JP2016042559A

JP2016042559A - 圧電アクチュエータユニット

Info

Publication number: JP2016042559A
Application number: JP2014166599A
Authority: JP
Inventors: 水野　哲也; Tetsuya Mizuno; 哲也水野; 和浩須摩; Kazuhiro Suma
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-03-31

Abstract

【課題】製造工程を簡素化して容易に製造することが可能な圧電アクチュエータユニットを提供する。【解決手段】複数の圧電素子１２を積層して形成される棒状の積層体１４と、積層体１４の積層方向の両端に設けられる一対の挟持部材１６、１６と、積層体１４及び一対の挟持部材１６、１６を収容するように樹脂モールド成形されたガイド部材１８とを有する。各圧電素子１２は、角部を面取りして形成される面取り部２４を有し、ガイド部材１８は、挟持部材１６と積層方向で重畳する鍔部３４と、隣接して積層された圧電素子１２の対向する面取り部２４間に形成される間隙を埋める延出部３６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の圧電素子が積層された積層体を備える圧電アクチュエータユニットに関する。

例えば、特許文献１には、複数の圧電素子が積層して形成された棒状の圧電積層体と、挟持部材と、圧電積層体の積層方向における伸縮を案内するガイド部材とを備える圧電アクチュエータユニットが開示されている。円筒状を呈するガイド部材の軸方向に沿った両端部には、内側に向かって突出し内壁に傾斜面を有する鍔部が設けられている。また、挟持部材の角部には、鍔部の傾斜面に当接する面取り面が形成されている。

圧電素子に電圧が印加されると、圧電積層体が積層方向に伸長し面取り面が傾斜面を押圧することで、ガイド部材が軸方向に沿って伸長すると共に、ガイド部材の側部が内側に撓んで圧電積層体の側部を押圧するように構成されている。

特開２０１２−１５６３６５号公報

ところで、特許文献１に開示された圧電アクチュエータユニットを製造した場合、ガイド部材の鍔部に対して所定角度を有する傾斜面を形成する必要があると共に、挟持部材の角部に対して所定角度を有する面取り面を形成する必要がある。さらに、鍔部の傾斜面の角度は、挟持部材の面取り面の角度よりも大きく設定する必要がある。

特許文献１に開示された圧電アクチュエータユニットでは、このような角度設定とその寸法管理によって製造工程が複雑になると共に、製造工数が増大する。

本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、製造工程を簡素化して容易に製造することが可能な圧電アクチュエータユニットを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、複数の圧電素子を積層して形成される棒状の積層体と、前記積層体の積層方向の両端に設けられる一対の挟持部材と、前記積層体及び前記一対の挟持部材を収容するガイド部材とを有し、積層方向に沿って変位する圧電アクチュエータユニットにおいて、前記各圧電素子は、角部を面取りして形成される面取り部を有し、前記ガイド部材は、前記一対の挟持部材と積層方向で重畳する鍔部と、隣接して積層された前記圧電素子の対向する面取り部間に形成される間隙を埋める延出部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ガイド部材は、鍔部と、圧電素子の対向する面取り部間に形成される間隙を埋める延出部とを備え、積層体及び一対の挟持部材を収容するように設けられている。これにより、各圧電素子に電圧が印加され積層体が積層方向に沿って伸縮動作すると共に、ガイド部材も積層方向に沿って追従して伸縮する。ガイド部材が圧電素子の積層方向に沿って伸縮しガイド部材の側部が内側に絞られて縮径することで、内部に収容された各圧電素子をガイド部材で常時保持することができ、圧電素子の横ずれや傾き動作（倒れ動作）を防止することができる。

また、本発明によれば、圧電素子の面取り部の隙間を埋めるように延出部が形成されているため、従来のような鍔部の傾斜面を加工する工程、挟持部材及び圧電素子の面取り面を加工する工程や角度管理等が不要となり、製造工程を簡素化して容易に製造することができる。

