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JP7164864B2 - piezoelectric actuator - Google Patents

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JP7164864B2 JP2018163449A JP2018163449A JP7164864B2 JP 7164864 B2 JP7164864 B2 JP 7164864B2 JP 2018163449 A JP2018163449 A JP 2018163449A JP 2018163449 A JP2018163449 A JP 2018163449A JP 7164864 B2 JP7164864 B2 JP 7164864B2
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Description

本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator that is displaced by voltage application.

圧電アクチュエータを構成する圧電素子は、伸長と収縮の過程でヒステリシスを示す。したがって、半導体や高精細液晶の製造に用いられる精密位置決め用途では、変位センサによりフィードバック制御を行い、ヒステリシスによる位置決め誤差を低減させている。また、圧電アクチュエータは、半導体製造装置へ各種ガスを精密に供給する際の流量調整バルブまたは精密な数値制御加工機の微動機構にも使用されている。また、医療用マニピュレータの制御や航空宇宙用機体の姿勢制御の高度化に伴い、高精度に制御可能な圧電アクチュエータの利用が検討されている。 A piezoelectric element that constitutes a piezoelectric actuator exhibits hysteresis in the process of expansion and contraction. Therefore, in precision positioning applications used in the manufacture of semiconductors and high-definition liquid crystals, feedback control is performed using displacement sensors to reduce positioning errors due to hysteresis. Piezoelectric actuators are also used in flow control valves for precisely supplying various gases to semiconductor manufacturing equipment, and fine movement mechanisms in precision numerically controlled processing machines. In addition, as the control of medical manipulators and the attitude control of aerospace vehicles become more sophisticated, the use of piezoelectric actuators that can be controlled with high precision is being studied.

圧電アクチュエータのフィードバック制御では、変位を検出する外部のセンサを採用することが多い。このようなフィードバック制御方式を適用した場合、高精度な位置決めが可能になるが、システムが複雑で高価となり、用途も限定される。これに対し、樹脂封止した圧電アクチュエータ本体に歪ゲージなどの変位センサを直接貼付し、部分的な変位信号を利用する簡易型のフィードバック制御も提案されている(特許文献1参照)。 Feedback control of piezoelectric actuators often employs an external sensor that detects displacement. When such a feedback control method is applied, highly accurate positioning becomes possible, but the system becomes complicated and expensive, and the application is limited. On the other hand, a simplified feedback control has been proposed in which a displacement sensor such as a strain gauge is directly attached to a resin-sealed piezoelectric actuator body and a partial displacement signal is used (see Patent Document 1).

特開平5-206536号公報JP-A-5-206536

しかしながら、特許文献1記載の圧電アクチュエータでは、簡易的な封止がなされているとはいえ、比較的安価な変位センサである歪ゲージが高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境で用いられると、その特性の劣化は避けられず、長期間にわたる安定した使用は困難である。また、圧電素子に変位センサを直接貼付すると、部分的に圧電素子の変位を拘束することになり、圧電素子にクラックが発生し絶縁破壊させる要因となる。 However, although the piezoelectric actuator described in Patent Document 1 is simply sealed, strain gauges, which are relatively inexpensive displacement sensors, are used in harsh environments such as high humidity and corrosive gases. , the deterioration of its characteristics is inevitable, and it is difficult to use it stably for a long period of time. Further, when the displacement sensor is directly attached to the piezoelectric element, the displacement of the piezoelectric element is partially restrained, which causes cracks in the piezoelectric element and causes dielectric breakdown.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、過酷な環境でも用いることができ、圧電素子の変位を拘束せずに正確に変位を検知できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a piezoelectric actuator that can be used in harsh environments and that can accurately detect the displacement of a piezoelectric element without restricting the displacement. do.

(1)上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子を直列に連結して形成された圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の互いに変位方向に離れた前記圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される少なくとも2つの固着部および前記固着部の間を連続的につなぎかつ前記2つの固着部の間の変位を伝達する本体部を有する伝達体と、前記伝達された変位を検知する変位センサと、前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体、前記伝達体および前記変位センサを収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、前記変位センサは、前記伝達体に取り付けられていることを特徴としている。 (1) In order to achieve the above objects, the piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage, comprising: a piezoelectric actuator main body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series; At least two fixing parts respectively fixed to positions between the piezoelectric elements separated from each other in the displacement direction of the actuator body and continuously connecting the fixing parts and transmitting displacement between the two fixing parts a displacement sensor for detecting the transmitted displacement; a seat for fixing one end of the piezoelectric actuator body; a cap that accommodates the transmission body and the displacement sensor and has an open end sealed to a seat, wherein the displacement sensor is attached to the transmission body.

このように、圧電素子における変位方向と平行な面に直接変位センサを貼り付けていないので、圧電素子の変位を拘束せずに伝達体を介して変位を検知できる。その結果、変位の拘束によるクラックで絶縁破壊するのを防止しつつ圧電アクチュエータ本体の変位量を検出することができ、圧電アクチュエータを使用した位置決めを行う際の位置決め誤差を低減できる。また、キャップにより周囲の環境から圧電アクチュエータ本体と変位センサを保護でき、圧電アクチュエータの信頼性と耐久性を向上できる。 As described above, since the displacement sensor is not attached directly to the surface of the piezoelectric element parallel to the displacement direction, the displacement of the piezoelectric element can be detected via the transmission body without restraining the displacement. As a result, it is possible to detect the amount of displacement of the piezoelectric actuator main body while preventing dielectric breakdown due to cracks due to displacement restraint, and to reduce positioning errors when performing positioning using the piezoelectric actuator. In addition, the cap can protect the piezoelectric actuator body and the displacement sensor from the surrounding environment, thereby improving the reliability and durability of the piezoelectric actuator.

(2)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伝達体が、U字状の薄板で形成され、前記U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が前記固着部として前記圧電アクチュエータ本体に固着していることを特徴としている。このように折れ曲がった両先端部を用いることで圧電素子における変位方向と平行な面に直接変位センサを貼り付けることなく、伝達体を十分に固着し、これに変位センサを固定することで、変位センサに加わる歪が平均化され変位センサの耐久性向上が可能になる。 (2) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the transmission body is formed of a U-shaped thin plate, and both bent ends of the U-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuator main body as the fixing portions. It is characterized by By using both ends bent in this way, the transmission body is sufficiently fixed without directly attaching the displacement sensor to the surface parallel to the displacement direction of the piezoelectric element. The strain applied to the sensor is averaged, and the durability of the displacement sensor can be improved.

