JPS6146082A

JPS6146082A - 圧電アクチユエ−タ

Info

Publication number: JPS6146082A
Application number: JP59167327A
Authority: JP
Inventors: Akira Tomono; 明伴野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1984-08-10
Filing date: 1984-08-10
Publication date: 1986-03-06

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は、少なくとも一対の電歪板を中央電極を介して
積層接合することｔこより形成される／＜イモルフ型圧
電素子を用いてなる圧電アクチュエータに関する。

〔従来技術〕

バイモルフ型圧電素子は、小型力１つ軽量でしめ＼も低
電力にて作動させ得るものであり、またａの圧電素子と
比較して大きな変位を得ること力くできることから、近
年、各方面で７クチユエータとして利用することについ
て注目されてｌ、％る。し力）し、このようなバイモル
フ型圧電素子をアクチュエータとして用いるうえで問題
とされること１１、従来は、その外側部分に電極層が剥
き出しで露呈していることから１作動端付近で１１その
出力を外部に伝達する伝達機構との摺動動作によって電
極層が傷ついたり０、剥離してしまう等とｌ、％つた不
具合を生じることである。また、このようなノくイモル
フ型圧電素子を、アクチュエータとして高温多湿条件下
で使用すると、電極取出端での絶縁性力く低下し、リー
ク電流によって所定の電圧を印カロすることができなく
なり、その変位および発生力が低下するといった欠点を
生じるものであった。

したがって、このようなバイモルフ型圧電素子を用いて
なる従来の圧電アクチュエータにあっては、その使用条
件によっては動作上の信頼性の点で難点があるもので、
何らかの対策を講じることが望まれている。

たとえばハイブリッド型ＩＣなどといった半導体部品で
は、その絶縁性、耐環境性を向上させる目的で、基板上
に素子を搭載した後、全体を樹脂材にてコート処理する
ことが一般に行なわれているが、このようなコート処理
にはきわめて高い信頼性が要求されているため、従来か
らシリコン系ハードコート材に代表されるような二液硬
化形相脂材が使用されている。そして、このような樹脂
コート層によれば、耐湿性、絶縁性等の点で優れている
といった利点を奏するものであるが、その一方において
、その一連の処理工程に数時間を要し、作業性の面で大
きな問題となるばかりでなく、その処理時に反応を促進
させるためには１（ｔ。

°Ｃ前、後の高温状態を維持することが必要とされる等
の欠点をもつものであった。これに対し、その作業時間
が短く、しかも常温に近い温度にて硬化するコート材と
して、紫外線硬化形の樹脂材を用いる方法も従来から知
られているが、上述したようなＩＣ等の半導体部品に使
用するには、絶縁性、耐湿性等の面で問題を生じること
から、これを使用することは事実上不可能であった。

〔発明の概要〕

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり′
、その両側面に電極層が形成された少なくとも一対の電
歪板を中央電極を介して積層接合してなるバイモルフ型
圧電素子の外側部に対し、成。

形容易で可撓性や耐摩耗性に優れた薄い絶縁性樹脂コー
ト層を形成するという簡単な構成によって、従来問題と
されていた電極層の損傷や使用条件下によって左右され
る絶縁上の不具合を簡単かつ確実に解消し、アクチュエ
ータとしての信頼性を大幅に向上させ得るとともに、コ
ート層を形成するにあたって常温で硬化処理し得るなど
、作業性の面で優れ、コスト的にも安価である圧電アク
チュエータを提供するものである。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示した実施例を用いて詳細に説明
する。

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に係る圧電アクチュエー
タの一実施例を示すものであり、これらの図において、
全体を符号１で示す圧電アクチュエータを構成するバイ
モルフ型圧電素子は、周知のように、一対の電歪板Ｈ１
，Ｈ２を有し、かつこれら電歪板Ｈ１，Ｈ２の外側面に
電極層ＡＩ、Ａ２を形成した状態でその間に介装される
中央電極Ｂに対しｖＩＧして接合され、これによりその
一端が作動端として揺動動作するものである。なお、図
中３はバイモルフ型圧電素子１の他端側に形成された電
極取出端部で、前記中央電極Ｂの一端が外方に延設され
ている。そして、この電極取出端部３において、前記各
電極層Ａ　Ｉ、Ａ　２および中央電極Ｂからのリードは
、端子Ｔ　１．Ｔ　２．Ｔ　３に接続されている。

