JP2020035973A - 圧電アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
Description
(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。
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。
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。
図4(a)〜(c)は、それぞれ一対の伝達体150a、150bの斜視図、正面図および側面図である。一対の伝達体150a、150b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には一対の伝達体150a、150b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が、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。
変位センサ155は、例えば、歪ゲージで構成され、両端が一対の伝達体150a、150bのそれぞれ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、一対の伝達体150a、150b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。
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。
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152a、152bの端部から折れ曲がった両先端部が固着部151a、151bになっている一対の伝達体150a、150bを準備しておく。
第1実施形態では、一対の伝達体150a、150bは分離して設けられているが、これらは連結されていてもよい。図6(a)、(b)は、それぞれ一対の伝達体250a、250bが連結された圧電アクチュエータ200を示す正断面図および側断面図である。図7(a)〜(c)は、それぞれ伝達体250a、250bの斜視図、正面図および側面図である。
第2実施形態では、連結体255、256の湾曲部255a、256aが圧電アクチュエータ本体105の表面に平行な方向に撓んでいるが、圧電アクチュエータ本体105の表面に垂直な方向に撓んでいてもよい。図8(a)、(b)は、それぞれ湾曲部355a、356aが圧電アクチュエータ本体105の表面に垂直な方向(連結体の厚み方向)に撓んだ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9(a)〜(c)は、それぞれ伝達体350a、350bの斜視図、正面図および側面図である。
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
150a、150b、250a、250b、350a、350b 伝達体
151a、151b 固着部
152a、152b、252a、252b、352a、352b 本体部
153a、153b 領域(活性領域を変位方向へ投影した範囲)
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
255、256、355、356 連結体
255a、256a、355a、356a 湾曲部
Claims (12)
- 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固着される固着部を有し、前記固着部から連続し前記圧電アクチュエータ本体の表面に沿って設けられた本体部を有する一対の伝達体と、
前記一対の伝達体から伝達された前記圧電アクチュエータ本体の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、前記一対の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、両端部が前記一対の伝達体のそれぞれの本体部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。 - 前記一対の伝達体のそれぞれは、L字状の薄板で形成され、
前記L字状の薄板の折れ曲がった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。 - 前記変位センサの変形を拘束することなく前記一対の伝達体を連結し、前記一対の伝達体の変位に応じて変形可能に形成された連結体を更に備え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。
- 前記連結体は、前記一対の伝達体を結ぶ中心線に対して対称かつ前記圧電アクチュエータ本体の変位方向に対して並列に一対で設けられ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。
- 前記連結体のそれぞれは、前記圧電アクチュエータ本体の表面に平行な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記変位方向に垂直な方向に前記変位センサの一部と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項4記載の圧電アクチュエータ。
- 前記連結体のそれぞれは、前記圧電アクチュエータ本体の表面に垂直な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記連結体は、前記変位センサに重ならない位置に設けられていることを特徴とする請求項4記載の圧電アクチュエータ。
- 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6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 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7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 前記固着部は、前記複数の圧電素子のうち二つ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いることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 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9のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 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10のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
- 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11のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
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