(57)【要約】【課題】組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる圧電素子ユニットおよび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素子ユニット１００であって、環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられた一連の圧電素子１１０と、突起１３２を一端に有し、一連の圧電素子１１０の連通孔に挿通され、一連の圧電素子１１０の第一の端面に突起１３２が掛けられた棒状弾性体１３０と、棒状弾性体１３０の他端側に固定され、棒状弾性体１３０の弾性力により一連の圧電素子１１０の第二の端面に押圧力を与える固定具と、を備える。圧電素子ユニット１００は、棒状弾性体１３０および固定具１５０の簡易な構造により一連の圧電素子１１０に予圧を与えることができる。これにより、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子１１０の状態を容易に確認できる。【選択図】図１
2015061054.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素子ユニットであって、
環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられた一連の圧電素子と、
突起を一端に有し、前記一連の圧電素子の連通孔に挿通され、前記一連の圧電素子の第一の端面に前記突起が掛けられた棒状弾性体と、
前記棒状弾性体の他端側に固定され、前記棒状弾性体の弾性力により前記一連の圧電素子の第二の端面に押圧力を与える固定具と、を備えることを特徴とする圧電素子ユニット。
【請求項２】
前記棒状弾性体は、金属製のバネにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電素子ユニット。
【請求項３】
前記棒状弾性体は、弾性力を生じさせる屈曲部分を有し、前記一連の圧電素子の連通孔より径が小さく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記載の圧電素子ユニット。
【請求項４】
前記突起は、半球状に形成されており、前記半球の裾野側で前記一連の圧電素子の第一の端面に掛けられ、前記半球の頂上側で前記一連の圧電素子の変位を伝え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素子ユニット。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電素子ユニットと、
前記固定具および棒状弾性体の一部を内部に収容し、前記一連の圧電素子の第二の端面を固定する座繰り穴を有する座と、
前記圧電素子ユニットを覆い、前記座に封止されたキャップと、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記座は、端子を挿通するとともにガラスにより封止された端子挿通孔を有することを特徴とする請求項５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素子ユニットおよび圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直方体の圧電素子を積み重ねて本体を形成した圧電アクチュエータが知られている。図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ本体５００の斜視図、圧電素子５１０の斜視図および圧電素子５１０の断面図である。圧電アクチュエータ本体５００は、一体焼成された積層型の圧電素子５１０を積み重ねて形成されており、リード線５２０により各外部電極５１５の接続がとられている。圧電素子５１０は、圧電層と内部電極とを積層して形成されており、電圧を印加したときには、電極間の圧電層は活性領域として変形するが、その他の不活性領域は変形しない。そのため、これらの領域の境界付近で応力が発生しやすくなり、特に内部電極５１２の角部Ｃにおいては応力が集中し、破壊が生じやすくなる。
【０００３】
これに対して、圧電素子に圧電層が不連続となるようにチタン酸鉛を主成分とする粉末からなる応力吸収層を設けて応力を緩和できる圧電アクチュエータが開発されている（例えば、特許文献１参照）が、内部電極の角部に応力が発生しやすい形状であることには変わりない。一方、内部電極を積層面の全面に設け、側面の不活性領域を無くすことで応力の集中を防止した圧電素子も開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２８６７７４号公報
【特許文献２】特開平０５−００３３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献２記載の圧電素子では、内部電極が一律に側面に露出するため、外部電極と接続すべきでない内部電極の露出部分は絶縁物で覆う必要があり、複雑な製造工程を必要とする。
【０００６】
これに対し、環状の圧電素子を略同一中心軸上の伸縮方向に複数個積み重ねて圧電アクチュエータ本体を形成し、積み重ねられた複数の圧電素子の中央の孔に、軸固定用のシャフトを挿通して圧電アクチュエータを構成することが考えられる。図８は、環状の圧電素子６１０の孔にシャフト６１５を挿通して形成した比較例の圧電アクチュエータ６００を示す断面図である。
