JP6524467B2 - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

特開２０１０−３４１４９号公報 特開２００３−２０９３０２号公報

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

本発明の圧電アクチュエータの斜視図である。 本発明の圧電アクチュエータの断面図である。

次に、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

（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。

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。

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。

圧電セラミックスとしては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、またはＰＺＴにＰｂ（Ｍｇ、Ｎｂ）Ｏ_３やＰｂ（Ｎｉ、Ｎｂ）Ｏ_３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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

このような圧電アクチュエータの試料を温度６０℃、湿度８０％の環境下にて１００Ｖの交流電圧を印加し連続駆動させ、前後の第１および第２樹脂層合せた層の絶縁抵抗値および変位量の変化を確認した。

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。

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

Claims (6)

1. 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する圧電アクチュエータ。
2. 前記第２樹脂層は、アクリル系またはエポキシ系の硬化樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第２樹脂層は、アクリル系の紫外線硬化樹脂からなることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第２樹脂層の厚さは、１０μｍ〜５０μｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記第２樹脂層の材料は、硬化後の伸び率が５０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 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する圧電アクチュエータの製造方法。

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