JP2020035972A - Piezoelectric actuator - Google Patents

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Abstract

To provide a piezoelectric actuator which can be used even in a severe environment, and can accurately detect a displacement without restricting the displacement of a piezoelectric element.SOLUTION: A piezoelectric actuator includes: a piezoelectric actuator body 105 formed of a plurality of piezoelectric elements 110 connected in series; a transfer body 150 which has a body part 152 which continuously connects between at least two fastening parts 151 and 151 which are respectively fastened to positions between piezoelectric elements 110 mutually apart in the displacement direction of the piezoelectric actuator body 105, to transmit the displacement between the two fastening parts 151; a displacement sensor 155 which detects the transferred displacement; a seat 140 which fixes one end of the piezoelectric actuator body 105; a cap 160 which is formed in a bottomed cylindrical shape, internally houses the piezoelectric actuator body 105, the transfer body 150 and the displacement sensor 155, and has an opening end sealed on the seat. The displacement sensor 155 is attached to the transfer body 150.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。   The present invention relates to a piezoelectric actuator that is displaced by applying a voltage.

圧電アクチュエータを構成する圧電素子は、伸長と収縮の過程でヒステリシスを示す。したがって、半導体や高精細液晶の製造に用いられる精密位置決め用途では、変位センサによりフィードバック制御を行い、ヒステリシスによる位置決め誤差を低減させている。また、圧電アクチュエータは、半導体製造装置へ各種ガスを精密に供給する際の流量調整バルブまたは精密な数値制御加工機の微動機構にも使用されている。また、医療用マニピュレータの制御や航空宇宙用機体の姿勢制御の高度化に伴い、高精度に制御可能な圧電アクチュエータの利用が検討されている。   A piezoelectric element constituting a piezoelectric actuator exhibits hysteresis in the process of expansion and contraction. Therefore, in precision positioning applications used for manufacturing semiconductors and high-definition liquid crystals, feedback control is performed by a displacement sensor to reduce positioning errors due to hysteresis. Further, the piezoelectric actuator is also used as a flow control valve for precisely supplying various gases to a semiconductor manufacturing apparatus or a fine movement mechanism of a precision numerical control processing machine. Also, with the advancement of control of medical manipulators and attitude control of aerospace vehicles, use of piezoelectric actuators that can be controlled with high precision is being studied.

圧電アクチュエータのフィードバック制御では、変位を検出する外部のセンサを採用することが多い。このようなフィードバック制御方式を適用した場合、高精度な位置決めが可能になるが、システムが複雑で高価となり、用途も限定される。これに対し、樹脂封止した圧電アクチュエータ本体に歪ゲージなどの変位センサを直接貼付し、部分的な変位信号を利用する簡易型のフィードバック制御も提案されている(特許文献1参照)。   In feedback control of a piezoelectric actuator, an external sensor for detecting displacement is often used. When such a feedback control method is applied, high-precision positioning is possible, but the system is complicated and expensive, and its use is limited. On the other hand, a simple feedback control using a partial displacement signal by directly attaching a displacement sensor such as a strain gauge to a resin-sealed piezoelectric actuator body has been proposed (see Patent Document 1).

特開平5−206536号公報JP-A-5-206536

しかしながら、特許文献1記載の圧電アクチュエータでは、簡易的な封止がなされているとはいえ、比較的安価な変位センサである歪ゲージが高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境で用いられると、その特性の劣化は避けられず、長期間にわたる安定した使用は困難である。また、圧電素子に変位センサを直接貼付すると、部分的に圧電素子の変位を拘束することになり、圧電素子にクラックが発生し絶縁破壊させる要因となる。   However, in the piezoelectric actuator described in Patent Document 1, although a simple sealing is performed, when a strain gauge, which is a relatively inexpensive displacement sensor, is used in a severe environment such as under high humidity or corrosive gas. In addition, deterioration of its characteristics is inevitable, and stable use over a long period of time is difficult. Further, if the displacement sensor is directly attached to the piezoelectric element, the displacement of the piezoelectric element is partially restrained, which causes a crack in the piezoelectric element and causes dielectric breakdown.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、過酷な環境でも用いることができ、圧電素子の変位を拘束せずに正確に変位を検知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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator that can be used in a severe environment and that can accurately detect displacement without restricting displacement of a piezoelectric element. I do.

(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、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子を直列に連結して形成された圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の互いに変位方向に離れた前記圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される少なくとも2つの固着部および前記固着部の間を連続的につなぎかつ前記2つの固着部の間の変位を伝達する本体部を有する伝達体と、前記伝達された変位を検知する変位センサと、前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体、前記伝達体および前記変位センサを収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、前記変位センサは、前記伝達体に取り付けられていることを特徴としている。   (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to the present invention is a piezoelectric actuator that is displaced by applying a voltage, and includes a piezoelectric actuator body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series, At least two fixing portions respectively fixed at positions between the piezoelectric elements that are separated from each other in the displacement direction of the actuator body, continuously connect the fixing portions, and transmit the displacement between the two fixing portions. A transmitting body having a main body portion, a displacement sensor for detecting the transmitted displacement, a seat for fixing one end of the piezoelectric actuator main body, a bottomed cylindrical shape, and the inside of the piezoelectric actuator main body, the A cap accommodating the transmission body and the displacement sensor, and having an open end sealed to a seat, wherein the displacement sensor is attached to the transmission body. It is characterized in that.

このように、圧電素子における変位方向と平行な面に直接変位センサを貼り付けていないので、圧電素子の変位を拘束せずに伝達体を介して変位を検知できる。その結果、変位の拘束によるクラックで絶縁破壊するのを防止しつつ圧電アクチュエータ本体の変位量を検出することができ、圧電アクチュエータを使用した位置決めを行う際の位置決め誤差を低減できる。また、キャップにより周囲の環境から圧電アクチュエータ本体と変位センサを保護でき、圧電アクチュエータの信頼性と耐久性を向上できる。   As described above, since the displacement sensor is not directly attached to the surface of the piezoelectric element parallel to the direction of displacement, the displacement can be detected via the transmission body without restricting the displacement of the piezoelectric element. As a result, the displacement amount of the piezoelectric actuator main body can be detected while preventing the dielectric breakdown due to the crack due to the displacement constraint, and the positioning error when performing the positioning using the piezoelectric actuator can be reduced. In addition, the cap can protect the piezoelectric actuator body and the displacement sensor from the surrounding environment, and can improve the reliability and durability of the piezoelectric actuator.

