JPH07193295A - Method for manufacturing piezoelectric actuator - Google Patents

Method for manufacturing piezoelectric actuator

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JPH07193295A
JPH07193295A JP33080093A JP33080093A JPH07193295A JP H07193295 A JPH07193295 A JP H07193295A JP 33080093 A JP33080093 A JP 33080093A JP 33080093 A JP33080093 A JP 33080093A JP H07193295 A JPH07193295 A JP H07193295A
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JP
Japan
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piezoelectric element
preload
preload spring
spring
heated
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JP33080093A
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Satoru Moto
悟 本
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電素子を加圧する等の手段を用いることな
く容易に圧電素子に予圧を付与することができる圧電ア
クチュエータの製造方法を提供すること。 【構成】 図1(a)に示すように、圧電素子1と所定
値以上のバネ定数と正の線膨張係数を持つ予圧バネ3を
例えば200°C程度に加熱された恒温炉に入れて加熱
する。ついで、同図(b)に示すように、圧電素子1の
変位方向の両端に取り付けられたスペーサ2に予圧バネ
をレーザ・スポット等の手段により接合し、同図(c)
に示すように、常温まで冷却する。予圧バネ3は加熱す
ることにより長さが膨張するので、予圧バネ3を所定以
上の温度に加熱して圧電素子に接合したのち冷却する
と、加熱により膨張した予圧バネ3が収縮し、圧電素子
1に予圧を付与することができる。
(57) [Abstract] [PROBLEMS] To provide a method for manufacturing a piezoelectric actuator capable of easily applying a preload to a piezoelectric element without using a means such as pressurizing the piezoelectric element. [Structure] As shown in FIG. 1A, a piezoelectric element 1 and a preload spring 3 having a spring constant of a predetermined value or more and a positive linear expansion coefficient are placed in a constant temperature oven heated to, for example, about 200 ° C. to be heated. To do. Then, as shown in FIG. 2B, a preload spring is joined to the spacers 2 attached to both ends of the piezoelectric element 1 in the displacement direction by means of a laser spot or the like.
As shown in, cool to room temperature. Since the length of the preload spring 3 is expanded by heating, the preload spring 3 is heated to a temperature higher than a predetermined temperature, joined to the piezoelectric element, and then cooled. A preload can be applied to.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】プリンタ・ヘッド等の駆動源とし
て、高速動作を行うことができる圧電アクチュエータが
用いられている。上記した圧電アクチュエータは通常そ
の動作力の2〜3割にあたる予圧が必要とされる。本発
明は上記した圧電アクチュエータの製造方法に関し、特
に本発明は、簡単な工程で圧電アクチュエータに予圧を
付与することができる圧電アクチュエータの製造方法に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION Piezoelectric actuators capable of high-speed operation are used as drive sources for printer heads and the like. The above-mentioned piezoelectric actuator usually requires a preload corresponding to 20 to 30% of its operating force. The present invention relates to the above-described method for manufacturing a piezoelectric actuator, and more particularly, the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric actuator capable of applying a preload to the piezoelectric actuator in a simple process.

【0002】[0002]

【従来の技術】図4は圧電アクチュエータに予圧を付与
する従来の工程を示す図であり、同図において、1は積
層体から形成された圧電素子、2はスペーサ、3は圧電
素子に予圧を付与するための、例えばSK−5等の鉄系
の合金で形成された予圧バネである。
2. Description of the Related Art FIG. 4 is a diagram showing a conventional process of applying a preload to a piezoelectric actuator. In FIG. 4, 1 is a piezoelectric element formed of a laminated body, 2 is a spacer, and 3 is a preload to the piezoelectric element. For example, the preload spring is made of an iron-based alloy such as SK-5.

