JPS6366980A - 積層型圧電体 - 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〕 本発明は圧電素子を積層して構成し、アクチェータ等に
用いる積層型圧電体に関するものあである。

〔従来の技術〕

圧電セラミックスは、その極性が対向するように積層し
この積層体に電圧を印加するとそれ自体が伸縮し、低電
圧で大きな変位が得られる特性を有しており、さらに電
磁式のアクチェータに比べて応答性に優れ、発生荷重も
大きいという利点もあり、またミクロンオーダーで微小
変位を電気的に制御できるので、多方面の用途が考えら
れている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の積層型圧電体の用途として、超精密位置合わせ（
０，１〜１μｍ）用のアクチェータとして使用すること
が期待されるが、このような微小変位制御用アクチェー
タとして用いた場合、積層すべき圧電セラミックスには
印加電圧に対する歪み量のばらつきがあり、またこれら
圧電セラミックスの経時変化のために、積層型圧電体は
印加電圧に対して必らずしもその変位量が一定でない。

そのためこの変位量を制御することが必要となるが、こ
の制御のために変位量を検出する変位センサを積層型圧
電体の外部に取付けると、多くの場所を必要とし問題と
なる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、上記の問題点は、圧電素子と電極板と
を多数積み重ねて積層体を形成し、該積層体に電源を接
続し、これに電圧を印加することにより前記圧電素子に
歪みを生じさせるようにした積層型圧電体において、前
記積層体の印加時における変位量を検出する変位センサ
を、該積層体内に設けたことを特徴とする積層型圧電体
によって、解決される。

本発明において、前記変位センサは前記積層体を軸方向
に貫通するセンターバーに取付け、または積層体を覆う
カバーに取付ける。また前記変位センサとしては、歪み
ゲージを用い、またはギャップセンサを用いることがで
きる。

〔実施例〕

本発明の実施例を図面を参照して以下に説明する。

第１図から第５図は本発明の第１の実施例を示す。

第１図は上記第１の実施例の全体構造を示し、積層型圧
電体１は、第２図に示す様に、圧力を加えると電圧を発
生し、電圧を印加すると歪みを生じる特徴を持った圧電
素子１ａと金属製の非常に薄い電極板１ｂを交互に数１
０枚積層して形成した積層体構造を有している。また、
圧電素子１ａと金属製電極板１ｂは、中央にセンターバ
ー３が通るのに十分大きな穴を持つ五円玉形状を有して
いる。圧電素子１ａは、それぞれが電気的に並列になる
様に電極が取り出されている。（図に示していない）そ
して、数１０枚の圧電素子１ａと金属製電極板１ｂから
成る積層型圧電体１の両端に、絶縁物から成る圧電素子
１ａと同形状の絶縁板２を介し、センターバー３とロッ
クナツト４を用いて、積層型圧電体１の圧電素子１ａと
金属製電極板１ｂを押さえ込む様に、ある程度の荷重を
加えている。センターバー３は、円板３ａの中央から丸
棒３ｂがつき出した形状をしており、棒３ｂの先端には
ねじ部が設けられている。センターバー３の材質は、金
属でも樹脂でもある程度の弾性変形が可能であれば何で
も良い。この棒部分３ｂが圧電セラミックス１ａの中央
に設けられた穴を通り、センターバー３の円板３ａとは
反対側で円板形状をした中央にめねじが設けられている
ロックナツト４に螺着されている。

このセンターバーの棒部分３ｂの一部を平面に加工し、
そこに、歪みが生じると電気抵抗が変化する歪みゲージ
６を貼り付ける（第３図）、また、センターバーの棒部
分３ｂの一部を平面に加工する時、他の部分と断面積が
等しくなる様に肉盛りを行なう、歪みゲージ６は、厚さ
をほとんど必要としないので、第１図に示す様にゲージ
のリード部６ａが取り出せるくらいの逃しをセンターバ
ーの円板部３ａに設けるだけで良く、場所を必要としな
い製作容易なセンサ内蔵の積層型圧電体が得られる。