(3)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記薄板の前記固着部の間の中央部である前記本体部の前記変位方向における長さは、前記圧電アクチュエータに固着された状態の固着部間の前記変位方向における直線距離より長く、前記本体部は前記2つの固着部間の圧縮力により撓んで配置されていることを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータ本体が変位する際の特に圧電アクチュエータ本体の伸びる変位に対して、予め撓んで配置されている伝達体も圧電アクチュエータ本体の変位に合わせて撓みが解消される方向へ動くことで、圧電アクチュエータ本体が伝達体に拘束されることがない。したがって、圧電素子にクラック等が発生することを抑制し、安定して変位センサに変位を伝達できる。 (3) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the length in the displacement direction of the body portion, which is the central portion between the fixed portions of the thin plate, is equal to the length between the fixed portions fixed to the piezoelectric actuator. It is longer than the linear distance in the displacement direction, and the body portion is bent by the compressive force between the two fixing portions. As a result, when the piezoelectric actuator body is displaced, the transmission body, which is arranged to be bent in advance, also moves in the direction in which the bending is canceled in accordance with the displacement of the piezoelectric actuator body, particularly in response to the extension of the piezoelectric actuator body. , the piezoelectric actuator body is not restrained by the transmission body. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like in the piezoelectric element and stably transmit the displacement to the displacement sensor.

(4)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記本体部が、前記圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状の平板であることを特徴としている。これにより、変位に対する応答性を向上できる。圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状とは、圧電アクチュエータ本体の変位に対して、本体部の共振を考慮した形状に本体部を形成することを指している。例えば、本体部を、台形や不定形にすることが考えられる。 (4) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the body portion is a flat plate having a shape that does not resonate with displacement of the piezoelectric actuator body. Thereby, responsiveness to displacement can be improved. The shape that does not resonate with displacement of the piezoelectric actuator main body means forming the main body in a shape that takes into account the resonance of the main body with respect to the displacement of the piezoelectric actuator main body. For example, the main body may be trapezoidal or irregular.

(5)また、本発明の圧電アクチュエータは、一対の前記U字状の薄板を変位方向に対して並列に設け、前記変位センサは、一対の前記U字状の薄板の前記本体部の少なくとも一部同士を連結していることを特徴としている。これにより、それぞれの薄板の本体部の撓みが変形した際に、一対の薄板同士が変位センサで連結されている箇所の距離が変化することで圧電アクチュエータの変位を検知できる。 (5) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, a pair of U-shaped thin plates are provided in parallel with respect to the displacement direction, and the displacement sensor is at least one of the main body portions of the pair of U-shaped thin plates. It is characterized in that the parts are connected to each other. Accordingly, when the main body portion of each thin plate is deformed, the displacement of the piezoelectric actuator can be detected by changing the distance at which the pair of thin plates are connected by the displacement sensor.

(6)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記圧電素子の活性領域を変位方向へ投影した範囲内で前記圧電アクチュエータ本体と固着されていることを特徴としている。これにより、不活性領域と活性領域との間で生じる応力を拘束せずに変位を検出できる。 (6) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the fixed portion is fixed to the piezoelectric actuator main body within a range obtained by projecting the active region of the piezoelectric element in the displacement direction. Thereby, the displacement can be detected without restricting the stress generated between the inactive region and the active region.

(7)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記本体部が、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を有していることを特徴としている。これにより、本体部の剛性が向上し、変位センサの応答性を向上させることができる。なお、補強部は、例えば、伝達体の本体部における、圧電アクチュエータ本体の変位方向と平行な方向の外縁部を折り曲げてリブ構造としたり、あるいは、本体部にアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を貼り付けたりすることで形成することができる。 (7) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the body portion has a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. Thereby, the rigidity of the main body is improved, and the responsiveness of the displacement sensor can be improved. The reinforcing portion may be, for example, a rib structure formed by bending the outer edge portion of the main body portion of the transmission body in a direction parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuator main body, or a ceramic thin plate such as alumina or zirconia is attached to the main body portion. It can be formed by attaching

(8)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記複数の圧電素子のうちの一つの圧電素子の両端面に固着されていることを特徴としている。これにより、固着部の間の本体部の長さを最小限とし、変位センサの応答性を向上することができる。この場合でも、測定した変位量を圧電アクチュエータ本体が備える圧電素子の数で乗算することで、圧電アクチュエータ全体の変位量とすることができる。 (8) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the fixing portion is fixed to both end surfaces of one of the plurality of piezoelectric elements. This makes it possible to minimize the length of the body portion between the fixing portions and improve the responsiveness of the displacement sensor. Even in this case, by multiplying the measured displacement amount by the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric actuator main body, the displacement amount of the entire piezoelectric actuator can be obtained.

(9)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記固着部が、前記複数の圧電素子のうちの二つ以上の圧電素子が連結された素子連結体の両端面に固着されており、前記本体部は、前記固着部の間の二つ以上の圧電素子に跨って配置されていることを特徴としている。これにより、複数の圧電素子による大きな変異を計測でき測定精度が向上する。また、1つの圧電素子間の変位を測定する場合より圧電アクチュエータ全体の変位に近い信号が得られる。さらに、複数の圧電素子の変位量を変位センサにより測定することができ、変位センサが配置されていない圧電素子の数を減らすことができる。したがって、変位センサが配置されていない箇所の圧電素子の変位量の変化に起因した位置決め誤差を低減することができる。 (9) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the fixing portion is fixed to both end surfaces of an element connecting body to which two or more piezoelectric elements among the plurality of piezoelectric elements are connected, and the body portion is arranged across two or more piezoelectric elements between the fixed portions. As a result, it is possible to measure a large variation due to a plurality of piezoelectric elements, improving the measurement accuracy. Also, a signal closer to the displacement of the entire piezoelectric actuator can be obtained than when measuring the displacement between one piezoelectric element. Furthermore, displacement amounts of a plurality of piezoelectric elements can be measured by displacement sensors, and the number of piezoelectric elements without displacement sensors can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the positioning error caused by the change in the displacement amount of the piezoelectric element at the location where the displacement sensor is not arranged.

(10)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータ本体の駆動用の端子の一つと前記変位センサの検出用の端子の一つとが共通であることを特徴としている。これにより、変位センサをキャップ内に収容した構造とした場合に、座から引き出す総端子数が多くなることを抑制し、変位センサをキャップ内に収容した耐環境性を向上させた構成をとることができる。 (10) Further, the piezoelectric actuator of the present invention is characterized in that one of the terminals for driving the piezoelectric actuator main body and one of the terminals for detection of the displacement sensor are common. As a result, when the displacement sensor is accommodated in the cap, the total number of terminals pulled out from the seat is suppressed from increasing, and the configuration in which the displacement sensor is accommodated in the cap improves environmental resistance. can be done.

(11)また、本発明の圧電アクチュエータは、前記伝達体の熱膨張係数と前記圧電素子の熱膨張係数との差が、10×10-6/℃以下であることを特徴としている。これにより、温度変化による変位センサの出力のずれを抑制できる。 (11) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the difference between the thermal expansion coefficient of the transmitter and the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element is 10×10 −6 /° C. or less. As a result, deviation of the output of the displacement sensor due to temperature change can be suppressed.

本発明によれば、過酷な環境でも用いることができ、圧電素子の変位を拘束せずに正確に変位を検知できる。 According to the present invention, it can be used even in a severe environment, and the displacement of the piezoelectric element can be accurately detected without restricting the displacement.

