JP2021136409A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】歪ゲージの最大歪率を小さくすることで、歪ゲージの耐久性を向上させ、その結果、耐久性が向上した歪ゲージを備える圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】複数の圧電素子１１０を直列に連結して形成された圧電アクチュエータ本体１０５と、前記圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向の歪を検知する歪ゲージ１５５と、を備え、前記複数の圧電素子１１０は、前記歪ゲージ１５５が接着される接着部１１１を有する第１の圧電素子１１０ａと、前記歪ゲージ１５５が接着されない第２の圧電素子１１０ｂと、によって構成され、前記第１の圧電素子１１０ａは、最大収縮時の圧電伸縮部の長さに対する最大変位量の割合である最大歪率について、少なくとも前記接着部１１１における最大歪率が、前記第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率より小さい。【選択図】図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。

圧電素子は伸長時と収縮時で異なる変位特性（ヒステリシス）を示すため、半導体露光装置等の精密位置決めでは、変位センサによりフィードバック制御を行い位置決め精度を向上させて使用されている。また、精密な数値制御加工機の微動機構や医療用マニュピレータ、航空・宇宙用の精密な姿勢制御機構にも変位センサによりフィードバック制御を行った高精度の圧電アクチュエータが使用されている。さらに、半導体製造装置へ各種ガスを供給する流量調整バルブの駆動用としても圧電アクチュエータが使用されているが、制御流量の高精度化に伴い変位センサを内蔵したものが使用されるようになっている。

特許文献１は、ヒステリシスを有する圧電変位部２を用い、ピストン３の変位量を高い精度で制御することを目的として、印加電圧に応じて伸縮する圧電変位部２、圧電変位部２の一端の伸縮力を受けるピストン３、圧電変位部２の他端の伸縮力を受けるベース４を備え、ピストン３は、圧電変位部２を覆う内筒１４を備え、この内筒１４の端にはベース４に接近した変位検出部１５を備え、ベース４には、変位検出部１５までの距離を検出する変位センサ７が固定されている圧電アクチュエータ１が記載されている。

特許文献２は、電歪効果素子を用いた圧電アクチュエータの電圧−変位特性のヒステリシスを解消し、微小な移動量の検出精度を改善することを目的として、金属ケース７内に気密端子３や金属部材８によって密封した電歪効果素子１の側面に変位センサ２を設けて電歪効果素子に電気接続する圧電アクチュエータが記載されている。

特開平８−１５３９０９号公報 特開平５−２０６５３６号公報

圧電アクチュエータ用の変位センサとしては非接触式の静電容量センサや渦電流センサが使用されることが多かった。しかしながら、特許文献１に示されるような、非接触式のセンサを用いた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、特許文献２に示されているように、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。歪ゲージは多くの場合、素子に直接貼り付けるだけであるため小型で安価な変位計となり、耐久性が向上することで多様な用途で使用されることが期待できる。

圧電アクチュエータは高速で伸縮させる用途が多く、変位センサも同様な応答性および繰り返し耐久性が求められる。圧電アクチュエータを用いたバルブ等では数千万回レベルの開閉への耐久性が求められるため、歪ゲージも同等以上の耐久性が必要となる。例えば、ある歪ゲージは、１５００ｐｐｍの歪率で疲労寿命が１０００万回前後となっている。これぐらいの疲労寿命である場合、圧電アクチュエータ用の変位センサとしては耐久性が不足しているため、ゲージ部への負担を軽減する組込みを行い、耐久性を向上させることが必要となる。

しかしながら、特許文献２記載の技術では、歪ゲージのゲージ部への負担を軽減する組込みを行い、耐久性を向上させることは考慮されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、歪ゲージの最大歪率を小さくすることで、歪ゲージの耐久性を向上させ、その結果、耐久性が向上した歪ゲージを備え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変位方向の歪率を検知する歪ゲージと、を備え、前記複数の圧電素子は、前記歪ゲージが接着される接着部を有する第１の圧電素子と、前記歪ゲージが接着されない第２の圧電素子と、によって構成され、前記第１の圧電素子は、少なくとも前記接着部における最大歪率が、前記第２の圧電素子の最大歪率より小さいことを特徴としている。

