JP4896331B2 - 圧電トランスデューサの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、重合体マトリクス中に圧電繊維を有する圧電トランスデューサ（piezoelectric transducer）であって、その電極は繊維を制御するために利用される圧電トランスデューサを製造する方法に関する。
【０００２】
圧電材料は多くの技術分野へのアプリケーションが重要である。この材料には、機械的な負荷の効果に対応して電荷を発生させるものや、または電場の効果に対応してそれらの形を変えるものが含まれる。前者は「直接的な（direct ）圧電効果」という用語によって知られており、後者のケースは「間接的な（indirect）圧電効果」として呼ばれている。
【０００３】
圧電（piezo）セラミックは圧電材料の特殊なグループである。圧電セラミックの製造において、圧電効果は、固化（vitrification）後に、強電場中でセラミック材料を分極することにより、選択的に起こるようにされなければならない。この操作では、セラミックの材料の定義された領域（area）である領域（ドメイン）は、セラミック材料をこの方向に分極するために電場の線に沿って配向される（oriented）。電場が消された後で、この分極の一部は、セラミック材料中に残留分極として保持される。したがって、この分極操作は、等方性材料を圧電特性を有する異方性材料に変える。電場が、セラミック材料に、例えば、その分極方向に加えられると、この材料は、その電場の向き(ｄ_３３効果)に広がり、一方、この電場の方向と直交する方向(ｄ_３１効果)に縮む。したがって、変形の種類は、セラミック材料の分極方向と比較して印加される電場の方向に依存している。この３−１効果は、電場方向の変形である３−３効果のほぼ１／３に相当する。したがって、圧電セラミック材料がアクチュエータとして工業的に用いられる場合には、原則として、この３−３効果の利用が考えられる。
【０００４】
また、直接的な圧電効果が利用されるとき、圧電セラミック材料はもちろんセンサとして使用することができる。そのような場合には、セラミック材料の変形は、電荷を発生させ、この電荷の大きさは、セラミック材料の残留分極の方向と比較してどのような変形が起こるかに依存している。
【０００５】
ＰＺＴ（Lead titanate zirconate)は現在のところ工業的に最も頻繁に使用される圧電材料である。このセラミック材料は長い間、共振器、アクチュエータまたはセンサ材料として多くの異なった方法で工業的に使用されている。
【０００６】
膜、小ロッドまたは繊維などの微小寸法のコンポーネントは多くの分野のアプリケーションに役立つ。しかしながら、それらは、この形状で利用可能に作られているために圧電セラミック材料の機械的強度が低いという問題を引き起こす。これは、これらのセラミック材料で作られた複雑な構造の製品の取り扱いに対して、および、構成エレメント中の圧電効果を用いる送電の限定された可能性に対しての両方に適用される。
【０００７】
したがって、これらの問題を克服するために、有機重合体マトリクスとそのマトリックス中に埋め込まれているＰＺＴセラミック材料とからなる複合材料がしばしば使用される。重合体マトリクスは、一方では、十分な機械的な安定性を有する薄い壁のある（thin-walled）セラミックエレメントを与える目的に役立ち、他方では、それは構造中の圧電セラミック材料によって、例えば、振動が減衰するときに生成したその変形を移動させる機能を有する。
【０００８】
例えば、複合体構造を有するアクチュエータは、米国特許５，６８７，４６２号から知られるようになり、そこにおいては、固化した圧電セラミック膜が有機物マトリクスと統合されている（integrated）。そのようにして作製された強健なコンポーネントは、振動システム中でセンサとして、およびアクチュエータ機能の両方で、使用され得る。そこでは、このマトリクスは機械的強度が低い脆性のＰＺＴセラミック材料であり、また、主構造体へ電力を転送することも行う。これらのエレメントでは、電場は、通常、３−１効果を利用するようにＰＺＴフィルムの厚み方向に印加される。また、アクチュエータへのアプリケーションのために３−３効果の利用のためにＰＺＴフィルム上に指状（inter-digital）電極を適用することも可能である。しかしながら、こうした場合には、高い電場勾配がセラミックス膜中の電極の隅で生じ、セラミック材料中に大きな応力をもたらし、モノリシック圧電セラミック材料の破損を生じ得る。
【０００９】
したがって、より最近では、アクティブな圧電繊維が重合体マトリクス中に埋め込まれている複合体エレメントがＰＺＴ膜と共に使用されている。これらのシステムは、３−１効果の利用および指状（inter-digital）電極による３−３効果の利用の両方を生じさせることができる。
【００１０】
複合体構造と比較して、モノリシックＰＺＴ膜を有するこれらの複合体繊維構造はいくつかの利点を有する。例えば、まず第一に、繊維の縦方向における伸張が繊維の異方性によって主に引き起こされ、そして、第二に、繊維は、幅の伸張とともに、その構造の至る所で統合される（integrated）ことができる。３次元的形状の構造へのアプリケーションは、モノリシックＰＺＴ膜を用いるよりも繊維を用いて実現する方が容易である。