(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伝達体が、U字状の薄板で形成され、前記U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が前記固着部として前記圧電アクチュエータ本体に固着していることを特徴としている。このように折れ曲がった両先端部を用いることで圧電素子における変位方向と平行な面に直接変位センサを貼り付けることなく、伝達体を十分に固着し、これに変位センサを固定することで、変位センサに加わる歪が平均化され変位センサの耐久性向上が可能になる。   (2) In the piezoelectric actuator of the present invention, the transmitting body is formed of a U-shaped thin plate, and both bent front ends of the U-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuator body as the fixing portions. It is characterized by having. By using both bent end portions in this way, the transmitter is sufficiently fixed without directly attaching the displacement sensor to the surface parallel to the displacement direction of the piezoelectric element, and the displacement sensor is The strain applied to the sensor is averaged, and the durability of the displacement sensor can be improved.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記薄板の前記固着部の間の中央部である前記本体部の前記変位方向における長さは、前記圧電アクチュエータに固着された状態の固着部間の前記変位方向における直線距離より長く、前記本体部は前記2つの固着部間の圧縮力により撓んで配置されていることを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータ本体が変位する際の特に圧電アクチュエータ本体の伸びる変位に対して、予め撓んで配置されている伝達体も圧電アクチュエータ本体の変位に合わせて撓みが解消される方向へ動くことで、圧電アクチュエータ本体が伝達体に拘束されることがない。したがって、圧電素子にクラック等が発生することを抑制し、安定して変位センサに変位を伝達できる。   (3) In the piezoelectric actuator according to the aspect of the invention, the length of the main body, which is a central portion between the fixing portions of the thin plate, in the displacement direction may be between the fixing portions fixed to the piezoelectric actuator. It is longer than the linear distance in the displacement direction, and the main body is arranged to be bent by a compressive force between the two fixing portions. Accordingly, when the piezoelectric actuator main body is displaced, particularly, when the piezoelectric actuator main body is extended, the transmission body that is previously bent is also moved in a direction in which the bending is canceled in accordance with the displacement of the piezoelectric actuator main body. In addition, the piezoelectric actuator main body is not restricted by the transmission body. Therefore, the occurrence of cracks and the like in the piezoelectric element can be suppressed, and the displacement can be stably transmitted to the displacement sensor.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記本体部が、前記圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状の平板であることを特徴としている。これにより、変位に対する応答性を向上できる。圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状とは、圧電アクチュエータ本体の変位に対して、本体部の共振を考慮した形状に本体部を形成することを指している。例えば、本体部を、台形や不定形にすることが考えられる。   (4) The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that the main body is a flat plate that does not resonate with the displacement of the piezoelectric actuator main body. Thereby, the response to displacement can be improved. The shape that does not resonate with the displacement of the piezoelectric actuator main body indicates that the main body is formed in a shape that takes into account the resonance of the main body with respect to the displacement of the piezoelectric actuator main body. For example, the main body may be trapezoidal or irregular.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、一対の前記U字状の薄板を変位方向に対して並列に設け、前記変位センサは、一対の前記U字状の薄板の前記本体部の少なくとも一部同士を連結していることを特徴としている。これにより、それぞれの薄板の本体部の撓みが変形した際に、一対の薄板同士が変位センサで連結されている箇所の距離が変化することで圧電アクチュエータの変位を検知できる。   (5) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the pair of U-shaped thin plates are provided in parallel with respect to the displacement direction, and the displacement sensor includes at least one of the pair of U-shaped thin plates of the main body. It is characterized in that the parts are connected to each other. Thus, when the bending of the main body of each thin plate is deformed, the displacement of the piezoelectric actuator can be detected by changing the distance between the points where the pair of thin plates are connected by the displacement sensor.

(6)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記圧電素子の活性領域を変位方向へ投影した範囲内で前記圧電アクチュエータ本体と固着されていることを特徴としている。これにより、不活性領域と活性領域との間で生じる応力を拘束せずに変位を検出できる。   (6) The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that the fixing portion is fixed to the piezoelectric actuator main body within a range in which an active region of the piezoelectric element is projected in a displacement direction. Thus, the displacement can be detected without restricting the stress generated between the inactive region and the active region.

(7)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記本体部が、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を有していることを特徴としている。これにより、本体部の剛性が向上し、変位センサの応答性を向上させることができる。なお、補強部は、例えば、伝達体の本体部における、圧電アクチュエータ本体の変位方向と平行な方向の外縁部を折り曲げてリブ構造としたり、あるいは、本体部にアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を貼り付けたりすることで形成することができる。   (7) The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that the main body has a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. Thereby, the rigidity of the main body is improved, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved. The reinforcing portion may have a rib structure, for example, by bending an outer edge portion of a main body portion of the transmission body in a direction parallel to a displacement direction of the piezoelectric actuator main body, or a ceramic thin plate of alumina, zirconia, or the like may be attached to the main body portion. It can be formed by attaching.

(8)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記複数の圧電素子のうちの一つの圧電素子の両端面に固着されていることを特徴としている。これにより、固着部の間の本体部の長さを最小限とし、変位センサの応答性を向上することができる。この場合でも、測定した変位量を圧電アクチュエータ本体が備える圧電素子の数で乗算することで、圧電アクチュエータ全体の変位量とすることができる。   (8) The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that the fixing portion is fixed to both end faces of one of the plurality of piezoelectric elements. Thus, the length of the main body between the fixing portions can be minimized, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved. Even in this case, by multiplying the measured displacement amount by the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric actuator main body, the displacement amount of the entire piezoelectric actuator can be obtained.

(9)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記複数の圧電素子のうちの二つ以上の圧電素子が連結された素子連結体の両端面に固着されており、前記本体部は、前記固着部の間の二つ以上の圧電素子に跨って配置されていることを特徴としている。これにより、複数の圧電素子による大きな変異を計測でき測定精度が向上する。また、1つの圧電素子間の変位を測定する場合より圧電アクチュエータ全体の変位に近い信号が得られる。さらに、複数の圧電素子の変位量を変位センサにより測定することができ、変位センサが配置されていない圧電素子の数を減らすことができる。したがって、変位センサが配置されていない箇所の圧電素子の変位量の変化に起因した位置決め誤差を低減することができる。   (9) Further, in the piezoelectric actuator according to the present invention, the fixing portion is fixed to both end surfaces of an element connected body to which two or more piezoelectric elements of the plurality of piezoelectric elements are connected, and the main body section Is characterized by being disposed over two or more piezoelectric elements between the fixing portions. Thereby, a large variation due to the plurality of piezoelectric elements can be measured, and the measurement accuracy is improved. Also, a signal closer to the displacement of the entire piezoelectric actuator can be obtained than when measuring the displacement between one piezoelectric element. Further, the displacement amounts of the plurality of piezoelectric elements can be measured by the displacement sensor, and the number of piezoelectric elements on which the displacement sensors are not disposed can be reduced. Therefore, it is possible to reduce a positioning error caused by a change in the amount of displacement of the piezoelectric element where the displacement sensor is not disposed.

(10)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータ本体の駆動用の端子の一つと前記変位センサの検出用の端子の一つとが共通であることを特徴としている。これにより、変位センサをキャップ内に収容した構造とした場合に、座から引き出す総端子数が多くなることを抑制し、変位センサをキャップ内に収容した耐環境性を向上させた構成をとることができる。   (10) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that one of the driving terminals of the piezoelectric actuator body and one of the detecting terminals of the displacement sensor are common. As a result, when the displacement sensor is housed in the cap, the total number of terminals pulled out from the seat is prevented from increasing, and the structure in which the displacement sensor is housed in the cap has improved environmental resistance. Can be.

(11)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伝達体の熱膨張係数と前記圧電素子の熱膨張係数との差が、10×10−6/℃以下であることを特徴としている。これにより、温度変化による変位センサの出力のずれを抑制できる。 (11) The piezoelectric actuator according to the present invention is characterized in that a difference between a thermal expansion coefficient of the transmission body and a thermal expansion coefficient of the piezoelectric element is 10 × 10 −6 / ° C. or less. Thereby, a shift in the output of the displacement sensor due to a temperature change can be suppressed.