さて、本発明によれば、上述した構成によるバイモルフ
型圧電素子１において、その外側面の全体にわたって絶
縁性樹脂コート層２を形成し、これにより従来に比べ耐
摩耗性等を向上させるとともに、絶縁性、ざらに可撓性
等をも保証し得るようにし、これによりこのバイモルフ
型圧電素子１を、アクチュエータとして使用する際にお
ける信頼性を大幅に向上させ得るように構成したところ
に特徴を有している。

すなわち、本発明は、上述したバイモルフ型圧電素子１
が電子部品でありながら半導体部品はどの絶縁性が要求
されず、ある程度の高い絶縁性が確保し得る紫外線硬化
形樹脂材を使用することが可能で、さらにその紫外線硬
化形樹脂材はその絶縁性が二液性の樹脂材に比べてやや
劣るものの成形時の作業性に優れ、常温状態、特にバイ
モルフ型圧電素子ｌの使用温度で硬化処理ができ、しか
も薄い被膜層として付着させることができ、可撓性の面
で優れ、また耐摩耗性、耐擦傷性、さらに耐湿性等にも
優れている等といった点を考慮してなされたものである
、そして、このような条件を満足し得るに適した絶縁性
樹脂コート層２の材料として、たとえば紫外線硬化形の
多官能アクリル系樹脂材を用いるとよいことが実験によ
り確認されている。

このような紫外線硬化形樹脂材を用いて上述したバイモ
ルフ型圧電素子１の外側部に対し絶縁性樹脂コート層２
を成形する場合の製造方法を、第２図（ａ）、　（ｂ）
　、　（ｃ）を示しており、これらの図において、符号
１０は上述した多官能アクリル系樹脂材、光開始材温剤
を混合した紫外線硬化層樹脂材混合液１１が入っている
容器、１２はヒータ、１３は紫外線ランプ、１４はその
光を反射さぜ光を上述した混合液１１が付着したバイモ
ルフ型圧電素子１の外側郡全体に照射させるためのミラ
ーである。なお、１５は混合液１１への浸されたバイモ
ルフ型圧電素子１を吊下げ状態で搬送するためのベルト
である。

そして、このような構成において、まず、前述したよう
に予めユニットとして組立形成してなるバイモルフ型圧
電素子１を、第２図（ａ）に示すように、前記容器１０
中の混合液１１に漬け、その電極層Ａ　１．Ａ　２およ
び作動端、電極取出端部３側の端面を含む外側郡全体に
混合液１１を付着させる。

次に、このバイモルフ型圧電素子１を混合液ｌｌ中から
取出し、同図（ｂ）で示すように、ヒータ１２．１２に
て約６０℃程度で数分間熱処理を行ない、前述した混合
液１１の溶剤を蒸発させる。そして、その後、同図（Ｃ
）に示すように、このバイモルフ型圧電素子ｌに対し紫
外線ランプ１３およびミラー１４にて紫外線を数秒間照
射させることにより、前記混合液１１中の光開始材が樹
脂材に作用してこの樹脂材は、バイモルフ型圧電素子１
の外側部に層状にて硬化することとなる。

上述した説明から明らかなように、紫外線硬化形樹脂材
を用いて絶縁性樹脂コート層２を成形するようにすると
、その処理時の作業性がよいばかりでなく、大きな設備
等を必要とせず、きわめて短時間でコート層２の成形処
理を行なうことが可能となるもので、その実用上の効果
は大きい。

ここで、上述したバイモルフ型圧電素子１の電極層Ａ　
１．Ａ　２；Ｂ間の絶縁性は、１０９Ω以上であれば実
用上問題がないと言えるが、上述した樹脂材によれば１
０１０Ω以上のコート層２としての被膜を容易に形成で
きるため、上述した条件を満足し得るものである。また
、上述した樹脂材による絶縁性樹脂コート層２によれば
、１０〜５０ル程度以下の厚さにて被装することが充分
可能であるため、バイモルフ型圧電素子１の変位時の抵
抗も小さく、その動作上何ら支障ないものである。

さらに、上述したバイモルフ型圧電素子１は、キューり
温度以上に加熱すると、その電歪板上に形成されていた
分極が破壊されて圧電効果を失うことがあるが、本発明
のように紫外線硬化形樹脂材を用いたものでは何ら支障
ないものである。すなわち、上述したキューり温度は材
質によっても異なるが、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛
（ＰＺＴ）系では　１００〜２００°Ｃ程度のものが多
く、このキューり温度に達しないまでも、高温状態が加
ゎると分極が劣化する現象が生じるもので１通常はキュ
ーり温度の半分（約１００℃）以下を使用温度とするも
のが多い、そして、この点において、紫外線硬化形樹脂
材を用いた絶縁性樹脂コート層２成形方法では、混合液
１１中の溶剤を蒸発させる際に５０〜６０℃程度で加熱
する以外には熱することはないため、上述したような分
極の劣化等といった問題は生じることがないものである
。なお、上述した混合液１１中の溶剤は室温でも蒸発さ
せることも可能である。

