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JP2003516620A - 圧電トランスデューサの製造方法 - Google Patents

圧電トランスデューサの製造方法

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JP2003516620A
JP2003516620A JP2001537108A JP2001537108A JP2003516620A JP 2003516620 A JP2003516620 A JP 2003516620A JP 2001537108 A JP2001537108 A JP 2001537108A JP 2001537108 A JP2001537108 A JP 2001537108A JP 2003516620 A JP2003516620 A JP 2003516620A
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fiber
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アンドレアス シェネッカー，
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment
    • H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
    • H10N30/092—Forming composite materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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Abstract

(57)【要約】 本願発明は、重合体マトリクス中に圧電繊維を有する圧電トランスデューサの製造方法に関する。この製造方法において、圧電繊維(２)あるいは圧電繊維セグメントは、所望方向（３）にほぼ前記繊維あるいは繊維セグメントの縦軸の分布が起こるような方法で、液体重合体物質によって被覆される。この繊維（２）は互いの間で圧縮されてから重合体物質は固化する。結果として生じる複合体構造は、次に、前記繊維（２）あるいは繊維セグメントの領域（５）が所望方向（３）に沿って露出されるように処理される。そして、電気的コンタクト（６）は少なくとも露出領域（５）の一部で適用される。本発明の方法は圧電繊維で作られた電気機械的トランスデューサの非常に簡単で安価な製造を可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、重合体マトリクス中に圧電繊維を有する圧電トランスデューサ（pi
ezoelectric transducer）であって、その電極は繊維を制御するために利用され
る圧電トランスデューサを製造する方法に関する。
【０００２】 圧電材料は多くの技術分野へのアプリケーションが重要である。この材料には
、機械的な負荷の効果に対応して電荷を発生させるものや、または電場の効果に
対応してそれらの形を変えるものが含まれる。前者は「直接的な（direct ）圧
電効果」という用語によって知られており、後者のケースは「間接的な（indire
ct）圧電効果」として呼ばれている。
【０００３】 圧電（piezo）セラミックは圧電材料の特殊なグループである。圧電セラミッ
クの製造において、圧電効果は、固化（vitrification）後に、強電場中でセラ
ミック材料を分極することにより、選択的に起こるようにされなければならない
。この操作では、セラミックの材料の定義された領域（area）である領域（ドメ
イン）は、セラミック材料をこの方向に分極するために電場の線に沿って配向さ
れる（oriented）。電場が消された後で、この分極の一部は、セラミック材料中
に残留分極として保持される。したがって、この分極操作は、等方性材料を圧電
特性を有する異方性材料に変える。電場が、セラミック材料に、例えば、その分
極方向に加えられると、この材料は、その電場の向き(ｄ３３効果)に広がり、一
方、この電場の方向と直交する方向(ｄ３１効果)に縮む。したがって、変形の種
類は、セラミック材料の分極方向と比較して印加される電場の方向に依存してい
る。この３−１効果は、電場方向の変形である３−３効果のほぼ１／３に相当す
る。したがって、圧電セラミック材料がアクチュエータとして工業的に用いられ
る場合には、原則として、この３−３効果の利用が考えられる。
【０００４】 また、直接的な圧電効果が利用されるとき、圧電セラミック材料はもちろんセ
ンサとして使用することができる。そのような場合には、セラミック材料の変形
は、電荷を発生させ、この電荷の大きさは、セラミック材料の残留分極の方向と
比較してどのような変形が起こるかに依存している。
【０００５】 ＰＺＴ（Lead titanate zirconate)は現在のところ工業的に最も頻繁に使用さ
れる圧電材料である。このセラミック材料は長い間、共振器、アクチュエータま
たはセンサ材料として多くの異なった方法で工業的に使用されている。
【０００６】 膜、小ロッドまたは繊維などの微小寸法のコンポーネントは多くの分野のアプ
リケーションに役立つ。しかしながら、それらは、この形状で利用可能に作られ
