(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子が振動板上に装着された振動子と、
前記振動板と同じ膨張係数を持つ材質でできており、前記振動子を挟持するための上部部材と下部部材と、プレート部材と弾性部材とを含む加圧機構と
を具備し、
前記プレート部材と前記上部部材は内腔を形成し、前記下部部材は前記内腔内に収容され、
前記振動子は、前記上部部材と、前記弾性部材の押圧により位置が決まる前記下部部材とにより挟持され、
前記下部部材は、前記弾性部材の押し付け圧により前記上部部材に一定の圧力で押し付けられる
圧電型アクチュエーター。
【請求項２】
周囲温度が変化したとき、前記振動子の対向する挟持点間の距離が前記振動子の外形の変化に対応して変化し、前記弾性部材が変形することにより前記下部部材の位置を変化させて前記振動子の挟持圧を一定に保つ
請求項１に記載の圧電型アクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電型アクチュエーターに関し、特に、周囲温度が変化したとしても周波数特性が安定していて、駆動回路を簡素化することができる圧電型アクチュエーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電アクチュエーターを使用する従来のダイヤフラム式のマイクロポンプが、特願平４−１４４７３０に開示されている。この従来例では、ピエゾ振動子が取り付けられたセラミック板がダイヤフラムとして使用されている。ダイアフラムが前後の屈曲振動できるように圧電アクチュエーターのケースの壁部に取り付けられている。そのダイヤフラムの前面の室には吸入口および吐出口が設けられていて、ダイヤフラムの背面はポンプ室として作用する。駆動回路からの駆動振動によりダイヤフラムが屈曲振動を行うことによりポンプ動作が行われる。
【０００３】
しかしながら、この従来例では、吸入口と吐出口の面積比の問題と、吸入口のの位置について考慮されているだけである。圧電アクチュエーターの組み立ての容易さ、駆動回路との関係については何ら考慮されていない。
【０００４】
また、図１０は、マイクロポンプをセンサ本体に角速度が作用したときに生ずるガス流の偏向状態を電気的に検出する循環式の閉鎖流路ガスレートセンサに用いたとき例を示す。ダイヤフラム型のマイクロポンプ（２０４、２０３、２０９）を駆動することによりマイクロポンプの吐出口２０７から噴出されたガスは、センサ本体のケーシング２１０内に形成された流路２１１を通してながれ、ノズル孔２１２から内部に向けて噴出される。内部に向けて噴出されたガスは、通路内に設けられたヒートワイヤ対２４１、２４２に向けて移動するガス流を生じさせる。センサ本体に角速度運動が加わって内部ガス通路を流れるガス流が偏向されるときにヒートワイヤー対２４１，２４２に生じる各感熱出力の差に応じたセンサ出力信号が得られる。流路、ノズル孔、内部ガス通路からなる循環式の閉鎖流路ガスレートセンサでは、その流路において最大抵抗となるノズル孔２１２部分での負荷コンダクタンスが１０6〜１０7（ｃｍ3／Ｓ）と大きく、この場合マイクロポンプの限られたポンプ能力でも十分な流量が得られる。
【０００５】
上述のように、マイクロポンプに使用される圧電型アクチュエーターでは、圧電素子が用いられており、その圧電素子の振動によりガス流が得られる。そのポンプの構造は、圧電素子が接着された振動子２０３の外周部が、図１０に示されるように、上部部材２０４と下部部材２０９により支持されている。この支持される部分にかかる荷重により振動子に発生する応力で振動子の周波数特性が変化する。即ち、上部部材２０４と下部部材２０９による支持部にかかる荷重により、振動子２０３の共振周波数が変化する。
【０００６】
駆動回路を簡略化するためには、圧力、温度等の条件により振動子の共振周波数が変動しないことが望ましい。しかしながら、上部部材と下部部材のネジ締めトルクにより圧電振動子の周波数特性が変化するという問題がある。また、共振周波数の温度特性もこのネジ締めトルクに依存することが判明した。更に、上述のマイクロポンプが一定圧力で封止された循環式の閉鎖流路ガスレートセンサに適用されると、封止圧力によって振動子の共振周波数は変化する。図１１は共振周波数の封止圧力の依存性を示す測定結果である。以上のように、圧電振動子の共振周波数は、温度、挟持圧力、封止圧力の影響を受ける。
【０００７】
