JPH0945972A

JPH0945972A - アクチュエータ

Info

Publication number: JPH0945972A
Application number: JP7190225A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Oyama; 仁尾山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 1997-02-14

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的安価で、従来の圧電素子を使用した場
合よりも変位量が大きいアクチュエータを得る。【解決手段】圧電効果を有する第１の層と、導電性を
有すると共に磁歪効果を有する第２の層とからなり、少
なくとも１つの第１の層を第２の層で挟むように該第１
の層と第２の層を交互に積層して形成された素子部と、
該素子部の第２の層に電圧を印加して、上記第１の層に
所望の電界を加える電圧制御部と、上記素子部の積層方
向と平行な磁界を形成する電磁コイルと、該電磁コイル
に流す電流を制御する電流制御部とからなり、上記第１
の層に電界を加えると共に上記第２の層に磁界を加え
て、上記素子部を変位させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線的な変位が生
じるアクチュエータの構造に関するものであり、例え
ば、位置決め装置やポンプの駆動装置等に応用できるも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来において、位置決め装置やポンプの
駆動装置には、電磁モータを使用したものが一般的であ
ったが、更に高精度、高応答性及び小型化を実現するた
めに駆動部分に圧電素子や超磁歪合金を用いたものが開
発されている。該圧電素子を使用した例として日本機械
学会誌（Ｃ編）６０巻５７１号（１９９４−３）Ｐ．９
５６に示された圧電ポンプがある。また、上記超磁歪材
料を使用した例として日本機械学会誌（Ｃ編）５９巻５
６３号（１９９３−７）Ｐ．２１１２に示されたサーボ
バルブ等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記圧電素子
は発生する変位量が微少であるため、使用部品の加工精
度を高めなければならなかったり、出力範囲も限られて
いた。そこで、構造的に変位を拡大する手段として、特
開昭６２−２３００６９号明細書で、バネとおもりの共
振を利用して圧電素子による変位を拡大する装置が開示
されており、更に、てこの原理や断面積と圧力の関係を
用いたりしたものが知られている。しかし、これらにお
いても、アクチュエータとして位置決め装置やポンプの
駆動装置等に使用するには、コストが高く、装置が大型
化し、更に、発生できる力が圧電素子の変位を拡大する
拡大率が大きくなるにつれて小さくなるという問題があ
った。

【０００４】また、上記超磁歪素子は、発生する変位量
が上記圧電素子よりも大きいが、磁歪効果の大きいテル
フェノールＤ等の超磁歪材料が、高価な稀土類元素を主
成分としているため、材料コストが高くなるという問題
があった。特に、超磁歪素子を使用するほどの変位量は
必要なく、上記圧電素子を使用した場合では変位量が少
ないといった場合においても、高価な超磁歪材料を使用
するしかなく、材料コストの高いものとなっていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び効果】本発明は、上記
のような問題を解決するためになされたものであり、圧
電効果を有する第１の層と、導電性を有すると共に磁歪
効果を有する第２の層とからなり、少なくとも１つの第
１の層を第２の層で挟むように該第１の層と第２の層を
交互に積層して形成された素子部と、該素子部の第２の
層に電圧を印加して、上記第１の層に所望の電界を加え
る電圧制御部と、上記素子部の積層方向と平行な磁界を
形成する電磁コイルと、該電磁コイルに流す電流を制御
する電流制御部とからなり、上記第１の層に電界を加え
ると共に上記第２の層に磁界を加えて、上記素子部を変
位させることを特徴とするアクチュエータを提供するも
のであり、上記各第１の層が圧電効果によって伸縮し、
上記各第２の層が磁歪効果によってそれぞれ伸縮するた
め、上記各層の伸縮作用を加算するようにして素子部の
変位を大きくすることができる。

【０００６】このため、上記第１の層に低コストである
圧電材料を使用し、上記第２の層に導電性を有した磁歪
材料を使用することにより、簡単な構成で、該磁歪材料
を使用した磁歪素子より低コストで、圧電素子よりも伸
縮量の大きいアクチュエータを得ることができる。例え
ば、上記圧電素子よりも大きく上記磁歪素子よりも小さ
い伸び量が必要な場合においてコストの低下を図ること
ができる。

