JPH033279A - 歪み回避機能を有する圧電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ・（イ）産業上の利用分野 本発明は、圧電アクチュエータ等に用いることができる
歪み回避機能を有する圧電素子に関する。

（ロ）従来の技術 従来、圧電アクチュエータの一形態として、軸方向に移
動するプランジ中と、同プランジャをつかむクランプ部
材と、クランプ部材を作動させるクランプ用圧電素子と
、プランジャを移動させるストローク用圧電素子とによ
り構成されたものがある。

そして、かかる圧電アクチュエータに用いる圧電素子は
、複数個の圧電素子片を銀ペースト等の接着材で積層接
着することによって構成される。

即ち、第１１図で示すように、上記複数個の圧電素子片
の積層接着は、複数の圧電素子片５１を、各圧電素子片
５１の約１８０度対向する側に設けた絶縁側側部５１ａ
と電極側側部５１ｂとが交互に上下方向に整列状態に現
出するように積層・接着するとともに、圧電素子片積層
体を基板５４に接着することによって行われ、その後、
導電性接着材５２．５３によって、積層された圧電素子
片積層体の１８０度対向する側面に沿って導電性接着材
５２．５３を塗布し、基板５４に゛各圧電素子片の電橋
を接続することになる。

（ハ）発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の圧電素子は、未だ、次のような問
題点を有していた。

上記構成を有する圧電素子を前述した圧電アクチュエー
タに装着した場合、圧電素子はプランジャの軸線方向の
みでなく、これと直交する半径方向（内径方向）にも伸
縮することになる。

しかるに、上述したように、圧電素子は、圧電素子片積
層体を、基板５４に直接的に接着することによって形成
されている。従って、基板５４を歪ませることになり、
また圧電素子片積層体と基板５４の接着面に剪断力が発
生し、圧電素子片積層体が基板から剥離するおそれがあ
る。

本発明は、上記課題を解決することができる歪み回避機
能を有する圧電素子を提供することを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、複数個の圧電素子片間に導電性接着材を介在
させて積層・接着して圧電素子片積層体を形成するとと
もに、圧電素子片積層体を基板に接着してなる圧電素子
において、圧電素子片積層体と基板との間に、歪み回避
リングを介設したことを特徴とする歪み回避機能を有す
る圧電素子に係るものである。

また、本発明は、上記構成において、歪み回避リングを
、一定の間隙を開けて重合状態に配設した一対の環状リ
ング片をそれぞれ圧電素子片積層体と基板とに接着し、
かつ、両環状リング片同士を薄肉環状連結片によって連
結することによって形成した構成にも特徴を有するもの
である。

（ホ）作用・効果 ■本発明では、圧電素子片積層体と基板との間に歪み回
避リングを介設したので、圧電素子を圧電アクチュエー
タに装着した場合のように、圧電素子がプランジャの軸
線方向のみでなく、これと直交する半径方向（内径方向
）にも伸縮しても、同伸縮に伴う歪みが基板に伝達する
のを歪み回避リングによって吸収して確実に回避するこ
とができる。従って、圧電素子片積層体と基板の接着面
に剪断力が発生するのを可及的に防止でき、圧電素子片
積層体が基板から剥離するのを確実に防止することがで
きる。

■また、歪み回避リングを、一定の間隙を開けて重合状
態に配設した一対の環状リング片をそれぞれ圧電素子片
積層体と基板とに接着し、かつ、両環状リング片同士を
薄肉環状連結片によって連結することによって形成した
場合は、薄肉環状連結片の変形によって、圧電素子片積
層体に接着した環状リング片が圧電素子の半径方向の伸
縮に追随できるので、圧電素子片積層体が基板から剥離
するのをさらに確実に防止することができる。

くべ）実施例 第１図〜第３図に本発明の一実施例を示しており、それ
ぞれ所定厚さを有する略リング状の圧電素子片Ｑｌ””
Ｑｌｌと、歪み回避リングＲと、基Ｆｉ、ｒとを積層接
着して一体の圧電素子Ｑを構成している。

このようにして一体に積層接着された圧電素子Ｑでは、
圧電素子片９１〜ｑｎ間に介在した導電性接着材ｐを電
橋として利用することができる。

即ち、各圧電素子片ｑ１〜ｑｎの両面には、第２図で示
すように、銀ペースト等の導電性接着材Ｐをスクリーン
印刷等の手法を用いて塗布して、導電性接着材ｐのパタ
ーンを形成している。