(a)、(b)それぞれ第1実施形態の圧電アクチュエータを示す正断面図および側断面図である。1A and 1B are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing the piezoelectric actuator of the first embodiment; FIG. (a)、(b)それぞれ座および端子の正断面図および底面図である。(a) and (b) are a front cross-sectional view and a bottom view of a seat and a terminal, respectively. 圧電素子の正断面図である。It is a front sectional view of a piezoelectric element. 第1実施形態の伝達体の斜視図である。1 is a perspective view of a transmission body of the first embodiment; FIG. 変位制御システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a displacement control system; FIG. 第2実施形態の伝達体の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of a transmission body of a second embodiment; (a)、(b)それぞれ第3実施形態の圧電アクチュエータを示す正断面図および側断面図である。(a) and (b) are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing a piezoelectric actuator of a third embodiment. 第3実施形態の伝達体を構成する一対の薄板の一方の斜視図である。FIG. 11 is a perspective view of one of a pair of thin plates that constitute the transmission body of the third embodiment;

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。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding of the description, the same reference numerals are given to the same components in each drawing, and overlapping descriptions are omitted.

[第1実施形態(湾曲型)]
(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を示す正断面図および側断面図である。図2(a)、(b)は、それぞれ座140および端子126、127、159の正断面図および底面図である。なお、参照図に示す圧電アクチュエータ100は一例であって、素子数等で本発明は限定されない。
[First embodiment (curved type)]
(Configuration of Piezoelectric Actuator)
1A and 1B are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing the piezoelectric actuator 100. FIG. 2(a) and 2(b) are front cross-sectional and bottom views of seat 140 and terminals 126, 127 and 159, respectively. It should be noted that the piezoelectric actuator 100 shown in the reference diagram is merely an example, and the present invention is not limited by the number of elements or the like.

圧電アクチュエータ100は、圧電アクチュエータ本体105、駆動用の端子126、127、センサ用の端子159、座140、伝達体150、変位センサ155、キャップ160で構成され、電圧の印加により伸縮する。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。 The piezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuator main body 105, driving terminals 126 and 127, a sensor terminal 159, a seat 140, a transmission body 150, a displacement sensor 155, and a cap 160, and expands and contracts upon application of voltage. The piezoelectric actuator 100 is used, for example, in a valve opening/closing control section of a mass flow controller or a stage driving section of a precision positioning device, in which case it displaces a driven body (valve, stage).

圧電アクチュエータ本体105は、一対のリード線121、122を介して一対の外部電極116、117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126、127は、圧電アクチュエータ本体105のリード線121、122に接続されており、印加電圧をリード線121、122に伝える。 When a voltage is applied to the pair of external electrodes 116 and 117 via the pair of lead wires 121 and 122, the piezoelectric actuator main body 105 is displaced at the tip by the expansion and contraction of each piezoelectric element 110. FIG. Driving terminals 126 and 127 are connected to lead wires 121 and 122 of the piezoelectric actuator main body 105 and transmit applied voltage to the lead wires 121 and 122 .

座140は、圧電アクチュエータ本体105の端部に接着され、その一端を固定し、圧電アクチュエータ本体105を支持する。そして、座140側の端部が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突起130が変位する。 The seat 140 is adhered to the end of the piezoelectric actuator body 105 and fixed at one end to support the piezoelectric actuator body 105 . The extension and contraction of the piezoelectric actuator body 105 to which the end on the side of the seat 140 is fixed displaces the protrusion 130 on the tip side.

座140は、キャップ160の端部と固定されることで、圧電アクチュエータ本体105を密封する。湿度や腐食性ガスに弱い圧電アクチュエータ本体105と変位センサ155を、低湿度の不活性ガスで気密封止した構造とすることで信頼性と耐久性を向上できる。例えば、切削水で変位装置が濡れるような精密加工機、腐蝕性ガスの流量制御を行う圧電式バルブなどで用いられる場合、オープン制御では圧電アクチュエータを用いた位置決め精度が不十分であり、変位センサによりフィードバック制御を行うことが可能な圧電アクチュエータにより位置決め等を行うことが有効である。 The seat 140 seals the piezoelectric actuator body 105 by being fixed to the end of the cap 160 . Reliability and durability can be improved by hermetically sealing the piezoelectric actuator main body 105 and the displacement sensor 155, which are vulnerable to humidity and corrosive gases, with a low-humidity inert gas. For example, when used in a precision machine where the displacement device is wet with cutting water, or in a piezoelectric valve that controls the flow rate of corrosive gas, the positioning accuracy using a piezoelectric actuator is insufficient in open control, and the displacement sensor It is effective to perform positioning and the like by a piezoelectric actuator capable of performing feedback control by .

このように、封止により高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境でも問題なく、圧電アクチュエータ100を稼働することができる。キャップ160内が完全に気密構造となるため、湿度や腐食性ガス等の圧電素子、変位センサの耐久性を阻害する環境下でも使用可能となり、用途拡大につながる。 In this manner, the sealing allows the piezoelectric actuator 100 to operate without problems even in harsh environments such as high humidity and corrosive gas. Since the inside of the cap 160 has a completely airtight structure, it can be used in environments such as humidity and corrosive gases that impede the durability of the piezoelectric element and the displacement sensor, leading to expansion of applications.

端子126、127、159は、ハーメチック端子として座140を貫通して設けられている。貫通孔には樹脂やガラスが充填され、絶縁、密封されている。座140には、端子126、127、159は、圧電アクチュエータ100の中心軸の周りに変位センサ用および駆動用でそれぞれ配置されていることが好ましい。これにより、端子126、127、159について容易に電気的な接続をとることができる。 Terminals 126, 127, and 159 are provided through seat 140 as hermetic terminals. The through holes are filled with resin or glass, and are insulated and sealed. On the seat 140, terminals 126, 127, 159 are preferably arranged around the central axis of the piezoelectric actuator 100 for the displacement sensor and for the drive, respectively. As a result, the terminals 126, 127 and 159 can be easily electrically connected.

圧電アクチュエータ本体105の駆動用の端子126、127の一つと変位センサ155の検出用の端子の一つとが共通であることが好ましい。例えば、GND端子を共通にすることができる。これにより、変位センサをキャップ内に収容した構造とした場合に、座から引き出す総端子数が多くなることを抑制し、変位センサをキャップ内に収容した耐環境性を向上させた構成をとりやすくできる。なお、共通の端子を用いずにそれぞれ分離した端子を用いてもよい。 One of the terminals 126 and 127 for driving the piezoelectric actuator main body 105 and one of the terminals for detection of the displacement sensor 155 are preferably shared. For example, a GND terminal can be shared. As a result, when the displacement sensor is accommodated in the cap, the total number of terminals pulled out from the seat is suppressed, and it is easy to adopt a configuration with improved environmental resistance in which the displacement sensor is accommodated in the cap. can. Separate terminals may be used instead of using a common terminal.

