JPH0564470A

JPH0564470A - 傾斜機能材料の製造方法およびその製造方法により作製したアクチユエ−タ

Info

Publication number: JPH0564470A
Application number: JP23098990A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kawai; 高志河合; Shunichi Miyazaki; 俊一宮崎; Muneki Ran; 宗樹蘭
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1989-09-06
Filing date: 1990-08-31
Publication date: 1993-03-12

Abstract

(57)【要約】電子出願以前の出願であるので要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉本発明は，傾斜機能材料の組成分布に任意に，かつ，簡単に形成することの出来る装置に関し，さらにこの装置を用いて作製したアクチュエータに関する。

〈従来の技術〉従来，例えば超音波モータとして動作させるために圧電定数の異なる２つの圧電素子を交互に円環上に並べたものや，複雑な動きを行わせるためのアクチュエータとして，圧電定数の異なる複数の圧電素子を交互に重ね合わせて接合することが行なわれている。

〈発明が解決しようとする課題〉しかしながら，その様なアクチュエータは一般的なドクターブレード法では作製が困難である。

そのため一旦グリーンシートとして形成した異なる種類の圧電素子を側面または端面同士で接着して作製することになるが，その接着強度には信頼性がないという問題がある。

本発明は，上記従来の問題点に鑑みて成されたもので，異なる種類の粉末部材を接着剤を用いないで固着することができ，複雑な組成の組み合わせが可能な傾斜機能材料の製造方法およびその製造方法により作製したアクチュエータを提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉上記従来技術の課題を解決する為の本発明の構成は，請求項１においては，複数種の粉末部材とバインダと溶剤を混合して作製した複数種の粘性体と，前記粘性体のそれぞれを充填した複数のディスペンサーと，そのディスペンサーの下方に配置された平面を有する支持装置と，その支持装置の表面に対して前記ディスペンサーの吐出口を任意の方向に任意の速さで動かすとともに前記粘性体の吐出量を制御する制御手段を具備し，前記複数種の粘性体を端部，側面，または積層部分で接合する事により傾斜機能を持たせた事を特徴とするものであり，また，請求項２においては、ディスペンサーを複数個用意して種類の異なる前記粘性体をそれぞれ充填するとともに吐出口に混合器を配置し，複数種の粘性体の吐出量を連続的に変化させながら，前記吐出口または支持装置を任意の速さで任意の方向に動かす事により，前記支持装置の平面上に形成される粘性体の組成を連続的に変化させる様にした事を特徴とするものであり，また，請求項３においては熱膨脹係数の異なる前記粉末部材を用いた粘性体が板上に重ねて形成されるとともに，前記膨脹係数の異なる粘性体の面積が表裏でほぼ同一に形成され，かつ，前記板の面は温度変化に起因する反りが発生しない様に前記粘性体が配置された事を特徴とする請求項１または２の製造方法により形成されたアクチュエータであり，また，請求項４においては，平行部と曲線部を組合せてトラック状に形成され，前記平行部は圧電定数が大のセラミックス材と圧電定数が小のセラミックス材が重畳されて一組を構成する矩形状の板が横方向に接合して形成され，かつ，接合された隣同士のセラミックス材は圧電定数が異なる様に交互に配置され，これら矩形状の板の少なくとも１組を１グループとして分離帯を挟んで２グループ形成され，その他の部分は前記セラミックスのいずれかで形成し，前記第１，第２グループのセラミックス材に位相がずれた正弦波を加えて波長λの屈曲波を発生させるとともに前記トラックの中心線の長さをλの整数倍に形成したことを特徴とするものである。

〈作用〉異なる種類の粘性体を入れたディスペンサーを複数個用意しておき，はじめに１種類の粘性体で所定の範囲の面積を塗布し，次に他の種類の粘性体を入れたディスペンサーと交換して所定の範囲の面積を塗布する。粘性体は粘性を有しているのでその端部および側面は異なる種類の粘性体が互いに混合し，傾斜組成が形成される。一度で所望の厚さが得られない場合は重ねて塗布する事により厚くする事が可能であり，その積層面も傾斜組成となる。

