(57)【要約】【課題】変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ本体と、圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、圧電アクチュエータ本体および伝達体を収容し、変位方向に沿って伸縮可能に形成された伸縮部を側面に有する金属製のキャップとを備え、変位方向に沿った伸縮部の断面形状は、収容されたアクチュエータ本体側に向けた第１の凸と反対側に向けた第２の凸が交互に連続する波形状の曲線であり、第２の凸の頂点と第１の凸の頂点との垂直距離は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、隣り合う第２の凸の頂点間の距離は１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、曲線の第２の凸と第１の凸とをつなぐ点での接線の変位方向に対する傾きが０．３１以上９．４３以下である。【選択図】図１
2018110144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定され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変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、
前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容し、前記変位方向に沿って伸縮可能に形成された伸縮部を側面に有する金属製のキャップと、を備え、
前記変位方向に沿った前記伸縮部の断面形状は、収容された前記圧電アクチュエータ本体側に向けた第１の凸と前記アクチュエータ本体側と反対側に向けた第２の凸が交互に連続する波形状の曲線であり、
前記第２の凸の頂点を基準にしたときの前記第１の凸の頂点までの垂直距離は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、
隣り合う前記第２の凸の頂点間の距離は１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、
前記曲線の前記第２の凸と前記第１の凸とをつなぐ点での接線の前記変位方向に対する傾きが０．３１以上９．４３以下であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記伸縮部の断面形状を表す波状の曲線は、正弦波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】
前記伸縮部は、前記キャップの先端から２／３の範囲内に設けら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】
前記キャップは、先端の閉口部に凹凸に変形可能なダイヤフラム部を有す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。
【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金属製のキャップを有する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部電極と圧電層とが交互に積層された圧電素子を複数連結した積層型の圧電アクチュエータが知られている。積層型の圧電アクチュエータは、マスフローコントローラや位置決めステージ等に用いられ、耐湿性を保ち、耐久性を確保するために積層型の圧電素子を多連化した圧電アクチュエータ本体に金属製のキャップを被せて構成される。
【０００３】
特許文献１には、積層型圧電素子の全体をセラミックスで覆い、セラミックスで圧電素子に与圧をかけることで、簡単な構造の金属ケースを用いることができる圧電アクチュエータが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体が小径部を有することで、キャップにベローズ部を有しつつ大径化しない、コンパクトな構造の圧電アクチュエータが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２８４２４１号公報
【特許文献２】特開２０１５−０６０９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２のいずれでもキャップの側面の一部にベローズ構造を用いたりキャップの先端にダイヤフラム構造を用いたりすることで、積層型圧電素子の変位方向に沿って伸縮可能な圧電アクチュエータを構成している。圧電アクチュエータには変位方向に垂直な方向の外力がかかることがあり、その際、キャップの耐力が弱いとキャップが変形し、ひいては内部の圧電素子が破壊されることがある。しかしながら、特許文献１、２のいずれでも変位方向に垂直な方向の外力に対しての耐力は注目されていない。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を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】
【０００８】
（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、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定され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変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容し、前記変位方向に沿って伸縮可能に形成された伸縮部を側面に有する金属製のキャップと、を備え、前記変位方向に沿った前記伸縮部の断面形状は、収容された前記アクチュエータ本体側に向けた第１の凸と前記圧電アクチュエータ本体側と反対側に向けた第２の凸が交互に連続する波形状の曲線であり、前記第２の凸の頂点を基準にしたときの前記第１の凸の頂点までの垂直距離は０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、隣り合う前記第２の凸の頂点間の距離は１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であり、前記曲線の前記第２の凸と前記第１の凸とをつなぐ点での接線の前記変位方向に対する傾きが０．３１以上９．４３以下であることを特徴としている。
