JP4044541B2 - Method for manufacturing piezoelectric vibrator - Google Patents

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Description

本発明は、屈曲変形を行う圧電振動子に関し、特にダイヤフラム用圧電振動子として好適な圧電振動子の製造方法に関する。   The present invention relates to a piezoelectric vibrator that performs bending deformation, and more particularly, to a method for manufacturing a piezoelectric vibrator suitable as a piezoelectric vibrator for a diaphragm.

ダイヤフラム式小型ポンプなどのダイヤフラムには、圧電セラミックス板からなる振動子(以下、圧電振動子という)を用いたものがある。例えば特許文献1に開示されたようである。   Some diaphragms such as a diaphragm type small pump use a vibrator made of a piezoelectric ceramic plate (hereinafter referred to as a piezoelectric vibrator). For example, it is disclosed in Patent Document 1.

このようなダイヤフラムは、圧電セラミックス板2枚でシムと呼ばれる中間層の板を挟み込む形で構成した圧電バイモルフをシリコーンゴムなどのエラストマー素材で全体をモールドする構成になっていた。そのとき、圧電バイモルフを屈曲振動させるためのリード線は圧電セラミックス板表面に形成された電極に電線を半田付けするなどして構成されていた。   Such a diaphragm has a configuration in which a piezoelectric bimorph formed by sandwiching an intermediate layer plate called a shim between two piezoelectric ceramic plates is molded entirely with an elastomer material such as silicone rubber. At that time, the lead wire for bending and vibrating the piezoelectric bimorph was constituted by soldering an electric wire to an electrode formed on the surface of the piezoelectric ceramic plate.

特開2000−265963号公報JP 2000-265963 A

ところで、小型ポンプのダイヤフラム用の圧電振動子は小型化、特に薄型化が求められている。特に燃料電池の燃料供給装置や、点滴などの薬液注入、各種電子機器の水冷用などで薄型ポンプの要求があり、従来からある電磁式のダイヤフラム式小型ポンプや電磁遠心式ポンプでは実現できない薄型領域での応用が期待されている。例えばノートパソコンのCPU冷却用のダイヤフラム式小型ポンプではスペースの関係で高さ6mm以下が要求される。そのとき流れを発生させるための逆止弁等の機構部や圧電振動子を固定するためのケーシングに最低でも約4.5mm必要になるため、圧電振動子の厚さは1.5mm以下であることが必要になる。   Incidentally, a piezoelectric vibrator for a diaphragm of a small pump is required to be downsized, particularly thin. There is a demand for thin pumps, especially for fuel cell fuel supply devices, injection of chemicals such as infusions, and water cooling for various electronic devices, etc., and thin areas that cannot be realized with conventional electromagnetic diaphragm-type small pumps and electromagnetic centrifugal pumps Application in is expected. For example, a diaphragm-type small pump for cooling a CPU of a notebook computer requires a height of 6 mm or less because of space. At that time, the thickness of the piezoelectric vibrator is 1.5 mm or less because a mechanism part such as a check valve for generating a flow or a casing for fixing the piezoelectric vibrator is required at least about 4.5 mm. It will be necessary.

しかしながら、従来のダイヤフラム用の圧電振動子は表面電極に半田で電線を接続し、これをシリコーンゴム等で覆う構成になっているため半田点の高さ以上の厚さにシリコーンゴム等を形成する必要がある。さらに接水面側においては透水を押さえるためPTFE(フッ素樹脂)シートなどの防水フィルムを貼り付ける必要がある。このため、従来のダイヤフラム式小型ポンプ用圧電振動子での厚さは、圧電振動子の厚さ=圧電バイモルフ厚+モールド厚×2層+防水フィルム厚、となり、例えば圧電バイモルフ厚:1.0mm、モールド厚:1.0mm、防水フィルム厚:0.1mmとすると、圧電振動子の厚さ=1.0mm+1.0mm×2層+0.1mm=3.1mm、となる。その結果、ケーシング厚4.5mmを含めたダイヤフラム式小型ポンプの総厚は7.6mmとなってしまい、前記のノートパソコン冷却用などには使用できないという問題があった。   However, a conventional piezoelectric vibrator for a diaphragm has a structure in which an electric wire is connected to a surface electrode with solder and this is covered with silicone rubber or the like, so that silicone rubber or the like is formed to a thickness greater than the solder point height. There is a need. Furthermore, it is necessary to affix a waterproof film such as a PTFE (fluororesin) sheet on the water contact surface side in order to suppress water permeability. For this reason, the thickness of the piezoelectric diaphragm for a conventional diaphragm type small pump is: thickness of piezoelectric vibrator = piezoelectric bimorph thickness + mold thickness × 2 layers + waterproof film thickness, for example, piezoelectric bimorph thickness: 1.0 mm When the mold thickness is 1.0 mm and the waterproof film thickness is 0.1 mm, the thickness of the piezoelectric vibrator is 1.0 mm + 1.0 mm × 2 layers + 0.1 mm = 3.1 mm. As a result, the total thickness of the diaphragm type small pump including the casing thickness of 4.5 mm is 7.6 mm, and there is a problem that it cannot be used for cooling the laptop computer.

