JP2014193035A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】キャップの熱膨張の抑制を図り、素子に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることを防止できる圧電アクチュエータを提供する。
【解決手段】電圧の印加により変位する圧電アクチュエータ１００であって、一端に半球１６７を有し、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ本体１０５と、圧電アクチュエータ本体１０５の他端を支持する座１４０と、それぞれ材料の異なる直管部分１６２と先端部分１６４とが接合されて形成され、圧電アクチュエータ本体１０５に被さって座１４０に封止され、半球１３０が当接するダイヤフラム１６７を有するキャップ１６０と、を備え、キャップの直管部分１６２は、熱膨張係数０×１０^-6／Ｋ以上６×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。

積層型圧電アクチュエータは、積層型圧電素子(以降、素子と称する)を多連化した圧電アクチュエータ本体に金属キャップ(以降、キャップと称する)を被せることで製造される。キャップは、その先端に変位によるキャップの疲労破壊を防ぐため、ダイヤフラムが設けられている。圧電アクチュエータ本体の先端には半球が接着されており、ダイヤフラムの内面に当接し、変位を外部へ伝える。

単に圧電アクチュエータ本体にキャップを被せただけの積層型圧電アクチュエータを高温下で使用する場合には、キャップが熱膨張して半球とダイヤフラム内面との間に隙間が生じ、変位が得られなくなる。そこで、従来、半球とダイヤフラム内面を接着することで、キャップが熱膨張した際にも半球とダイヤフラム内面との当接を保っている(特許文献１参照)。

特開平１１−２８４２４１号公報

しかし、上記のように半球とダイヤフラム内面を接着した構造の圧電アクチュエータでは、キャップが熱膨張した際にダイヤフラムが半球を介して素子に引張応力を発生させ、素子の絶縁破壊のおそれを高めてしまう。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の圧電アクチュエータ５００およびキャップ５６０を示す断面図である。図２（ａ）、（ｂ）に示すように、従来はキャップ５６０が同一の材料で一体に形成されており、ダイヤフラムの機能を重視した材料で全体が形成されているため、キャップ５６０は熱膨張の影響を受けやすい。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャップの熱膨張の抑制を図り、素子に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることを防止できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、一端に半球を有し、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の他端を支持する座と、それぞれ材料の異なる直管部分と先端部分とが接合されて形成され、前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止され、前記半球が当接するダイヤフラムを有するキャップと、を備え、前記キャップの直管部分は、熱膨張係数０×１０^-6／Ｋ以上６×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成されていることを特徴としている。

このように、本発明に係る圧電アクチュエータは、キャップの直管部分が低熱膨張材料で形成されているため、キャップの熱膨張を抑えられる。そのため、半球とダイヤフラム内面を接着しなくとも、半球とキャップ先端のダイヤフラムと当接を維持でき、圧電アクチュエータを構成する素子に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることがなくなる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップの直管部分が、インバー、スーパーインバー、４２アロイまたはコバールにより形成されていることを特徴としている。これにより、キャップの直管部分を低熱膨張な材料で形成することができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップの先端部分が、前記キャップの直管部分より連続駆動耐久性に優れた材料で形成されていることを特徴としている。これにより、キャップの直管部分の熱膨張を低く維持しつつ、先端部分の連続駆動耐久性を向上させることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップの先端部分が、ＳＵＳ３１６で形成されていることを特徴としている。これにより、キャップの先端部分の連続駆動耐久性を実現できる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記半球が、予圧が掛けられた状態で前記キャップのダイヤフラム部に当接することを特徴としている。これにより、半球とダイヤフラム内面を接着しなくとも、半球とキャップ先端のダイヤフラムとの当接を維持できる。

（６）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップの直管部分が、溶接により前記キャップの先端部分に接合されていることを特徴としている。これにより、キャップを封止した際の機密性を維持することができる。

本発明によれば、圧電アクチュエータにおいて、キャップの熱膨張の抑制を図り、素子に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることを防止できる。

