JP2586371B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents
圧電アクチュエータInfo
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- JP2586371B2 JP2586371B2 JP4341776A JP34177692A JP2586371B2 JP 2586371 B2 JP2586371 B2 JP 2586371B2 JP 4341776 A JP4341776 A JP 4341776A JP 34177692 A JP34177692 A JP 34177692A JP 2586371 B2 JP2586371 B2 JP 2586371B2
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/50—Piezoelectric or electrostrictive devices having a stacked or multilayer structure
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Control Of Position Or Direction (AREA)
- Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は圧電アクチュエータに関
し、特に積層型の圧電アクチュエータに関する。
し、特に積層型の圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】結晶の圧電性を利用した圧電アクチュエ
ータは、微小な機械的変位を高速で制御することができ
ることから、精密位置決め機構などに多く用いられてい
る。中でも、圧電性セラミックなどの圧電材料を厚さ数
十μｍ程度の層状に薄膜化しこれに内部電極の薄膜層を
設けたものを積層した構造の積層型の圧電アクチュエー
タは、比較的低い駆動電圧でも大きい発生力を得ること
ができるという特徴を持ち、例えば、露光装置など半導
体製造装置の精密位置決め機構、マスフローメータの弁
の制御、プラスチックフィルムの押出し成形機における
厚さの制御、光学機械の光軸の制御など、ミクロンオー
ダー或いはそれ以下の領域での微少な変位を精密に制御
する必要のある用途に広く用いられている。
ータは、微小な機械的変位を高速で制御することができ
ることから、精密位置決め機構などに多く用いられてい
る。中でも、圧電性セラミックなどの圧電材料を厚さ数
十μｍ程度の層状に薄膜化しこれに内部電極の薄膜層を
設けたものを積層した構造の積層型の圧電アクチュエー
タは、比較的低い駆動電圧でも大きい発生力を得ること
ができるという特徴を持ち、例えば、露光装置など半導
体製造装置の精密位置決め機構、マスフローメータの弁
の制御、プラスチックフィルムの押出し成形機における
厚さの制御、光学機械の光軸の制御など、ミクロンオー
ダー或いはそれ以下の領域での微少な変位を精密に制御
する必要のある用途に広く用いられている。
【０００３】このような積層型圧電アクチュエータは、
その変位量が、外部から外部電極を介して各圧電材料
（セラミック）層に印加される駆動電圧に応じてそれぞ
れの圧電セラミック層が発生するひずみによって決るの
で、基本的には、駆動電圧の大きさを制御することによ
って圧電アクチュエータとしての変位量を制御すること
が可能である。しかしながら、圧電効果を利用したアク
チュエータの場合、通常、駆動電圧と各圧電セラミック
層のひずみとの関係は線型ではなくヒステリシスを示
す。このため圧電アクチュエータを上記のような用途に
用いてミクロンオーダー或いはそれ以下の変位を精度よ
く制御しようとする場合は、圧電アクチュエータが発生
した実際の変位を検出し、これを駆動電圧にフィードバ
ックする必要がある。このような目的で圧電アクチュエ
ータの変位量を検出する技術が、実開昭６３−１４０６
６１号公報に開示されている。
その変位量が、外部から外部電極を介して各圧電材料
（セラミック）層に印加される駆動電圧に応じてそれぞ
れの圧電セラミック層が発生するひずみによって決るの
で、基本的には、駆動電圧の大きさを制御することによ
って圧電アクチュエータとしての変位量を制御すること
が可能である。しかしながら、圧電効果を利用したアク
チュエータの場合、通常、駆動電圧と各圧電セラミック
層のひずみとの関係は線型ではなくヒステリシスを示
す。このため圧電アクチュエータを上記のような用途に
用いてミクロンオーダー或いはそれ以下の変位を精度よ
く制御しようとする場合は、圧電アクチュエータが発生
した実際の変位を検出し、これを駆動電圧にフィードバ
ックする必要がある。このような目的で圧電アクチュエ
ータの変位量を検出する技術が、実開昭６３−１４０６
６１号公報に開示されている。
【０００４】図８に上記公報記載の圧電アクチュエータ
の斜視図を示す。同図を参照すると上記公報記載の圧電
アクチュエータは、積層体１Ａの積層端面１ａに固着さ
れたひずみゲージ８を備えている。積層体１Ａは、図９
に示す積層体１Ｂ（後述）中の活性部２と同様の積層構
造となっている。図９を参照すると、活性部２では、圧
電セラミック層４と内部電極層５とが互い違いに積層さ
れている。内部電極層５は、一層おきに同じ外部電極７
ａ，７ｂに接続され、断面から見て、互い違いに入り込
んだ一対の櫛歯状電極を形成し、それぞれの圧電セラミ
ック層４に対してこれを挟む対向電極となっている。図
９において、外部から二つの外部電極７ａ，７ｂ間に印
加された駆動電圧は、上記の対向した内部電極層５を介
して各圧電セラミック層４に電界を与える。各圧電セラ
ミック層４は、この電界によってその面に垂直な軸に添
った方向（積層方向）にひずみを発生する。圧電アクチ
ュエータは、このひずみを積層体１Ａ（図８），１Ｂ
（図９）の積層方向の長さの変化、すなわち変位として
取り出して外部に伝達する。
の斜視図を示す。同図を参照すると上記公報記載の圧電
アクチュエータは、積層体１Ａの積層端面１ａに固着さ
れたひずみゲージ８を備えている。積層体１Ａは、図９
に示す積層体１Ｂ（後述）中の活性部２と同様の積層構
造となっている。図９を参照すると、活性部２では、圧
電セラミック層４と内部電極層５とが互い違いに積層さ
れている。内部電極層５は、一層おきに同じ外部電極７
ａ，７ｂに接続され、断面から見て、互い違いに入り込
んだ一対の櫛歯状電極を形成し、それぞれの圧電セラミ
ック層４に対してこれを挟む対向電極となっている。図
９において、外部から二つの外部電極７ａ，７ｂ間に印
加された駆動電圧は、上記の対向した内部電極層５を介
して各圧電セラミック層４に電界を与える。各圧電セラ
ミック層４は、この電界によってその面に垂直な軸に添
った方向（積層方向）にひずみを発生する。圧電アクチ
ュエータは、このひずみを積層体１Ａ（図８），１Ｂ
（図９）の積層方向の長さの変化、すなわち変位として
取り出して外部に伝達する。
【０００５】ここで、図８に示す上記公報記載の圧電ア
クチュエータにおいて、二つの外部電極７ａ，７ｂ間に
駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータは圧電効果
により積層方向に所定の量だけ変位する。この際、ひず
みゲージ８は駆動電圧に応じて発生したひずみにより、
圧電アクチュエータの積層方向の張力を受けその電気抵
抗が変化する。このときの抵抗変化量は、圧電アクチュ
