JP7109314B2

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Info

Publication number: JP7109314B2
Application number: JP2018163455A
Authority: JP
Inventors: 憲二熊本
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: JP2020035973A

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固着される固着部を有し前記固着部から連続し前記圧電アクチュエータ本体の表面に沿って設けられた本体部を有する一対の伝達体と、前記一対の伝達体から伝達された前記圧電アクチュエータ本体の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、前記一対の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、両端部が前記一対の伝達体のそれぞれの本体部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; A pair of fixing portions fixed to positions between the piezoelectric elements separated from each other in the displacement direction of the actuator main body, and a main body portion provided continuously from the fixing portion and provided along the surface of the piezoelectric actuator main body. A transmission body, a displacement sensor for detecting the displacement of the piezoelectric actuator main body transmitted from the pair of transmission bodies, a seat for fixing one end of the piezoelectric actuator main body, and a bottomed cylindrical shape, the a piezoelectric actuator main body, a cap housing the pair of transmission bodies and the displacement sensor and having an open end sealed to a seat, wherein the displacement sensor has both ends of the body parts of the pair of transmission bodies respectively. It is characterized by being attached to

これにより、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素子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。また、圧電アクチュエータ本体の表面に沿って設けられた本体部同士に跨って変位センサが配置されているので、圧電アクチュエータが伸びたときに変位センサも伸びることで、圧電アクチュエータの変位と変位センサの変位が同相の歪となり、制御性が向上する。 Accordingly, since the displacement sensor is not attached directly to the surface parallel to the displacement direction of the piezoelectric element, 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 element while preventing dielectric breakdown due to cracks due to restraint of displacement, 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. In addition, since the displacement sensor is arranged straddling the body portions provided along the surface of the piezoelectric actuator body, the displacement sensor is extended when the piezoelectric actuator is extended. Displacement becomes in-phase strain, improving controllability.

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記一対の伝達体のそれぞれが、Ｌ字状の薄板で形成され、前記Ｌ字状の薄板の折れ曲がった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, each of the pair of transmission bodies is formed of an L-shaped thin plate, and a bent end portion of the L-shaped thin plate serves as the fixing portion, and the piezoelectric actuator main body It is characterized by adhering to 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, making it possible to improve the durability of the displacement sensor.

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記変位センサの変形を拘束することなく前記一対の伝達体を連結し、前記一対の伝達体の変位に応じて変形可能に形成された連結体を更に備えることを特徴としている。これにより、連結部が一対の伝達体のそれぞれの本体部同士の位置ずれを抑制するガイドの役割を果たし、伝達体の本体部がずれることによる変位センサの誤検出を抑制し、変位センサの検出値と実際の圧電アクチュエータの変位との対応を取りやすくすることができる。 (3) In the piezoelectric actuator of the present invention, the pair of transmission bodies are connected without restraining the deformation of the displacement sensor, and the connection body is formed so as to be deformable according to the displacement of the pair of transmission bodies. It is characterized by further comprising: As a result, the connecting portion serves as a guide that suppresses positional deviation between the body portions of the pair of transmission bodies, suppresses erroneous detection of the displacement sensor due to the deviation of the body portions of the transmission body, and detects the displacement sensor. It is possible to facilitate correspondence between the value and the actual displacement of the piezoelectric actuator.

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記連結体が、前記一対の伝達体の中心を結ぶ中心線に対して対称かつ前記圧電アクチュエータ本体の変位方向に対して並列に一対で設けられていることを特徴としている。これにより、より一層、一対の伝達体の位置ずれを抑制し、一対の伝達体の変位方向を圧電アクチュエータ本体の変位方向に対して平行に維持できる。 (4) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, the connecting bodies are provided as a pair in parallel with respect to the displacement direction of the piezoelectric actuator body and symmetrical about a center line connecting the centers of the pair of transmission bodies. It is characterized by having As a result, positional deviation of the pair of transmission bodies can be further suppressed, and the displacement direction of the pair of transmission bodies can be maintained parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuator main body.

（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記連結体のそれぞれが、前記圧電アクチュエータ本体の表面に平行な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記変位方向に垂直な方向に前記変位センサの一部と重なる位置に設けられていることを特徴としている。これにより、変位センサを伝達体に取り付けた際に変位センサを連結部が支えることで、取付け時の変位センサの撓みを防止することができる。この結果、圧電アクチュエータ本体の変位を正確に検出できる。さらに、連結体と変位センサとは固着等により固定されていないので、圧電アクチュエータ本体の変位に応じた変位センサの変形を妨げることなく、連結体の変形を容易にし、圧電アクチュエータ本体の変位を検出しやすくすることができる。 (5) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, each of the connecting bodies has a curved portion bent in a direction parallel to the surface of the piezoelectric actuator main body, and the curved portion is perpendicular to the displacement direction. It is characterized in that it is provided at a position overlapping with a part of the displacement sensor in the direction. As a result, when the displacement sensor is attached to the transmission body, the connecting portion supports the displacement sensor, so that the displacement sensor can be prevented from bending during attachment. As a result, the displacement of the piezoelectric actuator body can be accurately detected. Furthermore, since the connecting body and the displacement sensor are not fixed by fixing or the like, the deformation of the connecting body is facilitated and the displacement of the piezoelectric actuator body is detected without hindering the deformation of the displacement sensor according to the displacement of the piezoelectric actuator body. can be made easier.

