JP2018037450A

JP2018037450A - 圧電アクチュエータ

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Publication number: JP2018037450A
Application number: JP2016166972A
Authority: JP
Inventors: 英和真田; Hidekazu Sanada
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP6809845B2

Abstract

【課題】溶接部におけるクラックの進展を抑制し、所望の変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１と、圧電素子１を上下から挟むように内部に収容した、筒体２１および蓋体２２を有するケース２とを備え、筒体２１の一端側開口部から蓋体２２が挿入されて筒体２１と蓋体２２とが接合されている。そして、筒体２１は、上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部２１１を有し、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、傾斜部２１１の外表面に溝５０がある。【選択図】図４

Description

本開示は、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。

圧電素子と、圧電素子を上下から挟むように内部に収容した、筒体および蓋体を有する金属ケースとを備えた圧電アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。この圧電アクチュエータは、例えば、圧電素子に圧縮荷重を印加した状態で、筒体の上端近傍の内面を蓋体の側面にレーザー溶接や抵抗溶接で接合することで作製される。

特開２００５−１２４２７２号公報特開２０１２−１７４９４７号公報

このような圧電アクチュエータでは、駆動時の変位で溶接部に引張り応力が繰り返しかかる。

最近では、圧電素子の変位量を更に大きくすることが求められており、溶接部への負荷が大きくなっている。

ここで、金属ケースの溶接部が耐性限界に達すると、溶接部の表面にクラックが発生する。そのクラックが溶接部の内部に進展すると、圧電アクチュエータの変位量が変化する。最悪の場合、溶接部が破損するおそれもある。

本開示は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、溶接部におけるクラックの進展を抑制し、所望の変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

本開示の圧電アクチュエータは、圧電素子と、圧電素子を上下から挟むように内部に収容した、筒体および蓋体を有するケースとを備え、前記筒体の一端側開口部から前記蓋体が挿入されて前記筒体と前記蓋体とが接合されており、前記筒体は、上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部を有し、前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記傾斜部の外表面に溝があることを特徴とする。

本開示の圧電アクチュエータによれば、筒体の上端近傍に傾斜部があることから、この部位が撓みやすくなって溶接部にかかる応力を分散させ、低減させることができる。さらに、傾斜部の外表面に溝があることから、溝の口が開閉することで、溶接部にかかる応力を低減させることができる。したがって、所望の変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータを実現することができる。

圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図である。図１に示すＡ−Ａ線で切断した圧電アクチュエータの概略断面図である。図２に示す圧電素子の概略斜視図である。図２に示す領域Ｂの一例の拡大図である。図２に示す領域Ｂの他の例の拡大図である。図２に示す領域Ｂの他の例の拡大図である。図２に示す領域Ｂの他の例の拡大図である。図２に示す領域Ｂの他の例の拡大図である。図２に示す領域Ｂの他の例の拡大図である。

以下、本実施形態の圧電アクチュエータの例について図面を参照して説明する。

図１は圧電アクチュエータの一例を示す概略斜視図、図２は図１に示すＡ−Ａ線で切断した圧電アクチュエータの概略断面図、図３は図２に示す圧電素子の概略斜視図、図４は図２に示す領域Ｂの一例の拡大図である。

図１〜図４に示す圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１と、圧電素子１を上下から挟むように内部に収容した、筒体２１および蓋体２２を有するケース２とを備え、筒体２１の一端側開口部から蓋体２２が挿入されて筒体２１と蓋体２２とが接合されている。そして、筒体２１は、上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部２１１を有し、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、傾斜部２１１の外表面に溝５０がある。

圧電アクチュエータ１０を構成する圧電素子１は、図３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１１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１１が積層方向に伸長または収縮しない部位である。

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、図３に示す積層体１３は、四角柱形状であるが、例えば六角柱形状や八角柱形状などであってもよい。

積層体１３を構成する圧電体層１１は、圧電特性を有する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とされたものである。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（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）などを用いることができる。

また、積層体１３を構成する内部電極層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。この構成により、活性部において、積層方向に隣り合う内部電極層１２同士の間に挟まれた圧電体層１１に駆動電圧を印加することができる。

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。

そして、内部電極層１２の正極または負極が引き出された積層体１３の対向する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。

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の正極および負極の両極が露出しており、この側面には必要により絶縁体からなる被覆層１５が設けられている。被覆層１５を設けることにより、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となる絶縁体としては、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を用いることができる。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、Ｌｎ_１−ＸＳｉ_ＸＡｌＯ_{３＋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。

