(57)【要約】【課題】多連化した圧電アクチュエータ本体が湾曲するリスクを本質的に低減できる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ１００であって、複数の圧電素子１１２を直列方向に積み重ねた圧電アクチュエータ本体１１０と、圧電アクチュエータ本体１１０の長手方向の所定位置で側面周囲に装着された支持巻部１１５と、圧電アクチュエータ本体１１０および支持巻部１１５を内部に収容し、圧電アクチュエータ本体１１０の先端に当接することで圧電アクチュエータ本体１１０の変位を外部に伝えるキャップ１２０と、を備え、支持巻部１１５は、キャップ１２０の内側面に接して圧電アクチュエータ本体１１０の側面を支持し、圧電アクチュエータ本体１１０の湾曲を防止する。これにより、圧電アクチュエータ本体１１０が伸縮を繰り返しても素子間の接着部分が変形し湾曲しない。【選択図】図１
2014011337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、
複数の圧電素子を直列方向に積み重ねた圧電アクチュエータ本体と、
前記圧電アクチュエータ本体の長手方向の所定位置で側面周囲に装着された支持巻部と、
前記圧電アクチュエータ本体および前記支持巻部を内部に収容し、前記圧電アクチュエータ本体の先端に当接することで前記圧電アクチュエータ本体の変位を外部に伝えるキャップと、を備え、
前記支持巻部は、前記キャップの内側面に接して前記圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、前記圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記支持巻部は、前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜であることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記支持巻部は、絶縁材料により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記支持巻部は、前記圧電アクチュエータ本体を構成する圧電素子の保護層の周囲に装着されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記支持巻部は、熱収縮性を有する樹脂で形成され、前記熱収縮性で発生した収縮力により前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に固定されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
内部電極と圧電層とを積層して焼成により得られた圧電素子は電圧印加時に積層方向に伸縮するが、単体では変位量が小さい。そこで、いくつもの圧電素子を積み重ね、多連化した圧電アクチュエータ本体を構成し、トータルで大きな変位量を得る方法が知られている。たとえば特許文献１では、このように多連化した圧電素子で構成される積層型圧電アクチュエータの性能を向上させる工夫がなされている。このようにして、積層型圧電アクチュエータは大きな変位を得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２７７８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図４（ａ）、（ｂ）は、いずれも従来の圧電アクチュエータ９００を示す側面図である。上記の多連化により、圧電素子９１２を接着剤により接着し形成された積層型の圧電アクチュエータ本体９１０は、湿度による劣化を防ぐために、金属製のキャップ９２０に封止されている。キャップ９２０内の圧電アクチュエータ本体９１０の最上段の上面と下段の下面（上を変位側、下を固定側とする）とは各々接着剤または位置決め機構により、キャップ９２０の底部および座９３０に固定されている。圧電アクチュエータ本体９１０は、その軸がキャップ９２０の中心に位置するよう位置決めされている。
【０００５】
図５は、従来の圧電アクチュエータ本体９１０を示す平面図である。たとえば、圧電アクチュエータ本体９１０が１５０μｍ以上変位するためには、□６ｍｍ×１０ｍｍの圧電素子９１２を、１０段以上多連化する必要がある。使用時にはキャップ９２０に数１００Ｎもの力が加わるが、圧電素子９１２が膨張する際にはその中心部９１５が周囲９１６に比べて大きく変位するため、変位と収縮を繰り返すことで、圧電素子９１２間の接着部が徐々に変形し、結果として、圧電アクチュエータ本体９１０の全体が湾曲するという不具合が発生する。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、多連化した圧電アクチュエータ本体が湾曲するリスクを本質的に低減できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子を直列方向に積み重ねた圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の長手方向の所定位置で側面周囲に装着された支持巻部と、前記圧電アクチュエータ本体および前記支持巻部を内部に収容し、前記圧電アクチュエータ本体の先端に当接することで前記圧電アクチュエータ本体の変位を外部に伝えるキャップと、を備え、前記支持巻部は、前記キャップの内側面に接して前記圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、前記圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止することを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明の圧電アクチュエータは、支持巻部がキャップの内側面に接して圧電アクチュエータ本体の側面を支持し、直列方向に積み重ねられた圧電アクチュエータ本体の湾曲を防止している。これにより、圧電アクチュエータ本体が伸縮を繰り返しても素子間の接着部分が変形せず、湾曲しない。
