JPH0846260A - 圧電アクチュエータおよびその組み立て方法 - Google Patents

圧電アクチュエータおよびその組み立て方法

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JPH0846260A
JPH0846260A JP6182497A JP18249794A JPH0846260A JP H0846260 A JPH0846260 A JP H0846260A JP 6182497 A JP6182497 A JP 6182497A JP 18249794 A JP18249794 A JP 18249794A JP H0846260 A JPH0846260 A JP H0846260A
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JP
Japan
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piezoelectric element
case
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piezoelectric
fixed
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JP6182497A
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English (en)
Inventor
Asao Uenodai
浅雄 上野台
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】ねじれ応力を圧電素子に掛けることなく、圧電
素子に予圧を与えることができ、引っ張り応力による圧
電素子の破損の確率を減少できる圧電アクチュエータお
よびその組み立て方法を得ることにある。 【構成】台座3とケース4からなる容器内部に収納さ
れ、台座3に固定され、電界を印加すると、その内部に
歪みが発生し、それ自体が伸縮する圧電素子2と、容器
内部で圧電素子2の反固定側に設けられ、圧電素子2の
伸縮にともなって移動するピストン6と、ケース4の開
口端側であってケース4の内側に一端部が挿入され、進
退自在でかつ所定位置に固定可能な蓋5と、ケース4内
部であって蓋5とピストン6との間に設けられ、圧電素
子2に対して蓋5の位置調整によりねじれ応力を与えな
い状態で予圧を与える皿バネ7を具備した圧電アクチュ
エータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、顕微鏡や測定器等にお
いて、高精度位置決めを行う際に必要となる予圧を与え
ることが可能な圧電アクチュエータおよび圧電アクチュ
エータに対してねじれ応力を与えずに予圧を調整する組
み立て方法に関する。
【0002】
【従来の技術】圧電アクチュエータは、圧電素子に電界
を印加すると、その内部に歪みが発生し、それ自体が伸
縮し、低電圧で大変位量が得られるという特性を有して
いるほか、ミクロン、サブミクロンオーダで微小変位が
得られ、応答性に優れ、発生応力も大きいという特性が
ある。このようなことから、従来高精度位置決め装置と
して圧電アクチュエータが使用されている。
【0003】最近では、金属ケースに封入された圧電ア
クチュエータが市販されていて、電子顕微鏡の微動アク
チュエータやレーザスキャニングマイクロスコープ(L
SM)の焦準部のアクチュエータに使用されている。
【0004】図6は従来の顕微鏡に用いられている変位
拡大装置の1例を示す図であり、圧電アクチュエータ1
が固定面に垂直に固定され、アクチュエータ1の上部に
水平にてこ14の一端部が固定され、てこ14の他端上
部に垂直にステージ支持構造体23が固定され、ステー
ジ支持構造体23の上部にはステージ15が水平に固定
されている。
【0005】図7は、図6の圧電アクチュエータ1の構
成を示す断面図であり、後述するアクチュエータ本体が
金属ケース13に封入されている。アクチュエータ本体
は、圧電素子2と、圧電素子2の下端部が固定された台
座3と、圧電素子2の上端部に固定されたピストン6か
