(57)【要約】【課題】圧電素子の劣化の程度を把握でき、確認結果に応じて圧電素子を交換するか否かを決めることができる抵抗検出回路およびこれを備えた圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電素子１１０の抵抗値を検出する抵抗検出回路１２５であって、印加電圧に対して変位を出力する圧電素子１１０に直列に接続された抵抗素子１２６と、抵抗素子１２６にかかる電圧を検出する検出用端子１２８と、を備え、圧電素子１１０への印加電圧および抵抗素子１２６にかかる電圧から圧電素子１１０の抵抗値を検出可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の抵抗値を検出する抵抗検出回路であって、
印加電圧に対して変位を出力する圧電素子に直列に接続された抵抗素子と、
前記抵抗素子にかかる電圧を検出する検出用端子と、を備え、
前記圧電素子への印加電圧および前記抵抗素子にかかる電圧から前記圧電素子の抵抗値を検出可能にすることを特徴とする抵抗検出回路。
【請求項２】
前記圧電素子を備える圧電アクチュエータに対して外付けで接続され、前記圧電素子に電圧を印加する端子のうちＧＮＤ側の端子に、前記抵抗素子および前記検出用端子が接続されることを特徴とする請求項１記載の抵抗検出回路。
【請求項３】
前記圧電素子と、
請求項１記載の抵抗検出回路と、
前記圧電素子を収容するキャップと、
前記キャップの開口端に接合して封止する座と、を備え、
前記キャップの内部に前記抵抗素子を配置し、前記検出用端子を前記座に設けた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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の抵抗値を検出する抵抗検出回路およびこれを備えた圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、耐久性が求められる圧電アクチュエータでは、金属のケースに圧電素子を封止し、外部の水分等の影響をなくしたものがある。例えば、特許文献１記載の圧電アクチュエータは、キャップとベースとが封止接合されてなる筐体に圧電アクチュエータ素子が内包され、この圧電アクチュエータ素子に接続されたリード端子が筐体外に引き出されて構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−００６６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧電アクチュエータという製品の機能上、変位を伝えるのに圧電素子が伸縮することが前提である。したがって、圧電素子内に生じる機械的なひずみ等で材料であるセラミックの絶縁が劣化し、絶縁破壊によって寿命が尽きるのを完全に防ぐことはできない。
【０００５】
そして、このような圧電アクチュエータは産業機械の部品として使用されることも多い。その場合には一個の圧電アクチュエータが故障すると、装置が停止し、ひいては装置の関係する生産ラインが停止することで、大きな経済的、環境的な損失にもつながりかねない。
【０００６】
定期的なメンテナンス・交換による対応も考えられるが、圧電アクチュエータは使用環境や駆動条件により耐久性が変わるため、事前の寿命予測は困難である。よって、故障を完全に防いだり、事前に計画を立てたりすることはできなくとも、事前に故障が近いことを示すサインが得られれば、定期メンテナンスで故障が近い部品を交換することが可能となる。そして、突然の故障を防ぎ設備の稼働率を上げることも可能となる。
【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、圧電素子の劣化の程度を把握でき、確認結果に応じて圧電素子を交換するか否かを決めることができる抵抗検出回路およびこれを備えた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、本発明の抵抗検出回路は、圧電素子の抵抗値を検出する抵抗検出回路であって、印加電圧に対して変位を出力する圧電素子に直列に接続された抵抗素子と、前記抵抗素子にかかる電圧を検出する検出用端子と、を備え、前記圧電素子への印加電圧および前記抵抗素子にかかる電圧から前記圧電素子の抵抗値を検出可能にすることを特徴としている。
【０００９】
これにより、圧電素子の抵抗値を確認することで、その劣化の程度を把握することができ、確認結果に応じて圧電素子を交換するか否かを決めることができる。したがって、駆動中に圧電素子の絶縁抵抗を検出でき、事前に劣化を把握し、定期メンテナンス時に交換することもできる。その結果、圧電素子の突然の故障を防ぎ、これを使用した設備の稼働率を向上できる。
