JP2018007360A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばマスフローコントローラ、XYテーブルの精密位置決め装置等に用いられる圧電アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator used in, for example, a mass flow controller, an XY table precision positioning device, and the like.
圧電アクチュエータは、積層型圧電素子と、積層型圧電素子の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子を収容した金属ケースとを備え、金属ケースは、積層型圧電素子の下端に当接された基体と、基体の上面に接合された筒体とを含んでいる(例えば、特許文献1を参照)。また、筒体は、上下に延びる筒状部の下端に、封止性と接合強度を保つための鍔部が接続された構造になっている。そして、例えば、積層型圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、基体と鍔部とをレーザー溶接や抵抗溶接で接合することで作製される。 The piezoelectric actuator includes a multilayer piezoelectric element and a metal case that houses the multilayer piezoelectric element so that the upper end and the lower end of the multilayer piezoelectric element are in contact with the inner wall, and the metal case contacts the lower end of the multilayer piezoelectric element. It includes a base that is in contact with and a cylinder that is bonded to the upper surface of the base (see, for example, Patent Document 1). Further, the cylindrical body has a structure in which a collar portion for maintaining sealing performance and bonding strength is connected to a lower end of a cylindrical portion extending vertically. Then, for example, it is produced by joining the base body and the collar portion by laser welding or resistance welding in a state where a compressive load is applied to the multilayer piezoelectric element.
ここで、基体と鍔部とを溶接する際の基体と筒体(筒状部)との位置合わせのために、基体の上面に位置決め部が設けられる場合がある。 Here, there is a case where a positioning portion is provided on the upper surface of the base body in order to align the base body and the cylindrical body (tubular portion) when the base body and the flange portion are welded.
しかしながら、このような位置決め部を設けた場合、基体と鍔部とを溶接しようと通電した時に、位置決め部と筒体(筒状部)とが接触してしまい、鍔部以外の部位に溶接のための電流が分流し、溶接強度の低下が発生するおそれがある。その結果、長期間駆動すると圧電アクチュエータの変位量が低下するおそれもある。 However, when such a positioning part is provided, when the base and the collar part are energized to be welded, the positioning part and the cylindrical body (cylindrical part) come into contact with each other, and the parts other than the collar part are welded. For this reason, there is a possibility that the current will be shunted and the welding strength may be reduced. As a result, the displacement amount of the piezoelectric actuator may decrease when driven for a long time.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、長期間駆動しても安定した変位を持続させることの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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a piezoelectric actuator capable of maintaining a stable displacement even when driven for a long period of time.
本開示の圧電アクチュエータは、積層型圧電素子と、該積層型圧電素子の上端および下端が内壁に当接するように前記積層型圧電素子を収容した金属ケースとを備え、前記金属ケースは、前記積層型圧電素子の下端に当接された基体と、該基体の上面に接合された筒体とを含み、該筒体は、上下に延びる筒状部と、該筒状部の下端に接続された鍔部とを有し、前記基体の上面には、前記筒状部の内面に接するように位置決め部が設けられ、当該位置決め部における少なくとも前記筒状部との当接部が絶縁体からなることを特徴とする。 The piezoelectric actuator of the present disclosure includes a multilayer piezoelectric element, and a metal case that houses the multilayer piezoelectric element so that an upper end and a lower end of the multilayer piezoelectric element are in contact with an inner wall, and the metal case includes the multilayer piezoelectric element. Including a base that is in contact with the lower end of the piezoelectric element and a cylindrical body joined to the upper surface of the base, the cylindrical body being connected to the cylindrical part extending vertically and the lower end of the cylindrical part A positioning portion is provided on the upper surface of the base body so as to contact the inner surface of the cylindrical portion, and at least a contact portion of the positioning portion with the cylindrical portion is made of an insulator. It is characterized by.
本開示の圧電アクチュエータによれば、長期間駆動しても安定した変位を持続させることができる。 According to the piezoelectric actuator of the present disclosure, stable displacement can be maintained even when driven for a long time.
以下、本開示の圧電アクチュエータの実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the piezoelectric actuator of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.
