(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ弾性をもつ導電性の薄板からなり中央部に円形の貫通孔が形成されているリング状の弾性板と、該弾性板の両面にそれぞれ接合されている圧電材料からなる薄板である二枚の圧電板と、両該圧電板の表面をそれぞれ覆っている二枚の表面電極とを有し、軸長方向に所定の間隔を空けて同軸に配設されている複数枚の圧電バイモルフと、
各該圧電バイモルフの該貫通孔を形成しているそれぞれの内周部を互いに連結している導電性の内周連結部材と、
各該圧電バイモルフのそれぞれの外周部を互いに連結しており、各弾性板に導通している導電性の外周連結部材と、
を有する積層型圧電アクチュエータにおいて、
互いに隣り合う前記圧電バイモルフの間に介在して各該圧電バイモルフを前記内周連結部材に固定し、各前記表面電極に軸長方向の両端面で当接し該表面電極に導通しているとともに、該内周連結部材に内周面で接続している導電性でリング状の接合リングを有し、
該内周連結部材は、円筒状の外周面に所定間隔で形成された帯状の溝内に配設され各前記弾性板の前記貫通孔の内周部にそれぞれ当接している複数本の絶縁層を有する、
ことを特徴とする積層型圧電アクチュエータ。
【請求項２】
円筒面状の外周面と該外周面に所定の間隔を空けて全周に形成されている複数の帯状の溝とを有する導電性の内周連結部材の各該溝に、絶縁材料を充填して該外周面と同一曲面の表面を持つ複数の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
該内周連結部材の該絶縁層と所定間隔離れた部分に導電性でリング状の接合リングを固定し該内周連結部材と該接合リングとを導通させる接合リング固定工程と、圧電バイモルフの中央部に形成されている円形の貫通孔に該内周連結部材を挿通し該圧電バイモルフの両面の圧電板のうち一方の表面電極を該接合リングに当接させて該圧電バイモルフを配設するバイモルフ配設工程とを交互に繰り返し、該内周連結部材を軸にして該接合リングに挟持された該圧電バイモルフを積層していくバイモルフ積層工程と、
該内周連結部材を軸にし軸長方向に所定の間隔を空けて積層された各該圧電バイモルフの導電性弾性板の外周部に、導電性の外周連結部材を接合する外周連結工程と、
を有することを特徴とする積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記絶縁層形成工程は、
前記内周連結部材の前記溝の全ておよび前記外周面に前記絶縁材料を塗布する絶縁材料塗布工程と、
該内周連結部材に塗布された該絶縁材料が固化したあと、該絶縁材料の一部を研削または切削により該内周連結部材の該外周面から削り落とし、該外周面と同一曲面の表面を持つ絶縁層を形成する絶縁材料削除工程とを有する、
請求項２記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記圧電素子積層工程の前記接合リング固定工程は、
前記内周連結部材に先に固定されている前記接合リングに対して、該内周連結部材を前記貫通孔に通された前記圧電バイモルフを次の前記接合リングを介して押圧付勢しつつ、該次の接合リングを該内周連結部材に溶接する工程である、
請求項２記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記接合リング固定工程における前記溶接は、レーザによるスポット溶接、電子ビームによるスポット溶接および抵抗スポット溶接のうちいずれかのスポット溶接により行われる、
請求項４記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数枚の圧電バイモルフを内周連結部材および外周連結部材により連結して積層した積層型圧電アクチュエータと、その製造方法との技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−３７５７１号公報（特願平７−１８２９６４号）には、複数枚の圧電バイモルフを内周連結部材および外周連結部材により連結して積層した積層型圧電アクチュエータが、従来技術として開示されている。
この積層型圧電アクチュエータは、複数の圧電バイモルフと、これらの中心部の貫通孔を挿通し各圧電バイモルフを軸長方向に互いに連結している内周連結部材と、各圧電バイモルフの外周部を軸長方向に互いに連結している複数の外周連結部材とからなる。各圧電バイモルフに印加電圧を加えて同一方向に変形させると、内周連結部材と外周連結部材とが同軸的に相対移動するので、この積層型圧電アクチュエータは比較的大きな力で比較的大きなストロークを発揮する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述の公報に開示されている積層型圧電アクチュエータには、内周連結部材が軸長方向に複数の圧電バイモルフを貫通しており、内周連結部材と各圧電バイモルフとの接合部の構成に特徴がある例として、代表的に二つの例が挙げられる。従来技術１としての第１の例では、圧電バイモルフ１Ｐの中心部と中央連結部材２Ｐとの接合部は、図１０に示すように構成されている。