また、従来この種の用途に使用される圧電バイモルフではシム材と呼ばれる中間層にステンレス系合金や銅系合金などの金属板を用いて構成し、この一部を半田取り付け部として接着部分以外に露出させ、ここで電線などを半田付けすることで駆動電源へのリード線を取り出す構成を取ることが通常であった。しかしながら、半田取り付け部分が圧電セラミックスの外側に露出している上に電圧がかかる部分であるため、シリコーンゴム等の絶縁エラストマー材料でモールドする必要があった。また、半田固定部はシリコーンゴムなどのエラストマー素材で覆う形になっているため圧電振動子の屈曲振動の度に半田点がストレスを受け、連続使用した場合に電線が圧電セラミックス表面電極から剥がれるという問題もあった。   In addition, in the conventional piezoelectric bimorph used for this kind of application, an intermediate layer called shim material is configured using a metal plate such as a stainless steel alloy or a copper alloy, and a part of this is used as a solder attachment part other than the adhesive part. It is usual to take a configuration in which the lead wire to the drive power source is taken out by exposing the wire and soldering the wire. However, since the solder attachment portion is exposed to the outside of the piezoelectric ceramic and is a portion to which voltage is applied, it has been necessary to mold with an insulating elastomer material such as silicone rubber. In addition, since the solder fixing part is covered with an elastomeric material such as silicone rubber, the solder point is stressed every time the piezoelectric vibrator is bent and the wire is peeled off from the piezoelectric ceramic surface electrode when used continuously. There was also a problem.

そこで、本発明は、ダイヤフラム用の圧電振動子などに用いられ、より薄型で信頼性が高く製造しやすく安価な圧電振動子の製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a piezoelectric vibrator that is used in a piezoelectric vibrator for a diaphragm and the like, and is thinner, highly reliable, and easy to manufacture.

その課題を解決するために、本発明の圧電振動子の製造方法は、2枚の圧電セラミックス板で弾性板を挟み込むように接合したバイモルフ型の圧電振動体と、前記圧電セラミックス板の外面に接合した防湿性シートとを備え、前記圧電セラミックス板の主面に形成された電極からはフラットケーブルによってリード線が引き出された圧電振動子の製造方法において、前記弾性板は繊維材料に熱硬化性樹脂を含浸したシート状のプリプレグであり、該プリプレグの面と前記圧電セラミックス板の前記電極との間に前記フラットケーブルの線心を挟み込み、前記圧電セラミックス板の他の主面の電極と前記防湿性シートの間に接着剤と共に前記フラットケーブルの他の線心を挟み込んで全体を加圧する工程と、昇温によって前記プリプレグ及び前記接着剤を硬化させる工程とを含むことを特徴とする。 In order to solve the problem, a method for manufacturing a piezoelectric vibrator according to the present invention includes a bimorph-type piezoelectric vibrator bonded so as to sandwich an elastic plate between two piezoelectric ceramic plates, and bonded to the outer surface of the piezoelectric ceramic plate. In the method of manufacturing a piezoelectric vibrator in which a lead wire is drawn out from an electrode formed on a main surface of the piezoelectric ceramic plate by a flat cable, the elastic plate is made of a thermosetting resin as a fiber material. A sheet-like prepreg impregnated with a wire core of the flat cable sandwiched between the surface of the prepreg and the electrode of the piezoelectric ceramic plate, and the moisture resistance of the electrode on the other main surface of the piezoelectric ceramic plate Sandwiching the other core of the flat cable together with an adhesive between the sheets and pressurizing the whole, and the prepreg and the front by heating Characterized in that it comprises a step of curing the adhesive.

発明さらに説明する。発明では、圧電体の歪み変化を応用する圧電バイモルフの表面に防湿性を有する、シート、ゴム板、樹脂材料等を貼り付ける構成にし、防湿、電気的な絶縁を行うと共に駆動電源への取り出しを前記シート、ゴム板、樹脂材料等と圧電セラミックス板表面電極との間に挟み込んだフラットケーブルで取り出すことを特徴の一つとする。 The present invention will be further described. In the present invention, a sheet, rubber plate, resin material, etc. having moisture resistance is applied to the surface of the piezoelectric bimorph that applies the strain change of the piezoelectric body, moisture prevention, electrical insulation and taking out to the drive power supply One of the features is to take out with a flat cable sandwiched between the sheet, rubber plate, resin material and the like and the surface electrode of the piezoelectric ceramic plate.

