(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ばね部材のばね性により積層型圧電素子の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータにおいて、前記ばね部材は、前記積層型圧電素子の伸縮方向と直交する方向で両端側が固定支持されると共に、中央部が非固定部として撓み変形可能に該積層型圧電素子の一端側に当接された棒状ばね部材であり、
前記圧縮予圧荷重構造は、前記棒状ばね部材における前記両端の固定支持部分のスパンを可変とするものであることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１記載の圧電アクチュエータにおいて、前記棒状ばね部材の前記中央部と前記積層型圧電素子の前記一端側との間には、応力緩和部材が挟み込まれたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２記載の圧電アクチュエータにおいて、前記応力緩和部材は、ダイアフラムで支持されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一つに記載の圧電アクチュエータにおいて、前記圧縮予圧荷重構造は、前記棒状ばね部材よりも十分に高い剛性を有すると共に、前記積層型圧電素子を収納した中空ケースと、前記積層型圧電素子の他端側を当接させた状態で前記中空ケースに対して該積層型圧電素子の伸縮方向に移動可能に装着されたプランジャーとを含むことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項５】
請求項４記載の圧電アクチュエータにおいて、前記プランジャーと前記積層型圧電素子の他端側との間には、該積層型圧電素子に加えられる圧縮予圧荷重を測定可能なロードセルが挟み込まれたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項６】
請求項４又は５記載の圧電アクチュエータにおいて、前記プランジャーを移動可能として任意な位置で固定するために該プランジャー及び前記中空ケースをねじ対偶により拘束して成ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項７】
請求項４又は５記載の圧電アクチュエータにおいて、前記プランジャーを移動可能として任意な位置で固定するために前記中空ケースを割締め構造とした上で該中空ケース及び該プランジャーを滑り対偶により拘束して成ることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてばね部材のばね性により積層型圧電素子の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータであって、詳しくは高周波駆動時の積層型圧電素子の特性評価に有効な圧縮予圧荷重構造を持った圧電アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、この種の圧電アクチュエータの研究分野では、電歪効果を有するセラミックス材料と電極材料とを交互に重ねた構造の積層型圧電素子を利用し、微少変位を高速にして高応答で制御可能な性能を得ている。
【０００３】
こうした圧電素子の開発時には、素子特性の評価が必要不可欠であるが、圧電素子単体に高電圧・高周波数の駆動電圧を印加すると、素子の伸縮に伴う慣性力で引っ張り応力が発生して素子自体が容易に破壊されてしまうため、実際に動作させる（それを確認する）ためには、圧電素子に圧縮予圧荷重を与えておき、高電圧・高周波数の駆動時の引っ張り応力を防止する構造にする必要がある。
【０００４】
そこで、一般にはコイルスプリングを装着したケースに積層型圧電素子を収納し、コイルスプリングのばね性（弾性）により積層型圧電素子の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える構造としている。
【０００５】
