壓電振動體及其製造方法以及具有該壓電振動體的機器的製作方法
2024-03-04 10:34:15
專利名稱：壓電振動體及其製造方法以及具有該壓電振動體的機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有基體部件和粘貼設在該基體部件上的壓電元件並在多個振動模式的共振點附近使壓電元件振動的壓電振動體及其製造方法以及具有該壓電振動體的機器。
背景技術：
作為隨著壓電元件的變位而振動的所謂壓電振動體，已有在平板狀基體部件(加強板)的兩面粘貼設置壓電元件構成壓電振動體，作為壓電驅動器來工作的產品(例如，特開2000-333480號公報)。在該壓電驅動器中，向壓電元件施加交流電壓，則壓電驅動器整體和基體部件一起振動來驅動被驅動體。此時，通過預先設定形狀和尺寸比，可以獲得沿著壓電元件的縱長方向的縱向振動和在與縱向振動正交的方向彎曲的彎曲振動的多個振動模式進行組合的振動。由此，壓電驅動器可以高效地驅動被驅動體。在這種結構的壓電驅動器中，利用壓電元件的振動使基體部件振動，所以為了獲得良好的振動，壓電元件和基體部件的粘接狀態是非常重要的。
例如，如果過度加厚壓電元件和基體部件之間的粘接層，則壓電元件的振動不能良好地傳遞給基體部件，致使壓電驅動器的振動出現衰減。另外，如果粘接層的厚度或粘接劑的材質有偏差，則導致振動衰減特性不同，在多個壓電驅動器之間產生振動特性的偏差。結果，由於粘接層的品質偏差，致使難以製造品質穩定的壓電驅動器。
特別是，在通過適當設定形狀和尺寸來使多個振動模式的共振點相互接近的壓電驅動器中，通過將這些振動模式進行組合，例如可以設定圓形軌跡或橢圓形軌跡等的各種各樣的振動軌跡。這種壓電驅動器通過在多個振動模式的共振頻率附近使壓電驅動器振動，可以最高效地驅動被驅動體。但是，如前面所述，如果粘接層的品質有偏差，則多個振動模式的共振頻率產生偏差，使得驅動頻率的壓電驅動器的各振動模式的振幅比不同，導致振動特性發生變化。
發明內容
本發明的第一目的是，提供一種可以降低振動損耗的壓電振動體及其製造方法，以及使用該壓電振動體的機器。
本發明的第二目的是，提供一種可以降低振動特性的偏差的壓電振動體及其製造方法，以及使用該壓電振動體的機器。
本發明的壓電振動體，具有基體部件和粘貼設在該基體部件平面上的壓電元件，並使多個振動模式的共振點相互接近，其特徵在於，在基體部件和壓電元件之間設置粘接層，該粘接層固化後的肖氏D硬度在常溫下大於等於80HS。
在基體部件和壓電元件之間設置粘接層，用多個振動模式的共振點附近的頻率向壓電元件施加電壓時，壓電元件反覆變位並振動。伴隨該振動，基體部件通過粘接層也振動，壓電振動體整體振動並描畫出組合了多個振動模式的振動軌跡。例如，把該壓電振動體用作壓電驅動器時，通過壓電振動體的振動來驅動被驅動體。根據該發明，基體部件和壓電元件之間的粘接層的硬度被設定為合適值，所以良好地防止壓電元件的振動被粘接層吸收，將振動良好地傳遞給基體部件，由此使壓電振動體的整體良好地進行振動。因此，可以降低壓電振動體的振動損耗，實現本發明的第一目的。另外，如果粘接層的固化後的肖氏D硬度小於80HS，則壓電元件的振動容易被粘接層吸收，導致振動衰減。所以，不能減小壓電振動體的振動損耗。
在本發明中，粘接層優選由單液相無溶劑型環氧樹脂製成。
根據該發明，粘接層是單液相無溶劑型，所以不需混合即形成均勻的粘接層。並且，也不需要為了混合而進行攪拌，所以能夠防止進入空氣。在以往使用需要攪拌的雙液相型粘接劑的情況下，如果空氣進入到粘接層，有時產生例如為了固化粘接層而加熱時由於空氣膨脹導致壓電振動體破損的情況。另外，由於進入空氣而不能獲得充分的粘接強度，壓電振動體振動時的應力集中在進入空氣的孔部分，有時粘接層會剝離，壓電振動體的壽命縮短。根據本發明，不會產生這種問題，批次之間的粘接層的品質不易出現偏差。因此，由於基體部件和壓電元件的粘接性能均勻，所以即使在多個振動模式的共振點附近使壓電振動體振動時，也能降低多個振動模式的振幅比的偏差。由此，壓電振動體之間的振動特性的偏差減小，又可以獲得所期望的振動軌跡。由此實現本發明的第二目的。並且，由於省略了混合作業，所以可以以低成本製造。
本發明的壓電振動體的製造方法是具有基體部件和粘貼設在該基體部件平面的壓電元件並使多個振動模式的共振點相互接近的壓電振動體的製造方法，其特徵在於，具有使設置在基體部件和壓電元件之間的粘接劑成形為規定厚度的粘接層的粘接層成形步驟；把在粘接層成形步驟中成形的粘接層轉印到壓電元件上的粘接層轉印步驟；把轉印有粘接層的壓電元件粘貼設在基體部件或不同的壓電元件上的壓電元件粘貼步驟。
