CN113994491A - 压电致动器 - Google Patents

Abstract

本公开的压电致动器具备：压电元件；壳体，将压电元件收容于内部，追随压电元件的伸缩而变形，所述壳体包含第1端部被开放的筒体以及第1盖体，所述第1盖体具有：圆板状的第1底板部、以及位于第1底板部的第1面并在与第1面垂直的方向突出的环状的第1凸部。在筒体的第1端部插入第1盖体的第1凸部，第1端部的内周面与第1凸部的外周面被接合，并且在筒体的轴线方向，第1端部的前端位于比第1底板部的第1面更靠第1凸部的前端侧的位置。

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，例如已知将层叠型压电元件收容于具有伸缩性的金属壳体的内部来构成的壳体密封型层叠压电致动器，其中，该层叠型压电元件具备将压电陶瓷层与内部电极层交替层叠而形成的层叠体。金属壳体具备将内部与外部连通的中空部件，通过由上盖体和下盖体来密封中空部件，由此切断金属壳体的内部与外部(例如参照专利文献1)。

在现有的压电致动器中，由于上盖体以及下盖体与具有伸缩性的中空部件接合，因此若压电元件伸长则中空部件也伸长。因此，应力容易集中在上盖体以及下盖体与中空部件的接合面，有时中空部件的密封下降。这样，现有的压电致动器在耐久性方面存在改良的余地。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开2010-192832号公报

发明内容

本公开的压电致动器具备：压电元件；和壳体，将所述压电元件收容于内部，追随所述压电元件的伸缩而变形。所述壳体包含：筒体，第1端部被开放；以及第1盖体，具有圆板状的第1底板部以及位于所述第1底板部的第1面并在与所述第1面垂直的方向突出的环状的第1凸部。在所述筒体的所述第1端部插入所述第1盖体的所述第1凸部。所述第1端部的内周面与所述第1凸部的外周面被接合。在所述筒体的轴线方向，所述第1端部的前端位于比所述第1底板部的所述第1面更靠所述第1凸部的前端侧的位置。

附图说明

本发明的目的、特点以及优点通过下述的详细说明和附图将变得更为明确。

图1是表示本公开的压电致动器的第1实施方式中的概略的结构的立体图。

图2是表示在图1所示的A-A线切断的压电致动器的一例的概略的结构的纵剖视图。

图3是本公开的压电致动器的第1实施方式中的第1盖体的放大纵剖视图。

图4是表示本公开的压电致动器的第1实施方式中的第1盖体被被插入筒体的状态的放大纵剖视图。

图5是表示本公开的压电致动器的第2实施方式中的第1盖体被插入筒体的状态的放大纵剖视图。

图6是表示本公开的压电致动器的第3实施方式中的第1盖体被插入筒体的状态的放大纵剖视图。

图7是表示本公开的压电致动器的第2实施方式中的第1盖体被插入第3实施方式中的筒体的状态的放大纵剖视图。

图8是表示本公开的压电致动器的第4实施方式中的第1盖体被插入筒体的状态的放大纵剖视图。

图9是表示图8所示的压电致动器的变形例的放大纵剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的压电致动器的第1实施方式进行说明。图1是表示压电致动器10的第1实施方式中的概略的结构的立体图。图2是表示在图1所示的A-A线切断的压电致动器10的概略的结构的纵剖视图。图3是压电致动器10的第1盖体30的放大纵剖视图。图4是表示压电致动器10的第1盖体30被插入筒体20的状态的放大纵剖视图。另外，并不是通过以下所示的实施方式来限定本发明。

图1～4所示的压电致动器10具备压电元件1、壳体2。壳体2将压电元件1收容于内部。壳体2包含：筒体20、第1盖体30以及第2盖体40。

构成压电致动器10的压电元件1例如是层叠型的压电元件。压电元件1如图2所示例如具有层叠体，该层叠体具有：压电体层与内部电极层被交互层叠多个的活性部、包含在活性部的层叠方向的两端被层叠的压电体层的非活性部。这里，活性部是在驱动时压电体层在层叠方向伸长或者收缩的部位。非活性部是在驱动时压电体层在层叠方向不伸长或者收缩的部位。

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左右的长方体状。另外，层叠体的形状也可以是例如六角柱形状、八角柱形状等。

