(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺シート状の圧電シートに接着剤を用いて基材を張り合わせた積層体をプレス型にてプレスし湾曲させたままで前記接着剤を硬化させた後に前記プレス型を開放することで内部応力を発生させたユニモルフ型圧電素子と、このユニモルフ型圧電素子の一端を支える支持部材とからなり、前記圧電シートに通電して前記基材及び前記圧電シートを撓ませることにより、前記ユニモルフ型圧電素子の他端で負荷を前記支持部材を基準にして変位させることを特徴とした圧電式アクチュエータ。
【請求項２】
長尺シート状の圧電シートに接着剤を用いて基材を貼り合せた圧電素子をプレス型にてプレスし湾曲させたままで前記接着剤を硬化させた後に前記プレス型を開放することにより内部応力を発生させて全体的に蛇行させた圧電式アクチュエータであって、前記圧電シートの上に凸の部分には上面に基材を貼り、前記圧電シートの下に凸の部分には下面に基材を貼り、下に凸に湾曲させた圧電素子と上に凸に湾曲させた圧電素子を交互に連結配置し、前記下に凸に湾曲させた圧電素子と前記上に凸に湾曲させた圧電素子との継ぎ目が上下の凸部の中心線上に存在するようにすることで、複数個のユニモルフ型圧電素子を直列配置したことを特徴とする圧電式アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電シートの材料は、ポリふっ化ビニリデンであることを特徴とした請求項１又は請求項２記載の圧電式アクチュエータ。
【請求項４】
短冊状の基材の片面に接着剤を塗布する工程と、
前記接着剤が硬化する前に長尺状の圧電シートに基材を張り合わせて平坦な圧電素子を形成する工程と、
この平坦な圧電素子をプレス型にてプレスし、湾曲させたままで接着剤を硬化させる工程と、
一定時間保持し接着剤を硬化させた後、プレス型を開放する工程と、
緩く湾曲した状態の圧電素子の一端に支持部材を取付ける工程とを有することを特徴とする圧電式アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は大きな変位量を発生させることのできる圧電式アクチュエータの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電式アクチュエータの代表例に圧電ファンであり、この圧電ファンに係る技術としては、例えば特開平９−３２１３６０号公報「圧電ファン」が知られている。すなわち、同公報図１（ａ），（ｂ）において、片持ち支持した平板を圧電作用で矢印▲１▼，▲１▼の如く上下に振動させることにより、矢印▲２▼の通りに風を送ることができるというものである。
ここで圧電作用とは、物質に電圧を印加すると伸びる又は縮む現象を言い、伸縮の大きい材料（圧電セラミックス、圧電材料などと言う）が各種提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記圧電材料においても、伸縮量は微小であり、このことが圧電式アクチュエータの普及の阻害要因となっている。
伸縮量が微小であることの具体例を次に説明する。
図１１は従来の圧電式アクチュエータの実験モデルを示す図であり、このモデルは、厚さ１２５μｍ、長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍのユニモルフ型圧電シート１０１を縦向きとし、上部を支持部材１０２に取付け、下端に１ｇ程度の重り１０３を取付け、電源１０４で２０００Ｖまでの電圧を印加できるようにしたものであり、鉛直軸Ｆｎに沿った変位を調べる実験を実施した。
【０００４】
圧電ファンであれば、図中、斜め方向Ｆｔに沿った変位を調べることに意味がある。しかし、アクチュエータは物（外部負荷）を支持部材１０２を基準に強制的に移動するものでなければならない。従って、鉛直方向Ｆｎの変位を調べることは重要である。
【０００５】