エータの変位量に対して直線関係にある。従って、各駆
動電圧における圧電アクチュエータの変位量とひずみゲ
ージの抵抗変化量との関係を予め測定しておくことによ
り、外部電極７ａ，７ｂ間に所要の電圧を印加したと
き、ひずみゲージ８の抵抗変化量を検知して圧電アクチ
ュエータの変位量を知ることができる。更に、ひずみゲ
ージ８の抵抗変化量が目標設定値と一致しない場合に、
目標設定値との偏差に応じて駆動電圧の制御を行なうこ
とにより、目標変位に制御することができる。
クチュエータにおいて、二つの外部電極７ａ，７ｂ間に
駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータは圧電効果
により積層方向に所定の量だけ変位する。この際、ひず
みゲージ８は駆動電圧に応じて発生したひずみにより、
圧電アクチュエータの積層方向の張力を受けその電気抵
抗が変化する。このときの抵抗変化量は、圧電アクチュ
エータの変位量に対して直線関係にある。従って、各駆
動電圧における圧電アクチュエータの変位量とひずみゲ
ージの抵抗変化量との関係を予め測定しておくことによ
り、外部電極７ａ，７ｂ間に所要の電圧を印加したと
き、ひずみゲージ８の抵抗変化量を検知して圧電アクチ
ュエータの変位量を知ることができる。更に、ひずみゲ
ージ８の抵抗変化量が目標設定値と一致しない場合に、
目標設定値との偏差に応じて駆動電圧の制御を行なうこ
とにより、目標変位に制御することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、積層型
圧電アクチュエータの変位量は、積層端面に取り付けた
ひずみゲージによって実際の変位量を検出し、目標変位
量との差を駆動電圧にフィードバックすることにより、
精度よく制御することができる。
圧電アクチュエータの変位量は、積層端面に取り付けた
ひずみゲージによって実際の変位量を検出し、目標変位
量との差を駆動電圧にフィードバックすることにより、
精度よく制御することができる。
【０００７】しかしながら、積層型圧電アクチュエータ
を実際の使用に供する場合、外部からの駆動電圧に応じ
て変位を発生する積層構造の変位発生部（活性部）の他
に、この発生部を保護するための保護層や、更には、例
えば変位の制御精度を向上させるための金属製の温度補
償部材など、駆動電圧に対しては変位を生じない部分が
必要である。このようなアクチュエータの場合、上記公
報記載の技術では、圧電アクチュエータの実際の変位量
とひずみゲージが検出した変位量との間にずれが生じ、
変位量を精度よく制御することができなくなることがあ
る。以下にその説明を行なう。
を実際の使用に供する場合、外部からの駆動電圧に応じ
て変位を発生する積層構造の変位発生部（活性部）の他
に、この発生部を保護するための保護層や、更には、例
えば変位の制御精度を向上させるための金属製の温度補
償部材など、駆動電圧に対しては変位を生じない部分が
必要である。このようなアクチュエータの場合、上記公
報記載の技術では、圧電アクチュエータの実際の変位量
とひずみゲージが検出した変位量との間にずれが生じ、
変位量を精度よく制御することができなくなることがあ
る。以下にその説明を行なう。
【０００８】図９は上記保護層付きの積層型圧電アクチ
ュエータの断面図である。図９を参照すると、この種の
圧電アクチュエータは、活性部２と二つの保護層３ａ，
３ｂとからなる積層体１Ｂを基本構成要素としている。
ュエータの断面図である。図９を参照すると、この種の
圧電アクチュエータは、活性部２と二つの保護層３ａ，
３ｂとからなる積層体１Ｂを基本構成要素としている。
【０００９】活性部２は前述のように、圧電セラミック
層４と内部電極層５とを互い違いに積層した積層構造に
なっており、外部電極７ａ，７ｂから各内部電極５を通
じて各圧電セラミック層４に印加された駆動電圧によっ
て、積層方向に変位を発生する。
層４と内部電極層５とを互い違いに積層した積層構造に
なっており、外部電極７ａ，７ｂから各内部電極５を通
じて各圧電セラミック層４に印加された駆動電圧によっ
て、積層方向に変位を発生する。
【００１０】保護層３ａ，３ｂは、変位を発生する活性
部２を電気的および機械的に外部から保護するために設
けられるものである。すなわち、圧電アクチュエータの
電気機械変換トランスジューサとしての基本的な機能は
活性部２によって得られるものであるが、この圧電アク
チュエータを実用に供するためには、積層体１Ｂの最外
部（積層方向に関して）は絶縁体であることが、この圧
電アクチュエータを使用する装置の材質に対する制約
（金属などの導体であるか或いはプラスチックやセラミ
ックなどの絶縁体であるか）が少ない点から望ましい。
また、前述のように、活性部２の圧電セラミック層４の
厚さは数十μｍ程度と薄く、ここに１５０Ｖ程度の駆動
電圧が加わり電界が非常に強くなるので、外部からの衝
撃などにより圧電セラミック層４がクラックや割れ或い
欠けなどを起さないようにこれを機械的に保護しなけれ
ばならない。保護層３ａ，３ｂはこのような目的のため
に、活性部２の上下に少なくとも一つずつ設けられるも
のであるので、活性部２の積層方向の長さに対してある
程度の長さ（厚さ）が必要である。例えば、１２ｍｍの
長さの活性部２に対してそれぞれ２ｍｍ程度の長さの保
護層３ａ，３ｂが設けられる。これらの保護層３ａ，３
ｂは、製造の容易さの点から通常、活性部２を構成する
圧電セラミック層４と同一の材料で内部電極を持たない
シート状の薄層を積重ねて用いることが多い。
部２を電気的および機械的に外部から保護するために設
けられるものである。すなわち、圧電アクチュエータの
電気機械変換トランスジューサとしての基本的な機能は
活性部２によって得られるものであるが、この圧電アク
チュエータを実用に供するためには、積層体１Ｂの最外
部（積層方向に関して）は絶縁体であることが、この圧
電アクチュエータを使用する装置の材質に対する制約
（金属などの導体であるか或いはプラスチックやセラミ
ックなどの絶縁体であるか）が少ない点から望ましい。
また、前述のように、活性部２の圧電セラミック層４の
厚さは数十μｍ程度と薄く、ここに１５０Ｖ程度の駆動
電圧が加わり電界が非常に強くなるので、外部からの衝
撃などにより圧電セラミック層４がクラックや割れ或い
欠けなどを起さないようにこれを機械的に保護しなけれ
ばならない。保護層３ａ，３ｂはこのような目的のため
に、活性部２の上下に少なくとも一つずつ設けられるも
のであるので、活性部２の積層方向の長さに対してある
程度の長さ（厚さ）が必要である。例えば、１２ｍｍの
長さの活性部２に対してそれぞれ２ｍｍ程度の長さの保
護層３ａ，３ｂが設けられる。これらの保護層３ａ，３
ｂは、製造の容易さの点から通常、活性部２を構成する
圧電セラミック層４と同一の材料で内部電極を持たない
シート状の薄層を積重ねて用いることが多い。
【００１１】このような構成の積層型圧電アクチュエー
タにおいて、いま、積層体１Ｂに加わるひずみ発生方向
（積層方向）の外力が変化したとき、保護層３ａ，３ｂ
と活性部２とでは、たとえ圧電特性が同じ材料を用いて
いる場合でも、電界が加わるか否かによってその外力に
対する弾性ひずみが異なる。つまり、この場合の実際の
変位量は、活性部２でのひずみによるものと保護層３
ａ，３ｂでのひずみによるものとを合成したものにな
る。ところが、前述の公報記載の圧電アクチュエータで
は、活性部２のひずみしか検出していないので、検出さ