【０００９】
（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜であることを特徴としている。これにより、支持巻部は弾性力で圧電アクチュエータ本体の側面周囲に緩やかに固定できるため、キャップとの伸縮差によっても圧電アクチュエータ本体の変位は阻害されない。
【００１０】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、絶縁材料により形成されていることを特徴としている。これにより、キャップと圧電アクチュエータ本体との絶縁を維持することができ、外部電極のショート等を防止できる。
【００１１】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、前記圧電アクチュエータ本体を構成する圧電素子の保護層の周囲に装着されていることを特徴としている。保護層は電圧印加による伸縮を生じない部分であるため、支持巻部は伸縮による影響を受けにくくなり、装着位置がずれる等の不具合を防止できる。
【００１２】
（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記支持巻部が、熱収縮性を有する樹脂で形成され、前記熱収縮性で発生した収縮力により前記圧電アクチュエータ本体の側面周囲に固定されていることを特徴としている。これにより、支持巻部の装着が容易になり、装着部は装着個所からずれにくくなる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、多連化した圧電アクチュエータ本体が湾曲するリスクを本質的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の圧電アクチュエータを示す側面図である。
【図２】第１の実施形態の圧電アクチュエータを示す平断面図である。
【図３】第２の実施形態の圧電アクチュエータを示す側面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）いずれも従来の圧電アクチュエータを示す側面図である。
【図５】従来の圧電アクチュエータ本体を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１は、圧電アクチュエータ１００を示す側面図である。圧電アクチュエータ１００は、電圧の印加により伸縮し、電圧に応じて先端が変位するものであり、たとえばポジショナ（位置決め装置）、マスフローコントローラ等に用いられる。図１に示すように、圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１１０、キャップ１２０および座１３０を備えている。
【００１７】
圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１２が直列方向に積み重ねられて直線上で伸縮するように構成されている（多連化）。また、圧電素子１１２は、圧電層と内部電極とが交互に積層されて形成されている。圧電アクチュエータ本体１１０は、圧電素子１１２を複数個、伸縮方向に直列に端面で接着して多連化したものである。圧電素子１１２を多連化することで、効率よく大きな変位を得ることができる。図１に示す例では、圧電アクチュエータ本体１１０は、６個の圧電素子１１２を多連化して形成されている。このようにして、圧電アクチュエータ本体１１０からは圧電素子１１２を６連とした場合の変位量が得られる。
【００１８】
支持巻部１１５は、圧電アクチュエータ本体１１０の長手方向の所定位置で側面周囲に装着されている。支持巻部１１５は、キャップ１２０の内側面に接して圧電アクチュエータ本体１１０の側面を支持し、圧電アクチュエータ本体１１０の直線上の伸縮軸がずれないように維持する。その結果、圧電アクチュエータ本体１１０が伸縮を繰り返しても素子間の接着部分が変形せず、湾曲することがなくなる。
【００１９】
支持巻部１１５は、圧電素子１１２の保護層の周囲（積層方向の保護層の位置で保護層を覆っている状態）に装着されていることが好ましい。保護層は電圧印加による伸縮を生じないため、支持巻部１１５は伸縮による影響を受けにくくなり、装着位置がずれる等の不具合を防止できる。なお、保護層とは、加工代として圧電素子１１２の積層方向の両端部に設けられ、電圧が印加されず直接駆動されない層である。
【００２０】
支持巻部１１５は、周囲にキャップ１２０の内壁があるため、圧電素子１１２の伸縮方向に垂直な方向への動きが拘束されている。これにより、キャップ１２０内で圧電アクチュエータ本体１１０を適正な位置に保持でき、圧電アクチュエータ本体１１０の湾曲を防止できる。
【００２１】
支持巻部１１５が無い場合には、多連化数が多くなるにつれて、圧電アクチュエータ本体１１０の湾曲が顕著になるが、図１に示すように、中間高さに圧電素子１１２に外接し、かつキャップ１２０に内接する支持巻部１１５を設けることで、圧電アクチュエータ本体１１０がキャップ１２０の概略中心に固定される。