このパターンは各圧電素子片９１〜ｑｎの外周縁から所
定幅の絶縁性接着剤ｐｒを塗布した絶縁部＾ｒと、その
内側に導電性接着材ｐ＠塗布した接着部ｐｃと、同接着
部ｐｃから各圧電素子片ｑｌ−Ｑｎの外周縁に達する導
電性接着材ρを塗布した延山部ｐａとで形成されている
。

なお、上記延出部ｐａは各圧電素子片ｑ１〜ｑｎの両面
に塗布されているが、表面と裏面とでは互いに位置を、
例えば、１８０°対向して異ならせている。

そして、延出部ｐａ同士、絶゛縁部＾ｒ同士を対向させ
て圧電素子片ｑ１〜ｑｎを積層して圧電素子片積層体を
形成し、この圧電素子片積層体を、上下面に導電性接着
材Ｐを塗布した歪み回避リングＲを介して基板ｒ上に積
層し、加圧接着して一体の圧電素子Ｑを構成している。

なお、接着部ｐｃと延出部ｐａは、スクリーン印刷等の
手法で、圧電素子片ｑｌ＝ｑｎに接着部ｐｃの導電性接
着材ｐと同時に形成することができ、また、絶縁部Ａｔ
も同様にスクリーン印刷等の手法で形成することができ
る。

このようにして積層された圧電素子Ｑの外面の上記延出
部ｐａの外側に引出用導電性接着材ｐｂを塗布し、各導
電性接着材Ｐを歪み回避リングＲを介して基板「に設け
たターミナルＷとを接続導通させている。

また、各圧電素子片ｑ１〜ｑｎ間の電極は、導電性接着
材ｐの延出部ｐａ同士を対向させて積層したことで、一
方のターミナルＷに一つ置きの電極が並列状態で接続し
、残りの電極が他方のターミナルＷと接続して、各圧電
素子片４１　％　ｑ　ｎに電圧を印加できるようになる
。

このように、本実施例では、圧電素子片積層体と基板ｒ
との間に歪み回避リングＲを介設したので、圧電素子Ｑ
を後述するように圧電アクチュエータＡに装着した場合
のように、圧電素子ＱがプランジャＰの軸線方向のみで
な（、これと直交する半径方向く内径方向）にも伸縮し
ても、同伸縮に伴う歪みが基板ｒに伝達するのを歪み回
避リングＲによって吸収して確実に回避することができ
る。

従って、圧電素子片積層体と基板ｒの接着面に剪断力が
発生するのを可及的に防止でき、圧電素子片積層体が基
板ｒから剥離するのを確実に防止することができる。

また、第３図に、歪み回避リングＲの好ましい一興体例
を示す。

図示するように、歪み回避リングＲは、一定の間隙を開
けて重合状態に配設され、かつ、それぞれ圧電素子片積
層体と基板ｒとに接着される一対の環状リング片Ｒ，，
Ｉｈｏと、両環状リング片Ｒ１、Ｒ１の中央環状部同士
を連結し、ヒンジとして機能する薄肉環状連結片Ｒ８と
から構成されている。

かかる構成において、圧電素子Ｑに電圧が印加され、圧
電素子片９１〜ｑｎが後述するプランジャＰの軸線方向
のみならず、半径方向に伸縮した場合、薄肉環状連結片
Ｒ３が容易に変形し、圧電素子片積層体に接着した環状
リング片Ｒ１のみが圧電素子片９１〜ｑｎの半径方向の
伸縮移動に追随することになり、基＋ｉ　ｒに接着した
環状リング片Ｒ８は殆ど半径方向に移動しない。

従って、剪断力によって、圧電素子片積層体が基＋１　
ｒから剥離するのをさらに確実に防止することができる
。

また、本実施例では、第１図及び第２図に示すように、
各圧電素子片ｑｌｘｑｎの側面に、積層位置合わせ用基
準マークｍを設け、かつ、同積層位置合わせ用基準マー
クｍの上下方向の整列によって、各圧電素子片ｑ１〜ｑ
ｎの側面に設けた絶縁側側部Ｓ１と電極側側部Ｓ２とが
、上下方向に交互に整列するようにしている。

なお、積層位置合わせ用基準マークｍは、位置合わせ、
即ち、全圧電素子片９１〜９ｎの絶縁側側部Ｓ、と電極
側側部Ｓ２の整列を容易かつ正確に行うことができる形
態であれば、如何なる図形、記号、文字も用いることも
できる。