このように、歪ゲージが接着される第１の圧電素子の少なくとも接着部の最大変位を小さくすることで、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子は、前記接着部における内部電極層の間隔が前記第２の圧電素子の内部電極層の間隔より広いことを特徴としている。このように、第１の圧電素子の接着部における内部電極層の間隔を第２の圧電素子の内部電極層の間隔より広くすることで、第１の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子は、前記接着部における圧電層の圧電歪定数ｄ_３３が前記第２の圧電素子の圧電層の圧電歪定数ｄ_３３より小さいことを特徴としている。このように、第１の圧電素子の接着部における圧電層の圧電歪定数ｄ_３３を、第２の圧電素子の圧電層の圧電歪定数ｄ_３３より小さくすることで、第１の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子は、前記接着部における内部電極の面積が前記第２の圧電素子の内部電極の面積より小さいことを特徴としている。このように、第１の圧電素子の接着部における内部電極の面積を、第２の圧電素子の内部電極の面積より小さくすることで、第１の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子は、前記接着部における応力緩和層が前記第２の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数が少ない、または面積が小さいことを特徴としている。このように、第１の圧電素子の接着部における応力緩和層を、第２の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数を少なくする、または面積を小さいくすることで、第１の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。なお、応力緩和層の数が少ないとは、応力緩和層が形成されないことも含む。

（６）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第１の圧電素子の前記接着部における最大歪率は、前記第２の圧電素子の最大歪率の８０％以下であることを特徴としている。このように、第１の圧電素子の接着部における最大歪率のみを、第２の圧電素子の最大歪率の８０％以下にすることで、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。例えば、接着部における最大歪率を、第２の圧電素子の最大歪率の８０％にする場合、歪ゲージの耐久性は２倍に向上する。

本発明によれば、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。

（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電アクチュエータを示す正面図および側面図である。 圧電素子の正断面図である。 所定の最大変位を有する圧電素子とその半分の最大変位を有する圧電素子のそれぞれのヒステリシスを表すグラフである。 歪ゲージの最大歪率と耐久性の関係を表すグラフである。 変位制御システムの概略図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の密閉型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）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）それぞれ第１の実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子を示す正断面図である。 （ａ）〜（ｃ）それぞれ第１の実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第２の実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子を示す正断面図である。 （ａ）〜（ｅ）それぞれ第２の実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第３の実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子を示す正断面図である。 （ａ）〜（ｅ）それぞれ第３の実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ第４の実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子を示す正断面図である。 （ａ）〜（ｅ）それぞれ第４の実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。

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。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。

［本発明の各実施形態に共通の基本的な構成］
（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を示す正面図および側面図である。なお、参照図に示す圧電アクチュエータは一例であって、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、歪ゲージ１５５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。

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。

圧電アクチュエータ本体１０５の駆動用のＧＮＤ端子と歪ゲージ用のＧＮＤ端子を共通にすることができる。これにより、総端子数が多くなることを抑制し、配線等の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。

一方、図１（ａ）、（ｂ）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１０５に歪ゲージ１５５を接続し、センサ用の端子１５９設けている。これにより、歪ゲージ１５５を備えた圧電アクチュエータ１００において、歪ゲージ用の端子１５９を介して圧電素子１１０の変位の信号を受けられる。歪ゲージ１５５の詳細は後述する。

（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、およびリード線１２１、１２２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。

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。

（圧電素子）
図２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−Ｐｄ、Ｐｔ等を用いることができる。

複数の圧電素子１１０は、歪ゲージ１５５が接着される接着部１１１を有する第１の圧電素子１１０ａと、歪ゲージ１５５が接着されない第２の圧電素子１１０ｂと、によって構成される。そして、第１の圧電素子１１０ａは、少なくとも接着部１１１における最大歪率が、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率より小さい。なお、本発明は、第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂの構成を変えることで、少なくとも接着部１１１における最大歪率を、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率より小さくしているが、図２はそれを示していない。第１の圧電素子１１０ａと第２の圧電素子１１０ｂの構成の違いは、各実施形態で説明する。

最大歪率とは、最大収縮時の圧電伸縮部長さに対する最大変位量の割合である。また、接着部１１１における最大歪率とは、最大収縮時の接着部１１１の圧電伸縮部長さに対する接着部１１１の最大変位量の割合である。また、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率とは、１の圧電アクチュエータ本体１０５に複数の第２の圧電素子１１０ｂが存在する場合、それぞれの第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率の平均値である。