また、圧電アクチュエータ１０は、圧電素子１を上下から挟むように内部に収容したケース２を備えている。ケース２は、筒体２１および蓋体２２を有している。より具体的には、基体２３と、基体２３の上面に下端部が接合された筒体２１と、筒体２１の上端部に接合された蓋体２２とを含んでいる。そして、基体２３の上面に圧電素子１の下端面が当接され、蓋体２２の下面に圧電素子１の上端面が当接されている。

基体２３、筒体２１および蓋体２２は、例えばＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１６Ｌなどの金属からなるものである。

筒体２１は、上下に延びる円筒状部と、円筒状部の下端に接続された鍔部とを有している。この筒体２１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２１は、圧電素子１（積層体１３）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２１の厚みは例えば０．１〜０．５ｍｍとされる。また、筒体２１の直径は例えば５〜５０ｍｍとされる。

筒体２１の上下に延びる筒状部から一端側開口（上端側開口）までは円筒状のものであるが、筒体２１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２１の他端側開口がラッパ状になっていることで、筒体２１が鍔部を有する構造になっている。

また、蓋体２２は外径が筒体２１の一端側開口の内径と同じ程度にされたものである。この蓋体２２は、筒体２１の一端側開口から嵌め込まれ、筒体２１の一端側開口の近傍（上端近傍）の内壁にその側面（外周）を溶接により接合されている。ここで、図４に示すように、蓋体２２と筒体２１とが接合された領域を溶接部３とする。溶接により筒体２１を蓋体２２の側面に接合することで、高い接合強度を得ることができる。

また、基体２３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。そして、基体２３の周縁部と筒体２１の鍔部とは、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２３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。また、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４２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を介して圧電素子１に駆動電圧を印加するようになっている。

そして、図４に示すように、筒体２１は上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部２１１を有している。また、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、傾斜部２１１の外表面に溝５０がある。

筒体２１の上端近傍に傾斜部２１１があることから、この部位が撓みやすくなって溶接部にかかる応力を分散させ、低減させることができる。さらに、傾斜部２１１の外表面に溝５０があることから、溝５０の口が開閉することで、溶接部３にかかる応力を低減させることができる。したがって、所望の変位量を長期間安定して得られる圧電アクチュエータ１０を実現することができる。

なお、傾斜部２１１は、上端と上端近傍の外面との間の稜部を面取りするなどして予め加工されたものでもよく、筒体２１を蓋体２２に溶接することによって筒体２１の一部が溶けてなるものであってもよい。ここで、傾斜部２１１は、筒体２１の上端から、筒体２１の長手方向に沿って、溶接部３の長さと同じ程度かまたはこれよりも若干長い程度とされる。また、筒体２１を上下方向に切断した断面で見たときに傾斜部２１１が直線である場合において、筒体２１の上下方向に対する傾斜部２１１の傾斜角度θは、この部位における筒体２１の変形しやすさと強度とのバランスを考慮すると、例えば１５°〜４５°に設定される。

また、溝５０は、長さ（筒体２１の周方向に沿った方向の長さ）は例えば０．２〜５ｍｍで、その長さは筒体２１の周方向の長さの例えば１〜５％とされる。また、溝５０の開口部の最大幅（筒体２１の長手方向に沿った方向の距離）は、例えば０．０５〜１ｍｍとされる。

ここで、図５に示すように、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、傾斜部２１１は外側に向かって凸となるように丸みを帯びている構成とすることができる。この構成によれば、より溝５０に応力が加わって開閉しやすくなるため、所望の変位量をより長期間安定して得ることができる。

また、図６に示すように、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、溝５０と傾斜部２１１の外表面とのなす角度が４５度〜１３５度の範囲内である構成とすることができる。言い換えると、溝５０の開口部の幅の中央における傾斜部２１１の接線Ｔに対し、溝５０の深さ方向の向き（開口部の幅の中央と最も深い部位とを結ぶ線分の向き）が４５度〜１３５度の範囲内に位置している。さらに言い換えると、溝５０の深さ方向の向きが、接線Ｔに垂直な垂線Ｐを基準としてプラスマイナス４５度の範囲内にある。この範囲内であれば、溝５０の開口部を効果的に開閉させ、溶接部３の応力緩和に寄与させることができる。

また、図７に示すように、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、溝５０が曲がっている構成とすることができる。溝５０が、蓋体２２と筒体２１との境界に近づかないように、途中で向きを変えてある程度の深さを有する構成としたことで、溝５０の周辺の強度を十分に確保しつつ、溝５０の開口部を効果的に開閉させ、溶接部３の応力の分散に寄与することができる。なお、図では溝５０が下側に向かって折れ曲がっているが、溝５０の周辺の強度を十分に確保する点では、傾斜部２１１の厚みが薄くなっていく
上側よりも傾斜部２１１の厚みが厚くなっていく下側に折れ曲がっているのがよい。