図1は圧電アクチュエータの実施形態の一例の概略斜視図、図2は図1に示す圧電アクチュエータのA−A線で切断した概略断面図、図3(a)は図2に示す領域Bの一例の拡大断面図、図3(b)は図2に示す領域Bの一例の一部省略平面図、図4は図2に示す領域Bの一例の一部省略斜視図、図5は図2に示す積層型圧電素子の一例の概略斜視図である。 1 is a schematic perspective view of an example of an embodiment of a piezoelectric actuator, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric actuator shown in FIG. 1 cut along the line AA, and FIG. 3A is an example of a region B shown in FIG. 3B is a partially omitted plan view of an example of the region B shown in FIG. 2, FIG. 4 is a partially omitted perspective view of the example of the region B shown in FIG. 2, and FIG. It is a schematic perspective view of an example of the laminated piezoelectric element shown.
図1〜図4に示す圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1と、積層型圧電素子1の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子1を収容した金属ケース2とを備えている。そして、金属ケース2は、積層型圧電素子1の下端に当接された基体21と、基体21の上面に接合された筒体22とを含み、筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。さらに、基体21の上面には、筒状部221の内面に接するように位置決め部3が設けられ、当該位置決め部3における少なくとも筒状部221との当接部が絶縁体31からなる。
The
積層型圧電素子1は、図5に示すように、例えば圧電体層11と内部電極層12とが交互に複数積層された活性部と、活性部の積層方向の両端に積層された圧電体層11からなる不活性部とを有する積層体13を備えた積層型の圧電素子である。ここで、活性部は駆動時に圧電体層が積層方向に伸長または収縮する部位であり、不活性部は駆動時に圧電体層が積層方向に伸長または収縮しない部位である。
As shown in FIG. 5, the stacked
積層型圧電素子1を構成する積層体13は、例えば縦4〜7mm、横4〜7mm、高さ20〜50mm程度の直方体状に形成されている。なお、積層体13としては、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。
The
積層体13を構成する複数の圧電体層11は、圧電セラミックスからなり、当該圧電セラミックスは平均粒径が例えば1.6〜2.8μmに形成されたものである。圧電セラミックスとしては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(L
iTaO3)などを用いることができる。
The plurality of
iTaO 3 ) or the like can be used.
また、積層体13を構成する複数の内部電極層12は、例えば銀、銀−パラジウム、銀−白金、銅などの金属を主成分とするものである。例えば、正極と負極とがそれぞれ積層方向に交互に配置されている。積層体13の一つの側面に正極が引き出され、他の側面に負極が引き出されている。
Further, the plurality of
なお、積層体13には、応力を緩和するための層であって内部電極層として機能しない金属層等が含まれていてもよい。
The
そして、内部電極層12の正極または負極(もしくはグランド極)が引き出された積層体13の一対の側面には、それぞれ外部電極14が設けられ、引き出された内部電極層12と電気的に接続されている。外部電極14は、例えば銀およびガラスの焼結体からなるメタライズ層である。
The pair of side surfaces of the
一方、積層体13の対向する他の一対の側面には、内部電極層12の正極および負極(もしくはグランド極)の両極が露出しており、この側面には必要により酸化物からなる被覆層15が形成されている。被覆層15の形成により、駆動時に高電圧をかけた際に発生する両極間での沿面放電を防止することができる。この被覆層15を形成する酸化物としては、セラミック材料が挙げられ、特に、圧電アクチュエータ10を駆動した際の積層体13の駆動変形(伸縮)に追随でき、被覆層15が剥がれて沿面放電が生じるおそれのないように、応力によって変形可能な材料であることが好ましい。具体的には、応力が生じると局所的に相変態して体積変化して変形可能な部分安定化ジルコニア、Ln1−XSiXAlO3+0.5X(Lnは、Sn,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,TmおよびYbのうちから選ばれるいずれか少なくとも一種を示す。x=0.01〜0.3)などのセラミック材料、あるいは、生じた応力を緩和するように結晶格子内のイオン間距離が変化するチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料が挙げられる。この被覆層15は、例えばインク状にした後、ディッピングやスクリーン印刷によって積層体13の側面に塗布され、焼結することによって形成される。