【００１０】
（２）また、本発明の抵抗検出回路は、前記圧電素子を備える圧電アクチュエータに対して外付けで接続され、前記圧電素子に電圧を印加する端子のうちＧＮＤ側の端子に、前記抵抗素子および前記検出用端子が接続されることを特徴としている。これにより、従来の圧電アクチュエータに抵抗検出回路を外付けし、圧電アクチュエータの寿命を確認することができる。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電素子と、（１）記載の抵抗検出回路と、前記圧電素子を収容するキャップと、前記キャップの開口端に接合して封止する座と、を備え、前記キャップ内部に前記抵抗素子を配置し、前記検出用端子を前記座に設けたことを特徴としている。これにより、抵抗検出回路を内蔵した圧電アクチュエータにおいて、検出用端子を用いて圧電素子の絶縁抵抗を確認できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、圧電素子の劣化の程度を把握でき、確認結果に応じて圧電素子を交換するか否かを決めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の圧電アクチュエータの側断面ならびに圧電アクチュエータ本体および座を示す斜視図である。
【図２】圧電素子の側断面図である。
【図３】第１実施形態の抵抗検出回路を示す回路図である。
【図４】第２実施形態の抵抗検出回路を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
［第１の実施形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ１００を示す側断面図ならびに圧電アクチュエータ本体１０５および座１４０を示す斜視図である。
【００１６】
圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、抵抗検出回路１２５、座１４０、駆動用の端子１２４、１２９、検出用端子１２８、キャップ１６０で構成され、印加電圧により伸縮が制御される。圧電アクチュエータ１００は、例えばマスフローコントローラの弁の開閉制御部や精密位置決め装置のステージ駆動部に用いられ、その場合、被駆動体（弁、ステージ）を変位させる。
【００１７】
圧電アクチュエータ本体１０５は、一対のリード線１２０を介して一対の外部電極に電圧が印加されたとき、各圧電素子１１０が伸縮することで先端が変位する。駆動用の端子１２４、１２９は、圧電アクチュエータ本体１０５のリード線１２０に接続されており、印加電圧をリード線１２０に伝える。
【００１８】
座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の端部に接着され、圧電アクチュエータ本体１０５を支持している。そして、座１４０側の端部を固定された圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により先端側の半球１３０が変位する。
【００１９】
キャップ１６０は、有底で開口端を有する円筒形状を有し、金属で形成されている。キャップ１６０は、圧電アクチュエータ本体１０５を積層方向に圧縮しつつ内部に収容し、座１４０にその開口端が接合され、キャップ１６０内部を封止している。圧電アクチュエータ本体１０５がキャップ１６０に収容され、座１４０との間に封止されることで、圧電アクチュエータ１００が保護され、耐久性が向上する。
【００２０】
一方、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ１００は、キャップ１６０内部に抵抗素子１２６を配置し、検出用端子１２８を座１４０に設けている。これにより、抵抗検出回路１２５を内蔵した圧電アクチュエータ１００において、検出用端子１２８を用いて圧電素子１１０の絶縁抵抗を確認できる。抵抗検出回路１２５の詳細は後述する。
【００２１】
キャップ１６０は、ドーム形状の部分に半球１３０が当接するダイヤフラムを有する。キャップ１６０の直管部分は、キャップ１６０の中央から底部にかけて円筒に形成されている。キャップの先端部分には、ドーム形状を有するダイヤフラムが形成されている。キャップ１６０は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等のばね性に優れている材質が望ましい。
【００２２】