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を積層方向に密着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。これにより、圧電アクチュエータ100が保護され、耐久性が向上する。 The cap 160 has a bottomed cylindrical shape with an open end and is made of metal. The cap 160 accommodates the piezoelectric actuator body 105 in close contact with it in the stacking direction, and its open end is joined to the seat 140 to seal the inside of the cap 160 . This protects the piezoelectric actuator 100 and improves durability.

キャップ160は、キャップの先端部分にドーム形状の部分に突起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。ダイヤフラムは、ドーム形状に形成されている。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。基台が座140を固定し、座140が圧電アクチュエータ本体105の端部を支持している。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。 The cap 160 has a diaphragm at the tip of the cap with a dome-shaped portion abutting the projection 130 . The straight tube portion of the cap 160 is formed cylindrical from the center to the bottom of the cap 160 . The diaphragm is formed in a dome shape. The cap 160 is desirably made of a material such as SUS316, SUS316L, or the like, which has excellent spring properties. A base secures the seat 140 , and the seat 140 supports the end of the piezoelectric actuator body 105 . Displacement is transmitted from the piezoelectric actuator 100 to the driven body by contacting the tip of the cap 160 with the driven body.

キャップ160内部には、圧電アクチュエータ本体105の他、伝達体150および変位センサ155も収容されている。キャップ160により周囲の環境から圧電アクチュエータ本体105と変位センサ155を保護できる。 In addition to the piezoelectric actuator main body 105 , the transmission body 150 and the displacement sensor 155 are also housed inside the cap 160 . The cap 160 can protect the piezoelectric actuator body 105 and the displacement sensor 155 from the surrounding environment.

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内部に変位センサ155を配置し、センサ用の端子159を座140に設けている。これにより、変位センサ155を内蔵した圧電アクチュエータ100において、センサ用の端子159を介して圧電素子110の変位の信号を受けられる。伝達体150および変位センサ155の詳細は後述する。 On the other hand, as shown in FIGS. 1A and 1B, the piezoelectric actuator 100 has a displacement sensor 155 arranged inside the cap 160 and a sensor terminal 159 provided on the seat 140 . As a result, in the piezoelectric actuator 100 incorporating the displacement sensor 155 , a displacement signal of the piezoelectric element 110 can be received via the sensor terminal 159 . Details of the transmission body 150 and the displacement sensor 155 will be described later.

(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、リード線121、122および突起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、連結され(多連化)、その端面同士が接着剤により接着されている。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、伸縮方向すなわち圧電素子110内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。
(piezoelectric actuator body)
Piezoelectric actuator main body 105 is composed of piezoelectric element 110 , lead wires 121 and 122 and projection 130 . A plurality of piezoelectric elements 110 constituting the piezoelectric actuator main body 105 are arranged and connected in series (multi-connection), and their end surfaces are adhered to each other with an adhesive. A large amount of displacement can be ensured by bonding the plurality of piezoelectric elements 110 . Note that "in series" means the expansion/contraction direction, that is, the lamination direction of the piezoelectric layers and internal electrodes in the piezoelectric element 110 .

リード線121、122は、駆動用の端子126、127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(b)で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。 The lead wires 121 and 122 connect driving terminals 126 and 127 to the external electrodes 117 of the piezoelectric elements 110 . The connection is made in the same way on the side opposite to the side shown in FIG. 1(b).

突起130は、無機材料で半球状に形成され、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。突起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、突起130はキャップ160のドーム形状の内側部分に接する。 The protrusion 130 is made of an inorganic material and has a hemispherical shape, and is provided on the tip side of the piezoelectric actuator main body 105 that transmits displacement to the driven body. The protrusion 130 and the piezoelectric actuator main body 105 are firmly adhered, and the protrusion 130 contacts the dome-shaped inner portion of the cap 160 .

(圧電素子)
図3は、圧電素子110の正断面図である。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できる。電極材料には、Ag、Ag-Pd、Pt等を用いることができる。
(Piezoelectric element)
FIG. 3 is a front sectional view of the piezoelectric element 110. FIG. The piezoelectric element 110 outputs displacement in response to an applied voltage, and has a piezoelectric layer 113 , internal electrodes 114 and 115 and external electrodes 116 and 117 . In the piezoelectric element 110, piezoelectric layers 113 and internal electrodes 114 and 115 are alternately laminated. Also, the external electrodes 116 and 117 are connected to the internal electrodes 114 and 115 on the side surfaces of the piezoelectric element 110 . The piezoelectric layer can be composed of a piezoelectric material such as PZT, barium titanate, or the like. Ag, Ag—Pd, Pt, or the like can be used as the electrode material.

(伝達体)
図4は、伝達体150の組み込み前の斜視図である。伝達体150は、圧電アクチュエータ本体105の変位を変位センサ155に伝達する。変位センサ155には伝達体150の撓みを介して変位が伝達されるため、圧電素子110への変位拘束が発生しない。そのため、変位センサを直接貼り付けた場合の変位拘束による圧電素子の絶縁破壊を防止できる。また、特に、大変位タイプの圧電素子や高温下で使用される圧電素子では変位センサ等で圧電素子自身が拘束されることによるクラックが生じやすい。圧電アクチュエータ100は、このようなクラックの発生を防止でき、信頼性を向上できる。
(transmission body)
FIG. 4 is a perspective view of the transmission body 150 before incorporation. The transmission body 150 transmits the displacement of the piezoelectric actuator body 105 to the displacement sensor 155 . Since the displacement is transmitted to the displacement sensor 155 via the bending of the transmission body 150, the displacement constraint on the piezoelectric element 110 does not occur. Therefore, it is possible to prevent dielectric breakdown of the piezoelectric element due to displacement restraint when the displacement sensor is directly attached. In particular, a large displacement type piezoelectric element or a piezoelectric element used at high temperatures is likely to crack due to the piezoelectric element itself being constrained by a displacement sensor or the like. The piezoelectric actuator 100 can prevent such cracks and improve reliability.

伝達体150は、少なくとも2つの固着部151と本体部152とを備えている。固着部151は、圧電アクチュエータ本体105の互いに変位方向に離れた圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される。本体部152は、固着部151の間を連続的につなぎ、かつ2つの固着部151の間の変位を伝達する。 The transmission body 150 has at least two fixing portions 151 and a body portion 152 . The fixing portions 151 are fixed to positions between the piezoelectric elements of the piezoelectric actuator main body 105 that are separated from each other in the displacement direction. The body portion 152 continuously connects the fixed portions 151 and transmits displacement between the two fixed portions 151 .

図4に示すように、伝達体150は、U字状の薄板で形成され、U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が固着部151として圧電アクチュエータ本体105に固着していることが好ましい。この場合、U字状とは、変位方向に垂直な固着面とその間をつなぎ、変位センサ155を取り付けられる均一な面があることを指す。 As shown in FIG. 4, it is preferable that the transmission body 150 is formed of a U-shaped thin plate, and bent ends of the U-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuator main body 105 as fixing portions 151 . In this case, the U-shape means that there is a fixed surface perpendicular to the displacement direction and a uniform surface connecting between them and on which the displacement sensor 155 can be attached.