また，異なる種類の粘性体を入れたディスペンサーを複数個用意し，その吐出口に混合器を設け，各ディスペンサーからの吐出量の割合いを連続的に変化させながら混合物を作成することにより組成を連続的に変化させることが出来る。

また，熱膨脹係数の異なる第１，第２の粘性体を板状に重ねて形成し，それらの部材の面積を表裏でほぼ同一に形成すれば温度変化に起因する反りを防止できる。

また，圧電定数の異なるセラミックス材を重畳して横方向に接続し，隣同士のセラミックス材を圧電定数の異なるものとし，それらの少なくとも１組を１グループとして分離帯を挟んで第１，第２のグループを形成し，その他の部分はいずれかのセラミックスで形成する。そして，これら第１，第２グループのセラミックス材に位相がずれが正弦波を加え，それぞれのグループに属する少なくとも１組の圧電体を互いに逆方向に反る様に配置しておけば，分離帯により結合されて屈曲波による進行波が生じる。

〈実施例〉以下，図面に従い本発明を説明する。第１図（ａ），（ｂ）は本発明の傾斜機能材料の製造方法の一実施例を示す構成斜視図である。図において１は平面部イを有する支持装置であり，図示しない駆動機構によりＸ，Ｙ，Ｚ（またはＺ，ｒ， θ）方向に移動する。２は平面部イの上に固定されたプラスチック等から成るフィルムであり，その表面には剥離材が塗布されている。３は図示しない支持装置により着脱自在に支持されたディスペンサーであり，この中にはバインダと溶剤で適度の粘性を有するセラミックス材が充填されている（ディスペンサーは２個用意され，異なった種類のセラミックス材が充填されている）。このセラミックス材はディスペンサー３中に内臓された押出し機構により吐出部４ａの先端から押出される。５はディスペンサーから押出される粘性体の吐出量や吐出部４ａの位置および支持装置１の位置を制御する制御手段，７は信号伝送用ケーブルである。

上記構成において，制御手段５は支持装置の駆動機構に信号を送り，初期設定としてフィルム２の表面に対してディスペンサー３ａの吐出口をフィルム上の所定の位置に移動させるとともに，適当な高さに位置させる。

次にディスペンサーにセラミックス材の吐出量を指示する信号を発し，現在の位置を起点として所定の速度で移動する様に支持手段１の駆動機構に制御信号を発する。図示の例ではＡの領域を塗布後間隔Ｂを隔てたＣの領域を塗布し、さらに間隔Ｄを隔ててＥの領域を塗布する。

次に第１図（ｂ）に示す様にディスペンサーを３ｂに交換後，吐出部４ａをＢの領域の端部に位置させて同様の条件でＢの領域を塗布し，さらにＤの領域に移動して同様の塗布を行う。

ここで出願人が行った実験条件に就いて説明する。

セラミックス材としてはＰｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）ｘ（ＴｉｙＺｒ_１−ｙ）_１−ｘＯ_３の３成分系複合プロブスカイトを用い，圧電材料としてｘ＝０．４５〜０．６０ｙ＝０．６〜０．８のもの（以下第１のセラミックス材Ｍという）を使用し，高誘電率材質としてｘ＝０．６５〜０．８５ｙ＝０．６〜０．８のもの（以下第２のセラミックス材Ｎという）を使用する。

上記第１，第２のセラミックス材Ｍ，Ｎそれぞれ１００ｇに対してそれぞれ３０〜５０ｇの純水，０．５〜１ｇのグリセリン，１ｇのＥＤＴＡ・２ＮＨ_４および数滴の消泡剤を加えてボールミルにより２４時間粉砕混合し，さらに６〜１２ｇの水溶性アクリル系バインダを加えて２時間程度粉砕混合して粘性体を作製する。

