JP2013207091A - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外力に対する脆さを改善し耐力を向上できる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ１００であって、複数の圧電素子１１２および複数の圧電素子１１２のそれぞれの端部に当接する当接部材１１７〜１１９を直列方向に交互に積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体１１０を備え、当接は、突部１１４と凹部１１６とによりこれらの軸上の点を重心とする３点以上でなされ、当接の軸方向が伸縮方向に一致している。複数の圧電素子１１２が当接部材１１７〜１１９に当接して直列に設けられているため、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。

内部電極と圧電層とを積層して焼成により得られた圧電素子は電圧印加時に積層方向に伸縮するが、単体では変位量が小さい。そこで、図９に示すように、いくつもの圧電素子９１３を積み重ねて多連化した圧電アクチュエータ本体９１０を構成し、トータルで大きな変位量を得る方法が知られている。たとえば特許文献１では、このように多連化した圧電アクチュエータ本体９１０で構成される積層型圧電アクチュエータの性能を向上させる工夫がなされている。このようにして、積層型圧電アクチュエータは大きな変位を得られる。

特開２００８−２７７８５５号公報

しかしながら、多連化された圧電アクチュエータ本体９１０は長尺となり、落下など横方向の外力に対して弱く、図１０に示すように圧電アクチュエータ本体９１０の破損が起こりやすい。また、圧電素子９１３同士が接着剤により強力に接着されているために、図１１に示すように多連化された圧電アクチュエータ本体９１０の内に一つでも不良品の圧電素子９１３があると、その不良が発生した圧電素子９１３に連なっている良品の圧電素子９１３も全て使用不能とになり、損失が大きくなりやすい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外力に対する脆さを改善し耐力を向上できる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子および前記複数の圧電素子のそれぞれの端部に当接する当接部材を直列方向に交互に積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備え、前記当接は、凸部と凹部とによる当接の軸上の点を重心とする３点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致していることを特徴としている。

このように、本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子が当接部材に当接して直列に設けられているため、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させることができる。また、複数の圧電素子のいずれかに不良が生じたときでも不良のあった圧電素子だけを入れ替えて正常に用いることができる。また、多連化により長尺化させていないため、圧電アクチュエータ本体の全体の反り量を低減できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記凸部が、球状突起として形成され、
前記凹部は、円錐状穴として形成されていることを特徴としている。これにより、凸部と凹部とを適正な位置で当接させやすい。その結果、圧電素子と当接部材とを適切な位置で積み重ねるとともに、外力を受けたときの耐力を向上させることができる。また、圧電素子の伸縮方向への変位を先端まで十分に伝えることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電素子が、両端に前記凸部を有し、前記当接部材は、少なくとも一方の主面に前記凹部を有することを特徴としている。これにより、圧電素子を積み重ねた圧電アクチュエータ本体をキャップ内で構成しやすくなる。また、このような形状の圧電素子や当接部材は作製しやすい。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記当接部材が、前記圧電素子の伸縮方向に垂直な方向への移動が拘束されていることを特徴としている。これにより、キャップ内で圧電素子を適正な位置で積み重ねることができる。また、キャップ内に所定の順序で圧電素子と当接部材を入れるだけで圧電アクチュエータ本体を形成できる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電素子が、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電体を直列に多連化して形成されていることを特徴としている。これにより、効率よく大きな変位を得られ、かつ反りを生じずに外力への耐力がある圧電アクチュエータ本体を構成できる。

（６）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法であって、キャップ内に前記複数の圧電素子および当接部材を交互に挿入して積み重ねる工程と、前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させた圧電アクチュエータを容易に製造することができる。

