JPS63107469A

JPS63107469A - 圧電素子

Info

Publication number: JPS63107469A
Application number: JP61251850A
Authority: JP
Inventors: Yukio Sato; 幸夫佐藤; Shunzo Shimai; 駿蔵島井; Katsunori Yokoyama; 勝徳横山
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1986-10-24
Publication date: 1988-05-12

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】・　上の１　　！！本発明は、撮動発生の駆動源として利用される圧電バイ
モルフ素子のような圧電素子に関するものである。

従ＪＬｆｌ退」【圧電素子の一例として圧電バイモルフ素子を説明する。

圧電バイモルフ素子は、一般に中間振動板（金属板）の
両側に、圧電体である圧電セラミック素子を接合したも
ので、圧電バイモルフ素子に電圧を印加することにより
屈曲変位を起す構成である。この中間振動板は、黄銅、
リン青銅、ステンレスやＳＵＰの薄板である。

この変位を利用して、圧電バイモルフ素子に位置決め等
のアクチュエータ的な働きをさせる。

又圧電バイモルフ素子自身の共賑現象を利用して圧電バ
イモルフ素子を振動の発生源とフる等利用範囲が広い。

従来、各種部材や電子部品等を振動によって搬送するパ
ーツフィーダでは、その振動源として電磁石の吸引力を
利用していた。

電磁石を利用したパーツフィーダに対して、圧電バイモ
ルフ素子を利用したパーツフィーダは、（１）消費電力
が小さい（２）騒音が小さい（３）小型軽量化が計れる
（４）薄物、軽量物の搬送効率が優れている等の特徴を
有する。

が　゛しようとする５　１、しかし、反面搬送物の重量変化に対する搬送速度の変動
が大きい等の欠点を有している。

これらの欠点は、主として圧電バイモルフ素子の性能に
依存しているところが太き（、圧電バイモルフ素子のパ
ワーアップ（搬送性能の向上）が必要であった。

圧電形パーツフィーダ、たとえばラインフィーダの基本
原理は、第７図に示すようになっている。

ベース１１に各圧電バイモルフ素子１２．１２′の中間
振動板１２ｃ、１２ｃ’の一端がネジ１７．１７′によ
りそれぞれ固定されている。各中間振動板１２Ｃ１１２
Ｃ’の他端には、各変位拡大バネ１３．１３′の一端が
固定ネジ１６．１６′によりそれぞれ固定され、各変位
拡大バネ１３．１３′の他端は搬送物（図示せず）の搬
送用トラフ１４にネジ１５．１５′によりそれぞれ固定
された構造である。この中間振動板はバイモルフ素子の
機械的強度の向上を図りかつ電気的端子として利用され
ている。

各圧電バイモルフ素子１２．１２’の両面に接合した圧
電セラミック素子１２ａ１１２ｂ、１２ａ’　、１２ｂ
’　は、リード端子１８により並列接続され、もう一方
のリード端子１９はアース側としてリード端子１８と同
様に接続されている。このリード端子１８．１９間に交
流電圧を印加することにより、圧電バイモルフ素子１２
．１２′とそれらに固定された変位拡大バネ１３．１３
′は点線２０．２０′で示すように変位する。

すなわち、圧電バイモルフ素子１２．１２′とそれらに
固定された変位拡大バネ１３．１３′の複合体として共
振振動を起こす。その共振周波数に合した周波数の交流
電圧をリード端子１８．１９に印加することにより、点
線２０，２０’で示すような左右方向の変位を起こすの
である。

これによりトラフ１４は、左右方向の振動と同時に上下
方向の振動により、トラフ１４に搭載した搬送物は左方
向く矢印六方向）に進行する。

さらに変位拡大バネ１３．１３′は圧電バイモルフ素子
１２．１２′の小さな振動をより拡大し、トラフ１４の
撮動変位を大さくする。

この様な撮動原理を考えた時、撮動系にはトラフ１４お
よび搬送物が負荷荷重となる。

圧電バイモルフ素子１２．１２′の特性は中間振動板１
２０．１２Ｃ’および変位拡大バネ１３．１３′の材質
特性に左右されることが考えられる。又、トラフ１４お
よびトラフ１４の上に搭載される搬送物は、圧電バイモ
ルフ素子１２．１２′からみれば負荷物であり、搬送物
の量により負荷荷重は変動することになる。負荷荷重が
変動しても搬送物の搬送速度は一定であることが望まし
く、搬送速度を一定にするために、撮動の発生源である
圧電バイモルフ素子の性能が高いことが望ましい。一般
的にはパーツフィーダの搬送速度は５ｍ／ｍｉｎ以上の
値が要求される。