れた変位量と実際の変位量とが一致しないことになる。
しかも上述のように、保護層３ａ，３ｂの長さは活性部
２の長さに対して無視できないほどの長さであるので、
上記の変位量の不一致の大きさは重大なものとなる。
タにおいて、いま、積層体１Ｂに加わるひずみ発生方向
（積層方向）の外力が変化したとき、保護層３ａ，３ｂ
と活性部２とでは、たとえ圧電特性が同じ材料を用いて
いる場合でも、電界が加わるか否かによってその外力に
対する弾性ひずみが異なる。つまり、この場合の実際の
変位量は、活性部２でのひずみによるものと保護層３
ａ，３ｂでのひずみによるものとを合成したものにな
る。ところが、前述の公報記載の圧電アクチュエータで
は、活性部２のひずみしか検出していないので、検出さ
れた変位量と実際の変位量とが一致しないことになる。
しかも上述のように、保護層３ａ，３ｂの長さは活性部
２の長さに対して無視できないほどの長さであるので、
上記の変位量の不一致の大きさは重大なものとなる。
【００１２】一方、周囲温度の変化やあるいは圧電アク
チュエータの動作に伴なう発熱により、積層体１Ｂの温
度が変化した場合でも、保護層３ａ，３ｂと活性部２と
の線熱膨張係数が異なるときは、上記と同様に、検出さ
れた変位量と実際の変位量との間に大きな不一致が起
る。
チュエータの動作に伴なう発熱により、積層体１Ｂの温
度が変化した場合でも、保護層３ａ，３ｂと活性部２と
の線熱膨張係数が異なるときは、上記と同様に、検出さ
れた変位量と実際の変位量との間に大きな不一致が起
る。
【００１３】又、圧電アクチュエータの変位量の温度特
性を平坦にするために、活性部２および保護層３ａ，３
ｂに加えて、積層体１Ｂの上部または下部（活性部２の
ひずみ発生方向すなわち積層方向に関して）に温度補償
部材（図示せず）を設けることがある。これは、マイナ
スの線熱膨張係数をもつ圧電セラミック材料からなる積
層体１Ｂに対して、プラスの線熱膨張係数をもつ例えば
ステンレス鋼製の金属ブロックを設け、圧電アクチュエ
ータ全体としての熱膨張による変位量の変動を補償しよ
うとするものであって、温度補償部材の積層方向の長さ
は、例えば、積層体１Ｂの長さが１６ｍｍ程度の場合に
約４ｍｍ程度のものが用いられる。このような温度補償
部材を設けた圧電アクチュエータにおいても、各部分
（活性部２，保護層３ａ，３ｂおよび温度補償部材）の
弾性ひずみが異なるときは、上記と同様に、外力が変化
したときの検出された変位量と実際の変位量との不一致
が起り、変位量制御の精度が低下する。
性を平坦にするために、活性部２および保護層３ａ，３
ｂに加えて、積層体１Ｂの上部または下部（活性部２の
ひずみ発生方向すなわち積層方向に関して）に温度補償
部材（図示せず）を設けることがある。これは、マイナ
スの線熱膨張係数をもつ圧電セラミック材料からなる積
層体１Ｂに対して、プラスの線熱膨張係数をもつ例えば
ステンレス鋼製の金属ブロックを設け、圧電アクチュエ
ータ全体としての熱膨張による変位量の変動を補償しよ
うとするものであって、温度補償部材の積層方向の長さ
は、例えば、積層体１Ｂの長さが１６ｍｍ程度の場合に
約４ｍｍ程度のものが用いられる。このような温度補償
部材を設けた圧電アクチュエータにおいても、各部分
（活性部２，保護層３ａ，３ｂおよび温度補償部材）の
弾性ひずみが異なるときは、上記と同様に、外力が変化
したときの検出された変位量と実際の変位量との不一致
が起り、変位量制御の精度が低下する。
【００１４】すなわち、圧電アクチュエータが、駆動電
圧に応じて変位を発生する活性部２に加えて、弾性によ
るひずみ、熱膨張によるひずみが異なる部分を有すると
き、上記公報記載の技術では、ひずみ発生方向の外力や
温度が変化した場合の変位量の制御精度が低下すること
がある。変位量の制御精度の低下は、活性部２が圧電性
の異なる材料を用いた複数の部分で構成されているとき
に、駆動電圧の変化に対しても同様に起る。
圧に応じて変位を発生する活性部２に加えて、弾性によ
るひずみ、熱膨張によるひずみが異なる部分を有すると
き、上記公報記載の技術では、ひずみ発生方向の外力や
温度が変化した場合の変位量の制御精度が低下すること
がある。変位量の制御精度の低下は、活性部２が圧電性
の異なる材料を用いた複数の部分で構成されているとき
に、駆動電圧の変化に対しても同様に起る。
【００１５】本発明は、駆動電圧、外力および温度が変
化したときでも、変位量制御の精度低下が起らないよう
な、ひずみゲージを備えた積層型の圧電アクチュエータ
を提供することを目的とするものである。
化したときでも、変位量制御の精度低下が起らないよう
な、ひずみゲージを備えた積層型の圧電アクチュエータ
を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータは、圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交
互に積層されて外部から印加される駆動電圧に応じて圧
電効果により積層方向にひずみを発生する活性部とその
活性部の積層方向の両端面に接して設けられた二つの保
護層とからなる積層体を少なくとも含む構造体を変位発
生源とする圧電アクチュエータにおいて、前記構造体
は、これを積層方向に関して外観上の相違に依らず積層
方向のひずみ特性の相違に基づいて区分したとき、隣り
合う部分どうしが、前記圧電効果により生じる積層方向
のひずみ、弾性により生じる積層方向のひずみ及び熱膨
張により生じる積層方向のひずみのうち少なくとも一つ
が互いに異なる複数の部分に区分されるものであり、前
記複数の部分のそれぞれに、それぞれの部分が発生する
前記積層方向のひずみを検出するためのひずみゲージが
固着されていることを特徴とする。
ータは、圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交
互に積層されて外部から印加される駆動電圧に応じて圧
電効果により積層方向にひずみを発生する活性部とその
活性部の積層方向の両端面に接して設けられた二つの保
護層とからなる積層体を少なくとも含む構造体を変位発
生源とする圧電アクチュエータにおいて、前記構造体
は、これを積層方向に関して外観上の相違に依らず積層
方向のひずみ特性の相違に基づいて区分したとき、隣り
合う部分どうしが、前記圧電効果により生じる積層方向
のひずみ、弾性により生じる積層方向のひずみ及び熱膨
張により生じる積層方向のひずみのうち少なくとも一つ
が互いに異なる複数の部分に区分されるものであり、前
記複数の部分のそれぞれに、それぞれの部分が発生する
前記積層方向のひずみを検出するためのひずみゲージが
固着されていることを特徴とする。
【００１７】
【実施例】次に、本発明の好適な実施例について図面を
参照して説明する。図１は、本実施例の斜視図である。
図１において、積層体１Ｂは図９に示すものと同一の構
造であり、以下のようにして作った。その製法を図９を
用いて説明する。
参照して説明する。図１は、本実施例の斜視図である。
図１において、積層体１Ｂは図９に示すものと同一の構
造であり、以下のようにして作った。その製法を図９を
用いて説明する。
【００１８】まず、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸鉛
などの圧電セラミックの粉末とバインダと有機溶媒とを
混合しスラリー状にしたものをスリップキャスティング
によりシート状に成形してグリーンシートを得る。この
グリーンシートの一方の面に銀・パラジウム混合粉末や
