(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、
圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、
前記圧電アクチュエータのリード端子を差し込むことで前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、
前記圧電アクチュエータに対して並列接続となるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの過電圧の印加を制限する過電圧制限素子とを備え、前記圧電アクチュエータに着脱可能であることを特徴とする保護機構ユニット。
【請求項２】
異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、
圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、
前記圧電アクチュエータのリード端子を差し込むことで前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、
前記圧電アクチュエータに対して並列接続となるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの逆電圧の印加を制限する逆電圧制限素子とを備え、前記圧電アクチュエータに着脱可能であることを特徴とする保護機構ユニット。
【請求項３】
異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、
圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、
前記圧電アクチュエータのリード端子を差し込むことで前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、
前記圧電アクチュエータに対して直列接続になるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの過電流の入力を制限する過電流制限素子とを備え、前記圧電アクチュエータに着脱可能であることを特徴とする保護機構ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異常な電圧または電流から圧電アクチュエータ素子を保護する保護機構付き圧電アクチュエータおよび保護機構ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノメートル単位の精密な移動精度を要する磁気ヘッド検査装置や半導体分野および液晶分野の検査装置の微少位置決め用として圧電アクチュエータが頻繁に使用されている。このような圧電アクチュエータに関連して、過電流や周囲の温度から回路を保護する機構が提案されてきた（たとえば、特許文献１および特許文献２参照）。
【０００３】
たとえば、特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、積層セラミックコンデンサ構造の電歪効果素子の複数個を積み重ねて接着し、電気的には並列に接続された圧電アクチュエータにおいて、電歪効果素子を並列に接続したリード線に直列に保護回路（ヒューズ）を接続して構成されている。そして、使用電圧を誤って印加した場合や、共振周波数を越えて振動させた場合などに電歪効果素子の全体が破壊されることを防止している。
【０００４】
また、特許文献２に記載される圧電アクチュエータ素子は、積層焼結体の変位方向に垂直な面の一つに、バイメタルからなる金属片を接着剤により固着して構成されている。圧電アクチュエータ素子は、金属片の端部に電気的な接点を有し、電磁接点および電源を介する回路に組み込まれて使用される。圧電アクチュエータの駆動電源は、電磁接点によりオン・オフされるため、圧電アクチュエータ素子の周囲温度が異常に高温になった場合、金属片のバイメタル作用によって電磁接点がオフとなり、素子に加わっていた駆動電圧が解放される。このようにして、高温時における素子のショートを防ぎ、駆動電源を保護している。
【特許文献１】特開平４−３６７２８８号公報
【特許文献２】特開平４−３３３２９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような保護機構を有する圧電アクチュエータであっても、圧電アクチュエータの駆動の際に、異常な電圧や電流が入力され、圧電アクチュエータが破損する場合がある。
【０００６】
特許文献１に記載される機構は、圧電アクチュエータを保護する機構ではなく、素子の一部が破損した際に、全体が破損しないようにするための対処的なものである。また、特許文献２に記載される機構は、高温の周囲からのみ素子を保護する機構である。したがって、このような機構では、異常な電圧や電流から圧電アクチュエータの破損を防止するという課題を解決することができない。
【０００７】
駆動装置側に異常な電圧や電流から保護する保護回路を設けて、過電圧或いは過電流保護から圧電アクチュエータを保護するという手段も考えられるが、駆動する圧電アクチュエータの規格に合わない駆動装置を流用して圧電アクチュエータを制御する場合には、思わぬ高電圧や過電流により圧電アクチュエータを破損しうる。