【０００７】
図８に示す例では、圧電アクチュエータ６００に被せたキャップ６６０と圧電素子６１０との間にバネ６５０を配置し、圧電素子６１０に予圧を与えている。このような構成では、内部予圧をかけるバネ６５０をキャップ６６０で抑える必要があり、キャップ６６０のない状態で一連の圧電素子の状態を確認できない。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる圧電素子ユニットおよび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】
【０００９】
（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電素子ユニットは、電圧の印加により伸縮する圧電素子ユニットであって、環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられた一連の圧電素子と、突起を一端に有し、前記一連の圧電素子の連通孔に挿通され、前記一連の圧電素子の第一の端面に前記突起が掛けられた棒状弾性体と、前記棒状弾性体の他端側に固定され、前記棒状弾性体の弾性力により前記一連の圧電素子の第二の端面に押圧力を与える固定具と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
このように本発明の圧電素子ユニットは、棒状弾性体および固定具の簡易な構造により一連の圧電素子に予圧を与えることができる。これにより、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子の状態を容易に確認できる。また、圧電素子は、環状に形成されているため局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。
【００１１】
（２）また、本発明の圧電素子ユニットは、前記棒状弾性体が、金属製のバネ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、１８０℃にも及ぶ高温で使用される場合であっても、弾性体の機能を維持できる。なお、バネには屈曲型のものもらせん型のものも含まれる。
【００１２】
（３）また、本発明の圧電素子ユニットは、前記棒状弾性体が、弾性力を生じさせる屈曲部分を有し、前記一連の圧電素子の連通孔より径が小さく形成されていることを特徴としている。これにより、棒状弾性体は屈曲部分の弾性力でバランス良く一連の圧電素子に予圧を与えることができる。
【００１３】
（４）また、本発明の圧電素子ユニットは、前記突起が、半球状に形成されており、前記半球の裾野側で前記一連の圧電素子の第一の端面に掛けられ、前記半球の頂上側で前記一連の圧電素子の変位を伝えることを特徴としている。これにより、シンプルな構造で予圧機構と変位伝達機構とを実現でき、圧電素子ユニットをコンパクト化することができる。
【００１４】
（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、上記（１）から（４）のいずれかに記載の圧電素子ユニットと、前記固定具および棒状弾性体の一部を内部に収容し、前記一連の圧電素子の第二の端面を固定する座繰り穴を有する座と、前記圧電素子ユニットを覆い、前記座に封止されたキャップと、を備えることを特徴としている。これにより、一連の圧電素子の端面を固定する座に予圧機構の一部を収容でき、圧電アクチュエータをコンパクト化することができる。
【００１５】
（６）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記座が、端子を挿通するとともにガラスにより封止された端子挿通孔を有することを特徴としている。これにより、端子挿通孔が設けられた座の高さを利用して座繰り穴を設け、座の構造を有効利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、棒状弾性体および固定具の簡易な構造により一連の圧電素子に予圧を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の圧電素子ユニットを示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）それぞれ圧電素子の斜視図および異なる平断面図である。
【図３】棒状弾性体を示す正面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）それぞれ棒状弾性体を示す正面図である。
【図５】本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【図６】圧電アクチュエータの各部品を示す側面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）それぞれ従来のアクチュエータ本体の斜視図、圧電素子の斜視図および圧電素子の断面図である。
【図８】比較例の圧電アクチュエータを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
（圧電素子ユニット）