図１２は実験結果を示すグラフであり、横軸は印加した電圧、縦軸は鉛直軸Ｆｎに沿った変位を示す。
印加電圧を、０、５００Ｖ、１０００Ｖ、１５００Ｖ、２０００Ｖ、−５００Ｖ、−１０００Ｖ、−１５００Ｖ、−２０００Ｖと変化させたが、変位は目盛に表れないほど微小であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは継続して実験を進める中で、圧電シートを予め撓ませて圧電シートに内部応力を発生させておけば、内部応力ゼロの圧電シートに比較して格段に大きな変位を発生させ得ることを見出し、この思想に基づく構造を確立することに成功した。
なお、以下の説明において使用する「プリフォーム」は、通電前に予め圧電シートに基材を湾曲した状態で貼り付けて成形することを意味する。
【０００７】
具体的には、請求項１の圧電式アクチュエータは、長尺シート状の圧電シートに接着剤を用いて基材を張り合わせた積層体をプレス型にてプレスし湾曲させたままで前記接着剤を硬化させた後に前記プレス型を開放することで内部応力を発生させたユニモルフ型圧電素子と、このユニモルフ型圧電素子の一端を支える支持部材とからなり、前記圧電シートに通電して前記基材及び前記圧電シートを撓ませることにより、前記ユニモルフ型圧電素子の他端で負荷を前記支持部材を基準にして変位させることを特徴とする。
【０００８】
プリフォームさせることで、長尺シート状の基材に復元力を発生させる。この基材の復元力で圧電シートに適度な内部応力を発生させる。この内部応力が変位増加の要素となる。
【０００９】
請求項２の圧電式アクチュエータは、長尺シート状の圧電シートに接着剤を用いて基材を貼り合せた圧電素子をプレス型にてプレスし湾曲させたままで前記接着剤を硬化させた後に前記プレス型を開放することにより内部応力を発生させて全体的に蛇行させた圧電式アクチュエータであって、前記圧電シートの上に凸の部分には上面に基材を貼り、前記圧電シートの下に凸の部分には下面に基材を貼り、下に凸に湾曲させた圧電素子と上に凸に湾曲させた圧電素子を交互に連結配置し、前記下に凸に湾曲させた圧電素子と前記上に凸に湾曲させた圧電素子との継ぎ目が上下の凸部の中心線上に存在するようにすることで、複数個のユニモルフ型圧電素子を直列配置したことを特徴とする。
【００１０】
プリフォームさせることで、圧電シートに適度な内部応力を発生させる。そして、複数個の圧電素子を直列に配置したので、大きな変位を得ることができる。加えて、上に凸の圧電素子と下に凸の圧電素子とを交互に配置したので、両素子の継ぎ目は中心線上に存在し、この結果、アクチュエータの作動が直線的で滑らかになる。
【００１１】
請求項３は、圧電シートの材料を、ポリふっ化ビニリデンにしたことを特徴とする。
ポリふっ化ビニリデンは、可撓性の材料であることと、素材の分極方向に対して鉛直方向に応力を印加することで圧電作用による伸縮が大きくなる特性を持っていることの２つの作用を発揮する。
可撓性に富むため湾曲成形が極めて容易となり、加えて伸縮量が大きいのでアクチュエータには好適である。
請求項４は、短冊状の基材の片面に接着剤を塗布する工程と、
前記接着剤が硬化する前に長尺状の圧電シートに基材を張り合わせて平坦な圧電素子を形成する工程と、
この平坦な圧電素子をプレス型にてプレスし、湾曲させたままで接着剤を硬化させる工程と、
一定時間保持し接着剤を硬化させた後、プレス型を開放する工程と、
緩く湾曲した状態の圧電素子の一端に支持部材を取付ける工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、２枚の圧電シートを重ねあわせた圧電素子をバイモルフ型といい、１枚の圧電シートに基材を貼り付けたものをユニモルフ型（若しくはモノモルフ型）という。
従来、ユニモルフ型はバイモルフ型に比較してＦｎ（図１１参照）方向の変位量が小さいとされていたが、本発明は、湾曲させたユニモルフ構造を提案することで素子としてのＦｎ方向の変位量を増大するための研究を完成するに至ったものである。