【００１１】
しかしながら、圧電繊維を有する複合体構造を製造するための重大な問題は、これらの繊維が非常に破損しやすい傾向を有し、それらを扱うための特殊なデバイスを必要とする点にある。例えば、米国特許５，８６９，１８９号は、複合体繊維構造を製造する方法を記載し、その中で、この問題の多い特徴が明確になっている。そこで提案された方法では、いくつかの細長い圧電繊維は鋳型中に平行にかつ互いに定義された間隔で配置されている。正しい間隔と繊維の平行な配向を確実にするために、くし状構造はこの鋳型の下部に供給され得る。次に、液体重合体材料は、鋳型に充填されて、繊維と共に固められる。そのように作製された重合体マトリクスは実質的に繊維の一層の厚みを有する。そして、この重合体マトリクスの表面はわずかに研磨される。これは、第一に表面を粗くする目的で、第二に繊維のいくつかの領域を露出するために行われる。最終的に、金属の銀は電極層としてマトリクスの表面に堆積される。前の研磨で、この電極層の接着性は改良され、繊維の孤立している領域を露出するために、繊維との直接的な電気的なコンタクトを確立することができる。
【００１２】
しかしながら、この複合体繊維構造の製造における実質的な問題は、この目的のために想定される長い圧電繊維を鋳型に平行に配置して挿入する際に生じる。これは多くの繊維の破壊の高い危険を含む。そのうえ、要求される平行の配向は実質的に製造費用の増加と連結される。また、この目的のために要求される非常にまっすぐな繊維を供給することも問題が多い。なぜなら繊維は製造中にしばしば曲げられやすい傾向があり、したがって、もはや平行に配向されることができないからである。これは特に、５０μｍ以下の直径を有する非常に薄い繊維の場合に適用される。
【００１３】
複合体繊維構造を製造する別の方法は、ドイツ特許 DE 198 29 216 A により知られている。そこでは、繊維はそれらの周辺を通って電極によって直接的にコンタクトされ、さらに少なくとも部分的に囲まれている。これは、伝導性の接着材料中に繊維を固定し、次にそれらを形作ることによって達成される。しかしながら、それが固化する前に、毛細現象効果によって、隣接している繊維が互いに近づきすぎないように、あるいは、粘着性物質が繊維間の空間に引きよせられるという問題を含んでいる。その結果として、電気的破壊強度は強く減少し、繊維の分極時にあるいはアクチュエータとしての利用時に絶縁破壊の可能性が非常に高い。そのうえ、この方法では、非常にこわれやすい圧電セラミック繊維を扱うことの困難もまた、存在し続ける。
【００１４】
本発明は、前記記載した上記説明した不利な点を伴わないで、実行するのが簡単であり、あらゆるグレードの繊維あるいは繊維バンドルの利用を可能にする圧電トランスデューサの製造方法を提供するという問題に基づいている。さらに、その方法は、また、直接的に統合された圧電繊維で大面積の非平面のコンポーネントの製造を可能とし、高い電気強度を有するトランスデューサを確実にする。
【００１５】
この問題は、請求項１による方法で解決される。本方法の好適な実施例は従属項の内容である。
【００１６】
本発明の方法では、圧電繊維は、個々の繊維として、短繊維セグメントのバルクとして、あるいは、繊維バンドル（束）、すなわち、少なくとも２つの繊維のどのような組み合わせまたは適切な組み合わせとして、生産された後に、重合体物質によって被覆される（jacketed）。これは、液体重合体物質中に繊維または繊維セグメントを導入するか、繊維または繊維セグメント上への液体重合体を適用することによって、それぞれ達成され得る。圧電繊維か繊維セグメントは、繊維あるいは繊維セグメントの縦軸の分布あるいは、繊維が直線に沿って広がらない場合には、所望方向にほぼ繊維か繊維セグメントの切断面の縦軸の分布が達成されるように配向される。これは個々のコンポーネントを正確に配向させる複雑な操作をしないでなしえる。
【００１７】
好ましくは、繊維か繊維セグメントの被覆は、この目的のために考えられた、複合体構造の外形形状を決定する鋳型中で実行される。繊維か繊維セグメントは重合体中で相互に圧縮される、これは、より近くに相互に近づくことを意味し、、そして、次に、重合体は固められる。次に、そのように作製された複合体構造は、繊維か繊維セグメントの領域が所望方向に沿って露出されるという方法、すなわち所望方向に平行な平面で処理される。最後に、電気的コンタクトは、直接少なくともその露出した領域の一部の上で直接的になされる。個々の露出している領域は、１つの面（サイト）に反対の極性を有する少なくとも２つの電極が収容されることように、非常に大きくあるべきある。
【００１８】
この方法では、繊維配置は、繊維の縦軸が所望方向にほぼ統計的な分布で配列される中で用いられる。大部分の繊維、好ましくは、所望方向からそれらの縦軸の最大３０°の変化まで生じる。実質的にまっすぐな繊維が使用されている一実施例では、重合体マトリクス中の少なくとも５０％の繊維の一部は、それらの縦軸に沿って所望方向に少なくとも１繊維の直径で変化する。また、少なくとも１繊維の直径で、まっすぐな線の形状から変化し、平行に配列させることができないような曲がった繊維を使用することも可能である。