第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は本発明の別の
実施例を示すものであり、この実施例では、バイモルフ
型圧電素子１の基端部側に形成される電極取出端部３に
おけるリード接続端３ａ、３ｂ、さらにバイモルフ型圧
電素子取付台５上のリード接続端部分をマスキング処理
して絶縁性樹脂コート層２を形成し、その後にリード線
を接続するようにした場合を示している。また、この実
施例では、バイモルフ型圧電素子ｌの作動端側に作動伝
達部６を一体的に連結して設け、その外側部にも一連に
絶縁性樹脂コート層２を形成した場合を示している。

すなわち、この種のバイモルフ型圧電素子１の外側部に
絶縁性樹脂コート層２を全体にわたって形成して被覆す
るうえで、問題とされることは、その基端から引出され
る電極取出端部３でのリード接続部と、その作動端での
外部への作動伝達機構との連結部との取扱いで、本実施
例のように構成すれば実用上の利点は大きい。

第４図はその電極取出端部での変形例を示すものであり
、この場合には、バイモルフ型圧電素子１の基端部に、
それぞれ電極を兼ねるかしめ治具４および取付台５を接
合して設け、その外側部を電極リード部を残して全体に
絶縁性樹脂コート層２を形成した場合で、その作用効果
は前述した実施例と同様であることは明らかであろう。

ところで、上述した各実施例構造において、バイモルフ
型圧電素子１と、絶縁性樹脂コート層２の樹脂材との線
膨張係数が異なると、高温、低温時において接合部に応
力が発生し、樹脂コート層２の剥離、変位特性の劣化等
が生じることがあるが、上述した紫外線硬化形の樹脂材
では、その被覆時に使用する混合液１１での反応希釈材
の混合量を制御する等によってその硬度を制御すること
ができるものである。したがって、本発明によれば、上
述した構成を採用することによって、耐絶縁性、耐摩耗
性、耐環境性を確保したうえで、上述した内部応力を吸
収し得る程度の可撓性をもつ軟らかい材料を用いること
ができるもので、その利点は大きい。

しかし、一般に、樹脂材は硬度を下げるとピンホール等
が生じ易く、吸水性が増大して防水性が低下するといっ
た問題を生じることがある。また、他の部材との摺動に
対して消耗し易く、傷付き易い等といった問題もある。

このような問題を解消するためには、第５図（ａ）、（
ｂ）に示すような二重の絶縁性樹脂コート層２（２０，
２１）構造とすればよいものである。　　　　。

これを詳述すると、この実施例では、バイモルフ型圧電
素子１の外側部に、まず、内層（２０）として軟性樹脂
材を被覆して形成するとともに、その外側に外Ｗ（２１
）として硬性樹脂材を被覆し、これによりアクチュエー
タとしての信頼性をより向上させ得るように構成したも
のである。ここで、上述した内側の軟性樹脂層２０には
、線膨張係数の違いによる接着部の応力、バイモルフ型
圧電素子　。

１が変形するときにコート層２に加わる応力を吸収する
ための密着性のよい軟性材料が、また外側の硬性樹脂層
２１には、アクチュエータとしての作動端での潤滑性、
耐摩耗性、耐擦傷性および耐環境性を向上させ得る硬性
材料が用いられる。

このような二重構成による絶縁性樹脂コート層２は、第
７図に示すように、軟性樹脂材混合液１６を入れた容器
１０ａと、硬性樹脂材混合液１７を入れた容器１０ｂと
、ヒータ箱（１２）、紫外線ランプ１３を有するミラー
箱（１４）との間を、図中イーロ畔ハ畔二瞬ホ呻への順
序で動かし、各樹脂材をコート層として付若させるとよ
いものである。

なお、軟性樹脂材が所定の耐湿性、絶縁性を有している
場合には、硬性樹脂材をバイモルフ型圧電素子１の作動
端側にのみ被覆するようにしてもよいものである。

また、上述した紫外線硬化形樹脂材としては、他官能ア
クリレートを主成分とするものが多いが、エポキシ系、
ウレタン系の紫外線硬化形樹脂材でもよいことは明らか
であろう、さらに、本発明は、上述したように、バイモ
ルフ型圧電素子１の外側部に絶縁性樹脂コート層２を形
成してアクチュエータとしての信頼性を向上させるよう
にした点に特徴を有するものであり、作業性を向上させ
得る場合には、紫外線硬化形樹脂材に限定されず、二液
反応硬化形樹脂材を用いるようにしてもよいものである
。

