CN112236876A

CN112236876A - 压电致动器

Info

Publication number: CN112236876A
Application number: CN201980038258.1A
Authority: CN
Inventors: 里井新作
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2039-06-21
Also published as: CN112236876B; EP3817076A4; WO2020004269A1; JP7129478B2; EP3817076B1; JPWO2020004269A1; US20210249584A1; US12048249B2; EP3817076A1

Abstract

压电致动器(10)具备：压电元件(1)；和壳体(2)，将压电元件(1)容纳在内部且包括基体(21)以及筒体(22)。基体(21)具有底板部(211)和立设于该底板部(211)的环状凸部(212)。而且，环状凸部(212)具有位于上侧的外径相对小的第1区域(2121)、和位于下侧的外径相对大的第2区域(2122)，从第1区域(2121)的外表面到第2区域(2122)的外表面成为台阶状的外表面。在筒体(22)的内侧，第1区域(2121)被插通，筒体(22)的端面抵接在第2区域(2122)的上端，筒体(22)和第2区域(2122)被接合。

Description

压电致动器

技术领域

本公开涉及压电致动器。

背景技术

作为压电致动器，例如已知日本特开平4-165683号公报(以下，设为专利文献1)中记载的压电致动器。压电致动器具备压电元件和将该压电元件容纳在内部且包括基体以及筒体的壳体。关于该压电致动器，例如，筒体的下端部呈台阶状展开，设置在基体的上表面的环状凸部嵌入于所述筒体的下端部的内侧，并且在将压缩载荷施加于压电元件的状态下被接合。

发明内容

本公开的压电致动器具备：压电元件；和壳体，将该压电元件容纳在内部并包括基体以及简体，所述基体具有底板部和立设在该底板部的环状凸部，该环状凸部具有：第1区域；和比该第1区域靠下且外径相对大于该第1区域的第2区域，从所述第1区域的外表面到所述第2区域的外表面成为台阶状的外表面，在所述筒体的内侧，所述第1区域被插通，所述筒体的端面抵接在所述第2区域的上端，所述筒体和所述第2区域接合。

附图说明

图1是示出压电致动器的一个例子的概略立体图。

图2是在图1所示的A-A线处切断的压电致动器的一个例子的概略纵剖视图。

图3是图2所示的压电致动器的区域B(主要部分)的放大剖视图。

图4是在图1所示的A-A线处切断的压电致动器的其他例子的概略纵剖视图。

图5是图4所示的压电致动器的区域B(主要部分)的放大剖视图。

图6是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图7是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图8是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图9是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图10是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图11是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图12是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图13是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图14是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

图15是压电致动器的其他例子的主要部分放大剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的压电致动器的实施方式进行说明。另外，本发明不由以下所示的实施方式限定。

图1～图3所示的压电致动器10具备压电元件1和将压电元件1容纳在内部且包括基体21以及筒体22的壳体2。

如图2所示，构成压电致动器10的压电元件1是具备层叠体的层叠型的压电元件，该层叠体例如具有压电体层和内部电极层交替地层叠多个的活性部、和包括层叠在活性部的层叠方向的两端的压电体层的非活性部。在此，活性部是在驱动时压电体层在层叠方向上伸长或收缩的部位，非活性部是在驱动时压电体层不在层叠方向上伸长或收缩的部位。

构成压电元件1的层叠体例如形成为纵4mm～7mm、横4mm～7mm、高度20mm～50mm程度的长方体状。另外，层叠体也可以是例如六棱柱形状、八棱柱形状等。

构成层叠体的压电体层包括具有压电特性的压电陶瓷，该压电陶瓷的平均粒径例如被设为1.6μm～2.8μm。作为压电陶瓷，能够使用例如具有钛酸锆酸铅(PbZrO₃-PbTiO₃)的钙钛矿型氧化物、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)等。

此外，构成层叠体的内部电极层例如以银、银-钯、银-白金、铜等金属为主成分。例如，正极和负极分别在层叠方向上交替地配置。在层叠体的一个侧面引出正极，在另一侧面引出负极。通过该结构，能够在活性部中，向被夹在沿层叠方向相邻的内部电极层彼此之间的压电体层施加驱动电压。