【００１９】
本発明の複合体構造において、繊維を被覆した重合体が所望方向に平行な平面中に定義された領域で取り除かれるとき、縦軸の分布により存在する全繊維の定義された割合をコンタクトすることが常に可能である。この様なやり方で、コンタクトされることができる断片は、図で示された繊維全体による、および縦方向における繊維のコンタクトされたセグメントの長さによる分担、の両方を取り囲む。したがって、これは、繊維がその全長さにわたってコンタクトされる必要がないことを意味し、また、それらの全長さの短い切断面上の多くの繊維にコンタクトすることも可能であることを意味する。コンタクトは、好ましくは、その処理の後に、複合体構造の表面上に電気的コンタクトとして付けられる指状（inter-digital）電極によって作られる。
【００２０】
本発明の方法では、高価であり複雑である、個々の繊維を互いに定義された間隔で平行にする配列は、必要としない。この方法は、長くてまっすぐな個々の繊維もまた必要としない。正確な相互の配列で全てが配置されていないところの繊維か繊維セグメントの分布により、むしろ簡単に統計的にコンタクトを確立することが達成される。例えば、複合体構造の表面が研磨されると、異なった繊維は異なった面（サイト）の表面に現れ、そこへコンタクトされ得る。
【００２１】
したがって、そのような圧電トランスデューサの製造は、既知の従来技術によるトランスデューサと区別して、実質的に低減された複雑さと費用とを含む。繊維の幾何学的な品質は、ここでは重要ではない。
【００２２】
例えば、電気的なコンタクトは、両面上に電気的な伝導層の利用で、あるいは１つの表面あるいは両表面上の指状（inter-digital）電極の利用で、達成され得る。
【００２３】
そのうえ、本発明の方法で、非平面形状の、例えば、曲がった表面に用いられる形状の圧電電気トランスデューサを製造することは可能である。この目的のために、唯一必要なことは、固化する前に好ましい形状中で、重合体マトリクスの外側形状を形成することである。
【００２４】
複合体構造は、異なった技術を応用して、繊維の領域の露出のために処理され得る。そのような処理操作の例は、研摩、レーザ処理、切断、砂吹き、湿式化学エッチングまたはイオンビーム技術などである。
【００２５】
本方法の１つの特殊で適切な実施例では、複合体構造が、本発明の方法に対応する圧電繊維か繊維セグメントで製造され、その複合体構造は、すぐ後のトランスデューサの厚さの数倍の厚さに相当する厚さを有する。この場合、繊維あるいは繊維セグメントの所望方向は、複合体構造の厚さの伸張上で直交する方向に広がる。この好ましい実施例では、複合体構造は、所望する繊維方向に沿った平面中で、分離処理がなされる。例えば、この分離は、複合体構造を切断することによって、達成され得る。この操作において、その構造は、製造される圧電トランスデューサの厚みを有する個々のプレートかディスクに分離される。
【００２６】
以下に、本発明の方法を図面を参照しながら、２つの実施例を説明する。
【００２７】
第１の実施例では、６ｃｍ×３ｃｍの寸法を有する鋳型が使用される。この鋳型は、マトリクスとして使用される重合体で満たされる。例えば、エポキシ樹脂は重合体として使用され得る。次に、およそ５ｃｍの長さ有する圧電繊維のバンドルの２．５ｇが、鋳型に含まれる液体重合体の中に配置されて、ほぼ０．５ｍｍの厚さを有する層が生成されるように圧縮される。個々の繊維は、平均繊維径が２０〜３０μｍである。次に、重合体は繊維と共に固められる。固化後、鋳型が取り外され、６×３×０．０５ｃｍ^３の平板を得る。そして、この平板は、２つの反対面が研磨される。これらの面の１つの上で、電導性の接着剤は１ｍｍ間隔で相互に間隔をおいて配置される５０組の指（finger）を有する指状（inter-digital）電極を形成するために使用され、その上の結合は、エポキシ樹脂の薄膜で密閉される。
【００２８】
第２番目の面は、反対の電極と適合するような指状（inter-digital）電極を用いる同じ方法で、供給され得る。
【００２９】
複合体構造の形態で製造された圧電トランスデューサは、曲がるアクチュエータとしてばかりでなく、膨張トランスデューサとして、あるいはセンサーへのアプリケーションにも使用され得る。それは、構造中に組みこまれて、例えば、振動の減衰を目的として、使用されることもできる。
【００３０】
第２の実施例では、６１ｇの圧電繊維は、液体エポキシ樹脂を含む鋳型に置かれ、そして、次に、それらは２×２×５ｃｍ^３寸法のブロックを形成するために圧縮される。固化した後に、このブロックは、２×５ｃｍの寸法で０．２ｍｍの厚さの各平板を形成するために、繊維の縦方向に沿って切断される。次に、１ｍｍ間隔で相互に間隔をおいて配置される５０組の指（finger）を有する指状（inter-digital）電極は、平板のそれぞれの反対の側面の位置にある両側で適用され、その上の結合は、エポキシ樹脂の薄膜で密閉される。