【０００９】
これにより、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。
【００１０】
（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伸縮部の断面形状を表す波状の曲線は、正弦波形状であることを特徴としている。これにより、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。また、キャップの製造が容易である。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伸縮部は、前記キャップの先端から２／３の範囲内に設けられていることを特徴としている。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対してさらに耐力を向上できる。
【００１２】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップは、先端の閉口部に凹凸に変形可能なダイヤフラム部を有することを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータが小型化された場合でも、可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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）は、Ｗａｖｅ構造の模式図である。（ｂ）は、ベローズ構造の模式図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）共に、伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップを示す側断面図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）共に、伸縮部がベローズ構造であるキャップを示す側断面図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）共に、図３に示すキャップの伸縮部の位置を変更したキャップを示す側断面図である。
【図６】伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップと、伸縮部がベローズ構造であるキャップの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。
【図７】伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップで伸縮部の位置を変えたときの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。
【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】
（圧電アクチュエータの構成）
図１は本発明の圧電アクチュエータの一例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、例えば位置決め装置、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１０５、キャップ１６０および座１４０を備えている。
【００１７】
圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１１０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１１０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。圧電素子１１０の内部電極は、一対の外部電極１１５に交互に接続されている。複数の圧電素子１１０の外部電極１１５は、それぞれリード線１２０で接続されている。一対のリード線１２０に電圧を印加することにより、圧電アクチュエータ本体１０５は、一方の電圧の印加で収縮し、他方の電圧の印加で伸長する。
【００１８】
圧電アクチュエータ本体１０５は、圧電素子１１０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１１０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１０５は、６個の圧電素子１１０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１０５からは圧電素子１１０を６連とした場合の変位量が得られる。圧電アクチュエータ本体１０５は、作製しやすさや変位量との関係で６連程度の構成が好ましいが、１つの圧電素子１１０から構成されてもよい。
【００１９】
圧電アクチュエータ本体１０５の先端（座１４０に固定される側とは反対側の先端）には、伝達体突起１３２とシム板１３１からなる伝達体１３０が設けられている。伝達体１３０により、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を外部に伝える。伝達体突起１３２およびシム板１３１は、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。図１では、伝達体突起１３２は半球状に形成されているが、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を外部に伝えることができる形状であれば、例えば半楕円体状、円錐台状などでもよい。また、伝達体１３０は、シム板１３１を用いないで、伝達体突起１３２のみで構成されてもよい。
