特許 7109314 圧電アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-21

(45)【発行日】2022-07-29

(54)【発明の名称】圧電アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/09 20060101AFI20220722BHJP

   H01L 41/053 20060101ALI20220722BHJP

   H01L 41/083 20060101ALI20220722BHJP

   H01L 41/047 20060101ALI20220722BHJP

   H02N 2/04 20060101ALI20220722BHJP

【ＦＩ】

H01L41/09

H01L41/053

H01L41/083

H01L41/047

H02N2/04

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2018163455

(22)【出願日】2018-08-31

(65)【公開番号】P2020035973

(43)【公開日】2020-03-05

【審査請求日】2021-06-25

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114258

【弁理士】

【氏名又は名称】福地 武雄

(74)【代理人】

【識別番号】100125391

【弁理士】

【氏名又は名称】白川 洋一

(72)【発明者】

【氏名】熊本 憲二

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０７２３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１８０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３３３９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第４９５８１００（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開平０５－２０６５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３５２４８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２８３１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９８３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１２０８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ４１／０９

Ｈ０１Ｌ ４１／０５３

Ｈ０１Ｌ ４１／０８３

Ｈ０１Ｌ ４１／０４７

Ｈ０２Ｎ ２／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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する圧電アクチュエータ。

【請求項2】

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。

【請求項3】

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。

【請求項4】

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。

【請求項5】

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。

【請求項6】

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。

【請求項7】

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。

【請求項8】

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。

【請求項9】

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。

【請求項10】

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。

【請求項11】

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。

【請求項12】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平５－２０６５３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

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。

【0006】

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。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（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。

【0008】

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。

【0009】

（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。

【0010】

（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。

【0011】

（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。

【0012】

（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。

【0013】

（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。

【0014】

（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。

【0015】

（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。

【0016】

（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。

【0017】

（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。

【0018】

（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。

【0019】

（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。

【発明の効果】

【0020】

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。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】（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。

【図2】（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。

【図3】圧電素子の正断面図である。

【図4】（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。

【図5】変位制御システムの概略図である。

【図6】（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。

【図7】（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。

【図8】（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。

【図9】（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。

【発明を実施するための形態】

【0022】

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。

【0023】

［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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

（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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

（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。

【0039】

（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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

（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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

（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。

【0049】

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。

【0050】

（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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

［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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

［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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【符号の説明】

【0064】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】