白金粉末を分散した内部電極用導電ペーストをスクリー
ン印刷する。次に、この導電ペーストを印刷されたグリ
ーンシートを複数枚積層する。ただし、グリーンシート
を積層する始めと終りの部分のグリーンシートには導電
ペーストを印刷しないものを用いている。内部電極用ペ
ーストを印刷されたグリーンシートは活性部２を形成
し、印刷されないグリーンシートは保護層３ａ，３ｂと
なる。この後１００℃で加熱圧着して一体化した後、約
５００℃でバインダーを分解除去し、約１０００℃にて
焼結して圧電セラミック層４と内部電極層５とが交互に
積層された焼結体を得る。
などの圧電セラミックの粉末とバインダと有機溶媒とを
混合しスラリー状にしたものをスリップキャスティング
によりシート状に成形してグリーンシートを得る。この
グリーンシートの一方の面に銀・パラジウム混合粉末や
白金粉末を分散した内部電極用導電ペーストをスクリー
ン印刷する。次に、この導電ペーストを印刷されたグリ
ーンシートを複数枚積層する。ただし、グリーンシート
を積層する始めと終りの部分のグリーンシートには導電
ペーストを印刷しないものを用いている。内部電極用ペ
ーストを印刷されたグリーンシートは活性部２を形成
し、印刷されないグリーンシートは保護層３ａ，３ｂと
なる。この後１００℃で加熱圧着して一体化した後、約
５００℃でバインダーを分解除去し、約１０００℃にて
焼結して圧電セラミック層４と内部電極層５とが交互に
積層された焼結体を得る。
【００１９】次に、向かい合う一組の側面上に露出して
いる内部電極層５を絶縁体６で一層おきに互い違いに絶
縁した上に、外部電極７ａ，７ｂを形成し絶縁されてい
ない内部電極層を一層おきに電気的に接続して積層体１
Ｂを得た。
いる内部電極層５を絶縁体６で一層おきに互い違いに絶
縁した上に、外部電極７ａ，７ｂを形成し絶縁されてい
ない内部電極層を一層おきに電気的に接続して積層体１
Ｂを得た。
【００２０】導電ペーストを印刷してグリーンシートを
用いた部分は、駆動電圧を印加する事により圧電セラミ
ック層４に電界が印加され圧電効果によりひずみを生じ
る活性部２となり、内部電極用の導電ペーストを印刷し
ないグリーンシートを用いた部分は、駆動電圧によるひ
ずみを生じない保護層３ａ，３ｂとなる。本実施例の積
層体１Ｂの積層方向に垂直な断面の大きさは５ｍｍ×５
ｍｍであり積層方向の長さは１６ｍｍである。このうち
活性部２は１２ｍｍであり保護層３ａ，３ｂは各々２ｍ
ｍである。
用いた部分は、駆動電圧を印加する事により圧電セラミ
ック層４に電界が印加され圧電効果によりひずみを生じ
る活性部２となり、内部電極用の導電ペーストを印刷し
ないグリーンシートを用いた部分は、駆動電圧によるひ
ずみを生じない保護層３ａ，３ｂとなる。本実施例の積
層体１Ｂの積層方向に垂直な断面の大きさは５ｍｍ×５
ｍｍであり積層方向の長さは１６ｍｍである。このうち
活性部２は１２ｍｍであり保護層３ａ，３ｂは各々２ｍ
ｍである。
【００２１】図１に示す第１の実施例１ではこうして得
た積層体１Ｂの保護層３ａ，３ｂ，活性部２のそれぞれ
の表面に、抵抗値１２０Ω、ゲージ率２のひずみゲージ
８ａ，８ｂ，８ｃを接着し、それぞれのひずみゲージの
ゲージリード９を別々に取り出している。
た積層体１Ｂの保護層３ａ，３ｂ，活性部２のそれぞれ
の表面に、抵抗値１２０Ω、ゲージ率２のひずみゲージ
８ａ，８ｂ，８ｃを接着し、それぞれのひずみゲージの
ゲージリード９を別々に取り出している。
【００２２】これらのひずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃの
抵抗の変化率が各部分（保護層３ａ，３ｂおよび活性部
２）のそれぞれのひずみの大きさに比例するわけである
が、これらの抵抗値の変化を測定するために、本実施例
では図２に示すように、１２０Ωホイートストーンブリ
ッジ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接続した。三つのホイー
トストーンブリッジには共通の定電圧電源１１を接続
し、ひずみゲージが検出したひずみ率に比例した大きさ
のひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃを得る。ひずみゲ
ージの抵抗変化を検出する方法は、ここで用いた直流ブ
リッジを用いるほかにも交流を用いるものなど多くの種
類があるが、どの方法を選択しても構わない。
抵抗の変化率が各部分（保護層３ａ，３ｂおよび活性部
２）のそれぞれのひずみの大きさに比例するわけである
が、これらの抵抗値の変化を測定するために、本実施例
では図２に示すように、１２０Ωホイートストーンブリ
ッジ１０ａ，１０ｂ，１０ｃに接続した。三つのホイー
トストーンブリッジには共通の定電圧電源１１を接続
し、ひずみゲージが検出したひずみ率に比例した大きさ
のひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃを得る。ひずみゲ
ージの抵抗変化を検出する方法は、ここで用いた直流ブ
リッジを用いるほかにも交流を用いるものなど多くの種
類があるが、どの方法を選択しても構わない。
【００２３】物体が変形するときの変位量はその物体の
長さとひずみ率との積であり、複数の物体を直列接続し
たときの全体の変位量はそれぞれの物体の変位量の和に
なるので、各物体のひずみ率と長さがわかれば全体の変
位量が明らかになる。
長さとひずみ率との積であり、複数の物体を直列接続し
たときの全体の変位量はそれぞれの物体の変位量の和に
なるので、各物体のひずみ率と長さがわかれば全体の変
位量が明らかになる。
【００２４】本実施例では抵抗値とゲージ率の等しいひ
ずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃと、同じ定電圧電源１１に
接続されたホイートストーンブリッジ１０ａ，１０ｂ，
１０ｃとを用いているので、ひずみゲージ８ａ，８ｂ，
８ｃが検出したひずみ率とひずみ信号１２ａ，１２ｂ，
１２ｃの大きさの関係は相似である。いま、保護層３
ａ，３ｂと活性部２の長さがそれぞれ２ｍｍ，２ｍｍ，
１２ｍｍであるので、ひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２
ｃを演算装置１３で計算して積層体１Ｂ全体の変位量に
比例した合成信号１４を得る。演算装置１３の内部で
は、ひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれのひ
ずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃの接着されている部分の長
さの比に等しい増幅率で増幅されたのち加算器で合成さ
れ、変位信号１４として出力される。
ずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃと、同じ定電圧電源１１に
接続されたホイートストーンブリッジ１０ａ，１０ｂ，
１０ｃとを用いているので、ひずみゲージ８ａ，８ｂ，
８ｃが検出したひずみ率とひずみ信号１２ａ，１２ｂ，
１２ｃの大きさの関係は相似である。いま、保護層３
ａ，３ｂと活性部２の長さがそれぞれ２ｍｍ，２ｍｍ，
１２ｍｍであるので、ひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２
ｃを演算装置１３で計算して積層体１Ｂ全体の変位量に
比例した合成信号１４を得る。演算装置１３の内部で