本発明によれば、圧電アクチュエータの外力に対する脆さを改善し耐力を向上させることができる。

本発明の圧電アクチュエータを示す側断面図である。 （ａ）〜（ｃ）当接部材を示す正面図、側面図および背面図である。 （ａ）〜（ｄ）本発明の圧電アクチュエータの製造工程の各場面を示す断面図である。 本発明の圧電アクチュエータ本体の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。 （ａ）〜（ｃ）当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。 （ａ）〜（ｃ）当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。 圧電素子を示す側面図である。 従来の圧電アクチュエータ本体を示す側面図である。 従来の圧電アクチュエータ本体を示す側面図である。 従来の圧電アクチュエータ本体を示す側面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電アクチュエータ１００を示す側断面図である。圧電アクチュエータ１００は、電圧の印加により伸縮し、電圧に応じて先端が変位するものであり、たとえばポジショナ（位置決め装置）、マスフローコントローラ等に用いられる。図１に示すように、圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１１０、キャップ１２０および座１３０を備えている。

圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９により構成されている。圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を直列方向に交互に積み重ねて形成されている。圧電素子１１２は、両端に凸部１１４を有している。凸部１１４は、球状突起であり、ＳＵＳで形成されていることが好ましいが、セラミック製であってもよい。凸部１１４は、球の中心が圧電素子１１２の中心軸上に位置するように形成されていることが好ましい。当接部材１１７〜１１９は、複数の圧電素子１１２のそれぞれの端部に当接している。

なお、圧電素子１１２は、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電体（焼成体）１１３の単体であってもよいが、これを複数個、端面で直列に接着して多連化したものであることが好ましい。圧電体１１３を多連化して圧電素子１１２が形成されることで、効率よく大きな変位を得ることができる。図１に示す例では、圧電素子１１２は、６個の圧電体１１３を多連化して形成されている。このようにして、圧電アクチュエータ本体１１０による変位量は圧電体１１３を１２連とした場合の変位量を維持している。

圧電素子１１２は当接部材１１８を介して当接のみで締結されている。したがって、複数の圧電素子１１２のいずれかに不良が生じたときでも不良のあった圧電素子１１２だけを入れ替えて用いることができる。圧電アクチュエータ１００では、仮に先端側の圧電素子１１２において圧電体１１３の不良品が確認された場合でも、それが座側の圧電素子１１２に影響を与えることは無く、座側の圧電素子１１２の再利用が可能となる。

また、多連化により長尺化させていないため圧電アクチュエータ１００全体の反り量を低減できる。単体の圧電体１１３の両端面には平行度にばらつきがあり、それらを多連化し、ばらついている部分が積み重ねられると多連化による反りが発生する。この反り量は多連化が多い程に大きく、顕著となり、ずれを生じさせる。圧電アクチュエータ１００では、一体に多連化される圧電体１１３の数が減り、また寸法精度を設けた当接部材１１７〜１１９を用いるため、反り量を分散させて、ずれを低減することができる。また、長尺化せずに圧電素子１１２の両端間を短くすることで、一定の外力が加わったときに圧電素子１１２に発生するモーメントが減少し、外力への耐力が向上する。

当接部材１１７〜１１９は、たとえば金属製であり、少なくとも一方の主面に凹部１１６を有する。先端側の当接部材１１７は、座１３０側の主面に凹部１１６を有し、連係用の当接部材１１８は、両主面に凹部１１６を有し、座側の当接部材１１９は、先端側の主面に凹部１１６を有している。図２（ａ）〜（ｃ）は、連係用の当接部材１１８を示す正面図、側面図および背面図である。

凹部は、円錐状穴として形成され、凸部１１４と凹部１１６との各当接は、これらの軸上の点を中心とする円上でなされている。なお、円上で当接することが好ましいが、少なくとも凸部１１４および凹部１１６の軸上の点を重心とする３点以上で当接がなされ、当接の軸方向が伸縮方向に一致していればよい。３点以上で当接することで、凸部１１４が所定位置から伸縮方向に垂直な方向にずれることがない。なお、当接の軸とは、凸部１１４および凹部１１６の形状の対称性から決まる軸である。

このように凸部１１４と凹部１１６とが当接することで、複数の圧電素子１１２を適正な位置で積み重ねやすい。そして、当接により圧電アクチュエータ本体１１０が構成されることで、凸部１１４が、凹部１１６上で滑って外力を逃がすことが可能となり、圧電アクチュエータ１００が外力を受けたときの耐力を向上させることができる。そして、圧電素子１１２の伸縮方向への力を十分に伝えることができる。

