(57)【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、
両端に凸部を備える複数の圧電素子と、
前記圧電素子の両端側に配置された複数の当接部材と、
前記複数の圧電素子と前記複数の当接部材を直列方向に交互に積み重ねた配置に対し、互いに隣接する前記当接部材の間を締結する締結機構と、を有する圧電アクチュエータ本体を備え、
前記圧電アクチュエータ本体は、前記圧電素子の両端側にそれぞれ別の当接部材が当接し、
前記締結機構は、前記圧電素子の一端側の当接部材と他端側の当接部材とを接続して締結し、前記当接部材の間に締結力を加え、
前記当接は、前記凸部と前記当接部材に設けられた凹部とによる当接の軸上の点を重心とする３点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記締結機構は、弾性部材で構成されてい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】
前記弾性部材は、前記当接の軸を重心として締結力が加わるように配置されることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
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の製造方法であって、
前記複数の圧電素子および当接部材を交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結機構により締結して前記圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、
前記形成された圧電アクチュエータ本体をキャップ内に挿入する工程と、
前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【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およびその製造方法に関する。
【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】
しかしながら、多連化された圧電アクチュエータ本体は長尺となり、落下など横方向の外力に対して弱く、破損が起こりやすい。また、圧電素子同士が接着剤により強力に接着されているために、多連化された圧電アクチュエータ本体の内に一つでも不良品の圧電素子があると、その不良が発生した圧電素子に連なっている良品の圧電素子も全て使用不能とになり、損失が大きくなりやすい。
【０００５】
これに対しては、本発明の発明者らにより、図４に示すように複数の圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を直列方向に交互に当接させて圧電アクチュエータ本体２１０を形成するという対策が提案されている。しかし、ポジショナ等で用いられる圧電アクチュエータは、主に変位面に予圧を掛けつつ使用される。よって、この構造では、図５に示すように当接部材１１８を中心として屈曲が生じるおそれがある。
【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、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させるとともに、予圧が加わった状態でも当接位置における屈曲を防止できる圧電アクチュエータおよびその製造方法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、複数の圧電素子および前記複数の圧電素子のそれぞれの端部に当接する当接部材を直列方向に交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結する締結機構により、前記当接部材間に締結力が加えられている圧電アクチュエータ本体を備え、前記当接は、凸部と凹部とによる当接の軸上の点を重心とする３点以上でなされ、前記当接の軸方向が伸縮方向に一致してい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、複数の圧電素子および当接部材を直列方向に交互に当接させて圧電アクチュエータ本体を形成しているため、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させることができる。また、締結機構を有し、当接部材の間に締結力を加えているため、予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲を防止できる。
【０００９】
（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記締結機構が、弾性部材で構成されていることを特徴としている。これにより、当接部材間に容易に締結力を与えることができる。
【００１０】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記弾性部材が、前記当接の軸を重心として締結力が加わるように配置されることを特徴としている。これにより、バランスよく締結力を加えた圧電アクチュエータ本体を構成することができ、圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲の防止効果を高めることができる。
