JP6041422B2 - Piezoelectric actuator and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of a voltage and a method for manufacturing the same.
内部電極と圧電層とを積層して焼成により得られた圧電素子は電圧印加時に積層方向に伸縮するが、単体では変位量が小さい。そこで、いくつもの圧電素子を積み重ね、多連化した圧電アクチュエータ本体を構成し、トータルで大きな変位量を得る方法が知られている。たとえば特許文献1では、このように多連化した圧電素子で構成される積層型圧電アクチュエータの性能を向上させる工夫がなされている。このようにして、積層型圧電アクチュエータは大きな変位を得られる。 A piezoelectric element obtained by laminating an internal electrode and a piezoelectric layer expands and contracts in the stacking direction when a voltage is applied, but a single element has a small amount of displacement. Therefore, a method is known in which a large number of piezoelectric elements are stacked to form a multiple-unit piezoelectric actuator body to obtain a large amount of displacement in total. For example, in Patent Document 1, a device is devised to improve the performance of a multilayer piezoelectric actuator composed of such multiple piezoelectric elements. In this way, the multilayer piezoelectric actuator can obtain a large displacement.
しかしながら、多連化された圧電アクチュエータ本体は長尺となり、落下など横方向の外力に対して弱く、破損が起こりやすい。また、圧電素子同士が接着剤により強力に接着されているために、多連化された圧電アクチュエータ本体の内に一つでも不良品の圧電素子があると、その不良が発生した圧電素子に連なっている良品の圧電素子も全て使用不能とになり、損失が大きくなりやすい。 However, the multi-layered piezoelectric actuator body is long, weak against a lateral external force such as dropping, and easily damaged. In addition, since the piezoelectric elements are strongly bonded to each other by an adhesive, if there is even one defective piezoelectric element in the multi-layered piezoelectric actuator body, it is connected to the defective piezoelectric element. All non-defective piezoelectric elements are unusable and the loss tends to increase.
これに対しては、本発明の発明者らにより、図4に示すように複数の圧電素子112および当接部材117〜119を直列方向に交互に当接させて圧電アクチュエータ本体210を形成するという対策が提案されている。しかし、ポジショナ等で用いられる圧電アクチュエータは、主に変位面に予圧を掛けつつ使用される。よって、この構造では、図5に示すように当接部材118を中心として屈曲が生じるおそれがある。
In response to this, the inventors of the present invention form a
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させるとともに、予圧が加わった状態でも当接位置における屈曲を防止できる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances. A piezoelectric actuator capable of improving brittleness against external force and improving proof stress, and preventing bending at a contact position even in a state where a preload is applied, and a method of manufacturing the same The purpose is to provide.
(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、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子および前記複数の圧電素子のそれぞれの端部に当接する当接部材を直列方向に交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結する締結機構により、前記当接部材間に締結力が加えられている圧電アクチュエータ本体を備え、前記当接は、凸部と凹部とによる当接の軸上の点を重心とする3点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致していることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, the piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of a voltage, and abuts against a plurality of piezoelectric elements and respective end portions of the plurality of piezoelectric elements. The piezoelectric actuator main body is provided with a fastening force applied between the contact members by a fastening mechanism in which members are alternately stacked in series and fastened between the contact members adjacent to each other. It is characterized in that it is made up of three or more points whose center of gravity is the point on the axis of contact between the part and the recess, and the axial direction of the contact coincides with the expansion / contraction direction.
