JP7164847B2 - piezoelectric actuator - Google Patents

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本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that is displaced by voltage application.

圧電素子は伸長時と収縮時で異なる変位特性(ヒステリシス)を示すため、半導体露光装置等の精密位置決めでは、変位センサによりフィードバック制御を行い位置決め精度を向上させて使用されている。また、精密な数値制御加工機の微動機構や医療用マニュピレータ、航空・宇宙用の精密な姿勢制御機構にも変位センサによりフィードバック制御を行った高精度の圧電アクチュエータが使用されている。さらに、半導体製造装置へ各種ガスを供給する流量調整バルブの駆動用としても圧電アクチュエータが使用されているが、制御流量の高精度化に伴い変位センサを内蔵したものが使用されるようになっている。 Since the piezoelectric element exhibits different displacement characteristics (hysteresis) when expanding and contracting, it is used in the precision positioning of semiconductor exposure apparatuses and the like by performing feedback control with a displacement sensor to improve the positioning accuracy. In addition, high-precision piezoelectric actuators that perform feedback control with displacement sensors are also used in fine movement mechanisms of precision numerically controlled processing machines, medical manipulators, and precision attitude control mechanisms for aviation and space. Piezoelectric actuators are also used to drive flow control valves that supply various gases to semiconductor manufacturing equipment. there is

特許文献1は、ヒステリシスを有する圧電変位部2を用い、ピストン3の変位量を高い精度で制御することを目的として、印加電圧に応じて伸縮する圧電変位部2、圧電変位部2の一端の伸縮力を受けるピストン3、圧電変位部2の他端の伸縮力を受けるベース4を備え、ピストン3は、圧電変位部2を覆う内筒14を備え、この内筒14の端にはベース4に接近した変位検出部15を備え、ベース4には、変位検出部15までの距離を検出する変位センサ7が固定されている圧電アクチュエータ1が記載されている。 Patent Document 1 uses a piezoelectric displacement portion 2 having hysteresis, and for the purpose of controlling the amount of displacement of a piston 3 with high accuracy, the piezoelectric displacement portion 2 expands and contracts according to an applied voltage, and one end of the piezoelectric displacement portion 2 The piston 3 is provided with a piston 3 that receives the expansion/contraction force, and a base 4 that receives the expansion/contraction force at the other end of the piezoelectric displacement section 2. The piston 3 is provided with an inner cylinder 14 that covers the piezoelectric displacement section 2. A piezoelectric actuator 1 is provided with a displacement detector 15 close to the base 4 and a displacement sensor 7 for detecting the distance to the displacement detector 15 is fixed to the base 4 .

特許文献2は、電歪効果素子を用いた圧電アクチュエータの電圧-変位特性のヒステリシスを解消し、微小な移動量の検出精度を改善することを目的として、金属ケース7内に気密端子3や金属部材8によって密封した電歪効果素子1の側面に変位センサ2を設けて電歪効果素子に電気接続する圧電アクチュエータが記載されている。 In Patent Document 2, an airtight terminal 3 and a metal A piezoelectric actuator is described in which a displacement sensor 2 is provided on the side surface of an electrostrictive effect element 1 sealed by a member 8 and electrically connected to the electrostrictive effect element.

特開平8-153909号公報JP-A-8-153909 特開平5-206536号公報JP-A-5-206536

圧電アクチュエータ用の変位センサとしては非接触式の静電容量センサや渦電流センサが使用されることが多かった。しかしながら、特許文献1に示されるような、非接触式のセンサを用いたフィードバック制御方式を適用した場合、高精度な位置決めが可能になるが、システムが複雑で高価となり、用途も限定される。 Non-contact capacitance sensors and eddy current sensors have often been used as displacement sensors for piezoelectric actuators. However, when a feedback control method using a non-contact sensor as shown in Patent Document 1 is applied, highly accurate positioning becomes possible, but the system becomes complicated and expensive, and the application is limited.

これに対し、特許文献2に示されているように、樹脂封止した圧電アクチュエータ本体に歪ゲージなどの変位センサを直接貼付し、部分的な変位信号を利用する簡易型のフィードバック制御も提案されている。歪ゲージは多くの場合、素子に直接貼り付けるだけであるため小型で安価な変位計となり、耐久性が向上することで多様な用途で使用されることが期待できる。 On the other hand, as shown in Patent Document 2, a simplified feedback control has been proposed in which a displacement sensor such as a strain gauge is directly attached to a resin-sealed piezoelectric actuator body and a partial displacement signal is used. ing. In many cases, strain gauges are simply affixed directly to the element, making them compact and inexpensive displacement sensors.

圧電アクチュエータは高速で伸縮させる用途が多く、変位センサも同様な応答性および繰り返し耐久性が求められる。圧電アクチュエータを用いたバルブ等では数千万回レベルの開閉への耐久性が求められるため、歪ゲージも同等以上の耐久性が必要となる。例えば、ある歪ゲージは、1500ppmの歪率で疲労寿命が1000万回前後となっている。これぐらいの疲労寿命である場合、圧電アクチュエータ用の変位センサとしては耐久性が不足しているため、ゲージ部への負担を軽減する組込みを行い、耐久性を向上させることが必要となる。 Piezoelectric actuators are often used for high-speed expansion and contraction, and displacement sensors are also required to have similar responsiveness and repeated durability. Since valves and the like using piezoelectric actuators are required to have durability against tens of millions of times of opening and closing, strain gauges must also have the same or higher durability. For example, a certain strain gauge has a fatigue life of around 10 million cycles at a strain rate of 1500 ppm. With such a long fatigue life, the durability of the displacement sensor for piezoelectric actuators is insufficient. Therefore, it is necessary to improve the durability by incorporating a sensor that reduces the burden on the gauge section.

しかしながら、特許文献2記載の技術では、歪ゲージのゲージ部への負担を軽減する組込みを行い、耐久性を向上させることは考慮されていない。 However, in the technique described in Patent Document 2, it is not considered to incorporate the strain gauge so as to reduce the load on the gauge portion and to improve the durability.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、歪ゲージの最大歪率を小さくすることで、歪ゲージの耐久性を向上させ、その結果、耐久性が向上した歪ゲージを備える圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator.

(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、電圧の印加により変位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に連結して形成され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変位方向の歪率を検知する歪ゲージと、を備え、前記複数の圧電素子は、前記歪ゲージが接着される接着部を有する第1の圧電素子と、前記歪ゲージが接着されない第2の圧電素子と、によって構成され、前記第1の圧電素子は、少なくとも前記接着部における最大歪率が、前記第2の圧電素子の最大歪率より小さいことを特徴としている。 (1) In order to achieve the above objects, the piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage, comprising: a piezoelectric actuator main body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series; a strain gauge for detecting a strain rate in a displacement direction of the actuator main body, wherein the plurality of piezoelectric elements include a first piezoelectric element having an adhesive portion to which the strain gauge is attached and a second piezoelectric element to which the strain gauge is not attached. 2 piezoelectric elements, wherein the first piezoelectric element has a maximum distortion rate smaller than that of the second piezoelectric element at least at the bonding portion.

このように、歪ゲージが接着される第1の圧電素子の少なくとも接着部の最大変位を小さくすることで、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。 By thus reducing the maximum displacement of at least the bonding portion of the first piezoelectric element to which the strain gauge is bonded, the maximum strain rate of the strain gauge can be decreased and the durability of the strain gauge can be improved. can be done. As a result, the durability of the piezoelectric actuator provided with strain gauges for detecting strain is improved.

(2)また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子は、前記接着部における内部電極層の間隔が前記第2の圧電素子の内部電極層の間隔より広いことを特徴としている。このように、第1の圧電素子の接着部における内部電極層の間隔を第2の圧電素子の内部電極層の間隔より広くすることで、第1の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。 (2) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the interval between the internal electrode layers in the bonding portion of the first piezoelectric element is wider than the interval between the internal electrode layers of the second piezoelectric element. In this manner, by making the interval between the internal electrode layers at the bonding portion of the first piezoelectric element wider than the interval between the internal electrode layers of the second piezoelectric element, the maximum displacement of the bonding portion of the first piezoelectric element is reduced. be able to. As a result, the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, and the durability of the strain gauge can be improved.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子は、前記接着部における圧電層の圧電歪定数d33が前記第2の圧電素子の圧電層の圧電歪定数d33より小さいことを特徴としている。このように、第1の圧電素子の接着部における圧電層の圧電歪定数d33を、第2の圧電素子の圧電層の圧電歪定数d33より小さくすることで、第1の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。 (3) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the first piezoelectric element has a piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer at the bonding portion smaller than the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element. It is characterized by In this way, by making the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer at the bonding portion of the first piezoelectric element smaller than the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element, the bonding of the first piezoelectric element The maximum displacement of the part can be reduced. As a result, the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, and the durability of the strain gauge can be improved.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子は、前記接着部における内部電極の面積が前記第2の圧電素子の内部電極の面積より小さいことを特徴としている。このように、第1の圧電素子の接着部における内部電極の面積を、第2の圧電素子の内部電極の面積より小さくすることで、第1の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。 (4) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the area of the internal electrode in the adhesive portion of the first piezoelectric element is smaller than the area of the internal electrode of the second piezoelectric element. In this way, by making the area of the internal electrode at the bonding portion of the first piezoelectric element smaller than the area of the internal electrode of the second piezoelectric element, the maximum displacement of the bonding portion of the first piezoelectric element can be reduced. can be done. As a result, the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, and the durability of the strain gauge can be improved.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子は、前記接着部における応力緩和層が前記第2の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数が少ない、または面積が小さいことを特徴としている。このように、第1の圧電素子の接着部における応力緩和層を、第2の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数を少なくする、または面積を小さいくすることで、第1の圧電素子の接着部の最大変位を小さくすることができる。その結果、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。なお、応力緩和層の数が少ないとは、応力緩和層が形成されないことも含む。 (5) In the piezoelectric actuator of the present invention, the number of stress relaxation layers in the adhesive portion of the first piezoelectric element is smaller than that of the stress relaxation layers of the second piezoelectric element. is characterized by a small In this way, the stress relaxation layers in the bonding portion of the first piezoelectric element are compared with the stress relaxation layers of the second piezoelectric element to reduce the number thereof or to reduce the area of the stress relaxation layers. The maximum displacement of the bonding portion of the piezoelectric element can be reduced. As a result, the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, and the durability of the strain gauge can be improved. It should be noted that the fact that the number of stress relieving layers is small also includes the fact that no stress relieving layers are formed.

