JP6587956B2 - 圧電アクチュエータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電圧の印加により屈曲する圧電アクチュエータの製造方法に関する。

従来から、バイモルフ型圧電アクチュエータにおいて、製品に反りがないことが求められている。バイモルフ型の圧電アクチュエータは、シム板と圧電素子を備えており、シム板と圧電素子は、接着剤を用いて接着している。そして、シム板と圧電素子を接着する際に、圧電素子に接着剤を塗布し、大気中で金属シム板を挟みこむように重ね合わせ、機械的に加圧し、熱で硬化させることにより接着を行なっていた。

特許文献１では、圧電板とシム板を接着する際に、減圧下で圧電板とシム板を張り合わせ、その後、熱プレスして硬化させることによって、均一な接着層を有する圧電アクチュエータを製造する技術が開示されている。

特許文献２および３では、圧電素子を分極する際に生じる反りを利用して、予め反った圧電板に分極処理を行ない、分極処理後の変形を処理前の圧電板の反り形状と相殺することにより、平坦な形状の圧電素子を製造する技術が開示されている。

特開平５−１７５５６９号公報 特開平５−１６７１２６号公報 特開平６−１９６７７０号公報

しかしながら、特許文献１のように、熱プレスを実施した場合、熱プレスにより発生する圧電セラミックスの起電力によって、プレス完了時にアクチュエータに反りが発生する。また、接着剤には、エポキシまたはアクリル系の熱硬化性樹脂を使用しているため、熱を加えている間は、プレスする必要がある。しかし、熱プレスの温度設定をあげてしまうと、冷却に時間がかかってしまうため、熱プレスの温度設定を上げることができず、非常に生産性の悪い作業となっている。そして、製品の反りも完全にはとりきれない。

また、特許文献２および特許文献３のように、反った圧電板に対し分極処理を行なうことで反りをなくすこともできるが、圧電特性は低下する。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、圧電素子を電気的に短絡させることにより、圧電アクチュエータの反りを抑制する圧電アクチュエータ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の製造方法は、電圧の印加により屈曲する圧電アクチュエータの製造方法であって、分極された板状の圧電セラミック体および前記圧電セラミック体の主面に設けられた外部電極を有する圧電素子を準備する工程と、シム板の両主面に前記圧電素子を重ね合わせ、電気的に短絡された２つの加圧部により、前記圧電素子を前記シム板の主面に垂直な方向に接着剤で熱圧着する工程と、を含むことを特徴としている。

このように、熱圧着している間、加圧部間を電気的に短絡させることによって、発生する圧電素子を形成する圧電セラミック体の起電力をキャンセルすることができるため、接着時の圧電セラミック体の反りの発生を抑えることができる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記熱圧着する工程において、前記圧電素子は、前記シム板の両主面に重ね合わせることを特徴としている。これにより、圧電セラミック体に反りがないバイモルフ型圧電アクチュエータを製造することができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記加圧部間を予めリード線で接続することにより電気的に短絡させることを特徴としている。このように、予めリード線で接続することで、熱圧着している間、加圧部間を電気的に短絡させることができる。また、リード線を用いることで、作業負担が小さく製造コストを抑えることができる。

本発明によれば、圧電素子を電気的に短絡させることにより、圧電アクチュエータの反りを抑制する圧電アクチュエータ製造方法を提供することができる。

バイモルフ型の圧電アクチュエータの断面図である。 圧電アクチュエータの製造工程を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）従来および本実施形態の製造方法で作製した圧電アクチュエータの概略図である。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に、一例としてバイモルフ型で単層の圧電アクチュエータについて説明するが、本発明は、ユニモルフ型の圧電アクチュエータとバイモルフ型の圧電アクチュエータのいずれにも用いることができる。また、本発明は、積層型の圧電素子にも適用できる。

（圧電アクチュエータの構成）
図１は、バイモルフ型の圧電アクチュエータの断面図である。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本体１０５は、シム板１２０と圧電素子（１３０、１４０）を備えている。シム板１２０は、ＳＵＳ等の金属で形成されている。シム板１２０の両主面上には、圧電素子（１３０、１４０）が設けられている。シム板１２０と圧電素子（１３０、１４０）は、エポキシまたはアクリル系の接着剤で接着されている。

圧電素子（１３０、１４０）を形成する圧電セラミック体（１３１、１４１）は、板状であり、圧電セラミック体１３１の両主面には、ほぼ全面にわたって外部電極（１３３、１３５）が設けられている。同様に、圧電セラミック体１４１の両主面にも、ほぼ全面にわたって外部電極（１４３、１４５）が設けられている。なお、ここでの主面とは、板部材の最も広い面をいう。２つの圧電セラミック体（１３１、１４１）は、分極方向が同じで、厚み方向に分極しており（図中の矢印）、厚み方向に電圧を印加されることで伸縮するパラレル型の圧電アクチュエータを形成する。なお、分極方向の異なるシリーズ型は電位差による反りは生じにくく、パラレル型にくらべ効果は薄いが、シリーズ型を対象としてもよい。

圧電セラミック体には、例えば、ＰＺＴまたはチタン酸バリウムを主成分とする圧電材料を用いることができる。また、外部電極には、Ａｇ、Ａｇ／Ｐｂ（銀／パラジウム）等、複数種類の材料を用いることができる。

外部電極（１３５、１４５）とシム板１２０には、電気的接続のため、それぞれ接合部が設けられており、リード部材が半田付けで接合されている。リード部材に外部から駆動電圧が印加されることで、外部電極とシム板との間に電圧が印加される。シム板の両主面に接着された圧電素子（１３０、１４０）間は、外部電極（１３５、１４５）上の接合部（１０７、１０９）に半田付けで接合されたリード部材によって導通している。