次に２種類の粘性体を真空脱泡を行いつつその粘度が７００〜２０００Poisになるように調整する。これらの粘性体を別々のディスペンサーに充填し上述の操作によりフィルム上に塗布する。なお，塗布工程ではディスペンサーの６ｄｑ＠ｄ機構の回転数を調整して押出された粘性体が内径と同定度になる様にし，支持装置の速度を５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎ，フィルムと吐出部のギャップを０．８〜１．２ｍｍとし，パターンの重なり幅を−０．５〜＋０．５ｍｍとした。この重なり幅は粘性体の粘度により調整する。

第２図（ａ）〜（ｄ）はフィルム上にセラミックス粘性体が吐出された場合の拡がり具合を示すもので塗布直後（ａ図参照）は離れているが次第に広がって（ｂ，ｃ図参照），最後には一体化する状態（ｄ図参照）を示している。なお，図示の側では第１のセラミックス材Ｍを塗布後第２のセラミックス材Ｎを塗布するまでに多少時間がかかるのではじめに塗布したところが乾燥する恐れがあるが，２種類の材質が融合する程度に粘性を低くしておけばよい。また，２種類のセラミックス材の端部は互いに重なる様にしてもよい。

第３図は請求項２の実施例を示す構成斜視図である。図において第１図と同一要素には同一番号を付してある。第１図との違いはディスペンサーを２種類設け，それらの吐出口に混合器１０を取付けたものである。この様な構成において，はじめ第一のセラミックス材Ｍのみを流しておいてＡ領域を塗布し，その後Ｂ領域に移った時点で第２のセラミックス材Ｎを塗布する事が可能であり，２種類の粘性体の吐出量を連続的に変化させる事により連続的に組成が変化した傾斜組成とすることが出来る。

請求項１および２で作製し乾燥させたセラミックス材はフィルムから剥離し所定の形状に加工して電極を形成し，所定の熱処理工程を経て焼成する。この焼成により拡散が起こり，各セラミックス材の接合部はさらに１００μｍ程度互いに相手側に入り込んで傾斜組成となる。

第４図は請求項３の実施例を示すもので異種の長方形のセラミックス材を交互に，かつ，重ねて形成しその表面に電極を形成したアクチュエータの一実施例を示すものである。図において，Ｍは第１のセラミックス材，Ｎは第２のセラミックス材であり，これらＭ，Ｎのセラミックス材は厚さが等しく，かつ，その両面のＭ，Ｎの面積はそれぞれほぼ同様に形成されている（図では電極２１と２３が形成されたセラミックス材の面積と電極２２が形成されたセラミックス材の面積が等しく形成されている。従って，Ｍ，Ｎの膨脹係数の違いに基づく力はバランスするので温度による反りは生じない）。また，その接合面は傾斜組成となっているので応力緩和がはかられ，ひびや割れが生じることもない。そして，一方の面には電極２４が全面に形成され，他方の面には各セラミックス材毎に独立して電極２１，２２，２３が形成されている。

第５図は第４図に示すアクチュエータの矢印Ｙ方向からみた側面図と駆動回路の一例を示すもので，上面のＮのセラミックス材に形成された電極２１，２３には＋Ｖの電源が，Ｍのセラミックス材に形成された電極２２には−Ｖの電源が接続され，下面の電極２４には電圧調整アンプ３０の出力が接続されている。

第５図において，アンプ３０の出力が０の場合はその電圧による変位はバランスするので反りは生じない。次にアンプの出力を＋または−に変化させるとそのバランスがくずれアクチュエータには上向き，または下向きに反りが生ずる。

第６図はセラミックス材を縦方向に交互に接続するとともに交互に積層した状態を示すもので，このような比較的複雑な形状のものも製作可能である。そして，このような素子の任意の箇所に電極を形成して電圧を印加する事により複雑な動作を行うアクチュエータを実現する事が可能である。

第７図は請求項４のアクチュエータの一実施例を示す斜視図（ａ），各層の配置状態を示す平面図（ｂ）及び屈曲波による進行波の発生状態を示す図である。これらの図において，Ａは圧電定数が大のセラミックス材，Ｂは圧電定数が小のセラミックス部材であり，この形状は上記請求項１または２の装置により作製する。

