JP2021097521A

JP2021097521A - Piezoelectric actuator

Info

Publication number: JP2021097521A
Application number: JP2019227923A
Authority: JP
Inventors: 崇夫水内; Takao Mizuuchi
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2019-12-18
Publication date: 2021-06-24

Abstract

To provide a piezoelectric actuator with water repellency while keeping manufacturing costs low.SOLUTION: The piezoelectric actuator includes a piezoelectric element 2 and a water repellent agent 3 that is applied to an outer surface of the piezoelectric element 2 and covers the piezoelectric element 2. The water repellent agent 3 is composed of a gel-like substance having water repellency.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ピエゾ素子を動力源とするピエゾアクチュエータに関する。 The present invention relates to a piezo actuator powered by a piezo element.

ピエゾ素子は、湿度が高い環境で使用すると寿命が低下するものである。このようなピエゾ素子の寿命を長くするためには、例えば特許文献１に記載されているように、ピエゾ素子に撥水性をもたせることが考えられる。特許文献１には、ピエゾ素子を構成するセラミック粉末に撥水性の保護膜を設けるとともに、この保護膜の表面に、セラミック粉体と機高分子の馴染みの向上を図るカップリング剤からなるカップリング層とを設ける技術が開示されている。 The life of a piezo element is shortened when it is used in a high humidity environment. In order to prolong the life of such a piezo element, it is conceivable to give the piezo element water repellency, for example, as described in Patent Document 1. Patent Document 1 provides a water-repellent protective film on the ceramic powder constituting the piezo element, and on the surface of the protective film, a coupling composed of a coupling agent for improving the compatibility between the ceramic powder and the machine polymer. A technique for providing a layer is disclosed.

特開２００８−１９２６７１号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-192671

しかしながら、セラミック粉体に撥水性の保護膜やカップリング層を形成するためには相応の工程を経て作業をしなければならず、余計なコストを払わなければならない。このため、撥水性を有するピエゾアクチュエータを低いコストで製造することが要請されている。 However, in order to form a water-repellent protective film or a coupling layer on the ceramic powder, the work must be carried out through appropriate steps, and an extra cost must be paid. Therefore, it is required to manufacture a piezo actuator having water repellency at a low cost.

本発明の目的は、製造コストを低く抑えながら撥水性を有するピエゾアクチュエータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a piezo actuator having water repellency while keeping the manufacturing cost low.

この目的を達成するために、本発明に係るピエゾアクチュエータは、ピエゾ素子と、前記ピエゾ素子の外表面に塗布されて前記ピエゾ素子を覆う撥水剤とを備え、前記撥水剤は、撥水性を有するゲル状の物質によって構成されているものである。 In order to achieve this object, the piezo actuator according to the present invention includes a piezo element and a water repellent agent applied to the outer surface of the piezo element to cover the piezo element, and the water repellent agent is water repellent. It is composed of a gel-like substance having.

本発明は、前記ピエゾアクチュエータにおいて、さらに、前記ピエゾ素子の動作に伴って変位する変位部を有しかつ前記ピエゾ素子を囲む状態で前記変位部を支持する本体部を有するケースを備え、前記撥水剤は、前記ケースと前記ピエゾ素子との間に充填されているものである。 The present invention further comprises a case in which the piezo actuator has a displacement portion that is displaced according to the operation of the piezo element and a main body portion that supports the displacement portion while surrounding the piezo element. The liquid agent is filled between the case and the piezo element.