発明の構成では防湿性シートは防湿、電気的絶縁、フラットケーブル固定の3つの役割を持っている。防湿に関しては、ダイヤフラムの表面の素材として、圧電バイモルフの表面に透水しないようにすることで、圧電バイモルフの保護の効果がある。電気的絶縁に関しては、導電性の液体が接した際に液体と圧電バイモルフ表面電極を電気的に絶縁する効果がある。フラットケーブルの固定に関しては圧電セラミックスの表面に形成された電極に接するようにフラットケーブルを配置し防湿性シートで挟み込み接着することで構成する。従来の半田で電線を固定する方法では半田点の厚さを覆い隠すため、半田点の厚さ以上の厚さのエラストマー素材のモールドが不可欠であるが、本発明のフラットケーブルを挟み込んで接着する方法ではフラットケーブルの厚さを薄いものにすることで、テフロン(登録商標)シートなどの防湿性シートを貼り付けた場合でも表面にできる凹凸は小さく、樹脂性Oリングなどで圧電振動子を固定すれば気密の問題は発生しない。この防湿性シートは屈曲振動を行う圧電バイモルフの変位を妨げないようにできるだけ柔らかい素材を用いることが望ましい。 In the configuration of the present invention, the moisture-proof sheet has three roles of moisture-proof, electrical insulation, and flat cable fixing. Regarding moisture proofing, by preventing water from permeating the surface of the piezoelectric bimorph as a material of the surface of the diaphragm, there is an effect of protecting the piezoelectric bimorph. Regarding electrical insulation, there is an effect of electrically insulating the liquid and the piezoelectric bimorph surface electrode when the conductive liquid comes into contact therewith. The flat cable is fixed by arranging the flat cable so as to be in contact with the electrode formed on the surface of the piezoelectric ceramic, and sandwiching and adhering it with a moisture-proof sheet. In the conventional method of fixing the wire with the solder, the thickness of the solder point is obscured. Therefore, it is indispensable to mold the elastomer material with a thickness equal to or greater than the thickness of the solder point. However, the flat cable of the present invention is sandwiched and bonded. This method reduces the thickness of the flat cable, so that even when a moisture-proof sheet such as a Teflon (registered trademark) sheet is attached, the surface has small irregularities and the piezoelectric vibrator is fixed with a resin O-ring. If this is the case, the problem of airtightness will not occur. It is desirable to use a material that is as soft as possible for the moisture-proof sheet so as not to prevent the displacement of the piezoelectric bimorph that performs bending vibration.

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、シム材となる中間層をプリプレグと呼ばれる、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の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構成し、前記シム材と圧電体の熱硬化による貼り合わせの際にフラットケーブルを挟み込んで硬化させ駆動電源取り出し電線とすることを特徴の一つとする。本発明によれば、圧電セラミックスの表面に形成された電極に接するようにフラットケーブルを配置しプリプレグのテープ状の中間材料で挟み込み接着することでシムと呼ばれる中間層の接着形成と駆動電源取り出し用電線を同時に形成できる構造とする。従来の半田で電線を接続する方法では半田点の電気的絶縁のため、絶縁系エラストマー素材のモールドが不可欠であるが、本発明のフラットケーブルを挟み込んで接着する方法ではフラットケーブルの線材部分はすべてシムと呼ばれる中間層と圧電セラミックスの間に挟まれ硬化されるため電位差が生じる部分が圧電バイモルフの外側に露出することがなくモールド等の処理の必要がない。シム材に使用するプリプレグのテープ状の中間材料は、挟み込むフラットケーブルが圧電セラミックス表面に形成された電極に接している限りにおいてはカーボンファイバーなどの導電性材料でもグラスファイバーなどの絶縁性材料でも構わない。 The present invention is a semi-cured state in which a thermosetting resin is impregnated in a fiber material such as carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber, which is called a prepreg, in an intermediate layer serving as a shim material in a piezoelectric bimorph that applies a strain change of a piezoelectric body One of the characteristics is that it is made of a tape-shaped intermediate material, and a flat cable is sandwiched and cured when the shim material and the piezoelectric body are bonded together by thermosetting to form a drive power supply electric wire. According to the present invention, an intermediate layer called shim is formed and a drive power supply is taken out by arranging a flat cable so as to be in contact with an electrode formed on the surface of a piezoelectric ceramic, and sandwiching and bonding with a tape-like intermediate material of a prepreg. A structure in which electric wires can be formed simultaneously. In the conventional method of connecting electric wires with solder, it is indispensable to mold the insulating elastomer material to electrically insulate the solder points. However, with the method of sandwiching and bonding the flat cable of the present invention, all the wire parts of the flat cable are used. Since it is sandwiched and cured between an intermediate layer called a shim and piezoelectric ceramics, a portion where a potential difference occurs is not exposed to the outside of the piezoelectric bimorph, and there is no need for processing such as molding. The tape-like intermediate material of the prepreg used for the shim material may be a conductive material such as carbon fiber or an insulating material such as glass fiber as long as the flat cable to be sandwiched is in contact with the electrode formed on the surface of the piezoelectric ceramic. Absent.

発明は、第1又は第2の発明の構成になるように線心数3本以上のフラットケーブルを配置し圧電バイモルフを製造する際に駆動電源取り出し電線を同時に接着又は硬化させ形成することが望ましい。この構成では一方の圧電セラミックスの表面に形成された電極と防湿性シート間、もう一方の圧電セラミックスの表面に形成された電極と防湿性シート間、シム材と呼ばれる中間層と少なくとも一方の圧電セラミックス表面に形成された電極間にフラットケーブルをそれぞれ挟み込み形成する。フラットケーブルは同一の絶縁体上に複数の導体が形成されたものでも、複数の導体がそれぞれ形成されたものでも構わない。フラットケーブルの導体の厚さ(厚さ方向の寸法)は0.05m以下のフラットケーブルであることが望ましい。このように圧電セラミックスの表面に形成された電極と防湿性シート間にフラットケーブルを挟み込んで接着すると防湿性シート表面に段差ができる。この段差が大きいとOリング上に固定した場合に隙間ができ液漏れを起こすなどの気密性の問題が生じる。しかしながら、厚さが0.05mm以下の導体のフラットケーブルを使用すれば生じる段差の影響は少なくなりフッ素樹脂などのエラストマー素材のOリングで固定すれば液漏れなどの気密性の問題は生じない。したがって、印加する電源の電圧、電流値の許容する範囲でより薄いフラットケーブルを使用することが望ましい。 The present invention, be formed driving power deriving the wire is simultaneously bonded or cured in manufacturing piezoelectric bimorph first or second Sensing number three or more flat cables so that the configuration of the present invention arranged desirable. In this configuration, between the electrode formed on the surface of one piezoelectric ceramic and the moisture-proof sheet, between the electrode formed on the surface of the other piezoelectric ceramic and the moisture-proof sheet, an intermediate layer called a shim material, and at least one piezoelectric ceramic A flat cable is sandwiched between the electrodes formed on the surface. The flat cable may be one in which a plurality of conductors are formed on the same insulator, or one in which a plurality of conductors are respectively formed. It is desirable that the flat cable has a conductor thickness (dimension in the thickness direction) of 0.05 m or less. When the flat cable is sandwiched and bonded between the electrode formed on the surface of the piezoelectric ceramic and the moisture-proof sheet, a step is formed on the surface of the moisture-proof sheet. If this level difference is large, there will be a problem of airtightness such as a gap formed when fixed on the O-ring to cause liquid leakage. However, if a flat cable having a thickness of 0.05 mm or less is used, the effect of the level difference is reduced, and if it is fixed with an O-ring made of an elastomer material such as a fluororesin, there is no problem of airtightness such as liquid leakage. Therefore, it is desirable to use a thinner flat cable within the allowable range of the voltage and current of the applied power supply.