【００１１】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、上記の圧電アクチュエータの製造方法であって、前記複数の圧電素子および当接部材を交互に積み重ね、互いに隣接する前記当接部材の間を締結機構により締結して前記圧電アクチュエータ本体を形成する工程と、前記形成された圧電アクチュエータ本体をキャップ内に挿入する工程と、前記キャップと座とを固着する工程と、を含むことを特徴としている。これにより、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも当接位置における屈曲を防止できる圧電アクチュエータを容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の圧電アクチュエータを示す側断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）当接部材を示す正面図、側面図および背面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）本発明の圧電アクチュエータの作製工程の各場面を示す断面図である。
【図４】比較例の圧電アクチュエータ本体を示す側断面図である。
【図５】比較例の圧電アクチュエータ本体を示す側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（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を示す側断面図である。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。
【００１６】
圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１２、当接部材１１７〜１１９および締結機構１１５により構成されている。圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を直列方向に交互に積み重ね、隣合う当接部材１１７〜１１９間を締結機構１１５で締結することで形成されている。圧電素子１１２は、両端に凸部１１４を有している。凸部１１４は、球状突起であり、ＳＵＳで形成されていることが好ましいが、セラミック製であってもよい。凸部１１４は、球の中心が圧電素子１１２の中心軸上に位置するように形成されていることが好ましい。当接部材１１７〜１１９は、複数の圧電素子１１２のそれぞれの端部に当接している。
【００１７】
なお、圧電素子１１２は、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電体（焼成体）１１３の単体であってもよいが、これを複数個、端面で直列に接着して多連化したものであることが好ましい。圧電体１１３を多連化して圧電素子１１２が形成されることで、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、圧電素子１１２は、６個の圧電体１１３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による変位量は圧電体１１３を１２連とした場合の変位量を維持している。
【００１８】
圧電素子１１２は当接部材１１８を介して当接のみで締結されている。したがって、複数の圧電素子１１２のいずれかに不良が生じたときでも不良のあった圧電素子１１２だけを入れ替えて用いることができる。圧電アクチュエータ１００では、仮に先端側の圧電素子１１２において圧電体１１３の不良品が確認された場合でも、それが座側の圧電素子１１２に影響を与えることは無く、座側の圧電素子１１２の再利用が可能となる。
【００１９】
また、多連化により長尺化させていないため圧電アクチュエータ１００全体の反り量を低減できる。単体の圧電体１１３の両端面には平行度にばらつきがあり、それらを多連化し、ばらついている部分が積み重ねられると多連化による反りが発生する。この反り量は多連化が多い程に大きく、顕著となり、ずれを生じさる。圧電アクチュエータ１００では、一体に多連化される圧電体１１３の数が減り、また寸法精度を設けた当接部材１１７〜１１９を用いるため、反り量を分散させて、ずれを低減することができる。また、長尺化せずに圧電素子１１２の両端間を短くすることで、一定の外力が加わったときに圧電素子１１２に発生するモーメントが減少し、外力への耐力が向上する。
【００２０】
当接部材１１７〜１１９は、たとえば金属製であり、少なくとも一方の主面に凹部１１６を有する。先端側の当接部材１１７は、座１３０側の主面に凹部１１６を有し、連係用の当接部材１１８は、両主面に凹部１１６を有し、座側の当接部材１１９は、先端側の主面に凹部１１６を有している。図２（ａ）〜（ｃ）は、連係用の当接部材１１８を示す正面図、側面図および背面図である。
【００２１】
凹部は、円錐状穴として形成され、凸部１１４と凹部１１６との各当接は、これらの軸上の点を中心とする円上でなされている。なお、円上で当接することが好ましいが、少なくとも凸部１１４および凹部１１６の軸上の点を重心とする３点以上で当接がなされ、当接の軸方向が伸縮方向に一致していればよい。３点以上で当接することで、凸部１１４が所定位置から伸縮方向に垂直な方向にずれることがない。なお、当接の軸とは、凸部１１４および凹部１１６の形状の対称性から決まる軸である。
【００２２】
このように凸部１１４と凹部１１６とが当接することで、複数の圧電素子１１２を適正な位置で積み重ねやすい。そして、当接により圧電アクチュエータ本体１１０が構成されることで、凸部１１４が、凹部１１６上で滑って外力を逃がすことが可能となり、圧電アクチュエータ１００が外力を受けたときの耐力を向上させることができる。そして、圧電素子１１２の伸縮方向への力を十分に伝えることができる。
【００２３】
当接部材１１７〜１１９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移動が拘束されている。これにより、キャップ１２０内で圧電素子１１２を適正な位置で積み重ねることができる。また、キャップ１２０内に所定の順序で圧電素子１１２と当接部材１１７〜１１９を入れることで圧電アクチュエータ本体１１０を形成できる。
【００２４】