本発明によれば、過酷な環境でも用いることができ、圧電素子の変位を拘束せずに正確に変位を検知できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can be used also in a severe environment, and can detect displacement accurately without restricting displacement of a piezoelectric element.

(a)、(b)それぞれ第1実施形態の圧電アクチュエータを示す正断面図および側断面図である。2A and 2B are a front sectional view and a side sectional view showing the piezoelectric actuator of the first embodiment, respectively. (a)、(b)それぞれ座および端子の正断面図および底面図である。(A), (b) It is the front sectional view and bottom view of a seat and a terminal, respectively. 圧電素子の正断面図である。It is a front sectional view of a piezoelectric element. 第1実施形態の伝達体の斜視図である。It is a perspective view of the transmission body of 1st Embodiment. 変位制御システムの概略図である。It is a schematic diagram of a displacement control system. 第2実施形態の伝達体の斜視図である。It is a perspective view of a transmission body of a 2nd embodiment. (a)、(b)それぞれ第3実施形態の圧電アクチュエータを示す正断面図および側断面図である。(A), (b) It is the front sectional view and side sectional view which show the piezoelectric actuator of 3rd Embodiment, respectively. 第3実施形態の伝達体を構成する一対の薄板の一方の斜視図である。It is a perspective view of one of a pair of thin plates which comprise the transmission body of 3rd Embodiment.

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。   Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. To facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in each of the drawings, and redundant description will be omitted.

[第1実施形態(湾曲型)]
(圧電アクチュエータの構成)
図1(a)、(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ100を示す正断面図および側断面図である。図2(a)、(b)は、それぞれ座140および端子126、127、159の正断面図および底面図である。なお、参照図に示す圧電アクチュエータ100は一例であって、素子数等で本発明は限定されない。
[First embodiment (curved type)]
(Configuration of piezoelectric actuator)
1A and 1B are a front sectional view and a side sectional view showing the piezoelectric actuator 100, respectively. 2A and 2B are a front sectional view and a bottom view of the seat 140 and the terminals 126, 127, and 159, respectively. Note that the piezoelectric actuator 100 shown in the reference diagram is an example, and the present invention is not limited by the number of elements or the like.

圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、駆動用の端子126、127、センサ用の端子159、座140、伝達体150、変位センサ155、キャップ160で構成され、電圧の印加により伸縮する。圧電アクチュエータ100は、例えばマスフローコントローラの弁の開閉制御部や精密位置決め装置のステージ駆動部に用いられ、その場合、被駆動体(弁、ステージ)を変位させる。   The piezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuator main body 105, driving terminals 126 and 127, sensor terminals 159, a seat 140, a transmitter 150, a displacement sensor 155, and a cap 160, and expands and contracts by applying a voltage. The piezoelectric actuator 100 is used for, for example, a valve opening / closing control unit of a mass flow controller or a stage driving unit of a precision positioning device. In this case, the piezoelectric actuator 100 displaces a driven body (valve, stage).

圧電アクチュエータ本体105は、一対のリード線121、122を介して一対の外部電極116、117に電圧が印加されたとき、各圧電素子110が伸縮することで先端が変位する。駆動用の端子126、127は、圧電アクチュエータ本体105のリード線121、122に接続されており、印加電圧をリード線121、122に伝える。   When a voltage is applied to the pair of external electrodes 116 and 117 via the pair of lead wires 121 and 122, each piezoelectric element 110 expands and contracts, and thus the tip of the piezoelectric actuator body 105 is displaced. The driving terminals 126 and 127 are connected to the leads 121 and 122 of the piezoelectric actuator main body 105, and transmit the applied voltage to the leads 121 and 122.

座140は、圧電アクチュエータ本体105の端部に接着され、その一端を固定し、圧電アクチュエータ本体105を支持する。そして、座140側の端部が固定された圧電アクチュエータ本体105の伸縮により先端側の突起130が変位する。   The seat 140 is adhered to an end of the piezoelectric actuator main body 105, fixes one end thereof, and supports the piezoelectric actuator main body 105. Then, the protrusion 130 on the distal end side is displaced by the expansion and contraction of the piezoelectric actuator body 105 to which the end on the seat 140 side is fixed.

座140は、キャップ160の端部と固定されることで、圧電アクチュエータ本体105を密封する。湿度や腐食性ガスに弱い圧電アクチュエータ本体105と変位センサ155を、低湿度の不活性ガスで気密封止した構造とすることで信頼性と耐久性を向上できる。例えば、切削水で変位装置が濡れるような精密加工機、腐蝕性ガスの流量制御を行う圧電式バルブなどで用いられる場合、オープン制御では圧電アクチュエータを用いた位置決め精度が不十分であり、変位センサによりフィードバック制御を行うことが可能な圧電アクチュエータにより位置決め等を行うことが有効である。   The seat 140 seals the piezoelectric actuator body 105 by being fixed to the end of the cap 160. Reliability and durability can be improved by adopting a structure in which the piezoelectric actuator body 105 and the displacement sensor 155, which are susceptible to humidity and corrosive gas, are hermetically sealed with a low-humidity inert gas. For example, when used in precision processing machines in which the displacement device gets wet with cutting water, or in piezoelectric valves that control the flow rate of corrosive gas, the positioning accuracy using the piezoelectric actuator is insufficient with open control, and the displacement sensor It is effective to perform positioning or the like by using a piezoelectric actuator capable of performing feedback control.

このように、封止により高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境でも問題なく、圧電アクチュエータ100を稼働することができる。キャップ160内が完全に気密構造となるため、湿度や腐食性ガス等の圧電素子、変位センサの耐久性を阻害する環境下でも使用可能となり、用途拡大につながる。   In this way, the sealing allows the piezoelectric actuator 100 to operate without any problem even in a severe environment such as under a high humidity or corrosive gas. Since the inside of the cap 160 has a completely airtight structure, it can be used even in an environment where the durability of the piezoelectric element such as humidity and corrosive gas and the displacement sensor is impaired, which leads to an expanded use.

端子126、127、159は、ハーメチック端子として座140を貫通して設けられている。貫通孔には樹脂やガラスが充填され、絶縁、密封されている。座140には、端子126、127、159は、圧電アクチュエータ100の中心軸の周りに変位センサ用および駆動用でそれぞれ配置されていることが好ましい。これにより、端子126、127、159について容易に電気的な接続をとることができる。   The terminals 126, 127, and 159 are provided through the seat 140 as hermetic terminals. The through-hole is filled with resin or glass, and is insulated and sealed. The terminals 126, 127, 159 are preferably arranged on the seat 140 around the central axis of the piezoelectric actuator 100 for the displacement sensor and the drive, respectively. As a result, the terminals 126, 127, and 159 can be easily electrically connected.