【0003】図4により圧電素子に予圧を付与する従来
の工程について説明する。まず、同図(a)に示すよう
に、圧電素子1の両端にスペーサ2を取り付ける。つい
で、同図(b)に示すように、圧電素子1を両側から加
圧力Pで加圧しながら、圧電素子1の両側からレーザ・
スポットなどの接合手段により予圧バネを取り付ける。
これにより、同図(c)に示すように、予圧バネ3によ
り予圧が付与された圧電アクチュエータが形成される。
A conventional process for applying a preload to the piezoelectric element will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 3A, the spacers 2 are attached to both ends of the piezoelectric element 1. Then, as shown in FIG. 3B, the laser is applied from both sides of the piezoelectric element 1 while pressing the piezoelectric element 1 with the pressure P from both sides.
Attach the preload spring by connecting means such as a spot.
As a result, a piezoelectric actuator to which a preload is applied by the preload spring 3 is formed as shown in FIG.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の方法は、圧電素子を加圧力Pで加圧しながら、その
両側からレーザ・スポットを打つといったかなり複雑な
工程であり、また、圧電素子に加圧力を加える手段を必
要とするなど、簡単に圧電アクチュエータを製造するこ
とができなかった。
By the way, the above-mentioned conventional method is a fairly complicated process of hitting the laser spots from both sides of the piezoelectric element while pressurizing the piezoelectric element with the pressure P. It was not possible to easily manufacture a piezoelectric actuator because it requires a means for applying a pressing force.

【0005】本発明は上記した従来技術の問題点を考慮
してなされたものであって、従来技術のように圧電素子
を加圧する等の手段を用いることなく容易に圧電素子に
予圧を付与することができる圧電アクチュエータの製造
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems of the prior art, and it is possible to easily apply a preload to the piezoelectric element without using means such as pressurizing the piezoelectric element unlike the prior art. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a piezoelectric actuator that can perform the above-mentioned manufacturing.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】図1は本発明において圧
電素子に予圧を付与する工程を示す図であり、同図にお
いて、1は積層体から形成された圧電素子、2はスペー
サ、3は所定値以上のバネ定数と正の線膨張係数を持つ
予圧バネ、また、同図の点線で囲まれた部分は例えば2
00°Cに加熱された恒温炉である。
FIG. 1 is a diagram showing a step of applying a preload to a piezoelectric element in the present invention. In the figure, 1 is a piezoelectric element formed of a laminate, 2 is a spacer, and 3 is a spacer. A preload spring having a spring constant greater than a predetermined value and a positive linear expansion coefficient, and a portion surrounded by a dotted line in FIG.
A constant temperature oven heated to 00 ° C.

【0007】上記課題を解決するため、本発明の請求項
1の発明は、図1に示すように、圧電素子1の変位方向
の両端にスペーサ2を取り付け、所定値以上のバネ定数
と正の線膨張係数を持つ予圧バネ3を所定温度以上に加
熱する。そして、圧電素子1の両端に取り付けられたス
ペーサ部分に、圧電素子1の変位方向と平行に所定温度
以上に加熱された予圧バネ3を接合し、予圧バネ3を常
温まで冷却し、圧電素子1に所定の予圧力を付与するよ
うにしたものである。
In order to solve the above-mentioned problems, according to the invention of claim 1 of the present invention, as shown in FIG. 1, spacers 2 are attached to both ends of the piezoelectric element 1 in the displacement direction, and a spring constant and a positive value equal to or more than a predetermined value are set. The preload spring 3 having a linear expansion coefficient is heated to a predetermined temperature or higher. Then, the preload spring 3 heated to a predetermined temperature or more is joined in parallel to the displacement direction of the piezoelectric element 1 to the spacer portions attached to both ends of the piezoelectric element 1, and the preload spring 3 is cooled to room temperature. A predetermined preload is applied to the.

【0008】本発明の請求項2の発明は、請求項1の発
明において、圧電素子1と予圧バネ3を共に加熱し、ス
ペーサ部分に予圧バネ3を接合するようにしたものであ
る。
According to a second aspect of the present invention, in addition to the first aspect of the invention, the piezoelectric element 1 and the preload spring 3 are both heated, and the preload spring 3 is joined to the spacer portion.

【0009】[0009]

【作用】図1において、同図(a)に示すように、圧電
素子1と所定値以上のバネ定数と正の線膨張係数を持つ
予圧バネ3を例えば200°C程度に加熱された恒温炉
に入れて加熱する。ついで、同図(b)に示すように、
圧電素子1の変位方向の両端に取り付けられたスペーサ
2に予圧バネをレーザ・スポット等の手段により接合
し、同図(c)に示すように、常温まで冷却する。予圧
バネ3は加熱することにより長さが膨張するので、予圧
バネ3を所定以上の温度に加熱して圧電素子に接合した
のち冷却すると、加熱により膨張した予圧バネ3が収縮
し、圧電素子1に予圧を付与することができる。
In FIG. 1, as shown in FIG. 1A, a piezoelectric element 1 and a preload spring 3 having a spring constant of a predetermined value or more and a positive linear expansion coefficient are heated to, for example, about 200 ° C. Put in and heat. Then, as shown in FIG.
Preload springs are joined to the spacers 2 attached to both ends of the piezoelectric element 1 in the displacement direction by means such as a laser spot and cooled to room temperature as shown in FIG. Since the length of the preload spring 3 is expanded by heating, the preload spring 3 is heated to a temperature higher than a predetermined temperature, joined to the piezoelectric element, and then cooled. A preload can be applied to.

