JPH08236830A - 電気−歪変換装置及びこれを用いた圧電センサ、圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電歪素子と伝達部材との間の伝達効率の高い
電気−歪変換装置を実現すると共に、高性能の圧電セン
サやアクチュエータを得ることである。 【構成】 電歪素子である圧電素子５と、振動・変形な
どの機械的な変位を行う振動板６とを漆と乾燥剤からな
る接着剤７によって接着する。この接着剤７は、少なく
ともウルシオールとラッカーゼを含有する漆と、少なく
とも酢酸アンモンの濃厚溶液または、銅アンモニアの複
塩を有する乾燥剤を混合した混合物である。このように
構成された電気−歪変換装置は、外部から振動板６に応
力を与えることにより電荷または電圧を発生するか、ま
たは、圧電素子５に電圧を与えることにより変位を生ず
る機能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電歪素子を用いた電
気−歪変換装置の構造に関し、特に、電歪素子の特性を
活かした接着方法に関する。さらに、この接着方法を用
いて構成した圧電素子を利用した歪→電気変換デバイス
（圧電センサ）や電気→歪変換デバイス（圧電アクチュ
エータ）などの圧電デバイスに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、外部から応力を与えることにより
電荷または電圧を発生するかまたは、電圧を与えること
により歪を生ずる特性を持った電歪素子と、外部からの
応力を伝達するかまたは、電歪素子が生じた歪により変
位する伝達部材で構成した電気−歪変換装置の接着にお
いては、一般的にホットメルト及び、エポキシ樹脂に代
表される高分子接着材料が幅広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電歪素
子と振動板などに代表される伝達部材による、電気−歪
変換装置の接着においては、下記のような課題があっ
た。

【０００４】従来のホットメルト及び、エポキシ樹脂に
代表される高分子接着材料は、ブチルゴム、フェノール
樹脂等を加えて接着性及びたわみ性等を確保している
が、その反面接着層の弾性特性が高くなり、電歪素子と
振動板との伝達効率が下がり、結果的に共振周波数付近
の抵抗値が大きくなってしまう等の課題があった。

【０００５】また、このような欠点を克服するために硬
度の高い接着剤を用いて共振周波数付近の抵抗値を下げ
ることも考えられるが、従来の硬い種類の接着剤は硬い
半面、脆い性質を持っており電歪素子等の接着には不向
きであった。すなわち、伝達部材や電歪素子には振動・
変形などの機械的な力が加わったり発生したりするの
で、脆い接着剤だと、剥がれなどの障害が生じやすいた
めである。

【０００６】ここで電歪素子と振動板（伝達部材）との
理想的な接着について述べる。 １．非常に薄い接着層であること（電気接続が得られる
程度の薄層であること）。 ２．接着層が非常に硬くかつ強靱であること。 ３．電歪素子と振動板を接着後、共振周波数付近の抵抗
値が小さいこと。 以上の様な特性を満足することが、望ましいとされてい
る。

【０００７】そこで、本発明は上記の課題を解決するも
のであって、電歪素子と振動板等に代表される伝達部材
との接着層を、非常に薄く、かつ高硬度で強靱にするこ
とにより、電歪素子と振動板との伝達効率を高め、優れ
た電気的特性を有する電気−歪変換装置を得ることを目
的としている。そしてさらに、例えば圧力センサの感度
を高くする、圧電ブザーの音圧を高くする、超音波モー
タの回転効率を高くするなどといった、電気−歪変換装
置を用いた圧電デバイス（圧電センサ、圧電アクチュエ
ータ）の電気的性能の効率向上を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明は外部から応力を与えることにより電荷ま
たは電圧を発生するかまたは、電圧を与えることにより
歪を生ずる特性を持った電歪素子（例えば圧電素子）
と、この電歪素子に外部からの応力を伝達するかまた
は、この電歪素子が生じた歪により変位する伝達部材
（例えば振動板）とを、漆と乾燥剤を混合した混合物で
接着して構成したことを特徴とする。