On the other hand, both the positive electrode and the negative electrode (or the ground electrode) of the
また、圧電アクチュエータ10は、積層型圧電素子1の上端および下端が内壁に当接するように積層型圧電素子1を収容した金属ケース2を備えている。金属ケース2は、基体21と、基体21の上面に下端部が接合された筒体22と、筒体22の上端部に接合された蓋体23とを含んでいる。そして、基体21の上面に積層型圧電素子1の下端面が当接され、蓋体23の下面に積層型圧電素子1の上端面が当接されている。
The
基体21、筒体22および蓋体23は、例えばSUS304やSUS316Lなどの金属体からなるものである。
The
筒体22は、上下に延びる筒状部221と、筒状部221の下端に接続された鍔部222とを有している。この筒体22は、例えば、所定の形状でシームレス管を作製した後、圧延加工や静水圧プレスなどによりベロー(蛇腹)形状に形成されたものである。筒体22は、積層型圧電素子1に電圧を印加した際に積層型圧電素子1の伸縮に追従できるように、所定のバネ定数を有しており、厚み、溝形状および溝数によってそのバネ定数を調整している。例えば、筒体22の厚みは例えば0.1〜0.5mmとされる。筒体22の上下に延びる筒状部221から一端側開口(上端側開口)までは円筒状のものであるが、筒体22の他端側開口(下端側開口)は径方向外側に向かって広がるいわゆるラッパ状になっている。このように、筒体22の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体22が鍔部222を有する構造になっている。
The
また、基体21は円板状のもので、図に示す例では周縁部が他の部位よりも薄肉になっている。基体21の周縁部と筒体22の鍔部222とは、積層型圧電素子1に圧縮荷重がかかるようにして例えば溶接により接合されている。なお、基体21にはリードピン43を挿通可能な貫通孔が2つ形成されており、この貫通孔にリードピン43を挿通させている。そして、貫通孔の隙間には例えば軟質ガラス44が充填されていて、リードピン43が固定されている。リードピン43の先端にはリード線41が接続されているとともに、このリード線41がはんだ422で外部電極14に取り付けられていて、リードピン43およびリード線41を介して積層型圧電素子1に駆動電圧を印加するようになっている。
Moreover, the base |
蓋体23は外径が筒体22の一端側開口の内径と同じ程度に形成されたものである。筒体22の一端側開口から蓋体23が嵌め込まれ、筒体22の一端側開口の近傍(上端近傍)の内壁にその側面を例えば溶接により接合されている。
The
このとき、積層型圧電素子1に圧縮荷重をかけた状態で、筒体22の鍔部222と基体21との接合がなされている。
At this time, the
そして、図2〜図4に示すように、基体21の上面には、筒状部221の内面に接するように位置決め部3が設けられている。位置決め部3とは、基体21と鍔部222とを溶接する際の基体21と筒体22(筒状部221)との位置(基体21の上面に平行な方向の位置)を合わせるために設けられたものである。この位置決め部3は、金属ケース2を構成する基体21の上面における積層型圧電素子1と筒体22との間の領域に、積層型圧電素子1とは間隔をおいて積層型圧電素子1を取り囲むように設けられている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
さらに、位置決め部3は少なくとも筒状部221との当接部が絶縁体31である。このような構成とすることで、基体21と鍔部222との抵抗溶接時の電流が位置決め部3のほうに分流しなくなる。したがって、溶接強度が低下せず、長期間駆動しても安定した変位を持続させることができる圧電アクチュエータ10を実現できる。
Further, the
位置決め部3としては、図2〜図4に示すように積層型圧電素子1のまわりを一周連続して取り囲んだ平面視で環状の壁からなる構成とすることができる。ここで、図2〜図4に示す例における位置決め部3の厚み(基体21の半径方向に沿った幅)は、熱分布および小型化の観点から好ましくは、例えば0.1〜0.3mmに設定される。また、図2〜図4に示す例における位置決め部3の高さは、溶接時に発生するパーティクルの侵入を抑制したり筒体22の挿入性を向上させたりする観点から好ましくは、鍔部222の厚みよりも例えば0.5〜1.0mm高くなるように設定される。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