【０００７】本願の特許請求の範囲の請求項２に記載の
発明において、上記請求項１の各第２の層は、電圧を印
加するための電極をそれぞれ設けて上記第１の層の内部
電極をなし、上記電圧制御部は、該各第２の層の電極に
対して１つおきに正の電圧を印加し、その他の第２の層
の電極に負の電圧を印加して上記第１の層に電界を加え
ることを特徴とし、従来の積層型圧電素子では必須であ
るが伸縮に寄与しなかった内部電極に導電性の磁歪材料
を使用することにより、上記素子部のすべての層におい
て効率的に伸縮作用を得ることができる。

【０００８】本願の特許請求の範囲の請求項３に記載の
発明は、圧電効果を有する第１の層と、導電性を有する
と共に磁歪効果を有する第２の層とからなり、少なくと
も１つの第１の層を第２の層で挟むように該第１の層と
第２の層を交互に積層し、該第１の層に電界を加えると
共に該第２の層に上記積層方向に磁界を加え、上記第１
及び第２の層を変位させることを特徴とするアクチュエ
ータを提供するものであり、上記各第１の層が圧電効果
によって伸縮し、上記各第２の層が磁歪効果によってそ
れぞれ伸縮するため、上記各層の伸縮作用を加算するよ
うにして変位を大きくすることができる。

【０００９】このため、上記第１の層に低コストである
圧電材料を使用し、上記第２の層に導電性を有した磁歪
材料を使用することにより、簡単な構成で、該磁歪材料
を使用した磁歪素子より低コストで、圧電素子よりも伸
縮量の大きいアクチュエータを得ることができる。例え
ば、上記圧電素子よりも大きく上記磁歪素子よりも小さ
い伸び量が必要な場合においてコストの低下を図ること
ができる。

【００１０】本願の特許請求の範囲の請求項４に記載の
発明において、上記請求項３の各第２の層は、電圧を印
加するための電極をそれぞれ設けて上記第１の層の内部
電極をなし、該各第２の層の電極に対して１つおきに正
の電圧を印加し、その他の第２の層の電極に負の電圧を
印加して上記第１の層に電界を加えることを特徴とし、
従来の積層型圧電素子では必須であるが伸縮に寄与しな
かった内部電極に導電性の磁歪材料を使用することによ
り、上記素子部のすべての層において効率的に伸縮作用
を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、図面に示す実施の形態に基
づいて、本発明を詳細に説明する。図１は、本発明のア
クチュエータに使用する積層素子の構造例を示した概略
図である。図１において、圧電効果を有する圧電材料か
らなる第１の層１と、導電性と磁歪効果を併せ持つ磁歪
材料からなる第２の層２が交互に繰り返して積層されて
いる。すなわち、積層素子５は、少なくとも１つの第１
の層１を第２の層２で挟むように交互に積層した構造を
なしており、該第２の層２は、それぞれ上記第１の層１
の内部電極を兼ねるものである。

【００１２】上記積層素子５は、例えばテープキャステ
ィング法によって、圧電材料の原料粉末とバインダから
なる上記各第１の層１のグリーンシートを作製し、電極
となる上記各第２の層２においても、磁歪効果を有する
材料の粉末からなるグリーンシートを作製し、該各グリ
ーンシートを乾燥させた後キャリヤフィルムを剥離して
所定の寸法の四角形の板状になるように切断した後、上
記のような順に積み重ねて一体焼成して作製する。な
お、該作製方法は公知でありここではその詳細な説明を
省略する。

【００１３】図２は、上記図１で示した積層素子に電極
を形成して本発明のアクチュエータに使用する素子部の
構造例を示した概略図である。図２において、素子部１
０は、上記積層素子５と、絶縁材１１と、正の電圧が印
加される正電極１２と、負の電圧が印加される負電極１
３とからなる。上記第２の層２は、交互に、正の電圧が
印加される層である正の第２の層２ａと負の電圧が印加
される層である負の第２の層２ｂとして使用され、すな
わち、正の第２の層２ａと負の第２の層２ｂとの間に上
記第１の層１が挟まれるように積層されている。上記積
層素子５の相対する積層面において、正電極１２を形成
する積層面に露出した上記各負の第２の層２ｂには、例
えば電気泳動法によりガラス粉末をそれぞれ付着させ、
熱処理を行うことにより上記絶縁材１１であるガラス絶
縁体をそれぞれ形成する。