另外，在层叠体中，也可以包括是用于缓解应力的层且不作为内部电极层而起作用的金属层等。

而且，在引出了内部电极层的正极或负极(或者接地极)的层叠体的对置的一对侧面分别设置外部电极，并将其与引出的内部电极层电连接。外部电极例如是具有银以及玻璃的金属化层。

另一方面，在层叠体的对置的另一对侧面，内部电极层的正极以及负极(或者接地极)的两极露出，并且根据需要在该侧面设置有具有绝缘体的被覆层。通过设置被覆层，能够防止在驱动时，在施加了高电压之际产生的两极间的沿面放电。作为成为该被覆层的绝缘体，可举出陶瓷材料，特别地，能够使用可通过应力而变形的材料，使得能够跟随驱动压电致动器时的层叠体的驱动而变形(伸缩)，并且没有被覆层被剥离而产生沿面放电的担扰。具体地，可举出：如果产生应力则局部地进行相变并且体积变化，从而可变形的部分稳定化氧化锆；Ln_1-XSi_XAlO_3+0.5X(Ln表示从Sn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm以及Yb之中选择的至少任意一者。x＝0.01～0.3)等陶瓷材料；或者晶格内的离子间距离变化、以使得缓解所产生的应力的钛酸钡、钛酸锆酸铅等压电材料。该被覆层例如通过在做成墨水状之后，通过浸渍、丝网印刷而涂敷在层叠体的侧面，并烧结而形成。

构成压电致动器10的壳体2包括基体21、筒体22以及盖体23。而且，壳体2将压电元件1容纳在内部，并且设为压电元件1的下端面抵接在基体21的上表面，压电元件1的上端面抵接在盖体23的下表面。

基体21、筒体22以及盖体23例如具有SUS 304、SUS 316L等金属体。

筒体22是沿上下延伸的两端开口的筒状体。该筒体22例如是在以给定的形状制作出无缝管之后，通过轧制加工、等静压压制等形成为波纹管(蛇腹)形状的筒体。筒体22具有给定的弹簧常数，并根据厚度、沟槽形状以及沟槽数调整了其弹簧常数，使得能够在将电压施加于压电元件1时，跟随压电元件1的伸缩。例如，筒体22的厚度例如设为0.1～0.5mm。

盖体23的外径形成为与筒体22的一端侧开口的内径相同的程度。盖体23从筒体22的一端侧开口嵌入，例如通过焊接而将其侧面(外周)与筒体22的一端侧开口的附近(上端附近)的内壁接合。

基体21具有底板部211、和立设在该底板部211的环状凸部212。底板部211作为圆板状的底板部，在图中示出的例子中变得周缘部的壁比其他部位薄。另外，在基体21形成有可将导销33插通的2个贯通孔，在该贯通孔使导销33插通。而且，在贯通孔的间隙例如填充有软质玻璃34，从而将导销33固定。在导销33的尖端连接有引线31，并且该引线31利用焊料32被安装于压电元件1的外部电极，并且使得经由它们向压电元件1施加驱动电压。

而且，立设在底板部211的上表面的环状凸部212具有位于上侧的外径相对小的第1区域2121、和位于下侧的外径相对大的第2区域2122，从第1区域2121的外表面到第2区域2122的外表面，成为台阶状的外表面。在此，所谓外径相对小的第1区域2121，意味着第1区域2121的外径小于第2区域2122的外径。同样地，所谓外径相对小的第1区域2121，意味着第1区域2121的外径小于第2区域2122的外径。更具体地，第1区域2121变得比第2区域2122薄。

第1区域2121的外径例如设为5mm～20mm，第2区域2122的外径例如设为5.2mm～20.2mm。而且，第1区域2121的厚度与第2区域2122的厚度之差例如设为0.1mm～7.6mm。

进一步地，在筒体22的内侧第1区域2121被插通，筒体22的端面抵接于第2区域2122的上端，筒体22和第2区域2122被接合。此时，从筒体22的下端部到第2区域2122的上端部形成接合部4。对于筒体22和第2区域2122的接合，例如可使用焊接。

