JP3021607B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔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、電歪効
果素子がケース内に収納された形の圧電アクチュエータ
に関する。

〔従来の技術〕

圧電アクチュエータは、電歪効果により、電気エネル
ギーを機械エネルギーに変換する電歪効果素子（以下素
子と記す）を用いて、微小な機械的変位を発生するもの
である。

素子としては、電歪材料としてセラミックスを用い、
低い電圧で大きい変位を取り出せるように、電歪材料を
薄膜化し、この電歪材料の薄膜と内部電極の薄膜とを交
互に積層し焼成した、いわゆる、積層セラミック構造の
ものが広く用いられている。

上述の積層セラミック構造は従来から知られているも
のであるが、最近の製造技術の発達には著しいものがあ
る。

例えば、電歪材料の薄膜化・積層技術及び焼成技術の
向上により、多層の電歪材料と内部電極とを同時に焼成
することが可能となり、数十層から数百層の、積層・一
体化された素子が製造できるようになった。

又、薄膜化し、積層された内部電極を絶縁する技術に
ついても、電気泳動法や、スクリーン印刷法が実用化さ
れている。

近年、上述のような製造技術の発達によって、小型
で、発生力及び変位が大きく、応答速度の早い圧電アク
チュエータが実用に供せられるようになったのに伴っ
て、圧電アクチュエータの用途が拡大するとともに、色
々な使用環境で、色々な用途に使用されるようになって
きている。

使用される環境の面からは、高湿度の雰囲気や、腐食
性などを有する各種のガス雰囲気、あるいは有機・無機
薬品の蒸気中での使用にも十分耐えることが要求され
る。

又、用途としては、圧電アクチュエータの高発生力を
利用して、物を強く押しつける用途や、その高変位発生
特性を利用して、物を移動する用途に用いられ、更に
は、高速応答性を利用して、振動体として応用された
り、高速位置決め用などに使われるようになった。

圧電アクチュエータを上記のような用途、特に、振動
体や高速位置決め用などとしての用途に使用した場合、
素子は短時間に伸縮を繰り返すことになり、素子には、
伸縮の度に、素子の質量による変位方向の慣性力が生
じ、内部応力が発生することになる。

この内部応力は、素子の応答速度が速くなるほど大き
くなるので、一定速度以上の速さで電圧を印加すると、
素子が破損することがある。

ところで、素子の機械的な強度は、圧縮力に対するよ
りも引っ張り力に対する方が弱いので、上述のような素
子の破損を防ぐには、素子に常時圧縮力が加わるように
しておくことが有効であることが知られている。

このため、圧電アクチュエータの構造としては、予め
素子に圧縮力が印加されているような構造になっている
ことが要求される。

従来、上述したような使用環境面及び用途面からの要
求を満たすため、素子を金属などのケース中に収納し、
気密性を高めて外気からの影響を無くすとともに、更に
このケースを利用して、素子に常時圧縮力が加わるよう
にした構造の圧電アクチュエータが提案されている。

以後、このような構造の圧電アクチュエータのこと
を、ケース入り圧電アクチュエータと呼ぶこととする。

第３図に、従来のケース入り圧電アクチュエータの縦
断面の構造を示す。

素子１は、変位方向の上下両端を、接着剤２により、
上部金具３及び底部金具４に固定されており、底部金具
４には、素子１のリード線５を外部に引き出すためのハ
ーメチック端子６が設けられている。

素子１を収納するケース７は、外筒7aと、側板7bを有
する伸縮部7cと、伸縮部7cの内部を通って外筒7aの内部
に挿入された軸7dと、この軸7dを受ける軸受け7eとから
なっている。

伸縮部7cは、外筒7aの上部に設けられていて、上部が
側板7bによって閉られ、素子１の変位方向に伸縮が可能
である。

軸7dは、側板7bの中央に突設され、外筒7aの内部に挿
入された部分にコイルばね８が取り付けられている。

軸7dの、外筒7a内に挿入された部分の端部にはねじ穴
が加工されており、コイルばね８は、このねじ穴にねじ
込まれたストッパ９によって圧縮され、反発力で、素子
１に変位方向と反対方向の圧縮力を加えている。

