(57)【要約】【課題】シムへの接着前において反りが生じている圧電薄板を用いても、シムの良好な振動作用が得られる圧電アクチュエータ及びその製造方法を得る。【解決手段】シムへの接着前において反りが生じている圧電薄板を用いた圧電アクチュエータの製造方法であって、先ず、圧電粉末材料により平面円形の焼成体を形成し、該焼成体の表裏に膜状電極を形成した後、表裏方向に分極処理を施して多数の円形圧電薄板を形成する。次に、多数の円形圧電薄板を周縁部に対する中央部の反り量の大小に応じて分類し、反り量が同等の一対を選択する。そして、選択した一対の椀形状の円形圧電薄板を、平面円形の導電性金属薄板からなるシムの表裏に、該円形圧電薄板の中心部が周縁部よりも該シムから離間する方向に反った凸反り椀形状となる向きでそれぞれ加圧接着する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面円形をなす導電性金属薄板からなるシムの表裏に、平面円形の一対の圧電薄板を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、
上記一対の円形圧電薄板は、上記シムへの接着前において中心部が周縁部よりも該シムから離間する方向に反った凸反り椀形状をなしていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、一対の円形圧電薄板は、上記シムへの接着前において、周縁部に対する中央部の反り量が同等である圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２記載の圧電アクチュエータにおいて、一対の円形圧電薄板は、上記シムへの接着前において、周縁部に対する中央部の反り量の最大値が１００μｍ未満である圧電アクチュエータ。
【請求項４】
圧電粉末材料により平面円形の焼成体を形成し、該焼成体の表裏に膜状電極を形成した後、表裏方向に分極処理を施して多数の円形圧電薄板を形成する工程と、
この多数の円形圧電薄板を、周縁部に対する中央部の反り量の大小に応じて分類する工程と、
分類された多数の円形圧電薄板から、反り量が同等の一対を選択する工程と、
選択された一対の椀形状の円形圧電薄板を、平面円形をなす導電性金属薄板からなるシムの表裏に、該円形圧電薄板の中心部が周縁部よりも該シムから離間する方向に反った凸反り椀形状となる向きでそれぞれ加圧接着する工程と、
を有することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載の圧電アクチュエータの製造方法において、上記多数の円形圧電薄板を反り量の大小に応じて分類する工程では、周縁部に対する中央部の反り量の最大値が１００μｍ以上となる円形圧電薄板を除外する圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性金属薄板からなるシムの表裏に一対の圧電薄板を接着した圧電アクチュエータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば圧電ポンプの駆動源（ダイヤフラム）として用いられる圧電アクチュエータは、平面円形をなす導電性金属薄板からなるシムの表裏面に、平面円形の一対の圧電薄板（圧電体）を積層してなる。圧電薄板は、その表裏方向に分極特性が与えられていて、表裏間に、この分極方向と同一方向または逆方向の正負極性を与えると、一方の表面積が拡大し他方の表面積が縮小する性質がある。このため、圧電薄板の表裏に与える正負極性を交互に反転させると、表裏の一方が延びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シムが振動する。
【特許文献１】特開平８−１１６１０３号公報
【特許文献２】特開平１０−２９００３１号公報
【特許文献３】特開平１１−２８８１６号公報
【特許文献４】特開２００３−２４０７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
圧電薄板は、圧電粉末材料により平面円形の焼成体を形成し、この焼成体の表裏面に膜状電極を形成した後、表裏方向に分極処理を施して形成されており、その厚さが０．３ｍｍ程度と非常に薄い。このため、焼成体の焼成、膜状電極の焼き付けや分極処理を行うことで、形成される圧電薄板に反りが生じることが問題となっている。
【０００４】
