JPH07162050A

JPH07162050A - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JPH07162050A
Application number: JP5340658A
Authority: JP
Inventors: Kenji Takemura; 賢治武村; Masaaki Ikeda; 正哲池田; Hiroshi Goto; 博史後藤; Norimasa Yamanaka; 規正山中; Masahiro Yoneda; 匡宏米田; Hidenobu Umeda; 秀信梅田; Atsushi Irie; 篤入江; Kiyotoshi Okura; 清俊大倉
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-23

Abstract

(57)【要約】【目的】縦方向の変位量を増やすとともに、被駆動物
体との接合面積を大きくした圧電アクチュエータを提供
する。【構成】積層型圧電素子１の両主面に正四角錐台状を
した歪み変換素子１１を接合する。歪み変換素子１１の
中央部には平らな平坦部１３が形成され、歪み変換素子
１１には圧電素子１と同一平面形状をした平板状の支持
部材１５が配設されている。支持部材１５は銅などから
作成され、裏面に周縁部よりも突出させて接合部１６を
設けてあり、接合部１６をレーザ溶接により歪み変換素
子１１の平坦部１３に接合する。圧電アクチュエータＣ
により駆動される被駆動物体６は歪み変換素子１１の平
面部１８に接合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧電アクチュエータに関
する。具体的にいうと、本発明は、積層型の圧電素子を
用い、その出力変位を変位拡大機構によって拡大して出
力させるようにした圧電アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】１９９１年秋季第５２回応用物理学会学
術講演会講演予稿集１２ａ−ＲＧ−１には、圧電素子に
変位拡大機構を備えた圧電アクチュエータが開示されて
いる。この圧電アクチュエータＡの斜視図及び断面図を
図１（ａ）（ｂ）に示す。この圧電アクチュエータＡ
は、積層型圧電素子１の両主面（電極を形成されている
面）に歪み変換素子２を接合させた構造となっている。
積層型圧電素子１は、電界を印加することによりｚ方向
（主面と垂直な方向；以下縦方向という）へ伸張歪み
（縦歪み）を生じると共にｘ方向及びｙ方向（主面と平
行な方向；以下横方向という）へ圧縮歪み（横歪み）を
生じる。歪み変換素子２は、弾性を有する薄板部分４の
外周に脚状の接合部３を設けることによってドーム状に
形成されており、外周の接合部３を積層型圧電素子１の
主面に接合され、積層型圧電素子１との間に空洞５を形
成されている。しかしながら、この歪み変換素子２によ
る変位拡大機構を備えた圧電アクチュエータＡにあって
は、歪み変換素子２そのものに発生する応力歪みのため
歪み変換素子２そのものが十分に変形せず、期待される
ほどには大きな縦方向変位量を得ることができなかっ
た。

【０００３】また、この圧電アクチュエータＡによって
被駆動物体６を駆動する場合には、図２に示すように、
歪み変換素子２の全面に被駆動物体６を接合していたの
で、歪み変換素子２と被駆動物体６との接合によって歪
み変換素子２の薄板部分４の変形が阻害され、十分な縦
方向変位量を得ることができなかった。

【０００４】そこで発明者らは、歪み変換素子に発生す
る内部応力を緩和させ、圧電アクチュエータの縦方向歪
み量をより一層拡大させ、圧電アクチュエータの変位を
被駆動物体に確実に伝達させることを目的として、歪み
変換素子を圧電素子の主面との間に空洞が形成されるよ
うな形状に形成するとともに、歪み変換素子の板厚を均
一にした圧電アクチュエータを提案している。これら
は、特願平５−１５１２８２号として出願している。