【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、異常な電圧や電流を印加された場合にも圧電アクチュエータが破損しないように保護する保護機構付き圧電アクチュエータおよび保護機構ユニット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、本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータ素子を保護する保護機構付き圧電アクチュエータであって、駆動信号の入力により駆動される圧電アクチュエータ素子と、前記圧電アクチュエータ素子に並列に接続され、前記圧電アクチュエータ素子への過電圧の印加を制限する過電圧制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
このように、本発明の保護機構付き圧電アクチュエータは、過電圧が圧電アクチュエータに印加された場合に、圧電アクチュエータ素子に並列に接続された過電圧制限素子が圧電アクチュエータ素子への過電圧の印加を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、過電圧の駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、過電圧制限素子の抵抗が急激に下がり電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００１１】
（２）また、本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータ素子を保護する保護機構付き圧電アクチュエータであって、駆動信号の入力により駆動される圧電アクチュエータ素子と、前記圧電アクチュエータ素子に並列に接続され、前記圧電アクチュエータ素子への逆電圧の印加を制限する逆電圧制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００１２】
このように、本発明の保護機構付き圧電アクチュエータは、逆電圧が圧電アクチュエータに印加された場合に、圧電アクチュエータ素子に並列に接続された逆電圧制限素子が圧電アクチュエータ素子への逆電圧の印加を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、逆電圧の駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に並列接続された逆電圧制限素子が電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００１３】
（３）また、本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータ素子を保護する保護機構付き圧電アクチュエータであって、駆動信号の入力により駆動される圧電アクチュエータ素子と、前記圧電アクチュエータ素子に直列に接続され、前記圧電アクチュエータ素子への過電流の入力を制限する過電流制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００１４】
このように、本発明の保護機構付き圧電アクチュエータは、過電流が圧電アクチュエータに入力された場合に、圧電アクチュエータ素子に直列に接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子への過電流の入力を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、立ち上がりの急激な駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に直列接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子に過電流が流れるのを防止する。これにより、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００１５】
（４）また、本発明に係る保護機構ユニットは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、前記圧電アクチュエータに対して並列接続となるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの過電圧の印加を制限する過電圧制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００１６】
このように、本発明の保護機構ユニットは、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに過電圧が印加された場合に、圧電アクチュエータ素子に並列に接続される過電圧制限素子が圧電アクチュエータ素子への過電圧の印加を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、過電圧の駆動信号が入力端子に入力された場合には、過電圧制限素子の抵抗が急激に下がり電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００１７】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【００１８】
（５）また、本発明に係る保護機構ユニットは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、前記圧電アクチュエータに対して並列接続となるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの逆電圧の印加を制限する逆電圧制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００１９】