また、位置決め部3としては、図6に示すように積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された平面視で円弧状の複数の壁からなる構成であってもよく、図7に示すように積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された複数の細い柱状体からなる構成であってもよい。
Moreover, as the
ここで、絶縁体31としては、ポリイミド、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等の樹脂を用いることができる。筒状部221との当接部となる絶縁体31が樹脂からなることで、溶接時の金属ケース2の収縮を阻害しにくく、溶接時にかかる応力をより低減して溶接強度を強くすることができる。したがって、長期間駆動してもより安定した変位を持続させることができる。
Here, as the
なお、位置決め部3における少なくとも筒状部221との当接部が絶縁体31であるとは、位置決め部3の全体が絶縁体31からなる構成であってもよく、位置決め部3におけ
る筒状部221との当接部が絶縁体31で、非当接部(当接部から遠い反対側の部位)が金属体32からなる構成であってもよいことを意味する。図2〜図4、図6および図7では、位置決め部3の全体が絶縁体31からなる構成を示している。
In addition, the structure where the
これに対し、図8〜図16に示すように、位置決め部3は、基体21の上面に立設された金属体32と、金属体32の外面に設けられた絶縁体31とからなる構成とすることもできる。位置決め部3を内側の金属体32と、金属体32の外面に設けられた絶縁体31とからなる構成とすることで、溶接時の横ずれが低減され、精度よく基体21と鍔部222とを溶接することができ、長期間駆動してもより安定した変位を持続させることができる。
On the other hand, as shown in FIGS. 8 to 16, the
具体的には、位置決め部3として、図8〜図10に示すように、積層型圧電素子1と筒体22の筒状部221との間のほぼ全域にわたって基体21の上面が突出してなる構成とすることができる。なお、図8〜図10に示す構成は、位置決め部3の中央部に積層型圧電素子1の端部を挿入するような凹部を有するとともに、位置決め部3にリードピン43が挿通された一対の貫通孔を有する構成になっているものである。
Specifically, as shown in FIGS. 8 to 10, the
ここで、図8および図9に示すように、絶縁体31は金属体32の外面を覆っている構成とすることができる。ここでいう絶縁体31が金属体32の外面を覆っているとは、外周面(側面)の全面を覆っていることを意味している。図10に示すように、絶縁体31が金属体32の外周面の一部を覆っている構成であってもよいが、図8および図9に示すように、絶縁体31が金属体32の外周面の全面を覆っている構成とすることで、スパークなどにより分流経路が形成される可能性を低減することができる。
Here, as shown in FIGS. 8 and 9, the
また、位置決め部3として、図11に示すように積層型圧電素子1のまわりを一周連続して取り囲んだ平面視で絶縁体31および金属体32の2層構造の環状の壁からなる構成とすることができる。この場合の金属体32の平面視による厚みは例えば0.3〜1mm、絶縁体31の平面視による厚みは例えば0.05〜0.3mmに設定される。
Further, as shown in FIG. 11, the
また、図12に示すように、位置決め部3として、積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された平面視で円弧状の複数の壁からなる金属体32と、この金属体32の外側に一周連続して設けられた環状の壁からなる絶縁体31とを備えた構成であってもよい。また、図13に示すように、位置決め部3として、積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された複数の細い柱状体からなる金属体32と、この金属体32の外側に一周連続して設けられた環状の壁からなる絶縁体31とを備えた構成であってもよい。
Further, as shown in FIG. 12, as the
また、図14に示すように、位置決め部3として、積層型圧電素子1のまわりに周方向に配置された平面視で絶縁体31および金属体32の2層構造の円弧状の複数の壁からなる構成において、金属体32よりも絶縁体31のほうが周方向の幅が広くなっている構成とすることもできる。この構成によっても、スパークなどにより分流経路が形成される可能性を低減することができる。
Further, as shown in FIG. 14, as the
また、図15に示すように、金属体32の上面の高さよりも絶縁体31の上面の高さのほうが高い構成とすることができる。外側に配置された絶縁体31が内側の金属体31よりも背が高い構成とすることで、スパークなどにより分流経路が形成される可能性をより低減することができる。なお、絶縁体31の上面の高さは、金属体32の上面の高さよりも例えば0.03〜0.2mm高くなるように設定される。
Further, as shown in FIG. 15, the height of the upper surface of the