本発明は、前記ピエゾアクチュエータにおいて、前記ピエゾ素子は、多数の圧電材料が積層された積層型のピエゾ素子で、前記ケースの前記本体部は、前記ピエゾ素子の積層方向に延びる筒状に形成され、前記ケースの前記変位部は、前記本体部の両端部を閉塞し、前記本体部における前記積層方向の中間部に、前記積層方向とは交差する方向に延びるスリットを含むばね部が設けられ、前記撥水剤は、前記ピエゾ素子と前記ばね部との間を含めて前記本体部の中に充填されていてもよい。 In the present invention, in the piezo actuator, the piezo element is a laminated piezo element in which a large number of piezoelectric materials are laminated, and the main body of the case is formed in a tubular shape extending in the stacking direction of the piezo element. The displacement portion of the case closes both ends of the main body portion, and a spring portion including a slit extending in a direction intersecting the stacking direction is provided at an intermediate portion of the main body portion in the stacking direction. The water repellent may be filled in the main body portion including the space between the piezo element and the spring portion.

本発明は、前記ピエゾアクチュエータにおいて、前記ケースは、前記ピエゾ素子に接続されたリード線が導出されるリード線導出孔を有し、前記撥水剤は、前記ケース内を延びるリード線を含めて前記ピエゾ素子を覆っていてもよい。 In the present invention, in the piezo actuator, the case has a lead wire lead-out hole from which a lead wire connected to the piezo element is led out, and the water repellent agent includes a lead wire extending in the case. The piezo element may be covered.

本発明は、前記ピエゾアクチュエータにおいて、前記撥水剤は、シリコングリスまたはフッ素グリスによって構成されていてもよい。 In the present invention, in the piezo actuator, the water repellent may be composed of silicon grease or fluorine grease.

本発明においては、撥水剤が水分の浸入を阻止するから、ピエゾ素子周辺の湿度を低減し、寿命の向上を図る事が可能となる。撥水剤は、ゲル状の物質であるから、簡単にピエゾ素子に塗布して塗り拡げることができる。したがって、本発明によれば、製造コストを低く抑えながら撥水性を有するピエゾアクチュエータを提供することができる。 In the present invention, since the water repellent prevents the infiltration of water, it is possible to reduce the humidity around the piezo element and improve the life. Since the water repellent is a gel-like substance, it can be easily applied to the piezo element and spread. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a piezo actuator having water repellency while keeping the manufacturing cost low.

図１は、本発明に係るピエゾアクチュエータの概略の構成を示す横断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a piezo actuator according to the present invention. 図２は、ピエゾアクチュエータの具体的な構成を示す縦断面図である。FIG. 2 is a vertical cross-sectional view showing a specific configuration of the piezo actuator. 図３は、ピエゾアクチュエータの平面図である。FIG. 3 is a plan view of the piezo actuator. 図４は、ピエゾアクチュエータの横断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezo actuator.

以下、本発明に係るピエゾアクチュエータの一実施の形態を図１〜図４を参照して詳細に説明する。ここでは先ず、本発明に係るピエゾアクチュエータの概略の構成を図１を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the piezo actuator according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. Here, first, a schematic configuration of the piezo actuator according to the present invention will be described with reference to FIG.

（ピエゾアクチュエータの概略の構成の説明）
図１に示すピエゾアクチュエータ１は、図１の中央部に描かれているピエゾ素子２と、このピエゾ素子２を覆う撥水剤３とを備えている。
ピエゾ素子２は、多数の圧電材料２ａ（図１においては一つの圧電材料２ａのみが描かれている）が図１の紙面とは垂直な方向に積層された積層型のピエゾ素子である。以下においては、圧電材料２ａが積層されている方向を単に「積層方向」という。積層方向におけるピエゾ素子２の両端は、図１には図示してはいないが、被駆動部材に駆動力を伝達するために、剛体からなる連結部材に当接している。 (Explanation of the outline configuration of the piezo actuator)
The piezo actuator 1 shown in FIG. 1 includes a piezo element 2 drawn in the central portion of FIG. 1 and a water repellent 3 that covers the piezo element 2.
The piezo element 2 is a laminated type piezo element in which a large number of piezoelectric materials 2a (only one piezoelectric material 2a is drawn in FIG. 1) are laminated in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. In the following, the direction in which the piezoelectric material 2a is laminated is simply referred to as the “lamination direction”. Although not shown in FIG. 1, both ends of the piezo element 2 in the stacking direction are in contact with a connecting member made of a rigid body in order to transmit a driving force to the driven member.