圧電アクチュエータ本体105の駆動用の端子126、127の一つと変位センサ155の検出用の端子の一つとが共通であることが好ましい。例えば、GND端子を共通にすることができる。これにより、変位センサをキャップ内に収容した構造とした場合に、座から引き出す総端子数が多くなることを抑制し、変位センサをキャップ内に収容した耐環境性を向上させた構成をとりやすくできる。なお、共通の端子を用いずにそれぞれ分離した端子を用いてもよい。   It is preferable that one of the driving terminals 126 and 127 of the piezoelectric actuator main body 105 and one of the detection terminals of the displacement sensor 155 be common. For example, a common GND terminal can be used. Thus, when the displacement sensor is housed in the cap, the total number of terminals pulled out from the seat is suppressed from increasing, and it is easy to adopt a configuration in which the displacement sensor is housed in the cap and has improved environmental resistance. it can. Note that terminals separated from each other may be used without using a common terminal.

キャップ160は、有底で開口端を有する円筒形状を有し、金属で形成されている。キャップ160は、圧電アクチュエータ本体105を積層方向に密着しつつ内部に収容し、座140にその開口端が接合され、キャップ160内部を封止している。これにより、圧電アクチュエータ100が保護され、耐久性が向上する。   The cap 160 has a cylindrical shape with a bottom and an open end, and is formed of metal. The cap 160 accommodates the piezoelectric actuator main body 105 therein while closely contacting the piezoelectric actuator main body 105 in the laminating direction, and has an open end joined to the seat 140 to seal the inside of the cap 160. Thereby, the piezoelectric actuator 100 is protected, and the durability is improved.

キャップ160は、キャップの先端部分にドーム形状の部分に突起130が当接するダイヤフラムを有する。キャップ160の直管部分は、キャップ160の中央から底部にかけて円筒に形成されている。ダイヤフラムは、ドーム形状に形成されている。キャップ160は、SUS316、SUS316L等のばね性に優れている材質が望ましい。基台が座140を固定し、座140が圧電アクチュエータ本体105の端部を支持している。そして、キャップ160の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ100から被駆動体に変位が伝わる。   The cap 160 has a diaphragm in which the protrusion 130 abuts on a dome-shaped portion at the tip of the cap. The straight pipe portion of the cap 160 is formed in a cylindrical shape from the center to the bottom of the cap 160. The diaphragm is formed in a dome shape. The cap 160 is preferably made of a material having excellent spring properties such as SUS316 and SUS316L. The base fixes the seat 140, and the seat 140 supports an end of the piezoelectric actuator body 105. When the tip of the cap 160 contacts the driven body, the displacement is transmitted from the piezoelectric actuator 100 to the driven body.

キャップ160内部には、圧電アクチュエータ本体105の他、伝達体150および変位センサ155も収容されている。キャップ160により周囲の環境から圧電アクチュエータ本体105と変位センサ155を保護できる。   Inside the cap 160, in addition to the piezoelectric actuator body 105, a transmission body 150 and a displacement sensor 155 are also housed. The cap 160 can protect the piezoelectric actuator body 105 and the displacement sensor 155 from the surrounding environment.

一方、図1(a)、(b)に示すように、圧電アクチュエータ100は、キャップ160内部に変位センサ155を配置し、センサ用の端子159を座140に設けている。これにより、変位センサ155を内蔵した圧電アクチュエータ100において、センサ用の端子159を介して圧電素子110の変位の信号を受けられる。伝達体150および変位センサ155の詳細は後述する。   On the other hand, as shown in FIGS. 1A and 1B, in the piezoelectric actuator 100, a displacement sensor 155 is arranged inside a cap 160, and a sensor terminal 159 is provided on a seat 140. As a result, the piezoelectric actuator 100 including the displacement sensor 155 can receive a displacement signal of the piezoelectric element 110 via the sensor terminal 159. Details of the transmission body 150 and the displacement sensor 155 will be described later.

(圧電アクチュエータ本体)
圧電アクチュエータ本体105は、圧電素子110、リード線121、122および突起130で構成されている。圧電アクチュエータ本体105を構成する複数の圧電素子110は、直列に配置、連結され(多連化)、その端面同士が接着剤により接着されている。複数の圧電素子110が接着されることで大きい変位量を確保できる。なお、直列とは、伸縮方向すなわち圧電素子110内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。
(Piezoelectric actuator body)
The piezoelectric actuator main body 105 includes a piezoelectric element 110, lead wires 121 and 122, and a projection 130. The plurality of piezoelectric elements 110 constituting the piezoelectric actuator body 105 are arranged and connected in series (multiple connection), and their end faces are bonded with an adhesive. A large displacement can be ensured by bonding the plurality of piezoelectric elements 110. Note that “series” means the direction of expansion and contraction, that is, the direction in which the piezoelectric layers and the internal electrodes in the piezoelectric element 110 are stacked.

リード線121、122は、駆動用の端子126、127と各圧電素子110の外部電極117とを接続している。なお、図1(b)で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。   The lead wires 121 and 122 connect the driving terminals 126 and 127 and the external electrodes 117 of the respective piezoelectric elements 110. The connection is made in the same manner on the side opposite to the side surface shown in FIG.

突起130は、無機材料で半球状に形成され、圧電アクチュエータ本体105の被駆動体へ変位を伝える先端側に設けられている。突起130と圧電アクチュエータ本体105とは強固に接着されており、突起130はキャップ160のドーム形状の内側部分に接する。   The protrusion 130 is formed in a hemispherical shape with an inorganic material, and is provided on the distal end side of the piezoelectric actuator body 105 that transmits a displacement to a driven body. The protrusion 130 and the piezoelectric actuator main body 105 are firmly bonded to each other, and the protrusion 130 contacts the inner portion of the cap 160 in the dome shape.

(圧電素子)
図3は、圧電素子110の正断面図である。圧電素子110は、印加電圧に対して変位を出力し、圧電層113、内部電極114、115および外部電極116、117を有している。圧電素子110は、圧電層113と内部電極114、115とが交互に積層されている。また、圧電素子110の側面において、外部電極116、117は内部電極114、115に接続されている。圧電層は、例えばPZT、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成できる。電極材料には、Ag、Ag−Pd、Pt等を用いることができる。
(Piezoelectric element)
FIG. 3 is a front sectional view of the piezoelectric element 110. The piezoelectric element 110 outputs displacement in response to an applied voltage, and has a piezoelectric layer 113, internal electrodes 114 and 115, and external electrodes 116 and 117. In the piezoelectric element 110, piezoelectric layers 113 and internal electrodes 114 and 115 are alternately stacked. Further, on the side surface of the piezoelectric element 110, the external electrodes 116 and 117 are connected to the internal electrodes 114 and 115. The piezoelectric layer can be composed of a piezoelectric material such as PZT or barium titanate. Ag, Ag-Pd, Pt, or the like can be used as the electrode material.