ているために圧電セラミック材料の機械的強度が低いという問題を引き起こす。
これは、これらのセラミック材料で作られた複雑な構造の製品の取り扱いに対し
て、および、構成エレメント中の圧電効果を用いる送電の限定された可能性に対
しての両方に適用される。
【０００７】 したがって、これらの問題を克服するために、有機重合体マトリクスとそのマ
トリックス中に埋め込まれているＰＺＴセラミック材料とからなる複合材料がし
ばしば使用される。重合体マトリクスは、一方では、十分な機械的な安定性を有
する薄い壁のある（thin-walled）セラミックエレメントを与える目的に役立ち
、他方では、それは構造中の圧電セラミック材料によって、例えば、振動が減衰
するときに生成したその変形を移動させる機能を有する。
【０００８】 例えば、複合体構造を有するアクチュエータは、米国特許５，６８７，４６２
号から知られるようになり、そこにおいては、固化した圧電セラミック膜が有機
物マトリクスと統合されている（integrated）。そのようにして作製された強健
なコンポーネントは、振動システム中でセンサとして、およびアクチュエータ機
能の両方で、使用され得る。そこでは、このマトリクスは機械的強度が低い脆性
のＰＺＴセラミック材料であり、また、主構造体へ電力を転送することも行う。
これらのエレメントでは、電場は、通常、３−１効果を利用するようにＰＺＴフ
ィルムの厚み方向に印加される。また、アクチュエータへのアプリケーションの
ために３−３効果の利用のためにＰＺＴフィルム上に指状（inter-digital）電
極を適用することも可能である。しかしながら、こうした場合には、高い電場勾
配がセラミックス膜中の電極の隅で生じ、セラミック材料中に大きな応力をもた
らし、モノリシック圧電セラミック材料の破損を生じ得る。
【０００９】 したがって、より最近では、アクティブな圧電繊維が重合体マトリクス中に埋
め込まれている複合体エレメントがＰＺＴ膜と共に使用されている。これらのシ
ステムは、３−１効果の利用および指状（inter-digital）電極による３−３効
果の利用の両方を生じさせることができる。
【００１０】 複合体構造と比較して、モノリシックＰＺＴ膜を有するこれらの複合体繊維構
造はいくつかの利点を有する。例えば、まず第一に、繊維の縦方向における伸張
が繊維の異方性によって主に引き起こされ、そして、第二に、繊維は、幅の伸張
とともに、その構造の至る所で統合される（integrated）ことができる。３次元
的形状の構造へのアプリケーションは、モノリシックＰＺＴ膜を用いるよりも繊
維を用いて実現する方が容易である。
【００１１】 しかしながら、圧電繊維を有する複合体構造を製造するための重大な問題は、
これらの繊維が非常に破損しやすい傾向を有し、それらを扱うための特殊なデバ
イスを必要とする点にある。例えば、米国特許５，８６９，１８９号は、複合体
繊維構造を製造する方法を記載し、その中で、この問題の多い特徴が明確になっ
ている。そこで提案された方法では、いくつかの細長い圧電繊維は鋳型中に平行
にかつ互いに定義された間隔で配置されている。正しい間隔と繊維の平行な配向
を確実にするために、くし状構造はこの鋳型の下部に供給され得る。次に、液体
重合体材料は、鋳型に充填されて、繊維と共に固められる。そのように作製され
た重合体マトリクスは実質的に繊維の一層の厚みを有する。そして、この重合体
マトリクスの表面はわずかに研磨される。これは、第一に表面を粗くする目的で
、第二に繊維のいくつかの領域を露出するために行われる。最終的に、金属の銀
は電極層としてマトリクスの表面に堆積される。前の研磨で、この電極層の接着
性は改良され、繊維の孤立している領域を露出するために、繊維との直接的な電
気的なコンタクトを確立することができる。
【００１２】 しかしながら、この複合体繊維構造の製造における実質的な問題は、この目的
のために想定される長い圧電繊維を鋳型に平行に配置して挿入する際に生じる。
これは多くの繊維の破壊の高い危険を含む。そのうえ、要求される平行の配向は
実質的に製造費用の増加と連結される。また、この目的のために要求される非常
にまっすぐな繊維を供給することも問題が多い。なぜなら繊維は製造中にしばし
ば曲げられやすい傾向があり、したがって、もはや平行に配向されることができ
ないからである。これは特に、５０μｍ以下の直径を有する非常に薄い繊維の場
合に適用される。
【００１３】 複合体繊維構造を製造する別の方法は、ドイツ特許 DE 198 29 216 A により
知られている。そこでは、繊維はそれらの周辺を通って電極によって直接的にコ
ンタクトされ、さらに少なくとも部分的に囲まれている。これは、伝導性の接着
材料中に繊維を固定し、次にそれらを形作ることによって達成される。しかしな
がら、それが固化する前に、毛細現象効果によって、隣接している繊維が互いに
近づきすぎないように、あるいは、粘着性物質が繊維間の空間に引きよせられる
という問題を含んでいる。その結果として、電気的破壊強度は強く減少し、繊維
の分極時にあるいはアクチュエータとしての利用時に絶縁破壊の可能性が非常に
高い。そのうえ、この方法では、非常にこわれやすい圧電セラミック繊維を扱う
ことの困難もまた、存在し続ける。
【００１４】 本発明は、前記記載した上記説明した不利な点を伴わないで、実行するのが簡
単であり、あらゆるグレードの繊維あるいは繊維バンドルの利用を可能にする圧