また、図16に示すように、金属体32の上面まで絶縁体31が覆っている構成とすることもできる。この構成により、スパークなどにより分流経路が形成される可能性をさら
に低減することができる。
Further, as shown in FIG. 16, the
また、図14〜図16に示すように、断面視において、金属体32の厚みよりも絶縁体31の厚み(基体21の半径方向に沿った厚み)のほうが薄い構成とすることができる。これにより、溶接時の絶縁体31からの熱引きがよくなり、小型で信頼性に優れたものとすることができる。例えば、金属体32の厚みが0.5mmの場合において、絶縁体31の厚みを金属体32の厚みの0.1〜0.6倍に設定することができる。
Further, as shown in FIGS. 14 to 16, the thickness of the insulator 31 (thickness along the radial direction of the base 21) can be made thinner than the thickness of the
また、図2〜図4、図8〜図13に示すように、位置決め部3が積層型圧電素子1を一周連続して取り囲んでいる構成とするのがよい。この構成により、熱の散逸効果が最も優れ、駆動の振動や外部からの衝撃から、基体21がねじれないように補強する役割も有する。
Moreover, as shown in FIGS. 2 to 4 and FIGS. 8 to 13, it is preferable that the
また、図2〜図4、図6、図7、図11〜図16に示すように、金属体32が積層型圧電素子1に接触しないように取り囲んでいる配置とすることで、基体21と鍔部222とを溶接する際に生じた熱の一部を、位置決め部3に逃がして当該位置決め部3から放熱させることができるので、より信頼性に優れた圧電アクチュエータ10とすることができる。
Further, as shown in FIGS. 2 to 4, 6, 7, and 11 to 16, the
次に、本実施形態にかかる圧電アクチュエータ10の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、圧電体層11となるセラミックグリーンシートを作製する。具体的には、圧電セラミックスの仮焼粉末と、アクリル系,ブチラール系等の有機高分子からなるバインダーと、可塑剤とを混合してセラミックスラリーを作製する。そして、周知のドクターブレード法、カレンダーロール法等のテープ成型法を用いることにより、このセラミックスラリーからセラミックグリーンシートを作製する。圧電セラミックスとしては、圧電特性を有するものであればよく、例えば、PbZrO3−PbTiO3からなるペロブスカイト型酸化物などを用いることができる。また、可塑剤としては、フタル酸ジブチル(DBP),フタル酸ジオクチル(DOP)などを用いることができる。
First, a ceramic green sheet to be the
次に、内部電極層12となる導電性ペーストを作製する。具体的には、銀−パラジウム合金の金属粉末にバインダーおよび可塑剤を添加混合することによって、導電性ペーストを作製する。この導電性ペーストを上記のセラミックグリーンシート上にスクリーン印刷法を用いて印刷し、次に、導電性ペーストが印刷されたセラミックグリーンシートを複数枚積層するとともに積層方向の両端部に導電性ペーストが印刷されていないセラミックグリーンシートを複数枚積層して積層成形体を得る。この積層成形体を所定の温度で脱バインダー処理した後、900〜1200℃で焼成することによって積層体13が得られる。
Next, a conductive paste to be the
次に、積層体13の側面のうち両内部電極層12(正極および負極)が導出された一対の側面に、酸化物のインクをスクリーン印刷によって印刷した後、900〜1200℃で焼成し、被覆層15を形成する。
Next, an oxide ink is printed by screen printing on a pair of side surfaces from which both internal electrode layers 12 (positive electrode and negative electrode) are led out of the side surfaces of the laminate 13, and then fired at 900 to 1200 °
酸化物のインクは、酸化物の粉体を溶剤、分散剤、可塑剤、及びバインダーの溶液に分散させた後、3本ロールを数回通すことにより、粉体の凝集を解砕するとともに、粉体を分散させて作製される。 The oxide ink disperses the powder of the oxide in a solution of a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a binder, and then pulverizes the powder by passing three rolls several times. It is produced by dispersing powder.