撥水剤３は、ピエゾ素子２の外表面に塗布され、ピエゾ素子２の積層方向の両端を除いてピエゾ素子２を覆っている。この撥水剤３は、撥水性を有するゲル状の物質によって構成されている。このような物質としては、例えばシリコングリスやフッ素グリスなどがある。 The water repellent 3 is applied to the outer surface of the piezo element 2 and covers the piezo element 2 except for both ends in the stacking direction of the piezo element 2. The water repellent 3 is composed of a gel-like substance having water repellency. Examples of such substances include silicon grease and fluorine grease.

このように構成されたピエゾアクチュエータ１においては、撥水剤３が水分の浸入を阻止するから、ピエゾ素子２の周辺の湿度を低減し、寿命の向上を図る事が可能となる。撥水剤３は、ゲル状の物質であるから、簡単にピエゾ素子２に塗布して塗り拡げることができる。したがって、この実施の形態によれば、製造コストを低く抑えながら撥水性を有するピエゾアクチュエータを提供することができる。 In the piezo actuator 1 configured in this way, since the water repellent 3 prevents the ingress of water, it is possible to reduce the humidity around the piezo element 2 and improve the life. Since the water repellent 3 is a gel-like substance, it can be easily applied to the piezo element 2 and spread. Therefore, according to this embodiment, it is possible to provide a piezo actuator having water repellency while keeping the manufacturing cost low.

（ピエゾアクチュエータの具体的な実施の形態の説明）
次に、本発明に係るピエゾアクチュエータの具体的な実施の形態の一例を図２〜図４を用いて説明する。図２〜図４において、図１によって説明したものと同一もしくは同等の部材については、同一符号を付し詳細な説明を適宜省略する。図２においては、図４の破断位置をIV−IV線によって示してある。図３においては、図２の破断位置をII−II線によって示してある。 (Explanation of Specific Embodiment of Piezo Actuator)
Next, an example of a specific embodiment of the piezo actuator according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4. In FIGS. 2 to 4, the same or equivalent members as those described with reference to FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. In FIG. 2, the breaking position of FIG. 4 is shown by line IV-IV. In FIG. 3, the breaking position of FIG. 2 is shown by line II-II.

図２に示すピエゾアクチュエータ１１は、図２の上下方向がピエゾ素子２の積層方向となる棒状に形成されており、ピエゾ素子２を収容するケース１２を備えている。ケース１２は、ピエゾ素子２の積層方向に延びる筒状に形成されたシェル１３と、シェル１３の両端部を閉塞する一対のプラグ１４とを備えている。この実施の形態においては、シェル１３が請求項２記載の発明でいう「本体部」に相当し、一対のプラグ１４が請求項２記載の発明でいう「変位部」に相当する。シェル１３とプラグ１４は、それぞれ金属材料によって形成されている。 The piezo actuator 11 shown in FIG. 2 is formed in a rod shape in which the vertical direction of FIG. 2 is the stacking direction of the piezo elements 2, and includes a case 12 for accommodating the piezo elements 2. The case 12 includes a tubular shell 13 extending in the stacking direction of the piezo elements 2 and a pair of plugs 14 that close both ends of the shell 13. In this embodiment, the shell 13 corresponds to the "main body portion" in the invention according to claim 2, and the pair of plugs 14 corresponds to the "displacement portion" in the invention according to claim 2. The shell 13 and the plug 14 are each made of a metal material.