【０００５】図３（ａ）（ｂ）はその圧電アクチュエー
タＢを示す斜視図及び断面図である。この圧電アクチュ
エータＢにあっては、厚みがＷ＝１〜５mmの積層型圧電
素子１の両主面にそれぞれ正四角錘台状をした歪み変換
素子１１を配し、歪み変換素子１１の外周部分に設けら
れた接合部１２を積層型圧電素子１の主面外周部に接合
（例えば、接着）させてある。この歪み変換素子１１は
積層型圧電素子１と同一平面形状を持ち、全体にわたっ
て均一な板厚を有しており、中央部には平らな平坦部１
３が形成され、歪み変換素子１１の内面と積層型圧電素
子１の主面との間に正四角錘台状の空洞１４が形成され
ている。この平坦部１３の一辺の長さは、歪み変換素子
１１の一辺の長さの１／１０〜１／５倍としている。

【０００６】しかして、積層型圧電素子１に電圧を印加
すると、図４に示すように、積層型圧電素子１が縦方向
（ｚ方向）に伸張すると共に積層型圧電素子１の横方向
（ｘ方向）の圧縮歪みε_xが歪み変換素子１１によって
縦方向変位Ｓ３に変換され、圧電アクチュエータＢから
は大きな縦方向変位量Ｓ３が出力される。圧電アクチュ
エータＡでは、積層型圧電素子１の圧縮歪みε_xに対
し、歪み変換素子１１自身の厚みが内部応力となってし
まい、圧縮歪みε_xを効率良く縦方向変位に変換できな
かったが、新しく開発された圧電アクチュエータＢで
は、歪み変換素子１１の板厚を均一にして変位変換の妨
げとなる部分を除去しているため、効率良く積層型圧電
素子１の圧縮歪みε_xを縦方向変位に変換でき、従来の
圧電アクチュエータＡよりも大きな縦方向変位量Ｓ３を
出力できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この圧電アク
チュエータＢを使用して被駆動物体６を駆動させようと
すれば、被駆動物体６を面積の小さい平坦部１３に接合
しなければならず、圧電素子１や被駆動物体６が小さく
なると平坦部１３に接合させることが著しく困難にな
り、被駆動物体６と歪み変換素子１１との高度な接合技
術が必要となる。また、小さな接合面積で十分な接合強
度や接合精度を確保する必要があった。しかも、このよ
うな圧電アクチュエータと被駆動物体との接合に関する
多くの課題は、圧電アクチュエータを使用する者の解決
に委ねられていて、圧電アクチュエータの実用化に大き
な障害となっている。

【０００８】また、圧電アクチュエータと被駆動物体と
の接合を例えば最も簡易な方法である接着によると、接
着面積が小さいため圧電アクチュエータの駆動量が多い
場合や長期間の使用に伴って被駆動物体が圧電アクチュ
エータから離脱するというように、耐環境性、耐久性の
点でも問題があった。

【０００９】さらに、圧電アクチュエータと被駆動物体
との接合の際、接合面積がばらつくと圧電アクチュエー
タの変位量特性がばらつくという問題点もあった。

【００１０】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、歪み変換素
子に支持部材を接合することで、上記問題点を解決する
ことを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の圧電アクチュエ
ータは圧電素子に歪み変換素子を接合し、歪み変換素子
によって圧電素子の横歪み成分を縦方向変位に変換させ
るようにした圧電アクチュエータであって、前記歪み変
換素子の前記圧電素子を接合した面の反対面に被駆動物
体を接合させるための支持部材を配設し、前記支持部材
外周部と前記歪み変換素子との間に空間を設けて前記歪
み変換素子の中心部と前記支持部材とを接合したことを
特徴としている。この支持部材を、圧電素子の両主面に
接合した前記歪み変換素子に接合することとしてもよ
い。

【００１２】また、前記支持部材に、前記歪み変換素子
に接合するための周囲より突出した接合部を設けること
としてもよい。

【００１３】これらの支持部材は、レーザ溶接やはんだ
によって歪み変換素子に接合することができる。また、
これらの支持部材及び歪み変換素子は銅又はアルミニウ
ムにより作成するのが好ましい。