ら構成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】いま、図6のステージ
15の下向きの慣性力Fがてこ14に加わると、圧電ア
クチュエータ1は、てこ14に引っ張られるようにな
り、引っ張り応力が圧電素子に加わる。
【0007】図7のような金属ケース13に封入されて
いる圧電アクチュエータ1は、圧電素子2に予圧が掛か
っておらず、引っ張り応力が加わったときに圧電素子2
が破損しやすいという欠点がある。
【0008】さらに、予圧をかける際も、部品間の機械
誤差や摩擦により圧電素子2にねじれ応力が加わること
があり、圧電素子2が破損することがある。本発明は以
上述べた問題点を除去するためなされたもので、引っ張
り応力による破損のおそれを低減できる圧電アクチュエ
ータを提供することを目的とし、また組み立て時の圧電
素子の破損を低減することができる圧電アクチュエータ
の組み立て方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項1に対応する発明は、有底筒状のケースと、
このケース内部に収納されると共にケース底面に固定さ
れ、電界を印加するとそれ自体が伸縮する圧電素子と、
前記ケース内部で前記圧電素子の反固定側に設けられ、
前記圧電素子の伸縮に伴って移動するピストンと、前記
ケースの開口端側に、前記圧電素子の伸縮方向に進退自
在でかつ所定位置に固定可能な固定部材と、この固定部
材と前記ピストンとの間に設けられ、前記圧電素子に対
して予圧を与える弾性体と、を具備した圧電アクチュエ
ータである。
【0010】前記目的を達成するため、請求項3に対応
する発明は、有底筒状のケースと、このケース内部に収
納されると共にケース底面に固定され、電界を印加する
とそれ自体が伸縮する圧電素子と、前記ケース内部で前
記圧電素子の反固定側に設けられ、前記圧電素子の伸縮
に伴って移動するピストンと、前記ケースの開口端側
に、前記圧電素子の伸縮方向に進退自在でかつ所定位置
に固定可能な固定部材と、この固定部材と前記ピストン
との間に設けられ、前記圧電素子に対して予圧を与える
弾性体と、を具備した圧電アクチュエータであって、予
め予圧部材によって外部から前記弾性体に対して予圧を
かけた後、前記固定部材を所定の位置に位置決めし、そ
の後前記予圧部材による予圧を解除することを特徴とす
る圧電アクチュエータの組み立て方法である。
【0011】
【作用】請求項1に対応する発明によれば、圧電素子に
予め予圧が与えられているので、引っ張り応力による破
損のおそれを少なくできる。請求項3に対応する発明方
法によれば、ねじれ歪みが圧電素子に加わらないように
モニタしながら、予圧を掛けて、組み立て時の圧電素子
の破損を少なくできる。
【0012】
【実施例】以下、本発明による圧電アクチュエータの実
施例について図面を参照して説明する。図1は本発明に
よる第1実施例を示す断面図である。円筒状の金属ケー
ス4とこの下端部に固定された台座3により有底筒状の
ケースを構成している。このケース4内部に圧電素子2
を収納し、ケース底面の台座3に圧電素子2を固定す
る。この場合の圧電素子2は、電界を印加すると、その
内部に歪みが発生し、それ自体が伸縮するものである。
ケース4内部で圧電素子2の反固定側(上端部)に圧電
素子2の伸縮にともなって移動する断面凸状のピストン
6を固定する。ケース1の上端部側の内周側に、図示し
ないめねじ部を形成し、めねじ部に、中央位置にピスト
ン6の先端部を外部に導出させるための穴5aを有する
ねじ込み式の蓋5を螺合する。ケース1内部であって蓋
5とピストン6との間に弾性体例えば皿バネ7を設け、
後述する組み立て方法により圧電素子2に対して蓋5の
位置調整によりねじれ応力を与えない状態で予圧を与え
るように構成したものである。圧電素子2の外周面に
は、後述する予圧調整装置に入力するために、圧電素子
2の歪みを検出する歪みゲージ8,9が取り付けられ、
歪みゲージ8,9の出力はそれぞれソース電源VSOを
有するブリッジ回路20,21に入力されるように構成
されている。
【0013】以上述べた実施例によれば、圧電素子2に
ねじれ応力が加わらないように予圧を掛けて、予圧を保