電トランスデューサの製造方法を提供するという問題に基づいている。さらに、
その方法は、また、直接的に統合された圧電繊維で大面積の非平面のコンポーネ
ントの製造を可能とし、高い電気強度を有するトランスデューサを確実にする。
【００１５】 この問題は、請求項１による方法で解決される。本方法の好適な実施例は従属
項の内容である。
【００１６】 本発明の方法では、圧電繊維は、個々の繊維として、短繊維セグメントのバル
クとして、あるいは、繊維バンドル（束）、すなわち、少なくとも２つの繊維の
どのような組み合わせまたは適切な組み合わせとして、生産された後に、重合体
物質によって被覆される（jacketed）。これは、液体重合体物質中に繊維または
繊維セグメントを導入するか、繊維または繊維セグメント上への液体重合体を適
用することによって、それぞれ達成され得る。圧電繊維か繊維セグメントは、繊
維あるいは繊維セグメントの縦軸の分布あるいは、繊維が直線に沿って広がらな
い場合には、所望方向にほぼ繊維か繊維セグメントの切断面の縦軸の分布が達成
されるように配向される。これは個々のコンポーネントを正確に配向させる複雑
な操作をしないでなしえる。
【００１７】 好ましくは、繊維か繊維セグメントの被覆は、この目的のために考えられた、
複合体構造の外形形状を決定する鋳型中で実行される。繊維か繊維セグメントは
重合体中で相互に圧縮される、これは、より近くに相互に近づくことを意味し、
、そして、次に、重合体は固められる。次に、そのように作製された複合体構造
は、繊維か繊維セグメントの領域が所望方向に沿って露出されるという方法、す
なわち所望方向に平行な平面で処理される。最後に、電気的コンタクトは、直接
少なくともその露出した領域の一部の上で直接的になされる。個々の露出してい
る領域は、１つの面（サイト）に反対の極性を有する少なくとも２つの電極が収
容されることように、非常に大きくあるべきある。
【００１８】 この方法では、繊維配置は、繊維の縦軸が所望方向にほぼ統計的な分布で配列
される中で用いられる。大部分の繊維、好ましくは、所望方向からそれらの縦軸
の最大３０°の変化まで生じる。実質的にまっすぐな繊維が使用されている一実
施例では、重合体マトリクス中の少なくとも５０％の繊維の一部は、それらの縦
軸に沿って所望方向に少なくとも１繊維の直径で変化する。また、少なくとも１
繊維の直径で、まっすぐな線の形状から変化し、平行に配列させることができな
いような曲がった繊維を使用することも可能である。
【００１９】 本発明の複合体構造において、繊維を被覆した重合体が所望方向に平行な平面
中に定義された領域で取り除かれるとき、縦軸の分布により存在する全繊維の定
義された割合をコンタクトすることが常に可能である。この様なやり方で、コン
タクトされることができる断片は、図で示された繊維全体による、および縦方向
における繊維のコンタクトされたセグメントの長さによる分担、の両方を取り囲
む。したがって、これは、繊維がその全長さにわたってコンタクトされる必要が
ないことを意味し、また、それらの全長さの短い切断面上の多くの繊維にコンタ
クトすることも可能であることを意味する。コンタクトは、好ましくは、その処
理の後に、複合体構造の表面上に電気的コンタクトとして付けられる指状（inte
r-digital）電極によって作られる。
【００２０】 本発明の方法では、高価であり複雑である、個々の繊維を互いに定義された間
隔で平行にする配列は、必要としない。この方法は、長くてまっすぐな個々の繊
維もまた必要としない。正確な相互の配列で全てが配置されていないところの繊
維か繊維セグメントの分布により、むしろ簡単に統計的にコンタクトを確立する
ことが達成される。例えば、複合体構造の表面が研磨されると、異なった繊維は
異なった面（サイト）の表面に現れ、そこへコンタクトされ得る。
【００２１】 したがって、そのような圧電トランスデューサの製造は、既知の従来技術によ
るトランスデューサと区別して、実質的に低減された複雑さと費用とを含む。繊
維の幾何学的な品質は、ここでは重要ではない。
【００２２】 例えば、電気的なコンタクトは、両面上に電気的な伝導層の利用で、あるいは
１つの表面あるいは両表面上の指状（inter-digital）電極の利用で、達成され
得る。
【００２３】 そのうえ、本発明の方法で、非平面形状の、例えば、曲がった表面に用いられ
る形状の圧電電気トランスデューサを製造することは可能である。この目的のた
めに、唯一必要なことは、固化する前に好ましい形状中で、重合体マトリクスの
外側形状を形成することである。
【００２４】 複合体構造は、異なった技術を応用して、繊維の領域の露出のために処理され
得る。そのような処理操作の例は、研摩、レーザ処理、切断、砂吹き、湿式化学
エッチングまたはイオンビーム技術などである。
【００２５】 本方法の１つの特殊で適切な実施例では、複合体構造が、本発明の方法に対応
する圧電繊維か繊維セグメントで製造され、その複合体構造は、すぐ後のトラン
スデューサの厚さの数倍の厚さに相当する厚さを有する。この場合、繊維あるい
は繊維セグメントの所望方向は、複合体構造の厚さの伸張上で直交する方向に広
がる。この好ましい実施例では、複合体構造は、所望する繊維方向に沿った平面
中で、分離処理がなされる。例えば、この分離は、複合体構造を切断することに
よって、達成され得る。この操作において、その構造は、製造される圧電トラン