なお、センターバー３及びロックナツト４を金属製とし
た場合、積層型圧電体１とセンターバーの円板部３ａ及
びロックナツト４とは、絶縁板２によって絶縁を保つ。

また、センターバーの棒部分３ｂとは、圧電素子１ａに
印刷されている電極を中央の穴よりも少し大きくして絶
縁を保つようにする。

上記のように構成された積層型圧電体１は、圧電素子１
ａと金属製電極板１ｂを交互に積層し電気的に並列に電
極が取り出されているので、リード線５より電圧（数１
００ボルト）を印加すると積層型圧電体１は約１００μ
ｓｅｃの応答性で数１０ミクロン伸びる。この時、積層
型圧電体１は、センターバー３とロックナツト４とで押
さえ付けであるので、センターバーの棒部分３ｂを引き
伸ばしながら伸びる。従って、センターバーの棒部分３
ｂには歪みが生じ、そこに貼り付けである歪みゲージ６
により変位を検出することができる。歪みゲージ６は１
０−６のオーダーの歪みまで検出できるので、積層型圧
電体１の微少変位を検出することができる。

歪みゲージ６より検出した変位信号は、第４図に示す様
に基準信号として回路内に取りこみ、第５図のフローチ
ャートに示すように、そこで、設定（目標とする）した
変位よりも大きいか小さいかを判断し、大きいならぼ印
加電圧を減らす信号を出す。変位が小さい場合は、逆に
印加電圧を増やす。この時、積層型圧電体１の電圧−変
位の関係にバラツキがあってもこの積層体内に設けたセ
ンサ（歪みゲージ６）によって変位を検出するため、歪
みゲージ６のバラツキの範囲内で微少変位を制６１１す
ることが可能となる。

なお、上記実施例における各部品の材質、寸法などにつ
いて以下に一例を示す。

センターバーの材質は３５５ＣのＩＭｔ材とする。

この３５５Ｃのヤング率Ｅは２０７００　ｋｇ／＋ａｎ
＋２、引っ張り強さは約７８．５　ｋｇ／ｍｍ”である
。

従って、繰り返し引っ張り荷重の疲労を考慮すると、疲
労限は２８．２　ｋｇ／ｍｍ”となる。

積層型圧電セラミックスの発生荷重を約３００ｋｇｆ、
センターバー３の径をφ３．８とするとセンターバー３
の応力はσ＝　２６．５　ｋｇ／１ｍｍ”となり、この
応力は前記疲労限２８．２　ｋｇ／　ｍｍ”より小さい
。

このとき、積層型圧電体の歪み率をεとすると、σ＝Ｅ
εよりε＝１．２８０Ｘ１０−３となる。

したがって、積層型圧電セラミックスは、長さが４０ｍ
ｍであると、その歪み量はεＸ　４０　＝５１．２ＸＩ
Ｏ−’ｍｍとなり、 約５０μｍまでの変位を検出することができる。

以上より、センターバー３の径をφ３．８、材質を３５
５Ｃ（調質材）とすると、許容応力内で積層型圧電体の
変位を得ることができる。

第６図から第７図に本発明の第２の実施例を示す。

本実施例は圧電素子の囲りをおおう筒体に歪みゲージを
設けた構造を有する。

第６図に示す様に、積層型圧電体１は、両端を絶縁板２
ではさみ込み、次に外周を絶縁チューブ７で包み込んで
他の部品との絶縁を保っている。

積層型圧電体１は、圧電素子と金属製電極板を数１０枚
交互に積層させたものであるが、圧電素子、金属製電極
板は、第１実施例のような五円玉形状ではなく円板状で
ある。絶縁板２も同形状である。

この積層型圧電体１を、前述の様に絶縁チューブ７と絶
縁板２で絶縁して、円筒形の壷形状をしたケース８の中
に挿入し、キャップ９を用いてふたをする。ケース８と
キャップ９にはねじ部１０が設けであるので、積層型圧
電体１にある程度の荷重が加えられる様に押さえこみな
がら、キャップ９とケース８をねじ込んでいく。また、
ケース８の外周部のどこか１箇所に歪みゲージ６を貼り
付ける。

従って、電圧を印加して積層型圧電体１を伸ばすと積層
型圧電体１は、キャップ９を持ち上げるのでケース８が
伸び、歪みゲージ６によりこの歪み（変位）を検知でき
る。したがって第１実施例と同様にして、積層型圧電体
ｌの変位量を制御することができる。

なお、上記の実施例において、ケース８を第７図に示す
様な形状のものにすることができる。すなわち、ケース
８の円筒部分に数個の窓８ａを作り、図に示す様に窓枠
部分８ｂに歪みゲージ６を貼り付ける。このようにする
と、ケース８の伸びのほとんどがこの窓枠部分８ｂに集
中する為、同変位に対して歪みが大きくなり、歪み（変
位量）が検出しやすくなる。