【００２０】
キャップ１６０は、例えばＳＵＳやチタン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突起１６２を備えている。図１では、突起１６２は半球状に形成されているが、半球状に限らず、伝達体突起１３２の形状に合わせればよい。キャップ１６０は、圧電アクチュエータ本体１０５を内部に収容し、圧電アクチュエータ本体１０５の先端の伝達体突起１３２に底部の突起１６２が当接することで圧電アクチュエータ本体１０５の変位を外部に伝える。キャップ１６０の開口部は座１４０に固着されており、圧電素子１１０の外部電極１１５に接続されたリード線１２０を、座１４０を通して外に出してキャップ１６０内は封止されている。
【００２１】
キャップ１６０の筒部の一部には、伸縮部１７０が設けられている。これにより、圧電アクチュエータ本体１０５が変位したとき、キャップ１６０が追従して変位できる。キャップ１６０の先端の閉口部には、凹凸に変形可能なダイヤフラム部を設けてもよい。これにより、圧電アクチュエータ１００が小型化された場合でも、可動域が広くなり内部の圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮に追従できる。キャップ１６０の厚さは使用する材料により異なるが、例えば材料がＳＵＳの場合、０．１５ｍｍ以上０．２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５を支持しており、キャップ１６０が固着されている。例えばポジショナ等では、キャップ１６０の先端と座１４０との間に予圧をかけた状態で圧電アクチュエータ本体１０５が収容されている。
【００２３】
（伸縮部の構成）
伸縮部１７０は、Ｗａｖｅ構造で構成されている。本明細書において、Ｗａｖｅ構造とは、キャップ１６０を変位方向に平行な中心軸線を含む平面で切断したときの伸縮部１７０の断面が滑らかな曲線からなり、曲線上の各点での接線が変位方向に垂直な方向の直線とならない構造をいう。ただし、曲線の端点は除くものとする。また、本明細書において、ベローズ構造とは、キャップ１６０を変位方向に平行な中心軸線を含む平面で切断したときの伸縮部１７０の断面が連続した曲線からなり、曲線上の端点以外の点で、接線が変位方向に垂直な方向の直線となる点または接線が引けない点を有する構造をいう。図２（ａ）は、Ｗａｖｅ構造の一例の模式図であり、図２（ｂ）は、ベローズ構造の一例の模式図である。
【００２４】
伸縮部１７０がＷａｖｅ構造で構成されていることにより、伸縮部１７０は、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を有する。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対して、キャップ１６０は高い耐力を維持し変形を低減できる。したがって、圧電アクチュエータ本体１０５が外力により破損することを低減できる。これは、Ｗａｖｅ構造の断面の曲線が滑らかで、変位方向に垂直な方向の接線を持たないためと考えられる。断面の曲線に接線が引けない点が存在すると、その点は角となるので、圧電アクチュエータ１００に変位方向に垂直な方向の外力が加わったとき、その点に応力が集中し、その点が変形の節となりより大きく変形すると考えられる。また、断面の曲線に変位方向に垂直な方向の接線が引ける点が存在すると、圧電アクチュエータ１００に変位方向に垂直な方向の外力が加わったとき、その点の近傍の材料は外力に対する抵抗力をほとんど発揮しないので、その他の部分に応力が集中し、より大きく変形すると考えられる。
【００２５】
伸縮部１７０は、キャップ１６０の先端から２／３の範囲内に設けられていることが好ましい。これにより、変位方向に垂直な方向の外力に対してさらに耐力を向上できる。
【００２６】
図２（ａ）に示すように、Ｗａｖｅ構造の断面は、収容されたアクチュエータ本体側に向けた第１の凸とアクチュエータ本体側と反対側に向けた第２の凸が交互に連続する波形状の曲線である。第１の凸と第２の凸は、異なる大きさとすることもできるが、キャップ１６０の変位方向に垂直な方向の外力に対する耐力のバランスや、キャップ１６０の小型化を考えると、同一の大きさであることが好ましい。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、第２の凸の頂点（キャップ１６０の露出側に突出した山の頂点）を基準にしたときの第１の凸の頂点（キャップ１６０のアクチュエータ本体側に突出した山の頂点）までの変位方向に対する垂直距離を山谷深さ、隣り合う第２の凸の頂点間の距離をピッチということとする。また、曲線の第２の凸と第１の凸とをつなぐ変曲点（キャップ１６０の外側、内側のいずれでもよい。図では外側に取った。）での接線の変位方向の一方に対する傾きを単に傾きということとする。なお、傾きは、負になるときは絶対値をとる。
【００２８】
山谷深さは０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。山谷深さが０．３ｍｍ未満の場合、変位量が小さくなり、また、耐久性も低くなる。３．０ｍｍを超えた場合、内部の素子との干渉のため素子サイズを小さくせざるを得ず、発生力が小さくなる。ピッチは１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。ピッチが１．０ｍｍ未満のキャップ１６０は製造が困難だからである。また、３．０ｍｍを超えた場合、変位量が小さくなり、耐久性も低くなる虞がある。なお、耐久性が低いとは、キャップ先端部の亀裂発生の可能性が大きくなることである。傾きは０．３１以上９．４３以下である。傾きは、小さすぎると変位量が小さくなり、大きすぎると変位方向に垂直な方向の外力に対して耐力が低くなるからである。各変数がこのような範囲にあることで、圧電アクチュエータ１００は、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。