このような両先端部を用いることで十分な固着が可能になる。また、図4に示す例では、本体部152が薄板の固着部151の間の中央部を形成している。本体部152の変位方向における長さは、圧電アクチュエータ本体105に固着された状態の固着部151間の変位方向における直線距離より長く、本体部152は2つの固着部151間の圧縮力により撓んで配置されていることが好ましい。例えば、圧電素子の長さより0.2~2%長い本体部を湾曲させて組み込み、変位センサ155を取り付ける。これにより、圧電アクチュエータ本体が変位する際の特に圧電アクチュエータ本体の伸びる変位に対して、予め撓んで配置されている伝達体も圧電アクチュエータ本体の変位に合わせて撓みが解消される方向へ動くことで、圧電アクチュエータ本体が伝達体に拘束されることがない。したがって、圧電素子にクラック等が発生することを抑制し、安定して変位センサ155に変位を伝達できる。 Sufficient fixation is possible by using such both ends. In addition, in the example shown in FIG. 4, the body portion 152 forms a central portion between the thin plate fixing portions 151 . The length of the body portion 152 in the displacement direction is longer than the linear distance in the displacement direction between the fixed portions 151 fixed to the piezoelectric actuator body 105 , and the body portion 152 is bent by the compressive force between the two fixed portions 151 . It is preferably arranged. For example, a main body portion longer than the length of the piezoelectric element by 0.2 to 2% is bent and incorporated, and the displacement sensor 155 is attached. As a result, when the piezoelectric actuator body is displaced, the transmission body, which is arranged to be bent in advance, also moves in the direction in which the bending is canceled in accordance with the displacement of the piezoelectric actuator body, particularly in response to the extension of the piezoelectric actuator body. , the piezoelectric actuator body is not restrained by the transmission body. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks or the like in the piezoelectric element and stably transmit the displacement to the displacement sensor 155 .

固着部151は、直近の圧電素子110の活性領域を変位方向へ投影した範囲(図4の例では、領域151a)内で圧電アクチュエータ本体105と固着されていることが好ましい。これにより、不活性領域と活性領域との間で生じる応力を拘束せずに変位を検出できる。ここでいう活性領域とは、圧電素子110内に形成されている内部電極114、115が変位方向から見て重なる領域である。また、不活性領域とは、圧電素子110内において活性領域を除いた領域である。 The fixed portion 151 is preferably fixed to the piezoelectric actuator main body 105 within a range (region 151a in the example of FIG. 4) obtained by projecting the active region of the nearest piezoelectric element 110 in the displacement direction. Thereby, the displacement can be detected without restricting the stress generated between the inactive region and the active region. The active region here is a region where the internal electrodes 114 and 115 formed in the piezoelectric element 110 overlap each other when viewed from the displacement direction. Also, the inactive region is a region within the piezoelectric element 110 excluding the active region.

固着部151は、一つの圧電素子110の両端面に固着されている。これにより、固着部の間の本体部の長さを最小限とし、変位センサの応答性を向上することができる。この場合でも、測定した変位量を圧電アクチュエータ本体が備える圧電素子の数で乗算することで、圧電アクチュエータ全体の変位量とすることができる。なお、検知に必要な変位量に応じ固着部151間の長さを調節することは可能である。複数の圧電素子に伝達体150を跨がらせることで、圧電アクチュエータ本体105の全体の変位状況を反映した信号が得られる。これにより、圧電アクチュエータ本体105の全体に近い長さを対象に変位を検知できる。また、複数の圧電素子の変位量を変位センサにより測定することができ、変位センサが配置されていない圧電素子の数を減らすことができる。したがって、変位センサが配置されていない箇所の圧電素子の変位量の変化に起因した位置決め誤差を低減することができる。 The fixed portions 151 are fixed to both end faces of one piezoelectric element 110 . This makes it possible to minimize the length of the body portion between the fixing portions and improve the responsiveness of the displacement sensor. Even in this case, by multiplying the measured displacement amount by the number of piezoelectric elements provided in the piezoelectric actuator main body, the displacement amount of the entire piezoelectric actuator can be obtained. Note that it is possible to adjust the length between the fixed portions 151 according to the amount of displacement required for detection. A signal reflecting the overall displacement state of the piezoelectric actuator main body 105 can be obtained by making the transmission body 150 extend over a plurality of piezoelectric elements. As a result, the displacement can be detected for a length close to the entire length of the piezoelectric actuator body 105 . In addition, displacement amounts of a plurality of piezoelectric elements can be measured by displacement sensors, and the number of piezoelectric elements without displacement sensors can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the positioning error caused by the change in the displacement amount of the piezoelectric element at the location where the displacement sensor is not arranged.

伝達体150には、圧電アクチュエータ100の変位を正確に変位センサ155へ伝えるため、剛性が高く、圧電素子110の熱膨張に近い材料を用いるのが好ましい。例えば、ステンレスやインバーなどの金属、またはこれらとアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を接合した部材が好適である。 In order to accurately transmit the displacement of the piezoelectric actuator 100 to the displacement sensor 155 , it is preferable to use a material for the transmission body 150 that has high rigidity and a thermal expansion close to that of the piezoelectric element 110 . For example, a metal such as stainless steel or invar, or a member obtained by joining a ceramic thin plate such as alumina or zirconia with these metals is suitable.

伝達体150には、圧電素子110と熱膨張率が近い材料を選択することにより、温度変化に起因する出力誤差を抑制できる。例えば、伝達体150の熱膨張係数と圧電素子110の熱膨張係数との差は、10×10-6/℃以下であることが好ましい。これにより、温度変化による圧電素子110と伝達体150との出力のずれを抑制できる。なお、精密に変位量を測定したい場合には、伝達体150および圧電素子110の熱膨張を測定し、変位量を補正してもよい。 By selecting a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the piezoelectric element 110 for the transmission body 150, it is possible to suppress output errors caused by temperature changes. For example, the difference between the thermal expansion coefficient of the transfer body 150 and the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element 110 is preferably 10×10 −6 /° C. or less. As a result, it is possible to suppress the output deviation between the piezoelectric element 110 and the transmission body 150 due to the temperature change. If it is desired to measure the amount of displacement precisely, the thermal expansion of the transmission body 150 and the piezoelectric element 110 may be measured to correct the amount of displacement.