根據本發明，通過粘接層成形步驟形成粘接劑的厚度均勻的粘接層。把該粘接層轉印到壓電元件上，把該壓電元件粘貼設在基體部件或其他壓電元件上，所以能夠製造具有均勻厚度的粘接層的壓電振動體。由此，壓電振動體的振動特性的偏差減小。
在本發明中，粘接層成形步驟優選具有粘接層厚度調整步驟，把粘接層轉印到厚度調整用轉印部件上，利用其轉印次數來調整粘接層的厚度。
根據本發明，通過粘接層厚度調整步驟把粘接層轉印到厚度調整用轉印部件上，使粘接層的厚度成為轉印前的大約一半。通過將該轉印反覆進行規定次數，把粘接層調整為所期望的厚度。這在粘接層成形步驟中用於成形出厚度難以控制的較薄粘接層時特別有效，由此容易控制粘接層的厚度，可以成形出更薄的粘接層。
在本發明中，優選在壓電元件粘貼步驟之後，具有在加熱狀態且加壓狀態下使粘接層固化的粘接層固化步驟。
根據本發明，在加熱狀態下使粘接層固化，因此可以使粘接層在更短時間內固化，並能夠縮短壓電振動體的製造時間。
並且，在加壓狀態下使粘接層固化，因此可以提高基體部件和壓電元件的粘接性。
另外，在加壓狀態下壓接基體部件和壓電元件，但此時它們的粘接面在微觀上具有分別與表面粗糙度相對應的凹凸，所以通過加壓可以使這些凹凸相互接觸粘接。由此，使粘接層形成於這些凹凸之間，粘接層的厚度依賴於基體部件和壓電元件的粘接面的表面粗糙度。因此，可以利用基體部件和壓電元件的粘接面粗糙度來容易地控制粘接層的厚度，減小粘接層的厚度偏差，使壓電振動體的振動特性更加穩定。另外，在利用具有導通性的材料構成基體部件的情況下，能夠與形成於壓電元件的電極層良好接觸，所以使兩者可靠地電導通。這樣，在向壓電元件的厚度方向施加電壓時，可以從基體部件獲得一方端子，特別是在基體部件的兩面粘貼設置壓電元件等情況下，可以實現端子的共同化，使壓電振動體的結構變得簡單。
在本發明中，優選在壓電元件粘貼步驟之前，具有調整基體部件中粘貼壓電元件的一面的表面粗糙度的表面粗糙度調整步驟。
根據本發明，通過表面粗糙度調整步驟調整在基體部件的用於粘貼壓電元件的粘貼面的表面粗糙度。因此，可以去除在基體部件的製造過程中產生的毛刺(かえり)等，防止因該毛刺造成的壓電振動體的振動特性的惡化。
並且，在基體部件的粘貼壓電元件的粘貼面的表面粗糙度可以預先調整合適，所以與粘接層的粘接性提高，剝離強度也提高。
並且，如前面所述，粘接層的厚度依賴於壓電元件和基體部件的表面粗糙度，所以通過調整基體部件的表面粗糙度，能夠可靠進行粘接層的厚度控制。由此粘接層的厚度偏差減小，壓電振動體的振動特性更加穩定。
在本發明中，優選與壓電元件粘貼步驟同時或在壓電元件粘貼步驟之後，具有確定基體部件和壓電元件的相對位置的定位步驟。
根據本發明，通過定位步驟規定基體部件和壓電元件的相對位置，所以如果在該狀態下使粘接層固化，可以在兩者的粘接位置沒有偏移的狀態下固化粘接層。所以，通過該步驟可以降低因基體部件和壓電元件的粘貼位置的偏移造成的壓電振動體的振動特性的偏差。
利用前述的壓電振動體的製造方法製造的壓電振動體，優選基體部件和壓電元件的熱膨脹係數相互接近。
根據本發明，基體部件和壓電元件的熱膨脹係數相互接近，所以防止因熱影響造成的變形和殘留應力的產生。這在固化粘接層時進行加熱等情況下非常有效。並且，即使在使用電力增大，發熱量超過散熱量的情況下，也能抑制因自身發熱造成的特性惡化。
本發明的機器的特徵在於，其使用了前述的壓電振動體或利用前述的壓電振動體的製造方法製造的壓電振動體。
根據本發明，使用本發明的壓電振動體或利用本發明的壓電振動體的製造方法製造的壓電振動體來構成機器，所以能夠獲得前述效果，降低振動損耗，降低壓電振動體之間的振動性能的偏差。
圖1是表示本發明的壓電振動體整體的立體圖。
圖2是表示本發明的壓電振動體的局部的放大圖。
圖3是表示本發明的壓電振動體的粘接層成形步驟的概略圖。
圖4是表示本發明的壓電振動體的粘接層轉印步驟的概略圖。
圖5是表示本發明的壓電振動體的壓電元件粘貼步驟的概略圖。
圖6是表示本發明的壓電振動體的粘接層固化步驟的概略圖。
圖7是表示本發明的壓電振動體的定位步驟的概略圖。
圖8是表示本發明的壓電振動體的適用例的概略圖。
圖9是表示本發明的壓電振動體的動作的概略圖。
圖10是表示本發明的粘接層的肖氏D硬度和壓電振動體的Q值的關係的圖。
