CN102893420B - 压电致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种能够抑制由张应力引起的接合部的脱落的压电致动器。本发明的压电致动器，其特征在于，包括：压电元件；上表面抵接压电元件的下端部的基体(7)；和壳体(3)，其具有与压电元件的上端部抵接的内表面，并将压电元件收容到内部，壳体(3)具有与基体(7)接合的凸缘部(33)，在比壳体(3)和基体(7)之间的接合部更靠近容纳空间一侧的从壳体(3)的凸缘部(33)的下表面到基体(7)的上表面而形成的内表面上，具有至少2个弯曲部(41)。

Description

压电致动器
技术领域
本发明涉及在汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨等的液体喷射装置、XY工作台的精密定位装置等中所使用的压电致动器。
背景技术
作为压电致动器，例如，公知将压电元件密封到金属制的容器内部的压电致动器，该压电元件包括：压电体层和内部电极层被多个层叠的柱状的层叠体；在层叠方向上分别被粘附到该层叠体的侧面且每隔一层就交替地电连接内部电极层的一对外部电极(例如，参考专利文献1)。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2002-58261号公报。
发明的概要
发明所要解决的课题
上述的压电致动器，是使压电元件为了始终置于压缩应力下，在将压缩负载施加到压电元件上的状态下，被密封到通过将基体、壳体等部件用激光焊接或者电阻焊接进行焊接而构成的金属制的容器内的压电致动器。
因此，容器的接合部(焊接部)变成始终受到张应力(tensile stress)的状态，例如当在断面上观察图6所示那样的接合部(焊接部)时，如果是应力集中于接合部(焊接部)的一个位置(弯曲部41)上那样的结构的话，存在担心由张应力的重复而使接合部(焊接部)脱落之类的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而提出的，其目的在于得到一种能够抑制由张引力引起的接合部的脱落的压电致动器。
本发明的压电致动器，其特征在于，包括：压电元件；上表面抵接所述压电元件的下端部的基体；和壳体，其具有与所述压电元件的上端部抵接的内表面，将所述压电元件收容到内部，所述壳体具有与所述基体接合的凸缘部，在比所述壳体和所述基体之间的接合部更靠近容纳空间一侧的从所述壳体的所述凸缘部的下表面到在所述基体的上表面而形成的内表面上，具有至少2个弯曲部。
此外，本发明的压电致动器，其特征在于，在上述构成中，具有环形部，其被配置在所述凸缘部的下表面和所述基体的上表面之间，并且其上表面和下表面的至少一个是与所述凸缘部的下表面或者所述基体的上表面之间的接合部。
此外，本发明的压电致动器，其特征在于，在上述构成中，所述环形部，其上表面侧的宽度比下表面侧的宽度小。
此外，本发明的压电致动器，其特征在于，在上述构成中，所述环形部的所述容纳空间侧的侧面和所述凸缘部的下表面所构成的角是锐角。
而且，在上述构成中，其特征在于，所述环形部，其材质与所述基体和所述壳体不同。
发明效果
根据本发明的压电致动器，应力集中位置变成2个位置以上，能够抑制由张应力引起的接合部的脱落。因此，能够长时间稳定地驱动压电致动器。
附图说明
图1是对于本发明的压电致动器表示实施方式的一个例子的断面图。
图2是图1所示的压电元件的概略立体图。
图3是图1所示的压电致动器的主要部分放大图。