は、ひずみ信号１２ａ，１２ｂ，１２ｃがそれぞれのひ
ずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃの接着されている部分の長
さの比に等しい増幅率で増幅されたのち加算器で合成さ
れ、変位信号１４として出力される。
【００２５】本実施例において、演算増幅器１３からの
変位信号１４の大きさｙは、ひずみ信号１２ａ，１２
ｂ，１２ｃの大きさをそれぞれａ，ｂ，ｃとすると ｙ＝ｋ×（２×ａ＋２×ｂ＋１２×ｃ） となる。（但しｋは任意の定数）こうして得た変位信号
１４は積層体１Ｂ全体の変位量に比例することになる。
したがってこの変位信号１４をフィードバック制御装置
１５に入力する事によって、目標の駆動電圧値を指定す
る制御信号１６に応じたヒステリシスの無い変位を得る
ことが出来る。
変位信号１４の大きさｙは、ひずみ信号１２ａ，１２
ｂ，１２ｃの大きさをそれぞれａ，ｂ，ｃとすると ｙ＝ｋ×（２×ａ＋２×ｂ＋１２×ｃ） となる。（但しｋは任意の定数）こうして得た変位信号
１４は積層体１Ｂ全体の変位量に比例することになる。
したがってこの変位信号１４をフィードバック制御装置
１５に入力する事によって、目標の駆動電圧値を指定す
る制御信号１６に応じたヒステリシスの無い変位を得る
ことが出来る。
【００２６】本実施例で使用した積層体と同じ積層体を
使用した従来の圧電アクチュエータと本実施例とを比較
した場合、１００ｋｇｆの力が加わったとき、従来のも
のでは測定される変位と実際の変位との間に５μｍのず
れがあったのに対して、本実施例ではそのずれは１μｍ
以内であった。
使用した従来の圧電アクチュエータと本実施例とを比較
した場合、１００ｋｇｆの力が加わったとき、従来のも
のでは測定される変位と実際の変位との間に５μｍのず
れがあったのに対して、本実施例ではそのずれは１μｍ
以内であった。
【００２７】次に、本実施例におけるホイートストーン
ブリッジおよび演算装置の部分は、以下に示す第２の実
施例のように、三つのひずみゲージを直列に接続するこ
とによって簡略化することができる。図３は本発明の第
２の実施例の斜視図である。同図を参照すると、本実施
例では、同じ積層体１Ｂを用いて図３に示すように、保
護層３ａ，３ｂの表面にひずみゲージ８ａ，８ｂを接着
し活性部２の表面にひずみゲージ８ｃを接着する。ひず
みゲージ８ｃの抵抗値は９０Ω、ひずみゲージ８ａ，８
ｂの抵抗値は各々１５Ωであり、ゲージ率はひずみゲー
ジ８ａ，８ｂ，８ｃとも２である。これらのひずみゲー
ジ８ａ，８ｂ，８ｃを直列に接続する事によって外部か
らは一つの１２０Ωのひずみゲージとみなすことができ
る。この様にしてできたひずみゲージの集合体が示す特
性は次のようになる。
ブリッジおよび演算装置の部分は、以下に示す第２の実
施例のように、三つのひずみゲージを直列に接続するこ
とによって簡略化することができる。図３は本発明の第
２の実施例の斜視図である。同図を参照すると、本実施
例では、同じ積層体１Ｂを用いて図３に示すように、保
護層３ａ，３ｂの表面にひずみゲージ８ａ，８ｂを接着
し活性部２の表面にひずみゲージ８ｃを接着する。ひず
みゲージ８ｃの抵抗値は９０Ω、ひずみゲージ８ａ，８
ｂの抵抗値は各々１５Ωであり、ゲージ率はひずみゲー
ジ８ａ，８ｂ，８ｃとも２である。これらのひずみゲー
ジ８ａ，８ｂ，８ｃを直列に接続する事によって外部か
らは一つの１２０Ωのひずみゲージとみなすことができ
る。この様にしてできたひずみゲージの集合体が示す特
性は次のようになる。
【００２８】一般に、抵抗値Ｒ，ゲージ率Ｋのひずみゲ
ージが長さＬの物体に接着されておりεのひずみ率で変
形するときΔＬの変位が生じ、ひずみゲージにΔＲの抵
抗変化が発生したとすると、 となる。したがって本実施例のように保護層３ａ，３ｂ
と活性部２のそれぞれにひずみゲージが接着されている
場合、ひずみゲージの抵抗値とゲージ率との積をそのひ
ずみゲージが接着されている部分の長さに比例するよう
にすれば、すなわち各部分でＬ／（Ｒ×Ｋ）が一定にな
るようにすれば、それぞれのひずみゲージの抵抗変化と
そのひずみゲージが接着されている部分の変位量とは比
例する。ここで各部分のひずみゲージを直列に接続すれ
ば、積層体１Ｂの変位量は直列接続したひずみゲージの
抵抗変化を測定することによって測定できる。本実施例
はこの原理にしたがってひずみゲージを選択している。
例えば図３に示すように、上下二つの保護層３ａ，３ｂ
及びそれらの間の活性部２のそれぞれにひずみゲージ８
ａ，８ｂ，８ｃを接着した場合を考えると、各ひずみゲ
ージ毎に以下の関係が成り立つ。 ΔＬ 3a ＝ΔＲ 8a ×｛Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ）｝ ΔＬ 3b ＝ΔＲ 8b ×｛Ｌ 8b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ）｝ ΔＬ 2 ＝ΔＲ 8c ×｛Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ）｝ 但し、上式において、ΔＬ，Ｌ，ΔＲ，Ｒ，Ｋのそれぞ
れに付された添字は、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性層
２およびそれぞれに取り付けられたひずみゲージ８ａ，
８ｂ，８ｃにおける値であることを示す。いま、上述の
三つの式のそれぞれにおいて、式中のＬ／（Ｒ×Ｋ）が
一定値になるように設定する、換言すれば、抵抗値Ｒと
ゲージ率Ｋとの積がひずみゲージを接着した部分の積層
方向の長さＬに同一の比例係数をもって比例するように
すると、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性部２の各部分に
おける変位量の和は、各部分に取り付けられたひずみゲ
ージ８ａ，８ｂ，８ｃにおける抵抗値変化の和に比例す
ることになる。すなわち、上記の一定値をα（上記比例
係数としては、１／α）として、数式で表わせば、 α＝Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ） （１） ＝Ｌ 3b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ） （２） ＝Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ） （３） とすると、 ΔＬ 3a ＝α×ΔＲ 8a ΔＬ 3b ＝α×ΔＲ 8b ΔＬ 2 ＝α×ΔＲ 8c となるので、 ΔＬ ALL ＝（ΔＬ 3a ＋ΔＬ 3b ＋ΔＬ 2 ） ＝α×（ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c ）＝α×ΔＲ ALL （４） となる。ここで（４）式において、ΔＬ ALL ＝ΔＬ 3a ＋
ΔＬ 3b ＋ΔＬ 2 は、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性部２
が直列に接続されたものの総変位量すなわちアクチュエ
ータ全体としての総変位量を表わす。一方、ΔＲ ALL ＝
ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c は、各ひずみゲージ８ａ，８
ｂ，８ｃを直列接続したときの直列抵抗値の変化量を表
わす。つまり（４）式は、三つのひずみゲージ８ａ，８