このように、本発明の保護機構ユニットは、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに逆電圧が印加された場合に、圧電アクチュエータ素子に並列に接続された逆電圧制限素子が圧電アクチュエータ素子への逆電圧の印加を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、逆電圧の駆動信号が入力端子に入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に並列接続された逆電圧制限素子が電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２０】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【００２１】
（６）また、本発明に係る保護機構ユニットは、異常な電圧または電流の入力から圧電アクチュエータを保護する保護機構ユニットであって、圧電アクチュエータへの駆動信号を入力する駆動装置に接続可能に設けられた一対の入力端子と、前記圧電アクチュエータに接続可能に設けられた一対の出力端子と、前記圧電アクチュエータに対して直列接続になるように設けられ、前記圧電アクチュエータへの過電流の入力を制限する過電流制限素子と、を備えることを特徴としている。
【００２２】
このように、本発明の保護機構ユニットは、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに過電流が入力された場合に、圧電アクチュエータ素子に直列に接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子への過電流の入力を制限するため、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、立ち上がりの急激な駆動信号が入力端子に入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に直列接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子に過電流が流れるのを防止する。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２３】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータによれば、過電圧が圧電アクチュエータに印加された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、過電圧の駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、過電圧制限素子の抵抗が急激に下がり電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２５】
本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータによれば、逆電圧が圧電アクチュエータに印加された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、逆電圧の駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に並列接続された逆電圧制限素子が電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２６】
本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータによれば、過電流が圧電アクチュエータに入力された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、立ち上がりの急激な駆動信号が圧電アクチュエータに入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に直列接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子に過電流が流れるのを防止する。これにより、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構が動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２７】
本発明に係る保護機構ユニットによれば、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに過電圧が印加された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、過電圧の駆動信号が入力端子に入力された場合には、過電圧制限素子の抵抗が急激に下がり電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００２８】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【００２９】
