加速度が増加し、パーツフィーダとしての加速性が向上し、高速搬送性能が得られる。
【００１７】
また、金属シム板１と圧電セラミックス板２６，２６とがポリイミド樹脂フィルム３０により電気的に絶縁されているので、筺体と直接接続されている金属シム板１は駆動電気回路との兼ね合いで従来電気的な絶縁トランスを必要としていたものが不要となって、電気回路の小型化、即ち、駆動電源ボックスの軽量化、小型化、低価格化が図れる。さらに、金属シム板２０と圧電セラミックス板２６の電極２４，２５とが電気的に絶縁されているので、図４に示すように圧電セラミックス板２６の内側面の電極２４をポリイミド樹脂フィルム３０の表面の銅箔３１を介して高電位側に接続し、圧電セラミックス板２６，２６の外側面の電極２５をグランド側（低電位側）に接続することができる。従って、圧電バイモルフ振動子３３の外周部は電気的に安全な面となり、電気的安全性が向上し、従来の圧電バイモルフ振動子１８’の場合のように圧電セラミックス板の外周面に、絶縁カバーもしくは絶縁コーティングを施すことは不要となる。
【００１８】
上記の圧電バイモルフ振動子の具体的な実施例を従来例と共に説明する。
図１に示すように幅５０mm，高さ８６mm，厚さ６mmのＳＫ鋼焼入れ処理の金属シム板２０の両面にわたって、表面に厚さ３０μｍの銅箔３１を周囲に幅２mmの余白を残して接着した幅１０６mm，高さ５２mm，厚さ７０μｍのフレキシブルなポリイミド樹脂フィルム３０を、銅箔３１が表になるように屈曲させて接着し、金属シム板２０の両面側の銅箔３１の上に、幅４７mm，高さ４５mm，厚さ０．７mmで両面に電極２４，２５を備えた圧電セラミックス板２６，２６を有機系接着剤で接着し、圧電セラミックス板２６，２６の外面の電極２５にリード端子２７，２８をハンダ付けし、内面の電極２４と接続されているポリイミド樹脂フィルム３０の屈曲部の銅箔３１にリード端子３２をハンダ付けして、実施例である圧電バイモルフ振動子３３を作成した。この実施例の圧電バイモルフ振動子３３を、直径２３０mmの搬送ボールを有するパーツフィーダの駆動部に２ヶ組み込み（他の２ヶは前記金属シム板２０のみ）、共振周波数約１７０ＫＨｚで駆動させ、駆動電圧に対する加速度Ｇを測定した。同様に図５に示すように金属シム板２０の両面に、直接電極２４，２５を内外両面に備えた圧電セラミックス板２６，２６を接着し、その他上記実施例と全く同じ寸法，構成とした従来の圧電バイモルフ振動子１８’を、上記と同じ搬送ボールを有するパーツフィーダの駆動部に２ヶ組み込み（他の２ヶは金属シム板２０のみ）、共振周波数約１７０ＫＨｚで駆動させ、駆動電圧に対する加速度Ｇを測定した。その結果を下記の表１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
上記の表１で明らかなように実施例の圧電バイモルフ振動子は、従来例の圧電バイモルフ振動子に比べ、駆動電圧に対する加速度Ｇが高いことが判る。また、従来例の圧電バイモルフ振動子の静電容量が平均値で５５．６ｎＦであったのに対し、実施例のバイモルフ振動子の静電容量は平均値で６７．１ｎＦと大きくなっている。これは、従来例の圧電バイモルフ振動子１８’が、金属シム板２０の両面に、直接圧電セラミックス板２６，２６を接着するため、接着時の温度による金属シム板２０と圧電セラミックス板２６，２６の熱膨張差で圧電セラミックス板２６，２６に残留ひずみが加わっているが、実施例の圧電バイモルフ振動子３３は、金属シム板２０とその両面の圧電セラミックス板２６，２６との間に絶縁フィルムであるポリイミド樹脂フィルム３０を介在させて、そのポリイミド樹脂フィルム３０で圧電セラミックス板２６，２６に加わる残留ひずみを緩和させた結果、バイモルフ振動子の駆動力に関係する圧電Ｄ定数が大きくなり、パーツフィーダとして振動加速度が向上したからに他ならない。
【００２１】
以上本発明の圧電振動子の一実施形態として圧電バイモルフ振動子の場合を説明したが、他の実施形態としては図５に示す圧電モノモルフ振動子３４がある。この圧電モノモルフ振動子３４は、ＳＫ鋼焼入れ処理の金属シム板２０の一面に、圧電セラミックス板の幅よりもやや大きい幅を有する絶縁フィルム、本例の場合厚さ１０μｍ〜２００μｍで柔軟性を有し、且つ圧電セラミックス板の伸縮を金属シム板２０に伝達するのに好適な硬さを有する完全な絶縁性のフレキシブルなポリイミドフィルム３０に、周囲に余白をあけて銅箔３１を接着して成る絶縁フィルムが、銅箔３１が表になるように接着されている。そして、銅箔３１の表面に銅箔３１の幅とほぼ同等の幅で且つ内外両面に電極２４，２５を備えた圧電セラミックス板２６が有機系接着剤で接着され、この圧電セラミックス板２６の外面の電極２５からリード端子２８がハンダ付けされて引き出され、圧電セラミックス板２６の内面の電極２４からはポリイミド樹脂シート３０の表面の銅箔３１にリード端子３２がハンダ付けされて引き出されている。