従来の圧電バイモルフ素子を使用するパーツフィーダで
は、搬送物の負荷荷重の変化による搬送速度の変動が大
きい。さらに搬送速度を好ましい標準値である５ｍ／ｍ
ｉｎ以上にするには圧電バイモルフ素子への入力印加電
圧を高くしなければならず、圧電バイモルフ素子の信頼
性の面等で問題があった。そこで搬送速度の変動が少な
く搬送速度を好ましくは標準値以上に容易にできる圧電
バイモルフ素子の出現が望まれていた。

Ｒ」目と１カ一本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、パワーアップ及びパワー伝達効率の向上を計れる圧
電バイモルフ素子のような圧電素子を提供することを目
的とする。

ｌ１悲」１本発明はこの目的を達成するために、振動板に圧電体を
組合せてなる圧電素子において、緻密質セラミックスを
前記振動板に用いることを特徴とする圧電素子を要旨と
している。

ｐ　１、を　°するための本発明は、圧電素子の振動板に着目し、この振動板に緻
密質セラミックスを用いる。たとえば第１図〜第３図に
示す実施例は、圧電素子は圧電バイモルフ素子であり、
振動板が圧電バイモルフ素子の中間振動板１として圧電
体である圧電セラミック素子２．２′に組合されてなる
。圧電バイモルフ素子では、その中間振動板１に緻密質
セラミックスを用いる。この緻密質セラミックスは最も
好ましくは気孔率（見掛は気孔率）が５％以下である。

九ｌ第４図に示すように、たとえば前記圧電バイモルフ素子
を圧電形パーツフィーダの振動発生源として用いた場合
、一定の交流印加電圧で駆動した時の搬送物の負荷荷重
の変動に対する搬送速度の変動が、特に第６図の従来例
の曲線ＤＬに比べて本発明の実施例の曲線ＡＬ、ＢＬ、
ＣＬで示すように小さくなる。

一般的にパーツフィーダの搬送速度は最も好ましくは５
ｍ／ｍｉｎ以上の値が要求される場合があるが、第５図
において、たとえば点線で示すように印加電圧が１５０
Ｖ　（ｒｎｓ　）の時搬送速度が５１１／１ｌｌｉｎ以
上となるのは、中間振動板１の見掛は気孔率が５％以下
である曲線Ａ１Ｂの場合である。

え１１第１図〜第３図は本発明の一実施例である圧電バイモル
フ素子の構成を示している。

圧電バイモルフ素子の中間振動板１には緻密質セラミッ
クスを用い、この圧電バイモルフ素子はパーツフィーダ
の振動発生源として好ましく°は用いられる。

緻密質セラミックスは最も好ましい気孔率（見掛は気孔
率）が５％以下で、好ましくは１０９６以下である。緻
密質セラミックスとしては、単純酸化物系セラミックス
、複合酸化物系セラミックス、非酸化物系セラミックス
が採用できる。単純酸化物系セラミックスはたとえばア
ルミナ、ジルコニア等である。複合酸化物系セラミック
スはたとえばムライト、スピネル等である。非酸化物系
セラミックスはたとえば炭化けい素、窒化けい素等であ
る。

中間振動板１の両端側にはネジ穴６．６ａ。

６ｂ、６Ｃが設けられている。第４図の圧電形パーツフ
ィーダの原理図と、第１図〜第３図を参照すると、中間
振動板１の一端側のネジ穴６ｂ、６Ｃには、第４図のネ
ジ１７あるいは１７′がはめこまれて、ネジ１７あるい
は１７′により中間振動板１の一端が第４図のベース１
１に固定されている。また、中間振動板１の他端側のネ
ジ穴６．６ａには第４図のネジ１６あるいは１６′がは
めこまれて、このネジ１６あるいは１６′により中間振
動板１の他端が変位拡大バネ１３あるいは１３′の一端
に固定されている。変位拡大バネ１３あるいは１３′の
他端はネジ１５あるいは１５′によりトラフ１４に固定
されている。