図１は、圧電素子ユニット１００を示す断面図である。圧電素子ユニット１００は、圧電アクチュエータを構成する部品であり、電圧の印加により伸縮する。図１に示すように、圧電素子ユニット１００は、一連の圧電素子１１０、ワッシャ１２０、棒状弾性体１３０、ナット１５０（固定具）を備えている。
【００２０】
圧電素子１１０は、環状に形成され、伸縮方向に積み重ねられている。複数の圧電素子が略同一中心軸上に積み重ねられているため、大きな変位を得ることができる。なお、圧電素子１１０の詳細は後述する。
【００２１】
ワッシャ１２０は、圧電素子１１０の径より小さい板として形成され、圧電素子１１０の孔と同等以上の孔が設けられている。２つのワッシャ１２０が一連の圧電素子１１０の両端面上に設けられている。ワッシャ１２０は、例えばアルミナにより形成されている。なお、ワッシャ１２０は、必ずしも設ける必要はないが圧電素子ユニット１００の固定や電気的絶縁のためにはあった方が好ましい。
【００２２】
棒状弾性体１３０は、突起１３２を一端に有し、一連の圧電素子１１０の連通孔に挿通されている。棒状弾性体１３０は、一連の圧電素子１１０の端面１１２（第１の端面）に突起１３２が掛けられている。突起１３２は、半球状に形成されており、半球の裾野側で一連の圧電素子１１０の端面１１２に掛けられ、半球の頂上側で一連の圧電素子１１０の変位を伝える。
【００２３】
これにより、シンプルな構造で予圧機構と変位伝達機構とを実現でき、圧電素子ユニット１００をコンパクト化することができる。なお、「突起１３２が圧電素子１１０の端面に掛けられている」とは、圧電素子１１０の端面に直接掛けられている場合だけでなく、ワッシャ１２０を介して間接的に掛けられている場合も含む。
【００２４】
棒状弾性体１３０は、突起１３２を有する一端に対して、他端にはネジ山が形成されている。他端には、ナット１５０が螺合により固定されており、一連の圧電素子１１０の端面１１４（第二の端面）にナット１５０(固定具)、ワッシャ１２０を介して押圧力を与えている。
【００２５】
ナット１５０（固定具）は、棒状弾性体１３０の他端側に固定され、ワッシャ１２０を支持する。ナット１５０は、棒状弾性体１３０に対し一方の方向のスライドを許容し、他方の方向へのスライドを拘束する。圧電アクチュエータの組み立ての際には、ナット１５０を棒状弾性体１３０に対して締め込み、ワッシャ１２０を圧電素子１１０側に押し込み、一連の圧電素子１１０に容易に予圧を与えることができる。ナット１５０は、棒状弾性体１３０に容易に止められるものであれば、ネジ止めに代えて、例えば、止め輪であってもよい。
【００２６】
圧電素子ユニット１００は、これらの構成部品による簡易な構造で一連の圧電素子１１０に予圧を与えることができる。これにより、圧電アクチュエータの組立てが容易になるとともに、圧電素子ユニット１００を組み立てた時点で、圧電素子１１０の状態を容易に確認できる。
【００２７】
（圧電素子）
図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ圧電素子１１０の斜視図および異なる平断面図である。圧電素子１１０は、圧電アクチュエータ用に伸縮方向に積み重ねられて用いられる。図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子１１０は、素子本体１１１および外部電極１１５により構成されている。
【００２８】
素子本体１１１は、環状に形成されている。これにより、局所的に応力が集中せず、破壊が生じ難い。なお、素子本体１１１の形状は、円環状が最も好ましいが、八角形等の多角形の環状や楕円環状であってもよい。素子本体１１１は、圧電層および圧電層を介して交互に積層された内部電極１１３ａおよび内部電極１１３ｂを有している。
【００２９】
外部電極１１５は、素子本体１１１の外側面に一体に設けられている。外部電極１１５は、接続部１１４ａを介して内部電極１１３ａと接続されており、もう一方の外部電極は、接続部１１４ｂを介して内部電極１１３ｂと接続されている。これにより、外部電極１１５を介して圧電素子１１０の各圧電層に駆動電圧を印加できる。なお、圧電素子１１０は、端面側に設けられ伸縮しない保護層１１７、中央側に設けられ電圧の印加により伸縮する電極層１１８を備えている。
【００３０】
（棒状弾性体）
図３は、棒状弾性体１３０を示す正面図である。図３に示すように、棒状弾性体１３０は、圧電素子１１０に圧縮力を付与する屈曲部分を有し、一連の圧電素子の連通孔より径が小さく、中心軸対称に形成されている。これにより、棒状弾性体は屈曲部分の弾性力でバランス良く一連の圧電素子に予圧を与えることができる。図３の例では、金属製の棒が中心軸に沿って２分割され、各分割体が単一の屈曲部分を有している。
【００３１】
棒状弾性体１３０を弾性を有する樹脂で構成することも考えられるが、金属製のバネにより形成されていることが好ましい。これにより、１８０℃にも及ぶ高温で使用される場合であっても、弾性体の機能を維持できる。棒状弾性体１３０は、高強度の鉄系材料で構成されることが好ましい。高強度の鉄系材料としては、例えばＳＵＳが挙げられる。
【００３２】
棒状弾性体には、弾性力を生じさせる屈曲部分を有し、一連の圧電素子の連通孔より径が小さく形成されているものとして、上記のような形態以外の形態も採用しうる。
【００３３】