构成层叠体的压电体层包含具有压电特性的压电陶瓷。压电陶瓷可以是将平均粒径例如为1.6μm～2.8μm的粉体作为材料的陶瓷。作为压电陶瓷，例如能够使用具有锆钛酸铅(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可以是例如将银、银-钯、银-铂、铜等的金属作为主成分。内部电极层例如正极与负极分别在层叠方向被交替配置。正极被引出至层叠体的一个侧面。负极被引出至层叠体的另一侧面。通过该结构，在活性部中，能够对在层叠方向相邻的内部电极层彼此之间被夹着的压电体层施加驱动电压。另外，层叠体中也可以包含用于缓和应力的层、即不作为内部电极层而发挥功能的金属层等。

并且，在内部电极层的正极或者负极(或者接地极)被引出的层叠体的相对置的一对侧面，分别设置有外部电极。外部电极与被引出的内部电极层电连接。外部电极可以是例如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的侧面，内部电极层的正极以及负极(或者接地极)的两极露出，在该侧面根据需要来设置具有绝缘体的被覆层。通过设置被覆层，能够抑制在驱动时施加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，列举陶瓷材料。作为该陶瓷材料，特别地能够使用根据应力热能够变形的材料，以使得能够追随驱动压电致动器时的层叠体的伸缩等的驱动变形，不会担心被覆层被剥离从而产生沿面放电。

作为被覆层中使用的材料，例如列举若产生应力则局部相变并体积变化从而能够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之中选择的任意至少一种。x＝0.01～0.3)等的陶瓷材料、或者晶格内的离子间距离变化以使得缓和所产生的应力的钛酸钡、锆钛酸铅等的压电材料。该被覆层例如通过将上述的陶瓷材料或者压电材料形成为油墨状之后通过浸渍或丝网印刷来涂覆在层叠体的侧面并进行烧结来形成。

构成压电致动器10的壳体2将压电元件1收容于内部。压电元件1的下端面与第1盖体30的上表面相接。压电元件1的上端面与第2盖体40的下表面相接。

筒体20是在上下延伸的两端开口的筒状体。该筒体20是例如以规定的形状制成无缝管之后、通过轧制加工或者静水压冲压等形成为波纹形状或蛇腹形状。筒体20具有规定的弹簧常数，以使得能够追随对压电元件1施加电压时压电元件1的伸缩。筒体20的弹簧常数能够根据筒体20的厚度、槽形状以及槽数来调整。筒体20的厚度例如可以是0.1～0.5mm。

如图3所示，第1盖体30具有圆板状的第1底板部31以及环状的第1凸部32。第1凸部32位于第1底板部31的第1面311，并且在与第1面311垂直的方向突出。

如图4所示，第1盖体30具有形成为与筒体20的第1端部21侧开口的内径相同程度的外径。第1盖体30从筒体20的第1端部21侧开口嵌入，第1盖体30的第1凸部32插入筒体20的第1端部21。筒体20的第1端部21的内周面213与第1盖体30的第1凸部32的外周面321被接合。在筒体20的轴线方向，第1端部21的前端(也称为开放端)211位于比第1底板部31的第1面311更靠第1凸部32的前端侧的位置。第1端部21的内周面213与第1凸部32的外周面321可以利用例如激光焊接、电阻焊接等的焊接法来进行接合。

第1端部21的前端211位于比第1底板部31的第1面311更靠第1凸部32的前端侧的位置，由此在压电元件1伸长的情况下，能够抑制应力集中在筒体20与第1盖体30之间的槽部分。其结果，能够减少第1盖体的外周的挠曲，密封难以受损。

第1盖体30也可以具有将第1底板部31的外周面312与第1面311连接的角部313。此外，第1盖体30可以具有将第1凸部32的外周面321与第1底板部31的第1面311连接的角部322。

第1盖体30通过具有角部313以及角部322，在各角部产生应力。其结果，能够使现有技术中应力集中的部分的应力分散、缓和。

此外，第1端部21的外周面212可以如本实施方式那样遍及整周是曲面。通过这种结构，能够抑制应力集中在筒体20与第1凸部32的接合部。此外，若通过压电元件1伸长而施加应力，则曲面的曲率变化从而能够使应力分散。

如图2所示，第2盖体40具有圆板状的第2底板部41以及环状的第2凸部42。第2凸部42位于第2底板部41的第3面411。筒体20在与第1端部21相反的一侧，具有被开放的第2端部22。在筒体20的第2端部22插入第2盖体40的第2凸部42，第2端部22的内周面224与第2凸部42的外周面421被接合。此外，第2端部22的端面222与第2底板部41的第3面411分离。第2端部22的内周面224与第2凸部42的外周面421例如可以利用激光焊接、电阻焊接等的焊接方法进行接合。

通过这种结构，在本实施方式的压电致动器10中，能够抑制应力集中在第2端部22的内周面224与第2凸部42的外周面421的接合部。进而，即便压电元件1伸长从而产生应力，相比于壳体2仅具有第1盖体30的情况，也能够使应力更为有效地分散。