即ち、大気圧下での温度変化に対して共振周波数の変動が少なかった圧電型アクチュエーターでも、封止圧力が変化すると共振周波数が変動してしまう。そのため、駆動回路により圧電振動子に供給される駆動振動の周波数を補正する必要が生じ、駆動回路の回路規模が大きくなるという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものである。従って、本発明の目的は、温度変化に対しても周波数特性が安定し、その結果駆動回路を簡素化することができる圧電型アクチュエーターを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧電型アクチュエーターでは、圧電素子が振動板上に装着された振動子と、前記振動子を挟持するための上部部材と下部部材とを具備し、前記振動板、前記上部部材、前記下部部材が同じ膨張係数をもつ材質でできていることを特徴とする。
【００１１】
前記振動板、前記上部部材、前記下部部材は４２％のＮｉを含むＦｅであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の圧電型アクチュエーターは、圧電素子が振動板上に装着された振動子と、前記振動子を挟持する上部部材と下部部材からなる筐体部と、前記筐体部により前記振動子が一定圧力で挟持されるように挟持圧を提供する加圧機構とを具備し、前記振動板、前記筐体部、前記加圧機構が同じ膨張係数をもつ材質でできていることを特徴とする。
【００１３】
前記加圧機構は、プレート部材と弾性部材とからなり、前記プレート部材と前記上部部材は内腔を形成し、前記下部部材は前記内腔内に収容され、前記弾性部材の押し付け圧により前記前記下部部材は上方に一定圧力で押し付けられている。
【００１４】
前記加圧機構は、弾性部材を含み、前記弾性部材の弾性圧により前記振動子を前記上部部材と前記下部部材により一定圧力で挟持してもよい。
【００１５】
この場合も、前記振動板、前記筐体部、前記加圧機構は４２％のＮｉを含むＦｅであることを特徴とする。
【００１６】
更に、本発明の圧電型アクチュエーターは、圧電素子が振動板上に装着された振動子と、前記振動子を挟持するための上部部材と下部部材とを具備し、周囲温度が変化したとき、前記振動子の対向する挟持点間の距離が前記振動子の外径の変化に対応するように変化する。
【００１７】
また、周囲温度が変化して、前記振動子と直交する方向の前記上部部材と前記下部部材の長さが変化したとき、前記下部部材の位置を相対的に変化させることにより前記振動子の挟持圧をほぼ一定に保つことを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の圧電型アクチュエーターを添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明による圧電型アクチュエーターは、例えばマイクロガスレートセンサーの圧電型ポンプに適用される。しかしながら、種々の装置に適用可能である。
【００１９】
図１は、本発明の実施形態による圧電型アクチュエーターの断面図を示す。図１を参照して、圧電型アクチュエーターは、上部部材２、圧電振動子４、下部部材６、ウェーブワッシャ８、プレート部材１０から構成される。上部部材２、下部部材６、圧電振動子４の振動板２２は、いずれも４２％のＮｉを含有する４２Ｎｉ−Ｆｅ系の材料で形成されている。プレート部材１０も４２Ｎｉ−Ｆｅ系の材料で形成されていることが望ましい。
【００２０】
図2は、図１に示される圧電型アクチュエーターの分解断面図である。図３は、本発明の圧電型アクチュエーターの外観斜視図である。
【００２１】
図１、図２、図３を参照して、上部部材２は、上面板部４０と円筒状に下方に伸びる側壁部４２を有している。上面板部４０には吐出口１２が形成されている。側壁部４２には吸気口１４と圧電振動子４からのリード線を通すための孔１５が形成されている。
【００２２】
上部部材２の側壁部４２の外面側部１６は内面側部１８より長く下方向に伸びている。これにより、側壁部４２の下方端部には、外面側部１６と内面側部１８との間に段差が形成されている。内面側部１８の表面には、従来例のように、突起部１８ａが形成されている。外面側部１６にはネジ止め用の孔５１−１〜５１−４が形成されている。側壁部４２の内径は、以下に説明する圧電振動子４の外径より小さくなっている。また、外面側部１６の内径は圧電振動子４の外径より大きくなっている。
【００２３】
圧電振動子４は、図４に示されるように、振動板２２の上にＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３，ＰｂＺｒＯ３）からなる圧電素子２４が取り付けられている。圧電素子２４は振動板２２の上に接着剤で固定されている。圧電素子２４にはリード線２８が半田付けされている。被服されたリード線２８は上部部材２の側壁部４２に設けられた孔１５を通って駆動回路２０に接続されている。駆動回路のグランド線は導電性の下部部材６に接続されている。駆動回路２０からリード線２８を介して所定の周波数を持つ駆動信号が供給される。リード線２８を介して駆動信号が圧電素子２４に印加されると、圧電素子２４は振動し、それに応じて振動板２２が振動する。こうしてポンプ作用が実現されている。
