JP6764759B2 - 圧電アクチュエータ - 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に関する。

屈曲型の圧電アクチュエータには、バイモルフ型、ユニモルフ型がある。例えば、バイモルフ型の圧電アクチュエータは、シム板を２枚の圧電板で挟んで貼り合わせて形成されている（特許文献１参照）。圧電板の材料として、ＰＺＴ等の圧電セラミックスが用いられている。また、シム板の材料として、りん青銅、ベリリウム銅材、ＳＵＳ、４２アロイ等の金属、又はカーボン繊維強化樹脂が用いられている。

圧電板は、電圧の印加により伸縮するので、一方の圧電板を収縮させ、他方の圧電板を伸長させると、圧電アクチュエータは収縮した圧電板の方向に屈曲する。

シム板と圧電セラミックスとの熱膨張係数が大きく異なると、圧電セラミックスの変形が起こることがある。これを低減するため、シム板と圧電セラミックスとの熱膨張係数を近似させる材料の研究がされている（特許文献１、３参照）。

また、異方性の熱膨張係数を有する繊維強化金属材をシム板に使用して、変位量が大きなバイモルフ素子を得る発明もある（特許文献２参照）。

特開平７−０６６４６６号公報 特開平８−２９３６３２号公報 特公平３−０１７２３１号公報

シム板の材料として、ＳＵＳを使用する場合は、弾性係数および硬度が高く、大きい発生力が得られる。しかし、熱膨張係数が圧電セラミックスと比べて２倍以上大きいので、圧電セラミックスとシム板を短時間で接着させるために高温（８０〜１２０℃）で接着すると、室温に戻したときに接着層に応力が残留し、圧電特性が十分得られないため変位量が小さくなる。低温で長時間加圧した状態で接着剤を硬化させることもできるが、その場合には、生産性が低下する。

また、シム板の材料として、４２アロイを使用する場合は、熱膨張係数は圧電セラミックスとほぼ同値のため、例えば、熱硬化性樹脂の接着に適した高温で短時間加圧して接着しても、接着の信頼性は保たれる。しかし、シム板の硬度が小さいため、基準値を満たす十分な発生力が得られない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発生力および変位が十分に大きい屈曲型圧電アクチュエータ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、屈曲型の圧電アクチュエータであって、金属製のシム板と、前記シム板に接着され、電圧の印加により伸縮するＰＺＴ系材料からなる圧電板と、を備え、前記シム板の硬度は、ＨＶ３００以上４００以下、前記シム板の弾性係数は１５０ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下、２０℃以上１００℃以下の温度において、前記シム板と前記圧電板との熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下であることを特徴としている。

このように、シム板の硬度がＨＶ３００以上４００以下であることから、基準値よりも大きい発生力が得られる。また、シム板と圧電板との熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下であることから、熱硬化性樹脂等により高温でシム板と圧電板とを強固に接着でき、基準値よりも大きい変位が得られる。このようにして、圧電アクチュエータの省力化およびコンパクト化が可能になる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記シム板の厚みが０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であることを特徴としている。このように、シム板が薄くても高い硬度を維持できるため、基準値よりも大きい発生力を得ることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電板の厚みが、０．１８ｍｍ以上０．２２ｍｍ以下であることを特徴としている。このように、圧電板の厚みを厚くしても、基準値よりも大きい発生力と変位を得られるため、圧電アクチュエータの破壊を防止し、信頼性を高めることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記シム板は、鉄を主成分とし、全体に対して、炭素０．０８ｗｔ％以下、ニッケル１．００ｗｔ％以上３．００ｗｔ％以下、クロム１６．００ｗｔ％以上１８．００ｗｔ％以下を含むことを特徴としている。このような成分の金属を用いることで、所望の硬度および熱膨張係数を有する屈曲型の圧電アクチュエータを実現できる。

本発明によれば、発生力および変位が十分に大きい屈曲型の圧電アクチュエータが得られる。

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。 測定条件および測定結果を示す表である。 （ａ）〜（ｃ）変位および発生力の測定方法を示す概略図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［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。圧電アクチュエータ１００は、電圧の印加により屈曲し、電圧に応じて先端が変位する。圧電アクチュエータ１００は、例えば靴下編機用選針装置等の産業機械用アクチュエータに使用できる。

