JPS6317574A - 圧電バイモルフ素子 - Google Patents

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】 上の手１　　野 本発明は、特に圧電形パーツフィーダの振動発生の駆動
源として利用される圧電バイモルフ素子で、パーツフィ
ーダの搬送性能を向上させる圧電バイモルフ素子に関す
るものである。

従」Ｌｌ韮」Ｌ 圧電バイモルフ素子は、一般に金属板の両側に圧電セラ
ミック素子を接合、圧電セラミック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。この中間金属
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やブザーの働きをさせる
。

又圧電バイモルフ素子自身の共振現象を利用して圧電バ
イモルフ素子を振動の発生源とす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、その擾勧源として電磁石の吸引力を
利用している。

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。

が解゛しようとする　題。

しかし、反面搬送物のパーツフィーダボールへの投入重
量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大きく、圧電バイモルフ素子
のパワーアップ（搬送性能の向上）が急務となっている
。

圧電形パーツフィーダの基本原理は、第６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
金属板１２ＯＮ１２Ｃ’の一端がネジ１７．１７’　に
よりそれぞれ固定されている。各中間金属板１２ｃ１１
２ｃ’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。この中間金属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の役割をはた
す。

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１’２ａ、１２ｂ、１２ａ’　、１２
ｂ’　は、リート端子１８により並列接続され、もう一
方のリード端子１９はアース側としてベース１１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
２０１２０’で示すように変位する。

すなわち、リード端子１８．１９に交流電圧を印加する
ことで、圧電バイモルフ素子１２．１２′とそれに固定
された変位拡大バネ１３．１３′の複合体として共成振
動を起こして大きな変位力を発生する。その共振周波数
に合せた周波数の交流電圧を印加することにより点線２
０．２０’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、左右方向の撮動と同時に上下
方向の振動により、トラフ１４に搭載した搬送物は左方
向く矢印へ方向）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
撮動変位を大きくする。

この様な撮動原理を考えた時、振動系にはトラフおよび
搬送物が負荷荷重となり、その搬送性能は中間金属板１
２Ｃ，１２Ｃ’および変位拡大バネ１３．１３′の金属
材質やバネ特性等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、搬送物の吊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５１１／
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による搬送速度の変動がかなり大き
く、さらに搬送速度を好ましい標準値である５ｍ／ｍｉ
ｎ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ない等の問題があった。

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。

ＬＬへ１江 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、搬送物の負荷荷重の変動による搬送速度の変動を少
なくする様性能向上を計り、パーツフィーダの振動源と
しての搬送量の搬送速度を向上し、好ましくは搬送速度
を好ましい標準値以上に設定できる圧電バイモルフ素子
を提供することを目的とする。

１１へ１［ 本発明はこの目的を達成するために、中間板に圧電素子
を組合せ゛てなる圧電バイモルフ素子において、分配中
間板が炭素を含むＳＫ鋼の金属板であり、焼入れされて
いることを特徴とする圧電バイモルフ素子を要旨として
いる。

１　　を　′するための 本発明は、圧電バイモルフ素子の中間板の材質とそして
硬度に着目し、パーツフィーダ搬送特性の関係から最適
な圧電バイモルフ素子を得るものである。

本発明では、中間板１の材質を限定し、中間板１は炭素
を含むＳＫ鋼の金属板を焼入れしたものである（バネ鋼
）。そして好ましくは中間板１はロックウェル硬度がＨ
ＲＣ（Ｃスケール）で４０以上あり、最も好ましくはＨ
ＲＣで５０以上である。

このＨＲＣは、圧子としてダイヤモンド円錐（頂角１２
０°、先端半径０．２１１１ｍ＞を用いて求められる硬
さである。

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５図曲線り、Ｅ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
１／ｎ＋ｉｎ以上の値が要求される場合があるが、第４
図において、たとえば点線で示すように印加電圧が１５
０■の時搬送速度が５ｍ／ｉｉｎ以上となるのは、中間
板１のロックウェル硬度がＨＲＣで約５０以上の場合で
ある。したがって最も好ましくは搬送速度を標準値の５
ｍ／ｍｉｎ以上に設定する場合は、中間板１のロックウ
ェル硬度をＨＲＣで５０以上に設定する。

