JP6135123B2 - Piezoelectric element unit and 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素子ユニットおよび圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric element unit and a piezoelectric actuator that expand and contract by application of a voltage.
従来、直方体の圧電素子を積み重ねて本体を形成した圧電アクチュエータが知られている。図5(a)〜(c)は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体500の斜視図、圧電素子510の斜視図および圧電素子510の断面図である。圧電アクチュエータ本体500は、一体焼成された積層型の圧電素子510を積み重ねて形成されており、リード線520により各外部電極515の接続がとられている。圧電素子510は、圧電層と内部電極とを積層して形成されており、電圧を印加したときには、電極間の圧電層は活性領域として変形するが、その他の不活性領域は変形しない。そのため、これらの領域の境界付近で応力が発生しやすくなり、特に内部電極512の角部Cにおいては応力が集中し、破壊が生じやすくなる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a piezoelectric actuator in which rectangular parallelepiped piezoelectric elements are stacked to form a main body is known. 5A to 5C are a perspective view of a conventional
これに対して、圧電素子に圧電層が不連続となるようにチタン酸鉛を主成分とする粉末からなる応力吸収層を設けて応力を緩和できる圧電アクチュエータが開発されている(例えば特許文献1参照)が、内部電極の角部に応力が発生しやすい形状であることには変わりない。一方、内部電極を積層面の全面に設け、側面の不活性領域を無くすことで応力の集中を防止した圧電素子も開発されている(例えば、特許文献2参照)。 On the other hand, a piezoelectric actuator has been developed that can relieve stress by providing a stress absorbing layer made of powder containing lead titanate as a main component so that the piezoelectric layer is discontinuous in the piezoelectric element (for example, Patent Document 1). However, it is still a shape in which stress is easily generated at the corners of the internal electrode. On the other hand, a piezoelectric element has also been developed in which internal electrodes are provided on the entire laminated surface and stress concentration is prevented by eliminating an inactive region on the side surface (see, for example, Patent Document 2).
しかしながら、特許文献2記載の圧電素子では、内部電極が一律に側面に露出するため、外部電極と接続すべきでない内部電極の露出部分は絶縁物で覆う必要があり、複雑な製造工程を必要とする。 However, in the piezoelectric element described in Patent Document 2, since the internal electrode is uniformly exposed on the side surface, the exposed portion of the internal electrode that should not be connected to the external electrode needs to be covered with an insulating material, which requires a complicated manufacturing process. To do.
これに対し、環状の圧電素子を略同一中心軸上に伸縮方向に複数個積み重ねて圧電アクチュエータ本体を形成し、積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトを挿通して圧電アクチュエータを構成することが考えられる。図6は、環状の圧電素子610の孔にシャフト615を挿通して形成した比較例の圧電アクチュエータ600を示す断面図である。
In contrast, a plurality of annular piezoelectric elements are stacked in a telescopic direction on substantially the same central axis to form a piezoelectric actuator body, and a shaft fixing shaft is inserted into the central hole of the stacked piezoelectric elements. It is conceivable to construct a piezoelectric actuator. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a comparative
図6に示す例では、圧電アクチュエータ600に被せたキャップ660と圧電素子610との間にバネ650を配置し、圧電素子610に予圧を与えている。このような構成では、内部予圧をかけるバネ650をキャップ660で抑える必要があり、キャップ660のない状態で一連の圧電素子の状態を確認できない。
In the example illustrated in FIG. 6, 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、組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる圧電素子ユニットおよび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 thereof is to provide a piezoelectric element unit and a piezoelectric actuator that can be easily assembled and can easily check the state of the piezoelectric element.
(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子ユニットは、電圧の印加により伸縮する圧電素子ユニットであって、環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられた一連の圧電素子と、突起を一端に有し、前記一連の圧電素子の連通孔に挿通され、前記一連の圧電素子の第一の端面に前記突起が掛けられたシャフトと、前記一連の圧電素子の第二の端面に押圧力を与える弾性体と、前記シャフトの他端側に固定され、前記弾性体を支持する支持具と、を備えることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above object, a piezoelectric element unit of the present invention is a piezoelectric element unit that expands and contracts by application of a voltage, and is formed in a ring shape, and a series of piezoelectric elements stacked in an expansion and contraction direction, and a protrusion At one end, inserted into the communication hole of the series of piezoelectric elements, the shaft having the projections hung on the first end face of the series of piezoelectric elements, and the second end face of the series of piezoelectric elements. It is characterized by comprising: an elastic body that applies pressure; and a support that is fixed to the other end of the shaft and supports the elastic body.