(伝達体)
図4は、伝達体150の組み込み前の斜視図である。伝達体150は、圧電アクチュエータ本体105の変位を変位センサ155に伝達する。変位センサ155には伝達体150の撓みを介して変位が伝達されるため、圧電素子110への変位拘束が発生しない。そのため、変位センサを直接貼り付けた場合の変位拘束による圧電素子の絶縁破壊を防止できる。また、特に、大変位タイプの圧電素子や高温下で使用される圧電素子では変位センサ等で圧電素子自身が拘束されることによるクラックが生じやすい。圧電アクチュエータ100は、このようなクラックの発生を防止でき、信頼性を向上できる。
(Transmitter)
FIG. 4 is a perspective view before the transmission body 150 is assembled. The transmission body 150 transmits the displacement of the piezoelectric actuator body 105 to the displacement sensor 155. Since the displacement is transmitted to the displacement sensor 155 via the bending of the transmission body 150, the displacement of the piezoelectric element 110 is not restricted. Therefore, it is possible to prevent dielectric breakdown of the piezoelectric element due to displacement constraint when the displacement sensor is directly attached. In particular, in the case of a large displacement type piezoelectric element or a piezoelectric element used at a high temperature, cracks tend to occur due to the piezoelectric element itself being restrained by a displacement sensor or the like. The piezoelectric actuator 100 can prevent such cracks from occurring, and can improve reliability.

伝達体150は、少なくとも2つの固着部151と本体部152とを備えている。固着部151は、圧電アクチュエータ本体105の互いに変位方向に離れた圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される。本体部152は、固着部151の間を連続的につなぎ、かつ2つの固着部151の間の変位を伝達する。   The transmission body 150 includes at least two fixing portions 151 and a main body 152. The fixing portions 151 are fixed at positions between the piezoelectric elements of the piezoelectric actuator body 105 that are separated from each other in the displacement direction. The main body 152 continuously connects the fixing portions 151 and transmits a displacement between the two fixing portions 151.

図4に示すように、伝達体150は、U字状の薄板で形成され、U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が固着部151として圧電アクチュエータ本体105に固着していることが好ましい。この場合、U字状とは、変位方向に垂直な固着面とその間をつなぎ、変位センサ155を取り付けられる均一な面があることを指す。   As shown in FIG. 4, it is preferable that the transmission body 150 is formed of a U-shaped thin plate, and both bent end portions of the U-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuator main body 105 as fixing portions 151. In this case, the U-shape indicates that there is a fixed surface perpendicular to the displacement direction and a uniform surface connecting the fixed surface and the displacement sensor 155.

このような両先端部を用いることで十分な固着が可能になる。また、図4に示す例では、本体部152が薄板の固着部151の間の中央部を形成している。本体部152の変位方向における長さは、圧電アクチュエータ本体105に固着された状態の固着部151間の変位方向における直線距離より長く、本体部152は2つの固着部151間の圧縮力により撓んで配置されていることが好ましい。例えば、圧電素子の長さより0.2〜2%長い本体部を湾曲させて組み込み、変位センサ155を取り付ける。これにより、圧電アクチュエータ本体が変位する際の特に圧電アクチュエータ本体の伸びる変位に対して、予め撓んで配置されている伝達体も圧電アクチュエータ本体の変位に合わせて撓みが解消される方向へ動くことで、圧電アクチュエータ本体が伝達体に拘束されることがない。したがって、圧電素子にクラック等が発生することを抑制し、安定して変位センサ155に変位を伝達できる。   Sufficient fixation becomes possible by using such both end portions. In the example shown in FIG. 4, the main body 152 forms a central portion between the thin plate fixing portions 151. The length of the main body 152 in the displacement direction is longer than the linear distance in the displacement direction between the fixing portions 151 fixed to the piezoelectric actuator main body 105, and the main body 152 is bent by the compressive force between the two fixing portions 151. Preferably, they are arranged. For example, a main body that is 0.2 to 2% longer than the length of the piezoelectric element is bent and assembled, and the displacement sensor 155 is attached. Accordingly, when the piezoelectric actuator main body is displaced, particularly, when the piezoelectric actuator main body is extended, the transmission body that is previously bent is also moved in a direction in which the bending is canceled in accordance with the displacement of the piezoelectric actuator main body. In addition, the piezoelectric actuator main body is not restricted by the transmission body. Therefore, generation of cracks and the like in the piezoelectric element can be suppressed, and the displacement can be stably transmitted to the displacement sensor 155.

固着部151は、直近の圧電素子110の活性領域を変位方向へ投影した範囲(図4の例では、領域151a)内で圧電アクチュエータ本体105と固着されていることが好ましい。これにより、不活性領域と活性領域との間で生じる応力を拘束せずに変位を検出できる。ここでいう活性領域とは、圧電素子110内に形成されている内部電極114、115が変位方向から見て重なる領域である。また、不活性領域とは、圧電素子110内において活性領域を除いた領域である。   The fixing portion 151 is preferably fixed to the piezoelectric actuator main body 105 within a range (a region 151a in the example of FIG. 4) in which the active region of the nearest piezoelectric element 110 is projected in the displacement direction. Thus, the displacement can be detected without restricting the stress generated between the inactive region and the active region. The active region here is a region where the internal electrodes 114 and 115 formed in the piezoelectric element 110 overlap when viewed from the displacement direction. The inactive region is a region in the piezoelectric element 110 excluding the active region.

固着部151は、一つの圧電素子110の両端面に固着されている。これにより、固着部の間の本体部の長さを最小限とし、変位センサの応答性を向上することができる。この場合でも、測定した変位量を圧電アクチュエータ本体が備える圧電素子の数で乗算することで、圧電アクチュエータ全体の変位量とすることができる。なお、検知に必要な変位量に応じ固着部151間の長さを調節することは可能である。複数の圧電素子に伝達体150を跨がらせることで、圧電アクチュエータ本体105の全体の変位状況を反映した信号が得られる。これにより、圧電アクチュエータ本体105の全体に近い長さを対象に変位を検知できる。また、複数の圧電素子の変位量を変位センサにより測定することができ、変位センサが配置されていない圧電素子の数を減らすことができる。したがって、変位センサが配置されていない箇所の圧電素子の変位量の変化に起因した位置決め誤差を低減することができる。   The fixing portions 151 are fixed to both end surfaces of one piezoelectric element 110. Thus, the length of the main body between the fixing portions can be minimized, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved. Even in this case, by multiplying the measured displacement amount by the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric actuator main body, the displacement amount of the entire piezoelectric actuator can be obtained. In addition, it is possible to adjust the length between the fixing portions 151 according to the amount of displacement required for detection. By making the transmitting body 150 straddle a plurality of piezoelectric elements, a signal reflecting the entire displacement state of the piezoelectric actuator body 105 can be obtained. Thus, the displacement can be detected for a length close to the entire length of the piezoelectric actuator main body 105. Further, the displacement amount of the plurality of piezoelectric elements can be measured by the displacement sensor, and the number of piezoelectric elements on which the displacement sensors are not arranged can be reduced. Therefore, it is possible to reduce a positioning error caused by a change in the amount of displacement of the piezoelectric element where the displacement sensor is not disposed.

伝達体150には、圧電アクチュエータ100の変位を正確に変位センサ155へ伝えるため、剛性が高く、圧電素子110の熱膨張に近い材料を用いるのが好ましい。例えば、ステンレスやインバーなどの金属、またはこれらとアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を接合した部材が好適である。   In order to accurately transmit the displacement of the piezoelectric actuator 100 to the displacement sensor 155, a material having high rigidity and close to the thermal expansion of the piezoelectric element 110 is preferably used for the transmission body 150. For example, metal such as stainless steel or invar, or a member formed by joining these with a ceramic thin plate such as alumina or zirconia is preferable.

