JP2015060982A - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】大径化させずにコンパクトな設計で、キャップに発生する応力を緩和し連続駆動してもキャップの破損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、複数の圧電素子１１０が直列に接続され、一端が固定された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の変位側の端部に設けられ、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を伝達する伝達体１３０と、側面に伸縮可能なベローズ部を有し、圧電アクチュエータ本体１０５および伝達体１３０を収容する金属製のキャップ１６０と、を備え、伝達体１３０は、キャップ１６０の閉端側に当接して収容され、キャップ１６０のベローズ部に対向する位置に小径部を有する。
【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。

積層型の圧電素子を多連化した圧電アクチュエータ本体に金属製のキャップを被せて封管することで、圧電アクチュエータが製造される。このような圧電アクチュエータでは、キャップの先端にダイヤフラムが形成される。圧電アクチュエータ本体の端部にはダイヤフラム内面に当接するように半球が設けられ、ダイヤフラムを変位させる。この半球は、圧電アクチュエータ本体の端部にてセラミックス製のシム板に接着され、シム板は圧電素子と接着されている。

これらの圧電アクチュエータは、連続駆動させることでダイヤフラムに亀裂が発生し、封管が保てなくなる場合がある。これに対し、特許文献１記載の圧電アクチュエータでは、側面に伸縮部を設けたキャップを用い、ダイヤフラムに発生する応力を伸縮部で緩和することで、疲労破壊を防止している。

特開平３−１７５６８３号公報

しかし、上記の伸縮部は、側面壁を内側へ入り込ませた溝形状のようなものであり、それを設けるためには、収容される圧電アクチュエータ本体とキャップの伸縮部とが接しないよう、各々の間に十分なクリアランスを確保する必要がある。そして、このようなクリアランスを確保しようとすると圧電アクチュエータが大径形状となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、大径化させずにコンパクトな設計で、キャップに発生する応力を緩和し連続駆動してもキャップの破損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、複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定された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変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、側面に伸縮可能なベローズ部を有し、前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容する金属製のキャップと、を備え、前記伝達体は、前記キャップの閉端側に当接して収容され、前記キャップのベローズ部に対向する位置に小径部を有することを特徴としている。

これにより、大径化させずにコンパクトな設計で、キャップに発生する応力をベローズ部で緩和し連続駆動してもキャップの破損を防止できる。その結果、キャップの先端部に発生する引張応力を緩和し、十分な耐久性が得られる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記小径部と前記ベローズ部との間は１ｍｍ以上空いていることを特徴としている。これにより、圧電アクチュエータの最大径を大きくせずに、キャップと圧電アクチュエータ本体との間に十分なクリアランスを確保でき、圧電アクチュエータをコンパクトにすることができる
（３）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記キャップの閉端側は、前記伝達体の変位に応じて変位するダイヤフラムとして形成されていることを特徴としている。これにより、キャップ先端に発生する引張応力を緩和し、十分な耐久性が得られる。

本発明によれば、大径化させずにコンパクトな設計で、キャップに発生する応力を緩和し連続駆動してもキャップの破損を防止できる。

本発明の圧電アクチュエータを示す断面図である。 比較例の圧電アクチュエータ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。

［圧電アクチュエータの構造］
図１は、圧電アクチュエータ１００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、伝達体１３０、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する。

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で構成されている。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。圧電アクチュエータ本体１０５は、一端に伝達体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。

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。座１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の一端を固定して支持しており、圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により伝達体１３０が変位する。

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、例えば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。

伝達体１３０は、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に設けられ、キャップ１６０の閉端側に当接して収容されて圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ１６０の先端に伝達する。伝達体１３０は、シム板１３１、小径部１３２および半球１３３を有している。

シム板１３１は、圧電アクチュエータ本体１０５の端面形状に一致する形状の板として形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の変位側の端部に接着されている。シム板１３１は、アルミナ等のセラミックスで形成されていることが好ましい。

小径部１３２は、圧電アクチュエータ本体１０５より小径に形成されており、キャップ１６０のベローズ部１６２に対向する位置において、シム板１３１上に接着されて設けられている。これにより、大径化させずにコンパクトな設計で、キャップ１６０に発生する応力をベローズ部１６２で緩和できるため、連続駆動してもキャップ１６０の破損を防止できる。小径部１３２は、円柱形状であってもよいし、矩形体であってもよい。小径部１３２は、ＳＵＳ等の剛性の強い金属で形成されていることが好ましい。

小径部１３２とベローズ部１６２との間は１ｍｍ以上空いていることが好ましい。これにより、圧電アクチュエータ１００の最大径を大きくすることなく、キャップ１６０と圧電アクチュエータ本体１０５との間に十分なクリアランスを確保でき、圧電アクチュエータ１００をコンパクトにすることができる。

なお、小径部１３２を長くすれば、それだけクリアランスの大きい部分も長くとることができ、よりベローズ部１６２を長く設けられる。ダイヤフラム１６１が設けられているキャップ１６０に、径方向の寸法を変化させずに伸縮機構としてベローズ部１６２を付加できる。その結果、ダイヤフラム１６１に発生する引張応力を緩和できる。

例えば、径寸法７〜１０ｍｍかつ５００〜７００万回でダイヤフラムが破損してしまうキャップに対して、ダイヤフラム１６１に発生する引張応力の２５〜３０％を緩和するようにベローズ部１６２を設けるのが有効である。その場合には、ダイヤフラム１６１は疲労限度１０００万回を超えても疲労破壊が起こらないほどの十分な耐久性を得られる。