上記のように、座１４０が基台に固定され、圧電アクチュエータ本体１０５の一方の端部が座１４０で支持されている。そして、キャップ１６０の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ１００から被駆動体に変位が伝わる。
【００２３】
（圧電アクチュエータ本体）
圧電アクチュエータ本体１０５は、圧電素子１１０、接着層、リード線１２０および半球１３０で構成されている。圧電アクチュエータ本体１０５を構成する複数の圧電素子１１０は、直列に配置され、接着層により接着されている。接着層は、硬化した接着剤により圧電素子１１０同士を端面で接着している。複数の圧電素子１１０が接着されることで大きい変位量を確保できる。なお、直列とは、圧電素子１１０内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。
【００２４】
リード線１２０は、駆動用の端子１２４、１２９と各圧電素子１１０の外部電極１１７とを接続している。なお、図１（ａ）で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。リード線１２０は、リード線１２０に生じる応力を緩和できるように圧電素子１１０の端面付近で半円の円弧状に形成されている。
【００２５】
半球１３０は、無機材料で形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の被駆動体へ変位を伝える先端側に設けられている。半球１３０と圧電アクチュエータ本体１０５とは強固に接着されており、半球１３０はキャップ１６０のドーム形状の内側部分に接する。
【００２６】
（圧電素子）
図２は、圧電素子１１０の側断面図である。圧電素子１１０は、印加電圧に対して変位を出力し、圧電層１１３、内部電極１１４、１１５および外部電極１１６、１１７を有している。圧電素子１１０は、圧電層１１３と内部電極１１４、１１５とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面において、外部電極１１６、１１７は内部電極１１４、１１５に接続されている。圧電層は、例えばＰＺＴ、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成されている。電極材料には、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ等が用いられている。
【００２７】
（抵抗検出回路）
図３は、内蔵型の抵抗検出回路１２５を示す回路図である。抵抗検出回路１２５は、抵抗素子１２６および検出用端子１２８を備えており、圧電素子１１０の抵抗値を検出する。図３に示すように、圧電アクチュエータ１００は、圧電素子１１０、抵抗素子１２６、印加電圧の入力側の端子１２４、抵抗の検出用端子１２８、印加電圧のＧＮＤ側の端子１２９を有しており、抵抗検出回路１２５を内蔵している。なお、図３の例において、圧電素子１１０は、多連化された複数の圧電素子１１０も含んで圧電素子を代表している。
【００２８】
図３に示す回路では、駆動電源回路３００が駆動用の端子１２４に接続され、端子１２４を介して駆動電圧Ｖ０が、圧電素子１１０に印加されている。駆動電源回路３００は、駆動電圧の検出器も兼ねており、駆動電圧Ｖ０を検出している。
【００２９】
一方、抵抗素子１２６は、圧電素子１１０に直列に接続され、抵抗素子１２６の他端には、ＧＮＤ側の端子１２９が設けられている。圧電素子１１０と抵抗素子１２６との間には検出用端子１２８が設けられ、検出用端子１２８には、検出器４００が接続され、抵抗素子１２６にかかる電圧を検出している。従来の圧電アクチュエータには２つの駆動電圧を入力するための端子１２４、１２９があるが、圧電アクチュエータ１００では、圧電素子１１０の絶縁抵抗を検出するため、上記２個に加え検出用端子１２８が１個以上設けられている。したがって、圧電アクチュエータ１００は、合計３個以上の端子を有する。
【００３０】
このように抵抗検出回路１２５が設けられていることで、圧電素子１１０への印加電圧および抵抗素子１２６にかかる電圧が分かり、これらと抵抗素子１２６の既知の抵抗値から圧電素子１１０の抵抗値が検出可能となる。
【００３１】
すなわち、図３に示す回路における、駆動電圧Ｖ０、抵抗素子１２６の抵抗値Ｒ１、検出用端子１２８の検出電圧Ｖ１を用いて、圧電素子１１０の抵抗値＝Ｒ１×Ｖ０／Ｖ１が得られる。
【００３２】
これにより、圧電素子１１０の抵抗値を確認して、その劣化の程度を把握することができ、確認結果に応じて圧電素子１１０を交換するか否かを決めることができる。したがって、駆動中に圧電素子１１０の絶縁抵抗を検出でき、事前に劣化を把握し、定期メンテナンス時に交換することもできる。その結果、圧電素子１１０の突然の故障を防ぎ、圧電素子１１０を使用した設備の稼働率を向上できる。