図３は、従来の圧電アクチュエータの基本構成を示した側面断面図である。この圧電アクチュエータの場合、一端側に底部材１５ｂを取り付けた状態の円筒状のケース１６内へ積層型圧電素子１を略中心軸方向に合致するように収納することで底部材１５ｂの略中心部に積層型圧電素子１の一端側を当接装着させ、この状態でコイルスプリング１７を略中心部に装着した蓋部材１５ａをケース１６の他端側に装着することでコイルスプリング１７の一端部が積層型圧電素子１の他端側を付勢する構成とすることにより、コイルスプリング１７が積層型圧電素子１の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える構造となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したコイルスプリングを装着したケースに積層型圧電素子を収納して積層型圧電素子の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータの場合、ばね定数が高くて質量が小さいコイルスプリングを製作したり、或いはそうしたコイルスプリングを適用することが事実上困難であって、圧縮予圧荷重構造での共振周波数を数百Ｈｚ程度とするのが限界であるため、数ｋＨｚ以上の高周波駆動時の積層型圧電素子の特性評価を行うことができないという問題がある。
【０００７】
又、上述した圧電アクチュエータの場合、積層型圧電素子の特性評価上の要求により圧縮予圧荷重構造のばね性を任意の値に変更する必要が生じると、ばね定数の変更に伴ってコイルスプリングをその都度要求されるばね性を有するものに交換する必要があり、任意のばね性を具現するためにはそのばね定数に対応したコイルスプリングを製作して適用しなければならないため、積層型圧電素子の特性評価を簡易にして有効に行うことができないという不便さを解消できない構造となっている。
【０００８】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、高周波駆動時の積層型圧電素子の特性評価を簡易にして有効に行うことができる圧縮予圧荷重構造を持った圧電アクチュエータを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ばね部材のばね性により積層型圧電素子の伸縮方向に圧縮予圧荷重を与える圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータにおいて、ばね部材は、積層型圧電素子の伸縮方向と直交する方向で両端側が固定支持されると共に、中央部が非固定部として撓み変形可能に該積層型圧電素子の一端側に当接された棒状ばね部材であり、
前記圧縮予圧荷重構造は、前記棒状ばね部材における前記両端の固定支持部分のスパンを可変とするものであることを特徴とする圧電アクチュエータが得られる。
【００１１】
更に、本発明によれば、上記何れかの圧電アクチュエータにおいて、棒状ばね部材の中央部と積層型圧電素子の一端側との間には、応力緩和部材が挟み込まれた圧電アクチュエータが得られる。
【００１２】
加えて、本発明によれば、上記圧電アクチュエータにおいて、応力緩和部材は、ダイアフラムで支持された圧電アクチュエータが得られる。
【００１３】
一方、本発明によれば、上記何れか一つの圧電アクチュエータにおいて、圧縮予圧荷重構造は、棒状ばね部材よりも十分に高い剛性を有すると共に、積層型圧電素子を収納した中空ケースと、積層型圧電素子の他端側を当接させた状態で中空ケースに対して該積層型圧電素子の伸縮方向に移動可能に装着されたプランジャーとを含む圧電アクチュエータが得られる。
【００１４】
又、本発明によれば、上記圧電アクチュエータにおいて、プランジャーと積層型圧電素子の他端側との間には、該積層型圧電素子に加えられる圧縮予圧荷重を測定可能なロードセルが挟み込まれた圧電アクチュエータが得られる。
【００１５】
他方、本発明によれば、上記何れかの圧電アクチュエータにおいて、プランジャーを移動可能として任意な位置で固定するために該プランジャー及び中空ケースをねじ対偶により拘束して成る圧電アクチュエータや、或いは同様にプランジャーを移動可能として任意な位置で固定するために中空ケースを割締め構造とした上で該中空ケース及び該プランジャーを滑り対偶により拘束して成る圧電アクチュエータが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に実施例を挙げ、本発明の圧電アクチュエータについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施例に係る圧縮予圧荷重構造の圧電アクチュエータの基本構成を示したもので、同図（ａ）は一部を破断して示した一方向からの側面断面図に関するもの，同図（ｂ）は一部を破断して示した他方向からの側面断面図に関するもの，同図（ｃ）は上面方向からの平面図に関するものである。
【００１８】