又、外筒7a下端部には、前述の底部金具４を固定する
ためのねじ切りがなされており、外筒7aと底部金具４と
が一体化されている。

以上説明したような構造のケース入り圧電アクチュエ
ータでは、素子１が金属製のケース７に収納されて、コ
イルばね８からの圧縮力を常に受ける状態になってい
る。

従って、急激な電圧を印加された時や、高速で変位を
得る用途に使用された時でも、素子１が破損することが
ない。

又、ケース７の各部分の結合部及び外筒7aと底部金具
４との結合部が溶接により密閉されているので、種々の
雰囲気中での使用にも耐え得る。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のケース入り圧電アクチュエータは、ケ
ース７の内部にコイルばね８を有し、このコイルばね８
の反発力で、素子１に、常時、変位方向と反対方向の圧
縮力を加えている。

ところが、このコイルばね８は、圧電アクチュエータ
を数百万回から数千万回繰り返し伸縮させると、ばねの
反発力が減少したり、破損したりすることがある。

このような場合、上述した従来のケース入り圧電アク
チュエータでは、外部の雰囲気に対する気密性をよくす
るために、ケース７及び底部金具４の各結合部が溶接さ
れているので、コイルばね８を交換することができな
い。

一方、コイルばね８が交換可能であるようにするに
は、Ｏリングを使って気密を保つ構造にならざるをえな
いため、溶接で気密封止する構造に比べて気密性が低下
したり、使用される雰囲気の種類によっては、Ｏリング
が劣化して気密性が経時的に悪化するため、雰囲気ガス
の影響を受け易くなるという欠点がある。

〔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、 電歪効果により機械的変位を発生する素子と、 前記素子を収納する収納部と、 一端が側板によって閉じられ、他の一端が、前記収納
部の、前記素子の変位方向に垂直な一の面に結合され、
前記変位方向に伸縮可能な伸縮部と、 前記側板の一方の面に突設され、前記伸縮部と、前記
収納部の前記伸縮部が結合された面とを貫通して、前記
収納部内に挿入された第１の軸と、 前記側板の他の面に突設された第２の軸と、 前記側板と前記伸縮部を含む部分を覆い、上蓋部に設
けられた貫通孔を前記第２の軸が貫通して外部に突出す
るように前記収納部に取り付けられたキャップと、 前記キャップの上蓋部と前記側板との間に設けられ、
前記変位方向と反対方向に反発力を発生する圧縮された
弾性体とを含み、 前記キャップが、前記収納部に、取り外し可能なよう
に取り付けられ、 前記素子が、前記側板と前記伸縮部と前記収納部とに
よって気密封止され、前記第１の軸を介して、前記反発
力によって、前記変位方向と反対方向に、常時圧縮力を
印加されていることを特徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明について、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の構造を示す縦断面
図である。

ケース７は、外筒7aと、この上部に設けられた、伸縮
が可能なベローズ製の伸縮部7cと、伸縮部7cの側板7bの
中央より外筒7aの内部に突設した軸7dと、この軸7dを受
ける軸受け7eと、側板7bの中央からケース７の外側に突
設された軸7fとからなっている。

側板7b,伸縮部7c及び軸受け7eは、それぞれ溶接に
て、気密性高く結合されている。

側板7bよりケース７の外部に突設された軸7fには、コ
イルばね８が取り付けられており、コイルばね８は、押
え板11を介して、キャップ10によって所定の反発力が発
生するように圧縮されている。

キャップ10は、外筒7aの上部に加工されたねじ部12で
固定されている。

このような構造の本実施例の圧電アクチュエータで
は、キャップ10と外筒7aとの固定を、ねじで行っている
ので、キャップ10を取り外すことが可能であり、コイル
ばね８を変換することができる。