この実施の形態によるシェル１３は、ピエゾ素子２を囲む円筒状に形成されており、長手方向（ピエゾ素子２の積層方向）の両端部に雌ねじ１５がそれぞれ形成されているとともに、長手方向の中央部に複数のスリット１６からなるばね部１７と、貫通孔からなる複数のリード線導出孔１８とが設けられている。スリット１６は、図４に示すように、シェル１３の径方向の一方側から他方側に向かう方向（ピエゾ素子２の積層方向とは交差する方向）に延び、シェル１３の径方向の他方側が断面円弧状の残存部１９として残るように形成されている。 The shell 13 according to this embodiment is formed in a cylindrical shape surrounding the piezo element 2, and female threads 15 are formed at both ends in the longitudinal direction (lamination direction of the piezo elements 2), and the center in the longitudinal direction. A spring portion 17 composed of a plurality of slits 16 and a plurality of lead wire lead-out holes 18 composed of through holes are provided in the portion. As shown in FIG. 4, the slit 16 extends in a direction from one side in the radial direction of the shell 13 toward the other side (a direction intersecting the stacking direction of the piezo elements 2), and the other side in the radial direction of the shell 13 has a cross section. It is formed so as to remain as an arc-shaped remaining portion 19.

また、スリット１６は、図２に示すように、シェル１３の長手方向に所定の間隔をおいて並ぶ複数の位置に、径方向に延びる方向が交互に反転するように形成されている。このようにシェル１３に複数のスリット１６からなるばね部１７が設けられることによって、ばね部１７の弾性変形によりシェル１３の両端部が長手方向に変位できるようになる。 Further, as shown in FIG. 2, the slits 16 are formed so that the directions extending in the radial direction are alternately reversed at a plurality of positions arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction of the shell 13. By providing the shell 13 with the spring portion 17 composed of the plurality of slits 16 in this way, both ends of the shell 13 can be displaced in the longitudinal direction due to the elastic deformation of the spring portion 17.

プラグ１４は、図２および図３に示すように円柱状に形成されており、図２に示す組立状態においてピエゾ素子２の先端に当接している。プラグ１４の一端側には、シェル１３の雌ねじ１５に螺合する雄ねじ２１が形成されている。プラグ１４は、シェル１３内のピエゾ素子２に当接するまでシェル１３にねじ込まれてシェル１３に固定されている。すなわち、プラグ１４は、シェル１３にねじ込まれることによってシェル１３の両端部に支持されている。このため、ピエゾ素子２が動作することによって、プラグ１４がピエゾ素子２の動作に伴ってシェル１３の長手方向に変位する。 The plug 14 is formed in a columnar shape as shown in FIGS. 2 and 3, and is in contact with the tip of the piezo element 2 in the assembled state shown in FIG. A male screw 21 screwed into the female screw 15 of the shell 13 is formed on one end side of the plug 14. The plug 14 is screwed into the shell 13 and fixed to the shell 13 until it comes into contact with the piezo element 2 in the shell 13. That is, the plug 14 is supported at both ends of the shell 13 by being screwed into the shell 13. Therefore, when the piezo element 2 operates, the plug 14 is displaced in the longitudinal direction of the shell 13 along with the operation of the piezo element 2.

プラグ１４の他端部には、雄ねじ２１およびシェル１３より外径が大きいフランジ２２が形成されている。フランジ２２は、図２に示すように、プラグ１４がピエゾ素子２に当接した組立状態において、シェル１３の先端から所定の幅だけ離間するように形成されている。
ピエゾ素子２は、角柱状に形成されてシェル１３の中に収容されている。ピエゾ素子２の２本のリード線２３は、シェル１３のリード線導出孔１８を通してケース１２の外に導出されている。 At the other end of the plug 14, a male screw 21 and a flange 22 having a larger outer diameter than the shell 13 are formed. As shown in FIG. 2, the flange 22 is formed so as to be separated from the tip of the shell 13 by a predetermined width in an assembled state in which the plug 14 is in contact with the piezo element 2.
The piezo element 2 is formed in a prismatic shape and is housed in the shell 13. The two lead wires 23 of the piezo element 2 are led out of the case 12 through the lead wire lead-out holes 18 of the shell 13.

