JP2010263061A - 圧電装置及びそれを備える送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の疲労破壊による変位量の低下を抑制する。
【解決手段】圧電装置１は、圧電体１１と、圧電体主面上に形成される表面電極１２と、を有する圧電素子１０と、圧電素子１０の一方の主面上に形成され、圧電素子１０と電気的に接続されるように接合されている振動板２１と、圧電素子の他方の主面上に、圧電素子１０と電気的に接続されるように形成されている外部電極２２と、振動板２１及び外部電極２２を通じて圧電素子１０と電気的に接続されている外部接続端子３２と、を備える。そして、外部電極２２は、圧電素子１０の他方の主面上の少なくとも中心部上に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電装置、特に連続駆動する圧電装置及びそれを備える送風機に関する。

近年、小型・低背化を目的として、圧電装置を使用した送風機に対する需要が高まっている。圧電装置において、圧電素子は振動板に貼り付けられ、電圧を印加して圧電素子を屈曲変形させることで、振動板を振動させる。送風機用途の圧電装置は連続駆動させる必要があり、圧電素子を長時間振動させた場合の信頼性が問題となる。従来、発音体用途の圧電装置において使用される圧電素子と端子部との間を配線する場合、固定片や導線で接続する方法が一般的にとられている。

例えば、下記の特許文献１には圧電発音体が開示されている。図６において振動するのは金属板１１３に圧電素子１１４を貼り合わせた圧電振動板１１２である。外部の端子部１２２との間は固定片１２５で配線されている。固定片１２５と圧電素子１１４とは半田付け１２６により電気的に接続されている。

特開平２−２１５２９９号公報

図６の構造をそのまま送風機用の圧電装置に用いた場合、圧電素子の連続振動により圧電素子が疲労破壊する場合がある。その際、圧電素子は、図５のように給電可能領域１１４ａと給電不能領域１１４ｂの二ヶ所に分断される。固定片１２５と電気的に接続されている給電可能領域１１４ａには給電されるため、圧電素子は振動し続けるが、給電不能領域１１４ｂには給電することができず、この部分は振動できなくなる。したがって全体としての変位量が大幅に低下し、圧電素子としての特性が著しく低下するという課題があった。

本発明の目的は、上述した従来技術を鑑み、連続振動する圧電素子の変位量の低下を抑制することができる、圧電装置及びそれを備えた送風機を提供することである。

本発明に係る圧電装置は、圧電体と、前記圧電体主面上に形成される表面電極と、を有する圧電素子と、前記圧電素子の一方の主面上に形成され、前記圧電素子と電気的に接続されるように接合されている振動板と、前記圧電素子の他方の主面の少なくとも中心部上に、前記圧電素子と電気的に接続されるように形成されている外部電極と、前記振動板及び前記外部電極を通じて前記圧電素子と電気的に接続されている外部接続端子と、を備えることを特徴としている。

この場合、外部電極が変位の大きい圧電素子の中心部上に形成されている。圧電素子の中心部は疲労破壊しやすいため、圧電素子が中心部で疲労破壊しても、圧電素子に電圧を印加し続けることができる。したがって圧電素子の変位量の低下を抑制することができる。

また、本発明では、前記外部電極は、前記圧電素子上に形成される圧電素子形成部と、前記圧電素子形成部から連続して一体的に形成され、前記外部接続端子と電気的に接続される外部接続部と、を有することを特徴としている。

この場合、固定片等で引き出している場合に比べて、外部接続部の幅を任意に設定することができるため、外部電極の強度を大きくすることができる。それにより外部電極自体の疲労破壊に対する信頼性を向上させることができる。

また、本発明では、前記外部電極は前記他方の主面上の全面に形成されていることを特徴としている。

この場合、圧電素子がいかなる部分で疲労破壊しても、圧電素子に電圧を印加し続けることが可能である。したがって、変位量の低下を抑制することができる。

また、本発明は、前記圧電素子は連続振動する圧電装置にも向けられる。

この場合、圧電素子が連続振動した場合、特に顕著に疲労破壊が発生しやすく、変位量の低下を抑制することができるためである。

また、本発明は、前記外部電極は網目状である圧電装置にも向けられる。

この場合、外部電極が弾性を有するため、長時間の連続振動が可能となる。

また、本発明は、前記外部電極は金属板からなる圧電装置にも向けられる。

また、本発明は、前記外部電極は導電性フィルムからなる圧電装置にも向けられる。

この場合、外部電極の加工が容易である。また、外部電極が弾性を有するため、長時間の連続振動が可能となる。

また、本発明は、前記圧電素子を備える、送風機にも向けられる。

この場合、長時間の連続駆動が可能となる送風機を提供できる。

本発明に係る圧電装置及びそれを備える送風機では、圧電素子の主面の少なくとも中心部上に、前記圧電素子と電気的に接続されるように予め外部電極が形成されている。したがって、圧電素子が疲労破壊しても、変位量の低下を抑制することができる。