伝達体150には、圧電素子110と熱膨張率が近い材料を選択することにより、温度変化に起因する出力誤差を抑制できる。例えば、伝達体150の熱膨張係数と圧電素子110の熱膨張係数との差は、10×10−6/℃以下であることが好ましい。これにより、温度変化による圧電素子110と伝達体150との出力のずれを抑制できる。なお、精密に変位量を測定したい場合には、伝達体150および圧電素子110の熱膨張を測定し、変位量を補正してもよい。 By selecting a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the piezoelectric element 110 for the transmitter 150, an output error due to a temperature change can be suppressed. For example, the difference between the thermal expansion coefficient of the transmission body 150 and the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element 110 is preferably 10 × 10 −6 / ° C. or less. Accordingly, it is possible to suppress a shift in output between the piezoelectric element 110 and the transmission body 150 due to a temperature change. When it is desired to accurately measure the displacement, the displacement may be corrected by measuring the thermal expansion of the transmission body 150 and the piezoelectric element 110.

(変位センサ)
変位センサ155は、例えば、歪ゲージで構成され、伝達体150に取り付けられており、圧電アクチュエータ本体105の一部から伝達された変位を検知する。このように、変位センサ155は、伝達体150を介して圧電アクチュエータ本体105に取り付けられているため、圧電素子への直接接着による応力集中や圧電素子の変位を拘束することが発生せず、高変位タイプ、高温タイプなど標準品より大きな変位を示す圧電アクチュエータでも良好な耐久性を維持することができる。
(Displacement sensor)
The displacement sensor 155 is formed of, for example, a strain gauge, is attached to the transmission body 150, and detects a displacement transmitted from a part of the piezoelectric actuator body 105. As described above, since the displacement sensor 155 is attached to the piezoelectric actuator main body 105 via the transmission body 150, stress concentration due to direct adhesion to the piezoelectric element and restraint of displacement of the piezoelectric element do not occur. Good durability can be maintained even with a piezoelectric actuator such as a displacement type or a high-temperature type that exhibits a larger displacement than a standard product.

変位センサ155は、変位センサ本体156、リード線157、158に接続され、リード線158が、センサ用端子159に接続されることで、検知された変位が伝達される。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位を確認して、正確にその変位を把握することができフィードバック制御により圧電アクチュエータを使った精密な位置決めが可能になる。   The displacement sensor 155 is connected to the displacement sensor main body 156 and the lead wires 157 and 158, and the detected displacement is transmitted by connecting the lead wire 158 to the sensor terminal 159. Accordingly, the displacement of the piezoelectric actuator body 105 can be confirmed, and the displacement can be accurately grasped, and precise positioning using the piezoelectric actuator can be performed by feedback control.

(変位制御システム)
上記の圧電アクチュエータ100を用いて変位制御システム190を構成できる。図5は、変位制御システム190の概略図である。図5に示すように、変位制御システム190は、圧電アクチュエータ100、フィードバック制御装置170および駆動電源180を備えている。
(Displacement control system)
The displacement control system 190 can be configured using the piezoelectric actuator 100 described above. FIG. 5 is a schematic diagram of the displacement control system 190. As shown in FIG. 5, the displacement control system 190 includes a piezoelectric actuator 100, a feedback control device 170, and a drive power supply 180.

変位センサ155のセンサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に接続されている。検知された変位の信号は、フィードバック制御装置170に入力され、フィードバック制御装置170は、検知された信号を圧電アクチュエータ100の変位に変換し、検知された変位をもとに必要な駆動量を算出する。検知信号から変位への変換は、逆相であり、変位センサ155から縮みの信号の入力があったときには、縮の信号を圧電アクチュエータ100の伸びの変位に変換し出力する。なお、検知信号から変位への変換が同相であり、変位センサ155から伸びの信号の入力があったときには、圧電アクチュエータ100の伸びの変位を出力する。フィードバック制御装置170は、算出された駆動量に応じて駆動電源180を制御し、駆動電源180は、フィードバック制御装置170から指令を受けた電圧を圧電アクチュエータ本体105に印加する。このようにして、誤差を低減した変位制御システム190を実現できる。   The sensor terminal 159 of the displacement sensor 155 is connected to the feedback control device 170. The detected displacement signal is input to the feedback control device 170, which converts the detected signal into a displacement of the piezoelectric actuator 100, and calculates a necessary drive amount based on the detected displacement. I do. The conversion from the detection signal to the displacement is in the opposite phase, and when a contraction signal is input from the displacement sensor 155, the contraction signal is converted into an extension displacement of the piezoelectric actuator 100 and output. Note that the conversion from the detection signal to the displacement is in phase, and when an extension signal is input from the displacement sensor 155, the extension displacement of the piezoelectric actuator 100 is output. The feedback control device 170 controls the drive power supply 180 according to the calculated drive amount, and the drive power supply 180 applies a voltage received from the feedback control device 170 to the piezoelectric actuator body 105. Thus, the displacement control system 190 with reduced errors can be realized.

(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。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子110を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにAgやAg−Pd等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子110の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極116、117を形成する。圧電素子110の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極116、117を形成できる。一方、あらかじめ本体部152の長さが圧電素子110の長さより1%長く、本体部152の端部から折れ曲がった両先端部が固着部151になっている伝達体150を準備しておく。
(Method of manufacturing piezoelectric actuator)
Next, a method of manufacturing the piezoelectric actuator 100 configured as described above will be described. First, a piezoelectric element 110 in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately stacked is manufactured. Specifically, an electrode paste such as Ag or Ag-Pd is printed on a green sheet of piezoelectric ceramics, laminated, pressed, and fired. Next, external electrodes 116 and 117 connected to the internal electrodes are formed on the side surfaces of the piezoelectric element 110 along the laminating direction. The external electrodes 116 and 117 can be formed by printing and firing an electrode paste on the side surface of the piezoelectric element 110. On the other hand, a transmitting body 150 is prepared in which the length of the main body 152 is 1% longer than the length of the piezoelectric element 110 and both ends bent from the end of the main body 152 are the fixing portions 151.

得られた複数の圧電素子110の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。その際に、変位をモニタリングしたい圧電素子110の両端面に伝達体150を接着する。その際には、直近の圧電素子の活性領域の変位方向への投影領域のみ接着する。その際には、圧電素子の活性領域の変位方向への投影領域のみ接着する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体105を作製できる。   An adhesive such as epoxy is applied to and adhered to the end faces in the stacking direction of the plurality of obtained piezoelectric elements 110 and connected in series. At this time, the transmitter 150 is bonded to both end faces of the piezoelectric element 110 whose displacement is to be monitored. At that time, only the projected area in the displacement direction of the active area of the nearest piezoelectric element is bonded. At this time, only the projection region of the active region of the piezoelectric element in the displacement direction is bonded. In this way, multiple connection is performed and the adhesive is cured. Then, the metal-made plate-shaped lead wire is fixed to the external electrode, and the multiple piezoelectric actuator body 105 can be manufactured.