【0010】また、圧電素子は、通常、負の線膨張係数
を持つので、圧電素子1と予圧バネを共に加熱すると、
圧電素子1は収縮し、予圧バネ3は膨張する。このた
め、圧電素子1と予圧バネを恒温炉等の中に入れて共に
加熱することにより、比較的低い温度でも圧電素子1に
所望の予圧力を付与することが可能となる。本発明の請
求項1の発明においては、上記のように、所定値以上の
バネ定数と正の線膨張係数を持つ予圧バネ3を所定温度
以上に加熱し、圧電素子1の両端に取り付けられたスペ
ーサ部分に接合し、予圧バネ3を常温まで冷却するよう
にしたので、圧電素子を加圧する手段等を必要とせず、
簡単に圧電素子に予圧力を付与することができる。
Further, since the piezoelectric element usually has a negative linear expansion coefficient, if both the piezoelectric element 1 and the preload spring are heated,
The piezoelectric element 1 contracts and the preload spring 3 expands. Therefore, by placing the piezoelectric element 1 and the preload spring in a constant temperature oven or the like and heating them together, it becomes possible to apply a desired preload to the piezoelectric element 1 even at a relatively low temperature. In the invention of claim 1 of the present invention, as described above, the preload spring 3 having a spring constant of a predetermined value or more and a positive linear expansion coefficient is heated to a predetermined temperature or more and attached to both ends of the piezoelectric element 1. Since it is joined to the spacer portion and the preload spring 3 is cooled to room temperature, there is no need to pressurize the piezoelectric element.
A preload can be easily applied to the piezoelectric element.

【0011】本発明の請求項2の発明は、請求項1の発
明において、圧電素子1と予圧バネ3を共に加熱するよ
うにしたので、上記のように、比較的低い温度で圧電素
子1に所望の予圧力を付与することができる。
According to the invention of claim 2 of the present invention, in the invention of claim 1, both the piezoelectric element 1 and the preload spring 3 are heated. Therefore, as described above, the piezoelectric element 1 is heated at a relatively low temperature. A desired preload can be applied.

【0012】[0012]

【実施例】図2、図3は本発明の実施例を示す図であ
る。本実施例においては、図3(a)(b)に示すよう
に、厚さ2mm、幅3mm、長さ20mmの積層体から
形成された圧電素子(トーキン製、商品名:NLA−2
×3×20)を用い、また、予圧バネとしては、厚さ
0.3mm、幅0.4mm、長さ20mmのSK−5焼
入鋼帯を用いた。
2 and 3 are views showing an embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIGS. 3A and 3B, a piezoelectric element (manufactured by Tokin Co., Ltd., trade name: NLA-2, which is formed of a laminated body having a thickness of 2 mm, a width of 3 mm, and a length of 20 mm.
× 3 × 20) was used, and as the preload spring, a SK-5 hardened steel strip having a thickness of 0.3 mm, a width of 0.4 mm and a length of 20 mm was used.

【0013】圧電素子および予圧バネのヤング率、線膨
張係数、バネ定数は図3(b)に示す通りであった。上
記圧電素子1の両端に図2の工程S1に示すように、常
温(25°C)でスペーサ2を取り付け、工程S2に示
すように、圧電素子1とSK−5焼入鋼帯から形成され
た予圧バネ3を225°Cの恒温炉に入れ加熱した。
The Young's modulus, linear expansion coefficient, and spring constant of the piezoelectric element and the preload spring are as shown in FIG. 3 (b). As shown in step S1 of FIG. 2, spacers 2 are attached to both ends of the piezoelectric element 1 at room temperature (25 ° C.), and the piezoelectric element 1 and the SK-5 hardened steel strip are formed as shown in step S2. The preload spring 3 was placed in a constant temperature oven at 225 ° C and heated.