本発明に係る保護機構ユニットによれば、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに逆電圧が印加された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、逆電圧の駆動信号が入力端子に入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に並列接続された逆電圧制限素子が電流を流す。これにより、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子から遮断するため、圧電アクチュエータ素子を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００３０】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【００３１】
本発明に係る保護機構ユニットによれば、保護機構ユニットを介して、圧電アクチュエータに過電流が入力された場合に、圧電アクチュエータ素子の破損を防止することができる。たとえば、立ち上がりの急激な駆動信号が入力端子に入力された場合には、圧電アクチュエータ素子に直列接続された過電流制限素子が圧電アクチュエータ素子に過電流が流れるのを防止する。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、保護機構ユニットが動作し、圧電アクチュエータ素子を破損から守ることが可能となる。
【００３２】
また、保護機構ユニットは、圧電アクチュエータに接続可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。また、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。
【００３４】
（実施形態１）
図１（ａ）、（ｂ）は、保護機構付き圧電アクチュエータ１の縦断面図である。保護機構付き圧電アクチュエータ１は、概ね円筒状に形成され、ピエゾポジショナ等に用いられる。図１（ａ）および（ｂ）は、どちらも保護機構付き圧電アクチュエータ１の長手方向に並行で、その中心軸を含む面を切断面としている。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ方向から保護機構付き圧電アクチュエータ１を見た断面図である。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、保護機構付き圧電アクチュエータ１は、ベース部２および本体部３から構成されている。
【００３５】
ベース部２は、本体部３を支持し固定する。ベース部２は、ベース部本体４、入力端子５ａおよび５ｂ、封止材６、保持部７、保護機構１０から構成される。ベース部本体４は、ＳＵＳ等の金属製であり、圧電アクチュエータ素子１６を固定している。ベース部本体４は、円板状に形成され、一方の底面には、ケース２１を嵌め込んで固着できるように一定の円周に沿って段差が設けられている。ベース部本体４は、両底面に２つずつ合計４つの貫通孔を有している。一方の２つの貫通孔には保護機構への入力端子５ａおよび５ｂが挿通され、他方の２つの貫通孔には保護機構からの出力端子１１ａおよび１１ｂが挿通されている。
【００３６】
入力端子５ａおよび５ｂの一端は、それぞれ駆動装置のリード線に接続され、駆動信号の入力を受ける。入力端子５ａおよび５ｂは、金属製であり、それぞれ貫通孔を通って、外部からベース部本体４の内部に入っている。そして、入力端子５ａおよび５ｂは、ベース部本体４の内部で、保護機構１０に接続されている。
【００３７】
封止材６は、貫通孔に通された入力端子５ａ、５ｂ、および出力端子１１ａ、１１ｂを固定するために、貫通孔に充填されている。封止材６には、たとえば、外気を完全に遮断するためにハーメチックガラスが主に材料として使用されるが、耐熱性の樹脂材料（ポリイミド系の樹脂材料あるいはエポキシ系の樹脂材料）等の熱硬化樹脂が使用されてもよい。出力端子１１ａ、１１ｂには外気を遮断するためにハーメチックガラスを使用することが望ましい。
【００３８】
保護機構１０は、基板上に設けられ、異常な電圧または電流が入力されたときに、圧電アクチュエータ素子を保護する回路である。基板の材料には、エポキシ樹脂等の一般的なものを用いることができる。
【００３９】
保持部７は、樹脂材料により形成され、保護機構１０をベース部本体４に保持する。保持部７は、保護機構１０をベース部本体４から離して保持し、金属製のベース部本体４に回路が触れるのを防止している。
【００４０】
本体部３は、出力端子１１ａおよび１１ｂ、外部電極１２ａおよび１２ｂ、圧電アクチュエータ素子１６、シム１８および１９、突起２０、およびケース２１から構成されている。本体部３は、ベース部２に固定され、入力される駆動信号を変位に変える。
【００４１】
出力端子１１ａおよび１１ｂは、その一端が保護機構１０に接続され、保護機構１０からの信号を出力する。出力端子１１ａおよび１１ｂは、金属製である。図１（ｂ）に示すように、それぞれ貫通孔を通って、ベース部本体４の内部からに圧電アクチュエータ素子１６側の外部に突出している。貫通孔には封止材６が充填されている。
【００４２】
出力端子１１ａおよび１１ｂの突出した他端は、それぞれ外部電極１２ａおよび１２ｂに接続されている。外部電極１２ａおよび１２ｂは、出力端子１１ａおよび１１ｂから受ける駆動信号を圧電アクチュエータ素子に伝える電極であり、圧電アクチュエータ素子１６の両方の側面に設けられている。外部電極１２ａおよび１２ｂは、櫛歯状に設けられた圧電アクチュエータ素子１６の内部電極（図示せず）に接続されている。
【００４３】
圧電アクチュエータ素子１６は、ＰＺＴ等の圧電セラミックと銀、パラジウム等の内部電極（図示せず）とを交互に積層し、さらにその積層体を重ねて固着させることにより形成される積層素子である。圧電アクチュエータ素子１６の先端の変位量は、印加される電圧により制御される。