上記の圧電アクチュエータ本体105を座140に設置し、キャップ160を被せて封止する。このとき、圧電アクチュエータ100のキャップ160の中に封止される圧電アクチュエータ本体105に、伝達体150および変位センサ155を設け、圧電アクチュエータ本体105と一緒にキャップ160内に封止する。変位センサ155の端子および駆動用電極に接続されるリード線121、122、158は、座140に挿通された端子126、127、159に接続されている。このようにして、圧電アクチュエータ100を作製することができる。なお、駆動用の端子126、127は、それぞれ駆動電源180、センサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に電気的に接続される。   The piezoelectric actuator main body 105 is set on the seat 140, and is covered with a cap 160 and sealed. At this time, the transmitter 150 and the displacement sensor 155 are provided in the piezoelectric actuator main body 105 sealed in the cap 160 of the piezoelectric actuator 100, and the piezoelectric actuator main body 105 is sealed in the cap 160 together with the piezoelectric actuator main body 105. The lead wires 121, 122, 158 connected to the terminals of the displacement sensor 155 and the driving electrodes are connected to the terminals 126, 127, 159 inserted into the seat 140. Thus, the piezoelectric actuator 100 can be manufactured. The drive terminals 126 and 127 are electrically connected to the drive power supply 180, and the sensor terminal 159 is electrically connected to the feedback control device 170.

[第2実施形態(台形または不定形)]
上記の実施形態では、伝達体150は、長方形の薄板をU字状に折り曲げたものであるが、共振を防止するために別の形にしてもよい。図6は、伝達体250の斜視図である。伝達体250は、2つの固着部251と本体部252を備えている。本体部252は、圧電アクチュエータ本体105の変位に対して共振しない形状の平板であることが好ましい。図6に示す例では、本体部252は台形に形成されている。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位に対して伝達体250の共振を防止し、変位に対する応答性を向上できる。伝達体150の中央部は、台形以外に不定形に形成することもできる。
[Second embodiment (trapezoid or irregular shape)]
In the above-described embodiment, the transmission body 150 is formed by bending a rectangular thin plate into a U-shape, but may have another shape to prevent resonance. FIG. 6 is a perspective view of the transmission body 250. The transmission body 250 includes two fixing portions 251 and a main body 252. The main body 252 is preferably a flat plate that does not resonate with the displacement of the piezoelectric actuator main body 105. In the example shown in FIG. 6, the main body 252 is formed in a trapezoidal shape. Thereby, resonance of the transmission body 250 with respect to the displacement of the piezoelectric actuator body 105 can be prevented, and the response to the displacement can be improved. The central portion of the transmission body 150 may be formed in an irregular shape other than the trapezoid.

[第3実施形態]
上記の実施形態では、1枚の薄板を用いて伝達体150を形成しているが、2枚の薄板を用いた伝達体350の構成であってもよい。図7(a)、(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ300を示す正断面図および側断面図である。図8は、伝達体350を構成する一対の薄板の一方の斜視図である。
[Third embodiment]
In the above embodiment, the transmission body 150 is formed using one thin plate, but the transmission body 350 may be configured using two thin plates. FIGS. 7A and 7B are a front sectional view and a side sectional view showing the piezoelectric actuator 300, respectively. FIG. 8 is a perspective view of one of a pair of thin plates constituting the transmission body 350.

圧電アクチュエータ300では、伝達体350が一対のU字状の薄板を対称かつ変位方向に対して並列に設けている。U字状の薄板は、固着部351と本体部352とを備えている。固着部351は、圧電アクチュエータ本体105の互いに変位方向に離れた圧電素子110同士の間の位置にそれぞれ固着される。固着部351と本体部352とを分ける折り目と、本体部352の中央部352aと斜辺部352bとを分ける折り目が設けられている。   In the piezoelectric actuator 300, the transmission body 350 has a pair of U-shaped thin plates provided symmetrically and in parallel to the displacement direction. The U-shaped thin plate includes a fixing portion 351 and a main body 352. The fixing portions 351 are fixed to the piezoelectric actuator body 105 at positions between the piezoelectric elements 110 which are separated from each other in the displacement direction. A fold separating the fixing portion 351 from the main body 352 and a fold separating the central portion 352a and the oblique side 352b of the main body 352 are provided.

本体部352は、固着部351の間を連続的につなぎ、かつ2つの固着部351の間の変位を伝達する。図7(b)に示す例では、圧電素子110の伸縮に応じて本体部352の中央部352aが圧電素子110から浮いており、この部分が離れたり近づいたりすることで、一対の薄板の本体部352の少なくとも一部である中央部352aの間の距離が変化する。この距離が変位センサ155に伝達される。一対の薄板が、圧電アクチュエータ本体105に取り付けられることで、図7(b)に示すように側面から見た薄板は八角形の輪郭を形成する。このような構成は変位拡大機構となっており、圧電素子110の変位量を5〜10倍に拡大できる。   The main body 352 continuously connects the fixing portions 351 and transmits the displacement between the two fixing portions 351. In the example shown in FIG. 7B, the central portion 352 a of the main body 352 floats from the piezoelectric element 110 in accordance with the expansion and contraction of the piezoelectric element 110, and this part moves away from or near the piezoelectric element 110 to form a pair of thin plate main bodies. The distance between the central portions 352a that are at least a part of the portion 352 changes. This distance is transmitted to the displacement sensor 155. By attaching the pair of thin plates to the piezoelectric actuator body 105, the thin plates viewed from the side form an octagonal outline as shown in FIG. 7B. Such a configuration is a displacement magnifying mechanism, and the displacement of the piezoelectric element 110 can be magnified 5 to 10 times.

変位センサ155は、一対のU字状の薄板の本体部352の少なくとも一部である中央部352a同士を連結している。この場合、U字状とは、変位方向に垂直な2つの固着面とその間をつなぐ中央の位置に、変位センサ155を取り付けられる変位方向に平行な面があることを指す。これにより、それぞれの薄板の本体部352の撓みが変形した際に、変位センサ155と伝達体350との連結部の距離が変化することで圧電アクチュエータ300の変位を検知できる。なお、本体部352が湾曲すると変位が減少するため、本体部352である4つの斜辺部352bに対して、圧電アクチュエータ本体に組み込んだ際の変位方向と垂直な方向の両端を折曲げるリブ加工を行いリブ構造としたり、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を4つの斜辺部352bに接合して、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を備える構造としたりしてもよい。これにより本体部352の面の剛性を向上させ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。   The displacement sensor 155 connects the central portions 352a, which are at least a part of the pair of U-shaped thin plate main portions 352, to each other. In this case, the U-shape indicates that there is a plane parallel to the displacement direction to which the displacement sensor 155 is attached at the center position connecting the two fixing surfaces perpendicular to the displacement direction and the two fixing surfaces. Thereby, when the bending of the main body portion 352 of each thin plate is deformed, the displacement of the piezoelectric actuator 300 can be detected by changing the distance between the connecting portions of the displacement sensor 155 and the transmission body 350. Since the displacement is reduced when the main body 352 is curved, the rib processing is performed on the four oblique sides 352b, which are the main body 352, by bending both ends in the direction perpendicular to the displacement direction when the piezoelectric actuator main body is incorporated. Alternatively, a rib structure may be used, or a thin ceramic plate made of alumina, zirconia, or the like may be joined to the four oblique sides 352b to have a reinforcing part extending in a direction parallel to the displacement direction. Thereby, the rigidity of the surface of the main body 352 can be improved, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved.