すなわち、同接合部は、バイモルフ１Ｐと、これを軸長方向の両側から挟持する二つの導電性の接合リング４Ｐと、両者の中心を貫く導電性の内周連結部材２Ｐと、絶縁ブッシュ２２Ｐとから構成されている。絶縁ブッシュ２２Ｐは、合成樹脂製の中空円筒部材であり、圧電バイモルフ１Ｐの中央の貫通孔の内周面と中央連結部材２２Ｐとの間に入って両者に挟持されて、圧電バイモルフ１Ｐと内周連結部材２Ｐとの間を絶縁している。一方、接合リング４Ｐは、軸に沿った側端面形がＨ字型の金属製部材であり、各圧電バイモルフ１Ｐのそれぞれ二枚の圧電板１２の各表面電極１３と中央連結部材２Ｐとを電気的に接続する作用と、各圧電バイモルフ１Ｐの間隔を適正に設定するスペーサの作用とを有する。図１０には示されていないが、各圧電バイモルフ１Ｐの弾性板１１は、外縁部で導電性の外周連結部材と接続されている。それゆえ、内周連結部材２Ｐと外周連結部材との間に電圧を印加すると、各圧電バイモルフ１の弾性板１１と各圧電バイモルフ１Ｐの両面の表面電極１３との間に同電圧が印加される。その結果、両圧電板１２に電界がかけられるので両圧電板１２の伸縮作用が生じ、各圧電バイモルフ１Ｐが同一方向に屈曲して積層型圧電アクチュエータとしての作用が得られる。
【０００４】
しかし、従来技術１は、接合リング４Ｐが複雑な形状をしているので、接合リング４Ｐの部品加工コストがかさんでしまい、試作段階や少量生産にはあまり向いていない。さらに、比較的複雑な形状をした接合リング４Ｐを、絶縁ブッシュ２２Ｐと組み合わせて組み立てて行かなくてはならないので、接合リング４Ｐの軸長方向の長さをある程度以上に短くすることは難しい。それゆえ、積層型圧電アクチュエータ全体の軸長方向の長さをあまり短くすることができないので、積層型圧電アクチュエータの寸法を小型に収めることが難しいという不都合を、従来技術１は抱えていた。
【０００５】
いっぽう従来技術２としての第２の例は、図１１に示すように、各圧電バイモルフ１Ｐ’は、中空円筒状の接合リング４Ｐ’とともに、中央連結部材２Ｐに貫通されて保持されている。接合リング４Ｐ’は、各圧電バイモルフ１Ｐ’を挟持するとともに、各圧電バイモルフ１Ｐ’の両面の表面電極１３に当接し、各表面電極１３と中央連結部材２Ｐとを接続している。ここで、各圧電バイモルフ１Ｐ’の弾性板１１の中央部には、中央連結部材２Ｐの外径よりも内径が大きな内周面１０を持つ貫通孔が形成されており、弾性板１１の内周面１０と中央連結部材２Ｐとの間には間隙があって両者１１，２Ｐは互いに絶縁されている。図１１には示されていないが、各圧電バイモルフ１Ｐの弾性板１１は、外縁部で導電性の外周連結部材と接続されている。それゆえ、内周連結部材２Ｐと外周連結部材との間に電圧を印加すると、各圧電バイモルフ１の弾性板１１と各圧電バイモルフ１Ｐの両面の表面電極１３との間に同電圧が印加される。その結果、圧電板１２の伸縮作用により、各圧電バイモルフ１Ｐが同一方向に屈曲して積層型圧電アクチュエータとしての作用が得られる。
【０００６】
しかし従来技術２では、各圧電バイモルフ１において、弾性板１１の中央部の貫通孔の内径よりも小さい内径で両圧電板１２の貫通孔を形成するためには、特殊な製造方法を必要とするので、その製造は必ずしも容易ではなかった。すなわち、従来技術２は、加工技術が難しく加工コストがかさみ勝ちであるという不都合を有している。また、従来技術２では、中央部に弾性板１１に接合されていない圧電板１２ができるので、圧電板１２を薄くした場合（厚さ５０μｍ程度）には圧電板１２の強度が低下するという不都合も生じた。
【０００７】
さらに、前述の従来技術１および従来技術２の積層型圧電アクチュエータは共に、接合リング４Ｐ，４Ｐ’によって比較的大きな範囲で中央部が拘束されるので、その分有効に作用する圧電バイモルフ１の面積が減ってしまうという不都合がある。この不都合の影響は、可変焦点レンズ装置への応用例など、特に圧電バイモルフ１Ｐ，１Ｐ’の有効に作用する面積が限られている圧電バイモルフ１Ｐ，１Ｐ’の貫通孔が大きい構成では、無視できない程度に大きくなる。
【０００８】
そこで本発明は、製造コストが比較的安価であって試作および少数生産にも好適であり、可動ストロークが大きい割に軸長方向の寸法を比較的小さく抑制することが可能な積層型圧電アクチュエータと、その製造方法とを提供することを解決すべき課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するために、発明者らは以下の手段を発明した。
（第１手段）
本発明の第１手段は、請求項１記載の積層型圧電アクチュエータである。
本手段の積層型圧電アクチュエータは、互いに隣り合って積層された圧電バイモルフの間に介在して、各圧電バイモルフを内周連結部材に固定する接合リングを有する。この接合リングは、導電性でリング状の部材であって、各圧電バイモルフの両表面電極に軸長方向の両端面で当接し各表面電極に導通しているとともに、内周連結部材に内周面で接続している。また、本手段の積層型圧電アクチュエータの中心部を貫通している内周連結部材には、円筒面状の外周面に所定間隔で形成された帯状の溝が形成されており、同溝内には各圧電バイモルフの弾性板の中央部の貫通孔の内周部に当接している絶縁層が配設されている。
【００１０】