第１の圧電素子１１０ａの接着部１１１における最大歪率は、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率の８０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましい。また、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率に対する第１の圧電素子１１０ａの接着部１１１における最大歪率の下限値は、歪ゲージ１５５によって検出する必要のある精度によって異なるため、特に限定する必要はないが、例えば、１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましく、２５％以上であることがさらに好ましい。歪率の数値では、例えば、歪の上限値では、１２００ｐｐｍ以下であることが好ましく、７５０ｐｐｍ以下であることがより好ましい。また、下限値では、例えば、１５０ｐｐｍ以上であることが好ましく、３００ｐｐｍ以上であることがより好ましく、３７５ｐｐｍ以上であることがさらに好ましい。

第１の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、接着部の最大歪率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、第１の圧電素子全体の構成を接着部の構成と同じにする場合、第１の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、第２の圧電素子の最大歪率より小さくなり、圧電アクチュエータ全体の変位量は小さくなるが、第１の圧電素子全体の構成が同じであるため、第１の圧電素子の製造が容易になる。また、第１の圧電素子全体が接着部といえるため、歪ゲージの接着も容易になる。例えば、第１の圧電素子の接着部以外の部分の構成を第２の圧電素子の構成と同じにする場合、第１の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、第２の圧電素子の最大歪率と同じになり、圧電アクチュエータ全体の変位量を大きくすることができる。

図３は、所定の最大変位を有する圧電素子とその半分の最大変位を有する圧電素子のそれぞれのヒステリシスを表すグラフである。最大電圧１５０Ｖを印加したときの最大変位が１０μｍである圧電素子を標準変位素子とし、最大電圧１５０Ｖを印加したときの最大変位が５μｍである圧電素子を１／２変位素子として表した。図３に表されるように、最大変位が１／２である１／２変位素子のヒステリシスは、標準変位素子のヒステリシスとほとんど同じ動きを示すため、１／２変位素子は、中間の電圧においても標準変位素子の変位の約１／２の変位を得ることができる。このような性質により、第１の圧電素子の接着部における最大変位を、第２の圧電素子の最大変位より小さくしても、その割合が分かれば、接着部で検出した歪率から圧電アクチュエータ全体の変位を計測することができる。

圧電素子の最大変位を小さくすると、歪ゲージの変化量も小さくなり、変位センサとしてのＳ／Ｎ比の低下が問題になる場合がある。このような場合、歪ゲージを、例えば、素子の２面に接着し、歪ゲージの微小な抵抗値変化を検出するホイートストンブリッジの対向部にそれぞれ接続することで、変化率を倍増し補償することができる。この２ゲージ法を併用することで、歪ゲージのＳ／Ｎ比を低下させることなく、耐久性を向上させることが可能となる。

（歪ゲージ）
歪ゲージ１５５は、圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向の歪を検知する。歪ゲージ１５５は、線歪ゲージ、箔歪ゲージ等を用いることができる。歪ゲージ１５５は、圧電アクチュエータ本体１０５に直接貼り付けることで接続される。貼り付けは、接着剤等を用いることができる。歪ゲージ１５５は、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に接続されているので、圧電アクチュエータ１００が伸びたときに歪ゲージ１５５も伸びることで、圧電アクチュエータ１００の変位と歪ゲージ１５５の変位が同相の歪となり、制御性が向上する。

歪ゲージ１５５は、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、検知された変位信号が伝達される。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用した精密な位置決めが可能になる。

歪ゲージは、歪率が半減する毎に耐久性がほぼ１桁増加することが知られている。したがって、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができれば、歪ゲージの耐久性は向上する。本発明では、歪ゲージ１５５を接着する接着部１１１を有する第１の圧電素子１１０ａの少なくとも接着部１１１の最大歪率を、第２の圧電素子１１０ｂの最大歪率より小さくしているため、歪ゲージ１５５の耐久性が向上している。