ここで，圧電定数の異なるセラミックス材について簡単に説明する。これらＡ，Ｂのセラミックス材は例えばＰｂ（Ｎｂ_２／３Ｎｉ_１／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３系セラミックスの混合比を調整することにより得ることが出来る。第８図は上記セラミックス材の相図を示すもので，三角形の各頂点に記された材料が各素材の１００％である。図において各符号は次のような領域となっている。

Ａ：反強誘電相Ｆｐｃ：強誘電相（擬立方晶）Ｆ_Ｒ：強誘電相（菱面体晶系）Ｆ_Ｔ：強誘電相（正方晶系）Ｐ：常誘電相ＭＰＢ：相境界第８図において，点線で囲ったＢで示す領域は圧電定数の大きいことが知られており，一般にはこの領域から遠ざかるほど圧電定数は小となる。

第７図に戻り本実施例のアクチュエータの原理について説明する。

第７図（ａ），（ｂ）において，Ａは圧電定数が大のセラミックス材，Ｂは圧電定数が小のセラミックス材であり，Ａ，Ｂを一組とするセラミックス材が積層され，一辺ｌが６ｍｍ，厚さ０．３ｍｍ程度の矩形状とされ横方向に交互に接合されている。このうち４組で構成された周期構造の第１，第２グループ，及び第３，第４グループ，は，１／２ｌの分離帯３５を境に仕切られている。なお，分離帯３５及び周期構造の各グループ以外の部分はＡ，Ｂいずれか一方の部材で構成され，分離帯３５を挟むセラミックス材はＡ，Ｂが対向するように配置されている。また，トラックの中心線Ｌの長さは２ｌ（λ）の整数倍の長さに形成され，両端の円弧部の半径は４ｌ（２λ）以上に形成される。３６は第１〜第４グループの圧電部材の一方の面に形成された電極であり，この圧電部材の裏面には図では省略するが共通電極が形成されている。

上記構成において，第１，第３のグループの電極，にＶ_１＝Ｖ_０ｓｉｎ（ωＴ），第２，第４のグループの電極，にＶ_２＝Ｖ_０ｃｏｓ（ωＴ）の９０°位相の異なる交流電圧を与えると，このアクチュエータはそれぞれのグループの隣接する４組の圧電体が互いに逆方向に反り，第７図（ｃ）に示すような波長λの屈曲波の進行波が発生する。

なお，第１図に示す実施例ではディスペンサーを１つのみ示したが，ディスペンサーを２個装着し第１のディスペンサーでＡの領域の塗布が終了した後，第２のディスペンサーの吐出口をＢの領域の端部に位置するように制御しＢの領域を塗布後再び第１のディスペンサーの吐出口をＣの領域の端部に位置する様に制御すれば，先に塗布した部分があまり乾燥しない内に第２のセラミックス材を塗布する事が出来る。

また，本実施例においては２つの粘性体をセラミックスとして説明したが実施例の材料に限るものではなく例えば金属やプラスチックであってもよい。さらにプラスチックの場合は焼結だけに限らず重合反応などで固化してもよい。

また，本実施例においては支持装置側をＸ，Ｙ，Ｚ方向に動かして塗布する図を示したが，支持装置側を固定し，ディスペンサーを支持した側を動かす様にしても良い。その場合ディスペンサーは例えばロボットの腕のようなものに固定すれば良い。

また，本実施例の第７図においては第１〜第４グループを設けグループを構成する組み合わせ圧電体の数を４組として図示したが，屈曲波を生じさせる為の数としては第１，第２グループのみでも良く，グループを構成する圧電体の体の数は少なくとも１個以上あればよく，実施例に限るものではない。