反りが生じている圧電薄板を単にシムに接着すると、シムの振動が不安定となり、アクチュエータ性能が悪化する。これを回避するため、従来では、反りを低減した圧電薄板を形成するための技術が種々開発されており（例えば特許文献４）、反りの少ない圧電薄板をシムに接着して圧電アクチュエータを形成している。しかしながら、反りの生じている圧電薄板を用いつつシムの振動を安定化させる技術は未だ知られていない。
【０００５】
本発明は、以上の問題意識に基づき、シムへの接着前において反りが生じている圧電薄板を用いても、シムの良好な振動作用が得られる圧電アクチュエータ及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、圧電薄板をシムに接着（加圧接着）する際に、圧電薄板内部に生じるせん断力によって圧電薄板の周縁部に曲げ力を発生させれば、この曲げ力によって圧電薄板の反りを矯正できること、及び、上記曲げ力を生じさせるために、中心部が周縁部よりもシム表面から離間する方向に反った凸反り椀形状となる向きで圧電薄板をシムに接着することに着眼したものである。
【０００７】
すなわち、本発明は、平面円形をなす導電性金属薄板からなるシムの表裏に、平面円形の一対の圧電薄板を接着してなる圧電アクチュエータにおいて、上記一対の円形圧電薄板は、上記シムへの接着前において中心部が周縁部よりも該シムから離間する方向に反った凸反り椀形状をなしていることを特徴としている。
【０００８】
一対の円形圧電薄板は、シムへの接着前において、周縁部に対する中央部の反り量が同等であることが好ましい。反り量が同等であるとは、２０％程度の誤差範囲を含んで同等であることを意味する。この態様によれば、シム表裏面のバランスがとれ、シムの振動をより安定化させることができる。
【０００９】
一対の円形圧電薄板は、シムへの接着前において、周縁部に対する中央部の反り量の最大値が１００μｍ未満であることが実際的である。周縁部に対する中央部の反り量の最大値が１００μｍ以上になると、加圧接着だけでは円形圧電薄板の反りを矯正しきれず、シムの振動が不安定になってしまう。
【００１０】
また本発明は、製造方法の態様によれば、圧電粉末材料により平面円形の焼成体を形成し、該焼成体の表裏に膜状電極を形成した後、表裏方向に分極処理を施して多数の円形圧電薄板を形成する工程と、この多数の円形圧電薄板を、周縁部に対する中央部の反り量の大小に応じて分類する工程と、分類された多数の円形圧電薄板から、反り量が同等の一対を選択する工程と、選択された一対の椀形状の円形圧電薄板を、平面円形をなす導電性金属薄板からなるシムの表裏に、該円形圧電薄板の中心部が周縁部よりも該シムから離間する方向に反った凸反り椀形状となる向きでそれぞれ接着する工程とを有することを特徴としている。
【００１１】
多数の円形圧電薄板を反り量の大小に応じて分類する工程では、周縁部に対する中央部の反り量の最大値が１００μｍ以上となる円形圧電薄板を除外することが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、一対の椀形状の圧電薄板は中心部が周縁部よりもシム表面から離間する方向に反った凸反り椀形状をなす向きでシムに接着されるので、この接着時に圧電薄板の周縁部に生じる曲げ力によって該圧電薄板の反りが矯正され、これによりシムの良好な振動作用が得られる圧電アクチュエータ及びその製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は、本発明による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。圧電アクチュエータ１０は、平面円形の導電性金属薄板からなるシム１１と、シム１１の表裏に接着した平面円形の一対の圧電薄板（円形圧電薄板）１２とを備えている。
【００１４】
シム１１は、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ０．２ｍｍ程度のステンレス薄板から構成されている。圧電薄板１２は、例えば厚さ０．３ｍｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）から構成され、その表裏方向に分極処理が施されている。この分極処理は、シム１１の表裏に位置する一対の圧電薄板１２において互いに同一方向である。図１において一対の圧電薄板１２の分極方向を矢印ａまたはｂで表すと、シム１１の厚さ方向に同一方向の分極処理が施されている。一対の圧電薄板１２の両面には全面的に膜状電極１３が形成され、シム１１側の面（接着面α）はシム１１と全面的に導通するように接着されている。膜状電極１３は、例えばＡｇＰｄなどの導電ペーストを印刷及び焼き付けることで形成される。膜状電極の材料や形成方法は周知である。