図４は、歪ゲージの最大歪率と耐久性の関係を表すグラフである。歪ゲージの最大歪率が１５００ｐｐｍであるときの耐久性を１としたとき、歪ゲージの最大歪率に対する耐久性を数値で表した。なお、図４のグラフは、歪ゲージの耐久性がどのように向上するかを概念的に示したものであり、必ずこのような耐久性が得られることを示すものではない。図４に示されるように、例えば、第１の圧電素子の接着部における最大歪率が、第２の圧電素子の最大歪率の８０％である場合、最大歪率を低減していない場合と比較して、歪ゲージの耐久性は約２倍になる。また、５０％である場合、歪ゲージの耐久性は約１０倍になる。

（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。

歪ゲージ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、同相であり、歪ゲージ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。

（密封型圧電アクチュエータ）
図１では、圧電アクチュエータ本体１０５が剥き出しになっていたが、圧電アクチュエータ本体１０５は、キャップおよび座によって密封されていてもよい。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ密封型の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７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ座３４０および端子１２６、１２７、１５９の正断面図および底面図である。以下では、図１と異なる部分のみ説明する。

圧電アクチュエータ３００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、歪ゲージ１５５、座３４０、およびキャップ３６０で構成され、電圧の印加により伸縮する。

座３４０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３４０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３３０が変位する。なお、本実施形態では、突起３３０は半球状である。

座３４０は、キャップ３６０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と歪ゲージ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。

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を稼働することができる。キャップ３６０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、歪ゲージ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。

端子１２６、１２７、１５９は、ハーメチック端子として座３４０を貫通して設けられている。貫通孔にはガラスまたは樹脂３４５が充填され、密封されている。座３４０には、端子１２６、１２７、１５９は、圧電アクチュエータ１００の中心軸の周りに歪ゲージ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。

圧電アクチュエータ本体１０５の駆動用のＧＮＤ端子と歪ゲージ１５５の検出用のＧＮＤ端子と共通にすることができる。これにより、歪ゲージ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、歪ゲージ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。

キャップ３６０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３６０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３４０にその開口端が接合され、キャップ３６０内部を封止している。これにより、圧電アクチュエータ３００が保護され、耐久性が向上する。

キャップ３６０は、キャップの先端部分にドーム形状の部分に突起３３０が当接するダイヤフラムを有する。キャップ３６０の直管部分は、キャップ３６０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３６０は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等の耐食性とばね性に優れている材質が望ましい。基台が座３４０を固定し、座３４０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３６０の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ３００から被駆動体に変位が伝わる。

キャップ３６０内部には、圧電アクチュエータ本体１０５の他、歪ゲージ１５５も収容されている。キャップ３６０により周囲の環境から圧電アクチュエータ本体１０５と歪ゲージ１５５を保護できる。

一方、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ３００は、キャップ３６０内部に歪ゲージ１５５を配置し、センサ用の端子１５９を座３４０に設けている。これにより、歪ゲージ１５５を内蔵した圧電アクチュエータ３００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。

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３３０で構成されている。突起３３０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３３０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３３０はキャップ３６０のドーム形状の内側部分に接する。これにより、圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ３６０の外部に取り出すことができる。

（圧電アクチュエータの基本的な製造方法）
次に、図１のように構成された圧電アクチュエータ１００の基本的な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Ｐｔ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。

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。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、歪ゲージ１５５、または圧電アクチュエータ本体１０５の歪ゲージ１５５配置位置に接着剤を塗布して、歪ゲージ１５５を圧電アクチュエータ本体１０５に直接貼り付ける。歪ゲージ１５５は、１つの圧電素子１１０に貼り付けてもよいし、連続する複数の圧電素子１１０に貼り付けてもよい。

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、圧電アクチュエータ１００を作製できる。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。

（密封型圧電アクチュエータの製造方法）
また、図６のように構成された密封型圧電アクチュエータ３００の製造方法を説明する。密封型圧電アクチュエータ３００の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法において、歪ゲージを貼り付けた圧電アクチュエータ本体を座に設置し、キャップを被せて封止する。そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させることで、密封型圧電アクチュエータ３００を製造できる。

［第１の実施形態］
次に、第１の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第１の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。