この構成にすることにより、半田点の厚さが無くなることでより低背型のダイヤフラム用圧電振動子を提供することができる。また、半田付けに関わる脆弱性の影響のないダイヤフラム用圧電振動子を提供することができる。   With this configuration, it is possible to provide a diaphragm vibrator for a diaphragm having a lower profile because the thickness of the solder point is eliminated. In addition, it is possible to provide a piezoelectric vibrator for a diaphragm that is not affected by the vulnerability associated with soldering.

発明は、前記防湿性シートはショア硬さD80以下で且つ厚さが0.01〜0.50mmの高分子材料を使用することが望ましい。前記防湿性シートは硬く伸びの少ない素材の場合、圧電バイモルフの変位を妨げ、振動子としての性能を落とすこととなる。また、同様に防湿性シートの厚さが厚くなると圧電バイモルフの変位を妨げ、振動子としての性能を落とすこととなる。少なくとも前記硬度と厚さの範囲で選定する必要がある。言うまでもなく防湿性や強度を考慮して最適な硬さや厚さの防湿性シートにする必要がある。 The present invention, the moisture-proof sheet Shore hardness D80 or less and a thickness may be desirable to use polymeric materials 0.01~0.50Mm. When the moisture-proof sheet is a hard material with little elongation, displacement of the piezoelectric bimorph is hindered and performance as a vibrator is deteriorated. Similarly, when the thickness of the moisture-proof sheet is increased, the displacement of the piezoelectric bimorph is hindered, and the performance as a vibrator is deteriorated. It is necessary to select at least the range of the hardness and thickness. Needless to say, it is necessary to take a moisture-proof sheet having an optimal hardness and thickness in consideration of moisture resistance and strength.

発明では、上記高分子材料として、フッ素樹脂、ネオプレンゴム、ウレタン系高分子を用いることができる。 In the present invention, as the polymer material, fluorine resin, neoprene rubber, may be used a urethane polymer.

発明では、線心数3本以上のフラットケーブルを配置し圧電バイモルフを製造する際に駆動電源取り出し電線を同時に接着又は硬化させ製造することができる。この構成では一方の圧電セラミックスの表面に形成された電極と防湿性シート間、もう一方の圧電セラミックスの表面に形成された電極と防湿性シート間、シム材と呼ばれる中間層と少なくとも一方の圧電セラミックス表面に形成された電極間にフラットケーブルをそれぞれ挟み込み、加圧硬化させることで1度の処理で圧電振動子を形成する。この構成にすることにより、半田付けの処理が不要になり、作業コストが低滅でき、より安価な圧電振動子を提供することができる。 In the present invention, it is possible to produce driving power deriving the wire is simultaneously bonded or cured in manufacturing piezoelectric bimorph arranged Sensing number three or more flat cables. In this configuration, between the electrode formed on the surface of one piezoelectric ceramic and the moisture-proof sheet, between the electrode formed on the surface of the other piezoelectric ceramic and the moisture-proof sheet, an intermediate layer called a shim material, and at least one piezoelectric ceramic Each of the flat cables is sandwiched between electrodes formed on the surface and is cured by pressure to form a piezoelectric vibrator by a single process. With this configuration, the soldering process becomes unnecessary, the operation cost can be reduced, and a cheaper piezoelectric vibrator can be provided.

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薄型のダイヤフラム用の圧電振動子を製造することができ、これまでの振動子では使用できなかった、より低背の用途でも十分な性能のダイヤフラム用の圧電振動子の製造方法を提供できる。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ダイヤフラム用の圧電振動子の製造方法を提供できる。   As described above, according to the configuration of the present invention, it is possible to manufacture a piezoelectric vibrator for a diaphragm that is thinner than the conventional one, and a lower-profile application that could not be used with the conventional vibrator. However, a method of manufacturing a piezoelectric vibrator for a diaphragm having sufficient performance can be provided. In addition, since the manufacturing method is simplified, it is possible to provide a method for manufacturing a piezoelectric vibrator for a diaphragm that is less expensive than the conventional one.