このように、本発明の圧電アクチュエータは、複数の圧電素子および当接部材を直列方向に交互に当接させて圧電アクチュエータ本体を形成しているため、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させることができる。また、締結機構を有し、当接部材の間に締結力を加えているため、予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲を防止できる。 As described above, the piezoelectric actuator of the present invention forms a piezoelectric actuator body by alternately abutting a plurality of piezoelectric elements and abutting members in a series direction, thereby improving brittleness against external force and improving proof stress. be able to. Moreover, since it has a fastening mechanism and a fastening force is applied between the contact members, it is possible to prevent bending of the piezoelectric actuator body at the contact position even when a preload is applied.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記締結機構が、弾性部材で構成されていることを特徴としている。これにより、当接部材間に容易に締結力を与えることができる。 (2) Moreover, the piezoelectric actuator of this invention is characterized by the said fastening mechanism being comprised with the elastic member. Thereby, fastening force can be easily given between contact members.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記弾性部材が、前記当接の軸を重心として締結力が加わるように配置されることを特徴としている。これにより、バランスよく締結力を加えた圧電アクチュエータ本体を構成することができ、圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲の防止効果を高めることができる。 (3) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the elastic member is arranged so that a fastening force is applied with the axis of contact as a center of gravity. Thereby, the piezoelectric actuator main body which applied the fastening force with sufficient balance can be comprised, and the prevention effect of the bending in the contact position of a piezoelectric actuator main body can be heightened.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法であって、前記複数の圧電素子および当接部材を交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結機構により締結して前記圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、前記形成された圧電アクチュエータ本体をキャップ内に挿入する工程と、前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも当接位置における屈曲を防止できる圧電アクチュエータを容易に製造することができる。 (4) Moreover, the manufacturing method of the piezoelectric actuator of the present invention is the manufacturing method of the above-described piezoelectric actuator, wherein the plurality of piezoelectric elements and the contact members are alternately stacked, and between the contact members adjacent to each other. The piezoelectric actuator main body is formed by fastening with a fastening mechanism, the step of inserting the formed piezoelectric actuator main body into a cap, and the step of fixing the cap and the seat together. . As a result, it is possible to easily manufacture a piezoelectric actuator capable of preventing the bending at the contact position even when preload is applied, while improving the fragility against external force and improving the proof stress.
本発明によれば、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲を防止できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the bending in the contact position of a piezoelectric actuator main body can be prevented also in the state which applied the preload, improving the brittleness with respect to external force and improving proof stress.
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. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in the respective drawings, and duplicate descriptions are omitted.
(圧電アクチュエータの構成)
図1は、圧電アクチュエータ100を示す側断面図である。圧電アクチュエータ100は、電圧の印加により伸縮し、電圧に応じて先端が変位するものであり、たとえばポジショナ(位置決め装置)、マスフローコントローラ等に用いられる。図1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110、キャップ120および座130を備えている。
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIG. 1 is a side sectional view showing the