（圧電素子）
図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子の正断面である。なお、図８（ａ）、（ｂ）は、外部電極は省略している。図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態の第１の圧電素子１１０ａは、接着部１１１における内部電極層の間隔が、第２の圧電素子１１０ｂの内部電極層の間隔より広い。内部電極層の間隔とは、隣り合う内部電極１１４と内部電極１１５との間の積層方向の距離をいう。内部電極層の間隔が広い部分では、内部電極層の間隔が狭い部分と比較して、同一の電圧を印加したときの内部電極層の間の電界強度が小さくなるため、その間の歪は小さくなる。したがって、内部電極層の間隔が広い部分では、最大電圧を印加したときの最大歪率が小さくなり、そこに接着した歪ゲージ１５５の耐久性が向上する。

積層型圧電素子の変位量（変位歪）は、使用する圧電セラミックスの圧電歪定数に応じて内部電極間隔を調整することで設計される。例えば、ある種類の圧電セラミックスに対して、内部電極間隔を調整することで最大電圧を印加したときの最大歪率が１５００ｐｐｍになるように設計することができる。このように、最大歪率は、積層型圧電素子の製造に使用するグリーンシートの厚みを変更することにより調整することができる。例えば、厚みが２倍のグリーンシートを用いると積層型圧電素子の内部電極間隔もほぼ２倍となるため、同一の電圧を印加したときに、そこに発生する電界強度は１／２となる。圧電素子の変位量は電界強度にほぼ比例するため、図４に表されるように同一の電圧を印加したときに、発生する歪も１／２となる。

（異なる構成の圧電素子の製造方法）
図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図９（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０２、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのグリーンシート２０３を示す。

第２の圧電素子１１０ｂは、通常の厚みのグリーンシート２０１、２０２が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第１の圧電素子１１０ａは、少なくとも接着部１１１となる部分を積層するときに、通常の厚みのグリーンシート２０１、２０２ではなく、焼成後に圧電セラミックス１１３となる圧電セラミックの厚みを増加させたグリーンシートを交互に積層する。または、通常の厚みのグリーンシート２０１、２０２に対し、電極ペーストが積層されていないグリーンシート２０３を適宜積層することで圧電層１１３の厚みを増加させてもよい。このようにして、接着部１１１における内部電極層の間隔が、第２の圧電素子１１０ｂの内部電極層の間隔より広い第１の圧電素子１１０ａを製造することができる。なお、第１および第２の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート２０３を１層以上積層してもよい。

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第１の圧電素子について、少なくとも接着部になる層のシート厚みを調整したものを使用することで、第１の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が１個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ厚いシートを用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの厚さにより、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第２の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。

（圧電素子）
図１０（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子の正断面である。なお、図１０（ａ）、（ｂ）は、外部電極は省略している。図１０（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態の第１の圧電素子１１０ａは、接着部１１１における圧電層１１３ａの圧電歪定数が、第２の圧電素子１１０ｂの圧電層１１３の圧電歪定数より小さい。ここで、圧電歪定数はｄ_３３である。

積層型圧電素子用の圧電セラミックスには多様な特性の材料がある。圧電アクチュエータ用途では大きな変位が求められるため、一般にソフト材と呼ばれる比較的圧電歪定数が大きな材料が用いられる。一方、ソフト材にマンガン等を微量添加することで高速駆動に適したハード材となることも知られている。一般にハード化するとソフト材の半分以下に圧電歪定数は低下する。このように同様な組成で圧電歪定数が大きく異なる材料を容易に準備することが可能である。

（異なる構成の圧電素子の製造方法）
図１１（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図１１（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０２、焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３ａとなる圧電セラミックスのグリーンシート２０４、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３ａとなる圧電セラミックスのグリーンシート２０５、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのみのグリーンシート２０３を示す。

第２の圧電素子１１０ｂは、焼成後に圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０１、２０２が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第１の圧電素子１１０ａは、少なくとも接着部１１１となる部分を積層するときに、通常のグリーンシート２０１、２０２ではなく、焼成後に圧電セラミックス１１３ａとなる圧電セラミックスのグリーンシート２０４、２０５を交互に積層する。圧電セラミックス２０１、２０２と比較して、圧電セラミックス２０４、２０５は、焼成後の圧電歪定数ｄ_３３が小さい。このようにして、接着部１１１における圧電層１１３ａの圧電歪定数ｄ_３３が、第２の圧電素子１１０ｂの圧電層１１３の圧電歪定数ｄ_３３より小さい第１の圧電素子を製造することができる。なお、第１および第２の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート２０３を１層以上積層してもよい。