【００１４】同様にして、正電極１２を形成する上記積
層面に相対し、上記負電極１３を形成する積層面に露出
した上記各正の第２の層２ａには電気泳動法によりガラ
ス粉末をそれぞれ付着させ、熱処理を行うことにより上
記絶縁材１１であるガラス絶縁体をそれぞれ形成する。
更に、ガラス絶縁体１１を形成した上記各積層面には、
それぞれ導電性の金属ペーストを印刷法等で塗布して外
部電極である上記正電極１２及び負電極１３を形成す
る。なお、上記電気泳動法は公知でありここではその詳
細な説明を省略する。

【００１５】図３は、上記素子部１０を使用したアクチ
ュエータの概略構成図である。図３において、アクチュ
エータ２０は、上記素子部１０と、電圧制御回路２１
と、コイル２２と電流制御回路２３とからなり、素子部
１０の上記正電極１２には正の電圧が、上記負電極１３
には負の電圧が印加されるように電圧制御回路２１に接
続されており、更に、積層素子５の積層方向に磁界を発
生させるために、上記素子部１０の積層面の外周に該素
子部１０を囲むようにコイル２２が設置され、該コイル
２２は、コイル２２に流れる電流を制御する電流制御回
路２３に接続されている。

【００１６】上記のような構成において、導電性を有す
る上記各正の第２の層２ａに正の電圧を、導電性を有す
る上記各負の第２の層２ｂに負の電圧をそれぞれ印加す
ることにより、上記各第１の層１に電界が加わる。その
結果、圧電効果を有する第１の層１は上記正の第２の層
２ａ及び負の第２の層２ｂを介して印加された電圧値に
応じて積層素子５の積層方向に伸縮する。また、上記コ
イル２２に通電して素子部１０の積層方向に磁界を加え
ることにより、磁歪効果を併せ持つ上記各正の第２の層
２ａ及び各負の第２の層２ｂがそれぞれ加えられた磁界
の強さに応じて積層方向に伸縮する。これらのことか
ら、素子部１０は、正電極１２に正の電圧が、負電極１
３に負の電圧が印加されると共に、コイル２２に通電す
ることにより積層素子５のすべての層が伸びる。

【００１７】このように、本実施の形態のアクチュエー
タ２０においては、従来の積層型圧電素子では必須であ
るが伸縮に寄与しなかった内部電極に磁歪材料を使用す
ることにより、積層素子５のすべての層が効率的に伸縮
作用するアクチュエータを得ることができる。また、本
実施の形態のアクチュエータ２０において、積層素子５
の各第１の層１が圧電効果によって伸縮し、各第２の層
２が磁歪効果によってそれぞれ伸縮するため、素子部１
０としては、上記各層の伸縮作用が加算されるようにす
ることができる。

【００１８】一般的に、積層型の圧電素子は数百ｐｐｍ
の伸び量を示し、テルフェノール等の磁歪材料は２００
０ｐｐｍ以上の伸び量を示す。しかし、テルフェノール
等の磁歪材料は伸縮量が大きいものの、テルビウムやデ
ィスプロシウムなどの稀土類元素を主成分とするため、
非常に高価なものとなる。本発明のアクチュエータは、
上記磁歪材料を使用した磁歪素子より低コストで、上記
圧電素子よりも伸縮量の大きいアクチュエータを、例え
ば１４００ｐｐｍの伸び量が必要な場合など様々な目的
に応じて得ることができるものである。

【００１９】図４は、図３で示したアクチュエータを使
用したプランジャポンプの例を示した概略の構造図であ
る。図４において、素子部１０の変位方向の端部に配置
されたプランジャ５１は、作動室５２内に設けられた固
定バネ５３により予圧が与えられている。該作動室５２
は、素子部１０を伸張させて上記プランジャ５１が作動
することにより、作動室５２から流出する方向の逆止弁
を構成する排出弁５４から液体が排出され、素子部１０
を縮ませて上記固定バネ５３の予圧で上記プランジャ５
１が作動することにより、作動室５２に流入する方向の
逆止弁を構成する吸入弁５５から液体が流入される。こ
のように、本発明のアクチュエータは、プランジャポン
プのような直線的に伸縮動作をさせるポンプの駆動源な
どに応用することができる。