圖11是表示本發明的壓電振動體的Q值和共振點附近的振幅的關係的圖。
圖12是表示因Q值的不同而形成的壓電振動體的振動特性的圖。
圖13是表示因Q值的不同而形成的壓電振動體的振動動作的圖。
圖14是表示本發明的壓電振動體的粘接層成形步驟的變形例的概略圖。
具體實施例方式
以下，參照
本發明的一實施方式。
圖1是作為本實施方式的壓電振動體的壓電驅動器1的整體立體圖。在圖1中，壓電驅動器1具有平板狀基體部件2；粘貼設在該基體部件2的正反兩面的壓電元件3；用於粘接基體部件2和壓電元件3的粘接層4。
基體部件2是形成為大致矩形的厚約0.1mm的薄板狀部件。基體部件2的材料可以採用不鏽鋼、磷青銅及其他的任意材料，在本實施方式中利用SUS301構成。在該基體部件2的對角線兩端一體形成在縱長方向突出的大致半圓形的凸部21。
壓電元件3粘貼設在基體部件2中除凸部21以外的大致矩形狀部分。壓電元件3的材料沒有特別限定，可以使用鈦酸鋯酸鉛(PZT(註冊商標))、石英、鈮酸鋰等各種材料，在本實施方式中採用厚約0.15mm的鈦酸鋯酸鉛(以下稱為PZT)。另外，在壓電元件3的兩面形成由鍍鎳·磷層及鍍金層等形成的電極層31(31A、31B)。
粘接層4由單液相無溶劑型環氧樹脂製成，固化後的肖氏D硬度約為92HS。另外，粘接層4優選未添加著色劑或玻璃珠、導電性物質等添加劑的粘接層。
圖2表示將基體部件2和壓電元件3的粘接面的局部放大的剖面圖。在該圖2中，基體部件2和壓電元件3的各粘接面在微觀上具有分別與表面粗糙度相對應的細微凹凸。因為該凹凸是隨機接觸，從而使基體部件2和壓電元件3的電極層31B通過粘接層4導通而未絕緣。由此，通過向壓電元件3的表面的電極層31A和基體部件2連接導線，並使其連接在未圖示的施加裝置上，可以向壓電元件3的電極層31A和基體部件2之間、即壓電元件3的兩面施加電壓。
這種壓電驅動器1是通過以下步驟製造的。
圖3～圖7表示壓電驅動器1的製造步驟的概略圖。在這些圖3～圖7中，壓電驅動器1的製造步驟具有將粘接劑41(參照圖3)成形為規定厚度的粘接層4的粘接層成形步驟；把在粘接層成形步驟中成形的粘接層4轉印到壓電元件3上的粘接層轉印步驟；調整基體部件2中粘貼壓電元件3的粘接面的表面粗糙度的表面粗糙度調整步驟；把轉印有粘接層4的壓電元件3粘貼設在基體部件2上的壓電元件粘貼步驟；使粘接層4固化的粘接層固化步驟。另外，除粘接層固化步驟以外的步驟全部是在常溫下進行作業。
圖3(A)表示粘接層成形步驟的第一階段，圖3(B)表示其第二階段。在圖3(A)中，首先在粘接層成形步驟的第一階段，在未圖示的矽晶片上的轉印紙5上相互隔開間隔地配置兩個薄板矩形狀的隔離物51。此時，利用浸漬了乙醇的棉布擦拭矽晶片表面，在乙醇揮發前將轉印紙5放置在矽晶片上。這樣，轉印紙5良好地緊密粘接在矽晶片表面上，在乙醇揮發的同時被吸附，所以能良好地固定在矽晶片上。矽晶片具有非常平滑的平面，所以能夠校正轉印紙5的變形等，使形成於該轉印紙5上的粘接層4的厚度均勻。另外，作為轉印紙5的材料，優選具有撓性的材料，例如可以使用聚醯亞胺或聚酯等。另外，隔離物51形成為約是設在壓電驅動器1的粘接層4的厚度的二倍。作為隔離物51的材料，優選在厚度方向不易變形的材料，例如可以使用厚約10μm的鋁箔等。
然後，向兩個隔離物51之間噴出適量的粘接劑41。轉印紙5和隔離物51的尺寸、隔離物51的配置間隔等，可以考慮需要製造的壓電驅動器1的尺寸來適當設定。即，在這些尺寸和間隔被設定得大於壓電驅動器1的尺寸，並且一次製造多個壓電驅動器1的情況下，設定為大於配置多個時的整體尺寸即可。
如圖3(B)所示，在粘接層成形步驟的第二階段，使利用不鏽鋼、玻璃、其他具有剛性的材料構成的平板狀刮板(blade)52越過兩個隔離物51進行接觸。這樣，沿著刮板52粘接劑41在隔離物51之間的寬度方向上擴展。然後，使刮板52沿著其縱長方向在兩個隔離物51上移動。
圖4(C)表示形成於轉印紙5上的粘接層4。如該圖4(C)所示，粘接劑41一面通過刮板52在隔離物51之間擴散一面被調整為隔離物51的厚度。然後，從轉印紙5卸下隔離物51。通過該步驟，在轉印紙5上以隔離物51的厚度形成粘接層4。
然後，在粘接層轉印步驟，把在粘接層成形步驟中成形的粘接層4轉印到壓電元件3上。