図１に示すように、圧電アクチュエータ１００は、シム板１１０、圧電板１２０、１３０を備えたバイモルフ型の圧電アクチュエータである。圧電アクチュエータ１００のサイズは、用途に応じて変わるが、長さ４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下、幅１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。シム板１１０は、金属製の矩形体であり、圧電板１２０、１３０の伸縮に対する弾性により発生力を生じさせている。シム板１１０の両主面上には、接着層を介して矩形体の圧電板１２０、１３０が接着されている。接着層は、熱硬化性樹脂の接着剤である。シム板１１０は、電極としても機能する。なお、主面とは板部材の最も広い面をいう。

シム板１１０の硬度は、ＨＶ３００以上４００以下、弾性係数は１５０ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下である。これにより、圧電アクチュエータ１００は、電圧印加時に基準値よりも大きな発生力が得られる。

シム板１１０の厚みは、０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であることが好ましい。このような厚みでも十分な発生力を維持できるため、用途に応じて圧電アクチュエータ１００をコンパクトにすることができる。また、シム板１１０は、圧延材で製造されていることが好ましい。これにより、加工が容易になり同じ仕様のシム板を量産できる。また、シム板１１０は、硬度および弾性係数のいずれも大きく、シム板１１０を薄くしても基準値に達する十分な発生力が得られる。

２０℃以上１００℃以下の温度において、シム板１１０の熱膨張係数は、５×１０^−６／℃以上１２×１０^−６／℃以下である。２０℃以上１００℃以下の温度において、ＰＺＴ系材料からなる圧電セラミックの熱膨張係数が、５×１０^−６／℃以上７×１０^−６／℃以下なので、シム板１１０と圧電板１２０および１３０との熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下の範囲内に収まる。熱硬化性樹脂は一般的に常温に比べて高温の環境下で接着剤として使用すると接着性が高く得られることが知られている。これにより、熱硬化性樹脂によりシム板１１０と圧電板１２０および１３０とを強固に接着しても、シム板１１０と圧電板１２０および１３０との間で熱膨張係数の差が小さいため圧電アクチュエータ１００の内部における残留応力を低減できる。

シム板１１０の成分は、鉄を主成分とし、全体に対して、炭素０．０８ｗｔ％以下、ニッケル１．００ｗｔ％以上３．００ｗｔ％以下、クロム１６．００ｗｔ％以上１８．００ｗｔ％以下であることが好ましい。これにより、十分な変位と発生力の得られる硬度、弾性係数および熱膨張係数を実現できる。

圧電板１２０の圧電板本体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、圧電板１３０は、圧電板本体１３１の両主面に外部電極１３２、１３３が設けられている。なお、シム板１１０および圧電板１２０、１３０は、矩形体であることが好ましいが、板状であれば必ずしも矩形体に限られない。

図１、２に示すように、圧電板本体１２１、１３１は、製造コストを考慮すると圧電セラミックスの単層体であることが好ましい。圧電板本体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ってもよい。その場合、内部電極は、断面のほぼ全面にわたって２つの極が互い違いに設けられ、それぞれ圧電板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。圧電セラミックスは、ＰＺＴ系材料からなることが好ましい。

圧電板１２０および１３０の厚みは、０．１８ｍｍ以上０．２２ｍｍ以下であることが好ましい。圧電板１２０および１３０を厚くしても、シム板１１０により十分な発生力と変位を得られるため、圧電アクチュエータ１００の破壊を防止し、信頼性を高めることができる。

圧電板１２０および１３０に用いられる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板には、特に、チタン酸ジルコン酸鉛−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。なお、圧電板本体１２１、１３１が積層体である場合、内部電極にはＡｇ／Ｐｄが好適である。

圧電板１２０の長手方向の一方の端部において外部電極１２２にリード線２２０が接続されている。同様に、圧電板１３０も長手方向の同じ側の端部において外部電極１３２にリード線２３０が接続されている。また、シム板１１０も長手方向の同じ側の端部においてリード線２１０が接続されている。例えば、圧電板１２０、１３０は、同じ向きに分極されている場合には、リード線２２０とリード線２１０との間、リード線２３０とリード線２１０との間に同じ電圧が印加される。