次に、メタライズ層から成る外部電極14を形成する。まず、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、内部電極層12の正極または負極が導出された積層体13の対向する一対の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理を行なう。これにより、メタライズ層から
成る外部電極14を形成して積層型圧電素子1が完成する。
Next, the
次に、外部電極14とリード線41を半田付けする。
Next, the
また、切削加工にて抵抗溶接用の環状部(図示せず)を形成するとともに、穴加工にて貫通孔を形成してなる基体21を用意する。ここで、位置決め部3が絶縁体31からなる場合は、絶縁体31からなる部材を接着剤により固定する方法、もしくは切削加工時に基体21に溝を形成して、当該溝へ圧入により絶縁体31を固定する方法等を用いて作製することができる。一方、位置決め部3が絶縁体31と金属体32とからなる場合は、切削加工にて金属体32部分を形成すると同時に基体21に溝を形成して、当該溝へ圧入により絶縁体31を固定する方法、もしくは金属体32の外面に絶縁体31を接着剤で固着する方法等を用いて作製することができる。
Moreover, while forming the annular part (not shown) for resistance welding by cutting, the base |
なお、位置決め部3を構成する金属体32は、基体21を切削加工して形成することの他、別部材(例えばリング状部材)を固着させて形成してもよい。
The
次に、この基体21に形成された2つの貫通孔にそれぞれリードピン43を挿通するとともに隙間に軟質ガラス44を充填して固定し、さらに基体21の上面に積層型圧電素子1の下端部を接着剤で接着する。そして、積層型圧電素子1の外部電極14に半田42にて半田付けしたリード線41と基体21に取り付けられたリードピン43とを半田で接続する。
Next, the lead pins 43 are inserted into the two through holes formed in the
次に、SUS304製のシームレスの円筒状の筒体22に圧延加工によりベロー形状を形成する。圧延加工時に金型形状を変更することにより、溝部の厚み、及び曲率半径の変更することができる。この筒体22の一端側(上端側)の開口を塞ぐようにSUS304製の蓋体23をレーザー溶接によって溶接する。なお、筒体22の他端側(下端側)には鍔部222が形成される。
Next, a bellows shape is formed on the seamless cylindrical
次に、筒体22を基体21に接着した積層型圧電素子1に被せ、所定の荷重で筒体を引張り、積層型圧電素子1に荷重を加える。この状態で、筒体22の鍔部222と基体21とを抵抗溶接によって溶接する。
Next, the
最後に、基体21に取り付けられたリードピン43に0.1〜3kV/mmの直流電界を印加し、積層体13を分極することによって、本実施形態の圧電アクチュエータが完成する。そして、リードピン43と外部電源とを接続して、圧電体層11に電圧を印加することにより、各圧電体層11を逆圧電効果によって大きく変位させることができる。
Finally, the piezoelectric actuator of this embodiment is completed by applying a DC electric field of 0.1 to 3 kV / mm to the lead pins 43 attached to the base 21 to polarize the laminate 13. Then, by connecting the
以上の製法により、本実施形態の圧電アクチュエータ10が得られる。
The
実施例としての圧電アクチュエータを以下のようにして作製した。 The piezoelectric actuator as an example was produced as follows.
まず、平均粒径が0.4μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO3−PbTiO3)を主成分とする圧電セラミックスの仮焼粉末、バインダー及び可塑剤を混合したセラミックスラリーを作製し、ドクターブレード法で厚み120μmの圧電体層となるセラミックグリーンシートを作製した。 First, a ceramic slurry is prepared by mixing a calcined powder of a piezoelectric ceramic mainly composed of lead zirconate titanate (PbZrO 3 —PbTiO 3 ) having an average particle size of 0.4 μm, a binder, and a plasticizer. A ceramic green sheet to be a piezoelectric layer having a thickness of 120 μm was prepared.
