JPH04145676A - 変位伝達機構付圧電アクチュエータ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧電アクチュエータに関し、特に変位伝達機
構付圧電アクチュエータにおける変位伝達機構の構造に
関する。

〔従来の技術〕

圧電アクチュエータは、電歪効果により、電気エネルギ
ーを機械エネルギーに変換する電歪効果素子（以下素子
と記す）を用いて、微小な変位を発生するものであって
、現在、半導体薬種回路の製造装置におけるマスフロー
コントローラや露光装置のＸ−Ｙテーブル、あるいは、
プラスチックの射出成形機などのように微小な位置の移
動量を精密に制御する必要がある分野や、プリンターの
ヘッドなどのように高速で動作させる必要のある分野で
使用されている。

この素子は、基本的には、チタン酸ジルコン酸鉛系セラ
ミックスなどのように電歪効果の大きな固体の、対向す
る二つの面に電極が形成された構造を有し、この電極間
に電位差を与えた時に発生する固体の歪みを利用して変
位を発生するが、実際の素子の構造としては、低い電圧
で大きな変位を得ることができるように、電歪材料を薄
層番し、この電歪材料の薄層と、内部電極とを交互番積
層した、いわゆる、積層形の構造のものが広く用いられ
ている。

第６図に、上述の積層形の素子の構造を示す。

第６図は、素子の積層方向に平行な面での新註を示す図
である。

第６図において、素子１は、内部に内部型８ｉ！ス一定
の間隔で設けられたセラミックスの部分と、内部電極を
含まないセラミックスの部分とがｔなっている。

内部に内部電極を有するセラミックスの部りは、通常、
活性層２と呼ばれ、内部電極間に電Ｆが印加された時に
、セラミックスに電歪効果が召し、素子としての動作に
寄与する部分である。

この活性層２においては、電歪効果を示すセラミックス
３の内部に内部電極４ａ、４ｂが一定σ間隔で形成され
ており、−層おきに、素子の側「に設けられた外部電極
５ａ、５ｂに交互に接続され、隣接する内部電極同志が
互いにセラミツクンの層を挟んで対向電極となるように
なっている。

内部電極間の距離は、通常の積層セラミックコンデンサ
の技術で、最小１０μｍ程度まで短くすることができる
。

一方、内部に内部電極を有しない部分は、通常、保護層
６と呼ばれ、内部電極がないため電歪効果を示さず素子
としての動作には寄与しない部分であるが、素子の製造
工程中での高温熱処理によって活性層２のセラミックス
３の成分が変動するのを防ぐために必要なものである。

素子の構造を上述のような積層形にすると、活性層２の
内部電極間距離を短くできるので、低い電圧でも電歪効
果材料に高い電界を印加することができ、低電圧で大き
な変位を発生する素子を実現することができる。

ところで、上述のような素子に発生する変位を、外部に
伝達して、この素子を圧電アクチュエータとして動作さ
せるなめには、変位を伝達されるべき物と素子とを固着
する必要があるが、従来は、接着剤を用いて接続する方
法が一般に行なわれていた。

しかも、この場合、前述のように、微小な変位を精度よ
く制御するという使用目的から、接着剤としては、素子
に発生する変位を吸収しないように、硬化後の剛性が高
い（ヤング率が高い）熱硬化性の樹脂を用い、又、変位
を伝達されるべき物としては、剛性が高く、加工が容易
な金属を用いることが多かった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したように、従来の圧電アクチュエータでは、実際
の使用にあたっては、第７図に模式的に示すように、金
属製の、変位を伝達されるべき物（以下金属部材と記す
）７と素子１とを、剛性の高い熱硬化性樹脂の接着剤８
を用いて接着して、素子１に発生する変位を外部に伝達
することが多い この場合、素子１と金属部材７とは、１５０〜２００℃
に加熱した状態から常温まで冷却して接着される。

この時、金属部材７の線熱膨張率の方が素子ｌの線熱膨
張率に比べて大きいので、上述の接着工程での冷却時の
収縮量は、金属部材７の方が素子１よりも大きくなる。

このため、素子１の端面に、第７図中に矢印Ａで示すよ
うな圧縮応力が発生する。又、上述の圧縮応力の作用の
結果、保護層６の側面には図中矢印Ｂで示すような引っ
張り応力が働く。