持することにより、引っ張り応力による圧電素子2の破
損の確率を減少させることができる。
【0014】また、弾性体として皿バネ7を使用してい
るので、限られたスペースで比較的大きな予圧が得られ
る。皿バネ7は、バネ定数kが線形ではなく、バネの変
形量によってバネ定数kが決まってくる。そこで、バネ
定数kが零に近い領域を使えるように予圧をセットすれ
ば、圧電素子2の伸びによりバネが圧縮されても、バネ
定数kが零なので、圧電素子2に掛かっているバネの発
生力が一定になり、予圧の変動を抑えることができる。
【0015】ここで、図1の実施例において、バネ定数
kが零に近い領域は、ごく限られたもので、その領域が
使用できないと、わずかな圧電素子2の伸びに対しても
バネの発生力が増し、圧電素子2の発生量がその分だけ
減少する。しかしながら、ケース内でピストン6と蓋5
の間に、スペースに余裕があるときは、コイルバネを使
用することができる。コイルバネは、一般的にバネ定数
kが小さいので、予圧の変動を少なく抑えることができ
る。このことにより、圧電素子2の変位が変化しても圧
電素子2の発生力の変化が少なくなる。
【0016】次に、前述した予圧調整装置について、図
2〜図4を参照して説明する。図4のように、有底円筒
状の予圧バー12を、蓋5に形成されている穴5aに挿
入させると共に、ピストン6の凸部に挿入させ、皿バネ
7に当接させ、皿バネ7に力を加えるものである。これ
は、具体的には、図2に示すような万力のような治具2
2で行う。
【0017】この場合、好ましくは、予圧バー12が回
転してしまっても、その回転が皿バネに伝わらないよう
に、皿バネ7と接触する予圧バー12の下端部を、低摩
擦係数の材料にしておけばよい。
【0018】前述の圧電素子2の歪みを検出する歪みゲ
ージ8,9は、各々独立に構成されたブリッジ回路2
0,21の一辺に電気的に接続し、ブリッジ回路20,
21の出力側にモニタ16,17を接続し、モニタ1
6,17の出力側に演算部18を接続し、演算部18の
出力は、警告装置を備えたモニタ19に入力してある。
【0019】ブリッジ回路20,21は、それぞれ菱形
の3辺に固定抵抗が接続され、菱形の残りの1辺に歪み
ゲージ8,9を電気的に接続し、これにより圧電素子2
の歪みを検出する。
【0020】ブリッジ回路20は、歪みゲージ8により
圧電素子2のZ軸方向の歪みが検出されたとき、これに
より抵抗値が変化することから、この抵抗値変化に比例
した電位差が出力される。ブリッジ回路21は、同様で
歪みゲージ9により圧電素子2のX軸方向の歪みが検出
されたとき、これにより抵抗値が変化することから、こ
の抵抗値変化に比例した電位差が出力される。モニタ1
6,17は、ブリッジ回路20,21の出力を表示する
と共に、これを演算部18に出力する。演算部18にお
いては、次に述べる(1)式によりねじれ歪み(ねじれ
応力)εTXが演算される。
【0021】いま、歪みゲージ8で検出される歪みをε
Z 、歪みゲージ9で検出される歪みをεX 、圧電素子2
のポアソン比をν、圧縮歪みをεC 、ねじれ歪みεTX
すると、εZ とεX は次の式で表せ、 εZ =εC εX =εTX+νεC ねじれ歪みεTXは次の式で分離される。
【0022】 εX −νεZ =(εTX+νεC )−ν(εC ) =εTX …(1) εZ とεX をモニタ16,17で表示すると同時に、そ
れらの信号を演算部18に導いて(1)式を演算し、そ
の結果をモニタ19に表示すると共に警告を発生する。
ねじれ歪みεTXがゼロになるように予圧バー12を調節
して、εZ をモニタしていき、目標予圧よりわずかに大
きい予圧を掛けておく。そこで、蓋5を完全に閉め込ん
でしまう。このとき、皿バネ7の目標予圧より大きい予
圧が加わり、大きく歪んでおり、皿バネ7が蓋5に接触
しないようになっている。このため、圧電素子2にねじ
れ応力が掛からない。蓋5が完全に閉まってから予圧バ
ー12を外し、皿バネ7は力が開放されたことにより伸
張するが、皿バネ7が蓋5の底にぶつかり、伸張が阻ま
れ、目標予圧が保持できる。
【0023】図5は、本発明の圧電アクチュエータの第
2実施例を示す断面図であり、図1の実施例と異なる点
は、新たに上蓋11を追加したものである。具体的に