本手段では、各圧電バイモルフの弾性板は、内周連結部材の溝内に形成されている絶縁層によって、内周連結部材の導電性の部分と絶縁されており、外周部で導電性の外周連結部材と電気的に接続している。いっぽう、各圧電バイモルフの両面の表面電極は、それぞれ接合リングを介して内周連結部材の導電性の部分に接続されている。
【００１１】
それゆえ、外周連結部材と内周連結部材との間に電圧を印加すると、同電圧は各圧電バイモルフの弾性板と両表面電極とに印加されるので、両圧電板に電界が生じる。その結果、両圧電板のうち一方が伸張し他方が収縮して、各圧電バイモルフは同一方向に屈曲し、積層型圧電アクチュエータとしての作用が得られる。この際、接合リングの外径が充分に小さければ、圧電バイモルフの屈曲作用を有する有効な面積を十分に取ることが可能になり、積層型圧電アクチュエータのストロークを大きく取ることができる。
【００１２】
ここで、本手段の積層型圧電アクチュエータの製造過程において、内周連結部材に溝を形成してこの溝の中に絶縁層を形成することは、下記の第２手段で記すように容易にできる加工である。また、接合リングの形状は単純なリング状であるので、接合リングの部品コストも安価であり、さらにレーザー溶接などにより接合リングを内周連結部材に接合固定する加工も容易である。それゆえ、部品コストおよび加工コストが抑制されており、製造コストが低減されるという効果がある。また、部品コストが少数でもかさまないので、試作および少量生産においても、この効果は発揮される。
【００１３】
そのうえ、各圧電バイモルフの間に装置される接合リングは、前述のように形状が単純であるので薄く形成することができ、互いに隣り合う圧電バイモルフの間隔を、最低限度に小さく抑制することができる。その結果、積層型圧電アクチュエータの軸長方向の寸法が小さく構成されるという効果がある。
したがって本手段によれば、製造コストが比較的安価であって、大量生産にばかりではなく試作および少数生産にも好適であり、可動ストロークが大きい割に軸長方向の寸法を比較的小さく抑制することが可能な積層型圧電アクチュエータを提供することができるという効果がある。
【００１４】
（第２手段）
本発明の第２手段は、請求項２記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法である。
本手段の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、大きく分けて絶縁層形成工程と、接合リング固定工程およびバイモルフ配設工程を交互に繰り返すバイモルフ積層工程と、外周連結工程とから構成されている。
【００１５】
絶縁層形成工程は、円筒面状の外周面に所定の間隔を空けて全周に形成されている複数の帯状の溝を有する導電性の内周連結部材の各溝に、絶縁材料を充填して外周面と同一曲面の表面を持つ複数の絶縁層を形成する工程である。次に、接合リング固定工程は、内周連結部材の絶縁層と所定間隔離れた部分に導電性でリング状の接合リングを固定し内周連結部材と接合リングとを導通させる工程である。また、バイモルフ配設工程は、圧電バイモルフの中央部に形成されている円形の貫通孔に内周連結部材を挿通し圧電バイモルフの両面の圧電板のうち一方の表面電極を接合リングに当接させて圧電バイモルフを配設する工程である。バイモルフ積層工程は、上記接合リング固定工程と上記バイモルフ配設工程とを交互に繰り返し、内周連結部材を軸にして接合リングに挟持された圧電バイモルフを積層していく工程である。この工程で、各圧電バイモルフの両表面電極は、接合リングを介して内周連結部材の導電性の本体部材に接続される。最後に外周連結工程は、内周連結部材を軸にし軸長方向に所定の間隔を空けて積層された各圧電バイモルフの導電性弾性板の外周部に、導電性の外周連結部材を接合する工程である。
【００１６】
上記いずれの工程においても、複雑な形状の部品が必要となることはなく、特別に難しい加工を要することもないので、比較的安価に積層型圧電アクチュエータを製造することができるという効果がある。この効果は、試作および少量生産においても、大量生産時とほぼ同様に発揮される。また、接合リングの軸長方向の寸法をできる限り短くすることにより、互いに隣り合う圧電バイモルフの間隔を最小限に抑制することができる。同時に、接合リングの外径を小さく収めることにより、圧電バイモルフのうち接合リングによって屈曲作用が拘束される部分が最小限に抑制され、圧電バイモルフの屈曲作用を持つ有効部分を最大限にすることができる。その結果、積層型圧電アクチュエータの軸長方向の寸法を最小限に抑制しながら、比較的ストロークが大きな積層型圧電アクチュエータを提供することが可能になる。
【００１７】
したがって本手段によれば、製造コストが比較的安価であって、大量生産ばかりにではなく試作および少数生産にも好適であり、可動ストロークが大きい割に軸長方向の寸法が比較的小さい積層型圧電アクチュエータを製造することができるという効果がある。
（第３手段）
本発明の第３手段は、請求項３記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法である。
【００１８】
本手段では、絶縁層形成工程は、絶縁材料塗布工程と絶縁材料削除工程とを有する。