図４（ａ）〜（ｃ）は、棒状弾性体１３０ａ〜１３０ｃを示す正面図である。棒状弾性体１３０ａは、金属製の棒が中心軸に沿って２分割されて中心軸対称であり、各分割体が複数（２つ）の屈曲部分を有している。一端に突起１３２ａを有し、他端にネジ山１３３ａを有している。棒状弾性体１３０ｂは、金属製の棒が中心軸に沿って３分割されて中心軸対称であり、各分割体が単一の屈曲部分を有している。一端に突起１３２ｂを有し、他端にネジ山１３３ｂを有している。棒状弾性体１３０ｃは、金属製の棒が中心軸に沿ってらせんを形成している。一端に突起１３２ｃを有し、他端にネジ山１３３ｃを有している。
【００３４】
（圧電アクチュエータ）
図５は、圧電アクチュエータを示す断面図である。圧電アクチュエータ２００は、圧電素子ユニット１００、座２１０およびキャップ２２０を備える。
【００３５】
座２１０は、座繰り穴２１３を有する。座繰り穴２１３は、ナット１５０を内部に収容し、一連の圧電素子の端面１１４（第二の端面）を固定する。座２１０は、端子２１９ａ、２１９ｂを挿通するとともにガラス２１６により封止された端子挿通孔２１５を有する。これにより、端子挿通孔２１５が設けられた座２１０の高さを利用して座繰り穴２１３を設け、座２１０の構造を有効利用することができる。
【００３６】
キャップ２２０は、圧電素子ユニット２００を覆い、溶接により座２１０に封止されている。これにより、座２１０に予圧機構の一部を収容でき、圧電アクチュエータ２００をコンパクト化することができる。
【００３７】
（圧電アクチュエータの作製方法）
上記のように構成された圧電アクチュエータ２００の作製方法を説明する。図６は圧電アクチュエータ２００の各部品を示す側面図である。
【００３８】
まず、外部電極１１５、１１６を焼きつけた環状の圧電素子１１０を作製する。一方で、半球状の突起が付いた棒状弾性体１３０を用意し、これにワッシャ１２０、一連の圧電素子１１０、ワッシャ１２０、ナット１５０の順に通して、棒状弾性体１５０軽く引張った状態で仮固定する。その後、外部電極位置を調整したあと、所定の圧力が加わるように棒状弾性体を引張ることを止めてユニット化する。
【００３９】
次に、座２１０にワッシャ１２０の径の座繰り２１４を設け、さらにワッシャ１２０の径より小さい座繰りを設け、座繰り穴２１３を設ける。座繰り２１４に接着剤を塗布して圧電素子ユニット１００を接着する。そして、座２１０の端子２１９ａ、２１９ｂに接続されているリード線１７１、１７２を外部電極１１５、１１６に接続する。そして、圧電素子ユニット１００にキャップ２２０を被せて、キャップ２２０と座２１０とを封止する。
【００４０】
（実施例）
実施例の圧電アクチュエータ２００を作製し、動作を確認した。まず、外径６ｍｍ、内径２ｍｍ、厚さ３ｍｍの一体焼成型の圧電素子を作製した。１層あたり５０μｍを５０層積層し、上下に内部電極のない層を０．２５ｍｍずつ設けた。厚さは平面研削、外径を円筒加工した。内径は焼成前にドリル加工し焼成後は加工しなかった。内部電極は１層おきに側面の異なる部分に露出する構造とし、外部電極を焼きつけした。
【００４１】
棒状弾性体は、φ３．２の半球が付いたφ１．９５ｍｍのものを用意した、これにワッシャ、圧電素子２０個、ワッシャ、ナットの順に通して、棒状弾性体を軽く引張った状態でナットにより仮固定した。その後、外部電極位置を調整したあと、所定の圧力が加わるように棒状弾性体を引張った状態でナットをさらに押し込んでユニット化した。
【００４２】
ワッシャは無くてもよいが、ワッシャを設けるとすれば、座に固定される面積が全面でないため、圧電素子の変形を抑えるために硬いほうが好ましく、さらに、座と外部電極との絶縁を確保するために絶縁体が好ましい。これらを満たすためワッシャはアルミナ製とした。
【００４３】
座には、ワッシャの径の座繰りを設け、さらにワッシャ径より大きい座繰りを設けた座繰り穴を設けた。そして、ワッシャ径の座繰り部分に接着剤を塗布して圧電素子ユニットを接着した。
【００４４】
その後、リード線を外部電極にはんだ付けした。このようにして作製したユニットは、金属キャップ封入前であるが予圧がかかっているため通電しても信頼性が低下しない。不良品の場合、金属キャップ封入前に取り除くことができる。
【００４５】
また、比較例の圧電アクチュエータ６００も作製した（図８参照）。圧電アクチュエータ６００は、素子長に対してバネの長さがプラスされる。このような圧電アクチュエータ６００と比較して、実施例の圧電アクチュエータ２００はバネ部分を座内に格納できたため、全長を約３ｍｍ短くできた。
【符号の説明】
【００４６】
１００  圧電素子ユニット
１１０  圧電素子
１１１  素子本体
１１２  端面
１１３ａ、１１３ｂ  内部電極
１１４ａ、１１４ｂ  接続部
１１５  外部電極
１１７  保護層
１１８  電極層
１２０  ワッシャ
１３０、１３０ａ〜１３０ｃ  棒状弾性体
１３２、１３２ａ〜１３２ｃ  突起
１３３、１３３ａ〜１３３ｃ  ネジ山
１５０  ナット
２００  圧電アクチュエータ
２１０  座
２１３  座繰り穴
２１４  座繰り
２２０  キャップ
【図１】
2015061054.tif 000003
【図２】
2015061054.tif 000004
【図３】
2015061054.tif 000005
【図４】
2015061054.tif 000006
【図５】
2015061054.tif 000007
【図６】
2015061054.tif 000008
【図７】
2015061054.tif 000009
【図８】
2015061054.tif 000010