JP2015185588A

JP2015185588A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP2015185588A
Application number: JP2014058645A
Authority: JP
Inventors: 雄一館山; Yuichi Tateyama
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd
Current assignee: NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: JP6315447B2

Abstract

【課題】絶縁破壊のリスクを分散させるとともに、一部の圧電素子で絶縁破壊があっても変位量を低下させることなく機能を維持できる圧電アクチュエータを提供する。【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、圧電セラミックス層と内部電極層との積層により形成され、伸縮方向に連結された複数の圧電素子１１０を備え、複数の圧電素子１１０は、区分されたグループ１１０ａ、１１０ｂごとに独立の電源に接続されている。これにより、あるグループに属する圧電素子に絶縁不良が生じた場合であっても、その他のグループの圧電素子を駆動させることを可能にする。【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に関する。

従来、圧電セラミックス層と内部電極とが交互に積層された積層型の圧電素子を連結して構成される圧電アクチュエータが知られている。図４は、従来の圧電アクチュエータ２００を示す正面図である。圧電アクチュエータ２００は、複数の圧電素子２１０が伸縮方向に沿って連結されて形成されている。

いずれの圧電素子２１０も、外部電極２２０によりリード部材２３０に接続され、リード部材２３０は、端子２６０に接続されている。このような圧電アクチュエータ２００は、繰り返しの使用により、内部電極に用いている金属のイオンマイグレーションやリード部材２３０への応力集中等が原因で、圧電素子２１０に絶縁破壊が生じる。

これに対し、特許文献１は、一部の圧電素子が絶縁破壊した場合でも、他の圧電素子が駆動を継続できる圧電アクチュエータの構造を提案している。特許文献１記載の圧電アクチュエータは、一部の圧電素子が絶縁破壊すると、その圧電素子の表面上に形成され、外部電極に接続された過電流制限部が電流を制限する。

特開２０１３−０７７６１６号公報

しかし、特許文献１に示される構造では、全ての圧電素子を同じ電源で駆動させているため、絶縁劣化は全ての圧電素子に同様に起こりうる。そのため、一部の圧電素子に絶縁破壊があれば、間もなくしてその他の圧電素子も劣化する可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、絶縁破壊のリスクを分散させるとともに、一部の圧電素子で絶縁破壊があっても変位量を低下させることなく機能を維持できる圧電アクチュエータ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、圧電セラミックス層と内部電極層との積層により形成され、伸縮方向に連結された複数の圧電素子を備え、前記複数の圧電素子は、区分されたグループごとに独立の電源に接続されていることを特徴としている。

これにより、あるグループに属する圧電素子に絶縁不良が生じた場合であっても、その他のグループの圧電素子を駆動させることを可能にする。したがって、絶縁破壊のリスクを分散させるとともに、一部の圧電素子で絶縁破壊があっても変位量を低下させることなく圧電アクチュエータの機能を維持できる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記複数の圧電素子が、属するグループごとに伸縮方向を軸として９０°回転した配置で連結されていることを特徴としている。これにより、グループごとに圧電素子に接続する端子を区分し、容易に電気的な接続をとることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記複数の圧電素子に接続されるハーメチック端子が貫通する座を更に備え、前記座は、前記ハーメチック端子が前記軸の周りに前記グループごとに配置されていることを特徴としている。これにより、ハーメチック端子について容易に電気的な接続をとることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記複数の圧電素子が属するグループが２つであり、前記座には前記グループごとに２本ずつ合計４本のハーメチック端子が貫通していることを特徴としている。これにより、グループごとにハーメチック端子を分けて各グループに属する圧電素子に容易に独立した電源の接続をとることができる。

本発明によれば、絶縁破壊のリスクを分散させるとともに、一部の圧電素子で絶縁破壊があっても変位量を低下させることなく圧電アクチュエータの機能を維持できる。

本発明の圧電アクチュエータを示す正面図である。（ａ）、（ｂ）それぞれ圧電アクチュエータ本体を示す正面図および平面図である。（ａ）、（ｂ）それぞれ座およびハーメチック端子を示す正面図および平面図である。従来の圧電アクチュエータを示す正面図である。

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。

（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を示す正面図である。図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ本体１０５を示す正面図および平面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ座１５０およびハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂを示す正面図および平面図である。これらの図に示す圧電アクチュエータ１００は一例であって、素子数等で本発明を限定するものではない。

圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、リード部材１３０ａ、１３０ｂ、座１５０およびキャップ１７０を備え、電圧の印加により伸縮する。圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１０５がその端面同士を接着され、伸縮方向に沿って連結され、先端に半球１４０を接着することで形成されている。複数の圧電素子１１０は、圧電セラミックス層と内部電極層とが積層されることで形成されている。

複数の圧電素子１１０は、それぞれがグループ１１０ａ、１１０ｂに区分され、それぞれ多連化素子１１５ａ、１１５ｂを形成する。各グループ１１０ａ、１１０ｂに対しては、独立した電源に接続されている。圧電アクチュエータ１００においては、例えば一方のグループ１１０ａに属する一つの圧電素子１１０に絶縁不良が生じても、その他のグループ１１０ｂの圧電素子１１０を駆動させることができる。