友１に 第１図と第２図は本発明の一実施例に係る圧電バイモル
フ素子の構成を示している。まず圧電バイモルフ素子の
構成を説明する。

この中間板１は、炭素を含むＳＫ鋼の金属板であり、焼
入れされている。この中間板１は好ましくはロックウェ
ル硬度がＨＲＣで４Ｏ以上、最も好ましくは０ツクウ工
ル硬度がＨＲＣで５０以上になっている。

中間板１の両端側にはネジ穴３．３ａ１３ｂ、３ｃが設
けられている。たとえば第３図の圧電形パーツフィーダ
の原理図に示すように、中間板１の一端側のネジ穴３ｂ
　、３ｃには、第３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′により中間板１の一
端が第３図のベース１１に固定される。また、中間板１
の他端側のネジ穴３．３ａには第３図の固定ネジ１６あ
るいは１６′がはめこまれて、この固定ネジ１６あるい
は１６により中間板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。

中間板１の中央部の両側に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′の両面には、焼付等の方法
による銀電極が焼付けられていると同時に分極処理され
ている。その分極方向は同一方向で、圧電セラミック素
子２．２′の接合後の外側電極はリード線４′により共
通とし電圧供給用リード線４と中間板１より取り出され
たリード線５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撮動を起こす。

圧電セラミック素子は、例えばＰｂＴｉＯ３−Ｐｂ　Ｚ
ｒ　Ｏａ　−Ｐｂ　　（Ｙ−Ｎｂ　）　＋０３系で誘電
率２０００．結合係数に３１３５％の組成材料で作られ
ている。たとえば中間板１の寸法は、２５１１１１１（
巾）Ｘ４３１１＋１（長さ）Ｘｌ、５１１１１１（厚み
）である。また圧電セラミック素子の寸法は、２３１１
１１　（巾）Ｘ３０ｍｍ（長さ）ｘ２，５ｎ＋ｍ（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。

本発明のこの圧電バイモルフ素子を、直径１９０１１１
１のポールパーツフィーダ（図示せず）の振動源として
９０”間隔ごとに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特性を
第４図と第５図に示す。

まず、第４図はよこ軸に印加電圧（Ｖ）、そしてたて軸
に搬送速度（ｎ　／ｍｉｎ　）が示しである。この場合
の搬送物の負荷荷重は３００９で、搬送台（トラフ）重
量は７００（Ｊである。

第４図の曲１１Ａ、！：Ｂ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。

曲線Ａの圧電バイモルフ素子では、中間板１が炭素を含
むＳＫ鋼の金属板で焼入れされていて、そのロックウェ
ル硬度がＨＲＣで６５である。

また曲線Ｂの圧電バイモルフ素子では、中間板１が炭素
を含むＳＫ鋼の金属板で焼入れされていて、ロックウェ
ル硬度がＨＲＣで４５である。

また曲線Ｃの圧電バイモルフ素子は比較例であり、その
中間板１が５ＬＪＳ３０４で作られており、ロックウェ
ル硬度がＨＲＣで２０になっている。なおこの時の中間
板と圧電セラミック素子の寸法は曲線Ａ１Ｂの本発明の
ものとそれぞれ同じである。この曲線Ｃの場合、搬送速
度が低く、印加を上げても搬送速度の向上は小さい。

第４図から、搬送速度は中間板１の硬度に大きく依存し
、硬度が高ければ搬送速度が高くなることが判る。すな
わち曲ｍＡ、Ｂで示す実施例の圧電バイモルフ素子を用
いると搬送速度を高くできる。

第４図において、たとえば点線で示すように印加電圧が
１５０Ｖの時搬送速度が５ｍ／１０以上となるのは、中
間板１のロックウェル硬度がＨＲＣで約５０以上の場合
である。