（圧電アクチュエータの製造方法）
図２は、圧電アクチュエータの製造工程を示す断面図である。まず、本実施形態で使用するプレス機について、説明する。プレス機２００は、断熱プレート（絶縁体）（２０１、２０３）、ヒーター（２１１、２１３）、および加圧部（２２１、２２３）を備える。また、加圧部（２２１、２２３）のプレス面は、圧電アクチュエータ本体のプレス面に均一の圧力をかけることができる。その結果、接着剤の厚みを一定にすることができる。この構造を有するプレス機を用いて、以下に示す手順で圧電アクチュエータを製造する。

まず、ＰＺＴ等を含む各材料を秤量、混合し、仮焼して圧電セラミック粉末を生成する。圧電セラミック粉末にバインダー等の粘着剤を添加し、シート成形する。成形したシートを乾燥させた後、金型で打ち抜いて成形体を作製する。成形体の作製方法は、湿式成形方法が好ましいが、乾式成形方法を用いてもよい。次に、成形体を焼成し、圧電セラミック体を得ることができる。焼成温度は、１２００℃付近であることが好ましい。

圧電セラミック体の両主面に、ＡｇやＡｇ／Ｐｂ（銀／パラジウム）等の電極ペーストを印刷して、焼成することで、外部電極を形成し、圧電素子（１３０、１４０）を作製する。シム板１２０の両主面に、エポキシ等の接着剤を塗布し、圧電素子（１３０、１４０）を重ね合わせる。このようにして得られた圧電アクチュエータ本体１０５をプレス機２００の加圧部２２３上に設置し、加圧部（２２１、２２３）で挟む。

加圧部（２２１、２２３）に設けられたボルト等の留め金具に、リード線１１５を繋ぎ、加圧部（２２１、２２３）間をリード線１１５で接続する。リード線１１５を接続した後、圧電アクチュエータ本体１０５を、重ね合せ方向の両方（シム板の主面に垂直な方向）から（図中の矢印）熱圧着する。熱圧着している間は、リード線を接続して電気的に短絡させる。熱圧着により接着剤が固まった後、圧電アクチュエータ本体を冷却する。冷却後、リード線を外し、プレス機から圧電アクチュエータ本体１０５を取り出す。圧電アクチュエータ本体１０５に、リード部材で電極部材を接合し、圧電アクチュエータを作製できる。

プレスを行ないながら接着することにより、電気的不具合が出にくく、安定した圧電アクチュエータを製造することができる。また、熱プレスを行なうことによって、常温でプレスするよりも短時間で接着を行なうことができ、生産タクトを上げることができる。

一方、圧電セラミック体は、熱を加えると、圧電セラミック体に電極を形成し、反りが発生してしまう。そこで、上記のように、加圧部（２２１、２２３）間をリード線で接続して熱圧着を行なうことで、圧電セラミック体に形成された電極を電気的に短絡させ、反りの発生を抑制することができる。

（実施例）
まず、上記の製造方法で、圧電素子を準備する。シム板の両主面に、アクリル系の接着剤を塗布し、２つの圧電素子を重ね合わせ、プレス機を用いて、熱圧着を行なった。熱圧着は、温度１００℃、圧力の大きさ４ｋｇ／ｃｍ^２で６０秒間行なった。接着剤は、圧電素子に塗布してもよい。

熱圧着は、（１）電気的に短絡させずに熱圧着、（２）電気的に短絡させて熱圧着、の２通りで行なった。作製した各圧電アクチュエータ本体（長さ６０ｍｍ×幅２００ｍｍ）を定盤３０１上に置き、反りの状態を測定した。なお、定盤とは、平滑な表面を有し、この平面を基準に検査や測定を行なう台である。

図３は、従来および本実施形態の製造方法で作製した圧電アクチュエータの概略図である。図３（ａ）は、電気的に短絡させない従来のアクチュエータ製造方法で作製した圧電アクチュエータである。図３（ａ）に示すように、作製された圧電アクチュエータには、２ｍｍの反りが発生した。

一方、図３（ｂ）は、電気的に短絡させた本実施形態のアクチュエータ製造方法で作製した圧電アクチュエータである。図３（ｂ）に示すように、作製された圧電アクチュエータには、反りは０．１ｍｍ以下に抑えることができた。

以上の実施例により、熱圧着中に電気的に短絡させることによって、ほぼ反りのない圧電アクチュエータを作製できることが実証された。

１００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１０７、１０９ 接合部
１１５ リード線
１２０ シム板
１３０、１４０ 圧電素子
１３１、１４１ 圧電セラミック体
１３３、１３５ 外部電極
１４３、１４５ 外部電極
２００ プレス機
２０１、２０３ 断熱プレート（絶縁体）
２１１、２１３ ヒーター
２２１、２２３ 加圧部
３０１ 定盤

Claims (2)

1. 電圧の印加により屈曲する圧電アクチュエータの製造方法であって、
   分極された板状の圧電セラミック体および前記圧電セラミック体の主面に設けられた外部電極を有する圧電素子を準備する工程と、
   シム板に前記圧電素子を重ね合わせ、電気的に短絡された２つの加圧部により、前記圧電素子を前記シム板の主面に垂直な方向に接着剤で熱圧着する工程と、を含み、
   前記加圧部間を予めリード線で接続することにより、電気的に短絡させることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
2. 前記熱圧着する工程において、
   前記圧電素子は、前記シム板の両主面に重ね合わせ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の製造方法。

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