【００２２】
このように構成された実施形態の圧電モノモルフ振動子３４は、金属シム板２０と圧電セラミックス板２６の内面の電極２４がポリイミド樹脂フィルム３０により絶縁されているので、圧電セラミックス板２６を金属シム板２０へ接着した際の乾燥，冷却工程において熱膨張差に起因して圧電セラミックス板２６に加わる残留ひずみが緩和され、その結果、透電率の低下が少なくなり、モノモルフ振動子の駆動力に関係してくる圧電Ｄ定数が見かけ上大きくなり、振動加速度が増加する。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明の圧電振動子は、パーツフィーダとしての振動加速度を向上できるので、高速搬送性能が得られる。また、振動加速度がこれまでと同じでよい場合は、駆動電圧を下げることができ、消費電力を減少できる。さらに、本発明の圧電振動子は、金属シム板と圧電セラミックス板とが電気的に絶縁されているので、金属シム板と筺体との間に絶縁トランスを設けることは不要となり、電気回路の小型化、即ち、駆動電源ボックスの軽量化、小型化と低価格化が可能である。また、本発明の圧電振動子は、圧電セラミックス板の外側の電極を低電位側に接続できるので、外部に電気安全のための絶縁カバーもしくは絶縁コーティングを施すことは不要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動子の一実施形態である圧電バイモルフ振動子を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電バイモルフ振動子に使用されているフレキシブルなポリイミド樹脂シートの展開図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線縦断側面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ線横断平面図である。
【図５】本発明の圧電振動子の他の実施形態である圧電モノモルフ振動子を示す横断平面図である。
【図６】従来の圧電型パーツフィーダの構成を示す図である。
【図７】従来の圧電バイモルフ振動子を示す斜視図である。
【図８】図６の圧電バイモルフ振動子を用いた従来の圧電型パーツフィーダの構成を示す図である。
【図９】ａ〜ｄは従来の圧電バイモルフ振動子を作る工程を示す図である。
【符号の説明】
２０金属シム板
２４，２５電極
２６圧電セラミックス板
２７，２８リード端子
３０絶縁フィルム
３１銅箔
３２リード端子
３３圧電バイモルフ振動子
３４圧電モノモルフ振動子

Claims

金属シム板の一面又は両面に、電極を両面に有する圧電セラミックス板を接着し、この圧電セラミックス板の一面又は両面の電極に交流電圧を印加し、アクチュエータとして振動させる振動子であって、金属シム板と圧電セラミックス板との間に、絶縁フィルムを介在させ、金属シム板と圧電セラミックス板とを電気的に絶縁したことを特徴とする圧電振動子。
請求項１記載の圧電振動子において、金属シム板の両面に、夫々電極を両面に有する圧電セラミックス板を接着している場合、絶縁フィルムが少くとも一つの屈曲部を有する単体から成ることを特徴とする圧電振動子。
請求項１又は２記載の圧電振動子において、絶縁フィルムが厚さ１０μｍ〜２００μｍの柔軟性樹脂材料から成り、かつ上記絶縁フィルムの表面に金属箔が接着され、この金属箔が圧電セラミックス板内側面の電極のリード部となされていることを特徴とする圧電振動子。
請求項１〜３のいずれかに記載の圧電振動子において、絶縁フィルムが、ポリイミド，ポリエステル，ポリアミド，ポリイミドエステル，ポリアミドエステル，ポリフェニレンオキシド，ポリエーテルケトンのいずれかから成ることを特徴とする圧電振動子。
請求項２〜４のいずれかに記載の圧電振動子において、絶縁フィルムに接着された金属箔の厚さが１０μｍ〜５０μｍであることを特徴とする圧電振動子。