先ず、絶縁材料塗布工程は、内周連結部材の溝の全ておよび外周面に絶縁材料を塗布する工程である。本工程では、各種の樹脂などからなる絶縁材料を、溝を含む内周連結部材の外周面に一様に塗布するだけでよいので、工数は少なく作業は容易である。
【００１９】
次に、絶縁材料削除工程は、内周連結部材に塗布された絶縁材料が固化したあと、絶縁材料の一部を研削または切削により内周連結部材の外周面から削り落とし、外周面と同一曲面の表面を持つ絶縁層を形成する工程である。本工程でも、研削盤または切削盤（旋盤など）により、半径一様に溝中の絶縁材料を含む内周連結部材の外周面を形成すればよいので、工数は少なく加工は極めて容易である。本工程では、内周連結部材の外周面も少し切削ないし研削して新たに形成してもよい。
【００２０】
したがって本手段によれば、前述の第２手段における絶縁層形成工程が少ない工数で精密かつ容易になされるので、内周連結部材をさらに容易かつ精密に製造することが可能になるという効果がある。
（第４手段）
本発明の第４手段は、請求項４記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法である。
【００２１】
本手段では、圧電素子積層工程の接合リング固定工程は、内周連結部材に先に固定されている前記接合リングに対して、内周連結部材を貫通孔に通された圧電バイモルフを次の接合リングを介して押圧付勢しつつ、次の接合リングを内周連結部材に溶接する工程である。接合リングの内周連結部材への溶接は、この接合リングが圧電バイモルフを押圧付勢している状態で行われるので、各積層型圧電アクチュエータは所定の挟持力で両側の接合リングに挟持されており、強固に内周連結部材に固定される。それゆえ、圧電バイモルフが屈曲作動する場合にも、圧電バイモルフの表面電極が接合リングと摺動することないので、表面電極と接合リングとの間での導通不良が起こりにくく信頼性が向上する。
【００２２】
したがって本手段によれば、前述の第２手段の効果に加えて、積層型圧電アクチュエータの信頼性が向上するという効果がある。
（第５手段）
本発明の第５手段は、請求項５記載の積層型圧電アクチュエータの製造方法である。
【００２３】
本手段では、前述の第４手段の接合リング固定工程における溶接は、レーザによるスポット溶接、電子ビームによるスポット溶接および抵抗スポット溶接のうちいずれかのスポット溶接により行われる。それゆえ、溶接が精密かつ短時間に行われるので、積層型圧電アクチュエータの信頼性が向上すると共に、溶接の工数が少なくなり接合リング固定工程に要する時間が低減される。
【００２４】
したがって本手段によれば、前述の第４手段の効果に加えて、工数が減って積層型圧電アクチュエータの製造が容易かつ安価になる上に、積層型圧電アクチュエータの信頼性がいっそう向上するという効果がある。
【００２５】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の積層型圧電アクチュエータおよびその製造方法の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得らえるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
［実施例１］
（実施例１の積層型圧電アクチュエータ）
本発明の実施例１としての積層型圧電アクチュエータは、図１および図２に示すように、外周連結部材３が基台Ｂに固定され、中空円筒状の内周連結部材２を四枚の積層された圧電バイモルフ１の屈曲作用により上下動させる作用を持つ。このような構成の積層型圧電アクチュエータは、内周連結部材２の内部を光路とする可変焦点レンズ装置用の焦点駆動アクチュエータとして好適である。このような可変焦点レンズ装置については、特願平８−２９６７８０号の明細書に述べられているので、必要があれば参照されたい。
【００２６】
本実施例の積層型圧電アクチュエータは、四枚が同軸に積層されている圧電バイモルフ１と、各圧電バイモルフ１の内周部を連結している内周連結部材２と、各圧電バイモルフ１の外周部を連結している外周連結部材３と、五個の接合リング４とから構成されている。
四枚ある圧電バイモルフ１は、全て同一の構成であり、同一ピッチＰ（図２参照）で同軸に同一間隔に配設されている。すなわち、各圧電バイモルフ１は、バネ弾性をもつ導電性の薄板からなり中央部に円形の貫通孔が形成されているリング状の弾性板１１と、弾性板１１の両面にそれぞれ接合されている圧電材料からなる薄板である二枚の圧電板１２と、両圧電板１２の表面をそれぞれ覆っている二枚の表面電極１３とを有する。
【００２７】
弾性板１１は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼からなる一様な厚さの打ち抜き鋼板またはエッチング鋼板であり、その厚さは０．０５ｍｍ、内径は６ｍｍ、外径は１６ｍｍである。弾性板１１の両面に同軸に接合している圧電板１２は、ＰＺＴからなるリング状の層であり、その厚さは０．０５ｍｍ、内径は６ｍｍ、外径は１４ｍｍである。圧電板１２のＰＺＴ圧電材料の分極方向は、全ての圧電板１２で同一方向を向いているので、各圧電バイモルフ１の弾性板１１と圧電板１２との間に最大で±３０Ｖ程度の印加電圧Ｅがかかると、圧電板１２は０．０２ｍｍ程度のストロークを生じ、変形前の状態での発生力は６０ｇｆ程度である。なお、圧電バイモルフ１の両面に形成されている表面電極１３は、銀ペーストをスクリーン印刷したものである。