(変位センサ)
変位センサ155は、例えば、歪ゲージで構成され、伝達体150に取り付けられており、圧電アクチュエータ本体105の一部から伝達された変位を検知する。このように、変位センサ155は、伝達体150を介して圧電アクチュエータ本体105に取り付けられているため、圧電素子への直接接着による応力集中や圧電素子の変位を拘束することが発生せず、高変位タイプ、高温タイプなど標準品より大きな変位を示す圧電アクチュエータでも良好な耐久性を維持することができる。
(displacement sensor)
The displacement sensor 155 is composed of, for example, a strain gauge, is attached to the transmission body 150 , and detects displacement transmitted from a portion of the piezoelectric actuator main body 105 . As described above, since the displacement sensor 155 is attached to the piezoelectric actuator main body 105 via the transmission body 150, stress concentration and displacement of the piezoelectric element due to direct adhesion to the piezoelectric element are not constrained. Good durability can be maintained even with piezoelectric actuators that exhibit greater displacement than standard products, such as displacement type and high temperature type.

変位センサ155は、変位センサ本体156、リード線157、158に接続され、リード線158が、センサ用端子159に接続されることで、検知された変位が伝達される。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位を確認して、正確にその変位を把握することができフィードバック制御により圧電アクチュエータを使った精密な位置決めが可能になる。 The displacement sensor 155 is connected to a displacement sensor main body 156 and lead wires 157 and 158 , and the lead wire 158 is connected to a sensor terminal 159 to transmit the detected displacement. As a result, the displacement of the piezoelectric actuator main body 105 can be confirmed and the displacement can be accurately grasped, and precise positioning using the piezoelectric actuator can be performed by feedback control.

(変位制御システム)
上記の圧電アクチュエータ100を用いて変位制御システム190を構成できる。図5は、変位制御システム190の概略図である。図5に示すように、変位制御システム190は、圧電アクチュエータ100、フィードバック制御装置170および駆動電源180を備えている。
(Displacement control system)
A displacement control system 190 can be configured using the piezoelectric actuator 100 described above. FIG. 5 is a schematic diagram of displacement control system 190 . As shown in FIG. 5, displacement control system 190 includes piezoelectric actuator 100 , feedback controller 170 and drive power supply 180 .

変位センサ155のセンサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に接続されている。検知された変位の信号は、フィードバック制御装置170に入力され、フィードバック制御装置170は、検知された信号を圧電アクチュエータ100の変位に変換し、検知された変位をもとに必要な駆動量を算出する。検知信号から変位への変換は、逆相であり、変位センサ155から縮みの信号の入力があったときには、縮の信号を圧電アクチュエータ100の伸びの変位に変換し出力する。なお、検知信号から変位への変換が同相であり、変位センサ155から伸びの信号の入力があったときには、圧電アクチュエータ100の伸びの変位を出力する。フィードバック制御装置170は、算出された駆動量に応じて駆動電源180を制御し、駆動電源180は、フィードバック制御装置170から指令を受けた電圧を圧電アクチュエータ本体105に印加する。このようにして、誤差を低減した変位制御システム190を実現できる。 Sensor terminal 159 of displacement sensor 155 is connected to feedback controller 170 . A signal of the detected displacement is input to the feedback control device 170, and the feedback control device 170 converts the detected signal into the displacement of the piezoelectric actuator 100 and calculates the necessary driving amount based on the detected displacement. do. Conversion from the detection signal to displacement is in reverse phase, and when a contraction signal is input from the displacement sensor 155, the contraction signal is converted into an extension displacement of the piezoelectric actuator 100 and output. Note that the conversion from the detection signal to the displacement is in phase, and when the extension signal is input from the displacement sensor 155, the extension displacement of the piezoelectric actuator 100 is output. The feedback control device 170 controls the drive power source 180 according to the calculated drive amount, and the drive power source 180 applies the voltage commanded by the feedback control device 170 to the piezoelectric actuator main body 105 . In this way, a displacement control system 190 with reduced errors can be realized.

(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。一方、あらかじめ本体部152の長さが圧電素子110の長さより1%長く、本体部152の端部から折れ曲がった両先端部が固着部151になっている伝達体150を準備しておく。
(Manufacturing method of piezoelectric actuator)
Next, a method for manufacturing the piezoelectric actuator 100 configured as described above will be described. First, a piezoelectric element 110 in which piezoelectric layers and internal electrodes are alternately laminated is manufactured. Specifically, an electrode paste such as Ag or Ag—Pd is printed on green sheets of piezoelectric ceramics, laminated, pressure-bonded, and fired. Next, external electrodes 116 and 117 connected to the internal electrodes are formed along the stacking direction on the side surfaces of the piezoelectric element 110 . The external electrodes 116 and 117 can be formed by printing the electrode paste on the side surface of the piezoelectric element 110 and baking it. On the other hand, the transmitting body 150 is prepared in advance, in which the length of the body portion 152 is 1% longer than the length of the piezoelectric element 110, and both ends bent from the ends of the body portion 152 are fixed portions 151. FIG.

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。その際に、変位をモニタリングしたい圧電素子110の両端面に伝達体150を接着する。その際には、直近の圧電素子の活性領域の変位方向への投影領域のみ接着する。その際には、圧電素子の活性領域の変位方向への投影領域のみ接着する。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。 An adhesive such as epoxy is applied to the end surfaces of the plurality of piezoelectric elements 110 obtained in the stacking direction, and the elements are connected in series. At that time, the transmission body 150 is adhered to both end faces of the piezoelectric element 110 whose displacement is to be monitored. At that time, only the projected area in the displacement direction of the active area of the nearest piezoelectric element is bonded. At that time, only the projected area in the displacement direction of the active area of the piezoelectric element is bonded. In this way, multiple connections are made and the adhesive is cured. Then, a plate-shaped lead wire made of metal is fixed to the external electrode, so that the piezoelectric actuator main body 105 with multiple connections can be manufactured.

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アクチュエータ本体105に、伝達体150および変位センサ155を設け、圧電アクチュエータ本体105と一緒にキャップ160内に封止する。変位センサ155の端子および駆動用電極に接続されるリード線121、122、158は、座140に挿通された端子126、127、159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126、127は、それぞれ駆動電源180、センサ用の端子159は、フィードバック制御装置170に電気的に接続される。 The above piezoelectric actuator main body 105 is placed on the seat 140, and a cap 160 is placed over it for sealing. At this time, the piezoelectric actuator body 105 sealed in the cap 160 of the piezoelectric actuator 100 is provided with the transmission body 150 and the displacement sensor 155 and sealed in the cap 160 together with the piezoelectric actuator body 105 . Lead wires 121 , 122 , 158 connected to terminals of displacement sensor 155 and drive electrodes are connected to terminals 126 , 127 , 159 inserted through seat 140 . Thus, the piezoelectric actuator 100 can be produced. The driving terminals 126 and 127 are electrically connected to the driving power source 180 and the sensor terminal 159 is electrically connected to the feedback control device 170 .