根据这样的结构，通过第1区域2121，能够在难以妨碍上下的振动的同时，抑制水平方向的变形。因此，难以在筒体22和环状凸部212的接合部4产生裂纹，位移量长期地稳定，并且耐久性也提高。

在此，如图4以及图5所示，筒体22具有位于下侧的内径相对大的第3区域221、和位于上侧的内径相对小的第4区域222，从第3区域221的内表面到第4区域222的内表面成为台阶状的内表面，第1区域2121也可以在第3区域221的内侧被插通。

第3区域221的内径例如设为5.01mm～20.01mm，第4区域222的内径例如设为4.91mm～19.91mm。而且，第3区域221的厚度与第4区域222的厚度之差例如设为0.05mm～0.45mm。

由此，在施加拉伸以及压缩载荷时，在第3区域221和第4区域222的边界部分以及第1区域2121和第2区域2122的边界部分(厚的区域和薄的区域的边界部分)应力分散，因而可缓解施加于接合部4的应力。

此外，如图6所示，筒体22的外径也可以等于或小于第2区域2122的外径。在施加压缩载荷时，筒体22向外侧膨胀(倾倒)的方向的负荷变得难以施加，可缓解施加于接合部4的应力。

此外，也可以如图7所示，筒体22和第2区域2122的接合部4在剖面观察时设置于比筒体22的端面的中央更靠外侧的位置，在该情况下，与筒体22的端面的中央相比更靠内侧的位置未被接合，因而可缓解施加于接合部的应力。

另一方面，如图8所示，筒体22和第2区域2122的接合部4在剖面观察时也可以遍及筒体22的端面的整体区域而设置，在该情况下，接合部被最牢固地固定，因而能够优异地传递拉伸压缩载荷。

此外，也可以如图9所示，第1区域2121向内侧倾斜，在第1区域2121的外表面与筒体22的内表面之间有间隙，并且该间隙的第1区域2121的上侧变得比下侧宽。根据该结构，即使由于压电元件1的伸缩驱动而在第1区域2121与筒体22之间产生压电元件1的伸缩方向的运动，第1区域2121和筒体22也不会摩擦，从而位移量长期地稳定。此时，第1区域2121的倾斜相对于压电元件1的伸缩方向朝向内侧而例如被设定为1～30度的范围。

另一方面，也可以如图10所示，第1区域2121向外侧倾斜，在第1区域2121的外表面与筒体22的内表面之间有间隙，并且该间隙的第1区域2121的上侧变得比下侧窄。根据该结构，即使在第1区域2121的外表面与筒体22的内表面之间的间隙处产生结露，也能够对结露的水分进行收集，使得水分不向压电元件1传递。

此时，第1区域2121的倾斜被设定为相对于压电元件1的伸缩方向而朝向外侧例如1～30度的范围。另外，即使是第1区域2121的外表面与筒体22的内表面的距离最近的部位，也只要有它们不接触的程度的间隙即可。

接下来，也可以如图11那样，筒体22和第2区域2122的接合部4在剖面观察时，在筒体22的外侧的位置具有凹部41。由此，能够使加在接合部4的应力分散。其结果是，能够减小在接合部4产生裂纹的担扰。

此外，凹部41也可以沿着筒体22的外周而环状地定位。此外，凹部41在剖面观察时也可以是弓形的形状。在该情况下，能够进一步缓解加在接合部4的应力。这是因为，通过沿着筒体22的外周环状地设置弓形的凹部41，从而在加上应力时凹部41变形，但由于凹部41圆环状地存在，因而应力能够沿着凹部而圆环状地分散。由此，应力变得不会加在接合部4中的筒体22的内侧的区域，从而能够减小从位于筒体22与环状凸部212的分界处的接合部4起产生破裂、剥离的担扰。

此外，也可以如图12那样，接合部4在与筒体22相接的部位，具有比筒体22向外侧突出的凸部42。接合部4的与筒体22相接的部位尤其存在成为裂纹的起点的担扰。通过接合部4在与筒体22相接的部位具有比筒体22向外侧突出的凸部42，能够增加存在成为裂纹的起点的担扰的部位的接合材料的量。因此，能够提高与筒体22相接的部位的强度。其结果是，能够减小以接合部4中的与筒体22相接的部位为起点而产生裂纹的担扰。