リード線２１０、２２０、２３０を介し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。

圧電アクチュエータ１００に一定の電圧を印加すると、一定の方向に屈曲する。例えば、圧電板１２０が収縮し圧電板１３０が伸長すると、圧電アクチュエータ１００は屈曲し、圧電アクチュエータ１００の先端は圧電板１２０の方向に変位する。逆に、圧電板１３０が収縮し圧電板１２０が伸長して圧電アクチュエータ１００が屈曲すると、圧電アクチュエータ１００の先端は圧電板１３０の方向に変位する。

圧電アクチュエータ１００は、バイモルフ型である方が変位や発生力の面で好ましいが、シンプルな構成が好適な場面ではユニモルフ型であってもよい。ユニモルフ型圧電アクチュエータは、シム板の一方の主面に１枚の圧電板を備え、電圧の印加により１枚の圧電板が伸縮することで屈曲する。

［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、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、坏土を作製する。そして、坏土を押出成形し、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し、グリーンシートを金型で抜き、所定の寸法の成形体を作製する。得られた成形体を焼成して単層の圧電板本体を形成し、両主面に電極を印刷して圧電板を作製する。圧電板は、所定の向きに分極を行なう。このようにして圧電板を準備する。

一方、所望の硬度、弾性係数および熱膨張係数を有する金属製のシム板を準備し、接着剤を用いて圧電板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。シム板は、圧延材を加工して製造することが好ましい。シム板と圧電板との熱膨張係数の差が小さいので、接着剤として熱硬化性樹脂を用いて高温で接着できる。圧電板の電極およびシム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、発生力および変位が大きい屈曲型圧電アクチュエータを生成できる。

なお、圧電板本体を積層体として形成する場合には、積層された成形体を作製する。その場合、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。そして、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、積層して圧縮することで積層された成形体を作製できる。

［実施例］
（試料の作製）
上記の製造方法により、圧電アクチュエータの試料を作製した。圧電板は、長さ４０ｍｍ、幅９．５ｍｍ、厚さ０．１８ｍｍまたは０．２２ｍｍのものを２枚ずつ準備した。シム板１１０は、長さ４２ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ０．１０ｍｍまたは０．２０ｍｍに形成した。圧電材料にはチタン酸ジルコン酸鉛系（ＰＺＴ）を用いた。圧電材料の熱膨張係数は、２０℃以上１００℃以下の温度で７×１０^−６／℃であった。シム板の材料には、実施例１〜８として所定範囲内の硬度、弾性係数および熱膨張係数を有する材料（当該材料）を用い、比較例１、２としてＳＵＳ３０１、比較例３、４として４２アロイ、比較例５、６としてベリリウム銅を用いた。当該材料には、日新製鋼製ＮＳＳ４３１ＤＰ−２等を用いた。

図３は、測定条件および測定結果を示す表である。図３に示す材料と厚みの組み合わせで、実施例１〜８および比較例１〜６の試料を作製した。圧電板とシム板との接着には、アクリル系嫌気性接着剤を用いた。１００℃で３９２ｋＰａの圧力を１分間維持して２枚の圧電板をそれぞれシム板の両主面に接着した。このようにして作製した試料に対し、長手方向の一方の端部で、２枚の圧電板のそれぞれの露出面およびシム板にリード線をはんだ付けした。

（変位の測定）
図４（ａ）〜（ｃ）は、変位および発生力の測定方法を示す概略図である。図４（ａ）に示すように、試料の長手方向の一方（リード線接続側）の端部を固定具３０１で固定して固定端とし、長手方向の中央付近を固定具３０２で固定した。また、長手方向の他方の端部は開放し、変位端として電圧印加により変位可能にした。中央の固定具３０２は、変位端から２３ｍｍの位置に設けた。このように設定された試料３００に対し、図４（ｂ）に示すように、±２００Ｖを印加し、レーザー変位計で＋２００Ｖ印加時と−２００Ｖ印加時との間の変位端の変位量を測定した。