【0014】予圧バネ2と圧電素子1の線膨張係数は図
3(b)に示すようにそれぞれ10×10-6〔1/°
C〕、−5×10-6〔1/°C〕であるので、常温時を
0mmとすると、225°Cにおいては図3(c)に示
すように予圧バネ2は0.04mm長くなり、また、圧
電素子1は0.02mm短くなった。この状態で、図2
の工程S3に示すように、圧電素子1のスペーサ2に圧
電素子の両側からレーザ・スポットにより予圧バネ3を
溶接した。
The linear expansion coefficients of the preload spring 2 and the piezoelectric element 1 are 10 × 10 −6 [1 / °] as shown in FIG.
C], −5 × 10 −6 [1 / ° C], so when the temperature at room temperature is 0 mm, the preload spring 2 becomes 0.04 mm longer at 225 ° C as shown in FIG. The piezoelectric element 1 was shortened by 0.02 mm. In this state,
As shown in step S3 of 1., the preload spring 3 was welded to the spacer 2 of the piezoelectric element 1 from both sides of the piezoelectric element by laser spots.

【0015】ついで、予圧バネ3が溶接された圧電素子
1を図2の工程S4に示すように恒温炉から取り出し、
常温(25°C)中で放置し、常温まで冷却した。その
結果、図3(c)に示すように、予圧バネ3は溶接前の
常温時の長さより0.05466mm伸び、圧電素子1
には−0.00534mmの変位が残った。これは、圧
電素子1のバネ定数1290kgf/mmを考慮すると、圧電
素子1に6.8kgf の圧力が加わっていることに相当す
る。
Then, the piezoelectric element 1 to which the preload spring 3 is welded is taken out from the constant temperature oven as shown in step S4 of FIG.
It was left at room temperature (25 ° C) and cooled to room temperature. As a result, as shown in FIG. 3C, the preload spring 3 extends 0.05466 mm from the length at room temperature before welding, and the piezoelectric element 1
Displacement of -0.00534 mm remained. This corresponds to the fact that a pressure of 6.8 kgf is applied to the piezoelectric element 1 in consideration of the spring constant of 1290 kgf / mm of the piezoelectric element 1.

【0016】本実施例で使用した圧電素子の発生力は、
20kgf 程度であるので、予圧力は下式に示すように約
34%となり、圧電素子の発生力に対して約2〜3割の
予圧を必要とするという条件を充分満足する結果が得ら
れた。 6.8/20×100=34% 上記実施例においては、予圧バネ材としてSK−5焼入
鋼帯を用いた例を示したが、予圧バネ材としては、SK
−5焼入鋼帯に限られるものではなく、次の条件を満足
する材料を用いることができる。 (1)線膨張係数が正であること。 (2)高い弾性を持つバネ材であること。 (3)200°C程度の高温に耐えること(熱処理など
もこの温度以上でおこなわれていること)。
The force generated by the piezoelectric element used in this embodiment is
Since it is about 20 kgf, the preload is about 34% as shown in the following formula, and the result that sufficiently satisfies the condition that the preload of about 20 to 30% of the generated force of the piezoelectric element is required was obtained. . 6.8 / 20 × 100 = 34% In the above embodiment, an example using the SK-5 quenched steel strip as the preload spring material is shown. However, as the preload spring material, SK
-5 The material is not limited to the quenched steel strip, and materials satisfying the following conditions can be used. (1) The coefficient of linear expansion is positive. (2) A spring material having high elasticity. (3) Withstanding a high temperature of about 200 ° C. (heat treatment and the like are also performed at this temperature or higher).

【0017】上記条件を満足する材料としては、例え
ば、マルエージング鋼(商品名:MAS1,YAG)、
工具鋼(SK−1,SK−2,…,SK−5,商品名:
PK)、炭素鋼を用いることができ、また、その他JI
Sに含まれる鉄系の材料であれば大抵の材料を用いるこ
とが可能である。なお、上記実施例では、圧電素子と予
圧バネを共に恒温炉に入れて加熱する例を示したが、本
発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、
予圧バネのみを加熱して圧電素子のスペーサに溶接して
もよい。
Materials satisfying the above conditions include, for example, maraging steel (trade name: MAS1, YAG),
Tool steel (SK-1, SK-2, ..., SK-5, product name:
PK), carbon steel can be used, and other JI
Most of the iron-based materials contained in S can be used. In the above embodiment, an example in which both the piezoelectric element and the preload spring are placed in a constant temperature oven for heating is shown, but the present invention is not limited to the above embodiment, and for example,
Only the preload spring may be heated and welded to the spacer of the piezoelectric element.