【００１５】
以上の圧電アクチュエータ１０は、例えば圧電ポンプの駆動源（ダイヤフラム）として用いられており、シム１１を一方の共通電極とし、一対の圧電薄板１２の露出面（膜状電極１３）を他方の共通電極として交流電界を与えると、シム１１の表裏の一方が伸び他方が縮む動作を繰り返す。すなわち、シム１１が振動する。
【００１６】
上記一対の圧電薄板１２は、図１に示されるようにシム１１に接着された状態では平坦であるが、シム１１への接着前は、図２に示されるように中央部が周縁部よりも反った椀形状をなしている。この椀形状の圧電薄板１２は、中心部が周縁部よりもシム１１から離間する方向に反った凸反り椀形状１２Ａとなる向き（図２（Ａ））で、シム１１に接着されている。凸反り椀形状１２Ａをなす圧電薄板１２は、接着剤を塗布した接着面αをシム１１に押し当てる方向に加圧すると、加圧により圧電薄板内部に生じたせん断力Ｐ１によって圧電薄板周縁部に曲げ力Ｐ２が発生し、この曲げ力Ｐ２によって凸反り椀形状１２Ａの反りが矯正された状態でシム１１に接着される。このようにしてシム１１に接着された圧電薄板１２は、図１に示すように平坦となり、シム１１の振動に悪影響を与えない。なお、中心部が周縁部よりもシム１１に近接する方向に反った凹反り椀形状１２Ｂとなる向き（図２（Ｂ））で圧電薄板１２をシム１１に加圧接着すると、圧電薄板内部に加圧によるせん断力Ｐ１は生じるものの圧電薄板周縁部に曲げ力が発生しないため、凹反り椀形状１２Ｂの反りは矯正されず、その反り量が一定以上に大きければシム１１の振動を不安定にさせてしまう。
【００１７】
一対の圧電薄板１２において、シム１１からの反り量は、シム表裏面１１ａ、１１ｂのバランスをとるために同等に規定してある。シム１１からの反り量は、圧電薄板１２の周縁部に対する中央部の反り量、すなわち、圧電薄板１２の長手方向のシム１１に対する反り分布を示すもので、本明細書中では、圧電薄板１２の長手方向の複数位置でのシム１１からの反り量の絶対的平均値で表すことにする。また、反り量が同等であるとは、±２０％程度の誤差範囲を含んで反り分布が同じことを意味する。
【００１８】
一対の圧電薄板１２のシム１１からの反り量は、その最大値が１００μｍ未満となるように規定してある。シム１１からの反り量の最大値が１００μｍ以上になると、加圧接着時に圧電薄板１２の周縁部に生じる曲げ力によっても圧電薄板１２の反りを矯正しづらくなり、シム１１の振動を妨げてしまうからである。
【００１９】
次に、上記圧電アクチュエータ１０の製造方法について説明する。
【００２０】
先ず、複数の圧電薄板１２を形成する。
【００２１】
圧電薄板１２の形成ステップは、以下のとおりである。最初に、平均粒径約１．０μｍ程度に粉砕した（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）を主成分とした圧電粉末に有機バインダや可塑剤、有機溶剤を所定容量配合し、スラリーを作製する。次に、このスラリーからドクターブレード法により厚さ６０〜７０μｍの圧電グリーンシートを形成する。続いて、圧電グリーンシートを所定形状に平面円形に型抜きし、この平面円形の圧電グリーンシートを５〜６層積み重ねて焼成し、厚さ０．３ｍｍ程度の焼成体を多数形成する。各焼成体の表裏面には、例えばＡｇなどの金属ペーストをスクリーン印刷により形成し、これを焼き付けて膜状電極１３を形成する。膜状電極１３を形成した後は、各焼成体に、一定の分極特性を与える分極処理を施す。以上により、多数の圧電薄板（円形圧電薄板）１２を形成する。上記焼成体は、厚さ０．３ｍｍ程度と非常に薄いことから製造工程（グリーンシート焼成、膜状電極１３の焼き付け、分極処理）中に焼成による残留応力や熱伝導性の不均一性を受けて反りを生じやすくなっており、この焼成体からなる圧電薄板１２は、中心部が周縁部よりも反った椀形状をなしている。
【００２２】
次に、形成した多数の椀形状の圧電薄板１２について、周縁部に対する中央部の反り量（長手方向の反り分布）を測定し、この反り量の大小に応じて分類する。このとき、反り量の最大値が１００μｍ以上ある圧電薄板１２は、反りが大きすぎて加圧接着による反り矯正が難しいため、除外する。