【０００９】この場合、漆としては少なくともウルシオ
ールまたはラッコール、チチオールとラッカーゼを有す
ることが好ましく、また、乾燥剤としては少なくとも酢
酸アンモンの濃厚溶液または、銅アンモニアの複塩を有
することが好ましい。

【００１０】また、電歪素子としては圧電素子であるこ
とが好ましく、この圧電素子を用いて圧電センサや圧電
アクチュエータといった圧電デバイスを構成することが
望ましい。

【００１１】

【作用】本発明の電気−歪変換装置は、漆という天然素
材の持っている塗面が堅牢であるという特性に着目し、
これを電歪素子と伝達部材（振動板等）との接着に適用
したものである。

【００１２】周知のように、漆は、水分と２価フェノー
ルの一種であるウルシオールＣ₂₁Ｈ₃₂Ｏ₂（あるいはラ
ッコールＣ₂₃Ｈ₃₆Ｏ₂、チチオールＣ₂₃Ｈ₃₆Ｏ₂）と含窒
素物とゴム質の４物質の混合物である。これらの成分の
うちで、漆を形づくるいわゆる主成分は国内産漆ではウ
ルシオールであり、外国産漆ではラッコールやチチオー
ルである。そして、このウルシオールやラッコール、チ
チオールなどの含有量の多少によって漆被覆（塗膜）の
堅牢度が決ってくるが、いずれにしても汎用の合成樹脂
塗膜と比較して高い硬度を有している。

【００１３】ここで、この漆を接着剤として活用するた
めの条件について考察する。接着剤として使うには、接
着の対象となる部材に接着剤を塗布したのち部材を貼り
合わせ、その後接着剤は乾燥固化することが必要であ
る。通常、一般的に物が乾燥するということは、その物
質内の水分が消滅することである。しかし、漆が乾くと
いうことはこのような一般的な仕組みではない。すなわ
ち、漆が乾燥するということは、漆に含まれているゴム
質の中にあるラッカーゼが空気中から酸素をとって、主
成分のウルシオール（ラッコール、チチオール）を酸化
重合させて、液体から固体へと変わることである。

【００１４】そこで本発明では、この漆の持つ特性を巧
みに利用し、別途乾燥剤を添加することにより優れた性
質を有する接着剤を実現したものである。つまり、漆を
適当な温度状態で空気中に放置すればラッカーゼの働き
により漆は乾燥固化することになるのであるが、漆が塗
布された被接着部材を貼り合わせた状態においては、漆
は空気と十分に接触することができない。そこで、空気
中の酸素の役割を、添加された乾燥剤が担うわけであ
る。この場合、乾燥剤はラッカーゼを活性化させる働き
を有しており、酢酸アンモンの濃厚溶液または、銅アン
モニアの複塩などの酵素を用いることが適当である。ラ
ッカーゼを活性化するための物質としては様々なものが
考えられるが、これらの酵素を用いるのは、工業的に大
量かつ安定した生産が可能でかつ安定した酵素作用を有
しており、電気−歪変換装置のような品質ばらつきに対
する要求基準の厳しい製品の製造に適しているからであ
る。

【００１５】そして、本発明者らは鋭意実験を重ねた結
果、上述のような漆と乾燥剤の混合物を接着剤として用
いることにより、非常に硬い接着膜（塗膜）を実現する
ことができたのである。

【００１６】さらに、この漆接着剤には本発明者らの予
期しない優れた性質があることがわかった。すなわち、
単に硬いだけではなく、１）非常に薄い接着膜（塗膜）
が実現できること、２）伝達部材や電歪素子の機械的な
振動や変形によってもその硬さに変化がなく、長期間に
わたって安定した接着特性を維持し続けること（すなわ
ち、非常に強靱であること）である。