【００２２】
キャップ１２０は、たとえばＳＵＳのような金属製であり、有底開口の円筒形状に形成されている。そして、底側には、圧電アクチュエータ１００の先端として変位を伝えるための球状突起１２５を備えている。キャップ１２０は、圧電アクチュエータ本体１１０および支持巻部１１５を内部に収容し、圧電アクチュエータ本体１１０の先端に底部が当接することで圧電アクチュエータ本体１１０の変位を外部に伝える。キャップ１２０の開口部は座１３０に固着されており、圧電素子１１２のリード線を、座１３０を通して外に出してキャップ１２０内は封止されている。
【００２３】
座１３０は、圧電アクチュエータ本体１１０を支持しており、キャップ１２０が固着されている。たとえばポジショナ等では、キャップ１２０の先端と座１３０との間に予圧をかけた状態で圧電アクチュエータ本体１１０が収容されている。
【００２４】
（支持巻部）
図２は、圧電アクチュエータ１００を示す平断面図である。支持巻部１１５は、圧電アクチュエータ本体１１０の側面周囲に重ねて巻かれた弾性膜で構成されていることが好ましい。これにより、支持巻部１１５は弾性力で緩やかに圧電アクチュエータ本体１１０を側面周囲に固定できるため、キャップ１２０との伸縮差によっても圧電アクチュエータ１００の変位が阻害されない。
【００２５】
また、支持巻部１１５の材料は、電気的にキャップ１２０と圧電アクチュエータ本体１１０とが絶縁されるものであることが好ましい。これにより、外部電極のショート等を防止できる。なお、キャップ１２０の内側もしくは圧電素子１１２の外側に十分な絶縁を施すことができれば、支持巻部１１５自体は電気を通す金属部品であってもよい。
【００２６】
以上から、支持巻部１１５の材料は、プラスチックや樹脂などの絶縁性を有しかつ弾性を有する部材が好ましく、特に熱収縮チューブなどを幾重にも巻いた構造が好ましい。樹脂の例としては、ポリプロピレンやポリカーボネートが挙げられる。
【００２７】
熱収縮チューブを用いた支持巻部１１５は、熱収縮性で発生した収縮力により圧電アクチュエータ本体１１０の側面周囲に固定される。これにより、支持巻部１１５の装着が容易になり、支持巻部１１５は、装着個所からずれにくくなる。熱収縮チューブ以外の硬質材を用いることも可能であるが、その場合には接着剤を用いる必要が生じる。その場合には、支持巻部１１５のずれは防止できるものの必要以上に圧電アクチュエータ本体１１０を拘束し、伸縮を阻害しうる。
【００２８】
支持巻部１１５が熱収縮チューブで構成されている場合には、周囲からソフトに圧電アクチュエータ本体１１０を拘束するとともに、材料自体に伸縮性があり、圧電アクチュエータ本体１１０の伸縮を拘束しない。
【００２９】
圧電素子１１２を側面から支持し、変位を妨げない材料は、その弾性係数の１／１００以下が好ましい。圧電素子１１２にＰＺＴを用いた場合、その弾性係数は５００ＧＰａ程度である。したがって、上記のポリプロピレンやポリカーボネート（弾性係数２ＧＰａ程度）等よりも、熱収縮チューブに用いられるようなポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリフッ化ビニリデンおよびＰＦＡ、ＰＴＦＥ、ＦＥＰなどのフッ素樹脂類（弾性係数０．２ＧＰａ程度）は、変位を妨げない材料として好ましい。
【００３０】
（圧電アクチュエータの製造方法）
次に、上記のように構成された圧電アクチュエータ１００の製造方法を説明する。まず、圧電素子１１２、キャップ１２０および座１３０を準備する。圧電アクチュエータ本体１１０は、所定個数の圧電素子１１２を積層方向の端面で接着して直列に連結（多連化）し、分極処理して作製する。
【００３１】
次に、形成された圧電アクチュエータ本体１１０に支持巻部１１５を装着してキャップ１２０内に挿入する。支持巻部１１５は、たとえば熱収縮チューブを複数重ねて所定位置に巻き、熱を加えて収縮させることで形成できる。
【００３２】
そして、最後に、キャップ１２０と座１３０とを固着し、リード線を通した孔を封止する。このようにして、湾曲を防止できる圧電アクチュエータ１００を容易に製造することができる。
【００３３】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、支持巻部１１５は、圧電アクチュエータ本体１１０の全長を２分割した中間位置に一つ設けられているが、複数箇所に支持巻部が設けられていてもよい。図３は、圧電アクチュエータ２００を示す側面図である。
【００３４】
圧電アクチュエータ２００は、支持巻部２１５ａ、２１５ｂ以外は圧電アクチュエータ１００と同様に構成されている。圧電アクチュエータ２００には、圧電アクチュエータ本体１１０の全長を３等分した位置に支持巻部２１５ａ、２１５ｂがそれぞれ設けられている。これにより、支持個所が複数となり、圧電アクチュエータ本体１１０が湾曲するリスクをさらに低減できる。なお、圧電素子１１２の多連化の段数が増えた場合は、４分割、５分割することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  圧電アクチュエータ
１１０  圧電アクチュエータ本体
１１２  圧電素子
１１５  支持巻部
１２０  キャップ
１２５  球状突起
１３０  座
２００  圧電アクチュエータ
２１５ａ、２１５ｂ  支持巻部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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