さらに、本発明によれば、圧電素子間の隙間が延出部によって埋められているため、圧電素子の面取り部（角部）を延出部によって保護することができると共に、例えば、圧電素子の傾動動作に対する片当たりによるクラックの発生を抑制することができる。

また、本発明は、前記ガイド部材が、前記積層体全体を被覆し、非導電性で弾性力を有するモールド樹脂によって形成されることを特徴とする。

本発明によれば、例えば、金型等を用いてガイド部材を樹脂モールド成形することで、ガイド部材を簡便且つ廉価に製造することができる。

本発明では、製造工程を簡素化して容易に製造することが可能な圧電アクチュエータユニットを得ることができる。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータユニットの軸方向に沿った縦断面図、（ｂ）は、（ａ）の矢印Ｙ方向から見た矢視縦断面図である。図１（ａ）の部分拡大縦断面図である。図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った拡大横断面図である。（ａ）は、積層体を構成する圧電素子の側面図、（ｂ）は、（ａ）に示す圧電素子の概略縦断面図である。積層体に対して電圧が印加されたときの圧電アクチュエータユニットの変位を示す模式断面図である。図５の部分拡大模式断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、分割金型を用いて積層体を樹脂材料でモールドする樹脂モールド成形の工程を示す説明図である。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１（ａ）は、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータユニットの軸方向に沿った縦断面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ｙ方向から見た矢視縦断面図、図２は、図１（ａ）の部分拡大縦断面図、図３は、図１（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った拡大横断面図である。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるように、圧電アクチュエータユニット１０は、複数の圧電素子１２が軸線Ｘ方向（軸方向）に沿って積層された棒状の積層体１４と、一対の挟持部材１６、１６と、積層体１４及び一対の挟持部材１６、１６等を収容するガイド部材１８とを備えて構成されている。

積層体１４は、略四角柱の棒状からなり、複数（例えば、５０個）の圧電素子１２が積層して構成されている。なお、図１（ａ）、（ｂ）では、８個の圧電素子１２を積層した状態を例示している。図１（ｂ）に示されるように、積層体１４の一側面、及び、この一側面と対向する反対側の他側面には、積層体１４の積層方向（軸線Ｘ方向）に沿って延在する一対の板状の外部電極２０、２０が取り付けられる。この外部電極２０、２０は、例えば、銅メッシュからなり、図示しない導電ペースト層を介して各圧電素子１２の側面に取り付けられる。

軸線Ｘ方向に沿った一対の外部電極２０、２０の上端には、それぞれ、電極端子２２の一端が取り付けられている。電極端子２２の他端は、ガイド部材１８を貫通してガイド部材１８の外部まで露呈し、外部電源Ｅ（図３参照）に接続されている。なお、積層体１４は、積層される圧電素子１２間に接着剤等が用いられることがなく、後記するようにモールド樹脂によって一体的に被覆して構成される。

図４（ａ）は、積層体を構成する圧電素子の側面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す圧電素子の概略縦断面図である。

圧電素子１２は、電圧が印加されることにより、積層方向（軸線Ｘ方向）に伸長する特性を有する。圧電素子１２は、略直方体状に形成されたセラミックスからなり、例えば、ＫＮａＮｂＯ_３等の無鉛圧電材料で形成されることが好ましい。

また、圧電素子１２は、図２〜図４に示されるように、四角柱の全ての角部が所定の曲率半径で面取りして形成された面取り部２４を有する。面取り部２４の形状は、単一の曲率半径からなる円弧部、又は、複数の曲率半径が組み合わされて構成される複合の円弧部のいずれであってもよい。なお、圧電素子１２は、従来から公知の積層セラミックコンデンサの製造設備を用いて製造される。

図４（ｂ）に示されるように、各圧電素子１２は、その内部に複数の内部電極２６を有する。内部電極２６は、例えば、白金（Ｐｔ）で形成されることが好ましい。この内部電極２６は、１層おきに、その一端が異なる外部電極２０に接続されている。一対の外部電極２０、２０を介して、これらの複数の内部電極２６のそれぞれに電圧が印加されることにより、内部電極２６間に介在する各セラミックス層に電位差が生じる。この電位差によって圧電素子１２が伸縮して変位し、この変位量に対応する荷重が発生する。