[第2実施形態(台形または不定形)]
上記の実施形態では、伝達体150は、長方形の薄板をU字状に折り曲げたものであるが、共振を防止するために別の形にしてもよい。図6は、伝達体250の斜視図である。伝達体250は、2つの固着部251と本体部252を備えている。本体部252は、圧電アクチュエータ本体105の変位に対して共振しない形状の平板であることが好ましい。図6に示す例では、本体部252は台形に形成されている。これにより、圧電アクチュエータ本体105の変位に対して伝達体250の共振を防止し、変位に対する応答性を向上できる。伝達体150の中央部は、台形以外に不定形に形成することもできる。
[Second embodiment (trapezoidal or irregular)]
In the above-described embodiment, the transmission body 150 is a rectangular thin plate bent into a U shape, but may be of another shape to prevent resonance. FIG. 6 is a perspective view of the transmission body 250. FIG. The transmission body 250 has two fixed portions 251 and a body portion 252 . The body portion 252 is preferably a flat plate having a shape that does not resonate with displacement of the piezoelectric actuator body 105 . In the example shown in FIG. 6, the body portion 252 is formed in a trapezoidal shape. As a result, resonance of the transmission body 250 against displacement of the piezoelectric actuator main body 105 can be prevented, and responsiveness to displacement can be improved. The central portion of the transmission body 150 may be formed in an irregular shape other than the trapezoid.

[第3実施形態]
上記の実施形態では、1枚の薄板を用いて伝達体150を形成しているが、2枚の薄板を用いた伝達体350の構成であってもよい。図7(a)、(b)は、それぞれ圧電アクチュエータ300を示す正断面図および側断面図である。図8は、伝達体350を構成する一対の薄板の一方の斜視図である。
[Third embodiment]
In the above embodiment, the transmitting body 150 is formed using one thin plate, but the transmitting body 350 may be configured using two thin plates. 7A and 7B are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing the piezoelectric actuator 300. FIG. FIG. 8 is a perspective view of one of a pair of thin plates that constitute the transmission body 350. FIG.

圧電アクチュエータ300では、伝達体350が一対のU字状の薄板を対称かつ変位方向に対して並列に設けている。U字状の薄板は、固着部351と本体部352とを備えている。固着部351は、圧電アクチュエータ本体105の互いに変位方向に離れた圧電素子110同士の間の位置にそれぞれ固着される。固着部351と本体部352とを分ける折り目と、本体部352の中央部352aと斜辺部352bとを分ける折り目が設けられている。 In the piezoelectric actuator 300, the transmission body 350 has a pair of U-shaped thin plates arranged symmetrically and in parallel with respect to the displacement direction. The U-shaped thin plate has a fixing portion 351 and a body portion 352 . The fixing portions 351 are fixed to positions between the piezoelectric elements 110 separated from each other in the displacement direction of the piezoelectric actuator main body 105 . A crease dividing the fixed portion 351 and the body portion 352 and a crease dividing the central portion 352a and the oblique side portion 352b of the body portion 352 are provided.

本体部352は、固着部351の間を連続的につなぎ、かつ2つの固着部351の間の変位を伝達する。図7(b)に示す例では、圧電素子110の伸縮に応じて本体部352の中央部352aが圧電素子110から浮いており、この部分が離れたり近づいたりすることで、一対の薄板の本体部352の少なくとも一部である中央部352aの間の距離が変化する。この距離が変位センサ155に伝達される。一対の薄板が、圧電アクチュエータ本体105に取り付けられることで、図7(b)に示すように側面から見た薄板は八角形の輪郭を形成する。このような構成は変位拡大機構となっており、圧電素子110の変位量を5~10倍に拡大できる。 The body portion 352 continuously connects the fixing portions 351 and transmits displacement between the two fixing portions 351 . In the example shown in FIG. 7(b), the central portion 352a of the body portion 352 is floating from the piezoelectric element 110 according to the expansion and contraction of the piezoelectric element 110, and this portion moves away from or near to the main body of the pair of thin plates. The distance between the central portion 352a, which is at least part of the portion 352, varies. This distance is transmitted to displacement sensor 155 . By attaching a pair of thin plates to the piezoelectric actuator main body 105, the thin plates form an octagonal outline when viewed from the side as shown in FIG. 7(b). Such a configuration serves as a displacement magnifying mechanism, and can magnify the amount of displacement of the piezoelectric element 110 by 5 to 10 times.

変位センサ155は、一対のU字状の薄板の本体部352の少なくとも一部である中央部352a同士を連結している。この場合、U字状とは、変位方向に垂直な2つの固着面とその間をつなぐ中央の位置に、変位センサ155を取り付けられる変位方向に平行な面があることを指す。これにより、それぞれの薄板の本体部352の撓みが変形した際に、変位センサ155と伝達体350との連結部の距離が変化することで圧電アクチュエータ300の変位を検知できる。なお、本体部352が湾曲すると変位が減少するため、本体部352である4つの斜辺部352bに対して、圧電アクチュエータ本体に組み込んだ際の変位方向と垂直な方向の両端を折曲げるリブ加工を行いリブ構造としたり、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を4つの斜辺部352bに接合して、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を備える構造としたりしてもよい。これにより本体部352の面の剛性を向上させ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。 The displacement sensor 155 connects central portions 352a, which are at least portions of a pair of U-shaped thin plate body portions 352, to each other. In this case, the U-shape means that there is a plane parallel to the displacement direction on which the displacement sensor 155 is attached at the central position connecting two fixed surfaces perpendicular to the displacement direction. As a result, the displacement of the piezoelectric actuator 300 can be detected by changing the distance between the displacement sensor 155 and the transmission body 350 when the body portion 352 of each thin plate is deformed. Since the displacement decreases when the main body portion 352 is bent, the four oblique side portions 352b of the main body portion 352 are rib-processed to bend both ends in the direction perpendicular to the displacement direction when incorporated into the piezoelectric actuator main body. Alternatively, a structure may be employed in which a ceramic thin plate such as alumina or zirconia is bonded to the four oblique side portions 352b to provide a reinforcing portion extending in the direction parallel to the displacement direction. Thereby, it is possible to improve the rigidity of the surface of the body portion 352 and improve the responsiveness of the displacement sensor.

また、上述の伝達体350は2枚の薄板を用いる構成で説明したが、圧電アクチュエータ本体105を挟んで、U字状の薄板の部分が対向して配置されている形態であれば、伝達体350は1枚の薄板で形成されていてもよい。例えば、図8に示す伝達体350において、固着部351の一端から本体部352が連続しているが、別の一端から本体部352と対向するように他の本体部が形成されている形態としてもよい。 In addition, although the transmission body 350 described above is configured to use two thin plates, the transmission body 350 may have a configuration in which U-shaped thin plate portions are arranged to face each other with the piezoelectric actuator main body 105 interposed therebetween. 350 may be formed from a single thin plate. For example, in the transmitting body 350 shown in FIG. 8, the main body portion 352 is continuous from one end of the fixing portion 351, and another main body portion is formed so as to face the main body portion 352 from another end. good too.