【００２４】
下部部材６は、底面板部４４と円筒状に形成された側壁部３４を有する。底面板部４４の側壁部３４は、上部部材２の内面側部１８に対応する。側壁部３４の外径は上部部材２の外面側部１６の内径より僅かに小さく形成されている。側壁部３４の内径は、上部部材２の内面側部１８の内径とほぼ同じである。これにより、下部部材６の側壁部３４の上端上に圧電振動子４を載せることが可能である。また、下部部材６が上部部材２と係合されるとき、圧電振動子４を側壁部３４と内面側部１８とにより挟持することができる。
【００２５】
ウェーブワッシャ８の形状が図５に示される。リング状の弾性板材が波を打つように変形されている。ウェーブワッシャ８の最高点位置と最低点位置との高さの差異はＡより僅かに大きい。このとき、ウェーブワッシャ８には弾性力は働いていない。
【００２６】
プレート部材１０は、底面板部６０と円筒状の側壁部３６を持っている。プレート部材の側壁部３６は、上部部材２の外面側部１６と合わされる。
【００２７】
次に、本発明による圧電型アクチュエーターの組み立て方法について説明する。
【００２８】
先ず、圧電振動子４のリード線２８が上部部材２の孔１５に通され、駆動回路２０に接続される。
【００２９】
次に、下部部材６の側壁部３４が上部部材２の内面側部１８に当たるように下部部材６と上部部材２が係合される。このとき、圧電振動子２の外径は下部部材６の側壁部の外径より僅かに小さいだけなので、圧電振動子２の中心が大きくずれる心配はない。
【００３０】
次いで、プレート部材１０の側壁部３６により形成される凹部にウェーブワッシャ８が入れられる。その後、プレート部材１０の側壁部３６が上部部材２の外面側部１６に当たるように結合される。
【００３１】
圧電型アクチュエーターの周囲に設けられた孔を通して上部部材２とプレート部材１０はネジ５３−１〜５３−４でネジ止めされる。このとき、上部部材２の外面側部１６の頂点と内面側部１８の頂点との間の距離とプレート部材１０の側壁部３６の底面板部６０からの高さとの和はＢであり、下部部材６の側壁部３４の頂点から下部部材６の底面板部４４の下面までの高さはＣである。従って、本発明の圧電型アクチュエーターでは、プレート部材１０の底面板部６０の上面から下部部材６の底面板部の下面までの高さはＡ（＝Ｂ−Ｃ）である。ウェーブワッシャ８は、元々高さＡより僅かに大きい高さを有するので、高さＡに押し縮められることにより、復元反発力を発揮する。この反発力により下部部材６は、上方に押し上げられ、圧電振動子４は上部部材２と下部部材６とにより一定圧力で挟持される。即ち、下部部材６はウェーブワッシャ８の反発力により位置が決まる可動部である。また、ウェーブワッシャ８とプレート部材１０とは加圧機構として作用する。
【００３２】
このように、本発明による圧電型アクチュエーターでは、下部部材２の底面からプレート部材１０の底部の上面までの距離Ａと、ウェーブワッシャ８の高さをを管理するだけで圧電振動子の挟持圧力を決定することができる。上部部材２とプレート部材１０とをネジ止めするときの締め付け圧力を厳密に制御する必要はない。
【００３３】
上述のように、本発明の圧電型アクチュエーターでは、圧電振動子４を所望の荷重で挟持するために、上部部材２と下部部材６のうちの一方、（実施の形態では下部部材６）が一定荷重で他方（上部部材２）に押し付けられるように、弾性をもつ部品（実施の形態ではウェーブワッシャ８）が使用されている。これにより、弾性を有する部品が挿入される部分の高さを一定にすれば、所望の周波数特性を持つポンプを簡単に組み立てることができるようになる。
【００３４】
以下に、本発明の実施の形態による圧電型アクチュエーターの共振周波数の温度依存性の測定結果について説明する。図６は、２気圧封止でのその測定結果を示す。点線は従来例における測定結果を示し、実線は本発明による圧電型アクチュエーターが使用される場合の測定結果を示す。周囲温度が−３０℃から８０℃まで変化したとき、従来例では共振周波数は７００Ｈｚほど変化していた。一方、本発明による圧電型アクチュエーターでは、僅かに２５０Ｈｚ程度の変化に過ぎない。この結果から明らかなように、本発明による圧電型アクチュエーターでは、共振周波数の温度依存性が低下しているので、駆動回路２０を簡素化することができる。
【００３５】
これは、以下のように考えることができる。
【００３６】