本発明の圧電装置を示す斜視図である。（実施例１） 図１のＡ−Ａ断面図である。（実施例１） 本発明の送風機を示す断面図である。（実施例１） 従来の圧電装置を示す斜視図である。（比較例） 従来の圧電装置における疲労破壊の模式図である。 従来の圧電装置を示す平面図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、実施例に基づいて説明する。
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係る圧電装置の斜視図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図２において、回路端子３３は省略している。

圧電装置１は、圧電素子１０と、振動板２１と、外部電極２２と、外部接続端子３２と、を備えている。

圧電素子１０は、圧電体１１と、その両主面上に形成される表面電極１２、とを有する単板構造となっている。圧電体の材質は、大きな変位量が要求されるため、圧電セラミックが好ましい。要求される特性により、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、ニオブ酸アルカリ等、様々な材質が選択される。

表面電極１２は、圧電体１１を分極するために用いるものである。表面電極１２は、圧電体１１の両主面上に、スパッタや、スクリーン印刷と焼き付け等で形成することができる。

振動板２１は、圧電素子１０の一方の主面上に形成され、圧電素子１０と電気的に接続されるように接合されている。圧電素子１０と振動板２１とは、例えば樹脂と金属フィラーを含む導電性接着剤等で接合される。圧電素子１０は単板構造であるので、本圧電装置はユニモルフ構造になっている。振動板２１はその端部を筺体３１に固定されており、圧電素子１０の屈曲変形に伴い変形する。振動板２１は弾性変形しやすい金属板で形成するのが良い。

外部電極２２は、前記圧電素子１０の他方の主面の少なくとも中心部上に、圧電素子１０と電気的に接続されるように形成されている。

圧電素子１０は、圧電素子の共振モードによって異なるが、中心部の変位が特に大きく、疲労破壊しやすくなる。振動の節がない一次共振モードの場合には、圧電素子の最大変位量の半分以上変位する領域が中心部となる。また、振動の節がある高次共振モードの場合には、一番中心に近い節の内側の領域が中心部となる。外部電極２２が圧電素子１０の少なくとも中心部上に形成されることにより、圧電素子１０の疲労破壊しやすい部分に給電し続けることが可能となる。

外部電極２２は、圧電素子１０上に形成される圧電素子形成部２２ａと、前記圧電素子形成部２２ａから連続して一体的に形成され、外部接続端子３２と電気的に接続される外部接続部２２ｂと、を有する。外部接続部２２ｂは圧電素子形成部２２ａから連続して一体的に形成されているため、圧電素子の振動による外部電極の強度の低下を防ぐことができる。また、圧電素子形成部２２ａと外部接続部２２ｂが同じ材質であれば、外部電極２２自体の強度が上がるため、さらに好ましい。

また、図１では圧電素子形成部２２ａが圧電素子１０の主面上の全面に形成されている。かかる場合には、圧電素子がいかなる部分で疲労破壊しても、圧電素子１０に電圧を印加し続けることが可能である。したがって、変位量の低下を更に抑制することができる。

外部電極２２は圧電素子の振動を阻害しないことが望ましいため、厚さは３０〜１００μｍが好ましい。

さらに、外部電極２２は、網目状であることが好ましい。網目状であれば、外部電極自体が弾性を有するため、圧電素子の振動を阻害しにくいためである。また、網目の目開きは２０μｍ以上、網目の線径は１５μｍ以上が好ましい。かかる場合には、網目状の目開き部に接合の際に使用する導電性接着剤が入り込むため、接着が強固になるためである。

外部電極２２は、金属板からなっていても良い。金属板の材質は、真鍮、銅、ステンレス等、導電性を有するものが望ましい。また、外部電極２２は、導電性フィルムからなっていても良い。導電性フィルムは樹脂フィルムに導電性機能を持たせたもので、外部電極２２の加工が容易になるためである。

外部接続端子３２は、外部電極２２を通じて圧電素子１０と電気的に接続されている。また、図示していないが、外部接続端子３２と振動板２１とは電気的に接続されている。外部接続端子３２は、外部導線３３を通じて、回路端子３４と接続されている。回路端子３４は、圧電素子１０と電気信号の授受を行う。

図３は、図１の圧電装置を備えた送風機の断面図である。図３では、外部電極、外部接続端子、外部導線、回路端子の図示は省略している。圧電装置１は、図１、図２に図示したものに加え、ブロア室４２と、ブロア室貫通穴４５と、を備える。筺体３１と送風機筺体４１により、流入口４４、流入経路４３、吐出口４６が形成される。流体は、流入口４４から流入し、流入経路４３を通って、吐出口４６から排出される。

次に、送風機の駆動状況を図３に従って説明する。図中の矢印は流体の流れを示す。なお、図３は圧電素子を一次共振モードで変形させる例だが、三次以上の高次の共振モードで変形させる場合も形状が異なるだけで、ほぼ同様である。