【００１３】
図１は本発明に係る圧電式アクチュエータ（第１実施例）の原理図であり、圧電式アクチュエータ１０は、全体的に湾曲させて貼り付けたユニモルフ型圧電素子２０（以下「圧電素子２０」と記す。）と、この圧電素子２０の一端を支える支持部材３０とからなり、圧電素子２０の圧電シートに電源４０にて所定の電圧を印加して撓ませることにより、圧電素子２０の他端で負荷４５を鉛直軸Ｆｎ方向へ変位させるものであり、圧電素子２０をプリフォームさせておいたことを特徴とする。負荷４５は例えば重りである。
【００１４】
図２は図１の２部拡大図であり、圧電素子２０は、厚さｈ３の長尺シート状の圧電シート２３に厚さｈ２の接着剤２２にて厚さｈ１の基材２１を貼り付けた積層体である。
ただし、プリフォームさせたときに、圧電シート２３と基材２１のいづれが内周面側にあっても差支えない。
【００１５】
基材２１の材質はＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）が好適である。ＰＥＴは必要な弾性率を維持しながら適度な可撓性を有するからである。
しかし、基材２１は、必要とされる変位や発生力を備えもつものであれば、ＰＥＴに限るものではない。
また、接着剤２２は接着強度が大きく、耐久性の高いエポキシ樹脂系接着剤が好適である。しかし、圧電伸縮による撓みや剪断力に耐え、発生する変形を妨げなければ、エポキシ樹脂系以外の接着剤であってもよい。
【００１６】
さらに、圧電シート２３はポリふっ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）が適当である。
ポリふっ化ビニリデンは、可撓性の材料であることと、素材の分極方向に対して鉛直方向に応力を印加することで圧電作用による伸縮が大きくなる特性を持っていることの２つの作用を発揮する。
可撓性に富むため湾曲成形が極めて容易となり、加えて伸縮量が大きいのでアクチュエータには好適である。
【００１７】
図３は本発明に係る圧電式アクチュエータ（第２実施例）の原理図であり、圧電式アクチュエータ５０は、全体的に蛇行しており、圧電素子の分極方向に対して鉛直方向を長手とした長尺シート状の圧電シート２３の上下面に複数枚の基材２１・・・（・・・は複数を示す。以下同様。）を貼り合せた積層体であって、圧電シート２３の上に凸の部分には上面又は下面に基材２１，２１を貼り、圧電シート２３の下に凸の部分には下面又は上面に基材２１，２１を貼たものである。この結果、複数個の圧電素子２０・・・を直列に並べたことになる。
【００１８】
一端を支持部材３０に連結し、他端を負荷４５に繋ぎ、図示せぬ電源で圧電素子２０・・・に通電すれば、支持部材３０に対して負荷４５を矢印▲３▼又は▲４▼の如く移動させることができる。このときに下に凸の圧電素子２０と上に凸の圧電素子２０を交互に配置したので、両者の境界部の仮想点５１・・・は常に中心線ＣＬ上にあることになる。
【００１９】
負荷４５の移動量は圧電素子２０・・・の個数に正比例するので、移動量は自由に増加させることができ、アクチュエータとしては好適な構造であると言える。同時に、図３に示すアクチュエータ５０を並列に複数本配置することで、発生力を本数に比例して増加させることができる。
具体的用途としては、人工筋肉が挙げられる。すなわち、擬手、擬足などの人工骨格に圧電式アクチュエータ５０を掛け渡せば、この圧電式アクチュエータ５０が筋肉の役割を果たして骨格を作動させることができ、このときにもアクチュエータの変位量は大きな程よいことになる。
【００２０】
以上に述べた圧電素子２０を製造するためのプレス型を説明する。
図４は本発明の圧電素子をプリフォームするためのプレス型の原理図であり、プレス型６０は、曲げ半径がＲで中心角がθの凹部６１を備えたダイ６２と、曲げ半径がほぼＲであるパンチ６３とからなり、このパンチ６３を白抜き矢印のごとく凹部６１へ進入させることにより、図示せぬシート又は平板を湾曲成形するものである。