【００４４】
圧電アクチュエータ素子１６の下端面には、圧電アクチュエータ素子１６とベース部２とを固着するシム１８が接着されている。また、圧電アクチュエータ素子１６の上端面には、圧電アクチュエータ素子１６の駆動をケース２１に伝えるシム１９が接着されている。シム１９は、半球形の突起２０を備え、半球形の突起２０は、ケース２１の先端の半球形の凹部に密着している。
【００４５】
ケース２１は、ＳＵＳ等の金属製であり、一方が開口端の筒型に形成されている。ケース２１の開口端部（下端側フランジ）はベース部２表面の段差に嵌め込まれ接合されている。ケース２１は、閉じられている側の端面の中央に設けられた突起により圧電アクチュエータ素子１６の長手方向の変位をステージ等に伝える。
【００４６】
図２（ａ）〜（ｃ）は、保護機構付き圧電アクチュエータ１を入力端子側の底面から見たときの保護機構１０の電気的構成の例を示す図である。制限したい対象（過電圧、逆電圧、または過電流）によって、（ａ）〜（ｃ）のいずれかを選択することが可能である。図２（ａ）は、過電圧から圧電アクチュエータ素子１６を保護する保護機構１０を示している。図に示すように、バリスタＶａ（過電圧制限素子）が出力端子１１ａと出力端子１１ｂとに接続されている。このような接続により、バリスタＶａは、圧電アクチュエータ素子１６に並列に接続される。また、バリスタＶａに許容電流を超えた電流が流れないように、抵抗Ｒ１がバリスタＶａに直列に接続されている。抵抗Ｒ１は、バリスタＶａの保護のため設けた方が好ましいが、設けなくてもよい。
【００４７】
図２（ｂ）は、逆電圧から圧電アクチュエータ素子１６を保護する保護機構１０を示している。図に示すように、ダイオードＤ（逆電圧制限素子）が出力端子１１ａと出力端子１１ｂとに接続されている。このような接続により、ダイオードＤは、圧電アクチュエータ素子１６に並列に接続される。なお、ダイオードＤは、圧電アクチュエータ素子１６に正常な駆動電圧が印加されたときには、電流が流れず、その逆の電圧が印加されたときに、電流が流れる向きに接続されている。また、ダイオードＤに許容電流を超えた電流が流れないように、抵抗Ｒ２が、ダイオードＤに直列に接続されている。なお、抵抗Ｒ２は、ダイオードＤの保護のため設ける方が好ましいが、設けなくてもよい。
【００４８】
図２（ｃ）は、過電流から圧電アクチュエータ素子１６を保護する保護機構１０を示している。図に示すように、抵抗Ｒ（過電流制限素子）が入力端子５ａと出力端子１１ｂとに接続されている。このような接続により、抵抗Ｒは、圧電アクチュエータ素子１６に直列に接続される。以下に、回路図を用いてさらに詳細に説明する。
【００４９】
図３（ａ）〜（ｃ）は、保護機構１０の電気的構成を模式的に示す回路図である。図３（ａ）は、図２（ａ）の保護機構１０に対応する回路図を示している。バリスタＶａ（過電圧制限素子）が、圧電アクチュエータ素子１６に並列に接続されているため、一定のバリスタ電圧を超えた電圧が出力端子１１ａと出力端子１１ｂとの間に印加されたときには、バリスタＶａが電流を流し、圧電アクチュエータ素子１６に印加される電圧を制限する。
【００５０】
このように、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子１６から遮断するため、圧電アクチュエータ素子１６を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した保護機構付き圧電アクチュエータ１に設けられた保護機構１０が動作し、圧電アクチュエータ素子１６を破損から守ることが可能となる。
【００５１】
バリスタ電圧は、圧電アクチュエータ素子１６の仕様により決定される。たとえば、圧電アクチュエータ素子１６の定格電圧が１５０Ｖの場合には、バリスタ電圧が１５０Ｖとなるバリスタを設置することが好ましい。なお、過電圧印加時に電流を流す素子であれば、バリスタ以外の素子であっても過電圧制限素子として用いることができる。たとえば、対向するツェナーダイオードを用いてもよい。
【００５２】
図３（ｂ）は、図２（ｂ）の保護機構１０に対応する回路図を示している。ダイオードＤ（逆電圧制限素子）が、圧電アクチュエータ素子１６に並列に接続されているため、正常な電圧とは逆の電圧が出力端子１１ａと出力端子１１ｂとの間に印加されたときには、ダイオードＤが電流を流し、圧電アクチュエータ素子１６に印加される逆電圧を制限する。
【００５３】
このようにして、不適切な信号を圧電アクチュエータ素子１６から遮断するため、圧電アクチュエータ素子１６を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した保護機構付き圧電アクチュエータ１に設けられた保護機構１０が動作し、圧電アクチュエータ素子１６を破損から守ることが可能となる。
【００５４】
図３（ｂ）の例では、出力端子１１ａから出力端子１１ｂへの電圧が印加されるのが正常であり、その逆の電圧が印加された場合には、ダイオードＤが電流を流すことが示されている。ダイオードＤには、電流を流さない方向の耐圧が少なくとも圧電アクチュエータ素子１６の定格電圧以上のものを用いる。
【００５５】
ダイオードＤに許容電流を超えた電流が流れないように、抵抗Ｒ２が、ダイオードＤに直列に接続されている。たとえば、逆電圧として１５０Ｖが印加されたときに、ダイオードに流れる電流を１０ｍＡ程度に制限する場合には、約１５ｋΩの抵抗を接続する。なお、正常な電圧の印加時に電流を流さず、逆電圧印加時に電流を流す素子であれば、ダイオード以外の素子であっても逆電圧制限素子として用いることができる。