（６）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記連結体のそれぞれが、前記圧電アクチュエータ本体の表面に垂直な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記連結体は、前記変位センサに重ならない位置に設けられていることを特徴としている。これにより、変位センサの変形を妨げることなく、連結体の変形を容易にし、圧電アクチュエータ本体の変位を検出しやすくすることができる。 (6) Further, in the piezoelectric actuator of the present invention, each of the connecting bodies has a curved portion bent in a direction perpendicular to the surface of the piezoelectric actuator main body, and the connecting body does not overlap the displacement sensor. It is characterized by being provided in the position. As a result, the deformation of the displacement sensor is not hindered, and the deformation of the connecting body can be facilitated, making it easier to detect the displacement of the piezoelectric actuator main body.

（７）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。 (7) 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.

（８）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垂直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。 (8) 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 of the transmission body in a direction perpendicular 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. It can be formed by attaching

（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二つ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位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. As a result, a large displacement can be measured by a plurality of piezoelectric elements, and measurement accuracy is improved. 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。 (10) 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 between the fixed 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.

（１１）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。 (11) 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 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 from increasing, and the configuration in which the displacement sensor is accommodated in the cap improves environmental resistance. can be done.

（１２）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は、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。(12) 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.（ａ）～（ｃ）それぞれ第１実施形態の伝達体の斜視図、正面図および側面図である。(a) to (c) are a perspective view, a front view and a side view of the transmission body of the first embodiment, respectively.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.（ａ）、（ｂ）それぞれ第２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 second embodiment.（ａ）～（ｃ）それぞれ第２実施形態の伝達体の斜視図、正面図および側面図である。(a) to (c) are a perspective view, a front view and a side view of a transmission body of a second embodiment, respectively.（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.（ａ）～（ｃ）それぞれ第３実施形態の伝達体の斜視図、正面図および側面図である。(a) to (c) are a perspective view, a front view and a side view, respectively, of a transmission body according to a 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（セパレート型）］
（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 (separate type)]
(Configuration of Piezoelectric Actuator)
1(a) and 1(b) are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view, respectively, showing thepiezoelectric actuator 100. FIG. 2(a) and 2(b) are front sectional and bottom views of theseat 140 and theterminals 126, 127, 159, respectively. It should be noted that thepiezoelectric 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、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ、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。 Thepiezoelectric actuator 100 includes a piezoelectric actuatormain body 105, drivingterminals 126 and 127, asensor terminal 159, aseat 140, a pair oftransmission bodies 150a and 150b, adisplacement sensor 155, and acap 160, and expands and contracts upon application of voltage. do. Thepiezoelectric 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 ofexternal electrodes 116 and 117 via the pair oflead wires 121 and 122, the piezoelectric actuatormain body 105 is displaced at the tip by the expansion and contraction of eachpiezoelectric element 110. FIG. Drivingterminals 126 and 127 are connected to leadwires 121 and 122 of the piezoelectric actuatormain body 105 and transmit applied voltage to thelead 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。 Theseat 140 is adhered to the end of thepiezoelectric actuator body 105 and fixed at one end to support thepiezoelectric actuator body 105 . The extension and contraction of thepiezoelectric actuator body 105 to which the end on the side of theseat 140 is fixed displaces theprotrusion 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。 Theseat 140 seals thepiezoelectric actuator body 105 by being fixed to the end of thecap 160 . Reliability and durability can be improved by hermetically sealing the piezoelectric actuatormain body 105 and thedisplacement 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 thepiezoelectric actuator 100 to operate without problems even in harsh environments such as high humidity and corrosive gas. Since the inside of thecap 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。貫通孔には樹脂が充填され、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 throughseat 140 as hermetic terminals. The through holes are filled with resin and sealed. On theseat 140,terminals 126, 127, 159 are preferably arranged around the central axis of thepiezoelectric actuator 100 for the displacement sensor and for the drive, respectively. As a result, theterminals 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 theterminals 126 and 127 for driving the piezoelectric actuatormain body 105 and one of the terminals for detection of thedisplacement 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。 