また、上記の構成においては、半球１３３より接触面積の大きい小径部１３２を介して圧電素子１１０は予圧を受けるために、圧電素子１１０に発生する予圧起因の圧縮応力も広く分散させるという効果もある。

半球１３３は、例えば金属で形成され、小径部１３２上に接着されている。半球１３３は、キャップ１６０の閉端側のドーム形状部分の内面に当接しており、圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ１６０の先端部に伝えている。

キャップ１６０は、金属製であり、伝達体１３０および圧電アクチュエータ本体１０５に被さって、これらを収容した状態で座１４０に封止されている。キャップ１６０の先端部分（閉端側）には、ドーム形状を有するダイヤフラム１６１が形成されている。

ダイヤフラム１６１のドーム形状の部分には半球１３３が当接しており、伝達体の変位に応じて変位する。これにより、キャップ１６０の先端に発生する引張応力を緩和し、十分な耐久性が得られる。キャップ１６０の側面の直管部分は、円筒に形成されており、伸縮可能なベローズ部１６２を有している。キャップ１６０は、ＳＵＳ等の材質で形成されていることが望ましい。

座１４０は、概略円板状に形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の他端を支持する。座１４０は、キャップ１６０の開口端が接合される。座１４０には、外部から端子１５０が挿通されており、リード部材１２０は座１４０において端子１５０と接続している。

［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。そして、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、伝達体１３０を作製する。所定厚さのシム板１３１上に金属製の小径部１３２を接着する。小径部１３２の径はあらかじめキャップ１６０とのクリアランスを考慮して、設計、加工しておく。さらに、金属製の小径部１３２の上に半球１３３を接着する。このようにして得られた伝達体１３０のシム板１３１側を圧電アクチュエータ本体１０５の一端に接着する。

上記の圧電アクチュエータ本体１０５の他端側を座１４０に設置し、キャップ１６０を伝達体１３０および圧電アクチュエータ本体１０５に被せて封止する。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］
次に、圧電アクチュエータを設計してシミュレーションを行った。実施例として、図１に示す圧電アクチュエータ１００を用いた。また、比較例として、以下の通り図２に示す圧電アクチュエータ２００を用いた。

図２は、比較例の圧電アクチュエータ２００を示す断面図である。圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ本体２０５、伝達体２３０、座２４０およびキャップ２６０により構成される。

圧電アクチュエータ本体２０５は、互いに直列に連結された複数の圧電素子２１０およびリード部材２２０で構成されている。圧電アクチュエータ本体２０５は、一端に伝達体２３０を有し、他端は底部として座２４０に接着されている。圧電素子２１０は、圧電層と内部電極とが交互に積層され、側面には外部電極２１５が設けられている。リード部材２２０は、外部電極２１５に接着されるとともに、座２４０において一対の端子２５０に接続されている。

伝達体２３０は、シム板２３１および半球２３３を有しており、半球２３３は、シム板２３１上に接着されている。このように伝達体２３０は、小径部を有していない。キャップ２６０は、金属製であり、伝達体１３０および圧電アクチュエータ本体２０５に被さって、これらを収容した状態で座２４０に封止されている。キャップの先端部分（閉端側）には、ドーム形状を有するダイヤフラム２６１が形成されている。

以下の表は、実施例および比較例のいずれにも共通する条件を示している。

実施例においては、ベローズ部の各々の谷の深さｄ１を１．０ｍｍとし、比較例においては、ベローズ部の各々の谷の深さｄ２を０．２ｍｍとして、同じ変位を与えた。その結果、比較例では、ダイヤフラムの引張応力が６３０ＭＰａであったのに対し、実施例ではダイヤフラムの引張応力が４７０ＭＰａであった。このように、圧電アクチュエータ１００では、ダイヤフラムに生じる引張応力を低減できることが実証された。

次に、実際にこれらの形状のキャップを製作し、連続駆動試験を行ったところ、比較例のキャップは平均約５００万回で破損が見られたのに対し、実施例のキャップは１０００万回を超えても破損が見られなかった。

１００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１１０ 圧電素子
１１５ 外部電極
１２０ リード部材
１３０ 伝達体
１３１ シム板
１３２ 小径部
１３３ 半球
１４０ 座
１５０ 端子
１６０ キャップ
１６１ ダイヤフラム
１６２ ベローズ部
２００ 圧電アクチュエータ
２０５ 圧電アクチュエータ本体
２１０ 圧電素子
２１５ 外部電極
２２０ リード部材
２３０ 伝達体
２３１ シム板
２３３ 半球
２４０ 座
２５０ 端子
２６０ キャップ
２６１ ダイヤフラム

Claims (3)

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、
   複数の圧電素子が直列に接続され、一端が固定された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変位側の端部に設けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位を伝達する伝達体と、
   側面に伸縮可能なベローズ部を有し、前記圧電アクチュエータ本体および前記伝達体を収容する金属製のキャップと、を備え、
   前記伝達体は、前記キャップの閉端側に当接して収容され、前記キャップのベローズ部に対向する位置に小径部を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記小径部と前記ベローズ部との間は１ｍｍ以上空い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. 前記キャップの閉端側は、前記伝達体の変位に応じて変位するダイヤフラムとして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。
   
   

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