【００２８】
前述のように、各圧電バイモルフ１は、軸長方向に所定の間隔を空けて同軸に配設されているが、圧電バイモルフ１の枚数を増減することにより、その発生力と発生力を伴うストロークとを調整することができる。
内周連結部材２は、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の中空円筒状の部材であり、その内径は５ｍｍ、外径は６ｍｍであって、各圧電バイモルフ１の貫通孔を形成しているそれぞれの内周部を互いに連結している。内周連結部材２の外周面には、１．５ｍｍのピッチで０．５ｍｍの幅の深さＷ＝０．１ｍｍの矩形断面の溝が四本形成されており、溝の内部はエポキシ系の合成樹脂で埋められている。それゆえ、内周連結部材２は、溝部を含めて一様な直径で凹凸がない外周面を有している。
【００２９】
なお、この溝の深さＷおよび幅Ｓ（図３参照）は、工作が容易であり、溝が発揮すべき絶縁性を満足する範囲で設定される。
外周連結部材３は、軸長方向に延在するＳＵＳ３０４ステンレス鋼製の棒状の六本の部材である。外周連結部材３は、各圧電バイモルフ１のそれぞれの外周部を周方向に等間隔に六箇所で互いに連結しており、各圧電バイモルフ１の各弾性板１１に導通している。各外周連結部材３の接合部には、前述の内周連結部材２の六本の溝と同一のピッチで、各圧電バイモルフ１の外周部を受けるように六ヶ所の切り欠きがあり、各外周連結部材３と各圧電バイモルフ１の外周部とはレーザ溶接されている。
【００３０】
接合リング４は五個あり、四枚の圧電バイモルフ１の間に介在するとともに、各圧電バイモルフ１を挟持して各圧電バイモルフ１を内周連結部材２に固定している。接合リング４は、導電性のＳＵＳ３０４ステンレス鋼からなり、各表面電極１３に軸長方向の両端面で当接し表面電極１３に導通しているとともに、内周連結部材２に溶接されて内周連結部材２に内周面で接続している。
【００３１】
なお内周連結部材２は、図３に示すように、前述の導電性の本体部分２１と、その円筒状の外周面に形成された帯状の溝内に配設されている四本の絶縁層２２とからなる。絶縁層２２の幅Ｓは、各圧電バイモルフ１の弾性板１１の厚さよりも十分に広く、かつ各圧電バイモルフ１の厚さよりは短い。それゆえ、各圧電バイモルフ１の弾性板１１の貫通孔の内周部は、それぞれ絶縁層２２に当接して内周連結部材２の導電性の本体部２１からは絶縁されている。
【００３２】
すなわち、各圧電バイモルフ１の弾性板１１は各外周連結部材３と導通しており、両面の表面電極１３は、各接合リング４を介して内周連結部材２の導電性の本体部分２１と導通している。
ここで、各接合リング４は、工作の許容範囲内でなるべく薄く製造されているので、各圧電バイモルフ１の間隔（接合リング４の厚さＶに相当）は最小限に設定されている。それゆえ、積層型圧電アクチュエータの軸長方向の寸法は最小限に抑制され、積層型圧電アクチュエータはコンパクトに構成されている。また、各接合リング４の幅ｔ（内周面と外周面との間隔）も、工作が許す範囲で小さく設定されているので、各圧電バイモルフ１を拘束してその屈曲作用を抑制する範囲は最小限に抑制されている。それゆえ、本実施例の積層型圧電アクチュエータは、従来技術１および従来技術２に比較して、より大きなストロークを発揮することができる。
【００３３】
したがって、本実施例の積層型圧電アクチュエータによれば、可動ストロークが大きい割に軸長方向の寸法を比較的小さく抑制することが可能であるという効果がある。
（実施例１の製造方法）
本発明の実施例１としての積層型圧電アクチュエータの製造方法は、前述の積層型圧電アクチュエータを製造する方法である。本実施例の積層型圧電アクチュエータの製造方法は、大きく分けて絶縁層形成工程と、接合リング固定工程およびバイモルフ配設工程を交互に繰り返すバイモルフ積層工程と、外周連結工程とから構成されている。
【００３４】
絶縁層形成工程は、図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、円筒面状の外周面と外周面に所定の間隔を空けて全周に形成されている四本の帯状の溝２０とを有する導電性の内周連結部材本体２１の各溝２０に、絶縁材料Ｆを充填して外周面と同一曲面の表面を持つ四本の絶縁層２２を形成する工程である。すなわち、絶縁層形成工程は、図４（ｂ）に示す絶縁材料塗布工程と、図４（ｃ）に示す絶縁材料削除工程とを有する。ここで、絶縁材料塗布工程は、内周連結部材の溝の全ておよび外周面に絶縁材料を塗布する工程である。また、絶縁材料削除工程は、内周連結部材に塗布された絶縁材料が固化したあと、絶縁材料の一部を研削または切削により内周連結部材の外周面から削り落とし、外周面と同一曲面の表面を持つ絶縁層を形成する工程である。
【００３５】
先ず、図４（ａ）に示すように、円筒面状の外周面と外周面に所定の間隔を空けて全周に形成されている四本の帯状の溝２０とを有する、導電性の内周連結部材２の本体部材２１が用意される。本体部材２１の長さは５ｍｍであって、その直径φＤは６ｍｍである。一方、溝２０の外径φｄは５．９ｍｍ程度であって、その深さＷ（図３参照）は約１００μｍである。溝２０の幅Ｓは前述のように０．５ｍｍであり、そのピッチＰは各圧電バイモルフ１のピッチＰ（図３参照）と同一の１．５ｍｍである。なお、溝２０の底面を縁取る隅部には、溝２０を形成する工作が容易で応力集中が少ないように、適当なアールが形成されている。