图4是图3所示的环形部的说明图。
图5是图3和图4所示的弯曲部附近的放大图。
图6是现有技术的压电致动器的主要部分放大图。
具体实施方式
下面，参考附图，说明本发明的压电致动器的实施方式的例子。
图1是表示本发明的压电致动器的实施方式的一个例子的断面图，图2是图1所示的压电元件的概略立体图。
图1所示的压电致动器1包括：压电元件2；上表面抵接压电元件2的下端部的基体7；具有与压电元件2的上端部抵接的内表面和将压电元件2收容到内部的壳体3，壳体3具有与基体7接合的凸缘部33，在比壳体3和基体7之间的接合部更靠近容纳空间一侧的从壳体3的凸缘部33的下表面到基体7的上表面而形成的内表面上，具有至少2个弯曲部41。
压电元件2，如图2所示，是包括层叠体20的层叠型的压电元件，该层叠体20具有例如使压电体层25和内部电极层27被交替地层叠多个的活性层26和由在活性层26的层叠方向的两端所层叠的压电体层25构成的惰性层29。这里，活性部26是在驱动时压电体层25在层叠方向上伸长或者收缩的部位，惰性部29是在驱动时压电体层25在层叠方向上不伸长或者不收缩的部位。
构成压电元件2的层叠体20例如被形成为纵向4～7mm、横向4～7mm、高20～50mm左右的长方体状。而且，尽管图2所示的层叠体20是四角柱形状，但是也可以是例如六角柱形状或者八角柱形状等。
构成层叠体20的多个压电体层25由具有压电特性的压电陶瓷(piezoelectric ceramic)构成，该压电陶瓷是平均粒径例如被形成为1.6～2.8微米的压电陶瓷。作为压电陶瓷，例如能够使用由PbZrO3-PbTiO3(PZT：钛酸锆酸铅)等构成的钙钛矿型氧化物、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等。
内部电极层27例如是由银、银-钯合金、银-铂、铜等形成的，层叠体20对置的一对侧面上分别相互不同地引出正极和负极(或者接地极)。通过该构成，在活性部26中，对在层叠方向上相邻的内部电极层27彼此之间所夹持的压电体层25上施加驱动电压。
而且，层叠体20还可以包含用于缓和应力的层即不作为内部电极层27而发挥功能的金属层等。
然后，在相互不同地引出内部电极层27之正极和负极(或者接地极)的层叠体20的对置的一对侧面上分别粘附外部电极21，并且与引出的内部电极层27接合。外部电极21是由例如银和玻璃的烧结体构成的金属化层，与内部电极层27之间电气地导通。而且，如图1所示，引线13通过焊锡15被安装到外部电极21，使得通过介入引线13来施加驱动电压。
另一方面，在层叠体20的对置的另一对侧面上，内部电极层27的正极和负极(或者接地极)的两电极露出，在该侧面上形成由氧化物构成的覆盖层23。通过覆盖层23的形成，能够防止驱动时施加了高电压时产生的在两电极间的沿表面放电。作为形成该覆盖层23的氧化物，举出陶瓷材料，特别地，优选是根据应力而能够变形的材料以使能够与驱动压电致动器时的层叠体2的驱动变形(伸缩)随动且不产生覆盖层23剥落而发生沿表面放电之虞。具体地，举出当应力产生时局部地进行相变和体积变化而能够变形的部分稳定氧化锆、Ln1-xSixAlO3+0.5x(Ln表示从Sn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb当中选择的至少任何一种。x＝0.01～0.3)等的陶瓷材料，或者为了对产生的应力进行缓和而使晶体晶格内的离子间距离变化的钛酸钡、钛酸锆酸铅(PZT)等的压电材料。该覆盖层23例如在成为墨状之后，通过浸渍(dipping)或者丝网印刷而被涂覆在层叠体20的侧面，并且通过进行烧结而形成。