圖4(D)和圖4(E)表示粘接層轉印步驟的概略圖。在圖4(D)中，使轉印紙5中形成有粘接層4的表面與壓電元件3相對。此處，在壓電元件3的正反兩面預先形成電極層31。該電極層31是在利用2000號磨粒將壓電元件3的兩面調整為表面粗糙度(Ra)約0.2～0.3μm後，利用以鍍鎳·磷(Ni·P)為基底的無電解鍍金形成的。由此，在壓電元件3的正反兩面形成厚約1μm的電極層31。另外，在調整壓電元件3的表面粗糙度時，不限於2000號的磨粒，例如可以選擇4000號磨粒等合適的最佳品。並且，電極層31的形成方法也不限於採用這種無電解鍍金的方法，例如，可以利用濺射、蒸鍍等方法在壓電元件3的表面形成Ni·Cr·Au合金。
表面形成有電極層31的壓電元件3預先進行用於去除細微塵埃的洗淨步驟。在洗淨步驟，對壓電元件3進行約10分鐘的使用乙醇的超聲波清洗，然後利用流動的純水清洗壓電元件3約10分鐘。之後，在約80℃的恆溫槽內放置約10分鐘，使壓電元件3乾燥。把經過該洗淨步驟的壓電元件3配置固定在吸附臺上。並且，使轉印紙5中形成粘接層4的表面緊密接觸被固定的壓電元件3的表面。
然後，按圖4(E)所示，將轉印紙5從壓電元件3慢慢地剝離。這樣，粘接層4的厚度的大約一半被轉印到壓電元件3上，剩餘的大約一半厚度的粘接層4殘留在轉印紙5上。
通過該粘接層轉印步驟，在壓電元件3上形成粘接層4，其厚度為粘接層成形步驟的粘接層4的厚度的大約一半，即約5μm。
然後，通過壓電元件粘貼步驟，把轉印了粘接層4的壓電元件3粘貼設在基體部件2上。
圖5(F)表示在基體部件2的一方表面粘貼設置壓電元件3的步驟，圖5(G)表示在基體部件2的另一方表面粘貼設置壓電元件3的步驟。
如圖5(F)所示，把壓電元件3中轉印了粘接層4的表面粘貼設在基體部件2的大致矩形狀部分。此時，進行目視確認壓電元件3和基體部件2的相對位置沒有偏移。另外，基體部件2的兩面通過表面粗糙度調整步驟被預先調整表面的表面粗糙度。在該表面粗糙度調整步驟中，例如利用1500號砂紙等把表面調整為規定的表面粗糙度。並且，基體部件2通過與前述的壓電元件3的洗淨步驟相同的步驟預先被清洗。
然後，如圖5(G)所示，同樣在基體部件2中粘貼設有壓電元件3的表面的相反面也粘貼設置壓電元件3。
圖5(H)表示在基體部件2的兩面粘貼設置壓電元件3的壓電驅動器1。如該圖5(H)所示，在壓電元件粘貼步驟，在基體部件2的兩面通過粘接層4粘貼設置壓電元件3。
並且，在粘接層固化步驟使粘接層4固化。
圖6表示在加熱狀態且加壓狀態下使粘接層4固化的固化裝置6的概略圖。在該圖6中，固化裝置6具有把內部加熱為所期望的溫度的加熱槽61；對壓電驅動器1的基體部件2和壓電元件3進行加壓的加壓夾具7。加壓夾具7具有將壓電驅動器1夾在中間的下板71和上板72。在下板71的周圍，4個銷711朝向上板72突出。在上板72中對應銷711的位置形成引導孔721，通過使銷711插通這些引導孔721，規定上板72相對下板71的位置。
圖7表示下板71的俯視圖。在圖7中，在下板71上3個壓電驅動器1可以配置在不排成一條直線的位置，並設有用於規定基體部件2和壓電元件3的相對位置的圓柱狀定位銷73。這些定位銷73(73A、73B、73C)相對各自的壓電驅動器1設置多個(在本實施方式中為3個)。這些定位銷73相互隔開規定間隔配置，位於端部的定位銷73A配置在偏離其他定位銷73B、73C的連接線的延長線的位置。由此，3個定位銷73A、73B、73C通過兩邊支撐壓電驅動器1來進行穩定定位。在這些定位銷73的表面塗覆用於防止與粘接層4粘接的聚四氟乙烯等低摩擦性的合成樹脂。另外，定位銷73的高度高於一個壓電元件3和基體部件2的合計厚度，並且低於兩個壓電元件3和基體部件2的合計厚度。另外，定位銷73的形狀為了使其與粘接層4的接觸面積為最小，在本實施方式中形成為圓柱狀，但也可以是其他形狀，例如三稜柱狀等多稜柱形狀。
首先，作為粘接層固化步驟的前期步驟，在定位步驟中規定基體部件2和壓電元件3的相對位置。在該定位步驟中，把在壓電元件粘貼步驟中向基體部件2的兩面粘貼了壓電元件3的壓電驅動器1在加壓夾具7的下板71上共配置三個。此時，通過使壓電驅動器1的兩邊接觸定位銷73，利用放大鏡等確認壓電元件3和基體部件2的端部位置是否對齊。在未對齊的情況下，利用鑷子等夾持壓電元件3來校正位置。
然後，把上板72放置在被規定了位置的壓電驅動器1上。上板72被銷711引導著相對下板71保持大致平行，一面依次確認一面使上板72接觸壓電驅動器1並放置於其上，以使壓電元件3和基體部件2的相對位置不偏移。此時，定位銷73低於壓電驅動器1的厚度，所以上板72接觸壓電驅動器1的表面，並且不幹涉定位銷73。