即ち、従来例の圧電型アクチュエーターでは、大気圧下での温度変化に対しては共振周波数変動を少なく出来ていたが、一定圧力で封止された場合は、共振周波数は以下のように変動する。周囲温度が常温から高温に変化すると、内部圧力が上昇するので、図１１から明らかなように共振周波数が高くなる。一方、周囲温度が常温から低温に変化すると、内部圧力が下がるので、共振周波数が低くなる。ここで振動子４単体の共振周波数、即ち、上部部材２と下部部材６により挟持されていない状態での振動子４の共振周波数は、周囲温度が常温から高温に変化すると、共振周波数が低くなる。一方、周囲温度が常温から低温に変化すると、共振周波数が高くなる。つまりこの振動子４単体の共振周波数の温度特性を生かせば、圧電型アクチュエーターが一定圧力で閉鎖流路系内に封止された状態におかれた状態で、周囲温度の変化があっても、共振周波数の変化を少なくすることが出来ることになる。
【００３７】
従来例では、圧電振動子４が一定荷重で挟持されていた。また、上部部材２と下部部材６の材質と圧電振動子４の振動板２２の材質が異なっていたので、周囲温度が変化したとき、熱膨張の程度に差が生じていた。その差のため、圧電振動子４の挟持圧に変化を生じさせて、結果的に圧電振動子そのものの共振周波数と差が生じていた。また、その差のため、圧電振動子４の内部に歪みを生じ、その歪みが、圧電振動子そのものの共振周波数と差を生じさせていた。
【００３８】
本発明の実施形態では、上部部材２と下部部材６が圧電振動子４の振動板２２の材質と同じ材質で形成されている。即ち、同一の熱膨張係数を持つ材料で形成されている。これにより上部部材２と下部部材６で圧電振動子４が挟持される時でも、圧電振動子４単体（支持しない状態）の共振周波数の温度変化に近い特性が得られるようになった。この結果、圧電型アクチュエーターが一定圧力で封止された状況下での温度変化に対し、圧電振動子４の共振周波数の変動を低くすることが可能になった。
【００３９】
第１の実施形態では、上部部材２と下部部材６が圧電振動子４の振動板２２の材質である４２Ｎｉ−Ｆｅで形成されている。これだけでも効果が出るが、更に全部品、例えば、ウェーブワッシャ８、プレート部材１０も圧電振動子４の振動板２２の材質と同じ熱膨張係数をもつ材質で形成されれば、更によい結果が得られる。
【００４０】
図１の図面上の横方向の長さの温度変化を考えて見れば、上部部材２と下部部材６は圧電振動子４と同じだけ変化する。従って、温度変化により、圧電振動子４に横方向の圧縮力あるいは伸張力は働かない。即ち、温度変化が無いときと同様に考えることができる。
【００４１】
また、図１の図面上の縦方向の長さの温度変化を考えてみれば、上部部材２の側壁部４２は下方向に伸び、プレート部材１０の側壁部３６は上方向に伸びる。しかしながら、下部部材６の側壁部３４も上方向に伸び、また、ウェーブワッシャ８も同様に縦方向に伸びる。したがって、ウェーブワッシャ８の反発力は温度変化があっても安定している。こうして、周囲温度が変化したとしても、圧電振動子４の挟持圧も安定している。したがって、共振周波数の変化への影響も少な無くてすむ。
【００４２】
以上の結果から明らかなように、本発明の圧電型アクチュエーターが使用される場合には、駆動回路の動作周波数レンジを狭くすることができる。即ち、駆動回路において、複雑な温度補償回路を設ける必要が無くなるので、駆動回路を簡素化することができる。
【００４３】
図７は、圧電型振動子を使用する本発明の第２の実施形態にかかる圧電アクチュエーターが適用される圧電型ポンプの組み立て後の断面図を示す。図７を参照して、圧電型ポンプは、上部部材１０２、圧電振動子１０４、下部部材１０６から構成されている。圧電振動子１０４は、上部部材１０２と下部部材１０６により一定圧力で挟持されている。図８は、圧電振動子１０４が上部部材１０２と下部部材１０６により挟持されている状態を示す部分拡大断面図である。図９は、図７に示される圧電型ポンプの分解断面図である。第２の実施形態では、圧電振動子１０４の振動板１２２は４２Ｎｉ−Ｆｅ系の材質からなり、上部部材１０２と下部部材１０４は、２９Ｎｉ―１７Ｃｏ−Ｆｅを用いて形成されている。
【００４４】
図７、図８、図９を参照して、上部部材１０２は、上面板部１４０と円筒状に下方に伸びる側壁部１４２を有している。上面板部１４０には吐出口１１２が形成されている。側壁部１４２には吸気口１１４と圧電振動子１０４からのリード線を通すための孔１１５が形成されている。
【００４５】
上部部材１２の側壁部１４２の外面側部１１６は内面側部１１８より長く下方向に伸びている。これにより、側壁部１４２には、外面側部１１６と内面側部１１８との間に段差が形成されている。内面側部１１８の表面には突起部１１８ａが形成されている。外面側部１１６にはネジ止め用の孔１５１−１，１５１−２が形成されている。
【００４６】
圧電振動子１０４は、振動板１２２の上にＰＺＴ（ＰｂＴｉＯ３，ＰｂＺｒＯ３）からなる圧電素子１２４が取り付けられている。圧電素子１２４は振動板１２２の上に接着剤で固定されている。圧電素子１２４にはリード線１２８が半田１２６により取り付けられている。被服されたリード線１２８は上部部材１０２の側壁部１４２に設けられた孔１１５を通って駆動回路（図示せず）に接続されている。駆動回路のグランド線は下部部材１０６に接続されている。駆動回路からリード線１２８を介して所定の周波数を持つ駆動信号が供給される。リード線１２８を介して駆動信号が圧電素子１２４に印加されると、圧電素子１２４は振動し、それに応じて振動板１２２が振動する。こうしてポンプ作用が実現されている。