【００１４】

【作用】本発明の圧電アクチュエータにおいては、歪み
変換素子に被駆動物体を保持させるための支持部材を、
支持部材周辺部と歪み変換素子との間に空間を設けて接
合しているので、例えば小さな面積の平坦部を有する歪
み変換素子を接合した圧電アクチュエータのように歪み
変換素子と被駆動物体との接合面積が小さい場合であっ
ても、支持部材を大きく形成して支持部材と被駆動物体
との接合面積を大きくすることができる。したがって、
被駆動物体を歪み変換素子に簡単に、かつ、安定に接合
することができ、接合の耐久性を向上させることができ
る。

【００１５】また、支持部材を支持部材周辺部と歪み変
換素子との間に空間を設けて歪み変換素子の中心部にお
いて接合させているので、歪み変換素子の外周面部にお
いて被駆動物体との接合により歪み変換素子の変形が阻
害されることがなく、縦方向変位量を増やすことができ
る。

【００１６】また、圧電素子の両面に支持部材を設けた
歪み変換素子を設けてやれば、縦方向変位への変換量を
２倍にすることができる。

【００１７】さらに、支持部材に歪み変換素子に接合す
るための周囲より突出した接合部を設けると、容易に歪
み変換素子の中心部に支持部材を接合することができ
る。また、支持部材と歪み変換素子との接合面積を一定
にすることができるので、変位量のばらつきを少なくす
ることができる。

【００１８】このためには、例えば支持部材と歪み変換
素子とをレーザ溶接やはんだによって接合してもよく、
支持部材と歪み変換素子は共に銅やアルミニウムから作
成することにすればよい。また、アルミニウムから作成
すれば安価にしかも軽量に作成することができる。

【００１９】

【実施例】図５は本発明の一実施例による圧電アクチュ
エータＣを示す分解斜視図、図６はその断面図であっ
て、この圧電アクチュエータＣは、例えば図２に示す圧
電アクチュエータＢの歪み変換素子１１に被駆動物体６
を接合するための支持部材１５をその外周部下面に空間
１９を設けて接合したものである。積層型圧電素子１の
両主面にそれぞれ正四角錐台状をした歪み変換素子１１
を配し、歪み変換素子１１の外周部分に設けられた接合
部１２を積層型圧電素子１の主面外周部に接合させてあ
る。この歪み変換素子１１は積層型圧電素子１と同一平
面形状をもち、全体にわたって均一な板厚を有してお
り、中央部には平らな平坦部１３が形成され、歪み変換
素子１１の内面と積層型圧電素子１の主面との間に正四
角錐台状の空洞１４が形成されている。この歪み変換素
子１１は、例えば金属板のプレス加工、あるいはプラス
チック材料の成形加工によって容易に製作することがで
きる。

【００２０】この歪み変換素子１１の平坦部１３には、
ほぼ圧電素子１と同一平面形状をした平板状の支持部材
１５が配設されており、支持部材１５の裏面に設けられ
た接合部１６を歪み変換素子１１の平坦部１３に、例え
ば接着剤やはんだ付け又はレーザ溶接等により接合させ
てある。図７（ａ）（ｂ）は支持部材１５を示す背面斜
視図及びその断面図であって、支持部材１５は例えば図
７に示すように、銅板に片面からエッチングなどを施し
て接合部１６の周辺部に窪み１７を設け、接合部１６を
その周縁部よりも突出させてある。被駆動物体６は接合
部１６とは反対側の平面部１８に接合させることがで
き、小さな被駆動物体６であっても容易に支持部材１５
に接合することができる。

【００２１】図８は支持部材１５を歪み変換素子１１に
接合する方法を説明する断面図であって、まず支持治具
２０の装着部２１に支持部材１５の接合部１６を上側に
向けて支持部材１５を装着し、接合部１６に歪み変換素
子１１の平坦部１３を位置させるようにして歪み変換素
子１１を装着部２１に保持させる。次に、押え治具２２
によって支持部材１５と接合部１６との位置がずれない
ように固定し、押え治具２２に設けた開口部２３からレ
ーザ光を照射することにより支持部材１５に歪み変換素
子１１を接合させることができる。したがって、支持部
材１５は突出された接合部１６において平坦部１３に接
合され、歪み変換素子１１の内部応力に妨げられること
なく歪み変換素子１１が縦方向に変位させられるととも
に支持部材１５も縦方向に変位させられる。

