JP6047316B2 - Piezoelectric actuator - 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に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of a voltage.
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
図4(a)、(b)は、いずれも従来の圧電アクチュエータ900を示す側面図である。上記の多連化により、圧電素子912を接着剤により接着し形成された積層型の圧電アクチュエータ本体910は、湿度による劣化を防ぐために、金属製のキャップ920に封止されている。キャップ920内の圧電アクチュエータ本体910の最上段の上面と下段の下面(上を変位側、下を固定側とする)とは各々接着剤または位置決め機構により、キャップ920の底部および座930に固定されている。圧電アクチュエータ本体910は、その軸がキャップ920の中心に位置するよう位置決めされている。
4A and 4B are side views showing a conventional
図5は、従来の圧電アクチュエータ本体910を示す平面図である。たとえば、圧電アクチュエータ本体910が150μm以上変位するためには、□6mm×10mmの圧電素子912を、10段以上多連化する必要がある。使用時にはキャップ920に数100Nもの力が加わるが、圧電素子912が膨張する際にはその中心部915が周囲916に比べて大きく変位するため、変位と収縮を繰り返すことで、圧電素子912間の接着部が徐々に変形し、結果として、圧電アクチュエータ本体910の全体が湾曲するという不具合が発生する。
FIG. 5 is a plan view showing a conventional
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、多連化した圧電アクチュエータ本体が湾曲するリスクを本質的に低減できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that can substantially reduce the risk of bending a multiple-connected piezoelectric actuator body.
(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、複数の圧電素子を直列方向に積み重ね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長手方向の所定位置で側面周囲に装着された支持巻部と、前記圧電アクチュエータ本体および前記支持巻部を内部に収容し、前記圧電アクチュエータ本体の先端に当接することで前記圧電アクチュエータ本体の変位を外部に伝えるキャップと、を備え、前記支持巻部は、前記キャップの内側面に接して前記圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、前記圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止することを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that expands and contracts by application of voltage, and includes a piezoelectric actuator body in which a plurality of piezoelectric elements are stacked in series, and the piezoelectric actuator body. The support winding part mounted around the side surface at a predetermined position in the longitudinal direction, the piezoelectric actuator body and the support winding part are housed inside, and the piezoelectric actuator body is displaced by contacting the tip of the piezoelectric actuator body. A cap that transmits to the outside, and the support winding portion is in contact with the inner side surface of the cap to support the side surface of the piezoelectric actuator main body, and prevents the piezoelectric actuator main body from bending.
このように、本発明の圧電アクチュエータは、支持巻部がキャップの内側面に接して圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、直列方向に積み重ねられた圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止している。これにより、圧電アクチュエータ本体が伸縮を繰り返しても素子間の接着部分が変形せず、湾曲しない。 As described above, in the piezoelectric actuator of the present invention, the support winding portion is in contact with the inner side surface of the cap and supports the side surface of the piezoelectric actuator body, thereby preventing the bending of the piezoelectric actuator bodies stacked in series. Thereby, even if the piezoelectric actuator body repeatedly expands and contracts, the bonded portion between the elements does not deform and does not curve.
(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜であることを特徴としている。これにより、支持巻部は弾性力で圧電アクチュエータ本体の側面周囲に緩やかに固定できるため、キャップとの伸縮差によっても圧電アクチュエータ本体の変位は阻害されない。 (2) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the support winding portion is an elastic film wound around the side surface of the piezoelectric actuator body. As a result, the support winding portion can be gently fixed around the side surface of the piezoelectric actuator main body by elastic force, so that the displacement of the piezoelectric actuator main body is not hindered by the expansion / contraction difference from the cap.
(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、絶縁材料により形成されていることを特徴としている。これにより、キャップと圧電アクチュエータ本体との絶縁を維持することができ、外部電極のショート等を防止できる。 (3) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the support winding portion is formed of an insulating material. As a result, insulation between the cap and the piezoelectric actuator body can be maintained, and short-circuiting of the external electrodes can be prevented.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、前記圧電アクチュエータ本体を構成する圧電素子の保護層の周囲に装着されていることを特徴としている。保護層は電圧印加による伸縮を生じない部分であるため、支持巻部は伸縮による影響を受けにくくなり、装着位置がずれる等の不具合を防止できる。 (4) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the support winding portion is mounted around a protective layer of a piezoelectric element constituting the piezoelectric actuator body. Since the protective layer is a portion that does not expand and contract due to voltage application, the support winding portion is not easily affected by the expansion and contraction, and it is possible to prevent problems such as shifting of the mounting position.