然后，图1所示的压电致动器，包括：上表面抵接压电元件2的下端部的基体7；具有与压电元件2的上端部抵接的内表面和将压电元件收容到内部的壳体3。
具体地，基体(下侧盖部件)7是由SUS304或者SUS316L等金属材料而形成为圆板状，在图中周边部变成薄壁。此外，在基体7上形成了2个能够插通引导销17的贯通孔，通过使与引线13电连接的引导销17插通贯通孔而使外部电极21和外部电导通。然后，在贯通孔的间隙填充软玻璃9，从而固定该引导销17，同时防止外部气体的进入。
另一方面，壳体3与基体7同样地由SUS304或者SUS316L等金属材料形成，具有筒体30和为了堵塞筒体30的一端侧开口而设置的盖部件(上侧盖部件)31。
具体地来说，构成壳体3的筒体30，在以预定的形状制作了无缝管之后，通过轧制加工或者静水压按压等而形成为波纹(蛇腹)形状。该筒体30，为了能够在将电压施加到压电元件2上时追踪压电元件2(层叠体20)的伸缩，具有预定的弹簧常数，通过厚度、沟槽形状和沟槽数来调整该弹簧常数。然后，尽管筒体30的一端侧开口是被形成为圆筒状的开口，但是筒体30的另一端侧开口向着直径方向外侧而扩展、所谓被形成为喇叭形状。这样，通过筒体30的另一端侧开口变成喇叭形状，壳体3(筒体30)变成具有凸缘部33的结构。
此外，构成壳体3的盖部件31是被形成为外直径与筒体30的内直径相同程度的帽形状的部件，被嵌入到筒体30的一端侧开口，将其外周焊接到一端侧开口的附近的内壁上。
而且，筒体30和盖部件31可以相互单独地形成而焊接，也可以被一体地形成。
然后，如图3和图4所示，壳体3(筒体30)具有与基体7接合的凸缘部33，在比壳体3和基体7之间的接合部更靠近容纳空间一侧的从壳体3的凸缘部33的下表面到基体7的上表面而形成的内表面上，具有至少2个弯曲部41。
此时，在将压缩负载施加到压电元件2上的状态下进行壳体3的凸缘部33和基体7的焊接，压电元件2与惰性气体一起密封到由壳体3和基体7形成的容纳空间中，从而变成压电致动器1。
在图6所示那样的将壳体3的凸缘部33和基体7进行焊接的结构中，由于变成应力集中在1个弯曲部41(1点)的形状，因此存在使用时由张应力使接合部脱落的担心，但是，根据图3所示的本发明实施方式即在比壳体3和基体7之间的接合部更靠近容纳空间一侧的壳体3的凸缘部33的下表面到基体7的上表面而形成的内表面上具有至少2个弯曲部41的结构，从而应力集中位置变成2个位置以上，能够抑制由张应力引起的接合部的脱落。因此，能够长时间稳定并驱动压电致动器1。而且，尽管还依赖于后述的环形部43的材质，但是2个弯曲部41相距0.05mm以上，在抑制由张应力引起的接合部的脱落这点上，是有效的。
这里，由于设为上述的结构，优选地，压电致动器1具有环形部43，其被配置在凸缘部33的下表面和基体7的上表面之间，并且其上表面和下表面的至少一个是与凸缘部33的下表面或者基体7的上表面之间的接合部。通过具有使接合部成为环形的环形部43，当在断面上观察由壳体3的凸缘部33的下表面和基体7的上表面所夹持的全部的区域时，应力集中位置变成2个位置以上，由于还被形成为环形，因此能够防止由张应力引起的接合部的脱落。而且，当在环形部43的侧壁上没有阶梯的情况下，如图3和图4所示那样，弯曲部变成2个位置，但是，通过在环形部43的侧壁上设置多个阶梯，能够将弯曲部41设为2个位置以上。