這樣，將夾持著壓電驅動器1的加壓夾具7放置在加熱槽61中。並且，放置從上板72的上方對壓電驅動器1加壓的壓鐵74。此時，在上板72和下板71之間配置有三個壓電驅動器1，並且被配置成不在一條直線上排列，所以上板72均勻地接觸壓電驅動器1，施加給這些壓電驅動器1的壓強(面圧)(相對壓)大致相同。另外，壓鐵74優選施加給壓電驅動器1的壓強在15～25g/mm2(147～245kPa)的範圍內。在壓強小於15g/mm2(147kPa)時，壓電元件3和基體部件2的緊密粘接性變差。並且，粘接層4的厚度增加，壓電驅動器1的振動特性劣化，或壓電元件3的電極層31B和基體部件2的導通性變差。或者，由於粘接層4的厚度偏差，使得壓電驅動器1的振動特性出現偏差。另外，在壓強大於25g/mm2(245kPa)時，壓電元件3有可能損傷。在本實施方式中，為了對三個壓電驅動器1加壓，採用1kg的壓鐵74。
把加熱槽61的內部溫度設定為約80℃，在該內部一面利用加壓夾具7對壓電驅動器1加壓一面加熱約2小時，由此使粘接層4固化。
在該粘接層固化步驟中，通過在加壓狀態下固化，使壓電元件3和基體部件2形成良好的緊密粘接性。此時，形成於這些壓電元件3的電極層31和基體部件2的接觸面形成微觀上分別與表面粗糙度相對應的凹凸，通過加壓使這些凹凸相互接觸，確保兩者的導通性。即，壓電元件3和基體部件2在粘接面的整個表面形成微觀上凹凸彼此接觸的狀態，由此，粘接層4的厚度依賴於壓電元件3和基體部件2的表面粗糙度。
並且，通過在加熱狀態下使粘接層4固化，粘接層4在短時間內固化，並縮短該粘接層固化步驟的循環周期(cycletime)。
這樣製造的壓電驅動器1使凸部21接觸被驅動體，使壓電元件3振動，由此可以驅動被驅動體。
圖8和圖9是表示壓電驅動器1的適用例的概略圖。圖8為表示壓電驅動器1相對被驅動體100的配置的圖，圖9(A)為表示壓電驅動器1的一個振動模式的圖，圖9(B)為表示壓電驅動器1的另一個振動模式的圖，圖9(C)為表示凸部21描畫的軌跡的圖。
首先，在圖8中，壓電驅動器1用於驅動圓盤狀的被驅動體100，被驅動體100由未圖示的固定物體可以旋轉地被支撐著。壓電驅動器1的凸部21接觸被驅動體100的外周側面，並且在壓電驅動器1的兩側設有從縱長方向大致中央大致呈直角突出的腕部22。這些腕部22與基體部件2形成為一體，在端部形成的孔被螺合固定在未圖示的固定物體上，由此壓電驅動器1被固定，同時凸部21通過未圖示的施力產生單元施加合適的力的狀態下接觸被驅動體100。此時，凸部21與被驅動體100這樣接觸使得壓電驅動器1的縱長方向相對於被驅動體100的中心方向具有規定的角度(例如30°)。在壓電元件3的電極層31A和基體部件2連接導線，這些導線連接施加規定頻率的交流電壓的施加裝置。
利用施加裝置向電極層31A和基體部件2之間施加交流電壓V，此間的壓電元件3反覆變位並振動。此時，壓電驅動器1具有如圖9(A)所示沿縱長方向伸縮的所謂縱向振動，和如圖9(B)所示沿與縱向振動大致垂直的方向彎曲的所謂彎曲振動這兩個模式。通過組合這兩個振動模式，凸部21如圖9(C)所示在面內方向描畫橢圓軌跡並振動。此處，這兩個振動模式分別具有共振點，通過適當設定壓電驅動器1的尺寸和形狀，可以把這些共振點的共振頻率差預先設定為約數(約數)kHz，並使其彼此接近。由此，在這些共振頻率之間驅動壓電驅動器1，則可以在彼此的振動模式的共振點附近驅動，能夠分別獲得較大的振動振幅。
凸部21按照橢圓軌跡的一部分使被驅動體100在圖9(C)的箭頭R方向旋轉。通過按規定頻率進行該動作，壓電驅動器1使被驅動體100以所期望的速度旋轉。
此處，在本實施方式的壓電驅動器1中，說明粘接層4的肖氏D硬度和壓電驅動器1的振動動作的關係。
圖10表示粘接層4固化後的肖氏D硬度和壓電驅動器1的Q值的關係。如該圖10所示，可以判明粘接層4的肖氏D硬度增大，壓電驅動器1的Q值急劇增加，在肖氏D硬度大於等於80HS時，可以獲得穩定的高達1000以上的Q值。
下面，圖11表示壓電驅動器1的Q值和壓電驅動器1的振動的共振點附近的振幅的關係。圖12表示施加給壓電驅動器1的電壓的頻率和阻抗的關係圖，以及頻率和壓電驅動器1的振幅的關係圖。另外，在圖12中，fr1是縱向振動的共振頻率，fr2是彎曲振動的共振頻率。