当接部材１１７〜１１９は、周囲にキャップ１２０の内壁があるため、圧電素子１１２の伸縮方向に垂直な方向への移動が拘束されている。これにより、キャップ１２０内で圧電素子１１２を適正な位置で積み重ねることができる。また、キャップ１２０内に所定の順序で圧電素子１１２と当接部材１１７〜１１９を入れることで圧電アクチュエータ本体１１０を形成できる。

キャップ１２０は、たとえばＳＵＳのような金属製であり、有底開口の円筒形状に形成されている。そして、底側には、圧電アクチュエータ１００の先端として変位を伝えるための球状突起１２５を備えている。キャップ１２０は、圧電アクチュエータ本体１１０を内部に収容し、開口部が座１３０に固着されており、圧電素子１１２のリード線を座１３０を通して外に出してキャップ１２０内は封止されている。キャップ１２０には、ベローズ１２８が設けられ、圧電アクチュエータ本体１１０の伸縮に応じて先端の変位が可能になっている。なお、ベローズ１２８に代えて、キャップ１２０の先端をダイヤフラム構造としてもよい。

座１３０は、圧電アクチュエータ本体１１０を支持しており、キャップ１２０が固着されている。たとえばポジショナ等では、キャップ１２０の先端と座１３０との間に予圧をかけた状態で圧電アクチュエータ１００は設置される。

（圧電アクチュエータの製造方法）
次に、上記のように構成された圧電アクチュエータ１００の製造方法を説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の圧電アクチュエータ１００の製造工程の各場面を示す断面図である。まず、圧電素子１１２、当接部材１１７〜１１９、キャップ１２０および座１３０を準備する。圧電素子１１２は、所定個数の圧電体１１３を積層方向の端面で接着して直列に連結（多連化）し、両端に凸部１１４を設けて、分極処理して作製する。

次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すようにキャップ１２０内に先端用の当接部材１１７を挿入する。キャップ１２０の先端（すなわち底側）を下向きにしておけば、当接部材１１７は、キャップ１２０の底部に固定される。そして、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように圧電素子１１２、当接部材１１８、圧電素子１１２、座側の当接部材１１９の順で圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を交互に挿入して積み重ねる。このときに、凸部１１４と凹部１１６とが嵌り、互いに当接する。そして、最後に、キャップ１２０と座１３０とを固着し、リード線を通した孔を封止する。このようにして、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させた圧電アクチュエータ１００を容易に製造することができる。

上記の圧電アクチュエータ本体１１０の形成に際し、当接部材１１７〜１１９と圧電素子１１２とは、当接しているだけであり、接着剤等で一体の系として締結されているわけではない。したがって、圧電アクチュエータ１００のキャップ１２０と座１３０との封止を解除して分離すれば、キャップ１２０から圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を容易に取り出して分解できる。

［第２実施形態］
上記の実施形態では、圧電アクチュエータ本体１１０は、２つの圧電素子１１２を備えているが、３つ以上の圧電素子により構成されていてもよい。図４は、圧電アクチュエータ本体２１０の一例を示す断面図である。

図４に示す例では、各圧電素子２１２が、４つの圧電体１１３を直列に連結し、両端に凸部１１４を設けることで構成されている。設計時には、圧電アクチュエータ本体を構成する圧電体１１３の数は一定として、最終的に得られる変位を一定となるように設計することが好ましい。上記の例以外に３つの圧電体１１３を直列に連結して構成した圧電素子を４つ積み重ねて圧電アクチュエータ本体を構成することも可能である。

［第３実施形態］
上記の実施形態では、当接部材１１７〜１１９の凹部１１６が、円錐穴により形成されているが、凹部は中心軸を有し底部に向かって狭くなる形状であれば円錐穴以外の形状に形成されていてもよい。

図５（ａ）〜（ｃ）は、当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、当接部材３１８は、正三角錐穴の凹部３１６を有している。この例では、圧電素子１１２の球状の凸部１１４がこの穴の内壁面に当接して、圧電アクチュエータ本体が形成される。凹部３１６と凸部１１４との当接は、正三角錐穴の中心軸上の点を重心とする３点でなされる。これにより、圧電素子１１２の端部がバランス良く所定の位置に固定される。