环形部43能够通过切削加工基体7而与基体7一体地形成。在该构成中，如图4所示，当在断面上观察环形部43时，优选地，上表面侧的宽度a比下表面侧的宽度b小。例如，环形部43的上表面侧的宽度a被形成为0.2～0.48mm左右，环形部43的下表面侧的宽度b被形成为0.5～0.7mm左右，环形部43的厚度被形成为0.05～0.2mm左右。通过使环形部43的上表面侧的宽度a成为比下表面侧的宽度b小，使接合部的弹簧效果提高，并且由于不仅仅在筒体30而且在该部位上也发生对压电致动器1的位移的变形，因此能够防止筒体30的塑性变形。特别地，如图4所示，优选地变成梯形形状。其结果，能够防止伴随筒体30的塑性变形的压电致动器1的负载脱落，即使长时间使用压电致动器1也能够不会降低位移量来进行驱动。
此外，在上述构成中，如图5所示，优选地，环形部43的容纳空间侧的侧面和凸缘部33的下表面的构成角α是锐角。通过将环形部43的容纳空间侧的侧面和凸缘部33的下表面之间的构成角α设为锐角，由于不仅在筒体30而且在该部位中也产生对压电致动器1之位移的变形，因此能够防止筒体30的塑性变形。其结果，能够防止伴随筒体30的塑性变形的压电致动器1的负载脱落，即使长时间使用压电致动器1也能够不会降低位移量来进行驱动。
另一方面，作为环形部43，还能够采用与基体7和壳体3(筒体30)不同材质的环形部。通过设为与基体7和壳体3(筒体30)不同的材质，环形部43作为中间层而发挥功能，尽可能地进行应力缓和。其结果，能够抑制由张应力引起的接合部的脱落，能够长时间稳定并驱动压电致动器1。而且，作为该情况下的环形部43的材质，优选地，是比基体7和筒体30更柔软的材料，例如为铜、磷青铜、科瓦铁镍钴合金(Fe-Ni-Co合金)等。即使在该情况下，优选地，也成为上述那样的形状。
下面，说明本实施方式的压电致动器1的制造方法。
首先，制作成为压电体层25的陶瓷生片(green sheet)。具体地，将压电陶瓷的煅烧粉末、由丙烯系、丁缩醛系等的有机高分子构成的粘合剂、以及增塑剂进行混合，制作陶瓷料浆。然后，通过使用公知的刮刀(doctorblade)法、压延滚筒(calender roll)法等带成型法，从该陶瓷料浆中制作陶瓷生片。作为压电陶瓷，只要是具有压电特性的压电陶瓷即可，例如，能够使用由PbZrO3-PbTiO3构成的钙钛矿型氧化物等。作为增塑剂，能够使用邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)等。
接着，制作变成内部电极层27的导电性膏。具体地，通过将粘合剂和增塑剂添加混合在银-钯合金的金属粉末中，来制作导电性膏。通过使用丝网印刷法而将该导电性膏印刷在上述的陶瓷生片上，接着，将印刷了导电性膏的陶瓷生片进行多枚层叠，并且在层叠方向的两个端部将没有印刷导电性膏的陶瓷生片进行多枚层叠，从而得到层叠成形体。在将该层叠成形体以预定的温度进行脱粘合剂处理之后，通过在900～1200℃进行烧制，得到层叠体20。
接着，在层叠体20的侧面当中，在引出了两个内部电极层27(正极和负极)的一对侧面上，通过丝网印刷来印刷氧化物的墨，之后，在900～1200℃进行烧制，形成覆盖层23。
氧化物的墨，在使氧化物的粉体分散到溶剂、分散剂、增塑剂、以及粘合剂的溶液之后，通过多次经过3根滚筒，将粉体的凝聚进行粉碎，并且使粉体分散而制成。
接着，形成由金属化层构成的外部电极21。首先，通过将粘合剂加到银粒子和玻璃粉末中来制作含有银玻璃的导电性膏，并通过丝网印刷法印刷到引出了内部电极层27之正极或者负极的层叠体20的对置的一对侧面上，在500～800℃左右的温度上进行烧结在一起的处理。由此，形成由金属化层构成的外部电极21，完成压电元件2。