【００３６】
次に、図４（ｂ）に示すように、絶縁材料塗布工程で、全ての溝２０を含む内周連結部材２の本体部材２１の外周面に、エポキシ系の合成樹脂である絶縁材料Ｆが塗布される。この際、溝２０の中にボイド（気泡）が生じないように留意して、上記塗布作業が行われる。より具体的な絶縁材料Ｆとしては、日東電工社製の接着剤ニトロフィックス（商品名）が、最も強固に本体部材２１に付着し、絶縁材料削除工程での切削性および内周連結部材２完成後の絶縁機能を満足しており、良好な試作結果をもたらした。
【００３７】
なお、絶縁材料塗布工程の手段は、上記接着剤の塗布に限定されることなく、各種の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂の塗布でもよく、あるいはテフロンコーティングなどの手段でも構わない。
塗布された絶縁材料Ｆが固化したら、絶縁材料削除工程に入り、図４（ｃ）に示すように、絶縁材料Ｆが塗布された本体部材２１を旋盤にかけ、切削バイトＣで外周面に沿って切削し、本体部材２１の外周面から完全に絶縁材料Ｆを削り落とす。この際、本体部材２１の外周面も少し削られてちょうど良い外形寸法になるようにしても良い。この絶縁材料削除工程の結果、図４（ｃ）に示すように、本体部材２１と絶縁層２２とが同一円筒面の外周面を形成するようになる。
【００３８】
以上の絶縁層形成工程では、次のような効果がある。先ず、絶縁材料塗布工程では、絶縁材料Ｆを溝２０を含む内周連結部材２の本体部材２１の外周面に一様に塗布するだけでよいので、工数は少なく作業は容易である。次に、絶縁材料削除工程でも、旋盤により半径一様に溝２０中の絶縁材料Ｆを含む内周連結部材２の外周面を形成すればよいので、工数は少なく加工は極めて容易である。したがって、絶縁層形成工程では、予め本体部材２１に精密に形成されている溝２０の寸法通りに、精密な寸法で絶縁層２２が配設されている内周連結部材２が、極めて容易に製造されるという効果がある。
【００３９】
次に、接合リング固定工程は、図５に示すように、内周連結部材２の絶縁層２２と所定間隔離れた部分に導電性でリング状の接合リング４を固定し内周連結部材２と接合リング４とを導通させる工程である。また、バイモルフ配設工程は、圧電バイモルフ１の中央部に形成されている円形の貫通孔に内周連結部材２を挿通し、圧電バイモルフ１の両面の圧電板１２のうち一方の表面電極１３を予め接合されている接合リング４の端面に当接させて圧電バイモルフを配設する工程である。バイモルフ積層工程は、上記接合リング固定工程と上記バイモルフ配設工程とを交互に繰り返し、内周連結部材２を軸にして五個の接合リング４に挟持された四枚の圧電バイモルフ１を積層していく工程である。
【００４０】
すなわちバイモルフ積層工程では、図５に示すように、内周連結部材２の外周面に内周面を当接させて、接合リング４Ａ、圧電バイモルフ１Ａ、接合リング４Ｂ、圧電バイモルフ１Ｂ、接合リング４Ｃ、圧電バイモルフ１Ｃ、接合リング４Ｄの順で積層されていく。さらに、図示されてはいないが、圧電バイモルフ１Ｄと接合リング４Ｅとが積層されて、そのバイモルフ積層工程中の接合リング固定工程において、全ての接合リング４Ａ〜４Ｅが内周連結部材２の本体部材２１の外周面に溶接される。その結果、各接合リング４Ａ〜４Ｅに挟持されて、各圧電バイモルフ１Ａ〜１Ｄが内周連結部材２に固定されるとともに、各圧電バイモルフ１の両表面電極１３が各接合リング４Ａ〜４Ｅを介して内周連結部材２の本体部材２１に接続される。バイモルフ積層工程での積層の結果、再び図３に示すように、内周連結部材２の本体部材２１と各表面電極１３との導通構造と、絶縁層２２による内周連結部材２の本体部材２１と圧電バイモルフ１の弾性板１１との絶縁構造とが、構成される。
【００４１】
しかる後、最後に外周連結工程で、前述の各圧電バイモルフ１の弾性板１１の外周部に、周方向等間隔に六本の外周連結部材３が軸長方向に並べられ、それぞれの接合部でレーザー溶接される。すなわち、外周連結工程は、内周連結部材２を軸にし軸長方向に所定の間隔を空けて積層された各圧電バイモルフ１の導電性弾性板１１の外周部に、導電性の外周連結部材３を接合する工程である。
【００４２】
以上で本実施例の積層型圧電アクチュエータの製造が完了するが、製造完了後、本実施例の積層型圧電アクチュエータは、再び図２に示すように、可変焦点レンズ装置の基台Ｂ等に設置されて使用される。
本実施例の積層型圧電アクチュエータの製造方法は以上のように実施されるので、以下のような作用効果を有する。
【００４３】