筒体20、第1盖体30以及第2盖体40例如具有SUS304或者SUS316L等的金属体。

第1底板部31可以具有从第1面311贯通道与第1面311相反的一侧的第2面314的贯通孔315。也可以在贯通孔315中插入与压电元件1电连接的引脚50。

接下来，参照附图对本公开的压电致动器的第2实施方式进行说明。图5是表示将本实施方式的压电致动器10中的第1盖体30的第1凸部32插入筒体20的第1端部21的状态的放大纵剖视图。

第1凸部32具有环状的第1区域323以及环状的第2区域324。第2区域324位于比第1区域323更靠第1底板部31侧。第2区域324的外径比第1区域323大。第1端部21的内周面214与第1区域323的外周面321接合。如本实施方式那样，通过第1端部21的前端211与第1凸部32的第2区域324的上表面325分离，从而即使对于因压电元件1的伸缩方向与壳体2的伸缩方向的微小偏差产生的扭转的应力，也能够使相对于第1区域323在与壁厚较厚的第2区域324的边界处产生的应力在整周分散。其结果，即使长期间反复驱动压电致动器10，密封也难以受损。

通过这种结构，在本实施方式的压电致动器10中，能够抑制在筒体20的第1端部21的内周面214与第1凸部32的第1区域323的外周面321的接合部应力集中。进而，即使通过压电元件1伸长而产生应力，也能够使应力分散，能够减少在接合部产生裂纹的担心。

接下来，参照附图对本公开的压电致动器的第3实施方式进行说明。图6是表示将本实施方式的压电致动器10中的第1盖体30的第1凸部32插入筒体20的第1端部21的状态的放大纵剖视图。

筒体20的第1端部21具有包含前端211的第1部分215以及第2部分216。第2部分216位于比第1部分215更靠筒体20的轴线方向的内侧，内径比第1部分215大。第1部分215的内周面214与第1凸部32的外周面321接合。此外，在筒体20的径向，第2部分216的内周面214与第1凸部32的外周面321分离。

通过这种结构，在本实施方式的压电致动器10中，能够抑制在第1部分215的内周面214与第1凸部32的外周面321的接合部应力集中。进而，即使通过压电元件1伸长而产生应力，也能够使应力分散。此外，除了分散应力的效果，还能够抑制压电元件1的轴偏移。

此外，本公开的第2实施方式中的压电致动器10的第1端部21也能够具有本实施方式中的第1端部21的结构。该情况下，如图7所示，第1部分215的内周面214与第1区域323的外周面321接合。

通过这种结构，在本实施方式的压电致动器10中，能够抑制在第2部分216的内周面214与第1区域323的外周面321的接合部应力集中。进而，即使通过压电元件1伸长而施加应力，也能够使应力分散。此外，除了分散应力的效果，还能够抑制压电元件1的轴偏移。

接下来，参照附图对本公开的压电致动器的第4实施方式进行说明。图8是表示将本实施方式的压电致动器10中的第1盖体30的第1凸部32插入筒体20的第1端部21的状态的放大纵剖视图，图9是表示图8所示的压电致动器10的变形例的放大纵剖视图。

如图8所示，压电致动器10可以是壳体2具有位于第1端部21的内周面213与第1凸部32的外周面321之间的金属接合部217的结构。通过壳体2具有金属接合部217，在伴随着压电元件1的伸长的应力集中在第1端部21与第1凸部32的接合部时，能够在金属接合部217的外周面分散应力。其结果，即使在第1端部21的前端211应力集中，也能够抑制微裂纹发展成一直线，密封难以受损。第1端部21的外周面212也可以遍及整周为曲面。由此，能够更加缓和应力。

金属接合部217是结晶构造与第1盖体30以及筒体20不同的部位。金属接合部217例如可以是第1盖体30以及筒体20各自的成分相互扩散而形成的相互扩散部。金属接合部217可以是构成第1盖体30的金属扩散至筒体20中的部位，也可以是构成筒体20的金属扩散至第1盖体30中的部位。金属接合部217例如可以是通过用于对第1盖体30与筒体20进行激光焊接的激光照射使第1端部21的内周面213与第1凸部32的外周面321熔融而形成的部位。金属接合部217可以包含例如第1盖体30以及筒体20各自的成分。

金属接合部217的剖面形状例如可以是圆形状、椭圆形状、跑道形状等，也可以是其他形状。金属接合部217可以遍及第1端部21的内周面212的整周而存在，也可以仅在内周面212的周向的一部分存在。金属接合部217的存在或者不存在、金属接合部217的形状等例如能够通过使用电子探针显微分析仪(Electron Probe Micro Analyzer；EPMA)等的构造分析来确认。