また、上述の伝達体350は2枚の薄板を用いる構成で説明したが、圧電アクチュエータ本体105を挟んで、U字状の薄板の部分が対向して配置されている形態であれば、伝達体350は1枚の薄板で形成されていてもよい。例えば、図8に示す伝達体350において、固着部351の一端から本体部352が連続しているが、別の一端から本体部352と対向するように他の本体部が形成されている形態としてもよい。   Further, the above-described transmission body 350 has been described as a configuration using two thin plates. However, if the U-shaped thin plate portion is arranged to face each other with the piezoelectric actuator main body 105 interposed therebetween, the transmission body 350 may be used. 350 may be formed of one thin plate. For example, in the transmission body 350 shown in FIG. 8, the main body 352 is continuous from one end of the fixing portion 351, but another main body is formed to face the main body 352 from another end. Is also good.

また、上述の第1実施形態および第2実施形態における伝達体150、250の本体部152、252に対して、圧電アクチュエータ本体に組み込んだ際の変位方向と垂直な方向の両端を折り曲げるリブ加工を行い、リブ構造としたり、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を本体部152、252に接合して、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を備える構成としたりしてもよい。これにより、本体部152、252の面の剛性を向上させ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。   In addition, the ribs for bending both ends of the main bodies 152 and 252 of the transmission bodies 150 and 250 in the above-described first and second embodiments in the direction perpendicular to the displacement direction when assembled into the piezoelectric actuator main body. Then, a rib structure may be adopted, or a thin ceramic plate made of alumina, zirconia, or the like may be joined to the main body portions 152 and 252 to have a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. Thereby, the rigidity of the surfaces of the main bodies 152 and 252 can be improved, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved.

また、上述の第1実施形態、第2実施形態および第3実施形態における伝達体150、250、350の本体部152、252、352に対して、打抜き加工を行い複数の貫通孔を有する形態としてもよい。これにより、本体部152、252、352の軽量化を行うことができ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。   Further, the main body portions 152, 252, 352 of the transmission bodies 150, 250, 350 in the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment are punched to have a plurality of through holes. Is also good. This makes it possible to reduce the weight of the main bodies 152, 252, and 352, and it is also possible to improve the responsiveness of the displacement sensor.

100、300 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
113 圧電層
114、115 内部電極
116、117 外部電極
121、122、157、158 リード線
126、127、159 端子
130 突起
140 座
150、250、350 伝達体
151、251、351 固着部
151a 領域(活性領域を変位方向へ投影した範囲)
152、252、352 本体部
155 変位センサ
156 変位センサ本体
160 キャップ
170 フィードバック制御装置
180 駆動電源
190 変位制御システム
352a 中央部
352b 斜辺部
100, 300 Piezoelectric actuator 105 Piezoelectric actuator main body 110 Piezoelectric element 113 Piezoelectric layer 114, 115 Internal electrode 116, 117 External electrode 121, 122, 157, 158 Lead wire 126, 127, 159 Terminal 130 Projection 140 Seat 150, 250, 350 Transmission Body 151, 251, 351 Fixed area 151 a Area (area where active area is projected in the displacement direction)
152, 252, 352 Main body 155 Displacement sensor 156 Displacement sensor main body 160 Cap 170 Feedback control device 180 Drive power supply 190 Displacement control system 352a Central portion 352b Oblique portion

Claims (11)

電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
複数の圧電素子を直列に連結して形成された圧電アクチュエータ本体と、
前記圧電アクチュエータ本体の互いに変位方向に離れた前記圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される少なくとも2つの固着部および前記固着部の間を連続的につなぎかつ前記2つの固着部の間の変位を伝達する本体部を有する伝達体と、
前記伝達された変位を検知する変位センサと、
前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、
有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体、前記伝達体および前記変位センサを収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、
前記変位センサは、前記伝達体に取り付けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage,
A piezoelectric actuator body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series,
At least two fixing portions respectively fixed at positions between the piezoelectric elements separated from each other in the displacement direction of the piezoelectric actuator main body, and a continuous connection between the fixing portions and displacement between the two fixing portions. A transmission body having a main body for transmitting
A displacement sensor for detecting the transmitted displacement,
A seat for fixing one end of the piezoelectric actuator body,
A cap having a bottomed cylindrical shape, containing therein the piezoelectric actuator main body, the transmission body and the displacement sensor, and having an open end sealed in a seat;
The piezoelectric actuator, wherein the displacement sensor is attached to the transmission body.
前記伝達体は、U字状の薄板で形成され、
前記U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が前記固着部として前記圧電アクチュエータ本体に固着し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。
The transmission body is formed of a U-shaped thin plate,
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein both bent front ends of the U-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuator body as the fixing portions. 3.
前記薄板の前記固着部の間の中央部である前記本体部の前記変位方向における長さは、前記圧電アクチュエータ本体に固着された状態の固着部間の前記変位方向における直線距離より長く、前記本体部は前記2つの固着部間の圧縮力により撓んで配置されていることを特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエータ。   The length in the displacement direction of the main body, which is a central portion between the fixing portions of the thin plate, is longer than a linear distance in the displacement direction between the fixing portions fixed to the piezoelectric actuator main body, and The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the portion is arranged to be bent by a compressive force between the two fixing portions. 前記本体部は、前記圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状の平板であ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。   4. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the main body is a flat plate having a shape that does not resonate with the displacement of the piezoelectric actuator main body. 5. 一対の前記U字状の薄板を変位方向に対して並列に設け、
前記変位センサは、一対の前記U字状の薄板の前記本体部の少なくとも一部同士を連結していることを特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエータ。
A pair of the U-shaped thin plates are provided in parallel with respect to the displacement direction,
The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the displacement sensor connects at least a part of the main bodies of the pair of U-shaped thin plates.
前記固着部は、前記圧電素子の活性領域を変位方向へ投影した範囲内で前記圧電アクチュエータ本体と固着されていることを特徴とする請求項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。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the fixing portion is fixed to the piezoelectric actuator body within a range in which an active region of the piezoelectric element is projected in a displacement direction. 前記本体部は、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を有していることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the main body has a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. 前記固着部は、前記複数の圧電素子のうちの一つの圧電素子の両端面に固着されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   8. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the fixing portion is fixed to both end faces of one of the plurality of piezoelectric elements. 9. 前記固着部は、前記複数の圧電素子のうちの二つの以上の圧電素子が連結する素子連結体の両端面に固着されており、前記本体部は、前記固着部の間の二つ以上の圧電素子に跨って配置されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The fixing portion is fixed to both end surfaces of an element connecting body to which two or more piezoelectric elements of the plurality of piezoelectric elements are connected, and the main body portion includes two or more piezoelectric elements between the fixing portions. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 7, wherein the piezoelectric actuator is disposed across the element. 前記圧電アクチュエータ本体の駆動用の端子の一つと前記変位センサの検出用の端子の一つとが共通であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 9, wherein one of the driving terminals of the piezoelectric actuator body and one of the detection terminals of the displacement sensor are common. 前記伝達体の熱膨張係数と前記圧電素子の熱膨張係数との差は、10×10−6/℃以下であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 10, wherein a difference between a thermal expansion coefficient of the transmission body and a thermal expansion coefficient of the piezoelectric element is 10 10-6 / C or less. .
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