(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、熱収縮性を有する樹脂で形成され、前記熱収縮性で発生した収縮力により前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に固定されていることを特徴としている。これにより、支持巻部の装着が容易になり、装着部は装着個所からずれにくくなる。 (5) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the support winding portion is formed of a resin having heat shrinkability, and is fixed around the side surface of the piezoelectric actuator body by the shrinkage force generated by the heat shrinkability. It is characterized by that. Thereby, the mounting of the support winding portion is facilitated, and the mounting portion is not easily displaced from the mounting location.
本発明によれば、多連化した圧電アクチュエータ本体が湾曲するリスクを本質的に低減することができる。 According to the present invention, it is possible to substantially reduce the risk of bending the multiple piezoelectric actuator bodies.
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.
[第1の実施形態]
(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。
[First Embodiment]
(Configuration of piezoelectric actuator)
FIG. 1 is a side view showing the
圧電アクチュエータ本体110は、複数の圧電素子112が直列方向に積み重ねられて直線上で伸縮するように構成されている(多連化)。また、圧電素子112は、圧電層と内部電極とが交互に積層されて形成されている。圧電アクチュエータ本体110は、圧電素子112を複数個、伸縮方向に直列に端面で接着して多連化したものである。圧電素子112を多連化することで、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、圧電アクチュエータ本体110は、6個の圧電素子112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からは圧電素子112を6連とした場合の変位量が得られる。
The piezoelectric actuator
支持巻部115は、圧電アクチュエータ本体110の長手方向の所定位置で側面周囲に装着されている。支持巻部115は、キャップ120の内側面に接して圧電アクチュエータ本体110の側面を支持し、圧電アクチュエータ本体110の直線上の伸縮軸がずれないように維持する。その結果、圧電アクチュエータ本体110が伸縮を繰り返しても素子間の接着部分が変形せず、湾曲することがなくなる。
The
支持巻部115は、圧電素子112の保護層の周囲(積層方向の保護層の位置で保護層を覆っている状態)に装着されていることが好ましい。保護層は電圧印加による伸縮を生じないため、支持巻部115は伸縮による影響を受けにくくなり、装着位置がずれる等の不具合を防止できる。なお、保護層とは、加工代として圧電素子112の積層方向の両端部に設けられ、電圧が印加されず直接駆動されない層である。
The
支持巻部115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動きが拘束されている。これにより、キャップ120内で圧電アクチュエータ本体110を適正な位置に保持でき、圧電アクチュエータ本体110の湾曲を防止できる。
Since the
支持巻部115が無い場合には、多連化数が多くなるにつれて、圧電アクチュエータ本体110の湾曲が顕著になるが、図1に示すように、中間高さに圧電素子112に外接し、かつキャップ120に内接する支持巻部115を設けることで、圧電アクチュエータ本体110がキャップ120の概略中心に固定される。
When there is no
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および支持巻部115を内部に収容し、圧電アクチュエータ本体110の先端に底部が当接することで圧電アクチュエータ本体110の変位を外部に伝える。キャップ120の開口部は座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。
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本体110が収容されている。
The
(支持巻部)
図2は、圧電アクチュエータ100を示す平断面図である。支持巻部115は、圧電アクチュエータ本体110の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜で構成されていることが好ましい。これにより、支持巻部115は弾性力で緩やかに圧電アクチュエータ本体110を側面周囲に固定できるため、キャップ120との伸縮差によっても圧電アクチュエータ100の変位が阻害されない。
(Support winding part)
FIG. 2 is a plan sectional view showing the
また、支持巻部115の材料は、電気的にキャップ120と圧電アクチュエータ本体110とが絶縁されるものであることが好ましい。これにより、外部電極のショート等を防止できる。なお、キャップ120の内側もしくは圧電素子112の外側に十分な絶縁を施すことができれば、支持巻部115自体は電気を通す金属部品であってもよい。
Moreover, it is preferable that the material of the
以上から、支持巻部115の材料は、プラスチックや樹脂などの絶縁性を有しかつ弾性を有する部材が好ましく、特に熱収縮チューブなどを幾重にも巻いた構造が好ましい。樹脂の例としては、ポリプロピレンやポリカーボネートが挙げられる。 From the above, the material of the support winding 115 is preferably an insulating and elastic member such as plastic or resin, and particularly preferably has a structure in which a heat shrinkable tube or the like is wound several times. Examples of the resin include polypropylene and polycarbonate.