この結果、保護層６は、同図中において破線で示すよう
な変形を起し、保護層６にクラックが生じたり、保護層
６と活性層２との界面で破断が生じたりすることがある
。

すなわち、従来の圧電アクチュエータでは、変位を伝達
されるべき物と素子とを、剛性の高い熱硬化性の接着剤
を用いて接着するために、保護層にクラックが生じ易く
、又、保護層と活性層との間で破断が生じ易いという欠
点があった。

〔課題を解決するための手段〕

請求項１記載の発明の変位伝達機構付圧電アクチュエー
タは、素子の伸縮方向の両端面に、前記端面と接するよ
うに配置された剛体の球と、前記端面との間で前記球を
挟むように取りつけられた、前記球との接触面が平滑で
ある剛体とによって前記素子の変位を外部に伝達する機
構を設けたことを特徴とする。

又、請求項２記載の発明の変位伝達機構付圧電アクチュ
エータは、請求項１記載の変位伝達機構付圧電アクチュ
エータにおいて、 素子の端面との間で球を挟む前記剛体の、前記球と接し
ない側の形状が半球面状をしていることを特徴とする。

〔実施例〕

次に、本発明について、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例の構造を示す斜視図で
ある。

本実施例による変位伝達機構付圧電アクチュエータは、
第１図に示すように、素子１と２つの変位伝達機構９と
からなり、変位伝達機構９は、素子１の伸縮方向く同図
中に矢印で示す）に垂直な２つの端面に取り付けられて
いる。

第２図は、本実施例による変位伝達機構付圧電アクチュ
エータの構造を示す縦断面図である。

第２図において、先ず、素子１は、以下の構成からなる
。

活性層２では、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする厚
さ１００μｍのセラミックス３と、厚さ５μｍの白金、
または銀とパラジウムの合金からなる内部電極４ａ、４
ｂとが交互に６４層積層されている。

このうち、素子１の側面に露出している内部電極は、−
組の相対する側面上で、−層おきに絶縁ガラス１０によ
って外部電極５ａ、５ｂと絶縁されている。

残りの絶縁されていない層の内部電極は、銀を主成分と
する外部電極５ａまたは５ｂに接続され、外部電極には
んだ付けされたリード線１１を介して外部から電圧を印
加される。

なお、外部電極５ａ及び５ｂと内部電極４ａ及び４ｂと
の接続関係は、隣り合う内部電極同志がセラミックスを
挟んで互いに対向電極となるように接続されている。

上述の活性層２の上下には、活性層と同じチタン酸ジル
コン酸鉛を主成分とするセラミックスからなる、厚さ１
．２ｕ＋の保護層６が積層されている。

次に、変位伝達機構９は、第２図にその縦断面図を、第
３図に分解斜視図を示すように、下記のようにして組み
立てる。

先ず、枠１２を保護層６の側面に接着剤１３により接着
し、球１４を保護層６の端面上に球１４同志が上下に重
ならないように埋めつくす。

次に、端面プレート１５を、枠１２に設けられた位置合
わせ用の渭１６に、端面プレート１５の４を置合わせ用
の凸部１７を合わせてはめこみ、更にその上から、止め
金１８で抑え、端面プレート１５が枠１２から外れない
ように固定する。

このようにして得られた本実施例による変位伝達機構付
圧電アクチュエータでは、外部に変位を伝達する際に、
セラミックスからなる保護層の端面と、変位を伝達され
るべき物とを接着する必要がなく、変位の伝達が球１４
を介して行われるために、保護層における、素子の端面
に平行な面での圧縮応力の発生がなくなる。

従って、変位を伝達されるべき物と、セラミックスとの
間の線熱膨張係数の違いが原因でセラミックスに生じる
クラックや、保護層と活性層との界面での破断が抑えら
れる。

第４図は、本実施例と、金属部材を直接素子の端面に接
着した従来の圧電アクチュエータとを用いて、パルス状
の電圧を繰り返し印加した場合の、不良率を比較した結
果を表すものである。