このように本発明の圧電素子ユニットは、シャフト、弾性体および支持具の簡易な構造により一連の圧電素子に予圧を与えることができる。これにより、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる。また、圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。 Thus, the piezoelectric element unit of the present invention can apply a preload to a series of piezoelectric elements with a simple structure of a shaft, an elastic body, and a support. Thereby, the assembly of the piezoelectric actuator is facilitated, and the state of the piezoelectric element can be easily confirmed. In addition, since the piezoelectric element is formed in an annular shape, stress is not concentrated locally, and it is difficult for destruction to occur.
(2)また、本発明の圧電素子ユニットは、前記支持具が、前記シャフトに対し一方の方向のスライドを許容し、他方の方向へのスライドを拘束する機能により固定されていることを特徴としている。これにより、支持具をスライドさせて一連の圧電素子に容易に予圧を与えて圧電素子ユニットを形成できる。 (2) Further, in the piezoelectric element unit of the present invention, the support is fixed by a function of allowing the slide in one direction with respect to the shaft and restraining the slide in the other direction. Yes. Accordingly, the piezoelectric element unit can be formed by easily applying a preload to the series of piezoelectric elements by sliding the support.
(3)また、本発明の圧電素子ユニットは、前記突起が、半球状に形成されており、前記半球の裾野側で前記一連の圧電素子の第一の端面に掛けられ、前記半球の頂上側で前記一連の圧電素子の変位を伝えることを特徴としている。これにより、シンプルな構造で予圧機構と変位伝達機構とを実現でき、圧電素子ユニットをコンパクト化することができる。 (3) Further, in the piezoelectric element unit of the present invention, the protrusion is formed in a hemispherical shape, and is hung on the first end face of the series of piezoelectric elements on the base side of the hemisphere, It is characterized by transmitting the displacement of the series of piezoelectric elements. Thereby, a preload mechanism and a displacement transmission mechanism can be realized with a simple structure, and the piezoelectric element unit can be made compact.
(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、上記の圧電素子ユニットと、前記支持具および弾性体を内部に収容し、前記一連の圧電素子の第二の端面を固定する座繰り穴を有する座と、前記圧電素子ユニットを覆い、前記座に封止されたキャップと、を備えることを特徴としている。これにより、一連の圧電素子の端面を固定する座に予圧機構の一部を収容でき、圧電アクチュエータをコンパクト化することができる。 (4) Moreover, the piezoelectric actuator of this invention accommodates said piezoelectric element unit, the said support tool, and an elastic body inside, and has a countersink hole which fixes the 2nd end surface of a series of said piezoelectric element. And a cap that covers the piezoelectric element unit and is sealed in the seat. Thereby, a part of a preload mechanism can be accommodated in the seat which fixes the end surface of a series of piezoelectric elements, and a piezoelectric actuator can be made compact.
(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記座が、端子を挿通するとともにガラスにより封止された端子挿通孔を有することを特徴としている。これにより、端子挿通孔が設けられた座の高さを利用して座繰り穴を設け、座の構造を有効利用することができる。 (5) Moreover, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that the seat has a terminal insertion hole which is inserted with a terminal and sealed with glass. Thereby, the countersink hole is provided by utilizing the height of the seat provided with the terminal insertion hole, and the structure of the seat can be effectively used.
本発明によれば、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる。また、圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。 According to the present invention, the piezoelectric actuator can be easily assembled and the state of the piezoelectric element can be easily confirmed. In addition, since the piezoelectric element is formed in an annular shape, stress is not concentrated locally, and it is difficult for destruction to occur.
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.