又、キャップ10のねじ込みの深さを変えることによ
り、コイルばね８のストロークを変えることができるの
で、素子１に対する圧縮力を調整することができる。

なお、本実施例において、外筒7aの底部金具４側，素
子1,リード線5,ハーメチック端子６、上部金具３及び底
部金具４を含む部分の構造は、従来のケース入り圧電ア
クチュエータの構造と同一であるので、説明を省略し
た。

次に、本発明の、第２の実施例について説明する。

第２図は、本発明の、第２の実施例の構造を示す縦断
面図である。

第２の実施例は、素子１に対する変位方向の圧縮力の
発生源として、皿ばね13を使用したものである。

本実施例のケース入り圧電アクチュエータは、第１の
実施例の効果を含み、更に、皿ばね13を用いたことによ
り、高圧縮力をコンパクトな形状で発生できるという効
果も併せ持っている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、素子に圧縮力
を加える方法として、伸縮部の外側に圧縮された弾性体
を設けるとともに、この弾性体を圧縮する方法として取
り外し可能なキャップを用いることにより、従来のケー
ス入り圧電アクチュエータでは、繰り返し伸縮させて弾
性体の反発力が減少したり、弾性体が破損した場合、圧
電アクチュエータとしての機能が損われ、修復すること
が不可能であったのに対して、弾性体を容易に交換する
ことが可能であるので、圧電アクチュエータとしての寿
命を著しく延ばすことができる。

又、従来の圧電アクチュエータでは、弾性体をケース
内に設けていたために、素子をケース内に組み込んでし
まった後では、圧縮力の調整が不可能であったが、本発
明によれば、素子をケース内に組み込んだ後からでも弾
性体の圧縮の度合を変えることができ、素子に対する圧
縮力を調整することができるので、使用条件に合せた最
適な圧縮力を素子に加えることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明の第１の実施例の構造を示す縦断面
図、第２図は、本発明の第２の実施例の構造を示す縦断
面図、第３図は、従来のケース入り圧電アクチュエータ
の構造を示す縦断面図である。 １……素子、２……接着剤、３……上部金具、４……底
部金具、５……リード線、６……ハーメチック端子、７
……ケース、7a……外筒、7b……側板、7c……伸縮部、
7d,7f……軸、7e……軸受け、８……コイルばね、９…
…ストッパ、10……キャップ、11……押え板、12……ね
じ部、13……皿ばね。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電歪効果により機械的変位を発生する素子
   と、 前記素子を収納する収納部と、 一端が側板によって閉じられ、他の一端が、前記収納部
   の、前記素子の変位方向に垂直な一の面に結合され、前
   記変位方向に伸縮可能な伸縮部と、 前記側板の一方の面に突設され、前記伸縮部と、前記収
   納部の前記伸縮部が結合された面とを貫通して、前記収
   納部内に挿入された第１の軸と、 前記側板の他の面に突設された第２の軸と、 前記側板と前記伸縮部を含む部分を覆い、上蓋部に設け
   られた貫通孔を前記第２の軸が貫通して外部に突出する
   ように前記収納部に取り付けられたキャップと、 前記キャップの上蓋部と前記側板との間に設けられ、前
   記変位方向と反対方向に反発力を発生する圧縮された弾
   性体とを含み、 前記キャップが、前記収納部に、取り外し可能なように
   取り付けられ、 前記素子が、前記側板と前記伸縮部と前記収納部とによ
   って気密封止され、前記第１の軸を介して、前記反発力
   によって、前記変位方向と反対方向に、常時圧縮力を印
   加されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】請求項１記載の圧電アクチュエータにおい
   て、前記キャップが、前記収納部に、前記弾性体に対す
   る圧縮量が調整可能なよう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。
3. 【請求項３】請求項１又は請求項２記載の圧電アクチュ
   エータにおいて、 前記弾性体がコイルばねであり、前記第１の軸が前記コ
   イルばねを貫通している構造であることを特徴とする圧
   電アクチュエータ。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項２記載の圧電アクチュ
   エータにおいて、 前記弾性体が皿ばねであり、前記第１の軸が前記皿ばね
   を貫通している構造であることを特徴とする圧電アクチ
   ュエータ。