この圧電アクチュエータの場合、積層型圧電素子１の伸縮方向と直交する方向で両端側が固定支持部分として固定スパンを可変とするようにコレット４を介在させた保持ブロック５ａ，５ｂの間に挟み込まれて固定支持されると共に、中央部が非固定部として撓み変形可能に応力緩和部材としての駒６を介して積層型圧電素子１の一端側に当接された棒状ばね部材としてのバースプリング３と、バースプリング３よりも十分に高い剛性を有すると共に、積層型圧電素子１を収納した中空治具ケース本体２１と、積層型圧電素子１への圧縮予圧荷重を測定可能なロードセル１２を介在させて積層型圧電素子１の他端側を当接させた状態で中空治具ケース本体２１に対して積層型圧電素子１の伸縮方向に移動可能に装着されたプランジャー１０とを基本構成とする圧縮予圧荷重構造を有している。
【００１９】
このうち、バースプリング３の中央部と積層型圧電素子１の一端側との間には、ダイアフラム７の中心部分にナット８により取り付けられた駒６が挟み込まれ、ダイアフラム７とバースプリング３の中央部周辺との間にはスペーサが挟み込まれている。即ち、こうした構成により応力緩和部材としての駒６は、ダイアフラム７により支持されることになるが、ここでのダイアフラム７，ナット８，駒６，及びスペーサは、合わせて構造上において応力緩和構造を成している。又、プランジャー１０と積層型圧電素子１の他端側との間には積層型圧電素子１に加えられる圧縮予圧荷重を測定可能なロードセル１２が挟み込まれている。更に、プランジャー１０を移動可能として任意な位置で固定するため、中空治具ケース本体２１を割締め構造とした上でプランジャー１０及び中空治具ケース本体２１は滑り対偶により拘束されて成っている。
【００２０】
各部の構成部分について、具体的に言えば、中空治具ケース本体２１は、円筒状の鋼材から成り、積層型圧電素子１の伸縮方向の固有振動数が２０ｋＨｚ以上であって、同方向の剛性がバースプリング３と比べて十分に高く、取り付けられる各部の質量に比べて十分に重く、各部の質量による共振周波数の低下を無視できるようになっている。
【００２１】
バースプリング３は、ピアノ線で形成された両端側が固定梁となるもので、非固定部の中央部における集中荷重時のばね定数をコレット４の固定スパンを変更することで任意に設定することが可能となっている。コレット４は、保持ブロック５ａ，５ｂで保持されており、保持ブロック５ａ，５ｂに設けられた穴に沿って移動可能となっている。ここでのバースプリング３のばね性は、固有振動数を数ｋＨｚ以上を確保できるもので、直径φ＝４．５ｍｍのピアノ線を固定スパン３７．２ｍｍで固定したとき、ばね定数約１５×１０6 Ｎ／ｍ、固有振動数１４ｋＨｚ以上となる場合を例示できる。
【００２２】
尚、ここでのバースプリング３の場合、断面円形となっているが、矩形断面のものを用いても良い。ばね材料に発生する曲げ応力を考慮すれば、矩形断面の方が応力を低減し得るが、何れの形状断面のばね材料を使用した場合においても、評価試験に供される積層型圧電素子１の端面に直接的にばねを当接させると応力集中を生じて積層型圧電素子１を破損させる危険があるため、各部材間に駒６を挟み込むようにすることが好ましい。
【００２３】
駒６は、その質量により若干の共振周波数の低下を生じさせるが、事前にバースプリング３の固有振動数を高く設定することで相殺することが可能である。駒６は、バースプリング３の延在方向に移動可能であるので、不要な移動を防止するためにダイアフラム７の中央にナット８で固定し、ダイアフラム７を中空治具ケース本体２１に固定板９を用いて固定する構造とする。これにより、駒６は積層型圧電素子１の伸縮方向に移動可能となるが、その伸縮方向と直交する方向には固定される。ダイアフラム７の質量による共振周波数の低下も、駒６の質量の場合と同様に相殺可能である。
【００２４】
プランジャー１０は、割締め構造の中空治具ケース本体２１の中空穴内径より若干細い円柱部材であり、プランジャー１０及び中空治具ケース本体２１は滑り対偶により拘束されて成っている。これにより、加圧具１３によりプランジャー１０を介して積層型圧電素子１へ圧縮予圧荷重を付加するときにプランジャー１０を適宜移動させた上で任意な位置で固定できる。
【００２５】
このような圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータの場合、バースプリング３のばね定数を任意に変更設定して共振周波数を調整可能となっていると共に、積層型圧電素子１の他端側とプランジャー１０との間にロードセル１２が配置されて積層型圧電素子１の圧縮予圧荷重を測定可能となっているため、バースプリング３のばね定数を適宜変更設定して共振周波数を調整すると共に、積層型圧電素子１の圧縮予圧荷重をロードセル１２で測定しながら割締め構造の中空治具ケース本体２１及びプランジャー１０を滑り対偶によって正確に任意の値に設定することにより、従来では困難であった高周波駆動時の積層型圧電素子１の特性評価を容易にして有効に行うことができる。
