(57)【要約】【課題】  圧電素子の性能を十分に発揮することができ、用途に応じた設計が容易に行え、短時間、かつ容易に製作することができる積層型圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】  両端支持、もしくはそれに近い固定条件を有する積層圧電アクチュエータを製作する。これにより、圧電素子の性能が十分に発揮される。また、単純な構造の圧電素子を用いることにより、用途に応じた設計が容易に行える。また、接着テープを用いて組み立てることにより、短時間、かつ容易に製作される。また、導電性を有する接着テープを用いることにより、組み立てと同時に配線も完了し、製作が容易になる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端支持、もしくはそれに近い固定条件を有する積層圧電アクチュエータ。
【請求項２】
単純な構造の圧電素子を用いることによる、用途に応じた設計が容易な請求項１記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項３】
接着テープを用いることによる、製作が容易な請求項１記載の積層圧電アクチュエータ。
【請求項４】
導電性を有する接着テープを用いることによる、組み立てと同時に配線が完了する請求項１記載の積層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、例えばマイクロバルブの開閉、対象の精密な位置制御や操作等のために使用する積層圧電アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  現在、圧電定数ｄ３３を利用した積層圧電アクチュエータがある。このアクチュエータは力は大きいが、変位は小さい。また、圧電定数ｄ３１を利用したバイモルフアクチュエータがある。このアクチュエータは力は小さいが、変位は大きい。そこで、圧電定数ｄ３１を利用し、かつ力も変位も両立した積層圧電アクチュエータが考案されている（下記特許文献１）。【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７９６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかし、これらのアクチュエータは、固定条件が両端支持ではないため圧電素子の性能を十分に発揮していない、構造が複雑であるため製作前にアクチュエータの性能を正確に見積もることが困難、製作が容易ではない等の問題点があった。本発明はこれらの問題点を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  上記の目的を達成するために、本発明によれば、両端支持、もしくはそれに近い固定条件を有する積層圧電アクチュエータを製作する。例えば、２枚以上のバイモルフ型圧電素子を接着テープで組み立てることにより実現される。これにより、圧電素子の性能が十分に発揮される。
単純な構造の圧電素子を用いることによる、用途に応じた設計が容易な請求項１記載の積層圧電アクチュエータを製作する。例えば、２枚の圧電セラミックスを張り合わせた単純なバイモルフ型圧電素子を用いて請求項１記載の積層圧電アクチュエータを製作することにより、理論式を用いて製作前にアクチュエータの性能を正確に見積もることができる。【０００６】  接着テープを用いることによる、製作が容易な請求項１記載の積層圧電アクチュエータを製作する。例えば、２枚以上のバイモルフ型圧電素子を接着テープで組み立てる。これにより、短時間、かつ容易に製作される。
導電性を有する接着テープを用いることによる、組み立てと同時に配線が完了する請求項１記載の積層圧電アクチュエータを製作する。例えば、２枚以上のバイモルフ型圧電素子を導電性を有する接着テープを用いて組み立てる。これにより、組み立てと同時に配線も完了し、製作が容易になる。
【発明の効果】
【０００７】  本発明を利用することにより、圧電素子の性能を十分に発揮することができ、用途に応じた設計が容易に行える積層圧電アクチュエータを短時間、かつ容易に製作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】  図１に両端支持、もしくはそれに近い固定条件を有する積層圧電アクチュエータの基本構造を示す。２枚のバイモルフ型圧電素子１をスペーサー３を介して接着テープ２で図１（Ｂ）のように組み立てる。このとき、スペーサー３はバイモルフ型圧電素子１の変形を妨げない状態で接触している方が良い。これにより、圧電素子の性能が十分に発揮される。また、さらに積層する場合には、図２の部材１と図３の部材２を図４のように交互に積層することにより製作される。