（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の圧電アクチュエータおよびキャップを示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ従来の圧電アクチュエータおよびキャップを示す断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

（圧電アクチュエータの構造）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ１００およびキャップを示す断面図である。圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、座１４０およびキャップ１６０により構成され、電圧が印加されることで変位を伝えることができる。

圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１１０、リード部材１２０、半球１３０で構成されている。圧電アクチュエータ本体１０５は、一端に半球１３０を有し、他端は底部として座１４０に接着されており、多連化された圧電素子１１０に電圧が印加されることで伸縮する。座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の他端を支持しており、圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により半球１３０が変位する。

キャップ１６０は、それぞれ材料の異なる直管部分１６２と先端部分１６４とが接合されて形成され、圧電アクチュエータ本体１０５に被さって座に封止され、ドーム形状の部分に半球１３０が当接するダイヤフラム１６７を有する。直管部分１６２は、キャップ１６０の中央から底部にかけて円筒に形成されている。熱膨張係数０×１０^-6／Ｋ以上６×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成されている。

このように、圧電アクチュエータ１００は、キャップの直管部分１６２が低熱膨張材料で形成されているため、キャップ１６０の熱膨張を抑えられる。そのため、半球１３０とダイヤフラム１６７内面を接着しなくとも、半球１３０とキャップ先端のダイヤフラム１６７との当接を維持でき、圧電アクチュエータ１００を構成する圧電素子１１０に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることがなくなる。

キャップの直管部分１６２は、インバー、スーパーインバー、４２アロイまたはコバールにより形成されていることが好ましい。これにより、キャップの直管部分１６２を低熱膨張な材料で形成することができる。

一方、キャップの先端部分１６４は、ドーム形状を有するダイヤフラム１６７と直管部分１６４に連結される直管形状の部分とで形成されている。先端部分１６４は、直管部分１６２より連続駆動耐久性に優れた材料で形成されていることが好ましい。低熱膨張材で製作したダイヤフラム１６７は連続駆動耐久性に乏しい場合があるために、ダイヤフラム１６７には連続駆動耐久性に優れている別の材質を用いた方がよい。これにより、直管部分１６２の熱膨張を低く維持しつつ、先端部分１６４の連続駆動耐久性を向上させることができる。

特に、キャップの先端部分１６４は、ＳＵＳ３１６で形成されていることが好ましい。これにより、キャップの先端部分１６４の連続駆動耐久性を実現できる。ＳＵＳ３１６以外でも、ばね性が高く、疲労強度の大きい高強度材等が好ましい。なお、半球１３０とダイヤフラム１６７の内面との接着は行わない。

先端部分１６４は、ダイヤフラム１６７が十分に可動できるよう、ダイヤフラム１６７を形成するＲ寸法が保たれる位置を含むように形成されている。すなわち、先端部分１６４にも３ｍｍ程度の長さの直管形状の部分が設けられている。

図１（ｂ）に示すように、直管部分１６２は、溶接により先端部分１６４に接合されていることが好ましい。各部を作製し、各々を溶接して一体とする。これにより、キャップ１６０の連続駆動耐久性を維持しつつ、熱膨張を抑えられる。また、溶接するため、キャップ１６０を封止した際の機密性を維持できる。溶接の方法としては、突き当て溶接、ビード溶接、ろう付け等が挙げられる。

圧電アクチュエータ本体１０５は、リード部材１２０を介して外部電極１１５に電圧が印加されることで伸縮する。複数の圧電素子１１０は、圧電素子１１０同士が端面で接着されることで互いに直列（電圧印加による伸縮方向）に連結されている。

リード部材１２０は、金属製で板状に形成されており、圧電素子１１０の両側面に形成された外部電極１１５に接着されている。一対のリード部材１２０は、座１４０において一対の端子１５０に接続されている。

圧電素子１１０は、圧電層と内部電極とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面には内部電極に接続された外部電極１１５が設けられている。圧電層は、たとえばＰＺＴ等の圧電材料で構成されている。内部電極は、Ａｇ−Ｐｄ等で構成されている。