熱収縮チューブを用いた支持巻部115は、熱収縮性で発生した収縮力により圧電アクチュエータ本体110の側面周囲に固定される。これにより、支持巻部115の装着が容易になり、支持巻部115は、装着個所からずれにくくなる。熱収縮チューブ以外の硬質材を用いることも可能であるが、その場合には接着剤を用いる必要が生じる。その場合には、支持巻部115のずれは防止できるものの必要以上に圧電アクチュエータ本体110を拘束し、伸縮を阻害しうる。
The
支持巻部115が熱収縮チューブで構成されている場合には、周囲からソフトに圧電アクチュエータ本体110を拘束するとともに、材料自体に伸縮性があり、圧電アクチュエータ本体110の伸縮を拘束しない。
When the
圧電素子112を側面から支持し、変位を妨げない材料は、その弾性係数の1/100以下が好ましい。圧電素子112にPZTを用いた場合、その弾性係数は500GPa程度である。したがって、上記のポリプロピレンやポリカーボネート(弾性係数2GPa程度)等よりも、熱収縮チューブに用いられるようなポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデンおよびPFA、PTFE、FEPなどのフッ素樹脂類(弾性係数0.2GPa程度)は、変位を妨げない材料として好ましい。
The material that supports 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。まず、圧電素子112、キャップ120および座130を準備する。圧電アクチュエータ本体110は、所定個数の圧電素子112を積層方向の端面で接着して直列に連結(多連化)し、分極処理して作製する。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
Next, a manufacturing method of the
次に、形成された圧電アクチュエータ本体110に支持巻部115を装着してキャップ120内に挿入する。支持巻部115は、たとえば熱収縮チューブを複数重ねて所定位置に巻き、熱を加えて収縮させることで形成できる。
Next, the
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、湾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
[第2の実施形態]
上記の実施形態では、支持巻部115は、圧電アクチュエータ本体110の全長を2分割した中間位置に一つ設けられているが、複数箇所に支持巻部が設けられていてもよい。図3は、圧電アクチュエータ200を示す側面図である。
[Second Embodiment]
In the above embodiment, one
圧電アクチュエータ200は、支持巻部215a、215b以外は圧電アクチュエータ100と同様に構成されている。圧電アクチュエータ200には、圧電アクチュエータ本体110の全長を3等分した位置に支持巻部215a、215bがそれぞれ設けられている。これにより、支持個所が複数となり、圧電アクチュエータ本体110が湾曲するリスクをさらに低減できる。なお、圧電素子112の多連化の段数が増えた場合は、4分割、5分割することも可能である。
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
115 支持巻部
120 キャップ
125 球状突起
130 座
200 圧電アクチュエータ
215a、215b 支持巻部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
複数の圧電素子を直列方向に積み重ね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長手方向の所定位置で側面周囲に装着された支持巻部と、
前記圧電アクチュエータ本体および前記支持巻部を内部に収容し、前記圧電アクチュエータ本体の先端に当接することで前記圧電アクチュエータ本体の変位を外部に伝えるキャップと、を備え、
前記支持巻部は、前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜であり、
前記支持巻部は、前記キャップの内側面に接して前記圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、前記圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止す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 piezoelectric actuator body in which a plurality of piezoelectric elements are stacked in series;
A support winding mounted around the side surface at a predetermined position in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator body;
The piezoelectric actuator main body and the support winding portion are housed inside, and a cap that transmits the displacement of the piezoelectric actuator main body to the outside by contacting the tip of the piezoelectric actuator main body,
The support winding part is an elastic film wound around the side surface of the piezoelectric actuator body,
The support winding portion is in contact with the inner side surface of the cap and supports the side surface of the piezoelectric actuator main body to prevent the piezoelectric actuator main body from bending.
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