不良の内容は、保護層６のセラミックスに発生したクラ
ックと、保護層６と活性層２との界面に発生した破断か
らなる。

用いた素子の形状は、１０ｍｍＸ　１０＋ａｍＸ　２０
＋ａｍであり、試験に供した試料数は、各１００個ずつ
である。

又、パルス状の電圧の波形としては、周波数が３０Ｈｚ
−電圧が１５０Ｖの矩形波を用いた。

不良の判定は、光学顕微鏡及び肉眼による観察により行
なった。

第６図から明かなように、電圧を印加する以前の初期状
態で既に両者の間に差があり、従来の圧電アクチュエー
タでは不良率が７％であるのに対して、本実施例による
変位伝達機構付圧電アクチュエータでは不良の発生はみ
られなかった。

しかも、１０００万回から１億回に近づくにつれて、従
来の圧電アクチュエータの不良率が著しく増加し４５％
に達し、約半数が不良となったのに対して、本実施例に
よる変位伝達機構付圧電アクチューエータでは１億回の
パルス電圧印加後でも、不良率が４％と低い率に収まっ
ていた。

次に、本発明の、第２の実施例について説明する。

第４図は、本発明の第２の実施例の構造を示す縦断面図
である。

本実施例では、第１図、第２図及び第３図に示す第１の
実施例における変位伝達機構９のうち、端面プレート１
５の形状を、第４図に示すように、球１４と接触しない
側を半球面状にしである。

本実施例は、第１の実施例の効果を含み、更に、素子１
の伸縮方向から任意の角度を持った方向に変位を伝達す
ることができるという効果も併せ持っている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項１記載の発明は、圧電アク
チュエータの素子の伸縮方向の両端面に、この端面と接
するように、球を配置し、素子の端面との間で球を挟む
ように取り付けられた剛体によって、素子に生ずる変位
を外部に伝達する機構を備えているので、素子の保護層
のセラミックスに、端面と平行な面方向の圧縮応力が発
生することがなく、このなめ、保護層のセラミックスに
クラックが生じたり、保護層と活性層との界面で破断す
ることを防ぐことができるという効果を有する。

更に、請求項２記載の発明によれば、変位伝達機構の端
面プレートの形状を、半球面状にすることによって、素
子の伸縮方向から任意の角度を持った方向に変位を伝達
することが可能である。

このことは、変位伝達機構付の圧電アクチュエータを組
み込んだ機械において、組み込み方向を一方向に限定さ
れることがなくなるので、機械への組み込み時の自由度
が従来の圧電アクチュエータに比べて大幅に増し、機械
の実装密度を上げるうえで非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の構造を示す斜視図、
第２図は、本発明の第１の実施例の構造を示す縦断面図
、第３図は、本発明の第１の実施例における変位伝達機
構の分解斜視図、第４図は、本発明の第１の実施例と従
来の圧電アクチュエータにパルス状電圧を印加した場合
の、パルス印加回数と不良率との関係を表す図、第５図
は、本発明の第２の実施例の構造を示す縦断面図、第６
図は、圧電アクチュエータの素子の構造を示す縦断面図
、第７図は、従来の圧電アクチュエータにおける、保護
層でのクラックの発生及び保護層と活性層との界面での
破断の発生を説明するための図である。 １・・・素子、２・・・活性層、３・・・セラミックス
、４ａ、４ｂ・・・内部電極、５ａ、５ｂ・・・外部電
極、６・・・保護層、７・・・金属部材、８，１３・・
・接着側、９・・・変位伝達機構、１０・・・絶縁ガラ
ス、１１・・・リード線、１２・・・枠、１４・・・球
、１５・・・端面プレート、１６・・・溝、１７・・・
凸部、１８・・・止め金。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．素子の伸縮方向の両端面に、前記端面と接するよう
   に配置された剛体の球と、前記端面との間で前記球を挟
   むように取りつけられた、前記球との接触面が平滑であ
   る剛体とによって前記素子の変位を外部に伝達する機構
   を設けたことを特徴とする変位伝達機構付圧電アクチュ
   エータ。
2. ２．請求項１記載の変位伝達機構付圧電アクチュエータ
   において、 素子の端面との間で球を挟む前記剛体の、前記球と接し
   ない側の形状が半球面状であることを特徴とする変位伝
   達機構付圧電アクチュエータ。