第８図から第１０図は本発明の第３の実施例を示す。

本実施例は、歪みゲージに代えてギャップセンサを変位
検出用センサとして用いたものである。

第１実施例と同様に中央に穴のあいた積層型圧電体１の
中央の穴に、円板部３ａと棒部分３ｂを有した金属製の
センターバー３を挿入し、反対側からその先端にギャッ
プセンサ１１を取付けた第２のセンターバー１２を挿入
スる。

第１のセンターバー３の先端（ギャップセンサ１１と相
対する部分）は、ギャップセンサ１１の先端部の面に対
して平行でなければならない。

積層型圧電体１は、中央に穴のあいた絶縁板２と絶縁チ
ューブ７によって他の部品との絶縁を保っている。

そして、金属製の第１センターバー３とギャップセンサ
１１を取付けた第２のセンターバー１２を有し、絶縁板
２と絶縁チューブ７によって絶縁された積層型圧電体１
を、円筒形で壷形をしたカバーロウア１３に挿入し、金
属カバーアッパ１４で蓋をする。カバーアッパ１４とカ
バーロウア１３には、ねじ部１５が設けであるので、そ
れを用いてそれぞれをねじ込んで固定する。また、セン
ターバーの円板部３ａとカバーアッパエ４の間には、ワ
ッシャウェーブ１６が設置されている為、積層型圧電体
１には、ある程度の荷重が加えられている。

この積層型圧電体１に電圧を印加すると、ワッシャウェ
ーブ１６を押さえ込みながら伸びる。この時、固定され
ているギャップセンサ１１と、これに対向している第１
センターバー３の先端部との距離が変化する為、これを
変位量として検出することができる。そしてこの検知結
果に基づき、第１実施例と同様に積層型圧電体１の変位
を制御する。

〔発明の効果〕

本発明は、積層型圧電体内にその変位量を検出する変位
センサを有しているので、圧電素子のばらつき及び経時
変化があっても常にその変位量を正しく制御することが
でき、しかもこの変位センサは外部センサとして接続す
るものでないため余分の空間を要しないものとなり、超
精密位置合わせ等に好適な、コンパクトの微小変位制御
用アクチェータが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の一部切断正面図、第２図
は同上実施例の分解斜面図、第３図は第１図のＡ部の拡
大図、第４図は同上実施例の制御ブロック図、第５図は
同上実施例の制御作用を示すフローチャート図、第６図
は本発明の第２実施例の縦断正面図、第７図は同上第２
実施例におけるケースの変形例を示す斜面図、第８図は
本発明の第３実施例の縦断正面図、第９図は同上実施例
の分解斜面図、第１０図は同上実施例の制御ブロック図
である。 １・・・積層型圧電体、１ａ・・・圧電セラミックス、
ｌｂ・・・電極板、　　２・・・絶縁板、３・・・セン
ターバー、３ａ・・・円板部、３ｂ・・・棒部分、　　
６・・・歪みゲージ、８・・・ケース、　　　８ｂ・・
・窓枠部分、９・・・キャップ、　　　１１・・・ギヤ
ツブセンサ、１２・・・第２センターバー、 １３・・・カバーロウア、１４・・・カバーアッパ、１
６・・・ワッシャウェーブ。 １・・・積層型圧電体 １α・・・圧電セラミックス １ｂ・・・電極板 ３・・・センターバー ３０・・・円板部分 ３ｂ・・・棒部分 ５・・・　リード線 ６・・・歪みｒ−ジ 第３図 第５図 １・・・積層型圧電体 ６・・・歪みｒ−シ フ・・・絶縁チー−ブ ８・・・ケース ８ｂ・・・窓枠部 ９・・・　キャップ ト・・積層型圧電体 ３・・・　センターパー １１・・・　ギャップセンサ １２・・・　第２センターパー １３・・・　カハンロウア

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電素子と電極板とを多数積み重ねて積層体を形成
   し、該積層体に電源を接続し、これに電圧を印加するこ
   とにより前記圧電素子に歪みを生じさせるようにした積
   層型圧電体において、前記積層体の電圧印加時における
   変位量を検出する変位センサを、該積層体内に設けたこ
   とを特徴とする積層型圧電体。 ２、前記変位センサを前記積層体の軸方向に貫通するセ
   ンターバーに取付けた特許請求の範囲第１項記載の積層
   型圧電体。 ３、前記変位センサを前記積層体のカバーに取付けた特
   許請求の範囲第１項記載の積層型圧電体。 ４、前記変位センサとして歪みゲージを用いた特許請求
   の範囲第２項又は第３項記載の積層型圧電体。 ５、前記変位センサとしてギャップセンサを用いた特許
   請求の範囲第２項記載の積層型圧電体。