(6)また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記第1の圧電素子の前記接着部における最大歪率は、前記第2の圧電素子の最大歪率の80%以下であることを特徴としている。このように、第1の圧電素子の接着部における最大歪率のみを、第2の圧電素子の最大歪率の80%以下にすることで、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。例えば、接着部における最大歪率を、第2の圧電素子の最大歪率の80%にする場合、歪ゲージの耐久性は2倍に向上する。 (6) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the maximum strain rate at the bonding portion of the first piezoelectric element is 80% or less of the maximum strain rate of the second piezoelectric element. Thus, the durability of the strain gauge can be improved by setting only the maximum strain rate at the bonding portion of the first piezoelectric element to 80% or less of the maximum strain rate of the second piezoelectric element. As a result, the durability of the piezoelectric actuator provided with strain gauges for detecting strain is improved. For example, if the maximum strain rate at the bonding portion is set to 80% of the maximum strain rate of the second piezoelectric element, the durability of the strain gauge is doubled.

本発明によれば、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができ、歪ゲージの耐久性を向上させることができる。その結果、歪を検知する歪ゲージを備える圧電アクチュエータの耐久性が向上する。 According to the present invention, the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, and the durability of the strain gauge can be improved. As a result, the durability of the piezoelectric actuator provided with strain gauges for detecting strain is improved.

(a)、(b)それぞれ本発明の圧電アクチュエータを示す正面図および側面図である。1(a) and 1(b) are a front view and a side view, respectively, showing a piezoelectric actuator of the present invention; FIG. 圧電素子の正断面図である。It is a front sectional view of a piezoelectric element. 所定の最大変位を有する圧電素子とその半分の最大変位を有する圧電素子のそれぞれのヒステリシスを表すグラフである。Fig. 3 is a graph representing the respective hysteresis of a piezoelectric element with a given maximum displacement and a piezoelectric element with half that maximum displacement; 歪ゲージの最大歪率と耐久性の関係を表すグラフである。4 is a graph showing the relationship between maximum strain rate and durability of a strain gauge. 変位制御システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a displacement control system; FIG. (a)、(b)それぞれ本発明の密閉型の圧電アクチュエータを示す正断面図および側断面図である。1(a) and 1(b) are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing a closed-type piezoelectric actuator of the present invention. (a)、(b)それぞれ座および端子の正断面図および底面図である。(a) and (b) are a front cross-sectional view and a bottom view of a seat and a terminal, respectively. (a)、(b)それぞれ第1の実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子を示す正断面図である。3(a) and 3(b) are front cross-sectional views respectively showing a first piezoelectric element and a second piezoelectric element of the first embodiment; FIG. (a)~(c)それぞれ第1の実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。4A to 4C are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of the first embodiment, respectively; FIG. (a)、(b)それぞれ第2の実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子を示す正断面図である。8A and 8B are front cross-sectional views showing a first piezoelectric element and a second piezoelectric element of the second embodiment, respectively; FIG. (a)~(e)それぞれ第2の実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。8A to 8E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of the second embodiment, respectively; FIG. (a)、(b)それぞれ第3の実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子を示す正断面図である。8A and 8B are front cross-sectional views respectively showing a first piezoelectric element and a second piezoelectric element of a third embodiment; FIG. (a)~(e)それぞれ第3の実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。8A to 8E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of the third embodiment, respectively; FIG. (a)、(b)それぞれ第4の実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子を示す正断面図である。12(a) and 12(b) are front cross-sectional views respectively showing a first piezoelectric element and a second piezoelectric element of a fourth embodiment; FIG. (a)~(e)それぞれ第4の実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。10A to 10E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of the fourth embodiment, respectively; FIG.

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。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。 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 each drawing, and overlapping descriptions are omitted. In addition, in the configuration diagram, the size of each component is conceptually represented, and does not necessarily represent the actual size ratio.

[本発明の各実施形態に共通の基本的な構成]
(圧電アクチュエータの構成)
図1(a)、(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ100を示す正面図および側面図である。なお、参照図に示す圧電アクチュエータは一例であって、素子数等で本発明は限定されない。
[Basic configuration common to each embodiment of the present invention]
(Configuration of Piezoelectric Actuator)
1A and 1B are a front view and a side view of the piezoelectric actuator 100, respectively. It should be noted that the piezoelectric actuator shown in the reference diagram is merely an example, and the present invention is not limited by the number of elements or the like.

圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、駆動用の端子126、127、センサ用の端子159、歪ゲージ155で構成され、電圧の印加により伸縮する。圧電アクチュエータ100は、例えばマスフローコントローラの弁の開閉制御部や精密位置決め装置のステージ駆動部に用いられ、その場合、被駆動体(弁、ステージ)を変位させる。 The piezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuator main body 105, driving terminals 126 and 127, a sensor terminal 159, and a strain gauge 155, and expands and contracts upon application of a voltage. The piezoelectric actuator 100 is used, for example, in a valve opening/closing control section of a mass flow controller or a stage driving section of a precision positioning device, in which case it displaces a driven body (valve, stage).

圧電アクチュエータ本体105は、一対のリード線121、122を介して一対の外部電極116、117に電圧が印加されたとき、各圧電素子110が伸縮することで先端が変位する。駆動用の端子126、127は、圧電アクチュエータ本体105のリード線121、122に接続されており、印加電圧をリード線121、122に伝える。 When a voltage is applied to the pair of external electrodes 116 and 117 via the pair of lead wires 121 and 122, the piezoelectric actuator main body 105 is displaced at the tip by the expansion and contraction of each piezoelectric element 110. FIG. Driving terminals 126 and 127 are connected to lead wires 121 and 122 of the piezoelectric actuator main body 105 and transmit applied voltage to the lead wires 121 and 122 .

圧電アクチュエータ本体105の駆動用のGND端子と歪ゲージ用のGND端子を共通にすることができる。これにより、総端子数が多くなることを抑制し、配線等の構成をとりやすくできる。なお、共通の端子を用いずにそれぞれ分離した端子を用いてもよい。 The GND terminal for driving the piezoelectric actuator body 105 and the GND terminal for the strain gauge can be shared. As a result, an increase in the total number of terminals can be suppressed, and the configuration of wiring and the like can be made easier. Separate terminals may be used instead of using a common terminal.

一方、図1(a)、(b)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105に歪ゲージ155を接続し、センサ用の端子159設けている。これにより、歪ゲージ155を備えた圧電アクチュエータ100において、歪ゲージ用の端子159を介して圧電素子110の変位の信号を受けられる。歪ゲージ155の詳細は後述する。 On the other hand, as shown in FIGS. 1A and 1B, the piezoelectric actuator 100 has a strain gauge 155 connected to a piezoelectric actuator main body 105 and a terminal 159 for a sensor. As a result, in the piezoelectric actuator 100 having the strain gauge 155, a displacement signal of the piezoelectric element 110 can be received via the strain gauge terminal 159. FIG. Details of the strain gauge 155 will be described later.

(圧電アクチュエータ本体)
圧電アクチュエータ本体105は、圧電素子110、およびリード線121、122で構成されている。圧電アクチュエータ本体105を構成する複数の圧電素子110は、直列に配置、連結され(多連化)、その端面同士が接着剤により接着されている。複数の圧電素子110が接着されることで大きい変位量を確保できる。なお、直列とは、伸縮方向すなわち圧電素子110内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。
(piezoelectric actuator body)
The piezoelectric actuator main body 105 is composed of a piezoelectric element 110 and lead wires 121 and 122 . A plurality of piezoelectric elements 110 constituting the piezoelectric actuator main body 105 are arranged and connected in series (multi-connection), and their end surfaces are adhered to each other with an adhesive. A large amount of displacement can be ensured by bonding the plurality of piezoelectric elements 110 . Note that "in series" means the expansion/contraction direction, that is, the lamination direction of the piezoelectric layers and internal electrodes in the piezoelectric element 110 .

リード線121、122は、駆動用の端子126、127と各圧電素子110の外部電極117とを接続している。なお、図1(b)で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。 The lead wires 121 and 122 connect driving terminals 126 and 127 to the external electrodes 117 of the piezoelectric elements 110 . The connection is made in the same way on the side opposite to the side shown in FIG. 1(b).

(圧電素子)
図2は、圧電素子110の正断面図である。圧電素子110は、印加電圧に対して変位を出力し、圧電層113、内部電極114、115および外部電極116、117を有している。圧電素子110は、圧電層113と内部電極114、115とが交互に積層されている。また、圧電素子110の側面において、外部電極116、117は内部電極114、115に接続されている。圧電層は、例えばPZT、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成できる。電極材料には、Ag-Pd、Pt等を用いることができる。
(Piezoelectric element)
FIG. 2 is a front sectional view of the piezoelectric element 110. FIG. The piezoelectric element 110 outputs displacement in response to an applied voltage, and has a piezoelectric layer 113 , internal electrodes 114 and 115 and external electrodes 116 and 117 . In the piezoelectric element 110, piezoelectric layers 113 and internal electrodes 114 and 115 are alternately laminated. Also, the external electrodes 116 and 117 are connected to the internal electrodes 114 and 115 on the side surfaces of the piezoelectric element 110 . The piezoelectric layer can be composed of a piezoelectric material such as PZT, barium titanate, or the like. Ag—Pd, Pt, or the like can be used as the electrode material.