【００２０】なお、図４において、上記排出弁５４は、
排出バネ５４ａと排出ボール５４ｂとからなり、該排出
ボール５４ｂが弁をなし、該排出バネ５４ａは排出ボー
ル５４ｂに予圧を与えるものである。同様に、上記吸入
弁５５は、吸入バネ５５ａと吸入ボール５５ｂとかな
り、該吸入ボール５５ｂが弁をなし、該吸入バネ５５ａ
は吸入ボール５５ｂに予圧を与えるものである。更に、
５６はＯリングであり、５７はプランジャポンプ５０の
ボディである。

【００２１】また、上記実施の形態において、磁歪効果
を有する材料からなる金属ペーストを印刷法等で上記第
１の層１のグリーンシートに塗布して、上記第２の層２
を作製してもよい。このように様々な変形例が考えら
れ、本発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、特許請求の範囲によって定められるべきものである
ことは言うまでもない。

【００２２】

【実施例】次に、本発明のアクチュエータの実施例につ
いて説明する。上記第１の層１にＰＺＴ系材料を、上記
第２の層２にＴｂＤｙＦｅ系材料を使用し、大略同じ厚
みの該各層のグリーンシートを２百数十層ずつ交互に積
層して一体焼成して積層素子５を作製する。焼成して作
製された該積層素子５は、断面が１０ｍｍ×１０ｍｍで
あり、伸縮方向に５０ｍｍである形状とした。また、コ
イル２２は、積層素子５の伸縮方向に平行な磁界が発生
するように上記素子部１０と同心に形成し、以下の条件
でアクチュエータ２０を作動させた。素子部１０への予加重：１００(ｋｇｆ)（積層素子
５の伸縮方向）第２の層２に印加する磁界：２０００(Ｏｅ) 第１の層１に印加する電圧：１５０(Ｖ)

【００２３】上記の結果、アクチュエータ２０の素子部
１０は印加した電界又は磁界にほぼ比例して伸縮し、電
界及び磁界を同時に印加した場合に最大で７０μｍ、す
なわち１４００ｐｐｍの伸びを示した。このように、比
較的安価に、従来の圧電素子が示した変位量を上回る素
子を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクチュエータに使用する積層素子
５の構造例を示した概略図である。

【図２】本発明のアクチュエータに使用する素子部１
０の構造例を示した概略図である。

【図３】本発明のアクチュエータにおける実施の形態
を示した概略構成図である。

【図４】図３で示したアクチュエータを使用したプラ
ンジャポンプの概略図である。

【符号の説明】

１第１の層２第２の層２ａ正の第２の層２ｂ負の第２の層５積層素子１０素子部１１絶縁材１２正電極１３負電極２０アクチュエータ２１電圧制御回路２２コイル２３電流制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電効果を有する第１の層と、導電性を
有すると共に磁歪効果を有する第２の層とからなり、少
なくとも１つの第１の層を第２の層で挟むように該第１
の層と第２の層を交互に積層して形成された素子部と、該素子部の第２の層に電圧を印加して、上記第１の層に
所望の電界を加える電圧制御部と、上記素子部の積層方向と平行な磁界を形成する電磁コイ
ルと、該電磁コイルに流す電流を制御する電流制御部とからな
り、上記第１の層に電界を加えると共に上記第２の層に磁界
を加えて、上記素子部を変位させることを特徴とするア
クチュエータ。
【請求項２】請求項１に記載のアクチュエータにし
て、上記各第２の層は、電圧を印加するための電極をそ
れぞれ設けて上記第１の層の内部電極をなし、上記電圧
制御部は、該各第２の層の電極に対して１つおきに正の
電圧を印加し、その他の第２の層の電極に負の電圧を印
加して上記第１の層に電界を加えることを特徴とするア
クチュエータ。
【請求項３】圧電効果を有する第１の層と、導電性を
有すると共に磁歪効果を有する第２の層とからなり、少
なくとも１つの第１の層を第２の層で挟むように該第１
の層と第２の層を交互に積層し、該第１の層に電界を加えると共に該第２の層に上記積層
方向に磁界を加え、上記第１及び第２の層を変位させることを特徴とするア
クチュエータ。
【請求項４】請求項３に記載のアクチュエータにし
て、上記各第２の層は、電圧を印加するための電極をそ
れぞれ設けて上記第１の層の内部電極をなし、該各第２
の層の電極に対して１つおきに正の電圧を印加し、その
他の第２の層の電極に負の電圧を印加して上記第１の層
に電界を加えることを特徴とするアクチュエータ。