圧電アクチュエータ本体110は、複数の圧電素子112、当接部材117〜119および締結機構115により構成されている。圧電アクチュエータ本体110は、複数の圧電素子112および当接部材117〜119を直列方向に交互に積み重ね、隣合う当接部材117〜119間を締結機構115で締結することで形成されている。圧電素子112は、両端に凸部114を有している。凸部114は、球状突起であり、SUSで形成されていることが好ましいが、セラミック製であってもよい。凸部114は、球の中心が圧電素子112の中心軸上に位置するように形成されていることが好ましい。当接部材117〜119は、複数の圧電素子112のそれぞれの端部に当接している。
The
なお、圧電素子112は、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電体(焼成体)113の単体であってもよいが、これを複数個、端面で直列に接着して多連化したものであることが好ましい。圧電体113を多連化して圧電素子112が形成されることで、効率よく大きな変位を得ることができる。図1に示す例では、圧電素子112は、6個の圧電体113を多連化して形成されている。このようにして、圧電アクチュエータ本体110による変位量は圧電体113を12連とした場合の変位量を維持している。
The
圧電素子112は当接部材118を介して当接のみで締結されている。したがって、複数の圧電素子112のいずれかに不良が生じたときでも不良のあった圧電素子112だけを入れ替えて用いることができる。圧電アクチュエータ100では、仮に先端側の圧電素子112において圧電体113の不良品が確認された場合でも、それが座側の圧電素子112に影響を与えることは無く、座側の圧電素子112の再利用が可能となる。
The
また、多連化により長尺化させていないため圧電アクチュエータ100全体の反り量を低減できる。単体の圧電体113の両端面には平行度にばらつきがあり、それらを多連化し、ばらついている部分が積み重ねられると多連化による反りが発生する。この反り量は多連化が多い程に大きく、顕著となり、ずれを生じさる。圧電アクチュエータ100では、一体に多連化される圧電体113の数が減り、また寸法精度を設けた当接部材117〜119を用いるため、反り量を分散させて、ずれを低減することができる。また、長尺化せずに圧電素子112の両端間を短くすることで、一定の外力が加わったときに圧電素子112に発生するモーメントが減少し、外力への耐力が向上する。
In addition, since the length is not increased due to multiple connection, the amount of warpage of the entire
当接部材117〜119は、たとえば金属製であり、少なくとも一方の主面に凹部116を有する。先端側の当接部材117は、座130側の主面に凹部116を有し、連係用の当接部材118は、両主面に凹部116を有し、座側の当接部材119は、先端側の主面に凹部116を有している。図2(a)〜(c)は、連係用の当接部材118を示す正面図、側面図および背面図である。
The
凹部は、円錐状穴として形成され、凸部114と凹部116との各当接は、これらの軸上の点を中心とする円上でなされている。なお、円上で当接することが好ましいが、少なくとも凸部114および凹部116の軸上の点を重心とする3点以上で当接がなされ、当接の軸方向が伸縮方向に一致していればよい。3点以上で当接することで、凸部114が所定位置から伸縮方向に垂直な方向にずれることがない。なお、当接の軸とは、凸部114および凹部116の形状の対称性から決まる軸である。
The concave portion is formed as a conical hole, and each contact between the
このように凸部114と凹部116とが当接することで、複数の圧電素子112を適正な位置で積み重ねやすい。そして、当接により圧電アクチュエータ本体110が構成されることで、凸部114が、凹部116上で滑って外力を逃がすことが可能となり、圧電アクチュエータ100が外力を受けたときの耐力を向上させることができる。そして、圧電素子112の伸縮方向への力を十分に伝えることができる。
Thus, the
当接部材117〜119は、周囲にキャップ120の内壁があるため、圧電素子112の伸縮方向に垂直な方向への移動が拘束されている。これにより、キャップ120内で圧電素子112を適正な位置で積み重ねることができる。また、キャップ120内に所定の順序で圧電素子112と当接部材117〜119を入れることで圧電アクチュエータ本体110を形成できる。
Since the
締結機構115は、互いに隣接する当接部材117〜119の間を締結し、隣接する当接部材117〜119の間に圧縮方向の締結力を加えている。これにより、圧電アクチュエータ100に予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体110の当接位置における屈曲を防止できる。
The
締結機構115は、バネのような弾性部材で構成されていることが好ましい。これにより、当接部材117〜119間に容易に締結力を与えることができる。締結機構115として弾性部材を設ける場合には、当接の軸を重心として締結力が加わるように配置することが好ましい。
The
これにより、バランスよく締結力を加えた圧電アクチュエータ本体110を用意することができ、圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲の防止効果を高めることができる。たとえば、当接部材117〜119の周縁部に均等にバネを3本以上設けておけば、当接部材117〜119の平行度を調整することも容易となる。
Thereby, the piezoelectric actuator
弾性部材のばね定数は、圧電アクチュエータ100が搭載されるマスフローコントローラ等の製品において、隣接する当接部材117〜119間で280N以上の締結力を得られれば、当接位置における屈曲を防止できる十分な効果を発揮することが分かっている。一方、締結力が大きすぎると圧電素子112を挟んだ状態で隣接する当接部材117〜119間を締結するのが難しくなるため、締結力は400N以下が好ましい。このようにして、使用する弾性部材の本数と、必要とされる締結力との兼ね合いで、弾性部材の種類およびばね定数を設計することができる。
The spring constant of the elastic member is sufficient to prevent bending at the contact position if a fastening force of 280 N or more is obtained between
キャップ120は、たとえばSUSのような金属製であり、有底開口の円筒形状に形成されている。そして、底側には、圧電アクチュエータ100の先端として変位を伝えるための球状突起125を備えている。キャップ120は、圧電アクチュエータ本体110を内部に収容し、開口部が座130に固着されており、圧電素子112のリード線を座130を通して外に出してキャップ120内は封止されている。キャップ120には、ベローズ128が設けられ、圧電アクチュエータ本体110の伸縮に応じて先端の変位が可能になっている。なお、ベローズ128に代えて、キャップ120の先端をダイヤフラム構造としてもよい。
The
座130は、圧電アクチュエータ本体110を支持しており、キャップ120が固着されている。たとえばポジショナ等では、キャップ120の先端と座130との間に予圧をかけた状態で圧電アクチュエータ100は設置される。
The
(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。図3(a)〜(c)は、圧電アクチュエータの作製工程の各場面を示す断面図である。まず、圧電素子112、当接部材117〜119、キャップ120および座130を準備する。圧電素子112は、所定個数の圧電体113を積層方向の端面で接着して直列に連結(多連化)し、両端に凸部114を設けて、分極処理して作製する。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