ｂ，８ｃを直列接続し、その直列抵抗値の変化量ΔＲ
ALL を測定することにより、アクチュエータ全体の変位
量ΔＬ ALL を測定できることを意味している。本実施例
においては、上述の「三つの式のそれぞれにおいて、式
中のＬ／（Ｒ×Ｋ）が一定になるように設定」するこ
と、すなわち、抵抗値とゲージ率との積がひずみゲージ
を接着した部分の積層方向の長さに比例するようにする
方法の一例として、各ひずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃは
ゲージ率Ｋが同一とし、それぞれの抵抗値Ｒ 8a ，Ｒ 8b ，
Ｒ 8c は、それぞれが接着されたアクチュエータの部分の
長さＬ 3a ，Ｌ 3b ，Ｌ 2 に、同じ比例係数を持って比例す
るようにして、上記の条件を実現している。本実施例に
よれば、 Ｌ 3a ＝２ｍｍ，Ｌ 3b ＝２ｍｍ，Ｌ 2 ＝１２ｍｍ Ｒ 8a ＝１５Ω，Ｒ 8b ＝１５Ω，Ｒ 8c ＝９０Ω であるので、 Ｌ 3a ：Ｌ 3b ：Ｌ 2 ＝２：２：１２＝１：１：６ Ｒ 8a ：Ｒ 8b ：Ｒ 8C ＝１５：１５：９０＝１：１：６ となる。つまり、 Ｌ 3a ：Ｌ 3b ：Ｌ 2 ＝Ｒ 8a ：Ｒ 8b ：Ｒ 8C であって、このとき、 Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ）＝２／（１５×２）＝２／３０＝１／１５ Ｌ 3b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ）＝２／（１５×２）＝２／３０＝１／１５ Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ）＝１２／（９０×２）＝１２／１８０＝１／１５ となる。結局、（４）式において、 ΔＬ ALL ＝（ΔＬ 3a ＋ΔＬ 3b ＋Δ 2 ） ＝α×（ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c ）＝α×ΔＲ ALL ＝（１／１５）×ΔＲ ALL となって、直列抵抗のひずみゲージの抵抗値変化を測定
することによって、アクチュエータ全体の変位量を測定
できる。
ージが長さＬの物体に接着されておりεのひずみ率で変
形するときΔＬの変位が生じ、ひずみゲージにΔＲの抵
抗変化が発生したとすると、 となる。したがって本実施例のように保護層３ａ，３ｂ
と活性部２のそれぞれにひずみゲージが接着されている
場合、ひずみゲージの抵抗値とゲージ率との積をそのひ
ずみゲージが接着されている部分の長さに比例するよう
にすれば、すなわち各部分でＬ／（Ｒ×Ｋ）が一定にな
るようにすれば、それぞれのひずみゲージの抵抗変化と
そのひずみゲージが接着されている部分の変位量とは比
例する。ここで各部分のひずみゲージを直列に接続すれ
ば、積層体１Ｂの変位量は直列接続したひずみゲージの
抵抗変化を測定することによって測定できる。本実施例
はこの原理にしたがってひずみゲージを選択している。
例えば図３に示すように、上下二つの保護層３ａ，３ｂ
及びそれらの間の活性部２のそれぞれにひずみゲージ８
ａ，８ｂ，８ｃを接着した場合を考えると、各ひずみゲ
ージ毎に以下の関係が成り立つ。 ΔＬ 3a ＝ΔＲ 8a ×｛Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ）｝ ΔＬ 3b ＝ΔＲ 8b ×｛Ｌ 8b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ）｝ ΔＬ 2 ＝ΔＲ 8c ×｛Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ）｝ 但し、上式において、ΔＬ，Ｌ，ΔＲ，Ｒ，Ｋのそれぞ
れに付された添字は、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性層
２およびそれぞれに取り付けられたひずみゲージ８ａ，
８ｂ，８ｃにおける値であることを示す。いま、上述の
三つの式のそれぞれにおいて、式中のＬ／（Ｒ×Ｋ）が
一定値になるように設定する、換言すれば、抵抗値Ｒと
ゲージ率Ｋとの積がひずみゲージを接着した部分の積層
方向の長さＬに同一の比例係数をもって比例するように
すると、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性部２の各部分に
おける変位量の和は、各部分に取り付けられたひずみゲ
ージ８ａ，８ｂ，８ｃにおける抵抗値変化の和に比例す
ることになる。すなわち、上記の一定値をα（上記比例
係数としては、１／α）として、数式で表わせば、 α＝Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ） （１） ＝Ｌ 3b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ） （２） ＝Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ） （３） とすると、 ΔＬ 3a ＝α×ΔＲ 8a ΔＬ 3b ＝α×ΔＲ 8b ΔＬ 2 ＝α×ΔＲ 8c となるので、 ΔＬ ALL ＝（ΔＬ 3a ＋ΔＬ 3b ＋ΔＬ 2 ） ＝α×（ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c ）＝α×ΔＲ ALL （４） となる。ここで（４）式において、ΔＬ ALL ＝ΔＬ 3a ＋
ΔＬ 3b ＋ΔＬ 2 は、保護層３ａ，保護層３ｂ，活性部２
が直列に接続されたものの総変位量すなわちアクチュエ
ータ全体としての総変位量を表わす。一方、ΔＲ ALL ＝
ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c は、各ひずみゲージ８ａ，８
ｂ，８ｃを直列接続したときの直列抵抗値の変化量を表
わす。つまり（４）式は、三つのひずみゲージ８ａ，８
ｂ，８ｃを直列接続し、その直列抵抗値の変化量ΔＲ
ALL を測定することにより、アクチュエータ全体の変位
量ΔＬ ALL を測定できることを意味している。本実施例
においては、上述の「三つの式のそれぞれにおいて、式
中のＬ／（Ｒ×Ｋ）が一定になるように設定」するこ
と、すなわち、抵抗値とゲージ率との積がひずみゲージ
を接着した部分の積層方向の長さに比例するようにする
方法の一例として、各ひずみゲージ８ａ，８ｂ，８ｃは
ゲージ率Ｋが同一とし、それぞれの抵抗値Ｒ 8a ，Ｒ 8b ，
Ｒ 8c は、それぞれが接着されたアクチュエータの部分の
長さＬ 3a ，Ｌ 3b ，Ｌ 2 に、同じ比例係数を持って比例す
るようにして、上記の条件を実現している。本実施例に
よれば、 Ｌ 3a ＝２ｍｍ，Ｌ 3b ＝２ｍｍ，Ｌ 2 ＝１２ｍｍ Ｒ 8a ＝１５Ω，Ｒ 8b ＝１５Ω，Ｒ 8c ＝９０Ω であるので、 Ｌ 3a ：Ｌ 3b ：Ｌ 2 ＝２：２：１２＝１：１：６ Ｒ 8a ：Ｒ 8b ：Ｒ 8C ＝１５：１５：９０＝１：１：６ となる。つまり、 Ｌ 3a ：Ｌ 3b ：Ｌ 2 ＝Ｒ 8a ：Ｒ 8b ：Ｒ 8C であって、このとき、 Ｌ 3a ／（Ｒ 8a ×Ｋ 8a ）＝２／（１５×２）＝２／３０＝１／１５ Ｌ 3b ／（Ｒ 8b ×Ｋ 8b ）＝２／（１５×２）＝２／３０＝１／１５ Ｌ 2 ／（Ｒ 8c ×Ｋ 8c ）＝１２／（９０×２）＝１２／１８０＝１／１５ となる。結局、（４）式において、 ΔＬ ALL ＝（ΔＬ 3a ＋ΔＬ 3b ＋Δ 2 ） ＝α×（ΔＲ 8a ＋ΔＲ 8b ＋ΔＲ 8c ）＝α×ΔＲ ALL ＝（１／１５）×ΔＲ ALL となって、直列抵抗のひずみゲージの抵抗値変化を測定