【００２９】
伸縮部１７０の断面形状を表す波形状の曲線は、正弦波形状であることが好ましい。これにより、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。また、キャップの製造が容易である。断面形状を表す波形状の曲線が正弦波形状であるときは、傾きをｋ、山谷深さをＡ、ピッチをｐ、円周率をπとすると、ｋ＝Ａ×π／ｐで傾きｋを計算することができる。
【００３０】
また、伸縮部１７０の断面形状を表す波状の曲線は、頂点における曲率が、２以上５以下であることが好ましい。頂点における曲率がこのような範囲にあることで、大きい伸縮性を確保しつつ、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を確保できる。
【００３１】
（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、圧電アクチュエータ本体１０５、キャップ１６０および座１４０を準備する。圧電アクチュエータ本体１０５は、まず、所定個数の圧電素子１１０を積層方向の端面で接着して直列に連結（多連化）し、外部電極１１５にリード線１２０を接続し、分極処理する。そして、一端に伝達体突起１３２とシム板１３１からなる伝達体１３０を設けて作製する。キャップ１６０は、１枚の所定の厚さのＳＵＳなどの金属板から、伸縮部１７０が上記数値範囲のＷａｖｅ構造で構成されているものを作製する。
【００３２】
次に、圧電アクチュエータ本体１０５をキャップ１６０内に挿入する。最後に、キャップ１６０と座１４０とを固着し、リード線１２０を通した孔を封止する。このようにして、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減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】
（実施例）
図３（ａ）、（ｂ）は、伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップ３ａ、３ｂを示す側断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、伸縮部がベローズ構造であるキャップ４ａ、４ｂを示す側断面図である。また、図５（ａ）、（ｂ）は、図３に示すキャップの伸縮部の位置を変更したキャップ５ａ、５ｂを示す側断面図である。このような、伸縮部がＷａｖｅ構造である圧電アクチュエータのキャップと、伸縮部がベローズ構造である圧電アクチュエータのキャップの変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を算出するシミュレーションを行った。シミュレーションは有限要素法を用いて行った。
【００３４】
キャップは、厚さ０．１５ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌを用いて、直径（外径）８ｍｍ、全長４０ｍｍとし、側面の所定の位置に２０ｍｍの範囲にＷａｖｅ構造またはベローズ構造からなる伸縮部を形成したものを想定して耐力を算出した。Ｗａｖｅ構造は、側壁の断面が正弦波になるように形成し、ベローズ構造は、側壁の断面の山谷の曲率が４となるように形成した。なお、図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）および図５（ａ）、（ｂ）は模式図であり、山谷深さ、ピッチ、山谷の数、側面の変位方向に対する傾き、山谷の曲率および材料の厚さなどはシミュレーションを行ったキャップの条件を正確に表すものではない。
【００３５】
図６は、伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップと、伸縮部がベローズ構造であるキャップの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。実施例および比較例の各番号が同じモデルは、同じ山谷深さとピッチを有している。これによると、伸縮部が同じ山谷深さとピッチを有している場合に、伸縮部がベローズ構造である圧電アクチュエータより伸縮部がＷａｖｅ構造である圧電アクチュエータの方が、変位方向に垂直な方向の外力に対して変形が小さく高い耐力を有していることがわかる。なお、伸縮部の山谷深さやピッチなどの構成は、キャップの内部に設けられる圧電アクチュエータ本体など圧電アクチュエータ全体の設計により決められる。
【００３６】
図７は、伸縮部がＷａｖｅ構造であるキャップで伸縮部の位置を変えたときの、変位方向に垂直な方向の外部応力に対する耐力を示す表である。これによると、同じ山谷深さとピッチを有するＷａｖｅ構造であっても、伸縮部の位置がキャップの先端から２／３の範囲内に設けられている圧電アクチュエータの方が、伸縮部がキャップの先端から２／３の範囲内に設けられていない圧電アクチュエータよりも変位方向に垂直な方向の外力に対して変形が小さく高い耐力を有していることがわかる。
【００３７】
以上により、本発明の圧電アクチュエータは、変位方向に沿って伸縮可能でありながら、変位方向に垂直な方向の外力に対して高い耐力を維持し変形を低減できる。また、圧電アクチュエータが小型化されても可動域が広くなり内部の積層圧電素子の伸縮に追従できる。その結果、耐久性が向上する。
【符号の説明】
【００３８】
１００  圧電アクチュエータ
１０５  圧電アクチュエータ本体
１１０  圧電素子
１１５  外部電極
１２０  リード線
１３０  伝達体
１３１  シム板
１３２  伝達体突起
１４０  座
１６０、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ  キャップ
１６２  突起
１７０  伸縮部
【図１】
2018110144.tif 000003
【図２】
2018110144.tif 000004
【図３】
2018110144.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018110144.tif 000009