複数の圧電素子110は、歪ゲージ155が接着される接着部111を有する第1の圧電素子110aと、歪ゲージ155が接着されない第2の圧電素子110bと、によって構成される。そして、第1の圧電素子110aは、少なくとも接着部111における最大歪率が、第2の圧電素子110bの最大歪率より小さい。なお、本発明は、第1の圧電素子110aと第2の圧電素子110bの構成を変えることで、少なくとも接着部111における最大歪率を、第2の圧電素子110bの最大歪率より小さくしているが、図2はそれを示していない。第1の圧電素子110aと第2の圧電素子110bの構成の違いは、各実施形態で説明する。 The plurality of piezoelectric elements 110 are composed of a first piezoelectric element 110a having an adhesive portion 111 to which the strain gauge 155 is attached and a second piezoelectric element 110b to which the strain gauge 155 is not attached. In addition, the first piezoelectric element 110a has a maximum distortion rate smaller than that of the second piezoelectric element 110b at least at the bonding portion 111 . In the present invention, by changing the configurations of the first piezoelectric element 110a and the second piezoelectric element 110b, at least the maximum distortion factor of the bonding portion 111 can be made smaller than the maximum distortion factor of the second piezoelectric element 110b. but FIG. 2 does not show it. A difference in configuration between the first piezoelectric element 110a and the second piezoelectric element 110b will be described in each embodiment.

最大歪率とは、最大収縮時の圧電伸縮部長さに対する最大変位量の割合である。また、接着部111における最大歪率とは、最大収縮時の接着部111の圧電伸縮部長さに対する接着部111の最大変位量の割合である。また、第2の圧電素子110bの最大歪率とは、1の圧電アクチュエータ本体105に複数の第2の圧電素子110bが存在する場合、それぞれの第2の圧電素子110bの最大歪率の平均値である。 The maximum strain rate is the ratio of the maximum amount of displacement to the length of the piezoelectric expansion/contraction portion at the time of maximum contraction. Further, the maximum strain rate of the bonding portion 111 is the ratio of the maximum amount of displacement of the bonding portion 111 to the length of the piezoelectric expansion/contraction portion of the bonding portion 111 at the time of maximum contraction. Further, the maximum strain rate of the second piezoelectric element 110b is the average value of the maximum strain rate of each of the second piezoelectric elements 110b when a plurality of the second piezoelectric elements 110b are present in one piezoelectric actuator body 105. is.

第1の圧電素子110aの接着部111における最大歪率は、第2の圧電素子110bの最大歪率の80%以下であることが好ましく、50%以下であることがより好ましい。また、第2の圧電素子110bの最大歪率に対する第1の圧電素子110aの接着部111における最大歪率の下限値は、歪ゲージ155によって検出する必要のある精度によって異なるため、特に限定する必要はないが、例えば、10%以上であることが好ましく、20%以上であることがより好ましく、25%以上であることがさらに好ましい。歪率の数値では、例えば、歪の上限値では、1200ppm以下であることが好ましく、750ppm以下であることがより好ましい。また、下限値では、例えば、150ppm以上であることが好ましく、300ppm以上であることがより好ましく、375ppm以上であることがさらに好ましい。 The maximum strain rate of the bonding portion 111 of the first piezoelectric element 110a is preferably 80% or less, more preferably 50% or less, of the maximum strain rate of the second piezoelectric element 110b. In addition, the lower limit of the maximum distortion rate of the bonding portion 111 of the first piezoelectric element 110a with respect to the maximum distortion rate of the second piezoelectric element 110b differs depending on the accuracy required to be detected by the strain gauge 155, so it is necessary to particularly limit it. However, for example, it is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, and even more preferably 25% or more. As for the numerical value of the distortion factor, for example, the upper limit of distortion is preferably 1200 ppm or less, and more preferably 750 ppm or less. In addition, the lower limit is, for example, preferably 150 ppm or more, more preferably 300 ppm or more, and even more preferably 375 ppm or more.

第1の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、接着部の最大歪率と同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、第1の圧電素子全体の構成を接着部の構成と同じにする場合、第1の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、第2の圧電素子の最大歪率より小さくなり、圧電アクチュエータ全体の変位量は小さくなるが、第1の圧電素子全体の構成が同じであるため、第1の圧電素子の製造が容易になる。また、第1の圧電素子全体が接着部といえるため、歪ゲージの接着も容易になる。例えば、第1の圧電素子の接着部以外の部分の構成を第2の圧電素子の構成と同じにする場合、第1の圧電素子の接着部以外の部分の最大歪率は、第2の圧電素子の最大歪率と同じになり、圧電アクチュエータ全体の変位量を大きくすることができる。 The maximum strain rate of the portion other than the bonding portion of the first piezoelectric element may be the same as or different from the maximum strain rate of the bonding portion. For example, if the entire configuration of the first piezoelectric element is the same as the configuration of the adhesive portion, the maximum distortion factor of the portion other than the adhesive portion of the first piezoelectric element is smaller than the maximum distortion factor of the second piezoelectric element. Although the amount of displacement of the piezoelectric actuator as a whole is reduced, the structure of the first piezoelectric element as a whole is the same, which facilitates the manufacture of the first piezoelectric element. Also, since the entire first piezoelectric element can be said to be the bonding portion, bonding of the strain gauge is facilitated. For example, when the configuration of the portion of the first piezoelectric element other than the bonding portion is the same as the configuration of the second piezoelectric element, the maximum distortion rate of the portion of the first piezoelectric element other than the bonding portion is the same as that of the second piezoelectric element. It becomes the same as the maximum strain rate of the element, and the displacement amount of the entire piezoelectric actuator can be increased.

図3は、所定の最大変位を有する圧電素子とその半分の最大変位を有する圧電素子のそれぞれのヒステリシスを表すグラフである。最大電圧150Vを印加したときの最大変位が10μmである圧電素子を標準変位素子とし、最大電圧150Vを印加したときの最大変位が5μmである圧電素子を1/2変位素子として表した。図3に表されるように、最大変位が1/2である1/2変位素子のヒステリシスは、標準変位素子のヒステリシスとほとんど同じ動きを示すため、1/2変位素子は、中間の電圧においても標準変位素子の変位の約1/2の変位を得ることができる。このような性質により、第1の圧電素子の接着部における最大変位を、第2の圧電素子の最大変位より小さくしても、その割合が分かれば、接着部で検出した歪率から圧電アクチュエータ全体の変位を計測することができる。 FIG. 3 is a graph representing the respective hysteresis of a piezoelectric element with a given maximum displacement and a piezoelectric element with half that maximum displacement. A piezoelectric element with a maximum displacement of 10 μm when a maximum voltage of 150 V is applied is defined as a standard displacement element, and a piezoelectric element with a maximum displacement of 5 μm when a maximum voltage of 150 V is applied is defined as a half displacement element. As shown in FIG. 3, the hysteresis of a 1/2 displacement element with a maximum displacement of 1/2 exhibits almost the same behavior as the hysteresis of a standard displacement element, so that the 1/2 displacement element is can also obtain about half the displacement of the standard displacement element. Due to such properties, even if the maximum displacement at the bonding portion of the first piezoelectric element is smaller than the maximum displacement of the second piezoelectric element, if the ratio is known, the distortion rate detected at the bonding portion can be used to determine the overall piezoelectric actuator. displacement can be measured.

圧電素子の最大変位を小さくすると、歪ゲージの変化量も小さくなり、変位センサとしてのS/N比の低下が問題になる場合がある。このような場合、歪ゲージを、例えば、素子の2面に接着し、歪ゲージの微小な抵抗値変化を検出するホイートストンブリッジの対向部にそれぞれ接続することで、変化率を倍増し補償することができる。この2ゲージ法を併用することで、歪ゲージのS/N比を低下させることなく、耐久性を向上させることが可能となる。 When the maximum displacement of the piezoelectric element is reduced, the amount of change in the strain gauge is also reduced, which may pose a problem of lowering the S/N ratio as a displacement sensor. In such a case, strain gauges may be bonded to two surfaces of the element, for example, and connected to opposing portions of a Wheatstone bridge that detects minute resistance value changes of the strain gauges, thereby doubling the rate of change and compensating for it. can be done. By using this two-gauge method together, it is possible to improve the durability without lowering the S/N ratio of the strain gauge.

(歪ゲージ)
歪ゲージ155は、圧電アクチュエータ本体105の変位方向の歪を検知する。歪ゲージ155は、線歪ゲージ、箔歪ゲージ等を用いることができる。歪ゲージ155は、圧電アクチュエータ本体105に直接貼り付けることで接続される。貼り付けは、接着剤等を用いることができる。歪ゲージ155は、圧電アクチュエータ本体105の表面に接続されているので、圧電アクチュエータ100が伸びたときに歪ゲージ155も伸びることで、圧電アクチュエータ100の変位と歪ゲージ155の変位が同相の歪となり、制御性が向上する。
(strain gauge)
The strain gauge 155 detects strain in the displacement direction of the piezoelectric actuator body 105 . A wire strain gauge, a foil strain gauge, or the like can be used as the strain gauge 155 . The strain gauge 155 is connected by being directly attached to the piezoelectric actuator body 105 . An adhesive or the like can be used for attachment. Since the strain gauge 155 is connected to the surface of the piezoelectric actuator main body 105, when the piezoelectric actuator 100 is extended, the strain gauge 155 is also extended, so that the displacement of the piezoelectric actuator 100 and the displacement of the strain gauge 155 are in the same phase. , the controllability is improved.