首先，如圖11所示，壓電驅動器1在共振點附近的振幅與Q值成比例，隨著Q值增大，壓電驅動器1的振幅也變大。另外，如圖12所示，壓電驅動器1的Q值較高時的振動特性(圖12中虛線)與Q值較低時的振動特性(圖12中的單點劃線)相比，縱向振動和彎曲振動這兩種振動模式的共振點的阻抗分別變小，同時這些振動模式的振幅分別變大。
根據這些情況可知，通過使用肖氏D硬度大於等於80HS的高硬度粘接層4，可以得到較高的Q值。並且，通過得到較高的Q值，可以減少壓電驅動器1的振動損耗，在壓電驅動器1中獲得較大的振動振幅。
此處，壓電驅動器1的縱向振動的振幅隨著Q值增大而變大。另一方面，壓電驅動器1的彎曲振動的振幅和縱向振動時一樣也依賴於Q值，但也存在通過縱向振動來激勵彎曲振動的因素。因此，為了確保彎曲振動的振幅，需要確保某種程度的縱向振動的振幅。
圖13表示壓電驅動器1的Q值較小時和較大時的壓電驅動器1的凸部21的振動軌跡。在該圖13中，在Q值小時、即粘接層4的肖氏D硬度低時，振動損耗變大，縱向振動的振幅變小。因此，彎曲振動的振幅由於Q值小而變小，但與此同時，伴隨縱向振動而產生的彎曲振動的激勵效果變小，所以彎曲振動的振幅也變小。所以，Q值小時，凸部21的振動軌跡Rs成為縱向振動成分大於彎曲振動成分的橢圓振動，向徑向按壓被驅動體100的力起作用，但向切線方向按壓被驅動體100並驅動其旋轉的力變小。
另一方面，在粘接層4的肖氏D硬度大於等於80HS的情況下，Q值也增大，縱向振動的振幅變大。彎曲振動的振幅由於Q值大而變大，與此同時伴隨縱向振動而產生的彎曲振動的激勵效果大，所以隨著縱向振動的振幅而變大。因此，Q值大時的凸部21的振動軌跡Rb在可以獲得縱向振動的良好的振動振幅的同時，也能獲得彎曲振動的良好的振動振幅，能夠確保向切線方向按壓被驅動體100並驅動其旋轉所需要的力。
由此判明在組合多個振動模式來驅動被驅動體100的壓電驅動器1中，使用肖氏D硬度高的粘接層4來確保壓電驅動器1的Q值對獲得驅動效率的提高效果是非常重要的。
根據本實施方式，可以獲得以下效果。
(1)粘接層4固化後的硬度高達80HS以上，所以不易吸收壓電元件3的振動，能夠把壓電元件3的振動良好地傳遞給基體部件2。因此，可以降低壓電驅動器1的振動損耗。
並且，粘接劑41是單液相無溶劑型粘接層，所以與雙液相型粘接劑不同，不需進行混合。因此，不需要攪拌作業，可以簡化製造步驟，並且能夠消除由於攪拌致使粘接劑41中進入空氣的可能性。因此，在粘接層固化步驟中進行加熱時，可以防止因空氣膨脹造成的壓電元件3的破損或由於壓電驅動器1振動時的應力集中造成的壓電驅動器1的壽命縮短。並且，能夠均勻地成形粘接層4，從而能夠降低縱向振動和彎曲振動的各共振點的偏差，穩定壓電驅動器1的振動特性。另外，不易產生批次之間的配合偏差，從而能降低多個壓電驅動器1之間的振動特性的偏差。
(2)在粘接層固化步驟中將粘接層4加熱，所以能夠使粘接層4在更短時間內乾燥。因此能夠縮短壓電驅動器1的製造時間。並且，在該步驟對粘接層4加壓，所以能夠抑制因加熱造成的粘接層4在厚度方向的膨脹。通過該步驟對粘接層4加壓，壓電元件3的電極層31(即壓電元件3)和基體部件2在分別與表面粗糙度相對應的細微凹凸處相互接觸。由此，將粘接層4設置在這些凹凸之間，即，粘接層4的厚度不依賴於粘接劑41的塗覆量，而依賴於各粘接面的表面粗糙度。所以，能夠容易控制粘接層4的厚度，可以降低壓電驅動器1的振動特性的偏差。
(3)在定位步驟，由於利用定位銷73規定基體部件2和壓電元件3的相對位置，所以在粘接層固化步驟能夠防止它們的相對位置偏移。因此，可以降低因位置偏移造成的壓電驅動器1的振動特性的偏差。
(4)預先調整基體部件2中粘貼壓電元件3的粘貼面的表面粗糙度，所以能夠去除在基體部件2的製造過程中產生的毛刺。並且，通過統一基體部件2的表面粗糙度，可以控制基體部件2和壓電元件3之間的粘接層4的厚度(設置量)，所以能夠更進一步降低粘接層4的厚度偏差，降低壓電驅動器1的振動特性的偏差。
另外，本發明不限於前述實施方式，在可以實現本發明目的範圍內的變形、改良等包括在本發明中。
例如，在粘接層固化步驟中利用加壓夾具7加壓粘接層4，並且在加熱槽61中進行加熱，但不限於此，例如可以不使用加壓夾具7，而僅進行加熱固化。或者，不進行加熱，而通過置於加壓狀態下使粘接層4乾燥固化。另外，也可以不加壓不加熱，而把壓電驅動器1放置規定時間來使粘接層4乾燥固化。此時，例如，也可以僅使用加壓夾具7的下板71，對壓電元件3和基體部件2進行定位。