接着，将外部电极21和引线13进行锡焊。此外，准备由切削加工而形成环形部43并且由孔加工而形成贯通孔所构成的图1所示那样之形状的基体(下侧盖部件)7，分别将引导销17插通到该基体(下侧盖部件)7中所形成的2个贯通孔中，并且在间隙填充软玻璃9而进行固定，而且用粘结剂将压电元件2的下端部粘结到基体7的上表面。然后，采用焊锡将由焊锡15进行了锡焊的引线13和基体7上所安装的引导销17连接到压电元件2的外部电极21。
接着，通过轧制加工在例如SUS316L制的无缝圆筒状的筒体30上形成波纹形状，通过激光焊接来对SUS304制的盖部件(上侧盖部件)31进行焊接，使得堵塞该筒体30的一端侧(上端侧)的开口，从而制作壳体3。而且，在筒体30的另一端侧(下端侧)形成凸缘部33。
接着，使壳体3盖住粘结到基体7的压电元件2，以预定的负载拉壳体3，将负载施加在压电元件2上。在该状态下，通过电阻焊接将壳体3的凸缘部33和基体7上所设置的环形部43的上表面进行焊接，进行压电元件的密封。而且，作为环形部43，在使用与基体不同的材料的情况下，准备变成环形部43的环，将该环的上表面焊接到凸缘部33，将环的下表面焊接到基体7即可。
接着，在壳体3的预定位置用钻头钻开惰性气体注入用的孔，在真空腔室进行真空抽气而抽出了壳体内(容纳空间)的氧气之后，将氮气注入真空腔室，进行壳体内(容纳空间)的氮净化。其后，通过用激光焊接对惰性气体注入用的孔进行焊接，将孔堵塞。
最后，通过将0.1～3kV/mm的直流电场施加到安装于基体7的引导销11上，从而将层叠体20进行极化，完成本实施方式的压电致动器1。然后，通过将引导销17和外部电源连接而将电压施加在压电体层25上，能够通过反压电效应使各个压电体层25进行大大地位移。由此，变成例如能够起作为对发动机喷射供给燃料的汽车用燃料喷射阀的功能。
本实施方式的层叠型压电元件，例如被用作为汽车发动机的燃料喷射装置、喷墨等的液体喷射装置、光学装置的精密定位装置等。
实施例
按照下述制作作为本发明实施例的一个例子的压电致动器。
首先，制作将把平均粒径为0.4微米的钛酸锆酸铅(PbZrO3-PbTiO3)设为主要成分的压电陶瓷的煅烧粉末、粘合剂和增塑剂进行混合后的陶瓷料浆，用刮刀法制作厚度150微米的成为压电体层的陶瓷生片。
通过丝网印刷法将成为内部电极的导电性膏印刷在该陶瓷生片的单面上，将这样制成的陶瓷生片层叠300枚，从而制成层叠成形体，该导电性膏通过将粘合剂加到银-钯合金(银95质量％-钯5质量％)中而制成。
接着，为了变成预定的尺寸，用切割锯机器对层叠成形体进行切断，之后，使层叠成形体干燥，并且进行烧制而制作层叠体。对于烧制，在把800℃的温度保持90分钟之后，以1000℃烧制200分钟时间。层叠体是长方体状，其大小是端面为纵向5mm、横向5mm，高度是35mm。
接着，制作将部分稳定化氧化锆、压电材料、与压电体层相同的材料、以及钛酸锆酸铅设为材料的墨，将其通过丝网印刷分别印刷在内部电极层的两个电极露出的层叠体的侧面上，使得覆盖层的厚度变成20微米，此后，在1000℃进行烧制，从而将覆盖层形成在层叠体的侧面上。
接着，通过将粘合剂加到银粒子和玻璃粉末中而制作含有银玻璃的导电性膏，通过丝网印刷将其印刷在层叠体的侧面上，在通过用500～800℃左右的温度进行烧结在一起处理而形成了外部电极之后，通过锡焊将引线连接到外部电极。