歪ゲージ155は、リード線157、158に接続され、リード線158が、センサ用端子159に接続されることで、検知された変位信号が伝達される。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位を確認して、正確にその変位を把握することができフィードバック制御により圧電アクチュエータを使用した精密な位置決めが可能になる。 The strain gauge 155 is connected to lead wires 157 and 158, and the lead wire 158 is connected to the sensor terminal 159 to transmit the detected displacement signal. As a result, the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 can be confirmed and the displacement can be accurately grasped, and precise positioning using the piezoelectric actuator can be performed by feedback control.

歪ゲージは、歪率が半減する毎に耐久性がほぼ1桁増加することが知られている。したがって、歪ゲージの最大歪率を小さくすることができれば、歪ゲージの耐久性は向上する。本発明では、歪ゲージ155を接着する接着部111を有する第1の圧電素子110aの少なくとも接着部111の最大歪率を、第2の圧電素子110bの最大歪率より小さくしているため、歪ゲージ155の耐久性が向上している。 Strain gauges are known to increase in durability by approximately one order of magnitude for each halving of the strain rate. Therefore, if the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced, the durability of the strain gauge will be improved. In the present invention, since the maximum strain rate of at least the bonding portion 111 of the first piezoelectric element 110a having the bonding portion 111 for bonding the strain gauge 155 is made smaller than the maximum strain rate of the second piezoelectric element 110b, the strain The durability of gauge 155 is improved.

図4は、歪ゲージの最大歪率と耐久性の関係を表すグラフである。歪ゲージの最大歪率が1500ppmであるときの耐久性を1としたとき、歪ゲージの最大歪率に対する耐久性を数値で表した。なお、図4のグラフは、歪ゲージの耐久性がどのように向上するかを概念的に示したものであり、必ずこのような耐久性が得られることを示すものではない。図4に示されるように、例えば、第1の圧電素子の接着部における最大歪率が、第2の圧電素子の最大歪率の80%である場合、最大歪率を低減していない場合と比較して、歪ゲージの耐久性は約2倍になる。また、50%である場合、歪ゲージの耐久性は約10倍になる。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the maximum strain rate and durability of strain gauges. Assuming that the durability when the maximum strain rate of the strain gauge is 1500 ppm is 1, the durability against the maximum strain rate of the strain gauge is expressed numerically. The graph of FIG. 4 conceptually shows how the durability of the strain gauge is improved, and does not necessarily show that such durability is always obtained. As shown in FIG. 4, for example, when the maximum strain rate at the bonding portion of the first piezoelectric element is 80% of the maximum strain rate of the second piezoelectric element, and when the maximum strain rate is not reduced. By comparison, the durability of the strain gauge is approximately doubled. Also, when it is 50%, the durability of the strain gauge is increased by about 10 times.

(変位制御システム)
上記の圧電アクチュエータ100を用いて変位制御システム190を構成できる。図5は、変位制御システム190の概略図である。図5に示すように、変位制御システム190は、圧電アクチュエータ100、フィードバック制御装置170および駆動電源180を備えている。
(Displacement control system)
A displacement control system 190 can be configured using the piezoelectric actuator 100 described above. FIG. 5 is a schematic diagram of displacement control system 190 . As shown in FIG. 5, displacement control system 190 includes piezoelectric actuator 100 , feedback controller 170 and drive power supply 180 .

歪ゲージ155のセンサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に接続されている。検知された変位の信号は、フィードバック制御装置170に入力され、フィードバック制御装置170は、検知された信号を圧電アクチュエータ100の変位に変換し、検知された変位をもとに必要な駆動量を算出する。検知信号から変位への変換は、同相であり、歪ゲージ155から伸びの信号の入力があったときには、圧電アクチュエータ100の伸びの変位を出力する。フィードバック制御装置170は、算出された駆動量に応じて駆動電源180を制御し、駆動電源180は、フィードバック制御装置170から指令を受けた電圧を圧電アクチュエータ本体105に印加する。このようにして、誤差を低減した変位制御システム190を実現できる。 A sensor terminal 159 of the strain gauge 155 is connected to a feedback controller 170 . A signal of the detected displacement is input to the feedback control device 170, and the feedback control device 170 converts the detected signal into the displacement of the piezoelectric actuator 100 and calculates the necessary driving amount based on the detected displacement. do. Conversion from the detection signal to displacement is in phase, and when an extension signal is input from the strain gauge 155, the extension displacement of the piezoelectric actuator 100 is output. The feedback control device 170 controls the drive power source 180 according to the calculated drive amount, and the drive power source 180 applies the voltage commanded by the feedback control device 170 to the piezoelectric actuator main body 105 . In this way, a displacement control system 190 with reduced errors can be realized.

(密封型圧電アクチュエータ)
図1では、圧電アクチュエータ本体105が剥き出しになっていたが、圧電アクチュエータ本体105は、キャップおよび座によって密封されていてもよい。図6(a)、(b)は、それぞれ密封型の圧電アクチュエータ300を示す正断面図および側断面図である。図7(a)、(b)は、それぞれ座340および端子126、127、159の正断面図および底面図である。以下では、図1と異なる部分のみ説明する。
(sealed piezoelectric actuator)
Although the piezoelectric actuator body 105 is exposed in FIG. 1, the piezoelectric actuator body 105 may be sealed by a cap and seat. 6A and 6B are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing the sealed piezoelectric actuator 300. FIG. 7(a) and 7(b) are front cross-sectional and bottom views of seat 340 and terminals 126, 127, 159, respectively. Only parts different from FIG. 1 will be described below.

圧電アクチュエータ300は、圧電アクチュエータ本体105、駆動用の端子126、127、センサ用の端子159、歪ゲージ155、座340、およびキャップ360で構成され、電圧の印加により伸縮する。 The piezoelectric actuator 300 includes a piezoelectric actuator main body 105, driving terminals 126 and 127, a sensor terminal 159, a strain gauge 155, a seat 340, and a cap 360, and expands and contracts upon application of voltage.

座340は、圧電アクチュエータ本体105の端部に接着され、その一端を固定し、圧電アクチュエータ本体105を支持する。そして、座340側の端部が固定された圧電アクチュエータ本体105の伸縮により先端側の突起330が変位する。なお、本実施形態では、突起330は半球状である。 The seat 340 is adhered to the end of the piezoelectric actuator body 105 and fixed at one end to support the piezoelectric actuator body 105 . The extension and contraction of the piezoelectric actuator body 105 to which the end on the side of the seat 340 is fixed displaces the projection 330 on the tip side. In addition, in this embodiment, the protrusion 330 is hemispherical.

座340は、キャップ360の端部と固定されることで、圧電アクチュエータ本体105を密封する。湿度や腐食性ガスに弱い圧電アクチュエータ本体105と歪ゲージ155を、低湿度の不活性ガスで気密封止した構造とすることで信頼性と耐久性を向上できる。例えば、切削水で変位装置が濡れるような精密加工機、腐蝕性ガスの流量制御を行う圧電式バルブなどで用いられる場合、オープン制御では圧電アクチュエータを用いた位置決め精度が不十分であり、変位センサによりフィードバック制御を行うことが可能な圧電アクチュエータにより位置決め等を行うことが有効である。 The seat 340 seals the piezoelectric actuator body 105 by being fixed to the end of the cap 360 . Reliability and durability can be improved by hermetically sealing the piezoelectric actuator body 105 and the strain gauge 155, which are vulnerable to humidity and corrosive gases, with a low-humidity inert gas. For example, when used in a precision machine where the displacement device is wet with cutting water, or in a piezoelectric valve that controls the flow rate of corrosive gas, the positioning accuracy using a piezoelectric actuator is insufficient in open control, and the displacement sensor It is effective to perform positioning and the like by a piezoelectric actuator capable of performing feedback control by .

このように、封止により高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境でも問題なく、圧電アクチュエータを稼働することができる。キャップ360内が完全に気密構造となるため、湿度や腐食性ガス等の圧電素子、歪ゲージの耐久性を阻害する環境下でも使用可能となり、用途拡大につながる。 In this manner, sealing enables the piezoelectric actuator to operate without problems even in harsh environments such as high humidity and corrosive gas. Since the inside of the cap 360 has a completely airtight structure, it can be used in environments such as humidity and corrosive gases that impair the durability of the piezoelectric element and the strain gauge, leading to expansion of applications.

端子126、127、159は、ハーメチック端子として座340を貫通して設けられている。貫通孔にはガラスまたは樹脂345が充填され、密封されている。座340には、端子126、127、159は、圧電アクチュエータ100の中心軸の周りに歪ゲージ用および駆動用でそれぞれ配置されていることが好ましい。これにより、端子126、127、159について容易に電気的な接続をとることができる。 Terminals 126, 127, and 159 are provided through seat 340 as hermetic terminals. The through hole is filled with glass or resin 345 and sealed. On the seat 340, the terminals 126, 127, 159 are preferably arranged around the central axis of the piezoelectric actuator 100 for the strain gauge and for the drive, respectively. As a result, the terminals 126, 127 and 159 can be easily electrically connected.

圧電アクチュエータ本体105の駆動用のGND端子と歪ゲージ155の検出用のGND端子と共通にすることができる。これにより、歪ゲージをキャップ内に収容した構造とした場合に、座から引き出す総端子数が多くなることを抑制し、歪ゲージをキャップ内に収容した耐環境性を向上させた構成をとりやすくできる。なお、共通の端子を用いずにそれぞれ分離した端子を用いてもよい。 The GND terminal for driving the piezoelectric actuator main body 105 and the GND terminal for detecting the strain gauge 155 can be shared. As a result, when the strain gauge is accommodated in the cap, the total number of terminals pulled out from the seat is suppressed, and it is easy to adopt a configuration with improved environmental resistance in which the strain gauge is accommodated in the cap. can. Separate terminals may be used instead of using a common terminal.