（発生力の測定）
図４（ｃ）に示すように、試料３００に＋２００Ｖを印加した状態でテンションゲージ３５０を試料先端に当て、変位が０μｍになるまで押した。そのときのテンションゲージ３５０の値を発生力として記録した。測定結果として得られた変位および発生力を、４２ｍｍ×１０ｍｍサイズの圧電アクチュエータが満たすべき基準値と比較した。なお、サイズが数ｍｍ異なっていても同じ基準値を用いることができる。

（測定結果）
シム板の材料毎に実施例１〜４および比較例１、３、５として、厚さ０．２０ｍｍの１枚のシム板、厚さ０．１８ｍｍの２枚の圧電板を接着した圧電アクチュエータ試料を用意した。このような試料で上記の通り変位および発生力の測定を行なったところ、図３に示す測定結果が得られた。実施例１〜４の変位は６４３μｍ以上であり、基準値の５５０μｍを上回っていた。比較例１（ＳＵＳ３０１）の変位５０３μｍは、基準値の５５０μｍに及ばなかった。

また、実施例１〜４の発生力は、いずれも４０６ｍＮ以上であり、基準値の４００ｍＮを上回っていた。比較例１（ＳＵＳ３０１）の発生力３９８ｍＮ、比較例３（４２アロイ）の発生力３０６ｍＮ、比較例５（ベリリウム銅）の発生力３４６ｍＮは、いずれも基準値の４００ｍＮに及ばなかった。

シム板の材料毎に実施例５〜８および比較例２、４、６として、厚さ０．１０ｍｍの１枚のシム板に厚さ０．２２ｍｍの２枚の圧電板を接着した圧電アクチュエータ試料を用意した。このような試料で上記の通り変位および発生力の測定を行なったところ、図３に示す測定結果が得られた。実施例５〜８の変位は５６１μｍ以上であり、基準値の５５０μｍを上回っていた。比較例２（ＳＵＳ３０１）の変位４５６μｍ、比較例６（ベリリウム銅）の変位５４１μｍは、基準値の５５０μｍに及ばなかった。

また、実施例５〜８の発生力は、いずれも４３４ｍＮ以上であり、基準値の４００ｍＮを上回っていた。比較例４（４２アロイ）の発生力３３７ｍＮ、比較例６（ベリリウム銅）の発生力３８７ｍＮは、基準値の４００ｍＮに及ばなかった。

実施例１〜４または実施例５〜８のそれぞれについて変位および発生力を比較すると、硬度および弾性係数が高く熱膨張係数が高いシム板を用いた場合ほど変位が小さく発生力が大きい傾向があった。

また、実施例１〜４と実施例５〜６とを比較すると、同じ材料同士では変位および発生力に差が生じなかった。シム板を０．１０ｍｍまで薄くし、圧電板を０．２２ｍｍまで厚くしても十分な変位と発生力が得られることが分かった。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ シム板
１２０ 圧電板
１２１ 圧電板本体
１２２、１２３ 外部電極
１３０ 圧電板
１３１ 圧電板本体
１３２、１３３ 外部電極
２１０、２２０、２３０ リード線
３００ 試料
３０１、３０２ 固定具
３５０ テンションゲージ

Claims (3)

1. 屈曲型の圧電アクチュエータであって、
   金属製のシム板と、
   前記シム板に接着され、電圧の印加により伸縮するＰＺＴ系材料からなる圧電板と、を備え、
   前記シム板の硬度は、ＨＶ３００以上４００以下、前記シム板の弾性係数は１５０ＧＰａ以上２５０ＧＰａ以下であり、
   ２０℃以上１００℃以下の温度において、前記シム板と前記圧電板との熱膨張係数の差が５×１０^−６／℃以下であり、
   前記シム板は、鉄を主成分とし、全体に対して、炭素０．０８ｗｔ％以下、ニッケル１．００ｗｔ％以上３．００ｗｔ％以下、クロム１６．００ｗｔ％以上１８．００ｗｔ％以下を含むことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記シム板の厚みが０．１０ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であ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. 前記圧電板の厚みは、０．１８ｍｍ以上０．２２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。

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