は、上蓋11の中央位置にピストン挿通穴11aを形成
するが、このピストン挿通穴11aは、ピストン6の凸
部の外径よりわずかに大きくしておき、Z軸に垂直な力
がピストン6に加わっても、ピストン6が上蓋11にぶ
っかり、圧電素子2にはZ軸に垂直な力が100%掛か
るのを減少させ、曲げ応力による圧電素子2の破損のお
それを減少できる。さらに、有底筒状のケースは、圧電
素子3の固定を容易にするために、台座3を着脱可能に
してもよい。
【0024】
【発明の効果】本発明によれば、ねじれ応力を圧電素子
に掛けることなく、圧電素子に予圧を与えることがで
き、引っ張り応力による圧電素子の破損の確率を減少で
きる圧電アクチュエータおよびその組み立て方法を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による圧電アクチュエータの第1実施例
を示す断面図。
【図2】本発明方法に使用する圧電アクチュエータの予
圧調整装置の概略構成を示す図。
【図3】図2の圧電アクチュエータの予圧調整装置の一
例を示す回路図。
【図4】本発明による圧電アクチュエータに予圧を与え
る前の状態を説明するための図。
【図5】本発明による圧電アクチュエータの第2実施例
を示す断面図。
【図6】従来の圧電アクチュエータが組込まれた変位拡
大装置の1例を示す図。
【図7】図6の圧電アクチュエータを示す断面図。
【符号の説明】
1…圧電アクチュエータ、2…圧電素子、3…台座、4
…ケース、5…蓋、6…ピストン、7…皿バネ、8,9
…歪みゲージ、11…上蓋、16,17,19…モニ
タ、18…演算部、20,21…ブリッジ回路。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 有底筒状のケースと、 このケース内部に収納されると共にケース底面に固定さ
    れ、電界を印加するとそれ自体が伸縮する圧電素子と、 前記ケース内部で前記圧電素子の反固定側に設けられ、
    前記圧電素子の伸縮に伴って移動するピストンと、 前記ケースの開口端側に、前記圧電素子の伸縮方向に進
    退自在でかつ所定位置に固定可能な固定部材と、 この固定部材と前記ピストンとの間に設けられ、前記圧
    電素子に対して予圧を与える弾性体と、 を具備した圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 弾性体は皿バネまたはコイルバネのいず
    れかである請求項1記載の圧電アクチュエータ。
  3. 【請求項3】 有底筒状のケースと、 このケース内部に収納されると共にケース底面に固定さ
    れ、電界を印加するとそれ自体が伸縮する圧電素子と、 前記ケース内部で前記圧電素子の反固定側に設けられ、
    前記圧電素子の伸縮に伴って移動するピストンと、 前記ケースの開口端側に、前記圧電素子の伸縮方向に進
    退自在でかつ所定位置に固定可能な固定部材と、 この固定部材と前記ピストンとの間に設けられ、前記圧
    電素子に対して予圧を与える弾性体と、 を具備した圧電アクチュエータであって、 予め予圧部材によって外部から前記弾性体に対して予圧
    をかけた後、前記固定部材を所定の位置に位置決めし、
    その後前記予圧部材による予圧を解除することを特徴と
    する圧電アクチュエータの組み立て方法。
JP6182497A 1994-08-03 1994-08-03 圧電アクチュエータおよびその組み立て方法 Withdrawn JPH0846260A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004297042A (ja) * 2003-03-13 2004-10-21 Denso Corp 圧電アクチュエータ、その製造方法及びインジェクタ

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004297042A (ja) * 2003-03-13 2004-10-21 Denso Corp 圧電アクチュエータ、その製造方法及びインジェクタ

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