CN114762138A - 压电致动器 - Google Patents
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Abstract
本公开的压电致动器具备：压电元件，其具有长边方向；壳体，其具有盖部、底部及筒状部，且在内部收容所述压电元件；以及应变仪，其位于所述筒状部。所述筒状部在所述长边方向上具有多个由于所述压电元件的伸缩而弯曲的弯曲部。所述应变仪位于所述弯曲部。
Description
技术领域
本公开涉及一种压电致动器。
背景技术
作为在质量流量控制器、XY工作台的精密定位装置等中使用的压电致动器，例如已知有日本特开昭63-66980号公报(以下，称作专利文献1)所公开的层叠型压电体。层叠型压电体具备压电元件、以及将该压电元件收容于内部的壳体。层叠型压电体在壳体的表面粘贴应变仪，由此，能够检测层叠型压电体的位移。
发明内容
本公开的压电致动器的特征在于，具备：压电元件，其具有长边方向；壳体，其具有盖部、底部及筒状部，且在内部收容所述压电元件；以及应变仪，其位于所述筒状部，所述筒状部在所述长边方向上具有多个由于所述压电元件的伸缩而弯曲的弯曲部，所述应变仪位于所述弯曲部。
附图说明
图1是示出压电致动器的一例的概略立体图。
图2是图1所示的压电致动器的一例的概略纵剖视图。
图3是压电致动器的另一例的概略纵剖视图。
图4是压电致动器的另一例的主要部位放大剖视图。
图5是压电致动器的另一例的主要部位放大剖视图。
图6是压电致动器的另一例的主要部位放大剖视图。
图7是压电致动器的另一例的主要部位放大剖视图。
图8是压电致动器的另一例的放大剖视图。
图9是示出压电致动器的另一例的概略立体图。
图10是示出压电致动器的另一例的概略纵剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的压电致动器的实施方式进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下所示的实施方式。
图1所示的压电致动器10具备压电元件1、以及将压电元件1收容于内部、且包括底部21、筒状部22及盖部23的壳体2。
如图2所示，构成压电致动器10的压电元件1是例如具备层叠体的压电元件，该层叠体具有压电体层与内部电极层交替地层叠多层而成的活性部、以及包括层叠于活性部的层叠方向的两端的压电体层的不活性部。在此，活性部是在驱动时压电体层沿层叠方向伸长或者收缩的部位，不活性部是在驱动时压电体层不沿层叠方向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。需要说明的是，层叠体也可以为例如六棱柱形状、八棱柱形状等。
构成层叠体的压电体层由具有压电特性的压电陶瓷构成，该压电陶瓷的平均粒径例如设为1.6μm～2.8μm。作为压电陶瓷，能够使用例如由锆钛酸铅(PbZrO3-PbTiO3)构成的钙钛矿型氧化物、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等。
另外，构成层叠体的内部电极层以例如银、银-钯、银-铂、铜等金属为主成分。例如，正极与负极分别沿层叠方向交替地配置。在层叠体的一个侧面引出有正极，在另一个侧面引出有负极。根据该结构，在活性部中，能够对夹在在层叠方向上相邻的内部电极层彼此之间的压电体层施加驱动电压。
需要说明的是，在层叠体中也可以包括作为用于缓和应力的层的、不作为内部电极层发挥功能的金属层等。
并且，在引出有内部电极层的正极或者负极(或接地极)的层叠体的对置的一对侧面分别设置有外部电极，并与引出了的内部电极层电连接。外部电极例如是包含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，在该侧面根据需要设置有包含绝缘体的被覆层。通过设置被覆层，能够防止在驱动时施加了高电压时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，特别是，可以使用能够追随驱动压电致动器时的层叠体的驱动变形(伸缩)、且能够根据应力发生变形以使得消除被覆层剥落而产生沿面放电的可能性的材料。具体而言，可举出产生应力时局部发生相变而体积变化从而能够变形的部分稳定化氧化锆、Ln1- XSiXAlO3+0.5X(Ln表示选自Sn、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm和Yb中的至少一种)、x＝0.01～0.3)等陶瓷材料、或者晶格内的离子间距离发生变化以使得缓和所产生的应力的钛酸钡、锆钛酸铅等压电材料。该被覆层例如通过在制成油墨状后通过浸渍或丝网印刷涂布于层叠体的侧面并进行烧结而形成。
构成压电致动器10的壳体2包括底部21、筒状部22以及盖部23。并且，壳体2将压电元件1收容于内部，压电元件1的下端面与底部21的上表面抵接，压电元件1的上端面与盖部23的下表面抵接。