Thecap 160 has a bottomed cylindrical shape with an open end and is made of metal. Thecap 160 accommodates thepiezoelectric actuator body 105 in close contact with it in the stacking direction, and its open end is joined to theseat 140 to seal the inside of thecap 160 . This protects thepiezoelectric 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。 Thecap 160 has a diaphragm at the tip of the cap with a dome-shaped portion abutting theprojection 130 . The straight tube portion of thecap 160 is formed cylindrical from the center to the bottom of thecap 160 . The diaphragm is formed in a dome shape. Thecap 160 is desirably made of a material such as SUS316, SUS316L, or the like, which has excellent spring properties. A base secures theseat 140 , and theseat 140 supports the end of thepiezoelectric actuator body 105 . Displacement is transmitted from thepiezoelectric actuator 100 to the driven body by contacting the tip of thecap 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、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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。 Inside thecap 160, in addition to the piezoelectric actuatormain body 105, a pair oftransmission bodies 150a and 150b and adisplacement sensor 155 are also accommodated. Thecap 160 can protect thepiezoelectric actuator body 105 and thedisplacement 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１５０ａ、１５０ｂ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, thepiezoelectric actuator 100 has adisplacement sensor 155 arranged inside thecap 160 and asensor terminal 159 provided on theseat 140 . As a result, in thepiezoelectric actuator 100 incorporating thedisplacement sensor 155 , a displacement signal of thepiezoelectric element 110 can be received via thesensor terminal 159 . Details of thetransmission bodies 150a and 150b and thedisplacement 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 actuatormain body 105 is composed ofpiezoelectric element 110 ,lead wires 121 and 122 andprojection 130 . A plurality ofpiezoelectric elements 110 constituting the piezoelectric actuatormain body 105 are arranged and connected in series (multi-connection), and their end faces are adhered to each other with an adhesive. A large amount of displacement can be ensured by bonding the plurality ofpiezoelectric elements 110 . Note that "in series" means the expansion/contraction direction, that is, the lamination direction of the piezoelectric layers and internal electrodes in thepiezoelectric 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。 Thelead wires 121 and 122 connect drivingterminals 126 and 127 to theexternal electrodes 117 of thepiezoelectric 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。 Theprotrusion 130 is made of an inorganic material and has a hemispherical shape, and is provided on the tip side of the piezoelectric actuatormain body 105 that transmits displacement to the driven body. Theprotrusion 130 and the piezoelectric actuatormain body 105 are firmly adhered, and theprotrusion 130 contacts the dome-shaped inner portion of thecap 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 thepiezoelectric element 110. FIG. Thepiezoelectric element 110 outputs displacement in response to an applied voltage, and has apiezoelectric layer 113 ,internal electrodes 114 and 115 andexternal electrodes 116 and 117 . In thepiezoelectric element 110,piezoelectric layers 113 andinternal electrodes 114 and 115 are alternately laminated. Also, theexternal electrodes 116 and 117 are connected to theinternal electrodes 114 and 115 on the side surfaces of thepiezoelectric 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（ａ）～（ｃ）は、それぞれ一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂの斜視図、正面図および側面図である。一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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には一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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が、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)
4(a) to (c) are a perspective view, a front view and a side view of a pair oftransmission bodies 150a and 150b, respectively. A pair oftransmission bodies 150 a and 150 b transmit the displacement of thepiezoelectric actuator body 105 to thedisplacement sensor 155 . Since the displacement is transmitted to thedisplacement sensor 155 via the pair oftransmission bodies 150a and 150b, thepiezoelectric element 110 is not restricted in displacement. 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, large-displacement type piezoelectric elements and piezoelectric elements used at high temperatures are likely to crack due to the piezoelectric element itself being constrained by a displacement sensor or the like. can be prevented and reliability can be improved.

一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、固着部１５１ａ、１５１ｂと本体部１５２ａ、１５２ｂとを備えている。固着部１５１ａ、１５１ｂ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１５２ａ、１５２ｂは、固着部１５１ａ、１５１ｂから連続して形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に沿って設けられている。 Each of the pair oftransmission bodies 150a and 150b includes fixedportions 151a and 151b andbody portions 152a and 152b. The fixingportions 151a and 151b are fixed to positions between the piezoelectric elements of the piezoelectric actuatormain body 105 that are separated from each other in the displacement direction. Thebody portions 152 a and 152 b are formed continuously from the fixingportions 151 a and 151 b and provided along the surface of thepiezoelectric actuator body 105 .