することによって、アクチュエータ全体の変位量を測定
できる。
【００２９】この様な構成にすることによって第１の実
施例ではひとつひとつのひずみゲージに対応した三つの
ブリッジ回路が必要でありさらに三つのひずみ信号を演
算装置で処理しなければならなかったのが、本実施例で
は一つのブリッジ回路で済みしかも演算装置も必要なく
なる。
施例ではひとつひとつのひずみゲージに対応した三つの
ブリッジ回路が必要でありさらに三つのひずみ信号を演
算装置で処理しなければならなかったのが、本実施例で
は一つのブリッジ回路で済みしかも演算装置も必要なく
なる。
【００３０】次に、図４に示すのは本発明の第３の実施
例の斜視図である。同図において、積層体１Ｂは第１の
実施例と同じものを用いている。保護層３ａ，３ｂは同
じ材料でできており断面積とヤング率が等しいので、外
力に対するひずみが等しい。又、熱膨張率が等しいので
温度変化に対するひずみも等しい。したがって両者のひ
ずみは常に等しいので、どちらか一方にのみひずみゲー
ジを接着しひずみゲージを減らすことができる。但し、
一つにされたひずみゲージ８ｂの抵抗変化を両方の保護
層３ａ，３ｂに見合う大きさにするため、保護層３ａと
３ｂの長さの和で計算した抵抗値を持つひずみゲージ８
ｂを選択する。本実施例ではひずみゲージ８ｂを保護層
３ｂにのみはり、保護層３ａには何も貼っていない。こ
のひずみゲージ８ｂは３０Ω，ひずみゲージ８ｃは９０
オームで、ゲージ率は共に２である。
例の斜視図である。同図において、積層体１Ｂは第１の
実施例と同じものを用いている。保護層３ａ，３ｂは同
じ材料でできており断面積とヤング率が等しいので、外
力に対するひずみが等しい。又、熱膨張率が等しいので
温度変化に対するひずみも等しい。したがって両者のひ
ずみは常に等しいので、どちらか一方にのみひずみゲー
ジを接着しひずみゲージを減らすことができる。但し、
一つにされたひずみゲージ８ｂの抵抗変化を両方の保護
層３ａ，３ｂに見合う大きさにするため、保護層３ａと
３ｂの長さの和で計算した抵抗値を持つひずみゲージ８
ｂを選択する。本実施例ではひずみゲージ８ｂを保護層
３ｂにのみはり、保護層３ａには何も貼っていない。こ
のひずみゲージ８ｂは３０Ω，ひずみゲージ８ｃは９０
オームで、ゲージ率は共に２である。
【００３１】次に、図５（ａ）に示す第４の実施例は、
図４に示す第３の実施例ではひずみゲージ８ｂと８ｃと
が別々に接着さているのに対して、図５（ｂ）に示すよ
うなあらかじめ同一のベース１７上に直列接続された形
でゲージ部１８ａ，１８ｂを形成したひずみゲージ８を
はりつけ、接続の信頼性の向上および製造工数の低減を
計ったものである。ゲージ部１８ａ，１８ｂの抵抗値は
各々３０Ωと９０Ωでありゲージ率はともに１．９８で
ある。
図４に示す第３の実施例ではひずみゲージ８ｂと８ｃと
が別々に接着さているのに対して、図５（ｂ）に示すよ
うなあらかじめ同一のベース１７上に直列接続された形
でゲージ部１８ａ，１８ｂを形成したひずみゲージ８を
はりつけ、接続の信頼性の向上および製造工数の低減を
計ったものである。ゲージ部１８ａ，１８ｂの抵抗値は
各々３０Ωと９０Ωでありゲージ率はともに１．９８で
ある。
【００３２】図６に示す第５の実施例では、１２０Ωの
ひずみゲージ８を活性部２と保護層３ｂの境界に接着し
てある。ひずみゲージ８の接着位置はゲージ部が保護層
３ｂの上に重なる長さＬ1 と活性部２の上に重なる長さ
Ｌ2 の比をＬ1 ：Ｌ2 ＝３：１としてある。これは９０
Ωと３０Ωのひずみゲージを直列に接続したのと同じ事
であり、一つのゲージ部を有する一つのひずみゲージで
第３および第４の実施例と同様の効果を得ることができ
る。しかも、同一のひずみゲージではゲージ率は等しい
ので長さの比のみ考慮すれば良いという利点がある。
ひずみゲージ８を活性部２と保護層３ｂの境界に接着し
てある。ひずみゲージ８の接着位置はゲージ部が保護層
３ｂの上に重なる長さＬ1 と活性部２の上に重なる長さ
Ｌ2 の比をＬ1 ：Ｌ2 ＝３：１としてある。これは９０
Ωと３０Ωのひずみゲージを直列に接続したのと同じ事
であり、一つのゲージ部を有する一つのひずみゲージで
第３および第４の実施例と同様の効果を得ることができ
る。しかも、同一のひずみゲージではゲージ率は等しい
ので長さの比のみ考慮すれば良いという利点がある。
【００３３】図７にしめす第６の実施例は、図３に示す
第２の実施例にステンレス鋼（１５ｐｐｍ／℃）製で長
さが４ｍｍの温度補償部材１９を接着し、この温度補償
部材１９にもひずみゲージ８ｄを接着したものである。
本実施例では、積層体１Ｂは温度１℃上がると長さが
０．０６μｍ縮むので、圧電アクチュエータとしての合
計の熱膨張はほぼ０になる。ここで各ひずみゲージ８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄをそれぞれ、７２Ω，１２Ω，１
２Ω，２４Ωとし直列に接続することにより、外力が変
化したときの温度補償部材１９と積層体１Ｂとの弾性ひ
ずみの違いによる目標変位量との不一致を補正すること
ができる。すなわち、従来の圧電アクチュエータでは温
度特性改善のために温度補償部材１９を取り付けると、
外力の変化に伴って温度補償部材１９でのひずみと積層
体１Ｂでのひずみに大きな違いがでることから、実際上
はこのような温度補償部材を取り付けることができなか
ったのに対して、本実施例は温度の変化のみならず外力
の変化に対しても正しい変位を示す。例えば、温度補償
部材を取り付けていない従来の圧電アクチュエータでは
印加電圧に対する変位の制御可能範囲が５０℃で３μｍ
ほどであったのが、本実施例では制御可能範囲は５０℃
で０．５μｍ以下となり、さらに力を加えたときのずれ
も１００ｋｇｆで１．５μｍ以下であった。
第２の実施例にステンレス鋼（１５ｐｐｍ／℃）製で長
さが４ｍｍの温度補償部材１９を接着し、この温度補償
部材１９にもひずみゲージ８ｄを接着したものである。
本実施例では、積層体１Ｂは温度１℃上がると長さが
０．０６μｍ縮むので、圧電アクチュエータとしての合
計の熱膨張はほぼ０になる。ここで各ひずみゲージ８
ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄをそれぞれ、７２Ω，１２Ω，１
２Ω，２４Ωとし直列に接続することにより、外力が変
化したときの温度補償部材１９と積層体１Ｂとの弾性ひ
ずみの違いによる目標変位量との不一致を補正すること
ができる。すなわち、従来の圧電アクチュエータでは温
度特性改善のために温度補償部材１９を取り付けると、
外力の変化に伴って温度補償部材１９でのひずみと積層
体１Ｂでのひずみに大きな違いがでることから、実際上
はこのような温度補償部材を取り付けることができなか
ったのに対して、本実施例は温度の変化のみならず外力
の変化に対しても正しい変位を示す。例えば、温度補償
部材を取り付けていない従来の圧電アクチュエータでは
印加電圧に対する変位の制御可能範囲が５０℃で３μｍ
ほどであったのが、本実施例では制御可能範囲は５０℃
で０．５μｍ以下となり、さらに力を加えたときのずれ
も１００ｋｇｆで１．５μｍ以下であった。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧電アク