ピエゾ素子２とシェル１３の内周面との間には、シリコングリスやフッ素グリスなどからなる撥水剤３が充填されている。撥水剤３は、ピエゾ素子２とシェル１３のばね部１７との間を含めてシェル１３の中に充填されている。また、撥水剤３は、ケース１２内を延びるリード線２３を含めてピエゾ素子２を覆っている。 A water repellent 3 made of silicon grease, fluorine grease, or the like is filled between the piezo element 2 and the inner peripheral surface of the shell 13. The water repellent 3 is filled in the shell 13 including the space between the piezo element 2 and the spring portion 17 of the shell 13. Further, the water repellent 3 covers the piezo element 2 including the lead wire 23 extending in the case 12.

この実施の形態によるピエゾアクチュエータ１１は、ピエゾ素子２の動作に伴って変位するプラグ１４（変位部）と、ピエゾ素子２を囲む状態でプラグ１４を支持するシェル１３（本体部）とを有するケース１２を備えている。撥水剤３は、ケース１２とピエゾ素子２との間に充填されている。この実施の形態によれば、ケース１２とピエゾ素子２との間が撥水剤３で満たされるようにケース１２内に撥水剤３を注入することによって、ピエゾ素子２が撥水剤３で覆われるようになる。このため、撥水剤３の塗布量を正確かつ簡単に管理できるから、撥水性能の信頼性が高いピエゾアクチュエータを提供することができる。 The piezo actuator 11 according to this embodiment has a plug 14 (displacement portion) that is displaced by the operation of the piezo element 2 and a shell 13 (main body portion) that supports the plug 14 while surrounding the piezo element 2. It has twelve. The water repellent 3 is filled between the case 12 and the piezo element 2. According to this embodiment, the piezo element 2 is formed by the water repellent 3 by injecting the water repellent 3 into the case 12 so that the space between the case 12 and the piezo element 2 is filled with the water repellent 3. It will be covered. Therefore, since the amount of the water repellent 3 applied can be controlled accurately and easily, it is possible to provide a piezo actuator having high reliability of water repellency.

この実施の形態によるピエゾ素子２は、多数の圧電材料２ａが積層された積層型のピエゾ素子である。ケース１２のシェル１３は、ピエゾ素子２の積層方向に延びる筒状に形成されている。ケース１２のプラグ１４は、シェル１３の両端部を閉塞している。
シェル１３におけるピエゾ素子２の積層方向の中間部に、この積層方向とは交差する方向に延びるスリット１６を含むばね部１７が設けられている。撥水剤３は、ピエゾ素子２とばね部１７との間を含めてシェル１３の中に充填されている。
この実施の形態によれば、水分が浸入し易いスリット１６を撥水剤３で塞ぐことができ、水分がピエゾ素子２により一層到達し難くなるから、ケース１２がピエゾ素子２と一体に変位するピエゾアクチュエータ１１において、長寿命化を図ることができる。 The piezo element 2 according to this embodiment is a laminated type piezo element in which a large number of piezoelectric materials 2a are laminated. The shell 13 of the case 12 is formed in a tubular shape extending in the stacking direction of the piezo elements 2. The plug 14 of the case 12 closes both ends of the shell 13.
A spring portion 17 including a slit 16 extending in a direction intersecting the stacking direction is provided in the middle portion of the shell 13 in the stacking direction of the piezo elements 2. The water repellent 3 is filled in the shell 13 including the space between the piezo element 2 and the spring portion 17.
According to this embodiment, the slit 16 in which water easily enters can be closed with the water repellent agent 3, and the water is more difficult to reach by the piezo element 2, so that the case 12 is displaced integrally with the piezo element 2. The life of the piezo actuator 11 can be extended.