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第１の圧電素子について、少なくとも接着部になる層にハード材等の圧電特性を抑制した材料を用いることで、第１の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が１個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみハード材等の圧電特性を抑制した材料を用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの組成により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第３の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。

（圧電素子）
図１２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子の正断面である。なお、図１２（ａ）、（ｂ）は、外部電極は省略している。図１２（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態の第１の圧電素子１１０ａは、接着部１１１における内部電極１１４ａ、１１５ａの面積が、第２の圧電素子１１０ｂの内部電極１１４、１１５の面積より小さい。なお、電圧を印加したときに変位する部分は、異なる電圧が印加される内部電極を積層方向へ投影したときに重なる範囲の圧電活性部であるため、内部電極１１４ａ、または１１５ａの何れか一方の面積が、内部電極１１４、または１１５の面積より小さいだけでもよい。

積層型圧電素子内部には素子の断面積にも依存するが、断面積の８０〜１００％の面積で内部電極が形成される。積層型圧電素子に電圧を印加すると、内部電極が形成された部分には電界が発生し圧電セラミックスが伸縮する。一方、内部電極の周辺部には電界は発生しないため、電圧印加により伸縮することはない。この圧電不活性部は内部電極部での変位を抑制することになる。このため、歪ゲージを接着する部分のみ内部電極を形成する面積の比率を下げていけば、積層型圧電素子の変位を必要なレベルまで低下させることができ、歪ゲージの最大歪率を必要なレベルまで調整することができる。

（異なる構成の圧電素子の製造方法）
図１３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図１３（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０２、焼成後に内部電極１１４ａとなる電極ペースト２１４ａと圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０６、焼成後に内部電極１１５ａとなる電極ペースト２１５ａと圧電層１１３となる圧電セラミックスのグリーンシート２０７、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのみのグリーンシート２０３を示す。

第２の圧電素子１１０ｂは、通常の内部電極の面積を有する電極ペースト２１４、２１５を使用したグリーンシート２０１、２０２が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第１の圧電素子１１０ａは、少なくとも接着部１１１となる部分を積層するときに、通常のグリーンシート２０１、２０２ではなく、焼成後に内部電極１１４ａとなる電極ペースト２１４ａを積層したグリーンシート２０６、および焼成後に内部電極１１５ａとなる電極ペースト２１５ａを積層したグリーンシート２０７を交互に積層する。電極ペースト２１４、２１５と比較して、電極ペースト２１４ａ、２１５ａは、焼成後の内部電極の面積が小さい。このようにして、接着部１１１における内部電極１１４ａ、１１５ａの面積が、第２の圧電素子１１０ｂの内部電極１１４、１１５の面積より小さい第１の圧電素子を製造することができる。なお、第１および第２の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート２０３を１層以上積層してもよい。

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第１の圧電素子について、少なくとも接着部になる層に内部電極の面積を低減させたグリーンシートを用いることで、第１の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が１個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ内部電極の面積を低減させたグリーンシートを用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの内部電極の面積の調整により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。

［第４の実施形態］
次に、第４の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第４の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。

（圧電素子）
図１４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態の第１の圧電素子および第２の圧電素子の正断面である。なお、図１４（ａ）、（ｂ）では、内部電極１１４、１１５を点線で、応力緩和層１１８を実線で表している。また、図１４（ａ）、（ｂ）は、外部電極は省略している。図１４（ａ）、（ｂ）に示されるように、本実施形態の第１の圧電素子１１０ａは、接着部１１１における応力緩和層１１８が、第２の圧電素子１１０ｂの応力緩和層１１８と比較して、その数が少ない、または面積が小さい。なお、応力緩和層１１８の数が少ないとは、接着部１１１における応力緩和層１１８の数と、第２の圧電素子の積層方向の接着部１１１と同一の長さにおける応力緩和層１１８の数を比較して、その数が少ないことをいい、接着部１１１において応力緩和層１１８が形成されないことも含む。また、応力緩和層１１８の面積が小さいとは、接着部１１１に形成された応力緩和層１１８を積層方向へ投影した図形の面積が、第２の圧電素子１１０ｂに形成された応力緩和層１１８を積層方向へ投影した図形の面積よりも小さいことをいう。