（圧電アクチュエータの製造方法）
まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。具体的には、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇやＡｇ−Ｐｄ等の電極ペーストを印刷して積層、圧着し、焼成する。次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極に接続された外部電極１１５を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１５を形成できる。

得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。最後に、金属製で板状のリード部材１２０を、外部電極１１５に固着させて、多連化した圧電アクチュエータ本体１０５を作製できる。

一方、キャップの先端部分１６４および直管部分１６２をそれぞれ作製しておく。キャップの先端部分１６４は、連続駆動耐久性に優れたＳＵＳ３１６等の材料を用い、端面にはドーム形状を有するダイヤフラム１６７を形成し、ダイヤフラム１６７を形成するＲ寸法が保たれる程度に直管形状の部分を残しておく。直管部分１６２としては、インバー等の低熱膨張材で先端部分の直管形状の部分と同じ径で円筒状に作製する。そして、それらの先端部分１６４および直管部分１６２を溶接し、一体のキャップ１６０を作製しておく。

上記の圧電アクチュエータ本体１０５を座１４０に設置し、キャップ１６０を被せて封止する。その際には、ダイヤフラム１６７の内面と半球１３０とを接着剤等で接着することなく、当接させる。リード部材１２０は、座１４０に挿通された端子１５０を介して外部と電気的に接続する。このようにして、圧電アクチュエータ１００を作製することができる。

（実施例、比較例）
キャップの直管部分および先端部分を一体でＳＵＳ３１６Ｌ（１０００万回の連続駆動耐久性を有するもの）で作製した（比較例）。寸法は、キャップの全長を１２４ｍｍ、キャップ径φ１１．４ｍｍに設計した。このようなキャップを２５０℃下に投入したところ、キャップの熱膨張量は約５００μｍとなった。

一方、長さ１１９ｍｍの直管部分をインバーで作製し、長さ５ｍｍの先端部分をＳＵＳ３１６Ｌで作製して、これらを溶接し、同じ寸法（全長１２４ｍｍ、径φ１１．４ｍｍ）のキャップを作製した（実施例）。このキャップを２５０℃下に投入した。この場合には、キャップの熱膨張量が約５０μｍまで低減した。そして、半球とダイヤフラム内面との接着を行う必要がないため、素子への引張応力も生じなかった。また、先端部分の材質は１０００万回の連続駆動耐久性を有するＳＵＳ３１６Ｌであるために、連続駆動によるダイヤフラムの破損も起こらなかった。このように、実施例では、キャップの熱膨張を抑制できた。圧電素子に引張応力を発生させたり、絶縁破壊させたりすることもなかった。

１００ 圧電アクチュエータ
１１０ 圧電素子
１１５ 外部電極
１２０ リード部材
１３０ 半球
１４０ 座
１５０ 端子
１６０ キャップ
１６２ 直管部分
１６４ 先端部分
１６７ ダイヤフラム

Claims (6)

1. 電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
   一端に半球を有し、電圧の印加により伸縮する圧電アクチュエータ本体と、
   前記圧電アクチュエータ本体の他端を支持する座と、
   それぞれ材料の異なる直管部分と先端部分とが接合されて形成され、前記圧電アクチュエータ本体に被さって前記座に封止され、前記半球が当接するダイヤフラムを有するキャップと、を備え、
   前記キャップの直管部分は、熱膨張係数０×１０^-6／Ｋ以上６×１０^-6／Ｋ以下の低熱膨張材で形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記キャップの直管部分は、インバー、スーパーインバー、４２アロイまたはコバールにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記キャップの先端部分は、前記キャップの直管部分より連続駆動耐久性に優れた材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記キャップの先端部分は、ＳＵＳ３１６で形成されていることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記半球は、予圧が掛けられた状態で前記キャップのダイヤフラム部に当接することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記キャップの直管部分は、溶接により前記キャップの先端部分に接合されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
   

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