【００３１】
この様なやり方で、膨張トランスデューサが製造され、構造中に補強するエレメントとして統合される。
【００３２】
これは本方法の特別な好適な実施例であり、ただ一つの技術的な操作で、非常に簡単で安価な方法で、トランスデューサの製造とその表面の露出を実行することができる。
【００３３】
一例として、図１は、圧縮、浸積した樹脂あるいは重合体で繊維２を固めることによって作られたブロック１を示しており、繊維の縦軸は所望方向３にほぼ割り当てられる。この例では、繊維の非線形の形状が明確に見え、その後のコンタクト操作を促進しさえする。
【００３４】
図２において、所望方向３に沿って繊維２の領域を露出するためにブロック１が切断される切断表面４が、およまかに略述される。
【００３５】
図３には、切断表面４に沿って切断により生じる表面を示す。所望方向に沿って切断することによって露出された繊維２の領域５は、明確に見える。指が所望方向３(図３参照)と直交方向に広がっている指状（inter-digital）電極６は、表面上で繊維を露出している繊維領域５とコンタクトするために用いられる。この様なやり方で、圧電トランスデューサは簡単で安価であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 樹脂あるいは重合体を浸透し、所望方向にほば繊維の縦軸分布を有する繊維で作られたブロックの例を示す。
【図２】 繊維領域の露出のために大まかに略述された切断領域を有する図１のブロックを示す図である。
【図３】 切断後および指状 （inter-digital）電極の適用後の結果として生じる表面の図である。

Claims (8)

1. 圧電トランスデューサを製造する方法であって、
   圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントの方向が所望方向（３）に対してばらつきを有するように前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを配向し、前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを液体重合体物質で被覆する被覆工程と、
   前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを前記液体重合体物質の固化前に互いに圧縮する工程と、
   複合体構造を形成するように前記液体重合体物質を前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントと共に固化する工程と、
   前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントの領域（５）を前記所望方向（３）に沿って露出させるように前記複合体構造を処理する処理工程と、
   露出された前記領域（５）の少なくとも１部に前記圧電トランスデューサを制御するために電気的コンタクト（６）を付ける工程と、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 前記処理工程は、前記所望方向（３）に平行に前記複合体構造を切断することでなされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記処理工程は、レーザ光を用いてなされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 前記電気的コンタクト（６）は、１つあるいはいくつかの指状（inter-digital）電極の形成に適用されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
5. 前記被覆工程は、前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを束としてまたは束ねていないバルクとしてモールド中に配置し、それらの上に前記液体重合体物質を注ぐことによってなされることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記複合体構造は、平板型の形状に製造されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記液体重合体物質中の実質的に真っ直ぐな繊維（２）または繊維セグメントの少なくとも５０％は、それらの長さに沿って、前記所望方向（３）から少なくとも１繊維の直径で変化するように、前記真っ直ぐな繊維（２）または繊維セグメントが前記液体重合体物質で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記繊維（２）または繊維セグメントは、少なくとも半分が真っ直ぐに並べられた形状から、少なくとも１繊維の直径だけ変化する湾曲伸張部を有するように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。

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