此外，用SUS304制作圆板状的基体。具体地，制作通过切削设置环形部、并且在2个位置形成了贯通孔的图1所示形状的基体。然后，在基体所形成的贯通孔中用软玻璃来安装引导销。而且，作为环形部的规格，环形部的上侧的宽度a、下侧的宽度b、以及环形部的容纳空间侧的侧面和凸缘部的下表面之间所构成的角α如后述的表1所示。此外，环形部的厚度是0.1mm。
接着，用粘结剂将层叠体固定到基体的上表面，采用锡焊对锡焊在外部电极上的引线和基体上所安装的引导销进行连接。
接着，用SUS304制作帽状的上侧盖部件。此外，使壳体被覆到与基体(下侧盖部件)相粘结的压电元件上，以预定的负载拉壳体，将负载施加在压电元件上之后，通过电阻焊将壳体和基体的环形部之间的抵接部进行焊接，进行压电元件的密封，该壳体通过将上侧盖部件安嵌于在SUS316L制造的无缝圆筒中通过轧制加工形成了波纹形状的筒体上并用激光焊接进行焊接所构成。
接着，在壳体的预定位置用钻头钻开惰性气体注入用的孔，在真空腔室进行真空抽气而抽出了壳体内(容纳空间)的氧气之后，将氮气注入真空腔室，进行壳体内(容纳空间)的氮净化，其后，通过用激光焊接对氮净化用的孔进行焊接，将孔堵塞，结束氮净化。
另一方面，作为本发明实施例的又一个例子，制作在环形部上使用其他材料的试样。具体地，制作由科瓦铁镍钴合金构成的环，用壳体的凸缘部和基体夹持环，对各个部件的抵接部进行电阻焊接，从而进行密封。
而且，作为比较例，制作没有环形部的试样，由电阻焊接进行壳体的凸缘部和基体之间的焊接。
最后，将3kV/mm的直流电场施加在这些试样的2根引导销上5分钟时间，进行极化处理，制作压电致动器。
当在得到的压电致动器的层叠体上施加了170V的直流电压时，在全部的压电致动器中，在层叠方向上得到位移量。
而且，对于这些压电致动器，进行了在150℃的环境下持续施加250V的直流电压的高温连续驱动试验。表1示出该结果。
表1
*符号表示本发明范围之外的试样。
根据表1，可以知道，本发明实施例的压电致动器(试样序号1、2)，在500小时的连续施加电压试验之后，几乎没有位移量的变化，作为压电元件，维持了必要的有效位移量，此外，也没有接合部的脱落，即使长时间使用，也得到稳定的位移量。
与此相对，比较例的压电致动器(试样序号3)，在39小时之后停止。在确认该试样时，观察到接合部的脱落。此外，通过负载伴随接合部的脱落的一端接触，在压电元件上观察到破裂。
附图符号说明
1压电致动器
2压电元件
3壳体
5绝缘材料
7基体
9软玻璃
13引线
15焊锡
17引导销
20层叠体
21外部电极
23覆盖层
25压电体层
26活性部
27内部电极层
29惰性部
30筒体
31盖部件
33凸缘部
41弯曲部
43环形部

Claims (3)

1.一种压电致动器，其特征在于，包括：
压电元件；
上表面与所述压电元件的下端部抵接的基体；和
壳体，其具有与所述压电元件的上端部抵接的内表面，并将所述压电元件收容到内部，
该壳体具有经由接合部与所述基体接合的凸缘部，
在容纳空间一侧的从所述壳体的所述凸缘部的下表面到所述基体的上表面而形成的内表面上，具有至少2个弯曲部，
所述接合部成为形成为环形的环形部，为比所述基体和所述壳体更柔软的材料。
2.根据权利要求1记载的压电致动器，其特征在于，
所述环形部，其上表面侧的宽度比下表面侧的宽度小。
3.根据权利要求1记载的压电致动器，其特征在于，
所述环形部的所述容纳空间侧的侧面和所述凸缘部的下表面所构成的角是锐角。
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