中間振動板１の中央部の両面には、中間振動板１と組合
さる圧電体としての圧電セラミック素子２．２′がたと
えば有機系接着剤により接合されている。

圧電セラミック素子２．２′は分極処理が施されており
、圧電セラミック素子２．２′は分極方向を同一にして
中間振動板１に接合されている。

圧電セラミック素子２．２′の一方の面には、全面に銀
電極２ｂ、２ｂ’が焼付けである。この銀電極２ｂ　、
２ｂ　’　は銀電極４．４′を介してそれぞれ銀電極３
．３′と導通している。つまり、銀電極２ｂと３．２ｂ
’　と３′はそれぞれ同電位となる。

圧電セラミック素子２．２′の他方の面にも銀電極２ａ
、２ａ’　がそれぞれ焼付けである。銀電極２ａと３及
び２ａ′と３′は、非電極部分５．５′により導通して
いない。

圧電セラミック素子２．２′を接着後、外側の銀電極２
ａ　、　２ａ　’　はリード線７′により共通とし、内
側の銀電極２ｂ、２ｂ’　はリード線８′により共通に
なっている。

各リード線７’　、８’　から導出された電圧供給用リ
ード線７．８の間に交流電圧を印加することにより、圧
電バイモルフ素子は屈曲変位又は振動を起こす。

圧電セラミック素子は、例えばＰｂ　Ｔｉ　０３−Ｐｂ
　Ｚｒ　０３−Ｐｂ　　（Ｙ−Ｎｂ　）　”ｇｏ３系を
用い、誘電率２０００、結合係数に３１３５％の組成材
料で作られている。たとえば中間振動板１の寸法は、２
５ｍ１ｌ＋（巾）Ｘ４３ｍｍ（長さ）ｘｌ、５ｍｍ（厚
ミ）テアル。マタ圧電セラミック素子の寸法は、２３　
ｍｍ　（巾）Ｘ３０ｍｍ（長さ）Ｘ２．５ｍｍ（厚み）
である。

さらに変位拡大バネ１３．１３′はバネ鋼で作られてい
る。

本発明の圧電バイモルフ素子を、直径１９Ｑｍｍのポー
ルパーツフィーダ（図示せず）の振動発生源として９０
’間隔に４個組込んだ。

このように圧電バイモルフ素子を設定したときの搬送特
性を第５図と第６図に示す。

まず、第５図はよこ軸に印加電圧Ｖ（ｒｍｓ）、そして
たて軸に搬送１１１１ｍｍ／ｍｉｎが示しである。この
場合の搬送物の負荷荷重は５００９で、搬送台（トラフ
）重量は７００ｇである。

第５図の曲１ｍＡとＢとＣは、本発明の実施例の圧電バ
イモルフ素子の特性を示している。

第５図の曲ＩＤは従来の比較例の圧電バイモルフ素子の
特性を示ｔノでいる。

曲線Ａの圧電バイＥルフ素子では、中間ノ辰動板１とし
て純度９Ｅ′５％以上、ビッカース硬度）−１ｖ　１６
００に！７　／ｍｍ２　、見掛は気孔率５％以下のアル
ミナセラミックスを用いた。

また曲線Ｂの圧電バイモルフ素子では、中間振動板１と
して純度８５％以上、ビッカース硬度１６００Ｋｇ／ｍ
ｍ２　、見掛は気孔率１％以下の窒化けい素セラミック
スを用いた。

曲線Ｃの圧電バイモルフ素子では、中間振動板１として
純度９５％以上、ビッカース硬度Ｈｖ　１６００Ｋ（］
　／ｍｍ２　、見１１）け気孔率８％のアルミナセラミ
ックスを用いた。