この実施の形態によるケース１２は、ピエゾ素子２に接続されたリード線２３が導出されるリード線導出孔１８を有している。撥水剤３は、ケース１２内を延びるリード線２３を含めてピエゾ素子２を覆っている。このため、リード線２３を伝ってケース１２内に浸入した水分は、撥水剤３によって遮られてピエゾ素子２には到達することができなくなる。更なる浸入を阻止される。このため、ピエゾ素子２のリード線２３がケース１２から導出されるピエゾアクチュエータ１１において、長寿命化を図ることができる。 The case 12 according to this embodiment has a lead wire lead-out hole 18 from which the lead wire 23 connected to the piezo element 2 is led out. The water repellent 3 covers the piezo element 2 including the lead wire 23 extending in the case 12. Therefore, the water that has entered the case 12 through the lead wire 23 is blocked by the water repellent agent 3 and cannot reach the piezo element 2. Further intrusion is blocked. Therefore, the life of the piezo actuator 11 in which the lead wire 23 of the piezo element 2 is led out from the case 12 can be extended.

上述した実施の形態においては撥水剤３としてシリコングリスやフッ素グリスなどを使用する例を示した。シリコングリスやフッ素グリスは、大量生産された既製品を使用することができる。このため、撥水剤３としてシリコングリスやフッ素グリスなどを使用することにより、ピエゾアクチュエータ１，１１の製造コストをより一層低く抑えることができる。 In the above-described embodiment, an example in which silicon grease, fluorine grease, or the like is used as the water repellent agent 3 is shown. As the silicon grease and the fluorine grease, mass-produced ready-made products can be used. Therefore, by using silicon grease, fluorine grease, or the like as the water repellent agent 3, the manufacturing cost of the piezo actuators 1 and 11 can be further suppressed.

上述した実施の形態においては筒状のシェル１３と両端のプラグ１４とからなるケース１２にピエゾ素子２が収容されたピエゾアクチュエータ１１に本発明を適用する場合の一例を示した。しかし、ケースの構造は、上述した構造に限定されることはなく、適宜変更することができる。 In the above-described embodiment, an example of applying the present invention to the piezo actuator 11 in which the piezo element 2 is housed in the case 12 including the tubular shell 13 and the plugs 14 at both ends is shown. However, the structure of the case is not limited to the above-mentioned structure and can be changed as appropriate.

１，１１…ピエゾアクチュエータ、２…ピエゾ素子、２ａ…圧電材料、３…撥水剤、１２…ケース、１３…シェル（本体部）、１４…プラグ（変位部）、１６…スリット、１７…ばね部、１８…リード線導出孔、２３…リード線。 1,11 ... Piezo actuator, 2 ... Piezo element, 2a ... Piezoelectric material, 3 ... Water repellent, 12 ... Case, 13 ... Shell (main body), 14 ... Plug (displacement), 16 ... Slit, 17 ... Spring Part, 18 ... Lead wire lead-out hole, 23 ... Lead wire.

Claims

Piezo element and
A water repellent that is applied to the outer surface of the piezo element to cover the piezo element is provided.
The water repellent is a piezo actuator characterized by being composed of a gel-like substance having water repellency.

In the piezo actuator according to claim 1,
Further, the present invention includes a case having a displacement portion that is displaced according to the operation of the piezo element and a main body portion that supports the displacement portion while surrounding the piezo element.
A piezo actuator characterized in that the water repellent is filled between the case and the piezo element.

In the piezo actuator according to claim 2.
The piezo element is a laminated type piezo element in which a large number of piezoelectric materials are laminated.
The main body of the case is formed in a tubular shape extending in the stacking direction of the piezo elements.
The displacement portion of the case closes both ends of the main body portion.
A spring portion including a slit extending in a direction intersecting the stacking direction is provided in the middle portion of the main body portion in the stacking direction.
A piezo actuator characterized in that the water repellent is filled in the main body portion including the space between the piezo element and the spring portion.

In the piezo actuator according to claim 2 or 3.
The case has a lead wire lead-out hole from which a lead wire connected to the piezo element is led out.
The water repellent is a piezo actuator that covers the piezo element including a lead wire extending in the case.

The piezo actuator according to any one of claims 1 to 4.
The water repellent is a piezo actuator characterized by being composed of silicon grease or fluorine grease.