次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明により作製される圧電振動子を示す断面図であり、圧電振動子の全体の形状は円板状の圧電バイモルフからフラットケーブルによる端子が引き出された形状である。図1において、la、lbは表面に電極が形成された圧電セラミックス板、2はシム材であり、プリプレグを硬化させてなる繊維材料と高分子材料の複合体、3a、3bは防湿シートであり、4はフラットケーブル、5a、5b、5c、5dはフラットケーブルの線心(導線)である。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a piezoelectric vibrator manufactured according to the present invention. The overall shape of the piezoelectric vibrator is a shape in which a flat cable terminal is drawn from a disk-like piezoelectric bimorph. In FIG. 1, la and lb are piezoelectric ceramic plates having electrodes formed on their surfaces, 2 is a shim material, a composite of a fiber material and a polymer material obtained by curing a prepreg, and 3a and 3b are moisture-proof sheets. 4 is a flat cable, 5a, 5b, 5c, and 5d are the cores (conductive wires) of the flat cable.

その製造方法では、(1)シム材2と圧電セラミックス板1a及び1bとの接合、(2)圧電セラミックス板1a及び1bの電極と線心5c及び5dとの接合、(3)圧電セラミックス板1a及び1bの電極と線心5a及び5bとの接合、(4)圧電セラミックス板1a及び1bと防湿シート3a及び3bとの接合を一括して行う。   In the manufacturing method, (1) joining the shim material 2 and the piezoelectric ceramic plates 1a and 1b, (2) joining the electrodes of the piezoelectric ceramic plates 1a and 1b and the wire cores 5c and 5d, and (3) the piezoelectric ceramic plate 1a. 1b and the wire cores 5a and 5b, and (4) the piezoelectric ceramic plates 1a and 1b and the moisture-proof sheets 3a and 3b are joined together.

この接合においては、シム材2となるプリプレグが重要な役割を果たす。すなわち、硬化後にシム材2となり弾性板として機能するだけでなく、接合時には圧電セラミックス板1a、1b、線心5c、5dとの接着剤として機能するプリプレグが用いられる。また、このプリプレグによる接合は、圧電セラミックス板1a又は1bと防湿シート3a又は3bとの間の接着と同時に行うため、硬化温度が近いことが望ましい。   In this joining, the prepreg to be the shim material 2 plays an important role. That is, a prepreg is used that not only functions as an elastic plate after being cured, but also functions as an adhesive with the piezoelectric ceramic plates 1a, 1b and the wire cores 5c, 5d. Further, since the joining by the prepreg is performed simultaneously with the adhesion between the piezoelectric ceramic plate 1a or 1b and the moisture-proof sheet 3a or 3b, it is desirable that the curing temperature is close.

また、防湿シート3a、3bは、防湿機能だけでなく、バイモルフ振動を減衰させず、さらに電気絶縁特性も重要なので、フッ素樹脂、ネオプレンゴム、ウレタン系高分子などの高分子材料を用いる。   Further, the moisture-proof sheets 3a and 3b not only have a moisture-proof function, but also do not attenuate bimorph vibration, and also have an important electrical insulating property, and therefore, polymer materials such as fluororesin, neoprene rubber, and urethane polymer are used.

ところで、シム材2の導電性が十分であるときは、フラットケーブル4の線心5c又は5dのいずれかを省略して、3本の線心(導線)のフラットケーブルを用いることもできる。また、フラットケーブルの線心の厚さ(厚さ方向の寸法)を制限したことにより、電気抵抗が高くなる場合には、圧電セラミックス板の1つの電極に2本以上の線心を接続してもよい。   By the way, when the conductivity of the shim material 2 is sufficient, either the wire core 5c or 5d of the flat cable 4 may be omitted, and a flat cable having three wire cores (conductive wires) may be used. In addition, when the electrical resistance is increased by limiting the thickness (dimension in the thickness direction) of the flat cable core, connect two or more cores to one electrode of the piezoelectric ceramic plate. Also good.

次に実施例を挙げて、さらに説明する。本実施例の製造方法により作製される圧電振動子の外形寸法は直径φ37mm、厚さ1.4mmであり、その断面は図1のようである。la、lbは直径35mm、厚さ0.36mmの圧電セラミックス板で表面に直径33mm銀電極が形成されている。その素材にはNECトーキン製N−17材を使用した。比誘電率は4200、圧電定数はd31=−280×10−12m/Vである。2は中間層に用いた直径35mm、厚さ0.25mmのカーボンファイバーのシム材、3a、3bは厚さ0.2mmの防湿シートでPTFEシートを用いた。4はフラットケーブル、5a、5b、5c、5dはフラットケーブルの線心で線厚は0.035mmである。本実施例では線心が4本のフラットケーブルを用いた。線心はそれぞれ5a、5cが圧電セラミックス板1aの上下の電極に接している。線心5b、5dが圧電セラミックス板1bの上下の電極に接している。 Next, an example will be given and further described. The external dimensions of the piezoelectric vibrator manufactured by the manufacturing method of this example are 37 mm in diameter and 1.4 mm in thickness, and the cross section is as shown in FIG. La and lb are piezoelectric ceramic plates having a diameter of 35 mm and a thickness of 0.36 mm, and a silver electrode having a diameter of 33 mm is formed on the surface. N-17 material made by NEC TOKIN was used as the material. The relative dielectric constant is 4200, and the piezoelectric constant is d 31 = −280 × 10 −12 m / V. 2 is a carbon fiber shim material having a diameter of 35 mm and a thickness of 0.25 mm used for the intermediate layer, and 3a and 3b are moisture-proof sheets having a thickness of 0.2 mm using PTFE sheets. 4 is a flat cable, 5a, 5b, 5c, and 5d are flat cable cores, and the wire thickness is 0.035 mm. In this example, a flat cable having four wire cores was used. The wire cores 5a and 5c are in contact with the upper and lower electrodes of the piezoelectric ceramic plate 1a, respectively. The wire cores 5b and 5d are in contact with the upper and lower electrodes of the piezoelectric ceramic plate 1b.