基體部件2的材料在本實施方式中由SUS301構成，但不限於此。例如，在粘接層固化步驟中在加熱狀態下使粘接層4固化時，為了減輕通過加熱造成的不同膨脹而產生的殘留應力，優選選擇熱膨脹係數接近壓電元件3的熱膨脹係數的材料。這樣，可以把壓電元件3的振動良好地傳遞給基體部件2，能夠更進一步降低振動損耗。
但是，基體部件2具有各種作用，例如作為可以伴隨壓電元件3的振動而變位的具有適當彈性的振動體的作用；作為支撐壓電驅動器1並將其固定在規定位置的固定部的作用；作為接觸被驅動體並驅動被驅動體的驅動部分的作用；作為可以與壓電元件3電導通的導電體的作用等等各種作用。因此，要求基體部件2具有作為加強部件的強度或支撐/固定用的強度、作為振動體的彈性、以及接觸被驅動體時的硬度和耐磨損性等。所以，基體部件2的材料優選在儘可能滿足這些作用的良好平衡的情況下適當決定。
在粘接層成形步驟中，把隔離物51配置在轉印紙5上，在轉印紙5上直接成形規定厚度的粘接層4，但不限於此。例如，在成形比鋁箔更薄的粘接層4時，準備所期望厚度的隔離物51是很困難的。該情況下，在粘接層成形步驟中，設置調整粘接層4的厚度的粘接層厚度調整步驟即可。在該粘接層厚度調整步驟，例如，把在粘接層成形步驟中已成形的粘接層4轉印到板狀的厚度調整用轉印部件上。這樣，殘留在轉印紙5上的粘接層4的厚度是轉印前的大約一半。通過適當設定在厚度調整用轉印部件上的轉印次數，可以成形更薄的粘接層4的厚度。由此，成形更薄的粘接層4，所以能夠更進一步地降低壓電驅動器1的振動損耗，防止振動衰減。
或者，例如也可以使用圖14所示的粘接層成形工裝8。
圖14(A)表示在壓電驅動器的粘接層成形步驟中所使用的粘接層成形工裝8的立體圖，圖14(B)表示利用該粘接層成形工裝8成形的粘接層4。在圖14(A)中，粘接層成形工裝8由不鏽鋼等剛性高的材料構成，並且形成為板狀。在粘接層成形工裝8的表面形成沿著其縱長方向平行的兩個槽83。通過這些槽83，粘接層成形工裝8的表面劃分成三部分。這些被劃分的部分中的中央為形成粘接層4的粘接層成形部82，其兩側成為均勻調整粘接層4的厚度的引導部81。粘接層成形部82的表面高度形成為低於引導部81的表面高度，該高度差t和在粘接層成形步驟中成形的粘接層4的厚度相同。該高度差t成為設置在壓電驅動器1的粘接層4的規定厚度的大約4倍，例如為10μm。
在成形粘接層4時，向粘接層成形部82噴出粘接劑41。然後，例如使利用不鏽鋼等高剛性的材料構成的板狀刮板的端邊(端辺)越過引導部81進行接觸。使刮板沿著引導部81的縱長方向以約1.5kg(1.5kgf)的力一面按壓引導部81一面移動，使粘接劑41延伸成均勻的厚度。通過該步驟，如圖14(B)所示，在粘接層成形部82上以粘接層成形部82和引導部81的高度差t的厚度成形粘接層4。此時，粘接劑41的剩餘部分積存在槽83中，所以能夠在整個粘接層成形部82形成厚度均勻的粘接層4。
然後，在成形於粘接層成形部82的粘接層4上面，緊密粘接聚醯亞胺或聚酯等具有撓性的紙。通過慢慢剝離該紙，大約一半厚度(即約5μm)的粘接層4被轉印到紙上。使該紙中被轉印了粘接層4的表面緊密粘接在壓電元件3上並轉印粘接層4，由此在壓電元件3的表面轉印厚約2.5μm的粘接層4。
如果使用這種粘接層成形工裝8，不在轉印紙5上直接成形粘接層4，而利用高剛性的工裝設定粘接層4的厚度，所以能夠高精度地設定厚度，並可以降低成形後的粘接層4的厚度偏差。並且，把成形於粘接層成形工裝8的粘接層4轉印到紙上，然後轉印到壓電元件3上，所以能夠使壓電元件3和基體部件2之間的粘接層4更薄。
粘接劑41的材料在本實施方式中是環氧樹脂，但不限於此，可以是任意的熱固化性樹脂或其他合成樹脂等，只要是固化後的肖氏D硬度為常溫下大於等於80HS的材料即可，如果是這種材料，與肖氏D硬度不足80HS的材料相比，可以更進一步降低振動損耗。由此，即使在低電壓時也能實現正常的穩定驅動，例如，在不具備外部電源的小型機器中可以提高電池壽命，並提高商品性。並且，基體部件2和壓電元件3、轉印紙5等各部件的材料不限於本實施方式中所記載的材料，可以考慮使用條件等任意選擇。
在壓電元件粘貼步驟中，在基體部件2的兩側各粘貼設置一個壓電元件3，但不限於此，例如可以層疊多個壓電元件3。該情況下，把轉印有粘接層4的壓電元件3粘貼設置在其他壓電元件上即可。或者，也可以把壓電元件3僅粘貼設置在基體部件2的一面。