キャップ360は、有底で開口端を有する円筒形状を有し、金属で形成されている。キャップ360は、圧電アクチュエータ本体105を積層方向に密着しつつ内部に収容し、座340にその開口端が接合され、キャップ360内部を封止している。これにより、圧電アクチュエータ300が保護され、耐久性が向上する。 The cap 360 has a bottomed cylindrical shape with an open end and is made of metal. The cap 360 accommodates the piezoelectric actuator body 105 in close contact with it in the stacking direction, and its open end is joined to the seat 340 to seal the inside of the cap 360 . This protects the piezoelectric actuator 300 and improves durability.

キャップ360は、キャップの先端部分にドーム形状の部分に突起330が当接するダイヤフラムを有する。キャップ360の直管部分は、キャップ360の中央から底部にかけて円筒に形成されている。ダイヤフラムは、ドーム形状に形成されている。キャップ360は、SUS316、SUS316L等の耐食性とばね性に優れている材質が望ましい。基台が座340を固定し、座340が圧電アクチュエータ本体105の端部を支持している。そして、キャップ360の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ300から被駆動体に変位が伝わる。 The cap 360 has a diaphragm with a dome-shaped portion with a projection 330 abutting at the tip of the cap. A straight tube portion of the cap 360 is formed in a cylindrical shape from the center of the cap 360 to the bottom. The diaphragm is formed in a dome shape. The cap 360 is desirably made of a material such as SUS316 or SUS316L, which is excellent in corrosion resistance and springiness. A base secures the seat 340 , and the seat 340 supports the end of the piezoelectric actuator body 105 . When the tip of the cap 360 comes into contact with the driven body, displacement is transmitted from the piezoelectric actuator 300 to the driven body.

キャップ360内部には、圧電アクチュエータ本体105の他、歪ゲージ155も収容されている。キャップ360により周囲の環境から圧電アクチュエータ本体105と歪ゲージ155を保護できる。 Inside the cap 360, the strain gauge 155 is accommodated in addition to the piezoelectric actuator main body 105. As shown in FIG. The cap 360 can protect the piezoelectric actuator body 105 and the strain gauge 155 from the surrounding environment.

一方、図6(a)、(b)に示すように、圧電アクチュエータ300は、キャップ360内部に歪ゲージ155を配置し、センサ用の端子159を座340に設けている。これにより、歪ゲージ155を内蔵した圧電アクチュエータ300において、センサ用の端子159を介して圧電素子110の変位の信号を受けられる。 On the other hand, as shown in FIGS. 6A and 6B, the piezoelectric actuator 300 has the strain gauge 155 arranged inside the cap 360 and the sensor terminal 159 provided on the seat 340 . As a result, in the piezoelectric actuator 300 incorporating the strain gauge 155 , a displacement signal of the piezoelectric element 110 can be received via the sensor terminal 159 .

圧電アクチュエータ本体105は、圧電素子110、リード線121、122および突起330で構成されている。突起330は、無機材料で半球状に形成され、圧電アクチュエータ本体105の被駆動体へ変位を伝える先端側に設けられている。突起330と圧電アクチュエータ本体105とは強固に接着されており、突起330はキャップ360のドーム形状の内側部分に接する。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位をキャップ360の外部に取り出すことができる。 Piezoelectric actuator main body 105 is composed of piezoelectric element 110 , lead wires 121 and 122 and projection 330 . The protrusion 330 is made of an inorganic material and formed in a hemispherical shape, and is provided on the tip side of the piezoelectric actuator main body 105 that transmits displacement to the driven body. The protrusion 330 and the piezoelectric actuator main body 105 are firmly adhered, and the protrusion 330 contacts the dome-shaped inner portion of the cap 360 . Thereby, the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 can be extracted to the outside of the cap 360 .

(圧電アクチュエータの基本的な製造方法)
次に、図1のように構成された圧電アクチュエータ100の基本的な製造方法を説明する。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子110を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにPtやAg-Pd等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子110の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極116、117を形成する。圧電素子110の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極116、117を形成できる。
(Basic manufacturing method of piezoelectric actuator)
Next, a basic manufacturing method of the piezoelectric actuator 100 configured as shown in FIG. 1 will be described. First, a piezoelectric element 110 in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately laminated is manufactured. Specifically, an electrode paste such as Pt or Ag—Pd is printed on green sheets of piezoelectric ceramics, laminated, pressure-bonded, and fired. Next, external electrodes 116 and 117 connected to the internal electrodes are formed along the stacking direction on the side surfaces of the piezoelectric element 110 . The external electrodes 116 and 117 can be formed by printing the electrode paste on the side surface of the piezoelectric element 110 and baking it.

得られた複数の圧電素子110の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、歪ゲージ155、または圧電アクチュエータ本体105の歪ゲージ155配置位置に接着剤を塗布して、歪ゲージ155を圧電アクチュエータ本体105に直接貼り付ける。歪ゲージ155は、1つの圧電素子110に貼り付けてもよいし、連続する複数の圧電素子110に貼り付けてもよい。 An adhesive such as epoxy is applied to the end surfaces of the plurality of piezoelectric elements 110 obtained in the stacking direction, and the elements are connected in series. In this way, multiple connections are made and the adhesive is cured. Then, an adhesive is applied to the strain gauge 155 or the strain gauge 155 arrangement position of the piezoelectric actuator main body 105 to directly attach the strain gauge 155 to the piezoelectric actuator main body 105 . The strain gauge 155 may be attached to one piezoelectric element 110 or may be attached to a plurality of continuous piezoelectric elements 110 .

そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させて、圧電アクチュエータ100を作製できる。なお、駆動用の端子126、127は、それぞれ駆動電源180、センサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に電気的に接続される。 Then, the piezoelectric actuator 100 can be manufactured by fixing the metal plate-like lead wires to the external electrodes. The driving terminals 126 and 127 are electrically connected to the driving power source 180 and the sensor terminal 159 is electrically connected to the feedback control device 170 .

(密封型圧電アクチュエータの製造方法)
また、図6のように構成された密封型圧電アクチュエータ300の製造方法を説明する。密封型圧電アクチュエータ300の製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法において、歪ゲージを貼り付けた圧電アクチュエータ本体を座に設置し、キャップを被せて封止する。そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させることで、密封型圧電アクチュエータ300を製造できる。
(Manufacturing method of sealed piezoelectric actuator)
Also, a method of manufacturing the sealed piezoelectric actuator 300 configured as shown in FIG. 6 will be described. The sealed piezoelectric actuator 300 is manufactured by placing the piezoelectric actuator main body to which the strain gauge is attached on the seat in the method of manufacturing the piezoelectric actuator described above, and sealing it by covering it with a cap. Then, the sealed piezoelectric actuator 300 can be manufactured by fixing the metal plate-shaped lead wires to the external electrodes.

[第1の実施形態]
次に、第1の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第1の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。
[First embodiment]
Next, the piezoelectric actuator of the first embodiment will be explained. The basic configuration of the piezoelectric actuator of the first embodiment is as described above. Therefore, only the configuration unique to this embodiment will be described.

(圧電素子)
図8(a)、(b)は、それぞれ本実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子の正断面である。なお、図8(a)、(b)は、外部電極は省略している。図8(a)、(b)に示されるように、本実施形態の第1の圧電素子110aは、接着部111における内部電極層の間隔が、第2の圧電素子110bの内部電極層の間隔より広い。内部電極層の間隔とは、隣り合う内部電極114と内部電極115との間の積層方向の距離をいう。内部電極層の間隔が広い部分では、内部電極層の間隔が狭い部分と比較して、同一の電圧を印加したときの内部電極層の間の電界強度が小さくなるため、その間の歪は小さくなる。したがって、内部電極層の間隔が広い部分では、最大電圧を印加したときの最大歪率が小さくなり、そこに接着した歪ゲージ155の耐久性が向上する。
(Piezoelectric element)
FIGS. 8A and 8B are front cross sections of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element of this embodiment, respectively. Note that external electrodes are omitted in FIGS. As shown in FIGS. 8A and 8B, in the first piezoelectric element 110a of the present embodiment, the interval between the internal electrode layers in the bonding portion 111 is equal to the interval between the internal electrode layers of the second piezoelectric element 110b. wider. The interval between internal electrode layers refers to the distance in the stacking direction between adjacent internal electrodes 114 and 115 . When the same voltage is applied, the electric field strength between the internal electrode layers is smaller in the portion where the interval between the internal electrode layers is wider than in the portion where the interval between the internal electrode layers is narrower, so the strain therebetween is smaller. . Therefore, in the portion where the interval between the internal electrode layers is wide, the maximum strain rate when the maximum voltage is applied becomes small, and the durability of the strain gauge 155 adhered there is improved.

積層型圧電素子の変位量(変位歪)は、使用する圧電セラミックスの圧電歪定数に応じて内部電極間隔を調整することで設計される。例えば、ある種類の圧電セラミックスに対して、内部電極間隔を調整することで最大電圧を印加したときの最大歪率が1500ppmになるように設計することができる。このように、最大歪率は、積層型圧電素子の製造に使用するグリーンシートの厚みを変更することにより調整することができる。例えば、厚みが2倍のグリーンシートを用いると積層型圧電素子の内部電極間隔もほぼ2倍となるため、同一の電圧を印加したときに、そこに発生する電界強度は1/2となる。圧電素子の変位量は電界強度にほぼ比例するため、図4に表されるように同一の電圧を印加したときに、発生する歪も1/2となる。 The displacement amount (displacement strain) of the laminated piezoelectric element is designed by adjusting the internal electrode spacing according to the piezoelectric strain constant of the piezoelectric ceramics used. For example, it is possible to design a certain type of piezoelectric ceramic so that the maximum distortion factor is 1500 ppm when the maximum voltage is applied by adjusting the internal electrode spacing. Thus, the maximum strain rate can be adjusted by changing the thickness of the green sheets used for manufacturing the laminated piezoelectric element. For example, if a green sheet with twice the thickness is used, the interval between the internal electrodes of the laminated piezoelectric element will also be doubled, so that the electric field strength generated there will be halved when the same voltage is applied. Since the amount of displacement of the piezoelectric element is approximately proportional to the intensity of the electric field, when the same voltage is applied as shown in FIG. 4, the strain generated is also halved.