チュエータは、駆動電圧により発生するひずみ、弾性に
より発生するひずみおよび熱膨張により発生するひずみ
が異なる複数の部分からなり、それぞれの部分のひずみ
を検出するためのひずみゲージが設けられている。
チュエータは、駆動電圧により発生するひずみ、弾性に
より発生するひずみおよび熱膨張により発生するひずみ
が異なる複数の部分からなり、それぞれの部分のひずみ
を検出するためのひずみゲージが設けられている。
【００３５】これにより本発明によれば、駆動電圧によ
るひずみだけを検出する従来の圧電アクチュエータとは
異なって、外力が変化した場合や温度が変化した場合で
も、それぞれの部分のひずみを検出することができるの
で、それらの部分から検出されたひずみによって圧電ア
クチュエータ全体としての変位量を検出し、駆動電圧に
フィードバックすることにより、外力や温度が変化した
ときの変位量の制御精度を従来の圧電アクチュエータに
おけるよりも更に高めることができる。更に、積層構造
部分が圧電特性の異なる材料からなる複数部分で構成さ
れている圧電アクチュエータでも、変位量の精度を維持
することができる。
るひずみだけを検出する従来の圧電アクチュエータとは
異なって、外力が変化した場合や温度が変化した場合で
も、それぞれの部分のひずみを検出することができるの
で、それらの部分から検出されたひずみによって圧電ア
クチュエータ全体としての変位量を検出し、駆動電圧に
フィードバックすることにより、外力や温度が変化した
ときの変位量の制御精度を従来の圧電アクチュエータに
おけるよりも更に高めることができる。更に、積層構造
部分が圧電特性の異なる材料からなる複数部分で構成さ
れている圧電アクチュエータでも、変位量の精度を維持
することができる。
【図１】本発明の第１の実施例の斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施例における変位検出・制御
回路のブロック図である。
回路のブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施例の斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施例の斜視図である。
【図５】分図（ａ）は、本発明の第４の実施例の斜視図
である。分図（ｂ）は、本発明の第４の実施例における
ひずみゲージの平面図である。
である。分図（ｂ）は、本発明の第４の実施例における
ひずみゲージの平面図である。
【図６】本発明の第５の実施例の斜視図である。
【図７】本発明の第６の実施例の斜視図である。
【図８】従来の技術によるひずみゲージ付き積層型圧電
アクチュエータの一例の斜視図である。
アクチュエータの一例の斜視図である。
【図９】積層型圧電アクチュエータに用いられる積層体
の一例の斜視図である。
の一例の斜視図である。
１Ａ，１Ｂ 積層体 １ａ 積層端面 ２ 活性部 ３ａ，３ｂ 保護層 ４ 圧電セラミック層 ５ 内部電極層 ６ 絶縁体 ７ａ，７ｂ 外部電極 ８，８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ ひずみゲージ ９ ゲージリード １０ａ，１０ｂ，１０ｃ ブリッジ １１ 定電圧電源 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ ひずみ信号 １３ 演算装置 １４ 変位信号 １５ フィードバック制御装置 １６ 制御信号 １７ ベース １８ａ，１８ｂ ゲージ部 １９ 温度補償部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−67985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−36091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−283180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−272984（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−22374（ＪＰ，Ｕ)
Claims (5)
- 【請求項１】 圧電性を示すセラミック層と内部電極層
とが交互に積層されて外部から印加される駆動電圧に応
じて圧電効果により積層方向にひずみを発生する活性部
とその活性部の積層方向の両端面に接して設けられた二
つの保護層とからなる積層体を少なくとも含む構造体を
変位発生源とする圧電アクチュエータにおいて、 前記構造体は、これを積層方向に関して外観上の相違に
依らず積層方向のひずみ特性の相違に基づいて区分した
とき、隣り合う部分どうしが、前記圧電効果により生じ
る積層方向のひずみ、弾性により生じる積層方向のひず
み及び熱膨張により生じる積層方向のひずみのうち少な
くとも一つが互いに異なる複数の部分に区分されるもの
であり、 前記複数の部分のそれぞれに、それぞれの部分が発生す
る前記積層方向のひずみを検出するためのひずみゲージ
が固着されていくとを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項２】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
いて、 前記ひずみゲージは、それぞれのひずみゲージにおける
抵抗値とゲージ率との積が、そのひずみゲージがひずみ
を検出すべき部分の積層方向に沿った長さに同一の比例
係数を以て比例する特性を有すると共に、直列に接続さ
れていることを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項３】 請求項２記載の圧電アクチュエータにお
いて、 前記構造体の前記積層方向のひずみ特性が異なる複数の
部分が、前記積層方向の三つのひずみがすべて同一で互
いに隣り合わない二以上の部分を含む場合、それら二以
上の部分においてはそのうちの一つの部分に限り、抵抗
値とゲージ率との積が前記二以上の部分のそれぞれの積
層方向に沿った長さの和に比例するひずみゲージを固着
したことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項４】 請求項１，請求項２又は請求項３記載の
圧電アクチュエータにおいて、 二以上のひずみゲージを同一のベース上に形成し、それ
ら二以上のひずみゲージのそれぞれがそのひずみゲージ
がひずみを検出すべき積層体の部分に位置するように、
前記ベースを、その上のひずみゲージがひずみを検出す
べき積層体の二つの部分の境界を含む領域に固着したこ
とを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 【請求項５】 請求項２又は請求項３記載の圧電アクチ
ュエータにおいて、前記積層体を構成し互いに隣り合う
第一の部分および第二の部分のそれぞれが発生するひず
みを検出する少なくとも一組のひずみゲージに変えて、
一つのひずみゲージを前記第一の部分および前記第二の
部分の境界を含む領域に固着し、前記一つのひずみゲー
ジを、そのゲージ部の前記第一の部分に位置する長さと
前記第二の部分の前記積層方向に沿った長さとの比に等
しくなるように構成したことを特徴とする圧電アクチュ
エータ。
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