【００３３】
例えば、圧電素子１１０に絶縁破壊が起こる抵抗値が１０６Ωとする。その場合に、当初１０１０Ωあった抵抗値が１０８Ωまで低下したところで、圧電アクチュエータを交換する決まりにすれば突然の故障を防止できる。そのような場合に、例えば、抵抗素子１２６として、１〜１０ＫΩの固定抵抗の素子を用いることができる。このような抵抗検出回路１２５の応用は、特に管封止され高耐久が要求される圧電アクチュエータに適している。
【００３４】
（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、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ−Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極１１６、１１７を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１６、１１７を形成できる。
【００３５】
得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。そして、金属製で板状のリード線を、外部電極に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体１０５を作製できる。
【００３６】
上記の圧電アクチュエータ本体１０５を座１４０に設置し、キャップ１６０を被せて封止する。このとき、圧電アクチュエータ１００のキャップ１６０の中に封止される圧電素子１１０に、圧電素子１１０に印加される駆動電圧が圧電素子１１０と直列にかかるように抵抗素子１２６をつなぎ、圧電素子１１０と一緒にキャップ１６０内に封止する。一方、抵抗素子１２６の他端には、端子１２９が接続されている。リード線１２０は、座１４０に挿通された端子１２４、１２８に接続されている。このようにして、圧電アクチュエータ１００を作製することができる。なお、駆動用の端子１２４、１２９は、それぞれ駆動電源回路３００、検出用端子１２８は、検出器４００に電気的に接続される。
【００３７】
［第２の実施形態］
上記の実施形態では、圧電アクチュエータ１００の内部に抵抗検出回路が内蔵されているが、外付けであってもよい。図４は、外付け型の抵抗検出回路２２５を示す回路図である。
【００３８】
図４に示すように、抵抗検出回路２２５は、圧電アクチュエータ１００ａに対して外付けで接続されている。圧電アクチュエータ１００ａは、内部に抵抗素子を有さず、駆動電圧を入力するための２つの端子しか設けられていない従来の圧電アクチュエータである。そして、圧電アクチュエータ１００ａの圧電素子１１０に電圧を印加する端子１２４、１２９ａのうちＧＮＤ側の１２９ａに、抵抗検出回路２２５が接続されている。
【００３９】
具体的には、抵抗検出回路２２５は、抵抗素子２２６および検出用端子２２８を有しており、圧電アクチュエータ１００ａの端子１２９ａに抵抗素子２２６および検出用端子２２８が接続されている。これにより、従来の圧電アクチュエータ１００ａに抵抗検出回路２２５を外付けし、圧電アクチュエータ１００ａの寿命を確認することができる。
【００４０】
なお、以上の実施形態は、管封止の精密位置決めの圧電アクチュエータの抵抗値を検出する回路を対象としているが、本発明はこのような実施形態に限らず、耐久性が求められる圧電アクチュエータに応用可能である。例えば、靴下編み機などに用いられ、長時間の稼動が要求される屈曲型の圧電アクチュエータに対しても応用が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１００、１００ａ  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
１１３  圧電層
１１４、１１５  内部電極
１１６、１１７  外部電極
１２０  リード線
１２４  端子（＋）
１２５  抵抗検出回路
１２６  抵抗素子
１２８  検出用端子（Ｔ１）
１２９  端子（ＧＮＤ）
１２９ａ  端子（ＧＮＤ）
１３０  半球
１４０  座
１６０  キャップ
２２５  抵抗検出回路
２２６  抵抗素子
２２８  検出用端子（Ｔ１）
３００  駆動電源回路
４００  検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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