Next, a manufacturing method of the
次に、複数の圧電素子112および当接部材117〜119を交互に積み重ね、隣接する当接部材117〜119間を締結機構115で締結して圧電アクチュエータ本体110を形成する。このときに、凸部114と凹部116とが嵌り、互いに当接する。その場合に、当接部材117と当接部材118とをまず締結し、続いて当接部材118と当接部材119とを締結するという手順でそれぞれを分けて締結すると効率が良い。このようにして形成された圧電アクチュエータ本体110をキャップ120内に挿入する。
Next, a plurality of
そして、最後に、キャップ120と座130とを固着し、リード線を通した孔を封止する。このようにして、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも当接位置における屈曲を防止できる圧電アクチュエータ100を容易に製造することができる。
Finally, the
上記の圧電アクチュエータ本体110の形成に際し、当接部材117〜119と圧電素子112とは、当接しているだけであり、接着剤等で一体の系として締結されているわけではない。したがって、圧電アクチュエータ100のキャップ120と座130との封止を解除して圧電アクチュエータ本体110を取り出し、分離すれば、キャップ120から圧電素子112および当接部材117〜119に分解できる。
When the piezoelectric actuator
(その他の実施形態)
なお、圧電アクチュエータ本体110は、3つ以上の圧電素子により構成されていてもよい。設計時には、圧電アクチュエータ本体を構成する圧電体113の数は一定として、最終的に得られる変位を一定となるように設計することが好ましい。
(Other embodiments)
The piezoelectric actuator
また、当接部材117〜119の凹部116は、中心軸を有し底部に向かって狭くなる形状であれば円錐穴以外の形状に形成されていてもよい。穴の形状には、たとえば正三角錐穴、楕円錐穴、台形穴等が挙げられる。
Moreover, the recessed
また、圧電素子112の凸部114が、例えば楕円体状のような球状以外の形状に形成されていてもよい。その場合に、凸部114は、圧電素子112の中心軸上の点を重心とする形状とすることが好ましい。
Further, the
また、圧電素子112に凹部116が設けられ、当接部材117〜119に凸部114が設けられていてもよい。この場合には、当接部をキャップ120の内壁面で拘束するのが難しいが、締結用の当接部材を球とすればよく、製造が容易になる利点が得られる可能性がある。
Further, the
100 圧電アクチュエータ
110 圧電アクチュエータ本体
112 圧電素子
113 圧電体
114 凸部
115 締結機構
116 凹部
117〜119 当接部材
120 キャップ
125 球状突起
128 ベローズ
130 座
DESCRIPTION OF
Claims (4)
両端に凸部を備える複数の圧電素子と、
前記圧電素子の両端側に配置された複数の当接部材と、
前記複数の圧電素子と前記複数の当接部材を直列方向に交互に積み重ねた配置に対し、互いに隣接する前記当接部材の間を締結する締結機構と、を有する圧電アクチュエータ本体を備え、
前記圧電アクチュエータ本体は、前記圧電素子の両端側にそれぞれ別の当接部材が当接し、
前記締結機構は、前記圧電素子の一端側の当接部材と他端側の当接部材とを接続して締結し、前記当接部材の間に締結力を加え、
前記当接は、前記凸部と前記当接部材に設けられた凹部とによる当接の軸上の点を重心とする3点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致していることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric actuator that expands and contracts by application of voltage,
A plurality of piezoelectric elements having convex portions at both ends;
A plurality of abutting members disposed on both ends of the piezoelectric element;
Wherein a plurality of piezoelectric elements and said plurality of abutting members to arrangement alternately stacked in series direction, provided with a piezoelectric actuator body having a fastening mechanism for fastening between adjacent said abutment member to each other,
In the piezoelectric actuator body, separate contact members are in contact with both end sides of the piezoelectric element,
The fastening mechanism connects and fastens the contact member on one end side and the contact member on the other end side of the piezoelectric element, and applies a fastening force between the contact members,
The contact is made at three points or more to the center of gravity of the point on the abutment of the shaft by a recess provided in the contact member and the convex portion, and the axial abutment matches the stretching direction A piezoelectric actuator characterized by comprising:
前記複数の圧電素子および当接部材を交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結機構により締結して前記圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、
前記形成された圧電アクチュエータ本体をキャップ内に挿入する工程と、
前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。 A method for manufacturing a piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3,
A step of alternately stacking the plurality of piezoelectric elements and contact members, and fastening the contact members adjacent to each other by a fastening mechanism to form the piezoelectric actuator body;
Inserting the formed piezoelectric actuator body into a cap;
And a step of fixing the cap and the seat to each other.
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