図４に示すように、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂのそれぞれは、Ｌ字状の薄板で形成され、Ｌ字状の薄板の折れ曲がった先端部が固着部１５１ａ、１５１ｂ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、Ｌ字状とは、変位方向に垂直な固着面と固着面から折れ曲がった面であって変位センサ１５５を取り付けられる均一な面があることを指す。このような先端部を用いることで十分な固着が可能になる。また、本体部１５２ａ、１５２ｂにおいて、固着部１５１ａ、１５１ｂから延びる二辺に沿った外周部を折り曲げることにより、折り曲げられた外周部が梁の役割を果たす補強部となり本体部の強度を上げ、共振周波数を向上させることもできる。 As shown in FIG. 4, each of the pair oftransmission bodies 150a and 150b is formed of an L-shaped thin plate, and bent tip portions of the L-shaped thin plate are fixed to the piezoelectric actuatormain body 105 as fixingportions 151a and 151b. preferably. In this case, the L-shape means that there is a fixed surface perpendicular to the displacement direction and a uniform surface bent from the fixed surface to which thedisplacement sensor 155 is attached. Sufficient fixation is possible by using such a tip portion. Further, in thebody portions 152a and 152b, by bending the outer peripheral portions along the two sides extending from the fixingportions 151a and 151b, the bent outer peripheral portions serve as reinforcing portions that serve as beams to increase the strength of the body portion and resonate. It is also possible to improve the frequency.

固着部１５１ａ、１５１ｂ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１５３ａ、１５３ｂ）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 fixedportions 151a and 151b are preferably fixed to the piezoelectric actuatormain body 105 within a range (regions 153a and 153b in the example of FIG. 4) obtained by projecting the active region of the nearestpiezoelectric 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 theinternal electrodes 114 and 115 formed in thepiezoelectric element 110 overlap each other when viewed from the displacement direction. The inactive region is a region within thepiezoelectric element 110 excluding the active region.

固着部１５１ａ、１５１ｂは、連続する圧電素子１１０の両端面に固着されていることが好ましい。このように、複数の圧電素子に一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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。なお、検知に必要な変位量に応じ固着部１５１ａ、１５１ｂ間の長さを調節することは可能である。一つの圧電素子１１０の両端面に固着部１５１ａ、１５１ｂを固着させることで、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。 The fixedportions 151a and 151b are preferably fixed to both end faces of the continuouspiezoelectric element 110 . In this way, by straddling the pair oftransmission bodies 150a and 150b across a plurality of piezoelectric elements, a signal reflecting the overall displacement state of the piezoelectric actuatormain body 105 can be obtained. As a result, the displacement can be detected for a length close to the entire length of thepiezoelectric 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. Note that it is possible to adjust the length between thefixed portions 151a and 151b according to the amount of displacement required for detection. By fixing the fixingportions 151a and 151b to both end surfaces of onepiezoelectric element 110, the length of the main body portion between the fixing portions can be minimized and the responsiveness of the displacement sensor can be improved. 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.

一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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。なお、伝達体１５０には、圧電素子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。In order to accurately transmit the displacement of thepiezoelectric actuator 100 to thedisplacement sensor 155, the pair oftransmission bodies 150a and 150b are preferably made of a material having high rigidity and a thermal expansion close to that of thepiezoelectric element 110. For example, metals such as stainless steel and invar, or members obtained by bonding these to ceramic thin plates such as alumina and zirconia are suitable. By selecting a material having a coefficient of thermal expansion close to that of the piezoelectric element 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 thepiezoelectric element 110 is preferably 10×10⁻⁶ /° C. or less. As a result, it is possible to suppress the output deviation between thepiezoelectric 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 thepiezoelectric 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、両端が一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂのそれぞれ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、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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)
Thedisplacement sensor 155 is composed of, for example, a strain gauge, and has both ends attached to a pair oftransmission bodies 150a and 150b, respectively, and detects displacement transmitted from a part of the piezoelectric actuatormain body 105. As shown in FIG. In this way, since thedisplacement sensor 155 is attached to thepiezoelectric actuator body 105 via the pair oftransmission bodies 150a and 150b, stress concentration and displacement of the piezoelectric element are constrained due to direct adhesion to the piezoelectric element. Therefore, it is possible to maintain excellent durability even with piezoelectric actuators that exhibit a larger displacement than standard products, such as high-displacement and high-temperature types.

変位センサ１５５は、両端が一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂのそれぞれの本体部１５２ａ、１５２ｂに取り付けられている。これにより、圧電素子１１０の変位を拘束せずに伝達体１５０ａ、１５０ｂを介して変位を検知できる。その結果、圧電素子の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を使用した位置決め誤差を低減できる。また、圧電アクチュエータ本体の表面に沿って設けられた本体部同士に跨って変位センサが配置されているので、圧電アクチュエータ１００が伸びたときに変位センサ１５５も伸びることで、圧電アクチュエータ１００の変位と変位センサ１５５の変位が同相の歪となり、制御性が向上する。 Both ends of thedisplacement sensor 155 are attached tomain body portions 152a and 152b of a pair oftransmission bodies 150a and 150b, respectively. Thereby, the displacement of thepiezoelectric element 110 can be detected through thetransmission bodies 150a and 150b without restraining the displacement. As a result, it is possible to reduce the positioning error using the piezoelectric actuator while preventing dielectric breakdown due to cracks due to restraint of the displacement of the piezoelectric element. In addition, since the displacement sensor is arranged across the body portions provided along the surface of the piezoelectric actuator body, thedisplacement sensor 155 is also extended when thepiezoelectric actuator 100 is extended. Displacement of thedisplacement sensor 155 becomes in-phase strain, improving controllability.