基體部件2的表面粗糙度在本實施方式中利用砂紙進行調整，但不限於此，例如可以通過磨削或珩磨來進行調整。或者，未必一定要進行表面粗糙度的調整。例如，作為基體部件2的材料，即使直接使用預先形成有發線(hairline)的不鏽鋼或普通的不鏽鋼板材，由於在各製造步驟中把適當硬度的粘接層4設在基體部件2和壓電元件3之間，因此可以實現本發明的目的。如果直接使用這種板材，可以簡化壓電驅動器1的製造步驟。
壓電驅動器1的形狀不限於本實施方式所示形狀。可以根據壓電驅動器1的使用條件和使用用途任意設定，例如，如前面所述層疊多個壓電元件3；或通過在壓電元件3的電極層31設置槽，而在壓電元件3的表面形成多個電極；或變更基體部件2的凸部21的形成位置和形狀等。
壓電驅動器1可以發揮前述效果，所以，例如可以適用於驅動風扇來冷卻必要部位的冷卻機器等的各種機器。特別是壓電驅動器1不僅可以減小伴隨振動的能量損耗、做到低電壓驅動，而且可以形成小型薄型結構，所以非常適合於手錶或懷表等模擬可攜式鐘錶。
在以上記述中公開了實施本發明的最佳結構、方法等，但本發明不限於此。即，本發明主要對特定的實施方式進行了特別圖示及說明，但只要不脫離本發明的技術思想及目的範圍，本行業人員可以對以上所述的實施方式在形狀、材質、數量、及其他詳細結構方面進行各種變更。
因此，限定以上公開的形狀、材質等的記述是為了容易理解本發明而做的示例性記述，並不是用來限定本發明，所以利用這些形狀、材質等限定的一部分或全部限定之外的部件名稱進行的記述包括在本發明中。
本發明的壓電振動體除了可以適用於利用壓電元件的振動來驅動被驅動體的壓電驅動器、使用了壓電驅動器的冷卻機器等的機器外，也可以適用於手錶、懷表等模擬可攜式鐘錶等機器。
權利要求
1.一種壓電振動體，具有基體部件和粘貼設在該基體部件平面上的壓電元件，並使多個振動模式的共振點相互接近，其特徵在於，在所述基體部件和所述壓電元件之間設置粘接層，該粘接層的固化後的肖氏D硬度在常溫下大於等於80HS。
2.根據權利要求1所述的壓電振動體，其特徵在於，所述粘接層由單液相無溶劑型環氧樹脂製成。
3.一種壓電振動體的製造方法，壓電振動體具有基體部件和粘貼設在該基體部件平面上的壓電元件，並使多個振動模式的共振點相互接近，其特徵在於，具有使設置在所述基體部件和所述壓電元件之間的粘接劑成形為規定厚度的粘接層的粘接層成形步驟；把在粘接層成形步驟中成形的所述粘接層轉印到所述壓電元件上的粘接層轉印步驟；把轉印有所述粘接層的所述壓電元件粘貼設在所述基體部件或其他壓電元件上的壓電元件粘貼步驟。
4.根據權利要求3所述的壓電振動體的製造方法，其特徵在於，所述粘接層成形步驟具有粘接層厚度調整步驟，把所述粘接層轉印到厚度調整用轉印部件上，利用其轉印次數來調整所述粘接層的厚度。
5.根據權利要求3或4所述的壓電振動體的製造方法，其特徵在於，在所述壓電元件粘貼步驟之後，具有在加熱狀態且加壓狀態下使所述粘接層固化的粘接層固化步驟。
6.根據權利要求3～5中任一項所述的壓電振動體的製造方法，其特徵在於，在所述壓電元件粘貼步驟之前，具有調整所述基體部件中粘貼所述壓電元件的一面的表面粗糙度的表面粗糙度調整步驟。
7.根據權利要求3～6中任一項所述的壓電振動體的製造方法，其特徵在於，與所述壓電元件粘貼步驟同時或在所述壓電元件粘貼步驟之後，具有確定所述基體部件和所述壓電元件的相對位置的定位步驟。
8.一種用權利要求3～7中任一項所述的壓電振動體的製造方法製造的壓電振動體，其特徵在於，所述基體部件和所述壓電元件的熱膨脹係數相互接近。
9.一種機器，其特徵在於，其使用了權利要求1、權利要求2和權利要求8中任一項所述的壓電振動體、或用權利要求3～7中任一項所述的壓電振動體的製造方法製造的壓電振動體。
全文摘要
一種壓電振動體及其製造方法以及具有該壓電振動體的機器，該壓電振動體使用肖氏D硬度大於等於80HS的粘接劑在壓電元件(3)和基體部件(2)之間形成粘接層(4)來粘接兩者。粘接層(4)通過在轉印紙上配置兩個隔離物，使粘接劑在該隔離物之間延伸並成形為均勻的厚度。並且，在加壓狀態下加熱利用粘接層(4)粘接的基體部件(2)和壓電元件(3)，使粘接層(4)固化。固化後的粘接層(4)是高硬度，所以能夠降低粘接層(4)的振動損耗。並且，粘接層(4)的厚度均勻，所以能夠降低壓電驅動器(1)的振動特性的偏差。
文檔編號G10K9/122GK1684776SQ200380100100
公開日2005年10月19日 申請日期2003年11月7日 優先權日2002年11月12日
發明者澤田明宏, 赤羽秀弘, 長濱玲子 申請人:精工愛普生株式會社