【００２３】
続いて、反り量の大小に応じて分類された多数の圧電薄板１２から、反り量が同等の一対を選択する。反り量が同等となる一対の圧電薄板１２を選択するのは、シム表面１１ａからの反り量とシム裏面１１ｂからの反り量が同等となるようにバランスをとるためである。ここで、反り量が同等とは、±２０％程度の誤差範囲を含んで同じことを意味し、具体的には例えば一方の反り量が５０μｍのとき、他方は反り量が４０〜６０μｍのものを選択する。
【００２４】
そして、選択した一対の椀形状の圧電薄板１２を、平面円形をなす導電性金属薄板からなるシム１１の表裏に、中心部が周縁部よりもシム１１から離間する方向に反った凸反り椀形状１２Ａとなる向き（図２（Ａ））で、それぞれ接着する。シム１１との接着前において凸反り椀形状１２Ａをなす圧電薄板１２は、シム１１との接着面αに接着剤を塗布し、この接着面αをシム１１に押し付ける方向に加圧すると、図２（Ａ）に示されるように、この加圧で生じたせん断力Ｐ１により周縁部に曲げ力Ｐ２が発生し、この曲げ力Ｐ２によって反りが矯正され、反りのない平坦な状態でシム１１に全面的に接着される。
【００２５】
以上により、図１に示す圧電アクチュエータ１０が得られる。
【００２６】
図３は、一対の圧電薄板１２のシム１１に接着する向きの組合せ例であり、図４及び図５は、図３の一対の圧電薄板１２の接着方向とアクチュエータ性能の相関関係を示している。一対の圧電薄板１２の接着方向の組合せとしては、図３（Ａ）に示すように両方とも凸反り椀形状１２Ａとする場合（実施例）と、図３（Ｂ）（Ｃ）に示すように一方を凸反り椀形状１２Ａとし、他方を凹反り椀形状１２Ｂとする場合（比較例）とを考える。アクチュエータ性能は、上記組合せの圧電薄板１２を備えた圧電アクチュエータを圧電ポンプの駆動源として用い、圧電アクチュエータの静電容量［ｎＦ］と無負荷状態（０ｋＰａ）における圧電ポンプの流量［ｍｌ／ｍｉｎ］（図４）及びシム１１の変位［μｍｐｐ］（図５）との関係で示すことにした。シム１１の振動が安定していれば、圧電アクチュエータの静電容量とポンプ流量及びシム変位は比例関係になる。図４及び図５に示した直線ｎ、ｍは圧電アクチュエータの理想的な性能を示しており、圧電アクチュエータの静電容量とポンプ流量及びシム変位の関係が直線ｎ、ｍ上にのるものが性能良好、直線ｎ、ｍから大きく外れるものが性能不良と判定することができる。
【００２７】
図４及び図５から明らかなように、一対の圧電薄板１２を凸反り椀形状１２Ａとなる向きでシム１１に接着した場合（実施例）は、一方を凸反り椀形状１２Ａとなる向きで他方を凹反り椀形状１２Ｂとなる向きでシム１１に接着した場合（比較例）よりも、直線ｎ、ｍ上に分布していてばらつきが小さく、アクチュエータ性能（シム１１の振動）が安定化している。このように一対の圧電薄板１２のシム１１への接着方向を両方とも凸反り椀形状１２Ａとなる向きに規定すれば、シム１１への接着前に反りが生じている圧電薄板１２を用いても、シム１１の安定した振動作用が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による圧電アクチュエータの概略構成を示す断面図である。
【図２】圧電薄板のシムへの加圧接着とその接着方向を説明する断面図であって、（Ａ）凸反り椀形状となる向きで接着する場合、（Ｂ）凹反り椀形状となる向きで接着する場合である。
【図３】一対の圧電薄板のシム接着方向の組合せ例であり、（Ａ）両方とも凸反り椀形状となる向きとした場合、（Ｂ）（Ｃ）一方を凸反り椀形状となる向きで他方を凹反り椀形状となる向きとした場合である。
【図４】図３の一対の圧電薄板の組合せについて、圧電アクチュエータの静電容量と該圧電アクチュエータを駆動源とする圧電ポンプの流量の関係を調べた結果を示す分布図である。
【図５】図３の一対の圧電薄板の組合せについて、圧電アクチュエータの静電容量とシムの変位を調べた結果を示す分布図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０ 圧電アクチュエータ
１１ シム
１１ａ  シム表面
１１ｂ  シム裏面
１２ 圧電薄板
１２Ａ  凸反り椀形状
１２Ｂ  凹反り椀形状
１３ 膜状電極
α   接着面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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