【００２１】
以上のプレス型を使用して実施する圧電素子のプリフォーム及び製造方法を説明する。
図５は本発明の圧電素子の製造フロー図であり、ＳＴ××はステップ番号を示す。また、各ステップには便利のために略図を添えた。
ＳＴ０１：短冊状の基材の片面に接着剤を塗布する。そして、接着剤が硬化する前に圧電シートに基材を合せることで平坦な圧電素子を形成する。又は、基材に圧電シートを合せてもよい。
ＳＴ０２：この平坦な圧電素子をプレス型にてプレスし、湾曲させたままで接着剤の硬化を待つ。
ＳＴ０３：一定時間保持し接着剤を硬化させた後、プレス型を開放する。すると、圧電素子はスプリングバック現象にて平坦になろうとする。接着剤硬化の作用により、基材の復元力と圧電材料の伸縮量とのバランスしたところで、緩く湾曲した状態になる。
ＳＴ０４：緩く湾曲した状態の圧電素子、すなわちプリフォーム済みの圧電素子の一端に支持部材を取付ける。これで、図１のアクチュエータが出来上がる。
【００２２】
図６は圧電素子の製造フローの別実施例図である。
ＳＴ１１：予め短冊状の平坦な基材をプレス型内で湾曲し、加熱する。
ＳＴ１２：プレス型内の基材を冷却後開放すると、基材は所定の形状に湾曲したものとなる。
ＳＴ１３：湾曲形状の基材の片面に接着剤を塗布し、圧電シートに合わせる。又は、基材に圧電シートを合わせる。
ＳＴ１４：接着剤が硬化する前に、平坦な治具で基板及び圧電シートを挟む。このことにより、湾曲していた基板は強制的に平坦になる。この状態で接着剤の硬化を待つ。
ＳＴ１５：接着剤が硬化したら治具から開放する。接着剤の作用で圧電シートに基材が強固に接合しているため、基板は元の湾曲形状に戻ろうとしてもそれを圧電シートが妨げようとする。この結果、湾曲状態に戻ろうとする基材と圧電材料の伸縮量とがバランスした緩く湾曲した状態の圧電素子を得ることができる。
ＳＴ１６：緩く湾曲させた圧電素子、すなわちプリフォーム済みの圧電素子の一端に支持部材を取付ける。これで、図１のアクチュエータが出来上がる。
【００２３】
内部応力は、基材を弾性変形させた状態で圧電シートと接着することで、基材のスプリングバックでの復元力により、圧電シートに発生する。従って、平坦な基材を湾曲にプリフォームさせた状態で圧電シートと接着する、又は、湾曲にプリフォームしておいた基材を平坦な状態で圧電シートに接着する、のいづれであっても目的の内部応力を発生させることができる。
【００２４】
【実施例】
本発明に係る実施例を次に説明する。
先ず、曲げ半径と変位の関係を調べる実験を行った。実験条件は次の通りである。
○実験の条件：
圧電シートの材質：  ＰＶＤＦ（ポリふっ化ビニリデン）
圧電シートの厚さ：  ４０μｍ
圧電シートの長さ：  ５０ｍｍ
圧電シートの幅：  ２０ｍｍ
接着剤の材質：  エポキシ樹脂系
接着剤の厚さ：  ２０μｍ
基材の材質：    ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）
基材の厚さ：    １２５μｍ
基材の長さ及び幅：  圧電シートと同じ
印加電圧：    ５００Ｖ単位で±２０００Ｖまで変化させる。
重り：    ２ｇ
プレス型の曲げ半径Ｒ：  １０ｍｍ、２０ｍｍ、２７ｍｍの３種類
測定項目：    図１に示す重りのＦｎ方向の変位（ｍｍ）
【００２５】
図７は実験の結果をプロットしたグラフであり、横軸は印加電圧、縦軸は変位を示す。実験の結果、△印（Ｒ＝１０ｍｍ）での変位が大きく、○印（Ｒ＝２７ｍｍ）での変位は最も小さいことが分かった。このことから、曲げ半径Ｒは小さいほど良いことになるが、曲げ半径を無限に小さくすることはできない。そこで、曲げ半径の影響をより詳しく調べた。
【００２６】
より詳しい調査は、次の条件で実施した。
○条件：
圧電シートの材質：  ＰＶＤＦ（ポリふっ化ビニリデン）
圧電シートの厚さ：  ４０μｍ
圧電シートの長さ：  ２５ｍｍ
圧電シートの幅：  ２０ｍｍ
接着剤の材質：  エポキシ樹脂系