また、各圧電素子片ｑ１〜ｑｎの素材は、例えば、ＡＢ
Ｏｓペロブスカイト形の結晶構造をもつ強誘電材料であ
って、ＰＺＴ　　（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｚ　］系や、
ＰＬＺＴ　（Ｐｂ、Ｌａ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏｓ）系、ＰＴ
　（ＰｂＴｉＯｓ）系、あるいはＰＺＴを基にした３成
分系の圧電セラミンクス等を用いることができる。

一方、歪み回避リングＲは、歪みの伝達を開始するため
必要な変形良好性及び導電性を考慮して、好ましくは銅
系金属、例えば、リン青銅を用いることができる。

さらに、基板ｒには、ガラスエポキシ基板等を用いる事
も考えられるが、本実施例では耐熱性及び機械的強度に
優れたセラミック基板を使用し、導電性接着材ｐに銀ペ
ーストを使用して、歪み回避リングＲと基板ｒを印加し
ながら焼付接着して一体の圧電素子Ｑを構成して、歪み
回避リングＲと基板「との接着強度を高めると共に、銀
ペースト中の銀の微粒子を相互に溶着させて導電性を高
めている。

次いで、上記構成の圧電素子を用いた圧電アクチュエー
タＡについて説明する。

第４図で示すように、前後壁ａ、ｂを具備する筒状のケ
ース内に同心円的に、かつ、軸線にそって進退自在にプ
ランジャＰを配設し、同プランジャＰの外周に、それぞ
れクランプ部材ｋ。

ｌを具備する一対のクランプ用圧電素子ｅ、　　ｆと、
ストローク用圧電素子ｇとを配設することによって構成
している。

すなわち、クランプ用圧電素子ｅは、ケースの中央部に
取付けた保持具りの下側に配設・支持されており、一方
クランプ用圧電素子ｆと、ストローク用圧電素子ｇとは
保持具りの上側に配設・保持されている。

次に、各圧電素子ｅ、ｆ、Ｈの作用について説明する。

圧電素子ｅ、ｆは、電圧を印加するとクランプ部材に、
Ｉを介してプランジャＰをクランプし、電圧を印加して
いないときは上記クランプを解除する。

一方、圧電素子ｇは、電圧を印加すると軸線方向に短縮
し、上記電圧を解除すると伸長して復位するようにして
いる。

そして、上記圧電素子ｅ、ｆ、Ｈの半径方向の伸縮（圧
電素子ｆの軸線方向に伸縮する際に半径方向にも縮みか
つ伸びることになる）において、前述したように、圧電
素子片積層体と基Ｆｉｒの接着面に剪断力が発生するの
を可及的に防止でき、圧電素子片積層体が基Ｆｉｒから
剥離するのを確実に防止することができる。

第５図に、上記構成を有する圧電アクチュエータＡを制
御するための制御装置Ｃの構成を示しており、同制御部
Ｃは、マイクロプロセッサＭＰＩＩと、駆動信号を出力
するスイッチＳ−等と接続した入力インターフェース■
と、駆動回路りを介して圧電素子ｅ、ｆ、ｇと接続した
出力インターフェース■と、圧電素子ｅ、ｆ、Ｈの駆動
プログラムを記憶したりメモリＭとで構成されている。

次いで、かかる構成を有するアクチュエータＡによるプ
ランジャＰの移動について、第６図〜第９図を参照して
説明する。

制御装置Ｃに従って駆動信号が入力すると、前記プログ
ラムに従って、第６図に示すように、圧電素子ｆに電圧
を印加してプランジャＰをクランプし、しかるのち、圧
電素子ｅへの電圧を止めてプランジャＰのクランプを解
除する。

次に、第７図に示すように、圧電素子ｇに電圧を印加し
て縮小させると、圧電素子ｇは矢印方向に移動し、これ
に伴い圧電素子ｆがクランプしたプランジャＰも矢印方
向に移動する。

その後、第８図に示すように、圧電素子ｅに電圧を印加
してプランジャＰをクランプし、しかるのち、圧電素子
ｒの印加電圧を解除してプランジャＰのクランプを解除
する。

そして、第９図で示すように、圧電素子ｇへの印加電圧
を解除して伸長させ、圧電素子ｒだけを矢印方向に移動
させ、第６図の状態に復帰させる。

その後、上記動作を繰り返すことにより、プランジャＰ
を、μｍオーダ或いはサブμｍオーダのストロークで尺
とり生状に移動することができ、各種装置や機械等を精
密に動作させることができる。