図１（ａ）、（ｂ）に戻って、一対の挟持部材１６，１６は、例えば、ＳＵＳ等の金属材料からなり、積層された複数の圧電素子１２を、その積層方向の両端から加圧挟持して圧縮荷重を付与するものである。各挟持部材１６は、それぞれ、面取り部２４を除いて圧電素子１２と略同一の断面形状を有する挟持本体部２８と、挟持本体部２８と一体的に連結された円柱状の突起部３０とから構成されている。

ガイド部材１８は、積層体１４全体を被覆し、非導電性（絶縁性）で弾性力を有するモールド樹脂によって形成されている。この非導電性で弾性力を有するモールド樹脂としては、例えば、ポリアミド系熱可塑性プラスチックが好ましい。なお、ガイド部材１８の材料は、ポリアミド系熱可塑性プラスチックに限定されるものではなく、積層体１４（圧電素子１２）とガイド部材１８の外部との間で絶縁性が確保されると共に、積層体１４に対して追従変位する弾性力を有するものであれば、他の樹脂材料であってもよい。

ガイド部材１８は、ガイド本体部３２と、鍔部３４と、延出部３６とを有する。ガイド本体部３２は、積層体１４の側面全体及び一対の挟持部材１６の挟持本体部２８の周面を被覆する略円筒状に形成されている。ガイド本体部３２の内部には、積層体１４の形状に対応する内部空間が形成されている。

鍔部３４は、ガイド本体部３２の軸方向の一端の周縁及び他端の周縁から内側（中心側）に入り込む略円板状の端壁からなり、積層方向からみて一対の挟持部材１６、１６の突起部３０を除いた挟持本体部２８と重畳するように設けられる。

図２に示されるように、延出部３６は、隣接して積層された圧電素子１２の面取り部２４間に形成される間隙３８を埋めるように設けられる。この延出部３６は、断面視において、ガイド本体部３２の内壁から軸線Ｘ方向に向かってそれぞれ鋭角状に突出する略三角形状に形成されている。面取り部２４間に形成される間隙３８は、外側で上下方向の離間幅が幅広となり、内側に向かうにつれて徐々に上下方向の離間幅が幅狭となるように形成されている。延出部３６は、間隙３８の形状に対応する形状で形成されている。

ガイド部材１８は、一対の挟持部材１６、１６を介して積層方向に沿って圧縮応力を付与しつつ、積層体１４を内部空間内に収容すると共に、積層体１４が積層方向に沿って伸縮する際の変位をガイドする機能を有する。

本実施形態に係る圧電アクチュエータユニット１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。

図５は、積層体に対して電圧が印加されたときの圧電アクチュエータユニットの変位を示す模式断面図、図６は、図５の部分拡大模式断面図である。

外部電源Ｅを介して積層体１４に対して電圧を印加する。積層体１４を構成する各圧電素子１２が印加されることで、圧電素子１２が積層方向（軸線Ｘ方向）に伸長すると共に、積層体１４（複数の圧電素子１２）をモールドするガイド部材１８も積層方向（軸線Ｘ方向）に追従して伸長する（図５の白抜き矢印参照）。

圧電素子１２の伸長作用により、軸線Ｘ方向の寸法は、印加前の寸法Ｔに対してΔＴだけ増大して寸法（Ｔ＋ΔＴ）となる（図５参照）。また、ガイド部材１８の軸線Ｘ方向に沿った寸法は、圧電素子１２の伸長作用に追従して増大すると共に、ガイド部材１８の外径寸法は、印加前と比較してガイド本体部３２が内径側に絞られて縮径する（図５の黒塗り矢印参照）。