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用した精密な位置決めが可能になる。 Thedisplacement sensor 155 is connected to a displacement sensormain body 156 andlead wires 157 and 158 , and thelead wire 158 is connected to asensor terminal 159 to transmit the detected displacement. As a result, the displacement of the piezoelectric actuatormain 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)
Adisplacement control system 190 can be configured using thepiezoelectric actuator 100 described above. FIG. 5 is a schematic diagram ofdisplacement control system 190 . As shown in FIG. 5,displacement control system 190 includespiezoelectric actuator 100 ,feedback controller 170 and drivepower 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、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 ofdisplacement sensor 155 is connected tofeedback controller 170 . A signal of the detected displacement is input to thefeedback control device 170, and thefeedback control device 170 converts the detected signal into the displacement of thepiezoelectric actuator 100 and calculates the necessary driving amount based on the detected displacement. do. Conversion from the detection signal to displacement is in phase, and when an extension signal is input from thedisplacement sensor 155, the extension displacement of thepiezoelectric actuator 100 is output. Thefeedback control device 170 controls thedrive power source 180 according to the calculated drive amount, and thedrive power source 180 applies the voltage commanded by thefeedback control device 170 to the piezoelectric actuatormain body 105 . In this way, adisplacement 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１５２ａ、１５２ｂの端部から折れ曲がった両先端部が固着部１５１ａ、１５１ｂになっている一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂを準備しておく。(Manufacturing method of piezoelectric actuator)
Next, a method for manufacturing thepiezoelectric actuator 100 configured as described above will be described. First, apiezoelectric 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 thepiezoelectric element 110 . Theexternal electrodes 116 and 117 can be formed by printing the electrode paste on the side surface of thepiezoelectric element 110 and baking it. On the other hand, a pair oftransmission bodies 150a and 150b are prepared in advance, each of which has fixedportions 151a and 151b at both ends bent from the ends ofmain body portions 152a and 152b.

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の両端面に一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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。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 ofpiezoelectric elements 110 obtained in the stacking direction, and the elements are connected in series. At that time, a pair oftransmission bodies 150a and 150b are adhered to both end faces of thepiezoelectric 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. 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 actuatormain 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、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂ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 actuatormain body 105 is placed on theseat 140, and acap 160 is placed over it for sealing. At this time, the piezoelectric actuatormain body 105 sealed in thecap 160 of thepiezoelectric actuator 100 is provided with a pair oftransmission bodies 150a and 150b and thedisplacement sensor 155, and is sealed in thecap 160 together with the piezoelectric actuatormain body 105. . Leadwires 121 , 122 , 158 connected to terminals ofdisplacement sensor 155 and drive electrodes are connected toterminals 126 , 127 , 159 inserted throughseat 140 . Thus, thepiezoelectric actuator 100 can be manufactured. The drivingterminals 126 and 127 are electrically connected to the drivingpower source 180 and thesensor terminal 159 is electrically connected to thefeedback control device 170 .

［第２実施形態（伸縮型１）］
第１実施形態では、一対の伝達体１５０ａ、１５０ｂは分離して設けられているが、これらは連結されていてもよい。図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ一対の伝達体２５０ａ、２５０ｂが連結された圧電アクチュエータ２００を示す正断面図および側断面図である。図７（ａ）～（ｃ）は、それぞれ伝達体２５０ａ、２５０ｂの斜視図、正面図および側面図である。[Second Embodiment (Extendable Type 1)]
Although the pair oftransmission bodies 150a and 150b are provided separately in the first embodiment, they may be connected. 6A and 6B are a front cross-sectional view and a side cross-sectional view showing thepiezoelectric actuator 200 to which a pair oftransmission bodies 250a and 250b are connected, respectively. 7(a) to (c) are a perspective view, a front view and a side view oftransmission bodies 250a and 250b, respectively.

図６（ａ）、（ｂ）、図７（ａ）～（ｃ）に示すように、それぞれ伝達体２５０ａ、２５０ｂは、湾曲した連結体２５５、２５６により連結されている。並列して形成された湾曲した連結体２５５、２５６を有する伝達体２５０ａ、２５０ｂは、伸縮部付きの薄板とみなすこともできる。湾曲した連結体２５５、２５６は、一対の伝達体２５０ａ、２５０ｂの中心を結ぶ中心線に対して対称かつ圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向に対して並列に設けられていることが好ましい。 As shown in FIGS. 6(a), (b), and FIGS. 7(a) to (c), thetransmission bodies 250a and 250b are connected by curved connectingbodies 255 and 256, respectively. Thetransmission bodies 250a, 250b with the curved connectingbodies 255, 256 formed side by side can also be regarded as thin plates with telescoping sections. The curved connectingbodies 255 and 256 are preferably provided symmetrically about a center line connecting the centers of the pair of transmittingbodies 250a and 250b and parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuatormain body 105. FIG.