このセラミックグリーンシートの片面に、銀−パラジウム合金(銀95質量%−パラジウム5質量%)にバインダーを加えて作製した内部電極となる導電性ペーストを、スクリーン印刷法により印刷したセラミックグリーンシートを260枚積層し、その上下に導電
性ペーストなしのセラミックグリーンシートを各20枚積層した積層成形体を作製した。
On one side of this ceramic green sheet, 260 ceramic green sheets obtained by printing a conductive paste to be an internal electrode prepared by adding a binder to a silver-palladium alloy (silver 95% by mass-
次に、所定の大きさとなるようにダイシングソーマシンで積層成形体を切断した後、積層成形体を乾燥させ、焼成して積層体を作製した。焼成は、800℃の温度を90分保持した後、1000℃で200分間焼成した。積層体は直方体状であり、その大きさは、端面が縦5mm、横5mmであり、高さが35mmであった。 Next, after cutting the laminated molded body with a dicing saw machine so as to have a predetermined size, the laminated molded body was dried and fired to produce a laminated body. Firing was performed at 1000 ° C. for 200 minutes after holding a temperature of 800 ° C. for 90 minutes. The laminate had a rectangular parallelepiped shape, and the size thereof was 5 mm in length, 5 mm in width, and 35 mm in height.
次に、チタン酸ジルコン酸鉛を材料とするインクを作製し、それぞれ、被覆層の厚みが20μmとなるように、スクリーン印刷にて、内部電極層の両極が露出している積層体の側面に印刷し、その後、1000℃で焼成し、積層体の側面に被覆層を形成した。 Next, an ink made of lead zirconate titanate is prepared, and each of the internal electrode layers is exposed on the side surface of the laminate by screen printing so that the coating layer has a thickness of 20 μm. After printing, it was baked at 1000 ° C. to form a coating layer on the side surface of the laminate.
次に、銀粒子およびガラス粉末にバインダーを加えて銀ガラス含有導電性ペーストを作製し、これを積層体の側面にスクリーン印刷法によって印刷し、500〜800℃程度の温度で焼き付け処理して外部電極を形成した後、半田付けにて外部電極にリード線を接続した。 Next, a silver glass-containing conductive paste is prepared by adding a binder to silver particles and glass powder, and this is printed on the side surface of the laminate by a screen printing method and baked at a temperature of about 500 to 800 ° C. After forming the electrode, the lead wire was connected to the external electrode by soldering.
また、SUS304で円板状の基体を作製した。具体的には、切削にて位置決め部を構成する金属体と、溶接される部位となる環状部を設け、2箇所に貫通孔を形成した図2に示す形状の基体を作製した。そして、基体に形成された貫通孔に軟質ガラスでリードピンを取り付けた。なお、位置決め部を構成する金属体は、高さ1.0mm、厚み(基体の半径方向の幅)0.3mmのリング状とした。環状部は、高さ0.2mm、幅0.5mmの断面三角形状とした。 In addition, a disk-shaped substrate was made of SUS304. Specifically, a metal body constituting the positioning portion by cutting and an annular portion to be welded were provided, and a base body having a shape shown in FIG. 2 in which through holes were formed at two locations was produced. And the lead pin was attached to the through-hole formed in the base | substrate with soft glass. In addition, the metal body which comprises a positioning part was made into the ring shape of height 1.0mm and thickness (width of the radial direction of a base | substrate) 0.3mm. The annular portion had a triangular cross section with a height of 0.2 mm and a width of 0.5 mm.
そして、金属体の外側に絶縁体を設けた。絶縁体は厚み0.05mm、高さ1.5mmのポリイミドフィルムからなり、金属体の外面に接着剤で固定した。なお、ここで作製した位置決め部の形態は、図11に示す形態とした。 And the insulator was provided in the outer side of the metal body. The insulator was made of a polyimide film having a thickness of 0.05 mm and a height of 1.5 mm, and was fixed to the outer surface of the metal body with an adhesive. In addition, the form of the positioning part produced here was made into the form shown in FIG.