また、上述した第５図に示す実施例では、本発明に係る
圧電アクチュエータを、バイモルフ型のリレースイッチ
に応用した場合をも合せて示している。これを簡単に説
明すると、図中２２はその先端に可動接点２３を有し前
記バイモルフ型圧電素子１下部の樹脂コート層２１上に
形成されたプリント配線、２４は前記可動接点２３に対
向する固定接点で、この固定接点２４は図示せぬ基板上
に形成されたプリント配線２５上に設けられている。そ
して、これら各接点２３．２４からの信号線は絶縁性樹
脂コート層２によって被覆されたバイモルフ型圧電素子
１側の端子Ｔ　１．Ｔ　２．Ｔ　３とは、完全に分離さ
れた状態で端子Ｔ４．Ｔ５として外部に引出され、所要
のスイッチ動作を行なうものである。ここで、上述した
バイモルフ型圧電素子１は、たとえば本発明者が先に提
案した「電歪振動装置駆動回路；特願昭５９−７５８２
３号」等によって駆動されるもので、ここではその説明
は省略する。

第７図は本発明に係る圧電アクチュエータを、作動端を
残して筐体内に収容配置させるようにしたユニー／　ト
化構造の応用例を示すもので、図中３０は基板、３１ａ
、３１ｂは前記バイモルフ型圧型素子１作動端での揺動
範囲を拘束するストッパ、３２はカバー、３３は端子Ｔ
　１．Ｔ　２．Ｔ　３を引出してなる端子部、３４はユ
ニット取付用ねじで、また図中矢印Ｘ、Ｙ方向のいずれ
かから変位出力を取出しことができるものである。

第８図はバイモルフ型圧電素子１の揺動変位を、シーソ
ー機構を介して取り出すようにしたユニット構造の応用
例を示すものである。ここで、図中３５はバイモルフ型
圧電素子１の作動端に設けられた作動伝達レバー、３６
は支点３７にて揺動自在に支持されたシーソー機構で、
その動作は明らかであろう、なお、上述した作動伝達レ
バー３５が第３図に示した実施例のように絶縁性樹脂コ
ート層２内に一体的に設けられている場合には、シーソ
ー機構３６との接合部での潤滑性はよく、伝達効率がよ
いといった利点を得ることが可能となる。

第９図は上述したシーソー機構３６の先端を折曲げて直
接バイモルフ型圧電素子１の作動端に接合させた場合の
例で、これは圧電素子１がコート層２にて絶縁されてい
るために可能となるものである。

第１０図は本発明による圧電アクチュエータを、たとえ
ば硬貨処理装置の処理部に適用した場合を示すもので、
図中４０はバイモルフ型圧電素子１の作動端に設けられ
た鍵機構、４１はこれに係合する係合部４１ａを有しか
つ常時はばね４２にて図中時計方向（硬貨軌道４４の閉
方向）に付勢された開閉機構板で、支軸４１ｂにて回転
可能に支持されている。また、４３は軌道板４４ａ。

４４ｂによって形成された軌道４４内を転動してくる硬
貨、４５はその軌道４４からの排出用の開口である。こ
こで、上述したバイモルフ型圧電素子１として、第５図
にて示した二重のコート層２を形成してなるものを用い
た場合には、その耐摩耗性が向上しているため、その作
動端にて直接硬貨４３の転勤方向を変更させて処理する
ことも可能である。

なお、本発明は上述した実施例構造に限定されず、各部
の形状、構造等を、適宜変形、変更することは自由であ
る。たとえば上述した各実施例では、バイモルフ型圧電
素子１として一対の電歪板Ｈ１，Ｈ２からなるものを用
いた場合について説明したが、これに限定されず、第１
１図に示すような多層式の電歪板を採用したものにも適
用できることは明らかであろう。

また、上述した一部の実施例では、バイモルフ型圧電素
子１の外側部に絶縁性樹脂コート層２を形成するにあた
って、その作動端に作動伝達部６を一体的に設けてコー
ト処理した場合を示し、これによりコート後に接合作業
を行なう場合に比べて全体の組立性の点で有利であると
いった利点があり、実用上はこのようにすることが望ま
しいが、勿論これに限定されるものではない、さらに、
バイモルフ型圧電素子１において、その基端で予め配線
処理を行ない、これをマスキングしてコート処理を行な
うようにした場合を説明しており、このようにすれば上
述した作動端側と同様に実用上の利点は大きいものであ
るが、この点に関してもこれに限定されることはない。