さらに、図８に示すように、傾斜部２１１を上下方向に切断した断面で見たときに、溝５０が曲線状に曲がっている構成とすることができる。この構成によれば、溝５０の周辺の強度を十分に確保しつつ、直線状に折れ曲がっている構成に比べて溝５０の開口部をより大きく開閉させることができ、溶接部の応力の分散にさらに寄与することができる。

また、図９に示す例では、溶接部よりも下側で蓋体２２と筒体２１との間に隙間があり、溶接部の近傍における筒体２１の内面側の角部に溝５１がある。この構成によれば、さらに溶接部の応力を分散させることができる。

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。

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、ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３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。

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。

次に、必要により、積層体１３の側面のうち両内部電極層（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。なお、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。

次に、メタライズ層からなる外部電極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、メタライズ層からなる外部電極１４を形成して、圧電素子１が完成する。

次に、外部電極１４とリード線４１をはんだ付けする。また、穴加工にて貫通孔を形成してなる図２に示すような形状の基体２３（下側蓋体）を用意し、この基体２３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２３の上面に圧電素子１の下端を接着剤で接着する。そして、圧電素子１の外部電極１４にはんだ４２にてはんだ付けしたリード線４１と基体２３に取り付けられたリードピン４３とをはんだで接続する。

次に、例えばＳＵＳ３０４製のシームレスの円筒状の筒体２１に圧延加工によりベロー
形状を形成する。ここで、この筒体２１の一端側（上端側）は開口し、他端側（下端側）には鍔部が形成されている。また、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２１の一端側（上端側）の開口を塞ぐように、ＳＵＳ３０４製の蓋体２２を当該開口に嵌め込んで、例えばレーザー溶接によって溶接する。

ここで、図に示すような筒体２１が上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部２１１を有する構成とするには、例えば筒体２１上端のエッジ部をあらかじめ面取り加工しておく方法が挙げられる。また、筒体２１上端の斜め上方から筒体２１上端のエッジ部付近にレーザーの照準をあわせて照射し、溶接と同時に傾斜部２１１を形成してもよい。

そして、傾斜部２１１に溝５０を作るには、溶接した後に、ダイヤモンドディスクでスリット（切り込み）を入れる方法が挙げられる。

また、蓋体２２および筒体２１がＳＵＳ３０４製の場合において、１１００〜１７００℃程度の高温にて溶接した後、急激に冷却する方法を用いることもできる。通常１００〜５００℃／ｍｉｎの冷却速度で冷却するのに対し、ここでは冷却開始してから１００℃までの冷却速度を１００〜５００℃／ｓｅｃとして急激に冷却する。この高温状態から急激に冷却することにより、溝５０を生じさせることができる。

さらに、蓋体２２と筒体２１とを異なる金属材料からなる構成とし、溶接後に急激に冷却してもよい。異なる材料は熱膨張率が異なるので、両者が隣接または混ざり合った部分に冷却時に応力が集中しやすいことにより、溝５０を生じさせることができる。

次に、筒体２１および蓋体２２を基体２３に接着した圧電素子１に被せ、所定の荷重で筒体２１を引張り、圧電素子１に荷重を加える。この状態で、筒体２１の鍔部と基体２３とを例えば抵抗溶接によって溶接する。

最後に、基体２３に取り付けられたリードピン４２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１０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。

１０・・・圧電アクチュエータ
１・・・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・・・ケース
２１・・・筒体
２１１・・・傾斜部
２２・・・蓋体
２３・・・基体
３・・・溶接部
４１・・・リード線
４２・・・はんだ
４３・・・リードピン
４４・・・軟質ガラス
５０、５１・・・溝

Claims

圧電素子と、該圧電素子を上下から挟むように内部に収容した、筒体および蓋体を有するケースとを備え、前記筒体の一端側開口部から前記蓋体が挿入されて前記筒体と前記蓋体とが接合されており、前記筒体は、上端近傍の外面から上端にかけて内側に向かって傾斜した傾斜部を有し、前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記傾斜部の外表面に溝があることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記傾斜部は外側に向かって凸となるように丸みを帯びていることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記溝と前記傾斜部の外表面とのなす角度が４５度〜１３５度の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記溝が曲がっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記傾斜部を上下方向に切断した断面で見たときに、前記溝が曲線状に曲がっていることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。