スデューサの厚みを有する個々のプレートかディスクに分離される。
【００２６】 以下に、本発明の方法を図面を参照しながら、２つの実施例を説明する。
【００２７】 第１の実施例では、６ｃｍ×３ｃｍの寸法を有する鋳型が使用される。この鋳
型は、マトリクスとして使用される重合体で満たされる。例えば、エポキシ樹脂
は重合体として使用され得る。次に、およそ５ｃｍの長さ有する圧電繊維のバン
ドルの２．５ｇが、鋳型に含まれる液体重合体の中に配置されて、ほぼ０．５ｍ
ｍの厚さを有する層が生成されるように圧縮される。個々の繊維は、平均繊維径
が２０〜３０μｍである。次に、重合体は繊維と共に固められる。固化後、鋳型
が取り外され、６×３×０．０５ｃｍ３の平板を得る。そして、この平板は、２
つの反対面が研磨される。これらの面の１つの上で、電導性の接着剤は１ｍｍ間
隔で相互に間隔をおいて配置される５０組の指（finger）を有する指状（inter-
digital）電極を形成するために使用され、その上の結合は、エポキシ樹脂の薄
膜で密閉される。
【００２８】 第２番目の面は、反対の電極と適合するような指状（inter-digital）電極を
用いる同じ方法で、供給され得る。
【００２９】 複合体構造の形態で製造された圧電トランスデューサは、曲がるアクチュエー
タとしてばかりでなく、膨張トランスデューサとして、あるいはセンサーへのア
プリケーションにも使用され得る。それは、構造中に組みこまれて、例えば、振
動の減衰を目的として、使用されることもできる。
【００３０】 第２の実施例では、６１ｇの圧電繊維は、液体エポキシ樹脂を含む鋳型に置か
れ、そして、次に、それらは２×２×５ｃｍ３寸法のブロックを形成するために
圧縮される。固化した後に、このブロックは、２×５ｃｍの寸法で０．２ｍｍの
厚さの各平板を形成するために、繊維の縦方向に沿って切断される。次に、１ｍ
ｍ間隔で相互に間隔をおいて配置される５０組の指（finger）を有する指状（in
ter-digital）電極は、平板のそれぞれの反対の側面の位置にある両側で適用さ
れ、その上の結合は、エポキシ樹脂の薄膜で密閉される。
【００３１】 この様なやり方で、膨張トランスデューサが製造され、構造中に補強するエレ
メントとして統合される。
【００３２】 これは本方法の特別な好適な実施例であり、ただ一つの技術的な操作で、非常
に簡単で安価な方法で、トランスデューサの製造とその表面の露出を実行するこ
とができる。
【００３３】 一例として、図１は、圧縮、浸積した樹脂あるいは重合体で繊維２を固めるこ
とによって作られたブロック１を示しており、繊維の縦軸は所望方向３にほぼ割
り当てられる。この例では、繊維の非線形の形状が明確に見え、その後のコンタ
クト操作を促進しさえする。
【００３４】 図２において、所望方向３に沿って繊維２の領域を露出するためにブロック１
が切断される切断表面４が、およまかに略述される。
【００３５】 図３には、切断表面４に沿って切断により生じる表面を示す。所望方向に沿っ
て切断することによって露出された繊維２の領域５は、明確に見える。指が所望
方向３(図３参照)と直交方向に広がっている指状（inter-digital）電極６は、
表面上で繊維を露出している繊維領域５とコンタクトするために用いられる。こ
の様なやり方で、圧電トランスデューサは簡単で安価であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 樹脂あるいは重合体を浸透し、所望方向にほば繊維の縦軸分布を有する繊維で
作られたブロックの例を示す。
【図２】 繊維領域の露出のために大まかに略述された切断領域を有する図１のブロック
を示す図である。
【図３】 切断後および指状 （inter-digital）電極の適用後の結果として生じる表面の
図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年１月１５日（２００２．１．１５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 Ｌｅｏｎｒｏｄｓｔｒａｓｓｅ 54， Ｄ −80636 Ｍｕｎｃｈｅｎ Ｄｅｕｃｈｌ ａｎｄ (72)発明者 セフナー， ルッツ ドイツ国 ドレスデン 01108， ツム ミュルヴェグ 24 (72)発明者 シェネッカー， アンドレアス ドイツ国 フライタル 01705， アム ブルクヴァルツベルグ ９ (72)発明者 ゲブハルト， シルビア ドイツ国 ドレスデン 01277， ゲラデ ル ステグ ４

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 圧電トランスデューサを製造する方法であって、 圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを液体重合体物質で被覆する工程と
    、 複合体構造を形成するように前記液体重合体物質を前記圧電繊維（２）または
    圧電繊維セグメントと共に固化する工程と、 前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントの領域（５）を所望方向（３）
    に沿って露出させるように前記複合体構造を処理する工程と、 前記露出された領域（５）の少なくとも１部に前記圧電トランスデューサを制