底部21、筒状部22以及盖部23例如也可以是SUS304、SUS316L等金属体。另外，底部21、筒状部22以及盖部23可以分别一体地形成，也可以通过焊接或粘接等公知的技术将分体的构件接合而形成。
筒状部22是上下延伸的两端开口的筒状体。筒状部22具有通过压电元件1的伸缩而弯曲的弯曲部221。通过压电元件1的伸缩，弯曲部221以沿长边方向延伸的方式弯曲，由此，能够作为壳体2整体来伸缩。弯曲部221例如在按照规定的形状制作出无缝管之后，通过轧制加工、静水压压制等将其形成为波纹(蛇腹)形状。筒状部22具有规定的弹簧常数以使得在对压电元件1施加了电压时能够追随压电元件1的伸缩，并通过厚度、槽形状以及槽数来调整其弹簧常数。例如，筒状部22的厚度例如为0.1～0.5mm。另外，筒状部22除了弯曲部221以外，也可以具有直线状的部位。另外，弯曲部221在长边方向上存在多个。由此，能够使在壳体2伸缩时在弯曲部221中产生的应力分散。因此，能够降低在弯曲部221中应力集中而破损的可能性。
盖部23的外径形成为与筒状部22的一端侧开口的内径相同的程度。盖部23从筒状部22的一端侧开口嵌入，通过例如焊接将其侧面(外周)接合于筒状部22的一端侧开口的附近(上端附近)的内壁。此时，将筒状部22与底部21的接合部称为焊接部。
底部21例如具有底板部以及竖立设置于该底板部的环状的凸部。底板部为圆板状，在附图所示的例子中，周缘部比其他部位薄壁。需要说明的是，在底部21形成有2个能够供引脚33插通的贯通孔，使引脚33插通于该贯通孔。并且，在贯通孔的间隙填充有例如软质玻璃34，从而引脚33被固定。在引脚33的前端连接有引线31，并且该引线31通过焊料32安装于压电元件1的外部电极，从而经由它们对压电元件1施加驱动电压。
应变仪4是检测壳体2的位移的构件。应变仪4例如是在内部具有金属线的板状的构件。应变仪4为具有例如长度为0.1mm～50mm、宽度为2mm～120mm的长边方向的形状。应变仪4例如也可以为直径为2～8mm的圆板状。应变仪4通过例如树脂制的粘接材料粘贴于作为测定对象的壳体2。应变仪4伴随壳体2的伸缩而内部的金属线伸缩，由此金属线的电阻值发生变化。通过测定该电阻的变化，能够测量壳体2的应变。应变仪4粘贴于壳体2中的筒状部22。
如图1所示，根据本公开的压电致动器10，应变仪4位于弯曲部221。由于筒状部221具有弯曲的弯曲部221，因此在弯曲部221中能够容易地积存粘接剂。因此，能够提高应变仪4与壳体2的粘接强度。其结果是，能够降低应变仪4从壳体2剥离的可能性。
另外，如图2所示，应变仪4也可以位于壳体2的外侧。在壳体2内部设置有应变仪4的情况下，将应变仪4粘贴于壳体2的粘接剂与氧发生反应，有可能产生成为压电元件1的短路的原因的水分。与此相对，通过应变仪4位于壳体2的外侧，能够降低产生成为短路的原因的水分的可能性。其结果是，能够提高压电元件1的耐久性。
需要说明的是，应变仪4不需要整体设置于弯曲部221，如图2所示，也可以从弯曲部221设置到直线状的部位。
另外，如图3所示，应变仪4也可以位于壳体2的内侧。在应变仪4位于壳体2的外部的情况下，存在由于外部环境而应变仪4的粘接剂氧化从而粘接性降低的担忧。与此相对，通过应变仪4位于壳体2的内侧，能够降低外部环境的影响。其结果是，能够抑制粘接性的降低。
在应变仪4位于壳体2的内侧的情况下，引线41也可以插通于底部21中的插通有引脚33的贯通孔。在该情况下，即使增加了应变仪4的数量，也不需要增加底部21的贯通孔的数量，因此能够在不使底部21的强度降低的情况下对应变仪4通电。
另外，如图4所示，也可以是，筒状部22为蛇腹状，应变仪4位于筒状部22中的蛇腹状的部位。在此，蛇腹状是指多个凸部或凹部的重复形状，但也可以具有直线状的部位。另外，蛇腹状也可以为在周向上设置有多个槽的形状。通过使筒状部22为蛇腹状，能够使在弯曲部221中产生的应力分散。因此，能够降低在驱动压电致动器10时施加于弯曲部221的应力。其结果是，能够提高压电致动器10的耐久性。
特别是，近年来，谋求在高温环境下使用压电致动器10。因此，有可能在长期使用中由于金属疲劳而蛇腹状的部位的伸缩行为局部发生变化。通过使应变仪4位于蛇腹状的部分，从而能够检测伸缩行为的局部变化。其结果是，能够提高压电致动器10的耐久性。
另外，如图4所示，应变仪4也可以位于弯曲部221中的凸面。应变仪4的曲率在壳体2伸长时增大，在壳体2收缩时减小。即，示出由于壳体2的伸缩而应变仪4自身弯曲的行为。因此，能够进行凸部的局部的应力计测。
另外，在图4～8中，为了容易理解性的优先，仅记载了应变仪4和筒状部22的一部分，并省略了引线41及粘接剂等其他构件。
另外，如图5所示，应变仪4也可以位于弯曲部221中的凹面。在该情况下，与位于弯曲部221中的凸面的情况相比，能够减小壳体2的外径或内径。因此，能够实现更小型的压电致动器10。特别是，在壳体2的内侧设置应变仪4的情况下，应变仪4位于弯曲部221中的凹面，由此能够降低压电元件1与应变仪4接触而发生短路的可能性。