図３（Ａ）は圧電素子１０に電圧を印加していない状態であり、振動板２１は平坦である。次に、圧電素子１０に電圧を印加することにより、図３（Ｂ）のように圧電素子１０は下に凸に屈曲変形する。それに伴い、振動板２１も下に凸に変形し、ブロア室４２の容積が拡大する。この容積の拡大によって、ブロア室貫通穴４５からブロア室４２内に流体が流入する。一方、図３（Ｃ）のように、図３（Ｂ）と逆の極性の電圧を印加することにより、圧電素子は上に凸に屈曲変形する。この場合には、ブロア室４２の容積は縮小し、ブロア室貫通穴４５からブロア室４２の流体が吐出される。図３の（Ａ）→（Ｂ）→（Ａ）→（Ｃ）→（Ａ）の順で、繰り返し圧電素子を高周波で振動させることにより、流入口４４から流入した流体が、吐出口４６から排出される流れが形成される。
（実験例）
本実験例では、図１に示す形態の圧電装置を作製した。まず、厚み０．２ｍｍ、直径１１ｍｍΦのＰＺＴ単板からなる圧電体と、スパッタにより形成され、銀からなる表面電極と、を有する圧電素子を用意した。

そして、圧電素子と、厚み０．０８ｍｍの４２Ｎｉからなる振動板とを貼り付けた。圧電素子と振動板とは、エポキシ樹脂と金属フィラーを含む導電性接着剤で接合した。

外部電極には、厚み０．０５ｍｍ、目開き０．０５ｍｍの網目状金属を使用した。金属の材質は、ステンレスである。外部電極の圧電素子形成部は、直径１１ｍｍΦの圧電素子の上部に形成した。また、外部接続部の幅は２ｍｍとした。圧電素子と外部電極とは、エポキシ樹脂と金属フィラーを含む導電性接着剤で接合した。そして、主にＳＵＳ板からなる筺体を用いて、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×高さ２．４ｍｍの送風機を作製した。ブロア室の大きさは高さ０．１５ｍｍ、直径１６ｍｍΦである。また、流入経路の高さを０．４ｍｍに設計した。
（比較例）
一方、比較例として、図４に示すような構造の圧電装置を作製した。図４の圧電装置１では、外部電極を用いずに、接続導線３５で、表面電極１２と外部接続端子３２とを接続している。接続導線３４は直径０．６ｍｍΦであり、りん青銅からなる。接続導線３５と表面電極１２とは、半田付けにより接合した。それ以外は、実験例と同様に作製した。

表１に、圧電素子の疲労破壊前後における、実験例と比較例の変位量の変化を示す。

表１から明らかなように、実験例では疲労破壊前後の変位量は、６．４μｍ→６．２ｍｍとほとんど低下していない。一方、比較例では疲労破壊前後の変位量は、８．２μｍ→４．３μｍと半分程度に低下している。比較例の構造では、接続導線と表面電極との接合部分である半田付けをした部分に応力が集中して破壊の起点となる。そして、破壊は半田付けをした部分を通るように進展する。圧電素子が疲労破壊すると、図５のように圧電素子は給電可能領域１１４ａと給電不能領域１１４ｂとに分離し、給電不能領域には給電されなくなる。したがって圧電素子の変位が低下してしまう。

一方、本実験例の構造では、圧電素子の主面の全面に外部電極が形成されている。したがって、圧電素子が疲労破壊を起こしても、電気的に断絶する領域がないため、変位量の低下を抑制することが可能となる。

１：圧電装置
１０：圧電素子
１１：圧電体
１２：表面電極
２１：振動板
２２：外部電極
２２ａ：圧電素子形成部
２２ｂ：外部接続部
３１：筺体
３２：外部接続端子
３３：外部導線
３４：回路端子
３５：接続導線
４０：送風機
４１：送風機筺体
４２：ブロア室
４３：流入経路
４４：流入口
４５：ブロア室貫通穴
４６：吐出口
５１：送風機筺体
１１２：圧電振動板
１１３：金属板
１１４：圧電素子
１１４ａ：給電可能領域
１１４ｂ：給電不能領域
１２２：端子部
１２５：固定片
１２６：半田付け

Claims (8)

1. 圧電体と、前記圧電体主面上に形成される表面電極と、を有する圧電素子と、
   前記圧電素子の一方の主面上に形成され、前記圧電素子と電気的に接続されるように接合されている振動板と、
   前記圧電素子の他方の主面の少なくとも中心部上に、前記圧電素子と電気的に接続されるように形成されている外部電極と、
   前記振動板及び前記外部電極を通じて前記圧電素子と電気的に接続されている外部接続端子と、
   を備える圧電装置。
2. 前記外部電極は、前記圧電素子上に形成される圧電素子形成部と、前記圧電素子形成部から連続して一体的に形成され、前記外部接続端子と電気的に接続される外部接続部と、を有する、請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記外部電極は前記他方の主面上の全面に形成されている、請求項１又は２に記載の圧電装置。
4. 前記圧電素子は連続振動する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電装置。
5. 前記外部電極は網目状である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電装置。
6. 前記外部電極は金属板からなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電装置。
7. 前記外部電極は導電性フィルムからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の前記圧電装置を備える、送風機。

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