次に、基体の上面に積層体を接着剤で固定し、外部電極に半田付けしたリード線と基体に取り付けられたリードピンとを半田付けで接続した。 Next, the laminate was fixed to the upper surface of the base with an adhesive, and the lead wire soldered to the external electrode and the lead pin attached to the base were connected by soldering.
次に、SUS304で円板状の蓋体を作製した。 Next, a disk-shaped lid was made of SUS304.
また、SUS316L製の厚み0.15mmのシームレスの円筒に圧延加工によりベロー形状とラッパ状の下端部(鍔部)を形成した筒体を作製した。 Moreover, the cylindrical body which formed the bellows shape and the trumpet-shaped lower end part (ridge part) by rolling to the seamless cylinder made from SUS316L with a thickness of 0.15 mm was produced.
作製した筒体に蓋体を挿入し、筒体と蓋体を溶接した。そして、この溶接したものを、基体に接着した積層型圧電素子に被せ、所定の荷重で筒体を引張り、積層型圧電素子に荷重を印加した後、筒体と基体の環状部との当接部を抵抗溶接で溶接した。 The lid was inserted into the produced cylinder, and the cylinder and the lid were welded. Then, the welded material is placed on the laminated piezoelectric element bonded to the base, the cylinder is pulled with a predetermined load, the load is applied to the laminated piezoelectric element, and the cylindrical body and the annular portion of the base are brought into contact with each other. The parts were welded by resistance welding.
最後に、2本のリードピンに3kV/mmの直流電界を15分間印加して分極処理を行ない、実施例の圧電アクチュエータを作製した。 Finally, a 3 kV / mm DC electric field was applied to the two lead pins for 15 minutes for polarization treatment, and the piezoelectric actuator of the example was manufactured.
一方、比較例として、位置決め部が基体を切削加工してなる高さ1.0mm、厚み(基体の半径方向の幅)0.3mmのリング状の金属体からなる以外は上記と同様の構成の圧電アクチュエータを作製した。 On the other hand, as a comparative example, the positioning portion has the same configuration as described above except that the positioning portion is made of a ring-shaped metal body having a height of 1.0 mm and a thickness (width in the radial direction of the substrate) of 0.3 mm. A piezoelectric actuator was fabricated.
そして、実施例及び比較例のそれぞれの圧電アクチュエータについて、耐久試験前後の変位量を変位測定装置にて測定した。 And about each piezoelectric actuator of an Example and a comparative example, the displacement amount before and behind an endurance test was measured with the displacement measuring device.
まず、それぞれの圧電アクチュエータに200Vの直流電圧を印加して、初期変位量を
求めたところ、実施例および比較例の圧電アクチュエータはともに変位量が55μmであった。
First, a 200 V DC voltage was applied to each piezoelectric actuator to determine the initial displacement. The displacement of the piezoelectric actuators of the example and the comparative example were both 55 μm.
さらに、これらの圧電アクチュエータについて、室温で電圧200Vにて1000時間駆動し続ける耐久試験を行なった。その結果、実施例の圧電アクチュエータはほとんど変位量が変化しなかったのに対し、比較例の圧電アクチュエータは10%程度の変位量の低下がみられた。 Further, an endurance test was performed on these piezoelectric actuators, which continued to be driven at room temperature at a voltage of 200 V for 1000 hours. As a result, the displacement amount of the piezoelectric actuator of the example hardly changed, whereas the displacement amount of the piezoelectric actuator of the comparative example decreased by about 10%.
これにより、実施例の圧電アクチュエータのほうが変位量を長期間安定して得られることが確認された。 Thus, it was confirmed that the displacement amount of the piezoelectric actuator of the example can be obtained stably for a long period of time.
10・・・圧電アクチュエータ
1・・・積層型圧電素子
11・・・圧電体層
12・・・内部電極層
13・・・積層体
14・・・外部電極
15・・・被覆層
2・・・金属ケース
21・・・基体
22・・・筒体
221・・・筒状部
222・・・鍔部
23・・・蓋体
3・・・位置決め部
31・・・絶縁体
32・・・金属体
41・・・リード線
42・・・半田
43・・・リードピン
44・・・軟質ガラス
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