図６（ａ）〜（ｃ）は、当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、当接部材４１８は、楕円錐穴の凹部４１６を有している。この例では、圧電素子１１２の球状の凸部１１４がこの穴の内壁面に当接して、圧電アクチュエータ本体が形成される。凹部４１６と凸部１１４との当接は、楕円錐穴の中心軸上の点を重心とする円上でなされる。これにより、圧電素子１１２の端部がバランス良く所定の位置に固定される。

図７（ａ）〜（ｃ）は、当接部材の一例を示す正面図、側面図および背面図である。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、当接部材５１８は、台形穴の凹部５１６を有している。この例では、圧電素子１１２の球状の凸部１１４がこの穴の内壁の斜面に当接して、圧電アクチュエータ本体が形成される。凹部５１６と凸部１１４との当接は、楕円錐穴の中心軸上の点を重心とする円上でなされる。これにより、圧電素子１１２の端部がバランス良く所定の位置に固定される。

［第４実施形態］
上記の実施形態では、圧電素子１１２の凸部１１４が球状に形成されているが、凸部は球状以外の形状に形成されていてもよい。図８は、圧電素子の一例を示す側面図である。図８に示すように、圧電素子６１２は、その両端部に楕円体状の凸部６１４を有している。このような楕円体状の凸部６１４であっても、当接部材１１７〜１１９の凹部１１６の円錐穴の側面上の円の位置で凸部６１４を当接させることができる。凸部は、上記のように圧電素子６１２の中心軸上の点を重心とする形状とすることが好ましい。

［第５実施形態］
上記の実施形態では、圧電素子１１２に凸部１１４が設けられており、当接部材１１７〜１１９に凹部１１６が設けられているが、圧電素子１１２に凹部１１６が設けられ、当接部材１１７〜１１９に凸部１１４が設けられていてもよい。この場合には、当接部をキャップ１２０の内壁面で拘束するのが難しいが、連係用の当接部材を球とすればよく、製造が容易になる利点が得られる可能性がある。なお、上記のような場合と比べ、球状の凸部１１４を有する圧電素子１１２や円錐穴の凹部１１６を有する当接部材１１７〜１１９は作製しやすいと考えられる。

［その他の実施形態］
なお、突起無しの複数の圧電素子と嵌合する当接部材を直列に連結して圧電アクチュエータ本体を構成する構造も考えられる。この場合、不良品の圧電焼成体があったときに損失を抑え、圧電アクチュエータ全体の反り量を低減することができる。しかし、当接部材の側の凹部に寸法公差が必要となり、また圧電素子の底面積もばらつき、圧電素子が凹部に入らなかったり、角が欠けたりする可能性が生じる。当接を上記のように凸部１１４と凹部１１６とにより行なうことで、このような問題を防止することができる。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ 圧電アクチュエータ本体
１１２ 圧電素子
１１３ 圧電体
１１４ 凸部
１１６ 凹部
１１７〜１１９ 当接部材
１２０ キャップ
１２５ 球状突起
１２８ ベローズ
１３０ 座
２１０ 圧電アクチュエータ本体
２１２ 圧電素子
３１８、４１８、５１８ 当接部材
３１６、４１６、５１６ 凹部
６１２ 圧電素子
６１４ 凸部

Claims (6)

1. 電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、
   複数の圧電素子および前記複数の圧電素子のそれぞれの端部に当接する当接部材を直列方向に交互に積み重ねて形成された圧電アクチュエータ本体を備え、
   前記当接は、凸部と凹部とによる当接の軸上の点を重心とする３点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記凸部は、球状突起として形成され、
   前記凹部は、円錐状穴として形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電素子は、両端に前記凸部を有し、
   前記当接部材は、少なくとも一方の主面に前記凹部を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記当接部材は、前記圧電素子の伸縮方向に垂直な方向への移動が拘束されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記圧電素子は、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電体を直列に多連化して形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法であって、
   キャップ内に前記複数の圧電素子および当接部材を交互に挿入して積み重ねる工程と、
   前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。

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