【００１７】このうち、非常に薄い接着膜が形成される
点については、おそらく漆の持つ堅牢性と強靱性が影響
しているものと推定される。すなわち、本発明の漆接着
剤（漆と乾燥剤の混合物）を用いて被接着部材を接合す
る場合、この被接着部材を何らかの保持部材ではさみつ
けるようにして保持し漆の乾燥固化を待つわけである
が、この際にかなりの圧力を加えてはさみつけても、は
がれあるいは接着不良などの障害もなく安定して接着さ
れるのである。これは、上述したような漆の持つ強靱な
性質によって、漆接着剤が被接着部材の間に非常に薄く
広がると共に、被接着部材とよくなじむのではないかと
考えられる。これによって、非常に薄い接着膜が形成さ
れるのではないかと思われる。また、強靱であるという
特性が発現する理由（作用）についてはいまだ詳細は不
明であるが、漆に含有されるなんらかの成分が関与して
いるものと推定される。

【００１８】これらの性質（非常に薄く、かつ強靭であ
ること）は、電気−歪変換装置のような機械的な振動や
変形を利用してエネルギーを変換するデバイスにとって
非常に重要な要素である。そして、これらの思わぬ効用
により、電歪素子と伝達部材との伝達効率が向上した優
れた電気−歪変換装置を実現することができたのであ
る。

【００１９】請求項１から３記載の発明においては、上
述した漆と乾燥剤を混合した接着剤（混合物）を用いた
電気−歪変換装置について、具体的な好ましい物質名も
例示して記述したものである。これにより、外部から応
力を与えることにより伝達部材例えば振動板が変位し、
この振動板に生じた変位を漆と乾燥剤からなる接着剤が
電歪素子に効率よく伝達し、この変位により歪が生じ電
歪素子が電荷または電圧が発生するものである。また、
この逆に、電歪素子に外部から電気エネルギーを加える
ことによって電歪素子に歪が生じ、漆と乾燥剤からなる
接着剤が伝達部材に効率よくこの変位を伝達するもので
ある。

【００２０】また、請求項４の発明においては、電歪素
子が圧電素子であることを特徴とし、請求項５、６記載
の発明のように、この圧電素子を用いて圧電センサや圧
電アクチュエータのような圧電デバイスを構成すること
を特徴とするものである。これらは、本発明の電気−歪
変換装置の持つ優れた電気−歪変換特性を活かして、高
性能の圧電デバイスを実現しようとするものである。

【００２１】

【実施例】以下、この発明の実施例を図に基づいて詳し
く説明する。

【００２２】図１は、本発明の電気−歪変換装置に用い
た漆と乾燥剤の混合物からなる接着剤（漆接着剤）と、
従来一般的に使用されている高分子接着剤との、接着層
厚と共振周波数付近の共振抵抗との関係を比較して示し
た図である。いずれの接着剤も、同じ被接着部材に対し
て同じ条件で接着を行ったものである。前にも述べたよ
うに、共振周波数付近の共振抵抗はより小さい方が、一
般的に電歪素子と振動板との伝達効率が高いと言える。
そこで、図１からもわかるように、漆と乾燥剤からなる
接着剤が、従来一般的に使用されている高分子接着剤よ
り、接着層厚に対する共振周波数付近の共振抵抗が低
い。従って、電歪素子と振動板との伝達効率が高分子接
着剤より高いことがわかる。また、漆と乾燥剤からなる
接着剤の硬度を、従来使用しているエポキシ樹脂と比較
すると、エポキシ樹脂がＨV２６．３に対し、漆と乾燥
剤からなる接着剤の硬度はＨV３０．３という結果とな
り、従来の高分子接着剤に比べ高硬度であった。

【００２３】図２は、本発明の電気−歪変換装置の一実
施例を示した図である。図２において、外部から応力を
与えることにより電荷または電圧を発生するかまたは、
電圧を与えることにより歪を生ずる特性を持った電歪素
子である圧電素子５と、この圧電素子５に外部からの応
力を伝達するかまたは、圧電素子５が生じた歪により変
位する伝達部材である振動板６とを、少なくともウルシ
オール（あるいはラッコール、チチオール）とラッカー
ゼを有する漆と少なくとも酢酸アンモンの濃厚溶液もし
くは、銅アンモニアの複塩を有する乾燥剤を混合した、
漆と乾燥剤からなる接着剤７で接着したものである。