また曲線りの従来の圧電バイモルフ素子は、その中間振
動板１が５ｔＪＳ３０４で作られており、ビッカース硬
度が２４０　Ｋ＋Ｊ　／ｍｍ２になっている。この時の
中間振動板と圧電セラミック素子の寸法は曲線Δ、Ｂ、
Ｃの本発明の実施例のものとそれぞれ同じである。この
曲ＩＩＤの場合、搬送速度が低く、印加電圧を上げても
搬送速度の向上は小さい。

第５図において、たとえば点線で示すように印加電圧が
１５０ｖの時を考える。搬送速度が標準値の５ｍ／ｍｉ
ｎ以上となるのは曲線へとＢの圧電バイモルフ素子であ
る。また、搬送速度が５ｍ／ｍｉｎに近いのは曲線Ｃの
圧電バイモルフ素子である。

第５図の結果から、＋ｆＯ送速度は中間振動板１の材質
に大きく依存していることが判る。

本発明の実施例である曲Ｐ；ｌＡ、Ｂ、Ｃと従来の比較
例の曲線りを比較すると、従来の金属製の中間振動板に
代え−Ｃ１中間振動板に緻密質セラミックスを用いるこ
とで、印加電圧に対する搬送性能を大幅にアップ、すな
わち圧電バイモルフ索子のパワーアップとそのパワー伝
達効率の向上が図れる。特に中間１辰動板の緻密質セラ
ミックスの見掛は気孔率が５％以下であると大幅に搬送
性能を向上できる。

また緻密質セラミックスの見掛は気孔率が１Ｏ％以下で
あっても搬送性能を向上できる。

第６図は搬送物の負荷荷重に対する搬送速度の関係を示
しており、よこ軸に負荷荷重（ｇ）、たて軸に搬送速度
（ｍ　／ｍｉｎ　）が示しである。

圧電バイモルフ素子への供給電圧をたとえ′ば１５０Ｖ
（ｒｍｓ）としたときに、搬送物の負荷荷重を変化させ
ると、搬送速度も変化する。

第６図の曲線ＡＬで示す本発明の実施例の圧電バイモル
フ素子は、中間振動板として純度９５％以上、ビッカー
ス硬度Ｈｖ１６００ＫＯ／ｍｍ２　、見掛は気孔率５％
以下のアルミナセラミックスを用いており、第５図の曲
線△の圧電バイモルフ素子に対応している。

第６図の曲線８　Ｌで示す本発明の実施例の圧電バイモ
ルフ素子は、中間振動板として純１良８５％以上、ビッ
カース硬度）１ｖ１６００Ｋｇ／ｉｎ＋２、見掛は気孔
率１％以下の窒化けい素セラミックスを用いており、第
５図の曲ＩＩＩＢの圧電バイモルフ素子に対応している
。

第６図の曲線ＣＬで示す本発明の実施例の圧電バイモル
フ素子は、中間振動板として純度９５％以上、ビッカー
ス硬度）ＩＶ１６００Ｋ（Ｊ／ｍｍ２、見掛は気孔率８
％のアルミナセラミックスを用いており、第５藺の曲線
Ｃの圧電バイモルフ素子に対応している。

第６図の曲線ＤＬで示す従来の比較例の圧電バイモルフ
素子は、中間振動板としてＳ　Ｕ３３０４、ビッカース
硬度Ｈｖ　２４０Ｋｇ／１１ｍ２の金属板を用いており
、第５図の曲線りの従来の圧電バイモルフ素子に対応し
ている。

第６図から、本発明の実施例を示す曲線ＡＬ、８ｍ、Ｃ
Ｌは、従来の比較例を示す曲線ＤＬに比べて負荷荷車の
変化に対する搬送速度の変化が小さい。この結果からも
、圧電バイモルフ素子の中間振動板を金属板から緻密質
セラミックスに代えることにより、負荷荷重の変化に対
する搬送速度の変化が小さくなり、圧電バイモルフ素子
の性能を向上できる。

特に中間振動板の緻密質セラミックスは、その見掛は気
孔率が５％以下であると搬送速度の変化が著しく小さく
なる。また、見掛は気孔率が１０％以下であっても搬送
速度の変化は小さくなる。