接着剤の厚さ：  ２８μｍ
基材の材質：    ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）
基材の厚さ：    １２５μｍ
基材の長さ及び幅：  圧電シートと同じ
印加電圧：    ２０００Ｖ
重り：    ２ｇ
プレス型の曲げ半径Ｒ：  ５〜３５ｍｍ
調査項目：    図１に示す重りのＦｎ方向の変位（ｍｍ）
【００２７】
図８は曲げ半径と変位の関係を詳しく調べたときのグラフであり、横軸はプレス型の曲げ半径、縦軸は変位を示す。
横軸目盛で０〜５ｍｍの間は推定であるが、この範囲に曲げ半径を選定することは好ましくないと考えられる。理論的な説明は難しいが、曲げ半径が小さくなり過ぎて曲率が過大となり、好ましくない内部応力を発生させるためであると推定できる。
従って、このグラフに示すとおり、曲げ半径を５〜１０ｍｍの範囲にすれば良いと考えられる。
【００２８】
本発明のアクチュエータは基材に圧電シートを貼り付けたものを基本としており、圧電シートに好ましい内部応力を発生させる上で、基材の作用効果は重要である。そこで、次に基材の厚さの影響を調べる。その条件は次の通りである。
○条件：
圧電シートの材質：  ＰＶＤＦ（ポリふっ化ビニリデン）
圧電シートの厚さ：  ４０μｍ
圧電シートの長さ：  ２５ｍｍ
圧電シートの幅：  ２０ｍｍ
接着剤の材質：  エポキシ樹脂系
接着剤の厚さ：  ２０μｍ
基材の材質：    ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）
基材の厚さ：    ５μｍ〜２００μｍ
基材の長さ及び幅：  圧電シートと同じ
印加電圧：    ２０００Ｖ
重り：    ２ｇ
プレス型の曲げ半径Ｒ：  １０ｍｍ
調査項目：    図１に示す重りのＦｎ方向の変位（ｍｍ）
【００２９】
図９は基材の厚さと変位の関係を詳しく調べたときのグラフであり、横軸は基材の厚さ、縦軸は変位を示す。
グラフによれば、６０μｍ付近にピークがある。要求変位が１．０ｍｍ以上であれば、２５μｍ以上１２５μｍ以下に基材の厚さを設定する必要がある。
２５μｍ未満では基材が薄過ぎて、いわゆる腰が弱くなり過ぎて、基材本来の効果が発揮できないものであり、また、１２５μｍを超えると基材が厚くなり過ぎ、腰が強過ぎて圧電シートの作動を妨げていると考えられる。従って、基材の厚さは、２５〜１２５μｍの範囲から選択すればよいことになる。
【００３０】
以上の検討では基材や圧電シートの長さを２５μｍ又は５０μｍとしたが、この長さが適当であるか否かも確認することは好ましいことである。そこで、次の条件で確認実験を実施した。
○実験の条件：
圧電シートの材質：  ＰＶＤＦ（ポリふっ化ビニリデン）
圧電シートの厚さ：  ４０μｍ
圧電シートの長さ：  ２５，３５，５０ｍｍ
圧電シートの幅：  ２０ｍｍ
接着剤の材質：  エポキシ樹脂系
接着剤の厚さ：  ２０μｍ
基材の材質：    ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）
基材の厚さ：    １２５μｍ
基材の長さ及び幅：  圧電シートと同じ
印加電圧：    ５００Ｖ単位で±２０００Ｖまで変化させる。
重り：    ２ｇ
プレス型の曲げ半径Ｒ：  １０ｍｍ
測定項目：    図１に示す重りのＦｎ方向の変位（ｍｍ）
【００３１】
図１０は実験の結果をプロットしたグラフであり、横軸は印加電圧、縦軸は変位を示す。実験の結果、△印（長さが５０ｍｍ）のときに変位が大きく、○印（長さが２５ｍｍ）では変位は最も小さいかった。このことから、圧電シート及び基材は長い程大きな変位が得られることが確認できた。
【００３２】
尚、圧電素子を湾曲するために実施例ではプレス型６０を用いたが、湾曲成形法は、丸棒に圧電素子を巻き付けて湾曲癖を付与する方法もある。従ってプリフォーム法は狭義のプレス型に限定するものではなく、任意の湾曲法及び装置を使用することは差支えない。