(圧電素子ユニット)
図1は、圧電素子ユニット100を示す断面図である。圧電素子ユニット100は、圧電アクチュエータを構成する部品であり、電圧の印加により伸縮する。図1に示すように、圧電素子ユニット100は、一連の圧電素子110、ワッシャ120、シャフト130、皿バネ140(弾性体)、プッシュナット150(支持具)を備えている。
(Piezoelectric element unit)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the
圧電素子110は、環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられている。複数の圧電素子が略同一中心軸上に積み重ねられているため、大きな変位を得ることができる。なお、圧電素子110の詳細は後述する。
The
ワッシャ120は、圧電素子110の径より小さい板として形成され、圧電素子110の孔と同等以上の孔が設けられている。2つのワッシャ120が一連の圧電素子110の両端面上に設けられている。ワッシャ120は、例えばアルミナにより形成されている。なお、ワッシャ120は、必ずしも設ける必要はないが圧電素子ユニット100の固定や電気的絶縁のためにはあった方が好ましい。
The
シャフト130は、突起132を一端に有し、一連の圧電素子110の連通孔に挿通されている。シャフト130は、一連の圧電素子110の端面112(第1の端面)に突起132が掛けられている。突起132は、半球状に形成されており、半球の裾野側で一連の圧電素子110の端面112に掛けられ、半球の頂上側で一連の圧電素子110の変位を伝える。
The
これにより、シンプルな構造で予圧機構と変位伝達機構とを実現でき、圧電素子ユニット100をコンパクト化することができる。なお、「突起132が圧電素子110の端面に掛けられている」とは、圧電素子110の端面に直接掛けられている場合だけでなく、ワッシャ120を介して間接的に掛けられている場合も含む。
Thereby, a preload mechanism and a displacement transmission mechanism can be realized with a simple structure, and the
皿バネ140(弾性体)は、一連の圧電素子110の端面114(第二の端面)にワッシャ120を介して押圧力を与える。なお、皿バネ140は、これに代えて、例えばウェーブワッシャであってもよい。
The disc spring 140 (elastic body) applies a pressing force to the end surface 114 (second end surface) of the series of
プッシュナット150(支持具)は、シャフト130の他端側に固定され、皿バネ140を支持する。プッシュナット150は、シャフト130に対し一方の方向のスライドを許容し、他方の方向へのスライドを拘束する。このような機能によりシャフト130に固定されている。圧電アクチュエータの組み立ての際には、プッシュナット150をシャフト130に対してスライドさせて、皿バネ140を圧電素子110側に押し込み、一連の圧電素子110に容易に予圧を与えることができる。プッシュナット150は、シャフト130に容易に止められるものであれば、これに代えて、例えば、ネジや止め輪であってもよい。
The push nut 150 (support) is fixed to the other end of the
圧電素子ユニット100は、これらの構成部品による簡易な構造で一連の圧電素子110に予圧を与えることができる。これにより、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子ユニット100を組み立てた時点で、圧電素子110の状態を容易に確認できる。
The
(圧電素子)
図2(a)〜(c)は、それぞれ圧電素子110の斜視図および異なる平断面図である。圧電素子110は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる。図2(a)〜(c)に示すように、圧電素子110は、素子本体111および外部電極115により構成されている。
(Piezoelectric element)
2A to 2C are a perspective view and a different plan sectional view of the
素子本体111は、環状に形成されている。これにより、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。なお、素子本体111の形状は、円環状が最も好ましいが、八角形等の多角形の環状や楕円環状であってもよい。素子本体111は、圧電層および圧電層を介して交互に積層された内部電極113aおよび内部電極113bを有している。
The
外部電極115は、素子本体111の外側面に一体に設けられている。外部電極115は、接続部114aを介して内部電極113aと接続されており、もう一方の外部電極は、接続部114bを介して内部電極113bと接続されている。これにより、外部電極115を介して圧電素子110の各圧電層に駆動電圧を印加できる。なお、圧電素子110は、端面側に設けられ伸縮しない保護層117、中央側に設けられ電圧の印加により伸縮する電極層118を備えている。
The
(圧電アクチュエータ)
図3は、圧電アクチュエータを示す断面図である。圧電アクチュエータ200は、圧電素子ユニット100、座210およびキャップ220を備える。
(Piezoelectric actuator)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the piezoelectric actuator. The
座210は、座繰り穴213を有する。座繰り穴213は、皿バネ140およびプッシュナット150を内部に収容し、一連の圧電素子の端面114(第二の端面)を固定する。座210は、端子219a、219bを挿通するとともにガラス216により封止された端子挿通孔215を有する。これにより、端子挿通孔215が設けられた座210の高さを利用して座繰り穴213を設け、座210の構造を有効利用することができる。
The
キャップ220は、圧電素子ユニット100を覆い、溶接により座210に封止されている。これにより、座210に予圧機構の一部を収容でき、圧電アクチュエータ200をコンパクト化することができる。
The
(圧電アクチュエータの作製方法)
上記のように構成された圧電アクチュエータ200の作製方法を説明する。図4は圧電アクチュエータ200の各部品を示す概略図である。
(Method for manufacturing piezoelectric actuator)
A method for manufacturing the
まず、外部電極115、116を焼きつけた環状の圧電素子110を作製する。一方で、半球状の突起が付いたシャフト130を用意し、これにワッシャ120、一連の圧電素子110、ワッシャ120、皿バネ140、プッシュナット150の順に通して、プッシュナット150軽く押し込み仮固定する。その後、外部電極位置を調整したあと、所定の圧力が加わるようにプッシュナット150をさらに押し込んでユニット化する。
First, the annular
次に、座210にワッシャ120の径の座繰り214を設け、さらにワッシャ120の径より大きい座繰り214を設け、座繰り穴213を設ける。座繰り214に接着剤を塗布して圧電素子ユニット100を接着する。そして、座210の端子219a、219bに接続されているリード線171、172を外部電極115、116に接続する。そして、圧電素子ユニット100にキャップ220を被せて、キャップ220と座210とを封止する。
Next, a
(実施例)
実施例の圧電アクチュエータ200を作製し、動作を確認した。まず、外径6mm、内径2mm、厚さ3mmの一体焼成型の圧電素子を作製した。1層あたり50μmを50層積層し、上下に内部電極のない層を0.25mmずつ設けた。厚さは平面研削、外径を円筒加工した。内径は焼成前にドリル加工し焼成後は加工しなかった。内部電極は1層おきに側面の異なる部分に露出する構造とし、外部電極を焼きつけした。