この圧電振動子の製造方法を示す前に、ほぼ従来技術により作製された比較例について説明する。 Before showing the method of manufacturing the piezoelectric vibrator, a comparative example manufactured by the conventional technique will be described.

図5に比較例のダイヤフラム小型ポンプ用の圧電振動子の断面を示す。外形寸法は直径φ37mm、厚さ3.1mmであり、6a、6bは上記の実施例と同様直径35mm、厚さ0.36mmの圧電セラミックス板で表面に直径33mmの銀電極が形成されている。NECトーキン製N−17材を使用した。7は中間層として用いた厚さ0.25mmのリン青銅板のシム材、8は総厚3mmのシリコーン樹脂で型に入れて形成した。9は厚さ0.1mmの防水シートでPTFEシートを用いた。10a、l0b、l0cは電線で、電線10aはシム材7に、電線10b、10cはそれぞれ圧電セラミックス板6a、6bの表面電極に半田付けされ、11a、11b、11cが半田点である。   FIG. 5 shows a cross section of a piezoelectric vibrator for a diaphragm small pump of a comparative example. The outer dimensions are a diameter of 37 mm and a thickness of 3.1 mm, and 6a and 6b are piezoelectric ceramic plates having a diameter of 35 mm and a thickness of 0.36 mm as in the above embodiment, and a silver electrode having a diameter of 33 mm is formed on the surface. N-17 material manufactured by NEC TOKIN was used. 7 is a shim material of a phosphor bronze plate having a thickness of 0.25 mm used as an intermediate layer, and 8 is a silicone resin having a total thickness of 3 mm. 9 is a waterproof sheet having a thickness of 0.1 mm, and a PTFE sheet was used. 10a, 10b and 10c are electric wires, the electric wire 10a is soldered to the shim material 7, the electric wires 10b and 10c are soldered to the surface electrodes of the piezoelectric ceramic plates 6a and 6b, respectively, and 11a, 11b and 11c are solder points.

表1に本発明の実施例により作製されたものと比較例のダイヤフラム小型ポンプ用の圧電振動子の比較を示す。 Table 1 shows a comparison of piezoelectric vibrators for diaphragm small pumps manufactured according to the embodiment of the present invention and comparative examples.

Figure 0004044541
Figure 0004044541

表1に示すように本発明の実施例によるものと比較例のダイヤフラム小型ポンプ用圧電振動子を比較すると、従来に比べ本発明では直径は変わらないものの厚さを半分以下にまで低減できる。従来の圧電振動子の場合11b、11cに示した半田点は連続した電線の高さも考慮すると0.5〜0.7mm程度になり、この半田点の凸部をモールドで覆い隠すためには製造ばらつきも考慮し圧電セラミックス板表面から1mm程度の厚さを持たせる必要が生じる。また、シリコーンゴムは吸水率が高く水と接した面から吸水して内部の圧電バイモルフの品質に影響を与える可能性があるため、少なくとも水と接する面には防水シートを貼り付ける必要がある。この結果、圧電振動子の厚さ=圧電バイモルフ厚+モールド厚×2層+防水フィルム厚、となり、圧電バイモルフ厚:(0.36×2+0.25)mm、モールド厚:1.0mm、防水シート厚0.1mmなので、圧電振動子の厚さ=約1.0mm+1.0mm×2層+0.1mm=約3.1mm、となる。 As shown in Table 1, when the piezoelectric vibrators for diaphragm small pumps according to the examples of the present invention and the comparative examples are compared, the thickness of the present invention can be reduced to half or less although the diameter does not change in the present invention. In the case of the conventional piezoelectric vibrator, the solder points shown in 11b and 11c are about 0.5 to 0.7 mm in consideration of the height of the continuous electric wire. In order to cover the convex part of the solder point with a mold, it is manufactured. In consideration of the variation, it is necessary to have a thickness of about 1 mm from the surface of the piezoelectric ceramic plate. Further, since the silicone rubber has a high water absorption rate and may absorb water from the surface in contact with water and affect the quality of the internal piezoelectric bimorph, it is necessary to attach a waterproof sheet to at least the surface in contact with water. As a result, the thickness of the piezoelectric vibrator = piezoelectric bimorph thickness + mold thickness × 2 layers + waterproof film thickness. Piezoelectric bimorph thickness: (0.36 × 2 + 0.25) mm, mold thickness: 1.0 mm, waterproof sheet Since the thickness is 0.1 mm, the thickness of the piezoelectric vibrator = about 1.0 mm + 1.0 mm × 2 layers + 0.1 mm = about 3.1 mm.