なお、第５図と第６図の結果から、パーツフィーダの搬
送速度の標準となる搬送速度５ｍ／ｍｉｎ以上の値にす
るには、圧電バイモルフ素子への供給電圧は約１５０Ｖ
　（ｒｍｓ　）でよいことが判る。このとぎの駆動周波
数は１８０Ｈｚぐある。

本発明は、上記した実施例の圧電バイモルフ素子に限定
されたものではなく、圧電バイモルフ素子の形状にかか
わらず適用できるものである。たとえばパワーを必要と
する超音波加工機等の振動発生源としても適用できる。

さらに本発明の圧電素子を圧電ユニモルフ素子として、
緻密質セラミックスの振動板を圧電ユニモルフ素子の振
動板として圧電体くたとえば圧電セラミック素子）と組
合せて圧電ユニモルフ素子を構成してもよい。このよう
に圧電ユニモルフ素子の振動板として用いても、圧電ユ
ニモルフ素子のパワーアップ及びパワー伝達効率を向上
して高性能化が計れる。

Ｒ」し１刀」Ｌ本発明によれば、緻密質セラミックスを振動板に用いる
ので、パワーアップ及びパワー伝達効率の向上を計れる
。本発明の圧電素子、たとえば圧電バイモルフ素子を振
動発生源としたパーツフィーダの物品の搬送速度が大幅
に向上すると同時に、一定電圧で駆動した時の搬送物の
負荷変動に対する搬送速度の変動が小さくなる。換言す
れば搬送台を含む重量変化に対して搬送速度の変動が小
さく、パーツフィーダとしてのパワーが大きくなる。

パーツフィーダの搬送速度は好ましくは５ｍ　／ｍｉｎ
以上の値を要求されても、この値を達成でき、逆にこの
値を基準にすると従来に比べて印加（駆動）電圧が小さ
くできる。この事により消費電力が小さくなると共に、
駆動電源が小型になるため、システムとしてコンパクト
になり、省スペース化が可能となる。

又暗送速度変動が小さいことは次の工程に搬送物を安定
供給できるため、搬送速度を制御づ゛るためのフィード
バックセンサ等が不要となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である圧電バイモルフ素子の
構成を示す正面図、第２図は同素子の背面図、第３図は
同素子の側面図、第４図は本発明の実施例の圧電バイモ
ルフ素子が取付けられた圧電形パーツフィーダの概念図
、第５図は印加電圧に対する搬送速度の関係を示す図、
第６図は搬送物の負荷荷重に対する搬送速度の関係を示
す図、第７図は従来の圧電バイモルフ素子が取付けられ
た圧電形パーツフィーダの概念図である。ｉ、、、、、、、中間振動板２．２’、、、、圧電セラミック素子７．８．、、、、リード端子１３．１３’、、変位拡大バネ１１、、、、、、ベース１４、、、、、、トラフ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）振動板に圧電体を組合せてなる圧電素子において
、緻密質セラミックスを前記振動板に用いることを特徴
とする圧電素子。
（２）前記圧電素子は圧電バイモルフ素子であり、前記
振動板が圧電バイモルフ素子の中間振動板として圧電体
に組合せてなる特許請求の範囲第１項に記載の圧電素子
。
（３）前記圧電素子は圧電ユニモルフ素子であり、前記
振動板が圧電ユニモルフ素子の振動板として圧電体に組
合せてなる特許請求の範囲第１項に記載の圧電素子。
（４）前記振動板の緻密質セラミックスは、気孔率が５
％以下である特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか
１項に記載の圧電素子。
（５）前記振動板の緻密質セラミックスは、単純酸化物
系セラミックスである特許請求の範囲第１項〜第４項の
いずれか１項に記載の圧電素子。
（６）前記振動板の緻密質セラミックスは、複合酸化物
系セラミックスである特許請求の範囲第１項〜第４項の
いずれか１項に記載の圧電素子。
（７）前記振動板の緻密質セラミックスは、非酸化物系
セラミックスである特許請求の範囲第１項〜第４項にい
ずれか１項に記載の圧電素子。