すなわち、上記いずれの工程においても、複雑な形状の部品が必要となることはなく、特別に難しい加工を要することもないので、比較的安価に積層型圧電アクチュエータを製造することができるという効果がある。この効果は、試作および少量生産においても、大量生産時とほぼ同様に発揮される。また、接合リング４の軸長方向の寸法（厚さＶ）をできる限り短くすることにより、互いに隣り合う圧電バイモルフ１の間隔を最小限に抑制することができる。同時に、接合リング４の外径（ないし幅ｔ、図２参照）を小さく収めることにより、圧電バイモルフのうち接合リング４によって屈曲作用が拘束される部分が最小限に抑制され、圧電バイモルフ１の屈曲作用を持つ有効部分を最大限にすることができる。その結果、積層型圧電アクチュエータの軸長方向の寸法を最小限に抑制しながら、比較的ストロークを大きな積層型圧電アクチュエータが発揮することが可能になる。
【００４４】
したがって本実施例の製造方法によれば、製造コストが比較的安価であって、大量生産ばかりにではなく試作および少数生産にも好適であり、可動ストロークが大きい割に軸長方向の寸法が小さい積層型圧電アクチュエータを製造することができるという効果がある。
（本実施例の製造用治具）
本実施例の積層型圧電アクチュエータの製造方法のうち前述のバイモルフ積層工程においては、図６に示すように、押圧型積層治具Ｚ１，Ｚ２を使用することにより、作業効率と作業精度とを高めることができる。
【００４５】
押圧型積層治具Ｚ（Ｚ１，Ｚ２）は、内周連結部材２を保持する保持治具Ｚ１と、未固定の接合リング４を介して圧電バイモルフ１を固定済みの接合リング４に押圧する押圧治具Ｚ２とから構成される。保持治具Ｚ１および押圧治具Ｚ２は、同軸に配設されて回動自在に軸支されており、ステップモータ（図略）で所望の回転角に設定される。
【００４６】
保持治具Ｚ１には、一端に内径が内周連結部材２の外径と一致している開口端が形成されている。開口端の内部からは、複数の板バネからなるクリップＺ１１が遠心方向に向かって突出しており、内周連結部材２は、上記開口端との嵌合と複数のクリップ１１の遠心方向への押圧力によって保持治具Ｚ１に固定されている。
【００４７】
一方、押圧治具Ｚ２は、内周連結部材２に被さる中空円筒部とスプリングＺ２２を内蔵している他の中空円筒部とを同軸に有する押圧部材Ｚ２１と、押圧部材Ｚ２１をスプリングＺ２２により押圧付勢する加圧シャフトＺ２３とを有する。スプリングＺ２２によるスライド・ストロークは、加圧シャフトＺ２３の外周面に軸長方向に形成されている溝Ｚ２３１に、押圧部材Ｚ２１に固定されたピンＺ２１１が嵌合して制限されている。それゆえ、ピンＺ２１１は押圧部材Ｚ２１と加圧シャフトＺ２３との抜け止めともなっている。押圧部材Ｚ２１の開口部Ｚ２０は、内周連結部材２の外周面と緩み嵌めになる内径をもつ内周面を有し、その開口端面は平面であって接合リング４の端面を押圧付勢する。上記開口端のうち複数箇所には、周方向等間隔に矩形の切り欠き窓が形成されており、これらはレーザビームＬが入射する溶接用窓ＺＷである。
【００４８】
以下にこの押圧型積層治具Ｚ１，Ｚ２の作用を図６を参照して説明する。
図６では、保持治具Ｚ１が内周連結部材２の一端を保持して固定している。一方、押圧治具Ｚ２は、二枚目の圧電バイモルフ１Ｂおよび三個目の接合リング４Ｃを、すでに内周連結部材２に接合されている二個目の接合リング４Ｂに対して押圧している。この押圧力は、上記スライド・ストローク内でのスプリングＺ２２の付勢力に起因しているから、常に適正な範囲に収まっている。この状態で、押圧部材Ｚ２１の開口端に接して開口している溶接用窓ＺＷからレーザビームＬが照射され、接合リング４Ｃの一端面と内周連結部材２外周面とを接合するスポット溶接が行われる。
【００４９】
しかる後、製造中の積層型圧電アクチュエータは、押圧型積層治具Ｚ１，Ｚ２とともにステップモータで所定の角度だけ回転させられる。その結果、隣接する次の溶接用窓ＺＷ（図略）がレーザビームＬの照射位置に配設されて、次の位置でのレーザ溶接が行われる。（あるいは、複数箇所の溶接用窓ＺＷから同時にレーザビームＬが入射して、同時に複数箇所で溶接が行われるようにしても良い。なお、電子ビーム溶接によるスポット溶接や、抵抗溶接によるスポット溶接でも構わない。）
接合リング４の内周連結部材２に対する溶接が完了したら、押圧治具Ｚ２はいったん後退して内周連結部材２から抜き取られ、再び図５に示すように、次の圧電バイモルフ１Ｃおよび接合リング４Ｄが内周連結部材２に挿置される。圧電バイモルフ１Ｃの内周連結部材２への挿置は、バイモルフ配設工程に相当する。しかる後、再び押圧治具Ｚ２が次の圧電バイモルフ１Ｃおよび接合リング４Ｄに当接して押圧付勢した状態で、接合リング固定工程のレーザ溶接が続けられる。このように、バイモルフ配設工程と接合リング固定工程とが繰り返されて、バイモルフ積層工程が実施されていく。
【００５０】
以上のように、押圧型積層治具Ｚ（Ｚ１，Ｚ２）を使用することにより、常に適正な押圧力で各圧電バイモルフ１および各接合リング４を押圧付勢しつつ、複数箇所でのレーザビームによるスポット溶接が行われる。それゆえ、高い作業効率でバイモルフ積層工程が行われるばかりではなく、極めて高い工作精度でバイモルフ積層工程が行われるという効果がある。
【００５１】
（実施例１の変形態様）
前述の実施例１の積層型圧電アクチュエータにおいて、図７に示すように、外周連結部材３と圧電バイモルフ１との接合部の構成を変更した変形態様が実施可能である。本変形態様では、外周連結部材３にはＶ字溝３Ｅが形成されており、圧電バイモルフ１の弾性板１１の外周部にはＶ字状に突出したエッジ１Ｅが形成されて、外周連結部材３のＶ字溝３Ｅに嵌合している。そして、各圧電バイモルフ１の弾性板１１と各外周連結部材３とはそれぞれの接合部において、ゴム弾性を有する導電性の接着剤Ａにより接着されて接合され、互いに導通している。