【0018】また、上記実施例においては、恒温炉内で
予圧バネを圧電素子のスペーサ部分にスポット溶接して
いるが、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、予圧バネを加熱した後、恒温炉から取り出し、予圧
バネが冷却する前に圧電素子に溶接してもよい。さら
に、加熱手段は恒温炉に限定されるものではなく、その
他周知な加熱手段を用いることができる。
Further, in the above embodiment, the preload spring is spot welded to the spacer portion of the piezoelectric element in the constant temperature oven, but the present invention is not limited to the above embodiment, and the preload spring is heated. Then, it may be taken out from the constant temperature furnace and welded to the piezoelectric element before the preload spring cools. Further, the heating means is not limited to the constant temperature furnace, and other well-known heating means can be used.

【0019】[0019]

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、所定値以上のバネ定数と正の線膨張係数を持つ予圧
バネを所定温度以上に加熱し、圧電素子の両端に取り付
けられたスペーサ部分に溶接し、予圧バネを常温まで冷
却するようにしたので、圧電素子を加圧する手段等を必
要とせず、簡単に圧電素子に予圧力を付与することがで
きる。
As described above, in the present invention, the preload spring having a spring constant of a predetermined value or more and a positive linear expansion coefficient is heated to a predetermined temperature or more, and the spacer portions attached to both ends of the piezoelectric element. Since the preload spring is cooled to room temperature by welding, it is possible to easily apply a preload to the piezoelectric element without requiring a means for pressing the piezoelectric element.

【0020】また、圧電素子と予圧バネを共に恒温炉等
で加熱することにより、比較的低い温度で圧電素子に所
望の予圧力を付与することができる。
By heating both the piezoelectric element and the preload spring in a constant temperature oven or the like, a desired preload can be applied to the piezoelectric element at a relatively low temperature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明において圧電素子に予圧を付与する工程
を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a step of applying a preload to a piezoelectric element in the present invention.

【図2】本発明の実施例の工程を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a process of an example of the present invention.

【図3】本発明の実施例で用いた圧電素子と予圧バネの
寸法、特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing dimensions and characteristics of a piezoelectric element and a preload spring used in an example of the present invention.

【図4】圧電素子に予圧を付与するための従来の工程を
示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a conventional process for applying a preload to a piezoelectric element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 圧電素子 2 スペーサ 3 予圧バネ 1 Piezoelectric element 2 Spacer 3 Preload spring

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 圧電素子(1) の変位方向の両端にスペー
サ(2) を取り付け、 所定値以上のバネ定数と正の線膨張係数を持つ予圧バネ
(3) を所定温度以上に加熱し、 圧電素子(1) の両端に取り付けられたスペーサ部分に、
圧電素子(1) の変位方向と平行に所定温度以上に加熱さ
れた予圧バネ(3) を接合し、 予圧バネ(3) を常温まで冷却することにより、圧電素子
(1) に所定の予圧力を付与することを特徴とする圧電ア
クチュエータの製造方法。
1. A preload spring having a spring constant of a predetermined value or more and a positive linear expansion coefficient, with spacers (2) attached to both ends of the piezoelectric element (1) in the displacement direction.
(3) is heated above a specified temperature, and the spacers attached to both ends of the piezoelectric element (1)
By joining the preload spring (3) heated above the specified temperature in parallel with the displacement direction of the piezoelectric element (1) and cooling the preload spring (3) to room temperature, the piezoelectric element
A method for manufacturing a piezoelectric actuator, which comprises applying a predetermined preload to (1).
【請求項2】 圧電素子(1) と予圧バネ(3) を共に加熱
し、スペーサ部分に予圧バネ(3) を接合することを特徴
とする請求項1の圧電アクチュエータの製造方法。
2. The method of manufacturing a piezoelectric actuator according to claim 1, wherein the piezoelectric element (1) and the preload spring (3) are heated together, and the preload spring (3) is joined to the spacer portion.
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