    御するために電気的コンタクト（６）を付ける工程と、 を有し、 前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントを液体重合体物質で被覆する工
    程は、平行の配向よりはむしろ、前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメント
    が固化前に相互に圧縮されて、前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグメントの
    少なくとも切断面でほぼ前記所望方向（３）の縦軸分布が生じるという方法で進
    められることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記処理工程での操作は、２次元的な除去によってなされる
    ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記処理工程での操作は、前記所望方向（３）に平行に前記
    複合体構造を切断することでなされることを特徴とする請求項１または請求項２
    に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記処理工程での操作は、前記複合体構造の表面を研磨する
    ことでなされることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記処理工程での操作は、レーザ光を用いてなされることを
    特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記電気的コンタクト（６）は、１つあるいはいくつかの指
    状（inter-digital）電極の形成に適用されることを特徴とする請求項１乃至請
    求項５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記被覆の操作は、前記圧電繊維（２）または圧電繊維セグ
    メントをバンドルとしてまたはモールド中の束ねていないバルク中に配置し、そ
    れらの上に前記液体重合体物質を注ぐことによってなされることを特徴とする請
    求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記複合体構造は、平板型の形状に製造されることを特徴と
    する請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 【請求項９】 前記液体重合体物質中の実質的に真っ直ぐな繊維（２）また
    は繊維セグメントの少なくとも５０％は、それらの長さに沿って、前記所望方向
    （３）から少なくとも１繊維の直径だけ変化するように、前記真っ直ぐな繊維（
    ２）または繊維セグメントが前記液体重合体物質で被覆されていることを特徴と
    する請求項１乃至請求項８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 繊維（２）または繊維セグメントは、少なくとも半分が真
    っ直ぐに並べられた形状から少なくとも１繊維の直径だけ変化する湾曲伸張部を
    有するように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１項
    に記載の方法。
JP2001537108A 1999-11-10 2000-10-12 圧電トランスデューサの製造方法 Expired - Lifetime JP4896331B2 (ja)

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DE19954020A DE19954020C2 (de) 1999-11-10 1999-11-10 Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers
PCT/DE2000/003609 WO2001035468A2 (de) 1999-11-10 2000-10-12 Verfahren zur herstellung eines piezoelektrischen wandlers

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JP2001537108A Expired - Lifetime JP4896331B2 (ja) 1999-11-10 2000-10-12 圧電トランスデューサの製造方法

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US (1) US7228606B1 (ja)
EP (1) EP1228541B1 (ja)
JP (1) JP4896331B2 (ja)
AT (1) ATE302472T1 (ja)
DE (2) DE19954020C2 (ja)
WO (1) WO2001035468A2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015109431A (ja) * 2013-10-23 2015-06-11 株式会社Kri 圧電ポリマー膜、アクチュエータ、感圧センサ及びそれを用いたデバイス

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