【００２２】また図９に示すように、歪み変換素子１１
を接合した積層型圧電素子１を装着部２１に装着し、接
合部１６に歪み変換素子１１の平坦部１３を位置させる
ようにして歪み変換素子１１を装着部２１に保持させ
る。次に、押え治具２２によって支持部材１５と接合部
１６との位置がずれないように固定し、開口部２３から
レーザ光を照射する。このように、あらかじめ積層型圧
電素子１と歪み変換素子１１とを接合した後に、支持部
材１５をレーザ溶接にて接合することも可能である。

【００２３】また、図１０は支持部材１５を歪み変換素
子１１に接合する別な方法を説明する断面図であって、
装着部２１に装着された支持部材１５の接合部１６にペ
ースト状のはんだ２４を塗布し、歪み変換素子１１の平
坦部１３を接合部１６に位置させるように歪み変換素子
１１を支持治具２０に保持させ、接合部１６と平坦部１
３との位置がずれないように固定する。そして、そのま
まの状態で支持治具２０ごとオーブンやリフロー炉２５
などに入れて、はんだ２４を溶融し接合することもでき
る。この場合には、支持部材１５及び歪み変換素子１１
の材質としては容易にはんだ付け可能な銅などが適して
いるが、例えば、アルミニウムなどの金属などから作成
してその表面に例えば金メッキなどを施して、はんだ付
けが容易になるようにしてもよい。

【００２４】このような圧電アクチュエータＣにあって
は、小さな被駆動物体６であっても広い接合面積を持つ
支持部材１５に容易に接合することができる。また、歪
み変換素子１１の外周部においては支持部材１５との間
に空間１９があるので、歪み変換素子１１は支持部材１
５（被駆動物体６）によっては変形が妨げられず、した
がって、圧縮歪みを効率よく縦方向変位に変換すること
ができる。さらに、歪み変換素子１１と支持部材１５と
の接合面積を一定とすることができ、安定した変位量特
性を得ることができる。しかも、被駆動物体６との接合
面積を大きくすることができるので、被駆動物体６との
接合の耐久性を向上させることができる。これにより、
駆動量が多い場合や長期間の使用にあっても被駆動物体
６が歪み変換素子１１から離脱することが少なくなり、
信頼性の高い駆動装置、例えば、マニュピレータや光走
査装置などを提供することができる。

【００２５】図１１は別な実施例である圧電アクチュエ
ータの支持部材１５を示す背面斜視図であって、支持部
材１５は平板状をした銅板などに凸状の接合部１６を突
出させてある。このように、突出させた接合部１６を歪
み変換素子１１を接合させることによって、図１２に示
すように積層型圧電素子１に従来型の歪み変換素子２を
配設した圧電アクチュエータＤにおいても、歪み変換素
子２の外周面部と被駆動物体６との接合によって歪み変
換素子２の薄板４部分の変形が阻害されることなく、縦
方向変位量を増加させることができる。また、従来のよ
うに支持部材１５に被駆動物体６の全面において接合が
可能になるので、被駆動物体６との接合も容易にでき
る。

【００２６】また、図１３に示すように単純な平板状を
した支持部材１５を歪み変換素子１１の平坦部１３に接
合することとしてもよく、被駆動物体６の底面の形状に
合わせて支持部材１５の平面部１８を加工したり、平坦
部１３の形状に応じて接合部１６や支持部材１５の裏面
を加工することにしてもよい。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、支持部材周辺部下面の
歪み変換素子との間に空間を設けて支持部材を接合して
いるので、例えば被駆動物体との接合面積が小さな歪み
変換素子にあっても、支持部材を大きく作成することに
より被駆動物体をより大きな接合面積で圧電アクチュエ
ータに接合することができる。したがって、小さな被駆
動物体でも容易に圧電アクチュエータに接合し、しか
も、安定に被駆動物体を接合することができる。また、
接合の耐久性も向上するので、圧電アクチュエータの適
用範囲が広がり、かかる圧電アクチュエータを応用した
各種駆動装置の信頼性を向上させることもできる。