【００４７】
下部部材１０６は、底面板部１４４の上に円筒状に形成された側壁部１３４を有する。底面板部１４４の、側壁部１３４の外周部１３２は、上部部材１０２の外面側部１１６に対応する。側壁部１３４は、上部部材１０２の内面側部１１８に対応する。外周部１３２の更に外側には、上部部材１０２のネジ止め孔１５１−１、１５１−２に対応してネジ止め孔１５２−１，１５２−２が形成されている。
【００４８】
このためマイクロガスレートセンサー用圧電型ポンプでは、上述のように圧電振動子１０４を挟持するために、上部部材１０２と下部部材１０６を以下のようにしてネジ止めしていた。
【００４９】
先ず、圧電振動子１０４が下部部材１０６の側壁部１３４の上面上に装着される。続いて、底面板部１４４の外周部１３２が上部部材１０２の外面側部１１６に対応し、側壁部１３４が、上部部材１０２の内面側部１１８に対応するように、上部部材１０２と下部部材１０６が係合される。このとき、圧電振動子１０４は、図１１に示されるように、上部部材１０２の内面側部１１８の突起部１１８ａと下部部材１０６の外壁部１３４の上面とにより挟持される。その後、上部部材１０２と下部部材は、ネジ止め孔１５１−１，１５１−２，１５２−１、１５２−２を用いてネジ止めされる。
【００５０】
第２の実施形態では圧電振動子１０４が上部部材１０２と下部部材１０６により堅固に挟持されている。この場合は上部部材１０２と下部部材１０６の材質は、２９Ｎｉ―１７Ｃｏ−Ｆｅである。この材質も４２Ｎｉ−Ｆｅと熱膨張係数が同等であり、この方式でも第１の実施形態におけるのと同じ効果が得られる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の圧電型アクチュエーターによれば、上部部材、下部部材等の構成要素が圧電振動子の振動板の材質と同じ熱膨張係数を持つ材質で形成されるので、圧電型アクチュエーターが密閉型閉鎖流路ガスレートセンサー内に一定圧力で封止されたとしても、圧電振動子の共振周波数の温度依存性を軽減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターの組み立て後の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターの分解断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターの組み立て後の斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターで使用される圧電振動子を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターで使用されるウェーブワッシャを示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態による圧電型アクチュエーターが２気圧の密閉型装置内に封止されたときの共振周波数の温度変化を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態による圧電型アクチュエーターの組み立て後の構造を示す断面図である。
【図８】図７に示される従来の圧電型アクチュエーターの上部部材と下部部材の契合部を示す拡大断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態による圧電型アクチュエーターの分解断面図である。
【図１０】従来の圧電型アクチュエーターが適用される密閉型閉鎖流路ガスレートセンサの構造を示す断面図である。
【図１１】従来の圧電型アクチュエーターが密閉型閉鎖流路ガスレートセンサに適用されたときの封止圧力と圧電振動子の共振周波数の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
２，１０２：上部部材
４，１０４：圧電振動子
６，１０６：下部部材
８：ウェーブワッシャ
１０：プレート部材
１２：吐出口
１４：吸気口
４２：上部部材の側壁部
３４：下部部材の側壁部
３６：プレート部材の側壁部
５１−１〜５１−４：上部部材のネジ締め用の孔
５２−１〜５２−４：プレート部材のネジ締め用の孔
５３−１〜５３−４：ネジ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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