したがって、絶縁破壊のリスクを分散させるとともに、一部の圧電素子１１０で絶縁破壊があっても変位量を低下させることなく圧電アクチュエータ１００の機能を維持できる。なお、グループを構成する圧電素子の数は必ずしも均等でなくてもよい。また、グループは先端側と座側で２つに分かれている必要はなく、交互の順で異なるグループに属してもよい。

図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の圧電素子１１０は、属するグループごとに伸縮方向を軸として９０°回転した配置で連結されていることが好ましい。これにより、グループごとに圧電素子に接続する端子を区分し、容易に電気的な接続をとることができる。なお、この場合の圧電素子１１０の形状は、正四角柱が好ましく、９０°回転しても端面の形状が重なるため、上記の配置を容易にとることができる。

座１５０は、複数の圧電素子１１０を支持するとともに、キャップ１７０により封止されることで、圧電アクチュエータ本体１０５を密封する。ハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂは座１５０を貫通して設けられている。貫通孔には樹脂が充填され、密封が維持されている。

座１５０には、ハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂが、素子の伸縮方向に伸びる軸の周りにグループごとに配置されていることが好ましい。これにより、ハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂについて容易に電気的な接続をとることができる。

ハーメチック端子１６０ａは、ハーメチック端子１６０ｂとは独立した電源に接続されており、その一方でグループ１１０ａに属する半数の圧電素子１１０の外部電極１２０に導通している。ハーメチック端子１６０ｂは、ハーメチック端子１６０ａとは独立した電源に接続されており、一方ではグループ１１０ａの圧電素子１１０の外部電極１２０に導通している。

グループ１１０ａに属する圧電素子１１０は、グループ１１０ｂに属する圧電素子１１０に対し、圧電素子１１０の積層方向を回転軸として９０°回転させ、連結するとリード部材の接続が容易になる。その際には、図に示すように、多連化素子１１５ａと多連化素子１１５ｂとでそれぞれグループ１１０ａ、グループ１１０ｂを形成することが好ましい。

図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、複数の圧電素子１１０が属するグループは、２つであり、座１５０にはグループごとに２本ずつ合計４本のハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂが貫通していることが好ましい。グループごとにハーメチック端子が区分されているため、各グループに属する圧電素子１１０に容易に接続をとることができる。

次に、２対のハーメチック端子１６０ａ、１６０ｂは、リード部材１３０ａ、１３０ｂを介して、グループ１１０ａに属する圧電素子１１０および、グループ１１０ｂに属する圧電素子１１０にそれぞれ導通されている。

図１に示す例では、多連化素子１１５ａと多連化素子１１５ｂはそれぞれ独立して駆動可能である。よって多連化素子１１５ａおよび多連化素子１１５ｂ各々に十分な変位量を持たせておけば、多連化素子１１５ａが絶縁不良となった場合でも、多連化素子１１５ｂを駆動させることで、変位量を低下させることなく、圧電アクチュエータとしての機能を維持できる。

（圧電アクチュエータの作製方法）
上記のような圧電アクチュエータ１００の作製方法の一例を説明する。まず、半数の圧電素子ごとにハーメチック端子を用意する。多連化素子１１５ａおよび多連化素子１１５ｂ各々は、十分な変位量を持たせて設計し、多連化素子１１５ａは多連化素子１１５ｂに対し、素子の伸縮方向を回転軸として９０°回転させ、それぞれを連結する。そして、２対のハーメチック端子を、リード部材１３０ａ、１３０ｂを介して多連化素子１１５ａおよび１１５ｂにそれぞれ導通させる。

このようにして、圧電アクチュエータ１００を作製し、多連化素子１１５ａと多連化素子１１５ｂをそれぞれ独立した電源で駆動できる。よって、多連化素子１１５ａのみの駆動となった場合でも圧電アクチュエータとしての機能を果たせる。また多連化素子１１５ａが絶縁不良となった場合でも、多連化素子１１５ｂを駆動させることで、変位量を低下させることなく、圧電アクチュエータとしての機能を維持できる。

なお、上記の実施形態では、好ましい例として２つのグループがある場合を説明しているが、グループを３以上に分けてもよい。ただし、その場合には配線や電源の準備の効率についても注意する必要がある。

１００圧電アクチュエータ
１０５圧電アクチュエータ本体
１１０圧電素子
１１０ａ、１１０ｂグループ
１１５ａ、１１５ｂ多連化素子
１２０外部電極
１３０ａ、１３０ｂリード部材
１４０半球
１５０座
１６０ａハーメチック端子
１６０ｂハーメチック端子
１７０キャップ

Claims

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、
圧電セラミックス層と内部電極層との積層により形成され、伸縮方向に連結された複数の圧電素子を備え、
前記複数の圧電素子は、区分されたグループごとに独立の電源に接続されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記複数の圧電素子は、属するグループごとに伸縮方向を軸として９０°回転した配置で連結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。
前記複数の圧電素子に接続されるハーメチック端子が貫通する座を更に備え、
前記座は、前記ハーメチック端子が前記軸の周りに前記グループごとに配置されてい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。
前記複数の圧電素子が属するグループは２つであり、前記座には前記グループごとに２本ずつ合計４本のハーメチック端子が貫通していることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。