これにより、一対の伝達体２５０ａ、２５０ｂの位置ずれを抑制し、一対の伝達体２５０ａ、２５０ｂの変位方向を圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向に対して平行に維持できる。すなわち、薄板の本体部２５２ａ、２５２ｂの表面の平面度を維持できる。その結果、組み立てや測定精度の向上にもつながる。 As a result, positional deviation of the pair oftransmission bodies 250 a and 250 b can be suppressed, and the displacement direction of the pair oftransmission bodies 250 a and 250 b can be maintained parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuatormain body 105 . That is, the flatness of the surfaces of the thinplate body portions 252a and 252b can be maintained. As a result, it also leads to improvement in assembly and measurement accuracy.

連結体２５５、２５６のそれぞれは、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に平行な方向（連結体の同一平面内）に撓んだ湾曲部２５５ａ、２５６ａを有し、湾曲部２５５ａ、２５６ａは、変位方向に垂直な方向に変位センサ１５５の一部と重なる位置に設けられていることが好ましい。これにより、変位センサ１５５を伝達体２５０ａ、２５０ｂに取り付けた際に変位センサ１５５を連結部２５５、２５６の湾曲部２５５ａ、２５６ａが支えることで、取付け時の時の変位センサ１５５の撓みを防止することができる。この結果、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を正確に検出ことができる。さらに、連結体２５５、２５６と変位センサ１５５とは固着等により固定されていないので、圧電アクチュエータ本体１０５の変位に応じた変位センサ１５５の変形を妨げることなく、連結体２５５、２５６の変形を容易にし、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を検出しやすくすることができる。このように、湾曲部２５５ａ、２５６ａのようにバネ性の機構を有することで連結体２５５、２５６の同一平面内に伸縮機構が形成される。なお、連結体２５５、２５６の厚さよりも一対の伝達体２５０ａ、２５０ｂの厚さを薄く形成してもよい。これにより、連結体２５５、２５６の剛性を維持しつつ、伝達体２５０ａ、２５０ｂを軽量化することができ、変位センサの応答性を向上させることもできる。 Each of the connectingbodies 255 and 256 hascurved portions 255a and 256a bent in a direction parallel to the surface of the piezoelectric actuator main body 105 (within the same plane of the connecting body). It is preferably provided at a position overlapping part of thedisplacement sensor 155 in the vertical direction. As a result, when thedisplacement sensor 155 is attached to thetransmission bodies 250a and 250b, the bendingportions 255a and 256a of the connectingportions 255 and 256 support thedisplacement sensor 155, thereby preventing thedisplacement sensor 155 from bending during attachment. be able to. As a result, the displacement of the piezoelectric actuatormain body 105 can be accurately detected. Furthermore, since the connectingbodies 255 and 256 and thedisplacement sensor 155 are not fixed by fixing or the like, the deformation of the connectingbodies 255 and 256 is facilitated without hindering the deformation of thedisplacement sensor 155 according to the displacement of the piezoelectric actuatormain body 105. , the displacement of the piezoelectric actuatormain body 105 can be easily detected. In this way, an expansion mechanism is formed in the same plane of the connectingbodies 255 and 256 by having a spring mechanism like thecurved portions 255a and 256a. The thickness of the pair of transmittingbodies 250a and 250b may be formed thinner than the thickness of the connectingbodies 255 and 256. This makes it possible to reduce the weight of thetransmission bodies 250a and 250b while maintaining the rigidity of thecoupling bodies 255 and 256, and to improve the responsiveness of the displacement sensor.

［第３実施形態（伸縮型２）］
第２実施形態では、連結体２５５、２５６の湾曲部２５５ａ、２５６ａが圧電アクチュエータ本体１０５の表面に平行な方向に撓んでいるが、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に垂直な方向に撓んでいてもよい。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ湾曲部３５５ａ、３５６ａが圧電アクチュエータ本体１０５の表面に垂直な方向（連結体の厚み方向）に撓んだ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９（ａ）～（ｃ）は、それぞれ伝達体３５０ａ、３５０ｂの斜視図、正面図および側面図である。[Third Embodiment (Extendable Type 2)]
In the second embodiment, thecurved portions 255a and 256a of the connectingbodies 255 and 256 are bent in a direction parallel to the surface of thepiezoelectric actuator body 105, but they may be bent in a direction perpendicular to the surface of thepiezoelectric actuator body 105. . 8A and 8B are a front sectional view and a side sectional view showing thepiezoelectric actuator 300 in which thecurved portions 355a and 356a are bent in the direction perpendicular to the surface of the piezoelectric actuator main body 105 (thickness direction of the coupling body), respectively. It is a diagram. 9(a)-(c) are a perspective view, a front view and a side view oftransmission bodies 350a and 350b, respectively.