【００５６】
図３（ｃ）は、図２（ｃ）の保護機構１０に対応する回路図を示している。抵抗Ｒ（過電流制限素子）が、圧電アクチュエータ素子１６に直列に接続されているため、回路に極端に大きい電流が流れるのを制限することができる。これにより、圧電アクチュエータ素子１６は、追従できる範囲の速さで駆動電圧が印加されることになり、圧電アクチュエータ素子１６の破損を防止することができる。
【００５７】
たとえば、立ち上がりの急激な駆動信号が保護機構付き圧電アクチュエータ１に入力された場合には、圧電アクチュエータ素子１６に直列接続された抵抗Ｒが圧電アクチュエータ素子１６に過電流が流れるのを防止する。これにより、圧電アクチュエータ素子１６を思わぬ破損から守ることができる。その結果、圧電アクチュエータ専用に設計された制御装置以外に接続して使用する場合や、思わぬ接続ミスや、駆動信号の設定ミスを起こした場合にも、接続した圧電アクチュエータに設けられた保護機構１０が動作し、圧電アクチュエータ素子１６を破損から守ることが可能となる。
【００５８】
圧電アクチュエータ素子１６の仕様は、圧電アクチュエータにより駆動されるステージ（被駆動部材）の使用条件に基づいて決定される。圧電アクチュエータ素子１６の仕様（容量がＣμＦである等）が決定されれば、応答可能な電圧の時間変化が決定され、Ｒの抵抗値が決定される。駆動電圧を印加した際の電圧の時間変化は、印加電圧の立ち上がりが回路の共振条件に近い場合には大きくなるが、抵抗Ｒを直列接続することで、圧電アクチュエータ素子１６にかかる電圧の急激な上昇を抑制することができる。なお、過電流印加時に電流を制限する素子であれば、抵抗以外の素子であっても過電流制限素子として用いることができる。
【００５９】
上記の例は、保護機構１０は、バリスタＶａ（過電圧制限素子）、ダイオードＤ（逆電圧制限素子）、抵抗Ｒ（過電流制限素子）の各要素のうちの一つだけを有する機構であるが、これらの組合せの機構であってもよい。図４（ａ）〜（ｄ）は、各要素を組み合わせた保護機構１０の電気的構成の例を示す回路図である。
【００６０】
図４（ａ）は、圧電アクチュエータ素子１６を過電圧および逆電圧から保護する保護機構１０を示している。バリスタＶａおよびダイオードＤが、それぞれ圧電アクチュエータ素子１６と並列に接続されている。図４（ｂ）は、抵抗Ｒが圧電アクチュエータ素子１６と直列に接続され、圧電アクチュエータ素子１６を過電圧および過電流から保護する保護機構１０を示している。バリスタＶａが圧電アクチュエータ素子１６と並列に接続されている。図４（ｃ）は、圧電アクチュエータ素子１６を逆電圧および過電流から保護する保護機構１０を示している。ダイオードＤが圧電アクチュエータ素子１６と並列に接続され、抵抗Ｒが圧電アクチュエータ素子１６と直列に接続されている。図４（ｄ）は、圧電アクチュエータ素子１６を過電圧、逆電圧および過電流から保護する保護機構１０を示している。バリスタＶａおよびダイオードＤが、それぞれ圧電アクチュエータ素子１６と並列に接続され、抵抗Ｒが圧電アクチュエータ素子１６と直列に接続されている。このように、複数の要素を組み合わせて保護機構１０を構成することで、広く、想定外の異常に対応することができる。
【００６１】
（実施形態２）
上記の実施形態では、保護機構１０は、ベース部２の内部に収容されているが、ケース２１と圧電アクチュエータ素子１６との間の空間に設けられていてもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、ケース２１と圧電アクチュエータ素子１６との間に保護機構１０を収容する保護機構付き圧電アクチュエータ３１を示す縦断面図である。図５（ａ）および（ｂ）は、どちらも保護機構付き圧電アクチュエータ３１の長手方向に並行で、その中心軸を含む面を切断面としている。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＢ方向から保護機構付き圧電アクチュエータ３１を見た断面図である。
【００６２】
図５（ａ）および（ｂ）に示す実施態様では、入力端子５ａおよび５ｂが、ベース部本体４の２つの貫通孔から、ケース２１内に挿通されている。ケース２１内に挿通された入力端子５ａおよび５ｂは、ケース２１と圧電アクチュエータ素子１６との間に設けられた保護機構１０に接続されている。保護機構１０に接続される出力端子１１ａおよび１１ｂは、一方で、それぞれ外部電極１２ａおよび１２ｂに接続されている。このように、保護機構１０をケース２１と圧電アクチュエータ素子１６との間に収容することで、保護機構付き圧電アクチュエータ３１の容積を小さくすることができる。以上のように、保護機構はアクチュエータの機能の障害とならなければ、どのように設けてもよい。
【００６３】
（実施形態３）
上記の実施形態では、保護機構付き圧電アクチュエータが、保護機構を含むように一体に形成されているが、保護機構を圧電アクチュエータから分離してもよい。図６（ａ）および（ｂ）は、圧電アクチュエータ４１およびこれに連結されている保護機構ユニット４２を示す縦断面図である。図６（ａ）および（ｂ）は、どちらも圧電アクチュエータ４１の長手方向に並行で、その中心軸を含む面を切断面としている。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＣ方向から圧電アクチュエータ４１および保護機構ユニット４２を見た断面図である。
【００６４】