したがって最も好ましくは搬送速度を標準値の５＋＋＋
≠ のロックウェル硬度をＨＲＣで５０以上に設定する。

第５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　、’ｍｒｎ　）が示しである。

圧電バイモルフ素子への供給電圧を１５０■（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５図の曲線りで示す圧電バイモルフ
素子は、中間板１が炭素を含む５Ｋｕ４の金属板で焼入
れされていて、そのロックウェル硬度がＨＲＣで６５で
あり、第４図の曲線Ａ特性に対応している。また曲線Ｅ
で示す圧電バイモルフ素子では、中間板１が炭素を含む
ＳＫ鋼の金属板で焼入れされていて、そのロックウェル
硬度がＨＲＣで４５であり、第４図の曲線Ｂ特性に対応
している。

第５図から、曲線Ｅは負荷荷重変動に対する搬送速度の
変動が小さい。曲線りは曲線Ｅよりさらに変動が小さい
。すなわち中間板１の硬度が大きいほど負荷荷重に対す
る搬送速度の変動が小さいのである。

第４図と第５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／１ｎ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　（ｒ＋
＋＋ｓ　）でよいことが判る。なおこのときの駆動周波
数は１８０Ｈｚである。

第７図はよこ軸に中間板のロックウェル硬度を示し、た
て軸に搬送速度（ｍ　／ｍｉｎ　）が示しである。この
時の印加（駆動）電圧は２００Ｖ（ｒｍｓ）であり、搬
送物の負荷重量は５００ｇ、搬送台（トラフ）の重量は
１５００ａである。

曲４１Ｇ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。硬度が高くなるほど、搬送速度は大きく
なる。実用搬送速度を得るため硬度は好ましくは４０以
上が、さらに好ましくは５０以上である。たとえば硬度
が５０以上になると、搬送速度は実際の搬送に好ましい
標準値である５ｍ／ｍｉｎ以上が得られる。

第７図の点Ｈは比較例の圧電バイモルフ素子を示し、中
間板をＳＵＰで焼入れして作りロックウェル硬度はＨＲ
Ｃで４５に設定したものである。

第７図の本発明の実施例を示す曲線Ｇにおいて、硬度が
４５の時の搬送速度は約３（ｓ＋／１ｎ）であるのに対
して、点Ｈでは硬度が４５の時の搬送速度は約１　（Ｉ
Ｉ　／ｓｉｎ　）であり、極めて低いものとなっている
。

本発明は、上記した実施例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。また中間板の特性として特許請求の範囲の硬度
と共に機械的品質係数に関係する撮動の減衰定数の小な
る材料であっても良い。

１１へ１１ 本発明によれば中間板が炭素を含むＳＫ鋼の金属板であ
り、焼入れされているので、本発明の圧電バイモルフ素
子の振動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太き（なる。

パーツフィーダの搬送速度は好ましくは５Ｉｌｌ／１ｎ
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、
駆動電源が小型化されるためシステムとしてコンパクト
になるため小スペース化が可能となる。又搬送速度変動
が小ざいことは次の工程に搬送物を安定供給できるため
、搬送速度を制御す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図は本発明の実施例に係る圧電バイモルフ素子の構
成を示す正面図、第２図は同素子の側面図、第３図は本
発明の実施例に係る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４図は印加電圧に対
する搬送速度の関係を示す図、第５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６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、第７図は本発明の中間板の硬度に対する搬送
速度の関係を示す図である。 １、、、、、、、中間板 ２．２’　、、、、圧電セラミック素子４．５．、、、
、リード端子 １３．１３’、、変位拡大バネ １１、、、、、、ベース １４、、、、、、トラフ Ａ、Ｂ、、、、、本発明による圧電バイモルフ素子の特
性曲線 Ｃ，、、、、、、比較例の特性曲線 第１図　　　　　　　第２図 第３図 第４図 −加電Ｅ　（Ｖ） 第５図 ０　１００　２００　３００　４００５ｏ。 員厨右垂（５）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）中間板に圧電素子を組合せてなる圧電バイモルフ
   素子において、前記中間板が炭素を含むＳＫ鋼の金属板
   であり、焼入れされていることを特徴とする圧電バイモ
   ルフ素子。
2. （２）前記中間板はロックウェル硬度がＨＲＣで５０以
   上である特許請求の範囲第１項に記載の圧電バイモルフ
   素子。