締結機構１１５は、互いに隣接する当接部材１１７〜１１９の間を締結し、隣接する当接部材１１７〜１１９の間に圧縮方向の締結力を加えている。これにより、圧電アクチュエータ１００に予圧が加わった状態でも圧電アクチュエータ本体１１０の当接位置における屈曲を防止できる。
【００２５】
締結機構１１５は、バネのような弾性部材で構成されていることが好ましい。これにより、当接部材１１７〜１１９間に容易に締結力を与えることができる。締結機構１１５として弾性部材を設ける場合には、当接の軸を重心として締結力が加わるように配置することが好ましい。
【００２６】
これにより、バランスよく締結力を加えた圧電アクチュエータ本体１１０を用意することができ、圧電アクチュエータ本体の当接位置における屈曲の防止効果を高めることができる。たとえば、当接部材１１７〜１１９の周縁部に均等にバネを３本以上設けておけば、当接部材１１７〜１１９の平行度を調整することも容易となる。
【００２７】
弾性部材のばね定数は、圧電アクチュエータ１００が搭載されるマスフローコントローラ等の製品において、隣接する当接部材１１７〜１１９間で２８０Ｎ以上の締結力を得られれば、当接位置における屈曲を防止できる十分な効果を発揮することが分かっている。一方、締結力が大きすぎると圧電素子１１２を挟んだ状態で隣接する当接部材１１７〜１１９間を締結するのが難しくなるため、締結力は４００Ｎ以下が好ましい。このようにして、使用する弾性部材の本数と、必要とされる締結力との兼ね合いで、弾性部材の種類およびばね定数を設計することができる。
【００２８】
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を内部に収容し、開口部が座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。キャップ１２０には、ベローズ１２８が設けられ、圧電アクチュエータ本体１１０の伸縮に応じて先端の変位が可能になっている。なお、ベローズ１２８に代えて、キャップ１２０の先端をダイヤフラム構造としてもよい。
【００２９】
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１００は設置される。
【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。図３（ａ）〜（ｃ）は、圧電アクチュエータの作製工程の各場面を示す断面図である。まず、圧電素子１１２、当接部材１１７〜１１９、キャップ１２０および座１３０を準備する。圧電素子１１２は、所定個数の圧電体１１３を積層方向の端面で接着して直列に連結（多連化）し、両端に凸部１１４を設けて、分極処理して作製する。
【００３１】
次に、複数の圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９を交互に積み重ね、隣接する当接部材１１７〜１１９間を締結機構１１５で締結して圧電アクチュエータ本体１１０を形成する。このときに、凸部１１４と凹部１１６とが嵌り、互いに当接する。その場合に、当接部材１１７と当接部材１１８とをまず締結し、続いて当接部材１１８と当接部材１１９とを締結するという手順でそれぞれを分けて締結すると効率が良い。このようにして形成された圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１２０内に挿入する。
【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、外力に対する脆さを改善し耐力を向上させつつ、予圧が加わった状態でも当接位置における屈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】
上記の圧電アクチュエータ本体１１０の形成に際し、当接部材１１７〜１１９と圧電素子１１２とは、当接しているだけであり、接着剤等で一体の系として締結されているわけではない。したがって、圧電アクチュエータ１００のキャップ１２０と座１３０との封止を解除して圧電アクチュエータ本体１１０を取り出し、分離すれば、キャップ１２０から圧電素子１１２および当接部材１１７〜１１９に分解できる。
【００３４】
（その他の実施形態）
なお、圧電アクチュエータ本体１１０は、３つ以上の圧電素子により構成されていてもよい。設計時には、圧電アクチュエータ本体を構成する圧電体１１３の数は一定として、最終的に得られる変位を一定となるように設計することが好ましい。
【００３５】
また、当接部材１１７〜１１９の凹部１１６は、中心軸を有し底部に向かって狭くなる形状であれば円錐穴以外の形状に形成されていてもよい。穴の形状には、たとえば正三角錐穴、楕円錐穴、台形穴等が挙げられる。
【００３６】
また、圧電素子１１２の凸部１１４が、例えば楕円体状のような球状以外の形状に形成されていてもよい。その場合に、凸部１１４は、圧電素子１１２の中心軸上の点を重心とする形状とすることが好ましい。
【００３７】
また、圧電素子１１２に凹部１１６が設けられ、当接部材１１７〜１１９に凸部１１４が設けられていてもよい。この場合には、当接部をキャップ１２０の内壁面で拘束するのが難しいが、締結用の当接部材を球とすればよく、製造が容易になる利点が得られる可能性がある。
【符号の説明】
【００３８】
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
１１３  圧電体
１１４  凸部
１１５  締結機構
１１６  凹部
１１７〜１１９  当接部材
１２０  キャップ
１２５  球状突起
１２８  ベローズ
１３０  座 
【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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