本実施形態では、ガイド部材１８が、鍔部３４と、圧電素子１２の対向する面取り部２４間に形成される間隙３８を埋める延出部３６とを備え、積層体１４及び一対の挟持部材１６を収容するように設けられている。これにより、各圧電素子１２に電圧が印加され積層体１４が積層方向に沿って伸縮動作すると共に、ガイド部材１８も積層方向に沿って追従して伸縮する。ガイド部材１８が積層方向に沿って伸縮し略円筒状のガイド部本体３２（側部）が内側に絞られて縮径することで、内部に収容された各圧電素子１２をガイド部材１８で常時保持することができ、圧電素子１２の横ずれや傾き動作（倒れ動作）を防止することができる。

また、本実施形態では、圧電素子１２の面取り部２４の隙間３８を埋めるように延出部３６が形成されているため、従来のような鍔部の傾斜面を加工する工程、挟持部材及び圧電素子の面取り面を加工する工程や角度管理等が不要となり、製造工程を簡素化して容易に製造することができる。

さらに、本実施形態では、圧電素子１２間の隙間３８に対し延出部３６が充填されているため、圧電素子１２の面取り部２４（角部）を延出部３６によって保護することができると共に、例えば、圧電素子１２の傾動動作に対する片当たりによるクラックの発生を抑制することができる。

図７（ａ）〜（ｃ）は、分割金型を用いて積層体を樹脂材料でモールドする樹脂モールド成形の工程を示す説明図である。なお、複数の圧電素子１２は、予め一対の外部電極２０、２０を介して積層された状態にあるものとする。

図７（ａ）に示されるように、分割金型４０、４０に形成されたキャビティ４２内に、一対の挟持部材１６、１６によって上端及び下端が挟持された積層体１４を配置する。続いて、図７（ｂ）に示されるように、図示しない射出成形機を介して溶融樹脂をキャビティ４２内に充填する。溶融樹脂が固化した後、図７（ｃ）に示されるように、分割金型４０、４０を型開きすることで、積層体１４及び一対の挟持部材１６、１６が樹脂製のガイド部材１８によって被覆されたモールド樹脂成形品（圧電アクチュエータユニット１０）を得ることができる。

このように、本実施形態では、分割金型４０、４０を用いてガイド部材１８を樹脂モールド成形することで、ガイド部材１８を簡便且つ廉価に製造することができる。

また、本実施形態では、樹脂モールド成形された圧電アクチュエータユニット１０を図示しない他の部材に組み込んで軸方向に変位するアクチュエータとして用いる際、組み付け時に外部に露呈する電極端子２２に対して引張力等の外力が付与された場合であっても、電極端子２２がガイド部材１８であるモールド樹脂によって保持されているため、電極端子２２が外部電極２０から剥がれる（離脱する）ことを回避することができる。

換言すると、外部に露呈する電極端子２２に対して付与される、例えば、引張力等の外力を、電極端子２２を保持するモールド樹脂によって吸収することが可能となり、この外力が電極端子２２と外部電極２０との接合部位（溶接部位）に伝達されることを抑制することができる。

さらにまた、本実施形態では、ガイド部材１８が非導電性を有する樹脂で形成されているため、内部に収容される積層体１４と外部との絶縁性を確保することができると共に、棒状の積層体１４全体の剛性を向上させることができる。

１０圧電アクチュエータユニット
１２圧電素子
１４積層体
１６挟持部材
１８ガイド部材
２４面取り部
３４鍔部
３６延出部
３８隙間

Claims

複数の圧電素子を積層して形成される棒状の積層体と、前記積層体の積層方向の両端に設けられる一対の挟持部材と、前記積層体及び前記一対の挟持部材を収容するガイド部材とを有し、積層方向に沿って変位する圧電アクチュエータユニットにおいて、
前記各圧電素子は、角部を面取りして形成される面取り部を有し、
前記ガイド部材は、
前記一対の挟持部材と積層方向で重畳する鍔部と、
隣接して積層された前記圧電素子の対向する面取り部間に形成される間隙を埋める延出部と、
を備えることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
請求項１記載の圧電アクチュエータユニットにおいて、
前記ガイド部材は、前記積層体全体を被覆し、非導電性で弾性力を有するモールド樹脂によって形成されることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。