また、本発明の圧電式アクチュエータは擬手、擬足に用いる人工筋肉に最適であるが、用途はこれに限るものではなく、任意である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、圧電素子を全体的に湾曲させることで、変位を増加させることに成功したものであり、バイモルフ構造より大きな変位を得ることが可能であるから、コストを抑えたままで変位を増加させることができ、請求項１によれば、圧電式アクチュエータの普及を大いに促進することができる。
加えて、請求項１では、圧電シートに接着剤を用いて基材を張り合わせた積層体をプレス型にてプレスし湾曲させたままで接着剤を硬化させた後にプレス型を開放することで内部応力を発生させる。内部応力は、基材を弾性変形させた状態で圧電シートと接着することで、基材のスプリングバックでの復元力により、圧電シートに発生する。
【００３４】
請求項２は、複数個の圧電素子を直列に配置したので、より大きな変位を得ることができる。加えて、上に凸の圧電素子と下に凸の圧電素子とを交互に配置したので、両素子の境界部の仮想点は常に中心線上に存在し、この結果、アクチュエータの作動が直線的で滑らかになる。
加えて、請求項２では、圧電シートに接着剤を用いて基材を貼り合せた圧電素子をプレス型にてプレスし湾曲させたままで接着剤を硬化させた後に前記プレス型を開放することにより内部応力を発生させる。内部応力は、基材を弾性変形させた状態で圧電シートと接着することで、基材のスプリングバックでの復元力により、圧電シートに発生する。
【００３５】
請求項３は、圧電シートの材料を、ポリふっ化ビニリデンにしたことを特徴とする。
ポリふっ化ビニリデンは、可撓性の材料であることと、素材の分極方向に対して鉛直方向に応力を印加することで圧電作用による伸縮が大きくなる特性を持っていることの２つの作用を発揮する。
可撓性に富むため湾曲成形が極めて容易となり、加えて伸縮量が大きいのでアクチュエータには好適である。
請求項４は、平坦な圧電素子をプレス型にてプレスし、湾曲させたままで接着剤を硬化させる。内部応力は、基材を弾性変形させた状態で圧電シートと接着することで、基材のスプリングバックでの復元力により、圧電シートに発生する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧電式アクチュエータ（第１実施例）の原理図
【図２】図１の２部拡大図
【図３】本発明に係る圧電式アクチュエータ（第２実施例）の原理図
【図４】本発明の圧電素子をプリフォームするためのプレス型の原理図
【図５】本発明の圧電素子の製造フロー図
【図６】圧電素子の製造フローの別実施例図
【図７】実験の結果をプロットしたグラフ
【図８】曲げ半径と変位の関係を詳しく調べたときのグラフ
【図９】基材の厚さと変位の関係を詳しく調べたときのグラフ
【図１０】実験の結果をプロットしたグラフ
【図１１】従来の圧電式アクチュエータの実験モデルを示す図
【図１２】従来の実験結果を示すグラフ
【符号の説明】
１０，５０…圧電式アクチュエータ、２０…ユニモルフ型圧電素子（圧電素子）、２１…基材、２２…接着剤、２３…圧電シート、３０…支持部材、４０…電源、４５…負荷、６０…プレス型。
【図１】
0004382899.tif 000002
【図２】
0004382899.tif 000003
【図３】
0004382899.tif 000004
【図４】
0004382899.tif 000005
【図５】
0004382899.tif 000006
【図６】
0004382899.tif 000007
【図７】
0004382899.tif 000008
【図８】
0004382899.tif 000009
【図９】
0004382899.tif 000010
【図１０】
0004382899.tif 000011
【図１１】
0004382899.tif 000012
【図１２】
0004382899.tif 000013