一般に積層型圧電素子内部には内部電極の周辺には、絶縁および外部環境からの汚染、防湿のため圧電不活性部が形成されている。圧電アクチュエータ用の積層型圧電素子では圧電不活性部による変位阻害を防止するために、全層もしくは一定の間隔で圧電不活性部にスリット状の応力緩和層を形成している。すなわち、応力緩和層は、圧電素子の駆動時に素子内部に発生する応力を緩和するために設けられる。このため、歪ゲージを接着する部分のみ圧電素子応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しないことで、変位特性を低下させることができ、歪ゲージの最大歪率を低減することができる。これにより、歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータの耐久性を向上させることが可能となる。

（異なる構成の圧電素子の製造方法）
図１５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本実施形態の第１および第２の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図１５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３と応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が積層されたグリーンシート２０８、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３と応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が積層されたグリーンシート２０９、焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０２、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックス２１３のみのグリーンシート２０３を示す。ここで、難焼結セラミックスペースト２１８としては、ジルコニア、チタン酸鉛などが用いられる。

第２の圧電素子１１０ｂは、焼成後に応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が塗布されたグリーンシート２０８、２０９が交互に積層されて焼成されることで製造される。なお、適宜、焼成後に応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が塗布されていないグリーンシート２０１、２０２を使用してもよい。一方、第１の圧電素子１１０ａは、少なくとも接着部１１１となる部分を積層するときに、焼成後に応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が塗布されたグリーンシート２０８、２０９を使用しない、または第２の圧電素子を製造する場合と比較して使用する枚数を少なくする。このようにして、接着部１１１における応力緩和層１１８が、第２の圧電素子１１０ｂの応力緩和層１１８と比較して、その数が少ない、または面積が小さい第１の圧電素子１１０ａを製造することができる。なお、第１および第２の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート２０３を１層以上積層してもよい。

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第１の圧電素子について、少なくとも接着部になる部分の応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しないことで、第１の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が１個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ、他の部分と比較して応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しない構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの応力緩和層の調整により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。

なお、第１から第３の実施形態では、応力緩和層に言及していないが、それは各実施形態の特徴をより明確にするためであり、第１から第３の実施形態に応力緩和層があってもよいし、なくてもよい。また、本発明は、２つ以上の実施形態を組み合わせても成立する。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。

１００、３００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１１０、１１０ａ、１１０ｂ 圧電素子
１１１ 接着部
１１３、１１３ａ 圧電層
１１４、１１４ａ、１１５、１１５ａ 内部電極
１１６、１１７ 外部電極
１１８ 応力緩和層
１２１、１２２、１５７、１５８ リード線
１２６、１２７、１５９ 端子
１５５ 歪ゲージ
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
２０１〜２０９ グリーンシート
２１８ 難焼結セラミックスペースト
２１４、２１４ａ、２１５、２１５ａ 電極ペースト
３３０ 突起
３４０ 座
３４５ ガラス、樹脂
３６０ キャップ

Claims (6)

1. 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変位方向の歪を検知する歪ゲージと、を備え、
   前記複数の圧電素子は、前記歪ゲージが接着される接着部を有する第１の圧電素子と、前記歪ゲージが接着されない第２の圧電素子と、によって構成され、
   前記第１の圧電素子は、最大収縮時の圧電伸縮部長さに対する最大変位量の割合である最大歪率について、少なくとも前記接着部における最大歪率が、前記第２の圧電素子の最大歪率より小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記第１の圧電素子は、前記接着部における内部電極層の間隔が前記第２の圧電素子の内部電極層の間隔より広い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. 前記第１の圧電素子は、前記接着部における圧電層の圧電歪定数ｄ_３３が前記第２の圧電素子の圧電層の圧電歪定数ｄ_３３より小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１の圧電素子は、前記接着部における内部電極の面積が前記第２の圧電素子の内部電極の面積より小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記第１の圧電素子は、前記接着部における応力緩和層が前記第２の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数が少ない、または面積が小さいことを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記第１の圧電素子の前記接着部における最大歪率は、前記第２の圧電素子の最大歪率の８０％以下であ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。
   

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