これに対し本発明の実施例によるものでは圧電セラミックスに防水シート(防湿シート)を直接貼り付けることで、本実施例の圧電振動子の厚さ=圧電バイモルフ厚+防水シート×2層、となり、圧電バイモルフ厚:(0.36×2+0.25)mm、防水シート厚0.2mmなので、圧電振動子の厚さ=約1.0mm+0.2mm×2層=約1.4mm、となる。これにより約1.7mmの低背化が実現でき薄型ポンプ等の低背化の要求が高い用途に使用が可能になる。 On the other hand, according to the embodiment of the present invention, by directly attaching a waterproof sheet (moisture-proof sheet) to the piezoelectric ceramic, the thickness of the piezoelectric vibrator of this embodiment = piezoelectric bimorph thickness + waterproof sheet × 2 layers, Piezoelectric bimorph thickness: (0.36 × 2 + 0.25) mm and waterproof sheet thickness 0.2 mm, so that the thickness of the piezoelectric vibrator = about 1.0 mm + 0.2 mm × 2 layers = about 1.4 mm. As a result, a low profile of about 1.7 mm can be realized, and it can be used for applications requiring high profile such as thin pumps.

次に、本発明の実施例によるものと比較例のダイヤフラム小型ポンプ用圧電振動子の変位量を比較した。直径33mmのOリングで圧電振動子の上下を抑えるようにして固定し、線心5a、5bと線心5c、5dの間に100Vrmsの電圧を印加し、圧電振動子を屈曲振動させ中心の変位量を測定した。その結果、本実施例によるものと比較例のダイヤフラム小型ポンプ用圧電振動子で変位量に大きな違いは見られず本発明によってダイヤフラム用圧電振動子として十分な性能が得られることが確認できた。 Next, we compared the amount of displacement of the diaphragm miniature piezoelectric vibrator pump of Comparative Example to be due to an embodiment of the present invention. The piezoelectric vibrator is fixed by an O-ring having a diameter of 33 mm so as to suppress the top and bottom of the piezoelectric vibrator. A voltage of 100 Vrms is applied between the wire cores 5a and 5b and the wire cores 5c and 5d to cause the piezoelectric vibrator to flexurally vibrate. The amount was measured. As a result, a sufficient performance can be obtained as the piezoelectric vibrator diaphragm has been confirmed by a large difference in the amount of displacement in the diaphragm miniature piezoelectric vibrator pump of Comparative Example with those according to this embodiment the present invention not observed.

次に本実施例の製造プロセスについて説明する。まず、圧電セラミックス板1a、1bは下記の工程で製造される。   Next, the manufacturing process of the present embodiment will be described. First, the piezoelectric ceramic plates 1a and 1b are manufactured by the following steps.

1)圧電セラミックス原料粉末(NECトーキン製N−17材)に有機物のバインダーと有機溶剤を混入して泥漿化する。
2)ドクターブレード法で泥漿をシート化する。
3)必要なシートには内部電極層として銀とパラジュームを主成分とする電極ペーストを印刷し乾燥する。
4)シートを重ねて加熱プレスし、必要な形状に切断する。
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する。
6)密閉容器中で1000℃から1200℃の範囲で1時間から6時間焼成を行う。
7)端面に電気端子用及び最外皮部の電極を塗布又は印刷し、500℃から600℃で焼き付ける。
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する。
1) An organic binder and an organic solvent are mixed into a piezoelectric ceramic raw material powder (N-17 material manufactured by NEC TOKIN) to make a slurry.
2) Sheet the slurry with the doctor blade method.
3) An electrode paste mainly composed of silver and palladium is printed on the required sheet as an internal electrode layer and dried.
4) The sheets are stacked and heated and pressed to cut into the required shape.
5) Heat from 500 ° C to 600 ° C and incinerate organic substances such as binder in a few hours.
6) Firing is performed in a sealed container at a temperature of 1000 ° C. to 1200 ° C. for 1 to 6 hours.
7) Apply or print the electrode for the electric terminal and the outermost skin on the end face, and bake at 500 to 600 ° C.
8) Heat to about 100 ° C. in insulating oil and apply a DC electric field of 2 to 3 kV / mm between the terminals for polarization treatment.

引き続き、図面に基づいて、次工程を説明する。   Next, the next process will be described based on the drawings.

図3は本実施例により作製される圧電振動子を示す分解斜視図である。4のフラットケーブルは5a、5b、5c、5dの4本の線心を有している。これらは線心5aが圧電セラミックス板1aの上面電極、線心5bが圧電セラミックス板1bの下面電極、線心5cが圧電セラミックス板1aの下面電極、線心5dが圧電セラミックス板1bの上面の電極にそれぞれ接するように挟み込む。圧電セラミックス板1a、1bとシム材2(図1参照)の接着はプリプレグ32のカーボンファイバーに含浸している半硬化状の接着剤で接着される。またセラミックス板1a、1bと防湿シート3a、3bはエポキシ系接着剤を塗布し接着する。すべての部材を貼り合わせた後、加圧しながら130℃、90分加熱し熱硬化させる。このとき、プリプレグ32のカーボンファイバーに含浸している半硬化状の接着剤と、エポキシ系接着剤は同一の加熱条件で硬化するものを選定することが重要である。 FIG. 3 is an exploded perspective view showing the piezoelectric vibrator manufactured according to this embodiment. The flat cable 4 has four wire cores 5a, 5b, 5c, and 5d. The wire core 5a is the upper surface electrode of the piezoelectric ceramic plate 1a, the wire core 5b is the lower surface electrode of the piezoelectric ceramic plate 1b, the wire core 5c is the lower surface electrode of the piezoelectric ceramic plate 1a, and the wire core 5d is the electrode on the upper surface of the piezoelectric ceramic plate 1b. And put them in contact with each other. The piezoelectric ceramic plates 1a and 1b and the shim material 2 (see FIG. 1) are bonded with a semi-cured adhesive impregnated in the carbon fiber of the prepreg 32. The ceramic plates 1a and 1b and the moisture-proof sheets 3a and 3b are bonded by applying an epoxy adhesive. After all the members are bonded together, they are heated and cured at 130 ° C. for 90 minutes while being pressurized. At this time, it is important to select a semi-cured adhesive impregnated in the carbon fiber of the prepreg 32 and an epoxy adhesive that are cured under the same heating conditions.