此外，凸部42也可以在与第2区域2122相接的部位，配置成比第2区域2122向外侧突出。接合部4与第2区域2122的边界由于应力集中，因而存在成为裂纹的起点的担扰。凸部42在与第2区域2122相接的部位配置成比第2区域2122向外侧突出，从而能够增加靠近接合部4与第2区域2122的边界的接合材料的量，因而能够增加存在成为裂纹的起点的担扰的部位的接合材料的量。其结果是，能够减小以接合部4中的与第2区域2122相接的部位为起点而产生裂纹的担扰。

另外，凸部42也可以沿着圆环状的凹部41而圆环状地设置。由此，能够在接合部4的全周，减小以接合部4中的与筒体22相接的部位为起点而产生裂纹的担扰。

此外，也可以如图13那样，筒体22具有位于下侧的内径相对大的第3区域221、和位于上侧的内径相对小的第4区域222，从第3区域221的内表面到第4区域222的内表面成为台阶状的内表面，环状凸部212的第1区域2121在第3区域221的内侧被插通。由此，除应力分散的效果之外，还能够抑制压电元件1的轴晃动。

此外，也可以如图14那样，第3区域221的长度比第1区域2121短。由此，能够在第2区域2122与第4区域222之间设置空间。其结果是，即使在加上瞬间较大的应力那样的情况下，也能够使凹部41处的应力缓解优先。

此外，也可以如图15那样，第3区域221的厚度比第1区域2121薄。由此，能够在第1区域2121与第3区域221之间设置空间。其结果是，即使在加上瞬间较大的应力那样的情况下，出能够使凹部41处的应力缓解优先。

关于凹部41的形成方法，例如使用激光焊接作为焊接方法，并控制焦点，使得能量集中于激光的照射区域的中央位置，从而圆环状地进行焊接。此外，能够通过一边将照射方法设为脉冲照射一边使位置移位，从而将凸部42设置在照射区域的外周，因而能够通过圆环状地进行焊接而圆环状地设置凸部42。

接下来，对压电致动器的制造方法进行说明。

首先，制作成为压电体层的陶瓷生片。具体地，将压电陶瓷的预烧粉末、具有丙烯酸系、丁缩醛系等有机高分子的粘合剂和增塑剂混合来制作陶瓷浆。然后，通过使用周知的刮刀法、压延辊法等带成型法，从该陶瓷浆制作陶瓷生片。作为压电陶瓷，只要具有压电特性即可，例如能够使用具有PbZrO₃-PbTiO₃的钙钛矿型氧化物等。此外，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。

接下来，制作成为内部电极层的导电性膏。具体地，通过将粘合剂以及增塑剂添加混合于银-钯合金的金属粉末，从而制作导电性膏。使用丝网印刷法将该导电性膏印刷在上述的陶瓷生片上，接下来，层叠多块印刷了导电性膏的陶瓷生片，并且在层叠方向的两端部层叠多块未印刷导电性膏的陶瓷生片，从而获得层叠成形体。以给定的温度对该层叠成形体进行脱粘合剂处理，之后，在900～1200℃下进行烧成，由此获得层叠体。

接下来，在层叠体的侧面中的导出了两内部电极层(正极以及负极)的一对侧面，通过丝网印刷来印刷氧化物的墨水，之后，在900～1200℃下进行烧成，从而形成被覆层。使氧化物的粉体分散到溶剂、分散剂、增塑剂、以及粘合剂的溶液中，之后，通过使3根辊穿过数次而粉碎粉体的凝集并且使粉体分散，从而可制作氧化物的墨水。

接下来，形成包括金属化层的外部电极。首先，将粘合剂添加到银粒子以及玻璃粉末中，从而制作含有银玻璃的导电性膏，通过丝网印刷法而印刷到导出了内部电极层的正极或负极的层叠体的对置的一对侧面，在500～800℃程度的温度下进行烧附处理。由此，形成包括金属化层的外部电极，并完成压电元件1。