【００２８】また、被駆動物体によっては歪み変換素子
の外周面部において歪み変換素子の変形が阻害されるこ
とがないので、縦方向の変位量を増やすことができる。

【００２９】圧電素子の両面に支持部材を設けた歪み変
換素子を設けることによって、縦方向変位への変換量を
２倍にすることができる。

【００３０】さらに、支持部材に歪み変換素子に接合す
るための周囲より突出した接合部を設けると、簡単に歪
み変換素子の中心部に支持部材を接合することができ
る。また、支持部材と歪み変換素子との接合面積を一定
にすることができるので、変位量のばらつきを少なくす
ることができる。

【００３１】このためには、例えば支持部材と歪み変換
素子とをレーザ溶接やはんだによって接合してもよく、
支持部材と歪み変換素子は共に銅やアルミニウムから作
成することにすればよい。また、アルミニウムから作成
すれば安価にしかも軽量に作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）（ｂ）は従来例の圧電アクチュエータを
示す斜視図及び断面図である。

【図２】被駆動物体を取り付けられた同上の圧電アクチ
ュエータを示す断面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）は別な先行技術例の圧電アクチュ
エータを示す斜視図及び断面図である。

【図４】同上の圧電アクチュエータの変位出力時の挙動
を示す説明図である。

【図５】本発明の一実施例である圧電アクチュエータを
示す分解斜視図である。

【図６】同上の圧電アクチュエータを示す断面図であ
る。

【図７】（ａ）（ｂ）は同上の圧電アクチュエータの支
持部材を示す背面斜視図及びその断面図である。

【図８】支持部材を歪み変換素子に接合する方法を示す
断面説明図である。

【図９】支持部材を歪み変換素子に接合する別な方法を
示す断面説明図である。

【図１０】支持部材を歪み変換素子に接合するさらに別
な方法を示す断面説明図である。

【図１１】本発明の別な実施例である圧電アクチュエー
タの支持部材を示す背面斜視図である。

【図１２】本発明のさらに別な実施例である圧電アクチ
ュエータを示す断面図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施例である圧電アクチ
ュエータを示す断面図である。

【符号の説明】

１積層型圧電素子１１歪み変換素子１４空洞１５支持部材１６接合部２１装着部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山中規正京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者米田匡宏京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者梅田秀信京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者入江篤京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内 (72)発明者大倉清俊京都府京都市右京区花園土堂町10番地オムロン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子に歪み変換素子を接合し、歪み
変換素子によって圧電素子の横歪み成分を縦方向変位に
変換させるようにした圧電アクチュエータであって、前記歪み変換素子の前記圧電素子を接合した面の反対面
に被駆動物体を接合させるための支持部材を配設し、前
記支持部材外周部と前記歪み変換素子との間に空間を設
けて前記歪み変換素子の中心部と前記支持部材とを接合
したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】前記支持部材を前記圧電素子の両主面に
接合された前記歪み変換素子にそれぞれ接合したことを
特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】前記支持部材に、前記歪み変換素子に接
合するための周囲より突出した接合部を設けたことを特
徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】前記支持部材をレーザ溶接によって前記
歪み変換素子に接合したことを特徴とする請求項１、２
又は３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】前記支持部材をはんだによって前記歪み
変換素子に接合したことを特徴とする請求項１、２又は
３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】前記支持部材及び前記歪み変換素子は銅
からなることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５
に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】前記支持部材及び前記歪み変換素子はア
ルミニウムからなることを特徴とする請求項１、２、
３、４又は５に記載の圧電アクチュエータ。