また、上述したバイモルフ型圧電素子１の電極取出端部
３からのリード引出構造として、たとえば第１２図また
は第１３図に示すような取付台５を利用することも考え
られる。これを簡単に説明すると、第１２図において、
５ａ、５ｂ、５ｃはバイモルフ型圧電素子１側から引出
されたリードの取付台５上での電極接続部で、このよう
な接続作業後にこれらを取付台５裏面の基板３０との接
合面を除いてコート処理し、その後基板３０上に形成し
た端子部５ｄ　、５ｅ　、５ｆと接合させ、基板３０上
のプリント配線３０ａにて外部に引出すようにしてもよ
いものである。

さらに、第１３図は取付台５の外方端に電極接続部５ａ
、５ｂ、５ｃが形成され、この部分を除いてコート処理
を行ない、その後基板３０側との接続を行なう場合で、
この場合にはこれら部材間の接合を紫外線硬化形の接着
剤を用いて接合するようにしてもよい、そして、このと
きには取付台５は透明な材料にて形成し、紫外線が透過
するようにすればよいものである。

また、上述した実施例では、バイモルフ型圧電素子１に
絶縁性樹脂コート層２を形成するにあたって、樹脂混合
液１１中に浸漬する場合を説明したが、本発明はこれに
限定されず、たとえば上述した混合液１１を含ませたロ
ーラ間を通過させてバイモルフ型圧電素子１の両側面に
絶縁性樹脂コート層２を形成するといった変形例も考え
られるものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る圧電アクチュエータ
によれば、その両側面に電極層が形成された少なくとも
一対の電歪板を中央電極を介して積層接合してなるバイ
モルフ型圧電素子の外側部に対し、絶縁性樹脂コート層
を形成するようにしたので、簡単かつ安価な構成にもか
かわらず。

従来問題とされていた電極層の損傷や使用条件下によっ
て左右される絶縁上の不具合を簡単かつ確実に解消し、
アクチュエータとしての信頼性を大幅に向上させ得ると
ともに、絶縁性樹脂コー＋−２の成形加工もきわめて簡
単に行なえ、作業性の面で優れている等といった種々優
れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明に係る圧電アクチュエー
タの一実施例を示す横断側面図およびその縦断側面図、
第２図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）はその特徴とす
る絶縁性樹脂コート層の成形方法を説明するための製造
工程図、第３図（ａ）、（ｂ）は本発明の別の実施例を
示す横断側面図およびその縦断側面図、第４図はその要
部拡大断面図、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実
施例を示す縦断側面図およびその要部横断側面図、第６
図はその製造工程図、第７図ないし第１３図は本発明に
係る圧電アクチュエータの応用例をそれぞれ示す概略説
明図である。１・・・・バイモルフ型圧電素子（圧電アクチュエータ
）、２・・争・絶縁性樹脂コート層、３（３ａ、３ｂ）
・・・・電極取出端部、５・・・・バイモルフ型圧電素
子取付台、６・・・・作動伝達部、１１・・・・紫外線
硬化形樹脂材混合液、１６・・・・軟性樹脂材混合液、
１７・・・°　　・硬性樹脂材混合液、２０−・・・軟
性樹脂層、２１・・・・硬性樹脂層、Ｈｌ、Ｈ２・・・
・電歪板、　Ａｌ、Ａ２−・・・電極層、Ｂ（Ｂｌ。Ｂ　２）　・・・争中央電極、Ｔ　１．Ｔ　２．Ｔ　３
・・・φ端子部。第１図第２図第３図・　第６図第７図第８図篇１０図騎１１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）その両側面に電極層が形成された少なくとも一対
の電歪板を中央電極を介して積層接合してなるバイモル
フ型圧電素子を用いた圧電アクチュエータにおいて、前
記バイモルフ型圧電素子の外側部には、絶縁性樹脂コー
ト層が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエ
ータ。
（２）絶縁性樹脂コート層は、紫外線硬化形樹脂材にて
形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の圧電アクチュエータ。
（３）絶縁性樹脂コート層は、硬度の異なる二種類の樹
脂材にて形成された内、外二層からなり、その内層は軟
性樹脂材にて、外層は硬性樹脂材にてそれぞれ形成され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧
電アクチュエータ。