接下来，对压电元件1的外部电极和引线31进行焊接。此外，通过孔加工而形成贯通孔，并且准备形成了如图所示的那样的环状凸部212的基体21，将导销33插通于分别形成在该基体21的2个贯通孔，并且将软质玻璃34填充于间隙从而进行固定，进一步地，利用粘接剂将压电元件1的下端面与基体的上表面21粘接。然后，利用焊料将以焊料焊接在压电元件1的外部电极的引线31和安装在基体21的导销33连接。

在此，对于做成图2～图10的环状凸部212的形状，只要利用旋床对成为基体21的金属进行研削或铸造，使得成为期望的形状即可。

接下来，在例如SUS304材质的无缝的圆筒状的筒体22，通过轧制加工而形成波纹管形状。在此，该筒体22的一端侧(上端侧)以及另一端侧(下端侧)开口。另外，能够通过在轧制加工时变更模具形状，从而变更沟槽部的厚度以及曲率半径。

此外，对于将筒体22做成如图4～图6所示的那样的形状，也可以利用旋床对端部进行研磨，还可以在最初通过铸造来制作。

将SUS304材质的盖体23嵌入该开口，并例如通过激光焊接而进行焊接，使得封堵该筒体的一端侧(上端侧)的开口。

接下来，将筒体22以及盖体23盖在粘接在基体21的压电元件1，以给定的载荷拉伸筒体22，在向压电元件1施加载荷的状态下，例如通过激光焊接对筒体22和基体21进行焊接。在此，如图7以及图8所示，对于调整形成接合部4的区域，只要调整激光强度即可。

最后，将0.1～3kV/mm的直流电场施加于安装在基体21的导销33，并且通过对层叠体进行极化，完成本实施方式的压电致动器10。

-符号说明-

10：压电致动器；

1：压电元件；

2：壳体；

21：基体；

211：底板部；

212：环状凸部；

2121：第1区域；

2122：第2区域；

22：筒体；

221：第3区域；

222：第4区域；

23：盖体；

31：引线；

32：焊料；

33：导销；

34：软质玻璃；

4：接合部；

41：凹部；

42：凸部。

Claims

1.一种压电致动器，其特征在于，具备：

压电元件；和

壳体，将该压电元件容纳在内部并包括基体以及筒体，

所述基体具有底板部和立设在该底板部的环状凸部，

该环状凸部具有：第1区域；和比该第1区域靠下且与该第1区域相比外径相对大的第2区域，从所述第1区域的外表面到所述第2区域的外表面成为台阶状的外表面，

在所述筒体的内侧，所述第1区域被插通，所述筒体的端面抵接在所述第2区域的上端，所述筒体和所述第2区域被接合。

2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于，

所述筒体具有：第3区域；和比该第3区域靠上且与该第3区域相比内径相对小的第4区域，从所述第3区域的内表面到所述第4区域的内表面成为台阶状的内表面，

在所述第3区域的内侧，所述第1区域被插通。

3.根据权利要求1或2所述的压电致动器，其特征在于，

所述筒体的外径等于或小于所述第2区域的外径。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电致动器，其特征在于，

所述筒体与所述第2区域的接合部在剖面观察时设置于比所述筒体的端面的中央更靠外侧的位置。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的压电致动器，其特征在于，

所述筒体和所述第2区域的接合部在剖面观察时遍及所述筒体的端面的整体区域而被设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的压电致动器，其特征在于，

所述第1区域向内侧倾斜，在所述第1区域的外表面和所述筒体的内表面之间有间隙，该间隙的所述第1区域的上侧比下侧宽。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的压电致动器，其特征在于，

所述第1区域向外侧倾斜，在所述第1区域的外表面和所述筒体的内表面之间有间隙，该间隙的所述第1区域的上侧比下侧窄。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的压电致动器，其特征在于，

所述筒体和所述第2区域的接合部在剖面观察时在所述筒体的外侧的位置具有凹部。

9.根据权利要求8所述的压电致动器，其特征在于，

所述接合部在与所述筒体相接的部位，具有比所述筒体向外侧突出的凸部。

10.根据权利要求8所述的压电致动器，其特征在于，

所述接合部在与所述第2区域相接的部位，具有比所述第2区域向外侧突出的凸部。