【００２４】接着にあたっては、圧電素子５と振動板６
の接着面をよく磨いた後、それぞれの接着面にあらかじ
め調合した漆と乾燥剤からなる接着剤７をほぼ均一に塗
布する。その後、圧電素子５と振動板６を貼り合わせ、
図示しない保持部材で圧電素子５と振動板６を所定のは
さみ力を加えて保持する。これを室温または高温環境で
しばらく放置し、保持部材を取り外して接着が完了す
る。

【００２５】このように構成した電気−歪変換装置の動
作は次の通りである。

【００２６】まず、歪→電気変換については、伝達部材
である振動板６が、外部からの応力を受けることにより
変位し、この振動板６に生じた変位を、漆と乾燥剤から
なる接着剤７が圧電素子５に伝達し、この変位により歪
が生じ、電歪効果により圧電素子５が電荷または電圧を
発生し電気変換する。

【００２７】また、電気→歪変換については、圧電素子
５に電圧を与えることにより電歪効果が作用し、圧電素
子５が歪み、この圧電素子５に生じた歪みを、漆と乾燥
剤からなる接着剤７が、伝達部材例えば振動板６に伝達
することにより、この振動板６が振動する。

【００２８】次に、本発明の電気−歪変換装置を用いた
具体的な応用となる圧電デバイスについて説明する。

【００２９】図３は、本発明の電気−歪変換装置を用い
た圧電センサ（圧力センサ）の一実施例である。図３に
おいて、薄い円盤状に形成した振動板６に対して円形の
圧電素子５を、漆と乾燥剤からなる接着剤７により接着
固定する。センサケース８は、本圧力センサの外郭を覆
うと共に各種の部材を案内固定するためのものであっ
て、振動板６や絶縁部材９を案内している。絶縁部材９
は、導通部材Ａ１０、導通部材Ｂ１１を案内するもので
ある。バネ状に構成された導通端子１２は、圧電素子５
と所定の接触圧をもって導通するように構成され、導通
部材Ａ１０の突出部１０ａにはめこまれるように案内さ
れている。導通部材Ｂ１１は、センサケース８に打ち込
み等により固定され、圧電素子５のグランド信号側と導
通している。

【００３０】次にこの圧力センサの動作について説明す
る。なお、基本動作については、図２に述べた実施例と
同様である。

【００３１】まず、振動板６は薄板状に形成されている
のでちょうど両持ち梁のような構造となり、外部より力
（例えば空気の振動や固体の衝突による振動）が加わる
と、その振動は漆と乾燥剤からなる接着剤７を通して圧
電素子５に伝達する。これによって圧電素子５に発生し
た電圧を、導通端子１２及び導通部材Ａ１０とグランド
信号側の導通部材Ｂ１１より出力する事ができる。この
電気信号を増幅・変換・演算等の処理を施すことにより
振動板６に加わった圧力を検出することができる。本発
明者らの実験によると、従来の高分子接着剤を用いて同
じ圧力センサを構成した場合と比べて、本発明の場合は
出力電気信号の電圧がおよそ２０〜３０％上昇した。こ
のことにより、より高感度（高性能）の圧力センサを実
現することができた。また、本例の圧力センサは、耐久
試験を行っても圧電素子５のはがれなどは発生せず、安
定した動作を持続することができた。

【００３２】図４は本発明の電気−歪変換装置を用いた
圧電アクチュエータ（超音波モータ）の一実施例であ
る。

【００３３】図４において、モータを支持する支持板１
３に対して打ち込み等により支持ピン１４を固定する。
リング状の圧電素子５にリード端子５ａを半田付け等に
より固定する。そして、この圧電素子５を、振動伝達部
を有する円盤状の振動体１５に対して、漆と乾燥剤から
なる接着剤７で接着する。さらに、ロータ１６を振動体
１５の振動伝達部と接触する位置に、支持ピン１４によ
り回転可能に案内し、加圧ばね１７によりロータ１６と
振動体１５を弾性的に固定し、超音波モータを構成す
る。

【００３４】次にこの超音波モータの動作について説明
する。なお、基本動作については、図２に述べた実施例
と同様である。

【００３５】リード端子５ａに駆動信号である所定の電
気信号を印加する。すると、圧電素子５に歪が生じ、こ
の歪を漆と乾燥材からなる接着剤７が振動体１５に伝達
する。