(異なる構成の圧電素子の製造方法)
図9(a)~(c)は、それぞれ本実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図9(a)~(c)は、それぞれ焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート201、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート202、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのグリーンシート203を示す。
(Manufacturing method for piezoelectric elements with different configurations)
FIGS. 9A to 9C are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of this embodiment, respectively. 9A to 9C show an electrode paste 214 that will become the internal electrode 114 after firing, a piezoelectric ceramic green sheet 201 that will become the piezoelectric layer 113 after firing, and an electrode paste 215 that will become the internal electrode 115 after firing and the piezoelectric layer 113, respectively. A green sheet 202 of piezoelectric ceramics and a green sheet 203 of piezoelectric ceramics on which no electrode paste is laminated are shown.

第2の圧電素子110bは、通常の厚みのグリーンシート201、202が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第1の圧電素子110aは、少なくとも接着部111となる部分を積層するときに、通常の厚みのグリーンシート201、202ではなく、焼成後に圧電セラミックス113となる圧電セラミックの厚みを増加させたグリーンシートを交互に積層する。または、通常の厚みのグリーンシート201、202に対し、電極ペーストが積層されていないグリーンシート203を適宜積層することで圧電層113の厚みを増加させてもよい。このようにして、接着部111における内部電極層の間隔が、第2の圧電素子110bの内部電極層の間隔より広い第1の圧電素子110aを製造することができる。なお、第1および第2の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート203を1層以上積層してもよい。 The second piezoelectric element 110b is manufactured by alternately laminating green sheets 201 and 202 having a normal thickness and firing them. On the other hand, in the first piezoelectric element 110a, when laminating at least the part that becomes the bonding portion 111, the thickness of the piezoelectric ceramic that becomes the piezoelectric ceramic 113 after firing is increased instead of the green sheets 201 and 202 having the normal thickness. The green sheets are alternately laminated. Alternatively, the thickness of the piezoelectric layer 113 may be increased by appropriately laminating the green sheet 203 on which the electrode paste is not laminated on the green sheets 201 and 202 of normal thickness. In this way, it is possible to manufacture the first piezoelectric element 110a in which the interval between the internal electrode layers in the bonding portion 111 is wider than the interval between the internal electrode layers of the second piezoelectric element 110b. In both the first and second piezoelectric elements, one or more green sheets 203 may be laminated on the end face in the lamination direction to form a protective layer.

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第1の圧電素子について、少なくとも接着部になる層のシート厚みを調整したものを使用することで、第1の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が1個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ厚いシートを用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの厚さにより、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。 In the case of a piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements are connected in series in the displacement direction, for the first piezoelectric element to which the strain gauge is adhered, at least the sheet thickness of the layer to be the adhesion portion is adjusted, so that the first of piezoelectric elements can be manufactured. Further, when the piezoelectric element for the piezoelectric actuator is made of one highly laminated element, it is possible to adopt a structure in which a thick sheet is used only for the portion where the strain gauge is adhered. Since the maximum strain rate of the strain gauge can be adjusted by changing the thickness of the piezoelectric ceramic sheet, it is possible to manufacture a piezoelectric actuator with a built-in strain gauge that has sufficient durability required by the market. Become.

[第2の実施形態]
次に、第2の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第2の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。
[Second embodiment]
Next, a piezoelectric actuator of a second embodiment will be described. The basic configuration of the piezoelectric actuator of the second embodiment is as described above. Therefore, only the configuration unique to this embodiment will be described.

(圧電素子)
図10(a)、(b)は、それぞれ本実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子の正断面である。なお、図10(a)、(b)は、外部電極は省略している。図10(a)、(b)に示されるように、本実施形態の第1の圧電素子110aは、接着部111における圧電層113aの圧電歪定数が、第2の圧電素子110bの圧電層113の圧電歪定数より小さい。ここで、圧電歪定数はd33である。
(Piezoelectric element)
10(a) and 10(b) are front cross sections of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element of this embodiment, respectively. 10A and 10B omit external electrodes. As shown in FIGS. 10A and 10B, in the first piezoelectric element 110a of the present embodiment, the piezoelectric strain constant of the piezoelectric layer 113a in the bonding portion 111 is equal to that of the piezoelectric layer 113 of the second piezoelectric element 110b. is smaller than the piezoelectric strain constant of where the piezoelectric strain constant is d33 .

積層型圧電素子用の圧電セラミックスには多様な特性の材料がある。圧電アクチュエータ用途では大きな変位が求められるため、一般にソフト材と呼ばれる比較的圧電歪定数が大きな材料が用いられる。一方、ソフト材にマンガン等を微量添加することで高速駆動に適したハード材となることも知られている。一般にハード化するとソフト材の半分以下に圧電歪定数は低下する。このように同様な組成で圧電歪定数が大きく異なる材料を容易に準備することが可能である。 Piezoelectric ceramics for laminated piezoelectric elements include materials with various properties. Piezoelectric actuators require large displacements, so materials with relatively large piezoelectric strain constants, which are generally called soft materials, are used. On the other hand, it is also known that a hard material suitable for high-speed driving can be obtained by adding a small amount of manganese or the like to the soft material. In general, hard materials reduce the piezoelectric strain constant to less than half that of soft materials. In this way, it is possible to easily prepare materials having similar compositions but greatly different piezoelectric strain constants.

(異なる構成の圧電素子の製造方法)
図11(a)~(e)は、それぞれ本実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図11(a)~(e)は、それぞれ焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート201、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート202、焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113aとなる圧電セラミックスのグリーンシート204、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113aとなる圧電セラミックスのグリーンシート205、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのみのグリーンシート203を示す。
(Manufacturing method for piezoelectric elements with different configurations)
FIGS. 11A to 11E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of this embodiment, respectively. 11A to 11E show an electrode paste 214 that becomes the internal electrode 114 after firing, a piezoelectric ceramic green sheet 201 that becomes the piezoelectric layer 113 after firing, an electrode paste 215 that becomes the internal electrode 115 after firing, and the piezoelectric layer 113, respectively. an electrode paste 214 that becomes the internal electrode 114 after firing and a piezoelectric ceramic green sheet 204 that becomes the piezoelectric layer 113a after firing; an electrode paste 215 that becomes the internal electrode 115 after firing and a piezoelectric ceramic green sheet 202 that becomes the piezoelectric layer 113a after firing. A green sheet 205 and a green sheet 203 of only piezoelectric ceramics without electrode paste laminated are shown.

第2の圧電素子110bは、焼成後に圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート201、202が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第1の圧電素子110aは、少なくとも接着部111となる部分を積層するときに、通常のグリーンシート201、202ではなく、焼成後に圧電セラミックス113aとなる圧電セラミックスのグリーンシート204、205を交互に積層する。圧電セラミックス201、202と比較して、圧電セラミックス204、205は、焼成後の圧電歪定数d33が小さい。このようにして、接着部111における圧電層113aの圧電歪定数d33が、第2の圧電素子110bの圧電層113の圧電歪定数d33より小さい第1の圧電素子を製造することができる。なお、第1および第2の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート203を1層以上積層してもよい。 The second piezoelectric element 110b is manufactured by alternately stacking piezoelectric ceramic green sheets 201 and 202, which will become the piezoelectric layer 113 after firing, and firing the stacked sheets. On the other hand, in the first piezoelectric element 110a, when laminating at least the part that becomes the bonding portion 111, instead of the usual green sheets 201 and 202, piezoelectric ceramic green sheets 204 and 205 that become the piezoelectric ceramic 113a after firing are alternately stacked. to laminate. Compared with the piezoelectric ceramics 201 and 202, the piezoelectric ceramics 204 and 205 have a smaller piezoelectric strain constant d33 after firing. In this way, the first piezoelectric element can be manufactured in which the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer 113a in the bonding portion 111 is smaller than the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer 113 of the second piezoelectric element 110b. For both the first and second piezoelectric elements, one or more green sheets 203 may be laminated on the end face in the lamination direction to form a protective layer.

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第1の圧電素子について、少なくとも接着部になる層にハード材等の圧電特性を抑制した材料を用いることで、第1の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が1個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみハード材等の圧電特性を抑制した材料を用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの組成により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。 In the case of a piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements are connected in series in the displacement direction, it is possible to use a material such as a hard material that suppresses piezoelectric characteristics for at least the layer that will be the bonding portion for the first piezoelectric element to which the strain gauge is attached. , the first piezoelectric element can be manufactured. Further, when the piezoelectric element for the piezoelectric actuator is made of one highly laminated element, it is possible to adopt a structure in which a material such as a hard material that suppresses piezoelectric characteristics is used only for the portion where the strain gauge is adhered. Since the maximum strain rate of the strain gauge can be adjusted by changing the composition of the piezoelectric ceramic sheet, it is possible to manufacture a strain gauge built-in piezoelectric actuator having sufficient durability required in the market. .

[第3の実施形態]
次に、第3の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第3の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。
[Third Embodiment]
Next, a piezoelectric actuator of a third embodiment will be described. The basic configuration of the piezoelectric actuator of the third embodiment is as described above. Therefore, only the configuration unique to this embodiment will be described.

(圧電素子)
図12(a)、(b)は、それぞれ本実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子の正断面である。なお、図12(a)、(b)は、外部電極は省略している。図12(a)、(b)に示されるように、本実施形態の第1の圧電素子110aは、接着部111における内部電極114a、115aの面積が、第2の圧電素子110bの内部電極114、115の面積より小さい。なお、電圧を印加したときに変位する部分は、異なる電圧が印加される内部電極を積層方向へ投影したときに重なる範囲の圧電活性部であるため、内部電極114a、または115aの何れか一方の面積が、内部電極114、または115の面積より小さいだけでもよい。
(Piezoelectric element)
12(a) and 12(b) are front cross sections of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element of this embodiment, respectively. 12A and 12B, external electrodes are omitted. As shown in FIGS. 12A and 12B, in the first piezoelectric element 110a of the present embodiment, the area of the internal electrodes 114a and 115a in the bonding portion 111 is the same as the area of the internal electrode 114 of the second piezoelectric element 110b. , 115. Note that the portion that is displaced when a voltage is applied is the piezoelectrically active portion that overlaps when the internal electrodes to which different voltages are applied are projected in the stacking direction. The area may simply be smaller than the area of the internal electrodes 114 or 115 .