(Example)
The
シャフトは、φ3.2mmの半球(突起)が付いたφ1.95mmのものを用意した、これにワッシャ、圧電素子20個、ワッシャ、皿ばね2枚、止め輪の順に通して、止め輪を軽く押し込み仮固定した。止め輪には太陽ステンレススプリング社製CA止め輪を用いた。その後、外部電極位置を調整したあと、所定の圧力が加わるように止め輪をさらに押し込んでユニット化した。 A shaft with a diameter of φ1.95mm with a φ3.2mm hemisphere (protrusion) was prepared. Pass the washers, 20 piezoelectric elements, washers, two disc springs, and a retaining ring in this order to lighten the retaining ring. The indentation was temporarily fixed. A CA retaining ring manufactured by Taiyo Stainless Spring Co., Ltd. was used as the retaining ring. Thereafter, after adjusting the position of the external electrode, the retaining ring was further pushed in so as to apply a predetermined pressure to form a unit.
ワッシャは無くてもよいが、座に固定される面積が全面でないため、圧電素子の変形を抑えるために硬いほうが好ましく、さらに、座と外部電極との絶縁を確保するために絶縁体が好ましい。これらを満たすためワッシャはアルミナ製とした。 Although the washer may not be provided, since the area fixed to the seat is not the entire surface, it is preferably hard to suppress deformation of the piezoelectric element, and an insulator is preferable to ensure insulation between the seat and the external electrode. In order to satisfy these requirements, the washer was made of alumina.
座には、ワッシャの径の座繰りを設け、さらにワッシャ径より大きい座繰りを設けた座繰り穴を設けた。そして、ワッシャ径の座繰り部分に接着剤を塗布して圧電素子ユニットを接着した。 The seat was provided with a countersink with a washer diameter, and further a countersink hole with a countersink larger than the washer diameter. And the adhesive agent was apply | coated to the countersink part of a washer diameter, and the piezoelectric element unit was adhere | attached.
その後、座のリード線とともにリード線を外部電極にはんだ付けした。このようにして作製したユニットは、金属キャップ封入前であるが予圧がかかっているため通電しても信頼性が低下しない。不良品の場合、金属キャップ封入前に取り除くことができる。 Then, the lead wire was soldered to the external electrode together with the seat lead wire. The unit manufactured in this way is not yet lowered in reliability even if it is energized because it is pre-loaded before the metal cap is sealed. In the case of a defective product, it can be removed before sealing the metal cap.
また、比較例の圧電アクチュエータ600も作製した(図6参照)。圧電アクチュエータ600は、素子長に対してバネの長さがプラスされる。このような圧電アクチュエータ600と比較して、実施例の圧電アクチュエータ200はバネ部分を座内に格納できたため、全長を約3mm短くできた。
A comparative
100 圧電素子ユニット
110 圧電素子
111 素子本体
112 端面
113a、113b 内部電極
114a、114b 接続部
115 外部電極
117 保護層
118 電極層
120 ワッシャ
130 シャフト
132 突起
140 皿バネ
150 プッシュナット
200 圧電アクチュエータ
210 座
213 座繰り穴
220 キャップ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記支持具および弾性体を内部に収容し、前記一連の圧電素子の第二の端面を固定する座繰り穴を有する座と、
前記圧電素子ユニットを覆い、前記座に封止されたキャップと、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。 A piezoelectric element unit that expands and contracts by application of a voltage, and has a series of piezoelectric elements formed in an annular shape and stacked in an expansion and contraction direction, and a protrusion at one end, and is inserted into a communication hole of the series of piezoelectric elements, A shaft in which the protrusion is hung on a first end face of a series of piezoelectric elements; an elastic body that applies a pressing force to a second end face of the series of piezoelectric elements; and the elastic body fixed to the other end of the shaft. A piezoelectric element unit comprising: a support that supports the body ;
A seat having a counterbore hole for accommodating the support and the elastic body therein and fixing the second end face of the series of piezoelectric elements;
A piezoelectric actuator comprising: a cap that covers the piezoelectric element unit and is sealed in the seat.
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