単純な構造の圧電素子を用いることによる、用途に応じた設計が容易な積層圧電アクチュエータを製作する。図４の積層圧電アクチュエータを、図５のように２枚の圧電セラミックスを張り合わせたものや２枚の圧電セラミックスを基板に貼り付けたもの等の単純な構造の圧電素子を用いて製作することにより、理論式を用いて製作前にアクチュエータの性能を正確に見積もることができる。
図５（Ｂ）を積層した場合のアクチュエータの力と変位の理論式を導出する。解析モデルを図６に示す。バイモルフ型圧電素子のたわみ曲線の微分方程式は以下の式で表される．
2007005744.tif 000003
ここで，ＹＩはバイモルフ型圧電素子の曲げ剛性，Ｍｐは逆圧電効果による曲げモーメントである．圧電基本式は以下の式で表される．
2007005744.tif 000004
ここで，Ｓｘは歪み，Ｙｐは圧電素子のヤング率，σｘは応力，ｄ３１は圧電定数，Ｅｚは電界である．式（２）より，逆圧電効果による応力は，
2007005744.tif 000005
となる．ここで，Ｖは入力電圧，ｔｐは圧電素子の厚みである．式（３）より，逆圧電効果による曲げモーメントは，
2007005744.tif 000006
となる．ここで，ｂは圧電素子の幅，ｔｓは基板の半分の厚みである．両端支持の境界条件は以下のように表される．
ｘ＝０：ｚ＝０，ｘ＝Ｌ：ｚ＝０                  （５）
式（１）を式（５）の境界条件で解くと，逆圧電効果により生じる変位ｚｓｐは，
2007005744.tif 000007
となる．外力Ｆにより生じる変位ｚｓｆは，
2007005744.tif 000008
となる．式（６）と（７）より，バイモルフ型圧電素子の中心の変位ｚｓは，
2007005744.tif 000009
となる．式（８）より，積層圧電アクチュエータの力と変位の理論式は，
2007005744.tif 000010
となる．ここで，ｎはバイモルフ型圧電素子の枚数である．【０００９】  式（９）を用いてシミュレーションを行う。積層圧電アクチュエータのサイズは１０×１０×１０ｍｍとし，スペーサーの厚みは２００μｍとする．バイモルフ型圧電素子の厚みが２００μｍ（２４枚），４００μｍ（１６枚），８００μｍ（１０枚）のそれぞれの場合についてシミュレーションを行った．枚数は積層圧電アクチュエータの厚みがほぼ１０ｍｍになるように設定した．図７にシミュレーション結果を示す．図７−（Ａ）はバイモルフ型圧電素子の厚みが２００μｍの場合、図７−（Ｂ）は４００μｍの場合、図７−（Ｃ）は８００μｍの場合である。これらの結果より，本積層圧電アクチュエータは，同一のサイズであってもバイモルフ型圧電素子の厚みを調節することにより，数Ｎの力を発生するアクチュエータから数１００μｍの変位を発生するアクチュエータまで，幅広い範囲のアクチュエータを実現できることがわかる．【００１０】  接着テープを用いることによる、製作が容易な積層圧電アクチュエータを製作する。図４のように、バイモルフ型圧電素子を接着テープで組み立てる。これにより、短時間、かつ容易に製作される。
導電性を有する接着テープを用いることによる、組み立てと同時に配線が完了する積層圧電アクチュエータを製作する。図４の積層圧電アクチュエータを導電性を有する接着テープを用いて組み立てる。これにより、組み立てと同時に配線も完了し、製作が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】  積層圧電アクチュエータの基本構造
【図２】  積層圧電アクチュエータの部材１
【図３】  積層圧電アクチュエータの部材２
【図４】  積層圧電アクチュエータの構造
【図５】  単純な構造の圧電素子
【図６】  解析モデル
【図７】  積層圧電アクチュエータの性能を示すシミュレーション結果
【符号の説明】
【００１２】  １  バイモルフ型圧電素子、２  接着テープ、３  スペーサー、４  圧電セラミックス、５  基板
【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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【図６】
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【図７】
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