【００２６】
図２は、本発明の他の実施例に係る圧縮予圧荷重構造の圧電アクチュエータの基本構成を示したもので、同図（ａ）は一部を破断して示した一方向からの側面断面図に関するもの，同図（ｂ）は一部を破断して示した他方向からの側面断面図に関するもの，同図（ｃ）は上面方向からの平面図に関するものである。
【００２７】
この圧電アクチュエータの場合、基本構成は先の一実施例の場合と同様であるが、この圧縮予圧荷重構造の場合、一実施例の場合と同様にプランジャー１４を移動可能として任意な位置で固定するためにプランジャー１４の外形にねじが形成され、このプランジャー１４がボール１１を介してプランジャー先端部１４ａと接しており、プランジャー１４の移動時のねじ回転摩擦トルクをプランジャー先端部１４ａに伝えない構造とし、最終的に積層型圧電素子１に捩じり応力を発生させないように配慮し、プランジャー１４及び中空治具ケース本体２２をねじ対偶により拘束して成る点が相違している。
【００２８】
このような圧縮予圧荷重構造を有する圧電アクチュエータの場合も、バースプリング３のばね定数を任意に変更設定して共振周波数を調整可能であると共に、積層型圧電素子１の他端側とプランジャー先端部１４ａとの間にロードセル１２が配置されて積層型圧電素子１の圧縮予圧荷重を測定可能となっているため、バースプリング３のばね定数を適宜変更設定して共振周波数を調整すると共に、積層型圧電素子１の圧縮予圧荷重をロードセル１２で測定しながらプランジャー１４及び中空治具ケース本体２２のねじ対偶によって正確に任意の値に設定することにより、従来では困難であった高周波駆動時の積層型圧電素子１の特性評価を容易にして有効に行うことができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の圧電アクチュエータによれば、積層型圧電素子の伸縮方向と直交する方向で両端側が固定支持部分として固定スパンを可変とするように固定支持されると共に、中央部が撓み変形可能に応力緩和部材を介して積層型圧電素子の一端側に当接された棒状ばね部材と、積層型圧電素子を収納した中空ケースと、積層型圧電素子への圧縮予圧荷重を測定可能なロードセルを介在させて積層型圧電素子の他端側を当接させた状態で中空ケースに対して積層型圧電素子の伸縮方向に移動可能に装着されたプランジャーとを備える圧縮予圧荷重構造を有するものとしているので、棒状ばね部材のばね定数を適宜変更設定して共振周波数を調整すると共に、積層型圧電素子の圧縮予圧荷重をロードセルで測定しながらプランジャー及び中空治具ケース本体のねじ対偶、或いは割締め構造の中空治具ケース本体及びプランジャーを滑り対偶によって正確に任意の値に設定することにより、従来では困難であった高周波駆動時の積層型圧電素子の特性評価を容易にして有効に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る圧縮予圧荷重構造の圧電アクチュエータの基本構成を示したもので、（ａ）は一部を破断して示した一方向からの側面断面図に関するもの，（ｂ）は一部を破断して示した他方向からの側面断面図に関するもの，（ｃ）は上面方向からの平面図に関するものである。
【図２】本発明の他の実施例に係る圧縮予圧荷重構造の圧電アクチュエータの基本構成を示したもので、（ａ）は一部を破断して示した一方向からの側面断面図に関するもの，（ｂ）は一部を破断して示した他方向からの側面断面図に関するもの，（ｃ）は上面方向からの平面図に関するものである。
【図３】従来の圧電アクチュエータの基本構成を示した側面断面図である。
【符号の説明】
１  圧電素子
３  バースプリング
４  コレット
５ａ，５ｂ  保持ブロック
６  駒
７  ダイアフラム
８  ナット
９  固定板
１０，１４  プランジャー
１１  ボール
１２  ロードセル
１３  加圧具
１４ａ  プランジャー先端部
１５ａ  蓋部材
１５ｂ  底部材
１６  ケース
１７  コイルスプリング
２１，２２  中空治具ケース本体
【図１】
0004554054.tif 000002
【図２】
0004554054.tif 000003
【図３】
0004554054.tif 000004