積層型圧電素子内部には素子の断面積にも依存するが、断面積の80~100%の面積で内部電極が形成される。積層型圧電素子に電圧を印加すると、内部電極が形成された部分には電界が発生し圧電セラミックスが伸縮する。一方、内部電極の周辺部には電界は発生しないため、電圧印加により伸縮することはない。この圧電不活性部は内部電極部での変位を抑制することになる。このため、歪ゲージを接着する部分のみ内部電極を形成する面積の比率を下げていけば、積層型圧電素子の変位を必要なレベルまで低下させることができ、歪ゲージの最大歪率を必要なレベルまで調整することができる。 Internal electrodes are formed inside the laminated piezoelectric element with an area of 80 to 100% of the cross-sectional area, depending on the cross-sectional area of the element. When a voltage is applied to the laminated piezoelectric element, an electric field is generated in the portion where the internal electrodes are formed, and the piezoelectric ceramic expands and contracts. On the other hand, since no electric field is generated in the periphery of the internal electrodes, they do not expand or contract due to voltage application. This piezoelectric inactive portion suppresses the displacement in the internal electrode portion. Therefore, if the ratio of the area where the internal electrodes are formed is reduced only in the portion where the strain gauge is adhered, the displacement of the laminated piezoelectric element can be reduced to the required level, and the maximum strain rate of the strain gauge can be reduced to the required level. level can be adjusted.

(異なる構成の圧電素子の製造方法)
図13(a)~(e)は、それぞれ本実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図13(a)~(e)は、それぞれ焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート201、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート202、焼成後に内部電極114aとなる電極ペースト214aと圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート206、焼成後に内部電極115aとなる電極ペースト215aと圧電層113となる圧電セラミックスのグリーンシート207、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックスのみのグリーンシート203を示す。
(Manufacturing method for piezoelectric elements with different configurations)
FIGS. 13A to 13E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of this embodiment, respectively. FIGS. 13A to 13E show an electrode paste 214 that becomes the internal electrode 114 after firing, a piezoelectric ceramic green sheet 201 that becomes the piezoelectric layer 113 after firing, an electrode paste 215 that becomes the internal electrode 115 after firing, and the piezoelectric layer 113, respectively. An electrode paste 214a that becomes the internal electrode 114a after firing and a piezoelectric ceramic green sheet 206 that becomes the piezoelectric layer 113 after firing, an electrode paste 215a that becomes the internal electrode 115a after firing, and a piezoelectric ceramic green sheet 202 that becomes the piezoelectric layer 113 after firing. A green sheet 207 and a green sheet 203 of only piezoelectric ceramics without electrode paste laminated are shown.

第2の圧電素子110bは、通常の内部電極の面積を有する電極ペースト214、215を使用したグリーンシート201、202が交互に積層されて焼成されることで製造される。一方、第1の圧電素子110aは、少なくとも接着部111となる部分を積層するときに、通常のグリーンシート201、202ではなく、焼成後に内部電極114aとなる電極ペースト214aを積層したグリーンシート206、および焼成後に内部電極115aとなる電極ペースト215aを積層したグリーンシート207を交互に積層する。電極ペースト214、215と比較して、電極ペースト214a、215aは、焼成後の内部電極の面積が小さい。このようにして、接着部111における内部電極114a、115aの面積が、第2の圧電素子110bの内部電極114、115の面積より小さい第1の圧電素子を製造することができる。なお、第1および第2の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート203を1層以上積層してもよい。 The second piezoelectric element 110b is manufactured by alternately stacking and firing green sheets 201 and 202 using electrode pastes 214 and 215 having a normal internal electrode area. On the other hand, the first piezoelectric element 110a does not use the usual green sheets 201 and 202 when laminating at least the part that becomes the bonding portion 111, but the green sheets 206 and 206 laminated with the electrode paste 214a that will become the internal electrodes 114a after firing. And the green sheets 207 laminated with the electrode paste 215a which becomes the internal electrode 115a after firing are alternately laminated. Compared to the electrode pastes 214 and 215, the electrode pastes 214a and 215a have smaller areas of internal electrodes after firing. In this way, it is possible to manufacture the first piezoelectric element in which the area of the internal electrodes 114a and 115a in the bonding portion 111 is smaller than the area of the internal electrodes 114 and 115 of the second piezoelectric element 110b. For both the first and second piezoelectric elements, one or more green sheets 203 may be laminated on the end face in the lamination direction to form a protective layer.

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第1の圧電素子について、少なくとも接着部になる層に内部電極の面積を低減させたグリーンシートを用いることで、第1の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が1個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ内部電極の面積を低減させたグリーンシートを用いる構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの内部電極の面積の調整により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。 In the case of a piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements are connected in series in the displacement direction, for the first piezoelectric element to which the strain gauge is attached, a green sheet with a reduced area of the internal electrode is used for at least the layer that will be the bonding portion. , the first piezoelectric element can be manufactured. Further, when the piezoelectric element for the piezoelectric actuator is made of one highly laminated element, it is possible to adopt a structure using a green sheet in which the area of the internal electrode is reduced only in the portion where the strain gauge is adhered. In this way, by adjusting the area of the internal electrode of the piezoelectric ceramic sheet, the maximum strain rate of the strain gauge can be adjusted. becomes possible.

[第4の実施形態]
次に、第4の実施形態の圧電アクチュエータについて説明する。第4の実施形態の圧電アクチュエータの基本的な構成は、上記の通りである。したがって、本実施形態に特有の構成のみ説明する。
[Fourth embodiment]
Next, a piezoelectric actuator according to a fourth embodiment will be described. The basic configuration of the piezoelectric actuator of the fourth embodiment is as described above. Therefore, only the configuration unique to this embodiment will be described.

(圧電素子)
図14(a)、(b)は、それぞれ本実施形態の第1の圧電素子および第2の圧電素子の正断面である。なお、図14(a)、(b)では、内部電極114、115を点線で、応力緩和層118を実線で表している。また、図14(a)、(b)は、外部電極は省略している。図14(a)、(b)に示されるように、本実施形態の第1の圧電素子110aは、接着部111における応力緩和層118が、第2の圧電素子110bの応力緩和層118と比較して、その数が少ない、または面積が小さい。なお、応力緩和層118の数が少ないとは、接着部111における応力緩和層118の数と、第2の圧電素子の積層方向の接着部111と同一の長さにおける応力緩和層118の数を比較して、その数が少ないことをいい、接着部111において応力緩和層118が形成されないことも含む。また、応力緩和層118の面積が小さいとは、接着部111に形成された応力緩和層118を積層方向へ投影した図形の面積が、第2の圧電素子110bに形成された応力緩和層118を積層方向へ投影した図形の面積よりも小さいことをいう。
(Piezoelectric element)
14(a) and 14(b) are front cross sections of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element of this embodiment, respectively. 14A and 14B, the internal electrodes 114 and 115 are indicated by dotted lines, and the stress relaxation layer 118 is indicated by solid lines. 14A and 14B omit external electrodes. As shown in FIGS. 14A and 14B, in the first piezoelectric element 110a of the present embodiment, the stress relaxation layer 118 in the bonding portion 111 is different from the stress relaxation layer 118 in the second piezoelectric element 110b. and are few in number or small in area. The number of stress relaxation layers 118 is less than the number of stress relaxation layers 118 in the bonding portion 111 and the number of stress relaxation layers 118 in the same length as the bonding portion 111 in the stacking direction of the second piezoelectric element. By comparison, it means that the number is small, and includes the fact that the stress relaxation layer 118 is not formed in the bonding portion 111 . In addition, when the area of the stress relaxation layer 118 is small, it means that the area of the figure obtained by projecting the stress relaxation layer 118 formed on the bonding portion 111 in the stacking direction is larger than the area of the stress relaxation layer 118 formed on the second piezoelectric element 110b. It is smaller than the area of the figure projected in the stacking direction.

一般に積層型圧電素子内部には内部電極の周辺には、絶縁および外部環境からの汚染、防湿のため圧電不活性部が形成されている。圧電アクチュエータ用の積層型圧電素子では圧電不活性部による変位阻害を防止するために、全層もしくは一定の間隔で圧電不活性部にスリット状の応力緩和層を形成している。すなわち、応力緩和層は、圧電素子の駆動時に素子内部に発生する応力を緩和するために設けられる。このため、歪ゲージを接着する部分のみ圧電素子応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しないことで、変位特性を低下させることができ、歪ゲージの最大歪率を低減することができる。これにより、歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータの耐久性を向上させることが可能となる。 In general, a piezoelectric inactive portion is formed around an internal electrode inside a laminated piezoelectric element for insulation and protection against contamination and moisture from the external environment. In a multilayer piezoelectric element for a piezoelectric actuator, a slit-shaped stress relieving layer is formed in the entire layer or at regular intervals in the piezoelectric inactive portion in order to prevent displacement inhibition by the piezoelectric inactive portion. That is, the stress relieving layer is provided to relieve stress generated inside the piezoelectric element when the element is driven. Therefore, by reducing the number and area of the piezoelectric element stress relaxation layers only in the portion where the strain gauge is adhered, or by not forming the stress relaxation layer, the displacement characteristics can be reduced, and the maximum strain of the strain gauge can be reduced. rate can be reduced. This makes it possible to improve the durability of the strain gauge built-in piezoelectric actuator.