その結果、得られる圧電振動子は図4に外観斜視図で示すように円形バイモルフ41からフラットケーブル4が出るような構成になっている。   As a result, the obtained piezoelectric vibrator is configured such that the flat cable 4 comes out of the circular bimorph 41 as shown in the perspective view of FIG.

次に本発明の実施例と比較例のダイヤフラム小型ポンプ用圧電振動子の製造プロセスの比較を行う。図2は本発明の実施例と比較例の製造工程の概略を示し、図2(a)は本発明の実施例の工程を示すフローチャート、図2(b)は比較例の工程を示すフローチャートである。   Next, the manufacturing process of the piezoelectric vibrator for the diaphragm small pump of the example of the present invention and the comparative example will be compared. FIG. 2 shows an outline of the manufacturing process of the embodiment of the present invention and the comparative example, FIG. 2 (a) is a flowchart showing the process of the embodiment of the present invention, and FIG. 2 (b) is a flowchart showing the process of the comparative example. is there.

このように比較例のダイヤフラム小型ポンプ用圧電振動子では半田付け工程やシリコーン樹脂のモールド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る。他方、本発明では各部材の接着形成が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提供できる。   As described above, in the piezoelectric vibrator for the diaphragm small-sized pump of the comparative example, since there are a soldering process and a silicone resin molding process, the number of processes is increased, which hinders cost reduction. On the other hand, in the present invention, since the bonding of each member can be performed by one process, the number of processes can be reduced and a cheaper piezoelectric vibrator can be provided.

本発明により作製される圧電振動子を示す断面図。Sectional drawing which shows the piezoelectric vibrator produced by this invention. 本発明の実施例と比較例の製造工程の概略を示し、図2(a)は本発明の実施例の工程を示すフローチャート、図2(b)は比較例の工程を示すフローチャート。The outline of the manufacturing process of the Example of this invention and a comparative example is shown, Fig.2 (a) is a flowchart which shows the process of the Example of this invention, FIG.2 (b) is the flowchart which shows the process of a comparative example. 実施例により作製される圧電振動子の分解斜視図。The disassembled perspective view of the piezoelectric vibrator produced by the Example. 実施例により作製される圧電振動子の外観斜視図。FIG. 3 is an external perspective view of a piezoelectric vibrator manufactured according to an example. 比較例の圧電振動子の断面図。Sectional drawing of the piezoelectric vibrator of a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

1a,1b,6a,6b 圧電セラミックス板
2,7 シム材
3a,3b 防湿シート
4 フラットケーブル
5a,5b,5c,5d 線心
8 シリコーン樹脂
9 防水シート
10a,10b,10c 電線
11a,11b,11c 半田点
32 プリプレグ
41 円形バイモルフ
1a, 1b, 6a, 6b Piezoelectric ceramic plates 2, 7 Shim materials 3a, 3b Moisture-proof sheet 4 Flat cables 5a, 5b, 5c, 5d Wire core 8 Silicone resin 9 Waterproof sheets 10a, 10b, 10c Electric wires 11a, 11b, 11c Solder Point 32 Prepreg 41 Circular bimorph

Claims (1)

2枚の圧電セラミックス板で弾性板を挟み込むように接合したバイモルフ型の圧電振動体と、前記圧電セラミックス板の外面に接合した防湿性シートとを備え、前記圧電セラミックス板の主面に形成された電極からはフラットケーブルによってリード線が引き出された圧電振動子の製造方法において、前記弾性板は繊維材料に熱硬化性樹脂を含浸したシート状のプリプレグであり、該プリプレグの面と前記圧電セラミックス板の前記電極との間に前記フラットケーブルの線心を挟み込み、前記圧電セラミックス板の他の主面の電極と前記防湿性シートの間に接着剤と共に前記フラットケーブルの他の線心を挟み込んで全体を加圧する工程と、昇温によって前記プリプレグ及び接着剤を硬化させる工程とを含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。 A bimorph type piezoelectric vibrator joined so as to sandwich an elastic plate between two piezoelectric ceramic plates, and a moisture-proof sheet joined to the outer surface of the piezoelectric ceramic plate, and formed on the main surface of the piezoelectric ceramic plate In the method for manufacturing a piezoelectric vibrator in which a lead wire is drawn out from an electrode by a flat cable, the elastic plate is a sheet-like prepreg in which a fiber material is impregnated with a thermosetting resin , and the surface of the prepreg and the piezoelectric ceramic plate The wire core of the flat cable is sandwiched between the electrode and the electrode of the other main surface of the piezoelectric ceramic plate and the other wire core together with the adhesive between the moisture-proof sheet and the whole of the flat cable. And a step of curing the prepreg and the adhesive by increasing the temperature. Method.
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