【００５２】
本変形態様では、接着剤Ａがそのゴム弾性により変形するので、接合部において各圧電バイモルフ１の弾性板１１の傾きが各外周連結部材３に拘束されない。したがって本変形態様によれば、積層型圧電アクチュエータのストロークをより大きくすることができるという効果がある。
［実施例２］
（実施例２の積層型圧電アクチュエータ）
本発明の実施例２としての積層型圧電アクチュエータは、図８および図９に示すように、孔内を移動するマイクロマシンの駆動部を構成するものである。それゆえ本実施例において、外周連結部材３’，３”のうち３’は、移動すべき孔の内周面にバネ弾性をもって当接するクランプ脚である。
【００５３】
本実施例の積層型圧電アクチュエータは、実施例１と同様に、四枚が同軸に積層されている圧電バイモルフ１’と、各圧電バイモルフ１’の内周部を連結している内周連結部材２’と、各圧電バイモルフ１’の外周部を連結している外周連結部材３’，３”と、五個の接合リング４’とから構成されている。
内周連結部材２’が中実の丸棒状をしており、内周連結部材２’の外周面の直径が実施例１の内周連結部材２の外径に対してずっと小さく、これに伴って圧電バイモルフ１’の中央部に形成されている貫通孔の内径も実施例１に比べて小さくなっている。また、前述のように、外周連結部材３’，３”のうち３’は、移動すべき孔の内周面に当接するクランプ脚である。以上の二点を除き、実施例２の構成は実施例１の構成とほぼ同様である。
【００５４】
したがって、その作用効果も実施例１とほぼ同様である。ただし、圧電バイモルフ１’の屈曲作用を持つ有効部分が増大している分だけ、積層型圧電アクチュエータの発揮しうるストロークも実施例１に比べて増大している。
（実施例２の製造方法）
本実施例の積層型圧電アクチュエータも、実施例１の製造方法とほぼ同様の製造方法で製造することができる。バイモルフ積層工程で使用する押圧型積層治具も、内周連結部材２’、圧電バイモルフ１’および接合リング４’の寸法に合わせて改修するだけで、実施例１の押圧型積層治具Ｚ１，Ｚ２と同様の構成で使用可能である。
【００５５】
したがって、実施例２の製造方法の持つ作用効果も、実施例１のそれとほぼ同一である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の積層型圧電アクチュエータの構成を示す平面図
【図２】実施例１の積層型圧電アクチュエータの構成を示す側断面図
【図３】実施例１の同アクチュエータの内周接合部の構成を示す側端面図
【図４】実施例１の製造方法の絶縁層形成工程を示す組図
（ａ）内周連結部材の本体部材の外形を示す側面図
（ｂ）絶縁材料塗布工程を示す側面図
（ｃ）絶縁材料削除工程を示す側面図
（ｄ）完成した内周連結部材の外形を示す側面図
【図５】実施例１の製造方法のバイモルフ積層工程を示す斜視図
【図６】実施例１の押圧型積層治具の構成および作用を示す側面図
【図７】実施例１の変形態様の外周接合部の構成を示す側断面図
【図８】実施例２の積層型圧電アクチュエータの構成を示す平面図
【図９】実施例２の積層型圧電アクチュエータの構成を示す側端面図
【図１０】従来技術１のアクチュエータの内周接合部の構成を示す側断面図
【図１１】従来技術２のアクチュエータの内周接合部の構成を示す側断面図
【符号の説明】
１，１’，１Ａ〜１Ｄ：圧電バイモルフ
１１，１１’：弾性板（導電性）    １１Ｅ：エッジ
１２，１２’：圧電板（ＰＺＴ）    １３，１３’：表面電極
２，２’：内周連結部材
２０：溝    ２１：本体部材（導電性）    ２２：絶縁層
３，３’，３”：外周連結部材（３’：クランプ脚）    ３Ｅ：Ｖ字溝
４，４’，４Ａ〜４Ｅ：接合リング（導電性）
Ｂ：基台    Ｅ：印加電圧    Ｆ：絶縁材料
Ａ：導電性接着剤（ゴム弾性）    Ｃ：切削バイト
Ｐ：圧電バイモルフおよび溝のピッチ
Ｓ：溝および絶縁層の幅    Ｗ：絶縁層の深さ
ｔ：接合リングの幅    Ｖ：接合リングの厚さ
φＤ：内周連結部材の本体部材の外径
φｄ：内周連結部材の溝の外径
Ｚ：押圧型積層治具
Ｚ１：保持治具    Ｚ１０：開口端    Ｚ１１：クリップ
Ｚ２：押圧治具
Ｚ２０：開口部    Ｚ２１：押圧部材    Ｚ２１１：ピン
Ｚ２２：スプリング    Ｚ２３：加圧シャフト    Ｚ２３１：溝
ＺＷ：溶接用窓
Ｌ：レーザビーム
【図１】
0003634350.tif 000002
【図２】
0003634350.tif 000003
【図３】
0003634350.tif 000004
【図４】
0003634350.tif 000005
【図５】
0003634350.tif 000006
【図６】
0003634350.tif 000007
【図７】
0003634350.tif 000008
【図８】
0003634350.tif 000009
【図９】
0003634350.tif 000010
【図１０】
0003634350.tif 000011
【図１１】
0003634350.tif 000012