(異なる構成の圧電素子の製造方法)
図15(a)~(e)は、それぞれ本実施形態の第1および第2の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図15(a)~(e)は、それぞれ焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113となる圧電セラミックス213と応力緩和層118となる難焼結セラミックスペースト218が積層されたグリーンシート208、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113となる圧電セラミックス213と応力緩和層118となる難焼結セラミックスペースト218が積層されたグリーンシート209、焼成後に内部電極114となる電極ペースト214と圧電層113となる圧電セラミックス213が積層されたグリーンシート201、焼成後に内部電極115となる電極ペースト215と圧電層113となる圧電セラミックス213が積層されたグリーンシート202、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックス213のみのグリーンシート203を示す。ここで、難焼結セラミックスペースト218としては、ジルコニア、チタン酸鉛などが用いられる。
(Manufacturing method for piezoelectric elements with different configurations)
FIGS. 15A to 15E are schematic diagrams showing green sheets used for manufacturing the first and second piezoelectric elements of this embodiment, respectively. 15A to 15E show green sheets in which an electrode paste 214 that becomes an internal electrode 114 after firing, a piezoelectric ceramic 213 that becomes a piezoelectric layer 113, and a hard-to-sinter ceramic paste 218 that becomes a stress relaxation layer 118 are laminated. 208, a green sheet 209 laminated with an electrode paste 215 that will become the internal electrode 115 after firing, a piezoelectric ceramic 213 that will become the piezoelectric layer 113, and a hard-to-sinter ceramic paste 218 that will become the stress relaxation layer 118, and an electrode that will become the internal electrode 114 after firing. A green sheet 201 laminated with a paste 214 and a piezoelectric ceramic 213 forming a piezoelectric layer 113, a green sheet 202 laminated with an electrode paste 215 forming an internal electrode 115 after firing and a piezoelectric ceramic 213 forming a piezoelectric layer 113, and an electrode paste. A green sheet 203 of only piezoelectric ceramics 213 without lamination is shown. As the hard-to-sinter ceramic paste 218, zirconia, lead titanate, or the like is used.

第2の圧電素子110bは、焼成後に応力緩和層118となる難焼結セラミックスペースト218が塗布されたグリーンシート208、209が交互に積層されて焼成されることで製造される。なお、適宜、焼成後に応力緩和層118となる難焼結セラミックスペースト218が塗布されていないグリーンシート201、202を使用してもよい。一方、第1の圧電素子110aは、少なくとも接着部111となる部分を積層するときに、焼成後に応力緩和層118となる難焼結セラミックスペースト218が塗布されたグリーンシート208、209を使用しない、または第2の圧電素子を製造する場合と比較して使用する枚数を少なくする。このようにして、接着部111における応力緩和層118が、第2の圧電素子110bの応力緩和層118と比較して、その数が少ない、または面積が小さい第1の圧電素子110aを製造することができる。なお、第1および第2の圧電素子のいずれも、積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート203を1層以上積層してもよい。 The second piezoelectric element 110b is manufactured by alternately stacking and firing green sheets 208 and 209 coated with a hard-to-sinter ceramic paste 218 that will become a stress relaxation layer 118 after firing. The green sheets 201 and 202 not coated with the hard-to-sinter ceramic paste 218 that will become the stress relaxation layer 118 after firing may be used as appropriate. On the other hand, the first piezoelectric element 110a does not use the green sheets 208 and 209 coated with the hard-to-sinter ceramic paste 218, which will become the stress relaxation layer 118 after firing, when laminating at least the portion that will become the bonding portion 111. Alternatively, the number of sheets used is reduced compared to the case of manufacturing the second piezoelectric element. In this way, the first piezoelectric element 110a having a smaller number or a smaller area of the stress relaxation layers 118 in the bonding portion 111 than the stress relaxation layers 118 of the second piezoelectric element 110b can be manufactured. can be done. For both the first and second piezoelectric elements, one or more green sheets 203 may be laminated on the end face in the lamination direction to form a protective layer.

複数の圧電素子を変位方向に直列に接続する圧電アクチュエータの場合、歪ゲージを接着する第1の圧電素子について、少なくとも接着部になる部分の応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しないことで、第1の圧電素子を製造することができる。また、圧電アクチュエータ用の圧電素子が1個の高積層素子で製作されている場合は、歪ゲージを接着する部分のみ、他の部分と比較して応力緩和層の数を少なくし、面積を小さくし、または応力緩和層を形成しない構造とすることができる。このように、圧電セラミックシートの応力緩和層の調整により、歪ゲージでの最大歪率を調整することができるため、市場で要求される十分な耐久性を有する歪ゲージ内蔵圧電アクチュエータを製造することが可能となる。 In the case of a piezoelectric actuator in which a plurality of piezoelectric elements are connected in series in the displacement direction, the first piezoelectric element to which the strain gauge is attached is reduced in the number and area of the stress relaxation layers at least in the bonding portion, Alternatively, the first piezoelectric element can be manufactured by not forming the stress relaxation layer. In addition, when the piezoelectric element for the piezoelectric actuator is made of one highly laminated element, only the portion where the strain gauge is adhered has a smaller number of stress relaxation layers than the other portions, and the area is reduced. Alternatively, a structure in which no stress relaxation layer is formed can be employed. In this way, by adjusting the stress relaxation layer of the piezoelectric ceramic sheet, it is possible to adjust the maximum strain rate of the strain gauge. becomes possible.

なお、第1から第3の実施形態では、応力緩和層に言及していないが、それは各実施形態の特徴をより明確にするためであり、第1から第3の実施形態に応力緩和層があってもよいし、なくてもよい。また、本発明は、2つ以上の実施形態を組み合わせても成立する。 Although the first to third embodiments do not refer to the stress relaxation layer, this is for the purpose of clarifying the characteristics of each embodiment. It may or may not exist. Also, the present invention can be realized by combining two or more embodiments.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but extends to various modifications and equivalents within the spirit and scope of the present invention. Also, the structure, shape, number, position, size, etc. of the constituent elements shown in each drawing are for convenience of explanation, and may be changed as appropriate.

100、300 圧電アクチュエータ
105 圧電アクチュエータ本体
110、110a、110b 圧電素子
111 接着部
113、113a 圧電層
114、114a、115、115a 内部電極
116、117 外部電極
118 応力緩和層
121、122、157、158 リード線
126、127、159 端子
155 歪ゲージ
170 フィードバック制御装置
180 駆動電源
190 変位制御システム
201~209 グリーンシート
218 難焼結セラミックスペースト
214、214a、215、215a 電極ペースト
330 突起
340 座
345 ガラス、樹脂
360 キャップ
100, 300 Piezoelectric actuator 105 Piezoelectric actuator main body 110, 110a, 110b Piezoelectric element 111 Bonding parts 113, 113a Piezoelectric layers 114, 114a, 115, 115a Internal electrodes 116, 117 External electrode 118 Stress relaxation layers 121, 122, 157, 158 Leads Wires 126, 127, 159 Terminal 155 Strain gauge 170 Feedback controller 180 Drive power source 190 Displacement control system 201-209 Green sheet 218 Hard-to-sinter ceramic paste 214, 214a, 215, 215a Electrode paste 330 Protrusion 340 Seat 345 Glass, resin 360 cap

Claims (6)

電圧の印加により変位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に連結して形成され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変位方向の歪を検知する歪ゲージと、を備え、
前記複数の圧電素子は、前記歪ゲージが接着される接着部を有する第1の圧電素子と、前記歪ゲージが接着されない第2の圧電素子と、によって構成され、
前記第1の圧電素子は、最大収縮時の圧電伸縮部長さに対する最大変位量の割合である最大歪率について、少なくとも前記接着部における最大歪率が、前記第2の圧電素子の最大歪率より小さいことを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage,
a piezoelectric actuator body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series;
a strain gauge that detects strain in the displacement direction of the piezoelectric actuator body,
the plurality of piezoelectric elements are composed of a first piezoelectric element having an adhesive portion to which the strain gauge is attached and a second piezoelectric element to which the strain gauge is not attached;
The first piezoelectric element has a maximum strain rate, which is a ratio of the maximum displacement amount to the length of the piezoelectric expansion/contraction portion at the time of maximum contraction, and the maximum strain rate at least at the bonding portion is higher than the maximum strain rate of the second piezoelectric element. A piezoelectric actuator characterized by being small.
前記第1の圧電素子は、前記接着部における内部電極層の間隔が前記第2の圧電素子の内部電極層の間隔より広いことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the interval between the internal electrode layers in the bonding portion of the first piezoelectric element is wider than the interval between the internal electrode layers of the second piezoelectric element. 前記第1の圧電素子は、前記接着部における圧電層の圧電歪定数d33が前記第2の圧電素子の圧電層の圧電歪定数d33より小さいことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the first piezoelectric element has a piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer at the bonding portion smaller than the piezoelectric strain constant d33 of the piezoelectric layer of the second piezoelectric element. . 前記第1の圧電素子は、前記接着部における内部電極の面積が前記第2の圧電素子の内部電極の面積より小さいことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the first piezoelectric element has an area of the internal electrode in the bonding portion smaller than that of the internal electrode of the second piezoelectric element. 前記第1の圧電素子は、前記接着部における応力緩和層が前記第2の圧電素子の応力緩和層と比較して、その数が少ない、または面積が小さいことを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。 2. The first piezoelectric element according to claim 1, wherein the stress relieving layers in the bonding portion are smaller in number or smaller in area than the stress relieving layers of the second piezoelectric element. piezoelectric actuator. 前記第1の圧電素子の前記接着部における最大歪率は、前記第2の圧電素子の最大歪率の80%以下であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the maximum strain rate at the bonding portion of the first piezoelectric element is 80% or less of the maximum strain rate of the second piezoelectric element. piezoelectric actuator.
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