図９（ａ）～（ｃ）に示す例では、連結体３５５、３５６は、一対の伝達体３５０ａ、３５０ｂの中心を結ぶ中心線に対して対称かつ圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向に対して並列に一対で設けられている。これにより、一対の伝達体３５０ａ、３５０ｂの位置ズレを抑制し、一対の伝達体３５０ａ、３５０ｂの変位方向を圧電アクチュエータ本体１０５の変位方向に対して平行に維持できる。すなわち、薄板の本体部３５２ａ、３５２ｂの表面の平面度を維持できる。その結果、組み立てや測定精度の向上にもつながる。 In the examples shown in FIGS. 9A to 9C, the connectingbodies 355 and 356 are symmetrical about the center line connecting the centers of the pair of transmittingbodies 350a and 350b and parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuatormain body 105. are provided in pairs. As a result, positional deviation of the pair oftransmission bodies 350 a and 350 b can be suppressed, and the displacement direction of the pair oftransmission bodies 350 a and 350 b can be maintained parallel to the displacement direction of the piezoelectric actuatormain body 105 . That is, the flatness of the surfaces of the thinplate body portions 352a and 352b can be maintained. As a result, it also leads to improvements in assembly and measurement accuracy.

連結体３５５、３５６のそれぞれは、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に垂直な方向に撓んだ湾曲部３５５ａ、３５６ａを有し、連結体３５５、３５６は、変位センサ１５５に重ならない位置に設けられていてもよい。これにより、変位センサ１５５の変形を妨げることなく、連結体３５５、３５６の変形を容易にし、一対の伝達体３５０ａ、３５０ｂの変位を検出しやすくすることができる。このように、湾曲部３５５ａ、３５６ａのようにバネ性の機構を有することで連結体３５５、３５６の厚み方向に伸縮機構が形成される。なお、連結体３５５、３５６の厚さよりも一対の伝達体３５０ａ、３５０ｂの厚さを薄く形成してもよい。これにより、連結体３５５、３５６の剛性を維持しつつ、伝達体３５０ａ、３５０ｂを軽量化することができ、変位センサの応答性を向上させることもできる。 Each of the connectingbodies 355 and 356 hascurved portions 355 a and 356 a bent in a direction perpendicular to the surface of thepiezoelectric actuator body 105 , and the connectingbodies 355 and 356 are provided at positions that do not overlap thedisplacement sensor 155 . may This facilitates deformation of thecoupling bodies 355 and 356 without hindering deformation of thedisplacement sensor 155, and facilitates detection of displacement of the pair oftransmission bodies 350a and 350b. In this way, an expansion mechanism is formed in the thickness direction of the connectingmembers 355 and 356 by having a spring mechanism like thecurved portions 355a and 356a. The thickness of the pair of transmittingbodies 350a and 350b may be formed thinner than the thickness of the connectingbodies 355 and 356. This makes it possible to reduce the weight of thetransmission bodies 350a and 350b while maintaining the rigidity of thecoupling bodies 355 and 356, and to improve the responsiveness of the displacement sensor.

上述の形態において、伝達体２５０ａ、２５０ｂ（３５０ａ、３５０ｂ）と連結体２５５、２５６（３５５、３５６）とは、一体の形態を説明したが、伝達体２５０ａ、２５０ｂ（３５０ａ、３５０ｂ）と連結体２５５、２５６（３５５、３５６）とが、別部材で構成され、各部材を接合して形成してもよい。この場合も上記同様の効果を得ることができる。 In the above embodiment, the transmittingbodies 250a, 250b (350a, 350b) and the connectingbodies 255, 256 (355, 356) are integrally formed. 255, 256 (355, 356) may be configured by separate members and formed by joining the respective members. In this case also, the same effect as described above can be obtained.

更に、上記形態において、一対の連結体２５５、２５６（３５５、３５６）を用いる形態を説明したが、連結体１つまたは３つ以上の複数で構成されていても構わない。 Furthermore, in the above embodiment, a mode using a pair of connectingbodies 255 and 256 (355 and 356) has been described, but one connecting body or a plurality of three or more connecting bodies may be used.