【００３６】圧電素子５に生じた歪は、振動体１５によ
り変位拡大され、支持ピン１４で回転可能に案内された
ロータ１６に伝達する。そして、加圧ばね１７の弾性力
により発生した振動体１５とロータ１６との摩擦作用に
より、ロータ１６が回転する。本発明者らの実験による
と、従来の高分子接着剤を用いて同じ超音波モータを構
成した場合と比べて、本発明の場合はモータの出力トル
クがおよそ１０〜２０％上昇した。このことにより、よ
り高トルク（高性能）の超音波モータを実現することが
できた。また、本例の超音波モータは、耐久試験を行っ
ても圧電素子５のはがれなどは発生せず、安定した動作
を持続することができた。

【００３７】上述した実施例においては、圧電デバイス
の例として圧力センサと超音波モータについて述べたが
もちろんこれに限られるわけではない。これら以外に
も、例えば、歪ゲージ、圧力スイッチ、加速度センサ、
圧電ブザー、微動ステージ、インクジェットプリントヘ
ッドなどにも適用することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
〜３記載によれば、漆と乾燥剤を混合した混合物を用い
ることにより、漆の持っている塗面の堅牢性が高いとい
う特性を利用し、非常に薄くかつ強靱な接着剤を実現す
ることができる。これにより、共振周波数付近の共振抵
抗がより小さく、従ってより伝達効率が高い電歪素子と
伝達部材との接着を可能とした電気−歪変換装置を得る
ことができる。

【００３９】また、請求項５、６記載の発明によれば、
電気−歪変換装置を用いた圧電デバイス（圧電センサ、
圧電アクチュエータ）の電気的性能の効率向上を図るこ
とができる。これらのデバイスは圧電変換効率が高いの
で、センサとして用いる場合は高感度となり、アクチュ
エータとして用いる場合は高変位量のデバイスを実現す
ることができる。さらに、優れた電気的性能を長期間に
わたって持続することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の漆と乾燥剤の混合物（接着剤）と従来
の高分子接着剤の、接着層厚と共振周波数付近の共振抵
抗の関係を示した図である。

【図２】本発明の電気−歪変換装置の一実施例を示した
断面図である。

【図３】本発明の電気−歪変換装置を用いた圧電センサ
の一実施例（圧力センサ）を示した断面図である。

【図４】本発明の電気−歪変換装置を用いた圧電アクチ
ュエータの一実施例（超音波モータ）を示した断面図で
ある。

【符号の説明】

５ 圧電素子 ６ 振動板 ７ 漆と乾燥剤からなる接着剤 ８ センサケース ９ 絶縁部材 １０ 導通部材Ａ １１ 導通部材Ｂ １２ 導通端子 １３ 支持板 １４ 支持ピン １５ 振動体 １６ ロータ １７ 加圧ばね ５ａ リード端子 １０ａ 突出部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から応力を与えることにより電荷ま
   たは電圧を発生するかまたは、電圧を与えることにより
   歪を生ずる特性を持った電歪素子と、前記電歪素子に外
   部からの応力を伝達するかまたは、前記電歪素子が生じ
   た歪により変位する伝達部材とを、漆と乾燥剤を混合し
   た混合物で接着して構成したことを特徴とする電気−歪
   変換装置。
2. 【請求項２】 前記漆は、少なくともウルシオールまた
   はラッコールまたはチチオールと、ラッカーゼを有する
   混合物であることを特徴とする請求項１記載の電気−歪
   変換装置。
3. 【請求項３】 前記乾燥剤は、少なくとも酢酸アンモン
   の濃厚溶液及び、銅アンモニアの複塩を有することを特
   徴とする請求項１記載の電気−歪変換装置。
4. 【請求項４】 前記電歪素子は圧電素子で形成したこと
   を特徴とする請求項１記載の電気−歪変換装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載の電気−歪変換装置を用い
   たことを特徴とする圧電センサ。
6. 【請求項６】 請求項４記載の電気−歪変換装置を用い
   たことを特徴とする圧電アクチュエータ。