而且，由于夹在壳体2中的凸面与凸面之间，因此应变仪4不容易从壳体2剥离。另外，在壳体2由于来自外部的应力而被极端地压缩了的情况下，应变仪4被凸部夹持，由此能够检测应变，因此能够事先抑制壳体2的破坏。另外，应变仪4的整体也可以在与压电元件1的长边方向垂直的方向上位于比凸部的顶部靠凹部侧的位置。
另外，如图6所示，应变仪4也可以位于弯曲部221中的从凸面到凹面的范围的位置。在该情况下，利用应变仪4能够检测蛇腹的凹凸的二分之一周期量的位移。因此，通过对检测出的位移的数值乘以蛇腹的数量的2倍，从而能够计算壳体2整体的位移。即，能够在不增加壳体2与应变仪4的粘接面积的情况下获知壳体2整体的位移，因此能够降低壳体2与应变仪4之间的应力，降低应变仪4从壳体2剥落的可能性。
另外，如图7所示，应变仪4也可以设置于从凸部至凸部的范围。由此，应变仪4自身成为弹簧形状，能够与元件同样地伸缩。因此，能够使应变仪4不易从壳体剥离。与此同时，由于在凸部、凹部、凸部这3处应变仪4局部地变形，因此能够使在应变仪4与壳体2的接合部中产生的应力分散。其结果是，能够降低应变仪4从壳体2剥落的可能性。另外，还能够检测在凸部与凹部的拐点处产生的剪切应力，因此检测灵敏度提高。
同样地，应变仪4也可以设置于从凹部至凹部的范围。在该情况下也能够得到与上文相同的效果。
另外，如图8所示，应变仪4也可以位于以压电元件1为中心而对称的位置。弯曲部221中的设置有应变仪4的部位存在应力容易集中的倾向，但即使阻碍了壳体2的变形，作为壳体2整体也能够对称地产生位移，因此能够使在壳体2中产生的应力分散。其结果是，能够提高压电致动器10的耐久性。
另外，如图9所示，应变仪4也可以是具有长边方向的板状的构件，且以长边方向与壳体2的周向重合的方式配置。由此，能够检测由于压电元件1的伸缩而产生的扭转方向的应力。
另外，应变仪4也可以设置于焊接部的附近。由此，能够检测原本不希望变形的焊接部的附近变形的情况。具体而言，如图9所示，应变仪4也可以位于多个弯曲部221中的最靠近焊接部的部位。
另外，通过附带多个应变仪4，能够检测壳体2的局部的经时变化，从而能够抑制压电致动器10的破坏。
另外，如图10所示，也可以是，在壳体2的表面设置有应变仪4，并且在压电元件1的侧面设置有第二应变仪5。由此，能够检测壳体2的变形，并且能够检测压电元件1的经时变化。因此，例如在压电元件1不变形而仅壳体2变形了的情况下，在由于压电元件发生了变形的影响而壳体2变形了的情况下，在设置于压电元件1的应变仪4以及设置于壳体2的第二应变仪5中的任一方剥落了的情况下，能够立即检测壳体2的变形。
特别是，在作为压电元件2不变形、仅壳体2变形的例子而壳体2的一部分因应力集中引起的金属疲劳而产生龟裂、破坏的情况下，通过将应变仪4设置于壳体2并且将第二应变仪5设置于压电元件1，从而能够在壳体2产生龟裂、破坏之前检测壳体2的异常以抑制致动器10的破坏。
附图标记说明：
10...压电致动器；
1...压电元件；
2...壳体；
21...底部；
22...筒状部；
221...弯曲部；
23...盖部；
31...引线；
32...焊料；
33...引脚；
34...软质玻璃；
4...应变仪；
41...引线；
5...第二应变仪。
Claims (9)
1.一种压电致动器，其中，
所述压电致动器具备：
压电元件，其具有长边方向；
壳体，其具有盖部、底部及筒状部，且在内部收容所述压电元件；以及
应变仪，其位于所述筒状部，
所述筒状部在所述长边方向上具有多个由于所述压电元件的伸缩而弯曲的弯曲部，
所述应变仪位于所述弯曲部。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，
所述应变仪位于所述壳体的内侧。
3.根据权利要求1所述的压电致动器，其中，
所述应变仪位于所述壳体的外侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压电致动器，其中，
所述筒状部呈蛇腹状，
所述应变仪位于所述筒状部中的蛇腹状的部位。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压电致动器，其中，
所述应变仪位于所述弯曲部中的凸面。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的压电致动器，其中，
所述应变仪位于所述弯曲部中的凹面。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的压电致动器，其中，
所述应变仪位于所述弯曲部中的从凸面至凹面的范围的位置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的压电致动器，其中，
所述应变仪在以所述压电元件为中心对称的位置设置有多个。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的压电致动器，其中，
所述压电致动器还具有第二应变仪，
该第二应变仪设置于所述压电元件的表面。
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