また、上述の第1実施形態および第2実施形態における伝達体150、250の本体部152、252に対して、圧電アクチュエータ本体に組み込んだ際の変位方向と垂直な方向の両端を折り曲げるリブ加工を行い、リブ構造としたり、アルミナ、ジルコニアなどのセラミックス薄板を本体部152、252に接合して、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を備える構成としたりしてもよい。これにより、本体部152、252の面の剛性を向上させ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。 Further, the body portions 152, 252 of the transmission bodies 150, 250 in the above-described first and second embodiments are subjected to rib processing for bending both ends in the direction perpendicular to the displacement direction when incorporated into the piezoelectric actuator body. Alternatively, a rib structure may be provided, or a ceramic thin plate such as alumina or zirconia may be bonded to the main body portions 152 and 252 to provide a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. Thereby, it is possible to improve the rigidity of the surfaces of the body portions 152 and 252 and improve the responsiveness of the displacement sensor.

また、上述の第1実施形態、第2実施形態および第3実施形態における伝達体150、250、350の本体部152、252、352に対して、打抜き加工を行い複数の貫通孔を有する形態としてもよい。これにより、本体部152、252、352の軽量化を行うことができ、変位センサの応答性を向上させることも可能である。 Further, a plurality of through holes are formed by punching the body portions 152, 252, and 352 of the transmission bodies 150, 250, and 350 in the first, second, and third embodiments described above. good too. This makes it possible to reduce the weight of the main body portions 152, 252, and 352 and improve the responsiveness of the displacement sensor.

100、300 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
121、122、157、158 リード線
126、127、159 端子
130 突起
140 座
150、250、350 伝達体
151、251、351 固着部
151a 領域(活性領域を変位方向へ投影した範囲)
152、252、352 本体部
155 変位センサ
156 変位センサ本体
160 キャップ
170 フィードバック制御装置
180 駆動電源
190 変位制御システム
352a 中央部
352b 斜辺部
100, 300 Piezoelectric actuator 105 Piezoelectric actuator body 110 Piezoelectric element 113 Piezoelectric layers 114, 115 Internal electrodes 116, 117 External electrodes 121, 122, 157, 158 Lead wires 126, 127, 159 Terminal 130 Projection 140 Seat 150, 250, 350 Transmission Body 151, 251, 351 Fixed portion 151a Region (range of active region projected in displacement direction)
152, 252, 352 Main body 155 Displacement sensor 156 Displacement sensor main body 160 Cap 170 Feedback control device 180 Drive power supply 190 Displacement control system 352a Center part 352b Oblique side part

Claims (11)

電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
複数の圧電素子を直列に連結して形成された圧電アクチュエータ本体と、
前記圧電アクチュエータ本体の互いに変位方向に離れた前記圧電素子同士の間の位置にそれぞれ固着される少なくとも2つの固着部および前記固着部の間を連続的につなぎかつ前記2つの固着部の間の変位を伝達する本体部を有する伝達体と、
前記伝達された変位を検知する変位センサと、
前記圧電アクチュエータ本体の一端を固定する座と、
有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体、前記伝達体および前記変位センサを収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、
前記本体部は前記2つの固着部間の圧縮力により撓んで配置されており、
前記変位センサは、前記伝達体に取り付けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A piezoelectric actuator that is displaced by application of a voltage,
a piezoelectric actuator body formed by connecting a plurality of piezoelectric elements in series;
at least two fixed portions respectively fixed to positions between the piezoelectric elements separated from each other in the displacement direction of the piezoelectric actuator body; a transmission body having a main body for transmitting the
a displacement sensor that detects the transmitted displacement;
a seat for fixing one end of the piezoelectric actuator body;
a cap formed in a cylindrical shape with a bottom, housing the piezoelectric actuator main body, the transmission body, and the displacement sensor therein, and having an open end sealed with a seat;
The main body portion is bent by a compressive force between the two fixing portions, and
A piezoelectric actuator, wherein the displacement sensor is attached to the transmission body.
前記伝達体は、U字状の薄板で形成され、
前記U字状の薄板の折れ曲がった両先端部が前記固着部として前記圧電アクチュエータ本体に固着していることを特徴とする請求項1記載の圧電アクチュエータ。
The transmission body is formed of a U-shaped thin plate,
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein both bent end portions of said U-shaped thin plate are fixed to said piezoelectric actuator main body as said fixing portions.
前記薄板の前記固着部の間の中央部である前記本体部の前記変位方向における長さは、前記圧電アクチュエータ本体に固着された状態の固着部間の前記変位方向における直線距離より長ことを特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエータ。 The length in the displacement direction of the main body portion, which is the central portion between the fixed portions of the thin plate, is longer than the linear distance in the displacement direction between the fixed portions fixed to the piezoelectric actuator main body. 3. A piezoelectric actuator according to claim 2. 前記本体部は、前記圧電アクチュエータ本体の変位に対して共振しない形状の平板であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 4. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the body portion is a flat plate having a shape that does not resonate with displacement of the piezoelectric actuator body. 一対の前記U字状の薄板を変位方向に対して並列に設け、
前記変位センサは、一対の前記U字状の薄板の前記本体部の少なくとも一部同士を連結していることを特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエータ。
A pair of U-shaped thin plates are provided in parallel with respect to the displacement direction,
3. The piezoelectric actuator according to claim 2, wherein the displacement sensor connects at least parts of the main body portions of the pair of U-shaped thin plates.
前記固着部は、前記圧電素子の活性領域を変位方向へ投影した範囲内で前記圧電アクチュエータ本体と固着されていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 6. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the fixed portion is fixed to the piezoelectric actuator main body within a range obtained by projecting the active region of the piezoelectric element in the displacement direction. 前記本体部は、前記変位方向と平行な方向に延在する補強部を有していることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 7. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 6, wherein the body portion has a reinforcing portion extending in a direction parallel to the displacement direction. 前記固着部は、前記複数の圧電素子のうちの一つの圧電素子の両端面に固着されていることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 8. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the fixing portion is fixed to both end surfaces of one of the plurality of piezoelectric elements. 前記固着部は、前記複数の圧電素子のうちの二つの以上の圧電素子が連結する素子連結体の両端面に固着されており、前記本体部は、前記固着部の間の二つ以上の圧電素子に跨って配置されていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 The fixing portion is fixed to both end surfaces of an element connecting body to which two or more piezoelectric elements among the plurality of piezoelectric elements are connected, and the main body portion includes two or more piezoelectric elements between the fixing portions. 8. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 7, wherein the piezoelectric actuator is arranged across the elements. 前記圧電アクチュエータ本体の駆動用の端子の一つと前記変位センサの検出用の端子の一つとが共通であることを特徴とする請求項1から請求項9のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 10. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein one of the terminals for driving the piezoelectric actuator main body and one of the terminals for detection of the displacement sensor are shared. 前記伝達体の熱膨張係数と前記圧電素子の熱膨張係数との差は、10×10-6/℃以
下であることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
11. The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 10, wherein a difference between a thermal expansion coefficient of said transmitter and a thermal expansion coefficient of said piezoelectric element is 10×10 −6 /° C. or less. .
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