図６（ａ）および（ｂ）に示す実施態様では、保護機構ユニット４２は、圧電アクチュエータ４１に着脱可能に形成されている。圧電アクチュエータ４１は、一対のリード端子６１ａおよび６１ｂを有している。
【００６５】
保護機構ユニット４２は、保護機構ケース４３、入力端子４５ａおよび４５ｂ、出力端子４６ａおよび４６ｂならびに保護機構５０から構成されている。保護機構ケース４３は、保護機構５０を内部に収容し、圧電アクチュエータ４１のベース部２と同じ外径の円板状に形成されている。保護機構ケース４３は、ＳＵＳ等の金属により形成されている。保護機構ケース４３は、保持部４７により、内部において保護機構５０を固定して保持している。保護機構ケース４３の底面には、２つの貫通孔が設けられている。
【００６６】
入力端子４５ａおよび４５ｂは、保護機構ケース４３の一方の底面に設けられた貫通孔を通って内部に挿通されている。封止材４６は、貫通孔を封止し、入力端子４５ａおよび４５ｂを固定している。入力端子４５ａおよび４５ｂの一端は、それぞれ駆動装置のリード線に接続され、駆動信号の入力を受ける。入力端子４５ａおよび４５ｂは、金属製であり、保護機構ケース４３の内部で、保護機構５０に接続されている。
【００６７】
保護機構５０の圧電アクチュエータ側の面には、出力端子４６ａおよび４６ｂが設けられている。出力端子４６ａおよび４６ｂは、保護機構ケース４３内部への貫通孔を形成し、圧電アクチュエータ４１のリード端子６１ａおよび６１ｂをそれぞれ挿入できるように形成されている。すなわち、保護機構ユニット４２は、圧電アクチュエータ４１のリード端子６１ａおよび６１ｂを、それぞれ貫通孔に差し込んで連結することが可能である。これらの出力端子４６ａおよび４６ｂの周辺部（図示せず）は樹脂で形成され、金属製の保護機構ケース４３から絶縁されている。
【００６８】
図７は、保護機構ユニット４２の斜視図である。図７は、圧電アクチュエータ４１から外された保護機構ユニット４２を示している。圧電アクチュエータ４１に連結するときには、図７に示す出力端子４６ａおよび４６ｂに圧電アクチュエータ４１のリード端子６１ａおよび６１ｂを差し込むことになる。このように、保護機構ユニット４２は、圧電アクチュエータ４１に着脱可能に形成されているため、保護機構のみの仕様を変えるときには対応し易くなる。また、圧電アクチュエータか、保護機構ユニットのどちらか一方が機能しなくなったときでも、他方の再利用が可能となる。
【実施例】
【００６９】
図６および図７に示すような構成の保護機構ユニットを作製し、圧電アクチュエータ素子を異常な電圧や電流から保護する効果があることを検証した。
【００７０】
作製した保護機構ユニットの回路は、すべての要素を組み合わせたもの（図４（ｄ）参照）である。駆動する圧電アクチュエータ素子として容量５μＦのものを用いた。抵抗Ｒの抵抗値は、圧電アクチュエータ素子の容量から圧電アクチュエータ素子に印加される電圧の時間変化の許容量を計算し、電圧の時間変化がその値以下となるように、３３Ωとした。バリスタＶａのバリスタ電圧は１５０Ｖとし、バリスタＶａに直列に接続される抵抗Ｒ１は、１５ｋΩとした。ダイオードＤに直列に接される抵抗Ｒ２は、１５ｋΩとした。
【００７１】
まず、１５０Ｖ以上のパルス信号を入力したところ、図８（ａ）に示すように、圧電アクチュエータ素子にかかる電圧は、１５０Ｖ以上の部分がカットされた。また、逆電圧のパルス信号を入力したところ、圧電アクチュエータ素子に印加される電圧は、０Ｖとなった。また、高速なアンプにより図８（ｂ）に示すような立ち上がりの大きいパルス信号を入力したところ、圧電アクチュエータ素子にかかる電圧は、図８（ｃ）に示すような最大４４Ｖ／ｍｓの時間変化を示した。このようにして、作製した保護機構ユニットが、圧電アクチュエータ素子に入力される異常な電圧や電流を制限することが検証された。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータの縦断面図である。（実施形態１）
【図２】保護機構の電気的構成の例を示す図である。
【図３】保護機構の電気的構成を模式的に示す回路図である。
【図４】各要素を組み合わせた保護機構の電気的構成の例を示す回路図である。
【図５】本発明に係る保護機構付き圧電アクチュエータの縦断面図である。（実施形態２）
【図６】圧電アクチュエータおよびこれに連結されている保護機構ユニットを示す縦断面図である。（実施形態３）
【図７】本発明に係る保護機構ユニットを示す斜視図である。
【図８】実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１、３１  保護機構付き圧電アクチュエータ
２  ベース部
３  本体部
４  ベース部本体
５ａ、５ｂ  入力端子
６  封止材
７  保持部
１０  保護機構
１１ａ、１１ｂ  出力端子
１６  圧電アクチュエータ素子
４１  圧電アクチュエータ
４２  保護機構ユニット
４３  保護機構ケース
４５ａ、４５ｂ  入力端子
４６ａ、４６ｂ  出力端子
５０  保護機構
Ｄ  ダイオード
Ｒ  抵抗
Ｒ１  抵抗
Ｒ２  抵抗
Ｖａ  バリスタ
【図１】
0004700456.tif 000002
【図２】
0004700456.tif 000003
【図３】
0004700456.tif 000004
【図４】
0004700456.tif 000005
【図５】
0004700456.tif 000006
【図６】
0004700456.tif 000007
【図７】
0004700456.tif 000008
【図８】
0004700456.tif 000009