金属接合部217可以如图9所示那样延伸到第1端部21的前端211。由此，即使应力集中在第1端部21的前端211，第1端部21的前端211也难以成为微裂纹的起点。因此，能够更加有效地缓和应力，密封难以受损。另外，金属接合部217也可以位于第1端部21的外周面。

上述中，对壳体2具有位于第1端部21与第1凸部32之间的金属接合部217的例子进行了说明，但是壳体2也可以具有位于第2端部22的内周面224与第2凸部42的外周面421之间的金属接合部217。此外，壳体2也可以具有位于第1端部21与第1凸部32之间的金属接合部217、以及位于第2端部22与第2凸部42之间的金属接合部217。本实施方式的压电致动器10即使通过压电元件1的伸长在第1盖体30以及第2盖体40的至少一方与筒体20之间产生应力，也能够有效地分散应力。其结果，由于能够抑制在第1盖体30以及第2盖体40的至少一方与筒体20的接合部微裂纹发展，因此密封难以受损。

在上述中，对收容有层叠型的压电元件的压电致动器进行了说明，但是本公开的压电致动器并不限于此，对于能够适用本公开的压电致动器的任意压电元件也能够应用。

符号说明

1 压电元件

2 壳体

10 压电致动器

20 筒体

21 第1端部

211 前端

22 第2端部

222 端面

224 内周面

212、312、321 外周面

213、214 内周面

215 第1部分

216 第2部分

217 金属接合部

30 第1盖体

31 第1底板部

32 第1凸部

311 第1面

312 外周面

313 角部

314 第2面

315 贯通孔

321 外周面

322 角部

323 第1区域

324 第2区域

325 上表面

40 第2盖体

41 第2底板部

42 第2凸部

411 第3面

421 外周面

50 引脚。

Claims (11)

1.一种压电致动器，具备：

压电元件；和

壳体，将所述压电元件收容于内部，追随所述压电元件的伸缩而变形，所述壳体包含第1端部开放的筒体以及第1盖体，所述第1盖体具有：圆板状的第1底板部、以及位于所述第1底板部的第1面并在与所述第1面垂直的方向突出的环状的第1凸部，

在所述筒体的所述第1端部插入所述第1盖体的所述第1凸部，所述第1端部的内周面与所述第1凸部的外周面被接合，并且在所述筒体的轴线方向上，所述第1端部的前端位于比所述第1底板部的所述第1面更靠所述第1凸部的前端侧的位置。

2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，

所述第1盖体具有将所述第1底板部的外周面与所述第1面连接的角部。

3.根据权利要求1或者2所述的压电致动器，其中，

所述第1盖体具有将所述第1凸部的所述外周面与所述第1面连接的角部。

4.根据权利要求1至3的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述第1端部的外周面为曲面。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述壳体还包含：金属接合部，位于所述第1端部的所述内周面与所述第1凸部的所述外周面之间。

6.根据权利要求1至5的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述第1凸部具有：环状的第1区域、和位于比所述第1区域更靠所述第1底板部侧且外径比所述第1区域大的环状的第2区域，

所述第1端部的所述内周面与所述第1区域的外周面接合。

7.根据权利要求6所述的压电致动器，其中，

所述第1端部的所述端面与所述第1凸部的所述第2区域的上表面分离。

8.根据权利要求1至7的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述筒体的所述第1端部具有：包含所述端面的第1部分、和位于比所述第1部分更靠所述筒体的所述轴线方向的内侧且内径比所述第1部分大的第2部分，

所述第1部分的内周面与所述第1凸部的所述外周面被接合，

在所述筒体的径向，所述第2部分的内周面与所述第1凸部的所述外周面分离。

9.根据引用权利要求7的权利要求8所述的压电致动器，其中，

所述第2部分的所述内周面与所述第1区域的所述外周面接合。

10.根据权利要求1至9的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述第1底板部具有从所述第1面贯通到与所述第1面相反的一侧的第2面的贯通孔，在所述贯通孔插入与所述压电元件电连接的引脚。

11.根据权利要求1至10的任意一项所述的压电致动器，其中，

所述壳体还包含：第2盖体，具有圆板状的第2底板部和位于所述第2底板部的第3面的环状的第2凸部，

所述筒体的与所述第1端部相反的一侧的第2端部被开放，

在所述筒体的所述第2端部插入所述第2盖体的所述第2凸部，所述第2端部的内周面与所述第2凸部的外周面被接合，并且所述第2端部的端面与所述第2底板部的所述第3面分离。

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