そして、上記圧電素子ｅ、ｆ、Ｈの半径方向の伸縮（圧
電素子ｒの軸線方向に伸縮する際に半径方向にも縮みか
つ伸びることになる）において、前述したように、圧電
素子片積層体と基ｉｒの接着面に剪断力が発生するのを
可及的に防止でき、圧電素子片積層体が基板ｒから剥離
するのを確実に防止することができる。

第１０図は本発明の圧電アクチエエータＡでダイヤフラ
ム型の弁体を駆動するように構成した自動弁■であり、
１０は弁箱であって、それぞれ−次配管と、二次配管と
に連一連結する流入路１１と流出路１２とを設けている
。また、弁箱１０内において、流入路１１と流出路１２
との間には、主弁孔１３が形成され、主弁孔１３の上端
開口周縁には主便座１４が形成されている。

そして、主便座１４上には、主弁孔１３を開閉する主弁
体を兼ねたダイヤフラム１５が接離自在に配設されてい
る。

ダイヤフラム１５の情報にはダイヤフラム背室１６が形
成されており、同ダイヤフラム背室１６は、ダイヤフラ
ム１５の周縁に設けたオリフィス１７を介して流入路１
１と連通している。

１８はダイヤフラム１５に穿設したパイロット弁孔であ
り、ダイヤフラム背室１６と流出路１２とを連通させて
いる。

パイロット弁孔１８の情報には圧電アクチュエータＡの
プランジャＰの下端に設けたパイロット弁体１９を対峙
させて、圧電アクチュエータＡの作動によりパイロット
弁座１８を開閉させる。

上記の構成により、自動弁■はダイヤフラム型の弁体が
有するセルフサーボ作用で、ダイやフラム１５が圧電ア
クチエエータＡのプランジャＰの動きに追従して主弁座
１４を開閉するものである。

２０はプランジャＰの上下ストロークを制限するフラン
ジ、２１はＹ型断面のシールである。

そして、この場合も、上記圧電素子ｅ、ｆ。

ｇの半径方向の伸縮（圧電素子ｆの軸線方向に伸縮する
際に半径方向にも縮みかつ伸びることになる）において
、前述したように、圧電素子片積層体と基板ｒの接着面
に剪断力が発生するのを可及的に防止でき、圧電素子片
積層体が基板ｒから剥離するのを確実に防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る圧電素子の実施例の断面側面図、
第２図は同分解斜視図、第３図は歪み回避リングの一部
切欠斜視図、第４図は同圧電素子を具備する圧電アクチ
ュエータの断面説明図、第５図は制御装置の構成を示す
ブロック図、第６図〜第９図は同アクチュエータの作動
説明図、第１Ｏ図は上記圧電アクチュエータで構成した
単弁型式の自動弁の断面図、第１１図は従来の圧電素子
の断面側面図である。 図中、 （Ｒ）：歪み回避リング ＜ｐｒ＞：絶縁性接着剤 （Ａｔ）二絶縁部 （Ｑ）：圧電素子 （ｐ）：導電性接着材 （ｐａ）：延出部 （ｐ　ｂ）　：引出用導電性接着材 （ｑｌ）〜（Ｑｎ）：圧電素子片 第１図 第 ２ 図 第 図 第 図 第 １０ 図 第 １ 図 用県茅ケ崎市本村２丁目８番１号 埼玉場内 東陶機器株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．複数個の圧電素子片（ｑ１）〜（ｑｎ）間に導電性
   接着材（ｐ）を介在させて積層・接着して圧電素子片積
   層体を形成するとともに、圧電素子片積層体（ｑｎ）を
   基板（ｒ）に接着してなる圧電素子（Ｑ）において、 圧電素子片積層体と基板（ｒ）との間に、歪み回避リン
   グ（Ｒ）を介設したことを特徴とする歪み回避機能を有
   する圧電素子。
2. ２．歪み回避リング（Ｒ）は、一定の間隙を開けて重合
   状態に配設した一対の環状リング片（Ｒ＿１）（Ｒ＿２
   ）をそれぞれ圧電素子片積層体と基板（ｒ）とに接着し
   、かつ、両環状リング片（Ｒ＿１）（Ｒ＿２）同士を薄
   肉環状連結片（Ｒ＿３）によって連結することによって
   形成したことを特徴とする請求項１記載の歪み回避機能
   を有する圧電素子。