また、上述の第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態における伝達体１５０ａ、１５０ｂ、２５０ａ、２５０ｂ、３５０ａ、３５０ｂの本体部１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、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本体部１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、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成としたりしてもよい。これにより、本体部１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、３５２ｂ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。 In addition, for thebody portions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a, and 352b of thetransmission bodies 150a, 150b, 250a, 250b, 350a, and 350b in the above-described first, second, and third embodiments, A rib structure is formed by bending both ends in a direction perpendicular to the displacement direction when incorporated into the piezoelectric actuator main body, or ceramic thin plates such as alumina and zirconia are applied to themain body portions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a, and 352b. A configuration may be adopted in which a reinforcement portion extending in a direction parallel to the displacement direction is provided by joining. As a result, it is possible to improve the rigidity of the surfaces of themain body portions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a, and 352b and improve the responsiveness of the displacement sensor.

また、上述の第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態における伝達体１５０ａ、１５０ｂ、２５０ａ、２５０ｂ、３５０ａ、３５０ｂの本体部１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、３５２ｂ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１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、３５２ｂ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。 In addition, with respect to thebody portions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a, and 352b of thetransmission bodies 150a, 150b, 250a, 250b, 350a, and 350b in the above-described first, second, and third embodiments, A form having a plurality of through-holes may be formed by punching. This makes it possible to reduce the weight of thebody portions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a, and 352b, and to improve the responsiveness of the displacement sensor.

１００、２００、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
１５０ａ、１５０ｂ、２５０ａ、２５０ｂ、３５０ａ、３５０ｂ伝達体
１５１ａ、１５１ｂ固着部
１５２ａ、１５２ｂ、２５２ａ、２５２ｂ、３５２ａ、３５２ｂ本体部
１５３ａ、１５３ｂ領域（活性領域を変位方向へ投影した範囲）
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
２５５、２５６、３５５、３５６連結体
２５５ａ、２５６ａ、３５５ａ、３５６ａ湾曲部100, 200, 300piezoelectric actuator 105 piezoelectric actuatormain body 110piezoelectric element 113piezoelectric layers 114, 115internal electrodes 116, 117external electrodes 121, 122, 157, 158lead wires 126, 127, 159terminals 130projections 140seats 150a, 150b, 250a, 250b, 350a,350b transmission bodies 151a, 151b fixingportions 152a, 152b, 252a, 252b, 352a,352b body portions 153a, 153b regions (ranges of active regions projected in the displacement direction)
155displacement sensor 156 displacement sensormain body 160cap 170feedback control device 180drive power supply 190displacement control system 255, 256, 355, 356 connectingbody 255a, 256a, 355a, 356a bending portion

Claims

Translated fromJapanese

前記一対の伝達体のそれぞれは、Ｌ字状の薄板で形成され、
前記Ｌ字状の薄板の折れ曲がった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。Each of the pair of transmission bodies is formed of an L-shaped thin plate,
2. The piezoelectric actuator according to claim 1, wherein a bent tip portion of said L-shaped thin plate is fixed to said piezoelectric actuator main body as said fixing portion.

前記変位センサの変形を拘束することなく前記一対の伝達体を連結し、前記一対の伝達体の変位に応じて変形可能に形成された連結体を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。 2. A connection body that connects the pair of transmission bodies without constraining deformation of the displacement sensor and that is formed so as to be deformable according to displacement of the pair of transmission bodies. Item 3. The piezoelectric actuator according to item 2.

前記連結体は、前記一対の伝達体を結ぶ中心線に対して対称かつ前記圧電アクチュエータ本体の変位方向に対して並列に一対で設けられていることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。 4. The piezoelectric actuator according to claim 3, wherein the connecting bodies are provided as a pair in parallel with respect to the displacement direction of the piezoelectric actuator main body and symmetrical with respect to a center line connecting the pair of transmitting bodies.

前記連結体のそれぞれは、前記圧電アクチュエータ本体の表面に平行な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記湾曲部は、前記変位方向に垂直な方向に前記変位センサの一部と重なる位置に設けられていることを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。 Each of the connecting bodies has a curved portion bent in a direction parallel to the surface of the piezoelectric actuator main body, and the curved portion overlaps a part of the displacement sensor in a direction perpendicular to the displacement direction. 5. The piezoelectric actuator according to claim 4, further comprising:

前記連結体のそれぞれは、前記圧電アクチュエータ本体の表面に垂直な方向に撓んだ湾曲部を有し、前記連結体は、前記変位センサに重ならない位置に設けられていることを特徴とする請求項４記載の圧電アクチュエータ。 Each of the connecting bodies has a curved portion bent in a direction perpendicular to the surface of the piezoelectric actuator main body, and the connecting body is provided at a position not overlapping the displacement sensor. Item 5. The piezoelectric actuator according to item 4.

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 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 any one of claims 1 to 7, 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二つ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いることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。 9. The fixing portion according to claim 1, wherein 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. piezoelectric actuator.

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 any one of claims 1 to 9, wherein the fixing portion is fixed to both end surfaces of one of the plurality of piezoelectric 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 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１１のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。12. The piezoelectric actuator according to claim 1, 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. .