〈発明の効果〉以上実施例とともに具体的に説明した様に本発によれば，ディスペンサーの吐出口を任意の方向に任意の速さで動かすとともに前記粘性体の吐出量を制御する制御手段を具備することにより，複数種の粘性体を端部，側面，または積層部分で接合する様にしたり，複数のディスペンサーの吐出口に混合器を設け，その混合器に吐出する複数種の粘性体の吐出量を連続的に変化させる様にすることにより複雑な組成分布の傾斜機能材料を自由に作製する事が出来る。また，熱膨脹係数の異なる粘性体を板状に重ねて形成し，それらの部材の面積を表裏でほぼ同一に形成すれば温度変化に起因する反りを防止し，複雑な動作の可能なアクチュエータを形成する事が出来る。

さらに，圧電定数の異なるセラミックスを重畳して横方向に接続し，隣同士のセラミックス材を圧電定数の異なるものとし，それらの少なくとも１組を１グループとして分離帯を挟んで第１，第２のグループを形成し，これら第１，第２グループのセラミックス材に位相がずれた正弦波を加えることによりトラックに進行波が発生する。この運動は，表面の一点に注目すると楕円運動になる。

従って，このトラック上に液体を満たした配管を接触させれば，進行波の運動の反作用により進行波の進行方向とは逆方向に液体が移動するので流体搬送装置を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の請求項１の一実施例を示す構成斜視図，第２図はフィルム上にセラミックス粘性体を塗布した場合の拡がり具合を示す図，第３図は請求項２の一実施例を示す図，第４図，第５図は請求項３の一実施例を示す図，第６図は請求項３の他の実施例を示す断面図，第７図は請求項４の一実施例を示す斜視図（ａ），各層の配置状態を示す平面図（ｂ），及び屈曲波よる進行波の発生状態を示す図（ｃ），第８図はセラミックス材の層図を示す図である。１…支持装置，２…フィルム，３…ディスペンサー，４ａ，４ｂ…吐出部，５…制御手段，１０ …混合器。Ａ，Ｂ，Ｍ，Ｎ…セラミックス材，３５…分離帯，３６…電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数種の粉末部材とバインダと溶剤を混
合して作製した複数種の粘性体と、前記粘性体のそれぞれを充填した複数のディスペンサーと，そのディスペンサーの吐出口の下方に配置された平面を有する指示装置と、前記支持装置または前記ディスペンサーの吐出口を任意の方向に任意の速さで動かすとともに前記粘性体の吐出量を制御する制御手段を具備し、前記複数種の粘性体を端部，側面，または積層部分で接合する事と特徴とする傾斜機能材料の製造方法。
【請求項２】前記複数のディスペンサーの吐出口に設
けられた混合器と，その混合器の吐出口を前記支持装置上に配置し，前記制御手段により前記複数種の粘性体の吐出量を連続的に変化させながら前記吐出口または支持装置を任意の速さで任意の方向に動かす事により前記支持装置の平面上に形成される粘性体の組成を連続的に変化させたことを特徴とする傾斜機能材料の製造方法。
【請求項３】熱膨脹係数の異なる前記粉末部材を用い
た粘性体が板状に重ねて形成されるとともに、前記膨脹係数の異なる粘性体の面積が表裏でほぼ同一に形成され，かつ，前記板の面は温度変化に起因する反りが発生しない様に前記粘性体が配置された事を特徴とする請求項１または２の製造方法により形成されたアクチュエータ。
【請求項４】平行部と曲線部を組合せてトラック状に
形成され、前記平行部は圧電定数が大のセラミックス部材と圧電定数が小のセラミックス部材が重畳されて一組を構成する矩形状の板が横方向に接合して形成され，かつ，接合された隣同士のセラミックス部材は圧電定数が異なる様に交互に配置され、これら矩形状の板の少なくとも１組を１グループとして分離体を挟んで２グループ形成され，その他の部分は前記セラミックスのいずれかで形成し，前記第１，第２グループのセラミックス材に位相がずれた正弦波を加えて波長λの屈曲波を発生させるとともに前記トラックの中心線の長さを前記λの整数倍に形成したことを特徴とする請求項１または２の製造方法により形成されたアクチュエータ。